第二章發(fā)電系統(tǒng)

電氣工程基礎(chǔ)武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程緒論------電力系統(tǒng)的基本概念和知識(shí)發(fā)電系統(tǒng)輸變電系統(tǒng)電力系統(tǒng)負(fù)荷電力網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算電力系統(tǒng)的短路計(jì)算電氣主接線的設(shè)計(jì)與設(shè)備選擇電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)電氣工程基礎(chǔ)第二章發(fā)電系統(tǒng)§1能源及電能

一、能源的分類一次能源常規(guī)能源可再生能源水能非再生能源煤、石油、天然氣、核裂變物質(zhì)新能源可再生能源太陽(yáng)能、風(fēng)能、海洋能、地?zé)崮芊窃偕茉春司圩兾镔|(zhì)二次能源電力、煤氣、汽油、柴油、蒸氣、沼氣二、能源資源1、煤炭我國(guó)煤炭資源存儲(chǔ)量較豐富，質(zhì)量?jī)?yōu)良，分布面廣，品種也很齊全。我國(guó)是世界上煤炭產(chǎn)量最多、增長(zhǎng)速度最快的國(guó)家。分布極不均勻：新疆、內(nèi)蒙、山西和陜西占全國(guó)煤炭資源總量的81.3%，東北3省占1.6%，華東7省占2.8%，江南9省占1.6%。2、水能資源我國(guó)河流很多，水系龐大而復(fù)雜，流量大，落差大，蘊(yùn)藏著非常豐富的水能資源，開(kāi)發(fā)條件優(yōu)越，技術(shù)經(jīng)洗指標(biāo)良好。水能資源分布很不均勻：西南占67.8%，西北占9.9%，中南占15.5%，華東占3.6%，東北占2%，華北占1.2%。3、其他資源我國(guó)是發(fā)展中的石油消耗大國(guó)，同時(shí)又是人均占有油氣資源相對(duì)貧乏的國(guó)家。三、電能電能與其他形式的能源相比其特點(diǎn)如下：1）便于大規(guī)模生產(chǎn)和遠(yuǎn)距離輸送2）方便轉(zhuǎn)換和易于控制3）輸送損耗小4）效率高5）無(wú)氣體和噪聲污染§2火力發(fā)電廠火力發(fā)電簡(jiǎn)稱火電廠，是利用煤、石油或天然氣作為燃料生產(chǎn)電能的工廠。燃料的化學(xué)能==熱能==機(jī)械能==電能一、火電廠分類1、按燃料分燃煤發(fā)電廠；燃油發(fā)電廠；燃?xì)獍l(fā)電廠；余熱發(fā)電廠2、按蒸汽壓力和溫度分（kgf/cm2千克力/平方厘米）中低壓發(fā)電廠：40kgf/cm2,450度。<25MW高壓發(fā)電廠：101kgf/cm2,540度。<100MW超高壓發(fā)電廠：141kgf/cm2,540度。<200MW亞臨界壓力發(fā)電廠：171kgf/cm2,540度。300~1000MW超臨界壓力發(fā)電廠：225kgf/cm2,550度。600MW、800MW及以上3、按輸出能源分凝汽式火電廠：只向外供應(yīng)電能。其效率較低，30%~40%；熱電廠：既生產(chǎn)電能，又向用戶提供熱能，其效率較高，60%~70%。4、按發(fā)電廠總裝機(jī)容量多少分小容量發(fā)電廠：100MW以下的發(fā)電廠；大中容量發(fā)電廠：250~1000MW的發(fā)電廠；大容量發(fā)電廠：100MW以上的發(fā)電廠；二、火電廠的電能生產(chǎn)過(guò)程鍋爐及其輔助設(shè)備、主要設(shè)備汽輪機(jī)及其輔助設(shè)備發(fā)電機(jī)及電氣設(shè)備三、火電廠的主要系統(tǒng)1、燃燒系統(tǒng)至灰場(chǎng)冷空氣送風(fēng)機(jī)空氣預(yù)熱器熱空氣熱空氣煤粉磨煤機(jī)煤斗輸煤皮帶鍋爐煙氣除塵器引風(fēng)機(jī)爐渣沖灰溝灰渣泵煤經(jīng)煙囪排向大氣煙灰沖灰水2、汽水系統(tǒng)過(guò)熱蒸汽汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)過(guò)熱器省煤器鍋爐給水高壓加熱器低壓加熱器除氧器凝結(jié)水泵凝結(jié)水循環(huán)水泵冷卻水凝結(jié)器排汽生水水處理設(shè)備補(bǔ)充給水給水泵G3、電氣系統(tǒng)G勵(lì)磁裝置低壓配電裝置廠用電系統(tǒng)升壓變電站配電裝置發(fā)電機(jī)四、火電廠的特點(diǎn)火電廠布局靈活，裝機(jī)容量的大小可按需要決定。火電廠一次性建造投資少，僅為水電廠的一半左右?；痣姀S建造工期短，例如，2×300MW發(fā)電機(jī)組，工期3~4年。發(fā)電設(shè)備年利用小時(shí)數(shù)高，約為水電廠1.5倍左右?；痣姀S耗煤量大，發(fā)電用煤約占全國(guó)煤總產(chǎn)量的50%左右。生產(chǎn)成本比水力發(fā)電要高3~4倍。(4)火電廠動(dòng)力設(shè)備繁多，控制操作復(fù)雜，廠用電量和運(yùn)行人員多于水電廠，運(yùn)行費(fèi)用高。(5)大型發(fā)電機(jī)組由停機(jī)到開(kāi)機(jī)并帶滿負(fù)荷需要幾個(gè)到十余個(gè)小時(shí)?；痣姀S擔(dān)負(fù)急劇升降的負(fù)荷時(shí)，必須付出附加燃料消耗的代價(jià)。(6)火電廠對(duì)空氣和環(huán)境的污染較大。汽輪機(jī)構(gòu)造發(fā)電機(jī)江蘇諫壁發(fā)電廠始建于1959年，于1987年9月全部建成，共安裝10臺(tái)機(jī)組，總?cè)萘?62.5萬(wàn)千瓦，年發(fā)電量在100億度左右，成為80年代末到90年代初國(guó)內(nèi)最大的火力發(fā)電廠。浙江北侖發(fā)電廠是我國(guó)目前最大的現(xiàn)代化火力發(fā)電廠，總裝機(jī)容量為300萬(wàn)千瓦(5×600MW)，工程于1988年1月正式開(kāi)工建設(shè)，2000年9月全部建成發(fā)電。年發(fā)電量167億度，為浙江省各類發(fā)電廠發(fā)電總量的四分之一，其中兩臺(tái)機(jī)組的發(fā)電量就能滿足寧波市全部用電所需。北侖發(fā)電廠主控制室北侖發(fā)電廠汽輪機(jī)房

