卡林纳循环与氨水朗肯循环组合系统的热电联供性能

郭占伟 陈亚平 吴嘉峰 张 治

(东南大学能源与环境学院, 南京 210096)(东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室,南京 210096)

卡林纳循环与氨水朗肯循环组合系统的热电联供性能

郭占伟 陈亚平 吴嘉峰 张 治

(东南大学能源与环境学院, 南京 210096)(东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室,南京 210096)

根据卡林纳循环发电效率高及氨水朗肯循环蒸发过程和冷凝过程都有较大温度变化的特点,提出了一种在非供暖季利用卡林纳循环发电而在供暖季利用氨水朗肯循环排热加热供暖水的卡林纳循环与氨水朗肯循环(AWKRC)组合系统．AWKRC组合系统在卡林纳循环基础上通过阀门切换实现循环流程转换．研究分析了AWKRC组合系统在非供暖季的发电性能和供暖季的热电联供性能,分析了氨水朗肯循环工作浓度对循环效率的影响．在给定计算条件下,非供暖季卡林纳循环的热效率和动力回收效率分别为20.9%和17.4%;而在供暖季氨水朗肯循环的热效率和动力回收效率分别为17.0%和13.0%,且其综合回收效率可达19.2%．

氨水;朗肯循环;卡林纳循环;采暖季;组合系统

我国工业领域的能源消耗约占全国能源消耗总量的70%[1],随之而来的是产生大量的工业余热．目前利用工业余热发电主要采用朗肯循环[2-3].传统的以水蒸气为工质的朗肯循环由于水在低温状态下蒸汽压低、比容大等局限性在余热动力回收领域受到了限制．低沸点的有机工质朗肯循环[4]有效改善了纯水的弊端．Saleh 等[5]和Hung 等[6]对有机朗肯循环的工质选择进行了研究，但有机朗肯循环也存在有机工质对臭氧层的破坏作用以及价格昂贵等缺陷．价格低廉的氨水混合工质由于在蒸发器中的变温蒸发能与显热热源有较好的匹配,因而减小了传热过程中的不可逆损失,提高了循环效率．1984年Kalina[7]开创性地提出了以氨水溶液为循环工质的卡林纳循环,与氨水朗肯循环相比,其采用吸收式冷凝器替代冷凝器,因而使工质在保持吸热过程温差较大的同时具有较小的排热过程温差,使循环热效率较高．Marston[8]、Nag等[9]、Barhoumi等[10]先后对卡林纳循环及其循环参数进行了相关研究．马思骏等[11]对比了以氨水为工质的朗肯循环和卡林纳循环的热力性能,得出卡林纳循环比氨水朗肯循环热效率高出了3.3%的结论．陈亚平[12-13]对卡林纳循环进行了改进．陈世玉等[14]、Hua等[15-16]分别对基于卡林纳循环的二压力和三压力以及热电冷联供的改进型氨水动力循环进行了深入的研究．

本文基于北方地区冬季集中供热采暖的需求,利用氨水朗肯循环具有大温差排热的特性，生产中温热水用于采暖,而在其他季节则发挥卡林纳循环发电热效率高的特点，提出了卡林纳循环与氨水朗肯循环(AWKRC)组合系统．AWKRC组合系统是在卡林纳循环的基础上通过阀门的切换使系统在冬季改变为氨水朗肯循环，以热电联供方式运行．同时本文还分析了AWKRC组合系统在冬季和其他季节时的运行特性．

1 AWKRC组合系统

AWKRC组合系统既保证了余热动力回收系统在非采暖季节按卡林纳循环高效发电运行的优势,又可以在采暖季节实现热电联供,用一套设备实现2种循环方式．在非采暖季节的运行流程如图1(a)所示:低压吸收器A1出口基本溶液(点1,浓度为xb)经过低压泵P1升压为中压(点2),然后分流成2股流体,通过阀门V3控制分流比,其中大部分流体(点3)经回热器R被透平乏汽加热为两相状态(点4),然后进入分离器S中．稀溶液(点4′)在预热器PH中冷却后(点5)经节流阀V2，节流后(点7)的稀溶液喷淋在低压吸收器A1的管束上;富氨溶液(点4″)进入中压吸收器A2,被另一股基本溶液(点8)吸收,形成浓度为xw的工作溶液(点10)．工作溶液经过高压泵P2加压至蒸发压力(即高压)，进入预热器PH被稀溶液加热至蒸发器E进口状态(点12),然后在蒸发器中被余热热源加热至过热状态(点15),点13和点14分别为工质蒸发过程的泡点和露点;氨水过热蒸汽在透平中膨胀做功,透平乏汽(点16)在回热器中冷却后(点17)进入低压吸收器A1被稀溶液(点7)吸收,形成基本溶液(点1),完成一个循环．为了方便计算,假设点9和点18分别为中压和低压吸收器内2股溶液未吸收之前的混合状态点．

