卡琳娜海洋温差发电循环性能研究

刘煜森，张 华，赵 巍

（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）

卡琳娜海洋温差发电循环性能研究

刘煜森，张 华，赵 巍

（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）

海洋温差能是一种可再生、清洁无污染、储量巨大的能源。开发利用温差能有利于保护环境和缓解我国的能源压力。基于Aspen Plus软件对卡琳娜循环进行模拟，计算了各设备损失，分析了蒸发压力和氨水浓度对系统各参数的影响。结果表明：蒸发器、冷凝器和汽轮机中的损失较大，三种设备损失分别为19.3%，28.6%和16.1%。在氨水浓度不变的条件下，随着蒸发压力的增大，汽轮机功率先增大后减小；气液分离器出口气相质量流量不断降低；系统热效率和效率均先增大后急剧减小，最佳蒸发压力为0.82 MPa。在蒸发压力不变的条件下，随着氨水浓度增大，气液分离器出口气相质量流量线性增大；汽轮机功率非线性增加；系统热效率和效率先增大后减小，最佳氨水浓度为0.91。研究结果对海洋温差能的工程应用提供了理论参考。

海洋温差能；卡琳娜循环；氨水浓度；蒸发压力；热效率；效率

海洋是地球上储存太阳热能的巨大容器，它吸收的太阳能达到37万亿kW，大约是目前电力消耗总功率的4 000倍[1]。在地球的低纬度地区，由于太阳辐射能密度大、太阳光照射强度强，表层温海水温度常年维持在25～30℃之间[2]。由于海水投射阳光的能力有限，海水温度的大致趋势是随着深度增加而降低，在800 m深海，海水温度受阳光照射的影响几乎没有，温度维持在4～5℃[3]。表层温海水和深层冷海水之间存在20℃以上的温差，这部分以温度差形式存储的能量称作海洋温差能，其具有以下特点：

（1）海水中蕴藏的温差能储存量巨大而且可持续再生。

（2）海洋温差能属于清洁能源，开发利用过程中对环境的影响微乎其微。

（3）海洋温差能稳定性好，海洋是一个庞大的储能库，在同一地点表、深层的海水温度变化不大。从每天海水温度变化来看，表层温海水的温度变化很小，一般不超过0.5℃[7]。而深层冷海水温度基本不发生变化。从全年海水温度变化来看，海水温度只稍有季节性变化，相比潮汐能、海流能来说，海洋温差能还是比较稳定的。

（4）海洋温差能的能量密度较高，但实现温差能的大规模利用，就需要对大量海水进行利用。

卡琳娜循环是卡琳娜于1981年提出的一种中低温余热闭式发电循环[4]，循环采用氨水混合工质。国内外学者对卡琳娜循环均有一定研究。Arslan[5]基于设备的成本周期对卡琳娜循环的经济型进行分析。Nasruddin等[6]研究了借助卡琳娜循环利用120℃地热能来发电，研究结果表明氨水工质质量分数为78%时，循环系统的热效率和输出功率达到最大。Brian等[7]研究了如何减小卡琳娜循环中换热器的尺寸，利用微通道换热器课将换热器尺寸减少58%，更加有利于系统的推广应用。Zhang等[8]开发了计算氨水混合物的热力学性质和卡琳娜循环性能的程序，利用该程序理论计算卡琳娜循环特性，并对汽轮机入口处的压力和温度、汽轮机的背压等关键参数进行了分析。周然等[9]对卡琳娜循环冷热电联供系统进行热力学分析。研究结果表明，汽轮机存在一个“最劣”入口温度，此时循环热效率最低。聂晶[10]对比分析了朗肯循环和卡琳娜循环在中低温余热利用上的性能，卡琳娜循环效率比朗肯循环更高。李惟毅等[11]研究了基液氨浓度对卡琳娜循环热效率、经济性能参数和换热器经济参数的影响，发现以不同参数为目标时，最佳基液氨浓度是不同的。李子申等[12]建立卡琳娜循环数学模型，研究蒸发压力对其性能的影响。

