CN86101160A - 通过中间冷却实现热力循环的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

通过中间冷却实现热力循环的一种方法和装置。它包括一个冷凝子系统,一个锅炉和一个涡轮。锅炉可包括一个预热器,一个蒸发器和一个过热器。流体在涡轮内初始膨胀后可导至再热器从而提高过热可用温度。流体回到涡轮并进一步膨胀之后可从涡轮回收并在中间冷却器内冷却。此后,流体回到涡轮再次膨胀。涡轮气体之冷却可为汽化提供附加热量。中间冷却可补偿用于再热的热量,并可回收经最终涡轮膨胀之后的可用热量不然这热量将无用。

Description

本发明一般涉及利用膨胀和回收的工作流体将来自热源的能量转换为可用形式的方法和装置。本发明还涉及提高热力循环的热利用效率的方法和装置。
在兰金循环中,像水、氨水或氟利昂这样的工作流体在利用有效热源的蒸发器中蒸发。蒸发后的气态工作流体通过涡轮时膨胀,把能量变换为可用形式。然后,用过的气态工作流体在利用有效冷却介质的冷凝器内冷凝。冷凝的工作介质用泵加压,然后再汽化,如此继续循环下去。
放能循环利用双元或多元工作流体,这在美国专利    4,346,561中已有描述。这种循环通常的工作原理是把液态双元工作流体用泵加至高压,并加热,使之部分汽化。然后,流体自急骤蒸发,使高沸点工作流体与低沸点工作流体分离。低沸点组分在通过涡轮时膨胀,驱动涡轮,而高沸点组分将热回收,用来加热汽化前的双元工作液体。然后,将高沸点组分与用过的低沸点工作流体混合在一起,在有冷却介质的冷凝器内吸收用过的工作流体。
传统的兰金循环和放能循环理论上的比较证明,当利用诸如海水、地热能量等温度较低的可用热源时,新循环的效率较兰金循环的效率有所提高。
本申请人另一项更新的发明是美国专利4,489,563,名称为基本卡利纳循环。在该发明中,利用相对低温可用热量在中等压力下部分地蒸馏至少是一部分多元流体流,从而产生不同成分的工作流体馏分。馏分被用来产生至少是一种主要的、较低沸点组分相对丰富的稠溶液,并产生一种较低沸点组分相对贫乏的稀溶液。增加主要稠溶液的压力,然后使之汽化,产生加压的气态主工作流体。气态主工作流体膨胀到低压级,把能量变换成可用形式。用过的低压级工作流体通过在稀溶液中冷却溶解,在主吸收期冷凝,从而回收初始的工作流体,供再使用。
在把热能变换成可用形式的任何一个过程中,热源中可用能量主要损失产生在工作液体的蒸发或汽化过程中。这种可用能量的损失(也叫做放能或逸能),是由于锅炉内热源和工作流体的焓-温特性失配的结果。简言之,对任何既定的焓来说,热源温度总是高于工作流体的温度。理想的温差几乎是零,但不完全等于零。
这种失配出现于用纯净物质作为工作流体的传统的兰金循环,以及出现于用混合物质作为工作流体的上述卡利纳循环(Kalina    Cycle)和放能循环。以卡利纳循环和放能循环的方式使用混合物作为工作流体,使上述损失有明显的减小。但是,不管在什么循环中进一步减少上述能量损失,是最好不过了。
在传统的兰金循环中,热源和工作流体的    -温特性失配造成的能量损失,约占可用放能的25%。在美国专利4,489,563所描述的这种循环中,锅炉内由于焓-温特性失配而造成的放能损失,约占全部可用放能的14%。
为了进行讨论,热力循环中整个汽化过程可看作由三个不同部分组成:预热,汽化和过热。就传统的工艺而言,在预热期间热源和工作流体的匹配是适当的。然而,适宜于过热过程的温度范围内的热量通常要比必需的热量大得多,而适宜于汽化过程的温度范围内的热量却比必需的热量小得多。本发明的发明人意识到,适宜于高温过热过程的一部分高温热量被用于上述已知过程中的汽化过程。这就在两个热流之间造成很大的温差,其结果是导致不可逆的放能损失。
当工作流体在涡轮内部分膨胀之后,再予加热,通过这种方法可以减小上述不可逆损失。但是,再热增加了过热所需的热量。所需热量的这种增加,使热源和工作流体的焓-温特性之间有了更好的匹配。然而,对汽化所需的热量来说,再热並无好处。因此,每单位重量的工作流体所需的总热量随再热之增加而有很大的增加。这样,通过锅炉涡轮的工作流体的总重量流率就减小。重量流率的减小限止了可导出的总效率增长的可能,所以,再热的好处在很大程度上只是暂时的好处。
解决热源和工作流体的焓-温特性匹配不佳这个老问题的理想途径是,将从热源可用的高温热量用于过热过程,从而在过热过程中减小温差,但与此同时由于提供了温度较低的热量而使汽化过程中的温差达到最小。显然,这两个目的是互相矛盾的,因为增加过热过程的热量,似乎或者需要提高总的热源温度,或者需要再加热。如上所述,再热有一定的缺点,在很大程度上冲淡了所得到的、或多或少是短暂的好处。
此外,过热过程的可用热量愈大,由涡轮输出的、用过的气态工作流体的输出温度也就愈高。从效率的角度来看,这并不是我们所希望的,因为输出蒸汽的过量加热使随后的冷凝过程更加困难,造成额外的放能损失。因此,任何试图提高一部分循环效率的努力,似乎最终都导致另一部分循环效率的降低。
本发明的一大特征是,允许锅炉内工作流体和热源的焓-温特性较紧密地匹配,从而大大提高热力循环的效率。本发明的另一个特征是,不但在汽化过程中具有一些优点,而且还提供一个能提高过热过程效率的系统。本发明还有一个特征,那就是不一定要减小热力循环的质量流率就可以达到上述优点。
根据本发明的一种实施方案,一种实现热力循环的方法包括使气态工作流体膨胀从而将其能量转换为可用形式这样一个步骤。膨胀的气态工作流体受到冷却,随后,膨胀到耗尽的低压级,将其能量转换为可用形式。用过的工作流体被冷凝,然后,冷凝后的工作流体利用膨胀的气态工作流体冷却期间传导的热量而汽化。
