一種熱能梯級利用型溫差發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設計

許昊煜

(大唐華東電力試驗研究所，安徽 合肥 230011)

一種熱能梯級利用型溫差發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設計

許昊煜

(大唐華東電力試驗研究所，安徽 合肥 230011)

天然氣作為一種清潔、高效、供應范圍廣的能源，被廣泛地應用于分布式發(fā)電中，而結構簡單、輸出穩(wěn)定性強、熱源適用性廣的溫差發(fā)電技術可以較好地結合天然氣應用于分布式能源當中，但溫差發(fā)電系統(tǒng)熱電轉化效率的低下阻礙了其發(fā)展與應用。為了提高系統(tǒng)的發(fā)電效率，本文提出了一種熱能梯級利用型溫差發(fā)電系統(tǒng)。通過將高、中、低溫溫差發(fā)電模塊合理地布置于一個以天然氣燃燒產生的高溫煙氣為熱源的系統(tǒng)中，以此形成對熱能的梯級利用。使用CFD計算的手段實現(xiàn)了系統(tǒng)的優(yōu)化設計計算，并依據優(yōu)化結果搭建了實驗臺。模擬和實驗研究的結果表明，優(yōu)化后的系統(tǒng)能夠有效地實現(xiàn)對熱源的梯級利用，相比于傳統(tǒng)的單級高溫溫差發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)的發(fā)電效率增加了1.93個百分點，增幅達到37.7%。

分布式能源；溫差發(fā)電；優(yōu)化設計；系統(tǒng)效率；梯級利用

0 引言

為了使我國的能源供應端朝著更為清潔低碳的方向轉變，天然氣分布式能源由于其具有供應范圍廣泛、高效清潔、運行靈活等優(yōu)勢，作為過渡能源開始逐漸步入快速發(fā)展期[1-2]。

溫差發(fā)電技術是一種全固態(tài)熱電轉化方式，其結構簡單，體積較小，且無運動部件，熱源適用性廣泛，可以較好地結合天然氣燃燒產生的熱源進行發(fā)電[3]。相較于中小型燃氣輪機、燃氣內燃機、微型燃氣輪機等傳統(tǒng)的天然氣分布式能源，溫差發(fā)電系統(tǒng)壽命長、無需維護，因此其更具穩(wěn)定性與靈活性[4-6]。盡管如此，溫差發(fā)電技術在天然氣分布式能源領域的大規(guī)模發(fā)展與應用的最大瓶頸在于其熱電轉換效率的低下。

雖然在提高熱電材料及溫差發(fā)電系統(tǒng)性能方面均取得了一些成果[7-8]，但是目前的研究大多圍繞單級溫差發(fā)電系統(tǒng)進行，鮮有通過將適用于不用工作溫度區(qū)間的熱電模塊耦合于天然氣燃燒產生的熱源中，從而形成熱能梯級利用的研究。因此本文著眼于耦合高、中、低溫熱源，基于溫差發(fā)電技術對熱能實現(xiàn)梯級利用，并對系統(tǒng)中的各級子系統(tǒng)進行流場、溫度場的優(yōu)化設計計算，從而提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。

1 溫差發(fā)電系統(tǒng)基本原理

1.1 基于溫差發(fā)電技術的熱能梯級利用系統(tǒng)介紹

當金屬、半導體的冷熱兩端形成溫度差時，其中的電子(空穴)順溫度梯度遷移從而產生電能，一般稱此現(xiàn)象為熱電效應[9]。不同的熱電材料具有不同的最佳工作溫度區(qū)間，其中以鍺硅合金為代表的熱電材料工作溫度在1 000 ℃左右，碲化鉛合金的熱電材料適合在500～700 ℃區(qū)間內使用，而碲化鉍材料適合在300 ℃以下使用[10]。因此根據不同的溫度區(qū)間，可將其定義為高、中、低溫溫差發(fā)電材料。不同的熱電模塊只有工作在其最佳工作溫度區(qū)間內才能發(fā)揮出最高的熱電轉換能力[11]。在已有的研究中，大多數是針對單級溫差發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)特性進行優(yōu)化研究從而提高系統(tǒng)效率，例如圖1中的單級高溫溫差發(fā)電系統(tǒng)，其中的高溫溫差發(fā)電模塊以天然氣燃燒產生的高溫煙氣為熱源進行發(fā)電，使用冷卻水對熱電模塊的冷端進行冷卻，隨后排出系統(tǒng)[12]。其系統(tǒng)效率如下所示：

(1)

式中：PTEM為高溫溫差發(fā)電模塊的發(fā)電功率；PCH4為系統(tǒng)中的燃燒器功率。

圖1 單級高溫溫差發(fā)電系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of high temperature TEG system

