海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)仿真平臺(tái)開發(fā)及應(yīng)用

蘭志剛，于邦廷，張一平，吳勇虎

（中海石油（中國）有限公司北京研究中心，北京 100028）

海洋溫差發(fā)電（Ocean Thermal Energy Conversion，OTEC）是利用海洋表面海水和深層海水之間的溫差進(jìn)行發(fā)電的熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)。該技術(shù)利用海洋表層溫海水作為熱源將工質(zhì)加熱成為蒸汽，推動(dòng)透平做功，利用深層冷海水作為冷源，冷卻做功后的工質(zhì)，最終實(shí)現(xiàn)將熱能轉(zhuǎn)化為電能。由于海洋溫差能資源量很大，應(yīng)用過程中不產(chǎn)生二氧化碳排放，且與風(fēng)能和太陽能相比更為穩(wěn)定，可預(yù)測性更強(qiáng)，因此有潛力成為未來重要的能源供給形式。

國外對海洋溫差能的研究起步較早，1881 年，Arsonval 提出了利用海洋溫差能發(fā)電的概念后，法國、美國和日本等國在20 世紀(jì)中后期陸續(xù)建成多座海洋溫差能發(fā)電示范項(xiàng)目[1-2]。法國科學(xué)家Claude曾在古巴坦薩斯海灣建造了一座開式循環(huán)發(fā)電裝置，但是由于冷海水泵耗功過大，可利用溫差較小，系統(tǒng)效率非常低，電站產(chǎn)出的電力甚至無法滿足冷海水泵的電能消耗。1979 年，美國在夏威夷沿海建立了第一座海洋溫差能轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)電站，但是電站輸出功率低于預(yù)期目標(biāo)。1980 年，美國伊利諾伊大學(xué)對朗肯循環(huán)開展了理論分析，比較了氨、丙烷和二氯四氟乙烷（R114）3 種工質(zhì)的循環(huán)性能，結(jié)果表明氨的循環(huán)性能最優(yōu)。1993 年，美國在夏威夷建立了一座開式循環(huán)電站，預(yù)期獲得165 kW 的輸出功率，實(shí)際只得到了40 kW 的輸出功率，與預(yù)期目標(biāo)相差甚遠(yuǎn)。UEHARA H 等[3]對閉式OTEC 系統(tǒng)熱力循環(huán)進(jìn)行了研究，開發(fā)了基于上原循環(huán)的海洋溫差能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了轉(zhuǎn)換效率，但由于系統(tǒng)復(fù)雜，目前尚處于實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行階段。BERNARDONI C 等[4]對閉式OTEC 循環(huán)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評估，證明OTEC 技術(shù)目前尚不具備能源市場競爭潛力。

我國在海洋溫差能發(fā)電領(lǐng)域起步較晚，20 世紀(jì)80 年代才開始進(jìn)行研究。國家海洋局第一海洋研究所設(shè)計(jì)開發(fā)了基于國海循環(huán)的15 kW 閉式海洋溫差能發(fā)電試驗(yàn)裝置，并于2012 年5 月成功運(yùn)行，標(biāo)志著我國在海洋溫差能研究領(lǐng)域取得了重大突破[5]。但是由于海洋溫差能冷熱源溫差只有20 益左右，系統(tǒng)循環(huán)效率低，加之海洋溫差能需要使用大量的海水，海水泵的耗功大，致使海洋溫差能電站的電力產(chǎn)出很低，同時(shí)也造成電站的設(shè)備龐大、系統(tǒng)復(fù)雜，加之配套海洋工程技術(shù)問題尚未完全解決，因此一直未能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

根據(jù)VEGA L A[6]對全球主要已建或計(jì)劃建造的海洋溫差能發(fā)電項(xiàng)目所做的費(fèi)用統(tǒng)計(jì)，海洋溫差能項(xiàng)目建造成本在數(shù)億至數(shù)十億之間。其中，換熱器、透平、工質(zhì)泵及海水泵等熱力循環(huán)系統(tǒng)主設(shè)備占造價(jià)構(gòu)成的45%以上。這意味著即便是建造一套陸上實(shí)驗(yàn)用的工程樣機(jī)用于海洋溫差能研究，也造價(jià)不菲。由于工程樣機(jī)一旦成型，其裝機(jī)規(guī)模、循環(huán)形式、工質(zhì)類型甚至很多工況參數(shù)均已固化，無法更改，試驗(yàn)的靈活性和廣泛性將大打折扣。另外，由于系統(tǒng)自耗功大、凈輸出低，如果系統(tǒng)參數(shù)不能與實(shí)際工況很好地匹配，海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)很可能無法產(chǎn)生有效凈輸出，致使示范工程無法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

