海洋溫差能開發利用高效熱交換技術

李大樹

（中海油研究總院有限責任公司，北京100028）

海洋溫差能是儲量最大的海洋可再生能源，全世界總量約400 億kW，我國溫差能資源十分豐富，主要在南海海域，約3.67億kW。海洋溫差能受天氣、晝夜以及季節的影響很小，可全天候發電，穩定性和可控性與化石能源發電相同，無需配備儲能系統，且其系統可動部件少，運行維護簡單，操作成本低，被國際社會普遍認為是最具開發利用價值和潛力的海洋能資源[1-4]。同時，海洋溫差能除發電外，還具有很高的附加值，如：深海微量元素、冷海水循環制冷、海水淡化、海水養殖等。積極開發海洋溫差能除資源，不僅能夠為遠海島礁和油氣平臺提供資源供給，還可為海上絲綢之路建設能源保障提供重要選擇。

海洋溫差能開發利用關鍵技術主要包括熱力循環技術、透平技術、換熱器技術、深水冷水管技術、平臺技術、水下電纜技術、系統集成技術等。其中，高效熱交換技術是海洋溫差發電的核心技術。本文從高效熱交換技術出發，對其換熱形式進行綜述，闡述并分析其在海洋溫差能開發利用中適應性，并對其發展方向進行展望，為海洋溫差能發電工程示范和應用提出指導性建議。

1 海洋溫差能熱電轉換概述

海洋溫差能熱電轉換（Ocean Thermal Energy Conversion，簡稱OTEC）主要依靠熱力循環系統完成，其基本原理是利用海洋表面的溫海水（溫度為25～28 ℃）加熱低沸點工質并使之汽化以驅動汽輪機發電，透平出口工質蒸汽通過與深層冷海水（溫度為4～7 ℃）換熱冷凝，經工質泵輸送到蒸發器，完成一次循環。按照循環工質和循環形式的不同主要分為3 種基本形式：開式朗肯循環、閉式朗肯循環和混合式朗肯循環[5-9]。其中，閉式朗肯循環結構簡單、透平尺寸小（壓降大）且易于實現規模化，是現有OTEC發電系統所采用的主要循環方式[10]，其基本形式如圖1所示[11]。

圖1 閉式朗肯循環

從圖1 可以看出，蒸發器和冷凝器是海洋溫差能熱電轉換的重要設備，由于在海洋溫差發電過程中存在海水流量大、換熱介質進出口溫差小等問題，開展高效熱交換技術適應性研究，推薦高效熱交換方法十分必要。日本對100MW 海洋溫差發電裝置進行評估，裝置各部分造價占總造價的比例如圖2所示。從圖2可以看出，熱交換器占裝置總造價約40%，因此，開展高效熱交換技術研究，有助于大幅降低工程造價[12]。

圖2 100 MW海上溫差能發電裝置造價分析

2 高效熱交換形式

目前，常用的換熱形式主要有：間壁式[13-14]、蓄熱式[15]、直接接觸式[16]、熱管[17]、升膜式[18]、降膜式[19]等。表1對比分析了不同換熱形式特點、適應性和工程應用。

現有不同換熱形式具有不同的優缺點。由于海洋溫差發電系統海水流量大，對于MW級系統，單臺機組難以實現。通過將不同形式換熱器進行結合，形成換熱器機組，不僅能夠滿足換熱需求，而且能夠提高熱交換效率。

表1 不同換熱形式

3 高效熱交換技術適應性分析

海洋溫差發電系統冷熱源溫差小，且運行條件為海況環境，工況和技術特點主要有：

（1）換熱器冷、熱換熱介質體積流量大；

（2）溫海水和冷海水與工質流量相差大；

（3）換熱器介質進出口溫差小，不到3 ℃；

（4）換熱器需耐海生物附著；

（5）換熱器有效換熱面積大、占地面積小、且方便維修。

可以看出，針對上述工況和技術特點，需要對海洋溫差發電換熱器進行適應性研發。具體方案如下：

（1）針對換熱器冷、熱換熱介質體積流量大特點，采用多臺換熱器結合以滿足換熱器熱負荷；

（2）針對溫海水和冷海水與工質流量相差大特點，分別對換熱器換熱介質通道結構進行研發，以保證流量和換熱系數；

（3）針對換熱器介質進出口溫差小，采用高效換熱技術，如升膜換熱和降膜換熱；

（4）針對換熱器生物附著問題，采用耐腐蝕材料進行加工，同時對通道表面結構形式進行優化，以保證邊界層產生足夠的擾動，有效防止生物附著。

同時，由于海洋溫差能資源集中在深遠海，為提升系統在遠海運行適應能力，建立海洋溫差能熱電轉換控制技術十分重要。開展海洋溫差熱力系統工況參數調控技術研究，掌握適應系統動態特征的換熱器參數優化方式，可為海洋溫差能開發利用工程應用提供基礎。

4 結論及展望

海洋溫差能作為一種清潔、可再生能源，其開發利用對我國環境的改善和長遠經濟效益都將難以估量。通過分析高效熱交換技術，研究其在海洋溫差能開發利用中適應性，指出今后研究重點主要有：

（1）高效換熱技術。由于海洋溫差發電海水流量大、換熱器進出口溫差小，研究高效換熱技術，開發高效換熱器十分重要。

（2）材料和結構。為防止海生物附著，提高耐腐蝕性，換熱器結構形式和材料十分重要，如何兼顧造價和耐腐蝕性是材料選取的關鍵，同時，兼顧邊界層擾動和降低壓降是換熱器結構研發的關鍵。

（3）換熱器參數優化。對于MW級海洋溫差發電系統，單臺換熱器往往不能滿足換熱要求，需多臺換熱器結合以實現換熱，尋求適應系統動態特征的換熱器參數優化方式十分關鍵。

（4）換熱器工況參數調控技術。由于海洋溫差能資源主要在深遠海，開展海洋溫差熱力系統工況參數調控技術研究，掌握適應系統動態特征的換熱器參數優化方式，將有助于提升海洋溫差能系統遠海運行能力。

（5）海洋溫差能綜合利用高效換熱技術。海洋溫差能具有很高的附加值，包括海水淡化、海水空調等。冷、電、淡各系統的效率均與高效換熱技術密切相關。從總系統出發，分析各系統間傳遞機制，探索適用于各系統高效換熱技術對海洋溫差能開發利用產業化推進十分重要。