用于使热机系统中的推力负载平衡的系统和方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年6月13日提交的序列号为62/011,678的美国临时专利申请的优先权。上述专利申请的全部内容在此以引用的方式并入本申请，到与本申请一致的程度。

背景技术：

工业过程通常产生作为副产品的废热，在该工业过程中，必须将流动的高温液体流、气体流、或者流体流排放到环境中或者以某种方式将其移除，以便维持工业过程设备的操作温度。一些工业过程使用热交换器装置来捕获废热并且经由其它过程流将该废热循环回到该过程中。然而，对于使用高温或者具有不足质量流或者其它不利条件的工业过程来说，捕获和再循环废热通常是不可行的。

可以通过采用热力学方法的多种涡轮发电机或者热机系统（诸如，兰金循环）来将废热转换为有用能。兰金循环和类似热力学方法通常是基于蒸汽的过程，该基于蒸汽的过程回收和使用废热来生成蒸汽以驱动涡轮、涡轮增压器、或者连接至发电机或者泵的其它扩张器。在传统兰金循环期间，有机兰金循环使用低沸点工作流体来代替水。示例性低沸点工作流体包括烃类，诸如，轻质烃（例如，丙烷或者丁烷）和卤代烃，诸如，氯氟烃（hcfc）或者氢氟烃（hfc）（例如，r245fa）。最近，鉴于诸如低沸点工作流体的热不稳定性、毒性、易燃性、和生产成本等问题，已经对一些热力学循环进行了修改以便循环非烃工作流体（诸如，氨）。

热机系统通常使用涡轮泵来使捕获废热的工作流体循环。涡轮泵以及系统中使用的其它旋转设备通常生成推力负载，该推力负载是由在操作期间系统中出现的操作压力和流体动量的改变引起的。涡轮泵可以具有由可以施加至其的最大推力负载设定或者确定的操作限制，之后该涡轮泵和/或其部件会损坏。在与诸如超临界二氧化碳等超临界流体一起操作的高密度机械装置中，机器功率密度、压力升高，并且旋转速度会超过标准系统的旋转速度，从而由于过度推力负载而增加系统损坏的可能性并且致使标准推力轴承设计技术不适当。相应地，在一些现有高密度机械装置中，已经采用了推力平衡活塞技术。然而，已经发现这些技术会负面地影响系统效率。

因此，需要用于使热机系统中存在的推力负载平衡同时克服传统方法的缺点的系统和方法。

技术实现要素：

在一个实施例中，一种涡轮泵系统包括泵部，该泵部包括壳体，该壳体具有设置在其中的压力释放通道。泵部设置在工作流体回路的高压侧与低压侧之间。驱动涡轮联接至泵部并且构造为驱动泵部以便使得泵部能够使工作流体循环通过工作流体回路。泄压阀流体地联接至压力释放通道并且构造为：定位在打开位置中以便使得压力能够通过压力释放通道被释放、以及定位在关闭位置中以便使得压力不能够通过压力释放通道被释放。

在另一个实施例中，涡轮泵系统包括泵，该泵设置在工作流体回路的高压侧与低压侧之间并且构造为使工作流体循环通过工作流体回路。压力释放通道整体地形成在泵的壳体中并且构造为使得能够释放来自泵的压力。泄压阀流体地联接至压力释放通道并且构造为：定位在打开位置中以便使得压力能够通过压力释放通道被释放、以及定位在在关闭位置中以便使得压力不能够通过压力释放通道被释放。

在另一个实施例中，一种用于涡轮泵组件的推力平衡方法包括：接收与在泵的进口处测量到的压力相对应的第一数据，该泵构造为使工作流体循环通过工作流体回路；接收与在泵的出口处测量到的压力相对应的第二数据；以及接收与在压力释放通道处测量到的压力相对应的第三数据，该压力释放通道设置在泵的后侧。该方法还包括：基于第一数据、第二数据、第三数据、或者其组合来确定泵生成的推力负载是否超过预定阈值；当推力负载超过预定阈值时，使用控制回路来将流体地联接至压力释放通道的泄压阀致动至打开位置以便释放来自泵的压力。

附图说明

当与附图一起阅读如下详细说明时，本公开将得到最佳的理解。应强调的是，根据本行业中的标准做法，多个特征没有按照比例绘制。实际上，为了清楚地进行讨论，可以任意地增加或者减小各个特征的尺寸。

图1示出了根据本文公开的一个或多个实施例的热机系统的实施例。

图2a示出了根据本文公开的一个或多个实施例的驱动涡轮的后部的截面图。

图2b示出了根据本文公开的一个或多个实施例的泵的一部分的截面图。

图3示出了根据本文公开的一个或多个实施例的、具有压力释放通道的泵的截面图。

图4是流程图，示出了根据本文公开的一个或多个实施例的、用于使热机系统中的一个或多个推力负载平衡的方法。

具体实施方式

如下文更加详细地描述的，当前公开的实施例涉及用于有效地将热流（例如，废热流）的热能转化为有价值的电能的系统和方法。所提供的实施例使得能够减少或者防止由于推力负载失衡引起的热机系统的部件的损坏。例如，在一些实施例中，热机系统构造为：在工作流体回路的一些或者所有操作周期期间，使工作流体（例如，sc-co2）以液体类状态（诸如，超临界状态）维持在工作流体回路的低压侧内。在该实施例中，由不断增加的泵速度引起的压力增加可以导致推力负载失衡，当前公开的实施例的一个或多个特征可以减小或者消除该推力负载失衡。例如，某些实施例可以包括压力释放通道和/或泄压阀，该压力释放通道和/或泄压阀使得能够选择性地释放来自泵的压力以便使一个或多个推力负载平衡。当前公开的实施例的这些和其它特征在下文更加详细地进行讨论。

现在来看附图，图1示出了热机系统200的实施例，该热机系统200也可以称为热气机系统、发电系统、废热或者其它热量回收系统、以及/或者热能转电能系统，如下文在一个或多个实施例中描述的。热机系统200通常构造为涵盖：兰金循环的一个或多个元件、兰金循环的派生物、或者用于从大量热源生成电能的另一种热力学循环。热机系统200包括废热系统100和发电系统220，该废热系统100和该发电系统220经由设置在过程系统210内的工作流体回路202联接至彼此且彼此热连通。在操作期间，使工作流体（诸如，超临界二氧化碳（sc-co2））循环通过工作流体回路202，并且使热量从流过废热系统100的热源流110传递至工作流体。工作流体一旦加热就使其循环通过发电系统220内的动力涡轮228，在该动力涡轮228处，将包含在加热后的工作流体中的热能转换为机械能。这样，过程系统210、废热系统100、以及发电系统220协作以将热源流110中的热能转换为机械能，若需要，则可以取决于特定实施方式考量因素将该机械能进一步转换为电能。

更加具体地，在图1的实施例中，废热系统100包括三个热交换器（即，热交换器120、130和150），该三个热交换器流体地联接至工作流体回路202的高压侧并且与热源流110热连通。该热连通使得来自热源流110的热能传递至流过工作流体回路202的工作流体。在本文公开的一个或多个实施例中，两个、三个、或者更多个热交换器可以流体地联接至工作流体回路202并且与工作流体回路202热连通，诸如，一次热交换器、二次热交换器、三次热交换器，分别为热交换器120、150和130。例如，热交换器120可以是一次热交换器，该一次热交换器流体地联接至动力涡轮228的进口上游的工作流体回路202，热交换器150可以是二次热交换器，该二次热交换器流体地联接至涡轮泵260的驱动涡轮264的进口上游的工作流体回路202，并且热交换器130可以是三次热交换器，该三次热交换器流体地联接至热交换器120的进口上游的工作流体回路202。然而，应注意，在其它实施例中，可以在废热系统100中提供任何期望数量的热交换器，而不限于三个。

进一步地，废热系统100还包括：用于接收热源流110的进口104、以及用于使热源流110穿出废热系统100的出口106。热源流110从进口104流入且流过进口104，流过热交换器120，流过一个或多个附加热交换器（如果流体地联接至热源流体110），并且流到出口106且流过出口106。在一些示例中，热源流110从进口104流入且流过进口104，分别流过热交换器120、150和130，并且流到出口106且流过出口106。可以引导热源流110以其它期望顺序流过热交换器120、130、150、以及/或者附加热交换器。

在本文描述的一些实施例中，废热系统100设置在废热滑道102上或者其中，该废热滑道102流体地联接至工作流体回路202、以及热机系统200的其它部分、子系统、或者装置。废热滑道102可以流体地联接至热源流110的源和排放处、主要过程滑道212、发电滑道222、以及/或者热机系统200的其它部分、子系统、或者装置。

在一种或多种构造中，设置在废热滑道102上或者其中的废热系统100大体上包括进口122、132和152、以及出口124、134和154，该出口124、134和154流体地联接至工作流体回路202内的工作流体且与该工作流体热连通。进口122设置在热交换器120的上游，并且出口124设置在热交换器120的下游。工作流体回路202构造为使工作流体从进口122流入，流过热交换器120，并且流到出口124，同时通过热交换器120将来自热源流110的热能传递至工作流体。进口152设置在热交换器150的上游，并且出口154设置在热交换器150的下游。工作流体回路202构造为使工作流体从进口152流入，流过热交换器150，并且流到出154，同时通过热交换器150将来自热源流110的热能传递至工作流体。进口132设置在热交换器130的上游，并且出口134设置在热交换器130的下游。工作流体回路202构造为使工作流体从进口132流入，流过热交换器130，并且流到出134，同时通过热交换器130将来自热源流110的热能传递至工作流体。

