基于ASPEN PLUS利用海洋温差能发电的模拟与优化

仇汝臣，范 宁，刘新新

（青岛科技大学化工学院， 山东 青岛 266042）

基于ASPEN PLUS利用海洋温差能发电的模拟与优化

仇汝臣，范 宁，刘新新

（青岛科技大学化工学院， 山东 青岛 266042）

海洋是世界上最大的太阳能收集器，世界各国都致力于海洋能的开发与利用，其中海洋能的热电转换备受关注。选取正丁烷作为有机朗肯循环的工质，利用 ASPEN PLUS所建立的流程模型对海洋温差发电(OTEC)进行了模拟与优化。得到了正丁烷的最佳蒸发温度和最佳凝结温度。并对各级发电量和所需换热面积进行了详细的比较和分析，得到了最佳的朗肯循环级数，对温差能发电系统的工况选取及优化具有指导意义。

海洋温差能；正丁烷；ASPEN PLUS；朗肯循环；级数

传统能源的全球拥有量急剧减少，环境污染问题不断突出，因此，可再生能源成为现今改变人类能源结构、维持长远发展的重要依托。近年来，蕴藏丰富的海洋温差能因其能量密度高、稳定性较好、变化有规律、清洁无污染、可循环再生、可终年不断的转化成电能等特点，受到世界各国的广泛关注。海洋温差能发电是利用海洋表层温海水与深层冷海水之间的温差所蕴藏的热能进行发电。2013年，全球总发电量为 22 513.8 TW·h，按照现有的技术水平，可以转化为电力的海洋温差能大约为 10 000 TW·h/a[1]，即可满足全球大约一半的用电需求。海洋温差能作为新型清洁能源，极有可能取代传统的化石能源，满足日益增长的能源需求。

1 海洋温差能发电技术

1.1 海洋温差发电技术简介

海洋800 m以下的海水温度恒定在4 ℃左右，而低纬度地区水表温度高达 27～30 ℃，温差超过20 ℃，海洋温差发电技术正是利用海水浅层与深层之间的温差及其温、冷不同热源，经过热交换器及涡轮机来发电。

海洋温差能发电即利用表层温海水加热某些低沸点工质并使其汽化（或通过降压使海水汽化），以驱动汽轮机发电；同时利用深层冷海水将做功后的乏汽冷凝，使其重新变为液体，形成系统循环。早在 1880年法国人达松发首先提出了温差发电的构想，1979年美国最早开发了海洋温差发电(Ocean thermal energy conversion简称OTEC)系统，当时容量只有50 kW。1997年印度国家海洋技术研究所与日本佐贺大学合作开发了1 MW的发电设备。1999年，在印度东南部海上，世界第一套1 MW海洋温差发电实验装置运转成功[2]。

1.2 有机朗肯循环简述

朗肯循环是根据卡诺提出的理想动力循环(见图1)，即整个循环过程由工质在a-b热源端可逆定温吸热过程，在b-c膨胀端的可逆绝热膨胀过程，c-d冷凝端的可逆定温放热过程和d-a升压端的绝热压缩过程四个部分组成[3]。

图1 卡诺循环P-V图Fig.1 The P-V diagram of Carnot cycle

有机工质的沸点相对较低，可以在低品位热源下获得相对较高的蒸汽压力，蒸汽进入膨胀机推动做功，对环境污染比较小。有机朗肯循环系统发电的综合效益明显比普通蒸汽动力循环高[4]。

1.3 有机朗肯循环海洋温差发电技术

根据所用工质及流程的不同，海洋温差发电的方式主要有闭式循环系统、开式循环系统以及混合式循环三种，目前接近实用的是闭式循环方式，本文将重点对闭式循环发电过程进行模拟研究。

2 有机工质的选择

王辉涛等[5]采用PR状态方程计算了11种低沸点有机流体工质在闭式循环系统中的热力性能，以选出适合用于海洋温差热力发电的工质。结果表明，随着工质临界温度的升高，循环热效率总体呈上升趋势。其中，正丁烷具有较高的循环热效率、较低的蒸发压力及适当的凝气压力，比较适合用作海洋温差发电有机朗肯循环的工质(图2)。

图2 闭式海洋温差发电系统图Fig.2 The diagram of closed-cycle ocean thermal energy conversion system

3 热力循环的模拟及优化

3.1 物性方法的确定

物性方法的选择是决定模拟结果准确性的关键步骤，ASPEN PLUS提供的物性模型分为理想模型、状态方程模型、活度系数模型和特殊模型。正丁烷属于非极性有机工质，可选用适于所有温度及压力下的非极性或极性较弱物质的 PENG-ROB方程。

