仇汝臣，范 寧，劉新新

（青島科技大學(xué)化工學(xué)院， 山東 青島 266042）

基于ASPEN PLUS利用海洋溫差能發(fā)電的模擬與優(yōu)化

仇汝臣，范 寧，劉新新

（青島科技大學(xué)化工學(xué)院， 山東 青島 266042）

海洋是世界上最大的太陽能收集器，世界各國都致力于海洋能的開發(fā)與利用，其中海洋能的熱電轉(zhuǎn)換備受關(guān)注。選取正丁烷作為有機(jī)朗肯循環(huán)的工質(zhì)，利用 ASPEN PLUS所建立的流程模型對海洋溫差發(fā)電(OTEC)進(jìn)行了模擬與優(yōu)化。得到了正丁烷的最佳蒸發(fā)溫度和最佳凝結(jié)溫度。并對各級發(fā)電量和所需換熱面積進(jìn)行了詳細(xì)的比較和分析，得到了最佳的朗肯循環(huán)級數(shù)，對溫差能發(fā)電系統(tǒng)的工況選取及優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。

海洋溫差能；正丁烷；ASPEN PLUS；朗肯循環(huán)；級數(shù)

傳統(tǒng)能源的全球擁有量急劇減少，環(huán)境污染問題不斷突出，因此，可再生能源成為現(xiàn)今改變?nèi)祟惸茉唇Y(jié)構(gòu)、維持長遠(yuǎn)發(fā)展的重要依托。近年來，蘊(yùn)藏豐富的海洋溫差能因其能量密度高、穩(wěn)定性較好、變化有規(guī)律、清潔無污染、可循環(huán)再生、可終年不斷的轉(zhuǎn)化成電能等特點(diǎn)，受到世界各國的廣泛關(guān)注。海洋溫差能發(fā)電是利用海洋表層溫海水與深層冷海水之間的溫差所蘊(yùn)藏的熱能進(jìn)行發(fā)電。2013年，全球總發(fā)電量為 22 513.8 TW?h，按照現(xiàn)有的技術(shù)水平，可以轉(zhuǎn)化為電力的海洋溫差能大約為 10 000 TW?h/a[1]，即可滿足全球大約一半的用電需求。海洋溫差能作為新型清潔能源，極有可能取代傳統(tǒng)的化石能源，滿足日益增長的能源需求。

1 海洋溫差能發(fā)電技術(shù)

1.1 海洋溫差發(fā)電技術(shù)簡介

海洋800 m以下的海水溫度恒定在4 ℃左右，而低緯度地區(qū)水表溫度高達(dá) 27～30 ℃，溫差超過20 ℃，海洋溫差發(fā)電技術(shù)正是利用海水淺層與深層之間的溫差及其溫、冷不同熱源，經(jīng)過熱交換器及渦輪機(jī)來發(fā)電。

海洋溫差能發(fā)電即利用表層溫海水加熱某些低沸點(diǎn)工質(zhì)并使其汽化（或通過降壓使海水汽化），以驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電；同時(shí)利用深層冷海水將做功后的乏汽冷凝，使其重新變?yōu)橐后w，形成系統(tǒng)循環(huán)。早在 1880年法國人達(dá)松發(fā)首先提出了溫差發(fā)電的構(gòu)想，1979年美國最早開發(fā)了海洋溫差發(fā)電(Ocean thermal energy conversion簡稱OTEC)系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)容量只有50 kW。1997年印度國家海洋技術(shù)研究所與日本佐賀大學(xué)合作開發(fā)了1 MW的發(fā)電設(shè)備。1999年，在印度東南部海上，世界第一套1 MW海洋溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)成功[2]。

1.2 有機(jī)朗肯循環(huán)簡述

朗肯循環(huán)是根據(jù)卡諾提出的理想動(dòng)力循環(huán)(見圖1)，即整個(gè)循環(huán)過程由工質(zhì)在a-b熱源端可逆定溫吸熱過程，在b-c膨脹端的可逆絕熱膨脹過程，c-d冷凝端的可逆定溫放熱過程和d-a升壓端的絕熱壓縮過程四個(gè)部分組成[3]。

