海洋溫差能發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)的工質(zhì)優(yōu)選

蘭志剛 張一平 吳勇虎

（中海石油（中國(guó)）有限公司北京研究中心 北京 100028）

海洋溫差能發(fā)電（OTEC）是一種利用表面溫暖海水和深處冷海水之間的熱梯度進(jìn)行發(fā)電的熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)。OTEC 以海洋中受太陽(yáng)能加熱的表層海水作為熱機(jī)系統(tǒng)的高溫?zé)嵩矗陨钐幚浜Ｋ鳛闊釞C(jī)系統(tǒng)低溫?zé)嵩矗纬蔁崃ρh(huán)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)透平進(jìn)行發(fā)電［1］。

OTEC 的循環(huán)形式有：開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)、閉式循環(huán)系統(tǒng)和混合式循環(huán)系統(tǒng)。其中閉式循環(huán)系統(tǒng)由于可采用小型渦輪機(jī)，整裝可以實(shí)現(xiàn)小型化，因此目前是OTEC 所采用的主流循環(huán)方式，也是最易實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的循環(huán)方式［2］。閉式海洋溫差能系統(tǒng)常用的循環(huán)形式包括單工質(zhì)朗肯循環(huán)、混合工質(zhì)卡琳娜循環(huán)、上原循環(huán)和國(guó)海循環(huán)等［3］。其中，工質(zhì)特性是影響熱力循環(huán)系統(tǒng)性能的重要因素［4］，工質(zhì)選擇是OTEC 設(shè)計(jì)、優(yōu)化的基礎(chǔ)。由于冷熱源溫差低，海洋溫差能閉式循環(huán)系統(tǒng)宜選擇低沸點(diǎn)的有機(jī)工質(zhì)作為熱力循環(huán)的工作流體。但有機(jī)工質(zhì)種類眾多，熱力性能差異較大，工質(zhì)的熱力學(xué)性能與熱力循環(huán)系統(tǒng)是否匹配，將在很大程度上影響OTEC 的循環(huán)效率和能效。與此同時(shí)，人類社會(huì)的綠色可持續(xù)發(fā)展，也對(duì)工質(zhì)環(huán)保性能和安全性提出了更高的要求，環(huán)保性能和安全性也應(yīng)是決定工質(zhì)篩選的重要因素［5］。

1 工質(zhì)篩選原則

閉式朗肯循環(huán)OTEC 的工質(zhì)篩選應(yīng)考慮表1 所列因素，滿足以下基本條件［5-8］：

表1 工質(zhì)比選主要因素

（1）臨界溫度應(yīng)高于熱力循環(huán)中的最高溫度，避免跨臨界循環(huán)可能帶來(lái)的壓力升高及設(shè)備造價(jià)增加。

（2）最高溫度所對(duì)應(yīng)的飽和壓力不應(yīng)過(guò)高，避免過(guò)高壓力導(dǎo)致機(jī)械承壓?jiǎn)栴}，但循環(huán)中最低飽和壓力應(yīng)保持正壓，以防止外界空氣漏入凝汽器而影響循環(huán)性能。

（3）所選工質(zhì)為等熵工質(zhì)或干工質(zhì)，避免汽輪機(jī)內(nèi)部發(fā)生汽蝕；熱傳導(dǎo)率高，熱穩(wěn)定性和熱力學(xué)性能良好，與冷熱源溫度有較好的匹配，并具有良好的傳熱性能，以降低換熱器的換熱面積。

（4）不易燃、不爆炸、無(wú)毒，與設(shè)備材料和潤(rùn)滑油之間具有較好的兼容性。

（5）具有環(huán)境友好性，即低消耗臭氧潛能值（ODP）和全球變暖潛能值（GWP）。

（6）價(jià)格低廉、方便儲(chǔ)存與運(yùn)輸。

2 常用低溫?zé)崃ρh(huán)工質(zhì)分類及特點(diǎn)

