CN102287267A - 使用多个再生器来进行周期性冷却、存储和加热的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种方法和系统，其包括加压大气气流来至少形成压缩的大气气流，将该压缩的大气气流导向第一再生器用于冷却，加压到高于第二预定压力来至少形成超临界大气气流，将该超临界大气气流导向第二再生器用于冷却，减压来至少形成液化的大气气流，选择性存储该液化的大气气流，加压该液化的大气气流来至少形成加压的液化大气气流，在第二再生器中加热该加压的液化大气气流，来至少形成加热的流，膨胀该加热的流来至少形成中压大气气流，将该中压大气气流导向第一再生器，并且在该第一再生器中加热该中压大气气流。

Description

使用多个再生器来进行周期性冷却、存储和加热的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种用于周期性冷却、存储和加热大气气体的方法和系统。更具体的，本发明涉及一种方法和系统，其在用于大气气体的再生循环中包括多个再生器。
背景技术
已知的系统能够冷却在非需电高峰小时(非高峰小时)过程中所获得的加压空气，并且在需电高峰小时(高峰小时)过程中在压力下汽化该加压的空气。
日本专利申请JP4-132837A(其在此以其全部引入作为参考)描述一种燃气涡轮发电设备，其包含用于驱动发电机的燃气涡轮，用于液化空气的液化设备，用于存储液化流体的存储容器，和用于汽化该液化流体，并且将产物供给到燃气涡轮燃烧器的汽化设备。当该液化流体从存储容器泵送出来时，它发生汽化，并且导向燃气涡轮燃烧器。该设备具有几种缺点。例如，空气的液化是使用专用的液化器来进行的，其可能是低效的。另外，该液化的流体的汽化和致冷的传递因为包括多个传热步骤而会是低效的。
日本专利申请JP4-127850(其在此以其全部引入作为参考)描述了一种液体空气存储发电系统，其冷却、液化和存储常压下的空气。将该液体空气升温，并且根据需要抽取高压空气。使用该高压空气来驱动发电涡轮和发电。这种系统具有几种缺点。例如，虽然在液化天然气的汽化中使用致冷能够降低空气液化所需的能量，但是液化天然气并非总是能够获得的。另外，作为可燃气体，液化天然气包括了与存储和运输有关的安全考虑，并且更重要的是作为可燃材料的液化天然气与氧化性气体(例如空气)的热交换。
日本专利申请JP4-191419(其在此以其全部引入作为参考)描述了这样的方法，其用于将空气以恒定的规定压力供给到燃烧温度。在一种高损失性方法中，压力增加到远高于规定压力的压力，并且该压力在使用过程中降低到恒定压力。在一种高风险方法中，使用由海水、河水、湖水等所产生的分别的水位差来将压力升高到规定的水平。在该JP4-191419专利的方法中，将空气进行液化，并且将体积降低到低于在大气压力时存在的体积。将该液体汽化，并且存储致冷。该存储的致冷可以用于预冷却空气液化所吸入的空气，来降低压缩机的动力消耗和来降低在液体空气生产中电功率的消耗速率。这种方法具有这样的缺点，即，它没有提供一种有效的方法来液化空气和汽化存储的液体空气。
Hitachi(Hidefumi Araki，Mitsugu Nakabaru，和Kooichi Chino，Heat Transfer-Asian Research，31(4)，2002)(其在此以其全部引入作为参考)描述了将高压空气在高峰小时送到燃气涡轮的燃烧器。这样的循环包括预冷却的再生器。预冷却可以通过液化天然气的汽化来实现。在一些地区，液化天然气可能是无法获得的。另外，作为一种可燃气体，液化天然气包括了与存储和运输有关的安全考虑，并且更重要的是作为可燃材料的液化天然气与氧化性气体(例如空气)的热交换。另外，Hitachi讨论了通过包括再生介质例如小圆石或者混凝土的长期冷却。同样，如Hitachi所公开的那样，预冷却的再生器的运行会导致该再生器在循环过程中的升温，这归因于热泄漏，通过机器例如液体空气泵所引入的热量，和如果冷却的空气的压力等同于或者类似于加热的空气的压力时，在再生器和其他热交换器中进行传热所需的传热温差，因此这样的方法是不可维持的。如果待加热的空气的压力远低于冷却的空气的压力，则该方法变得效率更低。
当这里没有外部加热，或者没有足够的外部加热时，具有等温压缩的液体空气存储系统在高峰小时过程中不能产生最大量的电。另外，如果能够有效的回收较高空气温度形式的能量，则绝热压缩机有时候对于空气压缩来说是一种不太昂贵的选项。因为当将用于存储的空气压缩到高于空气超临界压力的压力时，该液体空气存储系统表现最佳，因此包括了许多的空气压缩。使用绝热压缩机能够明显降低压缩机的资金成本。但是，压缩所需功率也明显增加(输入到空气中的能量被转化成包含在高温空气中的热能)。一种用于有效回收该压缩空气的热能的方法是令人期望的，目的是使得该方法成本有效的使用绝热压缩机。另一方面，当液体空气存储系统在不具有外部热或者不具有足够的外部热的位置时，如果从再生器出来的空气没有处于非常高的温度，则如果来自空气膨胀器的废空气在接近于大气压力时离开该空气膨胀器，则这种废空气会明显低于环境温度。这意味着当来自该空气膨胀器的废空气处于或者接近于，或者稍高于环境温度时，该膨胀器不能提取它所能够提取到的大的能量。如果不能有效使用该废空气中的致冷，则这样的方法不是最佳的。如果用现有技术的方法并非不可行，则将来自这样的高压力比的膨胀器的废空气保持在处于或者高于环境温度将需要待压缩的空气达到这样的温度，该温度将使得空气压缩机不再昂贵。需要一种改进的系统和方法来用于这样的情形。
