CN111794817A - 工质循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种工质循环系统，包括：工质循环路径、油容器和油路径，在工质循环路径中包括有膨胀机、冷凝器、工质泵和预热/蒸发器，在膨胀机内设置有油池，油路径将油容器连通至油池，其中，油路径根据油池中的油位变化而选择性地打开，从而允许油容器中的油补充至油池或者允许油池中的油排出至油容器。

Description

工质循环系统

技术领域

本发明涉及工质循环系统领域，更具体地，涉及一种包含油管理装置的有机朗肯循环发电系统。

背景技术

本部分提供了与本发明相关的背景信息，这些信息并不必然构成现有技术。

有机朗肯循环发电系统是一种利用低沸点工质作为循环介质，利用卡诺循环，利用热源或冷源的能量产生机械功或电功的系统。该系统主要包括由膨胀机、冷凝器、工质泵和预热/蒸发器依次连接而构成的工质循环路径。

其中，膨胀机往往需要可靠的油循环系统来供应润滑油，从而对膨胀机的内部部件进行润滑、冷却和密封。

目前有机朗肯循环系统中的油循环方式包括三种：(1)膨胀机的出口处设置油分离器，并设置油泵将油重新泵送到膨胀机内需要润滑的部件。然而这种油循环系统比较复杂、成本较高。(2)系统不设置油分离器，膨胀机出口的润滑油完全随工质一起循环，并随工质蒸发进入膨胀机入口。但这种系统的缺点是难以控制润滑油充注量。(3)系统中润滑油和工质接近完全分离，仅少量润滑油进入工质，并利用蒸发器内设置回油管回到膨胀机内，但这种油循环系统仅适用于离心式膨胀机。

因此，需要提供一种改进的有机朗肯循环系统，以克服油循环系统中存在的上述技术问题。

发明内容

在本部分中提供本发明的总体概要，而不是本发明完全范围或本发明所有特征的全面公开。

本发明的目的提供一种简单、可靠、适用性广的工质循环系统。

根据本发明的一个方面，提供了一种工质循环系统，包括：工质循环路径、油容器和油路径，在工质循环路径中包括有膨胀机、冷凝器、工质泵和预热/蒸发器，在膨胀机内设置有油池，油路径将油容器连通至油池，其中，油路径根据油池中的油位变化而选择性地打开，从而允许油容器中的油补充至油池或者允许油池中的油排出至油容器。

根据本发明的一个方面，油路径包括补油路径和/或出油路径，补油路径在打开时允许油容器中的油补充至油池，出油路径在打开时允许油池中的油排出至油容器。

根据本发明的一个方面，补油路径构造成：当油池中的油位低于补油设定值A时补油路径打开，当油池中的油位高于补油设定值A时补油路径关闭；出油路径构造成：当油池中的油位高于出油设定值B时出油路径打开，当油池中的油位低于出油设定值B时出油路径关闭。

根据本发明的一个方面，出油设定值B高于所述补油设定值A。

根据本发明的一个方面，在油路径中设置有电动阀，并且在油池中设置有能够向电动阀提供信号的油位传感器，或者，在油路径和油池中设置有浮球开关。

根据本发明的一个方面，油容器构造为油罐，油罐包括高压油罐和/或低压油罐，油路径的补油路径构造为油罐补油路径，高压油罐通过油罐补油路径而连通至油池并且通过将预热/蒸发器与膨胀机之间的工质循环路径与高压油罐连通的高压路径而获得高压，使得高压油罐在压力作用下向油池补油，低压油罐通过油路径的出油路径而连通至油池并且通过将膨胀机与冷凝器之间的工质循环路径与低压油罐连通的低压路径而获得低压，使得油池在压力作用下向低压油罐出油。。

根据本发明的一个方面，油罐补油路径和/或出油路径中设置有毛细管。

根据本发明的一个方面，在高压油罐与低压油罐之间设有连通高压油罐与低压油罐的回油路径。

根据本发明的一个方面，高压油罐的位置低于低压油罐的位置。

根据本发明的一个方面，在高压路径、低压路径和回油路径中分别设置有电动阀，并且在高压油罐和/或低压油罐中设置有液位传感器，或者，在高压路径、低压路径和回油路径中分别设置有手动阀。

根据本发明的一个方面，工质循环系统构造成：当高压油罐中的油位低于设定值或低压油罐中的油位高于设定值时，使油罐补油路径、出油路径和高压路径关闭并且使回油路径打开以便将低压油罐中的油返回至高压油罐，或者，使油罐补油路径、出油路径和低压路径关闭并且使回油路径打开以便将低压油罐中的油返回至高压油罐。

根据本发明的一个方面，油容器构造为油分离器，油分离器包括高压油分离器或低压油分离器，油路径的补油路径构造为高压油分补油路径或低压油分补油路径，高压油分离器设置在预热/蒸发器与膨胀机之间的工质循环路径上并且通过高压油分补油路径而连通至油池，低压油分离器设置在膨胀机与冷凝器之间的工质循环路径上通过低压油分补油路径而连通至油池。

