CN107683366B - 废热回收简单循环系统和方法 - Google Patents

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Abstract

能量系统包括工作流体回路(2)，所述工作流体回路具有高压侧(2A)和低压侧(2B)且被配置以使工作流体流过其中。所述工作流体回路(2)进一步包括加热器(7)，所述加热器被配置以按与热流体的热交换关系使所述工作流体流通以使所述工作流体汽化。所述系统进一步包括串联布置的第一膨胀器(9)和第二膨胀器(11)，所述第一膨胀器和所述第二膨胀器流体连接到所述工作流体回路且安置于所述工作流体回路的所述高压侧与所述低压侧之间。所述膨胀器中的一个驱动负荷(37)，且另一膨胀器驱动在所述工作流体回路(2)的所述低压侧(2B)与所述高压侧(2A)之间流体连接到所述工作流体回路(2)的泵或压缩机(33)。冷却器(29)被进一步布置和配置以从在所述工作流体回路(2)的所述低压侧(2B)中的所述工作流体去除热。

Description

废热回收简单循环系统和方法
技术领域
本发明涉及能量转换系统。本文中公开的一些实施例涉及使用例如朗肯循环或布雷顿循环的低温热力循环回收来自顶部高温热力循环的废热的能量转换系统。
背景技术
废热常常作为工业工艺的副产物而生成，其中必须去除来自高温流体的流动流的热。
生成废热的典型工业工艺是用于机械传动以及发电应用的燃气轮机、气体引擎和燃烧器。这些工艺通常在相当高于环境温度的温度下将燃烧废气释放到大气中。废气含有可有效地利用的废热，例如，以在底部低温热力循环中产生额外机械动力。废气的废热将热能提供到底部低温热力循环，其中流体执行循环热力学变换，从而与环境交换在较低温度下的热。
可通过使用例如蒸汽朗肯循环、有机朗肯或布雷顿循环、CO2循环或其它能量循环的热力学循环的多种热机系统将废热转换成有用动力。朗肯、布雷顿和类似热力学循环通常为基于蒸汽的工艺，其回收且利用废热产生蒸汽/蒸气以供驱动涡轮、涡轮膨胀器或类似物。蒸汽或蒸气的压力和热能在涡轮膨胀器、涡轮或其它能量转换机器中部分地转换成机械能，且最后用以驱动负荷，例如发电机、泵、压缩机或其它从动装置或机械。
废热到有用机械动力的转换可大体上改善能量转换系统的总效率，从而对燃料消耗的减少有影响且减小能量转换工艺的环境影响。
因此，用于将热能量变换成有用机械或电力的高效方法和系统是合乎需要的。
发明内容
本发明的实施例大体提供一种能量系统，其包括工作流体回路，所述工作流体回路具有高压侧和低压侧且被配置以使工作流体流过其中。所述能量系统可进一步包括加热器，其被配置以按与热流体的热交换关系使所述工作流体流通以使所述工作流体汽化。在一些实施例中，所述能量系统还包括串联布置的第一膨胀器和第二膨胀器，所述第一膨胀器和所述第二膨胀器流体连接到所述工作流体回路且安置于所述工作流体回路的所述高压侧与所述低压侧之间，被配置以使流过其中的工作流体膨胀且借以产生机械动力。传动轴可驱动地连接到所述第一膨胀器和第二膨胀器中的一个，且被配置以用由所述膨胀器产生的机械动力驱动例如涡轮机或发电机的负荷。
在本文中描述的实施例中，泵或压缩机在所述工作流体回路的所述低压侧与所述高压侧之间流体连接到所述工作流体回路，被配置以使所述工作流体回路中的所述工作流体的压力上升，且驱动地连接到所述第一膨胀器和第二膨胀器中的另一个，即，未驱动地连接到所述负荷的一个，且由此被驱动。因此，所述串联布置的第一和第二膨胀器用以选择性驱动泵或压缩机以用于使所述工作流体压力上升，和负荷。通过使所述工作流体在一个膨胀器中膨胀而产生的动力的部分驱动所述泵或压缩机，且通过使所述工作流体在另一膨胀器中膨胀而产生的动力的部分产生有用动力。
