具有大型拱顶结构的低压液氢混凝土储罐

1.一种具有大型拱顶结构的低压液氢混凝土储罐，其特征在于，包括如下部件：
预应力混凝土外罐(2)，所述预应力混凝土外罐(2)为圆筒形预应力钢筋混凝土结构，其底端固定于储罐承台(1)上，所述储罐承台(1)固定在桩基(14)上；
预应力混凝土穹顶(8)，所述预应力混凝土穹顶(8)为球面圆弧形钢筋混凝土结构，设置于所述预应力混凝土外罐(2)的顶部；
钢结构内罐(3)，所述钢结构内罐(3)为圆筒形结构，设置于所述预应力混凝土外罐(2)内部，其底端固定于所述储罐承台(1)上；
钢质穹顶(7)，所述钢质穹顶(7)为球面圆弧形结构，设置于所述钢结构内罐(3)的顶部；
所述预应力混凝土外罐(2)的内壁与所述钢结构内罐(3)的外壁之间以及所述预应力混凝土穹顶(8)的内壁与所述钢质穹顶(7)的外壁之间均设置有保温层(5)。
2.根据权利要求1所述的低压液氢混凝土储罐，其特征在于，所述预应力混凝土外罐(2)的周向方向设置有填充孔，用于对所述低压液氢混凝土储罐进行填充绝热材料。
3.根据权利要求1所述的低压液氢混凝土储罐，其特征在于，所述保温层(5)为膨胀珍珠岩、弹性毡或玻璃砖。
4.根据权利要求1所述的低压液氢混凝土储罐，其特征在于，所述储罐承台(1)的内表面上设置有至少一层罐底保温层(6)，所述预应力混凝土外罐(2)的内壁与所述钢结构内罐(3)的外壁之间还设置有罐壁保温层(4)。
5.根据权利要求4所述的低压液氢混凝土储罐，其特征在于，所述罐底保温层(6)为泡沫玻璃砖，用于承受上部结构及液重荷载。
6.根据权利要求5所述的低压液氢混凝土储罐，其特征在于，当所述罐底保温层(6)为泡沫玻璃砖且多层布置时，每层所述泡沫玻璃砖交错布置，避免出现贯穿缝隙后保冷效果降低。
7.根据权利要求1所述的低压液氢混凝土储罐，其特征在于，所述桩基(14)为高架空式或坐地式钢筋混凝土结构。
8.根据权利要求1所述的低压液氢混凝土储罐，其特征在于，所述储罐承台(1)中布置有预应力钢筋，所述储罐承台(1)与所述预应力混凝土外罐(2)的罐壁下端连接处的厚度大于所述预应力混凝土外罐(2)的罐壁厚度，所述预应力混凝土外罐(2)的罐壁上端与所述预应力混凝土穹顶(8)连接处的厚度大于所述预应力混凝土穹顶(8)的厚度，从而可以实现相对较高的储罐结构操作压力。
9.根据权利要求1所述的低压液氢混凝土储罐，其特征在于，还包括进料系统(9)、氢气蒸发气处理系统(11)、压力保护系统(12)和真空保护系统(13)，所述进料系统(9)设置于所述低压液氢混凝土储罐的顶部或底部，所述氢气蒸发气处理系统(11)、压力保护系统(12)和真空保护系统(13)设置于所述低压液氢混凝土储罐的顶部。
10.根据权利要求1所述的低压液氢混凝土储罐，其特征在于，所述低压液氢混凝土储罐的最大操作压力可达到1.6MPa.G。

具有大型拱顶结构的低压液氢混凝土储罐\n技术领域\n[0001] 本实用新型涉及一种具有大型拱顶结构的低压液氢混凝土储罐，属于液氢存储技术领域。\n背景技术\n[0002] 随着清洁能源应用技术的不断成熟和我国能源结构调整的持续推进，氢能行业发展势头持续向好。氢能具有如下优势：(1)氢元素在地球中含量最多；(2)氢与氧反应产物只有水，真正清洁、无污染；(3)单位质量所含能量最高；(4)便于大规模制备；(5)可以直接转变成热能、机械能和电能。因此，氢能被认为是新世纪的重要二次能源。\n[0003] 安全经济的氢气储运技术是氢能利用推向实用化、产业化的关键。液化储氢是将氢气压缩后深冷到21K以下使之液化成液氢，然后存入特制的绝热真空容器中保存。由于液\n3 3\n氢密度为70.78kg/m ，是标况下氢气密度0.08342kg/m 的近850倍，即使将氢气压缩至\n15MPa，甚至35、70MPa，其单位体积的储存量也比不上液态储存。单从储能密度上考虑，低温液态储氢是一种十分理想的方式。\n[0004] 液氢储存容器的主要难点在于绝热问题，由于容器内液氢与环境温差大，为控制容器内液氢蒸发损失和确保储槽的安全(抗冻、承压)，对储罐及其绝热材料的选材和储罐的设计均有很高的要求。目前，常见的液氢储罐外型有球型和圆柱形两类，球形储罐容积通常大于圆柱形储罐，但是若想储存更大容积的液氢，球形储罐也难以实现。