摘要：通过对温差发电的原理、发电需要的材料、温差发电装置以及发电过程进行了介绍。研究了火电厂汽机排气余热发电如何运用温差发电法进行设计，以及具体的设计开发步骤，不但能够有效地解决火电厂汽机排气余热问题，同时能提高电能的二次转化，因此应用前景广阔。
关键词：火电厂；汽机排气余热；发电设计
如何提高能源的利用率是当今社会的热点话题，也是改善社会能源短缺问题的有效方式。进行火电厂汽机排气余热回收再利用就是其中的一种能源高效回收利用的方法。火电厂汽机排气带走了大量的热能，降低了火电厂的发电效率，排气余热也造成了严重的热污染，带来了严重的温室效应，不符合当代社会对于友好型环境的要求，因此对于火电厂汽机排气余热的再利用具有重大的社会意义。本文通过研究温差发电技术在火电厂汽机排气余热中的运用，和对火电厂汽机排气余热发电进行优化设计，可大大提升余热转化为电能的效率，提高能源利用率。
一、温差发电概述
1、温差发电原理。温差发电原理起源于上世纪60年代，也是目前被广泛运用在各种余热发电设备的热电转换理论。温差发电技术是通过某些能够利用温差进行发电的特殊材料实现热电转化的发电技术，温差发电过程类似于电子技术中的PN 结原理，温差发电的基本原理就是将两种相互匹配的P、N 型热电材料串联成闭合回路，一端提供热源，另一端给予冷却，这样两种热电材料就可以在Seebeck 效应作用下将热能转换成电能。这种由P、N 型材料构成的微型单元叫做PN 节，单个PN 节的发电功率很低，实际应用中要把多个PN 节串并联，集成后的单元称为热电片。通过两种特殊性能材料使用特殊的连接方式进行联接，使得连接后的材料能够对于热能进行传递。在热传递过程中利用转换装置将热能转化为电能，并且储存起来送入电网。在进行温差发电过程中，要实现热电转化要考虑两个方面的影响。一方面是如何选取进行发电的材料。不同的材料性能决定了温差发电过程中的转化效率以及过程中是否产生额外的能量损失，在具体的转化过程中传递性能是否良好；另一方面是如何对发电材料进行连接，不同的连接方式将会产生不同的回路，发电过程中线路中电能的消耗也是不同的。
2、温差发电材料以及模块。物理学家通过研究发现，影响温差发电材料的具体性能有两个因素。一是温差发电材料的塞贝克系数。塞贝克系数越低，就代表着温差发电材料的热电转化效率越低；二是温差发电材料的导热系数。导热系数越小，则表明热能在温差发电材料中的传递越慢，传递过程中损失的热量也会越多。因此在选择材料的时候要仔细考虑这两个因素的影响。除了发电材料的选择，发电主体装置的核心温差发电模块的选择也是十分重要的。温差发电模块能够保持整个发电过程中的温度处于一个恒定状态，避免了因为温差剧烈变化而导致热能的大量损失以及发电装置过流损坏，提高了温差发电装置的热电转化的稳定性。
3、温差发电装置的构成。大多数火电厂汽机排气余热温差发电装置都是由以下几个部件构成：排气余热吸收段以及排气排出段的管道、热电转化核心装置、连接设备以及中央调控设备等。一般情况来说，火电厂汽机排气首先从排气余热吸收段进入管道，并且在整个热电转化管道中一直进行传递，直到从排气排出段的管道排出，这也是整个热点转化中重要的环节。在排气传递的过程中，排气携带的余热将会从热电转化管道传递到热电转换核心装置中去，在中央调控设备中对于温度进行适当的调节，把多余的热能通过温差发电转化为电能。被吸收余热后的火电厂汽机排气从排出段排出，由于温差与较热的排气在吸收段形成热对流，进而提高余热的发电效率。
二、火电厂汽机排气余热温差发电系统
