地热驱动氨水吸收式动力/制冷复合循环参数优化分析*

王云山，华君叶†，李 贵，邵英澍

（1.南京师范大学，能源与机械工程学院，江苏省能源系统过程转化与减排技术工程实验室，南京 210042；2.江苏省地矿地热能有限公司，南京 211100）

地热驱动氨水吸收式动力/制冷复合循环参数优化分析*

王云山1，华君叶1†，李 贵2，邵英澍1

（1.南京师范大学，能源与机械工程学院，江苏省能源系统过程转化与减排技术工程实验室，南京 210042；2.江苏省地矿地热能有限公司，南京 211100）

针对中低品位地热驱动的氨水吸收式动力/制冷复合循环的热力学性能展开分析与优化，在Kalina循环的基础上利用氨水变温蒸发的特性，将正向动力子过程与逆向制冷子过程耦合，对外实现动力与冷量的联供。本文对影响复合循环热力性能的工质对浓度xw/xb、氨水发生温度（露点温度）t14、循环倍率K以及分流比n四个重要参数展开了分析优化。研究表明，在xw/xb=0.50/0.32、t14=180℃、K=2.80和n=0.505的优化工况下，复合循环的热效率和㶲效率分别可达19.38%和59.77%，较氨水动力循环分别高出3.71%和4.74%，较水蒸气朗肯循环分别高出8.54%和35.81%。

热力学性能；最优工况；氨水；变温蒸发；复合循环

0 引 言

地热能作为可再生清洁能源，总量非常丰富。开发及利用地热资源可减少污染物排放，节省能源投资及运行费用，创造巨大经济效益。研发推广新型地热发电技术是缓解目前化石能源供应紧张、遏制环境恶化的有效措施。

氨水具有变温蒸发的特性[1-5]，价格低廉，环境友好[6-7]，能够与中低温的地热形成良好的换热匹配，以减小工质吸热过程的㶲损失。通过地埋管换热器等地热换热装置，以氨水为循环工质[8-13]，实现中低品位余热的资源化利用。近年来，学者们围绕中低品位热能的回收利用提出了多种形式的氨水吸收式动力/制冷复合循环[14-16]。郑丹星等[14]提出并模拟计算了一种改进的复合循环，发现其热效率和㶲效率分别为19.50%和31.60%，均较Kalina循环有所提高。刘猛等[15]在3.75 MPa/350℃的透平进气参数下对其提出的复合循环进行热力计算，得到的热效率和㶲效率分别为17.8%和45%。罗尘丁等[16]则在7.0 MPa/375℃的透平进气参数下，计算得出复合循环的热效率和㶲效率分别约为20%和40%。

文献[14-16]的研究尽管使得系统的效率指标有所提高，但系统设备复杂，投入大，难以实现应用；另外，采用蒸馏塔等也限制了效率的进一步提高。本文以氨水吸收式动力循环为基础，适当改进并研究分析了工质浓度、氨水发生温度、循环倍率以及分流对复合循环热力性能的影响，并针对复合循环的参数选择做了分析和优化。

1 复合循环系统简介

如图1所示，复合循环在Kalina循环的基础上做了以下改进：①预热器PH利用富氨蒸汽4v对工作液11进行预热，有助于减少循环吸热量；②系统增设制冷环节（19→23），能量输出形式及运行的可调性得到提高；③采用分离器S代替蒸馏器，无需精馏塔即可完成工质的解吸分离过程。

图1 氨水吸收式动力/制冷复合循环系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the ammonia-water absorption power/cooling integrated cycle system

系统在工作时主要发生以下四个子过程：

（1）动力子过程。工作浓度氨水11经预热后送入换热器H吸热至过热状态，过热蒸汽15在透平T中膨胀做功，对外输出动力。在这一过程中，13和14分别表示工质蒸发的泡点和露点状态，将温度t14称为循环的发生温度。

（2）制冷子过程。流股19经过冷器SC后在节流阀V3中节流至过冷状态21，然后在蒸发器E中蒸发吸热，完成制冷子过程，对外输出冷量。经制冷后，两相流蒸汽23被送至低压吸收器A1参与吸收子过程。

（3）吸收子过程。通过吸收子过程循环能够完成不同子过程对氨水浓度的需求。在低压吸收器A1内，透平乏汽17、两相氨水蒸汽23以及稀氨溶液6a一同混合，经冷却水c1冷却后再次成为基础液；同样，在中压吸收器A2内，放热后的富氨蒸汽5与升压后的基础液7一同混合，经冷却水c3冷却后成为工作溶液。为简化计算，假定状态8和18表示吸收器内两股溶液的混合状态。

（4）解吸及分离子过程。部分基础液3a在回热器R中被透平乏汽16加热至两相流状态4，完成解吸过程，然后在分离器中分离为富氨蒸汽4v和稀氨溶液4l，这两股工质流最后参与两个吸收子过程。

