第一节能源开发与利用

1第一章发电厂概述2第一节能源开发与利用一、能源资源能源资源是指为人类提供能量的天然物质。它包括煤、石油、天然气、水能等，也包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能、核能等新能源。能源资源是一种综合的自然资源。纵观社会发展史，人类经历了柴草能源时期、煤炭能源时期和石油天然气能源时期，目前正向新能源时期过渡，并且无数学者仍在不懈地为社会进步寻找开发更新更安全的能源。但是，目前人们能利用的能源仍以煤炭、石油、天然气为主，在世界一次能源消费结构中，这三者的总和约占93%左右。3第一节能源开发与利用能源按其来源可以分为四类：第一类是来自太阳能。除了直接的太阳辐射能之外，煤、石油、天然气等石化燃料以及生物质能、水能、风能、海洋能等资源都是间接来自太阳能。第二类是以热能形式储藏于地球内部的地热能，如地下热水、地下蒸汽、干热岩体等。第三类是地球上的铀、钍等核裂变资源和氘、氚、锂等核聚变资源。第四类是月球、太阳等星体对地球的引力，而以月球引力为主所产生的能量，如潮汐能。4第一节能源开发与利用能源按使用情况进行分类，如表1-1所示。凡从自然界可直接取得而不改变其基本形态的能源称为一次能源。由一次能源经过加工或转换成另一种形态的能源称为二次能源。在一定历史时期和科学技术水平下，已被人们广泛应用的能源，称为常规能源。那些虽古老但采用了新的先进的科学技术而加以广泛应用的能源称为新能源。凡在自然界中可以不断再生并有规律地得到补充的能源，称为可再生能源。经过亿万年形成的，在短期内无法恢复的能源称为非可再生能源。5第一节能源开发与利用能源一次能源常规能源可再生能源：水力非可再生能源：煤、石油、天然气、核裂变新能源可再生能源：太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热能非可再生能源：核聚变材料二次能源电力、焦炭、煤气、汽油、煤油、柴油、重油、沼气、蒸汽、热水表1-1能源分类6第一节能源开发与利用二、资源的有效利用从人类发展的历史过程来考察，人类生产和生活始终面临着一个无法避免的和不可改变的事实，即资源稀缺。即使人类可通过自己的劳动来改变自然界的物品，创造更多的物质财富，但是在一定的时期内，物质资料生产不可能生产出无穷无尽的物质生活资料，不可能完全满足人类的一切需要。因此，需要的无限性和物质资料的有限性，将伴随人类社会发展的始终。如何实现资源的有效配置，是我们研究的核心问题。7第二节水力发电水电站是将水能转变成电能的工厂，其能量转换的基本过程是：水能→机械能→电能。按利用能源的种类，水电站可分为：（1）将河川中水能转换成电能的常规水电站，也是通常所说的水电站，按集中落差的方法它又有三种基本形式，即堤坝式、引水式和混合式；（2）调节电力系统峰谷负荷的抽水蓄能式水电站；（3）利用海洋能中的水流的机械能进行发电的水电站，即潮汐电站、波浪能电站、海流能电站。8第二节水力发电图1－1水电站示意图1－水库；2－压力水管；3－水电站厂房；4－水轮机5－发电机；6－尾水渠道9第二节水力发电一、坝式水电站在河道上拦河筑坝建水库抬高上游水位，集中发电水头，并利用水库调节流量生产电能的水电厂，称为坝式水电站。按照水电站厂房与坝的相对位置的不同，坝式水电站可分为河床式和坝后式两种基本型式。二、引水式水电站在河流中上游，河流多弯曲或河道坡降较陡的河段，修筑较短的引水明渠或隧道（无压或有压）集中水头，用引水管把水引入河段下游的水电站，这称作引水式水电站（无压或有压）。还可以利用相邻两条河流的高程差，进行跨河流引水发电。如图1－3所示。10第二节水力发电图1－2河床式水电站示意图11第二节水力发电图1－3无压引水式水电站示意图12第二节水力发电三、混合式水电站如果条件适宜，则可较经济地建坝集中部分水头又用引水系统，共同集中水头，具有坝式和引水式两方面的特点，称为混合式水电站。