一種海洋能及風能聯合發(fā)電裝置

胡佳林

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

一種海洋能及風能聯合發(fā)電裝置

胡佳林

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

文章提出了一種利用海洋溫差能和風能聯合發(fā)電的方法及裝置。利用海洋表層的熱海水加熱低沸點工質，使之蒸發(fā)，送入汽輪機推動汽輪發(fā)電機組做功發(fā)電，汽輪機排出的工質乏氣用海洋深層的冷海水冷凝為液態(tài)，再用熱海水加熱，送入汽輪機，使之蒸發(fā)，推動汽輪機發(fā)電機組做功發(fā)電，如此循環(huán)，持續(xù)發(fā)電；并且利用洋面風力發(fā)電，并用該電力驅動熱泵裝置，由熱泵裝置的媒質將工質的溫度進一步提高，增大工質體積膨脹率；由熱泵裝置的媒質將冷海水的溫度進一步降低，再用該低溫海水去冷凝工質乏氣，增強對工質乏汽的冷凝效果。該裝置既需要用到小型透平，又需要用到風力發(fā)電裝置，十分適合公司發(fā)展。

海洋溫差能，汽輪機，熱泵裝置，風力發(fā)電裝置

1 前言

海洋是世界上最大的太陽能采集器，它吸收的太陽能達到3.7×1013kW，大約是目前人類電力消耗總功率的4 000倍[1]，僅可開發(fā)利用部分也已遠遠超出全球總能耗。熱帶區(qū)域的海洋表層與幾百至上千米深處存在著基本恒定的20～25℃的溫差，這就為發(fā)電提供了一個總量巨大且非常穩(wěn)定的冷熱源[2]。海洋溫差發(fā)電（OTEC）的基本原理就是利用海洋表面的高溫海水加熱低沸點工質并使其汽化，或通過降壓使海水汽化以驅動汽輪機發(fā)電。同時，利用從海底提取的低溫海水（4～6℃）將做功后的排氣冷凝，使之重新變?yōu)橐后w。目前，全世界海洋溫差能的理論估計儲存量為1010kW，所以OTEC被1981年聯合國新能源和可再生能源會議確認為所有海洋能轉換系統中最重要的。

我國南沙、西沙群島遠離大陸，電力聯網困難，然而那里太陽日照強烈，溫差能利用最具潛力。據初步計算，南海溫差能資源技術上可開發(fā)利用的裝機容量高達（1.321～1.476）×109kW，若能因地制宜地加以利用，不僅對島嶼的經濟發(fā)展產生積極的影響，還能夠為海上工程作業(yè)、采油、海防甚至沿海城市提供便利的電能，因此發(fā)展海洋溫差能發(fā)電技術具有重要意義。目前海洋溫差風力發(fā)電的主要方式有3種:閉式循環(huán)系統、開式循環(huán)系統以及綜合兩者優(yōu)點的混合式循環(huán)系統。這3種循環(huán)系統技術上以閉式循環(huán)方案最接近商業(yè)化應用。

2 溫差發(fā)電技術

2.1 溫差發(fā)電基本原理

海洋溫差發(fā)電基本原理是塞貝克效應，如圖1所示，A、B兩種不同導體構成的回路，如果兩個結點所處的溫度不同 （T1和T2不等），回路中就會有電動勢存在。這一現象是德國物理學家塞貝克發(fā)現的，被稱為塞貝克效應 （見圖1），它是溫差發(fā)電技術的理論基礎。當結點間的溫度差在一定范圍內，存在如下關系:

ΔU=aAB（T2-T1） （1）

圖1 塞貝克效應

式中:

ΔU—回路產生的電動勢；

aAB—所用兩種導體材料的相對塞貝克。

2.2 海洋溫差能發(fā)電技術

圖2是現有技術的閉式循環(huán)海洋溫差發(fā)電的系統流程圖，來自海洋的表層高溫海水A先在蒸發(fā)器14內將熱量傳給丙烷等低沸點工質，使之蒸發(fā)，工質蒸發(fā)變成蒸汽推動蒸汽透平6中的汽輪機做功，汽輪機排出的工質再進入冷凝器8，被幾百米深的深層低溫海水B冷卻后重新變?yōu)橐簯B(tài)，然后再用工質泵2把液態(tài)工質輸送進蒸發(fā)器14，以實現循環(huán)使用。具體流程如下:首先，工質泵2抽取貯液筒1內的液態(tài)丙烷等低沸點工質進入蒸發(fā)器14，蒸發(fā)器14內通過高溫海水泵3抽入表層高溫海水A，表層高溫海水A與液態(tài)丙烷換熱，使得液態(tài)丙烷在蒸發(fā)器14內汽化，成為丙烷蒸汽，換熱后的表層高溫海水A排入海洋C。丙烷蒸汽進入蒸汽透平6，推動汽輪機做功，使之產生機械能，發(fā)電機7再將機械能轉換為電能。之后，汽輪機排出的丙烷蒸汽進入冷凝器8，冷凝器8通過低溫海水泵15抽取的深層低溫海水B，將丙烷蒸汽冷凝液化為液態(tài)丙烷，液態(tài)丙烷保存在貯液筒1中，深層低溫海水B與丙烷蒸汽換熱后排入海洋C。

