CN115478925A - 一种将热能转化为机械能的方法 - Google Patents
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Abstract
一种热能转化为机械能的方法，属于热能发电领域，由于水蒸汽工质的高相变热，使郎肯循环的发电效率止步于目前的50％多一点。本发明提出一类相变热比水工质低50至80％多的工质，和使用这类工质将热能转化为机械能及电能的热机循环方法。该方法是由热机循环、预冷循环、深冷循环相互耦合组成，热机循环的作用是，利用热机工质和相关功能装置实现热能转化为机械能；预冷循环和深冷循环的作用是，将热机工质深冷液化；实现工质低能耗的液态加压后，再向预冷循环和深冷循环回馈冷量，降低制冷能耗。采用该方法的能源转化效率，可比水蒸汽工质的热力循环方法有大幅提高。
Description
技术领域
本案属于热力循环发电领域，特别涉及将高温热能转化为机械动力能源及电力的方法。
背景技术
卡诺热力循环的效率表达式：η＝1-T2/T1指出，降低工质冷凝温度T2和提高热机进口温度T1均可有效提高工质热力循环的效率，卡诺热力循环的效率表达式的贡献在于，为工业社会简捷明了的给出了热机提高效率的努力方向；郎肯循环将卡诺循环的饱和蒸汽T1温度改为了过热蒸汽T1温度，从而有效的提高了蒸汽热力循环的热效率，在其后的150多年里，人们通过不断提高蒸汽压力、蒸汽温度；改进和优化汽轮机结构，使当今的汽轮机的有效能转化效率已达到90％左右；改进和优化锅炉结构与燃烧、传热过程，使锅炉的热效率达到94％，电厂自用电降到4％的先进水平；现行大型电厂通过提高一次蒸汽温度到600℃，压力提高到27MPa和两次600℃再热等技术，kwh标煤耗降到261克，已使电厂上网电的热效率达到47％。
进入21世纪以来，风光电逐步突破技术瓶颈，成本已降到可以不需要补贴，可直接与煤电、天然气发电争抢市场的地步，风光电的零碳排放和环保优势，迫使燃煤、天然气等发电必须突破技术困局，将热效率提高到新的高度，以获取热力发电的生存空间。
仔细分析郎肯蒸汽热力循环，可以清晰的看出，其循环工质液态升压是能耗极低工艺过程，但由于液态水和水蒸汽分子强力的、现有技术无法改变的电磁场结构的物理本质，决定了：①包括超临界汽化均须耗用巨大的有效能热量，才能将郎肯循环中的液态水汽化，实现工质在锅炉内的体积膨胀；②单位水蒸汽的热焓中相当大的比例是汽化热，即冷凝潜热，如质量1kg，压力9.8MPa、温度540℃过热蒸汽总焓为3477kJ/kg，而经汽轮机膨胀作功后，温度降到40℃，压力降到绝压7.3kPa，其焓值降为为2574kJ/kg，其中的冷凝热为2404kJ/kg，即冷凝热占到汽轮机进口蒸汽总焓值3477kJ/kg的69％；③这69％冷凝热，本质上是耗用巨大的有效能热量汽化的液态水产生的，而现有技术却根本无法回收利用，这无疑是巨大的浪费。
而载有巨大冷凝热的汽轮机排汽，被称为乏汽，还要花费巨大的代价：昂贵+体形巨大的空冷岛、或稀缺的水资源消耗+体形巨大的凉水塔，才能排向大气，这显然也是不合理的；
自1804年第一台瓦特蒸汽机诞生以来，全世界经过近220年，穷尽一切办法的不断改进，其汽轮机排汽冷凝热，由于其工质——水分子固有的电磁结构，导致卡诺循环效率表达式中的工质冷凝温度T2一直减小甚微，其工质冷凝的巨大能源损失，在入炉燃料热量中的占比，仍然还高达40％。
