第一章 能源和发电

第一章能源和发电发电厂电气部分

本章主要叙述能源和电能的基本概念，能源分类，能源资源和电能的特点，火力发电厂、水力发电厂和核能发电厂的电能生产过程及其特点。

1-1能源和电能

一、能源的形式

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。

热能。由构成物体的微观原子及分子振动与运动的动能。

化学能。物质结构能的一种，即原子核外进行化学反应时放出的能量。

辐射能。物质以电磁波形式发射的能量。

核能。蕴藏在原子核内部的粒子间相互作用而释放的能。

电能。与电子流动和积累有关的能量,通常由电池中化学能转换而来的，或通过发电机将机械能转换得到的。

二、能源分类

1、按获得的方法分为一次能源和二次能源一次能源：自然界中存在，可直接取得和利用而不改变其形态的能源，如煤、石油、天然气、水能、风能等。

二次能源：指由一次能源经加工转换成的另一种形态的能源，如电力、蒸汽、煤气、焦炭、汽油等。

2、按被利用的程度分为常规能源和新能源

常规能源：在一定历史时期和科学技术水平下，已经被人们广泛利用的能源，如煤、石油、天然气、水能等。

新能源：许多古老的能源，采用先进的方法加以广泛利用，以及用新发展的技术开发的能源，如太阳能、风能、海洋能、地热能、生物质能、氢能等。

3、按能否再生分为可再生能源和非再生能源

可再生能源：自然界中可以不断再生并有规律地得到补充的能源，例如水能、风能、太阳能、海洋能等。

非再生能源：随人类的利用而越来越少总有枯竭之时的能源，例如煤、石油、天然气、核燃料等。

4、按能源本身的性质分为含能体能源和过程性能源

含能体能源：可以直接储存的能源，如煤、石油、天然气、核燃料、地热、氢能等。

过程性能源：无法直接储存的能源，如水能、风能、海洋能、电能等；

三、能源资源

1、煤炭

据我国第二次煤田预测资料，埋深在1000m深度以内的煤炭总资源量达2.67×104亿吨，其中大别山—秦岭—昆仑山一线以北地区资源量为2.45×104亿吨。新疆、内蒙古、山西和陕西等4省区占全国资源总量的81.3%，东北3省占1.6%，华东7省占2.8%，江南9省占1.6%。

2、水能资源

我国水能资源蕴藏量及可开发装机容量居世界第一位。分布不均匀，西南占67.8%，西北占9.9%，中南占15.5%,华东占3.6%,东北占2%,华北占1.2%。

3、其他能源

四、电能

电能特点：便于大规模生产和远距离输送；方便转换和易于控制；损耗小；效率高；无气体和噪声污染。

五、发电厂发电厂电气部分第一章能源和发电

1-2火力发电厂

火力发电厂是利用煤、石油或天然气作为燃料生产电能的工厂。能量的转换过程：燃料化学能→热能→机械能→电能。

一、火电厂的分类

1、按燃料分类

燃煤发电厂；燃油发电厂；

燃气发电厂；余热发电厂。此外还有利用垃圾及工业废料作为燃料的发电厂。

2、按蒸汽压力和温度分类中低压发电厂:蒸汽压力在3.92MPa、温度450℃,单机功率小于25MW；

高压发电厂:蒸汽压力一般在9.9MPa、温度540℃,单机功率小于100MW；

超高压发电厂:蒸汽压力在13.83MPa、温度540℃，单机功率小于200MW；

亚临界压力发电厂:蒸汽压力在16.77MPa、温度540℃,单机功率300MW~1000MW不等;