复合循环运行时主要存在三种压力与四个浓度。所谓三种压力即循环的低压pl、中压pm和高压ph，分别对应工质在低压吸收器A1、中压吸收器A2和换热发生状态（14）下的压力。四个浓度是指基础液浓度xb、工作液浓度xw、富氨蒸汽浓度x4v和稀溶液浓度xd。这四个浓度分别对应饱和液体1、饱和液体9、富氨蒸汽4v和稀氨溶液4l处的工质浓度。地热热源、三种压力与四个工质浓度影响和制约着复合循环热力性能。

2 循环模拟计算

2.1 能量平衡

在对系统进行建模计算之前，作如下假设：

（1）忽略所有循环部件对环境的散热；

（2）忽略所有热交换器和管路的压损；

（3）假定整个复合循环在稳态工况下运行。

表1列出了系统各设备中的能量平衡公式。计算中假设中压吸收器出口处9的相对质量流量m为1，其他状态点相对质量流量为状态点质量流量与中压吸收器出口质量流量之比；定义循环倍率K为低压吸收器出口处1与中压吸收器出口处9的质量流量之比。

表1 复合循环各设备中的能量平衡计算公式Table 1 Energy balance of main equipment for the integrated cycle

2.2 循环评价指标

本文采用热效率ηth和㶲效率ηex作为系统的评价指标。热效率是建立在热力学第一定律基础之上的衡量循环热力性能最常用的指标，但不能反映不可逆过程引起的能量品位贬值问题以及热力过程的完善度；㶲效率以热力学第二定律为基础，从能量品质层面反映系统的效率指标，较为全面、综合。二者的计算公式分别为：

式中：εCOP为考虑到冷能与热能的品位不同而设置的制冷系数，取3.5；eH为热量㶲；eE为冷量㶲。

2.3 基本参数设定与计算限定条件

本文利用EES软件计算循环各状态点的氨水物性参数。计算时，系统的基本参数设定及限定条件如表2所示。

表2 系统基本参数设定及限定条件Table 2 The basic parameters and limitation of the system

3 循环优化与分析

3.1 参数影响与分析

3.1.1 溶液浓度的影响

图2和图3显示在基础参数条件下，工作液浓度分别取xw=0.40、0.45、0.50和0.55时，其对循环热力性能的影响。

图2 溶液浓度对（a）循环热效率及（b）循环㶲效率的影响Fig.2 Influences of working fluid concentrations on (a) thermal efficiency and (b) exergy efficiency of the cycle

从图2可以看出，在xw/xb=0.50/0.32时，循环的效率指标达到峰值，分别为ηth=17.92%和ηex=57.96%。考虑到过低的基础液浓度将导致循环的低压为负压，影响系统的高效运行，故在xw=0.55时基础液浓度的低限只能达到0.365。

由图3可知，对于任一固定的工作液浓度，系统的高压和中压保持不变，而系统的低压则呈线性升高趋势。这是因为循环的高压和中压分别对应工作浓度工质的饱和蒸汽与饱和液体状态；而循环低压随xb的提高而线性升高。

图3 溶液浓度对（a）循环高压和中压及（b）循环低压的影响Fig.3 Influences of working fluid concentrations on (a) high/ mid pressure and (b) low pressure of the cycle

3.1.2 发生温度（露点温度）的影响

固定最佳工质对浓度，改变热源进口温度的设定值即可间接地改变循环发生温度。图4显示了发生温度（145℃～180℃）对循环性能的影响。

随着发生温度的提高，一旦工质浓度确定，复合循环的制冷量保持不变；循环的净输出功表现为线性增加；而系统的吸热量则随发生温度的升高逐渐降低。因此，发生温度的提高有益于系统效率的提高，在t14=180℃时，系统的热效率和㶲效率均达到最大值，分别为19.21%和59.49%。

图4 发生温度对（a）循环输入输出特性及（b）循环效率指标的影响Fig.4 Influences of generation temperature on (a) input/output characteristics and (b) efficiency index of the cycle

3.1.3 循环倍率的影响

固定循环的最佳工质对浓度和最佳发生温度，改变循环倍率K的设定值即可研究其对系统热力学特性的影响。

图5 循环倍率对（a）系统输入输出特性及（b）系统效率指标的影响Fig.5 Influences of circulation ratio on (a) input/output characteristics and (b) efficiency index of the cycle

由图5可以看出，随着循环倍率的升高，系统的制冷量和净输出功保持不变；而系统的输入热量则随循环倍率的升高呈现微增。在所研究的循环倍率范围内，系统的热效率和㶲效率分别由K=2.80时的19.31%和59.67%微幅下降至K=3.10时的19.16%和59.41%。研究范围内系统的最佳循环倍率是K=2.80。

