冷庫制冷與海洋溫差能發電系統耦合研究

何慶陽，劉 強，李大樹，董 芬

（中海石油（中國）有限公司北京研究中心，北京 100028）

冷庫作為海洋漁業生產運輸必備設施，對我國開發利用南海漁業資源至關重要，但南海核心漁業作業區域遠離大陸，其臨近島礁又因為電力資源匱乏而難以建立規模化冷庫區，從而制約了我國南海漁業發展。海洋溫差能發電（Ocean Thermal Energy Conversion，OTEC）是利用表層溫海水與深層冷海水來蒸發、冷凝工質，并利用所產生的氣態工質驅動透平機發電的一種穩定、清潔、可持續的綠色發電技術[1-3]。OTEC系統不僅可以為孤島冷庫及配套生活設施提供穩定電源，而且冷海水在經過工質冷凝器換熱后的剩余冷量同樣可以用于冷庫制冷系統，提高制冷系統效率的同時，有效提高海洋溫差能發電的經濟性。因此，開展二者的耦合研究十分必要。

目前，國內外研究者對冷庫制冷系統及OTEC系統進行了一系列的研究。宛超[4]分析了制冷系統各設計要素對冷庫制冷系統的影響，得到了制冷劑選擇、系統循環形式及制冷壓縮機選型的關鍵因素；李坤等[5]分析了不同類型的單工質和復疊工質對制冷系統能效的影響，得到了在換熱溫差相同的情況下，氨（R717）單工質的系統能效最高；EDVINS T等[6]分析了魚類冷藏加工過程中各環節的能量消耗占比，指出過程加工中60%~70%電能用于制冷環節；張繼生等[7]分析了海洋溫差能資源潛力及分布現狀，并對發電熱力循環方式進行了梳理；李大樹等[8]分析了R717、1,1,1,2-四氟乙烷（R134a）和正丁烷（R600）3種工質對OTEC系統蒸發壓力的影響，得到了3種工質在不同蒸發壓力下的蒸發器、冷凝器熱負荷變化規律；劉強等[9]對比分析了純氨和二氟一氯甲烷兩種工質在不同蒸發壓力、冷熱海水溫度下對OTEC系統熱效率的影響，得到純氨為海洋溫差發電系統較為理想的循環工質；BERNARDONI C等[10]將自研軟件和商業軟件相結合，針對不同工質的OTEC系統進行了研究，得到工質R717的系統凈輸出功率和發電效率最高；MOHAMMED F等[11]在8 W的OTEC試驗樣機上以R134a為工質研究了冷熱源溫差對發電系統效率的影響，得到系統凈輸出功率和發電效率隨冷熱源溫差的升高而增大；DHAHAD H A等[12]將吸收式制冷過程整合到卡琳娜循環內，驗證了該制冷發電復合系統工程實施的可行性，并得到冷熱海水溫度是影響系統凈輸出冷能的重要因素。

現有的研究多集中在單個系統上，國內外將冷庫制冷系統與海洋溫差能發電系統進行耦合的研究報道還較少見。本文將冷庫制冷系統與海洋溫差能發電熱力系統通過深層海水的冷能梯級利用進行耦合，利用商業流程模擬軟件HYSYS對冷庫制冷與海洋溫差能發電系統耦合進行初步探索，以期為發展我國孤島漁業儲藏技術提供理論參考。

1 耦合系統

冷庫制冷系統與海洋溫差能發電熱力系統通過深層海水的冷能梯級利用以及電能進行系統耦合，其工作原理如圖1所示，其中冷庫制冷系統包含制冷壓縮機、冷凝器、節流閥和蒸發器，其工作原理為：氣相工質經制冷壓縮機壓縮升壓后經冷凝器冷凝液化，然后通過節流閥降壓降溫得到所需的制冷溫度，最后經過蒸發器汽化對外供冷以完成工質循環。海洋溫差能熱力系統采用朗肯循環，包含透平發電機組、工質冷凝器、工質循環泵和工質蒸發器，其工作原理為：高壓氣相工質經透平發電機組降壓降溫將熱力學能轉化為電能，之后經工質冷凝器液化、工質循環泵增壓最后經工質蒸發器復熱汽化以完成工質循環。耦合系統通過透平發電機組為制冷壓縮機供電，從而實現深層海水冷量的梯級利用。

圖1 冷庫制冷系統與海洋溫差能發電熱力系統耦合原理圖

2 流程建模

本研究利用成熟的商業流程模擬軟件HYSYS進行模型搭建，并選擇經前人驗證過的Peng-Robinson物性方法[13-14]對耦合系統進行計算研究，分析時采用的主要能量方程如下。

