中低温地热能双吸收Kalina循环系统热力学优化与实验研究

【摘要】：化石能源的日益枯竭推动了可再生能源发电技术的发展，其中以有机朗肯循环系统（Organic Rankine Cycle, ORC）和Kalina循环系统为代表的双循环发电技术得到了广泛的关注。对于中低温热能，由于氨水工质的变温相变特性使得Kalina循环的性能优于ORC循环。在中低温地热发电系统中，Kalina发电循环系统的排水温度（高于80℃）较高，热源未被充分利用。采用第二类吸收式热泵回收发电后地热尾水的热量，可以降低地热尾水的排放温度并相应提高系统净发电功率，故将Kalina循环与第二类吸收式热泵耦合形成双吸收Kalina循环发电系统。 本文针对Kalina (KCS34和KCS11)、ORC等循环模式，在确立以系统的净发电功率、热效率和火用效率作为发电系统的技术目标函数的基础上，以实现中低温地热资源充分利用为目的。采用了参数优化分析方法，对不同系统的循环形式与循环参数进行热力学优化，得出适用范围内的最佳性能参数，以提高系统的技术经济性。 此外，着眼于拓展中低温地热资源的适用范围，改进中低温发电循环系统的循环形式，并提出双吸收Kalina循环系统。以单位地热水发电功率为性能评价指标，采用敏感性分析法和参数分析法分别对热源温度、冷源温度、氨水浓度、流量、循环倍率等参数对吸收升温性能的影响进行了分析和研究。在此基础上，设计并搭建吸收升温实验装置，对循环系统关键部件性能和系统性能开展了实验研究。其中，主要从系统的传热特性和吸收升温性能，对不同工况下仿真计算与实验测试得出的循环参数进行了对比分析。验证双吸收Kalina循环系统的可行性，并为双吸收Kalina循环设计提供数据支持和优化分析基础。主要结论： （1）在Kalina发电循环系统中，氨水浓度和汽轮机入口压力在一定冷、热源条件下存在最佳匹配关系。循环系统净发电功率与热源温度和冷源温度有着密切的关系；冷凝温度升高使得汽轮机出口压力呈指数关系增长。当冷却水温度较高时，Kalina循环中的低温回热器作用并不明显。 （2）对于ORC发电循环，随着热源温度的升高，工质的最佳蒸发温度逐步提高，对应的蒸发压力也随之升高。热源温度高于100℃时，KCS34循环发电性能优于ORC循环，而KCS34循环的工作压力是ORC循环的3.5倍左右。 （3）双吸收Kalina发电循环净发电功率比Kalina循环高8%。双吸收Kalina循环系统的热效率和净发电功率都随着发生压力的变化而存在最优值。当热源温度为122℃，冷源温度为25℃时，最佳浓度和汽轮机入口压力分别为0.7和46bar。吸收升温中的蒸发压力在10~20bar范围内对双吸收Kalina循环系统的发电性能影响较小。 （4）在吸收升温装置中，冷、热源温度的变化对于吸收升温装置的影响程度分别为10%、9.8%和6%。吸收器管内流体的流态为湍流时，吸收器的吸收能力较好。根据吸收升温实验数据分析，冷凝器火用损失最大，依次是蒸发器、吸收器，火用损失最小的是发生器。 （5）吸收升温装置中吸收器的传热系数要低于理论设计值，在260~340W/m2·K之间。吸收升温系统的实验数据与模拟结果的变化趋势基本一致，但温升能力相差6℃左右，且实验系统内高压和低压部分的压差要比模拟结果小3bar左右。 【关键词】：双吸收Kalina循环 氨水混合工质 热力学优化 敏感性分析 火用分析 有机朗肯循环
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK521
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 研究背景11-13
• 1.2 中低温地热发电技术发展13-14
• 1.3 中低温地热发电系统研究现状14-20
• 1.3.1 Kalina 循环系统的优势14-15
• 1.3.2 Kalina 地热发电技术发展概况15-17
• 1.3.3 中低温地热发电循环系统比较17-19
• 1.3.4 Kalina 循环系统的改进方向19-20
• 1.4 采用氨水工质的制冷/制热系统应用现状20-21
