CN102032070B - 双再热兰金循环系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及双再热兰金循环系统及其方法。其中，兰金循环系统(10)包括加热器(12)，加热器被配置成使工作流体与热流体成热交换关系循环以蒸发工作流体。热系统(14)联接到加热器。热系统包括第一热交换器(20)，第一热交换器被配置成使来自该加热器的工作流体的第一蒸发流(34)与工作流体的第一冷凝流(36)成热交换关系循环以加热工作流体的第一冷凝流。冷系统(16)联接到加热器和热系统。冷系统包括第二热交换器(28)，第二热交换器被配置成使来自第一系统的工作流体的第二蒸发流(38)与工作流体的第二冷凝流(40)成热交换关系循环以在工作流体的第二冷凝流被馈送到该加热器之前加热工作流体的第二冷凝流。

Description

双再热兰金循环系统及其方法
技术领域
本发明大体而言涉及兰金循环系统，且更具体而言，涉及双再热兰金循环系统(dual reheat rankine cycle system)及其方法。
背景技术
许多电源要求可受益于下面这样的发电系统：其以最小环境影响提供低成本能量且其可易于整合到现有电网内或迅速安置为单独单元。诸如微型涡轮或往复式发动机这样的内燃机使用普遍易得的燃料(诸如汽油、天然气和柴油燃料)以较低成本发电。但却生成诸如氧化氮(NOx)和微粒这样的大气排放物。
从内燃机的废热发电但不增加燃料消耗或排放物输出的一种方法是采用底循环。底循环使用来自热源(诸如发动机)的废热且将热能转变成电。兰金循环通常用作热源的底循环(bottoming cycle)。兰金循环也用于从地热或工业废热源发电。基本有机兰金循环包括涡轮发电机、预热器/锅炉、冷凝器和液泵。
这种循环可接受较高温度的废热(例如，高于在该循环内循环的工作流体的沸点)且通常以降低的温度向周围空气或水散热。工作流体的选择决定循环的温度范围和热效率特征。
在用于较高温度和较大型设施的一种常规兰金循环系统中，蒸汽用作工作流体。蒸汽可被加热至更高温度，俘获更多废气能量，而不会发生化学分解。相反，蒸汽带来巨大困难，因为蒸汽倾向于腐蚀循环构件且要求蒸汽膨胀至接近真空条件来最佳地递送所蕴含的能量。很低的冷凝器压力不仅需要用于移除泄漏到系统内的不可冷凝气体的精细装置，而且也需要较大、昂贵和缓慢起动的膨胀器级和冷凝器单元。
在另一常规兰金循环系统中，二氧化碳用作工作流体。二氧化碳可被超临界(super critically)加热到更高温度而不会有化学分解的风险。相反，二氧化碳具有相对较低的临界温度。散热器温度必须略微低于二氧化碳的冷凝温度以便将二氧化碳冷凝为液相进行泵送。如果采用周围空气作为冷凝器的冷却介质，那么在许多地理位置不可能冷凝二氧化碳，因为在这些地理位置中的周围温度通常超过二氧化碳的临界温度。
希望有更有效的兰金循环系统及其方法。
发明内容
根据本发明的一个示范性实施例，公开了一种示范性兰金循环系统。该兰金循环系统包括加热器，该加热器被配置成使工作流体与热流体成热交换关系循环以蒸发工作流体。热系统联接到加热器。热系统包括第一热交换器，第一热交换器被配置成使来自加热器的工作流体的第一蒸发流与工作流体的第一冷凝流成热交换关系循环以加热工作流体的第一冷凝流。冷系统联接到加热器和热系统。冷系统包括第二热交换器，第二热交换器被配置成使来自第一系统的工作流体的第二蒸发流与工作流体的第二冷凝流成热交换关系循环以在工作流体的第二冷凝流被馈送到加热器之前加热工作流体的第二冷凝流。
附图说明
