1、精選優質文檔-傾情為你奉上卡琳娜（Kalina）動力循環技術簡介 摘要：本文僅對卡琳娜循環 一種利用氨和水混合物作為工作介質的新穎、高效的動力循環系統作一簡介。目的是使讀者能在對以水為工質的常規朗肯循環電廠基本概念理解的基礎上，對卡琳娜循環電廠的基本熱動力學、工作原理和布置有個了解。前言：同歷時一個世紀之久常規的朗肯循環相比，卡琳娜循環電廠可以向諸如溫度為300-400ºF（149-204ºC）的地熱低能級熱源提供效率比前者高出50%的循環效率。對諸如直燃式鍋爐和燃氣-蒸汽聯合循環電廠中的燃氣輪機廢氣等高溫熱源，循環效率約可提高20%。看來，建造一座卡琳娜循環電廠

2、的費用可能會比建造一座同等容量的朗肯循環電廠的費用更低，經過估算，對低能級熱源案例，費用約可降低達30%，對高能級熱源案例，費用約可降低10%。原則上，卡琳娜循環是在朗肯循環基礎上的一種“改進”。這種重大的改進體現在對朗肯循環的循環過程的改變 將“純”的循環介質（通常為水）變成了氨同水的“混合物”。這種從朗肯循環至卡琳娜循環的改進包含了專門的系統設計，該設計能最大程度的體現了氨水混合物的優點。這些特殊的設計可以單獨運用，也可以不同形式的組合使用。最終會形成系列的一組與眾不同的卡琳娜循環系統。事實上，從某一方面它同朗肯循環多少具有相似之處。譬如說，在系統設計上也有諸如再熱、再生式加熱、超臨界壓力

3、、雙壓設計等多種選擇。在具體的電廠設計中，可將上述選擇進行不同的組合使用。在卡琳娜循環系統的系列中，每一種設計都有其專門的運用，并以專門的序列號作區別。例如：“#5卡琳娜循環系統”（KCS5）專門用于直燃式電廠。“#6卡琳娜循環系統”（KCS6）專門用于蒸汽-燃氣聯合循環電廠的燃機排氣。“#11卡琳娜循環系統（KCS11）專門用于低溫地熱電廠。還有許多其它的系統，它們可適用于其它種類的燃料和熱源。諸如：城市垃圾、不同行業的工藝余熱、太陽能、甚至核能。在從卡琳娜循環的討論中真正獲益之前，首先有必要了解朗肯蒸汽循環的基礎知識和基本熱力動力學理論。朗肯循環在朗肯循環中，水在鍋爐（或余熱鍋爐）中被加熱

4、，產生高溫和高壓蒸汽。該蒸汽流過汽輪機時急劇膨脹后冷卻至低溫、低壓的尾氣，該汽輪機驅動一臺發電機發出電力。從汽輪機排出的尾氣被具有環境溫度的空氣，或被來自冷卻水池或冷卻塔中的冷卻水冷卻成水。我們把這種具有環境溫度的空氣，或冷卻水池稱之為熱井。凝結水接著被泵入鍋爐重復上述過程。這種簡單的朗肯循環框圖如圖一所示。 朗肯循環電廠的效率較差，即使是容量最大、采用朗肯循環的最新型的燃煤電廠，一般來說其循環效率都超不過35%（譯者注：目前國內亞臨界參數燃煤電廠的循環效率已達38%，超臨界和超超臨界參數的燃煤電廠的循環效率分別可達40和43%左右），也就是說燃料燃燒產生的總熱量中僅有35%被轉換成

5、了熱能。這65%的能量損失是由于一系列的原因造成的。其中約15%的能量損失是由于燃料中的水分、爐墻的熱輻射、排煙損失和自耗電所造成的。由于卡琳娜循環電廠同樣也有類似的能量損失，因此，深入討論這些損失并非本文之目的。下面就占朗肯循環損失中另外的50%進行分析。基本上，這一損失的能量都蘊藏在汽輪機的排氣中。盡管這股蒸汽中蘊藏著巨大的能量，但是因為它們的溫度和壓力是如此之低，人們幾乎無法加以利用。因此，人們不得不廢棄此能量，將它們排往熱井中去，將這股蒸汽凝結成水，泵回到鍋爐中去。從熱力動力學角度，我們很快就能知道為什么這些循環損失會那么大。   第一定律、第二定律和放射本能（熱力

