CN108603418B - 热回收系统和使用热回收系统将热转换成电能的方法 - Google Patents
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Abstract
一种热回收系统，该热回收系统被布置成与被配置为第一闭环热力学朗肯循环系统的第一闭环系统(S1)一起使用，以将来自发热单元(1)的热转换成电能(E)。所述热回收系统包括第二闭环系统(S2)，该第二闭环系统(S2)包括被配置为第二闭环热力学朗肯循环系统的第二系统工质(W2)，该第二闭环热力学朗肯循环系统被布置成将由发热单元(1)生成的至少一个热流(HS1)中的热转换成电能(E)的第一批次(E1)电能以及包括循环的第三系统工质(W3)的第三闭环系统(S3)。在第二闭环热力学朗肯循环系统中，汽化的第二工质(W2)的冷凝热焓被转移到所述第三系统工质(W3)，并且来自第三系统工质(W3)的热被用作第二闭环系统(S2)的初始热输入，从而将来自第三系统工质(W3)的热转换成电能(E)的第二批次(E2)电能。本发明还涉及一种使用热回收系统以及被配置为第一闭环热力学朗肯循环系统的第一闭环系统以将来自发热单元的热转换成电能的方法。
Description
发明领域
本发明涉及废热回收及利用以供发电。
背景和现有技术
本发明着眼于在发电领域(发电厂、内燃机、燃烧设备、炼油厂、工业)中大量有价值的能量通过热废气而损失的事实。
使用蒸汽轮机将所述废气中的热转换成有用能量(例如电能)的系统是已建立和证实的技术。蒸汽轮机可独立于任何ORC从废气中提取热能。然而，这将要求对离开蒸汽轮机的蒸汽进行冷却，并且通常要求在真空下操作的大且昂贵的冷凝容器。
从废气中提取更多的热并使用这些热(例如，朗肯循环中的90℃处的热)在技术上也是可行的。然而，在低温下，腐蚀性物质将在热提取期间凝结，从而可能导致严重的腐蚀问题。理想情况下，使用低温以进行能量回收是与适当的方法相组合的，以用于移除硫、氮氧化物和其他腐蚀物。
以下呈现的公开内容和参考文献给出了发电厂技术和废热回收系统的概貌。加利福尼亚大学的Ralph Greif等人的US2013 0341 929A1描述了ORC循环的一种称为有机闪蒸循环的变体。作者描述了与饱和蒸气发电相关联的一般问题，参见[0045]节。
Kevin DiGenova等人的US8889747(BP，2011)描述了ORC系统与费-托(Fischer-Tropsch)反应器组合的用途。
US4589258(Brown Boveri，1986)公开了通用的湿蒸汽汽轮机技术。
George Atkinson等人的US7900431(Parsons Brinckerhoff，2006)和HansLinhardt的US4831817(1987)也给出针对湿蒸汽汽轮机应用的有趣的通用背景。
US4455614(Westinghouse，1973)公开了一种通过采用蒸汽发生器的包括蒸汽轮机和废热回收的组合的发电厂方案。
各种类型的蒸汽轮机是可用的(诸如冷凝、非冷凝、再加热、提取和感应类型)，并且读者可参考McGraw Hill出版的A.Stodola的“蒸汽和燃气轮机(Steam and gasturbines)”和类似的教科书。
US20140069098A1(Mitsubishi，2012)公开了一种使用ORC(该OCR使用从废气处理设备中所处置的废气中回收的热)的发电设备，该发电设备包括热交换器、蒸发器、蒸汽轮机、发电机、冷凝器和中型泵。
Torsten Mueller的US20140352301A1(GM，2013)公开了一种用于机动车辆的废热回收系统。
Uri Kaplan的US 8 850 814(Ormat，2009)公开了一种使用夹套冷却(jacketcooling)热和废气热的废热回收系统。这里，夹套冷却热被用来预热液态有机工作流体，该液态有机工作流体稍后使用来自废气的热而被蒸发。所述热以已通过蒸汽轮机的经膨胀的蒸汽的形式来被递送。
发明内容
尽管存在已知的解决方案，但仍需要提供一种改进的方法和简化的系统，所述方法和系统用于废热的回收和利用以供发电，从而允许低成本装备的使用并且其中提供对有效能(exergy)的最大限度使用和简单控制。
本发明的目的是提供这样的系统和方法。
本发明的可行性及一部分在于还采用有机溶剂代替如在蒸汽轮机中使用的水，以用于从废气中的能量回收。本发明被布置成使用热交换器、蒸汽轮机和附加的热力学朗肯循环，优选地为ORC(有机朗肯循环)来从废气中挽回热，以用于约70-120℃处的热的回收。
