(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 112145248 A(43)申请公布日 2020.12.29
(21)申请号 202010943867.6(22)申请日 2020.09.08
(71)申请人 北京科技大学
地址 100083 北京市海淀区学院路30号(72)发明人 王立 贺秀芬
(74)专利代理机构 北京市广友专利事务所有限
责任公司 11237
代理人 张仲波(51)Int.Cl.
F01K 25/10(2006.01)F01K 13/00(2006.01)F01D 13/00(2006.01)F01D 15/10(2006.01)F25J 3/04(2006.01)F25J 5/00(2006.01)
权利要求书7页 说明书17页 附图4页
(54)发明名称
具有储能、发电和物质回收功能的外压缩空分工艺流程
(57)摘要
本发明提供一种具有储能、发电和物质回收功能的外压缩空分工艺流程，属于空分技术领域。该工艺通过在常规空分外压缩工艺流程的基础上设置低温液空储存系统和空气释能发电系统，形成集气体分离、液空储存、空气发电和物质回收为一体的空分新工艺流程，实现空分设备和技术的规模化储能特性。本发明既是一种新的外压缩空分工艺流程，也适用于对现有空分外压缩工艺流程的升级和更新改造。该工艺流程通过利用廉价谷电资源将空分产能需求以外的气体资源进行液化和储存，释能期间，通过设置蓄冷循环和利用压缩余热，使储存物质及其气化过程释放的冷能得到充分回收，并输出电能，以降低空分设备对峰电期电能的需求，提高企业的经济效益。
CN 112145248 ACN 112145248 A
权 利 要 求 书
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1.一种具有储能、发电和物质回收功能的外压缩空分工艺流程，其特征在于：在常规空分外压缩工艺流程基础上设置低温液空储存系统和空气释能发电系统，实现空分设备和技术的规模化储能特性；空气释能发电系统包括液空泵一(36)、液空泵二(37)、蒸发器一(38)、蒸发器二(39)、加热器一(40)、透平膨胀发电机二(41)、加热器二(42)、中品位冷能储罐二(45)、高品位冷能储罐二(46)、冷却介质泵一(47)和冷却介质泵二(48)；在取消常规空分外压缩装置的主换热器(15)时，低温液空储存系统包括空气增压机(11)、中压主换热器一(16)、透平膨胀发电机一(14)、液空过冷器(33)、气液分离器(34)、液空储罐(35)、节流阀(V6)、冷却介质泵三(49)、冷却介质泵四(50)、中品位冷能储罐一(43)和高品位冷能储罐一(44)；在保留常规空分外压缩装置的主换热器(15)时，低温液空储存系统包括空气增压机(11)、中压主换热器二(17)、透平膨胀发电机一(14)、液空过冷器(33)、气液分离器(34)、液空储罐(35)、节流阀(V6)、冷却介质泵三(49)、冷却介质泵四(50)、中品位冷能储罐一(43)和高品位冷能储罐一(44)。
2.根据权利要求1所述的具有储能、发电和物质回收功能的外压缩空分工艺流程，其特征在于：当取消常规空分外压缩装置的主换热器(15)时，中压主换热器一(16)设置纯化后低压空气通道、增压后中压空气通道、低压膨胀空气通道、中压膨胀空气通道、氧气复热通道、低温空气复热通道、污氮气复热通道、氮气复热通道、级间空气复热通道、级间空气冷却通道、高品位冷却介质复热通道和中品位冷却介质复热通道，同时在低压膨胀空气通道上设置中部和底部两个流体抽出位置，中压膨胀空气通道上设置中部和底部两个流体抽出位置，氧气复热通道上设置中部和上部两个流体抽出位置，氮气复热通道上设置中部和上部两个流体抽出位置；
当保留常规空分外压缩装置的主换热器(15)时，中压主换热器二(17)设置纯化后低压空气通道、增压后中压空气通道、低压膨胀空气通道、中压膨胀空气通道、氧气复热通道、低温空气复热通道、氮气复热通道、级间空气复热通道、级间空气冷却通道、高品位冷却介质复热通道和中品位冷却介质复热通道，同时在低压膨胀空气通道上设置中部和底部两个流体抽出位置，中压膨胀空气通道上设置中部和底部两个流体抽出位置，氧气复热通道上设置中部和上部两个流体抽出位置，氮气复热通道上设置中部和上部两个流体抽出位置。
3.根据权利要求2所述的具有储能、发电和物质回收功能的外压缩空分工艺流程，其特征在于：当取消常规空分外压缩装置的主换热器(15)时，中压主换热器一(16)的纯化后低压空气通道输入端连接于现有的分子筛吸附器(8)的空气输出端，中压主换热器一(16)的纯化后低压空气通道输出端连接于现有的高压塔(22)的原料输入端；中压主换热器一(16)的增压后中压空气通道输入端连接于空气增压机(11)的四级冷却器输出端，中压主换热器一(16)的增压后中压空气通道输出端连接于液空过冷器(33)的液态空气输入端；中压主换热器一(16)的低压膨胀空气通道输入端连接于现有的增压后冷却器(13)的输出端，中压主换热器一(16)的低压膨胀空气通道中部和底部输出端连接于现有的增压透平膨胀机(12)的膨胀端输入管道；中压主换热器一(16)的中压膨胀空气通道输入端连接于空气增压机(11)的三级冷却器输出端，中压主换热器一(16)的中压膨胀空气通道中部和底部输出端连接于透平膨胀发电机一(14)的膨胀端输入管道；中压主换热器一(16)的氧气复热通道输入端连接于现有的过冷器一(19)的氧气输出端，中压主换热器一(16)的氧气复热通道中部和上部输出端均连接于氧气产品输出管道；中压主换热器一(16)的低温空气复热通道输入端
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连接于液空过冷器(33)的低温空气输出端，中压主换热器一(16)的低温空气复热通道输出端连接于污氮气输出管道；中压主换热器一(16)的污氮气复热通道输入端连接于现有的过冷器二(23)的污氮气输出端，中压主换热器一(16)的污氮气复热通道输出端连接于污氮气输出管道；中压主换热器一(16)的氮气复热通道输入端连接于过冷器二(23)的氮气输出端，中压主换热器一(16)的氮气复热通道中部和上部输出端连接于氮气产品输出管道；中压主换热器一(16)的级间空气复热通道输入端连接于透平膨胀发电机二(41)的一级膨胀端输出管道，中压主换热器一(16)的级间空气复热通道输出端连接于加热器二(42)的空气输入端；中压主换热器一(16)的级间空气冷却通道输入端连接于透平膨胀发电机二(41)的二级膨胀端输出管道，中压主换热器一(16)的级间空气冷却通道输出端连接于增压透平膨胀机(12)的膨胀端输出管道；中压主换热器一(16)的高品位冷却介质复热通道输入端连接于冷却介质泵四(50)的输出端，中压主换热器一(16)的高品位冷却介质复热通道输出端连接于高品位冷能储罐一(44)的输入端；中压主换热器一(16)的中品位冷却介质复热通道输入端连接于冷却介质泵三(49)的输出端，中压主换热器一(16)的中品位冷却介质复热通道输出端连接于中品位冷能储罐一(43)的输入端；空气增压机(11)的输入端连接于分子筛吸附器(8)的空气输出端；透平膨胀发电机一(14)的膨胀端输出管道连接于高压塔(22)的原料输入端；液空过冷器(33)的液态空气输出端连接于气液分离器(34)的输入端，气液分离器(34)的气体输出端连接于液空过冷器(33)的低温空气输入端，液空过冷器(33)的低温空气输出端连接于现有的低压塔(20)的原料输入端，气液分离器(34)的液体输出端连接于液空储罐(35)的输入端；液空储罐(35)的输出端分别连接于液空泵一(36)和液空泵二(37)输入端，液空泵一(36)的输出端连接于高压塔(22)的原料输入端，液空泵二(37)的输出端连接于蒸发器一(38)的液态空气输入端；蒸发器一(38)的汽化空气输出端连接于蒸发器二(39)的空气输入端，蒸发器二(39)的空气输出端连接于加热器一(40)的空气输入端，加热器一(40)的空气输出端连接于透平膨胀发电机二(41)的一级膨胀端输入管道；加热器二(42)的空气输出端连接于透平膨胀发电机二(41)的二级膨胀端输入管道；中品位冷能储罐一(43)的输出端连接于冷却介质泵一(47)的输入端，冷却介质泵一(47)的输出端连接于蒸发器二(39)的中品位冷却介质输入端，蒸发器二(39)中品位冷却介质输出端连接于中品位冷能储罐二(45)的输入端，中品位冷能储罐二(45)的输出端连接于冷却介质泵三(49)的输入端；高品位冷能储罐一(44)的输出端连接于冷却介质泵二(48)的输入端，冷却介质泵二(48)的输出端连接于蒸发器一(38)的高品位冷却介质输入端，蒸发器一(38)的高品位冷却介质输出端连接于高品位冷能储罐二(46)的输入端，高品位冷能储罐二(46)的输出端连接于冷却介质泵四(50)的输入端；加热器一(40)和加热器二(42)的热流体输入端均连接于热源输入端，加热器一(40)和加热器二(42)的热流体输出端均连接于热源输出端；
分子筛吸附器(8)的空气输出端与中压主换热器一(16)和现有的中压氩换热器(18)的纯化后低压空气通道输入端之间设置控制阀门一(V1)，分子筛吸附器(8)的空气输出端与空气增压机(11)的输入端之间设置控制阀门二(V2)，分子筛吸附器(8)的空气输出端与增压透平膨胀机(12)的增压端输入管道之间设置控制阀门三(V3)；空气增压机(11)的三级冷却器输出端与中压主换热器一(16)的中压膨胀空气通道输入端之间设置控制阀门四(V4)；透平膨胀发电机一(14)的膨胀端输出管道与高压塔(22)的原料输入端之间设置控制阀门五(V5)；液空过冷器(33)的液态空气输出端与气液分离器(34)的输入端之间设置节流阀
