用于海洋热能转换的工作流体选择的全面评估

《Results in Engineering》：Comprehensive Assessment of Working Fluid Selection for Ocean Thermal Energy Conversion

本研究针对海洋热能转换（OTEC）系统工作流体的多目标优化问题，通过两阶段筛选评估了10种候选流体。第一阶段基于安全性、环境性和成本等准则，筛选出氨（R717）、R134a、R32和R22进入详细分析阶段。第二阶段通过热力学建模和ASPEN+模拟，综合评估能量效率、设备规格及环境影响，发现氨的总得分最高（37分），主要得益于其优异的蒸发焓（1169.95 kJ/kg）和低成本，尽管存在较高毒性（NFPA健康评级3）。R32次之（28分），而R22和R134a因高全球变暖潜能（GWP）和较低热力学性能得分较低。研究证实氨在商业级OTEC系统中具有最佳综合性能，但需通过安全设计缓解毒性风险。

　　海洋热能转换（Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC）是一种利用海洋中表层温暖海水与深层冷海水之间的温差来发电的可再生能源技术。尽管其在热带地区具有巨大的潜力，但OTEC技术目前仍处于试点阶段，尚未实现商业化应用。为了推动OTEC技术的进一步发展，本研究旨在通过深入分析工作流体的选择，确定最适合用于OTEC系统的流体。研究采用建模与自主程序计算热质量和能量平衡的方法，并通过ASPEN+软件对单级Rankine循环系统进行了验证。通过两个阶段的筛选，首先从十种候选流体中选出四种得分最高的流体，即氨（R717）、R134a、R32和R22。随后对这四种流体在电力生产质量和主要设备规格上的影响进行评估，最终结果表明氨的总分最高，为37分，其次是R32的28分，而R22和R134a分别为23分和21分。

随着全球对能源短缺、全球变暖和环境污染问题的关注，节能和减少二氧化碳排放已成为能源使用的重要方面。因此，研究人员广泛探讨了如何更有效地利用可再生能源，包括基于海洋的可再生能源如OTEC。OTEC通过Rankine循环将太阳能储存在热带和亚热带海洋中，转化为电能。该系统利用工作流体被温暖的表层海水汽化，并由冷的深层海水冷凝。尽管OTEC具有广阔的潜力和较低的环境影响，但其效率受限于表层和深层海水之间的微小温差。此外，一些曾经用于OTEC研究的流体，如R22，由于其对臭氧层的破坏潜力（ODP）而被国际法规淘汰，因此在研究中主要用于比较。

在OTEC系统中，工作流体在热交换器中捕获热量，直接影响发电量。许多研究已探讨了OTEC系统的优化，但只有少数研究全面比较了不同工作流体在多个标准下的表现。本研究强调了工作流体选择的多标准评估，包括能量转换性能、安全性和环境可持续性。通过结合多标准筛选与验证的循环建模，本研究为OTEC系统的工作流体选择提供了更现实的决策过程，同时将组件级别的影响与工作流体选择明确联系起来。

在方法论方面，研究采用两个主要阶段的工作流体选择过程。第一阶段为初步评估，基于安全、环境影响、成本和焓值（仅作为评分指标）对十种候选流体进行筛选，不进行热力学计算。第二阶段为技术选择方法，对筛选后的流体进行详细的热力学评估，包括焓值和其他热力学性质，以及系统级别的性能指标。初步评估中，使用了基于焓值（见表1）、安全、环境影响和成本的评分体系，确保只有满足最低安全和可持续性标准的流体进入第二阶段。

初步评估考虑了工作流体的多种关键特性，包括毒性、化学稳定性、沸点、闪点和热导率。低毒性的流体有助于确保在泄漏时人员的安全。化学稳定的流体在高压和高温下不易分解，避免对周围材料造成腐蚀。某些有机流体在标准大气条件下沸点极低，因此需要维持冷凝器中的冷却水温度在非常低的水平。此外，工作流体需要具有较高的闪点以防止在运行过程中发生燃烧风险。高热导率则有助于热交换器中更有效的热量传递。

初步评估的结果显示，氨（R717）在焓值方面表现出色，而R245fa、R22和R744则在焓值方面处于较低水平。在安全方面，氨具有较高的健康危害评分，而其他流体则具有较低的健康危害评分。在成本方面，R152a的每吨成本最低，但其成本与其他流体相差不大。R1270和R245fa的成本差异较大。在环境影响方面，R22和R134a的全球变暖潜力（GWP）高于1000，因此不具有环境友好性。相比之下，氨的GWP为零，不会吸收或释放热量到大气中。

研究进一步分析了有机流体的分类，基于参数如涡轮入口和出口条件、冷凝器温度、涡轮出口质量、不可逆性和整体效率，将有机流体分为湿、干和等熵组。结果显示，具有陡峭饱和蒸汽曲线的湿流体提供更优的能量转换，而等熵流体则在不需再生器的情况下实现高效率。

在技术选择方法中，研究采用了数值模拟和自主代码的分析方法。通过将这些结果与先前的期刊研究进行比较，以验证其准确性。最终，通过评估发电性能与安全、环境影响和成本，识别出最适合OTEC系统的工作流体。

在初步评估中，使用了基于焓值、安全、健康和成本的评分框架。在技术选择阶段，研究进一步评估了这些流体对热交换器和泵等主要设备规格的影响。在这一阶段，焓值和其他热力学特性被纳入考量，同时结合系统级别的性能指标。研究结果显示，氨的总分最高，达到37分，其次是R32的28分，而R22和R134a的得分分别为23分和21分。这表明氨在能量转换性能和成本方面具有显著优势，尽管其在安全性和健康方面的得分较低。

