东北农大变电工程设计课件第1章 绪论

1、第1章 绪论能量与能源物质构成世界，是客观存在的。能量物质的属性，是一切物质运动的动力 （不能创造、不能消灭）。信息客观事物和主观认识相结合的产物。能量与能源构成客观世界的三大基础：物质、能量、信息 能量：指物质运动的量化转换，简称“能”。能量与能源定义 1、能量与能源定义 能源：即能量的来源，指能够提供某种形式能量的自然资源及其转化物。 1、能量与能源定义能量与能源定义 （1）机械能包括固体和流体的动能、势能、弹性能及表面张力能等。 到目前为止，人类所认识的能量形式：能量与能源定义 （2）热能构成物体的微观原子及分子振动与运动的动能。 到目前为止，人类所认识的能量形式：能量与能源 （3）化学

2、能原子核外进行化学反应时放出的能量。利用最普遍的化学能是燃烧碳和氢。 到目前为止，人类所认识的能量形式：能量与能源 （4）辐射能物质以电磁波形式发射的能量。（例如:太阳能）能量与能源 到目前为止，人类所认识的能量形式： （5）核能蕴藏在原子核内部的粒子间相互作用而释放的能。（核裂变、核聚变）能量与能源 到目前为止，人类所认识的能量形式： （6）电能电子流动和积累有关的能量。（由化学能或者机械能等转化而来）能量与能源 到目前为止，人类所认识的能量形式： 能源消费结构如图1、图2所示 2010年世界能源消费结构能源消费结构 2011年世界能源消费量煤炭水电可再生天然气石油能源消费结构能量与能源 2

3、 能源分类 （1）按认识能源的历史：常规能源、新能源 常规能源：也叫传统能源，是指在一定的历史时期和科学技术水平下，已经大规模生产和广泛利用的能源。能量与能源 新能源：又称非常规能源，是指传统能源之外的各种能源形式。 （古老的能源采用先进的方法加以利用；用新发展的技术开发的能源） （太阳能、风能、海洋能、地热能、生物质能等） 2 能源分类能量与能源 （2）按照对环境的污染影响：清洁能源、非清洁能源 清洁能源：对环境无污染或污染很小的能源。 非清洁能源：对环境污染较大的能源。 2 能源分类 （3）按能否循环利用：可再生能源、非再生能源 能量与能源 2 能源分类 （4）按获得的方法：一次能源、二次

4、能源 能量与能源 2 能源分类能量与能源 2 能源常见分类：如下表认识能源的历史常规能源煤、石油、天然气、水能和核能新能源太阳能、海洋能、地热能、生物质能等对环境的影响清洁能源太阳能、水能、风能、天然气非清洁能源煤、石油等能否循环利用可再生能源太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、海洋能等不可再生能源煤、原油、天然气、油页岩、核能等产生的方式一次能源原油、原煤、天然气、生物质能、水能、核能、太阳能、地热能、潮汐能等二次能源煤气、焦碳、汽油、煤油、电力等能量与能源 能源是人类文明的先决条件！人类社会一切活动都离不开能源。能源消耗的水平是人类生活水平和生活质量的重要尺度。 下一讲：常用能源概述常用

5、能源概述我国能源供求面临的五大挑战：挑战之一：人均资源量少挑战之二：人均能源消费量低挑战之三：单位产值的能耗高挑战之四：以煤为主的能源消费结构挑战之五：能源安全受到威胁我国人口基数大我国能源利用效率低、能源利用对环境污染严重如何保障能源安全? 1.煤炭-古代植物埋藏在地下经历了复杂的生物化学和物理化学变化逐渐形成的固体可燃性矿物。 常用能源 煤炭是工业的粮食，是传统的能源，也是重要的燃料和化工原料。中国是世界上煤炭产量最多、增长速度最快的国家。常用能源 （一）18世纪人类对煤炭资源需求旺盛。 煤炭工业发展历史 （二）1881年，美国人爱迪生建成世界上第一个发电站，成功使用发电机和电灯，人类社会

6、进入“电气化时代”。煤炭工业发展历史1910年，世界能源消费结构 罗伯特W. 谢勒发电厂煤炭工业发展历史 煤炭工业发展历史 石油 又称原油，是一种粘稠的、深褐色液体。石油工业发展历史 石油主要被用作燃油和汽油，燃料油和汽油在2012年组成世界上最重要的能源。石油工业发展历史石油发展历史 公元前10世纪之前，古埃及、古巴比伦和印度等文明古国已经采集天然沥青,用于建筑、防腐、粘合等用途。现代石油业的起点 1859年在宾夕法尼亚打出西方第一口石油井 1860年仅有6.7万吨，1918年飙升到5000万吨 20世纪70年代：整个欧洲全部耗能中煤的比例减少到22，石油上升到60。日本能源消费中石油占70

