海底黑锅炉海洋温差发电系统节能分析

海底黑锅炉海洋温差发电系统节能分析

0混合式系统传统的海上温差发电系统以约25的水温为水源，以约600.100m的海上淡水为冷源，通过电机进行循环和发电。循环方式包括三种类型：开放式系统、开放式系统和混合系统。开式系统以闪蒸得到的水蒸气为工质,同时可以得到淡水,但是由于热源温度太低,冷热源温差太小,所以传统的开式海洋温差发电系统的热效率很低,汽轮机尺寸很大。由于闪蒸率很低,所以为了达到一定的汽轮机容量,就须提高闪蒸器的热水流率,导致热水泵功耗过大。为了提高循环效率,减小汽轮机尺寸,目前主要采用以低沸点物质(如氨、氟利昂、丙烷等)为工质的闭式循环系统,但是由于蒸发器和凝汽器采用表面式换热器,导致这一部分体积巨大,金属材料消耗量大,维护困难。混合式系统是介于两者之间的一种系统。1977年,美国的阿尔文号深潜器在东太平洋约2500m深的加拉帕格斯裂谷发现了海底黑烟囱。海底黑烟囱是海底地热的一种形式,全世界已陆续发现了150余处海底黑烟囱硫化物分布区,主要分布在世界各大洋中脊附近,一般位于2000~3000m的海底深处。在海底黑烟囱出口处热流温度为200~400℃,并在其周围形成了一个温度为0~400℃,高100~300m,蔓延几千米到几十千米的温度渐变梯度流场~。由于海底黑烟囱具有较高的温度和压力,所以如果将其作为热力循环的热源,则其温度、压力和温差大大高于海洋表层25℃左右的温水,可以有效提高热力循环效率、减小汽轮机尺寸、减小蒸发器和冷凝器负荷,这对海洋温差发电系统是十分有利的。1打开循环系统的加热分析开式循环系统工作原理如图1所示。1.1饱和温度和工压闪蒸器入口热媒参数:压力为25MPa,温度为200℃,根据水蒸气焓-熵可知,其焓为862.71kJ/kg。取汽轮机入口饱和水蒸气压力为0.12MPa(即闪蒸压力为0.12MPa),饱和温度为104.81℃,焓为2683.26kJ/kg;汽轮机出口乏汽压力取872.5Pa(5℃)。1.1.1蒸汽干度和质量流量计算(1)汽轮机出口湿蒸汽焓的计算已知0.12MPa饱和水蒸气的熵为7.2978kJ/kg,则等熵透平情况下汽轮机出口湿蒸汽的熵也为7.2978kJ/kg。根据s=s′+x(s″-s′),可得出口湿蒸汽的干度为0.81;根据公式h=h′+x(h″-h′)可知,汽轮机出口乏汽的焓为2036.86kJ/kg。(2)蒸汽质量流量由上面计算可知,水蒸气的焓降为646.4kJ/kg,若汽轮机容量为100kW,则理想情况(等熵透平)下,所需蒸汽质量流量为100/646.4=0.155kg/s。(3)热力循环效率热力循环效率为1.1.2闪蒸器饱和热水sbq(1)闪蒸器的闪蒸率闪蒸器的闪蒸率计算公式:式中:x———闪蒸率;hrs———未饱和水焓,kJ/kg;hbs———闪蒸压力下的饱和水焓,kJ/kg;hbq———闪蒸压力下的饱和汽焓,kJ/kg。由该公式解得闪蒸器的闪蒸率为0.189,所以闪蒸器饱和热水的质量流量为0.665kg/s。(2)热水泵功率水泵功率p=质量流量×扬程×重力加速度1000/效率,所以若取水泵效率为100%,则p=16.23kW。1.1.3抗疲劳因为872.5Pa(5℃)饱和水的焓为8.39kJ/kg,所以冷凝器的负荷为314.4kW。1.1.4热水质量流量若设深海冷水温升为5℃,即温度变化为0~5℃,则冷水质量流量=冷凝器负荷/(温差×水的比热)=15kg/s;若取换热器的阻力损失为98kPa,则理想情况下冷水泵功耗p=1.47kW。1.1.5循环净化剂通过计算得开式循环系统净功Wo=82.3kW。将上面求得的各主要参数列于表1第1行。1.2饱和温度对关特性的影响保持热源高温海水和冷源低温海水的状态参数不变,改变汽轮机进口蒸汽压力(即闪蒸压力),则各相关参数将发生较大的变化。现取汽轮机入口饱和水蒸气压力为0.5MPa(即闪蒸压力为0.5MPa),则饱和温度为151.9℃,焓为2748.59kJ/kg;汽轮机出口乏汽压力不变,仍为872.5Pa(5℃)。按照1.1节介绍的方法,将求得的各主要参数列于表1第2行。1.3生成机组的状态参数若改变热源高温海水的温度,取闪蒸器入口热媒压力为25MPa,温度为140℃,则此过冷水的焓为605.46kJ/kg。保持汽轮机入口饱和水蒸气和出口乏汽的状态参数不变,汽轮机入口饱和水蒸气压力仍为0.12MPa(即闪蒸压力为0.12MPa),饱和温度为104.81℃,焓为2683.26kJ/kg,汽轮机出口乏汽压力仍为872.5Pa(5℃)。将求得的各主要参数列于表1第3行。1.4热水泵能耗结果分析表1中数据可以得出如下结论。