海洋温差能系统效率研究综述

刘伟民，陈凤云，葛云征,2，彭景平，刘蕾，杨晓，宋金洲，刘凯伦

（1.自然资源部 第一海洋研究所,山东青岛 266061；2.西安交通大学能源与动力工程学院,陕西西安 710049；3.青岛市政务服务和公共资源交易中心,山东青岛 266061；4.山东科技大学海洋科学与工程学院,山东青岛 266590）

海洋温差能是指海洋表层温海水和深层冷海水之间的温差蕴含的热能。海洋温差能在发电的同时还能制取淡水、提供冷源、开展海水养殖等获得综合效益，除此之外，温差能亦可为大型的深海装备与小型的水下移动装备提供能源。我国海洋温差能主要分布在南海，资源蕴藏量大，在各类海洋能资源中占居首位，南海大多数岛屿的能源与淡水供给困难，能源供应依靠大陆运送，若能因地制宜地开发海洋温差能，对南海岛屿的经济发展必将产生积极的影响。由于海洋上下层可利用的温差较小，导致系统效率较低，提高温差能系统效率一直是本研究领域的热点和难点。

1 影响温差能系统效率的因素分析

海洋温差能发电系统由如图1所示的A、B、C三部分组成。A部分是闭式热力循环系统，工作介质一般是氨、氨-水、氟利昂或者其他低沸点工质，该闭式循环的形式有单工质朗肯循环、非共沸混合工质卡琳娜、上原循环[1]等，A部分的循环效率又叫海洋温差能的热力循环效率。

图1 海洋温差能发电系统Fig.1 OTECsystem

热力循环效率ηc数学表达式为

式中：P为透平输出功率；q为热流量；Pw为工质泵功率。

B部分是系统温海水加热工质部分，C部分是冷海水冷凝工质部分。

在实际工程中，应从整体出发全面考虑系统的效率。系统效率是指系统总发电功率减去系统自用电功率后，与从蒸发器得到的热流量的比值。其中，自用电功率包括温、冷海水泵和工质泵的用电功率。

系统效率ηs数学表达式为

式中：Ph为温海水泵电功率；Pc为冷海水泵电功率。

热力循环是系统重要的组成部分，是系统效率研究的基础，提高热力循环效率是提高系统能量输出的关键影响因素之一。

由图1可见，透平、工质泵和温、冷海水泵等动力装置是海洋温差能发电系统的组成部分，其效率的高低对系统的效率也有很大的影响。

2 热力循环效率

因海洋上下层可利用的温差较小，自法国物理学家Jacques-Arsene d’Arsonva[1]提出利用海洋温差发电的方案以来，提高热力循环效率一直是海洋温差能研究领域的热点和难点。据计算，当温海水温度为25℃、冷海水温度为5℃，即在20℃温差发电时，理论卡诺循环效率仅为6.7%。1979年美国建成的Mini-OTEC号52 kW温差能电站使用氨工质朗肯（Rankine）回热循环[2]，循环效率约为3%，系统除自用电外，净电力输出为15 kW。由此可见，如果系统的效率提高1%，即在系统自用电所占比例不变的情况下，净发电能力可得到成倍的提高。因此，寻找高效热力循环方式提高热力循环效率在海洋温差能开发利用研究中极其重要。

2.1 热力循环中利用热能提高效率的途径

目前国内外海洋温差发电装置采用的热力循环方式主要有朗肯循环(Rankine cycle)、卡琳娜循环（Kalina cycle）和上原循环(Uehara cycle)[3]。海洋温差能热力循环按工质类型一般分为单工质循环和混合工质循环。由于氨工质具有优良的热物性和稳定性，因此是单工质海洋温差能热力循环的首选工质。混合工质热力循环中工质一般采用的是氨-水混合物[4]。

海洋温差能氨工质朗肯循环结构简单可靠，在减少管路压降损失方面具有优势，但其循环效率相对较低。采用纯氨工质的基本朗肯循环系统效率不高的原因在于工质的蒸发过程是等温过程，即使把换热温差控制到很小，仍难以使热源的放热过程与工质蒸发过程的温度之间达到满足的匹配，从而产生较大的不可逆熵损失[5-9]。

