电力生产概论-第2讲-火力发电

1、华北电力大学程瑜第2讲 火力发电定义：利用煤、石油或天然气等化石能源作为燃料生产电能的工厂。能量转换过程：燃料的化学能热能机械能电能火力发电厂的三大主要设备：锅炉汽轮机汽轮发电机火电厂生产系统包括的三大主要系统：以煤粉炉的凝汽式火电厂为例， 燃烧系统：燃料的化学能在锅炉燃烧中转变成热能，加热锅炉中的水使之变为达到额定压力和温度的蒸汽。 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，使热能转变成机械能。 电气系统：由汽轮机转子的旋转带动发电机旋转，将机械能转变成电能。电煤蒸汽燃烧系统包括了：输煤、制粉、通风、除灰渣等系统及锅炉的燃烧部分。锅炉的参数 1）蒸发量：锅炉在维持连续正常生产

2、时每小时所产生的蒸汽量（t/h） 2) 蒸汽参数：锅炉过热器出口过热蒸汽的压力（MPa）和温度（oC） 给水温度：省煤器入口的水温（ oC ） 锅炉效率：锅炉生产蒸汽的吸热量占锅炉输入燃料热量的百分比。锅炉的分类 按蒸汽参数分类 低压锅炉（P2.45MPa） 中压锅炉（P=2.944.90MPa） 高压锅炉（ P=7.8410.8MPa ） 超高压锅炉（ P=11.814.7MPa ） 亚临界压力锅炉 （ P=15.719.6MPa ） 超临界压力锅炉（P22.1MPa） 超超临界压力锅炉（实际上是在超临界机组参数的基础上进一步提高蒸汽压力和温度，国际上通常把主蒸汽压力在24.131MPa、主

3、蒸汽/再热蒸汽温度为580600 / 580 610机组定义为高效超临界机组，即通常所说的超超临界机组）火电厂的消耗指标 1）发电标准煤耗率 火力发电厂每发1kWh电能平均耗用的标准煤量 2）供电标准煤耗率 火力发电厂向外供出1kWh电能平均耗用的标准煤量 3）发电厂用电率 发电厂生产电能过程中消耗的电量与发电量的比率一般中温中压凝汽式电厂的供电标准煤耗率约480g/（kWh），高温高压电厂约为380g/（kWh），超高压电厂约为360g/（kWh），热电联产的热电厂由于减少了汽轮机排汽的热量损失，其供电标准煤耗率随发电量与对外供热的产热量的比例而变化，可低至280g/（kWh）左右。 火电厂

4、生产过程总体示意（2.205.16） 锅炉及燃烧示意图 锅炉设备（5.16） 锅炉中的汽水流程（7.50） 输煤系统（15.12） 烟风及燃烧系统（24.0729.34）汽轮机本体结构由静止和转动两大部分组成。 静止部分：汽缸、喷嘴、隔板、汽封及轴承等部件； 转动部分：转子，包括轴、叶轮及动叶片等部件。汽轮机转子高温、高压蒸汽进入汽轮机1910年的250汽轮机(右侧) 直接与发电机相连 (左侧).现代化的汽轮机高温、高压蒸汽进入汽轮机低温、低压蒸汽做功后，从汽轮机流出使用冷凝器把低温、低压蒸汽由气态转变成液态通过压缩机给液体循环水加压通过锅炉加热高压液体循环水，生成高温、高压水蒸气。冷凝塔 汽

5、轮机设备（29.3444.32） 汽缸（35.4） 叶片（38） 轴承（39） 热力系统（51.101.19.39） 凝气系统（59.31） 循环水泵（1.03.00） 冷却塔（1.07.00）song251）继续提高超临界火电机组效率 2）燃气蒸汽联合循环发电技术 3）洁净煤发电技术 4）燃煤磁流体发电技术5）冷、热电联产6）空冷发电技术 song26世界各国发展新火力发电技术的推动力经济效率提高的诉求环境压力v3540%的化学能到电能的转化效率v最安全的发电技术，仍是主要的发电技术。o是全球环境污染的主要影响因素o Sulfur dioxide (SO2)o Nitrogen Oxide

6、(NOx)o Carbon Dioxide (CO2)o MercuryvCO2 排放：世界最大的温室气体排放源v SO2 二氧化硫结合的氮氧化物与水和氧反应，在大气中，以形成酸性化合物，可与天然降水混合并落在地上酸雨触发心脏发作和中风 导致心律失常（心跳不规则） 呼吸道刺激和加重哮喘。 过早死亡（无论是短期和长期接触）v NOx v当氮氧化物（化学上）发生反应的挥发性有机化合物（ VOC）的与太阳光地面臭氧或烟雾形成。An estimated 140.5 million Americans live in areas with unhealthy levels of smog accordi

