電力工程基礎 第一章 發(fā)電廠

第一章發(fā)電廠概述第一節(jié)能源開發(fā)與利用能源一次能源常規(guī)能源可再生能源：水力非可再生能源：煤、石油、天然氣、核裂變新能源可再生能源：太陽能、風能、生物質(zhì)能、海洋能、地熱能非可再生能源：核聚變材料二次能源電力、焦炭、煤氣、汽油、煤油、柴油、重油、沼氣、蒸汽、熱水表1-1能源分類第二節(jié)水力發(fā)電

水電站是將水能轉(zhuǎn)變成電能的工廠，其能量轉(zhuǎn)換的基本過程是：

水能→機械能→電能。

堤壩、引水渠積聚水能水輪機將水能轉(zhuǎn)化為機械能發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能

（水輪機）（發(fā)電機）第二節(jié)水力發(fā)電圖1－1水電站示意圖1－水庫；2－壓力水管；3－水電站廠房；4－水輪機5－發(fā)電機；6－尾水渠道第二節(jié)水力發(fā)電按利用能源的方式，水電站可分為：

（1）將河川中水能轉(zhuǎn)換成電能的常規(guī)水電站（2）調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)峰谷負荷的抽水蓄能式水電站；（3）利用海洋能中的水流的機械能進行發(fā)電的水電站，潮汐電站、波浪能電站、海流能電站。第二節(jié)水力發(fā)電圖1－2河床式水電站示意圖第二節(jié)水力發(fā)電圖1－3無壓引水式水電站示意圖第二節(jié)水力發(fā)電四、抽水蓄能式水電站

抽水蓄能電站是特殊形式的水電站。系統(tǒng)內(nèi)負荷處于低谷時，機組為電動機運行方式，將下游（低水池）的水抽送到高水池，能量蓄存在高水池中。電力系統(tǒng)高峰負荷時，機組改為發(fā)電機運行方式，將高水池的水能用來發(fā)電（如圖1－5所示）。因此，在電力系統(tǒng)中抽水蓄能電站既是電源又是負荷，是系統(tǒng)內(nèi)唯一的削峰填谷電源，具有調(diào)頻、調(diào)相、負荷備用、事故備用的功能。第二節(jié)水力發(fā)電圖1－5抽水蓄能式水電站第二節(jié)水力發(fā)電五、水電站的主要動力設備是水輪機

水輪機是將水能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機械能的水力原動機。水輪機分為沖擊式水輪機和反擊式水輪機兩大類反擊式水輪機是應用最廣泛的一種水輪機

第二節(jié)水力發(fā)電六、水力發(fā)電的特點水力發(fā)電主要有以下特點：（1）水能是可再生能源，并且發(fā)過電的天然水流本身并沒有損耗，一般也不會造成水體污染，仍可為下游用水部門利用。（2）水力發(fā)電是清潔的電力生產(chǎn)，不排放有害氣體、煙塵和灰渣，沒有核廢料。（3）水力發(fā)電的效率高，常規(guī)水電廠的發(fā)電效率在80%以上。（4）水力發(fā)電可同時完成一次能源開發(fā)和二次能源轉(zhuǎn)換。（5）水力發(fā)電的生產(chǎn)成本低廉。無需購買、運輸和貯存燃料；所需運行人員較少、勞動生產(chǎn)率較高；管理和運行簡便，運行可靠性較高。（6）水力發(fā)電機組起停靈活，輸出功率增減快、可變幅度大，是電力系統(tǒng)理想的調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用電源。第二節(jié)水力發(fā)電

（7）水力發(fā)電開發(fā)投資大，工期長。如在建的三峽工程，1994年12月開工，計劃2009年竣工，按1993年5月不變價格計算，其靜態(tài)設計總概算為900億人民幣。

（8）受河川天然徑流豐枯變化的影響，無水庫調(diào)節(jié)或水庫調(diào)節(jié)能力較差的水電站，其可發(fā)電力在年內(nèi)和年際間變化較大，與用戶用電需要不相適應。（9）水電站的水庫可以綜合利用，承擔防洪、灌溉、航運、城鄉(xiāng)生活和工礦生產(chǎn)用水、養(yǎng)殖、旅游等任務。如安排得當，可以做到一庫多用、一水多用，獲得最優(yōu)的綜合經(jīng)濟效益和社會效益。（10）建有較大水庫的水電站，有的水庫淹沒損失較大，移民較多，并改變了人們的生產(chǎn)生活條件；水庫淹沒影響野生動植物的生存環(huán)境；水庫調(diào)節(jié)徑流，改變了原有水文情況，對生態(tài)環(huán)境有一定影響。（11）水能資源在地理上分布不均，建壩條件較好和水庫淹沒損失較少的大型水電站站址往往位于遠離用電中心的偏僻地區(qū)，施工條件較困難并需要建設較長的輸電線路，增加了造價和輸電損失。第二節(jié)水力發(fā)電