布雷顿循环，用绝热压缩取代了郎肯循环中的液态升压，既没有郎肯循环工质汽化的巨大耗热、也省掉了郎肯循环工质冷凝的巨大热损失，但无论是活塞发动机还是燃气轮机，高达400至600℃左右的排气，若不在排气端配置涡轮增压动力回收装置，或蒸汽郎肯循环回收利用其有效热能，其能源转化率：家用轿车汽油发动机30％、大型燃气轮机40％、船用大型柴油机50％，也与当下的大型燃煤蒸汽郎肯蒸汽循环差不多；配上郎肯蒸汽热力循环的大型燃气轮机GTCC布雷顿-郎肯联合循环，由于汽轮机乏汽的巨大冷凝热，使燃气轮机排气的热量损失了70％，最终导致GTCC联合循环热热效率也只有60％多点，这显然值得改进。
发明内容
本案的目地是提出一种能源转化率更高的，由热能转化为机械能的热力循环工作物质，简称热机工质，和使用这种工质将热能转化为机械能及电能的的热力循环方法，在本案简称热机循环方法。
1.一种热能转化为机械能的方法，其特征在于，该方法是由热机循环、预冷循环、深冷循环相互耦合实现，热机循环的作用是利用热机工质和相关功能装置实现热能转化为机械能；预冷循环和深冷循环的作用是将热机工质深冷液化，具体的描述如下：
①热机循环，采用低沸点、低汽化热的热机工质，如甲烷；在热机循环中，液态热机工质经高压液下泵(GYYXB)升压至热机循环回路最高压力后，先后依次经高压深冷液态工质管路(9)及止回阀(ZHF2)，进入液化换热器(HRQ3)吸收深冷工质气(6)液化的部分放热；经深冷换热器进口管路(10)，进入深冷换热器(HRQ2)吸收预冷工质气(5)的深冷放热的部分热量；经高压超临界工质管路(11)，进入预冷换热器(HRQ1)吸收部分常温工质气(4)的预冷放热热量；经高压工质气管路(12)，进入冷量回收换热器(HRQ4)吸收低压工质的热量后成为高压常温工质气(13)；再经高压常温工质气管路(13)，进入余热回收换热器(HRQ5)回收透平尾气余热后，成为高压预热工质气(14)；
高压预热工质气(14)进入高温热源供给装置(15)后，被加热到工艺规定的(T1)温度时成为高压高温工质气(0)，再经高压高温工质气(0)管路进入膨胀透平(PZTP)绝热膨胀作功，高压高温工质气(0)的压力由(P1)降至(P2)压力，温度由(T1)降至(T2)温度，实现热能转化为机械能的过程；
出膨胀透平(PZTP)的乏态工质气(1)经换热器(HRQ5)，将部分热量传给高压常温工质气(13)后；再经余热工质气(2)管路进入空冷器(KLQ4)排出余热后；再经余温工质气管路(3)进入换热器(HRQ4)，回收高压低温工质气(12)的冷量后；再经常工质气管路(4)进入预冷换热器(HRQ1)，被预冷循环的丙烷及高压超临界工质(11)降低温度，成为预冷工质气(5)；再经预冷工质气管路(5)进入深冷换热器(HRQ2)，被深冷循环的混合制冷剂冷却降温并开始液化后；再经深冷工质气管路(6)进入液化换热器(HRQ3)，被深冷循环的混合制冷剂冷却并完全液化成为液化工质(7)后，经止回阀(ZHF1)及管路(8)进入分离器(FLQ1)，释放出微量不凝气(BNQ)后，被设在分离器(FLQ1)底部的高压液下泵(GYYXB)升压至热机循环回路最高压力后再次热机循环；
②预冷循环，采用单组份丙烷制冷剂或混合制冷剂，预冷循环的作用是，通过预冷循环制冷剂在低压下的汽化吸热，将热机循环工质和深冷循环的制冷剂的温度，由常温预冷到≤-35℃；
预冷循环过程：经丙烷二级压缩机(C2)压缩后的高压高温丙烷气(Y1)，进入丙烷二级压缩气空冷器(KLQ2)冷却至常温液化后，经高压常温液态丙烷管路(Y2)进入预冷换热器(HRQ1)被冷却降温后，再经高压低温液态丙烷管路(Y3)进入丙烷节流膨胀机(PZJ1)降压、膨胀，并经低温气液混合丙烷管路(Y4)再次进入预冷换热器(HRQ1)低压侧汽化、吸热、降温，从而使进入预冷换热器(HRQ1)内的常温工质气(4)、常温液态丙烷(Y2)、高压常温气态混合制冷剂(S2)温度降低到预冷指标后，低压低温气态丙烷(Y5)进入丙烷一级压缩机(C1)加压后进入丙烷一级压缩气空冷器(KLQ1)冷却至常温后，经一级压缩空冷器出口丙烷气管路(Y7)进入丙烷气液分离器(FLQ2)进行气液分离；