供暖季运行时系统循环流程如图1(b)所示:氨水朗肯循环的运行参数在卡林纳循环对应的高压和中压之间,所以不必使用低压泵．低压吸收器A1此时为冷凝器,其出口溶液(点1)经过高压泵P2加压到蒸发压力(点11),被透平乏汽在回热器R中预热,预热后的氨水溶液(点12)在蒸发器E中被余热源加热至过热状态(点15),然后进入透平T中膨胀做功,透平乏汽在回热器R中冷却后(点17)进入冷凝器,凝结为液体(点1),完成一个循环,所释放的热量被冷却水带走．与卡林纳循环相比,透平乏汽的压力和温度较高,即使经过回热器释放一部分热量用于预热进入蒸发器的溶液,回热器出口溶液(点17)的温度仍然较高,可以使冷凝器中的冷却水温度升高到集中采暖要求的70 ℃，供暖水的回水(40 ℃)进入冷却塔进一步降温至25 ℃后,再由泵送入冷凝器A1．

(a) 非采暖季卡林纳循环模式

(b) 采暖季氨水朗肯循环运行模式

2 循环的性能分析

2.1 组合热电循环计算模型

当系统分别运行2个循环时,各个设备的进出口参数见图1．

热源流量为Gh,余热热源在蒸发器中的放热量为

Qh=Ghcp，h(th1-th4)=G(t15-t12)

(1)

式中,G为透平工质流量;th1,th4分别为热源进出口温度；cp,h为热烟气的比热．单位工质的吸热量为

qe=h15-h12

(2)

透平等熵效率为ηT,单位工质作功为

wT=(h15-h16s)ηT=h15-h16

(3)

式中,h16s为等熵过程的焓值．回热器中的热量平衡为

h16-h17=(h4-h3)G3/G

(4)

由于低压吸收器A1在2个循环中的作用不一样,当系统按卡林纳循环运行时,A1为低压吸收器,此时低压吸收器中单位工质放出的热量为

qc1=f(h18-h1)=[h17+(f-1)h7]-fh1

(5)

式中,f为系统循环倍率，即低压吸收器溶液出口流量与中压吸收器溶液出口流量之比.中压吸收器中单位工质放出的热量为

qc2=h9-h10

(6)

当系统按朗肯循环运行时,A1作为冷凝器,此时单位工质放热量为

qc=h17-h1

(7)

2.2 循环系统性能评价准则

循环热效率为输出净功率Wnet与蒸发器吸收热量Qh的比值,即

ηth=Wnet/Qh=(WT-Wp)/Qh

(8)

式中，WT为透平输出的功；WP为系统中工质泵消耗的功.

当系统按朗肯循环运行时,系统不仅向外输出机械能从而产生电能,而且在冷凝器中获得符合采暖条件的热水,供暖后的回水再进入冷却塔放热．供暖热量Qht与冷却塔释放热量Qct分别为

Qht=Gccp，c(tc2-tc3)

(9)

Qct=Gccp，c(tc3-tc1)

(10)

式中,供暖、回水温度tc2,tc3分别取为70和40 ℃；冷却水进口温度tc1取为25 ℃．

定义评价指标供暖回收率为供暖热量Qht与蒸发器吸热量的比值,即

ηht=Qht/Qh

(11)

对于余热动力回收系统,循环热效率的高低并不是发电能力的唯一决定因素,热源排热温度也是一个重要指标.因此，引入余热最大可能释热量Q0和余热回收率ηwh,即

Q0=Ghcp，h(th1-th0)

(12)

ηwh=Qh/Q0=(th1-th4)/(th1-th0)

(13)

式中,th0为余热最低利用温度.由于烟气热源出口温度低于120 ℃时,会造成换热设备的低温腐蚀,所以本文的余热最低利用温度取th0=120 ℃．余热回收率越接近1,说明热源出口温度越接近余热最低利用温度,系统从热源吸收的热量就越多．

定义动力回收效率η0为热效率ηth与余热回收率ηwh的乘积．动力回收效率是余热动力回收系统的综合评价指标,可以反映从给定热源中获取的动力或发电量的多少,即

η0=Wnet/Q0=ηthηwh

(14)

对于热电联合生产,考虑到热能与电能品位的差异，因而采用热泵的平均热力系数COPhp(取点5)来评价这种能量的差别.定义综合回收效率为

ηcom=(Wnet+Qht/COPhp)/Q0

(15)