发明内容
本发明的一方面包括一种再生方法，用于周期性冷却，存储和加热。该方法包括：将大气气流加压到高于预定压力的压力，来至少形成压缩的大气气流(该预定压力是大约2bar)；将该压缩的大气气流导向第一再生器用于冷却，来至少形成第一冷却流；将该第一冷却流从第一再生器中导出；将该第一冷却流加压到高于第二预定压力的压力，来至少形成超临界大气气流(该第二预定压力在第一冷却流的临界压力左右)；将该超临界大气气流导向第二再生器，来至少形成第二冷却流；将该第二冷却流从第二再生器导出；降低该第二冷却流的压力，来至少形成液化的大气气流；选择性存储该液化的大气气流，作为存储的液化大气气体；加压至少一部分的该存储的液化大气气体到高于第三预定压力的压力，来至少形成加压的液化大气气流(该第三预定压力在该存储的液化大气气体的临界压力左右)；在第二再生器中加热该加压的液化大气气流，来至少形成加热的流；将该加热的流从第二再生器导出；膨胀该加热的流来至少形成中压大气气流；将该中压大气气流导向第一再生器；和在第一再生器中加热该中压大气气流。
本发明的另一方面包括一种再生系统。该再生系统包括：第一压缩机，其用于将大气气流加压到高于预定压力的压力，来至少形成压缩的大气气流(该预定压力是大约2bar)；第一再生器，其配置来冷却该压缩的大气气流，以至少形成第一冷却流；第二压缩机，其配置来将该第一冷却流加压到高于第二预定压力的压力，来至少形成超临界大气气流(该第二预定压力在第一冷却流的临界压力左右)；第二再生器，其配置来冷却该超临界大气气流，以至少形成第二冷却流；降压装置，其配置来膨胀该第二冷却流，来至少形成液化的大气气流；存储容器，其配置来选择性存储该液化的大气气流，作为存储的液化大气气体；泵，其配置来将该存储的液化大气气体加压到高于第三预定压力的压力，来至少形成加压的液化大气气流(该第三预定压力在该存储的液化大气气体的临界压力左右)；和膨胀器，其配置来将加热的流进行膨胀，来至少形成中压大气气流(该加热流是通过第二再生器的加热来形成的)。该第二再生器被配置来加热该加压的液化大气气流，来至少形成加热的流，和该第一再生器被配置用于加热该加压的大气气流。
本发明的另一方面包括一种再生方法。该方法包括：将大气气流加压到高于预定压力的压力，来至少形成压缩的大气气流(该预定压力是大约2bar)；将该压缩的大气气流导向第一再生器用于冷却，来至少形成第一冷却流；将该第一冷却流从第一再生器中导出；通过后冷却器进一步冷却从第一再生器导出的该第一冷却流，来形成另外的冷却流；将第一冷却流在它另外冷却之后加压到高于第二预定压力的压力，来至少形成超临界大气气流，该第二预定压力在该第一冷却流的临界压力左右；将该超临界大气气流导向第二再生器，来至少形成第二冷却流；将该第二冷却流从第二再生器导出；降低该第二冷却流的压力，来至少形成液化的大气气流；选择性存储该液化的大气气流，作为存储的液化大气气体；加压至少一部分的该存储的液化大气气体到高于第三预定压力的压力，来至少形成加压的液化大气气流(该第三预定压力在该存储的液化大气气体的临界压力左右)；在第二再生器中加热该加压的液化大气气流，来至少形成加热的流；将该加热的流从第二再生器中导出；膨胀该加热的流来至少形成中压大气气流；将该中压大气气流导向第一再生器；在第一再生器中加热该中压大气气流；通过外部热源进一步加热至少一部分的该中压大气气体；将该加热的中压大气气体膨胀到第四预定压力的压力，来形成膨胀的大气气体，该第四预定压力在环境大气压力左右；和将该膨胀的大气气体导向燃气涡轮压缩机。
本发明的一个优点包括在用于冷却和存储大气气体的系统和相关的系统中更有效的加热和冷却操作。
本发明的另一优点包括使用液体空气能量存储系统，而不管是否存在着外部热源。
本发明的另一优点包括使用更低成本的压缩机，具体的，使用所谓的“绝热压缩机”或者不具有级间冷却器的压缩机，用于压缩空气或者其他大气气体。
本发明的其他特征和优点将从下面对优选实施方案的更详细的说明中，并且结合附图而变得显而易见，所述附图示例性的说明了本发明的原理。
附图说明
图1表示了根据本发明的一种示例性实施方案的再生系统的一部分的示意图，该再生系统具有第一再生器和第二再生器。
图2表示了根据本发明的一种示例性实施方案的再生系统的一部分的示意图，该再生系统具有第一再生器、第二再生器和间接再生器。
图3表示了根据本发明的一种示例性实施方案的再生系统的一部分的示意图，该再生系统具有第一再生器和第二再生器。
图4表示了根据本发明的一种示例性实施方案的再生系统的一部分的示意图，该再生系统具有第一再生器和第二再生器。
图5表示了根据本发明的一种示例性实施方案的再生系统的一部分的示意图，该再生系统具有第一再生器、第二再生器和间接再生器。
具体实施方式
