CN101018930B - 热量向有用能量的有效转化 - Google Patents

Abstract

一种换热***包括配置用来接受热源流的能量子***和一个或多个配置用来将来自热源流的热量传递给工作流的换热器。该工作流最终加热到其可流过一个或多个汽轮机的点处生成能量，而该热源流经冷却到低温尾部。蒸馏冷凝子***冷却该废流以产生中间流和工作流。该工作流可由中间流进行可变地加热，以便在足够的温度下有效利用低温尾部。然后该工作流经低温尾部进行加热，随后传递下去供能量子***的使用。

Description

热量向有用能量的有效转化

技术领域

本发明涉及进行配置以通过逆流热交换来实施热力循环的***、方法和装置。特别地，本发明涉及了在热力循环内的一点或多点处用热源流加热多组分流来进行发电。 

背景技术

一些常规的换热***可以使会被浪费掉的热量转化为有用能量。常规的换热***实例之一是其使用逆流热交换技术将来自地下热水或工业废热源的热能转化成电。例如，使用一个或多个换热器，可将来自于地热出口(例如“卤水”)内相对热的液体的热量用于加热封闭***内的多相液体(“液流”)。该多相液体从低能量和低温液体状态加热成相对高压的气体(“工作流”)，然后将该高压气体或工作流通过一个或多个汽轮机，使该一个或多个汽轮机旋转并发电。 

因此，常规的换热***在总的逆流热交换原理下运转，从较冷到较热通过各种温度范围以加热多相工作流体。用于这种***的常规液体流包含各种液体组分，每种组分都有不同的沸点。因此，液体流的一种组分在一个温度点会变成气体，而另一液体流组分将会在相同温度下保持相对热的液体状态。这样有助于在封闭***内不同的点处分离不同的组分。然而，液体流的全部组分或者几乎全部的组分都可提高到一个温度以使液体流的所有组分集体形成“工作流”或高压气体。 

为了完成液体流和工作流间液体的加热，换热***包括有主要配置来冷却工作流到较低温度或者加热液体流到较高温度的装置。例如，随着液体流通过一个或多个将该液体流连接到热源流的换热器，使得该液 体流向高温状态发展，然后通过一个或多个汽轮机。相反，已经通过汽轮机的工作流通常称为废流。因为***内一个或多个阶段的废流比液体流相对较热，所以废流通过在换热器内将热传递给液体流进行冷却。 

为了达到汽轮机内膨胀的温度要求，逆流换热***从较低的温度点到较高的温度点对液体流进行加热。这会导致许多常规换热***将要考虑的***变量。例如，如果环境温度下多组分流的最佳膨胀温度是很高温的蒸气工作流，那么将会使用通常比工作流的要求温度热得多的极热热源。作为选择，如果热源仅稍微热于多组分流的最终要求温度，那么液体流将可能要求比环境温度更温暖，以将多组分流加热到所要求的工作流温度。 

至少部分由于液体流起始温度、热源温度、工作流的要求温度和***效率之间的差异，所以热源卤水通常在比所要求的热得多的温度下排出。例如，在一些示例性***中，随着常规换热***将卤水流过一个或多个换热器，卤水从约600的平均温度冷却到约170-200的排出温度。尽管200对于常规的液体流实施有意义的换热仍是一个相对热的温度，但是在相同的约170-200的温度区间的常规液体流被认为是相对冷的或温热的。特别地，常规液体流的最冷点通常是太热了而不能通过卤水的温度部分(即“低温尾部”)进行有效地加热。同样，常规热***通过在约170-200温度排出卤水会更有效率。 

一种可能的解决办法是将液体流冷却到比190-200低得多的温度，以使液体流可利用低温尾部的热量进行有效加热。一般来说，这会涉及到连同上述的换热***一起使用蒸馏冷凝子***(“DCSS”)。遗憾地是，虽然DCSS的使用可以有效地冷却废流，但是常规DCSS将一般废流所能冷却到的温度通常太低，不能有效地加以利用。也就是说，常规的DCSS将会把废流冷却到一个如此低的温度，以致于不能将其有效地提高到以后作为工作流的足够高的温度。 

