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卡琳娜(Kalina)动力循环技术简介

卡琳娜(Kalina)动力循环技术简介
卡琳娜(Kalina)动力循环技术简介

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。

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+273=ºK),则绝对温度可表达为ºR或ºK ,即-460ºF(-273ºC)。

由于绝对温度零度的热井温度只可能在深外层太空存在,所以在图2-A中所表示的做功面积在地球上是不可能实现的。图2-B中深色面积代表了绝对功部分,由于我们的热井温度比绝对零度要高许多,所以该部分必须扣除。从另外一个角度来看图2-B中的绝对总功,我们把热井在绝对零度的环境温度条件下自己作为自己的热源。作为一个例子,我们假定采用50ºF(10ºC)热井温度,即比绝对零度高510ºF。它们之间的差别由图2C中阴影部分所示,该面积为可做功的面积。对一台理想的热机而言,它代表了在给定的热源和特定的热井条件下,最大可做功的能力。

需要了解为什么热井会“**”一台热机的热能不可能100%地转换成功的能量

(T2-T1)/(T2-T0)之比即为“热力学第二定律的效率极限”。倘若使用绝对温度,并令T0为零度,则在我们所举例中的热力学第二定律的效率极限可表示为:

(2460-510)/2460=79.3%

对于热力学第二定律的效率极限,“潜在的功”和“放射本能”是另一个术语。

现在假定将热源温度从2000ºF(1093ºC)改变至500ºF (260ºC),则从系统给定状态到与周围介质平衡过程中可作的最大功出奇的低,只有

(960-510)/960=46.9%

你可以用铅笔对图2A和图2C做直观地对比,它告诉我们,即使采用了十全十美的热机,低温热源中的大部分热能还是在热井中被丧失。这也就告诉了我们为什么使用低温热源来发电的难度更大。

让我们再次假定在一个很热的夏季,热井温度从50ºF(10ºC)上升到了120ºF(49ºC)。当热源温度为2000ºF(1093ºC)时,从系统给定状态到与周围介质平衡过程中可作功的效率从79.3%下降为76.4%,而当热源温度为500ºF(260ºC)时,该效率则从46.9%下降为39.6%。

由此可见,无论是降低热源温度或是提高热井温度都会减少从系统给定状态到与周围介质平衡过程中可作的功。反言之,无论是提高热源温度或是降低热井温度都会增加从系统给定状态到与周围介质平衡过程中可作的功。

如果有人能通过一台理想的热机直接使用热源和热井,则在我们所举例的电厂中,上述热力学第二定律的效率极限也就是热力学第一定律的效率值。因此,该效率也就可能达到可能的效率最大值。

然而,情况并不如此。当今的热机,如现代的汽轮机,它需要一种介质将热源和热井相联系,我们称其为工质。

回到我们前面提到的例子,即有一个无限的2000ºF(1093ºC)热源和一个温度为50ºF(10ºC)的热井,它的热力学第二定律效率**为79.3%。我们再将一种工质和现电厂设计中的真实**条件引入我们假定的电厂中。为了作功,工质需要被热源加热,但是对于2000ºF(1093ºC)的热源条件来说,目前的管材尚受到**。当前冶金技术能对发电厂提供的金属材料能承受的温度约为1050ºF(566ºC)。出于对此例的兴趣,假定该工质从2000ºF(1093ºC)的热源吸取热能,并在1050ºF

(566ºC)沸腾。

工质在汽轮机中作功后,通过热交换器将剩余的热能传递给热井。

必须在热交换器设计强调一个重要因素,即在计算换热面积时,需要预知基本设计参数接近点温度值。简而言之,它是最小温差或两种工质之间温度传递的驱动力。倘若两种工质之间的温差较大,则热端工质的热量就能通过较小的传热面积将热能传给冷端的工质。反之,倘若该温差较小,则热交换器的换热面积和价格就会以指数幂增加。所以,应力求达到能同时兼顾换热器造价和传热效果的两种工质的一个温差点。