根据本发明的另一实施方案,一种实现热力循环的方法包括过热汽化的工作流体这一步骤。被过度加热的工作流体膨胀,将其能量转换为可用形式。然后膨胀的工作流体受到再热而进一步膨胀,把额外的能量转换为可用形式。膨胀后再热的流体受到冷却,然后又膨胀,这一次膨胀到耗尽的低压级,将其能量转换为可用形式。用过的工作流体被冷凝,随后利用膨胀后再热的流体冷却期间传导的热而汽化。
根据本发明的又一个实施方案,一种实现热力循环的方法包括预热初始工作流体至接近它的沸点的温度这样一个步骤。被预热的初始工作流体分裂为第一流体流和第二流体流两部分。第一流体流利用第一热源的能量汽化,而第二流体流则利用第二热源的能量汽化。第一和第二汽化流体流组合在一起,随后被过热,产生增压的气态主工作流体。增压的气态主工作流体受到膨胀,将其能量转换为可用形式。然后,膨胀后增压的主工作流体被再热,再次膨胀。膨胀和再热后增压的主工作流体受到冷却,从而为汽化第二流体流提供热源。受冷却的主工作流体再度膨胀,这一次膨胀到耗尽的低压级,将其能量变换为可用形式。用过的主工作流体被冷却和冷凝,形成初始的工作流体。
根据本发明的再一个实施方案,一种实现热力循环的装置包括一台涡轮装置。这台涡轮装置由两个涡轮机组组成,第一个涡轮机组和第二个涡轮机组至少各包括一个涡轮级。每个涡轮机组有一个进气口和一个出气口。第一个涡轮机组的出气口和第二个涡轮机组的进气口之间接着一台涡轮气体冷却器,这样,大部分通过涡轮机组的流体要经过涡轮气体冷却器,然后回到所述的涡轮装置。
图1是实施本发明的方法和装置的一个实施例的一个系统之简图;
图2是本申请人过去的一项发明的典型实施例示意图,图中虚线以内的部分是图1那个系统所用的一个典型子系统之略图;
图3是一张表示理论计算温度(华氏)与锅炉每小时热负载或焓(英热量单位)的关系的图表,用于图2所示的本申请人过去的一项发明之典型实施方案;
图4是一张表示理论计算温度(华氏)与锅炉每小时热含量或焓(英热量单位)的关系的图表,与本发明之典型实施方案一致。
根据本发明之实施方案,图1所示的系统10完成了一个热力循环,图中相同的标号用来表示几个图中的相同部分。系统10包括锅炉102,依次由预热器104、蒸发器106和过热器108组成。此外,系统10还包括涡轮120、再热器122、中间冷却器124和冷凝子系统126。
冷凝器126可以是已知的任何一种拒热装置。在兰金循环中,拒热在简单的热交换器中出现,所以,对于用兰金循环来说,冷凝子系统126可采取热交换器或冷凝器的形式。在美国专利    4,489,563所描述的卡利纳循环中,拒热系统要求离开涡轮的气体与多元流体流混合,例如,由水和氨水组成的工作流体流,然后冷凝和蒸馏,产生初始状态的工作流体。这样,当本发明与卡利纳循环一起使用时,美国专利4,489,563所描述的蒸馏子系统可用作为冷凝子系统126。故在本申请文件中特将美国专利4,489,563也包括进去,作为基准。
各种各样的热源均可用来驱动本发明所提出的循环。例如,温度高达摄氏一千度或更高的一些热源以及诸如由海水热梯度中获得的低热源,均可利用。又如,诸如次等原油、废热、地热、太阳热或海水热能的换能系统,亦可用本发明来实施。
各种不同的工作流体可与本系统一起使用,这取决于所用的冷凝子系统126的类型。如与本申请文件中作为基准包括进去的美国专利所描述的冷凝子系统126联合使用,任何包含较低沸点流体和相对较高沸点流体的多元工作流体均可使用。例如,所用的工作流体可以是氨水与水的混合物,可以是两种或多种碳氢化合物,可以是两种或多种氟利昂,也可以是碳氢化合物与氟利昂的混合物,或者是诸如此类的混合物。一般说来,工作流体可以是具有较好热力学特性和可溶性的任意数量化合物的混合物。但是,在实现传统的兰金循环时,像水、氨水或氟利昂之类的常用单元工作流体也是可以使用的。
如图1所示,完全冷凝的工作流体通过预热器104,在该预热器内被加热到低于它的沸点的温度。这一预热过程是通过冷却所有的热源流来提供的,这些热源流如通过预热器104的虚线所示。从预热器104出来的工作流体在点128分成两股独立的工作流体流。
第一股工作流体流在点128分离出来后进入汽化器106,而第二股工作流体流则进入中间冷却器124。第一流体流在汽化器106被通过汽化器106的、虚线所示的反向加热流体流加热,並与通过预热器104的加热流体流互通。通过中间冷却器124的第二流体流被沿线130流动的流体流加热。第一和第二流体流均被完全汽化并初始过热。这两条流体流的每一条都有大致相同的压力和温度,但流率可以各不相同。然后,从蒸发器106和从中间冷却器124出来的流体流在点132重新混合在一起。
混合的工作流体流被送入过热器108,如图中通过过热器108的虚线所示,在过热器108内最终被仅与部分热源流进行的热交换所过热。这样,由点25延伸至点26的热源流首先通过过热器108,然后通过蒸发器106,最终通过预热器104。如图4线A所示,加热流体流的焓-温特性是线性的。
总的工作流体流由过热器108进入涡轮120的第一个涡轮机组134。涡轮机组134包括一个或更多的级136,在插图所说明的实施例中,第一个涡轮机组134包括三个级136。在第一个涡轮机组134中,工作流体膨胀到第一个中间压强的程度,从而把热能变换为机械能。