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(V6)，液空过冷器(33)的低温空气输出端与低压塔(20)的原料输入端之间设置控制阀门六(V7)，液空过冷器(33)的低温空气输出端与中压主换热器一(16)的低温空气复热通道输入端之间设置控制阀门七(V8)；中压主换热器一(16)的低温空气复热通道输出端与污氮气输出管道之间设置控制阀门八(V9)，中压主换热器一(16)的中压膨胀空气通道中部输出端与透平膨胀发电机一(14)的膨胀端输入管道之间设置控制阀门十三(V14)，中压主换热器一(16)的中压膨胀空气通道底部输出端与透平膨胀发电机一(14)的膨胀端输入管道之间设置控制阀门十四(V15)，中压主换热器一(16)的氧气复热通道上部输出端与氧气产品输出管道之间设置控制阀门二十(V21)，中压主换热器一(16)的氧气复热通道中部输出端与氧气产品输出管道之间设置控制阀门二十一(V22)，中压主换热器一(16)的氮气复热通道上部输出端与氮气产品输出管道之间设置控制阀门二十四(V25)，中压主换热器一(16)的氮气复热通道中部输出端与氮气产品输出管道之间设置控制阀门二十五(V26)，中压主换热器一(16)的级间空气复热通道输入端与透平膨胀发电机二(41)的一级膨胀端输出管道之间设置控制阀门二十六(V27)，中压主换热器一(16)的级间空气复热通道输出端与加热器二(42)的空气输入端之间设置控制阀门二十七(V28)，中压主换热器一(16)的级间空气冷却通道输入端与透平膨胀发电机二(41)的二级膨胀端输出管道之间设置控制阀门二十八(V29)，中压主换热器一(16)的级间空气冷却通道输出端与增压透平膨胀机(12)的膨胀端输出管道之间设置控制阀门二十九(V30)，中压主换热器一(16)的高品位冷却介质复热通道输入端与冷却介质泵四(50)的输出端之间设置控制阀门三十四(V35)，中压主换热器一(16)的高品位冷却介质复热通道输出端与高品位冷能储罐一(44)的输入端之间设置控制阀门三十五(V36)；中压主换热器一(16)的中品位冷却介质复热通道输入端与冷却介质泵三(49)的输出端之间设置控制阀门四十(V41)，中压主换热器一(16)的中品位冷却介质复热通道输出端与中品位冷能储罐一(43)的输入端之间设置控制阀门四十一(V42)；增压透平膨胀机(12)的膨胀端出口设置止回阀V23；气液分离器(34)的液体输出端与液空储罐(35)的输入端之间设置控制阀门九(V10)；液空储罐(35)的输出端与液空泵一(36)和液空泵二(37)的输入端之间设置控制阀门十(V11)；液空泵一(36)的输出端与高压塔(22)的原料输入端之间设置控制阀门十一(V12)；液空泵二(37)的输出端与蒸发器一(38)的液态空气输入端之间设置控制阀门十二(V13)；高品位冷能储罐一(44)的输出端与冷却介质泵二(48)的输入端之间设置控制阀门三十(V31)，冷却介质泵二(48)的输出端与蒸发器一(38)的高品位冷却介质输入端之间设置控制阀门三十一(V32)；蒸发器一(38)的高品位冷却介质输出端与高品位冷能储罐二(46)的输入端之间设置控制阀门三十二(V33)，高品位冷能储罐二(46)的输出端与冷却介质泵四(50)的输入端之间设置控制阀门三十三(V34)；中品位冷能储罐一(43)的输出端与冷却介质泵一(47)的输入端之间设置控制阀门三十六(V37)，冷却介质泵一(47)的输出端与蒸发器二(39)中品位冷却介质输入端之间设置控制阀门三十七(V38)，蒸发器二(39)中品位冷却介质输出端与中品位冷能储罐二(45)的输入端之间设置控制阀门三十八(V39)，中品位冷能储罐二(45)的输出端与冷却介质泵三(49)的输入端之间设置控制阀门三十九(V40)。
4.根据权利要求2所述的具有储能、发电和物质回收功能的外压缩空分工艺流程，其特征在于：当保留常规空分外压缩装置的主换热器(15)时，中压主换热器二(17)的纯化后低压空气通道输入端连接于现有的分子筛吸附器(8)的空气输出端，中压主换热器二(17)的
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纯化后低压空气通道输出端连接于现有的高压塔(22)的原料输入端；中压主换热器二(17)的增压后中压空气通道输入端连接于空气增压机(11)的四级冷却器输出端，中压主换热器二(17)的增压后中压空气通道输出端连接于液空过冷器(33)的液态空气输入端；中压主换热器二(17)的低压膨胀空气通道输入端连接于现有的增压后冷却器(13)的输出端，中压主换热器二(17)的低压膨胀空气通道中部和底部输出端连接于现有的增压透平膨胀机(12)的膨胀端输入管道；中压主换热器二(17)的中压膨胀空气通道输入端连接于空气增压机(11)的三级冷却器输出端，中压主换热器二(17)的中压膨胀空气通道中部和底部输出端连接于透平膨胀发电机一(14)的膨胀端输入管道；中压主换热器二(17)的氧气复热通道输入端连接于现有的过冷器一(19)的氧气输出端，中压主换热器二(17)的氧气复热通道中部和上部输出端均连接于氧气产品输出管道；中压主换热器二(17)的低温空气复热通道输入端连接于液空过冷器(33)的低温空气输出端，中压主换热器二(17)的低温空气复热通道输出端连接于污氮气输出管道；中压主换热器二(17)的氮气复热通道输入端连接于现有的过冷器二(23)的氮气输出端，中压主换热器二(17)的氮气复热通道中部和上部输出端连接于氮气产品输出管道；中压主换热器二(17)的级间空气复热通道输入端连接于透平膨胀发电机二(41)的一级膨胀端输出管道，中压主换热器二(17)的级间空气复热通道输出端连接于加热器二(42)的空气输入端；中压主换热器二(17)的级间空气冷却通道输入端连接于透平膨胀发电机二(41)的二级膨胀端输出管道，中压主换热器二(17)的级间空气冷却通道输出端连接于增压透平膨胀机(12)的膨胀端输出管道；中压主换热器二(17)的高品位冷却介质复热通道输入端连接于冷却介质泵四(50)的输出端，中压主换热器二(17)的高品位冷却介质复热通道输出端连接于高品位冷能储罐一(44)的输入端；中压主换热器二(17)的中品位冷却介质复热通道输入端连接于冷却介质泵三(49)的输出端，中压主换热器二(17)的中品位冷却介质复热通道输出端连接于中品位冷能储罐一(43)的输入端；该工艺流程中其它增设设备的相关管道连接方式与取消常规空分外压缩装置中主换热器(15)时的低温液空储存系统和空气释能发电系统中的管道连接方式相同；
分子筛吸附器(8)的空气输出端与现有的主换热器(15)、中压主换热器二(17)和现有的中压氩换热器(18)的纯化后低压空气通道输入端之间设置控制阀门一(V1)；液空过冷器(33)的低温空气输出端与中压主换热器二(17)的低温空气复热通道输入端之间设置控制阀门七(V8)；中压主换热器二(17)的低温空气复热通道输出端与污氮气输出管道之间设置控制阀门八(V9)，中压主换热器二(17)的中压膨胀空气通道输入端与空气增压机的三级冷却器输出端之间设置控制阀门四(V4)，中压主换热器二(17)的中压膨胀空气通道中部输出端与透平膨胀发电机一(14)的膨胀端输入管道之间设置控制阀门十三(V14)，中压主换热器二(17)的中压膨胀空气通道底部输出端与透平膨胀发电机一(14)的膨胀端输入管道之间设置控制阀门十四(V15)，中压主换热器二(17)的低压膨胀空气通道输入端与增压后冷却器(13)的输出端之间设置控制阀门十五(V16)，中压主换热器二(17)的低压膨胀空气通道中部和底部输出端与增压透平膨胀机(12)的膨胀端输入管道之间设置控制阀门十六(V17)，中压主换热器二(17)的纯化后低压空气通道输入端与主换热器(15)和中压氩换热器(18)的纯化后低压空气通道输入管道之间设置控制阀门十七(V18)，中压主换热器二(17)的纯化后低压空气通道输出端与高压塔(22)的原料输入端之间设置控制阀门十八(V19)，中压主换热器二(17)的氧气复热通道输入端与过冷器一(19)的氧气输出端之间设
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置控制阀门十九(V20)，中压主换热器二(17)的氧气复热通道上部输出端与氧气产品输出管道之间设置控制阀门二十(V21)，中压主换热器二(17)的氧气复热通道中部输出端与氧气产品输出管道之间设置控制阀门二十一(V22)，中压主换热器二(17)的氮气复热通道输入端与过冷器二(23)的氮气输出端之间设置控制阀门二十三(V24)，中压主换热器二(17)的氮气复热通道上部输出端与氮气产品输出管道之间设置控制阀门二十四(V25)，中压主换热器二(17)的氮气复热通道中部输出端与氮气产品输出管道之间设置控制阀门二十五(V26)，中压主换热器二(17)的级间空气复热通道输入端与透平膨胀发电机二(41)的一级膨胀端输出管道之间设置控制阀门二十六(V27)，中压主换热器二(17)的级间空气复热通道输出端与加热器二(42)的空气输入端之间设置控制阀门二十七(V28)，中压主换热器二(17)的级间空气冷却通道输入端与透平膨胀发电机二(41)的二级膨胀端输出管道之间设置控制阀门二十八(V29)，中压主换热器二(17)的级间空气冷却通道输出端与增压透平膨胀机(12)的膨胀端输出管道之间设置控制阀门二十九(V30)，中压主换热器二(17)的高品位冷却介质复热通道输入端与冷却介质泵四(50)的输出端之间设置控制阀门三十四(V35)，中压主换热器二(17)的高品位冷却介质复热通道输出端与高品位冷能储罐一(44)的输入端之间设置控制阀门三十五(V36)；中压主换热器二(17)的中品位冷却介质复热通道输入端与冷却介质泵三(49)的输出端之间设置控制阀门四十(V41)，中压主换热器二(17)的中品位冷却介质复热通道输出端与中品位冷能储罐一(43)的输入端之间设置控制阀门四十一(V42)；该工艺流程中其它增设设备的相关控制阀门设置方式与取消常规空分外压缩装置中主换热器(15)时的低温液空储存系统和空气释能发电系统的控制阀门设置方式相同。
5.根据权利要求2所述的具有储能、发电和物质回收功能的外压缩空分工艺流程，其特征在于：所述低温液空储存系统在谷电期间运行，通过利用过剩的谷电资源将用户需求以外的空气经压缩、冷却、净化和增压后进行液化和储存，该过程既与气体分离过程共享压缩、预冷、纯化和热交换设备，又不影响其分离过程的精馏工况，实现储能期间空气分离和液空规模化储存同时运行的生产过程；所述空气释能发电系统在峰电或平电期间运行，通过对低温液态空气进行加压，并利用冷却循环介质和压缩设备的级间余热对液态空气进行气化和升温，驱动透平膨胀发电设备输出电能，膨胀输出的物质回收至精馏系统，实现释能期间空气分离、冷能回收、余热利用、膨胀发电和物质回收同时进行的综合生产过程。
6.根据权利要求5所述的具有储能、发电和物质回收功能的外压缩空分工艺流程，其特征在于：所述液态空气气化释放的冷能储存于冷却循环介质中，用于储能阶段的空气冷却和液化；透平膨胀机发电设备膨胀输出的空气经热交换设备进一步冷却后作为拉赫曼气体回收至低压塔(20)，取代原空分外压缩工艺的低压塔(20)拉赫曼进气，降低释能期间空气压缩机(1)的压缩负荷。
7.根据权利要求1所述的具有储能、发电和物质回收功能的外压缩空分工艺流程，其特征在于：所述空气增压机(11)为四级压缩和冷却设备，储能过程启动空气增压机(11)提高系统的空气液化温度和膨胀制冷能力；所述中压主换热器一(16)和中压主换热器二(17)是集液空储存、空气释能和空气分离过程为一体的重要核心换热设备；所述透平膨胀发电机一(14)采用低温气体膨胀设备，其膨胀输出压力接近于高压塔(22)的底部压力，既为系统提供空气原料和额外冷量来源，又能输出电能；所述液空过冷器(33)为液态空气前置过冷
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设备，通过增大液空过冷度来提高节流过程空气液化率；所述气液分离器(34)为常压气液分离设备，通过结合低温常压液空储罐(35)实现液态空气的常压安全储存；所述液空泵一(36)和液空泵二(37)均为低温液体泵，其中，液空泵一(36)为低压泵，液空泵二(37)为高压泵，释能时启动液空泵一(36)为系统补充冷量；所述蒸发器一(38)和蒸发器二(39)分别为高品位冷能和中品位冷能回收设备，使低温液态空气冷能在气化升温过程得到充分回收；所述加热器一(40)和加热器二(42)为透平膨胀发电机二(41)的入口和级间空气加热器，其热源来自空气压缩机(1)和产品压缩系统的压缩余热；所述透平膨胀发电机二(41)为不少于二级的气体膨胀设备，产生冷量的同时输出电能；所述冷却介质泵一(47)和冷却介质泵二(48)均为常温泵，用于传输常温冷却介质；所述冷却介质泵三(49)和冷却介质泵四(50)均为低温泵，用于传输低温冷却介质；所述高品位冷能储罐一(44)和高品位冷能储罐二(46)中的储存介质为丙烷；所述中品位冷能储罐一(43)和中品位冷能储罐二(45)中的储存介质为丙烷或甲醇。
