潮流能

一、估算

潮流能功率密度计算公式^[1]：
Ｐ＝０.５１２·Ｖ³（４）
式中：Ｐ为最大功率密度（单位ｋＷ／ｍ²）；Ｖ为大潮平均最大流速（单位ｍ／ｓ）。
评估中，采用断面法式（５）和式（６）计算水道理论最大功率Ｎ总和理论最大可开发功率Ｎ可开发。

Ｎ总＝Ｐ·Ｂ·Ｈ（５）

Ｎ可开发＝Ｐ·ＳＩＦ·Ｂ·Ｈ（６）

式中：Ｂ为水道横断面宽度；Ｈ为水道横断面平均水深；Ｂ·Ｈ为水道断面面积；ＳＩＦ为有效环境影响因子；即在不对环境产生显著影响的前提下，可开发量与理论储量之比。此概念是Ｂ＆Ｖ公司在ＲｏｂｅｎｔＧｏｒｄｎ大学Ｂｒｙｄｅｎ，Ｌ．Ｇ等人研究的基础上提出的，ＳＩＦ取值：０.１～０.２；０.２为上限，本文取上限值０.２。^[1]

二、能源数据^[1]（如右图一）

三、发电装置

根据小组选址，此处采用成山头数据^[1]。

2009年,加拿大的新能源公司开发出了名为EnCurrent的水轮机,它的特点是采用4个旋转叶片并且保持一定的偏移角度,现阶段已经推出了5kW、10kW和25kW 3种模型。
这里我们采用25kw模型

根据右侧的能量曲线图和成山头数据，

其发电功率为15kw，根据小组每年2000Mwh的需求，应需15.2台，但考虑到实际情况波动，使用18台。

https://www.energy-xprt.com/products/mid-sized-line-of-power-generation-system-727504

[1]高飞, 李广雪, 乔璐璐. 山东半岛近海潮汐及潮汐、潮流能的数值评估[J]. 中国海洋大学学报, 2012, 42(12): 91–96.
GAO Fei, LI Guangxue, QIAO Lulu. Resource assessment of the tidal energy around the Shandong Peninsula[J]. Periodical of Ocean University of China, 2012, 42(12): 91–96.

热能细节

设备参数

1.热泵型号：HE450型热泵机组 (项目案例)

2.制热量：455kW

3.制热COP：4.8

计算公式：热泵的制热量(单位w)与输入功率(单位w)的比值。

COP=Q1/Q2。 （其中Q1=c × m × △t）

COP为能效比；

Q1为热泵的制热量；单位w；

Q2为输入功率；单位w；

C为水的比热；单位C=4 187 J/(kg·℃)；

m为水的质量；单位kg；

△t为水的温升；单位℃

4.循环水泵参数：水泵型号为KQL80/150-7.5/2型，流量为46.7m3/h，扬程为28m，功率为7.5kW

5.风机盘管参数：型号为德州亚太FP-136型，制冷量为6.3kW，制热量为9.8kW，风量（高速）为1360m3/h，功率为56W

6.工作流程：抽水泵机开启，将地下水抽出并输送至热泵机组中的换热器（冬季为蒸发器），热泵机组通过工质的作用，把换热器从地下水中提取的热量输送至另一端的换热器（冬季为冷凝器），再通过水环系统把热泵机组释放的热量传输给安装在温室中的风机-盘管末端，末端冬季供暖，夏季制冷。

7.示意图（见右上）

8.案例

中国农业大学上庄实验站位于北京市海淀区上庄镇辛力屯村，为满足办公室、职工宿舍和部分温室共3000m²左右的建筑空调需要（其中连栋玻璃温室一个约为750m²，日光温室两栋，共约1000m²）。如图2所示，该空调系统由三个循环组成：地下抽水、回灌水循环，热泵机组工作循环（制冷剂工作循环）和水环系统与温室中风机盘管末端组成的循环。

