尤 運(yùn)， 潘衛(wèi)國(guó)， 姜未汀， 王 健， 鄭敏捷， 戴坤鵬

(1.上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090；2.上海明華電力技術(shù)工程有限公司，上海 200090；3.上海電力學(xué)院 上海發(fā)電環(huán)保工程技術(shù)中心，上海 200090)

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外超臨界及超超臨界高參數(shù)、大容量火電機(jī)組技術(shù)得到了快速發(fā)展，發(fā)電機(jī)組的效率也有很大提高。在電站鍋爐、汽輪機(jī)等主機(jī)和主要輔機(jī)等容量與性能參數(shù)得到有效改進(jìn)之后，如何進(jìn)一步提高火電廠的發(fā)電效率已成為一個(gè)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(lái)提高火電廠的發(fā)電效率。

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

溫差發(fā)電技術(shù)具有結(jié)構(gòu)緊湊、無(wú)磨損、無(wú)泄漏、無(wú)噪聲、壽命長(zhǎng)、可靠性高和清潔等優(yōu)點(diǎn)[2]，是一種綠色環(huán)保的發(fā)電技術(shù)，其在余熱發(fā)電、邊遠(yuǎn)地區(qū)供電、太陽(yáng)能溫差發(fā)電、空間探索和海洋溫差能發(fā)電[3]等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。Meng等[4]設(shè)計(jì)了一個(gè)可以回收汽車尾部余熱用于溫差發(fā)電的裝置，利用多物理模型研究其性能，進(jìn)一步優(yōu)化傳熱。Arcuri等[5]設(shè)計(jì)出海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用液化天然氣(LNG)氣化過(guò)程中所釋放出的大量冷能驅(qū)動(dòng)熱力循環(huán)，將循環(huán)熱效率提高到17.5%。Georgopoulou等[6]通過(guò)搭建試驗(yàn)臺(tái)，測(cè)試了船舶柴油機(jī)排煙管利用溫差發(fā)電裝置進(jìn)行廢熱回收和發(fā)電的性能。Agbossou等[7]將相變儲(chǔ)能與溫差發(fā)電相結(jié)合，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能連續(xù)溫差發(fā)電系統(tǒng)。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于溫差發(fā)電技術(shù)應(yīng)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(jié)構(gòu)特殊，具有可靠的保溫絕熱性能，且鍋爐內(nèi)部有熱源產(chǎn)生高溫，同時(shí)又有受熱面，受熱面是低溫狀態(tài)，因此可以滿足直接熱電轉(zhuǎn)換的溫差條件。筆者提出了鍋爐受熱面復(fù)合溫差發(fā)電的方法，并建立了多個(gè)相關(guān)的計(jì)算模型，采用具體實(shí)例進(jìn)行了詳細(xì)、精確的理論計(jì)算和經(jīng)濟(jì)性分析。

1 鍋爐受熱面熱力計(jì)算

1.1 鍋爐受熱面換熱量計(jì)算

某火電廠300 MW機(jī)組在額定工況下工作時(shí)，鍋爐主要受熱面的性能參數(shù)見(jiàn)表1。

根據(jù)蒸汽熱力性質(zhì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IAPWS-IF97[8]，分別查得鍋爐各受熱面進(jìn)、出口焓值，再根據(jù)式(1)，計(jì)算出鍋爐各受熱面的換熱量Q，結(jié)果如表2所示。

(1)

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

表1 鍋爐受熱面的性能參數(shù)

表2 鍋爐受熱面的換熱量

1.2 鍋爐受熱面換熱面積計(jì)算

針對(duì)該鍋爐不同受熱面的溫度段位和傳熱系數(shù)[9](見(jiàn)表3)，根據(jù)式(2)可以計(jì)算出各受熱面的平均換熱面積S，結(jié)果如表3所示。

(2)

式中：K為各受熱面平均傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；ΔT為兩側(cè)平均溫差，K。

