CN112664418B - 一种闭式海洋温差能发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种闭式海洋温差能发电系统，包括温海水输送机构、蒸发器、汽轮机、乏汽工质管道、液态工质管道和换热盘管，换热盘管设置于深层冷海水区，换热盘管一端与乏汽工质管道一端相连接，乏汽工质管道另一端与汽轮机相连接，乏汽通过乏汽工质管道输送至换热盘管内与冷海水进行热交换形成饱和液态工质，换热盘管另一端与液态工质管道一端相连接，液态工质管道另一端与蒸发器相连接，液态工质管道上设置有工质泵，蒸发器与汽轮机相连接，过热蒸汽在汽轮机中做功形成乏汽，蒸发器与温海水输送机构相连接。采用上述结构的一种闭式海洋温差能发电系统，降低系统循环所需消耗的泵功，提高发电效率。

Description

一种闭式海洋温差能发电系统
技术领域
本发明涉及海洋温差发电技术领域，尤其是涉及一种闭式海洋温差能发电系统。
背景技术
自上世纪20年代人们就开始了对海洋温差能开发利用的探索，并根据朗肯循环的原理对不同规模的海洋温差能发电系统进行了实验测试和实际投产。根据所用工质及流程的不同，海洋温差能发电系统的主要形式有三种，分别为开式循环系统、封闭式循环系统及混合式循环系统，目前最常用的系统为封闭式循环系统。
在封闭式循环系统中，工质的循环依旧以朗肯循环作为基础，但工质由水换成了低沸点工质如R134a，高温热源和低温热源分别换成了海洋表面的温海水和在海下一定深度处的冷海水。海洋表面的温海水由温海水泵升压通过温海水管道进入蒸发器，在蒸发器中与工质R134a进行换热，R134a在蒸发器S中定压吸热，由过冷液态分别经过饱和液状态、饱和蒸汽状态最终变为过热蒸汽。过热蒸汽在汽轮机T内绝热膨胀做功，从汽轮机排出的做过功的乏汽在冷凝器内定压向冷海水放热，冷凝为饱和液态，这一过程是定压过程同时也是定温过程。冷海水在海下1000m左右的深度处获得，经过布置了保温层的冷海水管道，由冷海水泵送至冷凝器中，与乏汽进行定压换热。凝结后的工质在给工质泵内经历绝热过程，压力升高后的未饱和液体再次进入蒸发器完成循环。
因为温海水和冷海水的温差较小，所以循环的热效率较低。为了增大循环的热效率，就要增加温差，为达到这一目的，海洋温差能发电系统通常设置在海洋表面温度较高的地区并且在设备允许的范围内尽可能从更深的海洋深度处获取冷海水，并通过加装了保温层的管道送至海面上的冷凝器中。从海下相当深的深度处获取冷海水，要求有足够长的管道和能提供足够能量的升压泵。深度越深，冷海水管道越长，意味着海水在管中流动的沿程阻力损失越大。这就导致了需要消耗相当可观的发电系统产生的电能用以获得冷海水，这一过程大大降低了海洋温差能发电系统的发电效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种闭式海洋温差能发电系统，降低系统循环所需消耗的泵功，提高发电效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种闭式海洋温差能发电系统，包括温海水输送机构、蒸发器以及汽轮机，还包括乏汽工质管道、液态工质管道和换热盘管，所述液态工质管道设置有保温层，所述换热盘管设置于深层冷海水区，所述换热盘管一端与乏汽工质管道一端相连接，所述乏汽工质管道另一端与所述汽轮机相连接，做功后的乏汽通过乏汽工质管道输送至换热盘管内与冷海水进行热交换形成饱和液态工质，所述换热盘管另一端与所述液态工质管道一端相连接，所述液态工质管道上设置有工质泵，所述液态工质管道另一端与所述蒸发器相连接，经过工质泵升压后的未饱和液态工质在蒸发器中与温海水进行热交换形成过热蒸汽，所述蒸发器与汽轮机相连接，过热蒸汽在所述汽轮机中做功形成乏汽，所述蒸发器与所述温海水输送机构相连接。
优选的，所述温海水输送机构包括取水管道、排水管道以及温海水泵，所述温海水泵设置于所述取水管道上，所述取水管道和所述排水管道均与所述蒸发器相连接。
优选的，工质为有机工质R134a。
优选的，所述液态工质管道的管径小于所述乏汽工质管道的管径。
因此，本发明采用上述结构的一种闭式海洋温差能发电系统，用换热盘管代替冷凝器进行工质与冷海水的换热，并且布置位置由原本的海面以上的位置移至海面下相应深度处，取消了冷凝器和冷海水泵及管道的布置，降低了系统循环所需要消耗的泵功，提高海洋温差能发电系统的发电效率。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种闭式海洋温差能发电系统的结构示意图；
图2为本发明的R134a朗肯循环T-s图；
图3为传统海洋温差能发电系统的结构示意图；
附图标记
1、温海水输送机构；11、取水管道；12、排水管道；13、温海水泵；2、蒸发器；3、汽轮机；4、乏汽工质管道；5、液态工质管道；6、换热盘管；7、保温层；8、工质泵。
具体实施方式
实施例