圖2 現有技術的閉式循環(huán)海洋溫差發(fā)電的系統流程圖

現有的海洋溫差發(fā)電裝置運行結果表明，由于表層高溫海水A和深層低溫海水B的溫差不大，即使采用低沸點的工質，海洋溫差發(fā)電系統的效率也極低。例如以丙烷為循環(huán)工質的海洋溫差發(fā)電系統中，即使表層海水溫度為30℃，深層海水溫度為4℃時，理想朗肯循環(huán)效率也只有約2%。并且實際循環(huán)中還有管道閥門等部件的損失，因此可能使循環(huán)發(fā)出的電力還不足以維持工質泵和低溫海水泵的正常工作，這使海洋溫差發(fā)電系統一直難以得到推廣應用。

3 海洋溫差與風力聯合發(fā)電的裝置

基于以上對海洋溫差能的研究以及現在推廣新能源的使用，聯想到如何將海洋溫差能與新型能源結合。風能和海洋溫差能一樣，既是一次能源，又是可再生能源，在海洋表面同樣蘊藏著豐富的風能。在風況上，海上比陸地具有更多的優(yōu)勢，離岸10 km的海面上風速一般比陸地風速高25%，并且很少有靜風期。本文就利用海洋溫差能結合風力發(fā)電的方法，在傳統的閉式海洋溫差發(fā)電系統 （Ocean Thermal Energy Conversion Closed Cycle，CC-OTEC）的基礎上，利用風能發(fā)電驅動熱泵提高海洋溫差發(fā)電透平低沸點工質進口溫度同時降低冷源溫度，以提高發(fā)電效率。在傳統的閉式海洋溫差發(fā)電系統的基礎上，提供一種利用風能發(fā)電驅動熱泵伴隨加熱的海洋溫差發(fā)電的方法及裝置，以提高發(fā)電效率。

3.1 海洋溫差風能聯合發(fā)電流程

為了實現這一目的，本文提出了一種海洋溫差風力發(fā)電裝置，如圖3所示，這種海洋溫差發(fā)電方法，先利用海洋表層高溫海水A加熱低沸點工質 （如液氨或丙烷等），使之蒸發(fā)，送入蒸汽透平6（即汽輪機組）推動汽輪機做功，產生機械能，發(fā)電機7將機械能轉換為電能發(fā)電，蒸汽透平6排出的工質乏氣用海洋的深層低溫海水B冷凝為液態(tài)。然后用表層高溫海水A加熱，送入蒸汽透平6，使之蒸發(fā)，推動汽輪機組發(fā)電機7做功發(fā)電，如此循環(huán)，持續(xù)發(fā)電。除此之外，還利用洋面風力發(fā)電，并用該電力驅動熱泵裝置，由熱泵裝置的媒質二氟一氯甲烷 （CHCLF2）將工質的溫度進一步提高，將工質的溫度加熱至55℃左右，增大工質的體積膨脹率；由熱泵裝置的媒質二氟一氯甲烷將深層低溫海水B的溫度進一步降低至1℃，再用該深層低溫海水B去冷凝工質乏氣，增強對工質乏氣的冷凝效果。

圖3 海洋溫差發(fā)電流程圖

本文的海洋溫差發(fā)電裝置如圖4所示，包括以下幾部分:

圖4 海洋溫差能風能聯合循環(huán)裝置圖

（1）汽輪發(fā)電機組，由蒸汽透平6和發(fā)電機7組成，用于發(fā)電。

（2）工質儲罐，即貯液罐1，用于儲存透平工質，儲存液氨或丙烷等。

（3）工質預熱器4，具有工質進、出口和表層高溫海水A進、出口，其工質出口連接蒸汽透平6的進口，用于通過表層高溫海水A將液態(tài)工質加熱，使之汽化蒸發(fā)，成為工質蒸汽。

（4）工質泵2，布置在工質儲罐 （貯液罐1）和工質預熱器4之間，其進口連接貯液罐1，出口連接工質預熱器4，用于將工質泵入工質預熱器4。

（5）高溫海水泵3，即低揚程海水泵，連接工質預熱器4，用于將表層高溫海水A泵入工質預熱器4。

（6）工質冷凝器8，具有工質進、出口和深層低溫海水B進、出口，其工質進口連接蒸汽透平6的排氣口，工質出口連接工質儲罐 （貯液罐1），用于將蒸汽透平6排出的工質乏氣冷凝為液態(tài)，返回貯液罐1。

