CN88100935A - 直接用火加热的动力循环 - Google Patents

Abstract

实现热力循环的方法和设备，使用高沸点组分多于工作流的合成流供热将工作流蒸发使之过热后在透平内膨胀分离成废流和回流。回流与贫流混合成合成流，将工作流蒸发并将工作流和贫流预热之后膨胀。合成流的第一部分送进重力分离器，流出的液体流形成与回流混合的贫流的一部分。流出的蒸汽在洗汽器与合成流的第二部分混合。从洗汽器流出的蒸汽流与膨胀合成流的第三部分混合产生预冷凝工作流冷凝成液体工作流。来自洗汽器和重力分离器的液体流混合成贫流。液体工作流被预热蒸发转换成气态工作流后再被过热，循环结束。

Description

直接用火加热的动力循环

本发明一般涉及一种利用被膨胀和回热的工作流体将热源的热能转换成机械能然后转换成电能的方法和设备。本发明还涉及一种提高热力循环的热效率的方法和设备。

众所周知，根据热力学第二定律可以知道，任何热源的

（能势）随该热源温度的升高而增大。由于这种作用，发电技术的改进已经以提高燃烧过程所释放的热温度为目标。这种改进之一是用已燃气对燃烧空气进行逆流予热，以提高燃烧温度和从燃料燃烧所释放的平均热温度。这种称之为“粉煤燃烧”的技术，已经是众所周知和被广泛的确立。

和热源的能势的情况不同，动力循环的效率不直接取决于热温度，而是取决于工作流体在从热源的热转换过程中的平均温度。如果获得的该热温度大大低于可利用的热源的温度，在热转换过程中就造成

的不可逆损失，而循环的效率保持较低水平。

这个结果说明了传统动力装置的效率较低的原因。例如，动力装置将热能转换成电力的效率极限约为63%的水平，甚至在工作流体的温度保持在1000至1100°F的现代动力装置所要求的冶金特性所限定的范围内也是如此。同样，以透平电功率输出（循环供给泵的功从该功率中扣除）为基础的最佳的直接加热（direct-fired）动力装置的效率不超过41-42%。换句话说，这些装置的热力效率不超过65%（热效率与热力学效率极限之比）。

这个现象的理论上的原因是传输给工作流体（即水）的大量热可在蒸发器内得到，在那里水大约于660°F（350℃）沸腾，而可利用热具有更高的温度。从热力学的观点来看，非常清楚的是除非工作流体得到的热的温度急剧升高，否则热能转换成电能的过程的效率，即热力循环的效率不能得到提高。

使用沸点比水高的工作流体实际上不能提高循环的效率，其原因如下。甚至在用水作为工作流体时冷凝器内的压力必须保持高真空。如果所使用的是在正常情况下其沸点高于水的工作流体，冷凝器内需要更高程度的真空，这在技术上是不实际的。除非冷凝器内得以提供这种超低压，不然这种假想的高沸点流体的冷凝温度就会很高，从而蒸发器内所获得的增益就会在冷凝器内失去。因为存在这个问题，在最近的六、七十年内在提高直接加热动力装置的效率方面只取得了很小的进展。

提高使用高温度热源的动力循环的有前途的方法是使用所谓的“同流换热循环”。按照这一构思，工作流体必须用同一工作流体的回流予热至较高的温度。只有在予热之后，才将外部传输给工作流体。结果，所有热量的获得都将在高温度下发生，从理论上讲，该循环的效率将被提高。

这种循环的唯一实例是所谓的“同流换热式布莱顿循环”（recuperative    Brighton    Cycle），它采用了气态的工作流体。在该循环中，工作流体在室温下被压缩，在同流换热器中予热，由热源供热，在透平中膨胀，并被送回同流换热器，这样进行予热。

同流换热式布莱顿循环尽管在理论上有很多优点，可实际上并不能提供很高的效率，这是由于以下两个因素造成的：

（1）气态的工作流体的“压缩功”非常大，不能等温地或者以较小的温升进行;

（2）由于使用了气态的工作流体，同流换热器中的温差必须较大，从而引起了不可逆的

损失。

对高效动力循环的理想解决方案，是将以布莱顿循环为特征的高度同流换热与蒸汽循环相接合，在蒸汽循环中，工作流体在液态下增大其压力。这就使所使用的泵可以在较小的需要功（低“压缩功”）下增大流体压力。

很可惜，由于一个很简单的原因，对这种循环的直接了解看来是不可能的。如果同流换热式加热过程包括液体予热，蒸发和某些过热加热，则压力比对向流的压力低的回流将在低于对向流沸点的温度下冷凝。这种现象显示出在该过程中直接进行回热是不可能的。

如上所述，为了讨论的目的，热力循环中的整个蒸发过程可以考虑成是由三个区别的部分组成的：予热、蒸发和过热。按照传统工艺，热源和工作流体的匹配只有在过热的高温部分期间才能满足要求。但是，本发明的发明人理解到，在已知的过程中，可适合于高温过热的一部分高温热是用于蒸发和予热。这引起两个流之间有很大的温差从而导致的不可逆损失。例如，在传统的兰金循环（Rankine cycle）中，由于热源的烩-温度特性与工作流体的不匹配所引起的损失占了有效

的约25%。

对过去的热源和工作流体的烩-温度特性匹配不好的困境的理想解决方案，在于将可以从热源得到的高温热用于过热，从而降低过热过程中的温差，而同时又提供低温热，以尽量降低蒸发过程中的温差。

传统的蒸汽动力系统对该理想的系统提供了低劣的代用品。这是因为由已经在透平中局部膨胀的多级回流蒸汽所供给的热，只可用来对透平的新给入水流进行低温予热。使用多级回流蒸汽对给水供热称为给水予热。和在低温予热的使用情况不同，局部膨胀蒸汽的回流不能对供水流的予热过程的高温部分或对供水流的蒸发或对供水流的过热的低温部分提供热量。

由于工艺上的局限性，水通常是在约2500psia（磅/英寸²）的压力下，在约670°F的温度沸腾。因此，这些系统的热源温度通常都显著大于液态工作流体的沸点。由于已燃气的高温和工作流体的较低沸点温度之间的温差，传统的蒸汽系统的高温热主要应用于低温的目的。由于可利用的热的温度和过程所需温度之间的温差非常大，不可逆热交换导致了非常大的热力损失。这种损失严重限制了传统的蒸汽系统效率的提高。