两个热源(即，夹套冷却和废气)向分开的系统供应热输入并且可彼此独立地产生能量也是有益的。
因此，本发明的目的是提供一种方法和系统，其中该系统中所包括的不同热力学循环可彼此独立地来被使用以产生电能。因此，在一个闭环热力学系统故障的情况下，另一个仍可操作。
本发明的进一步的益处还在于利用第二高温热力学循环的蒸汽轮机使用被输入到第一低温热力学循环的第二流来被“冷却”。
另一目的是提取由发热单元生成的所有能量(例如诸如来自废气的废热)，并且尽可能最大程度地将其转换成电力，从而使用来自所有可用热流的最大热输入。
本文中所提及的各目的是通过根据所附权利要求的热回收系统和由这样的热回收系统执行以用于将来自发热单元的热转换成电能的方法来实现的。
因此，本发明的一个方面是一种热回收系统，该热回收系统被布置成与被配置为第一闭环热力学朗肯循环系统的第一闭环系统一起使用，以将来自发热单元的热转换成电能，其中所述发热单元被布置成生成至少一个热流。所述热回收系统包括被配置为闭环热力学朗肯循环系统的第二闭环系统，该闭环热力学朗肯循环系统被布置成将该至少一个热流中的热转换成第一批次的所述电能。该第二闭环系统包括循环的第二系统工质(workingmedium)；第一热交换器，其被布置成通过将来自所述至少一个废热流的热转移到第一工质来蒸发所述第二系统工质以变成蒸气；汽轮机，其被布置成使所述第二系统工质膨胀并产生作为第一批次的电能的待提取的能量；以及第二热交换器，其被布置成冷凝所述第二系统工质以变成液体。所述热回收系统进一步包括第三闭环系统，该第三闭环系统包括循环的第三系统工质。该第三系统工质被布置成通过所述第二热交换器进行循环，并充当所述第一工质的冷凝介质。所述第二热交换器被布置成将汽化的第二系统工质的冷凝焓转移到所述第三系统工质并增加其温度。来自该第三系统工质的热被布置成用作被配置为闭环热力学朗肯循环系统的第一闭环系统的初始热输入。所述第一闭环系统由此被布置成将来自第三系统工质的热转换成第二批次的所述电能。
所述发热单元可以是任何类型的发电厂、燃烧设备、发动机、焚烧厂等。所述至少一个热流可以是由发热单元的废气排放系统生成的废热。该第二闭环热力学朗肯循环系统可使用高温热力学循环，并且第一闭环热力学朗肯循环系统可使用低温热力学循环。低温热力学循环可以是有机朗肯系统。
在根据上述的热回收系统中，每个闭环热力学系统可彼此独立地来被使用以产生电能。因此，在一个闭环热力学系统故障的情况下，另一个仍可操作。此外，此处该第二热力学闭环系统被用来提升该第一热力学闭环系统的热力学输入，由此增加该第一热力学循环的效率。
在一个实施例中，该热回收系统的第二闭环系统进一步包括第一控制装置，以用于控制所述第二系统工质的循环和/或增压。在一个实施例中，直接在所述汽轮机之后的所述第二系统工质的压力被控制为对应于所述第二系统工质的冷凝温度的压力。在一个实施例中，其中所述第二工质是水，所述压力被控制为高于大气压，即大约在1巴附近或高于1巴。在一个实施例中，用于控制循环和/或增压的所述第一装置包括阀和泵中的至少一者。当然，使用不止一个阀和/或泵来控制循环和/或增压是可能的。
当汽轮机之后的所述第二系统工质的压力是对应于所述第二系统工质的冷凝温度的压力，优选地接近或高于大气压时，较少的冷凝在汽轮机中发生，而更多的冷凝在第二热交换器中发生。在接近或高于大气压的压力处，按重量计的所述第二系统工质的最多15％在所述膨胀步骤期间被冷凝。更优选地，按重量计的最多8％在所述膨胀步骤期间被冷凝，最优选地，按重量计的最多3％在所述膨胀步骤期间被冷凝。
当膨胀之后的所述第二系统工质的压力低于大气压时，更多的冷凝在汽轮机中发生。汽轮机中的水滴增加了磨损。此外，热回收系统的效率减小，因为在第二热交换器中较小的冷凝焓将会是可用的。在可用的冷凝焓较小的情况下，充当第一闭环系统的热输入的第三系统工质的温度增加是较低的。第一闭环系统的较低热输入生成较少的能量。
在一个实施例中，所述发热单元被布置成生成至少第一废热流和第二废热流，其中所述第一废热流的温度高于所述第二废热流的温度，并且其中废热回收系统被布置成使用来自第二热流的热作为第三闭环系统的初始热输入。
该系统利用来自由发热单元生成的不止一个热源的热。这里，第三系统工质接收由第二热源生成的初始温度的流。所述初始温度通过添加来自第一闭环系统的冷凝焓而被增加。
