冷庫制冷與海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)耦合研究

何慶陽，劉 強(qiáng)，李大樹，董 芬

（中海石油（中國）有限公司北京研究中心，北京 100028）

冷庫作為海洋漁業(yè)生產(chǎn)運(yùn)輸必備設(shè)施，對(duì)我國開發(fā)利用南海漁業(yè)資源至關(guān)重要，但南海核心漁業(yè)作業(yè)區(qū)域遠(yuǎn)離大陸，其臨近島礁又因?yàn)殡娏Y源匱乏而難以建立規(guī)?；鋷靺^(qū)，從而制約了我國南海漁業(yè)發(fā)展。海洋溫差能發(fā)電（Ocean Thermal Energy Conversion，OTEC）是利用表層溫海水與深層冷海水來蒸發(fā)、冷凝工質(zhì)，并利用所產(chǎn)生的氣態(tài)工質(zhì)驅(qū)動(dòng)透平機(jī)發(fā)電的一種穩(wěn)定、清潔、可持續(xù)的綠色發(fā)電技術(shù)[1-3]。OTEC系統(tǒng)不僅可以為孤島冷庫及配套生活設(shè)施提供穩(wěn)定電源，而且冷海水在經(jīng)過工質(zhì)冷凝器換熱后的剩余冷量同樣可以用于冷庫制冷系統(tǒng)，提高制冷系統(tǒng)效率的同時(shí)，有效提高海洋溫差能發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性。因此，開展二者的耦合研究十分必要。

目前，國內(nèi)外研究者對(duì)冷庫制冷系統(tǒng)及OTEC系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的研究。宛超[4]分析了制冷系統(tǒng)各設(shè)計(jì)要素對(duì)冷庫制冷系統(tǒng)的影響，得到了制冷劑選擇、系統(tǒng)循環(huán)形式及制冷壓縮機(jī)選型的關(guān)鍵因素；李坤等[5]分析了不同類型的單工質(zhì)和復(fù)疊工質(zhì)對(duì)制冷系統(tǒng)能效的影響，得到了在換熱溫差相同的情況下，氨（R717）單工質(zhì)的系統(tǒng)能效最高；EDVINS T等[6]分析了魚類冷藏加工過程中各環(huán)節(jié)的能量消耗占比，指出過程加工中60%~70%電能用于制冷環(huán)節(jié)；張繼生等[7]分析了海洋溫差能資源潛力及分布現(xiàn)狀，并對(duì)發(fā)電熱力循環(huán)方式進(jìn)行了梳理；李大樹等[8]分析了R717、1,1,1,2-四氟乙烷（R134a）和正丁烷（R600）3種工質(zhì)對(duì)OTEC系統(tǒng)蒸發(fā)壓力的影響，得到了3種工質(zhì)在不同蒸發(fā)壓力下的蒸發(fā)器、冷凝器熱負(fù)荷變化規(guī)律；劉強(qiáng)等[9]對(duì)比分析了純氨和二氟一氯甲烷兩種工質(zhì)在不同蒸發(fā)壓力、冷熱海水溫度下對(duì)OTEC系統(tǒng)熱效率的影響，得到純氨為海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)較為理想的循環(huán)工質(zhì)；BERNARDONI C等[10]將自研軟件和商業(yè)軟件相結(jié)合，針對(duì)不同工質(zhì)的OTEC系統(tǒng)進(jìn)行了研究，得到工質(zhì)R717的系統(tǒng)凈輸出功率和發(fā)電效率最高；MOHAMMED F等[11]在8 W的OTEC試驗(yàn)樣機(jī)上以R134a為工質(zhì)研究了冷熱源溫差對(duì)發(fā)電系統(tǒng)效率的影響，得到系統(tǒng)凈輸出功率和發(fā)電效率隨冷熱源溫差的升高而增大；DHAHAD H A等[12]將吸收式制冷過程整合到卡琳娜循環(huán)內(nèi)，驗(yàn)證了該制冷發(fā)電復(fù)合系統(tǒng)工程實(shí)施的可行性，并得到冷熱海水溫度是影響系統(tǒng)凈輸出冷能的重要因素。

