二級回熱式氨水循環發電系統性能

馮金勇，張子建，李靜芬，葛裕民

（上海船用柴油機研究所，上海 201108）

0 引 言

目前，性能優良的船舶柴油機的熱效率一般在50%左右，剩余的50%左右的能量以各種形式散失，其中25%～30%的熱量被排氣帶走。高溫排氣余熱屬于中高品位的能量，可用來發電和產生動力。在當前節能環保呼聲不斷增強，船舶能效國際法規日益嚴苛的情況下，研發船舶柴油機排氣余熱回收利用裝置勢在必行。

與傳統的朗肯循環、溫差發電和動力渦輪發電技術相比，氨水循環發電系統以非共沸氨水混合物為工質，在換熱過程中具有變溫相變的特性，能縮小換熱溫差，減少不可逆損失，提高能量回收率。目前，國內外有關氨水循環發電系統的研究多集中于海洋溫差能、地熱能和太陽能等領域。HONG 等研究了中溫太陽能驅動的氨水發電循環，其使用拋物線式收集器，通過可變的濃度比適應不同的直接輻照度范圍，可獲得4%～20%的太陽能發電效率，每年的太陽能發電效率約為14%。SUN 等在氨水循環的基礎上研究了帶過熱器的太陽能利用系統，對該系統進行了參數性能分析，結果表明，系統壓差是衡量發電循環熱效率的重要性能指標。劉煜森等將氨水循環應用到海洋溫差發電中，基于Aspen Plus 軟件對系統進行模擬，計算了各設備的損失，并分析了蒸發壓力和氨水濃度對系統各參數的影響。王春莉等根據氨水動力循環技術可深度利用火電機組的排氣余熱和排汽凝結熱的優點，在不影響電廠循環熱效率的前提下，采用該技術將機組輸出電功率提高了1%左右。

綜上所述，國內外學者對氨水循環發電系統在海洋溫差能、地熱和太陽能發電等領域的運行性能進行了深入研究，并在實際工程中進行了應用，但對其在船舶領域的運行性能開展的研究較少。本文以船舶柴油機排氣為熱源，采用二級回熱式氨水循環發電系統，將透平輸出功率和系統熱效率作為評價指標，研究分析蒸發溫度、蒸發壓力、氨水基液濃度和冷卻水溫度對系統性能的影響，并通過多參數對比分析，得到針對特定柴油機排氣溫度的氨水循環發電系統最佳運行點。

1 二級回熱式氨水循環發電系統原理

氨水循環發電系統是在朗肯循環上的一種設計優化，同時針對柴油機的運行特性和排氣溫度波動較大的特點，為穩定熱源增加導熱油回路。

二級回熱式氨水循環發電系統原理圖見圖1。柴油機排出的氣體經排氣換熱器將能量傳遞給低壓導熱油，導熱油經蒸汽發生器對氨水工質加熱；一定濃度的氨水基礎溶液1 進入蒸汽發生器，與高能導熱油換熱，此過程中氨水基液吸熱之后實現變溫相變，成為氣、液兩相工質2；氣、液兩相工質進入氣液分離器，分離為富氨飽和蒸汽3 和貧氨飽和溶液4；富氨飽和蒸汽進入透平做功，完成做功之后產生的富氨乏汽5進入混合器；溫度較高的貧氨飽和溶液4 經高溫回熱器與低溫氨水基液12 換熱，實現系統內部能量回收；貧氨溶液6 經節流閥降壓之后，與富氨乏汽一起進入混合器混合為氨水基液8；氨水基液8 進入低溫回熱器被吸收潛熱能，進一步降溫形成溫度和氣相率較低的氨水基液9；氨水基液9 進入冷凝器被冷凝為氨水基液10；氨水基液10 通過氨水泵加壓，并經低溫回熱器和高溫回熱器二級回熱升溫之后進入蒸汽發生器，形成一個完整的循環。循環中既有傳熱過程，又有傳質分離過程，理想溫熵（T-S）圖見圖2。

