图 1 开式海洋温差发电流程 Fig. 1 Flow chart for the open cycle OTEC system
图 2 闭式海洋温差发电流程 Fig. 2 Flow chart for the closed cycle OTEC system
图 3 混合式海洋温差发电流程
图 4 闭式海洋温差发电的 T- S
3) 化学稳定性, 有机流体在高温高压下会分解, 对设备材料产生腐蚀, 甚至容易爆炸和燃烧, 所以要根据
热源温度等条件来选择合适的工质。
4) 工质的临界参数及标准沸点, 因为冷凝温度受环境温度的限制, 能调节的范围有限, 工质的临界温度
不能太低, 要选择具有合适临界参数的工质。
5) 工质廉价、易购买。
2) 2)
B B
]
sr = s* -
s=-
5ar 5T
=
-
Rln( Z - B) + P B ln Z + ( 12 2RTB Z + ( 1+
2) B 2) B
hr = ar + TS r + RT( 1 - Z )
B=
5a 5T
=
-
01457 24R2Tck[ 1+ k( 1-
p
cT
01 r
5
T
海洋占据了约 70% 的地球表面积, 海洋中除了有大量的生物资源, 还蕴涵着大量的能量资源。热带海 洋表层海水将接受太阳辐射能大部分转化为热能, 形成温度在 24~ 29 e 的热水层, 而在海洋深处约 600 m 以 下的深层海水常年温度保持在 2~ 7 e , 由于海水的热容量极大, 在各种海洋能中温差能的储量最大, 全世界 海洋温差能的理论储量估计为 100 亿 kW[ 1] 。此外, 海洋温差能还具有可再生、昼夜无波动稳定和清洁无污 染等优点。海洋温差能的转换( OTEC) 被国际社会普遍认为是最具开发利用价值和潜力的海洋资源。早在 1881 年, 法国物理学家 Jacques Arsene dcArsonval 就提出了由海洋温差来获取能量的大胆设想; 1926 年由其学 生 Claude 实验证实了这一想法的可行性; 1930 年在古巴建造了第一座发电容量为 22 kW 的试验性 OTEC 发 电站[ 2] 。随着技术的不断进步, OTEC 系统不仅可用作发电, 还可进行海水淡化、海水产品养殖、制氢、锂回 收、利用发电后排放深海水的冷量进行空调降温等综合利用[3] 。随着以石油、煤炭为代表的石化燃料的日渐 枯竭和其对环境的影响, 50 MW 发电容量的浮动式 OTEC 发电站已被确认为极具潜在商业价值的新能源项 目[4] 。现在 OTEC 发电系统大多数都偏向于采用低沸点工质的有机朗肯循环系统, 循环工质的选择会极大
表 1 所选干流体工质的一些参数
Tab. 1 Some par ameter s of the selected fluids
干流体工质
TC/ K
pC/ kPa
ODP
GWP100
R21 8
245. 05
2 680
0
R227ea
374. 89
2 929
0
3 300
R236 fa
பைடு நூலகம்
398. 07
3 200
0
8 000
R6 00a
407. 85
3 640
0
R236ea
412. 44
3 502
0
R60 0
425. 16
3 796
0
R245 fa
427. 20
3 640
0
Neo2 C5H 12
433. 80
3 202
0
R6 01a
460. 40
3 384
0
R60 1
469. 60
3 374
0
n2 hexane
507. 40
2 969
0
3 热力循环的计算方法与结果
3. 1 热力参数的计算
以上候选工质都属于非极性的有机工质, 可用 PR 状态方程来计算其热力参数。根据文献[ 10] 可见, PR
状态方程具有足够的计算精度。
PR 状态方程:
p=
v
RT -
b
-
a(T) v( v + b) + b( v-
b)
a ( T ) = a ( Tc) a ( Tr, X)
Fig. 3 Flow chart for the hybrid OTEC system
Fig. 4 T2S diagram for the closed cycle OTEC system
在图 4 中, 点 1- 2 是工质在加压泵里等熵加压到加热器里的蒸发压力 P 2 的过程; 2- 3 是工质在热交换 器里被定压加热到透平进口状态的过程; 3- 4 是工质在透平里等熵膨胀到凝结压力 P 1, 并对外输出功量的 过程; 4- 1 是透平排汽在凝汽器里定压冷凝到饱和液体状态 1 的过程。