7、。石油发展历史 中国也是世界上最早发现和利用石油的国家之一。世界油气资源分布中国石油资源和主要油田分布其它能源 天然气存于地下岩石储集层中以烃为主体的混合气体的统称。其它能源铀我国铀储量可供4000万kW核电厂运行30年。能源现状1、能源资源十分充足2、消费格局大幅调整3、能源争夺日趋激烈4、能源利用绿色高效5、能源科技突飞猛进世界能源基本形势 1、世界常规石油、天然气资源丰富。 2、世界非常规油气资源潜力巨大。国际能源形势 石油资源主要分布在中东、前苏联、北美和非洲地区。 天然气资源主要分布在前苏联、中东、北美地区。油气资源分布1、战略性2、紧缺性3、金融性4、不可替代性5、分布不均衡性6、

8、消费不均衡性7、供需不稳定性石油特征 全球天然气储量产量稳定增长天然气储量产量 “当打破国际原油价格纪录成为一种常态的时候，因清洁、高效、被誉为21世纪能源的天然气，终将以其消费呈爆炸性的增长逐渐成为21世纪能源利用的主角。天然气二十一世纪能源主角股神巴菲特煤炭储量产量资料来源：BP 2009铀资源分布油页岩资源潜力世界油页岩油资源量约为4539亿吨能源消费供需格局全球主要地区一次能源消费情况 能源消费格局 石油供需格局总体呈现“三进三出”油气供需格局 天然气贸易逐年上升。油气供需格局 各国核电占本国总电力比例 各国核电 石油储量产量稳定增长，储量仍可保持30年净增长空间。石油发展趋势 非常规

9、石油是常规石油的重要补充 世界非常规石油产量预测（万亿立方英尺）石油发展趋势 煤炭消费比重略微上升 煤炭发展趋势煤炭在世界能源消耗中的份额（%），按部门分类 核能发电增长迅速 核能发展趋势全球核电装机容量 可再生能源比重逐步上升 可再生能源发展趋势 一次能源需求预测 能源需求预测全球一次能源需求仍将持续稳定增长，化石能源仍是一次能源构成的主体 未来20年，全球能源结构中，石油比重持续下降，煤炭比重缓慢下降，天然气比重持续上升，化石能源形成“三分天下”的格局。能源结构发展趋势 油气供应集中度越来越高 发展趋势 中、印等发展中国家需求大增发展趋势 能源价格呈振荡上升趋势 发展趋势 低碳能源被关注

10、发展趋势世界各国能源政策 各国调整能源政策 能源政策 能源政策调整方向特点：促进能源供应多元化、突出节能和提高能效。能源结构世界各国能源的战略规划1、美国 能源独立 世界各国能源的战略规划1、美国控制油气通道控制全球海上通道，美国能源部列出六大“世界石油运输咽喉”。 1、美国 能源科技大力推动科技研究和创新1、美国 发展趋势美国能源战略正出现重大转折,将从高度依赖进口转向进口和自产并重1、美国能源结构 2009年俄罗斯能源消费量6.35亿吨油当量，占世界总量的5.69%2、俄罗斯石油生产消费净出口2009年，俄罗斯石油产量4.94亿吨，占世界总量的12.9%，其中74.72%用于出口2、俄罗斯

11、北极战略规划北极拥有原油储量900亿桶，天然气储藏47万亿立方米；具有强大的潜在通航能力； 2、俄罗斯能源外交 1、合作战略 2、控制战略 3、牵制战略 4、抗衡兼合作战略2、俄罗斯新能源战略 主要目标：从常规的石油天然气、煤炭等能源转向非常规的核能、太阳能和风能等2、俄罗斯2020年前能源目标 目标：通过最有效地生产和利用能源资源，充分发挥能源部门的科技和经济潜力，保证国家对能源资源的需求，实现国民经济稳定增长的目标，不断提高居民生活质量。2、俄罗斯2020年前能源目标 措施：加大油气、煤炭和核能的开采、产量和出口量；增加立法，保证能源安全；加强运输基础设施的建设。2、俄罗斯2030年前能源