超临界压力发电厂:蒸汽压力>21.11MPa、温度550℃,单机功率为600、800MW及以上。

3、按原动机分类凝汽式汽轮机发电厂、燃气轮机发电厂、内燃机发电厂和蒸汽—燃气轮机发电厂等。

4、按输出能源分类

5、按发电厂总装机容量分类

凝汽式发电厂，只向外供应电能，效率30%~40%；

热电厂，同时向外供应电能和热能，效率60%~70%。

小容量发电厂,装机总容量100MW；

中容量发电厂,装机总容量100~250MW；

大中容量发电厂,装机总容量250~1000MW；

大容量发电厂,装机总容量1000MW及以上。

二、火电厂的电能生产过程

①燃料的化学能在锅炉燃烧中转变为热能，加热锅炉中的水使之变为蒸汽，称为燃烧系统；②锅炉产生的蒸汽进入汽轮机,冲动汽轮机的转子旋转,将热能转变为机械能,称为汽水系统；③由汽轮机转子旋转的机械能带动发电机旋转，把机械能变为电能，称为电气系统。发电厂电气部分第一章能源和发电

1、燃烧系统

(1)运煤系统

火电厂的用煤量很大，装机容量4×30万kW的发电厂，煤耗率按360g/kW·h计，每天需用标准煤10368吨。

(2)磨煤系统煤经初步筛选处理，用输煤皮带送到锅炉间的原煤仓；煤从原煤仓落入煤斗，由给煤机送入磨煤机磨成煤粉，再经空气预热器来的一次风烘干并带至粗粉分离器；在粗粉分离器中将不合格的粗粉分离返回磨煤机再行磨制，合格的细煤粉被一次风带入旋风分离器，使煤粉与空气分离后进入煤粉仓。

(3)燃烧系统

(4)风烟系统煤粉由给粉机送入一次风管，同时由旋风分离器送来的气体，由排粉风机将进入一次风管的煤粉经喷燃器喷入锅炉炉膛内燃烧。炉膛内壁有彼此紧密排列的水冷壁管，炉膛内的高温火焰将水冷壁管内的水加热成汽水混合物上升进入汽包。送风机将冷风送到空气预热器加热，加热后的气体一部分经磨煤机、排粉风机进入炉壁，另一部分经喷燃器外侧套筒直接进入炉膛。炉膛内燃烧形成的高温烟气，沿烟道经过热器、省煤器、空气预热器逐渐降温，再经除尘器除去90%~99%(电除尘器可除去99%)的灰尘，经引风机送入烟囱，排向大气。

(5)灰渣系统炉膛内煤粉燃烧后生成的小灰粒，经除尘器收集成细灰排入冲灰沟，燃烧中因结焦形成的大块炉渣，下落到锅炉底部的渣斗内，经碎渣机破碎后也排入冲灰沟，再经灰渣泵将细灰和碎炉渣经冲灰管道排往灰场。发电厂电气部分第一章能源和发电

2、汽水系统

(1)给水系统汽水系统由锅炉、汽轮机、凝汽器、除氧器、加热器等设备及管道构成，包括给水系统、循环水系统和补充给水系统。由锅炉产生的过热蒸汽沿主蒸汽管道进入汽轮机，冲动汽轮机叶片转动，带动发电机旋转产生电能。做功后的蒸汽，其温度和压力大大降低，最后排入凝汽器并被冷却水(循环水)冷却凝结成水(称为凝结水)。凝结水由凝结水泵打至低压加热器中加热，再经除氧器除氧并继续加热。由除氧器出来的水(叫作锅炉给水)，经给水泵升压和高压加热器加热，最后送入锅炉汽包。(2)补充给水系统

(3)循环水系统在汽水循环过程中难免有汽、水泄漏，为维持汽水循环的正常进行，必须不断地补充经过化学处理的软化水，这些补充给水一般补入除氧器或凝汽器中。

为了将汽轮机中做过功后排入凝汽器中的乏汽冷却成水，需由循环水泵从凉水塔抽取大量的冷却水送入凝汽器，冷却水吸收乏汽的热量后再回到凉水塔冷却。发电厂电气部分第一章能源和发电

