CN104870920A - 用于液化过程中的冷却的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

公开了通过来自热能存储的冷循环的一体化使用在空气液化过程中有效冷却的方法和设备。

Description

用于液化过程中的冷却的方法和设备
技术领域
本发明涉及低温能量储存系统，并且特别涉及通过一体化使用来自外部来源诸如热能存储的冷循环使液化过程有效平衡的方法。
背景技术
电传输和配电网络(或配电网)必须使发电与消费者的需求相平衡。通常通过打开或关闭发电站来调制发电侧(供应侧)以及使一些在降低的负载下运行以实现这一点。由于多数现有的热和核发电站当在满负载下连续运行时非常有效，因此按照这种方式，存在平衡供应侧方面的效率损失。向网络期望地引入显著的间歇性可再生发电容量诸如风力涡轮和太阳能聚集器将通过产生发电车队的部件的可利用性的不确定性而进一步使配电网的平衡复杂。在低需求期存储能力以在之后用于高需求期中或者在间歇发电机的低输出期间的装置将成为平衡该配电网并且提供供应安全性的主要益处。
蓄电器械具有三个操作阶段：充电、存储和放电。当在传输和配电网络上存在发电容量不足时，蓄电器械基于高间歇而发电(放电)。这可通过当地电力市场中的高价的电或者通过负责操作网络的组织对额外容量的请求来告知储存器械操作员。在一些国家，诸如英国，网络操作员通过具有快速起动能力的电厂的操作员进入用于将备用储备供应至网络的合同。这种合同可覆盖几个月甚至几年，但是通常供电器将操作(发电)的时间非常短。另外，储存器械在从间歇可再生发电机将电力过度供应至配电网时在提供额外负载时可提供额外服务。在需求低的夜晚风速通常高。网络操作员必须通过低能量价格信号或与消费者的特定合同在网络上安排额外需求以利用过度供应，或约束来自其它站或风力发电场的动力供应。在一些情况下，尤其是补贴风力发电机的市场中，网络操作员将必须向风力发电场操作员付费以“关闭”风力发电场。储存器械向网络操作员提供可用的额外负载，这能够用于在过度供应时平衡配电网。
对于市售的储存器械，以下因素是重要的：可从初期投资预期的MWh(能量容量)、往返循环效率、相对于充电放电循环数目的寿命和每MW(功率容量)的资本成本。对于普遍的实用规模的应用，还重要的是，储存器械在地理上不受约束——它可建立在任何地方，尤其靠近高需求点或靠近传输和配电网络的瓶颈或间歇源。
一种这种存储器械技术是通过利用在市场提供多个优点的冷冻剂诸如液体空气或氮(低温能量储存(CES))来存储能量。广泛的说，在充电阶段，CES系统在低需求或从间歇可再循环发电机过度供应期间将利用低成本或过剩的电来液化工作流体诸如空气或氮。然后，该工作流体作为低温流体被存储在存储罐中，随后在高需求或来自间歇可再生发电机的供应不足的时期被释放以驱动涡轮，从而在放电或电力回收阶段期间产生电。
低温能量储存(CES)系统具有超过市场上的其它技术的多个优点，其中一个优点是它们在经证明的成熟的过程中的发现。在充电阶段必要的液化空气的装置存在了不止一个世纪；利用其中周围空气压缩至高于临界(≥38巴)的压力的简单林德循环的早期系统，并且在通过膨胀器械诸如焦耳-汤姆逊阀经历焓膨胀之前逐渐冷却该早期系统至低温，以产生液体。通过在临界阈值以上对空气施压，空气出现独特的特性，并且在膨胀中产生大量液体的潜能。排掉液体，并且使用冷气态空气的其余馏分以使到来的暖过程流冷却。通过需要的量的冷蒸汽来控制产生的液体的量，并且必然导致低特定产量。
该过程的演变是克劳德循环(对于克劳德循环，目前技术水平示于图4中)；该过程广义上与林德循环相同，但是一个或更多个流36、39与其中所述一个或更多个流36、39通过涡轮3、4隔热地膨胀的主过程流31分离，从而与等焓过程相比导致针对给定膨胀比的更低温度，并且因此有效冷却。通过涡轮3、4膨胀的空气然后再加入返回流34，并帮助高压流31经由热交换器100的冷却。与林德循环类似，通过膨胀器械诸如焦耳-汤姆逊阀1经由膨胀形成大部分液体。克劳德过程的主要改进在于通过膨胀涡轮3、4产生的功率直接或间接降低整体功耗，从而导致更大的能量效率。
最有效的现代空气液化过程通常使用两个涡轮的克劳德设计，并且在商业规模上通常能够实现用数字表示的约0.4kWh/kg的最佳特定功。虽然高度有效，但是这不可使CES系统能够实现用数字表示的50％的市场进入往返效率，而不明显减少特定功。
