卡琳娜循环.doc

卡琳娜（Kalina）动力循环技术简介摘要：本文仅对卡琳娜循环 一种利用氨和水混合物作为工作介质的新颖、高效的动力循环系统作一简介。目的是使读者能在对以水为工质的常规朗肯循环电厂基本概念理解的基础上，对卡琳娜循环电厂的基本热动力学、工作原理和布置有个了解。前言：同历时一个世纪之久常规的朗肯循环相比，卡琳娜循环电厂可以向诸如温度为300-400F（149-204C）的地热低能级热源提供效率比前者高出50%的循环效率。对诸如直燃式锅炉和燃气-蒸汽联合循环电厂中的燃气轮机废气等高温热源，循环效率约可提高20%。看来，建造一座卡琳娜循环电厂的费用可能会比建造一座同等容量的朗肯循环电厂的费用更低，经过估算，对低能级热源案例，费用约可降低达30%，对高能级热源案例，费用约可降低10%。原则上，卡琳娜循环是在朗肯循环基础上的一种“改进”。这种重大的改进体现在对朗肯循环的循环过程的改变 将“纯”的循环介质（通常为水）变成了氨同水的“混合物”。这种从朗肯循环至卡琳娜循环的改进包含了专门的系统设计，该设计能最大程度的体现了氨水混合物的优点。这些特殊的设计可以单独运用，也可以不同形式的组合使用。最终会形成系列的一组与众不同的卡琳娜循环系统。事实上，从某一方面它同朗肯循环多少具有相似之处。譬如说，在系统设计上也有诸如再热、再生式加热、超临界压力、双压设计等多种选择。在具体的电厂设计中，可将上述选择进行不同的组合使用。在卡琳娜循环系统的系列中，每一种设计都有其专门的运用，并以专门的序列号作区别。例如：“#5卡琳娜循环系统”（KCS5）专门用于直燃式电厂。“#6卡琳娜循环系统”（KCS6）专门用于蒸汽-燃气联合循环电厂的燃机排气。“#11卡琳娜循环系统（KCS11）专门用于低温地热电厂。还有许多其它的系统，它们可适用于其它种类的燃料和热源。诸如：城市垃圾、不同行业的工艺余热、太阳能、甚至核能。在从卡琳娜循环的讨论中真正获益之前，首先有必要了解朗肯蒸汽循环的基础知识和基本热力动力学理论。朗肯循环在朗肯循环中，水在锅炉（或余热锅炉）中被加热，产生高温和高压蒸汽。该蒸汽流过汽轮机时急剧膨胀后冷却至低温、低压的尾气，该汽轮机驱动一台发电机发出电力。从汽轮机排出的尾气被具有环境温度的空气，或被来自冷却水池或冷却塔中的冷却水冷却成水。我们把这种具有环境温度的空气，或冷却水池称之为热井。凝结水接着被泵入锅炉重复上述过程。这种简单的朗肯循环框图如图一所示。朗肯循环电厂的效率较差，即使是容量最大、采用朗肯循环的最新型的燃煤电厂，一般来说其循环效率都超不过35%（译者注：目前国内亚临界参数燃煤电厂的循环效率已达38%，超临界和超超临界参数的燃煤电厂的循环效率分别可达40和43%左右），也就是说燃料燃烧产生的总热量中仅有35%被转换成了热能。这65%的能量损失是由于一系列的原因造成的。其中约15%的能量损失是由于燃料中的水分、炉墙的热辐射、排烟损失和自耗电所造成的。由于卡琳娜循环电厂同样也有类似的能量损失，因此，深入讨论这些损失并非本文之目的。下面就占朗肯循环损失中另外的50%进行分析。基本上，这一损失的能量都蕴藏在汽轮机的排气中。尽管这股蒸汽中蕴藏着巨大的能量，但是因为它们的温度和压力是如此之低，人们几乎无法加以利用。因此，人们不得不废弃此能量，将它们排往热井中去，将这股蒸汽凝结成水，泵回到锅炉中去。从热力动力学角度，我们很快就能知道为什么这些循环损失会那么大。 第一定律、第二定律和放射本能（热力系统从给定状态到与周围介质平衡过程中可作的最大功）热力动力学“第一定律”经常被称为节能定律，通常仅被用作能量“计量”之用。