根据本发明的一个方面，设置有将高压油分离器连接至膨胀机的工质入口附近的附加补油路径以便将所述高压油分离器中的油补充至工质入口。

根据本发明的一个方面，低压油分离器的位置高于油池的位置和/或膨胀机内设置有油泵。

根据本发明的一个方面，设置有将油池连接至低压油分离器的低压油分出油路径以便将油池中的油排出至低压油分离器。

根据本发明的一个方面，设置有将油池连接至冷凝器的低压冷凝器出油路径以便将油池中的油补充至工质循环路径。

根据本发明的一个方面，附加补油路径中设置有毛细管。

根据本发明的一个方面，工质循环系统为有机朗肯循环发电系统。

总体上，根据本发明的工质循环系统至少带来以下有益效果：根据本发明的工质循环系统能够有效避免现有技术中的有机朗肯循环系统因工况波动或润滑油的初始充注量造成系统缺油或系统油循环量过大等技术问题，同时可以有效控制膨胀机内的油位，减少因膨胀机轴的搅动功耗，提高系统效率。并且，本发明的有机朗肯循环系统中设置的部件数量较少、结构简单，具有较高的成本效益。

附图说明

根据以下参照附图的详细描述，本发明的前述及另外的特征和特点将变得更加清楚，这些附图仅作为示例并且不一定是按比例绘制。在附图中采用相同的参考标记指示相同的部件，在附图中：

图1示出现有的包括油分离器和油泵的有机朗肯循环系统的示意图；

图2示出现有的未设置油分离器的有机郎肯循环系统的示意图；

图3示出根据本发明的第一实施方式的工质循环系统的示意图，其中膨胀机示出为涡旋膨胀机的纵剖视图；

图4示出根据本发明的第二实施方式的工质循环系统的示意图；

图5示出根据本发明的第三实施方式的工质循环系统的示意图；

图6示出根据本发明的第四实施方式的工质循环系统的示意图；

图7示出根据本发明的第五实施方式的工质循环系统的示意图；以及

图8示出根据本发明的第六实施方式的工质循环系统的示意图。

具体实施方式

现在将结合附图1-8对本发明的优选实施方式进行详细描述。以下的描述在本质上只是示例性的而非意在限制本发明及其应用或用途。在各视图中，相对应的构件或部分采用相同的参考标记。

在下述示例性实施方式中，有机朗肯循环系统中的膨胀机示例性地采用立式涡旋膨胀机。然而，根据本发明的工质循环系统也可以采用诸如卧式涡旋膨胀机的任何其他合适类型的涡旋膨胀机或者螺杆膨胀机等。

下面将参照图1和图2来描述现有的有机朗肯循环系统的主要部件和运行原理。

如图1所示，有机朗肯循环系统包括主要由膨胀机1、冷凝器2、工质泵3和预热/蒸发器4依次通过管道连接构成的工质循环路径(在附图中以实线箭头表示，箭头表示工质的流向)。在工质循环路径中，液态工质进入预热/蒸发器4被加热至高温、高压的气态工质，该气态工质被输送至膨胀机1的工质入口，推动膨胀机1转动并带动发电机7发电；从膨胀机1的工质出口排出的过热、低压的气态工质进入冷凝器2中被冷凝成低温、低压的液态工质，该液态工质被供给工质泵3，经工质泵3加压为低温、高压的液体工质后再次进入预热/蒸发器4，从而构成工质循环。

另外，为了对膨胀机内部的运动部件进行润滑及冷却，有机朗肯循环系统还包括设置有油分离器5和油泵6的油循环路径(在附图中以虚线箭头表示，箭头表示润滑油的流向)。油分离器5设置在膨胀机1的工质出口与冷凝器2之间的工质循环路径上。从膨胀机1的工质出口排出的混合有润滑油的工质在油分离器5中进行分离，分离出的润滑油储存在油分离器5的底部，并在油泵6的作用下被重新输送到膨胀机1的工质入口附近，而少量未分离的润滑油随着工质循环至预热/蒸发器4，通过在预热/蒸发器4内设置回油管理装置，在压差的作用下将该少量未分离的润滑油供回至油分离器5。在包括上述类型的油循环路径的有机朗肯循环系统中，由于系统增设油分离器5和油泵6，且油泵6需要精准控制以维持系统中油量稳定，因此系统往往控制复杂、成本高昂。

现有技术中存在另外一种类型的油循环路径。如图2所示，在该系统中未设置油分离器或油泵，而是使润滑油与工质始终处于混合状态。润滑油随着从膨胀机1的工质出口排出的工质一起流经冷凝器2、工质泵3及预热/蒸发器4，然后从膨胀机1的工质入口附近进入膨胀机1。这种类型的油循环路径，虽然减少了部件，但系统中的油充注量却难以确定和控制。如果充注量过大会导致膨胀机带油过多、功耗较大，或影响系统中其他部件例如冷凝器的效率；如果充注量过小则会导致膨胀机缺油，各运动部件润滑、冷却不足。

