太阳能Kalina循环系统的优化方案

Kalina循环除用于地热能发电外，还可用于太阳能发电。太阳能作为一种可再生能源，具有良好的环保特性，可应用于各种不同地区的分布式发电系统。图6-15所示为一种采用Kalina循环的太阳能热发电系统［52］。采用FPC，利用太阳能实现氨水的蒸发，对于工质温度较低的低温动力循环，采用FPC可用较低的成本获得高的热能。采用额外的过热器对高压分离器出口的气态工质进行过热。过热器提供的能量占总供热量的5%～10%，系统工作压力较低，为0.2～4.5 bar，工质最高工作温度为130℃。氨质量分数和膨胀压力是影响系统热效率的重要参数。在KCS34系统中，膨胀机出口的乏汽经过气液分离器被出口的低压液体吸收后再冷凝，本系统的Kalina循环膨胀机出口的低压气态工质先经过蒸气冷却器散热后变成气液两相状态，随后与来自气液分离器的经过充分回热的低温低压状态的稀液态氨水混合，气态工质被充分吸收，再经过工质泵加压到高压状态。系统工质先由板式加热器内介质加热到70℃，随后在过热器中被加热到130℃，过热器能量可由PTC提供。对应的系统工作过程的T-h图如图6-15（b）所示。图中4w～1w表示来自分离器的稀溶液状态，1r～4r为来自吸收器的浓溶液状态，它们之间的换热过程配合较好，有利于提高系统的效率。

图6-15　一种采用Kalina循环的太阳能热发电系统［52］

（a）系统结构；（b）工作过程的T-h图

根据系统的工作条件，系统的最高工作压力由氨质量分数和气液分离器工作温度决定。在不同的氨质量分数下，最低工作压力对系统性能的影响如图6-16所示。对于给定的蒸气质量分数，提高系统最低工作压力使热效率和比净输出功降低，随着氨质量分数的减小，系统性能对最低工作压力的变化更加敏感。

定义热量比HR为过热器提供热量与总供热量的比：

定义性能因子PF为系统净输出功率与过热器供热量的比：

在给定的氨质量分数下，所需热量比随着系统最低工作压力的增大而升高，随着氨质量分数的增加，对应的热量比也在升高。当氨质量分数一定时，性能因子随着最低工作压力的增大而降低，当氨质量分数降低时，对应的性能因子最高值逐渐增大。

图6-16　最低工作压力对系统性能的影响［52］

（a）热效率

图6-16　最低工作压力对系统性能的影响［52］（续）

（b）比净输出功；（c）热量比HR；（d）性能因子PF

由于集热器内流体可被加热到200℃以上，针对太阳能应用的KCS34系统，可在高压分离器的工作溶液后加入一个过热器，过热器的能量可由地热能、太阳能或其他辅助热源提供，进一步提高工作溶液的温度，增大涡轮膨胀功［53］，［54］。图6-17所示为22个不同工况下太阳能热发电系统的热效率随Kalina循环系统工作压差的变化关系，系统热效率随Kalina循环系统工作压差的增加而增大，因此可用于标示系统的工作性能。太阳辐射随时间变化，导致系统吸热量变化，系统的工质流量也会随之变化。工作时可通过调整系统工质流量来优化系统工作压差。

图6-17　太阳能热发电系统的热效率随Kalina循环系统工作压差的变化关系［53］

图6-18所示为在不同条件下系统工作压差随工质流量的变化关系。图6-18（a）所示为在不同的过热器和蒸发器的热量分配比下，系统工作压差随工质流量的变化关系。在不同的热量分配比下可通过调整工质流量，使最大工作压差接近相等，说明系统可以在没有过热器的条件下，通过调整工质流量，达到相同的系统热效率，但是在有过热器的情况下，系统的工质流量有所减小，这说明过热器的使用可减小系统其他部分的体积。同时，过热器也有利于避免涡轮膨胀过程中出现液击。图6-18（b）所示为回热器UA值与换热量Q的比值的影响。随着UA/Q的增大，工质流量的工作范围明显加大，表明当回热器性能提高时，有利于实现工质流量的控制调节。但是，随着回热器UA/Q的增大，对应最大系统工作压差降低。因此，设计时应该在满足系统最大工作压差和换热器夹点温差的要求下，选用尽可能小的UA/Q。图6-18（c）所示为不同的基础溶液氨质量分数下的结果，随着氨质量分数的减小，工质流量的工作范围加大。不同氨质量分数下对应的最大工作压差几乎相等，但是对应的工质流量差异明显。当氨质量分数增大时，对应的最佳工质流量减小，有利于减小系统尺寸。图6-18（d）所示为不同的系统总换热量下的结果，随着总换热量的增大，对应的工质流量也增大，但是系统工作压差改变很小。随着总换热量的增加，工质泵功耗会增大，但系统的总输出功率也增大。因此，对太阳能热发电系统而言，采用大型的系统设计在成本上具有优势。图6-18（e）所示为集热器流量的影响，随着集热器流量的降低，系统工作压差仅有轻微的下降，这意味着在一定范围内，可以尽可能地保持集热器流量在一个较低水平，这有利于减小系统尺寸。

