CN112780520A - 具有热回收的压缩机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“具有热回收的压缩机系统”。本发明提供了一种系统(100)，该系统可包括被构造成对工作流体加压的第一工作流体压缩机(102)，以及联接到该第一工作流体压缩机(102)并且被构造成将机械输入提供到该第一工作流体压缩机(102)中的原动机(104)。排气组件(112,214)可联接到原动机并且被构造成从原动机(104)接收排气热，该排气组件(112,214)包括被构造成基于由排气组件(112,214)接收的排气热产生电流的发电机(126,400)。第二工作流体压缩机(134)可包括以电气方式并且同步地联接到该发电机(126,400)的电动马达(130,402)，并且第二工作流体压缩机被构造成对工作流体加压。

Description

具有热回收的压缩机系统
政府许可权
本发明根据由能源部授予的合同号DE-FE000031617由政府支持完成。政府对本发明享有一定的权利。
技术领域
本文描述的主题涉及压缩机系统。
背景技术
压缩机用来增加工作流体的压力。特别地，使用原动机旋转轴和/或叶片以通过压缩机对工作流体加压。原动机可以是往复式发动机，诸如基于活塞的发动机、燃气轮机等。原动机提供对工作流体加压的功。另外，热量从原动机排放。然后这种排气热可以作为热力循环的一部分(诸如在布雷顿循环中)再利用。
在某些应用中，试图使用排放气体中的热量可能会产生问题。例如，当天然气通过管道跨越较长距离输送时，若干个压缩机可能需要沿着管道间隔开，以对天然气加压或保持其压力。包括此类压缩机的设施称为压缩机站。这些压缩机站通常容纳压缩机和原动机。然而，随着多余的热量被排放，使用该多余热量所需的设备的尺寸可能较大且费用昂贵。具体地，电力和/或效率的增益可能不会抵消由于使用排气热而导致的成本和设计约束。然而，由于压缩机站通常远离电网，因此这种涡轮机产生的电力可能没有地方传输或储存。因此，成本和尺寸约束使得提供这样的涡轮机是不可取的。
虽然存在可能能够更有效地处理排气热的更小、更紧凑的涡轮机，但是此类涡轮机的工作流体通常被认为对环境有害。由于天然气管道一直存在环境问题，此类涡轮机也是不可取的。因此，来自压缩机站的排气热被简单地排放到大气中，从而导致压缩机站内的效率显著下降。
发明内容
在一个或多个实施方案中，提供了一种系统，该系统包括被构造成对工作流体加压的第一工作流体压缩机，以及联接到第一工作流体压缩机并且被构造成将机械输入提供到第一工作流体压缩机中的原动机。排气组件联接到原动机并且被构造成从原动机接收排气热。排气组件包括发电机，该发电机被构造成基于由排气组件接收的排气热产生电流。还提供了第二工作流体压缩机，该第二工作流体压缩机包括以电气方式且同步地联接到发电机的电动马达，并且该第二工作流体压缩机被构造成对工作流体加压。
在一个或多个实施方案中，提供了一种方法，该方法包括：利用第一工作流体压缩机对第一工作流体加压；利用原动机向第一工作流体压缩机供应机械输入；以及将当向第一工作流体压缩机供应机械输入时由原动机排出的排气热输送至排气组件。该排气热通过排气组件转换为电流。然后，电流从排气组件同步地供应到电动马达。电动马达向第二工作流体压缩机供应机械输入，以利用第二工作流体压缩机对第一工作流体加压。
在一个或多个实施方案中，提供了一种系统，该系统包括被构造成输送天然气的管道，以及流体联接到管道并且被构造成接收天然气并对其加压以及排出排气热的第一压缩机组件。排气组件流体联接到第一压缩机组件，并且被构造成接收由第一压缩机组件排出的排气热。排气组件包括至少一个压缩机，所述至少一个压缩机被构造成利用超临界工作流体操作。排气组件还包括发电机，该发电机接收来自辅助涡轮机的机械输入，该辅助涡轮机机械地联接到被构造成利用超临界工作流体操作的所述至少一个压缩机。该发电机被构造成以预先确定的频率产生电流。提供了第二压缩机组件，该第二压缩机组件包括电联接到排气组件的发电机的电动马达。第二压缩机组件还被构造成接收天然气以对天然气加压。
附图说明
通过参考附图阅读以下对非限制性实施方案的描述，将更好地理解本发明的主题，其中：
图1是根据一个实施方案的压缩机系统的示意图；
图2是根据一个实施方案的压缩机系统的示意图；
图3是根据一个实施方案的补充工作流体的加压的过程的流程图；
图4是根据一个实施方案的发电机和电动马达的示意图；
图5是根据一个实施方案的发电机和电动马达的示意图；以及
图6是根据一个实施方案的发电机和电动马达的示意图。
具体实施方式
提供了一种压缩机系统，该压缩机系统包括由往复式发动机或燃气轮机驱动的第一压缩机，该第一压缩机联接到包含热驱动动力循环的排气组件。排气组件中的热驱动动力循环向电动马达提供可变驱动力，以控制联接到电动马达的第二压缩机的操作，从而补充通过压缩机系统的工作流体的加压。排气组件中的热驱动动力循环被密封以防止操作流体泄漏到环境中。具体地，排气组件利用来自第一压缩机的排气热作为能量源来为发电机提供动力，该发电机电联接到操作第二或补充压缩机的电动马达。
