CN105765178B - 具有选择性地可配置的工作流体回路的热机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有选择性地可配置的工作流体回路的热机系统.一种热机系统包括：泵，其使通过工作流体回路的工作流体循环；以及膨胀器，其接纳来自工作流体回路的高压侧的工作流体，并且将工作流体中的压降转换为机械能。多个废热交换器均选择性地定位在高压侧内或与高压侧隔绝。多个复热器均选择性地定位在高压侧和低压侧内或与高压侧和低压侧隔绝。多个阀致动以选择性地控制所述多个废热交换器中哪一个废热交换器定位在高压侧中，所述多个复热器中哪一个复热器定位在高压侧中，以及多个复热器中哪一个复热器定位在低压侧中。

Description

具有选择性地可配置的工作流体回路的热机系统
相关专利申请的交叉引用
本申请要求2014年9月3日提交的美国发明申请No.14/475,640；2014年9月3日提交的美国发明申请No.14/475,678；2013年9月5日提交的美国临时申请No.61/874,321；2014年6月11日提交的美国临时申请No.62/010,731；和2014年6月11日提交的美国临时申请No.62/010,706的优先权。这些优先权申请整体以引用的方式并入本文，到与本发明相符的程度。
背景技术
废热通常形成为工业过程的副产品，其中高温液体、气体或流体的流动流必须排放到环境中或者以某种方式去除以试图保持工业工艺设备的操作温度。某些工业过程采用热交换器装置来捕集废热并经由其它工艺流使废热再循环到该过程中。然而，对于采用高温或者具有不足质量流或其它不利条件的工业过程而言，废热的捕集和再循环是不可行的。
因此，废热可以通过各种涡轮发电机或采用热动力方法(例如朗肯循环或其它动力循环)的热机系统而转换为有用的能量。朗肯循环和类似热动力循环通常是基于蒸汽的过程，其回收并利用废热产生蒸汽，以用于驱动与发电机、泵或其它装置连接的涡轮机、涡轮增压器或其它膨胀器。
有机朗肯循环利用低沸点工作流体来代替传统朗肯循环期间的水。示例性低沸点工作流体包括烃类，例如轻质烃(例如，丙烷或丁烷)和卤化烃类，例如氢氯氟烃(HCFCs)或氢氟烃(HFCs)(例如，R245fa)。最近，鉴于例如低沸点工作流体的热不稳定性、毒性、易燃性和生产成本的问题，某些热动力循环已经修改为使非烃类工作流体(例如氨)进行循环。
当操作动力循环或另一个热动力循环时影响整体系统效率的一个主要的因素在于，供热步骤是有效的。不良地设计的热机系统和循环除了需要大型热交换器来执行热与电力的转换之外，热与电力的转换可能也是效率低下的。与高度优化的系统相比，这样的系统以高得多的每千瓦成本传递动力。能够处理这样的高压和高温的热交换器通常占热机系统的总成本的较大部分。
因此，需要用于转换能量的热机系统和方法，由此该系统和方法在由热能产生功或电力的同时提高效率。
发明内容
在一个实施例中，热机系统包括工作流体回路，该工作流体回路具有高压侧和低压侧，并且被配置成使得工作流体流过该工作流体回路。多个废热交换器中的每个废热交换器被配置成与工作流体回路的高压侧流体地联接且热连通，与热源流流体地联接且热连通，并且将热能从热源流传递到高压侧内的工作流体。多个复热器中的每个复热器流体地联接到工作流体回路，并且被配置成使热能在工作流体回路的高压侧和低压侧之间传递。第一膨胀器流体地联接到工作流体回路，设置在高压侧和低压侧之间，并且被配置成将工作流体中的压降转换为机械能。第二膨胀器流体地联接到工作流体回路，设置在高压侧和低压侧之间，并且被配置成将工作流体中的压降转换为机械能。第一泵在工作流体回路的低压侧和高压侧之间流体地联接到工作流体回路，并且被配置成使工作流体回路内的工作流体循环或加压。第一冷凝器与工作流体回路的低压侧上的工作流体热连通，并且被配置成从工作流体回路的低压侧上的工作流体去除热能。
在另一个实施例中，热机系统包括泵，该泵被配置成使通过工作流体回路的工作流体加压和循环，该工作流体回路具有高压侧和低压侧。第一膨胀器被配置成接纳来自高压侧的工作流体并且将工作流体中的压降转换为机械能。多个废热交换器沿着热源流的流动路径串联地设置，并且被配置成将热能从热源流传递到工作流体且选择性地定位在高压侧内或与高压侧隔绝。每个多个复热器被配置成将热能从流过低压侧的工作流体传递到流过高压侧的工作流体，并且选择性地定位在高压侧和低压侧内或与高压侧和低压侧隔绝。多个阀被配置成致动以选择性地控制所述多个废热交换器中哪一个废热交换器定位在高压侧中，所述多个复热器中哪一个复热器定位在高压侧中，以及多个复热器中哪一个复热器定位在低压侧中。