在一个实施例中，第二闭环系统包括至少两个并联汽轮机，该至少两个并联汽轮机被布置成使所述第二系统工质膨胀以及产生作为所述第一批次的电能的至少一部分的待提取的能量。
当不止一个汽轮机被使用时，即使当发热单元正生成温度低于T1的热流时(例如，在发热单元是在部分负载下工作的发动机的情况下)，也可能控制系统以产生最大功率输出。
在一个实施例中，第三闭环系统包括泵，该泵被布置成在第三闭环系统中创建所述第三系统工质的可控循环和/或增压。
由此，第二系统工质和第三系统工质之间的热传递被控制，使得基本上所有汽化的第二系统工质在热交换期间被冷凝，并且该汽化的第二系统工质的冷凝焓被转移到第三系统工质。
在一个实施例中，该泵被布置成使第三闭环系统在进入第二热交换器之前增压到高于第二系统工质的压力的压力。
由此，内部沸腾被阻止，尤其是在停机规程期间。
在一个实施例中，第三系统工质通过第二热交换器的循环被布置成受控制，以便维持进入第二热交换器的第二系统工质的温度与离开第二热交换器的第二系统工质的温度之间的预定温差。
当预定温差被维持时，可确定基本上所有汽化的第二系统工质在热传递期间被冷凝，并且该第二系统工质的冷凝焓被转移到第三系统工质。
本发明的另一方面涉及一种使用热回收系统以及被配置为第一闭环热力学朗肯循环系统的第一闭环系统以将来自发热单元的热转换成电能的方法。所述发热单元被布置成生成至少一个热流。热回收系统包括第二闭环系统，该第二闭环系统包括第二系统工质，其中该第二闭环系统被配置为第二闭环热力学朗肯循环系统，该第二闭环热力学朗肯循环系统被布置成将该至少一个热流中的热转换成第一批次的所述电能；以及
第三闭环系统，该第三闭环系统包括循环的第三系统工质。该方法包括以下步骤：通过将来自所述至少一个热流的热转移到第二系统工质来蒸发所述第二系统工质以变成蒸气，使所述第二系统工质膨胀并提取第一批次的电能，冷凝所述第二系统工质以变成具有比所述蒸气低的热焓的液体。该方法进一步包括以下步骤：将汽化的第二系统工质的冷凝热焓转移到所述第三系统工质并增加其温度，使用来自该第三系统工质的热作为第一闭环系统的初始热输入，该第一闭环系统被配置为第一闭环热力学朗肯循环系统，该第一闭环热力学朗肯循环系统被布置成将来自第三系统工质的热转换成第二批次的所述电能。
在一个实施例中，所述方法包括以下步骤：将所述经膨胀的第二系统工质的压力控制为高于大气压。
在一个实施例中，所述方法包括以下步骤：使用来自由所述发热单元生成的第二热流的热作为第三闭环系统的初始热输入。
在一个实施例中，所述方法包括以下步骤：控制所述第三系统工质的循环和/或增压。在一个实施例中，所述第三系统工质的循环基于所述第二系统工质与经膨胀和经冷凝的第二系统工质的温度之间的测得的温差来被控制，以便维持预定温差。在另一实施例中，所述第三系统工质的增压被控制，使得第三系统工质的压力高于经膨胀的第二系统工质中的压力。
在一个实施方案中，所述方法使用根据本发明第一方面的任何实施例的热回收系统。
附图描述
图1是根据本发明第一实施例的热回收系统的示意图。
图2是根据本发明第二实施例的热回收系统的示意图。
图3示出了图2的一实施例，其中多个汽轮机被采用以从废气中提取电能。
图4详细示出了第一闭环系统S1。
图5是水的焓-/熵图的示意图(饱和线P1)，其指示被布置成使第二系统工质膨胀并提取第一批次的电能的汽轮机的优选工作点P2(＝开始)和P3(＝结束)。
附图的详细描述
在下文中呈现各实施例的描述。应当以至少+/-5℃的余量来理解所给出的温度。应当以至少+/-10％的余量来理解所给出的压力。定义“热力学循环”可以是任何发电循环，包括朗肯循环、有机朗肯循环(ORC)，并且在本文的上下文中可以是将热转换为机械能并且在理想情况下转换为电能的任何过程。
图1是根据本发明的热回收系统1的示意图，该热回收系统1被布置成与被配置为第一闭环热力学朗肯循环系统的第一闭环系统S1一起使用，以将来自发热单元1的热转换成电能E。发热单元1被布置成生成具有第一高温范围T1的至少一个热流HS1。该发热单元可以是任何类型的发电厂、燃烧设备、发动机、焚烧厂等。在一个实施例中，第一热流HS1是在该单元的废气排放系统中产生的废气。第一热流HS1可以是(例如通过烟囱的)气态形式的第一热源介质热流。第一热流HS1的温度T1优选地高于200℃。
热回收系统包括第二闭环系统S2和第三闭环系统S3。
