海洋温差能液力发电系统的制作方法

本发明涉及一种海洋温差能液力发电系统，属于海洋温差发电(Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC)技术领域。

背景技术：

海洋温差发电(Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC)技术是利用热带及亚热带海洋表层和深层海水间存在的温差发电。海洋温差能十分稳定，无明显的昼夜变化，不排放二氧化碳或其他污染物质，而且可以获得淡水，因而有可能成为解决全球变暖和缺水这些21世纪最大环境问题的有效手段 [1]。世界海洋全年平均水温超过20℃的区域占整个海洋面积的一半以上，我国东海和南海是非常优质的海洋能源区。一般海洋表层与350米深处的恒温层有>16℃的温差，热带海域温差可达到25℃。海面垂直向下0～100米属于均匀层，温度变化微弱；在100～200米是温跃层，水温快速下降；在水深350米左右处有一恒温层，温度在6～4℃，然后随深度增加，水温逐渐下降（每深1000米，约下降1℃～2℃）。目前，从深海抽取冷海水到海面与表层温海水配合发电的泵送系统已经成熟，冷海水从深度几百米深海输送到海洋表面的温降可以控制在1度以内，所以长距离输送基本不影响海洋温差发电效果。

从1881年法国人达松伐耳提出海洋温差发电的设想到现在有130多年的发展历史，海洋温差发电技术取得较大进展，重要的进展如下[2]：1926年法国物理学家G. Claude开始海洋温差能的实验，他在1929年首次在古巴马但萨斯海湾沿海建成了一座开式循环发电装置，发电输出功率22KW，但因水泵耗功太大，没有净电能输出而失败。1964美国科学家J.H. Anderson等人构想了一种新的闭式循环“海洋温差能转换”OTEC发电站。1973年在能源危机的推动下，日本和美国都开展了相关的基础研究。1974年日本将OTEC研究列入“阳光计划”。同年，美国能源研究与发展管理局（ERDA现能源部前身之一）成立了夏威夷官方自然能源实验室，开展了对OTEC的研究。1977年日本佐贺大学在实验室成功发出1KW电力。1979年世界上第一个具有净功率输出的OTEC装置在美国夏威夷建成，是50KW漂浮式OTEC电站。1980年美国又建造了另一座漂浮式OTEC电站，理论发电功率1MW，主要用于示范和测试研究，没有安装透平发电。1980年日本佐贺大学进行了OTEC海试实验，1981年东京电力公司在瑙鲁建立岸基OTEC电站，成功测试了发电功率可达到120KW。1982年九州电力公司在日本鹿儿岛县徳之岛建立岸基OTEC电站，成功测试发电功率50KW。1985年美国Kalina教授发明设计了采用氨和水混合物为工质的热循环系统。1988年日本OTEC协会成立。1990年日本在鹿儿岛县冰永良部岛建立了1MW的岸基闭式电站，除利用温差能发电外，还用于水产养殖和空调。1993年美国在夏威夷建成了210KW的岸基开式循环OTEC电站，发电同时还可生产淡水，但是因占地且不能盈利在1999年拆除。1994年日本佐贺大学上原春男教授发明了上原循环系统。2001年印度国家海洋技术所开始建造1MW的漂浮闭式循环OTEC示范电站。2005年，海洋温差能推广组织（简称OPOTEC）在日本佐贺成立。2005年，印度国家海洋技术所在卡瓦拉蒂岛建造了日产100立方淡水的岸基闭式循环电站。2009年，美国政府拨出1.48亿美元专款支持洛克希德马丁公司开发OTEC关键组件和完善实验电厂方案设计，并成功建造了位于美国维吉利亚州马拉萨斯的2～4MW测试装置，在可变状态下进行模拟试验，实际输出功率40KW，并在2011年在夏威夷州柯纳建立了40KW实验电厂投入运营。

经过130多年的研究探索和技术发展，海上浮台式和岸基式发电厂所需要的基础技术有很大进展，例如平台技术、平台定位技术、热交换器技术、平台接口技术、冷水管技术、海底电缆技术、泵与涡轮技术、整体装置集成技术等都已经达到较好的可用水平。

