海洋温差能发电系统仿真平台开发及应用

兰志刚，于邦廷，张一平，吴勇虎

（中海石油（中国）有限公司北京研究中心，北京 100028）

海洋温差发电（Ocean Thermal Energy Conversion，OTEC）是利用海洋表面海水和深层海水之间的温差进行发电的热电转换技术。该技术利用海洋表层温海水作为热源将工质加热成为蒸汽，推动透平做功，利用深层冷海水作为冷源，冷却做功后的工质，最终实现将热能转化为电能。由于海洋温差能资源量很大，应用过程中不产生二氧化碳排放，且与风能和太阳能相比更为稳定，可预测性更强，因此有潜力成为未来重要的能源供给形式。

国外对海洋温差能的研究起步较早，1881 年，Arsonval 提出了利用海洋温差能发电的概念后，法国、美国和日本等国在20 世纪中后期陆续建成多座海洋温差能发电示范项目[1-2]。法国科学家Claude曾在古巴坦萨斯海湾建造了一座开式循环发电装置，但是由于冷海水泵耗功过大，可利用温差较小，系统效率非常低，电站产出的电力甚至无法满足冷海水泵的电能消耗。1979 年，美国在夏威夷沿海建立了第一座海洋温差能转换实验电站，但是电站输出功率低于预期目标。1980 年，美国伊利诺伊大学对朗肯循环开展了理论分析，比较了氨、丙烷和二氯四氟乙烷（R114）3 种工质的循环性能，结果表明氨的循环性能最优。1993 年，美国在夏威夷建立了一座开式循环电站，预期获得165 kW 的输出功率，实际只得到了40 kW 的输出功率，与预期目标相差甚远。UEHARA H 等[3]对闭式OTEC 系统热力循环进行了研究，开发了基于上原循环的海洋温差能实验系统，进一步提高了转换效率，但由于系统复杂，目前尚处于实验室运行阶段。BERNARDONI C 等[4]对闭式OTEC 循环进行技术经济评估，证明OTEC 技术目前尚不具备能源市场竞争潜力。

我国在海洋温差能发电领域起步较晚，20 世纪80 年代才开始进行研究。国家海洋局第一海洋研究所设计开发了基于国海循环的15 kW 闭式海洋温差能发电试验装置，并于2012 年5 月成功运行，标志着我国在海洋温差能研究领域取得了重大突破[5]。但是由于海洋温差能冷热源温差只有20 益左右，系统循环效率低，加之海洋温差能需要使用大量的海水，海水泵的耗功大，致使海洋温差能电站的电力产出很低，同时也造成电站的设备庞大、系统复杂，加之配套海洋工程技术问题尚未完全解决，因此一直未能实现商业化应用。

根据VEGA L A[6]对全球主要已建或计划建造的海洋温差能发电项目所做的费用统计，海洋温差能项目建造成本在数亿至数十亿之间。其中，换热器、透平、工质泵及海水泵等热力循环系统主设备占造价构成的45%以上。这意味着即便是建造一套陆上实验用的工程样机用于海洋温差能研究，也造价不菲。由于工程样机一旦成型，其装机规模、循环形式、工质类型甚至很多工况参数均已固化，无法更改，试验的灵活性和广泛性将大打折扣。另外，由于系统自耗功大、净输出低，如果系统参数不能与实际工况很好地匹配，海洋温差能发电系统很可能无法产生有效净输出，致使示范工程无法达到预期目标。

综合以上问题，如果能针对海洋温差能特点，研发一套成本低、功能强、灵活性高、试验范围广的高效能海洋温差能试验系统，构建一个集系统仿真、工况优化、设备选型等多功能于一体的仿真试验平台，对于开展该领域的技术研究，最大程度挖掘系统的净输出功，确保海洋温差能发电系统最终实现经济性运行，无疑将具有重要的现实意义和广泛的应用价值。

本文开发了一套基于软件的海洋温差能仿真试验系统，利用它可以开展不同工况、不同循环形式、不同装机规模、不同工质下的海洋温差能系统研究和优化工作，为低成本开展海洋温差能试验研究构建了一个灵活、高效的研究平台。