针对上述技术问题，本发明对现有技术的有机朗肯循环系统的油循环路径进行了改进，总体来讲，本发明通过设置油容器，基本能够实现在无外置油泵的情况下利用重力和/或压差，在缺油时从油容器向膨胀机内补充润滑油和/或在多油时将膨胀机内多余的润滑油排出至油容器，从而使系统油量稳定、膨胀机润滑充分、功耗与成本降低。具体地，下文将参照图3至图8详细描述根据本发明的若干优选实施方式的改进的工质循环系统。在各实施方式中，工质循环系统中的工质循环路径(在附图中以实线箭头表示，箭头表示工质的流向)与图1和图2完全一致，因此不再赘述。需要说明的是，在本文中，路径的“打开”或“关闭”具有广义含义，即，路径中存在相应的流体通过为打开，路径中没有相应的流体通过为关闭，而不应当狭义地理解为由阀或开关进行的打开或关闭。

图3示出根据本发明的第一实施方式的工质循环系统的示意图，其中，膨胀机1为以纵剖视图示出的涡旋膨胀机。膨胀机1包括设置在高压侧的工质入口11和设置在低压侧的工质出口12，在膨胀机1的底部(低压侧)设置有油池13，油池13中设有油位传感器14。需要说明的是，在本文中“油池”具有广义含义。虽然在图3示出的膨胀机1中油池13位于膨胀机1的底部，但是对于不同类型或应用的膨胀机，油池可以是位于膨胀机的任意合适位置处的用于容纳油的空间。另外，该系统还包括高压油罐15和阀K1。高压油罐15、阀K1和膨胀机1内的油池13依次连接构成油罐补油路径L1(在附图中以虚线箭头表示，箭头表示润滑油的流向)。高压油罐15与膨胀机1的高压侧连通而构成高压路径C1，例如，通过管道将高压油罐15连接至预热/蒸发器4的工质出口、膨胀机1的工质入口11或预热/蒸发器4的工质出口与膨胀机1的工质入口11之间的工质循环路径的管道，使得高压油罐15内保持较高的压力。

系统运行时，当油位传感器14检测到膨胀机1内的油池13中油位高于补油设定值A时，系统控制阀K1关闭，此时油罐补油路径L1关闭，高压油罐15不向膨胀机1供油；当油位传感器14检测到膨胀机1内的油池13中油位低于补油设定值A时，系统控制阀K1开启，此时由于高压油罐15上游压力高于下游压力，在压差的作用下高压油罐15向膨胀机1补油，直至膨胀机1内的油池13中的油位达到补油设定值A，阀K1关闭。

虽然图3中示出的膨胀机1内的油池13位于低压侧，但对于油池13设置在高压侧的膨胀机，上述油罐补油路径L1依然能够运行。在油池设置在膨胀机的高压侧的情况下，可以通过管道将高压油罐15连接至尽可能靠近预热/蒸发器4的工质出口的位置以获得高压油罐15上下游之间尽可能大的压差，并且可以将高压油罐15设置在尽可能高的位置处(至少高于膨胀机1)，以便利用重力和流体压力的协同作用，为高压油罐15向膨胀机1补油提供足够的压差。

根据本发明的第一实施方式，系统初始润滑油的充注量较小，避免了初始运行时系统带油过多而造成的功率损耗，高压油罐可以针对不同的系统需求调节参与系统循环的油量，即使在工况剧烈变化的情况下仍能对系统正常供油，避免了因充注量过小而导致的膨胀机缺油损坏。此外，该油罐补油路径L1中仅设置油罐和阀件，无需外置油泵，结构简单、成本低廉。

图4示出根据本发明的第二实施方式的工质循环循环系统的示意图。膨胀机1包括设置在高压侧的工质入口和设置在低压侧工质出口，在膨胀机1的内部的高压侧设置有油池13，油池13中设有油位传感器14。另外，该系统还包括低压油罐25和阀K2。膨胀机1内的油池13、阀K2和低压油罐25依次连接构成出油路径L3(在附图中以虚线箭头表示，箭头表示润滑油的流向)。低压油罐25与膨胀机1的低压侧连通而构成低压路径C2，例如，通过管道将低压油罐25连接至冷凝器2的工质入口、膨胀机1的工质出口或冷凝器2的工质入口与膨胀机1的膨胀机1的工质出口之间的工质循环路径的管道，使得低压油罐25内保持较低的压力。

系统运行时，当油位传感器14检测到膨胀机1内的油池13中油位低于出油设定值B时，系统控制阀K2关闭，此时出油路径L3关闭，膨胀机1中的润滑油不会排出至低压油罐25；当油位传感器14检测到膨胀机1内的油池13中油位高于出油设定值B时，系统控制阀K2开启，此时由于低压油罐25上游压力高于下游压力，在压差的作用下膨胀机1中的润滑油排出至低压油罐25，直至膨胀机1内的油池13中的油位降至出油设定值B，阀K2关闭。