12、目标 目标：2030年前，俄罗斯石油年出口将达3.7亿吨，天然气出口约3700亿立方米；俄的石油天然气年产量相应要超过5亿吨和9000亿立方米。 措施：重视新能源的发展，提高能源效率，发展能源保护技术；加快能源出口向东偏移；加大能源投资。2、俄罗斯发展趋势 油气资源仍是未来经济工作的重心； 以能源作为“战略武器”； 打造“石油卢布”体系； “天然气欧佩克”2、俄罗斯能源政策欧洲国家能源政策 能源安全 经济效率 低碳战略 鼓励可再生能源 注重能源科技的发展 注重可持续发展欧盟能源结构 2009年欧盟一次能源消费占世界总量的14.53%石油生产、消费 2009年欧盟生产石油0.99亿吨，消费6.7

13、1亿吨，其中消费的85.29%来源于进口欧盟天然气生产、 消费 2009年欧盟天然气生产0.17万亿立方米，消费0.46万亿立方米，消费的62.77%来自进口欧盟煤炭生产、 消费 2009年欧盟煤炭探明储量259.7亿吨，占世界总探明储量的3.6%。2009年生产1.58亿吨油当量，消费2.61亿吨油当量，消费的39.37%来源于进口欧盟核电消费2009年欧盟核能消费0.895万亿千瓦时，比2008年下降4.5%，占世界核能消费的33.2%欧盟水电消费2009年欧盟水电消费0.33万亿千瓦时，比2008年上涨1.4%，占世界水电消费的10%欧盟新能源战略 新能源战略拟定了未来5个优先领域：提高

14、能效；完善统一能源市场和基础设施建设；推动技术研发和创新；对外用一个声音说话和为消费者提供安全、可靠、用得起的能源。欧盟中国能源发展状况我国能源发展状况 能源利用是一个涉及民生、家国福祉的基础工程，同时也是国家资源、经济程度和科技发展状况的集中体现。我国能源发展状况能源利用涉及的问题： 能源结构 能源效率 能源环境 能源安全我国能源发展状况能源结构 我国能源结构中煤炭占约2/3，电力消耗所占比例太小，国家电气化程度不高。能源效率 能源效率是能源装置设计的重要评价指标之一。 我国能源发展状况我国能源发展状况能源与环境 我国能源环境问题核心：大量直接燃烧煤炭造成大气污染、农村过度消耗生物质能引起生

15、态破坏和日益严重的汽车尾气污染。我国能源发展状况能源安全 能源是国民经济的直接支撑，是人类赖以生存的基础。我国能源发展状况能源安全 能源可靠供应的保障石油和天然气的供应问题 我国能源发展状况能源安全 预计：2010年 2020年后世界石油产量将逐步下降，出现供不应求局面，世界油气资源的争夺将愈演愈烈。 我国：人均石油探明剩余可采储量仅为世界平均值的1/10，从1993年，我国就已成为石油净进口国。我国能源发展状况能源现实 我国是一个能源贫乏的国家 我国能源发展状况能源现实 天然气探明储量居世界第十九位 但我国人口占世界第一位！ 能源资源的人均占有率只相当于世界人均占有率的51%我国能源发展状况

16、能源现实 我国是一个能源贫乏的国家 两个不利因素 1、以煤炭为主，油气资源不足。 2、地理分布不理想我国能源发展状况能源现实 我国能源发展现状 我国能源发展状况我国能源供应形势 我国能源总消费量已经超过13亿吨标准煤，占世界总消费量的1/10，居世界第二位但人均消费量只占世界平均水平的42%中国农村生活能源消费中，传统的生物质能占60%以上 中国电力工业现状电力工业发展经历的四个阶段起步阶段发展阶段突破阶段腾飞阶段 电源结构正在逐步趋向合理火电结构调整取得实质性进展电力结构不断调整优化电力工业装备和技术跻身世界先进水平 火电 水电 核电中国电力工业现状 实现了政企分开，颁布实施了电力法，确立了

17、电力企业的法人主体地位。电力工业的管理水平取得突破中国电力工业现状电力工业的管理水平取得突破 2002 年，按照国务院 5 号文件，电力行业实施厂网分开，组建了两家电网公司、五家发电集团公司和四家辅业集团公司。中国电力工业现状 目前，中国人均装机仅 0.6kW，人均用电量仅197kWh，与工业化国家相比还存在较大差距，电力工业仍存在较大发展空间。中国电力工业现状电源结构有待进一步优化 大力开发水电，优化发展煤电，积极推进核电建设，适度发展天然气发电，鼓励新能源和可再生能源发电。中国电力工业现状我国电力工业发展方向火力发电技术发展的主要方向 继续实行大电站、大机组、高参数、环保节水的技术路线。我