图1为本发明一种闭式海洋温差能发电系统的结构示意图，图2为本发明的水蒸气朗肯循环T-s图，一种闭式海洋温差能发电系统包括温海水输送机构1、蒸发器2、汽轮机3、乏汽工质管道4、液态工质管道5和换热盘管6。温海水输送机构1包括取水管道11、排水管道12以及温海水泵13，温海水泵13设置于取水管道11上，取水管道11和排水管道12均与蒸发器2相连接。液态工质管道5设置有保温层7，本实施例工质为有机工质R134a，R134a的粘度是水的粘度的10倍左右，且R134a为潜热换热，海水为显热换热，使得R134a所需流量小于海水流量。大大减小输送阻力，换热盘管6设置于深层冷海水区，换热盘管6一端与乏汽工质管道4一端相连接，乏汽工质管道4另一端与汽轮机3相连接，做功后的乏汽通过乏汽工质管道4输送至换热盘管6内与冷海水进行热交换形成饱和液态工质，换热盘管6另一端与液态工质管道5一端相连接，液态工质管道5上设置有工质泵8，液态工质管道5另一端与蒸发器2相连接，由于温度和压力会影响分子运动的剧烈程度，在其他条件相同的情况下，温度越高，分子运动越剧烈，压力越小，分子运动越剧烈。饱和液体即为分子由液态转变为气态的速率与气态转变为液态的速率相等，可理解为分子热运动的剧烈程度处于一个固定的值，因此饱和压力和饱和温度应为一一对应的关系。饱和液体经过工质泵8升压后，温度几乎维持不变，此时分子热运动由于压力升高而减缓，因此分子由液态转变为气态的速率小于由气态转变为液态的速率，此时即为未饱和液体。经过工质泵8升压后的未饱和液态工质在蒸发器2中与温海水进行热交换形成过热蒸汽，工质经工质泵8升压后，由于压力升高，之后的蒸发过程需要以更高的温度使其达到饱和状态，即工质在更高的温度下蒸发。因此工质升压后可以相应提高蒸发温度，增大整个循环的换热温差，进而增大循环的热效率。蒸发器2与汽轮机3相连接，过热蒸汽在汽轮机3中做功形成乏汽，蒸发器2与温海水输送机构1相连接。工质在向下流动时为做功后的乏汽，需要到换热盘管6中进行冷凝，乏汽工质管道4对保温性能要求较低，在乏汽输送过程中和海水进行热交换，可减少工质在换热盘管6与冷海水的换热量，进而可以减少换热盘管6的换热面积与长度。工质在向上流动时为饱和液体的状态，为避免发生工质泵8的汽蚀以及降低循环的热效率，液态工质管道5对保温层7的要求高，用于减少工质在流过工质泵8进入蒸发器2前与表面温海水的换热，液态工质管道5的管径小于乏汽工质管道4的管径。
图3为传统海洋温差能发电系统的结构示意图，传统的海洋温差能发电系统通常设置在海洋表面温度较高的地区并且在设备允许的范围内尽可能从更深的海洋深度处获取冷海水，并通过加装了保温层的管道送至海面上的冷凝器中。从海下相当深的深度处获取冷海水，要求有足够长的管道和能提供足够能量的升压泵。深度越深，冷海水管道越长，意味着海水在管中流动的沿程阻力损失越大。这就导致了需要消耗相当可观的发电系统产生的电能用以获得冷海水，这一过程大大降低了海洋温差能发电系统的发电效率。
下面以以1MW海洋温差能发电系统为例，取液态工质管道5的管径为30cm，乏汽工质管道的管径为60cm。管径越大，相同流量下流体在管内的流动速度越慢，沿管道输送流体的沿程阻力会大大降低。经过计算得到原方案中泵送冷海水需要消耗的泵功为94124W，而本方案中泵送工质所需要消耗的泵功为37909W，相比原有技术方案采用65cm管径的冷海水管道进行泵水，同样均设置到海下1000m的位置，本技术方案的消耗泵功仅为原方案泵送冷海水消耗泵功的40.3％。由此可以看出，本方案中液态工质管道5管径较小时，便可达到预期效果，即节省系统运行的泵功消耗。
因此，本发明采用上述结构的一种闭式海洋温差能发电系统，用换热盘管代替冷凝器进行工质与冷海水的换热，并且布置位置由原本的海面以上的位置移至海面下相应深度处，取消了冷凝器和冷海水泵及管道的布置，降低了系统循环所需要消耗的泵功，提高海洋温差能发电系统的发电效率。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种闭式海洋温差能发电系统，包括温海水输送机构、蒸发器以及汽轮机，其特征在于：还包括乏汽工质管道、液态工质管道和换热盘管，所述液态工质管道设置有保温层，所述换热盘管设置于深层冷海水区，所述换热盘管一端与乏汽工质管道一端相连接，所述乏汽工质管道另一端与所述汽轮机相连接，做功后的乏汽通过乏汽工质管道输送至换热盘管内与冷海水进行热交换形成饱和液态工质，所述换热盘管另一端与所述液态工质管道一端相连接，所述液态工质管道的管径小于所述乏汽工质管道的管径，所述液态工质管道上设置有工质泵，所述液态工质管道另一端与所述蒸发器相连接，经过工质泵升压后的未饱和液态工质在蒸发器中与温海水进行热交换形成过热蒸汽，所述蒸发器与汽轮机相连接，过热蒸汽在所述汽轮机中做功形成乏汽，所述蒸发器与所述温海水输送机构相连接。
2.根据权利要求1所述的一种闭式海洋温差能发电系统，其特征在于：所述温海水输送机构包括取水管道、排水管道以及温海水泵，所述温海水泵设置于所述取水管道上，所述取水管道和所述排水管道均与所述蒸发器相连接。
3.根据权利要求1所述的一种闭式海洋温差能发电系统，其特征在于：工质为有机工质R134a。
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