JP2015531047A - 液化プロセスにおける冷却のための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

方法及び装置が、熱エネルギー貯蔵からの低温リサイクルの統合利用によって空気液化プロセス内で効率的な冷却をするために開示される。

Description

本発明は、極低温エネルギー貯蔵システム、及び、特に、熱エネルギー貯蔵等の外部源からの低温リサイクルの統合利用による液化プロセスの効率的調和のための方法に関する。

送配電ネットワーク（又はグリッド）は、電力の生成を消費者からの需要と調和させなくてはならない。このことは通常、発電所のオンオフを調整すること、及び低減した負荷で稼働することによって生成側（供給側）を調節することによって達成される。大部分の既存の火力発電所及び原子力発電所は、最大負荷で連続的に稼働するときに、最も効率的であるので、このように供給側を調和することにおいて効率のペナルティーが存在する。ネットワークへの、風力タービン及び太陽熱収集器等の、大幅な断続的再生可能エネルギー生成容量の予想される導入は、生成部隊の一部の利用可能性における不確実性を生成することによって、グリッドの調和をさらに複雑にするであろう。高い需要の間の後の使用のために低い需要の期間の間、又は断続的な発電機からの低い出力の間、エネルギーを貯蔵する方法は、グリッドを調和すること、及び供給の安全を提供することにおいて大きな利点であろう。

電力貯蔵装置は、操作において３つの段階を有する：充電、貯蔵、及び放電。電力貯蔵装置は、送配電ネットワーク上に生成能力の不足があるときに、非常に断続的な基準で電力を生成（放電）する。これは、ローカルな電力市場における電力に関する高値によって、又は、追加の容量のためのネットワークの操作に責任のある組織からのリクエストによって、貯蔵装置のオペレーターへ合図が送られ得る。英国等のいくつかの国々では、ネットワークオペレーターが、急速開始能力を備える発電所のオペレーターを有するネットワークへバックアップの蓄積の供給を請け負う契約を締結する。このような契約は、月、又は年さえカバーし得るが、典型的には、電力供給者が動作する（電力を生成する）ことになる時間は非常に短い。加えて、貯蔵装置は、断続的な再生可能エネルギー発電機からのグリッドへの電力の過剰供給のときに追加の負荷を提供することにおける追加のサービスを提供し得る。需要が低い夜間に風速はしばしば速い。ネットワークオペレーターは、低いエネルギー値段の信号若しくは消費者との固有の契約を通して、過剰供給を利用するためにネットワーク上に追加の需要の手配をするか、他のステーション若しくは風力発電所からの電力の供給を抑制するか、のいずれかをしなくてはならない。いくつかの場合、特に風力発電機が助成金を払われている市場では、ネットワークオペレーターは、風力発電所を“止める”ために風力発電所のオペレーターに支払いをする必要があるであろう。貯蔵装置は、過剰供給の時間においてグリッドの調和に用いられ得る便利な追加の負荷をネットワークオペレーターに提供する。

商業的に実行化であろう貯蔵装置に関して、以下の要因が重要である：ＭＷ（電力容量）当たりの資本コスト、ＭＷｈ（エネルギー容量）、往復サイクル効率、及び、初期投資から予想され得る充電及び放電サイクルの数に関する寿命。大規模な実用規模の用途に関して、貯蔵装置が地理的に拘束を受けないこともまた重要である。それはどこにでも、特に、高い需要のポイントに隣接して、又は、間欠性のソース若しくは送配電ネットワークにおけるボトルネックに隣接して、建てられ得る。

一つのこのような貯蔵装置技術は、市場において多数の優位点を提供する、液体空気又は窒素等の寒剤を用いたエネルギーの貯蔵（極低温エネルギー貯蔵（ＣＥＳ））である。大まかに言うと、ＣＥＳシステムは、充電段階において、低コストの、又は余りの電力を利用し、低需要の、又は断続的な再生可能エネルギー発電機からの過剰供給の期間では、空気又は窒素等の作動流体を液化する。その後、これは貯蔵タンクにおいて極低温流体として貯蔵され、後に、タービンを駆動させるために解放され、高需要、又は断続的な再生可能エネルギー発電機からの不十分な供給の期間では、放電又は電力回収段階の間、電力を製造する。

極低温エネルギー貯蔵（ＣＥＳ）システムは、市場における他の技術よりもいくつかの優位点を有し、その内の一つは、実績のある成熟したプロセス上でのそれらの設立である。充電段階に必要不可欠である、空気を液化する手段は、一世紀以上にわたって存在してきた；初期のシステムは単純なリンデサイクルを利用しており、周辺空気が臨界より上の圧力へと圧縮され（≧３８ｂａｒ）、液体を製造するためのジュールトムソンバルブ等の膨張装置を通って、等エンタルピー膨張を経験する前に、低温へと徐々に冷却される。臨界閾値より上に空気を加圧することによって、空気は固有の特徴、及び、膨張の間に多量の液体を製造するための可能性を発現する。液体は流れ出て、低温気体空気の残りの一部は、入ってくる暖かいプロセス流れを冷却するために用いられる。製造される液体の量は、低温蒸気の必要とされる量によって支配され、必然的に低い固有の収率をもたらす。

このプロセスの進化は、（現在の従来技術が図４に示される）クロードサイクルである；プロセスは、広義にはリンデサイクルと同様であるが、一以上の流れ３６，３９が、メインのプロセス流れ３１から分離され、それらはタービン３，４を通って断熱状態で膨張し、所与の膨張比に関して、等エンタルピープロセスよりも低い温度、それゆえ効率的な冷却をもたらす。タービン３，４を通って膨張した空気はその後、戻り流れ３４に再び加わり、熱交換器１００を介して高圧流れ３１の冷却を助ける。リンデサイクルと同様に、液体のバルクは、ジュールトムソンバルブ１等の膨張装置を通る膨張を介して形成される。クロードプロセスによる主な改善は、膨張タービン３，４によって製造される電力が全体の電力消費を直接的に又は間接的に減少させ、より大きなエネルギー効率をもたらすことである。