3.1.4 分流比的影响

固定循环的最佳工质对浓度、最佳发生温度和最佳循环倍率，改变分流比n的设定值研究其对系统热力学性能的影响。

由图6可以看出，随着分流比的增加（0～0.505），系统的吸热量qH和净输出功wnet呈线性下降；而制冷量qE则随分流比的增加呈线性升高。循环制冷量qE的增加有助于系统热效率和㶲效率的提高，且系统吸热量的衰减程度快于系统净输出功的衰减程度，故在所研究的工况范围内，复合循环的效率指标随分流比的增加而增加。循环的最佳分流比为n=0.505；若n大于0.505，循环将不能满足解析分离的传热条件，无法运行。

图6 分流比对（a）循环输入输出特性及（b）循环效率指标的影响Fig.6 Influences of chilling fraction on (a) input/output characteristics and (b) efficiency index of the cycle

表3 复合循环最佳工况下的各点参数Table 3 Parameters of each state point of the integrated cycle under optimal operating conditions

表4 复合循环的对比分析Table 4 Comparative analysis of the integrated cycle

3.2 优化工况及对比分析

综合之前研究，xw/xb=0.50/0.32，t14=180℃，K=2.80和n=0.505是复合循环的优化工况，此时循环的热效率和㶲效率分别可达19.38%和59.77%。表3列出了在优化工况下，复合循环的各状态点参数。

在相同工况下，对比复合循环、氨水动力循环和水蒸气朗肯循环的基本参数、循环热效率和㶲效率，结果如表4所示。

从表中可以看出，相同工况下，氨水吸收式动力/制冷复合循环的热效率和㶲效率最高，较氨水动力循环分别高出3.71%和4.74%，较水蒸气朗肯循环分别高出8.54%和35.81%。同时，氨水动力循环的吸热量较小，且净输出功较水蒸气朗肯循环高，这归功于氨水变温蒸发的特性。在三种形式的循环中，氨水吸收式动力/制冷复合循环的效率指标最高，系统的能量输出形式及运行的灵活性均得到提高，能够满足用户不同的使用需求，更加有利于复合循环在地热利用领域的推广。

4 结 论

（1）在一定的范围内提升工作液浓度有助于复合循环效率指标的提高；

（2）发生温度的提高有助于循环效率指标的提高；

（3）在本文的研究范围内，循环倍率的提高不利于系统效率的提高，但其影响基本可以忽略；

（4）改变分流比可以调整复合循环的流量分配状况，有助于系统效率的提升；

（5）在最佳工况下，复合循环系统的热效率和㶲效率分别为19.38%和59.77%，比相同工况下氨水动力循环分别高出3.71%和4.74%，比水蒸气朗肯循环分别高出8.54%和35.81%。

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Optimization and Analysis of Ammonia-Water Absorption Power/Cooling Integrated Cycle with Geothermal Energy

WANG Yun-shan1,HUA Jun-ye1,LI Gui2,SHAO Ying-shu1
(1.Engineering Laboratory of Energy System Process Conversion and Emission Reduction Technology of Jiangsu Province,School of Energy and Mechanical Engineering,Nanjing Normal University,Nanjing 210042,China;2.Jiangsu Geology Geothermal Energy Co.,Ltd.,Nanjing 211100,China)

Analysis and optimization on thermodynamic performance of the ammonia-water absorption power/cooling integrated cycle driven by mid- or low-grade geothermal energy were conducted in this study.Based on the Kalina cycle,by applying the evaporation characteristic of ammonia-water,the forward power sub-process was combined with the reverse refrigeration sub-process,which realized the hybrid generation of power and cooling capacity simultaneously.Four main parameters were analyzed on their effect on the thermal performance of the integrated cycle,including the working fluid concentration xw/xb,ammonia dew-point temperature t14,circulation ratio K,and chilling fraction n.The result showed that under the optimal condition,(xw/xb=0.50/0.32,t14=180℃,K=2.80 and n=0.505),the thermal efficiency of the integrated cycle could reach up to 19.38%,which is 3.71% higher than that of ammonia-water power cycle and 8.54% than that of Rankine cycle,repectively.Besides,the integrated cycle presented much higher exergy efficiency of 59.77% comparing with the other two cycles.

thermodynamic performance;optimal conditions;ammonia-water;variable evaporation temperature;integrated cycle

TK529

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2016.06.005

2095-560X（2016）06-0455-07

王云山（1993-），男，硕士研究生，主要从事制冷与低温工程研究。

华君叶（1987-），女，博士，实验师，主要从事氨水动力循环的优化及强化传热传质研究。

李 贵（1983-），男，硕士，工程师，主要从事地热能利用与地源热泵研究。

邵英澍（1973-），男，高级技工，主要从事制冷与低温工程研究。

2016-09-18

2016-10-25

江苏省高校自然科学研究面上项目（16KJB47008）；江苏省自然科学基金面上研究项目（BK20151549）

† 通信作者：华君叶，E-mail：yepiaoluo.101@163.com