海洋温差能发电技术要点

中国船级社 位 巍 刘成名

温差能是指海洋表层海水和深层海水之间的温差储存的热能，利用这种热能可以实现热力循环并发电，此外，系统发电的同时还可生产淡水、提供空调冷源等。

一、温差能发电系统

温差热发电技术是一种利用高、低温热源之间的温差，采用低沸点工作流体作为循环工质，在朗肯循环（Rankine Cycle，RC）基础上，用高温热源加热并蒸发循环工质产生的蒸汽推动透平发电的技术，其主要组件包括蒸发器、冷凝器、涡轮机以及工作流体泵。

1、温差能发电系统的分类

海洋温差能热电转换（OTEC，Ocean Thermal Energy Conversion）主要依靠热力循环系统完成，其基本原理是利用海洋表面的温海水加热低沸点工质并使之汽化以驱动汽轮机发电。温差能发电系统按照工质和流程的不同可以分为开式朗肯循环（Open Rankine Cycle）、闭式朗肯循环（Closed Rankine Cycle）和混合式朗肯循环（Hybrid Rankine Cycle）三种方式。

图1 开式朗肯循环

图2 闭式朗肯循环

图3 混合式朗肯循环

（1）开式朗肯循环

开式循环采用表层温海水作为工质，当温海水进入真空室后，低压使之发生闪蒸，产生蒸汽；该蒸汽膨胀，驱动低压汽轮机转动，产生动力，驱动发电机发电。做功后的蒸汽经冷海水降温而冷凝，减小了汽轮机背后的压力（这是保证汽轮机工作的条件），同时产生淡水。开始循环的优点在于产生电力的同时还产生淡水；缺点是用海水作为工质，沸点高，汽轮机工作压力低，导致汽轮机尺寸大，机械能损耗大，单位功率的材料占用大等。闭式循环以氨等低沸点物质作为工质，温海水通过热交换器加热工质使其蒸发，蒸发产生的不饱和蒸汽膨胀，驱动汽轮机产生动力，从而驱动发电机发电；做功后的蒸汽进入另一个热交换器，由冷海水降温而冷凝，减小了汽轮机背后的压力，冷凝后的工质泵送至蒸发器开始下一循环。

（2）闭式朗肯循环

闭式循环的优点是工质的沸点低，在温海水的温度下可以在较高的压力下蒸发，又可以在比较低的压力下冷凝，提高了汽轮机的压差，减小了汽轮机的尺寸，降低了机械损耗，提高了系统转换效率；缺点是不能像开式循环一样获得淡水。混合式循环系统与闭式循环系统相似，唯一不同的是蒸发器部分，混合式循环系统的温海水先经过一个闪蒸蒸发器，使其中一部分温海水转变为水蒸气，随即将蒸汽导入到第二个蒸发器。混合式循环系统保留了开式循环系统获取淡水的优点，让水蒸气通过换热器而不是大尺度的汽轮机，避免了大尺度汽轮机的机械损耗和高昂造价；并且采用闭式循环获取动力，效率高，机械损耗小。

（3）混合式朗肯循环

混合式循环系统中同时含有开式循环和闭式循环，其中开式循环系统在温海水闪蒸产生不饱和水蒸气，该水蒸气穿过一个热交换器后冷凝，生成淡水；其另一侧是闭式循环系统的液态工质，该工质在水蒸气冷凝释放出来的潜热加热下发生汽化，产生不饱和蒸汽，驱动汽轮机，产生动力，该动力驱动发电机产生电力，做功后的该蒸汽进入另一热交换器，由冷海水降温而冷凝，减小了汽轮机背后的压力，冷凝后的工质呗泵送至蒸发器开始下一循环。闭式循环系统综合了开式循环和闭式循环的优点，其既保留了开式循环获取淡水的优点，让水蒸气通过热交换器而不是大尺度的汽轮机，避免了大尺度汽轮机的机械损耗和高昂造价；同时又采用闭式循环获取动力，效率高，机械损耗小。

2、温差能发电系统的核心技术

海洋温差能发电装置的核心技术包括泵与涡轮机技术、平台技术、平台定位技术、热交换技术、冷水管技术、平台水管接口技术和水下电缆技术，下面对各项技术的发展现状进行简介。

