卡琳娜海洋溫差發(fā)電循環(huán)性能研究

劉煜森，張 華，趙 巍

（上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093）

卡琳娜海洋溫差發(fā)電循環(huán)性能研究

劉煜森，張 華，趙 巍

（上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093）

海洋溫差能是一種可再生、清潔無污染、儲量巨大的能源。開發(fā)利用溫差能有利于保護環(huán)境和緩解我國的能源壓力。基于Aspen Plus軟件對卡琳娜循環(huán)進行模擬，計算了各設備損失，分析了蒸發(fā)壓力和氨水濃度對系統(tǒng)各參數(shù)的影響。結果表明：蒸發(fā)器、冷凝器和汽輪機中的損失較大，三種設備損失分別為19.3%，28.6%和16.1%。在氨水濃度不變的條件下，隨著蒸發(fā)壓力的增大，汽輪機功率先增大后減小；氣液分離器出口氣相質量流量不斷降低；系統(tǒng)熱效率和效率均先增大后急劇減小，最佳蒸發(fā)壓力為0.82 MPa。在蒸發(fā)壓力不變的條件下，隨著氨水濃度增大，氣液分離器出口氣相質量流量線性增大；汽輪機功率非線性增加；系統(tǒng)熱效率和效率先增大后減小，最佳氨水濃度為0.91。研究結果對海洋溫差能的工程應用提供了理論參考。

海洋溫差能；卡琳娜循環(huán)；氨水濃度；蒸發(fā)壓力；熱效率；效率

海洋是地球上儲存太陽熱能的巨大容器，它吸收的太陽能達到37萬億kW，大約是目前電力消耗總功率的4 000倍[1]。在地球的低緯度地區(qū)，由于太陽輻射能密度大、太陽光照射強度強，表層溫海水溫度常年維持在25～30℃之間[2]。由于海水投射陽光的能力有限，海水溫度的大致趨勢是隨著深度增加而降低，在800 m深海，海水溫度受陽光照射的影響幾乎沒有，溫度維持在4～5℃[3]。表層溫海水和深層冷海水之間存在20℃以上的溫差，這部分以溫度差形式存儲的能量稱作海洋溫差能，其具有以下特點：

（1）海水中蘊藏的溫差能儲存量巨大而且可持續(xù)再生。

（2）海洋溫差能屬于清潔能源，開發(fā)利用過程中對環(huán)境的影響微乎其微。

（3）海洋溫差能穩(wěn)定性好，海洋是一個龐大的儲能庫，在同一地點表、深層的海水溫度變化不大。從每天海水溫度變化來看，表層溫海水的溫度變化很小，一般不超過0.5℃[7]。而深層冷海水溫度基本不發(fā)生變化。從全年海水溫度變化來看，海水溫度只稍有季節(jié)性變化，相比潮汐能、海流能來說，海洋溫差能還是比較穩(wěn)定的。

（4）海洋溫差能的能量密度較高，但實現(xiàn)溫差能的大規(guī)模利用，就需要對大量海水進行利用。

卡琳娜循環(huán)是卡琳娜于1981年提出的一種中低溫余熱閉式發(fā)電循環(huán)[4]，循環(huán)采用氨水混合工質。國內外學者對卡琳娜循環(huán)均有一定研究。Arslan[5]基于設備的成本周期對卡琳娜循環(huán)的經濟型進行分析。Nasruddin等[6]研究了借助卡琳娜循環(huán)利用120℃地熱能來發(fā)電，研究結果表明氨水工質質量分數(shù)為78%時，循環(huán)系統(tǒng)的熱效率和輸出功率達到最大。Brian等[7]研究了如何減小卡琳娜循環(huán)中換熱器的尺寸，利用微通道換熱器課將換熱器尺寸減少58%，更加有利于系統(tǒng)的推廣應用。Zhang等[8]開發(fā)了計算氨水混合物的熱力學性質和卡琳娜循環(huán)性能的程序，利用該程序理論計算卡琳娜循環(huán)特性，并對汽輪機入口處的壓力和溫度、汽輪機的背壓等關鍵參數(shù)進行了分析。周然等[9]對卡琳娜循環(huán)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)進行熱力學分析。研究結果表明，汽輪機存在一個“最劣”入口溫度，此時循環(huán)熱效率最低。聶晶[10]對比分析了朗肯循環(huán)和卡琳娜循環(huán)在中低溫余熱利用上的性能，卡琳娜循環(huán)效率比朗肯循環(huán)更高。李惟毅等[11]研究了基液氨濃度對卡琳娜循環(huán)熱效率、經濟性能參數(shù)和換熱器經濟參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)以不同參數(shù)為目標時，最佳基液氨濃度是不同的。李子申等[12]建立卡琳娜循環(huán)數(shù)學模型，研究蒸發(fā)壓力對其性能的影響。