綜合以上問題，如果能針對海洋溫差能特點(diǎn)，研發(fā)一套成本低、功能強(qiáng)、靈活性高、試驗(yàn)范圍廣的高效能海洋溫差能試驗(yàn)系統(tǒng)，構(gòu)建一個(gè)集系統(tǒng)仿真、工況優(yōu)化、設(shè)備選型等多功能于一體的仿真試驗(yàn)平臺(tái)，對于開展該領(lǐng)域的技術(shù)研究，最大程度挖掘系統(tǒng)的凈輸出功，確保海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行，無疑將具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

本文開發(fā)了一套基于軟件的海洋溫差能仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，利用它可以開展不同工況、不同循環(huán)形式、不同裝機(jī)規(guī)模、不同工質(zhì)下的海洋溫差能系統(tǒng)研究和優(yōu)化工作，為低成本開展海洋溫差能試驗(yàn)研究構(gòu)建了一個(gè)靈活、高效的研究平臺(tái)。

1 系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建

海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)由熱力循環(huán)系統(tǒng)、傳動(dòng)和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、海水輸送系統(tǒng)3 部分組成。海洋溫差能發(fā)電熱力循環(huán)的循環(huán)形式有：開式循環(huán)、閉式循環(huán)和混合式循環(huán)。其中，閉式循環(huán)由于可采用小型渦輪機(jī)，整套裝置可以實(shí)現(xiàn)小型化，而且海水不用脫氣，免除了這一部分動(dòng)力需求，因此是目前海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)采用的主流循環(huán)方式，也是最接近實(shí)用化的循環(huán)方式。閉式循環(huán)海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)主要由蒸發(fā)器、冷凝器、透平發(fā)電機(jī)、溫海水泵和冷海水泵組成。常用的熱力循環(huán)形式包括朗肯循環(huán)、卡琳娜循環(huán)和上原循環(huán)。熱力循環(huán)系統(tǒng)的仿真需要建立上述3 個(gè)熱力循環(huán)系統(tǒng)及其組成設(shè)備的控制方程，包括蒸發(fā)器、冷凝器、透平、工質(zhì)泵等，計(jì)算并給出各狀態(tài)點(diǎn)的熱力學(xué)參數(shù)及各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。海水輸送系統(tǒng)是海洋溫差能發(fā)電站的重要組成部分，由海水管路和海水泵組成，其中包括了溫海水泵耗功、冷海水泵耗功、海水管散熱損失、海水管沿程阻力損失等在內(nèi)的多個(gè)重要參數(shù)。

熱力循環(huán)系統(tǒng)仿真是本仿真平臺(tái)研發(fā)的重點(diǎn)。為了便于仿真，本文對熱力循環(huán)過程進(jìn)行了以下簡化[7-8]。

（1）冷、溫海水及循環(huán)工質(zhì)均處于定常流動(dòng)穩(wěn)定狀態(tài)，忽略動(dòng)能及勢能變化。

（2）忽略管道及設(shè)備對外散熱損失。

（3）透平、發(fā)電機(jī)、工質(zhì)泵、海水泵效率恒定。

1.1 熱力循環(huán)系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建

受篇幅所限，本文僅列舉朗肯循環(huán)的仿真控制方程。朗肯循環(huán)是應(yīng)用最廣泛的熱能發(fā)電循環(huán)，其工作原理如圖1 所示，圖中1—4 代表循環(huán)中的狀態(tài)點(diǎn)。循環(huán)過程由等壓加熱（過程4-1）、等熵膨脹（過程1-2）、等壓冷凝（過程2-3）和等熵壓縮（過程3-4）組成[7]。

圖1 朗肯循環(huán)的工作原理及狀態(tài)點(diǎn)位置圖

1.1.1 過程4-1 建模

過程4-1 是工質(zhì)在蒸發(fā)器中被溫海水加熱為飽和蒸汽的過程。忽略換熱器和環(huán)境之間的換熱損失，工質(zhì)吸熱過程可視為等壓過程，工質(zhì)泵出口的壓力與蒸發(fā)器出口壓力相等，即P1=P4，P1為蒸發(fā)器出口壓力，P4為工質(zhì)泵出口的壓力。由熱力學(xué)第一定律，蒸發(fā)器熱負(fù)荷QE可以由式（1）確定。

