供用电网络及变电所设备

1、 供用电网络及变电所设备 主 讲： 张晓琴、严殊E_mail： 1第一章 发电厂概述 本章导学: 电力工业是国民经济的一项基础工业和国民经济发展的先行产业，是一个庞大而复杂的系统工程。 电能易于传输、转换与控制，在人类社会中被广泛地、大量地采用。生产、生活离不开电能。停电会造成减产和人民生活的极大不便，大面积的停电就是灾难，在世界各地相继发生的电力系统大停电事故证明了此点。 发电厂是将一次能源转换成电能的工厂。根据一次能源的种类不同，发电厂可分为火力发电厂、水力发电厂、核电厂及风力发电厂、地热电厂、潮汐电厂、太阳能电厂等等。2 我国电力工业的现状 目前我国电力发展的方针仍然是以火力发电为主，大

2、力和优先发展水电，积极稳步发展核电，努力开发其他可再生能源发电的实用技术，以保证我国电力工业的可持续发展。 装机容量为世界第二位，仅次于美国。2009年将全部建成三峡水电站。三峡电站安装26台700MW水轮发电机组，预留增加6台700MW机组的可能性，为世界上最大的电站。 西电东送，南北互供，逐步实现全国联网的格局。能源主要集中于西部地区，负荷主要集中在东部地区。 本章教学内容: 能源开发与有效利用；水力和火力发电厂的生产原理与过程；风力和太阳能发电、以及其他新能源的发电的原理。3 1.1 能源开发与利用 1.2 水力发电 1.3 火力发电 1.4 风力发电 1.5 太阳能发电 1.6 其他新

3、能源发电 重点：水力和火力发电厂的生产原理与过程 难点：水力、火力、风力和太阳能电厂的生产过程与原理 4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。包括煤、石油、天然气、太阳能等。 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。 能源按其来源可以分为四类： 第一类：太阳能。 第二类：以热能形式储藏于地球内部的地热能。 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。（潮汐）5能源一次能源常规能源可再生能源：水力非可再生能源：煤、石油、天然气、核裂变新能源

4、可再生能源：太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热能非可再生能源：核聚变材料二次能源电力、焦炭、煤气、汽油、煤油、柴油、重油、沼气、蒸、热水表1-1 能源分类 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。6二、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。 如何实现资源的有效配置，是研究的核心问题。 我国坚持能源开发与节约并重，并在当前把节能、节电放在首位。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： 按利用能源的种类，水电站分为

5、： （1）常规水电站，按集中落差的方法分为：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。水能水轮机发电机机械能电能8一、坝式水电站在河道上拦河筑坝抬高上游水位，集中发电水头，利用水库调节流量生产电能。按水电站厂房与坝的相对位置，分为河床式和坝后式。 河床式： 如葛洲坝水电站 坝后式：我国水电站采用最多的一种，如三峡水电站。9河床式水电站示意图 10引水式水电站示意图二、引水式水电站 河流多弯曲或河道坡降较陡，修筑较短的引水明渠或隧道集中水头，用引水管把水引入河段下游的水电站。还可以利用

6、相邻两条河流的高程差，进行跨河流引水发电。 引水式电厂的引水系统11三、混合式水电站 混合式水电站：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。 梯级水电站：为合理地分段开发利用水能。在河段上建若干水电站，一个接一个，采用不同的类型。 四、抽水蓄能式水电站 特殊形式的水电站。电力系统内负荷处于低谷时，利用网内富余的电能，采用机组为电动机运行方式，将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 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。12抽

7、水蓄能式水电站（蓄能）抽水蓄能式水电站（发电）13五、水电站的主要动力设备 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。 主要动力设备水轮机。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： 冲击式水轮机：仅利用水流的动能转换为机械能的水轮机。 反击式水轮机：同时利用水流的压能、动能转换成机械能的水轮机，是应用最广泛的一种水轮机。141、冲击式水轮机 根据水流冲击转轮的部位和方向，分为水斗式、斜击式和双击式。后两种效率低、适用水头较小的小型水电站。水斗式水轮机，是冲击式水轮机中应用最广泛的机型，有转轮、喷嘴、喷针、

8、折向器、主轴和机壳。 图 水斗式水轮机1转轮；2喷嘴；3转轮室；4机壳；5调节手轮；6针阀152、反击式水轮机 有混流式、斜流式、轴流式、贯流式，构造上有相同特点，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 引水机构，形状像一个大的蜗牛壳，常称蜗壳，将引水管来的水流沿圆周方向均匀导向转轮。蜗壳外形16（2）导水机构 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。（3）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