（1）泵与涡轮机技术

温差能发电装置的运行完全依靠泵与涡轮机的运转。泵和涡轮机技术目前是成熟的，但是如果出现故障，就会让整个发电装置陷入瘫痪。因此，需要在工作机组附近准备一套备用机组；而且为了防止外来物体吸入涡轮机损害叶片，还需要安装探测器对设备进行监控。涡轮机常用材料是钢、碳钢以及铬。涡轮机的日常运转和维护已经比较完善，通常情况下安装的涡轮机的数量是根据额定功率的2倍来确定，这样可以定期对涡轮机进行维护又不影响发电装置的运行。涡轮机使用中不确定因素来自工质泄露对环境的影响，因此需要用传感器来进行环境检测。目前，泵与涡轮机的研究主要集中在泵与涡轮机的远程监控，以及用于开式循环并且可以在较低压力下运转的泵与涡轮机技术。

（2）平台技术

温差能发电装置主要分为岸基式和平台式两种。目前，平台装置类型有三种：半潜式、全潜式和船式。其中，半潜式平台在油气工业已有标准的建造程序，船式装置采用浮式生产储存卸货装置（FPSO）生产技术来建造。相比另外两种类型，全潜式平台的生产商较少。全潜式平台与冷水管的连接简单易行，但是需要在水下安装，所以平台安装困难，造价较高，且维护也相对困难。

（3）平台定位技术

随着海上油气工业的发展，平台定位技术也有了长足的发展，目前锚链定的水深已经到了3000m，随着计算机模拟技术的进步，现在可以建立模型精确地模拟和优化锚链系统，而利用GPS定位系统以及水下声纳技术，则可以将锚链准确地放到指定的位置。平台定位系统已经相对成熟，只需要针对特定的情况进行改进和优化即可。

（4）换热器技术

热交换器是海洋温差发电系统的关键设备，它对装置的效率、结构和经济性有直接的重要影响。热交换器性能的关键是它的型式和材料。钛的热传及防腐性能良好，但是价格过于昂贵。美国阿贡实验室的研究发现，在腐蚀暖海水环境下，改进后的钎焊铝换热器寿命可达30年以上。板式热交换器体积小，传热效果好、造价低，适合在闭式循环中采用。热交换器表面容易附着生物使表面换热系数降低，这对整个系统的经济影响很大。美国阿贡实验室发现，每天进行1小时的间断加氯，可有效控制生物附着。但这种方法对环境有一定影响，因此仍有待于寻找更合适的方法。

（5）深水冷水管技术

图4 日本IHI公司温差能综合利用示范电站

目前，冷水管的材料主要包括R-波力、高密度聚乙烯、波力纤维复合塑料和碳纤维化合物，并且通常采用拉挤成型技术将其加工成具有中空的“三明治结构管壁”的水管。冷水管是未来OTEC技术发展面临的极大挑战。因为海洋温差仅20℃，所以冷热海水的流量要非常大才能获得所希望的功率。而为了减小海水在管内流动的压头损失，管道直径必须非常大。据估计，商业规模的冷水管直径应在5m左右。冷水管必须足够长，以便其入口能到达深层。尤其是岸式系统要求冷水管长度达2000m，才可到达600-900m深度。冷水管必须有足够的强度，以保证30年使用寿命。冷水管的保温性能也要好，以免冷海水温度升高影响热效率，这些问题现在还没完全解决。

（6）平台水管接口技术

目前平台水管接口技术主要有以下3种：软管连接、固定连接和万向节连接。固定连接的建造、日常运营和维护都比较简单；万向节连接的建造相对比较容易实施，但是在日常运营和维护时，需要进行定期的清理和润滑；相比前2种技术，软管连接的建造比较复杂也相对较难操作，且在日常维护的过程中需要对连接点做经常的修理。当铺设垂直管时，通常使用固定连接；当铺设水平管时，主要通过软管连接实现。固定连接和万向节连接最具有工程放大的可能性，而软管连接在冷水管直径较大时技术可行性较低。