顯然，單級高溫溫差發(fā)電系統(tǒng)中的排煙以及冷卻水未經利用即排入了環(huán)境，造成了能源浪費。因此可以通過耦合高、中、低溫溫差發(fā)電模塊，并通過合理地布置，使其工作在相應的最佳溫度區(qū)間，可以提高溫差發(fā)電系統(tǒng)的整體效率。

基于以上的背景，本文構建了一個熱能梯級利用型溫差發(fā)電系統(tǒng)，其系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 熱能梯級利用型溫差發(fā)電系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of cascade utilization TEG system

燃燒產生的能量提供給高溫溫差發(fā)電模塊發(fā)電后進入煙道繼續(xù)為中溫溫差發(fā)電模塊提供熱源。中溫溫差發(fā)電模塊發(fā)電功率為PMTEM。與此同時，冷卻水冷卻高溫溫差發(fā)電模塊外壁后，進入煙道中的換熱器再熱，隨后被通入低溫發(fā)電模塊熱端，其發(fā)電功率為PLTEM，燃燒功率為PCH4，其效率可以表示如下：

(2)

顯然，相較于單級的高溫溫差發(fā)電系統(tǒng)，本系統(tǒng)通過對熱能的梯級利用，從而提高熱源的能量利用率。其主要部件包括：燃燒系統(tǒng)(風機、混合室和遮焰罩)、溫差發(fā)電模塊(高、中、低溫溫差發(fā)電模塊)、散熱套、冷卻水再熱裝置、引風裝置、數據采集系統(tǒng)等子系統(tǒng)。通過計算估計熱源在系統(tǒng)中各處的溫度，確定高溫溫差發(fā)電模塊采用PbSnTe型環(huán)形熱電模塊，其最佳工作區(qū)間約為500～700 ℃[13]，中溫溫差發(fā)電采用最佳工作溫度區(qū)間在350 ℃(623.15 K)左右的Bi-Te半導體熱電模塊[14]，低溫溫差發(fā)電模塊選取工作溫度區(qū)間在100 ℃以下的碲化鉍溫差發(fā)電模塊[15]。

1.2 基本工作原理

圖2中，紅色箭頭表示燃氣以及高溫煙氣的走向，與之對應的藍色箭頭則表示了冷卻水的走向。燃氣與空氣按照規(guī)定比例進行強制預混并噴入燃燒室燃燒，產生的高溫煙氣進入高溫模塊熱端進行換熱。隨后，煙道中的高溫煙氣一方面為中溫溫差發(fā)電模塊提供熱源，另一方面與冷卻水再熱管中的冷卻水進行換熱，最后被排出系統(tǒng)。

冷卻水流經高溫溫差發(fā)電模塊冷端，與模塊熱端進行熱交換后，通往冷卻水再熱器，吸收煙道中的高溫煙氣放出的熱量，溫度進一步提高，隨后進入低溫溫差發(fā)電模塊進行發(fā)電。

結合以上工作過程可知，由燃燒系統(tǒng)提供了高溫煙氣，其直接作為高溫與中溫溫差發(fā)電模塊的熱源，同時間接地為低溫模塊提供了熱源(再熱后的冷卻水)，體現(xiàn)了對系統(tǒng)熱源熱能的梯級利用。

2 燃燒及煙氣換熱部件的CFD模擬

由于CFD計算軟件Fluent具有完善的建模平臺、網格劃分智能、計算模型選取方便以及后處理信息通用性高等優(yōu)點[16]，因此選擇Fluent對于本系統(tǒng)的燃燒和煙氣換熱部件進行模擬，并且根據模擬結果優(yōu)化系統(tǒng)各部件的設計方案。燃燒部件包括燃燒器和高溫模塊，煙氣換熱部件包括中溫模塊、煙道和冷卻水再熱器。

2.1 燃燒部件的數值模擬

圖3 系統(tǒng)的燃燒部件模型Fig.3 Models of combustion device

系統(tǒng)的高溫段主要包括燃燒器以及高溫溫差發(fā)電模塊。建立如圖3所示的高溫段模型，為了增加流場的擾流強化換熱，考慮給燃燒器上增加遮焰器。圖3(a)顯示了未安裝遮焰罩的燃燒器，3(b)顯示安裝了環(huán)形帶孔遮焰罩的燃燒器。

