专利名称：用于使热动力循环运行的方法以及热动力循环的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的用于使热动力循环运行的方法以 及如权利要求7前序部分所述的热动力循环；例如通过EP1613841B1公开了这种循环。
背景技术：
热电站利用热动力循环过程将热能转换成机械能或电能。传统的热电站通过燃烧 燃料、主要是化石能量载体煤、石油和天然气产生热量。在此循环过程例如以传统的朗肯 (Rankine)循环过程为基础以水作为工作介质运行。但是水的高沸点使水主要在利用温度 在100至200°C的热源、例如地热流体或来自燃烧过程的废热时由于低的经济性是没有吸 引力的。近几年来已经对于这种低温热源研究出不同的理论，它们能够使其热量以良好的 效率转化成机械能或电能。除了具有有机工作介质的朗肯过程(organic rankine cycle, ORC)以外，这种所谓的卡琳娜(Kalina)循环过程主要显示出比传统的朗肯过程明显更好 的效率。以卡琳娜(Kalina)循环过程为基础已经研究出对于不同应用的各种循环。这些 循环使用双物质混合物(例如氨和水)代替水作为工作介质，其中充分利用混合物的非等 温的沸腾和冷凝过程，用于提高与朗肯(Rankine)循环相比的循环效率。由EP1613841B1已知一种这样的适合于100至200°C、尤其是100至140°C的卡琳 娜(Kalina)循环。由EP1070830A1已知另一这种公知的循环。关于传统的水-蒸汽循环已知，为了启动这种循环使产生的蒸汽首先经过涡轮 机，直到在循环中建立起对于涡轮机运行足够的压力。但是如果这个原理在上述的卡琳娜 (Kalina)循环中应用，则在启动循环期间可能导致压力在循环中的脉动，它们可能大到必 需使循环紧急中断。
发明内容
因此本发明的目的是，给出一种如权利要求1前序部分所述的循环，其中在启动 时可以防止这种脉动。本发明的另一目的是，给出循环、尤其用于执行按照本发明的方法， 通过它可以防止这种脉动。针对所述方法的目的通过权利要求1的内容得以实现。有利的方案是权利要求2 至6的内容。针对热动力循环的目的通权利要求7的内容得以实现。有利的方案是权利要 求8至12的内容。本发明源自这种认识，当通过分离器分离的液相和蒸汽相在第一热交换器前面汇 集的时候，在启动时对第一热交换器输送非常多的能量。这导致，其全部能量导引到第一热 交换器并且通过热传递到其初级侧导致液态工作介质的剧烈蒸发。由此导致从到第一热交 换器的入口直到第二热交换器的出口的压力比的强烈变化，尤其当测量第二热交换器的出 口上或分离器后面的工作介质压力并且作为循环的控制量的时候。由于变化的压力比和伴随而来的调节介入可能引起蒸发过程，它们也可能再突然汇合并由此在循环中产生压力脉 冲。通过将分离的蒸汽相导引绕过膨胀装置和第一热交换器，防止太高的热输入到第 一热交换器中并由此防止太高的热传递到液态工作介质。由此可以防止在第一热交换器中 太剧烈地蒸发液态工作介质并由此可靠地抑制脉冲。有利地在冷却的工作介质流中使液相与蒸汽相相互分离并接着再汇集。由此可以 使工作介质在其输送到第三热交换器之前均质化并由此改善循环效率。按照本发明的循环的特征在于旁通管路，该旁通管路从分离器与膨胀装置之间的 管路分支并且在第一热交换器后面通到第一热交换器与第三热交换器之间的管路中。对于按照本发明的方法所述的优点和思考对于按照本发明的循环相应地有效。有利地为了使工作介质在其输送到第三热交换器之前均质化并由此为了改善循 环的效率，在第一热交换器与第三热交换器之间的管路中在旁通管路的入口与第三热交换 器之间连接另一用于分离液相与蒸汽相的分离器和用于混合通过所述另一分离器分离的 液相和蒸汽相的混合器。