基于EES的一級蒸餾Kalina循環的熱力學分析

宋忠源，李林星，陳盼盼，張少波，劉　荔

（上海海事大學商船學院，上海201306）

基于EES的一級蒸餾Kalina循環的熱力學分析

宋忠源，李林星，陳盼盼，張少波，劉荔

（上海海事大學商船學院，上海201306）

以一級蒸餾Kalina循環為研究對象，運用熱力學第一定律和第二定律，找出各個器件之間的熱力學關系，在這些關系的基礎上，運用EES軟件（Engineering Equation Solver）進行運算，從而得出在其他條件不變的情況下，汽輪機進氣壓力、氨溶液濃度、汽輪機進氣溫度等因素對發電效率的影響。

Kalina循環；余熱發電；熱力學分析；Engineering equation solver；氨水溶液

0　引言

自1984年Alexander I.Kalina提出卡琳娜循環，許多學者對此循環進行了廣泛的研究，Kalina循環是以氨-水混合物作為循環工質的一種新型高效的動力循環，由于其循環熱效率比Rankine循環熱效率更高，自問世以來因其應用領域廣和研究空間大而被廣泛推廣。美國、日本等國家早已將Kalina技術投入到電廠的項目中用于發電并取得了節能佳績。

Kalina循環的創新點就在于用非共沸混合工質代替了水-水蒸汽為工質的Rankine循環。最常見的中低溫發電熱力循環就是Rankine循環，但是由于其采用單一組分工質水-水蒸汽，所以在工質相變的吸熱過程中是恒溫的，而熱源的放熱過程則是變溫的，致使換熱過程中水與高溫煙氣的匹配度不好。而在Kalina循環中，由于氨的沸點遠比水的沸點低，可在較低的溫度下處于氣化狀態，而且其吸熱蒸發過程為變溫過程，可以使熱源的放熱過程與混合工質的吸熱過程曲線更好的匹配，最大限度的降低了放熱過程中的不可逆損失，提高了余熱利用效率。此外，由于氨的沸點遠比水的沸點低，因此以氨-水混合物為工質的熱力循環可以更好地應用于低溫熱源，如低溫太陽能，地熱能，常規電廠廢熱等，在中低溫余熱利用中都具有明顯優勢。

從圖1可以看出非共沸混合工質相變時的溫度是不斷變化的，混合物的沸點和露點隨著氨濃度的變化而變化，同時在不同壓力下，混合物的沸點和露點也是不同的。

圖1　不同壓力下氨水混合物相變圖

1　Kalina循環簡介

圖2是一級蒸餾Kalina循環流程圖，整個系統包括鍋爐、透平機、回熱器、低壓冷凝器、高壓冷凝器、高壓泵、低壓泵、蒸餾器、節流閥等組成。工作溶液即氨水溶液從高壓冷凝器出來后經過高壓泵加壓后在鍋爐中被加熱成為過熱蒸汽，進入透平機內做功，從透平機出來的氣體在回熱器中被冷卻，與從蒸餾器出來的富水溶液混合后進入低壓冷凝器冷凝，冷凝成飽和溶液后經過低壓泵升壓，分為兩路，一路進入回熱器加熱后，在蒸餾器中分離成富氨溶液和富水溶液，另一路與蒸餾器出來的富氨溶液混合成工作溶液進入高壓冷凝器中被冷凝成飽和溶液，飽和溶液在高壓泵升壓后進入鍋爐，完成一個循環過程。

圖2　一級蒸餾Kalina循環流程圖

2　各部件數學模型的建立以及初始參數的設定

數學模型的建立主要基于能量守恒方程、質量守恒方程以及氨質量分數守恒方程而得，以氨水混合物為工質的Kalina循環滿足以下數學總方程式：整個系統的熱效率：

表1　一級蒸餾Kalina循環各部件數學方程式

η=（W-W1-W2）/Qg

式中Gin—某裝置進口時的溶液質量；

Gout—某裝置出口時的溶液質量；

Gεin—某裝置進口處氨的質量分數；

Gεout—某裝置出口處氨的質量分數；

Ghin—某裝置進口時的能量；

Ghout—某裝置出口時的能量；

Q—外部加入整個系統的能量。

循環運行的初始參數設定見表2，為了使所得數據具有一定的可比性，初始參數與參考文獻［5］相同。

表2　一級蒸餾Kalina循環運行初始參數設定

表3　Kalina循環各個狀態點的計算結果

3　計算結果分析

為了簡化模型及計算，需要對以上Kalina循環提出以下假設：

1）系統處于熱力學平衡狀態，每個系統部件都保持穩態。

2）忽略流體摩擦力產生的壓損。

3）忽略系統內部與外界產生的熱交換損失。

4）忽略系統內流體的動能和勢能。

5）節流過程等焓，溶液泵升壓過程等溫，忽略溶液泵能耗。

根據以上數學模型，結合初始參數以及假設條件，運用EES軟件進行編程計算，計算結果見表3。

表4　給定工況下Kalina循環的性能參數

3.1冷卻水溫度與循環熱效率的關系

圖3為冷卻水溫度對循環熱效率的影響，在其他狀態參數不變的情況下，改變冷卻水的溫度，可以得出熱效率隨冷卻水溫度的變化曲線。從圖中可以看出，循環熱效率隨冷卻水溫度的升高而減小，這是因為冷卻水溫度越高，冷凝壓力越高，系統輸入功就越小，因此熱效率越低，此外，氨水濃度越高，系統循環的熱效率越大。