在发电机和电动马达之间提供同步电联接，从而允许驱动电动马达的高频输入。而且，通过在高频下具有同步电联接，排气组件可以被气密地密封在容器或外壳内，以防止排气组件的操作燃料的泄漏。以这种方式，排气组件可以利用涡轮机诸如超临界CO2涡轮机，以将排气热转换成电流，而不用担心CO2排放泄漏到环境中。另外，排气组件还用于调节电动马达上的负载以提供可变输入。以这种方式，排气组件可操作或控制第二压缩机的电动马达。
图1示出了压缩机系统100的示意图。在一个示例中，压缩机系统100可以是对流过天然气管道的天然气加压的压缩机站。另选地，当流体从第一位置输送到第二位置时，压缩机系统可以对另一工作流体加压。
压缩机系统100包括从入口103接收工作流体的第一工作流体压缩机102。在一个示例中，工作流体是天然气，但是在另选示例中，可以提供其他工作流体。第一工作流体压缩机102联接到原动机104。在一个示例中，原动机104是涡轮机，诸如气体涡轮机。在其他示例中，原动机104可通过燃烧过程机械地操作以操作第一压缩机102。在燃烧驱动原动机104之后，来自燃烧的热量沿着排气路径106离开原动机到达热交换器108。如本文所用，热交换器108可以被认为是在两种流体之间传递热量的装置，其中所述两种流体在热交换器内彼此物理地分离。该流体可以是气体、液体或气体和液体。在一个示例中，排气热在大约1000℉被排出。同时，原动机104提供第一工作流体压缩机102对工作流体加压所需的功。特别地，工作流体从入口103被接收并且流入第一压缩机102中并随着加压增压沿着第一出口流体流动路径110离开压缩机102。
排气组件112联接到原动机104，使得排气路径106内的热量经由热交换器108被排气组件112接收。特别地，热交换器108从原动机104接收热量并将热量输送至排气组件112的入口114。热交换器108还从出口116排出低温排放气体。在一个示例中，排气组件112是废热回收组件。
排气组件112可以被密封在外壳118内，使得工作部件不暴露于环境。排气组件112可以被气密地密封在外壳118内。在一个示例中，排气组件112包括在外壳118内的热交换器108，该热交换器接收由原动机104产生的排气热。另选地，热交换器108位于远离外壳118的位置，并且仅提供进入外壳118的入口114。
排气组件112包括机械地联接到辅助压缩机122的辅助涡轮机120。辅助涡轮机120也可以被认为是膨胀器或涡轮机膨胀器。在一个实施方案中，辅助涡轮机120和辅助压缩机122是超临界CO2涡轮机和超临界CO2压缩机。超临界CO2(sCO2)是保持在二氧化碳的临界温度和临界压力以上的二氧化碳的流体状态。物质的临界点是各相之间平衡曲线的终点。对于超临界CO2，临界点是气体和液体之间的压力点和温度点，其中压力增加形成液体，即使温度相应增加。对于CO2，临界温度约为31.10℃或87.98℉，并且临界压力约为73.9巴或1071磅每平方英寸。
通过使用超临界CO2，辅助涡轮机120和辅助压缩机122的尺寸可以减小。通过减小辅助涡轮机120和辅助压缩机122的尺寸，整个排气组件112可被密封在外壳118内，使得如果辅助涡轮机120或辅助压缩机122泄漏，外壳118可容纳该泄漏，从而防止对环境造成任何影响。
辅助涡轮机120从热交换器108接收加热的第二工作流体。第二工作流体可以被认为是辅助工作流体。在一个示例中，第二工作流体是超临界工作流体，诸如超临界CO2。辅助涡轮机然后将第二工作流体中的能量转换为机械功，从而使可用作发电机126的输入轴的输入轴124旋转。同时，来自辅助涡轮机120的排放的第二工作流体从出口128流到热交换器129，该热交换器将多余的热量传递到环境中。在一个示例中，冷却水流过热交换器129，并且热量被传递到离开热交换器129的冷却水。加热后的水可以用于其他目的。另选地，冷却空气可以用于从辅助涡轮机120传递热量并排放热量。第二工作流体从热交换器129通过路径131流到辅助压缩机122的入口，在该入口处第二工作流体可被压缩并输送到热交换器108中，在该热交换器中，热量被传递到第二工作流体以供辅助涡轮机120使用。以这种方式，有效地，闭环布雷顿循环可在排气组件112内呈现。
在一个示例中，输入轴124用作发电机126的转子。另选地，输入轴124可以机械地联接到发电机126的转子，以使转子以确定的频率旋转。具体地，齿轮组可以与输入轴124相关联地使用，以向机械地联接到输入轴124的转子提供确定的输入频率。因此，可以机械地控制由发电机126产生的电流的频率，从而消除或减少使用电子调制电路的需求。电子调制电路可以是接收第一频率的电流并将电流的频率修改为第二不同频率的电路。特别地，可以调制电流以改变电流的频率。这与可以仅用于提供电气连接并且不修改电流频率的电子电路相反。在压缩机系统100中，可以消除或减少对电子调制电路的需求，因为可以修改排气组件112的输入以控制发电机的转子的输入频率。因此，无论是通过热力学特性、传动特性还是类似特性，可以通过机械系统而不是电气系统来改变和控制由发电机126产生的电流的频率。因此，可以简化与发电机126相关联的电路。