2 鍋爐受熱面復(fù)合溫差發(fā)電計(jì)算

2.1 鍋爐受熱面復(fù)合溫差發(fā)電的模型

根據(jù)鍋爐的結(jié)構(gòu)特性和溫差發(fā)電模塊的熱電轉(zhuǎn)換性能，將鍋爐受熱面與溫差發(fā)電模塊相結(jié)合，即將溫差發(fā)電模塊的熱端肋片部分與高溫?zé)煔饨佑|，冷端與受熱面接觸，經(jīng)過(guò)一定的技術(shù)處理便可進(jìn)行溫差發(fā)電。圖1為溫差發(fā)電模塊與電站鍋爐受熱面結(jié)合布置示意圖[10-13]。在這種新型的結(jié)合技術(shù)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(zhuǎn)化為電能外，剩余熱能傳遞給受熱面，整個(gè)過(guò)程幾乎沒(méi)有能量浪費(fèi)。因此，將溫差發(fā)電模塊與電站鍋爐受熱面結(jié)合起來(lái)可以提高火電廠的發(fā)電效率。

表3 鍋爐受熱面的溫度段位及傳熱系數(shù)

圖1 溫差發(fā)電模塊與鍋爐受熱面結(jié)合布置示意圖

2.2 溫差發(fā)電輸出功率計(jì)算

溫差發(fā)電片的理論最大發(fā)電效率η′為

η′=ηcarnot×ηmater

(3)

(4)

(5)

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

根據(jù)文獻(xiàn)[14]～文獻(xiàn)[17]和市場(chǎng)調(diào)研情況，并結(jié)合表3，可以相應(yīng)選擇適合的材料、面積、熱電優(yōu)值且性價(jià)比高的溫差發(fā)電片，其性能參數(shù)見(jiàn)表4，其中A為單個(gè)溫差發(fā)電片的面積。

由于溫差發(fā)電模塊的設(shè)計(jì)有效地強(qiáng)化了溫差發(fā)電片兩端的傳熱，因此將煙氣側(cè)平均溫度T1近似取為溫差發(fā)電片熱端溫度Th，將受熱面?zhèn)绕骄鶞囟萒2近似取為溫差發(fā)電片冷端溫度Tc。根據(jù)式(6)[14]，可以計(jì)算得到溫差發(fā)電模塊的理論最大發(fā)電效率η′，結(jié)果如表5所示。

表4 溫差發(fā)電片的性能參數(shù)

(6)

在目前較好的技術(shù)下，溫差發(fā)電模塊功率的實(shí)際測(cè)量值一般為理論最大值的50%～70%，本文計(jì)算時(shí)取60%，所得發(fā)電效率η見(jiàn)表5。

表5溫差發(fā)電模塊的發(fā)電效率

Tab.5Generatingefficiencyofthethermoelectricpowergenerationmodule%

參數(shù)受熱面水冷壁過(guò)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(fù)合溫差發(fā)電改進(jìn)前后，熱量利用形式發(fā)生改變。該火電廠采用溫差發(fā)電前的傳統(tǒng)發(fā)電效率ηcp為

表6鍋爐受熱面溫差發(fā)電輸出功率

Tab.6PoweroutputofthermoelectricpowergenerationforvariousboilerheatingsurfaceskW

參數(shù)受熱面水冷壁過(guò)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(tǒng)發(fā)電功率，kW；Qcp為單位時(shí)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(jì)算可得Qcp=750 000 kW。

鍋爐受熱面結(jié)合溫差發(fā)電模塊后，受熱面表面覆蓋溫差發(fā)電模塊導(dǎo)致熱阻增加，根據(jù)溫差發(fā)電模塊的傳熱系數(shù)[14，18]和表3，經(jīng)過(guò)計(jì)算，覆蓋后的水冷壁、過(guò)熱器、再熱器和省煤器的傳熱系數(shù)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(quán)平均后取2.3%，覆蓋后的受熱面換熱量相比原來(lái)降低了ηw=2.3%，導(dǎo)致鍋爐效率降低為原來(lái)的(1-ηw)。

