用于余热回收的三压力氨水动力循环的热力性能

陈世玉 华君叶 陈亚平 吴嘉峰

(东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，南京210096)

中低品位能源种类繁多，研究表明其中约有50%被直接排放至环境中.利用中低品位能源的动力循环，既可以缓解能源紧张问题，又能减少能源生产过程中的环境污染.对于中低品位能源的动力循环，如何选择适合的循环工质和动力循环方式是必须首先考虑的问题［1］.水是传统的动力循环工质，但水在低温阶段的特性并不理想，在常温下水的饱和压力很低，水蒸气比容很大，因而所需透平膨胀机的尺寸庞大，设备费用增加，且摩擦损失亦较大;同时真空条件容易引起空气内漏，造成冷凝器的换热系数降低，需要配备抽气设备，使得系统比较复杂.在中低温余热利用领域，选择低沸点有机工质替代水，即采用有机朗肯循环(organic Rankine cycle)已成为此领域研究的一个热点［2-3］，但其主要的障碍在于工质对臭氧层有破坏作用或是昂贵或是可燃，选择很困难.另一方面，自1984年Kalina［4］提出氨水混合工质动力循环方案以来，氨水混合工质以其具有变温相变，良好热物性，浓度可调和价廉等特性，正逐渐被众多研究者所关注，基于卡列纳(Kalina)循环的氨水动力循环也不断地被完善［5-7］.与纯工质的等温相变相比，氨水工质具有变温相变的特点，与显热热源的变温放热过程配合良好;同时采用吸收器替代冷凝器，使得工质的排热过程也与冷却水的吸热过程相匹配.本文提出一种基于卡列纳循环的改进型氨水动力循环，即三压力氮水吸收式动力循环(3p-AWPC)，该循环优化了氨水动力循环的性能.

1 循环系统

本文围绕一种基于卡列纳循环的改进型氨水动力循环，即三压力氨水吸收式动力循环3p-AWPC展开相关研究.该循环适用于余热温度高于160℃的场合，其循环流程如图1所示.当余热温度低于160℃时，可以采用两压力的简化型氨水动力循环，直接利用透平进气压力作为解吸分离压力［7-8］.在3p-AWPC循环中，将蒸发器和透平中的工质浓度作为工作浓度、低压吸收器出口的工质浓度作为基本浓度和分离器出口工质浓度作为稀溶液浓度.该循环工作压力分为3个等级:高压下工质在蒸发器中被热源加热，产生高温氨水工作蒸汽，在透平中实现由高压降到低压的膨胀过程，并输出功;在低压下，透平排汽在低压吸收器中被稀溶液吸收，生成基本溶液，并将热量排放给冷源;在中间压力下，基本溶液经回热器加热完成解吸过程，分离后重新生成稀溶液和富氨蒸汽，并配制成工作溶液.

图1 三压力氨水吸收式动力循环流程

由图1可见，低压吸收器A1出口基本溶液1经低压氨泵P1升压后分成2路，小部分基本溶液7经阀门V3进入高压吸收器A2喷淋管;大部分基本溶液3进入回热器R，被透平T乏汽的余能加热到两相状态4;在分离器S中产生富氨蒸汽4″和稀溶液4'，稀溶液进入预热器PH内放热，冷却后的稀溶液5经阀门V2节流后进入低压吸收器A1内的喷淋管;在高压吸收器A2中小部分基本溶液8吸收富氨蒸汽4″后成为工作溶液9，经高压氨泵P2升压后进入预热器，然后出口流体12进入由过冷段、蒸发段、过热段组成的蒸发器E.从蒸发器排出的高温高压工作溶液的氨水混合蒸汽15经透平T膨胀作功后，乏汽16首先在回热器R中释放出部分能量，温度降低后进入吸收器A1中被稀溶液6所吸收，成为基本溶液1，继续进行循环.与卡列纳循环相比，改进型循环增加了一个预热器.工作溶液10在预热器中经稀溶液加热后进入蒸发器，这样不但增强了低压吸收器A1的吸收效果，而且可以有效防止蒸发器中的低温腐蚀问题.