发电机126接收来自输入轴124的输入。在一个示例中，输入轴124以15000rpm或250Hz旋转。具体地，发电机126可以是高频发电机，其中辅助涡轮机120控制输入轴124的输出速度，并且因此可以基于输送到辅助涡轮机120的热量改变发电机126的频率。如本文所用，高频发电机或高频电流源指的是60Hz以上的频率。排气组件的任何部件都可以被监测和操作以控制输入轴124的输出速度，从而控制发电机126的输入频率。以这种方式，排气组件112可用于基于排气组件112内的部件的热力学参数或机械参数来提供变频输入。
发电机126可以是电偶极子发电机，其包括两个或更多个偶极子、以及绕组，该绕组包括在偶极子之间的磁场中旋转的多个环。磁极数量可以改变。发电机126包括转子和定子，并且可包括如图4至图6所描绘的任何转子和定子布置。在一个示例中，可以使用两个磁极，而在另一示例中，可以使用六个或更多个磁极。绕组在磁场内的旋转然后感应出电动势(EMF)以产生电流。输入轴124的旋转速度因此控制电流，并且具体地控制由发电机产生的电流的频率。特别地，随着输入轴124的旋转速度增加，发电机126产生的电流的频率类似地可以增加。
发电机126可以电联接到电动马达130。在一个示例中，电动马达130可以是交流(A/C)马达，其包括类似于发电机的多个磁极。发电机126和电动马达130可同步地联接和电联接，以适应发电机126的高频输出。特别地，可以提供同步联接，因为电动马达130输出的频率可以与输入到发电机中的频率相同，或者输入到发电机中的频率可以仅通过发电机126中的磁极数量与电动马达130中的磁极数量相比的比率来改变。通过同步，可能不需要用于调节来自排气系统的电流的输出频率的附加电子调制电路。
电动马达130在磁极处接收来自发电机126的电流以旋转输出轴132以提供功。输出轴132可以是电动马达130的转子，或者可以机械地联接到转子。类似于辅助涡轮机120的输入轴124，虽然输出轴132可以是转子，但在其他实施方案中，可通过机械传动装置修改输出轴132的输出频率，以提供电动马达130的期望输出频率。同样，这允许在不使用电子调制电路的情况下调节输出频率，从而简化了发电机126与电动马达130之间的电气连接。
在一个示例中，电动马达130的转子的磁极数量可以与发电机126的转子的磁极数量相同，诸如两个磁极对两个磁极。在此类实施方案中，磁极呈现一比一的比率。另选地，在另一个示例中，发电机126的转子可以具有六个磁极，而电动马达的转子可以具有4个磁极以提供1.5的比率。以这种方式，可以为发电机126的转子或输出轴132提供电动齿轮组。电动齿轮组基于发电机126的转子与电动马达130的转子相比的磁极比率减小或增大到发电机126的输入。在每个示例中，发电机126与电动马达130同步操作，以减少使用功率电子器件或电子调制电路来转换频率的需要。通过减少功率电子器件的使用，系统可以更可靠且更节省成本。
电动马达130的输出轴132可以机械地联接到第二工作流体压缩机134。输出轴132可由来自发电机126的电流输入以及发电机126和电动马达130之间的磁极的比率控制。因此，输出轴132可以旋转并且以第二工作流体压缩机134期望的每秒转数提供功。通过使用辅助涡轮机120的输入轴124在发电机126中产生电流，而不是作为第二工作流体压缩机134的原动机，排气组件112可被密封在外壳118内，并且防止排气组件112中的第二工作流体的泄漏到达环境。具体地，旋转输入轴124将需要外壳内的开口来旋转，从而提供用于第二工作流体(诸如CO2)逸出的区域。然而，在输入轴124与发电机126一起使用以产生电流的情况下，电联接允许穿过外壳118到电动马达130的可密封联接。另外，通过使用发电机126与电动马达130之间的磁极比率，可以根据第二工作流体压缩机134的需要来改变和控制输出轴132的速度。因此，通过向电动马达130提供动力以操作第二工作流体压缩机134，从操作原动机104产生的排气可用于补充第一工作流体的加压。所得到的系统比不循环排气热的系统效率高10％以上。另外，排气组件112可以被密封到环境中以防止环境泄漏，从而防止系统实施带来的缺陷。
第二工作流体压缩机134从入口103接收第一工作流体。第一工作流体可以在第二工作流体压缩机内被压缩并加压。然后可以将加压的第一工作流体从第二工作流体压缩机134排出到第二出口流体流动路径136中。第二出口流体流动路径136可与第一流体流动路径110结合并相交，以在离开压缩机系统100之前结合加压的第一工作流体。虽然在图1的示例中，第一工作流体压缩机102和第二工作流体压缩机134被示出为并联布置，但是在其他示例中，第一工作流体压缩机102和第二工作流体压缩机134可以是串联布置。