第二闭环系统S2被配置为第二闭环热力学朗肯循环系统，该第二闭环热力学朗肯循环系统被布置成将该至少一个热流HS1中的热转换成所述电能E的第一批次E1电能。第二闭环系统S2可以是高温热力学循环。第二闭环系统S2包括循环的第二系统工质W2。所述第二系统工质W2被选择作为某一蒸发温度处的液体和蒸气之间的介质换相，并改变某一冷凝温度处的蒸气和液体之间的相。在一个实施例中，第二闭环系统S2的第二系统工质W2可包括水或溶剂，诸如甲醇、乙醇、丙酮、异丙醇或丁醇、或酮或高温稳定的硅氧烷衍生物或氟利昂/制冷剂。当第二系统工质W2是水时，所述冷凝温度是100℃，对应于接近或高于大气压(即1巴)的压力。
第二闭环系统S2包括第一热交换器2，该第一热交换器2被布置成通过将来自所述至少一个废热流HS1的热转移到第二系统工质W2来蒸发所述第二系统工质W2。第二系统工质W2优选地由第一热流HS1在第一热交换器3中以几乎恒定的压力加热，以变成干燥的饱和蒸气或蒸汽。在一个实施方案中，当所述第一介质是水时，所述蒸发步骤将产生170℃和6巴的蒸汽。该蒸气/蒸汽通过管道5a引导到汽轮机3。汽轮机3被布置成使所述第二系统工质W2膨胀并产生作为第一批次的电能E1的待提取的能量。所述汽轮机3可以是蒸汽轮机。该膨胀步骤减小了蒸气的温度和压力，从而产生具有特定温度和压力的经膨胀的第二系统工质。阀10可被用来在汽轮机3之前创建压降。汽轮机之前的受控制的压降可确保进入汽轮机的蒸汽是过热的。离开所述第一汽轮机的经膨胀的蒸气通过管道5b引导到第二热交换器4。第二热交换器4被布置成冷凝所述第二系统工质W2以变成液体，从而产生具有特定温度和压力的经冷凝的第二系统工质。所述第二系统工质W2在几乎恒定的温度处被冷凝。在一个实施例中，温度改变在范围1-5℃最大值内。第二热交换器4因而充当冷凝器以及热交换器。经冷凝的蒸汽通过管道5c被引导回第一热交换器2。
第二闭环系统S2还包括第一控制装置8、12，以用于控制所述第二系统工质W2的循环和/或增压。特别地，该控制装置被用来控制汽轮机3的低压侧上的压力。所述第一控制装置可包括阀8或任何类型的可调整限制。第一控制装置还可包括泵12，参见图2。汽轮机3的低压侧上的压力(即，在膨胀步骤之后的压力)由传感器来测量并被控制为对应于所述第二系统工质的冷凝温度的压力，优选地接近或高于大气压(即1巴)。当压力高于大气压时，按重量计的所述第二系统工质的最多15％因而在所述膨胀步骤期间在汽轮机中被冷凝。在其他实施例中，汽轮机内部的按重量计的3％、4％、5％、8％、10％或12％的蒸汽的冷凝是可接受的。
第三闭环系统S3包括循环的第三系统工质W3。第三系统工质W3优选地主要是水，可能含有例如用于防腐效果的添加剂。第三系统工质W3不被布置成在第三闭环系统中的循环期间改变相。第三系统工质W3通过第二热交换器4进行循环。当第二系统工质W2和第三系统工质W3两者通过第二热交换器4时，汽化的第二系统工质W2的冷凝焓被转移到第三系统工质W3。第三闭环系统S3进一步包括第二控制装置11、14，以用于控制所述第三系统工质W3通过第三闭环系统S3和第二热交换器4的循环和/或增压。第二控制装置11、14包括泵11，该泵11被布置成控制所述第三系统工质W3的循环。第二控制装置还可包括阀14，参见图2。该阀14优选地被布置在第二闭环系统S2中，在第二热交换器4之前。所述第三系统工质W3通过第二热交换器4的流可被布置成受控制，以便维持进入第二热交换器4的第二系统工质W2的温度与离开第二热交换器4的第二系统工质W2的温度之间的预定温差。第二系统工质在第二热交换器上的温差由第一控制装置8、12来控制，以用于控制所述第二系统工质W2通过第二热交换器4的循环和/或增压。被布置成控制所述第三系统工质W3的这种循环的泵11因而也可被用来控制第二系统工质W2和第三系统工质W3之间的热传递，使得基本上所有汽化的第二系统工质W2在热交换期间被冷凝。泵11还可被布置成使第三闭环系统S3在进入第二热交换器4之前增压到高于第一闭环系统中的第二系统工质W2的压力的压力。为了能够控制压力和温度，各传感器被布置成在每个闭环系统中的所必需的位置上测量这些参数。
来自第三系统工质W3的热被用作第一闭环系统S1的初始热输入。第一闭环系统S1被配置为第一闭环热力学朗肯循环系统。第一闭环系统S1被布置成将来自第三系统工质W3的热转换成所述电能E的第二批次E2电能。第一闭环系统S1可以是低温有机朗肯热力学循环，并且在图4中被进一步描述。
