1、毕业设计（论文）报告纸共 24 页 第 1 页装订线摘要：介绍了海洋温差能发电的现状和历史，有机朗肯循环，Kalina 循环，上原循环的原理，有机朗肯循环工质的选择原则。详细分析了在同样条件（热源温度、冷源温度、膨胀机效率、泵效率）下使用不同工质的有机朗肯循环的效率，使用不同效率的膨胀机时的有机朗肯循环效率，不同热源温度的有有机朗肯循环效率，不同氨质量分数下的 Kalina 循环的理论效率和（在 70%的膨胀机效率和工质泵效率下的）实际效率和不同氨质量分数下的上原循环的理论效率和（在 70%的膨胀机效率和工质泵效率下的）实际效率。Abstract：This text introduces th
2、e status and history of the OTEC. It also introduces the theory of ORC cycle，Kalina cycle and the Uehara cycle and how to choose working medium in ORC cycle. It analyzes and calculates the efficiency of ORC cycle at the same heat source temperature, cold source temperature, expander efficiency and p
3、ump efficiency and at different working medium and the the efficiency of ORC cycle at different expander efficiency and he the efficiency of ORC cycle at different heat source temperature. It also analyzes the theoretical efficiency and the actual efficiency (with a expander and pump efficiency of 7
4、0%)of Kalina cycle at different ammonia mass fraction. It also analyzes the theoretical efficiency and the actual efficiency (with a expander and pump efficiency of 70%)of Uehara cycle at different ammonia mass fraction关键词：海洋温差能、有机朗肯循环、Kalina 循环、上原循环、循环效率Keywords: OTEC、ORC cycle、Kalina cycle、Uehara
5、cycle、cycle efficiency目录毕业设计（论文）报告纸共 24 页 第 2 页装订线摘要1Abstract1关键词1Keywords1综述31.1 海洋温差能及其开发历史和现状.31.1.1 海洋温差能资源储藏量估算方法41.1.2 海洋温差能开发历史及现状51.2 海洋温差能转换发电系统.71.2.1 开式循环发电系统71.2.2 闭式循环发电系统81.2.3 混合循环发电系统81.3 关于 Refprop 7.0.91.4 本文研究内容.92. 有机朗肯循环.92.1 有机朗肯循环的原理.92.2 有机朗肯循环效率的影响因素.122.2.1 工质种类的影响122.2.2 膨
6、胀机效率的影响152.2.3 表层海水温度（热源温度）的影响153 Kalina 循环183.1 Kalina 循环的原理.183.2 不同氨质量分数 Kalina 循环效率.194. 上原循环.204.1 上原循环的原理.204.2 不同氨质量分数上原循环效率.225 结语23参考文献24谢辞24ORC、Uehara 循环以及 Kalina 循环热力性能分析（海洋温差能）毕业设计（论文）报告纸共 24 页 第 3 页装订线1 综述1.1 海洋温差能及其开发历史和现状 海洋温差能又称海洋热能，是利用海洋中受太阳能加热的暖和的表层水与较冷的深层水之间的温差进行发电而获得的能量。 地球表面被陆地分