式中，Mm為冷媒或熱媒的質量流量；Mg為工質的質量流量；Cp為冷媒或熱媒的比熱；Δt為換熱器進出口溫差；Δh為工質焓變；ηt、ηc、ηp分別為透平發電機組、制冷壓縮機和工質循環泵的效率；Wt，Wc，Wp分別為透平發電機組輸出功率、制冷壓縮機輸入功率和工質循環泵輸入功率；hu，hd分別為節流閥上游、下游工質的焓。

3 結果與分析

3.1 循環工質類型對制冷壓縮機進出口溫度及壓力的影響

分別以R717、二氟一氯甲烷（R22）、R134a、丙烷（R290）和丙烯（R1270）為工質，固定制冷壓縮機的絕熱效率為75%，以蒸發器的蒸發溫度-28℃，冷凝器冷凝溫度10.6℃為基準計算了不同循環工質下對應的制冷壓縮機進出口溫度和壓力，計算結果如表1所示。

由表1可以看出，以R134a為循環工質時，制冷壓縮機的出口壓力為92.7 kPa，此值低于標準大氣壓101.3 kPa，如果采用R134a為循環工質將面臨制冷壓縮機吸入端負壓操作的問題，這就使得外界空氣有可能串入工質循環系統，給系統帶來操作問題，因此不建議制冷系統采用R134a為循環工質。以R717為循環工質時，制冷壓縮機的出口溫度為115.4℃，過高的壓縮機出口溫度會對壓縮機潤滑、密封系統的設計帶來困難，并且壓縮機出口溫度過高還將導致冷凝器冷熱兩側溫差過大，對冷凝器的密封帶來不利，因此不建議制冷系統采用R717為循環工質。以R22、R290、R1270為循環工質雖然制冷壓縮機進出口壓力較為適合工程應用，但與R22相比兩種工質的壓縮機出口溫度均較低，這使得冷凝器的換熱溫差減小，從而增加冷凝器所需的換熱面積，造成設備投資費用增加，此外，R290和R1270為烴類物質，其工程設計中還要額外考慮制冷裝置的防爆。因此，制冷循環系統宜采用R22為循環工質。

表1 工質類型對制冷壓縮機進出口溫度和壓力的影響

3.2 冷卻介質溫度對制冷系統效率的影響

以R22為循環工質，固定工質循環量為6 000 kg/h，制冷壓縮機的絕熱效率為75%，蒸發器的蒸發溫度為-28℃，以冷凝器換熱端差（系指冷卻介質出口溫度與冷凝溫度間的差值）2℃為基準計算了不同冷凝器冷卻介質溫度下的蒸發器制冷負荷、壓縮機輸入功率和制冷效率。計算結果如表2所示。

表2 冷卻介質溫度對制冷系統效率的影響

從表2可以看出，隨著冷凝器冷卻介質溫度從23.3℃降低至7.1℃，制冷系統效率由255.4%升高至386.7%，冷卻介質溫度降低16.2℃，制冷系統效率增加了131.2%，系統效率提升顯著。這說明使用低溫熱源可有效提高制冷系統效率，而經過OTEC系統利用之后的深層冷海水其溫度可低至6~10℃，是很好的制冷系統低溫熱源。

3.3 冷卻介質溫度對制冷系統操作壓力的影響

同樣，以R22為工質，固定工質循環量為6 000 kg/h，制冷壓縮機的絕熱效率為75%，蒸發器的蒸發溫度為-28℃，以冷凝器換熱端差2℃為基準，研究了壓縮機出口壓力隨冷卻介質溫度的變化趨勢，結果如圖2所示。

圖2 不同制冷壓縮機出口壓力對應的冷卻介質溫度

由圖2可以看出，隨著冷卻介質溫度的降低，壓縮機出口壓力明顯降低，冷卻介質溫度從23.2℃降低到7.1℃，壓縮機出口壓力降低了400 kPa。這是由于較低的冷卻介質溫度可以實現較低的工質冷凝溫度，而壓縮機出口壓力與工質冷凝溫度一一對應，進而使壓縮機出口壓力減小。這說明制冷系統采用低溫熱源在提高制冷系統效率的同時能夠有效降低制冷系統的操作壓力，從而降低制冷系統的工程設備投資費用，并提高了系統操作安全性。

3.4 循環工質類型對OTEC系統循環量及深層海水需求量的影響

對于小溫差低涵降的朗肯循環，其發電系統的效率受系統工質循環量及深層海水需求量的影響較大，而制冷劑的選擇是決定兩種循環量的重要因素。

分別以R717、R22、R134a、R290和R1270為循環工質，固定透平發電機組絕熱效率為84%，工質蒸發器的蒸發溫度為23.5℃，工質冷凝器的冷凝溫度為9.5℃，深層冷海水入口溫度為6℃，出口溫度為8℃，研究了不同透平發電機組輸出功率下工質類型對工質循環量及深層海水需求量的影響。計算結果如圖3和圖4所示。