然而OTEC技术在原理方面一直没有新进展，缺乏原创性创新和改进，所以OTEC发电成本高、效率低的根本缺陷一直难以克服。截止目前，所有OTEC发电实验和研究装置仍然采用朗肯循环、兰金循环、Kalina循环及其衍生的原理方法，特点总结如下：（1）闭式循环(中间介质法)是使用低沸点物质，如氨、氟里昂等工质，在封闭回路中完成兰金循环。其特点是，系统处于正压下，工质蒸汽密度大，体积流量小，通流部分尺寸不致过大。但其蒸发器和凝汽器须用表面式换热器，体积巨大而功率小，相对维护困难。 （2）开式循环(闪蒸法或扩容法)以海水为工质，凝结水不返回循环中。其闪蒸器和凝汽器可使用混合式换热器，结构简单，维护方便。若用表面式凝汽器，则可副产淡水。虽然开放式系统的能源转换效率高于封闭式系统,但因低压涡轮机的效率不确定,以及水蒸气之密度与压力均较低,故发电装置容量较小,不太适合大容量发电。但低温水蒸气饱和压力极低，比容巨大，通流部分尺寸过大。 （3）混合循环基本与闭式循环相同，但用温海水闪蒸出来的低压蒸汽来加热低沸点工质。海洋温差电站可分为岸基电站和船式漂浮电站。离岸5公里内水深达千米、温差达18℃的海域可建立陆基电站，深海冷水取水管是其关键工程问题。 （4）文献[1]还提出混合式海洋温差发电系统，主要由动力系统、海水管路系统与厂房基础结构系统构成。动力系统分为蒸发器、太阳能集热器、冷凝器、工作流体、涡轮发电机与泵6个部分。利用太阳能对于增大温差有利，但是脱离了海洋能的稳定性，对于关键部分没有创新。

在能源转换效率和利用方面，朗肯和金兰循环发电系统在理论上转化率不高于2.9%，利用加倍复杂的Kalina循环原理在理论上的转化效率极限可以达到4.5～5.0%，如果除掉系统运转需要的能量消耗，净输出效率往往不足2%。由于所用的氨水等工质对材料腐蚀性特别强，换热器等核心组成必须使用钛制造，造价昂贵，其经济性远不及化石能源和核能。

在OTEC建造成本和运营发电成本方面：文献[3]以2010年的实际购买力和实际利率对现金流进行估算，建造一个5MW的混合循环船式温差能发电系统，并使用93.2KM的海底电缆将电输送到岸边工程的最低单位造价至少是13000美元/KW，这一数值远远高于现有各种发电工程的单位造价[4]。科学家估计，当温差能发电系统的规模较大时单位造价会显著降低。美国研究者认为距海岸3.73KM的75MW的闭式循环海上平台式温差能发电系统的单位造价会显著降低至8000美元/KW [5]。这个数值与2000年日本科学家对100MW的海上闭式温差能发电装置的单位造价估值接近，约是水电的2.6倍、火力发电的2倍、核电的1.5倍，与生物质联合循环发电系统以及城市固体垃圾发电站的单位造价相当[6,7]。海洋温差能的发电成本约为0.15美元/KWh [5]，约为现有火力发电、天然气发电、核能发电成本的2倍。尽管如此，美国和欧美政府都在持续加大OTEC技术的研究，从美国政府委托著名的企业洛克希德公司（Lockheed Martin）全面研究了OTEC全生命周期的投入成本和产出效能，于2012年完成编制并发布了 DE-EE0002663号文件（参考文献[8]），该文献为OTEC行业的产业化提供宝贵的数据资料和一些技术标准。参考文献[8]预计2018年100兆瓦规模的OTEC电站总成本降低到0.177美元/千瓦时，到2037年总成本可降低到0.157美元/千瓦时。

总之，海洋温差能本质上是一种能量密度很低的自然能源，难以收集和利用是其根本缺点。但是，海洋温差能是绝对绿色能源和取之不尽的能源，假如有一种全新原理方法使其开发利用成本降低到接近化石能源成本，那么其带来的生态环保价值、社会价值将是巨大的。

参考文献：[1] 杨鹏程,章学来. 海洋温差发电技术. 可再生能源发电. 2009, No.1, P38-41.

