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(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,陜西西安 710049;3.青島市政務(wù)服務(wù)和公共資源交易中心,山東青島 266061;4.山東科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)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(yùn)含的熱能。海洋溫差能在發(fā)電的同時(shí)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(dòng)裝備提供能源。我國(guó)海洋溫差能主要分布在南海,資源蘊(yùn)藏量大,在各類海洋能資源中占居首位,南海大多數(shù)島嶼的能源與淡水供給困難,能源供應(yīng)依靠大陸運(yùn)送,若能因地制宜地開發(fā)海洋溫差能,對(duì)南海島嶼的經(jīng)濟(jì)發(fā)展必將產(chǎn)生積極的影響。由于海洋上下層可利用的溫差較小,導(dǎo)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(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
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(zhì)一般是氨、氨-水、氟利昂或者其他低沸點(diǎn)工質(zhì),該閉式循環(huán)的形式有單工質(zhì)朗肯循環(huán)、非共沸混合工質(zhì)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(shù)學(xué)表達(dá)式為
式中:P為透平輸出功率;q為熱流量;Pw為工質(zhì)泵功率。
B部分是系統(tǒng)溫海水加熱工質(zhì)部分,C部分是冷海水冷凝工質(zhì)部分。
在實(shí)際工程中,應(yīng)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(zhì)泵的用電功率。
系統(tǒng)效率ηs數(shù)學(xué)表達(dá)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(chǔ),提高熱力循環(huán)效率是提高系統(tǒng)能量輸出的關(guān)鍵影響因素之一。
由圖1可見(jiàn),透平、工質(zhì)泵和溫、冷海水泵等動(dòng)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(duì)系統(tǒng)的效率也有很大的影響。
因海洋上下層可利用的溫差較小,自法國(guó)物理學(xué)家Jacques-Arsene d’Arsonva[1]提出利用海洋溫差發(fā)電的方案以來(lái),提高熱力循環(huán)效率一直是海洋溫差能研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。據(jù)計(jì)算,當(dāng)溫海水溫度為25℃、冷海水溫度為5℃,即在20℃溫差發(fā)電時(shí),理論卡諾循環(huán)效率僅為6.7%。1979年美國(guó)建成的Mini-OTEC號(hào)52 kW溫差能電站使用氨工質(zhì)朗肯(Rankine)回?zé)嵫h(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(jiàn),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。
目前國(guó)內(nèi)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(zhì)類型一般分為單工質(zhì)循環(huán)和混合工質(zhì)循環(huán)。由于氨工質(zhì)具有優(yōu)良的熱物性和穩(wěn)定性,因此是單工質(zhì)海洋溫差能熱力循環(huán)的首選工質(zhì)?;旌瞎べ|(zhì)熱力循環(huán)中工質(zhì)一般采用的是氨-水混合物[4]。
海洋溫差能氨工質(zhì)朗肯循環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,在減少管路壓降損失方面具有優(yōu)勢(shì),但其循環(huán)效率相對(duì)較低。采用純氨工質(zhì)的基本朗肯循環(huán)系統(tǒng)效率不高的原因在于工質(zhì)的蒸發(fā)過(guò)程是等溫過(guò)程,即使把換熱溫差控制到很小,仍難以使熱源的放熱過(guò)程與工質(zhì)蒸發(fā)過(guò)程的溫度之間達(dá)到滿足的匹配,從而產(chǎn)生較大的不可逆熵?fù)p失[5-9]。
為了降低純工質(zhì)在相變換熱過(guò)程中與冷、熱源間的不可逆損失,卡琳娜在20世紀(jì)80年代提出了一系列使用非共沸工質(zhì)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?zé)嵩吹难h(huán)。非共沸工質(zhì)在相變過(guò)程中存在溫度滑移,工質(zhì)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(zhì)的KCS-34循環(huán)時(shí),能夠?qū)崿F(xiàn)工質(zhì)變溫蒸發(fā)。在蒸發(fā)過(guò)程中,氨水溶液中氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著氨氣的蒸發(fā)而降低,導(dǎo)致溶液的沸點(diǎn)增加,使得其汽化過(guò)程與換熱過(guò)程相匹配,減少了換熱過(guò)程中的不可逆損失,提高了熱效率。同時(shí),循環(huán)采用貧氨溶液回?zé)岷头饣責(zé)醽?lái)提高進(jìn)入蒸發(fā)器中溶液的溫度、降低進(jìn)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(shí)踐研究表明,卡琳娜循環(huán)的熱效率高于使用純工質(zhì)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(zhì)的朗肯循環(huán)[17-19]。
