基于EES的一級蒸餾Kalina循環(huán)的熱力學(xué)分析

宋忠源，李林星，陳盼盼，張少波，劉　荔

（上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海201306）

基于EES的一級蒸餾Kalina循環(huán)的熱力學(xué)分析

宋忠源，李林星，陳盼盼，張少波，劉荔

（上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海201306）

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

Kalina循環(huán)；余熱發(fā)電；熱力學(xué)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(huán)，許多學(xué)者對此循環(huán)進(jìn)行了廣泛的研究，Kalina循環(huán)是以氨-水混合物作為循環(huán)工質(zhì)的一種新型高效的動力循環(huán)，由于其循環(huán)熱效率比Rankine循環(huán)熱效率更高，自問世以來因其應(yīng)用領(lǐng)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(shù)投入到電廠的項目中用于發(fā)電并取得了節(jié)能佳績。

Kalina循環(huán)的創(chuàng)新點就在于用非共沸混合工質(zhì)代替了水-水蒸汽為工質(zhì)的Rankine循環(huán)。最常見的中低溫發(fā)電熱力循環(huán)就是Rankine循環(huán)，但是由于其采用單一組分工質(zhì)水-水蒸汽，所以在工質(zhì)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?zé)煔獾钠ヅ涠炔缓?。而在Kalina循環(huán)中，由于氨的沸點遠(yuǎn)比水的沸點低，可在較低的溫度下處于氣化狀態(tài)，而且其吸熱蒸發(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。此外，由于氨的沸點遠(yuǎn)比水的沸點低，因此以氨-水混合物為工質(zhì)的熱力循環(huán)可以更好地應(yīng)用于低溫?zé)嵩?，如低溫太陽能，地?zé)崮?，常?guī)電廠廢熱等，在中低溫余熱利用中都具有明顯優(yōu)勢。

從圖1可以看出非共沸混合工質(zhì)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(huán)簡介

圖2是一級蒸餾Kalina循環(huán)流程圖，整個系統(tǒng)包括鍋爐、透平機、回?zé)崞?、低壓冷凝器、高壓冷凝器、高壓泵、低壓泵、蒸餾器、節(jié)流閥等組成。工作溶液即氨水溶液從高壓冷凝器出來后經(jīng)過高壓泵加壓后在鍋爐中被加熱成為過熱蒸汽，進(jìn)入透平機內(nèi)做功，從透平機出來的氣體在回?zé)崞髦斜焕鋮s，與從蒸餾器出來的富水溶液混合后進(jìn)入低壓冷凝器冷凝，冷凝成飽和溶液后經(jīng)過低壓泵升壓，分為兩路，一路進(jìn)入回?zé)崞骷訜岷?，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(jìn)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(jìn)入鍋爐，完成一個循環(huán)過程。

圖2　一級蒸餾Kalina循環(huán)流程圖

2　各部件數(shù)學(xué)模型的建立以及初始參數(shù)的設(shè)定

數(shù)學(xué)模型的建立主要基于能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程以及氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)守恒方程而得，以氨水混合物為工質(zhì)的Kalina循環(huán)滿足以下數(shù)學(xué)總方程式：整個系統(tǒng)的熱效率：

表1　一級蒸餾Kalina循環(huán)各部件數(shù)學(xué)方程式

η=（W-W1-W2）/Qg

式中Gin—某裝置進(jìn)口時的溶液質(zhì)量；

Gout—某裝置出口時的溶液質(zhì)量；

Gεin—某裝置進(jìn)口處氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

Gεout—某裝置出口處氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

Ghin—某裝置進(jìn)口時的能量；

Ghout—某裝置出口時的能量；

Q—外部加入整個系統(tǒng)的能量。

循環(huán)運行的初始參數(shù)設(shè)定見表2，為了使所得數(shù)據(jù)具有一定的可比性，初始參數(shù)與參考文獻(xiàn)［5］相同。

表2　一級蒸餾Kalina循環(huán)運行初始參數(shù)設(shè)定

表3　Kalina循環(huán)各個狀態(tài)點的計算結(jié)果

3　計算結(jié)果分析

為了簡化模型及計算，需要對以上Kalina循環(huán)提出以下假設(shè)：

1）系統(tǒng)處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，每個系統(tǒng)部件都保持穩(wěn)態(tài)。

2）忽略流體摩擦力產(chǎn)生的壓損。

3）忽略系統(tǒng)內(nèi)部與外界產(chǎn)生的熱交換損失。

4）忽略系統(tǒng)內(nèi)流體的動能和勢能。

5）節(jié)流過程等焓，溶液泵升壓過程等溫，忽略溶液泵能耗。

根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型，結(jié)合初始參數(shù)以及假設(shè)條件，運用EES軟件進(jìn)行編程計算，計算結(jié)果見表3。

表4　給定工況下Kalina循環(huán)的性能參數(shù)

3.1冷卻水溫度與循環(huán)熱效率的關(guān)系

圖3為冷卻水溫度對循環(huán)熱效率的影響，在其他狀態(tài)參數(shù)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(huán)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(tǒng)輸入功就越小，因此熱效率越低，此外，氨水濃度越高，系統(tǒng)循環(huán)的熱效率越大。

3.2汽輪機進(jìn)口溫度與循環(huán)熱效率的關(guān)系

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

3.3汽輪機進(jìn)口壓力與熱效率的關(guān)系

圖5是在其他狀態(tài)參數(shù)不變的情況下，改變汽輪機的進(jìn)口壓力，得到熱效率隨汽輪機進(jìn)口壓力的變化曲線。循環(huán)熱效率隨汽輪機的進(jìn)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(jìn)口壓力升高，導(dǎo)致溶液在鍋爐中的換熱量減少，汽輪機輸出功增加，從而導(dǎo)致熱效率增加，另外，氨溶液的濃度越大，相同汽輪機進(jìn)口壓力下，熱效率越大。

圖3　冷卻水溫度對循環(huán)熱效率的影響

圖4　汽輪機進(jìn)口溫度對循環(huán)熱效率的影響

圖5　汽輪機進(jìn)口壓力對循環(huán)熱效率的影響

圖6　工作溶液的濃度對循環(huán)熱效率的影響

3.4工作溶液濃度與循環(huán)熱效率的關(guān)系

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

4　結(jié)語

在一級蒸餾Kalina循環(huán)的基礎(chǔ)上，通過建立數(shù)學(xué)模型，運用EES軟件，調(diào)用軟件內(nèi)置的氨水溶液的物性參數(shù)，從而計算得出各個狀態(tài)點的數(shù)值，由于本文的初始參數(shù)的設(shè)置都是以參考文獻(xiàn)［6］為依據(jù)，并且計算結(jié)果與文獻(xiàn)所得各個狀態(tài)點的結(jié)果基本一致，因此可以驗證整個建模過程的準(zhǔn)確性。

通過模擬計算，可以得出系統(tǒng)中各個參數(shù)對循環(huán)熱效率的影響，系統(tǒng)中的冷卻水溫度、汽輪機進(jìn)口溫度、進(jìn)口壓力以及工作溶液的濃度等都會對系統(tǒng)熱效率產(chǎn)生影響，因此，在將Kalina循環(huán)運用到實際工程中時，可以通過控制這些參數(shù)來使整個系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)的效果，從而獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。

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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(huán)。