本发明一般地涉及利用工作流体的膨胀和再生将来自热源的热能转化成机械能、再转化成电能的方法和装置。本发明还涉及通过产生至少两个多组分的工作液流，包括一个富流和一个贫流，提高热力学循环热效率的方法和系统。上述富流中低沸点组分的百分含量比贫流高。 美国专利4，548，043叙述了一种使用组成不同的两种不同工作液流的系统。系统中包括将工作流体加热和膨胀的装置，以及使工作流体冷凝和形成两个组成不同的液流的冷凝子系统。
该专利中提到的冷凝子系统从含有氨和水混合物的单一部分汽化流中产生出单一富汽流和单一贫液流。富汽流分成两个富汽子流。贫液流分成两个贫液子流。富汽子流中的一个与贫液子流中的一个合并，生成富流。另一个富汽子流与另一个贫液子流合并，生成贫流。因为两个富汽子流是由同一个富汽流产生的，它们都在同样的温度和压力下形成。在美国专利4，548，043中，由两个蒸汽子流和两个液体子流合并生成的两个工作流，即，富流和贫流，在沸腾过程中合并。
美国专利4，604，867也提到一种系统。其中包括将工作流汽化和膨胀、接着用冷凝子系统将膨胀气流冷凝的装置。该专利中提到的冷凝子系统，象美国专利4，548，043中的一样，由单一的部分汽化多组分液流产生出富汽流和贫液流。汽流与一部分液流合并，生成工作流，接着将其汽化和膨胀。
美国专利4，548，043和4，604，867的系统，与使用单组分工作流体的常规兰金循环相比，热效率大大提高。但是，人们总是希望对这类系统从经济上和效率上加以改进。与上述专利中所述的系统相比，本发明的方法和系统实现了这种改进。
本发明的一个特征是，通过将至少两个多组分工作液流加热和汽化，大大提高了热力学循环的效率，所述的工作液流包括一个富流和一个贫流。富流中低沸点组分地百分含量比贫流高。在本发明的一个方面，富流和贫流流出锅炉后合并，构成高压工作气流。这一特征使得在加热、汽化和过热过程中，所需之热与可利用之热的匹配比将单一物流引入锅炉时要好。
在本发明的第二方面，富流和贫流的产生是由冷凝流形成第一部分汽化流和第二部分汽化流。第一部分汽化流分成第一汽流和第一液流，第二部分汽化流分成第二汽流和第二液流。第一汽流生成富流，第二汽流与混合流合并，生成贫流。
根据本发明的一个实施方案，实施热力学循环的一种方法包括将高压工作气流膨胀、将其能量转化成可用形式和产生废流的步骤。然后将废流冷凝，得到冷凝流。由冷凝流生成富流，其中的低沸点组分的百分含量比冷凝流高。贫流也由冷凝流生成，其中的低沸点组分的百分含量比冷凝流低。将富流和贫流通过锅炉，生成汽化的富流和汽化的贫流。在汽化的富流和汽化的贫流流出锅炉之后将其合并。这就形成了高压工作气流，完成了循环。
在本发明的一个优选实施方案中，富流和贫流由冷凝流产生，先由该冷凝流形成第一部分汽化流和第二部分汽化流。将第一部分汽化流分成第一汽流和第一液流。第二部分汽化流分成第二汽流和第二液流。由第一汽流生成富流，例如将第一汽流与由冷凝流产生的第一混合流合并。也可以将第一汽流冷凝生成富流，而不先将第一汽流与另一物流合并。第二汽流与一混合流合并生成贫流。该混合流最好是由冷凝流产生，但是也可以由在系统中循环的其它物流产生，例如第一液流或第二液流。
根据本发明的另一实施方案，实施热力学循环的方法包括将高压工作气流膨胀、将其能量转化成可用形式和产生废流的步骤。将废流冷凝，形成冷凝流。由冷凝流形成第一部分汽化流和第二部分汽化流。第一部分汽化流分成第一汽流和第一液流。第二部分汽化流分成第二汽流和第二液流。第一汽流生成富流，其中低沸点组分的百分含量比冷凝流高。第二汽流与一混合流合并，例如与由冷凝流生成的混合流合并，生成贫流，其中低沸点组分的百分含量比冷凝流低。将富流与贫流合并，形成高压工作气流，完成循环。
在一个优选实施方案中，在富流和贫流通过锅炉期间已经汽化并已流出锅炉之后，将它们合并形成高压工作气流。