提供了一种方法和系统，用于在加工循环的第一运行周期过程中冷却和存储大气气体，并且在第二运行周期过程中加热该大气气体。该系统和方法在再生循环中包括多个用于大气气体的再生器。
作为此处使用的，术语“大气气体”指的是这样的气体，其主要包含氮气，氩气，氧气或者其组合。在一种实施方案中，该大气气体是氮气，氩气和氧气的混合物。在一种实施方案中，氧气含量可以高于大约20.95体积%。在一种实施方案中，氩气含量可以高于大约0.93体积%。作为此处使用的，术语“再生器”指的是一种固定体，具有流动特征和热容量，并且是作为一种周期性传热装置来运行的，其在第一运行模式运行时提供冷却，在第二运行模式运行时提供加热，反之亦然。
通常，流体在第一运行周期过程中(例如，当电价通常较低时的非高峰需电周期)和在第一运行模式过程中(参见图1，2，和3)在第一方向上流过再生器的流动部件(例如流道)。在该第一运行模式中，再生器吸收了来自导入到该再生器中的至少一部分的流体的热量。这种通过再生器的吸热将所述流体冷却到低于预定温度，来形成从再生器导出的流体。在第二运行周期(例如，当电价通常较高时，在高峰需电周期中)过程中，相同的再生器可以以第二运行模式来运行(参见图4和5)。在该第二运行模式中，加压的液化大气气流被引导通过再生器(其为该加压的液化大气气流提供了热)。该第一运行周期和第二运行周期可以重复循环多次，并且该循环可以重复进行。该第一运行周期可以处于来自高压输电线路网的低能量需求周期中，该第二运行周期可以处于来自高压输电线路网的高能量需求周期中。
一个再生器可以与一个或多个另外的再生器串联排列，和/或该再生器可以平行于一个或多个另外的再生器来排列。在一种实施方案中，该排列能够通过串联连接多个再生器床，来降低纵向传热(纵向传热是在流动方向上的传热)。在包括多个再生器床的情况中，令人期望的是将不同的再生器配置来用于不同的预定参数值(例如压力范围，温度范围和/或流量范围)。作为此处所定义的，再生器可以具有几个串联的或者平行的再生器床，或者串联的和平行的床的组合。但是，如果流体入口或者出口，或者流体入口和出口二者，存在于再生器床系列中的发生器床之间，则这些再生器床不再被视为是单个再生器，而是至少被视为是至少两个再生器的部分。
图1表示了再生系统101的一部分的示意图。具体的，图1表示了用于第一运行周期(例如非高峰需电周期)过程中的再生系统101的部分。在该再生方法的一种实施方案中，将大气气流100加压到高于预定压力的压力来形成压缩的大气气流102。该大气气流100可以通过压缩机104(例如绝热压缩机或者空气压缩机)加压。使用绝热压缩机能够将流体加压到更高的压力，而无需级间冷却器，由此增大了包括多个再生器的益处(该益处可以归因于具有级间冷却器的压缩机是比绝热压缩机更昂贵的，并且不能使用压缩热，同时使用再生器截留了压缩空气中大部分的热，和归因于这样的事实，即，这样的系统能够在没有外部热输入的场合使用)。在其中压缩机104是绝热压缩机的一种实施方案中，该压缩机104可以没有级间冷却器。在其中压缩机104是空气压缩机的一种可选择的实施方案中，将大气气流100(例如空气流)引导通过该空气压缩机。在这种实施方案中，杂质(例如水蒸气，二氧化碳和/或其他杂质)是通过大气气体净化器(例如空气净化器)除去的。在一种实施方案中，该大气气流100是通过压缩机104加压到高于预定压力的压力。该预定压力可以是大约2bar。
压缩的大气气流102可以形成从压缩机104中导出的一种或多种流体。将该一种或多种流体的流体106导向低压再生器108，用于冷却来形成第一冷却流110。
在一种实施方案中，该低压再生器108可以配置来在预定压力范围内运行(例如大约150 psia-大约250 psia，大约175 psia-大约225 psia，或者大约190 psia-大约210 psia)。在另外一种实施方案中，该低压再生器108可以配置来在预定压力左右运行(例如约200 psia，约201.6 psia，或者约197.6 psia)。
第一冷却流110是从低压再生器108中导出的。另外的或者可选择的，第一冷却流110可以通过冷却水或者另外的冷却剂来进一步冷却。在一种实施方案中，第一冷却流110是通过水冷的后冷却器112或者环境空气冷却的后冷却器来进一步冷却的。
第一冷却流110是在压缩机114中进一步加压的。在一种实施方案中，压缩机114包括级间冷却器116。在另外一种实施方案中，压缩机114没有级间冷却器116。压缩机114可以配置来将第一冷却流110加压到预定压力。例如，压缩机114可以配置来将第一冷却流110加压到空气的临界压力，氮气的临界压力，第一冷却流110的临界压力，或者任何其他合适的压力。加压该第一冷却流110形成了超临界大气气体(形成超临界大气气流118)。
该超临界大气气流118被导向高压再生器120。在一种实施方案中，高压再生器120可以配置来在预定压力范围内运行(例如大约800 psia-大约1300 psia，大约1225 psia-大约1275 psia，或者大约1240 psia-大约1260 psia)。在另外一种实施方案中，该高压再生器120可以配置来在预定压力左右运行(例如约1250 psia，约1248 psia或者约1243 psia)。