一条河流上的天然落差往往很大，一般水电站开发利用有一定的限制，就要合理地分段开发利用。在河段上有若干水电站，一个接一个，可以采用不同的类型，称为梯级水电站。13第二节水力发电四、抽水蓄能式水电站抽水蓄能电站是特殊形式的水电站。当电力系统内负荷处于低谷时，它利用网内富余的电能，采用机组为电动机运行方式，将下游（低水池）的水抽送到高水池，能量蓄存在高水池中。在电力系统高峰负荷时，机组改为发电机运行方式，将高水池的水能用来发电（如图1－5所示）。因此，在电力系统中抽水蓄能电站既是电源又是负荷，是系统内唯一的削峰填谷电源，具有调频、调相、负荷备用、事故备用的功能。14第二节水力发电图1－5抽水蓄能式水电站15第二节水力发电五、水电站的主要动力设备常规水电站主要由挡水建筑物、泄水建筑物、排沙设施、发电引水系统、发电系统以及其他引水设施和过坝设施等组成。这里，仅介绍发电设备中的主要动力设备——水轮机。水轮机是将水能转换成旋转机械能的水力原动机。按照水流作用于水轮机转轮时的能量转换方式，分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。仅利用水流的动能转换为机械能的水轮机称为冲击式水轮机。同时利用水流的压能、动能转换成机械能的水轮机称为反击式水轮机，反击式水轮机是应用最广泛的一种水轮机。16第二节水力发电1、冲击式水轮机根据水流冲击转轮的部位和方向的不同，冲击式水轮机可分为水斗式、斜击式和双击式。后两种效率低、适用水头较小，只用于小型水电站。图1－6所示的水斗式水轮机，是冲击式水轮机中应用最广泛的机型，它的主要部件有转轮、喷嘴、喷针、折向器、主轴和机壳。图1－6冲击式水轮机1－转轮；2－喷嘴；3－转轮室；4－机壳；5－调节手轮；6－针阀17第二节水力发电2、反击式水轮机反击式水轮机种类很多，有混流式、斜流式、轴流式（定浆式、转浆式）、贯流式（全贯流式、半贯流式），但构造上有着相同特点，主要由水轮机室、导水机构、转轮和泄水机构四大部分组成。（1）水轮机室水轮机室是反击式水轮机的引水机构，其形状像一个大的蜗牛壳，常称蜗壳（如图1－7所示），其作用是将引水管来的水流沿圆周方向均匀导向转轮。18第二节水力发电（2）导水机构导水机构的作用是使水流沿着有利的方向进入水轮机的转轮，并依靠调整导叶的开度改变水流流道断面，调节进入转轮的流量，从而改变水轮机的输出功率。导水机构关闭导叶，可使水轮机停止运行。图1－7蜗壳外形图19第二节水力发电（3）转轮水轮机是转轮是实现能量转换的核心部件，浸没在水流中。从导叶出来的旋转水流进入转轮，经扭曲的转轮叶片组成的流道改变方向后流出转轮体，转轮叶片正反面形成压力差，水流对叶片产生反作用力，其在轮周方向的分力推动叶片旋转，将水流的压能转换成转轮旋转的机械能。各种类型的反击式水轮机的区别，主要在于转轮的外形和工作特性的不同，通常由叶片、转轮体（轮毂）、泄水锥等组成。20第二节水力发电（4）尾水管尾水管（如图1-8所示）是水流流过水轮机的最后部件，连接转轮与下游水面的泄水机构，也称吸出管。由于转轮出口的水流还有剩余动能未被利用，尾水管的作用就是回收部分动能提高水轮机的效率，并将水排至下游。图1－8尾水管示意图21第二节水力发电六、水力发电的特点水力发电主要有以下特点：（1）水能是可再生能源，并且发过电的天然水流本身并没有损耗，一般也不会造成水体污染，仍可为下游用水部门利用。（2）水力发电是清洁的电力生产，不排放有害气体、烟尘和灰渣，没有核废料。（3）水力发电的效率高，常规水电厂的发电效率在80%以上。（4）水力发电可同时完成一次能源开发和二次能源转换。（5）水力发电的生产成本低廉。无需购买、运输和贮存燃料；所需运行人员较少、劳动生产率较高；管理和运行简便，运行可靠性较高。（6）水力发电机组起停灵活，输出功率增减快、可变幅度大，是电力系统理想的调峰、调频和事故备用电源。22第二节水力发电（7）水力发电开发投资大，工期长。