7、隔为彼此相通的广大水域称为海洋，其总面积约为 3.6 亿 km2，约占地球表面积的 71%，海洋中的水约占地球上总水量的 97%。四个主要的大洋为太平洋、大西洋和印度洋、北冰洋，大部分以陆地和海底地形线为界。目前为止，人类已探索的海洋只有 5%，还有 95%的海洋是未知的。因为海洋面积远远大于陆地面积，故有人将地球称为“水球”。四大洋在环绕南极大陆的水域即南极海（又称南部海）大片相连。传统上，南极海也被分为三部分，分别隶属三大洋。将南极海的相应部分包含在内，太平洋、大西洋和印度洋分别占地球海水总面积的46%、24% 和20%。重要的边缘海多分布于北半球，它们部分为大陆或岛屿包围。最大的是北冰洋
8、及其近海、亚洲的地中海（介于澳大利亚与东南亚之间） 、加勒比海及其附近水域、地中海 （欧洲） 、白令海、鄂霍次克海、黄海、东海和日本海。 海水温度是反映海水热状况的一个物理量。世界海洋的水温变化一般在-230之间，年平均水温超过20的区域占整个海洋面积的一半以上。海水温度有日、月、年、多年等周期性变化和不规则的变化，它主要取决于海洋热收支状况及其时间变化。一般来说，影响海洋表层水温的因素有太阳辐射、沿岸地形、气象、洋流等。热带海洋表层海水将接受太阳辐射能大部分转化为热能，形成温度在2429的热水层，在海洋深处约600m以下的深层海水常年温度保持在 2至8 1。海洋能源、资源的开发与利用，海洋与
9、全球变化、海洋环境与生态的研究是人类维持自身的生存与发展，拓展生存空间，充分利用地球上这块最后的资源丰富的宝地的最为切实可行的途径。海洋开发，需要获取大范围、精确的海洋环境数据，需要进行海底勘探、取样、水下施工等。要完成上述任务，需要一系列的海洋开发支撑技术，包括深海探测、深潜、海洋遥感、海洋导航等。 深海是指深度超过6000m的海域。世界上深度超过6000m的海沟有 30多处，其中的20多处位于太平洋洋底，马里亚纳海沟的深度达11000m，是迄今为止发现的最深的海域。OTEC（Ocean Thermal Energy Conversion）系统利用海水表深层间的温差驱动一个热功转换系统产生电
10、能。只要在温暖的水面和冰冷的深水之间温差达到大约20，OTEC系统就可产生巨大的驱动力。海洋能源是一种巨大可更新资源，全世界海洋温差能的理论储量估计为100亿kW。1.1.1 海洋温差能资源储藏量估算方法在南北纬 30这间的大部分海面，表层和深层海水之间的温差在 20左右；如果在南、北纬20海面上，每隔 15km 建造一个海洋温差发电装置，理论上最大发电能力估计为 500 亿 kW。赤道附近太阳直射多，其海域的表层温度可达 2528，波斯湾和红海由于被炎热的陆地包围，其海面水温可达 35。而在海洋深处 5001000m 处海水温度却只有 36 。有人估计，在全球范围为 (1.33.0) 102
11、4 焦耳，相当于 40100 万亿吨标准煤，大于全球煤炭的探明储量 10 万亿吨，数量十分庞大。 有关海洋温差能资源储量的计算方法主要有 3 种：热容量法、暖水区降温法、当量法，其他还有以海洋太阳辐射净得热为温差能资源储量的计算方法。各国学者对世界海洋温差能资源储量的计算结果，如表 1 所示。毕业设计（论文）报告纸共 24 页 第 4 页装订线表 1 海洋温差能资源储藏量计算方法计算者 年份 计算方法 计算说明 理论功率（10 12W）可用功率（10 12W）J.D.Isaacs and R. J. Seymour 1973 全球海洋温差总功率 4104J.D.Isaacs and W. R.
12、 Schmitt1980 全球海洋温差能和考虑卡诺效 率后的功率 50 2G. L.Wick and W. R. Schmitt1977 热容量法全球海洋，取100米深海洋表层水和深度为400米的海水的平均温差为12，暖水厚100m，补充周期1000年，计算得可利用再生功率，卡诺效率取4%得最大可得电量功率50 2G. L.Wick and W. R. Schmitt1981 热容量法表、深层温差达20的热带海区的全部热能，考虑卡诺效率得最大可得电量功率40 20高野健三 1979（1）可利用的海洋温差能 （2）考虑到温差电厂排除冷却水会使海表层水温降低（以下降1为限） ，可用功率的妥当取值(
