燃气灶余热发电器件设计说明书

设计者：霍鹏飞，卞 宁，陈青青，刘庆庆，黄青青，常圣强

指导教师：宿太超

（河南理工大学材料科学与工程学院，河南 焦作 464100）

作品内容简介

通过实验设计了一套家用燃气灶节能系统，主要是通过余热发电原理以及相关技术对家

用燃气灶在使用过程中产生的大量余热加以利用以达到节能减排的效果。由于中国正处于发展经济社会的关键阶段，大多数居民日常生活中做饭使用的最多的还是燃气灶，所以燃气灶的市场大，使用广泛。但是燃气灶在使用过程中有很大一部分热被浪费掉，为了充分利用资源，我们研究小组对燃气灶的结构和性能进行分析，设计出了节能发电元件。设计元件所使用的温差发电技术是利用两种连接起来的导电体或者半导体的塞贝克效应 ( Seebeck Effect ) ,将热能转换成电能的一种技术。这种节能发电元件不仅将燃气灶在使用过程中的大量余热充分收集利用起来，而且还能创造新资源——电能，最主要的是这个器件在使用过程中零污染，零耗能。具体的构想如下：

在灶体中，锅架下焊接有一传热块，传热块下方依次设有热电温差发电模块和散热片，

传热块和散热片将温差发电半导体模块紧夹在中间，温差发电半导体模块的输出极通过电路连接一个家用节能灯泡。

在使用燃气灶时，点燃一段时间待温度稳定后，热电锅架由于局部接触火焰，具有高温，

而燃气灶的内部空间温度低，利用这一温差，根据塞贝克效应，热电温差发电模块就将热能转化为电能，节能灯泡就会发光，从而实现了热能转换为电能。

联系人：霍鹏飞 联系方式：151xxxxxxxx EMAIL：huopengfei08@163.com

1 研制背景及意义

自20世纪xx年代世界性的能源危机发生以来，能源问题受到世界各国普遍重视，各经

济大国在致力抢占能源市场的同时，对节能技术的重视程度也大大加强。节能与环保是 21 世纪人类面临的严重问题，中国正处在持续发展的关键阶段，开发新能源和充分利用低品位能源、废能源具有重大意义。通过节能可以节约大量燃料，对于降低我国在二氧化碳，氧化硫和氮氧化物的排放都具有直接的影响。同时，我国在各种工业过程中存在大量的热能浪费现象，发展各种环境友好的节能技术，是十分重要的。

在节能减排成为全民生活的一部分内容的大形势下，我们团队结合所学专业知识以及实

际应用，提出了利用温差发电技术节省家用燃气灶废热的构想。温差发电是一种新型的发电方式，它具有清洁, 无噪音污染和有害物质排放，高效，寿命长，坚固，可靠性高，稳定等一系列优点， 符合绿色环保要求，对国民经济的可持续发展具有重要的战略意义。

2 设计方案

2.1 基本思路

首先使用高压烧结技术制作性能优异的热电材料，然后将其加工成小型发电器件，最后

利用热电发电器件实现余热的再利用。

2.2 器件构造

在灶体中，锅架下焊接有一传热块，传热块下方依次设有热电温差发电模块和散热片，

传热块和散热片将温差发电半导体模块紧夹在中间，温差发电半导体模块的输出极通过电路连接一个家用灯泡。

燃气灶在使用时，锅架由于局部接触火焰，具有高温，而燃气灶的内部空间温度低，利

用这一温差，通过热电温差发电模块转化为电能，灯泡就会发光，从而实现了热能转换为电能。

2.3 注意事项

（1）设计的系统要保证绝对安全

（2）热源和冷源的温差要在有效范围内

（3）设计出的器件在外观上要简单，不可太繁琐，造成使用的麻烦

2.4 技术关键

（1）高性能温差电材料的合成；

（2）小型热电发电装置的优化设计。

2.5 主要技术指标

小型热电发电装置的发电效率

3 理论设计计算（热电转换效率）

根据参考文献1, 温差发电装置的热电转换效率定义为:

ηmax＝Th?Tc

Th(1?ZT)(1?ZT)1/21/2?1?Tc/Th （1）

其中Th ，Tc 分别为温差发电装置距离热源

最近端及最远端的温度，ZT为热电材料的品

质因子，定义为ZT＝TSσ/κ ，其中T=21

2

（Th+Tc），S为材料的Seebeck系数，σ

材料

的电导率，κ为材料的热导率。

经过测量，我们设计的燃气灶余热发电器件的Th约为700度，Tc约为300度，我们制备器件的热电材料的ZT约为1.0。根据公式（1），理论上计算出我们设计的燃气灶余热发电器件的工作效率约为12.8%。即通过余热发电器件的利用可提高燃气利用率12.8%。

4 工作原理及性能分析

温差发电器是一种基于塞贝克效应，直接将热能转化为电能的热电转换器。19xx年，

德国物理学家塞贝克发现了温差电流现象，即两种不同金属构成的回路中，若两种金属结点温度不同，该回路中就会产生一个温差电动势 这就是塞贝克效应[。半导体温差发电片的原理如图 1，它由 P N两种类型不同的半导体温差电材料经电导率较高的导流片串联并将导流片固定于陶瓷片上而成，在器件的两端建立一个温差, 使器件高温端保持 Th，低温端保持 Tc，根据塞贝克效应，将产生一个电压，若在回路中接入负载电阻，则将有电流流过。

塞贝克效应电势差大小可用表示为：

温差发电原理示如图 2, 该装置可利用温差直接产生电

力。在 P 型(N 型)半导体中, 由于热激发作用较强, 高温端

的空穴(电子)浓度比低温端大, 在这种浓度梯度的驱动下, 空

穴(电子)由于热扩散作用, 会从高温端向低温端扩散, 从而形

成一种电势差, 这就是塞贝克(Seebeck)效应。

如图所示将 P 型和N 半导体的热端相连, 则在冷端可

得到一个电压, 这样一个PN结就可以利用高温热源与低温

热源之间的温差将热能直接转换成电能, 将很多个这样的PN

结串连起来(如图 3) , 就可得到足够高的电压, 成为一个温

差发电机, 很显然这样的温差发电机完全没有转动部分, 因

此非常可靠。

对半导体温差发电的发电特性做了一系列的研究，实验结果表明：

（1）输出功率随温差增大而增大，温差越大，这种趋势越明显，温差达到最大输出功

率也将达到最大值。

（2）负载逐渐增加，输出功率先增加后减小，当达到匹配条件即负载电阻等于内电阻

的时候，输出功率达到最大值。

（3）在相同的热端温度条件下，冷端温度的升高将导致输出功率的减小，并且，在温

差相同的情况下，冷端温度越低，其输出功率越大。

（4）在不考虑配套设施的情况下，温差发电1.xx年的成本就相当于目前工业用电，而

工业余热利用产生的环境效益更是不可估量。随着技术的进步，半导体温差发电的成本降进一步降低，将完全具备与当前工业用电竞争的优势。

为进一步加强半导体温差发电的竞争优势，可以采用增加温差、降低冷端温度、匹配负

载的方法，另外，加强新材料的研发以提高热电转换效率也是最根本、最具前景的一个创新方向。相信不久，利用半导体温差发电片回收低品位的工业余热将成为极具竞争优势的一种余热利用方法。

5 创新点及应用

5.1创新点

（1）热电材料是一种能够实现热能与电能直接转换的功能材料，其应用不需要使用机械运动部件。

（2）体积小、工作时无噪音 、无排弃物。

（3）和太阳能 、风能 、水能等二次能源的应用一样 , 对环境没有污染。

（4）材料性能可靠 , 使用寿命长 , 是一种具有广泛应用前景的环境友好型材料。

5.2温差发电技术的应用

（1）空间探索方面

航天器常用的供能方式是太阳能供电 ,但这种方式往往只适用于工作在有一定的太阳

辐射量的空间中的航天器 ,在太阳能电板接收不到太阳辐射而无法发挥作用时 ,同位素温差发电器便成为首选的最佳替代动力源。同位素温差发电器利用放射性同位素衰变时产生的热量经塞贝克效应转变成电能 ,具有性能可靠、 热源稳定、 寿命长和能量密度高等优点。