圖3 不同工質類型對工質循環量的影響

圖4 不同工質類型對深層海上需求量的影響

由圖3所示，在相同的透平發電機組輸出功率下，相較于其他4種工質，R717的工質循環量最小，與R134a和R22相比小了一個數量級，與R290和R1270相比僅相當于這兩種工質循環量的1/3，這是由于在相同的工質蒸發溫度和冷凝溫度下，R717經過透平的焓降最大，其值約為R134a和R22兩種工質的6倍，在透平輸出功率相同的情況下，高焓降有利于工質循環量的降低。同時，工質循環量的下降將顯著降低發電系統的尺寸，從而有利于減少設備工程投資費用。從圖3中還可以看出，隨著透平發電機組輸出功率的增加，5種工質所需的循環量隨之增加，但R717相較其他4種工質增加幅度較小，這增加了耦合系統在負荷調節時的操作穩定性，同時也降低了系統設備的設計和選型難度。

由圖4所示，5種工質對深層海水的需求量均隨著透平發電機組輸出功率的增加而線性增加，5種工質在相同透平發電機組輸出功率下所需的深層海水量相差不大，這表明在相同的蒸發溫度和冷凝溫度下OTEC發電系統在同樣的輸出功率下對深層冷海水的需求量與循環工質的類型關系不大。

3.5 深層冷海水溫度對耦合系統冷海水需求量及耦合系統總效率的影響

在上述分析的基礎上，選擇R22和R717為耦合系統中制冷工質和發電工質，在制冷工質循環量為5 000 kg/h，制冷壓縮機效率為75%，發電工質循環量為20 000 kg/h，透平發電機效率為84%的條件下，以不同溫度的深層冷海水為耦合系統冷源，得到各溫度下發電系統和制冷系統對冷海水的需求量如圖5所示。

圖5 深層冷海水溫度對發電系統及制冷系統冷海水需求量的影響

由圖5所示，制冷系統對深層冷海水的需求量相對于發電系統來說所占比例很小，約為4%，并且與發電系統相比，制冷系統的冷海水需求量受深層冷海水供水溫度的影響較小，這是因為海洋溫差能的能源本身品位較低，采用朗肯循環的系統效率僅為3%左右，因此發電系統對溫、冷海水的需求量較大；同時，由于冷海水供水溫度直接決定透平發電機組的出口壓力，進而影響透平的做功，在相同輸出功率的情況下，冷海水溫度對冷海水的需求量影響較大。

不同的深層冷海水溫度下，工質蒸發器負荷、透平發電機組輸出功率、蒸發器制冷負荷和制冷壓縮機輸入功率的數據如表3所示。

表3 深層冷海水溫度對耦合系統的影響

從表3可以看出，發電系統所發電能能夠滿足制冷系統壓縮機的電能需求，而且富裕的電能也可提供耦合系統其他生產、生活設施的用電需求，說明耦合系統在電能的生產和消耗上能夠實現匹配；同時從表3中還可以看出，隨著深層冷海水供水溫度從6.0℃升高至10.0℃，透平發電機組的輸出功率從308.5 kW降低至227.2 kW，降低了26.4%，制冷系統蒸發器制冷負荷從252.2 kW降低至245.4 kW，降低了2.7%，耦合系統對外輸出電能和制冷能力均有所減弱。

從圖6中可以看出，隨著深層冷海水供水溫度的升高，耦合系統的總效率呈下降趨勢，冷海水溫度從6℃升高到10℃，耦合系統總效率從17.9%下降到了11.9%，下降了6.0%。這是由于隨著冷海水溫度的升高，透平發電機組出口壓力隨之升高，降低了透平對外做功能力，從而使發電機組效率降低，同時，冷海水溫度的升高也導致制冷壓縮機出口壓力升高，造成壓縮機的壓比增大，增加了壓縮機的電能消耗，從而降低了制冷系統的制冷效率，兩者疊加進而造成耦合系統總效率的下降。由上述分析可知，對于耦合系統應盡量采用較低溫度的深層冷海水。

圖6 深層冷海水溫度對耦合系統總效率的影響

4 結論

本文以熱力學定律為基礎，利用商業流程模擬軟件HYSYS對冷庫制冷與海洋溫差能發電耦合系統進行了初步探索，得出如下結論。

（1）從工程應用角度來看，在5種循環工質R717、R134a、R22、R290和R1270中，建議采用R22為制冷系統的循環工質。

（2）較低的冷卻介質溫度可有效提高制冷系統效率，并降低制冷系統操作壓力，從而降低制冷系統的設備投資費用，增加系統的安全性。

（3）相 較于R134a、R22、R290和R1270，R717在OTEC發電系統的工質循環量最低，并且以R717為工質利于發電系統調節。

（4）相較于發電系統，制冷系統對深層冷海水的需求量相對較小，約為發電系統需求量的4%。

（5）耦合系統的總效率隨著冷海水溫度的降低而升高，冷海水溫度從10℃下降到6℃，耦合系統總效率升高6.04%。