能量转换方法和系统与流程

本发明属于热能与动力技术领域，尤其涉及能量转换方法和系统。

背景技术：

除太阳能、风能和水能外，一次能源往往都需要转换为热能后再次转换为需要的能量形式，如煤炭中的化学能先加热水以转换为蒸汽热能，蒸汽热能转换为汽轮机的机械能，汽轮机的机械能转换为发电机的电能。诸如汽轮机的能量转换装置，能量转换的具体的过程是：高温高压蒸汽推动汽轮机叶轮转动，将高温高压蒸汽中蕴含的内能转换为水轮机的机械能。据统计，经过热能形式被利用的能量，在我国占90％以上，世界其他各国均超过85％。因此，实现热能的高效率转换利用对于人类社会的发展有着重要意义。

汽轮机利用高温高压蒸汽膨胀时产生的蒸汽流推动叶片旋转。根据卡诺定理，工质做功的热效率仅取决于高温及低温两个热源的温度，提高蒸汽温度和降低蒸汽做功后的温度将有助于提高热效率。如热电厂中超临界或超超临界蒸汽热电机组使用的是温度和压力均高于过热蒸汽的超临界蒸汽或超超临界蒸汽，其发电效率也高于普通饱和或过热蒸汽热电机组。然而，蒸汽温度越高、压力越大其氧化腐蚀能力越强，汽轮机叶片材料需要由耐高温耐腐蚀的贵金属材料制造，因此，超临界或超超临界热电机组的应用受到很大限制。

技术实现要素：

本发明提供了一种能量转换的方法和系统，本发明的一个目的是提高蒸汽热能转换为机械能的效率。

第一方面，本发明提供了一种能量转换方法，用于将蒸汽内能转换为机械能，包括，在压力容器中存储第一压强下的饱和水，所述第一压强高于标准大气压；将第二压强下的蒸汽通入所述压力容器以将所述饱和水排出并使所述排出的饱和水获得动能或势能，其中，所述第二压强大于所述第一压强；利用所述排出的饱和水驱动能量转换装置以使所述排出的饱和水的动能或势能转换为所述能量转换装置的机械能。

在第一种可能的实现方式中，所述压力容器中的饱和水在通入所述蒸汽时保持第一压强下的饱和状态。

结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，在所述压力容器内的所述饱和水的至少部分表面区域上设置隔离装置，所述隔离装置包括多个浮球，所述多个浮球连接形成一个整体。

结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述隔离装置覆盖所述饱和水的全部表面区域。

结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述多个浮球至少包括多个第一浮球和多个第二浮球，所述第一浮球与所述第二浮球的直径不同并且以减小所述隔离装置中的空隙的方式相互连接。

结合上述可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述隔离装置还包括隔离板，所述隔离板支撑在所述多个浮球上，使得所述蒸汽与所述饱和水隔开。

结合上述可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，所述蒸汽在通入所述压力容器后保持在第二压强状态下。

结合上述可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，所述压力容器中的至少一部分饱和水利用通入该压力容器中的蒸汽的膨胀做功而排出。

结合上述可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，在通入所述压力容器中的所述蒸汽的压强下降至预定值时，停止从所述压力容器中向外排放饱和水，其中，所述预定值大于或等于所述第一压强。

结合上述可能的实现方式，在第九种可能的实现方式中，当所述蒸汽的压强下降至所述预定值时，所述压力容器中的所述饱和水被全部排出。

结合上述可能的实现方式，在第十种可能的实现方式中，当所述压力容器内的所述蒸汽的压强降至所述预定值时，将驱动所述能量转换装置后的饱和水输送至所述压力容器以排出该压力容器中的蒸汽。

