發(fā)電廠熱力設(shè)備 第四章 熱力發(fā)電與核電

概述第一節(jié)熱力發(fā)電常用循環(huán)第二節(jié)熱力系統(tǒng)第三節(jié)熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)第四節(jié)新型熱力循環(huán)/能源系統(tǒng)第五節(jié)核能發(fā)電原理及系統(tǒng)第六節(jié)核電的經(jīng)濟(jì)性與安全性、可靠性第四章熱力發(fā)電與核電概述以煤、石油、天然氣等化石燃料及鈾等核燃料作為能源的發(fā)電，均稱為熱力發(fā)電。對(duì)于用核燃料的發(fā)電，常稱為核能發(fā)電，簡(jiǎn)稱核電。

圖4-1表示了蒸汽動(dòng)力的熱力發(fā)電的生產(chǎn)過程和所需的主要設(shè)備。熱力發(fā)電廠通常按照蒸汽參數(shù)（即蒸汽的壓力和溫度）來分類。電廠容量的單位是兆瓦（MW）。蒸汽參數(shù)較低的電廠，其容量一般較小，而蒸汽參數(shù)高的電廠，容量則較大。

今將我國熱電廠采用的蒸汽參數(shù)和相應(yīng)的電廠容量歸納成表4-1。表中的數(shù)據(jù)僅是提供一個(gè)參考值,不是一種嚴(yán)格的分類標(biāo)準(zhǔn)。

插圖4-1及4-2是兩張熱電廠的全景照片，由此可看到煤場(chǎng)、鍋爐房等各工作場(chǎng)所。項(xiàng)目電廠類型氣壓//MPa汽溫/℃電廠和機(jī)組容量的大致范圍鍋爐汽輪機(jī)鍋爐汽輪機(jī)中溫中壓電廠高溫高壓電廠超高壓電廠亞臨界壓力電廠超臨界壓力電廠超超臨界壓力電廠4.010.014.018.0>22.0>32.03.59.013.517.0>22.0>32.0450540540540545>600435535535535540>60010－200MW的中小型電廠(6－50MW機(jī)組)100－600MW的大中型電廠(25－100MW機(jī)組)250MW以上的大型電廠（125－200MW機(jī)組）600MW以上的大型電廠（300，600MW機(jī)組）1000MW以上的大型電廠（300，600，800MW機(jī)組）1000MW以上的大型電廠（1000MW機(jī)組）表4－1我國熱電廠按蒸汽參數(shù)的分類插圖4-1熱力發(fā)電廠插圖4-2熱力發(fā)電廠第一節(jié)熱力發(fā)電常用循環(huán)

一．回?zé)嵫h(huán)

圖4-2是只從汽輪機(jī)中間抽一次汽來回?zé)峒訜岬恼羝麆?dòng)力裝置示意圖。具有一次抽汽的蒸汽動(dòng)力回?zé)嵫h(huán)熱效率計(jì)算式（其中忽略水泵功耗）為（4-1）

圖4-2具有一次抽汽的回?zé)嵫h(huán)裝置示意圖a)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖b)回?zé)嵫h(huán)圖1-給水泵；2-鍋爐；3-過熱器；4-汽輪機(jī)；5-發(fā)電機(jī)；6-冷凝器；7-凝結(jié)水泵；8-加熱器。式中，α為抽汽份額，可由下式求得（4-2）回?zé)嵫h(huán)的熱效率必大于朗肯循環(huán)，抽汽回?zé)岬募?jí)數(shù)常用的是2-4級(jí)。二、再熱循環(huán)再熱循環(huán)及其裝置表示在圖4-3。通過分析，可求得理想的再熱循環(huán)的熱效率為（4-3）圖4-3再熱循環(huán)裝置示意圖

a)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖b)再熱循環(huán)圖1-凝結(jié)水泵；2-鍋爐；3-過熱器；4-再熱器；5-高壓汽輪機(jī)；6-低壓汽輪機(jī)；7-發(fā)電機(jī)；8-冷凝器

再熱的目的主要在于增加乏汽干度，以便在一定的初溫限度下能夠采用更高的初壓力，從而提高循環(huán)熱效率。通常只有大型火力發(fā)電廠并且壓力在13MPa以上時(shí)采用。而采用再熱循環(huán)的發(fā)電廠同時(shí)也采用回?zé)嵫h(huán)。三、熱電聯(lián)產(chǎn)循環(huán)將電廠中為了實(shí)現(xiàn)熱變?yōu)楣λ仨毞懦龅臒崃康牟糠只蛉坑脕砉┙o熱用戶的需要，從而形成既產(chǎn)熱又產(chǎn)電的熱電聯(lián)產(chǎn)循環(huán)，或叫熱電循環(huán)。熱電廠的熱電聯(lián)產(chǎn)循環(huán)有背壓式汽輪機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)和抽汽式汽輪機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)兩種，分別如圖4-4和圖4-5所示。對(duì)于背壓式汽輪機(jī)，在承擔(dān)基本負(fù)荷的情況下比較合適。抽汽式汽輪機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)的應(yīng)用更為普遍。熱電聯(lián)產(chǎn)既供熱又供電，常用兩個(gè)指標(biāo)來確定其經(jīng)濟(jì)性：

