（工程热物理专业论文）两种混合式海水温差能发电系统的研究与对比分析.pdf

中文摘要 海水温差能是一种重要的海洋能，可再生，清洁无污染，储量丰富。目前对 其利用的主要方式是海水温差能发电。混合式海水温差能发电系统结合了闭式循 环与开式循环的共同优点，既可发电，又可产生淡水，还可以开展各种综合利用， 发展前景广阔。我国温差能资源丰富，但是对温差能发电的研究却很少。考虑到 未来对可持续能源的需求，加强我国海水温差能的开发已势在必行。 本文主要针对混合式海水温差能发电系统的两种循环形式进行研究。首先， 计算两模拟系统的运行参数，包括温差发电系统和海水淡化系统；其次，对模拟 系统的组成部件进行了设计与选型，建立了两种o t e c 系统的物理模型；再者， 对两系统的传热性能与阻力性能进行研究，建立了相应的数学模型；最后，使用 f o r t r a n 语言编写两系统的仿真程序，并根据模拟结果进行分析，讨论运行工况 改变下，两种系统的运行特点及各自的变化规律。 具体分析了系统闪蒸温度、蒸发温度、冷凝温度、以及温海水流量的改变对 系统1 和2 运行结果的影响，对比研究了两模拟系统的输出参数随有效利用温差 的变化。通过分析，总结了两种循环形式的运行特点：在同样运行工况下，系统 1 的发电机输出功与系统效率均要低于系统2 ，但系统1 的淡水产率要比系统2 的淡水产率高。在计算范围内，系统2 的系统效率比系统1 高1 2 1 5 ，发电 机输出功率高5 4 1 7 8 ；系统1 比系统2 的闪蒸不可逆温差高4 8 5 8 9 i ， 闪蒸海水比率与淡水产量比系统1 高4 9 6 0 9 6 。系统1 偏重于淡水的生产， 系统2 主要用于发电，淡水属于副产品。 本论文的研究为我国海水温差能发电的开发与利用提供了理论依据。 关键词；混合式海水温差能发电、循环形式、数学建模、仿真计算、理论分析 a b s t r a c t t h eo c e a nt h e r m a le n e r g yi sak i n do fg r e a t l yi m p o r t a n to c e a ne n e r g y , w h i e l ai s r e n e w a b l e d e a na n dr i c hi nt h e 崩a 髓a tp r e s e n t , t h em a i nm o d eo fu t i l i z i n gt h e o c e a nt h e r m a le n e r g yi so c , e f l l lt h e r m a le n e r g yc o n v e r s i o n ( o t e c ) s y s t e m c o m b i n e d w i t ht h ea d v a n t a g eo f 姐o p e n - c y c l es y s t e ma n dac l o s e d - c y c l es y s t e m ah y b r i c i o t e cs y s t e mn o to n l yc a l lg e n e r a t ed e e t r i e i t y , b u ta l s oc a np r o d u c et h ef r e s hw a t e r c h i n ai sr i c hi no c c i mt h e r m a le n c l g yr 龄o l l r c c s ，b u tt h e r ea t es c a r c e l yr e s e a r c h e s0 1 3 o t e cs y s t e m c o n s i d e r i n gt h er e q 喊e n t sf o r t h er e n e w a b l ee n e r g ys o u r c t 强i nt h e f u t u r e , i ti si m p e r a t i v et os t r e n g t h a at h ee x p l o i t a t i o no f t h eo c e a nt h e r m a le n e r g y t h em a i np u r p o s eo ft h i sp a p e ri st os t u d yt w oc y c l em o d e so ft h eh y b r i do c e a n t l a e n n a le n e r g yc o n v e r s i o ns y s t e m s f i r s t l y , t h eo p e r a t i o np a r a m e t e r so ft h et w o s y s t e m s8 1 cc a l c u l a t e d , i n c l u d i n gt h eg e n e r a t i n gp o w e rs y s t e ma n dd e s a l i n a t i o n s y s t e