为了实现更高的效率，完全一体化的CES系统诸如在WO2007-096656A1中公开的中的液化过程利用在电力回收阶段期间冷冻剂的蒸发中俘获的冷能量。这借助于一体化热存储诸如GB1115336.8中详细描述的来存储，并且随后在充电阶段中使用该一体化热存储以在液化过程中对主过程流提供额外的冷却。冷回收流的有效使用是实现有效低温能量储存系统的先决条件。
在图1中示出了任意高压过程流必须经历当通过膨胀器械诸如焦耳-汤姆逊阀而被膨胀时以达到所需温度以最大化液体产生的焓中的必要改变。典型的理想冷却流必须如在图2中的标记为‘无冷循环’的曲线所示的过程中始终类似地经历焓变。图2中的第二曲线证明了当大量冷循环被引入标记‘冷循环’的系统中时在所需冷却中的明显改变(即焓的相对改变)。图2示出了在250kJ/kg(定义为每kg递送的液体产物的冷却焓)的区域中的冷循环的量，该量与全一体化低温能量系统诸如在WO2007-096656A1中公开的系统中使用的冷循环的水平一致。如图2中明显看出，添加冷循环完全满足过程的较高温端中的冷却需求。
这提出了设计为使用更先进的热能曲线的目前技术水平的液化过程的问题，并且通过单个冷却流在热交换器范围内允许的更有效得多地处理该液化过程。如可从图3中看出，通过目前技术水平的过程(通过标记为‘目前技术水平’的曲线指示)产生的有效的冷却流诸如图4所示的克劳德循环与通过利用大量冷循环的系统(通过标记为‘理想曲线’的曲线指示)中的所需曲线相比是完全线性的，并且匹配很差。为了符合在低温端处的苛刻的冷却需求，典型的目前技术水平的过程必须通过作为无冷循环的系统的冷涡轮来扩展类似量的空气。这导致在过程热交换器中的差的效率和高于该器械的最大设计水平的传热需求。
本发明的发明人认识到存在尤其在该过程的低温端处对能够向过程的集中区域提供重点的非进行性冷却的系统的需求。
发明内容
在第一实施例中，本发明的第一方面通过提供低温液化器械解决了这些需求，所述低温液化器械包括：
热交换器；
第一分相器；
第一膨胀器械；
第一膨胀涡轮；
第二膨胀涡轮；
冷回收回路，所述冷回收回路包括传热流体；以及
管道的布置，其中：
第一膨胀涡轮和第二膨胀涡轮的操作入口压力彼此不同；并且
管道的布置被布置为使得：
受压的气体流的第一部分被导向通过热交换器、第一膨胀器械和第一分相器；
受压的气体流的第二部分被导向通过第一膨胀涡轮，然后沿着相对于受压的气体流的第一部分的逆流方向通过热交换器，并且随后通过第二膨胀涡轮，并且
传热流体被导向通过热交换器。
在本发明的上下文中，短语“逆流方向”用于意指，对于受压的气体流的通过热交换器的路径的至少一部分，受压的气体流的第二部分沿着与受压的气体流的第一部分的相反方向流动通过热交换器。受压的气体流的第一部分和第二部分可在相反端部处进入热交换器，即，使得进入点之间的温差最大化。替代地，受压的气体流的第一部分和/或第二部分可在热交换器的端部之间的点处进入热交换器，但是对于受压的气体流的通过热交换器的路径的至少一部分，受压的气体流的第一部分和/或第二部分沿着相对于受压的气体流的第一部分和第二部分中的另一个的相反方向流动通过热交换器。
冷回收回路包括：热能储存器械；用于循环传热流体(HTF)的装置；以及管道的布置，所述管道的布置布置为将HTF导向通过热能储存器械且进入热交换器中。在GB 1115336.8中详细描述了示例性冷回收回路。HTF可包括高压或低压的气体或液体。
本发明的构造为使得经冷却过程流的第二部分能够通过第一涡轮部分膨胀以提供冷回收回路的冷回收流的进入点的局部高压冷却流。该流可随后通过第二涡轮进一步膨胀，以提供对过程的下部的明显额外冷却。
作为对膨胀的流进行再加热的结果，本发明提供来自膨胀涡轮的增加的功输出，同时还提供膨胀涡轮之间的冷却。
受压的气体流可由气态空气组成。替代地，受压的气体流可包含气态氮。受压的气体流可在大于或等于临界压力的压力下被输入至低温液化器械中，所述临界压力对于气态空气来说是38巴，而对于气态氮来说是34巴。
在受压的气体流分为两部分之后，受压的气体流的第一部分和受压的气体流的第二部分可处于相同压力下。替代地，受压的气体流的第一部分和受压的气体流的第二部分可处于不同的压力下。具体地说，第一部分可高于临界压力，并且第二部分可低于临界压力，反之亦然。