8.根据权利要求3或4所述的具有储能、发电和物质回收功能的外压缩空分工艺流程，其特征在于：所述控制阀门一(V1)为低压空气流量调节阀；所述控制阀门二(V2)为增压空气流量调节阀，仅储能期间开启，用于为系统提供冷量和液空原料来源；所述控制阀门四(V4)为中压膨胀空气流量调节阀，储能期间开启，为系统的空气冷却和液化过程提供额外的冷量来源；所述控制阀门五(V5)为中压膨胀空气入高压塔(22)的流量控制阀，储能期间开启，用于为精馏系统提供原料气体；所述节流阀(V6)为液体节流阀，储能期间开启，用于产生常压低温液空；所述控制阀门六(V7)和控制阀门七(V8)分别为低温空气入低压塔(20)的流量控制阀和低温空气排放阀，储能期间二者协调操作，用于调节低温空气的入塔回收量；所述控制阀门八(V9)为低温空气输出阀，释能期间关闭，防止污氮气倒流；所述控制阀门十一(V12)和控制阀门十二(V13)分别为液空进高压塔(22)流量调节阀和液空释能流量控制阀；所述控制阀门十三(V14)和控制阀门十四(V15)分别为中压膨胀空气通道的中抽和底抽流量控制阀，二者协调作用，用于调节中压膨胀空气的制冷量和原料入塔参数；所述控制阀门十五(V16)和控制阀门十六(V17)分别为低压膨胀空气进、出中压主换热器二(17)的流量控制阀，控制阀门十七(V18)和控制阀门十八(V19)分别为纯化后低压空气进、出中压主换热器二(17)的流量控制阀，控制阀门十九(V20)为氧气产品进中压主换热器二(17)的流量控制阀，控制阀门二十三(V24)为氮气产品进中压主换热器二(17)的流量控制阀，用于平衡主换热器(15)和中压主换热器二(17)的能量需求，实现二者的并联操作；所述控制阀门二十(V21)和控制阀门二十一(V22)为中压主换热器一(16)和中压主换热器二(17)的氧气产品顶抽和中抽流量调节阀，用于调节中压主换热器一(16)和中压主换热器二(17)的氧气产品输出温度，平衡各主换热器的冷量需求；所述止回阀(V23)用于防止中压主换热器一(16)和中压主换热器二(17)输出的级间冷却空气倒流回增压透平膨胀机(12)；所述控制阀门二十四(V25)和控制阀门二十五(V26)为中压主换热器一(16)和中压主换热器二(17)的氮气产品顶抽和中抽流量调节阀，用于调节中压主换热器一(16)和中压主换热器二(17)的氮气产品输出温度，平衡各主换热器的冷量需求；所述控制阀门二十八(V29)和控制阀门二十九(V30)分别为中压主换热器一(16)和中压主换热器二(17)的空气冷却通道输入和输出流量控制阀，仅释能期间开启，用于回收膨胀释能空气，实现空分新工艺流程在储、释能过程的物质和冷量循环转换特性；所述控制阀门二十六(V27)和控制阀门二十七(V28)分别为
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权 利 要 求 书
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中压主换热器一(16)和中压主换热器二(17)的级间空气复热通道输入和输出阀，仅释能期间开启，用于回收透平膨胀发电机二(41)的一级膨胀空气冷能，使系统冷能得到充分回收；所述控制阀门三十四(V35)和控制阀门三十五(V36)为高品位冷却介质进、出中压主换热器一(16)和中压主换热器二(17)的流量调节阀，仅储能期间开启，用于调节中压主换热器一(16)和中压主换热器二(17)的高品位冷能回收量；所述控制阀门四十(V41)和控制阀门四十一(V42)为中品位冷却介质进、出中压主换热器一(16)和中压主换热器二(17)的流量调节阀，仅储能期间开启，用于调节中压主换热器一(16)和中压主换热器二(17)的中品位冷能回收量。
9.根据权利要求1所述的具有储能、发电和物质回收功能的外压缩空分工艺流程，其特征在于：所述中压主换热器一(16)、中压主换热器二(17)、透平膨胀发电机一(14)、液空过冷器(33)、气液分离器(34)、液空储罐(35)、液空泵一(36)、液空泵二(37)、蒸发器一(38)、蒸发器二(39)、冷却介质泵三(49)、冷却介质泵四(50)、中品位冷能储罐二(45)和高品位冷能储罐二(46)，以及其相互之间的连接管道和管道上设置的控制阀门均进行保冷处理，以降低整个工艺系统的跑冷损失；所述加热器一(40)、加热器二(42)和透平膨胀发电机二(41)，及其相互之间的连接管道均进行绝热处理，以减小系统的能量损耗。
10.根据权利要求1所述的具有储能、发电和物质回收功能的外压缩空分工艺流程，其特征在于：所述低温液空储存系统中不设置液空过冷器(33)时，来自中压主换热器一(16)和中压主换热器二(17)的增压后中压空气直接进入气液分离器(34)，分离所得的气体分为两部分：一部分直接进入低压塔(20)；另一部分进入中压主换热器一(16)和中压主换热器二(17)的低温空气复热通道；该工艺流程具有规模化储能生产特性，设置一台或并联设置不少于两台空气压缩机，实现更大规模的液化空气储存能力；该工艺流程的设计针对多种外压缩空分装置，包括单一产品需求的制氧、制氮空分装置，仅含氧、氮分离的传统外压缩空分装置，以及具有多种稀有气体提取功能的外压缩空分装置。
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具有储能、发电和物质回收功能的外压缩空分工艺流程
技术领域
[0001]本发明涉及空分技术领域，特别是指一种具有储能、发电和物质回收功能的外压缩空分工艺流程。
背景技术
[0002]随着第三产业和居民生活用电占比的逐渐增大，以及用电不确定性的增强，我国电网调峰面临越来越严峻的挑战。风电、光电等技术的研究虽然不断取得新进展，但对于这种间歇性可再生能源并网问题的解决依然是我国、乃至全球能源研究的一条长征路。因此，弃风和弃光现象的存在将使我国的电网调峰长期依赖火电机组，而调峰过程火电机组的频繁启停和变负荷运行将严重影响发电机组的运行效率和使用寿命，同时也会增加发电煤耗和污染物排放。
[0003]在电网侧接入“储能调峰”技术是平衡电网用电需求和降低企业运行成本的重要辅助手段。目前，常用规模化储能技术主要有抽水储能、压缩空气储能、液化空气储能和热化学储能等。抽水储能是目前发展最成熟的储能发电技术，但该技术选址困难、投资成本高，且受地方水电消纳能力限制，弃水现象带来的资源利用不合理问题依然突出。压缩空气储能是继抽水蓄能之后的又一大型物理储能技术，其储能容量大，但需要利用废弃矿井或现有地下大容量空间作为高压储存容器，发展同样受到限制；热化学储能虽然能量储存密度大，热量损失小，适用于长距离运输，但其操作工艺和技术复杂，反应条件苛刻，且储存材料腐蚀性强，安全系数低，初始投资成本高，在实际推广和应用中仍然存在很多困难；液化空气储能技术因其储能密度大、时间响应短、安全系数高、原料来源广、不受环境和地理位置约束等优势受到了研究者的广泛关注，但独立的液化空气储能系统循环效率低、设备占地面积大，初始和运行投资成本高，回本周期长。因此，如果能够利用其它工业设备实现液化空气储能的生产过程，则对节约设备投资和降低生产运营成本具有重要意义。[0004]空分是中国工业经济的重要基础装备，也是中国工业领域的耗电大户，其在煤化工、石油炼化和冶金三大行业的制氧能力占比分别为45％、30％和25％。据数据统计，对钢铁行业而言，2017年中国粗钢产量为8.71亿吨，按每吨钢平均耗氧量120Nm3，单位氧气综合电耗为0.77KWh/Nm3计，全国冶金空分生产年耗电量可达804.80×109KWh，全部空分年耗电量3219.22×109KWh，占中国电力消费总量64820.97×109KWh的4.97％，作为单一设备，其耗电占比相当可观。近几年，随着我国工业去产能、降成本、优结构发展态势的逐渐深入，冶金及部分传统化工行业的发展逐渐进入“新常态”，同时也给空分设备的生产带来极大影响，致使空分行业普遍面临减产、停产和设备闲置等多重危机。空分设备作为工业生产的重要组成部分，设备大型化不仅可以降低空气分离过程的单位制氧能耗，还能减少设备数量，节约设备投资成本，但这与目前空分行业，特别是冶金空分设备的产能供过于求现状相矛盾，再加上空分本身的连续性生产特性和钢铁企业的间断性用氧特征，未来空分行业的生产供需矛盾将更加突出。如果能够采取合适的手段来降低空分产品气体耗散量，减小空分单位制氧能耗，则对提高空分企业经济效益意义显著。
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因此，空分设备的大型化、特大型化和机组集群化发展对空分工艺和生产管理提
出新的要求，考虑到空分设备与液化空气储能工艺流程和工作原理的相似性，选择利用空分工艺设备来实现液化空气的规模化储存，不仅可以减少储能设施的设备初始投资和生产、运营、维护成本，还可充分挖掘空分设备的生产运行潜力，降低空分系统产品气体放散量，提高设备利用率。特别是在科学合理的峰谷分时电价机制下，通过对其采取电力需求侧管理，还可实现空分行业的错峰生产，缩小电力系统的“峰谷差”负荷，在平衡电网峰谷用电需求的同时，促进小型发电机组向基负荷运行机组转变或被大型发电机组所取代，有效降低火电机组的发电煤耗和污染物排放。
发明内容
[0006]本发明要解决的技术问题是提供一种具有储能、发电和物质回收功能的外压缩空分工艺流程。该流程基于电力市场电力峰谷分时电价制度和中国空分设备产能供过于求的生产现状，以平衡电网用电需求、提高空分设备利用率、挖掘空分设备运行潜力和推进空分设备规模大型化、功能多样化发展为目的，开发具有储能、发电和物质回收功能的全新空分外压缩工艺流程。
[0007]该工艺流程在常规空分外压缩工艺流程基础上设置低温液空储存系统和空气释能发电系统，实现空分设备和技术的规模化储能特性；空气释能发电系统包括液空泵一、液空泵二、蒸发器一、蒸发器二、加热器一、透平膨胀发电机二、加热器二、中品位冷能储罐二、高品位冷能储罐二、冷却介质泵一和冷却介质泵二；在取消常规空分外压缩装置的主换热器时，低温液空储存系统包括空气增压机、中压主换热器一、透平膨胀发电机一、液空过冷器、气液分离器、液空储罐、节流阀、冷却介质泵三、冷却介质泵四、中品位冷能储罐一和高品位冷能储罐一；在保留常规空分外压缩装置的主换热器时，低温液空储存系统还包括空气增压机、中压主换热器二、透平膨胀发电机一、液空过冷器、气液分离器、液空储罐、节流阀、冷却介质泵三、冷却介质泵四、中品位冷能储罐一和高品位冷能储罐一。[0008]当取消常规空分外压缩装置的主换热器时，中压主换热器一设置纯化后低压空气通道、增压后中压空气通道、低压膨胀空气通道、中压膨胀空气通道、氧气复热通道、低温空气复热通道、污氮气复热通道、氮气复热通道、级间空气复热通道、级间空气冷却通道、高品位冷却介质复热通道和中品位冷却介质复热通道，同时在低压膨胀空气通道上设置中部和底部两个流体抽出位置，中压膨胀空气通道上设置中部和底部两个流体抽出位置，氧气复热通道上设置中部和上部两个流体抽出位置，氮气复热通道上设置中部和上部两个流体抽出位置；