m s e c o n d l y , t h ec o m p o n e n t so ft h es y s t e m sf i l ed e s i g n e da n dt h e i re q u i p m e n t s e l e c t i o n sa r ec o m p l e t e d t h ep h y s i c a lm o d e l so ft h et w os y s t e m sa e s t a b l i s h e d t h i r d l y , t h et w os y s t e m s h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ea n dr e s i s t a n e 七p e r f o r m a n c ea r c a n a l y z e da n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l s 躺e s t a b l i s h e d f i n a l l y , t h es i m u l a t i o n p r o g r a m so f t h et w os y s t e m sa r ec o m p i l e du t i l i z i n gf o r t r a nl a n g u a g e o nt h eb a s i so f t h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dc h a n g et r e n d so ft h et w o s y s t e m sa r ed i s c u s s e du n d e r d i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s t h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e m la n ds y s t e m 2o p e r a t i n gu n d e rd i f f e r e n tp a r a m e t e r s ， s u c ha st h et e m p e r a t u r eo ft h ef l a s hc h a m b e r , t h ee v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r e , t h e c o n d e n s a t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h e h r a l - mw 刮【e r sf l u x , a f ea n a l y z e dl i td e t a i l t h et w o s y s t m l s o u t p u tp a r a m e t e r su n d e rd i f f e r e n te f f e c t i v eu t i l i z i n gt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e s a a n a l y z e de o n t r a s f i v e l y i t 锄b ec o n c l u d e dt h a tu n d e rt h es a m ew o r kc o n d i t i o n , t h ee x p o r tw o r ko fg e n e r a t o r 趾de f t i e i e n e yo fs y s t e m la r em o l et h a nt h o s eo ft h e s y s t e m 2 b u ts y s t e m l f l a s he x p o r tp a r a m e t e r si sh i g h e rt h a ns y s t e m 2 s w i t h i nt l a e s c o p eo f c a l c u l a t i o n , s y s t e m 2 so p e r a t i o ne f f i c i e n c ya n dt h ee x p o r tw o r ko f g e n e r a t o r a r e1 2 1 5 a n d5 4 1 7 8 h i 曲e rt h a nt h o s eo fs y s t e m l b u tt h ei r r e v e r s i b l e t e m p e r a t u r ec h a n g eo ff l a s hc h a m b e ro fs y s t c m li s4 8 5 8 l a i 曲e rt h a ns y s t e m 2 s ，a n da tt h es a l