盐梯度太阳池Kalina 循环发电系统性能研究

2020-06-18张学林薛小代梅生伟

可再生能源 2020年6期

张学林，张通，薛小代，司杨，刘锋，梅生伟

（1.清华大学电机系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京 100084； 2.青海大学启迪新能源学院，青海西宁 810016）

0 引言

广泛地开发、利用可再生能源能够有效解决当前社会经济发展所面临的能源短缺和生态恶化问题[1]。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，其利用方式成为国内外学者们的研究热点[2]，[3]。盐梯度太阳池是一种重要的太阳能利用系统，其底层盐水密度大、粘性高、浓度分布稳定。由于太阳池底层盐水中的热对流会受到盐水密度和粘性的影响，导致透射到太阳池底层的太阳辐射能不断被高浓度盐水聚纳并转化成热能，使得底层盐水逐渐升温[4]，因此，太阳池能够连续收集和存储太阳能，成为低温热源。太阳池中存储的热量可广泛地用于供暖、发电等领域。与其他太阳能利用方式相比，太阳池具有成本低、经济性好的优势。由于在大规模、长周期存储太阳能方面具有极大的潜力，因此，太阳池被誉为最具应用前景的光热技术。

匈牙利科学家Kalescsinsky 在1902 年首先发现了天然湖温度具有上低下高的太阳池现象。1959 年，Bloch 在死海南岸建造了第一个盐梯度太阳池，面积为625 m2。 1979 年和1981 年，先后建成2 座发电功率分别为150，5 000 kW 的太阳池发电站[5]。此后，各国学者们先后提出了多种太阳池设计方案，并在太阳池影响因素、热量提取、实验测量、经济分析等方面进行了大量研究[6]~[9]。

以氨水混合物作为工质的Kalina 循环是利用中低温热源发电的典型循环系统之一。氨水混合物具有变蒸发温度的特点，能够在蒸发器中实现工质温度和热源温度的良好匹配，从而提高低温热源发电系统的热效率[10]。 Kalina 循环可视为一种改进的朗肯循环，其在中低温热源发电系统中的应用效果优于朗肯循环，适用于工业余热、地热能、太阳能及其他中低温热源的发电。孟洁以Kalina 循环驱动热源的温度为变量进行研究，分析结果表明，随着热源温度逐渐升高，循环热效率呈现出先增大后减小的变化趋势[11]。刘煜森对采用Kalina 循环的海洋温差发电系统进行研究，研究结果表明，冷凝器、蒸发器和透平是该系统中火用损失较大的3 个部件，该系统的最佳运行压力、最佳氨水浓度分别为0.82 MPa，91%[12]。汪菲对用于烟气余热回收的Kalina 循环进行了热经济性分析，认为Kalina 循环的热经济性优于ORC 循环[13]。

目前，还没有学者对太阳池驱动的Kalina 循环发电系统进行研究。本文采用Aspen Hysys 软件对太阳池Kalina（Solar Pond Kalina，SPK）循环发电系统（以下简称为SPK 系统）进行数值模拟，以分析氨水浓度、运行压力和提热温度对该系统发电量、热效率和火用效率的影响，并对典型运行条件下，SPK 系统的热力性能进行了分析。