3.2汽輪機進口溫度與循環熱效率的關系

圖4為汽輪機進口溫度對循環熱效率的影響，從圖中可以看出，循環熱效率隨著汽輪機進口溫度的升高而增加，這是由于汽輪機進口溫度越高，汽輪機的輸出功就越大，從而會使整個循環的熱效率增加。

3.3汽輪機進口壓力與熱效率的關系

圖5是在其他狀態參數不變的情況下，改變汽輪機的進口壓力，得到熱效率隨汽輪機進口壓力的變化曲線。循環熱效率隨汽輪機的進口壓力升高而增加，但是增加的幅度越來越小，這是因為汽輪機進口壓力升高，導致溶液在鍋爐中的換熱量減少，汽輪機輸出功增加，從而導致熱效率增加，另外，氨溶液的濃度越大，相同汽輪機進口壓力下，熱效率越大。

圖3　冷卻水溫度對循環熱效率的影響

圖4　汽輪機進口溫度對循環熱效率的影響

圖5　汽輪機進口壓力對循環熱效率的影響

圖6　工作溶液的濃度對循環熱效率的影響

3.4工作溶液濃度與循環熱效率的關系

圖6是在其他初始參數不變的情況下，改變工作溶液的濃度，可以得到循環的熱效率隨工作溶液的升高而升高，這一結論與圖5、圖6不同濃度下所對應的熱效率的結論一致。

4　結語

在一級蒸餾Kalina循環的基礎上，通過建立數學模型，運用EES軟件，調用軟件內置的氨水溶液的物性參數，從而計算得出各個狀態點的數值，由于本文的初始參數的設置都是以參考文獻［6］為依據，并且計算結果與文獻所得各個狀態點的結果基本一致，因此可以驗證整個建模過程的準確性。

通過模擬計算，可以得出系統中各個參數對循環熱效率的影響，系統中的冷卻水溫度、汽輪機進口溫度、進口壓力以及工作溶液的濃度等都會對系統熱效率產生影響，因此，在將Kalina循環運用到實際工程中時，可以通過控制這些參數來使整個系統達到最優的效果，從而獲得更高的經濟效益。

［1］Mounir B.Ibrahim Ronald M.Kovach A Kalina Cycle Application for Power Generation［J］.ASME Paper 91-GT-199.

［2］Kalina A I.Combined Cycle System With Novel Bottoming Cycle［J］.ASME 84-GT-135，Amsterdam，1984.

［3］付文成，朱家玲，張偉，等.Kalina地熱發電循環模型建立及熱力性能分析［J］.太陽能學報，2014，35（7）：1144～1150.

［4］王江峰，王家全，戴義平.卡林納循環在中低溫余熱利用中的應用研究［J］.汽輪機技術，2008，50（3）：208～210.

［5］Kalina A I.Combined Cycle and Waste Heat Recovery Power Systems Based on a Novel Thermodynamic Energy Cycle Utilizing Low-Temperature Heat for Power Generation［J］.ASME Paper 83-JPGC-GT-3

［6］付文成.中低溫地熱能雙吸收Kalina循環系統熱力學優化與實驗研究［D］.天津大學.2014.

［7］何新平.Kalina循環與Rankine循環在水泥窯低溫余熱發電中的熱力學對比分析［J］.水泥技術，2010，（03）：106～111.

［8］胡冰，駱超，馬偉斌.簡化Kalina循環系統的熱力學分析［J］.農業機械學報，2014，（04）：214～219.

［9］馬思駿，等.氨-水混合工質Rankine循環與Kalina循環的熱力學分析與比較［J］.中國電機工程學報，2014，（02）：288～294.

［10］岳秀艷，韓吉田，于澤庭，等.Kalina循環系統（KCS）34的熱力學分析［J］.發電與空調，2014，35（3）：9～13.

［11］張穎，何茂剛，賈真，等.Kalina循環的熱力學第一定律分析［J］.動力工程，2007，27（2）：218～212.

Thermodynamic Annlasis of Primary Distillation Kalina Cycle Based on EES

SONG Zhong-yuan，LI Lin-xing，CHEN Pan-pan，ZHANG Shao-bo，LIU Li
（Merchant Marine Academy，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China）

Study on primary distillation Kalina cycle，we can find the thermodynamic relations of each devices using the first and second laws of thermodynamics.Upon those relations，it comes to the conclusion of the influence of the turbine inlet air pressure，ammonia concentration，the turbine inlet temperature and other factors on the power generation efficiency by using the software of EES.

Kalina cycle；cogeneration；thermodynamic analysis；engineering equation solver；ammonia solution

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.04.018

TK521

B

2095-3429（2015）04-0066-04

2015-07-27

修回日期：2015-08-28

宋忠源（1990-），男，碩士研究生，研究方向：熱力循環。