火力发电

简称: 火电|
归属: 发电

火力发电(thermal power,thermoelectricity power generation),利用可燃物在燃烧时产生的热能,通过发电动力装置转换成电能的一种发电方式。中国的煤炭资源丰富,1990年产煤10.9亿吨,其中发电用煤仅占12%。火力发电仍有巨大潜力。

简介

由于地球上化石燃料的短缺,人类正尽力开发核能发电、核聚变发电以及高效率的太阳能发电等,以求最终解决人类社会面临的能源问题。

  • 最早的火力发电是1875年在巴黎北火车站的火电厂实现的。随着发电机、汽轮机制造技术的完善,输变电技术的改进,特别是电力系统的出现以及社会电气化对电能的需求;
  • 20世纪30年代以后,火力发电进入大发展的时期,火力发电机组的容量由200兆瓦级提高到300~600兆瓦级(50年代中期);到1973年,最大的火电机组达1300兆瓦。大机组、大电厂使火力发电的热效率大为提高,每千瓦的建设投资和发电成本也不断降低。
  • 到80年代后期,世界最大火电厂是日本的鹿儿岛火电厂,容量为4400兆瓦。
  • 但机组过大又带来可靠性、可用率的降低,因而到90年代初,火力发电单机容量稳定在300~700兆瓦。

火力发电所使用的煤,占工业用煤的50%以上。目前我国发电供热用煤占全国煤炭生产总量的50%左右。大约全国90%的二氧化硫排放由煤电产生,80%的二氧化碳排放量由煤电排放。

火力发电按其作用分单纯供电的和既发电又供热的。按原动机分汽轮机发电、燃气轮机发电、柴油机发电。按所用燃料分,主要有燃煤发电、燃油发电、燃气发电。为提高综合经济效益,火力发电应尽量靠近燃料基地进行。在大城市和工业区则应实施热电联供。

原理

火力发电一般是指利用可燃物燃烧时产生的热能来加热水,使水变成高温、高压水蒸气,然后再由水蒸气推动发电机来发电的方式的总称。以可燃物作为燃料的发电厂统称为火电厂。

火力发电厂主要设备系统包括:燃料供给系统、给水系统、蒸汽系统、冷却系统、电气系统及其他一些辅助处理设备。

多数火电厂采用煤炭作为一次能源,利用皮带传送技术,向锅炉输送经处理过的煤粉,煤粉燃烧加热锅炉使锅炉中的水变为水蒸汽,经一次加热之后,水蒸汽进入高压缸。为了提高热效率,应对水蒸汽进行二次加热,水蒸汽进入中压缸。通过利用中压缸的蒸汽去推动汽轮发电机发电。从中压缸引出进入对称的低压缸。已经作过功的蒸汽一部分从中间段抽出供给炼油、化肥等兄弟企业,其余部分流经凝汽器水冷,成为40度左右的饱和水作为再利用水。40度左右的饱和水经过凝结水泵,经过低压加热器到除氧器中,此时为160度左右的饱和水,经过除氧器除氧,利用给水泵送入高压加热器中,其中高压加热器利用再加热蒸汽作为加热燃料,最后流入锅炉进行再次利用。以上就是一次生产流程。

类型

  • 按其作用分,有单纯供电的和既发电又供热的(热电联产的热电厂)两类。
  • 按原动机分,主要有汽轮机发电、燃气轮机发电、柴油机发电(其他内燃机发电容量很小)。
  • 按所用燃料分,主要有燃煤发电、燃油发电、燃气(天然气)发电、垃圾发电(见垃圾电站)、沼气发电(见沼气电站)以及利用工业锅炉余热发电等。

为了提高经济效益,降低发电成本,保护大城市和工业区的环境,火力发电应尽量在靠近燃料基地的地方进行,利用高压输电或超高压输电线路把强大电能输往负荷中心。热电联产方式则应在大城市和工业区实施。

特点

火力发电厂是通过燃烧方式将燃煤、燃油等的化学能转化为电能的过程,除了一般电能生产的特点外,火力发电厂还有其自身的特点和要求。

必须安全可靠的生产

现代火力发电厂具有高温(火焰中心温度可达1500~1700℃,蒸汽温度可达600℃)、高压(主给水压力达30MPa甚至更高)、高转速(汽轮机转速3000r/min,给水泵转速6000r/min)、高电压(发电机电压35kV,母线电压110kV)的特点,因此生产过程中必须坚持“安全第一”的方针。要从规划设计、设备制造、施工生产运行检修,直至培训各个方面实行全面的安全管理。同时要采用先进的设备和手段,来提高设备的安全性。现代大容量再热机组的机、炉,电之间运行关系复杂,一般应具备自启停条件,并具备完善的闭锁保护、越限保护、自动停机等功能,电网应采用频率自动控制与功率自动控制装置。