图2示出了在预先确定的环境202内使用的示例性压缩机系统200的示意图。在一个示例中，压缩机系统200可以是压缩机站。在一个示例中，压缩机系统200可以是图1的压缩机系统100。具体地，在环境202内可以是延伸跨越地形206的管道204。在一个示例中，管道204可以是天然气管道。压缩机系统200可以联接在管道204内，以在入口208处接收第一工作流体，并且在出口210处提供加压的工作流体。特别地，管道204内的所有第一工作流体被输送到压缩机系统200以进行加压，然后才返回管道204。如图所示，压缩机系统200包括第一压缩机组件212、排气组件214和用于对第一工作流体加压的第二压缩机组件216。另选地，可以在压缩机系统200中提供另外的压缩机组件，并且该另外的压缩机组件与第一压缩机组件212和第二压缩机组件216并行地工作。第一压缩机组件212可包括原动机、发动机、马达、涡轮机，气体涡轮机等，以向第一压缩机提供输入以对第一工作流体加压。
排气组件214可包括热交换器、压缩机、发动机、马达、涡轮机、气体涡轮机、发电机等，以将来自第一压缩机组件的热量转换为高频电流源。在一个示例中，排气组件214转换第一压缩机组件的排气热，如关于图1所述。另选地，可以以另选的方式转换排气热。在一个示例中，排气组件214可以被气密地密封在外壳内，以防止排气组件所使用的第二工作流体泄漏到管道204或环境中。
第二压缩机组件216可包括可电联接到排气组件214的电动马达。在一个示例中，电动马达可以与排气组件214的发电机同步地联接。总体而言，第二压缩机组件接收来自排气组件的输入，并且对在入口208处接收的第一工作流体加压，以在出口210处提供加压的工作流体。
图3示出了补充第一工作流体的加压的示例性过程300的示意性流程框图。示例性过程300可以由压缩机系统100或200实现。在一个示例中，第一工作流体可以是通过跨越地形的管道供应的天然气。
在302处，可以利用第一工作流体压缩机对第一工作流体加压。第一工作流体压缩机可包括接收第一工作流体的输入和将第一工作流体作为加压流体排出的输出。
在304处，可以利用原动机将机械输入供应到第一工作流体压缩机。原动机可以是内燃机、气体涡轮机、混合发动机等，其包括可由第一工作流体压缩机使用的输出轴。原动机与第一工作流体压缩机同时地操作以提供对第一工作流体加压所需的机械输入。
在306处，当将机械输入供应到第一工作流体压缩机时，原动机可以排出排气热并且将其输送到排气组件。排气热可以作为发动机旋转输出轴的副产品而产生。可以通过燃烧燃料、膨胀燃料、加热燃料等产生排气热。在一个示例中，排气热可以超过1000℉。
在308处，可以利用排气组件将排气热转换成电流。在一个示例中，排气组件包括热交换器，该热交换器接收排气热并将来自热交换器的输入热量输送至辅助涡轮机。辅助涡轮机从第二工作流体中提取功，并且排放到散热热交换器，该散热热交换器从第二工作流体中提取余热并将其传递到环境中。在一个示例中，第二工作流体是超临界工作流体。超临界工作流体可以是超临界CO2。然后，辅助压缩机可压缩来自散热热交换器的第二工作流体，并且将工作流体返回至排气热交换器以完成循环。辅助涡轮机提供机械输入以驱动辅助压缩机。
辅助涡轮机可膨胀来自热交换器的输入热量以产生涡轮机机械输出。在一个示例中，涡轮机机械输出可向发电机的转子供应动力。特别地，转子可以包括预先确定数量的磁极，这些磁极中的每个磁极由绕组或永磁体支撑。发电机另外包括定子，该定子还具有预先确定数量的磁极，这些磁极中的每个磁极具有绕组。定子和转子将具有相同的磁极数量。旋转磁极相对于定子磁极产生连续变化的磁场，以在定子绕组中产生电压。以这种方式，发电机基于涡轮机机械输出产生AC电压。AC电压的频率与涡轮机轴的速度有关。
在310处，在发电机的定子中感应的电压可从排气组件的发电机同步地且电力地供应到电动马达。具体地，涡轮机提供涡轮机机械输出，该涡轮机机械输出可以由发电机接收，如上文关于图1所述。在一个示例中，涡轮机机械输出可以机械地联接到发电机的转子。在另一个示例中，涡轮机机械输出可以是旋转轴，该旋转轴可以是发电机的转子。因此，转子包括以第一旋转速度或第一频率旋转的旋转轴。
转子包括具有绕组的磁极，该绕组相应地旋转以在发电机的定子中感应出第一频率的电流。在发电机的定子中感应的电压然后可以由电动马达的定子的绕组接收。围绕定子的磁极的绕组中的电流形成磁场，该磁场可以与由电动马达的转子磁场绕组产生的磁场相互作用。马达的转子磁场也可以由永磁体产生。因此，电动马达的转子可基于从发电机接收的电压以及发电机和马达的转子的磁极数量旋转。
基于该布置，发电机的转子的第一频率可以是发电机的转子的磁极数量与电动马达的转子的磁极数量相比的比率的倍数。具体地，通过将发电机连接到电动马达，可以提供同步联接，其中电动马达的输出频率可以由发电机和电动马达的磁极的比率来控制。以这种方式，电动马达可以被构造成接收高频输入，以确保不需要附加电子调制电路，或者可以减少附加电子调制电路以向电动马达提供确定频率的电流。