因此，本发明的优点可通过允许有效利用低温尾部的***和装置加以实现。特别地，本发明的优点可通过能有效地利用DCSS的换热***加以实现，并仍可以将液体流提高到一个有效的工作流体温度。 

发明内容

本发明通过用来有效地利用比现有传热***中可能更多废热的***和装置，解决了一个或多个现有技术中的前述问题。特别地，至少部分通过有效地将DSCC与其它的热交换装置相结合，本发明提供了换热***内卤水热源的低温尾部的利用。 

例如，本发明的一个实施方案中，DCSS与逆流热交换***相连接。在工作流通过一个或多个汽轮机后，DCSS至少部分用于冷却废工作流。然而，由于DCSS所提供的液体流具有相对较冷的温度，因此添加了一个或多个热交换装置以提高液体流的温度到可用的温度范围。在该温度范围，液体流随后可通过其它的热交换器连接到温度低至150-200的低温尾部，并且最终仍然达到合适的工作流温度。 

因此，依照本发明的换热***能够将来自热源的更多热量转换成有用能量，并且也能比现有的换热***获得明显多的能效。 

本发明的示例性实施方案的其它特征和优点将在下文中加以阐述，一部分从表述来看是明显的或者可以通过这种示例性实施方案的实践而领会。这种实施方案的特征和优点可通过在附加的权利要求中特别指出的设备和组合加以实现和获得。这些特征和其它特征从以下的表述和附加的权利要求中将会变得更加十分地明显，或者通过如下文所阐述的这种示例性实施方案的实施而得知。 

附图说明

为了阐述获得上述的以及其它的本发明的优点和特点的方法，下文将通过参考具体的实施方案对上文简述的本发明进行更详细的阐述，并例示于附图中。需要理解的是这些附图仅表述了本发明的典型实施方案，因此不能认为是对其保护范围的限制，通过使用附图对本发明的其它具体特征和细节进行了说明和解释，其中： 

图1例示了对应于本发明实施方案的换热***，其中使用了两个汽轮机；和 

图2例示了对应于本发明另一实施方案的换热***，其中使用了一个汽轮机； 

具体实施方式

本发明提供了进行配置以有效地利用比现有换热***可能的更多废热的***和装置。特别地，至少部分通过有效地将DSCC与其它的热交换装置相结合，本发明提供了换热***内卤水热源的低温尾部的使用。 

例如，图1示例了本发明的实施方案之一，其中换热***100包含有能量子***101，其连接到冷却***上，诸如蒸馏冷凝子***(“DCSS”)103。该能量子***101通常认为可加热多组分流到一点处，液体多组分流在该点处会变成一种至少部分蒸汽的工作流。相反，DCSS 103通常被认为可冷却后膨胀废流成冷却后的液体流，以及在能量子***101内于适合以后用作多组分流的地方加热该液体流。随着***内热交换器中对液体的冷凝和加热，图1也显示了多组分流(既可供于液体流，也可供于热源流)贯穿换热***100的方向。 

因此，下文的表述概括了流经换热***100(和***200)的热源流(“卤水”)的流动，以及流过能量子***101和DCSS 103的废液体流和中间液体流的流动，它们与热源流显著不同且分离开来。对于热源流，可以理解的是，会有许多种能通过本发明加以实施的热源流。例如，适 合本发明使用的热源流可包括任何合适的热的液体或蒸气，或其混合物，诸如天然制备或合成制备的液体、蒸气、油类等等。因此，在此所述***的实施对于将来自例如“卤水”的地热液体的热量转换成电能以及将工厂环境中的其它合成液体废热转换成电能是特别有用的。 

