10MW海洋溫差能電站電力系統方案研究

吳勇虎呂歡歡于 汀蘭志剛

(中海油研究總院有限責任公司,北京 100028)

0 引 言

海洋溫差能是指以表、深層海水的溫度差的形式儲存的海洋熱能,其能量的主要來源是蘊藏在海洋中的太陽輻射能[1]。據估計,全球可用于技術開發的海洋溫差能有4×1013k W,根據國家海洋局“908”專項,我國南海溫差18℃以上水體所蘊藏的溫差能儲量達3.3×108k W·h,技術可開發年發電量為2.3×1011k W·h[2-4],同時海洋溫差能具備持續穩定發電、清潔可再生、綠色無污染等優點,除發電外還可以用于海水淡化、深層海水濃縮提取、海水空調等,因此是實現低碳綠色能源轉型的重要途徑,也是保障我國深遠海島礁開發的重要能源供應。

目前,國內外對海洋溫差能電站(ocean thermal energy onversion,OTEC)的研究取得了一系列成果。1993年,美國在夏威夷建成了210kW的開式循環系統;2013年,日本沖繩久米島50kW海洋溫差能發電站首次發電成功;2012年,我國國家海洋局第一海洋研究所成功建立了15kW閉式溫差能發電裝置[5],使得我國成為繼美國、日本之后,第三個獨立掌握海洋溫差能發電技術的國家。李大樹等人[6]的研究表明,在同種循環工質的條件下,10 MW 海洋溫差能發電系統的循環熱效率和系統熱效率分別為4.6%和4.41%,大約是30kW系統的1.13倍。可見OTEC 系統的裝機規模越大,其系統的熱效率越大,度電綜合成本越低,可提高整個OTEC項目的經濟性。由此可以看出,目前海洋溫差能研究集中在OTEC 發電系統效率提升和示范樣機研究階段,而要進入示范工程和商業化應用階段,則需要在突破關鍵技術瓶頸的基礎上,增加OTEC的裝機規模。

本文以具有商業化應用價值的10 MW 海洋溫差能電力系統為研究對象,首先分析了該系統的工藝模型及其參數,然后對不同工況下的冷、溫海水進行仿真計算,并指出其電力系統和平臺電力系統的設計要點,最后為OTEC系統的未來商業化應用提出了幾點建議。

1 溫差能發電系統工藝模型及其參數

為了研究海洋溫差能電站的電力系統模型,本文采用結構簡單且易于工業化推廣的閉式朗肯循環作為OTEC 工藝過程。朗肯循環的工作原理如圖1所示,熱力循環過程的溫熵圖[7](T-S)如圖2所示。由于OTEC是利用低溫差進行發電的,所以工質的合理選取是提高循環效率的一個關鍵技術問題。如以丙烷為例,其沸點過低,不易冷凝,會導致循環效率沒有大幅提升[8]。目前主流循環工質仍采用氨工質。因此,本文采用氨工質作為循環工質,并采用REFPROP9.1(Reference fluid propperties)工質物性軟件計算相關工質的物性參數和各狀態點參數。

圖1 閉式朗肯循環工藝流程圖Fig.1 Process flowchart of closed Rankine cycle

圖2 朗肯循環T-S 圖Fig.2 T-S diagram of Rankine cycle

為簡化熱力學循環過程的計算,進行如下假設:冷、溫海水及氨工質忽略動能和勢能變化;管線及設備絕熱良好無熱能損失;蒸發器和冷凝器的換熱為理想狀態,忽略換熱損失。設定工質在蒸發器入口溫度為T4;在蒸發器出口溫度為T1;在冷凝器入口溫度T2;在冷凝器出口溫度為T3。對OTEC關鍵設備透平、工質泵、冷海水泵和溫海水泵的做功和耗能情況進行分析。

其中氨工質流量m的計算為

式中:WT為OTEC系統裝機功率,為10 MW;h1、h2分別為氨工質在透平入口、出口處的焓值,J/kg;ηm為機械效率;ηg 為發電機效率。

由熱力學分析得知,換熱器和冷凝器的熱負荷為

式中:QE、QC分別為換熱器和冷凝器的熱負荷,k W;h4、h3分別為工質在蒸發器入口和冷凝器出口處的焓值,J/kg。在計算溫海水流量時,可利用氨工質在蒸發器中焓值的變化進行計算,公式為