a气相丙烷经气液分离器(FLQ2)气相出口管路(Y8)，进入丙烷二级压缩机(C2)加压后进入高压高温丙烷气(Y1)继续进行预冷循环；
b液相丙烷经丙烷液管路(Y9)，送入丙烷液加压泵(B)加压后，经丙烷液加压泵出口管路(Y10)，汇入丙烷二级压缩机(C2)出口的高压高温丙烷气(Y1)后继续进行预冷循环；
③深冷循环，深冷循环采用乙烯、甲烷、丙烷及氮气组成混合制冷剂；经预冷换热器(HRQ1)预冷后的深冷循环混合制冷剂，在深冷换热器(HRQ2)和液化换热器(HRQ3)内汽化，制造出深冷温度环境的同时吸收热机工质的热量，使热机工质冷凝液化；
其深冷循环过程：经混合制冷剂一级压缩机(C3a)压缩后的高温混合制冷剂(S1a)，被混合制冷剂一级压缩气空冷器(KLQ3a)冷却至常温后，进入混合制冷剂二级压缩机(C3b)再次压缩后，去混合制冷剂二级压缩气空冷器(KLQ3b)冷却至常温后，经高压常温气态混合制冷剂管路(S2)进入预冷换热器(HRQ1)预冷至≤-35℃，使混合制冷剂降温、部分高沸点组分液化；混合制冷剂经高压预冷混合制冷剂管路(S3)进入混合制冷剂气液分离器(FLQ3)进行气液分离；一级压缩气空冷器(KLQ3a)，若一级压缩压比较低和一级压缩机(C3a)进口温度较低，使一级压缩气温度较低，可不设一级压缩气空冷器(KLQ3a)；
a混合制冷剂气液分离器(FLQ3)的气相组分，经高压预冷低沸点组分管路(S4)，进入深冷换热器(HRQ2)再次冷却降温后，经高压深冷低沸点组分管路(S5)进入液化换热器(HRQ3)继续冷却降温后，经高压深冷气液混合态低沸点组分管路(S6)，进入低沸点组分节流膨胀机(PZJ3)减压、膨胀、降温后，经低压深冷气液态混合态低沸点组分管路(S7)，进入液化换热器(HRQ3)低压、低温侧，与深冷工质气(6)及高压深冷低沸点组分(S5)逆向流动，并吸收其热量，使热机工质冷凝液化为液体的同时，低压深冷气液态混合态低沸点组分(S7)温度升高流出液化换热器(HRQ3)；
b混合制冷剂气液分离器(FLQ3)的液相组分，经其底部的高压液态高沸点组分管路(S10)进入深冷换热器(HRQ2)冷却降温后，经高压深冷液态高沸点组分及管路(S11)，进入高沸点组分节流膨胀机(PZJ2)减压、膨胀、降温后，经低压深冷气液混合态高沸点组分管路(S12)，与来自液化换热器(HRQ3)的低压深冷气态低沸点组分汇合后，经其低压深冷气态低沸点组分管路(S8)，一同进入深冷换热器(HRQ2)低压侧，并与预冷工质气(5)、高压预冷低沸点组分(S4)、高压深冷液态高沸点组分(S11)逆流换热，吸收其热量后，成为低压气态复热混合制冷剂(S9)后，进入混合制冷剂一级压缩机(C3a)继续进行深冷循环。
2.根据本案所述的一种热能转化为机械能的方法，其特征在于，出膨胀透平(PZTP)的低压乏态工质气(1)温度比较低，可不设换热器(HRQ5)，或不设空冷器(KLQ4)；
3.根据本案所述的一种热能转化为机械能的方法，其特征在于，热机工质可为有机化合物、或无机单质、或无机化合物、或其混合物；当热机工质因高温出现其裂解、聚合物时，在热机工质气(1、2、3、4)进入预冷换热器(HRQ1)前的流程中设置分离捕集设备，在分离器(FLQ1)增加精馏功能除之，以保持热机工质的性能；
4.根据本案所述的一种热能转化为机械能的方法，其特征在于，热机循环的最高温度T1为膨胀透平材质在其工作运行压力下的许用应力温度，或热机工质在工作运行压力下的允许温度；热机循环的最低温度为热机工质的凝固温度；