图1是本发明方法和系统的一个实施方案的示意图。
图2是可用于本发明的冷凝子系统的一个实施方案的示意图。
图1的示意图表示了可用于本发明方法和系统中的优选装置的实施方案。具体地说，图1表示一个系统200，其中包括锅炉201;汽轮机202、203和204;再冷器205;冷凝子系统206;泵207和208;分流器209、210和211;混流器212-215;阀门216。
可以使用各种类型的热源，包括燃气轮机废气，来驱动本发明的循环。在这方面，本发明的系统可以作为复合循环系统中的底循环使用。
流经系统200的工作流是一种多组分的工作流，其中含有低沸点流体（低沸点组分）和高沸点流体（高沸点组分）。优选的工作流包括氨-水混合物、两种或更多种烃的混合物、两种或更多种氟利昂、烃和氟利昂的混合物等。一般来说，工作流可以是具有合适的热力学特性和溶解度的多种化合物的混合物。在一个特别优选的实施方案中，使用水和氨的混合物。
如图1所示，工作流循环流过系统200。该工作流包括由混流器214流到汽轮机202的高压工作气流。该工作流还包括由汽轮机202流到冷凝子系统206的废气流。废气流包括从汽轮机202流到汽轮机203的中压气流、由汽轮机203流到汽轮机204的低压气流、和由汽轮机204流到冷凝子系统206的低压废气流。该工作流还包括由冷凝子系统206流到混流器214的贫流和富流。富流在分流器209处分成第一富子流和第二富子流，贫流在分流器210处分成第一贫子流和第二贫子流。第二富子流和第二贫子流流过再冷器205，然后分别在混流器212和213处与第一富子流和第一贫子流重新合并，重新构成富流和贫流。
在图1所示的实施方案中，富流和贫流分别以点29和73处的参数流出冷凝子系统206。一部分贫流在分流器211处转向。该部分通过点97，在混流器215处与富流合并。本方法的这一步骤产生了具有点96处参数的贫流和具有点32处参数的富流。象这样将一部分贫流加到富流中会有助于防止富流的超临界沸腾，并且有利于在锅炉210中形成有利的温度-热量分布。
将富流和贫流分别在泵207和208处用泵增压，分别达到在点22和92处的参数。然后将这两个物流送入锅炉201。富流和贫流都在锅炉201中预热，分别达到点60和100处的参数。然后在分流器209处将富流分成第一和第二富子流，在分流器210处将贫流分成第一和第二贫子流。分别具有点61和101处的参数的第一富子流和第一贫子流通过锅炉201，它们在锅炉中被由点25流到点26的加热流加热。加热流最好是由燃气轮机排放出的燃烧气流。第二富子流和第二贫子流分别具有点66和106处的参数，它们流过再冷器205。在那里它们被进一步加热并且至少部分汽化。
最好是，第二富子流与第二贫子流的重量比和第一富子流与第一贫子流的重量比大致相同，并且与富流和贫流在进入锅炉201时的重量比大致相同。
第二富子流和第二贫子流分别以点110和111处的参数流出再冷器205。这些子流在流出再冷器205时最好完全汽化。第二富子流与第一富子流在混流器212处合并，重新构成具有点114处参数的富流。第二贫子流与第一贫子流在混流器213处合并，重新构成具有点116处参数的贫流。
具有点114处参数的富流和具有点116处参数的贫流流过锅炉201，在锅炉中经过从点25流至点26的加热流的热传递而过热，加热流最好是燃烧气流。富流以点118处的参数流出锅炉201。贫流以点119处的参数流出锅炉201，随后在混流器214处贫流与富流合并，生成具有点30处参数的高压工作气流。
因为图1所示的本发明实施方案不是在沸腾过程中将贫流与富流相混合，所以该实施方案避免了在沸腾过程中混合时可能会发生的复杂现象。