结合上述可能的实现方式，在第十一种可能的实现方式中，将输送到所述压力容器中的驱动所述能量转换装置后得到的饱和水保持在第一压强状态下。

结合上述可能的实现方式，在第十二种可能的实现方式中，利用从所述压力容器排出的所述蒸汽对驱动所述能量转换装置后得到的饱和水进行加热。

结合上述可能的实现方式，在第十三种可能的实现方式中，利用蒸汽发生装置产生所述第二压强下的蒸汽，并且将部分驱动所述能量转换装置后的饱和水补充到所述蒸汽发生装置。

结合上述可能的实现方式，在第十四种可能的实现方式中，所述能量转换装置为水轮机。

第二方面，提供了一种能量转换系统，用于将蒸汽内能转换为机械能，包括：至少一个压力容器，具有进水口、出水口、进汽口和排汽口，所述压力容器用于容纳第一压强下的饱和水，其中，所述第一压强高于标准大气压；汽源装置，具有进水口和出汽口，所述汽源装置的出汽口与所述压力容器的进汽口相连，所述汽源装置能够向所述压力容器通入第二压强下的蒸汽以将所述饱和水从所述压力容器的出水口排出并使所述排出的饱和水获得动能或势能，其中，所述第二压强大于所述第一压强；能量转换装置，包括进水口、出水口和旋转部件，所述能量转换装置的进水口与所述压力容器的出水口相连，所述旋转部件能够由所述压力容器排出的饱和水推动旋转而获得机械能。

在第一种可能的实现方式中，所述压力容器中的饱和水在通入所述蒸汽时保持第一压强下的饱和状态。

结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，在所述压力容器内的所述饱和水的至少部分表面区域上设置隔离装置，所述隔离装置包括多个浮球，所述多个浮球连接形成一个整体。

结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述隔离装置覆盖所述饱和水的全部表面区域。

结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述多个浮球至少包括多个第一浮球和多个第二浮球，所述第一浮球与所述第二浮球的直径不同并且以减小所述隔离装置中的空隙的方式相互连接。

结合上述可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述隔离装置还包括隔离板，所述隔离板支撑在所述多个浮球上，使得所述蒸汽与所述饱和水隔开。

结合上述可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，还包括存储装置，所述存储装置具有进水口、进汽口和出水口，所述存储装置的进水口与所述能量转换装置的出水口相连，用于接收推动所述旋转部件后的饱和水。

结合上述可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，所述存储装置和所述压力容器之间设置有排汽装置和第一输水装置，其中，所述排汽装置分别与所述压力容器的排汽口和存储装置的进汽口相连，用于将所述压力容器内的蒸汽输送至所述存储装置；所述第一输水装置分别与所述压力容器的进水口和所述存储装置的出水口相连，用于将所述存储装置中的所述饱和水输送至所述压力容器中。

结合上述可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，所述存储装置与所述汽源装置之间设置有第二输水装置，所述第二输水装置分别与所述存储装置的出水口和所述汽源装置的进水口连接，用于将所述存储装置中的部分饱和水输送至所述汽源装置。

结合上述可能的实现方式，在第九种可能的实现方式中，所述能量转换装置为水轮机。

结合上述可能的实现方式，在第十种可能的实现方式中，还包括发电机，所述发电机由所述水轮机驱动。

第三方面，提供了一种多级能量转换系统，至少包括第一级能量转换单元、第二级能量转换单元和汽源装置，其中，所述第一级能量转换单元包括：至少一个第一级压力容器，具有进汽口、出汽口和出水口，所述第一级压力容器用于容纳第一压强下的饱和水；第一级能量转换装置，包括旋转部件，所述旋转部件能够由从所述第一级压力容器排出的饱和水推动旋转而获得机械能。所述第二级能量转换单元包括：至少一个第二级压力容器，具有进汽口和出水口，所述第二级压力容器用于容纳第二压强下的饱和水；每一个所述第二级压力容器均与一个所述的第一级压力容器对应；第二级能量转换装置，包括旋转部件，所述旋转部件能够由从所述第二级压力容器排出的饱和水推动旋转而获得机械能。所述第一压强大于所述第二压强。所述汽源装置具有出汽口，所述汽源装置的出汽口与所述第一级压力容器的进汽口连接；所述汽源装置能够向所述第一级压力容器通入第三压强下的蒸汽以将所述第一压强下的饱和水排出并使所述排出的饱和水获得动能或势能；所述第三压强大于所述第一压强。所述第一级压力容器与所述第二级压力容器之间设置有通汽装置，所述通汽装置连接每一个所述第一级压力容器的出汽口和与之对应的所述第二级压力容器的进汽口，所述通汽装置能够将所述第一压力容器内的蒸汽通入所述第二级压力容器中，通入所述第二级压力容器的蒸汽通过膨胀做功将第二压强下的饱和水从所述出水口排出并使所述排出的饱和水获得动能或势能。