低溫?zé)崃ρh(huán)一般多用單一有機(jī)工質(zhì)、單一無(wú)機(jī)工質(zhì)和混合工質(zhì)，其熱力性質(zhì)對(duì)OTEC 系統(tǒng)的熱力性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性均有重要影響。單一有機(jī)工質(zhì)包括碳?xì)浠衔铮≧290、R600等）、芳香碳?xì)浠衔铩⒎葻N化合物（R22、R152a、R143a、R1234yf、R141b 等）等。單一工質(zhì)在換熱過(guò)程的不可逆損失大。其中有機(jī)工質(zhì)的安全性較差，容易發(fā)生爆炸；不同配比的混合工質(zhì)可實(shí)現(xiàn)工質(zhì)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，也有利于拓寬循環(huán)工質(zhì)的選擇范圍。混合工質(zhì)中的共沸混合工質(zhì)包括R500、R502、R503、R507等，與純組元相比，可提高或降低工質(zhì)的蒸發(fā)或冷凝壓力減少系統(tǒng)耗功，但不可逆損失大，經(jīng)濟(jì)性差。非共沸混合工質(zhì)包括NH3/H2O、R40、R401A、R407B、R410A 等，與冷熱源的溫度匹配特性好，換熱過(guò)程不可逆損失小。其中適合低溫朗肯循環(huán)的常用備選工質(zhì)有氨、正丁烷（R600）、R22、R507、R410A、R141b、R152a 等傳統(tǒng)工質(zhì)以及新型環(huán)保不可燃工質(zhì)R1234yf，本文將針對(duì)上述工質(zhì)開(kāi)展比選。

3 工質(zhì)的優(yōu)化篩選

為了實(shí)現(xiàn)工質(zhì)的優(yōu)選，依據(jù)前述工質(zhì)篩選原則，分別從工質(zhì)熱物性、環(huán)境友好性、系統(tǒng)熱效率、換熱器面積、單位工質(zhì)做功能力及經(jīng)濟(jì)性等方面對(duì)上述初選工質(zhì)進(jìn)一步篩選。

3.1 工質(zhì)的技術(shù)參數(shù)匹配

3.1.1 工質(zhì)壓力及溫度匹配

工質(zhì)的臨界溫度應(yīng)略高于循環(huán)的最高運(yùn)行溫度，以避免跨臨界循環(huán)帶來(lái)的運(yùn)行壓力高和換熱問(wèn)題。循環(huán)中最高運(yùn)行溫度所對(duì)應(yīng)的飽和壓力不應(yīng)過(guò)高，過(guò)高的壓力將導(dǎo)致機(jī)械承壓?jiǎn)栴}。循環(huán)中冷凝壓力不宜過(guò)低，需保持正壓，以防外界空氣漏入而影響循環(huán)性能。現(xiàn)對(duì)不同工質(zhì)的臨界壓力、臨界溫度、沸點(diǎn)、循環(huán)過(guò)程中的透平入口壓力、最低飽和壓力進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2 所示。

表2 工質(zhì)熱物性比較［9－10］

從表2 可以看出，8 種工質(zhì)的臨界溫度均高于循環(huán)最高溫度（約25 ℃），其中臨界溫度和臨界壓力較低的工質(zhì)是R507 及R410a，臨界溫度和臨界壓力最高的是氨和正丁烷，篩選的8 種工質(zhì)沸點(diǎn)均較低，適用于海洋溫差能低溫發(fā)電的特殊環(huán)境。

3.1.2 循環(huán)壓力匹配

對(duì)28 ℃溫海水、4 ℃冷海水條件下10 MW 機(jī)組進(jìn)行設(shè)計(jì)工況的熱力計(jì)算，設(shè)置工質(zhì)蒸發(fā)溫度為22.5 ℃，冷凝溫度為10.5 ℃，對(duì)不同工質(zhì)在循環(huán)過(guò)程中透平入口壓力及最低飽和壓力進(jìn)行對(duì)比。從表3 可以看到R410A 和R507 的透平入口壓力較高，過(guò)高的壓力將導(dǎo)致機(jī)械承壓?jiǎn)栴}，提高透平設(shè)計(jì)生產(chǎn)成本，R141b 在循環(huán)過(guò)程中的最高壓力小于大氣壓，可能導(dǎo)致空氣漏入進(jìn)而降低換熱系數(shù)和系統(tǒng)熱力性能。

