卡琳娜动力循环技术简述.doc

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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（149-204ºC）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%。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

2、氨水混合物的优点,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。 朗肯循环电厂的效率较差，即使是

3、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。在汽轮机的排气

4、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。  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

5、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32ºF（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

6、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）。 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

7、在点2，该点是纯氨的温度为44.4ºF（6.9ºC），压力为80psig(552KPa)时的饱和温度点。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

8、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，