查閱文獻發(fā)現(xiàn)對卡琳娜循環(huán)研究的熱源溫度往往在100℃左右，熱源溫度比溫海水溫度要大得多，對卡琳娜循環(huán)在海洋溫差能發(fā)電上的研究還較少。本文基于Aspen Plus軟件對卡琳娜海洋溫差能發(fā)電循環(huán)進行研究，分析了各設備損失以及氨水濃度和蒸發(fā)壓力對系統(tǒng)性能的影響。

1 卡琳娜循環(huán)數(shù)學模型

卡琳娜循環(huán)主要設備有蒸發(fā)器、汽輪機、混合器、低溫回熱器、工質泵、高溫回熱器、分離器和節(jié)流閥。卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)原理圖如圖1所示，低溫的氨水工質通過蒸發(fā)器變成氣液混合物，經過分離器分離后變成飽和富氨蒸汽和飽和富水溶液兩部分；飽和富氨蒸汽經過汽輪機做功，飽和富水溶液在高溫回熱器中預熱進入蒸發(fā)器的氨水工質，之后經過節(jié)流閥節(jié)流降壓和汽輪機出口的乏汽一起進入混合器中混合；混合后的氨水溶液經過低溫回熱器和冷凝器后被冷凝成液態(tài)；氨水溶液經過工質泵加壓后依次經過低溫回熱器和高溫回熱器，在蒸發(fā)器內蒸發(fā)后進行下一個循環(huán)。

圖1 卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)原理圖

卡琳娜循環(huán)各設備數(shù)學模型如下：

卡琳娜循環(huán)中換熱器包括蒸發(fā)器、冷凝器、高溫回熱器和低溫回熱器4種，其數(shù)學模型是一致的，包括能量平衡方程和平衡方程，以高溫換熱器為例介紹換熱器數(shù)學模型，由式（1）～式（2）得到。

泵的數(shù)學模型為：

汽輪機數(shù)學模型為：

氣液分離器數(shù)學模擬為：

本文熱源溫度為溫海水溫度，討論卡琳娜循環(huán)用于低溫熱源發(fā)電的情況。對于氨水工質，使用Aspen Plus中的nh3h2o.bkp文件中的物性，在這個文件基礎上建立流程模擬。為了模擬的簡便，模擬過程作如下假設：

（1）卡琳娜循環(huán)所涉及的設備沒有壓降損失；

（2）為提高汽輪機壽命和保證汽輪機安全性，汽輪機出口蒸汽干度要大于0.93；

（3）為保證工質在泵中不發(fā)生汽蝕，假設工質泵進口工質的相態(tài)為飽和液相；

（4）電機效率為0.90，汽輪機絕熱效率為0.75。

通過模擬計算得到汽輪機、工質泵和海水輸送泵功率等，由式(10)即可求得系統(tǒng)凈熱效率；根據(jù)循環(huán)中各點的狀態(tài)參數(shù)，計算得到工質從溫海水中得到的和各設備的損失，由式11得到凈效率。

式中：PT，PP，PW，PC分別為汽輪機、工質泵、溫海水泵、冷海水泵功率，W；QW為溫海水進入蒸發(fā)器的熱量，W；ΔE為溫海水進入蒸發(fā)器的值，W。

在系統(tǒng)裝機容量7 900 W，氨水濃度0.95 mol/mol，蒸發(fā)器出口蒸汽溫度25℃，冷凝溫度7℃，蒸發(fā)壓力為0.8 MPa，高溫回熱器熱物流出口溫度22℃，低溫回熱器冷物流出口溫度比熱物流進口溫度低2℃的條件下，模擬得到各狀態(tài)點的參數(shù)和各設備功率，如表1和表2所示。

表1 給定工況下卡琳娜循環(huán)各狀態(tài)點參數(shù)

表2 卡琳娜循環(huán)各設備功率

表3 卡琳娜循環(huán)各設備損失

表3 卡琳娜循環(huán)各設備損失

設備 能量/ W 占輸入 的百分比/ %溫海水輸入 蒸發(fā)器 2 6 0 7 2 . 9 1 0 0輸出 凈發(fā)電量 7 8 9 5 . 2 3 0 . 3冷海水帶走的 冷凝器 7 4 6 9 . 0 2 8 . 6損失 汽輪機 4 1 9 8 . 3 1 6 . 1損失 工質泵 2 0 2 . 9 1 . 0損失 蒸發(fā)器 5 0 3 9 . 6 1 9 . 3損失 分離器 0 . 0 2 0損失 混合器 6 6 . 6 0 . 3損失 節(jié)流閥 6 8 2 . 0 2 . 6損失 其他 5 2 1 . 5 2 . 0