在另一个实施例中，热机系统包括工作流体回路，该工作流体回路具有高压侧和低压侧，并且被配置成使得工作流体流过该工作流体回路。第一膨胀器被配置成接纳来自高压侧的工作流体并且将工作流体中的压降转换为机械能。第二膨胀器被配置成接纳来自高压侧的工作流体并且将工作流体中的压降转换为机械能。多个废热交换器沿着热源流的流动路径串联地设置，并且被配置成将热能从热源流传递到工作流体且选择性地定位在高压侧内或与高压侧隔绝。每个多个复热器被配置成将热能从流过低压侧的工作流体传递到流过高压侧的工作流体，并且选择性地定位在高压侧和低压侧内或与高压侧和低压侧隔绝。多个阀中的每个阀被配置成致动以选择性地控制所述多个废热交换器中哪一个废热交换器定位在高压侧中，所述多个复热器中哪一个复热器定位在高压侧中，多个复热器中哪一个复热器定位在低压侧中，以及第一膨胀器和第二膨胀器中哪一个用以接收来自高压侧的工作流体。
附图说明
阅读附图，从以下的详细描述中最佳地理解本发明。要强调的是，根据工业中的标准惯例，各个特征并不是按比例绘制的。事实上，为了讨论清楚起见，各个特征的尺寸可能被任意增大或减小。
图1示出了根据本文公开的一个或多个实施例的具有选择性地可配置的工作流体回路的热机系统。
图2示出了根据本文公开的一个或多个实施例的具有选择性地可配置的工作流体回路的另一个热机系统。
图3示出了根据本文公开的一个或多个实施例的具有过程加热系统的热机系统。
图4A为热机系统的实施例产生的热动力循环的压力对焓的图表。
图4B为热机系统的实施例产生的热动力循环的压力对温度的图表。
图4C为热机系统的实施例产生的热动力循环的质量流量条形图。
图4D为热机系统的实施例产生的热动力循环的复热器的温度迹线图。
图4E为热机系统的实施例产生的热动力循环的复热器的温度迹线图。
图4F为热机系统的实施例产生的热动力循环的复热器的温度迹线图。
图4G为热机系统的实施例产生的热动力循环的废热交换器的温度迹线图。
图4H为热机系统的实施例产生的热动力循环的废热交换器的温度迹线图。
图4I为热机系统的实施例产生的热动力循环的废热交换器的温度迹线图。
图4J为热机系统的实施例产生的热动力循环的废热交换器的温度迹线图。
图5为图4A所示的压力对焓的图表的一部分的放大图。
具体实施方式
当前公开的实施例整体上涉及用于转换能量的热机系统和方法，例如由热能产生机械能和/或电能。更具体地，本发明所公开的实施例提供热机系统，其能够根据具体实施的考虑而以若干不同配置中的一种配置来选择配置工作流体回路。例如，在某些实施例中，可以根据向工作流体回路提供热能的热源来确定工作流体回路的配置。更具体地，在一个实施例中，热机系统可以包括多个阀，这些阀使得工作流体能够选择性地行进通过一个或多个废热交换器和一个或多个复热器，以将热机系统调谐到可获取的热源，从而增大热机系统在热能转换为可用动力输出方面的效率。以下更详细地讨论选择性地可配置的工作流体回路的这些和其它特征。
如本文所述，包括选择性地可配置的工作流体回路的热机系统被配置成用以将加热的流(例如废热流)的热能有效地转换为可用的机械能和/或电能。为此，在一些实施例中，热机系统可以在工作流体回路中采用处于超临界状态(例如，sc-CO2)和/或次临界状态(例如，sub-CO2)的工作流体(例如，二氧化碳(CO2))，以用于利用一个或多个废热交换器捕集或以其它方式吸收废热流的热能。热能可以通过动力涡轮机转换为机械能，并且随后通过与动力涡轮机联接的动力发电机转换为电能。另外，热机系统可以包括若干一体化的由过程控制系统管理的子系统，以用于在产生机械能和/或电能时使得热机系统的效率最大化。
现在转到附图，图1示出了热机系统100的实施例，其具有工作流体回路102，该工作流体回路可以由控制系统101选择性地配置，从而通过多个废热交换器120a、120b和120c、多个复热器130a和130b、涡轮或膨胀器160a和160b、泵150a、以及冷凝器140a的任何期望组合来形成工作流体的流动路径。为此，设置有多个旁通阀116a、116b和116c，每个旁通阀可以选择性地定位在打开位置或关闭位置中，以使得工作流体能够行进通过期望的部件。
工作流体回路102整体上具有高压侧和低压侧，并且被配置成用以使工作流体流过高压侧和低压侧。在图1的实施例中，根据膨胀器160a和160b中的哪一个膨胀器包含在工作流体回路102中，高压侧沿着工作流体的流动路径从泵150a延伸到膨胀器160a和/或膨胀器160b，低压侧沿着工作流体的流动路径从膨胀器160a和/或膨胀器160b延伸到泵150a。在一些实施例中，工作流体可以经由泵旁通阀141从低压侧传递到高压侧。