n et i m e ，t h ef l a s hr a t i oa n df r e s hw a t e ro u t p u t1 1 1 e4 9 6 o h i g h e r s y s t e m li su t i l i z e dm a i n l yt op r o d u c ef r e s hw a t e r , a n ds y s t e m 2i su s e dt o g e n e r a t ee l e c t r i c i t y , i nw h i c hf r e s hw a t e l i sb y p r o d u c t t h er e m d t so ft h i sp a p e rp r o v i d et h eb a s i sf o rt h er e s e a r c ho fo c i 筐l l lt h e r m a l e n e r g yc o n v e r s i o ns y s t e mi nt h ef u t u r e k e y w o r d s h y b r i do t e cs y s t e m , e n d u a t o rc a l e u l a t i o n , c y c l em o d e s ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ， t h e o r e t i c a la n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：i 啸旨、 签字日期：埘多年f , e lj 8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：咨j 讯 签字日期：埘g 年1 月摩日 导师签名：立! 邈- 签字日期：函“年，月日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 海水温差能资源 第一章绪论 浩瀚无垠的海洋是生命起源的摇篮，是资源和能源的宝库，也是人类实现可 持续发展的重要基地。约占地球表面的7 1 的海洋，是世界上最大的太阳能采集 器，蕴藏有丰富的无污染的可再生能源。据估计每年约有3 7 万亿千瓦的太阳能 被海水吸收，相当于全世界人类所用能量的4 0 0 0 倍叫，可开发利用部分远远超 出全球能源的总消耗量。 随着陆地资源的不断消耗，人类赖以生存与发展的能源，将越来越依赖于海 洋。近2 0 多年来，受化石燃料能源危机和环境变化压力的驱动，作为主要可再 生能源之一的海洋能事业取得了很大发展。在相关高技术后援的支持下，海洋能 应用技术日趋成熟，为人类在下个世纪充分利用海洋能展示了美好的前景。 1 1 1 海洋能源的种类 海洋能源通常指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源，主要为潮汐能、波浪能、 海流能( 潮流能) 、海水温差能和海水盐差能。更广义的海洋能源还包括海洋上 空的风能、海洋表面的太阳能以及海洋生物质能等。究其成因，潮汐能和潮流能 来源于太阳和月亮对地球的引力变化，其他均源于太阳辐射。海洋能源按储存形 式又可分为机械能、热能和化学能，其中，潮汐能、海流能和波浪能为机械能， 海水温差能为热能，海水盐差能为化学能。 据权威统计，全世界海洋能的理论可再生量超过7 6 0 亿千瓦。其中，海水温 差能约4 0 0 亿千瓦，盐差能约3 0 0 亿千瓦，潮汐能大于3 0 亿千瓦，波浪能约3 0 亿千瓦。可以说海洋是“取之不尽，用之不竭”的绿色能源。在诸多的海洋能中， 海水温差能储量最大，被认为是具有开发潜力的能源之一。 1 1 2 海水温差能 海水温差能是指海洋表层的高温海水和深层的低温海水之间所蕴藏的水温 差的热能，其实质是储存的太阳能。 辐射到海面的太阳能被储存在海水表层，使海水表层温度升高。海水的导热 系数较小，特别是海水在纵深方向的运动比水平方向要小得多，因此，表面吸收 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 的热能就难以传到深层。海水中纵深方向 的热传递主要取决于海水对流。在夜晚或 冬季，海水表面水温低而下方水温高则发 生对流，随着波动及流动所产生的湍流支 配能量的传递，但这种传递仅限于海洋较 浅的区域内，这样就造成了海水表层和深 层的温差。 图i - i 是世界不同区域海水水温纵深 分布图o 】。由图中可以看出海水水温分布是 从表面到1 0 0 米深处的水温急速下降，深 度超过1 0 0 0 米的水温基本保持在6 4 ， 表层水和深层水的温度差大约在2 0 2 5 范围内。 1 1 3 海水温差能的特点 图i - i 海水纵深方向温度分布 海水温差能相对常规一次能源来说，具有以下特点： 1 海水温差能实际上是蕴藏的太阳能，其利用不消耗燃料，不排放有害的污 染物，因此是可再生的洁净能源。 2 海水温差能蕴藏量丰富。据预计，仅北纬2 0 至南纬2 0 c 之间的海域， 海水温差能大约可发电2 6 亿千瓦。 