基于EES的一级蒸馏Kalina循环的热力学分析

宋忠源，李林星，陈盼盼，张少波，刘　荔

（上海海事大学商船学院，上海201306）

基于EES的一级蒸馏Kalina循环的热力学分析

宋忠源，李林星，陈盼盼，张少波，刘荔

（上海海事大学商船学院，上海201306）

以一级蒸馏Kalina循环为研究对象，运用热力学第一定律和第二定律，找出各个器件之间的热力学关系，在这些关系的基础上，运用EES软件（Engineering Equation Solver）进行运算，从而得出在其他条件不变的情况下，汽轮机进气压力、氨溶液浓度、汽轮机进气温度等因素对发电效率的影响。

Kalina循环；余热发电；热力学分析；Engineering equation solver；氨水溶液

0　引言

自1984年Alexander I.Kalina提出卡琳娜循环，许多学者对此循环进行了广泛的研究，Kalina循环是以氨-水混合物作为循环工质的一种新型高效的动力循环，由于其循环热效率比Rankine循环热效率更高，自问世以来因其应用领域广和研究空间大而被广泛推广。美国、日本等国家早已将Kalina技术投入到电厂的项目中用于发电并取得了节能佳绩。

Kalina循环的创新点就在于用非共沸混合工质代替了水-水蒸汽为工质的Rankine循环。最常见的中低温发电热力循环就是Rankine循环，但是由于其采用单一组分工质水-水蒸汽，所以在工质相变的吸热过程中是恒温的，而热源的放热过程则是变温的，致使换热过程中水与高温烟气的匹配度不好。而在Kalina循环中，由于氨的沸点远比水的沸点低，可在较低的温度下处于气化状态，而且其吸热蒸发过程为变温过程，可以使热源的放热过程与混合工质的吸热过程曲线更好的匹配，最大限度的降低了放热过程中的不可逆损失，提高了余热利用效率。此外，由于氨的沸点远比水的沸点低，因此以氨-水混合物为工质的热力循环可以更好地应用于低温热源，如低温太阳能，地热能，常规电厂废热等，在中低温余热利用中都具有明显优势。

从图1可以看出非共沸混合工质相变时的温度是不断变化的，混合物的沸点和露点随着氨浓度的变化而变化，同时在不同压力下，混合物的沸点和露点也是不同的。

图1　不同压力下氨水混合物相变图

1　Kalina循环简介

图2是一级蒸馏Kalina循环流程图，整个系统包括锅炉、透平机、回热器、低压冷凝器、高压冷凝器、高压泵、低压泵、蒸馏器、节流阀等组成。工作溶液即氨水溶液从高压冷凝器出来后经过高压泵加压后在锅炉中被加热成为过热蒸汽，进入透平机内做功，从透平机出来的气体在回热器中被冷却，与从蒸馏器出来的富水溶液混合后进入低压冷凝器冷凝，冷凝成饱和溶液后经过低压泵升压，分为两路，一路进入回热器加热后，在蒸馏器中分离成富氨溶液和富水溶液，另一路与蒸馏器出来的富氨溶液混合成工作溶液进入高压冷凝器中被冷凝成饱和溶液，饱和溶液在高压泵升压后进入锅炉，完成一个循环过程。

图2　一级蒸馏Kalina循环流程图

2　各部件数学模型的建立以及初始参数的设定

数学模型的建立主要基于能量守恒方程、质量守恒方程以及氨质量分数守恒方程而得，以氨水混合物为工质的Kalina循环满足以下数学总方程式：整个系统的热效率：

表1　一级蒸馏Kalina循环各部件数学方程式

η=（W-W1-W2）/Qg

式中Gin—某装置进口时的溶液质量；

Gout—某装置出口时的溶液质量；

Gεin—某装置进口处氨的质量分数；

Gεout—某装置出口处氨的质量分数；

Ghin—某装置进口时的能量；

Ghout—某装置出口时的能量；

Q—外部加入整个系统的能量。

循环运行的初始参数设定见表2，为了使所得数据具有一定的可比性，初始参数与参考文献［5］相同。

表2　一级蒸馏Kalina循环运行初始参数设定

表3　Kalina循环各个状态点的计算结果

3　计算结果分析

为了简化模型及计算，需要对以上Kalina循环提出以下假设：

1）系统处于热力学平衡状态，每个系统部件都保持稳态。

2）忽略流体摩擦力产生的压损。

3）忽略系统内部与外界产生的热交换损失。

4）忽略系统内流体的动能和势能。

5）节流过程等焓，溶液泵升压过程等温，忽略溶液泵能耗。

根据以上数学模型，结合初始参数以及假设条件，运用EES软件进行编程计算，计算结果见表3。

表4　给定工况下Kalina循环的性能参数

3.1冷却水温度与循环热效率的关系

图3为冷却水温度对循环热效率的影响，在其他状态参数不变的情况下，改变冷却水的温度，可以得出热效率随冷却水温度的变化曲线。从图中可以看出，循环热效率随冷却水温度的升高而减小，这是因为冷却水温度越高，冷凝压力越高，系统输入功就越小，因此热效率越低，此外，氨水浓度越高，系统循环的热效率越大。

3.2汽轮机进口温度与循环热效率的关系

图4为汽轮机进口温度对循环热效率的影响，从图中可以看出，循环热效率随着汽轮机进口温度的升高而增加，这是由于汽轮机进口温度越高，汽轮机的输出功就越大，从而会使整个循环的热效率增加。

3.3汽轮机进口压力与热效率的关系

图5是在其他状态参数不变的情况下，改变汽轮机的进口压力，得到热效率随汽轮机进口压力的变化曲线。循环热效率随汽轮机的进口压力升高而增加，但是增加的幅度越来越小，这是因为汽轮机进口压力升高，导致溶液在锅炉中的换热量减少，汽轮机输出功增加，从而导致热效率增加，另外，氨溶液的浓度越大，相同汽轮机进口压力下，热效率越大。

图3　冷却水温度对循环热效率的影响

图4　汽轮机进口温度对循环热效率的影响

图5　汽轮机进口压力对循环热效率的影响

图6　工作溶液的浓度对循环热效率的影响

3.4工作溶液浓度与循环热效率的关系

图6是在其他初始参数不变的情况下，改变工作溶液的浓度，可以得到循环的热效率随工作溶液的升高而升高，这一结论与图5、图6不同浓度下所对应的热效率的结论一致。

4　结语

在一级蒸馏Kalina循环的基础上，通过建立数学模型，运用EES软件，调用软件内置的氨水溶液的物性参数，从而计算得出各个状态点的数值，由于本文的初始参数的设置都是以参考文献［6］为依据，并且计算结果与文献所得各个状态点的结果基本一致，因此可以验证整个建模过程的准确性。

通过模拟计算，可以得出系统中各个参数对循环热效率的影响，系统中的冷却水温度、汽轮机进口温度、进口压力以及工作溶液的浓度等都会对系统热效率产生影响，因此，在将Kalina循环运用到实际工程中时，可以通过控制这些参数来使整个系统达到最优的效果，从而获得更高的经济效益。

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［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

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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，硕士研究生，研究方向：热力循环。