6、系統從給定狀態到與周圍介質平衡過程中可作的最大功）熱力動力學“第一定律”經常被稱為節能定律，通常僅被用作能量“計量”之用。也就是說，所有的不管以什么形式存在的能量必須被計量。例如：在一臺熱交換器中，一側工質的熱能減少同另一側工質能量的增加是等同的。在動力循環中，輸入系統的熱量同該系統所做的功以及在循環過程中所發生的所有熱損失之和相同。上述35%的循環效率被稱之為“熱力學第一定律效率”，因為除了對輸入熱能所做“功”的部分進行了簡單的計量外，別無新意。電廠“熱耗”是熱力學第一定律效率的另一種表示方式。在熱力學第一定律告訴了我們“有多少”的同時，它并沒有告訴我們“為什么”。也就是沒有告訴我們這些是什

7、么損失？為什么會產生這些損失？對于我們來說，要理解效率更高的循環方式，尋求答案是很重要的。這就把我們引導到了熱力動力學第二定律中去。基本上，該定律闡述了“功”的概念。也就是說，在諸如汽輪機的熱機中的，從高溫降到低溫的能量介質所做的功。在動力循環中，以最高能級形式存在的能量是熱源，而以最低能級形式存在的能量是熱井。假定有一個擁有無限大熱源（1093ºC）的理想電廠，圖2-A中深色面積代表了該電廠在熱井環境溫度為絕對零度時所能提供的總功。考慮到絕對溫度的關系 ºF+460=ºR（ºC+273=ºK），則絕對溫度可表達為ºR或ºK

8、 ，即-460ºF（-273ºC）。 由于絕對溫度零度的熱井溫度只可能在深外層太空存在，所以在圖2-A中所表示的做功面積在地球上是不可能實現的。圖2-B中深色面積代表了絕對功部分，由于我們的熱井溫度比絕對零度要高許多，所以該部分必須扣除。從另外一個角度來看圖2-B中的絕對總功，我們把熱井在絕對零度的環境溫度條件下自己作為自己的熱源。作為一個例子，我們假定采用50ºF（10ºC）熱井溫度，即比絕對零度高510ºF。它們之間的差別由圖2C中陰影部分所示，該面積為可做功的面積。對一臺理想的熱機而言，它代表了在給定的熱源和特定的熱井條件下，最

9、大可做功的能力。需要了解為什么熱井會“限制”一臺熱機的熱能不可能100%地轉換成功的能量（T2-T1）/（T2-T0）之比即為“熱力學第二定律的效率極限”。倘若使用絕對溫度，并令T0為零度，則在我們所舉例中的熱力學第二定律的效率極限可表示為：（2460-510）/2460=79.3%對于熱力學第二定律的效率極限，“潛在的功”和“放射本能”是另一個術語。現在假定將熱源溫度從2000ºF（1093ºC）改變至500ºF（260ºC），則從系統給定狀態到與周圍介質平衡過程中可作的最大功出奇的低，只有（960-510）/960=46.9%你可以用鉛筆對圖2A和圖

10、2C做直觀地對比，它告訴我們，即使采用了十全十美的熱機，低溫熱源中的大部分熱能還是在熱井中被喪失。這也就告訴了我們為什么使用低溫熱源來發電的難度更大。讓我們再次假定在一個很熱的夏季，熱井溫度從50ºF（10ºC）上升到了120ºF（49ºC）。當熱源溫度為2000ºF（1093ºC）時，從系統給定狀態到與周圍介質平衡過程中可作功的效率從79.3%下降為76.4%，而當熱源溫度為500ºF（260ºC）時，該效率則從46.9%下降為39.6%。由此可見，無論是降低熱源溫度或是提高熱井溫度都會減少從系統給定狀態到與周圍

11、介質平衡過程中可作的功。反言之，無論是提高熱源溫度或是降低熱井溫度都會增加從系統給定狀態到與周圍介質平衡過程中可作的功。如果有人能通過一臺理想的熱機直接使用熱源和熱井，則在我們所舉例的電廠中，上述熱力學第二定律的效率極限也就是熱力學第一定律的效率值。因此，該效率也就可能達到可能的效率最大值。然而，情況并不如此。當今的熱機，如現代的汽輪機，它需要一種介質將熱源和熱井相聯系，我們稱其為工質。回到我們前面提到的例子，即有一個無限的2000ºF（1093ºC）熱源和一個溫度為50ºF（10ºC）的熱井，它的熱力學第二定律效率限制為79.3%。我們再將一種工質和現

