CN105737514A - 用于空气的液化以及电能的存储和回收的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空气的液化方法。本发明的主题还涉及一种电能的存储和回收的方法以及相应的设备。

Description

用于空气的液化以及电能的存储和回收的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种根据本专利的独立权利要求的各自前序部分的用于空气的液化以及电能的存储和回收的方法和设备。
背景技术
已知例如根据DE3139567A1和EP1989400A1，液态空气或液氮(即低温液化产品)用于栅极控制并提供电网的控制容量。
在电力廉价或电力过剩时，将空气在空气液化设备(其还可以是空气分离设备的部件)中完全液化或部分地液化，以形成该空气的液化产品。该空气液化产品存储在包含低温罐的罐系统中。这种运行模式在本文称作能量存储期的时间段中进行。
在高峰负荷时，将液化产品从罐系统中取出，通过泵增大压力并将其加热至约环境温度或更高，从而转化成气态或超临界状态。使由此所获得的压缩流通过中间加热在一个或多个膨胀机中膨胀至环境压力。由此所释放的机械能在一个或多个发电机中转化成电能并输入电网。这种运行模式在本文称作能量回收期的时间段中进行。
还已知压缩空气存储电能设备，然而在该设备中空气没有被液化而是在压缩机中压缩并存储在地下洞室中。在电力需求高峰时，将压缩空气从洞室导出并导入燃气轮机的燃烧室。与此同时，将燃料(例如天然气)通过气体管线输入燃气轮机并在由压缩空气形成的气氛中燃烧。使所形成的废气在燃气轮机中膨胀，由此产生能量。
EP1205721A公开了一种低温液体的制备方法和装置，其中使用压缩机布置，在该布置中每个轴上布置两个压缩机级(compressorstage)。该轴所携带的小齿轮通过驱动轮的转矩而被撞击。
US2011/0132032A1公开了一种用于后期使用的空气的液化和存储的方法和装置。在后期使用中，加压、保温并膨胀液态的液化空气。可存储冷量(cold)。
根据US6,666,048B1，为了提高设备(例如空气分离单元)中的特定产品的形成，在现有的设备中集成额外的设备或设备组件(例如吸收塔)。
WO2014/006426A2涉及一种液化装置，其具有换热器、第一相分离器、第一膨胀单元、第一膨胀涡轮、第二膨胀涡轮以及具有传热流体的冷回收管道。
尤其是由于需要液化大量空气，已知空气液化设备通常不能有效运行所述任务(下文还有待解释)，因此需要改进。除了能量的存储和回收之外，相应的空气液化设备也是如此。
发明内容
本发明的目的通过用于空气的液化以及电能的存储和回收的方法和设备来实现，所述方法和设备具有本专利的各个独立权利要求的特征。本专利的从属权利要求和以下说明书的主题也是优选的改进。
在解释本发明可实现的优势之前，下文将更详细地解释基于本申请的技术原理和所使用的若干术语。
设计“膨胀机”，其可通过通用轴连接其他膨胀机或能量转换器，例如油压制动器、发电机或压缩机级，用于膨胀超临界流、气态流或至少部分液体流。尤其是，可将用于本发明的膨胀机设计成透平膨胀机(turboexpander)。如果使设计成透平膨胀机的一个或多个膨胀机连接一个或多个压缩机级(参看下文)，例如径向形式的压缩机级，并且可能是额外的机械制动，使得一个或多个压缩机级的运行无需外部提供能量(例如通过电动机)，术语“增压器涡轮”还通常用于该布置。相应的增压器涡轮的一个或多个压缩机级也称作“增压器”。这种增压器涡轮通过膨胀至少一个其他流来压缩至少一个流，但不需要外部提供能量，例如通过电动机。
另一方面，本文的“压缩机”理解为意指外部(通常是电力)驱动装置，设计该压缩机用于将至少一个气体流从其输入的压缩机的至少一个输入压力压缩至其离开压缩机的至少一个最终压力。在这种情况下，整个压缩机形成一个结构单元，然而其可包含若干单独的压缩机单元或以已知活塞、螺旋和/或斗轮或涡轮的形式布置的“压缩机级”(即径向或轴向的压缩机级)。尤其是，这些压缩机级通过共驱动构件(例如通用轴或公用电机)而被驱动。因此若干压缩机级，例如根据本发明所使用的空气液化装置的压缩机级，能够一起形成一个或多个压缩机。
