阅读说明：本技术 压缩热再循环系统及其子系统 (Compression heat recycling system and subsystem thereof ) 是由 尼克拉·卡斯泰卢奇 科姆约翰·科克伦 于 2019-02-13 设计创作，主要内容包括：公开了电力回收子系统、低温能量存储系统以及用于采集、存储和再利用热能的方法。(An electrical power recovery subsystem, a cryogenic energy storage system and methods for harvesting, storing and reusing thermal energy are disclosed.)

压缩热再循环系统及其子系统

技术领域

本发明涉及电力回收子系统以及具有液化和电力回收子系统的低温能量存储系统，并且特别是涉及用于采集、存储和再利用热的热能的系统和方法。

背景技术

电力传输和分配网络(或电网)必须平衡电力的产生与来自消费者的需求。这通常通过以下来实现：通过接通和断开发电站并且在降低的负荷下运行一些发电站来调制发电侧(供电侧)。由于大多数现有的热发电站和核电站在全负荷下连续运行时效率最高，因此在以这种方式平衡供电侧时存在效率损失。预期将显著间歇性可再生发电能力(诸如风力涡轮机和太阳能收集器)引入到网络中，但会因为在发电集群的部件的可用性方面产生不确定性而使电网的平衡进一步复杂化。在低需求时间段期间存储能量以便以后在高需求时间段期间使用、或者在来自间歇性发电机的低输出期间存储能量的装置，将在平衡电网和提供供应安全性方面具有主要益处。

电力存储装置具有三个操作阶段：充能、存储和放能。电力存储装置在传输和配电网络的发电能力不足时以高间歇性的方式生成电力(放能)。这可以通过本地电力市场中的高电价或通过来自负责网络运营的组织的附加容量的请求来发信号给存储装置运营商。在一些国家，例如英国，网络运营商与具有快速启动能力的发电厂的运营商签订合同以向网络提供备用储备。这样的合同可以覆盖数月或者甚至数年，但是通常电力供应商将操作(发电)的时间非常短。这在图1中示出，其示出了存储装置的典型运行曲线。另外，存储装置可以在从间歇性的可再生发电机向电网过度供应电力时在提供额外负荷方面提供补充服务。风速通常在夜间很高，但这时需求低。网络运营商必须通过低能量价格信号或与消费者的特定合同，或者约束来自其它电站或风电场的电力供应，来安排对所述网络的附加需求，以利用过剩供应。在一些情况下，尤其是在风力发电机受到资助的市场中，网络运营商将必须向风电场运营商付费，以“关闭”风电场。存储装置为网络运营商提供了有用的附加负荷，其可以用于在过量供应时平衡电网。

为了使电力存储装置在商业上可行，必须考虑以下因素：每MW(功率容量)和MWh(能量容量)的资本成本、相对于充能和放能循环次数的往返(round trip)循环效率和寿命，它们可以从初始投资和其环境影响来得到预期(不同国家的关于其碳足迹和其潜在使用或产生危险化学品的相关法规)。对于广泛的公共设施规模应用，电力存储装置应当可以部署在电网中需要其的地方。换句话说，它应该具有小的占地面积，并且它的工作原理不应该要求特定的地理限制，例如水力发电系统或压缩空气能量存储装置所需的地理限制。

使用诸如液态空气的制冷剂的低温能量存储技术提供了优于其它可用电力存储技术的许多优点。低温能量存储系统由于液态空气的物理性质而通常是能量密集的、高度可定位的(因为它们使用地理上不受约束的相对小的存储罐)、环境友好的(因为其工作原理不涉及使用或生产危险材料或产生碳排放)以及相对便宜的。在充能或液化阶段，在低需求(非高峰期)的时间段或来自间歇性可再生发电机的过量供应的时间段的低成本电力用于使空气液化。然后，它作为制冷剂存储在存储罐中，随后被释放、泵送和加热，以在放能或电力回收阶段(在电力成本高的高峰期间)驱动涡轮机并产生电力。低温能量存储技术依赖于在处于低温温度下的液态空气和处在环境温度及更高温度下的气态空气之间的热力学势能。缩写CES代表低温能量存储，由此在整个说明书中使用。CES系统的往返效率被定义为所述电力回收单元的净电能输出与所述液化单元的净电能输入的比率。

在图2中描绘的简化视图中，CES系统由液化单元(1)、制冷剂罐(2)和电力回收单元(3)构成。它们可以分为两类：

-独立CES系统，其在热能方面是自给自足的，即它们不需要与外部的热的热能源和外部的冷的热能源集成；

-以及热学集成CES系统，即从在所述CES系统外部且与所述CES系统共址的系统接收热的废热能和/或冷的废热能的CES系统，诸如用于热的废热能的核电站、热电厂(例如，开放循环燃气轮机发电厂；联合循环燃气轮机发电厂和常规蒸汽循环)、数据中心、钢铁厂、陶瓷、赤陶、玻璃制造和水泥制造工业所使用的熔炉；以及例如用于冷的废热能的LNG再气化终端。

热能可以是冷的或热的。

术语“冷的废热能”涵盖了作为第一系统的副产物并且在不同于第一系统的系统中使用的任何冷的热能。同样，术语“热的废热能”涵盖了作为第一系统的副产品并且在不同于第一系统的系统中使用的任何热的热能。

术语“压缩热”是指嵌入在已经被压缩的流体中的热的热能。换句话说，“压缩热”是指液化单元的工艺流由于压缩而经历的显热(sensible energy)的增加。因此，该术语还可以涵盖在压缩流体期间生成的、之后存储在热能存储装置中并随后供应给另一流体的任何热的热能。在本专利申请中提及的压缩热不能作为热的废热能，因为它由生成它的相同系统、即CES系统产生和使用。

本发明解决了在独立CES系统和热学集成CES系统两者中的压缩热再循环系统的实践中的实施方案，使得在液化阶段期间释放和采集的不同等级和量的压缩热被随后用于提高在电力回收阶段期间由电力回收单元提供的电力输出。此外，使工作流体的温度在其经由级前加热或级间再加热、使用所存储的压缩热膨胀之前提高，导致电力回收单元的电力输出的增加，这导致CES系统的往返效率的提高。

在环境温度以上，热的热能的等级随着温度的升高而升高。相反，在低于环境温度时，冷的热能的等级随着温度的降低而升高。

本发明的目的在于将所存储的压缩热施加给涡轮膨胀器的膨胀级的构造，以提高电力回收子系统的效率。本发明的目的还在于提供一种压缩热再循环系统，其能够提高集成了该压缩热再循环系统的CES系统的往返效率，以及一种用于使压缩热再循环的方法，所述压缩热是在液化阶段期间利用的并且在电力回收阶段期间回收的，以便提高CES系统的往返效率。

在压缩过程中生成的所述压缩热的特征不仅在于其等级，而且还在于其量。嵌入在由压缩机处理的给定流体中的热的热能的等级和量可以说是由压缩机处理的质量流率、压缩机的入口温度、压缩机的入口压力、总压缩机压力比和压缩机的效率的函数。

CES系统可以使用子系统，所述子系统设计用以在液化阶段期间采集在液化单元中生成的压缩热，即嵌入在待液化的气体的加压流中的热的热能，然后将其存储在热能存储装置(TESD)中，并且所述子系统设计用以在电力回收阶段期间将该热能释放到电力回收单元的工作流体。所述热的热能的采集和释放可以依赖于至少一个热交换器的使用。这种子系统在整个说明书中被称为压缩热再循环系统。

存在于液化单元中的待液化的气体的加压流和存在于电力回收单元中的加压制冷剂通常分别被称为“液化单元的工艺流”和“电力回收单元的工作流体”。

已知的压缩热再循环系统通常包括至少一个压缩机、至少一个涡轮膨胀器和至少一个热能存储装置。

适合用于包括本发明的那些系统的压缩热再循环系统的压缩机的特征在于由所述压缩机处理的流体的入口压力和出口压力。压缩机可以是轴向的、离心式的、往复式的或旋转式的或上述任何组合等等。压缩机可以具有至少一个压缩级，每个压缩级由其压力比限定。压缩级的数量和它们各自的压力比通常在假定给定的运行条件下(例如，在每个压缩级输出处的期望温度，考虑到级间设置的设备零件、制造商设备规格的、在压缩级之间的压降的最小化，等等)、由热力工艺工程师通过计算机模拟进行的涡轮机性能优化来确定。通常，冷却器(即，使用空气或水来冷却所述工艺流的热交换器)或者放置在压缩机的压缩级的上游，以在所述工艺流通过它们压缩之前冷却所述工艺流，或者放置在所述压缩机输出的下游，以冷却所述工艺流并使其随后的液化容易。在第一种构造中，用于驱动下游压缩级的电力输入通过降低其压缩级输入温度来降低。第二种构造允许从压缩机输出的气体流中去除更多的热的热能，因此使其随后的液化容易。因此，冷却器可以除去嵌入在液化的工艺流中的压缩热的一部分或全部。本发明的压缩热再循环系统允许在任何压缩级的下游和在压缩级的任何组合的下游经由至少一个压缩热采集热交换器来采集压缩热。

适合用于包括本发明的那些系统的压缩热再循环系统的涡轮膨胀器的特征在于由涡轮膨胀器处理的流体的入口压力和出口压力。涡轮膨胀器可以是轴向的或径向的或上述的任何组合。涡轮膨胀器可以具有至少一个膨胀级；每个膨胀级由其压力比限定。膨胀级的数量和它们各自的压力比通常在假定给定的运行条件下(例如，在每个膨胀级的输出处要实现的热的热能的量和温度，考虑到级间设置的设备零件、制造商装置规格的、在膨胀级之间的压力降最小化，等等)、由热力学工艺工程师通过计算机模拟进行的涡轮机性能优化来确定。

通常，电力回收加热器(即热交换器)或者放置成紧挨在涡轮膨胀器的输入的上游或者放置在其膨胀级之间，以在膨胀之前加热所述气体流，因为膨胀过程涉及流体温度的降低。两种构造都允许增加涡轮膨胀器的电力输出。

热能存储装置(TESD)的目的是以受控的方式采集、存储和释放热能(即，热的或冷的热能)。存在通常内部结构不同的不同类型的TESD。通常称为“填充床”的一些TESD填充有固定的固相，热能传递流体循环通过所述固定的固相，以用热能向TESD充能或将热能放出，以便将其供应到需要的地方。所述固定的固相可以由能够保持热能的固体颗粒组成的填充床或多孔固体介质制成。WO2012020233A2中公开的更精细的填充床TESD的目的在于提供一种柔性的系统，其能够适应不对称的充能和放能，同时将压降保持在可接受的水平，并且通过增加热能传递流体朝向TESD充能和放能的结束的流速而最小化结尾效应。其它TESD填充有固定的液相，至少一个热交换盘管穿过该固定的液相，以允许热能传递流体通过。其它通常称为温跃层的TESD由包含处于不同温度的单一热能传递流体构成的两个密度依赖区域的容器制成，这两个密度依赖区域彼此堆叠(由于密度差异)。温跃层的一种形式包括两个分开的容器，每个容器分别容纳处于两个不同温度的相同的热能传递流体(即，存在暖罐和冷罐)。

已知的压缩热再循环系统可以将在通过压缩机压缩之后嵌入液化单元的工艺流体中的压缩热采集和存储(在TESD中)，并且在其通过涡轮膨胀器膨胀之前将其传递至电力回收单元的工作流体。

常规用于压缩热再循环系统的TESD的类型决定了在液化单元的工艺流和TESD的热存储介质之间、以及在TESD的热存储介质和电力回收单元的工作流体之间发生的热交换的类型。表1总结了不同类型的TESD的热能传递的机理。(表1中提到的符号“+”和“-”分别表示给定的热交换类型是可能的或不可能的)。在液化单元的工艺流体或电力回收单元的工作流体与TESD的热存储介质之间的热交换实际上是直接或间接性质的。在流体(例如液化单元的工艺流体或电力回收单元的工作流体)与TESD的热存储介质之间的直接热交换依赖于它们之间的直接物理接触。在流体(例如，液化单元的工艺流体或电力回收单元的工作流体)与TESD的热存储介质之间的间接热交换意味着使用了中间热交换器，所述中间热交换器使得能够在所述流体与循环通过TESD的中间传热流体之间进行热传递。

	直接热交换	间接热交换
			填充床	+	+
基于固定的液相的TESD	-	+
			温跃层	-	+
两储罐式的TESD	-	+

表1

图3A-3D示出了从压缩机到涡轮膨胀器的热传递可能发生的方式的示意图。每个示意图包括压缩机、填充床式TESD和涡轮膨胀器。在液化阶段期间由压缩机生成的压缩热经由压缩热采集热交换器采集并且存储在TESD中。所存储的压缩热随后在电力回收阶段期间被施加给电力回收单元的工作流体。所述液化阶段和电力回收阶段可以在不同的时间发生。因此，指示在压缩热再循环系统中流动的流的方向的箭头仅用于信息，而并不表示在液化阶段和电力回收阶段同时发生的事实。然而，在一些情况下，液化阶段和电力回收阶段可以同时发生。

表2总结了与在图3A-3D中发生的热交换的性质相关的信息。

表2

在图3A中，压缩热由TESD(4)经由直接热交换采集和释放，使得所述TESD(4)与压缩机(5)流体连接且在所述压缩机的下游，并且与涡轮膨胀器(6)流体连接且在所述涡轮膨胀器的上游。在通过压缩机(5)压缩之后，液化单元的工艺流被输送通过TESD(4)的填充床,以将其热的热能传递给它。电力回收单元的工作流体随后循环通过TESD(4)的填充床，以在其通过涡轮膨胀器(6)膨胀之前收集存储在TESD(4)中的压缩热。所述压缩机(5)的输出压力施加TESD压力，TESD压力又施加涡轮膨胀器(6)的输入压力。然而，如果用于采集和存储压缩热的压力不同于将所存储的压缩热供应至电力回收单元的工作流体的压力，也可能的是，使TESD压力循环，这不利于整个系统的资本支出。

在图3B中，压缩热由TESD(4)经由间接热交换采集和释放，使得TESD(4)和压缩热采集热交换器(7)组成的对以及TESD(4)和热交换器(8)组成的对分别封闭在第一闭合环路和第二闭合环路中，共享TESD(4)和管道布置结构的一部分，传热流体通过所述管道布置结构和TESD两者循环。循环泵允许使传热流体循环通过上述两个闭合环路。压缩热采集热交换器(7)试图从压缩流体(即，液化单元的工艺流体)中获取尽可能多的压缩热，因此不能作为(上文定义的)冷却器，该冷却器的功能是丢掉嵌入液化单元的工艺流体中的压缩热的至少一些压缩热。热交换器(8)适合作为(上文中定义的)电力回收加热器。经由循环通过第一闭合环路和TESD(4)的填充床的传热流体以及循环通过TESD(4)的填充床和第二闭合环路的传热流体的相继动作，压缩热在经由压缩机(5)压缩后从液化单元的工艺流在经由涡轮膨胀器(6)膨胀前被传递至电力回收单元的工作流体。该构造具有的优点在于，在第一和第二闭合环路内的压力完全独立于所述液化单元的工艺流体的压力和所述电力回收单元的工作流体的压力。