圖1 二級回熱式氨水循環發電系統原理圖

圖2 系統T-S 圖

2 二級回熱式氨水循環發電系統仿真模型

2.1 設計輸入

本文以某型低速船舶柴油機排氣為熱源，二級回熱式氨水循環系統設計輸入參數見表1。

表1 二級回熱式氨水循環系統設計輸入參數

2.2 主要設備數學模型和參數定義

根據熱力學第一定律，從能量的數量角度分析裝置或設備中能量的轉換、傳遞、利用和損失情況。主要熱力學指標為熱效率和透平輸出功，其中熱效率為有效輸出的能量與總能量消耗之比。

3) 透平發電機組的發電量和效率分別為

式(5)和式(6)中： W為透平機組發電量，kW； h為透平出口富氨蒸汽的比焓，kJ/kg；η為透平發電機組效率；η為透平等熵膨脹效率；η為透平發電機組機械傳動效率；η為發電機效率。

4) 混合器的氨組分質量守恒、總質量守恒和能量守恒的表達式分別為

式(7)～式(9)中： x為混合器出口處氨水基液的干度； x為透平出口乏汽的干度； x為節流閥后貧氨溶液的干度； h為混合器出口處氨水基液的比焓，kJ/kg； h為透平出口乏汽的比焓，kJ/kg； h為節流閥后貧氨溶液的比焓，kJ/kg。

5) 泵的功耗和等熵效率分別為

式(10)和式(11)中：W 為工質泵消耗的功，kW；η為工質泵機械效率；η 為工質泵電機效率；η 為泵的等熵效率； h為工質泵出口工質的比焓，kJ/kg； h為工質泵進口工質的比焓，kJ/kg； h為工質泵理想工質泵出口處的比焓，kJ/kg。

6) 系統的熱效率為

式(12)中：η 為系統熱效率；Q 為煙油換熱器的熱負荷，kW。

2.3 仿真模型搭建

根據設計的二級回熱式氨水循環發電系統的模塊組成、運行特點和輸入參數，利用Aspen plus 搭建系統一維仿真模型（見圖3）。

圖3 二級回熱式氨水循環發電系統仿真模型

根據設計輸入參數，仿真模型運行結果見圖4，可認為系統運行無誤，可進行仿真計算。

圖4 仿真模型運行結果界面

3 特征參數對系統性能的影響

本文通過設定系統凈發電量，調節氨水基液濃度、蒸發壓力、蒸發溫度和冷卻水溫度等參數，分析其對系統性能的影響，并對系統參數進行優化，確定系統最佳運行點。

對系統設置參數和運行條件做以下設定和假設：

1) 計算時系統中的流體已達到穩定流動狀態；

2) 為方便比較氨水循環發電系統的熱效率，使排氣換熱器排氣出口的溫度為170℃；

3) 由于各氨水基液濃度梯度下系統運行均有相似的變化特性，因此僅對部分氨水基液濃度特性進行研究，分別針對25%～55%氨水基液濃度進行計算分析；

4) 蒸發壓力的選取需考慮設備選型、透平出口乏汽干度和系統工況點的影響，選取蒸發壓力區間為2.5～4.0MPa，變化步長為1.0MPa；

5) 為降低透平“汽蝕”的影響，要求透平出口富氨乏汽干度不低于90%，對透平進口富氨飽和蒸汽濃度不作要求；

6) 為保證系統平穩運行、易于控制，將自基液泵出口至蒸汽發生器進口的氨水基液限制為液相狀態，無氣、液兩相流；

7） 設定柴油機排氣流量為變量，設定系統凈輸出功率為800kW，即將800kW 設定為恒輸出發電量。

3.1 氨水基液濃度對系統性能的影響

在不同氨水基液濃度下對系統進行仿真時，蒸發壓力范圍為3～4MPa，變化步長為0.5MPa；蒸發溫度為200℃，冷凝溫度取40℃。氨水基液濃度對系統性能的影響見圖5。

