李大樹，張 理，岳 娟

（中海油研究總院，北京 100028）

10 MW海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)熱力學(xué)分析

李大樹，張 理*，岳 娟

（中海油研究總院，北京 100028）

受專利保護(hù)和技術(shù)封鎖的制約，海洋溫差能發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備國產(chǎn)化問題亟待解決。以建造大型溫差能發(fā)電平臺(tái)為背景，通過建立朗肯循環(huán)OTEC發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，對比分析R717、R13a和R600工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)性能參數(shù)，探索裝機(jī)規(guī)模對熱效率和單位換熱面積發(fā)電量的影響，為大型OTEC發(fā)電系統(tǒng)建造提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。結(jié)果表明：R717系統(tǒng)在蒸發(fā)器和冷凝器熱負(fù)荷以及工質(zhì)方面均優(yōu)于R134a和R600系統(tǒng)。相同裝機(jī)功率下，R717工質(zhì)的循環(huán)和系統(tǒng)熱效率均最大。增加裝機(jī)規(guī)模有助于提升系統(tǒng)的熱效率和單位換熱面積發(fā)電量。R717系統(tǒng)熱效率最大，單位換熱面積發(fā)電量在合適的范圍內(nèi)，是海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)較為理想的循環(huán)工質(zhì)。

海洋溫差能發(fā)電；循環(huán)工質(zhì)；熱力學(xué)分析；數(shù)值仿真

海洋溫差能是海洋能中儲(chǔ)量最大、最穩(wěn)定的清潔可再生能源，全世界蘊(yùn)藏量約400億kW[1,2]。我國南海溫差能蘊(yùn)藏量達(dá)3.67億kW，按2%的利用率計(jì)算，年發(fā)電量達(dá)570億度以上。海洋溫差能資源開發(fā)利用是保障島礁電能的一個(gè)重要選項(xiàng)。目前，海洋溫差發(fā)電仍以原理研究為主，工程技術(shù)研究十分缺乏，同時(shí)，受專利保護(hù)和技術(shù)封鎖的制約，海洋溫差能發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備國產(chǎn)化問題亟待解決。中國海油正在開展溫差能開發(fā)技術(shù)前期研究，探討引進(jìn)國際先進(jìn)技術(shù)開發(fā)我國溫差能資源的可行性，以期為建造大型溫差能發(fā)電平臺(tái)提供技術(shù)支持和決策支持，助推海洋能產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

海洋溫差發(fā)電（OTEC，Ocean Thermal Energy Conversion）主要依靠熱力循環(huán)系統(tǒng)完成，其基本原理是利用海洋表面的溫海水加熱某些低沸點(diǎn)工質(zhì)并使之汽化以驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。目前，國內(nèi)外研究者對OTEC系統(tǒng)進(jìn)行了一定研究。Faizal等[3]實(shí)驗(yàn)研究了閉式OTEC發(fā)電系統(tǒng)，得出系統(tǒng)最大熱效率為1.5%。Yang等[4]分析了不同工質(zhì)朗肯循環(huán)OTEC發(fā)電系統(tǒng)，研究表明，R717工質(zhì)呈現(xiàn)出最佳性能，并獲得了系統(tǒng)最佳蒸發(fā)和冷凝溫度。Sun等[5]對朗肯循環(huán)OTEC系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析，研究表明，R717是該系統(tǒng)較為理想的循環(huán)工質(zhì)。Yoon[6]研究了R717系統(tǒng)得出輸出功率和熱效率與透平進(jìn)出口壓降和透平效率等控制參數(shù)相關(guān)性較大。王輝濤等[7]對比分析不同工質(zhì)OTEC系統(tǒng)得出，循環(huán)熱效率隨著工質(zhì)臨界溫度的升高逐漸增加。

由于朗肯循環(huán)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠，仍是現(xiàn)有OTEC系統(tǒng)主要循環(huán)形式。本文通過建立朗肯循環(huán)OTEC發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，對比分析R717、R13a和R600工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)性能參數(shù)，探索裝機(jī)規(guī)模對熱效率和單位換熱面積發(fā)電量的影響，為大型OTEC發(fā)電系統(tǒng)建造提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 仿真模型

海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和T-S圖如圖1所示。其中，TE為蒸發(fā)溫度，℃；TC為冷凝溫度，℃；Twsi和Twso分別為蒸發(fā)器溫海水進(jìn)出口溫度，℃；Twci和Twco分別為冷凝器器冷海水進(jìn)出口溫度，℃；QE和QC分別為蒸發(fā)器和冷凝器熱負(fù)荷，kW；WP,f為工質(zhì)泵功率，kW；WT是透平輸出功，kW。循環(huán)過程為亞臨界飽和蒸汽朗肯循環(huán)。