将传统系统替换以一种对工作流体的蒸发提供低温热的系统，可以大大减少由蒸发所引起的热力损失。减少这些损失能够显著提高系统的效率。

本发明的一个特点是通过使蒸发器中的工作流体和热源的烩-温度特性有很好的匹配以显著提高热力循环的效率。本发明的另一个特点是提供一种直接加热动力系统，其中供给循环的高温热如果不是全部也可以是主要地用于高温的目的。

这种主要地或仅仅在较高温度下对工作流体的传热造成了获得高热力学效率和高热效率所需要的条件。因为循环中的工作流体是至少两种组分的混合物，该循环可以获得大的回热式热交换的百分数，包括回热式予热，回热式沸腾和局部回热式过热。这种回热式沸腾，虽然在单组分系统中是不可能的，但在这种多组分工作流体循环中却是可能的。和单组分系统的情况不一样，当使用两种或多种组分时，工作流体的不同组成可以用于循环中的不同部位。这就使工作流体的压力低于对向流的回流压力，可以在一个高于对向流的沸腾温度范围的温度范围内冷凝，从而实现了工作流体的同流换热式沸腾。

根据本发明的一个实施方案，一种实现热力循环的方法包括将气态的工作流体膨胀的步骤，将其能量转换为有用的形式。膨胀的气态工作流体被分成为回流和废流（spent    stream）。在将膨胀流分成两种流之后，将回流和比回流含有较多高沸点组分的贫流（lean    stream）混合，形成合成流，其冷凝的温度范围比将对向的液体工作流蒸发所需的温度范围高。

在形成合成流以后，将之送往蒸发器，在蒸发器内被冷凝，将热提供给对向的液体工作流使其沸腾。液体工作流的蒸发产生上述的气态工作流。因此，合成流被分离成液体流和蒸汽流返回循环中，最好使之与部分合成流混合，以产生予冷凝工作流。将予冷凝工作流冷凝以产生输送给蒸发器的液体工作流。废流可以在液体工作流被送入蒸发器之前与该液体工作流混合。另一方面，废流可以在某些其它部位返回系统。为完成循环，由上述合成流传输给蒸发器的热用来将液体工作流蒸发成气态工作流。

根据本发明的另一个实施方案，从蒸发器输出的气态工作流接着可以在一个或多个热交换器中，靠回流或废流或两者进行过热。随着气态工作流在热交换器中的过热之后，气态工作流可以在加热器中进一步过热。对加热器的能量供给是由热力循环之外提供的。在过热之后，气态工作流膨胀。该膨胀的气态工作流在被分成废流和回流之前，可以重复加热膨胀一次或多次。本实施方案还可包括在废流从回流分离之后将废流重复加热和膨胀一次或多次的步骤。

另外，本实施方案还可包括一连串回热式热交换器，用以从回流、合成流和废流中回热。这些热交换器可以使贫流和液体工作流从合成流中吸收热。而且，这些热交换中的一个或多个可以使废流对液态工作流中提供附加热。而且，这些热交换器中的一个或多个可以使废流对液体工作流提供附加热，有助于液体工作流的予热和沸腾。

根据本发明的再一个实施方案，实施上述热力循环的方法还可包括使用液力透平（或节流阀）以降低合成流压力的步骤。在降低压力之后，该合成流的第一部分可以在一个或多个热交换器中，利用废流的热和利用该同一个合成流在流向透平时的热被局部蒸发。在合成流的第一部分被局部蒸发之后，它就被送进分离器，在其中被分离成蒸汽流和液体流。

在本实施方案中，液体流形成贫流的一部分，可以送至循环泵中加压至较高压力。该循环泵可以与液力透平连接。液力透平释放能量以操作泵。在达到高压之后，贫流可以在一个或多个热交换器中利用返回的合成流进行加热。贫流得到附加热之后，将其和回流混合形成合成流，用以将液体工作流予热和蒸发。

蒸汽流可以在直接接触式热交换器或在洗汽器内与从液力透平来的合成流的第二部分混合。从热交换器或洗汽器流出的液体流可以和来自分离器的液体流混合，以产生贫流。流自热交换器或洗汽器的蒸汽流构成过富流。在本实施方案中，该过富流可以和流自液力透平的合成流的第三部分混合，以形成予冷凝工作流。该流接着可以流过热交换器，对返回的液体工作流供热，然后才送入水冷凝的冷凝器，进行充分冷凝以产生液体工作流。

液体工作流可以用供给泵加压至高压。在获得高压之后，液体工作流可以在一连串热交换器内利用予冷凝工作流、返回的合成流和返回的废流进行加热。该热交换伴随着逐步将液体工作流泵压至较高的压力，一直连续到液体工作流被蒸发而产生气态工作流，从而完成了该循环。

图1是本发明的方法和设备的一个实施方案的原理说明图;

图2是本发明的方法和设备的第二实施方案的原理说明图。

图1所示原理显示可用于上述循环的最佳设备的实施方案。具体地说，图1显示的系统100，包括有热交换器112和127形式的蒸发器，热交换器114和116形式的予热器，以及热交换器109和110形式的过热器。另外，该系统100还包括透平102、104和106，过热器101，中间再热器103和105，重力分离器120，洗汽器125，液力透平119，泵122、123、138和139，热交换器117、118和128，以及冷凝器121。系统还包括分流器131-137和混流器140-147。

冷凝器121可以是任何已知形式的散热装置。例如，冷凝器121可以取如水冷系统之类的热交换器形式，或者是其它形式的冷凝装置，在一种可供选择的方案中，冷凝器可以用卡利纳（Kalina）在美国专利US4，489，563和US4，604，867中所描述的散热系统来代替。卡利纳系统要求将接近图1中的冷凝器121的所示流注与例如由水和氨水组成的多组分流体流混合、冷凝，然后蒸馏以生产出原状态的工作流体。这样，当用卡利纳循环的散热系统代替冷凝器121时，美国专利US-4，489，563和US-4，604，867中所描述的蒸馏辅助系统可以被用来代替冷凝器121。美国专利US-4，489，563和US-4，604，867的内容特引述于此以供参考。

