海洋溫差能開發(fā)利用高效熱交換技術(shù)

李大樹

（中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京100028）

海洋溫差能是儲(chǔ)量最大的海洋可再生能源，全世界總量約400 億kW，我國(guó)溫差能資源十分豐富，主要在南海海域，約3.67億kW。海洋溫差能受天氣、晝夜以及季節(jié)的影響很小，可全天候發(fā)電，穩(wěn)定性和可控性與化石能源發(fā)電相同，無需配備儲(chǔ)能系統(tǒng)，且其系統(tǒng)可動(dòng)部件少，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，操作成本低，被國(guó)際社會(huì)普遍認(rèn)為是最具開發(fā)利用價(jià)值和潛力的海洋能資源[1-4]。同時(shí)，海洋溫差能除發(fā)電外，還具有很高的附加值，如：深海微量元素、冷海水循環(huán)制冷、海水淡化、海水養(yǎng)殖等。積極開發(fā)海洋溫差能除資源，不僅能夠?yàn)檫h(yuǎn)海島礁和油氣平臺(tái)提供資源供給，還可為海上絲綢之路建設(shè)能源保障提供重要選擇。

海洋溫差能開發(fā)利用關(guān)鍵技術(shù)主要包括熱力循環(huán)技術(shù)、透平技術(shù)、換熱器技術(shù)、深水冷水管技術(shù)、平臺(tái)技術(shù)、水下電纜技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)等。其中，高效熱交換技術(shù)是海洋溫差發(fā)電的核心技術(shù)。本文從高效熱交換技術(shù)出發(fā)，對(duì)其換熱形式進(jìn)行綜述，闡述并分析其在海洋溫差能開發(fā)利用中適應(yīng)性，并對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行展望，為海洋溫差能發(fā)電工程示范和應(yīng)用提出指導(dǎo)性建議。

1 海洋溫差能熱電轉(zhuǎn)換概述

海洋溫差能熱電轉(zhuǎn)換（Ocean Thermal Energy Conversion，簡(jiǎn)稱OTEC）主要依靠熱力循環(huán)系統(tǒng)完成，其基本原理是利用海洋表面的溫海水（溫度為25～28 ℃）加熱低沸點(diǎn)工質(zhì)并使之汽化以驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，透平出口工質(zhì)蒸汽通過與深層冷海水（溫度為4～7 ℃）換熱冷凝，經(jīng)工質(zhì)泵輸送到蒸發(fā)器，完成一次循環(huán)。按照循環(huán)工質(zhì)和循環(huán)形式的不同主要分為3 種基本形式：開式朗肯循環(huán)、閉式朗肯循環(huán)和混合式朗肯循環(huán)[5-9]。其中，閉式朗肯循環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、透平尺寸小（壓降大）且易于實(shí)現(xiàn)規(guī)模化，是現(xiàn)有OTEC發(fā)電系統(tǒng)所采用的主要循環(huán)方式[10]，其基本形式如圖1所示[11]。

圖1 閉式朗肯循環(huán)

從圖1 可以看出，蒸發(fā)器和冷凝器是海洋溫差能熱電轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備，由于在海洋溫差發(fā)電過程中存在海水流量大、換熱介質(zhì)進(jìn)出口溫差小等問題，開展高效熱交換技術(shù)適應(yīng)性研究，推薦高效熱交換方法十分必要。日本對(duì)100MW 海洋溫差發(fā)電裝置進(jìn)行評(píng)估，裝置各部分造價(jià)占總造價(jià)的比例如圖2所示。從圖2可以看出，熱交換器占裝置總造價(jià)約40%，因此，開展高效熱交換技術(shù)研究，有助于大幅降低工程造價(jià)[12]。

圖2 100 MW海上溫差能發(fā)電裝置造價(jià)分析

2 高效熱交換形式

目前，常用的換熱形式主要有：間壁式[13-14]、蓄熱式[15]、直接接觸式[16]、熱管[17]、升膜式[18]、降膜式[19]等。表1對(duì)比分析了不同換熱形式特點(diǎn)、適應(yīng)性和工程應(yīng)用。

現(xiàn)有不同換熱形式具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。由于海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)海水流量大，對(duì)于MW級(jí)系統(tǒng)，單臺(tái)機(jī)組難以實(shí)現(xiàn)。通過將不同形式換熱器進(jìn)行結(jié)合，形成換熱器機(jī)組，不僅能夠滿足換熱需求，而且能夠提高熱交換效率。