表3 工質(zhì)透平入口壓力、最低飽和壓力及工質(zhì)類型對(duì)比［9－10］

海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)可利用的海洋表面海水溫度約為28 ℃。為了提高熱效率，減少溫差傳熱的不可逆損失，工質(zhì)在加熱蒸發(fā)過(guò)程中無(wú)過(guò)熱段。鑒于濕工質(zhì)在膨脹做功過(guò)程中進(jìn)入兩相濕蒸氣區(qū)，對(duì)汽輪機(jī)葉片產(chǎn)生沖蝕作用，而干工質(zhì)在汽輪機(jī)中膨脹做功過(guò)程在過(guò)熱蒸氣區(qū)完成，有利于汽輪機(jī)的運(yùn)行安全性及可靠性，因此應(yīng)盡量選定干工質(zhì)作為候選工質(zhì)。從表3 可以看到，篩選的8 種工質(zhì)中除氨外全部為干工質(zhì)，但由于氨在相應(yīng)溫度范圍內(nèi)可保持足夠的過(guò)熱度和干度，可滿足上述要求。

3.2 環(huán)保性

適宜海洋溫差能發(fā)電的工質(zhì)應(yīng)具備安全性高、價(jià)格低廉，易于獲取、不破壞臭氧層和全球氣候變暖潛值小的特性，即低消耗臭氧潛能值（ODP）和全球變暖潛能值（GWP）。從表4 不同工質(zhì)的ODP 和GWP 值對(duì)比可以看出，R507 及R410A 的GWP 值較高，環(huán)保性能較差。

表4 工質(zhì)ODP 和GWP 值對(duì)比［9－10］

在選擇工質(zhì)時(shí)，除考慮工質(zhì)的環(huán)境友好性外，還應(yīng)考慮工質(zhì)的安全性，主要從毒性、易燃和爆炸3 方面進(jìn)行評(píng)價(jià)（表5）。工質(zhì)作為制冷劑使用時(shí)其安全等級(jí)用A、B、C 加1、2、3 表示，A1 最安全，C3 最危險(xiǎn)。安全等級(jí)為C（C1、C2、C3）的物質(zhì)一般不能用作制冷劑。8 種工質(zhì)的安全特性詳見(jiàn)表6。在比選的8 種工質(zhì)中，氨因?yàn)榫哂懈g性，要求管道、儀表、閥門等均不能采用銅和銅合金材料，同時(shí)要有完善的密封系統(tǒng)和檢漏系統(tǒng)以及完善的報(bào)警系統(tǒng)。但考慮到海洋溫差能發(fā)電環(huán)境的特殊性（海水具有一定的腐蝕性），無(wú)論采用何種工質(zhì)，對(duì)儀器、管道、密封系統(tǒng)和檢漏系統(tǒng)均具有較高要求，因而工質(zhì)的腐蝕性并不作為比選工質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)之一，更多還是考慮工質(zhì)的毒性及爆炸性。其中正丁烷為易燃?xì)怏w，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇熱源和明火有燃燒爆炸的危險(xiǎn)，因而不適用于海洋溫差能發(fā)電。

表5 工質(zhì)可燃性及毒性、爆炸性

表6 8 種不同工質(zhì)對(duì)比

3.3 經(jīng)濟(jì)性

3.3.1 不同工質(zhì)循環(huán)熱效率比對(duì)

對(duì)28 ℃溫海水、4 ℃冷海水條件下10 MW 機(jī)組進(jìn)行計(jì)算，不同工質(zhì)的循環(huán)熱效率及系統(tǒng)熱效率見(jiàn)圖1。在設(shè)定工況下，氨的循環(huán)熱效率最高，可達(dá)3.017%，其次是R141b，循環(huán)熱效率可達(dá)3.005%，R141b 和氨的系統(tǒng)凈熱效率最高，可達(dá)1.89%。因此從循環(huán)熱效率和系統(tǒng)凈熱效率的角度看，氨和R141b 是更適宜海洋溫差發(fā)電的朗肯循環(huán)的工質(zhì)。

