使用混合工质的新型电冷联产循环系统研究

    在动力工程中,最常用的热力循环是以水n水蒸气为工质的Rankine循环.在Rankine循环中,热源(如高温烟气)的放热过程是变温过程,而水吸热蒸发是定温过程(见图1a,图中T代表温度,A代表换热量份额).由于水与高温烟气的换热过程温度曲线配合不好,导致不可逆损失较大,因此Rankine循环效率的提高也受到限制.由于工质吸热蒸发是变温过程,因此用沸点不同的氨n水混合物作为工质,可使热源的放热过程与混合工质的吸热过程的曲线更好地配合,最大限度地降低传热过程的不可逆损失(见图1b),同时热源的放热温度也可以大大降低.

    在动力循环中采用氨n水混合物做功的典型例子是Kalina循环[1,2].Kalina循环是由俄国人Dr.Alex Kalina于80年代中期提出的,这十几年来在国际上受到了广泛关注.热力学分析表明,应用Kalina循环的联合循环系统比多压联合循环系统的效率高10%以上,循环热效率高2%.1996年11月,世界上第一座将Kalina循环用于联合循环的底层循环的6 MW电厂正式投入运行,经过4年的运及广泛试验,进一步证明了Kalina循环是可靠、高效的.

    本文是以氨n水混合物作为工质,利用氨工质低沸点的特点,设计了利用低温热源的电冷联产系统.该系统通过换热器加热氨n水混合物,将蒸发后的氨气引入到汽轮机中做功,并带动发电机发电.汽轮机排出温度很低的低压氨气,可以作为制冷剂,这样既提高了循环效率,又在同一循环中实现了电冷联供.

    1 氨n水混合物热力性质计算

    本文对单相工质的气相、液相以及两相混合物热力性质的计算采用文献[3~5]中给出的计算公式.该套计算公式以Gibbs自由能方程作为基本公式,针对不同的工质状态,分别给出经过试验修正的系数.对于气n液平衡态(VLE),不采用逃逸系数相等来描述,而用气、液相化学势能相等来描述.气、液相化学热能的基本表达式为

    式中:µ为化学势能;Tr为相对温度,Tr=T/TB,TB=100 K; pr为相对压力, pr=p/pB, pB=1MPa;w为质量分数;下标A代表氨,W代表水;上标L代表液相,g代表气相.

    通过Newton-Raphson迭代,可以求解上式.已知pr、Tr、wLA、wgW四个参数中的任意两个,求解其余两个.本文根据以上公式,编制了计算氨n水混合物的热力性质计算软件,其适用的参数范围是p为0.2~20 MPa;T为230~650 K.

    2 系统设计

    图2为以低温热水为热源,氨n水混合物为工质的热力循环,该热力循环能够实现电冷联合生产,同时效率比以同样温度的地热水常规热力发电高.该循环系统由锅炉、换热器、过热器、汽轮机、制冷器、吸收器以及泵组成.热水依次通过过热器、锅炉、换热器Ñ释放热量.从吸收器来的接近饱和的氨n水混合物工质由状态1经过泵加压到状态2,进入换热器Ñ、Ò吸热,升温到状态3,然后进入锅炉.在锅炉内氨n水混合物吸收热源的热量,混合物中的低沸点工质氨开始蒸发,在通过精馏器后,蒸发气体中的水蒸气分离出来,从锅炉出来的工质7接近纯氨气.当其进入过热器后温度进一步升高,达到过热状态8,再进入汽轮机膨胀做功.汽轮机出口的氨气压力和温度都很低,可以作为制冷剂.从制冷器出来的氨气,进入吸收器与来自状态6的稀溶液混合,向外释放出部分热量,该部分热量由冷却水带走,同时得到与状态1工质成分相同的混合物溶液.锅炉出口的状态4为稀溶液混合物,它首先通过换热器Ò放热到状态5,再经过节流阀减压后进入吸收器.