根据指定实施方式的特征，工作流体回路102可以被配置成使得可获得的部件(例如废热交换器120a、120b和120c以及复热器130a和130b)均选择性地定位在(例如流体地联接到)工作流体回路的高压侧和低压侧中或者与工作流体回路的高压侧和低压侧隔绝(例如没有流体地联接到工作流体回路的高压侧和低压侧)。例如，在一个实施例中，控制系统101可以利用处理器103来确定哪一个废热交换器120a、120b和120c以及哪一个复热器130a和130b定位在工作流体回路102的高压侧上(例如结合在高压侧中)。这样的确定可以例如通过参考存储器105由处理器103做出，以确定如何将热机系统100调谐成利用指定热源进行最有效的操作。
又例如，在一个实施例中，涡轮泵可以通过驱动轴162联接第二膨胀器160b和泵150a而形成，使得第二膨胀器160b可以利用第二膨胀器160b产生的机械能来驱动泵150a。在该实施例中，通过将旁通阀116a和116b定位在打开位置中而将复热器130b和废热交换器120b选择性地流体联接到高压侧，可以形成从泵150a到第二膨胀器160b的工作流体流动路径。在该实施例中，工作流体流动路径从泵150a，通过复热器130b，通过旁通阀116b，通过废热交换器120b，通过旁通阀116a，而延伸到第二膨胀器160b。在该实施例中，通过低压侧的工作流体流动路径从第二膨胀器160b，通过涡轮排出管线170b，通过复热器130b，通过冷凝器140a，而延伸到泵150a。
另外，在另一个实施例中，通过将废热交换器120c、复热器130a和废热交换器120a流体地联接到高压侧，可以形成从泵150a到第一膨胀器160a的工作流体流动路径。在该实施例中，通过高压侧的工作流体流动路径从泵150a，通过废热交换器120c，通过旁通阀116b，通过复热器130a，通过旁通阀116a，通过废热交换器120a，通过截止阀或节流阀158a，而延伸到第一膨胀器160a。在该实施例中，通过低压侧的工作流体流动路径从第一膨胀器160a，通过涡轮排出管线170a，通过复热器130a，通过复热器130b，通过冷凝器140a，而延伸到泵150a。
在本文所述的一个或多个实施例中，如图2和3所示，通过提供额外的废热交换器130c、额外的旁通阀116d、多个冷凝器140a、140b和140c以及多个泵150a、150b和150c，可以进一步增强工作流体回路102的可调谐性。另外，在该实施例中，第一和第二膨胀器160a、160b中的每一个膨胀器均可以经由截止阀或节流阀158a和158b流体地联接到工作流体回路102或者与工作流体回路隔绝，设置在高压侧和低压侧之间，并且被配置成用以将工作流体中的压降转换为机械能。应当指出的是，当前想到的实施例可以包括任何数量的废热交换器、任何数量的复热器、任何数量的阀、任何数量的泵、任何数量的冷凝器、和任何数量的膨胀器，而并不限于图1-3中所示的数量。实际上，这样的部件的数量在图示实施例中仅仅是示例性的，在其它实施例中，可以提供任何合适数量的这些部件。
在一个实施例中，多个废热交换器120a-120d可以包含四个或更多个废热交换器，例如第一废热交换器120a、第二废热交换器120b、第三废热交换器120c和第四废热交换器120d。每个废热交换器120a-120d可以根据控制系统101的确定而选择性地流体联接到工作流体回路102的高压侧且与高压侧热连通，以根据指定应用的需要来调谐工作流体回路102。每个废热交换器120a-120d可以被配置成流体地联接到热源流110且与热源流热连通，并且被配置成用以将热能从热源流110传递到高压侧内的工作流体。废热交换器120a-120d可以沿着热源流110的流动方向串联地设置。在一种配置中，相对于工作流体流过工作流体回路102，第二废热交换器120b可以设置在第一废热交换器120a上游，第三废热交换器120c可以设置在第二废热交换器120b上游，并且第四废热交换器120d可以设置在第三废热交换器120c上游。
在一些实施例中，多个复热器130a-130c可以包括三个或更多个复热器，例如第一复热器130a、第二复热器130b和第三复热器130c。每个复热器130a-130c可以选择性地流体联接到工作流体回路102，并且被配置成用以在流体地联接到工作流体回路102时在工作流体回路102的高压侧和低压侧之间传递热能。在一个实施例中，复热器130a-130c可以在第二膨胀器160b上游串联地设置在工作流体回路102的高压侧上。第二复热器130b可以设置在第一复热器130a上游，并且第三复热器130c可以在高压侧上设置在第二复热器130b上游。
在一个实施例中，第一复热器130a、第二复热器130b和第三复热器130c可以串联地设置在工作流体回路102的低压侧上，使得第二复热器130b可以设置在第一复热器130a下游，并且第三复热器130c可以在低压侧上设置在第二复热器130b下游。第一复热器130a可以在低压侧上设置在第一膨胀器160a下游，并且第二复热器130b可以在低压侧上设置在第二膨胀器160b下游。
