CN110573699A - 生成电能的发电所和运行发电所的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于生成电能的发电所,包括至少一个蓄热设备(100),用于以热能形式存储电能,包括:电加热器(10),用于转换电能至热能;蓄热体(30、31),用于接收和存储电加热器(10)的热量;热交换器(50),用于从蓄热体(30、31)接收热能。发电所进一步包括涡轮(120)和发电机(123)。蓄热流体回路(130)与热交换器(50)或热交换器(50)组连接,且工作流图(140)与涡轮(120)连接。流体回路热交换器(131)从蓄热流体传输热量至工作流体回路(140)内的工作流体。
Description
技术领域
本发明公开内容涉及根据权利要求1生成电能的发电所。此外,本发明公开内容涉及根据权利要求9运行发电所的方法。
举例来说,该发电所可以是燃烧能量载体以基于所释放的热能生成电能的系统。举例来说,这包括了分别燃烧作为能量载体的天然气或煤的燃气发电所和煤发电所。此外,举例来说,还包括可生成供燃烧的合成气或氢气的转化器。
背景技术
由多个生产器(producer)送入电网的生成的电能量随时间变化显著。尤其是再生能源的愈多使用导致生成的电能总量随时间强烈变化。由此可获得的电能明显超过短暂的需求。举例来说,在这样的情况下,人们期望可存储生成的电能。然而,存储电能或化学能的能量存储器(举例来说,电化学电池或电容)只可以合理的花费存储相对小量的能量。抽水蓄能电站用于存储更大量的能量。然而,抽水蓄能电站需要很大的高度差,通常只建造在山区。
本申请人已在之前的发明中(专利申请号EP14187132,EP15183855,EP15183857)提出解决的建议,其中电能暂时作为热能存储,并可在发电所转化回电能。举例来说,通用的热量存储设备在本申请人的申请号14187132的欧洲专利申请中描述。
这样的用于生成电能的通用发电所包括至少一个热量存储设备,用于将电能作为热能存储。每一热量存储设备包括至少一个热量存储单元,其中每一热量存储单元包括:
-一用于转化电能至热能的电加热器;
-至少一个用于接收和存储电加热器的蓄热体;
-一用于从蓄热体接收热能的热交换器,其中该热交换器包括用于引导蓄热流体的热交换管。
此外,该发电所包括至少一个第一涡轮和与该第一涡轮耦合的发电机,以从由涡轮提供的旋转运动生成电能。
因此,电能从外部电网获取,并由电加热器转换为热能。举例来说,该电加热器可包括电阻元件,当电流流过电阻元件时生成热量。该热能因此存储在蓄热体内。举例来说,该蓄热体可包括金属板。一热交换器与蓄热体相邻,并至少包括供蓄热流体流过的管道。热交换器的管道可与蓄热体直接接合,或通过作为热交换器的一部分的传热材料(举例来说金属体)与蓄热体连接。热交换器的管道的长度和横截面可选择为,当蓄热流体流经热交换器时,蓄热流体蒸发或沸腾,即例如液态水转变为水蒸气。
在这样的发电所内,电能从外部电网接收,并使用储热设备以热能存储。此外,存储的热能可转换会电能,并输出至外部电网。一控制单元可设定是否暂时从电网获取更多的电能或输出更多的电能至电网。这允许了补偿至少部分电网内能量值的变化。
同样地,运行发电所以生成电能的通用方法包括以下步骤:
-使用可以是至少一个储能设备的一部分的储能单元的电加热器转换电能至热能;
-使用储热单元的至少一个蓄热体接收和存储电加热器的热能;
-借助于热交换器从蓄热体传输热能至一蓄热流体,该热交换器包括用于引导蓄热流体的热交换器管道;
-驱动至少一个第一涡轮;及
-借助于与第一涡轮耦合的一发电机,从由涡轮提供的旋转运动生成电能。
该蓄热体在最小温度和最大温度间运行。该温度差决定了蓄热体能够在运行时存储和释放至蓄热流体的能量值。然而蓄热体的温度变化意味着蓄热流体流经热交换器后,蓄热流体的温度也取决于各自的蓄热体的瞬时温度。蓄热流体的温度因此在运行时变化显著。
