劉偉民，陳鳳云，葛云征,2，彭景平，劉蕾，楊曉，宋金洲，劉凱倫

（1.自然資源部 第一海洋研究所,山東青島 266061；2.西安交通大學能源與動力工程學院,陜西西安 710049；3.青島市政務服務和公共資源交易中心,山東青島 266061；4.山東科技大學海洋科學與工程學院,山東青島 266590）

海洋溫差能是指海洋表層溫海水和深層冷海水之間的溫差蘊含的熱能。海洋溫差能在發(fā)電的同時還能制取淡水、提供冷源、開展海水養(yǎng)殖等獲得綜合效益，除此之外，溫差能亦可為大型的深海裝備與小型的水下移動裝備提供能源。我國海洋溫差能主要分布在南海，資源蘊藏量大，在各類海洋能資源中占居首位，南海大多數島嶼的能源與淡水供給困難，能源供應依靠大陸運送，若能因地制宜地開發(fā)海洋溫差能，對南海島嶼的經濟發(fā)展必將產生積極的影響。由于海洋上下層可利用的溫差較小，導致系統(tǒng)效率較低，提高溫差能系統(tǒng)效率一直是本研究領域的熱點和難點。

1 影響溫差能系統(tǒng)效率的因素分析

海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)由如圖1所示的A、B、C三部分組成。A部分是閉式熱力循環(huán)系統(tǒng)，工作介質一般是氨、氨-水、氟利昂或者其他低沸點工質，該閉式循環(huán)的形式有單工質朗肯循環(huán)、非共沸混合工質卡琳娜、上原循環(huán)[1]等，A部分的循環(huán)效率又叫海洋溫差能的熱力循環(huán)效率。

圖1 海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 OTECsystem

熱力循環(huán)效率ηc數學表達式為

式中：P為透平輸出功率；q為熱流量；Pw為工質泵功率。

B部分是系統(tǒng)溫海水加熱工質部分，C部分是冷海水冷凝工質部分。

在實際工程中，應從整體出發(fā)全面考慮系統(tǒng)的效率。系統(tǒng)效率是指系統(tǒng)總發(fā)電功率減去系統(tǒng)自用電功率后，與從蒸發(fā)器得到的熱流量的比值。其中，自用電功率包括溫、冷海水泵和工質泵的用電功率。

系統(tǒng)效率ηs數學表達式為

式中：Ph為溫海水泵電功率；Pc為冷海水泵電功率。

熱力循環(huán)是系統(tǒng)重要的組成部分，是系統(tǒng)效率研究的基礎，提高熱力循環(huán)效率是提高系統(tǒng)能量輸出的關鍵影響因素之一。

由圖1可見，透平、工質泵和溫、冷海水泵等動力裝置是海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)的組成部分，其效率的高低對系統(tǒng)的效率也有很大的影響。

2 熱力循環(huán)效率

因海洋上下層可利用的溫差較小，自法國物理學家Jacques-Arsene d’Arsonva[1]提出利用海洋溫差發(fā)電的方案以來，提高熱力循環(huán)效率一直是海洋溫差能研究領域的熱點和難點。據計算，當溫海水溫度為25℃、冷海水溫度為5℃，即在20℃溫差發(fā)電時，理論卡諾循環(huán)效率僅為6.7%。1979年美國建成的Mini-OTEC號52 kW溫差能電站使用氨工質朗肯（Rankine）回熱循環(huán)[2]，循環(huán)效率約為3%，系統(tǒng)除自用電外，凈電力輸出為15 kW。由此可見，如果系統(tǒng)的效率提高1%，即在系統(tǒng)自用電所占比例不變的情況下，凈發(fā)電能力可得到成倍的提高。因此，尋找高效熱力循環(huán)方式提高熱力循環(huán)效率在海洋溫差能開發(fā)利用研究中極其重要。