圖1 OTEC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和T-S圖

仿真模型采用Peng-Robinson方程對循環(huán)工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行求解，并假設(shè)工質(zhì)在蒸發(fā)器中完全蒸發(fā)；透平出口蒸汽干度大于0.93；透平絕熱效率為0.75；工質(zhì)泵進(jìn)口為飽和液相；泵效率ηp=0.75，電機(jī)效率ηg=0.9。結(jié)合前期研究結(jié)果[8]，蒸發(fā)溫度為29℃，冷凝溫度為7℃，蒸發(fā)器和冷凝器窄點(diǎn)溫差為1℃時(shí),OTEC系統(tǒng)性能較好。

主要設(shè)備控制方程如下：蒸發(fā)器和冷凝器的能量方程可以表示成

式中：Mws為溫海水質(zhì)量流量，kg/h；cp為海水比熱容，J/(kg·K)；Δtws為溫海水進(jìn)出口溫差，℃；Mf為工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/h；h為工質(zhì)的比焓，J/kg；Mcs為冷海水質(zhì)量流量kg/h；Δtcs為冷海水進(jìn)出口溫差，℃。

換熱量可以表示成

式中：Q為換熱器熱負(fù)荷，kW；K是傳熱系數(shù)，可根據(jù)文獻(xiàn)[10]進(jìn)行求解，W/m2·K；A是傳熱面積，m2；ΔTm是對數(shù)平均溫差，℃。

透平的能量方程可以表示成

循環(huán)和系統(tǒng)的熱效率可以表示成

式中：ηt為循環(huán)熱效率；ηs為系統(tǒng)熱效率；WP,ws為溫海水泵功率，kW；WP,cs為冷海水泵功率，kW。

2 結(jié)果討論

圖2對R717，R134a和R600系統(tǒng)蒸發(fā)器和冷凝器熱負(fù)荷QE和QC進(jìn)行分析。其中，系統(tǒng)裝機(jī)規(guī)模為10 MW，蒸發(fā)壓力均不超過其蒸發(fā)溫度下飽和蒸汽壓力值。

圖2 不同工質(zhì)蒸發(fā)器和冷凝器熱負(fù)荷對比

由圖2可以看出，R717工質(zhì)系統(tǒng)蒸發(fā)器和冷凝器的熱負(fù)荷均較小，分別為188 MW和178 MW，R134a和R600系統(tǒng)的蒸發(fā)器和冷凝器熱負(fù)荷則較大。說明，R717系統(tǒng)與冷、熱海水間換熱量較小，有利于減小蒸發(fā)器和冷凝器換熱面積，提高系統(tǒng)的熱效率，進(jìn)而減小投資成本。可見，R717系統(tǒng)在蒸發(fā)器和冷凝器熱負(fù)荷方面優(yōu)于R134a和R600系統(tǒng)。此外，從圖2還可以看出，相同工質(zhì)系統(tǒng)的蒸發(fā)器和冷器熱負(fù)荷均較為接近。

圖3對不同系統(tǒng)的工質(zhì)泵功率WP,f和工質(zhì)質(zhì)量流量Mf進(jìn)行分析，可以看出，R134a系統(tǒng)的工質(zhì)泵功率較大，R717和R600系統(tǒng)的工質(zhì)泵功率較小，且較為接近?？梢?，R717和R600系統(tǒng)自身能耗較小，熱效率較大。從圖3還可以看出，R717系統(tǒng)的工質(zhì)質(zhì)量流量最小，大約是R134a的0.15倍，R600的0.3倍。

圖3 不同工質(zhì)泵功耗和工質(zhì)質(zhì)量流量對比

圖4進(jìn)一步對比分析了不同系統(tǒng)工質(zhì)成本，可以看出，R134a和R600系統(tǒng)工質(zhì)成本明顯大于R717系統(tǒng)。綜合上述分析可見，R717系統(tǒng)在工質(zhì)方面較為理想。