通过提供避免使用电子调制电路的高频电动马达，发电机和电动马达之间的唯一联接可以是简单的导电联接。通过提供不具有附加电子调制电路的简单的导电联接，整个排气组件可以被密封在外壳内，其中导电联接穿过外壳设置，以提供到电动马达的联接。通过将排气组件密封在外壳内，排气组件的第二工作流体的任何泄漏可被包含在外壳中并且不会被排放到环境中。
在312处，电动马达将机械输入供应给第二工作流体压缩机。在一个示例中，该机械输入可以是电动马达的旋转输出轴。
在314处，第二工作流体压缩机对第一工作流体加压。具体地，通过利用排气组件产生操作电动马达的电流，可以将第二工作流体压缩机添加到压缩机系统以补充第一工作流体的加压。
图4示出了以电气方式且同步地联接到电动马达402的发电机400的示意性示例。发电机400包括可以是静止的发电机定子404和在发电机定子404内旋转的发电机转子406。虽然在该示例中发电机转子406在发电机定子404内旋转，但是在其他示例中，发电机定子404可以在围绕发电机定子404旋转的发电机转子406内。发电机定子404包括第一磁极408a、第二磁极408b、第三磁极408c和第四磁极408d，其中第一磁极408a包括第一绕组410a，第二磁极408b包括第二绕组410b，第三磁极408c包括第三绕组410c，并且第四磁极408d包括第四绕组410d。发电机转子406类似地包括第一磁极412a、第二磁极412b、第三磁极412c和第四磁极412d。在一个示例中，第一磁极412a、第二磁极412b、第三磁极412c和第四磁极412d是建立发电机马达406的磁场的永磁体。另选地，发电机转子406可以包括建立磁场的磁场绕组。
电动马达402类似地包括电动马达定子416和电动马达转子418。电动马达定子416包括第一磁极420a、第二磁极420b、第三磁极420c和第四磁极420d，其具有对应的第一绕组422a、第二绕组422b、第三绕组422c和第四绕组422d。具体地，电动马达定子416的绕组422a、422b、422c和422d电联接到发电机定子404的绕组410a、410b、410c和410d，以接收来自发电机定子404的感应电流。电动马达转子418还包括第一磁极424a、第二磁极424b、第三磁极424c和第四磁极424d。基于电动马达定子416的绕组422a、422b、422c和422d内的电流，产生的磁场导致磁极424a、424b、424c和424d相应地旋转电动马达转子418。在一个示例中，电动马达转子418的第一磁极424a、第二磁极424b、第三磁极424c和第四磁极424d可以是永磁体以建立磁场。另选地，电动马达转子418的第一磁极424a、第二磁极424b、第三磁极424c和第四磁极424d可以包括绕组以建立磁场。
在图4的实施方案中，发电机转子406与电动马达转子418相比的磁极比率是一比一。具体地，发电机转子406和发电机定子404的磁极数量必须相等，并且类似地，电动马达定子416和电动马达转子418的磁极数量也必须相等。因此，由于发电机定子404和发电机转子406各自具有四个磁极，因此该发电机被认为是四极发电机。类似地，由于电动马达402也具有带有四个磁极的电动马达定子416和带有四个磁极的对应电动马达转子418，因此电动马达402被认为是四极电动马达。
虽然在图4中电力发电机400和电动马达402是四极电力发电机和四极电动马达，其具有四比四或一比一的磁极，但是在其他示例中，电力发电机400可具有与电动马达402不同的磁极数量。在一个示例中，电力发电机400可以是六极电力发电机，而电动马达402是四极电动马达。发电机400和电动马达402之间的六磁极对四磁极的比率导致发电机输出频率是发电机400的旋转频率的三倍，而电动马达402的旋转速度是施加到定子的频率的一半。因此，马达转子418以发电机转子406的旋转速度的一点五倍的速度旋转。在又其他示例中，电力发电机400可以是两极电力发电机，而电动马达402可以是四极电动马达。在又一个示例中，电力发电机400可以是四极电力发电机，而电动马达402是六极电动马达。在每个示例中，电力发电机400与电动马达402相比的磁极数量可用于基于电力发电机400与电动马达402相比的磁极数量的比率，改变电力发电机转子406的输入频率与电动马达转子418的输出频率之间的关系。该比率可以是1比1、2比1、1.5比1、0.5比1、整数值、非整数值等。
因此，到发电机的机械输入的输入频率可以是来自电动马达402的机械输出的输出频率或其比率。以这种方式，发电机400和电动马达402两者以电气方式且同步地联接，使得可以减少或不需要用于调节来自电动马达402的机械输出的输出频率的频率的附加电子调制电路。因为电力发电机400和电动马达402同步地联接，因此电动马达402的机械输出的输出频率取决于发电机400的机械输入的输入频率，而不使用附加电子调制电路来调制电动马达402的机械输出的输出频率。