如在建的三峡工程，1994年12月开工，计划2009年竣工，按1993年5月不变价格计算，其静态设计总概算为900亿人民币。（8）受河川天然径流丰枯变化的影响，无水库调节或水库调节能力较差的水电站，其可发电力在年内和年际间变化较大，与用户用电需要不相适应。（9）水电站的水库可以综合利用，承担防洪、灌溉、航运、城乡生活和工矿生产用水、养殖、旅游等任务。如安排得当，可以做到一库多用、一水多用，获得最优的综合经济效益和社会效益。（10）建有较大水库的水电站，有的水库淹没损失较大，移民较多，并改变了人们的生产生活条件；水库淹没影响野生动植物的生存环境；水库调节径流，改变了原有水文情况，对生态环境有一定影响。（11）水能资源在地理上分布不均，建坝条件较好和水库淹没损失较少的大型水电站站址往往位于远离用电中心的偏僻地区，施工条件较困难并需要建设较长的输电线路，增加了造价和输电损失。23第三节火力发电火力发电厂简称火电厂，是利用煤、石油、天然气或其他燃料的化学能生产电能的工厂。我国电源构成是以火电为主，至2004年底，全国总装机容量为44070万kW，火电装机容量为32490万kW,占我国发电装机总容量的73.7%。火电厂按使用燃料的不同可分为燃煤、燃油和燃气等几类电厂。我国的煤炭资源比较丰富，燃煤火电厂是我国目前电能生产的主要方式。24第三节火力发电一、火电厂生产过程火电厂按照原动机不同可分为汽轮机电厂、燃气轮机电厂、蒸汽—燃气轮机联合循环电厂。但从能量转换观点分析，其基本过程都是：燃料的化学能→热能→机械能→电能。～1234567图1－9蒸汽动力发电厂原理图1－锅炉；2－汽轮机；3－发电机；4－凝汽器；5－凝结水泵；6－回热加热器；7－给水泵25第三节火力发电锅炉将燃料的化学能转化为蒸汽热能，蒸汽机将蒸汽热能转化为机械能，发电机将机械能转化为电能。锅炉、汽轮机、发电机是常规火力发电厂的三大主机。动力设备就是指锅炉、汽轮机及其附属设备与热力系统（如图1—10所示）。火电厂的实际生产过程要复杂得多，还需要很多辅助系统以维持其正常生产，如输煤系统、除灰系统，供水系统、水处理系统等。26第三节火力发电图1－10凝汽式火力发电厂生产系统组合示意图27第三节火力发电二、锅炉•1、锅炉锅炉是火力发电厂的主要热力设备之一，其作用是：燃料在炉膛内燃烧将其化学能转变为烟气热能；烟气热能加热给水，水经过预热、汽化、过热三个阶段成为具有一定压力、温度的过热蒸汽。锅炉由锅炉本体和辅助设备两大部分组成。（1）锅炉本体实际上就是一个庞大的热交换器，由“锅”和“炉”两部分组成的。（2）锅炉的辅助设备主要包括供给空气的送风机、排除烟气的引风机、煤粉制备系统以及除渣、除尘设备等。28第三节火力发电2、锅本体（1）省煤器（2）汽包（3）下降管（4）水冷壁（5）过热器（6）再热器3、炉本体（1）炉膛（2）燃烧器（3）空气预热器29第三节火力发电三、汽轮机1、汽轮机的工作原理汽轮机是将蒸汽热能转换成机械能的高速旋转设备，具有功率大、效率高、结构简单、运行平稳的优点，是火电厂及核电厂中采用的原动机。汽轮机利用工质的动能做功，即利用具有一定速度的工质冲动其转动部分，从而输出机械功。2、汽轮机的组成及其工作过程汽轮机由汽轮机本体和汽轮机辅助设备两部分组成，如图1—11所示。汽轮机本体由静止部分、转动部分、主汽门、调节汽门等组成。汽轮机辅助设备主要包括凝汽设备、回热加热设备、调节保安装置、供油系统等。汽轮机本体及其辅助设备由管道和阀门连成一个整体，称为汽轮机设备。汽轮机和发电机的组合称为汽轮发电机组。30第三节火力发电图1－11汽轮机设备组合示意图1－主汽门；2－调节阀；3－汽轮机；4－凝汽器；5－抽汽器；6－循环水泵；7－水泵凝结；8－低压加热器；9－除氧器；10－给水泵；11－高压加热器；12－供油系统；13－调节装置；14－保护装置345G141312主蒸汽至锅炉自锅炉来31第三节火力发电3、汽轮机本体主要结构汽轮机本体由静止、转动两大部分组成。静子主要包括汽缸、喷嘴、