圖1 不同工質(zhì)循環(huán)熱效率及系統(tǒng)熱效率對(duì)比

3.3.2 不同工質(zhì)所需換熱器面積比對(duì)

換熱器在OTEC 系統(tǒng)中占據(jù)著十分重要的地位，換熱器面積不僅影響著OTEC 系統(tǒng)的占地面積，同時(shí)還影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，換熱器面積也可以作為評(píng)價(jià)工質(zhì)性能的標(biāo)準(zhǔn)之一。從圖2可以看到，8 種工質(zhì)中，換熱器面積從大到小依次為：R22、R141b、R1234YF、R152a、氨、R410a、正丁烷、R507。

圖2 不同工質(zhì)熱負(fù)荷對(duì)比

3.3.3 不同工質(zhì)單位工質(zhì)做功能力比對(duì)

為了科學(xué)評(píng)價(jià)不同工質(zhì)的做功能力，以單位質(zhì)量流量工質(zhì)的透平輸出功、單位質(zhì)量流量工質(zhì)循環(huán)輸出功、單位質(zhì)量流量工質(zhì)系統(tǒng)凈輸出功為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)工質(zhì)的做功能力進(jìn)行對(duì)比。單位工質(zhì)質(zhì)量流量循環(huán)輸出功是評(píng)價(jià)工質(zhì)做功能力的重要指標(biāo)，其定義是單位質(zhì)量流量工質(zhì)的透平輸出功和工質(zhì)泵耗功的差值。單位質(zhì)量工質(zhì)系統(tǒng)輸出功的定義是單位質(zhì)量流量工質(zhì)的透平輸出功和工質(zhì)泵耗功、海水泵耗功的差值。從圖3可以看出，氨工質(zhì)的單位質(zhì)量流量工質(zhì)做功能力最佳，遠(yuǎn)高于其他工質(zhì)，其次是正丁烷，R507 的單位工質(zhì)做功能力最差。

圖3 單位工質(zhì)質(zhì)量流量做功能力對(duì)比

依據(jù)上述特性對(duì)比結(jié)果，將8 種工質(zhì)分為優(yōu)、良、中、差4 個(gè)等級(jí)，列表如表6 所示。

從表6 可以看到，在比選的8 種工質(zhì)中，氨工質(zhì)的綜合表現(xiàn)能力最佳，氨工質(zhì)的單位工質(zhì)做功能力最佳、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、所需換熱器面積較小且相對(duì)于新型的制冷劑價(jià)格低廉，易獲取。在實(shí)際海洋溫差能閉式朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中，采用氨工質(zhì)是較優(yōu)的選擇。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究針對(duì)閉式朗肯循環(huán)的海洋溫差能熱力循環(huán)系統(tǒng)，從工質(zhì)的技術(shù)匹配性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性等3 個(gè)方面，對(duì)8 種不同工質(zhì)做了綜合比較和篩選。技術(shù)匹配性主要圍繞工質(zhì)臨界溫度、臨界壓力、透平入口壓力、循環(huán)最低飽和壓力等參數(shù)進(jìn)行比對(duì)；環(huán)保性主要圍繞工質(zhì)的ODP 和GWP 值以及可燃性及毒性、爆炸性進(jìn)行比較；經(jīng)濟(jì)性則圍繞工質(zhì)的循環(huán)熱效率、單位工質(zhì)做功能力、熱負(fù)荷進(jìn)行比較。在比選的8 種工質(zhì)中，氨工質(zhì)的綜合表現(xiàn)能力最佳，可以作為海洋溫差能閉式朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)選工質(zhì)。該研究結(jié)果可以為閉式海洋溫差能熱力循環(huán)系統(tǒng)工質(zhì)的選擇提供有價(jià)值的參考依據(jù)。