另外,涡轮需由具有特定的和优选地恒定温度的蒸汽驱动。第一,涡轮的效率取决于蒸汽流的温度,第二,如果蒸汽流的温度快速改变,将引发非期望的材料应变。
使用现有发电所并未令人满意滴克服这些问题。
提供一种尤其可有效地暂时存储能量且再以电气形式输出能量的发电所和运行发电所的方法是本发明的目的。
上述目的通过根据权利要求1的发电所和具有权利要求9的特征的方法实现。
本发明的发电所和方法的优选变例为从属权利要求的主题,并发表在以下描述中。
发明内容
根据本发明,在上述发电所中,蓄热流体回路与热交换器或热交换器组连接。与蓄热流体回路不同,一工作流体回路与第一涡轮(尤其是与额外提供的涡轮)连接。提供有与热交换器不同的至少第一流体回路热交换器,第一流体回路热交换器与第一涡轮(尤其是与额外提供的涡轮)连接。
相似地,根据本发明,上述方法的特征至少在于以下步骤:
-沿着一包括至少第一流体回路热交换器的蓄热流体回路传输蓄热流体;
-在至少第一流体回路热交换器的帮助下,从蓄热流体传输热能至工作流体;
-传输工作流体回路内的工作流体至第一涡轮,以驱动第一涡轮。
因此,蓄热流体不被引导经过涡轮。反之,只有工作流体被引导经过涡轮。蓄热流体的温度变化在工作流体的温度上仅具有微小影响。有益地,涡轮由此可由具有基本恒定温度的蒸汽驱动。此外,涡轮处仅需要一相对高压,例如100bar。两个独立的回路允许蓄热单元流体的压力小于涡轮的流体压力。
举例来说,可操作一工作流体泵以对工作流体回路内的工作流体加压,及可操作蓄热流体泵以对蓄热流体回路内的工作流体加压。操作工作流体泵和蓄热流体泵时,工作流体的压力大于蓄热流体的压力。可选地或另外地,工作流体泵的力量大于蓄热流体泵的力量。例如,更高的压力可由各自泵背后的压力的压力比较确定。
工作流体回路和蓄热流体回路各自包括管道系统,其中这两个管道系统互相分隔。流体回路热交换器可以是包括用于蓄热流体和工作流体的不同管线。热量通过一热桥,如分隔管线间的金属件,从蓄热流体传输至工作流体。
蓄热流体和工作流体可通常各自为任意的流体或气体。蓄热流体具体地可以是油,更具体地为导热油。该油可包括盐分,并因此在约200℃熔化,并可在该温度至600℃使用。因此,盐热油特别适合于从蓄热单元接收热能。蓄热流体可以是流体,在通过热交换器前和后均处于液相状态。工作流体可不同于蓄热流体,具体地可以是水或水溶液。当工作流体流经流体回路热交换器时,工作流体被汽化。具体地,在工作流体泵引起的压力下,工作流体的沸腾温度可低于200℃,可确保在流体回路热交换器中始终将工作流体汽化,与蓄热流体暂时处于高温(约600℃)还是低温(约250℃)无关。
还可使用多级涡轮系统。举例来说,可提供第二涡轮和第二流体回路热交换器。该第二涡轮因此与发电机或一第二发电机连接并对其驱动。在工作流体回路内,第一涡轮可设置在第一流体回路热交换器的下游。第二流体热交换器可设置在第一涡轮的下游。第二涡轮可设置在第二流体回路热交换器的下游。在这些变体中,工作流体因此首先在第一流体回力热交换器内加热(具体地汽化),并随后流经第一涡轮。随后工作流体流经待再加热的第二流体回路热交换器,后驱动第二涡轮。
第一和第二流体回路热交换器可各自分隔成型,具体地类似成型。可选地,第一和第二流体回路热交换器可由包括分别用于蓄热流体、流经第一涡轮前用于工作流体、流经第一涡轮后用于工作流体的独立管线。
第一和第二流体回路热交换器可设置在蓄热流体回路内的两互相平行的管线内。蓄热流体回路因此包括进入两管线的岔道,其中蓄热流体均流经该两管线。第一流体回路热交换器设置在两管线中的之一,而第二流体回路热交换器设置在两管线中的另一。这两管线在两个流体回路热交换器的下游合并。上述“平行”设置不应将其理解为在几何上是平行的,而应理解为与一个接一个的连续设置相反,在该设置中,流体连续地流过两个流体回路热交换器。有利地,由此可确保在两个热交换器中足够大的热传递。
