胡佳林
(東方汽輪機(jī)有限公司,四川德陽,618000)
一種海洋能及風(fēng)能聯(lián)合發(fā)電裝置
胡佳林
(東方汽輪機(jī)有限公司,四川德陽,618000)
文章提出了一種利用海洋溫差能和風(fēng)能聯(lián)合發(fā)電的方法及裝置。利用海洋表層的熱海水加熱低沸點(diǎn)工質(zhì),使之蒸發(fā),送入汽輪機(jī)推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組做功發(fā)電,汽輪機(jī)排出的工質(zhì)乏氣用海洋深層的冷海水冷凝為液態(tài),再用熱海水加熱,送入汽輪機(jī),使之蒸發(fā),推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組做功發(fā)電,如此循環(huán),持續(xù)發(fā)電;并且利用洋面風(fēng)力發(fā)電,并用該電力驅(qū)動(dòng)熱泵裝置,由熱泵裝置的媒質(zhì)將工質(zhì)的溫度進(jìn)一步提高,增大工質(zhì)體積膨脹率;由熱泵裝置的媒質(zhì)將冷海水的溫度進(jìn)一步降低,再用該低溫海水去冷凝工質(zhì)乏氣,增強(qiáng)對(duì)工質(zhì)乏汽的冷凝效果。該裝置既需要用到小型透平,又需要用到風(fēng)力發(fā)電裝置,十分適合公司發(fā)展。
海洋溫差能,汽輪機(jī),熱泵裝置,風(fēng)力發(fā)電裝置
海洋是世界上最大的太陽能采集器,它吸收的太陽能達(dá)到3.7×1013kW,大約是目前人類電力消耗總功率的4 000倍[1],僅可開發(fā)利用部分也已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出全球總能耗。熱帶區(qū)域的海洋表層與幾百至上千米深處存在著基本恒定的20~25℃的溫差,這就為發(fā)電提供了一個(gè)總量巨大且非常穩(wěn)定的冷熱源[2]。海洋溫差發(fā)電(OTEC)的基本原理就是利用海洋表面的高溫海水加熱低沸點(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),利用從海底提取的低溫海水(4~6℃)將做功后的排氣冷凝,使之重新變?yōu)橐后w。目前,全世界海洋溫差能的理論估計(jì)儲(chǔ)存量為1010kW,所以O(shè)TEC被1981年聯(lián)合國新能源和可再生能源會(huì)議確認(rèn)為所有海洋能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中最重要的。
我國南沙、西沙群島遠(yuǎn)離大陸,電力聯(lián)網(wǎng)困難,然而那里太陽日照強(qiáng)烈,溫差能利用最具潛力。據(jù)初步計(jì)算,南海溫差能資源技術(shù)上可開發(fā)利用的裝機(jī)容量高達(dá)(1.321~1.476)×109kW,若能因地制宜地加以利用,不僅對(duì)島嶼的經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生積極的影響,還能夠?yàn)楹I瞎こ套鳂I(yè)、采油、海防甚至沿海城市提供便利的電能,因此發(fā)展海洋溫差能發(fā)電技術(shù)具有重要意義。目前海洋溫差風(fēng)力發(fā)電的主要方式有3種:閉式循環(huán)系統(tǒng)、開式循環(huán)系統(tǒng)以及綜合兩者優(yōu)點(diǎn)的混合式循環(huán)系統(tǒng)。這3種循環(huán)系統(tǒng)技術(shù)上以閉式循環(huán)方案最接近商業(yè)化應(yīng)用。
2.1 溫差發(fā)電基本原理
海洋溫差發(fā)電基本原理是塞貝克效應(yīng),如圖1所示,A、B兩種不同導(dǎo)體構(gòu)成的回路,如果兩個(gè)結(jié)點(diǎn)所處的溫度不同 (T1和T2不等),回路中就會(huì)有電動(dòng)勢(shì)存在。這一現(xiàn)象是德國物理學(xué)家塞貝克發(fā)現(xiàn)的,被稱為塞貝克效應(yīng) (見圖1),它是溫差發(fā)電技術(shù)的理論基礎(chǔ)。當(dāng)結(jié)點(diǎn)間的溫度差在一定范圍內(nèi),存在如下關(guān)系:
