低溫液化工藝中的方法和設備的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及低溫能量儲存系統，并具體涉及來自外部源的、諸如來自液化天然氣(LNG)再氣化工藝的冷流的有效利用。
【背景技術】
[0002]電力傳輸和分配網絡(或電網)必須平衡電力的產生與消費者的需求。這通常是通過啟動和關閉電站來調節發電側(供給側)并且在負荷降低時使一些發電站運行來實現。由于在全負荷下連續運行時，大部分現有火電站和核電站是最有效的，因此以這種方式平衡供給側存在效率損失。由于，顯著間歇性的可再生發電量，如風力渦輪機和太陽能集電器，預期引入電網會在發電設備部件可用性方面產生不確定性，這將進一步使電網的平衡復雜化。在低需求階段期間儲存能量為了在后來高需求階段期間使用、或者在間歇發電機的低輸出期間儲存能量的裝置在平衡電網和提供供給安全性方面將有重要的益處。
[0003]蓄電裝置具有三個操作階段:充電，儲存和放電。當輸電和配電網絡上存在發電量的短缺時，蓄電裝置以高度間歇性的條件發電(放電)。這能夠通過本地電力市場中的高電價，或通過來自負責對于額外容量電網運行的機構的請求，向蓄電裝置運營者發送信號。在一些國家，例如英國，電網運營者與具有快速啟動能力的發電廠經營者締結對于向電網供應后備儲量的合同。這樣的合同能夠保護數月甚至數年，但通常電力供應商運行(發電)的時間非常短。此外，蓄電裝置能夠提供附加服務，在電力供應過剩的時段從間歇性可再生發電機向電網提供額外的負荷。在需求較低時，風速往往整夜都很高。電網運營者必須要么通過低能源價格信號或與消費者的具體合同，安排電網上的額外需求以利用過量供給，要么限制來自其它電站或風電場的電力供給。在某些情況下，特別是在風力發電機被補貼的市場中，電網經營者不得不向風電場運營者付款以“關閉”風電場。蓄電裝置向電網經營者提供有用的額外負荷，其能夠用于在供給過剩時期平衡電網。
[0004]對于商業上可行的蓄電裝置，下列因素是重要的:就能夠從初始投資所預期的充放電循環數量而言，每兆瓦(電容量)、兆瓦時(能量容量)的資金成本、系統循環效率和壽命。為了廣泛的公用規模應用，蓄電裝置在地理上不受約束也很重要-它能夠在任何地方建造，特別是在高需求點附近，或在傳輸電網和分配電網中的間歇的源或瓶頸的源附近。
[0005]—個這樣的蓄電裝置技術是利用制冷劑、諸如液態空氣或氮的能量儲存(低溫能量儲存(CES))，其在市場上呈現了許多優點。廣義地說，CES系統會在充電階段中利用在低需求或供給過剩期間來自間歇性可再生發電機的低成本或剩余電力，以液化工作流體，例如空氣或氮氣。然后這些作為低溫流體被儲存在儲存罐中，并隨后釋放以驅動渦輪機，以在間歇性可再生發電機的高需求或供應不足期間，在放電或電力回收階段期間產生電力。
[0006]低溫能量儲存(CES)系統與市場上的其它技術相比具有幾個優點，其一是它們建立在已被證明的成熟工藝的基礎上。在充電階段所需的液化空氣的方法已經存在了多于一個多世紀；早期的系統利用簡單的林德循環，其中環境空氣被壓縮至高于臨界的壓力(^ 38bar)，并在經歷通過膨脹裝置例如焦耳-湯姆遜閥等焓膨脹以產生液體之前，逐步冷卻到一個低的溫度。通過將空氣加壓至臨界閾值之上，空氣產生了獨特的特性和潛能，用于在膨脹過程中產生大量的液體。將液體排出，而冷的氣態空氣的剩余部分用于將進入的暖的工藝流冷卻。所產生的液體量由所需的冷蒸氣的量決定，不可避免地導致低的單位產量。
[0007]該工藝的一種演變是克勞德循環(其現有技術示出在圖4中);這個工藝與林德循環大致相同，然而一個或多個流36、39從主工藝流31分開，其中它們通過渦輪機3、4絕熱膨脹，導致在給定的膨脹率下比等焓過程更低的溫度，從而導致有效的冷卻。通過渦輪機
3、4膨脹的空氣隨后重新加入返回流34，并經由換熱器100輔助高壓流31的冷卻。與林德循環類似，大部分液體通過膨脹裝置例如焦耳-湯姆遜閥1經由膨脹而形成。克勞德工藝的主要改進在于，由膨脹渦輪3、4所產生的電力直接地或間接地降低了總體的電力消耗，導致更高的能效。
[0008]最有效的現代空氣液化工藝通常使用兩個渦輪的克勞德設計，并且在商業規模上通常能夠達到大約0.4kffh/kg的最佳單位產量值。盡管效率高，但這并不能使CES系統在單位功沒有顯著減少的情況下，能夠達到50%的市場準入循環效率值。
[0009]為了達到更高的效率，在完全集成的CES系統例如W02007-096656A1中公開的系統內的液化工藝，利用在電力回收階段期間在制冷劑蒸發中收集的冷能。然而冷能的來源能夠很容易地取自外部工藝例如鄰接CES系統實施的工藝。在某些情況下，利用來自外部工藝的被認為是廢物的冷能是特別有益的。