各种形式的热源都可以用来驱动本发明的循环。于是，例如温度高达1000℃或以上的热源或少至足以将气态工作流过热的热源，都可以用以加热流过加热器101和中间再加热器103、105的气态工作流。由燃烧化石燃料所得到的已燃气是理想的热源。任何其它的能够将本发明所述实施方案中所使用的气态工作流过热的热源也可以使用。

虽然图1所示实施方案涉及粉煤燃烧，该系统可以与各种燃烧系统一起作用，包括不同类型的流化床燃烧系统和废料焚化系统。专业人员可以增加热交换器来调整系统，以适应各种不同的燃烧系统。

用于系统100中的工作流体可以是包括低沸点流体和较高沸点流体的多组分工作流体。例如，所使用的工作流体可以是一种氨-水混合合物，两种或多种碳氢化合物，两种或多种氟利昂，碳氢化合物与氟利昂之类的混合物。总的来说，该流体可以是任何数量化合物的混合物，具有合适的热力学特性和溶解度。一种最佳的实施方案中使用水和氨的混合物。

如图1所示，工作流在系统100内循环。工作流包括气态工作流，从蒸汽混合器142流出，直至在分离器131被分离成回流和废流。除了气态工作流、回流（从分离器131流到混流器141）和废流（从分离器131流到混流器147）之外，工作流还包括予冷凝工作流（从混合器146流到冷凝器121）和液态工作流（从冷凝器121流到蒸发器112、127）。工作流的各部分含有的高沸点和低沸点组分的百分比相同。

气态工作流在系统100的前级完全蒸发和过热之后进入加热器101。在加热器101，气态工作流被过热至过程各级所达到的最高温度。该气态工作流被过热之后在透平102内膨胀至中间压力。这种膨胀使气态工作流中所包含的热被转换为有用形式的能。

在透平102内膨胀之后，气态工作流由分离器131分离成两个流，即回流和废流。废流在中间再热器103再加热，在透平104内膨胀，在中间再热器105第二次再加热并在透平106内第二次膨胀，虽然图1将系统100显示为有两个中间再热器103和105，供再加热废流用，还有两个透平104和106，以将废流膨胀，中间再热器和透平的最佳数量取决于系统所需要的效率。中间再热器和透平的数量可以比图1中所示的数量增加或减少。另外，可以用单个加热器在气态工作流膨胀之前将其加热，在废流膨胀之前将其加热。因此，加热器和中间再热器的数量可以多于、少于或等于透平的数量。

另外，系统可以包含有附加的加热器和透平，以将从透平102排出的气态工作流在其被分离成回流和废流之前进行再加热和膨胀。虽然系统100同时包括有中间再热器103、105和透平104、106为本发明提供了最佳的实施方案，也可以选择不同数量的中间再热器和透平，不会脱离所公开的总发明构思的范围。

废流经过这些再加热和膨胀之后，再流过一连串回热式热交换器。如图1所示，废流膨胀之后流过回热式热交换器110、127和116。在流过热交换器110时，废流供热给气态工作流将其过热。在流过热交换器127时，废流供热将对向的高压液态工作流蒸发。同样地，在流过热交换器116时，废流供热以将对向的高压液态工作流予热。

无论是使用任一个或所有的热交换器110、127和116，也无论是否对系统循环增加多个附加的热交换器，这只是设计选择上的问题。尽管系统100包括有热交换器110、127和116是理想的，可以使废流通过增加的热交换器，也可以使废流完全不通过任何热交换器，这并不脱离所公开的本发明的范围。

回流由蒸汽分离器131开始，起初通过回热式热交换器109。在通过热交换器109时，废流供热将对向的高压气态工作流过热。尽管系统100最好包括有热交换器109，也可将其除去或增加附加的热交换器。在废流通过热交换器109之后，其在点42的最佳状态是过热蒸汽的状态。

回流在加热气态的工作流之后，在混流器141处与贫流混合。该贫流含有的组分与工作流中含有的组分相同。但是，贫流含有的高沸点组分比工作流的任何部分中所含有的要多些。举例来说，如果氨和水是工作流和贫流中存在的两种组分，水是高沸点组分而氨是低沸点组分。在这种双组分系统中，贫流含有的水的百分比比工作流的高。如图1所示，贫流从混流器144流到混流器141。

在本实施方案中，在贫流在混合器141处与回流混合之前，贫流在点74处的状态是最好是过冷液体的状态。

在混流器141内将贫流与回流混合以提供合成流，合成流的沸点温度范围低于贫流的沸点温度范围，但高于回流或工作流的任何其它部分的沸点温度范围。合成流从混流器141流出时的状态取决于贫流和回流的状态。最好是蒸汽-液体混合物的状态。在混流器141内进行混合之前，回流在点42处的压力和贫流在点74处的压力，将与在混流器141形成的合成流在50处的压力相同。合成流在该点的温度最好高于贫流在点74处的温度，而稍低于回流在点42处的温度。

合成流含有的高沸点组分的百分比要比回流或工作流的其它部分的高。由于合成流含有的高沸点组分的百分比更高，合成流可以在一个超过液态工作流的沸腾温度范围的温度范围内冷凝。而且，在该最佳的实施方案中，即使合成流的压力显著低于对向的液态工作流的压力，合成流可以在比液态工作流的沸腾温度更高的温度冷凝。

由回流和贫流混合而产生的合成流流入热交换器112，进行冷却和冷凝。在进行冷却和冷凝时，将液体工作流和贫流进入热交换器112，合成流供热将对向的工作流蒸发，并对对向的贫流供热。

使用其沸腾温度范围比液体工作流的沸腾温度范围高的合成流，在本发明所公开的热力循环和传统使用的循环之间划界。不同于传统的热力循环，本发明的循环在气态工作流局部膨胀之后将其一部分回流，对包括该部分回流的气态工作流和低温贫流的合成流供热。该合成流，最好其压力低于对向的液体工作流的压力，它被用来加热对向的液体工作流，将其完全或局部蒸发。

由于该合成流中含有较高百分比的高沸点组分，即使液体工作流进入热交换器112时的压力比合成流的压力大，合成流的冷凝温度范围要比蒸发对向的液体工作流所需的温度高。

这种将液体工作流蒸发的方法在传统的蒸汽-动力系统中是不能实现的。在传统的系统中，如果回流的压力比对向的液体工作流的压力低，回流的冷凝必然要在一个低于对向的液体工作流的沸腾温度的温度范围内进行。因此，在传统系统中，由回流冷凝所释放的热只能够用于局部予热对向的工作流。

