三次膨胀废热回收系统和方法
【专利摘要】本发明提供一种废热回收系统。废热回收系统包括用于使工作流体循环的朗肯循环系统。朗肯循环系统包括构造成将热从热源传递至工作流体的至少一个第一废热回收锅炉。朗肯循环系统还包括构造成接收来自至少一个第一废热回收锅炉的加热的工作流体的第一膨胀器。此外，朗肯循环系统包括联接至至少一个发电机的第二膨胀器和第三膨胀器。废热回收系统还包括构造成接收来自第一膨胀器、第二膨胀器和第三膨胀器的处于低压的工作流体以用于冷却的冷凝器以及连接至冷凝器用于接收来自冷凝器的工作流体的冷却和冷凝液流的泵。
【专利说明】三次膨胀废热回收系统和方法
【技术领域】
[0001]本申请大致涉及发电，并且更具体地涉及一种用于从具有用于电力产生的不同温度的多个热源回收废热的系统和方法。
【背景技术】
[0002]许多工业电力需求可能受益于这样的发电系统:所述发电系统以最小的环境影响提供电力或机械动力并且可被容易地合并到现有电网中或者作为独立的单元被快速地设置。比如为燃气涡轮机或大型往复式发动机的内燃机适于在工业应用中发电，但其依赖于成本逐渐提高的燃料，并且还产生排放物和废热。在不增加排放物的输出并且不需要附加燃料的情况下由内燃机的废热产生电力的一种方法是应用底循环。底循环利用来自比如为发动机的热源的废热，并且将热能转化成电力。朗肯循环通常被应用为用于大型内燃机的底循环。朗肯循环还被用于由地热或工业热源发电。基本朗肯循环包括涡轮发电机、锅炉、冷凝器和进给泵。
[0003]在一个设置成由废热产生电力的传统系统中，利用二氧化碳作为工作流体的朗肯循环系统与回热器一起使用。但是，由于工作流体的锅炉入口温度在经过回热器之后升高，因此能够从废热源回收的热的量受到限制。锅炉效率下降，并且热输入以及电力输出受到限制。
[0004]因此，存在对于利用最多废热并且产生提高的净电力输出的有效的朗肯循环系统的需求。
【发明内容】
[0005]根据本发明的实施例，提供一种废热回收系统。该废热回收系统包括用于使工作流体循环的朗肯循环系统。朗肯循环系统包括构造成将热从热源传递至工作流体的至少一个第一废热回收锅炉。朗肯循环系统还包括构造成接收来自至少一个第一废热回收锅炉的加热的工作流体的第一膨胀器。此外，朗肯循环系统包括联接至至少一个发电机的第二膨胀器和第三膨胀器。废热回收系统还包括构造成接收来自第一膨胀器、第二膨胀器和第三膨胀器的处于低压的工作流体以用于冷却的冷凝器以及连接至冷凝器用于接收来自冷凝器的工作流体的冷却和冷凝液流的泵，其中，该泵构造成将冷凝的工作流体泵送至工作流体的进入第一废热回收锅炉内的主液流、工作流体的进入第二膨胀器内的第二液流以及工作流体的进入第三膨胀器内的第三液流。
[0006]根据本发明的实施例，提供一种废热回收系统。该废热回收系统包括用于使工作流体循环的朗肯循环系统。朗肯循环系统包括构造成将热从热气流或烟道气流传递至工作流体的至少一个第一废热回收锅炉。朗肯循环系统还包括构造成接收来自至少一个第一废热回收锅炉的加热的工作流体的第一膨胀器。此外，朗肯循环系统包括联接至第一膨胀器的第二膨胀器和联接至第二膨胀器的第三膨胀器，使得第一膨胀器、第二膨胀器和第三膨胀器直接或间接地彼此串联联接以及进一步地联接至发电机。废热回收系统还包括构造成接收来自第一膨胀器、第二膨胀器和第三膨胀器的处于低压的工作流体的冷凝器，以便进行冷却。此外，废热回收系统包括连接至冷凝器用于接收来自冷凝器的工作流体的冷却和冷凝的液流的泵，其中，泵构造成用于将冷凝的工作流体泵送至工作流体的进入第一废热回收锅炉内的主液流、工作流体的经由第一回热器进入第二膨胀器内的第二液流和工作流体的经由第二回热器进入第三膨胀器内的第三液流。此外，废热回收系统包括构造成用于加热工作流体的在进入第二膨胀器之前排出第一回热器的第二液流的至少一个第二废热回收锅炉。
