海底黑鍋爐海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能分析

海底黑鍋爐海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能分析

0混合式系統(tǒng)傳統(tǒng)的海上溫差發(fā)電系統(tǒng)以約25的水溫為水源，以約600.100m的海上淡水為冷源，通過電機進行循環(huán)和發(fā)電。循環(huán)方式包括三種類型：開放式系統(tǒng)、開放式系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。開式系統(tǒng)以閃蒸得到的水蒸氣為工質(zhì),同時可以得到淡水,但是由于熱源溫度太低,冷熱源溫差太小,所以傳統(tǒng)的開式海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)的熱效率很低,汽輪機尺寸很大。由于閃蒸率很低,所以為了達到一定的汽輪機容量,就須提高閃蒸器的熱水流率,導(dǎo)致熱水泵功耗過大。為了提高循環(huán)效率,減小汽輪機尺寸,目前主要采用以低沸點物質(zhì)(如氨、氟利昂、丙烷等)為工質(zhì)的閉式循環(huán)系統(tǒng),但是由于蒸發(fā)器和凝汽器采用表面式換熱器,導(dǎo)致這一部分體積巨大,金屬材料消耗量大,維護困難?；旌鲜较到y(tǒng)是介于兩者之間的一種系統(tǒng)。1977年,美國的阿爾文號深潛器在東太平洋約2500m深的加拉帕格斯裂谷發(fā)現(xiàn)了海底黑煙囪。海底黑煙囪是海底地?zé)岬囊环N形式,全世界已陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了150余處海底黑煙囪硫化物分布區(qū),主要分布在世界各大洋中脊附近,一般位于2000~3000m的海底深處。在海底黑煙囪出口處熱流溫度為200~400℃,并在其周圍形成了一個溫度為0~400℃,高100~300m,蔓延幾千米到幾十千米的溫度漸變梯度流場~。由于海底黑煙囪具有較高的溫度和壓力,所以如果將其作為熱力循環(huán)的熱源,則其溫度、壓力和溫差大大高于海洋表層25℃左右的溫水,可以有效提高熱力循環(huán)效率、減小汽輪機尺寸、減小蒸發(fā)器和冷凝器負荷,這對海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)是十分有利的。1打開循環(huán)系統(tǒng)的加熱分析開式循環(huán)系統(tǒng)工作原理如圖1所示。1.1飽和溫度和工壓閃蒸器入口熱媒參數(shù):壓力為25MPa,溫度為200℃,根據(jù)水蒸氣焓-熵可知,其焓為862.71kJ/kg。取汽輪機入口飽和水蒸氣壓力為0.12MPa(即閃蒸壓力為0.12MPa),飽和溫度為104.81℃,焓為2683.26kJ/kg;汽輪機出口乏汽壓力取872.5Pa(5℃)。1.1.1蒸汽干度和質(zhì)量流量計算(1)汽輪機出口濕蒸汽焓的計算已知0.12MPa飽和水蒸氣的熵為7.2978kJ/kg,則等熵透平情況下汽輪機出口濕蒸汽的熵也為7.2978kJ/kg。根據(jù)s=s′+x(s″-s′),可得出口濕蒸汽的干度為0.81;根據(jù)公式h=h′+x(h″-h′)可知,汽輪機出口乏汽的焓為2036.86kJ/kg。(2)蒸汽質(zhì)量流量由上面計算可知,水蒸氣的焓降為646.4kJ/kg,若汽輪機容量為100kW,則理想情況(等熵透平)下,所需蒸汽質(zhì)量流量為100/646.4=0.155kg/s。(3)熱力循環(huán)效率熱力循環(huán)效率為1.1.2閃蒸器飽和熱水sbq(1)閃蒸器的閃蒸率閃蒸器的閃蒸率計算公式:式中:x———閃蒸率;hrs———未飽和水焓,kJ/kg;hbs———閃蒸壓力下的飽和水焓,kJ/kg;hbq———閃蒸壓力下的飽和汽焓,kJ/kg。