圖4 不同系統(tǒng)工質(zhì)成本對比

圖5 分析了不同工質(zhì)的循環(huán)熱效率ηt和系統(tǒng)熱效率ηs，可以看出，不同工質(zhì)系統(tǒng)循環(huán)熱效率均小于其系統(tǒng)熱效率。R717循環(huán)和系統(tǒng)熱效率分別為5.2%和5%，R134a循環(huán)和系統(tǒng)熱效率分別為4.98%和4.8%，R600循環(huán)和系統(tǒng)熱效率分別為5%和4.9%，可見，R717工質(zhì)系統(tǒng)的循環(huán)和系統(tǒng)熱效率均最大，R134a工質(zhì)系統(tǒng)最小，R600工質(zhì)系統(tǒng)介于兩者之間。說明，相同裝機(jī)功率下，R717系統(tǒng)所獲取的熱量最小，系統(tǒng)造價(jià)最低。

圖5 不同工質(zhì)系統(tǒng)熱效率變化

圖6 進(jìn)一步將裝機(jī)功率30 kW海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)的ηt和ηs與10 MW海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行對比，其中，循環(huán)工質(zhì)均為R717?？梢钥闯?，10 MW裝機(jī)規(guī)模OTEC系統(tǒng)循環(huán)和系統(tǒng)熱效率均大于30 kW系統(tǒng)，裝機(jī)規(guī)模越大，系統(tǒng)的熱效率越大。10 MW系統(tǒng)的ηt和ηs分別為5.2%和5%，30 kW系統(tǒng)的ηt和ηs分別為4.6%和4.41%，10 MW系統(tǒng)的熱效率大約是30 kW系統(tǒng)的1.13倍?？梢姡黾友b機(jī)規(guī)模有助于提升系統(tǒng)的熱效率，進(jìn)而降低發(fā)電成本。

圖6 不同裝機(jī)規(guī)模熱效率對比

海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)由于冷、熱海水溫差小，換熱器換熱面積大，蒸發(fā)器和冷凝器造價(jià)高。表1對不同工質(zhì)10 MW發(fā)電系統(tǒng)蒸發(fā)器和冷凝器換熱面積AE和AC進(jìn)行對比分析，可以看出，不同工質(zhì)系統(tǒng)的蒸發(fā)器換熱面積均小于其冷凝器換熱面積，這主要是由于蒸發(fā)器對數(shù)平均溫差大于冷凝器所造成的。從表1還可以看出，不同工質(zhì)系統(tǒng)的蒸發(fā)器換熱面積較為接近，但冷凝器換熱面積存在較大不同，R600系統(tǒng)的冷凝器換熱面積遠(yuǎn)小于R134a和R717系統(tǒng)，這是由于R600系統(tǒng)透平乏汽溫度較高，冷凝器對數(shù)平均溫差較大所造成的。

表1 不同工質(zhì)系統(tǒng)蒸發(fā)器和冷凝器換熱面積

圖7對不同系統(tǒng)的單位換熱面積發(fā)電量（APR）進(jìn)行分析。其中，單位換熱面積發(fā)電量可以表示成

由圖7可見，R600系統(tǒng)的APR最大，說明其單位換熱面積所產(chǎn)生的電量最大。結(jié)合表1可見，R600系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于R134a和R717系統(tǒng)，但由于其透平進(jìn)出口壓降較小，乏汽溫度高，工質(zhì)流量大，透平尺寸較大，因此，綜合考慮不同工質(zhì)系統(tǒng)熱效率，R717是海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)較為理想的循環(huán)工質(zhì)。

圖7 不同工質(zhì)系統(tǒng)APR對比

圖8進(jìn)一步將裝機(jī)功率30 kW發(fā)電系統(tǒng)的APR與10 MW發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行對比，其中，循環(huán)工質(zhì)均為R717?？梢钥闯觯?0 MW裝機(jī)規(guī)模OTEC系統(tǒng)的APR大于30 kW系統(tǒng)，裝機(jī)規(guī)模越大，APR越大。10 MW系統(tǒng)的APR為0.16，30 kW系統(tǒng)的APR為0.14，10 MW系統(tǒng)的APR大約是30 kW系統(tǒng)的1.14倍?？梢?，增加裝機(jī)規(guī)模有助于提升系統(tǒng)的APR，裝機(jī)規(guī)模越大，相同輸出功率下發(fā)電系統(tǒng)所需換熱面積較小，可大幅降低投資成本。

圖8 不同裝機(jī)規(guī)模APR對比

3 結(jié)論

通過開展10 MW海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)熱力學(xué)分析，驗(yàn)證引進(jìn)國際先進(jìn)技術(shù)的可靠性，為建造大型溫差能發(fā)電平臺(tái)提供技術(shù)支持和決策支持。在兆瓦級海洋溫差能開發(fā)之前，還需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。通過開展海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)數(shù)值研究，得到主要結(jié)論如下：