(1)比较表1的第1行和第2行数据可以看出,闪蒸压力提高以后,系统循环热效率提高,冷凝器负荷和冷水泵功耗降低,这对系统的设计是有利的。但是闪蒸率的降低,导致了热水泵功耗的增加,这是因为在汽轮机容量不变的情况下,热水泵的质量流量与汽轮机容量相比有较大的增加,热水泵功耗的增加导致了系统循环净功的降低。(2)从表1的第1行和第3行数据可以看出,在热媒压力保持不变的情况下,降低热媒的温度,会导致闪蒸率大大降低,这是因为热媒焓值降低较多。由于闪蒸率降低较多,导致热水泵功耗增幅较大,循环净功大大降低,所以热媒温度的降低对系统的运行是十分不利的。(3)无论哪种情况,热水泵的功耗都很大,主要原因是整个系统在设置方式上是按照底式设计的,闪蒸器外部压力很高,导致热水泵的扬程过大,从而使得热水泵的功耗很大。2用纯氨为工作单元的封闭循环系统进行加热分析闭式循环系统工作原理如图2所示,氨的物性参数值均由REFPROP计算确定。2.1计算热参数的参数与其他有机工质相比,氨在经济性和热传导性等方面有突出优点,所以选用氨作为闭式系统的循环工质,循环方式为朗肯循环,循环温-熵图见图3。2.1.1参数确定取汽轮机入口饱和氨气压力为2.034MPa(饱和温度为50℃)(此状态比焓最大);汽轮机出口乏汽压力为0.516MPa(5℃)。2.1.2氨气质流量m由图3可知,汽轮机入口饱和氨气的焓h3=1491.07kJ/kg,汽轮机出口湿氨气的焓h4=1320.07kJ/kg,干度为0.88,所以氨气的焓降了171kJ/kg。汽轮机容量为100kW,则理想情况(等熵透平)下,所需氨气质量流量m觶=0.585kg/s。已知氨泵消耗轴功ws·p=h1-h5=v5(p4-p5),计算得氨泵功耗为1.41kW,则氨吸收的热量q1=h3-h5-ws·p,经计算得氨吸收的热量q1为1265.46kJ/kg,所以系统循环热效率:2.1.3制暖负荷蒸发器的热负荷等于氨吸收的总热量,即2.1.4高温海水淡化水温度设蒸发器入口热媒温度为200℃,假如出口温度为100℃,则焓降ΔHh=862.71-437.85=424.86kJ/kg(已知P=25MPa,t=100℃,过冷水的焓为437.85kJ/kg),所以高温海水的质量流量Dh=Q1/ΔHh=1.742kg/s。设泵的效率为100%,蒸发器的压力损失为98kPa~,据水泵的轴功功率公式可得热水泵的功耗为0.17kW。2.1.5制冷负荷冷凝器的热负荷。2.1.6热水质量流量设深海冷水温升Δt=5℃,即深海冷水温度变化为0~5℃,则冷水质量流量D1=Q2/(Δt×c)=31kg/s;若取冷凝器的阻力损失为98kPa,经计算得冷水泵功耗为3.04kW。2.1.7循环净化剂通过计算得闭式循环系统净功Wo=95.38kW。将求得的各主要参数列于表2第1行。2.2压力的压力保持热源高温海水和冷源低温海水的状态参数不变,提高汽轮机入口饱和氨气的压力。取汽轮机入口饱和氨气压力为6.2553MPa(饱和温度为100℃),汽轮机出口乏汽压力保持不变,仍为0.516MPa(5℃)。按照2.1节介绍的方法,求得各主要热力参数,列于表2第2行。2.3压力下的动力循环保持热源高温海水和冷源低温海水的状态参数不变,同时保持汽轮机入口氨气压力不变(2.034MPa),但将其温度由50℃提高到100℃,这样汽轮机入口氨气就由饱和状态变为过热状态,而汽轮机出口乏汽压力保持不变,仍为0.516MPa(5℃),相应的动力循环温-熵图如图4所示。同样按照2.1节介绍的方法,求得各主要相关参数,列于表2第3行。2.4透平出口显色系统的指标之一对表2进行分析,可以得出如下结论。(1)比较表2第1行和第2行的数据可知,当提高透平入口饱和氨气的压力后,系统循环热效率有较大的提高;蒸发器、冷凝器和总泵功耗都有较大幅度的下降,系统循环净功也有所增加。第2行的参数中干度值较小,这对汽轮机的正常工作是不利的,可以通过再热方式来提高透平出口乏汽干度。(2)比较表2第1行和第3行的数据可知,当保持透平入口氨气的压力不变,提高其温度,即氨气由饱和状态变为过热状态,系统循环热效率稍有提高;蒸发器、冷凝器和总泵功耗都稍有下降,系统循环净功也稍有增加;第3行数据中氨气温升较大,导致蒸发器换热面积增加很多,这对汽轮机的正常工作是十分不利的。(3)比较表2中第2行和第3行的数据可知,在透平入口氨气温度保持不变的情况下,适当提高其压力更有利于系统的运行,但具体采用多高的温度和压力,须要综合分析和优化。4冷凝器负荷对比(1)由于开式循环的热水泵功耗太高,所以与闭式循环相比,其循环净功太小,通过大幅度降低热水泵的扬程,可提