最も効率的な現代の空気液化プロセスは、典型的には、２つのタービンのクロードデザインを用い、商業規模では、典型的には、０．４ｋＷｈ／ｋｇ付近の最適な固有の作業形態を達成し得る。非常に効率的であるが、これは、固有の仕事における大幅な減少無しに、ＣＥＳシステムが、市場参入のための５０％の往復効率形態を達成することはできないであろう。

より大きな効率を達成するために、特許文献１において開示されるもの等の、完全に統合されたＣＥＳシステム内の液化プロセスは、電力回収段階の間に寒剤の蒸発において捕捉される低温エネルギーを利用する。これは、特許文献２において詳細に説明されるもの等の、統合された熱貯蔵によって貯蔵され、その後、充電段階において用いられて、液化プロセスにおけるメインのプロセス流れへの追加の冷却を提供する。低温回収流れの効率的使用は、効率的な極低温エネルギー貯蔵システムを達成するための要件である。

ジュールトムソンバルブ等の膨張装置を通って膨張するとき、液体製造を最大化するために必要な温度に到達するために、任意の高圧のプロセス流れが受けなくてはならないエンタルピーにおける必要不可欠な変化が、図１に示される。典型的な理想の冷却流れは、‘低温リサイクル無し’と示された、図２におけるプロファイルによって示されるようなプロセスの至る所でエンタルピー変化を同様に受けなくてはならない。図２における第２のプロファイルは、‘低温リサイクル’と示された、大量の低温リサイクルがシステム内に導入される際に必要とされる冷却における劇的な変化（つまりエンタルピーの相対的変化）を示す。図２は、（供給される液体生成物のｋｇ当たりの冷却エンタルピーとして定義される）２５０ｋＪ／ｋｇの領域における低温リサイクルの量を示し、特許文献１において開示されるもの等の、完全に統合された極低温エネルギーシステムにおいて用いられる低温リサイクルのレベルと一致する。図２から明らかなように、低温リサイクルの追加は、プロセスのより高い温度端における冷却要件を完全に満たす。

これは、さらに進行した熱エネルギープロファイルによって用いられるように設計され、熱交換器の範囲を流れる単一の冷却流れによってさらにより効率的に取り扱われる現在の従来技術の液化プロセスに問題を与える。図３から分かり得るように、図４に示されるクロードサイクル等の、（‘従来技術’と示されたプロファイルによって示される）現在の従来技術のプロセスによって製造される効率的な冷却流れは、（‘理想的なプロファイル’と示されたプロファイルによって示される）大量の低温リサイクルを用いるシステムにおいて要求されるプロファイルと比較して極度に線形であり、非常に悪い一致である。より低温での深刻な冷却需要を満たすために、典型的な従来技術のプロセスは、低温リサイクル無しで、システムとしての低温タービンを通って同様の量の空気を膨張させなくてはならない。これは、プロセスの熱交換器内で装置の最大設計レベルを上回る伝熱要件、及び劣った効率をもたらす。

本発明人は、特にプロセスのより低い温度端で、プロセスの集中した領域への、集中した非進行性の冷却を提供し得るシステムの必要性があることを割り出した。

国際公開第２００７／０９６６５６号 英国特許出願公開第１１１５３３６号明細書

本発明の第１の態様は、
熱交換器と；
第１の膨張装置と；
第１の相分離器と；
第１の膨張タービンと；
第２の膨張タービンと；
伝熱流体を含む低温回収回路と；
導管の配置であって：
第１の膨張タービン及び第２の膨張タービンの動作入口圧力が互いに異なり、
導管の配置は、
ガスの加熱流れの第１の部分が熱交換器、第１の膨張装置、及び第１の相分離器を通って向かい、
ガスの加圧流れの第２の部分が第１の膨張タービンを通って、その後ガスの加圧流れの第１の部分へと向流方向において熱交換器を通って、その後第２の膨張タービンを通って向かい、
伝熱流体が熱交換器を通って向かうように配される、導管の配置と、
を含む極低温液化装置を、第１の実施形態において、提供することによって、これらの必要性に取り組む。

本発明の文脈において、“向流方向”との語句は、ガスの加圧流れの第２の部分が、熱交換器を通るその通路の少なくとも一部に関して、ガスの加圧流れの第１の部分へと反対の方向において熱交換器を通って流れることを意味するために用いられる。ガスの加圧流れの第１の部分及び第２の部分は、反対の端で、つまり、入口点の間で異なる温度差が最大化されるように、熱交換器に入り得る。代わりに、ガスの加圧流れの第１の部分及び第２の部分は、熱交換器の終端の間の点で熱交換器に入り得るが、熱交換器を通るその通路の少なくとも一部に関して、ガスの加圧流れの第１の部分及び第２の部分の他方へと反対方向において熱交換器を通って流れ得る。

低温回収回路は、熱エネルギー貯蔵装置、伝熱流体（ＨＴＦ）を循環するための手段、及び、熱エネルギー貯蔵装置を通って、熱交換器内へとＨＴＦを向かわせるように配された導管の配置を含む。例示的な低温回収回路は、特許文献２において詳細に説明される。ＨＴＦは、高圧又は低圧で、ガス又は液体を含み得る。

