海洋温差能发电热力循环系统的工质优选.pdf
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1、传源南环境1SSN1672-9064研究与探讨CN35-1272/TK海洋温差能发电热力循环系统的工质优选兰志刚张一平吴勇虎(中海石油(中国)有限公司北京研究中心北京10 0 0 2 8)摘要针对闭式朗肯循环海洋温差能发电系统,确立了工质筛选原则,并从热力学性能匹配、安全性、环保性、做功能力及经济性等方面,对、正丁烷(R600)、R 2 2 等8 种工质做了分析和比较。从8 种工质比选结果看,氨的综合表现能力最佳。氨工质的单位工质做功能力最佳、对环境无污染、所需换热器面积较小且相对于新型的制冷剂价格低廉易获取,因而在基于闭式朗肯循环海洋温差能发电系统中采用氨工质是较优的选择。关键词海洋温差能发
2、电工质筛选热力循环中图分类号:X87文献标识码:A文章编号:16 7 2-90 6 4(2 0 2 3)0 5-0 17-0 4海洋温差能发电(OTEC)是一种利用表面温暖海水和深处冷海水之间的热梯度进行发电的热电转换技术。OTEC以海洋中受太阳能加热的表层海水作为热机系统的高温热源,以深处冷海水作为热机系统低温热源,形成热力循环系统,驱动透平进行发电(1。OTEC的循环形式有:开式循环系统、闭式循环系统和混合式循环系统。其中闭式循环系统由于可采用小型涡轮机,整装可以实现小型化,因此目前是OTEC所采用的主流循环方式,也是最易实现商业化应用的循环方式2 。闭式海洋温差能系统常用的循环形式包括单
3、工质朗肯循环、混合工质卡琳娜循环、上原循环和国海循环等3。其中,工质特性是影响热力循环系统性能的重要因素4,工质选择是OTEC 设计、优化的基础。由于冷热源温差低,海洋温差能闭式循环系统宜选择低沸点的有机工质作为热力循环的工作流体。但有机工质种类众多,热力性能差异较大,工质的热力学性能与热力循环系统是否匹配,将在很大程度上影响OTEC的循环效率和能效。与此同时,人类社会的绿色可持续发展,也对工质环保性能和安全性提出了更高的要求,环保性能和安全性也应是决定工质筛选的重要因素5。1工质筛选原则闭式朗肯循环OTEC的工质筛选应考虑表1所列因素,满足以下基本条件5-8(1)临界温度应高于热力循环中的最
4、高温度,避免跨临界循环可能带来的压力升高及设备造价增加。(2)最高温度所对应的饱和压力不应过高,避免过高压力导致机械承压问题,但循环中最低饱和压力应保持正压,以防止外界空气漏人凝汽器而影响循环性能。(3)所选工质为等熵工质或干工质,避免汽轮机内部发生汽蚀:热传导率高,热稳定性和热力学性能良好,与冷热源温收稿日期2 0 2 3-0 1-31资金项目:中海石油(中国)有限公司科技课题“海洋温差能开发关键技术研究与评估(YXKY-2018-ZY-09);中海石油(中国)有限公司科技课题“海洋能开发利用关键技术(KJZX-2022-12-XNY-0900)作者简介:兰志刚(196 3一),男,研究生,
5、博士,教授级高级工程师,主要从事海洋工程环境、新能源、海洋腐蚀与防护方面的研究工作。度有较好的匹配,并具有良好的传热性能,以降低换热器的换热面积。(4)不易燃、不爆炸、无毒,与设备材料和润滑油之间具有较好的兼容性。(5)具有环境友好性,即低消耗臭氧潜能值(ODP)和全球变暖潜能值(CWP)。(6)价格低廉、方便储存与运输。表1工质比选主要因素名称考虑因素临界温度透平人口压力技术匹配循环中最低饱和压力等工质或干工质无毒、不易燃、不爆炸环保性环境友好性优良价格、储存和运输困难度热效率经济性单位工质做功能力换热器热负荷2常用低温热力循环工质分类及特点低温热力循环一般多用单一有机工质、单一无机工质和混
