一种主容器非自支撑低压液氢混凝土储罐的制作方法

1.本实用新型属于低温存储设备领，更为具体的涉及一种主容器非自支撑低压液氢混凝土储罐。


背景技术：

2.目前国内主要用于航天领域，随着氢能未来商业化大规模应用，“十四五”及中长期，预计中国液氢存储技术将快速发展。国内目前液氢储罐技术瓶颈为 300m3，较美国、日本等先开展氢气利用的国家技术差距较大，国外目前已有 5000m3液氢储罐在建项目。
3.深冷低温行业，一般4000m3以上储罐型式(简称“罐型”)一般选择现场组装便利的平底圆筒常压储罐。但是，液氢常压下，沸点温度低(20k)，给选材及低温应力设计带来难点，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，设计压力较lng介质要稍高，因此大型液氢储罐(4000m3及以上)很难和常规深冷低温储罐一样，做成普通平底圆筒常压储罐。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，更大容积 (可能容积4万立方以上)储罐很难再选择球罐罐型。
4.因此，为便于未来液氢储罐更大型化发展成为可能，需要解决立式圆筒平底储罐在大量存储低温液氢时，给储罐结构带来的低温应力、操作压力大带来的罐底与罐壁、罐壁与罐顶节点连接处的局部应力过大从而影响存储安全的难点。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种主容器非自支撑低压液氢混凝土储罐，储罐设计压力在1.6mpa(g)以下，储罐有效容积为0.4～27万方，用于存储液氢介质，解决了大规模低温存储液氢难的问题。
6.为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：
7.本实用新型提供一种主容器非自支撑低压液氢混凝土储罐，包括：
8.桩基础，包括若干个间隔设置的支撑桩；
9.预应力混凝土外罐，包括承台和罐壁，所述承台安装在所述桩基础上，由所述支撑桩支撑，所述罐壁的底端与所述承台之间固定连接，所述承台和罐壁均为混凝土制成，所述承台和罐壁的墙体内均设有预应力钢筋；
10.罐顶，包括预应力混凝土穹顶和吊顶，所述预应力混凝土穹顶为拱形，所述穹顶内设有预应力钢筋，所述罐壁顶部与所述穹顶之间固定连接，所述吊顶与内罐的顶部密封连接；
11.内罐，为非自支撑式的波纹薄膜金属，用于储存低温液氢，所述内罐固定在所述预应力混凝土外罐和内罐之间的硬质保温层上，荷载通过硬质保温层传递到外罐；
12.硬质保温层，所述硬质保温层固定设置在所述内罐与所述罐壁之间以及所述内罐与所述承台之间。
13.优选的，还包括防泄漏二层底，所述防泄漏二层底设置在所述硬质保温层的底部与所述罐壁之间，以及硬质保温层与承台之间。
14.优选的，所述罐壁为后拉式预应力混凝土罐壁，所述罐壁的底部与所述承台连接处的厚度以及所述罐壁的顶部与所述穹顶连接处的厚度均大于所述罐壁墙体的厚度。
15.优选的，所述承台、罐壁以及穹顶的厚度为0.3m～3.0m。
16.优选的，所述内罐为采用厚度为0.6mm～3mm的金属波纹材料或可收缩非金属波纹材料制成。
17.优选的，所述穹顶和吊顶之间形成可用于存储蒸发气体的腔体，所述蒸发气体可流通至所述硬质保温层中，用于所述硬质保温层的干燥。
18.优选的，有效容积为0.4万方～27万方。
19.优选的，还包括进料系统和泵外输系统，所述进料系统包括第一进料管线和第二进料管线，所述第一进料管线用于罐顶进料，所述第二进料管线用于罐底进料，所述泵外输系统用于将罐内液氢从罐内输送出去。
20.优选的，还包括蒸发氢气处理系统，用于将罐内的蒸发氢气排出罐内。
21.优选的，还包括压力保护系统，所述压力保护系统包括压力安全阀和真空安全阀系统，所述压力安全阀系统用于罐内超压保护和负压保护。
22.本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
23.本实用新型提供的主容器非自支撑低压液氢混凝储罐，储罐设计压力在1.6mpa(g)以下，储罐有效容积为0.4～27万方，用于存储液氢介质，也可评估后用于存储工业气体低温介质，解决了大规模低温存储液氢难的问题。