1 盐梯度太阳池Kalina 循环发电系统

SPK 系统的结构如图1 所示。

图1 SPK 系统的结构图Fig.1 Schematic diagram of SPK system

由图1 可知，SPK 系统中的太阳池由上对流层（UCZ）、非对流层（NCZ）和下对流层（LCZ）组成。其中，下对流层为高温热源，上对流层为低温热源。SPK 系统主要由太阳池、透平、蒸发器、预热器、回热器、冷凝器、分离器、吸收器、节流阀和工质泵组成。SPK 系统的工作流程：①低温的基本浓度氨水溶液经工质泵增压后成为高压氨水溶液，随后进入回热器被透平排出的乏汽加热，加热后的高压氨水溶液进入预热器被分离器排出的低浓度氨水溶液进一步加热； ②预热器流出的氨水溶液进入蒸发器内，被太阳池下对流层的高温盐水继续加热，生成气液混合物，随后进入气液分离器分离成高浓度氨蒸汽和低浓度氨水溶液； ③高浓度氨蒸汽进入透平内膨胀做功发电，做功后产生的乏汽流入回热器放热后，生成低温乏汽并流入吸收器，低浓度氨水溶液经预热器换热后，再流入节流阀，生成与上述低温乏汽相同压力的低浓度氨水溶液； ④低浓度氨水溶液和低温乏汽在吸收器内混合后，流入冷凝器，被太阳池上对流层的低温水冷却，重新生成基本浓度的氨水溶液并流入工质泵，进入下一个循环。

2 分析模型

本文采用Aspen Hysys 软件建立SPK 系统的仿真模型，并选择经典的P-R 方程作为流体的物性参数包，工质的物性参数取自Aspen Hysys 自带的物性参数数据库。为了对仿真模型进行简化，本文提出了以下假设： ①太阳池接收到的太阳辐射量恒定，太阳池内各层盐水的温度也恒定；②SPK 系统在稳定工况下运行，该系统中各状态点的物性参数保持不变； ③各换热器均为逆流式换热器，换热工质流经各换热器后的压力损失均为入口压力的1%，各换热器的最小换热温差均为5℃；④忽略高温、低温热源工质循环过程中消耗的动力。热效率η 和火用效率ηex是评价SPK 系统热力性能的重要指标，二者的计算式分别为

式中：Wnet为SPK 系统的净发电功率，kW；Q 和Ex分别为高温热源向蒸发器输出的热功率和火用，kW。

SPK 系统净发电功率Wnet的计算式为

式中：Wtur为透平的发电功率，kW；Wpump为工质泵的功耗，kW。

太阳池下对流层向换热器输出的热功率Q和火用Ex的计算式分别为

式中：mLCZ为太阳池下对流层流入蒸发器的高温盐水的流量，kg/s；hⅠ，hⅡ分别为蒸发器进、出口处高温盐水的焓值，kJ/kg；exⅠ和exⅡ分别为蒸发器进、出口处高温盐水的火用，kJ/kg。

3 结果分析

3.1 基本参数

表1 为SPK 系统的各项参数。

表1 SPK 系统的各项参数Table 1 Basic parameters of the SPK model

根据文献[14]的太阳池全年运行数据可知，太阳池下对流层中盐水的最高温度为90 ℃，冬季太阳池下对流层中盐水的温度长期保持在70 ℃以上，太阳池上对流层中盐水的温度一般低于20℃，因此，本文设定太阳池下对流层的提热温度为70~90 ℃。此外，设定透平出口处乏汽的干度大于97%。

在Kalina 循环中，透平的最大运行压力（SPK系统运行压力）、氨水混合物的浓度（氨水浓度），以及透平进气温度是影响SPK 系统热力性能的主要因素，透平进气温度主要由太阳池下对流层提热温度决定的，因此，本文主要分析运行压力、氨水浓度和提热温度与SPK 系统热力性能的相关性。

本文的氨水浓度主要指氨水混合物的基本浓度。令mpump，mtur分别为工质泵、透平进口处氨水混合物的流量；γvap为蒸发器出口处氨水混合物的气相分数；TⅡ为太阳池下对流层的回水温度。

3.2 氨水浓度对系统热力性能的影响

图2 为当提热温度为90 ℃，运行压力为1.75 MPa 时，mpump，mtur，γvap和TⅡ随氨水浓度的变化情况。

图2 当提热温度为90 ℃、运行压力为1.75 MPa 时，mpump，mtur，γvap 和TⅡ随氨水浓度的变化情况Fig.2 Effect of ammonia concentration on mpump，mtur，γvap and TⅡwith extraction temperature at 90 ℃and operating pressure of 1.75 MPa