（2）汽车尾气余热回收

汽车发动机排气所带走的热量占所消耗的燃料产生热量的40 %,残余废气的温度约在

800 ℃ 左右 ,可以利用温差发电技术回收尾气余热进行发电。研究表明 ,轻型车废气温度达到 700 ℃(937 K) ,废气流速达到 20 g/ s ,重型车废气温度达到 512 ℃(785 K) ,废气流速达到 30 g/ s时 ,利用温差发电能得到 5～6 kW 的电能。

（3）海洋温差能的利用

海洋温差发电。从南纬 20 度到北纬 20 度 ,海水表层温度常年保持在25～29 ℃ 之

间 ,而海洋深处500～1 000 m处的海水温度则保持在 4～7 ℃,与海水表层之间存在着15～20 K左右的有效温差,成为可以利用的能源资源 ,据估算 ,理论上全世界海洋温差能储量为 100 亿 kW。海洋温差发电有多种技术 ,利用塞贝克热电器件发电是其中之一。海洋温差发电是一种可再生的清洁能源 ,虽然目前的能量转换效率非常低(大约仅相当于一般火力发电的 1/ 20)投资费用也很高 ,但是建成后极低的生产成本 ,对于电力价格本来就比内陆高的

热带海岛地区 ,海洋温差发电的价格已经具有竞争力。

（4）边远地区供电

对于边远山区 ,高原地区 ,远离陆地的岛屿等发电和输送电困难的地区 ,如极地、 森

林、 沙漠等无人地区的微波中继站、 远地自动无线电接收装置、 自动天气预报站、 无人航标灯、油管的阴极保护等温差发电技术可发挥重要的作用。

（5）火力发电厂效率的提高

现在的火力发电厂热效率一般为 30 %～40 % ,用传统的热机做功发电方式很难使发电

效率进一步提高 ,如果利用锅炉炉膛的特殊结构在发电系统中加入温差发电器 ,就可以找出提高系统发电效率的途径。锅炉炉膛内部有热源产生高温 ,一般超过1 000 ℃,与低温端2炉膛水冷壁存在一定温差 ,这为在电站锅炉炉膛内应用温差发电器提供了温差条件。目前应用于电站锅炉炉膛内的碱金属热电转换器(AMTEC) ,要求低温端为 100～300 ℃,高温端为 700～1 000 ℃,效率可达 30 %～40 %,提高系统发电效率 5 %～7 %。

（6）垃圾焚烧热发电

小型垃圾焚烧炉一般间歇发电 ,采用温差发电方式发电 ,将发电装置设在熔融炉排烟

部分的炉壁上 ,直接把燃烧热能转换成电能 ,可以省去了余热锅炉汽轮发电机以及蒸汽循环所需的附属设备。

（7）工业余热回收

工业生产过程中产生的余热数量相当可观 ,如气轮机,内燃机等热机燃料所产生的能量

50 %左右通过排烟扩散到了大气中 ,钢铁、 水泥以及纺织工业等在生产过程中也有大量余热没有充分利用 ,研究表明采用温差发电技术可以有效利用余热中 10 %～20 %的能量

[ 22 ]。对内燃机电站废气进行温差发电的研究表明 ,对于一个 10 MW 的机组 ,如果排气温度为370 ℃,烟气流量 6 万 m3/ h ,采用温差发电扣除掉维持系统自身远行的冷却水泵消耗功率后可以得到 160 kW的功率 ,转换效率为 3. 88 %。

参考文献

[1] 高敏，张景韶等. 《温差电转换及其应用》[M]. 兵器工业出版社，1996.

[2] 何元金，陈宏，陈默轩. 《温差发电——一种新型绿色的能源技术》 工科物理，20xx

[3] 赵建云，朱冬生等. 《温差技术的研究进展及现状》 电源技术，20xx

[4] 张鹏. 《半导体温差发电在工业余热利用中的可行性分析广西轻工业》 20xx/12

[5] 吴红霞，赵建云，漆小玲等 《温差发电在燃气热水器上的应用研究》

【会议】第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集（第6分册） 20xx-10-15

[6] V. Leonov ，Thermal Shunts in Thermoelectric Energy Scavengers，Journal of Electronic Materials，Springer US Published online: 20xx-01-24