查阅文献发现对卡琳娜循环研究的热源温度往往在100℃左右，热源温度比温海水温度要大得多，对卡琳娜循环在海洋温差能发电上的研究还较少。本文基于Aspen Plus软件对卡琳娜海洋温差能发电循环进行研究，分析了各设备损失以及氨水浓度和蒸发压力对系统性能的影响。

1 卡琳娜循环数学模型

卡琳娜循环主要设备有蒸发器、汽轮机、混合器、低温回热器、工质泵、高温回热器、分离器和节流阀。卡琳娜循环系统原理图如图1所示，低温的氨水工质通过蒸发器变成气液混合物，经过分离器分离后变成饱和富氨蒸汽和饱和富水溶液两部分；饱和富氨蒸汽经过汽轮机做功，饱和富水溶液在高温回热器中预热进入蒸发器的氨水工质，之后经过节流阀节流降压和汽轮机出口的乏汽一起进入混合器中混合；混合后的氨水溶液经过低温回热器和冷凝器后被冷凝成液态；氨水溶液经过工质泵加压后依次经过低温回热器和高温回热器，在蒸发器内蒸发后进行下一个循环。

图1 卡琳娜循环系统原理图

卡琳娜循环各设备数学模型如下：

卡琳娜循环中换热器包括蒸发器、冷凝器、高温回热器和低温回热器4种，其数学模型是一致的，包括能量平衡方程和平衡方程，以高温换热器为例介绍换热器数学模型，由式（1）～式（2）得到。

泵的数学模型为：

汽轮机数学模型为：

气液分离器数学模拟为：

本文热源温度为温海水温度，讨论卡琳娜循环用于低温热源发电的情况。对于氨水工质，使用Aspen Plus中的nh3h2o.bkp文件中的物性，在这个文件基础上建立流程模拟。为了模拟的简便，模拟过程作如下假设：

（1）卡琳娜循环所涉及的设备没有压降损失；

（2）为提高汽轮机寿命和保证汽轮机安全性，汽轮机出口蒸汽干度要大于0.93；

（3）为保证工质在泵中不发生汽蚀，假设工质泵进口工质的相态为饱和液相；

（4）电机效率为0.90，汽轮机绝热效率为0.75。

通过模拟计算得到汽轮机、工质泵和海水输送泵功率等，由式(10)即可求得系统净热效率；根据循环中各点的状态参数，计算得到工质从温海水中得到的和各设备的损失，由式11得到净效率。

式中：PT，PP，PW，PC分别为汽轮机、工质泵、温海水泵、冷海水泵功率，W；QW为温海水进入蒸发器的热量，W；ΔE为温海水进入蒸发器的值，W。

在系统装机容量7 900 W，氨水浓度0.95 mol/mol，蒸发器出口蒸汽温度25℃，冷凝温度7℃，蒸发压力为0.8 MPa，高温回热器热物流出口温度22℃，低温回热器冷物流出口温度比热物流进口温度低2℃的条件下，模拟得到各状态点的参数和各设备功率，如表1和表2所示。

表1 给定工况下卡琳娜循环各状态点参数

表2 卡琳娜循环各设备功率

表3 卡琳娜循环各设备损失

表3 卡琳娜循环各设备损失

设备 能量/ W 占输入 的百分比/ %温海水输入 蒸发器 2 6 0 7 2 . 9 1 0 0输出 净发电量 7 8 9 5 . 2 3 0 . 3冷海水带走的 冷凝器 7 4 6 9 . 0 2 8 . 6损失 汽轮机 4 1 9 8 . 3 1 6 . 1损失 工质泵 2 0 2 . 9 1 . 0损失 蒸发器 5 0 3 9 . 6 1 9 . 3损失 分离器 0 . 0 2 0损失 混合器 6 6 . 6 0 . 3损失 节流阀 6 8 2 . 0 2 . 6损失 其他 5 2 1 . 5 2 . 0

