专利名称：发电厂的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发电厂，更具体地说，涉及一种把热能转换成电能的发电厂。
近年来，广泛地研究了把热能转换成电能的技术。然而，事实上在如热电厂和核电厂这样的主要能量转换系统中，利用热电效应的能量转换并没有得到充分地利用。
现在将给出这种利用不充分的原因的简单说明。
图1是热电转换元件内部的能流的示意图。应该注意，这个示意图取自Echigo的论文，标题为“What is the problem with Thermoelectric ConversionTechnology？”(Energy Shigen Gakkai，July 1995，p.43)。另外，这个示意图的宽度与能通量的尺寸成正比。
如图1所示，加热热通量qH的大部分事实上消耗在与热电转换无关的无用传热通量qHC上，把有效珀尔帖热qHP调整为支持作用。这里，如果性能指标是z，高温界限温度是TH，在z·TH≈1下，那么传热通量qHC能大约成为珀尔帖热qHP的两倍及更多，从真正珀尔帖热中减去珀尔帖释放热(qHP-qLP)，大约一半成为焦耳热qJ。因此，实质上转换成电力的是热P，这样转换效率低，并且较低的温度变得甚至更低。
这里，例如，如果低温侧的温度是TL＝300℃，而TH＝1300℃，那么最高效率是13.7％，此外即使假定材料技术有引人注目的进展，以便z·TH≈2，则最大效率将仍不大于22.0％。这一点是热发电的最大问题，并且热电不能单独与其他发电设备，例如燃气轮机和燃料电池相竞争，是阻碍其技术发展的最大因素。
图2表示各种类型的热电材料的性能指标。垂直轴表示性能指标，水平轴表示温度。由图2可见，热电材料的能量转换率最多约为10％。因此，为了发展热电成分材料，需要作进一步研究与开发。
图3表示密集方钴矿合金的热导率的系数的温度相关性。如图3所示，密集方钴矿合金具有如LaFe3CoSb12和CeFe3CoSb12这样的成分，与具有优良电特性的二元方钴矿合金CoSb3的热导率的系数比较，它具有较小数量级大小的热导率的系数，并且在常温下与玻璃类硅土(SiO2)相同。
图4表示在大致上优化的密集方钴矿合金的采样中，无量纲性能指标ZT的温度相关性。图4中黑点表示上述相关性，假定为单抛物线带和声频声子散布，并且在测量室温下根据载流子密度计算。另外，在高温下热导率的系数的测量值也反映在这些计算中。
这里，无量纲性能指标ZT的值无理论上限，并且可能的候选物的无量纲性能指标ZT为约3-4。然而，这样的材料目前还没有发现。
应该注意，图3和图4在“Parity”，Vol.12 No.10 1997-10中被引用。
同时，作为一种将热能转换成电能的技术，已经对联合燃气轮机和汽轮机的发电系统进行了研究，并且已经提出了各种具有改进发电效率的联合循环发电系统。
在汽轮机中，最大温度(在水的临界压力下的温度)是566℃，并且燃气温度约为1,500℃或更高，因此热机焓在1,500℃-566℃范围内得不到利用。因此，联合循环发电系统可以说是在考虑到减小了发电效率这个因素下而设计的系统。
应该注意，联合循环发电系统(也简单地称为“联合系统”)的轴结构可以或为单轴型，其中一个燃气轮机和一个汽轮机在废热回收循环中沿相同轴连接在一起，或为多轴型，其中燃气轮机和汽轮机使用分开轴运行，类型的选择取决于目的、操作方法和安装条件。
图5是说明常规废热回收类型的联合循环发电系统的示意图。如图5所示，这种常规的废热回收型联合循环发电系统包括一个燃气轮机19，一个与燃气轮机19连接的废热回收锅炉21，一个与废热回收锅炉21连接的汽轮机23，一个与汽轮机23连接的冷凝器25，以及一个连接在冷凝器25与废热回收锅炉21之间的给水泵27。
这里，如电气工程手册(Electrical Engineering Handbook)第126页所示，燃气轮机19的温度越高，整个联合系统的热效率越大。
在图5所示系统中，燃气轮机19用加热到约1,500℃高温的气体的能量转动，同时，还能用废气产生蒸汽来操作汽轮机，因此使整个发电效率增加。