再次参考图1，热源流在点50处(250-800的任何地方)进入换热***100，在此该热源分成两个流51和151，它们在工作流经过汽轮机或其它膨胀组件之前用于给其加热。例如，流51经过热交换器304，该热交换器就在工作流经过第一个汽轮机501之前的点30处给其传递热量。如本文所述，流体的分开可通过任何适合的方法加以实施，例如常规的将多组分流分开成两个单独流的分离组件。 

在工作流通过第一个汽轮机后，该工作流轻微冷却到点32。因此，当其经过邻近第二汽轮机502的热交换器305时，流151可从点32加热工作流到点35，以使该工作流就在其进入第二汽轮机502之前进行加热。这里所使用的“热交换器”可以是任何常规类型的热交换器，例如常规的壳管式或者板式换热器，或其变型或组合。因此，点151处的热源流冷却到点150的参数，并在换热器305内传递了其相当的热量。 

流150(起始流151)和152(起始流51)随后在进入热交换器303之前的点153处相结合，其中点153处的结合流要比点50处的温度低。任何工作流、中间流、废流或者其它液体流的混合或组合都可通过任何适合的混合设备加以实施，以使流体结合形成单一的流体。 

经过点153的换热器后，混合热源流仍然处在相对高的温度下，因此仍然具有可传递到工作流的大量热量。同样，点153处的结合流经过换热器303，从而将来自热源流的热量传递给工作流，引起该工作流从点66加热到点67。点53处具有轻微较冷参数的热源流，仍然处在比较高的温度下，因此使其经过换热器301。这会从点161加热工作流到点61，并且进一步从点53冷却该热源流到点54。 

在一个实施方案中，点54处热流源的这些参数涉及一个大约为170-200°F的温度范围，其他部分依赖于相关热源和***101的其它操作条件。在另一个实施方案中，点54处热流源的参数涉及一个大约为130-250°F的温度范围。点54处，热源流正好在常规“低温尾部”的参数处，通常将被废弃。然而，从以下的阐述将会更加十分地了解，***100可有效地利用该低温尾部，以使该热源流从点54经过换热器405到点55。因为换热器405传递来自低温尾部的热量，因此，该换热器405可称为“余热换热器”。 

已经阐述了热源流的路径，以下的阐述将针对***100的液体流随着其从点60到点36经过能量子***101的不同阶段的加热和冷却，以及随着其从点38到点29穿过DCSS 103的路径和变化进行了示例。作为说明，一个实施方案中，液体流可包含水和氨的混合物，其沸点约196°F，露点约338°F。因此从本说明书可以理解，液体流在点60处于或接近于其沸点，在点30处于或接近于其露点，在点18和102处于或接近于液态。因为该工作流是包含组分的混合物而不是一种纯物质，所以发生了沸点、露点和液态之间的这些差异。 

参考图1的点60处，换热***100在点161和162处将工作流分成两个多组分流。点161处的工作流在换热器301内由热源流加热到点61处的参数，而点162处的工作流在换热器302内由废流36加热到点62处的参数。在经过相关的换热器后，点61和62处的工作流结合成具有点66处参数的一个工作流。因为点60处的工作流的一部分是由热源流加热的，而该热源流的另一部分是由废流加热的，所以能量子***101可有效利用大量的潜在热源。 

点66处的工作流经换热器303由热源流从点153处加热到点67处的参数。在一个实施方案中，点67处的工作流开始向着过热蒸汽转变，之后，工作流由点51处的热源流加热以使该工作流经换热器304从点67 加热到点30。这样可优化常规的工作流以使得其能以所要求的高能状态经过汽轮机501。在一个实施方案中，所要求的高能状态是过热蒸汽。 

随着工作流经过汽轮机501，从点30到点32，工作流变得至少是“部分报废”的，以致其以损耗压力和温度的形式丧失了相当的能量。点32处的该部分废流经换热器305进行加热以获得点35处的参数。这样，人们会赞赏，***100通过连续分离点50处的热源流并经更多的换热器和汽轮机等来加热随后仍连续重复的部分废工作流从而获得附加的增值能量收益。因而，本公开内容的一个或两个汽轮机的使用仅是一个合适的实施方案的示例。 

