卡琳娜(Kalina)动力循环技术简介

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1、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300-400ºF（149-204ºC）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

2、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

3、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

4、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

5、。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

6、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

7、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（1093ºC）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ºF+460=ºR（ºC+