CN102597433B - 用于提高卡林纳循环效率的系统和方法 - Google Patents

Abstract

卡林纳循环控制系统监控卡林纳循环的一个或多个运行参数。所述系统计算出一个或多个最优的运行参数，其使得卡林纳循环以提高的效率运行。所述系统自动调节一个或多个实际运行参数至最优参数以提高卡林纳循环的效率。提高卡林纳循环效率的方法包括将一个或多个运行参数自动地调节至最优化配置。

Description

用于提高卡林纳循环效率的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种适用于提高热力循环效率的系统、方法、和装置。特别地，本发明涉及监控和调节卡林纳循环的各种参数从而提高循环的整体效率。

背景技术

一些传统的能量转化系统允许否则将被浪费的热量转化为有用的能量。一个能量转化系统的例子是将来自于地热热水或工业废热的热源转化为电能。此热力系统可包含卡林纳循环。卡林纳循环是“闭环”热力循环，其用于将热能通过涡轮机转化为机械能。与“闭环”热力循环相似，卡林纳循环的效率至少部分地取决于热源和冷却源的温度。

典型地，涡轮机不能直接使用“热源”和“冷却源”；因此，被称为“工作流体”的介质被用于在热源和冷却源之间流动。例如，来自于地热孔中相对热的液体（例，“盐水”）的热量可使用一个或多个热交换器来加热工作流体。流体从低能量和低温流体状态被加热至相对的高压蒸汽。高压蒸汽，或工作气流，继而可通过一个或多个涡轮机，使一个或多个涡轮机旋转并产生电能。

在驱动涡轮机的过程中，在较低压力和温度时蒸汽膨胀并且排出涡轮机。在排出涡轮机之后，流体在冷凝器中通过 “冷却源”被冷凝成液体。当优化了涡轮机入口和涡轮机排放之间的压差时，可实现更高的循环效率（以及因此更多的能量输出）。这些压力取决于“热源”和“冷却源”的温度。

当“热源”和“冷却源”不能被涡轮机直接利用时，接下来最好的事情（为了使效率最大化）是拥有能够尽可能接近地复制这些热源和冷却源的工作流体。绝大部分非卡林纳循环的“闭环”热力循环利用单一（或纯净）成分流体的工作流体。例如，如今大多数电能是由基于发电站的郎肯循环产生的。这些发电站使用纯净的“水”作为工作流体。典型地，像水这样的纯净工作流体在复制热源和冷却源方面是有限的。这是因为纯净流体在恒定温度下沸腾和冷凝。这个恒定温度可与多数“热”和“冷”源的可变温度性质直接冲突。在工作流体和热/冷却源之间恒定的相对于可变温差是热力学构造上的差异，其可导致在郎肯循环发电站中的效率损失。

卡林纳循环发电站以至少一个不同的方式不同于郎肯循环发电站。典型地，在卡林纳循环发电站中工作流体是氨-水混合物。氨-水混合物具有许多不同于纯水或纯氨的基本特征。两种流体的混合物可以像一种全新的流体一样工作。卡林纳循环的本质是利用氨-水混合物在可变温度下沸腾和冷凝的优势-与热源和冷却源相似，并且因此更好地复制这些能量源。这可导致更高的循环效率。

典型地，当实施卡林纳循环时，热源和冷却源的温度是确定的。基于这个确定，计算出氨-水工作流体的最优化浓度以允许工作流体最好地复制热源和冷却源，并且因此使系统的效率最大化。

除氨-水工作流体浓度之外，卡林纳循环的各种其它参数也可影响循环的整体效率。一些这样的参数包括工作流体的压力，和相对于热源和/或冷却源流速的工作流体的流速。典型地，每个这样的参数是基于最初确定的热源和冷却源温度和其它系统参数来优化。一旦这些各种参数被初始地设定，其中一些就很少被调节。

然而，应当领会的是热源和冷却源既可经历随着时间慢慢地改变也可在一些情况下迅速地改变。在一个或多个热源和冷却源中的这些改变可影响卡林纳循环的效率。此外，效率降低归因于这些在热源温度和冷却源温度差较低的应用中尤其显著的温度摆动，例如，低温的热应用。

发明内容

本发明利用配置成监控和自动调节卡林纳循环的运行参数的系统、装置和方法解决了一个或多个前述的或其它的现有技术中的问题以帮助提高效率。例如，根据本发明的一个或多个实施例，卡林纳循环控制系统可包含一个或多个监控热和冷却源的传感器。控制系统可进而自动调节卡林纳循环的一个或多个运行参数以响应检测到的一个或多个热源和冷却源的改变。在本发明的另外的或可选择的实施例中，卡林纳循环控制系统可监控卡林纳循环的一个或多个运行参数，并且能够自动调节一个或多个运行参数以提高卡林纳循环的效率。

