电能生产技术概论-发电电力系统组成

电能生产技术概论指导思想•本课程是在先修“电路”和“电机学”基础上，为全面学好专业理论课程准备的基本知识课，也是电气专业人士必须具备的最基本的知识。•本课程涉及到的一些计算及短路理论，主要在“电能系统基础”课程中学习参考书籍•范锡普主编．发电厂电气部分．第2版．中国电力出版社，1995•华中工学院主编．发电厂电气部分．电力工业出版社，1980•姚春球.发电厂电气部分第1版电力出版社讲课内容第一章能源和发电（电力系统组成）第二章电气设备的原理与选择第三章电气主接线及设计第四章配电装置第五章二次回路（自学）1.电能生产过程，电气系统的组成重点：煤粉系统、汽水系统、中性点运行方式2.电器的原理与选择电弧的形成及熄灭，高压断路器的运行原理与选择，电流互感器的原理与选择、电压互感器的原理与选择，限流电抗器的原理与选择。重点：互感器的原理和选择难点：电弧的形成及熄灭教学内容3.电气主接线主接线的基本接线形式、发电厂和变电所主变压器的选择、限制短路电流的方法，各种类型主接线的特点，主接线的设计原则和步骤，主接线设计举例。重点：带旁路母线的接线方式难点：主接线的设计原则4.配电装置配电装置的安全净距、屋内配电装置、屋外配电装置、成套配电装置、电气设施总平面布置。重点：安全净距难点：平面布置5.二次线路（自学）二次线路的基本概念、测量系统考试方法1、研讨成绩（90％）2、平时成绩（10％）第一章能源和发电1.1绪论•能量是物质运动的量度，能量有许多形式，如机械能、热能、化学能。•电能是相应于电磁运动的能量形式。•不同形式的能量可相互转换。1.1.1能和能源1.电能的特点：•⑴电能可以方便地由其它能量形式转化而来，也可以简便地转化成其他形式的能量。•⑵电能便于大规模生产、输送、分配、并且价格低廉。•⑶电能的生产、输送、分配、控制及测量等各环节容易实现自动控制。2.能源的分类：•一次能源：指以现成的形式存在于自然界的能源。•二次能源：指由一次能源直接或间接转换而来的其它形式的能源或人工制造的能源。电能属于二次能源。常用的用来发电的一次能源有：燃料化学能、水能、核能等。还可继续开发的发电能源，如潮汐发电、太阳能发电、风力发电等。我国电力工业发展概况1.我国有丰富的煤炭、石油和水力资源，这为我国电力工业的发展提供了条件。2.1882年上海建立第一个发电厂，容量12kW。3.1949年达到185万kW;到2008年的7亿kW。(全国发电装机继2006年底突破6亿千瓦之后，在不到一年的时间里，又迈上7亿千瓦台阶。据统计，自2002年至2007年五年间，我国新增发电装机规模约3.5亿千瓦，相当于建国至2002年50多年的总和。）4形成了华北、东北、华东、华中、西北和南方互联等6个跨省大网，2个独立省电网(海南、西藏)和西南弱联系的跨省电网。我国今后电力工业发展方向•在电源结构调整上要坚持优化火电结构、优先发展水电、适当发展核电、积极利用新能源的方针•要大力抓好大电厂、大容量、高参数、高效率大机组的建设•大力加强主电网的建设，形成坚强的电力网络结构，加快城市和农村电网的建设和技术改造。开拓电力销售市场•继续加强现有6个跨省电网，发展省一级电网并注意发展系统间的互联，逐步形成全国的联合电能系统•对2020年的电源结构的规划设想是:在9.5亿kW中，煤电为6亿kW，占63%(电量3万亿kWh，占4.3万亿kWh的70%)；水电2亿kW，占21.1%(电量为7000亿kWh，占16%)；另有抽水蓄能电站2500万kW，占2.6%；核电4000万kW，占4.2%(电量2600亿kWh，占6%)；气电7000万kW，占7.3%(电量3000亿kWh，占7%)；新能源1500万kW，占1.5%(电量400亿kWh，占1%),1.1.2动力系统与电力系统的定义1．