[2] 苏佳纯 等,海洋温差能发电技术研究现状及在我国的发展前景, 中国海上油气. Vol24, No.4, P84-98.

[3] Magesh R. OTEC technology- A world of clean energy and water [C]// Proceedings of the world congress on Engineering. UK. London, 2010.

[4] IEA NEA. Projected costs of Generating Electricity [R]. 2010.

[5] Plocek T.J, Laboy M, Mari J.A. Ocean thermal energy conversion (OTEC): technical viability cost projections and development strategies [C]. Houston: Offshore Technology conference: 2009.

[6] Takahashi M.M, OTEC is not a dream [R]. Tokyo: Terra Scientific Publishing Company, 2000: P37-38.

[7] U.S.Energy Iformation Administration. Updated capital cost estimates for electricity generation plants [EB/OL]. http://www.eia.gov/oiaf/beck_plantcosts/index/html.

[8] DE-EE0002663 Ocean Thermal Energy Conversion Life Cycle Cost Assessment。

技术实现要素：

为了克服目前海洋温差发电（OTEC）系统成本高、技术难度大、难以建造和难以实现盈利的问题，本发明提出了一种采用全新工作原理的海洋温差能液力发电系统。

所述的海洋温差能液力发电系统构成原理如图1所示：由蒸发换热器、冷凝换热器、蒸汽上升管道、液体下降管道、透平以及发电机组连接组成热管式封闭循环系统；由冷凝换热器、冷海水管道及冷海水泵组成连通器式冷却系统；由蒸发换热器、温海水管道以及温海水泵组成加热系统。其基本工作原理是：由蒸发换热器、温海水管道以及温海水泵组成的加热系统持续地为封闭循环系统提供热源；由冷凝换热器、冷海水管道以及冷海水泵组成的连通器式冷却系统持续地为封闭循环系统快速散热；在热管式的封闭循环系统内部的底部，低沸点液态工作介质被蒸发换热器加热到沸点温度T₁蒸发，形成的蒸汽在绝热膨胀上升过程中有微量冷凝形成液滴，过饱和蒸汽气流夹杂微量液滴上升至高海拔位置，然后被冷却系统的冷凝换热器冷却至低于饱和曲线的温度T₂并且完全凝结成液态；蒸汽因冷凝为液体其体积骤然缩小形成负压，负压形成的压差促使底部蒸汽持续不断地上升填补负压区，进入冷凝换热器后发生冷凝相变；瞬间凝结的大量液态工质汇入下降管道，借助巨大的海拔高度形成的重力势能推动透平运转，透平将势能转化成机械能，进而通过发电机转化成电能。图1中的（a）（b）图示原理完全相同。图1中左图（a）全潜式系统将整个发电系统潜入海面以下的形式，系统搭建和实施最简单，可避免海上恶劣天气影响，图1中右图（b）半潜式系统的冷凝换热器被置于海面之上的高空位置，这是为了适应海水深度有限同时满足增加发电系统的功率输出的一种变型形式。

所述工作介质在重力热管式封闭循环系统内的能量转化循环过程如图2所示，整个循环包括5个过程：1-2是气体上升绝热膨胀过程，随高度增加气压降低，温度降低；2-3是过饱和气体在冷凝器中定压冷凝相变过程；3-4是液体受重力绝热下降过程，液体到达最低端透平处压强达到最大，摩擦致使温度有微弱增加；4-5是液体经过透平泄压过程，液体重力势能转化为透平机械能，透平机械能进而通过发电机组转化为电能；5-1是液体在蒸发器中定压加热至饱和液体并汽化形成气体过程。

所述的由蒸发换热器、温海水管道以及温海水泵组成的加热系统被安置在海面以下，温热带海洋表层水温常年平均温度在20℃以上，可通过管道和水泵将表层海水引入蒸发换热器，由此加热系统可获得20℃以上的持续稳定热源。温海水泵为流过蒸发换热器的温海水提供水平方向或向下流动的动力，具体能耗根据管道直径、管道长度、阻尼系数、流速、流量等多种因素确定，其功耗计算公式为：P_损=ρgm∑H_f，其中ρ为流体密度，g为重力常数，m为每秒流量， ∑H_f是压头损失，其计算公式∑H_f =(λl/d+ξ) u^2/2g，其中，λ是摩擦系数，l是直管长度，d是管内经，ξ为所有弯头阻力系数总和，u为流速。