本発明の構成は、冷却されたプロセス流れの第２の部分が、第１のタービンを通って部分的に膨張され得、低温回収回路の低温回収流れの入口点へと局所的に、高圧冷却流れを提供するようなものである。その後、流れは、第２のタービンを通ってさらに膨張され得、プロセスの下部へとかなりの追加の冷却を提供する。

本発明は、膨張した流れの再加熱の結果として膨張タービンからの増加した仕事出力を提示し、一方で膨張タービン間の冷却も提供する。

ガスの加圧流れは、気体空気から成り得る。代わりに、ガスの加圧流れは、気体窒素から成り得る。ガスの加圧流れは、気体空気に関して３８ｂａｒであり、気体窒素に関して３４ｂａｒである臨界圧力以上の圧力で極低温液化装置内へ入力され得る。

ガスの加圧流れが２つの部分に分けられた後、ガスの加圧流れの第１の部分、及びガスの加圧流れの第２の部分は、同一の圧力であり得る。代わりに、ガスの加圧流れの第１の部分、及びガスの加圧流れの第２の部分は、異なる圧力であり得る。特に、第１の部分は、臨界圧力より上であることがあり得、第２の部分は、臨界圧力より下であり得る。また、逆もまた同様にあり得る。

極低温液化装置は、２つ以上の膨張タービンを含み得、タービンは並列、及び直列の両方であり得る。

極低温液化装置は、第３の膨張タービンをさらに含み得、第３の膨張タービンの動作入口圧力は、第１の膨張タービン及び第２の膨張タービンの内の少なくとも一つと異なる。

導管の配置は、プロセスガスの加圧流れの第２の部分の少なくとも一部が第３のタービンを通って向かうように、第３の膨張タービンが第１のタービン及び第２のタービンの内の少なくとも一つと並列になることがある。

導管の配置は、プロセスガスの加圧流れの第２の部分の少なくとも一部が第３のタービンを通って向かうように、第３の膨張タービンが第１のタービン及び第２のタービンの内の少なくとも一つと直列になることがある。

極低温液化装置は、導管の配置を介して第２の膨張タービンの出力と接続される冷媒回路をさらに含み得る。

極低温液化装置は、密閉サイクル冷却回路を通って、且つ熱交換器の局所的な領域を通って第２の伝熱流体を向かわせる導管の第２の配置をさらに含み得る。冷媒回路内の第２の伝熱流体は、高圧又は低圧で、ガス又は液体を含み得る。

極低温液化装置は、第４の膨張タービンをさらに含み得、導管の配置は：
ガスの加圧流れの第３の部分が、第４の膨張タービンを通り、その後ガスの加圧流れの第１の部分へと向流方向において熱交換器を通って向かうように配される。

極低温液化装置は、第５の膨張タービンをさらに含み得、導管の配置は：
ガスの加圧流れの第３の部分が、第４の膨張タービン及び熱交換器を通り抜けた後で、第５の膨張タービンを通って向かうように配される。

極低温液化装置は、第２の相分離器及び第２の膨張装置をさらに含み得、導管の配置は、ガスの加圧流れの第２の部分の少なくとも一部が、第１の膨張タービンを通り抜けた後で、第２の膨張装置及び第２の相分離器を通って向かうように配される。

その又は各膨張装置は、ジュールトムソンバルブ、他の一つの減圧バルブ、膨張タービン、又は他の一つの仕事抽出装置を含み得る。

極低温液化装置は、第１のコンプレッサーをさらに含み得、導管の配置は、ガスの加圧流れの第２の部分の少なくとも一部が、第１の膨張タービンを通り抜ける前に、第１のコンプレッサーを通って向かうように配される。

極低温液化装置は、第２のコンプレッサーをさらに含み得、導管の配置は、ガスの加圧流れの第１の部分が、熱交換器を通り抜ける前に、第２のコンプレッサを通って向かうように配される。

極低温液化装置は、冷却器をさらに含み得、導管の配置は、ガスの加圧流れの第１の部分が、第２のコンプレッサーを通り抜けた後で、且つ熱交換器を通り抜ける前に、冷却器を通って向かうように配される。

極低温液化装置は、ガスの加圧流れを出力するように適合した供給流れコンプレッサーをさらに含み得、導管の配置は、最初に、供給流れが供給流れコンプレッサーの入力へ向かうように、次に、第１の相分離器からの出力流れが、熱交換器を通り抜けた後に、供給流れに加わるように、配される。

導管の配置は、供給流れコンプレッサーからのガス出力の加圧流れが、熱交換器を通り抜ける前に、熱貯蔵装置へ向かうように配され得る。

導管の配置は、熱貯蔵装置からのガス出力の加圧流れが、熱交換器を通り抜ける前に、排熱装置に向かうように配され得る。

本発明の第１の態様は：
熱交換器、第１の膨張装置、及び第１の相分離器を通ってガスの加圧流れの第１の部分を向かわせる段階；
第１の膨張タービンを通って、その後ガスの加圧流れの第１の部分へと向流方向において熱交換器を通って、その後第２の膨張タービンを通って、ガスの加圧流れの第２の部分を向かわせる段階；及び
低温回収回路及び熱交換器を通って伝熱流体を向かわせる段階、を含み、
第１の膨張タービン及び第２の膨張タービンの動作入口圧力が互いに異なる、外部熱エネルギー源からの低温リサイクルの使用によって液化プロセスを熱的に調和するための方法をさらに提供する。