9、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，在轮周方向的分力推动叶片旋转，将水流的压力能转换成转轮旋转的机械能。17（4）尾水管 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。尾水管示意图 18六、水力发电的特点 （1）水能是可再生能源，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）发电效率高，常规水电厂的发电效率在

10、80%以上。 （4）可同时完成一次能源开发和二次能源转换。 （5）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。19 （7）开发投资大，工期长。如三峡工程，1994年12月开工，计划2009年竣工，总概算为900亿人民币。 （8）受河川天然径流丰枯变化的影响。 （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。获得最优的综合经济效益和社会效益。 （10）较大水库的水电站，淹没损失较大，对生态

11、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。20第三节 火力发电 用煤、石油、天然气或其他燃料化学能生产电能的工厂。 我国电源以火电为主，至2004年底，火电装机容量为 32490万kW,占发电装机总容量的 73.7 %。 按使用燃料分为燃煤、燃油和燃气等。燃煤火电厂是我国目前电能生产的主要方式。一、火电厂生产过程 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。 能量转换化学能热能燃烧原动机发电机机械能电能21蒸汽动力发电

12、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 锅炉将燃料的化学能转化为蒸汽热能。 汽轮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。 燃煤电厂的生产过程 22我国大部分火电厂为凝汽式发电厂：燃烧系统、汽水系统、电气系统锅炉凝汽器发电机汽轮机变压器输电线路23二、锅炉 火力发电厂的主要热力设备之一，作用：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

13、交换器，由“锅”（汽水系统）和“炉”（燃烧系统）两部分。 （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。242、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25三、汽轮机1、工作原理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、组成及其工作过程 本体由静止部分、转动部分、主汽门、调节汽门等

14、成。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。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。26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273、汽轮机本体主要结构 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。四、汽轮机的调节与保护系统1、汽轮机的调节系统 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；

15、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，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。28火电厂外景锅炉外观全景29汽轮机及发电机外观主变压器侧面30凉水塔送风机及静电除尘装置31第四节 风力发电 风能指流动的空气所具有的能量，是由太阳能转化而来的。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21010kW，比世界上可利用的水能大10倍。一、风力发电机 能量转换过程为：空气动能旋转

16、机械能电能，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。32 风力机形式多种多样，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。 目前应用广泛的是水平轴风力机，它须有对风装置，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装置，可不要塔架。33二、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。 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

17、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。34独立运行的风力发电系统352、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，节约矿物燃料。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

18、能的方式，其发出的电能全部经变电设备送往大电网。36三、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。 （4）运行简单，可完全做到无人值守。 （5）实际占地少。可解决偏远地区的供电问题。 （7）风能具有间歇性，风力发电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，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。3738海上风力发电站3940第五节 太阳能发

19、电 太阳能是可再生能源，资源丰富、遍地都有，既可免费使用、又无需开采和运输，是清洁而无任何污染的能源。 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。一、太阳能热发电 将吸收的太阳辐射热能转换成电能。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。41典型太阳能热发电站热力循环系统原理图42二、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43塔式太阳能发电系统原理图

20、 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44抛物面槽式太阳能热发电系统原理图45三、太阳能光发电 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。 光伏发电利用太阳能电池（光伏电池）将太阳能直接转化成电能。 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，在我国西部的农牧民居住地区，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。 46太阳能电池发电系统 光伏发电优点：结构简单，体积小重量轻；易安装，方便运输，建设周期短

21、；易启动，维护简单；清洁，安全，无噪声；可靠性高，寿命长；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；间歇性大；地域性强。 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。47风力太阳能互补发电系统和风力柴油发电系统图48太阳能发电示意图49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，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。 如：浙江秦山核电站（2X60万kw） 大亚

22、湾核电站 （2X90万kw） 阳江核电站 （2X90万kw） 核电厂生产流程 50压水堆核电厂发电方式示意图51二、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 。 生物质能由太阳能转化而来，是可再生能源。其发电厂种类较多，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。 从能源转换，生物质能发电厂分为： 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

23、气发电厂。 利用生物质能发电关键：生物质原料的处理和转化技术。52二、生物质能发电的特点 （1）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。5

24、3沼气发电系统工艺流程示意图54三、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。1、地热资源的类型 根据在地下储热中存在的不同形式，分为： （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。 552、地热发电原理和分类 地热发电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本相同，只不过高温热源是地下储热。 根据地热资源的特点以及开发技术的不同，分为： （1）直接利用地热蒸汽发电 （2）闪蒸地热发电系统（减压扩容法） （3）双循环地热发电系统（低沸点工质循环）56西藏羊八井地热发电站57四、海洋能发电 指海洋中所蕴藏的可再生自然能源，主要为潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能和海水浓度差能。潮汐能和潮流能来源于太阳和月亮对地球的引力作