[0009]当保留常规空分外压缩装置的主换热器时，中压主换热器二设置纯化后低压空气通道、增压后中压空气通道、低压膨胀空气通道、中压膨胀空气通道、氧气复热通道、低温空气复热通道、氮气复热通道、级间空气复热通道、级间空气冷却通道、高品位冷却介质复热通道和中品位冷却介质复热通道，同时在低压膨胀空气通道上设置中部和底部两个流体抽出位置，中压膨胀空气通道上设置中部和底部两个流体抽出位置，氧气复热通道上设置中部和上部两个流体抽出位置，氮气复热通道上设置中部和上部两个流体抽出位置。[0010]低温液空储存系统在谷电期间运行，通过利用过剩的谷电资源将用户需求以外的空气经压缩、冷却、净化和增压后进行液化和储存，该过程既与气体分离过程共享压缩、预
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冷、纯化和热交换设备，又不影响其分离过程的精馏工况，实现储能期间空气分离和液空规模化储存同时运行的生产过程；所述空气释能发电系统在峰电或平电期间运行，通过对低温液态空气进行加压，并利用冷却循环介质和压缩设备的级间余热对其进行气化和升温，驱动透平膨胀发电设备输出电能，膨胀输出的物质回收至精馏系统，实现释能期间空气分离、冷能回收、余热利用、膨胀发电和物质回收同时进行的综合生产过程。[0011]其中，当取消常规空分外压缩装置的主换热器时，中压主换热器一的纯化后低压空气通道输入端连接于现有的分子筛吸附器的空气输出端，中压主换热器一的纯化后低压空气通道输出端连接于现有的高压塔的原料输入端；中压主换热器一的增压后中压空气通道输入端连接于空气增压机的四级冷却器输出端，中压主换热器一的增压后中压空气通道输出端连接于液空过冷器的液态空气输入端；中压主换热器一的低压膨胀空气通道输入端连接于现有的增压后冷却器的输出端，中压主换热器一的低压膨胀空气通道中部和底部输出端连接于现有的增压透平膨胀机的膨胀端输入管道；中压主换热器一的中压膨胀空气通道输入端连接于空气增压机的三级冷却器输出端，中压主换热器一的中压膨胀空气通道中部和底部输出端连接于透平膨胀发电机一的膨胀端输入管道；中压主换热器一的氧气复热通道输入端连接于现有的过冷器一的氧气输出端，中压主换热器一的氧气复热通道中部和上部输出端均连接于氧气产品输出管道；中压主换热器一的低温空气复热通道输入端连接于液空过冷器的低温空气输出端，中压主换热器一的低温空气复热通道输出端连接于污氮气输出管道；中压主换热器一的污氮气复热通道输入端连接于现有的过冷器二的污氮气输出端，中压主换热器一的污氮气复热通道输出端连接于污氮气输出管道；中压主换热器一的氮气复热通道输入端连接于过冷器二的氮气输出端，中压主换热器一的氮气复热通道中部和上部输出端连接于氮气产品输出管道；中压主换热器一的级间空气复热通道输入端连接于透平膨胀发电机二的一级膨胀端输出管道，中压主换热器一的级间空气复热通道输出端连接于加热器二的空气输入端；中压主换热器一的级间空气冷却通道输入端连接于透平膨胀发电机二的二级膨胀端输出管道，中压主换热器一的级间空气冷却通道输出端连接于增压透平膨胀机的膨胀端输出管道；中压主换热器一的高品位冷却介质复热通道输入端连接于冷却介质泵四的输出端，中压主换热器一的高品位冷却介质复热通道输出端连接于高品位冷能储罐一的输入端；中压主换热器一的中品位冷却介质复热通道输入端连接于冷却介质泵三的输出端，中压主换热器一的中品位冷却介质复热通道输出端连接于中品位冷能储罐一的输入端；空气增压机的输入端连接于分子筛吸附器的空气输出端；透平膨胀发电机一的膨胀端输出管道连接于高压塔的原料输入端；液空过冷器的液态空气输出端连接于气液分离器的输入端，气液分离器的气体输出端连接于液空过冷器的低温空气输入端，液空过冷器的低温空气输出端连接于现有的低压塔的原料输入端，气液分离器的液体输出端连接于液空储罐的输入端；液空储罐的输出端分别连接于液空泵一和液空泵二输入端，液空泵一的输出端连接于高压塔的原料输入端，液空泵二的输出端连接于蒸发器一的液态空气输入端；蒸发器一的汽化空气输出端连接于蒸发器二的空气输入端，蒸发器二的空气输出端连接于加热器一的空气输入端，加热器一的空气输出端连接于透平膨胀发电机二的一级膨胀端输入管道；加热器二的空气输出端连接于透平膨胀发电机二的二级膨胀端输入管道；中品位冷能储罐一的输出端连接于冷却介质泵一的输入端，冷却介质泵一的输出端连接于蒸发器二的中品位冷却介质输入端，蒸发器二中品位冷却介质输出端连接于中品位冷
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能储罐二的输入端，中品位冷能储罐二的输出端连接于冷却介质泵三的输入端；高品位冷能储罐一的输出端连接于冷却介质泵二的输入端，冷却介质泵二的输出端连接于蒸发器一的高品位冷却介质输入端，蒸发器一的高品位冷却介质输出端连接于高品位冷能储罐二的输入端，高品位冷能储罐二的输出端连接于冷却介质泵四的输入端；加热器一和加热器二的热流体输入端均连接于热源输入端，加热器一和加热器二的热流体输出端均连接于热源输出端；分子筛吸附器的空气输出端与中压主换热器一和现有的中压氩换热器的纯化后低压空气通道输入端之间设置控制阀门一，分子筛吸附器的空气输出端与空气增压机的输入端之间设置控制阀门二，分子筛吸附器的空气输出端与增压透平膨胀机的增压端输入管道之间设置控制阀门三；所述空气增压机的三级冷却器输出端与中压主换热器一的中压膨胀空气通道输入端之间设置控制阀门四；透平膨胀发电机一的膨胀端输出管道与高压塔的原料输入端之间设置控制阀门五；液空过冷器的液态空气输出端与气液分离器的输入端之间设置节流阀，液空过冷器的低温空气输出端与低压塔的原料输入端之间设置控制阀门六，液空过冷器的低温空气输出端与中压主换热器一的低温空气复热通道输入端之间设置控制阀门七；中压主换热器一的低温空气复热通道输出端与污氮气输出管道之间设置控制阀门八，中压主换热器一的中压膨胀空气通道中部输出端与透平膨胀发电机一的膨胀端输入管道之间设置控制阀门十三，中压主换热器一的中压膨胀空气通道底部输出端与透平膨胀发电机一的膨胀端输入管道之间设置控制阀门十四，中压主换热器一的氧气复热通道上部输出端与氧气产品输出管道之间设置控制阀门二十，中压主换热器一的氧气复热通道中部输出端与氧气产品输出管道之间设置控制阀门二十一，中压主换热器一的氮气复热通道上部输出端与氮气产品输出管道之间设置控制阀门二十四，中压主换热器一的氮气复热通道中部输出端与氮气产品输出管道之间设置控制阀门二十五，中压主换热器一的级间空气复热通道输入端与透平膨胀发电机二的一级膨胀端输出管道之间设置控制阀门二十六，中压主换热器一的级间空气复热通道输出端与加热器二的空气输入端之间设置控制阀门二十七，中压主换热器一的级间空气冷却通道输入端与透平膨胀发电机二的二级膨胀端输出管道之间设置控制阀门二十八，中压主换热器一的级间空气冷却通道输出端与增压透平膨胀机的膨胀端输出管道之间设置控制阀门二十九，中压主换热器一的高品位冷却介质复热通道输入端与冷却介质泵四的输出端之间设置控制阀门三十四，中压主换热器一的高品位冷却介质复热通道输出端与高品位冷能储罐一的输入端之间设置控制阀门三十五；中压主换热器一的中品位冷却介质复热通道输入端与冷却介质泵三的输出端之间设置控制阀门四十，中压主换热器一的中品位冷却介质复热通道输出端与中品位冷能储罐一的输入端之间设置控制阀门四十一；增压透平膨胀机的膨胀端出口设置止回阀；所述气液分离器的液体输出端与液空储罐的输入端之间设置控制阀门九；液空储罐的输出端与液空泵一和液空泵二的输入端之间设置控制阀门十；液空泵一的输出端与高压塔的原料输入端之间设置控制阀门十一；所述液空泵二的输出端与蒸发器一的液态空气输入端之间设置控制阀门十二；所述高品位冷能储罐一的输出端与冷却介质泵二的输入端之间设置控制阀门三十，冷却介质泵二的输出端与蒸发器一的高品位冷却介质输入端之间设置控制阀门三十一；所述蒸发器一的高品位冷却介质输出端与高品位冷能储罐二的输入端之间设置控制阀门三十二，高品位冷能储罐二的输出端与冷却介质泵四的输入端之间设置控制阀门三十三；中品位冷能储罐一的输出端与冷却介质泵一的输入端之间设置控制阀门三十六，冷却介质泵一的输出
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端与蒸发器二中品位冷却介质输入端之间设置控制阀门三十七，蒸发器二中品位冷却介质输出端与中品位冷能储罐二的输入端之间设置控制阀门三十八，中品位冷能储罐二的输出端与冷却介质泵三的输入端之间设置控制阀门三十九。[0012]当保留常规空分外压缩装置的主换热器时，中压主换热器二的纯化后低压空气通道输入端连接于现有的分子筛吸附器的空气输出端，中压主换热器二的纯化后低压空气通道输出端连接于现有的高压塔的原料输入端；中压主换热器二的增压后中压空气通道输入端连接于空气增压机的四级冷却器输出端，中压主换热器二的增压后中压空气通道输出端连接于液空过冷器的液态空气输入端；中压主换热器二的低压膨胀空气通道输入端连接于现有的增压后冷却器的输出端，中压主换热器二的低压膨胀空气通道中部和底部输出端连接于现有的增压透平膨胀机的膨胀端输入管道；中压主换热器二的中压膨胀空气通道输入端连接于空气增压机的三级冷却器输出端，中压主换热器二的中压膨胀空气通道中部和底部输出端连接于透平膨胀发电机一的膨胀端输入管道；中压主换热器二的氧气复热通道输入端连接于现有的过冷器一的氧气输出端，中压主换热器二的氧气复热通道中部和上部输出端均连接于氧气产品输出管道；中压主换热器二的低温空气复热通道输入端连接于液空过冷器的低温空气输出端，中压主换热器二的低温空气复热通道输出端连接于污氮气输出管道；中压主换热器二的氮气复热通道输入端连接于现有的过冷器二的氮气输出端，中压主换热器二的氮气复热通道中部和上部输出端连接于氮气产品输出管道；中压主换热器二的级间空气复热通道输入端连接于透平膨胀发电机二的一级膨胀端输出管道，中压主换热器二的级间空气复热通道输出端连接于加热器二的空气输入端；中压主换热器二的级间空气冷却通道输入端连接于透平膨胀发电机二的二级膨胀端输出管道，中压主换热器二的级间空气冷却通道输出端连接于增压透平膨胀机的膨胀端输出管道；中压主换热器二的高品位冷却介质复热通道输入端连接于冷却介质泵四的输出端，中压主换热器二的高品位冷却介质复热通道输出端连接于高品位冷能储罐一的输入端；中压主换热器二的中品位冷却介质复热通道输入端连接于冷却介质泵三的输出端，中压主换热器二的中品位冷却介质复热通道输出端连接于中品位冷能储罐一的输入端；该工艺流程中其它增设设备的相关管道连接方式与取消常规空分外压缩装置中主换热器时的低温液空储存系统和空气释能发电系统中的管道连接方式相同；所述分子筛吸附器的空气输出端与现有的主换热器、中压主换热器二和现有的中压氩换热器的纯化后低压空气通道输入端之间设置控制阀门一；所述液空过冷器的低温空气输出端与中压主换热器二的低温空气复热通道输入端之间设置控制阀门七；所述中压主换热器二的低温空气复热通道输出端与污氮气输出管道之间设置控制阀门八，中压主换热器二的中压膨胀空气通道输入端与空气增压机的三级冷却器输出端之间设置控制阀门四，中压主换热器二的中压膨胀空气通道中部输出端与透平膨胀发电机一的膨胀端输入管道之间设置控制阀门十三，中压主换热器二的中压膨胀空气通道底部输出端与透平膨胀发电机一的膨胀端输入管道之间设置控制阀门十四，中压主换热器二的低压膨胀空气通道输入端与增压后冷却器的输出端之间设置控制阀门十五，中压主换热器二的低压膨胀空气通道中部和底部输出端与增压透平膨胀机的膨胀端输入管道之间设置控制阀门十六，中压主换热器二的纯化后低压空气通道输入端与主换热器和中压氩换热器的纯化后低压空气通道输入管道之间设置控制阀门十七，中压主换热器二的纯化后低压空气通道输出端与高压塔的原料输入端之间设置控制阀门十八，中压主换热器二的氧气复热通道
