海洋溫差能開發(fā)利用高效熱交換技術

李大樹

（中海油研究總院有限責任公司，北京100028）

海洋溫差能是儲量最大的海洋可再生能源，全世界總量約400 億kW，我國溫差能資源十分豐富，主要在南海海域，約3.67億kW。海洋溫差能受天氣、晝夜以及季節(jié)的影響很小，可全天候發(fā)電，穩(wěn)定性和可控性與化石能源發(fā)電相同，無需配備儲能系統(tǒng)，且其系統(tǒng)可動部件少，運行維護簡單，操作成本低，被國際社會普遍認為是最具開發(fā)利用價值和潛力的海洋能資源[1-4]。同時，海洋溫差能除發(fā)電外，還具有很高的附加值，如：深海微量元素、冷海水循環(huán)制冷、海水淡化、海水養(yǎng)殖等。積極開發(fā)海洋溫差能除資源，不僅能夠為遠海島礁和油氣平臺提供資源供給，還可為海上絲綢之路建設能源保障提供重要選擇。

海洋溫差能開發(fā)利用關鍵技術主要包括熱力循環(huán)技術、透平技術、換熱器技術、深水冷水管技術、平臺技術、水下電纜技術、系統(tǒng)集成技術等。其中，高效熱交換技術是海洋溫差發(fā)電的核心技術。本文從高效熱交換技術出發(fā)，對其換熱形式進行綜述，闡述并分析其在海洋溫差能開發(fā)利用中適應性，并對其發(fā)展方向進行展望，為海洋溫差能發(fā)電工程示范和應用提出指導性建議。

1 海洋溫差能熱電轉換概述

海洋溫差能熱電轉換（Ocean Thermal Energy Conversion，簡稱OTEC）主要依靠熱力循環(huán)系統(tǒng)完成，其基本原理是利用海洋表面的溫海水（溫度為25～28 ℃）加熱低沸點工質并使之汽化以驅動汽輪機發(fā)電，透平出口工質蒸汽通過與深層冷海水（溫度為4～7 ℃）換熱冷凝，經工質泵輸送到蒸發(fā)器，完成一次循環(huán)。按照循環(huán)工質和循環(huán)形式的不同主要分為3 種基本形式：開式朗肯循環(huán)、閉式朗肯循環(huán)和混合式朗肯循環(huán)[5-9]。其中，閉式朗肯循環(huán)結構簡單、透平尺寸?。▔航荡螅┣乙子趯崿F規(guī)?；乾F有OTEC發(fā)電系統(tǒng)所采用的主要循環(huán)方式[10]，其基本形式如圖1所示[11]。

圖1 閉式朗肯循環(huán)

從圖1 可以看出，蒸發(fā)器和冷凝器是海洋溫差能熱電轉換的重要設備，由于在海洋溫差發(fā)電過程中存在海水流量大、換熱介質進出口溫差小等問題，開展高效熱交換技術適應性研究，推薦高效熱交換方法十分必要。日本對100MW 海洋溫差發(fā)電裝置進行評估，裝置各部分造價占總造價的比例如圖2所示。從圖2可以看出，熱交換器占裝置總造價約40%，因此，開展高效熱交換技術研究，有助于大幅降低工程造價[12]。

圖2 100 MW海上溫差能發(fā)電裝置造價分析

2 高效熱交換形式

目前，常用的換熱形式主要有：間壁式[13-14]、蓄熱式[15]、直接接觸式[16]、熱管[17]、升膜式[18]、降膜式[19]等。表1對比分析了不同換熱形式特點、適應性和工程應用。

現有不同換熱形式具有不同的優(yōu)缺點。由于海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)海水流量大，對于MW級系統(tǒng)，單臺機組難以實現。通過將不同形式換熱器進行結合，形成換熱器機組，不僅能夠滿足換熱需求，而且能夠提高熱交換效率。

表1 不同換熱形式

3 高效熱交換技術適應性分析

海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)冷熱源溫差小，且運行條件為海況環(huán)境，工況和技術特點主要有：

（1）換熱器冷、熱換熱介質體積流量大；

（2）溫海水和冷海水與工質流量相差大；

（3）換熱器介質進出口溫差小，不到3 ℃；

（4）換熱器需耐海生物附著；

（5）換熱器有效換熱面積大、占地面積小、且方便維修。

可以看出，針對上述工況和技術特點，需要對海洋溫差發(fā)電換熱器進行適應性研發(fā)。具體方案如下：

（1）針對換熱器冷、熱換熱介質體積流量大特點，采用多臺換熱器結合以滿足換熱器熱負荷；

（2）針對溫海水和冷海水與工質流量相差大特點，分別對換熱器換熱介質通道結構進行研發(fā)，以保證流量和換熱系數；

（3）針對換熱器介質進出口溫差小，采用高效換熱技術，如升膜換熱和降膜換熱；

（4）針對換熱器生物附著問題，采用耐腐蝕材料進行加工，同時對通道表面結構形式進行優(yōu)化，以保證邊界層產生足夠的擾動，有效防止生物附著。

同時，由于海洋溫差能資源集中在深遠海，為提升系統(tǒng)在遠海運行適應能力，建立海洋溫差能熱電轉換控制技術十分重要。開展海洋溫差熱力系統(tǒng)工況參數調控技術研究，掌握適應系統(tǒng)動態(tài)特征的換熱器參數優(yōu)化方式，可為海洋溫差能開發(fā)利用工程應用提供基礎。

4 結論及展望

海洋溫差能作為一種清潔、可再生能源，其開發(fā)利用對我國環(huán)境的改善和長遠經濟效益都將難以估量。通過分析高效熱交換技術，研究其在海洋溫差能開發(fā)利用中適應性，指出今后研究重點主要有：

（1）高效換熱技術。由于海洋溫差發(fā)電海水流量大、換熱器進出口溫差小，研究高效換熱技術，開發(fā)高效換熱器十分重要。

（2）材料和結構。為防止海生物附著，提高耐腐蝕性，換熱器結構形式和材料十分重要，如何兼顧造價和耐腐蝕性是材料選取的關鍵，同時，兼顧邊界層擾動和降低壓降是換熱器結構研發(fā)的關鍵。

（3）換熱器參數優(yōu)化。對于MW級海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)，單臺換熱器往往不能滿足換熱要求，需多臺換熱器結合以實現換熱，尋求適應系統(tǒng)動態(tài)特征的換熱器參數優(yōu)化方式十分關鍵。

（4）換熱器工況參數調控技術。由于海洋溫差能資源主要在深遠海，開展海洋溫差熱力系統(tǒng)工況參數調控技術研究，掌握適應系統(tǒng)動態(tài)特征的換熱器參數優(yōu)化方式，將有助于提升海洋溫差能系統(tǒng)遠海運行能力。

（5）海洋溫差能綜合利用高效換熱技術。海洋溫差能具有很高的附加值，包括海水淡化、海水空調等。冷、電、淡各系統(tǒng)的效率均與高效換熱技術密切相關。從總系統(tǒng)出發(fā)，分析各系統(tǒng)間傳遞機制，探索適用于各系統(tǒng)高效換熱技術對海洋溫差能開發(fā)利用產業(yè)化推進十分重要。