例如，一个或多个实施例中的用于使卡林纳循环效率最大化的控制系统可包含控制系统处理器。控制系统也可也包含一个或多个适合于测量卡林纳循环的一个或多个参数的传感器，并且传递测量数据至控制系统处理器。控制系统可进一步包含一个或多个卡林纳循环部件，其适用于由控制系统处理器控制以修改卡林纳循环的一个或多个附加参数。

此外，提高一个或多个实施例中的卡林纳循环效率的方法可包含收集一个或多个传感器上的数据，其指示一个或多个确定卡林纳循环效率的卡林纳循环参数。此方法也包含使用一个或多个传递装置传递数据至控制系统处理器。而且，此方法包含运用控制系统处理器来计算基于数据的一个或多个实际参数。另外，此方法包含确定一个或多个最优参数，其将提高卡林纳循环的效率。此方法可进一步包含将一个或多个实际参数自动调节至一个或多个最优化参数。

除上述之外，用于实施一个或多个实施例中的热力循环的装置可包括适用于膨胀多成分蒸汽工作流的膨胀器，其将它的能量转化至可用形式并且产生废气流。此装置也可包括分离器，其适用于将废气流分离成富流（rich stream）和贫流（lean stream）。此外，此装置可包括槽，其适用于接收来自分离器的至少一部分贫流并且在其中保持贫流的总量。此装置可进一步包括阀，其适用于改变排出槽的贫流的体积流率。而且，此装置可包括混合器，其适用于混合排出槽的贫流与富流而产生合并流。此装置也可包括冷凝器，其适用于冷凝合并流而产生多成分工作流。此装置可进一步包括第二热交换器，其适用于加热多成分工作流而产生蒸汽工作流。此外，此装置可包括传感器，其适用于测量多成分工作流的浓度比。此装置可额外地包括控制系统，其适用于自动操作阀门来改变多成分工作流的浓度比以响应热力循环的参数变化。

本发明的示范实施例的附加特征和优点将在以下说明书中提出，或可由此示范实施例的实践得知。此实施例的特征和优点可通过在附加权利要求中特别指明的系统和方法来实现和获得。从以下说明书和附加权利要求，或者由此下述的示范实施例的实践可得知，将使这些和其它特征变得更充分清晰。

附图说明

为了描述可获得本发明的上述和其它的优点与特征的方法，以上简要描述的本发明的更特别的描述将参考附图示出的具体实施例来呈现。应当注意的是附图没有按比例画出，并且类似结构或功能的元件通常由贯穿附图的用于说明性目的的相同的参考数字表示。应当理解这些附图仅为描述本发明的典型实施例并且不能因此被认为限定其范围，本发明将通过使用附图来描述和解释其附加的特征和细节，其中：

图1阐明了卡林纳循环能量转换系统的示意图，包括根据本发明的实施例的控制系统；

图2阐明了根据本发明实施例的图1中卡林纳循环的冷却源温度和氨浓度之间的关系的示范图；

图3阐明了图1的卡林纳循环的示意图，其中控制系统已经调节了基本工作流体混合物的浓度以响应冷却源温度的提高；

图4阐明了图1的卡林纳循环的示意图，其中控制系统已经调节了基本工作流体混合物的浓度以响应冷却源温度的降低；

图5阐明了另一个卡林纳循环能量转换系统的示意图，包括根据本发明实施例的控制系统；并且

图6阐明了在不同涡轮机入口压力处氨浓度和卡林纳循环效率之间潜在关系的示范图。

具体实施方式

本发明提供了配置用于监控以及自动调节卡林纳循环运行参数的系统、装置、和方法以帮助提高效率。例如，根据一个或多个本发明的实施例，卡林纳循环控制系统可包括一个或多个监控热源和冷却源的传感器。控制系统可进而自动调节卡林纳循环的一个或多个运行参数以响应检测到的一个或多个热源或冷却源的改变。在本发明另外的或可供选择的实施例中，卡林纳循环控制系统可监控卡林纳循环的一个或多个运行参数，并且能够自动调节一个或多个运行参数以提高卡林纳循环的效率。

作为初始问题，本发明的各种实施例可通过利用多成分工作流的闭环热力系统施行，诸如卡林纳循环系统。同时，应当理解的是本发明可被纳入各种不同类型的热力循环系统，此处的参考将明确为卡林纳循环系统。在此阐明及描述的特别的卡林纳循环仅是可使本发明实施的各种卡林纳循环的几个例子。其它可使本发明实施的典型卡林纳循环技术在美国专利号7,516,619、5,822,990、 5,953,918、 5,572,871、 5,440,882和4,982,568中阐明，其各自内容整体通过参考并入本文。