2.1.1 燃燒部件網格的劃分和邊界條件的設置

對燃燒器的混合氣進口采用Tri型Pave非結構化面網格，徑向和周向節(jié)點數分別為16和24。對體網格的劃分選用Tet/Hybrid型。熱電模塊部分的網格劃分方式選用Hex型?；旌蠚獾倪M口為空燃預混氣體，出口為1 atm的壓力出口，外壁面設置為絕熱，內壁面設置為熱耦合。

由于系統(tǒng)高溫段的結構復雜且需要計算化學反應與組分輸運，因此綜合考慮計算的經濟性和精度，選用標準k-ε模型計算湍流現(xiàn)象，在系統(tǒng)的出入口處選擇湍動強度和水力直徑作為計算湍流現(xiàn)象的輸入參數[17]。選用組分輸運與反應模型中的有限速率/渦耗散模型，該模型使用總包反應計算甲烷與空氣的預混燃燒。進口處按照過量空氣系數1.05設置甲烷與氧氣的比例。選擇壓力基求解器，半隱式連接壓力方程方法(semi-implicit method for pressure-linked equations,SIMPLE)，對流插值方式使用一階迎風格式[18]。

2.1.2 燃燒部件的模擬結果

圖4為燃氣、空氣混合氣進入環(huán)形熱電模塊后，未安裝環(huán)形帶孔遮焰裝置型燃燒器和安裝有環(huán)形帶孔遮焰裝置燃燒器的中間截面溫度云圖以及流線圖。從流線圖上可以看出，未安裝環(huán)形帶孔遮焰裝置型燃燒器的燃燒腔內大多數的高溫煙氣直接排向了出口，而在安裝了遮焰罩的燃燒器中，燃燒產生的高溫煙氣由于受到了遮焰罩的遮擋，無法直接排入環(huán)境，在遮焰罩內形成擾流，并且通過遮焰罩上的孔洞噴出，進入高溫模塊內壁的周圍。從溫度場可以看出，安裝遮焰罩后，高溫煙氣模塊內壁附近的煙氣溫度較高，模塊溫度整體升高，遮焰罩的擾流以及強化傳熱作用明顯。因此本系統(tǒng)其他部件的優(yōu)化設計，都以天然氣在安裝了遮焰罩的燃燒器的工況為設計前提。

圖4 燃燒部件的中間截面溫度云圖和流線圖Fig.4 The contours of temperature field and the streamline pictures on symmetry planes

2.2 煙氣換熱部件的數值模擬

系統(tǒng)的煙氣換熱部件包括煙道、冷卻水再熱換熱管以及中溫溫差發(fā)電模塊。建立如圖5所示的模型，高溫煙氣從煙氣入口進入煙道，加熱中溫熱電模塊內壁的同時，也加熱冷卻水再熱器。

圖5 系統(tǒng)煙氣換熱部件模型Fig.5 Model of the flue gas heat transfer

2.2.1 煙氣換熱部件網格的劃分和邊界條件的設置

系統(tǒng)的煙氣換熱部件中，用于冷卻水再熱的螺旋管中的流體為水、煙道中流體為煙氣，中溫模塊則為固體域。整個模型級的結構尺寸復雜，其中畸化網格比例小于3%，不存在體積為零的網格。以此分別對以上提到的每段進行網格劃分，螺旋管相對尺寸較小，因此進行網格加密處理，使用適用性較強的非結構化Tet/Hybrid型網格，網格尺寸3 mm。上部煙道結構簡單，考慮到計算的經濟性，使用了5 mm尺寸的Tet/Hybrid型網格。整個系統(tǒng)煙氣換熱部件模型劃分網格數為343 387。

煙氣入口設置為速度入口，入口速度為高溫段模擬的出口速度，入口溫度為高溫段模擬的出口溫度的平均值(781 K)。出口與大氣相連，因此設置為表壓為0 Pa的壓力出口。中溫模塊的材料定義為中溫溫差發(fā)電模塊類型，其熱容、密度和導熱系數通過產品說明書所得。螺旋管換熱器內的流體定義為水，其進口定義為速度入口，速度為0.66 m/s。

2.2.2 煙氣換熱部件的模擬結果

圖6顯示了煙氣換熱部件內部的流線圖。從圖6不難看出，高溫煙氣經過換熱螺旋管周圍時有較明顯的擾流。有必要對于圖中黑框標出a處的局部速度場重點關注。圖7顯示了螺旋管a處的速度矢量圖，從局部速度上來看，高溫煙氣對于螺旋管形成了較好的沖刷。