ΔU=aAB(T2-T1) (1)
圖1 塞貝克效應(yīng)
式中:
ΔU—回路產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì);
aAB—所用兩種導(dǎo)體材料的相對(duì)塞貝克。
2.2 海洋溫差能發(fā)電技術(shù)
圖2是現(xiàn)有技術(shù)的閉式循環(huán)海洋溫差發(fā)電的系統(tǒng)流程圖,來自海洋的表層高溫海水A先在蒸發(fā)器14內(nèi)將熱量傳給丙烷等低沸點(diǎn)工質(zhì),使之蒸發(fā),工質(zhì)蒸發(fā)變成蒸汽推動(dòng)蒸汽透平6中的汽輪機(jī)做功,汽輪機(jī)排出的工質(zhì)再進(jìn)入冷凝器8,被幾百米深的深層低溫海水B冷卻后重新變?yōu)橐簯B(tài),然后再用工質(zhì)泵2把液態(tài)工質(zhì)輸送進(jìn)蒸發(fā)器14,以實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用。具體流程如下:首先,工質(zhì)泵2抽取貯液筒1內(nèi)的液態(tài)丙烷等低沸點(diǎn)工質(zhì)進(jìn)入蒸發(fā)器14,蒸發(fā)器14內(nèi)通過高溫海水泵3抽入表層高溫海水A,表層高溫海水A與液態(tài)丙烷換熱,使得液態(tài)丙烷在蒸發(fā)器14內(nèi)汽化,成為丙烷蒸汽,換熱后的表層高溫海水A排入海洋C。丙烷蒸汽進(jìn)入蒸汽透平6,推動(dòng)汽輪機(jī)做功,使之產(chǎn)生機(jī)械能,發(fā)電機(jī)7再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。之后,汽輪機(jī)排出的丙烷蒸汽進(jìn)入冷凝器8,冷凝器8通過低溫海水泵15抽取的深層低溫海水B,將丙烷蒸汽冷凝液化為液態(tài)丙烷,液態(tài)丙烷保存在貯液筒1中,深層低溫海水B與丙烷蒸汽換熱后排入海洋C。
圖2 現(xiàn)有技術(shù)的閉式循環(huán)海洋溫差發(fā)電的系統(tǒng)流程圖
現(xiàn)有的海洋溫差發(fā)電裝置運(yùn)行結(jié)果表明,由于表層高溫海水A和深層低溫海水B的溫差不大,即使采用低沸點(diǎn)的工質(zhì),海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)的效率也極低。例如以丙烷為循環(huán)工質(zhì)的海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)中,即使表層海水溫度為30℃,深層海水溫度為4℃時(shí),理想朗肯循環(huán)效率也只有約2%。并且實(shí)際循環(huán)中還有管道閥門等部件的損失,因此可能使循環(huán)發(fā)出的電力還不足以維持工質(zhì)泵和低溫海水泵的正常工作,這使海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)一直難以得到推廣應(yīng)用。
基于以上對(duì)海洋溫差能的研究以及現(xiàn)在推廣新能源的使用,聯(lián)想到如何將海洋溫差能與新型能源結(jié)合。風(fēng)能和海洋溫差能一樣,既是一次能源,又是可再生能源,在海洋表面同樣蘊(yùn)藏著豐富的風(fēng)能。在風(fēng)況上,海上比陸地具有更多的優(yōu)勢(shì),離岸10 km的海面上風(fēng)速一般比陸地風(fēng)速高25%,并且很少有靜風(fēng)期。