摘 要: 为了筛选出适宜于海洋温差热力发电有机朗肯 循环的工质, 采用 PR 状态方 程计算 11 种低沸 点有机流 体工质在闭 式
海洋温差有机朗肯循环中的热力性能。结果表明, 随着工质临界 温度升高, 循环热效率 总体呈上 升趋势。正丁 烷具有较高 的
循环热效率, 其蒸发压力较低、凝汽压力比较适中, 比较 适合用作海洋温差发电有机朗肯循环的工质。
图 5 三类流体工质的 T- S Fig. 5 T- S diagram of three kinds of fluids
态低很多, 因此需要有足够的传热温差及换热面积[6] 。一方面增加了换热器的投资; 另一方面增加了工质在
加热蒸发过程中的温差传热不可逆损失。因此选定干流体作为比较的候选工质。表 1 列出了满足以上工质 选择原则的主要干流体的临界温度 T C、临界压力 pC、臭氧破坏能力 ODP 及温室效应 GWP 参数值[8- 9] 。
1 20
海洋工程
第 27 卷
地影响有机朗肯循环的性能。
1 海水温差发电有机朗肯循环及其性能
海水温差发电大致可以分为三类[5] : 1) 如图 1 所示的开式系统; 2) 如图 2 所示的闭式系统; 3) 如图 3 所 示的混合式系统。当循环工质采用低沸点有机工质时, 闭式和混合式系统中的动力循环就是有机朗肯循环。 假定在工质加压泵及透平里均为等熵过程, 忽略管道及设备的对外散热损失与工质在管道及设备内的流动 阻力的情况下, 采用干流体工质[ 6] 的有机朗肯循环的 T- S 图( 见图 4 所示) 。
1) 工质的安全性( 包括毒性、易燃易爆性、对设备管道的腐蚀性等) , 为了防止操作不当等原因导致的工
质泄漏致使工作人员中毒, 应尽量选择毒性低的流体。
2) 环保性能, 很多有机工质都具有不同程度的大气臭氧破坏能力和温室效应, 要尽量选用没有破坏和温
室效应低的工质, 如 HFC 类、HC 类、FC 类碳氢化合物物或其卤代烃。
00
T T
C0pdT
( 4)
0
式( 3) 和( 4) 中 s( p , T ) 、h( p , T ) 分别为在 计算参考基准 状态( p0, T0) 理想气 体的比熵 与比焓值, 按照
00
00
ASHRAE 惯例, 其取值应满足在 T 0= 273. 15 K 时该工质对应的饱和液体的比熵与比焓分别为 1. 000 0kJ/ ( kg
关键词: 海洋温差发电; 有机朗肯循环; 热效率; 工质
中图分类号: P743. 4
文献标识码: A
Selection of working fluids for ocean thermal energy conversion power generation organic Rankine cycle
ln < = ( Z - 1) - ln( Z - B) - A ln Z + ( 1+ 2) B 2 2B Z + ( 1- 2) B
纯质的比自由能 a , 比焓 h, 比熵 s 均采用余函数方程计算:
ar = a* -
a = RT [ ln( Z -
B) -
2
A 2
B
ln
Z Z
+ +
( 1( 1+
循环热效率 Gth
wnet = h3 - h4 - ( h2 - h1)
( 1)
Gth =
wnet h3- h2
@100%
( 2)
式中: h 为各点的比焓值( kJ/ kg) 。
第 2期
王辉涛, 等: 海洋温差发电有机朗肯循环工质选择
1 21
2 有机朗肯循环工质的选择
动力循环工质的筛选应尽量满足如下要求:
01 5 r
)
]
由余函数的定义可得:
s = s* - sr, h = h * - hr
式中: 上标 * 表示在同等温度、压力下, 把流体看成理想气体对应的热力性质。
Q s* ( p , T ) = s(p0, T0) +
T T
C
0 p
dT T
-
0
R
ln
p p0
( 3)
Q h
* (p
,
T
)
=
h(p ,T ) +
工质按其在 T - S 图上饱和汽化线的斜率分为干 流体、等熵流体与湿流体三类[ 7] , 见图 5 所示。
因湿流体在透平中膨胀做功后可能处于含液滴的
湿蒸汽状态, 对透平叶片有冲蚀作用, 就要求进口工质 蒸汽具有一定的过热度, 在热交换器中必须设置足够 的过热面积。而工质在蒸汽状态的对流换热系数比液
#K) 和 200 kJ/ kg 的要求; C0p 为该工质的理想气体的定压比热容, 它只与温度有关, 随温度的升高而增大。一