工业锅炉燃烧烟气余热行波型热声发电系统的制作方法
【专利说明】
[0001]
技术领域：本发明涉及利用工业锅炉燃烧时回收烟气余热产生电能的领域。具体 指利用热声发电技术实现将锅炉燃烧时烟气余热转化成电能的系统设计。
【背景技术】：
[0002] 工业锅炉通过消耗能源生产蒸汽或热水等二次能源，再通过热力管网将它们输送 到各用热设备。在我国工业锅炉对能源的消耗总量占能源总消耗量的三分之一以上，是耗 能最多的设备之一。工业锅炉在运行过程中产生大量烟气余热，现多采用热管式热水器、热 管式空气预热器和热管式省煤器等方法进行烟气余热回收，但仍有大量烟气余热作为废弃 余热排放到大气中，不仅污染环境，而且造成能源浪费。若能将排放到大气中的烟气余热转 化为电能，不仅实现环保，而且提高锅炉系统的能源综合利用率。但是作为热电技术的热 源，烟气余热具有温度低、热源变化率大等特点，属于低品质热源，传统的热电技术很难将 其转化为电能。
[0003] 热声发电技术可利用低品质热源，具有热源适应性好、结构简单、使用寿命长，安 全可靠等潜在优点，因此成为一种新兴的能源利用方式。但是现有热声发电技术主要应用 在太阳能发电领域，自激荡起振温度高，起振难的不足已经成为制约热声发电技术应用的 瓶颈。另外现有热声发电技术采用固定谐振管结构，系统运行时谐振管耗散大量声功，这种 固定谐振管结构使行波型热声发动机子系统和永磁直线发电子系统谐振运行的频宽范围 非常有限。当热声发电系统不能谐振运行时，永磁直线发电机子系统捕获声功的能力迅速 减小，严重影响整个系统输出电功的能力。工业锅炉燃烧时的烟气余热是低品质热源，外界 气候或是燃料质量及燃烧条件发生变化时，都会使热源温度发生变化，热声发电系统工作 介质运行的频宽范围特别大，这与固定谐振管谐振频率的频宽有限相矛盾。再有热声发电 技术中热接收器的也是设计难点，它是实现捕获低品质热源热能的关键，但是将热声发电 技术应用到工业锅炉烟气余热领域的研宄尚属空白，现有的太阳能热采集器设计结构不能 直接应用于工业锅炉烟气余热行波型热声发电系统里。由于热声发电系统工作介质波动运 行的方式，永磁直线发电机产生交变的电能，现有热声发电系统采用变电阻测量输出电功 能力的方法不能直接产生供生产生活使用的稳定电能。
【发明内容】
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[0004] 发明目的：本发明结合工业锅炉燃烧子系统结构及烟气流程和汽水流程，设计专 门应用于工业锅炉燃烧时回收烟气余热的工业锅炉燃烧烟气余热行波型热声发电系统，其 目的是解决以往所存在的问题，其输出供生产和生活直接使用的稳定电能，同时提高工业 锅炉燃烧子系统能源综合利用率。
[0005] 技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：
[0006] 一种工业锅炉燃烧烟气余热行波型热声发电系统，其特征在于：包括工业锅炉燃 烧子系统、行波型热声发动机子系统、永磁直线发电机子系统和电能储备子系统，工业锅炉 燃烧子系统连接行波型热声发动机子系统，行波型热声发动机子系统连接永磁直线发电机 子系统，永磁直线发电机子系统连接电能储备子系统。
[0007] 工业锅炉燃烧子系统包括设置在炉膛下端的炉排和设置在炉膛上端的汽包或锅 筒，在炉膛内还设置有内置水介质的水冷壁管，炉膛与锅炉烟道连通，在锅炉烟道内设置有 与汽包或锅筒连通的省煤器；汽包或锅筒通过管路连接终端用户。
