卡琳娜循環在燃煤熱電聯產機組的應用研究

李雯+++韓旭

摘 要：火電廠為了響應國家節能的號召，在不斷地進行改進，通過節能降耗提高電廠自身經濟效益。文章是將朗火電廠朗肯循環結合卡琳娜循環，實現更大化的節能。目前350MW超臨界燃煤熱電聯產機組，在抽汽回熱系統的基礎上設置了外置式蒸汽冷卻器結構用來節能，文章則是利用卡琳娜循環代替外置式高加蒸汽冷卻器，將第3級抽汽作為卡琳娜循環的熱源，進一步利用第3段抽汽的過熱度，降低不可逆損失，提高機組熱效率。經計算比較，卡琳娜循環給電廠帶來的效益更可觀，一年可帶來約600萬的額外收入，其回收期約為7.3年。

關鍵詞：卡琳娜循環；蒸汽冷卻器；火電廠

引言

現代電廠機組利用給水抽汽回熱循環，將蒸汽從汽輪機抽出并在給水加熱器中凝結放熱。抽汽中大部分熱量傳遞至經過加熱器的給水，使進入鍋爐省煤器的給水的比沒有給水加熱器的純凝汽循環中獲得的溫升要高的多，因此減少了鍋爐對能量的要求，提高了總的循環效率。目前350MW超臨界燃煤熱電聯產機組，在抽汽回熱系統的基礎上設置了外置式蒸汽冷卻器結構用來提高效率，效果顯著。本文思想是基于利用卡琳娜循環原理，利用3級抽汽過熱度降低能耗，與目前超臨界燃煤機組抽汽回熱循環加外置式蒸汽冷卻器作比較。通過分析比較，利用卡琳娜循環進一步降低3級抽汽過熱度有更大的經濟效益。

1 帶有卡琳娜循環的電廠新設計

1.1 卡琳娜循環

卡琳娜循環是以氨水混合物作為工質的新型動力循環。基本原理跟朗肯循環相同。

1.2 電廠新結構設計的原因及設計圖

以350MW超臨界燃煤熱電聯產機組為例，在THA工況下，第3段抽汽溫度達到475.6度，而壓力僅為2.193MPa，此時該蒸汽過熱度達到257.99度。由于3號高加進口水溫只有180度左右，故此種換熱是不經濟的。并且3號高壓加熱器處于高溫和高壓差等最為惡劣的工作環境，因此也成為回熱設備中故障率最高的高加，因此有必要降低第3級抽汽的過熱度，這樣不僅可以提高回熱系統的熱效率，還可以提高機組運行的安全性和可靠性[1]。故在電廠原系統結合卡琳娜循環，將第三段抽汽作為卡琳娜循環的低溫熱源。加卡琳娜循環的電廠系統簡化圖如圖1。

圖1中展示出了電廠優化結構，其利用3段抽汽過熱度的簡化卡琳娜循環布置圖，該系統氨蒸發器熱源為3段抽汽。循環工質氨水混合物在氨蒸發器中被加熱，然后進入分離器進行汽水分離，過熱的氨水蒸汽進入汽輪機膨脹做功，帶動發電機發電。分離器分離出來的稀氨水進入回熱器加熱部分氨水混合物，然后與汽輪機排汽混合進入冷凝器。氨水混合物通過給泵分為兩路，一路進入氨蒸發器被加熱，另一路進入回熱器被加熱，兩路氨水混合物在出口匯合進入分離器，完成整個卡琳娜循環[2]。

1.3 卡琳娜循環跟電廠朗肯循環的比較

相同熱源時卡琳娜循環與朗肯循環的T-S圖[3]：

由圖2可看出，在定壓吸熱階段，朗肯循環曲線與熱源曲線偏差較大，可知熱源放熱過程與水工質的吸熱過程偏差較大，不利于水工質的吸熱效率，原因在于朗肯循環是以水為工質，水的等溫蒸發特性，使循環的平均吸熱溫度偏低，熱源的不可逆損失增大，朗肯循環效率變低。由圖3看出在定壓吸熱階段，卡琳娜循環與熱源溫度曲線接近于平行，可知熱源的放熱過程與氨水混合物的吸熱過程比較匹配，原因在于卡琳娜循環以氨水混合物為工質，有變溫蒸發的特點，可以使得汽化過程與熱源的放熱過程更好的匹配，降低換熱過程中的不可逆損失，提高余熱利用效率，并且氨的沸點遠比水的沸點低，在較低的溫度下就可以汽化，而且對于低沸點的工作流體，汽輪機入口壓力可以更高可降低運行成本[4]。通過對比卡琳娜循環與朗肯循環可知，在中低溫條件下，卡琳娜循環的效率高于朗肯循環效率。

