CN211116158U - 一种温差能联合循环系统 - Google Patents
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Abstract
本申请属于能源利用技术领域，特别是涉及一种温差能联合循环系统。尽管海洋温差发电的研究历经多年，但由于海洋温差小，目前大多海洋温差能热力发电系统的热效率较低。海洋表层海水温度在相同纬度时变化很小，因而系统温差主要受制于海洋表层海水温度，同时，又难以通过提高透平入口压力改善系统循环热效率。换句话说，单一热源很难提高海洋温差能热力发电循环系统的热效率。本申请提供了一种温差能联合循环系统，包括依次连接的冷凝器、循环泵、预热器、蒸发器和汽轮机，所述汽轮机与所述冷凝器相连接。利用太阳能集热可以大幅提高透平蒸汽入口温度和入口压力，进而提高系统性能。
Description
技术领域
本申请属于能源利用技术领域，特别是涉及一种温差能联合循环系统。
背景技术
在占地球面积71％的广袤海洋中，波浪能、潮汐能和海洋温差能等可再生清洁能源储量丰富。海洋温差能作为清洁能源，不消耗燃料，无排放污染物，分布范围广，储藏丰富，拥有巨大的利用潜力。据美国Scrips海洋研究所的艾萨克博士估计，海洋温差能的全球总量有4×1010MW。南海的海洋温差能占了我国总储量的90％，理论值为14.4×1021～15.9×1021J。海洋温差能发电(Ocean Thermal Energy Conversion,OTEC)的原理是利用表层温海水与深层冷海水的温差进行发电，通常采用有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle)。
人们对海洋温差能发电技术的研究历经100多年。法国科学家J.D Arsonval最早提出利用海洋温差能发电的设想，G.Claude最早进行了实验探索，他在古巴马坦萨斯湾沿海建成了1座开式循环发电电站。此后，国内外许多专家学者对海洋温差能进行了深入的研究。1964年，美国安德森父子提出一种新型循环——闭式循环，并在夏威夷建造了“mini-OTEC”，这是全球第1座具有净输出功率的闭式循环电站，该装置为漂浮式海洋温差能热力发电站，标称功率为50kW。1985年，卡琳娜教授设计了卡琳娜循环，该循环以氨水混合物为工质。日本佐贺大学实验室里的海洋温差能热力发电系统成功发出1kW电力。1993年，美国太平洋高技术研究国际中心研究员在夏威夷建成了210kW的岸基式开式循环海洋温差能热力发电站。在同一时期，日本佐贺大学上原春南教授设计了上原循环系统，且于实验室研制出能成功输出30kW电力的小型循环海洋温差能热力发电装置。2015年，Arcuri设计出LNG(LiquefiedNatural Gas液化天然气)——海洋温差能发电系统，该系统利用LNG气化过程中释放的大量冷量
驱动热力循环，将循环循环效率提高到了17.5％。
尽管海洋温差发电的研究历经多年，但由于海洋温差小，目前大多海洋温差能热力发电系统的热效率较低。通过热力学第一定律对有机朗肯循环的分析，发现影响蒸汽动力朗肯循环的重要参数是透平(涡轮机)的蒸汽入口压力、入口温度和凝汽器冷凝压力。海洋表层海水温度在相同纬度时变化很小，因而系统温差主要受制于海洋表层海水温度，同时，又难以通过提高透平入口压力改善系统循环热效率。换句话说，单一热源很难提高海洋温差能热力发电循环系统的热效率。
实用新型内容
1.要解决的技术问题
尽管海洋温差发电的研究历经多年，但由于海洋温差小，目前大多海洋温差能热力发电系统的热效率较低。通过热力学第一定律对有机朗肯循环的分析，发现影响蒸汽动力朗肯循环的重要参数是透平(涡轮机)的蒸汽入口压力、入口温度和凝汽器冷凝压力。海洋表层海水温度在相同纬度时变化很小，因而系统温差主要受制于海洋表层海水温度，同时，又难以通过提高透平入口压力改善系统循环热效率。换句话说，单一热源很难提高海洋温差能热力发电循环系统的热效率，本申请提供了一种温差能联合循环系统。
2.技术方案
为了达到上述的目的，本申请提供了一种温差能联合循环系统，包括依次连接的冷凝器、循环泵、预热器、蒸发器和汽轮机，所述汽轮机与所述冷凝器相连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述冷凝器与冷海水相连接，所述预热器与温海水相连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述蒸发器为太阳能集热器，所述太阳能集热器包括太阳能模块。