旋转单元，例如膨胀机或膨胀涡轮、压缩机或压缩机级、增压器涡轮或增压器、电机转子等可彼此机械连接，本申请所使用的术语“机械连接”理解为意指通过机械元件例如齿轮、皮带、传动装置等，在这些旋转单元之间可实现固定的或可机械控制的速度关系。机械连接通常可通过分别彼此布置的两个或更多个元件来实现，例如锁定结合或摩擦结合，例如齿轮或具有皮带的传动皮带轮，或者可建立旋转共连接。旋转共连接尤其可通过分别固定在通用轴上的旋转单元来使其旋转。在这种情况下旋转单元的旋转速度是相同的。另一方面，就相应元件之间的旋转速度而言，如果没有固定的或可机械调整的关系，相应元件是“不机械连接的”。不言而喻，旋转速度的特定关系还可以是预定的，例如在尤其是通过合适的电激活的多个电机之间，或者尤其是通过选择合适的输入压力和最终压力的多个涡轮之间。然而，在彼此分别布置(例如锁定接合或摩擦接合)或通过旋转共连接的两个或更多个元件中不会发生这种情况。
在本发明中，“换热器”尤其是通过使用一个或多个逆流换热器单元(例如一个或多个板式换热器单元)而形成。例如与回热器相比较，本文的冷却不会通过从固体介质散热或吸热来进行，而是通过逆流传介质热或传冷介质间接地进行。所有已知的换热器单元(例如板式换热器、管状换热器等)都适合用于本发明。因此换热器用于在至少两个彼此逆向流动的流之间进行间接传热，例如压缩空气的暖流与一个或多个冷流，或者低温空气液化产物与一个或多个暖流。换热器可通过平行连接和/或连续连接的单个或多个部件形成，例如一个或多个板式换热器组。
为了表征压力和温度，本发明使用术语“压力水平”和“温度水平”，其目的是表示在相应设备中的压力和温度，而不必使用确定的压力和温度值来实现本发明的构思。然而，这些压力和温度通常在特定范围内，例如围绕平均值±1％、5％、10％、20％或甚至50％。在这种情况下，相应的压力水平和温度水平可在离散范围内或彼此重叠的范围内。尤其是，例如压力水平包括不可避免的压力损失或可能的压力损失，例如由于冷却效应或管线损失。同样适用于相应的温度水平。本文的压力水平表示绝对压力，单位为巴。
本发明的有益效果
如上所述，由于需要液化大量空气，用于电能的存储和回收的空气液化可能需要特别适合于该目的的空气液化设备和/或空气液化方法。结合图1，下文还解释了基于两个压缩机和两个增压器涡轮所构建的常规空气液化装置。
在已知的进料压缩机中，将全部量的待液化空气(也称作进料空气)压缩至约6巴。已知作为循环压缩机的压缩机连接进料压缩机的下游，将进料空气与返回下游的一定量的空气一起从所述的约6巴进一步压缩至约30巴-40巴。将一部分被压缩至约30巴-40巴的进料空气在换热器中以两个部分流的形式冷却至不同低温。在每种情况下，使部分流在增压器涡轮的一个膨胀机中再次膨胀至约6巴的压力，将一部分空气冷却至比待液化温度更低的温度。将两个经膨胀的部分流的未液化组分在换热器中加热，并在约6巴的压力下返回至循环压缩机的入口。两个膨胀机中的一个膨胀机的入口温度为230K至环境温度的温度，另一个膨胀机的入口温度为约140K-180K。
将压缩至约30巴-40巴压力的进料空气的另一组分通过由所述膨胀机驱动的增压器进一步压缩至约60巴-80巴。将相应的经高度压缩的空气流同样在换热器中冷却并通过节流阀(throttle)使其膨胀至合适的温度。从而将该空气流的空气液化(至少部分地液化)。因此，压缩至约60巴-80巴压力的空气流的空气和在入口温度为约140-180K下进料至膨胀机的空气全部形成液化空气。在这种情况下，通过使空气在膨胀机中膨胀，至少部分地冷却一定量待液化的空气。
上述方法的缺点是，它是针对进料压缩机的最终压力所设计的，并因此使其具有很少的自由度。循环压缩机的入口压力和两个膨胀机的出口压力对于进料压缩机的最终压力或循环压缩机的入口压力都是特别预定的。