附图说明
24.图1是本实用新型提供的主容器非自支撑低压液氢混凝土储罐的结构示意图；
25.附图中各标记表示如下：
26.1-桩基础、2-预应力混凝土外罐、3-内罐、4-硬质保温层、5-防泄漏二层底、6-吊顶、7-穹顶、8-进料系统、9-泵外输系统、10-蒸发氢气处理系统、11-压力安全阀、12-真空安全阀系统。
具体实施方式
27.下面将参照附图更详细地描述本实用新型的示例性实施方式。虽然附图中显示了本实用新型的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本实用新型，并且能够将本实用新型的范围完整的传达给本领域的技术人员。
28.本实用新型提供的主容器非自支撑低压液氢混凝储罐，储罐设计压力在 1.6mpa(g)以下，工业上属于低压存储范围，储罐有效容积为0.4～27万方，用于存储液氢介质，也可评估后用于存储工业气体低温介质，解决了大规模低温存储液氢难的问题。
29.如图1所示，所述主容器非自支撑低压液氢混凝储罐包括桩基础1、预应力混凝土外罐2、罐顶、内罐3、硬质保温层4和防泄漏二层底5。
30.所述桩基础1包括若干个间隔设置的支撑桩，所述支撑桩多采用高架空式或坐地
式钢筋混凝土结构，以承受混凝土外罐2、内罐3、硬质保温层4、液氢液重等重量荷载。
31.所述预应力混凝土外罐2包括承台11和罐壁12，所述承台11安装在所述桩基础1上，由所述支撑桩支撑，所述罐壁12的底端与所述承台11之间固定连接，所述承台11和罐壁12均为混凝土制成，所述承台11和罐壁12的墙体内均设有预应力钢筋。
32.所述罐壁12为后拉式预应力混凝土罐壁，所述罐壁12的底部与所述承台11连接处的厚度以及所述罐壁12的顶部与所述罐顶连接处的厚度均大于所述罐壁墙体的厚度。在底部承台11和罐壁12连接处加厚罐壁12的厚度，在罐壁 12和穹顶连接处加厚罐壁12上部厚度，从而可以实现相对较高的储罐结构操作压力。
33.所述罐顶包括穹顶7和吊顶6，所述穹顶7为拱形，且采用混凝土制成。所述穹顶7内设有预应力钢筋，所述罐壁12的顶部与所述穹顶7之间固定连接，所述吊顶6与内罐3的顶部密封连接。所述吊顶6为铝质或不锈钢或耐低温合成材料，上面覆盖玻璃棉或珍珠岩保温层。所述吊顶6和穹顶7之间通过拉杆连接，覆盖于所述吊顶6上的玻璃棉或珍珠岩保温层应允许气体从吊顶6下方到上方的流通。金属吊顶6和边缘板为密封结构，防止环形空间及吊顶6上方固体状保冷材料掉入罐内。吊顶6上部保温层为玻璃棉或膨胀珍珠岩材料，安装需考虑保冷材料长期使用后因自重产生压缩致使保冷厚度降低的影响。
34.所述穹顶7和吊顶6之间形成可用于存储蒸发气体的腔体，蒸发气应储存在储罐顶部，蒸发的氢气可以流通到罐壁12和罐底硬质保温材料中，用于营运期给保温材料干燥。
35.承台11与罐壁12、罐壁12与罐顶均采用刚性固定连接或隔震垫柔性连接，以传递与分配上部罐体及液重等载荷到桩基础上。
36.所述承台11、罐壁12中设置的预应力钢筋，为耐低温不锈钢材料或合成材料。所述承台、罐壁的厚度为0.3～3.0m。
37.所述内罐3用于储存低温液氢，所述内罐3为波纹结构，所述内罐3固定在所述预应力混凝土外罐2的内壁。所述内罐3为非自支撑式结构，用于储存低温液氢。所述内罐3可以采用厚度为0.6～3mm的金属或可收缩非金属波纹耐低温材料制备。其液相荷载和其他施加在金属或非金属波纹材料上的荷载通过可承受荷载的硬质保温层全部传递到混凝土外罐2上，其气相压力由储罐的顶部承受。作用在内罐3的全部静液压荷载及其他荷载均应通过承载硬质保温层4 转移至混凝土罐上。
38.所述硬质保温层4固定设置在所述内罐3与所述罐壁12之间以及所述内罐 3与所述承台11之间。硬质保温层4为具有一定承压强度的泡沫玻璃砖或聚氨酯材料发泡材料；罐顶蒸发的氢气可以流通到罐壁12和罐底硬质保温材料4中，用于营运期给保温材料干燥。
39.进一步地，本实用新型提供的主容器非自支撑低压液氢混凝储罐还包括进料系统8和泵外输系统9，所述进料系统8包括第一进料管线和第二进料管线，所述第一进料管线用于罐顶进料，所述第二进料管线用于罐底进料，所述泵外输系统9用于将罐内液氢从罐内输送出去。液氢储罐可通过罐顶或罐底进料。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液氢进行充分的混合。