针对我们的例子,从经济角度,假定工质的冷凝温度不低于80ºF

(27ºC),也就是比50ºF的热井温度高出30ºF。

工质在一台理想的汽轮机中能做的功,由图3B中热工质和冷工质之间的面积来度量。需要指出的是:该面积,也就是所做的功要比图3A和前图2中的2C中所示最大做功面积小。这种“从系统给定状态到与周围介质平衡过程中可做功的下降”是由工质造成的。这种“功”同“热源总能量”之比可表达为:(1510-540)/2460 = 39.4%。

该结论不能同热力学第二定律的效率**相混淆。该39.4%是一台理想的汽轮机使用某一种工质时能达到的“热力学第一定律效率”。从中可知:我们电站生产的实际功要比原先计算的79.3%低得多。这个例子使我们知道:保持从热源吸热工质的温度尽量的高和随工质放热使其温度保持尽量的低的重要。实际作功和潜在作功能力之比,即39.4/79.3 = 49.7%是度量“热力学第二定律效率”的一个指标。作为进一步澄清,从给定热源状态到与周围介质平衡过程中实际作的功为49.7%。

该热力学第二定律的效率对电厂循环提供了合理的比较,因为他把某些我们无法控制的因素,诸如热井因素排除掉了。

对于各种损失的分析,现在我们可以开始分析为什么循环会有损失?以及这些损失是什么?通过本文前面的分析可知:在将系统给定状态到与周围介质平衡过程中可作的功转换成实际所作的功时,存在着两类损失。它们分别为技术类损失和热力经济类损失。下面参照图3作一简单的解释。

技术类损失

由于现用的管材不能承受1050ºF(566ºC)以上的高温,我们所用的工质温度只能低于此温度值。我们把从热力学系统给定状态到与周围介质平衡过程中作功的这类由于上述原因造成的损失统称为技术类损失。不仅理想的汽轮机、水泵和风机设计都可能是造成此类损失的原因。

技术虽然在不断进步,但是由于所有的研发力量都集中在提高机组容量,相对在提高机组效率方面的努力效果并不十分显著,与数十年前的技术相比,变化不大。卡琳娜循环并不能解决和减少这些技术类损失,但须指出:凡是有利于朗肯循环的技术进步,对于卡琳娜循环同样是有效的。

热力经济类损失

从经济性考虑,我们通常把冷工质温度设定在比热井温度高出30ºF,即摄氏17度。在我们所举例中假定:如果我们通过减少这个温差来进一步提高出力,则会因为热交换器投资费用的过度增加而得不偿失。我们把从热力学系统给定状态到与周围介质平衡过程中作功的这类在锅炉、凝汽器、冷却塔等处由于这类原因所造成的损失统称为热力经济类损失。为了降低这类损失,目前在卡琳娜循环中所作的工作同在朗肯循环中正在作努力的基本出发点是一致的。

结构损失

通过降低结构损失来提高循环效率是卡琳娜循环现已经开始进行的基础工作。

在现实生活中,热源并非是无限的。电厂热源诸如热烟气和地热热源都是有限的。也就是说,热源随着向工质传递热量被冷却,热源的温度开始下降。另一方面,由于纯水沸点温度恒定的特性,在朗肯循环中它的大部分吸热也是在恒温条件下完成的。

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。

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。首先,金属材料和接近点温度降低了实际的作功能力。这些都属于前面讨论过的技术类和热力经济类损失。

需要指出:即使存在着这些损失,如果工质的升温曲线能和热源的温降曲线平行,它的降温曲线能和冷却水的升温曲线平行,则实际作功能力还能提高。但是,因为作为工质的水,它的沸腾和冷凝都在恒温条件下发生的,它们不可能同热源的降温以及冷却水的升温曲线平行。我们把这作功的差值统称为结构损失。如前所述,降低这些结构损失是卡琳娜循环的设计的目标。

最终把我们引向卡琳娜循环的生命之液:一种氨-水混合物的工质。

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,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。

相变图

卡琳娜循环的基本出发点是从上述第一个特点中获益。即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。也就是说,蒸馏过程开始发生。反过来说,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80psig(552KPa)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。

