海洋溫差能發電技術要點

中國船級社 位 巍 劉成名

溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間的溫差儲存的熱能，利用這種熱能可以實現熱力循環并發電，此外，系統發電的同時還可生產淡水、提供空調冷源等。

一、溫差能發電系統

溫差熱發電技術是一種利用高、低溫熱源之間的溫差，采用低沸點工作流體作為循環工質，在朗肯循環（Rankine Cycle，RC）基礎上，用高溫熱源加熱并蒸發循環工質產生的蒸汽推動透平發電的技術，其主要組件包括蒸發器、冷凝器、渦輪機以及工作流體泵。

1、溫差能發電系統的分類

海洋溫差能熱電轉換（OTEC，Ocean Thermal Energy Conversion）主要依靠熱力循環系統完成，其基本原理是利用海洋表面的溫海水加熱低沸點工質并使之汽化以驅動汽輪機發電。溫差能發電系統按照工質和流程的不同可以分為開式朗肯循環（Open Rankine Cycle）、閉式朗肯循環（Closed Rankine Cycle）和混合式朗肯循環（Hybrid Rankine Cycle）三種方式。

圖1 開式朗肯循環

圖2 閉式朗肯循環

圖3 混合式朗肯循環

（1）開式朗肯循環

開式循環采用表層溫海水作為工質，當溫海水進入真空室后，低壓使之發生閃蒸，產生蒸汽；該蒸汽膨脹，驅動低壓汽輪機轉動，產生動力，驅動發電機發電。做功后的蒸汽經冷海水降溫而冷凝，減小了汽輪機背后的壓力（這是保證汽輪機工作的條件），同時產生淡水。開始循環的優點在于產生電力的同時還產生淡水；缺點是用海水作為工質，沸點高，汽輪機工作壓力低，導致汽輪機尺寸大，機械能損耗大，單位功率的材料占用大等。閉式循環以氨等低沸點物質作為工質，溫海水通過熱交換器加熱工質使其蒸發，蒸發產生的不飽和蒸汽膨脹，驅動汽輪機產生動力，從而驅動發電機發電；做功后的蒸汽進入另一個熱交換器，由冷海水降溫而冷凝，減小了汽輪機背后的壓力，冷凝后的工質泵送至蒸發器開始下一循環。

（2）閉式朗肯循環

閉式循環的優點是工質的沸點低，在溫海水的溫度下可以在較高的壓力下蒸發，又可以在比較低的壓力下冷凝，提高了汽輪機的壓差，減小了汽輪機的尺寸，降低了機械損耗，提高了系統轉換效率；缺點是不能像開式循環一樣獲得淡水?；旌鲜窖h系統與閉式循環系統相似，唯一不同的是蒸發器部分，混合式循環系統的溫海水先經過一個閃蒸蒸發器，使其中一部分溫海水轉變為水蒸氣，隨即將蒸汽導入到第二個蒸發器?；旌鲜窖h系統保留了開式循環系統獲取淡水的優點，讓水蒸氣通過換熱器而不是大尺度的汽輪機，避免了大尺度汽輪機的機械損耗和高昂造價；并且采用閉式循環獲取動力，效率高，機械損耗小。

（3）混合式朗肯循環

混合式循環系統中同時含有開式循環和閉式循環，其中開式循環系統在溫海水閃蒸產生不飽和水蒸氣，該水蒸氣穿過一個熱交換器后冷凝，生成淡水；其另一側是閉式循環系統的液態工質，該工質在水蒸氣冷凝釋放出來的潛熱加熱下發生汽化，產生不飽和蒸汽，驅動汽輪機，產生動力，該動力驅動發電機產生電力，做功后的該蒸汽進入另一熱交換器，由冷海水降溫而冷凝，減小了汽輪機背后的壓力，冷凝后的工質唄泵送至蒸發器開始下一循環。閉式循環系統綜合了開式循環和閉式循環的優點，其既保留了開式循環獲取淡水的優點，讓水蒸氣通過熱交換器而不是大尺度的汽輪機，避免了大尺度汽輪機的機械損耗和高昂造價；同時又采用閉式循環獲取動力，效率高，機械損耗小。

2、溫差能發電系統的核心技術

海洋溫差能發電裝置的核心技術包括泵與渦輪機技術、平臺技術、平臺定位技術、熱交換技術、冷水管技術、平臺水管接口技術和水下電纜技術，下面對各項技術的發展現狀進行簡介。