在蓄热流体回路内可提供一控制设备,并配置为可变地设定蓄热流体如何分配到第一流体回路热交换器和第二流体回路热交换器。这允许了为两个流体回路热交换器调节从蓄热流体到工作流体的互相不同的热传递。举例来说,流经第一涡轮后,工作流体已冷却,可能仍比通过第一流体回路热交换器之前的温度更高。在这种情况下,工作流体应该在第二流体回路热交换器内接收比在第一流体回路热交换器内更少的热量。为此,举例来说,控制设备可将与第二流体回路热交换器相比更多的蓄热流体转移至第一流体回路热交换器。
在工作流体回路内,可沿第一流体回路热交换器设置一第一旁路,以将工作流体绕过第一流体回路热交换器引导至第一涡轮。旁路可指定旁路管。可提供有第一旁路控制设备,并配置为可变地设定工作流体如何朝向第一流体回路热交换器和第一旁路。这改变了向第一流体回路热交换器中的工作流体的热传递。具体地,这允许了补偿蓄热流体的温度变化的一部分或全部,使得到工作流体的热传递仅受蓄热流体的温度变化的微小影响。
第一旁路和控制设备因此可形成第一淬火冷却器。第一淬火冷却器为混合器,通过将流体与较冷的流体混合来冷却。在这样的情况下,更冷的流体是绕过第一流体回路热交换器的工作流体的份额。
类似地,可提供相对于第二流体回路热交换器的第二旁路。也就是说,可在工作流体回路内提供沿着第二流体回路热交换器的第二旁路,以将工作流体绕过第二流体回路热交换器引导至第二涡轮。可提供有第二旁路控制设备,并配置为可遍地设定工作流体被引导至第二流体回路热交换器和第二旁路的哪部分。再次,这允许了差异化操作量流体回路热交换器,并允许了设定工作流体流经各自的流体回路热交换器后的期望温度。
可选地或额外地,对于上述旁路而言,原则上也可以在蓄热流体回路中提供一个或两个用于蓄热流体的对应旁路。具有这些旁路后,蓄热流体的可变部分被引导通过相关的流体回路热交换器,以改变至工作流体的热传递。
在发电厂的操作中,若蓄热流体总为液体且不汽化则是优选的。在汽化的情况下,当蓄热流体到达蓄热器的边缘或开口时,蓄热流体可突然从蓄热器中除去大量能量。作为缺点,这样会在空间上不均匀地释放热量。此外,突然性蒸发会导致材料磨损。若蓄热流体不汽化,则可以避免这些问题。相反,工作流体应该是气态的或气化的,以驱动涡轮。这可以通过两个独立的流体回路和不同的流体来实现:工作流体的沸点/沸点温度可比蓄热流体低,因此第一流体回路热交换器中的工作流体会蒸发。工作流体通常作为蒸气进入可选提供的第二流体回路热交换器,然后被进一步加热/过热。
由电加热器吸收的电能实现低成本用电,即当电网,本文称为外部电网中,存在电能过剩时。相比之下,涡轮和发电机可以及时而稳定的方式运行,因此不会显示出随时间的强烈变化。可提供一电控制单元并将其配置为可变地设置是通过电加热器瞬时地从外部电网获取更多的电能,还是通过发电机将更多的电能输出到外部电网。
本发明的方法的优选变型由本发明的发电所的预期用途产生。此外,所描述的方法的变型方案也应被视为本发明的发电所的变型方案。
附图说明
图1以透视图示出了本发明的发电所的蓄热设备。
图2示出了图1的蓄热装置的截面图。
图3示出了本发明的发电所的示例性实施例,其包括图1和图2的蓄热装置。
相似的和相似作用的部件通常用相同的附图标记在图中表示。
具体实施方式
图3中示意性地示出了本发明的发电所110的示例性实施例。
该发电所110包括第一涡轮120,且可包括第二涡轮121,或其他涡轮(未示出)。涡轮120、121由流经涡轮的工作流体驱动。该工作流体可以是蒸气,如水蒸气。发电机123与涡轮120、121耦合,且转换由涡轮120、121提供的旋转能至电能。该电能随后被输出至外部电网。
发电所110用于减少外部电网内的电能的变化量。为此,发电所110从外部电网吸收电能,特别是在电能过剩的情况下。在电能过剩的情况下,电费将暂时性非常地或甚至为负,使电能的吸收几乎无成本,或者在某些情况下甚至有利可图。接收的电能应存储在发电所110内,并在其他时刻以电能的形式再次输出。