圖1 卡諾循環(huán)P-V圖Fig.1 The P-V diagram of Carnot cycle

有機(jī)工質(zhì)的沸點(diǎn)相對較低，可以在低品位熱源下獲得相對較高的蒸汽壓力，蒸汽進(jìn)入膨脹機(jī)推動(dòng)做功，對環(huán)境污染比較小。有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電的綜合效益明顯比普通蒸汽動(dòng)力循環(huán)高[4]。

1.3 有機(jī)朗肯循環(huán)海洋溫差發(fā)電技術(shù)

根據(jù)所用工質(zhì)及流程的不同，海洋溫差發(fā)電的方式主要有閉式循環(huán)系統(tǒng)、開式循環(huán)系統(tǒng)以及混合式循環(huán)三種，目前接近實(shí)用的是閉式循環(huán)方式，本文將重點(diǎn)對閉式循環(huán)發(fā)電過程進(jìn)行模擬研究。

2 有機(jī)工質(zhì)的選擇

王輝濤等[5]采用PR狀態(tài)方程計(jì)算了11種低沸點(diǎn)有機(jī)流體工質(zhì)在閉式循環(huán)系統(tǒng)中的熱力性能，以選出適合用于海洋溫差熱力發(fā)電的工質(zhì)。結(jié)果表明，隨著工質(zhì)臨界溫度的升高，循環(huán)熱效率總體呈上升趨勢。其中，正丁烷具有較高的循環(huán)熱效率、較低的蒸發(fā)壓力及適當(dāng)?shù)哪龤鈮毫?，比較適合用作海洋溫差發(fā)電有機(jī)朗肯循環(huán)的工質(zhì)(圖2)。

圖2 閉式海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)圖Fig.2 The diagram of closed-cycle ocean thermal energy conversion system

3 熱力循環(huán)的模擬及優(yōu)化

3.1 物性方法的確定

物性方法的選擇是決定模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟，ASPEN PLUS提供的物性模型分為理想模型、狀態(tài)方程模型、活度系數(shù)模型和特殊模型。正丁烷屬于非極性有機(jī)工質(zhì)，可選用適于所有溫度及壓力下的非極性或極性較弱物質(zhì)的 PENG-ROB方程。

3.2 循環(huán)模擬研究

3.2.1 建立系統(tǒng)模型

根據(jù)圖2所示的閉式循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，選取表層海水28 ℃，底層4 ℃的海域條件，對海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)的工況選取進(jìn)行模擬研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)，裝機(jī)功率為3 kW。

設(shè)計(jì)條件如表1：

表1 OETC設(shè)計(jì)條件表Table 1 The table of OETC design conditions

在本次模擬中，對該流程作如下簡化：

（1）系統(tǒng)中各設(shè)備均穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，有關(guān)參數(shù)不隨時(shí)間發(fā)生任何變化；

（2）蒸發(fā)器、冷凝器以及管道壓降都忽略不計(jì)；

（3）膨脹機(jī)和泵的等熵效率均為定值。

3.2.2 單級有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電

根據(jù)設(shè)計(jì)條件及所提出的假設(shè)，對以正丁烷為工質(zhì)的單級有機(jī)朗肯循環(huán)海洋溫差能發(fā)電技術(shù)作如圖3模擬。

通過模擬計(jì)算得出：單級循環(huán)海洋溫差發(fā)電的凈發(fā)電量為2.18 kW，有機(jī)工質(zhì)的循環(huán)量為800 kg/h,離開系統(tǒng)的溫海水的溫度是24.4 ℃，而離開系統(tǒng)冷海水的溫度是7.4 ℃，兩股物流間的溫差能可以考慮在多級有機(jī)朗肯循環(huán)中繼續(xù)利用。

3.2.3 雙級有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電

在與單級朗肯循環(huán)保持相同的設(shè)計(jì)條件下，建立如圖4所示的雙級有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電的流程模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果得出：雙級循環(huán)海洋溫差發(fā)電的凈發(fā)電量為3.14 kW，較單級凈發(fā)電量有較大提高。每級有機(jī)工質(zhì)的循環(huán)量為580 kg/h。此時(shí)離開系統(tǒng)的溫水的溫度是22.7 ℃，而離開系統(tǒng)冷水的溫度是9.1℃，更大限度的利用了溫差所蘊(yùn)藏的熱能。具體數(shù)據(jù)見表2。

圖3 單級有機(jī)朗肯循環(huán)模擬圖Fig.3 The simulated diagram of single-stage Organic Rankine Cycle