\n[0005] 目前国内液氢储罐容积多为几十至几百立方米，由内外两层组成，储存罐内胆一般采用铝合金、不锈钢等材料制成。内胆通过支撑物置于外层壳体中心，盛装温度为20K的液氢。支撑物通常由长长的玻璃纤维带制成，具有良好的绝热性，内外夹层中间填充绝热材料。\n[0006] 液氢极低的沸点(20K)给选材及低温应力设计带来极大困难，同时液氢存在正仲氢两种状态，正常情况下存在转化放热，可能导致储罐升压，大型低温液氢储罐，设计压力\n3\n较LNG介质要稍高，因此大型液氢储罐(4000m 及以上)很难和常规深冷低温储罐一样，做成平底圆筒常压储罐。但是如果选择球罐罐型，虽然设计压力和应力难点稍小，但球罐给底部支撑应力设计、运输以及板材高效利用、安装焊接带来困难，球罐罐型难以大型化。\n发明内容\n[0007] 针对上述技术问题，本实用新型提供一种具有大型拱顶结构的低压液氢混凝土储罐，外罐为预应力混凝土，内罐为奥氏体不锈钢或其它合金材料，可在低压(≤1.6MPa.G)条\n3 3\n件下存储4000m‑27000m液氢，并且内外罐完全分开，可在不影响罐内操作的情况下进行绝热材料补填。\n[0008] 为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：\n[0009] 一种具有大型拱顶结构的低压液氢混凝土储罐，包括如下部件：\n[0010] 预应力混凝土外罐，所述预应力混凝土外罐为圆筒形预应力钢筋混凝土结构，其底端固定于储罐承台上，所述储罐承台固定在桩基上；\n[0011] 预应力混凝土穹顶，所述预应力混凝土穹顶为球面圆弧形钢筋混凝土结构，设置于所述预应力混凝土外罐的顶部；\n[0012] 钢结构内罐，所述钢结构内罐为圆筒形结构，设置于所述预应力混凝土外罐内部，其底端固定于所述储罐承台上；\n[0013] 钢质穹顶，所述钢质穹顶为球面圆弧形结构，设置于所述钢结构内罐的顶部；\n[0014] 所述预应力混凝土外罐的内壁与所述钢结构内罐的外壁之间以及所述预应力混凝土穹顶的内壁与所述钢质穹顶的外壁之间均设置有保温层。\n[0015] 所述的低压液氢混凝土储罐，优选地，所述预应力混凝土外罐的周向方向设置有填充孔，用于对所述低压液氢混凝土储罐进行全生命周期的填充绝热材料。\n[0016] 所述的低压液氢混凝土储罐，优选地，所述保温层包括膨胀珍珠岩、弹性毡或玻璃砖中的至少一种。\n[0017] 所述的低压液氢混凝土储罐，优选地，所述储罐承台的内表面上设置有至少一层罐底保温层，所述预应力混凝土外罐的内壁与所述钢结构内罐的外壁之间还设置有罐壁保温层。\n[0018] 所述的低压液氢混凝土储罐，优选地，所述罐底保温层为泡沫玻璃砖，用于承受上部结构及液重荷载。\n[0019] 所述的低压液氢混凝土储罐，优选地，当所述罐底保温层为泡沫玻璃砖且多层布置时，每层所述泡沫玻璃砖交错布置，避免出现贯穿缝隙后保冷效果降低。\n[0020] 所述的低压液氢混凝土储罐，优选地，所述桩基为高架空式或坐地式钢筋混凝土结构。\n[0021] 所述的低压液氢混凝土储罐，优选地，所述储罐承台中布置有预应力钢筋，所述储罐承台与所述预应力混凝土外罐的罐壁下端连接处的厚度大于所述预应力混凝土外罐的罐壁厚度，所述预应力混凝土外罐的罐壁上端与所述预应力混凝土穹顶连接处的厚度大于所述预应力混凝土穹顶的厚度，从而可以实现相对较高的储罐结构操作压力。\n[0022] 所述的低压液氢混凝土储罐，优选地，还包括进料系统、氢气蒸发气处理系统、压力保护系统和真空保护系统，所述进料系统设置于所述低压液氢混凝土储罐的顶部或底部，所述氢气蒸发气处理系统、压力保护系统和真空保护系统设置于所述低压液氢混凝土储罐的顶部。\n[0023] 所述的低压液氢混凝土储罐，优选地，所述低压液氢混凝土储罐的最大操作压力可达到1.6MPa.G。\n[0024] 本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：\n[0025] 1、常规液氢储罐为圆柱形或球形，而本实用新型为立式圆筒平底液氢储罐，在混凝土外罐中均布置了预应力钢筋，抗裂性好，可承受较高的储罐操作压力，避免裂缝产生；\n并且通过在外墙下部、穹顶部位等增加混凝土厚度，可承受较高的设计压力(1.6MPa.G)。