現(xiàn)有的研究多集中在單個(gè)系統(tǒng)上，國內(nèi)外將冷庫制冷系統(tǒng)與海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行耦合的研究報(bào)道還較少見。本文將冷庫制冷系統(tǒng)與海洋溫差能發(fā)電熱力系統(tǒng)通過深層海水的冷能梯級(jí)利用進(jìn)行耦合，利用商業(yè)流程模擬軟件HYSYS對(duì)冷庫制冷與海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)耦合進(jìn)行初步探索，以期為發(fā)展我國孤島漁業(yè)儲(chǔ)藏技術(shù)提供理論參考。

1 耦合系統(tǒng)

冷庫制冷系統(tǒng)與海洋溫差能發(fā)電熱力系統(tǒng)通過深層海水的冷能梯級(jí)利用以及電能進(jìn)行系統(tǒng)耦合，其工作原理如圖1所示，其中冷庫制冷系統(tǒng)包含制冷壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器，其工作原理為：氣相工質(zhì)經(jīng)制冷壓縮機(jī)壓縮升壓后經(jīng)冷凝器冷凝液化，然后通過節(jié)流閥降壓降溫得到所需的制冷溫度，最后經(jīng)過蒸發(fā)器汽化對(duì)外供冷以完成工質(zhì)循環(huán)。海洋溫差能熱力系統(tǒng)采用朗肯循環(huán)，包含透平發(fā)電機(jī)組、工質(zhì)冷凝器、工質(zhì)循環(huán)泵和工質(zhì)蒸發(fā)器，其工作原理為：高壓氣相工質(zhì)經(jīng)透平發(fā)電機(jī)組降壓降溫將熱力學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，之后經(jīng)工質(zhì)冷凝器液化、工質(zhì)循環(huán)泵增壓最后經(jīng)工質(zhì)蒸發(fā)器復(fù)熱汽化以完成工質(zhì)循環(huán)。耦合系統(tǒng)通過透平發(fā)電機(jī)組為制冷壓縮機(jī)供電，從而實(shí)現(xiàn)深層海水冷量的梯級(jí)利用。

圖1 冷庫制冷系統(tǒng)與海洋溫差能發(fā)電熱力系統(tǒng)耦合原理圖

2 流程建模

本研究利用成熟的商業(yè)流程模擬軟件HYSYS進(jìn)行模型搭建，并選擇經(jīng)前人驗(yàn)證過的Peng-Robinson物性方法[13-14]對(duì)耦合系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算研究，分析時(shí)采用的主要能量方程如下。

式中，Mm為冷媒或熱媒的質(zhì)量流量；Mg為工質(zhì)的質(zhì)量流量；Cp為冷媒或熱媒的比熱；Δt為換熱器進(jìn)出口溫差；Δh為工質(zhì)焓變；ηt、ηc、ηp分別為透平發(fā)電機(jī)組、制冷壓縮機(jī)和工質(zhì)循環(huán)泵的效率；Wt，Wc，Wp分別為透平發(fā)電機(jī)組輸出功率、制冷壓縮機(jī)輸入功率和工質(zhì)循環(huán)泵輸入功率；hu，hd分別為節(jié)流閥上游、下游工質(zhì)的焓。