如前所述，本发明的一个或多个实施例可包含控制系统，和相关方法，用于监控在卡林纳循环中的基本工作流体浓度，卡林纳循环的热源的温度，和/或卡林纳循环的冷却源的温度。无论何时热源温度和/或冷却源温度改变，控制系统可相应地调节卡林纳循环的基本工作流体的浓度，从而提高卡林纳循环的效率，并且因此提高了卡林纳循环发电站的能量输出。

应当领会的是根据此处公开的信息，此控制系统和相关方法对一个或多个热源或冷却源的温度是动态的卡林纳循环特别有用。此卡林纳循环可包括利用来自制炼厂（例如，钢厂或铸造厂）的废热作为热源的循环。制炼厂可具有批量型运行，其结果是热源温度每小时地循环，或甚至更加频繁地循环。

在冷却源方面，许多地热应用位于贫瘠地区并且在空气冷却冷凝器中利用 “环境空气”。在这些区域昼夜空气温度摆动可高达40°F。因此，在24小时周期中，环境空气温度可从低（例如在夜晚的50°F）变化到高（白天的90°F），并且回落至夜晚的50°F。这个在低和高冷却温度摆动之间的差异在“冷锋”天气事件或热浪期间甚至能够非常的大。

现在参照附图，图1阐明了包括控制系统130的卡林纳循环100的示意图。控制系统130可基于一个或多个热源122和冷却源124的温度变化来调节卡林纳循环100的基本工作流体的浓度。特别地，控制系统130可调节基本工作流体的浓度以提高或优化卡林纳循环100的效率。

如图1所阐明的，卡林纳循环100可包含第一热交换器或冷凝器104，供给泵106，第二热交换器108，第三热交换器或蒸发器110，以及涡轮机112。此外，卡林纳循环100可包含分离器114，排水槽116，排水泵118，和槽120。如下详述，卡林纳循环100可通过外部热源122和外部冷却源124来工作。

在槽120的出口开始，工作流（氨-水混合物）在点11处具有确定的参数设定，此处以后称为基本混合物或基本工作流体混合物。工作流体进而被泵106泵为较高压力以在点12处产生加压的工作流体。加压工作流体进而通过第二热交换器108，在此它被自涡轮机112排出的流预热以在点14处产生预热的工作流体。预热的工作流体进而通过热交换器110，在此它被外部热源122加热以在点16处产生至少部分蒸发的工作流。至少部分蒸发的工作流进而通过涡轮机112，并且驱动涡轮机112以产生机械能，其由发电机126转化为电能。在涡轮机112中，工作流膨胀，并且在点18处作为低压工作流或至少部分的废气流排出涡轮机112。

低压工作流进而通过第二热交换器108的第二侧以便如上所述预热加压工作流体。通过预热加压工作流，低压工作流被冷却以在点20处产生部分冷凝的工作流或者冷却的废气流。部分冷凝的工作流进而进入分离器114。分离器114将部分冷凝的工作流在点22处分为贫流（相对于基本混合混合物氨含量低），并且在点24处分为富蒸汽流（相对于基本混合物氨含量高）。贫流通过排水槽116，并且进而被排水泵118泵为较高压以在点26处产生加压贫流。当加压贫流与富蒸汽流同时进入冷凝器104时，加压贫流进而被喷射或富蒸汽流混合以在点28处产生合并流。将贫流喷射入富蒸汽流可帮助富蒸汽流冷凝。合并流28在冷凝器104中通过外部冷却源124冷却以在点10处产生基本混合物。基本混合物进而进入槽120。然后此过程以闭环的方式重复。

如上所述，控制系统130可在卡林纳循环100的不同点监控工作流体的参数。此外，控制系统130也可监控一个或多个热源122温度和冷却源124温度。基于测得的工作流体参数和热源及冷却源温度，控制系统可优化或修改工作流体的浓度以提高卡林纳循环100的效率。换言之，控制系统130可提高或降低基本工作流体混合物的氨总量以改变卡林纳循环100的效率。

为了帮助此过程，控制系统130可包含测量冷却源124的参数的第一传感器128。传递装置A可以将由传感器128记录或测得的数据传递至控制系统处理器或控制系统130的计算机。传递装置A可经由通用串行总线（USB）连接、串行连接、并行连接、无线连接、蓝牙连接，和/或任意其它通信连接将数据发送至控制系统130的系统处理器。

在一个实施例中，传感器128可以是温度传感器，其适用于测量冷却源124的温度并将冷却源124的温度传递至控制系统处理器或控制系统130的计算机。在另一个实施例中，传感器128可以是适用于测量冷却源的其它特性或参数，诸如流速之类的流体流动特性。根据本发明的一些实施例，控制系统130的控制系统处理器位于卡林纳循环100所在处。根据本发明的可选实施例，控制系统130的控制系统处理器远离于卡林纳循环100所在处。