圖5 氨水基液濃度對系統性能的影響

由圖5 可知，在溫度和壓力一定的情況下，氨水基液濃度越大，基液質量流量越小，富氨蒸汽質量流量越大。這是因為隨著氨水基液濃度的增大，基液中的氨越來越易析出，分離器分離出的進入透平做功的富氨蒸汽比例越來越大，在凈輸出功率一定的情況下，基液的質量流量越來越小。貧氨溶液的質量流量隨著氨水基液濃度的升高而下降，這說明氨水基液濃度越大，用于做功的富氨工質的流量越大，即富氨蒸汽占比( m/ m)越大，而用于回熱的貧氨溶液的流量減小，系統回熱量減少。此外可看出，乏汽干度隨著氨水基液濃度和富氨蒸汽流量的增大而逐漸增大。在透平入口壓力一定的情況下，隨著基液濃度的增大，循環吸熱量也增加，這是由于循環回熱量隨著氨水基液濃度的增大而減少，這使得熱源放熱量更多，因此循環吸熱量增加。此外還可看出，透平輸出功率隨著氨水基液濃度的增大而下降。由于基液流量隨著濃度的增大而減小，泵功耗減少，在凈輸出功率一定的情況下，透平輸出功率下降。氨水循環系統熱效率隨著氨水基液濃度的增大而下降，這是由于系統凈輸出功率一定，而循環吸熱量隨著濃度的升高而增大，因此系統熱效率下降。

3.2 蒸發壓力對系統性能的影響

在對不同蒸發壓力下的循環系統進行仿真時，氨水基液濃度取40%，蒸發溫度取180℃、190℃和200℃，冷凝溫度取40℃。蒸發壓力對系統性能的影響見圖6。

圖6 蒸發壓力對系統性能的影響

由圖6 可知，隨著蒸發壓力的逐漸升高，氨水基液的流量逐漸增大，富氨蒸汽的做功能力增強，質量流量逐漸減小，這導致貧氨溶液的質量流量增大，系統回熱量增多；隨著蒸發壓力的進一步升高，富氨蒸汽流量減小的趨勢變緩。此外可看出，提高主蒸汽的壓力雖然會提高工質的平均吸熱溫度，使熱效率得到提高，但乏汽干度會隨著蒸發壓力的升高而下降。隨著蒸發壓力的升高，富氨工質做功的能力增強，循環吸熱量減少。此外還可看出，透平機組輸出功率隨著蒸發壓力的升高而增大，這是因為蒸發壓力越高，透平進出口焓降越大，蒸汽做功的能力越強，機組的輸出功率越大。隨著蒸發壓力的升高，氨水循環的平均吸熱溫度也升高，循環熱效率提高。

3.3 蒸發溫度對系統性能的影響

在對不同蒸發溫度下的系統進行仿真時，氨水濃度取40%，冷凝溫度取33℃、40℃和45℃，蒸發壓力取2MPa。蒸發溫度對系統性能的影響見圖7。

圖7 蒸發溫度對系統性能的影響

由圖7 可知，隨著蒸發溫度的升高，基液流量逐漸下降，下降幅度隨著溫度的升高而減小。這是因為蒸發溫度越高，透平等效焓降越大，蒸汽做功的能力越強，因此基液氨水流量和富氨蒸汽流量均下降，而貧氨溶液流量基本保持不變，這說明基液氨水流量與富氨蒸汽流量的下降趨勢基本一致。在氨水循環系統中提高主蒸汽的溫度同樣會使透平乏汽干度升高。同時可看出，隨著主蒸汽溫度在泡點至露點范圍內升高，循環吸熱量呈先減少后增多的趨勢。這是因為隨著蒸發溫度升高，在凈輸出功率一定的情況下，循環所需的氨水質量流量減小，較小的質量流量會導致循環吸熱量較少，但蒸發溫度越高，將工質加熱到對應溫度所需的熱量也更多，這會使循環吸熱量增加。在溫度升高的初始階段，基液氨水質量流量減少起主要作用，循環吸熱量減少，而隨著蒸發溫度的進一步升高，工質質量流量的下降幅度減小，此時溫度占主導作用，使循環吸熱量逐漸增加。隨著溫度的升高，透平輸出功率逐漸減小，這是因為工質流量減小使工質泵功耗下降，在凈輸出功率一定的情況下，透平做功減小。此外還可看出，隨著氨水的蒸發溫度在泡點到露點范圍內增大，系統的熱效率先升高后下降，這是因為在此次仿真中氨水發電系統的凈發電功率為800kW，而循環吸熱量隨著蒸發溫度的升高先減少后增加，因此系統熱效率隨著蒸發溫度的升高先升高后下降。