18、国电力工业发展方向水力发电技术发展的主要方向 水电领域在高坝工程技术、泄洪消能技术、地下工程技术等关键技术方面正在进行创新性研究并获得了一些重大突破。我国电力工业发展方向水力发电技术发展的主要方向 水电开发模式发生了重大转变我国电力工业发展方向核能发电技术发展的主要方向 颁布了核电中长期发展规划，确定了我国核电发展的目标；明确了我国核电发展的技术路线。我国电力工业发展方向新能源发电技术发展的主要方向 风电 风电产业正处于一个技术成熟的阶段，在电力能源市场中已占据了一席之地。我国电力工业发展方向生物质发电 生物质能发电是推广利用可再生能源重要的部分。近年来，世界各国高度重视秸秆发电项目。 我国电

19、力工业发展方向垃圾焚烧发电 从 20 世纪 70 年代起，一些发达国家便着手运用焚烧垃圾产生的热量进行发电。 火力发电厂（1）按燃料分： 燃煤发电厂； 燃油发电厂； 燃气发电厂； 余热发电厂； 垃圾及工业废料发电厂一、火电厂分类 （2）按蒸汽压力和温度分： 中低压发电厂 高压发电厂 超高压发电厂 亚临界压力发电厂： 超临界压力发电厂：一、火电厂分类 凝汽式汽轮机发电厂； 燃汽轮机发电厂； 内燃机发电厂； 蒸汽燃气轮机发电厂； （3）按原动机分：一、火电厂分类 凝汽式发电厂 热电厂 （4）按输出能源分：一、火电厂分类 小容量发电厂 中容量发电厂 大中容量发电厂 大容量发电厂一、火电厂分类 （5）

20、按发电厂总装机容量分： 以凝汽式汽轮发电厂为例简要介绍电能生产过程： 火电厂的主要系统有燃烧系统、汽水系统、电气系统等。火力发电厂生产过程水力发电厂工作原理 （简称水电站），把水的位能和动能转换成电能的工厂。 水力发电厂 1878年法国建成世界第一座水电站。 美洲第一座水电站建于美国威斯康星州阿普尔顿的福克斯河上，由一台水车带动两台直流发电机组成,装机容量25kW,于1882年9月30日发电。 水力发电的历史： 欧洲第一座商业性水电站是意大利的特沃利水电站，于1885年建成装机65kW. 水力发电的历史： 中国大陆第一座水电站为建于云南省螳螂川上的石龙坝水电站。三峡水电站1994年动工，201

21、2年最后一台机组投产，装机容量达到2250万千瓦。水力发电的历史： 总量丰富，开发不足 可开发总量世界第一，占世界总量16.7。 我国水能资源的特点 特点一 地区分布不均，与经济发展不匹配， 78水能资源集中于西部，东部仅6； 51用电量在东部。 所以：西电东送我国水能资源的特点 特点二 江河来水量时间分布不均年内降雨集中在汛期；年际间江河来水量变化大。 须建设（年调节、多年调节）大型水库。 汛期70%30%非汛期 我国水能资源的特点 特点三 我国水电资源相对集中在一些高山大河地区，不少水电站的装机容量超过1000MW。 特点四我国水能资源的特点 大型电站，水头高、单机容量大，带来很多技术难题

22、，且淹没损失大，移民数量多。 特点四我国水能资源的特点图1 坝后式水电厂 1坝；2压力钢管；3厂房 如图：图2 河床式水电厂1进水口；2厂房；3溢流坝图3 径流式水电厂 1-堰；2-引水渠；3-压力水管；4-厂房 图：图1-6 抽水蓄能电站1-压力水管；2-厂房；3-坝 水电站建筑物 渠系建筑物 港口水工建筑物 过坝设施水工建筑物的构成 专门性水工建筑物主要有： 受自然条件制约多工作条件复杂， 施工难度大出现问题，损失大。水工建筑物的构成及特点 水工建筑物的主要特点是： 水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。 作用示意图： 水轮机 水轮机的作用 水轮机按工