7、ng to the The American Lung Association.v 汞最危险的污染物释放到空气通过排气系统当煤燃烧。1）继续提高超临界火电机组效率从目前世界火力发电技术水平看，提高火力发电厂效率的主要途径是提高蒸汽的参数，即提高蒸汽的压力和温度。世界第一台超临界机组125MW于1959年4月在美国投运。超临界的概念：超临界火电机组是把水作为超临界流体用于发电。 水的临界参数是:22.064MPa、373.99。 在这个压力和温度时，水和蒸汽的密度是相同的，就叫水的临界点。超临界流体超临界流体（Supercritical fluid, SCF）是一种物质状态，当物质在超过临界温度

8、及临界压力以上，气体与液体的性质会趋近于类似，最后会达成一个均匀相之流体现象。超临界流体类似气体具有可压缩性，可以像气体一样发生泻流，而且又兼具有类似液体的流动性，密度一般都介于0.1到1.0g/ml之间。song36超临界、超超临界机组的特点 经济：具有无可比拟经济性，单台超临界机组发电热效率最高可达50%，每kWh煤耗最低仅有255g（丹麦BWE公司），较亚临界压力机组（每kW/h煤耗最低约有327g左右）煤耗低；环保：采用低氧化氮技术，在燃烧过程中减少65%的氮氧化合物及其它有害物质的形成，且脱硫率可超98%，可实现节能降耗、环保的目的。2）燃气，蒸汽联合循环（简称GTCC，Gas Tu

9、rbine Combined Cycle Gas Turbine Combined Cycle ）燃气轮机和蒸汽轮机的联合发电系统，将燃气轮机做功后排出的高温乏烟气通过余热锅炉回收转换为蒸汽，送人蒸汽轮机发电，或者将部分发电做功后的乏汽用于供热。2）燃气，蒸汽联合循环（简称GTCC，Gas Gas Turbine Combined Cycle Turbine Combined Cycle ）的特点可以利用低热值燃料气体或含杂质较多的劣质燃料，一些燃气轮机甚至使用原油和高硫渣油燃料。热效率高。燃气轮机自身的发电效率不算很高，一般在3035之间，但是产生的废热烟气温度高达450550，可以通过余热

10、锅炉再次回收热能转换蒸汽，驱动蒸汽轮机再发一次电，形成燃气轮机- 蒸汽轮机联合循环发电，发电效率可以达到45%50%，一些大型机组甚至可以超过55。减少大气污染物排放减少发电用水量3）洁净煤发电技术，整体煤气化燃气蒸汽联合循环（简称IGCC，Integrated Coal Integrated Coal Gasification Combined CycleGasification Combined Cycle）煤经过气化和净化后，固体燃料已转化成清洁气体燃料，以此驱动燃气轮机发电，再用排出的高温燃气进入锅炉，产生蒸汽带动汽轮机发电，形成燃气与蒸汽联合循环发电。它由两大部分组成，即煤的气化与净

11、化部分和燃气-蒸汽联合循环发电部分，具有以下优势：3）洁净煤发电技术，整体煤气化燃气蒸汽联合循环（简称IGCC，Integrated Integrated Coal Gasification Combined CycleCoal Gasification Combined Cycle）IGCCIGCC的特点的特点（1）热效率高，其效率比煤粉炉高10以上，可达4050；（2）污染排放少，环保性能优良；脱硫率9899，NOx及CO2排放减少；二氧化碳捕集成本低（3）燃料适应性强，同一电站设备可燃用多种燃料，对高硫煤有独特的适应性；3）洁净煤发电技术，整体煤气化燃气蒸汽联合循环（简称IGCC）IGC

12、CIGCC采用的采用的流化床燃烧技术流化床燃烧技术FBC FBC （ Fluidized-bed Combustion ） 把8mm以下的煤粒和脱硫剂石灰石，加入燃烧室床层上，在通过布置在炉底的布风板送出的高速气流作用下，形成流态化翻滚的悬浮层，进行流化燃烧，同时完成脱硫，这种燃烧技术叫流化床燃烧技术。IGCC Puertollano, Spain, 315 MW capacity, built in 1995464）燃煤磁流体发电技术 （Magnetohydrodynamic generatorMagnetohydrodynamic generator）磁流体发电原理：高温导电气体（等离子体

13、）高速切割磁力线产生感应电动势。燃煤磁流体发电是在煤燃烧产生的高温烟气中添加电离种子钾，然后通过磁流体发电机发出直流电，再逆变成交流电；排出的烟气温度仍很高，进入下游余热锅炉，产生蒸汽推动汽轮机发电。磁流体发电技术流程示意图494）燃煤磁流体发电技术 （Magnetohydrodynamic generatorMagnetohydrodynamic generator）优点：联合循环发电热效率高，可达55；由于添加的电离种子钾与硫反应生成钾的硫化物，回收种子时起到了自动脱硫的作用；磁流体发电部分无旋转部件，高温设备可通水冷却，机械强度易得到保证；磁流体发电不象汽轮机发电那样需要冷凝排汽的冷却水

