卡琳娜动力循环技术简述

1、卡琳娜（Kalina）动力循环技术简介卡琳娜循环： 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。卡琳娜循环电厂可以向诸如温度为 300-400oF（149-204o C ）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% 。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

2、水混合物的优点 ,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。朗肯循环（目前最常见的蒸汽动力循环）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。过热蒸炖+圏1朋肯循环电厂循环简图

3、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。对另外的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较低。 这部分热量主要通过循环 冷却水带走

4、。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。F°C*J W图 JA*'图泊1刃2rS16V1000+'20DO+J有限热soo*1 (-isy-5QO+J-结构损尖屮 iio(p 、1000温度“金属工作温度限制蒸发心 ”;水泵能耗,宣轮机内膨胀*' _ 二 一 二* 理论作功，实际做功冷却祜最高蒸汽温度，冷凝温度*热井a绝对零度心图4结构拇失.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

5、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。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

6、，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 32cF(0oC)，而纯氨却为-108oF(-78oC)。氨-水混合物溶液的冰点温度非常低卡琳娜循环的基本出发点是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。反过来，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

7、表达。该图是当压力为0.552MPa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）。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? 图5氨-水混合物相图.位于312oF（ 156oC）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 70oF（21oC ）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。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。变化的凝结温度在朗肯循环中的水蒸汽和在卡琳娜循环中的氨 -