 

第二篇：余热发电设计方案

热控方案

6.1 工程概况

6.1.1工程概况

本工程为新上1台120t/h高温高压煤气锅炉，1台25MW抽凝式汽轮发电机组。

6.2、热工自动化水平

DCS的操作员站为机组主要的监视、控制中心，作为主要的人机接口。另外机组还配有少量必要的仪表和控制设备，当DCS故障时，可通过以上设备实现紧急停机。

分散控制系统包括整个机组的数据采集和处理系统(DAS)、模拟量控制系统(MCS)、辅机顺序控制系统(SCS)、锅炉炉膛安全监控系统（FSSS）、汽机危急跳闸系统（ETS）等功能。

机组能在少量就地操作和巡检配合下在控制室内实现机组启动，并能在控制室实现机组的运行工况监视、调整、停机和事故处理。

6.3 热工自动化系统的配置与功能

热工自动化系统设置分散控制系统（DCS）。热工自动化系按功能分散和物理分散，信息集中管理的设计原则。DCS由分散处理单元、数据通讯系统和人机接口组成。 DCS系统是全中文、模块式结构，易于组态，易于使用，易于扩展。

6.3.1 分散控制系统（DCS）

本工程锅炉、汽机、机组公用系统的监视、控制和保护将以分散控制系统（DCS）为主，辅以少量的其它控制系统完成。

6.3.1.1 DCS各系统的功能：

a. 数据采集系统（DAS）

DAS是监视机组安全运行的主要手段，具有高度的可靠性和实时响应能力。其主要功能包括：

显示功能，包括操作显示、标准画面显示（如成组显示、棒状图显示、趋势显示、报警显示）、模拟图显示、系统显示、帮助显示等。

制表记录，包括定期记录、运行操作记录、事件顺序记录（SOE）、事故追忆记录、设备运行记录、跳闸一览记录等。对所有输入信息进行处理，诸如标度、

调制、检验、线性补偿、滤波、数字化处理及工程单位转换等。

历史数据存储和检索功能等。

性能计算功能，提供在线计算能力，计算发电机组及辅机的各种效率及性能参数等，计算值及中间计算值应有打印记录，并能在LCD上显示。

b. 模拟量控制系统（MCS）

MCS能够满足机组启停的要求，完成锅炉和汽机、发电机的控制。保证机组在最低稳燃负荷至100%MCR负荷范围内，控制运行参数不超过允许值，协调机、炉及其辅机的安全经济运行。

主要模拟量调节有：

汽包水位调节

除氧器压力调节

除氧器水位调节

c. 顺序控制系统（SCS）

根据工艺系统运行的要求，构成不同的顺序控制子系统功能组以及联锁保护功能。对于运行中经常操作的辅机、阀门及挡板，启动过程和事故处理需要及时操作的辅机、阀门及挡板，通过SCS实现，本工程设子组级控制，每个顺序控制子组可根据运行人员指令在顺控进行中修改、跳跃或中断。运行人员可按照子组启停， LCD软手操，且具有不同层次的操作许可条件，以防误操作。顺序控制在自动运行期间发生任何故障或运行人员中断时，应使正在进行的程序中断，并使工艺系统处于安全状态。

d. 炉膛安全监控系统（FSSS）

FSSS包括燃烧器控制（BCS）和燃料安全系统（FSS），是为保证锅炉启动和切除燃烧设备中执行的安全的操作程序，其主要功能包括：

炉膛吹扫

煤气管道吹扫

炉膛灭火保护

炉膛压力监视

主燃料跳闸（MFT）

风门挡板控制

主燃气阀控制

e.汽机紧急跳闸系统（ETS）

汽机紧急跳闸系统能在下述：汽机的转速超过极限转速（三取二）、真空低于制造厂给定的极限值（三取二）、润滑油压下降超过极限值（三取二）、转子轴向位移超过极限值、汽机轴承振动和轴振动达到危险值、差胀超过极限值、发电机跳闸保护、手动停机、DEH停机等状况下，关闭主汽门、调节汽门，紧急停机。