3.4 冷卻水溫度對系統性能的影響

試驗中，冷卻水溫度會隨著環境溫度發生改變，取冷卻水溫度分別為20℃、25℃、32℃、37℃和42℃，系統冷凝器下端差為5K，冷凝水過冷度為3K，對該溫度下的循環系統進行仿真，得到系統參數并進行分析，其中氨水基液濃度取35%、40%和45%，蒸發溫度取200℃，蒸發壓力取3.5MPa。冷卻水溫度對系統性能的影響見圖8。

圖8 冷卻水溫度對系統性能的影響

由圖8 可知，隨著冷卻水溫度的升高，各工質的流量均增大，這是因為冷卻水溫度越高，循環系統的乏汽溫度也越高，使得系統效率下降，在凈效率一定的情況下，氨水基液流量和富氨蒸汽流量會增大，而從增大的趨勢來說，氨水基液質量流量的增大趨勢要比富氨蒸汽明顯，這使得貧氨溶液的流量也隨著冷卻水溫度的升高而增大。由于冷卻水溫度決定冷凝溫度，而在氨水循環系統中冷凝溫度越高，乏汽干度就越高，因此乏汽干度隨著冷卻水溫度的升高而升高。同時可看出，由于低冷卻水溫度對應的冷凝溫度較低，效率較高，因此在凈輸出功率相同的情況下，冷卻水溫度越高，循環吸熱量越多。此外還可看出，冷卻水溫度較高，對應的透平機組輸出功率較大。這是因為當凈輸出功率為一定時，冷卻水溫度高的循環，相同氨水工質的質量流量越高，工質泵耗去的功越多，使得透平機組只有輸出更高的功率才能使凈輸出功率不變。氨水循環系統的冷凝溫度是由冷卻水溫度確定的，因此改變冷卻水溫度對循環熱效率有直接影響。冷卻水溫度越高，系統冷凝溫度越高，熱效率越低。

3.5 二級回熱式氨水循環系統最優運行點

以熱效率最高為目標函數優化待定參數。考慮到氨水循環透平設計的可行性，氨水透平入口壓力不得高于4.0MPa。通過仿真計算，二級回熱式氨水循環發電系統優化之后各狀態點的最佳運行參數見表2，系統設計點性能見表3。

表2 二級回熱式氨水循環發電系統各狀態點的最佳運行參數

表3 二級回熱式氨水循環發電系統設計點性能

4 結 語

本文利用一維軟件搭建了800kW 二級回熱式氨水循環發電系統仿真模型，在不同氨水基液濃度、蒸發壓力、蒸發溫度和冷卻水溫度下對氨水循環系統進行了仿真，得到了不同特征參數對系統性能的影響規律。基于特征參數對系統性能的影響，對系統最佳運行點的選擇進行了分析并得到了最佳運行點，以及系統關鍵設備在最佳運行點下的選型參數。針對268℃柴油機排氣熱源，可得：

1) 在蒸發壓力、蒸發溫度和冷卻水溫度一定的條件下，二級回熱式氨水循環系統的熱效率隨著氨水基液濃度的增大而下降；

2) 在氨水基液濃度、蒸發溫度和冷卻水溫度一定的條件下，二級回熱式氨水循環系統的熱效率隨著蒸發壓力的增大而升高；

3) 在氨水基液濃度、蒸發壓力和冷卻水溫度一定的條件下，二級回熱式氨水循環系統的熱效率隨著蒸發溫度的升高而先升高后趨于平穩；

4) 在氨水基液濃度、蒸發壓力和蒸發溫度一定的條件下，二級回熱式氨水循環系統的熱效率隨著冷卻水溫度的升高而下降；

5) 在該二級回熱式氨水循環系統型式下，最優運行點性能參數為氨水基液濃度44%、蒸發壓力4.0MPa、蒸發溫度214℃時，系統熱效率最高達到11.52%。