图3C-3D表示各自经由彼此性质不同的热交换、由TESD(4)进行的压缩热采集和释放的情况。

在图3C中，TESD(4)与压缩机(5)流体连接并位于其下游。TESD(4)和电力回收加热器(8)被封闭在第三分开的闭合环路中，传热流体通过该第三分开的闭合环路循环。在通过压缩机(5)压缩之后嵌入液化单元的工艺流中的压缩热被直接传递到TESD(4)的填充床。然后，第三闭合环路的传热流体将TESD(4)中存储的压缩热在通过涡轮膨胀器(6)膨胀之前经由电力回收加热器(8)输送至电力回收单元的工作流体。如果压缩机(5)输出的压力不同于在第三分开的闭合环路中循环的传热流体的压力，则使TESD(4)循环的压力可能是必需的。

在图3D中，TESD(4)和压缩热采集热交换器(7)被封闭在第四分开的闭合环路中，传热流体通过该第四分开的闭合环路循环。TESD(4)与涡轮膨胀器(6)流体连接并在其上游。在通过压缩机(5)压缩之后嵌入液化单元的工艺流中的压缩热首先经由压缩热采集热交换器(7)传递至第四闭合环路的传热流体，然后传递至TESD(4)的填充床。在其通过涡轮膨胀器(6)膨胀之前，电力回收单元的工作流体通过循环通过TESD而从TESD(4)剥除所存储的压缩热。如果涡轮膨胀器(6)输入的压力不同于循环通过第四分开的闭合环路的传热流体的压力，则使TESD(4)循环的压力可能是必需的。

当从表2中提到的四种中选择能量效率最高的压缩热再循环系统构造时，有几个技术因素需要考虑，即：传热效率，泵送能量要求，和压降。直接热交换不涉及使用中间传热流体，因此促进了比间接热交换更高的传热效率。在泵送能量要求方面，传热流体的密度是最重要的：对于给定的压力差，流体的密度越高，则所述流体需要被压缩的功输入就越低。选择最节能的压缩热再循环系统构造可以通过运行基于计算机的模拟来完成。

对于在液化阶段期间发生的直接热交换，单个TESD不能同时采集由压缩机的每个压缩级所生成的压缩热，这是因为压缩机的各个压缩级的输出压力彼此不同。单个TESD可以放置在压缩机的任何压缩级的下游，且因此应能够承受在所述TESD上游的压缩级的输出压力。该技术要求对资本支出具有大的影响，因为压力越高，则用于支撑它的TESD压力容器所需的钢的量就越大并且TESD成本就越大。

对于在电力回收阶段期间发生的直接热交换，单个TESD不能同时将所存储的压缩热供应至涡轮膨胀器的每个膨胀级，这是因为涡轮膨胀器的各个膨胀级的输入压力彼此不同。

对于在液化阶段期间发生的间接热交换，单个TESD可以通过将压缩热采集热交换器放置在压缩机的每个压缩级的下游而同时采集由每个压缩级生成的压缩热。重要的是要记住，由多个压缩级生成的压缩热通常呈现不同的温度。

对于在电力回收阶段期间发生的间接热交换，通过将电力回收加热器放置在涡轮膨胀器的上游并且放在涡轮膨胀器的每个膨胀级之间，单个TESD可以在每个膨胀级之前同时供应所存储的压缩热。

通过TESD经由直接热交换的压缩热采集意味着在压缩机输出压力下存储压缩热，这影响TESD压力容器的成本。并且，由TESD经由直接热交换释放的压缩热或者涉及TESD压力与涡轮膨胀器输入的压力相同，由于压力高，这会影响涡轮膨胀器的成本(涡轮膨胀器必须由能够承受高压力的材料制成，这会增加其成本)；或者涉及使TESD压力循环，这导致更高的资本支出。

本发明人已经注意到，与通过直接热交换进行的情况相比，使TESD经由间接热交换与压缩机和涡轮膨胀器相互作用具有许多优点：它不仅允许调节TESD压力以平衡热的热能的传递效率和资本支出，而且允许(经由放置在任何压缩机或任何压缩级下游的压缩热采集热交换器)采集和存储压缩热，并且随后在涡轮膨胀器的任何膨胀级或任何涡轮膨胀器之前经由电力回收加热器供应所述压缩热。

在一些专利申请(例如WO2007096656A1)中已经提到了使由液化单元生成的压缩热再循环以提高电力回收单元的功率输出。其它专利申请展示了用于实施压缩热再循环的构思的一些实施例。

US20150218968A1提出了一种简单的布置结构，其中液化单元和电力回收单元分别包括四个压缩机(标号101、105、109和113和四个涡轮膨胀器(602、603、604、605)。每个给定的压缩机/涡轮膨胀器对与集成有冷却器的给定TESD相关联，如该申请的图6-8中所示。第一TESD与第一压缩机/第四涡轮膨胀器关联，第二TESD与第二压缩机/第三涡轮膨胀器关联，第三TESD与第三压缩机/第二涡轮膨胀器关联，并且第四TESD与第四压缩机/第一涡轮膨胀器关联。然而，US20150218968A1没有公开关于以下的任何细节：从压缩机到TESD和从TESD到涡轮膨胀器的热交换的性质、压缩机的压力比、压缩机处理的质量流率、所获得的压缩热的温度和量以及将压缩热分配到膨胀级以优化电力回收单元的功率输出的最优化方式。

WO2015154862A1显示了一种布置结构，其中液化单元包括两个压缩机：能够在10巴与60巴之间的压力范围内绝热地操作的第一压缩机；和用于超过60巴的压力的第二准等温可操作压缩机。压缩热仅从第一压缩机提取，因为第二压缩机需要冷却器来有效工作。在第一压缩机的下游，两个TESD并联放置：两个TESD都或者是通过直接热交换(图4)或间接热交换(图5)工作的填充床式TESD，或者是双储罐式TESD(图6)。每个TESD被分配到给定的涡轮膨胀器。使这两个TESD并联允许根据每个TESD中用于存储热的热能的可用空间来控制每个分支的加压流的质量流率。然而，由这两个TESD供应的热的热能是相同等级的，因为其源自单个压缩机。

WO2013034908A2的图14显示了一种CES系统，其中压缩热再循环系统由共享单个TESD的两个分开的闭合环路组成。第一闭合环路间接接收由两个压缩机(即主空气压缩机和循环空气压缩机)生成的压缩热，并将该热的热能存储在单个TESD中。循环空气压缩机位于主空气压缩机和空气净化单元的下游。循环空气压缩机的输入压力等于或大于主空气压缩机的输出压力，并且由循环空气压缩机处理的液化单元的工艺流的质量流率等于或大于由主空气压缩机处理的工艺流的质量流率，因为相分离器的气态输出流在由循环空气压缩机处理之前就与主空气压缩机的输出合并了。因此，主空气压缩机和循环空气压缩机生成两种不同量的不同等级的压缩热，并且将其存储在单个TESD中。虽然在WO2013034908A2中没有公开，但是存在三种方式来处理在单个TESD中存储的不同量和不同等级的两种压缩热：

-它们可以在第一闭合环路的管道中混合；

-通过使用至少一个冷却器，可以将一种压缩热的温度调节至另一种压缩热的温度；

-通过对每个压缩机使用至少一个冷却器，可以将两种压缩热的温度都进行调节，以达到相同的目标温度。

所有这三种方式都导致不希望的热的热能等级损失。

WO2013034908A2中的第二闭合环路经由电力回收加热器将存储的压缩热间接地传递至涡轮膨胀器的两个膨胀级。在提供所存储的压缩热方面没有灵活性，这是因为，由于向第一和第二膨胀级提供热的热能的电力回收加热器是串联的，故而第一膨胀级接收比第二膨胀级更高等级的压缩热。此外，这种构造不提供调整每个膨胀级所经历的热的量以及使两个膨胀级都感觉到相同温度的可能性。

WO2015138817A1的压缩热再循环系统被设计用以通过使用两个TESD从两个液化压缩机提取和存储不同等级(相对于第一压缩机为350℃-580℃，相对于第二压缩机为240℃-260℃)的压缩热，每个TESD与给定压缩机直接或间接热交换。每个TESD包括给定的冷却器和给定的水冷平衡热交换器(平衡HEX)，以便在由每个TESD采集热的热能的一部分之后进一步降低温度。位于第一压缩机的下游的第一组冷却器/平衡HEX减少了第二压缩机所需的机械功输入。位于第二压缩机的下游的第二组冷却器/平衡HEX有助于随后发生的液化。第一冷却器和第一平衡HEX分别保持温度在40℃-60℃之间和在30℃左右。第二冷却器和第二平衡HEX分别保持温度在40℃-120℃之间和在30℃左右。WO2015138817A1不允许能够从两个压缩机产生的压缩热的量被优化。根据WO2015138817A1的图1B，第一TESD与第一压缩机/第一涡轮膨胀器关联，并且第二TESD与第二压缩机/第二涡轮膨胀器关联。WO2015138817A1没有公开TESD和压缩机/涡轮膨胀器对之间的任何进一步的关系，并且没有提出任何通过以某种方式改进压缩热再循环系统来优化CES系统的往返效率的方式。此外，没有公开关于TESD和膨胀级之间的热交换的性质的信息。

因此，本发明人已经对已知的压缩热再循环系统及其子系统进行了改进，其解决了上述问题中的一些问题或全部问题，同时利用了以下优点：在CES系统内存在两个压缩机(即主空气压缩机和循环空气压缩机)，以在液化阶段期间在给定的TESD中存储不同等级和不同量的压缩热，并且在电力回收阶段期间经由在电力回收单元的涡轮膨胀器的膨胀级上游的电力回收加热器释放该压缩热，以提高其功率输出，并且因此提高整个系统的往返效率。

发明内容

在第一方面，本发明提供了一种用于低温能量存储系统的电力回收子系统，该电力回收子系统包括：

第一热源；

第一热交换器；

第二热交换器；

第一膨胀级；

第二膨胀级；

第一管道布置结构，其具有上游端和下游端，并且构造用以将工作流体传送通过所述第一热交换器、所述第一膨胀级、所述第二热交换器和所述第二膨胀级；以及

第二管道布置结构，其被构造用以将来自所述第一热源的第一传热流体传送通过所述第一热交换器和所述第二热交换器，

其中所述第二管道布置结构还被构造用以将所述第一传热流体的第一部分传送通过所述第一热交换器，并且用以将所述第一传热流体的第二部分传送通过所述第二热交换器。

所述电力回收子系统例如可以采用单个热源，例如热能存储装置，以便以相同的温度或等级向多个膨胀级提供级前加热。这种电力回收子系统可包括管道和阀，其构造用以将从热源流动(例如，流动通过所述热能存储装置)的传热流体分成多个部分，可以使各个部分传送通过与膨胀级相关联的单个热交换器。流体的这些部分的质量流率小于组合流的质量流率，但具有相同的温度。换句话说，它们具有相同的热的热能等级。所述部分可以被传送通过与相应的膨胀级相关联的分开的热交换器，以便在相同的温度下将级前加热施加给多个膨胀级。

在级前加热期间提供的热的热能的量主要由所述第一传热流体的所述部分的温度和所述第一传热流体的所述质量流率确定。

有利的是，能够调节在级前加热期间提供的热的热能的量，以使膨胀级的功输出对于由热能存储装置输送的给定等级的热的热能而言得到最大化。这可以通过进一步加热或冷却第一传热流体来实现，然而，这需要更多的能量输入或通过经由冷却将压缩热移除而浪费所存储的压缩热。本发明的第一方面提供了一种通过管道布置结构在膨胀级之间实现热的热能调节的有效方式。

用于实现根据本发明的第一方面的管道布置结构的一种方式是使用阀来调节来自热能存储装置的流体的质量流率。阀引起非常小的流体压降损失和非常小的流体温度损失，同时允许经由所述部分的流率来控制由级前加热提供给每个膨胀级的热的热能的量。(循环通过所述电力回收子系统的传热流体的每一部分的温度与所述传热流体的温度相同。)

通过控制由级前加热提供给每个膨胀级的热的热能的量，所述电力回收子系统的效率得到最大化。换句话说，通过向每个膨胀级提供一定量的级前加热而最大化来自所述膨胀级的组合功输出，因此控制所述级前加热的量是有利的，因为它提高了所述电力回收子系统的效率。

增加所述电力回收子系统的效率增加了低温能量存储系统的效率，电力回收子系统作为其一部分。换句话说，控制由级前加热提供给每个膨胀级的加热的量是有利的，因为它提高了低温能量存储系统的效率。

所述子系统可以进一步包括

第三热交换器；以及

第三膨胀级；

其中，所述第一管道布置结构还构造用以将所述工作流体传送通过所述第三热交换器和所述第三膨胀级；并且

其中，所述第二管道布置结构还被构造用以将所述第一传热流体的第三部分传送通过所述第三热交换器。

通过进一步将第二管道布置结构构造成三个部分，可以将第一传热流体分流，其中每个部分均向相关的膨胀级提供级前加热。这提供了对由级前加热提供给每个膨胀级的热的热能的量的进一步控制。

再次，用于实现第二管道布置结构的上述进一步构造的一种方式是使用阀来调节来自所述热能存储装置的流体的质量流率。以这种方式使用阀提供了以上所述的优点。

所述子系统可以进一步包括

第二热源；

第四热交换器；

第四膨胀级；和

第三管道布置结构，其被构造用以将来自所述第二热源的第二传热流体传送通过所述第四热交换器，

其中，所述第一管道布置结构还构造用以将所述工作流体传送通过所述第四热交换器和所述第四膨胀级。

第二热源(例如，第二热能存储装置)可以向不从第一热源(例如，第一热能存储装置)接收热的热能的至少一个膨胀级提供级前加热。这提供了对由级前加热提供给每个膨胀级的热的热能的量的进一步控制，因为其允许不同的流体温度用于不同子集的膨胀级。换句话说，利用两个热源提供了对由级前加热提供给每个膨胀级的热的热能的量的进一步控制。

所述子系统可以进一步包括

第五热交换器；以及

第五膨胀级；

其中，所述第一管道布置结构还构造用以将所述工作流体传送通过所述第五热交换器和所述第五膨胀级；并且

其中，所述第三管道布置结构还被构造用以将所述第二传热流体的第一部分传送通过所述第四热交换器并且用以将所述第二传热流体的第二部分传送通过所述第五热交换器。

第一和第二热源(例如热能存储装置)可以提供对五个膨胀级的级前加热。当存在五个膨胀级时，优选地是，将由第一热能存储装置为五个膨胀级中的三个膨胀级提供级前加热，并且将由第二热能存储装置为五个膨胀级中的其余两个膨胀级提供级前加热。这提供了对由级前加热提供给每个膨胀级的热的热能的量的进一步控制。