（1）熱電廠的燃料利用系數(shù)η（舊稱為總熱效率）圖4-4背壓式熱電廠汽水系統(tǒng)簡(jiǎn)圖1-鍋爐；2-過熱器；3-背壓式汽輪機(jī)；4-熱用戶；5-凝結(jié)水泵；6-發(fā)電機(jī)圖4-5抽汽式熱電廠汽水系統(tǒng)簡(jiǎn)圖1-鍋爐；2-過熱器；3-抽汽式汽輪機(jī)；4-發(fā)電機(jī)；5-冷凝器；6-凝結(jié)水泵；7-熱用戶；8-加熱器；9-給水泵（4-4）（2）熱電比ω（4-5）熱電廠的燃料利用系數(shù)年平均應(yīng)大于45%；單機(jī)容量5-20萬千瓦以下熱電機(jī)組，熱電比平均應(yīng)大于50%。

插圖4-3及插圖4-4分別是在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的條件下，進(jìn)行熱電聯(lián)供和熱電/冷聯(lián)供系統(tǒng)圖。插圖4-3插圖4-4四、燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)不補(bǔ)燃的余熱鍋爐型的燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)，如圖4-6所示。目前這種聯(lián)合循環(huán)使用的是液體燃料或天然氣（也可為焦?fàn)t煤氣）。其供電效率已達(dá)到50-52％，遠(yuǎn)高于其它形式的發(fā)電設(shè)備，并能成為承擔(dān)基本負(fù)荷的大功率的獨(dú)立電廠。燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)有四種基本方式：不補(bǔ)燃的余熱鍋爐型方案。②有補(bǔ)燃的余熱鍋爐型方案，如圖4-7所示?？稍龃舐?lián)合循環(huán)的單機(jī)功率。圖4-6不補(bǔ)燃的余熱鍋爐型方案1-壓氣機(jī)2-燃燒室3-燃?xì)馔钙?-余熱鍋爐5-蒸汽透平6-發(fā)電機(jī)7-凝汽器8-給水加熱器圖4-7有補(bǔ)燃的余熱鍋爐型方案1-壓氣機(jī)2-燃燒室3-燃?xì)馔钙?-余熱鍋爐5-蒸汽透平6-發(fā)電機(jī)7-凝汽器8-給水加熱器③增壓鍋爐型方案，如圖4-8所示。④加熱鍋爐給水型方案，如圖4-9所示。僅在用燃?xì)廨啓C(jī)來改造和擴(kuò)建原有蒸汽輪機(jī)電站時(shí)才會(huì)應(yīng)用。

圖4-10為上述燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)前三種基本方式的T-S圖。燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)實(shí)質(zhì)上是把燃?xì)廨啓C(jī)的“布雷頓循環(huán)”與蒸汽輪機(jī)的“朗肯循環(huán)”組合為一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)。圖4-10中的1-2-3-4-1為燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)際循環(huán)過程，6-7-8-9-10-6為蒸汽輪機(jī)的實(shí)際循環(huán)過程。圖4-8增壓型鍋爐方案1-壓氣機(jī)2-燃?xì)馔钙?-增壓鍋爐4-蒸汽透平5-發(fā)電機(jī)6-凝汽器

7-給水加熱器8-排氣換熱器圖4-9加熱鍋爐給水型方案1-壓氣機(jī)；2-燃燒室；3-燃?xì)馔钙剑?-蒸汽鍋爐；5-汽輪機(jī)；6-發(fā)電機(jī)；7-凝汽器；8-水泵；9-熱水余熱鍋爐

圖4-10三種燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)方案的T-S圖第二節(jié)熱力系統(tǒng)