按照本发明的方案，作为工作介质使用多物质混合物。所述多物质混合物优选是 双物质混合物、尤其是氨-水混合物。由于这种混合物的非等温的蒸发和冷凝可以达到特 别高的循环效率。通过使用来自地热源的地热流体、尤其是热水作为热源能够特别环保地获得能 量。但是作为热源也可以使用燃气和/或蒸汽涡轮设备的废气(烟气)或在工业生产过程 中(例如在钢铁生产)产生的热量。如果所述热源具有100°C至2000C的温度、尤其是100°C至140°C的温度，则由此也 可以达到高的循环效率。
下面借助于在附图中所示的实施例详细解释本发明以及按照参数权利要求的本 发明的其它有利方案。这个附图以非常简化的示意图示出按照本发明的热动力循环。
具体实施例方式在附图中示出的热动力循环1包括第一热交换器(预热器)W1、第二热交换器(蒸 发器)W2和第三热交换器(冷凝器)W3。第二热交换器W2在初级侧与外部热源处于热接触，在所示实施例中第二热交换 器在初级侧由未详细示出的地热源的热的热水20通流，并且在次级侧一方面与第一热交 换器Wl连接，另一方面与分离器4连接。该分离器4用于使部分蒸发的工作介质的蒸汽相 与液相分离。该分离器4的蒸发侧出口与作为膨胀装置的涡轮机2连接。该涡轮2在出口 侧与混合器5形式的汇集装置连接。该混合器5附加地还与分离器4的液体出口连接。在 出口侧该混合器5与第一热交换器Wl的次级侧连接。其在次级侧再通过管路30与在次级 侧与被冷水25通流的第三热交换器(冷凝器)W3的初级侧连接。 旁通管路31用于使在分离器4中分离的蒸汽相绕过涡轮机2和第一热交换器Wl。 该旁通管路31从分离器4与涡轮机2之间的管路32分支并在第一热交换器Wl后面通到第一热交换器Wl与第三热交换器W3之间的管路30中。阀门33、34用于控制和/或调节 蒸汽相10到旁通管路31或涡轮机2的输送。在管路30中在第一热交换器Wl与第三热交换器W3之间在旁通管路31的入口 35 与第三热交换器W3之间连接另一用于分离液相与蒸汽相的分离器40和另一用于使由分离 器40分离的液相与分离的蒸汽相混合的混合器41。第三热交换器(冷凝器)W3在其初级侧出口、必要时通过未详细示出的冷凝罐通 过泵3与第一热交换器Wl的初级侧连接。第一热交换器Wl的初级侧再与已经提到的第二 热交换器W2的次级侧连接。作为循环1中的工作介质使用由水和氨构成的双物质混合物，因此它具有非等温 的蒸发和冷凝。在循环1的正常运行中工作介质在第三热交换器(冷凝器)W3后面以液态状态作 为液态工作介质流13出现。借助于泵3使液态工作介质流13泵到提高的压力并且产生压 力加载的液态工作介质流14。在此当然也能够使液态工作介质流13在第三热交换器(冷 凝器)W3后面首先输送到冷凝罐，在那里进行中间存储并且从那里利用泵3取出并带到提 高的压力。压力加载的液态工作介质流14输送到第一热交换器Wl的初级侧并且通过在次级 侧通过第一热交换器Wl导引的膨胀的工作介质流12的部分冷凝实现加热甚至部分地蒸 发，由此在初级侧在第一热交换器Wl后面出现第一部分蒸发的工作介质流15并且在次级 侧出现部分冷凝的、膨胀的工作介质流12a。在第一部分蒸发的工作介质流15中的蒸汽含 量例如约为15%。接着将第一部分蒸发的工作介质流15输送到第二热交换器W2的次级侧。在初级侧第二热交换器W2由热的热水20通流，它离开第二热交换器W2作为冷 却的热水22。在第二热交换器W2中第一部分蒸发的工作介质流15通过从热的热水20的 热传递并由此引起热水20的冷却还进一步蒸发并且产生至少部分蒸发的第二工作介质流 18。