所述能量系统可进一步包括冷却器，其流体连接到所述工作流体回路的所述低压侧且与所述工作流体回路的所述低压侧热连通，且被布置和配置以从在所述工作流体回路的所述低压侧中的所述工作流体去除热。
根据本文中公开的实施例，所述系统可进一步包括在所述第一膨胀器与所述第二膨胀器之间布置于所述工作流体回路中的调节阀。所述调节阀被配置以调整所述第一膨胀器的背压(backpressure)，即，设定在所述第一膨胀器与所述第二膨胀器之间的中压的值，以便调整经所述第一和第二膨胀器的所述工作流体的压降。
根据一些实施例，旁路阀可平行于所述第一膨胀器和第二膨胀器中的一个而布置。更明确地说，旁路阀可平行于驱动地连接到所述负荷的所述膨胀器布置。如果不充分的废热可用，那么可因此绕过膨胀器，且接着使用回路的高压侧与低压侧之间的可用压降来驱动泵或压缩机。
根据另一方面，本文中所公开为一种用于从由热源提供的热产生有用能量的方法，明确地说，所述热源例如废热源，所述方法包括以下步骤：
借助于泵或压缩机使工作流体流流通通过具有高压侧和低压侧的工作流体回路，其中所述高压侧与所述热源处于热交换关系，且所述低压侧与冷却器处于热交换关系；
将热能从所述热源传递到所述工作流体；
通过第一膨胀器将所述工作流体流从高压膨胀到中压，从而将第一压降转换为机械动力，且通过第二膨胀器将所述工作流体流从所述中压膨胀到低压，从而将第二压降转换为机械动力；其中所述第一膨胀器与所述第二膨胀器在所述高压侧与所述低压侧之间相互串联地布置且流体连接到所述工作流体回路；
通过所述冷却器从所述工作流体流去除残余低温热；
用由所述第一膨胀器和第二膨胀器中的一个产生的机械动力驱动从动装置，且用由所述第一膨胀器和第二膨胀器中的另一个产生的机械动力驱动所述泵或压缩机。
特征及实施例在下文公开且进一步在所附权利要求书中阐述，所附权利要求书形成本说明书的组成部分。上文的简要说明阐述了本发明的各种实施例的特征，以便可以更好地理解以下详细描述，且便于更好地了解本发明对所属领域的贡献。当然，存在本发明的其它特征，这将在下文描述且在所附权利要求书中阐述。就此而言，在详细解释本发明的若干个实施例之前，应理解，本发明的各种实施例在其应用上不限于构造的细节，也不限于以下描述中阐述或图式中示出的组件的布置。本发明能够具有其它实施例且能够以各种方式实践或执行。此外，应理解，本文中所采用的措词及术语是用于描述的目的，且不应被视为是限制性的。
由此，所属领域的技术人员应了解，本发明所基于的概念可易于用作设计用于实现本发明的若干个目的的其它结构、方法和/或系统的基础。因此，重要的是，在等效构造并不脱离本发明的精神及范围的情况下，权利要求书应被视为包括此类等效构造。
附图说明
通过在结合附图考虑时参考以下详细描述，将易于获得且更好理解对本发明的公开实施例及本发明的附带多个优点的更完整了解，其中：
图1说明根据本公开的废热回收系统的实施例的示意图；
图2说明根据本公开的废热回收系统的再一实施例的示意图。
具体实施方式
以下示范性实施例的详细描述参考附图。不同图式中的相同参考标号标识相同或类似的元件。另外，所述图式未必按比例绘制。另外，以下详细描述并不限制本发明。实际上，本发明的范围由所附权利要求书界定。
贯穿本说明书对“一个实施例”、“实施例”或“一些实施例”的提及意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在所公开主题的至少一个实施例中。因此，在贯穿本说明书的不同位置中出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”或“在一些实施例中”未必指代相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可按任何合适方式组合。