張家口發(fā)電總廠成立于1988年8月，由下花園發(fā)電廠和沙嶺子發(fā)電廠合并而成，位于張家口市東南14km，距首都北京170km，距煤都大同180km。發(fā)電廠總裝機(jī)容量240萬(wàn)千瓦（8×300MW），通過(guò)500kV雙回線向北京供電，同時(shí)兼顧地方用電，擔(dān)負(fù)著北京地區(qū)1/4電力負(fù)荷的供電任務(wù)。張家口發(fā)電總廠夜景廠區(qū)景色汽輪機(jī)房§3水力發(fā)電廠水力發(fā)電廠是把水的位能和動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能的工廠。基本生產(chǎn)過(guò)程：從河流較高處或水庫(kù)內(nèi)引水，利用水的壓力或流速?zèng)_擊水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，將水能變成機(jī)械能，然后由水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，機(jī)械能轉(zhuǎn)換面電能。水電廠的發(fā)電容量P與河流上下游的水位差（落差）H和流量Q成正比，可用下式表示：P：發(fā)電容量－kW；Q：水流量－m3/sH：水的落差－m；：水輪機(jī)組的效率。由于河道的地質(zhì)、地形等自然條件有很大差異，因此集中落差的方式也各不相同，水電站也就有各種不同的形式。按集中落差方式不同，水電廠可分為：堤壩式、引水式和混合式三種。一、水電廠的分類1、按集中落差分

由于河道的地質(zhì)、地形等自然條件有很大差異，因此集中落差的方式也各不相同，水電廠也就有各種不同的形式（1）堤壩式水電廠①壩后式②河床式（2）引水式水電廠（3）混合式水電廠