部分蒸发的第二工作介质流18输送到分离器4，在其中使蒸汽相10与液相19分离。 接着使蒸汽相10在涡轮机2中膨胀并且将其能量转换成可利用的形式，例如通过未示出的 发电机转换成电流并且产生膨胀的蒸汽相11。为此打开阀门34并且关闭阀门33。在混合器5中再使膨胀的蒸汽相11与在分离器4中分离的液相19汇集并且形成 膨胀的工作介质流12。在第一热交换器Wl中膨胀的工作介质流12部分冷凝并且产生部分冷凝的、膨胀 的工作介质流12a。接着使部分冷凝的膨胀的工作介质流1 在第三热交换器(冷凝器) W3中借助于(流入的)冷水流25冷凝并且产生液态的工作介质流13。所述通过膨胀的工 作介质流1 在冷水流25上的冷凝所传递的热量通过流出的冷水流沈排出。在所述循环1的变型中，在第一热交换器Wl中在初级侧代替工作介质的已经部分 蒸发也可以只进行工作介质的加热。然后可以完全地在第二热交换器W2中进行至少部分 蒸发工作介质。在所述循环1的另一变型中在循环1中在第一热交换器Wl与第二热交换器W2之 间连接附加的第四热交换器，用于将在分离器4中分离的液相19的热量在其输送到第二热 交换器W2之前传递到加热的或已经部分蒸发的第二工作介质流15。
为了启动循环通过关闭阀门34首先中断蒸汽相10到涡轮机2的输送。取而代之 打开阀门33并且使通过分离器4分离的蒸汽相10通过旁通管路31导引绕过涡轮机2和 第一热交换器W1。由分离器4分离的液相(与在循环1的正常运行中一样)通过混合器5 输送到第一热交换器Wl并且在那里通过将热传递到液态的工作介质流14冷却。在第一热 交换器Wl后面使冷却的分离的液相与分离的蒸汽相10汇集成冷却的工作介质流。在输送汇集相到第三热交换器W3之前，为了使冷却的工作介质流均质化，在分离 器40中使冷却的工作介质流的液相和蒸汽相相互分离并接着通过混合器41再汇集。通过蒸汽相引导绕过第一热交换器Wl在启动循环时避免在第一热交换器Wl的初 级侧将太多热传递到液态工作介质流，并由此避免液态工作介质流14在第一热交换器Wl 中不期望的高的蒸发，这会在循环中导致压力脉冲。上面借助于优选的实施例已经描述了本发明，但是不局限于这些实施例。而是存 在许多本发明和这个实施例的变化和改型。例如可以在循环中连接附加的阀门。
权利要求
1.一种用于使热动力循环运行的方法，该循环至少包括下面的部件-第一热交换器(Wl)，用于通过从膨胀的工作介质流(1 的热传递来加热或部分蒸发 液态工作介质流(14)以产生加热的或部分蒸发的第一工作介质流(15)；-第二热交换器(W》，用于通过从外部热源00)传递的热量至少部分地蒸发或继续蒸 发第一工作介质流(15)产生至少部分蒸发的第二工作介质流(18)； -第三热交换器(W:3)，用于完全冷凝膨胀的工作介质流(12或12a)； -分离器G)，用于使第二工作介质流(18)的液相(19)与蒸汽相(10)分离； -膨胀装置O)，尤其是涡轮机，用于膨胀蒸汽相(10)，将其能量转换成可利用的形式 并且产生膨胀的蒸汽相(11)；-汇集装置(5)，用于通过汇集液相和膨胀的蒸汽相产生膨胀的工作介质流(12)； 其特征在于，为了启动循环-使通过分离器(4)分离的蒸汽相(10)导引绕过膨胀装置( 和第一热交换器(Wl)， -使由分离器(4)分离的液相(19)通过汇集装置(5)输送到第一热交换器(Wl)并且 在其中通过热传递到液态的工作介质流(14)而冷却，-在第一热交换器(Wl)后面使冷却的分离的液相和分离的蒸汽相(10)汇集成冷却的 工作介质流。
2.如权利要求1所述的方法，其中使冷却的工作介质流的液相和蒸汽相相互分离并接着再汇集。