然而，具有约12巴-20巴的相对高的出口压力的进料压缩机是有利的，尤其是可用于空气液化装置的能量存储目的。相应地，在常规方法中还固定膨胀机(尤其是在较低温度下运行的膨胀机)出口处的压力和最低温度。其理由是相应膨胀机的出口处的液体组分通常不能超过6％-8％。该温度在上述方法中可能更高，其中进料压缩机的出口压力或循环压缩机的入口压力为约6巴。使用来自所述膨胀机的冷流预冷大部分待液化的空气(即压缩至约60-80巴的仍然较高压力下的空气)，但是所述情况与常规方法不同。与常规方法相比较，该流在最冷点的温度更高，即为约111K-120K，而不是101K。因此，在所述节流中随后膨胀后，可制得更多流和相对少的空气液化产物，这表示产生很大损失。
本发明实现了改进相应方法的目的：即通过降低在较低温度下运行的所述膨胀机的出口压力，使得该压力低于进料压缩机的最终压力或者循环压缩机的入口压力。在这种情况下，使一定量的空气在膨胀机中膨胀，不直接通过循环压缩机的入口(或通过换热器)，但是首先在两个增压器中再压缩至进料压缩机的最终压力或者循环压缩机的入口压力。
按照这种方式，甚至在相对高的进料压缩机的最终压力或者循环压缩机的入口压力下，可实现膨胀至较低压力，使得对空气的液化进行尽可能有效的冷却。在本发明中，下游装置的损失也按照这种方式得到降低。
针对现有技术，本发明提出一种空气的液化方法，其中提供处于第一压力水平的压缩空气流，并通过压缩机(即通过所述循环压缩机)将其压缩至第二压力水平；压缩至第二压力水平后，由该压缩空气流的空气形成第一部分流、第二部分流和第三部分流；使用通过膨胀第二部分流和第三部分流的空气所产生的冷量冷却第一部分流的空气并将其至少部分地液化；其中将压缩至第一压力水平的进料空气和所提供的处于第一压力水平的第二部分流和第三部分流的空气用于提供处于第一压力水平的压缩空气流。
本发明提供第二部分流的空气，并将其依次冷却至第一温度水平，使其从第二压力水平膨胀至第一压力水平并相对于第一部分流加热；并将第三部分流的空气依次冷却至低于第一温度水平的第二温度水平，使其膨胀至低于第一压力水平的第三压力水平，相对于第一部分流加热并再压缩至第一压力水平。膨胀至低于第一压力水平的第三压力水平具有实现上述优势的作用，具体是改善制冷，其用于常规设备的制冷领域，所述常规设备具有最终压力为约6巴的相应的进料压缩机或具有入口压力的循环压缩机。与此同时，可使用具有较高压缩作用的进料压缩机是有利的。
根据本发明，第一增压器和第二增压器用于再压缩第三部分流，第一增压器机械连接至用于膨胀第二部分流的空气的膨胀机并由其驱动，第二增压器机械连接至用于膨胀第三部分流的空气的膨胀机并由其驱动。这使得可有效使用在膨胀部分流期间所释放的能量，用于第三部分流的空气的再压缩。不需要额外的外力驱动压缩机。根据本发明，在上述情况下，第一增压器和第二增压器彼此没有机械连接且没有机械连接(循环)压缩机。因此，所述的两个膨胀机彼此也没有机械连接且没有机械连接压缩机。按照这种方式，压缩机、具有用于膨胀第二部分流的空气的膨胀机的第一增压器以及具有用于膨胀第三局部流的空气的膨胀机的第二增压器可分别彼此独立地运行(在运行极限内)。尤其是，可分别且独立于压缩机设置通过膨胀第二部分流和第三部分流所提供的冷量。尤其是，可独立设置第三压力水平。
所述增压器和膨胀机彼此之间的机械关系以及与压缩机的机械关系对彼此独立地进行将部分流的空气再压缩至第一压力水平以及将压缩空气流压缩至第一压缩水平是有效的，即在不同装置中(一方面是第一增压器和第二增压器，另一方面是在压缩机中)。
根据本发明的一个特别优选的实施方案，将第三部分流的空气(其在第三压力水平和由膨胀至第三压力水平所产生的第三温度水平下仍然为气态)用作第三部分流的空气，将其冷却至第二温度水平并膨胀至第三压力水平后，相对于第一部分流加热并再压缩至第一压力水平。换言之，根据本发明的该实施方案，将第三部分流膨胀至第三压力水平后，分离出液相并仅使第三部分流的空气通过相应的换热器，用于冷却仍然为气态的第一部分流。
