第二章發(fā)電系統(tǒng)

電氣工程基礎武漢理工大學自動化學院電氣工程緒論------電力系統(tǒng)的基本概念和知識發(fā)電系統(tǒng)輸變電系統(tǒng)電力系統(tǒng)負荷電力網的穩(wěn)態(tài)計算電力系統(tǒng)的短路計算電氣主接線的設計與設備選擇電力系統(tǒng)繼電保護實驗電氣工程基礎第二章發(fā)電系統(tǒng)§1能源及電能

一、能源的分類一次能源常規(guī)能源可再生能源水能非再生能源煤、石油、天然氣、核裂變物質新能源可再生能源太陽能、風能、海洋能、地熱能非再生能源核聚變物質二次能源電力、煤氣、汽油、柴油、蒸氣、沼氣二、能源資源1、煤炭我國煤炭資源存儲量較豐富，質量優(yōu)良，分布面廣，品種也很齊全。我國是世界上煤炭產量最多、增長速度最快的國家。分布極不均勻：新疆、內蒙、山西和陜西占全國煤炭資源總量的81.3%，東北3省占1.6%，華東7省占2.8%，江南9省占1.6%。2、水能資源我國河流很多，水系龐大而復雜，流量大，落差大，蘊藏著非常豐富的水能資源，開發(fā)條件優(yōu)越，技術經洗指標良好。水能資源分布很不均勻：西南占67.8%，西北占9.9%，中南占15.5%，華東占3.6%，東北占2%，華北占1.2%。3、其他資源我國是發(fā)展中的石油消耗大國，同時又是人均占有油氣資源相對貧乏的國家。三、電能電能與其他形式的能源相比其特點如下：1）便于大規(guī)模生產和遠距離輸送2）方便轉換和易于控制3）輸送損耗小4）效率高5）無氣體和噪聲污染§2火力發(fā)電廠火力發(fā)電簡稱火電廠，是利用煤、石油或天然氣作為燃料生產電能的工廠。燃料的化學能==熱能==機械能==電能一、火電廠分類1、按燃料分燃煤發(fā)電廠；燃油發(fā)電廠；燃氣發(fā)電廠；余熱發(fā)電廠2、按蒸汽壓力和溫度分（kgf/cm2千克力/平方厘米）中低壓發(fā)電廠：40kgf/cm2,450度。<25MW高壓發(fā)電廠：101kgf/cm2,540度。<100MW超高壓發(fā)電廠：141kgf/cm2,540度。<200MW亞臨界壓力發(fā)電廠：171kgf/cm2,540度。300~1000MW超臨界壓力發(fā)電廠：225kgf/cm2,550度。600MW、800MW及以上3、按輸出能源分凝汽式火電廠：只向外供應電能。其效率較低，30%~40%；熱電廠：既生產電能，又向用戶提供熱能，其效率較高，60%~70%。4、按發(fā)電廠總裝機容量多少分小容量發(fā)電廠：100MW以下的發(fā)電廠；大中容量發(fā)電廠：250~1000MW的發(fā)電廠；大容量發(fā)電廠：100MW以上的發(fā)電廠；二、火電廠的電能生產過程鍋爐及其輔助設備、主要設備汽輪機及其輔助設備發(fā)電機及電氣設備三、火電廠的主要系統(tǒng)1、燃燒系統(tǒng)至灰場冷空氣送風機空氣預熱器熱空氣熱空氣煤粉磨煤機煤斗輸煤皮帶鍋爐煙氣除塵器引風機爐渣沖灰溝灰渣泵煤經煙囪排向大氣煙灰沖灰水2、汽水系統(tǒng)過熱蒸汽汽輪機發(fā)電機過熱器省煤器鍋爐給水高壓加熱器低壓加熱器除氧器凝結水泵凝結水循環(huán)水泵冷卻水凝結器排汽生水水處理設備補充給水給水泵G3、電氣系統(tǒng)G勵磁裝置低壓配電裝置廠用電系統(tǒng)升壓變電站配電裝置發(fā)電機四、火電廠的特點火電廠布局靈活，裝機容量的大小可按需要決定?；痣姀S一次性建造投資少，僅為水電廠的一半左右?；痣姀S建造工期短，例如，2×300MW發(fā)電機組，工期3~4年。發(fā)電設備年利用小時數(shù)高，約為水電廠1.5倍左右?；痣姀S耗煤量大，發(fā)電用煤約占全國煤總產量的50%左右。生產成本比水力發(fā)電要高3~4倍。(4)火電廠動力設備繁多，控制操作復雜，廠用電量和運行人員多于水電廠，運行費用高。(5)大型發(fā)電機組由停機到開機并帶滿負荷需要幾個到十余個小時。火電廠擔負急劇升降的負荷時，必須付出附加燃料消耗的代價。(6)火電廠對空氣和環(huán)境的污染較大。汽輪機構造發(fā)電機江蘇諫壁發(fā)電廠始建于1959年，于1987年9月全部建成，共安裝10臺機組，總容量162.5萬千瓦，年發(fā)電量在100億度左右，成為80年代末到90年代初國內最大的火力發(fā)電廠。浙江北侖發(fā)電廠是我國目前最大的現(xiàn)代化火力發(fā)電廠，總裝機容量為300萬千瓦(5×600MW)，工程于1988年1月正式開工建設，2000年9月全部建成發(fā)電。年發(fā)電量167億度，為浙江省各類發(fā)電廠發(fā)電總量的四分之一，其中兩臺機組的發(fā)電量就能滿足寧波市全部用電所需。北侖發(fā)電廠主控制室北侖發(fā)電廠汽輪機房