动力系统：•转化、分配和应用电能及热能的全部环节称为动力系统，包括锅炉、汽轮机、发电机、核反应堆、输电线、热力管道、电力变压器、电动机、电热装置、换流装置等等。2．电能系统：•在动力系统中，生产、输送、转换的能量主要部分是电能的，称为电能系统。3．电力系统：•电能系统中的电气部分称为电力系统。4．电力网：•在电力系统中通常把发电机和用电之间属于输电和配电的环节称为电力网。电力网电力系统动力系统（电能系统）～锅炉汽轮机发电机升压变线路降压变用户供热图1-2示意图1.2发电厂发电厂:发电厂是电力系统的电源，它的作用是把不同种类的一次能源转换成电力。根据一次能源的不同，可分为火力发电厂、水力发电厂、核动力发电厂和利用其它能量发电的电厂。1.2.1火电厂的电能生产过程•燃烧系统——燃料的化学能在锅炉里燃烧变为热能，加热锅炉中的水——蒸汽。•汽水系统——锅炉产生的蒸汽进入汽轮机，冲动汽轮机的转子旋转，将热能转变为机械能。•电气系统——汽轮机旋转的转子带动发电机旋转，把机械能变为电能。图1-3.凝气式火电厂电能生产示意图燃烧系统——汽水系统——电气系统火电厂的电能生产过程－燃烧系统运煤系统磨煤系统燃烧系统风烟系统灰渣系统图1-4火电厂燃烧系统流程示意图火电厂的电能生产过程－汽水系统•给水系统•补充给水系统•循环水系统图1-5火电厂汽水系统流程示意图火电厂的电能生产过程－电气系统•发电机•励磁装置•厂用电系统•升压变电站图1-6火电厂电气系统示意图1.2.3发电厂类型(1)火电厂：火电厂按原动机类型不同可分为汽轮机发电厂、蒸汽机发电厂、燃气轮机发电厂等。凝汽式汽轮机发电厂电能生产过程：燃料化学能锅炉热能汽轮机机械能发电机电能(2)水电厂水电厂的基本能量转化过程：水能水轮机机械能发电机电能水电厂可分为坝式水电厂、引水式（山区水流很急）电厂及混合式水电厂。•长江三峡工程是世界上最大的水电站。三峡水电站左岸厂房安装14台水轮发电机组，右岸厂房安装12台，总共装机26台；单机容量70万千瓦，装机总容量为1820万千瓦。多年平均年发电量为846.8亿千瓦时。三峡水库正常蓄水位175米时，大坝下游的最低水位为62米，则三峡水电站的最大水头为113米；汛期限制水位为145米时，大坝下游的最高水位为74米，则三峡水电站的最小水头为71米，单机容量为70万千瓦的水轮发电机组，额定工况下每秒钟需要通过的水量为950立方米。具有上述水头和水量的水流，从底部高程为110米的水电站进水口，流入内径为12.4米的压力钢管，通过压力钢管再流入坝后式电站厂房的蜗壳，水流的巨大冲击力使水轮机以每分钟75转的速度转动起来，与水轮机在同一根主轴上的发电机也以同样的速度转动起来，即可发出强大的电力。•广州抽水蓄能电站广州抽水蓄能电站总装机容量240万kW，是中国第一座也是目前世界上最大的抽水蓄能电站。抽水蓄能电站的主要作用是调峰和填谷等。电站位于广州市北东方向90km的流溪河上游。上、下水库均系利用天然库盆，上库集雨面积5km2，库容2408万m3；下库集雨面积13km2，库容2348万m3，两库水平距离3km，落差500m（H／L=l／6），总装机8台，采用30万kW容量可逆式高参数抽水蓄能机组，设计水头535m，额定转速500r／min，组成一洞四机布置的地下或引水厂房系统。引水道全长分别为3785m（一期）、4407m（二期），均设置上、下游调压井。电站以500kV出线接入广东电网。•西藏的羊卓雍湖水电站西藏羊卓雍湖抽水蓄能电站，位于西藏自治区浪卡子县和贡嘎县内，电站上库为羊卓雍湖，下库为雅鲁藏布江。电站装机容量11.25万千瓦，年发电量1.0412亿千瓦时，引水隧洞全长5,883.103米，压力钢管全长3，044.764米，最大水头840米，是我国目前海拔最高、水头最高、隧洞最长、西藏自治区境内装机容量最大、自动化水平最先进的抽水蓄能电站。