液氢技术，以其高储氢密度和低压力存储的显著优势，成为当前储氢技术的主流趋势之一。随着航空航天、粉末冶金及电子技术的飞跃，液氢生产设备的能力显著提升，单台设备日产量可达30至40吨，且单位产品能耗显著降低至10千瓦时/千克，体现了技术进步带来的效率提升。

为应对国内对液氢日益增长的需求，并推动实现大型化、高产量的氢液化器自主研制，结合国内实际需求，初步构建了5吨/天氢液化器低温制冷系统的流程设计方案，并建立了相应的仿真模拟平台。通过对关键部件数学模型的精细分析，明确了系统各关键环节的压力、温度、流量等参数，进一步确定了关键部件的规格标准，旨在为大型氢液化器的流程设计与优化工作提供坚实的理论支撑与实践指导。

1 氢液化器流程设计

在氢液化的低温制冷技术领域中，Brayton 循环与 Claude 循环构成了两大核心体系。当前，全球范围内广泛应用的氢液化系统普遍依赖于液氮预冷技术，而其他潜在的预冷方法虽展现出理论潜力，为未来超大型及高效氢液化器的研发奠定了理论基础，但尚未有实际运行的成功案例见诸报道。针对小型氢液化系统（产能不超过3吨/天），氦作为工作介质的Brayton循环占据主导地位；而对于中型系统（产能范围在2至50吨/天之间），则普遍采用以氢气为工质的Claude循环，其理论上的单位能耗介于7.5至12千瓦时/千克液氢之间。尽管中小型氢液化器已研发成功并投入市场使用，但液氮预冷过程中导致的显著能量损失限制了系统整体性能的进一步提升。

展望未来，对于设计产能超过50吨/天的超大型氢液化器，为了显著减少预冷阶段的有用能损失，优化预冷方式成为研究重点，旨在将单位能耗降低至6至7.5千瓦时/千克液氢，并提升系统有用能效率至50%以上。鉴于本项目设定的氢液化设计产能需达到或超过5.5吨/天，因此决定采用以氢气为制冷介质的Claude循环，并结合液氮预冷技术。

借鉴中小型氢液化器的成熟流程，本项目拟定的氢制冷循环集成了液氮预冷、两级透平膨胀（每级配备两台透平机）的Claude制冷循环架构。特别地，为遏制正仲氢转化过程中产生的热量对液氢储罐内液氢的蒸发影响，流程中在制冷机的不同温度区间增设了正仲氢催化转化环节。因此，整个流程细分为液氮预冷、正仲氢催化转化、气体膨胀制冷及节流制冷四大阶段，具体流程设计如图1所示。

为了最大限度地减小液氮与换热器之间的热量交换温差，本流程创新性地采用了分级预冷策略：液氮进入冷箱后，首先冷却液氮级的等温OP转换器，并有效移除其产生的热量；随后，经气液分离器处理的液态氮进一步冷却第二级换热器，而分离出的氮蒸汽则与OP转换过程中产生的热量所转化的蒸汽混合，共同进入第一级换热器。这一精心设计的分级预冷机制显著降低了第一级换热器的换热温差，从而有效减少了系统的不可逆能量损失。

图 1 5t/d 氢液化器流程 PFD 图

2 氢液化器的参数优化原则

当前，氢液化装置的设计流程已趋于完善，其优化的核心焦点已转向如何最大限度地降低系统内部的不可逆能量损失。在继续沿用分级预冷策略以优化换热效率的基础上，本项目进一步聚焦于几个关键方面的优化措施，以期在维持换热器换热温差稳定的同时，实现系统性能的提升。具体而言，我们致力于调整冷热气流成分的组成曲线，确保两者在换热过程中能够高度匹配，从而有效减小沿程换热温差，减少换热环节中的不可逆能量损失。此外，鉴于低温环境下换热器有用能损失更为显著的特性，我们特别关注于优化换热器的温度分布，确保最小温差出现在换热器的低温区域，并随着温度的升高而逐渐放大温差，以此策略来进一步降低有用能损失，提升整个氢液化系统的能效表现。 

3 总结

本文提出氢液化装置流程成熟，优化重点在于降低不可逆损失。通过分级预冷、优化冷热气流匹配及换热器温差分布，减少换热温差和不可逆损失，提升系统能效。

针对不同应用场景，航烨能源可能提供定制化的氢能解决方案，包括氢能供应、储能、转换及应用系统，助力各行业实现绿色低碳转型。