根据本发明的这个特别优选的实施方案，提供第三部分流的空气，将其冷却至第二温度水平并使其膨胀至第三压力水平，并且在第三温度水平和第三压力水平下为液体形式，可将该第三部分流的空气与第一部分流的液化空气合并。将这些空气液化后，可有利于获得本发明所对应的空气液化产物。
有利的是，冷却后，使第一部分流的空气膨胀至低于第三压力水平的第四压力水平。为此，有利于使用节流装置，例如节流阀或发电汽轮机，其中通过焦耳-汤姆逊(Joule-Thomson)膨胀产生其他冷量，并因此使空气的液化更好。
有利的是，使第一部分流的空气膨胀至第四压力水平之前，首先使该空气膨胀至上述第三压力水平。按照这种方式，可将第一部分流的组分与例如处于第三压力水平的第三部分流的液化空气合并。
在这种情况下特别有利的是，将第三部分流的空气冷却至第二温度水平并膨胀至第三压力水平后，相对于第一部分流加热并再压缩至第一压力水平，膨胀至第三压力水平后，将第三部分流的空气与膨胀至第三压力水平且仍然为气态的第一部分流的空气合并。因此，可有效使用相应的空气并返回至循环压缩机的入口。
有利的是，在本发明中，第一压力水平为5巴-25巴。尤其是10巴-25巴，和/或第二压力水平为50巴-100巴，尤其是60巴-80巴。例如约17巴可用作第一压力水平，约70巴可用作第二压力水平。如前所述，因此本发明的方法特别适合用于空气的液化方法以及能量的存储和回收方法，其中需要液化相对大量的空气。然而，按照这种方式，本发明的方法还适合用于其中存在相应要求的其他情况。尤其是，本发明的方法可使用进料压缩机，其提供相应高的第一压力水平。
有利的是，第三压力水平为至少1巴、5巴或10巴并且最高为20巴但低于第二压力水平，和/或第四压力水平为1巴、5巴或10巴并且最高为20巴但低于第三压力水平，第四压力水平尤其是大气压。第三压力水平的一个实例为约6.5巴。相应的膨胀至前述常规方法中的相应的进料压缩机的最终压力和/或循环压缩机的入口压力的如此低的第三压力水平时，可进行特别有效的冷却。
有利的是，第一温度水平为230K-330K，和/或第二温度水平为140K-180K。相应的温度水平对应上述常规方法的温度水平，因此可继续使用经验值。
本发明还涉及一种电能的存储和回收方法，其包括第一运行模式和第二运行模式，其中在第一运行模式中通过电能液化空气，在第二运行模式中通过使用在第一运行模式中所液化的空气获得电能。第一运行模式是在前文所述的当电力廉价或过剩时的情况下的运行模式，即能量存储期；第二运行模式是在高峰负荷时所使用的运行模式，即能量回收期。对应于本发明的电能的存储和回收的方法的特征是，实际上所述方法用于第一运行模式。关于该方法，上文已经明确地描述了其特征和优势。
本发明还涉及一种空气的液化设备。其具有构件(means)，所述构件设计为用于提供处于第一压力水平的压缩空气流，并通过压缩机(前文多次提及的循环压缩机)将其压缩至第二压力水平；压缩至第二压力水平后，由该压缩空气流的空气形成第一部分流、第二部分流和第三部分流；使用通过膨胀第二部分流和第三部分流的空气所产生的冷量冷却第一部分流的空气并将其至少部分地液化；并将压缩至第一压力水平的进料空气和所提供的处于第一压力水平的第二部分流和第三部分流的空气用于提供处于第一压力水平的压缩空气流。
所提供构件设计为用于将第二部分流的空气依次冷却至第一温度水平，使第二部分流的空气从第二压力水平膨胀至第一压力水平，并相对于第一部分流加热；并且还设计将第三部分流的空气依次冷却至低于第一温度水平的第二温度水平，使第三部分流的空气膨胀至低于第一压力水平的第三压力水平，相对于第一部分流加热，并将其再压缩至第一压力水平。
根据本发明，提供用于再压缩第三部分流的第一增压器和第二增压器，第一增压器机械连接至用于膨胀第三部分流的膨胀机并能够由其驱动，第二增压器机械连接至用于膨胀第二部分流的膨胀机并能够由其驱动，并且第一增压器和第二增压器彼此没有机械连接且没有机械连接压缩机。