也就是说，所有的不管以什么形式存在的能量必须被计量。例如：在一台热交换器中，一侧工质的热能减少同另一侧工质能量的增加是等同的。在动力循环中，输入系统的热量同该系统所做的功以及在循环过程中所发生的所有热损失之和相同。上述35%的循环效率被称之为“热力学第一定律效率”，因为除了对输入热能所做“功”的部分进行了简单的计量外，别无新意。电厂“热耗”是热力学第一定律效率的另一种表示方式。在热力学第一定律告诉了我们“有多少”的同时，它并没有告诉我们“为什么”。也就是没有告诉我们这些是什么损失？为什么会产生这些损失？对于我们来说，要理解效率更高的循环方式，寻求答案是很重要的。这就把我们引导到了热力动力学第二定律中去。基本上，该定律阐述了“功”的概念。也就是说，在诸如汽轮机的热机中的，从高温降到低温的能量介质所做的功。在动力循环中，以最高能级形式存在的能量是热源，而以最低能级形式存在的能量是热井。假定有一个拥有无限大热源（1093C）的理想电厂，图2-A中深色面积代表了该电厂在热井环境温度为绝对零度时所能提供的总功。考虑到绝对温度的关系 F+460=R（C+273=K），则绝对温度可表达为R或K ，即-460F（-273C）。由于绝对温度零度的热井温度只可能在深外层太空存在，所以在图2-A中所表示的做功面积在地球上是不可能实现的。图2-B中深色面积代表了绝对功部分，由于我们的热井温度比绝对零度要高许多，所以该部分必须扣除。从另外一个角度来看图2-B中的绝对总功，我们把热井在绝对零度的环境温度条件下自己作为自己的热源。作为一个例子，我们假定采用50F（10C）热井温度，即比绝对零度高510F。它们之间的差别由图2C中阴影部分所示，该面积为可做功的面积。对一台理想的热机而言，它代表了在给定的热源和特定的热井条件下，最大可做功的能力。需要了解为什么热井会“限制”一台热机的热能不可能100%地转换成功的能量（T2-T1）/（T2-T0）之比即为“热力学第二定律的效率极限”。倘若使用绝对温度，并令T0为零度，则在我们所举例中的热力学第二定律的效率极限可表示为：（2460-510）/2460=79.3%对于热力学第二定律的效率极限，“潜在的功”和“放射本能”是另一个术语。现在假定将热源温度从2000F（1093C）改变至500F（260C），则从系统给定状态到与周围介质平衡过程中可作的最大功出奇的低，只有（960-510）/960=46.9%你可以用铅笔对图2A和图2C做直观地对比，它告诉我们，即使采用了十全十美的热机，低温热源中的大部分热能还是在热井中被丧失。这也就告诉了我们为什么使用低温热源来发电的难度更大。让我们再次假定在一个很热的夏季，热井温度从50F（10C）上升到了120F（49C）。当热源温度为2000F（1093C）时，从系统给定状态到与周围介质平衡过程中可作功的效率从79.3%下降为76.4%，而当热源温度为500F（260C）时，该效率则从46.9%下降为39.6%。由此可见，无论是降低热源温度或是提高热井温度都会减少从系统给定状态到与周围介质平衡过程中可作的功。反言之，无论是提高热源温度或是降低热井温度都会增加从系统给定状态到与周围介质平衡过程中可作的功。如果有人能通过一台理想的热机直接使用热源和热井，则在我们所举例的电厂中，上述热力学第二定律的效率极限也就是热力学第一定律的效率值。因此，该效率也就可能达到可能的效率最大值。然而，情况并不如此。当今的热机，如现代的汽轮机，它需要一种介质将热源和热井相联系，我们称其为工质。