極低温液化装置に関連した上述の如何なる任意の特徴は、本発明の第１の態様の方法へと組み込まれ得る。

本発明の第２の態様は、
熱交換器；
第１の相分離器；
第１の膨張装置；
第１の膨張タービン；
第１のコンプレッサー；
伝熱流体を含む低温回収回路；及び
導管の配置であって、
ガスの加圧流れの第１の部分が、熱交換器、第１の膨張装置及び第１の相分離器を通って向かい、
ガスの加圧流れの第２の部分が、第１の膨張タービンを通って、その後ガスの加圧流れの第１の部分へと向流方向において熱交換器を通って、その後第１のコンプレッサーを通って向かい、
伝熱流体が、熱交換器を通って向かうように配された導管の配置、を含む極低温液化装置を、第１の実施形態において、提供することによってこれらの必要性に取り組む。

導管の配置は、第１のコンプレッサーの出力流れが、ガスの加圧流れに加わるように配され得る。

導管の配置は、第１のコンプレッサーの出力流れが、それがガスの加圧流れに加わる前に、熱交換器内へ向かうように配され得る。代わりに、導管の配置は、第１のコンプレッサーの出力流れが、それが熱交換器内へ向かう前に、ガスの加圧流れに加わるように配され得る。

第１のコンプレッサーは、単段のコンプレッサー、又は多段のコンプレッサーの何れかであり得る。

本発明の第２の態様は：
熱交換器、第１の膨張装置、及び第１の相分離器を通って、ガスの加圧流れの第１の部分を向かわせる段階；
第１の膨張タービンを通って、その後ガスの加圧流れの第１の部分へと向流方向において熱交換器を通って、その後第１のコンプレッサーを通って、ガスの加圧流れの第２の部分を向かわせる段階；及び
低温回収回路及び熱交換器を通って伝熱流体を向かわせる段階、を含む外部熱エネルギー源からの低温リサイクルの使用によって液化プロセスを調和するための方法をさらに提供する。

また、極低温液化装置と関連する上述の如何なる任意の特徴は、本発明の第２の態様の方法に組み込まれ得る。

本発明の実施形態は、図面を参照してこれから説明されることになる。

プロセスガスが冷却プロセスの間に受ける総エンタルピーにおける相対的変化のプロファイルを示す（総エンタルピーの相対的変化ｖｓ冷却された流れの温度）。 多量の低温リサイクルの使用によって、及び使用無しで、システムに関する冷却プロセスの間に冷却流れが受けなくてはならない、総エンタルピーにおける相対的変化のプロファイルを示す（総エンタルピーの相対的変化ｖｓ冷却された流れの温度）。 多量の低温リサイクルの使用によって、“理想”、“従来技術”及び“本発明”のシステムに関する、冷却プロセスの間に冷却流れが受けなくてはならない、総エンタルピーにおける相対的変化のプロファイルを示す（総エンタルピーの相対的変化ｖｓ冷却された流れの温度）。 クロードサイクルを用いた典型的な従来技術の空気液化プラントの配置を示す。 本発明の第１の態様の第１実施形態による、極低温エネルギー貯蔵システムの液化プロセスの概略図を示す。 本発明の第１の態様の第２実施形態を示す。 本発明の第１の態様の第３実施形態を示す。 本発明の第１の態様の第４実施形態を示す。 本発明の第１の態様の第５実施形態を示す。 本発明の第１の態様の第６実施形態を示す。 本発明の第１の態様の第７実施形態を示す。 本発明の第２の態様の変形を示す。 本発明の第７実施形態の変形を示す。 本発明の第８実施形態を示す。 本発明の第１実施形態の変形を示す。 本発明の第１実施形態の他の一つの変形を示す。 本発明の第１実施形態のさらに他の一つの変形を示す。 本発明の第２の態様の第１実施形態を示す。

本発明の第１の単純な実施形態が図５に示される。図５におけるシステムは、メインのプロセス流れ３１がタービンからの低温の膨張空気を介して冷却され、ジュールトムソンバルブ１等の膨張装置を通って膨張されて液体を製造するという点で、図４に示される従来技術のそれと類似しているが、図４の温かいタービン３は、第１の低温タービン５と直列に並べられる第２の低温タービン６によって置き換えられる。

図５に示される本発明の第１実施形態において、プロセスガス（好ましい実施形態では空気）は、（空気に関して３８ｂａｒ、より好ましくは＞４５ｂａｒである）少なくとも臨界圧力の、高圧へ圧縮され、且つ周囲温度（〜２９８Ｋ）で注入口３１にて極低温液化装置に入り、そこから、それは、熱交換器１００を通って向かい、流路４１、４２を介して熱交換器１００を通って戻る前に、低温低圧プロセスガスによって徐々に冷却される。また、熱交換器１００を通り抜けるのは、極低温液化装置の低温回収回路の低温回収流れ３０、５０である。低温回収回路は：熱エネルギー貯蔵装置（図示されない）；低温回収回路を通って伝熱流体を循環するための手段（図示されない）；並びに、熱エネルギー貯蔵装置及び熱交換器１００を通って伝熱流体を向かわせるように配された導管の配置、を含む。例示的な低温回収回路は、特許文献２において詳細に説明される。

３１で、且つ今では１５０Ｋと１７０Ｋとの間の温度（好ましい場合では１６５Ｋ）での、熱交換器内への高圧プロセスガス流入の一部は、流路３９を介して、メインの流れ３１から分離され、熱交換器１００の流路４０、４３を通り抜ける前に、膨張タービン５を用いて、５ｂａｒと２０ｂａｒとの間（より典型的には１０〜１４ｂａｒ）へ部分的に膨張され、低温熱エネルギーは、流れ３５における高圧ガスへ移動する。本発明のこの特徴は、低温回収流れ３０の入口点の周りの、より高圧の冷却流れ４０、４３の結果として、図４の配置よりも効率的な冷却を提供し、（図４の）温かいタービン３が、低温リサイクルが利用可能である、必要とされない、より高い温度での冷却を提供する従来のレイアウトよりも、（図３に示されるような）結果として得られる冷却需要により良く一致する。

