基于EES的一级蒸馏Kalina循环的热力学分析.docx

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基于EES的一级蒸馏Kalina循环的热力学分析

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

【摘要】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（EngineeringEquationSolver）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。

【期刊名称】《发电技术》

【年（卷）,期】2015（000）004

【总页数】4页（P66-69）

【关键词】Kalina循环;余热发电;热力学分析;Engineeringequationsolver;氨水溶液

【作者】宋忠源;李林星;陈盼盼;张少波;刘荔

【作者单位】上海海事大学商船学院，上海201306;上海海事大学商船学院，上海201306;上海海事大学商船学院，上海201306;上海海事大学商船学院，上海201306;上海海事大学商船学院，上海201306

【正文语种】中文

【中图分类】工业技术

发电与空调PowerGeneration&AirConditionNo.4/2015总第164期第36卷作者简介：

宋忠源（1990-），男，硕士研究生，研究方向：

热力循环。

0引言自1984年AlexanderI.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。

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）摘要：

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（EngineeringEquationSolver）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。

关键词：

Kalina循环；余热发电；热力学分析；Engineeringequationsolver；氨水溶液DOI：

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.04.018中图分类号：

TK521文献标识码：

B文章编号：

2095-3429（2015）04-0066-04ThermodynamicAnnlasisofPrimaryDistillationKalinaCycleBasedonEESSONGZhong-yuan，LILin-xing，CHENPan-pan，ZHANGShao-bo，LIULi（MerchantMarineAcademy，ShanghaiMaritimeUniversity，Shanghai201306，China）Abstract：

StudyonprimarydistillationKalinacycle，wecanfindthethermodynamicrelationsofeachdevicesusingthefirstandsecondlawsofthermodynamics.Uponthoserelations，itcomestotheconclusionoftheinfluenceoftheturbineinletairpressure，ammoniaconcentration，theturbineinlettemperatureandotherfactorsonthepowergenerationefficiencybyusingthesoftwareofEES.Keywords：

Kalinacycle；cogeneration；thermodynamicanalysis；engineeringequationsolver；ammoniasolution空调技术66CMYK发电与空调PowerGeneration&AirConditionNo.4/2015总第164期第36卷0引言自1984年AlexanderI.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。

摘要：

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（EngineeringEquationSolver）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。

关键词：

Kalina循环；余热发电；热力学分析；Engineeringequationsolver；氨水溶液DOI：

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.04.018firstandsecondlawsofthermodynamics.Uponthoserelations，itcomestotheconclusionoftheinfluenceoftheturbineinletairpressure，ammoniaconcentration，theturbineinlettemperatureandotherfactorsonthepowergenerationefficiencyby空调技术CMYK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。

1Kalina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。

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：

∑Gin-∑Gout=0∑Gεin-∑Gεout=0Q-∑Ghout-∑Ghin=0图2一级蒸馏Kalina循环流程图注：

Q—表示换热设备释放的热量；m—表示各个状态进出口的溶液质量；h—表示各个状态点处的焓值；x—表示各个状态点处的质量分数；W—表示各个设备的做功；表1一级蒸馏Kalina循环各部件数学方程式序号名称数学方程式锅炉Qg=mw（h10-h9）汽轮机W=mw（h10-h11）3回热器mw（h11-h12）=mb1（h5-h2）mw+mp=mb4混合器1mwx12+mpx14=mbx15mwh12+mph14=mbh155低压冷凝器Qc1=mb（h13-h15）6低压泵W1=mb（h1-h15）7分流器mb1+mb2=mbmb1h2+mb2h3=mbh1mr+mp=mb18蒸馏器mrx6+mpx7=mb1x2mrh6+mph7=mb1h2mb2+mr=mw9混合器2mb2x3+mrx6=mwxwmb2h3+mrh6=mwh410高压冷凝器Qc2=mw（h4-h8）11高压泵W2=mw（h9-h8）温度T/℃氨质量浓度Xa）图1不同压力下氨水混合物相变图氨质量浓度Xb）67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：

∑Gin-∑Gout=0∑Gεin-∑Gεout=0Q-∑Ghout-∑Ghin=0注：

Q—表示换热设备释放的热量；m—表示各个状态进出口的溶液质量；h—表示各个状态点处的焓值；x—表示各个状态点处的质量分数；W—表示各个设备的做功；（h11-h12）=mb1（h5-h2）mw+mp=mb4mwx12+mpx14=mbx15mwh12+mph14=mbh155mb