3 与潮汐能、波浪能受到季节的影响而有间歇性不同，海水温差基本恒定， 所以海水温差能较稳定，2 4 小时不间断，昼夜波动小。 4 能量密度低，热力循环和装置的效率低。在所有的热力循环中，努力提高 温差是提高循环效率的最有效的途径，而海水温差始终在2 0 2 5 c 之间，温差 小，从而使得循环效率较低。 1 2 海水温差能利用的基本原理和转换技术 目前对海水温差能利用的主要方式是海水温差能发电( o t e c ，o c m o a n t h e r m a l e n e r g y c o n v e r s i o n ) ，即利用海洋表层的高温海水与深层低温海水的温差来实现热 力循环发电的一种发电方式“1 。 海水温差能发电的基本原理是：利用海洋表层的温海水直接作为工质，或作 为热源对循环工质加热，工质汽化后驱动汽轮机发电；用深层低温海水，将做功 后的工质气体冷却，使之重新变为液体，并进入下一轮驱动循环。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 根据工质及流程的不同，海水温差能发电一般可分为开式循环、闭式循环、 混合式循环以及后来改进的提升式循环和k a l i n a 循环。 1 2 1 开式循环系统 系统简图见图1 - 2 ，采用朗肯循环。开式循环以在真空下不断蒸发的温海水 蒸汽为工作流体，推动汽轮机做功，然后在冷凝器中被深层海水冷却。 开式循环不使用其他介质，不需要海水与工质的热交换，因此可以减少二次 热交换而产生的热损失；也不会因为工质的泄漏而对环境造成破坏；结构相对简 单。如果开式循环采用间壁式冷凝器，则可得到淡水。 由于系统处于负压，汽轮机压降较低，2 5 时饱和蒸汽压力约为3 3 k p a ， 汽轮机效率低，尺寸大：但是由于只有不到0 5 的海水成为蒸汽，所以必须将 大量的海水泵进发电厂以产生足够的蒸汽来推动这一大型、低压的汽轮机。这种 局限性使得开放式循环系统产生的总电量不超过3 栅“1 。进一步加大汽轮机的尺 寸，增加汽轮机的重量，会使支撑系统不堪重负；而且海水需要脱气。 图1 - 2 开式循环系统 1 2 2 闭式循环系统 一温海水冷海水一 图卜3 闭式循环系统 系统简图见图1 - 3 ，也属于朗肯循环。通常采用低沸点工质( 如丙烷、异丁 烷、氟里昂、氨等) 作为工作物质，吸收表层海水的热量而成为蒸汽，用来推动 汽轮发电机组发电。做完功的低沸点工质再送进冷凝器，由深层的冷海水冷凝， 通过泵把液态工质重新打入蒸发器，然后用表层海水使工质再次蒸发而继续发 电。 闭式循环由于使用了低沸点工质，使整个装置、特别是透平机组的尺寸大大 缩小，因此易于实现装置的小型化以及规模的大型化。没有不凝性气体对系统的 天津大学硕士学位论文第一章绪论 影响。 但是海水与工质之间需要二次换热，减小了可利用的温差；蒸发器和冷凝器 体积增大，金属耗量大，维护困难；由于温差较小，必须有性能优良的热交换器， 才能大大降低建设费用：且只可发电，不能生产淡水。 1 2 3 混合式循环系统 混合式循环系统是在闭式循环的基础上结合开式循环改造而成的。混合式循 环系统有两种形式，一种是温海水先闪蒸，闪蒸出来的蒸汽在蒸发器内加热工质 的同时被冷凝为淡水；另一种是温海水通过蒸发器加热工质，然后再在闪蒸器内 闪蒸，闪蒸出来的蒸汽用从冷凝器出来的冷海水冷凝。系统简图如图1 - 4 与图 1 5 所示。 混合式循环系统既可发电，又可产生淡水，具有开式循环和闭式循环的优点， 但是系统较复杂。 图卜4 混合式( 1 ) 系统图1 - 5 混合式( 2 ) 系统 1 2 a 雾滴提升循环系统旧 这种方法于1 9 7 7 年由美国的瑞基威( s l r i d g w a y ) 等人提出，其原理是利用 表层和深层海水之间的温差所产生的焓降来提高海水的位能。 循环采用多微孔( 约0 1 微米孔径) 组成的雾化器，用海洋温水作热源，一小 部分水在雾化器中被蒸发，大部分水成雾状。于是，汽液两相流在底部和顶部的 压差下由提升管慢慢被提升到顶部的冷凝器，再由深海的冷水进行喷淋冷却，被 冷却的水以其势能推动水轮机旋转，带动发电机发电。 这样，循环就不需低温介质，并且以水轮机替代朗肯循环的汽轮机，设备简 化，效率得到提高。此项技术的关键是提升管的效率，要提高提升的高度，才能 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 获得足够的势能以推动水轮机。该技术不仅适用于海水温差发电，同样可用于太 阳热能和地热发电，在回收工业余热利用方面也有广阔前景。其原理图如图卜6 所示。 1 2 5k a l i n a 循环系统m k a l i n a 循环是1 9 8 1 年由k a l i n a 所发明，采用了一种不同于朗肯循环的概念， 这种循环极大地提高了循环的效率，如图1 - 7 所示。 k a l i n a 循环采用的工质是氨水混合物。氨水混合物通过蒸发器，一部分变为 蒸汽，蒸汽通过气液分离器之后再进入汽轮机做工；从气液分离器中分离出来的 液态氨水，在回热器内放热，预热将要进入蒸发器内的氨水工质，然后进入冷凝 器，和从汽轮机出来的氨水工质一起被深层海水冷却。