一．發(fā)電廠原則性熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng)是熱力發(fā)電廠實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換熱力部分的工藝系統(tǒng)。。以范圍劃分，熱力系統(tǒng)可分為全廠和局部?jī)深悺＞植康南到y(tǒng)又可分主要熱力設(shè)備（如汽輪機(jī)本體、鍋爐本體等）和各種局部功能系統(tǒng)（如主蒸汽系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、主凝結(jié)水系統(tǒng)、回?zé)嵯到y(tǒng)、供熱系統(tǒng)、抽空氣系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等）兩種。全廠熱力系統(tǒng)則是以汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)為中心，將汽輪機(jī)、鍋爐和其他所有局部熱力系統(tǒng)有機(jī)組合而成的。按用途來劃分，熱力系統(tǒng)可分為原則性和全面性兩類。熱力系統(tǒng)圖廣泛用于設(shè)計(jì)研究和運(yùn)行管理。原則性熱力系統(tǒng)圖是一種原理性圖。對(duì)機(jī)組和全廠而言，如汽輪機(jī)（或回?zé)幔┑脑瓌t性熱力系統(tǒng)、發(fā)電廠的原則性熱力系統(tǒng)，它們主要用來反映在某一工況下系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性（一般都說明設(shè)計(jì)工況或其他特殊工況下的熱經(jīng)濟(jì)性）；對(duì)不同功能的各種熱力系統(tǒng)，如主蒸汽、給水、主凝結(jié)水等系統(tǒng)，其原則性熱力系統(tǒng)則是用來反映該系統(tǒng)的主要特征。全面性熱力系統(tǒng)圖是實(shí)際熱力系統(tǒng)的反映，它包括不同運(yùn)行工況下的所有系統(tǒng)，以此全面顯示出該系統(tǒng)的安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性和靈活性。對(duì)不同范圍的熱力系統(tǒng)，都有其相應(yīng)的原則性和全面性熱力系統(tǒng)圖。如回?zé)岬脑瓌t性和全面性熱力系統(tǒng)圖，主蒸汽的原則性和全面性熱力系統(tǒng)圖等。

圖4-11為國產(chǎn)N300-16.18/550/550型再熱式汽輪機(jī)配1000/16.77/555型直流鍋爐的發(fā)電廠原則性熱力系統(tǒng)圖。建設(shè)火力發(fā)電廠時(shí)，必須擬訂出一個(gè)合理的原則性熱力系統(tǒng)，并進(jìn)行熱力系統(tǒng)的計(jì)算。發(fā)電廠的原則性熱力系統(tǒng)計(jì)算是針對(duì)全廠的，故也可簡(jiǎn)稱為全廠熱力系統(tǒng)計(jì)算。

圖4-11國產(chǎn)N300-16.18/550/550型機(jī)組發(fā)電廠原則性熱力系統(tǒng)p-壓力t-溫度通過發(fā)電廠的原則性熱力系統(tǒng)計(jì)算，可確定電廠在某一運(yùn)行方式時(shí)各部分汽水流量和參數(shù)及該工況下全廠的熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，并以最大負(fù)荷工況時(shí)計(jì)算結(jié)果，作為選擇鍋爐、熱力輔助設(shè)備和管道的依據(jù)。發(fā)電廠原則性熱力系統(tǒng)計(jì)算的基本方法是，對(duì)系統(tǒng)中換熱設(shè)備建立物質(zhì)平衡式和熱平衡式，逐個(gè)地按“由外到內(nèi)”，再“從高到低”的順序進(jìn)行計(jì)算。

[例4-1]某汽輪發(fā)電機(jī)組的回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)如圖4-12所示。今已知該機(jī)組的功率Pe=6000kW，汽輪機(jī)進(jìn)口的蒸汽焓ho=3305.1kJ/kg，機(jī)械效率ηm=0.99，發(fā)電機(jī)效率ηg=0.98，鍋爐效率ηb=0.85，管道效率ηp=0.98，試求各級(jí)抽汽份額，機(jī)組汽耗量D0

和汽耗率d0、機(jī)組熱耗率q0和絕對(duì)電效率ηe、全廠熱效率ηcp和標(biāo)準(zhǔn)煤耗率（計(jì)算中可不計(jì)散熱損失和不考慮在泵中的焓升）。圖4-12三級(jí)回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)1-高壓加熱器2-給水泵3-除氧器4-疏水泵5-低壓加熱器6-凝結(jié)水泵7-冷凝器解：高壓加熱器熱平衡式為則汽輪機(jī)的第一級(jí)抽汽份額為除氧器熱平衡式為而設(shè)則進(jìn)入除氧器的凝結(jié)水的焓則得汽輪機(jī)的第二級(jí)抽汽（用于除氧器加熱除氧）份額為低壓加熱器熱平衡式為而故得汽輪機(jī)的第三級(jí)抽汽份額為相應(yīng)于汽輪機(jī)排汽的主凝結(jié)水份額為因?yàn)楹突旌隙桑视纱丝蓹z驗(yàn)的焓值為此值和前面的假設(shè)值幾乎相等，可以把和值作為計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后續(xù)的運(yùn)算。為進(jìn)一步驗(yàn)證上述計(jì)算結(jié)果的正確性，可對(duì)汽輪機(jī)的作功情況進(jìn)行核算。汽輪機(jī)進(jìn)汽1kg的實(shí)際焓降（即實(shí)際作功量）反平衡檢驗(yàn)因說明上述計(jì)算正確。由式（4-19）汽耗量D0為汽耗率d0由式（4-23）可得機(jī)組熱耗率q0為機(jī)組絕對(duì)電效率由式（4-13）可得全廠熱效率由式（4-14）可得全廠發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率由式（4-24）可得二、發(fā)電廠全面性熱力系統(tǒng)一般發(fā)電廠全面性熱力系統(tǒng)由以下各局部系統(tǒng)組成：主蒸汽和再熱蒸汽系統(tǒng)、回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)、給水系統(tǒng)、除氧系統(tǒng)、旁路系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)等，今簡(jiǎn)述如下。