现在需要关心的是两条曲线之间的区域。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。

一旦混合物液体开始沸腾,在它完全蒸发之前,该混合物实际上存在着气态和液态两种分离的状态。例如,点4表示了氨-水混合物在150ºF(66ºC)温度条件下氨平均浓度为70%的状态;点5表示了该混合物的汽态;如前所述,该汽态物中富含97%的氨和只含3%的水。点6表示了氨-水混合物中氨含量只有36%的情况。

利用比例关系,质量含量为97%的富氨蒸汽可用下列关系式表示:

(pt4-pt6) / (pt5-pt6)

(70-36) / (97-36) =55.7% 即所占比例为:55.7%

质量含量为36%的液态氨-水混合物用下列关系式表示:

(pt5-pt4) / (pt5-pt6)

(97-70) / (97-36) =44.3% 即所占比例为:44.3%

对该溶液继续加热,溶液则继续蒸发,直达温度为240ºF(116ºC)的点7,全部溶液都达到饱和蒸汽状态。倘若再继续加热,该氨-水混合物蒸汽则达到过热状态。当该氨-水混合物蒸汽被冷却,则上述过程会完全逆向进行。

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。

由图6表示了当氨-水混合物被一股废烟气加热时的温度分布情况。该含70%氨的氨-水混合物在工作压力为500psig(3447kpa)时,被从100ºF(38ºC)加热到550ºF(288ºC)达到过热状态。该股废烟气的初始温度为550ºF(288ºC),随着氨-水混合物从100ºF(38ºC)

首先被加热到200ºF(93ºC)的液体饱和温度,然后达到蒸汽的饱和温度363ºF(184ºC),最后被过热137ºF(76ºC),达到终温500ºF(260ºC)。随着将自身的热能释放给氨-水混合物,本例中的废烟气从初温的550ºF(288ºC)被冷却到约200ºF (93ºC)。

倘若利用同上例相同的热源和相同的接近点温度,现在我们下面来对压力为

500psig(3447kpa)的纯水作讨论。

如图7所示,初始温度为100ºF(38ºC)的水,被加热到467ºF (242ºC)的饱和温度。随着继续吸热,饱和水“沸腾”,并从饱和水变成饱和蒸汽,在这过程中温度是不变的。该饱和汽或饱和蒸汽最终被过热到

500ºF(260ºC)的状态。

图7表明,水的恒定的高沸点温度**了它从热源能够吸取的热量。

针对终温为500ºF(260ºC)的废烟气需要指出的是:水是无法利用废烟气中500ºF(260ºC)以下的热能的。

众所周知,在压力为500psig(3447kpa)时,水仅能吸收相同情况下氨-水混合物所吸收热量的15%。所以,甚至不用谈电站的其它系统如何更有效地利用工质做功,因为已经有85%的可以利用的能量被废弃了。

现在,让我们尝试如何通过降低沸点温度来提高从热源吸收的热能。图8描述了水在100psig(689kpa)压力条件下的吸热过程。由图可见,压力下降,即降低其饱和温度,能够增加热能的萃取值。在这种情况下,水在100psig(689kpa)压力条件下只能吸收压力为500psig(3447kpa)时氨-水混合物能吸收热量的62%。

随着工质温度沸点温度的降低,随着热工质平均温度的下降,就能从热源吸取更多的热量。但是,根据前面的讨论热工质平均温度的下降会导致热力学第二定律效率的降低。

为了能萃取和500psig(3447kpa)压力条件下氨-水混合物相同的吸热量,水必须将其工作压力降低到真空度为8psig(55kpa)。由图9可知,该工质通过在8psig(55kpa)工作压力条件下恒定的低沸点温度,使其平均温度降得更低。

因此,在朗肯循环中为了提高效率,希望提高工质的平均温度,但是,又要通过降低压力,即降低饱和温度的途径来增加工质从有限热源中萃取的热能,可能是一种更加简单的途径。现在应该能够看出为提高朗肯循环电厂效率,需做的努力。