另外，作为一种为改进热电转换效率而设计的汽轮发动机，常规上已经提出了一种使用再热循环的系统，其中全部蒸汽从涡轮机的中间喷嘴(drop)取出，再加热并再次送到涡轮机。图6是利用这种再热循环的实际热电厂系统的热平衡示意图。
如图6所示，在锅炉29产生的高温高压蒸汽使高压涡轮机31旋转之后，它由再热装置再次加热，并送到中压涡轮机33。因此，有些蒸汽在涡轮机的叶片上形成水。这种蒸汽和水由冷凝器35冷却，返回成低温低压水，并且送给给水加热器37。从冷凝器35供给的水由给水加热器37再加热，由给水泵39再次加压，并且供给锅炉29。应该注意，目前热电厂的发电效率约为39％。
如上所述，对于把热能转换成电能的技术，已经从各种角度考虑了改进方法。现在将对热电厂中能量转换系统中所利用的热电转换技术给出叙述。
图7是说明常规热电转换元件的示意图。如图7所示，把碳3和B4C(碳化硼)两者都结合在集热金属板1上，碳3为N型半导体元件，B4C为P型半导体元件，集热金属板1是由P-N结电极的W或Mo制成，使电极7安排在碳3和碳化硼5的端部，与集热金属板1相对。于是从两个电极7产生的电位差获得一个输出电压。应该注意，水管9贯穿在两个电极7中各自形成的通孔。
按照这种类型的热电转换元件，例如，如果集热金属板1的温度是1,500℃，电极7的温度是30℃，则能获得最大8％热效率。如果集热金属板1的温度是1,500℃，电极7的温度是600℃，那么能获得最大4％的热效率。
图8表示常规热电厂的结构，其中包括了图7所示的热电转换元件。如图8斜线覆盖部分所示，在锅炉11的燃烧室周围如图7所示那样成列地安装热电转换元件13。排列热电转换元件13，以便集热金属板面对燃烧室，同时通过给水泵17供给锅炉11的水通过图7所示的水管9循环，并且产生蒸汽。然后，这种蒸汽从锅炉11的输出口15供给汽轮机。锅炉11中产生的燃气通过烟囱12放出。
本发明的目的是提供一种发电厂，与常规比较，它具有较高的从热能到电能的转换效率。
本发明的目的通过一种发电厂来实现，这种发电厂用燃气或蒸汽的热能发电，其中至少在两个具有不同温度的位置处装设热电转换元件。
另外，本发明的目的还通过一种发电厂来实现，这种发电厂包括一个锅炉，它在一个燃烧室中加热增压水，以产生蒸汽；一个涡轮机，与锅炉连接，通过蒸汽的做功来发电；一个冷凝器，与涡轮机连接，使涡轮机放出的蒸汽冷却和冷凝；一个给水加热器，用在涡轮机中做功的部分蒸汽预热从冷凝器供给锅炉的水；一个第一热电转换元件，安装在锅炉的燃烧室周围，并且利用燃烧室内部的温度，与从给水加热器或冷凝器排出的水的温度之间的温度差，产生电力；和一个第二热电转换元件，安装在给水加热器上，并且利用涡轮机供给的部分蒸汽的温度，与冷凝器供给的水的温度之间的温度差，产生电力。
另外，本发明的目的还通过该发电厂来实现，它还包括预热装置，装设在给水加热器与锅炉之间，以对供给锅炉的增压水预热；和一个第三热电转换元件，安装在预热装置上，并且利用为了预热增压水而从燃烧室供给的燃气的温度，与供给预热装置的增压水的温度之间的温度差，产生电力。
另外，本发明的目的还通过该发电厂来实现，它还包括
一个空气预热器，对供给燃烧室内部的空气预热；和一个第四热电转换元件，安装在空气预热器上，利用供给空气预热器的空气的温度，与为了预热空气而从燃烧室供给的燃气的温度之间的温度差，产生电力。
另外，本发明的目的还通过该发电厂来实现，它还包括一个第五热电转换元件，利用供给燃烧室的燃料的温度，与空气预热器预热的空气或给水加热器排出的水的温度之间的温度差，产生电力。
另外，本发明的目的还通过一种发电厂来实现，其中第一热电转换元件包括一个第一电极，装设为面对燃烧室的内部；一个N型半导体，它的一端与第一电极结合；一个P型半导体，它的一端与第一电极结合；一个第二电极，装设在N型半导体和P型半导体的其它端；一个水管，从给水加热器通到涡轮机，并且安装为贯穿第二电极；和一个热绝缘体，夹在水管与第二电极之间。
另外，本发明的目的还通过该发电厂来实现，它还包括一个汽化器，使液化LNG汽化，并且将LNG供给锅炉；和一个第三热电转换元件，装设在汽化器上，并且利用LNG的温度，与为了汽化LNG而引到汽化器的水的温度之间的温度差，产生电力。