关于相应设备的特征和优势，同样参看上述的特征和优势。尤其是，如果将相应的设备设计用于进行上述方法，因而其还可以是用于电能存储和回收的设备。
结合所附附图，下文将更详细地描述本发明，其中与现有技术相比较，本发明的实施方案是示例性的。
附图说明
图1以方法流程图的形式示出不是根据本发明的空气液化设备。
图2以方法流程图的形式示出根据本发明的一个实施方案的空气液化设备。
图3以方法流程图的形式示出根据本发明的一个实施方案的空气液化设备。
图4以方法流程图的形式示出根据本发明的一个实施方案的空气液化设备。
图5以方法流程图的形式示出根据本发明的一个实施方案的空气液化设备。
在附图中，为了整体清楚起见，彼此对应的元件、流和设备均用相同符号表示，不再重复说明。流体流分别用大写和小写字母表示；主要是气态或仅为气态的流体流还用未填充(白色)箭头表示，而主要是液体或仅为液体的流体流用填充(黑色)箭头示出。
附图的详细说明
图1示出不是根据本发明的空气液化设备，其整体用500表示。为了更好的区别，这里的流体流用大写字母表示。
向设备500加入处于环境压力下的进料空气A，将其与另一空气流X合并后，在压缩机12(称作进料压缩机)中压缩。连接进料压缩机12下游的可以是后冷器(没有单独标出)。将相应获得的压缩空气流(现在用B表示)加入第二压缩机11(称作循环压缩机)，其下游同样连接后冷器(没有单独标出)。同样向循环压缩机11加入流Y(其形成如下文所述)。将流B和Y在循环压缩机11中进一步压缩。在循环压缩机11的下游将通过压缩所获得的流(现在用C表示)分成第一部分流D和第二部分流E。
将第一部分流D加入换热器13的暖侧并在中间温度水平时离开。然后使第一部分流D在第一膨胀机14中膨胀至由进料压缩机12所提供的压力水平，并将其加入处于中间温度水平的换热器13中。
将第二部分流E首先在(“第一”)增压器15中并然后在(“第二”)增压器16中压缩至较高压力水平，所述增压器的下游可连接后冷器(没有单独标出)。相应地，将经压缩的第二部分流E同样加入换热器13的暖侧并在中间温度水平时将其以流F的形式部分地离开。使流F在膨胀机17中膨胀并然后转入分离容器18。在膨胀机17中同样进行膨胀，以达到由进料压缩机12所提供的压力水平。
分离容器18同样进料第二部分流E的第二组分(这里用G表示)，并通过换热器13正好到达冷端。在分离容器18的水槽(sump)中所分离的液体空气以流H的形式排出，在换热器13的部件中过冷并然后部分转入例如罐中。所使用的过冷尤其是将一部分流H膨胀以形成所述流X而获得的冷量。流X然后从冷端通过换热器13到达暖端。分离容器18中所残留的气态空气以流I的形式排出，在换热器13中加热并然后以流Y的形式与上述压缩空气流B合并。
如上所述，图1示出的空气液化设备100具有很多缺点。在进料压缩机12中，将进料空气流A压缩至约6巴。循环压缩机11将进料空气流A与所返回的一定量的空气流Y一起从所述约6巴进一步压缩至约30巴-40巴。在膨胀机14中，使压缩至约30巴-40巴压力的空气流D再次膨胀至约6巴的压力，并在该压力水平下作为流Y的一部分返回至循环压缩机11的入口。在膨胀机17中，将空气流F首先压缩至约30巴-40巴的压力并然后在增压器15和16中进一步压缩至约60巴-80巴，同样使其膨胀至约6巴的压力。在这种情况下，将分离容器18中所残留的气态组分作为流Y的一部分返回至循环压缩机11的入口。
放置膨胀机14和17，使膨胀机14的入口温度介于230K至室温的温度水平，并使膨胀机17的入口温度为约140K-180K。这可通过使流D和F经过换热器13并在所述温度下离开来实现。由所述膨胀机14和17驱动的增压器15和16将流E压缩至约60巴-80巴的所述压力水平。使压缩至约60巴-80巴的压力水平的流E的一部分通过节流阀(以流G的形式)膨胀入分离容器18中。因此将流G的空气液化，至少部分地液化。通过使流G的液化空气和流F的液化空气在膨胀机17中膨胀形成流H的液化空气。在这种情况下，通过使空气在膨胀机14和17中膨胀，分别冷却一定量的待液化空气。