低温液化器械可包括不止两个膨胀涡轮，其中涡轮二者并联和串联。
低温液化器械可进一步包括第三膨胀涡轮，其中第三膨胀涡轮的操作入口压力与第一膨胀涡轮和第二膨胀涡轮中的至少一个的操作入口压力不同。
管道的布置可为使得第三膨胀涡轮与第一涡轮和第二涡轮中的至少一个并联，从而过程气体的受压的流的第二部分的至少一部分被导向通过第三膨胀涡轮。
管道的布置可使为得第三膨胀涡轮与第一涡轮和第二涡轮中的至少一个串联，使得过程气体的受压的流的第二部分的至少一部分被导向通过第三膨胀涡轮。
低温液化器械可进一步包括制冷剂回路，所述冷剂回路经由管道的布置连接至第二膨胀涡轮的输出。
低温液化器械可进一步包括第二管道的布置，所述第二管道的布置引导第二传热流体通过闭循环制冷回路以及通过热交换器的局部区域。制冷剂回路中的第二传热流体可包括高压或低压的气体或液体。
低温液化器械可进一步包括第四膨胀涡轮，其中管道的布置被布置为使得：
受压的气体流的第三部分被导向通过第四膨胀涡轮，并且随后沿着相对于受压的气体流的第一部分的逆流方向通过热交换器。
低温液化器械可进一步包括第五膨胀涡轮，其中管道的布置被布置为使得：
受压的气体流的第三部分在通过第四膨胀涡轮和热交换器之后被导向通过第五膨胀涡轮。
低温液化器械可进一步包括第二分相器和第二膨胀器械，其中管道的布置被布置为使得受压的气体流的第二部分的至少一部分在通过第一膨胀涡轮之后被导向通过第二膨胀器械和第二分相器。
所述膨胀器械或每个膨胀器械可包括焦耳-汤姆逊阀、另一减压阀、膨胀涡轮或另一功提取器械。
低温液化器械可进一步包括第一压缩机，其中管道的布置被布置为使得受压的气体流的第二部分的至少一部分在通过第一膨胀涡轮之前被导向通过第一压缩机。
低温液化器械可进一步包括第二压缩机，其中管道的布置被布置为使得受压的气体流的第一部分在通过热交换器之前被导向通过第二压缩机。
低温液化器械可进一步包括冷却器，其中管道的布置被布置为使得受压的气体流的第一部分在通过第二压缩机之后且通过热交换器之前被导向通过冷却器。
低温液化器械可进一步包括适于输出受压的气体流的供给流压缩机，其中管道的布置被布置为首先使得供给流被导向至供给流压缩机的输入；并且随后使得来自第一分相器的输出流在通过热交换器之后加入供给流。
管道的布置可被布置为使得从供给流压缩机输出的受压的气体流在通过热交换器之前被导向至热存储器械。
管道的布置可被布置为使得从热存储器械输出的受压的气体流在通过热交换器之前被导向至排热器械。
本发明的第一方面还提供了一种用于使用来自外部热能源的冷循环热平衡液化过程的方法，包括：
将受压的气体流的第一部分导向通过热交换器、第一膨胀器械和第一分相器；
将受压的气体流的第二部分导向通过第一膨胀涡轮，随后沿着相对于受压的气体流的第一部分的逆流方向通过热交换器，并且随后通过第二膨胀涡轮；以及
将传热流体导向通过冷回收回路和热交换器；其中：
第一膨胀涡轮和第二膨胀涡轮的操作入口压力彼此不同。
上面结合低温液化器械描述的可选特征中的任何特征也可并入本发明的第一方面的方法中。
本发明的第二方面通过在第一实施例中提供一种低温液化器械解决了这些需求，所述低温液化器械包括：
热交换器；
第一分相器；
第一膨胀器械；
第一膨胀涡轮；
第一压缩机；
冷回收回路，所述冷回收回路包括传热流体；以及
管道的布置，所述管道的布置被布置为使得：
受压的气体流的第一部分被导向通过热交换器、第一膨胀器械和第一分相器；
受压的气体流的第二部分被导向通过第一膨胀涡轮，然后沿着相对于受压的气体流的第一部分的逆流方向通过热交换器，并且随后通过第一压缩机，并且
传热流体被导向通过热交换器。
管道的布置可被布置为使得第一压缩机的输出流加入受压的气体流。
管道的布置可被布置为使得第一压缩机的输出流在该输出流加入受压的气体流之前被导向至热交换器中。替代地，管道的布置可被布置为使得第一压缩机的输出流在该输出流被导向至热交换器中之前加入受压的气体流。
第一压缩机可以是单级压缩机或多级压缩机。
本发明的第二方面进一步提供了一种用于通过使用来自外部热能源的冷循环来平衡液化过程的方法，包括：
将受压的气体流的第一部分导向通过热交换器、第一膨胀器械和第一分相器；
将受压的气体流的第二部分导向通过第一膨胀涡轮，随后沿着相对于受压的气体流的第一部分的逆流方向通过热交换器，并且随后通过第一膨胀涡轮；以及