（7）低溫海水泵15，即高揚程海水泵，連接冷凝器8的海水進口，用于將深層低溫海水B泵入冷凝器8，冷卻工質乏氣。

（8）熱泵裝置及其驅動裝置是本發(fā)電裝置的創(chuàng)新部分，下面一一介紹。

（9）驅動裝置是風力發(fā)電機11，布置在沿海灘涂，利用洋面風力發(fā)電。

（10）熱泵裝置包括:冷媒儲罐9，壓縮機12，工質再熱器5，低溫節(jié)流器，冷媒蒸發(fā)器14。

（11）冷媒儲罐9，是一個儲氣罐，用于儲存冷媒。

（12）壓縮機12，由風力發(fā)電機11驅動，用于壓縮冷媒，使其成為高溫冷媒，該壓縮機12配有備用電源10。

（13）工質再熱器5，布置在工質預熱器4和蒸汽透平6之間，具有工質進、出口和冷媒進、出口，其工質進口連接工質預熱器4的出口，其工質出口連接蒸汽透平6的進口，其冷媒進口連接壓縮機12的出口，由高溫冷媒將工質的溫度進一步提高。

（14）低溫節(jié)流器13，布置在工質再熱器5的冷媒出口管道上，用于將加熱工質后的氣體冷媒轉變?yōu)榈蛪旱蜏氐囊后w冷媒。該低溫節(jié)流器13具有多種結構形式。

（15）冷媒蒸發(fā)器14，布置在冷媒儲罐9與工質冷凝器8之間，具有冷媒進、出口和深層低溫海水B進、出口，其冷媒進口連接工質再熱器5的冷媒出口，其冷媒出口連接冷媒儲罐9，其深層海水進口連接低溫海水泵15的出口，其深層海水出口連接工質冷凝器8的深層海水進口；利用急冷后冷媒蒸發(fā)吸熱，使深層低溫海水B的溫度進一步降低。

（16）海洋溫差發(fā)電裝置還包括上述部件之間的冷媒管道L、溫海水管道M、冷海水管道N、氨工質管道P和電纜線Q。冷媒管道L閉環(huán)連接冷媒儲罐9、壓縮機12、再熱器5、低溫節(jié)流器13、蒸發(fā)器14，形成冷媒的閉路循環(huán)工作管線。氨工質管道P閉環(huán)連接貯液筒1、工質泵2、預熱器4、再熱器5、蒸汽透平6和冷凝器8，形成工質的閉路循環(huán)工作管線。電纜線Q將風力發(fā)電機11產生的電能和備用電源10儲備的電能，分別輸送至工質泵2、高溫海水泵3和低溫海水泵15。

3.2 海洋溫差風能聯合發(fā)電裝置實施方式

與以往的常規(guī)蒸汽透平6不同，海洋溫差發(fā)電的進口蒸汽溫度很低，冷源和熱源溫差很小，因此應該取沸點較低、氣相區(qū)比熱大、汽化潛熱小的工質，這樣可以減少各個部件尺寸，因此，具體實施方式選取以氨為主循環(huán)的工質，熱泵冷媒則采用二氟一氯甲烷 （CHCLF2）。

如圖4所示，以海洋溫差發(fā)電透平中，氨工質循環(huán)溫度為50℃、蒸發(fā)壓力為20 bar、冷凝溫度為7℃、冷凝壓力為5.5 bar的工況來說明實現海洋溫差及風力發(fā)電具體流程。在實用裝置中可以根據具體情況調整參數:

（1）儲存在貯液筒1（即氨液儲存筒）中的5℃的液態(tài)氨由工質泵2（即供氨泵）提高壓力到20 bar以上，并輸送到預熱器4中。

（2）在預熱器4中，通過高溫海水泵3從海洋表層抽取的25℃表層高溫海水A將5℃的液態(tài)氨加熱到20℃左右。為了提高換熱效率，預熱器4采用板式換熱器結構，經過預熱器4預熱后液態(tài)氨進入再熱器5，而表層高溫海水A溫度降低，排入海洋C。

（3）儲存在冷媒儲罐9中的-5℃左右的氣態(tài)冷媒二氟一氯甲烷 （CHCLF2），被由風力發(fā)電機11發(fā)出的電能驅動的壓縮機12壓縮成70℃左右的高溫高壓氣體，輸送進入再熱器5。如果，遇到海上少數無風的情況，則可以使用備用電源10，來驅動壓縮機12實現這一過程。

（4）從預熱器4中出來的20℃左右的液態(tài)氨和從壓縮機12出來的70℃左右的冷媒二氟一氯甲烷在再熱器5中換熱，液態(tài)氨被加熱成50℃、20 bar左右的過熱氨氣，而二氟一氯甲烷被冷卻到約55℃。