卡琳娜-34(KCS-34)循環(huán)采用沸點(diǎn)不同的氨-水混合物作為工質(zhì),相對(duì)朗肯循環(huán)采用了2種措施來(lái)提高熱力循環(huán)的熱效率:①在蒸發(fā)過(guò)程中工質(zhì)變溫蒸發(fā),減少了工質(zhì)蒸發(fā)過(guò)程的不可逆性;冷凝過(guò)程中,相比單工質(zhì)冷凝溫差也較小,同樣減少了冷凝過(guò)程中的不可逆性,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了在較低壓力下工質(zhì)的完全冷凝[20];②貧氨溶液回路上,在分離器后通過(guò)回?zé)崞?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(xué)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(jiàn)圖3。上原循環(huán)同樣采用沸點(diǎn)不同的氨-水混合物作為工質(zhì),該循環(huán)除采用與卡琳娜循環(huán)相同的2種措施來(lái)提高熱力循環(huán)效率外,又增加了一種措施來(lái)提高熱力循環(huán)效率,即增加一級(jí)透平、采用中間抽氣、直接加熱工質(zhì)到泡點(diǎn)的措施來(lái)增加熱力循環(huán)的效率。該循環(huán)相對(duì)卡琳娜-34循環(huán)增加了一級(jí)透平和一級(jí)工質(zhì)泵和氨液混合筒等設(shè)備,因此系統(tǒng)相對(duì)復(fù)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(zhì)到泡點(diǎn)溫度,造成分離器后貧氨溶液從回?zé)崞?進(jìn)入吸收器溫度過(guò)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(guó)家海洋局海洋能專項(xiàng)項(xiàng)目支持下的發(fā)明,將該循環(huán)簡(jiǎn)稱為國(guó)海循環(huán)。該循環(huán)流程如圖4所示。
圖4 國(guó)海循環(huán)流程示意圖Fig.4 Flow diagram of Guohai cycle
國(guó)海循環(huán)在上原循環(huán)的基礎(chǔ)上,增加了如下措施來(lái)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?zé)崞?進(jìn)入吸收器前的熱能;②將直接換熱回?zé)崞?改為間接換熱器,該措施可減少一級(jí)工質(zhì)泵,節(jié)省的能耗也可提高熱力循環(huán)效率。
從國(guó)海循環(huán)的流程來(lái)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(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下,對(duì)國(guó)海循環(huán)與上原循環(huán)熱效率隨透平進(jìn)口蒸氣壓力的變化進(jìn)行了比較,其結(jié)果如圖5所示。
圖5 上原循環(huán)和國(guó)海循環(huán)效率的比較Fig.5 Comparison of Uehara cycle efficiency with Guohai cycle
由圖5可見(jiàn),上原循環(huán)和國(guó)海循環(huán)效率隨透平入口蒸氣壓力的變化趨勢(shì)是相同的,均隨著透平入口蒸氣壓力的升高而升高。國(guó)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(guó)海循環(huán)相對(duì)于上原循環(huán)具有優(yōu)勢(shì)。這一結(jié)果驗(yàn)證了國(guó)海循環(huán)貧氨溶液回?zé)嶂泛统闅饣責(zé)嶂房梢允寡h(huán)效率得到提高[24]。
非共沸工質(zhì)熱力循環(huán)中的貧氨溶液經(jīng)過(guò)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(guò)減壓閥進(jìn)入吸收器,壓力能沒(méi)有得到充分的利用。
貧氨溶液占工質(zhì)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(zhuǎn)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(guò)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(zhuǎn)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(dá)到90%以上。
用貧氨溶液通過(guò)引射器引射乏氣,降低發(fā)電透平的背壓,進(jìn)而增加做功量的方法是借鑒Ersoy等[25-30]關(guān)于引射器對(duì)制冷系統(tǒng)性能影響的研究成果。國(guó)內(nèi)外多位學(xué)者開展了將引射器應(yīng)用到海洋溫差能發(fā)電熱力循環(huán)中的研究,韓國(guó)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(guò)氣-氣引射器利用透平中間的抽氣來(lái)降低二級(jí)透平出口乏氣壓力,從而提高二級(jí)透平的輸出功。相同工況下朗肯循環(huán)效率只有2.2%,而對(duì)循環(huán)的操作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后,系統(tǒng)效率可達(dá)到2.47%。韓國(guó)釜慶國(guó)立大學(xué)Yoon等[32]設(shè)計(jì)了一種使用純工質(zhì)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(zhì)作為液-氣引射器的工作流體來(lái)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(jìn)一步降低透平出口的壓力,使其低于工質(zhì)的冷凝壓力,進(jìn)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(yàn)證引射器對(duì)循環(huán)性能的影響,將有引射器和無(wú)引射器的循環(huán)分別進(jìn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.80的工況下,2種熱力循環(huán)效率隨透平進(jìn)口壓力的變化情況見(jiàn)圖7??梢钥闯?,引射器熱力循環(huán)效率大于無(wú)引射器熱力循環(huán)效率。這是因?yàn)槭褂靡淦鹘档土送钙匠隹谔幍膲毫?,工質(zhì)焓值降低,使氨氣在透平進(jìn)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(wú)引射器熱力循環(huán)性能對(duì)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(zhì)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。
在設(shè)法提高海洋溫差能系統(tǒng)效率時(shí),若只考慮熱力循環(huán)對(duì)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(guān),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(guān)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(duì)系統(tǒng)效率的整體影響也是很關(guān)鍵的問(wèn)題之一。