ETS提供轴向位移越限、汽机超速、凝汽器真空低、润滑油压低、发电机故障等保护的解除手段。

6.3.1.2 DCS的人/机界面主要包括：LCD操作员站8 套（二炉二机，不包括DEH操作员站），工程师站2套，值长站1套、历史站1套，打印机2台（其中一台为彩色激光打印机）。

6.3.1.3其它主要技术要求：

a. DCS的设计采用合理、可靠的冗余配置（电源冗余、网络冗余、控制器冗余），并至少具备诊断至模件级的自诊断功能，使其具有高度的可靠性，冗余设备的切换（人为切换和故障切换）不得影响其它设备控制状态的变化。系统内任一组件发生故障均不应影响整个系统的工作。

b. 整个DCS的可利用率至少应为99.9%。

c、为保证系统以后扩展需要，DCS预留每个机柜15%的IO测点余量，15%的模件插槽备用量，预留40%的控制器站处理器能力，60%的操作员站处理器能力，60%以上的内外存储器余量，40~50%的电源余量。

6.3.2 汽机数字电液控制系统（DEH）

DEH采用和利时系列，由汽机厂成套供应。服务器、操作员站冗余配置。

6.3.3汽机安全监视保护系统（TSI）功能（汽机厂成套供应）

TSI要求监测项目齐全、准确可信、性能优异，与机组同时运行。且能与DCS、DEH系统适配，信号制式相同，信号准确可靠。

a)输出模拟信号统一为4～20mA。

b)TSI系统具有转速、轴振动、轴向位移、胀差等测量和汽缸膨胀等功能。 c)该装置至少包括如下功能，但不限于此：

? 转速测量: 可连接指示、记录、报警和超速保护。

? 轴承振动，按机组轴承数装设（包括发电机），测量绝对振动值，

可连接指示、记录、报警、保护。

? 轴振动：按机组轴承数装设（包括发电机），测量轴承对轴X、Y

方向的相对振动，可连接指示、记录、报警、保护等。

6.3.4 热工保护

1) 保护系统的功能是从机组整体出发，使炉、机、电及各辅机之间相互配合，及时处理异常工况或用闭锁条件限制异常工况发生，避免事故扩大或防止误操作，保证人身和设备的安全。通过DCS系统实现的主要保护项目有：

主燃料跳闸（MFT）保护

汽轮机紧急停机保护

2) 在操作员台上设有规程规定的硬手操手动按钮跳闸回路，以备紧急事故情况下，跳锅炉、汽轮和发电机,初步考虑如下内容：

锅炉紧急跳闸按钮（MFT）双按钮

汽机紧急跳闸按钮双按钮

发电机紧急跳闸按钮

启动直流润滑油泵

抽汽快关阀双按钮

3）重要检测仪表和保护回路的冗余设计

重要的检测一次信号如炉膛压力、汽包水位、润滑油压力等采用三取二逻辑。

6.4 控制室布置

本工程机、炉、电合设一个集中控制室。集中控制室与干熄焦汽机合用，与机组运转层同一标高。集中控制室内布置有锅炉、汽机控制盘，DCS操作员站、DEH操作员站、值长站等。

6.5、热工自动化设备选型

6.5.1热工自动化设备选型原则

6.5.1.1分散控制系统（DCS）选用运行有成功经验，系统硬件和软件可靠，性能价格比高的国内产品。

6.5.1.2控制系统采用DCS或PLC系统,由化水厂家成套配供。

6.5.1.3为便于数据采集和管理，锅炉壁温、电气线圈等集中布置的点采用智能数据采集网络-智能远程I/O测量系统。

6.5.1.4其它主要热控设备

● 变送器选用变送器。

● 电动执行器选用一体化智能执行器。

● 炉膛及烟道热电偶、热电阻选用耐磨型

● 电动阀门采用一体化电动门。

6.5.1.6电缆选型原则

（1）主厂房的电源电缆、控制电缆、计算机屏蔽电缆、补偿电缆采用阻燃型，高温环境下敷设的电缆采用耐高温电缆，消防电缆采用耐火电缆。

6.6、可燃有毒气体浓度监测

在锅炉四角两层布置、高炉煤气管道、焦炉煤气管道合适位置设置可燃有毒气体浓度监测装置，将信号送至DCS系统。

6.7、热工自动化试验室