当参考附图来阅读下文的详细描述时，本发明的这些和其它特点、方面和优点将会变得更好理解，在所有附图中，相同的附图标记表征相同部件，在附图中：
图1是根据本发明的示范性实施例的双再热兰金循环系统的图解表示，
图2是根据本发明的示范性实施例的双再热兰金循环系统的热系统的一部分的图解表示；以及
图3是根据本发明的示范性实施例的双再热兰金循环系统的冷系统的一部分的图解表示。
元件符号列表：
10    兰金循环系统
12    加热器
14    热系统
16    冷系统
18    第一膨胀器
20    第一热交换器
22    第一冷凝单元
24    第一泵
26    第二膨胀器
28    第二热交换器
30    第二冷凝单元
32    第二泵
34    第一蒸发流
36    第一冷凝流
38    第二蒸发流
40    第二冷凝流
42    空气冷却器
44    第一分离器
46    第一未冷凝蒸气流
48    第一未冷凝蒸气流的一部分
50    第三膨胀器
52    第二分离器
54    第二未冷凝蒸气流
56    第一未冷凝蒸气流的其余部分
58    第三热交换器
60    压缩机
62    工作流体的第三冷凝流
63    泵
64    工作流体的第四冷凝流
66    空气冷却器
68    第三分离器
70    第二未冷凝蒸气流
72    第二未冷凝蒸气流的一部分
74    第四膨胀器
76    第四分离器
78    第三未冷凝蒸气流
80    第二未冷凝蒸气流的其余部分
82    第四热交换器
84    压缩机
86    工作流体的第五冷凝流
87    泵
88    工作流体的第六冷凝流
具体实施方式
根据本文所讨论的实施例，公开了一种双再热兰金循环系统。示范性兰金循环系统包括加热器，加热器被配置成使工作流体与热流体成热交换关系循环以便蒸发工作流体。热系统联接到加热器。热系统包括第一热交换器，第一热交换器被配置成使来自加热器的工作流体的第一蒸发流与工作流体的第一冷凝流成热交换关系循环以便加热工作流体的第一冷凝流。冷系统联接到加热器和热系统。冷系统包括第二热交换器，第二热交换器被配置成使来自热系统的工作流体的第二蒸发流与工作流体的第二冷凝流成热交换关系循环以便在馈送到加热器之前加热工作流体的第二冷凝流。根据本发明的示范性实施例，兰金循环系统与热源整合以允许更高效的废热回收用于发电。热源可包括内燃机、燃气涡轮、地热、太阳能热、工业和住宅热源等。
参看图1，示出根据本发明的示范性实施例的兰金循环系统10。所图示的兰金循环系统10包括加热器12、热系统14和冷系统16。工作流体通过兰金循环系统10循环。热系统14包括第一膨胀器18、第一热交换器20、第一冷凝单元22和第一泵24。冷系统16包括第二膨胀器26、第二热交换器28、第二冷凝单元30和第二泵32。
加热器12联接到热源(未图示)，例如发热系统(例如，发动机)的排气单元。加热器12从热流体(例如自热源生成的废热)接收热且加热工作流体以便生成工作流体的第一蒸发流34。在热系统14中，工作流体的第一蒸发流34穿过第一膨胀器18以使工作流体的第一蒸发流34膨胀且驱动第一发电机单元(generator unit)(未图示)。第一膨胀器18可为轴向型膨胀器、脉冲型膨胀器或高温螺旋型膨胀器、径向流入涡轮型(radial-inflow turbine type)膨胀器。在穿过第一膨胀器18之后，处于相对较低压力和较低温度的工作流体的第一蒸发流34穿过第一热交换器20到第一冷凝单元22。工作流体的第一蒸发流34冷凝成液体以便生成工作流体的第一冷凝流36。然后使用第一泵24将工作流体的第一冷凝流36经由第一热交换器20泵送到第二膨胀器26。第一热交换器20被配置成使来自第一膨胀器18的工作流体的第一蒸发流34与工作流体的第一冷凝流36成热交换关系循环以加热工作流体的第一冷凝流36且生成工作流体的第二蒸发流38。
