发电厂电气部分第一章绪论

1、发电厂电气部分,第一章 绪 论,发电厂类型 变电站类型,第一节 电力工业概况,一、我国电力工业概况 1. 厂网分开，竞价上网 电厂分为华能、国电、大唐、华电、中电投五大国有发电集团；加上国华（神华集团子公司）、国投、北方电力、粤电、深能源、京能源、浙能、鲁能、晋能、苏源、滇能、华润等小发电公司。 两电网：国家电网公司下属主要有华东、华中、东北、西北、华北、川渝等区域电网公司 、南方电网公司两广云贵。 2.最大单机：火电90万kW（外高桥），水电70万kW（三峡），核电100万kW（岭澳）； 3. 最大总容量：火电300万kW（560北仓港），水电1820万kW（2670三峡），核电200万kW

2、（2100岭澳），抽水蓄能240万kW （830广州）。,二、我国电力工业发展方针,充分发展水电； 大型火电基地建设； 适当发展核电，形成自己的核电生产能力； 优化发电能源结构； 加强新能源发电的开发力度； 大力发展电网； 开发和节约并重；高度重视环境保护。,发电厂类型,一、能源含义和能源分类 1. 获得方式：一次能源、二次能源 2. 利用程度：常规能源、新能源 3. 能否再生：可再生能源、非再生能源 4. 本身性质：含能体能源、过程性能源 二、能源资源 煤炭、水能、其它（石油、天然气、铀）,火力发电厂,一、火电厂的分类 燃料：燃煤；燃油；燃气；余热；垃圾。 蒸汽压力和温度：中低压；高压；超高

3、压；亚临界；超临界。 原动机：凝汽式汽轮机；燃气轮机；内燃机；蒸汽燃气轮机。 输出能源：凝汽式；热电厂。 总装机容量：小容量（1000MW),二、火电厂电能生产过程 化学能转化为电能 分为燃烧系统；汽水系统；电气系统 燃烧系统 由运煤、磨煤、燃烧、风烟、灰渣系统组成。 （1）运煤系统 430万kW电厂每日用10368吨标准煤 主要依靠铁路运输 （2）磨煤系统 煤场 输煤皮带 原煤仓 煤斗 给煤机 磨煤机 粗粉分离器 旋风分离器 煤粉仓,细粉,粗粉,热风,（3）燃烧系统 给粉机 一次风管 旋风分离器 排粉风机 炉膛内高温火焰将水冷壁内水加热成汽水混合物上升进入汽包。 （4）风烟系统 磨煤机、排粉

4、风机 送风机 空气预热器 炉膛 喷燃器 （5）灰渣系统 小灰粒经除尘器排入冲灰沟，大炉渣破碎后排入冲灰沟，经灰渣泵排往灰场。,冷风,热风,煤粉,一次风,喷燃器,炉膛,2. 汽水系统 由锅炉、汽轮机、凝汽器、除氧器、加热器等设备及管道构成。 包括给水系统、循环水系统和补充给水系统。,（1）给水系统 做过功的蒸汽，排入凝汽器，冷却成水（凝结水）。由凝结水泵打至低加加热，除氧器除氧继续加热，锅炉给水经给水泵升压和高压加热器加热，送入锅炉汽包。 （2）补充给水系统 向系统补充经过化学处理的软化水，以弥补汽、水泄漏。 （3）循环水系统 为将做过功乏汽凝结成水，从凉水塔抽取冷却水送入凝汽器，冷却水吸收热量

5、回到凉水塔冷却，循环使用。,3. 电气系统 包括发电机、励磁装置、厂用电系统和升压变电站等。,三、火电厂的特点,布局灵活，装机容量可按需要而定。 一次性建设投资少，建造工期短，发电设备年利用小时数高。 煤耗量大。 动力设备多，机组控制操作复杂，厂用电量和运行人员多。 启停机时间长，耗用大量燃料。 剧变变化负荷供电，附加燃料消耗。 若担负调峰、调频和事故备用，事故增多，强迫停运率增高，厂用电率增大。 污染。电厂环境保护措施的费用约占总投资的2530,电厂经济技术指标,每千瓦投资造价：每千瓦所需要的资金投入量。用总投资额除以装机容量的总和。水电大约为700010000元，火电30-60万千瓦国产机

6、组54006300元，风电场每千瓦造价约80009000元。,八大系统,热力系统 燃料供应系统 除灰系统 水处理系统 供水系统 电气系统 热工控制系统 附属生产工程,水力发电厂,通常所说的“水电”，既是常规能源，又是可再生能源。 水力发电在生产运行中，不消耗燃料，不排泄有害物质，其管理运行费和发电成本费以及对环境的影响远比燃煤电站低得多，是成本低廉的、永不枯竭的绿色优质能源。 我国具有巨大的江河径流和落差，形成了我国水电能资源的丰富蕴藏量（有落差，就有水能！这是优越的自然条件。）。例如：我国的长江，黄河落差分别为5400m和4880m，雅鲁藏布江、澜沧江、怒江落差均在4000m以上。还有大量的

7、河流落差在2000m以上。,美 丽 的 大 瀑 布,大朝山枢纽泄洪,水 力 资 源,凤滩水电站泄洪,水的动能和位能转化为电能 水能 机械能 电能 水 水轮机 发电机,一、水电厂分类,1. 按集中落差方式 （1）堤坝式 按厂房位置 1）坝后式 2）河床式 （2）引水式,2. 按径流调节的程度 （1）无调节水电厂（径流式水电厂）。 无水库，例如引水式水电厂、水头很低的河床式水电厂。出力取决于天然来水量。 （2）有调节水电厂 有较大水库，可调节天然来水量，例如堤坝式水电厂、混合式水电厂和有日调节池的引水式水电厂。按调节程度 1）日调节水电厂 2）年调节水电厂 3）多年调节水电厂,在河流峡谷处拦河筑坝

