基于朗肯循環(huán)和卡琳娜循環(huán)的中低溫余熱動力循環(huán)分析

聶 晶

（上海海事大學商船學院輪機系，上海201306）

基于朗肯循環(huán)和卡琳娜循環(huán)的中低溫余熱動力循環(huán)分析

聶 晶

（上海海事大學商船學院輪機系，上海201306）

中低溫朗肯循環(huán)、Kalina循環(huán)、氨吸收式動力循環(huán)和槽式太陽能Kalina發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)都是低溫余熱動力循環(huán)的主要方式，對其熱力學原理以及Kalina循環(huán)的影響因素進行分析，認為研究推廣中低溫朗肯循環(huán)及Kalina循環(huán)和多種應用形式的Kalina循環(huán)對提高中低溫余熱循環(huán)效率更加有效，而且Kalina循環(huán)技術相比其它熱力循環(huán)具有更加光明的發(fā)展前景和更加廣泛的工業(yè)應用范圍。

余熱利用；中低溫Rankine循環(huán)；Kalina循環(huán)；氨-水物性

0 引言

自工業(yè)革命以來，人類不斷消耗煤炭、石油、天然氣資源，造成了全球性的能源短缺。隨著世界能源危機不斷突顯，人們開始對新型能源進行探索開發(fā)。20世紀以來，太陽能、地熱能、生物能、潮汐能不斷興起并加以開發(fā)利用。這些新型能源分布廣泛，資源豐富，并且大部分屬于中低溫熱源應用范疇，有時帶有不穩(wěn)定等特點。如何將這些低品位的中低溫熱源進行高效利用，對解決一次能源消耗問題有著重大意義。在工業(yè)生產(chǎn)中尋求經(jīng)濟效益的同時，我們也要注重可持續(xù)發(fā)展性，將大量工業(yè)余熱加以回收，達到能源的二次有效利用。同時，充分利用余熱資源也是企業(yè)節(jié)能的主要目的之一。

在工業(yè)生產(chǎn)中會產(chǎn)生大量350℃以下的中低溫熱源，我國工業(yè)余熱回收率僅33.5%，即2/3的余熱資源尚未被利用，而在一些較發(fā)達的國家，已達40%以上，甚至有的已經(jīng)超過50%。如何將這部分熱源高效回收，對降低一次能源消耗有重要意義。在工業(yè)領域中消耗大量的能源，最終都以低溫水的形式排放掉，為了提高能耗的利用率，應采取措施進行余熱資源回收利用。

余熱的回收方式有多種，總體分為熱回收和動力回收兩大類。目前，主要的動力回收即將余熱轉(zhuǎn)變?yōu)閯恿螂娏υ倮?。中低溫熱源余熱利用的有效形式為余熱發(fā)電，余熱發(fā)電的一般形式為水蒸汽朗肯循環(huán)（Steam Rankine Cycle），還包括：有機朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle：ORC）和卡琳娜循環(huán)（Kalina Cycle）等［1］。本文主要對朗肯循環(huán)以及卡琳娜循環(huán)的余熱動力循環(huán)作分析。

1 中低溫朗肯循環(huán)熱力分析

朗肯循環(huán)（Rankine Cycle）是將工質(zhì)的熱能轉(zhuǎn)化為功的熱力學循環(huán)過程，其循環(huán)工質(zhì)為水-水蒸汽。在朗肯動力循環(huán)中，主要包括：鍋爐、汽輪機、冷凝器和工質(zhì)泵，如圖1所示。工質(zhì)在鍋爐中被中低溫余熱加熱蒸發(fā)成氣體，進入汽輪機推動做功，帶動發(fā)電機發(fā)電，從汽輪機出來的乏汽進入冷凝器冷卻成為液體，再由工質(zhì)泵送到鍋爐中加熱蒸發(fā)，完成一個循環(huán)過程。

圖中：1-2：工質(zhì)在汽輪機中定熵膨脹；2-3：工質(zhì)在冷凝器中定壓放熱；3-4：工質(zhì)在水泵中定熵壓縮；4-1：工質(zhì)在鍋爐中定壓吸熱。

在實際循環(huán)中存在熱損失和壓力損失，為了將過程進行簡化，將做以下假設：過程中各部件處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，且參數(shù)不變，忽略各部件熱損及壓損，對汽輪機、冷凝器、工質(zhì)泵、鍋爐列出其數(shù)學模型，如下：

汽輪機：

冷凝器：

圖1 朗肯循環(huán)原理圖

2 以氨-水混合物為工質(zhì)的Kalina循環(huán)及其它組合方式的動力循環(huán)分析

卡琳娜循環(huán)（Kalina Cycle）是以氨水混合物作為工質(zhì)的新型動力循環(huán)。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(tài)，因此，在中低溫余熱利用中具有明顯優(yōu)勢。在Rankine循環(huán)中，水與高溫煙氣的換熱過程溫度曲線匹配不好，傳熱溫差較大，不可逆損失較大；在Kalina循環(huán)中，氨-水混合物的吸熱蒸發(fā)過程為變溫過程，可以使熱源的放熱過程與混合工質(zhì)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［2］。水及氨-水混合物吸熱曲線如圖2所示。

