卡琳娜循环在燃煤热电联产机组的应用研究

李雯+++韩旭

摘 要：火电厂为了响应国家節能的号召，在不断地进行改进，通过节能降耗提高电厂自身经济效益。文章是将朗火电厂朗肯循环结合卡琳娜循环，实现更大化的节能。目前350MW超临界燃煤热电联产机组，在抽汽回热系统的基础上设置了外置式蒸汽冷却器结构用来节能，文章则是利用卡琳娜循环代替外置式高加蒸汽冷却器，将第3级抽汽作为卡琳娜循环的热源，进一步利用第3段抽汽的过热度，降低不可逆损失，提高机组热效率。经计算比较，卡琳娜循环给电厂带来的效益更可观，一年可带来约600万的额外收入，其回收期约为7.3年。

关键词：卡琳娜循环；蒸汽冷却器；火电厂

引言

现代电厂机组利用给水抽汽回热循环，将蒸汽从汽轮机抽出并在给水加热器中凝结放热。抽汽中大部分热量传递至经过加热器的给水，使进入锅炉省煤器的给水的比没有给水加热器的纯凝汽循环中获得的温升要高的多，因此减少了锅炉对能量的要求，提高了总的循环效率。目前350MW超临界燃煤热电联产机组，在抽汽回热系统的基础上设置了外置式蒸汽冷却器结构用来提高效率，效果显著。本文思想是基于利用卡琳娜循环原理，利用3级抽汽过热度降低能耗，与目前超临界燃煤机组抽汽回热循环加外置式蒸汽冷却器作比较。通过分析比较，利用卡琳娜循环进一步降低3级抽汽过热度有更大的经济效益。

1 带有卡琳娜循环的电厂新设计

1.1 卡琳娜循环

卡琳娜循环是以氨水混合物作为工质的新型动力循环。基本原理跟朗肯循环相同。

1.2 电厂新结构设计的原因及设计图

以350MW超临界燃煤热电联产机组为例，在THA工况下，第3段抽汽温度达到475.6度，而压力仅为2.193MPa，此时该蒸汽过热度达到257.99度。由于3号高加进口水温只有180度左右，故此种换热是不经济的。并且3号高压加热器处于高温和高压差等最为恶劣的工作环境，因此也成为回热设备中故障率最高的高加，因此有必要降低第3级抽汽的过热度，这样不仅可以提高回热系统的热效率，还可以提高机组运行的安全性和可靠性[1]。故在电厂原系统结合卡琳娜循环，将第三段抽汽作为卡琳娜循环的低温热源。加卡琳娜循环的电厂系统简化图如图1。

图1中展示出了电厂优化结构，其利用3段抽汽过热度的简化卡琳娜循环布置图，该系统氨蒸发器热源为3段抽汽。循环工质氨水混合物在氨蒸发器中被加热，然后进入分离器进行汽水分离，过热的氨水蒸汽进入汽轮机膨胀做功，带动发电机发电。分离器分离出来的稀氨水进入回热器加热部分氨水混合物，然后与汽轮机排汽混合进入冷凝器。氨水混合物通过给泵分为两路，一路进入氨蒸发器被加热，另一路进入回热器被加热，两路氨水混合物在出口汇合进入分离器，完成整个卡琳娜循环[2]。

1.3 卡琳娜循环跟电厂朗肯循环的比较

相同热源时卡琳娜循环与朗肯循环的T-S图[3]：

由图2可看出，在定压吸热阶段，朗肯循环曲线与热源曲线偏差较大，可知热源放热过程与水工质的吸热过程偏差较大，不利于水工质的吸热效率，原因在于朗肯循环是以水为工质，水的等温蒸发特性，使循环的平均吸热温度偏低，热源的不可逆损失增大，朗肯循环效率变低。由图3看出在定压吸热阶段，卡琳娜循环与热源温度曲线接近于平行，可知热源的放热过程与氨水混合物的吸热过程比较匹配，原因在于卡琳娜循环以氨水混合物为工质，有变温蒸发的特点，可以使得汽化过程与热源的放热过程更好的匹配，降低换热过程中的不可逆损失，提高余热利用效率，并且氨的沸点远比水的沸点低，在较低的温度下就可以汽化，而且对于低沸点的工作流体，汽轮机入口压力可以更高可降低运行成本[4]。通过对比卡琳娜循环与朗肯循环可知，在中低温条件下，卡琳娜循环的效率高于朗肯循环效率。