13、1) 1001000(2) 10K. Stowe 1979 热容量法海洋温差能总能量和考虑到中纬度的温跃层在一年内可以出现又可以消失，故取补充周期为1年，得温差能总功率105W. H. 艾弗里 1983暖水区温降法（海水蒸发热和入射的太阳热保持热平衡）赤道以南、北暖水层水温26.7的海域，暖水层水温下0.556 的可用热能，并考虑卡诺循环效率（23%） ，得到可发电量10C. Zener 1983暖水区温降法（海水蒸发热和入射的太阳热保持热平衡）赤道以南、北暖水层水温20的海域，暖水层水温下降1的可用热能，并考虑卡诺循环效率（23%） ，得到可发电量60表 1 中各计算结果存在较大偏差，究其原
14、因表现在几个方面：首先，计算方法均尚不成熟，有待进一步分析与考证；其次，关于海洋温差能计算的依据以及计算参数，如表、深层水温的选择范围、海洋热能补充周期、暖水层厚度等，存在很多的争议，导致海洋温差能资源储量的计算结果相差很大。1.1.2 海洋温差能开发历史及现状迄今为止，海洋温差发电技术的研究在热动力循环的方式、高效紧凑型热交换器、工质选择以及海洋工程技术等方面均已取得长足的发展，很多技术已渐趋成熟：（1）系统方面以闭式循环最为成熟，已经基本上达到商业化水准。开式循环的主要困难是低压汽轮机的效率太低。工质是闭式循环必须考虑的关键因素。仅从性能角度出发，氨和 R22毕业设计（论文）报告纸共 24
15、 页 第 5 页装订线是较为理想的工质，但从环保角度考虑，寻求新工质的努力仍在进行。（2）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。钛的传热及防腐性能良好，但是价格过于昂贵。美国阿贡国家实验室的研究人员发现，在腐蚀性暖海水环境下，改进后的钎焊铝换热器寿命可以达到 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2。（3）最新的洛伦兹循环有机流体透平能在 2022温差下工作，适用于闭式循环装置中。洛伦兹循环由两个等温过程和两个多变过程组成，是变温条件下的理想循环，它与卡诺循环都是可逆循环，但比
16、后者更接近实际。选择合适的工质，使工质与热源温度变化保持一致且温差最小，便得到接近洛伦兹循环的实际循环。洛伦兹循环的特点是热效率高且接近实际工程，其透平采用两种以上氟利昂混合物作为工质，并配以适合的换热器。（4）海洋温差发电有岸基型和海上型两类。岸基型把发电装置设在岸上， 把抽水泵延伸到 5001000m 或更深的深海处。日本 1981 年 11 月在瑙鲁修建的一座功率为 100kW 的岸基发电站即采有一条外径 0.7m，长 950m 的聚乙烯管深入 580m 的海底抽取冷海水。海上型是把吸水泵从船上吊下去，发电机组安装在船上，电力通过海底电缆输送。海水型又分成浮体式（包括表面浮体式、半潜式、
17、潜水式） 、着底式和海上移动式三类。1979 年在夏威夷建成的“mini ITEC”发电装置就安装在一艘海军驳船上，利用一根直径 0.6m、长 670m 的聚乙烯冷水管垂直伸向海底吸取冷水。海洋温差发电的概念是在 1881 年由法国人 J.D Arsonval 提出的。1926 年，他的学生 G Claudel 首次进行了海洋温差能利用的实验室原理试验并于 1926 年 6 月在古巴坦萨斯海湾沿海建成了一座开式循环发电装置，输出功率 22kw。美国于 1979 年在夏威夷沿海建造了第一座Mini OTEC 50kw 试验性海洋温差能转换电站，净功率达 15 kW，这是人类首次通过海洋温差能来得
18、到有实用价值的电能。1993 年，在夏威夷建成了 210kw 的开式循环系统 。1981 年日本电力公司(TEPCO) 在瑙鲁共和国建造了一座全岸基的闭式循环电站并投入运行。1982 年，在日本国内建成了鹿儿岛县的德之岛 50kW 的温差试验电站。1994 年建成新型闭式循环的 9kW 试验设施。印度政府将海洋温差能作为未来的重要能源之一进行开发，1997 年印度国家海洋技术研究所与日本佐贺大学签订协议，共同进行印度洋海洋温差发电的开发，并准备在印度国内投资建立商业化的 OTEC 系统。1999 年，在印度东南部海上运转成功了世界上第一套 1MW 海洋温差发电实验装置 3。佐贺大学海洋能源研究
