卡琳娜動力循環(huán)技術(shù)簡述

1、卡琳娜（Kalina）動力循環(huán)技術(shù)簡介卡琳娜循環(huán)： 一種利用氨和水混合物作為工作介質(zhì)的新穎、高效的動力循環(huán)系 統(tǒng)?？漳妊h(huán)電廠可以向諸如溫度為 300-400oF（149-204o C ）的地?zé)岬湍芗?熱源提供效率比前者高出 50% 的循環(huán)效率。對諸如直燃式鍋爐和燃?xì)?-蒸汽聯(lián)合 循環(huán)電廠中的燃?xì)廨啓C(jī)廢氣等高溫?zé)嵩?，循環(huán)效率約可提高 20% 。原則上，卡琳娜循環(huán)是在朗肯循環(huán)基礎(chǔ)上的一種 “改進(jìn) ”。這種重大的改進(jìn)體 現(xiàn)在對朗肯循環(huán)的循環(huán)過程的改變 將“純”的循環(huán)介質(zhì)（通常為水）變成了 氨同水的 “混合物 ”。這種從朗肯循環(huán)至卡琳娜循環(huán)的改進(jìn)包含了專門的系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 該設(shè)計(jì)能最大 程度的體現(xiàn)了氨

2、水混合物的優(yōu)點(diǎn) ,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上也有諸如再熱、再生式加熱、超 臨界壓力、 雙壓設(shè)計(jì)等多種選擇。 在具體的電廠設(shè)計(jì)中， 可將上述選擇進(jìn)行不同 的組合使用。朗肯循環(huán)（目前最常見的蒸汽動力循環(huán)）在朗肯循環(huán)中，水在鍋爐（或余熱鍋爐）中被加熱，產(chǎn)生高溫和高壓蒸汽。 該蒸汽流過汽輪機(jī)時急劇膨脹后冷卻至低溫、 低壓的尾氣， 該汽輪機(jī)驅(qū)動一臺發(fā) 電機(jī)發(fā)出電力。 從汽輪機(jī)排出的尾氣被具有環(huán)境溫度的空氣， 或被來自冷卻水池 或冷卻塔中的冷卻水冷卻成水。 我們把這種具有環(huán)境溫度的空氣， 或冷卻水池稱 之為熱井。 凝結(jié)水接著被泵入鍋爐重復(fù)上述過程。 這種簡單的朗肯循環(huán)框圖如圖 一所示。過熱蒸燉+圏1朋肯循環(huán)電廠循環(huán)簡圖

3、朗肯循環(huán)電廠的效率較差，即使是容量最大、采用朗肯循環(huán)的最新型的燃 煤電廠，一般來說其循環(huán)效率都超不過 35% （譯者注：目前國內(nèi)亞臨界參數(shù)燃 煤電廠的循環(huán)效率已達(dá)38%，超臨界和超超臨界參數(shù)的燃煤電廠的循環(huán)效率分 別可達(dá)40和43%左右），也就是說燃料燃燒產(chǎn)生的總熱量中僅有 35%被轉(zhuǎn)換 成了熱能。這65%的能量損失是由于一系列的原因造成的。其中約15%的能量損失是由于燃料中的水分、爐墻的熱輻射、排煙損失和自耗電所造成的。對另外的50% 進(jìn)行分析。基本上，這一損失的能量都蘊(yùn)藏在汽輪機(jī)的排氣中。 盡管這股蒸汽中 蘊(yùn)藏著巨大的能量，但是因?yàn)樗鼈兊臏囟群蛪毫^低。 這部分熱量主要通過循環(huán) 冷卻水帶走

4、。在汽輪機(jī)的排氣側(cè)，存在著一個基本上是恒溫的熱井，它被水或空氣這些無 限的冷卻介質(zhì)冷卻。這些冷卻介質(zhì)隨著從汽輪機(jī)排氣端的蒸汽吸熱，溫度升高。 反過來，蒸汽被冷凝時也是在恒溫條件下完成的。F°C*J W圖 JA*'圖泊1刃2rS16V1000+'20DO+J有限熱soo*1 (-isy-5QO+J-結(jié)構(gòu)損尖屮 iio(p 、1000溫度“金屬工作溫度限制蒸發(fā)心 ”;水泵能耗,宣輪機(jī)內(nèi)膨脹*' _ 二 一 二* 理論作功，實(shí)際做功冷卻祜最高蒸汽溫度，冷凝溫度*熱井a(chǎn)絕對零度心圖4結(jié)構(gòu)拇失.圖4為一幅更加精確的朗肯循環(huán)過程圖。圖 4A中的面積表示了在給定熱源 和熱井