可以在朗肯循环中能做的改进日趋减少,如上述图例比较所示,只有当采用氨-水混合物为工质时,才能既达到相对高的工质平均温度,又能从热源处萃取尽可能多的热量之目的。

令人们感兴趣的是,在大型燃气-蒸汽循环机组中,为了提高循环效率,设计人员往往通过采用双压,甚至三压的设计,使工质吸热过程呈阶梯状进行。在该设计中,高压水从高温废气中吸热,低压水从低温废气中吸热。此举既提高了余热锅炉中工质的平均温度,也增加了该锅炉从烟气侧萃取的总热能量。与此同时,通往汽轮机的高压蒸汽保持设计状态,低压蒸气则通过不同的进汽点进入汽轮机。若采用氨-水混合物作为工质,则因为其吸热曲线同烟气的冷却曲线分布相平行,上述多压系统就可避免。

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-汽混合物蒸汽都会从凝汽式汽轮机在接近其饱和温度的工作条件下被排出。然而,凝汽器中冷却水温是恒定的,所以氨-水混合物蒸汽的压力和温度要比水蒸汽高许多。

压力越高越能导致氨比水挥发的比例大,温度越高则越能体现氨-水混合物凝结温度是变化的特点。

例如:一台凝汽器给定的冷却水温为60ºF(16ºC),朗肯循环中从汽轮机排出蒸汽的参数接近其饱和状态,约为0.6psig和85ºF(4kpa和

29ºC)。此股蒸汽在基本上是同样的压力和温度条件下凝结成饱和水状态。而在同样的冷却水条件下,从汽轮机排出的饱和汽态氨-水混合物的参数为

80psig和240ºF(552kpa和116ºC)。这部分蒸汽到被冷却到它在80psig压力下的70ºF(552kpa或21ºC)饱和液态温度之前,是不能被完全凝结的。

国内外地热发电技术发展现状及趋势

国内外地热发电技术发展现状及趋势 北极星火力发电网讯:地热资源是一种可再生的清洁能源,储量大、分布广,具有清洁环保、用途广泛、稳定性好、可循环利用等特点,与风能、太阳能等相比,不受季节、气候、昼夜变化等外界因素干扰,是一种现实并具有竞争力的新能源。 2017年2月,国家发展和改革委员会编制的《地热能开发利用“十三五”规划》已经正式印发。根据规划内容,“十三五”期间地热能开发将拉动总计2600亿元投资。在此过程中,将探索建立地热能开发的特许经营权招标制度和PPP模式,并且将放开城镇供热市场准入限制,引导地热能开发企业进入城镇供热市场。“十三五”期间,新增地热发电装机容量500兆瓦,到2020年,地热发电装机容量约530兆瓦。 在加快调整能源结构、强化雾霾治理、积极应对气候变化挑战的大格局中,基于地热资源的地位及其利用价值,相关产业将成为重要投资增长点。 全球地热资源分布情况 地球内部蕴藏着难以想象的巨大能量。根据估算,仅地壳最外层10公里范围内,就拥有1254亿焦热量,相当于全世界现产煤炭总发热量的2000倍。如果计算地热能的总量,则相当于煤炭总储量的1.7亿倍。有人估计,地热资源要比水力发电的潜力大100倍。可供利用的地热能即使按1%计算,仅地下3公里以内可开发的热能,就相当于2.9万亿吨煤的能量!

就全球来说,地热资源的分布是不平衡的。明显的地温梯度每公里深度大于30℃的地热异常区,主要分布在板块生长、开裂-大洋扩张脊和板块碰撞,衰亡-消减带部位。环球性的地热带主要有下列4个: (1)环太平洋地热带:世界许多著名的地热田,如美国的盖瑟尔斯、长谷、罗斯福;墨西哥的塞罗、普列托;新西兰的怀腊开;中国的台湾马槽;日本的松川、大岳等均在这一带。 (2)地中海-喜马拉雅地热带:世界第一座地热发电站意大利的拉德瑞罗地热田就位于这个地热带中。中国的西藏羊八井及云南腾冲地热田也在这个地热带中。 (3)大西洋中脊地热带:冰岛的克拉弗拉、纳马菲亚尔和亚速尔群岛等一些地热田就位于这个地热带。 (4)红海-亚丁湾-东非裂谷地热带:包括吉布提、埃塞俄比亚、肯尼亚等国的地热田。