流过废热系统100的热源流110可以是废热流，诸如但不限于，燃气涡轮排气流、工业过程排气流、或者任何其它燃烧产物排气流，诸如，熔炉或者锅炉排气流。热源流110可以处于约100℃至约1000℃、或者大于1000℃的范围内的温度下，并且在一些实例中，在约200℃至约800℃的范围内，更加狭窄地在约300℃至约600℃的范围内。热源流110可以包括空气、二氧化碳、一氧化碳、水或者蒸汽、氮气、氧气、氩气、其派生物、或者其混合物。在一些实施例中，热源流110可以从可再生热能源（诸如，太阳热源或者地热源）获得热能。

现在来看发电系统220，所示出的实施例包括动力涡轮228，该动力涡轮228设置在工作流体回路202的高压侧与低压侧之间。动力涡轮228构造为：通过在工作流体回路202的高压侧与低压侧之间流动的工作流体中的压力下降来将热能转换为机械能。动力发电机240联接至动力涡轮228并且构造为将机械能转换为电能。在某些实施例中，电力出口242可以电气地联接至动力发电机240并且构造为将来自动力发电机240的电能传递至电网244。所示出的发电系统220还包括传动轴230和齿轮箱232，该传动轴230和该齿轮箱232联接在动力涡轮228与动力发电机240之间。

在一种或多种构造中，发电系统220设置在发电滑道222上或者其中，该发电滑道222包括进口225a、225b、以及出口227，该出口227流体地联接至工作流体回路202内的工作流体并且与该工作流体热连通。该进口225a、225b是工作流体回路202的高压侧内的动力涡轮228的上游并且构造为接收加热后的和高压的工作流体。在一些示例中，进口225a可以流体地联接至废热系统100的出口124并且构造为接收从热交换器120流动的工作流体。进一步地，进口225b可以流体地联接至过程系统210的出口241并且构造为接收从涡轮泵260和/或启动泵280流动的工作流体。出口227设置在工作流体回路202的低压侧内的动力涡轮228的下游并且构造为提供低压工作流体。在一些示例中，出口227可以流体地联接至过程系统210的进口239并且构造为使工作流体流向换热器216。

过滤器215a可以沿着流体线路设置并且与该流体线路流体连通，该流体线路处于热交换器120下游和动力涡轮228上游的点处。在一些示例中，过滤器215a流体地联接至在废热系统100的出口124与过程系统210的进口225a之间的工作流体回路202。

再次，发电系统220内的工作流体回路202的一部分是由进口225a和225b来进给工作流体。此外，动力涡轮截止阀217流体地联接至进口225a与动力涡轮228之间的工作流体回路202。动力涡轮截止阀217构造为：当处于打开位置中时，控制工作流体，使该工作流体从热交换器120流动、流过进口225a、并且流到动力涡轮228中。替代地，动力涡轮截止阀217可以构造为：当处于关闭位置中时，阻止工作流体流进入到动力涡轮228中。

动力涡轮恒温器阀223经由恒温器旁通线路211流体地联接至工作流体回路202，该恒温器旁通线路211设置在涡轮泵260的泵部262上的出口与动力涡轮228上的进口之间、以及/或者设置在启动泵280的泵部282上的出口与动力涡轮228上的进口之间。恒温器旁通线路211和动力涡轮恒温器阀223可以构造为：诸如在预热或者冷却步骤中，使工作流体从泵部262或者282流出、围绕且避开换热器216以及热交换器120和130、并且流到动力涡轮228。恒温器旁通线路211和动力涡轮恒温器阀223可以用于：使用来自动力涡轮228的热量来加温工作流体，同时避开来自流过热交换器（诸如，热交换器120和130）的热源流110的热量。在一些示例中，动力涡轮恒温器阀223可以流体地联接至在进口225b与动力涡轮截止阀217之间的工作流体回路202，该动力涡轮截止阀217在流体线路上的与来自进口225a的进入流相交的点的上游。动力涡轮恒温器阀223可以构造为控制工作流体，该工作流体从启动泵280和/或涡轮泵260流动、流过进口225b、并且流到动力涡轮截止阀217、动力涡轮旁通阀219、以及/或者动力涡轮228。

动力涡轮旁通阀219流体地联接至涡轮旁通线路，该涡轮旁通线路从动力涡轮截止阀217上游和动力涡轮228下游的工作流体回路202的点处延伸出去。因此，旁通线路和动力涡轮旁通阀219构造为引导工作流体围绕且避开动力涡轮228。如果动力涡轮截止阀217处于关闭位置，则动力涡轮旁通阀219可以构造为：当处于打开位置中时，使工作流体围绕且避开动力涡轮228流动。在一个实施例中，可以在发电过程的启动操作期间对工作流体加温的同时，使用动力涡轮旁通阀219。出口阀221流体地联接至在动力涡轮228的出口与发电系统220的出口227之间的工作流体回路202。

现在来看过程系统210，在一种或多种构造中，过程系统210设置在主要过程滑道212上或者中并且包括进口235、239和255、以及出口231、237、241、251和253，该出口231、237、241、251和253流体地联接至工作流体回路202内的工作流体并且与该工作流体热连通。进口235在换热器216的上游，并且出口154在换热器216的下游。工作流体回路202构造为使工作流体从进口235流入，流过换热器216，并且流到出口237，同时通过换热器216将来自工作流体回路202的低压侧中的工作流体的热能传递至工作流体回路202的高压侧中的工作流体。过程系统210的出口241在涡轮泵260和/或启动泵280的下游、在动力涡轮228的上游，并且构造为将高压工作流体流提供至发电系统220，诸如，提供至动力涡轮228。进口239在换热器216的上游、在动力涡轮228的下游，并且构造为接收从发电系统220流向诸如动力涡轮228的低压工作流体。过程系统210的出口251在换热器218的下游、在热交换器150的上游，并且构造为将工作流体流提供至热交换器150。进口255在热交换器150的下游、在涡轮泵260的驱动涡轮264上游，并且构造为提供从热交换器150流向涡轮泵260的驱动涡轮264的加热后的高压工作流体。过程系统210的出口253在涡轮泵260的泵部262和/或启动泵280的泵部282的下游，与设置在热交换器150下游和在涡轮泵260的驱动涡轮264上游的旁通线路联接，并且构造为将工作流体流提供至涡轮泵260的驱动涡轮264。

此外，过滤器215c可以沿着流体线路设置并且与该流体线路流体连通，该流体线路处于热交换器150下游和涡轮泵260的驱动涡轮264上游的点处。在一些示例中，过滤器215c流体地联接至在废热系统100的出口154与过程系统210的进口255之间的工作流体回路202。进一步地，过滤器215b可以沿着流体线路135设置并且与该流体线路135流体连通，该流体线路135处于热交换器130下游和换热器216上游的点处。在一些示例中，过滤器215b流体地联接至在废热系统100的出口134与过程系统210的进口235之间的工作流体回路202。

在某些实施例中，如在图1中示出的，过程系统210可以设置在主要过程滑道212上或者中，发电系统220可以设置在发电滑道222上或者中，并且废热系统100可以设置在废热滑道102上或者中。在这些实施例中，工作流体回路202延伸通过内侧、外侧、以及主要过程滑道212、发电滑道222和废热滑道102之间、以及热机系统200的其它系统和部分。进一步地，在一些实施例中，热机系统200包括热交换器旁通线路160和热交换器旁通阀162，该热交换器旁通阀162设置在废热滑道102与主要过程滑道212之间，目的在于在启动期间引导工作流体远离一个或多个热交换器以便减小或者消除部件磨损和/或损坏。

现在来看工作流体回路202的特征，工作流体回路202包括工作流体（例如，sc-co2）并且具有高压侧和低压侧。图1描绘了热机系统200的工作流体回路202的高压侧和低压侧，用“——”来表示高压侧，并且用“—-—-—-”来表示低压侧，如参照一个或多个实施例所描述的。在某些实施例中，工作流体回路202包括一个或多个泵，诸如，所示出的涡轮泵260和启动泵280。涡轮泵260和启动泵280进行操作以加压工作流体并且使该工作流体循环通过工作流体回路202，并且可以分别是形成涡轮泵260或者启动泵280的部件的组件。

涡轮泵260可以是涡轮增压器驱动泵或者涡轮驱动泵，并且在一些实施例中，可以形成具有泵部262和驱动涡轮264的泵组件，该泵部262和该驱动涡轮264通过传动轴267和可选的齿轮箱（未示出）联接在一起。传动轴267可以是单轴或者可以包括联接在一起的两个或者更多个轴。在一个示例中，传动轴267的第一部段从驱动涡轮264延伸至齿轮箱，传动轴230的第二部段从齿轮箱延伸至泵部262，并且多个齿轮设置在齿轮箱内的传动轴267的两个部段之间且联接至该两个部段。