第二冷却流122从高压再生器120导向膨胀器124(例如浓稠流体膨胀器，或者膨胀阀)。该膨胀器124将第二冷却流122膨胀到较低的压力，来形成液化的大气气流126。作为此处使用的，术语“液化的”描述了至少主要部分的该大气气流处于液相中。该液化的大气气流126然后存储在存储容器128中(例如液体空气存储容器或者液氮存储容器)，直到它在高峰小时过程中释放出来(如下面参考图4和5所述)。
图2表示了再生系统201的一部分的示意图。具体的，图2表示了用于第一运行周期(例如非高峰需电周期)过程中的再生系统201的部分。类似于图1所示的实施方案，大气气流100(例如空气)是通过不具有级间冷却器的压缩机104(也称作绝热压缩机)加压到高于预定压力(例如2bar)，来形成压缩的大气气流102。流106从压缩机104导向低压再生器108，用于冷却来形成第一冷却流110。
该第一冷却流110从低压再生器108中导出，并且通过间接热交换器202用冷却水流204进一步冷却，来形成冷却的和压缩的流206。该冷却的和压缩的流206导向中压压缩机208来形成加压的流210。该加压的流210导向间接热交换器212，在这里将它通过传热流体214进一步冷却，并且导向热交换器216，在这里它更进一步冷却，然后导向高压压缩机218。
传热流体214可以用间接再生器220一起提供。作为此处使用的，术语“间接”描述了这样的再生器，其是与大气气体的流动分开的，但是为系统中的大气气体或者其它合适的流体提供了冷却或者加热。在一种实施方案中，传热流体214是通过冷却该加压的流210的方法来进行加热的。通过加热，该传热流体214被导向间接再生器220，其冷却了该传热流体214。传热流体214然后通过泵222泵送回间接热交换器216，来冷却加压的流210。这样的系统允许再生器在比加热和冷却的大气气体更低的压力进行工作。
在将加压的流210冷却和导向高压压缩机218后，该高压压缩机218将加压的流210进一步加压到临界压力，来形成超临界大气气流118。类似于上面参考图1所述的实施方案，超临界大气气流118被导向高压再生器120，并且冷却到低温水平，第二冷却流122从高压再生器120导出到膨胀器124(例如浓稠流体膨胀器或者膨胀阀)中，膨胀器124将第二冷却流122膨胀到较低的压力，来形成液化的大气气流126，和将该液化的大气气流126存储在存储容器128中。
图3表示了再生系统301的一部分的示意图。具体的，图3表示了在第一运行周期(例如非高峰需电周期)过程中使用的再生系统301的部分。类似于图1和2所示的实施方案，将大气气流100通过压缩机104(例如绝热空气压缩机)加压到高于预定压力(例如2bar)来形成压缩的大气气流102，其形成了流106。流106从压缩机104导出到低压再生器108，用于冷却来形成第一冷却流110。该第一冷却流110然后从低压再生器108导出，并且通过水冷的后冷却器112用冷却水流204进一步冷却。该冷却的和压缩的流206(其不同于图1和2中的实施方案之处在于其是通过将来自水冷却的后冷却器112的流307与下述的合并流311进行合并来形成的)在压缩机114(其典型的包括级间冷却器116)中进一步加压，并且该压缩机114被配置来将第一冷却流110加压到预定压力(例如所述气体的临界压力)来形成超临界大气气流118。
除了图1和2所示的一些或者全部特征之外，图3表示了再生系统301，其包括将超临界大气气体118分成第一高压流302和第二高压流304。该第一高压流302被引导通过后冷却器306用于冷却(参见流309)，然后分成第一冷却的高压流308和第二冷却的高压流310。该第二冷却的高压流310被导向升温膨胀器316，在这里将它膨胀到预定压力(例如第一冷却流110的压力)，产生功，和形成低温流318。该低温流318被导向补充热交换器312，在这里将它进行冷却。在该补充热交换器312中，将第一冷却的高压流308分成第一流320和第二流322。将该第一流320冷却到低温温度，并且从该补充热交换器312中导出。将第二流322从该补充热交换器312导出到冷膨胀器324中，在这里将该第二流322膨胀，产生功，和形成低温流326。该低温流326导入补充热交换器312中，加热，并且与低温空气流318(其已经在补充热交换器312中进行了进一步加热)合并来形成合并的流311。该合并的流311接近于大约大气气流100的温度或者大约环境温度，并且将其引导来与第一冷却流110合并(在该第一冷却流110通过水冷的后冷却器112冷却之后)，来形成冷却的和压缩的流206。
通过从补充热交换器312中导出，第一流320(处于低温)与第二冷却流122合并来形成合并的低温流330。该合并的低温流330导向膨胀器124，其将该合并的低温流330膨胀来形成低压流332，将该低压流导向相分离器334，该分离器将液化的大气气流126导向存储容器128(来进行存储，直到在高峰小时过程中释放出来)，和将蒸气大气气流336导向补充热交换器312，在这里将该蒸气大气气流336加热到大约大气气流100的温度或者大约环境温度，并且形成废流338，该废流可以排出，用于其他方法，或者用于再生系统301中，例如用于大气气体清洁器，典型的吸附装置(未示出)的再生。