圖2 水及氨-水混合物動力循環(huán)

圖3 Kalina循環(huán)流程圖

Kalina循環(huán)可認為是由高溫部分的鍋爐-汽輪機子系統(tǒng)和低溫部分的分餾-冷凝子系統(tǒng)構成。以下是典型的一級蒸餾卡琳娜循環(huán)，如圖3所示。

一般來講，Kalina循環(huán)系統(tǒng)基本由鍋爐、汽輪機、冷凝器、蒸餾器、泵、分離器、預熱器等設備組成。一級蒸餾Kalina循環(huán)的基本流程同Rankine循環(huán)有相似之處，其裝置主要由鍋爐 （或余熱換熱器）、汽輪機和冷凝器等組成。與Rankine循環(huán)不同的是，Kalina循環(huán)還有一個蒸餾子系統(tǒng)。處于飽和液體狀態(tài)的工作液體a通過高壓泵升壓及預熱器加熱，進入鍋爐中吸熱成為過熱蒸汽，送至汽輪機做功，乏汽經(jīng)蒸餾器冷卻后，與分離器底部流出的貧氨溶液b混合成為基本溶液c，通過吸收器冷卻及凝結(jié)泵加壓和再熱器的升溫后形成溶液d，送入分離器，其中一股分離為富氨溶液經(jīng)預熱器冷卻后形成溶液f，再與基本溶液e混合形成工作溶液，經(jīng)冷凝器冷卻后又形成工作溶液a，完成一個循環(huán)過程。另一股溶液為貧氨溶液，經(jīng)再熱器冷卻和節(jié)流閥降壓，將工作溶液稀釋為基本溶液。

在Kalina循環(huán)中，由于氨水混合物不能在通常的環(huán)境溫度下凝結(jié)，所以Kalina循環(huán)采用了蒸餾冷卻子系統(tǒng)來解決氨水混合物的冷凝問題，該系統(tǒng)由蒸餾器、吸收器、再熱器、分離器、冷凝器和預熱器組成，其基本原理是：把汽輪機排出的氨液和分離器分離出的貧氨溶液混合稀釋，形成濃度較低的基本溶液，該溶液可以在吸收器中以排氣壓力和環(huán)境溫度完全冷凝，冷凝后的溶液由于濃度較低，不能直接送入鍋爐加熱，而是經(jīng)凝結(jié)泵升壓后把一部分基本溶液送到分離器中，經(jīng)分離器出來的富氨溶液和另一部分基本溶液混合，形成工作溶液，從而使氨水混合物的濃度恢復到工作濃度，這時由于壓力已經(jīng)升高，所以，可以在冷凝器中以環(huán)境溫度完全凝結(jié)。

圖4為該一級蒸餾Kalina循環(huán)T-s圖。從熱力過程的角度描述，上述循環(huán)的主要工作過程有：①等壓吸熱過程，在鍋爐中，工作溶液從熱源吸熱；②絕熱做功過程，在汽輪中，工作溶液絕熱膨脹做功；③混合及低壓冷凝放熱過程，貧氨溶液與基本溶液混合形成工作溶液后，進入吸收器中等壓冷卻至飽和溶液；④低壓絕熱壓縮過程，基本溶液在低壓泵中絕熱壓縮提高壓力；⑤分離過程，基本溶液通過分離形成富氨溶液和貧氨溶液；⑥混合及高壓冷凝放熱過程，基本溶液與富氨溶液混合后，進入高壓凝汽器中等壓冷凝至飽和溶液；⑦高壓絕熱壓縮過程，工作溶液在高壓泵中絕熱壓縮提高壓力。

根據(jù)各部件的運行特性，對部件列出其控制方程。包括能量守恒方程、氨組分質(zhì)量守恒方程、總質(zhì)量守恒方程：

能量守恒方程：

圖4 Rankine循環(huán)與Kalina循環(huán)T-s對比圖

Kalina循環(huán)有多種不同的組合方式，氨吸收式動力循環(huán)也是Kalina循環(huán)的一種，它是在氨吸收式制冷循環(huán)的基礎上改變流程而形成的新型Kalina循環(huán)。如圖5所示。

