低品位余热发电汽轮机设计与应用研究

任伟

摘要：本文通过研究温差发电的原理来设计品位余热发电汽轮机，对于发电需要的材料、温差发电装置以及发电过程中的重要技术难题进行设计与应用研究。从而进一步提高发电汽轮机废气余热的利用效率，增加热能的利用效率。

关键词：温差发电;排气余热;利用效率

1.排气余热温差发电概述

1.1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，通过两种特殊性能材料（P材料和N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，以及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。

1.2温差发电装置的构成

大多数汽轮机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，汽轮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。被吸收余热后的汽轮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。

1.3温差发电材料及发电模块

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。

2.排气余热温差发电系统

对于汽轮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。

通过相关软件计算发电汽轮机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。 在上述的工程实施完成后，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。

温差发电装置在余热发电系统的安放位置也是重要的。正确的安放位置一方面能够保证余热尾气能够顺利地从汽輪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汽轮机排气系统运转影响，能够独立自主地运行。

3.余热温差发电装置设计开发

3.1温差发电模块

温差发电模块一般由四部分组成，分别为第一层的陶瓷板，第二层的P型半导体，三层的N型半导体以及第四层的连接铜片。整体模块采用内部结构并联，外部结构串联，部件之间采取串联的方式。

3.2热端气箱装置

热端气箱装置是对整个发电装置热能的来源，通过吸收含有余热的汽轮排气，保证整个温差发电装置能够正常运转。通过对热端气箱装置对于整个温差发电装置的影响，我们可以得到以下结论：在整个温差发电装置中，各个组成模块的温差分布越均匀，装置内部的气体混乱度越低，整个装置的运行就会越发顺利。

根据这一结论，为了提高整个温差发电装置的运行效率，我们在原有的装置中加入了扰流片。引流片可以保证余热气体在装置中均匀分布，避免因为余热气体排出端温度过高而引起整个装置的失效;能够使得装置中各部分的温度基本保持一致，避免温差造成装置失灵，提高了温差发电装置的热电转化能力。

3.3温差发电装置整体结构

一般情况下，温差发电装置整体结构是由三层构成的。里面的一层是冷却水管道，利用水的比热容最高的性质，与外面的管道起到保护整体热能转化装置的作用。中间的一层是相应的汽轮机排气输送管道，通过这个管道的输送将有余热的气体送入到热电转化核心装置进行热电能转化;最外面的一层是夹紧装置，夹紧装置的主要主用是固定整个温差发电装置，隔断整个装置与外界环境的联系，保证整个设备能够正常运行。

4.结语

我们通过采用温差发电法，进一步降低了低品位余热回收的难度，提高了汽轮机预热的发电效率。尽管目前温差发电法由于其成本较高，设计难度较大，但是可以肯定的是，随着社会节能减排的呼声不断增加，温差发电法的利用将会越来越广。我们通过采用温差发电发可以进一步提高余热的利用效率，促进我国节能减排事业的不断发展。

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