利用Aspen HYSYS这一先进的流程模拟软件，研究人员不仅成功模拟了全工艺过程，还借助粒子群优化算法进行了深入优化。结果显示，经过精心设计的工艺方案，其单位质量氢液化的能耗显著降低至5.263 kW·h/kg，同时㶲效率提升至令人瞩目的58.18%，这一表现超越了多数现有的氢液化技术体系。

天然气，凭借其绿色低碳、安全高效的独特优势，无可争议地成为我国能源结构转型过程中的首选过渡能源，其中液化天然气（LNG）更是构成了我国天然气供应体系的核心。在探索新能源的征途中，氢能以其广泛的资源基础、清洁无污染的特质，作为二次能源在全球能源变革中扮演着举足轻重的角色，并预示着极为广阔的应用空间。然而，氢气因其低密度特性，在大规模储存与运输方面遭遇了显著挑战。为此，液氢（简称“LH2”）凭借其卓越的能量密度与高效的运输性能，脱颖而出成为解决氢气规模化储运难题的关键方案，同时在工业制造与军事科技等前沿领域展现出极为诱人的应用潜力。

1 LNG预冷的新型氢液化工艺

本文聚焦于设计并优化一种结构精简、能耗低廉且效率卓越的LNG预冷新型氢液化工艺。基于ZHANG等的研究成果，我们认识到混合制冷剂在制冷流程中的应用对于降低能耗、提升工艺效能具有显著效果。因此，本研究以文献所述的双混合制冷剂流程为蓝本，通过创新改造，提出了全新的工艺流程。此流程创造性地将LNG冷能引入预冷阶段，替代了原流程中复杂的预冷系统，从而简化了整体结构，如图1清晰展示。新工艺由三大核心部分组成：LNG冷能预冷区、混合制冷剂深冷循环区以及氢气膨胀制冷与液化区。在预冷阶段，我们精心选取了表1所列示的LNG组分，以最大化利用LNG的低温能量，为后续的氢液化过程奠定坚实基础。

图1 LNG预冷的新型氢液化工艺流程

氢分子因其独特的核自旋特性展现出两种自旋异构体：正氢与仲氢。正氢，表现为高能态下核自旋的平行排列，而仲氢则以其低能态下的核自旋反平行排列为特征。在常温常态下，氢气自然形成了一种混合状态，其中正氢约占75%，仲氢占剩余的25%。由于正氢的能量状态高于仲氢，随着环境温度的下降，正氢会倾向于自发地转变为仲氢，此过程伴随热量的释放。

值得注意的是，若液态氢中正氢比例过高，其转化过程中释放的热量会显著促进液氢的蒸发，这对液氢的储存和应用是不利的。因此，工业上通常要求液氢产品中的仲氢含量（以物质的量计）需达到95%以上以确保其稳定性。

然而，正仲氢之间的自发转化速率相对缓慢，难以满足高效生产的需求。为加速这一过程，氢液化工艺中引入了正仲氢转换器，并通过多级转换策略来优化效率。本文具体采用了三级转换方案，即在每两个换热器的间隔中部署一个正仲氢转换器。这种设计使得进入系统的氢气在连续被制冷剂冷却的同时，也能在各级转换器中逐步完成从正氢到仲氢的转变，从而维持一个接近理想平衡的状态。经过这样三个阶段的高效转换，最终产品中仲氢的含量能够显著提升至96.48%，既满足了工业应用的高标准，也有效降低了整个工艺过程的能耗。

图2　正氢与仲氢的分子结构

2　氢液化工艺优化结果分析

图3直观地展示了基础模型与经过PSO算法优化后模型在系统用能方面的显著对比。显然，深冷循环作为能耗大头，占据了系统总能耗的85%以上，因此，其优化对于提升整体能效至关重要。PSO算法的应用带来了显著的能效提升，具体表现为：预冷阶段能耗减少了5.4%，深冷阶段更是实现了12.4%的能耗削减。这一优化使得系统总能耗从原先的73966.08 kW下降至65372.51 kW，比能耗也随之从5.955 kW·h/kg降低到5.263 kW·h/kg，实现了11.6%的节能效果。同时，系统的性能系数（COP）从0.2212提升至0.2503，标志着冷能利用率与系统运行效率的大幅提升。

值得注意的是，上述能效分析是基于未将水冷器水泵能耗纳入考量的情况。然而，在实际工况中，水泵能耗虽占比较小（通常约为压缩机能耗的2%），但其在系统总能耗中仍占有一席之地。若将水泵能耗按此比例计入，优化后系统总能耗将调整为66844.60 kW，氢液化系统的比能耗则相应增加至5.382 kW·h/kg，而性能系数则微调至0.2448。

图3 LNG预冷的新型氢液化工艺能量分析

3 总结

本文在已有的双混合制冷剂氢液化工艺的基础上，提出了一种结构简单、能耗低、效率高，LNG预冷的新型氢液化工艺。根据优化结果，对工艺系统进行了能效分析、㶲分析和换热器换热性能分析，同时与其他氢液化工艺进行了性能对比。

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