与之相反，在本发明所公开的方法中，在合成流中存在有较高百分数的高沸点组分，即使合成流的压力显著低于液态工作流的压力，合成流也可以在比对向液态工作流的沸腾温度范围高的温度范围内冷凝。应该理解，上述方法使用单一的回流形成合成流，合成流起热源的作用，对工作流完全予热和蒸发，还对工作流的低温过热提供热。

但是，为形成该合成流，必须将膨胀的气态工作流的一部分回流。应该理解，将部分过热流回流，与贫流混合以产生合成流将导致热力损失1，这是因为回流的温度降低所致，但是，由于移出部分气态流和将该回流与贫流混合所引起的损失，得以被合成流在蒸发液体工作流时所避免的损失所补偿。

如表2中的计算所示，使用膨胀气态工作流的一部分以形成合成流，该合成流的高沸点组分的百分比高于液态工作流，就可以使本发明的热力循环比传统的蒸汽-动力系统有显著提高的效率。使用该合成流对低温蒸发过程提供低温热，就可以使系统的可利用热与液态工作流的烩-温度特性更好地匹配。这种匹配可以避免传统系统中因低温蒸发过程使用高温热所造成的非常大的热力损失。使用该合成流来使热源的温度与液态工作流的烩-温度特性更紧密匹配所节省的大量的

，要大大超过由于将部分气态工作流从其过热状态下移走所造成的任何损失。

回流与贫流混合以产生合成流的压力，必须能保证合成流的冷凝温度要高于液态工作流蒸发的温度。合成流愈贫，所需的冷凝压力愈低。压力愈低，透平102的膨胀比愈大，与透平所增加的功相对应。

合成流中所能够使用的高沸点组分量有实际的限制。这是因为较贫的合成流更难分离。因此，为使系统效率达到最佳值，必须仔细选择合成流的压力和构成。表1提供了一种可以实现高效循环的合成流压力和构成的实例。

应该理解，用废流将液态工作流的一部分进行蒸发的热交换器127，可以从系统100中除去，这不脱离所述的总发明构思的范围。通过热交换器127的液体工作流部分随后将转移至热交换器112，在那里进行蒸发。

合成流通过热交换器112之后被送进热交换器114，供热以对贫流和液态工作流进行予热。当合成流传热给贫流及液态工作流时，合成流被进一步冷却。同样，虽然希望在系统100的这部分中将热交换器的数量限制为只有热交换器112和114，但也可以增加附加的热交换器，这不会脱离所公开的本发明的范围。

合成流从热交换器114排出之后就被送进热交换器117，在那里将其热量用以蒸发从分离器135流进的同一合成流的逆流部分。

在本发明的该实施方案中，合成流甚至在排出热交换器117之后，其在点53处的压力仍然较高。由于合成流不能在这种高压下产生工作流和贫流，必须将该压力降低。压力的降低在液力透平119内进行，可以使用的专门液力透平是水斗式水轮机。

在降低压力的步骤中，在泵122处泵压贫流所需的全部或一部分功可以收回。由于通过水斗式水轮机119的流的重量流率（weight    flowrate）大于贫流通过泵122的重量流率，在水斗式水轮机119内释放的能量通常足以提供泵122的功。如果水斗式水轮机119释放的能量不够，可以安装辅助电动机以供给泵122所需的附加功率。

节流阀可以用以替换液力透平119。如果用节流阀代替液力透平，消耗在泵压贫流的功当然不能被收回。但是，不管是使用液力透平119，还是使用节流阀，都不会影响过程的其余部分的进行。选用液力透平还是节流阀来降低合成流的压力，严格说来是一种经济上的选择。而且，尽管更希望使用热交换器117和透平119，也可以决定不使用这些装置，或者可以决定对系统100增加附加的热交换器或其它减压装置。

从液力透平119流出的合成流，在点56处的压力最好接近等于或稍大于冷凝的压力。具有降低压力的合成流的一部分在分离器137处从合成流分离出来。该流在分离器136再次被分离。在分离器136被分离的合成流的第一部分接着在分离器135被分离成两个流。这两个流随后被送入热交换器117和118，在这里，同一合成流的逆流被冷却，返回的废流被冷凝，从而将这两个流局部蒸发。逆流的合成流在热交换器117中供热，而冷凝的废流在热交换器118中供热。这两个流自分离器135的流，在从交换器117和118排出之后，在混合器145处混合。该局部蒸发的流接着被送至重力分离器120。

进入重力分离器120的流的状态是蒸汽-液体混合物的状态。为供热给局部蒸发，已经在热交换器118冷凝的废流所需的压力，应使废流可以在一个比蒸发被分离的合成流的部分所需的平均温度更高的平均温度下冷凝。合成流愈贫，其蒸发所需要的温度就愈高，这样废流在点37处的压力就愈高。增加点37处的压力，就会减小透平104和106的输出功。这表明，虽然使合成流贫化会增大透平102的输出功率，却减小了透平104和126的输出功率。

为了尽量增大这三个透平的总输出，合成流必须选用合适的组成。表1中提供了一种这样的组成。

图1所示的实施方案，使用返回的废流来予热液态工作流和局部蒸发送至重力分离器120的流。同时，废流在通过热交换器118时被冷凝。应该注意，系统100不是在冷凝器121内冷凝废流，也不用同时从该冷凝流回收热，而是利用废流在热交换器118内冷凝时所释放出的热来予热液态工作流，并且局部蒸发送至分离器120的合成流。

重力分离器120将合成流的第一部分分离成蒸汽流和液体流。液体流从重力分离器120底部流出，形成贫流的一部分，在混合器141与前述的回流混合。

从重力分离器120流出的蒸汽被送至洗汽器125的底部。从分离器136流出的合成流的第二部分被送进汽器125的顶部。供给洗汽器125的液体和蒸汽流互相反应，产生热交换和质量交换。直接接触式热交换器，或其它的用于实现图1中所示的供给洗汽器的液体和蒸汽流的热交换和质量交换的装置，都可用以替换洗汽器125。系统100是否使用洗汽器125，热交换器或某些其它装置，只是设计选择上的问题。

在图1所示的实施方案中，液体和蒸汽流从洗汽器125排出。该液体流和从分离器120流出的液体流在混合器144混合形成贫流，贫流在混合器141与回流混合，形成合成流。从洗汽器125流出的和从分离器120流出的形成贫流的液流，最好有相同的或接近相同的成分。