圖6 煙氣換熱部件流線圖Fig.6 Flow field of the flue gas heat transfer

圖7 煙氣換熱部件的局部速度矢量圖Fig.7 Partial vector graphic of the flue gas heat transfer

圖8 煙氣換熱部件的溫度云圖Fig.8 Temperature field of the flue gas heat transfer

圖8顯示了煙氣換熱部件內部的溫度云圖。高溫煙氣流經換熱管后，在周邊形成了低溫區(qū)，由于其對管道形成了良好的沖刷，與螺旋管內的冷卻水換熱明顯，圖中的c、b處分別為中溫溫差發(fā)電模塊與換熱螺旋管，其局部溫度云圖分別如圖9和圖10所示。

圖9 中溫溫差發(fā)電模塊溫度云圖Fig.9 Temperature field of the medium temperature thermoelectric module

圖10 冷卻水再熱管溫度云圖Fig.10 Temperature field of coil heat exchangers

圖11 煙道出口處溫度分布Fig.11 Temperature distribution of the flue’s outlet

圖12 中溫溫差發(fā)電模塊溫度分布圖Fig.12 Temperature distribution of the medium temperature thermoelectric module

圖13 冷卻水再熱管出口溫度分布Fig.13 Temperature distribution of coil heat exchanger’s outlet

從圖9可以看出，由于熱電模塊的導熱系數較低，因此內部的溫度梯度明顯，其內壁的最高溫度達到450 K，而翅片溫度為350 K左右，內外壁溫差接近100 K。

從圖10可以看出，冷卻水從換熱螺旋管進入高溫煙道后被煙氣加熱，呈現(xiàn)由下至上溫度不斷升高的趨勢。

煙道出口處的溫度分布如圖11所示，其平均溫度約為650.81 K。圖12顯示了在z軸方向上，中溫發(fā)電模塊內外壁溫度的分布。不難看出，隨著z值增大，內壁溫度不斷下降，內壁溫度的平均值為467.86 K，外壁溫度均值為413.44 K。

圖13顯示了，再熱后的冷卻水沿水平管徑方向的溫度分布，在再熱器出口處，其平均溫度達到了315.2 K。整個換熱管段的溫升接近18 K,因此可以看出，冷卻水在螺旋管換熱器中再熱效果明顯。

2.3 小結

本部分采用CFD方法對溫差發(fā)電系統(tǒng)的燃燒以及煙道換熱部件進行了模擬分析。分析結果表明環(huán)形帶孔遮焰裝置的安裝能有效地強化傳熱，使得高溫溫差發(fā)電模塊內壁溫度大幅上升。與此同時，通過分析中溫溫差發(fā)電模塊的溫度場，得到了中溫溫差發(fā)電模塊的溫度分布以及冷熱兩端的溫差。最后，通過螺旋管換熱器的溫度分布云圖，驗證了本系統(tǒng)換熱器的設計方案的合理性。

綜上所述，本章的CFD計算在驗證熱能梯級利用型溫差發(fā)電系統(tǒng)設計內容的同時，得到了系統(tǒng)優(yōu)化的方案，為后續(xù)的實驗臺加工起到了指導意義。

3 溫差發(fā)電系統(tǒng)的實驗研究

3.1 實驗裝置介紹

根據前文的設計思路搭建了一種熱能梯級利用型溫差發(fā)電系統(tǒng)實驗臺，如圖14所示。

圖14 實驗臺三維系統(tǒng)圖Fig.14 Three-dimensional diagram of the test bed

燃氣瓶、風機與預混器通過管道相連，燃氣與升壓后的空氣按照1∶1.2的比例在混合器中預混。其中燃氣流量通過與氣瓶連接的閥門控制，空氣的流量調節(jié)通過控制風機的功率實現(xiàn)。預混好的氣體隨后被噴入燃燒器燃燒，產生的高溫煙氣受到環(huán)形帶孔遮焰裝置的擾流，透過孔洞進入高溫模塊熱端完成換熱后流向煙道。隨后，煙道中的高溫煙氣一方面為中溫溫差發(fā)電模塊提供熱源，另一方面沖刷冷卻水再熱管，最后排出系統(tǒng)。

冷卻水在冷卻水套中為高溫溫差發(fā)電模塊提供冷源，與模塊熱端進行換熱后通往冷卻水再熱器，與煙道中的高溫煙氣進一步換熱，其溫度繼續(xù)升高，隨后進入低溫溫差發(fā)電模塊作為熱源。在此系統(tǒng)中，高、中、低溫溫差發(fā)電模塊被布置于系統(tǒng)的不同溫度區(qū)間，并通過冷卻水或空氣冷卻發(fā)電模塊的冷端以產生電能，從而實現(xiàn)熱能的梯級利用。