2.1 熱力循環(huán)中利用熱能提高效率的途徑

目前國內外海洋溫差發(fā)電裝置采用的熱力循環(huán)方式主要有朗肯循環(huán)(Rankine cycle)、卡琳娜循環(huán)（Kalina cycle）和上原循環(huán)(Uehara cycle)[3]。海洋溫差能熱力循環(huán)按工質類型一般分為單工質循環(huán)和混合工質循環(huán)。由于氨工質具有優(yōu)良的熱物性和穩(wěn)定性，因此是單工質海洋溫差能熱力循環(huán)的首選工質?；旌瞎べ|熱力循環(huán)中工質一般采用的是氨-水混合物[4]。

海洋溫差能氨工質朗肯循環(huán)結構簡單可靠，在減少管路壓降損失方面具有優(yōu)勢，但其循環(huán)效率相對較低。采用純氨工質的基本朗肯循環(huán)系統(tǒng)效率不高的原因在于工質的蒸發(fā)過程是等溫過程，即使把換熱溫差控制到很小，仍難以使熱源的放熱過程與工質蒸發(fā)過程的溫度之間達到滿足的匹配，從而產生較大的不可逆熵損失[5-9]。

為了降低純工質在相變換熱過程中與冷、熱源間的不可逆損失，卡琳娜在20世紀80年代提出了一系列使用非共沸工質的熱力循環(huán)，這類循環(huán)被稱為卡琳娜循環(huán)[10-12]。其中，卡琳娜-34（KCS-34）循環(huán)是一種適用于低溫熱源的循環(huán)。非共沸工質在相變過程中存在溫度滑移，工質變溫蒸發(fā)和冷凝，與冷、熱源溫度匹配好，不可逆損失小[13-15]?？漳?34循環(huán)流程如圖2所示[16]。海洋溫差能采用以氨-水混合液為工質的KCS-34循環(huán)時，能夠實現工質變溫蒸發(fā)。在蒸發(fā)過程中，氨水溶液中氨的質量分數隨著氨氣的蒸發(fā)而降低，導致溶液的沸點增加，使得其汽化過程與換熱過程相匹配，減少了換熱過程中的不可逆損失，提高了熱效率。同時，循環(huán)采用貧氨溶液回熱和乏氣回熱來提高進入蒸發(fā)器中溶液的溫度、降低進入冷凝器中的溶液溫度，可降低海水流量，減少水泵的能耗。大量理論與實踐研究表明，卡琳娜循環(huán)的熱效率高于使用純工質的朗肯循環(huán)，卡琳娜循環(huán)的系統(tǒng)性能優(yōu)于使用純工質的朗肯循環(huán)[17-19]。

卡琳娜-34（KCS-34）循環(huán)采用沸點不同的氨-水混合物作為工質，相對朗肯循環(huán)采用了2種措施來提高熱力循環(huán)的熱效率：①在蒸發(fā)過程中工質變溫蒸發(fā)，減少了工質蒸發(fā)過程的不可逆性；冷凝過程中，相比單工質冷凝溫差也較小，同樣減少了冷凝過程中的不可逆性，同時實現了在較低壓力下工質的完全冷凝[20]；②貧氨溶液回路上，在分離器后通過回熱器2回收了貧氨溶液的部分熱量（圖2）。

圖2 卡琳娜-34循環(huán)流程示意圖Fig.2 Flow diagram of KCS-34 cycle

1994年，日本佐賀大學海洋能源研究中心的上原春男教授發(fā)明了一種用于海洋溫差發(fā)電的新循環(huán)——上原循環(huán)[21]，上原循環(huán)的流程詳見圖3。上原循環(huán)同樣采用沸點不同的氨-水混合物作為工質，該循環(huán)除采用與卡琳娜循環(huán)相同的2種措施來提高熱力循環(huán)效率外，又增加了一種措施來提高熱力循環(huán)效率，即增加一級透平、采用中間抽氣、直接加熱工質到泡點的措施來增加熱力循環(huán)的效率。該循環(huán)相對卡琳娜-34循環(huán)增加了一級透平和一級工質泵和氨液混合筒等設備，因此系統(tǒng)相對復雜。

圖3 Uehara循環(huán)流程示意圖Fig.3 Flow diagram of Uehara cycle

上原循環(huán)中采用中間抽氣加熱冷凝器后混合工質到泡點溫度，造成分離器后貧氨溶液從回熱器2進入吸收器溫度過高，為了充分利用這部分熱量，自然資源部第一海洋研究所劉偉民等[22-23]采用了一種新的循環(huán)，因是在國家海洋局海洋能專項項目支持下的發(fā)明，將該循環(huán)簡稱為國海循環(huán)。該循環(huán)流程如圖4所示。

