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关于海洋的ORC、Uehara循环以及Kalina循环热力性能分析朱仁娜（衢州学院机械工程学院，浙江衢州，32400）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。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循环的理论效率和实际效率和不同氨质量分数下的上原循环的理论效率和实际效率。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ORC,UeharacirculationonoceanandKalinacyclethermalperformanceanalysisZhuRen-na(CollegeofMechanicalEngineering,QuzhouUniversity,QuzhouZhejiang,324000)Abstract：ThistextintroducesthestatusandhistoryoftheOTEC.ItalsointroducesthetheoryofORCcycle，KalinacycleandtheUeharacycleandhowtochooseworkingmediuminORCcycle.ItanalyzesandcalculatestheefficiencyofORCcycleatthesameheatsourcetemperature,coldsourcetemperature,expanderefficiencyandpumpefficiencyandatdifferentworkingmediumandthetheefficiencyofORCcycleatdifferentexpanderefficiencyandhetheefficiencyofORCcycleatdifferentheatsourcetemperature.ItalsoanalyzesthetheoreticalefficiencyandtheactualefficiencyofKalinacycleatdifferentammoniamassfraction.ItalsoanalyzesthetheoreticalefficiencyandtheactualefficiencyofUeharacycleatdifferentammoniamassfraction..Keywords:OTEC、ORCcycle、Kalinacycle、Ueharacycle、cycleefficiency1、引言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”。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。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.Seymour1973全球海洋温差总功率4×104J.D.IsaacsandW.R.Schmitt1980全球海洋温差能和考虑卡诺效率后的功率502G.L.WickandW.R.Schmitt1977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502G.L.WickandW.R.Schmitt1981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4020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)10K.Stowe1979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105W.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热平衡）C.Zener1983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602、有机朗肯循环的原理常规的朗肯循环系统以水一水蒸汽作为工质，系统由锅炉、汽轮机、冷凝器和给水泵4组设备组成。工质在热力设备中不断进行等压加热、绝热膨胀、等压放热和绝热压缩4个过程，将高温高压水蒸汽的热能转化为机械能进而转化为电能。有机朗肯循环与常规的蒸汽朗肯循环类似，只是采用的是低沸点有机物作为工质。该循环系统由蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵组成，如图1所示。工质在蒸发器中从低温热源中吸收热量产生有机蒸汽，进而推动膨胀机做功，带动发电机发电，在膨胀机中做完功的乏气进入冷凝器中重新冷却为液体，由工质泵打入蒸发器，完成一个循环，如图4所示。理想的有机朗肯循环过程T-S图如图5所示。在正常工作时，工质处于稳定流动状态，循环各热力过程及能量关系如下[7]：(1)等压吸热过程(4—5—6—1)。有机工质在蒸发器中被余热流预热、蒸发、汽化，工质吸收的热量为：114-(kJ/kg)qhh(2)等熵膨胀过程(1—2s)。工质对外输出的功为：12-(kJ/kg)TsWhh(3)等压放热过程(2s一3)。由膨胀机排出的乏气进入冷凝器被冷却工质(一般为循环水)冷凝，工质放出的热量为：223(kJ/kg)sqhh(4)等熵压缩过程(3—4)。冷凝后的液体工质进入储液罐，通过工质泵升压并送至蒸发器，工质泵对工质做的功为：43-(kJkg)PWhh／则理想循环的热效率为：124314[]/()shhhhhh（）在实际的热力循环中，所有过程都是不可逆的。尤其是有机蒸汽在膨胀机内的膨胀过程与理想的等熵膨胀差别相当显著，所以实际的有机朗肯循环为1—2—3—4—5—6一1，如图6所示。实际循环的热效率为：124314[---]/(-)hhhhhh（）3、结语从本文中的计算可以发现，提高热源温度，提高膨胀机效率，选择合适的工质，选择更优秀的循环，都能够有效提高海洋温差能发电的循环效率。但是热源温度受到自然条件的影响，无法提高太多，而膨胀机效率一方面受限于现有机械技术，另一方面受限于成本，并且膨胀机效率最高也只能达到100%（事实上不可能达到）提升区间有限。因此，改善循环方式，提高循环效率是最有效的方式。从有机朗肯循环到Kalina循环和上原循环，理论效率已经从3.6%提高到了5.6%左右，虽然较传统发电方式的效率依然很低，但是进步也是巨大的，并且仍有巨大的提升潜力。虽然现有的海洋温差能发电系统存在着循环热源冷源温差小，循环效率低（理论循环效率最高只有5.5%左右，远低于传统发电方式）；换热器庞大，换热器防腐，海底电缆，海上平台等导致的设备成本高昂；控制系统复杂等导致了海洋温差能发电系统至今仍然难以大规模使用，还停留在小规模实验阶段。但是随着对循环和设备的改进，使得海洋温差能发电成本进一步降低，海洋温差能储量庞大，绿色环保的优点必然使海洋温差能发电必将进入千家万户。参考文献[1]王辉涛，王华.海洋温差发电有机朗肯循环工质选择[J].海洋工程，2009，27(2)：119-123.[2]刘伟民，陈风云.海洋温差能发电现状综述[c].中国可再生能源学会海洋能专业委员会第三届学术讨论会论文集，2010：185-194.[3]陈恩鉴.国外海洋能研究开发的现状及展望[J].新能源，1995，17(1)：16～21.[4]陈凤云，刘伟民，彭景平.海洋温差能发电技术的发展与展望[J].绿色科技，2012，11：246-248.[5]苏佳纯，曾恒一，肖钢，王建丰等.海洋温差能发电技术研究现状及在我国的发展前景[J].中国海上油气，2012，24(4)：84-97.[6]PLOCEKTJ,LABOYM,MARIJA,Oceanthermalenergyconversion:technicalviability,costprojectionsanddevelopmentstrategies[C].Houston:OffshoreTechnologyconference:2009[7]马新灵，孟祥睿，魏新利等.有机朗肯循环的热力学分析[J].郑州大学学报，2011，32(4)：94-97.[8]KalinaAI.Combinedcyclesystemwithnovelbottomingcycle[J].JournalofEngineeringforGasTurbinesandPower,1984(106):737[9]LazzeriL,DiottiF,BruzzoneM.ApplicationsofKalinacycletogeothermalapplications[C].AmericanPowerConference,1995.[10]OlssonEK,ThorinEB.Kalinacyclesforpowergenerationfromindustrialwasteheat[C].FlorenceWorldEnergyResearchSymposium,Florence,1994.[11]MariaJonsson,JinyueYan.Ammonia-waterbottomingcycles:acomparisonbetweengasenginesandgasdieselenginesasprimemovers[J].Energy,2001(26):31-44.