在第一种可能的实现方式中，所述第一级压力容器中的所述饱和水在通入所述第三压强下的蒸汽时保持为第一压强下的饱和状态。

结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，在所述第一级压力容器内的所述饱和水的至少部分表面区域上设置隔离装置，所述隔离装置包括多个浮球，所述多个浮球连接形成一个整体。

结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述隔离装置覆盖所述饱和水的全部表面区域。

结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述多个浮球至少包括多个第一浮球和多个第二浮球，并且所述第一浮球与所述第二浮球的直径不同并且以减小所述隔离装置中的空隙的方式相互连接。

结合上述可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述隔离装置还包括隔离板，所述隔离板支撑在所述多个浮球上，使得所述蒸汽与所述饱和水隔开。

本发明提供的能量转换方法和系统，通过蒸汽与饱和水的压强差推动饱和水运动，从而将高温高压蒸汽的内能转换为饱和水的动能或势能，饱和水再推动能量转换装置将其动能或势能转换为机械能。此转换过程中，与能量转换装置直接接触的是温度较低的饱和水，高温高压蒸汽不需要与能量转换装置发生直接接触，不存在高温高压蒸汽腐蚀能量转换装置的问题，因而可以使用更高温度和压强的蒸汽以提高能量转换效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明能量转换方法的一个实施例的示意性流程图；

图2是本发明能量转换方法的另一个实施例的示意性流程图；

图3是本发明能量转换方法的另一个实施例的示意性流程图；

图4是本发明能量转换系统的一个实施例的示意图；

图5是本发明多级能量转换系统的一个实施例的示意图。

其中：

100，高压级能量转换单元；

200，中压级能量转换单元；

300，低压级能量转换单元；

10、20，310、320、330，低压罐；

210、220、230，中压罐；

110、120、130，高压罐；

140，高压水轮机；

240，中压水轮机；

30、340，低压水轮机；

150，高压水箱；

250，中压水箱；

40、350，低压水箱；

60、160、260、360，循环水泵；

400，增压水泵；

50、500，给水泵；

70、600，蒸汽锅炉；

800，过热装置；

11、21，111、121、131、211、311，进汽阀；

112、122、132、212、312，出汽阀；

12、22，113、123、133、213、313，排汽阀；

14、24，114、124、134、214、314，出水阀；

13、23，115、125、135、215、315，进水阀。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的主要技术创意。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1示出了本发明能量转换方法一个实施例的示意性流程图。该方法包括以下步骤：

S110，在压力罐中存储0.25MPa压强下的饱和水。

S120，向压力罐中通入1MPa饱和蒸汽以排出饱和水并使其获得动能，饱和水被排出1/4时停止通入饱和蒸汽，由饱和蒸汽膨胀做功排出剩余饱和水。

S130，从压力罐中排出的饱和水被引导至水轮机以推动水轮机转动。

在步骤S110中，可以在密闭状态下加热压力罐中的水以获得0.25MPa压强下的饱和水。

在步骤S120中，前1/4的饱和水被排出压力罐的过程中，保持通汽速度大于等于排水速度，使得饱和蒸汽与饱和水之间具有稳定的0.75MPa压强差。由于饱和水是不可压缩的，因而在该压强差下饱和水将以一定的速度从中压罐中排出，从而获得较大和较稳定的动能。前1/4饱和水被排出后，压力容器中充有1/4体积的1MPa饱和蒸汽，该部分蒸汽通过膨胀做功将剩余的3/4的饱和水排出压力罐。在该过程中饱和蒸汽的体积膨胀至原来的四倍，压强减小为原来的1/4，即由1MPa降为0.25MPa。