流路４０、４３において部分的に膨張したガス流れは、熱交換器１００を通る流路４０、４３における熱伝達の結果として、１２０Ｋと１４０Ｋとの間の温度（好ましい場合では１２５Ｋ）へ加熱され、周囲圧力と６ｂａｒとの間へ、タービン６を通ってさらに膨張され、それは流路４４を通って進み、相分離器の容器２に入る。流れ３２及び４４のガス留分は、出力流れ３４を形成するために組み合わされ、高圧のプロセス流れ３５への追加の冷却を提供する熱交換器１００を通る流路４１、４２を通って進む。本発明の追加の優位点は、流れ４４における低温プロセス流れの典型的な組成が、液体及び気体空気の混合物であることである。最終的な膨張からの液体留分は、相分離器２内でまとめられ、流路３３を介して出力される。

図５において番号が付された点はシステムにおける位置を示し、そこでの典型的な圧力、温度及び質量流量は以下である：

現在の発明の第２実施形態は、（似た参照番号が、図５におけるものと同一の構成要素を指す）図６に示され、流路３９を介してメインの流れ３１から分離された空気の一部は、後ほどプロセスにおいて、それ故、より低温（１３０Ｋ〜１７０Ｋ）で実施される。結果として、タービン５における部分的な膨張の後での低温ガスの後続の温度は、流路４０、４３を介してプロセス流れ３５の下端部に関する高圧冷却流れを提供するのに十分であり、その後、それは、第２のタービン６を通って再び膨張され、流れ３４において追加の集中した冷却を提供する。

本発明の第３実施形態は、（似た参照番号が、図５におけるものと同一の構成要素を指す）図７に示され、第３の膨張タービン７は、タービン５と直列のままである第２のタービン６と並列に提供される。図６に示される第２実施形態と同様に、低温高圧流れ３１の一部３９は、タービン５によって部分的に膨張され、それが２つの流れ４３、４５へ再び分けられ、２つのさらなる並列のタービン６及び７を通って膨張される前に、熱交換器の下端でのみ高圧冷却流れ４０を提供する。タービン７からの出力は、流路８０を介して相分離器２内へと典型的には導入される。低温リサイクル温度が低いいくつかの実施形態では、タービン７からの出力は、流路４６を介して熱交換器１００まで高く導入され得る。

（似た参照番号が、図７におけるものと同一の構成要素を指す）図８は、本発明の第４実施形態を詳細に述べ、図７に示されるシステムと同様に、第３の膨張タービン７は追加され、第１の膨張タービン５と直列のままである第２の膨張タービン６と並列に配される。第２のタービン６と第３のタービン７との膨張比は互いに異なり、第２は、８ｂａｒ付近から４．５ｂａｒへ膨張し、第３は、８ｂａｒ付近から周辺大気近くへ膨張する。本発明人は、図８におけるように多数の冷却流れを並列に重ねることよって、図３において特定される、冷却プロファイル需要は、より接近して一致し得ることに気付いた。いくつかの実施形態では、タービン７の出力圧力は分離器圧力２と実質的に等しく、タービン７の出力は、タービン７の出力において形成される液体が集められる流路８０を介して相分離器２へ導入される。

さらなる実施形態が、（似た参照番号が、図８におけるものと同一の構成要素を指す）図９に示される。この実施形態は、第２の膨張タービン６からの流れ４８を通って進む、出ていくガスが、頂部に到達する前にプロセスの熱交換器１００から取り除かれることを除いて、図８のものと同一である。流れ４８における低温ガスは、コンプレッサー８によってさらに圧縮され、結果として得られる流れ４９は、流れ５１として回路１０から出る前に、高圧のプロセス流れ３１と混合する前に、密閉サイクル冷却回路１０によって冷却される。特定の実施形態では、第３のタービン７から出たうえで低温ガスからの流れ４６において一部の液体が形成される可能性があり、それによって、流れは、流路４６、４７を介して熱交換器１００を通って直接向かう代わりに、流路８０を介して相分離器２に入るように向かうであろう。

（図示されないが、それ以外は図９と同様である）さらなる実施形態では、タービン７の出力は、このプロセス流れが特許文献２において詳細に説明されるような、低圧ハイグレードの低温貯蔵を駆動するために用いられるように、周辺近くへ膨張され得る。

（似た参照番号が、図５におけるものと同一の構成要素を指す）図１０において示される実施形態は、冷却需要により良く一致させるために局所的な潜在的に高い圧力の冷却流れ６０を提供するための密閉サイクル冷却回路１０１の追加以外は、図５のものと同一である。密閉サイクル冷却回路１０１は、コンプレッサー１０２、冷却器１０３及び膨張タービン１０４を含む。

図１１は、（似た参照番号が図５におけるものと同一の構成要素を指す）本発明のさらなる実施形態を示し、温かいタービン１４及び低温タービン５は、低温高圧流れ３１の一部６０、３９を部分的に膨張する。流れ６０及び３９は、異なる温度であり、タービン１４及び５によって異なる圧力へ膨張されて、それぞれ流れ６１及び４０を提供する。流れ６１及び４０におけるガスは、熱交換器１００を通って向かう流れ６３及び４４を提供するためさらなるタービン１６及び６を用いて、個別に０ｂａｒと６ｂａｒとの間へ膨張される前に、点３５及び６９で高圧流れへの集中した冷却を提供する。