（1）泵與渦輪機技術

溫差能發電裝置的運行完全依靠泵與渦輪機的運轉。泵和渦輪機技術目前是成熟的，但是如果出現故障，就會讓整個發電裝置陷入癱瘓。因此，需要在工作機組附近準備一套備用機組；而且為了防止外來物體吸入渦輪機損害葉片，還需要安裝探測器對設備進行監控。渦輪機常用材料是鋼、碳鋼以及鉻。渦輪機的日常運轉和維護已經比較完善，通常情況下安裝的渦輪機的數量是根據額定功率的2倍來確定，這樣可以定期對渦輪機進行維護又不影響發電裝置的運行。渦輪機使用中不確定因素來自工質泄露對環境的影響，因此需要用傳感器來進行環境檢測。目前，泵與渦輪機的研究主要集中在泵與渦輪機的遠程監控，以及用于開式循環并且可以在較低壓力下運轉的泵與渦輪機技術。

（2）平臺技術

溫差能發電裝置主要分為岸基式和平臺式兩種。目前，平臺裝置類型有三種：半潛式、全潛式和船式。其中，半潛式平臺在油氣工業已有標準的建造程序，船式裝置采用浮式生產儲存卸貨裝置（FPSO）生產技術來建造。相比另外兩種類型，全潛式平臺的生產商較少。全潛式平臺與冷水管的連接簡單易行，但是需要在水下安裝，所以平臺安裝困難，造價較高，且維護也相對困難。

（3）平臺定位技術

隨著海上油氣工業的發展，平臺定位技術也有了長足的發展，目前錨鏈定的水深已經到了3000m，隨著計算機模擬技術的進步，現在可以建立模型精確地模擬和優化錨鏈系統，而利用GPS定位系統以及水下聲納技術，則可以將錨鏈準確地放到指定的位置。平臺定位系統已經相對成熟，只需要針對特定的情況進行改進和優化即可。

（4）換熱器技術

熱交換器是海洋溫差發電系統的關鍵設備，它對裝置的效率、結構和經濟性有直接的重要影響。熱交換器性能的關鍵是它的型式和材料。鈦的熱傳及防腐性能良好，但是價格過于昂貴。美國阿貢實驗室的研究發現，在腐蝕暖海水環境下，改進后的釬焊鋁換熱器壽命可達30年以上。板式熱交換器體積小，傳熱效果好、造價低，適合在閉式循環中采用。熱交換器表面容易附著生物使表面換熱系數降低，這對整個系統的經濟影響很大。美國阿貢實驗室發現，每天進行1小時的間斷加氯，可有效控制生物附著。但這種方法對環境有一定影響，因此仍有待于尋找更合適的方法。

（5）深水冷水管技術

圖4 日本IHI公司溫差能綜合利用示范電站

目前，冷水管的材料主要包括R-波力、高密度聚乙烯、波力纖維復合塑料和碳纖維化合物，并且通常采用拉擠成型技術將其加工成具有中空的“三明治結構管壁”的水管。冷水管是未來OTEC技術發展面臨的極大挑戰。因為海洋溫差僅20℃，所以冷熱海水的流量要非常大才能獲得所希望的功率。而為了減小海水在管內流動的壓頭損失，管道直徑必須非常大。據估計，商業規模的冷水管直徑應在5m左右。冷水管必須足夠長，以便其入口能到達深層。尤其是岸式系統要求冷水管長度達2000m，才可到達600-900m深度。冷水管必須有足夠的強度，以保證30年使用壽命。冷水管的保溫性能也要好，以免冷海水溫度升高影響熱效率，這些問題現在還沒完全解決。

（6）平臺水管接口技術

目前平臺水管接口技術主要有以下3種：軟管連接、固定連接和萬向節連接。固定連接的建造、日常運營和維護都比較簡單；萬向節連接的建造相對比較容易實施，但是在日常運營和維護時，需要進行定期的清理和潤滑；相比前2種技術，軟管連接的建造比較復雜也相對較難操作，且在日常維護的過程中需要對連接點做經常的修理。當鋪設垂直管時，通常使用固定連接；當鋪設水平管時，主要通過軟管連接實現。固定連接和萬向節連接最具有工程放大的可能性，而軟管連接在冷水管直徑較大時技術可行性較低。