張家口發(fā)電總廠成立于1988年8月，由下花園發(fā)電廠和沙嶺子發(fā)電廠合并而成，位于張家口市東南14km，距首都北京170km，距煤都大同180km。發(fā)電廠總裝機容量240萬千瓦（8×300MW），通過500kV雙回線向北京供電，同時兼顧地方用電，擔負著北京地區(qū)1/4電力負荷的供電任務。張家口發(fā)電總廠夜景廠區(qū)景色汽輪機房§3水力發(fā)電廠水力發(fā)電廠是把水的位能和動能轉換成電能的工廠?；旧a過程：從河流較高處或水庫內引水，利用水的壓力或流速沖擊水輪機旋轉，將水能變成機械能，然后由水輪機帶動發(fā)電機旋轉，機械能轉換面電能。水電廠的發(fā)電容量P與河流上下游的水位差（落差）H和流量Q成正比，可用下式表示：P：發(fā)電容量－kW；Q：水流量－m3/sH：水的落差－m；：水輪機組的效率。由于河道的地質、地形等自然條件有很大差異，因此集中落差的方式也各不相同，水電站也就有各種不同的形式。按集中落差方式不同，水電廠可分為：堤壩式、引水式和混合式三種。一、水電廠的分類1、按集中落差分

由于河道的地質、地形等自然條件有很大差異，因此集中落差的方式也各不相同，水電廠也就有各種不同的形式（1）堤壩式水電廠①壩后式②河床式（2）引水式水電廠（3）混合式水電廠

根據(jù)河流特點建造的兼有堤壩式和引水式兩種特點的水電廠。堤壩式水電廠三峽水力發(fā)電機組發(fā)電示意圖河床式水電廠引水式電廠堤壩式壩后式

在河水中上游山區(qū)峽谷地段。單獨筑壩，壩身高，水位也高，廠房建在壩后，不承受水壓。特點是：形成蓄水庫，以調節(jié)流量，引用流量大，電站規(guī)模大，綜合效益高。

如三門峽、劉家峽、丹江口、三峽水電站

河床式

適用于平原上河床平緩地區(qū)，由于落差小，將廠房和壩建在一起，構成攔河建筑物的一個組成部分。廠房承受上游水的壓力，起擋水作用。特點是：水頭低（小于30～40米）；擋水建筑物長。如葛洲壩、西津水電廠

引水式無壓引水

在河流上游，當河床坡度較大時，可以借助坡降較小的引水道（修建隧洞和渠道）引水，用以集中水頭，以獲取最大落差。特點是：水頭較高（最高為1020米），流量小，無蓄水池調節(jié)流量；綜合利用價值低，電站規(guī)模也較小。