在冷系统16中，工作流体的第二蒸发流38穿过第二膨胀器26以使工作流体的第二蒸发流38膨胀且驱动第二发电机单元(为图示)。第二膨胀器26可为轴向型膨胀器、脉冲型膨胀器或高温螺旋型膨胀器、径向流入涡轮型膨胀器。在穿过第二膨胀器26之后，工作流体的第二蒸发流38穿过第二热交换器28到第二冷凝单元30。工作流体的第二蒸发流38冷凝成液体，以便生成工作流体的第二冷凝流40。然后使用第二泵32将工作流体的第二冷凝流经由第二热交换器28泵送到加热器12。第二热交换器28被配置成使来自第二膨胀器28的第二蒸发流38与工作流体的第二冷凝流40成热交换关系以在加热工作流体的第二冷凝流40被馈送到加热器12之前加热工作流体的第二冷凝流40。
在图示实施例中，存在有在工作流体的高压力流与工作流体的低压力流之间的两种热交换情形(也被称作“循环内(intra-cycle)”传热)。在第一情形中，使工作流体的第一蒸发流34与工作流体的第一冷凝流36成热交换关系循环以加热工作流体的第一冷凝流36且生成工作流体的第二蒸发流38。这种热交换用于使工作流体的加压的第一冷凝流36沸腾(如果工作流体的第一冷凝流36处于亚临界温度)或另外增加工作流体的加压的第一冷凝流36的焓(如果工作流体的第一冷凝流36处于超临界温度)使得工作流体的第二蒸发流38然后可在第二涡轮26中经历另一膨胀。在第二情形中，使来自第二膨胀器26的工作流体的第二蒸发流38与工作流体的第二冷凝流40成热交换关系循环以加热工作流体的第二冷凝流40。工作流体的第二冷凝流40被馈送到加热器12且使用外部热源加热以完成流动回路。第二热交换器28充当系统10中“同流换热器(recuperator)”。
在图示实施例中，工作流体包括二氧化碳。二氧化碳用作工作流体具有不易燃、不腐蚀且能耐受高循环温度(例如，高于400摄氏度)的优点。在如上文所述的一实施例中，二氧化碳可被超临界地加热到高温而不会有化学分解的风险。在工作流体最初膨胀之后的两个不同循环内传热允许工作流体通过连续膨胀做更多功，所做的功多于单个膨胀过程(如在常规兰金循环操作中)能做的功。在其它实施例中，也设想到其它工作流体。
参看图2，公开了热系统14(在图1中示出)的一部分。如在先前所讨论的那样，在穿过第一膨胀器之后，处于相对较低压力和较低温度的工作流体的第一蒸发流34穿过第一热交换器20到第一冷凝单元22。第一冷凝单元22在本文中更详细地解释。在图示实施例中，第一冷凝单元22是空气冷却的冷凝单元。通过第一热交换器20出来的工作流体的第一蒸发流34传递经过第一冷凝单元22的空气冷却器42。空气冷却器42被配置成使用周围空气来冷却工作流体的第一蒸发流34。
在常规系统中，如果周围空气用作冷凝器的冷却介质，那么在许多地理位置不能冷凝二氧化碳，因在这些地理位置的周围温度通常超过二氧化碳的临界温度。根据本发明的实施例，二氧化碳在低于其临界温度完全冷凝，即使在这些地理位置的周围温度通常超过二氧化碳的临界温度。
在图示实施例中，第一分离器44被配置成在从空气冷却器42出来的工作流体的第一冷凝流36中分离出第一未冷凝的蒸汽流46。然后使第一未冷凝蒸汽流46的一部分48经由第三膨胀器50膨胀。第二分离器52被配置成在第一未冷凝蒸汽流46的膨胀的一部分48中分离出第二未冷凝蒸汽流54。第二未冷凝蒸汽流54经由第三热交换器58与第一未冷凝蒸汽流46的其余部分56成热交换关系循环以便冷凝第一未冷凝蒸汽流46的其余部分56。