该第三系统工质W3被布置成通过所述第二热交换器4进行循环，并充当所述第二系统工质W2的冷凝介质。在第二热交换器4中，来自所述第二系统工质W2的冷凝的优选地全部或大部分的冷凝焓被转移到供应第一闭环系统S1中所使用的第一低温热力学循环的第三系统工质W3。所述第二热交换器4可以是管壳(tube and shell)型热交换器。第一闭环系统S1可仅使用该第三系统工质W3作为热输入来操作。
图2是根据本发明第二实施例的热回收系统的示意图。在该实施例中，发热单元被布置成生成至少第一热流HS1和温度T2处的第二热流HS2。所述第一热流HS1的温度T1高于所述第二热流HS2的温度T2。第二温度T2优选地低于120℃，更优选地低于100℃，并且最优选地在区间60-99℃内，优选地为80℃。来自第二热流HS2的热被用作用于第三闭环系统S3的初始热输入。在一个实施例中，第二热流HS2可堪称为第三系统工质W3的流。在一个实施例中，第二热流HS2源自发热单元1的冷却，例如通过循环通过发热单元或在发热单元上循环的冷却介质。在一个实施例中，冷却介质是夹套冷却水。在一个实施例中，冷却介质是第三工作流体W3。
用于控制压力的包括阀8和/或泵12的装置可被放置在第二热交换器4之前或之后，以确保液体第二系统介质W2在该实施例的第二闭环系统S2中的流动。泵12也可被用于第一实施例中，如图1所示。该泵12和阀8调节液体介质的流动，使得蒸汽冷凝焓被尽可能最大程度地转移到第三系统工质W3，即第一闭环热力学系统S1的热输入。将直接在所述汽轮机(3)之后的所述第二系统工质(W2)的压力控制为对应于所述第二系统工质(W2)的冷凝温度的压力。在其中第三系统工质W3是夹套水的实施例中，夹套冷却水优选地被从85℃加热到例如第二热交换器4中的95℃。还优选地，管道5b和5c中的蒸汽压力高于大气压，因此在1巴或以上的量级中。
通过第一热源HS1和任选的第二热源(即，例如a)废气排放系统和b)夹套冷却)向第一闭环热力学系统S1供热由软件和硬件控件(阀等)来控制，以优化热利用。
在一个实施例中(也如图2所示)，第二冷凝器13被布置在所述第二热交换器4的下游。如果由发热单元生成的热的量超过可能由所述第一闭环系统S1转换成电能的能量的量，则该冷凝器可被使用。因此，它可以在并非全部第二系统工质W2可能在第二热交换器4中冷凝时被使用。
第一热力学循环系统S1要求冷却，这些热流未在图1中示出，但在图4中被进一步描述。而且，各传感器被用于所有三个闭环系统中，例如，以监视热载体的压力、温度、空气含量等，以便确保系统的受控制的操作。为简单起见，这些未在图1和2中示出。脱气设备或用于不可冷凝气体的移除的设备可被用于第一和/或第二闭环系统中，例如，被放置在泵12之前。
在图2中，第三系统工质W3(例如，夹套冷却水)经过第二热交换器4进入第一闭环热力学系统S1，从而使用朗肯循环(RC)或有机朗肯循环(ORC)中的至少一者来产生功率。所述第一闭环热力学系统S1在热侧工作在70-120℃之间，而在冷侧工作在0-35℃之间。参见图4以寻找更多细节。夹套冷却介质的回流通过管道被引导回发热单元2，例如发动机。
图3示出了图1的一实施例，其中多个汽轮机3a、3b、3c被采用以从第一热源HS1提取电能。至少两个并联的汽轮机可被使用，但是此处公开了三个汽轮机。被布置在第一热交换器2之后的第一管道部分5a包括歧管5d，该歧管5d被布置成将第一管道部分5a划分成至少两个平行的第一管道部分分支。每个分支包括汽轮机3a、3b、3b，该汽轮机3a、3b、3b被布置成使所述第二系统工质W2膨胀并产生作为所述第一批次的电能E1的至少一部分E1a、E1b、E1c的待提取的能量。类似的歧管被用来将排出的蒸汽组合到管道5b中，从而引导到第二热交换器4。阀10可被用来在每个汽轮机之前创建压降。每个汽轮机之前的受控制的压降可确保进入汽轮机的蒸汽是过热的。汽轮机被优选地确定尺寸使得当发热单元正生成最大量的热时(例如全速运转的发动机)所有汽轮机都正以它们的最佳效率运行。当发热单元生成较少的热时(即，例如在部分负载下运行的发动机)，所述至少两个汽轮机中的至少一个可被切断电源。
图3还示出了一实施例，其中至少两个第一热力学闭环系统S1a、S1b以并联或串联方式耦合(在该图中以串联方式)。在并联模式中，歧管将热水流(37)分配到至少两个第一热力学闭环系统S1中，并且取决于由第一热源HS1生成的可用热量，至少一个第一热力学闭环系统S1可被关闭或开启。在串联模式中，热水作为流37进入第一个第一热力学闭环系统S1a，并且排出流38可构成用于第二个第一热力学闭环系统S1b的进入流37。该操作模式允许流37/38的更大的温度降低，如在并联操作模式中将可能的。冷却也可以是并联的或串联的，但在船舶应用的情形中优选地是并联的。