19、中心在 2002 年被“2l 世纪 COH 计划”选中后，在 2003 年建成了新的实验据点 伊万里附属设施。目前正在利用 30kw 的发电装置进行实证性实验。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要。中国的海洋温差能储量比较丰富，但研究工作起步晚。20 世纪 80 年代初，中国科学院广州能源研究所、中国海洋大学和天津国家海洋局海洋技术中心研究所等单位开始温差发电研究。1986 年广州研制完成开式温差能转换试验模拟装置，利用 30 以下的温水，在温差 2O的情况下，实现电能转换。1989 年又完成了雾滴提升循环实验研究，有效提
20、升高度达 20m。1989 年，还对开式循环过程进行了实验室研究，建造了两座容量分别为 l0W 和 60W 的实验台。台湾电力公司从 1980 年开始，对台湾岛东海岸的温差能资源进行了调查研究，并对花莲县的和平溪口、毕业设计（论文）报告纸共 24 页 第 6 页装订线石梯坪和台东县的樟原等 3 个初选地址进行了自然环境条件调查研究评价和方案设计，曾计划1995 年采用闭式循环建设一座 4104 kW 的岸式示范电站，由于台湾政府能源计划的导向问题而搁置，直到 2005 年因环境污染世界能源危机又逐渐受到重视，李远哲博士呼吁国人重视能源科技之开发，展开新一波的海洋温差发电开发任务。2004200
21、5 年，天津大学完成了对混合式海洋温差能利用系统理论研究课题，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在 “十一五”期间重点开展了闭式海洋温差能利用的研究，完成了海洋温差能闭式循环的理论研究工作，并完成了250W 小型温差能发电利用装置的方案设计，并于 2012 年成功建成了我国第一个 15kw 实用温差能发电装置。作为千瓦级试验用温差发电装置，该项目填补了我国在此领域内的空白 4。尽管如此，在海洋温差能的开发过程中，也存在着一些问题，这些问题严重影响着海洋温能发电进行大规模的使用：(1) 由于海洋温差比较小（通常只有2025的温差 5） ，热力循环过
22、程效率低（通常在3% 至5%） 。(2) 换热器防腐蚀和防生物附着。由于在海水中，海洋温差系统中的换热器容易被海水腐蚀和海生物附着，发生腐蚀和生物附着后，换热器的换热效率就会大大降低。同时如果为了防止腐蚀而选用抗腐蚀材料制作换热器又会大大增加换热器成本。(3) 氨透平的密封问题。由于氨气是具有刺激性气味的有毒气体，在整个系统循环中应当尽量避免氨的泄漏。而氨透平又是整个系统中带动电机速转动的设备，因此在保证氨透平内部静密封的密封性外，还必须保证其与电动机连接处的轴端密封能够很好地防止氨泄漏。(4) 由于以上原因，在加上锚链系统、水下电缆、水上平台的建设成本等问题，导致发电成本过高。海上闭式温差能
23、发电装置的单位造价约是同规模陆上风电的3.3倍、水电的2.6倍、火力发电的2倍、核电的1.5倍，与生物质联合循环发电系统以及城市固体垃圾发电站的单位造价相当。海洋温差能的发电成本约为0.15美元/kWh，约为现有火力发电、天然气发电、核电以及陆上风电发电成本的2倍 6。1.2 海洋温差能转换发电系统 热带区域的海洋表层与几百至上千米深处存在着基本恒定的 2025的温差，这就为发电提供了一个总量巨大且比较稳定的能源。海洋温差发电的基本原理是利用海洋表面的温海水加热某些低沸点工质并使之气化，或通过降压使海水气化以驱动膨胀机发电。同时利用从海底提取的冷海水将做功后的乏气冷凝，使之重新变为液体。 海洋
24、温差发电的主要方式有三种，即闭式循环系统和开式循环系统，以及综合了两者优点的混合式循环系统。这三种循环系统中，技术上以闭式循环方案最接近商业化应用。1.2.1 开式循环发电系统 开式循环系统如图 1 所示。该系统主要由真空泵、冷水泵、温水泵、冷凝器、蒸发器、膨胀机、发电机组等组成。真空泵将系统内抽到一定真空，起动温水泵把表层的温海水抽入蒸发器，由于系统内已保持有一定的真空度，所以温海水就在蒸发器内沸腾蒸发，变为蒸气。蒸气经管道由喷嘴喷出推动膨胀机运转，带动发电机发电。从膨胀机排出的废汽进入冷凝器，被由冷水泵从深层海水中抽上的冷海水所冷却，重新凝结为水，并排入海中。在该系统中作为工质的海水，由泵