5.根据本案所述的一种热能转化为机械能的方法，其特征在于，根据热机工质物性和热源条件及工艺需要，将热机工质深冷液化的预冷循环和深冷循环可以设计为，在一个循环中既有预冷、又有深冷的单级冷却液化循环，或单级预冷循环+多级深冷循环液化循环、或多级预冷循环+多级深冷循环液化循环、或多级预冷循环+单级级深冷循环液化循环。
6.根据本案所述的一种热能转化为机械能的方法，其特征在于，根据高温热源供给装置提供热源温度、物态，膨胀透平可以为多次再热的多级膨胀透平，以提高能量转化效率。
7.根据本案所述的一种热能转化为机械能的方法，其特征在于，膨胀透平的负载除发电机外，还可以为其它需要机械动力的设备、或预冷循环的丙烷压缩机、深冷循环的混合制冷剂压缩机、或预冷循环的丙烷压缩机+深冷循环的混合制冷剂压缩机。
8.根据本案所述的一种热能转化为机械能的方法，其特征在于，根据热机工质特性、或提高热能机械能转化效率，可在余热工质气(2)、或余温工质气(3)、或常温工质气(4)、或预冷工质气(5)、或深冷工质气管路中设置热机工质升压机。
9.根据本案所述的一种热能转化为机械能的方法，其特征在于，热机工质在大气压下沸点≤-30℃，摩尔汽化热≤预冷循环制冷剂摩尔汽化热×50％，摩尔汽化热≤深冷循环混合制冷剂平均摩尔汽化热；热机工质在大气压下的摩尔比热容≤预冷循环制冷剂摩尔比热容×70％，热机工质在大气压下的摩尔比热容≤深冷循环混合制冷剂摩尔比热容。
10.根据本案所述的一种热能转化为机械能的方法，其特征在于，高温热源供给装置，为具有提供≥100℃温度热源的各种气、固、液、颗粒物料的换热装置，或太阳能光热熔盐换热装置，或气、液、固体燃料燃烧装置。
采用本案具有以下积极效果：
经初步检索，未检出本案所述的热能转化为机械能的方案。
①采用该发明将热能转化为机械能，由于热机工质为非水工质，可大大减少水资源消耗；
②由于采用非水热机工质，如甲烷液化温度为-161℃，相当于将卡诺热力循环的效率表达式：η＝1-T2/T1中的低温热源温度T2，由空冷式燃煤电厂汽轮机排气在空冷岛冷却温度40℃，降低了200℃。
③由于热机工质，如甲烷的摩尔气化热8414kJ/kmol，氮气的摩尔气化热5561kJ/kmol，而常规空冷电厂的工质水在50℃温度下的气化热达42873kJ/kmol，分别是甲烷和氮气的5.09倍和7.7倍；由于同一物质，在同一温度压力条件下的汽化热耗热＝冷凝放热，采用甲烷、或氮气作为热力循环工质，可以使工质摩尔相变热比水减少80％、或87％，从而采用甲烷、氮气为工质，就可为加热热机工质的能源更多的转化为机械能、电能，并部分用于工质气冷却液化创造重要条件；
④深冷液化耗能使甲烷、氮气液化赋予的低温，在加压后，先后进入液化换热器(HRQ3)、深冷换热器(HRQ2)、预冷换热器(HRQ1)充分回收利用，从而大幅降低了预冷循环和深冷循环的负荷、能耗；
⑤正是由于本案所述热机工质的低汽化/冷凝热物理特性、流程使深冷冷量直接充分回收两大关键因数，大幅降低了工质液化能耗，成就了本案所述的热能机械能转化方法。
⑥本案的热能转化为机械能的热力循环中，保留了郎肯循环热机工质液态升压的低能耗工质加压优点。
⑦本案没有郎肯循环占总热量40％以上的，汽化耗热即水蒸汽冷凝热损失；
⑧当采用本案所述方法为各种工业炉、窑的高温排气，进行余热回收发电时，其余热的发电量的效率将由现行的15～30％，提高到30～60％；用本案配套于IGCC联合循环发电，可使热效率有现行的45％。提高到60％。
附图说明