3 蒸发压力和氨水浓度对卡琳娜循环性能的影响

3.1 蒸发压力对卡琳娜循环性能的影响

研究蒸发压力对卡琳娜循环系统效率的影响时规定：氨水浓度为0.91 mol/mol，蒸发温度25℃，冷凝温度7℃。改变蒸发压力，观察其对系统性能的影响。

图2 不同蒸发压力下的质量流量

图2对不同蒸发压力下的气液相质量流量进行分析，可以看出，随着蒸发压力增大，气相质量流量不断减少，液相质量流量不断增加，但是两者均不是线性递增，蒸发压力小于0.74 MPa时，气相质量流量大于液相质量流量，蒸发压力大于0.74 MPa时，气相质量流量小于液相质量流量，蒸发压力为0.88 MPa时，由于蒸发温度为固定值，气相质量流量已接近为0。

图3 不同蒸发压力下的汽轮机功率

图3分析了汽轮机功率随蒸发压力的变化，可以看出，随着蒸发压力增大，汽轮机功率先增大后急剧减少，蒸发压力为0.74 MPa时，汽轮机功率达到最大值7 318 W；蒸发压力为0.90 MPa时，汽轮机功率几乎为0。从理论上分析，在相同蒸发温度和汽轮机背压下，增大蒸发压力一方面可以提高单位质量工质的做功能力，另一方面会降低经过汽轮机工质的质量流量，在这两方面因素的影响下，汽轮机功率最初随蒸发压力的增大是增大的，但蒸发压力过大时，由于气相质量流量很小即进入汽轮机的工质流量很小，汽轮机功率会很低。

图4 卡琳娜循环系统热效率随蒸发压力变化曲线

图5 卡琳娜循环系统效率随蒸发压力变化曲线

从热力学第一、二定律角度出发，对不同蒸发压力下卡琳娜循环热效率和效率进行分析。如图4～图5所示，随着蒸发压力的增大，卡琳娜循环的热效率和效率先升高，达到最大值 2.90%、33.40%，之后急剧下降，当蒸发压力接近0.90 MPa时，热效率和效率接近为0。这是因为随着蒸发压力增大，汽轮机的功率一开始是增大，系统热效率和效率都增大；当压力进一步增大，虽然单位质量工质做功能力增强，但是分离器出口的气相质量流量会急剧下降，气相质量流量占主导作用，造成汽轮机功率急剧，系统热效率和效率急剧减小。

3.2 氨水浓度对卡琳娜循环性能的影响

氨水浓度同样是影响卡琳娜循环性能的重要参数，在研究氨水浓度对卡琳娜循环系统效率的影响时规定：氨水的质量流量不变，蒸发温度25℃，蒸发压力0.8 MPa，冷凝温度为7℃。改变卡琳娜循环中氨水浓度，观察其对系统的影响。

氨水浓度变化会使分离器进出口气液相质量流量。图6分析了氨水浓度对气液分离器出口气液相质量流量的影响，相比蒸发压力对气液相质量流量的非线性影响，随着氨水浓度的增大，气液分离器出口气相质量流量是线性增大的，而液相质量流量是线性减小的。从理论上分析，氨水的浓度越高，其饱和气体温度越低，所以随着氨水浓度的增大，气相质量流量是不断增大的，而液相质量流量不断减小的。

由图7可以看出，汽轮机的功率也随着氨水浓度的增大而增大，但并不是线性增大。当氨水浓度从0.89 mol/mol增加到0.91 mol/mol时，汽轮机功率由4 468 W增加到6 495 W，几乎为线性增大；当氨水浓度由0.91 mol/mol增加到0.97 mol/mol区间时，汽轮机功率增加的幅度变缓。

图9 氨水浓度对卡琳娜循环系统效率的影响

4 结论

本文基于Aspen Plus软件对卡琳娜海洋温差能发电循环进行模拟，计算了各部件的损失，分析了蒸发压力和氨水浓度对系统性能的影响，得到主要结论如下：

（2）在氨水浓度不变的条件下，随着蒸发压力的增大，汽轮机功率先增大后减小；气液分离器出口气相质量流量不断降低，降低速度越来越快；卡琳娜循环系统热效率和效率先增大后减小，所给定的条件下最佳蒸发压力为0.82 MPa。

（3）在蒸发压力不变的条件下，随着氨水浓度增大，气液分离器出口气相质量流量线性增大；汽轮机功率非线性增加；卡琳娜循环系统热效率和效率先增大后减小，最佳氨水浓度为0.91 mol/mol。

[1]郑锡荣.海洋温差发电[J].太阳能,1995,16(4):30.

