二级回热式氨水循环发电系统性能

冯金勇，张子建，李静芬，葛裕民

（上海船用柴油机研究所，上海 201108）

0 引 言

目前，性能优良的船舶柴油机的热效率一般在50%左右，剩余的50%左右的能量以各种形式散失，其中25%～30%的热量被排气带走。高温排气余热属于中高品位的能量，可用来发电和产生动力。在当前节能环保呼声不断增强，船舶能效国际法规日益严苛的情况下，研发船舶柴油机排气余热回收利用装置势在必行。

与传统的朗肯循环、温差发电和动力涡轮发电技术相比，氨水循环发电系统以非共沸氨水混合物为工质，在换热过程中具有变温相变的特性，能缩小换热温差，减少不可逆损失，提高能量回收率。目前，国内外有关氨水循环发电系统的研究多集中于海洋温差能、地热能和太阳能等领域。HONG 等研究了中温太阳能驱动的氨水发电循环，其使用抛物线式收集器，通过可变的浓度比适应不同的直接辐照度范围，可获得4%～20%的太阳能发电效率，每年的太阳能发电效率约为14%。SUN 等在氨水循环的基础上研究了带过热器的太阳能利用系统，对该系统进行了参数性能分析，结果表明，系统压差是衡量发电循环热效率的重要性能指标。刘煜森等将氨水循环应用到海洋温差发电中，基于Aspen Plus 软件对系统进行模拟，计算了各设备的损失，并分析了蒸发压力和氨水浓度对系统各参数的影响。王春莉等根据氨水动力循环技术可深度利用火电机组的排气余热和排汽凝结热的优点，在不影响电厂循环热效率的前提下，采用该技术将机组输出电功率提高了1%左右。

综上所述，国内外学者对氨水循环发电系统在海洋温差能、地热和太阳能发电等领域的运行性能进行了深入研究，并在实际工程中进行了应用，但对其在船舶领域的运行性能开展的研究较少。本文以船舶柴油机排气为热源，采用二级回热式氨水循环发电系统，将透平输出功率和系统热效率作为评价指标，研究分析蒸发温度、蒸发压力、氨水基液浓度和冷却水温度对系统性能的影响，并通过多参数对比分析，得到针对特定柴油机排气温度的氨水循环发电系统最佳运行点。

1 二级回热式氨水循环发电系统原理

氨水循环发电系统是在朗肯循环上的一种设计优化，同时针对柴油机的运行特性和排气温度波动较大的特点，为稳定热源增加导热油回路。

二级回热式氨水循环发电系统原理图见图1。柴油机排出的气体经排气换热器将能量传递给低压导热油，导热油经蒸汽发生器对氨水工质加热；一定浓度的氨水基础溶液1 进入蒸汽发生器，与高能导热油换热，此过程中氨水基液吸热之后实现变温相变，成为气、液两相工质2；气、液两相工质进入气液分离器，分离为富氨饱和蒸汽3 和贫氨饱和溶液4；富氨饱和蒸汽进入透平做功，完成做功之后产生的富氨乏汽5进入混合器；温度较高的贫氨饱和溶液4 经高温回热器与低温氨水基液12 换热，实现系统内部能量回收；贫氨溶液6 经节流阀降压之后，与富氨乏汽一起进入混合器混合为氨水基液8；氨水基液8 进入低温回热器被吸收潜热能，进一步降温形成温度和气相率较低的氨水基液9；氨水基液9 进入冷凝器被冷凝为氨水基液10；氨水基液10 通过氨水泵加压，并经低温回热器和高温回热器二级回热升温之后进入蒸汽发生器，形成一个完整的循环。循环中既有传热过程，又有传质分离过程，理想温熵（T-S）图见图2。

图1 二级回热式氨水循环发电系统原理图

图2 系统T-S 图

2 二级回热式氨水循环发电系统仿真模型

2.1 设计输入

本文以某型低速船舶柴油机排气为热源，二级回热式氨水循环系统设计输入参数见表1。

表1 二级回热式氨水循环系统设计输入参数

2.2 主要设备数学模型和参数定义

根据热力学第一定律，从能量的数量角度分析装置或设备中能量的转换、传递、利用和损失情况。主要热力学指标为热效率和透平输出功，其中热效率为有效输出的能量与总能量消耗之比。

3) 透平发电机组的发电量和效率分别为

式(5)和式(6)中： W为透平机组发电量，kW； h为透平出口富氨蒸汽的比焓，kJ/kg；η为透平发电机组效率；η为透平等熵膨胀效率；η为透平发电机组机械传动效率；η为发电机效率。

4) 混合器的氨组分质量守恒、总质量守恒和能量守恒的表达式分别为

式(7)～式(9)中： x为混合器出口处氨水基液的干度； x为透平出口乏汽的干度； x为节流阀后贫氨溶液的干度； h为混合器出口处氨水基液的比焓，kJ/kg； h为透平出口乏汽的比焓，kJ/kg； h为节流阀后贫氨溶液的比焓，kJ/kg。