1 系统仿真模型构建

海洋温差能发电系统由热力循环系统、传动和发电机系统、海水输送系统3 部分组成。海洋温差能发电热力循环的循环形式有：开式循环、闭式循环和混合式循环。其中，闭式循环由于可采用小型涡轮机，整套装置可以实现小型化，而且海水不用脱气，免除了这一部分动力需求，因此是目前海洋温差能发电系统采用的主流循环方式，也是最接近实用化的循环方式。闭式循环海洋温差能发电系统主要由蒸发器、冷凝器、透平发电机、温海水泵和冷海水泵组成。常用的热力循环形式包括朗肯循环、卡琳娜循环和上原循环。热力循环系统的仿真需要建立上述3 个热力循环系统及其组成设备的控制方程，包括蒸发器、冷凝器、透平、工质泵等，计算并给出各状态点的热力学参数及各设备的运行参数。海水输送系统是海洋温差能发电站的重要组成部分，由海水管路和海水泵组成，其中包括了温海水泵耗功、冷海水泵耗功、海水管散热损失、海水管沿程阻力损失等在内的多个重要参数。

热力循环系统仿真是本仿真平台研发的重点。为了便于仿真，本文对热力循环过程进行了以下简化[7-8]。

（1）冷、温海水及循环工质均处于定常流动稳定状态，忽略动能及势能变化。

（2）忽略管道及设备对外散热损失。

（3）透平、发电机、工质泵、海水泵效率恒定。

1.1 热力循环系统仿真模型构建

受篇幅所限，本文仅列举朗肯循环的仿真控制方程。朗肯循环是应用最广泛的热能发电循环，其工作原理如图1 所示，图中1—4 代表循环中的状态点。循环过程由等压加热（过程4-1）、等熵膨胀（过程1-2）、等压冷凝（过程2-3）和等熵压缩（过程3-4）组成[7]。

图1 朗肯循环的工作原理及状态点位置图

1.1.1 过程4-1 建模

过程4-1 是工质在蒸发器中被温海水加热为饱和蒸汽的过程。忽略换热器和环境之间的换热损失，工质吸热过程可视为等压过程，工质泵出口的压力与蒸发器出口压力相等，即P1=P4，P1为蒸发器出口压力，P4为工质泵出口的压力。由热力学第一定律，蒸发器热负荷QE可以由式（1）确定。

式中，m 为工质流量；h1为工质在蒸发器出口处的焓值；h4为工质在蒸发器入口处的焓值。

温海水将蒸发器内的工质加热到饱和温度后温度降低，又因为工质加热过程为等温加热，工质蒸发过程的泡点温度等于工质的饱和温度，即工质在蒸发器出口温度，则温海水出口温度计算由式（2）确定。

式中，tHWO为温海水蒸发器出口温度；啄TE 为蒸发器端差；t1为工质在蒸发器的出口温度。

由温海水在蒸发器的入口温度、出口温度，工质在蒸发器进出口的焓值可计算温海水流量。

式中，mHW为温海水流量；Cp，HW为温海水的定压比热容；tHWI为温海水蒸发器进口温度；h5为工质泡点焓值，焓值可由泡点温度（等于t1）及气相分率为0，查询热物性数据库得到。

1.1.2 过程1-2 建模

饱和蒸汽经管道进入透平膨胀做功，带动发电机发电，透平出口处的焓值h2由式（4）确定。

式中，浊t 为透平效率；h2s为等熵点的焓值。可由式（5）得出工质流量m。

式中，G 为系统装机容量；h2为工质在透平出口的焓值；浊m为机械效率；浊g为发电机效率。透平的输出功WT由式（6）确定。

1.1.3 过程2-3 建模

做功后的低压工质乏汽进入冷凝器被冷海水冷却为液体，忽略设备的散热损失，工质的冷凝过程可简化为等压过程，即P2=P3，P2为透平出口即冷凝器入口处的压力，P3为冷凝器出口处的压力。