从第一个涡轮机组134出来的整个工作流体流在再热器122被再热。再热器122是一个常用的过热器或热交换器。从点25到点26流动的热源流剩余部分在点138分裂,在再热过程中被利用。再热到高温后,工作流体流离开再热器122,流向第二个涡轮机组140。与此同时,从点51流至点53的加热流体流在点142处返回至主加热流体流,对蒸发器106中的汽化过程和预热器104中的预热过程作出贡献。第二个涡轮机组140可包括若干级136。在用插图说明的实施例中,第二个涡轮机组140有四个级,但是,这里所描述的每个涡轮机组的级数可有很大的变化,视具体情况而定。
第二个涡轮机组140内的工作流体由第一个中间压强膨胀到第二个中间压强,从而产生功率。然后,总的工作流体流被送至中间冷却器124,在中间冷却器124内冷却,为汽化第二股工作流体流提供所需的热量。中间冷却器124可以是一个简单的热交换器。工作流体流沿线130流向最后一个涡轮机组144。
最后的这个涡轮机组144在插图中只有一个单级136,但是,这个涡轮机组的级数常可有很大的变化范围,视具体情况而定。工作流体膨胀到最后耗尽的流体压力级,产生额外的功率。流体流从最后那个涡轮机组144流出,通过冷凝子系统126,在那儿得到冷凝后用泵加至高压,然后被送至预热器104继续循环。
图2所示之卡利纳循环冷凝子系统126′,可用作为图1所示系统之冷凝子系统126。在分析冷凝子系统126′时,从包含初始复合流的用标号1标记的子系统中的那点着手是有益的。该初始复合流采用氨水和水的形式,具有较高和较低沸点组分的初始成分。在点1,初始复合流处于耗尽的的低压级,用泵151加至中间压力级,其压力参数如同泵151之后的点2的压力参数。
从流线的点2开始,处于中间压力的初始复合流在热交换器154、同流换热器156和主热交换器158被连续加热。
初始复合流在热交换器154、同流换热器156和主热交换器158是通过与来自涡轮机120′的、用过的复合工作流体进行热交换而被加热的。当图1的系统用冷凝子系统126′来实现时,涡轮120就可用来代替涡轮120′。此外,在热交换器154内,初始复合流被冷凝流加热,这在下文中将予以描述。在同流换热器156内,初始复合流被冷凝流和与稀、稠工作流体馏分进行的热交换进一步加热,这一点在下文中也将给予描述。
主热交换器158的加热仅由从涡轮出口流出的热流来进行,这种加热实质上是对余热回收的补偿。
初始复合流在主热交换器158和分离级160之间的点5处在中间压强下蒸馏,蒸馏是在包括热交换器154和158以及同流换热器156的蒸馏系统内进行的。如果需要的话,在热交换器154或158或同流换热器156的任何一个之中,均可使用任何适当或可用热源的辅助加热手段。
在点5这个位置,初始复合流在蒸馏系统内部分地汽化,並被送往比重分离器级160。在比重分离器级160内,蒸馏系统产生的低沸点组分(即氨水)浓缩蒸汽馏份从初始复合流的残余中分离出来,在点6产生浓缩蒸汽馏份,在剥落浓缩蒸汽馏份的点7产生剥离液体馏份。
从点7剥离出来的液体馏份进而被分为第一和第二剥离液体馏份流,它们的参数分别如同点8和点10的参数。
相对于稀工作流体馏份而言,点6的浓缩馏份富含较低沸点组分(即氨水),这在下面将讨论到。
从点6出来的第一浓缩蒸汽馏份流,在点8与第一剥离液体馏份流混合,在点9提供稠工作流体馏份。
稠工作流体馏份相对复合工作流体(下文将将予讨论)而言富含氨水的较低沸点组分。另一方面,稀工作流体馏份相对复合工作流体而言(下文中将予讨论),较低沸点组分贫乏。
在点10的第二剥离液体馏份包含初始复合流的残余部分,並用来构成冷凝流。
在点9的稠工作流体馏份,在同流换热器156内部分地冷凝后流至点11。在此之后,稠工作流体馏份在预热器162内(点11至点13)被进一步冷却和冷凝,最后通过与经过点23和24的冷却水源的热交换,在吸收级152冷凝。
用泵166把稠工作流体馏份送至增压的高压级。然后,稠工作流体馏份经过预热器162,到达点22。从点22开始,稠工作液体馏份继续通过图1所示的系统循环。
在实现卡利纳循环时,从涡轮120出来的、位于点38的复合工作流体压力是如此之低,以致在这种压力和有效环境温度下不能冷凝。用过的复合工作流体从点38流出,经过主热交换器158、同流换热器156和热交换器154时部分地冷凝,释放出的热被用来预热输入流。这一预热过程前面已讨论过。
然而,在点17的余下的复合工作流体与在点19的冷凝流混合。在点19,来自点20的冷凝流被节流,其压力被减至点17的余下复合工作流体的低压级。产生的混合物由点18馈出,经过吸收级152时余下的复合工作流体被冷凝流吸收,在点1再生初始复合流。
如图1所示,中间冷却过程由中间冷却器124完成。中间冷却过程减少最后那个涡轮级的每磅工作流体的输出。但是,中间冷却在不减少每磅工作流体的数量的情况下使再热成为可能。所以,与没有中间冷却过程的再热相比,利用中间冷却有一些具有特殊意义的优点。
有利的是,中间冷却器124返回给汽化过程的热与再热器122消耗的热大致等同。这保证了工作流体重量流率得到恢复。这样,就没有必要减小工作流体的质量流率来调节较高温度的再热过程。
点40、41、42和43的流动参数是设计变量,可以选择,以从系统10获取最大之裨益。本领域的技术人员将能够选择上述设计变量,以便在各种可能遇到的情况下取得最佳的运转性能。
图1给出了各种不同过程点的参量,这些参量可有很大的变化,视具体情况而定。但是,作为这类系统设计的一般准则或拇指法则,可以指出,令点40的温度尽可能地接近点37的温度,以至于第一个涡轮机组134和第二个涡轮机组140的效率就接近等同,这样做常常是很有利的。此外,设计这类系统时使点42的温度一般地高于汽化器106中工作流体的饱和蒸汽的温度,这在许多情况下也许是人们所希望的。人们也常希望使点43的温度一般地高于锅炉102内工作流体的饱和液体的温度。