3、电气系统电气系统包括：发电机、励磁装置、厂用电系统和升压变电站等。发电机端电压和电流随着容量的不同而各不相同，额定电压一般在10~20kV之间，而额定电流可达20kA及以上。发电机发出的电能，其中一部分(约占发电量的4%~8%)，由厂用变压器降低电压后，经厂用配电装置由电缆供给水泵、送风机、磨煤机等各种辅机和电厂照明等用电，称为厂用电(或自用电)；其余大部分电能，由主变压器升压后，经高压配电装置、输电线路送入电力系统。发电厂电气部分第一章能源和发电

火电厂的特点

(1)火电厂布局灵活，装机容量的大小可按需要决定

(2)火电厂的一次性建造投资少，仅为同容量水电厂的一半左右。火电厂建造工期短，2×300MW机组，工期为3~4年。发电设备年利用小时数较高，约为水电厂的1.5倍左右。

(3)火电厂耗煤量大，目前发电用煤约占全国煤炭总产量的50％左右，加上运煤费用和大量用水，其单位电量发电成本比水电厂要高出3~4倍。

(4)火电厂动力设备繁多，发电机组控制操作复杂，厂用电量和运行人员都多于水电厂，运行费用高。

(5)大型发电机组由停机到开机并带满负荷需要几小时到十几小时乃至几十小时，并附加耗用大量燃料。一台12万kW发电机组启停一次耗煤可达84吨之多。

(6)火电厂一般不担负调峰、调频或事故备用。

(7)火电厂对空气和环境的污染大。发电厂电气部分第一章能源和发电

1-3水力发电厂

水力发电厂是把水的位能和动能转换成电能的工厂。

基本生产过程：从河流较高处或水库内引水，利用水的压力或流速冲动水轮机旋转，将水能转变成机械能，然后由水轮机带动发电机旋转，将机械能转换成电能。因为水的能量与其流量和落差(水头)成正比，所以利用水能发电的关键是集中大量的水和造成大的水位落差。

一、水电厂的分类

1、按集中落差的方式分类

(1)堤坝式水电厂

坝后式水电厂河床式水电厂

(2)引水式水电厂

(3)混合式水电厂

2、按径流调节的程度分类

(1)无调节水电厂

河川径流在时间上的分布往往与水电厂的用水要求不相一致。不能对径流进行调节，称为无调节水电厂或径流式水电厂。出力变化，主要取决于天然来水流量，往往是枯水期出力很小，而洪水期产生弃水。

(2)有调节水电厂

日调节水电厂

年调节水电厂

多年调节水电厂发电厂电气部分第一章能源和发电

二、水电厂的特点

(1)可综合利用水能资源。除发电以外，还有防洪、灌溉、航运、供水、养殖及旅游等多方面综合效益；(2)发电成本低、效率高。(3)运行灵活。易于实现自动化，机组启动快，从静止到带满负荷运行只需4~5min，紧急情况可只用lmin。适应负荷的急剧变化，适合系统调峰、调频和作为事故备用。

(4)水能可储蓄和调节。(5)水力发电不污染环境。(6)水电厂建设投资较大，工期较长。(7)受河流的地形、水量及季节气象条件限制，发电量也相应制约，有丰水期和枯水期之别，因而发电不均衡。(8)由于水库兴建，淹没土地，移民搬迁，给农业生产带来一些不利，还可能在一定程度破坏自然界的生态平衡。发电厂电气部分第一章能源和发电

三、抽水蓄能电厂

1、工作原理

目前电能尚无法大量储存，但可采用将其转换为其他形式能量的办法进行间接储存。如在电网用电低谷时，将系统富裕的电力用来抽水，把大量的水由水库下游打回到水库上游，使电能转换成水的位能存贮起来。当用电高峰期电力供应紧缺时，放水,即被储存的大量水的位能重新转换成电能以供电网。这种类型的水力发电站称为储能电站或蓄能电站。

