低品位余熱發(fā)電汽輪機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

任偉

摘要：本文通過研究溫差發(fā)電的原理來設(shè)計(jì)品位余熱發(fā)電汽輪機(jī)，對于發(fā)電需要的材料、溫差發(fā)電裝置以及發(fā)電過程中的重要技術(shù)難題進(jìn)行設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究。從而進(jìn)一步提高發(fā)電汽輪機(jī)廢氣余熱的利用效率，增加熱能的利用效率。

關(guān)鍵詞：溫差發(fā)電;排氣余熱;利用效率

1.排氣余熱溫差發(fā)電概述

1.1溫差發(fā)電原理

溫差發(fā)電原理起源于上世紀(jì)60年代，也是目前被廣泛運(yùn)用在各種余熱發(fā)電設(shè)備的熱電轉(zhuǎn)換理論。溫差發(fā)電技術(shù)是通過某些能夠利用溫差進(jìn)行發(fā)電的特殊材料實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)化的發(fā)電技術(shù)，溫差發(fā)電過程類似于電子技術(shù)中的PN結(jié)原理，通過兩種特殊性能材料（P材料和N材料）使用特殊的連接方式進(jìn)行聯(lián)接，使得連接后的材料能夠?qū)τ跓崮苓M(jìn)行傳遞。在進(jìn)行溫差發(fā)電過程中，要實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)化要考慮兩個(gè)方面的影響。一方面是如何選取進(jìn)行發(fā)電的材料，不同的材料性能決定了溫差發(fā)電過程中的轉(zhuǎn)化效率以及過程中是否產(chǎn)生額外的能量損失，以及在具體的轉(zhuǎn)化過程中傳遞性能是否良好;另一方面是如何對發(fā)電材料進(jìn)行連接，不同的連接方式將會(huì)產(chǎn)生不同的回路，發(fā)電過程中線路中電能的消耗也是不同的。

1.2溫差發(fā)電裝置的構(gòu)成

大多數(shù)汽輪機(jī)余熱溫差發(fā)電裝置都是由以下幾個(gè)部件構(gòu)成：排氣余熱吸收段以及排氣排出段的管道、熱電轉(zhuǎn)化核心裝置、連接設(shè)備以及中央調(diào)控設(shè)備等。一般情況來說，汽輪機(jī)排氣首先從排氣余熱吸收段進(jìn)入管道，并且在整個(gè)熱電轉(zhuǎn)化管道中一直進(jìn)行傳遞，直到從排氣排出段的管道排出，這也是整個(gè)熱點(diǎn)轉(zhuǎn)化中重要的環(huán)節(jié)。在排氣傳遞的過程中，排氣攜帶的余熱將會(huì)從熱電轉(zhuǎn)化管道傳遞到熱電轉(zhuǎn)換核心裝置中去，在中央調(diào)控設(shè)備中對于溫度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，把多余的熱能通過溫差發(fā)電轉(zhuǎn)化為電能。被吸收余熱后的汽輪機(jī)排氣從排出段排出，由于溫差與較熱的排氣在吸收段形成熱對流，進(jìn)而提高余熱的發(fā)電效率。

1.3溫差發(fā)電材料及發(fā)電模塊

物理學(xué)家通過研究發(fā)現(xiàn)，影響溫差發(fā)電材料的具體性能有兩個(gè)因素。一是溫差發(fā)電材料的塞貝克系數(shù)。塞貝克系數(shù)越低，就代表著溫差發(fā)電材料的熱電轉(zhuǎn)化效率越低;二是溫差發(fā)電材料的導(dǎo)熱系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)越小，則表明熱能在溫差發(fā)電材料中的傳遞越慢，傳遞過程中損失的熱量也會(huì)越多。因此在選擇材料的時(shí)候要仔細(xì)考慮這兩個(gè)因素的影響。

除了發(fā)電材料的選擇，發(fā)電主體裝置的核心溫差發(fā)電模塊的選擇也是十分重要的。溫差發(fā)電模塊能夠保持整個(gè)發(fā)電過程中的溫度處于一個(gè)恒定狀態(tài)，避免了因?yàn)闇夭顒×易兓鴮?dǎo)致熱能的大量損失以及發(fā)電裝置過流損壞，提高了溫差發(fā)電裝置的熱電轉(zhuǎn)化的穩(wěn)定性。

2.排氣余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)

對于汽輪機(jī)排氣余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)的主要要求是發(fā)電系統(tǒng)裝置要盡量簡便化和可靠性，因此需要對于原來的排氣管道進(jìn)行改造。