驱动涡轮264构造为使泵部262旋转，并且泵部262构造为使工作流体在工作流体回路202内循环。相应地，涡轮泵260的泵部262可以设置在工作流体回路202的高压侧与低压侧之间。泵部262上的泵进口大体上设置在低压侧上，并且泵部262上的泵出口大体上设置在高压侧上。涡轮泵260的驱动涡轮264可以流体地联接至热交换器150下游的工作流体回路202，并且涡轮泵260的泵部262流体地联接至热交换器120上游的工作流体回路202，以将加热后的工作流体提供至涡轮泵260以便使驱动涡轮264移动或者在其它方面为驱动涡轮264提供动力。

进一步地，在一些实施例中，泵部262可以包括设置在其中的并且经由压力释放线路304联接至泄压阀302的压力释放通道300。该泄压阀302可以经由线路306联接至工作流体回路的低压侧。在所示出的实施例中，线路306在冷凝器274上游的位置处联接至低压侧。然而，应注意，在其它实施例中，线路306可以在任何期望的位置处联接至低压侧，而不限于图1中示出的位置。

泄压阀302可以定位在打开位置中、关闭位置中、或者该打开位置与该关闭位置之间的一个或多个中间位置中。当定位在打开位置中时，泄压阀302使得能够经由压力释放通道300释放来自泵部262的压力。该压力经由线路306排放至工作流体回路的低压侧。然而，当泄压阀302定位在关闭位置中时，来自泵部262的压力大体上维持在泵部262中并且不排放至低压侧。这样，压力释放通道300和泄压阀302可以使得能够通过选择性地控制泄压阀302的位置（例如，经由位于过程控制系统204中的控制回路）来选择性地渗出或者排放来自泵部262的压力。

通过使得能够经由压力释放通道300和泄压阀302来选择性地释放压力，当前公开的实施例可以使得能够减小或者消除由泵部262生成的推力负载。进一步地，某些实施例可以使得能够减小或者消除由泵部262生成的推力负载与由驱动涡轮264生成的推力负载之间的差异。例如，在一些实施例中，过程控制系统204可以监测一个或多个检测到的压力以便确定系统中（例如，在泵部262的推力与驱动涡轮264的推力之间）是否存在推力失衡，以及如果已确定存在失衡，则可以通过控制泄压阀302的位置经由压力释放通道300来排放压力。下文更加详细地讨论了本文公开的压力释放和推力平衡技术的实施例的这些和其它特征。

启动泵280具有泵部282和马达驱动部284。启动泵280大体上是电动机动化泵或者机械机动化泵，并且可以是变频从动泵。在操作期间，一旦在工作流体回路202内获取了工作流体的预定压力、温度、和/或流速，就可以断开、停止、或者关掉启动泵280，并且在发电过程期间可以使用涡轮泵260来使工作流体循环。工作流体从工作流体回路202的低压侧进入涡轮泵260和启动泵280中的每一个并且从工作流体回路202的高压侧离开涡轮泵260和启动泵280中的每一个。

启动泵280可以是机动化泵，诸如，电动机动化泵、机械机动化泵、或者其它类型的泵。通常，启动泵280可以是变频机动化驱动泵并且包括泵部282和马达驱动部284。启动泵280的马达驱动部284包括马达和驱动器，该驱动器包括传动轴和齿轮。在一些示例中，马达驱动部284具有变频驱动器，从而可以通过该驱动器来调控马达的速度。启动泵280的泵部282由联接至其的马达驱动部284驱动。泵部282具有进口，该进口用于接收来自工作流体回路202的低压侧（诸如，来自冷凝器274和/或工作流体储存系统290）的工作流体。泵部282具有出口，该出口用于将工作流体释放到工作流体回路202的高压侧中。

启动泵进口阀283和启动泵出口阀285可以用于控制穿过启动泵180的工作流体流。启动泵进口阀283可以流体地联接至启动泵280的泵部282上游的工作流体回路202的低压侧，并且可以用于控制进入泵部282的进口的工作流体的流速。启动泵出口阀285可以流体地联接至启动泵280的泵部282下游的工作流体回路202的高压侧，并且可以用于控制离开泵部282的出口的工作流体的流速。

涡轮泵260的驱动涡轮264由加热后的工作流体（诸如，从热交换器150流动的流体）驱动。驱动涡轮264通过进口流体地联接至工作流体回路202的高压侧，该进口构造为接收来自工作流体回路202的高压侧的工作流体，诸如，从热交换器150流动的流体。驱动涡轮264通过出口流体地联接至工作流体回路202的低压侧，该出口构造为将工作流体释放至工作流体回路202的低压侧。

涡轮泵260的泵部262由联接至驱动涡轮264的传动轴267驱动。涡轮泵260的泵部262可以通过进口流体地联接至工作流体回路202的低压侧，该进口构造为接收来自工作流体回路202的低压侧的工作流体。泵部262的进口构造为接收来自工作流体回路202的低压侧的工作流体，诸如，来自冷凝器274和/或工作流体储存系统290的工作流体。同样，泵部262可以通过出口流体地联接至工作流体回路202的高压侧，该出口构造为将工作流体释放至工作流体回路202的高压侧中并且使工作流体在工作流体回路202内循环。

在一种构造中，使从驱动涡轮264上的出口释放出的工作流体返回至换热器216下游和换热器218上游的工作流体回路202中。在一个或多个实施例中，包括管道和阀的涡轮泵260可选地设置在涡轮泵滑道266上，如在图1中描绘的。涡轮泵滑道266可以设置在主要过程滑道212上或者邻近主要过程滑道212。

驱动涡轮旁通阀265大体上联接在从驱动涡轮264上的进口延伸出去的流体线路和从驱动涡轮264上的出口延伸出去的流体线路之间并且与所述流体线路流体连通。驱动涡轮旁通阀265大体上打开为绕开涡轮泵260，同时在用热机系统200发电的初始阶段期间使用启动泵280。一旦在工作流体回路202内获取了工作流体的预定压力和温度，就关闭驱动涡轮旁通阀265并且使加热后的工作流体流过驱动涡轮264以启动涡轮泵260。

驱动涡轮节流阀263可以联接在流体线路之间并且与该流体线路流体连通，该流体线路从热交换器150延伸至涡轮泵260的驱动涡轮264上的进口。驱动涡轮节流阀263构造为调整流到驱动涡轮264中的加热后的工作流体流，该驱动涡轮264又可以用于调节通过工作流体回路202的工作流体流。此外，阀293可以用于为涡轮泵260的驱动涡轮264提供回压。

驱动涡轮恒温器阀295可以经由恒温器旁通线路291流体地联接至工作流体回路202，该恒温器旁通线路291设置在涡轮泵260的泵部262上的出口与驱动涡轮264上的进口之间、以及/或者设置在启动泵280的泵部282上的出口与驱动涡轮264上的进口之间。恒温器旁通线路291和驱动涡轮恒温器阀295可以构造为：诸如在涡轮泵260的预热或者冷却步骤中，使工作流体从泵部262或者282流动、围绕换热器218和热交换器150以避开该部件、并且流到驱动涡轮264。恒温器旁通线路291和驱动涡轮恒温器阀295可以用于：使用驱动涡轮264来加温工作流体，同时经由热交换器（诸如，热交换器150）来避开来自热源流110的热量。

在另一个实施例中，图1中描绘的热机系统200具有两对涡轮恒温器线路和阀，以便使每对恒温器线路和阀流体地联接至工作流体回路202并且设置在相应涡轮进口（诸如，驱动涡轮进口和动力涡轮进口）的上游。动力涡轮恒温器线路211和动力涡轮恒温器阀223流体地联接至工作流体回路202并且设置在动力涡轮264上的涡轮进口的上游。类似地，驱动涡轮恒温器线路291和驱动涡轮恒温器阀295流体地联接至工作流体回路202并且设置在涡轮泵260上的涡轮进口的上游。

动力涡轮恒温器阀223和驱动涡轮恒温器阀295可以在热机系统200的启动和/或关机过程期间用于控制工作流体回路202内的回压。同样，动力涡轮恒温器阀223和驱动涡轮恒温器阀295可以在热机系统200的启动和/或关机过程期间用于冷却来自热饱和热交换器（诸如，热交换器120、130、140和/或150）的工作流体的热流，该热饱和热交换器联接至工作流体回路202并且与工作流体回路202热连通。可以将动力涡轮恒温器阀223调整、调节、或者在其它方面控制为管理动力涡轮228的进口处（或者其上游）的进口温度t1和/或进口压力，并且冷却从热交换器120的出口流动的加热后的工作流体。类似地，可以将驱动涡轮恒温器阀295调整、调节、或者在其它方面控制为管理驱动涡轮264的进口处（或者其上游）的进口温度和/或进口压力，并且冷却从热交换器150的出口流动的加热后的工作流体。

在一些实施例中，驱动涡轮恒温器阀295可以由过程控制系统204调整、调节、或者在其它方面控制以便降低驱动涡轮264的进口温度，这是通过使穿过恒温器旁通线路291和驱动涡轮恒温器阀295的工作流体的流速增加并且经由过程控制系统204来检测驱动涡轮264的进口温度的期望值。该期望值通常为驱动涡轮264的进口温度的预定阈值或者小于该预定阈值。在一些示例中，诸如，在涡轮泵260的启动期间，驱动涡轮264上游的进口温度的期望值可以为约150℃或者更小。在其它示例中，诸如，在能量转换过程期间，驱动涡轮264上游的进口温度可以为约170℃或者更小，诸如，约168℃或者更小。如果进口温度为约168℃或者更大，则驱动涡轮264和/或其中的部件可能被损坏。