[0007]根据本发明的实施例，提供一种在朗肯循环中利用工作流体来回收废热以用于发电的方法。该方法包括泵送工作流体的主液流通过至少一个第一废热回收锅炉，用于将热从热气流或烟道气流传递至工作流体。该方法还包括通过第一膨胀器使工作流体的加热的主液流膨胀。此外，该方法包括将工作流体的第二液流泵送通过第二膨胀器以及将工作流体的第三液流泵送通过第三膨胀器。最后，该方法包括使分别排出第一膨胀器、第二膨胀器和第三膨胀器的工作流体的主液流、工作流体的第二液流和工作流体的第三液流的混合流通过辅助预冷器和冷凝器，用于冷凝工作流体的混合流并且进一步通过泵。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]当参考附图阅读以下详细说明时将更容易地理解本发明的这些以及其他特征、方面和优势，在附图中，相同的符号在整个附图中表示相同的零件，其中:
[0009]图1是根据本发明的实施例的复原的废热回收系统的循环的图示示图。
[0010]图2是根据本发明的实施例的由温度-熵示图表示的图1中所示出的循环的说明性示图。
[0011]图3是根据本发明的另一个实施例的复原的废热回收系统的循环的图示示图。
[0012]图4是说明包含在根据本发明的实施例用于利用朗肯循环中的工作流体发电的回收废热的方法中的示例性步骤的流程图。
【具体实施方式】
[0013]在介绍本发明的各个实施例的元件时，冠词“一”、“一种”、“该”和“所述”旨在表示存在该元件中的一个或更多个。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在表示包括性的并且意味着可以存在除所列元件以外的另外的元件。操作参数的任何例子并不排除所公开的实施例的其他参数。
[0014]图1是根据本发明的实施例的复原的废热回收系统10的循环的图示示图。废热回收系统10包括用于使工作流体14循环的朗肯循环系统12。在一个实施例中，工作流体是超临界二氧化碳。朗肯循环系统12包括构造成将热从热源传递至工作流体14的至少一个第一废热回收锅炉16。朗肯循环系统12还包括构造成接收来自至少一个第一废热回收锅炉16的加热的工作流体14的第一膨胀器18。此外，朗肯循环系统12包括联接至第一膨胀器18的第二膨胀器20。此外，朗肯循环系统12包括联接至第二膨胀器20的第三膨胀器22，使得第一膨胀器18、第二膨胀器20和第三膨胀器22直接或间接地彼此串联联接，并且进一步联接至发电机24。膨胀器18、20、22的非限制性示例包括燃气涡轮机。在一个实施例中，第一膨胀器18或第二膨胀器20或第三膨胀器22中的每一个可以独立地联接至不同的发电机。在另一个实施例中，第一膨胀器18、第二膨胀器20和第三膨胀器22可以通过齿轮箱联接。废热回收系统10还包括冷凝器26，冷凝器26构造成在低压级6处接收来自第一膨胀器18、第二膨胀器20和第三膨胀器22的工作流体14，以便进行冷却。在一个实施例中，冷凝器26利用冷流体流27用于冷却工作流体14。此外，废热回收系统包括连接至冷凝器26的泵28，用于接收来自冷凝器26的工作流体14的冷却流和冷凝流。泵28被构造成用于将冷凝的工作流体14泵送至工作流体14的进入第一废热回收锅炉16内的主液流(由箭头30指示)、工作流体14的进入第二膨胀器20内的第二液流(由箭头32指示)以及工作流体14的进入第三膨胀器22内的第三液流(由箭头34指示)。由于工作流体二氧化碳具有相当低的临界温度，因此在温暖的环境条件下不可能获得如同在正常的朗肯循环中那样的冷凝作用。需要理解的是，在该系统中，冷凝器26不应该被严格地限制于将工作流体完全地冷凝至液态的装置，而且也可以是仅将气体冷却至致密的超临界状态的装置。同样地，泵28可以不仅泵送液体，而且可以传输和加压离开冷凝器26的气体。