25、吸入蒸发器蒸发到最后排回大海，并未循环利用，故该工作系统称为开式循环系统。 在开式循环系统中，其冷凝水基本上是去盐水，可以做为淡水供应需要，但因以海水作工毕业设计（论文）报告纸共 24 页 第 7 页装订线作流体和介质，蒸发器与冷凝器之间的压差非常小，因此必须充分注意管道等的压力损耗，同时为了获得预期的输出功率，必须使用极大的膨胀机。图 1 开式循环示意图1.2.2 闭式循环发电系统 闭式循环发电系统，又称中间介质法，该系统主要由真空泵、冷水泵、温水泵、冷凝器、蒸发器、工质泵、涡轮机-发电机组等部分组成，如图 2 所示。该系统不以海水而采用一些低沸点的物质（如丙烷、异丁烷、氟利昂、氨等）作为工
26、作流体，在闭合回路中反复进行蒸发、膨胀、冷凝。因为系统使用低沸点工作流体，蒸气的压力得到提高。系统工作时，温水泵把表层温海水抽上送往蒸发器，通过蒸发器内的盘管把一部分热量传递给低沸点的工作流体，例如氨水，氨水从温海水吸收足够的热量后，开始沸腾并变为氨气（-34.6 下，氨气饱和压力约为 9.5104Pa） 。氨气经过透平的叶片通道，膨胀作功，推动蒸发器旋转。蒸发器排出的氨气进入冷凝器，被冷水泵抽上的深层冷海水冷却后重新变为液态氨，用氨泵把冷凝器中的液态氨重新压进蒸发器，以供循环使用。 闭式循系环统的工作流体要根据发电条件（冷凝器条件、热交换器条件）以及环境条件等来决定。现在已用氨、氟利昂、丙烷
27、等工作流体，其中氨在经济性和热传导性等方面有突出优点，很有竞争力，但在管路安装方面还存在一些问题。 闭式循环系统的优点是：(1) 可采用小型冷凝器，整套装置可以实现小型化。(2) 海水不用脱气，免除了这一部分动力需求。其缺点是：因为蒸发器和冷凝器采用表面式换热器，导致这一部分体积巨大，金属消耗量大，维护困难。毕业设计（论文）报告纸共 24 页 第 8 页装订线图 2 闭式循环示意图1.2.3 混合循环发电系统 混合循环系统如图 3 所示。该系统基本与闭式循环相同，但用温海水闪蒸出来的低压蒸汽来加热低沸点工质。这样做的好处在于减少了蒸发器的体积，可节省材料，便于维护。开式循环再发电的同时可以得到
28、淡水，而闭式循环系统由于使用了低沸点工质，使整个装置，特别是透平机组的尺寸大大缩小。OTEC 用的透平与普通电厂用的透平不同，电厂透平的工质参数很高，而 OTEC 用透平的工质压力温度都相当低，且焓降小。大型 OTEC 装置一般采用轴流式透平。混合循环系统综合了开式和闭式循环系统的优点，它以闭式循环发电，同时生产淡水。图 3 混合循环示意图1.3 关于Refprop 7.0 本文选取 Refprop 7.0 软件对各工质物性进行计算。Refprop 7.0 软件提供各种制冷剂的参数查询，焓值、压力对应的饱和温度、压焓图等功能，给出了一些碳氢化合物的性质和饱和特性曲线。采用美国 NIST 的 R
29、EFPROP 软件分析了这些碳氢化合物在冷凝温度一定时的循环特性，包括压缩特性，即压缩比及等熵压缩后制冷剂蒸汽温度与蒸发温度之间的关系；循环的热力学特性，即循环卡诺效率与蒸发温度之间的关系；以及单位体积制冷量与蒸发温度之间的关系。讨论了碳氢化合物的可燃性。指出碳氢化合物是一类有潜力的性能优良而又无公害的制冷剂替代物，可以用于许多小型的制冷系统中。因此一个专业的查询物性的软件，是进行制冷和工质毕业设计（论文）报告纸共 24 页 第 9 页装订线热物性运算必须的工具。1.4 本文研究内容本文主要研究了有机朗肯循环、kalina 循环、上原循环的循环原理及其循环效率的计算方法。并计算了在同一条件下使
30、用不同工质对有机朗肯循环效率的影响，膨胀机效率对有机朗肯循环效率的影响，热源温度对有机朗肯循环效率的影响，氨的质量浓度对 kalina 和上原循环效率的影响，并对三种循环做出了比较分析。2 有机朗肯循环2.1 有机朗肯循环的原理常规的朗肯循环系统以水一水蒸汽作为工质，系统由锅炉、汽轮机、冷凝器和给水泵4组设备组成。工质在热力设备中不断进行等压加热、绝热膨胀、等压放热和绝热压缩4个过程，将高温高压水蒸汽的热能转化为机械能进而转化为电能。有机朗肯循环与常规的蒸汽朗肯循环类似，只是采用的是低沸点有机物作为工质。该循环系统由蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵组成，如图1所示。工质在蒸发器中从低温热源中吸收