冷却的工质再次被泵打入 预热器，然后进入蒸发器进行下一次循环。 对于一个温海水进口温度为2 8 、冷海水进口温度为4 1 2 的情况下，闭式朗 肯循环的最大输出效率是3 ，而k a l i n a 循环的最大输出效率是5 。虽然对此循 环的研究还不够成熟，但是可以预计，对k a l i n a 循环的应用研究将会不断得到 人们的重视。 磊i s 纛辞釜美 拇热水v 。丫嚣 海平面 迸 _ 水 雾 警 篓 l o p o 米以 高 瞥 落 差 水 电 轮 吖 机 发电机习巴 毳 j ) 趸 i 图卜6 雾滴提升循环系统图i - 7 酬i 循环系统 1 3 海水温差能的研究进展和主要项目 1 3 1 国外研究现状 美国、日本和法国是海水温差能研究开发的牵头国家。1 8 8 1 年法国科学家 d a t s o n v a l 最早提出海水温差能利用的设想“1 ，他的学生c l a u d e 于1 9 2 6 年首次 天津大学硕士学位论文第一章绪论 进行了海水温差能利用的实验室原理试验。1 9 2 9 年6 月，c l a u d e 在古巴的马但 萨斯海湾的陆地上，建成了一座输出功率2 2 k w 的温差能开式循环发电装置m ， 引起了人们对温差能的浓厚兴趣。但由于温差能利用在技术上，特别是经济性能 上存在很多问题和困难，开发工作一直受到冷遇。直至1 9 7 3 年石油危机之后， 才复苏起来。 美国：1 9 7 9 年8 月美国在夏威夷建成第一座闭式循环m i n i o t e c 装置是温 差能利用的一个里程碑“”。这座5 0 k w 级的电站不仅系统地验证了温差能利用的 技术可行性，而且为大型化的发展取得了丰富的设计、建造和运行经验。 m i n i o t e c 的成功，引起了美国能源部的重视，并1 9 8 1 年在夏威夷建造了 另一座被称为o t e c 1 的i i u t w 的以氨为工质的闭式实验装置。1 9 9 3 年太平洋高 技术研究国际中心( p i c h t r ) 在夏威夷建成2 1 0k w 开式循环系统，净输出4 0 5 0 姆，并开始探索对于海水温差能的综合利用“。p i c h t r 还开发了利用冷海水 进行空调、制冷及海水养殖等附属产业，在太平洋热带岛屿显示出良好的市场前 景“4 。 日本：日本在海水温差能研究开发方面投资力度很大，并在海洋热能发电系 统和换热器技术方面领先于美国。迄今日本共建造了3 座海水温差试验电站，均 为岸基式。 1 9 8 0 年6 月，日本在瑙鲁共和国开始建造一座1 0 0 k w 闭式循环温差电站， 并于1 9 8 1 年1 0 月开始发电试验“8 。1 9 8 1 年8 月，九洲电力公司等又在鹿儿岛 县的德之岛开始研建5 0 k w 的试验电站，并于1 9 8 2 年9 月开始发电试验并运行到 1 9 9 4 年8 月为止。此外，佐贺大学还于1 9 8 5 年建造了一座7 5 k w 的实验室装置， 井得到3 5 k w 的净功率“”。 1 3 2 国内研究现状 中国的海水温差能资源也比较丰富，但在这方面的研究起步较晚。1 9 8 0 年 台湾电力公司便计划将第3 和第4 号核电厂余热和海水温差发电弗用。经过3 年 的调查研究，认为台湾东岸及南部沿海有开发海洋热能的自然条件，并初步选择 在花莲县的和平溪口、石梯坪及台东县的樟原等三地做厂址，并与美国进行联合 研究。 1 9 8 5 年中国科学院广州能源研究所开始对温差利用中的“雾滴提升循环” 方法进行研究。1 9 8 9 年，该所在实验室实现了将雾滴提升到2 1 米的高度记录。 同时，该所还对开式循环过程进行了实验室研究，建造了两座容量分别为1 0 w 和 6 册的试验台。 表1 - 1 列出了二十多年来各国c r r e c 项目的概况“1 。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 表卜1世界各国主要c r r e c 项目简况 国家地点 年份 容量k w 型式项目情况 美国 夏威夷 1 9 7 95 0 闭式m i n i - o t e c ，( 建成，实验) 美国夏威夷 1 9 8 110 0 0 闭式o t e c - 1 ( 仅作换热试验) 美国夏威夷 1 9 8 44 00 0 0 闭式提出。未实施 美国夏威夷1 9 9 31 6 5 开式试验发出2 1 0 k w 总功率 r 2 2 ，水温2 9 s 7 8 ，净输出 日本瑙鲁1 9 8 11 0 0 闭式 1 4 9 k w 日本九州1 9 8 22 5 闭式建成并试验 3 2 ( 净输氨，水温* 4 0 5 1 2 - c ，冷水管 日本鹿儿岛1 9 8 2 混合 出) 2 3 0 0 m 日本 佐贺大学 1 9 8 57 5 闭式仅作换热试验 荷兰巴厘岛 1 9 8 22 5 0 闭式 开始施行，未完成 法国非洲1 9 8 530 0 0闭式 提出，未实施 法国塔希提岛1 9 8 550 0 0 闭式提出。