海洋溫差能發電系統仿真平臺開發及應用

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行發電的熱電轉換技術。該技術利用海洋表層溫海水作為熱源將工質加熱成為蒸汽，推動透平做功，利用深層冷海水作為冷源，冷卻做功后的工質，最終實現將熱能轉化為電能。由于海洋溫差能資源量很大，應用過程中不產生二氧化碳排放，且與風能和太陽能相比更為穩定，可預測性更強，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電的概念后，法國、美國和日本等國在20 世紀中后期陸續建成多座海洋溫差能發電示范項目[1-2]。法國科學家Claude曾在古巴坦薩斯海灣建造了一座開式循環發電裝置，但是由于冷海水泵耗功過大，可利用溫差較小，系統效率非常低，電站產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換實驗電站，但是電站輸出功率低于預期目標。1980 年，美國伊利諾伊大學對朗肯循環開展了理論分析，比較了氨、丙烷和二氯四氟乙烷（R114）3 種工質的循環性能，結果表明氨的循環性能最優。1993 年，美國在夏威夷建立了一座開式循環電站，預期獲得165 kW 的輸出功率，實際只得到了40 kW 的輸出功率，與預期目標相差甚遠。UEHARA H 等[3]對閉式OTEC 系統熱力循環進行了研究，開發了基于上原循環的海洋溫差能實驗系統，進一步提高了轉換效率，但由于系統復雜，目前尚處于實驗室運行階段。BERNARDONI C 等[4]對閉式OTEC 循環進行技術經濟評估，證明OTEC 技術目前尚不具備能源市場競爭潛力。

我國在海洋溫差能發電領域起步較晚，20 世紀80 年代才開始進行研究。國家海洋局第一海洋研究所設計開發了基于國海循環的15 kW 閉式海洋溫差能發電試驗裝置，并于2012 年5 月成功運行，標志著我國在海洋溫差能研究領域取得了重大突破[5]。但是由于海洋溫差能冷熱源溫差只有20 益左右，系統循環效率低，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出很低，同時也造成電站的設備龐大、系統復雜，加之配套海洋工程技術問題尚未完全解決，因此一直未能實現商業化應用。

根據VEGA L A[6]對全球主要已建或計劃建造的海洋溫差能發電項目所做的費用統計，海洋溫差能項目建造成本在數億至數十億之間。其中，換熱器、透平、工質泵及海水泵等熱力循環系統主設備占造價構成的45%以上。這意味著即便是建造一套陸上實驗用的工程樣機用于海洋溫差能研究，也造價不菲。由于工程樣機一旦成型，其裝機規模、循環形式、工質類型甚至很多工況參數均已固化，無法更改，試驗的靈活性和廣泛性將大打折扣。另外，由于系統自耗功大、凈輸出低，如果系統參數不能與實際工況很好地匹配，海洋溫差能發電系統很可能無法產生有效凈輸出，致使示范工程無法達到預期目標。

綜合以上問題，如果能針對海洋溫差能特點，研發一套成本低、功能強、靈活性高、試驗范圍廣的高效能海洋溫差能試驗系統，構建一個集系統仿真、工況優化、設備選型等多功能于一體的仿真試驗平臺，對于開展該領域的技術研究，最大程度挖掘系統的凈輸出功，確保海洋溫差能發電系統最終實現經濟性運行，無疑將具有重要的現實意義和廣泛的應用價值。

本文開發了一套基于軟件的海洋溫差能仿真試驗系統，利用它可以開展不同工況、不同循環形式、不同裝機規模、不同工質下的海洋溫差能系統研究和優化工作，為低成本開展海洋溫差能試驗研究構建了一個靈活、高效的研究平臺。

1 系統仿真模型構建

海洋溫差能發電系統由熱力循環系統、傳動和發電機系統、海水輸送系統3 部分組成。海洋溫差能發電熱力循環的循環形式有：開式循環、閉式循環和混合式循環。其中，閉式循環由于可采用小型渦輪機，整套裝置可以實現小型化，而且海水不用脫氣，免除了這一部分動力需求，因此是目前海洋溫差能發電系統采用的主流循環方式，也是最接近實用化的循環方式。閉式循環海洋溫差能發電系統主要由蒸發器、冷凝器、透平發電機、溫海水泵和冷海水泵組成。常用的熱力循環形式包括朗肯循環、卡琳娜循環和上原循環。熱力循環系統的仿真需要建立上述3 個熱力循環系統及其組成設備的控制方程，包括蒸發器、冷凝器、透平、工質泵等，計算并給出各狀態點的熱力學參數及各設備的運行參數。海水輸送系統是海洋溫差能發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的多個重要參數。

