海洋温差能发电装置热力性能与综合利用研究

摘要

随着经济的发展，能源的消耗与日俱增，常规化石能源消耗的同时也带来了严重的环境污染问题，利用可再生能源成为解决能源短缺和降低污染的途径之一。我国作为海洋大国，开发利用海洋能已成为未来能源战略的重要选择。海洋温差能因其储量巨大、可再生和多用途等特点备受关注。但由于海洋温差较小，存在发电效率低和成本高的问题。本文对海洋温差发电系统的关键技术问题——热力循环方式开展理论分析、数值计算和实验研究，探索提高转换性能的理论和技术途径，为海洋温差发电循环系统的设计和运行提供依据。
　　针对海洋温差发电装置中朗肯（Rankine）热力循环方式开展研究。基于热力学第一定律和热力学第二定律对朗肯循环进行理论分析，并对循环中各设备热力分析建立数学模型，编制了循环热效率、净输出功计算程序，得到了热效率、净输出功随透平进口压力、透平进口气体温度、冷凝温度等参数的变化关系。同时，研建采用朗肯循环方式的15kW海洋温差能发电系统，开展试验研究，获得了模拟海洋温差工况下系统热效率随各参数的变化规律及换热器热力性能，验证了理论计算结果的可靠性，同时掌握了海洋温差发电实际运行经验。
　　针对朗肯循环效率较低的缺陷，对采用非共沸工质的上原（Uehara）循环进行分析与计算研究，以物质守恒方程和能量守恒方程为基础，基于对各设备划定控制体的方法构建热力学分析模型，给出了各个节点参数的确定方法，得出了循环热效率、系统净输出功率。同时得到透平入口蒸气压力、氨水混合物工质浓度、温海水温度及冷海水温度、中间抽气率等参数的变化对系统热效率的影响规律。
　　在研究朗肯循环和上原循环中的基础上，分析这两种循环的热效率，研究循环中提高热效率的途径并重构热力循环方式，提出一种新的循环方式（国海循环）。该新方式除采用贫氨溶液热回收、中间抽气等已有的提高热效率措施以外，增加贫氨溶液的二次热回收装置以减少循环系统的无效热损失，进一步提高热力循环效率。运用热力学基本原理，揭示新循环中贫氨溶液二次热回收与热力循环效率之间的内在关系和机理，结合数值模拟，定量分析增加二次热回收后影响循环系统各节点参数和循环效率的规律，对于不同温差情况下，得到混合工质浓度值、透平进口压力、冷海水温度与循环热效率、净输出功之间的关系。研究表明：本文构建的新循环方式可使海洋温差能发电的热力循环效率得到进一步的提高，并给出了理论依据。
　　针对海洋温差发电系统最优运行规律及其工况参数设计的问题，基于数值模拟的方法，研究朗肯循环、上原循环、国海循环三种方式在相同工况下循环热效率和净输出功特性，得到最优运行工况，也为海洋温差发电系统循环的选取以及系统运行参数的确定提供理论基础。该研究结果同样可为工业余热、地热等低温余热利用中循环系统优化分析提供相应的参考依据。
　　针对海洋温差发电综合利用理论和系统特性的问题，对海洋温差能的综合利用海水淡化开展研究。对基于海洋温差发电的海水淡化系统整体设计，并搭建了海水淡化实验平台，选择光管和翅片管两种形式的换热器，在相同工况下分别对两种不同换热器的性能及系统淡水产量进行试验研究。在不同温、冷海水流量和温度工况下，得到两种不同形式换热器系统的淡水产量、效率与温冷海水流量、温度的变化规律，分析并给出了两种换热器系统的特性，验证了基于海洋温差发电系统的海水淡化可行性。研究结果对海洋温差发电综合利用系统的设计和开发具有重要价值。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 海洋温差能发电热力循环研究进展

1.3 海洋温差能发电装置研究进展

1.4 基于海洋温差能发电的海水淡化装置研究进展

1.5 论文工作内容

1.6 论文创新点

第2章 朗肯循环系统热力学计算与试验

2.1 朗肯循环原理与热力过程分析

2.2 工质选择

2.3关键设备热力分析

2.4 朗肯循环系统性能的影响规律

2.5工质类型对热力循环性能的影响

2.6试验系统测试

2.7本章小结

第3章 上原循环系统热力计算

3.1循环原理与过程

3.2 工质选择

3.3循环各设备热力分析

3.4 上原循环系统性能的影响规律

3.5本章小结

第4章 国海循环系统热力学研究

4.1 国海循环原理与过程

4.2 国海循环热力过程分析

4.3 国海循环系统性能的影响规律

4.4本章小结

第5章 循环热力学性能比较研究

5.1循环热效率比较研究

5.2装置净发电量比较研究

5.3发电系统可靠性分析

5.4应用与前景分析

5.5本章小结

第6章 基于海洋温差发电海水淡化系统的研究

6.1基于海洋温差发电海水淡化系统的设计

6.2基于海洋温差发电海水淡化系统的实验分析

6.3实验结果

6.4 海水淡化经济效益分析

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间参加的科研项目

致谢