8、，坝前雍水，在坝址处形成集中落差，这种开发方式为坝式开发。在坝址处引取上游水库中水流，通过设在水电站厂房内的水轮机，发电后将尾水引至下游原河道，上下游的水位差即是水电站所获取的水头。用坝集中水头的水电站称为堤坝式水电站。 堤坝式水电站特点 堤坝式水电站的水头取决于坝高。目前坝式水电站的最大水头不超过300m。 堤坝式水电站的引用流量较大，电站的规模也大，水能利用较充分。（发电外水流阻力损失小。因筑坝，上游形成的水库，可以用来调节流量）目前世界上装机容量超过2000MW的巨型水电站大都是坝式水电站。此外坝式水电站水库的综合利用效益高，可同时满足防洪、发电、供水等要求。 堤坝式水电站的投资大，工期

9、长。原因：工程规模大，水库造成的淹没范围大，迁移人口多。 适用范围：河道坡降较缓，流量较大，并有筑坝建库的条件。,1）坝后式水电站(power staion at dam toe) 当水头较大时，厂房本身抵抗不了水的推力，将厂房移到坝后，由大坝挡水。 坝后式水电站一般修建在河流的中上游。 库容较大，调节性能好。 如为土坝，可修建河岸式电站。 举世瞩目的三峡水电站就是坝后式水电站。,丰满水电站,坝式水电站的形式 河床式电站(power station in river channel) 一般修建在河道中下游、河道纵坡平缓的河段上，为避免大量淹没，建低坝或闸。 适用水头：大中型：25米以下，小型：

10、810米以下。 厂房和挡水坝并排建在河床中，共同挡水。 厂房高度取决于水头的高低。 引用流量大、水头低。 主要包括：挡水坝、泄水坝、厂房、船闸、鱼道等。 注：厂房本身起挡水作用是河床式水电站的主要特征。,2）河床式,（2）引水式,引水式水电站（diversion type power station） 在河流坡降陡的河段上筑一低坝（或无坝）取水，通过人工修建的引水道（渠道、隧洞、管道）引水到河段下游，集中落差，再经压力管道引水到水轮机进行发电。用引水道集中水头的电站称为引水式水电站。 特点： (1) 水头相对较高，目前最大水头已达2000米以上。 (2) 引用流量较小，没有水库调节径流，水量利

11、用率较低，综合利用价值较差。 (3) 电站库容很小，基本无水库淹没损失，工程量较小，单位造价较低。 类型：(1) 无压引水式(free flow)：引水道是无压的（如明渠） (2) 有压引水式(pressure flow)：引水道是有压的（压力隧洞） 适用条件： 适合河道坡降较陡，流量较小的山区性河段。,堰,引水渠,压力水管,厂房,二、水电厂的特点,综合利用水能资源。 发电成本低、效率高。 运行灵活。 水能可储蓄和调节。 不污染环境。 建设投资较大，工期较长。 丰水期和枯水期区别，发电不均衡。 水库带来不利，破坏生态平衡。,福建水口水电站,水电站厂房,三、抽水蓄能电厂,1.开发原因： 电负荷的

12、峰谷差增大。随着工农业经济和城市的迅速发展，需要电网供电的负荷量不断增长，同时，在一天内电网负荷波动的峰谷差数值也在不断上升。电力系统不仅要保证供电容量的问题，而且，更需要保证电网供电的峰谷差问题即填谷调峰。 水电比核电和火电更适宜调峰。在电力系统中，核电站和火电站不能适应电力系统负荷的急剧变化，且受到技术最小出力（例如，煤粉炉，不能低于70%负荷运行）的限制，调峰能力有限，而且火电机组调峰煤耗多，运行维护费用高。而水电站启动与停机迅速、运行灵活，适宜担任调峰、调频、事故备用。,2. 工作原理 特殊形式水电厂，上下游都有水库。 负荷低谷时，下游水抽到上游，电能转化为位能； 负荷高峰时，上游水库

13、发电，水回到下游水库，位能转化为电能。 既能吸收低谷电能，又能提供峰荷电力。,抽水蓄能电站常用机组的结构形式串联式和水泵水轮机式 串联式（三机式）机组 由一台水轮机和一台水泵与一台兼作发电机和电动机的电机串联而成。在发电或抽水时，水轮机和水泵分别起着各自的专门作用。这种机组起动及工况切换迅速灵活，但结构复杂，机组和厂房造价较高。 水泵水轮机式（二机式或可逆式）机组 由水泵（兼作水轮机）和电动机（兼作发电机）组成。向某一方向旋转时发电，向相反方向旋转时抽水。这种机组结构紧凑，造价较低。,泰山抽水蓄能电站,3. 抽水蓄能电厂分类 分类方法1：纯抽水蓄能电站和混合式抽水蓄能电站两种。后者是既有常规的

14、发电机组又有抽水蓄能机组的电站，它的工程布置与一般水电站相同。而前者是仅有抽水蓄能机组的电站，单纯完成抽水蓄能的功能。其工程组成一般包括：山顶上的上水库、压力引水洞、引水调压井、厂房、尾水调压井、尾水洞、下水库等建筑物。其上水库库容设计，不允许天然径流汇入。 分类方法2：抽水蓄能电站按照调节性能，可分为日调节（日峰谷差）、周调节（周峰谷差）、和季调节（季峰谷差）蓄能电站三种。它们的上水库库容大小，根据需要设计，逐步增大。,纯抽水蓄能电站其上池没 有水源或天然水流量很小，需 将水由下池抽到上池储存，用 于电力系统负荷处于高峰时发 电（调峰）。水在上池、下池 循环使用，抽水和发电的水量 基本相等。