2、抽水蓄能电厂在电力系统中的作用

(1)调峰。能够跟踪负荷的变化，担任系统尖峰负荷。(2)填谷。利用系统富裕电能抽水，使火电机组不必降低出力(或停机)和保持在热效率较高区间运行，节省燃料，并提高系统运行的稳定性。(3)备用。启动灵活、迅速，从停机状态启动至带满负荷仅需1~2min，而由抽水工况转到发电工况也只需3~4min，因此宜于作为电力系统事故备用。(4)调频。当电力系统频率偏离正常值时，能立即调整出力，使频率维持在正常值范围内。(5)调相。在没有发电和抽水任务时，可用来调相。广州一期4×300MW、二期4×300MW；天荒坪（浙江安吉县）6×300MW；桐柏（浙江天台县）4×300MW；泰安（山东泰安市）4×250MW；宜兴（江苏省宜兴市）4×250MW；十三陵（北京）4×200MW；

3、我国抽水蓄能电厂建设情况我国水电资源分布第一章能源和发电发电厂电气部分位于巴西与巴拉圭之间的界河—巴拉那河(世界第五大河)上，是目前世界最大的水电站，由巴西与巴拉圭共建，发电机组和发电量由两国均分。目前共有18台发电机组（每台70万千瓦），总装机容量1260万千瓦，年发电量790亿度。

伊泰普水电站于1974年10月17日动工修建，1991年5月6日竣工，历时17载。巴西/伊泰普/巴拉那河/1260万kW世界大型水电站美国/大古力/哥伦比亚河/1083万KW

委内瑞拉/古里/卡罗尼河/1030万KW

巴西/图库鲁伊/

托坎廷斯河/800万KW

加拿大/拉格兰德二级/拉格兰德河/732.6万KW

俄罗斯/萨扬舒申斯克/叶尼塞河/640万KW

俄罗斯/克拉斯诺雅尔斯克/叶尼塞河/600万KW三峡工程介绍历经百年的梦想，几十年的论证，1992年4月3日的全国人民代表大会七届五次会议通过了关于兴建三峡工程的决议。发电厂电气部分第一章能源和发电三峡工程的建设周期总工期17年第一阶段（1993-1997年）为施工准备及一期工程第二阶段（1998-2003年）为二期工程第三阶段（2004-2009年）为三期工程发电厂电气部分第一章能源和发电

三峡工程的主要建筑物

大坝:混凝土重力坝，坝轴线全长2309.47米，最大坝高181.00米；泄洪坝段设有23个泄洪深孔，22个泄洪表孔。电站共安装26台单机容量为700MW的水轮发电机组，总装机容量18200MW；通航建筑物包括双线连续梯级五级船闸和过船能力，为3000吨级船舶的垂直升船机。发电厂电气部分第一章能源和发电

人员配置和组织机构目前在岗员工261人，人均发电容量达到国际同类先进水平。发电厂电气部分第一章能源和发电机组投产情况

首台机组于2003年7月10日投产发电；2003年投产机组6台；2004年投产机组5台；2005年左岸14台机组全部投产。2007年右岸12台机组，投产7台，其中国产化机组3台。发电厂电气部分第一章能源和发电20032004200520076台11台14台21台4200MW7700MW9800MW14700MW在电网中的地位

15回500kV输电线路,其中送往华东、广东3个换流站.主要供电范围：华中电网(湖南、湖北、河南)

华东电网(上海、江苏、浙江、安徽)