回到我们前面提到的例子，即有一个无限的2000F（1093C）热源和一个温度为50F（10C）的热井，它的热力学第二定律效率限制为79.3%。我们再将一种工质和现电厂设计中的真实限制条件引入我们假定的电厂中。为了作功，工质需要被热源加热，但是对于2000F（1093C）的热源条件来说，目前的管材尚受到限制。当前冶金技术能对发电厂提供的金属材料能承受的温度约为1050F（566C）。出于对此例的兴趣，假定该工质从2000F（1093C）的热源吸取热能，并在1050F（566C）沸腾。工质在汽轮机中作功后，通过热交换器将剩余的热能传递给热井。必须在热交换器设计强调一个重要因素，即在计算换热面积时，需要预知基本设计参数接近点温度值。简而言之，它是最小温差或两种工质之间温度传递的驱动力。倘若两种工质之间的温差较大，则热端工质的热量就能通过较小的传热面积将热能传给冷端的工质。反之，倘若该温差较小，则热交换器的换热面积和价格就会以指数幂增加。所以，应力求达到能同时兼顾换热器造价和传热效果的两种工质的一个温差点。针对我们的例子，从经济角度，假定工质的冷凝温度不低于80F（27C），也就是比50F的热井温度高出30F。工质在一台理想的汽轮机中能做的功，由图3B中热工质和冷工质之间的面积来度量。需要指出的是：该面积，也就是所做的功要比图3A和前图2中的2C中所示最大做功面积小。这种“从系统给定状态到与周围介质平衡过程中可做功的下降”是由工质造成的。这种“功”同“热源总能量”之比可表达为：（1510-540）/2460 = 39.4%。该结论不能同热力学第二定律的效率限制相混淆。该39.4%是一台理想的汽轮机使用某一种工质时能达到的“热力学第一定律效率”。从中可知：我们电站生产的实际功要比原先计算的79.3%低得多。这个例子使我们知道：保持从热源吸热工质的温度尽量的高和随工质放热使其温度保持尽量的低的重要。实际作功和潜在作功能力之比，即39.4/79.3 = 49.7%是度量“热力学第二定律效率”的一个指标。作为进一步澄清，从给定热源状态到与周围介质平衡过程中实际作的功为49.7%。该热力学第二定律的效率对电厂循环提供了合理的比较，因为他把某些我们无法控制的因素，诸如热井因素排除掉了。对于各种损失的分析，现在我们可以开始分析为什么循环会有损失？以及这些损失是什么？通过本文前面的分析可知：在将系统给定状态到与周围介质平衡过程中可作的功转换成实际所作的功时，存在着两类损失。它们分别为技术类损失和热力经济类损失。下面参照图3作一简单的解释。技术类损失由于现用的管材不能承受1050F（566C）以上的高温，我们所用的工质温度只能低于此温度值。我们把从热力学系统给定状态到与周围介质平衡过程中作功的这类由于上述原因造成的损失统称为技术类损失。不仅理想的汽轮机、水泵和风机设计都可能是造成此类损失的原因。技术虽然在不断进步，但是由于所有的研发力量都集中在提高机组容量，相对在提高机组效率方面的努力效果并不十分显著，与数十年前的技术相比，变化不大。卡琳娜循环并不能解决和减少这些技术类损失，但须指出：凡是有利于朗肯循环的技术进步，对于卡琳娜循环同样是有效的。热力经济类损失从经济性考虑，我们通常把冷工质温度设定在比热井温度高出30F，即摄氏17度。在我们所举例中假定：如果我们通过减少这个温差来进一步提高出力，则会因为热交换器投资费用的过度增加而得不偿失。我们把从热力学系统给定状态到与周围介质平衡过程中作功的这类在锅炉、凝汽器、冷却塔等处由于这类原因所造成的损失统称为热力经济类损失。