为了降低纯工质在相变换热过程中与冷、热源间的不可逆损失，卡琳娜在20世纪80年代提出了一系列使用非共沸工质的热力循环，这类循环被称为卡琳娜循环[10-12]。其中，卡琳娜-34（KCS-34）循环是一种适用于低温热源的循环。非共沸工质在相变过程中存在温度滑移，工质变温蒸发和冷凝，与冷、热源温度匹配好，不可逆损失小[13-15]。卡琳娜-34循环流程如图2所示[16]。海洋温差能采用以氨-水混合液为工质的KCS-34循环时，能够实现工质变温蒸发。在蒸发过程中，氨水溶液中氨的质量分数随着氨气的蒸发而降低，导致溶液的沸点增加，使得其汽化过程与换热过程相匹配，减少了换热过程中的不可逆损失，提高了热效率。同时，循环采用贫氨溶液回热和乏气回热来提高进入蒸发器中溶液的温度、降低进入冷凝器中的溶液温度，可降低海水流量，减少水泵的能耗。大量理论与实践研究表明，卡琳娜循环的热效率高于使用纯工质的朗肯循环，卡琳娜循环的系统性能优于使用纯工质的朗肯循环[17-19]。

卡琳娜-34（KCS-34）循环采用沸点不同的氨-水混合物作为工质，相对朗肯循环采用了2种措施来提高热力循环的热效率：①在蒸发过程中工质变温蒸发，减少了工质蒸发过程的不可逆性；冷凝过程中，相比单工质冷凝温差也较小，同样减少了冷凝过程中的不可逆性，同时实现了在较低压力下工质的完全冷凝[20]；②贫氨溶液回路上，在分离器后通过回热器2回收了贫氨溶液的部分热量（图2）。

图2 卡琳娜-34循环流程示意图Fig.2 Flow diagram of KCS-34 cycle

1994年，日本佐贺大学海洋能源研究中心的上原春男教授发明了一种用于海洋温差发电的新循环——上原循环[21]，上原循环的流程详见图3。上原循环同样采用沸点不同的氨-水混合物作为工质，该循环除采用与卡琳娜循环相同的2种措施来提高热力循环效率外，又增加了一种措施来提高热力循环效率，即增加一级透平、采用中间抽气、直接加热工质到泡点的措施来增加热力循环的效率。该循环相对卡琳娜-34循环增加了一级透平和一级工质泵和氨液混合筒等设备，因此系统相对复杂。

图3 Uehara循环流程示意图Fig.3 Flow diagram of Uehara cycle

上原循环中采用中间抽气加热冷凝器后混合工质到泡点温度，造成分离器后贫氨溶液从回热器2进入吸收器温度过高，为了充分利用这部分热量，自然资源部第一海洋研究所刘伟民等[22-23]采用了一种新的循环，因是在国家海洋局海洋能专项项目支持下的发明，将该循环简称为国海循环。该循环流程如图4所示。

图4 国海循环流程示意图Fig.4 Flow diagram of Guohai cycle

国海循环在上原循环的基础上，增加了如下措施来提高热力循环效率：①增加了贫氨溶液二次热回收，用于回收贫氨溶液从回热器1进入吸收器前的热能；②将直接换热回热器2改为间接换热器，该措施可减少一级工质泵，节省的能耗也可提高热力循环效率。

从国海循环的流程来看，热力循环的热能得到了充分的利用。在温海水温度为27℃、冷海水温度为5℃，某一氨的质量分数条件下，对国海循环与上原循环热效率随透平进口蒸气压力的变化进行了比较，其结果如图5所示。

图5 上原循环和国海循环效率的比较Fig.5 Comparison of Uehara cycle efficiency with Guohai cycle

由图5可见，上原循环和国海循环效率随透平入口蒸气压力的变化趋势是相同的，均随着透平入口蒸气压力的升高而升高。国海循环效率曲线一直位于上原循环曲线上方，可以得出：这种情况下国海循环相对于上原循环具有优势。这一结果验证了国海循环贫氨溶液回热支路和抽气回热支路可以使循环效率得到提高[24]。