冷海水将冷凝器内的工质冷却到饱和液态后温度上升，又因为工质的冷凝过程为等温冷凝，工质冷凝过程的露点温度等于工质的饱和温度，即工质在冷凝器出口的温度，则冷海水出口温度tCWO由式（7）确定。

式中，啄TC 为冷凝器端差；tC为工质的冷凝温度。根据冷海水在冷凝器的入口温度、出口温度，工质在冷凝器进出口的焓值可计算冷海水流量mCW，由式（8）确定。

式中，h3为工质在冷凝器出口处的焓值；Cp，CW为冷海水的定压比热容；tCWI为冷海水冷凝器进口温度。忽略冷凝器的换热损失，由热力学第一定律，冷凝器热负荷QC由式（9）确定。

1.1.4 过程3-4 建模

冷凝后的工质由工质泵加压送回蒸发器，工质泵加压产生的焓升dhp由式（10）确定。

式中，浊p 为工质泵的效率；v3为工质在工质泵出口处的比容。工质在工质泵出口处的焓值为：h4=h3+dhp，由此可通过调用热物性数据库确定工质泵出口处的状态。工质在泵内的加压过程可简化为绝热压缩过程，工质泵的耗功Wp由式（11）确定。

式中，籽为工质密度；浊p 为工质泵效率；P3和P4分别为工质在泵的入口和出口处的压力。循环净输出功Wn，cyc由式（12）确定[9]。

系统净输出功Wn，sys由式（13）确定。

式中，WP，HW为温海水泵耗功；WP，CW为冷海水泵耗功。

1.2 海水输送系统仿真模型构建

海水输送系统仿真模型包括海水管管路损失、海水管散热损失、海水泵耗功3 部分。海水管管路损失包括温/冷海水管路延程阻力损失、温/冷海水管路的阀门和弯头部件造成的阻力损失及换热器（蒸发器和冷凝器）内部的管路阻力损失。

海水管路沿程阻力损失（驻HW）SP可由式（14）计算[10]确定。

式中，lW为海水管长；dW为海水管道直径；VW为海水流速。

海水管路局部阻力损失（驻HW）BP可由式（15）计算[10]确定。

式中，kb，W为管路弯头压力损失系数；kv，W为管路阀门压力损失系数。

换热器内海水管路损失的计算可由式（16）确定[10]。

式中，VHW和VCW分别为温海水和冷海水流速；（驻HHW）E为蒸发器内海水管路损失；（驻HCW）C为冷凝器内海水管路损失。

海水管道总损失驻HW的计算可由式（17）确定[10]。

由式（18）可计算海水泵耗功。

式中，浊P，HW、浊P，CW 分别为温、冷海水泵效率。

2 仿真平台构架及功能

海洋温差能仿真试验系统由参数设置模块、工况输入模块、仿真控制模块、热物性计算模块、参数优化模块、设备选型模块和参数输出模块组成。各功能模块逻辑关系如图2 所示，其主要功能如下。

图2 仿真平台功能模块构架

参数设置模块：用于设置系统的输入参数。此类参数属于那些系统装备建造完成后便不再受控或改变的参数，如装机规模、热力循环形式、工质、换热器端差、温/冷海水泵效率、工质泵效率、透平效率、发电机效率、机械效率、海水管长度等。

工况输入模块：用于输入随外界变化的系统参数，如随季节变化的温海水温度和冷海水温度，以及设定透平入口温度、冷凝器出口温度的初始值等。

仿真控制模块：仿真控制模块由海洋温差能发电系统的所有质量守恒和能量守恒控制方程组成。包括换热器的能量平衡方程和热负荷计算公式，透平的能量平衡方程、输出功及效率计算公式、工质的流量，工质泵的功耗和效率计算公式、海水泵功耗、海水管路损失、热效率、火用效率和净输出功等。