未实施 英国 加勒比海 1 9 8 21 00 0 0 闭式提出，未实施 英国 夏威夷 1 9 8 95 0 0 闭式提出，未实施 瑞典 牙买加 1 9 8 310 0 0 闭式提出，未实施 日本印印度东南 1 9 9 9 1 00 0 0闭式水温2 9 7 度部 研0 用岛上的柴油发电机余热将表层海水加热 1 4 课题来源及项目意义 我国海域辽阔，大陆海岸线长达1 8 0 0 0 多k m ，海洋面积为4 7 0 多万k i n 2 ，海 洋能资源十分丰富，海水温差能蕴含量约1 2 亿k w 1 7 。而我国发达的沿海地 区恰好是主要耗能区，随着工业技术的不断发展，国内能源的需求量将不断增加。 海水温差能作为一种清洁、可再生的能源，具有很好的发展前景，其开发、利用 对我国经济的可持续发展和人民生活水平的提高具有重要的现实意义。 首先，海水温差能储量丰富，在各类海洋能源中储量居于首位，利用海水温 差能来发电将不受能源枯竭的威胁，从根本上解决能源短缺问题。其次，海水温 差能是一种洁净无污染的可再生能源，不消耗一次性矿物燃料，有利于我国的环 境保护。再者，海水温差能发电在海上和沿岸进行，不占用土地资源，不迁移人 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 口，除了发电外，还具有水产养殖、海洋化工、海水淡化、海洋采矿等综合利用 效益。最后，随着人类对海洋资源认识的深入，海洋开发已经处于离岸向纵深发 展的阶段，海洋刀：发本身需要越来越多的能源，海水温差能资源的开发，还能为 将来的海上工程作业提供便利的电力。 在海水温差能发电系统的几种循环形式中，混合式循环因其是在闭式循环的 基础上结合了开式循环改造而成的，具有两者的共同优点，既可发电，又可产生 淡水；而且，针对混合式海水温差能发电，还可以开展各种综合利用，使其经济 效益得到提高，充分发挥海水温差能的优势。现在已经取得成效的综合利用途径 主要有以下几种：( 1 ) 海水淡化处理；( 2 ) 海水养殖；( 3 ) 建筑物空调；( 4 ) 热带农 业；( 5 ) 氢、氨等制造；( 6 ) 重水采集等。 此外，制约海水温差能利用进展的最重要因素之一就是经济因素，所以可以 开展综合利用的混合式循环发电系统最具有开发前景。建立混合式海水温差能发 电系统，不仅可以缓解电站建设的经济压力，而且还有利于改善自然、社会和经 济环境，促进经济社会的发展和居民生活质量的提高。 另一方面，如上一节所述，目前国外对海水温差能发电的研究已经取彳寻了一 定的成果，开式循环、闭式循环和混合式循环都有一定的发展，但与其它循环相 比，混合式循环的研究明显不足。而我国只是在上世纪8 0 年代广州能源所对雾 滴提升循环法利用海水温差能方面进行了研究，在温差能利用研究的许多方面存 在着空白，因此，从理论研究的角度也有必要开展混合式海水温差能利用系统的 研究，为海水温差能的利用与开发提供理论基础和技术支持。 1 5 本文研究的主要内容 混合式海水温差能发电系统，主要包括两种不同的循环形式。本论文主要针 对这两种循环形式，开展对混合式海水温差能利用系统的研究以及分析对比；研 究的主要内容： 设计两种混合式海水温差能发电的模拟系统，包括温差发电系统和海水淡化 系统。确定模拟系统的主要换热部件的形式、换热面积及流动组合；确定模拟系 统管道及闳蒸室的设计参数。建立相应的数学模型，并根据模型利用f o r t r a n 语 言建立两系统的仿真模型。根据仿真结果进行理论分析，探讨系统运行工况改变 对温差发电系统和海水淡化系统的传热性能和阻力性能的影响及其变化规律，并 在此基础上对比研究两种循环形式的运行特点。 天津大学硕士学位论文第二章混合式海水温差能发电模拟系统的确立 第二章混合式海水温差能发电模拟系统的确立 本章主要内容是计算模拟系统的各参数。确定发电系统的换热设备、管道以 及闪蒸室的形式及设计参数。 2 1 混合式海水温差能发电系统的循环形式 混合式循环系统是在闭式循环的基础上结合开式循环改造而成的，既可发 电，又可产生淡水，具有开式循环和闭式循环的优点。 混合式循环系统有两种形式，一种是温海水先闪蒸，闪蒸出来的蒸汽在蒸发 器内加热工质的同时被冷凝为淡水；另一种是温海水通过蒸发器加热工质，然后 再在闪蒸器内闪蒸，闪蒸出来的蒸汽用从冷凝器出来的冷海水冷凝。 本文将对两种形式的混合式海水温差能发电系统进行对比分析。为了方便在 这里分别称为系统1 和系统2 ，如图2 - 1 和图2 - 2 “”所示。 混合式海水温差能发电系统l 和系统2 的设备构成基本相同，都是由蒸发器、 冷凝器、汽轮机、发电机、工质泵、真空泵、温海水泵、冷海水泵、闪蒸器、喷 嘴、蒸汽管道等组成。此外，系统2 还需配备淡水冷凝器。 圈2 - 1 混合式循环系统( 1 )圈2 2 混台式循环系统( 2 ) 在进行模拟系统的设计计算之前，有必要对整个系统进行一下说明。如图所 示，混合式海水温差能发电模拟系统1 和2 均是由温海水循环冷海水循环以及 工质循环三个循环系统构成。下面就简单介绍一下这三个循环系统。 天津大学硕士学位论文第二章混合式海水温差能发电模拟系统的确立 温海水循环： 系统l ：温海水从温海水罐中被温水泵送进闪蒸室，低压闪蒸。闪蒸后的温 海水分为两路，其中闪蒸汽进入蒸发器中冷凝换热，液化后的淡水存入淡水箱； 闪蒸剩下的浓海水由回水泵送回到温海水储存罐中，继续参与循环。 