[0015]在一个实施例中，第一废热回收锅炉16包括换热器部分，换热器部分构造成将热从第一热气流或第一烟道气流17传输至工作流体14的进入第一膨胀器18内的主液流(由箭头30指示)。如图1所示，朗肯循环系统12还包括第一回热器36，第一回热器36构造成将热从工作流体14的排出第一膨胀器18的主液流30传输至工作流体14的在进入第二膨胀器20内之前的第二液流32。在一个实施例中，第一回热器36是中温回热器。此外，朗肯循环系统12包括第二回热器38，第二回热器38构造成将热从工作流体的排出第二膨胀器20的第二液流32传输至工作流体14的在进入第三膨胀器22内之前的第三液流34。在一个实施例中，第二回热器38是低温回热器。
[0016]此外，在一个实施例中，朗肯循环系统12包括辅助冷却器40，辅助冷却器40用于对分别从第一膨胀器18、第二膨胀器20和第三膨胀器22排出之后、在进入冷凝器26之前的工作流体14的主液流30、工作流体14的第二液流32和工作流体14的第三液流34的混合流进行预冷却。在热电联供((^?)系统中，在辅助冷却器40中通过预冷却获得的热可被用于外部处理。在一个实施例中，辅助冷却器40通过将热传递至工作流体14的主液流30以用于在进入废热回收锅炉16之前进行预加热来利用通过朗肯循环系统12中的预冷却获得的热。
[0017]如图1所示，废热回收循环10包括通过级1、2、3队4！1、5！1和6表示的一个主回路循环42。废热回收系统10还包括平行于主回路循环42的第二回路循环44和第三回路循环46。第二回路循环44和第三回路循环46的这种级联利用第一回热器和第二回热器有效地利用来自在第一膨胀器18和第二膨胀器20中膨胀之后的膨胀的二氧化碳(工作流体14)的额外的剩余过热。如图1所示，第二回路循环44通过级1、2、31、41、51、6表示，并且第二回路循环46通过级1、2、31、礼、6表示。
[0018]图2是根据本发明的实施例的通过温度-熵示图50表示的图1中所示的循环10的示意图。温度(摄氏度)在竖直V轴上示出，并且熵(千焦每开氏度)在水平X轴上示出。温度-摘不图50清晰地表不了主回路循环42 (通过级指不)、第二回路循环44 (通过级1-2-31-41-51-6-1指示)和第三回路循环46 (通过级1-2-3[-礼-6-1指示)。在主回路循环42中，来自冷凝器26的液体工作流体14(在图1中示出)在级2处被泵送成超高压(例如，300巴)并且随后在废热回收锅炉16中被加热。在被加热到接近废热源的温度之后，工作流体14在第一膨胀器18(在图1中示出)中产生动力。工作流体14经历膨胀过程，在膨胀过程期间，工作流体14的温度和压力在级3?至4?中下降。此外，排出第一膨胀器18的低压工作流体14在第一回热器36(图1中所示)中冷却，在第一回热器36中，工作流体将热传递至在泵之后从工作流体14的主液流30转向的工作流体14的第二液流32 (如图1所示)。该第二液流32还在以更低温度操作的第二膨胀器20中膨胀(级31至41)并且在第二回热器38中再次以相同的方式加热工作流体的第三液流34(在图1中示出)，在第二回热器38处，温度从状态41至51进一步地下降。