第２実施形態の変形は、（似た参照番号が図６におけるものと同一の構成要素を指す）図１２において示され、第２の相分離器１８及び減圧バルブ１９の追加が、流れ４０において製造される追加の液体の除去を可能にする。いくつかの実施形態では、タービン６の出力圧力は、分離器圧力２と等しく、タービン６の出力は、タービン７への出力において形成される液体が集められる流路８０を介して相分離器へ導入される。

以前の実施形態の何れかにおいて含まれ得るさらなる構成要素（図示されない）は、冷却要件が特に高い、特に１４０Ｋと１２０Ｋとの間での、システムの特定の区域で追加の冷却を提供するために異なる作動流体を利用する、（図１０において示されるサイクル１０１と同様の）閉鎖ループ冷却サイクルである。異なる作動流体は、メタン等の冷媒を含み得る。

高圧流れが異なる圧力の二つの流れに分割される、以前の実施形態の何れかに適用され得るさらなる配置は、液体製造を最大化するために、臨界圧力より上の圧力で（冷却され、その後膨張装置へ移動される）第１の流れを提供する段階を含む。第２の高圧流れは、（典型的には第１の流れの圧力よりも上の）異なる圧力であり、冷却されて二以上の膨張タービンへ移動されて、以前の実施形態において説明されたように、第１の流れへの追加の冷却を提供する。

（似た参照番号が、図５におけるものと同一の構成要素を指す）図１３において示されるようなさらなる実施形態では、第２の流れ５８は、流れ５９へとコンプレッサー２０によって圧縮され、その後さらなる二以上の流れ６３、６５へ分割される。流れ６５はコンプレッサー１９によって圧縮され、その後、第１の流れ（６６）を介し、直列の２つのタービン５、６を通って向かう。流れ６３は、第３のタービン２１を通って膨張される。第１、第２及び第３のタービン５、６、２１の出力流れ４０、４４、６４は、ジュールトムソンバルブ１等の膨張装置における膨張の前に第１のプロセス流れ３５に関する追加の冷却を提供する。

さらなる実施形態では、第１実施形態へ適用される（似た参照番号が、図５におけるものと同一の構成要素を指す）図１４において示されるように、冷却されたガス流れ３１が、リサイクル空気コンプレッサー（ＲＡＣ）と一般的に呼ばれるコンプレッサーから直接供給され、流れ５８は、冷却されたガス流れ３１から分けられ、続いて、膨張タービン５及び６並びに熱交換器１００を通って向かう前に、コンプレッサー１９によってより高い圧力へ引き上げ（ｂｏｏｓｔ）られる。この追加のブースター構成要素は、以前の実施形態の何れかに組み込まれ得る。

（似た参照番号が、図１４におけるものと同一の構成要素を指す）図１５は、図１６の実施形態の変形を示し、それによって、流れ３１は、ＲＡＣから直接供給される。流れ３１は、二つの流れ４１及び３５へと分けられ、流れ４１は熱交換器１００を通って向かわせられ、それが膨張タービン５及び６並びに再び熱交換器１００を通って向かう前に冷却される。一方、流れ３５は、ジュールトムソンバルブ１等の膨張装置、及び熱交換器１００を通って向かう前に、ブースター１９によってより高い圧力へと引き上げられる。

（似た参照番号が、図１５におけるものと同一の構成要素を指す）図１６は、変形を示し、流れ３１は、ＲＡＣから再び直接供給され、臨界圧力よりも低い圧力（＜３８ｂａｒ）へと圧縮される。流れ４１は、冷却された流れ３５の残りがブースター１９及び２０並びに冷却器１０及び２２によって引き上げられ、続いて冷却される前に、メインの冷却された流れ３１から分けられる。サブ臨界圧力流れ４１は、低温熱エネルギーが流路７３、３８における流れにおける高圧ガスへ移動する、熱交換器１００の、流路４０、４３を通り抜ける前に膨張タービン５を通って、５ｂａｒと２０ｂａｒとの間へ、より典型的には１０ｂａｒ〜１４ｂａｒへ部分的に膨張される前に熱交換器１００を介して冷却され、且つ、膨張タービン６によってさらに膨張される。流れ３５に配される追加の構成要素もまた、以前の実施形態の何れかに組み込まれ得る。

最後の実施形態では、（似た参照番号が、図１５におけるものと同一の構成要素を指す）図１７において示されるように、変形を示し、第１の相分離器２の出力流れは、低圧の戻り蒸気４２となり、熱交換器１００を通り抜け、供給流れ４０１と合わさり、流れ４０２を形成する。流れ４０２の圧力は、３ｂａｒＡと１５ｂａｒＡとの間であり得、より典型的には８ｂａｒＡであり得る。流れ４０２は、単段のコンプレッサー４００へ向かい、流れ４０２をより高い圧力へと引き上げる。従って、単段のコンプレッサー４００の出力流れ４０３は、流れ４０２よりも高い圧力を有する。より高い圧力は、少なくとも（空気に関して３８ｂａｒ、より好ましくは＞４５ｂａｒである）臨界圧力である。流れ４０３の温度は、１００℃と４００℃との間であり得、より典型的には２７０℃であり得る。流れ４０３は、流れ４０３における熱エネルギーの内の少なくともいくらかを除去する熱貯蔵装置４０４へ向かう。熱貯蔵装置４０４の出力流れ４０５の温度は、２０℃と１００℃との間であり得、より典型的には６０℃であり得る。流れ４０５の温度が周囲温度より上の場合、排熱装置４０６は、流れの温度を冷却するために用いられ得る。この液化サイクルが極低温エネルギー貯蔵プラントの一部として用いられるとき、熱貯蔵装置４０４によって捉えられる圧縮熱は、電力回収サイクルにおいて用いられて、膨張タービンの注入口で作動流体の温度を引き上げる。