1.4 卡琳娜循環經濟分析

若選定卡琳娜循環工況參數為：汽輪機進口溫度95℃、進口壓力1.489MPa、背壓0.12MPa、冷卻水溫度15℃、循環熱效率12%，則利用3段抽汽過熱度能達到發電量為4MW。若是這樣，卡琳娜循環的汽輪機功率為4MW，一年按發電5000h計算，發電量可達2000萬kw·h，保守按上網電價0.3元/kw·h，利潤可達600萬元。

投資情況：按卡琳娜循環發電建設成本11000元/kw[5]計算，回收期約為7.3年。

2 國內現有技術分析

2.1 設置外置式蒸汽冷卻器

現在國內電廠通過設置外置式高加蒸汽冷卻器，利用第3段抽汽的初溫去加熱1號高加的出水，此時3段抽汽過熱度降低到100度左右，從外置式蒸汽冷卻器出來的蒸汽繼續加熱3號高加給水，這樣實現了能級的梯度利用。不僅對3號高加起到保護作用，而且減少了該過程的不可逆損失，降低了電廠的能耗。總之，蒸汽冷卻器是現有提高大容量、高參數機組熱經濟性的有效措施。

串聯外置式蒸汽冷卻器后系統圖[6]如圖4。

由圖4可看出，水流程為除氧器給水經過給水泵升壓，依次流經3號高加、2號高加、1號高加、外置式蒸汽冷卻器，最后進入鍋爐。3段抽汽先在外置式蒸汽冷卻器里加熱1號高加出口的給水，抽汽溫度降低一定的過熱度后，進入3號高壓加熱器。2段抽汽加熱3號高加的出水，1段抽汽加熱2號高加的出水，這樣實現溫差最小化，降低了不可逆損失。

2.2 對高加外置式蒸汽冷卻器經濟評價

經濟分析：

年發電時間按5000h計算，加蒸汽冷卻器后約節約848.75噸標準煤，按每噸煤500元計，安裝蒸汽冷卻器帶來的效益約為43.3875萬元。

初期投資：針對350MW超臨界機組，蒸汽冷卻器初期投資約70萬元，系統管道組件加土地利用月增加投資35萬元[7]，粗略計算，蒸汽冷卻器的回收期約為2.5年。

3 卡琳娜循環與蒸汽冷卻器的效益比較

不考慮投資的情況下，設置蒸汽冷卻器給電廠每年帶來的效益是42.3875萬元，而卡琳娜循環每年能給電廠帶來約600萬元的利益。蒸汽冷卻器提高效益的方式在于提高了鍋爐的給水溫度，增大了電廠的全廠熱效率，從而降低電廠的煤耗。而卡琳娜循環則是用原來加熱給水的過熱蒸汽作為卡琳娜循環的熱源，通過增加電廠的發電量來增加電廠收益。

粗略的考慮投資，蒸汽冷卻器初投資105萬，回收期約為2.5年，而卡琳娜循環投資按11000元/kw計算，回收期約7.3年。在二者相差的4.8年期間，蒸汽冷卻器帶來的效益可達206萬元左右，但等卡琳娜循環過了回收期，開始產生效益后，一年即可超過蒸汽冷卻器帶來的效益，所以相比之下，卡琳娜的優勢是很大的。

4 結束語

（1）卡琳娜循環的熱循環效率比朗肯循環的效率高，因為卡琳娜循環與熱源溫度曲線較匹配，對熱源的利用率較高。

（2）卡琳娜循環可取代電廠的外置式蒸汽冷卻器，利用第3段抽汽帶來的效益更高，每年通過多發2000萬kw·h，每年可為電廠帶來600萬元效益。

（3）考慮到卡琳娜循環的投資問題，若按一年發電5000h，大約7.3年可回收成本。

參考文獻

[1]田家平，林俊光，吳猛，等.大型火力發電廠外置式蒸汽冷卻器的技術經濟分析[J].浙江電力，2015，05：36-38.

[2]王春莉，戴軍，郭佳，等.卡琳娜循環在火電廠節能降耗中的應用研究[J].自動化儀表，2012，07：56-58+62.

[3]何新平.Kalina循環與Rankine循環在水泥窯低溫余熱發電中的熱力學對比分析[J].水泥技術，2010，03：106-111.

[4]Infraserv GmbH. Integration of Kalina cycle in a combined heat and power plant， a case study[J]. Applied Thermal Engineering 2009（29）：2843-2848.

[5]方鵬.卡琳娜循環在燃煤電廠煙氣余熱回收利用中的應用分析[J].中國科技投資，2013，Z2：102-103.

[6]葉濤.熱力發電廠（第三版）[M].北京：中國電力出版社，2009：75-83.

[7]孔德浩.某電廠高加外置式蒸汽冷卻器設置的探討[J].中國科技縱橫，2014（8）.