卡琳娜循环

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。

新型动力循环

1压比压气机进出口压力之比 2.温比循环最高温度和最低温度之比 3.节点温差蒸发器入口烟气侧温度与入口处饱和水温度之差 4.接近点温度蒸发器入口处未饱和水温与饱和水温度之差 5.接触点温差省煤器出口未饱和水温和对应压力下的饱和水温度之差 6.比功1Kg空气完成一个循环后对外输出的功 7.热效率工质完成一个循环后把外界加给工质的热量q转换为机械功的百分数 8.最佳压比对每一个温比存在一最大比功所对应的压比称为最佳压比 9.发电所增耗的燃料热量FCP:FCP是热电联产系统比相应的单纯供热系统多消耗的热量除以热电联产系统的净增电出力 10.对机组热效率影响排序 11.热电联产机组的总热效率是热电联产机组输出的电和热的总能量与输入能量的比值 电热比热电联产机组在对外界每小时供应每单位热能时机组对应的所发出的净功率 12.已知程氏双流体循环中某燃烧室能量转换图,列出下列能量平衡式 ①燃气轮机能量平衡关系式 ②机组所发的实际可用功率 ③相对于1kg/h燃料进入燃烧室的压缩空气所携带的热量: ④相对于1kg/h燃料而言流出燃烧室的双流体工质所携带的热量 13.程氏双流体循环的优缺点。优①设备简单②循环热效率高③机组的比功大④变工况特性好⑤可以减少NOx⑥有利于提高余热锅炉效率缺蒸汽连续的排向大气,较难收回,需要大容量的水处理设备向余热锅炉补充软水 14:程氏与余热差别①设备简单②T3高,热效率高③补充软水耗费昂贵④背压高蒸汽做工能力受限 15:余热锅炉优点①结构简单②施工周期短③运行可靠性高④投资低廉 余热锅炉平衡方程①燃气轮机②余热锅炉 ③蒸汽轮机 16.燃料电池的概念工作原理及特点 概念是一种把燃料在燃烧过程中释放的化学能直接转化为电能的装置 工作原理工作时向负极供给燃料(H),向正极供给氧化剂(空气).氢在负极分解成正离子H+和电子e-.氢离子进入电解液中而电子则沿外部电路移向正极用电的负载就接在外部电路中在正极上空气中的氧同电解质液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水这正是水的电解反应的逆过程 特点①能量转换效率高(高效).②环境友好③安静④可靠性高 17.IGCC:设计思想:首先使煤在气化炉中气化成为中热值煤气或低热值煤气,然后通过净化处理,把粗煤气中的灰分和含硫物质尽量除掉,进而供到燃气—蒸汽联合循环机组燃烧做功,借此达到以煤代替石油的目的。 组成部分作用:气化岛—水煤浆的制备和储存和粗煤气显热的回收和除灰脱硫。 动力岛:燃气—蒸汽联合循环发电。空分岛:空气分离。 原因:①碳的转化率冷煤气效率低②热煤气显热回收不充分③低温下损失部分水蒸气的气化潜热④厂用电耗率高⑤燃气轮机和蒸汽轮机的主参数选择不够先进⑥排气温度过高,排气余热未充分利用 改良措施:①以干法煤粉系统来取代水煤浆供给系统②采用高温干法的除灰脱硫系统,并改善热煤气显热回收系统的设计③降低氧气浓度,并使N2返回到燃气轮机中参与循环④选

卡琳娜动力循环技术简述

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。

咨询工程师炼油过程能量整体优化技术原理试卷 86分..