贫流从混合器144流进循环泵122。泵122将贫流泵在至高压。在图1所示实施方案中，贫流在其从泵122流出时的点70处的压力要高于其从热交换器112流出时的点74处的压力，如表1中所素示的那样。

如图1所示，该高压贫流通过热交换器114和112，在那里逆流的合成流对贫流供热，然后在混合器141与回流混合。

从洗汽器125排出的蒸汽具有高百分数的低沸点组分。该过富流在混合器146与从分离器137流出的合成流的第三部分混合。该流形成予冷凝工作流，流过热交换器128后进入冷凝器121。该予冷凝工作流在流过热交换器128时被进一步冷凝，同时供热给来自冷凝器121和泵123的逆流的液态工作流。予冷凝工作流从热交换器128排出之后，进入冷凝器121完全冷凝。

该予冷凝工作流与上述的回流有相同的成分。应该注意，只有该冷凝工作流被冷凝，才能使冷凝器的 损失达到最小。如上所述，废流不通过冷凝器。而废流的冷凝所释放出的热被用来予热液体工作流，并将送至分离器120的合成流局部蒸发。废流的这种使用方式，保证送至热交换器112和117的液体工作流可以按照回热方式完全蒸发。保证了系统100比最佳1的传统兰金循环有更大的效率。

冷凝器121最好是水冷凝器。当使用这种冷凝器时，有冷却水流流过冷凝器121，将该工作流完全冷凝以产生液体工作流。

该液体工作流流入供给泵123，将工作流加压至增大的压力。接着该液体工作流流入热交换器128，从予冷凝工作流供给的热将液体工作流予热。液体工作流在热交换器128予热之后，再在混合器147与废流混合。该合成流靠泵138加压至中间压力。然后流过热交换器118，被返回的废流的冷凝所传输的热所予热。在从热交换器118排出之后，用泵139将液体工作流加至高压。接着，该高压的，最好是过冷的液体工作流在分离器134被分离成两个流。流之一通过热交换器114，从合成流传输的热将液体工作流的该部分予热。另一个流从分离134流入交换器116，在该处将热从返回的废流传输给这一部分液体工作流而将其予热。废流从交换器116排出时最好是饱和蒸汽的状态，也可以是过热蒸汽或局部冷凝的状态。

流过热交换器116的液体工作流部分在混合器143与从热交换器114流出的流混合。该流最好是处于饱和状态，或者稍微过冷凝液体的状态。从混合器143流出的流随后在分离器133被分离成两个流。其中一个流通过热交换器112，利用从混合器141流出的合成流传来的热而被蒸发。

从分离器133流出的另一个流，接着流进热交换器127，利用废流的传热而蒸发。

从热交换器112和127排出的流在混合器142处进行混合。如上文所述，可以将热交换器127除去，将从蒸汽混合器143流出的全部液体工作流转移至热交换器112，这并不脱离所描述的总发明构思的范围。

在本实施方案中，从混合器142来的流处于蒸汽状态、形成循环的气态工作流。来自混合器142的气态工作流，甚至可以稍过热，该气态工作流在流分离器132被分成两个流。两个流中之一通过热交换器109，利用从分流器131、经过热交换器109流进混流器141的回流进行过热。气态工作流的另一个部分流过热交换器110，利用来自透平的废流热来进行过热。从流分离器132流出的两个流，流经热交换器109和110之后，再在流混合器140重新混合。该重新混合的气态工作流流进加热器101，完成了热力循环。

在图2所示的系统200的实施方案中，吸收过程、即将贫流加到回流以形成合成流的过程是按两个步骤实现的。回流在流分离器150被分离成第一和第二回流。第一回流在流混合器141与贫流混合，形成第一合成流，它比回流以点42处的参数与贫流混合时的情况（如图1所示的实施方案那样）更为贫化。

由于图2中的第一合成流比图1中的合成流更为贫化，因此其压力能够降低，这样能够增大透平102的输出功。接着第一合成流在蒸发器112内被冷凝。其后，第一合成流在混合器151与第二回流混合，形成第二合成流，第二合成流比第一合成流富化。结果，其分离更加容易。

第一合成流对蒸发器112供热，使吸收压力可以减小，从而增加透平102的输出。同时，图2中的实施方案使富化的第二合成流可被送进分离器120。这样图2的实施方案具有低压合成流的好处，该合成流在相同时间内不妨碍合成流的易于分离。

图1所示的循环和图2所示的循环基本上比传统的蒸汽-动力系统有更高的效率。决定用这两最佳系统中的哪一个只是一个设计选择的问题。

在上文所描述的本发明的热力循环中，对液体工作流的所有加热蒸发，都可以以回热方式提供，即返回的合成流和废流在它们冷却时传热给液体工作流。另外，甚至气态工作流的部分过热可以按此回热方式提供，即回流和废流可以在它们冷却时传热给气态工作流。

使用回流来予热对向的工作流在传统的蒸汽动力系统中是很普通的。这种实践通常称为“供水加热”。在传统系统中，供水加热只用于予热对向的液体工作流，因为回流的压力和冷凝温度太低，不能用于任何其它目的。

不象传统的蒸汽动力系统，本发明的热力循环不使用回流来直接加热对向液体工作流。相反地，本发明使用其压力低于对向的液体工作流的回流来间接加热该对向的液体工作流。不象传统的蒸汽动力系统，本发明使用回流来形成合成流，该合成流含有的高沸点组分的百分数高于回流或对向的液体工作流所含有的高沸点组分的百分数。正是该合成流，使其冷凝的温度范围超过蒸发对向的液体工作流时所需要的温度范围，并且提供蒸发该液体工作流所需要的大量的热。

如上文所述，甚至在合成流的压力低于液体工作流的压力时，该合成流可以在一个比蒸发流体工作流所需的温度范围更高的温度范围内冷凝。在传统的蒸汽动力系统中，其工作流只有一个组分，当回流保持的压力低于对向的工作流的压力时，回流产生冷凝的温度范围要低于使对向的工作流沸腾时所需的温度范围。因此，不象这些传统系统，本发明的热力循环可以使用保持在较低压力的低温热源来蒸发有较高压力的工作流。这种方法与单组分的蒸汽动系统相比，可以显著提高效率。

