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260~340 W/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。

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2中低温地热发电技术发展

1.3中低温地热发电系统研究现状

1.4采用氨水工质的制冷/制热系统应用现状

1.5本文研究的主要内容及方法

第二章 Kalina循环发电系统热力学优化

2.1 Kalina循环发电系统介绍

2.2 Kalina循环发电系统仿真模型

2.3 Kalina循环系统性能分析

2.4本章小结

第三章 地热发电不同循环系统优化及对比分析

3.1 KCS34与ORC循环性能对比分析

3.2 KCS34与KCS11循环性能对比分析

3.3本章小结

第四章 双吸收Kalina循环热力学性能优化

4.1双吸收Kalina循环

4.2双吸收Kalina循环仿真模型

4.3双吸收Kalina循环系统性能分析

4.4本章小结

第五章 吸收升温实验系统的设计与搭建

5.1实验设备的设计计算

5.2实验系统的构建

5.3实验目标

5.4实验操作步骤

5.5本章小结

第六章 吸收升温系统热力性能实验研究

6.1吸收升温性能实验研究

6.2吸收器内传热过程分析

6.3实验系统火用损失分析

6.4模拟与实验结果对比分析

6.5本章小结

第七章 结论和建议

7.1结论

7.2论文创新点

7.3对后续工作的建议

参考文献

符号表

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致谢