图4表示了再生系统401的一部分的示意图。具体的，图4表示了用于第二运行周期(例如高峰需电周期)过程中的再生系统401的部分。图4所示的再生系统401可以与图1所示的再生系统101和/或图3所示的再生系统301相结合来使用。
再生系统401选择性在第二运行周期过程中将液化的大气气流127从存储容器128中导出。该第二运行周期可以基于任何合适的可确认的事件来开始。例如，该第二运行周期可以基于在一定范围内(例如一天的时间，一周的时间等等)的高用电模式，在包括再生系统401的设备上的高用电模式(例如在使用其他方法的同时，在切换时等等)，事件例如暗照明或者熄灯事件，和/或单个的或者有组织的开始降低功率消耗(例如电力传输组织因财政原因要求降低功率消耗)。
通过将至少一部分的存储的液化的大气气体加压到预定压力，来将液化的大气气流127从存储容器128中导出，由此形成加压的液化大气气流402。例如，再生系统401可以包括泵404，用于引导该加压的液化大气气流402。泵404可以配置来用于高压或者超临界压力。该加压的液化大气气流402被导向高压再生器120。这个再生器与图1中的相同，除了穿过再生器的流体的流动方向相反之外，并且还使用再生器而不是流体来为流体提供热(超临界大气气流118)提供热到再生器)。在高压再生器120中，将至少一部分的该加压的液化大气气流402加热到预定温度，来形成加热的流406。该预定温度可以是大约大气气流100的温度或者环境温度。在一种实施方案中，该加热的流406可以在气体热交换器412中进一步加热来形成流405。气体热交换器412中的加热可以通过任何合适的源来提供。例如，气体热交换器412中的加热可以通过来自燃气涡轮(未示出)的废流414来提供，来形成冷却流407。该加热的流406从高压再生器120导出，并且导向膨胀器408。膨胀器408将加热的流406降低到预定压力，来形成中压大气气流410。在一种实施方案中，中压大气气流410可以用于在高温和/或低压下再生吸附床(未示出)。该吸附床能够降低或者消除再生系统401和/或下游装置的某些部分的冷冻。
中压大气气流410被导向低压再生器108，并且加热来形成加热的中压大气气流416。该加热的中压大气气流416被导向膨胀器418，膨胀，和形成大气气体废流420。该大气气体废流420可以用于任何合适的目的。例如，大气气体废流420可以用于干燥，可以排出到大气中，和/或可以用于其他方法中。
图5表示了再生系统501的一部分的示意图。具体的，图5表示了用于第二运行周期(例如高峰需电周期)过程中的再生系统501的部分。图5所示的再生系统501可以与图2所示的再生系统201相结合来使用。
类似于图4的再生系统401，图5的再生系统501在第二运行周期过程中选择性从存储容器128中导出液化的大气气流127。通过将至少一部分的存储的液化的大气气体127加压到预定压力，来将液化的大气气流127从存储容器128中导出，由此形成加压的液化大气气流402(例如通过使用泵404)。该加压的液化的大气气流402导向高压再生器120。在该高压再生器120中，至少一部分的该加压的液化的大气气流402被加热到预定温度，来形成加热的流406。
在再生系统501中，该加热的流406在高压膨胀器502中膨胀来形成膨胀的流504。该膨胀的流504被导向间接热交换器506。在再生系统501中，间接热交换器506加热了该膨胀的流504，来形成另外的加热的流508，其然后导向膨胀器408(例如中压膨胀器)。间接热交换器506如下来加热该膨胀的流504：通过将来自传热流体214(其是与间接再生器220相结合来提供的)的热进行传递。该传热流体214然后通过泵222泵送回到间接再生器220，来重新加热该传热流体214。
将导向膨胀器408的进一步加热的流508膨胀到预定压力，来形成中压大气气流410。将该中压大气气流410导向低压再生器108，并且加热来形成加热的中压大气气流416。将该加热的中压大气气流416导向膨胀器418，膨胀，和形成大气气体废流420。该大气气体废流420可以用于任何合适的目的。例如，大气气体废流420可以用于冷却数据中心，可以排出到大气中，和/或可以用于其他方法中。
在一种示例性实施方案中，图3所示的再生系统301的部分是与图4所示的再生系统401的部分相结合来运行的。参考图3，压缩机104可以是一种绝热压缩机，其配置来用于大约43511 HP的轴功，具有大约81.73%的等熵效率和大约97%的机械效率。压缩机114可以是等温压缩机，其配置来用于大约26588 HP的轴功，具有大约82%的等熵效率和大约97%的机械效率。该等温压缩机可以包括四级，并且可以通过级间冷却器116冷却到大约70℃(21℃)。升温膨胀器316可以配置用于大约-608 HP的轴功，具有大约85%等熵效率和97%的机械效率。冷膨胀器324可以配置用于大约-409 HP的轴功，具有大约85%的等熵效率和97%机械效率。膨胀器124可以是浓稠流体膨胀器，配置用于大约-630的轴功，具有大约60%的等熵效率和96%的机械效率。参考图4，用于引导加压的液化大气气流402的泵404可以配置用于大约1350 HP的轴功，具有大约75%的等熵效率。膨胀器408可以是一种高压膨胀器，其配置来用于大约-34617 HP的轴功，具有85%的等熵效率和97%的机械效率。膨胀器418可以是中压膨胀器，其配置用于大约-24525的轴功，具有大约85%的等熵效率和大约97%的机械效率。