（7）水下电缆技术

在海上石油工业和海上风电发展的带动下，水下电缆的研究已经有了较快的发展，用以建造适合海洋温差能发电装置使用的电缆技术（电缆建造、接合、终端的技术）已经成型。电缆的固定和布置虽晚难度很高，但是已经被广泛研究，影响固定和布置电缆的难度及造价的主要因素为水深、海底地形、电缆的重量以及布置电缆的线路。电缆的维护需要对其上附着的海洋生物做定期的清理以及全面检查，并且要定期潜入水下对海底变电站做维护。电缆发生故障后，在浅水区可以做修理，但当水深超过152m时，一旦出现故障就需要全面更换。

二、国内外研究进展

1、温差能发电装置研究进展

迄今为止以美、日、法等国为代表的发达国家对海洋温差能开发利用技术开展了大量的研究工作，处于世界领先水平，并且先后研建了多个示范性的温差能发电站。

1979年，美国在夏威夷海面的驳船上建成第一座50千瓦级的闭式Mini-OTEC温差能发电装置，其成功运行不仅验证了温差能利用的技术可行性，而且为大型化发展取得了丰富的设计、建造和运行经验。随后，美国能源部1981年在夏威夷建造了一座1MW的被称为OTEC-1的以氨为工质的闭式实验装置。1993年，太平洋高技术研究国际中心（PICHTR）在夏威夷建成了210千瓦的开式循环系统，净输出为40-50千瓦，并开始探索对海水温差能的综合利用。2014年，美国马凯公司在夏威夷建成100千瓦的闭式温差能电站，并于2015年8月试发电成功并连网，据报道，该电站耗资500万美元建成，是目前世界上最大的利用可再生的清洁能源发电站。

日本在海水温差能研究方面的投资力度很大，并在海洋热能发电系统和换热器技术方面领先于美国。迄今日本共建造了3座海水温差能电站，均为岸基式。1980年6月，日本在瑙鲁共和国建造了一座100千瓦的闭式循环温差电站，并于1981年10月开始发电试验。1981年8月，日本的九洲电力公司等在鹿儿岛县的德之岛开始研建50千瓦的混合式循环温差能试验电站，并于1982年开始发电试验。佐贺大学于1985年建造了一座75千瓦的实验室装置，并得到35千瓦的净功率。1990年，日本在鹿儿岛县的河泊镇建成了1000千瓦的海洋温差发电试验船，它是世界上最大的实用型海洋温差发电系统。2013年，日本冲绳海洋深水研究院在冲绳县久米岛建成50千瓦的闭式循环系统的海洋温差能发电站，其最大发电功率为50千瓦，表层海水温度为27℃，冷水源抽取612m深处海水，温度为8.8℃，工质为四氟乙烷(R134a)。日本IHI公司50千瓦温差能综合利用示范电站，已运行6年，除发电外，还开展了深海水养殖、深海水化学利用等。

图5 印度海洋技术研究院海水淡化技术示范基地

2013年，法国国有船舶制造集团(DCNS) 在法属留尼汪岛的10MW岸基式温差能发电站的样机进行安装，进入测试阶段。该项目面临的主要挑战在于深海冷水管的固定，船舶在留尼汪岛的抛锚情况，水泵管道的数值建模以及环境的考量研究等。目标是在2030年拥有大功率的OTEC发电站组，总发电量将达到100～150MW。印度政府与日本佐贺大学海洋能源研究中心进行技术合作，于2001年建造了一艘1MW的漂浮闭式循环示范电站“SAGAR-SHAKTHI”。印度海洋技术研究院（NIOT）在Agatti岛开展了低温热法海水淡化（LTTD）技术示范，淡化能力为100m3/天；该技术在海上应用，淡化能力为1000m3/天。

我国温差能开发利用技术尚处在温差能发电装置原理研究，虽然近些年有了一些进展，但与国外该领域资深研究机构相比，仍存在较大差距。2004-2005年，天津大学完成了对混合式海洋温差能利用系统的理论研究课题，并就小型化试验用200W氨饱和蒸汽透平进行了研究开发。国家海洋局第一海洋研究所多年来致力于该领域的研究，2006年以来，重点开展了闭式海洋温差能发电循环系统的研究，其设计的“国海循环”方案的理论效率达到了5.1%。其在“十一五”期间重点开展了闭式海洋温差能利用的研究，并完成了250W小型温差能发电利用装置的方案设计，2008年，承担了“十一五”科技支撑计划“15千瓦海洋温差能关键技术与设备的研制”课题。中国海油自2016年开始开展海洋能温差能开发利用技术研究，探索引进国际先进技术，开发我国海洋温差能开发利用技术的可行性，为建设大型温差能发电平台提供技术决策支持。