根據(jù)河流特點(diǎn)建造的兼有堤壩式和引水式兩種特點(diǎn)的水電廠。堤壩式水電廠三峽水力發(fā)電機(jī)組發(fā)電示意圖河床式水電廠引水式電廠堤壩式壩后式

在河水中上游山區(qū)峽谷地段。單獨(dú)筑壩，壩身高，水位也高，廠房建在壩后，不承受水壓。特點(diǎn)是：形成蓄水庫(kù)，以調(diào)節(jié)流量，引用流量大，電站規(guī)模大，綜合效益高。

如三門(mén)峽、劉家峽、丹江口、三峽水電站

河床式

適用于平原上河床平緩地區(qū)，由于落差小，將廠房和壩建在一起，構(gòu)成攔河建筑物的一個(gè)組成部分。廠房承受上游水的壓力，起擋水作用。特點(diǎn)是：水頭低（小于30～40米）；擋水建筑物長(zhǎng)。如葛洲壩、西津水電廠

引水式無(wú)壓引水

在河流上游，當(dāng)河床坡度較大時(shí)，可以借助坡降較小的引水道（修建隧洞和渠道）引水，用以集中水頭，以獲取最大落差。特點(diǎn)是：水頭較高（最高為1020米），流量小，無(wú)蓄水池調(diào)節(jié)流量；綜合利用價(jià)值低，電站規(guī)模也較小。