本领域技术人员将能理解的是，对于油池13设置在低压侧的膨胀机，上述出油路径L3依然能够运行。在油池设置在膨胀机的低压侧的情况下，可以通过管道将低压油罐25连接至尽可能靠近冷凝器2的工质入口的位置以获得低压油罐25的上下游之间尽可能大的压差，并且可以将低压油罐25设置在尽可能低的位置处(至少低于膨胀机1)，以便利用重力和流体压力的协同作用，为膨胀机1向低压油罐15排油提供足够的压差。在这种情况下，系统中的K2可以省略，只需要将油池13向低压油罐25排油的出口设置在出油设定值B对应的油位处。当油位高于出油设定值B时，润滑油在压差作用下自发向低压油罐25流动，此时出油路径L3打开；当油位低于出油设定值B时，少量工质会进入低压油罐25，并经过低压油罐25与冷凝器2连通的管道进入冷凝器2而进入工质循环，此时出油路径L3中没有润滑油通过，出油路径L3关闭。

根据本发明的第二实施方式，系统初始润滑油的充注量较大，但低压油罐可以针对不同的系统需求调节参与系统循环的油量，有效避免了因过多充注而导致的大量油随着工质循环而造成的系统效率下降，同时保持膨胀机内油量适中，减小膨胀机内搅动润滑油而造成的功率损失。此外，该出油路径L3中仅设置油罐和阀件(甚至针对油池位于膨胀机低压侧的情况可以省略阀件)，无需外置油泵，结构简单、成本低廉。

本发明的第三实施方式是本发明的第一实施方式与第二实施方式相结合而做出的改型。

图5示出根据本发明的第三实施方式的工质循环系统的示意图。膨胀机1包括设置在高压侧的工质入口和设置在低压侧工质出口，膨胀机1的内部设置有油池13，油池13中设有油位传感器14。该系统还包括高压油罐15、低压油罐25、阀K1和阀K2。预热/蒸发器4、高压油罐15和阀K1依次连接构成油罐补油路径L1，膨胀机1内的油池13、阀K2和低压油罐25依次连接构成出油路径L3(油罐补油路径和出油路径在附图中以虚线箭头表示，箭头表示润滑油的流向)。高压油罐15与膨胀机1的高压侧连通构成高压路径C1，例如，通过管道将高压油罐15连接至预热/蒸发器4的工质出口、膨胀机1的工质入口11或预热/蒸发器4的工质出口与膨胀机1的工质入口11之间的工质循环路径的管道，使得高压油罐15内保持较高的压力。低压油罐25与膨胀机1的低压侧连通构成低压路径C2，例如，通过管道将低压油罐25连接至冷凝器2的工质入口、膨胀机1的工质出口或冷凝器2的工质入口与膨胀机1的膨胀机1的工质出口之间的工质循环路径的管道，使得低压油罐25内保持较低的压力。

根据以上关于第一实施方式和第二实施方式的描述，油池13可以设置在膨胀机1的内部的高压侧或低压侧。在油池13设置在膨胀机1的高压侧的情况下，当油位传感器14检测到膨胀机1内的油池13中油位高于补油设定值A时，系统控制阀K1关闭，此时油罐补油路径L1关闭，高压油罐15不向膨胀机1供油；当油位传感器14检测到膨胀机1内的油池13中油位低于补油设定值A时，系统控制阀K1开启，高压油罐15向膨胀机1补油，直至膨胀机1内的油池13中的油位达到补油设定值A，阀K1关闭。当油位传感器14检测到膨胀机1内的油池13中油位低于出油设定值B时，系统控制阀K2关闭，此时出油路径L3关闭，膨胀机1中的润滑油不会排出至低压油罐25；当油位传感器14检测到膨胀机1内的油池13中油位高于出油设定值B时，系统控制阀K2开启，膨胀机1中的润滑油排出至低压油罐25，直至膨胀机1内的油池13中的油位降至出油设定值B，阀K2关闭。

在油池13设置在膨胀机1的低压侧的情况下，高压油罐15的工作过程与油池13设置在膨胀机1的高压侧的情况相同，但对于低压油罐25，可以省略阀K2，当油位传感器14检测到膨胀机1内的油池13中油位低于出油设定值B时，少量工质被排出至低压油罐25并经过低压油罐25与冷凝器2之间的管道进入工质循环；当油位传感器14检测到膨胀机1内的油池13中油位高于出油设定值B时，膨胀机1中的润滑油自动排出至低压油罐25，直至膨胀机1内的油池13中的油位降至出油设定值B，阀K2关闭。

本领域技术人员能够理解的是，与第一实施方式和第二实施方式相似，当油池位于膨胀机1内部的高压侧时，可以通过管道将高压油罐15连接至尽可能靠近预热/蒸发器4的工质出口的位置以获得高压油罐15上下游之间尽可能大的压差，并且可以将高压油罐15设置在尽可能高的位置处(至少高于膨胀机1)，以便利用重力和流体压力的协同作用，为高压油罐15向膨胀机1补油提供足够的压差；当油池位于膨胀机1内部的低压侧时，可以通过管道将低压油罐25连接至尽可能靠近冷凝器2的工质入口的位置以获得低压油罐25的上下游之间尽可能大的压差，并且可以将低压油罐25设置在尽可能低的位置处(至少低于膨胀机1)，以便利用重力和流体压力的协同作用，为膨胀机1向低压油罐15排油提供足够的压差。