[0010]—種這樣的可用于CES系統中的外部工藝是LNG再氣化工藝。CES系統可利用通常在液體生產過程中連續地從LNG再氣化終端排出的廢物冷流。如果再氣化終端鄰接CES系統則是特別有利的。這樣利用冷流可能取消了對于冷能儲存在集成熱儲存裝置、例如GB1115336.8中詳述的集成熱儲存裝置中的需要。作為代替，冷能在充電階段期間能夠直接地使用，以向液化工藝中的主工藝流提供額外的冷卻。
[0011]示例性系統示出在圖5中。在此，主工藝流(31、35)在環境溫度(?298K)下、優選地至少在臨界壓力(對于空氣而言其為38bar)下，更優選地在56bar下被壓縮到高壓。該流在進口(31)處進入，其中將其引導通過換熱器(100)的通道(35)，并借助于緊鄰通道
(52)而由冷低壓返回流(41)和冷量回收回路HTF兩者共同逐漸冷卻。在冷量回收回路中的HTF可包括在高壓或低壓下的氣體或液體。然而，氣體例如氮氣是優選的。冷量回收回路HTF能夠由冷源例如LNG的順流代替。
[0012]冷量回收回路通常由循環裝置(5)例如機械鼓風機，以及除了第二換熱器(100)以外的第一換熱器(101)組成。在示例性的情況下，HTF通過機械鼓風機(或類似的循環裝置)繞冷量回收回路循環，并在283-230k之間進入換熱器(101KHTF流過換熱器(101)，并逐漸冷卻，在排出之前處于108-120k之間。然后將HTF經由通道(52)引導至換熱器(100)，其中其借助于其緊鄰通道(52)而向高壓工藝氣體流提供冷卻。
[0013]高壓主工藝流(35)的部分，目前溫度處于150-170k之間，從主工藝流(35)分離，并通過膨脹渦輪機⑷膨脹(例如膨脹至1和5bar之間)。
[0014]分離的部分離開膨脹渦輪機(4)，并進入相分離器(2)，在其中將氣態蒸汽部分(通常?96% )引導通過換熱器(100)。冷的熱能借助于主工藝流(35)與通道(41)的緊鄰而從氣態蒸汽部分傳遞至換熱器(100)中的高壓主工藝流(35)。剩余?4%通過流(33)以液體形式收集。
[0015]主工藝氣體流在大約55-56bar和97k下離開換熱器(100)，在那里其通過焦耳-湯姆遜閥(1)或其它膨脹裝置膨脹。這產生了具有96%的流體部分的流的典型成分，其被引導至相分離器(2)。液體部分通過流(33)收集，而蒸氣部分通過通道(41)排出。
[0016]液化天然氣可在-160攝氏度下儲存在大體積的低壓罐中。示例性的罐在英國LNG進口碼頭提供，包括在英國Milford Haven已知為Dragon和South Hook的那些。在這些碼頭中，海水通常用作加熱流體，以使LNG再氣化，并將得到的冷能簡單地作為廢物排出。然而，如果在液化工藝中利用和回收冷能，電力消耗可能會減少多達三分之二。這種方法已在氮氣液化器的設計中采用，例如，一些氮氣液化器在日本和韓國的LNG進口碼頭運轉。
[0017]必要的焓變如圖1所示，這種焓變是任意高壓工藝流都必須經歷的，用以達到所需溫度，以當其通過膨脹裝置例如焦耳-湯姆遜閥膨脹時，使液體產物最大化。典型的理想的冷卻流必須類似地經歷在如由圖2中標記為“無冷循環”的曲線示出的整個工藝過程中的焓變。圖2中的標記為“冷循環”的第二條曲線展示了當大量冷循環被引入系統中時，所需冷卻的巨大變化(即焓的相對變化)。圖2示出了在250kJ/kg區域中(定義為每kg所輸送的液體產品的冷卻焓)的大量冷循環，其與用于完全集成的冷能系統例如W02007-096656 A1公開的一個系統中的冷循環水平相一致。正如從圖2中顯而易見的，冷循環的添加完全滿足了在工藝的更高溫度端的冷卻需要。使用外部廢物冷流例如LNG再氣化工藝中可用的冷流代替“冷循環”流，呈現出類似的最終冷卻曲線。盡管有豐富數量的冷能可用(例如，與W02007-096656A1中公開的“冷量回收”系統相比)，但冷量的量并不足以為工藝的下游端提供冷卻。
[0018]這呈現現有技術的液化工藝的一個問題，這些工藝設計為與更漸進的熱能分布一起使用，并由在換熱器范圍內運行的單一冷卻流更有效地處理。如從圖3所示，由現有技術的工藝所產生的有效的冷卻流(由標記為“現有技術”的曲線所示)，例如如圖4示出的克勞德循環，與使用大量冷循環的系統中的所需曲線(由標記為“理想曲線”的曲線所示)相比特別地線性，而且非常不匹配。為了滿足在低溫端處的突變的冷卻需求，典型現有技術的工藝必須使與沒有冷循環的系統類似的量的空氣通過冷