热源流110可以是来自或源自热源108的废热流，例如但不限于燃气轮机排气流、工业过程排气流或其它类型的燃烧产物排气流，例如加热炉或锅炉排气流。在某些示例性实施例中，热源108可以是燃气轮机，例如燃气轮机动力/电力发生器或燃气轮机喷气发动机，热源流110可以是来自燃气轮机的排气流。热源流110的温度可以处于大约100℃至大约1,000℃的范围内，或大于1,000℃，并且在某些例子中，处于大约200℃至大约800℃的范围内，更窄地处于大约300℃至大约600℃的范围内。热源流110可以包括空气、二氧化碳、一氧化碳、水或蒸汽、氮、氧、氩、其衍生物或它们的混合物。在一些实施例中，热源流110可以从可再生的热能源，例如太阳能源或地热源，获取热能。
热机系统100还包括至少一个冷凝器140a和至少一个泵150a，但是在一些实施例中包括多个冷凝器140a-140c和多个泵150a-150c。第一冷凝器140a可以与工作流体回路102的低压侧上的工作流体热连通，并且被配置成用以从低压侧上的工作流体去除热能。第一泵150a可以在工作流体回路102的低压侧和高压侧之间流体地联接到工作流体回路102，并且被配置成用以使工作流体回路102内的工作流体循环或加压。第一泵150a可以被配置成用以控制工作流体回路102内的工作流体的质量流量、压力或温度。
在其它实施例中，第二冷凝器140b和第三冷凝器140c可以各自独立地流体联接到工作流体回路102的低压侧上的工作流体并与该工作流体热连通，并且被配置成用以从工作流体回路102的低压侧上的工作流体去除热能。另外，第二泵150b和第三泵150c可以各自独立地流体联接到工作流体回路102的低压侧，并且被配置成用以使工作流体回路102内的工作流体循环或加压。第二泵150b可以沿着工作流体通过工作流体回路102的流动方向设置在第一泵150a上游和第三泵150c下游。在一个示例性实施例中，第一泵150a是循环泵，第二泵150b替换为压缩机，第三泵150c替换为压缩机。
在一些例子中，第三泵150c替换为第一级压缩机，第二泵150b替换为第二级压缩机，第一泵150a是第三级泵。第二冷凝器140b可以沿着工作流体通过工作流体回路102的流动方向设置在第一冷凝器140a上游和第三冷凝器140c下游。在另一个实施例中，热机系统100包括三级泵和冷凝器，例如第一、第二和第三泵/冷凝器级。第一泵/冷凝器级可以包括在第三泵150c上游流体地联接到工作流体回路102的第三冷凝器140c，第二泵/冷凝器级可以包括在第二泵150b上游流体地联接到工作流体回路102的第二冷凝器140b，并且第三泵/冷凝器级可以包括在第一泵150a上游流体地联接到工作流体回路102的第一冷凝器140a。
在一些例子中，热机系统100可以包括联接到第一泵150a、第二泵150b和/或第三泵150c的可变频率驱动器。可变频率驱动器可以被配置成用以控制工作流体回路102内的工作流体的质量流量、压力或温度。在其它例子中，热机系统100可以包括联接到第一泵150a、第二泵150b或第三泵150c的驱动涡轮。驱动涡轮可以被配置成用以控制工作流体回路102内的工作流体的质量流量、压力或温度。驱动涡轮可以是第一膨胀器160a、第二膨胀器160b、另一个膨胀器或涡轮、或它们的组合。
在另一个实施例中，驱动轴162可以联接到第一膨胀器160a和第二膨胀器160b，使得驱动轴162可以被配置成用以利用由第一膨胀器160a和第二膨胀器160b的组合所产生的或以其它方式生成的机械能来驱动装置。在一些实施例中，该设备可以是泵150a-150c、压缩机、发电机164、交流发电机或它们的组合。在一个实施例中，热机系统100可以包括通过驱动轴162联接到第一膨胀器160a的发电机164或交流发电机。发电机164或交流发电机可以被配置成用以将由第一膨胀器160a产生的机械能转换为电能。在另一个实施例中，驱动轴162可以联接到第二膨胀器160b和第一泵150a，使得第二膨胀器160b可以被配置成用以利用第二膨胀器160b产生的机械能来驱动第一泵150a。
在另一个实施例中，如图3所示，热机系统100可以包括过程加热系统230，该过程加热系统与工作流体回路102的低压侧流体地联接并且热连通。过程加热系统230可以包括操作性地设置在流体管线232上的过程加热交换器236和控制阀234，该流体管线联接到低压侧并且处于控制系统101的控制下。过程加热交换器236可以被配置成用以将热能从工作流体回路102的低压侧上的工作流体传递到流过过程加热交换器236的传热流体。在一些例子中，过程加热交换器236可以被配置成用以在预热步骤期间将热能从工作流体回路102的低压侧上的工作流体传递到甲烷，以形成加热的甲烷流体。热能可以直接地或间接地传递(例如，经由传热流体)到甲烷流体。热源流110可以源自于热源108，该热源被配置成用以使加热的甲烷流体燃烧，例如燃气轮机发电机。