3.2.4 多級有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電

利用相同的方法對三級朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)作模擬計(jì)算，模擬過程如圖5。

表2 各級循環(huán)發(fā)電情況Table 2 Condition of cycle power at all levels

圖4 雙級有機(jī)朗肯循環(huán)模擬圖Fig.4 The simulated diagram of twin-stage Organic Rankine Cycle

圖5 三級有機(jī)朗肯循環(huán)模擬圖Fig.5 The simulated diagram of three-stage Organic Rankine Cycle

為了方便比較，將得到的各級循環(huán)的計(jì)算結(jié)果列表如表2：

由上表可以看出，隨著循環(huán)級數(shù)的增加，總發(fā)電量、耗電量、凈發(fā)電量均相應(yīng)的增加。其中雙級循環(huán)較單級循環(huán)增長的幅度最大。但隨著級數(shù)的增加，工質(zhì)凝結(jié)、汽化所需的換熱面積也相應(yīng)的增加。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)綜合考慮設(shè)備投資及凈發(fā)電量之間的平衡。根據(jù)前三級的模擬結(jié)果，建議使用雙級朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)。

4 結(jié) 論

以熱力學(xué)定律為基礎(chǔ)，選取正丁烷為有機(jī)工質(zhì)，利用ASPEN PLUS流程模擬軟件對有機(jī)朗肯循環(huán)海洋溫差發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了模擬、分析和優(yōu)化，最終得到了一、二、三級朗肯循環(huán)對海洋溫差能的利用情況，結(jié)論如下：

（1）隨著級數(shù)的增加，朗肯循環(huán)對海洋溫差能的利用率愈大，排出系統(tǒng)的溫、冷海水之間的溫差也越小，凈發(fā)電量也越高。

（2）隨著級數(shù)的增加，工質(zhì)的循環(huán)量變大，所需的傳熱面積也相應(yīng)地增加。從而設(shè)備投資成本也增多。

（3）綜合考慮能量利用率及設(shè)備投資，建議采用雙級朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)對海洋溫差能進(jìn)行回收利用。

（4）總的來說，該系統(tǒng)的循環(huán)效率仍不是很高，為使該循環(huán)能夠高效運(yùn)行，未來需要繼續(xù)從操作參數(shù)和循環(huán)結(jié)構(gòu)等方面對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

［1］蘇佳純,曾恒一,肖鋼,王建豐,姜家駿. 海洋溫差能發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀及在我國的發(fā)展前景[J]. 中國海上油氣,2012(04)∶84-98.

［2］封光,鐘爽. 海洋溫差發(fā)電的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 東北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2011(02)∶72-77.

［3］廉樂明,李麗能,吳家正,高等工程熱力學(xué)[M]北京∶中國建筑工業(yè)出版社，1999.

［4］劉廣林. 有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)利用的研究[J]. 節(jié)能,2013(10)∶37-39.

［5］王輝濤,王華. 海洋溫差發(fā)電有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)選擇[J]. 海洋工程,2009(02)∶119-123.

［6］Hettiarachchi H D M,Golubovic Mihajlo,Worek William M,et al.Optimum design criteria for an Organic Rankine cycle using low-temperature geothermal heat sources [J]. Energy, 2007, 32∶1698-1706.

Simulation and Optimization of Power Generation by Ocean Thermal Energy Based on ASPEN PLUS

QIU Ru-chen, FAN Ning, LIU Xin-xin
（Qingdao University of Science and Technology，Shandong Qingdao 266042，China）

Ocean is the largest solar collector in the world, all countries in the world dedicated to the development and utilization of ocean energy, and thermoelectric conversion of ocean energy has drawn more attention. In this paper, N-butane was selected as working fluid of organic Rankine cycle. By using process models established based on ASPEN PLUS, Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC) was simulated and optimized, the best evaporation temperature and condensation temperature were obtained. After detailed comparison and analysis of the generating capacity at all levels and the required heat transfer area, the best Rankine cycle progression was obtained, which has good guidance meaning to the operating condition selection and optimization of temperature difference energy power system.

ocean thermal energy; n-butane; ASPEN PLUS; Rankine cycle; stage

P743.4

A

1671-0460（2015）09-2232-03

2015-03-06

仇汝臣（1963-），男，山東菏澤人，教授，博士，2007年畢業(yè)于天津大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)，研究方向：石油加工。E-mail：8978122@163.com。