本文就利用海洋溫差能結(jié)合風(fēng)力發(fā)電的方法,在傳統(tǒng)的閉式海洋溫差發(fā)電系統(tǒng) (Ocean Thermal Energy Conversion Closed Cycle,CC-OTEC)的基礎(chǔ)上,利用風(fēng)能發(fā)電驅(qū)動(dòng)熱泵提高海洋溫差發(fā)電透平低沸點(diǎn)工質(zhì)進(jìn)口溫度同時(shí)降低冷源溫度,以提高發(fā)電效率。在傳統(tǒng)的閉式海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,提供一種利用風(fēng)能發(fā)電驅(qū)動(dòng)熱泵伴隨加熱的海洋溫差發(fā)電的方法及裝置,以提高發(fā)電效率。
3.1 海洋溫差風(fēng)能聯(lián)合發(fā)電流程
為了實(shí)現(xiàn)這一目的,本文提出了一種海洋溫差風(fēng)力發(fā)電裝置,如圖3所示,這種海洋溫差發(fā)電方法,先利用海洋表層高溫海水A加熱低沸點(diǎn)工質(zhì) (如液氨或丙烷等),使之蒸發(fā),送入蒸汽透平6(即汽輪機(jī)組)推動(dòng)汽輪機(jī)做功,產(chǎn)生機(jī)械能,發(fā)電機(jī)7將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能發(fā)電,蒸汽透平6排出的工質(zhì)乏氣用海洋的深層低溫海水B冷凝為液態(tài)。然后用表層高溫海水A加熱,送入蒸汽透平6,使之蒸發(fā),推動(dòng)汽輪機(jī)組發(fā)電機(jī)7做功發(fā)電,如此循環(huán),持續(xù)發(fā)電。除此之外,還利用洋面風(fēng)力發(fā)電,并用該電力驅(qū)動(dòng)熱泵裝置,由熱泵裝置的媒質(zhì)二氟一氯甲烷 (CHCLF2)將工質(zhì)的溫度進(jìn)一步提高,將工質(zhì)的溫度加熱至55℃左右,增大工質(zhì)的體積膨脹率;由熱泵裝置的媒質(zhì)二氟一氯甲烷將深層低溫海水B的溫度進(jìn)一步降低至1℃,再用該深層低溫海水B去冷凝工質(zhì)乏氣,增強(qiáng)對(duì)工質(zhì)乏氣的冷凝效果。
圖3 海洋溫差發(fā)電流程圖
本文的海洋溫差發(fā)電裝置如圖4所示,包括以下幾部分:
圖4 海洋溫差能風(fēng)能聯(lián)合循環(huán)裝置圖
(1)汽輪發(fā)電機(jī)組,由蒸汽透平6和發(fā)電機(jī)7組成,用于發(fā)電。
(2)工質(zhì)儲(chǔ)罐,即貯液罐1,用于儲(chǔ)存透平工質(zhì),儲(chǔ)存液氨或丙烷等。
(3)工質(zhì)預(yù)熱器4,具有工質(zhì)進(jìn)、出口和表層高溫海水A進(jìn)、出口,其工質(zhì)出口連接蒸汽透平6的進(jìn)口,用于通過表層高溫海水A將液態(tài)工質(zhì)加熱,使之汽化蒸發(fā),成為工質(zhì)蒸汽。
(4)工質(zhì)泵2,布置在工質(zhì)儲(chǔ)罐 (貯液罐1)和工質(zhì)預(yù)熱器4之間,其進(jìn)口連接貯液罐1,出口連接工質(zhì)預(yù)熱器4,用于將工質(zhì)泵入工質(zhì)預(yù)熱器4。
(5)高溫海水泵3,即低揚(yáng)程海水泵,連接工質(zhì)預(yù)熱器4,用于將表層高溫海水A泵入工質(zhì)預(yù)熱器4。
(6)工質(zhì)冷凝器8,具有工質(zhì)進(jìn)、出口和深層低溫海水B進(jìn)、出口,其工質(zhì)進(jìn)口連接蒸汽透平6的排氣口,工質(zhì)出口連接工質(zhì)儲(chǔ)罐 (貯液罐1),用于將蒸汽透平6排出的工質(zhì)乏氣冷凝為液態(tài),返回貯液罐1。
(7)低溫海水泵15,即高揚(yáng)程海水泵,連接冷凝器8的海水進(jìn)口,用于將深層低溫海水B泵入冷凝器8,冷卻工質(zhì)乏氣。
(8)熱泵裝置及其驅(qū)動(dòng)裝置是本發(fā)電裝置的創(chuàng)新部分,下面一一介紹。
(9)驅(qū)動(dòng)裝置是風(fēng)力發(fā)電機(jī)11,布置在沿海灘涂,利用洋面風(fēng)力發(fā)電。