\n[0026] 2、常规液氢储罐容积不超过300m3，本实用新型容积可达到4000m3‑27000m3，极大提升了储氢能力，液氢储罐内罐为奥氏体不锈钢或其它合金材料，可承受20K的低温。\n[0027] 3、常规液氢球罐采用真空多层缠绕绝热，本实用新型中内外罐之间的绝热材料为膨胀珍珠岩粉末。\n[0028] 4、由于大容积液氢储罐的内罐在冷却阶段沿径向收缩幅度大，并且膨胀珍珠岩会因自重发生沉降，本实用新型液氢储罐的内、外罐完全分开，墙体环形空间和穹顶部位填充膨胀珍珠岩，混凝土穹顶周向布置有珍珠岩填充孔，可通过顶部珍珠岩填充孔进行加注，在内罐收缩后可通过填充口进行补填或在储罐运行期间通过穹顶部位的珍珠岩填充孔进行补填充，不会影响罐内操作。\n附图说明\n[0029] 图1为本实用新型一实施例提供的具有大型拱顶结构的低压液氢混凝土储罐的结构示意图；\n[0030] 图中各标记如下：\n[0031] 1‑储罐承台；2‑预应力混凝土外罐；3‑钢结构内罐；4‑罐壁保温层；5‑保温层；6‑罐底保温层；7‑钢质穹顶；8‑预应力混凝土穹顶；9‑进料系统；10‑外输系统；11‑氢气蒸发气处理系统；12‑压力保护系统；13‑真空保护系统；14‑桩基。\n具体实施方式\n[0032] 为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。\n[0033] 除非另外定义，本实用新型使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实用新型中使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。\n[0034] 如图1所示，本实用新型所提供的具有大型拱顶结构的低压液氢混凝土储罐，包括如下部件：预应力混凝土外罐2，所述预应力混凝土外罐2为圆筒形预应力钢筋混凝土结构，其底端固定于储罐承台1上，所述储罐承台1固定在桩基14上；预应力混凝土穹顶8，所述预应力混凝土穹顶8为球面圆弧形钢筋混凝土结构，设置于所述预应力混凝土外罐2的顶部；\n钢结构内罐3，所述钢结构内罐3为圆筒形结构，设置于所述预应力混凝土外罐2内部，其底端固定于所述储罐承台1上；钢质穹顶7，所述钢质穹顶7为球面圆弧形结构，设置于所述钢结构内罐3的顶部；所述预应力混凝土外罐2的内壁与所述钢结构内罐3的外壁之间以及所述预应力混凝土穹顶8的内壁与所述钢质穹顶7的外壁之间均设置有保温层5。\n[0035] 进一步地，桩基14采用高架空式或坐地式钢筋混凝土结构，以承受预应力混凝土外罐2、钢结构内罐3、液氢自重、绝热材料等的重量荷载。\n[0036] 进一步地，预应力混凝土外罐2由钢筋混凝土承台(储罐承台1)、后张拉式预应力混凝土罐壁、钢筋混凝土罐顶(即预应力混凝土穹顶8)组成，储罐承台1与罐壁、罐壁与穹顶均采用刚性固定连接或隔震垫柔性连接，以传递并分配上部罐体及液重等载荷到桩基14上。在储罐承台1与预应力混凝土外罐2的墙体连接处加厚预应力混凝土外罐2的底部厚度，在预应力混凝土外罐2的墙体和预应力混凝土穹顶8连接处加后预应力混凝土外罐的上部厚度，从而可以实现相对较高的储罐结构操作压力。\n[0037] 进一步地，储罐承台1、预应力混凝土外罐2的墙体中设置的预应力钢筋为耐低温不锈钢材料或合成材料。预应力混凝土穹顶8的周向方向布置有填充孔，便于液氢储罐全生命周期的珍珠岩补填。\n[0038] 进一步地，钢结构内罐3(含钢质穹顶7)为奥氏体不锈钢或其它合金材料，用于存储液氢。钢质穹顶7可承受上方保温材料的重量及钢结构内罐3的压力。\n[0039] 进一步地，预应力混凝土外罐2、钢结构内罐3之间还设置有罐壁保温层4，其可为弹性毡或其它材料；储罐顶部蒸发的氢气可以流通到罐壁和罐底硬质保温材料中，用于营运期给保温材料干燥。\n[0040] 进一步地，预应力混凝土外罐2的内壁与钢结构内罐3的外壁所形成的环形空间及钢质穹顶7的外壁和预应力混凝土穹顶8的内壁之间由膨胀珍珠岩填充，其厚度应满足储罐的绝热要求。