图6-18　在不同条件下系统工作压差随工质流量的变化关系［53］

（a）过热器与蒸发器的热量分配比；（b）回热器UA值与换热量Q的比值；（c）基础溶液氨质量分数；（d）总换热量；（e）集热器流量

图6-19所示为以Tosashimizu地区的太阳辐射为输入条件分析得到的整个Kalina循环系统的性能。图6-19（a）所示为太阳辐射强度在一天内的变化数据，取值范围从早上6：30到下午17：30。系统工作性能如图6-19（b）所示，随着太阳辐射的增强，集热器的工质流量和Kalina循环系统的换热量也逐渐增加，导致Kalina循环系统的工质流量也随之增加，系统工作压差和发电量也随之增大。

KCS34系统的工质质量流量和集热器子循环的工质流量以及氨质量分数是影响系统性能的重要工作参数，为了减小系统的不可逆损失，需要进行优化。分析表明系统工作时涡轮和冷凝器的损最大。图6-20所示为系统输出和集热器效率随Kalina系统氨质量分数的变化曲线，当氨质量分数为0.90左右时，系统输出最大，对应的集热器效率为56%。

图6-19　一天内太阳辐射强度和Kalina系统工作性能的变化［53］

图6-19　一天内太阳辐射强度和Kalina系统工作性能的变化［54］（续）

图6-20　氨质量分数对Kalina系统的影响［54］

通常太阳辐射在不同的地区会出现季节性的变化，这会影响Kalina循环系统的工作性能。根据日本Kumejima岛的气温，图6-21所示为KCS11系统在一年内的工作性能。在夏季的7、8和9三个月的发电量明显高于其他月份，5、6和10三个月份处于中间水平，而1、2、3、4、11和12六个月份的发电量很低。Kalina循环系统的氨水流量和集热器的工质流量随着发电量的增加而增加，且氨水流量的变化率明显高于集热器的工质流量的变化率。

图6-21　日本Kum ejima岛的KCS11系统在一年内工作性能的变化［54］

图6-22　一种太阳能热发电用改进型Kalina循环系统［55］

用于太阳能热发电的热源温度比低温地热源的温度要高一些，因此Kalina循环系统可采用过热器来提高系统性能，这为采用三压Kalina循环系统提供了可行性。图6-22所示为一种太阳能热发电用改进型Kalina循环系统［55］，它在三压Kalina循环系统的基础上，增加了一个预热器PH和水冷式溶液冷却器SC。通常在冷凝过程中，由于工质与冷却介质之间的温差大，损增加。Kalina循环采用吸附式冷凝器，可降低冷凝过程的损。在该系统中基础溶液和工作溶液浓度、循环倍数、涡轮入口温度等是影响系统工作性能的关键参数。基础溶液浓度必须与工作溶液浓度匹配以获得高效率，但工作溶液浓度受到涡轮入口和出口背压的限制。该系统可用于热电联产，利用预冷器和冷却器提供生活热水，可大幅提高能源利用率。

整个循环的溶液浓度可分为3个不同等级，中压吸收器A2出口的浓溶液称为工作溶液，其随后在涡轮中膨胀做功。低压吸收器出口的溶液称为基础溶液，气液分离器出口的溶液称为稀溶液。系统中涡轮入口的压力为高压，涡轮出口的压力为低压，而气液分离器工作压力为中压，用于氨水混合物的解吸和产生工作溶液及稀溶液。利用涡轮出口乏汽的能量使气液分离器中溶液解吸。循环热效率可表示为