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输入端与过冷器一的氧气输出端之间设置控制阀门十九，中压主换热器二的氧气复热通道上部输出端与氧气产品输出管道之间设置控制阀门二十，中压主换热器二的氧气复热通道中部输出端与氧气产品输出管道之间设置控制阀门二十一，中压主换热器二的氮气复热通道输入端与过冷器二的氮气输出端之间设置控制阀门二十三，中压主换热器二的氮气复热通道上部输出端与氮气产品输出管道之间设置控制阀门二十四，中压主换热器二的氮气复热通道中部输出端与氮气产品输出管道之间设置控制阀门二十五，中压主换热器二的级间空气复热通道输入端与透平膨胀发电机二的一级膨胀端输出管道之间设置控制阀门二十六，中压主换热器二的级间空气复热通道输出端与加热器二的空气输入端之间设置控制阀门二十七，中压主换热器二的级间空气冷却通道输入端与透平膨胀发电机二的二级膨胀端输出管道之间设置控制阀门二十八，中压主换热器二的级间空气冷却通道输出端与增压透平膨胀机的膨胀端输出管道之间设置控制阀门二十九，中压主换热器二的高品位冷却介质复热通道输入端与冷却介质泵四的输出端之间设置控制阀门三十四，中压主换热器二的高品位冷却介质复热通道输出端与高品位冷能储罐一的输入端之间设置控制阀门三十五；中压主换热器二的中品位冷却介质复热通道输入端与冷却介质泵三的输出端之间设置控制阀门四十，中压主换热器二的中品位冷却介质复热通道输出端与中品位冷能储罐一的输入端之间设置控制阀门四十一；该工艺流程中其它增设设备的相关控制阀门设置方式与取消常规空分外压缩装置中主换热器时的低温液空储存系统和空气释能发电系统的控制阀门设置方式相同。
[0013]液态空气气化释放的冷能储存于冷却循环介质中，用于储能阶段的空气冷却和液化；透平膨胀机发电设备膨胀输出的空气经热交换设备进一步冷却后作为拉赫曼气体回收至低压塔，以取代原空分外压缩工艺的低压塔拉赫曼进气，有效降低释能期间空气压缩机的压缩负荷，减小系统对峰电或平电期电能的需求，使系统在不影响空分精馏工况的前提下，与空分工艺的气体分离过程共享热交换设备，实现能量和资源在时间和空间上的转化和循环利用。
[0014]空气增压机为四级压缩和冷却设备，储能过程启动空气增压机提高系统的空气液化温度和膨胀制冷能力；所述中压主换热器一和中压主换热器二是集液空储存、空气释能和空气分离过程为一体的重要核心换热设备；所述透平膨胀发电机一采用低温气体膨胀设备，其膨胀输出压力接近于高压塔的底部压力，既为系统提供空气原料和额外冷量来源，又能输出电能；所述液空过冷器为液态空气前置过冷设备，通过增大液空过冷度来提高节流过程空气液化率；所述气液分离器为常压气液分离设备，操作简单，通过结合低温常压液空储罐实现液态空气的常压安全储存；所述液空泵一和液空泵二均为低温液体泵，其中，液空泵一为低压泵，液空泵二为高压泵，释能时启动液空泵一为系统补充冷量；所述蒸发器一和蒸发器二分别为高品位冷能和中品位冷能回收设备，使低温液态空气冷能在气化升温过程得到充分回收；所述加热器一和加热器二为透平膨胀发电机二的入口和级间空气加热器，其热源主要来自空气压缩机和产品压缩系统的压缩余热；所述透平膨胀发电机二为不少于二级的气体膨胀设备，产生冷量的同时输出电能；所述冷却介质泵一和冷却介质泵二均为常温泵，用于传输常温冷却介质；所述冷却介质泵三和冷却介质泵四均为低温泵，用于传输低温冷却介质；所述高品位冷能储罐一和高品位冷能储罐二中的储存介质为丙烷；所述中品位冷能储罐一和中品位冷能储罐二中的储存介质为丙烷或甲醇。
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控制阀门一为低压空气流量调节阀，便于系统运行过程中不同功能模式下空气流
量的调节和控制；所述控制阀门二为增压空气流量调节阀，仅储能期间开启，用于为系统提供冷量和液空原料来源；所述控制阀门四为中压膨胀空气流量调节阀，储能期间开启，为系统的空气冷却和液化过程提供额外的冷量来源；所述控制阀门五为中压膨胀空气入高压塔的流量控制阀，储能期间开启，用于为精馏系统提供原料气体；所述节流阀为液体节流阀，储能期间开启，用于产生常压低温液空；所述控制阀门六和控制阀门七分别为低温空气入低压塔的流量控制阀和低温空气排放阀，储能期间二者协调操作，用于调节低温空气的入塔回收量；所述控制阀门八为低温空气输出阀，释能期间关闭，防止污氮气倒流；所述控制阀门十一和控制阀门十二分别为液空进高压塔流量调节阀和液空释能流量控制阀；所述控制阀门十三和控制阀门十四分别为中压膨胀空气通道的中抽和底抽流量控制阀，二者协调作用，用于调节中压膨胀空气的制冷量和原料入塔参数；所述控制阀门十五和控制阀门十六分别为低压膨胀空气进、出中压主换热器二的流量控制阀，控制阀门十七和控制阀门十八分别为纯化后低压空气进、出中压主换热器二的流量控制阀，控制阀门十九为氧气产品进中压主换热器二的流量控制阀，控制阀门二十三为氮气产品进中压主换热器二的流量控制阀，用于平衡主换热器和中压主换热器二的能量需求，实现二者的并联操作；所述控制阀门二十和控制阀门二十一为中压主换热器一和中压主换热器二的氧气产品顶抽和中抽流量调节阀，用于调节中压主换热器一和中压主换热器二的氧气产品输出温度，平衡各主换热器的冷量需求；所述止回阀用于防止中压主换热器一和中压主换热器二输出的级间冷却空气倒流回增压透平膨胀机；所述控制阀门二十四和控制阀门二十五为中压主换热器一和中压主换热器二的氮气产品顶抽和中抽流量调节阀，用于调节中压主换热器一和中压主换热器二的氮气产品输出温度，平衡各主换热器的冷量需求；所述控制阀门二十八和控制阀门二十九分别为中压主换热器一和中压主换热器二的空气冷却通道输入和输出流量控制阀，仅释能期间开启，用于回收膨胀释能空气，实现空分新工艺流程在储、释能过程的物质和冷量循环转换特性；所述控制阀门二十六和控制阀门二十七分别为中压主换热器一和中压主换热器二的级间空气复热通道输入和输出阀，仅释能期间开启，用于回收透平膨胀发电机二的一级膨胀空气冷能，使系统冷能得到充分回收；所述控制阀门三十四和控制阀门三十五为高品位冷却介质进、出中压主换热器一和中压主换热器二的流量调节阀，仅储能期间开启，用于调节中压主换热器一和中压主换热器二的高品位冷能回收量；所述控制阀门四十和控制阀门四十一为中品位冷却介质进、出中压主换热器一和中压主换热器二的流量调节阀，仅储能期间开启，用于调节中压主换热器一和中压主换热器二的中品位冷能回收量。
[0016]中压主换热器一、中压主换热器二、透平膨胀发电机一、液空过冷器、气液分离器、液空储罐、液空泵一、液空泵二、蒸发器一、蒸发器二、冷却介质泵三、冷却介质泵四、中品位冷能储罐二和高品位冷能储罐二，以及其相互之间的连接管道和管道上设置的控制阀门均进行保冷处理，以降低整个工艺系统的跑冷损失；所述加热器一、加热器二和透平膨胀发电机二，及其相互之间的连接管道均进行绝热处理，以减小系统的能量损耗。[0017]低温液空储存系统中不设置液空过冷器时，来自中压主换热器一和中压主换热器二的增压后中压空气直接进入气液分离器，分离所得的气体分为两部分：一部分直接进入低压塔；另一部分进入中压主换热器一和中压主换热器二的低温空气复热通道；低温液空
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储存系统和空气释能发电系统的设置使空分外压缩工艺实现集空气分离、液空储存、余热利用、冷能和物质回收，以及膨胀发电为一体的规模化储能生产特性。[0018]具有储能、发电和物质回收功能的外压缩空分工艺流程具有规模化储能生产特性，设置一台或并联设置多台空气压缩机，实现更大规模的液化空气储存能力。[0019]具有储能、发电和物质回收功能的外压缩空分工艺流程的设计针对多种外压缩空分装置，包括单一产品需求的制氧、制氮空分装置，仅含氧、氮分离的传统外压缩空分装置，以及具有多种稀有气体提取功能的外压缩空分装置。[0020]该具有储能、发电和物质回收功能的外压缩空分工艺流程即能满足空分设备常年连续运行的生产要求，也能迎合空分设备大型化、特大型、功能和产品多样化的发展需求。[0021]该具有储能、发电和物质回收功能的外压缩空分工艺流程相比现有液化空气储能技术，设有完整的空气循环回收工艺，能量和物质回收率高，且其工艺设计和运行过程可依附于空分工艺和操作过程，能够很大程度上减少设备安装数量和操作运营成本。[0022]该具有储能、发电和物质回收功能的外压缩空分工艺流程既是一种全新的空分新工艺流程，也适用于对现有外压缩空分工艺流程的升级和改造。[0023]本发明的上述技术方案的有益效果如下：[0024]上述方案中，在空分外压缩工艺的基础上设置低温液空储存和空气释能发电过程，使系统仅利用单一空分设备和技术即可实现液化空气的规模化储能，相比现有液化空气储能技术，所述工艺设计简单，设备投资小；在运行过程中，液空储能与空气分离过程协调操作，即可确保空分系统的产品产量和分离纯度，又能实现液态空气的安全储存和“高品位”冷能的回收利用，同时还能对储存的物质进行充分回收，进一步降低系统的压缩设备负荷和能耗，提高其在液化空气储能和释能期间的电-电转换效率，达到降低空分企业运行成本的目的。
附图说明
[0025]图1为本发明常规外压缩空分工艺流程示意图；
[0026]图2为本发明实施例中制氧40000Nm3˙h-1更换中压主换热器的具有储能、发电和物质回收功能的空分外压缩工艺流程示意图；
[0027]图3为本发明实施例中制氧40000Nm3˙h-1新增中压主换热器的具有储能、发电和物质回收功能的空分外压缩工艺流程示意图；
[0028]图4为本发明实施例中压主换热器一的流体通道分布示意图；[0029]图5为本发明实施例中压主换热器二的流体通道分布示意图；[0030]图6为本发明实施例中具有储能、发电和物质回收功能的空分外压缩工艺流程的储、释能过程与80％负荷运行的常规空分外压缩工艺流程的低压塔气相组分分部对比图；[0031]图7为峰谷电价比对本发明实施案例中制氧40000Nm3˙h-1的具有储能、发电和物质回收功能的空分外压缩工艺流程的用电成本节约率的影响曲线图；[0032]图8为本发明具有储能、发电和物质回收功能的空分外压缩工艺流程取代全国空分外压缩设备前、后的年用电负荷变化情况。[0033]其中：1-空气过滤器，2-空气压缩机，3-空冷塔，4-水冷塔，5-冷却水泵，6-冷冻水泵，7-冷水机组，8-分子筛吸附器，9-消声器，10-蒸汽加热器，11-空气增压机，12-增压透平