在工作流经过一个或多个汽轮机501、502后，目前在点36处的废流可经过热交换器302。这样将废流冷却到点38处的参数，而同时将工作流的一部分从点162加热到点62。(至少一些情况下，即使点36处的废工作流是较热的，点36处的废流也可处在比点162和点62处的高压工作流较低的压力下。)常规***中，通常使点38处的废流流经点60处以进行复热性的再加热。但是在目前的***100中，点38处的废流进一步使用DCSS 103进行冷却。 

例如，使点38处的废流通过换热器401以使该废流从点38冷却到点16的参数，然后是点17。废流在换热器401内从点38到点17这一冷却将热传递给从点102到点5的比较冷的中间“贫化流”。该贫化流从点102的相对较冷的参数经过直到点3(通常是沸点)的相对较热的参数，最终到点5的参数。通常，“贫化流”指代所含低沸点组份比高沸点(例如氨相对水)组分少的液体流，而“富化流”指代所含低沸点组份比高沸点(例如氨相对水)组分多的液体流，而且，“中间贫化”流含有比“贫化”或“极度贫化”流(例如在氨/水组合物中的氨)较多的低沸点组分(即在氨/水组合物中最少量的氨)，但含有比“富化”流较少的低沸点组分。 

然后点17处的废流与具有点12处参数的极度贫化流相结合以产生具有点18处参数的结合液体流(或“中间贫化流”)。该结合的、中间贫化流在换热器402处随后冷却，该换热器将点18处的中间贫化流的热量传递给冷却介质。装置402和404包括任何合适的换热冷凝器，例如水冷或空冷的换热器。 

冷却介质可以是足以用来通过换热器402将中间贫化流从点18冷凝到点1的任何量或组合的介质。这种介质可包括空气、水/化学冷却剂等等，适宜进出***100进行简单循环。这样，冷却介质相对冷地导入***100，如点23，通过换热器402和404加热到点59和58，然后相对温暖地在点24处循环出***100。因为冷却介质循环出入该***，所以冷却介质维持一个相对固定的冷却温度，该温度可以从多组分流吸收热量。 

在中间贫化流已经凝结成点1处的参数后，泵504提高流体的压力，并引起中间贫化流提高到点2的参数。之后，提高压力的中间贫化流分成两部分。随后将进一步详细讨论的一部分具有点8处的参数，并与具有点6处参数的富化流相混合。中等压力的中间贫化流的另一部分具有点102处的参数，并在装置401内通过点6处的废流进行加热以使该中间贫化流获得点5处的参数。 

在点5处，中间贫化流在装置503内主要分成蒸气和液体组份，以致蒸气组份具有点7的参数，液体组份具有点9的参数。然而人们会感知蒸气组份和液体组份两者都不会是纯的一种组份或另一种组份。不过，蒸气流将更富含有低沸点组份(即“富化”流)，而液体流含有更多的较高沸点组份(即“贫化”流)。装置503可包含现有技术中公知的任何适当的分离器和蒸馏装置，例如重力沉降分离器(如常规闪蒸罐)。 

在一个实施方案中，点7和9处的流体的蒸气组份和液体组份进行分离以使它们能够选择性地进行混合(或者不混合)来加热(保持)到中间换热器403处的温度。例如，点7处蒸气的一部分能够选择性的分 成点6处的一个流体和点15处的另一个流体。如果点9处的液体组份对于在换热器403内将多组份流从点21加热到点29并不是足够热时，那么来自点15的较热蒸气组份流的更大部分可以添加到点9处的液体组份流上以产生具有点10处参数的更热流体。换句话说，如果点9处的液体组份对于换热器403内所需要的已足够热时，那么不再需要与点15处的蒸气相混合。因此，这种混合是可选择的并且取决于相关的操作条件。 