另外，本发明的目的还通过一种发电厂来实现，该发电厂具有多个具有不同操作压力范围的汽轮机，该发电厂包括一个锅炉，在燃烧室内部加热增压水，以产生蒸汽；和一个第一热电转换元件，安装在锅炉的燃烧室周围，并且利用燃烧室内部的温度，与从汽轮机中任意一个排出的水或蒸汽的温度之间的温度差，产生电力。
另外，本发明的目的还通过该发电厂来实现，它还包括一个冷凝器，与汽轮机连接，使汽轮机放出的蒸汽冷却和冷凝；
一个给水加热器，利用在汽轮机中做功的部分蒸汽，对从冷凝器供给锅炉的水预热；和一个第二热电转换元件，利用从汽轮机放出的蒸汽的温度，与从冷凝器或给水加热器排出的水的温度之间的温度差，产生电力。
另外，本发明的目的还通过一种发电厂来实现，其中从汽轮机中任意一个排出，并且从第一热电转换元件吸取热的水或蒸汽被再次引到给水加热器。
另外，本发明的目的还通过引到冷凝器，把热传给第二热电转换元件的蒸汽来实现。
另外，本发明的目的还通过一种发电厂来实现，其中第二热电转换元件由PbTe型或CoSb型材料制成。
另外，本发明的目的还通过该发电厂来实现，它还包括一个第二热电转换元件，利用从汽轮机放出的蒸汽的温度，与自然环境中存在的水的温度之间的温度差，产生电力。
另外，本发明的目的还通过一种联合燃气轮机和汽轮机的发电厂来实现，该发电厂包括一个热电转换元件，利用供给燃气轮机的气体的温度，与从汽轮机排出的水的温度之间的温度差，产生电力。
本发明的主要优点是提高整个发电厂的发电效率，这是通过装设多个热电转换元件，使这些元件利用常规发电厂的不同部件中出现的温度差来产生电力而实现的。这实质上是一个能量损失未被注意的过程。
另外，本发明的另一个优点是能够提高整个发电厂的操作发电效率，而不增加维护负担，这是通过装设没有像燃气轮机那样的可动部件的热电转换元件而实现的。
图1是热电转换元件内部的能流的示意图；图2表示各种类型的热电燃料的性能指标；图3表示密集方钴矿合金的热导率的系数的温度相关性；图4表示在大致优化的密集方钴矿合金的采样中，无量纲性能指标ZT的温度相关性；
图5是说明常规废热回收型联合循环发电系统的示意图；图6是利用这种再热循环的实际热发电厂系统的热平衡图；图7是说明常规热电转换元件的示意图；图8表示常规热电厂的结构，其中包括了图7所示的热电转换元件；图9表示按照本发明的第一实施例的发电厂的整体结构；图10表示图9所示锅炉的结构；图11表示图10所示热电转换元件的结构；图12表示如从热通量和温度所见的拔顶的原理；图13表示图11所示水管的结构；图14表示图9所示给水加热器的结构；图15表示图9所示预热装置的整体结构；图16表示热电转换元件中包括的汽化器的结构；图17表示按照本发明的第二实施例的发电厂的整体结构；图18是说明按照本发明的第二实施例，适应联合循环发电系统的发电厂中的能量转换的示意图；以及图19表示按照本发明的第三实施例的发电厂的整体结构。
现在将参考附图，给出按照本发明的发电厂的详细叙述。在附图中，相同标号表示同样部件或对应部件。
在热力学中，“放射本领”也称为“可用能量”，它表示包括熵概念的能利用的能量。这里，为了使热机利用热机的热源与环境之间的温度差产生热循环，其时放射本领W定义如下W＝Q·(TH-TO)/TH＝Q·nC这里，Q是热量，TH是热源的温度，TO是环境温度，nC是卡诺循环的效率。
热机的最大效率由卡诺循环的效率确定，因此放射本领对应于热机的最大功。因此，这样对热电转换技术的分析也产生极大影响。这是因为热电元件的电输出E写成如下E＝Q·nC·nE＝W·nE
这里，nE是元件的效率。换句话说，热电元件的输出是由放射本领乘以由性能指标和外部电路所确定的效率的积。因此，为了有效地利用热电转换元件，根本重要的是在放射本领通量大的位置处安排热电转换元件。应该注意，这样的位置不必与大的能(热)通量的位置一致。
