orc和kalina以及uehara循环的热力性能分析.docx
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orc和kalina以及uehara循环的热力性能分析
摘要：
介绍了海洋温差能发电的现状和历史，有机朗肯循环，Kalina循环，上原循环的原理，有机朗肯循环工质的选择原则。
详细分析了在同样条件（热源温度、冷源温度、膨胀机效率、泵效率）下使用不同工质的有机朗肯循环的效率，使用不同效率的膨胀机时的有机朗肯循环效率，不同热源温度的有有机朗肯循环效率，不同氨质量分数下的Kalina循环的理论效率和（在70%的膨胀机效率和工质泵效率下的）实际效率和不同氨质量分数下的上原循环的理论效率和（在70%的膨胀机效率和工质泵效率下的）实际效率。
Abstract：
ThistextintroducesthestatusandhistoryoftheOTEC.ItalsointroducesthetheoryofORCcycle，KalinacycleandtheUeharacycleandhowtochooseworkingmediuminORCcycle.ItanalyzesandcalculatestheefficiencyofORCcycleatthesameheatsourcetemperature,coldsourcetemperature,expanderefficiencyandpumpefficiencyandatdifferentworkingmediumandthetheefficiencyofORCcycleatdifferentexpanderefficiencyandhetheefficiencyofORCcycleatdifferentheatsourcetemperature.Italsoanalyzesthetheoreticalefficiencyandtheactualefficiency（withaexpanderandpumpefficiencyof70%）ofKalinacycleatdifferentammoniamassfraction.Italsoanalyzesthetheoreticalefficiencyandtheactualefficiency（withaexpanderandpumpefficiencyof70%）ofUeharacycleatdifferentammoniamassfraction..
关键词：
海洋温差能、有机朗肯循环、Kalina循环、上原循环、循环效率
Keywords:
OTEC、ORCcycle、Kalinacycle、Ueharacycle、cycleefficiency
目录
摘要............................................................................................................................................................1
Abstract......................................................................................................................................................1
关键词........................................................................................................................................................1
Keywords....................................................................................................................................................1
综述............................................................................................................................................................3
1.1海洋温差能及其开发历史和现状.............................................................................................3
1.1.1海洋温差能资源储藏量估算方法................................................................................4
1.1.2海洋温差能开发历史及现状........................................................................................5
1.2海洋温差能转换发电系统.........................................................................................................7