15、流量和历时按电力 系统调峰（发电）填谷（抽水 ）的需要来确定。纯抽水蓄能 电站，仅用于调峰、调频，一 般没有综合利用的要求，故不 能作为独立电源存在，必须与 电力系统中承担基本负荷的火 电厂、核电厂等电厂协调运行。,混合式抽水蓄能 注：填谷时，抽水蓄能电站为电用户！ 电站其上池 有一定的天然水 流量。在这类电 站内，既安装有 普通水轮发电机 组，利用江河径 流调节发电；又 安装有抽水蓄能 机组进行蓄能发 电，承担调峰、 填谷任务。,4. 抽水蓄能电厂发展 早期抽水蓄能电厂既有常规机组又有抽水泵，为混合式抽水蓄能电厂。 另一种为纯抽水蓄能电厂。 区别在于上游水库有无来水。 混合型上库有来水，发电

16、量两部分组成：一部分是上库来水发电，另一部分利用低谷电抽水再发电。 纯抽水蓄能电厂上库无来水，发电量全部或基本上由抽水蓄能提供。,5. 抽水蓄能电厂在系统运行中的作用 （1）调峰 （2）填谷 （3）备用 （4）调频 （5）调相 广州抽水蓄能电厂总容量830240万kW。广东大亚湾核电站在广州抽水蓄能电站的配合下运行几年的实践证明，该核电站的实际发电量比该厂在可行性研究报告中预计的发电量要高得多，广州抽水蓄能电站在其中具有不可磨灭的贡献。,6. 抽水蓄能电厂好处 （1）降低电力系统燃料消耗。 （2）提高火电、核电设备利用率。 （3）作为发电成本低的峰荷电源。 高峰电价为低谷电价的35倍，甚至更多

17、（如法国为10倍），用低谷电4kWh换取高峰电3kWh，效益明显。 （4）对环境无污染，可美化环境。 （5）蓄能。,四、我国水电开发 我国水电开发方针“因地制宜地发展火电和水电，逐步把重点放在水电上”和“优先发展水电”的方针。 至2000年底，全国水电能开发利用率达到12.5%。显然，还存在巨大的潜力和空间，加快水电开发，提高水电比重，改善一次能源结构是十分必要的。 我国可开发水能资源的地域分布不均，其中：可开发装机容量西南地区占全国总量的61.4%，为23234.33万千瓦；中南地区占17.8%，为6743.49万千瓦；西北地区占11.2%，装机为4193.77万千瓦，因此，我国水电开发的重

18、点，必将在西南、中南和西北地区。,我国水电开发的重点西南、中南和西北,三峡水电站 三峡水电站当前世界上最大的水电站工程。 三峡水电站总装机容量2670 1820万千瓦，年平均发电量846.8亿度，相当于10个大亚湾核电站发电量的总和。,大坝分为三段，非溢流坝段、左右岸厂房坝段和泄洪坝段。泄洪坝段位于中部河床的原主河槽部位，两侧为厂房坝段和非溢流坝段。水电站厂房位于两侧厂房坝段的坝后，在右岸布置后期扩建的地下水电站厂房。永久性五级船闸，临时船闸，升船机，上下游引航道等通航建筑物均布设于左岸。,三峡水利枢纽工程缓解半个中国电力供应的紧张局面,三峡工程的十大世界之最！ 世界防洪效益最为显著的水利工程

19、。三峡水库总库容393亿立方米，防洪库容221.5亿立方米，水库调洪可消减洪峰流量达2.7万3.3万m3/s，能有效控制长江上游洪水，增强长江中下游抗洪能力。 世界最大的电站。三峡水电站总装机1820万千瓦，年发电量846.8亿千瓦时。 世界建筑规模最大的水利工程。三峡大坝坝轴线全长2309.47米，泄流坝段长483米，水电站机组70万千瓦26台，双线5级船闸和升船机，无论单项、总体都是世界建筑规模最大的水利工程。 世界工程量最大的水利工程。三峡工程主体建筑土石方挖填量约1.34亿立方米，混凝土浇注量2794万立方米，钢筋46.30万吨。 世界施工难度最大的水利工程。三峡工程2000年混凝土浇

20、注量为548.17万立方米，月浇筑量最高达55万立方米，创造了混凝土浇筑的世界记录。,三峡工程的十大世界之最！(续) 施工期流量最大的水利工程。三峡工程截流流量为9010立方米每秒，施工导流最大洪峰流量79000立方米每秒。 世界泄洪能力最大的泄洪闸。三峡工程泄洪闸最大泄洪能力为10.25万立方米每秒。 世界级数最多、总水头最高的内河船闸。三峡工程的双线五级船闸，总水头113米。 世界规模最大、难度最高的升船机。三峡工程升船机有效尺寸为120183.5米，最大升程113米，船箱带水重量达11800吨，过船吨位3000吨。 世界水库移民最多、工作最为艰巨的移民建设工程。三峡工程水库动态移民最终可

21、达113万人。,烟雨蒙蒙的三峡,核能的来源核能（又称原子能、原子核能），它来源于将核子（质子和中子）保持在原子核中的一种非常强的作用力即核力，是原子核结构发生变化时放出的能量。 核能的释放核能的释放通常有两种方式： 一种方式是重原子（如铀、钚）分裂成两个或多个较轻的原子核，产生链式反应，释放巨大能量，成为核裂变能（如原子弹爆炸）； 另一种方式是两个较轻的原子核（如氢的同位素氘、氚）聚合成一个较重的原子核，并释放出巨大的能量，成为核聚变能（如氢弹爆炸）。,核能发电厂,原子弹爆炸核裂变能,氢弹爆炸 核聚变能,核电站是经济的能源,核电站在一些国家已经成为主要的能量来源之一。 截止2005年9月底，全

22、世界正在运行的核电机组443座，分布在31个国家或地区，年发电量占世界总量的16%；反应堆拥有量排名前三位的美国、法国、日本的反应堆总和占全世界的49.4%，装机容量占56.9%。,日本美滨核电站,巴拉科夫核电站,伊朗布什尔核电站,布什尔核电站内部,核裂变链式反应 当一个中子轰击铀 235原子核时， 这个原子核被分裂 成两个较轻的原子 核，同时产生到 个中子和射线， 并放出能 量。如果 新产生的中子又打 中另一个铀235 原子核，又引 起新 的裂变。在链式反 应中，能量会源源 不断地释放出来。,铀是一种重金属元素，天然铀由三种同位素组成：铀235，含量0.71% ；铀238 ，含量99.28%