所述子系统可以被构造成使得第三管道布置结构所穿过的热交换器或每个热交换器沿着第一管道布置结构定位在第二管道布置结构所穿过的热交换器的上游。

或者，第三管道布置结构所穿过的热交换器或每个热交换器沿着第一管道布置结构定位在第二管道布置结构所穿过的热交换器的下游。

换句话说，在存在分别由来自第一热源和第二热源(例如热能存储装置)的热来处理的第一子集和第二子集的热交换器的情况下，它们可沿着第一管道布置结构而布置，使得第一子集处在第二子集的上游，或者第二子集处在第一子集的上游。

如本文中其它地方所述，热交换器可以用于将热从第一传热流体传递至电力回收单元的工作流体。所述电力回收单元的工作流体可以被称为工作流体。这种热交换器可以放置成紧挨在它们所加热的膨胀级的上游。第一传热流体和工作流体流过所述热交换器。优选地是，所述热交换器是逆流热交换器，其中第一传热流体和工作流体沿相反方向流动通过所述热交换器。

传递来自第二热能存储装置的热的热能的热交换器可以处在传递来自第一热能存储装置的热的热能的热交换器的上游，其中，上游在这里是指电力回收单元的工作流体的流方向。

或者，传递来自第一热能存储装置的热的热能的热交换器可以处在传递来自第二热能存储装置的热的热能的热交换器的上游，其中，上游在这里是指电力回收单元的工作流体的流方向。

热交换器的这些布置结构允许对通过级前加热传递到所述膨胀级的热的热能进行更大的控制。通过使用所述控制，可以实现到每个膨胀级的最优化的热传递，这又增加了所述电力回收单元的功率输出，这进而提供了所述低温能量存储系统的改进的效率。

所述子系统可以进一步包括

第六热交换器，

其中，所述第一管道布置结构还构造用以将所述工作流体在(i)所述第二管道布置结构所穿过的最上游的热交换器和(ii)所述第三管道布置结构所穿过的最上游的热交换器两者的上游传送通过所述第六热交换器，并且

其中，所述第一管道布置结构还构造用以将从最下游的膨胀级输出的工作流体传送通过所述第六热交换器到达排出口。

附加的电力回收加热器可以用于在电力回收单元的工作流体传送通过从第一或第二热能存储装置提供热能的任何热交换器之前加热所述电力回收单元的工作流体。这提供了优点，因为最下游的膨胀级的输出流的温度可以高于输入到最上游的热交换器的输入流的温度，所述最上游的热交换器从所述第一或第二热能存储装置提供热的热能。下游膨胀级的所述输出流中的原本被浪费掉的热的热能可以通过所述附加的电力回收加热器来传递到所述电力回收单元，以增加所述低温能量存储系统的效率。

所述子系统还可包括第四管道布置结构，其构造用以将工作流体的一部分从第一管道布置结构中的下游位置转向通过蒸发器和第一压缩机，并用以将其返回到第一管道布置结构中的上游位置。

所述子系统可构造成使得蒸发器沿第一管道布置结构定位在最上游的热交换器的上游，其中所述下游位置处在最下游的膨胀级的下游；并且其中所述上游位置紧挨着在最下游的膨胀级的上游。

所述电力回收的工作流体的一部分可以取自在最下游的膨胀级的下游的位置。该部分可以在返回到紧挨着所述最下游的膨胀级的上游的电力回收单元的工作流体之前被传送通过蒸发器和压缩机。该部分不仅在电力回收单元的工作流体到达压缩机之前在蒸发器中加热该电力回收单元的工作流体(即，该部分在压缩之前被冷却)，而且该压缩的部分重新结合所述电力回收单元的工作流体，增加了通过最下游的膨胀级的所述电力回收单元的工作流体的质量流率。这两种效果都增加了所述电力回收单元的膨胀功输出，从而增加了电力回收单元的功率输出、其效率以及低温能量存储系统的效率。

所述子系统可以被构造成使得第二管道布置结构穿过第一、第二和第三热交换器，且优选地是不穿过其它热交换器，并且第三管道布置结构穿过第四热交换器，且优选地是不穿过其它热交换器，并且其中第三管道布置结构所穿过的热交换器处在第二管道布置结构所穿过的热交换器的上游。

所述子系统可以被构造成使得第二管道布置结构穿过第一、第二和第三热交换器，且优选地是不穿过其它热交换器，并且第三管道布置结构穿过第四和第五热交换器，且优选地是不穿过其它热交换器，其中第二管道布置结构所穿过的热交换器处在第三管道布置结构所穿过的热交换器的上游。

所述子系统可以被构造成使得第二管道布置结构穿过第一、第二和第三热交换器，且优选地是不穿过其它热交换器，并且第三管道布置结构穿过第四热交换器，且优选地是不穿过其它热交换器，其中第二管道布置结构所穿过的热交换器处在第三管道布置结构所穿过的热交换器的上游。

热交换器的这些布置结构允许对通过级前加热而传递到所述膨胀级的热的热能进行更大的控制。通过使用所述控制，可以实现传递到每个膨胀级的最优化热传递，这又提供了所述电力回收单元的提高的效率，这进而提供了所述低温能量存储系统的提高的效率。已发现上面指定的特定布置结构是特别有效的。

所述子系统中的第一热源可以是第一热能存储装置，并且第二管道布置结构可以进一步被构造用以使第一传热流体在传送通过每个热交换器之后返回至第一热能存储装置，其中第二管道布置结构被构造用以穿过所述每个热交换器，使得第二管道布置结构形成第一闭合回路。

此外，第二热源可以是第二热能存储装置，并且第三管道布置结构可以进一步被构造用以在使第二传热流体在传送通过每个热交换器之后返回到第二热能存储装置，其中第二管道布置结构被构造用以穿过所述每个热交换器，使得第三管道布置结构形成第二闭合回路。

第一热能存储装置可以被构造用以存储由循环空气压缩机生成的压缩热的至少一部分，并且第二热能存储装置可以被构造用以存储由主空气压缩机生成的压缩热的至少一部分，并且第二热能存储装置可以包括适合于输送熔融盐的管道系统。

热能存储装置的这些构造是有利的，因为它们允许由循环空气压缩机和主空气压缩机生成的不同等级的热被分开且有效地存储起来。通过分开存储不同等级的热，它们可以分开施加给所述工艺流的不同部分。已经发现，在电力回收系统中的不同位置处施加不同等级的热提供了特别有效的电力回收。

所述子系统可以进一步包括

第十热交换器；以及

第十一热交换器，其中：

第二热源可以是第二热能存储装置，

第一管道布置结构可以进一步构造用以将工作流体紧挨在第四热交换器的上游传送通过第十热交换器，并且其中；

第三管道布置结构可以构造用以形成两个闭合环路，第一闭合环路穿过第二热能存储装置和第十一热交换器，并且第二闭合环路穿过第十一热交换器和第四热交换器，

可选地是，其中，第一闭合环路中的传热流体可以包括熔融盐，进一步可选地是，其中，第二闭合环路中的传热流体可以包括导热油或导热油混合物。

第一热能存储装置可以构造用以存储由主空气压缩机生成的压缩热的至少一部分和由循环空气压缩机生成的压缩热的至少一部分，并且第二热能存储装置可以被构造用以存储由主空气压缩机生成的压缩热的至少一部分，并且第二热能存储装置可以包括适合于输送熔融盐的管道系统。

将来自主空气压缩机的压缩热的部分存储在第一热能存储装置和第二热能存储装置两者中能够是有利的。特别地是，本发明人已经发现，将来自主空气压缩机的较高等级的热存储在第二热能存储装置中并且将来自主空气压缩机的较低等级的热存储在第一热能存储装置中是有利的。彼此分开地存储不同等级的热具有许多优点，包括当将所存储的热施加给所述工艺流时的有效存储和有效电力回收。

第二热能存储装置可以被构造用以以比存储在第一热能存储装置中的热能的温度高的温度存储热能，并且第二热能存储装置可以被构造用以存储在150℃至550℃之间的热能，优选地是存储在200℃至400℃之间的热能，并且第一热能存储装置可以被构造用以存储在150℃至350℃之间的热能。

已经发现，将热能存储装置构造用以存储上述规定的温度是特别有效的，并且导致更有效的电力回收。

在第二方面，本发明提供一种低温能量存储系统，包括：

电力回收子系统，其包括多个膨胀级，所述多个膨胀级被构造用以经由对应的多个热交换器接收来自第一热能存储装置和第二热能存储装置的热的热能，并且将所述热的热能传递到传送通过所述多个膨胀级和所述多个热交换器的工作流体；以及

液化子系统，其被构造用以将热的热能供应至所述第一热能存储装置和所述第二热能存储装置，并且所述液化子系统还包括；

主空气压缩机；

循环空气压缩机；

第八热交换器；

第九热交换器；

第五管道布置结构，其被构造用以将工艺流传送通过所述主空气压缩机、第八热交换器、循环空气压缩机和第九热交换器；

第六管道布置结构，其形成第三闭合回路，并且被构造用以将第三传热流体在所述第二热能存储装置和所述第八热交换器之间传送通过；以及

第七管道布置结构，其形成第四闭合回路并且构造用以将第四传热流体在所述第一热能存储装置和所述第九热交换器之间传送通过，

其中所述第八热交换器沿着所述第五管道布置结构定位成紧挨在所述主空气压缩机的下游，并且被构造用以将来自所述主空气压缩机的工艺流的压缩热的至少一部分经由所述第三传热流体传递至所述第二热能存储装置，并且

其中所述第九热交换器沿着所述第五管道布置结构定位成紧挨在所述循环空气压缩机的下游，并且被构造用以将来自所述循环空气压缩机的工艺流的压缩热的至少一部分经由所述第四传热流体传递到所述第一热能存储装置。

优选地是，所述电力回收子系统如上所述。

本发明的这个方面可以应用于CES系统，该CES系统至少包括电力回收单元和液化单元，并且可以不仅应用于独立CES系统，而且可以应用于热学集成CES系统，优选地是(i)仅接收冷的废热能的那些CES系统，(ii)接收冷的废热能并且其热的废热能需求被在所述CES系统外部且与所述CES系统共址的系统部分地满足的那些CES系统，以及(iii)不接收冷的废热能并且其热的废热能需求被在所述CES系统外部且与所述CES系统共址的系统部分地满足的那些CES系统。本发明也可以用于任何技术领域，其中气体将被液化、然后存储起来，且随后在相同的地点再气化。

根据本发明的CES系统利用以下的优点：在CES系统内的两个压缩机(即，主空气压缩机和循环空气压缩机)的存在，以在给定TESD中在液化阶段期间存储不同等级和不同量的压缩热，并且经由处在电力回收单元的涡轮膨胀器的膨胀级上游的电力回收加热器释放压缩热，以提高其在电力回收阶段期间的机械功输出，因此提高整个系统的往返效率。

液化单元可提供压缩热，该压缩热可以被存储在热能存储装置中并被施加到电力回收单元。使该压缩热再循环提高了低温能量存储系统的效率。特别地是，液化子系统的主空气压缩机和循环空气压缩机各自输出压缩热。

所述低温能量存储系统还可以包括：

冷箱；

液化涡轮膨胀器；

第八管道布置结构，其被构造用以将所述工艺流的至少一部分传送通过所述冷箱的一部分，然后在返回通过所述冷箱并与处在所述循环空气压缩机上游的所述第五管道布置结构合并之前通过所述液化涡轮膨胀器，使得通过所述主空气压缩机的流体的质量流率小于通过所述循环空气压缩机的流体的质量流率；

第九管道布置结构，其构造用以将所述工艺流的至少一部分传送通过所述冷箱、膨胀装置、优选地是焦耳-汤姆逊阀或湿式涡轮膨胀器而到达相分离器，使得在所述第八管道布置结构中的所述工艺流的所述部分将冷的热能经由所述冷箱传递至在所述第九管道布置结构中的所述工艺流的所述部分；以及

第一冷循环环路，其中所述第一冷循环环路穿过所述冷箱并且被构造用以将冷的废热能从在所述低温能量存储系统外部但与所述低温能量存储系统热学集成的系统传递到在所述第九管道布置结构中的所述工艺流的所述部分。

所述系统可以包括冷箱，冷的废热能可以经由所述冷箱从外部系统传递到液化单元。通过所述冷箱将来自外部源的冷的废热能施加至所述气态循环空气压缩机输出流的所述部分(其随后传送通过膨胀装置以到达相分离器)改善了液化过程。经由第九热交换器从循环空气压缩机采集的压缩热的量越低，则气态循环空气压缩机输出流的温度就越高，这于是需要更多的冷的热能。该冷的热能通过使液化单元的工艺流的一部分膨胀并将其用作用于液化单元的工艺流的其余部分的冷却流来提供，并且/或者通过从在CES系统外部的源输送冷的废热能来提供。所述冷的废热能的可用性越高，则所述液化单元的工艺流的被转向的部分所需的质量流量就越低。因此，最大化由循环空气压缩机生成的压缩热的采集降低了液化单元的功率输入，并且通过在电力回收阶段期间将所述压缩热供应至电力回收单元而增加了电力回收单元的功率输出。这导致低温能量存储系统的往返效率的增加。

相同的优点适用于使热能再循环的方法，该方法包括使用冷的废热能来冷却气态循环空气压缩机输出流的第二部分。

所述低温能量存储系统可以被构造成使得所述电力回收子系统还包括蒸发器和压缩机；所述系统还包括：

第二冷循环环路，所述第二冷循环环路穿过所述蒸发器，并且被构造用以将冷的废热能从在所述低温能量存储系统外部但与所述低温能量存储系统热学集成的系统传递到所述工作流体的至少一部分，所述工作流体的至少一部分从所述电力回收单元的输出传送通过所述蒸发器和所述压缩机，并且重新进入所述电力回收单元。

所述系统可以包括在电力回收子系统中使用蒸发器来冷却传送通过所述蒸发器的工作流体。外部的冷的废源可以用于冷却所述工作流体的一部分，所述工作流体的一部分在被压缩并与处在最终膨胀级上游的工作流体合并之前从所述电力回收单元的输出中取出。在该部分进入压缩机之前使用冷的废热能来冷却该部分，减少了压缩该部分所需的压缩功输入。将该部分与紧挨在最下游的膨胀级的上游的工作流体合并增加了由所述膨胀级处理的质量流率。取决于由所述热能存储装置(其与所述最下游的膨胀级热学连接)提供的压缩热的量，在所述电力回收单元的输出的所述部分被压缩之前将该部分冷却和增加通过所述最下游的膨胀级膨胀的工作流体的质量流率的组合效果可以导致所述电力回收单元的功率输出的增加，且因此导致所述低温能量存储系统的往返效率的增加。从主空气压缩机和循环空气压缩机提取的压缩热以及由最后膨胀级处理的质量流率的增加两者都有助于增加膨胀功输出，并且因此有助于提高所述低温能量存储系统的往返效率。相同的优点适用于使冷的热能再循环的方法，该方法包括在工作流体的一部分被压缩之前使用冷的废热能来冷却所述工作流体的一部分，以减少输入到压缩机的功输入，并且其与在最下游的膨胀级上游的工作流体合并。