具有点30处参数的物流流过进气阀216，形成了具有点31处参数的物流。这一高压工作气流随后通过高压汽轮机202。它在汽轮机中膨胀，作功，并产生废气流。图1所示实施方案中的废气流包括具有点40处参数的中压气流。该气流回到锅炉201中再加热，形成具有点41处参数的中压气流。然后将这部分废气流送到中压汽轮机203中，在其中再膨胀，作功，并且产生具有点42处参数的低压气流。
以低压气流形式存在的那部分废气流流过再冷器205。该部分废气流在其中被冷却，将热量传递给分别从点66流到点110和从点106流到点111的第二富子流和第二贫子流使之汽化。废气流中的低压气流部分以点43处的参数流出再冷器205。随后将仍以低压气流形式存在的废气流送入低压汽轮机204中。废气流的低压气流部分在那里膨胀，作功，并产生具有点38处参数的低压废气流。已处于低压废气流形式的废气流随后进入冷凝子系统。
点43处废气流的温度和压力应加以选择，使该气流能为第二富子流和第二贫子流的加热和沸腾提供补充热量，以保证系统200的最高效率。点43处废气流的温度和压力的建议值列于表1。
在冷凝子系统206中生成的富流和贫流分别以点29和73处的参数流出冷凝子系统206，完成循环。
示于图1的本发明的实施方案包括三个汽轮机、单个锅炉和单个再冷器。汽轮机、再冷器和锅炉的数目可以增加或减少而不偏离本发明的要旨和范围。另外，富流、贫流、工作流和子流的数目可以增加或减少。同样，图1所示的实施方案中还可以包括通常用于热力学循环系统中的辅助装置，例如，再热器、其它类型的热交换装置、分离装置等，而不偏离所公开的发明构思。
图2表示冷凝子系统206的一个优选实施方案。在该实施方案中，已处于低压废气流形式的废气流流过热交换器222和225，该气流在其中放出冷凝热，生成具有点17处参数的物流。然后将废气流与具有点19处参数的混合流（以下称作第三混合流）在混流器240处混合，生成具有点18处参数的预冷凝流。预冷凝流在冷凝器228中被冷凝，冷凝器228可以用从点23流至点24的冷却流冷却，最好是用冷水流冷却。这便产生了具有点1处参数的冷凝流。
将该冷凝流用泵233增至较高压力。具有点2处参数的冷凝流在分流器250处分成第一冷凝子流和第二冷凝子流，它们分别具有点89和79处参数。第二冷凝子流在分流器251处分成第三、第四和第五冷凝子流，它们分别具有点28、82和83处的参数。然后这三个子流分别通过热交换器223、224和225，生成分别具有点35、3和84处参数的第一、第二和第三预热子流。
第一预热子流在分流器252处分成具有点33处参数的第一预部分汽化子流和具有点77处参数的第四预热子流。第三预热子流在分流器253处分成具有点27处参数的第三预部分汽化子流和具有点78处参数的第五预热子流。将第四和第五预热子流与第二预热子流在混流器244处合并，得到具有点36处参数的第六预热子流。该第六预热子流在分流器254处分成具有点37处参数的第二预部分汽化子流和具有点76处参数的第四预部分汽化子流。
第一、第二和第三预部分汽化子流分别通过热交换器220、221和222。它们在那里进一步被加热和部分汽化，生成具有点34处参数的第一部分汽化子流、具有点4处参数的第二部分汽化子流和具有点15处参数的第三部分汽化子流。第一部分汽化子流与第二部分汽化子流在混流器245处合并。然后将所得物流与第三部分汽化子流在混流器246处合并，生成具有点5处参数的第一部分汽化流。
将第一部分汽化流通入到重力分离器229中。在分离器中液体与蒸汽分离，生成具有点6处参数的第一汽流和具有点10处参数的第一液流。与第一部分汽化流相比，第一汽流富含低沸点组分。与第一部分汽化流相比，第一液流富含高沸点组分。在一个优选的实施方案中，低沸点组分是氨，高沸点组分是水。