在安全生产的同时,火力发电厂还必须有较高的可靠性,从而充分发挥供电设备的潜力,向用户保证不间断的供电和保证供电质量,充分发挥电力系统的经济效益。

力求较高的经济性

火力发电厂是技术与资金密集型企业,建设火力发电厂特别是大型电厂要耗费大量的人力、物力和财力,目前新建一个4×600MW的电厂,需要投资达60多亿元。因此,在保证安全可靠生产的同时要力求有较高的经济性,以尽快收回投资。火力发电厂发电的同时,其自身也是一个耗能大户,一个2×600MW的凝汽式电厂在满负荷情况下每天就要耗煤近万吨,如果每1kW·h电节约耗煤1g,那么一个1200MW电厂每年将节约标准煤8000多t,可见其节能潜力是很大的。为了降低煤耗,提高效率,除了采用高参数、大容量机组,在设备制造上采用新工艺、新材料,采用较合理的热力系统外,一个重要的方面就是在运行中尽量减少能量的贬值,减少各种不必要的损失和浪费。这需要电厂加强管理,不断提高运行人员的技术水平与责任心。近年来广泛采用的计算机能损在线监测系统、实时耗差分析等都在节能降耗方面取得了较好的效果。

不断提高自动化程度

随着机组的参数、容量的提高,设备的结构及系统结构也越来越复杂,常规的以运行人员为主的监控机组运行的方式,越来越困难,一台200MW机组就有监视项目600个、报警项目200个,仅靠运行人员监视操作很难保证机组的安全经济运行。因此不断提高自动化程度,不仅是安全经济运行的需要,也是改善运行人员劳动条件,提高生产率的需要。当前,大型机组都配备有自动化的监视控制系统,国内外纷纷引入电子计算机技术,以实现数据的采集与处理、CRT屏幕显示、制表打印、事故追忆、机组性能计算以至运行的自动控制等一系列功能。

搞好环境保护

火力发电厂对环境污染是多方面的。首先,锅炉排放的烟气中含有大量的粉尘和氧化氮、氧化硫等有害气体,其中粉尘会污染空气,有害健康,氧化硫(SOx)会形成酸雨,氧化氮(NOx)更是危害农作物生长和人体健康的害气体。其次,煤在燃烧后从炉膛下部排出的炉渣,以及除尘器下部和烟道尾部排出的灰,如果处理不当将其排入江河湖泊,也会造成严重的污染。另外,电厂产生的噪音、排放到江河湖泊的循环水等都会产生一定的污染。这些都是要采取一定的措施予以控制与防治的。

目前,大型火力发电厂普遍采用的静电除尘器能够除掉烟气中99%以上的粉尘,我国烟尘排放在1978年的时候是400万t,2007年减低为300万t左右。也就是说虽然电力工业大力发展,但是烟尘的排放量是下降的,与世界发达国家基本持平。

国内,烟气脱硫系统的脱硫效率可以达到93%以上,而且装备脱硫设施的火电机组占全部火电机组的比重逐年增加,2005~2007年分别为12%、30%和50%,2008年超过60%。同时,烟气的脱硝(氧化氮)系统也正在我国大型电厂推广,新建的1000MW机组都将同步配备脱硝装置。

在灰渣的综合利用上,目前取得了有益的经验,例如利用灰渣制造建筑材料、提取稀有金属、改良土壤等。国家已明令禁止向江河湖泊排放灰渣。

流程

火力发电的流程依所用原动机而异。

  • 在汽轮机发电方式中,其基本流程是先将燃料送进锅炉,同时送入空气,锅炉注入经过化学处理的给水,利用燃料燃烧放出的热能使水变成高温、高压蒸汽,驱动汽轮机旋转做功而带动发电机发电。
  • 热电联产方式则是在利用原动机的排汽(或专门的抽汽)向工业生产或居民生活供热。
  • 在燃气轮机发电方式中,基本流程是用压气机将压缩过的空气压入燃烧室,与喷入的燃料混合雾化后进行燃烧,形成高温燃气进入燃气轮机膨胀做功,推动轮机的叶片旋转并带动发电机发电。
  • 在柴油机发电中,基本流程是用喷油泵和喷油器将燃油高压喷入汽缸,形成雾状,与空气混合燃烧,推动柴油机旋转并带动发电机发电。