12、電廠設計中的真實限制條件引入我們假定的電廠中。為了作功，工質需要被熱源加熱，但是對于2000ºF（1093ºC）的熱源條件來說，目前的管材尚受到限制。當前冶金技術能對發電廠提供的金屬材料能承受的溫度約為1050ºF（566ºC）。出于對此例的興趣，假定該工質從2000ºF（1093ºC）的熱源吸取熱能，并在1050ºF（566ºC）沸騰。工質在汽輪機中作功后，通過熱交換器將剩余的熱能傳遞給熱井。必須在熱交換器設計強調一個重要因素，即在計算換熱面積時，需要預知基本設計參數接近點溫度值。簡而言之，它是最小溫差或兩種工質

13、之間溫度傳遞的驅動力。倘若兩種工質之間的溫差較大，則熱端工質的熱量就能通過較小的傳熱面積將熱能傳給冷端的工質。反之，倘若該溫差較小，則熱交換器的換熱面積和價格就會以指數冪增加。所以，應力求達到能同時兼顧換熱器造價和傳熱效果的兩種工質的一個溫差點。針對我們的例子，從經濟角度，假定工質的冷凝溫度不低于80ºF（27ºC），也就是比50ºF的熱井溫度高出30ºF。 工質在一臺理想的汽輪機中能做的功，由圖3B中熱工質和冷工質之間的面積來度量。需要指出的是：該面積，也就是所做的功要比圖3A和前圖2中的2C中所示最大做功面積小。這種“從系統給定狀態到與周圍

14、介質平衡過程中可做功的下降”是由工質造成的。這種“功”同“熱源總能量”之比可表達為：（1510-540）/2460 = 39.4%。該結論不能同熱力學第二定律的效率限制相混淆。該39.4%是一臺理想的汽輪機使用某一種工質時能達到的“熱力學第一定律效率”。從中可知：我們電站生產的實際功要比原先計算的79.3%低得多。這個例子使我們知道：保持從熱源吸熱工質的溫度盡量的高和隨工質放熱使其溫度保持盡量的低的重要。實際作功和潛在作功能力之比，即39.4/79.3 = 49.7%是度量“熱力學第二定律效率”的一個指標。作為進一步澄清，從給定熱源狀態到與周圍介質平衡過程中實際作的功為49.7%。該熱力學第二

15、定律的效率對電廠循環提供了合理的比較，因為他把某些我們無法控制的因素，諸如熱井因素排除掉了。對于各種損失的分析，現在我們可以開始分析為什么循環會有損失？以及這些損失是什么？通過本文前面的分析可知：在將系統給定狀態到與周圍介質平衡過程中可作的功轉換成實際所作的功時，存在著兩類損失。它們分別為技術類損失和熱力經濟類損失。下面參照圖3作一簡單的解釋。技術類損失由于現用的管材不能承受1050ºF（566ºC）以上的高溫，我們所用的工質溫度只能低于此溫度值。我們把從熱力學系統給定狀態到與周圍介質平衡過程中作功的這類由于上述原因造成的損失統稱為技術類損失。不僅理想的汽輪機、水泵和風機設

16、計都可能是造成此類損失的原因。技術雖然在不斷進步，但是由于所有的研發力量都集中在提高機組容量，相對在提高機組效率方面的努力效果并不十分顯著，與數十年前的技術相比，變化不大。卡琳娜循環并不能解決和減少這些技術類損失，但須指出：凡是有利于朗肯循環的技術進步，對于卡琳娜循環同樣是有效的。熱力經濟類損失從經濟性考慮，我們通常把冷工質溫度設定在比熱井溫度高出30ºF，即攝氏17度。在我們所舉例中假定：如果我們通過減少這個溫差來進一步提高出力，則會因為熱交換器投資費用的過度增加而得不償失。我們把從熱力學系統給定狀態到與周圍介質平衡過程中作功的這類在鍋爐、凝汽器、冷卻塔等處由于這類原因所造成的損失