[0008] 行波型热声发动机子系统主要由热采集器、主冷却器、声学自适应调谐管、声学反 馈管、副冷却器、回热器和热缓冲管，热采集器设置在声学反馈管上，热采集器的上方为回 热器和主冷却器，热采集器的下方为热缓冲管和副冷却器，热采集器耦合进锅炉烟道内，主 冷却器外围固定水冷管，水冷管的一端连接至终端用户的冷凝水或低温循环水回水出水 管，另一端连接至锅炉烟道内的省煤器。
[0009] 冷凝水或低温循环水回水出水管通过锅炉循环泵连接水冷管；热采集器采用机翼 形阵列式。
[0010] 声学反馈管上还设置有具有活塞可移动的声学自适应调谐管谐振结构，在声学自 适应调谐管谐振结构内设置有位移可变的活塞组件。
[0011] 声学反馈管为圆角矩形结构。
[0012] 永磁直线发电机子系统包括捕获声功的活塞、弹簧谐振机构、定子绕组、轻质连 杆、永磁体、定子轭和发电机外壳；活塞和弹簧谐振机构设置在轻质连杆的两端，活塞活动 的设置在声学反馈管内，弹簧谐振机构、定子绕组、永磁体和定子轭设置在发电机外壳内， 永磁体设置在轻质连杆上，定子绕组安装在定子轭上，定子绕组与永磁体对应。
[0013] 电能储备子系统包括整流设备和蓄电池，整流设备连接定子绕组和蓄电池。
[0014] 整流设备采用二级管串联滑动变阻器并联电感和电容的结构。
[0015] 声学自适应调谐管谐振结构设计及实现步骤如下：
[0016] 步骤1)测量行波型热声发动机子系统的相关参数：行波型热声发动机子系统输 出且作用在永磁直线发电机子系统的活塞上的压力变量A# ;行波型热声发动机子系统输 出且作用在永磁直线发电机子系统活塞上的工作介质气体体积流速变量A〇 ;行波型热声 发动机子系统内气体运行频率调谐管的活塞面积A;调谐管的活塞背腔声容c=vh/r巧；
[0017] 步骤2)测量永磁直线发电机子系统的相关参数：力矩因数B#lg;机械阻抗与 活塞和永磁体动子相连的弹簧谐振机构刚度Km;定子绕组电阻Rs;定子绕组电感系数Ls;定 子绕组产生的感应电流i;
[0018] 步骤3)测量电能储备子系统的相关参数：蓄电池设备阻抗的实部Ru和虚部X。；
[0019] 步骤4)行波型热声发动机子系统会因为外界热源发生变化，而使系统失谐运行， 导致输出声功和电能迅速减小，声学自适应调谐管谐振结构位于永磁直线发电机子系统后 侦牝可提高行波型热声发动机子系统谐振运行能力并且提高永磁直线发电机子系统输出的 电功率，声学自适应调谐管长度小于行波型热声发动机子系统工作介质气体波长的四分之 一，末端采用活塞封闭，声学自适应调谐管内工作介质气体流动方向与声学反馈管主声学 流道内工作介质气体流动方向有相位角，可抵消由于外界热源变化和永磁直线发电机子系 统耦合进声学流道里导致系统阻抗不匹配，这种设计方法可使行波型热声发动机子系统内 部纵向声波传递与横向熵传播的相位匹配，实现回热器能量优化运行，使得行波型热声发 动机子系统输出声功最大，永磁直线发电机子系统输出的电能最大；
[0020] 声学自适应调谐管阻抗匹配设计原理如下：
【主权项】
1. 一种工业锅炉燃烧烟气余热行波型热声发电系统，其特征在于：包括工业锅炉燃烧 子系统（1)、行波型热声发动机子系统（2)、永磁直线发电机子系统（3)和电能储备子系统 (4)，工业锅炉燃烧子系统（1)连接行波型热声发动机子系统（2)，行波型热声发动机子系 统（2)连接永磁直线发电机子系统（3)，永磁直线发电机子系统（3)连接电能储备子系统
