海洋温差能开发利用高效热交换技术

李大树

（中海油研究总院有限责任公司，北京100028）

海洋温差能是储量最大的海洋可再生能源，全世界总量约400 亿kW，我国温差能资源十分丰富，主要在南海海域，约3.67亿kW。海洋温差能受天气、昼夜以及季节的影响很小，可全天候发电，稳定性和可控性与化石能源发电相同，无需配备储能系统，且其系统可动部件少，运行维护简单，操作成本低，被国际社会普遍认为是最具开发利用价值和潜力的海洋能资源[1-4]。同时，海洋温差能除发电外，还具有很高的附加值，如：深海微量元素、冷海水循环制冷、海水淡化、海水养殖等。积极开发海洋温差能除资源，不仅能够为远海岛礁和油气平台提供资源供给，还可为海上丝绸之路建设能源保障提供重要选择。

海洋温差能开发利用关键技术主要包括热力循环技术、透平技术、换热器技术、深水冷水管技术、平台技术、水下电缆技术、系统集成技术等。其中，高效热交换技术是海洋温差发电的核心技术。本文从高效热交换技术出发，对其换热形式进行综述，阐述并分析其在海洋温差能开发利用中适应性，并对其发展方向进行展望，为海洋温差能发电工程示范和应用提出指导性建议。

1 海洋温差能热电转换概述

海洋温差能热电转换（Ocean Thermal Energy Conversion，简称OTEC）主要依靠热力循环系统完成，其基本原理是利用海洋表面的温海水（温度为25～28 ℃）加热低沸点工质并使之汽化以驱动汽轮机发电，透平出口工质蒸汽通过与深层冷海水（温度为4～7 ℃）换热冷凝，经工质泵输送到蒸发器，完成一次循环。按照循环工质和循环形式的不同主要分为3 种基本形式：开式朗肯循环、闭式朗肯循环和混合式朗肯循环[5-9]。其中，闭式朗肯循环结构简单、透平尺寸小（压降大）且易于实现规模化，是现有OTEC发电系统所采用的主要循环方式[10]，其基本形式如图1所示[11]。

图1 闭式朗肯循环

从图1 可以看出，蒸发器和冷凝器是海洋温差能热电转换的重要设备，由于在海洋温差发电过程中存在海水流量大、换热介质进出口温差小等问题，开展高效热交换技术适应性研究，推荐高效热交换方法十分必要。日本对100MW 海洋温差发电装置进行评估，装置各部分造价占总造价的比例如图2所示。从图2可以看出，热交换器占装置总造价约40%，因此，开展高效热交换技术研究，有助于大幅降低工程造价[12]。

图2 100 MW海上温差能发电装置造价分析

2 高效热交换形式

目前，常用的换热形式主要有：间壁式[13-14]、蓄热式[15]、直接接触式[16]、热管[17]、升膜式[18]、降膜式[19]等。表1对比分析了不同换热形式特点、适应性和工程应用。

现有不同换热形式具有不同的优缺点。由于海洋温差发电系统海水流量大，对于MW级系统，单台机组难以实现。通过将不同形式换热器进行结合，形成换热器机组，不仅能够满足换热需求，而且能够提高热交换效率。

表1 不同换热形式

3 高效热交换技术适应性分析

海洋温差发电系统冷热源温差小，且运行条件为海况环境，工况和技术特点主要有：

（1）换热器冷、热换热介质体积流量大；

（2）温海水和冷海水与工质流量相差大；

（3）换热器介质进出口温差小，不到3 ℃；

（4）换热器需耐海生物附着；

（5）换热器有效换热面积大、占地面积小、且方便维修。

可以看出，针对上述工况和技术特点，需要对海洋温差发电换热器进行适应性研发。具体方案如下：

（1）针对换热器冷、热换热介质体积流量大特点，采用多台换热器结合以满足换热器热负荷；

（2）针对温海水和冷海水与工质流量相差大特点，分别对换热器换热介质通道结构进行研发，以保证流量和换热系数；

（3）针对换热器介质进出口温差小，采用高效换热技术，如升膜换热和降膜换热；

（4）针对换热器生物附着问题，采用耐腐蚀材料进行加工，同时对通道表面结构形式进行优化，以保证边界层产生足够的扰动，有效防止生物附着。

同时，由于海洋温差能资源集中在深远海，为提升系统在远海运行适应能力，建立海洋温差能热电转换控制技术十分重要。开展海洋温差热力系统工况参数调控技术研究，掌握适应系统动态特征的换热器参数优化方式，可为海洋温差能开发利用工程应用提供基础。

4 结论及展望

海洋温差能作为一种清洁、可再生能源，其开发利用对我国环境的改善和长远经济效益都将难以估量。通过分析高效热交换技术，研究其在海洋温差能开发利用中适应性，指出今后研究重点主要有：

（1）高效换热技术。由于海洋温差发电海水流量大、换热器进出口温差小，研究高效换热技术，开发高效换热器十分重要。

（2）材料和结构。为防止海生物附着，提高耐腐蚀性，换热器结构形式和材料十分重要，如何兼顾造价和耐腐蚀性是材料选取的关键，同时，兼顾边界层扰动和降低压降是换热器结构研发的关键。

（3）换热器参数优化。对于MW级海洋温差发电系统，单台换热器往往不能满足换热要求，需多台换热器结合以实现换热，寻求适应系统动态特征的换热器参数优化方式十分关键。

（4）换热器工况参数调控技术。由于海洋温差能资源主要在深远海，开展海洋温差热力系统工况参数调控技术研究，掌握适应系统动态特征的换热器参数优化方式，将有助于提升海洋温差能系统远海运行能力。

（5）海洋温差能综合利用高效换热技术。海洋温差能具有很高的附加值，包括海水淡化、海水空调等。冷、电、淡各系统的效率均与高效换热技术密切相关。从总系统出发，分析各系统间传递机制，探索适用于各系统高效换热技术对海洋温差能开发利用产业化推进十分重要。