水電站優(yōu)點：無污染、效率高、運行成本低、可能綜合利用缺點：投資大、可能對生態(tài)產(chǎn)生不利影響，輸電距離長第三節(jié)火力發(fā)電

火力發(fā)電廠，是利用煤、石油、天然氣或其他燃料的化學能生產(chǎn)電能的工廠?；痣姀S按使用燃料的不同可分為燃煤、燃油和燃氣等幾類電廠。我國的煤炭資源比較豐富，燃煤火電廠是我國目前電能生產(chǎn)的主要方式。第三節(jié)火力發(fā)電一、火電廠生產(chǎn)過程

火電廠能量轉(zhuǎn)換基本過程都是：燃料的化學能→熱能→機械能→電能。

鍋爐將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為蒸汽熱能，蒸汽機(汽輪機)將蒸汽熱能轉(zhuǎn)化為機械能，發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能。（鍋爐）（汽輪機）（發(fā)電機）第三節(jié)火力發(fā)電圖1－9蒸汽動力發(fā)電廠原理圖1－鍋爐；2－汽輪機；3－發(fā)電機；4－凝汽器；5－凝結(jié)水泵；6－回熱加熱器；7－給水泵第三節(jié)火力發(fā)電

鍋爐、汽輪機、發(fā)電機是常規(guī)火力發(fā)電廠的三大主機。動力設備就是指鍋爐、汽輪機及其附屬設備與熱力系統(tǒng)。

第三節(jié)火力發(fā)電圖1－10凝汽式火力發(fā)電廠生產(chǎn)系統(tǒng)組合示意圖第三節(jié)火力發(fā)電二、鍋爐

鍋爐是火力發(fā)電廠的主要熱力設備之一，其作用是：燃料在爐膛內(nèi)燃燒將其化學能轉(zhuǎn)變?yōu)闊煔鉄崮?；煙氣熱能加熱給水，水經(jīng)過預熱、汽化、過熱三個階段成為具有一定壓力、溫度的過熱蒸汽。第三節(jié)火力發(fā)電三、汽輪機汽輪機的工作原理

汽輪機是將蒸汽熱能轉(zhuǎn)換成機械能的高速旋轉(zhuǎn)設備，是火電廠及核電廠中采用的原動機。汽輪機利用工質(zhì)的動能做功，即利用具有一定速度的工質(zhì)沖動其轉(zhuǎn)動部分，從而輸出機械功。第三節(jié)火力發(fā)電圖1－11汽輪機設備組合示意圖

1－主汽門；2－調(diào)節(jié)閥；3－汽輪機；4－凝汽器；5－抽汽器；

6－循環(huán)水泵；7－水泵凝結(jié)；8－低壓加熱器；9－除氧器；10－給水泵；11－高壓加熱器；12－供油系統(tǒng)；13－調(diào)節(jié)裝置；14－保護裝置第三節(jié)火力發(fā)電汽輪機的調(diào)節(jié)系統(tǒng)1、汽輪機的調(diào)節(jié)系統(tǒng)

汽輪機的調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)用電負荷的大小自動改變進汽量，調(diào)整汽輪機的輸出功率以滿足用戶數(shù)量上的需求；控制轉(zhuǎn)速在額定范圍以保證供電質(zhì)量。第四節(jié)風力發(fā)電

風能就是指流動的空氣所具有的能量，是由太陽能轉(zhuǎn)化而來的。風能是一種干凈的自然能源、可再生能源，同時風能的儲量十分豐富。風能的開發(fā)利用具有非常廣闊的前景。第四節(jié)風力發(fā)電一、風力發(fā)電機風力發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換過程為：空氣動能→旋轉(zhuǎn)機械能→電能，發(fā)電設備的關(guān)鍵在于風力機。