本申请提供的另一种实施方式为：所述冷凝器通过冷海水泵与所述冷海水相连接，所述预热器通过温海水泵与所述温海水相连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述温海水与所述冷海水的温差为20℃。
本申请提供的另一种实施方式为：所述循环系统基于有机朗肯循环作为基本动力循环。
本申请提供的另一种实施方式为：所述循环系统采用氨水混合物作为工质。
本申请提供的另一种实施方式为：所述汽轮机与发电机相连接。
3.有益效果
与现有技术相比，本申请提供的一种温差能联合循环系统的有益效果在于：
本申请提供的温差能联合循环系统，引入新的热源——太阳能。通过太阳能集热，可以使工质蒸发温度大大高于海洋表面温度，且工质相变主要发生在太阳能加热部分。
本申请提供的温差能联合循环系统，在有机朗肯循环闭式系统的基础上，加入了太阳能重热部分，利用太阳能的热量来使工质蒸发和过热，提供透平入口蒸汽的蒸发温度和蒸发压力。该仿真模型用蒸发器模块代表了太阳能集热模块，收集的太阳能热量相对固定，并且可以将工质加热到100℃以上。
本申请提供的温差能联合循环系统，利用太阳能集热可以大幅提高透平蒸汽入口温度和入口压力，进而提高系统性能。
附图说明
图1是本申请的一种温差能联合循环系统示意图；
图2是理想朗肯循环T-S图；
图3是本申请的温差能联合循环系统仿真模型；
图中：1-冷凝器、2-循环泵、3-预热器、4-蒸发器、5-汽轮机、6-发电机、7-冷海水泵、8-温海水泵。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
我国的海洋温差能研究起步较晚，目前主要有中国科学院广州能源研究所、天津大学、海洋局第一研究所等科研院所致力于这方面的研究。中国科学院广州能源研究所于上世纪80年代也开始了海洋温差能利用的研究，设计了雾滴提升循环，并于1991年在实验室成功将雾滴提高了21m高度，同时建成2座实验台。2008年，此研究所还建成了利用电厂蒸汽余热加热工质进行热循环的温差能发电装置用以进行模拟研究。2010年，天津大学致力于混合式温差能循环系统的开发，并用200W氨蒸汽汽轮机进行了理论研究和计算。我国国家海洋局第一海洋研究所于2012年成功建成了15kW闭式温差能发电装置，填补了我国在闭式循环领域的空白。
近年来，研究学者Yamada等人认为可以引入沿海工业余热或太阳能来增加系统温差。此外，Kim等人认为地热能或沿海核电厂余热能提高系统温差。本申请提出一种新的联合循环，通过引入新的热源，研究太阳能与海洋温差能的结合，以增加海洋温差能热力发电循环系统的温差，达到提高系统效率，优化系统的目的。
参见图1～3，本申请提供一种温差能联合循环系统，包括依次连接的冷凝器1、循环泵2、预热器3、蒸发器4和汽轮机5，所述汽轮机5与所述冷凝器1相连接。
该系统是以热能为输入，电能为输出，系统设备主要有冷凝器1、循环泵2、预热器3、蒸发器4和汽轮机5。系统的运行原理如图1所示，循环工质为氨水混合物。在冷凝器1到预热器3加压过程中，工质被压缩泵压缩，压力提高；预热器3到蒸发器4预热过程中，工质通过换热器与温海水交换热量，进而被加热到一定温度；蒸发器4到汽轮机5蒸发过热过程，在太阳能集热模块中，工质吸收模块聚集的太阳辐射能量达到蒸发状态并进一步加热至过热状态，变成过热蒸汽；汽轮机5到冷凝器1膨胀做功过程，过热蒸汽进入并驱动汽轮机转动，进而带动发电机发电；冷凝过程，蒸汽经过等熵膨胀后变成乏汽，然后在冷凝器中被冷海水冷凝，回到原点，完成循环过程。
进一步地，所述冷凝器1与冷海水相连接，所述预热器3与温海水相连接。
进一步地，所述冷凝器通过冷海水泵7与所述冷海水相连接，所述预热器通过温海水泵8与所述温海水相连接。
进一步地，所述蒸发器4为太阳能集热器，所述太阳能集热器包括太阳能模块。
利用太阳能模块来收集来自太阳的辐射能量，通过蒸发器4将来自预热器3的氨水混合物蒸发并加热至过热状态，蒸汽进入并驱动透平(涡轮机)转动，进而带动发电机6发电。蒸汽经过等熵膨胀后变成乏汽，然后被泵送到冷凝器1的冷海水冷凝，经过循环泵完成循环过程。