在第三实施方式中，出油设定值B高于补油设定值A，也就是说，出油设定值B与补油设定值A之间存在一定的高度差，从而防止系统频繁的补油、出油。

根据本发明的第三实施方式，通过高压油罐结合低压油罐的方案，能够实现针对不同的系统、不同的工况、工况的剧烈变化等条件调节参与系统循环的油量，保证系统的高效运行。该方案既可以避免系统因充注量过小而导致的膨胀机缺油而损坏，也可以避免系统因充注量过大而导致的系统效率下降。同时膨胀机内油量能够保持适中，减小膨胀机内搅动润滑油而造成的功率损失。此外，该方案仅设置油罐和阀件，无需外置油泵，结构简单、成本低廉。

本发明的第四实施方式是在本发明的第三实施方式的基础上做出的改型。下面参照图5对本发明的第四实施方式进行说明，其中，系统的工质循环路径、出油路径和油罐补油路径与第三实施方式的方案相同的部件、布置及运行过程不再进行描述。

图5示出根据本发明的第四实施方式的工质循环系统的示意图。在第四实施方式中，高压路径C1中设置有阀K3。低压路径C2设置有阀K4。此外，高压油罐15与低压油罐25之间还设有包括阀K5的回油路径L6。高压油罐15的位置低于低压油罐25的位置。

与第三实施方式中的系统运行过程类似，阀K3和K4在系统运行过程中通常保持在打开状态，当油位传感器14检测到膨胀机1内的油池13中油位高于补油设定值A且低于出油设定值B时，系统控制阀K1和K2关闭(在油池位于膨胀机1的低压侧时阀K2可以省略，此时少量工质经过低压油罐25进入冷凝器2)，油罐补油路径L1和出油路径L3均关闭；当油位传感器14检测到膨胀机1内的油池13中油位低于补油设定值A(由于补油设定值A小于出油设定值B，此时油位也低于出油设定值B)时，系统控制阀K1打开，高压油罐15向膨胀机1补油，出油路径L3仍然关闭；当油位传感器14检测到膨胀机1内的油池13中油位高于补油设定值B(由于补油设定值A小于出油设定值B，此时油位也高于补油设定值A)时，系统控制阀K2打开，膨胀机1内的润滑油向低压油罐25排出(在油池位于膨胀机1的低压侧时阀K2可以省略，此时膨胀机1内的润滑油自主地向低压油罐25排出)，而油罐补油路径L1仍然关闭。

在系统运行一段时间后，可能出现润滑油较多地积聚在低压油罐25内，而高压油罐15中的油量不足的情况。此时，在膨胀机1内的油量不存在过高或过低(即不需要高压油罐15或低压油罐25进行调节)的情况下，可以利用回油路径将低压油罐25中过多的润滑油注回高压油罐15，以避免高压油罐15油量不足以及低压油罐25油量过多，进一步保证系统油量的稳定。

具体地，关闭阀K1、K2和K3，打开阀K5，使得高压油罐15与低压油罐25内变为相同的低压；或者关闭阀K1、K2和K4，打开K5，使得高压油罐15与低压油罐25内变为相同的高压。由于高压油罐15的位置低于低压油罐25，在两者内部压力相同的情况下，低压油罐25内的润滑油将在重力的作用下流进向高压油罐15。此外，本领域技术人员将理解的是，对于油池位于膨胀机1的低压侧的情况，如果省略阀K2，那么仅可以采用关闭阀K1和K3并打开阀K5使得高压油罐15与低压油罐25内变为相同的低压的方式来使得润滑油从低压油罐25回流至高压油罐15。如果使高压油罐15与低压油罐25变为相同的高压，由于出油路径L3因省略阀K2而始终打开，则导致可能不期望的润滑油回流至膨胀机1中。

在以上实施方式中，阀K1和K2为例如电磁阀的电动阀，阀K3、K4和K5可以为手动阀，也可以为例如电磁阀的自动阀。为了实现阀K3、K4和K5的自动开闭，还可以在高压油罐15和低压油罐25内分别设置液位传感器，当液位传感器检测到高压油罐15的油位过低或低压油罐25的油位过高时，系统控制相应的阀开启或关闭。

根据本发明的第四实施方式，通过高压油罐结合低压油罐的方案，能够实现针对不同的系统、不同的工况、工况的剧烈变化等条件调节参与系统循环的油量，保证系统的高效运行。该方案既可以避免系统因充注量过小而导致的膨胀机缺油而损坏，也可以避免系统因充注量过大而导致的系统效率下降。同时膨胀机内油量能够保持适中，减小膨胀机内搅动润滑油而造成的功率损失。此外，通过手动或自动的方式使得低压油罐向高压油罐回油，进一步使系统的油量稳定。该方案仅设置油罐和阀件，无需外置油泵，结构简单、成本低廉。

