電站鍋爐受熱面復合溫差發電技術經濟性研究

尤 運， 潘衛國， 姜未汀， 王 健， 鄭敏捷， 戴坤鵬

(1.上海電力學院 能源與機械工程學院，上海 200090；2.上海明華電力技術工程有限公司，上海 200090；3.上海電力學院 上海發電環保工程技術中心，上海 200090)

近年來國內外超臨界及超超臨界高參數、大容量火電機組技術得到了快速發展，發電機組的效率也有很大提高。在電站鍋爐、汽輪機等主機和主要輔機等容量與性能參數得到有效改進之后，如何進一步提高火電廠的發電效率已成為一個新的課題。因此，有研究者提出從考慮全廠能源綜合利用的角度入手來提高火電廠的發電效率。

在各種提高能源利用效率的方案中，半導體溫差發電技術是目前的研究熱點之一。該技術的基本原理是利用材料的塞貝克效應，即將匹配的P、N型熱電材料串聯成回路，在冷熱端溫差的作用下，這種回路就可將熱能轉換成電能[1]。

溫差發電技術具有結構緊湊、無磨損、無泄漏、無噪聲、壽命長、可靠性高和清潔等優點[2]，是一種綠色環保的發電技術，其在余熱發電、邊遠地區供電、太陽能溫差發電、空間探索和海洋溫差能發電[3]等領域應用廣泛。Meng等[4]設計了一個可以回收汽車尾部余熱用于溫差發電的裝置，利用多物理模型研究其性能，進一步優化傳熱。Arcuri等[5]設計出海洋溫差能發電系統，該系統采用液化天然氣(LNG)氣化過程中所釋放出的大量冷能驅動熱力循環，將循環熱效率提高到17.5%。Georgopoulou等[6]通過搭建試驗臺，測試了船舶柴油機排煙管利用溫差發電裝置進行廢熱回收和發電的性能。Agbossou等[7]將相變儲能與溫差發電相結合，通過數學計算設計了太陽能連續溫差發電系統。

目前國內外關于溫差發電技術應用于電站鍋爐的研究還很少，特別是鍋爐受熱面的利用方面。由于電站鍋爐結構特殊，具有可靠的保溫絕熱性能，且鍋爐內部有熱源產生高溫，同時又有受熱面，受熱面是低溫狀態，因此可以滿足直接熱電轉換的溫差條件。筆者提出了鍋爐受熱面復合溫差發電的方法，并建立了多個相關的計算模型，采用具體實例進行了詳細、精確的理論計算和經濟性分析。

1 鍋爐受熱面熱力計算

1.1 鍋爐受熱面換熱量計算

某火電廠300 MW機組在額定工況下工作時，鍋爐主要受熱面的性能參數見表1。

根據蒸汽熱力性質國際標準IAPWS-IF97[8]，分別查得鍋爐各受熱面進、出口焓值，再根據式(1)，計算出鍋爐各受熱面的換熱量Q，結果如表2所示。

(1)

式中：q為各受熱面水和蒸汽總的質量流量，t/h；h1、h2分別為各受熱面進、出口焓值，kJ/kg。

表1 鍋爐受熱面的性能參數

表2 鍋爐受熱面的換熱量

1.2 鍋爐受熱面換熱面積計算

針對該鍋爐不同受熱面的溫度段位和傳熱系數[9](見表3)，根據式(2)可以計算出各受熱面的平均換熱面積S，結果如表3所示。

(2)

式中：K為各受熱面平均傳熱系數，W/(m2·K)；ΔT為兩側平均溫差，K。

2 鍋爐受熱面復合溫差發電計算

2.1 鍋爐受熱面復合溫差發電的模型

根據鍋爐的結構特性和溫差發電模塊的熱電轉換性能，將鍋爐受熱面與溫差發電模塊相結合，即將溫差發電模塊的熱端肋片部分與高溫煙氣接觸，冷端與受熱面接觸，經過一定的技術處理便可進行溫差發電。圖1為溫差發電模塊與電站鍋爐受熱面結合布置示意圖[10-13]。在這種新型的結合技術中，鍋爐的保溫絕熱性能使得鍋爐中這部分熱流體的熱能除了直接轉化為電能外，剩余熱能傳遞給受熱面，整個過程幾乎沒有能量浪費。因此，將溫差發電模塊與電站鍋爐受熱面結合起來可以提高火電廠的發電效率。

表3 鍋爐受熱面的溫度段位及傳熱系數

圖1 溫差發電模塊與鍋爐受熱面結合布置示意圖

2.2 溫差發電輸出功率計算

溫差發電片的理論最大發電效率η′為

η′=ηcarnot×ηmater

(3)

(4)

(5)

式中：ηcarnot為卡諾循環效率，對于本文所述溫差發電而言，該效率取決于溫差發電片兩端的溫差；ηmater為熱電材料的熱電效應效率，由熱電材料的熱電優值ZT(為無量綱數)決定；Th、Tc分別為溫差發電片熱端和冷端溫度，℃。

根據文獻[14]～文獻[17]和市場調研情況，并結合表3，可以相應選擇適合的材料、面積、熱電優值且性價比高的溫差發電片，其性能參數見表4，其中A為單個溫差發電片的面積。

