地熱驅(qū)動氨水吸收式動力/制冷復(fù)合循環(huán)參數(shù)優(yōu)化分析*

王云山，華君葉?，李 貴，邵英澍

（1.南京師范大學(xué)，能源與機械工程學(xué)院，江蘇省能源系統(tǒng)過程轉(zhuǎn)化與減排技術(shù)工程實驗室，南京 210042；2.江蘇省地礦地熱能有限公司，南京 211100）

地熱驅(qū)動氨水吸收式動力/制冷復(fù)合循環(huán)參數(shù)優(yōu)化分析*

王云山1，華君葉1?，李 貴2，邵英澍1

（1.南京師范大學(xué)，能源與機械工程學(xué)院，江蘇省能源系統(tǒng)過程轉(zhuǎn)化與減排技術(shù)工程實驗室，南京 210042；2.江蘇省地礦地熱能有限公司，南京 211100）

針對中低品位地熱驅(qū)動的氨水吸收式動力/制冷復(fù)合循環(huán)的熱力學(xué)性能展開分析與優(yōu)化，在Kalina循環(huán)的基礎(chǔ)上利用氨水變溫蒸發(fā)的特性，將正向動力子過程與逆向制冷子過程耦合，對外實現(xiàn)動力與冷量的聯(lián)供。本文對影響復(fù)合循環(huán)熱力性能的工質(zhì)對濃度xw/xb、氨水發(fā)生溫度（露點溫度）t14、循環(huán)倍率K以及分流比n四個重要參數(shù)展開了分析優(yōu)化。研究表明，在xw/xb=0.50/0.32、t14=180℃、K=2.80和n=0.505的優(yōu)化工況下，復(fù)合循環(huán)的熱效率和?效率分別可達19.38%和59.77%，較氨水動力循環(huán)分別高出3.71%和4.74%，較水蒸氣朗肯循環(huán)分別高出8.54%和35.81%。

熱力學(xué)性能；最優(yōu)工況；氨水；變溫蒸發(fā)；復(fù)合循環(huán)

0 引 言

地熱能作為可再生清潔能源，總量非常豐富。開發(fā)及利用地熱資源可減少污染物排放，節(jié)省能源投資及運行費用，創(chuàng)造巨大經(jīng)濟效益。研發(fā)推廣新型地熱發(fā)電技術(shù)是緩解目前化石能源供應(yīng)緊張、遏制環(huán)境惡化的有效措施。

氨水具有變溫蒸發(fā)的特性[1-5]，價格低廉，環(huán)境友好[6-7]，能夠與中低溫的地熱形成良好的換熱匹配，以減小工質(zhì)吸熱過程的?損失。通過地埋管換熱器等地熱換熱裝置，以氨水為循環(huán)工質(zhì)[8-13]，實現(xiàn)中低品位余熱的資源化利用。近年來，學(xué)者們圍繞中低品位熱能的回收利用提出了多種形式的氨水吸收式動力/制冷復(fù)合循環(huán)[14-16]。鄭丹星等[14]提出并模擬計算了一種改進的復(fù)合循環(huán)，發(fā)現(xiàn)其熱效率和?效率分別為19.50%和31.60%，均較Kalina循環(huán)有所提高。劉猛等[15]在3.75 MPa/350℃的透平進氣參數(shù)下對其提出的復(fù)合循環(huán)進行熱力計算，得到的熱效率和?效率分別為17.8%和45%。羅塵丁等[16]則在7.0 MPa/375℃的透平進氣參數(shù)下，計算得出復(fù)合循環(huán)的熱效率和?效率分別約為20%和40%。

文獻[14-16]的研究盡管使得系統(tǒng)的效率指標有所提高，但系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜，投入大，難以實現(xiàn)應(yīng)用；另外，采用蒸餾塔等也限制了效率的進一步提高。本文以氨水吸收式動力循環(huán)為基礎(chǔ)，適當改進并研究分析了工質(zhì)濃度、氨水發(fā)生溫度、循環(huán)倍率以及分流對復(fù)合循環(huán)熱力性能的影響，并針對復(fù)合循環(huán)的參數(shù)選擇做了分析和優(yōu)化。

1 復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)簡介

如圖1所示，復(fù)合循環(huán)在Kalina循環(huán)的基礎(chǔ)上做了以下改進：①預(yù)熱器PH利用富氨蒸汽4v對工作液11進行預(yù)熱，有助于減少循環(huán)吸熱量；②系統(tǒng)增設(shè)制冷環(huán)節(jié)（19→23），能量輸出形式及運行的可調(diào)性得到提高；③采用分離器S代替蒸餾器，無需精餾塔即可完成工質(zhì)的解吸分離過程。