该装置的缺点是，在相应方法中，设计用于进料压缩机12的最终压力，因此具有很少的自由度。循环压缩机11的入口压力和两个膨胀机14和17的出口压力对于进料压缩机12的最终压力和循环压缩机11的入口压力都是特别预定的。进料压缩机12具有约12巴-20巴的较高的最终压力是有利的。然而，相应地，在空气液化设备500所实施的方法中，还相应地固定膨胀机14和15的出口处的压力和最低温度，尤其是在较低温度下运行的膨胀机17的出口处的压力和最低温度。该膨胀机17的出口处的液体组分可能通常不超过6％-8％。然而，为此要维持的温度高于其中进料压缩机12的出口压力和/或循环压缩机11的入口压力为约6巴的方法。将一定量待液化的空气(即压缩至约60巴-80巴的第三压力水平的空气流E)用来自膨胀机17的冷流F预冷，但是由于所述环境与常规方法不同，其中进料压缩机12的出口压力和/或循环压缩机11的入口压力为约6巴。与常规方法相比较，最终温度可能高得多，即约111K-120K而不是101K。在所述节流阀中随后膨胀后，因此可产生更多流以及相对较少的液化产物，这表明产生很大损失。
在图2中，以方法流程图的形式示出根据本发明的一个实施方案的用于空气的液化设备，整体用100表示。
向设备100加入处于第一压力水平的进料空气。这里“进料空气”还理解为意指由外部所提供的且通过合适的清洁装置没有例如水和/或二氧化碳的空气，并将该空气通过进料压缩机(图2中未示出)压缩至比设备500中高得多的压力水平(“第一压力水平”)，例如所提及的约12巴-20巴。
通过与处于第一压力水平的其他空气流g(参看下文的流g)合并，形成压缩空气流b并通过压缩机(循环压缩机11，其在前文中已多次提及，且可任选的配置不同于图1的设备500所述的循环压缩机11)进一步压缩到“第二压力水平”。本文中，连接循环压缩机11下游的还可以是后冷器(没有单独标出)。最后，由压缩至第二压力水平的压缩空气流b形成三个部分流c、e和f。在这种情况下，将部分流c加入换热器2的暖侧并从冷侧离开，使其膨胀并因此冷却且至少部分地液化。为了冷却并因此至少部分地液化部分流c，使用如下所述的由第二部分流e和第三部分流f的空气的膨胀所产生的冷量。
首先将第二部分流e和第三部分流f的空气共同加入换热器2的暖侧。使处于第一温度水平的第二部分流e的空气从换热器2离开，使处于第二温度水平的第三部分流f的空气离开，第二温度水平低于第一温度水平。使第二部分流e的空气在第一膨胀机3中再次膨胀至第一压力水平，从而再次冷却，加入处于中间温度的换热器2，从换热器2的暖侧离开并相应地加热，并然后与第三部分流f(其按照以下所述方式进行处理)的空气合并。
将第三部分流f加入第二膨胀机4中，使其膨胀并因此同样冷却。而使第二部分流e的空气在第一膨胀机3中膨胀至第一压力水平，在该压力水平下还提供进料空气并且存在压缩空气流b，然而，将第三部分流f在第二膨胀机4中膨胀至低于第一压力水平的“第三”压力水平。将第三部分流f加入换热器2的冷侧并从热侧离开。然后，将第三部分流f通过两个增压器5和6再压缩至第一压力水平，所述增压器的下游可连接后冷器(没有分别标出)，并且所述增压器分别机械连接第二膨胀机4(增压器5)和第一膨胀机3(增压器6)。增压器5、6和膨胀机3、4彼此没有与循环压缩机11机械连接。如前文所述，在实施例中，然后将第三部分流f的空气与第二部分流e的空气合并，以形成所述的部分流g。
将由膨胀机3和4的膨胀所产生的冷量引入换热器2中，所述冷量在本文中用于冷却第一部分流c并将其至少部分地液化。将至少部分地液化的第一部分流c的空气加入膨胀装置7(其可例如包括发电机涡轮和一个或多个膨胀阀)中，并使其在该膨胀装置中膨胀。然后将已经相应膨胀的第一部分流c的空气转移入分离容器8中，在该分离容器的水槽中分离液化空气并可作为液化空气流h排出和存储。从分离容器8的顶部，压缩空气的第一部分流c的气态空气以流i的形式排出，加入换热器2的冷侧并从热侧离开。