余热回收效率为

系统总效率为

预冷器将从气液分离器流出的浓氨蒸气部分冷凝以加热工作溶液，从而降低中压吸收器A2的负荷。由于工作溶液在蒸发器的低温段温度增加，避免了Kalina蒸发器的低温腐蚀问题。水冷式溶液冷却器采用来自中压吸收器A2的冷却水，冷却从气液分离器流出的稀溶液，通过降低稀溶液的温度可减小低压吸收器的热负荷。溶液冷却器采用液-液换热，效率明显高于吸收器中的两相换热，可减小总换热面积。此外采用吸收器设计的压降更小，可避免将吸收和冷凝过程分开设计时产生大压降，降低涡轮背压，提高输出功率［56］。当涡轮入口温度和压力分别为300℃和6 MPa，系统最低工作温度为30℃时，改进型Kalina循环的性能与两种朗肯循环的性能对比见表6-3，两种朗肯循环SRC1和SRC2的涡轮入口参数不同，改进型Kalina循环的系统总效率为15.87%，明显高于两种朗肯循环。

对于太阳能热发电系统而言，由于太阳辐射强度随时间变化，系统的工作负荷随时间变化，系统大部分时间可能在部分负荷工况下，有必要研究Kalina循环系统在部分负荷下的性能。涡轮在部分负荷下的等熵效率可根据Stodola椭圆公式计算，工质泵的等熵效率由式（6-89）计算：

表6-3　太阳能热发电用Kalina循环与朗肯循环性能对比［55］

部分负荷下换热器的UA值可表示为

图6-23所示为太阳能热发电用KC12三压Kalina循环系统在部分负荷工况下的系统热效率曲线［57］。当涡轮入口的工作溶液氨质量分数一定时，随着负荷的降低，系统热效率逐渐下降，负荷越低，系统热效率下降速率越大。在高负荷区域，不同工作溶液的热效率差别不大，在负荷较小的区域，较稀的工作溶液有利于提升系统热效率，但总体来说通过改变工作溶液的浓度来提高部分负荷下的系统热效率程度有限。

针对高温太阳能热发电应用，不同的回热器布置形式对三压Kalina循环系统的性能会产生影响，图6-24所示为4种不同回热器布置的Kalina循环系统［58］。涡轮入口温度维持在500℃，在不同涡轮入口压力和工作溶液氨质量分数下，对4种构型的Kalina循环系统的工作参数进行优化，发现4种构型的Kalina循环系统的热效率随着涡轮入口压力的升高而升高。除KC234系统的热效率较低外，其他3种系统的工作性能非常接近，KC234系统的热效率随着工作溶液氨质量分数的增大呈大致下降的趋势，而其他3种构型的热效率随着工作溶液氨质量分数的增大先减小后逐渐增大。对于高温Kalina循环，采用回热器RE1可以提升系统的工作性能，而气液分离器进、出口工质流的回热布置对系统工作性能的影响不大。

图6-23　太阳能热发电用KC12三压Kalina循环系统在部分负荷工况下的系统热效率曲线［57］

图6-24　高温太阳能热发电用Kalina循环系统［58］

（a）KC12；（b）KC123(www.xing528.com)

图6-24　高温太阳能热发电用Kalina循环系统［58］（续）

（c）KC234；（d）KC1234

由于太阳辐射强度随时间变化，在集热器后增加一个储热系统，在太阳能不足时释放能量，可保证Kalina系统平稳运行。图6-25所示为一种太阳能热发电用带储热装置的Kalina循环系统［59］。分析表明存在一个最佳的涡轮入口压力和基础溶液浓度，使整个系统的净输出功率最大，而涡轮入口温度对系统的影响较小。太阳能收集装置采用CPC，与FPC相比，CPC的集热性能更好，接收角度更大，流体温度更高，更适宜高温太阳能热发电应用。图6-26（a）所示为涡轮入口压力在某一天24小时内对系统净输出功率的影响。由于采用了储热装置，整个Kalina循环可持续工作。由于晚上无太阳辐射，在6点左右系统净输出功率降低到最小，随后，随着太阳能的逐渐增加净输出功率逐渐增大，在下午3点左右到达最大。随着涡轮入口压力的增加，净输出功率先增加后减小。随着涡轮入口压力的增加，涡轮的焓降增大导致净输出功率增大，当涡轮入口压力进一步增加时，蒸气发生器产生的气态工作溶液流量有所下降，导致净输出功率稍有减小。图6-26（b）所示为基础溶液浓度在一天内对系统净输出功率的影响。净输出功率随时间的变化趋势与图6-26（a）类似。随着基础溶液浓度的增加，净输出功率逐渐增大，当基础溶液浓度为0.8左右时，净输出功率达到最大，随后逐渐减小。开始时，随着基础溶液浓度的增大，蒸气发生器中的气态工作溶液流量增大，导致净输出功率增加，随着基础溶液浓度进一步增大，工作溶液中氨的浓度也增大，导致涡轮中的焓降效应增大，使净输出功率减小。