6、合工质,其热力性质对OTEC系统的热力性能和技术经济性均有重要影响。单一有机工质包括碳氢化合物(R290、R 6 0 0等)、芳香碳氢化合物、氟氯烃化合物(R22、R 152 a、R 143a、R1234yf、R 141b 等)等。单一工质在换热过程的不可逆损失大。其中有机工质的安全性较差,容易发生爆炸;不同配比的混合工质可实现工质优势互补,也有利于拓宽循环工质的选择范围。混合工质中的共沸混合工质包括R500、R 50 2、R 50 3、R 50 7等,与纯组元相比,可提高或降低工质的蒸发或冷凝压力减少2023.NO.5.17传源南环境研究与探讨ISSN1672-9064CN35-1272/T
7、K系统耗功,但不可逆损失大,经济性差。非共沸混合工质包括NH/H,0、R 40、R 40 1A、R 40 7 B、R 410 A 等,与冷热源的温度匹配特性好,换热过程不可逆损失小。其中适合低温朗肯循环的常用备选工质有氨、正丁烷(R600)、R 2 2、R 50 7、R 410 A、R 141bR152a等传统工质以及新型环保不可燃工质R1234yf,本文将针对上述工质开展比选。3工质的优化筛选为了实现工质的优选,依据前述工质筛选原则,分别从工质热物性、环境友好性、系统热效率、换热器面积、单位工质做功能力及经济性等方面对上述初选工质进一步筛选。3.1工质的技术参数匹配3.1.1工质压力及温度匹
8、配工质的临界温度应略高于循环的最高运行温度,以避免跨临界循环带来的运行压力高和换热问题。循环中最高运行温度所对应的饱和压力不应过高,过高的压力将导致机械承压问题。循环中冷凝压力不宜过低,需保持正压,以防外界空气漏人而影响循环性能。现对不同工质的临界压力、临界温度、沸点、循环过程中的透平人口压力、最低饱和压力进行对比,结果如表2 所示。表2工质热物性比较9-10 分子量/临界温度/临界压力/工质(g/mol)氨17.0正丁58.1R2286.5R1234yf95.0R50798.9R410A72.6R141b116.9R152a66.1从表2 可以看出,8 种工质的临界温度均高于循环最高温度(约
9、2 5),其中临界温度和临界压力较低的工质是R507及R410a,临界温度和临界压力最高的是氨和正丁烷,筛选的8 种工质沸点均较低,适用于海洋温差能低温发电的特殊环境。3.1.2循环压力匹配对2 8 温海水、4冷海水条件下10 MW机组进行设计工况的热力计算,设置工质蒸发温度为2 2.5,冷凝温度为10.5,对不同工质在循环过程中透平人口压力及最低饱和压力进行对比。从表3可以看到R410A和R507的透平人口压力较高,过高的压力将导致机械承压问题,提高透平设计生产成本,R141b在循环过程中的最高压力小于大气压,可能导致空气漏入进而降低换热系数和系统热力性能。海洋温差发电系统可利用的海洋表面海
10、水温度约为2 8。为了提高热效率,减少温差传热的不可逆损失,工质在加热蒸发过程中无过热段。鉴于湿工质在膨胀做功过程中进人两相湿蒸气区,对汽轮机叶片产生冲蚀作用,而干工质在汽轮机中膨胀做功过程在过热蒸气区完成,有利于汽轮机的运行安全性及可靠性,因此应尽量选定干工质作为候选工质。从表3可以看到,筛选的8 种工质中除氨外全部为干工质,但由于氨在相应温度范围内可保持足够的过热度和干度,可满足上述要求。表3工质透平入口压力、最低饱和压力及工质类型对比9-10 透平人口压力/最低饱和压力/工质kPa氨928.17正丁烷224.93R22975.27R1234yf635.94R5071 199.18R410
11、A1544.87R141b71.54R152a553.473.2环保性适宜海洋温差能发电的工质应具备安全性高、价格低廉,易于获取、不破坏臭氧层和全球气候变暖潜值小的特性,即低消耗臭氧潜能值(ODP)和全球变暖潜能值(GWP)。从表4不同工质的ODP和GWP值对比可以看出,R507及R410A的GWP值较高,环保性能较差。表4工质ODP和CWP值对比9-10 工质破坏臭氧潜能值(ODP)0沸点/正丁烷MPa132.911.4152.03.896.25.095.03.470.63.872.54.9204.24.3113.34.5kPa625.74151.06691.25444.43858.451
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