[2]中国自然地理编辑委员会.中国自然地理——海洋地理[M].北京:科技出版社,1979.

[3]王莉,史林兴,卢佃清.华东沿海海洋温差发电系统的优化设计[J].可再生能源,2010,28(1):134-136.

[4]彭景平.15 kW海洋温差发电系统的试验与研究[D].青岛:青岛理工大学,2012.

[5]Arslan O.Exergoeconomic evaluation of electricity generation by themedium temperature geothermal resources,using a Kalina cycle: Simavcase study[J].International Journal ofThermal Sciences,2010,49:1866-1873.

[6]Nasruddin,Usvika R,Rifaldi M,et al.Energyand exergyanalysis ofKalina Cycle System(KCS)34 with mass fraction ammonia–water mixture variation[J].Journal ofMechanical Science and Technology,2009,23:1871-1876.

[7]Brian M,Kyle R.Evaluation of heat and mass transfer models for sizing low-temperature Kalina cycle Microchannel Condensers[J]. Journal ofEnergyResources Technology,2016,139(2):2002-2012.

[8]Zhang Xinxin,He Maogang,Zhang Ying.First law-based thermodynamic analysis on Kalina cycle[J].Renewable and Sustainable EnergyReviews,2012,16:5309-5318.

[9]周然,韩吉田,于泽庭.基于太阳能卡琳娜循环的冷热电联供系统热力学分析[J].制冷技术,2013,33(3):13-15+20.

[10]聂晶.基于朗肯循环和卡琳娜循环的中低温余热动力循环分析[J].制冷,2015,34(3):40-44.

[11]李惟毅,梁娜,孟金英,等.基液氨浓度对卡琳娜循环不同目标参数的影响[J].化工进展,2015,34(4):957-964.

[12]李子申,李惟毅,孟金英,等.蒸发压力对卡琳娜循环不同目标参数的影响[J].化工进展,2015,34(11):3852-3858.

Study on the Performance of Kalina Ocean Thermal Energy Conversion Cycle

LIU Yu-sen,ZHANG Hua,ZHAO Wei
School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China

Ocean thermal energy is a kind of renewable and pollution-free clean energy with huge reserves.The development and utilization of thermal energy can help protect the environment and alleviate the pressure of energy demand in China.Based on the Aspen Plus software,the Kalina cycle is simulated.The energy loss of each equipment is calculated and the effects of evaporation pressure and ammonia concentration on the parameters of the system are studied.The results show that the energy loss of the evaporator,condenser and steam turbine is comparatively large,up to 19.3%,28.6%and 16.1%,respectively.Under the condition of constant ammonia concentration,with the increase of evaporation pressure,the power of steam turbine firstly increases and then decreases,and the vapor mass flow rate of gas-liquid separator decreases continuously,and the thermal efficiency and the efficiency of the system firstly increase and then decrease sharply,with the optimal evaporation pressure of 0.82 MPa.Under the condition of constant evaporation pressure,with increasing ammonia concentration,the gas mass flow rate at the outlet of the gas-liquid separator increases linearly and the power of the turbine increases nonlinearly.The thermal efficiency and the efficiency of the system firstly increase and then decrease,with the optimum ammonia concentration being 0.91.The results provide theoretical reference for the engineering application of ocean thermal energy.

ocean thermal energy;Kalina cycle;ammonia concentration;evaporation pressure;thermal efficiency; energy efficiency

P743.4；TK11+4

A

1003-2029（2017）02-0106-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.02.018

2017-01-12

刘煜森（1992-），男，硕士研究生，主要研究方向为制冷与低温。Email：lysuiuen@163.com