在另一个实施例中，如图3所示，热机系统100可以包括复热器总线系统220，该复热器总线系统与工作流体回路102的低压侧流体地联接并且热连通。复热器总线系统220可以包括在第一膨胀器160a和/或第二膨胀器160b下游和冷凝器140a上游与工作流体回路102流体地联接的涡轮排出管线170a、170b、控制阀168a、168b、旁通管线210和旁通阀212、流体管线222、224以及其它管线和阀。总体上，复热器总线系统220从第一膨胀器160a和/或第二膨胀器160b延伸到多个复热器130a-130c，并且进一步在低压侧上延伸到下游。在一个例子中，流体管线222的一端可以流体地联接到涡轮排出管线170b，流体管线222的另一端可以流体地联接到工作流体回路102上的设置在复热器130c下游和冷凝器140c上游的位置。在另一个例子中，流体管线224的一端可以流体地联接到涡轮排出管线170b、流体管线222或过程加热管线232，流体管线224的另一端可以在低压侧上流体地联接到工作流体回路102上的设置在复热器130b下游和复热器130c上游的位置。
在一些实施例中，可以进行循环、流动或以其它方式用于热机系统100的工作流体回路102的工作流体包括碳氧化物、烃类、醇类、酮、卤化烃类、氨、胺、含水的或它们的组合。可以用于热机系统100的示例性工作流体包括二氧化碳、氨、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、丁烯、乙炔、甲醇、乙醇、丙酮、甲基乙基酮、水、其衍生物、或它们的混合物。卤化烃类可以包括氢氯氟烃(HCFCs)、氢氟碳化物(HFCs)(例如，1,1,1,3,3-五氟丙烷(R245fa))、氟碳化合物、其衍生物、或它们的混合物。
在本文所述的许多实施例中，循环、流动或以其它方式用于热机系统100的工作流体回路102以及本文公开的其它示例性回路的工作流体可以是或可以包括二氧化碳(CO2)和包含二氧化碳的混合物。总体上，工作流体回路102的至少一部分包含处于超临界状态的工作流体(例如，sc-CO2)。二氧化碳用作工作流体或包含在工作流体中以用于动力产生循环，相对于通常用作工作流体的气体成分具有许多优点，原因在于二氧化碳具有无毒和不可燃的特性并且还易于获得且较为廉价。部分地由于二氧化碳的较高工作压力，而使得二氧化碳系统可以比采用其它工作流体的系统紧凑得多。相对于其它工作流体，二氧化碳的高密度和体积热容量使得二氧化碳更加“能量致密”，这指的是在性能不损失的情况下所有系统部件的尺寸可以显著地减小。应当指出的是，使用术语二氧化碳(CO2)、超临界二氧化碳(sc-CO2)或次临界二氧化碳(sub-CO2)并不是用来限制为任何具体类型、源、纯度或等级的二氧化碳。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，工业等级的二氧化碳可以包含在工作流体中和/或用作工作流体。
在其它示例性实施例中，工作流体回路102中的工作流体可以是二元、三元或其它工作流体共混物。可以针对热回收系统中的流体组合所具有的独特属性，来选择工作流体共混物或组合，如本文所述。例如，一种这样的流体组合包括液体吸收剂和二氧化碳混合物，使得组合的流体能够以液体状态被泵至高压，其中能量输入比压缩二氧化碳所需的能量输入少。在另一个示例性实施例中，工作流体可以是二氧化碳(例如，sub-CO2或sc-CO2)以及一种或多种其它可混溶流体或化合物的组合。在其它示例性实施例中，在不脱离本发明的范围的情况下，工作流体可以是二氧化碳和丙烷的组合，或者二氧化碳和氨的组合。
工作流体回路102总体上具有高压侧和低压侧，并且包含有在工作流体回路102内循环的工作流体。使用术语“工作流体”并不是用来限制工作流体的物质的状态或相。例如，在热机系统100或热动力循环内的任何一个或多个位置处，工作流体或工作流体的一部分可以处于液相、气相、流体相、次临界状态、超临界状态或任何其它相或状态。在一个或多个实施例中，例如在启动过程期间，工作流体在热机系统100的工作流体回路102的某些部分(例如高压侧)上处于超临界状态，在热机系统100的工作流体回路102的其它部分(例如低压侧)上处于次临界状态。在其它实施例中，整个热动力循环可以操作成使得工作流体在热机系统100的整个工作流体回路102上保持处于超临界状态。
在本文公开的实施例中，广义地，根据具体实施考虑，例如可获得的热源的类型、过程条件，包括温度、压力、流量，以及每个单独的泵150a、150b或150c为泵还是压缩机，等等，工作流体回路102的高压侧可以设置在任何泵150a、150b或150c的下游以及任何膨胀器160a或160b的上游，工作流体回路102的低压侧可以设置在任何膨胀器160a或160b的下游以及任何泵150a、150b或150c的上游。在一个示例性实施例中，泵150b和150c替换为压缩机且泵150a是泵，工作流体回路102的高压侧可以起始于泵150a的下游，例如在泵150a的排出出口处，并且终止于任何膨胀器160a或160b，工作流体回路102的低压侧可以起始于任何膨胀器160a或160b的下游，并且终止于泵150a的上游，例如在泵150a的入口处。