3 結(jié)果與分析

3.1 循環(huán)工質(zhì)類型對(duì)制冷壓縮機(jī)進(jìn)出口溫度及壓力的影響

分別以R717、二氟一氯甲烷（R22）、R134a、丙烷（R290）和丙烯（R1270）為工質(zhì)，固定制冷壓縮機(jī)的絕熱效率為75%，以蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度-28℃，冷凝器冷凝溫度10.6℃為基準(zhǔn)計(jì)算了不同循環(huán)工質(zhì)下對(duì)應(yīng)的制冷壓縮機(jī)進(jìn)出口溫度和壓力，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，以R134a為循環(huán)工質(zhì)時(shí)，制冷壓縮機(jī)的出口壓力為92.7 kPa，此值低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.3 kPa，如果采用R134a為循環(huán)工質(zhì)將面臨制冷壓縮機(jī)吸入端負(fù)壓操作的問題，這就使得外界空氣有可能串入工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)，給系統(tǒng)帶來操作問題，因此不建議制冷系統(tǒng)采用R134a為循環(huán)工質(zhì)。以R717為循環(huán)工質(zhì)時(shí)，制冷壓縮機(jī)的出口溫度為115.4℃，過高的壓縮機(jī)出口溫度會(huì)對(duì)壓縮機(jī)潤滑、密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來困難，并且壓縮機(jī)出口溫度過高還將導(dǎo)致冷凝器冷熱兩側(cè)溫差過大，對(duì)冷凝器的密封帶來不利，因此不建議制冷系統(tǒng)采用R717為循環(huán)工質(zhì)。以R22、R290、R1270為循環(huán)工質(zhì)雖然制冷壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力較為適合工程應(yīng)用，但與R22相比兩種工質(zhì)的壓縮機(jī)出口溫度均較低，這使得冷凝器的換熱溫差減小，從而增加冷凝器所需的換熱面積，造成設(shè)備投資費(fèi)用增加，此外，R290和R1270為烴類物質(zhì)，其工程設(shè)計(jì)中還要額外考慮制冷裝置的防爆。因此，制冷循環(huán)系統(tǒng)宜采用R22為循環(huán)工質(zhì)。

表1 工質(zhì)類型對(duì)制冷壓縮機(jī)進(jìn)出口溫度和壓力的影響

3.2 冷卻介質(zhì)溫度對(duì)制冷系統(tǒng)效率的影響

以R22為循環(huán)工質(zhì)，固定工質(zhì)循環(huán)量為6 000 kg/h，制冷壓縮機(jī)的絕熱效率為75%，蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度為-28℃，以冷凝器換熱端差（系指冷卻介質(zhì)出口溫度與冷凝溫度間的差值）2℃為基準(zhǔn)計(jì)算了不同冷凝器冷卻介質(zhì)溫度下的蒸發(fā)器制冷負(fù)荷、壓縮機(jī)輸入功率和制冷效率。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 冷卻介質(zhì)溫度對(duì)制冷系統(tǒng)效率的影響

從表2可以看出，隨著冷凝器冷卻介質(zhì)溫度從23.3℃降低至7.1℃，制冷系統(tǒng)效率由255.4%升高至386.7%，冷卻介質(zhì)溫度降低16.2℃，制冷系統(tǒng)效率增加了131.2%，系統(tǒng)效率提升顯著。這說明使用低溫?zé)嵩纯捎行岣咧评湎到y(tǒng)效率，而經(jīng)過OTEC系統(tǒng)利用之后的深層冷海水其溫度可低至6~10℃，是很好的制冷系統(tǒng)低溫?zé)嵩础?/p>

3.3 冷卻介質(zhì)溫度對(duì)制冷系統(tǒng)操作壓力的影響

同樣，以R22為工質(zhì)，固定工質(zhì)循環(huán)量為6 000 kg/h，制冷壓縮機(jī)的絕熱效率為75%，蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度為-28℃，以冷凝器換熱端差2℃為基準(zhǔn)，研究了壓縮機(jī)出口壓力隨冷卻介質(zhì)溫度的變化趨勢，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同制冷壓縮機(jī)出口壓力對(duì)應(yīng)的冷卻介質(zhì)溫度

由圖2可以看出，隨著冷卻介質(zhì)溫度的降低，壓縮機(jī)出口壓力明顯降低，冷卻介質(zhì)溫度從23.2℃降低到7.1℃，壓縮機(jī)出口壓力降低了400 kPa。這是由于較低的冷卻介質(zhì)溫度可以實(shí)現(xiàn)較低的工質(zhì)冷凝溫度，而壓縮機(jī)出口壓力與工質(zhì)冷凝溫度一一對(duì)應(yīng)，進(jìn)而使壓縮機(jī)出口壓力減小。這說明制冷系統(tǒng)采用低溫?zé)嵩丛谔岣咧评湎到y(tǒng)效率的同時(shí)能夠有效降低制冷系統(tǒng)的操作壓力，從而降低制冷系統(tǒng)的工程設(shè)備投資費(fèi)用，并提高了系統(tǒng)操作安全性。