有壓引水

混合式根據(jù)河流特點建造的兼有堤壩式和引水式兩種特點的水電廠。2、按徑流調節(jié)的程度分（1）無調節(jié)水電廠例如引水式水電廠、水頭很低的河床式水電廠。（2）有調節(jié)水電廠①日調節(jié)水電廠水庫容量較?、谀暾{節(jié)水電廠水庫容量較大③多年調節(jié)水電廠較高的堤壩和很大庫容二、水電廠的特點（1）可綜合利用水能資源（2）發(fā)電成本低、效率高（3）運行靈活（4）水能可儲蓄和調節(jié)（5）水力發(fā)電不污染環(huán)境（6）水電廠建設投資較大，工期較長（7）水電廠建設和生產都受到河流的地形、水量及季節(jié)條件限制，有豐水和枯水期之別，發(fā)電不均衡。（8）水庫的興建，淹沒土地，移民搬遷，給農業(yè)生產帶來一些不利影響，還可能在一定程度上破壞自然界的生態(tài)平衡。廣州抽水蓄能電站為目前世界上最大的抽水蓄能電站，是為大亞灣核電站安全經濟運行而建設的配套工程，同時還承擔著廣東、香港電網的調峰填谷和事故備用的任務。電站總裝機總裝機容量2.4GW（8×300MW），分兩期建設，每期4臺，設計水頭535m，電站一期工程于1989年5月25日開工且1993年6月29日1號機投產，二期工程于1994年9月12日開工，至2000年3月14日8號機投產。葛洲壩27孔泄洪閘葛洲壩水電站葛洲壩水電站是長江干流上修建的第一座大型水電工程，是三峽工程的反調節(jié)和航運梯級。電站始建于1970年，共有機21臺機組，總裝機容量271.5萬千瓦，年發(fā)電量157億度。電站以500kV和220kV輸電線路并入華中電網，并通過500kV直流輸電線路向距離1000km的上海輸電120萬千瓦。三峽水電廠三峽水電站效果圖長江三峽水電站壩長2309m，壩高185m，水頭175m，總庫容393億立方米，總裝機容量18.2GW（26×700MW），年發(fā)電量86.5TW·h；庫區(qū)將淹沒耕地36萬畝，淹沒城鎮(zhèn)129座，需安置遷移人口113萬；電站于93年起步，首批機組于2003年10月發(fā)電，以后每年投產4臺機組（280MW），2009年全部機組建成投產。三峽電站發(fā)出的強大電力將送往華中、華東地區(qū)和廣東省。電站將引出15條超高壓交流輸電線路，其中3條線路通過換流站將交流電轉換成直流電后，再通過500kＶ直流輸電線路，2條送往華東、1條送往廣東。三期導流圖三峽大壩模型三峽大壩由多個功能模塊組成，從左至右（面向下游）依次為永久船閘、升船機、泄沙通道（臨時船閘）、左岸大壩及電站、泄洪壩段、右岸大壩及電站、山體地下電站等。升船機的最大提升高度為113米，供3000噸以下船只通過大壩，用時約40分鐘；永久船閘是雙線五級船閘，供3000噸以上船只從這里翻過大壩，用時約3.5小時。三峽工程綜合效益防洪：三峽水庫正常蓄水位175米，總庫容393億立方米，防洪庫容221.5億立方米，能有效地控制長江上游洪水，保護長江中下游荊江地區(qū)1500萬人口、2300萬畝土地，是世界上防洪效益最為顯著水利工程。發(fā)電：三峽水電站裝機總容量為1820萬kW，年均發(fā)電量847億kW·h。以直線距離1000公里為半徑，全國除遼寧、吉林、黑龍江、新疆、西藏、海南、臺灣7省區(qū)外，其余地區(qū)的主要城市和工業(yè)基地都在這個范圍內。航運：它將改善航運里程660公里，使重慶至宜昌航道通行的船隊噸位由現(xiàn)在的3000噸級提高至萬噸級，年單向通過能力由1000萬噸提高到5000萬噸?！?核電廠1．核電廠的能量轉換過程：核燃料的裂變能→熱能→機械能→電能。2．核電廠的組成：核反應堆、汽水系統(tǒng)（汽輪機）、電力系統(tǒng)核電廠是利用反應堆中核燃料裂變鏈式反應所產生的熱能，再按火力發(fā)電廠的發(fā)電方式，將熱能轉換為機械能，再轉換為電能，它的核反應堆相當于火電廠的鍋爐。一公斤標準煤含的熱量是3×104J，而一公斤鈾235裂變所產生的熱能為7.95×1010J，相當2700t煤，用核電廠代替火電廠將大量節(jié)約煤炭。自1954年世界上第一座核電廠投入運行以來，許多國家紛紛建設核電廠。