压缩机60联接到第三膨胀器50。压缩机60被配置成压缩来自第三热交换器58的第二未冷凝蒸汽流54。然后将压缩的第二未冷凝蒸汽流54馈送到空气冷却器42的上游侧。在本文中应当指出的是经由第一分离器44出来的工作流体的第一冷凝流36，经由第二分离器52出来的工作流体的第三冷凝流62，经由第三热交换器58出来的工作流体的第四冷凝流64被馈送到第一泵24。提供泵63以将经由第二分离器52出来的工作流体的第三冷凝流62泵送到第一泵24。
参看图3，公开了冷系统16(在图1中示出)的一部分。如先前所讨论的那样，在穿过第二膨胀器之后，工作流体的第二蒸发流38穿过第二热交换器28到第二冷凝单元30。第二冷凝单元30在此处更详细地解释。在图示实施例中，第二冷凝单元30是空气冷却的冷凝单元。通过第二热交换器28出来的工作流体的第二蒸发流38经由第二冷凝单元30的空气冷却器66传递。空气冷却器66被配置成使用周围空气来冷却工作流体的第二蒸发流38。
在图示实施例中，第三分离器68被配置成在从空气冷却器66出来的工作流体的第二冷凝流38中分离出第二未冷凝蒸汽流70。然后使第二未冷凝蒸汽流70的一部分72经由第四膨胀器74膨胀。第四分离器76被配置成在第二未冷凝蒸汽流70的膨胀的一部分72中分离出第三未冷凝蒸汽流78。第三未冷凝蒸汽流78经由第四热交换器82与第二未冷凝蒸汽流70的其余部分80成热交换关系循环以便冷凝第二未冷凝蒸汽流78的其余部分80。
压缩机84联接到第四膨胀器74。压缩机84被配置成压缩来自第四热交换器82的第三未冷凝蒸汽流78。然后压缩的第三未冷凝蒸汽流78被馈送到空气冷却器66的上游侧。在此处应当指出的是经由第三分离器68出来的工作流体的第二冷凝流38，经由第四分离器76出来的工作流体的第五冷凝流86。经由第四热交换器82出来的工作流体的第六冷凝流88被馈送到第二泵32。提供泵87以将经由第四分离器76出来的工作流体的第五冷凝流86泵送到第二泵32。
参考上文所讨论的图2和图3的实施例，工作流体(例如，二氧化碳)的一部分在两个冷凝单元22、30中每一个处转移(diverted)以实现工作流体的冷凝。在冷却周围空气变得太热而不能实现工作流体的完全冷凝的情况下，未冷凝蒸汽的一部分过度膨胀使得未冷凝蒸汽的这一部分冷却远低于饱和温度，以及周围空气温度。然后使这些冷却的未冷凝蒸汽与未冷凝蒸汽的其余部分(未冷凝蒸汽的其余部分并未过度膨胀)成热交换关系循环，以便将未冷凝蒸汽的其余部分冷凝成液体。可调整将要转移并过度膨胀的未冷凝蒸汽的量直到未冷凝蒸汽的量足以完全冷凝未冷凝蒸汽的未转移部分。从膨胀过程得到的轴功用于在未冷凝蒸汽的过度膨胀部分由冷凝过程加热之后压缩该未冷凝蒸汽的过度膨胀部分。然后再循环压缩的蒸汽流到冷凝单元上游侧的点。
尽管参考二氧化碳作为工作流体讨论了上述实施例，但在某些其它实施例中，也可设想到适合于兰金循环的其它低临界温度工作流体。如本文所讨论，确保兰金循环的冷却流动的可用性便于在夏季期间周围冷却温度升高时冷却流动足以冷凝工作流体的可用性。根据示范性实施例，对于采用二氧化碳作为工作流体的兰金循环，冷凝单元和涡轮的低压级的体积减小。而且，示范性兰金循环具有紧凑的占据面积和因此比采用蒸汽作为工作流体的兰金循环更快的斜升时间(ramp-up time)。