\n[0041] 进一步地，罐底保温层6应为具有一定承压强度的泡沫玻璃砖材料，可承受上部结构及液重荷载，泡沫玻璃砖多层布置时应交错布置，避免出现贯穿缝隙后保冷效果降低。\n[0042] 进一步地，低压液氢混凝土储罐还包括进料系统，储罐可通过罐顶或罐底进料。液氢进料，为避免液氢分层而导致“翻滚”、加剧正仲氢转化的风险，可根据储罐内液氢的密度选择液氢从上部进料管进料，或通过底部进料管下部进料。一般情况下，较重的液氢从上部进料，较轻的液氢从下部进料。\n[0043] 当来船液氢密度大于罐内储存液氢密度时，从顶部进料；当来船液氢密度小于罐内储存液氢密度时，从底部进料。采用此种进料模式主要是为了防止储罐内部出现分层，通过控制进料位置使卸载液氢与储罐内部的液氢进行充分的混合。\n[0044] 卸料操作中，置换出的蒸发H2与大量产生的闪蒸气体量导致储罐内压力会升高，此时为了维持储罐正常的压力范围，需要适当的开启BOG处理系统压缩机以排除过量的H2蒸发气体。\n[0045] 正常操作时，储罐压力由H2蒸发气压缩机的操作控制。卸船期间，由于卸料引起的热输入等因素的影响，储罐内产生较多的H2而处于高压操作状态，此时可根据实际压力情况启动压缩机并调节压缩机运行负荷使储罐处于正常操作压力范围之内。无卸船时，储罐操作压力应维持在低压状态，一旦压力控制系统发生故障，低压状态使储罐有一定的升压空间，H2无需立即排火炬。\n[0046] 进一步地，低压液氢混凝土储罐还包括泵外输系统，其由罐内潜液泵、泵井、外部连接的外输管线组成。液氢输送泵为潜液式离心泵，与电动马达一起安装在液氢储罐的泵井中，在每台泵的出口管道上装有流量控制阀，其作用是调节各运行泵的出口流量，使它们在相同流量下工作，另外在紧急情况时该流量控制阀可切断输出。为保护液氢输送泵，在每台泵的出口管道上设有最小流量管道，该最小流量管道也可用于罐内液氢的混合以防止分层。\n[0047] 进一步地，低压液氢混凝土储罐还包括蒸发H2处理系统，液氢储罐蒸发气体的产生主要是正仲氢转化、外界能量的输入所述造成的，外界能量的输入是像泵运转、外界热量的导入、大气压的变化、环境的影响及液氢进料时造成罐内液氢体积的变化等原因所产生的。蒸发气产生过量将导致储罐压力的升高，此时为了维持储罐正常的压力范围，需要适当的开启氢气蒸发气处理系统11的压缩机以排除过量的H2蒸发气体。\n[0048] 进一步地，低压液氢混凝土储罐还包括压力保护系统12。为了在储罐超压、负压时对储罐进行压力控制保护，储罐应分别设置压力安全阀(PSV)(如图1所示)、真空安全阀(VSV)系统(如图1所示)，每个阀都应配有隔断阀和互锁装置，压力安全阀、真空安全阀的数量除保证紧急情况下的卸放量外，还设置一个阀门作为备用。\n[0049] 压力保护系统12的具体作用如下：\n[0050] 1)超压保护：储罐正常操作压力一般小于1.6MPa.G。储罐通常通过BOG压缩机和气/液供给与外输来维持储罐的正常操作压力。如果储罐压力升高到超过正常最大工作压力时，储罐中的气体会释放至储罐的火炬或放空；当储罐压力继续增加，储罐的应急压力释放系统会起到最终保护的作用，即H2蒸发气将通过压力安全阀排放至回收管内。\n[0051] 2)负压保护：通过惰性气体的供给可以维持储罐的正常操作压力。如果储罐压力降低，蒸发气压缩机停止运行并停止储罐排液。此外，还可以采用维持内部压力的供气装置，但如果还不能满足要求，储罐的真空安全阀应能及时开启并补充惰性气体进入储罐。\n[0052] 除了压力安全阀(PSV)、真空安全阀(VSV)进行压力保护外，仪表系统也在储罐产生超压和负压情况时提供一定的保护。\n[0053] 储罐内罐底部及内罐体设有多个表面温度计，用于监测储罐试车预冷和正常操作时的罐内温度。在试车预冷过程中，通过监测温度变化情况可适时地调整液氢进料流量，满足预冷时罐壁温降速率要求。\n[0054] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；\n尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：\n其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。