低品位余熱發電汽輪機設計與應用研究

任偉

摘要：本文通過研究溫差發電的原理來設計品位余熱發電汽輪機，對于發電需要的材料、溫差發電裝置以及發電過程中的重要技術難題進行設計與應用研究。從而進一步提高發電汽輪機廢氣余熱的利用效率，增加熱能的利用效率。

關鍵詞：溫差發電;排氣余熱;利用效率

1.排氣余熱溫差發電概述

1.1溫差發電原理

溫差發電原理起源于上世紀60年代，也是目前被廣泛運用在各種余熱發電設備的熱電轉換理論。溫差發電技術是通過某些能夠利用溫差進行發電的特殊材料實現熱電轉化的發電技術，溫差發電過程類似于電子技術中的PN結原理，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行聯接，使得連接后的材料能夠對于熱能進行傳遞。在進行溫差發電過程中，要實現熱電轉化要考慮兩個方面的影響。一方面是如何選取進行發電的材料，不同的材料性能決定了溫差發電過程中的轉化效率以及過程中是否產生額外的能量損失，以及在具體的轉化過程中傳遞性能是否良好;另一方面是如何對發電材料進行連接，不同的連接方式將會產生不同的回路，發電過程中線路中電能的消耗也是不同的。

1.2溫差發電裝置的構成

大多數汽輪機余熱溫差發電裝置都是由以下幾個部件構成：排氣余熱吸收段以及排氣排出段的管道、熱電轉化核心裝置、連接設備以及中央調控設備等。一般情況來說，汽輪機排氣首先從排氣余熱吸收段進入管道，并且在整個熱電轉化管道中一直進行傳遞，直到從排氣排出段的管道排出，這也是整個熱點轉化中重要的環節。在排氣傳遞的過程中，排氣攜帶的余熱將會從熱電轉化管道傳遞到熱電轉換核心裝置中去，在中央調控設備中對于溫度進行適當的調節，把多余的熱能通過溫差發電轉化為電能。被吸收余熱后的汽輪機排氣從排出段排出，由于溫差與較熱的排氣在吸收段形成熱對流，進而提高余熱的發電效率。

1.3溫差發電材料及發電模塊

物理學家通過研究發現，影響溫差發電材料的具體性能有兩個因素。一是溫差發電材料的塞貝克系數。塞貝克系數越低，就代表著溫差發電材料的熱電轉化效率越低;二是溫差發電材料的導熱系數。導熱系數越小，則表明熱能在溫差發電材料中的傳遞越慢，傳遞過程中損失的熱量也會越多。因此在選擇材料的時候要仔細考慮這兩個因素的影響。

除了發電材料的選擇，發電主體裝置的核心溫差發電模塊的選擇也是十分重要的。溫差發電模塊能夠保持整個發電過程中的溫度處于一個恒定狀態，避免了因為溫差劇烈變化而導致熱能的大量損失以及發電裝置過流損壞，提高了溫差發電裝置的熱電轉化的穩定性。

2.排氣余熱溫差發電系統

對于汽輪機排氣余熱溫差發電系統的主要要求是發電系統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行改造。

通過相關軟件計算發電汽輪機排氣管道相關的技術參數，進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上，確定整個管件結構的整體分布。進而根據排氣管的相關設計理論對于排氣管路的安放、定位以及限位等方式進行確定，保證整個管體結構的穩定性。 在上述的工程實施完成后，在原來的基礎之上，在三通管中部增加小三角鋼片來增強三通管的導流能力;在管件中部以及方圓節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行加強，保證這些部分的可靠性。

溫差發電裝置在余熱發電系統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排氣系統中轉移到相應的溫差發電裝置中;另一方面還要保證溫差發電裝置在運轉過程中不會受到汽輪機排氣系統運轉影響，能夠獨立自主地運行。

3.余熱溫差發電裝置設計開發

3.1溫差發電模塊

溫差發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型半導體，三層的N型半導體以及第四層的連接銅片。整體模塊采用內部結構并聯，外部結構串聯，部件之間采取串聯的方式。

3.2熱端氣箱裝置

熱端氣箱裝置是對整個發電裝置熱能的來源，通過吸收含有余熱的汽輪排氣，保證整個溫差發電裝置能夠正常運轉。通過對熱端氣箱裝置對于整個溫差發電裝置的影響，我們可以得到以下結論：在整個溫差發電裝置中，各個組成模塊的溫差分布越均勻，裝置內部的氣體混亂度越低，整個裝置的運行就會越發順利。

根據這一結論，為了提高整個溫差發電裝置的運行效率，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，避免因為余熱氣體排出端溫度過高而引起整個裝置的失效;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，提高了溫差發電裝置的熱電轉化能力。

3.3溫差發電裝置整體結構

一般情況下，溫差發電裝置整體結構是由三層構成的。里面的一層是冷卻水管道，利用水的比熱容最高的性質，與外面的管道起到保護整體熱能轉化裝置的作用。中間的一層是相應的汽輪機排氣輸送管道，通過這個管道的輸送將有余熱的氣體送入到熱電轉化核心裝置進行熱電能轉化;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溫差發電裝置，隔斷整個裝置與外界環境的聯系，保證整個設備能夠正常運行。

4.結語

我們通過采用溫差發電法，進一步降低了低品位余熱回收的難度，提高了汽輪機預熱的發電效率。盡管目前溫差發電法由于其成本較高，設計難度較大，但是可以肯定的是，隨著社會節能減排的呼聲不斷增加，溫差發電法的利用將會越來越廣。我們通過采用溫差發電發可以進一步提高余熱的利用效率，促進我國節能減排事業的不斷發展。

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