1.单选题【本题型共15道题】 1.卡琳娜动力循环是通过循环工质吸收外界提供的热源蒸发进入膨胀机做功,带动发电机发电,膨胀机出口的循环工质冷却后,经循环泵增压返回至系统的循环过程,其工质为()。 A.氨-水 B.溴化锂-水 C.纯氨 D.氟利昂 2.炼厂的低温热因温度和能量的品质较低,有效能量小,低温热回收宜优先采用的途径是()。 A.低温热发电 B.低温热制冷 C.直接换热替代高温位热量 D.利用热泵升温 3.板式蒸发空冷器的特点是()。 A.采用翅片管作为传热元件 B.将水冷与空冷、传热与传质过程融为一体且兼有两者之长的新型空冷器 C.传热过程一方面依靠水膜与空气间显热传递进行,另一方面利用管外水膜的迅速蒸发来强化管外传热 D.以不锈钢波纹板片作为传热元件,波纹表面湍流程度不高,易结垢 4.低温热利用必须以( )为基础。 A.设备类型

B.全厂工艺装置优化 C.生产负荷 D.外界环境温度 5.适用于回收低温热的海水淡化方法是()。 A.多级闪蒸法 B.低温多效蒸发法 C.反渗透膜法 D.溶剂萃取法 6.热源/热阱匹配时,要考虑工程匹配因素,下列说法错误的是()。 A.先生活后工业,先厂内后厂外 B.保证工艺装置操作安全、平稳,在热阱变化及生产方案切换时不受影响 C.顺序利用,优先考虑长期利用、稳定利用 D.开停工同步性 7.对装置内有单独的锅炉水除氧器时,采用()回收除氧器乏汽用于加热除盐水,提高除盐水进入除氧器温度,降低除氧蒸汽消耗量。 A.富气回收技术 B.乏汽回收技术 C.尾气回收技术 D.氧气回收技 8.重整装置的基本控制点在于稳定()。 A.反应器压力

咨询工程师炼油过程能量整体优化技术原理试卷-86分复习课程

好资料学习----- 道题】【本题型共151.单选题 带卡琳娜动力循环是通过循环工质吸收外界提供的热源蒸发进入膨胀机做功,1.经循环泵增压返回至系统的循环动发电机发电,膨胀机出口的循环工质冷却后,)。过程,其工质为( 水 A.氨- -水.溴化锂 B.纯氨 C D.氟利昂 低温热回收宜优先采用有效能量小,炼厂的低温热因温度和能量的品质较低,2.)。的途径是( A.低温热发电 B.低温热制冷 .直接换热替代高温位热量 C .利用热泵升温 D 3.板式蒸发空冷器的特点是()。 A .采用翅片管作为传热元件 B .将水冷与空冷、传热与传质过程融为一体且兼有两者 之长的新型空冷器 .传热过程一方面依靠水膜与空气间显热传递进行,另一方面利用管外水膜的迅速 C 蒸发来强化管外传热.以不锈钢波纹板片作为传热元件,波纹表面湍流程度不高,易结垢 D为基础。)( 低温热利用必须以 4. 更多精品文档. 好资料学习----- A.设备类型 .全厂工艺装置优化 B C.生产负荷 .外界环境温度 D )。适用于回收低温热的海水淡化方法是( 5. .多级闪蒸法 A B.低温多效蒸发法 .反渗透膜法 C D.溶剂萃取法 )。热阱匹配时,要考虑工程匹配因素,下列说法错误的是(热源/ 6. A .先生活后工业,先厂内后厂外 B.保证工艺装置操作安全、平稳,在热阱变化及生产方案切换时不受影响 C .顺序利用,优先考虑长期利用、稳定利用 .开停工同步性 D提高除7.)回收除氧器乏汽用于加热除盐水,对装置内有单独的锅炉水除 氧器时,采用( 盐水进入除氧器温度,降低除氧蒸汽消耗量。 .富气回收技术 A.乏汽回收技术B C .尾气回收技术 D .氧气回收技重整装置的基本控制点在于稳定(8.)。 更多精品文档. 好资料学习----- A.反应器压力 B .反应器温度 C.反应器进料速度 D.反应器反应速度减压炉和焦化加热的炉管注汽、再生器的稀相注汽、9.注入催化裂化反应 器安全阀防焦蒸汽、催化裂化提升管预提升蒸汽的目的是()。