（1）海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)規(guī)模與系統(tǒng)性能密切相關(guān)，增加裝機(jī)規(guī)模有助于提升系統(tǒng)的熱效率和單位換熱面積發(fā)電量。10 MW海洋溫差發(fā)電循環(huán)熱效率和單位換熱面積發(fā)電量分別為5.2%和0.16 kW·m-2，大約是30 kW系統(tǒng)的1.13和1.14倍。

（2）R717系統(tǒng)在蒸發(fā)器和冷凝器熱負(fù)荷方面優(yōu)于R134a和R600系統(tǒng)，R134a和R600系統(tǒng)工質(zhì)成本明顯大于R717系統(tǒng)。相同裝機(jī)功率下，R717工質(zhì)的循環(huán)和系統(tǒng)熱效率均最大。

（3）不同工質(zhì)系統(tǒng)的蒸發(fā)器換熱面積均小于其冷凝器換熱面積。R600系統(tǒng)的APR最大，但其工質(zhì)流量大，透平乏汽溫度高。

（4）綜合考慮R717是海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)較為理想的循環(huán)工質(zhì)。

[1]張理.我國海洋能開發(fā)利用思路的初步探索[J].中國造船，2013，53（A02）：555-560.

[2]韓家新.中國近海海洋——海洋可再生能源[M].北京:海洋出版社,2015:136-141.

[3]Faizal M,Ahmed MR.Experimental studies on a closed cycle demonstration OTEC plant working on small temperature difference[J]. Renewable Energy,2013,51:234-240.

[4]YangMH,Yeh R H.Analysis ofoptimization in an OTECplant usingorganic Rankine cycle[J].Renewable Energy,2014,68:25-34.

[5]Sun F,Ikegami Y,Jia B,et al.Optimization design and exergy analysis oforganic rankine cycle in ocean thermal energy conversion[J]. Applied Ocean Research,2012,35:38-46.

[6]Yoon J I,Son C H,Baek S M,et al.Performance characteristics of a high-efficiency R717 OTEC power cycle[J].Applied Thermal Engineering,2014,72(2):304-308.

[7]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，2009，27（2）：119-123.

[8]李大樹，張理.海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)熱力學(xué)及熱經(jīng)濟(jì)性分析[J].工業(yè)加熱，2016，45（5）:1-5.

[9]Incropera F P,Dewit DP.Fundamentals ofheat and mass transfer[M].NewYork:John Wileyand Sons,2002.

[10]Gungor K E,Winterton R H S.Simplified general correlation for saturated flow boiling and comparisons of correlation with data[J]. Chemical EngineeringResearch and Design.1987,65:148-156.

Thermo-mechanical Analysis on a 10 MW Ocean Thermal Energy Conversion System

LI Da-shu,ZHANG Li,YUE Juan
CNOOC Research Institute,Beijing 100028,China

Due to the restriction of the patent protection and blockade on techniques,it is of urgent need to promptly solve the problem of key technology and equipment domesticization of ocean thermal energy conversion system.Based on the construction of a large-scale ocean thermal energy conversion platform,a numerical model is developed to carry out thermo-mechanical analysis.The performances for R717,R134a and R600 systems are analyzed respectively.The results show that the thermal load of evaporator and condenser of the R717 system is less than that of the R134a and R600 systems.With the same installed power,the R717 system has the highest thermal efficiency.Improving the capacity of the power system can enhance the thermal efficiency and power generation capacity for unit heat transfer area.The R717 system has a higher thermal efficiency,with its power generation for unit heat transfer area is in a suitable range,which can be used in the ocean thermal energy conversion system.

ocean thermal energy conversion;working fluid;thermo-mechanical analysis;numerical simulation

P743.4；TK11+4

A

1003-2029（2017）04-0042-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.04.008

2017-02-09

中國海洋石油總公司科技項(xiàng)目資助（CNOOC-KJZHKYZY2016-01-02）

李大樹（1990-），男，工程師，博士，研究方向?yàn)楹Ｑ竽芾谩鳠峒肮?jié)能技術(shù)。E-mail：lidsh23@cnooc.com.cn

張理，女，首席工程師，碩士，研究方向?yàn)楹Ｑ竽荛_發(fā)利用技術(shù)。E-mail：zhangli2@cnooc.com.cn