表1 不同換熱形式

3 高效熱交換技術(shù)適應(yīng)性分析

海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)冷熱源溫差小，且運(yùn)行條件為海況環(huán)境，工況和技術(shù)特點(diǎn)主要有：

（1）換熱器冷、熱換熱介質(zhì)體積流量大；

（2）溫海水和冷海水與工質(zhì)流量相差大；

（3）換熱器介質(zhì)進(jìn)出口溫差小，不到3 ℃；

（4）換熱器需耐海生物附著；

（5）換熱器有效換熱面積大、占地面積小、且方便維修。

可以看出，針對(duì)上述工況和技術(shù)特點(diǎn)，需要對(duì)海洋溫差發(fā)電換熱器進(jìn)行適應(yīng)性研發(fā)。具體方案如下：

（1）針對(duì)換熱器冷、熱換熱介質(zhì)體積流量大特點(diǎn)，采用多臺(tái)換熱器結(jié)合以滿足換熱器熱負(fù)荷；

（2）針對(duì)溫海水和冷海水與工質(zhì)流量相差大特點(diǎn)，分別對(duì)換熱器換熱介質(zhì)通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行研發(fā)，以保證流量和換熱系數(shù)；

（3）針對(duì)換熱器介質(zhì)進(jìn)出口溫差小，采用高效換熱技術(shù)，如升膜換熱和降膜換熱；

（4）針對(duì)換熱器生物附著問題，采用耐腐蝕材料進(jìn)行加工，同時(shí)對(duì)通道表面結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化，以保證邊界層產(chǎn)生足夠的擾動(dòng)，有效防止生物附著。

同時(shí)，由于海洋溫差能資源集中在深遠(yuǎn)海，為提升系統(tǒng)在遠(yuǎn)海運(yùn)行適應(yīng)能力，建立海洋溫差能熱電轉(zhuǎn)換控制技術(shù)十分重要。開展海洋溫差熱力系統(tǒng)工況參數(shù)調(diào)控技術(shù)研究，掌握適應(yīng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特征的換熱器參數(shù)優(yōu)化方式，可為海洋溫差能開發(fā)利用工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

4 結(jié)論及展望

海洋溫差能作為一種清潔、可再生能源，其開發(fā)利用對(duì)我國(guó)環(huán)境的改善和長(zhǎng)遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)效益都將難以估量。通過分析高效熱交換技術(shù)，研究其在海洋溫差能開發(fā)利用中適應(yīng)性，指出今后研究重點(diǎn)主要有：

（1）高效換熱技術(shù)。由于海洋溫差發(fā)電海水流量大、換熱器進(jìn)出口溫差小，研究高效換熱技術(shù)，開發(fā)高效換熱器十分重要。

（2）材料和結(jié)構(gòu)。為防止海生物附著，提高耐腐蝕性，換熱器結(jié)構(gòu)形式和材料十分重要，如何兼顧造價(jià)和耐腐蝕性是材料選取的關(guān)鍵，同時(shí)，兼顧邊界層擾動(dòng)和降低壓降是換熱器結(jié)構(gòu)研發(fā)的關(guān)鍵。

（3）換熱器參數(shù)優(yōu)化。對(duì)于MW級(jí)海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)，單臺(tái)換熱器往往不能滿足換熱要求，需多臺(tái)換熱器結(jié)合以實(shí)現(xiàn)換熱，尋求適應(yīng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特征的換熱器參數(shù)優(yōu)化方式十分關(guān)鍵。

（4）換熱器工況參數(shù)調(diào)控技術(shù)。由于海洋溫差能資源主要在深遠(yuǎn)海，開展海洋溫差熱力系統(tǒng)工況參數(shù)調(diào)控技術(shù)研究，掌握適應(yīng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特征的換熱器參數(shù)優(yōu)化方式，將有助于提升海洋溫差能系統(tǒng)遠(yuǎn)海運(yùn)行能力。

（5）海洋溫差能綜合利用高效換熱技術(shù)。海洋溫差能具有很高的附加值，包括海水淡化、海水空調(diào)等。冷、電、淡各系統(tǒng)的效率均與高效換熱技術(shù)密切相關(guān)。從總系統(tǒng)出發(fā)，分析各系統(tǒng)間傳遞機(jī)制，探索適用于各系統(tǒng)高效換熱技術(shù)對(duì)海洋溫差能開發(fā)利用產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)十分重要。