2.2 热力循环中利用动能提高效率的途径

非共沸工质热力循环中的贫氨溶液经过2次热回收，热能得到了充分利用，但分离器后的高压贫氨溶液通过减压阀进入吸收器，压力能没有得到充分的利用。

贫氨溶液占工质总循环流量的比例较大，因此该压力能的利用能有效地提高循环系统效率。压力能一般有3种利用途径：①在贫氨溶液管路上安装透平直接发电；②使用换能器，将压力能转换到温海水管路上替代部分温海水泵的泵功率；③用贫氨溶液通过引射器引射乏气，降低发电透平的背压，增加做功量。

在贫氨溶液管路上安装透平直接发电或使用换能器将压力能转换到温海水管路上替代部分温海水的泵功，压力能的利用效率可达到90%以上。

用贫氨溶液通过引射器引射乏气，降低发电透平的背压，进而增加做功量的方法是借鉴Ersoy等[25-30]关于引射器对制冷系统性能影响的研究成果。国内外多位学者开展了将引射器应用到海洋温差能发电热力循环中的研究，韩国Lee等[31]提出了使用气-气引射器的海洋温差热力循环，循环通过气-气引射器利用透平中间的抽气来降低二级透平出口乏气压力，从而提高二级透平的输出功。相同工况下朗肯循环效率只有2.2%，而对循环的操作参数进行优化后，系统效率可达到2.47%。韩国釜庆国立大学Yoon等[32]设计了一种使用纯工质R152a的引射器循环，循环原理如图6所示。该循环将高压液体工质作为液-气引射器的工作流体来引射透平出口的乏气，降低透平出口的压力。与朗肯循环相比，引射器能够进一步降低透平出口的压力，使其低于工质的冷凝压力，进一步提高了热力循环效率。

图6 引射器循环原理示意图Fig.6 Flow diagram of OTECcyclewith ejector

为验证引射器对循环性能的影响，将有引射器和无引射器的循环分别进行模拟，在温海水温度为27℃、冷海水温度为5℃、氨-水混合物氨的质量分数为0.80的工况下，2种热力循环效率随透平进口压力的变化情况见图7。可以看出，引射器热力循环效率大于无引射器热力循环效率。这是因为使用引射器降低了透平出口处的压力，工质焓值降低，使氨气在透平进出口处的焓降变大，透平输出功增加，所以提高了热力循环效率[33]。

图7 引射器热力循环和无引射器热力循环性能对比Fig.7 Performance comparison between thermodynamic cycle with and without ejector

目前海洋温差能发电采用的氨-水混合工质热力循环中，分离器后的高压贫氨溶液流量较大，与低压冷凝器之间的压差也较大，若能有效地利用该压力差含有的压力能，是有效地提高热力循环系统效率的途径之一。

3 其他因素对系统效率的影响

3.1 换热温差对系统效率的影响

在设法提高海洋温差能系统效率时，若只考虑热力循环对系统的影响、而不从发电系统整体考虑是不全面的。例如，理论上卡诺循环效率最高，但系统效率并不能做到能量正输出。

影响蒸发（图1中B部分）、冷却（图1中C部分）的流量和能耗的大小与其换热温差有关，基于特定的热力循环，换热温差也是影响系统效率的关键因素之一[34-45]。海洋中可利用的上下层温差较小，发电系统需要抽取大量的海水，所需自用电量占总发电量的比例较高，因此基于不同的热力循环，分析换热温差对系统效率的整体影响也是很关键的问题之一。

对系统效率进行整体考虑，其研究目的是从加热的单位流体中获取最大的能量净输出，热力循环效率只考虑了整个系统中的热力循环部分，不能全面评价系统的优劣。而从系统效率研究着手，可以探讨热力循环和加热、冷却部分的温差对系统效率影响的理论机制，又对海洋温差工程应用系统的设计、运行都具有理论指导意义。

由上述分析讨论可知，影响系统效率最大的关键因素有2个：一是热力循环效率，二是换热温差。温差的确定条件为一定发电功率下需要的温、冷水泵能耗最少，即

式中：∆T为系统效率最佳换热温差。

由式（3）可知，要使温、冷海水泵功率最小，温、冷海水换热系统就需要维持一个最小的温差。温差越小，热量回收就越多，但温差越小，换热面积会越大，使得系统的温、冷海水泵功率增大。达到一定温差后，换热不可逆损失增加，系统效率下降。这个传热温差，称为系统效率最佳换热温差。