式中，m 為工質(zhì)流量；h1為工質(zhì)在蒸發(fā)器出口處的焓值；h4為工質(zhì)在蒸發(fā)器入口處的焓值。

溫海水將蒸發(fā)器內(nèi)的工質(zhì)加熱到飽和溫度后溫度降低，又因?yàn)楣べ|(zhì)加熱過程為等溫加熱，工質(zhì)蒸發(fā)過程的泡點(diǎn)溫度等于工質(zhì)的飽和溫度，即工質(zhì)在蒸發(fā)器出口溫度，則溫海水出口溫度計(jì)算由式（2）確定。

式中，tHWO為溫海水蒸發(fā)器出口溫度；啄TE 為蒸發(fā)器端差；t1為工質(zhì)在蒸發(fā)器的出口溫度。

由溫海水在蒸發(fā)器的入口溫度、出口溫度，工質(zhì)在蒸發(fā)器進(jìn)出口的焓值可計(jì)算溫海水流量。

式中，mHW為溫海水流量；Cp，HW為溫海水的定壓比熱容；tHWI為溫海水蒸發(fā)器進(jìn)口溫度；h5為工質(zhì)泡點(diǎn)焓值，焓值可由泡點(diǎn)溫度（等于t1）及氣相分率為0，查詢熱物性數(shù)據(jù)庫得到。

1.1.2 過程1-2 建模

飽和蒸汽經(jīng)管道進(jìn)入透平膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，透平出口處的焓值h2由式（4）確定。

式中，濁t(yī) 為透平效率；h2s為等熵點(diǎn)的焓值。可由式（5）得出工質(zhì)流量m。

式中，G 為系統(tǒng)裝機(jī)容量；h2為工質(zhì)在透平出口的焓值；濁m為機(jī)械效率；濁g為發(fā)電機(jī)效率。透平的輸出功WT由式（6）確定。

1.1.3 過程2-3 建模

做功后的低壓工質(zhì)乏汽進(jìn)入冷凝器被冷海水冷卻為液體，忽略設(shè)備的散熱損失，工質(zhì)的冷凝過程可簡化為等壓過程，即P2=P3，P2為透平出口即冷凝器入口處的壓力，P3為冷凝器出口處的壓力。

冷海水將冷凝器內(nèi)的工質(zhì)冷卻到飽和液態(tài)后溫度上升，又因?yàn)楣べ|(zhì)的冷凝過程為等溫冷凝，工質(zhì)冷凝過程的露點(diǎn)溫度等于工質(zhì)的飽和溫度，即工質(zhì)在冷凝器出口的溫度，則冷海水出口溫度tCWO由式（7）確定。

式中，啄TC 為冷凝器端差；tC為工質(zhì)的冷凝溫度。根據(jù)冷海水在冷凝器的入口溫度、出口溫度，工質(zhì)在冷凝器進(jìn)出口的焓值可計(jì)算冷海水流量mCW，由式（8）確定。

式中，h3為工質(zhì)在冷凝器出口處的焓值；Cp，CW為冷海水的定壓比熱容；tCWI為冷海水冷凝器進(jìn)口溫度。忽略冷凝器的換熱損失，由熱力學(xué)第一定律，冷凝器熱負(fù)荷QC由式（9）確定。

1.1.4 過程3-4 建模

冷凝后的工質(zhì)由工質(zhì)泵加壓送回蒸發(fā)器，工質(zhì)泵加壓產(chǎn)生的焓升dhp由式（10）確定。

式中，濁p 為工質(zhì)泵的效率；v3為工質(zhì)在工質(zhì)泵出口處的比容。工質(zhì)在工質(zhì)泵出口處的焓值為：h4=h3+dhp，由此可通過調(diào)用熱物性數(shù)據(jù)庫確定工質(zhì)泵出口處的狀態(tài)。工質(zhì)在泵內(nèi)的加壓過程可簡化為絕熱壓縮過程，工質(zhì)泵的耗功Wp由式（11）確定。

式中，籽為工質(zhì)密度；濁p 為工質(zhì)泵效率；P3和P4分別為工質(zhì)在泵的入口和出口處的壓力。循環(huán)凈輸出功Wn，cyc由式（12）確定[9]。