(10)熱泵裝置包括:冷媒儲(chǔ)罐9,壓縮機(jī)12,工質(zhì)再熱器5,低溫節(jié)流器,冷媒蒸發(fā)器14。
(11)冷媒儲(chǔ)罐9,是一個(gè)儲(chǔ)氣罐,用于儲(chǔ)存冷媒。
(12)壓縮機(jī)12,由風(fēng)力發(fā)電機(jī)11驅(qū)動(dòng),用于壓縮冷媒,使其成為高溫冷媒,該壓縮機(jī)12配有備用電源10。
(13)工質(zhì)再熱器5,布置在工質(zhì)預(yù)熱器4和蒸汽透平6之間,具有工質(zhì)進(jìn)、出口和冷媒進(jìn)、出口,其工質(zhì)進(jìn)口連接工質(zhì)預(yù)熱器4的出口,其工質(zhì)出口連接蒸汽透平6的進(jìn)口,其冷媒進(jìn)口連接壓縮機(jī)12的出口,由高溫冷媒將工質(zhì)的溫度進(jìn)一步提高。
(14)低溫節(jié)流器13,布置在工質(zhì)再熱器5的冷媒出口管道上,用于將加熱工質(zhì)后的氣體冷媒轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪旱蜏氐囊后w冷媒。該低溫節(jié)流器13具有多種結(jié)構(gòu)形式。
(15)冷媒蒸發(fā)器14,布置在冷媒儲(chǔ)罐9與工質(zhì)冷凝器8之間,具有冷媒進(jìn)、出口和深層低溫海水B進(jìn)、出口,其冷媒進(jìn)口連接工質(zhì)再熱器5的冷媒出口,其冷媒出口連接冷媒儲(chǔ)罐9,其深層海水進(jìn)口連接低溫海水泵15的出口,其深層海水出口連接工質(zhì)冷凝器8的深層海水進(jìn)口;利用急冷后冷媒蒸發(fā)吸熱,使深層低溫海水B的溫度進(jìn)一步降低。
(16)海洋溫差發(fā)電裝置還包括上述部件之間的冷媒管道L、溫海水管道M、冷海水管道N、氨工質(zhì)管道P和電纜線Q。冷媒管道L閉環(huán)連接冷媒儲(chǔ)罐9、壓縮機(jī)12、再熱器5、低溫節(jié)流器13、蒸發(fā)器14,形成冷媒的閉路循環(huán)工作管線。氨工質(zhì)管道P閉環(huán)連接貯液筒1、工質(zhì)泵2、預(yù)熱器4、再熱器5、蒸汽透平6和冷凝器8,形成工質(zhì)的閉路循環(huán)工作管線。電纜線Q將風(fēng)力發(fā)電機(jī)11產(chǎn)生的電能和備用電源10儲(chǔ)備的電能,分別輸送至工質(zhì)泵2、高溫海水泵3和低溫海水泵15。
3.2 海洋溫差風(fēng)能聯(lián)合發(fā)電裝置實(shí)施方式
與以往的常規(guī)蒸汽透平6不同,海洋溫差發(fā)電的進(jìn)口蒸汽溫度很低,冷源和熱源溫差很小,因此應(yīng)該取沸點(diǎn)較低、氣相區(qū)比熱大、汽化潛熱小的工質(zhì),這樣可以減少各個(gè)部件尺寸,因此,具體實(shí)施方式選取以氨為主循環(huán)的工質(zhì),熱泵冷媒則采用二氟一氯甲烷 (CHCLF2)。
如圖4所示,以海洋溫差發(fā)電透平中,氨工質(zhì)循環(huán)溫度為50℃、蒸發(fā)壓力為20 bar、冷凝溫度為7℃、冷凝壓力為5.5 bar的工況來說明實(shí)現(xiàn)海洋溫差及風(fēng)力發(fā)電具體流程。在實(shí)用裝置中可以根據(jù)具體情況調(diào)整參數(shù):
(1)儲(chǔ)存在貯液筒1(即氨液儲(chǔ)存筒)中的5℃的液態(tài)氨由工質(zhì)泵2(即供氨泵)提高壓力到20 bar以上,并輸送到預(yù)熱器4中。
(2)在預(yù)熱器4中,通過高溫海水泵3從海洋表層抽取的25℃表層高溫海水A將5℃的液態(tài)氨加熱到20℃左右。為了提高換熱效率,預(yù)熱器4采用板式換熱器結(jié)構(gòu),經(jīng)過預(yù)熱器4預(yù)熱后液態(tài)氨進(jìn)入再熱器5,而表層高溫海水A溫度降低,排入海洋C。