图1，由传统水工质循环的水泵、锅炉、汽轮机和冷凝器，4个主要装设备组成的郎肯蒸汽热力循环发电工艺图；
图中：
E100％，为输入郎肯蒸汽热力循环***的燃煤、或燃油、或燃气等燃料的总热量；
IN，输入；
OUT，输出、或热损失；
-Es6％，包括锅炉排烟气热、炉体表面散热等在内的热损失，占输入总热量E的6％；
-Ee47％，郎肯蒸汽热力循环的上网电量，占输入总热量E的47％；
-Ee43％，水蒸汽工质冷凝液化热损失43％；
-Ee4％，郎肯热力循环中的锅炉风机、工质循环、冷凝、汽轮机等运工艺、设备耗电；
图2，本案所述的一种将热能转化为机械能工艺原理、过程说明图
图中：
高温热源供给装置，为各种气、液、固体燃烧炉，或各种燃机和发动机高温排气，或各种工业气、液、固体余热载体，或太阳能光热熔盐等；
FDJ，发电机；
PZTP，膨胀透平；
C1，丙烷一级压缩机；
C2，丙烷二级压缩机；
C3a，混合制冷剂一级压缩机；
C3b，混合制冷剂二级压缩机；
B，丙烷液加压泵；
GYYXB，高压液下泵；
BNQ，不凝气；
FLQ1，热机循环的液化工质分离器，
FLQ2，丙烷气液分离器；
FLQ3，混合制冷剂气液分离器；
HRQ1，预冷换热器；
HRQ2，深冷换热器；
HRQ3，液化换热器；
HRQ4，热机工质冷量回收换热器；
HRQ5，透平尾气余热回收换热器；
KLQ1，丙烷一级压缩气空冷器；
KLQ2，丙烷二级压缩气空冷器；
KLQ3a，混合制冷剂一级压缩气空冷器；
KLQ3b，混合制冷剂二级压缩气空冷器；
KLQ4，热机工质空冷器；
ZHF1，液化的热机工质止回阀；
ZHF2，高压深冷液态工质止回阀；
PZJ1，丙烷节流膨胀机；
PZJ2，高沸点组分节流膨胀机；
PZJ3，低沸点组分节流膨胀机；
热能机械能循环标记号内容如下：
0，热机循环高温工质气及管路；
1，透平出口乏态工质气及管路；
2，余热回收换热器出口余热工质气及管路；
3，空冷器出口余温工质气及管路；
4，冷量回收换热器出口常温工质气及管路；
5，预冷换热器出口预冷工质气及管路；
6，深冷换热器出口深冷工质气及管路；
7，液化换热器出口液化工质及管路；
8，液化工质分离器进口深冷液态工质及管路；
9，高压深冷液态工质及管路；
10，深冷换热器进口管路及高压低温液态工质；
11，深冷换热器出口高压超临界工质及管路；
12，预冷换热器出口高压低温工质气及管路；
13，冷量回收换热器出口高压常温工质气及管路；
14，高温热源供给装置进口高压预热工质气及管路；
15，高温热源供给装置；
预冷循环标记号内容如下：
Y1，高压高温丙烷气及管路；
Y2，高压常温液态丙烷及管路；
Y3，高压低温液态丙烷及管路；
Y4，节流减压后低温气液混合丙烷及管路；
Y5，低压低温气态丙烷及管路；
Y6，一级压缩出口丙烷气及管路；
Y7，一级压缩空冷器出口丙烷气及管路；
Y8，丙烷分离器气相出口丙烷气及管路；
Y9，丙烷分离器液相出口丙烷液及管路；
Y10，丙烷液加压泵出口管路；
深冷循环标记号内容如下：
S1a，高温混合制冷剂及管路；
S1b，常温混合制冷剂及管路；
S1c，高压高温混合制冷剂及管路；
S2，高压常温气态混合制冷剂及管路；
S3，高压预冷混合制冷剂及管路；
S4，高压预冷低沸点组分及管路；
S5，高压深冷低沸点组分及管路；
S6，高压深冷气液混合态低沸点组分及管路；
S7，低压深冷气液态混合态低沸点组分及管路；
S8，低压深冷气态低沸点组分及管路；
S9，低压气态复热混合制冷剂及管路；
S10，高压液态高沸点组分及管路；
S11，高压深冷液态高沸点组分及管路；
S12，低压深冷气液混合态高沸点组分及管路；
P1，膨胀汽轮机进口压力；
P2，膨胀汽轮机出口压力；