第一汽流通过热交换器220和223，在其中部分冷凝，释放出的热量使从点33流至点34的第一预部分汽化子流部分汽化，并且将从点28流至点35的第三冷凝子流预热。第一汽流以点9处的参数流出热交换器223。第一液流在流过热交换器221和224时被冷却，放出的热量使从点37流至点4的第二预部分汽化子流部分汽化，并且将从点82流至点3的第四冷凝子流、从点21流至点29的富流和从点72流至点73的贫流预热。第一液流以点70处的参数流出热交换器224。废气流在通过热交换器222和225时放出的热量被用来将从点83流至点84的第五冷凝子流预热，并且使从点27流至点15的第三预部分汽化子流部分汽化。
具有点89处参数的第一冷凝子流在分流器255处分成具有点8处参数的第一混合流和具有点90处参数的第二混合流。第一混合流和第一汽流在混流器243处合并，生成具有点13处参数的富流。在足够高的压力下，流过点9的第一汽流可以不与例如流过点8的第一混合流混合而成为流过点13的富流。在这种情况下，第一冷凝子流不在分流器255处分成第一混合流和第二混合流，而是流过点89的所有第一冷凝子流都继续流到点90，该物流中的任何部分都不在分流器255处转向形成第一混合流。
具有点76处参数的第四预部分汽化子流在阀260处减压到较低压力，形成具有点85处参数的第二部分汽化流。点85处的第二部分汽化流的压力最好低于点9处的第一汽流或点14处富流的压力。点85处第二部分汽化流的压力最好高于点1处冷凝流的压力。
将第二部分汽化流送入重力分离器230，在其中液体与蒸气分开。第二汽流以点86处的参数流出重力分离器230的顶部。第二汽流中富含低沸点组分，该组分为氨-水混合物中的氨。第二液流以点87处的参数流出重力分离器230的底部。第二液流富含高沸点组分，该组分是氨-水混合物中的水。第二汽流与第二混合流在混流器242处合并，生成贫流。
在混流器242处生成的贫流在冷凝器227中被由点98流至点99的冷却流充分冷凝，最好是用冷却水流冷凝。贫流以点74处的参数流出冷凝器227。富流在冷凝器226中通过与从点58流至点59的冷却流的热交换而充分冷凝，最好是用冷却水流冷凝。富流以点14处的参数流出冷凝器226。富流在点14处的流速低于废气流在点38处的流速，点14处富流中低沸点组分的百分含量高于点38处废气流中该组分的百分含量。
第一液流在流过阀261时压力降低，达到点91处的参数。第二液流在通过减压阀262时压力降低，达到点20处的参数（点20处的第二液流可以处在部分汽化流的形式）。第一液流与第二液流在混流器241处合并，生成具有点19处参数的第三混合流。如上所述，该第三混合流与废气流在混流器240处混合，生成具有点18处参数的预冷凝流。
用泵231将富流增压至中等压力，生成具有点21处参数的富流。用泵232将贫流增压至中等压力，生成具有点72处参数的贫流。然后将富流和贫流送入热交换器224中，通过由点12流至点70的第一液流的热传递将其加热。富流以点29处的参数流出热交换器224。贫流以点73处的参数流出热交换器224。随后，贫流和富流如图1所示流出冷凝子系统206。
点29处富流的流速与点73处贫流的流速之和等于点38处废气流的流量。如果富流与贫流混合，所形成的混合物的组成应与点38处的废气流的组成相同。但是，借助于冷凝子系统206，产生了两个工作液流：具有点29处参数的富流和具有点73处参数的贫流，富流中低沸点组分的百分含量比点38处废气流中的高，贫流中低沸点组分的含量比点38处废气流中的低。
在示于图2的冷凝子系统的实施方案中，冷凝子系统由第一汽流生成富流，由第二汽流生成贫流，第一汽流与第二汽流处在不同的压力和温度下。这样一种方法比用来生成富流和贫流的汽流都保持相同压力和温度时能在更宽的温度范围内更好地利用可利用的热量。因此，示于图2的冷凝子系统使得点38处废气流的压力能低于为再生单个工作液流所必须的压力。如果用来生成富流和贫流的两个汽流保持相同的压力和温度，则点38处废流的压力可能不得不高于为再生单个工作液流所必须的压力。因此，图2的冷凝子系统应比从保持相同压力和温度的第一和第二汽流产生富流和贫流的冷凝子系统更为有效。