此外，控制系统130可包括传感器132，其测量基本工作流体的密度（或氨-水浓度）。传递装置B可将由传感器132记录的或测量的数据传递给控制系统处理器或控制系统130的计算机。传递装置B可经由通用串行总线（USB）连接、串行连接、并行连接、无线连接、蓝牙连接，和/或任意其它通信连接将数据发送至控制系统130的处理器。

控制系统130也可包括排水槽液位传导器134，其测量排水槽116中贫流的液位。传递装置可将由传感器132记录的或测量的数据传递给控制系统处理器或控制系统130的计算机。传递装置可经由通用串行总线（USB）连接、串行连接、并行连接、无线连接、蓝牙连接，和/或任意其它通信连接将数据发送至控制系统130的系统处理器。进一步地，控制系统130可包括排水槽液位控制阀136，其允许控制系统130能够控制排水槽116中贫流的液位或总量。

在运行中，控制系统130可计算，或下载最优基本混合物浓度（基本混合物中氨的百分比）以及冷却源温度之间的关系。使用具有310oF温度的外部热源122的卡林纳循环100的关系图在图2中阐明。用于描述图2中曲线的数学函数是：

y = 0.00581x² + 0.003506x +83.829755

其中x等于冷却源124的温度，以及y等于基本混合物的氨浓度。应当领会的是根据此处公开的信息，图2所描述的关系是用于特别的卡林纳循环的示范关系，并且控制系统130可使用与所实施的特别的卡林纳循环相似的关系。

因此在运行中，控制系统可使用传感器128测量冷却源124的温度。基于测得的温度，其根据本发明的一个或多个实施例是给定时间周期（例如，15至30分钟）的平均温度，控制系统130的处理器可计算最优的基本混合物中的氨与水浓度，其将产生卡林纳循环100的最大化效率。控制系统进而运用传感器132测量基本混合物的实际浓度。其后，控制系统130可对最优的氨与水浓度和实际的氨与水浓度进行比较。

如果实际的氨与水浓度低于最优的氨与水浓度（即，在基本混合物中实际上有比最优混合物更少的氨），控制系统130可提高基本混合物中的氨浓度。特别地，控制系统130运用排水槽液位传导器134可确定排水槽116中贫流的实际液位。控制系统130可进而自动设定排水槽目标液位至“较高”设定点，并且自动调节排水槽液位控制阀136以保持新设定点的液位。在此情况下，控制系统130将通过排水槽液位控制阀136来限制加压贫流的流动，直到排水槽116中贫流的液位达到了新设定点的液位。

通过提高储存于排水槽116中贫流的总量，控制系统130可通过系统100减少工作流体循环的中水的浓度并且因此提高基本混合物的氨浓度。根据本发明的一个或多个实施例，随着更多的贫流储存于排水槽116，更多的储存于槽120的基本混合物被移出并且被允许通过卡林纳循环100来循环以维持工作流体的恒定总量。

例如，图1阐明了卡林纳循环100，其中控制系统根据70oF的冷却源温度将基本混合物的浓度调节或优化至86.9%氨和13.1%水。相比而言，图3阐明了卡林纳循环100，其中控制系统响应冷却源124温度升至100o F而调节排水槽116中贫流的液位。特别地，控制系统将基本混合物的浓度调节至90.0%氨和10.0%水。根据图1和3的比较所示，图3中的卡林纳循环100相比图1的卡林纳循环100在排水槽116中包含了更大量的贫流。按此原则，图3的卡林纳循环100在槽120中也具有比图1的卡林纳循环更少量的基本混合物。

应当领会为当控制系统130调节基本混合物的浓度时，平衡浓度（如将卡林纳循环100的各部分中所有的氨和水流体在单个容器中混合起来，则将产生这样的氨-水混合物）仍然是常量。这是因为卡林纳循环100是一个闭合系统。因此，为了允许控制系统130能够改变基本混合物的浓度，当与传统卡林纳循环相比时，本发明的卡林纳循环100可包含增加的工作流体总量。按照相似的原则，排水槽116和槽120可包含充分增大的存储容量以使卡林纳循环100能够存储额外的工作流体。

应当领会的是根据此处的公开，在卡林纳循环100的其它部分中的贫流和富流的浓度可基于基本混合物的浓度自动调节。例如，贫流和富蒸汽流的浓度可如图1和3所示基于基本混合物的浓度自动调节。例如，在本发明的一些实施例中，图1的排水槽116中的贫流具有51.0%氨和49.0%水的浓度。此浓度可随着控制系统130改变基本工作流体的浓度而自动调节。例如，图3的排水泵116中的贫流可自动调节至56.5%氨和43.33%水的浓度。

按照相似的原则，在一个或多个实施例中，在图1的点24处富流具有99.6%氨和0.4%水的浓度。这个浓度可随着控制系统130改变基本工作流体的浓度而自动调节。例如，图3的点24处富流可自动调节至99.7%氨和0.3%水的浓度。

