摘要
中国南海具有丰富的海洋温差能资源。海洋温差能发电站除了可以提供电力，还可以提供深层海水，用于制冷、海水淡化等相关生产活动，以满足生产生活需要，对偏远海岛的开发具有重要意义。虽然海洋温差能发电效率低，成本高，但是海洋温差能发电站不仅可获得发电效益，还可以获取深层海水综合利用（比如制冷、海水淡化等）的附加效益。发电效益和深层海水综合利用的附加效益之和为发电系统的综合效益。深层海水综合利用的附加效益是发电效益的百倍以上，牺牲部分净输出功率，获取更多的深层海水，可以提高发电系统的综合效益，有利于缩短投资回收期，从而吸引投资，加快海洋温差能发电技术的商业化推广进度。本文以深层海水流量增大，定性代表发电系统综合效益提高，基于南海某岛屿附近海域的温差能资源数据，以降低设备成本、提高综合效益为目标，开展海洋温差能发电系统多目标优化与整机运行特性研究。 在优化方面，本文针对发电系统与向心透平开展交互式优化设计。发电系统优化中包含了对蒸发器、冷凝器结构参数的优化，同时为透平提供最佳等熵效率及对应的进出口参数作为设计目标和设计工况条件。 在发电系统优化方面，建立了完善的发电系统参数化模型，并基于实验数据对模型进行了修正，分析了热力学参数与结构参数对发电系统性能的影响规律。提出了深层海水流量和换热面积比值最大化为第一优化目标，配合单位换热面积净输出功率最大化的第一优化目标开展多目标优化设计。与最小成本方案相比，多目标全局最优方案虽然在成本方面高出了0.79％,但深层海水流量提升了29.06％。设备成本得到最大程度优化的同时，发电系统综合效益大幅提升。 在向心透平优化方面，建立了向心透平参数化模型，分析了透平关键结构参数和能量损失系数对透平性能的影响规律，提出了发电系统与向心透平交互式优化设计方法，将透平等熵效率作为发电系统性能优化的设计参数之一，基于发电系统多目标优化获得的最佳等熵效率及其对应的透平进出口参数，作为透平优化设计的设计目标和设计条件，实现了透平与系统之间良好的参数适配性，发电系统和透平同时达到了最优性能。进一步分析了进口工况参数变化对固定结构向心透平运行特性的影响规律。 本文针对固定结构发电系统的运行特性开展理论和实验研究。 在理论研究中，分析了内部运行参数和外部环境参数变化对固定结构发电系统运行特性的影响规律。基于非支配排序遗传算法，以净输出功率最大化、深层海水流量最大化为目标，优化得到不同表层海水温度下发电系统的最佳运行方案，并总结了发电系统运行参数的调控策略，得出了可通过降低透平输出功率来提高发电系统最大净输出功率的主要调控策略。 在实验研究中，建立了50kW海洋温差能发电系统室内实验平台，以南海某岛屿附近海域全年表层海水温度工况作为实验输入条件，开展连续变工况运行实验，实现了50kW发电功率的设计目标，获得了透平与换热器的关键运行特性，以及发电系统内部运行参数和整机运行特性随海水温度工况变化的规律，弥补了理论研究时控制变量法导致的对参数之间耦合作用规律认识的不足。 推动海洋温差能发电技术在低纬度海域的推广应用，是实现“双碳”目标的重要途经，对推进岛礁建设、促进海洋经济发展、加强国防建设具有重要意义。本研究为海洋温差能发电系统降低投资成本，提高综合效益，快速回收资金，吸引投资、推动海洋温差能发电产业商业化推广提供了优化设计的新方法，并对非设计工况下发电系统整机运行调控提供了理论指导，同时为海洋温差能发电技术在低纬度海域的实际应用提供了实验数据支持。本研究对推动海洋温差能发电技术的发展具有重要的理论意义和工程应用价值。
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