此外，应该理解，本发明的热力循环可以完全由供给加热器和中间再热器的高温热驱动。按此方法使用高温热，使热源可以与工作流的烩-温度特性更好地匹配，因此，这些特征可以使动力循环显著减少 损失和大大提高效率。

为了进一步说明本发明所能取得的优点，进行了一组计算，如表2所示。该组计算涉及按照图1所示系统的说明性的动力循环。在该说明性的循环中，工作流是氨-水混合物，其浓度为87.5重量%的氨（氨重量与混合物总重量之比）。供理论计算用的参数列于表1下面。在该表中第1栏所列的位置与图1中所显示的位置相对应。

表1表明，当合成流被用作热源以蒸发液体工作流时，低温热可应用于低温过程。

表1

位置    P（psia）    x    T°F    H（Btu/lb）    G

1    284.15    0.8750    60.99    -6.87    .4884

23    -    WATER    52.00    -    5.2958

24    -    WATER    89.13    -    5.2958

26    99.31    0.6650    259.11    828.61    .1637

29    98.31    0.9918    122.69    586.24    .3724

30    1097.00    0.8750    882.96    1104.44    .5116

31    1082.00    0.8750    1050.00    1223.75    .5116

32    561.50    0.8750    916.72    1133.50    .5116

33    546.50    0.8750    1050.00    1227.99    .5116

34    283.65    0.8750    909.54    1131.30    .5116

35    281.15    0.8750    415.00    807.68    .5116

36    278.65    0.8750    363.27    773.31    .5116

37    276.15    0.8750    267.11    708.69    .5116

39    274.15    0.8750    126.69    66.80    .5116

41    1097.00    0.8750    882.96    1104.44    .4884

42    1090.00    0.8750    448.70    782.05    .4884

43    274.15    0.8750    106.13    43.25    .4884

44    1271.27    0.8750    121.69    61.08    1.0000

45    274.15    0.8750    116.64    55.30    1.0000

位置    P（psia）    x    T°F    H（Btu/lb）    G

46    1261.27    0.8750    257.26    230.25    1.0000

50    1090.00    0.5000    406.74    530.48    .9890

51    1090.00    0.5000    353.52    322.27    .9890

52    1080.00    0.5000    267.11    157.14    .9890

53    1070.00    0.5000    124.36    -6.52    .9890

54    100.31    0.5000    121.69    -9.42    .8730

55    99.31    0.5000    259.11    629.69    .2375

56    100.31    0.5000    121.69    -9.42    .9890

57    100.31    0.5000    121.69    -9.42    .1160

61    2450.00    0.8750    348.27    387.50    1.0000

62    2475.00    0.8750    262.11    237.28    1.0000

63    2450.00    0.8750    400.00    611.00    1.0000

64    2435.00    0.8750    677.34    934.02    1.0000

65    2415.00    0.8750    1050.00    1211.18    1.000

66    1097.00    0.8750    882.96    1104.44    1.0000

67    98.31    0.8750    121.52    444.74    .4884

68    97.31    0.8750    101.13    394.63    .4884

69    96.31    0.8750    60.00    -7.96    .4884

70    1110.00    0.1342    263.07    192.86    .5006

71    1100.00    0.1342    348.27    285.06    .5006

74    1090.00    0.1342    348.27    285.06    .5006

78    99.31    0.1342    259.11    188.66    .5006

表2提供图1所示动力循环的性能参数。表2表明该过程可以避免在传统的蒸汽动力系统中因为在低温蒸发过程中使用高温热源所引起的很大的热力损力。

表2

建议的图1系统，在透平102入口处每1磅工作流体时的性能参数

透平102的输出    106.73    Btu

透平104的输出    46.18    Btu

透平106的输出    49.47    Btu

透平输出总计    202.38    Btu

透平电力输出总计    197.32    Btu

水斗式水轮机119的输出    2.87    Btu

系统总输出总计    200.19    Btu

泵123功    0.53    Btu

泵138功    5.78    Btu

泵122功    2.10    Btu

泵139功    7.04    Btu

泵功总计    15.45    Btu

系统净输出总计    184.73    Btu

热交换器101的热输入    277.16    Btu

热交换器103的热输入    61.04    Btu

热交换器105的热输入    48.35    Btu

热输入    总计    386.54    Btu

净热效率    0.4779或47.79%

表2中所示的样品计算表明，本发明的蒸发器中的

损失从总体上是显著降低了。该计算显示，图1的循环当使用表1中的参数时，其内（或透平）效率为47.79%，而最佳兰金循环动力系统的效率为42.2%。这种13.25%的能量效率的改进表明，蒸发器内

的节约，要大于由于抽回一部分膨胀的气态工作流和将回流冷却，并将其与贫流混合而形成合成流，对所造成的任何 损失的补偿。因此，整个循环的效率显著提高了。

虽然已经参照两个最佳实施方案对本发明进行描述，专业技术人员可以理解这些实施方案可以有许多变形和改进。例如，系统内可以使用一个以上的回流。同样，系统可以使用一个以上的贫流。专业技术人员决定进行混合的回流数和贫流数确定了流过系统的合成流数。另外，如描述过的那样，热交换器、中间再热器、泵、重力分离器、冷凝器以及透平等的数量都可改变。因此，附带的权利要求书应该覆盖落入本发明的精神和范围内的各种变化和改进。

Claims (26)

1、一种实现热力循环的方法，包括以下的步骤：

将气态工作流膨胀，以将其能量转换成有用的形式；

从膨胀的气态工作流将回流移出；

将回流与贫流混合以形成合成流，该贫流含有的高沸点组分比回流中所含有的高沸点组分多；

将合成流冷凝以供热；

将合成流分离成液体流和蒸汽流，所述液体流形成与回流混合的所述贫流的一部分；

形成对向的液体工作流，使其蒸发温度低于所述合成流的冷凝温度；

利用冷凝所述合成流所产生的所述热，将所述对向的液体工作流蒸发，以形成所述气态工作流。

2、根据权利要求1的方法，其特征在于该方法还包括将废流从所述气态工作流移出，并将废流膨胀，使其能量转换成有用形式，接着，在液体工作流利用从合成流的供热以蒸发之前，将废流与液体工作流混合。