2、温差能发电技术研究进展

由于海洋温差较小，发电效率较低，发电成本较高，因此国内外对海洋温差发电技术研究的同时也在开展海洋温差能综合利用的研究。随着技术的不断进步，温差能系统不仅可以用作发电，还可进行海水淡化、海水产品养殖、制氢、锂回收和利用发电后排放深海水的冷量进行空调降温等综合利用。利用海洋温差发电排出的温、冷海水进行海水淡化，能有效降低发电成本，同时为海岛提供淡水，基于海洋温差能发电的海水淡化装置是研究海洋温差发电综合利用的一个重要研究方向，国内外很多学者进行了此方面的研究。

1977年至1988年，西屋公司进行了100MW开式循环电站的设计，从以上研究中得出了结论：对于小型的温差能发电站，结合海水淡化才是最有商业化的可能。美国的阿贡国家实验室1987年设计了混合式循环系统，并设计计算了10MW该循环方式下各设备参数及淡水产量，当系统净输出功率为10MW时，淡水产量为22.5t/d。1988年，日本佐贺大学Uehara等人构建了闪蒸系统和闭式循环相结合的海水淡化系统模型，此系统的闪蒸室在蒸发器之前，闪蒸气体被蒸发器内的工质冷凝为淡水。1996年，Uehara等人又设计了新海水淡化系统，该系统中闪蒸室在蒸发器之后，温、冷海水先对工质进行加热和冷却之后再分别进行闪蒸和冷凝，通过比较得出，当温海水温度为28℃，冷海水温度为5℃时，第二种方式的淡水产量速率比第一种高35%左右。总性能方面，第二种方式的淡化水速率比第一种高33%～80%左右。2006年，日本佐贺大学Yasuyuki Ikegami等人搭建了小型温差海水淡化系统，比较了24℃、30℃和40℃热源温度下闪蒸喷嘴向上和向下两个喷射方向的闪蒸距离和温度分布。2008年，日本佐贺大学Sami Mutair等人对该系统进一步研究，对在24℃、30℃、35℃和40℃过热状态的温水温度的不同质量流量工况下进行了试验，得到了闪蒸扣随径向距离的温度分布。实验表明，在试验温度范围内，温水温度升高，蒸发量也随之线性增加。

2005年，印度学者Muthunayagam等人通过实验验证了温差能海水淡化的可行性。其实验系统如图6所示，该系统的最高海水温度为26～32℃，闪蒸压力为1.3～2.3kPa，给水最大流量为1000L/h。它们在不同的最高海水温度、闪蒸压力和喷嘴高度下，进行了264次实验，得到实验结果与理论预测值基本符合，最高淡水产率到达了4%。2005年，印度Kavaratti岛海水温差淡水生产设备，利用海水温差进行海水淡化满足了岛上淡水的需求。印度学者Mani等人搭建了一个小规模的试验台对海洋温差能海水淡化进行了模拟，试验数据证实了该系统的可行性，并得出该系统淡水产量随蒸发器压力和冷凝温度的增加而降低，随蒸发温度的增加而增加。

图6 Muthunayagam教授实验装置示意图

国内对海洋温差能发电技术以及基于海洋温差能发电的海水淡化系统的研究相对较晚。2008年，浙江大学金志江等人进行了海洋温差能的海水淡化小试系统的试验研究，利用虹吸作用设计了规模为每小时淡水产量5kg、模拟表层海水温度29℃、深层海水温度10℃的小试系统。试验表明，额定工况下最佳闪蒸温度为23.5℃，单位能耗为3.79千瓦/h。

三、我国温差能发电现状

我国有着丰富的海洋资源，主要分布在南海和台湾海域，尤其是南海中部的西沙群岛海域和台湾以东海区，具有日照强烈，温差大且稳定，全年可开发利用，冷水层离岸距离小，近岸海底地形陡峻等优点，开发利用条件良好，可作为国家温差能资源的开发区。