在一个实施例中，第二液流32能够在废热回收锅炉中的另外的换热器部分内被进一步加热至可能与第一流一样高的更高的温度。工作流体14的第三液流34 (图1所示)在泵之后也从高压管线(主液流30)转向，并且在被第二回热器38中的第二液流32 (如图1所示)加热之后在第三膨胀器22中从状态31至礼膨胀，并且随后在级6处在低压下与主液流30和第二液流32混合。在一个实施例中，工作流体14的混合流能够在冷却器中或通过在被冷却和冷凝之前加热工作流体30、32或34的其他液流中的一个而在回热器中被进一步冷却。对于冷凝作用，二氧化碳工作流体14被冷却至301:的临界温度以下，否则冷却的致密气体形成在冷凝器26中并被供给至进给泵。
[0019]图3是根据本发明的另一个实施例的复原的废热回收系统70的循环的图示示图。废热回收系统70类似于如图1所示的废热回收系统10，除废热回收系统70包括第二废热回收锅炉21之外。在该实施例中，第二回路循环44包括第二废热回收锅炉21，第二废热回收锅炉21利用热烟道气或流体19的液流以将工作流体14的在第一回热器36中首先被加热之后的第二液流32进一步加热至等于第一废热回收锅炉16中的工作流体的主液流30的温度。在第二废热回收锅炉21中对工作流体14的第二液流32的加热能够带来废热回收系统70的较低峰值温度下的更高效率的热力学优势。
[0020]图4是说明包含在利用朗肯循环中的工作流体回收用于发电的废热的方法100中的步骤的流程图。在步骤102处，该方法包括泵送工作流体的主液流通过至少一个第一废热回收锅炉，用于将热从热气流或烟道气流传递至工作流体。在步骤104处，该方法包括通过第一膨胀器使工作流体的加热的主液流膨胀。进一步地，在步骤106处，该方法包括使工作流体的第二液流从主液流转向通过第二膨胀器。在步骤108处，该方法包括使工作流体的第三液流从主液流转向通过第三膨胀器。最后，在步骤110处，该方法包括使分别排出第一膨胀器、第二膨胀器和第三膨胀器的工作流体的主液流、工作流体的第二液流以及工作流体的第三液流的混合流穿过辅助预冷器和冷凝器，用于冷凝工作流体的混合流并且将冷凝的工作流体引导至泵。
[0021]有利地，本发明利用二氧化碳作为工作流体，二氧化碳可被加热至非常高的温度，带来废热回收系统的高效率。此外，二氧化碳是非毒性和热稳定的工作流体。利用使用具有级联回热器的三个膨胀器的三次膨胀过程的当前系统和方法从被引导至当前系统中的可用的废热中提取最高功率。此外，在第二废热回收锅炉中对工作流体的第二液流的加热能够带来在废热回收系统的较低峰值温度下的更高效率的热力学优势。
[0022]此外，本领域技术人员将认识到不同实施例的各个特征的可互换性。类似地，所说明的各个方法步骤和特征以及对于每一个这种方法和特征的其他已知等同方案能够被本领域普通技术人员组合和匹配，以根据本发明的原理构造另外的系统和技术。当然，可以理解，根据任何具体的实施例可能并不一定实现如上所述的所有这些目的或优势。因此，例如，本领域技术人员将认识到，本文中说明的系统和技术可以以实现或优化如本文中教导的一个优势或一组优势的方式实施或执行，同时不必实现如本文中可能被教导或提出的其他目的或优势。
[0023]虽然本文中已示出和说明了本发明的仅某些特征，但是本领域技术人员将联想到许多变型和改变。可以理解的是所附权利要求旨在覆盖落入本发明的真实精神范围内的所有这些变型和改变。
【权利要求】