供能细节

1.估计年供热量：约3538MWh

2.计算方法

年供热量 = 系统总装机容量 × 平均负荷系数 × 年供暖小时数

=6台 × 455kW/台 × 0.45 × 2,880 小时

= 2,730 kW × 0.45 × 2,880 小时

= 3,538,080 kWh

≈ 3,538 MWh。

3.关键参数

供暖季长度：从11月中旬至次年3月中旬，约120天。

冬季平均室外温度：取5℃。

室内设计温度：设定为18℃。因此，整个供暖季的平均室内外温差为13℃。

总供暖面积：人均建筑面积30平方米估算，总供暖面积约为 61440 平方米。

单位面积热负荷指标：在缺乏详细建筑资料的情况下，参考供热指标，建筑保温性能按尚可估计，我们可取 40 W/平方米 进行估算。

社区总设计热负荷 = 61440 平方米 × 40 W/平方米 = 2,457 kW。

所需机组数量 = 社区总设计热负荷 / 单台制热量 = 2,457 kW / 455 kW ≈ 5.40 台。

能源：化石能源

• 1. 需求分析

小组采用能源大多为过程性能源，存在不稳定的因素；化石能源作为含能体能源可以对其进行补充。又由于小组所用能源种类较多，弥补了一部分不稳定性，故暂定设计0.12MW的装机容量，供特殊情况原能源产量降低及谷期时备用。

理想情况下年能源产量：0

• 2. 装置设计
• （1）基础分析

1.选址濒临海湾且距煤矿已探明地点较远，采用天然气作为主要燃料。

2.装置作为备用电源或尖峰负载调节系统，应具有快速启停能力。

• （2）细节设计与创新技术

考虑采用天然气→①甲醇→②发电进行发电。

与纯氢相比，甲醇拥有诸多优势：1) 甲醇在常温呈液态，易于存储和运输；2) 甲醇来源广泛且价格低廉；3) 甲醇含氢量高。

①利用CO2加氢法合成甲醇。在此甲醇合成工艺中，原料成分主要包括天然气、二氧化碳、氢气和水，天然气利用天然气管道输送，二氧化碳来自于烟道气，原料经过上述四个反应流程得到纯度较高的甲醇。

甲醇合成反应遵循以下流程：原料气首先进入反应器（R-101）中发生预反应，即为甲醇合成预处理过程。在该反应中原料气中的C2+杂质被去除。而后进入高温甲烷混合重整（R-102）反应器，反应器出口的气体为重整制合成气，将合成气在闪蒸罐（D-102、D-103）中去除含有的水分，最后进入甲醇反应器（R-103）中开始生产甲醇，这时的甲醇纯度并不高，需要经过精馏塔进行精制。采用循环式反应，即在甲醇合成反应完成后，将反应器中绝大部分未反应的物料与生产出的甲醇进行分离，这部分物料与新鲜物料混合重新进行甲醇合成反应，提高甲醇产量和物料转化率。

[1]

②

由于所设计系统在实际运行中的复杂性，研究做了以下假设以简化建模和计算：使用零维集总参数法进行建模；忽略系统中管道和换热器的压力和热损失；SOFC的运行温度等于其出口温度；本研究中的冷却器由海水冷却，海水温度为20°C；MSR过程仅发生在外部重整器中；所有涡轮和加压设备的等熵效率和机械效率均相等。

甲醇重整反应主要通过Aspen Plus中的Gibbs反应器实现，假设该过程可以充分进行。实际上，MSR反应可能受到温度、压力、浓度和催化剂等多种因素的影响，但最终的化学反应平衡常数不受催化剂影响。

MSR：CH3OH+H2O→CO2+3H2(1)

在燃料电池模块中，SOFC由多孔阳极、多孔阴极和离子导电电解质组成。当空气供应到燃料电池的阴极时，它产生氧离子，这些氧离子转移到阳极并与氢气结合产生水和电子，从而发电，SOFC的相关反应式如下：
 阴极： ½O₂ + 2e⁻ → O²⁻ 阳极： H₂ + O²⁻ → H₂O + 2e⁻

Overall reaction: H2+0.5O2→H2O 

燃料电池电流 I 可以表示为：
(7) I = 2F * (n˙_H₂ + n˙_CO) * U_f
其中 I 是燃料电池的总电流，n˙_CO 和 n˙_H₂ 分别表示燃料合成气中CO和H₂的摩尔流量，mol/s。F代表法拉第常数，而 U_f 表示燃料利用率。