图4详细示出了第一热力学闭环系统S1。第一热力学闭环系统S1包括第一系统工质W1。在一个实施例中，第一热力学闭环系统S1可以是低温朗肯循环系统，即有机朗肯循环系统。所述第一系统工质W1被配置成改变第二相变温度处的液体和蒸气之间的相，该第二相变温度是比第二系统工质W2相变温度低的温度。在一个实施例中，第一系统工质W1是流体并且可包括低沸点溶剂，诸如甲醇、乙醇、丙酮、异丙醇或丁醇或甲乙酮或本领域已知的其他酮或制冷剂。液体热流37(即，第三系统工质W3(例如夹套冷却水))进入热交换器31并作为返回流38离开所述热交换器，由此向在热交换器31中被蒸发的第一系统工质W1提供热输入。经蒸发的增压的气体离开热交换器31并且在汽轮机32中膨胀并生成第二批次的电能E2。汽轮机32被耦合到未示出的发电机，从而生成所述电能。第一工质W1接着进入冷凝容器33，在该冷凝容器33中工质被液化。液体工质W1在底部附近离开容器33，并被部分地泵送通过泵36进入热交换器34，以进行冷却并重新进入容器33，例如作为用于有效冷凝的喷雾。热交换器34通过进入冷却流39(冷)和排出冷却流40来被冷却。在船舶发动机是发热单元的情况下，冷却流可例如是海水。来自容器33的液体使用泵35被部分地(即，来自容器33的总流量减去通过泵36的流量)泵送到热交换器31以用于蒸发，从而闭合循环。典型的温度可以是：流37：70-110℃，流38：60-85℃，流39：0-30℃，流40：10-40℃。
图5是第二工质，优选为水的焓-/熵图的示意图。在该图中，绘制了恒定的入口和出口压力线L3、L4和恒定温度线L2，因此在饱和线L1下方的两相区域A1中，恒定压力和温度线与其饱和线一致。P1对应于优选地稍微过热的入口条件，其中恒定温度线L2和恒定压力线L3彼此交叉。理想膨胀对应于在出口压力线L4处以点P2结束的线EL1。然而，理想膨胀循环是不可能的。因此，汽轮机3中的实际膨胀在恒定压力线L4上的对应于潮湿区域中至少0.85的气态物质的蒸汽干度(按质量计)的点P3处结束。因此，取决于汽轮机类型和条件，汽轮机出口处的经膨胀的蒸汽包括小于5％、或小于8％或小于15％的经冷凝的蒸气。在该情形中，蒸汽轮机使用水作为第二工作流体W2。稍微过热的蒸汽的从点P1到点P3的膨胀由第一控制装置8、12来调节，所述控制装置用于控制第二系统工质W2的循环和/或增压(即通过阀8或泵12)，如图2所示。因此，直接在所述汽轮机3之后的经膨胀的第二系统工质W2的压力被控制为高于与所述第二系统工质W2的冷凝温度相对应的压力的压力。
示例性实施例
a)船舶发动机
热夹套冷却水通常在85℃处离开船舶发动机，并且通常在75℃处被馈送回发动机。替代用海水冷却该热，将热供应给热力学循环，诸如朗肯循环。来自船舶发动机的废气在通常高于200℃时通过烟囱输送。在废气排放系统内，热被提取使得第二系统工质W2，优选为水，由第一热交换器4蒸发，从而优选地提供170℃和6巴处的蒸汽。在该应用中，第一热交换器4通常称为废气锅炉EGB。所述蒸汽被用来驱动蒸汽轮机3以产生电力E1。蒸汽优选地在98℃和至少大气压处被膨胀和冷凝。冷凝热被尽可能最大程度地转移到第一闭环热力学循环S1的液体输入。实践上，第二热交换器4可被采用，其中来自蒸汽轮机3出口的冷凝热被转移到进入的第三系统工质(即，热夹套冷却水)，并且所述第三系统工质(即，热夹套冷却水)在温度上从85℃被升高到95℃。以此方式，第一闭环热力学循环S1可使用(95-75＝20℃)的温差而不是仅(85-75＝10℃)的温差来产生电力。来自蒸汽轮机的冷凝物被泵送回废气排放系统，以便蒸汽轮机循环再次开始。通过a)夹套冷却和b)废气排放系统向热力学循环的供热由软件和硬件控件(阀等)来控制，以优化热利用。
在实际的实施例中，热夹套冷却水(即，第三系统工质W3)向第一闭环热力学循环提供50％的热输入，并且来自废气回收的热(即，第二系统工质W2)提供剩余50％的热输入，如从以上所给出的温度数据显而易见的。在该布置中，第一闭环热力学循环S1产生总可提取的电力的约70％，而利用蒸汽轮机的第二闭环热力学循环S2产生剩余的30％。
在一个实施例中，通过由82℃夹套冷却水馈送的热力学循环产生150kW，该82℃夹套冷却水通过用来自蒸汽轮机循环的冷凝物加热而被提升至95℃。夹套冷却在72℃处被馈送回发动机。170℃蒸汽驱动蒸汽轮机以60％的汽轮机效率(蒸汽质量＝0,96，质量流＝0,3kg/s)产生附加的54kW。