5、條件下系統(tǒng)可能作的功。而圖 4B則表示了該朗肯循環(huán)實(shí)際作功的能力。 朗肯循環(huán)實(shí)際作功幾乎只有可能作功的一半。氨-水混合物氨-水混合物物理特性既不同于純水，又不同于純氨。這兩種工質(zhì)混合物的物 理特性就像是一種全新的物質(zhì)。它有下面四種基本特點(diǎn)：首先，氨-水混合物的沸點(diǎn)和凝結(jié)點(diǎn)溫度是不固定的 。反之，純水和純氨的 沸點(diǎn)和凝結(jié)溫度是固定的。其次，氨-水混合物的熱物理特性能隨氨濃度的改變而改變。反之，純水和純氨的物理特性卻是固定不變的。第三，氨-水混合物有一個在熱容量的不變化的情況下，混合物的溫度會升 高或降低的熱物理特性。若沒有能量的變化，純水和純氨的溫度是不會改變的最后一個差別并非基本特性真正的變化

6、，但是確實(shí)是流體特性的重要改變， 即冰點(diǎn)溫度。純水的冰點(diǎn)溫度為相對較高的 32cF(0oC)，而純氨卻為-108oF(-78oC)。氨-水混合物溶液的冰點(diǎn)溫度非常低卡琳娜循環(huán)的基本出發(fā)點(diǎn)是在任何給定的壓力條件下，氨-水混合物的沸騰或凝結(jié)都是在 變溫”條件下完成的。這和水這類純工質(zhì)在 恒定的”溫度條件下沸騰/ 凝結(jié)是截然不同的。相對于水來說，氨的沸騰和凝結(jié)溫度要低得多。所以，當(dāng)氨和水相混合后， 氨更容易從這二者的混合物中揮發(fā)出來。這意味著當(dāng)氨 -水混合物被加熱時，大 部分的氨會先沸騰并揮發(fā)出來。反過來，當(dāng)氨 -水混合物蒸汽被冷卻時，大部分 的水分會首先凝結(jié)出了。這種獨(dú)一無二的特點(diǎn)在圖5相變圖中被

7、表達(dá)。該圖是當(dāng)壓力為0.552MPa時, 氨-水混合物中氨濃度和對應(yīng)的溫度之間的關(guān)系。（每一個相變圖都是在某一個特 定壓力條件下繪制的）。250珂200-100* -150100*-10討 lg 20衣 30* 40*1 50*>60+SOe' 90100*'氨-水混合物中氨的重量百分比? 圖5氨-水混合物相圖.位于312oF（ 156oC）的點(diǎn)1是純水的飽和溫度當(dāng)壓力為 80psig(552KPa)時，純水會沸騰，水蒸汽會凝結(jié)。類似的情況發(fā)生在點(diǎn)2，該點(diǎn)是純氨的溫度為底下的曲線代表了飽和液態(tài)，或不同濃度氨 -水混合物的沸點(diǎn)。這時，氨 -水 混合物被加熱，蒸發(fā)過程開始發(fā)生，或氨 -水混合物被冷卻時，完全凝結(jié)開始發(fā) 生。相變圖能為在卡琳娜循環(huán)中采用的、具有過冷度的、含液氨量為70%的氨 -水混合物的蒸發(fā)和凝結(jié)過程提供許多信息。 如圖中工作點(diǎn) 3 所示，當(dāng)該混合物被 加熱時，它在溫度為 70oF（21oC ）時開始蒸發(fā)，若繼續(xù)受熱，隨著溫度的升高， 更多的混合物蒸發(fā)，其中大部分的氨首先蒸發(fā)。變化著的沸點(diǎn)溫度如前所述，電廠中向工質(zhì)提供熱量的熱源是有限的。因此，隨著向工質(zhì)釋放 熱量，熱源的溫度會下降。由于沸點(diǎn)溫度變化， 在逆流式熱交換器中氨 -水混合物溫度的上升曲線會更靠 近有限熱源溫度下降的直線。變化的凝結(jié)溫度在朗肯循環(huán)中的水蒸汽和在卡琳娜循環(huán)中的氨 -