3.2 动力装置对系统效率的影响

温差能系统动力装置有透平、工质泵和温、冷海水泵。动力装置自身的效率直接或间接对系统的效率造成影响。

3.2.1 透平

与传统的发电透平装置相比，海洋温差能系统内的工质为低温低压状态，为保证透平的热电转化效率，就必须对温差能用发电透平进行更为精密地设计以保证其高效运行。多年的研究表明[46-48]，径流向心型式更适用于温差能系统中的透平。径流向心透平具有结构简单、径向尺寸大、轮周效率高等特点，在设计过程中，必须对其气动部分，包括蜗壳、喷嘴、叶轮和扩压器等（图8），进行准确设计并优化，以保证透平的气动性能在系统运行过程中达到最佳状态。在透平设计时，需要对透平气动结构内多物理场进行数值模拟，分析其内部流场、温度场与应力分布，并结合优化算法优化叶片叶型。然后通过试验方式开展透平内部多物理场参数测试，对比验证数值仿真优化结果，得到符合海洋温差能系统的向心透平最佳气动结构。而在实际条件下，尽管海洋温差能发电系统与其他海洋能源相比相对稳定，但随着季节变化表面海水温度也会出现变化，这会导致透平入口温度和压力的变化，进而使透平在非设计工况下运转而效率下降。在不同温海水条件下，为了实现透平在非设计工况下定转速运行且透平效率保持在较高状态，可考虑采用可调喷嘴设计对非设计工况下的透平进行调节的方式来改善透平效率。因此，对于海洋温差能发电系统中的透平设计而言，提高效率的方法主要为提高透平本身的气动效率，以及可调工况下使透平运转满足不同季节海水温度的变化。

图8 海洋温差能用透平气动结构示意图Fig.8 Schematic diagram of aerodynamic structureof turbinefor OTEC

3.2.2 工质泵

工质泵的流量由额定工况下热力循环计算而定。工质泵的扬程由蒸发器工质侧与进入水泵前冷凝器内的压力差值、管路的沿程水头损失和局部水头损失而定。工质泵一般采用齿轮泵、柱塞泵、隔膜泵、离心泵或屏蔽泵，其工作效率一般情况下，由齿轮泵、柱塞泵、隔膜泵、离心泵、屏蔽泵逐渐降低，虽然工质泵在自用电中所占比例较小，但大规模温差能系统工质泵应选用效率较高的齿轮泵。尽量避免选用隔膜泵，因为当液体中包含固体颗粒时，轴向间隙和径向间隙会由于磨损而增加，这会降低电动隔膜泵的性能或导致隔膜泵无法工作。

3.2.3 温、冷海水泵

温、冷海水泵的流量取决于发电系统的发电功率，循环形式，所处温、冷海水温度和换热端差。温、冷海水泵的扬程由蒸发器、冷凝器内的阻力损失，以及管道摩擦阻力、局部阻力损失而定。温、冷海水泵一般采用混流泵、轴流泵等大流量、低扬程水泵[49]，其工作效率一般都在85%以上，由于温、冷海水泵在自用电中所占比例较大，建议在实际选用时应根据实际工况进行型线校核，扬程、流量富余系数不可过高。

3.3 管道对系统效率的影响

温、冷水泵的能耗需要克服管路的沿程阻力损失，为了减少阻力损失，管材一般采用玻璃钢管道或高密度聚乙烯管道[50]，这些材质不仅摩擦阻力系数较小，而且管道热阻较大，可保证在海水取水的过程中温度变化不大。

4 结论

从前文的分析可以看出，热力循环和温、冷换热系统以及透平、工质泵、温、冷海水泵等动力装置主要是通过改变系统热能和动能的利用率来影响系统效率。可以通过全面、梯级利用热能，降低单工质与冷热源间在相变换热过程中的不可逆损失、充分利用热力循环中的压力能提高海洋温差能系统效率，具体的方法如下。

1）热力循环采用非共沸工质，减少热力循环过程中的不可逆热损失；

2）充分利用中间抽气、贫氨溶液热能梯次回收等措施；

3）建议采用透平充分利用循环中的动能；

4）优化温、冷海水与工质热交换温差，使得系统净输出最大；

5）考虑透平、工质泵和温、冷海水泵的型线和选型对效率的影响；

6）海水管道采用有一定保温性能和摩阻较小的有机材质管道。