现在将根据上述原理，给出实施例的叙述。参考图9，可见按照本发明的第一实施例的发电厂包括一个锅炉39，一个与锅炉39连接的过热器40，一个与过热器40连接的涡轮机41，一个与涡轮机41连接的冷凝器35，一个与冷凝器35连接的给水泵34，一个与涡轮机41和给水泵34连接的给水加热器43，一个与给水加热器43连接的给水泵36，一个与涡轮机41和给水泵36连接的给水加热器45，一个与给水加热器45连接的给水泵38，一个与给水泵38连接的预热装置47，一个从给水加热器43向冷凝器35供给冷凝水的泵44，一个从给水加热器45向给水加热器43供给冷凝水的泵46。
在上述发电厂中，从给水泵34、36、38供给的纯水通过给水加热器43、45和预热装置47，并且由它们加热，然后进入锅炉39内部的水管，在水与燃气之间交换热，使水转变成高温高压饱和蒸汽，并且进一步通过过热器40，变成高温蒸汽。这种高温高压过热蒸汽被送到涡轮机41，那里它撞击涡轮机41的叶片，并且转动涡轮机轴，该轴与一个图中未示出的发电机连接。从涡轮机41放出的蒸汽进入冷凝器35，被冷却水冷却并冷凝，由冷凝器泵34抽出，并且再次送到给水加热器43。
按照本发明的这个实施例的发电厂的特征在于，在图9所示的锅炉39、给水加热器43、45和预热装置47上，包括热电转换元件。结果，回收了在发电厂的各个部分的能量损失，并且能整体上改进发电厂的发电效率。当然应该注意，本发明的所述效果可以通过不是在所有四个上述位置处，而是在至少两个这样位置处包括热电转换元件来获得。
现在将对利用热电转换元件的热电转换技术给出叙述。
图10表示图9所示锅炉39的结构。如图9所示，锅炉39在燃烧室内部燃烧燃料14，并且产生大量的热，然而在这种情况下，在燃烧室周围安装热电转换元件49。
图11表示图10所示热电转换元件49的结构。如图11所示，热电转换元件49包括由装甲材料，例如SiC制成的集热金属板1，由N型SiGe制成的N型热电材料50，和由P型SiGe制成的P型热电材料51，热电材料50、51的一端结合在集热金属板上，而在热电材料50、51的另一端装设电极7。应该注意，能用硼型材料代替SiGe，用作热电转换元件49的半导体。
另外，在电极7中设置通孔。使水管9穿过这个通孔。
如图10所示，安排上述热电转换元件，以便集热金属板1面对锅炉39的燃烧室的内部。结果，锅炉39内部产生的热使集热金属板1的温度达到约1,250℃。另外，从预热装置47供给的水流过贯穿电极7内部的水管9，并且由锅炉39内部产生的热加热，产生具有566℃温度和250P(atm)压力的蒸汽16，因此电极7的温度达到约650℃。涡轮机41用上述在锅炉中产生的蒸汽16操作，并且由旋转型发电机42产生电力。
结果，在图11所示的两个电极7之间产生电动势，因此，例如，如图10所示，通过用电线44串联连接多个热电转换元件49，能获得输出电压。应该注意，虽然在图10中热电转换元件49表示为沿燃气流的路径安排，但是它们不限于这样的布置。而是，只要热电转换元件49安排在沿燃烧室周围的任何地方，都能获得相同的效果。
另外，图10所示热电转换元件49的斜线部分表示N型热电材料50。
现在将继续参考图12，对上述热电转换系统的原理给出叙述。在具有如上述结构的发电厂中，没有给定为发电的热通量通过热传导传到热电转换元件49的低温侧，因此不发生能量损失。此外，涡轮机41获得相同温度和压力的蒸汽，因此旋转型发电机42的效率不降低。因此，能回收在这个温度区中在常规系统中发生的放射本领损失的部分。
上述方法称为拔顶(topping)，其原理在图12中根据热通量和温度示出。如图12所示，锅炉39中火焰和燃气的温度例如假定为1,300℃或以上。此时，即使在250P(atm)或更高压力下，蒸汽的温度也约为566℃。因此，涡轮机41形成从566℃到50℃或更低的水的热循环。从1,300℃温度的火焰到566℃温度的高温界限蒸汽没有能量损失，但是熵增加且能量减小，因此最终整个系统效率降低。没有给定为发电的能量产生蒸汽，并且由旋转型发电机42实行能量转换。
上述系统的总能量转换效率可以写成如下Eeff＝E1+E2(1-E1)这里，E1＝热电转换效率，E2是涡轮发电机效率。作为恒等式，这个效率比各自转换效率高，因此原则上有可能整体改进系统的效率。换句话说，通过拔顶，能预期增加3-5％的效率。