40.所述泵外输系统9由罐内潜液泵、泵井、外部连接的外输管线组成。罐内潜液泵用于输送液氢，与其电动马达一起安装在液氢储罐泵井中，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。
41.进一步地，本实用新型提供的非自支撑低压液氢混凝储罐还进一步包括蒸发氢气处理系统10，用于调节罐内的压力值。液氢储罐蒸发气体的产生主要是正仲氢转化、由于外界能量的输入造成，如泵运转、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产生。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，需要适当的开启蒸发氢气处理系统压缩机以排除过量的h2蒸发气体。
42.为了在储罐超压、负压时对储罐进行压力控制保护，所述液氢混凝储罐还进一步包括压力保护系统，所述压力保护系统包括压力安全阀(psv)系统11和真空安全阀(vsv)系统12，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，将设置一个阀门作为备用。所述压力保护系统可用于超压保护和负压保护。
43.超压保护：储罐正常操作压力一般小于1.6mpa(g)。储罐通常通过蒸发氢气处理系统的压缩机和气/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。
44.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，储罐压力低于-0.001mpa(g)时，储罐破真空阀应能及时开启并补充惰性气体进入储罐。
45.除了压力安全阀、真空安全阀压力保护外，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。
46.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。
47.相比现有常规其他低温烃类立式圆筒平底储罐，如大型lng混凝土储罐、低温烃类球罐、核电站反应堆预应力混凝土储罐、普通低温烃薄膜储罐，本实用新型提供的主容器非自支撑低压液氢混凝储罐在底部承台11、罐壁12、顶部混凝土穹顶7中均布置预应力钢筋，在底部桩承台11、罐壁12连接处加强了外罐底部厚度，在罐壁12和穹顶连接处加强了外罐上部厚度，从而可以实现相对较高的储罐结构操作压力，因此储罐压力为1.6mpa(g)，存储压力大，远大于现有的低温烃类大型预应力混凝土储罐的小于29kpa(g)。
48.相比现有的常规低温烃类的球罐罐型，会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，更大容积储罐很难再选择球罐罐型；本新型立式圆筒平底低压液氢混凝土储罐，容积可以更大，本实用新型存储有效容积可最高可达27万方。
49.普通低温烃薄膜储罐设计压力上限为0.029mpa(g)，底部承台和顶部混凝土穹顶一般不配置预应力钢筋，且罐壁和罐底硬质保冷层为孤立层，需要配置单独的n2干燥系统；而本实用新型设计压力上限为1.6mpa(g)，且底部承台和顶部混凝土穹顶需要配置预应力
钢筋，且罐壁和罐底硬质保冷层通过压力平衡管道连接到穹顶空间中，通过储罐蒸发的氢气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。
50.常规低温烃球罐、立式圆筒平底储罐多为主容器(内罐)自支撑结构；本实用新型储罐的内罐为0.6～3mm厚的金属波纹材料或可收缩非金属波纹材料制成，可以减少内罐低温应力设计难点。
51.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；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：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。