如图3所述，示出了根据图2的设备100的变体，其整体用200表示，第三部分流f的全部空气不必从低于第一压力水平的第三压力水平再压缩至第一压力水平。在第二膨胀机4中，可同样使第三部分流f的空气膨胀，使得第三部分流f的空气被部分地液化。因此可首先将第三部分流f的全部空气加入分离容器9，在该分离容器的水槽中分离液体空气并可作为液体空气流k排出，与第一部分流c的空气合并。可将分离容器9中所残留的第三部分流f的空气(其在分离容器9中仍然为气态，如前文对整个第三部分流f的描述)作为流i加入换热器2的冷侧，从热侧离开，并然后再压缩至第一压力水平。在图2和3所示的设备100和200中，将分离容器8在低于第三压力水平的任意所需的“第四”压力水平下运行，使得图3所示的设备200中的液体空气流k必须从第三压力水平膨胀至第四压力水平。
图4示出了本发明设备的另一个变体，其整体用300表示。在本文中，如上所述，使用处于第四压力水平的分离容器，并因此同样用8表示。另一个分离容器在第三压力水平下运行，即在图3的设备200的分离容器9的压力水平下运行，这里同样用9表示。然而，在本文中，使第一部分流c的空气在膨胀装置7中膨胀，这里使其仅膨胀到第三压力水平并在该压力水平下转移入分离容器9中。使来自分离容器9的水槽的液化空气膨胀至第四压力水平并以流m的形式转移入分离容器8中。将在第三压力水平下仍然为气态的空气作为流n从分离容器9的顶部排出，并与第三部分流f的空气合并以形成集合流o。将集合流o按照上述图3的设备200的流i进一步处理，即在换热器2中加热，并然后再压缩至第一压力水平。
图5代表本发明设备的另一个变体，其整体用400表示。它也具有两个分离容器，由于所使用的压力水平，同样分别用8和9表示。在图5的设备400中，将处于第三压力水平的第三部分流f的空气与第一部分流c(已同样在膨胀装置7中膨胀至第三压力水平)的空气合并，以形成集合流p并将其加入处于第三压力水平的分离容器9中。使在分离容器9中所存在的液体空气膨胀至第四压力水平并以流r的形式转移入分离容器8中。在这种情况下，液体流r的液体空气是由第一部分流c的空气和第三部分流f的空气所形成的空气。将在分离容器9中所残留的气态空气以流s的形式排出。因此流s的空气同样是第一部分流c的空气和第三部分流f的空气。按照所述图3的设备200的流I和图4的设备300的流o进行处理。

Claims (14)

1.一种空气的液化方法，其中
提供处于第一压力水平的压缩空气流(b)并使用压缩机(11)将其压缩至第二压力水平；
压缩至第二压力水平后，所述压缩空气流(b)的空气形成第一部分流(c)、第二部分流(e)和第三部分流(f)；
使用通过膨胀第二部分流(e)和第三部分流(f)的空气所产生的冷量来冷却第一部分流(c)的空气并将其至少部分地液化；并且
用压缩至第一压力水平的进料空气(a)和所提供的处于第一压力水平的第二部分流(e)和第三部分流(f)的空气来提供处于第一压力水平的压缩空气流(b)；
将第二部分流(e)的空气依次冷却至第一温度水平，使其从第二压力水平膨胀至第一压力水平并相对于第一部分流(c)加热；并且
将第三部分流(f)的空气依次冷却至低于第一温度水平的第二温度水平，使其膨胀至低于第一压力水平的第三压力水平，相对于第一部分流(c)加热并再压缩至第一压力水平；
其特征在于，
第一增压器(5)和第二增压器(6)用于再压缩第三部分流(f)，
将第一增压器(5)机械连接至用于膨胀第三部分流(f)的膨胀机(4)上并由其驱动，将第二增压器(6)机械连接至用于膨胀第二部分流(e)的膨胀机(3)上并由其驱动，并且
第一增压器(5)和第二增压器(6)彼此没有机械连接且没有与压缩机(11)机械连接。