图6-25　一种太阳能热发电用带储热装置的Kalina循环系统［59］

图6-26　工作参数对净输出功率的影响［59］

（a）涡轮入口压力

图6-26　工作参数对净输出功率的影响［59］（续）

（b）基础溶液浓度

应用高温太阳能时还可以采用两级膨胀来提高系统性能。图6-27（a）^[1]所示为一种改进的Kalina循环系统［60］，其采用了两级涡轮膨胀机，对应的T-s图如图6-27（b）所示。位于高压涡轮出口的气液分离器2用于分离高压膨胀机出口的气液两相工质，其出口的液态工质与高压涡轮入口的气液分离器1的液态工质混合，吸收集热器流体的余热后变成气液两相状态，经气液分离器3后的气态工质与气液分离器2的气态工质混合后进入低压膨胀机做功。

气液分离器1的工作压力和温度、基础溶液浓度和工作溶液质量流量是影响系统净输出功率、吸热量和热效率的关键参数，采用人工蜂群算法对这些工作参数进行优化。由于采用了限制参数和减小了局部收敛的概率，在算法结构、收敛速度和求解精度方面，人工蜂群算法比遗传算法更好。人工蜂群算法根据父代随机选取的子代与父代种群解中随机选取的个体之间的差异，生成下一代种群。该算法有3个重要部分：

（1）食物源：需要在此寻找最优解的优化函数变量的求解空间。

（2）工作蜂：派往食物源用于计算食物源对应的适应度值和概率的蜜蜂。

（3）非工作蜂，分为两类——侦察蜂：开始计算时随机派往食物源；旁观蜂：随机分配的用于求解下一代种群的蜜蜂，其计算每一个食物源对应的适应度值，比较它们并存储这些信息，分享给其他蜜蜂。

图6-27　采用两级涡轮膨胀机的Kalina循环系统及其T-s图［60］

该算法的主要计算参数有：

（1）适应度值：

（2）概率值：

（3）由旧食物源计算的新的食物源：

i，j，k∈{1，2，…，SN}，SN为食物源数，随机数φ在-1～1范围内选取。

随后采用限制条件来排除优化过程中性能没有提高的解。以热效率为目标，采用人工蜂群算法优化后系统的工作性能见表6-4。整个系统的净输出功率为5.2 MW，热效率可达26.32%。

表6-4　基于人工蜂群算法的Kalina循环系统的优化结果［60］

图6-28所示为气液分离器1的工作压力、工作温度和基础溶液氨质量分数对净输出功率的影响。当气液分离器1工作温度为130℃时，随着气液分离器1工作压力的增大，净输出功率先增大后减小，当气液分离器1工作温度为140℃时，随着气液分离器1工作压力的增大，净输出功率逐渐减小。随着气液分离器1工作温度的增加，净输出功率先增大后减小，随后又逐渐增加。当气液分离器1工作温度为110℃～120℃时，净输出功率较大。随着基础溶液氨质量分数的增加，净输出功率近似线性增加。

