电站锅炉受热面复合温差发电技术经济性研究

尤 运， 潘卫国， 姜未汀， 王 健， 郑敏捷， 戴坤鹏

(1.上海电力学院 能源与机械工程学院，上海 200090；2.上海明华电力技术工程有限公司，上海 200090；3.上海电力学院 上海发电环保工程技术中心，上海 200090)

近年来国内外超临界及超超临界高参数、大容量火电机组技术得到了快速发展，发电机组的效率也有很大提高。在电站锅炉、汽轮机等主机和主要辅机等容量与性能参数得到有效改进之后，如何进一步提高火电厂的发电效率已成为一个新的课题。因此，有研究者提出从考虑全厂能源综合利用的角度入手来提高火电厂的发电效率。

在各种提高能源利用效率的方案中，半导体温差发电技术是目前的研究热点之一。该技术的基本原理是利用材料的塞贝克效应，即将匹配的P、N型热电材料串联成回路，在冷热端温差的作用下，这种回路就可将热能转换成电能[1]。

温差发电技术具有结构紧凑、无磨损、无泄漏、无噪声、寿命长、可靠性高和清洁等优点[2]，是一种绿色环保的发电技术，其在余热发电、边远地区供电、太阳能温差发电、空间探索和海洋温差能发电[3]等领域应用广泛。Meng等[4]设计了一个可以回收汽车尾部余热用于温差发电的装置，利用多物理模型研究其性能，进一步优化传热。Arcuri等[5]设计出海洋温差能发电系统，该系统采用液化天然气(LNG)气化过程中所释放出的大量冷能驱动热力循环，将循环热效率提高到17.5%。Georgopoulou等[6]通过搭建试验台，测试了船舶柴油机排烟管利用温差发电装置进行废热回收和发电的性能。Agbossou等[7]将相变储能与温差发电相结合，通过数学计算设计了太阳能连续温差发电系统。

目前国内外关于温差发电技术应用于电站锅炉的研究还很少，特别是锅炉受热面的利用方面。由于电站锅炉结构特殊，具有可靠的保温绝热性能，且锅炉内部有热源产生高温，同时又有受热面，受热面是低温状态，因此可以满足直接热电转换的温差条件。笔者提出了锅炉受热面复合温差发电的方法，并建立了多个相关的计算模型，采用具体实例进行了详细、精确的理论计算和经济性分析。

1 锅炉受热面热力计算

1.1 锅炉受热面换热量计算

某火电厂300 MW机组在额定工况下工作时，锅炉主要受热面的性能参数见表1。

根据蒸汽热力性质国际标准IAPWS-IF97[8]，分别查得锅炉各受热面进、出口焓值，再根据式(1)，计算出锅炉各受热面的换热量Q，结果如表2所示。

(1)

式中：q为各受热面水和蒸汽总的质量流量，t/h；h1、h2分别为各受热面进、出口焓值，kJ/kg。

表1 锅炉受热面的性能参数

表2 锅炉受热面的换热量

1.2 锅炉受热面换热面积计算

针对该锅炉不同受热面的温度段位和传热系数[9](见表3)，根据式(2)可以计算出各受热面的平均换热面积S，结果如表3所示。

(2)

式中：K为各受热面平均传热系数，W/(m2·K)；ΔT为两侧平均温差，K。

2 锅炉受热面复合温差发电计算

2.1 锅炉受热面复合温差发电的模型

根据锅炉的结构特性和温差发电模块的热电转换性能，将锅炉受热面与温差发电模块相结合，即将温差发电模块的热端肋片部分与高温烟气接触，冷端与受热面接触，经过一定的技术处理便可进行温差发电。图1为温差发电模块与电站锅炉受热面结合布置示意图[10-13]。在这种新型的结合技术中，锅炉的保温绝热性能使得锅炉中这部分热流体的热能除了直接转化为电能外，剩余热能传递给受热面，整个过程几乎没有能量浪费。因此，将温差发电模块与电站锅炉受热面结合起来可以提高火电厂的发电效率。

表3 锅炉受热面的温度段位及传热系数

图1 温差发电模块与锅炉受热面结合布置示意图

2.2 温差发电输出功率计算

温差发电片的理论最大发电效率η′为

η′=ηcarnot×ηmater

(3)

(4)

(5)

式中：ηcarnot为卡诺循环效率，对于本文所述温差发电而言，该效率取决于温差发电片两端的温差；ηmater为热电材料的热电效应效率，由热电材料的热电优值ZT(为无量纲数)决定；Th、Tc分别为温差发电片热端和冷端温度，℃。

根据文献[14]～文献[17]和市场调研情况，并结合表3，可以相应选择适合的材料、面积、热电优值且性价比高的温差发电片，其性能参数见表4，其中A为单个温差发电片的面积。

由于温差发电模块的设计有效地强化了温差发电片两端的传热，因此将烟气侧平均温度T1近似取为温差发电片热端温度Th，将受热面侧平均温度T2近似取为温差发电片冷端温度Tc。根据式(6)[14]，可以计算得到温差发电模块的理论最大发电效率η′，结果如表5所示。