23、 ；铀234 ，含量0.0058% 。 铀235是自然界存在的易于发生裂变的唯一元素。 铀235裂变放出多少能量呢？请记住一个数字，即1千克铀235全部裂变放出的能量相当于2700吨标准煤燃烧放出的能量。,核聚变反应 核聚变反应又称热核反应，它是将平均结合能较小的轻核（如氘和氚）在一定条件下聚合成一个较重的平均结合能较大的原子核，同时释放出巨大能量的反应。 由于原子核间有很强的静电排斥力，因此，一般条件下发生核聚变的几率很小，只有在几千万摄氏度的超高温下，氢核才有足够的动能去克服静电斥力而发生持续的核聚变反应。由于超高温是核聚变反应发生必需的外部条件（而核裂变的条件中子轰击铀原子核！），因此，

24、又称核聚变反应为热核反应。 由于原子核的静电斥力同其所带电荷的乘积成正比，因此，原子序数越小，质子数越少，聚合所需的动能（即温度）就越低。因此，只有一些较轻的原子核（如氢、氘、氚、氦、锂等）才容易发生聚变、释放出聚变能。最常见的聚合反应是氘和氚的反应：,核裂变的链式反应所释放出的大量热能，用循环水（或其它物质）将其带走，才能避免核反应堆因过热而被烧毁。导出的热能可以使水变成水蒸气，推动汽轮机发电。由此可知，核反应堆最基本的组成裂变原子核 （核燃料）+ 热载体。 但是，只有这两项是不能工作的。因为，若想使高速中子引发下一个铀-235原子核分裂，则必须使其能量降低，或者说，需要使中子减速，这就需要

25、减速剂；核反应堆要依人的意愿决定工作状态，这就要有控制设施；铀及裂变产物都有强放射性，会对人造成伤害，必须有可靠的防护措施。综上所述，核反应堆的合理结构核燃料+慢化剂（减速剂）+ 热载体 + 控制设施 + 防护装置。,核反应堆的合理结构 核燃料+ 慢化剂（减速剂） + 热载体 （冷却剂） + 控制设施 （控制棒） + 防护装置（核岛安全壳）,核裂变反应堆的构造,燃料棒的构造天然铀中铀-235的含量只有0.7%，而核能电厂所用的铀燃料必须经过浓缩处理使铀-235含量提高为2%至5%，此举是为了增加核分裂反应的机会，若要做原子弹则其浓度必须提高至99%以上。 此外，核能电厂所用的燃料为了承受运转时

26、摄氏一千度以上的高温，特别将铀做成二氧化铀的粉末，再烧结成直径与高度均为1.6公分左右的柱状燃料丸，然后再将燃料丸放入长约3.86公尺，厚约0.8公分的锆合金管内，做成燃料棒。,控制棒的介绍欲保持临界核分裂反应（可控型），则须找到能吸收中子的物质，目前，核能电厂中常用的是镉或硼，这两种物质便是构成控制棒的主要材料。核能电厂停机时控制棒整个插在炉心里，吸收绝大部份的中子，使整个炉心保持次临界状态，电厂起动时控制棒便被慢慢抽出来，一直到炉心达到临界状况时将控制棒固定，便可保持稳定而持续性的核分裂反应；若有异常状况发生，控制棒便被迅速插入炉心，停止其分裂反应；因此，控制捧的作用有点像汽车的煞车装置，

27、可以防止车速过快而发生意外。,核裂变反应堆的构造,反应堆堆芯,核裂变反应堆的构造慢化剂及中子能量的减低,图中与控制棒相间较粗的红棒为燃料棒，核分裂的主角铀-235即装 在其中，燃料棒必须一直泡在水中，而水除了 吸收核分裂反应产生的 能量外，还兼做中子的缓和剂（慢化剂或（ 减速剂）。,大 修 堆 芯 装 料,核电站内部结构,核电站外观,核电厂 利用原子核裂变或聚变能量。 常用为原子核裂变链式反应。 发电过程与火电厂类似：热能 机械能 电能。 区别：由反应堆替代锅炉产生热能。 优势 :a.它的能量密度大，燃料用量 少，可大大减轻运输压力; b.核燃料储量丰富;,c.核电比火电安全 核电的事故率远远

28、低于火电。全世界自核电投入使用以来，仅发生两次事故。 d. 核电比火电清洁，对环境的污染小 核电污染环境远比煤电小。据测算，全世界的核电站同燃煤电厂相比，每年可为地球大气层减少1.5亿吨CO2、190万吨NOx和300万吨SOx。核电站不排放任何有害气体和其它金属废料，放射性物质对周围的影响也比煤电（尘烟中含有钍、镭）少。而且，核电站的建设只要合理规划布局，采用多层有效的防护就能减轻污染。,e. 核电比火电经济 铀235分裂时放出的热量是同等质量煤的260万倍，石油的160万倍。 核燃料是很耐用的。1千克铀的原子核如果全部裂变，它所发出的热量相当于燃烧2500吨优质煤。一座发电60万千瓦的大型

29、火力发电厂，每天要烧掉7200吨煤。如果以每列火车运煤1500吨计算，每天要有五列火车来运输。而如果是同样大小的核电厂，它每天只要分裂掉约2千克核燃料。在它的反应堆里，一次换装600千克这样的新核燃料，就足够一年之用。 另外核燃料的价格比较稳定。,核电比火电经济,(1)根据引起燃料核裂变的中子的能量，可分为快堆、中能堆、热堆； (2)根据所用燃料的种类，可分为铀堆、钚堆、钍堆和混合堆； (3)根据用于慢化中子的材料，可分为轻水堆、重水堆、石墨堆及有机介质堆； (4)根据反应堆的目的和用途，可分为动力堆和生产放射性同位素堆。 各国主要集中发展轻水堆、重水堆和石墨堆等几种堆型。,一、核电厂分类,轻