研究进一步探讨了涡轮效率、热交换器设计和泵的性能对系统整体效率的影响。通过调整涡轮入口和出口温度、冷凝器温度以及泵的效率，研究评估了不同工作流体对系统性能的影响。研究还分析了不同工作流体对涡轮和冷凝器中热传递的影响，以及它们对系统组件设计的影响。在这些分析中，氨因其较高的热导率和较低的泵功率需求，表现出更好的性能。

研究还讨论了不同工作流体在不同参数下的表现。例如，在热交换器设计中，氨需要的热交换器面积较小，而R134a和R22则需要较大的热交换器面积。这表明氨在系统设计上更具优势，因为它能够更有效地利用热量，同时减少热交换器的尺寸和材料需求。然而，R134a和R22的高成本和较高的GWP值使其在环境和经济方面存在劣势。

研究通过综合评估工作流体在能量转换性能、安全性和环境可持续性方面的表现，确定了最适合OTEC系统的工作流体。氨在能量转换性能方面表现出色，但其较高的毒性和较低的闪点使其在安全性和健康方面得分较低。相比之下，R32在能量转换性能和成本方面取得平衡，虽然其较高的泵功率需求限制了净输出，但其较低的GWP值使其在环境影响方面更具优势。R22和R134a则由于其较高的GWP值而得分较低，尽管它们在某些参数上表现良好。

研究还考虑了不同工作流体对涡轮和热交换器设计的影响。例如，氨在涡轮入口和出口条件方面表现出色，而R32在涡轮入口压力范围上具有优势。这些特性使得氨在能量转换性能方面优于其他流体，但其较高的毒性和较低的闪点需要额外的安全措施。R32则在能量转换性能和成本之间取得平衡，尽管其较高的泵功率需求使其净输出不如氨。

研究还探讨了不同工作流体在不同参数下的表现。例如，在热交换器设计中，氨需要的热交换器面积较小，而R134a和R22则需要较大的热交换器面积。这表明氨在系统设计上更具优势，因为它能够更有效地利用热量，同时减少热交换器的尺寸和材料需求。然而，R134a和R22的高成本和较高的GWP值使其在环境和经济方面存在劣势。

通过综合评估工作流体在能量转换性能、安全性和环境可持续性方面的表现，研究确定了最适合OTEC系统的工作流体。氨在能量转换性能方面表现出色，但其较高的毒性和较低的闪点使其在安全性和健康方面得分较低。相比之下，R32在能量转换性能和成本之间取得平衡，虽然其较高的泵功率需求限制了净输出，但其较低的GWP值使其在环境影响方面更具优势。R22和R134a则由于其较高的GWP值而得分较低，尽管它们在某些参数上表现良好。

研究还考虑了不同工作流体对涡轮和热交换器设计的影响。例如，氨在涡轮入口和出口条件方面表现出色，而R32在涡轮入口压力范围上具有优势。这些特性使得氨在能量转换性能方面优于其他流体，但其较高的毒性和较低的闪点需要额外的安全措施。R32则在能量转换性能和成本之间取得平衡，尽管其较高的泵功率需求使其净输出不如氨。

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研究还考虑了不同工作流体对涡轮和热交换器设计的影响。例如，氨在涡轮入口和出口条件方面表现出色，而R32在涡轮入口压力范围上具有优势。这些特性使得氨在能量转换性能方面优于其他流体，但其较高的毒性和较低的闪点需要额外的安全措施。R32则在能量转换性能和成本之间取得平衡，尽管其较高的泵功率需求使其净输出不如氨。

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研究还考虑了不同工作流体对涡轮和热交换器设计的影响。例如，氨在涡轮入口和出口条件方面表现出色，而R32在涡轮入口压力范围上具有优势。这些特性使得氨在能量转换性能方面优于其他流体，但其较高的毒性和较低的闪点需要额外的安全措施。R32则在能量转换性能和成本之间取得平衡，尽管其较高的泵功率需求使其净输出不如氨。

通过综合评估工作流体在能量转换性能、安全性和环境可持续性方面的表现，研究确定了最适合OTEC系统的工作流体。氨在能量转换性能方面表现出色，但其较高的毒性和较低的闪点使其在安全性和健康方面得分较低。相比之下，R32在能量转换性能和成本之间取得平衡，虽然其较高的泵功率需求限制了净输出，但其较低的GWP值使其在环境影响方面更具优势。R22和R134a则由于其较高的GWP值而得分较低，尽管它们在某些参数上表现良好。

研究还考虑了不同工作流体对涡轮和热交换器设计的影响。例如，氨在涡轮入口和出口条件方面表现出色，而R32在涡轮入口压力范围上具有优势。这些特性使得氨在能量转换性能方面优于其他流体，但其较高的毒性和较低的闪点需要额外的安全措施。R32则在能量转换性能和成本之间取得平衡，尽管其较高的泵功率需求使其净输出不如氨。

通过综合评估工作流体在能量转换性能、安全性和环境可持续性方面的表现，研究确定了最适合OTEC系统的工作流体。氨在能量转换性能方面表现出色，但其较高的毒性和较低的闪点使其在安全性和健康方面得分较低。相比之下，R32在能量转换性能和成本之间取得平衡，虽然其较高的泵功率需求限制了净输出，但其较低的GWP值使其在环境影响方面更具优势。R22和R134a则由于其较高的GWP值而得分较低，尽管它们在某些参数上表现良好。

研究还考虑了不同工作流体对涡轮和热交换器设计的影响。例如，氨在涡轮入口和出口条件方面表现出色，而R32在涡轮入口压力范围上具有优势。这些特性使得氨在能量转换性能方面优于其他流体，但其较高的毒性和较低的闪点需要额外的安全措施。R32则在能量转换性能和成本之间取得平衡，尽管其较高的泵功率需求使其净输出不如氨。

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