1.4 卡琳娜循环经济分析

若选定卡琳娜循环工况参数为：汽轮机进口温度95℃、进口压力1.489MPa、背压0.12MPa、冷却水温度15℃、循环热效率12%，则利用3段抽汽过热度能达到发电量为4MW。若是这样，卡琳娜循环的汽轮机功率为4MW，一年按发电5000h计算，发电量可达2000万kw·h，保守按上网电价0.3元/kw·h，利润可达600万元。

投资情况：按卡琳娜循环发电建设成本11000元/kw[5]计算，回收期约为7.3年。

2 国内现有技术分析

2.1 设置外置式蒸汽冷却器

现在国内电厂通过设置外置式高加蒸汽冷却器，利用第3段抽汽的初温去加热1号高加的出水，此时3段抽汽过热度降低到100度左右，从外置式蒸汽冷却器出来的蒸汽继续加热3号高加给水，这样实现了能级的梯度利用。不仅对3号高加起到保护作用，而且减少了该过程的不可逆损失，降低了电厂的能耗。总之，蒸汽冷却器是现有提高大容量、高参数机组热经济性的有效措施。

串联外置式蒸汽冷却器后系统图[6]如图4。

由图4可看出，水流程为除氧器给水经过给水泵升压，依次流经3号高加、2号高加、1号高加、外置式蒸汽冷却器，最后进入锅炉。3段抽汽先在外置式蒸汽冷却器里加热1号高加出口的给水，抽汽温度降低一定的过热度后，进入3号高压加热器。2段抽汽加热3号高加的出水，1段抽汽加热2号高加的出水，这样实现温差最小化，降低了不可逆损失。

2.2 对高加外置式蒸汽冷却器经济评价

经济分析：

年发电时间按5000h计算，加蒸汽冷却器后约节约848.75吨标准煤，按每吨煤500元计，安装蒸汽冷却器带来的效益约为43.3875万元。

初期投资：针对350MW超临界机组，蒸汽冷却器初期投资约70万元，系统管道组件加土地利用月增加投资35万元[7]，粗略计算，蒸汽冷却器的回收期约为2.5年。

3 卡琳娜循环与蒸汽冷却器的效益比较

不考虑投資的情况下，设置蒸汽冷却器给电厂每年带来的效益是42.3875万元，而卡琳娜循环每年能给电厂带来约600万元的利益。蒸汽冷却器提高效益的方式在于提高了锅炉的给水温度，增大了电厂的全厂热效率，从而降低电厂的煤耗。而卡琳娜循环则是用原来加热给水的过热蒸汽作为卡琳娜循环的热源，通过增加电厂的发电量来增加电厂收益。

粗略的考虑投资，蒸汽冷却器初投资105万，回收期约为2.5年，而卡琳娜循环投资按11000元/kw计算，回收期约7.3年。在二者相差的4.8年期间，蒸汽冷却器带来的效益可达206万元左右，但等卡琳娜循环过了回收期，开始产生效益后，一年即可超过蒸汽冷却器带来的效益，所以相比之下，卡琳娜的优势是很大的。

4 结束语

（1）卡琳娜循环的热循环效率比朗肯循环的效率高，因为卡琳娜循环与热源温度曲线较匹配，对热源的利用率较高。

（2）卡琳娜循环可取代电厂的外置式蒸汽冷却器，利用第3段抽汽带来的效益更高，每年通过多发2000万kw·h，每年可为电厂带来600万元效益。

（3）考虑到卡琳娜循环的投资问题，若按一年发电5000h，大约7.3年可回收成本。

参考文献

[1]田家平，林俊光，吴猛，等.大型火力发电厂外置式蒸汽冷却器的技术经济分析[J].浙江电力，2015，05：36-38.

[2]王春莉，戴军，郭佳，等.卡琳娜循环在火电厂节能降耗中的应用研究[J].自动化仪表，2012，07：56-58+62.

[3]何新平.Kalina循环与Rankine循环在水泥窑低温余热发电中的热力学对比分析[J].水泥技术，2010，03：106-111.

[4]Infraserv GmbH. Integration of Kalina cycle in a combined heat and power plant， a case study[J]. Applied Thermal Engineering 2009（29）：2843-2848.

[5]方鹏.卡琳娜循环在燃煤电厂烟气余热回收利用中的应用分析[J].中国科技投资，2013，Z2：102-103.

[6]叶涛.热力发电厂（第三版）[M].北京：中国电力出版社，2009：75-83.

[7]孔德浩.某电厂高加外置式蒸汽冷却器设置的探讨[J].中国科技纵横，2014（8）.