T1，膨胀汽轮机进口温度；
T2，膨胀汽轮机出口温度。
具体实施方式
以某化工裂解炉出口气的相关参数条件，说明采用本案的实施方式。
1.裂解炉出口气相关参数如下表
| 排气温度/℃ | 排气量/kgs<sup>-1</sup> | 排气热容kJ/kg℃ | 排气总焓Mw |
| 634 | 667 | 1.11 | 469.39 |
2.采用传统余热锅炉生产蒸汽发电，经优化后能够得到的汽轮机的相关参数
该传统余热锅炉生产蒸汽发电热效率：156/469.39×100％＝33.23％
低压缸排出乏汽422.4t/h，以每kg焓值2550kJ/kg，释放冷凝热2400kJ/kg，即每小时损失冷凝热热量达1013760MJ/h，即281.6Mw，冷凝热损失占总热焓的比例达，281.6/469.39×100％＝60％；锅炉排烟及相关热损失，469.39-156-281.6＝31.76Mw，占总热焓的比例：31.76/469.39×100％＝6.76％
3.采用以上相关参数，首先通过热源供给装置的换热器，将裂解路的排气热量交换为P1＝30MPa压力热机工质甲烷的热量，使甲烷工质温度达到T1＝600℃，甲烷工质进入膨胀透平绝热膨胀，推动汽轮机将热能转化为机械能，温度降至T2＝85℃，压力降到P2＝0.3MPa，流程中各动力设备功率数据如下表：
正是由于燃机工质在深冷循环中实现低能耗的液态加压，使其在换冷复热，即回馈冷量和热源供给装置中传入的热量，能够转化为在膨胀透平中可回收的、达439.32Mw高额的机械能量，这也为工质液化提供了关键的能源支持。
本案中的预冷循环和深冷循环压缩机出口的制冷剂冷却，采用在空冷器末段喷雾增湿等焓降温空冷工艺，使制冷剂空冷器出口达到传统凉水塔的水冷效果，即≤35℃；由于制冷剂压缩机出口温度达到60-75℃，空冷岛完全可以采用自然通风冷却，而不需设置耗电的机械通风，从而降低制冷***电耗。
本案循环效率：291.44/469.39×100％＝62％；，比郎肯蒸汽循环蒸汽循环热效率33.23％，提高28.77个百分点，增加净输出功138.4Mw，增加比例达88.7％。
上述实施例仅为说明本案所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也不可能举出所有的实施方式，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本发明创造的保护范围。
Claims (10)
1.一种热能转化为机械能的方法，其特征在于，该方法是由热机循环、预冷循环、深冷循环相互耦合实现，热机循环的作用是利用热机工质和相关功能装置实现热能转化为机械能；预冷循环和深冷循环的作用是将热机工质深冷液化，具体的描述如下：
①热机循环，采用低沸点、低汽化热的热机工质，如甲烷；在热机循环中，液态热机工质经高压液下泵(GYYXB)升压至热机循环回路最高压力后，先后依次经高压深冷液态工质管路(9)及止回阀(ZHF2)，进入液化换热器(HRQ3)吸收深冷工质气(6)液化的部分放热；经深冷换热器进口管路(10)，进入深冷换热器(HRQ2)吸收预冷工质气(5)的深冷放热的部分热量；经高压超临界工质管路(11)，进入预冷换热器(HRQ1)吸收部分常温工质气(4)的预冷放热热量；经高压工质气管路(12)，进入冷量回收换热器(HRQ4)吸收低压工质的热量后成为高压常温工质气(13)；再经高压常温工质气管路(13)，进入余热回收换热器(HRQ5)回收透平尾气余热后，成为高压预热工质气(14)；
