第四章-发电厂概述PPT课件.ppt

1 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 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 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 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 隔板 汽封 轴承等 转子主要包括主轴 叶轮 动叶 联轴器等 32 第三节火力发电 四 汽轮机的调节与保护系统1 汽轮机的调节系统汽轮机的调节系统就是根据用电负荷的大小自动改变进汽量 调整汽轮机的输出功率以满足用户数量上的需求 控制转速在额定范围以保证供电质量 2 汽轮机是保护装置为保证汽轮发电机组的安全运行 设有必要的保护系统 在事故或异常情况下及时切断汽源 关闭高中压主汽门和调节汽门 系统主要由超速 110 114 额定转速 保护和参数超限保护组成 33 第四节风力发电 风能就是指流动的空气所具有的能量 是由太阳能转化而来的 风能是一种干净的自然能源 可再生能源 同时风能的储量十分丰富 据估算 全球大气中总的风能量约为1017kW 其中可被开发利用的风能约为2 1010kW 比世界上可利用的水能大10倍 因此 风能的开发利用具有非常广阔的前景 34 第四节风力发电 一 风力发电机从能量转换观点来看 风力发电的能量转换过程为 空气动能 旋转机械能 电能 因此发电设备的关键在于将截获的流动空气所具有的动能转化为机械能的装置即风力机 如果将一块翼形薄板放在气流中 并且与气流方向呈一角度 也称冲角 攻角 时 如图1 12 在其上表面形成低压区而下表面形成高压区 则产生一垂直于气流方向的升力 同时沿气流方向将产生一正面阻力 若改变攻角的角度 升力与阻力的大小会发生变化 如果角度慢慢变大 开始时升力的增加大于阻力的增加 但攻角增大到某一个角度 约20 时 升力突然下降而阻力继续增加 这时翼形薄板已经失速 35 第四节风力发电 图1 12气流中的翼形薄板a翼形薄板压力分布图b翼形薄板受力 风力机形式多种多样 数不胜数 目前采用的风力机可分为两类 水平轴式 风轮转轴与风向平行 垂直轴式 风轮转轴垂直于风向或地面 如图1 13所示 目前应用广泛的是水平轴风力机 它须对风装置 随风向改变转动又有很高的塔架 而垂直轴风力机无须对风 可不要塔架 36 第四节风力发电 图1 13风力机a水平轴风力机b垂直轴风力机 37 第四节风力发电 图1 14典型并网风力机的剖面图 目前商用大中型水平轴风力发电机 由风轮 升速齿轮箱 发电机 偏航装置 对风装置 控制系统 塔架等部件所组成 38 第四节风力发电 二 风力发电的运行方式风力发电机组由风力机和发电机及其控制系统所组成 其中风力机完成风能到机械能的转换 发电机及其控制系统完成机械能到电能的转换 风力发电的运行方式通常可分为独立运行和并网运行 1 独立运行发电机组的独立运行是指机组生产的电能直接供给相对固定的用户的一种运行方式 独立运行的风力发电机输出的电能经蓄电池蓄能 再供应用户使用 为了实现不间断的供电 风力发电系统可与其他动力源联合使用 互为补充 如风力 柴油发电系统联合运行 风力 太阳能电池发电联合运行 39 第四节风力发电 图1 15独立运行的风力发电系统 40 第四节风力发电 2 并网运行风力发电机与电网连接 向电网输送电能的运行方式 是克服风的随机性而带来的蓄能问题的最稳妥易行的运行方式 并可达到节约矿物燃料的目的 10kW以上直至兆瓦级的风力发电机皆可采用这种运行方式 在风能资源良好的地区 将几十 