本发明涉及低温制冷，尤其涉及一种氦液化氢设备及方法。
背景技术：
1、氦制冷氢液化循环是氢液化的一种有效方法，其常采用的方式是brayton循环，通过将氦气冷却至低于氢气的液化温度，再通过换热器将氢气冷却并液化。此流程中，为了提高循环的液化系数，通常会在第一换热器处采用液氮预冷，但是液氮制备通常利用的是气体分离技术，包括压缩、冷却、干燥和分离等环节，制备流程复杂且液化率低，若不采用液氮制备则需另外购置液氮，液氮价格较贵，作为工业大规模的生产而言，采用液氮预冷会降低循环系统的经济性。
2、传统的氦制冷氢液化循环中的氦气循环系统压缩机通常采用的是常温压缩，因为氦气绝热指数高并且比热容小，在常温压缩过程中容易产生更高的压缩热，引起很大的压缩温升，消耗更多的压缩功，导致系统效率降低，氢气液化的单位能耗居高不下。在该系统中采用的压缩机通常为螺杆压缩机，为了使螺杆压缩机稳定可靠的运行需要润滑油进行润滑，因此系统需要精密的除油和回油设备，占地面积不仅很大，而且除油若不够精密，会导致制备的液氢被润滑油污染。
技术实现思路
1、本发明的目的在于解决目前现有的氦液化氢系统效率低，经济性差，需要除油等问题，并提供了一种功耗低、经济节能并且无油污染的氦液化氢设备及方法。
2、为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
3、一种氦液化氢设备，包括氦气循环系统、初级预冷系统、机械式低温预冷循环系统和氢气液化系统；所述初级预冷系统为机械式低温预冷循环系统提供预冷，机械式低温预冷循环系统为氢气液化系统提供预冷，氦气循环系统为氢气液化系统的氢气液化过程提供冷量；所述氦液化氢设备包括氦气循环低温压缩机组、第一低温压缩机、中间换热器、第二低温压缩机、膨胀管路节流阀、第一透平膨胀机、第二透平膨胀机、第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器、第二换热器正仲氢转化通道、第三换热器正仲氢转化通道、第四换热器正仲氢转化通道、第五换热器正仲氢转化通道、第一电磁三通阀、液氢节流阀、液氢杜瓦、储液罐、第二电磁三通阀、机械式低温压缩机、后冷却器、第三透平膨胀机、回热器、第六换热器、制冷压缩机、冷凝器、制冷节流阀。
4、在一些较佳的实施例中，所述氦气循环系统的流程为氦气循环低温压缩机组出口的高压氦气经过第一透平膨胀机压缩端和第二透平膨胀机压缩端后进入膨胀管路节流阀进行节流，再进入第一透平膨胀机膨胀端和第二透平膨胀机膨胀端中绝热膨胀制冷，从第二透平膨胀机膨胀端出来的冷氦气经过第五换热器、第四换热器、第三换热器、第二换热器和第一换热器为氢气降温后进入氦气循环低温压缩机组，完成整个氦气循环。
5、在一些较佳的实施例中，所述初级预冷系统的流程为制冷压缩机从第六换热器吸入低温低压的气态制冷剂，经制冷压缩机等熵压缩成为高温高压的过热蒸汽，再进入冷凝器中进行等压冷却成过冷液态制冷剂，液态制冷剂经节流阀绝热节流成为低温低压的两相态制冷剂，两相态制冷剂在第六换热器内吸收进入机械式低温压缩机前的气体热量进行等压吸热转化成气态制冷剂，完成整个初级预冷。
6、在一些较佳的实施例中，所述机械式低温预冷循环系统的流程为机械式低温压缩机出口的高压气体进入后冷却器降温冷却，冷却后的气体进入第三透平膨胀机的压缩端提高压力，随后进入回热器与回流气体进行换热，之后进入第三透平膨胀机的膨胀端进行绝热膨胀制冷，从膨胀机出来的低温气体进入第二电磁三通阀中，从第二电磁三通阀第一出口出来的气体为氦气循环系统的氦气和氢气液化系统的氢气经第一换热器进行预冷，从第二电磁三通阀第二出口出来的气体为氦气循环低温压缩机组进行换热，预冷与换热后的气体汇合后经过回热器进行热交换，再经过第六换热器由初级预冷系统进行降温后，进入机械式低温压缩机入口，完成整个机械式低温预冷循环。