将传热流体导向通过冷回收回路和热交换器。
上面结合低温液化器械描述的可选特征中的任何特征也可并入本发明的第二方面的方法中。
附图说明
现在将参照附图描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出了过程气体在冷却过程中经历的总焓中的相对改变的曲线(总焓对冷却流温度的相对改变)；
图2示出了冷却流在使用和不使用大量冷循环的情况下在系统的冷却过程中必须经历的总焓中的相对改变的曲线(总焓对冷却流温度的相对改变)；
图3示出了冷却流在使用大量冷循环的情况下在针对‘理想’、‘目前技术水平’和‘本发明’系统的冷却过程中必须经历的总焓中的相对改变的曲线(总焓对冷却流温度的相对改变)；
图4示出了典型的目前技术水平的利用克劳德循环的空气液化厂布置的通常状态；
图5示出了根据本发明的第一方面的第一实施例的低温能量储存系统液化过程的示意图；
图6示出了本发明的第一方面的第二实施例；
图7示出了本发明的第一方面的第三实施例；
图8示出了本发明的第一方面的第四实施例；
图9示出了本发明的第一方面的第五实施例；
图10示出了本发明的第一方面的第六实施例；
图11示出了本发明的第一方面的第七实施例；
图12示出了本发明的第二实施例的变体；
图13示出了本发明的第七实施例的变体；
图14示出了本发明的第八实施例；
图15示出了本发明的第一实施例的变体；
图16示出了本发明的第一实施例的另一变体；
图17示出了本发明的第一实施例的另一变体；并且
图18示出了本发明的第二方面的第一实施例。
具体实施方式
本发明的第一简化的实施例示于图5中。图5中的系统与图4中所示的现有技术的类似之处在于，主过程流31经由来自涡轮的冷膨胀空气冷却，并且通过膨胀器械诸如焦耳-汤姆逊阀1而被膨胀，以产生液体，然而，图4的暖涡轮3由与第一冷涡轮5串联排列的第二冷涡轮6代替。
在图5所示的本发明的第一实施例中，将过程气体(在优选实施例中，为空气)压缩至至少临界压力(对于空气，为38巴，更优选地>45巴)的高压，并且在环境温度(≈298K)下在入口31处使过程气体进入低温液化器械，在通过热交换器100经由通道41、42返回之前，该过程气体从入口31通过热交换器100引导并且通过冷低压过程气体逐步地冷却。另外，低温液化器械的冷回收回路的冷回收流30、50通过热交换器100。冷回收回路包括：热能储存器械(未示出)；用于通过冷回收回路(未示出)使传热流体循环的装置；以及布置为将传热流体引导通过热能储存器械和热交换器100的管道的布置。在GB1115336.8中描述了示例性冷回收回路。
现处于150-170K(在优选的情况中165K)之间的温度下的以31输入至热交换器中的一比例的高压过程气体经由通道39从主流31分离，并且在通过热交换器100的通道40、43之前，该比例的高压过程气体通过利用膨胀涡轮5而被部分膨胀至5与20巴(更典型地10-14巴)之间，其中冷热能传递至流35中的高压气体。与图4的布置相比，作为冷回收流30的进入点的周围的更高压冷却流40、43的结果，本发明的该特征提供了更有效的冷却，从而与其中暖涡轮3(图4)以在可用冷循环可以得到的情况下不需要的更高的温度下提供冷却的传统布局相比更好地匹配所得冷却需求(如图3所示)。
将通道40、43中的部分膨胀的气流加热至120-140K之间(在优选的情况中125K)的温度，作为通过热交换器100在通道40、43中的传热的结果，并且该部分膨胀的气流进一步通过涡轮6而被膨胀至环境与6巴之间，此时该部分膨胀的气流行进通过通道44并进入分相器容器2。流32和44的气体馏分组合以形成输出流34，该输出流34通过向高压过程流35提供额外冷却的热交换器100行进通过通道41、42。本发明的另外的优点在于：流44中的冷过程流的典型组分是液体和气态空气的混合物。在分相器2中收集来自最终膨胀的液体馏分并使该液体馏分经由通道33输出。
图5中的编号的点指示系统中的位置，在这些位置处，典型的绝对压力、温度和质量流如下：
点 温度(K) 压力(巴) 质量流(kg/hr)
31 298 45 16651
35 165.5 45 7160
38 101 45 7160
32 91.23 4 7160
33 91.23 4 6249
34 91.23 4 911