与由于冷却源124的温度提高，从而提高基本混合物中氨浓度的过程相似，控制系统130也可以或可选择地，由于冷却源124的温度降低而降低氨浓度。特别地，控制系统130可使用传感器128测量冷却源124的温度。基于测得的温度，控制系统130的处理器可计算基本混合物中最优的氨与水浓度，其产生了卡林纳循环100的最大化效率。控制系统130进而可使用传感器132测量基本混合物的实际浓度。其后，控制系统130可比较最优的氨与水浓度和实际的氨与水浓度。

如果实际的氨浓度大于最优的氨与水浓度（即，在基本混合物中实际上有比最优混合物更多的氨），控制系统130可降低基本混合物中的氨浓度。特别地，控制系统130可运用排水槽液位传导器134确定排水槽116中贫流的实际液位。控制系统130可进而自动设定排水槽目标液位至“较低”设定点，并且自动调节排水槽液位控制阀136来维持新设定点的液位。在此情况下，控制系统130将通过排水槽液位控制阀136来提高加压贫流的流动，直到排水槽116中贫流的液位达到了新设定点的液位。

通过降低储存于排水槽116中贫流的总量，控制系统130可通过系统100提高工作流体循环中的水的浓度，并且因此降低基本混合物中的氨浓度。根据本发明的一个或多个实施例，随着更少的贫流储存于排水槽116中，更多的基本混合物储存于槽120中以维持通过卡林纳循环100循环的工作流体的恒定总量。

例如，图4阐明了卡林纳循环100，其中的控制系统130响应冷却源124温度降至400oF而调节排水槽116中贫流的液位。特别地，控制系统将基本混合物的浓度调节至84.9%氨和15.1%水。根据图1和4的比较所示，图4中的卡林纳循环100相比图1的卡林纳循环100在排水槽116中包含更少量的贫流。按此原则，图4的卡林纳循环100在槽120中也具有比图1的卡林纳循环更大量的基本混合物。

如前所述，基于基本混合物的浓度调节，在卡林纳循环100的其它部分中的贫流浓度和富流浓度可基于基本混合物的浓度自动调节。例如，贫流和富蒸汽流的浓度可基于如图1和4所示的基本混合物的浓度自动调节。例如，在本发明的一些实施例中，图1的排水槽116中的贫流具有51.0%氨和49.0%水的浓度。此浓度可随着控制系统130改变基本工作流体的浓度而自动调节。例如，图4的排水槽116中的贫流可自动调节至65.1%氨和34.9%水的浓度。

按照相似的原则，在一个或多个实施例中，在图1的点24处富流具有99.6%氨和0.4%水的浓度。这个浓度可随着控制系统130改变基本工作流体的浓度而自动调节。例如，图4的点24处的富流可自动调节至99.7%氨和0.3%水的浓度。

同时，上述控制系统130测量冷却源124的温度并且相应调节基本混合物的浓度，本发明不限于此。例如，可替代的，或除测量冷却源124的温度之外，控制系统130可测量排出冷凝器124的冷凝的工作流体的温度，或其它相关参数。进一步地，控制系统130可包含用于监控储存于槽120中基本混合物总量的槽液位传导器139。

此外，可替代的，或除响应冷却源124的温度变化而调节基本混合物浓度之外，控制系统130可响应热源122的温度变化而调节基本混合物。在本发明的这些实施例中，控制系统130可包含传感器138，诸如温度传感器，其测量热源122的参数，例如温度之类。传递装置D可将数据从传感器138经由通用串行总线（USB）连接、串行连接、并行连接、无线连接、蓝牙连接，和/或任意其它通信连接将数据发送至控制系统130的系统处理器。在可选实施例中，传感器138可适用于测量流速和/或影响从热源122至工作流的热传递程度的热源122的其它特性或参数。

与上述关于冷却源124的温度改变类似，基于测得的热源122的温度，控制系统130的处理器可计算最优的基本混合物的氨与水浓度，其产生卡林纳循环100的最大化效率。控制系统130进而可使用传感器132测量基本混合物的实际浓度。其后，控制系统130可比较最优的氨与水浓度和实际的氨与水浓度。

如果实际的氨浓度大于最优的氨与水浓度（即，在基本混合物中实际上有比最优混合物更多的氨），控制系统130可降低基本混合物中的氨浓度。特别地，控制系统130可运用排水槽液位传导器134确定排水槽116中贫流的实际液位。控制系统可进而自动设定排水槽目标液位至“较低”设定点，并且自动调节排水槽液位控制阀136来维持新设定点的液位。在此情况下，控制系统130将通过排水槽液位控制阀136来增强加压贫流的流动，直到排水槽116中贫流的液位达到了新设定点的液位。