图5示出了示例性电力发电机500。在一个实施方案中，电力发电机500是图1的电力发电机126。虽然被描述为电力发电机500，但是电力发电机500可以类似地用作电动马达。在一个示例中，图5所示的电力发电机500被用作图1的电动马达130。为此，图5的示例性电力发电机500可在其中电力发电机和电动马达之间的比率为一比一的布置中用作图1的电力发电机126和图1的电动马达130两者。
所示的电力发电机500是两极电机。该电力发电机包括定子502和转子504。定子可以包括定子绕组506，而转子504包括具有转子绕组510的转子磁极508。另选地，转子磁极508可以是永磁体。在一个示例中，转子可以被认为是平滑转子。在图5的示例中，定子502的电频率与转子504的旋转频率相同。因此，当用作发电机时，在定子绕组处产生的电频率与输入轴的机械频率相同。当用作电动马达时，电动马达的输出轴速度等于从对应的发电机接收的电频率。以这种方式，该两极电机可用于改变发电机的输入轴的频率以提供电动马达的输出轴的频率。因此，图5的两极电机代表可以用于在电力发电机和电动马达之间提供同步联接的电机。
图6示出了另一示例性电力发电机600。在一个实施方案中，电力发电机600是图1的电力发电机126。虽然被描述为电力发电机600，但是电力发电机600可以类似地用作电动马达。在一个示例中，图6所示的电力发电机600被用作图1的电动马达130。为此，图6的示例性电力发电机600可在其中电力发电机和电动马达之间的比率为一比一的布置中用作图1的电力发电机126和图1的电动马达130两者。
所示的电力发电机600是四极电机。该电力发电机包括定子602和转子604。定子可以包括定子绕组606，而转子604包括具有转子绕组610的转子磁极608。另选地，转子磁极608可以是永磁体。在一个示例中，转子可以被认为是凸极转子。在图6的示例中，定子602的电频率是转子604的旋转频率的两倍。一般来讲，定子电频率是转子旋转频率的Np/2倍，其中Np是磁极数量。当图6的电力发电机600用作电动马达时，马达的输出轴以发电机提供的电频率的一半旋转。当电力发电机600被用作电力发电机时，在定子绕组606处产生的电频率是发电机输入轴的机械频率的两倍。因此，图6的四极电机代表可以用于在电力发电机和电动马达之间提供同步联接的另一电机。总体而言，图4至图6的示例示出了一些实施方案以及可用于提供同步连接的电力发电机和/或电动马达。在其他示例中，可以利用包括更多磁极、不同材料等的其他电力发电机和/或电动马达，以提供同步联接。
在一个或多个实施方案中，可以提供一种系统，该系统可包括被构造成对第一工作流体加压的第一工作流体压缩机，以及联接到第一工作流体压缩机并且被构造成将机械输入提供到第一工作流体压缩机中的原动机。该系统还可包括：排气组件，该排气组件联接到原动机并且被构造成从原动机接收排气热，该排气组件包括被构造成基于由排气组件接收的排气热产生电流的发电机；以及第二工作流体压缩机，该第二工作流体压缩机包括以电气方式且同步地联接到发电机的电动马达，并且该第二工作流体压缩机被构造成对第一工作流体加压。
可选地，发电机包括具有多个磁极的转子，并且电动马达包括具有多个磁极的转子。在一个示例中，发电机的转子的多个磁极与电动马达的转子的多个磁极相比的比率可以是一比一。另选地，发电机的转子的多个磁极与电动马达的转子的多个磁极相比的比率可以是非整数。
可选地，排气组件可以被密封在外壳内，该外壳被构造成防止第二工作流体的流体泄漏。在另一方面，发电机可以通过外壳电联接到电动马达。
可选地，可以不提供用于改变频率的电子调制电路来电联接电动马达和发电机。
可选地，排气组件可以包括热交换器，该热交换器被构造成接收来自第一工作流体压缩机的排气热并产生输入热量。排气组件还可以包括辅助涡轮机，该辅助涡轮机联接到热交换器并且被构造成从热交换器接收输入热量且将输入热量转换成机械能以旋转可以电联接在发电机内的输入轴。
可选地，排气组件可包括辅助压缩机，该辅助压缩机可流体联接到辅助涡轮机和热交换器，该辅助压缩机被构造成接收来自辅助涡轮机的第二工作流体、传递来自第二工作流体的热量、以及对第二工作流体加压。
可选地，辅助压缩机可以是超临界二氧化碳压缩机。
可选地，第一工作流体可以是天然气。
在一个或多个实施方案中，可以提供一种方法，该方法可包括：利用第一工作流体压缩机对第一工作流体加压；利用原动机向第一工作流体压缩机供应机械输入；以及将当向第一工作流体压缩机供应机械输入时由原动机排出的排气热输送至排气组件。该方法还包括利用排气组件将排气热转换成电流，并且同步地将电流从排气组件供应到电动马达。该方法还包括利用电动马达向第二工作流体压缩机供应机械输入，以及利用第二工作流体压缩机对第一工作流体加压。
可选地，将排气热转换成电流可以包括在热交换器处接收排气热，以及将输入热量从热交换器输送到辅助涡轮机。将排气热转换成电流还可以包括利用辅助涡轮机膨胀来自热交换器的输入热量以产生涡轮机机械输出，以及利用接收涡轮机机械输出的发电机产生电流。
可选地，将排气热转换成电流还可以包括利用超临界压缩机压缩第二工作流体，以向辅助涡轮机提供超临界压缩机输入。来自辅助涡轮机的超临界压缩机输出也可被输送到热交换器，以在被输送到超临界压缩机之前从第二工作流体散发热量。