几百台或几千台单机容量从数十千瓦 数百千瓦直至兆瓦级以上的风力发电机组按一定的阵列布局方式成群安装而组成的风力发电机群体 称为风力发电场 简称风电场 风力发电场属于大规模利用风能的方式 其发出的电能全部经变电设备送往大电网 41 第四节风力发电 三 风力发电的特点 1 风能是可再生能源 不存在资源枯竭的问题 2 风力发电是清洁的电能生产方式 不会造成空气污染 3 风力发电机组建设工期短 单台机组安装仅需几周 从土建 安装到投产 只需半年至一年时间 投资规模灵活 可根据资金多少来确定 而且安装一台可投产一台 4 运行简单 可完全做到无人值守 5 实际占地少 机组与监控 变电等建筑仅占风电场约1 的土地 其余场地仍可供农 牧 渔使用 而且对土地要求低 在山丘 海边 河堤 荒漠等地形条件下均可建设 还可建设大型海上风力发电场 42 第四节风力发电 6 偏远地区地广 人稀 风力资源丰富 风力发电独立运行方式便于解决其供电问题 7 风能具有间歇性 风力发电必须和一定的其他形式供能或储能方式结合 8 风能的能量密度低 空气的密度仅约为水的密度的1 800 因此 同样单机容量下 风力发电设备的体积大 造价高 单机最大容量也受到限制 9 风力发电机组运转时发出噪声及金属叶片对电视机与收音机的信号接收会造成干扰 对环境有一定影响 43 第五节太阳能发电 太阳能是可再生能源 它资源丰富 遍地都有 既可免费使用 又无需开采和运输 还是清洁而无任何污染的能源 太阳能由于可以转换成多种其他形式的能量 其应用的范围非常广泛 主要有太阳能发电 太阳能热利用 太阳能动力利用 太阳能光化利用 太阳能生物利用和太阳能光 光利用等 但是太阳能的能流密度较低 还具有间歇性和不稳定性 给开发利用带来不少的困难 44 第五节太阳能发电 一 太阳能热发电将吸收的太阳辐射热能转换成电能的发电技术称太阳能热发电技术 它包括两大类型 一是利用太阳热能直接发电 二是太阳热能间接发电 就是利用光 热 电转换 即通常所说的太阳能热发电 45 第五节太阳能发电 图1 16典型太阳能热发电站热力循环系统原理图 46 第五节太阳能发电 二 太阳能热发电系统1 塔式太阳能热发电系统2 抛物面槽式太阳能热发电系统3 抛物面盘式太阳能热发电系统4 平板式太阳能热发电系统5 太阳池热发电系统6 太阳能热气流发电系统 47 第五节太阳能发电 图1 17塔式太阳能发电系统原理图1 定日镜 2 接收器 3 塔 4 热盐槽 5 冷盐槽6 蒸汽发生器 7 汽轮发电机组 8 凝汽器 48 第五节太阳能发电 图1 18抛物面槽式太阳能热发电系统原理图 49 第五节太阳能发电 图1 19太阳池热发电系统原理图 50 第五节太阳能发电 三 太阳能光发电太阳能光发电是指不通过热过程直接将太阳的光能转换成电能的太阳能发电方式 可分为光伏发电 光感应发电 光化学发电 光生物发电 其中光伏发电是太阳能光发电的主流 通常所说的太阳能光发电就指光伏发电 光伏发电是根据光生伏打效应原理 利用太阳能电池 光伏电池 将太阳能直接转化成电能 51 第五节太阳能发电 光伏发电具有安全可靠 无噪声 无污染 制约少 故障率低 维护简便等优点 在包括西藏在内的我国西部广袤严寒 地形多样的农牧民居住地区 发展太阳能光伏发电有着得天独厚的条件和非常现实的意义 太阳能电池 光伏电池 发电系统一般由太阳能电池方阵 防反充二极管 储能蓄电池 充电控制器 逆变器等设备组成 如图1 20所示 52 第五节太阳能发电 图1 20太阳能电池发电系统 光伏发电具有以下优点 结构简单 体积小且重量轻 容易安装 方便运输 建设周期短 容易启动 维护简单 随时使用 保证供应 清洁 安全 无噪声 可靠性高 寿命长 太阳能无处不有 应用范围广 