式中:CPWW為溫海水比熱容,J/(kg·℃);TWWI、TWWO分別為溫海水進、出口溫度,℃。同樣,在冷海水流量計算時,可利用工質在冷凝器中的進出口焓值變化,公式為

式中:CPCW為溫海水比熱容,J/(kg·℃);tCWI、tCWO分別為冷海水進、出口溫度,℃。在評價OTEC 系統效率及優化時,需要考慮循環熱效率ηCYC和系統熱效率ηSYS兩個指標。

式中:WP為工質泵功率;WPWW、WPCW分別為溫海水泵功率和冷海水泵功率,k W。

如前所述,我國海洋溫差能大部分集中在南海,其海水表層溫度[9]隨季節變化而變化,1月份海水溫度最低,5月份海水溫度最高,選取溫海水變化范圍為26～28℃。冷海水取水深度1000 m,溫度約為5℃,選取冷海水變化范圍為5～7℃。需要指出的是,當取水深度不足時將導致可利用溫差太低,會嚴重影響OTEC系統發電凈輸出功和發電效率。在下面的電力系統計算分析中,設置模型工藝參數如表1所示。

表1 OTEC工藝設計參數Tab.1 Design parameters of OTEC process

(續表)

2 不同工況下熱力循環系統分析

文獻[10]表明,海水溫度隨海水深度增加而降低(見圖3)。需要指出的是,在典型熱帶海域中,水溫下降速度會比一般海域水溫下降較慢,例如同在水深為1 000 m 的地方,取深層冷海水時,典型熱帶海域的水溫可能為7～8℃,較一般基準海水溫度高3～4℃,這說明在OTEC平臺設計之初,就需要對具體布放海域的海洋綜合環境條件進行提前分析,本節將對不同工況下的OTEC熱力循環系統進行計算分析。

圖3 海水溫度隨深度變化圖Fig.3 Seawater temperature versus depth

2.1 不同取水深度的工況分析

我國南海夏季上層水溫可達28℃,假定OTEC系統在夏季工況下溫海水進水口溫度為28℃,冷海水溫度隨取水深度變化的范圍為5～7℃,對應的冷凝溫度參數設置等如表2所示,以此分析冷海水管不同取水深度對OTEC系統發電情況的影響。

表2 不同取水深度的工況參數設置Tab.2 Working condition parameters for different water depths

理論上,在OTEC 熱力循環系統中,從溫海水中吸收熱能一定的情況下,冷凝溫度越低,其循環熱效率越高。從圖4 可以看出,在冷海水溫度為5℃,冷凝溫度為8℃時,循環熱效率為最高4.33%。但是循環熱效率并不是越高越好[11],因其沒有將冷、溫海水泵功耗等因素考慮在內[12]。從圖5可以看出,當冷海水進水溫度升高,冷凝溫度越大,就需要越大的氨工質流量以滿足透平做功所需的能量。

圖4 不同取水深度在不同冷凝溫度下的循環熱效率Fig.4 Circulating thermal efficiency of different water depths and different condensation temperatures

圖5 不同取水深度在不同冷凝溫度下的氨工質流量Fig.5 Ammonia working medium flow of different water depths and different condensation temperatures

不同冷凝溫度下,OTEC 系統的凈輸出功如圖6所示。可以看出,當ΔT=1℃時,凈輸出功率相差約500 k W,所以在設計時應盡量增大取水深度從而增大溫差,以提高凈輸出功。由此可以看出,在設計整個OTEC 系統時,需要綜合考慮循環熱效率、海水泵功耗、工質流量、冷溫海水流量等因素,以達到最佳工況實現系統優化。

圖6 不同取水深度在不同冷凝溫度下的凈輸出功Fig.6 Net work output of different water depths at different condensation temperatures