1．主蒸汽和再熱蒸汽系統(tǒng)鍋爐和汽輪機(jī)之間的蒸汽管道及母管與各設(shè)備的支管，稱為發(fā)電廠的主蒸汽管道。對(duì)于中間再熱機(jī)組，有再熱蒸汽管道。發(fā)電廠的主蒸汽管道系統(tǒng)有單母管制、切換母管制和單元制系統(tǒng)如圖4-13所示?，F(xiàn)代大型火電機(jī)組都是單元制機(jī)組。

2．回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)現(xiàn)代凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組都采用給水回?zé)峒訜?，見圖4-11。

3．給水系統(tǒng)給水系統(tǒng)是指從除氧器給水箱下降管入口到省煤器進(jìn)口之間的管道閥門和附件的總稱。其中包括低壓給水系統(tǒng)和高壓給水系統(tǒng)，以給水泵為界。圖4－13發(fā)電廠的主蒸汽管道系統(tǒng)（a）單母管制(b)切換母管制(c)單元制要求給水系統(tǒng)在發(fā)電廠的任何運(yùn)行形式下都能保證不間斷地向鍋爐供水。

1）單母管制系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)有三根單母管，即給水泵入口側(cè)的低壓吸水母管、給水泵出口側(cè)的壓力母管和鍋爐給水母管。

2）切換母管制系統(tǒng)

3）單元制系統(tǒng)單元制系統(tǒng)適用于中間再熱凝汽式或中間再熱供熱式機(jī)組的發(fā)電廠。

4．除氧系統(tǒng)水中的氧會(huì)造成金屬的腐蝕，還會(huì)影響傳熱效果，降低傳熱效率，故必須有除氧系統(tǒng)來清除氧。電廠所采用的除氧方法是熱力除氧。除氧器的結(jié)構(gòu)型式有水膜式、淋水盤式和噴霧式幾種型式。根據(jù)除氧器壓力大小又分為真空式、大氣式和高壓除氧器。對(duì)于高參數(shù)的機(jī)組，一般采用高壓除氧器。

5．旁路系統(tǒng)旁路系統(tǒng)是指高參數(shù)蒸汽不通過汽輪機(jī)的通流部分，而是經(jīng)過與汽輪機(jī)并聯(lián)的減溫減壓器，將降壓減溫后的蒸汽送到低一級(jí)的蒸汽管道或是與凝汽器連結(jié)的管道系統(tǒng)。旁路系統(tǒng)的主要作用是：（1）保護(hù)再熱器。（2）回收工質(zhì)和熱量，降低噪聲。（3）加快啟動(dòng)速度，改善啟動(dòng)條件。常見的旁路系統(tǒng)有：汽輪機(jī)Ⅰ級(jí)旁路，也稱高壓旁路；汽輪機(jī)Ⅱ級(jí)旁路，也稱低壓旁路；汽輪機(jī)Ⅲ級(jí)旁路，也稱大旁路。第三節(jié)熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)一、凝汽式電廠熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)世界各國目前均用熱量法制定了全廠的和汽輪發(fā)電機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。這些指標(biāo)分為：熱效率，能耗和能耗率三類。一．熱效率熱效率（或熱量利用率）η的表達(dá)式為：凝汽式發(fā)電廠的能量轉(zhuǎn)換過程可見圖4-14。圖4-14凝汽式電廠的能量轉(zhuǎn)換與上述每一過程相對(duì)應(yīng)著的熱力設(shè)備及其熱效率有：

1.鍋爐效率ηｂ（4-6）

2.主蒸汽管道效率ηp

（4-7）現(xiàn)代電廠的管道效率ηp=0.98-0.99。

3.汽輪機(jī)的絕對(duì)內(nèi)效率ηi

對(duì)于凝汽式汽輪機(jī)，其能量平衡式為（4-8）則：（4-9）或：（4-10）

ηi對(duì)于蒸汽動(dòng)力循環(huán)，稱作循環(huán)的實(shí)際效率。對(duì)于汽輪機(jī)的實(shí)際內(nèi)功率Ｗi而言，稱作汽輪機(jī)的絕對(duì)內(nèi)效率，簡(jiǎn)稱ηi為汽輪機(jī)內(nèi)效率。