39 165.5 45 9491
40 113 11.23 9491
43 125.5 11.23 9491
44 95.91 4 9491
41 95.49 4 10402
42 295.3 4 10402
30 115 1.2 8280
50 295.3 1.2 8280
本发明的第二实施例示于图6(其中相同附图标记指代与图5中的组件相同的组件)中，其中在过程中稍后且因此在低温(130-170K之间)下执行经有通道39从主流31分离的所述比例的空气。作为结果，冷气体在涡轮5中部分膨胀之后的后续温度足够经由通道40、43提供用于过程流35的底端的高压冷却流，在此之后其通过第二涡轮6而被再次膨胀以在流34中提供额外重点的冷却。
本发明的第三实施例示于图7(其中相同附图标记指代与图5中的组件相同的组件)中，其中第三膨胀涡轮7与保持与涡轮5串联的第二涡轮6并联设置。与图6所示的第二实施例类似，在冷高压流31的部分39再次分为两个流43、45并且通过两个另外的并联的涡轮6和7而被膨胀之前，冷高压流31的部分39通过涡轮5而被部分膨胀以仅在热交换器的下端处提供高压冷却流40。涡轮7的出口通常经由通道80引入到分相器2中。在冷循环温度较低的一些实施例中，涡轮7的出口可经由通道46而被在热交换器100在较高处引入。
图8(其中相同附图标记指代与图7中的组件相同的组件)详细描述了本发明的第四实施例，其中，与图7所示的系统类似，增加第三膨胀涡轮7，并将第三膨胀涡轮7布置为与保持与第一膨胀涡轮5串联的第二膨胀涡轮6并联。第二涡轮6和第三膨胀涡轮7的膨胀比彼此不同，第二膨胀从约8巴至4.5巴，第三膨胀从约8巴至接近环境。发明人认识到，通过如图8的并联层叠多个冷却流，能够更接近地匹配图3中指示的冷却曲线需求。在涡轮7的出口压力基本等于分相器2压力的一些实施例中，涡轮7的出口经由收集形成在涡轮7的出口中的液体的通道80而被引入到分相器2。
另一实施例示于图9(其中相同附图标记指代与图8中的组件相同的组件)中。该实施例与图8的实施例相同，不同的是，行进通过来自第二膨胀涡轮6的流48的退出气体在到达顶部之前被从过程热交换器100中去除。通过压缩机8将流48中的冷气体进一步压缩，并且在所得流49作为流51退出回路10并与高压过程流31混合之前，所得流49通过闭循环制冷回路10而被冷却。在某些实施例中，存在将形成在来自冷气体的流46中的一比例的液体退出第三膨胀涡轮7的可能性，从而所述流经由通道80而被导向以进入分相器2，而非经由通道46、47而被笔直导向通过热交换器100。
在另一实施例(未示出，但与图9相同)中，涡轮7的出口可伸展至附近环境，从而该过程流能够用于驱动低压高级冷库，诸如在GB1115336.8中详细说明的。
图10所示的实施例(其中相同附图标记指代与图5中的组件相同的组件)与图5的实施例相同，不同的是增加闭循环制冷回路101以提供局部潜在高压冷却流60以更好地匹配冷却需求。闭循环制冷回路101包括压缩机102、冷却器103和膨胀涡轮104。
图11示出了本发明的另一实施例(其中相同附图标记指代与图5中的组件相同的组件)，其中暖涡轮14和冷涡轮5部分地使冷高压流31的部分60、39膨胀。流60和39的温度不同，并且流60和39通过涡轮14和5而被膨胀至不同压力，以分别提供流61和40。流61和40中的气体通过利用其它涡轮16和6在分离地膨胀至0和6巴之前在点35和69处向高压流提供重点冷却，以提供通过热交换器100引导的流63和44。
第二实施例的变体示于图12(其中相同附图标记指代与图6中的组件相同的组件)中，其中第二分相器18和减压阀19的增加能够去除流40中产生的额外液体。在一些实施例中，涡轮6的出口压力等于分相器2，并且涡轮6的出口经由通道80被引入到分相器，其中在通道80中收集形成在涡轮7的出口中的液体。
可被包括在先前实施例中的任一个中的另一组件(未示出)是闭环制冷循环(与图10所示的循环101类似)，该闭环制冷循环利用不同的工作流体以在冷却需求尤其高(尤其在140和120K之间)的系统的特定部分处提供额外冷却。不同的工作流体可包括制冷剂诸如甲烷。
可应用于其中高压流分为两个不同压力的流的先前实施例中的任一个的其它布置方式包括提供在临界压力以上的压力下的第一流(冷却并随后传递至膨胀器械)，以最大化液体产生。第二高压流在不同压力(通常高于第一流压力)下并且第二高压流被冷却并传递至两个或更多个膨胀涡轮，以向第一流提供额外的冷却，如先前实施例中所述。