组成

根据火力发电的生产流程,其基本组成包括燃烧系统、 汽水系统(燃气轮机发电和柴油机发电无此系统,但这二者在火力发电中所占比重都不大)、电气系统、控制系统。

燃烧系统

  • 主要由锅炉的燃烧室(即炉膛)、送风装置,送煤(或油、天然气)装置、灰渣排放装置等组成。
  • 主要功能是完成燃料的燃烧过程,将燃料所含能量以热能形式释放出来,用于加热锅炉里的水。主要流程有烟气流程、通风流程、排灰出渣流程等。
  • 对燃烧系统的基本要求是:尽量做到完全燃烧,使锅炉效率≥90%;排灰符合标准规定。

汽水系统

  • 主要由给水泵、循环泵、给水加热器、凝汽器、除氧器、水冷壁及管道系统等组成。
  • 其功能是利用燃料的燃烧使水变成高温高压蒸汽,并使水进行循环。
  • 主要流程有汽水流程、补给水流程、冷却水流程等。
  • 对汽水系统的基本要求是汽水损失尽量少;尽可能利用抽汽加热凝结水,提高给水温度。

电气系统

  • 主要由电厂主接线、汽轮发电机、主变压器、配电设备、开关设备、发电机引出线、厂用结线、厂用变压器和电抗器、厂用电动机、保安电源、蓄电池直流系统及通信设备、照明设备等组成。
  • 基本功能是保证按电能质量要求向负荷或电力系统供电。主要流程包括供电用流程、厂用电流程。
  • 对电气系统的基本要求是供电安全、可靠;调度灵活;具有良好的调整和操作功能,保证供电质量;能迅速切除故障,避免事故扩大。

控制系统

  • 主要由锅炉及其辅机系统、汽轮机及其辅机系统、发电机及电工设备、附属系统组成。
  • 基本功能是对火电厂各生产环节实行自动化的调节、控制,以协调各部分的工况,使整个火电厂安全、合理、经济运行,降低劳动强度,提高生产率,遇有故障时能迅速、正确处理,以避免酿成事故。
  • 主要工作流程包括汽轮机的自起停、自动升速控制流程、锅炉的燃烧控制流程、灭火保护系统控制流程、热工测控流程、自动切除电气故障流程、排灰除渣自动化流程等。

弊端

烟气污染

煤炭直接燃烧产生的SO2、NOx等酸性气体不断增加,加剧了我国许多地区的酸雨。 该国每年生产140 万吨二氧化硫。

粉尘污染

对电站附近环境造成粉煤灰污染,对人们的生活及植物的生长造成不良影响。全国每年产生1500万吨烟尘。

资源消耗

发电的汽轮机通常选用水作为冷却介质,一座1000MW火力发电厂每日的耗水量约为 十万吨。全国每年消耗5000万吨标准煤。火力发电污染严重,电力工业已经成为中国最大的污染排放产业之一。

改进

利用压力转换技术提高发电效率;对烟尘采用脱硫除尘处理或改烧天然气;气轮机改用空气冷却,储电设备对稳定电压的消耗减小到极致;此外,产生的沸水能量利用率应在现有基础上大大提高,不仅仅局限于循环利用水资源和供暖,应考虑与热能源转化站进行合作。

能量转换


火力发电中存在着三种型式的能量转换过程:燃料化学能→ 蒸汽热能→机械能→ 电能。简单的说就是利用燃料发热,加热水,形成高温高压过热蒸汽,然后蒸汽沿管道进入汽轮机中不断膨胀做功,冲击汽轮机转子高速旋转,带动发电机转子(电磁场)旋转,定子线圈切割磁力线,发出电能,再利用升压变压器,升到系统电压,与系统并网,向外输送电能。最后冷却后的蒸汽又被给水泵进一步升压送回锅炉中重复参加上述循环过程。

目录
1.
简介
2.
原理
3.
类型
4.
特点
5.
流程
6.
组成
7.
弊端
8.
能量转换
讨论