3、根据权利要求2的方法，其特征在于合成流在被分离之前，被膨胀至降低的压力。

4、根据权利要求2的方法，其特征在于气态工作流在被膨胀之前，将其与回流及废流进行热交换。

5、根据权利要求3的方法，其特征在于合成流在被膨胀之前，与贫流及液体工作流进行热交换。

6、根据权利要求5的方法，其特征在于合成流在膨胀之后，与未被膨胀的合成流的一部分进行热交换，并且合成流被分离之前，将合成流与废流进行热交换。

7、根据权利要求2的方法，其特征在于废流在与液体工作流混合之前，与气态工作流的一部分进行热交换，并与液体工作流的一部分进行热交换。

8、根据权利要求2的方法，其特征在于将贫流泵压至较高压力，该压力大于由合成流分离出来的液体流的压力，贫流在被加压至较高压力后，在与回流混合以形成合成流之前，与合成流进行热交换;将液体工作流泵压至较高压，大于第一次形成的液体工作流的压力，该高压液体工作流与合成流及废流进行热交换，直至从合成流及废流传输给液体工作的热将液体工作流蒸发而形成气态工作流为止。

9、一种实现热力循环的方法，包括以下步骤：

将气态工作流过热;

将过热的气态工作流膨胀，以将其能量转换成有用的形式;

将膨胀的气态工作流分成回流和废流;

将废流再加热和将已再加热的废流膨胀;

在废流膨胀之后，将回流和废流冷却，回流和废流的冷却供给热量以过热气态工作流;

将回流与比回流含有更多的高沸点组分的贫流混合，形成合成流，该合成流的冷凝温度范围高于将对向的液体工作流蒸发时所需的温度范围;

将合成流冷凝，提供热将对向的液体工作流蒸发，该液体工作流的蒸发将液体工作流转换成气态工作流，并对贫流供热;

将合成流冷却和冷凝，以将液体工作流予热;

将合成流膨胀，以降低其压力;

将膨胀的合成流的第一部分，利用从还未膨胀的同一合成流的逆流传输的热，和利用从所述废流传输的热进行局部蒸发;

将局部蒸发的合成流分离，形成产生贫流的液体流和蒸汽流;

将蒸汽流与膨胀合成流的第二部分混合以形成予冷凝工作流，将该予冷凝工作流冷凝以产生液体工作流;

将贫流泵压至较高的压力，该压力大于从局部蒸发的合成流分离出来的液体流的压力;

将高压贫流利用由贫流与回流混合而成的合成流的逆流进行加热;

将由所述予冷凝工作流冷凝而成的液体工作流泵至较高压力，形成高压液体工作流;

将高压液体工作流利用合成流的逆流和废流传输的热进行予热;

将高压液体工作流利用从合成流传输的热进行蒸发，以产生气态工作流。

10、根据权利要求9的方法，其特征在于该方法还包括将所述流分成第一回流和第二回流，将所述第一回流与所述贫流混合以形成第一合成流，以供热将所述对向的液体工作流蒸发，将所述第一合成流在其已经供热将所述对向的液体工作流蒸发之后，与所述第二回流混合，以形成予热所述液体工作流的所述合成流。

11、根据权利要求9的方法，其特征在于在从废流供给的热已经用以过热气态工作流之后，将从废流的热用以蒸发液体工作流的一部分。

12、一种实现热力循环的方法，包括以下步骤：

将气态工作流过热;

将过热的气态工作流膨胀，以将其能量转换成有用的形式;

将膨胀的气态工作流分成回流和废流;

将废流再加热并将已再加热的废流膨胀;

在废流膨胀之后，将回流和废流冷却，将回流和废流的冷却所传输的热用以将气态工作流过热;

将回流与比回流含有更多的高沸点组分的贫流混合;以形成合成流，该合成流的冷凝温度范围高于蒸发对向的液体工作流所需的温度范围;

将合成流冷凝，提供热以蒸发对向的液体工作流，液体工作流的蒸发将其转换成所述的气态工作流;

将合成流冷却和冷凝，以加热贫流和予热液体工作流;

在从废流来的热已经用以过热气态工作流之后，将液体工作流利用从废流来的热进行予热和局部蒸发;

将合成流膨胀以将其压力降低;

将膨胀的合成流的第一部分，利用未被膨胀的同一合成流的逆流所传输的热，和利用从所述废料传输的热进行局部蒸发;

将局部蒸发的合成流在分离器内分离，以形成产生贫流的一部分的第一液体流和第一蒸汽流;

第一蒸汽流与洗汽器内的膨胀合成流的第二部分混合，第二液体流和第二蒸汽流从所述洗汽器流出;

将流自所述分离离的所述第一液体流与流自所述洗汽器的所述第二液体流混合，形成所述贫流;

将贫流泵压至较高压力，该压力大于由局部蒸发的合成流分离出来的第一液流的压力;

在合成流被膨胀之后，将流自所述洗汽器的第二蒸汽流与合成流的第三部分混合，形成予冷凝工作流，将予冷凝流冷凝以产生液体工作流;

在贫流被泵压至较高压之后，利用由贫流与回流混合而成的合成流的逆流的热加热贫流;

将由予冷凝工作流冷凝而成的液体工作流泵压至较高压;

在液体工作流被加压至较高压之后，利用合成流和废流的逆流传输的热将液体工作流予热;

将予热的液体工作流用合成流和废流传输的热进行蒸发，以产生所述气态工作流。

13、实现热力循环的设备，其特征在于该设备包括：

将气态工作流膨胀以将其能量转换成有用形式的装置;

将回流从所述膨胀的气态工作流移出的装置;

将回流与贫流混合以形成合成流的第一流混合器，该贫流含有的高沸点组分比回流中含有的高沸点组分多，该合成流的冷凝温度范围高于蒸发对向的液体工作流时所需的温度范围;

将合成流冷凝以便供热将对向的液体工作流蒸发而形成气态工作流的热交换器;

将合成流分离，以形成其一部分构成贫流的液体流和蒸汽流的重力分离器;

形成液体工作流的冷凝器，该液体工作流由热交换器内的合成流蒸发。

14、根据权利要求13的设备，其特征在于该设备还包括将从所述气态工作流移出的废流膨胀以便将其能量转换成有用形式的装置。

15、根据权利要求14的设备，其特征在于该设备还包括在将合成流分离之前将该合成流膨胀至减小的压力的装置。

16、根据权利要求14的设备，其特征在于该设备还包括第二热交换器，使气态工作流在膨胀之前可以与回流进行热交换，还包括第三热交换器，使气态工作流可与废流进行热交换。