• 1.5 本文研究的主要内容及方法21-23
• 第二章 Kalina循环发电系统热力学优化23-41
• 2.1 Kalina 循环发电系统介绍23-27
• 2.1.1 Kalina 循环原理23-24
• 2.1.2 Kalina 循环优点24-27
• 2.2 Kalina 循环发电系统仿真模型27-31
• 2.2.1 基本控制方程27-29
• 2.2.2 循环参数29-30
• 2.2.3 仿真计算流程30-31
• 2.3 Kalina 循环系统性能分析31-40
• 2.3.1 动态环境工况对系统性能影响32-35
• 2.3.2 氨质量浓度对系统性能影响35-36
• 2.3.3 汽轮机入口压力对系统性能影响36-38
• 2.3.4 汽轮机出口干度对系统性能影响38-39
• 2.3.5 部件不可逆损失对系统性能影响39-40
• 2.4 本章小结40-41
• 第三章 地热发电不同循环系统优化及对比分析41-55
• 3.1 KCS34 与 ORC 循环性能对比分析41-47
• 3.1.1 ORC 系统原理41-42
• 3.1.2 ORC 系统仿真模型42
• 3.1.3 KCS34 与 ORC 系统性能的对比42-47
• 3.2 KCS34 与 KCS11 循环性能对比分析47-53
• 3.2.1 KCS11 系统原理47-48
• 3.2.2 KCS11 系统仿真模型48-49
• 3.2.3 KCS34 与 KCS11 系统性能的对比49-53
• 3.3 本章小结53-55
• 第四章 双吸收Kalina循环热力学性能优化55-75
• 4.1 双吸收 Kalina 循环55-58
• 4.2 双吸收 Kalina 循环仿真模型58-60
• 4.3 双吸收 Kalina 循环系统性能分析60-74
• 4.3.1 动态环境工况对系统性能影响62-65
• 4.3.2 氨质量浓度对系统性能影响65-66
• 4.3.3 汽轮机入口压力对系统性能影响66-67
• 4.3.4 蒸发压力对系统性能影响67-70
• 4.3.5 吸收器对升温性能影响70-72
• 4.3.6 汽轮机出口干度对系统性能影响72-73
• 4.3.7 换热面积对比与经济性评价73-74
• 4.4 本章小结74-75
• 第五章 吸收升温实验系统的设计与搭建75-95
• 5.1 实验设备的设计计算75-81
• 5.1.1 系统状态参数的确定76-77
• 5.1.2 换热面积计算77-81
• 5.2 实验系统的构建81-92
• 5.2.1 实验装置结构设计81-88
• 5.2.2 附属设备与测试仪器88-92
• 5.3 实验目标92
• 5.4 实验操作步骤92-94
• 5.5 本章小结94-95
• 第六章 吸收升温系统热力性能实验研究95-116
• 6.1 吸收升温性能实验研究95-104
• 6.1.1 动态环境工况对升温性能影响95-99
• 6.1.2 氨水浓度对升温性能影响99-100
• 6.1.3 影响因素规律与敏感性分析100-104
• 6.2 吸收器内传热过程分析104-108
• 6.2.1 雷诺数影响分析104-106
• 6.2.2 传热系数影响分析106-108
• 6.3 实验系统火用损失分析108-110
• 6.4 模拟与实验结果对比分析110-115
• 6.4.1 吸收器温升对比110-111
• 6.4.2 吸收器循环倍率对比111-112
• 6.4.3 吸收升温系统压力对比112-113
• 6.4.4 系统性能误差分析113-115
• 6.5 本章小结115-116
• 第七章 结论和建议116-120
• 7.1 结论116-117
• 7.2 论文创新点117-119
• 7.3 对后续工作的建议119-120
• 参考文献120-128
• 符号表128-130
• 发表论文和参加科研情况说明130-132
• 致谢132-133

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