31、热量产生有机蒸汽，进而推动膨胀机做功，带动发电机发电，在膨胀机中做完功的乏气进入冷凝器中重新冷却为液体，由工质泵打入蒸发器，完成一个循环，如图4所示。图4 有机朗肯循环的循环示意图毕业设计（论文）报告纸共 24 页 第 10 页装订线图5 理想状态有机朗肯循环的T-S 图理想的有机朗肯循环过程T-S图如图5所示。在正常工作时，工质处于稳定流动状态，循环各热力过程及能量关系如下 7：(1) 等压吸热过程(4561)。有机工质在蒸发器中被余热流预热、蒸发、汽化，工质吸收的热量为：14-(kJ/g)qh(2) 等熵膨胀过程(12s)。工质对外输出的功为： 2TsW(3) 等压放热过程 (2s一3)。
32、由膨胀机排出的乏气进入冷凝器被冷却工质(一般为循环水)冷凝，工质放出的热量为： 23(kJ/g)sqh(4) 等熵压缩过程(34)。冷凝后的液体工质进入储液罐，通过工质泵升压并送至蒸发器，工质泵对工质做的功为： 43-()P则理想循环的热效率为： 1214/shh（ ）在实际的热力循环中，所有过程都是不可逆的。尤其是有机蒸汽在膨胀机内的膨胀过程与理想的等熵膨胀差别相当显著，所以实际的有机朗肯循环为123456一1，如图6所示。实际循环的热效率为： 124314-/(-)hh（ ）毕业设计（论文）报告纸共 24 页 第 11 页装订线图6 实际状态有机朗肯循环的T-S 图图7为有回热的有机朗肯循
33、环系统的温熵图。与没有回热的过程相比，增加了在回热器中的两个热力过程：过热乏气的等压放热过程2一a、过冷液体的等压吸热过程4一b。且工质在蒸发器中的吸热过程为b一1，在冷凝器中的放热过程为a一3。实际循环的热效率为： 12431-/(-)bhh（ ）图7 带回热的有机朗肯循环的T-S 图2.2 有机朗肯循环效率的影响因素循环效率是循环中最为重要的参数之一，它对循环的经济效益有着重要的影响。如何提高一个循环的循环效率和寻找更高循环效率的循环始终是海洋温差能研究的重要课题。本文就工质、膨胀机效率和热源温度这三个方面对循环效率的影响进行了研究。2.2.1 工质种类的影响工质是有机朗肯循环的一个重要组
34、成部分，工质的不同对循环效率有着深远的影响。工质的筛选应尽量满足如下要求：(1) 工质的安全性(包括毒性、易燃易爆性、对设备管道的腐蚀性等) ，为了防止操作不当等原因导致的工质泄漏致使工作人员中毒，应尽量选择毒性低的流体。(2) 环保性能，很多有机工质都具有不同程度的大气臭氧破坏能力和温室效应，要尽量选用没有破坏和温室效应低的工质，如HFC类、HC类、FC类碳氢化合物物或其卤代烃。(3) 化学稳定性，有机流体在高温高压下会分解，对设备材料产生腐蚀，甚至容易爆炸和燃烧，所以要根据热源温度等条件来选择合适的工质。毕业设计（论文）报告纸共 24 页 第 12 页装订线(4) 工质的临界参数及标准沸点
35、，因为冷凝温度受环境温度的限制，能调节的范围有限，工质的临界温度不能太低，要选择具有合适临界参数的工质。(5) 工质廉价、易购买。工质按其在TS图上饱和汽化线的斜率分为干流体、等熵流体与湿流体三类，如图8所示。湿流体在过热度选择不恰当时会在膨胀做功过程中到达两相区，需要特别注意其过热度的设置。为了讨论工质种类对循环效率的影响，下面将会在同一个蒸发温度，冷凝温度，过热度，过冷度，膨胀机效率以及工质泵效率的条件下，选择R123， R134a，R245fa ，R600a ，R290，R717 这六种工质分别比较其循环效率。图8 干流体、等熵流体与湿流体的T-S图取热源（表层海水）温度28，冷源（深层
36、海水）温度=8，蒸发器出口过热度5，冷凝器出口过冷3 ，当泵效率为 p=70%，膨胀机效率为 T=70%，假设蒸发器出口温度等于热源温度，冷凝器出口温度等于冷源温度，则冷凝温度为11，蒸发温度为23（因为R171是湿流体，为了保证膨胀机出口是气体，其蒸发温度为18.68其蒸发器过热度为9.32） 。根据以上条件，通过查表可以得使用不同工质的各个有机朗肯循环的各个关键点的状态参数，如表2所示。根据表2所示数据，可以计算出各个循环的循环效率如表3所示。表2 不同工质下的ORC循环各点状态工质参数 R123 R134a R245fa R600a R290 R7171(kJ/g)h398.68 416