圖1 氨水吸收式動力/制冷復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the ammonia-water absorption power/cooling integrated cycle system

系統(tǒng)在工作時主要發(fā)生以下四個子過程：

（1）動力子過程。工作濃度氨水11經(jīng)預(yù)熱后送入換熱器H吸熱至過熱狀態(tài)，過熱蒸汽15在透平T中膨脹做功，對外輸出動力。在這一過程中，13和14分別表示工質(zhì)蒸發(fā)的泡點和露點狀態(tài)，將溫度t14稱為循環(huán)的發(fā)生溫度。

（2）制冷子過程。流股19經(jīng)過冷器SC后在節(jié)流閥V3中節(jié)流至過冷狀態(tài)21，然后在蒸發(fā)器E中蒸發(fā)吸熱，完成制冷子過程，對外輸出冷量。經(jīng)制冷后，兩相流蒸汽23被送至低壓吸收器A1參與吸收子過程。

（3）吸收子過程。通過吸收子過程循環(huán)能夠完成不同子過程對氨水濃度的需求。在低壓吸收器A1內(nèi)，透平乏汽17、兩相氨水蒸汽23以及稀氨溶液6a一同混合，經(jīng)冷卻水c1冷卻后再次成為基礎(chǔ)液；同樣，在中壓吸收器A2內(nèi)，放熱后的富氨蒸汽5與升壓后的基礎(chǔ)液7一同混合，經(jīng)冷卻水c3冷卻后成為工作溶液。為簡化計算，假定狀態(tài)8和18表示吸收器內(nèi)兩股溶液的混合狀態(tài)。

（4）解吸及分離子過程。部分基礎(chǔ)液3a在回熱器R中被透平乏汽16加熱至兩相流狀態(tài)4，完成解吸過程，然后在分離器中分離為富氨蒸汽4v和稀氨溶液4l，這兩股工質(zhì)流最后參與兩個吸收子過程。

復(fù)合循環(huán)運行時主要存在三種壓力與四個濃度。所謂三種壓力即循環(huán)的低壓pl、中壓pm和高壓ph，分別對應(yīng)工質(zhì)在低壓吸收器A1、中壓吸收器A2和換熱發(fā)生狀態(tài)（14）下的壓力。四個濃度是指基礎(chǔ)液濃度xb、工作液濃度xw、富氨蒸汽濃度x4v和稀溶液濃度xd。這四個濃度分別對應(yīng)飽和液體1、飽和液體9、富氨蒸汽4v和稀氨溶液4l處的工質(zhì)濃度。地熱熱源、三種壓力與四個工質(zhì)濃度影響和制約著復(fù)合循環(huán)熱力性能。

2 循環(huán)模擬計算

2.1 能量平衡

在對系統(tǒng)進行建模計算之前，作如下假設(shè)：

（1）忽略所有循環(huán)部件對環(huán)境的散熱；

（2）忽略所有熱交換器和管路的壓損；

（3）假定整個復(fù)合循環(huán)在穩(wěn)態(tài)工況下運行。

表1列出了系統(tǒng)各設(shè)備中的能量平衡公式。計算中假設(shè)中壓吸收器出口處9的相對質(zhì)量流量m為1，其他狀態(tài)點相對質(zhì)量流量為狀態(tài)點質(zhì)量流量與中壓吸收器出口質(zhì)量流量之比；定義循環(huán)倍率K為低壓吸收器出口處1與中壓吸收器出口處9的質(zhì)量流量之比。

表1 復(fù)合循環(huán)各設(shè)備中的能量平衡計算公式Table 1 Energy balance of main equipment for the integrated cycle

2.2 循環(huán)評價指標

本文采用熱效率ηth和?效率ηex作為系統(tǒng)的評價指標。熱效率是建立在熱力學(xué)第一定律基礎(chǔ)之上的衡量循環(huán)熱力性能最常用的指標，但不能反映不可逆過程引起的能量品位貶值問題以及熱力過程的完善度；?效率以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)，從能量品質(zhì)層面反映系統(tǒng)的效率指標，較為全面、綜合。二者的計算公式分別為：

式中：εCOP為考慮到冷能與熱能的品位不同而設(shè)置的制冷系數(shù)，取3.5；eH為熱量?；eE為冷量?。

2.3 基本參數(shù)設(shè)定與計算限定條件

本文利用EES軟件計算循環(huán)各狀態(tài)點的氨水物性參數(shù)。計算時，系統(tǒng)的基本參數(shù)設(shè)定及限定條件如表2所示。