在步骤S130中，饱和水经过水轮机时推动水轮机叶轮转动，其动能转换为水轮机叶轮的机械能，饱和水中蕴含的热能与水轮机之间仅有少量的传热损失，且水轮机效率远高于汽轮机效率，因而步骤S120与步骤S130中转换效率乘积将大于汽轮机转换效率。

本发明提供的能量转换方法，通过饱和蒸汽与饱和水的压强差推动饱和水运动，从而将饱和蒸汽的内能转换为饱和水的动能，饱和水再推动水轮机将其动能转换为机械能。此转换过程中，与水轮机叶轮直接接触的是温度较低的饱和水，饱和蒸汽不需要与水轮机叶轮发生直接接触，不存在饱和蒸汽腐蚀水轮机零部件的问题，因而可以使用更高温度和压强的蒸汽以提高热能效率。

作为一个可选实施例，步骤S120中以压强为1MPa的过热蒸汽替代饱和蒸汽，通过过热装置对饱和蒸汽进行加热，使饱和蒸汽进一步膨胀，从而使单位质量的水转换为更大体积的蒸汽。

可选地，作为另一实施例，在步骤S120中使饱和水保持在0.25MPa压强的饱和状态。由于本步骤依赖蒸汽与饱和水间压强差实现蒸汽内能转换为饱和水动能，因而保持该压强差稳定不变能够使饱和水获得更稳定的动能。

可选地，作为另一实施例，该方法100还包括步骤S140：使水轮机的机械能转换为其他形式的能量，如发电机的电能。

应当理解，上述实施例中蒸汽压强值和饱和水所对应压强值均为示例性的，具体实施中并不局限于此，满足“蒸汽压强值大于饱和水所对应压强值”的技术方案均落入本发明的保护范围。

图2示出了本发明能量转换方法另一个实施例的示意性流程图。该方法包括以下步骤：

S210，在中压罐中存储0.25MPa压强下的饱和水；在低压罐中存储0.12MPa压强下的饱和水。

S220，向中压罐中通入压强为1MPa的饱和蒸汽以将饱和水排出并获得动能，饱和水被排空时停止通入1MPa饱和蒸汽，通汽过程中保持通汽速度大于等于排水速度。

S230，从中压罐中排出的饱和水被引导至中压水轮机中以推动中压水轮机转动。

S240，在S220步骤后，将中压罐与低压罐连通使得1MPa饱和蒸汽通入低压罐，低压罐中饱和水被排出并获得动能；当中压罐中饱和蒸汽压强降至0.25MPa时，停止将饱和水从低压罐中排出。

S250，低压罐中排出的饱和水被引导至低压水轮机中以推动低压水轮机转动。

S260，在步骤S240后，将由中压水轮机排出的饱和水输送至中压罐中，同时排出中压罐中0.25MPa蒸汽。

S270，当中压罐中充满饱和水后，重复S220、S230。

S280，将由低压水轮机排出的饱和水输送至低压罐中。

S290，当低压罐中充满饱和水后，重复S240、S250。

在步骤S220中，通汽过程中保持通汽速度大于等于排水速度，因而中压罐内蒸汽压强得以保持为1MPa，蒸汽与饱和水之间具有稳定压强差0.75MPa。由于饱和水是不可压缩的，因而在该压强差下饱和水将以一定的速度从中压罐中排出，从而获得较大和较稳定的动能。

在步骤S230中，饱和水经过水轮机时推动水轮机叶轮转动，其动能转换为水轮机叶轮的机械能。在该过程中，饱和水仅有少量热能传至水轮机，且水轮机效率远高于汽轮机效率，因而步骤S220与步骤S230中转换效率乘积将大于汽轮机转换效率。

在步骤S240中，低压罐和中压罐连通后，1MPa饱和蒸汽通过膨胀做功的方式将饱和水排出低压罐，且两个罐体中汽压相等且逐渐下降。可以将低压罐的体积设置为中压罐体积的三倍，使得1MPa的饱和蒸汽体积膨胀至原来的四倍、压力降至0.25MPa，此时低压罐中的饱和水恰好被排完。