4.機(jī)械傳動(dòng)效率ηm和發(fā)電機(jī)效率ηg（4-11）（4-12）一般ηm=0.99，ηg=0.98～0.995.汽輪發(fā)電機(jī)組的絕對(duì)電效率ηe

（4-13）汽輪機(jī)的內(nèi)效率ηi在ηe占主導(dǎo)地位。

6.凝汽式電廠熱效率ηcp

（4-14）

ηcp是發(fā)電的熱效率，又稱為電廠的毛熱效率?？廴S用電容量Pap（kW）的全廠熱效率稱“供電熱效率”或“凈熱效率”

（4-15）式中,:廠用電率，我國125-200MW機(jī)組電廠廠用電率為6-8.5％左右；300MW以上機(jī)組電廠為4.7-5.5％左右。二．能耗生產(chǎn)電功率Pe的單位時(shí)間能耗有：電廠煤耗B、電廠熱耗Qcp、汽輪機(jī)熱耗Qo和汽輪機(jī)汽耗Do。它們除反映熱經(jīng)濟(jì)性外，還與產(chǎn)量（Pe或Wi）有關(guān)。由上述熱效率關(guān)系式可得：（4-16）（4-17）

（4-18）（4-19）三．能耗率（單位發(fā)電量的能耗）電廠煤耗率：（4-20）電廠熱耗率:（4-21）汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組熱耗率:（4-22）汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組汽耗率:（4-23）采用“標(biāo)準(zhǔn)煤耗率”作為通用的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，而b則稱為“實(shí)際煤耗率”。標(biāo)準(zhǔn)煤的低位發(fā)熱值=29270kJ/kg，則標(biāo)準(zhǔn)煤耗率[kg標(biāo)煤/()]表達(dá)式為：（4-24）標(biāo)準(zhǔn)煤耗率與實(shí)際煤耗率b的關(guān)系由下式可得。（4-25）

又稱“發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率”它對(duì)應(yīng)于電廠發(fā)電熱效率。對(duì)應(yīng)電廠供電熱效率的標(biāo)準(zhǔn)煤耗率則稱“供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率”[kg標(biāo)煤/(kW?h)]其表達(dá)式為（4-26）汽耗率do不能單獨(dú)用作熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。只有當(dāng)q0一定時(shí)，do才能作為熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。因（4-27）表4-2(略)為國產(chǎn)汽輪發(fā)電機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。二、熱電廠熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)熱電廠的熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比凝汽式電廠和供熱鍋爐房要復(fù)雜得多。反映熱電廠的熱經(jīng)濟(jì)性除了用總的熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)以外，還必須有生產(chǎn)熱、電兩種產(chǎn)品的分項(xiàng)指標(biāo)，簡(jiǎn)述如下。

1．燃料利用系數(shù)：熱電廠的能量輸出和輸入的比值，即式（4-4）。它反映熱電廠中燃料有效利用程度在數(shù)量上的關(guān)系，因而是一個(gè)數(shù)量指標(biāo)。

2．熱化發(fā)電率：供熱機(jī)組熱電聯(lián)產(chǎn)部分的熱化發(fā)電量與熱化供熱量的比值。它反映熱、電聯(lián)產(chǎn)的質(zhì)量指標(biāo)。

3．發(fā)電方面的熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：熱電廠發(fā)電量與發(fā)電分擔(dān)總熱耗分額的比值，它可以表示為發(fā)電熱效率、發(fā)電熱耗率及發(fā)電煤耗率。

4．供熱方面的熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：熱電廠供熱量與供熱分擔(dān)總熱耗分額的比值，它可以表示為供熱熱效率及供熱煤耗率。熱電廠中發(fā)電和供熱兩方面分擔(dān)總熱耗的辦法，目前有3種，即熱量法、實(shí)際焓降法、作功能力法。第四節(jié)新型熱力循環(huán)/能源系統(tǒng)一、注蒸汽燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)蒸汽燃?xì)廨啓C(jī)是近年來發(fā)展起來的一門新技術(shù)，它是利用燃?xì)廨啓C(jī)排出的高溫燃?xì)?，通過余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽并回注到燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室中去的一種熱力循環(huán)，如圖4-15、圖4-16所示。同燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)相比，熱效率相近；注蒸汽燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)不再配置蒸汽輪機(jī)和凝汽器等設(shè)備，使整個(gè)系統(tǒng)變得簡(jiǎn)單，減少投資，具有良好的經(jīng)濟(jì)性；機(jī)組可適用于有一定變化范圍的電力負(fù)荷圖4-15注蒸汽燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)圖圖4-16注蒸汽燃?xì)廨啓C(jī)T-S圖