3.2 實驗和仿真結果對比及分析

為了考察本系統(tǒng)的熱力以及發(fā)電性能，驗證系統(tǒng)的模擬方法的合理性，采集實驗臺穩(wěn)定后系統(tǒng)性能參數，并與模擬結果進行對比。

將安裝經過優(yōu)化設計的具有環(huán)形帶孔遮焰裝置的燃燒器后的熱電模塊內壁溫度分布的實驗值與模擬值進行比較(如圖15所示)，從曲線整體趨勢來看，模擬值和實驗值較為一致，二者都揭示出加裝經過優(yōu)化設計的帶有環(huán)形帶孔遮焰裝置的燃燒器后，壁面溫度較高，發(fā)電系統(tǒng)的傳熱特性得到改善。

由于測點有限，中溫模塊的冷熱端以及煙道出口只有單個測點，無法測得所有溫度分布，因此取這些CFD計算結果的平均值與實驗測量數據進行比較，從而分析其合理性。表1所示為穩(wěn)定狀態(tài)下實驗中各個測點測得的溫度值與CFD計算中的溫度平均值的比較。從表中不難看出，模擬值與實驗值的相對誤差較小，實驗結果證明了前文CFD計算的合理性。

圖15 z軸方向熱電模塊內壁溫度分布的實驗值與模擬值Fig.15 The experimental values and simulation values of z direction temperature distribution on the TE module’s inner wall

表1 系統(tǒng)中各點溫度模擬與實驗對比表Table 1 Temperature table of the simulation and experimental value

綜合以上的結果，對比相關研究中提到的單級高溫溫差發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電性能參數[14]，可以看出本系統(tǒng)在發(fā)電性能上的一些優(yōu)勢。從表2中不難看出，熱能梯級利用型溫差發(fā)電系統(tǒng)在燃料投入量上相較而言有大幅度減少，系統(tǒng)總效率增加1.93個百分點，增幅相較于單級高溫溫差發(fā)電系統(tǒng)達到37.7%。

表2 不同系統(tǒng)的性能參數對比表Table 2 Performance table of the two different systems

4 結論

本文提出了一種熱能梯級利用型溫差發(fā)電系統(tǒng)，通過數值模擬和物理實驗研究了系統(tǒng)的熱力及發(fā)電特性，得出如下結論：

(1) 安裝環(huán)形帶孔遮焰裝置的燃燒器能有效地增強煙氣紊動，從而強化了傳熱，使溫差發(fā)電模塊內壁面的溫度大幅上升，以提高系統(tǒng)的發(fā)電性能。

(2) 將高、中、低溫溫差發(fā)電模塊合理地布置于一個以燃燒產生的高溫煙氣為熱源的系統(tǒng)的不同溫度區(qū)間中，可以有效地對高溫熱源產生梯級利用的效果。在本文所提到的系統(tǒng)中，系統(tǒng)級發(fā)電效率可以達到7.05%，相較于單級高溫溫差發(fā)電系統(tǒng)的效率，提升了1.93個百分點，增幅達到37.7%。

(3) 實驗結果表明本文所做的CFD模擬能夠較好地反映整個系統(tǒng)的熱力特性，可以作為分析類似問題的方法。

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Optimization Design of a Cascading Thermoelectric Generation System

XU Haoyu

(Datang East China Electric Power Test & Research Institute, Hefei 230031, Anhui Province, China)

The natural gas is clean, high-efficiency and accessible so that it is wildly used in the field of distributed energy. Meanwhile, the thermoelectric generation (TEG) with simple structure, stable output and wide heat resource adaptability can be applied to the distributed energy combining with natural gas. However, the low efficiency of the TEG system hinders the development and the application of it. In order to increase the system efficiency, a cascading thermoelectric generation system is designed. The system is able to make full use of the heat source produced by the combustion of the natural gas based on the rational arrangement of the high, medium and low temperature thermoelectric modules. The CFD method has been used to optimize the design of the system and a test bed has been established based on it. The simulative and experimental results show the optimized system can make the cascading utilization of the heat source, and also the efficiency of the system is 1.93% more than the conventional single-stage high temperature TEG system which weighs 37.7% of it.

distributed energy; thermoelectric generation; design optimization; system efficiency; cascading utilization

許昊煜

TK43

A

2096-2185(2016)01-0057-08

中國大唐集團重點攻關項目(海量實時數據挖掘與設備狀態(tài)智能預警系統(tǒng)研究)

2016-04-15

許昊煜(1991—)，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向為熱力設備及系統(tǒng)節(jié)能、優(yōu)化和故障診斷，langhaoyu@126.com。

Project supported by Key Research Projects of China Datang Corporation(Study on Massive Real-time Data Mining and Equipment State Intelligent Early Warning System)