整体上，工作流体回路102的高压侧所含的工作流体(例如，sc-CO2)所处的压力为大约15MPa或更大，例如大约17MPa或更大，或者大约20MPa或更大，或者大约25MPa或更大，或者大约27MPa或更大。在一些例子中，工作流体回路102的高压侧的压力可以在大约15MPa至大约40MPa的范围内，更窄地在大约20MPa至大约35MPa的范围内，更窄地在大约25MPa至大约30MPa的范围内，例如为大约27MPa。
工作流体回路102的低压侧包括的工作流体(例如，CO2或sub-CO2)所处的压力小于15MPa，例如为大约12MPa或更小，或者大约10MPa或更小。在一些例子中，工作流体回路102的低压侧的压力可以在大约1MPa至大约10MPa的范围内，更窄地在大约2MPa至大约8MPa的范围内，更窄地在大约4MPa至大约6MPa的范围内，例如为大约5MPa。
热机系统100还包括膨胀器160a、膨胀器160b和驱动轴162。每个膨胀器160a、160b可以流体地联接到工作流体回路102，设置在高压侧和低压侧之间，并且被配置成用以将工作流体中的压降转换为机械能。驱动轴162可以联接到膨胀器160a、膨胀器160b或者膨胀器160a、160b两者。驱动轴162可以被配置成用以利用所产生的机械能驱动一个或多个装置，例如发电机或交流发电机(例如发电机164)、马达、发电机/马达单元、泵或压缩机(例如泵150a-150c)和/或其它装置。
发电机164可以是发电机、交流发电机(例如永磁体交流发电机)、或者例如通过将来自驱动轴162以及一个或多个膨胀器160a、160b的机械能转换为电能来产生电能的另一种装置。动力出口(未示出)可以电气地联接到发电机164，并且被配置成用以将产生的电能从发电机164传递到电网166。电网166可以是或包括电网、电气总线(例如工厂总线)、动力电子器件、其它电气回路、或它们的组合。电网166整体上包括至少一个交流电总线、交流电网、交流电回路、或它们的组合。在一个例子中，发电机164是发电机，并且经由动力出口电气地且可操作地连接到电网166。在另一个例子中，发电机164是交流发电机，并且经由动力出口电气地且可操作地连接到动力电子器件(未示出)。在另一个例子中，发电机164电气地连接到动力电子器件，该动力电子器件电气地连接到动力出口。
热机系统100还包括至少一个泵/压缩机和至少一个冷凝器/冷却器，但是某些实施例整体上包括多个冷凝器140a-140c(例如冷凝器或冷却器)以及泵150a-150c(例如泵或压缩机)。每个冷凝器140a-140c可以独立地为冷凝器或冷却器，并且可以独立地为气冷的(例如，空气、氮或二氧化碳)或液冷的(例如，水、溶剂或它们的混合物)。每个泵150a-150c可以独立地为泵或可以替换为压缩机，并且可以在工作流体回路102的低压侧和高压侧之间独立地流体联接到工作流体回路102。另外，每个泵150a-150c可以被配置成用以使工作流体回路102中的工作流体循环和/或加压。冷凝器140a-140c可以与工作流体回路102内的工作流体热连通，并且被配置成用以从工作流体回路102的低压侧上的工作流体去除热能。
在离开泵150a之后，工作流体可以在进入膨胀器160a和/或膨胀器160b之前流过废热交换器120a-120d和/或复热器130a-130c。包括旁通阀116a-116d、截止阀或控制阀118a-118d、截止阀或控制阀128a-128c以及截止阀或节流阀158a、158b的一系列阀和管线(例如导管或管道)可以用于改变打开位置和关闭位置，以控制工作流体通过废热交换器120a-120d和/或复热器130a-130c的流动。因此，这样的阀可以提供进入膨胀器160a和/或膨胀器160b的工作流体的温度的控制和可调节性。阀可以是可控制的阀、固定的阀(孔口)、转向阀、三通阀，在一些实施例中甚至被去除。相似地，在一些实施例中可以使用或消除各个额外的部件(例如，额外的废热交换器和复热器)。例如，在某些应用中可以不使用复热器130b。
可以采用通用轴或驱动轴162，或者在其它实施例中，针对泵150a-150c、膨胀器160a、160b、发电机164和/或其它部件，可以一起或独立地使用两个或更多个轴。在一个例子中，膨胀器160b和泵150a共用通用轴，膨胀器160a和发电机164共用另一个通用轴。在另一个例子中，膨胀器160a、160b、泵150a和发电机164共用通用轴，例如驱动轴162。其它的泵同样可以与轴一体形成。在另一个实施例中，过程加热系统230可以是环路，以向热源燃料提供热能，例如具有预热燃料(例如甲烷)、过程蒸汽或其它流体的燃气轮机。