在一些实施例中，工作流体可以流过恒温器旁通线路291和驱动涡轮恒温器阀295以便绕开热交换器150。该工作流体流可以由节流阀263调节以便控制驱动涡轮264的进口温度。在涡轮泵260的启动期间，驱动涡轮264上游的进口温度的期望值可以为约150℃或者更小。当功率增加时，驱动涡轮264上游的进口温度可以升高，以便通过减小通过恒温器旁通阀291的流来优化循环周期和可操作性。在全功率下，驱动涡轮264上游的进口温度可以为约340℃或者更大，并且绕开热交换器150通过恒温器旁通线路291的工作流体流停止，诸如，在一些示例中，接近约0kg/s。同样，当工作流体流可以取决于功率级而在约0kg/s至约32kg/s的范围内时，压力可以在约14mpa至约23.4mpa的范围内。

控制阀261可以设置在涡轮泵260的泵部262的出口的下游，并且控制阀281可以设置在启动泵280的泵部282的出口的下游。控制阀261和281是流控制安全阀并且大体上用于调控定向流或者用于抑制工作流体回路202内的工作流体的回流。控制阀261构造为防止工作流体从上游朝着涡轮泵260的泵部262的出口流动或者流到该出口中。类似地，控制阀281构造为防止工作流体从上游朝着启动泵280的泵部282的出口流动并且流到该出口中。

驱动涡轮节流阀263流体地联接至涡轮泵260的驱动涡轮264的进口上游的工作流体回路202，并且构造为控制流到驱动涡轮264中的工作流体流。动力涡轮旁通阀219流体地联接至动力涡轮旁通线路208，并且构造为调整、调节、或者在其它方面控制流过动力涡轮旁通线路208的工作流体以便控制进入动力涡轮228的工作流体的流速。

动力涡轮旁通线路208在动力涡轮228的进口上游的点处和在动力涡轮228的出口下游的点处流体地联接至工作流体回路202。动力涡轮旁通线路208构造为：当动力涡轮旁通阀219处于打开位置中时，使工作流体围绕且避开动力涡轮228流动。可以通过将动力涡轮旁通阀219调节至打开位置来减小或者停止流到动力涡轮228中的工作流体的流速和压力。替代地，由于通过动力涡轮旁通线路208形成的回压，所以可以通过将动力涡轮旁通阀219调节至关闭位置来增加或者启动流到动力涡轮228中的工作流体的流速和压力。

动力涡轮旁通阀219和驱动涡轮节流阀263可以由过程控制系统204单独地控制，该过程控制系统204有线地和/或者无线地与动力涡轮旁通阀219、驱动涡轮节流阀263、以及热机系统200的其它部分可连通地连接。过程控制系统204在操作上连接至工作流体回路202和质量管理系统270，并且使得能够监测和控制热机系统200的多个过程操作参数。

在一个或多个实施例中，工作流体回路202经由启动泵旁通线路224和启动泵旁通阀254为启动泵280提供旁通流路，以及经由涡轮泵旁通线路226和涡轮泵旁通阀256为涡轮泵260提供旁通流路。启动泵旁通线路224的一端流体地联接至启动泵280的泵部282的出口，并且启动泵旁通线路224的另一端流体地联接至流体线路229。类似地，涡轮泵旁通线路226的一端流体地联接至涡轮泵260的泵部262的出口，并且涡轮泵旁通线路226的另一端联接至启动泵旁通线路224。在一些构造中，启动泵旁通线路224和涡轮泵旁通线路226合并在一起作为联接至流体线路229上游的单个线路。流体线路229在换热器218与冷凝器274之间延伸并且流体地联接至换热器218和冷凝器274。启动泵旁通阀254沿着启动泵旁通线路224设置，并且当处于关闭位置中时，流体地联接在工作流体回路202的低压侧与高压侧之间。类似地，涡轮泵旁通阀256沿着涡轮泵旁通线路226设置，并且当处于关闭位置中时，流体地联接在工作流体回路202的低压侧与高压侧之间。

图1进一步描绘了动力涡轮节流阀250，该动力涡轮节流阀250流体地联接至工作流体回路202的高压侧上的和热交换器120上游的旁通线路246，如本文所描述的至少一个实施例所公开的。动力涡轮节流阀250流体地联接至旁通线路246，并且构造为调整、调节、或者在其它方面控制流过旁通线路246的工作流体以便控制工作流体回路202内的工作流体的大体上粗略的流速。旁通线路246在阀293上游的点处以及在启动泵280的泵部282和/或涡轮泵260的泵部262的下游的点处流体地联接至工作流体回路202。

此外，动力涡轮微调阀（trimvlave）252流体地联接至工作流体回路202的高压侧上的和热交换器150上游的旁通线路248，如本文所描述的另一个实施例所公开的。动力涡轮微调阀252流体地联接至旁通线路248，并且构造为调整、调节、或者在其它方面控制流过旁通线路248的工作流体以便控制工作流体回路202内的工作流体的精确流速。旁通线路248在动力涡轮节流阀250上游的点处以及在动力涡轮节流阀250下游的点处流体地联接至旁通线路246。

热机系统200进一步包括：驱动涡轮节流阀263，该驱动涡轮节流阀263流体地联接至涡轮泵260的驱动涡轮264的进口上游的工作流体回路202并且构造为调整流到驱动涡轮264中的工作流体流；动力涡轮旁通线路208，该动力涡轮旁通线路208流体地联接至动力涡轮228的进口上游的工作流体回路202、流体地联接至动力涡轮228的出口下游的工作流体回路202，并且构造为使工作流体围绕且避开动力涡轮228流动；动力涡轮旁通阀219，该动力涡轮旁通阀219流体地联接至动力涡轮旁通线路208并且构造为调整流过动力涡轮旁通线路208的工作流体流以便控制进入动力涡轮228的工作流体的流速；以及过程控制系统204，该过程控制系统204在操作上连接至热机系统200，其中，过程控制系统204构造为调节驱动涡轮节流阀263和动力涡轮旁通阀219。

热交换器旁通线路160通过热交换器旁通阀162流体地联接至热交换器120、130和/或150上游的工作流体回路202的流体线路131，如在图1中示出的和在下面更加详细地描述的。热交换器旁通阀162可以是电磁阀、液压阀、电动阀、手动阀、或者其派生物。在许多示例中，热交换器旁通阀162是电磁阀并且构造为由过程控制系统204控制。然而，无论阀类型如何，阀都可以控制为按照如下方式来引导工作流体：将工作流体的温度维持在适合于热机系统的当前操作状态的水平。例如，旁通阀可以在启动期间调控为控制工作流体流过减少数量的热交换器以便实现如下工作流体温度：该工作流体温度低于在引导工作流体通过所有热交换器时的完全操作状态期间可以实现的工作流体温度。

在一个或多个实施例中，工作流体回路202设置了泄压阀213a、213b、213c和213d、以及释放出口214a、214b、214c和214d，该泄压阀213a、213b、213c和213d、以及该释放出口214a、214b、214c和214d分别彼此流体连通。通常，泄压阀213a、213b、213c和213d在发电过程期间保持关闭，但可以构造为在工作流体内的预定值下自动地打开以便释放超压。一旦工作流体流过泄压阀213a、213b、213c或者213d，工作流体就通过相应释放出口214a、214b、214c或者214d排放。释放出口214a、214b、214c和214d可以使工作流体穿过到周围环境大气中。替代地，释放出口214a、214b、214c和214d可以使工作流体穿过到再循环或者再利用步骤中，该再循环或者再利用步骤通常包括捕获、冷凝、以及储存工作流体。

泄压阀213a和释放出口214a在设置在热交换器120与动力涡轮228之间的点处流体地联接至工作流体回路202。泄压阀213b和释放出口214b在设置在热交换器150与涡轮泵260的驱动涡轮264之间的点处流体地联接至工作流体回路202。泄压阀213c和释放出口214c经由旁通线路流体地联接至工作流体回路202，该旁通线路从阀293与涡轮泵260的泵部262之间的点延伸至涡轮泵旁通阀256与流体线路229之间的涡轮泵旁通线路226上的点。泄压阀213d和释放出口214d在设置在换热器218与冷凝器274之间的点处流体地联接至工作流体回路202。

作为过程控制系统204的一部分的计算机系统206包括多控制器算法，该多控制器算法用于控制驱动涡轮节流阀263、动力涡轮旁通阀219、热交换器旁通阀162、动力涡轮节流阀250、动力涡轮微调阀252、泄压阀302、以及热机系统200内的其它阀、泵和传感器。在一个实施例中，过程控制系统204能够使泄压阀302进行移动、对其进行调节、操纵、或者在其它方面进行控制，以便调节或者控制与涡轮泵260的操作相关联的推力负载。通过控制泄压阀302的位置，过程控制系统204还可操作用于调控涡轮泵260中存在的压力曲线。例如，控制系统204可以通过控制泄压阀302的位置来调控泵部262中的一个或多个表面上的压力，从而减小或者防止由于过度推力负载引起的损坏涡轮泵260的部件的可能性。