所述低温能量存储系统可以被构造成使得主空气压缩机具有与循环空气压缩机不同的输入压力和输出压力，并且主空气压缩机和/或循环空气压缩机是绝热的。

本发明人已经发现，通过优化所述主空气压缩机和循环空气压缩机的输出压力并允许所述主空气压缩机和循环空气压缩机绝热，可以通过具有两个不同的温度，即两个不同的热的热能等级来增加所述CES系统的往返效率。

绝热压缩意味着在压缩期间和在压缩机的压缩级之间不存在加热/冷却。一方面，绝热压缩造成所述液化单元的功率输入的增加，因为压缩功随着待压缩的气态流的温度而增加。但是，另一方面，不存在冷却器意味着不存在由冷却器引入的压降，因此减少了所述液化单元的功率输入。另外，绝热压缩允许在压缩机的输出处的最高温度：从绝热的主空气压缩机和绝热的循环空气压缩机提取的压缩热比从非绝热的主空气压缩机和循环空气压缩机提取的压缩热具有更高的等级。因此，绝热压缩允许增加所述电力回收单元的功率输出。具有绝热的主空气压缩机和绝热的循环空气压缩机的净效果是增加CES系统的往返效率。如果主空气压缩机或循环空气压缩机中仅有一个是绝热的，则该结论也是有效的。

在第三方面，本发明提供一种热能再循环系统，包括：

主空气压缩机；

循环空气压缩机；

第二热能存储装置；

第一热能存储装置；

工作流体；以及

多个膨胀级，包括第一子集和第二子集；

其中，所述系统被构造用以在液化阶段期间采集由所述主空气压缩机生成的压缩热并将其存储在所述第二热能存储装置中，并且用以在电力回收阶段期间将存储在所述第二热能存储装置中的压缩热施加给在所述第一子集的膨胀级中的每一个膨胀级上游的工作流体，并且

其中所述系统还被构造用以在液化阶段期间采集由所述循环空气压缩机生成的压缩热并将其存储在所述第一热能存储装置中，并且用以在电力回收阶段期间将存储在所述第一热能存储装置中的压缩热施加给在所述第二子集的膨胀级中的每一个膨胀级上游的工作流体。

将来自主空气压缩机的压缩热存储在与用于存储来自循环空气压缩机的压缩热的热能存储装置分开的热能存储装置中是有利的，因为压缩热的温度是不同的，即，主空气压缩机和循环空气压缩机是现成可用的、处在不同温度下的热的热能的源，即，它们是现成可用的、不同等级的热的热能的源。

来自主空气压缩机的压缩热以比来自循环空气压缩机的压缩热更高的温度被采集和存储起来。换句话说，从主空气压缩机采集和存储的压缩热具有比从循环空气压缩机采集和存储的压缩热更高的等级。因此，将来自主空气压缩机和循环空气压缩机的压缩热存储在不同的热能存储装置中是进一步有利的，使得每个热能存储装置可以针对其被设计用以存储的热的热能的温度而被优化。

第一热能存储装置与循环空气压缩机热学连接，并且第二热能存储装置与主空气压缩机热学连接。

第一热能存储装置可以被构造用以存储来自循环空气压缩机的较低等级的热的热能。第一热能存储装置可以优选地包含水或水和乙二醇的混合物，其对于存储较低等级的热的热能是最优化的。第一热能存储装置可以包含导热油或熔融盐，或者可以是填充床。

第二热能存储装置可以被构造用以存储来自主空气压缩机的较高等级的热的热能。第二热能存储装置可以优选地包含导热油或熔融盐，或者可以是填充床，其对于存储较高等级的热的热能是最优化的。第二热能存储装置可以包含水或水和乙二醇的混合物。

多个膨胀级可以被组织成为若干子集的膨胀级，这些子集被定义为：某一子集的膨胀级由同一热能存储装置进行级前加热。

一个子集的膨胀级可以包括一个膨胀级。或者，一个子集的膨胀级可包括多个膨胀级，但优选不超过三个。

每个膨胀级可以由热交换器预热。优选地是，这些热交换器将热的热能从第一热能存储装置或第二热能存储装置传递到电力回收单元的工作流体。

在第四方面，本发明涉及一种用于在低温能量存储系统中再循环热能的方法，该方法包括：

提供液化子系统，其包括：

主空气压缩机；

循环空气压缩机；

第二热能存储装置；以及

第一热能存储装置；

提供电力回收子系统，其包括：

工作流体；以及

多个膨胀级，包括第一子集和第二子集；

从所述主空气压缩机采集压缩热并将其存储在所述第二热能存储装置中；

从所述循环空气压缩机采集压缩热并将其存储在所述第一热能存储装置中；

将所述第二热能存储装置中所存储的压缩热施加到处在所述第一子集的膨胀级中的每一个膨胀级上游的所述工作流体；和

将所述第一热能存储装置中所存储的压缩热施加到处在所述第二子集的膨胀级中的每一个膨胀级上游的工作流体。

所述方法和低温能量存储系统可被构造成使得共址过程是液化天然气(LNG)再气化终端。

所述方法和低温能量存储系统可以被构造成使得：第二热能存储装置被构造用以在与由第一热能存储装置采集、存储和施加的压缩热的温度不同的温度下采集、存储和施加压缩热。

依此方式存储来自主空气压缩机和循环空气压缩机的压缩热避免了由于混合而损失热的热能等级。混合还将导致所产生的存储温度介于较高的主空气压缩机温度和较低的循环空气压缩机温度之间的某个温度。这对于存储在上述热能存储装置的任一个中可能是低效的。

所述工作流体可以是电力回收单元的工作流体。

所述第一和第四传热流体可以是流动通过第一热能存储装置的流体。

所述第二和第三传热流体可以是流动通过第二热能存储装置的流体。

所述工艺流可以是液化单元的工艺流。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出了能量存储装置的常规发电方案；

图2示出了常规的低温能量存储(CES)系统的示意图；

图3A示出了在液化单元的工艺流体与填充床式TESD之间以及在填充床式TESD与电力回收单元的工作流体之间的直接热交换。

图3B示出了在液化单元的工艺流体与填充床式TESD之间以及在填充床式TESD与电力回收单元的工作流体之间的间接热交换。

图3C示出了在液化单元的工艺流体与填充床式TESD之间的直接热交换，以及随后在填充床式TESD与电力回收单元的工作流体之间的间接热交换。

图3D示出了在液化单元的工艺流体与填充床式TESD之间的间接热交换，以及随后在填充床式TESD与电力回收单元的工作流体之间的直接热交换。

图4A示出了根据本发明的独立CES系统，其显示了存储至少一些压缩热的与主空气压缩机相关的和与循环空气压缩机相关的TESD、存储嵌入在制冷剂中的至少一些冷的热能的另一个TESD，和可以如图5A至5F中的任何一幅图中所示的根据本发明的电力岛。

图4B示出了根据本发明的热学集成CES系统，其从LNG再气化终端接收一些冷的废热能，其显示了存储至少一些压缩热的与主空气压缩机相关的和与循环空气压缩机相关的TESD、存储至少一些嵌入在制冷剂中的冷的热能的另一个TESD、两个基于LNG的冷却回路和可以如图6A至6F中的任何一幅图中所示的根据本发明的电力岛。

图4C示出了根据本发明的热学集成CES系统，其从LNG再气化终端接收充足量的冷的热能，其显示了存储至少一些压缩热的与主空气压缩机相关的和与循环空气压缩机相关的TESD、三个基于LNG的冷却回路，和可以如图6A至6F中的任何一幅图中所示的根据本发明的电力岛。

图5A-5F描述了根据本发明的用于独立CES系统的电力岛的六个替代性实施例。

图6A-6F描述了根据本发明的用于热学集成系统的电力岛的六个替代性实施例。

图7A、7B和7C分别示出了与图4A、4B和4C中所示的系统类似的低温能量存储系统的实施例。

图8A和8B表示用于如图7A中所示的独立CES系统的电力岛(33)的两个进一步的替代性实施例。

图9A和9B表示用于如图7B和7C中所示的热学集成CES系统的电力岛(330)的另外两种替代性布置结构，它们是本发明的实施例。

图10描述了根据本发明的CES系统的实施例，并且示出了第一(501)和第二(502)中间闭合回路。

具体实施方式

本发明的第一实施例在图4A中示出，并且涉及一种独立CES系统，其显示了液化单元(1)、低温罐(2)和电力回收单元(3)，其展现了可以采用在图5A-5F中示出的任何构造的电力岛(33)，其中每个所述构造也是本发明的实施例。该独立CES系统具有压缩热再循环装置(11、12、15、16、12A、16A)和将嵌入在制冷剂中的冷的热能传递到液化单元的工艺流的第一分开的闭合双环路(130)。经由至少一个电力回收加热器提供给电力回收单元的工作流体的热的热能可以源自通过第二(11、12、12A)和第三(15、16、16A)分开的闭合双环路的压缩热再循环装置。尽管它是独立的系统，但是可以具有这样的实施例，其不仅使用由压缩热再循环装置提供的热的热能以经由至少一个电力回收加热器加热所述电力回收单元的工作流体，而且使用来自与产生热的废热能的CES系统共址并且在其外部的至少一个系统的一些热的废热能，所述系统例如是核电厂、热电厂(例如，开放式循环燃气轮机电厂、联合循环燃气轮机电厂和常规蒸汽循环)、数据中心、钢铁厂、由陶瓷、赤陶、玻璃制造和水泥制造工业所使用的熔炉。

所述液化单元(1)将环境空气流(0)转变成液态空气，该液态空气随后被存储在制冷剂罐(2)中。所述液化单元(1)可以至少包括主空气压缩机(10)、第一压缩热采集热交换器(11)、用以存储来自所述主空气压缩机的压缩热的与主空气压缩机相关的TESD(12)、空气净化单元(APU)(13)、循环空气压缩机(14)、第二压缩热采集热交换器(15)、用以存储来自所述循环空气压缩机的压缩热的与循环空气压缩机相关的TESD(16)、冷箱(17)、串联放置的一组两个液化涡轮膨胀器(100、101)、膨胀装置(18)(例如，焦耳-汤姆逊阀、湿式涡轮膨胀器等)、相分离器(19)、用以将来自所述主空气压缩机的工艺流输送通过所述第一压缩热采集热交换器、APU、循环空气压缩机、第二压缩热采集热交换器、冷箱、膨胀装置至相分离器的第一管道、用以当与冷箱相交时将(由第一管道输送的)第一液化单元的工艺流的一部分转向的第二管道、用以将相分离器的气态输出流(121)通过冷箱输送到循环空气压缩机的输入的第三管道(在APU的下游和循环空气压缩机的上游发生合并)、用以将相分离器的液体输出流(122)输送到低温罐2的第四管道、以及用以将通过第一分开的闭合双环路(130)循环的传热流体输送通过所述冷箱的第五管道。

所述主空气压缩机将环境空气(即，存在于所述CES系统周围的大气中的空气)从环境空气压力压缩到第一压力，该第一压力可以在两巴到数十巴之间，之后将其在布置于主空气压缩机下游的APU中净化。APU由吸附容器组成，该吸附容器能够吸附碳氢化合物、水和二氧化碳，以在其输出处获得经清洁的空气。在所述APU的下游，循环空气压缩机将经清洁的空气从略低于第一压力的压力(以考虑APU引入的压降)压缩到第二压力，该第二压力等于数十巴，上限为200巴。

由循环空气压缩机处理的经清洁的空气不仅包括由APU输出的经清洁的空气，而且包括来自所述相分离器的气态输出流(121)的经清洁的空气，当其通过所述冷箱(在到达循环空气压缩机之前)以被传递到由第一管道输送的液化单元的工艺流时，其冷的热能已经被剥除。因此，由所述循环空气压缩机输出的空气的质量流量大于所述主空气压缩机的空气的质量流量，并且影响压缩所生成的热的量。

由循环空气压缩机输出的经清洁的空气被输送通过冷箱以被冷却，然后通过膨胀装置以将其压力降低至第一压力，或降低至大于第一压力且小于第二压力的压力，从而允许其全部或部分液化，这取决于由循环空气压缩机输出的流所经受的条件(即，相对于空气的临界压力由循环空气压缩机输出的流的压力、通过冷箱供应的冷的热能的量、经由通过膨胀装置的膨胀而产生的压力变化等)。由膨胀装置(18)输出的气体和液体混合物随后被输送到相分离器，在该相分离器中，所述气体和液体混合物分开为液相和气相。

(由第一管道输送的)所述液化单元的工艺流的一部分(120)在经由第二管道与冷箱相交时被转向，其离开所述冷箱以通过第一液化涡轮膨胀器(100)并且(经由被嵌入在液化涡轮膨胀器(100)输出中的冷却的量控制的重新进入点)重新进入所述冷箱，以在所述冷箱的给定长度上冷却(由第一管道输送的)所述液化单元的工艺流，之后，其离开所述冷箱并且由第二液化涡轮膨胀器(101)处理。然后，由第二液化涡轮膨胀器(101)输出的所述气体/液体混合物被输送到所述相分离器。

由第三管道输送的所述相分离器的气态输出流包括通过膨胀装置(18)由第一管道输送的流的膨胀所产生的气相和由第二管道输送的流所产生的气相，由第二管道输送的流经受通过串联放置的两个液化涡轮膨胀器(100、101)的两个接连膨胀，并且随后被注入所述相分离器。

所述相分离器的气态输出流(121)穿过所述冷箱以将其冷的热能传递到由第一管道输送的液化单元的工艺流，并且随后被输送到循环空气压缩机的输入(在所述APU的下游和所述循环空气压缩机的上游发生合并)。

所述相分离器的液体输出流(122)由第四管道输送到低温罐2。

术语“分开的闭合双环路”与TESD的存在紧密相关：供传热流体循环通过的一个单环路从一种流体采集热能，而供另一种传热流体循环通过的另一单环路将该热能供应给另一种流体。所述单环路可以具有简单的设计，即每个环路具有循环泵、穿过TESD的管道布置结构以及传热流体。或者，所述单环路可以具有相同的传热流体，并且可以共用循环泵和它们的管道布置结构的一部分，所述管道布置结构的所述一部分通过TESD，所述TESD涉及阀(例如三通阀)的存在，如图4A的第一分开的闭合双环路(130)中所示。

第一分开的闭合双环路(130)的单环路共用TESD(131)、它们的管道布置结构的一部分、传热流体和循环泵(132)，以使传热流体循环通过两个单环路。在电力回收阶段期间，一个单环路允许在经由制冷剂泵(31)泵送之后经由蒸发器(32)采集嵌入制冷剂中的冷的热能的至少一部分，并且将其存储在TESD(131)中。在液化阶段期间，另一个单环路允许经由第五管道将存储在TESD(131)中的冷的热能提供给所述液化单元的工艺流。

由第一管道输送的液化单元的工艺流被由第二管道、第三管道和第五管道输送的流冷却，以便在传送通过所述膨胀装置(18)之后被部分液化。

在液化阶段期间由所述液化单元产生的制冷剂(即，所述相分离器的液体输出流(122))被输送到低温罐(2)。在电力回收阶段期间，包含在所述低温罐中的一些制冷剂被输送到电力回收单元(3)：其通过低温泵(31)被泵送到高的压力，在蒸发器(32)中被加热并且被传送到电力岛33，在电力岛中，其经由至少一个电力回收加热器被过热并且经由至少一个涡轮膨胀器的至少一个膨胀级被膨胀。无论电力岛中存在的涡轮膨胀器的数量是多少，它们都机械地联接到发电机，以产生电力。