广东重庆1回至重庆万州，实现华中、川渝电网联网；3回至宜昌龙泉直流换流站，连接华东电网；3回至荆州江陵直流换流站，连接南方电网；是全国跨大区互联电网的中心枢纽点。发电厂电气部分第一章能源和发电龙滩工程介绍发电厂电气部分第一章能源和发电电力工程概论地理位置第一章能源和发电广西长沙广州昆明贵阳南宁桂林柳州河池衡阳龙滩水电站天峨北盘江南盘江红水河柳江光照马马崖董箐天生桥一级天生桥二级平班岩滩大化百龙滩恶滩桥巩大藤峡天峨来宾柳州武宣桂平蔗香黔江龙滩发电厂电气部分第一章能源和发电工程基本特性正常蓄水位(m)：375400设计洪水位(m)：376.47400.86校核洪水位(m):379.34403.11死水位(m)：330340最大坝高(m):192216.5正常蓄水位下总库容(亿立米):162.1272.7校核蓄水位下总库容(亿立米):179.6299.2兴利库容(亿立米):

111.5205.3防洪库容(亿立米):

5070装机容量(万KW):490630保证出力(万KW):123.4168年发电量(亿KW.h):156.7187.1

项目初期后期第一章能源和发电发电厂电气部分工程枢纽布置

挡水建筑物采用碾压混凝土(RCC)重力坝右岸挡水坝段。为避开坝间冲沟以抬高建基面，该坝段向上游方向折转30度。升船机坝段河床挡水坝段溢流（泄洪建筑物）坝段电梯井坝段厂房进水口坝段。为减少切入山体的深度，提高边坡的稳定性，该坝段向上游方向折转27度。左岸挡水坝段第一章能源和发电发电厂电气部分

左岸引水发电系统，主要布置于左岸三迭系中统板纳组地层中，少数附属设施布置于地面。一字型坝式进水口，单机单口，进水口间距25m。①~⑦机进水口，中心线布置高程311m。⑧~⑨机进水口中心线布置高程321m，以减少边坡开挖高度并适应后期340m死水位。引水管道，单机单管，洞径10.0m。主厂房纵向布置九台机组，机组间距32.5m。尾水系统由9条尾水支洞、三个长廊阻抗式调压井、两个卜形岔洞、三条圆形尾水隧洞与尾水出口建筑物组成。主变室纵向布置九台主变与一台备用变，间距与机组间距相等。阻抗长廊式调压井，采用三机共用一井的布置形式。第一章能源和发电发电厂电气部分最大坝底宽168.58m最大坝顶长度831.985m最大坝顶长度746.485m最大坝高216.5m最大坝高192m正常蓄水位400m坝顶高程406.5m正常蓄水位375m坝顶高程382m第一章能源和发电发电厂电气部分泄洪建筑物布置在河床坝段，设7个表孔，孔口尺寸为15m20m（宽高，下同），近期和后期的堰顶高程分别为355m和385m。担负泄洪和放空水库任务。表孔两侧布置底孔，孔口高程290.00ｍ，控制尺寸5m8m。底孔一般不参与泄洪，主要担负后期导流、水库放空和冲排沙等任务。第一章能源和发电发电厂电气部分工程综合效益

龙滩水电站是我国“西电东送”电力开发战略中的标志性工程，红水河梯级开发的龙头电站，其工程综合效益巨大。初期正常蓄水位375m时，总库容162.1亿m3，有效库容111.5亿m3，为一较好的年调节水库，装机容量420万kW，多年平均年发电量156.7亿kW·h，电站保证出力123.4万kW。后期正常蓄水位400m时，总库容272.7亿m3，有效库容205.3亿m3，为多年调节水库，装机容量540万kW，多年平均年发电量187.1亿kW·h，电站保证出力168万kW。