为了该暂时性能量存储,发电所110包括至少一个蓄热设备100。在图3的实例中,提供有多个蓄热设备100。在图1的透视图和图2的截面图中,更详细地示出了蓄热设备100。每一蓄热设备100包括至少一个,优选地多个,互相堆叠的蓄热单元1。每一蓄热单元1包括一电加热器10。电加热器10转换电能为热能,优选地基本完全转化为热能,即电加热器10消耗的90%以上的能量转换为热能。电能从外部电网接收。此外,每一蓄热单元1包括至少一个,特别地两个蓄热体30、31。这些蓄热体可以是用于存储热能的金属体或金属板。蓄热体30、31相邻于电加热器10设置,以从电加热器10接收热能。每一蓄热单元最终也包括热交换器50,其包括多个热交换管道/热交换管51。每一热交换器50相邻于蓄热体30的至少一个。通过这种方式,热能从蓄热体30传输至热交换管道及在其中传输的蓄热流体。通过分配管45,蓄热流体分配至不同的热交换器50。在流经热交换器50后,蓄热流体的部分交汇在集热管道55处。
蓄热流体的热能可用于生成电能。作为本发明的基本思想,蓄热流体并未被引导通过涡轮120、121。反之,蓄热流体的热量被传输至另一在独立回路,即工作流体回路140,传输的工作流体。蓄热流体在自身的回路,即蓄热流体回路130,中循环。
这克服了如果仅使用一个回路会发生的几个缺点:水蒸气常用于驱动涡轮,若将水用于蓄热流体,其将被蓄热单元汽化。有了这样的相变,尤其是大量热能在蓄热单元的边缘处(即蓄热流体到达蓄热单元的入口区域),从蓄热单元处释放。在这样的情况下,热量存储将被不均匀地排放,材料磨损会很大。此外,流体在涡轮的压力将相对较高。通过单一的回路,将导致到蓄热单元的所有管线也必须设计成用于更高的压力。蓄热流体的温度也取决于蓄热单元的瞬时温度而变化。相反,涡轮仅对于撞击流体的特定温度/压力特性才具有最大效率。
通过使用两个不同的回路,即工作流体回路140和蓄热流体回路130,将完全地或至少部分克服这些缺点.
蓄热流体泵123设置在蓄热流体回路130内,以将蓄热流体在回路130内循环。此外,工作流体泵145设置在工作流体回路140内,以将工作流体在回路140内循环。相比于蓄热流体泵125,工作流体泵145提供明显更高的压力,该压力例如可以是至少大10倍。
相比于工作流体,蓄热流体可具有更高的沸点,使得蓄热流体为液体,且未被蓄热单元的热量汽化。相反,工作流体被蓄热流体的热量汽化,且在流经涡轮120、121后,其在冷凝器124内液化。如所示的,冷凝器124可包括热交换器,通过该热交换器工作流体的热量被排除,例如排除至随后将被进一步使用,如用于加热,的液体处。通过对蓄热流体的非液化,可避免上文所述的缺点,因为汽化将突然从蓄热体30的部分吸收大量能量。蓄热流体可以是油,而工作流体可以是水或水溶液。
为了将热量从蓄热流体传输至工作流体,提供有至少一个第一流体回路热交换器131。在所示的实例中,也提供有一第二流体回路热交换器。通过每一个这些热交换器131、132,彼此分开引导工作流体和蓄热流体,其中各自的管道彼此热耦合以实现高热传递。
第一流体回路热交换器131设置在涡轮120关于工作流体回路140的上游。相反地,第二流体回路热交换器132设置在两涡轮120、121关于工作流体回路140的之间。
两流体回路热交换器131、132可关于蓄热流体回路130互相平行设置。在两流体回路热交换器131、132前,蓄热流体管线可岔开至两管线135、136,其中两管线135、136分别穿过两流体回路热交换器131、132的之一。随后两管线135、136合并。
如所示的,至少部分蓄热设备100可设置在互相平行的管线内。这样的好处在于,互相平行设置的蓄热设备100基本类似地排热,即尤其是基本相同的能量传输至流经的蓄热流体。这避免了蓄热设备100达到最大温度而不能从外部电网接受和存储更多的能量,而其他蓄热设备100进一步地低于其最高温度。若许多蓄热设备100有能力同时接收电能,电能的最大可吸收量也将有利地更大。