图7示出了根据本发明的第五实施方式的工质循环系统的示意图。膨胀机1包括设置在高压侧的工质入口和设置在低压侧工质出口，在膨胀机1的内部设置有油池13，油池13中设有油位传感器14。另外，该系统还设置有高压油分离器35。高压油分离器35设置在预热/蒸发器4与膨胀机1之间的工质循环路径上。从预热/蒸发器4的工质出口排出的混合有润滑油的工质在高压油分离器35中进行分离，分离出的润滑油储存在高压油分离器35的底部。高压油分离器35、阀K1和膨胀机1内的油池13依次连接构成高压油分补油路径L11(在附图中高压油分补油路径L11以虚线箭头表示，箭头表示润滑油的流向)。

系统运行时，当油位传感器14检测到膨胀机1内的油池13中油位高于补油设定值A时，系统控制阀K1关闭，此时高压油分补油路径L11关闭，高压油分离器35不向膨胀机1的油池13供油；当油位传感器14检测到膨胀机1内的油池13中油位高于补油设定值A时，系统控制阀K1开启，此时由于高压油分离器35设置在预热/蒸发器4与膨胀机1之间的工质循环路径上，高压油分离器35的上游压力高于下游压力，在压差的作用下高压油分离器35向膨胀机1的油池13补油，直至膨胀机1内的油池13中的油位达到补油设定值A，阀K1关闭。

与第一实施方式类似，油池13可以设置在膨胀机1的低压侧或高压侧。当油池13设置在膨胀机1的低压侧时，高压油分离器35的上下游的压差较大，能够为高压油分离器35中向油池13补油提供足够的压差。而当油池13设置在膨胀机1的高压侧时，可以使高压油分离器35在工质循环路径上尽可能地靠近预热/蒸发器4的工质出口，以获得高压油分离器35上下游之间尽可能大的压差，从而为高压油分离器15向油池13补油提供足够的压差。

由于高压油分离器35将混合在工质中的润滑油分离，可能会导致随着工质进入膨胀机1的膨胀腔中的润滑油过少，膨胀机1的膨胀构件(例如，在涡旋膨胀机中为涡旋盘)润滑不足。因此，该系统还设置有附加补油路径L2。附加补油路径L2由高压油分离器35通过包括毛细管的管道连接至膨胀机1的流体工质入口或膨胀机1的膨胀腔附近的位置处而构成。在系统的运行过程中，高压油分离器35中的一部分润滑油通过管道被引至膨胀机1的膨胀腔，从而对膨胀机1的膨胀构件进行润滑和冷却。优选地，构成附加补油路径L2的管道包括毛细管，能够有效避免润滑油大量、快速地进入膨胀机1的膨胀腔(尤其在高压油分离器35的上下游压差过大的情况下)，从而避免因进入膨胀机1的润滑油过多而造成系统效率损失。

另外，膨胀机1的油池13还可以包括通向膨胀机1下游的工质循环路径的管道(图7中未示出)。当油池13中的润滑油量过多时，润滑油通过该管道排出而进入工质循环路径，随着工质进入高压油分离器35进行分离。

根据本发明的第五实施方式，通过高压油分离器，能够实现针对不同的系统、不同的工况、工况的剧烈变化等条件调节参与系统循环的油量，保证系统的高效运行。该方案既可以避免系统因充注量过小而导致的膨胀机缺油而损坏，也可以避免系统因充注量过大而导致的系统效率下降。同时膨胀机内油量能够保持适中，减小膨胀机内搅动润滑油而造成的功率损失。此外，高压油分离器不仅能向膨胀机内的油池补油，还能向膨胀机的膨胀腔补油，膨胀机内过多的润滑油还能经工质循环返回油分离器，从而进一步保证系统中油量充足、稳定。该方案仅设置油分和阀件，无需外置油泵，结构简单、成本低廉。

本领域技术人员将理解的是，将油分离器设置在膨胀机1的下游也能够实现对膨胀机1的补油。如图8所示的根据本发明的第六实施方式的工质循环系统。膨胀机1包括设置在高压侧的工质入口和设置在低压侧工质出口，在膨胀机1的内部的低压侧设置有油池13，油池13中设有油位传感器14。另外，该系统还设置有低压油分离器45。低压油分离器45设置在膨胀机1与冷凝器2之间的工质循环路径上。从膨胀机1的工质出口排出的混合有润滑油的工质在低压油分离器45中进行分离，分离出的润滑油储存在油分离器45的底部。膨胀机1内的油池13、阀K1和低压油分离器45依次连接构成低压油分补油路径L12(在附图中低压油分补油路径L12以虚线箭头表示，箭头表示润滑油的流向)。

由于低压油分离器45设置在膨胀机1与冷凝器2之间的工质循环路径上，因此低压油分离器45的压力等于或略小于膨胀机1的低压侧的压力。为了提供足够的压差使得低压油分离器45中的润滑油能够流至油池13，可以将低压油分离器45设置在较高的位置(至少高于膨胀机1的油池13)，利用重力的作用为低压油分离器45提供压差。此外，也可以在膨胀机1内设置内置油泵，对低压油分离器45补充性地提供压差。