5) 泵的功耗和等熵效率分别为

式(10)和式(11)中：W 为工质泵消耗的功，kW；η为工质泵机械效率；η 为工质泵电机效率；η 为泵的等熵效率； h为工质泵出口工质的比焓，kJ/kg； h为工质泵进口工质的比焓，kJ/kg； h为工质泵理想工质泵出口处的比焓，kJ/kg。

6) 系统的热效率为

式(12)中：η 为系统热效率；Q 为烟油换热器的热负荷，kW。

2.3 仿真模型搭建

根据设计的二级回热式氨水循环发电系统的模块组成、运行特点和输入参数，利用Aspen plus 搭建系统一维仿真模型（见图3）。

图3 二级回热式氨水循环发电系统仿真模型

根据设计输入参数，仿真模型运行结果见图4，可认为系统运行无误，可进行仿真计算。

图4 仿真模型运行结果界面

3 特征参数对系统性能的影响

本文通过设定系统净发电量，调节氨水基液浓度、蒸发压力、蒸发温度和冷却水温度等参数，分析其对系统性能的影响，并对系统参数进行优化，确定系统最佳运行点。

对系统设置参数和运行条件做以下设定和假设：

1) 计算时系统中的流体已达到稳定流动状态；

2) 为方便比较氨水循环发电系统的热效率，使排气换热器排气出口的温度为170℃；

3) 由于各氨水基液浓度梯度下系统运行均有相似的变化特性，因此仅对部分氨水基液浓度特性进行研究，分别针对25%～55%氨水基液浓度进行计算分析；

4) 蒸发压力的选取需考虑设备选型、透平出口乏汽干度和系统工况点的影响，选取蒸发压力区间为2.5～4.0MPa，变化步长为1.0MPa；

5) 为降低透平“汽蚀”的影响，要求透平出口富氨乏汽干度不低于90%，对透平进口富氨饱和蒸汽浓度不作要求；

6) 为保证系统平稳运行、易于控制，将自基液泵出口至蒸汽发生器进口的氨水基液限制为液相状态，无气、液两相流；

7） 设定柴油机排气流量为变量，设定系统净输出功率为800kW，即将800kW 设定为恒输出发电量。

3.1 氨水基液浓度对系统性能的影响

在不同氨水基液浓度下对系统进行仿真时，蒸发压力范围为3～4MPa，变化步长为0.5MPa；蒸发温度为200℃，冷凝温度取40℃。氨水基液浓度对系统性能的影响见图5。

图5 氨水基液浓度对系统性能的影响

由图5 可知，在温度和压力一定的情况下，氨水基液浓度越大，基液质量流量越小，富氨蒸汽质量流量越大。这是因为随着氨水基液浓度的增大，基液中的氨越来越易析出，分离器分离出的进入透平做功的富氨蒸汽比例越来越大，在净输出功率一定的情况下，基液的质量流量越来越小。贫氨溶液的质量流量随着氨水基液浓度的升高而下降，这说明氨水基液浓度越大，用于做功的富氨工质的流量越大，即富氨蒸汽占比( m/ m)越大，而用于回热的贫氨溶液的流量减小，系统回热量减少。此外可看出，乏汽干度随着氨水基液浓度和富氨蒸汽流量的增大而逐渐增大。在透平入口压力一定的情况下，随着基液浓度的增大，循环吸热量也增加，这是由于循环回热量随着氨水基液浓度的增大而减少，这使得热源放热量更多，因此循环吸热量增加。此外还可看出，透平输出功率随着氨水基液浓度的增大而下降。由于基液流量随着浓度的增大而减小，泵功耗减少，在净输出功率一定的情况下，透平输出功率下降。氨水循环系统热效率随着氨水基液浓度的增大而下降，这是由于系统净输出功率一定，而循环吸热量随着浓度的升高而增大，因此系统热效率下降。

3.2 蒸发压力对系统性能的影响

在对不同蒸发压力下的循环系统进行仿真时，氨水基液浓度取40%，蒸发温度取180℃、190℃和200℃，冷凝温度取40℃。蒸发压力对系统性能的影响见图6。

图6 蒸发压力对系统性能的影响

由图6 可知，随着蒸发压力的逐渐升高，氨水基液的流量逐渐增大，富氨蒸汽的做功能力增强，质量流量逐渐减小，这导致贫氨溶液的质量流量增大，系统回热量增多；随着蒸发压力的进一步升高，富氨蒸汽流量减小的趋势变缓。此外可看出，提高主蒸汽的压力虽然会提高工质的平均吸热温度，使热效率得到提高，但乏汽干度会随着蒸发压力的升高而下降。随着蒸发压力的升高，富氨工质做功的能力增强，循环吸热量减少。此外还可看出，透平机组输出功率随着蒸发压力的升高而增大，这是因为蒸发压力越高，透平进出口焓降越大，蒸汽做功的能力越强，机组的输出功率越大。随着蒸发压力的升高，氨水循环的平均吸热温度也升高，循环热效率提高。