熱力循環系統仿真是本仿真平臺研發的重點。為了便于仿真，本文對熱力循環過程進行了以下簡化[7-8]。

（1）冷、溫海水及循環工質均處于定常流動穩定狀態，忽略動能及勢能變化。

（2）忽略管道及設備對外散熱損失。

（3）透平、發電機、工質泵、海水泵效率恒定。

1.1 熱力循環系統仿真模型構建

受篇幅所限，本文僅列舉朗肯循環的仿真控制方程。朗肯循環是應用最廣泛的熱能發電循環，其工作原理如圖1 所示，圖中1—4 代表循環中的狀態點。循環過程由等壓加熱（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 朗肯循環的工作原理及狀態點位置圖

1.1.1 過程4-1 建模

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

式中，m 為工質流量；h1為工質在蒸發器出口處的焓值；h4為工質在蒸發器入口處的焓值。

溫海水將蒸發器內的工質加熱到飽和溫度后溫度降低，又因為工質加熱過程為等溫加熱，工質蒸發過程的泡點溫度等于工質的飽和溫度，即工質在蒸發器出口溫度，則溫海水出口溫度計算由式（2）確定。

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

由溫海水在蒸發器的入口溫度、出口溫度，工質在蒸發器進出口的焓值可計算溫海水流量。

式中，mHW為溫海水流量；Cp，HW為溫海水的定壓比熱容；tHWI為溫海水蒸發器進口溫度；h5為工質泡點焓值，焓值可由泡點溫度（等于t1）及氣相分率為0，查詢熱物性數據庫得到。

1.1.2 過程1-2 建模

飽和蒸汽經管道進入透平膨脹做功，帶動發電機發電，透平出口處的焓值h2由式（4）確定。

式中，濁t 為透平效率；h2s為等熵點的焓值。可由式（5）得出工質流量m。

式中，G 為系統裝機容量；h2為工質在透平出口的焓值；濁m為機械效率；濁g為發電機效率。透平的輸出功WT由式（6）確定。

1.1.3 過程2-3 建模

做功后的低壓工質乏汽進入冷凝器被冷海水冷卻為液體，忽略設備的散熱損失，工質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。

冷海水將冷凝器內的工質冷卻到飽和液態后溫度上升，又因為工質的冷凝過程為等溫冷凝，工質冷凝過程的露點溫度等于工質的飽和溫度，即工質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為工質的冷凝溫度。根據冷海水在冷凝器的入口溫度、出口溫度，工質在冷凝器進出口的焓值可計算冷海水流量mCW，由式（8）確定。

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

1.1.4 過程3-4 建模

冷凝后的工質由工質泵加壓送回蒸發器，工質泵加壓產生的焓升dhp由式（10）確定。

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

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

系統凈輸出功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 海水輸送系統仿真模型構建

海水輸送系統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（蒸發器和冷凝器）內部的管路阻力損失。

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）計算[10]確定。

式中，kb，W為管路彎頭壓力損失系數；kv，W為管路閥門壓力損失系數。

換熱器內海水管路損失的計算可由式（16）確定[10]。

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

海水管道總損失駐HW的計算可由式（17）確定[10]。

由式（18）可計算海水泵耗功。

式中，濁P，HW、濁P，CW 分別為溫、冷海水泵效率。

2 仿真平臺構架及功能

海洋溫差能仿真試驗系統由參數設置模塊、工況輸入模塊、仿真控制模塊、熱物性計算模塊、參數優化模塊、設備選型模塊和參數輸出模塊組成。各功能模塊邏輯關系如圖2 所示，其主要功能如下。

圖2 仿真平臺功能模塊構架

參數設置模塊：用于設置系統的輸入參數。此類參數屬于那些系統裝備建造完成后便不再受控或改變的參數，如裝機規模、熱力循環形式、工質、換熱器端差、溫/冷海水泵效率、工質泵效率、透平效率、發電機效率、機械效率、海水管長度等。