(3)儲(chǔ)存在冷媒儲(chǔ)罐9中的-5℃左右的氣態(tài)冷媒二氟一氯甲烷 (CHCLF2),被由風(fēng)力發(fā)電機(jī)11發(fā)出的電能驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)12壓縮成70℃左右的高溫高壓氣體,輸送進(jìn)入再熱器5。如果,遇到海上少數(shù)無風(fēng)的情況,則可以使用備用電源10,來驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)12實(shí)現(xiàn)這一過程。
(4)從預(yù)熱器4中出來的20℃左右的液態(tài)氨和從壓縮機(jī)12出來的70℃左右的冷媒二氟一氯甲烷在再熱器5中換熱,液態(tài)氨被加熱成50℃、20 bar左右的過熱氨氣,而二氟一氯甲烷被冷卻到約55℃。
(5)從再熱器5中流出的50℃、20 bar左右的過熱氨氣進(jìn)入蒸汽透平6,推動(dòng)蒸汽透平6膨脹做功并輸出功率,該功率由發(fā)電機(jī)7轉(zhuǎn)化為電能輸出;從蒸汽透平6排出的氨氣為7℃、5.3 bar的氣體。
(6)從再熱器5中出來的55℃的冷媒二氟一氯甲烷經(jīng)過低溫節(jié)流器13絕熱節(jié)流后,溫度急劇降低到-20℃,然后進(jìn)入蒸發(fā)器14。
(7)海洋深層800 m以下約5℃的深層低溫海水B經(jīng)低溫海水泵15抽取后,輸送到蒸發(fā)器14,在蒸發(fā)器14中加熱經(jīng)過節(jié)流后的-20℃的液態(tài)冷媒二氟一氯甲烷,經(jīng)過熱交換后冷媒二氟一氯甲烷溫度上升到-5℃,變?yōu)檫^熱氣體。然后,-5℃的二氟一氯甲烷過熱氣體輸送到冷媒儲(chǔ)罐9,供壓縮機(jī)12使用,這樣就完成了輔助系統(tǒng)的熱泵循環(huán)。蒸發(fā)器14中,5℃的深層低溫海水B被降溫到1℃,再輸送到冷凝器8中。
在步驟5中經(jīng)過做功后,5℃、5.3 bar的氨氣進(jìn)入到冷凝器8中,被1℃的深層低溫海水B冷卻到5℃,成為5℃的氨液送回氨液儲(chǔ)存筒中,工質(zhì)泵2抽取后再進(jìn)入預(yù)熱器4中,這樣完成了主循環(huán),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電能的輸出。
在以上的朗肯循環(huán)中,高溫端溫度高達(dá)55℃,低溫端溫度降低到5℃,理想效率達(dá)到14%,而現(xiàn)有技術(shù)的海洋溫差發(fā)電閉式循環(huán)系統(tǒng)中高溫端只有20~25℃,低溫端有10℃,理想循環(huán)效率也只有1.74%。與之相比較,本裝置成倍地提高了循環(huán)效率。另外如圖4所示,本文中風(fēng)力發(fā)電機(jī)11發(fā)出的電能還可以提供給海洋溫差發(fā)電閉式循環(huán)中的工質(zhì)泵2、高溫海水泵3和低溫海水泵15等使用,而不像傳統(tǒng)的閉式循環(huán)需要消耗主循環(huán)發(fā)出的電能來驅(qū)動(dòng)工質(zhì)泵2以及海水泵,考慮到實(shí)際循環(huán)中各部件的損失和管道損失,在蒸汽透平6及各個(gè)部件效率為60%的情況下,本裝置圖4的發(fā)電效率可以達(dá)到8.4%,完全具有實(shí)用價(jià)值。
本文設(shè)計(jì)了一種利用海洋溫差及風(fēng)能聯(lián)合發(fā)電的方法及裝置,用海洋表層的熱海水加熱低沸點(diǎn)工質(zhì),使之蒸發(fā),送入汽輪機(jī)推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組做功發(fā)電,汽輪機(jī)排出的工質(zhì)乏氣用海洋深層的冷海水冷凝為液態(tài),再用熱海水加熱,送入汽輪機(jī),使之蒸發(fā),推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組做功發(fā)電,如此循環(huán),持續(xù)發(fā)電;還利用洋面風(fēng)力發(fā)電,并用該電力驅(qū)動(dòng)熱泵裝置,由熱泵裝置的媒質(zhì)將工質(zhì)的溫度進(jìn)一步提高,增大工質(zhì)體積膨脹率;由熱泵裝置的媒質(zhì)將冷海水的溫度進(jìn)一步降低,再用該低溫海水去冷凝工質(zhì)乏氣,增強(qiáng)對(duì)工質(zhì)乏氣的冷凝效果。