3.2 循环模拟研究

3.2.1 建立系统模型

根据图2所示的闭式循环发电系统，选取表层海水28 ℃，底层4 ℃的海域条件，对海洋温差能发电系统的工况选取进行模拟研究及优化设计，装机功率为3 kW。

设计条件如表1：

表1 OETC设计条件表Table 1 The table of OETC design conditions

在本次模拟中，对该流程作如下简化：

（1）系统中各设备均稳态运行，有关参数不随时间发生任何变化；

（2）蒸发器、冷凝器以及管道压降都忽略不计；

（3）膨胀机和泵的等熵效率均为定值。

3.2.2 单级有机朗肯循环发电

根据设计条件及所提出的假设，对以正丁烷为工质的单级有机朗肯循环海洋温差能发电技术作如图3模拟。

通过模拟计算得出：单级循环海洋温差发电的净发电量为2.18 kW，有机工质的循环量为800 kg/h,离开系统的温海水的温度是24.4 ℃，而离开系统冷海水的温度是7.4 ℃，两股物流间的温差能可以考虑在多级有机朗肯循环中继续利用。

3.2.3 双级有机朗肯循环发电

在与单级朗肯循环保持相同的设计条件下，建立如图4所示的双级有机朗肯循环发电的流程模拟计算，计算结果得出：双级循环海洋温差发电的净发电量为3.14 kW，较单级净发电量有较大提高。每级有机工质的循环量为580 kg/h。此时离开系统的温水的温度是22.7 ℃，而离开系统冷水的温度是9.1℃，更大限度的利用了温差所蕴藏的热能。具体数据见表2。

图3 单级有机朗肯循环模拟图Fig.3 The simulated diagram of single-stage Organic Rankine Cycle

3.2.4 多级有机朗肯循环发电

利用相同的方法对三级朗肯循环发电技术作模拟计算，模拟过程如图5。

表2 各级循环发电情况Table 2 Condition of cycle power at all levels

图4 双级有机朗肯循环模拟图Fig.4 The simulated diagram of twin-stage Organic Rankine Cycle

图5 三级有机朗肯循环模拟图Fig.5 The simulated diagram of three-stage Organic Rankine Cycle

为了方便比较，将得到的各级循环的计算结果列表如表2：

由上表可以看出，随着循环级数的增加，总发电量、耗电量、净发电量均相应的增加。其中双级循环较单级循环增长的幅度最大。但随着级数的增加，工质凝结、汽化所需的换热面积也相应的增加。在实际生产中，应综合考虑设备投资及净发电量之间的平衡。根据前三级的模拟结果，建议使用双级朗肯循环发电技术。

4 结 论

以热力学定律为基础，选取正丁烷为有机工质，利用ASPEN PLUS流程模拟软件对有机朗肯循环海洋温差发电技术进行了模拟、分析和优化，最终得到了一、二、三级朗肯循环对海洋温差能的利用情况，结论如下：

（1）随着级数的增加，朗肯循环对海洋温差能的利用率愈大，排出系统的温、冷海水之间的温差也越小，净发电量也越高。

（2）随着级数的增加，工质的循环量变大，所需的传热面积也相应地增加。从而设备投资成本也增多。

（3）综合考虑能量利用率及设备投资，建议采用双级朗肯循环发电技术对海洋温差能进行回收利用。

（4）总的来说，该系统的循环效率仍不是很高，为使该循环能够高效运行，未来需要继续从操作参数和循环结构等方面对整个系统进行优化和改进。

［1］苏佳纯,曾恒一,肖钢,王建丰,姜家骏. 海洋温差能发电技术研究现状及在我国的发展前景[J]. 中国海上油气,2012(04)∶84-98.

［2］封光,钟爽. 海洋温差发电的研究现状与展望[J]. 东北电力大学学报,2011(02)∶72-77.

［3］廉乐明,李丽能,吴家正,高等工程热力学[M]北京∶中国建筑工业出版社，1999.

［4］刘广林. 有机朗肯循环发电系统利用的研究[J]. 节能,2013(10)∶37-39.

［5］王辉涛,王华. 海洋温差发电有机朗肯循环工质选择[J]. 海洋工程,2009(02)∶119-123.

［6］Hettiarachchi H D M,Golubovic Mihajlo,Worek William M,et al.Optimum design criteria for an Organic Rankine cycle using low-temperature geothermal heat sources [J]. Energy, 2007, 32∶1698-1706.

Simulation and Optimization of Power Generation by Ocean Thermal Energy Based on ASPEN PLUS

QIU Ru-chen, FAN Ning, LIU Xin-xin
（Qingdao University of Science and Technology，Shandong Qingdao 266042，China）

Ocean is the largest solar collector in the world, all countries in the world dedicated to the development and utilization of ocean energy, and thermoelectric conversion of ocean energy has drawn more attention. In this paper, N-butane was selected as working fluid of organic Rankine cycle. By using process models established based on ASPEN PLUS, Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC) was simulated and optimized, the best evaporation temperature and condensation temperature were obtained. After detailed comparison and analysis of the generating capacity at all levels and the required heat transfer area, the best Rankine cycle progression was obtained, which has good guidance meaning to the operating condition selection and optimization of temperature difference energy power system.

ocean thermal energy; n-butane; ASPEN PLUS; Rankine cycle; stage

P743.4

A

1671-0460（2015）09-2232-03

2015-03-06

仇汝臣（1963-），男，山东菏泽人，教授，博士，2007年毕业于天津大学化学工程专业，研究方向：石油加工。E-mail：8978122@163.com。