高压预热工质气(14)进入高温热源供给装置(15)后，被加热到工艺规定的(T1)温度时成为高压高温工质气(0)，再经高压高温工质气(0)管路进入膨胀透平(PZTP)绝热膨胀作功，高压高温工质气(0)的压力由(P1)降至(P2)压力，温度由(T1)降至(T2)温度，实现热能转化为机械能的过程；
出膨胀透平(PZTP)的乏态工质气(1)经换热器(HRQ5)，将部分热量传给高压常温工质气(13)后；再经余热工质气(2)管路进入空冷器(KLQ4)排出余热后；再经余温工质气管路(3)进入换热器(HRQ4)，回收高压低温工质气(12)的冷量后；再经常工质气管路(4)进入预冷换热器(HRQ1)，被预冷循环的丙烷及高压超临界工质(11)降低温度，成为预冷工质气(5)；再经预冷工质气管路(5)进入深冷换热器(HRQ2)，被深冷循环的混合制冷剂冷却降温并开始液化后；再经深冷工质气管路(6)进入液化换热器(HRQ3)，被深冷循环的混合制冷剂冷却并完全液化成为液化工质(7)后，经止回阀(ZHF1)及管路(8)进入分离器(FLQ1)，释放出微量不凝气(BNQ)后，被设在分离器(FLQ1)底部的高压液下泵(GYYXB)升压至热机循环回路最高压力后再次热机循环；
②预冷循环，采用单组份丙烷制冷剂或混合制冷剂，预冷循环的作用是，通过预冷循环制冷剂在低压下的汽化吸热，将热机循环工质和深冷循环的制冷剂的温度，由常温预冷到≤-35℃；
预冷循环过程：经丙烷二级压缩机(C2)压缩后的高压高温丙烷气(Y1)，进入丙烷二级压缩气空冷器(KLQ2)冷却至常温液化后，经高压常温液态丙烷管路(Y2)进入预冷换热器(HRQ1)被冷却降温后，再经高压低温液态丙烷管路(Y3)进入丙烷节流膨胀机(PZJ1)降压、膨胀，并经低温气液混合丙烷管路(Y4)再次进入预冷换热器(HRQ1)低压侧汽化、吸热、降温，从而使进入预冷换热器(HRQ1)内的常温工质气(4)、常温液态丙烷(Y2)、高压常温气态混合制冷剂(S2)温度降低到预冷指标后，低压低温气态丙烷(Y5)进入丙烷一级压缩机(C1)加压后进入丙烷一级压缩气空冷器(KLQ1)冷却至常温后，经一级压缩空冷器出口丙烷气管路(Y7)进入丙烷气液分离器(FLQ2)进行气液分离；
a气相丙烷经气液分离器(FLQ2)气相出口管路(Y8)，进入丙烷二级压缩机(C2)加压后进入高压高温丙烷气(Y1)继续进行预冷循环；
b液相丙烷经丙烷液管路(Y9)，送入丙烷液加压泵(B)加压后，经丙烷液加压泵出口管路(Y10)，汇入丙烷二级压缩机(C2)出口的高压高温丙烷气(Y1)后继续进行预冷循环；
③深冷循环，深冷循环采用乙烯、甲烷、丙烷及氮气组成混合制冷剂；经预冷换热器(HRQ1)预冷后的深冷循环混合制冷剂，在深冷换热器(HRQ2)和液化换热器(HRQ3)内汽化，制造出深冷温度环境的同时吸收热机工质的热量，使热机工质冷凝液化；
其深冷循环过程：经混合制冷剂一级压缩机(C3a)压缩后的高温混合制冷剂(S1a)，被混合制冷剂一级压缩气空冷器(KLQ3a)冷却至常温后，进入混合制冷剂二级压缩机(C3b)再次压缩后，去混合制冷剂二级压缩气空冷器(KLQ3b)冷却至常温后，经高压常温气态混合制冷剂管路(S2)进入预冷换热器(HRQ1)预冷至≤-35℃，使混合制冷剂降温、部分高沸点组分液化；混合制冷剂经高压预冷混合制冷剂管路(S3)进入混合制冷剂气液分离器(FLQ3)进行气液分离；
a混合制冷剂气液分离器(FLQ3)的气相组分，经高压预冷低沸点组分管路(S4)，进入深冷换热器(HRQ2)再次冷却降温后，经高压深冷低沸点组分管路(S5)进入液化换热器(HRQ3)继续冷却降温后，经高压深冷气液混合态低沸点组分管路(S6)，进入低沸点组分节流膨胀机(PZJ3)减压、膨胀、降温后，经低压深冷气液态混合态低沸点组分管路(S7)，进入液化换热器(HRQ3)低压、低温侧，与深冷工质气(6)及高压深冷低沸点组分(S5)逆向流动，并吸收其热量，使热机工质冷凝液化为液体的同时，低压深冷气液态混合态低沸点组分(S7)温度升高流出液化换热器(HRQ3)；