由該公式解得閃蒸器的閃蒸率為0.189,所以閃蒸器飽和熱水的質(zhì)量流量為0.665kg/s。(2)熱水泵功率水泵功率p=質(zhì)量流量×揚程×重力加速度1000/效率,所以若取水泵效率為100%,則p=16.23kW。1.1.3抗疲勞因為872.5Pa(5℃)飽和水的焓為8.39kJ/kg,所以冷凝器的負荷為314.4kW。1.1.4熱水質(zhì)量流量若設(shè)深海冷水溫升為5℃,即溫度變化為0~5℃,則冷水質(zhì)量流量=冷凝器負荷/(溫差×水的比熱)=15kg/s;若取換熱器的阻力損失為98kPa,則理想情況下冷水泵功耗p=1.47kW。1.1.5循環(huán)凈化劑通過計算得開式循環(huán)系統(tǒng)凈功Wo=82.3kW。將上面求得的各主要參數(shù)列于表1第1行。1.2飽和溫度對關(guān)特性的影響保持熱源高溫海水和冷源低溫海水的狀態(tài)參數(shù)不變,改變汽輪機進口蒸汽壓力(即閃蒸壓力),則各相關(guān)參數(shù)將發(fā)生較大的變化。現(xiàn)取汽輪機入口飽和水蒸氣壓力為0.5MPa(即閃蒸壓力為0.5MPa),則飽和溫度為151.9℃,焓為2748.59kJ/kg;汽輪機出口乏汽壓力不變,仍為872.5Pa(5℃)。按照1.1節(jié)介紹的方法,將求得的各主要參數(shù)列于表1第2行。1.3生成機組的狀態(tài)參數(shù)若改變熱源高溫海水的溫度,取閃蒸器入口熱媒壓力為25MPa,溫度為140℃,則此過冷水的焓為605.46kJ/kg。保持汽輪機入口飽和水蒸氣和出口乏汽的狀態(tài)參數(shù)不變,汽輪機入口飽和水蒸氣壓力仍為0.12MPa(即閃蒸壓力為0.12MPa),飽和溫度為104.81℃,焓為2683.26kJ/kg,汽輪機出口乏汽壓力仍為872.5Pa(5℃)。將求得的各主要參數(shù)列于表1第3行。1.4熱水泵能耗結(jié)果分析表1中數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論。(1)比較表1的第1行和第2行數(shù)據(jù)可以看出,閃蒸壓力提高以后,系統(tǒng)循環(huán)熱效率提高,冷凝器負荷和冷水泵功耗降低,這對系統(tǒng)的設(shè)計是有利的。但是閃蒸率的降低,導(dǎo)致了熱水泵功耗的增加,這是因為在汽輪機容量不變的情況下,熱水泵的質(zhì)量流量與汽輪機容量相比有較大的增加,熱水泵功耗的增加導(dǎo)致了系統(tǒng)循環(huán)凈功的降低。(2)從表1的第1行和第3行數(shù)據(jù)可以看出,在熱媒壓力保持不變的情況下,降低熱媒的溫度,會導(dǎo)致閃蒸率大大降低,這是因為熱媒焓值降低較多。由于閃蒸率降低較多,導(dǎo)致熱水泵功耗增幅較大,循環(huán)凈功大大降低,所以熱媒溫度的降低對系統(tǒng)的運行是十分不利的。(3)無論哪種情況,熱水泵的功耗都很大,主要原因是整個系統(tǒng)在設(shè)置方式上是按照底式設(shè)計的,閃蒸器外部壓力很高,導(dǎo)致熱水泵的揚程過大,從而使得熱水泵的功耗很大。2用純氨為工作單元的封閉循環(huán)系統(tǒng)進行加熱分析閉式循環(huán)系統(tǒng)工作原理如圖2所示,氨的物性參數(shù)值均由REFPROP計算確定。2.1計算熱參數(shù)的參數(shù)與其他有機工質(zhì)相比,氨在經(jīng)濟性和熱傳導(dǎo)性等方面有突出優(yōu)點,所以選用氨作為閉式系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì),循環(huán)方式為朗肯循環(huán),循環(huán)溫-熵圖見圖3。2.1.1參數(shù)確定取汽輪機入口飽和氨氣壓力為2.034MPa(飽和溫度為50℃)(此狀態(tài)比焓最大);汽輪機出口乏汽壓力為0.516MPa(5℃)。