3.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中作为工作介质使用多物质混合物。
4.如权利要求3所述的方法，其中作为多物质混合物使用双物质混合物，尤其是氨-水 混合物。
5.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中作为外部的热源00)使用地热流体，尤 其是热水。
6.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述热源00)具有100°C至200°C的温 度、尤其是100°C至140°C的温度。
7.热动力循环，尤其用于执行如上述权利要求中任一项所述的方法，至少包括-第一热交换器(Wl)，用于通过从膨胀的工作介质流(1 的热传递来加热或部分蒸发 液态工作介质流(14)以产生加热的或部分蒸发的第一工作介质流(15)；-第二热交换器(W》，用于通过从外部热源00)传递的热量至少部分地蒸发或继续蒸 发第一工作介质流(15)来产生至少部分蒸发的第二工作介质流(18)； -第三热交换器(W3)，用于完全冷凝膨胀的工作介质流(12a)； -分离器G)，用于使第二工作介质流(18)的液相(19)与蒸汽相(10)分离； -膨胀装置O)，尤其是涡轮机，用于膨胀蒸汽相(10)，将其能量转换成可利用的形式 并且产生膨胀的蒸汽相(11)；-汇集装置(5)，用于通过汇集液相(19)和膨胀的蒸汽相(11)产生膨胀的工作介质流 (12)；其特征在于，设有旁通管路(31)，用于绕过膨胀装置( 和第一热交换器(Wl)，该旁通 管路从分离器(4)与膨胀装置( 之间的管路(3 分支并且通到第一热交换器(Wl)与第 三热交换器(W3)之间的管路(30)中。
8.如权利要求7所述的热动力循环，其中在第一热交换器(Wl)与第三热交换器(W3) 之间的管路(30)中在旁通管路(31)的入口(35)与第三热交换器(W3)之间连接有另一用 于分离液相与蒸汽相的分离器GO)以及用于混合通过所述另一分离器GO)分离的液相和 蒸汽相的混合器Gl)。
9.如权利要求7或8所述的热动力循环，其中所述工作介质由多物质混合物构成。
10.如权利要求9所述的热动力循环，其中所述多物质混合物是双物质混合物，尤其是 氨-水混合物。
11.如权利要求7至10中任一项所述的热动力循环，具有地热流体，尤其热水作为外部 热源(20)。
12.如权利要求7至11中任一项所述的热动力循环，其中所述外部热源00)具有 100°C至200°C的温度，尤其是100°C至140°C的温度。
全文摘要
热动力循环(1)，其至少包括第一热交换器(W1)，用于通过从膨胀的工作介质流(12)的热传递来加热或部分蒸发液态工作介质流(14)以产生加热的或部分蒸发的第一工作介质流(15)；第二热交换器(W2)，用于产生至少部分蒸发的第二工作介质流(18)；分离器(4)，用于使第二工作介质流(18)的液相(19)与蒸汽相(10)分离；膨胀装置(2)，用于产生膨胀的蒸汽相(11)；在该循环中在启动循环时按照本发明由此避免压力脉冲，即使通过分离器(4)分离的蒸汽相(10)导引绕过膨胀装置(2)和第一热交换器(W1)，使由分离器(4)分离的液相(19)在第一热交换器(W1)中通过热传递到液态的工作介质流(14)而冷却，并在第一热交换器(W1)后面使冷却的分离的液相和分离的蒸汽相(10)汇集。
文档编号F01K25/06GK102084093SQ200880128446
公开日2011年6月1日 申请日期2008年12月3日 优先权日2008年2月1日
发明者J·伦格特, M·伦格特, R·卢茨 申请人:西门子公司