图6-28　工作参数对系统净输出功率的影响［60］

（a）气液分离器1工作压力；（b）气液分离器1工作温度；（c）基础溶液氨质量分数

当基础溶液浓度和质量流量取优化值时，气液分离器1工作压力对系统热效率的影响如图6-29（a）所示。当气液分离器1工作温度分别为140℃、150℃时，系统热效率随着气液分离器1工作压力增大而升高，当气液分离器工作温度为130℃时，随着气液分离器1工作压力的增大，系统热效率先增大后减小。由于受到系统工作条件的限制，气液分离器1工作温度为140℃和150℃时的工作压力范围逐渐减小。气液分离器1工作温度对系统热效率的影响如图6-29（b）所示。当气液分离器1工作温度较低时，随着气液分离器1工作温度的升高系统热效率逐渐增大，当气液分离器1工作温度较高时，存在一个最佳的气液分离器1工作温度使系统热效率最高，且随着气液分离器1工作压力的升高，对应的最佳工作温度逐渐减小，相应的系统热效率逐渐升高。图6-29（c）所示为基础溶液氨质量分数对系统热效率的影响，当基础溶液氨质量分数较低时，随着基础溶液氨质量分数的增加系统热效率快速升高，当基础溶液氨质量分数大于0.7时，系统热效率随着基础溶液氨质量分数的增加近似线性增大。图6-29（d）所示为基础溶液质量流量对系统热效率的影响，随着基础溶液质量流量的增大系统热效率逐渐降低，气液分离器1工作压力和工作温度对系统热效率的影响较小。

图6-29　工作参数对系统热效率的影响［60］

（a）分离器1工作压力；（b）分离器1工作温度

在太阳能应用的Kalina循环系统中，气液分离器通常位于系统的高压侧，图6-30所示为一种气液分离器在低压侧的Kalina循环系统［61］，对应的工作过程的h-x图和T-s图如图6-31所示。气液分离器工作在低压侧，从气液分离器流出的液体可直接送入混合器，无须采用膨胀阀。该Kalina循环系统采用稀氨水混合物为工作溶液，膨胀机内可获得130%的额外工质流。系统的关键工作参数包括：基础溶液浓度、气液分离器工作温度、涡轮入口压力和氨质量分数。系统工作时，再循环工质流22经过预热后与完全蒸发的基础溶液流17混合，可降低混合过程的不可逆损失，同时可提高再循环工质流的质量流量使系统输出功率最大化。

图6-29　工作参数对系统热效率的影响［60］（续）

（c）基础溶液氨质量分数；（d）基础溶液质量流量

图6-32所示为基础溶液氨质量分数和气液分离器工作温度对系统工作性能的影响。涡轮入口压力设定为50 bar，涡轮入口工作溶液氨质量分数为0.8，集热器出口流体温度为217℃。根据环境温度，气液分离器工作温度范围设为70℃～100℃，当气液分离器工作温度低于70℃时，换热器HE3将失效。浓溶液氨质量分数变化范围设为0.86～0.94。循环效率、装置总效率和比功率随着气液分离器工作温度的增加而减小。当气液分离器工作温度较高时，蒸气质量分数增加而再循环工质流量减小。因为，随着浓溶液氨质量分数的增加，流经涡轮的工作溶液流量增加，循环效率和装置总效率以及比功率增加。因此，当气液分离器工作温度较低，浓溶液氨质量分数较大时，工作溶液流量较大，进而获得高的系统效率和比功率。

图6-30　气液分离器位于低压侧的Kalina循环系统［61］

图6-31　Kalina循环系统工作过程的h-x图和T-s图［61］

图6-32　基础溶液氨质量分数和气液分离器工作温度对系统工作性能的影响［61］

图6-33所示为浓溶液氨质量分数和涡轮入口氨质量分数对系统性能的影响。气液分离器工作温度固定为75℃，涡轮入口压力设为50 bar。浓溶液氨质量分数范围设为0.86～0.94，涡轮入口氨质量分数设为0.77～0.86。由于随着涡轮入口氨质量分数的增加，相应的状态点19的露点温度降低，集热器的流体出口温度可适当降低。随着涡轮入口氨质量分数的增加，循环效率和装置总效率均降低，随着浓溶液氨质量分数的增加或涡轮入口氨质量分数的减小，再循环质量流量增加。当涡轮入口氨质量分数最低，浓溶液氨质量分数最大时，系统效率最高。浓溶液氨质量分数变化对系统效率影响较小，对比功率影响较大。

浓溶液氨质量分数和涡轮入口压力对系统性能的影响如图6-34所示。气液分离器工作温度设定为75℃，涡轮入口氨质量分数设定为0.8，涡轮入口压力变化范围为25～60 bar。此时，由于循环低压侧的压力随着浓溶液氨质量分数的增加而增大，当浓溶液氨质量分数较大且涡轮入口压力较大时，系统循环效率、装置总效率和比功率均增大。

图6-33　浓溶液氨质量分数和涡轮入口氨质量分数对系统工作性能的影响［61］

图6-34　浓溶液氨质量分数和涡轮入口压力对系统工作性能的影响［61］

图6-34　浓溶液氨质量分数和涡轮入口压力对系统工作性能的影响［61］（续）