3 蒸發(fā)壓力和氨水濃度對卡琳娜循環(huán)性能的影響

3.1 蒸發(fā)壓力對卡琳娜循環(huán)性能的影響

研究蒸發(fā)壓力對卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)效率的影響時規(guī)定：氨水濃度為0.91 mol/mol，蒸發(fā)溫度25℃，冷凝溫度7℃。改變蒸發(fā)壓力，觀察其對系統(tǒng)性能的影響。

圖2 不同蒸發(fā)壓力下的質量流量

圖2對不同蒸發(fā)壓力下的氣液相質量流量進行分析，可以看出，隨著蒸發(fā)壓力增大，氣相質量流量不斷減少，液相質量流量不斷增加，但是兩者均不是線性遞增，蒸發(fā)壓力小于0.74 MPa時，氣相質量流量大于液相質量流量，蒸發(fā)壓力大于0.74 MPa時，氣相質量流量小于液相質量流量，蒸發(fā)壓力為0.88 MPa時，由于蒸發(fā)溫度為固定值，氣相質量流量已接近為0。

圖3 不同蒸發(fā)壓力下的汽輪機功率

圖3分析了汽輪機功率隨蒸發(fā)壓力的變化，可以看出，隨著蒸發(fā)壓力增大，汽輪機功率先增大后急劇減少，蒸發(fā)壓力為0.74 MPa時，汽輪機功率達到最大值7 318 W；蒸發(fā)壓力為0.90 MPa時，汽輪機功率幾乎為0。從理論上分析，在相同蒸發(fā)溫度和汽輪機背壓下，增大蒸發(fā)壓力一方面可以提高單位質量工質的做功能力，另一方面會降低經過汽輪機工質的質量流量，在這兩方面因素的影響下，汽輪機功率最初隨蒸發(fā)壓力的增大是增大的，但蒸發(fā)壓力過大時，由于氣相質量流量很小即進入汽輪機的工質流量很小，汽輪機功率會很低。

圖4 卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)熱效率隨蒸發(fā)壓力變化曲線

圖5 卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)效率隨蒸發(fā)壓力變化曲線

從熱力學第一、二定律角度出發(fā)，對不同蒸發(fā)壓力下卡琳娜循環(huán)熱效率和效率進行分析。如圖4～圖5所示，隨著蒸發(fā)壓力的增大，卡琳娜循環(huán)的熱效率和效率先升高，達到最大值 2.90%、33.40%，之后急劇下降，當蒸發(fā)壓力接近0.90 MPa時，熱效率和效率接近為0。這是因為隨著蒸發(fā)壓力增大，汽輪機的功率一開始是增大，系統(tǒng)熱效率和效率都增大；當壓力進一步增大，雖然單位質量工質做功能力增強，但是分離器出口的氣相質量流量會急劇下降，氣相質量流量占主導作用，造成汽輪機功率急劇，系統(tǒng)熱效率和效率急劇減小。

3.2 氨水濃度對卡琳娜循環(huán)性能的影響

氨水濃度同樣是影響卡琳娜循環(huán)性能的重要參數(shù)，在研究氨水濃度對卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)效率的影響時規(guī)定：氨水的質量流量不變，蒸發(fā)溫度25℃，蒸發(fā)壓力0.8 MPa，冷凝溫度為7℃。改變卡琳娜循環(huán)中氨水濃度，觀察其對系統(tǒng)的影響。

氨水濃度變化會使分離器進出口氣液相質量流量。圖6分析了氨水濃度對氣液分離器出口氣液相質量流量的影響，相比蒸發(fā)壓力對氣液相質量流量的非線性影響，隨著氨水濃度的增大，氣液分離器出口氣相質量流量是線性增大的，而液相質量流量是線性減小的。從理論上分析，氨水的濃度越高，其飽和氣體溫度越低，所以隨著氨水濃度的增大，氣相質量流量是不斷增大的，而液相質量流量不斷減小的。

由圖7可以看出，汽輪機的功率也隨著氨水濃度的增大而增大，但并不是線性增大。當氨水濃度從0.89 mol/mol增加到0.91 mol/mol時，汽輪機功率由4 468 W增加到6 495 W，幾乎為線性增大；當氨水濃度由0.91 mol/mol增加到0.97 mol/mol區(qū)間時，汽輪機功率增加的幅度變緩。