据计算，南海温差能资源理论蕴藏量为1.19-1.33×1019千焦耳，技术上可开发利用的能量（热效率取7%）约为（8.33-9.31)×10取50%，利用资源10%装机容量达13.21亿～14.76亿千瓦。南海不仅有着丰富的海洋温差资源，其作为冷却介质的深层海水，也是另外一种极其珍贵的“资源”：深层海水因阳光难以照达，海水中光合作用几乎停止，且远离陆地及大气污染，非常洁净，同时，海水中无机营养盐、微量元素和矿物质种类非常丰富，其中含有90多种人体所需的矿物质，是一种宝贵资源。经过处理的深层海水提取物，绿色无污染，可用于生命科学、医药、精细化工、食品添加剂、高端食品、功能饮料、酒类、沐浴用品、化妆品等。我国台湾岛以东海域表层水温全年在24～28℃，500～800米以下的深层水温在5℃以下，全年水温差20～24℃。据台湾电力专家估计，该区域温差能资源蕴藏量约为2.16×1014千焦耳。

创建南海温差能试验基地，遵循多能互补、综合利用的发展思路，是开发利用我国海洋温差能的重要途径。对于南海的岛屿，电力和淡水资源缺乏，土地资源有限和远离大陆。海洋温差能发电可以解决电力供应困难问题，但陆基式温差能发电站需要在岛礁上进行土方施工和建造工业设施，脆弱的岛礁环境使得环境保护和修复难度较大。开发一型专用平台，将温差能发电技术与深层海水综合利用技术相结合，建成能量自供的海洋经济平台，不仅可以为南海的海洋经济、特色工业或远海保障基地提供稳定的电力和淡水供应，也可以降低发电设施及平台的投资强度，提高经济性。

但与国外温差能先进国家相比，我国的温差能开发利用技术在规模和净输出功率上还存在着显著差距。作为一种新型清洁可替代能源，海洋温差能的资源分布、环境条件、场址选择尚未完全摸清；同时，温差能发电技术及关键设备的研发仍处于商业化前期的实验室研发和示范研究阶段，海洋温差能热电转换效率较低、关键设备技术开发难度较大，尚不能对温差能发电规模化产业形成提供有力支撑。

四、未来技术攻关方向

综上所述，近年来，越来越多国际知名研究机构进军海洋温差能产业，海洋温差能产业化进程正在不断加快。国外温差能开发利用技术取得了实质性进展。这表明，实现利用温差能为目标用户发电的伟大设想指日可待。虽然海洋温差能开发利用技术不断突破，但其投资成本高仍是制约其发展的重要原因。现有热交换器换热效率及其在海洋环境中运行可靠性较低，是制约海洋温差发电高效换热器发展的主要技术难题。海洋温差能发展中还存在一些技术难点：

1、发电装置的安全稳定

温差能发电装置主要分为岸基式和平台式两种，对于海上平台式发电装置，通常面临着复杂多变的海况的考验。

2、深层冷海水的综合利用

海洋温差能发电过程中的能耗大部分用于深层冷海水的提取，如何有效地管控和利用这些与表层海水在温度、盐度及矿物质浓度等方面均相差巨大的深海水，已经成为海洋温差能发展中的一个关键问题。

3、转换效率与多能互补

随着循环形式、透平设计等不断改进，温差能发电装置效率得到了一定提升，但是目前其系统转换效率仅为5%～10%。低效、低装机容量和相对较高的成本使得还能温差能在近海潜水地区缺乏与传统的火电和水电竞争的能力。但是，海洋温差能在深远海工程中有着较大的发展潜力。在深远海工程中“就地取能、海能海用”是未来海洋温差能发展的主要方向。

4、温差能利用的环境效应

虽然海洋温差能资源是一种无污染、无碳排放的绿色清洁能源，但其带来的环境效应仍需引起人们的重视。发电过程中将低温富营养的深层冷海水引入了日照丰富的温暖表层海水，如果没有合理的利用，会直接改变浅层水体溶解的气体和矿物质浓度，造成海洋浮游生物的大量生长，从而破坏浅层生态平衡。