在示范性实施例的以下揭示中，对组合混合热力循环进行参考，组合混合热力循环包括顶部高温热力循环，在其处的低温源将废热提供到底部低温热力循环。然而，应理解，根据其它实施例，本文中公开的能量转换系统可用以利用来自其它热源的处于相对低温度的热能量，其它热源例如来自例如地热工艺的其它工业工艺的废热。
转换系统被配置而使得由串联布置于工作流体回路的高压侧与低压侧之间的两个膨胀器产生的机械动力产生直接驱动泵或压缩机以将工作流体压力从热力循环的低压增大到高压的机械动力。所述膨胀器中的一个产生用于泵或压缩机的机械动力，而另一个产生额外机械动力以驱动例如操作机器(例如气体压缩机)或发电机的负荷以将机械动力转换成电力。在稳态条件下，工作流体流过串联布置的第一膨胀器和第二膨胀器。可提供在第一膨胀器与第二膨胀器之间的阀以控制第一膨胀器与第二膨胀器之间的动力平衡，如下文将更详细地描述。
图1示意性地说明组合式能量转换系统，其包括顶部高温热力学系统1和底部低温热力学系统2。顶部高温热力学系统可由燃气涡轮发动机3和发电机5组成，所述发电机由燃气涡轮发动机3所产生且在后者的输出传动轴3A上可用的机械动力驱动。燃气涡轮发动机3可包括压缩机段4、燃烧器段6和涡轮段8。
底部低温热力学系统2包括具有高压侧2A和低压侧2B的工作流体回路。高压侧包括废热回收交换器7，其与来自燃气涡轮发动机3的燃烧废气流处于热交换关系。热可直接在废热回收热交换器7中从燃烧废气交换到在底部低温热力学系统2的回路中流通的工作流体。在其它实施例中，可提供中间热传递回路，其中例如透热性油或类似物的热传递流体流通以按与燃烧废气流的热交换关系将热从第一热交换器传递到废热回收交换器。
在一些实施例中，在底部低温热力学系统2中流通的工作流体可为二氧化碳(CO2)。由工作流体执行的热力循环可为超临界循环，即，工作流体在热力学系统的至少一部分中可处于超临界状态中。
在本文中公开的示范性实施例中，在低温热力学系统2的回路的高压侧2A与低压侧2B之间，布置第一膨胀器9和第二膨胀器11。一个、另一个或两个膨胀器9、11可为单级或多级膨胀器。举例来说，膨胀器9、11可为整体啮合的多级膨胀器。
第一膨胀器9与第二膨胀器11被串联布置，使得工作流体从废热回收交换器7流过第一膨胀器9且从第一压力膨胀到中压，且来自第一膨胀器9的处于中压的工作流体的至少部分流过第二膨胀器11且在其中从中压膨胀到第二压力。
在图1中，第一膨胀器9通过管线13和第一阀15连接到废热回收交换器7的输出端。管线17将第一膨胀器9连接到第二下游膨胀器11。背压调整阀19可位于管线17上，在第一膨胀器9与第二膨胀器11之间。背压调整阀19可用以调整第一膨胀器9与第二膨胀器11之间的中压，以便修改经两个膨胀器9和11的压降。
根据一些实施例，旁路管线21平行于第二膨胀器11布置。可沿着旁路管线21布置旁路阀23。如下文将更详细地描述，来自第一膨胀器的部分或全部工作流体流可沿着旁路管线21分流，而非在第二膨胀器11中膨胀。
第二膨胀器11与热同流换热器25的热侧流体连通，此处的输出端与冷却器或冷凝器29流体连通。如在31处示意性地示出，冷却器29与例如空气或水的冷却流体处于热交换关系，以从流过冷却器29的工作流体去除热。
借助于升压装置33，将在底部低温热力学系统2中流通的工作流体从低压侧2B抽汲或压缩到高压侧2A。装置33可为例如涡轮泵的泵或例如涡轮压缩机的压缩机。泵或压缩机33可驱动地连接到第一膨胀器9的输出轴9A，使得通过第一膨胀器9中的工作流体的膨胀产生的机械动力用以使泵或压缩机33旋转。
在图式中说明的示范性实施例中，低温热力学系统的低压侧2B为回路的位于第二膨胀器11的排放侧与泵或压缩机33的抽吸侧之间的部分。低温热力学系统2的高压侧2A为回路的位于泵或压缩机33的递送侧与第一膨胀器9的入口之间的部分。