此外,部分蓄热设备100可以逐次设置在蓄热流体回路130内,使得蓄热流体连续地流经蓄热设备100。再次,排除的热量(即传输至蓄热介质的热量)对于连续布置的蓄热装置100而言是变化的。然而,这一设置也有缺点:蓄热流体不应低于导致蓄热设备100的最低温度(低温阈值)而导致蓄热设备100的最低温度。然而,可期望的是,蓄热设备100的最低温度较低,这将增加蓄热设备100的可能温差,因而增加其存储容量。如果两个或更多蓄热设备100互相背靠设置,他们可由不同的最低温度运行。这些蓄热设备100的在前(前部)的蓄热设备相较于这些蓄热设备的在后(后部)的蓄热设备,可具有更低的最低温度。在后的蓄热设备100保证了一蓄热流体的期望的最低温度/低温阈值。相反地,在前的蓄热设备100可在很大的温度范围(即相较于在后蓄热设备100,可在更大的温度范围)内运行,而因此具有特别高的存储容量。可选地或额外地,连续设置的蓄热装置100的各个最高温度可以不同。
换句话说,可提供一控制设备,配置为相较于在后蓄热设备100,在更大的温度范围内运行连续设置的蓄热装置100的在前蓄热设备100。
除了蓄热体30的温度范围,即运行时使用的最低和最高温度间的范围,其蓄热体30的总质量也与蓄热设备100的总存储容量有关。如果任何情况下,多个连续设置的蓄热设备的在后蓄热设备100只在更小的温度范围内运行,则选择蓄热体的质量小于在前蓄热装置100的蓄热体的质量将会更加适宜。例如,这可通过在前蓄热设备包括比在后蓄热设备更多的蓄热单元来实现,除此之外,在前和在后蓄热设备100的蓄热单元可以是相似的。
除上述示出的部件外,发电所110也可包括(化石)能量载体的燃烧器,例如燃烧煤、天然气或合成气。所释放的热量也传输至工作流体或蓄热流体。取决于电加热器10的电力消耗/吸收,来指定规定以控制燃烧器的功率。如果电能过过剩,则特别(或仅)消耗电能。因此,在这样的时间段内,期望生成更少的电能并且燃烧器的功率相应地减小。当蓄热设备100在充电时,特别是当蓄热设备100的电力吸收超过预定阈值时,燃烧器的功率因此可减小至一降低值(reducedvalue)。相反地,如果电加热器吸收的电力未超过阈值时,燃烧器的功率未减小至降低值,而维持在一更高值。
利用本发明的发电所,大量电能可以被存储为热能,然后以简单且成本有效的方式转换回电能。
Claims (11)
1.一种用于生成电能的发电所,包括:
-至少一个用于以热能形式存储电能的蓄热设备(100),其具有至少一个蓄热单元(1),其中每一蓄热单元(1)包括:
-电加热器(10),用于转换电能至热能;
-至少一个蓄热体(30、31),用于从电加热器(10)接收和存储热能;
-热交换器(50),用于从蓄热体(30、31)接收热能,其中热交换器(50)包括用于引导蓄热流体的热交换管(51);
-至少一个第一涡轮(120);
-发电机(123),与第一涡轮(120)耦合,以从涡轮提供的旋转运动生成电能;
-蓄热流体回路(130),与热交换器(50)或热交换器(50)组连接;
-工作流体回路(140),与第一涡轮(120)连接;
-至少一个第一流体回路热交换器(131),用于从蓄热流体传输热量至工作流体回路(140)内的工作流体;
其特征在于,
提供有第二涡轮(121)和第二流体回路热交换器(132);
第二涡轮(121)也与发电机(123)耦合,以驱动发电机(123);
在工作流体回路内(140),第一涡轮(120)设置在第一流体回路热交换器(131)的下游;
第二流体回路热交换器(132)设置在第一涡轮(120)的下游;
第二涡轮(121)设置在第二流体回路热交换器(132)的下游;
第一和第二流体回路热交换器(131、132)设置在蓄热流体回路(130)内的两条互相平行的管线(135、136)内;