2. 根据权利要求1所述的工业锅炉燃烧烟气余热行波型热声发电系统，其特征在于： 工业锅炉燃烧子系统（1)包括设置在炉膛（16)下端的炉排（11)和设置在炉膛（16)上端 的汽包或锅筒（12)，在炉膛（16)内还设置有内置水介质的水冷壁管（13)，炉膛（16)与锅 炉烟道（17)连通，在锅炉烟道（17)内设置有与汽包或锅筒（12)连通的省煤器（18);汽包 或锅筒（12)通过管路连接终端用户（112)。
3. 根据权利要求1所述的工业锅炉燃烧烟气余热行波型热声发电系统，其特征在于： 行波型热声发动机子系统（2)主要由热采集器（21)、主冷却器（22)、声学自适应调谐管 (23)、声学反馈管（24)、副冷却器（25)、回热器（26)和热缓冲管（27)，热采集器（21)设置 在声学反馈管（24)上，热采集器（21)的上方为回热器（26)和主冷却器（22)，热采集器 (21)的下方为热缓冲管（27)和副冷却器（25)，热采集器（21)耦合进锅炉烟道（17)内，主 冷却器（22)外围固定水冷管（29)，水冷管（29)的一端连接至终端用户（112)的冷凝水或 低温循环水回水出水管（113)，另一端连接至锅炉烟道（17)内的省煤器（18)。
4. 根据权利要求3所述的工业锅炉燃烧烟气余热行波型热声发电系统，其特征在于： 冷凝水或低温循环水回水出水管（113)通过锅炉循环泵（114)连接水冷管（29);热采集器 (21)采用机翼形阵列式。
5. 根据权利要求4所述的工业锅炉燃烧烟气余热行波型热声发电系统，其特征在于： 声学反馈管（24)上还设置有具有活塞可移动的声学自适应调谐管谐振结构（23)，在声学 自适应调谐管谐振结构（23)内设置有位移可变的活塞组件（28)。
6. 根据权利要求5所述的工业锅炉燃烧烟气余热行波型热声发电系统，其特征在于： 声学反馈管（24)为圆角矩形结构。
7. 根据权利要求5所述的工业锅炉燃烧烟气余热行波型热声发电系统，其特征在于： 永磁直线发电机子系统（3)包括捕获声功的活塞（31)、弹簧谐振机构（32)、定子绕组（33)、 轻质连杆（34)、永磁体（35)、定子轭（36)和发电机外壳（37);活塞（31)和弹簧谐振机构 (32)设置在轻质连杆（34)的两端，活塞（31)活动的设置在声学反馈管（24)内，弹簧谐振 机构（32)、定子绕组（33)、永磁体（35)和定子轭（36)设置在发电机外壳（37)内，永磁体 (35)设置在轻质连杆（34)上，定子绕组（33)安装在定子轭（36)上，定子绕组（33)与永磁 体（35)对应。
8. 根据权利要求7所述的工业锅炉燃烧烟气余热行波型热声发电系统，其特征在于： 电能储备子系统（4)包括整流设备（41)和蓄电池（42)，整流设备（41)连接定子绕组（33) 和蓄电池（42)。
9. 根据权利要求8所述的工业锅炉燃烧烟气余热行波型热声发电系统，其特征在于： 整流设备（41)采用二级管串联滑动变阻器并联电感和电容的结构。
【专利摘要】本实用新型涉及一种工业锅炉燃烧烟气余热行波型热声发电系统。该系统包括工业锅炉燃烧子系统、行波型热声发动机子系统、永磁直线发电机子系统和电能储备子系统。本系统机械结构简单，设计灵活，不改变现有工业锅炉系统燃烧的本体结构，提高锅炉燃烧利用率，降低锅炉热负荷，又能将锅炉烟道废弃的烟气余热转化成供生产和生活使用的稳定电能，提高能源综合利用效率。
【IPC分类】F24H1-44, F03G7-00, F22B33-18, H02K35-02
【公开号】CN204553133
【申请号】CN201520150085
【发明人】何新, 张秋实, 杨明菁, 张博譞
【申请人】沈阳安新自动化控制有限公司
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年3月16日