中压罐中的蒸汽压强降为0.25MPa，因此步骤S260中，在向中压罐中输送饱和水的过程中，进入中压罐的饱和水仍处于0.25MPa的压强之下，从而得以保持原饱和状态。同时，由于蒸汽与饱和水之间不存在压强差，向中压罐中输送饱和水的过程将减少能耗。

在步骤S250中，由低压罐排出的饱和水对低压水轮机做功的过程原理同步骤S230，此处不再赘述。

步骤S260和S280中，由中压水轮机和低压水轮机中排出的部分饱和水被分别输送至中压罐和低压罐，用以在重复步骤S270和步骤S290时推动水轮机，实现饱和水循环利用。

作为一个可选实施例，步骤S260中，由中压罐中排出的0.25MPa蒸汽被用来加热由中压水轮机中排出的饱和水。由于饱和水会有少量热量散发到周围环境中，需要对饱和水进行加热以维持其温度不变，利用膨胀做功后的蒸汽余热加热饱和水将进一步提高热能效率。

作为另一个可选实施例，在步骤S260中，由中压水轮机排出的饱和水被输送至汽源装置，以向汽源装置补水。中压水轮机排出的饱和水仍为高温高压状态，加热至沸腾时所需的热量远小于常温水源。

作为另一个可选实施例，在步骤S220和/或S240中，在饱和蒸汽和饱和水之间设置隔离装置。由于进入压力罐中蒸汽的温度都高于饱和水，为避免蒸汽与饱和水直接接触发生相变以及减少蒸汽向饱和水中的热量传递，可以在饱和水与蒸汽之间设置隔离装置，隔离装置漂浮在饱和水水面上，能够随饱和水水面的升降而升降。隔离装置可以由多个不同直径的隔热球体粘接或以绳索连接构成，隔热球体可以漂浮在饱和水表面上，较小直径的球体填充在较大直径的球体之间的空隙中。当然，隔离装置还可以为由隔热材料制成的隔热板，浮在饱和水水面上。隔离装置可以覆盖整个水面，以减少蒸汽向饱和水传递热量，有利于保持蒸汽和饱和水的压强稳定。

作为另一个可选实施例，隔离装置还可以由隔离板和浮球组成，浮球设置在隔离板下方或嵌入在隔离板中以使隔离板能够漂浮于饱和水表面，隔离板和浮球均可以由绝热材料制成。

作为另一个可选实施例，还可以由过热蒸汽替代饱和蒸汽。同等质量的过热蒸汽比饱和蒸汽具有更大的体积，因而将减少汽源中水源的消耗，从而减小对汽源中水源的补充需求，提高热效率。

作为另一个可选实施例，由中压罐和低压罐排出的饱和水被储入高于水轮机位置的存储装置中，从而获得势能，获得势能后的饱和水依靠其重力推动水轮机转动。

图3示出了本发明能量转换方法另一个施例的示意性流程图。该方法包括以下步骤：

S310，配置第一压力罐和第二压力罐，第一压力罐中存储0.25MPa压强下的饱和水。

S320，通过向第一压力罐中通入压强为1MPa的过热蒸汽将饱和水排出并使其获得动能，当饱和水被排出1/4时停止通入过热蒸汽，由过热蒸汽膨胀做功排出剩余饱和水。

S330，第一压力罐中排出的饱和水被引导至水轮机并推动水轮机转动。

S340，将推动水轮机后的饱和水注满第二压力罐。

S350，向第二压力容器通入压强为1MPa的过热蒸汽以排出其中的饱和水并使其获得动能，当饱和水被排出1/4时停止通入1MPa过热蒸汽，由过热蒸汽膨胀做功以排出剩余饱和水。