17、統稱為熱力經濟類損失。為了降低這類損失，目前在卡琳娜循環中所作的工作同在朗肯循環中正在作努力的基本出發點是一致的。結構損失通過降低結構損失來提高循環效率是卡琳娜循環現已經開始進行的基礎工作。在現實生活中，熱源并非是無限的。電廠熱源諸如熱煙氣和地熱熱源都是有限的。也就是說，熱源隨著向工質傳遞熱量被冷卻，熱源的溫度開始下降。另一方面，由于純水沸點溫度恒定的特性，在朗肯循環中它的大部分吸熱也是在恒溫條件下完成的。在汽輪機的排氣側，存在著一個基本上是恒溫的熱井，它被水或空氣這些無限的冷卻介質冷卻。這些冷卻介質隨著從汽輪機排氣端的蒸汽吸熱，溫度升高。反過來，蒸汽被冷凝時也是在恒溫條件下完成的。圖4為一幅

18、更加精確的朗肯循環過程圖。圖4A中的面積表示了在給定熱源和熱井條件下系統可能作的功。而圖4B則表示了該朗肯循環實際作功的能力。朗肯循環實際作功幾乎只有可能作功的一半。首先，金屬材料和接近點溫度降低了實際的作功能力。這些都屬于前面討論過的技術類和熱力經濟類損失。需要指出：即使存在著這些損失，如果工質的升溫曲線能和熱源的溫降曲線平行，它的降溫曲線能和冷卻水的升溫曲線平行，則實際作功能力還能提高。但是，因為作為工質的水，它的沸騰和冷凝都在恒溫條件下發生的，它們不可能同熱源的降溫以及冷卻水的升溫曲線平行。我們把這作功的差值統稱為結構損失。如前所述，降低這些結構損失是卡琳娜循環的設計的目標。最終把我們引

19、向卡琳娜循環的生命之液：一種氨-水混合物的工質。   氨-水混合物氨-水混合物物理特性既不同于純水，又不同于純氨。這兩種工質混合物的物理特性就像是一種全新的物質。它有下面四種基本特點：首先，氨-水混合物的沸點和凝結點溫度是不固定的。反之，純水和純氨的沸點和凝結溫度是固定的。其次，氨-水混合物的熱物理特性能隨氨濃度的改變而改變。反之，純水和純氨的物理特性卻是固定不變的。第三，氨-水混合物有一個在熱容量的不變化的情況下，混合物的溫度會升高或降低的熱物理特性。若沒有能量的變化，純水和純氨的溫度是不會改變的。最后一個差別并非基本特性真正的變化，但是確實是流體特性的重要改變，即冰點溫

20、度。純水的冰點溫度為相對較高的32ºF（0ºC），而純氨卻為-108ºF（-78ºC）。氨-水混合物溶液的冰點溫度非常低。相變圖卡琳娜循環的基本出發點是從上述第一個特點中獲益。即在任何給定的壓力條件下，氨-水混合物的沸騰或凝結都是在“變溫”條件下完成的。這和水這類純工質在“恒定的”溫度條件下沸騰/凝結是截然不同的。相對于水來說，氨的沸騰和凝結溫度要低得多。所以，當氨和水相混合后，氨更容易從這二者的混合物中揮發出來。這意味著當氨-水混合物被加熱時，大部分的氨會先沸騰并揮發出來。也就是說，蒸餾過程開始發生。反過來說，當氨-水混合物蒸汽被冷卻時，大部分的水分會

21、首先凝結出了。這種獨一無二的特點在圖5相變圖中被表達。該圖是當壓力為80psig(552KPa)時，氨-水混合物中氨濃度和對應的溫度之間的關系。（每一個相變圖都是在某一個特定壓力條件下繪制的）。 位于312ºF（156ºC）的點1是純水的飽和溫度。當壓力為80psig(552KPa)時，純水會沸騰，水蒸汽會凝結。類似的情況發生在點2，該點是純氨的溫度為44.4ºF（6.9ºC），壓力為80psig(552KPa)時的飽和溫度點。現在需要關心的是兩條曲線之間的區域。底下的曲線代表了飽和液態，或不同濃度氨-水混合物的沸點。這時，氨-水混合物被加熱，