圖4 國海循環(huán)流程示意圖Fig.4 Flow diagram of Guohai cycle

國海循環(huán)在上原循環(huán)的基礎上，增加了如下措施來提高熱力循環(huán)效率：①增加了貧氨溶液二次熱回收，用于回收貧氨溶液從回熱器1進入吸收器前的熱能；②將直接換熱回熱器2改為間接換熱器，該措施可減少一級工質泵，節(jié)省的能耗也可提高熱力循環(huán)效率。

從國海循環(huán)的流程來看，熱力循環(huán)的熱能得到了充分的利用。在溫海水溫度為27℃、冷海水溫度為5℃，某一氨的質量分數條件下，對國海循環(huán)與上原循環(huán)熱效率隨透平進口蒸氣壓力的變化進行了比較，其結果如圖5所示。

圖5 上原循環(huán)和國海循環(huán)效率的比較Fig.5 Comparison of Uehara cycle efficiency with Guohai cycle

由圖5可見，上原循環(huán)和國海循環(huán)效率隨透平入口蒸氣壓力的變化趨勢是相同的，均隨著透平入口蒸氣壓力的升高而升高。國海循環(huán)效率曲線一直位于上原循環(huán)曲線上方，可以得出：這種情況下國海循環(huán)相對于上原循環(huán)具有優(yōu)勢。這一結果驗證了國海循環(huán)貧氨溶液回熱支路和抽氣回熱支路可以使循環(huán)效率得到提高[24]。

2.2 熱力循環(huán)中利用動能提高效率的途徑

非共沸工質熱力循環(huán)中的貧氨溶液經過2次熱回收，熱能得到了充分利用，但分離器后的高壓貧氨溶液通過減壓閥進入吸收器，壓力能沒有得到充分的利用。

貧氨溶液占工質總循環(huán)流量的比例較大，因此該壓力能的利用能有效地提高循環(huán)系統(tǒng)效率。壓力能一般有3種利用途徑：①在貧氨溶液管路上安裝透平直接發(fā)電；②使用換能器，將壓力能轉換到溫海水管路上替代部分溫海水泵的泵功率；③用貧氨溶液通過引射器引射乏氣，降低發(fā)電透平的背壓，增加做功量。

在貧氨溶液管路上安裝透平直接發(fā)電或使用換能器將壓力能轉換到溫海水管路上替代部分溫海水的泵功，壓力能的利用效率可達到90%以上。

用貧氨溶液通過引射器引射乏氣，降低發(fā)電透平的背壓，進而增加做功量的方法是借鑒Ersoy等[25-30]關于引射器對制冷系統(tǒng)性能影響的研究成果。國內外多位學者開展了將引射器應用到海洋溫差能發(fā)電熱力循環(huán)中的研究，韓國Lee等[31]提出了使用氣-氣引射器的海洋溫差熱力循環(huán)，循環(huán)通過氣-氣引射器利用透平中間的抽氣來降低二級透平出口乏氣壓力，從而提高二級透平的輸出功。相同工況下朗肯循環(huán)效率只有2.2%，而對循環(huán)的操作參數進行優(yōu)化后，系統(tǒng)效率可達到2.47%。韓國釜慶國立大學Yoon等[32]設計了一種使用純工質R152a的引射器循環(huán)，循環(huán)原理如圖6所示。該循環(huán)將高壓液體工質作為液-氣引射器的工作流體來引射透平出口的乏氣，降低透平出口的壓力。與朗肯循環(huán)相比，引射器能夠進一步降低透平出口的壓力，使其低于工質的冷凝壓力，進一步提高了熱力循環(huán)效率。