（似た参照番号が、図４におけるものと同一の構成要素を指す）図１８は、図４の空気液化プラント配置のさらなる発展である本発明の実施形態を示す。ここで、膨張タービン４からの出力である低温蒸気流れ４０は、図４に示されるように流れ４１を形成するために戻り流れ３４と合わさるよりも、熱交換器１００へ向かう。そのため、低温蒸気流れ４０は、それが熱交換器１００を通り抜けて、流れ４３として熱交換器を出るので、熱を獲得する。流れ４３の温度は、０℃と−１８０℃との間であり得、より典型的には−１１７℃であり得る。流れ４３は、コンプレッサー３００へ向かい、流れ４３をより高い圧力へ引き上げる。コンプレッサー３００は、多段のコンプレッサー、又は単段のコンプレッサーであり得る。コンプレッサー３００の出力流れ３０１は、二つの配置の内の一つにおいて熱交換器１００へ戻って向かう。流れ３０１の温度がほぼ周囲温度である場合、そのとき流れ３０１は、熱交換器１００の外側の流れ３５と合わさるように向かい得る。これは、流れ３０２によって示される。代わりに、流れ３０１の温度が周囲温度より下である場合、そのとき流れ３０１は、熱交換器の内側の流れ３５に合わさるように向かい、流れ７４を形成し得る。これは流れ３０３によって示される。

本発明は例示として説明されてきたものであり、詳細の修正は以下の特許請求の範囲によって定義されるような本発明の範疇内でなされ得るものであることは当然理解されるであろう。

Claims (37)