三压力氨水动力循环的高压Ph不受吸收和解吸过程的影响，所以循环参数优化不受热源温度的制约.从图2的氨水溶液温度t-浓度x相图可知，循环的解吸压力(中压Pm)、低压吸收压力(低压PL)、工作浓度xw、基本浓度xb以及稀溶液浓度xd之间存在相互制约的关系.

图2 系统相平衡图

此外，由于氨和水的分子量相差不大，在同样的压力和压差下，氨水混合工质与水蒸气工质的等熵膨胀焓降相差不大.采用氨水工质相当于把采用水蒸气工质循环中的透平膨胀线从水蒸气焓熵图的低温低压区移动到了高压区，工质密度增大，焓降减小，这就为利用现有系列的背压式透平作为氨水动力循环的膨胀机创造了条件.

2 循环系统计算模型

采用计算机编程进行热力设计优化需要氨水混合工质的物性计算程序.采用Schulz方程［9］建立物性参数模型.该方程在氨水吸收式制冷中广泛应用，对于中低温段氨水物性具有较高的精度.本文物性计算选取的基准是采用－77℃时纯氨的焓值为0 kJ/kg.在方程适用范围内与相关数据［6］对比发现，混合工质气相及液相的物性计算精度符合工程设计要求(≤5% ～10%).

表1为循环热力计算时各换热器的最小节点端差等循环基础参数的约束条件.表2为根据质量和能量守恒定律对各换热器和循环列出的热力计算公式，忽略了所有换热器和管路的散热损失和压降.

表2中，G为流量，无下标时为透平工质流量，有上横线时为相对流量(对比透平工质流量);cp为比热容;t为温度;p为压力;x为氨的质量浓度;h为焓值;下标h为热源，c为冷源，数字为状态点.

在参数优化过程中，评价该动力循环系统的主要指标如表3所示.由于循环热效率的提高有时是以热源排放温度升高即余热回收率的降低为代价的，此时可能并不能回收更多的动力;动力回收效率综合考虑了循环热效率和余热回收率两方面的因素，因此采用动力回收效率作为衡量余热回收系统的综合热力性能评价指标更加符合余热回收利用的本质.余热回收率的基准温度t0可以取环境温度或余热可能利用的最低温度，本文取50℃.

表1 循环基础参数约束条件

表2 循环主要部件热力计算公式

表3 循环系统主要效率指标

3 循环参数的优化

3.1 循环倍率

在以下分析中设置基本参数:工作浓度0.45，基本浓度0.35，热源温度200℃，冷却水温度25℃.系统的循环倍率f定义为低压吸收器出口和透平的工作流量之比.在工作浓度与基本浓度一定的情况下，f仅与循环解吸压力pm和分离解吸温度t4有关.当其他参数不变时，随着循环倍率f的升高，分离解吸温度t4下降，相应地，预热器出口的工作成分温度降低，同时热源出口温度也降低，因此余热回收率上升;同时随着循环倍率的升高，蒸发器吸热量曲线先快后慢上升，而透平比功曲线呈直线下降，因此循环热效率随循环倍率的升高而降低，两者的综合效果还是稍有利于动力回收效率η0的提高，如图3所示.但总体来说，当循环倍率大于6后，循环倍率对动力回收效率的影响并不大.

3.2 工质浓度

氨水动力循环中的工作浓度、基本浓度和稀溶液浓度，三者之间通过循环倍率建立关系，因此只有2个参数自由度.取循环倍率为6，在其他基础参数不变的情况下，分别选取工作浓度 xw=0.450，0.475，0.500进行对比分析，通过改变基本工质浓度，研究系统热力性能的变化趋势.

