低温液化工艺中的方法和设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及低温能量储存系统，并具体涉及来自外部源的、诸如来自液化天然气(LNG)再气化工艺的冷流的有效利用。
【背景技术】
[0002]电力传输和分配网络(或电网)必须平衡电力的产生与消费者的需求。这通常是通过启动和关闭电站来调节发电侧(供给侧)并且在负荷降低时使一些发电站运行来实现。由于在全负荷下连续运行时，大部分现有火电站和核电站是最有效的，因此以这种方式平衡供给侧存在效率损失。由于，显著间歇性的可再生发电量，如风力涡轮机和太阳能集电器，预期引入电网会在发电设备部件可用性方面产生不确定性，这将进一步使电网的平衡复杂化。在低需求阶段期间储存能量为了在后来高需求阶段期间使用、或者在间歇发电机的低输出期间储存能量的装置在平衡电网和提供供给安全性方面将有重要的益处。
[0003]蓄电装置具有三个操作阶段:充电，储存和放电。当输电和配电网络上存在发电量的短缺时，蓄电装置以高度间歇性的条件发电(放电)。这能够通过本地电力市场中的高电价，或通过来自负责对于额外容量电网运行的机构的请求，向蓄电装置运营者发送信号。在一些国家，例如英国，电网运营者与具有快速启动能力的发电厂经营者缔结对于向电网供应后备储量的合同。这样的合同能够保护数月甚至数年，但通常电力供应商运行(发电)的时间非常短。此外，蓄电装置能够提供附加服务，在电力供应过剩的时段从间歇性可再生发电机向电网提供额外的负荷。在需求较低时，风速往往整夜都很高。电网运营者必须要么通过低能源价格信号或与消费者的具体合同，安排电网上的额外需求以利用过量供给，要么限制来自其它电站或风电场的电力供给。在某些情况下，特别是在风力发电机被补贴的市场中，电网经营者不得不向风电场运营者付款以“关闭”风电场。蓄电装置向电网经营者提供有用的额外负荷，其能够用于在供给过剩时期平衡电网。
[0004]对于商业上可行的蓄电装置，下列因素是重要的:就能够从初始投资所预期的充放电循环数量而言，每兆瓦(电容量)、兆瓦时(能量容量)的资金成本、系统循环效率和寿命。为了广泛的公用规模应用，蓄电装置在地理上不受约束也很重要-它能够在任何地方建造，特别是在高需求点附近，或在传输电网和分配电网中的间歇的源或瓶颈的源附近。
[0005]—个这样的蓄电装置技术是利用制冷剂、诸如液态空气或氮的能量储存(低温能量储存(CES))，其在市场上呈现了许多优点。广义地说，CES系统会在充电阶段中利用在低需求或供给过剩期间来自间歇性可再生发电机的低成本或剩余电力，以液化工作流体，例如空气或氮气。然后这些作为低温流体被储存在储存罐中，并随后释放以驱动涡轮机，以在间歇性可再生发电机的高需求或供应不足期间，在放电或电力回收阶段期间产生电力。
[0006]低温能量储存(CES)系统与市场上的其它技术相比具有几个优点，其一是它们建立在已被证明的成熟工艺的基础上。在充电阶段所需的液化空气的方法已经存在了多于一个多世纪；早期的系统利用简单的林德循环，其中环境空气被压缩至高于临界的压力(^ 38bar)，并在经历通过膨胀装置例如焦耳-汤姆逊阀等焓膨胀以产生液体之前，逐步冷却到一个低的温度。通过将空气加压至临界阈值之上，空气产生了独特的特性和潜能，用于在膨胀过程中产生大量的液体。将液体排出，而冷的气态空气的剩余部分用于将进入的暖的工艺流冷却。所产生的液体量由所需的冷蒸气的量决定，不可避免地导致低的单位产量。
[0007]该工艺的一种演变是克劳德循环(其现有技术示出在图4中);这个工艺与林德循环大致相同，然而一个或多个流36、39从主工艺流31分开，其中它们通过涡轮机3、4绝热膨胀，导致在给定的膨胀率下比等焓过程更低的温度，从而导致有效的冷却。通过涡轮机
3、4膨胀的空气随后重新加入返回流34，并经由换热器100辅助高压流31的冷却。与林德循环类似，大部分液体通过膨胀装置例如焦耳-汤姆逊阀1经由膨胀而形成。克劳德工艺的主要改进在于，由膨胀涡轮3、4所产生的电力直接地或间接地降低了总体的电力消耗，导致更高的能效。
[0008]最有效的现代空气液化工艺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达到大约0.4kffh/kg的最佳单位产量值。尽管效率高，但这并不能使CES系统在单位功没有显著减少的情况下，能够达到50%的市场准入循环效率值。