低品位热源驱动朗肯循环和卡琳娜循环的性能对比

- 58 - 第5期 2018年10月No.5 October,2018 大量低品位和低等级的废热在大型的石化厂运营中被产生,不仅造成环境污染,而且造成了能量的浪费。热能回收和功率回收(将废热转化为电能或再利用电力)是目前回收低等级余热的主要手段。余热发电是中低温热源余热利用的有效手段,余热发电循环根据流程不同,工质不同,可以分为3种类型:水蒸汽朗肯循环(Steam Rankine Cycle ,SRC ),有机工质朗肯循环(Organic Rankine Cycle ,ORC ), 卡琳娜循环(Kalina Cycle )[1] 。对低品位热源高效热能利用的研究,对解决能源危机和环境保护具有重要的现实意义。本研究主要对炼油厂的低品位余热进行有机朗肯循环和卡林纳循环模拟及性能分析。1 计算模型 图1是有机朗肯循环和Kalina 循环的示意图。循环流体和操作参数的选择是影响朗肯循环系统性能的主要因素。作为对传统蒸汽朗肯循环的改进,Kalina 循环是具有氨和水的混合物的动力循环。通过使用氨水混合物在变温条件下实现沸腾特性,废热源的复合曲线可以更好地与工作介质的复合曲线相匹配。Karina 循环具有比水蒸气朗肯循环更高的热效率。Kalina 循环比普通蒸汽朗肯循环更有效(恢复673.15~873.15 K 的显热源,具有大的温差)。当比较有机朗肯循环和Kalina 循环的热力学性质时,许多研究已将热源分类为潜热源和显热源。许多研究表明,Karina 循环在残余热等级较高的情况下具有显著优势,但对于较低等级(低于473.15 K ),当余热特性不同时,不同的研究人员对这两个循环的热力学性能存在很大的争议。 炼油厂的余热资源很复杂:温度范围很宽,在某些情况下,潜热和显热仍然存在。因此,有必要对再生废热源进行分类,并分析两个动力循环的不同类型的余热特性的热效率和效率。 2 典型循环2.1 有机朗肯循环 典型的有机朗肯循环包括预热器、蒸发器、涡轮机、冷凝器和溶液泵。有机工作流体回收预热器和蒸发器中低等级热源提供的热量,预热器的出口温度应为有机工作流体的泡点温度。然后工作流体蒸汽在涡轮机中膨胀工作,涡轮机出口处于低温低压状态,涡轮机出口废气由冷凝器冷凝并送至 溶液泵[3] 。 图1 有机朗肯循环和卡琳娜循环原理 2.2 卡琳娜循环 卡琳娜循环包括预热器、蒸发器、涡轮机、冷凝器和溶液泵。有机工作流体回收预热器和蒸发器中低等级热源提供的热量,预热器的出口温度应为工作介质的泡点温度,然后工作流体蒸汽在涡轮机中膨胀工作,涡轮机出口处于低温和低压状态,涡轮机出口废气由冷凝器冷凝并送至溶液泵。 在这项工作中,AspenPlus 软件用于模拟朗肯循环的剩 作者简介:徐晓虹(1988— ),女,汉族,江苏南通人,助理工程师,硕士;研究方向:热能,暖通,化工设计。 低品位热源驱动朗肯循环和卡琳娜循环的性能对比 徐晓虹1, 2 (1.南京苏杨生物科技有限公司,江苏 南京 210038;2.上海道发能源科技有限公司,上海 202150) 摘 要:在炼油厂中,低品位的热能资源非常丰富,为不同的低品位热源选择合适的电力循环以实现有效的能源利用非常重 要。有机朗肯循环和Kalina 循环都是低温余热利用技术,这两种技术在废热利用方面各有优缺点。本文通过过程模拟,建立了中低温热源驱动的循环模型,并进行了参数影响分析。它表明,有机朗肯循环和Kalina 循环根据余热的差异具有各自的优势。关键词:动力循环;低品位热源;性能分析 现代盐化工 Modern Salt and Chemical Industry

卡琳娜动力循环技术简述

卡琳娜动力循环技术简述 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 300-400? F(149-204? 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

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