3.3 蒸发温度对系统性能的影响

在对不同蒸发温度下的系统进行仿真时，氨水浓度取40%，冷凝温度取33℃、40℃和45℃，蒸发压力取2MPa。蒸发温度对系统性能的影响见图7。

图7 蒸发温度对系统性能的影响

由图7 可知，随着蒸发温度的升高，基液流量逐渐下降，下降幅度随着温度的升高而减小。这是因为蒸发温度越高，透平等效焓降越大，蒸汽做功的能力越强，因此基液氨水流量和富氨蒸汽流量均下降，而贫氨溶液流量基本保持不变，这说明基液氨水流量与富氨蒸汽流量的下降趋势基本一致。在氨水循环系统中提高主蒸汽的温度同样会使透平乏汽干度升高。同时可看出，随着主蒸汽温度在泡点至露点范围内升高，循环吸热量呈先减少后增多的趋势。这是因为随着蒸发温度升高，在净输出功率一定的情况下，循环所需的氨水质量流量减小，较小的质量流量会导致循环吸热量较少，但蒸发温度越高，将工质加热到对应温度所需的热量也更多，这会使循环吸热量增加。在温度升高的初始阶段，基液氨水质量流量减少起主要作用，循环吸热量减少，而随着蒸发温度的进一步升高，工质质量流量的下降幅度减小，此时温度占主导作用，使循环吸热量逐渐增加。随着温度的升高，透平输出功率逐渐减小，这是因为工质流量减小使工质泵功耗下降，在净输出功率一定的情况下，透平做功减小。此外还可看出，随着氨水的蒸发温度在泡点到露点范围内增大，系统的热效率先升高后下降，这是因为在此次仿真中氨水发电系统的净发电功率为800kW，而循环吸热量随着蒸发温度的升高先减少后增加，因此系统热效率随着蒸发温度的升高先升高后下降。

3.4 冷却水温度对系统性能的影响

试验中，冷却水温度会随着环境温度发生改变，取冷却水温度分别为20℃、25℃、32℃、37℃和42℃，系统冷凝器下端差为5K，冷凝水过冷度为3K，对该温度下的循环系统进行仿真，得到系统参数并进行分析，其中氨水基液浓度取35%、40%和45%，蒸发温度取200℃，蒸发压力取3.5MPa。冷却水温度对系统性能的影响见图8。

图8 冷却水温度对系统性能的影响

由图8 可知，随着冷却水温度的升高，各工质的流量均增大，这是因为冷却水温度越高，循环系统的乏汽温度也越高，使得系统效率下降，在净效率一定的情况下，氨水基液流量和富氨蒸汽流量会增大，而从增大的趋势来说，氨水基液质量流量的增大趋势要比富氨蒸汽明显，这使得贫氨溶液的流量也随着冷却水温度的升高而增大。由于冷却水温度决定冷凝温度，而在氨水循环系统中冷凝温度越高，乏汽干度就越高，因此乏汽干度随着冷却水温度的升高而升高。同时可看出，由于低冷却水温度对应的冷凝温度较低，效率较高，因此在净输出功率相同的情况下，冷却水温度越高，循环吸热量越多。此外还可看出，冷却水温度较高，对应的透平机组输出功率较大。这是因为当净输出功率为一定时，冷却水温度高的循环，相同氨水工质的质量流量越高，工质泵耗去的功越多，使得透平机组只有输出更高的功率才能使净输出功率不变。氨水循环系统的冷凝温度是由冷却水温度确定的，因此改变冷却水温度对循环热效率有直接影响。冷却水温度越高，系统冷凝温度越高，热效率越低。

3.5 二级回热式氨水循环系统最优运行点

以热效率最高为目标函数优化待定参数。考虑到氨水循环透平设计的可行性，氨水透平入口压力不得高于4.0MPa。通过仿真计算，二级回热式氨水循环发电系统优化之后各状态点的最佳运行参数见表2，系统设计点性能见表3。

表2 二级回热式氨水循环发电系统各状态点的最佳运行参数

表3 二级回热式氨水循环发电系统设计点性能

4 结 语

本文利用一维软件搭建了800kW 二级回热式氨水循环发电系统仿真模型，在不同氨水基液浓度、蒸发压力、蒸发温度和冷却水温度下对氨水循环系统进行了仿真，得到了不同特征参数对系统性能的影响规律。基于特征参数对系统性能的影响，对系统最佳运行点的选择进行了分析并得到了最佳运行点，以及系统关键设备在最佳运行点下的选型参数。针对268℃柴油机排气热源，可得：

1) 在蒸发压力、蒸发温度和冷却水温度一定的条件下，二级回热式氨水循环系统的热效率随着氨水基液浓度的增大而下降；

2) 在氨水基液浓度、蒸发温度和冷却水温度一定的条件下，二级回热式氨水循环系统的热效率随着蒸发压力的增大而升高；

3) 在氨水基液浓度、蒸发压力和冷却水温度一定的条件下，二级回热式氨水循环系统的热效率随着蒸发温度的升高而先升高后趋于平稳；

4) 在氨水基液浓度、蒸发压力和蒸发温度一定的条件下，二级回热式氨水循环系统的热效率随着冷却水温度的升高而下降；

5) 在该二级回热式氨水循环系统型式下，最优运行点性能参数为氨水基液浓度44%、蒸发压力4.0MPa、蒸发温度214℃时，系统热效率最高达到11.52%。