系統(tǒng)凈輸出功Wn，sys由式（13）確定。

式中，WP，HW為溫海水泵耗功；WP，CW為冷海水泵耗功。

1.2 海水輸送系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建

海水輸送系統(tǒng)仿真模型包括海水管管路損失、海水管散熱損失、海水泵耗功3 部分。海水管管路損失包括溫/冷海水管路延程阻力損失、溫/冷海水管路的閥門和彎頭部件造成的阻力損失及換熱器（蒸發(fā)器和冷凝器）內(nèi)部的管路阻力損失。

海水管路沿程阻力損失（駐HW）SP可由式（14）計(jì)算[10]確定。

式中，lW為海水管長；dW為海水管道直徑；VW為海水流速。

海水管路局部阻力損失（駐HW）BP可由式（15）計(jì)算[10]確定。

式中，kb，W為管路彎頭壓力損失系數(shù)；kv，W為管路閥門壓力損失系數(shù)。

換熱器內(nèi)海水管路損失的計(jì)算可由式（16）確定[10]。

式中，VHW和VCW分別為溫海水和冷海水流速；（駐HHW）E為蒸發(fā)器內(nèi)海水管路損失；（駐HCW）C為冷凝器內(nèi)海水管路損失。

海水管道總損失駐HW的計(jì)算可由式（17）確定[10]。

由式（18）可計(jì)算海水泵耗功。

式中，濁P，HW、濁P，CW 分別為溫、冷海水泵效率。

2 仿真平臺(tái)構(gòu)架及功能

海洋溫差能仿真試驗(yàn)系統(tǒng)由參數(shù)設(shè)置模塊、工況輸入模塊、仿真控制模塊、熱物性計(jì)算模塊、參數(shù)優(yōu)化模塊、設(shè)備選型模塊和參數(shù)輸出模塊組成。各功能模塊邏輯關(guān)系如圖2 所示，其主要功能如下。

圖2 仿真平臺(tái)功能模塊構(gòu)架

參數(shù)設(shè)置模塊：用于設(shè)置系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)。此類參數(shù)屬于那些系統(tǒng)裝備建造完成后便不再受控或改變的參數(shù)，如裝機(jī)規(guī)模、熱力循環(huán)形式、工質(zhì)、換熱器端差、溫/冷海水泵效率、工質(zhì)泵效率、透平效率、發(fā)電機(jī)效率、機(jī)械效率、海水管長度等。

工況輸入模塊：用于輸入隨外界變化的系統(tǒng)參數(shù)，如隨季節(jié)變化的溫海水溫度和冷海水溫度，以及設(shè)定透平入口溫度、冷凝器出口溫度的初始值等。

仿真控制模塊：仿真控制模塊由海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)的所有質(zhì)量守恒和能量守恒控制方程組成。包括換熱器的能量平衡方程和熱負(fù)荷計(jì)算公式，透平的能量平衡方程、輸出功及效率計(jì)算公式、工質(zhì)的流量，工質(zhì)泵的功耗和效率計(jì)算公式、海水泵功耗、海水管路損失、熱效率、火用效率和凈輸出功等。

熱物性計(jì)算模塊：用于獲取工質(zhì)的熱物性數(shù)據(jù)。該模塊通過調(diào)用工質(zhì)的熱物性數(shù)據(jù)，采用亥姆霍茲（Helmholtz） 狀態(tài)方程計(jì)算流體的熱力學(xué)性質(zhì)，完成相關(guān)熱物性計(jì)算。

參數(shù)優(yōu)化模塊：用于根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)和已知海水溫度、換熱器、透平、發(fā)電機(jī)、工質(zhì)泵、海水泵的基礎(chǔ)設(shè)備參數(shù)，對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得最佳功率輸出。

參數(shù)輸出模塊：用于輸出和顯示仿真計(jì)算和參數(shù)優(yōu)化的計(jì)算結(jié)果。輸出參數(shù)包括工質(zhì)流量、溫海水流量、冷海水流量、換熱器熱負(fù)荷、工質(zhì)泵和海水泵的功耗、系統(tǒng)凈輸出功、系統(tǒng)熱效率等。

設(shè)備選型模塊：用于根據(jù)計(jì)算的熱力學(xué)參數(shù)，確定設(shè)備性能參數(shù)，對換熱器（蒸發(fā)器和冷凝器）進(jìn)行選型，并根據(jù)換熱器類型給出換熱系數(shù)、換熱面積、材料、重量、占地面積、體積等信息。