正常蓄水位375m时，龙滩以下岩滩、大化、百龙滩、恶滩、桥巩、大藤峡6梯级的总保证出力由138.79万kW提高到221.97万kW，增幅为59.9%，总电量由213.58亿kW·h提高到237.92亿kW·h，增幅为11.4%，龙滩以下梯级的总枯水期电量由33.87%提高到43.00%。正常蓄水位提高至400m，下游梯级保证出力、年发电量比375m方案分别增加24.2万kW、16.1亿kW·h，其中已建和在建梯级岩滩、大化、百龙滩、恶滩的保证出力约增加19万kW、年发电量约增加11亿kW·h。龙滩水库是西江防洪的战略性工程，承担西江中下游地区防洪任务，总防护人口达1200万人，保护耕地近700万亩。375m方案设计预留防洪库容50亿m3,400m方案增至70亿m3可使西江和西、北江三角洲防洪标准由约20年一遇提高到约40年一遇（400m提高到约50年一遇），与大藤峡水库联合防洪，可使下游的防洪标准由20年一遇提高到100年一遇。水库回水至南盘江平班坝址，将淹没坝址以上200多处险滩，使库区干流以上250km范围内形成深水航道,北盘江回水约110km，更加改善了库区的通航条件；经龙滩水库调节，下游河道的枯水期平均流量由757m3/s提高为1530m3/s，将更好地改善中下游枯季水质。

第一章能源和发电发电厂电气部分发电厂电气部分第一章能源和发电

1-4核能发电厂

核能发电厂简称核电厂,是利用反应堆中核燃料裂变链式反应所产生的热能，再按火电厂的发电方式，将热能转换为机械能,再转换为电能,核反应堆相当于火电厂锅炉。核能能量密度高，1gU235全部裂变时所释放的能量相当于2.7t标准煤完全燃烧时所释放的能量。作为发电燃料，运输量非常小，发电成本低。如一座1000MW的火电厂，每年约需三四百万吨原煤，相当于每天需8列火车用来运煤。同样容量的核电厂，若采有U235作燃料只需130t。

第一章能源和发电发电厂电气部分稳压器蒸汽发生器循环泵给水泵凝汽器循环泵发电机江河燃料元件高压加热器低压加热器循环水泵再热器汽轮机一次回路系统二次回路系统反应堆控制棒把冷却剂送进堆内，然后流过蒸汽发生器，以保证裂变反应产生的热量及时传递出来。又称压力平衡器，控制反应堆系统压力变化的设备。在正常运行时，起保持压力的作用；在发生事故时，提供超压保护。稳压器里设有加热器和喷淋系统，当反应堆里压力过高时，喷洒冷水降压；当堆内压力太低时，加热器自动通电加热使水蒸发以增加压力。是把通过反应堆的冷却剂的热量传给二次回路水，并使之变成蒸汽，再通入汽轮发电机的汽缸作功。世界核电发展情况

1954年，前苏联建成了世界上第一座原子能发电站。英国和美国分别于1956年和1959年建成原子能发电站。截止到2004.9.28，世界上31个国家，有439座原子能反应堆在运行，总容量为3.646亿千瓦。法国建成59座，原子能发电量占其整个发电量的78%；日本建成54座，原子能发电量占其整个发电量的25%；美国建成104座，原子能发电量占其整个发电量的20%；俄罗斯建成29座，原子能发电量占其整个发电量15%。第一章能源和发电发电厂电气部分我国核电建设情况秦山核电基地秦山一期是我国自行设计、建造和运营管理的第一座30万千瓦压水堆核电站，位于浙江省海盐县。1985年3月20日开工，1991年12月15日并网发电。使我国成为继美、英、法、前苏联、加拿大、瑞典之后世界上第7个能够自行设计、建造核电站的国家。

秦山二期装设2台65万千瓦压水堆机组。

2台机组先后于1996年6月2日、1997年3月23日开工，经过近8年建设，分别于2002年4月15日、2004年5月3日投入商业运行。

秦山二期扩建工程

于2006年一季度开工，预计2011年前后，3、4号机组将先后投入商业运行。届时，秦山二期核电站的装机容量将达到260万千瓦。第一章能源和发电发电厂电气部分

秦山三期

是我国首座商用重水堆核电站，电站采用加拿大重水堆核电技术，建造2台700兆瓦核电机组。

1998年6月8日开工，2003年7月24日，比合同工