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膨胀机，13-增压后冷却器，14-透平膨胀发电机一，15-主换热器，16-中压主换热器一，17-中压主换热器二，18-中压氩换热器，19-过冷器一，20-低压塔，21-主冷凝蒸发器，22-高压塔，23-过冷器二，24-粗氩I塔，25-粗氩II塔，26-粗液氩循环泵，27-粗氩液化器，28-精氩塔，29-精氩泵，30-液氮储罐，31-液氧储罐，32-液氩储罐，33-液空过冷器，34-气液分离器，35-液空储罐，36-液空泵一，37-液空泵二，38-蒸发器一，39-蒸发器二，40-加热器一，41-透平膨胀发电机二，42-加热器二，43-中品位冷能储罐一，44-高品位冷能储罐一，45-中品位冷能储罐二，46-高品位冷能储罐二，47-冷却介质泵一，48-冷却介质泵二，49-冷却介质泵三，50-冷却介质泵四，V1-控制阀门一，V2-控制阀门二，V3-控制阀门三，V4-控制阀门四，V5-控制阀门五，V6-节流阀，V7-控制阀门六，V8-控制阀门七，V9-控制阀门八，V10-控制阀门九，V11-控制阀门十，V12-控制阀门十一，V13-控制阀门十二，V14-控制阀门十三，V15-控制阀门十四，V16-控制阀门十五，V17-控制阀门十六，V18-控制阀门十七，V19-控制阀门十八，V20-控制阀门十九，V21-控制阀门二十，V22-控制阀门二十一，V23-止回阀，V24-控制阀门二十三，V25-控制阀门二十四，V26-控制阀门二十五，V27-控制阀门二十六，V28-控制阀门二十七，V29-控制阀门二十八，V30-控制阀门二十九，V31-控制阀门三十，V32-控制阀门三十一，V33-控制阀门三十二，V34-控制阀门三十三，V35-控制阀门三十四，V36-控制阀门三十五，V37-控制阀门三十六，V38-控制阀门三十七，V39-控制阀门三十八，V40-控制阀门三十九，V41-控制阀门四十，V42-控制阀门四十一。具体实施方式
[0034]为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0035]本发明提供一种具有储能、发电和物质回收功能的外压缩空分工艺流程。[0036]为使本发明在现有常规外压缩空分工艺流程基础上对具有储能、发电和物质回收功能的外压缩空分工艺流程表达的更加清楚，附常规外压缩空分工艺流程示意图，见图1。图2为本发明实施例中制氧40000Nm3˙h-1更换中压主换热器的具有储能、发电和物质回收功能的空分外压缩工艺流程示意图，从图2中可以看出，该方法在图1所示常规外压缩空分工艺流程的基础上取消原外压缩空分装置中的主换热器15，同时增设空气增压机11、中压主换热器一16、透平膨胀发电机一14、液空过冷器33、气液分离器34、液空储罐35、节流阀V6、液空泵一36、液空泵二37、蒸发器一38、蒸发器二39、加热器一40、透平膨胀发电机二41、加热器二42、中品位冷能储罐一43、高品位冷能储罐一44、中品位冷能储罐二45、高品位冷能储罐二46、冷却介质泵一47、冷却介质泵二48、冷却介质泵三49和冷却介质泵四50。结合图4给出的中压主换热器一16的流体通道分布示意图可以看出，中压主换热器一16的纯化后低压空气通道输入端与分子筛吸附器8的空气输出端相连，中压主换热器一16的纯化后低压空气通道输出端与高压塔22的原料输入端相连；中压主换热器一16的增压后中压空气通道输入端与空气增压机11的四级冷却器输出端相连，中压主换热器一16的增压后中压空气通道输出端与液空过冷器33的液态空气输入端相连；中压主换热器一16的低压膨胀空气通道输入端与增压后冷却器13的输出端相连，中压主换热器一16的低压膨胀空气通道中部和底部输出端与增压透平膨胀机12的膨胀端输入管道相连；中压主换热器一16的中压膨胀空气通道输入端与空气增压机11的三级冷却器输出端相连，中压主换热器一16的中压膨胀空气
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通道中部和底部输出端与透平膨胀发电机一14的膨胀端输入管道相连；中压主换热器一16的氧气复热通道输入端与过冷器一19的氧气输出端相连，中压主换热器一16的氧气复热通道中部和上部输出端均连接于氧气产品输出管道；中压主换热器一16的低温空气复热通道输入端与液空过冷器33的低温空气输出端相连，中压主换热器一16的低温空气复热通道输出端连接于污氮气输出管道；中压主换热器一16的污氮气复热通道输入端与过冷器二23的污氮气输出端相连，中压主换热器一16的污氮气复热通道输出端连接于污氮气输出管道；中压主换热器一16的氮气复热通道输入端与过冷器二23的氮气输出端相连，中压主换热器一16的氮气复热通道中部和上部输出端连接于氮气产品输出管道；中压主换热器一16的级间空气复热通道输入端与透平膨胀发电机二41的一级膨胀端输出管道相连，中压主换热器一16的级间空气复热通道输出端与加热器二42的空气输入端相连；中压主换热器一16的级间空气冷却通道输入端与透平膨胀发电机二41的二级膨胀端输出管道相连，中压主换热器一16的级间空气冷却通道输出端与增压透平膨胀机12的膨胀端输出管道相连；中压主换热器一16的高品位冷却介质复热通道输入端与冷却介质泵四50的输出端相连，中压主换热器一16的高品位冷却介质复热通道输出端与高品位冷能储罐一44的输入端相连；中压主换热器一16的中品位冷却介质复热通道输入端与冷却介质泵三49的输出端相连，中压主换热器一16的中品位冷却介质复热通道输出端与中品位冷能储罐一43的输入端相连；空气增压机11的输入端与分子筛吸附器8的空气输出端相连；透平膨胀发电机一14的膨胀端输出管道与高压塔22的原料输入端相连；液空过冷器33的液态空气输出端与气液分离器34的输入端相连，气液分离器34的气体输出端与液空过冷器33的低温空气输入端相连，液空过冷器33的低温空气输出端与低压塔20的原料输入端相连，气液分离器34的液体输出端与液空储罐35的输入端相连；液空储罐35的输出端与液空泵一36和液空泵二37输入端相连，液空泵一36的输出端与高压塔22的原料输入端相连，液空泵二37的输出端与蒸发器一38的液态空气输入端相连；蒸发器一38的汽化空气输出端与蒸发器二39的空气输入端相连，蒸发器二39的空气输出端与加热器一40的空气输入端相连，加热器一40的空气输出端与透平膨胀发电机二41的一级膨胀端输入管道相连；加热器二42的空气输出端与透平膨胀发电机二41的二级膨胀端输入管道相连；中品位冷能储罐一43的输出端与冷却介质泵一47的输入端相连，冷却介质泵一47的输出端与蒸发器二39的中品位冷却介质输入端相连，蒸发器二39中品位冷却介质输出端与中品位冷能储罐二45的输入端相连，中品位冷能储罐二45的输出端与冷却介质泵三49的输入端相连；高品位冷能储罐一44的输出端与冷却介质泵二48的输入端相连，冷却介质泵二48的输出端与蒸发器一38的高品位冷却介质输入端相连，蒸发器一38的高品位冷却介质输出端与高品位冷能储罐二46的输入端相连，高品位冷能储罐二46的输出端与冷却介质泵四50的输入端相连；加热器一40和加热器二42的热流体输入端均连接于热源输入端，加热器一40和加热器二42的热流体输出端均连接于热源输出端；
[0037]分子筛吸附器8的空气输出端与中压主换热器一16和中压氩换热器18的纯化后低压空气通道输入端之间设置控制阀门一V1，分子筛吸附器8的空气输出端与空气增压机11的输入端之间设置控制阀门二V2，分子筛吸附器8的空气输出端与增压透平膨胀机12的增压端输入管道之间设置控制阀门三V3；空气增压机11的三级冷却器输出端与中压主换热器一16的中压膨胀空气通道输入端之间设置控制阀门四V4；透平膨胀发电机一14的膨胀端输出管道与高压塔22的原料输入端之间设置控制阀门五V5；液空过冷器33的液态空气输出端
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与气液分离器34的输入端之间设置节流阀V6，液空过冷器33的低温空气输出端与低压塔20的原料输入端之间设置控制阀门六V7，液空过冷器33的低温空气输出端与中压主换热器一16的低温空气复热通道输入端之间设置控制阀门七V8；中压主换热器一16的低温空气复热通道输出端与污氮气输出管道之间设置控制阀门八V9，中压主换热器一16的中压膨胀空气中部输出端与透平膨胀发电机一14的膨胀端输入管道之间设置控制阀门十三V14，中压主换热器一16的中压膨胀空气底部输出端与透平膨胀发电机一14的膨胀端输入管道之间设置控制阀门十四V15，中压主换热器一16的氧气复热通道上部输出端与氧气产品输出管道之间设置控制阀门二十V21，中压主换热器一16的氧气复热通道中部输出端与氧气产品输出管道之间设置控制阀门二十一V22，中压主换热器一16的氮气复热通道上部输出端与氮气产品输出管道之间设置控制阀门二十四V25，中压主换热器一16的氮气复热通道中部输出端与氮气产品输出管道之间设置控制阀门二十五V26，中压主换热器一16的级间空气复热通道输入端与透平膨胀发电机二41的一级膨胀端输出管道之间设置控制阀门二十六V27，中压主换热器一16的级间空气复热通道输出端与加热器二42的空气输入端之间设置控制阀门二十七V28，中压主换热器一16的级间空气冷却通道输入端与透平膨胀发电机二41的二级膨胀端输出管道之间设置控制阀门二十八V29，中压主换热器一16的级间空气冷却通道输出端与增压透平膨胀机12的膨胀端输出管道之间设置控制阀门二十九V30，中压主换热器一16的高品位冷却介质复热通道输入端与冷却介质泵四50的输出端之间设置控制阀门三十四V35，中压主换热器一16的高品位冷却介质复热通道输出端与高品位冷能储罐一44的输入端之间设置控制阀门三十五V36；中压主换热器一16的中品位冷却介质复热通道输入端与冷却介质泵三49的输出端之间设置控制阀门四十V41，中压主换热器一16的中品位冷却介质复热通道输出端与中品位冷能储罐一43的输入端之间设置控制阀门四十一V42；气液分离器34的液体输出端与液空储罐35的输入端之间设置控制阀门九V10；液空储罐35的输出端与液空泵一36和液空泵二37的输入端之间设置控制阀门十V11；液空泵一36的输出端与高压塔22的原料输入端之间设置控制阀门十一V12；液空泵二37的输出端与蒸发器一38的液态空气输入端之间设置控制阀门十二V13；高品位冷能储罐一44的输出端与冷却介质泵二48的输入端之间设置控制阀门三十V31，冷却介质泵二48的输出端与蒸发器一38的高品位冷却介质输入端之间设置控制阀门三十一V32；蒸发器一38的高品位冷却介质输出端与高品位冷能储罐二46的输入端之间设置控制阀门三十二V33，高品位冷能储罐二46的输出端与冷却介质泵四50的输入端之间设置控制阀门三十三V34；中品位冷能储罐一43的输出端与冷却介质泵一47的输入端之间设置控制阀门三十六V37，冷却介质泵一47的输出端与蒸发器二39中品位冷却介质输入端之间设置控制阀门三十七V38，蒸发器二39中品位冷却介质输出端与中品位冷能储罐二45的输入端之间设置控制阀门三十八V39，中品位冷能储罐二45的输出端与冷却介质泵三49的输入端之间设置控制阀门三十九V40；[0038]图3为本发明实施例中制氧40000Nm3·h-1新增中压主换热器的具有储能、发电和物质回收功能的空分外压缩工艺流程示意图，从图3中可以看出，该工艺流程还可在图1所示常规空分外压缩工艺流程的基础上保留原外压缩空分装置的主换热器15，并在此基础上增设空气增压机11、中压主换热器二17、透平膨胀发电机一14、液空过冷器33、气液分离器34、液空储罐35、节流阀V6、液空泵一36、液空泵二37、蒸发器一38、蒸发器二39、加热器一40、透平膨胀发电机二41、加热器二42、中品位冷能储罐一43、高品位冷能储罐一44、中品位