由于溫差發電模塊的設計有效地強化了溫差發電片兩端的傳熱，因此將煙氣側平均溫度T1近似取為溫差發電片熱端溫度Th，將受熱面側平均溫度T2近似取為溫差發電片冷端溫度Tc。根據式(6)[14]，可以計算得到溫差發電模塊的理論最大發電效率η′，結果如表5所示。

表4 溫差發電片的性能參數

(6)

在目前較好的技術下，溫差發電模塊功率的實際測量值一般為理論最大值的50%～70%，本文計算時取60%，所得發電效率η見表5。

表5溫差發電模塊的發電效率

Tab.5Generatingefficiencyofthethermoelectricpowergenerationmodule%

參數受熱面水冷壁過熱器再熱器省煤器η'20.813.68.97.7η12.58.25.34.6

PTE=Q×η

(7)

2.3 火電廠能源利用率分析

鍋爐受熱面復合溫差發電改進前后，熱量利用形式發生改變。該火電廠采用溫差發電前的傳統發電效率ηcp為

表6鍋爐受熱面溫差發電輸出功率

Tab.6PoweroutputofthermoelectricpowergenerationforvariousboilerheatingsurfaceskW

參數受熱面水冷壁過熱器再熱器省煤器PTE34 023.617 638.45 819.92 372.9P'TE59 854.8

(8)

式中：Pc為該火電廠的傳統發電功率，kW；Qcp為單位時間燃料燃燒送入的熱量，kW。

在該火電廠額定工況下，Pc=300 MW，ηcp=40%，計算可得Qcp=750 000 kW。

鍋爐受熱面結合溫差發電模塊后，受熱面表面覆蓋溫差發電模塊導致熱阻增加，根據溫差發電模塊的傳熱系數[14，18]和表3，經過計算，覆蓋后的水冷壁、過熱器、再熱器和省煤器的傳熱系數分別減小了3.5%、1.6%、1.2%和0.7%，考慮到各受熱面換熱量加權平均后取2.3%，覆蓋后的受熱面換熱量相比原來降低了ηw=2.3%，導致鍋爐效率降低為原來的(1-ηw)。

該火電廠采用溫差發電后的聯合發電效率ηTC為

(9)

(10)

ηe=100%×(1-ηw)×ηb×

(11)

3 經濟性分析

3.1 成本和收益計算

根據表3、表4和式(12)，可以計算得到各受熱面所需溫差發電片的數量Ni，結果見表7[19]。

圖2 鍋爐受熱面復合溫差發電改進前后熱量利用形式的對比

(12)

整個溫差發電系統各受熱面的成本總價W為

(13)

式中：i=1,2,3,4，分別代表水冷壁、過熱器、再熱器和省煤器；Yi為各受熱面溫差發電片的單價，元；F為其他設備費、安裝費、勞務費和維護費等費用，為4 000萬元。

由表7可知，各受熱面成本總和W為30 121.5萬元。

表7 鍋爐受熱面溫差發電系統成本

根據式(14)，計算得到火電廠溫差發電系統每年新增售電收益M，結果見表8。

(14)

式中：n為火電廠機組年發電小時數，取4 000 h；y為上網電價，取0.35元。

表8 鍋爐受熱面溫差發電系統每年新增售電收益

3.2 投資收益率

投資收益率是衡量投資方案獲利水平的評價指標[19]，為投資方案達到設計生產能力后一個正常生產年份的年凈收益額與方案投資額的比率。已知項目總投資成本總價W為30 121.5萬元，每年新增售電收益M為8 379.7萬元，企業所得稅率r取25%，能源行業基準投資收益率Rc取9%，設備折舊期C按10年計算，則年折舊費I為

(15)

年凈收益額V為

V=M-(M-I)×r

(16)

投資收益率R為

(17)

經計算可得R=23.4%，由于R>Rc，故該項目投資是可行的。

3.3 投資回收期

投資回收期是以方案的凈收益回收其總投資所需的時間[19]，表達式如下：

(18)

由式(18)可得投資回收期PZ=4.3年，考慮到溫差發電片的使用壽命較長，一般高于設備折舊期(C=10年)，因此在該投資回收期內可以正常工作。

3.4 影響因素分析

上網電價、溫差發電模塊的聯合發電效率和溫差發電片的單價變化對投資回收期的影響見圖3。

由圖3可以看出，上網電價越高，溫差發電模塊的發電效率越高，溫差發電片的單價越低，年發電小時數越長，則投資回收期越短。但是目前熱電材料的熱電效應效率較低，品種可選擇性不高(特別是耐高溫、耐磨損、耐腐蝕的熱電材料)，成本較貴是制約溫差發電技術發展的主要瓶頸，如果溫差發電片和溫差發電系統未來能夠實現大規模的商業化，將會大大推進溫差發電技術的發展。

4 結 論

(1)在該火電廠額定工況下，采用水冷壁、過熱器、再熱器和省煤器發電效率分別為12.5%、8.2%、5.3%和4.6%的溫差發電模塊，對應單價分別為40元、30元、20元和15元的溫差發電片，在年發電小時數4 000 h、上網電價0.35元的條件下，能夠有效提高火電廠總的發電效率約2.9%，投資回收期為4.3年。

(2)將電站鍋爐受熱面與溫差發電模塊結合用于溫差發電，是提高火電廠發電效率的有效途徑，具有較大的經濟效益，為火電廠的節能減排提供了新的技術方向。

(a)上網電價的影響

(b)溫差發電模塊的聯合發電效率的影響

(c)溫差發電片的單價的影響

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