2.权利要求1的方法，其中在每种情况下，使用共用的轴，将第一增压器(5)机械连接至用于膨胀第三部分流(f)的膨胀机(4)上，并将第二增压器(6)机械连接至用于膨胀第二部分流(e)的膨胀机(3)上。
3.权利要求1或2的方法，其中将在第三压力水平下以及由膨胀至第三压力水平所产生的第三温度水平下仍然为气态的第三部分流(f)的空气用作第三部分流(f)的空气，将其冷却至第二温度水平并膨胀至第三压力水平后，相对于第一部分流(c)加热并再压缩至第一压力水平。
4.权利要求3的方法，其中将冷却至第二温度水平并使其膨胀至第三压力水平而且在第三温度水平和第三压力水平下为液体形式的第三部分流(f)的空气与第一部分流(c)的液化空气合并。
5.前述权利要求之一的方法，其中，冷却并至少部分地液化后，使第一部分流(c)的空气膨胀至低于第三压力水平的第四压力水平。
6.权利要求5的方法，其中在使第一部分流(c)的空气膨胀至第四压力水平之前，使其膨胀至第三压力水平。
7.权利要求6的方法，其中将第三部分流(f)的空气冷却至第二温度水平并膨胀至第三压力水平后，相对于第一部分流(c)加热并再压缩至第一压力水平；膨胀至第三压力水平后，将第三部分流(f)的空气与已经膨胀至第三压力水平并仍然为气态的第一部分流(c)的空气合并。
8.前述权利要求之一的方法，其中第一压力水平为5巴-25巴，尤其是10巴-20巴；和/或第二压力水平为50巴-100巴，尤其是60巴-80巴。
9.前述权利要求之一的方法，其中第三压力水平为至少1巴、5巴或10巴且最高为20巴但低于第二压力水平；和/或第四压力水平为至少1巴、5巴或10巴且最高为20巴但低于第三压力水平，第四压力水平尤其是大气压。
10.前述权利要求之一的方法，其中第一温度水平为230K-330K，和/或第二温度水平为140K-180K。
11.一种电能的存储和回收的方法，其包含第一运行模式和第二运行模式，其中在第一运行模式中通过电能液化空气，在第二运行模式中通过使用在第一运行模式中所液化的空气获得电能，其特征在于，将前述权利要求之一的方法在第一运行模式下进行。
12.一种用于空气的液化设备(100，200，300，400)，其具有
用于以下的装置：提供处于第一压力水平的压缩空气流(b)，并通过压缩机(11)将压缩空气流(b)压缩至第二压力水平；压缩至第二压力水平后，压缩空气流(b)的空气形成第一部分流(c)、第二部分流(e)和第三部分流(f)；使用通过膨胀第二部分流(e)和第三部分流(f)的空气所产生的冷量冷却第一部分流(c)的空气并将其至少部分地液化；并且用压缩至第一压力水平的进料空气(a)和所提供的处于第一压力水平的第二部分流(e)和第三部分流(f)的空气来提供处于第一压力水平的压缩空气流(b)；以及
用于以下的装置：将第二部分流(e)的空气依次冷却至第一温度水平，使第二部分流(e)从第二压力水平膨胀至第一压力水平并相对于第一部分流(c)加热；并且还设计用于将第三部分流(f)的空气依次冷却至低于第一温度水平的第二温度水平，使第三部分流(f)膨胀至低于第一压力水平的第三压力水平，相对于第一部分流(c)加热并将其再压缩至第一压力水平，
其特征在于，
设有用于再压缩第三部分流(f)的第一增压器(5)和第二增压器(6)，
第一增压器(5)机械连接至用于膨胀第三部分流(f)的膨胀机(4)并由其驱动，第二增压器(6)机械连接至用于膨胀第二部分流(e)的膨胀机(3)并由其驱动，并且
第一增压器(5)和第二增压器(6)彼此没有机械连接且没有机械连接压缩机(11)。
13.权利要求12的设备(100，200，300，400)，其中在每种情况下，通过共用的轴，将第一增压器(5)连接至用于膨胀第三部分流(f)的膨胀机(4)上，并将第二增压器(6)连接至用于膨胀第二部分流(e)的膨胀机(3)上。
14.权利要求12或13的设备(100，200，300，400)，其设计为用于进行权利要求1-11之一的方法。
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