30、水堆是以普通水作慢化剂的堆型，具有结构紧凑、体积小、施工期短、造价低、用水作慢化剂兼载热剂，价格低廉等优点。是世界上使用最多且最安全的核裂变装置。 重水堆是用含有重氢的水作慢化剂的堆型。它具有利用天然铀做燃料而无需建造铀同位素分离工厂的优点。但是重水昂贵，发电成本较轻水堆高。 石墨堆是用石墨作慢化剂的堆型，分为石墨水冷堆和石墨气冷堆两种。,使用最多的是轻水堆核电厂（轻水就是普通水，作为慢化剂和冷却剂 ），分为压水堆核电厂和沸水堆核电厂。如果水在堆内不沸腾，则称为加压水冷反应堆，简称压水堆。如果水在堆内沸腾，则称为沸水堆。 1. 压水堆核电厂 最大特点系统分为两部分：一回路系统和二回路系统。两者

31、彼此隔绝，燃料包壳破损，一回路系统水放射性增加，二回路系统水不受影响。增加了核电厂的安全性。 采用压水堆原因 ：投资低 、技术上最成熟 、安全 系统分成核岛与常规岛。,压水堆核电站原理图,压水堆目前使用最多的堆型，在核电站的各种堆型中占到60以上。 典型压水堆介绍：由燃料组件组成的堆芯放在一个能承受高压的压力壳内。冷却剂从压力壳的进口接管流入压力壳，通过堆芯筒体与压力壳之间形成的环形通道向下，再通过流量分配器从堆芯下部进入堆芯，吸收堆芯的热量后再从压力壳的出口接管流出。由吸收中子材料组成的控制棒组件在控制棒驱动装置的操纵下，可以在堆芯上下移动，以控制堆芯的链式反应强度。,一座100万千瓦的压水

32、堆，堆芯每小时冷却水的流量约6万吨。这些冷却水并不排出堆外，而是在封闭的一回路内往复循环。堆芯放了一百多个燃料组件，这些组件总共包括四万多根三米多长、比铅笔略粗的燃料元件。 在冷却剂的出口和蒸汽发生器之间有稳压器。稳压器是一个高大的空心圆柱体。下部为水，罐内采用电加热器在稳压器上部产生蒸汽。利用蒸汽的弹性来保持堆内冷却水压力稳定。,2. 沸水堆核电厂 与压水堆核电厂相比，沸水堆核电厂没有蒸汽发生器，堆芯产生饱和蒸汽除水后直接送入汽轮机做功。 节省；但是有核泄漏危险。,沸水堆核电站原理流程图,二、核电厂的运行,与火电厂类似，热功率与电负荷平衡。 相比特点： 1. 燃料供应：一次装料，有过剩反应性

33、，需加入硼酸调节反应性，使得运行控制复杂。 2.裂变释放瞬发中子和瞬发射线。强放射性，运行维修困难。 3.裂变碎片和、衰变，产生余热。余热排除问题。 4. 放射性废物处理。 5. 建设费用高，燃料费用便宜。为提高运行经济性，要维持高发电设备利用率，带基荷连续运行，缩短停闭时间。,三、核电厂的控制,铀235原子核的裂变，是通过中子轰击造成的。调节中子的数量可以调节原子核裂变反应的规模，即达到调节反应堆的功率的目的。 调节中子的数量，是通过移动控制棒来实现的。控制棒由镉或碳化硼等易吸收中子的材料制成，一般垂直放置，可上下运动。 控制棒插入核燃料内，则吸收的中子多，裂变反应的规模变小，反应堆功率下降

34、；如果将控制棒抽出反应堆，则吸收的中子少，裂变反应的规模变大，反应堆功率上升。 现代的核电站除用控制棒调节反应堆功率的同时，都采用在顶部放置含硼液体的办法，硼大量吸收中子，以确保在任何情况下，都能使反应堆安全停堆。,四、核电厂的安全性,1.历史上的事故 三里岛事故 三里岛事故是1979年3月28日发生于美国宾州三里岛核电厂2号880MW压水堆机组上的堆芯严重损坏事故。业主因此遭受重大经济损失，动力堆报废，以及尔后为去污和废物处置所支付的费用的总和远超过原来的建设费用。事故对环境和公众健康未造成实质性的不良后果，但对公众心理的影响十分巨大。,切尔诺贝利事故 切尔诺贝利事故是1986年4月发生于前

35、苏联切尔诺贝利核电厂4号机组(925MW，大型石墨水堆)的核动力史中迄今最为严重的事故。 事故是在汽轮机进行惰转试验时出现的，触发事故的因素是运行人员未能将安全置于首位，一味追求试验完成而进行了一连串违章操作。最终酿成厂毁人亡灾难性后果。 事故中堆芯全毁，厂房全毁并起火，堆芯中6的放射性物质向外释放。,据国际卫生组织公布的资料显示，在事故发生时，约有840万人正处在核辐射区,其中有300万是儿童。到目前为止，俄罗斯、乌克兰和白俄罗斯三个国家由于辐射而死亡20万人。仅乌克兰就有250万人因切尔诺贝利核事故而身患各种疾病，其中包括47.3万儿童。其中最常见的是甲状腺疾病、造血功能障碍、神经系统疾病

36、以及恶性肿瘤等。,2.核电站的事故产生原因 有可能出现的事故有10万种 。 只有10多种事故，会造成堆芯核燃料熔化及核燃料包壳破损，有可能导致放射性物质外溢，对环境造成危害。 堆芯核燃料熔化的原因 ：第一是反应堆功率失去控制，功率急剧上升。即使反应堆能正常冷却，由于功率上升过快，核燃料的温度也会急剧上升。 1961年，美国一座军用沸水堆，以及1986年苏联切尔诺贝利核电站，在停堆以后进行检修和试验时，由于操作人员违反操作规程，将控制棒迅速抽出，致使反应堆功率急剧上升。于是，核燃料及其周围的冷却水的温度也急剧上升，水迅速汽化，导致蒸汽爆炸。,第一类事故压水堆是不会产生的。这是因为： 第一，切尔诺