圖6 引射器循環(huán)原理示意圖Fig.6 Flow diagram of OTECcyclewith ejector

為驗證引射器對循環(huán)性能的影響，將有引射器和無引射器的循環(huán)分別進行模擬，在溫海水溫度為27℃、冷海水溫度為5℃、氨-水混合物氨的質量分數為0.80的工況下，2種熱力循環(huán)效率隨透平進口壓力的變化情況見圖7?？梢钥闯?，引射器熱力循環(huán)效率大于無引射器熱力循環(huán)效率。這是因為使用引射器降低了透平出口處的壓力，工質焓值降低，使氨氣在透平進出口處的焓降變大，透平輸出功增加，所以提高了熱力循環(huán)效率[33]。

圖7 引射器熱力循環(huán)和無引射器熱力循環(huán)性能對比Fig.7 Performance comparison between thermodynamic cycle with and without ejector

目前海洋溫差能發(fā)電采用的氨-水混合工質熱力循環(huán)中，分離器后的高壓貧氨溶液流量較大，與低壓冷凝器之間的壓差也較大，若能有效地利用該壓力差含有的壓力能，是有效地提高熱力循環(huán)系統(tǒng)效率的途徑之一。

3 其他因素對系統(tǒng)效率的影響

3.1 換熱溫差對系統(tǒng)效率的影響

在設法提高海洋溫差能系統(tǒng)效率時，若只考慮熱力循環(huán)對系統(tǒng)的影響、而不從發(fā)電系統(tǒng)整體考慮是不全面的。例如，理論上卡諾循環(huán)效率最高，但系統(tǒng)效率并不能做到能量正輸出。

影響蒸發(fā)（圖1中B部分）、冷卻（圖1中C部分）的流量和能耗的大小與其換熱溫差有關，基于特定的熱力循環(huán)，換熱溫差也是影響系統(tǒng)效率的關鍵因素之一[34-45]。海洋中可利用的上下層溫差較小，發(fā)電系統(tǒng)需要抽取大量的海水，所需自用電量占總發(fā)電量的比例較高，因此基于不同的熱力循環(huán)，分析換熱溫差對系統(tǒng)效率的整體影響也是很關鍵的問題之一。

對系統(tǒng)效率進行整體考慮，其研究目的是從加熱的單位流體中獲取最大的能量凈輸出，熱力循環(huán)效率只考慮了整個系統(tǒng)中的熱力循環(huán)部分，不能全面評價系統(tǒng)的優(yōu)劣。而從系統(tǒng)效率研究著手，可以探討熱力循環(huán)和加熱、冷卻部分的溫差對系統(tǒng)效率影響的理論機制，又對海洋溫差工程應用系統(tǒng)的設計、運行都具有理論指導意義。

由上述分析討論可知，影響系統(tǒng)效率最大的關鍵因素有2個：一是熱力循環(huán)效率，二是換熱溫差。溫差的確定條件為一定發(fā)電功率下需要的溫、冷水泵能耗最少，即

式中：?T為系統(tǒng)效率最佳換熱溫差。

由式（3）可知，要使溫、冷海水泵功率最小，溫、冷海水換熱系統(tǒng)就需要維持一個最小的溫差。溫差越小，熱量回收就越多，但溫差越小，換熱面積會越大，使得系統(tǒng)的溫、冷海水泵功率增大。達到一定溫差后，換熱不可逆損失增加，系統(tǒng)效率下降。這個傳熱溫差，稱為系統(tǒng)效率最佳換熱溫差。