[0009]为了达到更高的效率，在完全集成的CES系统例如W02007-096656A1中公开的系统内的液化工艺，利用在电力回收阶段期间在制冷剂蒸发中收集的冷能。然而冷能的来源能够很容易地取自外部工艺例如邻接CES系统实施的工艺。在某些情况下，利用来自外部工艺的被认为是废物的冷能是特别有益的。
[0010]—种这样的可用于CES系统中的外部工艺是LNG再气化工艺。CES系统可利用通常在液体生产过程中连续地从LNG再气化终端排出的废物冷流。如果再气化终端邻接CES系统则是特别有利的。这样利用冷流可能取消了对于冷能储存在集成热储存装置、例如GB1115336.8中详述的集成热储存装置中的需要。作为代替，冷能在充电阶段期间能够直接地使用，以向液化工艺中的主工艺流提供额外的冷却。
[0011]示例性系统示出在图5中。在此，主工艺流(31、35)在环境温度(?298K)下、优选地至少在临界压力(对于空气而言其为38bar)下，更优选地在56bar下被压缩到高压。该流在进口(31)处进入，其中将其引导通过换热器(100)的通道(35)，并借助于紧邻通道
(52)而由冷低压返回流(41)和冷量回收回路HTF两者共同逐渐冷却。在冷量回收回路中的HTF可包括在高压或低压下的气体或液体。然而，气体例如氮气是优选的。冷量回收回路HTF能够由冷源例如LNG的顺流代替。
[0012]冷量回收回路通常由循环装置(5)例如机械鼓风机，以及除了第二换热器(100)以外的第一换热器(101)组成。在示例性的情况下，HTF通过机械鼓风机(或类似的循环装置)绕冷量回收回路循环，并在283-230k之间进入换热器(101KHTF流过换热器(101)，并逐渐冷却，在排出之前处于108-120k之间。然后将HTF经由通道(52)引导至换热器(100)，其中其借助于其紧邻通道(52)而向高压工艺气体流提供冷却。
[0013]高压主工艺流(35)的部分，目前温度处于150-170k之间，从主工艺流(35)分离，并通过膨胀涡轮机⑷膨胀(例如膨胀至1和5bar之间)。
[0014]分离的部分离开膨胀涡轮机(4)，并进入相分离器(2)，在其中将气态蒸汽部分(通常?96% )引导通过换热器(100)。冷的热能借助于主工艺流(35)与通道(41)的紧邻而从气态蒸汽部分传递至换热器(100)中的高压主工艺流(35)。剩余?4%通过流(33)以液体形式收集。
[0015]主工艺气体流在大约55-56bar和97k下离开换热器(100)，在那里其通过焦耳-汤姆逊阀(1)或其它膨胀装置膨胀。这产生了具有96%的流体部分的流的典型成分，其被引导至相分离器(2)。液体部分通过流(33)收集，而蒸气部分通过通道(41)排出。
[0016]液化天然气可在-160摄氏度下储存在大体积的低压罐中。示例性的罐在英国LNG进口码头提供，包括在英国Milford Haven已知为Dragon和South Hook的那些。在这些码头中，海水通常用作加热流体，以使LNG再气化，并将得到的冷能简单地作为废物排出。然而，如果在液化工艺中利用和回收冷能，电力消耗可能会减少多达三分之二。这种方法已在氮气液化器的设计中采用，例如，一些氮气液化器在日本和韩国的LNG进口码头运转。
[0017]必要的焓变如图1所示，这种焓变是任意高压工艺流都必须经历的，用以达到所需温度，以当其通过膨胀装置例如焦耳-汤姆逊阀膨胀时，使液体产物最大化。典型的理想的冷却流必须类似地经历在如由图2中标记为“无冷循环”的曲线示出的整个工艺过程中的焓变。图2中的标记为“冷循环”的第二条曲线展示了当大量冷循环被引入系统中时，所需冷却的巨大变化(即焓的相对变化)。图2示出了在250kJ/kg区域中(定义为每kg所输送的液体产品的冷却焓)的大量冷循环，其与用于完全集成的冷能系统例如W02007-096656 A1公开的一个系统中的冷循环水平相一致。正如从图2中显而易见的，冷循环的添加完全满足了在工艺的更高温度端的冷却需要。使用外部废物冷流例如LNG再气化工艺中可用的冷流代替“冷循环”流，呈现出类似的最终冷却曲线。尽管有丰富数量的冷能可用(例如，与W02007-096656A1中公开的“冷量回收”系统相比)，但冷量的量并不足以为工艺的下游端提供冷却。
[0018]这呈现现有技术的液化工艺的一个问题，这些工艺设计为与更渐进的热能分布一起使用，并由在换热器范围内运行的单一冷却流更有效地处理。如从图3所示，由现有技术的工艺所产生的有效的冷却流(由标记为“现有技术”的曲线所示)，例如如图4示出的克劳德循环，与使用大量冷循环的系统中的所需曲线(由标记为“理想曲线”的曲线所示)相比特别地线性，而且非常不匹配。为了满足在低温端处的突变的冷却需求，典型现有技术的工艺必须使与没有冷循环的系统类似的量的空气通过冷