1.一种废热回收系统，包括: 用于使工作流体循环的朗肯循环系统，所述朗肯循环系统包括: 至少一个第一废热回收锅炉，所述至少一个第一废热回收锅炉构造成将热从热源传递至所述工作流体； 第一膨胀器，所述第一膨胀器构造成从所述至少一个第一废热回收锅炉接收加热的工作流体；以及 联接至至少一个发电机的第二膨胀器和第三膨胀器； 冷凝器，所述冷凝器构造成接收来自所述第一膨胀器、所述第二膨胀器和所述第三膨胀器的处于低压的工作流体，以便进行冷却；以及 泵，所述泵连接至所述冷凝器用于接收来自所述冷凝器的所述工作流体的冷却和冷凝液流，其中，所述泵被构造成用于将冷凝的工作流体泵送至所述工作流体的进入所述第一废热回收锅炉内的主液流、所述工作流体的进入所述第二膨胀器内的第二液流以及所述工作流体的进入所述第三膨胀器内的第三液流。
2.根据权利要求1所述的废热回收系统，其特征在于，所述工作流体是二氧化碳。
3.根据权利要求1所述的废热回收系统，其特征在于，所述第一废热回收锅炉包括换热器部分，所述换热器部分构造成将热从第一热气流或第一烟道气流传递至所述工作流体的进入所述第一膨胀器的主液流。
4.根据权利要求1所述的废热回收系统，其特征在于，所述朗肯循环系统包括第一回热器，所述第一回热器构造成将热从所述工作流体的排出所述第一膨胀器的主液流传递至所述工作流体的在进入所述第二膨胀器内之前的第二液流。
5.根据权利要求4所述的废热回收系统，其特征在于，所述第一回热器是中温回热器。
6.根据权利要求1所述的废热回收系统，其特征在于，所述朗肯循环系统包括一个第二废热回收锅炉，所述一个第二废热回收锅炉构造成用于加热所述工作流体的在进入所述第二膨胀器之前排出第一回热器的第二液流。
7.根据权利要求6所述的废热回收系统，其特征在于，所述一个第二废热回收锅炉包括换热器部分，所述换热器部分构造成将热从第二热气流或第二烟道气流传递至所述工作流体的在进入所述第二膨胀器之前排出所述第一回热器的第二液流。
8.根据权利要求1所述的废热回收系统，其特征在于，所述朗肯循环系统包括第二回热器，所述第二回热器构造成将热从所述工作流体的排出所述第二膨胀器的第二液流传递至所述工作流体的在进入所述第三膨胀器内之前的第三液流。
9.根据权利要求5所述的废热回收系统，其特征在于，所述第二回热器是低温回热器。
10.根据权利要求1所述的废热回收系统，其特征在于，所述朗肯循环系统包括辅助冷却器，所述辅助冷却器用于对在分别从所述第一膨胀器、所述第二膨胀器和所述第三膨胀器排出之后、在进入所述冷凝器之前的所述工作流体的主液流、所述工作流体的第二液流和所述工作流体的第三液流的混合流进行预冷却。
11.根据权利要求1所述的废热回收系统，其特征在于，所述朗肯循环系统包括热电联供((^?)系统，所述热电联供系统用于通过对分别从所述第一膨胀器、所述第二膨胀器和所述第三膨胀器排出的所述工作流体的主液流、所述工作流体的第二液流和所述工作流体的第三液流的混合流的预冷却来提供用于外部处理的热。
12.根据权利要求11所述的废热回收系统，其特征在于，所述热电联供((^?)系统构造成将通过预冷却获得的热传递至所述工作流体的主液流，用于在进入所述废热回收锅炉之前进行预加热。
13.根据权利要求1所述的废热回收系统，其特征在于，所述冷凝器冷却所述工作流体并且所述泵压缩冷却的气体而非泵送液体。