更具体地说，图11所示热电转换元件的热电转换效率E1在最优操作下约为0.056。另外，例如，当热源的温度TH为1,100℃，热转换元件的电极7的温度为600℃时，那么热电转换效率E1变为0.0796，并且通过进一步降低电极7的温度，能有效地改进热电转换效率E1。
应该注意，通过增加锅炉39内部的温度，还能预期改进锅炉39的放射本领效率。
其次，将参考图13，对图11所示水管9的结构给出叙述。水管9由碳钢制成，具有80mm的外径，9mm的厚度和35W/m/K的热导率系数。另外，如图13(a)所示，在水管9的外侧周围按下列次序包有传热管52、电绝缘54、低温电极56、P型和N型热电材料制成的半导体58、高温电极60、电绝缘54和装甲材料62。
另外，应该注意，还可能有图13(b)所示结构那样的结构，其中按这样次序在水管9的外侧周围包有内壳57a、热绝缘材料55和外壳57b。另外，还可能有图13(c)所示结构那样的结构，其中按这样次序在水管9的外侧周围包有耐火砖53、高温热绝缘材料59、热绝缘材料55和壳57。
另外，还可能有图13(d)所示结构那样的结构，其中用一个翅片61结合多个水管9，并且使整个组件的周围包在热绝缘材料55和壳57中。
利用上述结构，能很容易地保持图11所示集热金属板1与热电转换元件的电极7之间的温度梯度，因此有可能更有效地获得电能。
另外，虽然如上所述，把预热装置47排出的水供给热电转换元件49低温侧上的电极7的水管9，但是还可能直接从给水加热器43、45或冷凝器35供给水。
应该注意，上述热电转换技术目前正在研究中，以用于使用垃圾的发电，或用于热电厂的废水部分。
其次，将对热电转换技术用于图9所示给水加热器43、45给出叙述。图14表示给水加热器43的结构。给水加热器45具有相同的结构。如图14所示，在给水加热器43的内部装设一个隔膜63，使热电转换元件49装设在隔膜63上。
给水加热器43是一种通过在冷凝器35排出的低温低压水(也就是，在常温和约0.03P(atm)压力下的水)与涡轮机41排出的高压高温水(有时还包括从锅炉39放出的蒸汽)之间交换热，并且最终使它们混合，从而回收能量的装置。因此，给水加热器43、45是优良的能量回收装置，并且原则上无能量损失。然而，当把不同温度和压力的介质混合一起时，在过程中产生熵，因此能量损失确实发生，导致效率降低。
从以上所述，可以理解在如上述的给水加热器43、45中包括热电转换元件49。换句话说，该构思是提供一种结构，它利用在使两种不同温度的水混合一起之前的温度差发电。
更具体地说，把从锅炉39引出的高温加热蒸汽提供的约300℃的热供给图11所示的热电转换元件的集热金属板1，并且通过冷凝器35供给的常温水，从电极7带走这种热。
按照上述方法，虽然水的热量按照执行发电的量减小，但是产生电力，因此最终使整个发电厂的总转换效率另外增加1-2％。
此外，上述给水加热器43、45的操作介质是液体，因此热导率系数比用气体的情况高。结果，能使热电装置更紧凑，并且能使其成本降低。
应该注意，例如BiTe和PbTe的中温材料可以用作热电半导体。
另外，在图14中，虽然冷凝水通过出口65引到冷凝器35，但是如图9所示，对于给水加热器45，冷凝水通过出口65引到给水加热器43。
其次，将对热电转换技术应用于图9所示的预热装置给出叙述。图15表示预热装置47的整体结构。如图15所示，预热装置47包括一个混合室67，其中使燃料油和热空气混合，一个燃料油燃烧室69，它与混合室67连接，一个过热器711，对它引导燃料油燃烧室69排出的燃气，一个再热器73，通过过热器73对它引导燃气，一个节热器，它把图9所示泵38供给的15℃水预热到欠饱和蒸汽温度，并供给锅炉39，一个空气预热器77，它把15℃下供给的空气预热到250℃，一个废气净化器79，它使空气预热器77排出的燃气净化，一个烟囱81，它与废气净化器79连接，以及多个热电转换元件49。
应该注意，这些热电转换元件49具有和图11所示的热电转换元件相同的结构，并且将在后文叙述。
现在将对预热装置47的燃料油燃烧过程给出叙述。最初，在混合室中使得具有15℃温度的燃料油和具有250℃温度的预热空气混合，并且产生具有500℃温度的混合气体。其次，这种混合气体在燃烧室69中通过1,500℃热裂化燃烧和白热燃烧(理论燃烧温度为2,000℃)，并且以1,000℃-1,300℃的温度从燃烧室69排出。