和熱負(fù)荷，功輸出和熱輸出之間可靈活地匹配調(diào)整。注蒸汽燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)的不足是：蒸汽膨脹后經(jīng)余熱鍋爐排向大氣，膨脹背壓比采用冷凝器高，致使蒸汽的作功能力不能充分發(fā)揮；需配置較大的補(bǔ)充水和凈化水處理設(shè)備，要比常規(guī)聯(lián)合循環(huán)耗水量約大將近40％。由于注蒸汽燃?xì)廨啓C(jī)的明顯優(yōu)點(diǎn)，目前已成國內(nèi)外重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)。二、燃煤聯(lián)合循環(huán)燃煤聯(lián)合循環(huán)則是一種既滿足生態(tài)環(huán)保的要求，又能高效利用煤資源的新型模式發(fā)電技術(shù)。

1．整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）

IGCC，見圖4-17。它由煤氣發(fā)生系統(tǒng)及凈化系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)及有關(guān)附屬系統(tǒng)等構(gòu)成。汽化裝置有三類：噴流床、流化床和固定床。

IGCC可沿用燃油／氣聯(lián)合循環(huán)現(xiàn)有技術(shù)，較易實(shí)行，熱效率已達(dá)40％～46％；脫硫比較徹底（＞97％）；排渣處理方便；CO2、NOｘ等有害排放物量也大大低于常規(guī)燃煤電站。目前煤氣化與凈化的熱損失還偏大，初投資也相對(duì)較高。

2．流化床燃煤聯(lián)合循環(huán)(FBC-CC)PFBC-CC（即增壓流化床燃煤聯(lián)合循環(huán)）是采用增壓流化床和燃?xì)廨啓C(jī)代替燃煤鍋爐，煤在高壓條件下燃燒產(chǎn)生高溫燃?xì)?，?jīng)除塵后，推動(dòng)燃?xì)馔钙阶鞴?。它燃用劣質(zhì)煤的優(yōu)勢(shì)明顯，即使燃用含7％硫量和30％～40％灰份的煤時(shí)，也能達(dá)到97％～98％燃燒效率和85％以上的固硫率。圖4-17IGCC熱力系統(tǒng)示意圖第二代PFBC-CC（圖4-18）。

PFBC—CC系統(tǒng)熱效率已達(dá)41％左右，將來會(huì)超過50％。PFBC—CC系統(tǒng)是以蒸汽發(fā)電作為主導(dǎo)部分（超過60％），對(duì)現(xiàn)有汽輪機(jī)電站更新改造來說，為更加實(shí)用的技術(shù)。

3．外燃式燃煤聯(lián)合循環(huán)(EFCC)EFCC系統(tǒng)包括一個(gè)外燃式燃?xì)廨啓C(jī)頂循環(huán)和一個(gè)汽輪機(jī)底循環(huán)。新型的高溫爐為其特有的關(guān)鍵技術(shù)。圖4-19為帶補(bǔ)燃的EFCC系統(tǒng)。

圖4-18PFBC-CC系統(tǒng)示意圖

1-氣化爐2-熱煤氣凈化裝置3-預(yù)置燃燒室4-壓縮機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)組5-發(fā)電機(jī)6-煙囪7-余熱鍋爐8-汽輪機(jī)9-增壓流化床10-冷凝器

圖4-19EFCC系統(tǒng)圖1-高溫爐2-預(yù)置燃燒室3-壓縮機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)組4-發(fā)電機(jī)5-汽輪機(jī)6-余熱鍋爐7-煙囪8-冷凝器系統(tǒng)熱效率可接近40％，帶補(bǔ)燃的為45％～47％。較適合于中小功率范圍，對(duì)中小型汽輪機(jī)電站更新改造的應(yīng)用前景較好。

4．直接燃煤粉（或水煤漿）聯(lián)合循環(huán)(DFCC)

燃?xì)廨啓C(jī)直接燃煤，最能體現(xiàn)出其固有特性：系統(tǒng)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行可靠和效率高。早期采用干煤粉直接燃燒，80年代多級(jí)液態(tài)排渣直接燃煤技術(shù)取得突破。

5．整體煤氣化燃料電池聯(lián)合循環(huán)(IGFC-CC)

IGFC-CC是一種新型的高效潔凈的發(fā)電系統(tǒng)，由燃料電池、煤氣化爐、熱煤氣凈化系統(tǒng)及燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)等組成（圖4-20）。其核心是燃料電池。熔融碳酸鹽型（MCFC）燃料電池是當(dāng)前發(fā)展的重點(diǎn)。

6．磁流體發(fā)電聯(lián)合循環(huán)(MHD-CC)

磁流體發(fā)電聯(lián)合循環(huán)(MHD-CC)是將磁流體發(fā)電技術(shù)和燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)相結(jié)合，如圖4-21。目前人們多寄厚望于IGCC和PFBC-CC，它們已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)驗(yàn)證階段。圖4-20