14、，因而可节约大量用水。我国是较早开发此技术的国家之一，该技术1986年列入国家高技术计划，目前已有试验基地。505）热、电联产（Cogeneration） 热电联产热电联产 ( (简称简称CHP , CHP , combined heating and power)combined heating and power) 指的是火电机组在发电的同时，用抽汽或背压机组的排汽进行供热，由于实现了热能的梯级利用，其总的能源利用率为8090。如果联合循环机组用于热电联产，即高作功能力的燃气（1000以上）在燃气轮机中做功，其排气在余热锅炉中产生中等作功能力的蒸汽（500以上），驱动汽轮机继续做功，其低作

15、功能力的抽汽或排汽用于工业或生活用汽用热，形成联合循环热电联产,其总的能源利用率可达8090（理论极限为93）。热电联产比热电分产可节约能源30左右。我国有50万台工业锅炉，年耗煤4亿吨，平均容量228吨时，如果其供热量的一半由热电联产供给，则年可节煤12亿吨。 525）热、电联产（Cogeneration）热电热电冷三冷三联产联产 指锅炉产生的蒸汽在背压汽轮机或抽汽汽轮机发电，其排汽或抽汽，除满足各种热负荷外，还可做吸收式制冷机的工作蒸汽，生产68冷水用于空调或工艺冷却 .热电冷三联产的优点：（1）蒸汽不在降压或经减温减压后供热，而是先发电，然后用抽汽或排汽满足供热、制冷的需要，可提高能源利

16、用率；（2）增大背压机负荷率，增加机组发电，减少冷凝损失，降低煤耗；（3）保证生产工艺，改善生活质量，减少从业人员，提高劳动生产率；代替数量大、型式多的分散空调，改善环境景观，避免“热岛”现象。 6）空冷发电技术一般汽轮机的排汽进入凝汽器，由循环冷却水对排汽进行冷却，使其凝结成水。这种冷却方式需要大量循环水，一个1000MW大型火电厂每天用水量约500万吨，耗水量约10万吨，相当于一座中等城市的日用水量。在缺水和少水地区，这一水冷方式难以实现。 它有直接空冷与间接空冷两种：所谓直接空冷是汽轮机排汽进入空冷散热器，用空气直接冷却排汽；间接冷却是用空气来冷却循环凝结水，再用冷却后的循环凝结水与排汽

17、直接接触冷凝排汽。Matimba Power Station, Ellisras, South Africa 世界上最大的空冷发电厂。火力发电厂的电气设备发电机主变开关设备电磁感应原理 现在用一对磁铁来产生发电机的磁场，磁力线从北极到南极。在磁场内放入矩形线圈，线圈两端通向两个滑环，滑环通过电刷连接到输出线上，输出线端连有负载电阻。 当线圈旋转时，根据电磁感应原理，线圈两端将会产生感应电动势；当磁场均匀时，矩形线圈作匀速旋转时，感应电势按正弦规律变化，在负载电阻上有正弦交流电通过。工作原理旋转磁场交流发电原理 实际发电机中，产生感应电势的线圈是不运动的，运动的是磁场。产生磁场的是一个可旋转的磁

18、铁转子；线圈在磁铁外围，与磁铁转轴同一平面。当磁铁旋转时产生旋转磁场，线圈切割磁力线产生感应电动势。由于空气的磁导率太低，在旋转磁铁的外围安上环型铁芯定子，增强磁铁的磁感应强度。 真正发电机的转子是电磁铁，转子上绕有励磁线圈，通过滑环向励磁线圈供电来产生磁场。把定子与线圈安在转子外围，一个单相交流发电机原理模型就组成了。三相交流发电机工作原理 定子铁芯内圆均匀分布着6个槽，嵌装着三个相互间隔120度的同样线圈，称为A相线圈、B相线圈、C相线圈；装上转子就组成了一台三相交流发电机。 当转子匀速旋转时三个线圈顺序切割磁力线，都会感生交流电动势，其幅度与频率相同。由于三个线圈相互间隔120度，它们感

19、应电势的相位也相差120度。汽轮发电机 转子铁芯绕组 定子绕组 冷却系统汽轮发电机汽轮发电机定子铁芯定子绕组转子大轴转子铁芯冷却风道汽轮发电机汽轮发电机转子铁芯绕组定子绕组冷却系统 定子绕组在定子槽内布置图定子绕组在定子槽内布置图1槽楔；槽楔；2波纹板；波纹板；3热弹性绝缘；热弹性绝缘；4上层空心绕组；上层空心绕组；5下层实心绕组下层实心绕组 汽轮发电机运行中存在的损耗 铜损耗（电流流过绕组时，由绕组本身电阻所产生的损耗） 铁损耗（铁芯中磁场变化所产生的损耗） 机械损耗（通风和轴承部分的摩擦所引起的损耗）发电机的冷却方式 损耗在发电机内部变成热能，若不能及时排出，特别是铜损耗所产生的热导致定子线圈绝缘老化，绝缘性能降低，对发电机的安全运行带来严重影响。 冷却方式有空气冷却、氢冷却、水冷却励磁系统：为发电机提供直流励磁电流，以产生可调节直流磁场 发电机除了需要原动机（汽轮机或水