3 系统运行优化

因为AWKRC组合系统在冬季采暖季节时所运行的朗肯循环是在卡林纳循环的基础上通过阀门切换实现的,所以在对系统进行分析时应首先对卡林纳循环系统进行分析．

系统的冷热源温度和各换热设备参数如表1所示.采用工程计算软件EES对循环各个状态点进行计算．

表1 循环初始假设条件

在初始条件确定后,取循环倍率f=3.5,在不同的工作浓度条件下,基本浓度xb在0.28～0.35之间变化,考虑到工作浓度对透平进口压力的影响,工作浓度不宜过大．综合考虑采用工作浓度在0.48～0.55范围内,因为在工作浓度一定的条件下,基本浓度的选择不仅要考虑系统的性能优劣,而且还要满足：① 透平背压大于大气压，以保证系统的运行稳定；② 回热器的最小端差满足初始值,否则循环的解吸过程不能实现．假定工作浓度xw=0.5,透平背压P16与回热器最小端差Δt16-4随基本浓度的变化如图2所示．在其他条件确定不变时,基本浓度越低则透平背压越低， 因而透平作功

图2 透平背压和回热器端差对基本浓度的限制(xw=0.5)

越多,热效率越高;另一方面基本浓度过低，将不满足回热器传热端差的要求．由图2可见,在工作浓度一定的条件下,透平背压和回热器端差对基本浓度存在着制约关系,即基本浓度存在满足系统正常运行的最小值，即效率的最佳值．

图3为最高效率与工作浓度相对应的最小或最佳基本浓度的变化关系．评价余热动力回收系统优劣的指标主要有循环热效率、余热回收率和动力回收效率,图3(a)～(c)分别显示了在工作浓度为0.48,0.50,0.52时,循环热效率ηth、余热回收率ηwh和动力回收效率η0随基本浓度xb的变化规律．可见,在工作浓度一定的条件下,循环热效率随基本浓度的增加而降低;余热回收率随基本浓度的增加而有所升高;由于动力回收效率是循环热效率与余热回收率的乘积,循环热效率随基本浓度的变化比余热回收率随基本浓度的变化要剧烈,所以动力回收效率也随基本浓度的增加而降低．对应于某个工作浓度,动力回收效率随着基本浓度的减小而升高,图3(c)中各曲线的左端点即为最佳值点．图3(d) 显示了工作浓度xw和基本浓度xb的最佳匹配关系．

(a) 循环热效率

(b) 余热回收率

(c) 动力回收效率

(d) 基本浓度与工作浓度的最佳匹配关系

从上面分析可知,当循环倍率f=3.5和工作浓度xw=0.5时,对应的循环基本溶液浓度xb=0.315,在此条件下假设透平流量为单位流量1 kg/s,计算可得卡林纳循环各状态点的参数,见表2．

表2 卡林纳循环各个状态点状态参数

由表2可见，透平排汽约为84℃,对冷却水的排热从50℃左右开始．在北方的采暖季节,系统按氨水朗肯循环运行．考虑到在卡林纳循环向朗肯循环转换的过程中,朗肯循环的运行系统基本是在卡林纳循环的工作溶液的流程中．所以朗肯循环的工作溶液浓度可以近似取为卡林纳循环的工作溶液浓度xw．

在初始条件确定的情况下,氨水朗肯循环运行时的循环热效率ηth、余热回收率ηwh和动力回收效率η0随工作溶液浓度xw的变化规律如图4所示．由图4可以看出,氨水朗肯循环的热效率随工作浓度的增加而稍有下降;而余热回收率随工作浓度的增加而有所升高;动力回收效率则随工作浓度的增加而略有上升．这是因为在工作浓度为0.48～0.55范围内,浓度升高则蒸发过程的温升就稍有增加,导致工质在蒸发器中与热源的匹配度有所改善,降低了热源排放温度,使余热回收率上升.虽然热效率略有下降,但是动力回收效率则有所上升．总体来说,工作浓度对提高氨水朗肯循环性能的影响并不大．

表3显示了在其他冷热源条件相同下,氨水朗肯循环的工作浓度xw=0.5时各点的状态参数．

图4 氨水朗肯循环的热效率、余热回收率和动力 回收效率随工作浓度的变化关系

表3 氨水朗肯循环各状态点的参数(xw=0.5)

由表3可见,在氨水朗肯循环中透平排汽经回热器放热后的温度仍然达111℃,所以可以用于生产供暖热水．冷却水在冷凝器A1中吸收的热量按温度高低分成2段来释放,一段用于采暖,另一段在冷却塔中靠空气冷却．定义采暖回收率为供暖回收热量占蒸发器吸热量的比值．取供暖水的供、回水温度分别为70和40℃,冷凝器冷却水进口温度为25℃,上述2个不同循环流程主要性能参数对比如表4所示．