輕水堆核電廠的生產過程示意圖如圖1-5所示。圖1-5輕水碓核電廠生產過程示意圖a）沸水碓b）壓水碓熱力系統(tǒng)由單回路構成，有可能使汽輪機等設備受放射性污染由雙回路系統(tǒng)構成，兩個回路各自獨立循環(huán)，不會造成設備的放射性污染。3．核反應堆的分類（核裂變時產生的是快速、高速中子，為了使其變成慢中子需要慢化劑將其減速，根據(jù)慢化劑的不同，熱核反應堆可分成多種）輕水堆（包括沸水堆和壓水堆）、重水堆和石墨冷氣堆等。4．核電廠是我國目前最重要的電源之一，比例大于10%。我國第一座浙江泰山核電廠（1×300M）于1991年并網發(fā)電，廣東大亞灣核電廠（2×900M）于1994年建成投產。我國準備16年內投4000億，建40個核電站。核電產業(yè)2011年、2020年發(fā)展目標分別為1200萬千瓦、8600萬千瓦。

5.核能發(fā)電的優(yōu)缺點節(jié)省大量煤炭、石油等燃料，避免燃料運輸。不需空氣助燃，可建在地下、水下、山洞或空氣稀薄地區(qū)。比火電廠造價高，但發(fā)電成本低30%～50%，且規(guī)模越大越合算。存在問題：放射性污染。秦山核電站位于東海之濱美麗富饒的杭州灣畔，是中國第一座依靠自己的力量設計、建造和運營管理的壓水堆核電站，總裝機容量2×300MW。1985年3月動工，1991年12月首次并網發(fā)電。它的建成使我國成為繼美、英、法、前蘇聯(lián)、加拿大、瑞典之后世界上第七個能夠自行設計、建造核電站的國家。秦山核電站主控制室秦山核電站汽輪機房

大亞灣核電站位于深圳市東部大亞灣畔，為我國目前最大的核電站。大亞灣核電站是我國引進國外資金、設備和技術建設的第一座大型商用核電站。核電站安裝有兩臺單機容量為900MW的壓水堆反應堆機組。1987年8月7日工程正式開工，1994年2月1日和5月6日兩臺機組先后投入商業(yè)營運。大亞灣核電站每年發(fā)電量超過100億度，其中七成電力供應香港，三成電力供應廣東電網。大亞灣核電站電站設備五、其他發(fā)電廠太陽能發(fā)電地球表面一年從太陽獲得的總能量比全世界目前一年內利用各種能源的總和還大1萬倍以上。光電板控制器逆變器配電線路負載蓄電池太陽能發(fā)電系統(tǒng)的組成太陽能電池板：將太陽的輻射能轉換為電能。太陽能控制器：控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。蓄電池：在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。逆變器：將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉換成交流電能。

我國太陽能發(fā)電裝機規(guī)模在2011年、2020年分別達200萬千瓦和2000萬千瓦。風力發(fā)電世界上風能總量約為世界經濟可采水能的700倍。1.中小容量風能電站，用于偏遠地方。2.可并入電網的大型風能發(fā)電機組。通過大型風電場特許權招標和引進技術，國產1.5兆瓦級風電機組已批量投入運行，自主化率達到86％。目前我國正在研制3兆瓦、5兆瓦級風電機組。

風能在我國能源發(fā)展戰(zhàn)略中占有重要的地位。根據(jù)國家的中長期規(guī)劃，2015年我國風電規(guī)模將達到1500萬千瓦，2020年將達3000萬千瓦，屆時風能將成為我國的第三大電源。達板城風力發(fā)電廠裝機容量7.23萬千瓦。地熱發(fā)電

地下水在地表深處被加熱成蒸汽或熱水即構成了地熱資源，根據(jù)地質條件不同，熱水溫度約在