該火電廠采用溫差發(fā)電后的聯(lián)合發(fā)電效率ηTC為

(9)

(10)

ηe=100%×(1-ηw)×ηb×

(11)

3 經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 成本和收益計(jì)算

根據(jù)表3、表4和式(12)，可以計(jì)算得到各受熱面所需溫差發(fā)電片的數(shù)量Ni，結(jié)果見(jiàn)表7[19]。

圖2 鍋爐受熱面復(fù)合溫差發(fā)電改進(jìn)前后熱量利用形式的對(duì)比

(12)

整個(gè)溫差發(fā)電系統(tǒng)各受熱面的成本總價(jià)W為

(13)

式中：i=1,2,3,4，分別代表水冷壁、過(guò)熱器、再熱器和省煤器；Yi為各受熱面溫差發(fā)電片的單價(jià)，元；F為其他設(shè)備費(fèi)、安裝費(fèi)、勞務(wù)費(fèi)和維護(hù)費(fèi)等費(fèi)用，為4 000萬(wàn)元。

由表7可知，各受熱面成本總和W為30 121.5萬(wàn)元。

表7 鍋爐受熱面溫差發(fā)電系統(tǒng)成本

根據(jù)式(14)，計(jì)算得到火電廠溫差發(fā)電系統(tǒng)每年新增售電收益M，結(jié)果見(jiàn)表8。

(14)

式中：n為火電廠機(jī)組年發(fā)電小時(shí)數(shù)，取4 000 h；y為上網(wǎng)電價(jià)，取0.35元。

表8 鍋爐受熱面溫差發(fā)電系統(tǒng)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(píng)價(jià)指標(biāo)[19]，為投資方案達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力后一個(gè)正常生產(chǎn)年份的年凈收益額與方案投資額的比率。已知項(xiàng)目總投資成本總價(jià)W為30 121.5萬(wàn)元，每年新增售電收益M為8 379.7萬(wàn)元，企業(yè)所得稅率r取25%，能源行業(yè)基準(zhǔn)投資收益率Rc取9%，設(shè)備折舊期C按10年計(jì)算，則年折舊費(fèi)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(jīng)計(jì)算可得R=23.4%，由于R>Rc，故該項(xiàng)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(shí)間[19]，表達(dá)式如下：

(18)

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

3.4 影響因素分析

上網(wǎng)電價(jià)、溫差發(fā)電模塊的聯(lián)合發(fā)電效率和溫差發(fā)電片的單價(jià)變化對(duì)投資回收期的影響見(jiàn)圖3。

由圖3可以看出，上網(wǎng)電價(jià)越高，溫差發(fā)電模塊的發(fā)電效率越高，溫差發(fā)電片的單價(jià)越低，年發(fā)電小時(shí)數(shù)越長(zhǎng)，則投資回收期越短。但是目前熱電材料的熱電效應(yīng)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(fā)電技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸，如果溫差發(fā)電片和溫差發(fā)電系統(tǒng)未來(lái)能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化，將會(huì)大大推進(jìn)溫差發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。

4 結(jié) 論

(1)在該火電廠額定工況下，采用水冷壁、過(guò)熱器、再熱器和省煤器發(fā)電效率分別為12.5%、8.2%、5.3%和4.6%的溫差發(fā)電模塊，對(duì)應(yīng)單價(jià)分別為40元、30元、20元和15元的溫差發(fā)電片，在年發(fā)電小時(shí)數(shù)4 000 h、上網(wǎng)電價(jià)0.35元的條件下，能夠有效提高火電廠總的發(fā)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(fā)電模塊結(jié)合用于溫差發(fā)電，是提高火電廠發(fā)電效率的有效途徑，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益，為火電廠的節(jié)能減排提供了新的技術(shù)方向。

(a)上網(wǎng)電價(jià)的影響

(b)溫差發(fā)電模塊的聯(lián)合發(fā)電效率的影響

(c)溫差發(fā)電片的單價(jià)的影響

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