1. 熱交換器と；
   第１の相分離器と；
   第１の膨張装置と；
   第１の膨張タービンと；
   第２の膨張タービンと；
   伝熱流体を含む低温回収回路と；
   導管の配置であって、
   第１の膨張タービン及び第２の膨張タービンの動作入口圧力が互いに異なり；
   導管の配置は、
   ガスの加圧流れの第１の部分が、熱交換器、第１の膨張装置及び第１の相分離器を通って向かわせられ；
   ガスの加圧流れの第２の部分が、第１の膨張タービンを通って、その後ガスの加圧流れの第１の部分へ向流方向において熱交換機を通って、その後第２の膨張タービンを通って向かわせられ、
   伝熱流体が熱交換器を通って向かうように配される、導管の配置と、
   を含む極低温液化装置。
2. 低温回収回路が、
   熱エネルギー貯蔵装置と；
   伝熱流体を循環するための手段と；
   熱エネルギー貯蔵装置、及び熱交換器を通って伝熱流体を向かわせるように配された導管の配置と、を含む、請求項１に記載の極低温液化装置。
3. ガスの加圧流れが、気体空気又は気体窒素から成る、請求項１又は２に記載の極低温液化装置。
4. ガスの加圧流れが、臨界圧力以上の圧力で極低温液化装置内への流入である、請求項３に記載の極低温液化装置。
5. ガスの加圧流れの第１の部分、及びガスの加圧流れの第２の部分が、異なる圧力である、請求項１から４の何れか一項に記載の極低温液化装置。
6. ガスの加圧流れの第１の部分、及びガスの加圧流れの第２の部分が、同一の圧力である、請求項１から４の何れか一項に記載の極低温液化装置。
7. 第３の膨張タービンをさらに含み、
   第３の膨張タービンの動作入口圧力が、第１の膨張タービン、及び第２の膨張タービンの内の少なくとも一つと異なる、請求項１から６の何れか一項に記載の極低温液化装置。
8. 導管の配置は、プロセスガスの加圧流れの第２の部分の少なくとも一部が第３のタービンを通って向かうように、第３の膨張タービンが第１のタービン及び第２のタービンの内の少なくとも一つと並列であるようにする、請求項７に記載の極低温液化装置。
9. 導管の配置は、プロセスガスの加圧流れの第２の部分の少なくとも一部が第３のタービンを通って向かうように、第３の膨張タービンが第１のタービン及び第２のタービンの内の少なくとも一つと直列であるようにする、請求項７又は８に記載の極低温液化装置。
10. 導管の配置を介して第２の膨張タービンの出力と接続される冷媒回路をさらに含む、請求項１から９の何れか一項に記載の極低温液化装置。
11. 密閉サイクル冷却回路を通って、且つ熱交換器の局所的な領域を通って、第２の伝熱流体を向かわせる導管の第２の配置をさらに含む、請求項１から１０の何れか一項に記載の極低温液化装置。
12. 第２の伝熱流体が、ガス又は液体を含む、請求項１１に記載の極低温液化装置。
13. 第４の膨張タービンをさらに含み、
    導管の配置は、
    ガスの加圧流れの第３の部分が、第４の膨張タービンを通って、その後ガスの加圧流れの第１の部分へと向流方向において熱交換器を通って向かうように配される、請求項１から１２の何れか一項に記載の極低温液化装置。
14. 第５の膨張タービンをさらに含み、
    導管の配置は、
    ガスの加圧流れの第３の部分が、第４の膨張タービン及び熱交換器を通り抜けた後で、第５の膨張タービンを通って向かうように配される、請求項１３に記載の極低温液化装置。
15. 第１の膨張装置が、ジュールトムソンバルブ、他の一つの減圧バルブ、膨張タービン、又は他の一つの仕事抽出装置を含む、請求項１から１４の何れか一項に記載の極低温液化装置。
16. 第２の相分離器、及び第２の膨張装置をさらに含み、導管の配置は、ガスの加圧流れの第２の部分の少なくとも一部が、第１の膨張タービンを通り抜けた後で、第２の膨張装置及び第２の相分離器を通って向かうように配される、請求項１から１５の何れか一項に記載の極低温液化装置。
17. 第２の膨張装置が、ジュールトムソンバルブ、他の一つの減圧バルブ、膨張タービン、又は他の一つの仕事抽出装置を含む、請求項１６に記載の極低温液化装置。
18. 第１のコンプレッサーをさらに含み、導管の配置は、ガスの加圧流れの第２の部分の少なくとも一部が、第１の膨張タービンを通り抜ける前に、第１のコンプレッサーを通って向かうように配される、請求項１から１７の何れか一項に記載の極低温液化装置。
19. 第２のコンプレッサーをさらに含み、導管の配置は、ガスの加圧流れの第１の部分が、熱交換器を通り抜ける前に、第２のコンプレッサーを通って向かうように配される、請求項１から１８の何れか一項に記載の極低温液化装置。
20. 冷却器をさらに含み、導管の配置は、ガスの加圧流れの第１の部分が、第２のコンプレッサーを通り抜ける後で、且つ熱交換器を通り抜ける前に、冷却器を通って向かうように配される、請求項１９に記載の極低温液化装置。
21. 第２の膨張タービンからの出力が、第１の相分離器内へ向かう、請求項１から２０の何れか一項に記載の極低温液化装置。
22. 第３の膨張タービンからの出力が、第１の相分離器内へ向かう、請求項７から９の何れか一項に記載の極低温液化装置。
23. 第４の膨張タービンからの出力が、第１の相分離器内へ向かう、請求項１３に記載の極低温液化装置。
24. 第５の膨張タービンからの出力が、第１の相分離器内へ向かう、請求項１４に記載の極低温液化装置。
25. ガスの加圧流れを出力するように適合した供給流れコンプレッサーをさらに含み、導管の配置は：
    ａ）供給流れが、供給流れコンプレッサーの流入へ向かい、且つ
    ｂ）第１の相分離器からの出力流れが、熱交換器を通り抜けた後で、供給流れに加わるように配される、請求項１から２４の何れか一項に記載の極低温液化装置。
26. 導管の配置は、供給流れコンプレッサーからのガス出力の加圧流れが、熱交換器を通り抜ける前に、熱貯蔵装置へ向かうように配される、請求項２５に記載の極低温液化装置。
27. 導管の配置は、熱貯蔵装置からのガス出力の加圧流れが、熱交換器を通り抜ける前に、排熱装置へ向かうように配される、請求項２６に記載の極低温液化装置。
28. 熱交換器と；
    第１の相分離器と；
    第１の膨張装置と；
    第１の膨張タービンと；
    第１のコンプレッサーと；
    伝熱流体を含む低温回収回路と；
    導管の配置であって、
    ガスの加圧流れの第１の部分が、熱交換器、第１の膨張装置、及び第１の相分離器を通って向かわせられ；
    ガスの加圧流れの第２の部分が、第１の膨張タービンを通って、その後ガスの加圧流れの第１の部分へと向流方向において熱交換器を通って、その後第１のコンプレッサーを通って向かわせられ、且つ
    伝熱流体が、熱交換器を通って向かうように配される導管の配置と、を含む極低温液化装置。
29. 導管の配置は、第１のコンプレッサーの出力流れが、ガスの加圧流れに加わるように配される、請求項２８に記載の極低温液化装置。
30. 導管の配置は、第１のコンプレッサーの出力流れが、それがガスの加圧流れに加わる前に、熱交換器内へ向かうように配される、請求項２９に記載の極低温液化装置。
31. 導管の配置は、第１のコンプレッサーの出力流れが、それが熱交換器内へ向かう前に、ガスの加圧流れに加わるように配される、請求項２９に記載の極低温液化装置。
32. 第１のコンプレッサーが、単段のコンプレッサー、及び多段のコンプレッサーの内の一つである、請求項２８から３１の何れか一項に記載の極低温液化装置。
33. 請求項１から３２の何れか一項に記載の極低温液化装置を含む、極低温エネルギー貯蔵装置。
34. 熱交換器、第１の膨張装置、及び第１の相分離器を通ってガスの加圧流れの第１の部分を向かわせる段階と；
    第１の膨張タービンを通って、その後ガスの加圧流れの第１の部分へと向流方向において熱交換器を通って、その後第２の膨張タービンを通って、ガスの加圧流れの第２の部分を向かわせる段階と；
    低温回収回路、及び熱交換器を通って伝熱流体を向かわせる段階と、を含み、
    第１の膨張タービン及び第２の膨張タービンの動作入口圧力が互いに異なる、外部熱エネルギー源からの低温リサイクルの使用によって液化プロセスを調和するための方法。
35. 熱交換器、第１の膨張装置、及び第１の相分離器を通って、ガスの加圧流れの第１の部分を向かわせる段階と；
    第１の膨張タービンを通って、その後ガスの加圧流れの第１の部分へと向流方向において熱交換器を通って、その後第１のコンプレッサーを通って、ガスの加圧流れの第２の部分を向かわせる段階と；
    低温回収回路、及び熱交換器を通って伝熱流体を向かわせる段階と、を含む、外部熱エネルギー源からの低温リサイクルの使用によって液化プロセスを調和するための方法。
36. 請求項３４又は請求項３５に記載の液化プロセスを調和するための方法を含む、エネルギーを貯蔵する方法。
37. 実質的に本明細書中で参照して説明した、図５から１８の何れかにおいて示されるような極低温液化装置。

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