不管是否实施这种混合，点10处的流体通常是“极度贫化”流体或者是具有相对少量的低沸点组份的流体。该点10处的极度贫化流通过中间换热器403，加热点21处的液体流，并从点10冷却该极度贫化流到点11。一些情况下，如果必要，点11处的液体流可进一步节流到较低的压力。但是，点11处的液体流在通过换热器402之前要转到点12处的参数，然后与点17处的废流相混合。 

回头参考点5处的流体，分离自点9处液体组份的点7处蒸气组份，主要在流率方面与点6和15处的蒸气组份有很大不同。然而实际上，点6、7、15处的蒸气组份也会有轻微不同的压力。无论如何，蒸气流(即点7处的组份或点6处的组份流或15处的组份流)是富化流，其具有相对多的低沸点组份。点6处的该“富化”流随后与点8处的中间贫化流的一部分相混合，以产生点13处的多组份流。点13处的中间流具有如同随后换热过程中，例如点60处所用的工作流大约相同比例或更高比例的低沸点组份和高沸点组份(例如氨与水的比例)。 

点13处的这一中间流然后通过前述的冷却介质在换热器404中进行冷凝，并变成冷凝流体。因而，该点13处的液体流从点13处的参数冷却到点14的参数。点14处的液体流然后通过泵505泵送，以使该液体流变成具有点21处参数的高压工作流。该点21处的工作流然后通过换热器403加热到点29，并引起中间流从点10冷却到点11。在点29处， 工作流在换热器405中通过热源流的“低温尾部”进行加热，以致热源流从点54冷却到点55。 

考虑到前文所述，人们会感知到，点29处的工作流应该保持在一个合适的温度，以使其在换热器405内可有效利用(即可被加热)低温尾部。这也可有助于保证点30处的工作流以相对于***100的最高有效能流过汽轮机501。因此，点30处的工作流能否达到其最大有效能输出可能部分依赖于中间流的温度保持在点10处。例如，如果点29处的工作流处于太高的温度，那么从点54到点55处的低温尾部传送热量就很少有或者没有所增加的效率。相反，如果点29处的工作流经过DCSS 103以后太冷，那么从点54到55的低温尾部将始终不能将来自点29处的工作流加热到点60处的要求温度。 

根据本发明的一个实施方案，DCSS 103通过允许将可变的热量添加给点10处的中间流，从而可有助于确保点29处的工作流具有合适的温度。如前所述，这些可通过可变地添加(或不添加)蒸气组分15和液体组分9加以完成。换句话说，添加到流体9的蒸气15越多，点10处的混合液体流就越热，添加到点21处的工作流热量也就越多。因此，DCSS103内液体流的分离和混合的规定要允许体系100能有效地利用工作流中的低温尾部(即点54到55)。而且，本发明的实施可有效地利用低热源流以供汽轮机501和502等的附加功率。 

图2显示了另一个换热***200，其仅提供有单一的汽轮机502。特别地，如图2所示，***100可进行改进以便可省去流体32、150和151以及换热器305。这样会导致仅仅点30处的工作流通过汽轮机502以产生废流36，如上所述，该废流36随后在换热器302内加以处理。然而如上所述，用于增值能量收益的汽轮机的数量可在本发明的范围内加以变化。 

在本发明的另一实施方案中，无论是***100还是200，换热器303都无需代替换热器304。在另一实施方案中，换热器302无需代替换热器301。 

本发明在不脱离其精神或本质特征下可用其它的具体形式进行概括。上述的实施方案在每个方面都应认为仅是说明性的和非限制性的。因此，本发明的范围是由所附的权利要求而不是由上文的表述给予表明。在权利要求的等效含义和范围内所作的各种变化均应包含在它们的范围之内。 

Claims (8)