b混合制冷剂气液分离器(FLQ3)的液相组分，经其底部的高压液态高沸点组分管路(S10)进入深冷换热器(HRQ2)冷却降温后，经高压深冷液态高沸点组分及管路(S11)，进入高沸点组分节流膨胀机(PZJ2)减压、膨胀、降温后，经低压深冷气液混合态高沸点组分管路(S12)，与来自液化换热器(HRQ3)的低压深冷气态低沸点组分汇合后，经其低压深冷气态低沸点组分管路(S8)，一同进入深冷换热器(HRQ2)低压侧，并与预冷工质气(5)、高压预冷低沸点组分(S4)、高压深冷液态高沸点组分(S11)逆流换热，吸收其热量后，成为低压气态复热混合制冷剂(S9)后，进入混合制冷剂一级压缩机(C3a)继续进行深冷循环。
2.根据权利要求1所述的一种热能转化为机械能的方法，其特征在于，出膨胀透平(PZTP)的低压乏态工质气(1)温度比较低，可不设换热器(HRQ5)，或不设空冷器(KLQ4).
3.根据权利要求1所述的一种热能转化为机械能的方法，其特征在于，热机工质可为有机化合物、或无机单质、或无机化合物、或其混合物；当热机工质因高温出现其裂解、聚合物时，在热机工质气(1、2、3、4)进入预冷换热器(HRQ1)前的流程中设置分离捕集设备，在分离器(FLQ1)增加精馏功能除之，以保持热机工质的性能.
4.根据权利要求1所述的一种热能转化为机械能的方法，其特征在于，热机循环的最高温度T1为膨胀透平材质在其工作运行压力下的许用应力温度，或热机工质在工作运行压力下的允许温度；热机循环的最低温度为热机工质的凝固温度.
5.根据权利要求1所述的一种热能转化为机械能的方法，其特征在于，根据热机工质物性和热源条件及工艺需要，将热机工质深冷液化的预冷循环和深冷循环可以设计为，在一个循环中既有预冷、又有深冷的单级冷却液化循环，或单级预冷循环+多级深冷循环液化循环、或多级预冷循环+多级深冷循环液化循环、或多级预冷循环+单级级深冷循环液化循环。
6.根据权利要求1所述的一种热能转化为机械能的方法，其特征在于，根据高温热源供给装置提供热源的温度、物态，膨胀透平可以为多次再热的多级膨胀透平，以提高能量转化效率。
7.根据权利要求1所述的一种热能转化为机械能的方法，其特征在于，膨胀透平的负载除发电机外，还可以为其它需要机械动力的设备、或预冷循环的丙烷压缩机、深冷循环的混合制冷剂压缩机、或预冷循环的丙烷压缩机+深冷循环的混合制冷剂压缩机。
8.根据权利要求1所述的一种热能转化为机械能的方法，其特征在于，根据热机工质特性、或提高热能机械能转化效率，可在余热工质气(2)、或余温工质气(3)、或常温工质气(4)、或预冷工质气(5)、或深冷工质气管路中设置热机工质升压机。
9.根据权利要求1所述的一种热能转化为机械能的方法，其特征在于，热机工质在大气压下沸点≤-30℃，摩尔汽化热≤预冷循环制冷剂摩尔汽化热×50％，摩尔汽化热≤深冷循环混合制冷剂平均摩尔汽化热；热机工质在大气压下的摩尔比热容≤预冷循环制冷剂摩尔比热容×70％，热机工质在大气压下的摩尔比热容≤深冷循环混合制冷剂摩尔比热容。
10.根据权利要求1所述的一种热能转化为机械能的方法，其特征在于，高温热源供给装置，为具有提供≥100℃温度热源的各种气、固、液、颗粒物料的换热装置，或太阳能光热熔盐换热装置，或气、液、固体燃料燃烧装置。
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