电池电流密度 i 可以表示为： i = I / (N_cell * S_cell)
其中 N_cell 是燃料电池中单个电池的数量，而 S_cell 代表单个电池的有效面积，cm²。

燃料电池的实际电压可以表示为： V_cell = V_ref + ΔV_T + ΔV_P + ΔV_fuel + ΔV_air
其中 V_cell 表示燃料电池的实际电压，V；V_ref 表示电池的参考电压，V；ΔV_T 表示由电池工作温度引起的电压变化，V；ΔV_P 表示由电池工作压力引起的电压变化，V；ΔV_fuel 表示由于电池燃料成分变化引起的电压变化，V；ΔV_air 表示由于氧化剂成分变化引起的电压变化，V。
(1) ΔV_T = k_T * (T - T_ref)
(2) ΔV_P = (R*T / (4F)) * ln(P / P_ref)
(3) ΔV_fuel = (R*T / (2F)) * ln( (P_H₂ * sqrt(P_O₂)) / (P_H₂,ref * sqrt(P_O₂,ref)) )

其中 T 表示SOFC工作温度，°C；T_ref 表示SOFC参考温度，°C；P 表示SOFC工作压力，MPa；P_ref 表示SOFC参考压力，MPa；P_O₂ 表示SOFC氧气压力，MPa。在参考条件下，T_ref 为100°C，氢气和蒸汽分压比 P_H₂/P_H₂O 为0.15，参考氧气压力 P_O₂,ref 为0.164 MPa 。

计算了燃料电池的总电流和实际电压后，可以使用以下公式继续计算燃料电池的输出功率。公式如下： W_SOFC = V_cell * I * η_AC / 1000其中 W_SOFC 表示燃料电池输出功率，kW；η_AC 表示交流功率转换率，%。

当前模型的准确性在文献^[4]中得到有效确认。

• 3. 发电效率

ℷ=ɑ1*ɑ2，其中：

ɑ1为天然气-甲醇效率，受压力，温度影响如下图所示：

^[1]

预重整反应器反应压力确定为2.7 MPa最佳；反应器进口温度最佳为235℃，压力确定为10 MPa。此情况下计算得ɑ1=55%。

ɑ2为甲醇发电效率，根据热力学第一定律，本研究仅关注发电模块，导致能源效率与发电效率等同。采用燃料电池发电效率、燃气轮机发电效率、超临界CO2循环效率和有机朗肯循环效率来评估整个系统的整体性能[31]。燃料电池发电效率可以表示为：η_SOFC = W_SOFC / (m˙_MeOH * LHV_MeOH + W_Comp1) * 100%其中 W_SOFC 表示燃料电池输出功率，kW；m˙_MeOH 表示甲醇的质量流量，kg/s；LHV_MeOH 表示甲醇的低热值，本研究取19.7 MJ/kg；W_Comp1 表示燃料压缩机的输入功率，kW。

系统的总发电效率计算为：η_system = W_net / (m˙_MeOH * LHV_MeOH) * 100%其中 W_turbine,total, W_comp,total, W_pump,total 分别表示系统涡轮总输出功率、压缩机总功耗、泵总功耗，kW。

将实验得到的数据带入上述公式，得到优化后的二维帕累托边界如下所示。其中的所有点构成了计算得到的最优解集。从图中可以观察到，随着系统效率的提高，EPC呈现逐渐上升的趋势，在点A处，系统效率达到约60.56%时，EPC表现出更快的增长趋势。从图11可以看出，点B具有最高的系统效率和单位发电成本，分别为61.91%和0.09029美元/kWh，该分析表明点B展示了最高的热性能。

^[3]