17、根据权利要求15的设备，其特征在于还包括第二热交换器，使合成流在膨胀之前可以与贫流进行热交换，并可以与液体工作流进行热交换，将液体工作流予热。

18、根据权利要求17的设备，其特征在于还包括第三热交换器，使合成流的第一部分在被膨胀之后可以与被膨胀之前的合成流进行热交换，还包括第四热交换器，可以在合成流的这部分被分离之前，将热从废流传输给合成流的这部分。

19、根据权利要求18的设备，其特征在于还包括第五热交换器，使废流可与气态工作流的一部分进行热交换，还包括第六和第七热交换器，使废流可与液体工作流的一部分进行热交换，将液体工作流予热和蒸发。

20、根据权利要求19的设备，其特征在于还包括有第一泵，用于将贫流泵压至较高压，该压力大于由合成流分离出来的液体流的压力，第二热交换器使贫流在加压至较高压力之后可以在其与回流混合以形成合成流之前与合成流进行热交换，还包括有第二泵，用于将液体工作流泵压至较高压，该压力大于流自所述冷凝器的液体流的压力，第二热交换器使该液体工作流在被加压至较高压之后，可以与合成流进行热交换，以将液体工作流予热。

21、实现热力循环的设备，其特征在于该设备包括：

将气态工作流过热的加热器;

将过热的气态工作流膨胀以将其能量转换成有用形式的装置;

将膨胀的气态工作流分成回流和废流的第一分流器;

将废流再加热的中间再热器，以及将再加热的废流在再加热之后进行膨胀的装置;

将回流和废流在废流膨胀之后进行冷却的第一和第二热交换器，回流和废流的冷却供热以过热气态工作流;

将回流与贫流混合以形成合成流的第一混流器，该贫流含有的高沸点组分比回流的多，该合成流的冷凝温度范围高于蒸发对向的液体工作流所需要的温度范围;

将合成流冷凝的第三热交换器，供热以将对向的液体工作流局部蒸发，将液体工作流转换成气态工作流;

将合成流膨胀以降低其压力的装置;

将膨胀的合成流利用还未被膨胀的同一合成流的逆流所传输的热局部蒸发的第四热交换器，将膨胀的合成流的这部分利用所述废流所传输的热局部蒸发的第五热交换器;

将局部蒸发的合成流的第一部分进行分离，以形成构成贫流的一部分的第一液体流和第一蒸汽流的重力分离器;

将第一蒸汽流与所述膨胀的合成流的第二部分混合的洗汽器，使第二蒸汽流和第二液体流可以从所述洗汽器流出;

将所述第一液体流与所述第二液体流混合以形成所述贫流的第二混流器;

将贫流泵压至较高压力的第一泵，该压力大于由局部蒸发的合成流的第一部分分离出来的第一液体流的压力;

将膨胀的合成流的第三部分与形成予冷凝工作流的第二蒸汽流混合的第三混流器;

将予冷凝工作流冷凝以产生液体工作流的冷凝器;

将液体工作流在其从冷凝器流出之后泵压至高于液体工作流流出冷凝器后的压力，所述高压液体工作流在所述第三热交器内蒸发，以产生所述气态工作流。

22、根据权利要求21的设备，其特征在于还包括将所述回流分成第一回流和第二回流的第二分流器，所述第一回流与所述贫流混合，形成第一合成流，以供热将所述对向的液体工作流蒸发，还包括在所述第一合成流供热将所述对向的液体工作流蒸发之后，将所述第二回流与所述第一合成流混合，以形成所述合成流以便用于予热所述液体工作流的第四混流器。

23、根据权利要求21的设备，其特征在于还包括第六热交换器，可以使来自合成流的热予热贫流和液体工作流，还包括第七和第八热交换器，可使来自废流的热将液体工作流的一部分予热和蒸发，以形成气态工作流的一部分。

24、实现热力循环的设备，其特征在于该设备包括：

将气态工作流过热的加热器;

将过热的气态工作流膨胀以将其能量转换成有用形式的装置;

将膨胀的气态工作流分成回流和废流的第一分流器;

将废流再加热的中间再热器，以及将再加热的废流膨胀的装置;

在废流膨胀之后将回流和废流冷却的第一和第二热交换器，回流和废流的冷却所传输的热用以过热气态工作流;

将回流和贫流混合以形成合成流的第一混流器，该贫流含有的高沸点组分多于回流含有的高沸点组分，该合成流的冷凝温度范围高于蒸发对向的液体工作流时所需的温度范围;

将合成流冷凝的第三热交换器，供热以将对向的液体工作流局部蒸发，将液体工作流转换成气态工作流的一部分;

将合成流冷却和冷凝以将贫流和液体工作流予热的第四热交换器;

将合成流膨胀以降低其压力的装置;

将膨胀的合成流的第一部分，利用还未被膨胀的同一合成流的逆流所传输的热来局部蒸发的第五热交换器，可以用所述废流所传输的热将膨胀的合成流的第一部分蒸发的第六热交换器;

将局部蒸发的合成流的第一部分分离，以形成构成贫流的一部分的第一液体流和第一蒸发流的重力分离器;

将第一蒸汽流与所述膨胀的合成流的第二部分混合的洗汽器，可以使第二蒸汽流和第二液体流从所述洗汽器流出;

将所述第一液体流与所述第二液体流混合以形成所述贫流的第二混流器;

将贫流泵压至较高压力的第一泵，该压力大于由局部蒸发的合成流的第一部分分离出来的第一液体流的压力;

在废流已经传热给气态工作流之后，将废流的热传输给液体工作流以便将液体工作流蒸发以形成气态工作流的部分的第七热交换器，可以将来自废流的热予热液体工作流的第八交换器;

将第二蒸汽流与膨胀的合成流的第三部分混合以形成予冷凝工作流的第三混流器;

将予冷凝工作流冷凝以产生液体工作流的冷凝器;

在液体工作流在第四和第八热交换器内予热之前，将从冷凝器流出的液体工作流泵压至较高压力的第二泵。

25、根据权利要求22的设备，其特征在于用于将过热的气态工作流膨胀的装置是透平，用于将再加热的废流进行膨胀的装置是透平，用于将合成流膨胀的装置的液力透平。

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