根据一些实施例，负荷35可驱动地连接到第二膨胀器11的输出传动轴11A，且通过由第二膨胀器11中的工作流体的膨胀产生的机械动力驱动以旋转。在一些实施例中，负荷可由发电机37组成。发电机37可电连接到待供电的机器、装置或设备，或电连接到配电网G，如在图1中示意性地示出。在一些实施例中，可变频率驱动器39可布置于发电机37与配电网G或由发电机37供电的机器之间。
齿轮箱41、变速机械连接件或任一其它速度操纵装置可布置于第二膨胀器11的输出传动轴11A与发电机37之间。
图1的系统如下操作。通过废热回收交换器7，将来自顶部高温热力学系统1的废热传递到流过其中的加压工作流体，例如，二氧化碳。热加压工作流体流过管线13和阀15，且部分在第一膨胀器9中膨胀。可调整管线17上的阀19以设定在第一膨胀器9外的所需背压，即，第一膨胀器9与第二膨胀器11之间的中压。通过第一膨胀器9的工作流体从系统2的高压侧中的第一压力到中压的压降产生驱动泵或压缩机33的机械动力。
退出第一膨胀器9的部分膨胀的工作流体流过第二膨胀器11，且从中压膨胀到能量系统2的低压侧的低压。压降产生由发电机37转换成电力的机械动力。
从第二膨胀器11排出的工作流体流过管线24、同流换热器25和冷却器29。在同流换热器25中，排出的工作流体与由泵或压缩机33递送的冷加压流体处于热交换关系，使得可回收排出的工作流体中包括的残余热。通过与冷却介质31的热交换，退出同流换热器25的排出的工作流体在冷却器29中进一步冷却和/或冷凝，且由泵或压缩机33沿着管线30抽吸。由泵或压缩机33递送的冷加压工作流体流过管线34、同流换热器25的冷侧，且通过管线36返回到废热回收交换器7，在所述废热回收交换器，工作流体通过回收的废热加热且汽化。
在底部低温热力学回路的回路中的工作流体的至少部分可处于超临界状况中。明确地说，超临界CO2可存在于回路的高压侧中。
在正常稳态条件下，旁路阀23可闭合，使得全部工作流体流依序膨胀通过第一膨胀器9和第二膨胀器11。如果有如此需要，在一些操作条件下，可通过旁路管线21和旁路阀23将部分或全部工作流体流分流。举例来说，当首先起动能量系统2且无电力可用于驱动负荷35时，情况可如此，使得利用全部压降起始通过泵或压缩机33的工作流体的抽汲或压缩。
背压调整阀19可用以修改第一膨胀器9与第二膨胀器11之间的中压，以调制在第一膨胀器9的输出轴9A上和在第二膨胀器11的输出传动轴11A上可用的机械动力的量。
图2说明根据本公开的能量系统的再一示范性实施例。使用相同参考数字标示与图1中所示出相同或类似的零件或组件。图2的组合式能量转换系统再次包括顶部高温热力学系统1和底部低温热力学系统2。顶部高温热力学系统可由燃气涡轮发动机3和发电机5组成，所述发电机由燃气涡轮发动机3所产生且在后者的输出传动轴3A上可用的机械动力驱动。
底部低温热力学系统2包括具有高压侧2A和低压侧2B的工作流体回路、废热回收交换器7、串联布置于高压侧2A与低压侧2B之间的第一膨胀器9和第二膨胀器11。
在图2中，第一膨胀器9通过管线13和第一阀15连接到废热回收交换器7的输出端。管线17将第一膨胀器9连接到第二下游膨胀器11。背压调整阀19可位于管线17上，在第一膨胀器9与第二膨胀器11之间。旁路管线21平行于第一膨胀器9布置。可沿着旁路管线21布置旁路阀23。
第二膨胀器11与热同流换热器25的热侧流体连通，在此处的输出端与冷却器或冷凝器29流体连通。如在31示意性地示出，冷却器29与例如空气或水的冷却流体处于热交换关系，以从流过冷却器29的工作流体去除热。
借助于泵或压缩机33将例如二氧化碳的在回路底部低温热力学系统2中流通的工作流体从低压侧2B抽汲或压缩到高压侧2A。在图2的实施例中，与图1的实施例不同，泵或压缩机33驱动地连接到第二膨胀器11的输出轴11A，使得通过第二膨胀器11中的工作流体的膨胀产生的机械动力用以旋转泵或压缩机33。