b)用于电力生产的陆基发电机组
本职上，陆基发电机组几乎与大型船舶发动机完全相同。a)中所描述的方法可以在稍作修改的情况下被使用。
c)发电厂和工业废热
根据本发明的系统和方法可普遍应用于以下可用之处：初始第二系统工质温度比初始第三系统介质温度高至少40℃或优选地高超过60℃。初始第二系统工质温度取决于第一热源的温度T1。在本发明的一个实施例中，初始第三系统工质温度取决于第二热源HS2的温度T2。在许多工业和发电厂中(例如在钢铁、铝和金属工业中，在生物质、废物焚烧和其他发电厂中，在水泥、造纸、化学、炼油和许多其他工业中)，第三系统工质的初始温度是例如60-100℃。在这些情形中，第二系统工质的初始温度高于140℃。
各应用在热废气被用作用于(蒸汽)汽轮机发电的热输入的情况下也是可行的，并且来自所述蒸汽轮机的冷凝焓被用于增加包括ORC且具体而言包括Climeon的C3热力学循环在内的热力学循环的热输入的温度。热力学循环的第一热输入可来自不同的源。
d)其他实施例
在一个实施例中，初始第三系统工质温度处于60、70、80、90、100、110或120℃或更高的温度处。在该情形中，通常来自废气的第一热流可通过冷凝工质(通常为水)来提供冷凝焓。蒸汽轮机的工作点可被设定成使得例如蒸汽在110℃和高于1,5bar的压力处冷凝。
在一个实施例中，在第一低温热力学循环中使用的55-75℃处的低温第三工作流体的流(诸如在造纸工业中可用)与在第一高温热力学循环中使用的高温第二系统工作流体的第二流W2(即，由废气提供动力的蒸汽轮机下游的冷凝物)接触或热交换，目的是将被输入到第一低温热力学循环的热的温度增加到例如75-95℃。在某种意义上，第三系统工质W3的流充当用于蒸汽轮机下游的蒸汽冷凝的高效冷却源。
在一个实施例中，所采用的蒸汽轮机是轴向或径向类型。轴向汽轮机容许按重量计的高达约13％的液体液滴。对于径向汽轮机，可用的实践经验较少，但高达10％的液体含量被认为是可接受的。
在与金属工业相关的一个实施例中，来自钢的热轧或来自金属(例如铁)生产期间所产生的热矿物的废热被提取，所述废热表示第一热源HS1。
应当理解，以上实施例仅仅是用于实现本发明的目的(即有效地利用来自包括燃烧过程的各种过程的废热并将所述废热转换为有用能量，优选为电力)的有用布置和温度/压力/介质组合的示例。
提供本发明的优选实施例的前述描述以用于解说和描述性目的。这并非旨在穷举或将本发明限制于所描述的变体。许多替代和变化对于本领域技术人员而言将是显而易见的。
Claims (12)
1.一种热回收系统，所述热回收系统被布置成生成第一闭环系统(S1)的热输入，所述第一闭环系统被配置为第一闭环热力学朗肯循环系统，所述第一闭环热力学朗肯循环系统被布置成将来自发热单元(1)的废热转换成电能(E)，所述热回收系统包括
被配置为第二闭环热力学朗肯循环系统的第二闭环系统(S2)，所述第二闭环热力学朗肯循环系统被布置成将由所述发热单元(1)的废气排放系统中所产生的废气生成的至少一个第一热流(HS1)中的热转换成第一批次(E1)的电能(E)，所述第二闭环系统(S2)包括
循环的第二系统工质(W2)以及
第一热交换器(2)，其中所述第二系统工质(W2)被布置成通过从所述至少一个第一热流(HS1)到所述第二系统工质(W2)的热传递而在所述第一热交换器(2)中蒸发以变成蒸气
汽轮机(3)，所述汽轮机(3)被布置成使所述第二系统工质(W2)膨胀并产生作为所述第一批次的电能(E1)的待提取的能量，
第二热交换器(4)，其中所述第二系统工质(W2)被布置成通过所述第二热交换器(4)并冷凝以变成液体，
以及
第三闭环系统(S3)，所述第三闭环系统(S3)包括循环的第三系统工质(W3)，所述循环的第三系统工质(W3)被布置成在所述第二热交换器(4)中循环，
所述第三系统工质(W3)处于液相，并且不被布置成在所述第三闭环系统(S3)中的循环期间改变相，并且被布置成充当所述第二系统工质(W2)的冷凝介质，其中汽化的第二系统工质(W2)的冷凝焓被转移到所述第三系统工质(W3)并增加其温度，并且其中所述热回收系统的特征在于
所述第三闭环系统(S3)被布置成使得来自所述第三系统工质(W3)的热被用作所述第一闭环热力学朗肯循环系统(S1)的热输入，并且其中所述第三闭环系统(S3)包括一种装置，所述装置被定义为第二装置(11、14)，所述第二装置用于控制所述第三系统工质(W3)通过所述第二热交换器(4)的循环和/或增压，其中所述第二闭环系统(S2)进一步包括第一控制装置(8、12)，所述第一控制装置用于控制所述第二系统工质(W2)的循环和/或增压，并且其中