在这种示例性实施方案中(具有图3的再生系统301和图4的再生系统401)，导向图4所示的气体热交换器412的废流414从燃气涡轮(未示出)中导出，该燃气涡轮是与图5所示的压缩机114(该等温压缩机具有通过级间冷却器116冷却的四级)组合来运行的。在这种实施方案中，废流414的组成可以是(mol单位)0.74418的N2，0.00896的Ar，0.13720的O2，0.03151的CO2，和0.078148的H2O(蒸汽)。这种实施方案中的流体可以具有下面的温度(T)，压力(P)和流速(F)：
表1
流 # T(℉) P(psia) F(lbmol/hr)
100 60 14.69 22744
102 750 201.6 22744
110 369 197.6 22744
118 163 1248 25866
122 -307 1243 21469
126 -315.5 17 22744
126 -316 17 21550
206 67 196.5 25866
302 163 1248 4397
304 163 1248 21469
307 70 196.6 25866
308 70 1247 3077
309 70 1247 4397
310 70 1247 1319
311 41 196.5 1803
318 -126 198 1319
320 -281 1244 1275
322 -120 1246 1803
326 -254 198 1803
332 -306 30 22744
336 -315.5 17 1193.5
338 41.2 14.7 1193.5
402 -309 1220 21550
405 900 1213 21550
406 157 2215 21550
407 253 12.4 23393
410 326 100 21550
414 939 15 23393
416 745 96 21550
420 331 14.7 21550
流动条件，功输入和/或功输出对于第一运行周期(非高峰运行)和第二运行周期(高峰运行)来说基于相同的流动持续时间。在其他实施方案中，该第一运行周期的持续时间和该第二运行周期的持续时间不同。例如，该第一运行周期(非高峰运行)可以是10小时，而第二运行周期(高峰运行)可以是6小时。在这种实施方案中，在第一运行周期过程中的一种或多种流体的流量和膨胀器的功率量可以进行调整。该调整可以包括将第一运行周期过程中的流体的流量降低0.6的乘积倍数，和将压缩机的功率量降低相同的乘积倍数。
在另外的实施方案中，再生系统的某些部件可以被替代或者除去。例如，仅仅具有两个再生器的实施方案可以没有中压压缩机、膨胀器、间接热交换器、间接再生器、和/或包括泵的传热流体循环。可选择的，在一种实施方案中，中压压缩机和膨胀器可以包括在该再生系统中，但是再生器可以替代为间接热交换器。在这种实施方案中，该再生系统可以不具有包括泵的传热流体循环。
包括绝热压缩机还可以产生增大具有多个再生器的益处。在一种实施方案中，在选择再生系统所包括的绝热压缩机和等温压缩机的量时考虑可利用的外部热量的量。
在一种实施方案中，将该再生系统中的一种或多种膨胀器偶合到一种或多种压缩机上。这样的偶合可以取消发电机，发动机，和/或与该发电机和/或发动机相关的损失。
在一种具有小的设备能力的实施方案中(例如当膨胀器的功率小于大约50 kW时)，将浓稠流体膨胀器(其具有较高的价格和较高的效率)用节流阀(其具有较低的价格和较低的效率)替代，来降低资金成本。在另外一种实施方案中，可以分析设备的能力，来确定在再生系统中包括浓稠流体膨胀器还是包括节流阀。
在一种实施方案中，从不可燃源将另外的或者可选择的冷却提供给一种或多种再生器。在一种实施方案中(其中致冷是通过外部致冷补充给再生系统的)，该外部致冷允许冷却到低于临界温度，由此延长该再生系统的运行持续时间。例如，包括该外部致冷能够将运行维持能力延长数月或者数年的持续时间。引入液氮，液体空气，和/或加入低温致冷器到所述方法中能够提供这样的外部致冷。在一种实施方案中，再生系统中的一部分或者全部的冷却是使用不可燃材料来进行的。例如，致冷系统的冷却中所用的流体全部是不可燃。作为此处使用的，术语“不可燃流体”典型的包括空气，氩气，氮气，氧气，氦气，氙气，某些氟化烃，及其组合。
综上所述，本发明涉及以下技术方案：
1.一种用于周期性冷却、存储和加热的再生方法，该方法包括：
将大气气流加压到高于预定压力的压力，来至少形成压缩的大气气流，该预定压力是大约2bar；
将该压缩的大气气流导向第一再生器用于冷却，来至少形成第一冷却流；
将该第一冷却流从第一再生器中导出；
将该第一冷却流加压到高于第二预定压力的压力，来至少形成超临界大气气流，该第二预定压力在第一冷却流的临界压力左右；
将该超临界大气气流导向第二再生器，来至少形成第二冷却流；
将该第二冷却流从第二再生器导出；