參數(shù)設(shè)置模塊和工況輸入模塊為熱物性計(jì)算模塊和仿真控制模塊提供輸入。仿真模塊將工況輸入模塊和參數(shù)設(shè)置模塊提供的初值及熱物性計(jì)算模塊調(diào)用的熱物性參數(shù)帶入控制方程，計(jì)算熱力循環(huán)各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)，并將計(jì)算結(jié)果帶入?yún)?shù)優(yōu)化模塊進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，輸出優(yōu)化結(jié)果并用于設(shè)備選型。

仿真系統(tǒng)界面如圖3 所示，系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢特點(diǎn)。

圖3 海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)仿真平臺(tái)

（1） 該系統(tǒng)具有集OTEC 熱力循環(huán)系統(tǒng)、冷海水系統(tǒng)和溫海水系統(tǒng)于一體的全系統(tǒng)仿真能力，可實(shí)現(xiàn)朗肯循環(huán)、卡琳娜循環(huán)和上原循環(huán)3 種形式的海洋溫差能仿真，循環(huán)工質(zhì)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）、異二氟乙烷（R152a）、四氟丙烯（R1234YF）、五氟乙烷和三氟乙烷的混合物（R507）等9 種工質(zhì)。

（2）該系統(tǒng)可以給出不同熱力循環(huán)、不同裝機(jī)規(guī)模、不同工況下的系統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)、工質(zhì)及冷溫海水流量、工質(zhì)泵及海水泵功耗、損失、系統(tǒng)凈輸出功率、系統(tǒng)效率等OTEC 系統(tǒng)仿真計(jì)算結(jié)果，開展系統(tǒng)參數(shù)敏感性及參數(shù)優(yōu)化等方面的研究。

（3）該系統(tǒng)可以開展海洋溫差能發(fā)電熱力循環(huán)工藝設(shè)計(jì)、仿真試驗(yàn)、主設(shè)備選型，也可以開展系統(tǒng)仿真試驗(yàn)和參數(shù)優(yōu)化及參數(shù)敏感性分析，形成海洋溫差能發(fā)電熱力循環(huán)工況參數(shù)優(yōu)化方案和系統(tǒng)總體優(yōu)化方案。

3 仿真平臺(tái)應(yīng)用

利用仿真平臺(tái)對基于朗肯循環(huán)海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行熱力計(jì)算，工況參數(shù)及各設(shè)備效率取值見表1。

表1 計(jì)算所需的工況參數(shù)設(shè)置

針對上述工況，利用仿真平臺(tái)對朗肯循環(huán)對9種不同工質(zhì)做功性能進(jìn)行比較，如圖4 和圖5 所示。可以看出，使用工質(zhì)氨所需的工質(zhì)流量最小，熱循環(huán)效率最高，使用工質(zhì)R507 所需的工質(zhì)流量最小，熱循環(huán)效率最低，由此可以看出氨對于海洋溫差能系統(tǒng)是較優(yōu)的工質(zhì)選擇。

圖4 不同工質(zhì)流量對比

圖5 不同工質(zhì)的循環(huán)效率對比

對不同裝機(jī)規(guī)模進(jìn)行計(jì)算得到工質(zhì)流量、溫海水流量、冷海水流量以及蒸發(fā)器、冷凝器的熱負(fù)荷，計(jì)算結(jié)果如表2 所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，上述參數(shù)均隨裝機(jī)規(guī)模增加呈近乎線性增加的趨勢。

表2 不同裝機(jī)容量下的流量和熱負(fù)荷

4 結(jié) 論

通過研發(fā)構(gòu)建了海洋溫差能仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并利用該平臺(tái)對氨、R134a、正丁烷等9 種候選工質(zhì)開展了海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)工質(zhì)比選研究。從工質(zhì)流量和熱循環(huán)效率上看，氨是較優(yōu)的工質(zhì)選擇。利用該平臺(tái)還給出了不同裝機(jī)容量下的工質(zhì)流量、溫海水流量、冷海水流量及蒸發(fā)器、冷凝器的熱負(fù)荷計(jì)算值，可以為海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。本系統(tǒng)具有性能高、成本低、操作靈活等特點(diǎn)，能有效克服實(shí)型樣機(jī)固有的循環(huán)形式單一、規(guī)模單一、功能單一和可調(diào)節(jié)性差等各類功能缺陷，以及研發(fā)成本高和占用空間大的經(jīng)濟(jì)性劣勢，靈活方便地開展不同工況、不同循環(huán)形式、不同裝機(jī)規(guī)模、不同工質(zhì)下的海洋溫差能系統(tǒng)研究和優(yōu)化，為海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)研究提供了一個(gè)很有價(jià)值的仿真試驗(yàn)研究平臺(tái)。