负荷35可驱动地连接到第一膨胀器9的输出传动轴9A，且通过由第一膨胀器9中的工作流体的膨胀产生的机械动力旋转。在图2中示出的实施例中，负荷35包括通过可变频率驱动器39连接到配电网G的发电机37。齿轮箱41可布置于第一膨胀器9的输出传动轴9A与发电机37之间。
图2的系统如下操作。通过废热回收交换器7将来自顶部高温热力学系统1的废热传递到流过其中的加压工作流体，例如处于超临界状况的二氧化碳。热加压工作流体流过管线13和阀15，且部分在第一膨胀器9中膨胀。可调整管线17上的阀19，以设定在第一膨胀器9的出口处的所需背压，即，第一膨胀器9与第二膨胀器11之间的中压。通过第一膨胀器9的工作流体从第一压力到中压的压降产生由发电机37转换成电力的机械动力。
退出第一膨胀器9的部分膨胀的工作流体流过第二膨胀器11，且从中压膨胀到能量系统2的低压侧的低压。压降产生驱动泵或压缩机33的机械动力。
从第二膨胀器11排出的工作流体流过管线24、同流换热器25和冷却器29。在同流换热器25中，排出的工作流体与由泵或压缩机33递送的冷加压流体处于热交换关系，使得可回收排出的低压工作流体中包括的残余热。通过与冷却介质31的热交换，退出同流换热器25的排出的工作流体在冷却器29中进一步冷却和/或冷凝，且由泵或压缩机33沿着管线30抽吸。由泵或压缩机33递送的冷加压工作流体流过管线34和同流换热器25的冷侧，且通过管线36返回到废热回收交换器7，在所述废热回收交换器，其通过回收的废热加热且汽化。
在正常稳态条件下，旁路阀23可闭合，使得全部工作流体流依序膨胀通过第一膨胀器9和第二膨胀器11。如果有如此需要，那么可通过旁路管线21和旁路阀23将工作流体流的部分分流。举例来说，当首先起动能量系统2且无电力可用于驱动负荷35时，这可发生，使得利用全部压降起始通过泵或压缩机33抽汲或压缩工作流体。
背压调整阀19可用以调整第一膨胀器9与第二膨胀器11之间的中压，以调制在第一膨胀器9的输出轴9A上和在第二膨胀器11的输出传动轴11A上可用的机械动力的量。
因此获得特别简单且高效的能量转换系统，其从例如废热高效地产生有用机械动力。借助于膨胀器中的一个直接驱动泵或压缩机减少能量转换步骤和系统中的电机的数目，从而改善总效率且减少成本。
虽然本文所描述的主题的公开实施例已在图式中示出且在上文结合若干示范性实施例精确且详细地进行充分描述，但对于所属领域的技术人员来说将显而易见的是，在未实质脱离本文所阐述的新颖教示、原理和概念以及所附权利要求书中叙述的主题的优点的情况下可能有许多修改、改变和省略。因此，所公开的创新的适当范围应仅由所附权利要求书的最广义解释确定，以便涵盖所有此类修改、改变及省略。另外，任何过程或方法步骤的次序或序列可根据替代实施例而变化或重新排序。

Claims (12)

1.一种能量系统，包括：
工作流体回路，所述工作流体回路具有高压侧和低压侧且被配置以使工作流体流过其中；
加热器，所述加热器被配置以按与热流体的热交换关系使所述工作流体流通以使所述工作流体汽化；
串联布置的第一膨胀器和第二膨胀器，所述第一膨胀器和第二膨胀器流体连接到所述工作流体回路且安置于所述工作流体回路的所述高压侧与所述低压侧之间，被配置以使流过其中的工作流体膨胀且以其产生机械动力；
传动轴，所述传动轴驱动地连接到所述第一膨胀器和第二膨胀器中的一个，且被配置以用由所述膨胀器产生的机械动力驱动装置；
泵或压缩机，所述泵或压缩机在所述工作流体回路的所述低压侧与所述高压侧之间流体连接到所述工作流体回路，被配置以使所述工作流体回路中的所述工作流体的压力上升，且驱动地连接到所述第一膨胀器和第二膨胀器中的另一个，且由此被驱动；
冷却器，所述冷却器被布置和配置以从在所述工作流体回路的所述低压侧中的所述工作流体去除热；且其中