所述电力岛(33)可以采用图5A-5F所示的任何构造，其中的每一个也是本发明的实施例。

所述电力回收单元的涡轮膨胀器可以优选地是显示四个膨胀级。

所述与循环空气压缩机相关的TESD(16)可以在前三个膨胀级(61、62、63)的每一个膨胀级之前经由电力回收加热器(81、82、83)将热的热能供应至所述电力回收单元的工作流体，而与主空气压缩机相关的TESD(12)可在最后第四级(64)之前经由电力回收加热器(84)将热的热能供应至所述电力回收单元的工作流体(参见图5A)。额外的电力回收加热器80可以放置在位于第一膨胀级(61)上游的电力回收加热器(81)的上游，其中所述电力回收单元的工作流体可以在由放置在第一膨胀级上游的电力回收加热器(81)进一步加热之前由第四膨胀级(64)的输出加热(参见图5B)。在已经经由所述额外的电力回收加热器(80)将其热的热能传递至所述电力回收单元的工作流体之后，第四膨胀级的输出可以被排放到大气中或用于再生所述APU的吸附容器。

或者，与主空气压缩机相关的TESD(12)可以在第一膨胀级(6100)之前经由电力回收加热器(8100)将热的热能供应至所述电力回收单元的工作流体，而与循环空气压缩机相关的TESD(16)可以在最后三个膨胀级(6200、6300、6400)中的每一个膨胀级之前经由电力回收加热器(8200、8300、8400)将热的热能供应至所述电力回收单元的工作流体(参见图5E)。额外的电力回收加热器(8000)可以放置在位于第一膨胀级(6100)上游的电力回收加热器(8100)的上游，其中所述电力回收单元的工作流体可以在由放置在第一膨胀级(6100)上游的电力回收加热器(8100)进一步加热之前由第四膨胀级(6400)的输出加热(参见图5F)。在已经经由所述额外的电力回收加热器将其热的热能传递到所述电力回收单元的工作流体之后，第四膨胀级的输出可以排放到大气中，或用于再生所述APU的吸附容器。

所述涡轮膨胀器可以显示五个膨胀级。

所述与循环空气压缩机相关的TESD(16)可以在前三个膨胀级(610、620、630)的每一个膨胀级之前经由电力回收加热器(810、820、830)将热的热能供应至所述电力回收单元的工作流体，而与主空气压缩机相关的TESD(12)可以在最后的第四和第五膨胀级(640、650)之前将热的热能供应至所述电力回收单元的工作流体(参见图5C)。额外的电力回收加热器(800)可以放置在位于第一膨胀级(610)上游的电力回收加热器(810)的上游，其中所述电力回收单元的工作流体可以在由放置在第一膨胀级(610)上游的电力回收加热器(810)进一步加热之前由第五膨胀级的输出加热(参见图5D)。在已经经由所述额外的电力回收加热器将其热的热能传递到所述电力回收单元的工作流体之后，第五膨胀级的输出可以排放到大气中，或用于再生所述APU的吸附容器。

所述额外的电力回收加热器(80、800、8000)可以放置在所述蒸发器(32)的下游。

本发明的第二实施例在图4B中示出，并且涉及一种热学集成系统，其显示了液化单元(1)、低温罐(2)和电力回收单元(3)，该电力回收单元展现了可以采用图6A-6F中示出的任何构造的电力岛330，其中的每一个也是本发明的实施例。该热学集成CES系统具有压缩热再循环装置(11、12、15、16、12A、16A)和将嵌入在制冷剂中的冷的热能传递到所述液化单元的工艺流的第一分开的闭合双环路(130)。该CES系统经由第一(401)和第二(403)分开的闭合单环路从在所述CES系统外部的且与所述CES系统共址的LNG再气化终端接收一些冷的废热能。由所述LNG再气化终端提供的冷的废热能不完全满足所述液化单元的需要，所述液化单元仍然需要第一分开的闭合双环路(130)的存在。附加在几个流旁边的参考标号400是指LNG流。

经由至少一个电力回收加热器提供给所述电力回收单元的工作流体的热的热能可以源自通过第二(11、12、12A)和第三(15、16、16A)分开的闭合双环路的压缩热再循环装置。经由至少一个电力回收加热器提供给所述电力回收单元的工作流体的热的热能可以来自所述压缩热再循环装置和与产生热的废热能的CES系统共址且在该CES系统外部的至少一个系统，所述至少一个系统诸如是核电厂、热电厂(例如，开放式循环燃气轮机电厂；联合循环燃气轮机电厂和常规蒸汽循环)、数据中心、钢铁厂、由陶瓷、赤陶、玻璃制造和水泥制造工业所用的熔炉。

所述液化单元(1)将环境空气流(0)变成液态空气，该液态空气随后被存储在制冷剂罐(2)中。所述液化单元(1)可以至少包括主空气压缩机(10)、第一压缩热采集热交换器(11)、用以存储来自主空气压缩机(10)的压缩热的与主空气压缩机相关的TESD(12)、空气净化单元(APU)(13)、循环空气压缩机(14)、第二压缩热采集热交换器(15)、用以存储来自循环空气压缩机的压缩热的与循环空气压缩机相关的TESD(16)、冷箱(17)、液化涡轮膨胀器(102)、膨胀装置(18)(例如焦耳-汤姆逊阀、湿式涡轮膨胀器等)、相分离器(19)、用以将液化单元的工艺流从主空气压缩机输送通过第一压缩热采集热交换器、APU、循环空气压缩机、第二压缩热采集热交换器、冷箱和膨胀装置至所述相分离器的第一管道、用以将(由所述第一管道输送的)所述液化单元的工艺流的一部分转向且与所述冷箱相交的第二管道、用于将所述相分离器的所述气态输出流(124)输送到大气的第三管道、用于将所述相分离器的所述液态输出流(122)输送到所述低温罐(2)的第四管道、用于将所述第一分开的闭合双环路(130)的所述传热流体输送通过所述冷箱的第五管道、用于将所述第一分开的闭合单环路(401)的所述传热流体输送通过所述冷箱的第六管道。

所述主空气压缩机将环境空气(即，存在于CES系统周围的大气中的空气)从环境空气压力压缩到第一压力，该第一压力可以在两巴到数十巴之间，之后将其在布置于主空气压缩机下游的APU中净化。APU由吸附容器组成，该吸附容器能够吸附碳氢化合物、水和二氧化碳，以在其输出处获得经清洁的空气。在APU的下游，所述循环空气压缩机将经清洁的空气从略低于第一压力的压力(以考虑APU引入的压降)压缩到第二压力，该第二压力等于数十巴，上限为200巴。

由循环空气压缩机处理的经清洁的空气不仅包括由APU输出的经清洁的空气，而且包括来自由液化涡轮膨胀器(102)输出的气态流(123)的经清洁的空气，当经过冷箱(在到达循环空气压缩机之前)以被传递到由第一管道输送的所述液化单元的工艺流时，其冷的热能已经被剥除。因此，由循环空气压缩机输出的空气的质量流量大于主空气压缩机输出的空气的质量流量，并且影响所生成的压缩热的量。

(由第一管道输送的)由循环空气压缩机输出的经清洁的空气被输送通过所述冷箱(17)，以被冷却，然后通过膨胀装置(18)，以将其压力降低至第一压力，或者降低至大于第一压力且低于第二压力的压力，从而允许其完全液化。所述膨胀装置(18)输出的液体流随后被输送到相分离器。

(由第一管道输送的)所述液化单元的工艺流的一部分(123)在经由第二管道与所述冷箱相交时被转向，其离开所述冷箱，通过液化涡轮膨胀器(102)，以经由所述冷箱的冷侧(即，冷箱的下侧)重新进入所述冷箱，以冷却由第一管道输送的所述液化单元的工艺流的其余部分，并且经由所述冷箱的暖侧离开所述冷箱，以最终在所述APU的下游和所述循环空气压缩机的上游与所述第一管道合并。

输送所述相分离器的气态输出流(124)的第三管道允许在液化单元的工艺流通过膨胀装置(18)膨胀之后存在的任何气体从所述相分离器逸出到大气中。这种情况通常发生在启动CES系统时，因为仅当建立稳定状态时才实现完全液化。

所述相分离器的液体输出流(122)由第四管道输送到低温罐(2)。

所述第一分开的闭合双环路(130)的单环路共用TESD(131)、它们的管道布置结构的一部分、传热流体和循环泵(132)，以使传热流体循环通过两个单环路。在电力回收阶段期间，一个单环路允许在经由制冷剂泵(31)泵送之后经由蒸发器(32)采集嵌入在制冷剂中的冷的热能的至少一部分，并且将其存储在TESD(131)中。在液化阶段期间，另一个单环路允许经由第五管道将存储在TESD(131)中的冷的热能提供给液化单元的工艺流。

所述第一分开的闭合单环路(401)是制冷环路，其提高了由LNG流(400)供应的冷的废热能的等级：(循环通过第一分开的闭合单环路(401)的)传热流体被压缩，然后经由热交换器(402)被LNG流(400)冷却，然后再次被压缩，并且经由热交换器(402)被LNG流(400)再次冷却，然后通过涡轮膨胀器膨胀，并且在与整个冷箱(从其冷侧到其暖侧)相交的同时被液化单元的工艺流加热，所述工艺流则被冷却。

由第一管道输送的所述液化单元的工艺流被由第二管道、第五管道和第六管道输送的流冷却，以便在传送通过膨胀装置(18)之后被完全液化。

所述液化单元在液化阶段期间产生的制冷剂(即，所述相分离器的液体输出流(122))被输送到低温罐(2)。在电力回收阶段期间，包含在所述低温罐中的一些制冷剂被输送到电力回收单元(3)：其由低温泵(31)泵送至高的压力，在蒸发器(32)中被加热，并且传递至电力岛(330)，在所述电力岛中，其经由至少一个电力回收加热器被过热并且经由至少一个涡轮膨胀器的至少一个膨胀级膨胀。无论所述电力岛中存在的涡轮膨胀器的数量是多少，它们都机械地联接到发电机，以产生电力。然而，第二实施例的电力回收单元在其构造方面与第一实施例的电力回收单元不同。

所述电力回收单元(3)与第二分开的闭合单环路(403)热学交互。第二分开的闭合单环路(403)包含再循环泵，以使传热流体循环，该传热流体经由热交换器(404)被LNG流(400)冷却并且经由蒸发器(320)被(从电力岛(330)的输出转向的)流(35)加热。所述被转向的流(35)因此被第二分开的闭合单环路的传热流体冷却，以随后被电力回收压缩机(34)压缩并再次注入电力岛(330)，其可采用图6A-6F中所示的任何构造，其中的每一个构造也是本发明的实施方案。

所述电力回收单元的涡轮膨胀器可以优选地是显示四个膨胀级，如图6A、6B、6E和6F中所示。

所述电力回收单元的涡轮膨胀器可以显示如图6C和6D中所示的五个膨胀级。

对于构造6A-6F中的每一个，即本发明的所有实施例，从所述电力岛(330)的输出转向的流(35)经由蒸发器(32)冷却，然后由电力回收压缩机(34)再压缩，并且在倒数第二个膨胀级的下游和最后一个电力回收加热器和最后一个膨胀级的上游注回到所述电力岛(330)。所述压缩机(34)的功输入通过使其输入经由蒸发器(32)由第二分开的闭合单环路(403)的传热流体冷却而被减少，且最后一个膨胀级的功输出通过增大由所述最后一个膨胀级处理的质量流率而被增加。所述电力岛的输出流的其余部分可以被排放到大气中或可以用于再生所述APU(13)的吸附容器。

所述电力岛可以采用图6A-6F中描述的任何一种构造，其中的每一个构造也是本发明的实施例。在图5A和6A之间、图5B和6B之间、图5C和6C之间、图5D和6D之间、图5E和6E之间以及图5F和6F之间的一个区别是从图6A-6F的电力岛的输出转向的流(35)的存在，该流然后经由蒸发器(32)冷却并由压缩机(34)再压缩，并在倒数第二个膨胀级的下游和最后一个电力回收加热器(84、850、8400)和最后一个膨胀级(64、650、6400)的上游注回到所述电力岛330。图6B、6D和6F显示了额外的电力回收加热器(80、800、8000)。所述额外的电力回收加热器(80、800、8000)可以放置在电力回收加热器(81、810、8100)的上游和第一膨胀级(61、610、6100)的上游，其中所述电力回收单元的工作流体可以在由放置在第一膨胀级上游的电力回收加热器(81、810、8100)进一步加热之前由最后一个膨胀级(64、650、6400)的输出加热。

所述额外的电力回收加热器(80、800、8000)可以放置在蒸发器(32)的下游。

本发明的第三实施例在图4C中示出，并且涉及一种热学集成系统，其显示了液化单元(1)、低温罐(2)和电力回收单元(3)，该电力回收单元展现了可以采用图6A-6F中示出的任何构造的电力岛330，其中的每一个构造也是本发明的实施例。该热学集成CES系统具有压缩热再循环装置(11、12、15、16、12A、16A)。该CES系统从与所述CES系统共址并在所述CES系统外部的LNG再气化终端接收大量冷的废热能。换句话说，由LNG再气化终端提供的冷的废热能的量可以以这样的方式满足所述液化单元的冷的热能方面的需要，即：不需要如在第一和第二实施方案中显示的第一分开的闭合双环路(130)。冷的废热能经由第三(405)和第四(407)分开的闭合单环路从LNG流(400)传递至所述液化单元，以便完全地液化所述液化单元的工艺流。

嵌入制冷剂中的冷的热能直接用于所述电力回收单元中，以冷却所述电力岛(330)的输出流的所述一部分，该部分被转向，以由所述压缩机(34)再压缩并且在倒数第二个膨胀级的下游和最后一个电力回收加热器(见图6A-6F：84、850、8400)和最后一个膨胀级(见图6A-6F：64、650、6400)的上游被注回到所述电力岛(330)。由第二分开的闭合单环路(403)提供的冷的热能用于进一步冷却所述蒸发器(32)中的输出流(35)。

经由至少一个电力回收加热器提供给所述电力回收单元的工作流体的热的热能可以源自通过第二(11、12、12A)和第三(15、16、16A)分开的闭合双环路的压缩热再循环装置。经由至少一个电力回收加热器提供给所述电力回收单元的工作流体的热的热能可以来自压缩热再循环装置和与产生热的废热能的CES系统共址且在该CES系统外部的至少一个系统，所述至少一个系统诸如是核电厂、热电厂(例如，开放式循环燃气轮机电厂；联合循环燃气轮机电厂和常规蒸汽循环)、数据中心、钢铁厂、由陶瓷、赤陶、玻璃制造和水泥制造工业所用的熔炉。