（7）水下電纜技術

在海上石油工業和海上風電發展的帶動下，水下電纜的研究已經有了較快的發展，用以建造適合海洋溫差能發電裝置使用的電纜技術（電纜建造、接合、終端的技術）已經成型。電纜的固定和布置雖晚難度很高，但是已經被廣泛研究，影響固定和布置電纜的難度及造價的主要因素為水深、海底地形、電纜的重量以及布置電纜的線路。電纜的維護需要對其上附著的海洋生物做定期的清理以及全面檢查，并且要定期潛入水下對海底變電站做維護。電纜發生故障后，在淺水區可以做修理，但當水深超過152m時，一旦出現故障就需要全面更換。

二、國內外研究進展

1、溫差能發電裝置研究進展

迄今為止以美、日、法等國為代表的發達國家對海洋溫差能開發利用技術開展了大量的研究工作，處于世界領先水平，并且先后研建了多個示范性的溫差能發電站。

1979年，美國在夏威夷海面的駁船上建成第一座50千瓦級的閉式Mini-OTEC溫差能發電裝置，其成功運行不僅驗證了溫差能利用的技術可行性，而且為大型化發展取得了豐富的設計、建造和運行經驗。隨后，美國能源部1981年在夏威夷建造了一座1MW的被稱為OTEC-1的以氨為工質的閉式實驗裝置。1993年，太平洋高技術研究國際中心（PICHTR）在夏威夷建成了210千瓦的開式循環系統，凈輸出為40-50千瓦，并開始探索對海水溫差能的綜合利用。2014年，美國馬凱公司在夏威夷建成100千瓦的閉式溫差能電站，并于2015年8月試發電成功并連網，據報道，該電站耗資500萬美元建成，是目前世界上最大的利用可再生的清潔能源發電站。

日本在海水溫差能研究方面的投資力度很大，并在海洋熱能發電系統和換熱器技術方面領先于美國。迄今日本共建造了3座海水溫差能電站，均為岸基式。1980年6月，日本在瑙魯共和國建造了一座100千瓦的閉式循環溫差電站，并于1981年10月開始發電試驗。1981年8月，日本的九洲電力公司等在鹿兒島縣的德之島開始研建50千瓦的混合式循環溫差能試驗電站，并于1982年開始發電試驗。佐賀大學于1985年建造了一座75千瓦的實驗室裝置，并得到35千瓦的凈功率。1990年，日本在鹿兒島縣的河泊鎮建成了1000千瓦的海洋溫差發電試驗船，它是世界上最大的實用型海洋溫差發電系統。2013年，日本沖繩海洋深水研究院在沖繩縣久米島建成50千瓦的閉式循環系統的海洋溫差能發電站，其最大發電功率為50千瓦，表層海水溫度為27℃，冷水源抽取612m深處海水，溫度為8.8℃，工質為四氟乙烷(R134a)。日本IHI公司50千瓦溫差能綜合利用示范電站，已運行6年，除發電外，還開展了深海水養殖、深海水化學利用等。

圖5 印度海洋技術研究院海水淡化技術示范基地

2013年，法國國有船舶制造集團(DCNS) 在法屬留尼汪島的10MW岸基式溫差能發電站的樣機進行安裝，進入測試階段。該項目面臨的主要挑戰在于深海冷水管的固定，船舶在留尼汪島的拋錨情況，水泵管道的數值建模以及環境的考量研究等。目標是在2030年擁有大功率的OTEC發電站組，總發電量將達到100～150MW。印度政府與日本佐賀大學海洋能源研究中心進行技術合作，于2001年建造了一艘1MW的漂浮閉式循環示范電站“SAGAR-SHAKTHI”。印度海洋技術研究院（NIOT）在Agatti島開展了低溫熱法海水淡化（LTTD）技術示范，淡化能力為100m3/天；該技術在海上應用，淡化能力為1000m3/天。

我國溫差能開發利用技術尚處在溫差能發電裝置原理研究，雖然近些年有了一些進展，但與國外該領域資深研究機構相比，仍存在較大差距。2004-2005年，天津大學完成了對混合式海洋溫差能利用系統的理論研究課題，并就小型化試驗用200W氨飽和蒸汽透平進行了研究開發。國家海洋局第一海洋研究所多年來致力于該領域的研究，2006年以來，重點開展了閉式海洋溫差能發電循環系統的研究，其設計的“國海循環”方案的理論效率達到了5.1%。其在“十一五”期間重點開展了閉式海洋溫差能利用的研究，并完成了250W小型溫差能發電利用裝置的方案設計，2008年，承擔了“十一五”科技支撐計劃“15千瓦海洋溫差能關鍵技術與設備的研制”課題。中國海油自2016年開始開展海洋能溫差能開發利用技術研究，探索引進國際先進技術，開發我國海洋溫差能開發利用技術的可行性，為建設大型溫差能發電平臺提供技術決策支持。