表2 系統(tǒng)基本參數(shù)設(shè)定及限定條件Table 2 The basic parameters and limitation of the system

3 循環(huán)優(yōu)化與分析

3.1 參數(shù)影響與分析

3.1.1 溶液濃度的影響

圖2和圖3顯示在基礎(chǔ)參數(shù)條件下，工作液濃度分別取xw=0.40、0.45、0.50和0.55時，其對循環(huán)熱力性能的影響。

圖2 溶液濃度對（a）循環(huán)熱效率及（b）循環(huán)?效率的影響Fig.2 Influences of working fluid concentrations on (a) thermal efficiency and (b) exergy efficiency of the cycle

從圖2可以看出，在xw/xb=0.50/0.32時，循環(huán)的效率指標達到峰值，分別為ηth=17.92%和ηex=57.96%。考慮到過低的基礎(chǔ)液濃度將導(dǎo)致循環(huán)的低壓為負壓，影響系統(tǒng)的高效運行，故在xw=0.55時基礎(chǔ)液濃度的低限只能達到0.365。

由圖3可知，對于任一固定的工作液濃度，系統(tǒng)的高壓和中壓保持不變，而系統(tǒng)的低壓則呈線性升高趨勢。這是因為循環(huán)的高壓和中壓分別對應(yīng)工作濃度工質(zhì)的飽和蒸汽與飽和液體狀態(tài)；而循環(huán)低壓隨xb的提高而線性升高。

圖3 溶液濃度對（a）循環(huán)高壓和中壓及（b）循環(huán)低壓的影響Fig.3 Influences of working fluid concentrations on (a) high/ mid pressure and (b) low pressure of the cycle

3.1.2 發(fā)生溫度（露點溫度）的影響

固定最佳工質(zhì)對濃度，改變熱源進口溫度的設(shè)定值即可間接地改變循環(huán)發(fā)生溫度。圖4顯示了發(fā)生溫度（145℃～180℃）對循環(huán)性能的影響。

隨著發(fā)生溫度的提高，一旦工質(zhì)濃度確定，復(fù)合循環(huán)的制冷量保持不變；循環(huán)的凈輸出功表現(xiàn)為線性增加；而系統(tǒng)的吸熱量則隨發(fā)生溫度的升高逐漸降低。因此，發(fā)生溫度的提高有益于系統(tǒng)效率的提高，在t14=180℃時，系統(tǒng)的熱效率和?效率均達到最大值，分別為19.21%和59.49%。

圖4 發(fā)生溫度對（a）循環(huán)輸入輸出特性及（b）循環(huán)效率指標的影響Fig.4 Influences of generation temperature on (a) input/output characteristics and (b) efficiency index of the cycle

3.1.3 循環(huán)倍率的影響

固定循環(huán)的最佳工質(zhì)對濃度和最佳發(fā)生溫度，改變循環(huán)倍率K的設(shè)定值即可研究其對系統(tǒng)熱力學(xué)特性的影響。

圖5 循環(huán)倍率對（a）系統(tǒng)輸入輸出特性及（b）系統(tǒng)效率指標的影響Fig.5 Influences of circulation ratio on (a) input/output characteristics and (b) efficiency index of the cycle

由圖5可以看出，隨著循環(huán)倍率的升高，系統(tǒng)的制冷量和凈輸出功保持不變；而系統(tǒng)的輸入熱量則隨循環(huán)倍率的升高呈現(xiàn)微增。在所研究的循環(huán)倍率范圍內(nèi)，系統(tǒng)的熱效率和?效率分別由K=2.80時的19.31%和59.67%微幅下降至K=3.10時的19.16%和59.41%。研究范圍內(nèi)系統(tǒng)的最佳循環(huán)倍率是K=2.80。

3.1.4 分流比的影響

固定循環(huán)的最佳工質(zhì)對濃度、最佳發(fā)生溫度和最佳循環(huán)倍率，改變分流比n的設(shè)定值研究其對系統(tǒng)熱力學(xué)性能的影響。

由圖6可以看出，隨著分流比的增加（0～0.505），系統(tǒng)的吸熱量qH和凈輸出功wnet呈線性下降；而制冷量qE則隨分流比的增加呈線性升高。循環(huán)制冷量qE的增加有助于系統(tǒng)熱效率和?效率的提高，且系統(tǒng)吸熱量的衰減程度快于系統(tǒng)凈輸出功的衰減程度，故在所研究的工況范圍內(nèi)，復(fù)合循環(huán)的效率指標隨分流比的增加而增加。循環(huán)的最佳分流比為n=0.505；若n大于0.505，循環(huán)將不能滿足解析分離的傳熱條件，無法運行。