图3 循环倍率对系统热力性能的影响

图4显示了计算条件下循环动力回收效率随基本浓度xb和工作浓度xw变化的关系.随着基本浓度的增加，冷凝压力增大，透平焓降相应降低，即膨胀作功减少.然而，基本浓度降低会使透平排汽温度降低，这对于循环中靠透平排汽来加热的解吸分离过程并不利.因此，在不同工作浓度条件下，基本浓度存在对应的最低值，此时可以充分利用透平排汽余能来加热基本工质完成解吸分离过程，并使得系统热力性能最优.计算结果表明，不同工作浓度xw条件下对所应于最低基本浓度xb的动力回收效率最优值比较接近.与此同时，为保证系统设备正常运行，以减少空气漏入冷凝器及透平，冷凝压力需为正值，故基本浓度不宜过低.综上所述，工作浓度和基本浓度存在最佳配对关系.

图4 工质浓度对动力回收效率η0的影响

3.3 热源温度与冷却水温度

在3p-AWPC循环中，吸收和解吸过程与热源温度th无关，因此热源温度可覆盖一个较大的范围.但是，目前氨水混合工质物性的研究仅限制在制冷领域，高温区的氨水溶液物性的校核难以实现，故设定本文的热源温度th变化范围为160～200℃;冷却水温度tc变化范围为20～30℃.图5显示了热源温度与冷却水温度对动力回收效率的影响.由图可见，随着热源温度的升高或冷却水温度的降低，动力回收效率均显著升高，这是由于透平进口温度直接受热源温度的影响，随着透平进口温度和压力的升高，膨胀作功量增加，从而提高了循环热力性能.同样，冷却水温的降低使得系统透平背压随之降低或者通过增加工作浓度使透平进口压力提高，也有利于增大透平作功输出.

图5 热源温度与冷却水温度对动力回收效率的影响

4 3p-AWPC循环与水蒸气朗肯循环的比较

取热源进口温度为200℃，冷却水进口温度为25℃，循环倍率为7，选取优化参数得到3p-AWPC循环优化工况如表4所示.

表43 p-AWPC状态点热力参数

选取相同的热源和冷却水参数，分别将3p-AWPC的算例与蒸发压力不同的2组(SRC1，SRC2)水蒸气朗肯循环(steam Rankine cycle，SRC)算例的结果进行比较，如表5所示.其中SRC1的蒸发温度较低，所以循环热效率较低但余热回收率较高;而SCR2的蒸发温度较高，所以循环热效率较高但余热回收率较低.两者相比，SRC1的动力回收效率较高，而3p-AWPC的动力回收效率比SRC1的高出16.5%.另一个值得注意的数据是循环的压力，3p-AWPC循环的透平进出口压力位于合理范围，出口为正压;而SRC循环的透平出口压力约为3p-AWPC循环的1/20，这会使透平尺寸很大.

表5 3种循环性能参数比较

3种循环的传热曲线如图6所示，图中，E1和C1分别是3p-AWPC循环的工质吸热段和冷源吸热段;E2和C2分别是SRC1循环的工质吸热段和冷源吸热段;E3和C3分别是SRC2循环的工质吸热段和冷源吸热段.可以看出，3p-AWPC循环的动力回收效率较高，其主要原因在于蒸发器中的传热温差不可逆损失较少，同时其余热回收率较高.

图6 3p-AWPC循环与水蒸气朗肯循环传热曲线比较

5 结论

1)对于3p-AWPC循环，吸收和解吸过程与热源温度无关，故可以覆盖较宽的温度范围.本文给出了热源温度200℃，冷却水温度25℃条件下的算例，其循环热效率、余热回收率、动力回收效率分别为12.83%，75%，9.62%.在相同计算条件下，其动力回收效率比水蒸气朗肯循环SRC1高16.5%.

2)当循环倍率大于6时，动力回收效率随循环倍率的变化趋势趋缓.

3)工作浓度和基本浓度的选择影响透平工作压力，两者存在最佳配对关系，每个工作浓度对应有最佳的基本浓度，但不同工作浓度在最佳配对条件下循环的热力性能相差不大.所以工质浓度的选择可以从考虑满足透平系列尺寸进行选型，以及保证透平背压为正压等要求的前提下，考虑最佳浓度配对关系.

References)

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