/℃

由图2 可知，随着氨水浓度逐渐升高，mpump逐渐减小，γvap逐渐升高，导致mtur逐渐增大。此外，随着氨水浓度逐渐升高，TⅡ逐渐降低，这说明随着氨水浓度逐渐升高，太阳池下对流层中高温盐水在蒸发器中的换热功率逐渐增加。

图3 当提热温度为90 ℃、运行压力为1.75 MPa 时，Wtur，Wpump，Wnet，η 和ηex 随氨水浓度的变化情况Fig.3 Effect of ammonia concentration on Wtur，Wpump，Wnet，η and η ex with extraction temperature at 90 ℃and operatingpressure of 1.75 MPa

图3 为当提热温度为90 ℃，运行压力为1.75 MPa 时，透平的发电功率Wtur、发电量Wpump，以及SPK 系统的净发电功率Wnet、热效率η 和火用效率ηex随氨水浓度的变化情况。SPK 系统中透平的发电量Wtur主要是由透平入口处的工质流量、温度，以及运行压力决定的。工质泵功耗主要由工质流量和运行压力决定的。在提热温度和工作压力一定的情况下，Wpump主要由mtur决定的。由图3 可知，由于mtur会随着氨水浓度的增大而增大，因此，Wtur也会随着氨水浓度的升高而增大。由图3 还可看出，随着氨水浓度逐渐增大，mpump逐渐减小，导致Wpump也逐渐减小。由于Wpump远小于Wtur，因此，SPK 系统净发电功率Wnet的变化趋势和Wtur相同。此外，虽然Wnet会随着氨水浓度的增大而增大，但太阳池下对流层的高温盐水在蒸发器中的换热量也相应增加，导致SPK 系统的热效率η 和火用效率ηex随着氨水浓度的增大而降低。

3.3 运行压力对系统热力性能的影响

图4 为当提热温度为90 ℃和氨水浓度为85%时，mtur，mpump，γvap和TⅡ随运行压力的变化情况。

图4 当提热温度为90 ℃、氨水浓度为85%时，mtur，mpump，γvap 和TⅡ随运行压力的变化情况Fig.4 Effect of operating pressure on mtur，mpump，γvap and TⅡwith extraction temperature at 90 ℃and ammoniaconcentration of 85%

由图4 可知，随着运行压力逐渐升高，mpump和γvap均逐渐减小，导致mtur也逐渐减小。此外，随着运行压力逐渐升高，TⅡ逐渐升高，这说明随着运行压力逐渐升高，太阳池下对流层的高温盐水在蒸发器中的换热功率Q 逐渐减小。

图5 当提热温度为90 ℃、氨水浓度为85%时，Wtur，Wpump，Wnet，η 和ηex 随运行压力的变化情况Fig.5 Effect of operating pressure on Wtur，Wpump，Wnet，η and ηex with extraction temperature at 90 ℃and ammonia concentration of 85%

图5 为当提热温度为90 ℃和氨水浓度为85%时，Wtur，Wpump，Wnet，η 和ηex随运行压力的变化情况。在提热温度一定的情况下，Wpump主要由入口工质的流量和运行压力决定的。由图5 可知，随着运行压力逐渐升高，mtur逐渐减小，导致Wtur呈现出先增大后减小的变化趋势。由图5 还可看出，随运行压力逐渐升高，Wpump略有增加。这是由于随运行压力逐渐升高，mpump逐渐减小，但工质泵出口压力逐渐升高，因此，Wpump仍然略有增加。此外，由于工质泵功耗较小，因此，Wnet的变化趋势与Wtur相同，均随着运行压力的升高呈现出先增大后减小的变化趋势，且存在一个最佳的运行压力（1.75 MPa），使得Wnet达到最大值。由于太阳池下对流层的高温盐水在蒸发器中的换热功率Q随着运行压力的升高而减小，因此，η，ηex均随着运行压力的升高而增大，但二者的增大幅度逐渐减小。