1.2.1开式循环发电系统..........................................................................................................7
1.2.2闭式循环发电系统..........................................................................................................8
1.2.3混合循环发电系统..........................................................................................................8
1.3关于Refprop7.0.........................................................................................................................9
1.4本文研究内容.............................................................................................................................9
2.有机朗肯循环.....................................................................................................................................9
2.1有机朗肯循环的原理.................................................................................................................9
2.2有机朗肯循环效率的影响因素...............................................................................................12
2.2.1工质种类的影响............................................................................................................12
2.2.2膨胀机效率的影响........................................................................................................15
2.2.3表层海水温度（热源温度）的影响............................................................................15
3．Kalina循环......................................................................................................................................18
3.1Kalina循环的原理.....................................................................................................................18
3.2不同氨质量分数Kalina循环效率...........................................................................................19
4.上原循环...........................................................................................................................................20
4.1上原循环的原理.....................................................................................................................20
4.2不同氨质量分数上原循环效率.............................................................................................22
5结语......................................................................................................................................................23
参考文献..................................................................................................................................................24
谢辞..........................................................................................................................................................24
ORC、Uehara循环以及Kalina循环热力性能分析（海洋温差能）
1综述
1.1海洋温差能及其开发历史和现状
海洋温差能又称海洋热能，是利用海洋中受太阳能加热的暖和的表层水与较冷的深层水之间的温差进行发电而获得的能量。
地球表面被陆地分隔为彼此相通的广大水域称为海洋，其总面积约为3.6亿km2，约占地球表面积的71%，海洋中的水约占地球上总水量的97%。
四个主要的大洋为太平洋、大西洋和印度洋、北冰洋，大部分以陆地和海底地形线为界。
目前为止，人类已探索的海洋只有5%，还有95%的海洋是未知的。
因为海洋面积远远大于陆地面积，故有人将地球称为“水球”。
四大洋在环绕南极大陆的水域即南极海（又称南部海）大片相连。
传统上，南极海也被分为三部分，分别隶属三大洋。
将南极海的相应部分包含在内，太平洋、大西洋和印度洋分别占地球海水总面积的46%、24%和20%。
重要的边缘海多分布于北半球，它们部分为大陆或岛屿包围。
最大的是北冰洋及其近海、亚洲的地中海（介于澳大利亚与东南亚之间）、加勒比海及其附近水域、地中海（欧洲）、白令海、鄂霍次克海、黄海、东海和日本海。
海水温度是反映海水热状况的一个物理量。
世界海洋的水温变化一般在-2~30℃之间，年平均水温超过20℃的区域占整个海洋面积的一半以上。
海水温度有日、月、年、多年等周期性变化和不规则的变化，它主要取决于海洋热收支状况及其时间变化。
一般来说，影响海洋表层水温的因素有太阳辐射、沿岸地形、气象、洋流等。
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℃的热水层，在海洋深处约600m以下的深层海水常年温度保持在2至8℃[1]。
海洋能源、资源的开发与利用，海洋与全球变化、海洋环境与生态的研究是人类维持自身的生存与发展，拓展生存空间，充分利用地球上这块最后的资源丰富的宝地的最为切实可行的途径。
海洋开发，需要获取大范围、精确的海洋环境数据，需要进行海底勘探、取样、水下施工等。
要完成上述任务，需要一系列的海洋开发支撑技术，包括深海探测、深潜、海洋遥感、海洋导航等。
深海是指深度超过6000m的海域。
世界上深度超过6000m的海沟有30多处，其中的20多处位于太平洋洋底，马里亚纳海沟的深度达11000m，是迄今为止发现的最深的海域。
OTEC（OceanThermalEnergyConversion）系统利用海水表深层间的温差驱动一个热功转换系统产生电能。
只要在温暖的水面和冰冷的深水之间温差达到大约20℃，OTEC系统就可产生巨大的驱动力。
海洋能源是一种巨大可更新资源，全世界海洋温差能的理论储量估计为100亿kW。
1.1.1海洋温差能资源储藏量估算方法
在南北纬30°这间的大部分海面，表层和深层海水之间的温差在20℃左右；如果在南、北纬20°海面上，每隔15km建造一个海洋温差发电装置，理论上最大发电能力估计为500亿kW。
赤道附近太阳直射多，其海域的表层温度可达25～28℃，波斯湾和红海由于被炎热的陆地包围，其海面水温可达35℃。
而在海洋深处500～1000m处海水温度却只有3～6℃。
有人估计，在全球范围为（1.3~3.0）×1024焦耳，相当于40~100万亿吨标准煤，大于全球煤炭的探明储量10万亿吨，数量十分庞大。
有关海洋温差能资源储量的计算方法主要有3种：
热容量法、暖水区降温法、当量法，其他还有以海洋太阳辐射净得热为温差能资源储量的计算方法。
各国学者对世界海洋温差能资源储量的计算结果，如表1所示。
表1海洋温差能资源储藏量计算方法
计算者
年份
计算方法
计算说明
理论功率（1012W）
可用功率（1012W）
J.D.IsaacsandR.J.Seymour
1973
全球海洋温差总功率
4×104
J.D.IsaacsandW.R.Schmitt
1980
全球海洋温差能和考虑卡诺效率后的功率
50
2
G.L.WickandW.R.Schmitt
1977
热容量法
全球海洋，取100米深海洋表层水和深度为400米的海水的平均温差为12℃，暖水厚100m，补充周期1000年，计算得可利用再生功率，卡诺效率取4%得最大可得电量功率
50
2
G.L.WickandW.R.Schmitt
1981
热容量法
表、深层温差达20℃的热带海区的全部热能，考虑卡诺效率得最大可得电量功率
40
20
高野健三
1979
（1）可利用的海洋温差能
（2）考虑到温差电厂排除冷却水会使海表层水温降低（以下降1℃为限），可用功率的妥当取值
（1）100~1000
（2）10
K.Stowe
1979
热容量法
海洋温差能总能量和考虑到中纬度的温跃层在一年内可以出现又可以消失，故取补充周期为1年，得温差能总功率
105
W.H.艾弗里
1983
暖水区温降法（海水蒸发热和入射的太阳热保持热平衡）
赤道以南、北暖水层水温26.7℃的海域，暖水层水温下0.556℃的可用热能，并考虑卡诺循环效率（2～3%），得到可发电量
10
C.Zener
1983
暖水区温降法（海水蒸发热和入射的太阳热保持热平衡）
赤道以南、北暖水层水温20℃的海域，暖水层水温下降1℃的可用热能，并考虑卡诺循环效率（2～3%），得到可发电量
60
表1中各计算结果存在较大偏差，究其原因表现在几个方面：
首先，计算方法均尚不成熟，有待进一步分析与考证；其次，关于海洋温差能计算的依据以及计算参数，如表、深层水温的选择范围、海洋热能补充周期、暖水层厚度等，存在很多的争议，导致海洋温差能资源储量的计算结果相差很大。
1.1.2海洋温差能开发历史及现状