对于火电厂汽机排气余热温差发电系统的主要要求是发电系统装置要尽量简便化和可靠性，因此需要对于原来的排气管道进行改造。通过CAESARII 软件计算火电厂排气管道相关的技术参数，进而确定管件的几何形体尺寸。在保证排气管的弹性刚度的基础上，确定整个管件结构的整体分布。进而根据排气管的相关设计理论对于排气管路的安放、定位以及限位等方式进行确定，保证整个管体结构的稳定性。在工程实施完成后，在原来的基础之上，在三通管中部增加小三角钢片来增强三通管的导流能力；在管件中部以及方圆节的上半段增加隔板来隔断外界温度变化对于管件气体排放的影响；对于管件接头以及弯头部分进行加强，保证这些部分的可靠性。温差发电装置在火电厂汽机排气系统的安放位置也是重要的。一方面能够保证余热尾气能够顺利地从火电厂汽机排气系统中转移到相应的温差发电装置中；另一方面还要保证温差发电装置在运转过程中不会受到火电厂汽机排气系统运转影响，能够独立自主地运行。
三、火电厂汽机排气余热发电设计
1、材料选择。目前，应用最为广泛的温差发电材料有Bi2Te3 类材料、PbTe类材料、SiGe 合金类材料，由于物质自身特性的原因，由它们制成的温差发电器件分别适用于不同范围的温度区域。其中Bi2Te3 类材料适用于高温端温度不超过400℃的普通冷温区域条件下运行，而后两种均适合在400℃～ 500℃之间和700℃以上的高温区域条件下运行。烟气排烟温度一般在130℃～ 160℃范围内，由上述可知：Bi2Te3 类材料的温差发电器件最适合应用于电厂烟气余热回收的。在器件的两端建立一个温差，使一端端保持高温TH，另一端保持低温TC，根据塞贝克效应，将产生一个开路电压△ Vxy，若将回路中接入负载电阻，则将有电流流过，其作用就是一个发电器，将许多温差电偶串联就组成了一片温差发电片。
2、实验系统。对测试温差发电模块性能的系统给出如下假设：1）假设温差发电片冷热端表面温度均匀；2）假设温差发电片四周绝热。基于这两种假设，对于实验所用的温差发电片，科技开发有限公司（TECHESUN）生产的帕尔贴（PELTIER）系列G1162741 型温差发电片；温差发电模块热端采用加热功率为0W～800W 电阻丝加热台进行加热；冷端采用20L 自来水循环进行冷却。
3、实验过程和原理。1）一片温差发电片并将它安装于加热台上，将冷却水装置接通，将测量装置连接完毕，接通电源开始加热。2）启动循环冷却水泵，通过调节热阻丝加热功率改变高温端温度。3）当高温端温度达到测试值时，读取并记录万用表上的开路电压（I）与短路电流（U）。
4、实验数据结果与分析。为了计算出在电厂实际工况变化范围内温差发电模块的最大功率和最大热电转化效率，分别选取高温面为110℃，120℃，130℃，140℃，150℃，160℃，冷端选取25℃。根据计算不同温差下的最大功率和最大热电转化效率，其中：Z=0.003，为了更加直观地反映出温差发电模块在电厂运行实际条件下的稳定性，将表中的数据以曲线的形式表现出来，分别绘制最大发电功率和最大热电转化效率随高低面温差的变化曲线，如图所示。
从图中可以看出，最大热电转化效率随温差变化曲线呈近似直线关系，最大功率随温差变化曲线呈近似双曲线关系，与理论推导得出的关系吻合。
随着现代科学技术的不断发展，火电厂汽机排气余热发电的利用将会有着更加广阔的发展前景。合理有效的对火电厂汽机排气余热进行利用，不但能够提高火电厂能源的利用率，同时也能够大大降低火电厂汽机排气余热对于环境产生的热污染。随着温差发电技术的不断突破热能转化为其他能源的效率不断提高，火电厂汽机排气余热发电将会有更大的现实意义。
参考文献：
[1] 张福滨.纯低温余热发电采用双压技术的应用分析[J].天津水泥工业设计研究院.天津,2016.
[2] 宋永军.浅析余热发电的类型及其应用[J].城市建设理论研(电子版),2015.
[3] 丁丽娟,郭仲德.余热发电闪蒸系统压力分配的优化[J].节能技术,2015.
[4] 黄锦涛,郝景周.纯低温双压余热发电系统性能分析及参数优化[J].锅炉技术,2015.
作者简介：刘平（1985-），女，工程师，从事火力发电厂热机专业设计工作。
论文作者:刘平,陈露
论文发表刊物:《基层建设》2019年第16期
论文发表时间:2019/8/26
标签：温差论文; 余热论文; 火电厂论文; 汽机论文; 材料论文; 热电论文; 装置论文; 《基层建设》2019年第16期论文;