所述的由冷凝换热器冷海水管道以及冷海水泵组成的连通器式冷却系统，一端海水入口深入到海平面以下350米处的恒温层，中部链接散热器置于高空（图1b所示）或者海面以下（图1a所示）均可，另一端是海水出口也安置在海面以下形成封闭连通器。冷海水泵提供动力把深海恒温层<4℃冷海水吸入连通器，冷海水上升经过冷凝换热器对封闭循环系统内的工作介质进行降温，冷海水在升温后下降排入海面以下。因为是连通器式的冷却系统两端都潜入海水中，是一种典型的封闭连通器系统，所以抬升海水不需要克服重力做功，冷海水泵只需要提供克服海水与管道摩擦阻力的动力，具体能耗根据管道直径、管道长度、阻尼系数、流速、流量等多种因素确定，其功耗计算公式为：P_损=ρgm∑H_f，其中ρ为流体密度，g为重力常数，m为每秒流量， ∑H_f是压头损失，其计算公式∑H_f =(λl/d+ξ) u^2/2g，其中，λ是摩擦系数，l是直管长度，d是管内经，ξ为所有弯头阻力系数总和，u为流速。

所述的热管式封闭循环系统是由蒸发换热器、冷凝换热器、透平以及发电机通过密封管道连接构成。封入到系统内部的工作介质可以是二氧化碳或其他低沸点物质，根据工作介质的饱和曲线（如图2所示），该系统提供让工质能够在常温下（例如4～20℃）沸腾的初始饱和蒸汽压力，为工作介质可以在常温下持续蒸发上升提供气压条件。封闭循环系统内部的气态工作介质与地球表面的大气层同样都受到地球重力场影响，底部气体压力随着高度上升气压会下降，真实气体随高度变化的气压公式为：P=P₀.e^(hgM/(1000.T.N.k)), 其中P₀是内部底层（设底层参考面的高度为零）的气体压强，P为高度为h位置的气体压强，e为自然常数，g为重力加速度，M为气体分子摩尔质量，T为绝对温度，N为阿伏加德罗常数，k为玻尔兹曼常数。气体上升气压随高度增加而降低，气体膨胀（气体绝热膨胀）做功温度降低，同时气体的沸点降低。气体达到冷凝器所在高度的沸点降低至T’，从深海泵上来的冷海水温度低于T’，通过冷却系统使得气体发生冷凝相变。蒸汽冷凝相变后其体积骤然缩小形成负气压，负压促使底部蒸汽持续不断地上升填补负压区，并进入冷凝换热器发生冷凝相变；瞬间凝结的大量液态工作介质汇入下降管道，借助巨大的海拔高度势能推动透平运转，透平将势能转化成机械能，进而通过发电机组转化成电能。

本发明的有益效果：

一、本发明从原理上颠覆了以往海洋温差发电OTEC技术原理，通过工作介质的热力-重力循环能够汇集低密度的海洋温差能，极大地降低了OTEC电站的建造技术难度和对建造材料的要求，建造成本低于与化石能源（燃煤）电站和大型水利电站。

二、本发明可选择的比热容小、潜热小的低沸点工作介质例如二氧化碳、氮气等都是完全绿色无毒物质，可脱离当前OTEC常用的腐蚀性极强的氨的限制。绿色无公害的工作介质将完全消除对环境的负面影响，并且极大降低对建造材料的要求，可不再使用传统OTEC技术所采用的昂贵的钛合金，而是改用普通无腐蚀压力容器用不锈钢、铝合金或碳钢即可。

三、本发明真正做到了的零排放，将彻底改善化石能源发电带来的雾霾和水污染危机。电站可不分昼夜的提供稳定、持续、绿色的电力能源，而且发电和维护成本低于化石能源（燃煤）电站。