虽然在插图说明的实施例中蒸发器106和中间冷却器124用的是单段的压力,但本领域的技术人员将意识到,在具体情况下可以选择两段、三段甚至段数更高的锅炉压力。本发明对多重汽化循环同样也适用。虽然通过利用中间冷却器124在蒸发过程中的热可以获得一些特殊的优点,但是在涡轮机组之间利用中间冷却器这一方法可应用于短缺适当温度热量的热力系统的任何部分,中间冷却可为汽化补充热量或可为过热器补充热量。
不言而喻,本发明并不限于中间冷却与再热之联合利用。尽管这种联合利用有一些具有特殊意义的优点,但是不用再热仅用中间冷却也有许多优点。例如,只要最后一级涡轮排出之流体被过热,不用二次加热亦可利用中间冷却。总的说来,要达到足够高的流体温度,两级涡轮之间安排中间冷却,是重要的。
一般说来,至少让通过涡轮的大部分流体流经过中间冷却器,这是有好处的。让通过涡轮的流体流基本上全部都经过中间冷却器,那好处就更大了。让冷却的流体基本上全都返回涡轮以进一步膨胀,也是有好处的。
本发明的优点可以通过比较图3和图4看出来。图3说明了对于图2所示的这类热力循环系统来说的锅炉热负载循环。图2所示的这类热力循环系统是根据美国专利4,489,563的学说提出来的,该专利已在前面收编在其中了,线A是指热源,而线B则指工作流体。曲线段B1表示预热期间工作流体的焓-温特性,曲线段B2指汽化,曲线段B3代表过热。窄点位于B1段和B2段的交叉区。曲线A和B之间的空隙度表示热力循环系统之不可逆效率低,本发明正试图将其减至最小值。在过热期间,存在过多的热,而在汽化期存在热之不足。
现在来看图4,图中就本发明作为例证的实施方案给出了理论计算温度与锅炉内焓或热负载之关系。曲线C代表工作流体,而曲线A表示热源流体。图表上的点对应于图1上的点。本曲线图说明,就本发明而言,工作流体大致有四个线性区,而不是三个大致的线性区。在点22和点44、46之间的区域,预热发生方式与本申请人先前的一项发明中的预热发生方式总的说来是一致的,如图3中的B1段所示。点44、46和点48、49之间的曲线段表示汽化,饱和液体点用SL表示,而饱和蒸汽点则用SV表示。点48、49和点330、41之间的曲线段代表有效汽化之后带有再热的过热过程。可以看出,点40和点30、41之间的曲线段紧随热源线A,从而导致紧密的温度匹配。一般说来,该曲线的总的形状特别是点SV和点30、41之间的那一段,比以往可能接近的程度更接近热源线A,所以本发明可以实现更高的效率。
为了进一步说明本发明能够取得的优点,我们进行了两组计算。在这两组计算中利用了相同的热源。第一组计算涉及根据图2所示的热力循环系统的功率循环说明例。在这一循环例中,工作流体是水-氨(水)的混合物,浓度为72.5氨水重量百分比(即氨水重量与工作流体总重量之比)。下面的表1列出了利用标准氨(水)-水焓/浓度曲线图所进行的理论计算的参数。在该表中,第一列中标出的点相当于图2中标出的点。
表1
点    温度    压力    焓    氨水浓度    重量
(绝对压强    (英热量单    磅氨/总
号数    (华氏度)    磅/平方吋)    位/磅)    重量    磅/小时
1    60.00    23.40    -79.72    .4392    104639.19
2-17    60.00    74.61    -79.72    .4392    52073.66
2-20    60.00    74.61    -79.72    .4392    52565.53
2    60.00    74.61    -79.72    .4392    104639.19
3-17    115.87    74.31    -16.82    .4392    52073.66
3-20    115.87    74.31    -16.82    .4392    52565.53
3    115.87    74.31    -16.82    .4392    104639.19
3-11    115.87    74.31    -16.82    .4392    26111.02
3-12    115.87    74.31    -16.82    .4392    37736.67
3-16    115.87    74.31    -16.82    .4392    40791.51
4-11    134.02    74.11    45.97    .4392    26111.02
4-12    134.02    74.11    45.97    .4392    37736.67
4-16    134.02    74.11    45.97    .4392    40791.51
4    134.02    74.11    45.97    .4392    104639.19
5    148.23    73.91    104.42    .4392    104639.19
6    148.23    73.91    625.12    .9688    13821.00
7    148.23    73.91    25.19    .3586    90818.19