3.4 循環(huán)工質(zhì)類型對(duì)OTEC系統(tǒng)循環(huán)量及深層海水需求量的影響

對(duì)于小溫差低涵降的朗肯循環(huán)，其發(fā)電系統(tǒng)的效率受系統(tǒng)工質(zhì)循環(huán)量及深層海水需求量的影響較大，而制冷劑的選擇是決定兩種循環(huán)量的重要因素。

分別以R717、R22、R134a、R290和R1270為循環(huán)工質(zhì)，固定透平發(fā)電機(jī)組絕熱效率為84%，工質(zhì)蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度為23.5℃，工質(zhì)冷凝器的冷凝溫度為9.5℃，深層冷海水入口溫度為6℃，出口溫度為8℃，研究了不同透平發(fā)電機(jī)組輸出功率下工質(zhì)類型對(duì)工質(zhì)循環(huán)量及深層海水需求量的影響。計(jì)算結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 不同工質(zhì)類型對(duì)工質(zhì)循環(huán)量的影響

圖4 不同工質(zhì)類型對(duì)深層海上需求量的影響

由圖3所示，在相同的透平發(fā)電機(jī)組輸出功率下，相較于其他4種工質(zhì)，R717的工質(zhì)循環(huán)量最小，與R134a和R22相比小了一個(gè)數(shù)量級(jí)，與R290和R1270相比僅相當(dāng)于這兩種工質(zhì)循環(huán)量的1/3，這是由于在相同的工質(zhì)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度下，R717經(jīng)過透平的焓降最大，其值約為R134a和R22兩種工質(zhì)的6倍，在透平輸出功率相同的情況下，高焓降有利于工質(zhì)循環(huán)量的降低。同時(shí)，工質(zhì)循環(huán)量的下降將顯著降低發(fā)電系統(tǒng)的尺寸，從而有利于減少設(shè)備工程投資費(fèi)用。從圖3中還可以看出，隨著透平發(fā)電機(jī)組輸出功率的增加，5種工質(zhì)所需的循環(huán)量隨之增加，但R717相較其他4種工質(zhì)增加幅度較小，這增加了耦合系統(tǒng)在負(fù)荷調(diào)節(jié)時(shí)的操作穩(wěn)定性，同時(shí)也降低了系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)和選型難度。

由圖4所示，5種工質(zhì)對(duì)深層海水的需求量均隨著透平發(fā)電機(jī)組輸出功率的增加而線性增加，5種工質(zhì)在相同透平發(fā)電機(jī)組輸出功率下所需的深層海水量相差不大，這表明在相同的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度下OTEC發(fā)電系統(tǒng)在同樣的輸出功率下對(duì)深層冷海水的需求量與循環(huán)工質(zhì)的類型關(guān)系不大。

3.5 深層冷海水溫度對(duì)耦合系統(tǒng)冷海水需求量及耦合系統(tǒng)總效率的影響

在上述分析的基礎(chǔ)上，選擇R22和R717為耦合系統(tǒng)中制冷工質(zhì)和發(fā)電工質(zhì)，在制冷工質(zhì)循環(huán)量為5 000 kg/h，制冷壓縮機(jī)效率為75%，發(fā)電工質(zhì)循環(huán)量為20 000 kg/h，透平發(fā)電機(jī)效率為84%的條件下，以不同溫度的深層冷海水為耦合系統(tǒng)冷源，得到各溫度下發(fā)電系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)對(duì)冷海水的需求量如圖5所示。