7、在一些较佳的实施例中，所述氢气液化系统的流程为氢气经过第一级换热器被机械式低温预冷循环和氦气循环预冷，紧接着通过第二换热器正仲氢转化通道、第三换热器正仲氢转化通道、第四换热器正仲氢转化通道和第五换热器正仲氢转化通道与氦气循环中从第二透平膨胀机出来的冷氦气进行充分换热，进入液氢节流阀进行节流后产生的液氢进入液氢杜瓦，液氢杜瓦储存足够量的液氢后可进入储液罐进行储存，液氢杜瓦中再次产生的氢气回流到第四换热器与第五换热器之间的第一电磁三通阀中再次进行冷却循环，以此完成氢气液化过程。
8、作为优选，所述氢气为纯化后的氢气。
9、在一些较佳的实施例中，所述氦气循环低温压缩机组为无油气悬浮离心压缩机，采用气悬浮轴承或磁气混合型轴承支承，其压缩为低温压缩，所述氦气循环低温压缩机组采用1-4台离心压缩机串联，实现1-10级压缩，压缩机级间被机械式低温预冷循环预冷，压缩机进口温度为10k到250k之间，采用的工质为氦气。
10、在一些较佳的实施例中，所述机械式低温压缩机为无油气悬浮离心压缩机，采用气悬浮轴承或磁气混合型轴承支承，其压缩为低温压缩，压缩机进口温度为80k到250k之间。
11、在一些较佳的实施例中，所述氦气循环低温压缩机组、膨胀管路节流阀、第一透平膨胀机、第二透平膨胀机、第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器、第二换热器正仲氢转化通道、第三换热器正仲氢转化通道、第四换热器正仲氢转化通道、第五换热器正仲氢转化通道、第一电磁三通阀、液氢节流阀、第二电磁三通阀、第三透平膨胀机、回热器、第六换热器、制冷压缩机、冷凝器、制冷节流阀均设置在真空冷罐中。
12、一种氦液化氢方法，其特征在于，包括一种氦液化氢设备，所述机械式低温预冷循环系统采用的工质为空气、氮气、氖气、氩气或氦气。
13、在一些较佳的实施例中，所述第二换热器正仲氢转化通道、第三换热器正仲氢转化通道、第四换热器正仲氢转化通道和第五换热器正仲氢转化通道内均填充正仲氢催化转化剂。
14、本发明采用上述技术方案的优点是：
15、(1)本发明将传统的液氮预冷改为机械式低温预冷循环预冷，使进出氦气循环低温压缩机组的两部分氦气都经过机械式低温预冷循环预冷，低温压缩减小了压缩功70％以上，有效提高了系统效率。
16、(2)本发明采用机械式低温预冷循环为氦气循环系统和氢气液化系统进行预冷，机械式低温循环采用的工质为空气、氮气、氖气、氩气或氦气，具有易于获得、廉价和无污染等特点，并且采用回热循环，压缩功和膨胀功有效减小，不可逆损失显著降低，灵活性好，能效高，大大提高了系统的经济性。
17、(3)本发明中氢气液化系统仅依靠氦气循环系统和机械式低温循环提供的冷量，不需要压缩即可完成氢气的液化，提高了系统的安全性。
18、(4)本发明中氦气循环低温压缩机组和机械式低温压缩机均采用无油气悬浮离心压缩机，具有无油、传热效率高、无摩擦、使用寿命长、转速高、结构紧凑、系统简单、运行稳定可靠以及节能高效等优点，避免了需要除油的问题，可靠性将会得到显著提高。
19、(5)本发明所述氦气循环低温压缩机组采用两台双级压缩型式的离心压缩机串联，实现四级压缩，两台压缩机之间进行机械式低温预冷循环预冷，使第二台压缩机进口的氢气处于低温状态，级间冷却有效降低了压缩热，低温压缩提高了系统的热力学性能。
20、(6)本发明所述机械式低温压缩机的入口采用初级预冷系统预冷，其压缩为低温压缩，进一步降低了系统的能耗。