虽然仅在本文中示出和描述了本发明的某些特点，但本领域技术人员将想到许多修改和变化。因此，应了解所附权利要求预期涵盖落在本发明的真实精神内的所有这些修改和变化。

Claims (10)

1. 一种兰金循环系统（10），包括：
加热器（12），其被配置成使工作流体与热流体成热交换关系循环以蒸发所述工作流体；
热系统（14），其联接到所述加热器（12）；其中，所述热系统（14）包括第一热交换器（20），所述第一热交换器（20）被配置成使来自所述加热器（12）的所述工作流体的第一蒸发流（34）与所述工作流体的第一冷凝流（36）成热交换关系循环，由此加热所述工作流体的第一冷凝流（36）以生成所述工作流体的第二蒸发流（38）；
冷系统（16），其联接到所述加热器（12）和所述热系统（14）；其中，所述冷系统（16）包括第二热交换器（28），所述第二热交换器（28）被配置成使来自所述热系统（14）的工作流体的所述第二蒸发流（38）与所述工作流体的第二冷凝流（40）成热交换关系循环以在所述工作流体的第二冷凝流（40）被馈送到所述加热器（12）之前加热所述工作流体的第二冷凝流（40）。
2. 如权利要求1所述的系统（10），其特征在于，所述热系统（14）包括第一膨胀器（18），所述第一膨胀器（18）被配置成使来自所述加热器（12）的所述工作流体的第一蒸发流（34）膨胀。
3. 如权利要求2所述的系统（10），其特征在于，所述热系统（14）包括第一冷凝单元（22），所述第一冷凝单元（22）被配置成冷凝从所述加热器（12）经由所述第一热交换器（20）馈送的所述工作流体的膨胀的第一蒸发流（34）。
4. 如权利要求3所述的系统（10），其特征在于，所述第一冷凝单元（22）包括空气冷却器（42），所述空气冷却器（42）被配置成冷却从所述加热器（12）经由所述第一热交换器（20）馈送的所述工作流体的膨胀的第一蒸发流（34）。
5. 如权利要求4所述的系统（10），其特征在于，所述第一冷凝单元（22）包括第一分离器（44），所述第一分离器（44）被配置成在从所述空气冷却器（42）出来的所述工作流体的第一冷凝流（36）中分离出第一未冷凝蒸汽流（46）。
6. 如权利要求5所述的系统（10），其特征在于，所述第一冷凝单元（22）包括第三膨胀器（50），所述第三膨胀器（50）被配置成使所述第一未冷凝蒸汽流的一部分（48）膨胀。
7. 如权利要求6所述的系统（10），其特征在于，所述第一冷凝单元（22）包括第二分离器（52），所述第二分离器（52）被配置成在从所述第三膨胀器（50）出来的所述第一未冷凝蒸汽流的膨胀的一部分（48）中分离出第二未冷凝蒸汽流（54）。
8. 如权利要求1所述的系统（10），其特征在于，所述工作流体包括二氧化碳。
9. 如权利要求1所述的系统（10），其特征在于，所述热流体包括废气。
10. 一种用于兰金循环系统的方法，包括：
使工作流体经由加热器（12）与热流体成热交换关系循环以蒸发所述工作流体；
使来自所述加热器（12）的所述工作流体的第一蒸发流（34）经由热系统（14）的第一热交换器（20）与所述工作流体的第一冷凝流（36）成热交换关系循环，由此加热所述工作流体的第一冷凝流（36）以生成所述工作流体的第二蒸发流（38）；以及
使来自所述热系统的所述工作流体的所述第二蒸发流（38）经由冷系统（16）的第二热交换器（28）与所述工作流体的第二冷凝流（40）成热交换关系循环，以在所述工作流体的第二冷凝流（40）被馈送到所述加热器（12）之前加热所述工作流体的第二冷凝流（40）。
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