为了降低这类损失，目前在卡琳娜循环中所作的工作同在朗肯循环中正在作努力的基本出发点是一致的。结构损失通过降低结构损失来提高循环效率是卡琳娜循环现已经开始进行的基础工作。在现实生活中，热源并非是无限的。电厂热源诸如热烟气和地热热源都是有限的。也就是说，热源随着向工质传递热量被冷却，热源的温度开始下降。另一方面，由于纯水沸点温度恒定的特性，在朗肯循环中它的大部分吸热也是在恒温条件下完成的。在汽轮机的排气侧，存在着一个基本上是恒温的热井，它被水或空气这些无限的冷却介质冷却。这些冷却介质随着从汽轮机排气端的蒸汽吸热，温度升高。反过来，蒸汽被冷凝时也是在恒温条件下完成的。图4为一幅更加精确的朗肯循环过程图。图4A中的面积表示了在给定热源和热井条件下系统可能作的功。而图4B则表示了该朗肯循环实际作功的能力。朗肯循环实际作功几乎只有可能作功的一半。首先，金属材料和接近点温度降低了实际的作功能力。这些都属于前面讨论过的技术类和热力经济类损失。需要指出：即使存在着这些损失，如果工质的升温曲线能和热源的温降曲线平行，它的降温曲线能和冷却水的升温曲线平行，则实际作功能力还能提高。但是，因为作为工质的水，它的沸腾和冷凝都在恒温条件下发生的，它们不可能同热源的降温以及冷却水的升温曲线平行。我们把这作功的差值统称为结构损失。如前所述，降低这些结构损失是卡琳娜循环的设计的目标。最终把我们引向卡琳娜循环的生命之液：一种氨-水混合物的工质。 氨-水混合物氨-水混合物物理特性既不同于纯水，又不同于纯氨。这两种工质混合物的物理特性就像是一种全新的物质。它有下面四种基本特点：首先，氨-水混合物的沸点和凝结点温度是不固定的。反之，纯水和纯氨的沸点和凝结温度是固定的。其次，氨-水混合物的热物理特性能随氨浓度的改变而改变。反之，纯水和纯氨的物理特性却是固定不变的。第三，氨-水混合物有一个在热容量的不变化的情况下，混合物的温度会升高或降低的热物理特性。若没有能量的变化，纯水和纯氨的温度是不会改变的。最后一个差别并非基本特性真正的变化，但是确实是流体特性的重要改变，即冰点温度。纯水的冰点温度为相对较高的32F（0C），而纯氨却为-108F（-78C）。氨-水混合物溶液的冰点温度非常低。相变图卡琳娜循环的基本出发点是从上述第一个特点中获益。即在任何给定的压力条件下，氨-水混合物的沸腾或凝结都是在“变温”条件下完成的。这和水这类纯工质在“恒定的”温度条件下沸腾/凝结是截然不同的。相对于水来说，氨的沸腾和凝结温度要低得多。所以，当氨和水相混合后，氨更容易从这二者的混合物中挥发出来。这意味着当氨-水混合物被加热时，大部分的氨会先沸腾并挥发出来。也就是说，蒸馏过程开始发生。反过来说，当氨-水混合物蒸汽被冷却时，大部分的水分会首先凝结出了。这种独一无二的特点在图5相变图中被表达。该图是当压力为80psig(552KPa)时，氨-水混合物中氨浓度和对应的温度之间的关系。（每一个相变图都是在某一个特定压力条件下绘制的）。位于312F（156C）的点1是纯水的饱和温度。当压力为80psig(552KPa)时，纯水会沸腾，水蒸汽会凝结。类似的情况发生在点2，该点是纯氨的温度为44.4F（6.9C），压力为80psig(552KPa)时的饱和温度点。现在需要关心的是两条曲线之间的区域。底下的曲线代表了饱和液态，或不同浓度氨-水混合物的沸点。这时，氨-水混合物被加热，蒸发过程开始发生，或氨-水混合物被冷却时，完全凝结开始发生。相变图能为在卡琳娜循环中采用的、具有过冷度的、含液氨量为70%的氨-水混合物的蒸发和凝结过程提供许多信息。