在一些实施例中，过程控制系统204有线地和/或无线地与多组传感器、阀、以及泵可连通地连接，以便对在工作流体回路202内的指定点处测量出的和报告的温度、压力和质量流速进行处理。响应于这些测量出的和/或报告的参数，过程控制系统204可以可操作用于根据控制程序或者算法选择性地调节阀，从而使热机系统200的操作最大化。

进一步地，在某些实施例中，过程控制系统204、以及本文公开的任何其它控制器或者处理器可以包括一个或多个非暂时性有形机器可读介质，诸如，只读存储器（rom）、随机存取存储器（ram）、固态存储器（例如，快闪存储器）、软盘、只读光盘驱动器（cd-rom）、硬盘驱动器、通用串行总线（usb）驱动器、任何其它计算机可读储存介质、或者其任何组合。储存介质可以储存可以由过程控制系统204执行的编码指令（诸如，固件），以便操作本文所公开的方法中存在的逻辑或者逻辑的部分。例如，在某些实施例中，热机系统200可以包括计算机代码，该计算机代码设置在计算机可读储存介质或者包括该计算机可读储存介质的过程控制器上。该计算机代码可以包括指令，该指令用于在检测到推力负载失衡时用于发起控制功能以便更改泄压阀302的位置，从而将来自泵部262的压力排放至低压侧。

在一些实施例中，过程控制系统204包含嵌入在计算机系统206中的控制算法，该计算机系统206可以包括一个或多个控制回路，并且该控制算法包含管控环路控制器。该管控环路控制器大体上用于调节贯穿工作流体回路202的值以便控制其中指定点处的工作流体的温度、压力、流速和/或质量。在一些实施例中，管控环路控制器可以构造为：通过调整、调节、或者在其它方面控制驱动涡轮恒温器阀295和驱动涡轮节流阀263来维持进口温度和进口压力的期望阈值。在其它实施例中，管控环路控制器可以构造为：通过调整、调节、或者在其它方面控制动力涡轮恒温器阀223和动力涡轮节流阀250来维持进口温度的期望阈值。

过程控制系统204可以在多组传感器的帮助下半被动地与热机系统200一起操作。第一组传感器可以布置在涡轮泵260和启动泵280的抽吸进口处或者邻近该抽吸进口，并且第二组传感器可以布置在涡轮泵260和启动泵280的出口处或者邻近该出口。第一组传感器和第二组传感器监测并且报告邻近涡轮泵260和启动泵280的工作流体回路202的低压侧和高压侧内的工作流体的压力、温度、质量流速、或者其它性质。第三组传感器可以布置在工作流体储存系统290的工作流体储存容器292内部或者邻近该工作流体储存容器292以便测量并且报告工作流体储存容器292内的工作流体的压力、温度、质量流速、或者其它性质。此外，仪表空气供应（未示出）可以联接至热机系统200内的传感器、装置、或者其它仪表，热机系统200包括可以使用气体供应（诸如，氮气或者空气）的质量管理系统270和/或其它系统部件。

在一些实施例中，当工作流体包含超临界二氧化碳时，热机系统200的总效率和最终生成的功率量可以受到泵处的进口或者抽吸压力的影响。为了使泵的抽吸压力最小化或者在其它方面对其进行调控，热机系统200可以包含质量管理系统（“mms”）270的使用。质量管理系统270通过如下方式来控制启动泵280的进口压力：通过在工作流体回路202中的关键位置（诸如，贯穿热机系统200的接入点、进口/出口、阀、或者导管）处调控进入和/或离开热机系统200的工作流体的量。因此，通过使启动泵280与最大可能程度的压力比增加，热机系统200会变得更有效率。

质量管理系统270包括至少一个容器或者箱，诸如，储存容器（例如，工作流体储存容器292）、填装容器、和/或质量控制箱（例如，质量控制箱286），该至少一个容器或者箱经由一个或多个阀（诸如，阀287）流体地联接至工作流体回路202的低压侧。该阀是可移动的——如可以部分地打开、完全打开、以及/或者关闭——以便从工作流体回路202移除工作流体或者向工作流体回路202添加工作流体。质量管理系统270的示例性实施例及其大量变型在美国申请第13/278,705号中找到，该美国申请第13/278,705号是于2011年10月21日提交的，公开为美国公开第2012-0047892号，并且授权为美国专利第8,613,195号，其内容以引用的方式并入本文，到与本公开一致的程度。然而，简单地说，质量管理系统270可以包括多个阀和/或连接点，每个阀和/或连接点与质量控制箱286流体连通。阀可以以端点为特点，质量管理系统270在该端点处在操作上连接至热机系统200。该连接点和阀可以构造为：为质量管理系统270提供出口以排出过度工作流体或者压力，或者从外源（诸如，流体填装系统）为质量管理系统270提供附加/补充工作流体。

在一些实施例中，质量控制箱286可以构造为局部储存箱以储存附加/补充工作流体，当需要时，可以将该附加/补充工作流体添加至热机系统200以便调控工作流体回路202内的工作流体的压力或者温度、或者在其它方面补充逃逸的工作流体。通过控制阀，质量管理系统270在需要或者不需要泵的情况下向热机系统200添加和/或从热机系统200移除工作流体，从而降低系统成本、减少复杂性和维护。

在一些实施例中，工作流体储存容器292是工作流体储存系统290的一部分并且流体地联接至工作流体回路202。至少一个连接点（诸如，工作流体进给点288）可以是用于工作流体储存系统290的工作流体储存容器292和/或质量管理系统270的流体填装孔。附加或者补充工作流体可以从外源（诸如，流体填装系统）经由工作流体进给点288添加至质量管理系统270。示例性流体填装系统在美国专利第8,281,593号中进行了描述和示出，其内容以引用的方式并入本文，到与本公开一致的程度。

在本文描述的另一个实施例中，可以将轴承气体（bearinggas）和密封气体供应至涡轮泵260或者热机系统200内包含的和/或与热机系统200一起使用的其它装置。可以从工作流体回路202内的工作流体获得一股或多股轴承气体和/或密封气体流，并且该一股或多股轴承气体和/或密封气体流包含处于气态、次临界状态、或者超临界状态下的二氧化碳。

在一些示例中，启动泵280使轴承气体和/或流体从轴承气体供应296a和/或轴承气体供应296b流出，流到工作流体回路202中，流过轴承气体供应线路（未示出），并且流到发电系统220内的轴承。在其它示例中，启动泵280使轴承气体和/或流体从轴承气体供应296a和/或轴承气体供应296b流出，从工作流体回路202流出，流过轴承气体供应线路（未示出），并且流到涡轮泵260内的轴承。气体回流298可以是进给到气体系统（诸如，轴承气体、干燥气体、密封气体、或者其它系统）中的连接点或者阀。

至少一个气体回流294大体上联接至轴承气体、密封气体、以及其它气体的排放处、再捕获处、或者回流处。气体回流294将进给流提供到再循环的、再捕获的、或者在其它方面回流的气体——大体上从工作流体获得——的工作流体回路202中。气体回流294大体上流体地联接至冷凝器274上游的和换热器218下游的工作流体回路202。

在另一个实施例中，轴承气体供应源141通过轴承气体供应线路142流体地联接至涡轮泵260的轴承壳体268。流到轴承壳体268中的轴承气体或者其它气体流可以经由轴承气体供应阀144来控制，该轴承气体供应阀144在操作上联接至轴承气体供应线路142并且由过程控制系统204控制。轴承气体或者其它气体大体上从轴承气体供应源141流出，流过涡轮泵260的轴承壳体268，并且流到轴承气体再捕获148。轴承气体再捕获148通过轴承气体再捕获线路146流体地联接至轴承壳体268。从轴承壳体268流出并且流到轴承气体再捕获148中的轴承气体或者其它气体流可以经由轴承气体再捕获阀147来控制，该轴承气体再捕获阀147在操作上联接至轴承气体再捕获线路146并且由过程控制系统204控制。

在一个或多个实施例中，工作流体储存容器292可以经由热机系统200内的工作流体回路202流体地联接至启动泵280。工作流体储存容器292和工作流体回路202包含工作流体（例如，二氧化碳）并且工作流体回路202流体地具有高压侧和低压侧。

热机系统200进一步包括轴承壳体、外壳、或者其它腔室，诸如，轴承壳体238和268，该轴承壳体238和268分别流体地联接至发电系统220和涡轮泵260内的轴承以及/或者大体上围绕或者围住该轴承。在一个实施例中，涡轮泵260包括驱动涡轮264、泵部262、以及轴承壳体268，该轴承壳体268流体地联接至轴承以及/或者大体上围绕或者围住该轴承。涡轮泵260进一步可以包括齿轮箱和/或传动轴267，该传动轴267联接在驱动涡轮264与泵部262之间。在另一个实施例中，发电系统220包括动力涡轮228、动力发电机240、以及大体上围绕或者围住轴承的轴承壳体238。发电系统220进一步包括齿轮箱232和传动轴230，该传动轴230联接在动力涡轮228与动力发电机240之间。