有壓引水

混合式根據(jù)河流特點(diǎn)建造的兼有堤壩式和引水式兩種特點(diǎn)的水電廠。2、按徑流調(diào)節(jié)的程度分（1）無(wú)調(diào)節(jié)水電廠例如引水式水電廠、水頭很低的河床式水電廠。（2）有調(diào)節(jié)水電廠①日調(diào)節(jié)水電廠水庫(kù)容量較?、谀暾{(diào)節(jié)水電廠水庫(kù)容量較大③多年調(diào)節(jié)水電廠較高的堤壩和很大庫(kù)容二、水電廠的特點(diǎn)（1）可綜合利用水能資源（2）發(fā)電成本低、效率高（3）運(yùn)行靈活（4）水能可儲(chǔ)蓄和調(diào)節(jié)（5）水力發(fā)電不污染環(huán)境（6）水電廠建設(shè)投資較大，工期較長(zhǎng)（7）水電廠建設(shè)和生產(chǎn)都受到河流的地形、水量及季節(jié)條件限制，有豐水和枯水期之別，發(fā)電不均衡。（8）水庫(kù)的興建，淹沒(méi)土地，移民搬遷，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)一些不利影響，還可能在一定程度上破壞自然界的生態(tài)平衡。廣州抽水蓄能電站為目前世界上最大的抽水蓄能電站，是為大亞灣核電站安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行而建設(shè)的配套工程，同時(shí)還承擔(dān)著廣東、香港電網(wǎng)的調(diào)峰填谷和事故備用的任務(wù)。電站總裝機(jī)總裝機(jī)容量2.4GW（8×300MW），分兩期建設(shè)，每期4臺(tái)，設(shè)計(jì)水頭535m，電站一期工程于1989年5月25日開(kāi)工且1993年6月29日1號(hào)機(jī)投產(chǎn)，二期工程于1994年9月12日開(kāi)工，至2000年3月14日8號(hào)機(jī)投產(chǎn)。葛洲壩27孔泄洪閘葛洲壩水電站葛洲壩水電站是長(zhǎng)江干流上修建的第一座大型水電工程，是三峽工程的反調(diào)節(jié)和航運(yùn)梯級(jí)。電站始建于1970年，共有機(jī)21臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量271.5萬(wàn)千瓦，年發(fā)電量157億度。電站以500kV和220kV輸電線路并入華中電網(wǎng)，并通過(guò)500kV直流輸電線路向距離1000km的上海輸電120萬(wàn)千瓦。三峽水電廠三峽水電站效果圖長(zhǎng)江三峽水電站壩長(zhǎng)2309m，壩高185m，水頭175m，總庫(kù)容393億立方米，總裝機(jī)容量18.2GW（26×700MW），年發(fā)電量86.5TW·h；庫(kù)區(qū)將淹沒(méi)耕地36萬(wàn)畝，淹沒(méi)城鎮(zhèn)129座，需安置遷移人口113萬(wàn)；電站于93年起步，首批機(jī)組于2003年10月發(fā)電，以后每年投產(chǎn)4臺(tái)機(jī)組（280MW），2009年全部機(jī)組建成投產(chǎn)。三峽電站發(fā)出的強(qiáng)大電力將送往華中、華東地區(qū)和廣東省。電站將引出15條超高壓交流輸電線路，其中3條線路通過(guò)換流站將交流電轉(zhuǎn)換成直流電后，再通過(guò)500kＶ直流輸電線路，2條送往華東、1條送往廣東。三期導(dǎo)流圖三峽大壩模型三峽大壩由多個(gè)功能模塊組成，從左至右（面向下游）依次為永久船閘、升船機(jī)、泄沙通道（臨時(shí)船閘）、左岸大壩及電站、泄洪壩段、右岸大壩及電站、山體地下電站等。升船機(jī)的最大提升高度為113米，供3000噸以下船只通過(guò)大壩，用時(shí)約40分鐘；永久船閘是雙線五級(jí)船閘，供3000噸以上船只從這里翻過(guò)大壩，用時(shí)約3.5小時(shí)。三峽工程綜合效益防洪：三峽水庫(kù)正常蓄水位175米，總庫(kù)容393億立方米，防洪庫(kù)容221.5億立方米，能有效地控制長(zhǎng)江上游洪水，保護(hù)長(zhǎng)江中下游荊江地區(qū)1500萬(wàn)人口、2300萬(wàn)畝土地，是世界上防洪效益最為顯著水利工程。發(fā)電：三峽水電站裝機(jī)總?cè)萘繛?820萬(wàn)kW，年均發(fā)電量847億kW·h。以直線距離1000公里為半徑，全國(guó)除遼寧、吉林、黑龍江、新疆、西藏、海南、臺(tái)灣7省區(qū)外，其余地區(qū)的主要城市和工業(yè)基地都在這個(gè)范圍內(nèi)。航運(yùn)：它將改善航運(yùn)里程660公里，使重慶至宜昌航道通行的船隊(duì)噸位由現(xiàn)在的3000噸級(jí)提高至萬(wàn)噸級(jí)，年單向通過(guò)能力由1000萬(wàn)噸提高到5000萬(wàn)噸?！?核電廠1．核電廠的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程：核燃料的裂變能→熱能→機(jī)械能→電能。2．核電廠的組成：核反應(yīng)堆、汽水系統(tǒng)（汽輪機(jī)）、電力系統(tǒng)核電廠是利用反應(yīng)堆中核燃料裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)所產(chǎn)生的熱能，再按火力發(fā)電廠的發(fā)電方式，將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再轉(zhuǎn)換為電能，它的核反應(yīng)堆相當(dāng)于火電廠的鍋爐。一公斤標(biāo)準(zhǔn)煤含的熱量是3×104J，而一公斤鈾235裂變所產(chǎn)生的熱能為7.95×1010J，相當(dāng)2700t煤，用核電廠代替火電廠將大量節(jié)約煤炭。自1954年世界上第一座核電廠投入運(yùn)行以來(lái)，許多國(guó)家紛紛建設(shè)核電廠。

輕水堆核電廠的生產(chǎn)過(guò)程示意圖如圖1-5所示。圖1-5輕水碓核電廠生產(chǎn)過(guò)程示意圖a）沸水碓b）壓水碓熱力系統(tǒng)由單回路構(gòu)成，有可能使汽輪機(jī)等設(shè)備受放射性污染由雙回路系統(tǒng)構(gòu)成，兩個(gè)回路各自獨(dú)立循環(huán)，不會(huì)造成設(shè)備的放射性污染。3．核反應(yīng)堆的分類（核裂變時(shí)產(chǎn)生的是快速、高速中子，為了使其變成慢中子需要慢化劑將其減速，根據(jù)慢化劑的不同，熱核反應(yīng)堆可分成多種）輕水堆（包括沸水堆和壓水堆）、重水堆和石墨冷氣堆等。4．核電廠是我國(guó)目前最重要的電源之一，比例大于10%。我國(guó)第一座浙江泰山核電廠（1×300M）于1991年并網(wǎng)發(fā)電，廣東大亞灣核電廠（2×900M）于1994年建成投產(chǎn)。我國(guó)準(zhǔn)備16年內(nèi)投4000億，建40個(gè)核電站。核電產(chǎn)業(yè)2011年、2020年發(fā)展目標(biāo)分別為1200萬(wàn)千瓦、8600萬(wàn)千瓦。