對(duì)系統(tǒng)效率進(jìn)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?jī)糨敵?,熱力循環(huán)效率只考慮了整個(gè)系統(tǒng)中的熱力循環(huán)部分,不能全面評(píng)價(jià)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(duì)系統(tǒng)效率影響的理論機(jī)制,又對(duì)海洋溫差工程應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行都具有理論指導(dǎo)意義。
由上述分析討論可知,影響系統(tǒng)效率最大的關(guān)鍵因素有2個(gè):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(gè)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(huì)越大,使得系統(tǒng)的溫、冷海水泵功率增大。達(dá)到一定溫差后,換熱不可逆損失增加,系統(tǒng)效率下降。這個(gè)傳熱溫差,稱為系統(tǒng)效率最佳換熱溫差。
溫差能系統(tǒng)動(dòng)力裝置有透平、工質(zhì)泵和溫、冷海水泵。動(dòng)力裝置自身的效率直接或間接對(duì)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(nèi)的工質(zhì)為低溫低壓狀態(tài),為保證透平的熱電轉(zhuǎn)化效率,就必須對(duì)溫差能用發(fā)電透平進(jìn)行更為精密地設(shè)計(jì)以保證其高效運(yùn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、徑向尺寸大、輪周效率高等特點(diǎn),在設(shè)計(jì)過(guò)程中,必須對(duì)其氣動(dòng)部分,包括蝸殼、噴嘴、葉輪和擴(kuò)壓器等(圖8),進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)計(jì)并優(yōu)化,以保證透平的氣動(dòng)性能在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中達(dá)到最佳狀態(tài)。在透平設(shè)計(jì)時(shí),需要對(duì)透平氣動(dòng)結(jié)構(gòu)內(nèi)多物理場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,分析其內(nèi)部流場(chǎng)、溫度場(chǎng)與應(yīng)力分布,并結(jié)合優(yōu)化算法優(yōu)化葉片葉型。然后通過(guò)試驗(yàn)方式開展透平內(nèi)部多物理場(chǎng)參數(shù)測(cè)試,對(duì)比驗(yàn)證數(shù)值仿真優(yōu)化結(jié)果,得到符合海洋溫差能系統(tǒng)的向心透平最佳氣動(dòng)結(jié)構(gòu)。而在實(shí)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(duì)穩(wěn)定,但隨著季節(jié)變化表面海水溫度也會(huì)出現(xiàn)變化,這會(huì)導(dǎo)致透平入口溫度和壓力的變化,進(jìn)而使透平在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)轉(zhuǎn)而效率下降。在不同溫海水條件下,為了實(shí)現(xiàn)透平在非設(shè)計(jì)工況下定轉(zhuǎn)速運(yùn)行且透平效率保持在較高狀態(tài),可考慮采用可調(diào)噴嘴設(shè)計(jì)對(duì)非設(shè)計(jì)工況下的透平進(jìn)行調(diào)節(jié)的方式來(lái)改善透平效率。因此,對(duì)于海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)中的透平設(shè)計(jì)而言,提高效率的方法主要為提高透平本身的氣動(dòng)效率,以及可調(diào)工況下使透平運(yùn)轉(zhuǎn)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(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of aerodynamic structureof turbinefor OTEC
3.2.2 工質(zhì)泵
工質(zhì)泵的流量由額定工況下熱力循環(huán)計(jì)算而定。工質(zhì)泵的揚(yáng)程由蒸發(fā)器工質(zhì)側(cè)與進(jìn)入水泵前冷凝器內(nèi)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(zhì)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(zhì)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(zhì)泵應(yīng)選用效率較高的齒輪泵。盡量避免選用隔膜泵,因?yàn)楫?dāng)液體中包含固體顆粒時(shí),軸向間隙和徑向間隙會(huì)由于磨損而增加,這會(huì)降低電動(dòng)隔膜泵的性能或?qū)е赂裟け脽o(wú)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(yáng)程由蒸發(fā)器、冷凝器內(nèi)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(yáng)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(shí)際選用時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行型線校核,揚(yáng)程、流量富余系數(shù)不可過(guò)高。
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(zhì)不僅摩擦阻力系數(shù)較小,而且管道熱阻較大,可保證在海水取水的過(guò)程中溫度變化不大。
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(zhì)泵、溫、冷海水泵等動(dòng)力裝置主要是通過(guò)改變系統(tǒng)熱能和動(dòng)能的利用率來(lái)影響系統(tǒng)效率??梢酝ㄟ^(guò)全面、梯級(jí)利用熱能,降低單工質(zhì)與冷熱源間在相變換熱過(guò)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(zhì),減少熱力循環(huán)過(guò)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(dòng)能;
4)優(yōu)化溫、冷海水與工質(zhì)熱交換溫差,使得系統(tǒng)凈輸出最大;
5)考慮透平、工質(zhì)泵和溫、冷海水泵的型線和選型對(duì)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(jī)材質(zhì)管道。