在图13(其中相同附图标记指代与图5中的组件相同的组件)所示的另一实施例中，第二流58通过压缩机20压缩为流59，并且随后分为其它的两个或更多个流63、65。流65通过压缩机19而被压缩，并且随后经由第一流(66)导向通过串联的两个涡轮5、6。流63通过第三涡轮21而被膨胀。第一涡轮5的出口流40、第二涡轮6的出口流44和第三涡轮21的出口流64在膨胀器械诸如焦耳-汤姆逊阀1中膨胀之前为第一过程流35提供额外冷却。
在另一实施例中，如应用于第一实施例的图14(其中相同附图标记指代与图5中的组件相同的组件)所示，冷却的气体流31从通常被称为循环空气压缩机(RAC)的压缩机直接供给，并且流58从冷却的气体流31分离并随后在导向通过膨胀涡轮5和6以及热交换器100之前通过压缩机19升压至更高压。该额外的升压器组件可并入先前实施例中的任一个中。
图15(其中相同附图标记指代与图14中的组件相同的组件)示出了图16的实施例的变体，因此流31直接从RAC供给。流31分裂为两个流41和35；流41被导向通过热交换器100，其中流41在导向通过膨胀涡轮5和6以及再次通过热交换器100之前被冷却，而流35在导向通过热交换器100和膨胀器械诸如焦耳-汤姆逊阀1之前通过升压器19升至更高压。
图16(其中相同附图标记指代与图15中的组件相同的组件)示出了其中流31再次直接从RAC供给并压缩至低于临界压力(<38巴)的压力的变体。流41在主冷却流35的其余部分通过升压器19和20而被升压并随后通过冷却器10和22而被冷却之前从主冷却流31分裂出。子临界压力流41在通过热交换器100的通道40、43之前在通过膨胀涡轮5而被部分膨胀至5和20巴之间(但是更典型地10-14巴)之前经由热交换器100而被冷却，其中较冷的热能传递至通道73、38中的流中的高压气体，并且较冷的热能通过膨胀涡轮6而被进一步膨胀。流35中布置的额外组件也可包含在先前实施例的任一个中。
在最终实施例中，如图17(其中相同附图标记指代与图15中的组件相同的组件)所示，其示出了其中第一分相器2的输出流变成已经通过热交换器100的低压返回蒸汽42并且与供给流401合并以形成流402的变体。流402的压力可在3巴绝对压力和15巴绝对压力之间，更典型为8巴绝对压力。流402被引导至单级压缩机400，该单级压缩机400将流402升压至较高压力。单级压缩机400的输出流403因此具有比流402高的压力。该较高压力至少是临界压力(对于空气，是38巴，更优选地>45巴)。流403的温度可在100摄氏度与400摄氏度之间，更典型为270摄氏度。流403被导向至热存储器械404，该热存储器械404去除流403中的至少一些热能。热存储器械404的输出流405的温度可在20摄氏度与100摄氏度之间，更典型为60摄氏度。如果流405的温度高于环境温度，则排热器械406可用于冷却流的温度。当该液化循环用作低温能量储存工厂的一部分时，则优选地，通过热存储器械404俘获的压缩热用于电力回收循环中，以在膨胀涡轮的入口处升高工作流体的温度。
图18(其中相同附图标记指代与图4中的组件相同的组件)示出了本发明的实施例，其为图4的空气液化厂布置方式的另一发展形式。这里，从膨胀涡轮4输出的冷蒸汽流40被导向至热交换器100，而非与返回流34合并以形成图4所示的流41。冷蒸汽流40因此随着它通过热交换器100并作为流43离开热交换器而获得热。流43的温度可在0摄氏度与-180摄氏度之间，更典型为-117摄氏度。流43被导向至将流43升压至更高压的压缩机300。压缩机300可为多级压缩机或单级压缩机。在两种布置方式之一中，压缩机300的输出流301被导向返回热交换器100。如果流301的温度近环境温度，则流301可导向为在热交换器100之外与流35合并。这通过流302示出。替代地，如果流301的温度低于环境温度，则流301可导向为在热交换器内与流35合并，以形成流74。通过流303示出这一点。
应该理解，以通过示例的方式描述了本发明，并且可在由所附权利要求限定的本发明的范围内进行细节的变型。

Claims (37)

1.一种低温液化器械，包括：
热交换器；