圖5 氨吸收式動力循環(huán)流程圖

氨水混合物經(jīng)過熱器送入鍋爐中對其進行加熱蒸發(fā)，產(chǎn)生的氨蒸汽進入精餾器，濃度變高，進入過熱器加熱后進入汽輪機做功，帶動發(fā)電機發(fā)電，做功后產(chǎn)生的乏汽直接進入吸收器冷卻成稀溶液，經(jīng)工質(zhì)泵加壓進入精餾器，對精餾器冷卻，再經(jīng)換熱器加熱后送入鍋爐完成一個循環(huán)。如果在汽輪機與吸收器之間加上制冷機，該循環(huán)便能實現(xiàn)制冷發(fā)電聯(lián)合循環(huán)。

Kalina循環(huán)除了以余熱煙氣，蒸汽作為驅(qū)動循環(huán)的動力來源，太陽能作為一種清潔能源也為Kalina循環(huán)提供了更加廣闊的應用前景。圖6是槽式太陽能Kalina循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)將Kalina發(fā)電與槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合，設計出更高效的中低溫循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。

槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要分為兩部分：導熱油循環(huán)系統(tǒng)和氨水循環(huán)系統(tǒng)。導熱油循環(huán)系統(tǒng)中，經(jīng)過換熱的導熱油12點與經(jīng)過蓄熱器B換熱的導熱油匯合進入集熱場A吸熱后，成為高溫導熱油10點。部分高溫導熱油進入過熱器E和發(fā)生器F與氨-水混合物換熱。C、D分別是熱罐和冷罐，當太陽能充足時可以將部分導熱油存入達到蓄熱的目的。氨-水循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中結(jié)合了Kalina發(fā)電系統(tǒng)的原理，氨水混合物在吸收器中冷卻后為狀態(tài)1點，經(jīng)泵加壓進入預熱器G吸熱，再進入發(fā)生器F與高溫導熱油換熱，達到工質(zhì)沸點后蒸發(fā)進入精餾器，溫度進一步升高達到狀態(tài)8點時接近純氨，進入汽輪機膨脹做功后進入吸收器與6點稀溶液混合，完成氨-水混合物循環(huán)發(fā)電過程［3］。

圖6 槽式太陽能Kalina循環(huán)示意圖［11］

3 Rankine循環(huán)與Kalina循環(huán)對比分析

自從20世紀80年代Alexander Kalina提出了卡琳娜循環(huán)后，引起了世界能源領域的關注，尤其是在余熱發(fā)電技術領域中得以應用［4］。大量學者都專注于研究卡琳娜循環(huán)的經(jīng)濟性能以及其影響循環(huán)的因素。國內(nèi)外學者就Rankine循環(huán)和Kalina循環(huán)做了熱力學對比分析，研究結(jié)果表明：Kalina循環(huán)比Rankine循環(huán)的發(fā)電效率高。同時對Kalina循環(huán)的影響因素也做了分析，指出：汽輪機入口的參數(shù) （氨蒸汽進口壓力及溫度），以及汽輪機背壓，吸收器和分離器的溫度都是影響Kalina循環(huán)熱效率的主要因素［5］，并且氨-水混合物的濃度也是其中一個重要指標［6］，選取適合的濃度可以減小循環(huán)的結(jié)構熱損失。相比于Rankine循環(huán)，Kalina循環(huán)更適合于聯(lián)合底層循環(huán)。

在Kalina循環(huán)中，從不可逆損失方面看來，鍋爐的不可逆損失最大，這與Rankine循環(huán)的結(jié)果是一致的。對Kalina循環(huán)系統(tǒng)中各部件進行火用分析可知各設備不可逆損失所占的比例大小。通過將氨-水混合物濃度作為參變量設置不同氨液濃度下各部件的火用損發(fā)現(xiàn)：隨著氨液濃度的增加，汽輪機的火用損不斷減小，但鍋爐的火用損隨著氨液濃度的增加而變大，所以綜合考慮以上情況，氨液的濃度會有一個最優(yōu)值對應于汽輪機和鍋爐的最小火用損。

Kalina循環(huán)提出之后，氨水的熱物性參數(shù)也成為各國學者們關注與研究的熱點，要想對該循環(huán)進行一個全面的熱力學分析，對氨水的物性參數(shù)進行深入研究是非常必要的。在Kalina提出該循環(huán)之前就有了對氨水物性的研究：在飽和溫度區(qū)200～455K，0.0069～2.4820MPa（-100～350F，1～360 psia），適應于氣相和液相的獨立狀態(tài)方程式，并給出了液相溶液的Gibbs自由能表達式［7］。在Kalina公布研究成果之后，對氨水物性的研究有了更加深入的發(fā)展。同時，氨水混合物的穩(wěn)定性以及對部件的腐蝕性也是Kalina循環(huán)中的重要研究問題*。