同样地，如果实际的氨与水浓度低于最优的氨与水浓度（即，在基本混合物中实际上有比最优混合物更少的氨），控制系统130可提高基本混合物中的氨浓度。特别地，控制系统130可运用排水槽液位传导器134确定排水槽116中贫流的实际液位。控制系统130可进而自动设定排水槽目标液位至“高”设定点，并且自动调节排水槽液位控制阀136来维持新设定点的液位。在此情况下，控制系统130将通过排水槽液位控制阀136来限制加压贫流的流动，直到排水槽116中贫流的液位达到了新设定点的液位。

此外，控制系统130可编程为“预期”冷或热源温度中的正常循环改变（或预测的温度改变）以便在超过实时的（或实际的）冷源或热源的温度改变时改变浓度。（例如对于空气冷却冷凝器的应用，在特定一天中空气温度循环极易被预测，并且因此可实现早上至中午预期“升”温，以及傍晚和夜晚“降”温的偏差控制。）

同样，取决于卡林纳循环的类型和包含于其中的各种部件，控制系统130可使用其它或附加部件来调节基本混合物的浓度以提高或优化效率。例如，图5阐明了卡林纳循环200的示意图。卡林纳循环200与图1、3、和4中阐明的卡林纳循环100相似；然而，它包含了第四热交换器502和分离器504。

在冷凝器104的出口启动，工作流体（氨-水混合物）在点10处具有一组确定的参数，此处以后称为基本混合物。工作流体进而被泵106泵为较高压力以便在点12处产生加压的工作流体。加压工作流体进而通过第二热交换器108，在此它被预热以在点14处产生预热的工作流体。

预热的工作流体进而通过第四热交换器502，在此它被进一步加热并任意地部分蒸发以在点30处产生进一步加热的工作流体。进一步加热的工作流体进而通过第三热交换器110，在此它被外部热源122加热以在点16处产生至少部分蒸发的工作流。至少部分蒸发工作流进而流入分离器504。分离器504将至少部分蒸发的工作流在点32处分为富蒸汽成分，并且在点34处分为贫饱和流体成分。富蒸汽成分进入并驱动涡轮机112来产生机械能，其通过发电机126转化为电能。在涡轮机112中，工作流膨胀以在点18处形成低压工作流或废气流。

贫饱和流体成分在第四热交换器502中被冷却（通过加热预热工作流体）并且在点36处产生部分冷却的贫成分。部分冷却贫成分进而与低压工作流或废气流合并，在点38处产生合并的废气流，其进而通过第二热交换器108，在此它通过加热加压工作流体而冷却，以在点20处产生部分冷凝工作流。

部分冷凝工作流进而进入分离器114。分离器114将部分冷凝工作流在点22处分为贫（相对基本混合物来说氨浓度低）流，以及在点24处分为富（相对基本混合物来说氨浓度高）蒸汽流。贫流通入排水槽116 ，并且被排水泵118进一步泵为高压以在点26处产生加压贫流。加压贫流进而被喷射或随富蒸汽流同时进入冷凝器104时与之混合以在点28处产生合并流。将贫流喷入富蒸汽流可增进富蒸汽流冷凝。合并流28在冷凝器104中通过外部冷却源124冷却。冷却的合并流在排出冷凝器104后成为基本混合物，其进而进入槽120。接着此过程在闭环装置中重复。

此外，如图5所示，控制系统130可包括第一分离槽液位传导器506，其测量分离器504中贫饱和流体成分的液位。传递装置F可将数据从分离槽液位传导器506经由通用串行总线（USB）连接、串行连接、并行连接、无线连接、蓝牙连接，和/或任意其它通信连接发送到控制系统130的系统处理器。进一步地，控制系统130可包括分离槽液位控制阀508，其允许控制系统130通过控制装置G来控制分离器504的槽中贫饱和流体成分的总量。控制装置G可包含与上述的传递装置A、C、D、和E相似的通讯装置，以及适用于打开和关闭阀508的驱动器。

因此，在图5阐明的控制系统130的实施例中，控制系统130可调节分离器504中贫饱和流体成分的液位以响应冷却源124和/或热源122的温度变化来调节基本混合物的浓度。应当领会的是根据此处公开的信息，控制系统130可以用类似于上述关于排水槽116中贫流液位调节的方式来调节在分离器504中的槽中的贫饱和流体成分的液位。特别地，控制系统130可设定一个目标液位并且继而根据分离器504的槽中流体液位的增减来调节控制分离槽液位阀508。可选择地，控制系统130可调节分离器504中贫饱和流体成分的液位以及排水槽116中贫流液位来调节基本混合物的浓度。