圖5 深層冷海水溫度對(duì)發(fā)電系統(tǒng)及制冷系統(tǒng)冷海水需求量的影響

由圖5所示，制冷系統(tǒng)對(duì)深層冷海水的需求量相對(duì)于發(fā)電系統(tǒng)來說所占比例很小，約為4%，并且與發(fā)電系統(tǒng)相比，制冷系統(tǒng)的冷海水需求量受深層冷海水供水溫度的影響較小，這是因?yàn)楹Ｑ鬁夭钅艿哪茉幢旧砥肺惠^低，采用朗肯循環(huán)的系統(tǒng)效率僅為3%左右，因此發(fā)電系統(tǒng)對(duì)溫、冷海水的需求量較大；同時(shí)，由于冷海水供水溫度直接決定透平發(fā)電機(jī)組的出口壓力，進(jìn)而影響透平的做功，在相同輸出功率的情況下，冷海水溫度對(duì)冷海水的需求量影響較大。

不同的深層冷海水溫度下，工質(zhì)蒸發(fā)器負(fù)荷、透平發(fā)電機(jī)組輸出功率、蒸發(fā)器制冷負(fù)荷和制冷壓縮機(jī)輸入功率的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 深層冷海水溫度對(duì)耦合系統(tǒng)的影響

從表3可以看出，發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電能能夠滿足制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)的電能需求，而且富裕的電能也可提供耦合系統(tǒng)其他生產(chǎn)、生活設(shè)施的用電需求，說明耦合系統(tǒng)在電能的生產(chǎn)和消耗上能夠?qū)崿F(xiàn)匹配；同時(shí)從表3中還可以看出，隨著深層冷海水供水溫度從6.0℃升高至10.0℃，透平發(fā)電機(jī)組的輸出功率從308.5 kW降低至227.2 kW，降低了26.4%，制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器制冷負(fù)荷從252.2 kW降低至245.4 kW，降低了2.7%，耦合系統(tǒng)對(duì)外輸出電能和制冷能力均有所減弱。

從圖6中可以看出，隨著深層冷海水供水溫度的升高，耦合系統(tǒng)的總效率呈下降趨勢，冷海水溫度從6℃升高到10℃，耦合系統(tǒng)總效率從17.9%下降到了11.9%，下降了6.0%。這是由于隨著冷海水溫度的升高，透平發(fā)電機(jī)組出口壓力隨之升高，降低了透平對(duì)外做功能力，從而使發(fā)電機(jī)組效率降低，同時(shí)，冷海水溫度的升高也導(dǎo)致制冷壓縮機(jī)出口壓力升高，造成壓縮機(jī)的壓比增大，增加了壓縮機(jī)的電能消耗，從而降低了制冷系統(tǒng)的制冷效率，兩者疊加進(jìn)而造成耦合系統(tǒng)總效率的下降。由上述分析可知，對(duì)于耦合系統(tǒng)應(yīng)盡量采用較低溫度的深層冷海水。

圖6 深層冷海水溫度對(duì)耦合系統(tǒng)總效率的影響

4 結(jié)論

本文以熱力學(xué)定律為基礎(chǔ)，利用商業(yè)流程模擬軟件HYSYS對(duì)冷庫制冷與海洋溫差能發(fā)電耦合系統(tǒng)進(jìn)行了初步探索，得出如下結(jié)論。

（1）從工程應(yīng)用角度來看，在5種循環(huán)工質(zhì)R717、R134a、R22、R290和R1270中，建議采用R22為制冷系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)。

（2）較低的冷卻介質(zhì)溫度可有效提高制冷系統(tǒng)效率，并降低制冷系統(tǒng)操作壓力，從而降低制冷系統(tǒng)的設(shè)備投資費(fèi)用，增加系統(tǒng)的安全性。

（3）相 較于R134a、R22、R290和R1270，R717在OTEC發(fā)電系統(tǒng)的工質(zhì)循環(huán)量最低，并且以R717為工質(zhì)利于發(fā)電系統(tǒng)調(diào)節(jié)。

（4）相較于發(fā)電系統(tǒng)，制冷系統(tǒng)對(duì)深層冷海水的需求量相對(duì)較小，約為發(fā)電系統(tǒng)需求量的4%。

（5）耦合系統(tǒng)的總效率隨著冷海水溫度的降低而升高，冷海水溫度從10℃下降到6℃，耦合系統(tǒng)總效率升高6.04%。