四、本发明适合建立全潜或者半潜式的漂浮发电站，也适合在海底建立固定的全潜或半潜式发电站；也特别适合建立大型和特大型发电站，例如建设流量为15吨/秒，高度差为600米的净功率为60兆瓦的全潜式电站，预计建设总投资2亿元人民币，约合成本3333元/KW。其建设成本比2016年投资76.7亿元的2000兆瓦的江西丰城电厂成本3835元/KW还低。若电站按照40年寿命计算，其建设成本仅为0.02元/千瓦时。运营成本则主要来自少量的监控管理人工费和管道的更新清洁费，其总成本将显著低于目前其他各类电站总成本。

附图说明：图1：为本发明的系统构成和原理示意图，分（a）全潜式（b）半潜式两种情形；

图2：为本发明的工质循环工作热力温度和气压图，显示了热力-重力循环的5个过程和位置点；

图3：为本发明的具体实施系统构造示意图，显示了（a）前视图（b）左视图（c）顶视图（d）轴测图；

图4：为本发明的具体实施实例蒸发换热器内部构造；

图5：为本发明的具体实施实例冷凝换热器内部构造。

具体实施方式：

所述发明海洋温差能液力发电系统是由：工作介质，蒸发换热器，蒸汽上升管道，冷凝换热器，液体下降管道，透平和发电机，温海水管道，以及冷海水管道构成。其中，由蒸发换热器、冷凝换热器、透平以及发电机通过密封管道连接组成重力热管式封闭循环系统；由冷海水泵、冷凝换热器通过密封管道组成连通器式冷却系统；由温海水泵、蒸发换热器组成加热系统。具体工作原理是如图1所示：由温海水泵、蒸发换热器组成的加热系统持续地为封闭循环系统提供热源；由冷海水泵、冷凝换热器通过管道组成的连通器式冷却系统持续地为封闭循环系统快速散热；在热管式的封闭循环系统内部的底部，低沸点液态工作介质被蒸发换热器加热到沸点温度蒸发，形成的蒸汽在上升绝热膨胀过程中有微量冷凝形成液滴，过饱和蒸汽气流夹杂微量液滴上升至高海拔位置，然后被冷却系统的冷凝换热器冷却至低于饱和曲线的温度并且完全凝结成液态；蒸汽因冷凝为液体其体积骤然缩小形成负压，负压形成的压差促使底部蒸汽持续不断地上升填补负压区，进入冷凝换热器后发生冷凝相变；瞬间凝结的大量液态工质汇入下降管道，借助巨大的海拔高度形成的重力势能推动透平运转，透平将势能转化成机械能，进而通过发电机转化成电能。所述工作介质在重力热管式封闭循环系统内的能量转化循环过程如图2所示，整个循环包括5个过程：1-2是气体上升绝热膨胀过程，随高度增加气压降低，温度降低；2-3是过饱和气体在冷凝器中定压冷凝相变过程；3-4是液体受重力下降过程，到最低端4透平处液体压强达到最大，摩擦致使温度有微弱增加；4-5是液体经过透平泄压，液体重力势能转化为透平机械能；5-1是液体在蒸发器中定压加热至饱和液体并汽化形成气体。

根据以上发明和实施原理提出的具体实施实例整体构造如图3所示；图4所示剖面图进一步描述了蒸发换热器内部构成，图5所示剖面图进一步描述了冷凝换热器内部构成。假定所述实施实例的净输出功率为60兆瓦的全潜式发电系统，水头高度600米，工质流量15吨/秒，对应冷海水流量110吨/秒，温海水流量130吨/秒。发电系统总出功率为70兆瓦，用于冷海水泵、温海水泵的功耗损失为10兆瓦，净输出功率上网功率约为60兆瓦。建造材料和工质总重量估计达到10000吨，其直径为7米长度为600米的封闭系统的主体排水量可达到23000立方米，如果建立全潜式发电系统则需要在低端配重13000吨（岩石或者水泥）使其平均密度接近于海水密度，或者将其底端直接固定于海底基岩上防止其漂浮。材料和制造总成本预计在1.4亿人民币左右，额外考虑海底电缆，详细施工设计和开发的人力成本以及运作成本，总计成本不超过2亿元人民币。