本文相比較現(xiàn)有海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)循環(huán)效率的1.74%可以提高到8.4%,實(shí)現(xiàn)了海洋溫差能和風(fēng)能的綜合利用,具有重要的實(shí)用價(jià)值,是綠色環(huán)保能源,易于大規(guī)模使用和推廣。
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Power Generation Device Combined w ith Ocean Energy and W ind Power
Hu Jialin
(Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000)
This paper presents amethod of using the ocean thermal energy and wind power combined power and device.The working principle of this device is as follows:heating the low boiling point workingmedium to evaporate using the hot water on ocean surface;then the evaporated medium flows into the steam turbine and drives the turbine to work;the exhausted steam discharged from the turbine is condensed to liquid by cold water in the deep ocean;the liquid will be heated by the hot sea water and flow into the steam turbine to drive the turbine.Thisworking cycle can ensure the continuous power generation.In addition,the power coming from the sea surface wind can be used to drive heat pump which can increase the temperature and specific volumetric dilatation of theworkingmedium by themedium in the heat pump.Themedium in the heat pump can also lower the temperature of the cold sea water which can improve the efficiency of condensing the exhausted steam.In this device,small turbine and wind power generation device are needed,so it is good for the development of the company.
ocean thermal energy,steam turbine,the heat pump device,wind power generation device
TK83
:A
:1674-9987(2014)01-0055-05
胡佳林 (1986-),女,本科,工程師,電氣及其自動(dòng)化專業(yè),主要從事汽輪機(jī)設(shè)計(jì)及新能源研發(fā)等方面研究工作。