应当领会的是根据此处公开的信息，控制系统130可迅速地调节基本混合物的浓度。甚至在本发明的一个或多个实施例中，控制系统130可每日，每小时，或响应于一个或多个热源122和冷却源124的温度变化来调节基本混合物的浓度。在本发明的一个或多个实施例中，控制系统130可监控和调节基本混合物以实时响应一个或多个热源122和冷却源124的温度变化。

当上述的控制系统130的实施例监控并且自动调节基本混合物浓度以帮助确保卡林纳循环100、200以提高的或最大化效率运行时，本发明的一个或多个附加或可选择的实施例包含控制系统，其调节卡林纳循环的一个或多个附加参数以帮助确保提高的或最大化效率。例如，图6描述了阐明基于涡轮机入口处工作流体压力的工作流体的氨浓度和卡林纳循环效率之间潜在关系的示范图。本发明的控制系统130的一个或多个实施例可基于其控制的卡林纳循环的特殊参数计算或下载类似的关系。运用这些信息，控制系统130可监控基本混合物的浓度并且相应地自动调节涡轮机入口处的压力，从而帮助确保卡林纳循环以提高的或最大化效率运行。

例如，再次参照图1，控制系统130可使用传感器132监控基本混合物的浓度。进一步地，根据本发明的一个或多个实施例，传感器132也可测量基本混合物的温度和流速。基于测得的基本混合物的浓度，控制系统130的处理器可计算涡轮机入口压力，其运用图6中的示出的图表或类似数据来最大化卡林纳循环100的效率。控制系统130可进而利用涡轮机入口压力传感器140测量涡轮机112处的实际压力。传递装置E可将数据从传感器140经由通用串行总线（USB）连接、串行连接、并行连接、无线连接、蓝牙连接，和/或任意其它通信连接发送至控制系统130的系统处理器。根据本发明的一些实施例，控制系统130可在涡轮机112入口处测量工作流体的流速并且进而计算其压力。

如果实际的涡轮机入口压力大于（或小于）最优化涡轮机入口压力，控制系统130可调节实际涡轮机入口压力。例如，控制系统130可调节泵106的输出，并且因此调节了涡轮机入口压力。无论如何，控制系统130可监控和调节涡轮机入口压力以帮助确保卡林纳循环以最大化效率运行。

应当领会的是根据此处公开的信息，浓度和涡轮机输入压力仅是本发明的控制系统130可监控和自动调节的以最大化卡林纳循环效率的两个举例参数。甚至本发明的一个或多个实施例可监控任意数量的不同循环参数，卡林纳循环效率基于上述参数并且可自动调节上述参数以帮助卡林纳循环效率的提高。

例如，卡林纳循环已经在此描述为闭环；然而，因为涡轮机密封有缺陷，少量的在涡轮机中膨胀的富蒸汽可漏出卡林纳循环。长期的这种工作流体的流失在减少通过卡林纳循环中循环的工作流体总量和调节工作流体的浓度两方面对卡林纳循环运行效率造成负面影响。本发明的一个或多个实施例可通过使用排水槽液位传导器134和槽体液位传导器139来监控在卡林纳循环中循环的工作流体的总量。控制系统130可进而使用排水槽液位控制阀136来使更多的工作流体在卡林纳循环中循环，并且因此，解决经由涡轮机密封造成的任何流失问题。此外，控制系统130可如上所述那样调节基本混合物的浓度以补偿由于在涡轮机密封处富蒸汽泄漏导致的任何变化。

本发明的实施例也可包含实施以及提高热力循环效率的方法。以下描述了参考从图1至6的部件和图表的提高卡林纳循环效率的至少一个方法的实施例。当然，作为初步介绍，本领域技术人员将认识到此处详细解释的方法可被改进。例如，所述方法的不同步骤可被省略或被扩展，并且此处描述的方法的各种步骤顺序可按需改变。

因此，根据本发明的一个方法，该方法包括在一个或多个指示卡林纳循环的一个或多个参数的传感器处收集数据的步骤，卡林纳循环效率的取决于这些参数。例如，方法可包括使用一个或多个温度传感器128、138来测量一个或多个热源122和冷却源124的温度。此外，方法可包括使用密度传感器132来测量卡林纳循环的基本工作流体混合物的密度。此外，方法可包括使用压力传感器140来测量卡林纳循环的工作流体的涡轮机入口压力。

方法也可包括使用一个或多个传递装置将数据传送至控制系统处理器。举个例子，方法可包括使用传递装置A、D将一个或多个热源122和冷却源124的温度传送至控制系统130的处理器。此外，或可选择地，方法可包括使用传递装置B将工作流体的浓度传送至控制系统130的处理器。进一步地，方法可包含使用传递装置E将工作流体的涡轮机入口压力传送至控制系统130的处理器。

此外，方法包含使用控制系统处理器基于数据来计算一个或多个实际参数的步骤。例如，方法可计算工作流体的实际浓度，在卡林纳循环中工作流体的实际总量，或者在涡轮机入口处工作流体的实际压力。