S360，从第二压力罐中排出的饱和水被引导至水轮机并推动水轮机转动。

S370，将推动水轮机做功后的饱和水输送至第一压力罐。

S380，重复步骤S310至步骤S370。

其中，步骤310至步骤330与前述实施例中的步骤S11O至S130具有相同的能量转换过程，因而此处不再赘述。

在步骤S340中，由于饱和水是不可压缩工质，因而由水轮机排出的饱和水需要被实时存储，第二压力罐中无饱和水，因而可作为储水容器应用。

步骤S350、S360与步骤S320、330中具有相同的能量转换过程，因而此处不再赘述。

在步骤S370中，由水轮机中排出的饱和水被通过诸如水泵的输送装置输入到已经在步骤S320中排空的第一压力罐中。

本实施例中第一压力罐与第二压力罐可以互为临时储水的水箱，不需要额外配置中间存储装置来存储饱和水，能够减少设备装置的成本；同时能够减少能量转换过程中热量向周围环境中的辐射和传导损失，能进一步提高能量转换的效率。

图4示出了本发明能量转换系统一个实施例的示意性框图。如图4所示，该系统包括：蒸汽锅炉70、低压罐10、低压罐20、低压水轮机30、低压水箱40、循环水泵60、给水泵50和发电机(图中未示出)等。

低压罐10和20中储满0.15MPa压强下的饱和水。

蒸汽锅炉70能够提供2MPa饱和蒸汽。

蒸汽锅炉70与低压罐10、20之间设有进汽管道，进汽管道连接蒸汽锅炉70的出汽口与低压罐10、20的进汽口，进汽管道上设置有控制进汽管道开闭的进汽阀11、21。

低压罐10、20的出水口与低压水轮机30的进水口之间均设置有出水通道，出水通道上设置有控制其开闭的出水阀14、24。

低压水轮机30的出水口连通低压水箱40的进水口，经低压水轮机30出水口排出的饱和水可以储存在低压水箱40中。

低压水箱40的出水口与低压罐10、20的进水口之间设置有进水管道和循环水泵60，进水管道上分别设置有控制其开闭的进水阀13、23。进水阀13、23打开时，启动循环水泵60可将低压水箱40中的饱和水泵入到低压罐10、20中。

低压水箱40与蒸汽锅炉70的进水口之间还设置有补水管道和给水泵50，给水泵50可将低压水箱40中的饱和水通过补水管道泵入到蒸汽锅炉70中。

低压罐10、20的排汽口与低压水箱40的进汽口之间还设置有排汽管道。排汽管道还与补水管道相连。排汽管道上分别设置有控制排汽管道通断的排汽阀12、22。

其中，整个系统中的各个装置均作隔热处理，如低压罐10、20和低压水箱40均为双层真空隔热结构。

为了便于对本发明的理解，以下结合工作过程对本发明进行进一步解释说明。

初始状态下低压罐10和20中储满饱和水，进汽阀11和21、排汽阀12、排汽阀22、出水阀14和24以及进水阀13和23均关闭。

首先打开进汽阀11和出水阀14，蒸汽锅炉70中的2MPa饱和蒸汽通过进汽管道进入低压罐10，饱和蒸汽与饱和水之间压强差为1.6MPa，在该压强差下饱和水以一定速度排出而获得动能。饱和水沿出水通道进入低压水轮机30并推动水轮机叶轮转动，水轮机驱动发电机(图中未示出)转动而将其机械能转换为电能。

饱和水在低压水轮机30做功后排入低压水箱40。

低压罐10中的饱和水排出1/5时，关闭进汽阀11，罐内饱和蒸汽通过膨胀做功将剩余饱和水排出。

饱和水完全排出时关闭出水阀14，同时打开进汽阀21、出水阀24、进水阀13和排汽阀12。

进汽阀21和出水阀24打开时，蒸汽锅炉70中的2MPa饱和蒸汽通过进汽管道进入低压罐20，饱和蒸汽与饱和水之间压差为1.6MPa，在该压强差下饱和水以一定速度排出并获得动能。饱和水沿出水通道进入低压水轮机30并推动水轮机叶轮转动，水轮机驱动发电机(图中未示出)转动而将其机械能转换为电能。