•江苏宜兴抽水蓄能电站江苏宜兴抽水蓄能电站工程位于江苏省宜兴市西南郊铜官山山区，电站下水库距宜兴市区约8.5km，电站枢纽部分由上水库、下水库、输水系统、厂房、开关站等建筑物组成，电站装机规模1000MW，工程投资47.77亿元。(3)核电厂:核电厂的基本能量转化过程:重核裂变能核蒸汽发生系统热能汽轮机机械能发电机电能一公斤的U235释放出的能量有8×1013（焦耳），一吨标准煤释放出的能量有3×1010（焦耳），因此，一公斤的U235释放出的能量相当于2667吨标准煤释放出的能量。以理论计算，每千瓦时煤耗400克，一公斤的铀可发电6250000千瓦时。一回路系统把反应堆1用主管道5与主泵3、蒸汽发生器2、稳压器4连接在一起，就构成核电厂一回路系统，即核蒸汽供应系统。田湾核电站工程田湾核电站工程是依据中俄两国政府协议,在核能领域进行的高科技合作项目,是列入我国“九五”计划的重点工程之一。厂址位于江苏省连云港市连云区田湾，厂区按4台百万千瓦级核电机组规划，并留有再建2至4台的余地。一期建设2台单机容量106万千瓦压水堆核电机组。（4）风力发电厂风力发电机＋充电器＋数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。风力发电机将风轮传来的机械能利用电磁感应原理转换成电能，分为异步发电机和同步发电机两种，风力发电组中的发电机一般采用异步发电机。异步发电机的转速取决于电网的频率，只能在同步转速附近很小的范围内变化。当风速增加使齿轮箱高速输出轴转速达到异步电动机同步转速时，机组并入电网，向电网送电，风速继续增加，发电机转速也略微升高，增加输出功率。达到额定风速后，由于风轮的调节，稳定在额定功率不再增加。反之风速减小，发电机转速低于同步转速时，则从电网吸收电能，处于电动机状态，经过适当延时后应脱离电网。对于定桨距风力发电机组，一般还采用单绕组双速异步发电机。1.3.1电力系统的运行特点与基本要求1.电力系统的运行特点电力不易贮存;暂态过程十分短暂;电力和国民经济各部门及人民生活密切2.对电力系统的基本要求为用户提供充足的电能;保证电力系统供电的可靠性;保证电能的质量;（电压、频率、波形）保证电力系统运行的经济性;环境保护问题;1.3电力系统的组成和特点1.3.2电力系统的电压等级:为使电力工业和电工制造业的生产标准化、系列化和统一化，世界各国都制定有关于额定电压等级的标准。我国电力系统的电压等级在西北系统采用330/110/35/10kV。东北地区采用500/220/63/10kV，其它地区采用500/220/110/35/10kV，低压常用0.38kV线电压/0.22kV相电压等级。运行中最高电压：kV55024212138.511计算时或运行中经常采用的电压：5252301153710.5规定的额定电压：5002201103510额定电压•1．用电设备用电设备的额定电压和电网的额定电压一致。实际上，由于电网中有电压损失，致使各点实际电压偏离额定值。为了保证用电设备的良好运行，国家对各级电网电压的偏差均有严格规定。显然，用电设备应具有比电网电压允许偏差更宽的正常工作电压范围。•2．发电机发电机的额定电压一般比同级电网额定电压高出5%，用于补偿电网上的电压损失。3．变压器变压器的额定电压分为一次和二次绕组。对于一次绕组，当变压器接于电网末端时，性质上等同于电网上的一个负荷(如工厂降压变压器)，故其额定电压与电网一致，当变压器接于发电机引出端时(如发电厂升压变压器)，则其额定电压应与发电机额定电压相同。对于二次绕组，额定电压是指空载电压，考虑到变压器承载时自身电压损失(按5%计)，变压器二次绕组额定电压应比电网额定电压高5%，当二次侧输电距离较长时，还应考虑到线路电压损失(按5%计)，此