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冷能储罐二45、高品位冷能储罐二46、冷却介质泵一47、冷却介质泵二48、冷却介质泵三49和冷却介质泵四50。结合图5给出的中压主换热器二17的流体通道分布示意图可以看出，中压主换热器二17的纯化后低压空气通道输入端与分子筛吸附器8的空气输出端相连，中压主换热器二17的纯化后低压空气通道输出端与高压塔22的原料输入端相连；中压主换热器二17的增压后中压空气通道输入端与空气增压机11的四级冷却器输出端相连，中压主换热器二17的增压后中压空气通道输出端与液空过冷器33的液态空气输入端相连；中压主换热器二17的低压膨胀空气通道输入端与增压后冷却器13的输出端相连，中压主换热器二17的低压膨胀空气通道中部和底部输出端与增压透平膨胀机12的膨胀端输入管道相连；中压主换热器二17的中压膨胀空气通道输入端与空气增压机11的三级冷却器输出端相连，中压主换热器二17的中压膨胀空气通道中部和底部输出端与透平膨胀发电机一14的膨胀端输入管道相连；中压主换热器二17的氧气复热通道输入端与过冷器一19的氧气输出端相连，中压主换热器二17的氧气复热通道中部和上部输出端均连接于氧气产品输出管道；中压主换热器二17的低温空气复热通道输入端与液空过冷器33的低温空气输出端相连，中压主换热器二17的低温空气复热通道输出端连接于污氮气输出管道；中压主换热器二17的氮气复热通道输入端与过冷器二23的氮气输出端相连，中压主换热器二17的氮气复热通道中部和上部输出端连接于氮气产品输出管道；中压主换热器二17的级间空气复热通道输入端与透平膨胀发电机二41的一级膨胀端输出管道相连，中压主换热器二17的级间空气复热通道输出端与加热器二42的空气输入端相连；中压主换热器二17的级间空气冷却通道输入端与透平膨胀发电机二41的二级膨胀端输出管道相连，中压主换热器二17的级间空气冷却通道输出端与增压透平膨胀机12的膨胀端输出管道相连；中压主换热器二17的高品位冷却介质复热通道输入端与冷却介质泵四50的输出端相连，中压主换热器二17的高品位冷却介质复热通道输出端与高品位冷能储罐一44的输入端相连；中压主换热器二17的中品位冷却介质复热通道输入端与冷却介质泵三49的输出端相连，中压主换热器二17的中品位冷却介质复热通道输出端与中品位冷能储罐一43的输入端相连；该工艺中其它增设设备的相关管道连接方式与图2所示取消常规空分外压缩装置中主换热器15时的低温液空储存系统和空气释能发电系统中的管道连接方式相同；
[0039]分子筛吸附器8的空气输出端与主换热器15、中压主换热器二17和中压氩换热器18的纯化后低压空气通道输入端之间设置控制阀门一V1；液空过冷器33的低温空气输出端与中压主换热器二17的低温空气复热通道输入端之间设置控制阀门七V8；中压主换热器二17的低温空气复热通道输出端与污氮气输出管道之间设置控制阀门八V9，中压主换热器二17的中压膨胀空气通道输入端与空气增压机11的三级冷却器输出端之间设置控制阀门四V4，中压主换热器二17的中压膨胀空气通道中部输出端与透平膨胀发电机一14的膨胀端输入管道之间设置控制阀门十三V14，中压主换热器二17的中压膨胀空气通道底部输出端与透平膨胀发电机一14的膨胀端输入管道之间设置控制阀门十四V15，中压主换热器二17的低压膨胀空气通道输入端与增压后冷却器13的输出端之间设置控制阀门十五V16，中压主换热器二17的低压膨胀空气通道中部和底部输出端与增压透平膨胀机12的膨胀端输入管道之间设置控制阀门十六V17，中压主换热器二17的纯化后低压空气通道输入端与主换热器15和中压氩换热器18的纯化后低压空气通道输入管道之间设置控制阀门十七V18，中压主换热器二17的纯化后低压空气通道输出端与高压塔22的原料输入端之间设置控制阀门
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十八V19，中压主换热器二17的氧气复热通道输入端与过冷器一19的氧气输出端之间设置控制阀门十九V20，中压主换热器二17的氧气复热通道上部输出端与氧气产品输出管道之间设置控制阀门二十V21，中压主换热器二17的氧气复热通道中部输出端与氧气产品输出管道之间设置控制阀门二十一V22，中压主换热器二17的氮气复热通道输入端与过冷器二23的氮气输出端之间设置控制阀门二十三V24，中压主换热器二17的氮气复热通道上部输出端与氮气产品输出管道之间设置控制阀门二十四V25，中压主换热器二17的氮气复热通道中部输出端与氮气产品输出管道之间设置控制阀门二十五V26，中压主换热器二17的级间空气复热通道输入端与透平膨胀发电机二41的一级膨胀端输出管道之间设置控制阀门二十六V27，中压主换热器二17的级间空气复热通道输出端与加热器二42的空气输入端之间设置控制阀门二十七V28，中压主换热器二17的级间空气冷却通道输入端与透平膨胀发电机二41的二级膨胀端输出管道之间设置控制阀门二十八V29，中压主换热器二17的级间空气冷却通道输出端与增压透平膨胀机12的膨胀端输出管道之间设置控制阀门二十九V30，中压主换热器二17的高品位冷却介质复热通道输入端与冷却介质泵四50的输出端之间设置控制阀门三十四V35，中压主换热器二17的高品位冷却介质复热通道输出端与高品位冷能储罐一44的输入端之间设置控制阀门三十五V36；中压主换热器二17的中品位冷却介质复热通道输入端与冷却介质泵三49的输出端之间设置控制阀门四十V41，中压主换热器二17的中品位冷却介质复热通道输出端与中品位冷能储罐一43的输入端之间设置控制阀门四十一V42；该工艺流程中其它增设设备的相关控制阀门设置方式与图2所示取消常规空分外压缩装置中主换热器15时的低温液空储存系统和空气释能发电系统的控制阀门设置方式相同。
[0040]下面结合具体实施例予以说明。[0041]实施例1
[0042]如图2所示为本发明实施例中制氧40000Nm3·h-1更换中压主换热器的具有储能、发电和物质回收功能的空分外压缩工艺流程示意图。谷电储能期间，原料空气经空气过滤器1去除灰尘后进入空气压缩机2进行压缩，之后进入空冷塔3进行冷却和洗涤，空冷塔3用于冷却空气的水有两部分：一部分为冷却循环水，由冷却水泵5加压后送入空冷塔3中部；另一部分为冷冻水，由来自精馏系统的干燥污氮气和氮气在水冷塔4内对循环冷却水进行初步降温，之后经冷冻水泵6加压，并由冷水机组7进一步降温后送入空冷塔3顶部。出空冷塔3的空气进入分子筛吸附器8进行吸附和纯化，获得纯净干燥的空气。分子筛吸附器8有两台，交替使用，一台吸附杂质，另一台由污氮气在蒸汽加热器10内加热后对其进行再生，分子筛吸附器8处设置消声器9。
[0043]来自分子筛吸附器8的纯化后干燥空气分为三路：一路进入中压氩换热器18和中压主换热器一16被冷却至露点温度后进入高压塔22；一路为低压膨胀空气，进入增压透平膨胀机12的增压端，经增压后冷却器13冷却后进入中压主换热器一16的低压膨胀空气通道被返流介质冷却，冷却到一定温度后由中压主换热器一16的中部和底部抽出，进入增压透平膨胀机12的膨胀端，膨胀至接近低压塔20的压力后进入过冷器一19，之后作为拉赫曼气体送入低压塔20参与精馏；另一路为再增压空气，经空气增压机11一、二、三级压缩和冷却后分两部分：一部分作为中压膨胀空气从级间抽出，另一部分在空气增压机11内进行四级压缩和冷却；其中，级间抽出的中压膨胀空气进入中压主换热器一16冷却到一定温度后由
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中部和底部抽出，在透平膨胀发电机一14中膨胀到接近高压塔22底部压力后直接进入高压塔22参与精馏；经空气增压机11四级压缩和冷却后的中压空气首先进入中压主换热器一16，被返流低温流体冷却为过冷液体后进入液空过冷器33，之后经节流进入气液分离器34。气液分离器34分离所得的低温空气通过液空过冷器33后分为两部分：一部分直接进入低压塔20参与精馏；另一部分经中压主换热器一16复热后并入污氮气管道，分离所得的液体即为所要储存的液空产品，进入低温液空储罐35。
[0044]进入高压塔22的原料在塔内因相对挥发度不同而进行组分分离，高压塔22底部得到含氧约37％的富氧液空，高压塔22顶部得到高纯度氮气，高纯度氮气经过主冷凝蒸发器21与来自低压塔20底部的液氧进行热交换，液氧被蒸发，氮气被冷凝，部分冷凝液氮再回到高压塔22作为回流液，另一部分液氮在过冷器二23中进行过冷，并分为两路：一路送入低压塔20顶部作为回流液，另一路分别送入粗氩液化器27和精氩塔28顶部用来冷凝气氩，多余部分液氮可储存于液氮储罐30内。高压塔22底部的富氧液空经过冷器二23被冷却为过冷液体，之后分为两部分：一部分节流进入低压塔20的中部参与精馏，另一部分送入粗氩II塔25顶部。在低压塔20内，由于氧、氩、氮沸点的差异，经多次部分冷凝和蒸发，低压塔20底部得到纯度为99.6％以上的氧气，经过冷器一19和和中压主换热器一16依次复热后以中抽和顶抽形式作为氧气产品送出，主冷凝蒸发器21中产生的多余液氧储存于液氧储罐31中。低压塔20的中上部抽出污氮气，经过冷器二23和中压主换热器一16复热后分为两部分：一部分去纯化系统作再生气，另一部分送入预冷系统的水冷塔4。低压塔20的顶部抽出纯度高于99.99％的氮气，经过冷器二23回收部分冷量后进入中压主换热器一16内进行复热，之后以中抽和顶抽形式作为氮气产品送出。低压塔20中部抽出的富含氩馏分气体直接进入粗氩I塔24底部，与来自粗氩II塔25底部经粗液氩循环泵26加压后的粗氩在塔内进行对流接触换热和逐级分离，粗氩I塔24底部可得纯度较高的液氧，并将其返送回低压塔20中部，粗氩I塔24顶部所得气体为粗气氩，直接送入粗氩II塔25底部，该气体上升到塔顶时被过冷后的液空所冷凝，并为塔内精馏提供回流液，吸热后的液空重返低压塔20参与精馏，最终由塔顶得到富含氮组分的粗氩气，并进入粗氩液化器27，由底部得到较纯液氩，然后进入精氩塔28进行氮氩组分分离，由塔底部得到纯液氩，所得纯液氩由精氩泵29加压后进入中压氩换热器18，复热后送入氩气管网，多余部分储存于液氩储罐32内。[0045]释能过程在峰电或平电期间进行，该过程中，低温液空储存系统停止运行，来自分子筛吸附器8的纯化后干燥空气分全部进入中压主换热器一16和中压氩换热器18，被返流低温流体冷却至露点温度后进入高压塔22。低温液空储罐35中的液态空气分为两部分送出：少部分液空由液空泵一36加压到高压塔22底部压力后送入高压塔22，为系统补充冷量；大部分液空由液空泵二37加压到80bar后依次通过蒸发器一38和蒸发器二39释放冷能，之后由加热器一40升温后进入透平膨胀发电机二41进行一级膨胀，膨胀输出的气体返回中压主换热器一16进行复热，复热后的级间空气进入加热器二42进一步升温，之后进入透平膨胀发电机二41进行二级膨胀，膨胀输出的气体进入中压主换热器一16冷却到一定温度后进入过冷器一19，之后作为拉赫曼气体送入低压塔20参与精馏。来自高品位冷能储罐一44的冷却介质由冷却介质泵二48加压后送入蒸发器一38，在蒸发器一38中，冷却介质对低温液空的高品位冷能进行回收，之后将高品位冷能储存于高品位冷能储罐二46中。来自中品位冷能储罐一43的冷却介质由冷却介质泵一47加压后送入蒸发器二39，在蒸发器二39中，冷
