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 100028）

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］：

表1 工质比选主要因素

（1）临界温度应高于热力循环中的最高温度，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，以防止外界空气漏入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（GWP）。

（6）价格低廉、方便储存与运输。

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、R600等）、芳香碳氢化合物、氟氯烃化合物（R22、R152a、R143a、R1234yf、R141b 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、R502、R503、R507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系统耗功，但不可逆损失大，经济性差。非共沸混合工质包括NH3/H2O、R40、R401A、R407B、R410A 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）、R22、R507、R410A、R141b、R152a 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，以防外界空气漏入而影响循环性能。现对不同工质的临界压力、临界温度、沸点、循环过程中的透平入口压力、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］

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25 ℃），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28 ℃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22.5 ℃，冷凝温度为10.5 ℃，对不同工质在循环过程中透平入口压力及最低饱和压力进行对比。从表3 可以看到R410A 和R507 的透平入口压力较高，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。

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］

海洋温差发电系统可利用的海洋表面海水温度约为28 ℃。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入两相湿蒸气区，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。

3.2 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GWP 值对比［9－10］

在选择工质时，除考虑工质的环境友好性外，还应考虑工质的安全性，主要从毒性、易燃和爆炸3 方面进行评价（表5）。工质作为制冷剂使用时其安全等级用A、B、C 加1、2、3 表示，A1 最安全，C3 最危险。安全等级为C（C1、C2、C3）的物质一般不能用作制冷剂。8 种工质的安全特性详见表6。在比选的8 种工质中，氨因为具有腐蚀性，要求管道、仪表、阀门等均不能采用铜和铜合金材料，同时要有完善的密封系统和检漏系统以及完善的报警系统。但考虑到海洋温差能发电环境的特殊性（海水具有一定的腐蚀性），无论采用何种工质，对仪器、管道、密封系统和检漏系统均具有较高要求，因而工质的腐蚀性并不作为比选工质的标准之一，更多还是考虑工质的毒性及爆炸性。其中正丁烷为易燃气体，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇热源和明火有燃烧爆炸的危险，因而不适用于海洋温差能发电。

表5 工质可燃性及毒性、爆炸性

表6 8 种不同工质对比

3.3 经济性

3.3.1 不同工质循环热效率比对

对28 ℃温海水、4 ℃冷海水条件下10 MW 机组进行计算，不同工质的循环热效率及系统热效率见图1。在设定工况下，氨的循环热效率最高，可达3.017%，其次是R141b，循环热效率可达3.005%，R141b 和氨的系统净热效率最高，可达1.89%。因此从循环热效率和系统净热效率的角度看，氨和R141b 是更适宜海洋温差发电的朗肯循环的工质。

图1 不同工质循环热效率及系统热效率对比

3.3.2 不同工质所需换热器面积比对

换热器在OTEC 系统中占据着十分重要的地位，换热器面积不仅影响着OTEC 系统的占地面积，同时还影响系统经济性，换热器面积也可以作为评价工质性能的标准之一。从图2可以看到，8 种工质中，换热器面积从大到小依次为：R22、R141b、R1234YF、R152a、氨、R410a、正丁烷、R507。

图2 不同工质热负荷对比

3.3.3 不同工质单位工质做功能力比对

为了科学评价不同工质的做功能力，以单位质量流量工质的透平输出功、单位质量流量工质循环输出功、单位质量流量工质系统净输出功为评价指标，对工质的做功能力进行对比。单位工质质量流量循环输出功是评价工质做功能力的重要指标，其定义是单位质量流量工质的透平输出功和工质泵耗功的差值。单位质量工质系统输出功的定义是单位质量流量工质的透平输出功和工质泵耗功、海水泵耗功的差值。从图3可以看出，氨工质的单位质量流量工质做功能力最佳，远高于其他工质，其次是正丁烷，R507 的单位工质做功能力最差。

图3 单位工质质量流量做功能力对比

依据上述特性对比结果，将8 种工质分为优、良、中、差4 个等级，列表如表6 所示。

从表6 可以看到，在比选的8 种工质中，氨工质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。在实际海洋温差能闭式朗肯循环发电系统中，采用氨工质是较优的选择。

4 结语

本研究针对闭式朗肯循环的海洋温差能热力循环系统，从工质的技术匹配性、环保性、经济性等3 个方面，对8 种不同工质做了综合比较和筛选。技术匹配性主要围绕工质临界温度、临界压力、透平入口压力、循环最低饱和压力等参数进行比对；环保性主要围绕工质的ODP 和GWP 值以及可燃性及毒性、爆炸性进行比较；经济性则围绕工质的循环热效率、单位工质做功能力、热负荷进行比较。在比选的8 种工质中，氨工质的综合表现能力最佳，可以作为海洋温差能闭式朗肯循环发电系统的优选工质。该研究结果可以为闭式海洋温差能热力循环系统工质的选择提供有价值的参考依据。