通過相關(guān)軟件計(jì)算發(fā)電汽輪機(jī)排氣管道相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，進(jìn)而確定管件的幾何形體尺寸。在保證排氣管的彈性剛度的基礎(chǔ)上，確定整個(gè)管件結(jié)構(gòu)的整體分布。進(jìn)而根據(jù)排氣管的相關(guān)設(shè)計(jì)理論對于排氣管路的安放、定位以及限位等方式進(jìn)行確定，保證整個(gè)管體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。 在上述的工程實(shí)施完成后，在原來的基礎(chǔ)之上，在三通管中部增加小三角鋼片來增強(qiáng)三通管的導(dǎo)流能力;在管件中部以及方圓節(jié)的上半段增加隔板來隔斷外界溫度變化對于管件氣體排放的影響;對于管件接頭以及彎頭部分進(jìn)行加強(qiáng)，保證這些部分的可靠性。

溫差發(fā)電裝置在余熱發(fā)電系統(tǒng)的安放位置也是重要的。正確的安放位置一方面能夠保證余熱尾氣能夠順利地從汽輪機(jī)排氣系統(tǒng)中轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的溫差發(fā)電裝置中;另一方面還要保證溫差發(fā)電裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不會(huì)受到汽輪機(jī)排氣系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)影響，能夠獨(dú)立自主地運(yùn)行。

3.余熱溫差發(fā)電裝置設(shè)計(jì)開發(fā)

3.1溫差發(fā)電模塊

溫差發(fā)電模塊一般由四部分組成，分別為第一層的陶瓷板，第二層的P型半導(dǎo)體，三層的N型半導(dǎo)體以及第四層的連接銅片。整體模塊采用內(nèi)部結(jié)構(gòu)并聯(lián)，外部結(jié)構(gòu)串聯(lián)，部件之間采取串聯(lián)的方式。

3.2熱端氣箱裝置

熱端氣箱裝置是對整個(gè)發(fā)電裝置熱能的來源，通過吸收含有余熱的汽輪排氣，保證整個(gè)溫差發(fā)電裝置能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。通過對熱端氣箱裝置對于整個(gè)溫差發(fā)電裝置的影響，我們可以得到以下結(jié)論：在整個(gè)溫差發(fā)電裝置中，各個(gè)組成模塊的溫差分布越均勻，裝置內(nèi)部的氣體混亂度越低，整個(gè)裝置的運(yùn)行就會(huì)越發(fā)順利。

根據(jù)這一結(jié)論，為了提高整個(gè)溫差發(fā)電裝置的運(yùn)行效率，我們在原有的裝置中加入了擾流片。引流片可以保證余熱氣體在裝置中均勻分布，避免因?yàn)橛酂釟怏w排出端溫度過高而引起整個(gè)裝置的失效;能夠使得裝置中各部分的溫度基本保持一致，避免溫差造成裝置失靈，提高了溫差發(fā)電裝置的熱電轉(zhuǎn)化能力。

3.3溫差發(fā)電裝置整體結(jié)構(gòu)

一般情況下，溫差發(fā)電裝置整體結(jié)構(gòu)是由三層構(gòu)成的。里面的一層是冷卻水管道，利用水的比熱容最高的性質(zhì)，與外面的管道起到保護(hù)整體熱能轉(zhuǎn)化裝置的作用。中間的一層是相應(yīng)的汽輪機(jī)排氣輸送管道，通過這個(gè)管道的輸送將有余熱的氣體送入到熱電轉(zhuǎn)化核心裝置進(jìn)行熱電能轉(zhuǎn)化;最外面的一層是夾緊裝置，夾緊裝置的主要主用是固定整個(gè)溫差發(fā)電裝置，隔斷整個(gè)裝置與外界環(huán)境的聯(lián)系，保證整個(gè)設(shè)備能夠正常運(yùn)行。

4.結(jié)語

我們通過采用溫差發(fā)電法，進(jìn)一步降低了低品位余熱回收的難度，提高了汽輪機(jī)預(yù)熱的發(fā)電效率。盡管目前溫差發(fā)電法由于其成本較高，設(shè)計(jì)難度較大，但是可以肯定的是，隨著社會(huì)節(jié)能減排的呼聲不斷增加，溫差發(fā)電法的利用將會(huì)越來越廣。我們通過采用溫差發(fā)電發(fā)可以進(jìn)一步提高余熱的利用效率，促進(jìn)我國節(jié)能減排事業(yè)的不斷發(fā)展。

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