系统2 ：温海水从温海水罐中直接被温水泵抽进蒸发器，对流换热后自身温 度下降。换热后的温海水分为两路，一路流回温海水罐；另一路进入闪蒸室，低 压闪蒸。闪蒸后的温海水再次分为两路，其中的闪蒸汽进入淡化冷凝器，并被循 环中的冷海水冷凝进入淡水箱；而闪蒸后剩下的浓海水由回水泵送回到温海水储 存罐中，继续参与循环。 冷海水循环： 系统1 ：冷海水从冷海水储存罐中被冷海水泵抽进冷凝器，将作功之后的工 质蒸汽冷凝，自身温度上升后的冷海水流回冷海水储存罐，继续循环。 系统2 ：冷海水从冷海水储存罐中被冷海水泵抽进冷凝器，在这里将作功之 后的工质蒸汽冷凝，其自身温度上升。在流出冷凝器后，冷海水又进入淡水冷凝 器，将闪蒸汽冷凝为淡水。一进一步升温后的冷海水最终流入冷海水储存罐。 工质循环： 系统1 和2 的工质循环相同：工质在蒸发器内吸收足够的热量后变为蒸汽。 蒸汽进入汽轮机内推动汽轮机做功。做功后的工质进入冷凝器，被冷海水冷却并 最终凝结。凝结后的液体工质又被工质泵抽入蒸发器，继续循环。 可以看出，系统1 与系统2 的主要差别就在于系统1 的温海水是先进闪蒸器， 再进蒸发器；而系统2 的温海水是先进蒸发器，再进闪蒸器，并且还有一个淡水 冷凝器，比系统1 多一个水蒸汽同冷海水换热的过程。 2 2 运行工况的确定 2 2 1 工质的选择和海水的模拟 海水温差能属于低焓差能，而低焓差的工质循环对工质特性有许多要求：首 先，工质工作温度范围与临界温度及凝固点之间要保持适当间隔。其次，因为是 小温差热能，所以透平的压力比和绝热焓降大的工质较好，这样可减少过多的工 质流量，使得管道、设备、透平尺寸均可减少。再者，理想工质还应具备化学特 性和热力特性稳定，传热性能好，无腐蚀性，无毒性，价格便宜的特点。 完全满足这些要求是不容易的，研制新工质也非轻而易举，目前都是从现有 的工质中选择确定。根据目前的研究，使用于海水温差能利用系统的工质主要有 天津大学硕士学位论文第二章混合式海水温差能发电模拟系统的确立 n h 3 和r 1 2 、r - 2 2 。 氨属于h f c 类工质，它的o d p 和g w p 值都等于零，对环境无危害，属于绿色 制冷剂。而且氨具有良好的热力性能，价格便宜，虽然具有一定的毒性及可燃性， 但因为具有特殊的气味，一旦泄漏容易发现。所以，综合比较的结果，选取氨作 为模拟系统的工质。 人工制备海水的方法有两种：莱曼方式和科勒方式嘲。按这两种方式所提供 的比例，可制得s = 3 5 的标准海水。模拟海水中，n a c l 的含量最大，所以，在 考虑海水淡化的温海水中，可以使用自来水加3 5 的n a c l 来模拟温海水。冷海 水因为只涉及传热问题，可以用冷水来代替。 2 2 2 温海水、冷海水进出口温度及闪蒸温度的确定 考虑实际海水的表面温度和深层温度，模拟温海水的温度定为3 2 ，冷海 水的温度定为4 ，符合一般海水温度范围，温海水、冷海水之间的设计温差为 2 8 。 温海水与冷海水的出口温度将直接决定温海水、冷海水的温度变化和换热器 的对数平均温差，从而间接决定海水的流量和换热器的大小。额定换热负荷下， 换热器内海水的温降越大，所需的海水流量就越小，但是换热器的对数平均温差 会随之降低，由此换热系数也会降低，使得换热面积加大。因此要协调好二者之 间的关系，不能一味的加大换热器内海水的温差。 根据研究表明”3 ，换热器内海水的进出口温差约为2 4 。为了使氨在蒸 发器内有足够的沸腾过热度，冷凝器内有足够的过冷度冷凝，这里选择温海水温 降2 ，冷海水温升2 。 在海水流量一定的情况下，闪蒸温差越大，海水闪蒸比例亦越大。但是闪蒸 温差加大意味着同时降低了发电系统的可利用温差( 即蒸发器温海水进口温度与 冷凝器冷海水进口温度之差) ，致使发电系统效率下降。根据文献 2 2 1 ，大型的 多级闪蒸淡化装置，级间温差通常为2 3 ，小型装置其值则可大到5 6 。 所以综合考虑，初定闪蒸温差为5 。 系统1 的温海水先进闪蒸器，再进蒸发器，蒸发器入口海水温度降低。由以 上分析可知，模拟温海水的温度为3 2 ，闪蒸温度为2 7 ；蒸发器入口温度2 7 ， 出口温度2 5 冷凝器入口温度为4 ，出口温度为6 。 系统2 模拟温海水的温度为3 2 ，闪蒸温度为2 5 ；蒸发器入口温度3 2 ， 出口温度3 0 ；冷凝器入口温度为4 ，出口温度为6 。 天津大学硕士学位论文第二章混合式海水温差能发电模拟系统的确立 2 2 3 蒸发和冷凝温度的确定 冷凝换热与沸腾换热的换热效果受换热温差的影响很大。在其它条件不变的 情况下，换热温差越大，换热效果越好，这就要求降低蒸发温度，提高冷凝温度。 但为了提高效率，就需要提高蒸发温度，降低冷凝温度。确定蒸发和冷凝温度时 要考虑换热和效率之间的平衡。 o t e c 温度差范围很窄，焓差低，额定温度稍有不同对经济性影响很大，因 此系统温度参数、热交换器性能参数都应选择最佳值。根据研究资料曲】，为了达 到换热和效率的之间的平衡，透平温差即蒸发温度与冷凝温度之差应为发电可利 用温差的一半左右，蒸发器、冷凝器的端差约为2 4 。 