降低该第二冷却流的压力，来至少形成液化的大气气流；
选择性存储该液化的大气气流，作为存储的液化大气气体；
加压至少一部分的该存储的液化大气气体到高于第三预定压力的压力，来至少形成加压的液化大气气流，该第三预定压力在该存储的液化大气气体的临界压力左右；
在第二再生器中加热该加压的液化大气气流，来至少形成加热的流；
将该加热的流从第二再生器导出；
膨胀该加热的流来至少形成中压大气气流；
将该中压大气气流导向第一再生器；和
在第一再生器中加热该中压大气气流。
2.方案1的方法，其中加压该大气气流是通过不具有级间冷却器的压缩机来进行的。
3.方案1的方法，其中加压该第一冷却流是通过不具有级间冷却器的压缩机来进行的。
4.方案1的方法，其进一步包括通过后冷却器来进一步冷却从第一再生器导出的第一冷却流。
5.方案1的方法，其进一步包括通过外部热源来进一步加热至少一部分的该加压的大气气体。
6.方案5的方法，其中该外部热源是来自燃气涡轮的废气。
7.方案5的方法，其中该外部热源是太阳热收集器。
8.方案1的方法，其中该大气气体基本上是空气。
9.方案1的方法，其中该大气气体基本上是氮气。
10.方案1的方法，其进一步包括将该加热的加压大气气体或者该加热的中压流导向燃气涡轮。
11.方案1的方法，其进一步包括将该加热的加压大气气体或者该加热的中压流膨胀到第四预定压力，来形成膨胀的大气气体，该第四预定压力在环境大气压力左右。
12.方案11的方法，其进一步包括将该膨胀的大气气体导向燃气涡轮。
13.方案1的方法，其中该第二冷却流是在第二再生器中通过外部冷却来形成的，该外部冷却由不可燃流体提供。
14.方案1的方法，其进一步包括使用间接再生器为所述系统提供另外的加热或者冷却。
15.一种用于进行方案1的方法的系统。
16.一种用于周期性冷却、存储和加热的再生系统，该系统包括：
第一压缩机，其用于将大气气流加压到高于预定压力的压力，来至少形成压缩的大气气流，该预定压力是大约2bar；
第一再生器，其配置来冷却该压缩的大气气流，以至少形成第一冷却流；
第二压缩机，其配置来将该第一冷却流加压到高于第二预定压力的压力，来至少形成超临界大气气流，该第二预定压力在第一冷却流的临界压力左右；
第二再生器，其配置来冷却该超临界大气气流，以至少形成第二冷却流；
降压装置，其配置来膨胀该第二冷却流，来至少形成液化的大气气流；
存储容器，其配置来选择性存储该液化的大气气流，作为存储的液化大气气体；
泵，其配置来将该存储的液化大气气体加压到高于第三预定压力的压力，来至少形成加压的液化大气气流，该第三预定压力在该存储的液化大气气体的临界压力左右；和
膨胀器，其配置来将加热的流进行膨胀，来至少形成中压大气气流，该加热的流是通过第二再生器的加热来形成的；
其中该第二再生器被配置来加热该加压的液化大气气流，来至少形成加热的流；
其中该第一再生器被配置用于加热中压大气气流。
17.方案16的系统，其进一步包括间接再生器，该间接再生器被配置来为该系统提供另外的加热或者冷却。
18.方案16的系统，其进一步包括燃气涡轮，该燃气涡轮被布置来加热至少一部分的该加热的加压大气气体或者该中压大气气体。
19.方案16的系统，其进一步包括太阳热收集器，该太阳热收集器被布置来加热至少一部分的该加热的加压大气气体或者该中压大气气体。
20.一种用于周期性冷却、存储和加热的再生方法，该方法包括：
将大气气流加压到高于预定压力的压力，来至少形成压缩的大气气流，该预定压力是大约2bar；
将该压缩的大气气流导向第一再生器用于冷却，来至少形成第一冷却流；
将该第一冷却流从第一再生器中导出；
通过后冷却器进一步冷却从第一再生器导出的该第一冷却流，来形成另外的冷却流；
将来自后冷却器的该另外的冷却流加压到高于第二预定压力的压力，来至少形成超临界大气气流，该第二预定压力在该第一冷却流的临界压力左右；
将该超临界大气气流导向第二再生器，来至少形成第二冷却流；
将该第二冷却流从第二再生器导出；
降低该第二冷却流的压力，来至少形成液化的大气气流；
选择性存储该液化的大气气流，作为存储的液化大气气体；
加压至少一部分的该存储的液化大气气体到高于第三预定压力的压力，来至少形成加压的液化大气气流，该第三预定压力在该存储的液化大气气体的临界压力左右；
在第二再生器中加热该加压的液化大气气流，来至少形成加热的流；
将该加热的流从第二再生器中导出；
膨胀该加热的流来至少形成中压大气气流；
将该中压大气气流导向第一再生器；
在第一再生器中加热该中压大气气流；
通过外部热源进一步加热至少一部分的该中压大气气体；
将该加热的中压大气气体膨胀到第四预定压力的压力，来形成膨胀的大气气体，该第四预定压力在环境大气压力左右；和
将该膨胀的大气气体导向燃气涡轮。
虽然已经参考优选的实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员将理解可以进行不同的变化，并且等价物可以替代其元件，而不脱离本发明的范围。另外，可以根据本发明的教导而进行许多的改变来适应具体的情形或者材料，而不脱离其的基本范围。所以，其目的是不将本发明限制到作为进行本发明的最佳实施方式而公开的具体实施方案中，相反，本发明将包括落入附加的权利要求范围内的全部实施方案。