8    148.23    73.91    25.19    .3586    9197.34
9    148.23    73.91    385.41    .7250    23018.34
10    148.23    73.91    25.19    .3586    81620.85
表1(续)
点    温度    压力    焓    氨水浓度    重量
(绝对压强    (英热量单    磅氨/总
号数    (华氏度)    磅/平方吋)    位/磅)    重量    磅/小时
11    123.01    73.71    314.18    .7250    23018.34
12    122.52    73.91    -3.84    .3586    81620.85
13    101.31    73.61    245.97    .7250    23018.34
14    60.00    73.51    -48.36    .7250    23018.34
15    148.23    23.90    548.21    .7250    23018.34
16    122.01    23.70    436.94    .7250    23018.34
17    75.00    23.60    294.63    .7250    23018.34
18    84.37    23.60    30.22    .4392    104639.19
19    86.01    23.60    -44.35    .3586    81620.85
20    86.71    73.91    -44.35    .3586    81620.85
21    60.00    1574.00    -48.36    .7250    23018.34
22    119.01    1573.00    19.85    .7250    23018.34
23-14    55.00    -    -    WATER    741492.81
23-1    55.00    -    -    WATER    485596.48
23    55.00    -    -    WATER    1227089.29
24-13    64.14    -    -    WATER    741492.81
24-18    78.69    -    -    WATER    485596.48
24    69.90    -    -    WATER    1227089.29
25    1040.00    -    235.95    GAS    125248.00
26    152.82    -    13.26    GAS    125248.00
表1(续)
点    温度    压力    焓    氨水浓度    重量
(绝对压强    (英热量单    磅氨/总
号数    (华氏度)    磅/平方吋)    位/磅)    重量    磅/小时
30    990.00    1570.00    1231.52    .7250    23018.34
31    918.46    1090.00    1187.99    .7250    23018.34
32    841.93    734.00    1141.40    .7250    23018.34
33    756.84    470.00    1090.03    .7250    23018.34
34    664.37    288.00    1035.14    .7250    23018.34
35    565.61    168.00    978.08    .7250    23018.34
36    453.43    87.00    915.46    .7250    23018.34
37    367.12    50.00    868.77    .7250    23018.34
38    262.47    24.10    813.91    .7250    23018.34
上述循环的输出为2,595.78千瓦当量,循环效率为31.78%。
在第二种情况分析中,本发明所说明的功率循环被应用于上述情况分析中的装置。锅炉内采用相同压强,工作流体采用相同成份,冷却水采用相同温度。下面的表2例出了再次利用标准氨-水和焓/浓度曲线图所进行的理论计算的参数。在下面表2中,点1-21符合图2中专门标出的点,点23-55符合其中图1上专门标出的点。
关于本第二种情况分析,计算出下列数据:
表2
点    温度    压强    焓    氨水浓度    重量
(绝对压强    (英热量单    磅氨/总
号数    (华氏度)    磅/平方吋)    位/磅)    重量    磅/小时
1    60.00    25.60    -79.85    .4536    105580.76
2-17    60.00    74.61    -79.85    .4536    50589.80
2-20    60.00    74.61    -79.85    .4536    54990.97
2    60.00    74.61    -79.85    .4536    105580.76