系统1 的全温差为2 8 ，但因为温海水先闪蒸，降低了发电可利用温差， 所以可利用温差为2 3 左右。因此，这里选择蒸发温度2 3 ，冷凝温度为9 c 。 经计算，此时透平温差为1 4 ，为可利用温差的6 0 ，蒸发器冷凝器的端差分别 为2 和3 。基本符合上述经验规律。 系统2 的全温差为2 8 c ，即为发电可利用温差。这里选择蒸发温度2 5 ， 冷凝温度为9 。同理计算，此时的透平温差为1 6 c ，为可利用温差的5 7 。 2 3 系统设计参数的确定 2 3 1 温差发电系统设计参数的计算 t 已知参数： 发电功率p = 1 0 k w ， r e 定义系统效率：锄= 仍r o x r n 其中，汽轮机效率靠取4 0 。, 6 ，发电机的效t c 率取7 0 0 , 6 ，r h 为工质循环效率。 系统1 和2 的循环t - s 图如图2 3 所示。 图2 - 3 氨循环系统t - s 图 2 3 1 1 系统1 设计参数的计算 氨蒸发温度t f 2 y c ，氨冷凝温度t c = 9 ，查表得循环系统参数： 1 点： 压力；9 4 4 6 5k p a 焓：h 1 = - - 1 3 9 4 3 7 7k j k g 熵：s l = 2 8 7 2 5 3k j ( k g 蚰 s 天津大学硕士学位论文第二章混合式海水温差能发电模拟系统的确立 5 点： 焓：h 5 = 2 3 1 5 0 2k j k g 熵：s 产1 0 5 4 1 2k j ( k g k 1 9 对应的各参数： 压力：5 9 5 3 4 k p a 3 点液体焓：h ，= 1 6 4 6 5 5k j k g 3 点液体熵：s 3 l = 一1 2 8 3 3 9k j t k g k ) 气体焓：h 3 产1 3 8 6 5 1 7k j k g 气体熵：s 3 产3 0 4 7 1 5k j ( k g r k ) 设2 点干度为x ，则有x 岛，+ ( 1 一力岛，= 蜀 x x 3 0 4 7 1 5 + ( 1 一曲( 一1 2 8 3 3 9 ) = 2 8 7 2 5 3 ，解得x = 0 9 6 2 点的焓值：h 2 = x 日3 ，+ ( 1 一x ) x 日3 = o 9 6 1 3 8 6 5 1 7 + ( 1 一o 9 6 ) x 1 6 4 6 5 5 = 1 3 3 7 6 4 3 k j k g 2 点的焓值：日z = 啊一o 4 x ( q 一日2 ) = 1 3 9 4 3 7 7 0 4 x ( 1 3 9 4 3 7 7 1 3 37 6 4 习= 1 3 7 1 6 8 3 ( k j k g ) 4 点至5 点是等压变化，根据豳：丝：! 坦，从4 点到5 点进行积分，得： i y 墨一墨= c ，l n 争= c p l n 2 3 + 7 2 7 3 ，3 点到4 点是等熵变化，所以s 4 - s 3 。 4 点与5 点间，氨的平均定压比热按平均温度( 2 3 + 9 ) 2 = 1 6 c 取值，查表 得氨的比热c 。= 4 7 5 k j 姆，代入已知数据得t 4 - - - 9 0 5 c 。 则4 点焓： h 4 = h 3 + c 。( 正一乃) = 1 6 4 6 5 5 + 4 7 5 ( 9 0 5 9 0 ) = 1 6 4 8 9 3 ( k j k g ) 郎肯循环效率： 印，：( h i - h 2 ) - ( h 4 - - 3 ) “ 月i 一月3 ：(1394377-1337643)-(164893-164655)：o04594：4594 1 3 9 4 3 7 7 一1 6 4 6 5 5 发电机效率定为玎= 0 7 ，汽轮机效率定为4 0 * , 6 ，则总效率： 叩r = r i r i r s = 0 0 4 5 9 4 0 4 x 0 7 = 0 0 1 2 8 6 3 = 1 2 8 6 3 已知发电功率p = 1 脏形， 蒸发器换热量 q ，：土：二土l ；7 7 7 4 2 k w r r 0 0 1 2 8 6 3 1 3 天津大学硕士学位论文第二章混合式海水温差能发电模拟系统的确立 工质流量：膨。= 蠢粤葛= 西；j 7 ；7 亍= 7 4 话2z 吾万= 0 0 6 3 2 3 船b = 0 2 2 7 6 f | i 冷凝器换热量： 如= 一只) = 0 0 6 3 2 3 x ( 1 3 7 1 6 8 3 1 6 4 6 5 5 ) = 7 6 3 2 0 k w 湿海水的特征温度：2 7 ，汽化潜热，= 2 4 3 6 8 k 3 1 堙， 则闪蒸温海水蒸汽流量： m ，：盟；2 丝：0 0 3 1 9 k g s ：0 1 1 4 9 t h y 2 4 3 6 8 冷海水的特征温度( 4 + 6 ) 2 = 5 c ，定压比热c 。= 4 2 0 6 l k g ， 则冷海水流量： m c o ：垒i ：! ! ：! 兰! ：9 0 7 2 8 k g j ：3 2 6 6 2 t h c 。，2 4 2 0 6 x 2 2 3 1 2 系统2 设计参数的计算 氨蒸发温度t e - 2 5 c ，氨冷凝温度t c - - = 9 c ，计算过程同系统1 ：