此外，从燃烧室69排出的燃气通过过热器71和再热器73，并且以500℃温度引到节热器75。这里，在500℃燃气把热供给由节热器75供给的15℃水之后，燃气降到300℃温度，并被引到空气预热器77。
然后，在对供给空气预热器77的15℃空气预热之后，这种300℃燃气降到200℃-160℃的温度，并且进入废气净化器79。然后，燃气由废气净化器79净化，并且通过烟囱81排到外界。
应该注意，在空气预热器77预热到250℃温度的空气被引到混合室67。
其次，将对包括在上述预热装置47上三个位置处的热电转换元件49给出叙述。
首先，在混合室67中安装一个热电转换元件49。然而，把从空气预热器77供给的250℃空气提供的热，供给这个热电转换元件49的集热金属带1的高温侧，并且由15℃燃料油在低温侧电极7带走热。因此，这个热电转换元件49利用预热空气的温度与燃料油的温度之间的温度差，回收损失的放射本领，这样改进了整个发电厂的发电效率。
应该注意，虽然在附图中未示出，但是可以用给水加热器43排出的水对上述燃料油供给热。在这种情况下，从给水加热器43、45排出的水对热电转换元件49的集热金属板1的高温侧供给热。
其次，在节热器75中安装一个热电转换元件49。然而，把经过再热器73的500℃燃气所提供的热，供给这个热电转换元件49的集热金属板1的高温侧，并且由15℃水在低温侧电极7带走热。因此，和上述热电转换元件49那样，这个热电转换元件49利用燃气的温度与水的温度之间的温度差，回收损失的放射本领，这样进一步改进了整个发电厂的发电效率。
另外，在空气预热器77中安装一个热电转换元件49。然而，把从节热器75供给的300℃燃气提供的热，供给这个热电转换元件49的集热金属板1的高温侧，并且由15℃空气在低温侧电极7带走热。因此，和上述热电转换元件49那样，这个热电转换元件49利用燃气的温度与供给空气预热器77的空气的温度之间的温度差，回收损失的放射本领，这样进一步改进了整个发电厂的发电效率。
虽然以上给出了图9所示发电厂的叙述，但是事实上，上述热电转换技术能类似地应用于LNG热电厂系统的汽化器，换句话说，应用于一种其中用海水使液体低温LNG(其中甲烷是主要成分，沸点负161℃)在汽化器中汽化，并且引到图9所示锅炉的系统。
换句话说，LNG具有一个从常温到约170℃的汽化器操作温度，并且此时，在汽化之前具有大致恒定的介质温度，因为它以液体传输，并且具有潜热，因此LNG易于用于热电转换技术。
图16表示热电转换元件中包括的汽化器的结构。如图16所示，这种汽化器具有一个汽化室84，对它供给液体LNG，一个配水管82，装设在汽化室84之下，通过它供给从给水加热器43、45和冷凝器35排出的热水，以及一个热电转换元件49，装设在汽化室84与配水管82之间。
应该注意，热电转换元件49具有和图11所示热电转换元件49相同的结构。然而，优选地使用BiTe型和BiSb型材料。
在如上所述的汽化器中，汽化室84内部的液体LNG从通过配水管82的热水带走热，并且转变成气体，这样产生LNG气体。
如上述安装在汽化器上的热电转换元件49在集热金属板1的高温侧，从通过配水管9的热水接收热，并且在低温侧电极7对约为负170℃的LNG损失热。结果，利用热水与液体LNG之间的温度差回收放射本领流，并且产生电力。
如上所述，对汽化器应用热电转换技术预料在热水温度与液体LNG之间的热循环，因此与高温区中操作的温度差比较，温度差较小。然而，从放射本领利用的观点来看，不能忽视它的价值，并且它表现一定的优点。应该注意，如上所述，通过在汽化器中包括由现有BiTe型材料制成的热电转换元件，整个热电厂的效率提高约0.4％。
应该注意，为了使液体LNG汽化，有可能向汽化器供给常温海水。然而，用给水加热器43、45和冷凝器35排出的水，允许获得更多的热，这样有可能使汽化器较小，并且因此降低成本。另外，具有增加由所安装的热电转换元件49产生的电动势的优点。