37、.27 426.64 594.68 608.81 1649.3MPap0.0843 0.6238 0.1379 0.3289 0.9013 0.8178KT301.00 301.00 301.00 301.00 301.00 301.00点 1 状态 过热气体 过热气体 过热气体 过热气体 过热气体 过热气体2(kJ/g)sh391.27 408.27 418.31 580.13 593.48 1616.0ap0.0524 0.4265 0.0859 0.2265 0.6523 0.6333s288.92 287.68 290.00 290.15 287.74 284.00点 2s 状态 过热
38、气体 过热气体 过热气体 过热气体 过热气体 饱和气体3(kJ/g)h207.82 210.64 210.20 218.27 220.02 379.69MPap0.0524 0.4265 0.0859 0.2265 0.6523 0.6333KT281.00 281.00 281.00 281.00 281.00 281.00点 3 状态 过冷液体 过冷液体 过冷液体 过冷液体 过冷液体 过冷液体4(kJ/g)h207.85 210.79 210.23 218.45 220.49 379.99ap0.0843 0.6238 0.1379 0.3289 0.9013 0.8178281.02 2
39、81.08 281.01 281.04 281.15 281.04毕业设计（论文）报告纸共 24 页 第 13 页装订线点 4 状态 过冷液体 过冷液体 过冷液体 过冷液体 过冷液体 过冷液体表3 不同工质的ORC循环做功与效率工质参数 R123 R134a R245fa R600a R290 R717工质吸热14-(kJ/g)qh190.3 205.48 216.41 376.23 388.32 1269.31输出功 2TsTW5.187 5.6 5.831 10.185 10.731 33.3泵功43(-)/(J)pp0.043 0.214 0.043 0.257 0.671 0.429循
40、环效率 Tq2.70% 2.621% 2.675% 2.639% 2.591% 2.590%根据表3数据作图如下：图9 不同工质的输出功与泵功毕业设计（论文）报告纸共 24 页 第 14 页装订线图10 不同工质的循环效率由以上计算可以发现，在相同蒸发温度、冷凝温度下以R123为工质的循环拥有最高的循环效率，虽然R717输出功最大但是由于其吸热量过高而导致效率反而最低，事实上每种工质在点4处的焓值相差不大，因此在高温时（点1处）焓值更低的工质(比热容较小的工质)将拥有更高的效率。但是每种工质之间的效率相差并不大（1%左右） ，因此工质的选用更多的考虑的是成本和工质的其他性质（腐蚀性、工作压力、
41、价格等） 。此外，输出功的数量级远大于泵功的数量级，因此泵功对效率的影响会很小。2.2.2 膨胀机效率的影响膨胀机的效率决定了同样的理论输出功下，实际输出功的多少，显然膨胀机的效率对循环效率也有着很大的影响。为了反映膨胀机效率对有机朗肯循环效率的影响，下面选取常见工质R134a为工质，在其他条件不变的情况下，使膨胀机效率 从40%到90%变化。因为只改变的膨T胀机的效率，所以循环各点的参数不变，因此参考2.2.1的计算的方式和计算结果可以得到表4所示结果。表4 不同膨胀机效率下的ORC循环做功和效率膨胀机效率参数 40% 50% 60% 70% 80% 90%工质吸热 14-(kJ/g)qh2