所述液化单元(1)将环境空气流(0)变成液态空气，该液态空气随后被存储在制冷剂罐(2)中。所述液化单元(1)可以至少包括主空气压缩机(10)、第一压缩热采集热交换器(12)、用以存储来自主空气压缩机的压缩热的与主空气压缩机相关的TESD(12)、空气净化单元(APU)(13)、循环空气压缩机(14)、第二压缩热采集热交换器(15)、用以存储来自循环空气压缩机的压缩热的与循环空气压缩机相关的TESD(16)、冷箱(17)、膨胀装置(18)(例如焦耳-汤姆逊阀、湿式涡轮膨胀器等)、相分离器(19)、用以将所述液化单元的工艺流从主空气压缩机输送通过所述第一压缩热采集热交换器、APU、循环空气压缩机、第二压缩热采集热交换器、冷箱、膨胀装置至相分离器的第一管道、用以将所述相分离器的所述气态输出流(124)输送到大气中的第二管道、用以将所述相分离器的所述液体输出流(122)输送到所述低温罐(2)的第三管道、用以将所述第三分开的闭合单环路(405)的所述传热流体输送通过所述冷箱的第四管道、用以将所述第四分开的闭合单环路(407)的所述传热流体输送通过所述冷箱的第五管道。

所述主空气压缩机将环境空气(即，存在于CES系统周围的大气中的空气)从环境空气压力压缩到第一压力，该第一压力可以在两巴到数十巴之间，然后将其在布置于主空气压缩机下游的APU中净化。所述APU由吸附容器组成，该吸附容器能够吸附碳氢化合物、水和二氧化碳，以在其输出处获得经清洁的空气。在APU的下游，循环空气压缩机将经清洁的空气从略低于第一压力的压力(以考虑APU引入的压降)压缩到第二压力，该第二压力等于数十巴，上限为200巴。

(由第一管道输送的)由循环空气压缩机输出的经清洁的空气被输送通过所述冷箱(17)，以被冷却，然后通过膨胀装置(18)，以将其压力降低至第一压力，或者降低至大于第一压力且低于第二压力的压力，从而允许其完全液化。所述膨胀装置(18)输出的液体流随后被输送到相分离器。

输送所述相分离器的气态输出流(124)的第二管道允许在液化单元的工艺流通过膨胀装置(18)膨胀之后存在的任何气体从所述相分离器逸出到大气中。这种情况通常发生在启动CES系统时，因为仅当建立稳定状态时才实现完全液化。

所述相分离器的液体输出流(122)通过第三管道输送到低温罐(2)。

传热流体借助于循环泵而循环通过第三分开的闭合单环路(405)，经由热交换器(406)从LNG流(400)提取一些冷的热能，并且在距冷箱的暖侧的距离“a”处进入冷箱(见图4C的冷箱)，以将其冷的热能让给在相反方向上前进的(由第一管道输送的)所述液化单元的工艺流。所述冷箱的长度等于距离“a”和“b”的总和。

在作为制冷环路的第四分开的闭合单环路(407)中，其传热流体由压缩机压缩，然后经由热交换器(408)由LNG流(400)冷却，由涡轮膨胀器膨胀，在所述冷箱中被由第一管道输送的所述液化单元的工艺流从所述冷箱的冷侧至距离“b”(在该距离处，该传热流体离开所述冷箱)加热。

由第一管道输送的所述液化单元的工艺流被分别由第二和第三管道输送的第三(405)和第四(407)分开的闭合单环路的传热流体冷却，以便在经过膨胀装置(18)之后被完全液化。

所述液化单元在液化阶段期间产生的制冷剂(即，所述相分离器的液体输出流(122))被输送到低温罐(2)。在电力回收阶段期间，包含在低温罐中的一些制冷剂被输送到电力回收单元(3)：其由低温泵(31)泵送至高的压力，在蒸发器(32)中加热，并且被传递至所述电力岛(330)，在电力岛中，其经由至少一个电力回收加热器被过热、并且经由至少一个涡轮膨胀器的至少一个膨胀级膨胀。无论在所述电力岛中存在的涡轮膨胀器的数量是多少，它们全都机械地联接到发电机，以产生电力。然而，第三实施例的电力回收单元在其构造方面与第一实施例的电力回收单元不同，但是与第二实施例的电力回收单元类似。

所述电力回收单元(3)与第二分开的闭合单环路(403)热学交互。第二分开的闭合单环路(403)包含循环泵，以使传热流体循环，该传热流体经由热交换器(404)被LNG流(400)冷却，并且经由蒸发器(320)被从电力岛(330)的输出转向的流(35)加热。所述被转向的流(35)由第二分开的闭合单环路(403)的传热流体以及还由嵌入制冷剂中的冷的热能冷却，从而随后由电力回收压缩机(34)压缩并重新注入到电力岛(330)中，所述电力岛可采用图6A-6F中所示的任何构造，其中的每个构造也是本发明的实施例。

所述电力回收单元的涡轮膨胀器可以优选地是显示四个膨胀级，如图6A、6B、6E和6F中所示。

所述电力回收单元的涡轮膨胀器可以显示五个膨胀级，如图6C和6D中所示。

对于构造6A-6F中的每一个构造，即本发明的所有实施例，从所述电力岛(330)的输出转向的流(35)经由蒸发器(32)冷却，然后由电力回收压缩机(34)再压缩，并且在倒数第二个膨胀级的下游和最后一个电力回收加热器和最后一个膨胀级的上游注回到所述电力岛(330)。压缩机(34)的功输入通过使其输入经由蒸发器(32)由第二分开的闭合单环路(403)的传热流体和所述加压的制冷剂冷却而被减少，并且最后一个膨胀级的功输出通过增大由所述最后一个膨胀级处理的质量流率而被增加。所述电力岛的输出流的其余部分可以被排放到大气中或可以用于再生所述APU(13)的吸附容器。

所述电力岛可以采用图6A-6F中描述的任何一种构造，其中的每一个构造也是本发明的实施例。在图5A和6A之间、图5B和6B之间、图5C和6C之间、图5D和6D之间、图5E和6E以及图5F和6F之间的一个区别是从图6A-6F中的电力岛的输出转向的流(35)的存在，该转向的流然后经由蒸发器(32)冷却并由压缩机(34)再压缩，并在倒数第二个膨胀级的下游和最后一个电力回收加热器(84、850、8400)和最后一个膨胀级(64、650、6400)的上游注回到所述电力岛(600)。图6B、6D和6F显示了额外的电力回收加热器(80、800、8000)。所述额外的电力回收加热器(80、800、8000)可以放置在电力回收加热器(81、810、8100)的上游和第一膨胀级(61、610、6100)的上游，其中电力回收单元的工作流体可以在由放置在第一膨胀级上游的电力回收加热器(81、810、8100)进一步加热之前由最后一个膨胀级(64、650、6400)的输出加热。

所述额外的电力回收加热器(80、800、8000)可以放置在蒸发器(32)的下游。

以下对于图4A-4C中描述的本发明的第一、第二和第三实施例是共同的，并且对于在图5A-5F和图6A-6F中描述的本发明的其它实施例也是共同的。

所述冷箱(17)是热交换器、管道和压力容器组成的组件，其包含在填充有高质量绝缘材料(例如珍珠岩)的金属结构内。所述冷箱可以包括至少一个单个多程热交换器。所述冷箱显示有暖侧(上侧)和冷侧(下侧)。

所述主空气压缩机(10)可以具有至少一个压缩级，优选地是两个压缩级，更优选地是四个压缩级。在主空气压缩机的至少一个压缩级的下游，优选地是在其最后一个压缩级的下游，可以存在压缩热采集热交换器。压缩热采集热交换器的任务是采集由压缩机或一组压缩级或一个压缩级生成的压缩热的至少一部分。在至少一个压缩级的下游可以有冷却器。在至少一个压缩热采集热交换器的下游可以存在冷却器。通常，冷却器(即，使用空气或水的热交换器)被放置在压缩机的压缩级的上游，以在气体流通过它们进行压缩之前预冷却气体流(压缩功的减少)，或者被放置在压缩机的输出的下游，以冷却气体流并使其随后容易液化。优选地是，在压缩期间和在主空气压缩机的压缩级之间可以没有冷却/加热，即所述主空气压缩机可以是绝热的。

所述循环空气压缩机(14)可以优选地是具有一个压缩级，或至少一个压缩级，或更优选地是四个压缩级。在循环空气压缩机的至少一个压缩级的下游，优选是在其最后一个压缩级的下游，可以存在压缩热采集热交换器。在至少一个压缩级的下游可以有冷却器。在至少一个压缩热采集热交换器的下游可以存在冷却器。优选地是，在压缩期间和在循环空气压缩机的压缩级之间可以没有冷却/加热，即所述循环空气压缩机可以是绝热的。

关于所述主空气压缩机和循环空气压缩机，所述压缩热采集热交换器和冷却器的量以及它们相对于主空气压缩机和循环空气压缩机的压缩级的相应位置取决于所述主空气压缩机和循环空气压缩机的输出温度目标以及它们所引入的寄生损失(例如压降等)，这会增加功耗，同时影响由主空气压缩机和循环空气压缩机生成的压缩热的等级。

所述CES系统的电力回收单元可以包括至少一个涡轮膨胀器，优选地是包括一个涡轮膨胀器。每个涡轮膨胀器又可以包括至少一个膨胀级，优选地是四个或五个膨胀级。在每个膨胀级的上游可以存在电力回收加热器。

所述压缩热再循环装置可以包括第二分开的闭合双环路(11、12、12A)和第三分开的闭合双环路(15、16、16A)。具有分开的闭合双环路(由于从压缩机到TESD和从TESD到涡轮膨胀器的间接热交换的发生)的优点是易于在泄漏的情况下补充传热流体，以及控制循环通过所述分开的闭合双环路的传热流体的压力。

第二分开的闭合双环路可以包括与主空气压缩机相关的TESD(12)。第二分开的闭合双环路的每个单环路具有传热流体、循环泵和管道布置结构，该管道布置结构通过与主空气压缩机相关的TESD。它们各自的通过所述与主空气压缩机相关的TESD的管道布置结构的一部分可以是共用的，这假定存在三通阀和单一传热流体。

所述第二分开的闭合双环路的一个单环路通过使用放置在主空气压缩机下游的至少一个压缩热采集热交换器(11)采集由主空气压缩机(10)生成的压缩热中的至少一些压缩热，并且将其存储在与主空气压缩机相关的TESD(12)中。第二分开的闭合双环路的另一个单环路(12A)在其经由电力回收涡轮膨胀器的膨胀级(64、640、650、6100)中的至少一个膨胀级膨胀之前经由至少一个电力回收加热器(84、840、850、8100)将热的热能提供给电力回收单元的工作流体，如关于图5A-5F和图6A-6F所示，它们也是本发明的实施例。所述单环路可以包括至少一个阀(例如三通阀)。

所述与主空气压缩机相关的TESD(12)经由压缩热采集热交换器(11)热学耦合到所述主空气压缩机(10)。

所述与主空气压缩机相关的TESD(12)可以是填充床式TESD、基于固定液相的TESD或双储罐式TESD或优选地是温跃层TESD。

如果与主空气压缩机相关的TESD(12)是填充床式TESD，则填充床基体可以包括由可感测物质(例如卵石)制成的或由潜热相变物质制成的或由上述的组合制成的、随机地相互堆叠的颗粒。如果与主空气压缩机相关的TESD是填充床式TESD，则填充床基体可以包括由可感测物质(例如金属氧化物珠)制成的或由潜热相变物质制成的或由上述的组合制成的、非随机地相互堆叠的颗粒。如果与主空气压缩机相关的TESD是填充床式TESD，则填充床基体可以包括熔融颗粒(例如陶瓷)。

所述与主空气压缩机相关的TESD可以存储温度在200℃和400℃之间的压缩热。循环通过第二分开的闭合双环路的传热流体可以是气体或液体。所述传热流体可以包括水或水和乙二醇的混合物、或导热油、或导热油(合成油、天然油、矿物油)的混合物、或熔融盐。

第三分开的闭合双环路可以包括与循环空气压缩机相关的TESD(16)。第三分开的闭合双环路的每个单环路具有传热流体、循环泵和管道布置结构，该管道布置结构通过所述与循环空气压缩机相关的TESD。它们各自的通过与循环空气压缩机相关的TESD的管道布置结构的一部分可以是共用的，这假定存在三通阀和单一传热流体。

所述第三分开的闭合双环路的一个单环路通过使用放置在循环空气压缩机下游的至少一个压缩热采集热交换器(15)采集由循环空气压缩机(14)生成的压缩热的至少一些压缩热，并且将其存储在与循环空气压缩机相关的TESD(16)中。第三分开的闭合双环路的另一个单环路(16A)在电力回收单元的工作流体经由电力回收涡轮膨胀器的膨胀级(61、62、63、610、620、630、6200、6300、6400)中的至少一个膨胀级而膨胀之前经由至少一个电力回收加热器(81、82、83、810、820、830、8200、8300、8400)将热的热能提供给所述电力回收单元的工作流体，如关于图5A-5F和图6A-6F所示，它们也是本发明的实施例。所述单环路可以包括至少一个阀(例如三通阀)。

所述与循环空气压缩机相关的TESD(16)经由压缩热采集热交换器(15)热学耦合到循环空气压缩机(14)。

所述与循环空气压缩机相关的TESD可以是填充床式TESD、基于固定液相的TESD或双储罐式TESD或优选地是温跃层TESD。

如果与循环空气压缩机相关的TESD(16)是填充床式TESD，则填充床基体可以包括由可感测物质(例如卵石)制成的或由潜热相变物质制成的或由上述的组合制成的、随机地相互堆叠的颗粒。如果与循环空气压缩机相关的TESD是填充床式TESD，则填充床基体可以包括由可感测物质(例如金属氧化物珠)制成的或由潜热相变物质制成的或由上述的组合制成的、非随机地相互堆叠的颗粒。如果与循环空气压缩机相关的TESD是填充床式TESD，则填充床基体可以包括熔融颗粒(例如陶瓷)。

所述与循环空气压缩机相关的TESD(16)可以存储温度在150℃和350℃之间的压缩热。循环通过第三分开的闭合双环路的传热流体可以是气体或液体。所述传热流体可以包括水或水和乙二醇的混合物、或导热油、或导热油(合成油、天然油、矿物油)的混合物或熔融盐。

将由所述CES系统的液化单元液化的气体可以是环境空气、氮气或者氧气和氮气浓度与环境空气中的氧气和氮气浓度不同的任何空气。由液化单元产生、随后填充制冷剂罐并由电力回收单元处理的制冷剂可以是液态空气、液氮或氧气和氮气的浓度不同于环境空气的氧气和氮气的浓度的任何液态空气。

经由至少一个电力回收加热器提供给电力回收单元的工作流体的热的热能可以源自通过第二(11、12、12A)和第三(15、16、16A)分开的闭合双环路的压缩热再循环装置。