进一步地，方法可包含确定将提高卡林纳循环效率的一个或多个最优化参数的步骤。举个例子，方法可包括基于热源和/或冷却源的实际温度计算最适宜的工作流体浓度。此外，或可选择地，方法可包括基于涡轮机入口处工作流体的实际压力来计算最适宜的工作流体浓度。

方法也可包含将一个或多个实际参数自动调节至最优化参数的步骤。例如，方法可包含由操作排水槽控制阀136或分离槽液位控制阀508来调节基本工作流体混合物的浓度。此外，或可选择地，方法可包含通过调节泵106的输出来调节卡林纳循环的工作流体的涡轮机入口压力。

本发明可具体表述为不违背其实质或基本特征的其它具体形式。所述实施例被视为在各方面都只是说明性和非限制性的。因此，本发明的范围由附加权利要求而不是上述描述表示。所有等同于权利要求的意思和范围中的改变都包含于其范围之中。

Claims (16)

1.用于提高卡林纳循环效率的控制系统，包括：

控制系统处理器；

传感器，其适用于测量所述卡林纳循环的参数并且将测量的数据传递至所述控制系统处理器；

一个或多个卡林纳循环部件，通过所述控制系统处理器来控制所述一个或多个卡林纳循环部件以改变所述卡林纳循环的一个或多个附加参数；

其中所述传感器包含测量热源温度和冷却源温度中的一个或多个的温度传感器；

其中所述卡林纳循环参数包含热源温度和冷却源温度中的一个或多个，以及一个或多个附加参数包含基本工作流体的浓度。

2.如权利要求1所述的控制系统，其中所述一个或多个卡林纳循环部件包含排水槽液位控制阀。

3.如权利要求1所述的控制系统，其中所述传感器包含排水槽液位传导器。

4.如权利要求1所述的控制系统，其中所述传感器包含涡轮机入口压力传感器。

5.如权利要求4所述的控制系统，其中所述卡林纳循环的参数包含涡轮机入口处工作流体的压力。

6.如权利要求1所述的控制系统，其中所述传感器包含排水槽液位传导器和槽液位传导器。

7.如权利要求5所述的控制系统，其中所述卡林纳循环的参数包含所述卡林纳循环中工作流体的总量。

8.提高卡林纳循环效率的方法，包括:

在一个或多个指示卡林纳循环的一个或多个参数的传感器处收集数据，所述卡林纳循环效率取决于所述参数；

使用一个或多个传递装置将数据传递至控制系统处理器；

使用控制系统处理器基于数据来计算一个或多个实际参数；

确定将提高卡林纳循环效率的一个或多个最优化参数；和

自动地将一个或多个实际参数调节至一个或多个最优化参数；

其中收集数据包含测量热源和冷却源的温度中的一个或多个，和测量卡林纳循环的基本工作流体混合物的密度；

其中自动调节包含通过操作排水槽控制阀调节基本工作流体混合物的浓度。

9.如权利要求8所述的方法，其中自动调节包含通过调节泵输出来调节卡林纳循环的工作流体的涡轮机入口压力。

10.如权利要求8所述的方法，其中所述卡林纳循环的一个或多个参数包含热源温度，冷却源温度，涡轮机入口处工作流体的压力，和基本工作流体混合物的浓度中的一个或多个。

11.用于实施热力循环的装置，包含：

膨胀器，其适用于使多成分蒸汽工作流膨胀并将其能量转化为可用形式并且产生废气流；

分离器，其适用于将废气流分为富流和贫流；

槽，其适用于接收来自分离器的至少部分贫流并且保持其中贫流的总量；

阀，其适用于改变排出槽的贫流的体积流率；

混合器，其适用于将排出所述槽的贫流与富流混合而产生合并流；

冷凝器，其适用于冷凝合并流而产生多成分工作流；

第二热交换器，其适用于加热多成分工作流而产生多成分蒸汽工作流；

传感器，其适用于测量多成分工作流的浓度比；和

控制系统，其适用于响应热力循环参数的变化而自动操作阀以改变多成分工作流的浓度比。

12.如权利要求11所述的装置，进一步包含热源温度传感器和冷却源温度传感器中的一个或多个。

13.如权利要求11所述的装置，进一步包含涡轮机入口压力传感器。

14.如权利要求11所述的装置，进一步包含第二槽，其适用于接收来自冷凝器的多成分工作流并且保持其中多成分工作流的总量。

15.如权利要求11所述的装置，进一步包含第二分离器，其适用于将加热的多成分工作流分为多成分蒸汽工作流和贫饱和液体流。

16.如权利要求15所述的装置，进一步包含槽液位控制阀，其适用于控制第二分离器中贫饱和液体流的总量。