Claims (14)

1.一种用于周期性冷却、存储和加热的再生方法，该方法包括：
将大气气流加压到高于预定压力的压力，来至少形成压缩的大气气流，该预定压力是大约2bar；
将该压缩的大气气流导向第一再生器用于冷却，来至少形成第一冷却流；
将该第一冷却流从第一再生器中导出；
将该第一冷却流加压到高于第二预定压力的压力，来至少形成超临界大气气流，该第二预定压力在第一冷却流的临界压力左右；
将该超临界大气气流导向第二再生器，来至少形成第二冷却流；
将该第二冷却流从第二再生器导出；
降低该第二冷却流的压力，来至少形成液化的大气气流；
选择性存储该液化的大气气流，作为存储的液化大气气体；
加压至少一部分的该存储的液化大气气体到高于第三预定压力的压力，来至少形成加压的液化大气气流，该第三预定压力在该存储的液化大气气体的临界压力左右；
在第二再生器中加热该加压的液化大气气流，来至少形成加热的流；
将该加热的流从第二再生器导出；
膨胀该加热的流来至少形成中压大气气流；
将该中压大气气流导向第一再生器；和
在第一再生器中加热该中压大气气流。
2.权利要求1的方法，其中加压该大气气流和/或加压该第一冷却流是通过不具有级间冷却器的压缩机来进行的。
3.权利要求1的方法，其进一步包括通过后冷却器来进一步冷却从第一再生器导出的第一冷却流。
4.权利要求1的方法，其进一步包括通过外部热源来进一步加热至少一部分的该加压的大气气体，其中该外部热源优选选自来自燃气涡轮的废气和太阳热收集器。
5.权利要求1的方法，其中该大气气体基本上是空气或基本上是氮气。
6.权利要求1的方法，其进一步包括将该加热的加压大气气体或者该加热的中压流导向燃气涡轮。
7.权利要求1的方法，其进一步包括将该加热的加压大气气体或者该加热的中压流膨胀到第四预定压力，来形成膨胀的大气气体，该第四预定压力在环境大气压力左右，任选还进一步包括将该膨胀的大气气体导向燃气涡轮。
8.权利要求1的方法，其中该第二冷却流是在第二再生器中通过外部冷却来形成的，该外部冷却由不可燃流体提供。
9.权利要求1的方法，其进一步包括使用间接再生器为所述系统提供另外的加热或者冷却。
10.一种用于进行权利要求1的方法的系统。
11.一种用于周期性冷却、存储和加热的再生系统，该系统包括：
第一压缩机，其用于将大气气流加压到高于预定压力的压力，来至少形成压缩的大气气流，该预定压力是大约2bar；
第一再生器，其配置来冷却该压缩的大气气流，以至少形成第一冷却流；
第二压缩机，其配置来将该第一冷却流加压到高于第二预定压力的压力，来至少形成超临界大气气流，该第二预定压力在第一冷却流的临界压力左右；
第二再生器，其配置来冷却该超临界大气气流，以至少形成第二冷却流；
降压装置，其配置来膨胀该第二冷却流，来至少形成液化的大气气流；
存储容器，其配置来选择性存储该液化的大气气流，作为存储的液化大气气体；
泵，其配置来将该存储的液化大气气体加压到高于第三预定压力的压力，来至少形成加压的液化大气气流，该第三预定压力在该存储的液化大气气体的临界压力左右；和
膨胀器，其配置来将加热的流进行膨胀，来至少形成中压大气气流，该加热的流是通过第二再生器的加热来形成的；
其中该第二再生器被配置来加热该加压的液化大气气流，来至少形成加热的流；
其中该第一再生器被配置用于加热中压大气气流。
12.权利要求11的系统，其进一步包括间接再生器，该间接再生器被配置来为该系统提供另外的加热或者冷却。
13.权利要求11的系统，其进一步包括燃气涡轮或太阳热收集器，该燃气涡轮或太阳热收集器被布置来加热至少一部分的该加热的加压大气气体或者该中压大气气体。
14.一种用于周期性冷却、存储和加热的再生方法，该方法包括：
将大气气流加压到高于预定压力的压力，来至少形成压缩的大气气流，该预定压力是大约2bar；
将该压缩的大气气流导向第一再生器用于冷却，来至少形成第一冷却流；
将该第一冷却流从第一再生器中导出；
通过后冷却器来进一步冷却从第一再生器导出的第一冷却流，来形成另外的冷却流；
将来自后冷却器的该另外的冷却流加压到高于第二预定压力的压力，来至少形成超临界大气气流，该第二预定压力在第一冷却流的临界压力左右；
将该超临界大气气流导向第二再生器，来至少形成第二冷却流；
将该第二冷却流从第二再生器导出；
降低该第二冷却流的压力，来至少形成液化的大气气流；
选择性存储该液化的大气气流，作为存储的液化大气气体；
加压至少一部分的该存储的液化大气气体到高于第三预定压力的压力，来至少形成加压的液化大气气流，该第三预定压力在该存储的液化大气气体的临界压力左右；
在第二再生器中加热该加压的液化大气气流，来至少形成加热的流；
将该加热的流从第二再生器导出；
膨胀该加热的流来至少形成中压大气气流；
将该中压大气气流导向第一再生器；
在第一再生器中加热该中压大气气流；
通过外部热源进一步加热至少一部分的该中压大气气体；
将该加热的中压大气气体膨胀到第四预定压力，来形成膨胀的大气气体，该第四预定压力在环境大气压力左右；和
将该膨胀的大气气体导向燃气涡轮。
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