按照如上所述的第一实施例的发电厂，能回收迄今常规损失的放射本领，因此有可能实现发电效率的另外增加。换句话说，能实现与利用高速旋转燃气轮机，使用联合循环发电的发电厂相抗衡的效率，因为能显著降低设备成本及维护和维修费用。
另外，按照本发明的第一实施例的发电厂，通过增加或减少安装的热电转换元件的数目，能获得适合要求输出的发电厂。参考图17，按照本发明的第二实施例的发电厂使用如图5所示相同类型的常规非热回收型联合循环发电系统，不同是在燃气轮机的燃烧室83上安装了热电转换元件49。
这个热电转换元件具有和图11所示热电转换元件49相同的结构，把燃烧室83内部产生的热供给高温侧集热金属板1，并且通过给水泵27供给的水，在低温侧电极7带走热。
因此，这个热电转换元件49利用燃烧室83内部的温度与给水泵27供给的水的温度之间的温度差，回收损失的放射本领，从而进一步改进使用非热回收型联合循环发电系统的发电厂的整个发电效率。
应该注意，在按照如上所述的第二实施例的发电厂中，可以代替给水泵27直接从冷凝器25向热电转换元件49的电极7的低温侧供给冷凝水。
图18是说明按照本发明的第二实施例，适应联合循环发电系统的发电厂中的能量转换的示意图。如图18所示，燃气轮机的燃烧室83内部的火焰温度约为1,100℃，而作用在汽轮机23上的蒸汽的最高温度约为566℃。另外，汽轮机23形成从566℃到200℃或之下及从200℃到50℃的热循环。
当燃气轮机19单独转动发电机时，热效率约为0.18-0.31，汽轮机23的热效率约为0.39。应该注意，与汽轮机23的热效率比较，尽管燃气轮机19自身具有较低的热效率，但是燃气轮机因为其操作温度范围与汽轮机23不同而用于某些用途。
如上所述安装在燃烧室83上的热电转换元件49，通过对由燃烧室83内部的温度与汽轮机23中蒸汽的温度之间的温度差所引起的放射本领流进行回收，产生电力。应该注意，更具体地说，优选地使热电转换元件49安装在燃烧室83的出口与汽轮机19的叶片之间。
因此，按照本发明的第二实施例的发电厂，能回收常规上在联合循环发电系统中损失的放射本领，并且能进一步改进发电效率。
应该注意，与燃气轮机19的热效率比较，虽然热电转换元件49的热效率较低，但是它具有某些优点。也就是，使用热电转换元件49的发电不要求汽化燃料，因此能用固体例如煤作为热能源。另外，热电转换元件49能用静止部件构成，因此简化了维护。此外，虽然将来当燃气轮机的操作温度变得比目前高时，涡轮机叶片的机械强度将成为一个主要问题，但是这样的问题在使用热电转换元件49的发电中不会出现。参考图19，可见按照本发明的第三实施例的发电厂分别具有高压、中压和低压涡轮机31、33和34，各有不同的操作压力范围，并且该发电厂具有和图6所示发电厂相同的结构。不同是热电转换元件49安装在锅炉85上，使中压涡轮机33排出的水和蒸汽供给低温电极7。
应该注意，安装在锅炉85上的热电转换元件49具有和图11所示热电转换元件49相同的结构。另外，水管9内部产生的蒸汽被引到给水加热器87，以对冷凝器35供给的冷凝水预热。
安装在锅炉85上的热电转换元件49，通过对由锅炉85内部的温度与中压涡轮机33排出的水或蒸汽的温度之间的温度差所引起的放射本领流进行回收，产生电力。
因此，按照本发明的第三实施例的发电厂，能回收常规上在具有多个不同操作压力范围的汽轮机的发电厂中所损失的放射本领，并且能进一步改进发电效率。
应该注意，虽然在按照如上所述的第三实施的发电厂中，把中压涡轮机33排出的水或蒸汽供给低温侧电极7，但是代之可以类似地供给从低压涡轮机34排出的水或蒸汽。
另外，可以类似地把中压涡轮机33或低压涡轮机34排出的高温高压水供给热电转换元件49的高温侧集热金属带1，使冷凝器35或给水加热器87排出的水类似地供给低温侧电极7。应该注意，在这种情况下，供给低温侧电极7的水被再次引到给水加热器87。
另外，并且进一步，还可能把自然环境中存在的水，例如海水或淡水，供给低温侧电极7。通过这样做，能使电极7的温度保持在自然环境的水的温度。
权利要求
1.一种利用燃气或蒸汽的热能发电的发电厂，其中至少在两个具有不同温度的位置处装设热电转换元件。