进一步地，所述温海水与所述冷海水的温差为20℃。
进一步地，所述循环系统基于有机朗肯循环作为基本动力循环。
进一步地，所述循环系统采用氨水混合物作为工质。
进一步地，所述汽轮机5与发电机6相连接。
海洋温差能热力发电系统是基于有机朗肯循环作为基本动力循环的一种热力发电系统。该系统的数学模型如图2——理想情况下朗肯循环的T-S图所示。
预热器从温海水吸收的能量Qp＝h3-h2 (1)
太阳能集热器供给蒸发器的太阳能：Qs＝h5-h3 (2)
膨胀机做功：WT＝mwf(h5-h6) (3)
乏汽放出热量：Qf＝h6-h1 (4)
水泵做功：Wp＝∫υdp＝υ(p2-p1) (5)
循环热效率ηth：
利用STEAG公司开发的热力发电系统仿真分析软件Ebsilon模拟联合循环。系统模型采用氨水混合物作为工质，在有机朗肯循环闭式系统的基础上，加入了太阳能重热部分，利用太阳能的热量来使工质蒸发和过热，这样可以提供透平入口蒸汽的蒸发温度和蒸发压力。需要指出的是，该仿真模型用蒸发器模块代表了太阳能集热模块，假设收集的太阳能热量相对固定，并且可以将工质加热到100℃以上。
太阳能——海洋温差能联合热发电循环系统。由于海洋中不同层的海水的温差小，比如冷海水一般从海平面以下500～1000m的深部抽取，这样温海水与冷海水的温差在20℃左右。根据理想卡诺循环，在20℃的温差值中，系统最大效率仅为8.25％。因而，目前单一循环海洋温差能热力发电系统的热效率较低。通过利用太阳能集热可以提高循环中透平的入口温度和入口压力，既提高了系统的温差，进而提高系统效率和净功率。
通过仿真分析技术得出系统的最佳运行工况为：蒸发温度为150℃，蒸发压力为45bar，冷凝压力为5bar。在海洋温差为20℃时，相比于单工质循环效率3％和非共沸氨水朗肯循环效率6％，温差能联合热发电循环系统效率最大可为24.719％。且系统的最大净功率284.915kW。
尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。
Claims (8)
1.一种温差能联合循环系统，其特征在于：包括依次连接的冷凝器、循环泵、预热器、蒸发器和汽轮机，所述汽轮机与所述冷凝器相连接。
2.如权利要求1所述的温差能联合循环系统，其特征在于：所述冷凝器与冷海水相连接，所述预热器与温海水相连接。
3.如权利要求2所述的温差能联合循环系统，其特征在于：所述冷凝器通过冷海水泵与所述冷海水相连接，所述预热器通过温海水泵与所述温海水相连接。
4.如权利要求2所述的温差能联合循环系统，其特征在于：所述温海水与所述冷海水的温差为20℃。
5.如权利要求1所述的温差能联合循环系统，其特征在于：所述蒸发器为太阳能集热器，所述太阳能集热器包括太阳能模块。
6.如权利要求1～5中任一项所述的温差能联合循环系统，其特征在于：所述循环系统基于有机朗肯循环作为基本动力循环。
7.如权利要求6所述的温差能联合循环系统，其特征在于：所述循环系统采用氨水混合物作为工质。
8.如权利要求6所述的温差能联合循环系统，其特征在于：所述汽轮机与发电机相连接。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN112682284A (zh) * | 2020-12-01 | 2021-04-20 | 中国船舶重工集团公司第七0三研究所 | 一种利用沙漠温差能发电系统 |
| CN112682283A (zh) * | 2020-12-01 | 2021-04-20 | 中国船舶重工集团公司第七0三研究所 | 一种基于储能的沙漠昼夜温差能发电系统 |
| CN113294307A (zh) * | 2021-06-20 | 2021-08-24 | 山东电力研究院 | 一种波浪能辅助温差能发电系统 |
| CN114776412A (zh) * | 2022-05-31 | 2022-07-22 | 西安热工研究院有限公司 | 汽轮机循环水余热与海洋温差能综合利用发电系统及方法 |
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2019
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