第一分相器；
第一膨胀器械；
第一膨胀涡轮；
第二膨胀涡轮；
冷回收回路，所述冷回收回路包括传热流体；以及
管道的布置，其中：
所述第一膨胀涡轮和所述第二膨胀涡轮的操作入口压力彼此不同；并且
所述管道的布置被布置为使得：
受压的气体流的第一部分被导向通过所述热交换器、所述第一膨胀器械和所述第一分相器；
所述受压的气体流的第二部分被导向通过所述第一膨胀涡轮，然后在相对于所述受压的气体流的所述第一部分而言的逆流方向上通过所述热交换器，然后通过所述第二膨胀涡轮，并且
所述传热流体被导向通过所述热交换器。
2.根据权利要求1所述的低温液化器械，其中所述冷回收回路包括：
热能储存器械；
用于循环所述传热流体的装置；以及
被布置为将所述传热流体导向通过所述热能储存器械和所述热交换器的管道的布置。
3.根据权利要求1或2所述的低温液化器械，其中所述受压的气体流由气态空气或气态氮构成。
4.根据权利要求3所述的低温液化器械，其中所述受压的气体流以大于或等于临界压力的压力被输入至所述低温液化器械中。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的低温液化器械，其中所述受压的气体流的所述第一部分和所述受压的气体流的所述第二部分处于不同的压力。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的低温液化器械，其中所述受压的气体流的所述第一部分和所述受压的气体流的所述第二部分处于相同的压力。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的低温液化器械，进一步包括第三膨胀涡轮，其中：
所述第三膨胀涡轮的操作入口压力与所述第一膨胀涡轮和所述第二膨胀涡轮中的至少一个不同。
8.根据权利要求7所述的低温液化器械，其中所述管道的布置使得所述第三膨胀涡轮与所述第一膨胀涡轮和所述第二膨胀涡轮中的至少一个并联，使得受压的过程气体流的第二部分的至少一部分被导向通过所述第三膨胀涡轮。
9.根据权利要求7或8所述的低温液化器械，其中所述管道的布置使得所述第三膨胀涡轮与所述第一膨胀涡轮和所述第二膨胀涡轮中的至少一个串联，使得受压的过程气体流的第二部分的至少一部分被导向通过所述第三膨胀涡轮。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的低温液化器械，进一步包括制冷剂回路，所述制冷剂回路经由所述管道的布置而被连接至所述第二膨胀涡轮的输出。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的低温液化器械，进一步包括第二管道的布置，所述第二管道的布置引导第二传热流体通过闭循环制冷回路并通过所述热交换器的局部区域。
12.根据权利要求11所述的低温液化器械，其中所述第二传热流体包括气体或液体。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的低温液化器械，进一步包括第四膨胀涡轮，其中：
所述管道的布置被布置为使得：
所述受压的气体流的第三部分被导向通过所述第四膨胀涡轮，然后在相对于所述受压的气体流的所述第一部分而言的逆流方向上通过所述热交换器。
14.根据权利要求13所述的低温液化器械，进一步包括第五膨胀涡轮，其中：
所述管道的布置被布置为使得：
所述受压的气体流的所述第三部分在通过所述第四膨胀涡轮和所述热交换器之后被导向通过所述第五膨胀涡轮。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的低温液化器械，其中所述第一膨胀器械包括焦耳-汤姆逊阀、另一减压阀、膨胀涡轮或另一功提取器械。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的低温液化器械，进一步包括第二分相器和第二膨胀器械，其中所述管道的布置被布置为使得所述受压的气体流的所述第二部分的至少一部分在已经通过所述第一膨胀涡轮之后被导向通过所述第二膨胀器械和所述第二分相器。
17.根据权利要求16所述的低温液化器械，其中所述第二膨胀器械包括焦耳-汤姆逊阀、另一减压阀、膨胀涡轮或另一功提取器械。