图7A、7B和7C分别示出了与图4A、4B和4C中所示的系统类似的低温能量存储系统。图7和图4的系统之间的差别如下：

-图4A-4C中示出的第一压缩热采集热交换器(11)被分成第三压缩热采集热交换器(110)和第四压缩热采集热交换器(150)。

-第三压缩热采集热交换器(110)和第四压缩热采集热交换器(150)均热学耦合到主空气压缩机(10)。换句话说，第三压缩热采集热交换器(110)和第四压缩热采集热交换器(150)各自从主空气压缩机(10)采集压缩热。

-所述第三压缩热采集热交换器(110)热学耦合到所述第二热能存储装置(12)；

-所述第四压缩热采集热交换器(150)热学耦合到所述第一热能存储装置(16)；

-图4A、4B和4C中示出的第二(11、12、12A)和第三(15、16、16A)分开的闭合双环路现在由图7A、7B和7C中示出的第四(110、12、12A)和第五(500；16、16A)分开的闭合双环路代替。

第四分开的闭合双环路(110、12、12A)具有两个单环路(110、12)和(12A)：传热流体循环通过所述单环路(110、12)，并且可以经由压缩热采集热交换器(110)从主空气压缩机(10)采集所述压缩热的一部分。存储在第二热能存储装置(12)中的压缩热的温度可以在150℃与550℃之间。所述压缩热通过传热流体从热交换器(110)传递并且存储在第二热能存储装置(12)中。循环通过单环路(12A)的另外的传热流体将所存储的压缩热的至少一些压缩热传送到电力回收加热器(85000)，以加热所述电力回收单元(3)的工作流体，如图8A-8B和9A-9B中所示。

第五分开的闭合双环路(500；16、16A)具有两个单环路(500)和(16A)：传热流体循环通过所述单环路(500)，并且可以经由压缩热采集热交换器(150)从主空气压缩机(10)采集所述压缩热的一部分，并且经由第二压缩热采集热交换器(15)从循环空气压缩机(14)采集所述压缩热的一部分。存储在第一热能存储装置(16)中的压缩热的温度可以在150℃和350℃之间，来自主空气压缩机的由压缩热采集热交换器(150)采集的压缩热的所述部分和来自循环空气压缩机的由压缩热采集热交换器(15)采集的压缩热的所述部分可以处于相同的温度，并且它们各自被存储在第一热能存储装置(16)中。循环通过单环路(16A)的另外的传热流体将所存储的压缩热的至少一些压缩热传送到电力回收加热器(81000；82000；83000；84000)，以加热所述电力回收单元(3)的工作流体，如图8A-8B和9A-9B中所示。所述电力回收加热器(85000)位于所述电力回收加热器(84000)的下游和第四膨胀级(64000)的上游。

存储在第二热能存储装置(12)中的压缩热的温度高于存储在第一热能存储装置(16)中的压缩热的温度。

电力回收单元(3)的涡轮膨胀器可以优选地是显示四个膨胀级。

图8A和8B表示用于如图7A中所示的独立CES系统的电力岛(33)的另外两个替代性方案，它们是本发明的实施例。

图9A和9B表示用于如图7B和7C中所示的热学集成CES系统的电力岛(330)的另外两个替代性布置结构，它们是本发明的实施例。

图10描述了根据本发明的CES系统的替代性视图。图10示出了第一中间闭合环路(501)和第二中间闭合环路(502)的布置结构。图10提供了当引入第一(501)和第二(502)中间闭合环路时如图7A-7C、8A-8B、9A-9B中所示的本发明实施例的替代性视图。

图7至图10示出了作为要求保护的本发明的实施例的电力回收子系统和低温能量存储系统，并且还通过本发明经编号的条款来实现。

第一热能存储装置(16)可以在四个膨胀级(61000、62000、63000、64000)中的每一个膨胀级之前经由电力回收加热器(81000、82000、83000、84000)将热的热能供应至所述电力回收单元的工作流体，而第二热能存储装置(12)可以在最后的第四膨胀级(64000)之前经由放置在电力回收加热器(84000)下游和最后的膨胀级(64000)上游的电力回收加热器(85000)将热的热能供应至所述电力回收单元的工作流体(参见图8A)。额外的电力回收加热器(80000)可以放置在位于第一膨胀级(61000)上游的电力回收加热器(81000)的上游，其中所述电力回收单元的工作流体可以在被设置在第一膨胀级上游的电力回收加热器(81000)进一步加热之前被第四膨胀级(64000)的输出加热(参见图8B)。在已经通过额外的电力回收加热器(80000)将其热的热能传递到电力回收单元的工作流体之后，第四膨胀级的输出可以被排放到大气中，或用于再生所述APU的吸附容器。

对于作为本发明实施例的构造9A-9B中的每一个构造，从电力岛(330)的输出转向的流(35)经由蒸发器(32)冷却，然后由电力回收压缩机(34)再压缩，并且在倒数第二个膨胀级的下游和电力回收加热器(84000、85000)和最后一个膨胀级(64000)的上游注回到所述电力岛(330)。压缩机(34)的功输入通过使其输入经由蒸发器(32)由第二分开的闭合单环路(403)的传热流体冷却而被减少，且最后膨胀级的功输出通过增大由所述最后膨胀级处理的质量流率而被增加。所述电力岛的输出流的其余部分可以被排放到大气中，或用于再生所述APU(13)的吸附容器。

在图8A和9A之间与在图8B和9B之间的一个区别在于存在所述流(35)。在图9A和9B中，来自在最后一个膨胀级(64000)下游的电力岛(330)的输出的至少一部分在被注回到处在倒数第二个膨胀级(63000)下游和电力回收加热器(84000、85000)和最后一个膨胀级(64000)上游的电力岛(330)之前，被转向、经由蒸发器(32)冷却并由压缩机(34)再压缩。图9B显示了额外的电力回收加热器(80000)。所述额外的电力回收加热器(80000)可以放置在电力回收加热器(81000)的上游和第一膨胀级(61000)的上游，其中所述电力回收单元的工作流体可以在被放置在第一膨胀级(61000)上游的电力回收加热器(81000)进一步加热之前被最后的膨胀级(64000)的输出加热。

在图7A-7C、8A-8B、9A-9B和10中，第一热能存储装置(16)经由压缩热采集热交换器(15)热学耦合到循环空气压缩机(14)并且经由压缩热采集热交换器(150)热学耦合到主空气压缩机(10)。循环通过第五分开的闭合双环路(500；16、16A)的两个单环路的传热流体可以仅包含水，或者可以包含水和乙二醇的混合物。第一热能存储装置(16)可以存储温度在150℃与350℃之间的压缩热。

在图7A-7C、8A-8B、9A-9B和10中，第二热能存储装置(12)经由压缩热采集热交换器(110)热学耦合到主空气压缩机(10)。循环通过第四分开的闭合双环路(110、12、12A)的两个单环路的传热流体可以包含熔融盐。第二热能存储装置(12)可以存储温度在150℃和550℃之间、优选地是在200℃和400℃之间的压缩热。

如图7A-7C和10所示，提供第三(110)和第四(150)压缩热采集热交换器的优点是确保所述工艺流在通过第三(110)压缩热采集热交换器时保持足够得热，以避免在单环路(110，12)中循环的熔融盐凝固。

在图8A-8B和9A-9B中提供两个电力回收加热器(84000；85000)的优点是在传送通过所述电力回收加热器(84000)时充分加热所述工作流体，以避免循环通过第四分开的闭合双环路(110、12、12A)的单环路12A的熔融盐在传送通过所述电力回收加热器(85000)时凝固。

熔融盐可以有利地是被用作第四分开的闭合双环路中的传热流体。使用熔融盐作为传热流体可以提供以下优点：

-它们具有超低的蒸气压(约0kPa)，即，可以通过适度地对它们加压而将它们保持在液态，因此仅需要使用低压力容器(例如加压至例如几百毫巴，这是不贵的)来存储它们；

-它们需要比经由压缩机的气态传热流体更少的能量来经由泵来加压；

-它们具有高密度，典型地是例如在1600和2500kg/m³之间；

-它们在高温下是稳定的；

-它们是不可燃的；

-它们在高温下具有低粘度；

-它们具有高的每单位体积的热容；

-它们用于广泛的应用中，从能量存储到核反应堆和聚光太阳能(CSP)电厂。

然而，通过管道系统输送熔融盐需要使用定制的且昂贵类型的管道系统，其能够通过使用伴热(heat tracing)将熔融盐的温度保持高于它们固化或“凝固”的温度。没有这种类型的管道系统的话，在主空气压缩机(10)和电力回收加热器(85000)之间的管道系统内的熔融盐可能凝固，导致整个系统的运行和维护问题。此外，熔融盐是腐蚀性的，并且可能损坏管道系统和CES系统内的昂贵的机械装备。

在授予BASF(巴斯夫公司)的US8,895,901B2中描述了输送熔融盐所需的管道系统类型的示例。熔融盐管道系统不同于常规的管道系统，使得常规的管道系统可能不适合于输送熔融盐。例如，熔融盐管道系统可以将所述盐保持高于凝固点，以避免再熔化的工艺。在另一示例中，熔融盐管道系统可以包含专门设计用于泵送熔融盐的循环泵。

第二热能存储装置可以具体地是构造用以以比由第一热能存储装置存储的热能更高的等级存储热能或热。这可以包括被构造用以包含如上详细所述的熔融盐所需的定制管道系统。

第一中间闭合环路(501)和第二中间闭合环路(502)可以如图10所示结合在本发明中，以解决上述的熔融盐的问题。换句话说，第一和第二中间闭合环路减少了所需的配备伴热的管道系统的数量，从而降低了资本支出，并且使输送熔融盐的管道系统和输送所述液化单元的工艺流和所述电力回收单元的工作流体的管道系统保持隔开。

第一中间闭合环路(501)可以被引入在主空气压缩机(10)和第四分开的闭合双环路(110、12、12A)的一个单环路(110、12)之间。在这种情况下，第四分开的闭合双环路(110、12、12A)变成第六分开的闭合双环路(503、12、504)。第一中间闭合环路(501)经过压缩热采集热交换器(110)和额外的热交换器(110A)，所述额外的热交换器(110A)允许在压缩热采集热交换器(110)与第六分开的闭合双环路(503、12、504)的单环路(503)之间的热传递。

第二中间闭合环路(502)可以被引入在第四分开的闭合双环路(110、12、12A)的单环路(504)与电力回收加热器(85000)之间。在这种情况下，第四分开的闭合双环路(110、12、12A)变成第六分开的闭合双环路(503、12、504)。第二中间闭合环路(502)经过所述热交换器(110B)和电力回收加热器(85000)。附加的热交换器(110B)允许在第六分开的闭合双环路(503、12、504)的单环路(504)和电力回收加热器(85000)之间的热传递。

第一中间闭合环路(501)和第二中间闭合环路(502)中的每一个可以包括：

-传热流体；

-泵(如果传热流体是液体的话)或机械鼓风机(如果传热流体是气体的话)，以使传热流体循环通过所述中间闭合环路；

-加压单元，所述加压单元适应由施加到所述传热流体的热学变化引起的、在所述中间闭合环路中的所述传热流体所占据的体积的变化。

所述中间闭合环路中的传热流体可以是单一类型的导热油或者是导热油混合物。可以使用的导热油的例子是来自Dow Therm^TM范围的传热流体和SylTherm^TM范围的硅酮流体的流体，二者均由Dow Chemical Company(陶氏化学公司)制造。也可以使用其它合适的流体。

机械鼓风机或泵用于抵消在所述传热流体循环通过第一(501)和第二(502)中间闭合环路时影响所述传热流体的压降。

第一(501)和第二(502)中间闭合环路因此将熔融盐保持高于它们“凝固”的温度，以避免它们固化，否则这将导致在主空气压缩机(10)和电力回收加热器(85000)之间的管道系统以及整个系统中的操作和维护问题。此外，所述第一中间闭合环路(501)和第二中间闭合环路(502)保持熔融盐远离输送所述液化单元的工艺流和所述电力回收单元的工作流体的管道系统。

本发明经编号的条款：

1.一种用于低温能量存储系统的电力回收子系统，所述电力回收子系统包括：

第一热源；

第一热交换器；

第二热交换器；

第一膨胀级；

第二膨胀级；

第一管道布置结构，其具有上游端和下游端，并且构造用以将工作流体传送通过所述第一热交换器、所述第一膨胀级、所述第二热交换器和所述第二膨胀级；以及

第二管道布置结构，其被构造用以将来自所述第一热源的第一传热流体传送通过所述第一热交换器和所述第二热交换器，

其中所述第二管道布置结构还被构造用以将所述第一传热流体的第一部分传送通过所述第一热交换器并且使所述第一传热流体的第二部分传送通过所述第二热交换器。

2.根据条款1所述的子系统，还包括：

第三热交换器；以及

第三膨胀级；

其中所述第一管道布置结构还构造用以将所述工作流体传送通过所述第三热交换器和所述第三膨胀级；并且

其中所述第二管道布置结构还被构造用以将所述第一传热流体的第三部分传送通过所述第三热交换器。

3.根据条款1或2所述的子系统，还包括；

第二热源；

第四热交换器；

第四膨胀级；以及

第三管道布置结构，其构造用以使来自第二热源的第二传热流体传送通过第四热交换器，

其中第一管道布置结构进一步构造用以将工作流体传送通过第四热交换器和第四膨胀级。

4.根据条款3所述的子系统，还包括：

第五热交换器；以及

第五膨胀级；

其中所述第一管道布置结构还构造用以将所述工作流体传送通过所述第五热交换器和所述第五膨胀级；并且

其中所述第三管道布置结构还被构造用以将所述第二传热流体的第一部分传送通过所述第四热交换器并且使所述第二传热流体的第二部分传送通过所述第五热交换器。

5.根据条款3或条款4所述的子系统，其中，第三管道布置结构所穿过的所述热交换器或每个热交换器沿着第一管道布置结构定位在第二管道布置结构所穿过的热交换器的上游。

6.根据条款3或条款4所述的子系统，其中，第三管道布置结构所穿过的所述热交换器或每个热交换器沿着第一管道布置结构定位在第二管道布置结构所穿过的热交换器的下游。

7.根据任一前述条款所述的子系统，还包括：

第六热交换器，

其中所述第一管道布置结构还构造用以将所述工作流体在(i)所述第二管道布置结构所穿过的最上游的热交换器和(ii)所述第三管道布置结构所穿过的最上游的热交换器两者的上游穿过所述第六热交换器，并且

其中所述第一管道布置结构还构造用以将从最下游膨胀级输出的工作流体传送通过所述第六热交换器到达排出口。

8.根据任一前述条款所述的子系统，还包括：

第四管道布置结构，其构造用以将所述工作流体的一部分从所述第一管道布置结构中的下游位置转向通过蒸发器和第一压缩机，并使其返回到所述第一管道布置结构中的上游位置。

9.根据条款8所述的子系统，其中，所述蒸发器沿着第一管道布置结构定位在最上游的热交换器的上游，其中，所述下游位置处在最下游膨胀级的下游；并且其中所述上游位置紧挨在最下游膨胀级的上游。

10.根据条款3至9所述的子系统，所述子系统构造成使得第二管道布置结构穿过第一、第二和第三热交换器，且优选地是不穿过其它热交换器，并且第三管道布置结构穿过第四热交换器，且优选地是不穿过其它热交换器，并且其中，第三管道布置结构所穿过的热交换器处在第二管道布置结构所穿过的热交换器的上游。