37、贝利核电站内有大量的高温石墨。石墨的主要成分是碳。当反应堆内由于功率急剧上升使水迅速汽化，导致蒸汽爆炸后，石墨就因与空气接触而燃烧。核反应与化学反应的交替，是切尔诺贝利事故规模大、周期长及难以控制的主要原因。而压水堆内没有石墨，因而不会出现切尔诺贝利事故那种情况。 第二，切尔诺贝利核电站没有安全壳，因此反应堆破损后要用飞机空投物资覆盖反应堆。并在事故得到控制以后，建造了一米厚的防护墙，来将反应堆整个密封起来。而压水堆核电站事先就有一层一米多厚、经过严格质量检验合格的安全壳，将整个反应堆及相关部件密封于其中。因此，压水堆核电站出现任何事故，都难以对周围环境造成危害。,1986年4月26日切尔诺贝

38、利核电站大爆炸，其当量相当于广岛和长崎原子弹爆炸的30至40倍。苏联政府当时在这里筑起了一堵叠墙，即“石棺”，以封存那里大约200吨的铀和近1吨致命的钚。,第三，切尔诺贝利核电站出现事故是因为它在低功率状态时，堆芯温度升高引起的变化使功率急剧上升，这种过程是正反馈。加上切尔诺贝利核电站堆芯高，在发现事故苗头时，控制棒要经过一段较长时间才能插入反应堆，无法及时制止功率上升，因而导致了事故的发生。 而压水堆与之相反。它有一种自稳特性，当它功率上升时，由于堆芯温度升高引起的变化使功率下降，这种过程为负反馈。加上压水堆堆芯紧凑，控制棒很快就会插入反应堆，万一控制棒被卡住，含硼水也会自动注入反应堆，使链

39、式反应停止。,核燃料熔化的第二种原因，是反应堆的压力容器或管道破漏，使堆内高温高压水向外喷射，核燃料堆芯干涸，得不到冷却。我们称之为失水事故。即使反应堆已停堆，链式反应停止了，核燃料还继续发热。这一方面是由于已裂变的元素不稳定，会继续衰变放出热量；另一方面是由于堆内还有少量中子，继续引发铀235原子核裂变。我们称反应堆停堆后核燃料的发热为剩余发热。剩余发热虽然很少，但如果堆芯干涸，没有泡在水中，也会使核燃料急剧升温而熔化，导致包壳大量破损。,1978年美国三里岛核电站事故，就是这么产生的。由于操作人员判断失误，关闭了通向反应堆的冷却水阀门，使反应堆出现了人为的失水事故。虽然反应堆立即自动停堆，

40、但由于剩余发热，部分核燃料熔化导致包壳破损。 第二类事故压水堆也不会出现，因为压水堆有一系列安全保护系统，可以立即自动向反应堆注水，所以事故范围不会扩大。另外加上反应堆有安全壳，这一事故对环境影响不会太大。,3.核电厂的安全屏障 第一道安全屏障是核燃料本身。压水堆的核燃料是二氧化铀陶瓷块，它的融点达2800。不像煤燃烧以后变成二氧化碳气体(灰烬是煤中杂质)，核燃料发生裂变后，裂变产物绝大部分仍然是固体，98以上的放射性物质仍然保存在其中。 第二道安全屏障是核燃料组件包壳。上述核燃料是密封在优质锆合金包壳以内。即使在反应堆内停留3年时间，每10万根燃料棒，也只有几根破裂。要使燃料棒在反应堆内一根

41、也不破，在技术上是可行的，但不经济。由于燃料元件包壳破裂后泄漏的放射性物质很少，所以这种微量破漏对安全影响不大。,第三道安全屏障是压力容器。核燃料堆芯是密封在厚20多厘米的高大压力容器内。即使有少数几根燃料棒破裂，漏出的放射性物质也停留在反应堆内，不会排入环境。 第四道安全屏障是安全壳。整个反应堆连同蒸汽发生器，是安装在安全壳内。安全壳高六七十米，厚一米。即使反应堆出现任何事故，放射性物质也不会逸出安全壳外。,压 力 容 器 内 结 构 布 置 图,我国核能（核裂变能）的开发和利用 1991年12月15日，我国第一座自行设计自主建设的核电站浙江秦山核电站并网发电成功。 我国目前投入商业运营的核

42、电站共有：秦山一期、二期、三期核电站，广东大亚湾核电站，岭澳核电站，江苏田湾核电站等6家核电站11台机组，拥有850万千瓦核电容量。 批准了浙江三门、广东岭澳扩建项目，各建设两台百万千瓦级压水堆核电机组。 2020年，我国的电力装机总量将达到9亿千瓦，其中，核电总规模将达到3600万千瓦（占总装机容量的4%）。,秦山核电站,广东阳江核电站规划图,广东岭澳核电站,核聚变能,一个氘核和一个氚核结合成一个氦核时能释放出17.6Mev的能量，平均每个核子放出能量是裂变的几倍，是化学燃料的几百万倍 作为聚变燃料的氘的储量在地球上是异常丰富的，能为人类提供1025Kw小时的能量，按目前世界能量的消耗率估计

43、可用1010年以上 聚变反应的产物是4He，无放射性，清洁能源。 一座核聚变反应堆，可连续工作3000年之久，可谓“人造太阳”,实现受控核聚变作为工业应用需要四个条件,超高温：把氘和氚等轻元素加热到12亿，克服粒子相互间的库仑斥力 高密度：使中子的密度达到每立方厘米50万亿个 约束时间长：对等离子体加以约束，即使它能维持1秒以上的时间 ，以保证充分地发生核反应 保持干净：从原料到容器须高度纯洁，容器在装入核燃料前就必须达到大气压的十亿分之一的高度真空。 大约有20多个国家建造了200余座核聚变实验装置，设计了各种受控热核反应堆发电装置,国际热核聚变实验堆ITER,美国、日本、俄罗斯、欧州共同体