系统运行时，当油位传感器14检测到膨胀机1内的油池13中油位高于补油设定值A时，系统控制阀K1关闭，此时低压油分补油路径L12关闭，低压油分离器45不向膨胀机1的油池13供油；当油位传感器14检测到膨胀机1内的油池13中油位低于补油设定值A时，系统控制阀K1开启，在重力或者重力及内置油泵提供的压差的作用下低压油分离器45向膨胀机1的油池13补油，直至膨胀机1内的油池13中的油位达到补油设定值A，阀K1关闭。

另外，膨胀机1的油池13与低压油分离器45之间还可以另设有包括毛细管的管道，从而构成低压油分出油路径L4。当油池13中的润滑油量过多时，润滑油通过低压油分出油路径L4排出而进入低压油分离器45中储存。

由于低压油分离器45将混合在工质中的润滑油分离，可能会导致随着工质进入膨胀机1的膨胀腔中的润滑油过少，膨胀机1的膨胀构件(例如，在涡旋膨胀机中为涡旋盘)润滑不足。因此，该系统还设置有低压冷凝器出油路径L5。低压冷凝器出油路径L5构造为从膨胀机1的油池13通过包括毛细管的管道连接至低压油分离器45的下游的工质循环路径。在系统的运行过程中，膨胀机1的油池13中的一部分润滑油通过管道被引至低压油分离器45的下游的工质循环路径中，从而随着工质循环重新进入膨胀机1的工质入口并进入膨胀腔，对膨胀机1的膨胀构件进行润滑。构成低压冷凝器出油路径L5的管道包括毛细管，能够有效避免润滑油大量、快速地进入低压油分离器45的下游的工质循环路径，从而避免因进入系统循环的润滑油过多而造成系统效率损失。

本领域技术人员将理解的是，理论上本发明的第六实施方式的技术方案也可以用于油池13设置在膨胀机1的高压侧的情况。但是，如果油池13设置在膨胀机1的高压侧，油池13的压力远大于低压油分离器45，可能需要更大的内置油泵、更多的能耗才能将润滑油从低压油分离器45输送至油池13。因此，本发明的第六实施方式一般适用于油池13设置在膨胀机1的低压侧的情况。

根据本发明的第六实施方式，通过低压油分离器，能够实现针对不同的系统、不同的工况、工况的剧烈变化等条件调节参与系统循环的油量，保证系统的高效运行。该方案既可以避免系统因充注量过小而导致的膨胀机缺油而损坏，也可以避免系统因充注量过大而导致的系统效率下降。同时膨胀机内过多的润滑油能够排出至低压油分离器，从而保持膨胀机内油量适中，减小膨胀机内搅动润滑油而造成的功率损失。此外，一部分润滑油还能返回至工质循环路径中，不仅实现向膨胀机内的油池补油，还能向膨胀机的膨胀腔补油，从而进一步保证系统中油量充足、稳定。该方案仅设置油分和阀件，结构简单、成本低廉。即使在设置内置油泵的情况下，与现有技术中的外置油泵需要将润滑油从油分离器输送至膨胀机的工质入口相比，由于本发明的第六实施方式中的低压油分离器上下游的压差更小，因此对油泵的功率要求更低、能耗更小。

在第五和第六实施方式中，阀K1和K2优选为电磁阀。

本领域普通技术人员应当理解，在根据本发明的实施方式中，油位传感器与阀共同控制油循环路径的开启或关闭的方案也可以由浮球开关控制油循环路径的开启或关闭的方案替代。浮球开关根据油池中液位的变化控制油循环路径的开启或关闭。另外，在油循环路径中的所有管道中均可以根据需要设置毛细管，利用毛细管的节流作用避免由于压差过大而导致的润滑油流动过快、油量调节系统频繁工作，从而进一步保证系统中油量稳定。此外，根据本发明的实施方式可以在单个膨胀机或多个膨胀机并列的情况下使用，不仅能够保证膨胀机中的油量稳定适中，还能实现多个膨胀机之间的油平衡。根据本发明的实施方式还可以包括外置泵，用以辅助油循环路径中的润滑油流动。

上文结合具体实施方式描述了根据本发明的优选实施方式的工质循环系统。可以理解，以上描述仅为示例性的而非限制性的，在不背离本发明的范围的情况下，本领域技术人员参照上述描述可以想到多种变型和修改。这些变型和修改同样包含在本发明的保护范围内。

Claims (18)

1.一种工质循环系统，包括：

工质循环路径，在所述工质循环路径中包括有膨胀机(1)、冷凝器(2)、工质泵(3)和预热/蒸发器(4)，在所述膨胀机(1)内设置有油池(13)；

油容器；以及

油路径，所述油路径将所述油容器连通至所述油池，

其中，所述油路径根据所述油池(13)中的油位变化而选择性地打开，从而允许所述油容器中的油补充至所述油池(13)或者允许所述油池(13)中的油排出至所述油容器。

2.根据权利要求1所述的工质循环系统，其中，所述油路径包括补油路径(L1、L11、L12)和/或出油路径(L3)，所述补油路径(L1、L11、L12)在打开时允许所述油容器中的油补充至所述油池(13)，所述出油路径(L3)在打开时允许所述油池(13)中的油排出至所述油容器。