圖9 氨水濃度對卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)效率的影響

4 結論

本文基于Aspen Plus軟件對卡琳娜海洋溫差能發(fā)電循環(huán)進行模擬，計算了各部件的損失，分析了蒸發(fā)壓力和氨水濃度對系統(tǒng)性能的影響，得到主要結論如下：

（2）在氨水濃度不變的條件下，隨著蒸發(fā)壓力的增大，汽輪機功率先增大后減小；氣液分離器出口氣相質量流量不斷降低，降低速度越來越快；卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)熱效率和效率先增大后減小，所給定的條件下最佳蒸發(fā)壓力為0.82 MPa。

（3）在蒸發(fā)壓力不變的條件下，隨著氨水濃度增大，氣液分離器出口氣相質量流量線性增大；汽輪機功率非線性增加；卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)熱效率和效率先增大后減小，最佳氨水濃度為0.91 mol/mol。

[1]鄭錫榮.海洋溫差發(fā)電[J].太陽能,1995,16(4):30.

[2]中國自然地理編輯委員會.中國自然地理——海洋地理[M].北京:科技出版社,1979.

[3]王莉,史林興,盧佃清.華東沿海海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設計[J].可再生能源,2010,28(1):134-136.

[4]彭景平.15 kW海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)的試驗與研究[D].青島:青島理工大學,2012.

[5]Arslan O.Exergoeconomic evaluation of electricity generation by themedium temperature geothermal resources,using a Kalina cycle: Simavcase study[J].International Journal ofThermal Sciences,2010,49:1866-1873.

[6]Nasruddin,Usvika R,Rifaldi M,et al.Energyand exergyanalysis ofKalina Cycle System(KCS)34 with mass fraction ammonia–water mixture variation[J].Journal ofMechanical Science and Technology,2009,23:1871-1876.

[7]Brian M,Kyle R.Evaluation of heat and mass transfer models for sizing low-temperature Kalina cycle Microchannel Condensers[J]. Journal ofEnergyResources Technology,2016,139(2):2002-2012.

[8]Zhang Xinxin,He Maogang,Zhang Ying.First law-based thermodynamic analysis on Kalina cycle[J].Renewable and Sustainable EnergyReviews,2012,16:5309-5318.

[9]周然,韓吉田,于澤庭.基于太陽能卡琳娜循環(huán)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)熱力學分析[J].制冷技術,2013,33(3):13-15+20.

[10]聶晶.基于朗肯循環(huán)和卡琳娜循環(huán)的中低溫余熱動力循環(huán)分析[J].制冷,2015,34(3):40-44.

[11]李惟毅,梁娜,孟金英,等.基液氨濃度對卡琳娜循環(huán)不同目標參數(shù)的影響[J].化工進展,2015,34(4):957-964.

[12]李子申,李惟毅,孟金英,等.蒸發(fā)壓力對卡琳娜循環(huán)不同目標參數(shù)的影響[J].化工進展,2015,34(11):3852-3858.

Study on the Performance of Kalina Ocean Thermal Energy Conversion Cycle

LIU Yu-sen,ZHANG Hua,ZHAO Wei
School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China

Ocean thermal energy is a kind of renewable and pollution-free clean energy with huge reserves.The development and utilization of thermal energy can help protect the environment and alleviate the pressure of energy demand in China.Based on the Aspen Plus software,the Kalina cycle is simulated.The energy loss of each equipment is calculated and the effects of evaporation pressure and ammonia concentration on the parameters of the system are studied.The results show that the energy loss of the evaporator,condenser and steam turbine is comparatively large,up to 19.3%,28.6%and 16.1%,respectively.Under the condition of constant ammonia concentration,with the increase of evaporation pressure,the power of steam turbine firstly increases and then decreases,and the vapor mass flow rate of gas-liquid separator decreases continuously,and the thermal efficiency and the efficiency of the system firstly increase and then decrease sharply,with the optimal evaporation pressure of 0.82 MPa.Under the condition of constant evaporation pressure,with increasing ammonia concentration,the gas mass flow rate at the outlet of the gas-liquid separator increases linearly and the power of the turbine increases nonlinearly.The thermal efficiency and the efficiency of the system firstly increase and then decrease,with the optimum ammonia concentration being 0.91.The results provide theoretical reference for the engineering application of ocean thermal energy.

ocean thermal energy;Kalina cycle;ammonia concentration;evaporation pressure;thermal efficiency; energy efficiency

P743.4；TK11+4

A

1003-2029（2017）02-0106-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.02.018

2017-01-12

劉煜森（1992-），男，碩士研究生，主要研究方向為制冷與低溫。Email：lysuiuen@163.com