44、决定共同出资兴建 ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)“人造太阳”计划 ITER（道路）：用受控核聚变发电，走和平利用核能的道路，为人类寻找可替代的洁净能源。 在计划提出近20年，选址耗时18年后，全球最大、代表世界未来能源科技最高水平的核聚变反应装置ITER的建设地点终于滑落法国南部的卡达拉什（Cadarache）,国际热核聚变实验堆ITER,为期30年、投资超过100亿欧元的国际超大型科学合作项目，其意义不亚于国际空间站计划和人类基因组计划 该计划已耗资120亿美元，涉及领域包括超导研究、高真空、环境科学、生命科学、等

45、离子计量和控制、信息通信、纳米材料等多个学科。 2010年前后建成，如果实现, 21世纪中叶有可能建成商业聚变堆并开始实际使用聚变能,磁约束聚变装置ITER,ITER的环形真空室,我国新一代“人造太阳” 实验装置,2006年9月，耗时8年、耗资2亿元人民币的我国新一代“人造太阳” 实验装置位于合肥的全超导非圆截面核聚变实验装置(EAST)实现了跨国远程控制的等离子体放电 美国通用原子能公司(General Atomics USA)专家通过专用数据网，轻点鼠标即可轻松启动并运行地球另一端的中国核聚变实验装置 EAST的建成，使我国迈入磁约束核聚变领域先进国家行列。,核能技术今后发展的战略方向 快

46、中子增值堆中只有冷却剂（液态钠），没有减速剂（或称慢化剂），直接利用核裂变产生的高速运动的中子来维持链式裂变反应的进行，其显著的特点是能产生比它自身消耗的还要多的核燃料。当铀-235或（钚-239）裂变时，产生的快中子被铀-238吸收转变成钚239。平均每消耗一个钚-239原子，就使铀-238吸收快中子后新生成1.4个钚-239原子。这样在快堆中出现了神话般的奇迹，核燃料会越烧越多，这就是核燃料的“增值”。它既是核电站，又是核燃料生产厂。一般说来，一座快中子反应堆只要连续运行1520年，就可以积累起足以装备与自身功率一样的新堆所需的核燃料，即一个反应堆变为2个反应堆，因此，这是件“一本万利”的

47、事。由理论推算，1kg天然铀通过压水堆可产生4.64.8万度电，而快中子增值堆则可生产出600万度电，使铀资源的利用率大大提高。目前，世界已建成快中子增值堆21座。,核能技术今后发展的战略方向（续） 由热堆向快堆（快中子增值堆）发展。目前，绝大多数是热中子反应堆，以消耗天然铀为代价来发电，利用率极低，约2%。快中子增值堆消耗裂变物质（铀-235 ）的同时，能生产出更多的裂变物质（钚-239） ，燃烧型变为生产型增值型，在理论上，天然铀蕴藏能量能得到全部利用。 天然铀由三种同位素组成：铀-235，含量0.71% ；铀-238 ，含量99.28% ；铀-234 ，含量0.0058% 。 由一次通过

48、燃料向闭合燃料循环发展。由热堆向快堆发展，与之匹配的核燃料循环体系也需相应的发展，反应堆卸出的乏燃料（铀-238）必须经过后处理和再制造，把在反应堆内生成的新的裂变物质（钚-239）制成新的核燃料而复用。 由有限规模核能向大规模核能工业发展。基于热堆的核能发展规模受天然铀资源的制约，只能是有限的规模。而基于快堆和闭合燃料循环技术的核能，因能增值核燃料，为大规模的核能发展创造了条件。,受控聚变堆利用的是核聚变能，即较轻的原子核在超高温等特定条件下聚合成较重的原子核时释放出的巨大能量。由于这种反应必须在极高温度（几千万度甚至几亿度）下才能发生，所以又被称为热核反应。太阳能就是氢核聚变成氦核时释放出

49、的能量，从而成为取之不尽、用之不竭的巨大能源。 核聚变的燃料是氘和氚。海水中含有大量的氘，氚可由氘来制取。可供人类使用几十亿年。虽然人类已实现了不受控制的热核聚变反应氢弹的爆炸，但氢弹的能量是瞬间的释放，不能作为能源来直接利用。为了驾驭热核反应，必须研制出一种装置热核反应堆，使聚变能在稳定控制下释放出。由于核聚变要求很高的温度，目前主要研究用高能加速器产生的例子碰撞来实现，公认的比较先进的装置是“托卡马克”装置，它是一种采取磁约束法实现受控核反应的装置。欧美都已通过这种方式点火成功，但要达到商业化，还需要相当长的时间。这是因为，材料是核聚变堆能否实用化的关键因素。核聚变堆设备材料的要求能耐中子

50、辐射、耐高温和抗氢脆开裂等。,一、风力发电 1.风力发电的原理: 风力带动风车叶片旋转 增速机将旋转的速度提升 发电机发电 依据目前的风车技术，一般说来，3级风就有利用的价值。但从经济合理的角度出发，风速大于每秒4米才适宜于发电。 据测定，一台55千瓦的风力发电机组，当风速每秒9.5米时，机组的输出功率为55千瓦当风速每秒8米时，功率时38千瓦风速每秒为6米时，只有16千瓦而风速为每秒5米时，仅为9.5千瓦。可见风力愈大，经济效益也愈大。,其它发电形式,2. 风力发电运行方式 独立运行和并网运行两种方式。 1） 独立运行，把风力发电机组输出的电能经蓄电池蓄能，再供应用户使用。,香港沙洲自动气象