所述第一控制装置(8、12)被布置成将直接在所述汽轮机(3)之后的所述第二系统工质(W2)的压力控制为高于大气压。
2.根据权利要求1所述的热回收系统，其特征在于，所述第一控制装置(8、12)被布置成将直接在所述汽轮机(3)之后的所述第二系统工质(W2)的压力控制为高于与所述第二系统工质(W2)的冷凝温度相对应的压力。
3.根据权利要求1或2所述的热回收系统，其特征在于，用于控制所述循环和/或增压的所述第一控制装置(8、12)包括阀(8)和泵(12)中的至少一者。
4.根据权利要求1所述的热回收系统，其特征在于，所述第三闭环系统(S3)被布置成使得来自由所述发热单元(1)生成的第二热流(HS2)的热被布置成用作所述第三闭环系统(S3)的初始热输入，并且其中所述至少一个第一热流(HS1)的温度(T1)高于所述第二热流(HS2)的温度(T2)。
5.根据权利要求1所述的热回收系统，其特征在于，所述第二闭环系统(S2)包括至少两个并联的汽轮机(3a、3b、3c)，所述汽轮机被布置成使所述第二系统工质(W2)膨胀并且产生作为所述第一批次的电能(E1)的至少一部分(E1a、E1b、E1c)的待提取的能量。
6.根据权利要求1所述的热回收系统，其特征在于，用于控制所述循环和/或增压的所述第二装置(11、14)包括阀(14)和泵(12)中的至少一者。
7.一种将热回收系统用作第一闭环系统(S1)的热输入的方法，所述第一闭环系统(S1)被配置为第一闭环热力学朗肯循环系统，所述第一闭环热力学朗肯循环系统被配置为将来自发热单元(1)的废热转换成电能(E)，其中所述发热单元(1)被布置成生成至少一个第一热流(HS1)，并且其中所述热回收系统包括
包括第二系统工质(W2)的第二闭环系统(S2)，并且其中所述第二闭环系统(S2)被配置为第二闭环热力学朗肯循环系统，所述第二闭环热力学朗肯循环系统被布置成将所述至少一个第一热流(HS1)中的热转换成第一批次(E1)的所述电能(E)，
以及
包括循环的第三系统工质(W3)的第三闭环系统(S3)，
并且其中所述方法包括以下步骤
通过将来自所述至少一个第一热流(HS1)的热转移到所述第二系统工质(W2)来蒸发所述第二系统工质(W2)以变成蒸气，
使所述第二系统工质(W2)膨胀并提取第一批次的电能(E1)，
冷凝所述第二系统工质(W2)以变成具有比所述蒸气低的热焓的液体，
将汽化的第二系统工质(W2)的冷凝热焓转移到所述第三系统工质(W3)，
使用来自所述第三系统工质(W3)的热作为所述第一闭环系统(S1)的热输入，其中所述第一闭环系统(S1)将来自所述第三系统工质(W3)的热转换成第二批次(E2)的所述电能(E)，
其中所述方法的特征在于以下步骤
控制所述第三闭环系统(S3)中的所述第三系统工质(W3)的循环和/或增压，其中所述第三系统工质(W3)的循环基于经膨胀的第二系统工质(W2)的温度与经冷凝的第二系统工质(W2)的温度之间的测得的温差来被控制，以便维持预定温差，并且其中所述第三系统工质(W3)处于液相并且不被布置成在所述第三闭环系统(S3)中的循环期间改变相。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤
控制所述第二系统工质(W2)的循环和/或增压。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，当在膨胀步骤中被膨胀时，所述第二系统工质(W2)中的压力被控制为对应于所述第二系统工质(W2)的冷凝温度。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述经膨胀的第二系统工质(W2)的压力被控制为高于大气压。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
使用来自由所述发热单元(1)生成的第二热流(HS2)的热作为所述第三闭环系统(S3)的初始热输入。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第三系统工质(W3)的增压被控制，使得所述第三系统工质(W3)的压力高于所述经膨胀的第二系统工质(W2)中的压力。
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