3-17    111.28    74.31    -22.07    .4536    50589.80
3-20    111.28    74.31    -22.07    .4536    54990.97
3    111.28    74.31    -22.07    .4536    105580.76
3-11    111.28    74.31    -22.07    .4536    28091.82
3-12    111.28    74.31    -22.07    .4536    40205.78
3-16    111.28    74.31    -22.07    .4536    37283.16
4-11    127.49    74.11    33.90    .4536    28091.82
4-12    127.49    74.11    33.90    .4536    40205.78
4-16    127.49    74.11    33.90    .4536    37283.16
4    127.49    74.11    33.90    .4536    105580.76
5    142.00    73.91    93.93    .4536    105580.76
6    142.00    73.91    618.89    .9741    13639.05
7    142.00    73.91    16.07    .3764    91941.71
8    142.00    73.91    16.07    .3764    9745.95
9    142.00    73.91    367.65    .7250    23385.00
10    142.00    73.91    16.07    .3764    82195.76
表2(续)
点    温度    压强    焓    氨水浓度    重量
(绝对压强    (英热量单    磅氨/总
号数    (华氏度)    磅/平方吋)    位/磅)    重量    磅/小时
11    118.33    73.71    300.43    .7250    23385.00
12    117.83    73.91    -11.31    .3764    82195.76
13    99.03    73.61    237.69    .7250    23385.00
14    60.00    73.51    -48.36    .7250    23385.00
15    142.00    26.10    500.68    .7250    23385.00
16    117.49    25.90    411.45    .7250    23385.00
17    75.00    25.80    286.44    .7250    23385.00
18    82.86    25.80    24.54    0.4536    105,580.76
19    83.66    25.80    -49.97    0.3764    82,195.76
20    83.66    73.91    -49.97    0.3764    82,195.76
21    60.00    75.40    -48.36    0.7250    23,385.00
22    114.33    1,574.40    14.38    0.7250    23,385.00
23-14    55.00    -    -    WATER    -
23-1    55.00    -    -    WATER    -
23    55.00    -    -    WATER    -
24-13    63.88    -    -    WATER    -
24-18    76.79    -    -    WATER    -
24    69.07    -    -    WATER    -
25    040.00    -    235.95    GAS    125,248.00
26    147.30    -    11.85    -    125,248.00
表2(续)
点    温度    压强    焓    氨水浓度    重量
(绝对压强    (英热量单    磅氨/总
号数    (华氏度)    磅/平方吋)    位/磅)    重量    磅/小时
30    990.00    1,570.00    1,231.518    0.725    23,385.00
31    925.50    1,140.00    1,192.105    0.725    23,385.00
32    848.91    768.00    1,145.497    0.725    23,385.00
33    769.84    510.00    1,097.707    0.725    23,385.00
34    896.96    330.00    1,182.850    0.725    23,385.00