2.一种发电厂，包括一个锅炉，在燃烧室中加热增压水，以产生蒸汽；一个涡轮机，与所述锅炉连接，通过所述蒸汽做功来发电；一个冷凝器，与所述涡轮机连接，使所述涡轮机放出的蒸汽冷却和冷凝；一个给水加热器，利用送到所述涡轮机中做功的所述蒸汽中的一部分，对从冷凝器供给所述锅炉的水预热；一个第一热电转换元件，安装在锅炉的所述燃烧室周围，利用燃烧室内部的温度，与从所述给水加热器或所述冷凝器排出的水的温度之间的温度差，产生电力；和一个第二热电转换元件，安装在所述给水加热器上，利用从所述涡轮机供给的所述蒸汽的一部分的温度，与从所述冷凝器供给的所述水的温度之间的温度差，产生电力。
3.如权利要求2所述的发电厂，还包括预热装置，装设在所述给水加热器与所述锅炉之间，以对供给所述锅炉的增压水预热；和一个第三热电转换元件，安装在所述预热装置上，利用为了预热所述增压水而从所述燃烧室供给的燃气的温度，与供给所述预热装置的所述增压水的温度之间的温度差，产生电力。
4.如权利要求3所述的发电厂，还包括一个空气预热器，对供给所述燃烧室内部的空气预热；和一个第四热电转换元件，安装在所述空气预热器上，利用供给所述空气预热器的空气的温度，与为了预热所述空气而从所述燃烧室供给的燃气的温度之间的温度差，产生电力。
5.如权利要求4所述的发电厂，还包括一个第五热电转换元件，利用供给所述燃烧室的燃料的温度，与所述空气预热器预热的空气或所述给水加热器排出的水的温度之间的温度差，产生电力。
6.如权利要求2所述的发电厂，其中所述第一热电转换元件包括一个第一电极，装设为面对所述燃烧室的内部；一个N型半导体，其一端与所述第一电极结合；一个P型半导体，其一端与所述第一电极结合；一个第二电极，装设在所述N型半导体和所述P型半导体的另一端；一个水管，从所述给水加热器通到所述涡轮机，并且安装为贯穿所述第二电极；和一个热绝缘体，包在所述水管周围。
7.如权利要求2所述的发电厂，还包括一个汽化器，使液化LNG汽化，并把LNG供给所述锅炉；和一个第三热电转换元件，装设在所述汽化器上，并且利用所述LNG的温度，与为了汽化所述LNG而引到所述汽化器的水的温度之间的温度差，产生电力。
8.一种具有多个有不同操作压力范围的汽轮机的发电厂，该发电厂包括一个锅炉，在燃烧室内部对增压水加热，以产生蒸汽；和一个第一热电转换元件，安装在所述锅炉的所述燃烧室周围，利用所述燃烧室内部的温度，与从所述汽轮器中任何一个排出的水或蒸汽的温度之间的温度差，产生电力；
9.如权利要求8所述的发电厂，还包括一个冷凝器，与所述汽轮机连接，使所述汽轮机放出的蒸汽冷却和冷凝；一个给水加热器，利用送到所述汽轮机中做功的所述蒸汽中的一部分，对从所述冷凝器供给所述锅炉的水预热；和一个第二热电转换元件，利用从所述汽轮机放出的蒸汽的温度，与从所述冷凝器或所述给水加热器排出的水的温度之间的温度差，产生电力。
10.如权利要求9所述的发电厂，其中从所述汽轮机中任何一个排出，并且从所述第一热电转换元件带走热的水或蒸汽被再次引到所述给水加热器。
11.如权利要求9所述的发电厂，其中把热传给所述第二热电转换元件的所述蒸汽被引到所述冷凝器。
12.如权利要求9所述的发电厂，其中所述第二热电转换元件由PbTe型或CoSb型材料制成。
13.如权利要求8所述的发电厂，还包括一个第二热电转换元件，它利用从所述汽轮机放出的蒸汽的温度，与自然环境存在的水的温度之间的温度差，产生电力。
14.一种联合燃气轮机和汽轮机的发电厂，该发电厂包括一个热电转换元件，它利用供给所述燃气轮机的气体的温度，与从所述汽轮机排出的水的温度之间的温度差，产生电力。
全文摘要
按照本发明的发电厂改进了从热能到电能的转换效率,它装有一个第一热电转换元件,利用锅炉燃烧室内部的温度与从给水加热器供给锅炉的水的温度之间的温度差,产生电力,以及一个第二热电转换元件,安装在给水加热器上,利用从涡轮机供给的蒸汽的温度与从冷凝器供给的水的温度之间的温度差,产生电力。
文档编号F01K23/06GK1272902SQ9980094
公开日2000年11月8日 申请日期1999年5月13日 优先权日1998年5月14日
发明者山口作太郎 申请人:Yyl株式会社