迄今为止，海洋温差发电技术的研究在热动力循环的方式、高效紧凑型热交换器、工质选择以及海洋工程技术等方面均已取得长足的发展，很多技术已渐趋成熟：
（1）系统方面以闭式循环最为成熟，已经基本上达到商业化水准。
开式循环的主要困难是低压汽轮机的效率太低。
工质是闭式循环必须考虑的关键因素。
仅从性能角度出发，氨和R22是较为理想的工质，但从环保角度考虑，寻求新工质的努力仍在进行。
（2）热交换器是海洋温差发电系统的关键设备，它对装置的效率、结构和经济性有直接的重要影响。
热交换器性能的关键是它的型式和材料。
钛的传热及防腐性能良好，但是价格过于昂贵。
美国阿贡国家实验室的研究人员发现，在腐蚀性暖海水环境下，改进后的钎焊铝换热器寿命可以达到30年以上。
板式热交换器体积小，传热效果好、造价低，适合在闭式循环中采用[2]。
（3）最新的洛伦兹循环有机流体透平能在20~22℃温差下工作，适用于闭式循环装置中。
洛伦兹循环由两个等温过程和两个多变过程组成，是变温条件下的理想循环，它与卡诺循环都是可逆循环，但比后者更接近实际。
选择合适的工质，使工质与热源温度变化保持一致且温差最小，便得到接近洛伦兹循环的实际循环。
洛伦兹循环的特点是热效率高且接近实际工程，其透平采用两种以上氟利昂混合物作为工质，并配以适合的换热器。
（4）海洋温差发电有岸基型和海上型两类。
岸基型把发电装置设在岸上，把抽水泵延伸到500~1000m或更深的深海处。
日本1981年11月在瑙鲁修建的一座功率为100kW的岸基发电站即采有一条外径0.7m，长950m的聚乙烯管深入580m的海底抽取冷海水。
海上型是把吸水泵从船上吊下去，发电机组安装在船上，电力通过海底电缆输送。
海水型又分成浮体式（包括表面浮体式、半潜式、潜水式）、着底式和海上移动式三类。
1979年在夏威夷建成的“miniITEC”发电装置就安装在一艘海军驳船上，利用一根直径0.6m、长670m的聚乙烯冷水管垂直伸向海底吸取冷水。
海洋温差发电的概念是在1881年由法国人J.DArsonval提出的。
1926年，他的学生GClaudel首次进行了海洋温差能利用的实验室原理试验并于1926年6月在古巴坦萨斯海湾沿海建成了一座开式循环发电装置，输出功率22kw。
美国于1979年在夏威夷沿海建造了第一座Mini—OTEC50kw试验性海洋温差能转换电站，净功率达15kW，这是人类首次通过海洋温差能来得到有实用价值的电能。
1993年，在夏威夷建成了210kw的开式循环系统。
1981年日本电力公司（TEPCO）在瑙鲁共和国建造了一座全岸基的闭式循环电站并投入运行。
1982年，在日本国内建成了鹿儿岛县的德之岛50kW的温差试验电站。
1994年建成新型闭式循环的9kW试验设施。
印度政府将海洋温差能作为未来的重要能源之一进行开发，1997年印度国家海洋技术研究所与日本佐贺大学签订协议，共同进行印度洋海洋温差发电的开发，并准备在印度国内投资建立商业化的OTEC系统。
1999年，在印度东南部海上运转成功了世界上第一套1MW海洋温差发电实验装置[3]。
佐贺大学海洋能源研究中心在2002年被“2l世纪COH计划”选中后，在2003年建成了新的实验据点——伊万里附属设施。
目前正在利用30kw的发电装置进行实证性实验。
2005年，印度Kavaratti岛海水温差淡水生产设备，利用海水温差进行海水淡化满足了岛上淡水的需要。
中国的海洋温差能储量比较丰富，但研究工作起步晚。
20世纪80年代初，中国科学院广州能源研究所、中国海洋大学和天津国家海洋局海洋技术中心研究所等单位开始温差发电研究。
1986年广州研制完成开式温差能转换试验模拟装置，利用30℃以下的温水，在温差2O℃的情况下，实现电能转换。
1989年又完成了雾滴提升循环实验研究，有效提升高度达20m。
1989年，还对开式循环过程进行了实验室研究，建造了两座容量分别为l0W和60W的实验台。
台湾电力公司从1980年开始，对台湾岛东海岸的温差能资源进行了调查研究，并对花莲县的和平溪口、石梯坪和台东县的樟原等3个初选地址进行了自然环境条件调查研究评价和方案设计，曾计划1995年采用闭式循环建设一座4×104kW的岸式示范电站，由于台湾政府能源计划的导向问题而搁置，直到2005年因环境污染世界能源危机又逐渐受到重视，李远哲博士呼吁国人重视能源科技之开发，展开新一波的海洋温差发电开发任务。
2004~2005年，天津大学完成了对混合式海洋温差能利用系统理论研究课题，并就小型化试验用200W氨饱和蒸汽透平进行了研究开发。
国家海洋局第一海洋研究所在“十一五”期间重点开展了闭式海洋温差能利用的研究，完成了海洋温差能闭式循环的理论研究工作，并完成了250W小型温差能发电利用装置的方案设计，并于2012年成功建成了我国第一个15kw实用温差能发电装置。
作为千瓦级试验用温差发电装置，该项目填补了我国在此领域内的空白[4]。
尽管如此，在海洋温差能的开发过程中，也存在着一些问题，这些问题严重影响着海洋温能发电进行大规模的使用：
（1）由于海洋温差比较小（通常只有20~25℃的温差[5]），热力循环过程效率低（通常在3%至5%）。
（2）换热器防腐蚀和防生物附着。
由于在海水中，海洋温差系统中的换热器容易被海水腐蚀和海生物附着，发生腐蚀和生物附着后，换热器的换热效率就会大大降低。
同时如果为了防止腐蚀而选用抗腐蚀材料制作换热器又会大大增加换热器成本。
（3）氨透平的密封问题。
由于氨气是具有刺激性气味的有毒气体，在整个系统循环中应当尽量避免氨的泄漏。
而氨透平又是整个系统中带动电机速转动的设备，因此在保证氨透平内部静密封的密封性外，还必须保证其与电动机连接处的轴端密封能够很好地防止氨泄漏。
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