35    803.24    210.00    1,123.792    0.725    23,385.00
36    708.98    130.00    1,065.948    0.725    23,385.00
37    602.31    72.40    1,002.486    0.725    23,385.00
38    181.56    26.30    771.740    0.725    23,385.00
40    769.84    510.00    1,097.707    0.725    23,385.00
41    990.00    509.00    1,243.062    0.725    23,385.00
42    602.31    72.40    1,002.486    0.725    23,385.00
43    318.15    71.40    840.260    0.725    23,385.00
44    293.55    1,570.00    233.915    0.725    23,385.00
45    293.55    1,570.00    233.915    0.725    5,448.71
46    293.55    1,570.00    233.915    0.725    17,936.30
47    562.00    1,570.00    930.164    0.725    5,448.71
48    562.00    1,570.00    930.164    0.725    17,936.30
49    562.00    1,570.00    930.164    0.725    23,385.00
50    1,040.00    -    235.950    GAS    -
表2(续)
点    温度    压强    焓    氨水浓度    重量
(绝对压强    (英热量单    磅氨/总
号数    (华氏度)    磅/平方吋)    位/磅)    重量    磅/小时
51    1,040.00    -    235.950    GAS    -
52    618.65    -    130.184    GAS    -
53    809.00    -    177.962    GAS    -
54    707.73    -    152.545    GAS    -
55    310.50    -    52.838    GAS    -
本循环之输出为2,800.96千瓦当量,循环效率为34.59%,改进比为1.079。额外之增益功率为204千瓦当量(7.9%)。重量流率提高1.386%,放能损失降低6.514%。
因此,将涡轮级间的中间再热与涡轮级间的中间冷却结合起来,可从热源回收高温热,用于过热过程,减小温差。这种双过热引起的热量亏损也由再冷却过程中释出的热来补偿(但是温度低得多),导致汽化过程中较低的温差。
其结果是,锅炉内总的放能损失大大减小,整个循环的效率成比例地增高。
虽然本发明的新增部分本申请人过去提出的热力循环会有重大的改进,但是,本发明如应用于传统的兰金循环装置,则输出之增加要高得多。这是因为上述专利所描述的循环较兰金循环有效得多,因而进一步改进的余地就小了。
为了说明用于兰金循环的本发明可以得到的好处,我们进行了两组计算。这两组计算都是以利用上面所描述的、具有相同冷却水温度和相同约束条件的相同热源为基础的。兰金循环用纯水作为工作流体,锅炉内单一压强相当于711.165磅/平方吋(绝对压强),理论计算的总纯输出功率为1,800千瓦当量,循环效率为22.04%。如改进这种兰金循环系统,使之包括再热和中间冷却,则改进后的循环达到的理论计算输出功率为2,207千瓦当量,循环效率为27.27.02%。因此,改进比为1.226,额外的功率增益为407千瓦当量。
虽然本发明描述了一种优选的实施方案,但本领域的技术人员会由此想出一些变更和改进方案。在所附的权利要求书中,希望包括符合本发明实质和范围的所有这些变更和改进方案。

Claims (30)

1、本发明是实现热力循环的一种方法,其特征在于包括下列步骤:
使气态工作流体膨胀从而将其能量转换为可用形式;使所述膨胀的气态工作流体冷却;使所述冷却的工作流体膨胀至耗尽低压级从而将其能量转换为可用形式;使所述用过的工作流体冷凝;以及利用冷却期间从所述膨胀的气态工作流体传导来的热量使所述冷凝的工作流体汽化。
2、根据权利要求1所述的方法,其特征在于其中所述汽化步骤包括下列步骤:将所述冷凝的工作流体分裂为两个不同的流体流;使所述流体流中的第一个流体流在蒸发器中汽化;并使所述流体流中第二个流体流在有膨胀的气态工作流体存在的情况下汽化,而使所述膨胀的气态工作流体冷却,并使所述第二个流体流汽化。
3、根据权利要求2所述的方法,其特征在于包括在所述冷凝的工作流体分裂为两个独立的  流体流之前预热所述冷凝的工作流体这一步骤。
4、根据权利要求1所述的方法,其特征在于包括使所述工作流体膨胀至所述流体变为饱和液体的耗尽低压级这一步骤。
5、根据权利要求1所述的方法,其特征是其中所述的工作流体是一种单组分工作流体。
6、根据权利要求1所述的方法,其特征是其中所述工作流体至少包括两个具有不同沸点的组分。
7、根据权利要求3所述的方法,其特征在于包括下列步骤:在使所述气态工作流体膨胀之后再热所述工作流体;并在再热之后但在所述冷却步骤之前使所述工作流体再次膨胀。