42、05.48 205.48 205.48 205.48 205.48 205.48输出功12()/TsTW3.2 4 4.8 5.6 6.4 7.2泵功43-(kJg)pph0.214 0.214 0.214 0.214 0.214 0.214循环效率 /Tq1.453% 1.843% 2.232% 2.621% 3.011% 3.400%作图如下：毕业设计（论文）报告纸共 24 页 第 15 页装订线图11 不同膨胀机效率的循环效率显然随着膨胀机效率的提高，循环效率也等比例提升。但是膨胀机效率的提高也是以提高膨胀机的成本为代价的，因此在选用膨胀机时需要就膨胀机效率提升的成本和其所能带来的效率提
43、高所能节省的成本进行核算。2.2.3 表层海水温度（热源温度）的影响表层海水温度（热源温度）影响了蒸发温度以及蒸发器出口温度，进而影响理论输出功，显然表层海水温度（热源温度）对循环效率有着重要影响。为了反映表层海水温度对循环效率的影响，下面在不改变其他条件的前提下，选取常见工质R134a为工质，讨论25至40热源温度下，ORC循环的各项性能参数。选取热源温度分别为28，32，36，40，参考2.2.1，可以得出循环各点参数如表5所示，进而得出循环效率如表6所示。表5 不同热源温度下ORC循环各点参数热源温度参数 28 32 36 401(kJ/g)h416.27 418.43 420.52 4
44、22.55MPap0.6238 0.7028 0.7892 0.8833KT301.00 305.00 309.00 313.00点 1 状态 过热气体 过热气体 过热气体 过热气体2(kJ/g)sh408.27 407.90 407.58 407.24ap0.4265 0.4265 0.4265 0.4265s287.68 287.28 286.95 286.58点 2s 状态 过热气体 过热气体 过热气体 过热气体3(kJ/g)h210.64 210.64 210.64 210.64MPap0.4265 0.4265 0.4265 0.4265KT281.00 281.00 281.00
45、281.00点 3 状态 过冷液体 过冷液体 过冷液体 过冷液体4(kJ/g)h210.79 210.85 210.92 210.99ap0.6238 0.7028 0.7892 0.8833281.08 281.12 281.16 281.20点 4 状态 过冷液体 过冷液体 过冷液体 过冷液体毕业设计（论文）报告纸共 24 页 第 16 页装订线表6 不同热源温度下ORC循环效率热源温度参数 28 32 36 40工质吸热 14-(kJ/g)qh205.48 207.58 209.6 211.56输出功12()/TsTW5.6 7.371 9.058 10.717泵功 43-(J)pp0.
46、214 0.3 0.4 0.5循环效率()/Tpq2.621% 3.406% 4.131% 4.829%根据表5的数据作图如下图12 不同温度的输出功与泵功毕业设计（论文）报告纸共 24 页 第 17 页装订线图13 不同温度的循环效率可见随着热源温度的提升，输出功、泵功、循环效率都近似等比例升高，因此在使用ORC循环时应尽可能选择表层海水温度（热源温度）较高的区域以便提高循环效率，增加效益。但是大部分地区的可利用表层海水温度为2429，因此在热源温度方面能做的改善非常有限，提高循环效率主要还是在于研究更高效的循环方式。3 Kalina 循环3.1 Kalina循环的原理Kalina 循环由A
47、lexander Kalina 于1983 年提出 8 ,该循环以氨水混合物作为工质,由于工质相变的非等温过程和循环过程中工质浓度的改变,使得循环在整体上与热源和冷源有较好的换热匹配关系。自Kalina 循环公布以来,围绕Kalina 循环以及在Kalina 循环基础上发展的以氨水混合物为工质的动力循环,国内外动力工程学界展开了广泛的研究和探讨。因为氨水溶液临界温度较低,使得Kalina 循环可以应用于低温热源,如地热能 9 、工业废热 10 、作为直燃式汽油发电机组和压燃式柴油发电机组底部循环 1113 ；也可应用于电冷联产的循环系统中 14 。Kalina循环的特点是采用不固定组分的非共沸混合工质代替单一工质或定组分混合工质.最简单的Kalina循环是一级蒸馏 Kalina循环。 Kalina循环采用蒸馏冷却子系统来解决氨水混合物不能在通常的环境温度下凝结的问题，其他设备则与有机朗肯循环相似 15。在海洋温差能发电中，多使用氨-水混合物为工质一级蒸