表4 温差发电片的性能参数

(6)

在目前较好的技术下，温差发电模块功率的实际测量值一般为理论最大值的50%～70%，本文计算时取60%，所得发电效率η见表5。

表5温差发电模块的发电效率

Tab.5Generatingefficiencyofthethermoelectricpowergenerationmodule%

参数受热面水冷壁过热器再热器省煤器η'20.813.68.97.7η12.58.25.34.6

PTE=Q×η

(7)

2.3 火电厂能源利用率分析

锅炉受热面复合温差发电改进前后，热量利用形式发生改变。该火电厂采用温差发电前的传统发电效率ηcp为

表6锅炉受热面温差发电输出功率

Tab.6PoweroutputofthermoelectricpowergenerationforvariousboilerheatingsurfaceskW

参数受热面水冷壁过热器再热器省煤器PTE34 023.617 638.45 819.92 372.9P'TE59 854.8

(8)

式中：Pc为该火电厂的传统发电功率，kW；Qcp为单位时间燃料燃烧送入的热量，kW。

在该火电厂额定工况下，Pc=300 MW，ηcp=40%，计算可得Qcp=750 000 kW。

锅炉受热面结合温差发电模块后，受热面表面覆盖温差发电模块导致热阻增加，根据温差发电模块的传热系数[14，18]和表3，经过计算，覆盖后的水冷壁、过热器、再热器和省煤器的传热系数分别减小了3.5%、1.6%、1.2%和0.7%，考虑到各受热面换热量加权平均后取2.3%，覆盖后的受热面换热量相比原来降低了ηw=2.3%，导致锅炉效率降低为原来的(1-ηw)。

该火电厂采用温差发电后的联合发电效率ηTC为

(9)

(10)

ηe=100%×(1-ηw)×ηb×

(11)

3 经济性分析

3.1 成本和收益计算

根据表3、表4和式(12)，可以计算得到各受热面所需温差发电片的数量Ni，结果见表7[19]。

图2 锅炉受热面复合温差发电改进前后热量利用形式的对比

(12)

整个温差发电系统各受热面的成本总价W为

(13)

式中：i=1,2,3,4，分别代表水冷壁、过热器、再热器和省煤器；Yi为各受热面温差发电片的单价，元；F为其他设备费、安装费、劳务费和维护费等费用，为4 000万元。

由表7可知，各受热面成本总和W为30 121.5万元。

表7 锅炉受热面温差发电系统成本

根据式(14)，计算得到火电厂温差发电系统每年新增售电收益M，结果见表8。

(14)

式中：n为火电厂机组年发电小时数，取4 000 h；y为上网电价，取0.35元。

表8 锅炉受热面温差发电系统每年新增售电收益

3.2 投资收益率

投资收益率是衡量投资方案获利水平的评价指标[19]，为投资方案达到设计生产能力后一个正常生产年份的年净收益额与方案投资额的比率。已知项目总投资成本总价W为30 121.5万元，每年新增售电收益M为8 379.7万元，企业所得税率r取25%，能源行业基准投资收益率Rc取9%，设备折旧期C按10年计算，则年折旧费I为

(15)

年净收益额V为

V=M-(M-I)×r

(16)

投资收益率R为

(17)

经计算可得R=23.4%，由于R>Rc，故该项目投资是可行的。

3.3 投资回收期

投资回收期是以方案的净收益回收其总投资所需的时间[19]，表达式如下：

(18)

由式(18)可得投资回收期PZ=4.3年，考虑到温差发电片的使用寿命较长，一般高于设备折旧期(C=10年)，因此在该投资回收期内可以正常工作。

3.4 影响因素分析

上网电价、温差发电模块的联合发电效率和温差发电片的单价变化对投资回收期的影响见图3。

由图3可以看出，上网电价越高，温差发电模块的发电效率越高，温差发电片的单价越低，年发电小时数越长，则投资回收期越短。但是目前热电材料的热电效应效率较低，品种可选择性不高(特别是耐高温、耐磨损、耐腐蚀的热电材料)，成本较贵是制约温差发电技术发展的主要瓶颈，如果温差发电片和温差发电系统未来能够实现大规模的商业化，将会大大推进温差发电技术的发展。

4 结 论

(1)在该火电厂额定工况下，采用水冷壁、过热器、再热器和省煤器发电效率分别为12.5%、8.2%、5.3%和4.6%的温差发电模块，对应单价分别为40元、30元、20元和15元的温差发电片，在年发电小时数4 000 h、上网电价0.35元的条件下，能够有效提高火电厂总的发电效率约2.9%，投资回收期为4.3年。

(2)将电站锅炉受热面与温差发电模块结合用于温差发电，是提高火电厂发电效率的有效途径，具有较大的经济效益，为火电厂的节能减排提供了新的技术方向。

(a)上网电价的影响

(b)温差发电模块的联合发电效率的影响

(c)温差发电片的单价的影响

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