8、根据权利要求7所述的方法,其特征在于包括下列步骤:提供加热流体流;所述加热流体为预热所述工作流体和加热所述第一个流体流提供热量;利用一部分所述加热流体过热所述汽化的冷凝工作流体,并利用另一部分所述加热流体预热所述气态工作流体。
9、根据权利要求8所述的方法,其特征在于包括如下步骤:在用所述加热流体汽化所述冷凝的工作流体之前把所述用于再热的加热流体之所述部分与所述加热流体之残余部分重新组合在一起。
10、根据权利要求1所述的方法,其特征在于其中所述冷却步骤包括基本上使所有的气态工作流体冷却并在此之后基本上使所有的所述冷却的工作流体膨胀这一步骤。
11、本发明是实现热力学循环的一种方法,其特征在于包括下列步骤:
使汽化的工作流体过热;使所述过热的流体膨胀从而将其能量转换为可用形式;再热所述膨胀的流体;使所述再热的流体膨胀从而将其能量转换为可用形式;冷却所述膨胀后再热的流体;使所述冷却的流体膨胀至耗尽的低压级从而将其能量转换为可用形式;冷凝所述用过的工作流体;以及利用冷却期间从所述膨胀后再热的流体中传导出来的热量汽化所述冷凝的工作流体。
12、根据权利要求11所述的方法,其特征在于包括为过热和汽化所述工作流体提供一种作为热源的流体介质这一步骤。
13、根据权利要求12所述的方法,其特征在于包括下列步骤:用一部分所述流体热源再热所述膨胀的流体;用另一部分所述流体热源过热所述汽化的工作流体;以及重新组合所述两个流体流以汽化所述冷凝的流体。
14、根据权利要求11所述的方法,其特征在于包括预热所述冷凝的工作流体这一步骤。
15、根据权利要求14所述的方法,其特征在于包括下列步骤:把所述预热的流体分裂为两个流体流;所述流体流中的一个流体流在第一个蒸发器中汽化;所述流体流中的另一个流体流被冷却期间从所述膨胀后再热的流体传导出的所述热量所汽化;以及重新组合所述流体流,然后过热该工作流体。
16、根据权利要求15所述的方法,其特征是其中所述冷却步骤包括冷却大部分所述膨胀的再热流体这一步骤。
17、根据权利要求15所述的方法,其特征是其中所述冷却步骤包括基本上冷却所有的所述膨胀的再热流体,然后基本上使所有的所述冷却的流体膨胀这一步骤。
18、根据权利要求11所述的方法,其特征在于包括使待再热的膨胀的流体之温度大致等于待冷却的膨胀的流体之温度这一步骤。
19、根据权利要求11所述的方法,其特征在于包括使冷却前流体之温度一般地高于正在汽化的工作流体的饱和蒸汽之温度这一步骤。
20、根据权利要求11所述的方法,其特征在于包括使冷却的流体之温度高于正在汽化的工作流体的饱和液体之温度这一步骤。
21、根据权利要求11所述的方法,其特征在于包括使冷却过程返回给权利要求11所指系统的热量大致等于再热所消耗的热量这一步骤。
22、根据权利要求11所述的方法,其特征在于其中所述工作流体是一个多元流体流。
23、本发明是实现热力循环的一种方法,其特征在于包括下列步骤:
预热初始工作流体至接近沸点的温度;将预热的初始工作流体分裂为第一和第二流体流;用第一个热源汽化所述第一流体流;用第二个热源汽化所述第二流体流;重新组合所述汽化的第一和第二流体流;过热所述重新组合的工作流体以产生增压的气态主工作流体;使增压的主工作流体膨胀从而将其能量转换为可用形式;再热所述已膨胀的增压的主工作流体;使再热的主工作流体膨胀从而将其能量转换为可用形式;基本上冷却所有的膨胀、再热的增压的主工作流体从而为汽化所述第二流体流提供所述热源;使冷却的主工作流体膨胀到耗尽低压级从而将其能量转换为可用形式;以及冷却所述冷凝的和用过的主工作流体从而形成所述初始工作流体。
24、本发明是实现热力循环的一种装置,其特征在于包括下列组成部分:
一个由第一涡轮机组和第二涡轮机组组成的涡轮装置,每个涡轮机组至少包括一个涡轮级,所述涡轮机组中的每个机组有一个进气口和一个出气口;以及一个连接在所述第一涡轮机组的出气口和所述第二涡轮机组的进气口之间的涡轮气体冷却器,这样,通过涡轮装置的大部分流体都经过涡轮气体冷却器并回到所述涡轮装置。
25、根据权利要求24所述的装置,其特征在于其中所述第一涡轮机组包括第一涡轮段和第二涡轮段,所述涡轮段中每一段至少包括一个涡轮级并有一个进气口和一个出气口,所述装置还包括一个连接在所述第一涡轮段的出气口和所述第二涡轮段的进气口之间的涡轮气体再热器。
26、根据权利要求25所述的装置,其特征在于包括一个与所述第二涡轮机组的出气口连接的冷凝子系统和一个连接在所述第一涡轮机组的进气口与所述冷凝子系统的出口菅之间的锅炉,所述锅炉包括一个预热部分、一个汽化部分和一个过热部分。
27、根据权利要求26所述的装置,其特征在于其中所述预热部分与所述蒸发器和所述涡轮气体冷却器射流地连接,以致来自所述预热部分的流体流可在所述涡轮气体冷却器和所述汽化部分汽化。
28、根据权利要求27所述的装置,其特征在于其中所述的锅炉可与一个流体热源连接,所述的再热器包括将所述热源导至所述再热器从而绕过所述的过热器的装置以及将所述热源的所述部分在进入所说汽化部分之前返回到权项27所指的流体流的装置。
29、根据权利要求26所述的装置,其特征在于其中所述冷凝子系统是一个冷凝多元工作流体的分馏装置。
30、根据权利要求24所述的装置,其特征在于其中所述气体冷却器被安排来接收基本上所有通过所述涡轮的流体流并将所述流体流返回到所述涡轮装置。
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