18.根据前述权利要求中的任一项所述的低温液化器械，进一步包括第一压缩机，其中所述管道的布置被布置为使得所述受压的气体流的所述第二部分的至少一部分在通过所述第一膨胀涡轮之前被导向通过所述第一压缩机。
19.根据前述权利要求中的任一项所述的低温液化器械，进一步包括第二压缩机，其中所述管道的布置被布置为使得所述受压的气体流的所述第一部分在通过所述热交换器之前被导向通过所述第二压缩机。
20.根据权利要求19所述的低温液化器械，进一步包括冷却器，其中所述管道的布置被布置为使得所述受压的气体流的所述第一部分在通过所述第二压缩机之后且在通过所述热交换器之前被导向通过所述冷却器。
21.根据前述权利要求中的任一项所述的低温液化器械，其中来自所述第二膨胀涡轮的输出被导向至所述第一分相器中。
22.根据权利要求7至9中的任一项所述的低温液化器械，其中来自所述第三膨胀涡轮的输出被导向至所述第一分相器中。
23.根据权利要求13所述的低温液化器械，其中来自所述第四膨胀涡轮的输出被导向至所述第一分相器中。
24.根据权利要求14所述的低温液化器械，其中来自所述第五膨胀涡轮的输出被导向至所述第一分相器中。
25.根据前述权利要求中的任一项所述的低温液化器械，进一步包括适于输出所述受压的气体流的供给流压缩机，其中所述管道的布置被布置为使得：
a)供给流被导向至所述供给流压缩机的输入；并且
b)来自所述第一分相器的输出流在通过所述热交换器之后加入所述供给流。
26.根据权利要求25所述的低温液化器械，其中所述管道的布置被布置为使得从所述供给流压缩机输出的所述受压的气体流在通过所述热交换器之前被导向至热存储器械。
27.根据权利要求26所述的低温液化器械，其中所述管道的布置被布置为使得从所述热存储器械输出的所述受压的气体流在通过所述热交换器之前被导向至排热器械。
28.一种低温液化器械，包括：
热交换器；
第一分相器；
第一膨胀器械；
第一膨胀涡轮；
第一压缩机；
冷回收回路，所述冷回收回路包括传热流体；以及
管道的布置，所述管道的布置被布置为使得：
受压的气体流的第一部分被导向通过所述热交换器、所述第一膨胀器械和所述第一分相器；
所述受压的气体流的第二部分被导向通过所述第一膨胀涡轮，然后在相对于所述受压的气体流的所述第一部分而言的逆流方向上通过所述热交换器，然后通过所述第一压缩机，并且
所述传热流体被导向通过所述热交换器。
29.根据权利要求28所述的低温液化器械，其中所述管道的布置被布置为使得所述第一压缩机的输出流加入所述受压的气体流。
30.根据权利要求29所述的低温液化器械，其中所述管道的布置被布置为使得：在所述第一压缩机的输出流加入所述受压的气体流之前，所述第一压缩机的输出流被导向至所述热交换器中。
31.根据权利要求29所述的低温液化器械，其中所述管道的布置被布置为使得：在所述第一压缩机的输出流被导向至所述热交换器中之前，所述第一压缩机的输出流加入所述受压的气体流。
32.根据权利要求28至31中的任一项所述的低温液化器械，其中所述第一压缩机是单级压缩机和多级压缩机之一。
33.一种低温能量储存器械，包括根据前述权利要求中的任一项所述的低温液化器械。
34.一种用于通过使用来自外部热能源的冷循环来平衡液化过程的方法，包括：
将受压的气体流的第一部分导向通过热交换器、第一膨胀器械和第一分相器；
将受压的气体流的第二部分导向通过第一膨胀涡轮，然后在相对于所述受压的气体流的所述第一部分而言的逆流方向上通过所述热交换器，然后通过第二膨胀涡轮；以及
将传热流体导向通过冷回收回路和所述热交换器；其中：
所述第一膨胀涡轮和所述第二膨胀涡轮的操作入口压力彼此不同。
35.一种用于通过使用来自外部热能源的冷循环来平衡液化过程的方法，包括：
将受压的气体流的第一部分导向通过热交换器、第一膨胀器械和第一分相器；
将受压的气体流的第二部分导向通过第一膨胀涡轮，然后在相对于所述受压的气体流的所述第一部分而言的逆流方向上通过所述热交换器，然后通过第一压缩机；以及
将传热流体导向通过冷回收回路和所述热交换器。
36.一种存储能量的方法，包括根据权利要求34或权利要求35所述的用于平衡液化过程的方法。
37.一种大致如之前参照图5至图18中的任一个描述并如在图5至图18中的任一个中所示的低温液化器械。
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