示于图2的冷凝子系统可以与图1以外的其它系统联合使用。例如，该冷凝子系统可以用在某一系统中，该系统的步骤包括将富流和贫流预热，生成预热富流和预热贫流，接着将预热富流与预热贫流合并，生成预热流，随后将预热流汽化，生成高压工作气流。该冷凝子系统也可以用在这样的系统中，该系统的步骤包括将富流和贫流预热和部分汽化，生成部分汽化的富流和部分汽化的贫流，接着将部分汽化的富流与部分汽化的贫流合并，形成部分汽化流，随后将部分汽化流汽化，生成高压工作气流。该冷凝子系统也可以用于这样的系统中，该系统包括的步骤有，将富流和贫流预热和汽化，生成汽化富流和汽化贫流，随后将汽化富流和汽化贫流合并，形成汽化流。接着将汽化流过热，生成高压工作气流。
示于图2的冷凝子系统的实施方案可以以多种形式改变而不偏离本发明的要旨和范围。在这方面，热交换器、冷凝器、分离装置、阀门和泵的数目及类型都可以改变。流过图2所示冷凝子系统实施方案的物流的类型及数目可以变化。类似地，任何这类物流的使用都可以改变。同样，在该冷凝子系统中可以包括在热力学循环系统中常用的辅助装置而不偏离本发明的要旨和范围。
表1列出了与图1所示系统200中提到的各个点相应的各点的建议参数，该系统具有从冷凝子系统206流出的水-氨富流和水-氨贫流，富流的组成中含有95.51%（重量）的氨，贫流的组成中含有59.16%（重量）的氨。表2中列出了与图2所示冷凝子系统206中各点相应的各点的建议参数，该系统具有水-氨工作流。示于图1和图2中的采用表1与表2所列参数值的系统，其性能总结于表3。
表3
采用图2冷凝子系统和表1与表2参数时图1系统的性能总结
泵207和208＝3026.98千瓦，泵231＝173.55千瓦，
泵233＝431.50千瓦，泵232＝233.23千瓦，
循环泵的总和＝3865.27千瓦，水泵＝623.97千瓦，
总泵功＝4489.24千瓦
系统输出
燃气轮机输出 142170.00千瓦
底循环汽轮机功率 96935.39千瓦
底循环汽轮机轴功率 96751.22千瓦
底循环汽轮机电功率 95106.44千瓦
底循环输出 90617.21千瓦
系统总输出 232787.21千瓦
燃料消耗量（mil） 1467.00兆BTU/小时
整个系统效率 54.14%
系统总效率 55.19%
底循环总效率 39.99%
总利用效率 39.19%
底循环效率 37.39%
废气的利用能 112739.15千瓦
底循环第二定律效率 80.38%
废气的可用＊113510.35千瓦
底循环利用效率 79.83%
利用率 99.32%
净热耗 6301.89BTU/千瓦时
本发明的系统比美国专利4，604，867中所述系统的热效率高。如果用本发明的系统作为某一复合循环系统（例如包括一个Asea Brown Boveri燃气轮机13E的系统）的底循环，则本发明的系统理论上应提供约90.617兆瓦的净功率输出，而美国专利4，604，867中所述系统理论上应提供约88.279兆瓦的净功率输出。因此，当本发明的系统用于这种复合循环系统中时，理论上效率应比美国专利4，604，867中所述系统高出约2.6%。因为本发明的系统不要求任何重大的附加复杂技术，所以与美国专利4，604，867所述的系统相比，其经济效益也将提高。
现已参照优选实施方案对本发明作了叙述，但是本领域的技术人员会理解该实施方案的许多变化和修改。例如，可以使用氨-水混合物之外的其它多组分工作流，热交换器的数目和类型可以增加或减少，泵、汽轮机、冷凝器、分离器、锅炉、再冷器、减压装置等的数目和类型，以及流经系统的物流的数目和组成及这些物流的具体使用等，都可以变化。因此，所附的权利要求书打算将处在本发明实际精神及范围内的所有这些变动和修改均包括在内。