第四節(jié)風力發(fā)電圖1－14典型并網(wǎng)風力機的剖面圖

目前商用大中型水平軸風力發(fā)電機，由風輪、升速齒輪箱、發(fā)電機、偏航裝置（對風裝置）、控制系統(tǒng)、塔架等部件所組成。第四節(jié)風力發(fā)電二、風力發(fā)電的運行方式風力發(fā)電機組由風力機和發(fā)電機及其控制系統(tǒng)所組成。風力發(fā)電的運行方式通常可分為獨立運行和并網(wǎng)運行。1、獨立運行發(fā)電機組的獨立運行是指機組生產(chǎn)的電能直接供給相對固定的用戶的一種運行方式。第四節(jié)風力發(fā)電圖1－15獨立運行的風力發(fā)電系統(tǒng)第四節(jié)風力發(fā)電2、并網(wǎng)運行交-直-交并網(wǎng) 直接并網(wǎng) 異步發(fā)電機并網(wǎng)

第四節(jié)風力發(fā)電三、風力發(fā)電的特點（1）風能是可再生能源，不存在資源枯竭的問題。（2）風力發(fā)電是清潔的電能生產(chǎn)方式，不會造成空氣污染。（3）風力發(fā)電機組建設工期短，單臺機組安裝僅需幾周，從土建、安裝到投產(chǎn)，只需半年至一年時間。投資規(guī)模靈活，可根據(jù)資金多少來確定，而且安裝一臺可投產(chǎn)一臺。（4）運行簡單，可完全做到無人值守。（5）實際占地少，機組與監(jiān)控、變電等建筑僅占風電場約1%的土地，其余場地仍可供農(nóng)、牧、漁使用，而且對土地要求低，在山丘、海邊、河堤、荒漠等地形條件下均可建設，還可建設大型海上風力發(fā)電場。第四節(jié)風力發(fā)電（6）偏遠地區(qū)地廣、人稀、風力資源豐富，風力發(fā)電獨立運行方式便于解決其供電問題。（7）風能具有間歇性，風力發(fā)電必須和一定的其他形式供能或儲能方式結(jié)合。（8）風能的能量密度低，空氣的密度僅約為水的密度的1/800，因此，同樣單機容量下，風力發(fā)電設備的體積大、造價高，單機最大容量也受到限制。（9）風力發(fā)電機組運轉(zhuǎn)時發(fā)出噪聲及金屬葉片對電視機與收音機的信號接收會造成干擾，對環(huán)境有一定影響。第五節(jié)太陽能發(fā)電一、太陽能熱發(fā)電將吸收的太陽輻射熱能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電技術(shù)稱太陽能熱發(fā)電技術(shù)，它包括兩大類型：一是利用太陽熱能直接發(fā)電；二是太陽熱能間接發(fā)電，就是利用光—熱—電轉(zhuǎn)換，即通常所說的太陽能熱發(fā)電。第五節(jié)太陽能發(fā)電圖1－16典型太陽能熱發(fā)電站熱力循環(huán)系統(tǒng)原理圖第五節(jié)太陽能發(fā)電圖1－18拋物面槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)原理圖第五節(jié)太陽能發(fā)電三、太陽能光發(fā)電

太陽能光發(fā)電是指不通過熱過程直接將太陽的光能轉(zhuǎn)換成電能的太陽能發(fā)電方式。

光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏打效應原理，利用太陽能電池（光伏電池）將太陽能直接轉(zhuǎn)化成電能。

光伏電池是具有光-電轉(zhuǎn)換特性的半導體器件，能直接將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為直流電第五節(jié)太陽能發(fā)電圖1－20太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)第五節(jié)太陽能發(fā)電風力－太陽能互補發(fā)電系統(tǒng)和風力－柴油發(fā)電系統(tǒng)圖第六節(jié)其他能源發(fā)電一、核能發(fā)電核電廠是利用核裂變能轉(zhuǎn)化為熱能，再按火電廠的發(fā)電方式，將熱能轉(zhuǎn)換為電能，它的原子核反應堆相當于鍋爐。核反應堆中，除裝有核燃料外，還以重水或高壓水作為慢化劑和冷卻劑，所以，反應堆又可分為重水堆、壓水堆等。圖1—21為壓水堆核電廠發(fā)電方式示意圖。核反應堆內(nèi)，鈾-235在中子撞擊下，使原子核發(fā)生裂變，產(chǎn)生的巨大能量主要以熱能形式被高壓水帶至蒸汽發(fā)生器，在此產(chǎn)生蒸汽，送至汽輪發(fā)電機組。