IGFC-CC發(fā)電系統(tǒng)示意圖1-氣化爐2-膨脹機(jī)3-熱煤氣凈化裝置4-熔融碳酸鹽燃料電池5-發(fā)電機(jī)6-壓縮機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)組7-燃燒室8-余熱鍋爐9-汽輪機(jī)10-冷凝器11-煙囪圖4-21

MHD-CC發(fā)電系統(tǒng)1-燃燒室2-MHD發(fā)電裝置3-壓縮機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)組4-冷凝器5-余熱鍋爐6-煙囪7-汽輪機(jī)三、濕空氣燃汽輪機(jī)（ＨＡＴ）循環(huán)

HAT（HumidAirTurbine）循環(huán)為并聯(lián)型布雷頓和朗肯聯(lián)合循環(huán),圖4-22為熱力系統(tǒng)圖。它與注蒸汽燃汽輪機(jī)循環(huán)相像，都采用空氣蒸汽混合工質(zhì)。但其透平排熱是用于加熱濕空氣，排煙溫度可更低，回收余熱充分，是一種高效率、高比功特點(diǎn)的新型熱力循環(huán)。圖4-22HAT

循環(huán)熱力系統(tǒng)示意圖C1-中冷器C2-后冷器H-熱水器R-回?zé)崞鱏-飽和器OC-燃燒室LC-低壓壓氣機(jī)

HC-高壓壓氣機(jī)T-燃?xì)廨啓C(jī)四、多聯(lián)產(chǎn)（集成）系統(tǒng)多聯(lián)產(chǎn)（集成）系統(tǒng)是從整體最優(yōu)角度、跨越行業(yè)界限所提出的，一種高度靈活的資源/能源/環(huán)境一體化系統(tǒng)（圖4-23），這是一種有機(jī)的耦合和集成，故稱之多聯(lián)產(chǎn)（集成）系統(tǒng)，區(qū)別于以往的二聯(lián)產(chǎn)、三聯(lián)產(chǎn)等多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。多聯(lián)產(chǎn)（集成）系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是多種產(chǎn)品生產(chǎn)過程的優(yōu)化耦合，從而達(dá)到能源的高利用效率、低能耗、低投資和運(yùn)行成本、以及最少的污染物排放。目前的多聯(lián)產(chǎn)（集成）系統(tǒng)一般是指利用從單一的設(shè)備（氣化爐）中產(chǎn)生的"合成氣"（主要成分為CO＋H2），來進(jìn)行跨行業(yè)、跨部門的生產(chǎn)，以得到多種具有高附加值的化工產(chǎn)品、液體燃料（甲醇、F－T合成燃料、二甲醚、城市煤氣、氫氣）、以及用于工藝過程的熱和進(jìn)行發(fā)電等。多聯(lián)產(chǎn)（集成）系統(tǒng)有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

1．以煤氣化為中心的潔凈技術(shù)

2．多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中各部分可以進(jìn)行靈活鏈接和耦合

3．多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)減少溫室氣體CO2的排放

4．為今后氫能的發(fā)展提供能源基礎(chǔ)

5．多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是具有發(fā)展?jié)摿Φ拈_放系統(tǒng)圖4－23資源

、能源、環(huán)境一體化系統(tǒng)第五節(jié)核能發(fā)電原理及系統(tǒng)

一．核能發(fā)電的基本原理

1．原子核的裂變當(dāng)利用中子去轟擊鈾元素時(shí)，鈾的原子核吸收中子后，分裂成兩部分。核物理學(xué)家把核分裂現(xiàn)象稱為“裂變”。鈾—235原子核發(fā)生裂變的同時(shí)，除了釋放熱能外，還能發(fā)生自持式鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。當(dāng)反應(yīng)堆維持在某一功率水平運(yùn)行時(shí)，裂變數(shù)也處于一平衡值。必須對(duì)反應(yīng)速度加以控制，使之維持在一定的水平，才能穩(wěn)定地源源不斷地獲取能量。裂變反應(yīng)還產(chǎn)生裂變中子。但是剛從核反應(yīng)中產(chǎn)生的中子速度太快，在鈾原子核附近滯留的時(shí)間很短，與原子核反應(yīng)的機(jī)會(huì)太少。因此，必須將剛產(chǎn)生的快速中子的速度減慢，能夠有效地使中子速度減慢的材料叫做慢化劑（又稱減速劑）。在實(shí)際中使用比較多的慢化劑有普通的純凈水、重水和石墨等。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)必須先提供第一個(gè)中子才能連續(xù)不斷地進(jìn)行下去。在鈾燃料中占主要的鈾-238，具有自發(fā)裂變的能力，可以自發(fā)地放出中子。以滿足鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的需要。