（5）從再熱器5中流出的50℃、20 bar左右的過熱氨氣進入蒸汽透平6，推動蒸汽透平6膨脹做功并輸出功率，該功率由發(fā)電機7轉化為電能輸出；從蒸汽透平6排出的氨氣為7℃、5.3 bar的氣體。

（6）從再熱器5中出來的55℃的冷媒二氟一氯甲烷經過低溫節(jié)流器13絕熱節(jié)流后，溫度急劇降低到-20℃，然后進入蒸發(fā)器14。

（7）海洋深層800 m以下約5℃的深層低溫海水B經低溫海水泵15抽取后，輸送到蒸發(fā)器14，在蒸發(fā)器14中加熱經過節(jié)流后的-20℃的液態(tài)冷媒二氟一氯甲烷，經過熱交換后冷媒二氟一氯甲烷溫度上升到-5℃，變?yōu)檫^熱氣體。然后，-5℃的二氟一氯甲烷過熱氣體輸送到冷媒儲罐9，供壓縮機12使用，這樣就完成了輔助系統的熱泵循環(huán)。蒸發(fā)器14中，5℃的深層低溫海水B被降溫到1℃，再輸送到冷凝器8中。

在步驟5中經過做功后，5℃、5.3 bar的氨氣進入到冷凝器8中，被1℃的深層低溫海水B冷卻到5℃，成為5℃的氨液送回氨液儲存筒中，工質泵2抽取后再進入預熱器4中，這樣完成了主循環(huán)，實現系統電能的輸出。

在以上的朗肯循環(huán)中，高溫端溫度高達55℃，低溫端溫度降低到5℃，理想效率達到14%，而現有技術的海洋溫差發(fā)電閉式循環(huán)系統中高溫端只有20～25℃，低溫端有10℃，理想循環(huán)效率也只有1.74%。與之相比較，本裝置成倍地提高了循環(huán)效率。另外如圖4所示，本文中風力發(fā)電機11發(fā)出的電能還可以提供給海洋溫差發(fā)電閉式循環(huán)中的工質泵2、高溫海水泵3和低溫海水泵15等使用，而不像傳統的閉式循環(huán)需要消耗主循環(huán)發(fā)出的電能來驅動工質泵2以及海水泵，考慮到實際循環(huán)中各部件的損失和管道損失，在蒸汽透平6及各個部件效率為60%的情況下，本裝置圖4的發(fā)電效率可以達到8.4%，完全具有實用價值。

4 結論

本文設計了一種利用海洋溫差及風能聯合發(fā)電的方法及裝置，用海洋表層的熱海水加熱低沸點工質，使之蒸發(fā)，送入汽輪機推動汽輪發(fā)電機組做功發(fā)電，汽輪機排出的工質乏氣用海洋深層的冷海水冷凝為液態(tài)，再用熱海水加熱，送入汽輪機，使之蒸發(fā)，推動汽輪機發(fā)電機組做功發(fā)電，如此循環(huán)，持續(xù)發(fā)電；還利用洋面風力發(fā)電，并用該電力驅動熱泵裝置，由熱泵裝置的媒質將工質的溫度進一步提高，增大工質體積膨脹率；由熱泵裝置的媒質將冷海水的溫度進一步降低，再用該低溫海水去冷凝工質乏氣，增強對工質乏氣的冷凝效果。本文相比較現有海洋溫差發(fā)電系統循環(huán)效率的1.74%可以提高到8.4%，實現了海洋溫差能和風能的綜合利用，具有重要的實用價值，是綠色環(huán)保能源，易于大規(guī)模使用和推廣。

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Power Generation Device Combined w ith Ocean Energy and W ind Power

Hu Jialin
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

This paper presents amethod of using the ocean thermal energy and wind power combined power and device.The working principle of this device is as follows:heating the low boiling point workingmedium to evaporate using the hot water on ocean surface;then the evaporated medium flows into the steam turbine and drives the turbine to work;the exhausted steam discharged from the turbine is condensed to liquid by cold water in the deep ocean;the liquid will be heated by the hot sea water and flow into the steam turbine to drive the turbine.Thisworking cycle can ensure the continuous power generation.In addition,the power coming from the sea surface wind can be used to drive heat pump which can increase the temperature and specific volumetric dilatation of theworkingmedium by themedium in the heat pump.Themedium in the heat pump can also lower the temperature of the cold sea water which can improve the efficiency of condensing the exhausted steam.In this device,small turbine and wind power generation device are needed,so it is good for the development of the company.

ocean thermal energy,steam turbine,the heat pump device,wind power generation device

TK83

：A

：1674-9987（2014）01-0055-05

胡佳林 （1986-），女，本科，工程師，電氣及其自動化專業(yè)，主要從事汽輪機設計及新能源研發(fā)等方面研究工作。