进水阀13和排汽阀12打开时，启动循环水泵60，循环水泵60将水箱40中的饱和水输送至低压罐10，直至注满；同时给水泵50将部分饱和水通过补水管道输送至蒸汽锅炉70。在将饱和水注入低压罐10时，低压罐10中剩余的蒸汽由排汽管道排入水箱和补水管道，以蒸汽潜热对饱和水进行回热。低压罐10注满饱和水时关闭进水阀13和排汽阀12。

低压罐20中的饱和水排出1/5时，关闭进汽阀21，罐内饱和蒸汽通过膨胀做功将剩余饱和水排出。

饱和水完全排出时关闭出水阀24，同时打开进水阀23和排汽阀22并启动循环水泵60，将低压水箱40中的饱和水输送至低压罐20，同时将罐中剩余蒸汽由排汽管道排入水箱和补水管道，将蒸汽潜热进行回收。

重复上述操作，使饱和水持续对低压水轮机30做功。

上述能量转换系统，通过低压罐和水轮机使能量转换过程分为两个步骤：饱和蒸汽与饱和水的压强差推动饱和水运动从而将饱和蒸汽的内能转换为饱和水的动能；饱和水再推动水轮机将其动能转换为机械能。此转换过程中，与水轮机直接接触的是温度较低的饱和水，饱和蒸汽不需要与水轮机发生直接接触，不存在高温高压蒸汽腐蚀水轮机的问题，因而可以使用更高温度和压强的蒸汽以提高能量转换效率。

另外，推动饱和水做功后的蒸汽被用来加热系统内的饱和水，因而能够回收其中的潜热，进一步提高热能效率。

可选地，作为另一实施例，低压水轮机30入口端之前还可以设置势能存储水箱，该水箱的位置高于低压水轮机30，低压水箱10、20排出的饱和水可以先存储于势能存储水箱，再依靠其重力推动低压水轮机30转动。即饱和水的动能先转换为势能，再通过水轮机转换为机械能。

图5示出了本发明多级能量转换系统的一个实施例的示意图。

如图5所示，多级能量转换系统包括蒸汽锅炉600、过热装置800、高压级能量转换单元100、中压级能量转换单元200和低压级能量转换单元300等。

蒸汽锅炉600用于提供饱和蒸汽，过热装置800用于将由蒸汽锅炉600产生的饱和蒸汽进行过热处理，并能够通过进汽管道将过热蒸汽通入下述的高压罐110、120、130。过热装置800能够提供4MPa过热蒸汽。

高压级能量转换单元100包括高压罐110、120、130，高压水轮机140、高压水箱150、循环水泵160等。

高压罐110、120、130体积均为3m³，其中预储有1MPa压强下的饱和水，各个高压罐的进汽口与过热装置800的出汽口之间均设置有进汽管道，相应地，各个进汽管道分别设置有控制其通断的进汽阀111、121、131。

高压罐110、120、130的出水口分别与高压水轮机140的入水口之间设置有出水管道，相应地，各个出水管道上分别设置有控制其通断的出水阀114、124、134。

高压水轮机140的出水口连通高压水箱150的进水口，高压水轮机140排出的饱和水可以储存在高压水箱150。

高压水箱150的出水口与高压罐110、120、130的进水口之间设置有进水管道和循环水泵160，进水管道上分别设置有控制其通断的进水阀115、125、135。进水阀115、125、135打开时，循环水泵160可将高压水箱150中的饱和水泵入高压罐110、120、130。

高压水箱150与蒸汽锅炉600之间设置有补水管道。

高压罐110、120、130的排汽口与高压水箱150的进汽口之间设置有排汽管道，排汽管道上分别设置有控制其通断的排汽阀113、123、133。

高压罐110、120、130的出汽口与中压罐210、220、230的进汽口之间设置有出汽管道，出汽管道上分别设置有控制其通断的出汽阀112、122、132。

中压级能量转换单元200和低压级能量转换单元300与高压级能量转换单元具有基本相同的结构，因而此处不再赘述相同之处，仅分别说明其不同之处。

中压级能量转换单元200中，中压罐210、220、230各自体积为单个高压罐体积的三倍，即9m³；低压级能量转换单元300中，低压罐310、320、330各自体积为单个中压罐体积的三倍，即27m³。