图4A-4J和5示出了根据本文公开的一个或多个实施例的用于图1-3所示的热机系统100产生的热动力循环的压力对焓的图表、温度迹线图和复热器温度迹线图。更具体地，图4A为用于热机系统100产生的热动力循环的压力对焓的图表300，图4B为用于热动力循环的压力对温度的图表302，图4C为用于热动力循环的质量流量条形图304。图4D、图4E和图4F为分别用于热机系统100产生的热动力循环的复热器130a、复热器130b和复热器130c的温度迹线图306、308和310。图4G、图4H、图4I和图4J为分别用于热动力循环的废热交换器120a、废热交换器120b、废热交换器120c和废热交换器120d的温度迹线图312、314、316和318。
图5为图4A所示的压力对焓的图表300的一部分320的放大图。压力对焓的图表示出了用于热机系统100的热动力循环的标记状态点。在一个实施例中，所述的热力学循环可以包括随着环境温度增大而较多地使用复热，以最少地使用昂贵的废热交换器并针对某些环境条件增大净系统输出功率。
应当理解，本发明描述了用于实施本发明的不同特征、结构或功能的若干示例性实施例。部件、布置和配置的示例性实施例在本文中描述为用以简化本发明，但是这些示例性实施例仅仅是示例性的，并不用来限制本发明的范围。另外，本发明可以在各个示例性实施例中和在本文提供的所有附图中重复使用数字和/或字母。这种重复的目的是为了简化和清楚起见，而并不是自身决定各个附图中所讨论的各个示例性实施例和/或配置之间的关系。此外，在本发明中，第一特征针对或相对于第二特征的形成可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，并且还可以包括额外的特征可以形成为介入第一和第二特征使得第一和第二特征可以不直接接触的实施例。最后，本文所述的示例性实施例可以以任何组合方式进行组合，也就是一个示例性实施例的任何元件可以用于任何其它的示例性实施例，而不脱离本发明的范围。
另外，在整个说明书和权利要求中使用某些术语来涉及具体的部件。本领域技术人员应当理解，各种实体可以通过不同的名字表示相同的部件，因此，用于本文所述的元件的命名约定并不用来限制本发明的范围，除非在本文中另外具体地限定。另外，本文所用的命名约定并不用来区分名字不同但功能相同的部件。另外，在说明书和权利要求中，术语“含有”、“包含”和“包括”是开放式的，因此应当解释为“包括但不限于”。本公开中所有的数值可以是确切的或大致的值，除非另外具体地限定。因此，在不脱离本发明的范围的情况下，本发明的各个实施例可以偏离本文公开的数字、值和范围。此外，如权利要求或说明书中所用的，术语“或”用来涵盖排他性的和包含性的情况，也就是“A或B”与“A和B中的至少一个”同义，除非在本文中另外具体地限定。
前述若干实施例的概述特征使得本领域技术人员可以更好地理解本发明。本领域的技术人员应当理解，他们可以容易地利用本发明作为基础来设计或修改用于实施相同目的和/或获得本文所述实施例的相同优点的其它过程和结构。本领域的技术人员还应当认识到，这样的等效构造并没有脱离本发明的精神和范围，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替换和修改。

Claims (17)

1.一种热机系统，其包括：
工作流体回路，该工作流体回路具有高压侧和低压侧，并且被配置成使得工作流体流过该工作流体回路；
多个废热交换器，其中每个废热交换器被配置成与热源流流体地联接且热连通，并且将热能从热源流传递到高压侧内的工作流体，每个废热交换器进一步被配置成选择性地定位在高压侧内；
多个复热器，每个复热器被配置成使热能在工作流体回路的高压侧和低压侧之间传递，并且选择性地定位在高压侧和低压侧内；
第一膨胀器，该第一膨胀器流体地联接到工作流体回路，设置在高压侧和低压侧之间，并且被配置成将工作流体中的压降转换为机械能；
第二膨胀器，该第二膨胀器流体地联接到工作流体回路，设置在高压侧和低压侧之间，并且被配置成将工作流体中的压降转换为机械能；
第一泵，该第一泵在工作流体回路的低压侧和高压侧之间流体地联接到工作流体回路，并且被配置成使工作流体回路内的工作流体循环或加压；
第一冷凝器，该第一冷凝器被配置成与工作流体回路的低压侧上的工作流体热连通，并且被配置成从工作流体回路的低压侧上的工作流体去除热能；以及
多个阀，每个阀被配置成致动到打开位置或关闭位置以能够选择性地控制所述多个废热交换器中哪一个废热交换器定位在高压侧中，并且能够选择性地控制所述多个复热器中哪一个复热器定位在高压侧和低压侧中。