圖6 分流比對（a）循環(huán)輸入輸出特性及（b）循環(huán)效率指標的影響Fig.6 Influences of chilling fraction on (a) input/output characteristics and (b) efficiency index of the cycle

表3 復(fù)合循環(huán)最佳工況下的各點參數(shù)Table 3 Parameters of each state point of the integrated cycle under optimal operating conditions

表4 復(fù)合循環(huán)的對比分析Table 4 Comparative analysis of the integrated cycle

3.2 優(yōu)化工況及對比分析

綜合之前研究，xw/xb=0.50/0.32，t14=180℃，K=2.80和n=0.505是復(fù)合循環(huán)的優(yōu)化工況，此時循環(huán)的熱效率和?效率分別可達19.38%和59.77%。表3列出了在優(yōu)化工況下，復(fù)合循環(huán)的各狀態(tài)點參數(shù)。

在相同工況下，對比復(fù)合循環(huán)、氨水動力循環(huán)和水蒸氣朗肯循環(huán)的基本參數(shù)、循環(huán)熱效率和?效率，結(jié)果如表4所示。

從表中可以看出，相同工況下，氨水吸收式動力/制冷復(fù)合循環(huán)的熱效率和?效率最高，較氨水動力循環(huán)分別高出3.71%和4.74%，較水蒸氣朗肯循環(huán)分別高出8.54%和35.81%。同時，氨水動力循環(huán)的吸熱量較小，且凈輸出功較水蒸氣朗肯循環(huán)高，這歸功于氨水變溫蒸發(fā)的特性。在三種形式的循環(huán)中，氨水吸收式動力/制冷復(fù)合循環(huán)的效率指標最高，系統(tǒng)的能量輸出形式及運行的靈活性均得到提高，能夠滿足用戶不同的使用需求，更加有利于復(fù)合循環(huán)在地熱利用領(lǐng)域的推廣。

4 結(jié) 論

（1）在一定的范圍內(nèi)提升工作液濃度有助于復(fù)合循環(huán)效率指標的提高；

（2）發(fā)生溫度的提高有助于循環(huán)效率指標的提高；

（3）在本文的研究范圍內(nèi)，循環(huán)倍率的提高不利于系統(tǒng)效率的提高，但其影響基本可以忽略；

（4）改變分流比可以調(diào)整復(fù)合循環(huán)的流量分配狀況，有助于系統(tǒng)效率的提升；

（5）在最佳工況下，復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)的熱效率和?效率分別為19.38%和59.77%，比相同工況下氨水動力循環(huán)分別高出3.71%和4.74%，比水蒸氣朗肯循環(huán)分別高出8.54%和35.81%。

[1] 陳世玉,華君葉,陳亞平,等.用于余熱回收的三壓力氨水動力循環(huán)的熱力性能[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,42(4):659-663.DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2012.04.016.

[2] ZARE V,MAHMOUDI S M S,YARI M.Ammoniawater cogeneration cycle for utilizing waste heat from the GT-MHR plant[J].Applied thermal engineering,2012,48:176-185.DOI:10.1016/j.applthermaleng.2012.05.009.

[3] NASRUDDIN,USVIKA R,RIFALDI M,et al.Energy and exergy analysis of Kalina cycle system (KCS) 34 with mass fraction ammonia-water mixture variation[J].Journal of mechanical science and technology,2009,23(7):1871-1876.DOI:10.1007/s12206-009-0617-8.

[4] 黃惠蘭,陳強,李剛.低品位能源發(fā)電系統(tǒng)研究進展[J].熱力發(fā)電,2015,44(8):8-13.DOI:10.3969/j.issn.1002-3364.2015.08.008.

[5] HUA J Y,CHEN Y P,WANG Y D,et al.Thermodynamic analysis of ammonia-water power/chilling cogeneration cycle with low-grade waste heat[J].Applied thermal engineering,2014,64(1/2):483-490.DOI:10.1016/ j.applthermaleng.2013.12.043.

[6] 張穎,何茂剛,賈真,等.Kalina循環(huán)的熱力學(xué)第一定律分析[J].動力工程,2007,27(2):218-222.DOI:10.3321/j.issn:1000-6761.2007.02.015.

[7] CHEN Y PG,GUO Z W,WU J F,et al.Energy and exergy analysis of integrated system of ammonia-water Kalina-Rankine cycle[J].Energy,2015,90:2028-2037.DOI:10.1016/j.energy.2015.07.038.