轴承壳体238或者268的示例性结构可以完全或者大体上围绕或者围住轴承、以及涡轮、发电机、泵、传动轴、齿轮箱、或者示出的或者未示出的用于热机系统200的其它部件中的所有或者部分。轴承壳体238或者268可以完全地或者部分地包括结构、腔室、外壳、壳体，诸如，涡轮壳体、发电机壳体、传动轴壳体、包括轴承的传动轴、齿轮箱壳体、其派生物、或者其组合。图1和图2描绘了轴承壳体268，该轴承壳体268流体地联接至和/或包括涡轮泵260的驱动涡轮264、泵部262、以及传动轴267中的所有或者一部分。在其它示例中，驱动涡轮264的壳体和泵部262的壳体可以独立地联接至轴承壳体268的各部分以及/或者形成轴承壳体268的各部分。类似地，轴承壳体238可以流体地联接至和/或包含发电系统220的动力涡轮228、动力发电机240、传动轴230、以及齿轮箱232中的所有或者一部分。在一些示例中，动力涡轮228的壳体联接至轴承壳体238的一部分并且/或者形成轴承壳体238的一部分。

在本文公开的一个或多个实施例中，图1中描绘的热机系统200构造为：在启动过程期间，监测工作流体回路202的低压侧内的工作流体并且将该工作流体维持在超临界状态下。可以通过如下方式将工作流体维持在超临界状态下：经由过程控制系统204来调节或者在其它方面控制涡轮泵260的泵部262上的进口上游的泵抽吸压力，该过程控制系统204在操作上连接至工作流体回路202。

过程控制系统204可以用于在启动过程期间将泵抽吸压力维持、调节、或者在其它方面控制在工作流体的临界压力下或者大于该临界压力。在工作流体回路202的低压侧内，可以使工作流体保持在液体类或者超临界状态下，并且没有或者大体上没有气态。因此，包括涡轮泵260和/或启动泵280的泵系统可以避免在相应泵部262和282内的泵空穴现象。

在一些实施例中，可以在热机系统200的工作流体回路202中循环的、流动的、或者在其它方面使用的工作流体的类型包括：碳氧化物、烃类、醇类、酮类、卤代烃、氨、胺类、含水物、或者其组合。热机系统200中使用的示例性工作流体包括：二氧化碳、氨气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、丁烯、乙炔、甲醇、乙醇、丙酮、甲乙酮、水、其派生物、或者其混合物。卤代烃可以包括：氢氯氟烃（hcfc）、氢氟烃（hfc）（例如，1,1,1,3,3-五氟丙烷（r245fa））、碳氟化合物、其派生物、或者其混合物。

在本文描述的许多实施例中，在热机系统200的工作流体回路202（或者在本文公开的其它示例性回路）中循环的、流动的、或者在其它方面使用的工作流体可以是或者可以包含二氧化碳（co2）和包含二氧化碳的混合物。通常，工作流体回路202的至少一部分包括处于超临界状态下的工作流体（例如，sc-co2）。由于二氧化碳具有无毒和不易燃烧的性质并且还容易得到且相当便宜，所以与通常用作工作流体的其它化合物相比，将二氧化碳用作工作流体或者在工作流体中包括二氧化碳以进行发电循环具有许多优点。这部分地是由于二氧化碳的相当高的工作压力，二氧化碳系统可以比使用其它工作流体的系统紧凑得多。二氧化碳比其它工作流体具有更高的密度和容积热容量，这使得二氧化碳更加的“能量密集”，这意味着所有系统部件的大小都可以在不损失性能的情况下大大地减小。应注意，术语二氧化碳（co2）、超临界二氧化碳（sc-co2）、或者次临界二氧化碳（sub-co2）的使用不意在限制于任何特定类型、源、纯度、或者等级的二氧化碳。例如，在不背离本公开的范围的情况下，可以在工作流体中包括工业等级的二氧化碳以及/或者将工业等级的二氧化碳用作工作流体。

在其它示例性实施例中，工作流体回路202中的工作流体可以是二元、三元、或者其它工作流体共混物。工作流体共混物或者组合物可以是针对热量回收系统内的流体组合物所拥有的独特属性来进行选择，如本文所描述的。例如，一种这种流体组合物包括液体吸收剂和二氧化碳混合物，使得能够在比压缩二氧化碳所需要的能量输入更少的能量输入的情况下在液态下将组合的流体泵送至高压。在另一个示例性实施例中，工作流体可以是超临界二氧化碳（sc-co2）、次临界二氧化碳（sub-co2）、以及/或者一种或多种其它混溶流体或者化合物的组合。在其它示例性实施例中，在不背离本公开的范围的情况下，工作流体可以是二氧化碳和丙烷、或者二氧化碳和氨的组合物。

工作流体回路202通常具有高压侧、低压侧、以及在工作流体回路202内循环的工作流体。术语“工作流体”的使用不意在限制工作流体的物质的状态或者相。例如，在热机系统200或者热力学循环内的任何一个或多个点处，工作流体或者工作流体的一部分可以处于流体相、气相、超临界状态、次临界状态、或者任何其它相或者状态下。在一个或多个实施例中，工作流体在热机系统200的工作流体回路202的某些部分上（例如，高压侧）处于超临界状态下，并且在热机系统200的工作流体回路202的其它部分上（例如，低压侧）处于次临界状态下。

在其它实施例中，整个热力学循环可以操作为使得在热机系统200的整个工作流体回路202上将工作流体维持在超临界状态下或者次临界状态下。在不同的操作阶段期间，热机系统200的工作流体回路202的高压侧和低压侧可以包含处于超临界和/或次临界状态下的工作流体。例如，工作流体回路202的高压侧和低压侧在启动过程期间均可以包括处于超临界状态下的工作流体。然而，一旦系统进行同步、负载上升、以及/或者完全负载，工作流体回路202的高压侧就可以使工作流体保持在超临界状态下，而工作流体回路202的低压侧则可以调节为包含处于次临界状态或者其它液体类状态下的工作流体。

通常，工作流体回路202的高压侧包含处于约15mpa或者更大的压力下的工作流体（例如，sc-co2），诸如，约17mpa或者更大、或者约20mpa或者更大。在一些示例中，工作流体回路202的高压侧可以具有在约15mpa至约30mpa的范围内的压力，更加狭窄地在约16mpa至约26mpa的范围内，并且更加狭窄地在约17mpa至约25mpa的范围内，并且更加狭窄地在约17mpa至约24mpa的范围内，诸如，约23.3mpa。在其它示例中，工作流体回路202的高压侧可以具有在约20mpa至约30mpa的范围内的压力，更加狭窄地在约21mpa至约25mpa的范围内，并且更加狭窄地在约22mpa至约24mpa的范围内，诸如，约23mpa。

工作流体回路202的低压侧包含在小于15mpa的压力下的工作流体（例如，co2或者sub-co2），诸如，约12mpa或者更小、或者约10mpa或者更小。在一些示例中，工作流体回路202的低压侧可以具有在约4mpa至约14mpa的范围内的压力，更加狭窄地在约6mpa至约13mpa的范围内，更加狭窄地在约8mpa至约12mpa的范围内，并且更加狭窄地在约10mpa至约11mpa的范围内，诸如，约10.3mpa。在其它示例中，工作流体回路202的低压侧可以具有在约2mpa至约10mpa的范围内的压力，更加狭窄地在约4mpa至约8mpa的范围内，并且更加狭窄地在约5mpa至约7mpa的范围内，诸如，约6mpa。

在一些示例中，工作流体回路202的高压侧可以具有在约17mpa至约23.5mpa的范围内的压力，更加狭窄地在约23mpa至约23.3mpa的范围内，而工作流体回路202的低压侧可以具有在约8mpa至约11mpa的范围内的压力，并且更加狭窄地在约10.3mpa至约11mpa的范围内。

大体上参照图1，热机系统200包括动力涡轮228，该动力涡轮228设置在工作流体回路202的高压侧与低压侧之间，设置在热交换器120的下游，并且流体地联接至工作流体且与工作流体热连通。动力涡轮228构造为将工作流体中的压力下降转换为机械能，从而将工作流体的吸收热能转化为动力涡轮228的机械能。因此，动力涡轮228是扩张装置，该扩张装置能够将加压流体转化为机械能，将高温和高压流体转化为机械能，诸如，使轴（例如，传动轴230）旋转。

动力涡轮228可以包括或者可以是涡轮、涡轮增压器、扩张器、或者用于接收热交换器120排放的工作流体且使该工作流体扩张的另一种装置。动力涡轮228可以具有轴向构造或者径向构件并且可以是单级装置或者多级装置。可以用在动力涡轮228中的示例性涡轮装置包括：扩张装置、geroler、内齿轮油泵（gerotor）、阀、其它类型的正位移装置，诸如，压力转变器、涡轮、涡轮增压器、或者能够将工作流体中的压力或者压力/焓降转化为机械能的任何其它装置。多种扩张装置能够在发明性系统内工作并且实现不同的性能属性，该不同的性能属性可以用作动力涡轮228。