2.1.2氨氣質(zhì)流量m由圖3可知,汽輪機入口飽和氨氣的焓h3=1491.07kJ/kg,汽輪機出口濕氨氣的焓h4=1320.07kJ/kg,干度為0.88,所以氨氣的焓降了171kJ/kg。汽輪機容量為100kW,則理想情況(等熵透平)下,所需氨氣質(zhì)量流量m觶=0.585kg/s。已知氨泵消耗軸功ws·p=h1-h5=v5(p4-p5),計算得氨泵功耗為1.41kW,則氨吸收的熱量q1=h3-h5-ws·p,經(jīng)計算得氨吸收的熱量q1為1265.46kJ/kg,所以系統(tǒng)循環(huán)熱效率:2.1.3制暖負荷蒸發(fā)器的熱負荷等于氨吸收的總熱量,即2.1.4高溫海水淡化水溫度設(shè)蒸發(fā)器入口熱媒溫度為200℃,假如出口溫度為100℃,則焓降ΔHh=862.71-437.85=424.86kJ/kg(已知P=25MPa,t=100℃,過冷水的焓為437.85kJ/kg),所以高溫海水的質(zhì)量流量Dh=Q1/ΔHh=1.742kg/s。設(shè)泵的效率為100%,蒸發(fā)器的壓力損失為98kPa~,據(jù)水泵的軸功功率公式可得熱水泵的功耗為0.17kW。2.1.5制冷負荷冷凝器的熱負荷。2.1.6熱水質(zhì)量流量設(shè)深海冷水溫升Δt=5℃,即深海冷水溫度變化為0~5℃,則冷水質(zhì)量流量D1=Q2/(Δt×c)=31kg/s;若取冷凝器的阻力損失為98kPa,經(jīng)計算得冷水泵功耗為3.04kW。2.1.7循環(huán)凈化劑通過計算得閉式循環(huán)系統(tǒng)凈功Wo=95.38kW。將求得的各主要參數(shù)列于表2第1行。2.2壓力的壓力保持熱源高溫海水和冷源低溫海水的狀態(tài)參數(shù)不變,提高汽輪機入口飽和氨氣的壓力。取汽輪機入口飽和氨氣壓力為6.2553MPa(飽和溫度為100℃),汽輪機出口乏汽壓力保持不變,仍為0.516MPa(5℃)。按照2.1節(jié)介紹的方法,求得各主要熱力參數(shù),列于表2第2行。2.3壓力下的動力循環(huán)保持熱源高溫海水和冷源低溫海水的狀態(tài)參數(shù)不變,同時保持汽輪機入口氨氣壓力不變(2.034MPa),但將其溫度由50℃提高到100℃,這樣汽輪機入口氨氣就由飽和狀態(tài)變?yōu)檫^熱狀態(tài),而汽輪機出口乏汽壓力保持不變,仍為0.516MPa(5℃),相應(yīng)的動力循環(huán)溫-熵圖如圖4所示。同樣按照2.1節(jié)介紹的方法,求得各主要相關(guān)參數(shù),列于表2第3行。2.4透平出口顯色系統(tǒng)的指標之一對表2進行分析,可以得出如下結(jié)論。(1)比較表2第1行和第2行的數(shù)據(jù)可知,當(dāng)提高透平入口飽和氨氣的壓力后,系統(tǒng)循環(huán)熱效率有較大的提高;蒸發(fā)器、冷凝器和總泵功耗都有較大幅度的下降,系統(tǒng)循環(huán)凈功也有所增加。第2行的參數(shù)中干度值較小,這對汽輪機的正常工作是不利的,可以通過再熱方式來提高透平出口乏汽干度。(2)比較表2第1行和第3行的數(shù)據(jù)可知,當(dāng)保持透平入口氨氣的壓力不變,提高其溫度,即氨氣由飽和狀態(tài)變?yōu)檫^熱狀態(tài),系統(tǒng)循環(huán)熱效率稍有提高;蒸發(fā)器、冷凝器和總泵功耗都稍有下降,系統(tǒng)循環(huán)凈功也稍有增加;第3行數(shù)據(jù)中氨氣溫升較大,導(dǎo)致蒸發(fā)器換熱面積增加很多,這對汽輪機的正常工作是十分不利的。(3)比較表2中第2行和第3行的數(shù)據(jù)可知,在透平入口氨氣溫度保持不變的情況下,適當(dāng)提高其壓力更有利于系統(tǒng)的運行,但具體采用多高的溫度和壓力,須要綜合分析和優(yōu)化。4冷凝器負荷對比(1)由于開式循環(huán)的熱水泵功耗太高,所以與閉式循環(huán)相比,其循環(huán)凈功太小,通過大幅度降低熱水泵的揚程,可提