51、站风力发电机,（1）蓄能系统 蓄电池蓄能； 抽水蓄能； 压缩空气蓄能； 飞轮蓄能； 电解水制氢蓄能。 （2）与其他发电形式的联合运行 风力柴油发电联合运行 风力太阳能电池发电联合运行,2）并网运行，是克服风的随机性带来的蓄能问题最稳妥易行的运行方式，同时可达到节约矿物燃料的目的。 （1）运行方式 恒速恒频方式 变速恒频方式 （2）风力发电场 将风力发电机组按一定的排列布局方式成群安装组成的风力发电机群体，称为风电场。,辉腾锡勒,达坂城,鹤顶山风电场,美国佛蒙特州的风力发电站,澳大利亚悉尼工学院布赖恩罗伯兹教授建议在距地表4500米的高空建造风力发电站。 罗伯兹教授研究的计划实质归结如下：在对流

52、层安置一个带有几片桨叶的特殊结构，桨叶与发电机相连接。由于几千米高空处风力非常强且连续不断，这种结构能利用升力自动滑翔，并产生电力。计划利用电缆向地面输送电力，电缆同时还将起到稳定平台“锚”的作用。,按照罗伯兹教授计算，由600个空气发电机组成的机组发电功率能超过美国最大核电站的发电功率3倍。,二、太阳能 未来最理想的能源,太阳是一个炽热的气态球体，没有固体的星体或核心。由于太阳内部持续进行着氢聚合成氦的核聚变反应，所以不断地释放出巨大的能量，并以辐射和对流的方式由核心向表面传递热量，其氢的储量足够维持100亿年 太阳每小时辐射到地球的能量约为18万兆瓦，相当于燃烧90兆吨优质煤的热量；太阳能

53、是取之不尽，用之不竭的且无污染的能源。,太阳能发电 太阳能热发电和太阳能光伏发电 （一）太阳能光伏发电 优点：结构简单，体积小且轻； 易安装，易运输，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。 缺点：能量分散，占地面积大；1MW占地1万m2 间歇性大，控制复杂； 地域性强。,太阳能光伏发电可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。 独立形：仅仅依靠太阳能电池供电或主要依靠太阳能电池供电，在必要时可以由风力发电、电网电源或其它电源作为补充。 并网形：光伏发电的主流发展趋势。

54、将太阳能电池发出的直流电通过逆变装置变换成交流，同电网的交流电结合起来进行使用。,1.独立光伏发电系统,2. 并网光伏发电系统,分为住宅用并网光伏发电系统和集中式并网光伏系统（电站）。 住宅用特点是光伏系统发出电力直接被分配到住宅内的用电负载上，多余或不足的电力通过连接电网来调节。 集中式特点是光伏系统发出电力直接输送到电网，由电网把电力统一分配到各个用电单位。 集中式成本较高，应用不多；住宅用在国外已得到大力推广。结构相差不大。,太阳能发电系统由太阳能发电模块构成。太阳能发电模块捕获太阳能并生成直流(DC)电。变换器(电力调节器)将直流电(DC)转换成交流电(AC)，用以运行许多常用电器和设

55、备。,光电(太阳能电池）模块：光电模块将太阳能转换成电能。,电度表,在德国，几乎每一个私人小屋屋顶上都铺满了太阳能发电光板，所发之电或自给自足，或上网卖给电力公司。普通家庭对太阳能发电的投资占德国太阳能发电总投资的50%左右。 2004年开始，德国修改了可再生能源法，让家庭式的太阳能发电可以得到高额的补贴并保证这样的补贴20年内都有效。 但问题也随之而来。德国光伏发电以接入配电网为主，分布集中且规模较大，对配电网安全稳定运行造成了较大影响，中午高峰时段配电网阻塞现象十分严重，配电网接纳分布式光伏发电的能力不足，已成为德国光伏发电产业发展的重要制约因素。因此，德国从2009年便开始削减对太阳能发

56、电的补贴。,国家电网2013年2月发布关于做好分布式电源并网服务工作的意见，承诺将促进光伏、风电、天然气等分布式电源并入国家电网，个人发电自给自足，甚至能并网赚钱 200平米屋顶、40万投资、20年、电费7.3万,2 千瓦美国加洲太阳发电,（二）太阳能热发电,太阳能热能直接发电，如半导体或金属材料的温差发电、真空器件中的热电子和热离子发电以及碱金属热电转换和磁流体发电等；发电量小，有的处于原理性试验阶段。 将太阳能通过热机带动发电机发电，基本组成与常规发电设备类似，只是热能是从太阳能转换而来。,塔式太阳能热发电系统 由平面镜、跟踪机构、支架等组成定日镜阵列，这些定日镜始终对准太阳，把入射光反射

57、到位于场地中心附近的高塔顶端的太阳能接受器上，将太阳的能量聚集在一起，加热工质产生过热蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电。,槽式太阳能热发电系统 将众多的槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列，可以收集较高温度的热能，加热工质，产生过热蒸汽，驱动汽轮发电机发电。,盘式太阳能热发电系统 以单个旋转抛物面反射镜为基础，构成一个完整的聚光、集热和发电单元。,三、地热发电,地球本身是一座巨大的天然储热库。地壳、地幔、地核不同层次蕴藏着不同量的热能。从地面向下，在15km以内，深度每增加100m，温度平均升高3左右。在100km深处，温度高达1400。 全世界地热资源的总量大约为14.51025焦，是全部煤炭资源的储量的1.7亿倍。接世界年耗10亿t标准煤计算，可满足人类几十万年能源之用。,地热发电,与火力发电原理一样，通过热能、机械能的中间转换产生电能，但地热发电所需的蒸汽能量是直接来源于地热能，不需要燃料、锅炉、运输设备等，因此，地热发电是一种比煤、石油、天然气、核能等发电便宜得多的能源利用方式。,全世界地热发电站约有300座，总装机容量接近1104Mw，分布在20多个国家，其中美国占40%。