热物性计算模块：用于获取工质的热物性数据。该模块通过调用工质的热物性数据，采用亥姆霍茲（Helmholtz） 状态方程计算流体的热力学性质，完成相关热物性计算。

参数优化模块：用于根据设定的目标函数和已知海水温度、换热器、透平、发电机、工质泵、海水泵的基础设备参数，对系统参数进行优化，以获得最佳功率输出。

参数输出模块：用于输出和显示仿真计算和参数优化的计算结果。输出参数包括工质流量、温海水流量、冷海水流量、换热器热负荷、工质泵和海水泵的功耗、系统净输出功、系统热效率等。

设备选型模块：用于根据计算的热力学参数，确定设备性能参数，对换热器（蒸发器和冷凝器）进行选型，并根据换热器类型给出换热系数、换热面积、材料、重量、占地面积、体积等信息。

参数设置模块和工况输入模块为热物性计算模块和仿真控制模块提供输入。仿真模块将工况输入模块和参数设置模块提供的初值及热物性计算模块调用的热物性参数带入控制方程，计算热力循环各状态点参数，并将计算结果带入参数优化模块进行参数优化，输出优化结果并用于设备选型。

仿真系统界面如图3 所示，系统具备以下优势特点。

图3 海洋温差能发电系统仿真平台

（1） 该系统具有集OTEC 热力循环系统、冷海水系统和温海水系统于一体的全系统仿真能力，可实现朗肯循环、卡琳娜循环和上原循环3 种形式的海洋温差能仿真，循环工质包括：氨、四氟乙烷（R134a）、正丁烷、二氟甲烷和五氟乙烷的混合物（R410a）、二氟一氯甲烷（R22）、二氯一氟乙烷（R141b）、异二氟乙烷（R152a）、四氟丙烯（R1234YF）、五氟乙烷和三氟乙烷的混合物（R507）等9 种工质。

（2）该系统可以给出不同热力循环、不同装机规模、不同工况下的系统状态点参数、工质及冷温海水流量、工质泵及海水泵功耗、损失、系统净输出功率、系统效率等OTEC 系统仿真计算结果，开展系统参数敏感性及参数优化等方面的研究。

（3）该系统可以开展海洋温差能发电热力循环工艺设计、仿真试验、主设备选型，也可以开展系统仿真试验和参数优化及参数敏感性分析，形成海洋温差能发电热力循环工况参数优化方案和系统总体优化方案。

3 仿真平台应用

利用仿真平台对基于朗肯循环海洋温差能发电系统进行热力计算，工况参数及各设备效率取值见表1。

表1 计算所需的工况参数设置

针对上述工况，利用仿真平台对朗肯循环对9种不同工质做功性能进行比较，如图4 和图5 所示。可以看出，使用工质氨所需的工质流量最小，热循环效率最高，使用工质R507 所需的工质流量最小，热循环效率最低，由此可以看出氨对于海洋温差能系统是较优的工质选择。

图4 不同工质流量对比

图5 不同工质的循环效率对比

对不同装机规模进行计算得到工质流量、温海水流量、冷海水流量以及蒸发器、冷凝器的热负荷，计算结果如表2 所示。从计算结果可以看出，上述参数均随装机规模增加呈近乎线性增加的趋势。

表2 不同装机容量下的流量和热负荷

4 结 论

通过研发构建了海洋温差能仿真实验平台，并利用该平台对氨、R134a、正丁烷等9 种候选工质开展了海洋温差能发电系统工质比选研究。从工质流量和热循环效率上看，氨是较优的工质选择。利用该平台还给出了不同装机容量下的工质流量、温海水流量、冷海水流量及蒸发器、冷凝器的热负荷计算值，可以为海洋温差能发电系统设计提供依据。本系统具有性能高、成本低、操作灵活等特点，能有效克服实型样机固有的循环形式单一、规模单一、功能单一和可调节性差等各类功能缺陷，以及研发成本高和占用空间大的经济性劣势，灵活方便地开展不同工况、不同循环形式、不同装机规模、不同工质下的海洋温差能系统研究和优化，为海洋温差能发电系统研究提供了一个很有价值的仿真试验研究平台。