可选地，从排气组件向电动马达同步地供应电流可以包括：在发电机的转子处接收涡轮机机械输出，发电机的转子以第一频率旋转；利用发电机的转子的多个磁极产生电流；以及将产生的电流供应到电动马达以旋转电动马达的转子的多个磁极。
可选地，发电机的转子的多个磁极与电动马达的转子的多个磁极相比的比率可以是一比一。
可选地，该方法还可包括将排气组件密封在外壳内。
在一个或多个实施方案中，可以提供一种系统，该系统可以包括被构造成输送天然气的管道、流体联接到管道并且被构造成接收和加压天然气并排出排气热的第一压缩机组件、以及流体联接到第一压缩机组件并且被构造成接收由第一压缩机组件排出的排气热的排气组件，该排气组件包括被构造成利用超临界工作流体操作的至少一个压缩机。排气组件可包括发电机，该发电机接收来自辅助涡轮机的机械输入，该辅助涡轮机可机械地联接到被构造成利用超临界工作流体操作的所述至少一个压缩机。来自辅助涡轮机的排气超临界工作流体被输送到热交换器，以将热量排放到环境中。利用超临界工作流体操作的所述至少一个压缩机然后从热交换器接收超临界工作流体，以在通过从第一压缩机组件接收热量的热交换器输送超临界工作流体之前压缩超临界工作流体。该发电机可被构造成以预先确定的频率产生电流。排气组件还可以包括第二压缩机组件，该第二压缩机组件包括电联接到排气组件的发电机的电动马达，并且被构造成接收天然气以对天然气加压。
可选地，电动马达可以以预先确定的频率提供机械输出。
可选地，可以利用外壳密封地设置排气组件。
如本文所用，以单数形式列举并且以词语“一个”或“一种”开头的元件或步骤应该被理解为不排除多个所述元件或步骤，除非明确说明这种排除。此外，对当前描述的主题的“一个实施方案”的提及不旨在被解释为排除也包含所列举特征的其他实施方案的存在。此外，除非明确相反说明，否则“包括”或“具有”具有特定属性的一个元件或多个元件的实施方案可包括不具有该属性的其他此类元件。
以上描述是示例性的且非限制性的。例如，上述实施方案(和/或其方面)可彼此结合使用。另外，在不脱离本文提出的主题的范围的情况下，可作出许多修改以使特定情况或材料适应本文提出的主题的教导内容。虽然本文所述材料的尺寸和类型旨在限定所公开的主题的参数，但它们不是限制性的并且是示例性实施方案。在回顾以上描述时，许多其他实施方案对本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。因此，本文所述的主题的范围应参考所附权利要求书以及授权的此类权利要求书的等同形式的全部范围来确定。在所附权利要求书中，术语“包括(including)”和“其中(in which)”用作相应术语“包括(comprising)”和“其中(wherein)”的纯英文等同形式。此外，在以下权利要求书中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记，并且不旨在对它们的对象施加数值要求。此外，以下权利要求书的限制不是以平均值加函数格式书写的，并且不旨在基于35U.S.C.§112(f)进行解释，除非且直到此类权利要求书限制在其他结构的空隙函数的说明之后明确使用短语“用于……的方式”。
该书面描述使用示例来公开本文提出的主题的若干实施方案，包括最佳模式，并且还使得本领域普通技术人员能够实践所公开的主题的实施方案，包括制造和使用装置或系统以及执行方法。本文所述的主题的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域普通技术人员想到的其他示例。如果此类其他示例具有与权利要求书的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元件，则此类其他示例预期在权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种系统，包括：
第一工作流体压缩机(102)，所述第一工作流体压缩机被构造成对第一工作流体加压；
原动机(104)，所述原动机联接到所述第一工作流体压缩机(102)并且被构造成将机械输入提供到所述第一工作流体压缩机(102)中；
排气组件(112,214)，所述排气组件联接到所述原动机(104)并且被构造成从所述原动机(104)接收排气热，所述排气组件(112,214)包括被构造成基于由所述排气组件(112,214)接收的所述排气热产生电流的发电机(126,400)；和