2.2 不同溫海水溫度下的工況分析

假定OTEC系統在此工況下冷海水進水口溫度為5℃,溫海水的變化范圍為26～28℃,對應的冷凝溫度參數設置等如表3所示,以此分析溫海水溫度的不同對OTEC系統發電情況的影響。

表3 不同溫海水溫度下的工況參數設置Tab.3 Working condition parameters at different seawater temperatures

在溫海水溫度為28℃,冷凝溫度為8℃時,循環熱效率為最高4.33%。從圖7 可以看出,隨著溫海水進口溫度的降低,其對應的循環熱效率也降低。從圖8可以看出,當溫海水進水溫度升高,在其他工況條件不變的情況下,所需氨工質的流量是降低的。

圖7 不同溫海水溫度下的循環熱效率Fig.7 Circulating thermal efficiency at different seawater temperatures

圖8 不同溫海水溫度下的氨工質流量Fig.8 Ammonia working medium flow at different seawater temperatures

不同溫海水溫度下的凈輸出功如圖9所示,溫海水進口溫度越高,其凈輸出功率越高。可以看出,當ΔT=1℃時,凈輸出功率最大相差1 000 k W,說明OTEC系統對溫海水進水溫度的變化更為敏感。

圖9 不同溫海水溫度下的凈輸出功Fig.9 Net work output at different seawater temperatures

3 平臺電力系統設計要點

整個OTEC系統的結構示意如圖10所示。

圖10 OTEC電力系統結構示意圖Fig.10 Structure diagram of OTEC power system

OTEC系統可分為三大單元部分:發電單元、輸配電單元和電力綜合控制單元。發電單元重點功能是對外輸出電能,一部分用于平臺各裝置設備自耗電,另一部分則是通過海底電纜外輸至用戶或電網,同時配置3 MW 的輔助柴油發電機進行黑啟動,用輔助發電機先啟動最小的發電模塊,最終實現整個發電系統的滿負荷運行;輸配電單元主要用于處理平臺自身用電設備的能耗和外輸變換;電力綜合控制單元則是保證整個電力系統的穩定運行。

由分析可知,10 MW 的OTEC 系統所需海水流量、工質流量和換熱面積十分巨大,因此在工程化的設計中,還必須要考慮加工、運輸和安裝等環節,建議采用模塊化設計,將OTEC 分為2 個或4個發電模塊,單個模塊的裝機功率可為5 MW 或2.5 MW 兩種形式。

為滿足OTEC 平臺上重要應急設備的用電要求[13],應根據應急負荷計算在平臺上設有一臺應急發電機,在主電源失電后的45 s之內,應急發電機應自動啟動,并向應急負荷連續供電至少10 h。另外,平臺上設有一臺50 k V·A 的不間斷電源裝置,作為臨時應急電源以便在主電源和備用應急電源發生故障時,給通信、火災探測及儀表控制等系統供電至少0.5 h。

4 結 語

目前由于海洋溫差能仍處在預商業化階段,因此尚未有大型溫差能發電站的研建,缺乏相關設計經驗。在下一步研究中建議重點考慮以下問題:

(1)工質的優選。本文采用氨工質進行分析,現階段已有大量研究人員對不同工質進行了比選,需要兼顧工質的高效性和安全經濟性,尤其在極端環境下的穩定性和環境友好性。

(2)熱力循環系統的優化。目前研究人員已提出了朗肯循環、卡琳娜循環、上原循環、國海循環等系統,但對于更高效的熱力循環系統的研究,以及循環系統所有參數的最優分析都是值得投入大量精力的,這是海洋溫差能這種低品位能源商業化應用的技術基礎。

(3)冷溫海水的攪拌效應。有研究表明,溫海水取水層可在海水上層20～200 m,冷海水取水選在1 000 m,排水口選在與之相應的同溫層。但當OTEC系統工作一定時間后,海水垂直層之間會有冷溫海水攪拌效應,會影響冷溫海水的取水溫度,進而影響發電效率。

(4)OTEC系統的工程設計。OTEC系統中換熱器、海水泵、工質泵、冷海水管、平臺形式,以及冷海水管與OTEC平臺的連接、布放固定等工程設計都是需要解決的技術問題,需要相關設計單位、制造企業進行聯合研制。