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却介质对气化后空气的中品位冷能进行回收，之后将中品位冷能储存于中品位冷能储罐二45中。高品位冷能储罐二46和中品位冷能储罐二45中的冷却介质可分别由冷却介质泵四50和冷却介质泵三49加压后送入中压主换热器一16，为新工艺流程的储能过程提供重要冷量来源，复热后的流体介质再返回高品位冷能储罐一44和中品位冷能储罐一43中供释能过程使用，如此循环往复运行，利用空分设备可实现能量和物质在时间和空间上的转换利用。除此之外，释能期间其它设备的运行方式均与储能期间设备运行方式相同。
[0046]图3为本发明实施例中制氧40000Nm3˙h-1新增中压主换热器的具有储能、发电和物质回收功能的空分外压缩工艺流程示意图。来自分子筛吸附器8的纯化后干燥空气分为三路：一路进入主换热器15、中压主换热器二17和中压氩换热器18被冷却至露点温度后进入高压塔22；一路为低压膨胀空气，进入增压透平膨胀机12的增压端，经增压后冷却器13冷却后进入主换热器15和中压主换热器二17的低压膨胀空气通道被返流介质冷却，冷却到一定温度后由主换热器15和中压主换热器二17的中部和底部抽出，进入增压透平膨胀机12的膨胀端，膨胀至接近低压塔20的压力后进入过冷器一19，之后作为拉赫曼气体送入低压塔20参与精馏；另一路为再增压空气，经空气增压机11一、二、三级压缩和冷却后分两部分：一部分作为中压膨胀空气从级间抽出，另一部分在空气增压机11内进行四级压缩和冷却；其中，级间抽出的中压膨胀空气进入中压主换热器二17冷却到一定温度后经中部和底部抽出，在透平膨胀发电机一14中膨胀到接近高压塔22底部压力后直接进入高压塔22参与精馏；经空气增压机11四级压缩和冷却后的中压空气首先进入中压主换热器二17，被返流低温流体冷却为过冷液体后进入液空过冷器33，之后经节流进入气液分离器34。气液分离器34分离所得的低温空气通过液空过冷器33后分为两部分：一部分直接进入低压塔20参与精馏；另一部分经中压主换热器二17复热后并入污氮气管道，分离所得的液体即为所要储存的液空产品，进入低温液空储罐35。储能期间其它设备的运行方式与图2所示工艺流程的储能过程对应设备运行方式相同。[0047]释能过程，低温液空储存系统停止运行，来自分子筛吸附器8的纯化后干燥空气全部进入主换热器15、中压主换热器二17和中压氩换热器18，被返流低温流体冷却至露点温度后进入高压塔22。低温液空储罐35中的液态空气分为两部分送出：少部分液空由液空泵一36加压到高压塔22底部压力后送入高压塔22，为系统补充冷量；大部分液空由液空泵二37加压到80bar后依次通过蒸发器一38和蒸发器二39释放冷能，之后由加热器一40升温后进入透平膨胀发电机二41进行一级膨胀，膨胀输出的气体返回中压主换热器二17进行复热，复热后的级间空气进入加热器二42进一步升温，之后进入透平膨胀发电机二41进行二级膨胀，膨胀输出的气体进入中压主换热器二17冷却到一定温度后进入过冷器一19，之后作为拉赫曼气体送入低压塔20参与精馏。来自高品位冷能储罐一44的冷却介质由冷却介质泵二48加压后送入蒸发器一38，在蒸发器一38中，冷却介质对低温液空的高品位冷能进行回收，之后将高品位冷能储存于高品位冷能储罐二46中。来自中品位冷能储罐一43的冷却介质由冷却介质泵一47加压后送入蒸发器二39，在蒸发器二39中，冷却介质对气化后空气的中品位冷能进行回收，之后将中品位冷能储存于中品位冷能储罐二45中。高品位冷能储罐二46和中品位冷能储罐二45中的冷却介质可分别由冷却介质泵四50和冷却介质泵三49加压后送入中压主换热器二17，为新工艺流程的储能过程提供重要冷量来源，复热后的流体介质再返回高品位冷能储罐一44和中品位冷能储罐一43中供释能过程使用。释能期间其
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它设备的运行方式与图3所示工艺流程的储能过程对应设备运行方式相同。[0048]本过程以上述40000Nm3·h-1氧气的具有储能、发电和物质回收功能的外压缩空分新工艺流程和技术方法为例，考虑到空分系统负荷调节范围为产品设计需求的70-105％，而目前冶金空分设备的平均运行负荷维持在产品设计需求的80％。基于电力峰谷分时电价制度，通过对该工艺流程实施生产电力需求侧管理，设计选择谷电储能期间空分设备的压缩负荷为产品设计负荷的105％，精馏系统工作负荷为产品设计负荷的80％，峰电和平电期间，继续维持精馏系统在80％的设计负荷下运行。本实施案例参考表1所示中国工业经济发达地区(上海市)工业用电划分时段和电价标准，可以看出，上海地区峰、平、谷电段时长均为8小时，谷电储能期间，时间集中、价格低廉，而峰电和平电期间，时间分布相互交错，因此，当谷电期间的液空储存容量一定时，系统释能时间的长短直接影响释能过程压缩设备的运行负荷和操作稳定性，进而影响系统的经济效益。本发明分别选取8小时(10:00-15:00 18:00-21:00)、11小时(case1:10:00-21:00)和16小时(case3:7:00-23:00)三种释能时间方案，通过利用ASPEN PLUS V10模拟软件对上述3种实例运行方案进行建模和初步模拟计算，并分别将其与全天运行负荷为80％的常规空分外压缩工艺流程进行对比。[0049]表1.上海市工业用电划分和电价标准
[0050]
模拟过程中，假设液空储罐内液体日损失率为0.2％，压缩机和空气增压机的机械
效率为0.98、多变效率为0.87，膨胀机的等熵效率和机械效率分别为0.88和0.97，低温泵的机械效率为0.75，各管路和设备组件中的能量和阻力损失均忽略不计。模拟结果表明，低温液空储存和空气释能发电系统的设置即不影响空分精馏过程的产品产量和精馏纯度，又能实现整个工艺流程的安全稳定运行。本实施案例将新工艺流程的储、释能过程低压塔的气相组分分部与80％负荷运行的常规空分外压缩工艺流程低压塔的气相组分分部进行对比(图4)，可以看出，该工艺流程在运行过程中，低压塔内各组分纯度均与80％负荷运行的常规空分外压缩工艺的组分分部保持一致，且氩馏分最大值高于0.08％，满足制氩空分生产要求。本发明通过对该工艺流程的综合耗电情况进行计算，系统地分析了以上三种释能运行方案下的电转换效率和经济效益，验证了该工艺流程设计的可行性，分析了新工艺流程实施后对全国峰谷用电负荷的影响。[0052]计算结果表明，以80％负荷运行的常规空分外压缩工艺流程的每小时耗电功率为22427KW，储能期间，新工艺流程启动空气增压机11，随着系统制冷量和液空储存流率的增加，耗电量不断增大，当液空储存流率为30570kg/h时，储能过程每小时耗电功率为28947KW，相比80％负荷运行的常规空分外压缩工艺流程，其耗电功率增加29.07％；释能期间，假设储存的液空全部在峰电期(8h)进行释放，则液空释放流率为30509kg/h，通过对释能空气进行回收，其每小时耗电功率可降低到20410KW，相比80％负荷运行的常规空分外压缩工艺流程，其耗电功率减小9％；同时，系统由于利用自身压缩设备余热资源可显著提高
[0051]
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膨胀发电设备的电能输出能力，当余热温度为100℃时，膨胀输出的电能为2072KW，为80％负荷运行的常规空分外压缩工艺流程每小时耗电功率的9.2％，因此，综合考虑储、释能过程的耗电情况，可得新工艺流程的电电转换效率为62.7％。
[0053]图7为地方峰谷电价比对本发明实施案例中制氧40000Nm3˙h-1具有储能、发电和物质回收功能的空分外压缩工艺流程的用电成本节约率影响曲线图，可以看出，峰谷电价比越大，系统的经济效益节约效果越显著，而目前中国的多数工业经济发达地区的峰谷电价比已达3:1左右，因此，当峰谷电价比为3:1时，以上三种释能方案相比80％负荷运行的常规空分外压缩工艺流程的用电成本节约率依次为4.3％、3.4％和2.7％(如图6)；若以上海市的工业电价计，上述三种释能方案相比80％负荷运行的常规空分外压缩工艺流程的用电成本节约率依次可达5.2％、4.1％和3.2％。随着未来中国电力市场峰谷电价实施力度的逐渐增大，本实施案例的投资成本回收期将进一步缩短，经济效益节约效果将更加显著。考虑到上述三种释能方案受系统释能时间的不连续性影响，在运行过程中需分别满足2、4、6次的负荷变化次数才能满足空分新工艺流程储、释能过程切换的实际操作要求，其负荷变化次数越少，空分系统的运行稳定性就越强，因此，本发明在未来的应用选择中可根据系统的电-电转换效率、经济效益，以及当前空分工艺的自动变负荷能力、技术水平和现场操作熟练程度选择具体运行方案。[0054]除此之外，考虑到空分设备在工业领域的应用范围和耗电占比，对电网侧而言，具有储能、发电和物质回收功能的空分外压缩工艺流程的实施和应用将会显著改善我国的电网峰、谷用电需求，对于促进电网削峰填谷，以及推动小型发电机组向基负荷机组或大型发电机组转变具有重要意义。2017年，中国粗钢产量为8.71亿吨，按每吨钢平均耗氧量120Nm3，单位氧气综合电耗为0.77KWh/Nm3计，全国冶金空分生产年耗电量可达804.80×109KWh，因冶金空分制氧能力占全国总制氧能力的25％，按内、压外压缩空分设备各为50％计，则2017年全国外压缩空分设备生产耗电总量为1609.61×109KWh，分摊到峰、平、谷三个时段，全国外压缩空分设备的峰、平、谷用电量分别为536.5×109kWh。如图8所示，若全国常规空分外压缩设备均由具有储能、发电和物质回收功能的空分外压缩设备所取代，并对其实施电力需求侧管理，使其全面参与电网调峰，则谷电储能期间新工艺流程的年负荷需求上升155×109kWh，占全国电力消费总量(64820.97×109KWh)的0.24％；峰电释能期间，新工艺流程的年总负荷需求下降96×109kWh，占全国电力消费总量的0.15％。全国电网平均峰谷差率可由目前的25.98％降至25.06％，降低率为3.5％，因此，该工艺流程的实施对于平衡电网峰谷负荷需求和提高电网发电机组的稳定性意义显著。
[0055]本发明将低温液空储能技术与空分外压缩工艺系统相结合，相比单纯的液化空气储能工艺而言，既节约了大量的初期设备投资成本，又减少了后期的设备运营维护和人力资源投资成本，经济效益显著得到提高，同时可提高空分外压缩设备的利用率，降低产品气体耗散量，实现空分机组的大型化和多样化发展，对推动空分设备在电力储能调峰中的应用，开发新的储能发电空分工艺流程具有重要意义。[0056]以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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