2、溫差能發電技術研究進展

由于海洋溫差較小，發電效率較低，發電成本較高，因此國內外對海洋溫差發電技術研究的同時也在開展海洋溫差能綜合利用的研究。隨著技術的不斷進步，溫差能系統不僅可以用作發電，還可進行海水淡化、海水產品養殖、制氫、鋰回收和利用發電后排放深海水的冷量進行空調降溫等綜合利用。利用海洋溫差發電排出的溫、冷海水進行海水淡化，能有效降低發電成本，同時為海島提供淡水，基于海洋溫差能發電的海水淡化裝置是研究海洋溫差發電綜合利用的一個重要研究方向，國內外很多學者進行了此方面的研究。

1977年至1988年，西屋公司進行了100MW開式循環電站的設計，從以上研究中得出了結論：對于小型的溫差能發電站，結合海水淡化才是最有商業化的可能。美國的阿貢國家實驗室1987年設計了混合式循環系統，并設計計算了10MW該循環方式下各設備參數及淡水產量，當系統凈輸出功率為10MW時，淡水產量為22.5t/d。1988年，日本佐賀大學Uehara等人構建了閃蒸系統和閉式循環相結合的海水淡化系統模型，此系統的閃蒸室在蒸發器之前，閃蒸氣體被蒸發器內的工質冷凝為淡水。1996年，Uehara等人又設計了新海水淡化系統，該系統中閃蒸室在蒸發器之后，溫、冷海水先對工質進行加熱和冷卻之后再分別進行閃蒸和冷凝，通過比較得出，當溫海水溫度為28℃，冷海水溫度為5℃時，第二種方式的淡水產量速率比第一種高35%左右?？傂阅芊矫?，第二種方式的淡化水速率比第一種高33%～80%左右。2006年，日本佐賀大學Yasuyuki Ikegami等人搭建了小型溫差海水淡化系統，比較了24℃、30℃和40℃熱源溫度下閃蒸噴嘴向上和向下兩個噴射方向的閃蒸距離和溫度分布。2008年，日本佐賀大學Sami Mutair等人對該系統進一步研究，對在24℃、30℃、35℃和40℃過熱狀態的溫水溫度的不同質量流量工況下進行了試驗，得到了閃蒸扣隨徑向距離的溫度分布。實驗表明，在試驗溫度范圍內，溫水溫度升高，蒸發量也隨之線性增加。

2005年，印度學者Muthunayagam等人通過實驗驗證了溫差能海水淡化的可行性。其實驗系統如圖6所示，該系統的最高海水溫度為26～32℃，閃蒸壓力為1.3～2.3kPa，給水最大流量為1000L/h。它們在不同的最高海水溫度、閃蒸壓力和噴嘴高度下，進行了264次實驗，得到實驗結果與理論預測值基本符合，最高淡水產率到達了4%。2005年，印度Kavaratti島海水溫差淡水生產設備，利用海水溫差進行海水淡化滿足了島上淡水的需求。印度學者Mani等人搭建了一個小規模的試驗臺對海洋溫差能海水淡化進行了模擬，試驗數據證實了該系統的可行性，并得出該系統淡水產量隨蒸發器壓力和冷凝溫度的增加而降低，隨蒸發溫度的增加而增加。

圖6 Muthunayagam教授實驗裝置示意圖

國內對海洋溫差能發電技術以及基于海洋溫差能發電的海水淡化系統的研究相對較晚。2008年，浙江大學金志江等人進行了海洋溫差能的海水淡化小試系統的試驗研究，利用虹吸作用設計了規模為每小時淡水產量5kg、模擬表層海水溫度29℃、深層海水溫度10℃的小試系統。試驗表明，額定工況下最佳閃蒸溫度為23.5℃，單位能耗為3.79千瓦/h。

三、我國溫差能發電現狀

我國有著豐富的海洋資源，主要分布在南海和臺灣海域，尤其是南海中部的西沙群島海域和臺灣以東海區，具有日照強烈，溫差大且穩定，全年可開發利用，冷水層離岸距離小，近岸海底地形陡峻等優點，開發利用條件良好，可作為國家溫差能資源的開發區。