从上面的分析中可以看出,当AWKRC组合系统在冬季供暖季节按照朗肯循环运行时,在冷热源温度相同且工作浓度与卡林纳循环的工作浓度相同的条件下,透平进口温度和压力相同,但是由于卡林纳循环的透平背压取决于冷源温度和基本浓度,而朗肯循环的透平背压取决于冷源温度和工作浓度,故朗肯循环的透平背压较高,其作功能力低于卡林纳循环，从表4中可以看出，卡列的循环的热效率和动力回收效率分别达到20.9%和17.4%．相对于卡林纳循环,朗肯循环在循环热效率、余热回收率和动力回收效率分别降低了18.7%,8.0%和25.3%,但是朗肯循环可以获得约55.3%的供暖回收率,其综合回收效率为19.2%,高于卡林纳循环．

表4 卡林纳循环与氨水朗肯循环性能对比

为了更好地说明卡林纳循环和氨水朗肯循环的特性,图5(a)和(b)分别给出了卡林纳循环和氨水朗肯循环中的蒸发器E和吸收器A1中的传热曲线．图中，Q/Q0为在蒸发器或是冷凝器中的换热量与余热源最大可能释热量的比值．由图5可以看出,由于工作溶液预热过程的热侧流体温度不同,卡林纳循环在蒸发器中的起点温度较低,因而余热源的排放温度较低,在吸收过程中的起点温度也比较低,与冷却水的传热不可逆损失亦比较小;在氨水朗肯循环中冷凝器的工质进口侧温度远高于卡林纳循环的数值,从而可将冷却水加热到供暖所需的温度．

(a) 卡林纳循环

(b) 氨水朗肯循环

4 结论

1) 介绍了一种卡林纳循环与氨水朗肯循环组合系统,该系统不仅可以在非供暖季利用卡林纳循环热效率高的特点发电,又可以在供暖季节实现热电联供,满足供暖需求．

2) 卡林纳循环的工作浓度和基本浓度之差越大,效率越高,但受回热器传热条件限制,浓度之差不能过大,两者存在最佳匹配关系．

3) 当系统从卡林纳循环转变为氨水朗肯循环时,氨水朗肯循环的工作浓度与卡林纳循环的工作浓度基本相同．氨水朗肯循环的动力回收效率随工作浓度的增加略有上升．

4) 在相同冷热源温度条件下,采用AWKRC组合系统时,在供暖季节运行氨水朗肯循环的热效率和动力回收效率可分别比卡林纳循环降低了18.7%和25.3%,但是氨水朗肯循环还有55.3% 的供暖回收率,其综合回收效率为19.2%,高于卡林纳循环的17.4%．

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Properties of integrated system of Kalina cycle and ammonia-water Rankine cycle for power/heating cogeneration

Guo Zhanwei Chen Yaping Wu Jiafeng Zhang Zhi

(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Based on the high efficiency of Kalina cycle in power generation and the greater temperature variation in both evaporation and condensation of ammonia-water Rankine cycle, an integrated system of Kalina cycle and ammonia-water Rankine cycle (AWKRC) is introduced to adopt Kalina cycle for power generation in non-heating seasons and Rankine cycle for power/heating cogeneration in heating season. The cycle loop is realized by converting a set of values on the bases of the Kalina cycle. The performances of power generation in non-heating seasons and that of power and heating cogeneration in heating season of the AWKRC are studied and analyzed, and the influence of the concentration of the work solution of the ammonia-water Rankine cycle on the efficiency is analyzed. Under the given calculation conditions, the thermal efficiency and the power recovery efficiency of the Kalina cycle in the non-heating seasons are 20.9% and 17.4%, respectively. Meanwhile, these efficiencies of the ammonia-water Rankine cycle in the heating season are 17.0% and 13.0%, respectively, and the comprehensive recovery efficiency is 19.2%.

ammonia-water; Rankine cycle; Kalina cycle; heating season; integrated system

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.02.018

2014-10-16. 作者简介: 郭占伟(1990—),男,硕士生;陈亚平(联系人),男,博士,教授,博士生导师, ypgchen@sina.com.

国家自然科学基金资助项目(51206022，51276035)．

郭占伟，陈亚平，吴嘉峰,等.卡林纳循环与氨水朗肯循环组合系统的热电联供性能[J].东南大学学报:自然科学版,2015,45(2):295-300.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.02.018

TK224

A

1001-0505(2015)02-0295-06