1992年，美國EXERGY公司建造了世界上第一臺采用Kalina循環(huán)的考核機組，機組容量為3MW。它采用混合比例可調(diào)的氨水混合物作為工質(zhì)，在熱力性質(zhì)上有較大的改進，1996年11月該機組正式投入運行。經(jīng)過四年多的運行測試表明，Kalina循環(huán)在理論上是正確的，在實用中是可行的，可大規(guī)模地投入商業(yè)運行。日本的Sumitomo（住友）鋼鐵公司在其廠區(qū)運行有一座4MW的Kalina地熱發(fā)電站且其公司用Kalina循環(huán)系統(tǒng)回收煉鋼余熱發(fā)電取得節(jié)能佳績。冰島Husavik鎮(zhèn)擁有世界上第一座商用Kalina地熱發(fā)電廠，從而再一次證明了Kalina循環(huán)在理論上是正確的，在實用中是可行的，可大規(guī)模地投入商業(yè)運行［8］。

4 結(jié)論

利用沸點不同的工質(zhì)對在蒸發(fā)過程中的變溫特性，可以減少熱交換過程的不可逆損失，對高效利用一次能源產(chǎn)生的余熱這一研究領域具有重要意義。本文通過對朗肯循環(huán)、Kalina循環(huán)的對比分析以及氨吸收式熱力循環(huán)系統(tǒng)和槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的介紹可知，Kalina循環(huán)經(jīng)過各方面的研究是一種高效，節(jié)能，環(huán)保的新型發(fā)電循環(huán)，它比Rankine循環(huán)效率更高，還可用于冷電聯(lián)產(chǎn)［9］。

現(xiàn)階段Kalina循環(huán)的研究主要是以氨-水混合物作為工質(zhì)的循環(huán)，以及不同組合方式的Kalina循環(huán)的性能研究。以熱力學第一定律為基礎的性能研究不能全面揭示Kalina循環(huán)的熱經(jīng)濟性，而以熱力學第二定律為基礎的熱力性能分析現(xiàn)階段還不完善，還需對Kalina循環(huán)在運行過程中的穩(wěn)定性和對部件的腐蝕性，以及氨水混合物在吸熱過程中的匹配性能等問題做進一步的分析和驗證。

［1］安青松，史琳.中低溫熱能發(fā)電技術的熱力學對比分析［J］.華北電力大學學報，2012，39（2）：79-83

［2］劉齊壽，王運路，黃錦濤，等.高效率的新型動力循環(huán)［J］.現(xiàn)代電力，2001，18（4）：9-14

［3］趙坤，槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)汽輪機及熱力循環(huán)研究［D］，華中科技大學，2012：11-12

［4］Kalina A I.Generation of energy，USPatent，4489563.1984

［5］P.K.Nag，A.V.Gupta.，Energy analysis of the Kalina cycle［J］.Applied Thermal Engineering，1998，18（6）：427-439

［6］任慧琴，李惟毅，張軍朋，等.低基液氨質(zhì)量分數(shù)對卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)（kcs-34）理論循環(huán)效率的影響［J］.機械工程學報，2012，48（24）：152-157

［7］S.Schulz，Equation of State for the System Ammonia-Water for Use with Computer.Proceeding ofⅪⅡInternational Congress of Refrigeration，Washington D.C.1971，2

［8］丁力.KALINA循環(huán)及在電站中的應用［J］.熱能動力工程，1998，（6）：81

［9］G.Tamma，D.Y.Goswami，Theoretical and Experimental Investigation of an Ammonia-Water Power and Refrigeration Thermodynamic Cycle.Proceedings of the ISES 2001 Solar World Congress，Adelaide，Australia

*朱家玲，李太祿，付文成，等.中低溫地熱發(fā)電循環(huán)效率的分析與研究 ［C］.//第十三屆中國科協(xié)年會第十四分會場——地熱能開發(fā)利用與低碳經(jīng)濟研討會論文集，2011：165-170

Power Cycle Analysis for M id-Low Tem perature W aste Heat Resource Based on Rankin Cycle and Kalina Cycle

NIE Jing
（Merchant Marine College，Shanghai Maritime University，Shanghai201306，China）

This article introducesmain cycle systems ofwaste heatutilization in the range ofmid-low temperature，including Rankine cycle in mid-low temperature，Kalina cycle，ammonia absorption power cycle and trough solar thermal power plant system，and also deeply analysis the thermodynamic principles and influence factors of Kalina cycle.It is universally acknowledge that studying and spreading Rankine cycle system，Kalina cycle system and various forms of other Kalina cycle systems are necessary for improving the power cycle efficiency ofmid-low temperature waste heatutilization.Compared with other thermodynamic cycles in power cycle technology，Kalina cycle has a prospective development and more extensive range of industrial applications.

Waste heat utilization；Mid-low temperature Rankine cycle；Kalina cycle；Ammonia-water physical properties.

TB61［文獻標示碼］B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.03.007

ISSN1005-9180（2015）03-040-05

2015-2-28

聶晶（1988-），女，碩士研究生，研究方向：中低溫余熱利用。Email：niejingsxdy@163.com