三压力氨水吸收式动力循环的热力性能研究

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三压力氨水吸收式动力循环是一种适用于中低温余热驱动的发电循环,是在Kalina循环的基础上提出的改进方案,具有适合的余热温度范围较宽、循环回热流程更加合理、效率较高、可变浓度调节等特点。本文采用理论分析与数值模拟研究相结合的方式,就三压力氨水吸收式动力循环的热力性能,从以下几个方面开展了创新性研究:  对一种根据Kalina循环改进的适用于中低温热源驱动的氨水吸收式动力循环进行了热力学分析计算。首先采用Schulz方程与PR方程分区域进行了氨水混合工质热状态参数计算,并得到较高精度的计算结果。在氨水工质状态参数计算的基础上,采用热效率、动力回收效率以及火用效率为系统评价指标,分别从热力学第一定律以及热力学第二定律的角度完成了对整个循环的热力学分析,得到循环过程各个状态点的状态参数,分析了浓度、温度、循环倍率等重要参数对循环热力性能的影响,以寻求循环高效经济运行的最佳参数设置。在蒸发温度300℃,冷却水温度25℃,循环倍率5.5的工况下,系统热效率ηth、动力回收效率η0及火用效率ηex分别可达17.86%、15.87%和51.17%。通过对循环各个关键参数的优化分析,发现循环倍率对系统热力性能的影响不大;氨水工质的工作浓度对系统压力影响较大,需要根据透平背压为正压或透平进口压力适当的条件进行选择;而氨水工质的工作浓度和基本浓度存在最佳匹配对,基本浓度高于最佳值则循环效率降低,反之则回热解吸过程不能满足要求。此外,与传统纯水工质动力循环进行对比,分析了氨水混合工质作为动力工质的优势。通过用本文所采用的计算模型对现有文献试验数据的校核计算结果对比表明,计算模型与参考文献所给出的各状态参数值吻合良好,其循环热效率指标的相对误差在6.06%左右,表明计算模型的方法可靠。  对氨水吸收式动力循环的关键部件进行了热力学及传热分析,并提出相应优化的方向或途径。根据热力学第二定律火用分析原理对氨水吸收式动力循环的关键部件进行分析,发现循环最大的不可逆损失在于蒸发器。在热源进口温度300℃,冷却水温度25℃的算例工况下蒸发器火用损失份额可达39.44%,其中低于热源排放温度以下的火用损占蒸发器火用损的16.4%,而蒸发器火用效率为76.8%。对蒸发过程中的过冷、沸腾以及过热三个换热阶段,将蒸发器分为三段虚拟的换热器,内部不可逆损失可根据温度曲线分析。研究结果表明整个蒸发过程中过冷段开始点(即蒸发器进口点)与过热段开始点(即沸腾段结束点)熵增率最大。对冷凝吸收过程,由于其传热传质机理较为复杂,采用先混合后冷却的简化模型进行分析。在相同冷热源条件下对比并分析采用纯水工质与氨水混合工质的透平膨胀过程。  变浓度调节功率方式是氨水动力循环所特有的一种调节方式,以工质浓度的变化来实现相同热源温度下的进汽压力变化,可以在透平前节流阀全开时调整透平的质量流量,从而可在避免节流损失的情况下实现透平的功率调节。通过建立过渡过程动态模型分析循环各个回路浓度变化的非稳态过程和调节所需时间。从满负荷到60%满负荷的变化工况下浓度变化过渡过程需要的时间约为63.4min。与通常采用的具有较大节流损失的透平进口阀门节流调节方案进行对比分析,从透平流量100%变为原来的60%的变工况下,变浓度调节方式较节流方式所得热效率高28.41%。氨水变浓度调节的缺点在于调节时间较长有滞后性,因此实际应用中可以采用氨水变浓度与节流调节方式相结合的手段进行透平变工况调节。  参与完成了氨水吸收式动力循环的试验台相关搭建工作,试验系统以导热油为热源,冷却水为冷源,膨胀装置采用阀门加带水冷套的节流器。试验测量仪表可确保试验结果的不确定度相对误差符合工程精度要求范围。同时对试验系统提出了相关改进分析和合理化建议。  在对氨水吸收式动力循环系统研究的基础上,设计了氨水吸收式动力/供热以及动力/制冷联合循环。通过热水器的设置,采用分离器出口中压稀溶液来加热中压吸收器口的冷却水,从而获得了温度50.5℃左右的生活热水。通过在中压吸收器出口分流一部分工作溶液流经由过冷器、节流阀以及蒸发器组成的制冷回路,返回低压吸收器内,可以实现动力/制冷联合循环。在所研究工况下,其循环热效率与火用效率分别可达16.4%与48.3%,两者较同等条件下的氨水吸收式动力循环分别高出24.24%和8.16%。氨水吸收式动力/制冷联合循环为中低品位余热动力循环提供了新思路。
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