據計算，南海溫差能資源理論蘊藏量為1.19-1.33×1019千焦耳，技術上可開發利用的能量（熱效率取7%）約為（8.33-9.31)×10取50%，利用資源10%裝機容量達13.21億～14.76億千瓦。南海不僅有著豐富的海洋溫差資源，其作為冷卻介質的深層海水，也是另外一種極其珍貴的“資源”：深層海水因陽光難以照達，海水中光合作用幾乎停止，且遠離陸地及大氣污染，非常潔凈，同時，海水中無機營養鹽、微量元素和礦物質種類非常豐富，其中含有90多種人體所需的礦物質，是一種寶貴資源。經過處理的深層海水提取物，綠色無污染，可用于生命科學、醫藥、精細化工、食品添加劑、高端食品、功能飲料、酒類、沐浴用品、化妝品等。我國臺灣島以東海域表層水溫全年在24～28℃，500～800米以下的深層水溫在5℃以下，全年水溫差20～24℃。據臺灣電力專家估計，該區域溫差能資源蘊藏量約為2.16×1014千焦耳。

創建南海溫差能試驗基地，遵循多能互補、綜合利用的發展思路，是開發利用我國海洋溫差能的重要途徑。對于南海的島嶼，電力和淡水資源缺乏，土地資源有限和遠離大陸。海洋溫差能發電可以解決電力供應困難問題，但陸基式溫差能發電站需要在島礁上進行土方施工和建造工業設施，脆弱的島礁環境使得環境保護和修復難度較大。開發一型專用平臺，將溫差能發電技術與深層海水綜合利用技術相結合，建成能量自供的海洋經濟平臺，不僅可以為南海的海洋經濟、特色工業或遠海保障基地提供穩定的電力和淡水供應，也可以降低發電設施及平臺的投資強度，提高經濟性。

但與國外溫差能先進國家相比，我國的溫差能開發利用技術在規模和凈輸出功率上還存在著顯著差距。作為一種新型清潔可替代能源，海洋溫差能的資源分布、環境條件、場址選擇尚未完全摸清；同時，溫差能發電技術及關鍵設備的研發仍處于商業化前期的實驗室研發和示范研究階段，海洋溫差能熱電轉換效率較低、關鍵設備技術開發難度較大，尚不能對溫差能發電規?；a業形成提供有力支撐。

四、未來技術攻關方向

綜上所述，近年來，越來越多國際知名研究機構進軍海洋溫差能產業，海洋溫差能產業化進程正在不斷加快。國外溫差能開發利用技術取得了實質性進展。這表明，實現利用溫差能為目標用戶發電的偉大設想指日可待。雖然海洋溫差能開發利用技術不斷突破，但其投資成本高仍是制約其發展的重要原因?，F有熱交換器換熱效率及其在海洋環境中運行可靠性較低，是制約海洋溫差發電高效換熱器發展的主要技術難題。海洋溫差能發展中還存在一些技術難點：

1、發電裝置的安全穩定

溫差能發電裝置主要分為岸基式和平臺式兩種，對于海上平臺式發電裝置，通常面臨著復雜多變的海況的考驗。

2、深層冷海水的綜合利用

海洋溫差能發電過程中的能耗大部分用于深層冷海水的提取，如何有效地管控和利用這些與表層海水在溫度、鹽度及礦物質濃度等方面均相差巨大的深海水，已經成為海洋溫差能發展中的一個關鍵問題。

3、轉換效率與多能互補

隨著循環形式、透平設計等不斷改進，溫差能發電裝置效率得到了一定提升，但是目前其系統轉換效率僅為5%～10%。低效、低裝機容量和相對較高的成本使得還能溫差能在近海潛水地區缺乏與傳統的火電和水電競爭的能力。但是，海洋溫差能在深遠海工程中有著較大的發展潛力。在深遠海工程中“就地取能、海能海用”是未來海洋溫差能發展的主要方向。

4、溫差能利用的環境效應

雖然海洋溫差能資源是一種無污染、無碳排放的綠色清潔能源，但其帶來的環境效應仍需引起人們的重視。發電過程中將低溫富營養的深層冷海水引入了日照豐富的溫暖表層海水，如果沒有合理的利用，會直接改變淺層水體溶解的氣體和礦物質濃度，造成海洋浮游生物的大量生長，從而破壞淺層生態平衡。