动力涡轮228大体上通过传动轴230联接至动力发电机240。齿轮箱232大体上设置在动力涡轮228与动力发电机240之间并且邻近或者围绕传动轴230。传动轴230可以是单个件或者可以包括联接在一起的两个或者更多个件。在一个示例中，如在图2中描绘的，传动轴230的第一部段从动力涡轮228延伸至齿轮箱232，传动轴230的第二部段从齿轮箱232延伸至动力发电机240，并且多个齿轮设置在齿轮箱232内的传动轴230的两个部段之间且联接至该两个部段。

在一些构造中，热机系统200还提供成将工作流体的一部分、密封气体、轴承气体、空气、或者其它气体递送到腔室或者壳体中，诸如，发电系统220内的壳体238，目的在于冷却动力涡轮228的一个或多个部分。在其它构造中，传动轴230包括密封组件（未示出），该密封组件设计为防止或者捕获从动力涡轮228泄漏出的任何工作流体。此外，工作流体再循环系统可以与密封组件一起实施，以便将密封气体再循环回到热机系统200的工作流体回路202中。

动力发电机240可以是发电机、交流发电机（例如，永磁交流发电机）、或者用于生成电能的其它装置，诸如，将来自传动轴230和动力涡轮228的机械能转化为电能。电力出口242可以电气地联接至动力发电机240并且构造为将来自动力发电机240的生成电能传递至电网244。电网244可以是或者包括电网、电气总线（例如，电厂总线）、电力电子装置、其它电路、或者其组合。电网244大体上包括至少一个交流电总线、交流电网、交流电路、或者其组合。在一个示例中，动力发电机240是发电机并且经由电力出口242电气地且在操作上连接至电网244。在另一个示例中，动力发电机240是交流发电机并且经由电力出口242电气地且在操作上连接至电力电子装置（未示出）。在另一个示例中，动力发电机240电气地连接至电力电子装置，该电力电子装置电气地连接至电力出口242。

电力电子装置可以构造为：通过修改诸如电压、电流、或者频率等电气性质，将电功率转换为期望形式的电力。电力电子装置可以包括：变流器或者整流器、换流器、变压器、稳压器、控制器、开关、电阻器、储存装置、以及其它电力电子部件和装置。在其它实施例中，电力发电器240可以包含其它类型的负载接收设备、可以与该其它类型的负载接收设备联接、或者可以是该其它类型的负载接收设备，诸如，其它类型的发电设备、旋转设备、齿轮箱（例如，齿轮箱232）、或者构造为修改或者转换动力涡轮228引起的轴向功的其它装置。在一个实施例中，动力发电机240与冷却环路流体连通，该冷却环路具有散热器和泵，该泵用于使冷却流体循环，诸如，水、热油、以及/或者其它合适的制冷剂。冷却环路可以构造为：通过使冷却流体循环以引开所生成的热量来调控动力发电机240和电力电子装置的温度。

热机系统200还提供用于将工作流体的一部分递送到动力涡轮228的腔室或者壳体中，目的在于冷却动力涡轮228的一个或多个部分。在一个实施例中，由于动力发电机240内对于动态压力平衡的潜在需要，所以在热机系统200内选择用于获取工作流体的一部分的地点是很关键的，这是因为将工作流体的该部分引入到动力发电机240中在操作期间应该遵循或者不会扰乱动力发电机240的压力平衡和稳定性。因此，递送到动力发电机240中以进行冷却的工作流体的压力与动力涡轮228的进口处的工作流体的压力相同或者大体上相同。工作流体的条件设置为：在引入到动力涡轮228中之前，处于期望温度和压力下。工作流体的一部分（诸如，用过的工作流体）在动力涡轮228的出口处离开动力涡轮228并且引导至一个或多个热交换器或者换热器，诸如，换热器216和218。换热器216和218可以彼此串联地流体地联接至工作流体回路202。换热器216和218可操作用于在工作流体回路202的高压侧和低压侧之间传递热能。

在一个实施例中，换热器216流体地联接至工作流体回路202的低压侧，设置在动力涡轮228上的工作流体进口的下游，并且设置在换热器218和/或冷凝器274的上游。换热器216构造为将从动力涡轮228排放出的工作流体的热能的至少一部分移除。此外，换热器216还流体地联接至工作流体回路202的高压侧，设置在热交换器120和/或动力涡轮228上的工作流体进口的上游，并且设置在热交换器130的下游。换热器216构造为：在工作流体流到热交换器120和/或动力涡轮228中之前，使工作流体中的热能的量增加。因此，换热器216可操作用于在工作流体回路202的高压侧与低压侧之间传递热能。在一些示例中，换热器216可以是热交换器，该热交换器构造为：冷却动力涡轮228排放出的或者其下游的低加压工作流体，同时加热进入到热交换器120和/或动力涡轮228中的或者其上游的高加压工作流体。

类似地，在另一个实施例中，换热器218流体地联接至工作流体回路202的低压侧，设置在动力涡轮228和/或换热器216上的工作流体进口的下游，并且设置在冷凝器274的上游。换热器218构造为将来自动力涡轮228和/或换热器216排放出的工作流体的热能的至少一部分移除。此外，换热器218还流体地联接至工作流体回路202的高压侧，设置在热交换器150和/或涡轮泵260的驱动涡轮264上的工作流体进口的上游，并且设置在涡轮泵260的泵部262上的工作流体出口的下游。换热器218构造为：在工作流体流到热交换器150和/或驱动涡轮264中之前，使工作流体中的热能的量增加。因此，换热器218可操作用于在工作流体回路202的高压侧与低压侧之间传递热能。在一些示例中，换热器218可以是热交换器，该热交换器构造为：冷却动力涡轮228和/或换热器216排放出的或者其下游的低加压工作流体，同时加热进入到热交换器150和/或驱动涡轮264中的或者其上游的高加压工作流体。

冷却器或者冷凝器274可以流体地联接至工作流体回路202的低压侧且与该低压侧热连通，并且可以构造为或者可操作用于控制工作流体回路202的低压侧中的工作流体的温度。冷凝器274可以设置在换热器216和218的下游、以及启动泵280和涡轮泵260的上游。冷凝器274接收来自换热器218的冷却后的工作流体，并且进一步冷却和/或冷凝可以再循环通过工作流体回路202的工作流体。在许多示例中，冷凝器274是冷却器，并且可以构造为控制工作流体回路202的低压侧中的工作流体的温度，这是通过将来自低压侧中的工作流体的热能传递至冷却环路或者工作流体回路202的系统侧。

冷凝器274通常在冷却环路或者系统中使用冷却介质或者流体来冷却工作流体并且移除工作流体回路202外部的热能。冷却介质或者流体在与冷凝器274热连通的同时流过冷凝器274、在冷凝器274上流动、或者在冷凝器274周围流动。工作流体中的热能经由冷凝器274传递至冷却流体。因此，冷却流体与工作流体回路202热连通，但不流体地联接至工作流体回路202。冷凝器274可以流体地联接至工作流体回路202并且独立地流体地联接至冷却流体。冷却流体可以包括一种或多种化合物，并且可以处于一种或者多种物质状态下。冷却流体可以是介质或者流体，该介质或者流体处于气态、液态、次临界状态、超临界状态、悬液、溶液、其派生物、或者其组合物下。

在许多示例中，冷凝器274大体上流体地联接至冷却环路或者系统（未示出），该冷却环路或者系统接收来自冷却流体回流278a的冷却流体并且经由冷却流体供应278b将加温后的冷却流体返回至冷却环路或者系统。冷却流体可以是：水、二氧化碳、或者其它含水和/或有机流体（例如，乙醇和/或甘醇）、空气或者其它气体、或者其多种混合物，该多种混合物维持在低于工作流体的温度的温度下。在其它示例中，冷却介质或者流体包含暴露至冷凝器274的空气或者其它气体，诸如，由机动化风扇或者鼓风机吹出的空气蒸汽。过滤器276可以沿着在冷却流体供应278b下游且在冷凝器274上游的点处的冷却流体线路设置并且与该冷却流体线路流体连通。在一些示例中，过滤器276可以流体地联接至过程系统210内的冷却流体线路。

现在来看图2a和图2b，其中示出的是涡轮泵260的泵部262和驱动涡轮264的实施例的截面图，该涡轮泵260构造为经由传动轴267进行联接。在所示出的实施例中，驱动涡轮264包括壳体308以及设置在壳体308内的涡轮叶轮310。进一步地，图2a中示出的涡轮叶轮310围绕传动轴267设置并且包括后侧312。然而，应注意，在其它实施例中，驱动涡轮264易于发生特定实施方式变化并且不限于本文示出的那些驱动涡轮。

类似地，图2b中示出的泵部262包括：围住凹腔337的壳体335、以及围绕传动轴267设置的且具有背面316的叶轮314。在一些实施方式中，泵部262的叶轮314的背面316可以面朝涡轮叶轮310的后侧312。在操作期间，驱动涡轮264可以由加热后的工作流体来提供动力，例如，从热交换器150下游的点处进行提供，并且涡轮叶轮310旋转以生成驱动泵部262的叶轮314的动力。泵部262的叶轮314的旋转使工作流体循环通过工作流体回路202。然而，在涡轮叶轮310的后侧312面朝叶轮314（例如，在涡轮增压器中）的背面316的实施例中，可以令人期望的是，使涡轮叶轮310生成的推力与叶轮314（或者，在其它实施方式中为其它压缩器叶轮）生成的推力平衡，尤其是在使用超临界二氧化碳的实施方式中，在该实施方式中，机器功率密度、压力升高，并且旋转速度在操作期间使得标准推力轴承设计技术不可以提供充足的负载能力。