[8] 陳小磚,柳建華,張良,等.氨水吸收式制冷系統(tǒng)及關(guān)鍵設(shè)備的研究綜述[J].低溫與超導(dǎo),2013,41(6):47-51.DOI:10.3969/j.issn.1001-7100.2013.06.011.

[9] 鮑帥陽,杜凱,儲云霄,等.高/低壓區(qū)氨水吸收/壓縮復(fù)合制冷循環(huán)性能分析[J].制冷技術(shù),2014,34(3):42-48.DOI:10.3969/j.issn.2095-4468.2014.03.205.

[10] ZAMFIRESCU C,DINCER I.Thermodynamic analysis of a novel ammonia-water trilateral Rankine cycle[J].Thermochimica acta,2008,477(1-2):7-15.DOI:10.1016/ j.tca.2008.08.002.

[11] LU S G,GOSWAMI D Y.Optimization of a novel combined power/refrigeration thermodynamic cycle[J].Journal of solar energy engineering,2003,125(2):212-217.DOI:10.1115/1.1562950.

[12] PADILLA R V,DEMIRKAYA G,GOSWAMI D Y,et al.Analysis of power and cooling cogeneration using ammonia-water mixture[J].Energy,2010,35(12):4649-4657.DOI:10.1016/j.energy.2010.09.042.

[13] KALINA A I.Combined-cycle system with novel bottoming cycle[J].Journal of engineering for gas turbines and power,1984,106(4):737-742.DOI:10.1115/1.3239632.

[14] 鄭丹星,陳斌,齊云,等.新型氨吸收式動力/制冷復(fù)合循環(huán)的熱力學(xué)分析[J].工程熱物理學(xué)報,2002,23(5):539-542.DOI:10.3321/j.issn:0253-231X.2002.05.003.

[15] 劉猛,張娜,蔡睿賢.氨吸收式串聯(lián)型動力/制冷復(fù)合循環(huán)[J].工程熱物理學(xué)報,2006,27(1):9-12.DOI:10.3321/j.issn:0253-231X.2006.01.003.

[16] 羅塵丁,張娜,蔡睿賢,等.氨吸收式動力/制冷復(fù)合循環(huán)的敏感性分析[J].中國電機工程學(xué)報,2008,28(17):1-7.DOI:10.3321/j.issn:0258-8013.2008.17.001.

Optimization and Analysis of Ammonia-Water Absorption Power/Cooling Integrated Cycle with Geothermal Energy

WANG Yun-shan1,HUA Jun-ye1,LI Gui2,SHAO Ying-shu1
(1.Engineering Laboratory of Energy System Process Conversion and Emission Reduction Technology of Jiangsu Province,School of Energy and Mechanical Engineering,Nanjing Normal University,Nanjing 210042,China;2.Jiangsu Geology Geothermal Energy Co.,Ltd.,Nanjing 211100,China)

Analysis and optimization on thermodynamic performance of the ammonia-water absorption power/cooling integrated cycle driven by mid- or low-grade geothermal energy were conducted in this study.Based on the Kalina cycle,by applying the evaporation characteristic of ammonia-water,the forward power sub-process was combined with the reverse refrigeration sub-process,which realized the hybrid generation of power and cooling capacity simultaneously.Four main parameters were analyzed on their effect on the thermal performance of the integrated cycle,including the working fluid concentration xw/xb,ammonia dew-point temperature t14,circulation ratio K,and chilling fraction n.The result showed that under the optimal condition,(xw/xb=0.50/0.32,t14=180℃,K=2.80 and n=0.505),the thermal efficiency of the integrated cycle could reach up to 19.38%,which is 3.71% higher than that of ammonia-water power cycle and 8.54% than that of Rankine cycle,repectively.Besides,the integrated cycle presented much higher exergy efficiency of 59.77% comparing with the other two cycles.

thermodynamic performance;optimal conditions;ammonia-water;variable evaporation temperature;integrated cycle

TK529

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2016.06.005

2095-560X（2016）06-0455-07

王云山（1993-），男，碩士研究生，主要從事制冷與低溫工程研究。

華君葉（1987-），女，博士，實驗師，主要從事氨水動力循環(huán)的優(yōu)化及強化傳熱傳質(zhì)研究。

李 貴（1983-），男，碩士，工程師，主要從事地熱能利用與地源熱泵研究。

邵英澍（1973-），男，高級技工，主要從事制冷與低溫工程研究。

2016-09-18

2016-10-25

江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項目（16KJB47008）；江蘇省自然科學(xué)基金面上研究項目（BK20151549）

? 通信作者：華君葉，E-mail：yepiaoluo.101@163.com