22、蒸發過程開始發生，或氨-水混合物被冷卻時，完全凝結開始發生。相變圖能為在卡琳娜循環中采用的、具有過冷度的、含液氨量為70%的氨-水混合物的蒸發和凝結過程提供許多信息。如圖中工作點3所示，當該混合物被加熱時，它在溫度為70ºF（21ºC）時開始蒸發，若繼續受熱，隨著溫度的升高，更多的混合物蒸發，其中大部分的氨首先蒸發。一旦混合物液體開始沸騰，在它完全蒸發之前，該混合物實際上存在著氣態和液態兩種分離的狀態。例如，點4表示了氨-水混合物在150ºF（66ºC）溫度條件下氨平均濃度為70%的狀態；點5表示了該混合物的汽態；如前所述，該汽態物中富含97%的氨和只含

23、3%的水。點6表示了氨-水混合物中氨含量只有36%的情況。利用比例關系，質量含量為97%的富氨蒸汽可用下列關系式表示：(pt4-pt6) / (pt5-pt6)(70-36) / (97-36) =55.7% 即所占比例為：55.7%質量含量為36%的液態氨-水混合物用下列關系式表示：(pt5-pt4) / (pt5-pt6)(97-70) / (97-36) =44.3% 即所占比例為：44.3%對該溶液繼續加熱，溶液則繼續蒸發，直達溫度為240ºF（116ºC）的點7，全部溶液都達到飽和蒸汽狀態。倘若再繼續加熱，該氨-水混合物蒸汽則達到過熱狀態。當該氨-水混合物蒸汽被冷

24、卻，則上述過程會完全逆向進行。變化著的沸點溫度如前所述，電廠中向工質提供熱量的熱源是有限的。因此，隨著向工質釋放熱量，熱源的溫度會下降。由于沸點溫度變化，在逆流式熱交換器中氨-水混合物溫度的上升曲線會更靠近有限熱源溫度下降的直線。由圖6表示了當氨-水混合物被一股廢煙氣加熱時的溫度分布情況。該含70%氨的氨-水混合物在工作壓力為500psig(3447kpa)時，被從100ºF（38ºC）加熱到550ºF（288ºC）達到過熱狀態。該股廢煙氣的初始溫度為550ºF（288ºC），隨著氨-水混合物從100ºF（38ºC

25、）首先被加熱到200ºF（93ºC）的液體飽和溫度，然后達到蒸汽的飽和溫度363ºF（184ºC），最后被過熱137ºF（76ºC），達到終溫500ºF（260ºC）。隨著將自身的熱能釋放給氨-水混合物，本例中的廢煙氣從初溫的550ºF（288ºC）被冷卻到約200ºF（93ºC）。倘若利用同上例相同的熱源和相同的接近點溫度，現在我們下面來對壓力為500psig(3447kpa)的純水作討論。 如圖7所示，初始溫度為100ºF（38ºC）的水，被

26、加熱到467ºF（242ºC）的飽和溫度。隨著繼續吸熱，飽和水“沸騰”，并從飽和水變成飽和蒸汽，在這過程中溫度是不變的。該飽和汽或飽和蒸汽最終被過熱到500ºF（260ºC）的狀態。圖7表明，水的恒定的高沸點溫度限制了它從熱源能夠吸取的熱量。針對終溫為500ºF（260ºC）的廢煙氣需要指出的是：水是無法利用廢煙氣中500ºF（260ºC）以下的熱能的。眾所周知，在壓力為500psig(3447kpa)時，水僅能吸收相同情況下氨-水混合物所吸收熱量的15%。所以，甚至不用談電站的其它系統如何更有效地利用工質做功，因

27、為已經有85%的可以利用的能量被廢棄了。 現在，讓我們嘗試如何通過降低沸點溫度來提高從熱源吸收的熱能。圖8描述了水在100psig(689kpa)壓力條件下的吸熱過程。由圖可見，壓力下降，即降低其飽和溫度，能夠增加熱能的萃取值。在這種情況下，水在100psig(689kpa)壓力條件下只能吸收壓力為500psig(3447kpa)時氨-水混合物能吸收熱量的62%。隨著工質溫度沸點溫度的降低，隨著熱工質平均溫度的下降，就能從熱源吸取更多的熱量。但是，根據前面的討論熱工質平均溫度的下降會導致熱力學第二定律效率的降低。 為了能萃取和500psig(3447kpa)壓力條件下氨-水混合物相同的吸熱量，水必須將其