5.核能發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)節(jié)省大量煤炭、石油等燃料，避免燃料運(yùn)輸。不需空氣助燃，可建在地下、水下、山洞或空氣稀薄地區(qū)。比火電廠造價(jià)高，但發(fā)電成本低30%～50%，且規(guī)模越大越合算。存在問(wèn)題：放射性污染。秦山核電站位于東海之濱美麗富饒的杭州灣畔，是中國(guó)第一座依靠自己的力量設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)管理的壓水堆核電站，總裝機(jī)容量2×300MW。1985年3月動(dòng)工，1991年12月首次并網(wǎng)發(fā)電。它的建成使我國(guó)成為繼美、英、法、前蘇聯(lián)、加拿大、瑞典之后世界上第七個(gè)能夠自行設(shè)計(jì)、建造核電站的國(guó)家。秦山核電站主控制室秦山核電站汽輪機(jī)房

大亞灣核電站位于深圳市東部大亞灣畔，為我國(guó)目前最大的核電站。大亞灣核電站是我國(guó)引進(jìn)國(guó)外資金、設(shè)備和技術(shù)建設(shè)的第一座大型商用核電站。核電站安裝有兩臺(tái)單機(jī)容量為900MW的壓水堆反應(yīng)堆機(jī)組。1987年8月7日工程正式開(kāi)工，1994年2月1日和5月6日兩臺(tái)機(jī)組先后投入商業(yè)營(yíng)運(yùn)。大亞灣核電站每年發(fā)電量超過(guò)100億度，其中七成電力供應(yīng)香港，三成電力供應(yīng)廣東電網(wǎng)。大亞灣核電站電站設(shè)備五、其他發(fā)電廠太陽(yáng)能發(fā)電地球表面一年從太陽(yáng)獲得的總能量比全世界目前一年內(nèi)利用各種能源的總和還大1萬(wàn)倍以上。光電板控制器逆變器配電線路負(fù)載蓄電池太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的組成太陽(yáng)能電池板：將太陽(yáng)的輻射能轉(zhuǎn)換為電能。太陽(yáng)能控制器：控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，對(duì)蓄電池起到過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)的作用。蓄電池：在有光照時(shí)將太陽(yáng)能電池板所發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來(lái)，到需要的時(shí)候再釋放出來(lái)。逆變器：將太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能。

我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)規(guī)模在2011年、2020年分別達(dá)200萬(wàn)千瓦和2000萬(wàn)千瓦。風(fēng)力發(fā)電世界上風(fēng)能總量約為世界經(jīng)濟(jì)可采水能的700倍。1.中小容量風(fēng)能電站，用于偏遠(yuǎn)地方。2.可并入電網(wǎng)的大型風(fēng)能發(fā)電機(jī)組。通過(guò)大型風(fēng)電場(chǎng)特許權(quán)招標(biāo)和引進(jìn)技術(shù)，國(guó)產(chǎn)1.5兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組已批量投入運(yùn)行，自主化率達(dá)到86％。目前我國(guó)正在研制3兆瓦、5兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組。

風(fēng)能在我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略中占有重要的地位。根據(jù)國(guó)家的中長(zhǎng)期規(guī)劃，2015年我國(guó)風(fēng)電規(guī)模將達(dá)到1500萬(wàn)千瓦，2020年將達(dá)3000萬(wàn)千瓦，屆時(shí)風(fēng)能將成為我國(guó)的第三大電源。達(dá)板城風(fēng)力發(fā)電廠裝機(jī)容量7.23萬(wàn)千瓦。地?zé)岚l(fā)電

地下水在地表深處被加熱成蒸汽或熱水即構(gòu)成了地?zé)豳Y源，根據(jù)地質(zhì)條件不同，熱水溫度約在