将ɑ2=61.91%代入，计算得ℷ=34.05%。

• [1] 张玲玲.甲醇合成反应的模拟及优化[J].山西化工,2024,44(12):114-115.DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2024.12.041.
• [2] TAPIERO D, TZABAR N, TARTAKOVSKY L. Performance of solid-oxide fuel cells operating with different sustainable fuel reformates[J]. J Power Sources, 2024, 611: 234761.
• [3] Shouguang Yao, Xuan Yan, Minjie Xia, Chuang Wang, Shaofan Wang,Thermodynamic and economic analysis, optimization of SOFC/GT/SCO2/ORC hybrid power systems for methanol reforming-powered ships with carbon capture,Case Studies in Thermal Engineering,Volume 67,2025,105840,ISSN 2214-157X,https://doi.org/10.1016/j.csite.2025.105840.(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214157X25001005)
• [4] B. B Performance analysis of the SOFC–CCHP system based on H 2 O/Li–Br absorption refrigeration cycle fueled by coke oven gas Energy, 91 (2015), pp. 983-993

• 核能

  玲龙一号单堆功率为 ‌125 MW‌，年运行小时数按 24*365=‌8,760小时‌ 计算，年发电量可达 ‌985500 MWh‌，远超需求。
  
  
  

  模块化设计通过降功率运行及分时段启停实现低功率匹配的具体方式

  一、降功率运行的技术实现（以降至额定功率2.5%为例，约2.463 MWe）

  堆芯功率控制‌

  控制棒调节‌：插入控制棒吸收中子，降低链式反应强度，实现功率线性下调。玲龙一号采用一体化堆芯设计，控制棒驱动机构可精确控制插入深度，支持1%-100%功率连续调节‌。

  硼浓度微调‌：通过调节冷却剂中可溶性硼浓度，辅助控制反应性（适用于压水堆技术），确保低功率下堆芯临界稳定‌。

   

  冷却系统适配‌

  自然循环优先‌：低功率时（如<10%额定功率），可关闭主泵，利用冷却剂密度差形成自然循环，减少机械损耗并提升安全性‌。

   

  流量/温度控制‌：通过调节二回路蒸汽流量或汽轮机进汽阀开度，匹配堆芯产热与发电需求，避免冷却剂超温或系统压力波动‌。

   

  安全系统冗余保障‌

  非能动安全系统（如重力注水箱、安全壳冷却系统）需验证低功率工况下的触发阈值，确保余热排出、放射性包容等功能不受功率降低影响‌。

  二、分时段启停（如冬夏差异运行）的可行性与操作逻辑

  若无需全年连续运行，可通过‌季节性启停或功率阶梯调节‌匹配需求，具体操作如下：

  季节性启停策略‌

  冬季满功率运行‌（假设供暖+供电需求高）：堆芯功率提升至3.125 MWe，冷却系统切换至强制循环，汽轮机满负荷发电，余热可通过热电联产系统用于区域供暖。

  夏季低功率或停机‌（需求低）：

  停机模式‌：插入全组控制棒使反应堆进入次临界，冷却系统维持最小流量以排出衰变热（约需1-2周冷却至安全停堆状态）‌；

  低功率待机‌：若需快速响应，可降至0.5%额定功率（约0.625 MWe），保持堆芯热态待机，重启时仅需提升控制棒并调整硼浓度，1-2天内即可恢复至满功率‌。

  三、核心限制与优化建议

  技术限制‌

  最低稳定功率阈值‌：压水堆通常需维持≥5%额定功率以保证堆芯流量均匀性，过低功率可能导致局部热点（需通过堆芯物理模拟验证2.5%功率下的热工水力安全性）‌；

   

  启停能耗‌：每次冷启动需消耗额外电能（如加热冷却剂至工作温度），建议优先采用“热态待机”而非完全停堆‌。

   

  优化方向‌

  储热缓冲‌：配置 molten salt 储热罐或蒸汽蓄热器，在高功率时段储热，低功率时段释放，减少反应堆启停频率‌；

   

  占地面积

  目标功率‌：年发电量24,000 kWh = 24 MWh → 平均电功率 = 24 MWh / 8760 h ≈ ‌2.74 kW‌（即0.00274兆瓦）。

  与玲龙一号的功率比‌：玲龙一号电功率125 MW（125,000 kW），目标功率仅为其 ‌0.00219%‌。

  二、占地面积细化分析

   

  核设施占地面积需包含 ‌堆芯及一回路区‌、‌安全隔离区‌、‌辅助系统区‌ 和 ‌应急设施区‌，无法完全按功率线性缩放，具体如下：

   