1.一种实现热力循环的装置，包括： 

连接有一膨胀器(501，502)以接受多组分工作流，并使其将该多组分工作流的能量转变成可用形式，产生一废流（点36）； 

一第一换热器(302)，其被配置为从该膨胀器(502)接收该废流（点36）并用一高压工作流（点162-62）对该废流（点36-38）进行冷却； 

一蒸馏冷凝子***（103），其被配置为接受该经冷却的废流（点38），所述蒸馏冷凝子***（103）包括： 

第二换热器（401），其被配置为冷却该经冷却的废流（点38）形成一中间贫化流（点18）； 

一第一冷凝器（402），其被配置为对该中间贫化流（点18）进行冷凝； 

第一泵（504），其被配置为对该经冷凝的中间贫化流（点1-2）施加压力，其中所述该经加压的中间贫化流（点1-2）的温度参数具有比进入蒸馏冷凝子***（103）的废流（点38）的温度参数低的温度参数； 

一分离组件（102），其被配置为将该经加压的中间贫化流（点2）分流为第一中间贫化流（点3）和第二中间贫化流（点8）； 

分离器（503），被配置为将经加热的第一中间贫化流（点3、5）分离为基本上为液体的流（点7）和基本上为气体的流（点9）； 

并且 

该蒸馏冷凝子***（103）进一步被配置为将该基本上为气体的流（点7）与该第二中间贫化流（点8）重新合并以形成一中间流（点13）； 

第二冷凝器（404），其被配置为对该中间流（点13）进行冷凝； 

第二泵（505），其被配置为对该经冷凝的中间流（点14）进行加压形成高压工作流（点21）；以及 

余热换热器（405），其被配置为接受来自该蒸馏冷凝子***（103）的所述高压工作流 （点21），并利用一外部热源流（点54-55）的低温尾部来加热所述高压工作流（点21、29）以形成该多组分工作流，其中，进入余热换热器（405）的该高压工作流的温度参数要低于进入蒸馏冷凝子***（103）的该经冷却的废流的温度参数。 

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多组分工作流包含各种组分的混合物，每种组分都有不同的沸点。 

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述外部热源流是包含一种或多种来自地热出口的卤水的流体物质。 

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述蒸馏冷凝子***进一步包含第三换热器，该第三换热器将来自该基本为液体的流的热量传递给该高压工作流，以使高压工作流被加热到适合使用该外部热源流的低温尾部的温度。 

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述膨胀器包含多个用来由所述高压工作流发电的汽轮机。 

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述能量子***进一步包含设置在每一个所述多个汽轮机附近的多个相应的换热器，以使至少外部热源流的一部分可通过每一个所述多个相应的换热器来加热高压工作流。 

7.一种实施热力循环的方法，包括： 

使多组分工作流膨胀，将其能量转变成可用形式，并产生废流； 

利用一高压工作流冷却第一换热器中的所述废流： 

将该废流与一基本上是液体的流进行合并以生成一中间贫化流; 

在一蒸馏冷凝子***中冷凝该中间贫化流； 

对该中间贫化流进行加压以形成高压中间贫化流； 

将该高压中间贫化流分成第一中间贫化流和第二中间贫化流； 

在一第二换热器中用该废流对该第一中间贫化流进行加热，其中，该第一中间贫化流包括一气体组分和一液体组分； 

将该经加热的第一中间贫化流分离为一基本上为气体的组分和一基本上为液体的组分； 

用该基本上为气体的组分与该第二中间贫化流进行合并以形成一液体流； 

在一蒸馏冷凝子***中对该液体流进行冷凝； 

对该冷凝后的液体流进行加压以生成一高压工作流；以及 

利用外部的热源流的低温尾部加热余热换热器内来自该蒸馏冷凝子***的所述高压工作流，其中进入余热换热器的高压工作流的温度参数要低于进入蒸馏冷凝子***的废流的温度参数。 

8.如权利要求7所述的方法，其进一步包括接收时对外部热源流进行分离，以便当将其导流过邻近于多个相应汽轮机的多个换热器时可用于加热所述高压工作流。