作为优选，所述工作介质可选择二氧化碳，具体实施方法是从底层注入工作介质（例如二氧化碳），系统顶端开口排出空气，直至气态工作介质充满溢出系统装置，将顶端开口密封。然后继续注入工作介质直至达到要求的工作压力。例如可根据电站规模设定底部蒸发换热器位置的二氧化碳压力5.0871Mpa，对应的汽化温度15℃.与外界热源（例如热带海洋表层温海水温度25℃）温差在10℃左右。按照本实施实例，总共需要4000吨工业级二氧化碳，成本不到100万元人民币。

作为优选，所述的蒸发换热器主体由可以有不锈钢材料建成，外层涂保温层或增加填充隔层进行保温，其内部构造可以采用如图4所示结构，例如采用常见浮头式换热器使用的U型管以避免热胀冷缩带来的应力影响和破坏。蒸发换热器置于650米水深处的外部大气压有65Bar，而内部工作介质气压大概50bar，内外压差大概15Bar，因此采用普通适合中等压力容器所要求的不锈钢材料即可满足要求。根据二氧化碳工质的汽化所需热量167KJ/KG，15吨/秒的换热器需要高强度铝合金的换热面积大概18000平米，重量大概320吨，成本约800万元人民币，若采用不锈钢其成本相近。考虑外壳材料以及焊接等人工成本，蒸发换热器的建造成本粗略合计为1000万元人民币。

作为优选，所述温海水管道潜入海水中，内外压差为0，主体可以由有机塑料或者不锈钢等组成。管道长度大概650米，直径8米（或者两个之间6米的管道，或者更多小直径管道）满足流量每秒130吨，流速2.6米/秒。因海水比热容远大于二氧化碳比热容，而且二氧化碳潜热也很小，大概8.5倍于二氧化碳汽化质量的海水5摄氏度温降即可满足15吨/秒二氧化碳温升和汽化所需吸热量。在管道内置5.5兆瓦水泵，预计管道建造成本200万元人民币。

作为优选，所述的冷凝换热器主体由可以有不锈钢材料建成，外层涂保温层或增加填充隔层进行保温，其内部构造可以采用如图5所示结构，例如采用常见浮头式换热器使用的U型管以避免热胀冷缩带来的应力影响和破坏。冷凝换热器置于海面以下外部大气压1～3Bar，而内部工作介质气压大概50bar，内外压差大概50Bar，因此采用普通适合中等压力容器标准所要求的不锈钢材料即可满足要求。根据二氧化碳工质的冷凝所需换热量158KJ/KG，15吨/秒的换热器需要高强度铝合金的换热面积大概18000平米，重量大概320吨，成本约800万元人民币，若采用不锈钢其成本相近。考虑外壳用材以及焊接等人工成本，一个冷凝换热器的建造成本粗略合计为1000万元人民币。

作为优选，所述冷海水管道潜入海水中，内外压差为0，主体可以由有机塑料或者不锈钢等组成。管道长度大概350米，直径8米（或者两个之间6米的管道，或者更多小直径管道）满足流量每秒110吨，流速2.2米/秒。因海水比热容远大于二氧化碳比热容，而且二氧化碳潜热也很小，大概7.5倍于二氧化碳汽化质量的海水5摄氏度温升即可满足15吨/秒二氧化碳温降和冷凝所需散热量。在管道内置4.5兆瓦水泵，预计管道建造成本160万元人民币。

作为优选，所述蒸汽上升管道承担最大压差大约50Bar，采用中等压力容器标准要求的不锈钢材料即可，外层涂保温层或增加填充隔层进行保温。直径可选择7米，长度可选择700米，厚度可选择300～500毫米，再考虑加强肋板等材料，不锈钢用总量大概需要3000吨，成本约6000万元人民币。

作为优选，所述液体下降管道承担最大压差大约50Bar，采用中等压力容器标准要求的不锈钢材料即可，外层涂保温层或增加填充隔层进行保温。直径可选择2米，长度可选择650米，厚度可选择300～500毫米，再考虑加强肋板等材料，不锈钢总用量大概需要800吨，成本约1600万元人民币。

作为优选，所述透平和发电机组可采用常见蜗壳水轮机发电机组，70兆瓦功率的蜗壳透平和发电机组建设成本不超过2000万元人民币。

以上内容描述了本发明的基本原理主要特征和发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的旨在说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。