14.一种废热回收系统，包括: 用于使工作流体循环的朗肯循环系统，并且所述朗肯循环系统包括: 至少一个第一废热回收锅炉，所述至少一个第一废热回收锅炉构造成将热从热气流或烟道气流传递至所述工作流体； 第一膨胀器，所述第一膨胀器构造成接收来自所述至少一个第一废热回收锅炉的加热的工作流体；以及 联接至至少一个发电机的第二膨胀器和第三膨胀器； 冷凝器，所述冷凝器构造成接收来自所述第一膨胀器、所述第二膨胀器和所述第三膨胀器的处于低压的工作流体，以便进行冷却； 泵，所述泵连接至所述冷凝器，用于接收来自所述冷凝器的所述工作流体的冷却液流，其中，所述泵构造成用于将所述工作流体泵送至所述工作流体的进入所述第一废热回收锅炉内的主液流、所述工作流体的经由第一回热器进入所述第二膨胀器内的第二液流以及所述工作流体的经由第二回热器进入所述第三膨胀器内的第三液流；以及 至少一个第二废热回收锅炉，所述至少一个第二废热回收锅炉构造成用于加热所述工作流体的在进入所述第二膨胀器之前排出所述第一回热器的第二液流。
15.根据权利要求14所述的废热回收系统，其特征在于，所述工作流体是二氧化碳。
16.根据权利要求14所述的废热回收系统，其特征在于，所述至少一个第一废热回收锅炉或所述至少一个第二废热回收锅炉构造成将热从热气流或烟道气流传递至所述工作流体的进入所述第一膨胀器的主液流或所述工作流体的进入所述第二膨胀器的第二液流。
17.根据权利要求14所述的废热回收系统，其特征在于，所述第一回热器是中温回热器，所述中温回热器构造成将热从所述工作流体的排出所述第一膨胀器的主液流传递至所述工作流体的在进入所述第二膨胀器内之前的第二液流。
18.根据权利要求14所述的废热回收系统，其特征在于，所述第二回热器是低温回热器，所述低温回热器构造成将热从所述工作流体的排出所述第二膨胀器的第二液流传递至所述工作流体的在进入所述第三膨胀器内之前的第三液流。
19.根据权利要求14所述的废热回收系统，其特征在于，所述朗肯循环系统包括辅助冷却器或热电联供((^?)系统，用于对在分别从所述第一膨胀器、所述第二膨胀器和所述第三膨胀器排出之后在进入所述冷凝器之前的所述工作流体的主液流、所述工作流体的第二液流和所述工作流体的第三液流的混合流进行预冷却。
20.一种在朗肯循环中利用工作流体来回收废热以用于发电的方法，所述方法包括: 泵送所述工作流体的主液流通过至少一个第一废热回收锅炉，用于将热从热气流或烟道气流传递至所述工作流体； 通过第一膨胀器使所述工作流体的加热的主液流膨胀； 使所述工作流体的第二液流从所述主液流转向通过第二膨胀器； 使所述工作流体的第三液流从所述主液流转向通过第三膨胀器；以及 使分别排出所述第一膨胀器、所述第二膨胀器和所述第三膨胀器的所述工作流体的主液流、所述工作流体的第二液流和所述工作流体的第三液流的混合流通过辅助预冷器和冷凝器，用于冷凝所述工作流体的混合流并且进一步将所述工作流体引导至泵。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括使所述工作流体的第二液流通过第一中温回热器，用于在输送到所述第二膨胀器内之前进行预加热。
22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括使排出第一回热器的第二液流在输送到所述第二膨胀器内之前通入第二废热回收锅炉内。
23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，还包括使所述工作流体的第三液流通过第二低温回热器，用于在将所述工作流体的第三液流输送到所述第三膨胀器内之前进行预加热。
【文档编号】F01K25/10GK104487662SQ201380034936
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2013年6月10日 优先权日:2012年6月29日
【发明者】W. 弗洛恩德 S. 申请人:通用电气公司