23、作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。 水轮机的分类三峡水电站水轮机部件水轮机的分类冲击式示意图反击式示意图发电示意图 是指以水轮机为原动机将水能转化为电能的发电机。发电机工作原理 水轮发电机 转子转动转子中由励磁电流产生的按正弦分布的旋转磁场切割定子三相对称绕组定子三相绕组中产生三相正弦交变电动势定子三相绕组与负载连通后，电路在电动势的作用下有电流通过向负载输出电能。 发电机工作原理 水轮发电机 (1) 不耗燃料，成本低廉 (2) 水火互济，调峰灵活 (3) 综合利用，多方得益 (4) 取之不尽可，用之不竭 (5) 环境优美，能源洁净水力发电特点 优点： (1) 受自然条件限制 (2

24、) 一次性投资大，工期长 (3) 事故后果严重 (4) 大型工程对环境、生态影响较大水力发电特点 缺点：核能发电厂工作原理 核能发电厂 - 简称核电站，是一种利用核裂变或核聚变时所 产生的能量来制造电能的发电系统。 能量转换过程： 核燃料裂变产生的热能 机械能 电能 1954年，苏联建成世界上第一座装机容量为 5兆瓦的核电站。英、美等国也相继建成各种类型的核电站。 1960年,有5个国家建成20座核电站， 装机容量1279兆瓦。 核能 1966年，核能发电真正迈入实用阶段。 1978年，核电站总装机容量已达10.7 万兆瓦。核能 1991年，核电发电量约占全世界总发电量16。 2012年，我国

25、共有广东大亚湾、广东岭澳、浙江秦山、江苏田湾等6个投入运营的核电站，12个在建的核电站，25个筹建中的核电站。 核能我国首座内陆核电站咸宁核电站 秦山核电站 核能发电的能量来自核反应堆中可裂变材料(核燃料)进行裂变反应所释放的裂变能。裂变反应指铀-235、钚-239、铀-233等重元素在中子作用下分裂为两个碎片，同时放出中子和大量能量的过程。核能发电原理： 以核反应堆来代替火电站的锅炉，以核燃料在核反应堆中发生特殊形式的“燃烧”产生热量，来加热水使之变成蒸汽，蒸汽通过管路进入汽轮机，推动汽轮发电机发电。核能发电原理：核电站核能发电过程图压水堆核电站厂房布置压水堆核电站厂房布置 俄罗斯科拉核电站

26、发电车间核电站优点： 1）核电站在环境上优于火电厂。 2）核能发电所使用的铀燃料，除了发电外没有其他的用途。 3）核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便。 4）核能发电的成本不易受影响，发电成本稳定。 核电站缺点： 1）核电站会对生态及民众造成伤害。 2）核能电厂的热污染较严重。 3）核电站投资成本相对较大，电力公司的财务风险较高。 4）核电站运行灵活性较差，不适宜承担峰荷任务。 5）兴建核电站较易引发政治歧见纷争。太阳能发电厂工作原理 太阳发射出来的总辐射能量，约有22亿分之一到达地球大气层外部，经过大气分子等反射和大气层的吸收，穿过大气层到达地球表面的太阳辐射能约为8.21010M

27、W，其中到达陆地的能量约占20%，相当于目前全世界消耗掉的各种能源总量的3万倍左右。 太阳每秒钟照射到地球上的能量相当于500万吨煤，太阳每年辐射到地球的能量相当于大亚湾核电站10万年的发电量。太阳能发电历史：太阳能研究经历了几个不同阶段的发展期和低潮期。四大发展阶段：1900-1920年：太阳能动力装置的研究。1945-1965年：美国贝尔实验室研制成实用型硅太阳电池。1973-1980年：由于“能源危机”世界上再次兴起了开发 利用太阳能热潮。1992-至今：太阳能技术飞速发展。 世界上规模较大的太阳能发电厂葡萄牙发电厂太阳能主要利用方式 这种发电方式先将太阳辐射能转换为热能，再将热能转换成

28、电能，它有两种转换方式。 1、太阳能发电原理类似于常规的火电厂。 2、太阳的热能可直接转换成电能。太阳能热发电 太阳能热发电槽式太阳能热发电 太阳能热发电塔式太阳能热发电 太阳能热发电碟式太阳能热发电太阳能热发电原理示意图玻璃小镜面式聚光器 太阳能光发电是将太阳能直接转变成电能的一种发电方式。 它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电四种形式。太阳能光发电太阳能光发电电池开关/保护/防雷电缆并网逆变器电度表）盐城阜宁3MW屋顶光伏发电项目：屋顶光伏电站案例风力发电厂工作原理 风是一种无处不在的资源，风能是地球表面大量空气流动所产生的动能。 风力发电-将风能转换为电能的发电方式 风能是一种清洁的可再生能源，风力发电是可再生能源中技术最成熟、最有规模化开发条件和商业