3.4 提热温度对系统热力性能影响

图6 为当运行压力为1.75 MPa 和氨水浓度为85%时，mtur，mpump，γvap和TⅡ随提热温度的变化情况。

由图6 可知，随着提热温度逐渐升高，mpump，γvap均逐渐增大，导致mtur也逐渐增大。此外，随着提热温度逐渐升高，TⅡ基本稳定，这说明随着提热温度逐渐升高，太阳池下对流层的高温盐水在蒸发器中的换热功率Q 逐渐增加。

图6 当运行压力为1.75 Mpa、氨水浓度为85%时，mtur，mpump，γvap 和TⅡ随提热温度的变化情况Fig.6 Effect of extraction temperature on mtur、mpump、γvap and TⅡwith operating pressure of 1.75 MPa and ammoniaconcentration of 85%

图7 为当运行压力为1.75 MPa 和氨水浓度为85%时，Wtur，Wpump，Wnet，η 和ηex随提热温度的变化情况。

图7 当运行压力为1.75 MPa、氨水浓度为85%时，Wtur，Wpump，Wnet，η 和ηex 随提热温度的变化情况Fig.7 Effect of extraction temperature on Wtur，Wpump，Wnet，η and ηex with operating pressure of 1.75 MPa and ammoniaconcentration of 85%

在运行压力一定的情况下，Wpump主要由其入口处工质的温度和流量决定的。由图7 可知，随着提热温度逐渐升高，透平进口处工质的温度和流量均逐渐增加，导致Wtur快速增大。由图7 还可看出，虽然Wpump也会随着提热温度的升高而增大，但由于Wpump较小，因此，Wnet也会随着提热温度的升高而快速增大。此外，虽然太阳池下对流层的高温盐水在蒸发器中的换热功率Q 随提热温度的升高而增大，但由于Wnet迅速增加，因此，η 和ηex均随着提热温度的升高而增大。

3.5 典型算例分析

当氨水浓度为85%，运行压力为1.75 MPa，提热温度为90 ℃（典型工况）时，SPK 系统的各项参数如表2 所示。

表2 典型工况下SPK 系统的各项参数Table 2 Calculation results under typical operating conditions

图8 为SPK 系统中各换热器内基本浓度氨水温度和下对流层盐水温度随换热功率的变化情况。

图8 SPK 系统中各换热器内基本浓度氨水温度和下对流层盐水温度随换热功率的变化情况Fig.8 Effect of heat transfer efficiency on basic ammoniawater solution temperature and LCZ water temperature

由图8 可知，SPK 系统中蒸发器和冷凝器的换热功率较大，回热器和预热器的换热功率较小。根据上文可知，氨水的蒸发温度和冷凝温度均随着氨水浓度的变化而变化，因此，相比于朗肯循环，Kalina 循环中的冷热流体曲线在蒸发器（基本浓度氨水温度曲线和下对流层盐水温度曲线）和冷凝器（基本浓度氨水温度曲线和上对流层盐水温度曲线）中匹配得较好，有利于提升SPK 系统的热效率和火用效率。

图9 为SPK 系统中各换热器和透平等设备的火用损失比例。图中：X1~X6分别为透平、蒸发器、预热器、冷凝器、回热器及其他的火用损失比例。

图9 SPK 系统中各换热器和透平等设备的损失比例Fig.9 Exergy destruction ratio of each component in SPK

由于各换热设备存在固有的换热温差，因此，各换热设备的换热过程为不可逆的熵增过程，这将发生火用损失现象。由图9 可知，蒸发器和冷凝器火用损失比例均较大，分别为41.79%和28.1%，这是由于蒸发器和冷凝器的换热功率远大于预热器和回热器，并且蒸发器和冷凝器中氨水混合物均发生了相变（图8）。此外，透平作为SPK 系统主要的功能转换部件，也存在固有的机械损失，加之其入口和出口处工质的焓差较大，导致其火用损失也较大，其火用损失比例为17.78%。由图9 还可看出，SPK 系统中其他部件的火用损失比例均较小。