3.2 動力裝置對系統(tǒng)效率的影響

溫差能系統(tǒng)動力裝置有透平、工質泵和溫、冷海水泵。動力裝置自身的效率直接或間接對系統(tǒng)的效率造成影響。

3.2.1 透平

與傳統(tǒng)的發(fā)電透平裝置相比，海洋溫差能系統(tǒng)內的工質為低溫低壓狀態(tài)，為保證透平的熱電轉化效率，就必須對溫差能用發(fā)電透平進行更為精密地設計以保證其高效運行。多年的研究表明[46-48]，徑流向心型式更適用于溫差能系統(tǒng)中的透平。徑流向心透平具有結構簡單、徑向尺寸大、輪周效率高等特點，在設計過程中，必須對其氣動部分，包括蝸殼、噴嘴、葉輪和擴壓器等（圖8），進行準確設計并優(yōu)化，以保證透平的氣動性能在系統(tǒng)運行過程中達到最佳狀態(tài)。在透平設計時，需要對透平氣動結構內多物理場進行數值模擬，分析其內部流場、溫度場與應力分布，并結合優(yōu)化算法優(yōu)化葉片葉型。然后通過試驗方式開展透平內部多物理場參數測試，對比驗證數值仿真優(yōu)化結果，得到符合海洋溫差能系統(tǒng)的向心透平最佳氣動結構。而在實際條件下，盡管海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)與其他海洋能源相比相對穩(wěn)定，但隨著季節(jié)變化表面海水溫度也會出現變化，這會導致透平入口溫度和壓力的變化，進而使透平在非設計工況下運轉而效率下降。在不同溫海水條件下，為了實現透平在非設計工況下定轉速運行且透平效率保持在較高狀態(tài)，可考慮采用可調噴嘴設計對非設計工況下的透平進行調節(jié)的方式來改善透平效率。因此，對于海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)中的透平設計而言，提高效率的方法主要為提高透平本身的氣動效率，以及可調工況下使透平運轉滿足不同季節(jié)海水溫度的變化。

圖8 海洋溫差能用透平氣動結構示意圖Fig.8 Schematic diagram of aerodynamic structureof turbinefor OTEC

3.2.2 工質泵

工質泵的流量由額定工況下熱力循環(huán)計算而定。工質泵的揚程由蒸發(fā)器工質側與進入水泵前冷凝器內的壓力差值、管路的沿程水頭損失和局部水頭損失而定。工質泵一般采用齒輪泵、柱塞泵、隔膜泵、離心泵或屏蔽泵，其工作效率一般情況下，由齒輪泵、柱塞泵、隔膜泵、離心泵、屏蔽泵逐漸降低，雖然工質泵在自用電中所占比例較小，但大規(guī)模溫差能系統(tǒng)工質泵應選用效率較高的齒輪泵。盡量避免選用隔膜泵，因為當液體中包含固體顆粒時，軸向間隙和徑向間隙會由于磨損而增加，這會降低電動隔膜泵的性能或導致隔膜泵無法工作。

3.2.3 溫、冷海水泵

溫、冷海水泵的流量取決于發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率，循環(huán)形式，所處溫、冷海水溫度和換熱端差。溫、冷海水泵的揚程由蒸發(fā)器、冷凝器內的阻力損失，以及管道摩擦阻力、局部阻力損失而定。溫、冷海水泵一般采用混流泵、軸流泵等大流量、低揚程水泵[49]，其工作效率一般都在85%以上，由于溫、冷海水泵在自用電中所占比例較大，建議在實際選用時應根據實際工況進行型線校核，揚程、流量富余系數不可過高。

3.3 管道對系統(tǒng)效率的影響

溫、冷水泵的能耗需要克服管路的沿程阻力損失，為了減少阻力損失，管材一般采用玻璃鋼管道或高密度聚乙烯管道[50]，這些材質不僅摩擦阻力系數較小，而且管道熱阻較大，可保證在海水取水的過程中溫度變化不大。

4 結論

從前文的分析可以看出，熱力循環(huán)和溫、冷換熱系統(tǒng)以及透平、工質泵、溫、冷海水泵等動力裝置主要是通過改變系統(tǒng)熱能和動能的利用率來影響系統(tǒng)效率?？梢酝ㄟ^全面、梯級利用熱能，降低單工質與冷熱源間在相變換熱過程中的不可逆損失、充分利用熱力循環(huán)中的壓力能提高海洋溫差能系統(tǒng)效率，具體的方法如下。

1）熱力循環(huán)采用非共沸工質，減少熱力循環(huán)過程中的不可逆熱損失；

2）充分利用中間抽氣、貧氨溶液熱能梯次回收等措施；

3）建議采用透平充分利用循環(huán)中的動能；

4）優(yōu)化溫、冷海水與工質熱交換溫差，使得系統(tǒng)凈輸出最大；

5）考慮透平、工質泵和溫、冷海水泵的型線和選型對效率的影響；

6）海水管道采用有一定保溫性能和摩阻較小的有機材質管道。