中压级能量转换单元200使用0.25MPa压强下的饱和水；低压级能量转换单元300使用0.15MPa压强下的饱和水。

高压水箱150、中压水箱250、低压水箱350与蒸汽锅炉之间设置有串联的补水管道，补水管道上设置有升压泵400和给水泵500，用于将水箱中的部分饱和水输送至蒸汽锅炉600中。

中压罐210、220、230上分别设置有与低压罐310、320、330相连的出汽管道，出汽管道上分别设置有控制其通断的出汽阀212、222、232。

与低压罐310、320、330对应的出汽阀312等可作为备用阀门。

另外，高压水轮机140、中压水轮机240和低压水轮机340的主轴同轴连接，每一个水轮机的转动均会将转矩传至其他水轮机。

为了更清楚地说明本发明，以下结合该系统的一种工作方式进一步进行解释说明。

初始状态下，系统中的所有阀门均关闭，各级能量转换单元中的各个压力罐均充满饱和水。

首先开启进汽阀111和出水阀114，过热蒸汽由过热装置800输送至高压罐110，高压罐110中饱和水完全排出时关闭进汽阀111和出水阀114。高压罐110排出的饱和水推动高压水轮机140转动，之后排入高压水箱150。

可以在关闭进汽阀111时打开出汽阀112、进汽阀211和出水阀214，高压罐110中4MPa过热蒸汽进入中压罐210，并通过膨胀做功将中压罐中的饱和水排至中压水轮机240，饱和水推动水轮机转动后排入中压水箱250。

中压罐210中饱和水完全排出时关闭出汽阀112、进汽阀211和出水阀214。其中，高压罐110的体积为3m³，中压罐210的体积为9m³，因此高压罐110中4MPa的过热蒸汽体积最终膨胀至12m³，压强降至1MPa。

另外，可以在关闭出汽阀112打开进水阀115和排汽阀113，启动循环水泵160将高压水箱150中的饱和水输送至高压罐110。饱和水进入高压罐110并将其中的1MPa剩余蒸汽排出，剩余蒸汽由排汽管道输送至高压水箱150和补水管道，回收蒸汽潜热。

可以在关闭进汽阀211时打开出汽阀212、进汽阀311和出水阀314。中压罐210中的1MPa的蒸汽进入低压罐310，并通过膨胀做功将低压罐中的饱和水排至低压水轮机340，饱和水推动水轮机后排入低压水箱350。

中压罐210中的饱和水完全排出时关闭出汽阀212、进汽阀311和出水阀314。其中，中压罐210的体积为9m³，低压罐310的体积为27m³，因此中压罐210中的1MPa过热蒸汽体积最终膨胀至36m³，压强降至0.25MPa。

可以在关闭出汽阀212时打开排汽阀213和进水阀215，开启循环水泵260将中压水箱250中的饱和水注入中压罐210。饱和水进入中压罐210时将剩余蒸汽排入中压水箱250和补水管道。

同理，低压罐310中的蒸汽和低压水箱350中的饱和水也可以通过控制排汽阀313、进水阀315和循环水泵360进行循环利用。

以上工作工程是以每级能量转换单元中只有一个压力容器工作为例说明的，但实际的实施过程不局限于此，由于每级能量转换单元中的每个阀门都可以单独控制，因而可以通过控制各个阀门来决定参与转换的压力容器的数量，以及各级各个压力罐的工作顺序，从而根据实际的功率需求来设置工作流程。

可选地，作为另一实施例，该多级能量转换单元还可以被设置为5级，当应用于更高压强的蒸汽源时以使蒸汽分段膨胀且充分膨胀。

高压蒸汽一次完全膨胀耗时较长，同时容器体积需求也较大，实施较为困难，因而通过多级能量转换单元实现蒸汽分步膨胀以解决上述问题。同时，由于蒸汽不与水轮机直接接触，不会有高温高压蒸汽腐蚀水轮机叶片的问题，能够使用更高温度和压力的如超临界状态的蒸汽驱动饱和水，从而进一步提高效率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。