蓄热流体回路(130)提供有控制设备,配置为可变地设定蓄热流体的哪部分分配到第一流体回路热交换器(131)和第二流体回路热交换器(132)。
2.如权利要求1所述的发电所,其特征在于,
工作流体回路(140)内提供有沿第一流体回路热交换器(131)的第一旁路,以将工作流体绕过第一流体回路热交换器(131)引导至第一涡轮(120),且
提供有第一旁路控制设备,配置为可变地设定工作流体的哪部分分配到第一流体回路热交换器(131)和第二流体回路热交换器(132)。
3.如权利要求1或2所述的发电所,其特征在于,
工作流体回路(140)内提供有沿第二流体回路热交换器(132)的第二旁路,以将工作流体绕过第二流体回路热交换器(132)引导至第二涡轮(121),且
提供有第二旁路控制设备,配置为可变地设定工作流体的哪部分分配到第二流体回路热交换器(131)和第二旁路。
4.如权利要求1-3任一项所述的发电所,其特征在于,
提供有电控制单元,配置为可变地设置是通过电加热器(10)瞬时地从外部电网获取更多的电能,还是通过发电机(123)将更多的电能输出到外部电网。
5.如权利要求1-4任一项所述的发电所,其特征在于,
提供有多个蓄热设备(100),其中至少部分在蓄热流体回路(130)内互相平行设置。
6.如权利要求1-5任一项所述的发电所,其特征在于,
提供有多个蓄热设备(100),其中至少部分在蓄热流体回路(130)内连续设置。
7.如权利要求6所述的发电所,其特征在于,
提供有控制设备,控制为相较于连续设置的蓄热设备(100)的在后的蓄热设备(100),在更大的温度范围内运行在前的蓄热设备(100)。
8.如权利要求6或7所述的发电所,其特征在于,
连续设置的蓄热设备(100)的一在前的蓄热设备(100)相较于连续设置的蓄热设备(100)的一在后的蓄热设备,包括更多的蓄热单元(1)。
9.一种运行发电所以生成电能的方法,所述方法包括以下步骤:
-使用至少一个蓄热设备(100)的蓄热单元(1)的电加热器(10)转换电能至热能;
-使用蓄热单元(1)的至少一个蓄热体(30、31)接收并存储电加热器(10)的热能;
-通过包括用于引导蓄热流体的热交换管(51)的热交换器,传输至少一个蓄热体(30、31)的热能至蓄热流体;
-驱动至少一个第一涡轮(120);
-通过与第一涡轮(120)耦合的发电机(123),从由涡轮(120)提供的旋转运动生成电能;
-沿包括至少一个第一流体回路热交换器(131)的蓄热流体回路(130)引导蓄热流体;
-通过至少一个第一流体回路热交换器(131),从蓄热流体传输热能至工作流体;
-引导工作流体回路(140)内的工作流体至第一涡轮(120),以驱动第一涡轮(120);其特征在于,
提供有第二涡轮(121)和第二流体回路热交换器(132);
第二涡轮(121)也驱动发电机(123);
在工作流体回路(140)内,第一涡轮(120)设置在第一流体回路热交换器(131)的下游;
第二流体回路热交换器(132)设置在第一涡轮(120)的下游;
第二涡轮(121)设置在第二流体回路热交换器(132)的下游;
第一和第二流体回路热交换器(131、132)设置在蓄热流体回路(130)内互相平行的两管线(135、136)内。
10.如权利要求9所述的方法,其特征在于,至少以下步骤:
-运行工作流体泵(145),以对工作流体回路(140)内的工作流体加压;
-运行蓄热流体泵(125),以对蓄热流体回路(130)内的工作流体加压;
-其中工作流体泵(145)和蓄热流体泵(125)运行为,工作流体的压力大于蓄热流体的压力。
11.如权利要求9或10所述的方法,其特征在于,至少以下步骤:
-以液体形态引导蓄热流体至至少一个蓄热设备(100)并穿过,其中蓄热流体未被汽化;
-引导工作流体穿过第一流体回路热交换器(131),其中工作流体被汽化。
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