1kg鈾-235所發(fā)出的電力約等于2700t標準煤所發(fā)出的電力。第六節(jié)其他能源發(fā)電圖1－21壓水堆核電廠發(fā)電方式示意圖第六節(jié)其他能源發(fā)電二、生物質(zhì)能發(fā)電生物質(zhì)能是綠色植物通過葉綠素將太陽能轉(zhuǎn)化為化學能而儲存在生物質(zhì)內(nèi)部的能量。生物質(zhì)能是由太陽能轉(zhuǎn)化而來，是可再生能源。生物質(zhì)能發(fā)電廠的種類較多，規(guī)模大小受生物質(zhì)能資源的制約，主要有；垃圾焚燒發(fā)電廠、沼氣發(fā)電廠、木煤氣發(fā)電廠、薪柴發(fā)電廠、蔗渣發(fā)電廠等。第六節(jié)其他能源發(fā)電三、地熱發(fā)電地球本身就是一個巨大的熱庫，其內(nèi)部蘊藏的熱能即“地熱能”，是取之不盡的可再生能源。在未來一段時期內(nèi)能夠經(jīng)濟、合理地利用的地熱能稱為地熱資源，目前人類只是開發(fā)利用了其中的極少一部分。1、地熱資源的類型地熱資源根據(jù)其在地下儲熱中存在的不同形式，可以分為五種類型：（1）蒸汽型地熱資源。（2）熱水型地熱資源。（3）地壓型地熱資源。（4）干熱巖型地熱資源。（5）巖漿型地熱資源。第六節(jié)其他能源發(fā)電圖1－23閃蒸地熱發(fā)電系統(tǒng)（a）熱水(b)濕蒸汽第六節(jié)其他能源發(fā)電圖1－24雙循環(huán)地熱發(fā)電系統(tǒng)流程圖第六節(jié)其他能源發(fā)電四、海洋能發(fā)電海洋能通常指海洋中所蘊藏的可再生的自然能源，主要為潮汐能、波浪能、海流能（潮流能）、海水溫差能和海水濃度差能。潮汐能和潮流能來源于太陽和月亮對地球的引力作用，其他海洋能均源自太陽輻射。1、潮汐電站

潮汐能是指海水潮漲和潮落形成的水的勢能，多為10m以下的低水頭，平均潮差在3m以上就有實際應用價值，潮汐電站目前已經(jīng)實用化。在潮差大的海灣入口或河口筑壩構(gòu)成水庫，在壩內(nèi)或壩側(cè)安裝水輪發(fā)電機組，利用堤壩兩側(cè)潮汐漲落的水位差驅(qū)動水輪發(fā)電機組發(fā)電。潮汐電站有單庫單向式、單庫雙向式、雙庫式等幾種開發(fā)形式。第六節(jié)其他能源發(fā)電2、波浪能電站

波浪能是海洋表面波浪所具有的動能和勢能，是被研究得最為廣泛的一種海洋能源。波浪能電站是利用波浪的上下振蕩、前后搖擺、波浪壓力的變化，通過某種裝置將波浪的能量轉(zhuǎn)換為機械的、氣壓的或液壓的能量，然后通過傳動機構(gòu)、氣輪機、水輪機或油壓馬達驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電的電站。3、海流能電站

海流能是海水流動的動能，主要是指海底水道和海峽中較為穩(wěn)定的海水流動以及由于潮汐導致的有規(guī)律的海水流動。海流發(fā)電裝置的基本形式和風力發(fā)電相似，又稱為水下風車。第六節(jié)其他能源發(fā)電4、海水溫差發(fā)電

海水溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱能。海洋的表面把太陽的輻射能的大部分轉(zhuǎn)化成為熱水（25℃－58℃）并儲存在海洋的上層，而接近冰點（4℃－7℃）的深層海水大面積地在不到1000m的深度從極地緩慢地環(huán)流到赤道。這樣，海洋本身就具有天然的、穩(wěn)定的高溫和低溫兩個熱源，并在許多熱帶或亞熱帶海域終年形成20℃左右的垂直海水溫差，利用這一溫差可以實現(xiàn)熱力循環(huán)并發(fā)電，其系統(tǒng)構(gòu)成與地下熱水發(fā)電很相似。第六節(jié)其他能源發(fā)電

我國的一次能源結(jié)構(gòu)決定了我國發(fā)電必然以煤電為主的基本格局，這是長期難以改變的。由于火電給環(huán)境帶來很大壓力，必須加大水電開發(fā)力度，使火電、水電、核電都得到不同程度的發(fā)展，并通過開發(fā)新能源和可再生能源，在滿足電力需求和經(jīng)濟發(fā)展的同時，盡可能減少石油、煤炭等不可再生能源的使用。第六節(jié)其他能源發(fā)電

我國的一次能源結(jié)構(gòu)決定了我國發(fā)電必然以煤電為主的基本格局，這是長期難以改變的。