涡轮泵260中可以存在的高推力负载可以使得在泵部262和/或涡轮叶轮310上产生压力，并且系统中存在的压力可以是涡轮泵260操作的速度的函数。例如，如在图2b中示出的，在一些实施例中，压力可以展示为沿着叶轮314的前部和后部的梯度318、320和322，并且可以在叶轮314旋转的速度在操作期间增加时导致推力负载增加。此外，进入和离开涡轮泵260的工作流体的动量可以生成增加的轴向负载。相应地，当前公开的实施例可以提供如下系统和方法：该系统和方法能够使泵部262生成的推力负载减小、以及/或者使驱动涡轮264和泵部262生成的推力负载平衡。例如，在一些实施例中，泵部262的前侧上存在的压力与叶轮314的背面316上的压力相比可以存在重大差异，并且在试图减小背面316上的压力以抵消前侧上的压力时，可能出现困难。因此，某些当前公开的实施例可以使得压力能够从靠近叶轮314的背面316的位置处渗出或者释放。

例如，在一个实施例中，如在图3中示出的，压力释放通道300可以设置在叶轮314的背面316处或者接近该背面316。更加具体地，在一个或多个实施例中，压力释放通道300可以设置在靠近叶轮314的尖端315的背面316处或者接近该背面316。这样，压力释放通道300流体地联接至凹腔337，该凹腔337大体上设置在叶轮314的背面316与壳体335之间。在操作期间，压力释放通道300可以用于排放来自凹腔337的压力，例如，经由对泄压阀302的定位进行选择性的控制，以便减小涡轮泵260在操作期间生成的推力。进一步地，在一些实施例中，压力释放通道300可以例如经由图1中示出的线路304和306流体地联接至工作流体回路202的低压侧，目的在于将来自凹腔337的压力排放至工作流体回路202的低压侧。然而，在其它实施例中，压力释放通道300可以取决于特定实施方式考量因素而联接至工作流体回路202内的任何期望位置或者工作流体回路202的外部。

压力释放通道300可以设置在泵部262中，并且取决于给定的应用以多种合适的方式形成。在一些实施例中，压力释放通道300可以例如在制造期间整体地形成在泵部262中，或者可以在使用位置处设置在泵部262中。例如，在一个实施例中，可以将压力释放通道300钻孔到泵部262的壳体335中。在其它实施例中，可以在另一个合适的位置处将压力释放通道300钻孔到泵部262的壳体335中或者在其它方面将其形成在该壳体335中。例如，压力释放通道300的位置可以选择为使得减少或者消除对泄压阀302的需要。即是说，如果例如在泵部262的测试或者操作之前将压力释放通道300进行合适地定位，则可以对推力负载进行直接测量，并且在一些实施例中可以消除对泄压阀302的需要。

在所示出的实施例中，压力释放通道300靠近由护圈332包围的迷宫式（labyrinth）密封件330。在某些实施例中，迷宫式密封件330可以由比用于形成叶轮314的材料更软的材料形成。例如，在一个实施例中，迷宫式密封件330可以由塑料形成。进一步地，护圈332可以由比用于形成迷宫式密封件330的材料更硬的材料形成。这在工作流体是超临界二氧化碳的实施例中可以是令人期望的，这是因为工作流体可以有研磨作用，从而导致更软材料的护圈的磨损更大。在一些实施例中，附加迷宫式密封件334也可以设置在叶轮314的鼻部336处或者接近该鼻部336。

在操作期间，当叶轮314旋转以将工作流体泵送通过工作流体回路202时，压力在叶轮314的正面和背面上进行积累，并且前表面和后表面上的压力失衡可以导致轴向负载。此外，在泵部262的叶轮314与涡轮叶轮310相对的实施例中，驱动涡轮264也生成轴向负载。进一步地，当叶轮314和/或涡轮叶轮310的速度增加时，所生成的推力负载也增加。因此，当前公开的实施例可以提供一种方式以经由压力释放通道300来释放压力，以便使所生成的推力负载的至少一部分平衡。例如，在一个实施例中，在泵部262内生成的推力负载可以独立于驱动涡轮264达到平衡（例如，通过使叶轮314的前表面和后表面上的压力平衡）。然而，在其它实施例中，可以使整个涡轮泵260（例如，形成涡轮泵260的组件，如上文所讨论的）的推力负载达到平衡。例如，驱动涡轮264生成的推力负载可以与泵部262生成的推力负载相比达到平衡。然而，应注意，在许多应用中，与涡轮机械装置相关联的操作可变性可以使得在操作期间大体上难以实现净零推力。相应地，在某些实施例中，使推力负载平衡可以包括：在某一范围内达到平衡的推力负载之间维持差异。在该实施例中，过程控制系统204可以操作用于控制经由压力释放通道300进行的压力释放以便使系统中的推力最小化，从而使推力轴承负载能力最小化并且提高系统效率。

图4是流程图，示出了推力平衡方法340的实施例。在所示出的实施例中，推力平衡方法340包括：测量泵部的进口处的压力（框342）；测量泵部的出口处的压力（框344）；以及测量由泵部的壳体限定出的或者由该壳体形成的压力释放通道位置处的压力（框346）。然而，在其它实施例中，可以测量在多个合适的位置处的任何期望数量的压力。例如，可以取决于给定的应用以及需要被平衡的推力来在涡轮泵260的进口和出口处、以及在泵部262的进口和出口处测量压力。一旦被测量，压力就可以直接地或者间接地用于使一个或多个推力负载平衡，并且测量出的值可以作为第一数据组、第二数据组和第三数据组传达至过程控制系统204。为此，推力平衡方法340还包括：确定测量出的压力、或者从该测量出的压力推导出的一个或多个参数是否超过一个或多个阈值（框348）。例如，过程控制系统204可以使用测量出的压力来获得压力曲线、或者与系统中的推力负载相对应的其它参数。进一步地，在一些实施例中，与测量出的或者推导出的值进行比较的阈值可以是可允许值的范围，而不是单个固定值，以便适应给定应用中的涡轮机械装置的操作可变性。

如果测量出的或者推导出的值超过阈值，则实施推力平衡方法340的过程控制系统204通过如下方式继续进行：控制阀以便经由压力释放通道来释放压力（框350）。例如，过程控制系统204可以控制泄压阀302以便经由设置在泵部262中的压力释放通道300来将压力释放到工作流体回路202的低压侧中。通过检查如果推力负载已经达到平衡，则实施推力平衡方法340的过程控制系统204继续进行（框352），并且如果推力负载还未达到平衡，则该过程控制系统204继续进行释放附加压力（框350）。在此，再次应注意，使推力负载平衡可以包括：将系统中的推力负载和/或压力的差异保持在预定范围内。

应理解，本公开描述了用于实施本发明的不同特征、结构或者功能的多个示例性实施例。本文描述了部件、布置、以及构造的示例性实施例以便精简本公开，然而，这些示例性实施例仅仅提供用作示例并且不意在限制本发明的范围。此外，本公开可以在多个示例性实施例中以及在本文提供的附图中重复附图数字和/或字母。该重复的目的在于简化和清楚，并且其本身不会指示在多个附图中讨论的多个示例性实施例和/或构造之间存在关系。此外，在本公开中，第一特征形成在第二特征上方或者之上可以包括：第一特征和第二特征形成为直接接触的实施例，并且还可以包括：可以形成介于第一特征与第二特征间的附加特征从而使第一特征和第二特征可以不直接接触的实施例。最后，本文描述的示例性实施例可以以任何组合方式进行组合，即，来自一个示例性实施例的任何元件都可以在不背离本公开的范围的情况下用在任何其它示例性实施例中。

此外，某些术语在本公开和权利要求书中用于指特定部件。如本领域的技术人员应理解的，多个实体可以指由不同名称表示的同一部件，并且由此，用于本文描述的元件的命名惯例不意在限制本发明的范围，除非本文另外明确地定义。进一步地，本文所使用的命名惯例不意在在名称不同而功能相同的部件之间进行区别。进一步地，在本公开中以及在权利要求书中，术语“包含”、“含有”、以及“包括”是以开放式方式进行使用，并且应理解为意味着“包括，但不限于”。除非另外明确地阐明，本公开中的所有数值均可以是准确值或者近似值。相应地，在不背离预期范围的情况下，本公开的多个实施例可以与本文公开的数字、值、以及范围有偏差。此外，如在权利要求书或者说明书中使用的，术语“或者”意在涵盖排它性情况和包容性情况两者，即，“a或者b”意在与“a和b中的至少一个”同义，除非本文另外清楚地规定。

上文概述了多个实施例的特征，以便使本领域的技术人员可以更好地理解本公开。本领域的技术人员应理解，他们可以容易地将本公开用作基础来设计或者修改其它过程或者结构，以便执行与本文引入的实施例相同的目的和/或实现相同的优点。本领域的技术人员还应意识到，这些等效构造并不背离本公开的精神和范围，并且他们可以在不背离本公开的精神和范围的情况下在本文做出多种改变、替换、以及变型。