11.根据条款4至9所述的子系统，所述子系统构造成使得第二管道布置结构穿过第一、第二和第三热交换器，且优选地是不穿过其它热交换器，并且第三管道布置结构穿过第四和第五热交换器，且优选地是不穿过其它热交换器，其中，第二管道布置结构所穿过的热交换器处在第三管道布置结构所穿过的热交换器的上游。

12.根据条款3至9所述的子系统，所述子系统构造成使得第二管道布置结构穿过第一、第二和第三热交换器，且优选地是不穿过其它热交换器，并且第三管道布置结构穿过第四热交换器，且优选地是不穿过其它热交换器，其中，第二管道布置结构所穿过的热交换器处在第三管道布置结构所穿过的热交换器的上游。

13.根据任一前述条款所述的子系统，其中，所述第一热源是第一热能存储装置，并且所述第二管道布置结构还构造用以在将所述第一传热流体在传送通过所述第二管道布置结构被构造用以穿过的每个热交换器之后，将所述第一传热流体返回至所述第一热能存储装置，使得所述第二管道布置结构形成第一闭合回路。

14.根据条款3至13中任一项所述的子系统，其中第二热源是第二热能存储装置，并且第三管道布置结构还构造用以在将第二传热流体传送通过第三管道布置结构被构造用以穿过的每个热交换器之后，将第二传热流体返回至第二热能存储装置，使得第三管道布置结构形成第二闭合回路。

15.根据条款14所述的子系统，其中第一热能存储装置构造用以存储由循环空气压缩机生成的压缩热的至少一部分，并且第二热能存储装置构造用以存储由主空气压缩机生成的压缩热的至少一部分，可选地是，其中第二热能存储装置可以包括适合于输送熔融盐的管道系统。

16.根据条款3至13中任一项所述的子系统，还包括：

第十热交换器；以及

第十一热交换器，其中：

第二热源是第二热能存储装置，

所述第一管道布置结构还被构造用以将所述工作流体紧挨在所述第四热交换器的上游传送通过所述第十热交换器，并且其中；

所述第三管道布置结构被构造用以形成两个闭合环路，第一闭合环路穿过所述第二热能存储装置和所述第十一热交换器，并且第二闭合环路穿过所述第十一热交换器和所述第四热交换器，

可选地是，其中所述第一闭合环路中的传热流体包含熔融盐，进一步可选地是，其中所述第二闭合环路中的传热流体包含导热油或导热油混合物。

17.根据条款16所述的子系统，其中第一热能存储装置构造用以存储由主空气压缩机生成的压缩热的至少一部分和由循环空气压缩机生成的压缩热的至少一部分，并且第二热能存储装置构造用以存储由主空气压缩机生成的压缩热的至少一部分，可选地是，其中第二热能存储装置可以包括适合于输送熔融盐的管道系统。

18.根据条款14至17中任一项所述的子系统，其中第二热能存储装置构造用以以比存储在第一热能存储装置中的热能的温度高的温度存储热能，可选地是，其中第二热能存储装置构造用以存储在150℃至550℃之间、优选是在200℃至400℃之间的热能，并且第一热能存储装置构造用以存储在150℃至350℃之间的热能。

19.一种低温能量存储系统，包括：

电力回收子系统，包括多个膨胀级，所述多个膨胀级被构造用以经由对应的多个热交换器从第一热能存储装置和第二热能存储装置接收热的热能，并将所述热的热能传递到通过所述多个膨胀级和所述多个热交换器的工作流体，优选地是，其中所述电力回收子系统是根据条款3至18中任一项的子系统；以及

液化子系统，其被构造用以将热能供应至所述第一热能存储装置和所述第二热能存储装置，并且所述液化子系统进一步包括；

主空气压缩机；

循环空气压缩机；

第八热交换器；

第九热交换器；

第五管道布置结构，其被构造用以将工艺流穿过所述主空气压缩机、第八热交换器、循环空气压缩机和第九热交换器；

第六管道布置结构，其形成第三闭合回路并且被构造用以将第三传热流体在所述第二热能存储装置与所述第八热交换器之间通过；以及

第七管道布置结构，其形成第四闭合回路并且被构造用以将第四传热流体在所述第一热能存储装置与所述第九热交换器之间通过，

其中所述第八热交换器沿着所述第五管道布置结构定位成紧挨在所述主空气压缩机的下游，并且被构造用以将来自所述主空气压缩机的所述工艺流的压缩热的至少一部分经由所述第三传热流体传递至所述第二热能存储装置，并且

其中所述第九热交换器沿着所述第五管道布置结构定位成紧挨在所述循环空气压缩机的下游，并且被构造用以将来自所述循环空气压缩机的所述工艺流的压缩热的至少一部分经由所述第四传热流体传递到所述第一热能存储装置。

20.根据条款19所述的系统，还包括：

冷箱；

液化涡轮膨胀器；

第八管道布置结构，其被构造用以将所述工艺流的至少一部分在通过所述冷箱并与所述循环空气压缩机上游的所述第五管道布置结构合并之前传送通过所述液化涡轮膨胀器和所述冷箱的一部分，使得通过所述主空气压缩机的流体的质量流率小于通过所述循环空气压缩机的流体的质量流率；

第九管道布置结构，其构造用以将所述工艺流的至少一部分传送通过所述冷箱、膨胀装置、优选地是焦耳-汤姆逊阀或湿式涡轮膨胀器而到达相分离器，使得在所述第八管道布置结构中的所述工艺流的所述部分经由所述冷箱将冷的热能传递至在所述第九管道布置结构中的所述工艺流的所述部分；以及

第一冷循环环路，其中所述第一冷循环环路穿过所述冷箱并且被构造用来将冷的废热能从在所述低温能量存储系统外部但与所述低温能量存储系统热学集成的系统传递到在所述第九管道布置结构中的所述工艺流的至少所述部分。

21.根据条款19或20所述的系统，其中，电力回收子系统还包括蒸发器；该系统还包括：

第二冷循环环路，所述第二冷循环环路穿过所述蒸发器并且被构造用以将冷的废热能从在所述低温能量存储系统外部但与所述低温能量存储系统热学集成的系统传递到所述工作流体的至少一部分，优选地是传递到在所述电力回收子系统的所述多个膨胀级和所述多个热交换器下游的所述工作流体的一部分。

22.根据条款19至21中任一项所述的低温能量存储系统，其中，所述主空气压缩机具有与循环空气压缩机不同的输入和输出压力，并且所述主空气压缩机和/或循环空气压缩机是绝热的。

23.根据条款19至22中任一项的低温能量存储系统，还包括第十二热交换器，其中：

第五管道布置结构还构造用以将所述工艺流在第八热交换器下游和循环空气压缩机上游传送通过第十二热交换器，

第七管道布置结构还构造用以将第四传热流体传送通过第十二热交换器，并且其中

第十二热交换器被构造用以将来自主空气压缩机的工艺流的压缩热的至少一部分经由第四传热流体传递到第一热能存储装置。

24.根据条款19至23中任一项所述的低温能量存储系统，其中，从第二热能存储装置接收的热能的温度大于从第一热能存储装置接收的热能的温度，可选地是，其中，第二热能存储装置构造用以存储在150℃和550℃之间、优选地是在200℃和400℃之间的热能，并且所述第一热能存储装置被构造用以存储在150℃和350℃之间的热能。

25.根据条款19至24中任一项所述的低温能量存储系统，还包括第十三热交换器，并且其中：

其中所述第六管道布置结构构造用以形成两个闭合采集环路，第一闭合采集环路穿过所述第八热交换器和所述第十三热交换器，并且第二闭合采集环路穿过所述第十三热交换器和所述第二热能存储装置，

可选地是，其中第二闭合采集环路中的传热流体可以包括熔融盐，进一步可选地是，其中第一闭合采集环路中的传热流体可以包括导热油或导热油混合物

26.一种热能循环系统，包括：

主空气压缩机；

循环空气压缩机；

第二热能存储装置；

第一热能存储装置；

工作流体；以及

多个膨胀级，包括第一子集和第二子集；

其中所述系统被构造用以在液化阶段期间采集由所述主空气压缩机产生的压缩热的至少一部分压缩热并将其存储在所述第二热能存储装置中，并且在电力回收阶段期间将存储在所述第二热能存储装置中的压缩热施加给在所述第一子集的膨胀级中的每一个膨胀级的上游的工作流体，并且

其中所述系统还被构造用以在液化阶段期间采集由所述循环空气压缩机产生的压缩热的至少一部分压缩热并且将其存储在所述第一热能存储装置中，并且在电力回收阶段期间将存储在所述第一热能存储装置中的压缩热施加给在所述第二子集的膨胀级中的每一个膨胀级的上游的工作流体。

27.一种用于在低温能量存储系统中再循环热能的方法，包括：

提供液化子系统，所述液化子系统包括：

主空气压缩机；

循环空气压缩机；

第二热能存储装置；以及

第一热能存储装置；

提供电力回收子系统，所述电力回收子系统包括：

工作流体；以及

多个膨胀级，包括第一和第二子集；

从所述主空气压缩机采集所述压缩热的至少一部分并且将其存储在所述第二热能存储装置中；

从所述循环空气压缩机采集所述压缩热的至少一部分并将其存储在所述第一热能存储装置中；

将存储在所述第二热能存储装置中的压缩热施加给在所述第一子集的膨胀级中的每一个膨胀级的上游的工作流体；以及

将存储在所述第一热能存储装置中的压缩热施加给在所述第二子集的膨胀级中的每一个膨胀级的上游的工作流体。

28.根据条款26的系统或根据条款27所述的方法，还包括：

冷箱；

第一冷循环回路，其被构造用以穿过所述冷箱并且将冷的废热能从在所述低温能量存储系统外部但是与所述低温能量存储系统热学集成的系统传递到工艺流的一部分，所述工艺流的一部分传送通过所述冷箱、膨胀装置、优选地是焦耳-汤姆逊阀或湿式涡轮膨胀器至相分离器。

29.根据条款26或28所述的系统，或根据条款27或28所述的方法，还包括：

第二冷循环回路，

并且其中所述电力回收子系统还包括：

蒸发器；以及

压缩机；

其中所述第二冷循环回路被构造用以穿过所述蒸发器并且将冷的废热能从在所述低温能量存储系统外部但与所述低温能量存储系统热学集成的系统传递到所述工作流体的一部分，所述工作流体的一部分从所述电力回收单元的输出传送通过所述蒸发器和所述压缩机并且重新进入所述电力回收单元。

30.根据条款26、28或29所述的系统，或根据条款27至29所述的方法，其中，通过主空气压缩机的流体的质量流率小于通过循环空气压缩机的流体的质量流率。

31.根据条款26、28、29或30所述的系统，或根据条款27至30所述的方法，其中主空气压缩机具有与循环空气压缩机不同的输入和输出压力，并且主空气压缩机和/或循环空气压缩机是绝热的。

32.根据条款26、28、29、30或31所述的系统，或根据条款27至31所述的方法，其中所述外部系统是液化天然气再气化终端。

33.根据条款26、28、29、30、31或32所述的系统，或根据条款27至32所述的方法，其中第二热能存储装置构造用以在与由第一热能存储装置采集、存储和施加的压缩热的温度不同，优选地是高于由第一热能存储装置采集、存储和施加的压缩热的温度的温度下采集、存储和施加压缩热，可选地是，其中第二热能存储装置构造用以存储在150℃至550℃之间，优选地是在200℃至400℃之间的热能，并且第一热能存储装置构造用以存储在150℃至350℃之间的热能。

34.根据条款26、28至33所述的系统，其中，所述系统还构造用以在液化阶段期间采集和存储由主空气压缩机产生的压缩热的至少一部分压缩热并将其存储在第一热能存储装置中。

35.根据条款34所述的系统，其中，所述系统构造用以在电力回收阶段期间经由传热流体将存储在第一热能存储装置中的压缩热施加至工作流体。

36.根据条款34或35所述的系统，其中，所述系统还构造用以在液化阶段期间经由传热流体采集来自主空气压缩机的压缩热的至少一部分压缩热并将其存储在第一热能存储装置中，以及采集来自循环空气压缩机的压缩热的至少一部分压缩热并将其存储在第一热能存储装置中。

37.根据条款26、28至36中任一项所述的系统，其中，系统还包括：

第一对管道环路，其被构造用以经由第一中间热交换器彼此热学相互作用；以及

第二对管道环路，其被构造用以经由第二中间热交换器彼此热学相互作用，其中所述系统被构造用以经由所述第一对管道环路采集来自所述主空气压缩机的所述压缩热的所述至少一部分压缩热并将其存储在所述第二热能存储装置中，并且其中所述系统被构造用以经由所述第二对管道环路将存储在所述第二热能存储装置中的所述压缩热施加到所述工作流体。

38.根据条款37所述的系统，其中所述第一对管道环路包括第一管道环路和第二管道环路，并且其中，第一对管道环路构造用以将压缩热的至少一部分经由第一管道环路从主空气压缩机传递至第一中间热交换器，并且经由第二管道环路从第一中间热交换器传递至第二热能存储装置，可选地是，其中，第二管道环路中的传热流体可包括熔融盐。

39.根据条款37或38所述的系统，其中所述第二对管道环路包括第三管道环路和第四管道环路，并且其中，第二对管道环路构造用以将存储在第二热能存储装置中的压缩热的至少一部分经由第三管道环路传递至第二中间热交换器，并且经由第四管道环路从第二中间热交换器传递至工作流体，可选地是，其中，第三管道环路中的传热流体可包括熔融盐。

40.根据条款27至33中任一项所述的方法，还包括从主空气压缩机采集压缩热的至少一部分并将其存储在第一热能存储装置中。

41.根据条款37所述的方法，其中，在将存储在第一热能存储装置中的压缩热施加至工作流体的期间，所述压缩热经由传热流体进行传递。

42.根据条款37或38所述的方法，其中，在从主空气压缩机采集压缩热的至少一部分并将其存储在第一热能存储装置中的期间以及在从循环空气压缩机采集压缩热的至少一部分并将其存储在第一热能存储装置中的期间，所述压缩热经由传热流体进行传递。

43.根据条款27至33或40中任一项所述的方法，其中，从主空气压缩机采集压缩热的至少一部分并将其存储在第二热能存储装置中包括：

将压缩热的至少一部分经由第一管道环路从所述主空气压缩机传递到第一中间热交换器、并且经由第二管道环路从所述第一中间热交换器传递到所述第二热能存储装置，可选地是，其中所述第二管道环路中的传热流体可以包括熔融盐。

44.根据条款27至33或40或43中任一项所述的方法，其中，将存储在第二热能存储装置中的压缩热施加至工作流体包括：

将存储在所述第二热能存储装置中的压缩热的至少一部分经由第三管道环路传递至第二中间热交换器、并且经由第四管道环路从所述第二中间热交换器传递至所述工作流体，可选地是，其中所述第三管道环路中的传热流体可以包含熔融盐。