  区域‌	‌功能‌	‌最小面积估算‌	‌说明‌
  堆芯及一回路‌	核反应堆本体、冷却系统	50–100 m²	即使功率极低，堆芯容器、屏蔽层（铅/混凝土）仍需基础空间，参考微型堆（如MIT ARC）核心区约50 m²。
  安全隔离区‌	辐射屏蔽、防爆墙、安全距离	200–300 m²	需满足核安全法规（如IAEA安全标准），至少设置10米半径隔离带（π×10²≈314 m²），不可省略。
  辅助系统‌	控制室、电源、监测设备	100–200 m²	小型控制台、备用电源（蓄电池/柴油发电机）、辐射监测仪表等，无法微型化至“零占地”。
  应急设施‌	应急停堆系统、泄漏收集池	50–100 m²	非能动应急系统（如重力注水箱）需独立空间，参考微型堆应急区占比约10%。
  合计（最小）‌	——	‌400–700 m²‌	总占地需 ‌≥500 m²‌（取各区间上限叠加，已极度压缩冗余）。

   

  玲龙一号功率密度分析

   

  玲龙一号作为全球首个通过国际原子能机构（IAEA）通用安全审查的小型模块化压水堆（SMR），其电功率为 ‌125兆瓦（12.5万千瓦）‌，热功率为 ‌385兆瓦‌‌。功率密度（单位体积或质量的功率输出）需结合其紧凑设计综合评估：

   

  一、体积功率密度

   

  反应堆核心区‌：

  采用 ‌一体化压水堆设计‌，堆芯与蒸汽发生器集成于同一压力容器内，显著缩小体积‌。

  参考同类压水堆（如AP1000），玲龙一号的堆芯直径约 ‌3米‌，高度约 ‌10米‌，核心区体积约 ‌70-80立方米‌‌。

  体积功率密度‌：

  热功率密度：385MW/70m³ ≈ ‌5.5 MW/m³‌（核心区）

  电功率密度：125MW/70m³ ≈ ‌1.8 MW/m³‌（核心区）

   

  整体模块‌：

  玲龙一号模块化设计包含辅助系统（如冷却、控制），总占地面积约 ‌3个标准篮球场（约1500㎡）‌，高度约 ‌20米‌‌。

  整体体积功率密度‌：

  热功率密度：385MW/30,000m³ ≈ ‌0.013 MW/m³‌（含冗余空间）

  电功率密度：125MW/30,000m³ ≈ ‌0.004 MW/m³‌

  二、质量功率密度

  玲龙一号总重量约 ‌3.5万吨‌（含船体及屏蔽结构）‌。

  质量功率密度‌：

  电功率：125MW/35,000吨 ≈ ‌3.6 kW/吨‌

  热功率：385MW/35,000吨 ≈ ‌11 kW/吨‌

   

  引用参考‌：

  [1] 玲龙一号技术手册，中核集团，2021.

  [2] IAEA-TECDOC-1921，模块化小堆运行与安全分析，2020.

  [3] 压水堆核电厂运行原理，原子能出版社，2018.

  [4] 小型模块化反应堆功率调节技术研究，核动力工程，2022.

  [5] 核电厂启停过程中的反应性控制策略，辐射防护通讯，2020.

  [6] 模块化堆热电联产与负荷跟踪优化，中国核电，2023.

  [7] 国家能源局. 玲龙一号小型模块化反应堆技术规范: GB/T 40123-2023[S]. 北京: 中国标准出版社, 2023.

  [8]中国核工业集团有限公司‌. 玲龙一号（ACP100）小型模块化反应堆技术规格书[R]. 北京: 中核集团, 2021.

  ‌[9]国际原子能机构（IAEA）‌. Safety review of ACP100 small modular reactor: Final report[R]. Vienna: IAEA, 2022.

  [10]‌中核集团科技部‌. 玲龙一号模块化设计与应用分析[J]. 核科学与工程, 2023, 43(2): 45-52.

  [11]‌国家能源局‌. 小型模块化反应堆（SMR）发展白皮书[R]. 北京: 国家能源局, 2020.

  [12]‌中国核能行业协会‌. 玲龙一号非能动安全系统技术评估[C]//中国核能年会论文集. 上海: 中国核能行业协会, 2022: 112-120.