调节阀布置于所述工作流体回路中，在所述第一膨胀器与所述第二膨胀器之间，且其中，所述调节阀被配置以控制所述第一膨胀器的背压。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：驱动地连接到所述传动轴的所述装置为发电机，被配置以将由所述传动轴连接到的所述膨胀器产生的机械动力转换成电力。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述第一膨胀器和所述第二膨胀器被配置和布置，使得流过所述第一膨胀器的工作流体的质量流也流过所述第二膨胀器。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述第一膨胀器和第二膨胀器中的至少一个具有旁路阀，被配置和控制以使在所述工作流体系统中流通的所述工作流体的至少部分绕过所述膨胀器。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述旁路阀平行于所述第一膨胀器和第二膨胀器中的驱动地连接到所述传动轴的所述一个膨胀器而布置。
6.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述第一膨胀器安置于所述热交换器与所述第二膨胀器之间，且所述第二膨胀器布置于所述第一膨胀器与所述冷却器之间，且其中所述传动轴驱动地连接到所述第二膨胀器。
7.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述第一膨胀器安置于所述热交换器与所述第二膨胀器之间，且所述第二膨胀器布置于所述第一膨胀器与所述冷却器之间，且其中所述传动轴驱动地连接到所述第一膨胀器。
8.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述工作流体包括二氧化碳，且其中所述工作流体回路的至少一部分包括处于超临界状态的二氧化碳。
9.一种用于从由热源提供的热产生有用动力的方法，包括以下步骤：
借助于泵或压缩机使工作流体流流通通过具有高压侧和低压侧的工作流体回路，其中所述高压侧与所述热源处于热交换关系，且所述低压侧与冷却器处于热交换关系；
将热能从所述热源传递到所述工作流体；
通过第一膨胀器将所述工作流体流从高压膨胀到中压，从而将第一压降转换为机械动力，且通过第二膨胀器将所述工作流体流从所述中压膨胀到低压，从而将第二压降转换为机械动力；其中所述第一膨胀器与所述第二膨胀器在所述高压侧与所述低压侧之间相互串联地布置且流体连接到所述工作流体回路；且其中，调节阀布置于所述工作流体回路中，在所述第一膨胀器与所述第二膨胀器之间，以便调整所述中压来调节经所述第一膨胀器的所述压降和经所述第二膨胀器的所述压降；
通过所述冷却器从所述工作流体流去除残余低温热；
用由所述第一膨胀器和第二膨胀器中的一个产生的机械动力驱动从动装置，且用由所述第一膨胀器和第二膨胀器中的另一个产生的机械动力驱动所述泵或压缩机。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述从动装置驱动地连接到所述第一膨胀器，且所述泵或压缩机驱动地连接到所述第二膨胀器。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述从动装置连接到所述第二膨胀器，且所述泵或压缩机驱动地连接到所述第一膨胀器。
12.根据权利要求9到11中任一项所述的方法，其特征在于：所述从动装置为发电机，且所述方法进一步包括借助于所述发电机将由驱动地连接到所述发电机的所述膨胀器产生的机械动力转换成电力的步骤。
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