3.根据权利要求2所述的工质循环系统，其中：

所述补油路径(L1、L11、L12)构造成：当所述油池(13)中的油位低于补油设定值A时所述补油路径(L1、L11、L12)打开，当所述油池(13)中的油位高于补油设定值A时所述补油路径(L1、L11、L12)关闭；

所述出油路径(L3)构造成：当所述油池(13)中的油位高于出油设定值B时所述出油路径(L3)打开，当所述油池(13)中的油位低于出油设定值B时所述出油路径(L3)关闭。

4.根据权利要求3所述的工质循环系统，其中，所述出油设定值B高于所述补油设定值A。

5.根据权利要求1所述的工质循环系统，其中，在所述油路径中设置有电动阀，并且在所述油池(13)中设置有能够向所述电动阀提供信号的油位传感器，或者，在所述油路径和所述油池(13)中设置有浮球开关。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的工质循环系统，其中，所述油容器构造为油罐，所述油罐包括高压油罐(15)和/或低压油罐(25)，所述油路径的补油路径(L1、L11、L12)构造为油罐补油路径(L1)，所述高压油罐(15)通过所述油罐补油路径(L1)而连通至所述油池(13)并且通过将所述预热/蒸发器(4)与所述膨胀机(1)之间的工质循环路径与所述高压油罐(15)连通的高压路径(C1)而获得高压，使得所述高压油罐(15)在压力作用下向所述油池(13)补油，所述低压油罐(25)通过所述油路径的出油路径(L3)而连通至所述油池并且通过将所述膨胀机(1)与所述冷凝器(2)之间的工质循环路径与所述低压油罐(25)连通的低压路径(C2)而获得低压，使得所述油池(13)在压力作用下向所述低压油罐(25)出油。

7.根据权利要求6所述的工质循环系统，其中，所述油罐补油路径(L1)和/或所述出油路径(L3)中设置有毛细管。

8.根据权利要求6所述的工质循环系统，其中，在所述高压油罐(15)与所述低压油罐(25)之间设有连通所述高压油罐(15)与所述低压油罐(25)的回油路径(L6)。

9.根据权利要求8所述的工质循环系统，其中，所述高压油罐(15)的位置低于所述低压油罐(25)的位置。

10.根据权利要求8所述的工质循环系统，其中，在所述高压路径(C1)、所述低压路径(C2)和所述回油路径(L6)中分别设置有电动阀，并且在所述高压油罐(15)和/或低压油罐(25)中设置有液位传感器，或者，在所述高压路径(C1)、所述低压路径(C2)和所述回油路径(L6)中分别设置有手动阀。

11.根据权利要求9所述的工质循环系统，其中，所述工质循环系统构造成：当所述高压油罐(15)中的油位低于设定值或所述低压油罐(25)中的油位高于设定值时，使所述油罐补油路径(L1)、所述出油路径(L3)和所述高压路径(C1)关闭并且使所述回油路径(L6)打开以便将所述低压油罐(25)中的油返回至所述高压油罐(15)，或者，使所述油罐补油路径(L1)、所述出油路径(L3)和所述低压路径(C2)关闭并且使所述回油路径(L6)打开以便将所述低压油罐(25)中的油返回至所述高压油罐(15)。

12.根据权利要求1至5中任一项所述的工质循环系统，其中，所述油容器构造为油分离器，所述油分离器包括高压油分离器(35)或低压油分离器(45)，所述油路径的补油路径(L1、L11、L12)构造为高压油分补油路径(L11)或低压油分补油路径(L12)，所述高压油分离器(35)设置在所述预热/蒸发器(4)与所述膨胀机(1)之间的工质循环路径上并且通过所述高压油分补油路径(L11)而连通至所述油池(13)，所述低压油分离器(45)设置在所述膨胀机(1)与所述冷凝器(2)之间的工质循环路径上通过所述低压油分补油路径(L12)而连通至所述油池(13)。

13.根据权利要求12所述的工质循环系统，其中，设置有将所述高压油分离器(35)连接至所述膨胀机(1)的工质入口附近的附加补油路径(L2)以便将所述高压油分离器(35)中的油补充至所述工质入口。

14.根据权利要求12所述的工质循环系统，其中，所述低压油分离器(45)的位置高于所述油池(13)的位置和/或所述膨胀机(1)内设置有油泵。

15.根据权利要求12所述的工质循环系统，其中，设置有将所述油池(13)连接至所述低压油分离器(45)的低压油分出油路径(L4)以便将所述油池中的油排出至所述低压油分离器(45)。

16.根据权利要求12所述的工质循环系统，其中，设置有将所述油池(13)连接至所述冷凝器(2)的低压冷凝器出油路径(L5)以便将所述油池(13)中的油补充至工质循环路径。

17.根据权利要求13所述的工质循环系统，其中，所述附加补油路径(L2)中设置有毛细管。

18.根据权利要求1至5中任一项所述的工质循环系统，其中，所述工质循环系统为有机朗肯循环发电系统。

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