2.根据权利要求1所述的热机系统，其还包括通过驱动轴与第一膨胀器联接的发电机或交流发电机，其中发电机或交流发电机被配置成将机械能转换为电能。
3.根据权利要求1所述的热机系统，其还包括与第一膨胀器和第二膨胀器联接的驱动轴，其中该驱动轴被配置成利用机械能驱动第一泵、压缩机、发电机、交流发电机或它们的组合。
4.根据权利要求1所述的热机系统，其还包括过程加热系统，该过程加热系统与工作流体回路的低压侧流体地联接且热连通。
5.根据权利要求4所述的热机系统，其中过程加热系统包括过程加热交换器，该过程加热交换器被配置成将热能从工作流体回路的低压侧上的工作流体传递到流过过程加热交换器的传热流体。
6.根据权利要求5所述的热机系统，其中过程加热交换器被配置成在预热步骤期间将热能从工作流体回路的低压侧上的工作流体传递到包含甲烷的流体，以形成加热的甲烷流体，并且热源流源自于被配置成使加热的甲烷流体燃烧的热源。
7.根据权利要求1所述的热机系统，还包括
第二泵，该第二泵流体地联接到工作流体回路，并且被配置成使工作流体回路内的工作流体循环或加压；
第二冷凝器，该第二冷凝器与工作流体回路内的工作流体热连通，并且被配置成从工作流体回路内的工作流体去除热能；
第三泵，该第三泵流体地联接到工作流体回路，并且被配置成使工作流体回路内的工作流体循环或加压；以及
第三冷凝器，该第三冷凝器与工作流体回路内的工作流体热连通，并且被配置成从工作流体回路内的工作流体去除热能。
8.一种热机系统，其包括：
泵，该泵被配置成使通过工作流体回路的工作流体加压和循环，该工作流体回路具有高压侧和低压侧；
第一膨胀器，该第一膨胀器被配置成接纳来自高压侧的工作流体并且将工作流体中的压降转换为机械能；
多个废热交换器，所述多个废热交换器沿着热源流的流动路径串联地设置，并且每个废热交换器被配置成将热能从热源流传递到工作流体且选择性地定位在高压侧内或与高压侧隔绝；
多个复热器，每个复热器被配置成将热能从流过低压侧的工作流体传递到流过高压侧的工作流体，并且选择性地定位在高压侧和低压侧内或与高压侧和低压侧隔绝；以及
多个阀，每个阀被配置成致动以能够选择性地控制所述多个废热交换器中哪一个废热交换器定位在高压侧中，所述多个复热器中哪一个复热器定位在高压侧中，以及多个复热器中哪一个复热器定位在低压侧中。
9.根据权利要求8所述的热机系统，其还包括第二膨胀器，该第二膨胀器被配置成接纳来自高压侧的工作流体并且将工作流体中的压降转换为机械能。
10.根据权利要求9所述的热机系统，其还包括截止阀，该截止阀被配置成定位在将第二膨胀器流体地联接到高压侧的打开位置中，或者定位在将第二膨胀器与高压侧流体地隔绝的关闭位置中。
11.根据权利要求9所述的热机系统，其中低压侧包括从第二膨胀器、通过所述多个复热器、通过冷凝器而到泵的工作流体流动路径。
12.根据权利要求8所述的热机系统，其中低压侧包括从第一膨胀器、通过所述多个复热器中的一个复热器、通过冷凝器而到泵的工作流体流动路径。
13.根据权利要求8所述的热机系统，其还包括泵旁通阀，该泵旁通阀流体地联接到低压侧，并且被配置成使工作流体能够从低压侧传递到高压侧。
14.根据权利要求8所述的热机系统，其还包括复热器总线系统，该复热器总线系统与工作流体回路的低压侧流体地联接且热连通。
15.根据权利要求14所述的热机系统，其中复热器总线系统包括流体管线和阀，流体管线和阀在第一膨胀器的下游流体地联接到工作流体回路，并且流体地联接到多个复热器。
16.一种热机系统，其包括：
工作流体回路，该工作流体回路具有高压侧和低压侧，并且被配置成使得工作流体流过该工作流体回路；
第一膨胀器，该第一膨胀器被配置成接纳来自高压侧的工作流体并且将工作流体中的压降转换为机械能；
第二膨胀器，该第二膨胀器被配置成接纳来自高压侧的工作流体并且将工作流体中的压降转换为机械能；
多个废热交换器，所述多个废热交换器沿着热源流的流动路径串联地设置，并且每个废热交换器被配置成将热能从热源流传递到工作流体且选择性地定位在高压侧内或与高压侧隔绝；
多个复热器，每个复热器被配置成将热能从流过低压侧的工作流体传递到流过高压侧的工作流体，并且选择性地定位在高压侧和低压侧内或与高压侧和低压侧隔绝；以及
多个阀，每个阀被配置成致动以能够选择性地控制所述多个废热交换器中哪一个废热交换器定位在高压侧中，所述多个复热器中哪一个复热器定位在高压侧中，多个复热器中哪一个复热器定位在低压侧中，以及第一膨胀器和第二膨胀器中哪一个用以接收来自高压侧的工作流体。
17.根据权利要求16所述的热机系统，其还包括冷凝器，该冷凝器被配置成与工作流体回路的低压侧上的工作流体热连通，并且被配置成从工作流体回路的低压侧上的工作流体去除热能。
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