2．核電站工質(zhì)系統(tǒng)構(gòu)成核電站目前使用的核燃料為鈾-235。實(shí)際使用中，慢化劑同時(shí)又作為載熱劑（或稱冷卻劑），以帶走核反應(yīng)堆所產(chǎn)生的熱量。同時(shí)，由于核電站中的原動(dòng)機(jī)為蒸汽輪機(jī)，因此動(dòng)力循環(huán)的工質(zhì)必為水蒸汽。不同反應(yīng)堆堆型的載熱劑回路即核動(dòng)力工質(zhì)回路（簡(jiǎn)稱工質(zhì)回路）有所不同，有單回路、雙回路和三次回路核電站。（1）．單回路系統(tǒng)在單回路核電站熱力系統(tǒng)圖4-24(a)中，載熱劑回路與工質(zhì)回路重合。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)簡(jiǎn)單，設(shè)備造價(jià)較低。缺點(diǎn)是載熱劑有放射性，對(duì)汽輪機(jī)及廠房需設(shè)置屏蔽。（2）．雙回路系統(tǒng)如圖4－24(b)，載熱劑回路與工質(zhì)回路是分開的。工質(zhì)回路稱為二回路，與常規(guī)的熱力發(fā)電廠汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組基本相同。在其他條件相同的情況下，雙回路熱力系統(tǒng)和電站的經(jīng)濟(jì)性總是比單回路熱力系統(tǒng)低。但1kW裝機(jī)容量的造價(jià)幾乎相同。（3）．三次回路系統(tǒng)該系統(tǒng)以液態(tài)金屬作為載熱劑。為了防止因鈉與水接觸引起劇烈的化學(xué)反應(yīng)而使放射性物質(zhì)從一回路溢出，需要設(shè)置壓力比一回路高的附加中間回路，這種核電站的熱力系統(tǒng)就成為三次回路系統(tǒng)圖4-24(c)。圖4－24核電站中的工質(zhì)回路1.反應(yīng)堆2.汽輪機(jī)3.發(fā)電機(jī)4.冷凝器5.給水泵6.9.循環(huán)泵7.8.蒸汽發(fā)生器

3．核反應(yīng)堆核電站所用的反應(yīng)堆，是一種進(jìn)行原子核裂變反應(yīng)產(chǎn)生熱量并且有控制地將熱量取出供發(fā)電利用的裝置。反應(yīng)堆是核電站的核心組成部分。由于慢化劑、冷卻劑及結(jié)構(gòu)形式不同，可將核反應(yīng)堆分為輕水堆、重水堆和氣冷堆三種。輕水堆是指用加壓的普通純凈水慢化和冷卻的反應(yīng)堆。如果不允許水在堆內(nèi)沸騰，則稱壓水堆；如果允許水在堆內(nèi)沸騰，則稱沸水堆。輕水堆是目前最主要的堆型。重水堆是指用重水慢化的反應(yīng)堆。氣冷堆是指用石墨慢化，二氧化碳或氦氣冷卻的反應(yīng)堆。世界上核電站以壓水堆為主。我國都是壓水堆核電站。其原因如下：⑴壓水堆的投資低。⑵壓水堆技術(shù)上最成熟。⑶壓水堆安全。⑷我國已初步具備建設(shè)壓水堆的工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)。

4．壓水堆核電站熱力系統(tǒng)

圖4-25為壓水堆核電站熱力系統(tǒng)圖，這是一個(gè)三次回路系統(tǒng)。整個(gè)壓水堆象一臺(tái)大鍋爐，反應(yīng)堆相當(dāng)于爐，蒸汽發(fā)生器相當(dāng)于鍋，通過一回路將鍋與爐連結(jié)在一起。壓力殼、蒸汽發(fā)生器、泵、穩(wěn)壓罐及有關(guān)閥門的整個(gè)系統(tǒng)，是一回路的壓力邊界。它們都安置在安全殼內(nèi)，稱之為核島。蒸汽發(fā)生器是分隔并連結(jié)一、二回路的關(guān)鍵設(shè)備。圖4-25壓水堆核電站熱力系統(tǒng)圖1-控制棒2-壓力殼3-穩(wěn)壓罐4-蒸汽發(fā)生器5-高壓汽輪機(jī)

6-汽水分離器7-低壓汽輪機(jī)8-發(fā)電機(jī)9-三回路循環(huán)泵10-冷凝器11-低溫預(yù)熱器12-二回路循環(huán)泵13-高溫預(yù)熱器14-一回路循環(huán)泵15-燃料元件三回路是一個(gè)開式回路，冷凝器實(shí)質(zhì)上是二回路與三回路之間的熱交換器。三回路的用水量是很大的。一座1000MW的壓水堆，三回路每小時(shí)要四十多萬噸冷卻水。核電