工況輸入模塊：用于輸入隨外界變化的系統參數，如隨季節變化的溫海水溫度和冷海水溫度，以及設定透平入口溫度、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電系統的所有質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荷計算公式，透平的能量平衡方程、輸出功及效率計算公式、工質的流量，工質泵的功耗和效率計算公式、海水泵功耗、海水管路損失、熱效率、火用效率和凈輸出功等。

熱物性計算模塊：用于獲取工質的熱物性數據。該模塊通過調用工質的熱物性數據，采用亥姆霍茲（Helmholtz） 狀態方程計算流體的熱力學性質，完成相關熱物性計算。

參數優化模塊：用于根據設定的目標函數和已知海水溫度、換熱器、透平、發電機、工質泵、海水泵的基礎設備參數，對系統參數進行優化，以獲得最佳功率輸出。

參數輸出模塊：用于輸出和顯示仿真計算和參數優化的計算結果。輸出參數包括工質流量、溫海水流量、冷海水流量、換熱器熱負荷、工質泵和海水泵的功耗、系統凈輸出功、系統熱效率等。

設備選型模塊：用于根據計算的熱力學參數，確定設備性能參數，對換熱器（蒸發器和冷凝器）進行選型，并根據換熱器類型給出換熱系數、換熱面積、材料、重量、占地面積、體積等信息。

參數設置模塊和工況輸入模塊為熱物性計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設置模塊提供的初值及熱物性計算模塊調用的熱物性參數帶入控制方程，計算熱力循環各狀態點參數，并將計算結果帶入參數優化模塊進行參數優化，輸出優化結果并用于設備選型。

仿真系統界面如圖3 所示，系統具備以下優勢特點。

圖3 海洋溫差能發電系統仿真平臺

（1） 該系統具有集OTEC 熱力循環系統、冷海水系統和溫海水系統于一體的全系統仿真能力，可實現朗肯循環、卡琳娜循環和上原循環3 種形式的海洋溫差能仿真，循環工質包括：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。

（2）該系統可以給出不同熱力循環、不同裝機規模、不同工況下的系統狀態點參數、工質及冷溫海水流量、工質泵及海水泵功耗、損失、系統凈輸出功率、系統效率等OTEC 系統仿真計算結果，開展系統參數敏感性及參數優化等方面的研究。

（3）該系統可以開展海洋溫差能發電熱力循環工藝設計、仿真試驗、主設備選型，也可以開展系統仿真試驗和參數優化及參數敏感性分析，形成海洋溫差能發電熱力循環工況參數優化方案和系統總體優化方案。

3 仿真平臺應用

利用仿真平臺對基于朗肯循環海洋溫差能發電系統進行熱力計算，工況參數及各設備效率取值見表1。

表1 計算所需的工況參數設置

針對上述工況，利用仿真平臺對朗肯循環對9種不同工質做功性能進行比較，如圖4 和圖5 所示。可以看出，使用工質氨所需的工質流量最小，熱循環效率最高，使用工質R507 所需的工質流量最小，熱循環效率最低，由此可以看出氨對于海洋溫差能系統是較優的工質選擇。

圖4 不同工質流量對比

圖5 不同工質的循環效率對比

對不同裝機規模進行計算得到工質流量、溫海水流量、冷海水流量以及蒸發器、冷凝器的熱負荷，計算結果如表2 所示。從計算結果可以看出，上述參數均隨裝機規模增加呈近乎線性增加的趨勢。

表2 不同裝機容量下的流量和熱負荷

4 結 論

通過研發構建了海洋溫差能仿真實驗平臺，并利用該平臺對氨、R134a、正丁烷等9 種候選工質開展了海洋溫差能發電系統工質比選研究。從工質流量和熱循環效率上看，氨是較優的工質選擇。利用該平臺還給出了不同裝機容量下的工質流量、溫海水流量、冷海水流量及蒸發器、冷凝器的熱負荷計算值，可以為海洋溫差能發電系統設計提供依據。本系統具有性能高、成本低、操作靈活等特點，能有效克服實型樣機固有的循環形式單一、規模單一、功能單一和可調節性差等各類功能缺陷，以及研發成本高和占用空間大的經濟性劣勢，靈活方便地開展不同工況、不同循環形式、不同裝機規模、不同工質下的海洋溫差能系統研究和優化，為海洋溫差能發電系統研究提供了一個很有價值的仿真試驗研究平臺。