降价速度快 能量偿还时间有可能缩短 主要缺点 能量分散 占地面积大 间歇性大 地域性强 53 第五节太阳能发电 风力 太阳能互补发电系统和风力 柴油发电系统图 54 第六节其他能源发电 一 核能发电核电厂是利用核裂变能转化为热能 再按火电厂的发电方式 将热能转换为电能 它的原子核反应堆相当于锅炉 核反应堆中 除装有核燃料外 还以重水或高压水作为慢化剂和冷却剂 所以 反应堆又可分为重水堆 压水堆等 图1 21为压水堆核电厂发电方式示意图 核反应堆内 铀 235在中子撞击下 使原子核发生裂变 产生的巨大能量主要以热能形式被高压水带至蒸汽发生器 在此产生蒸汽 送至汽轮发电机组 1kg铀 235所发出的电力约等于2700t标准煤所发出的电力 55 第六节其他能源发电 图1 21压水堆核电厂发电方式示意图 56 第六节其他能源发电 二 生物质能发电生物质能是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量 生物质能是由太阳能转化而来 是可再生能源 生物质能发电厂的种类较多 规模大小受生物质能资源的制约 主要有 垃圾焚烧发电厂 沼气发电厂 木煤气发电厂 薪柴发电厂 蔗渣发电厂等 57 第六节其他能源发电 从能源转换的观点和动力系统的构成来看 生物质能发电厂分为2种 一是将生物质原料直接或处理后送入锅炉燃烧把化学能转化为热能 以蒸汽作为工质进入汽轮机驱动发电机 如垃圾焚烧发电厂 二是将生物质原料处理后 形成液体燃料或气体燃料直接进入发电机驱动发电机发电 如沼气发电厂 利用生物质能发电关键在于生物质原料的处理和转化技术 除了直接燃烧外 利用现代物理 生物 化学等技术 可以把生物质资源转化为液体 气体或固体形式的燃料和原料 58 第六节其他能源发电 二 生物质能发电的特点 1 生物质能发电的重要配套技术是生物质能的转化技术 且转化设备必须安全可靠 维护方便 2 利用当地生物资源发电的原料必须具有足够数量的储存 以保证连续供应 3 发电设备的装机容量一般较小 且多为独立运行的方式 4 利用当地生物质能资源就地发电 就地利用 不需外运燃料和远距离输电 适用于居住分散 人口稀少 用电负荷较小的农牧业区及山区 5 城市粪便 垃圾和工业有机废水对环境污染严重 用于发电 化害为利 变废为宝 6 生物质能发电所用能源为可再生能源 资源不会枯竭 污染小 清洁卫生 有利于环境保护 59 第六节其他能源发电 目前我国城市垃圾处理以填埋和堆肥为主 既侵占土地又污染环境 垃圾焚烧技术可以在高温下对垃圾中的病原菌彻底杀灭达到无害化处理目的 焚烧后灰渣只占原体积的5 达到减量化的目的 采用垃圾焚烧发电 不仅具有以上优点 还可回收能源 是目前发达国家广泛采用的城市垃圾处理技术 沼气发电在工矿企业 山区农村 小城镇以及远离电网 少煤缺水的地区得到应用 沼气电站具有规模小 设备简单 建设快 投资省 制取沼气的资源丰富 分布广泛 价格低廉 不受季节影响可全年发电 可以净化环境 促进生态平衡 容易实现与太阳能 风能的联合利用等优点 60 第六节其他能源发电 图1 22沼气发电系统工艺流程示意图 61 第六节其他能源发电 三 地热发电地球本身就是一个巨大的热库 其内部蕴藏的热能即 地热能 是取之不尽的可再生能源 在未来一段时期内能够经济 合理地利用的地热能称为地热资源 目前人类只是开发利用了其中的极少一部分 1 地热资源的类型地热资源根据其在地下储热中存在的不同形式 可以分为五种类型 1 蒸汽型地热资源 2 热水型地热资源 3 地压型地热资源 4 干热岩型地热资源 5 岩浆型地热资源 62 第六节其他能源发电 2 地热发电原理和分类地热发电是利用高温地热资源进行发电的方式 其原理与常规火力发电基