如图中工作点3所示，当该混合物被加热时，它在温度为70F（21C）时开始蒸发，若继续受热，随着温度的升高，更多的混合物蒸发，其中大部分的氨首先蒸发。一旦混合物液体开始沸腾，在它完全蒸发之前，该混合物实际上存在着气态和液态两种分离的状态。例如，点4表示了氨-水混合物在150F（66C）温度条件下氨平均浓度为70%的状态；点5表示了该混合物的汽态；如前所述，该汽态物中富含97%的氨和只含3%的水。点6表示了氨-水混合物中氨含量只有36%的情况。利用比例关系，质量含量为97%的富氨蒸汽可用下列关系式表示：(pt4-pt6) / (pt5-pt6)(70-36) / (97-36) =55.7% 即所占比例为：55.7%质量含量为36%的液态氨-水混合物用下列关系式表示：(pt5-pt4) / (pt5-pt6)(97-70) / (97-36) =44.3% 即所占比例为：44.3%对该溶液继续加热，溶液则继续蒸发，直达温度为240F（116C）的点7，全部溶液都达到饱和蒸汽状态。倘若再继续加热，该氨-水混合物蒸汽则达到过热状态。当该氨-水混合物蒸汽被冷却，则上述过程会完全逆向进行。变化着的沸点温度如前所述，电厂中向工质提供热量的热源是有限的。因此，随着向工质释放热量，热源的温度会下降。由于沸点温度变化，在逆流式热交换器中氨-水混合物温度的上升曲线会更靠近有限热源温度下降的直线。由图6表示了当氨-水混合物被一股废烟气加热时的温度分布情况。该含70%氨的氨-水混合物在工作压力为500psig(3447kpa)时，被从100F（38C）加热到550F（288C）达到过热状态。该股废烟气的初始温度为550F（288C），随着氨-水混合物从100F（38C）首先被加热到200F（93C）的液体饱和温度，然后达到蒸汽的饱和温度363F（184C），最后被过热137F（76C），达到终温500F（260C）。随着将自身的热能释放给氨-水混合物，本例中的废烟气从初温的550F（288C）被冷却到约200F（93C）。倘若利用同上例相同的热源和相同的接近点温度，现在我们下面来对压力为500psig(3447kpa)的纯水作讨论。如图7所示，初始温度为100F（38C）的水，被加热到467F（242C）的饱和温度。随着继续吸热，饱和水“沸腾”，并从饱和水变成饱和蒸汽，在这过程中温度是不变的。该饱和汽或饱和蒸汽最终被过热到500F（260C）的状态。图7表明，水的恒定的高沸点温度限制了它从热源能够吸取的热量。针对终温为500F（260C）的废烟气需要指出的是：水是无法利用废烟气中500F（260C）以下的热能的。众所周知，在压力为500psig(3447kpa)时，水仅能吸收相同情况下氨-水混合物所吸收热量的15%。所以，甚至不用谈电站的其它系统如何更有效地利用工质做功，因为已经有85%的可以利用的能量被废弃了。现在，让我们尝试如何通过降低沸点温度来提高从热源吸收的热能。图8描述了水在100psig(689kpa)压力条件下的吸热过程。由图可见，压力下降，即降低其饱和温度，能够增加热能的萃取值。在这种情况下，水在100psig(689kpa)压力条件下只能吸收压力为500psig(3447kpa)时氨-水混合物能吸收热量的62%。随着工质温度沸点温度的降低，随着热工质平均温度的下降，就能从热源吸取更多的热量。但是，根据前面的讨论热工质平均温度的下降会导致热力学第二定律效率的降低。为了能萃取和500psig(3447kpa)压力条件下氨-水混合物相同的吸热量，水必须将其工作压力降低到真空度为