第二工作流体压缩机(134)(102)，所述第二工作流体压缩机包括以电气方式并且同步地联接到所述发电机(126,400)的电动马达(130,402)，并且所述第二工作流体压缩机被构造成对所述第一工作流体加压。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述发电机(126,400)包括具有多个磁极(424a,424b,424c)的转子(504,604)，并且其中所述电动马达(130,402)包括具有多个磁极(424a,424b,424c)的转子(504,604)。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述发电机(126,400)的所述转子(504,604)的所述多个磁极(424a,424b,424c)与所述电动马达(130,402)的所述转子(504,604)的所述多个磁极(424a,424b,424c)相比的比率是一比一。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述发电机(126,400)的所述转子(504,604)的所述多个磁极(424a,424b,424c)与所述电动马达(130,402)的所述转子(504,604)的所述多个磁极(424a,424b,424c)相比的比率是非整数。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述排气组件(112,214)被密封在外壳(118)内，所述外壳被构造成防止第二工作流体的流体泄漏。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述发电机(126,400)通过所述外壳(118)电联接到所述电动马达(130,402)。
7.根据权利要求1所述的系统，其中不提供用于改变频率的电子调制电路来电联接所述电动马达(130,402)和所述发电机(126,400)。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述排气组件(112,214)包括：热交换器(108,129)，所述热交换器被构造成接收来自所述第一工作流体压缩机(102)的所述排气热并传递输入热量；和
辅助涡轮机(120)，所述辅助涡轮机联接到所述热交换器(108,129)并且被构造成接收来自所述热交换器(108,129)的所述输入热量并且将所述输入热量转换成机械能以旋转电联接在所述发电机(126,400)内的输入轴(124)。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述排气组件(112,214)包括流体联接到所述辅助涡轮机(120)和所述热交换器(108,129)的辅助压缩机(102)(122)，所述辅助压缩机(102)(122)被构造成接收来自所述辅助涡轮机(120)的第二工作流体并对所述第二工作流体加压。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述辅助压缩机(102)(122)是超临界二氧化碳压缩机(102)。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一工作流体是天然气。
12.一种方法，包括：
利用第一工作流体压缩机(102)对第一工作流体加压；
利用原动机(104)向所述第一工作流体压缩机(102)供应机械输入；
将当向所述第一工作流体压缩机(102)供应所述机械输入时由所述原动机(104)排出的排气热输送至排气组件(112,214)；
利用所述排气组件(112,214)将所述排气热转换成电流；
同步地将所述电流从所述排气组件(112,214)供应到电动马达(130,402)；
利用所述电动马达(130,402)向第二工作流体压缩机(134)(102)供应机械输入；以及
利用所述第二工作流体压缩机(134)(102)对所述第一工作流体加压。
13.根据权利要求12所述的方法，其中将所述排气热转换成所述电流包括：
在热交换器(108,129)处接收所述排气热；
将来自所述热交换器(108,129)的输入热量输送到辅助涡轮机(120)；
利用所述辅助涡轮机(120)膨胀来自所述热交换器(108,129)的所述输入热量以产生涡轮机机械输出(210)；
利用接收所述涡轮机机械输出(210)的发电机(126,400)产生所述电流。
14.根据权利要求13所述的方法，其中将所述排气热转换成所述电流还包括利用超临界压缩机(102)压缩第二工作流体，以向所述辅助涡轮机(120)提供超临界压缩机(102)输入。
15.根据权利要求12所述的方法，其中同步地将所述电流从所述排气组件(112,214)供应到所述电动马达(130,402)包括：
在发电机(126,400)的转子(504,604)处接收涡轮机机械输出(210)，所述发电机(126,400)的所述转子(504,604)以第一频率旋转；
利用所述发电机(126,400)的所述转子(504,604)的多个磁极(424a,424b,424c)产生所述电流；
将产生的所述电流供应到所述电动马达(130,402)，以旋转所述电动马达(130,402)的转子(504,604)的多个磁极(424a,424b,424c)。
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