第二章发电系统

电气工程基础武汉理工大学自动化学院电气工程绪论------电力系统的基本概念和知识发电系统输变电系统电力系统负荷电力网的稳态计算电力系统的短路计算电气主接线的设计与设备选择电力系统继电保护实验电气工程基础第二章发电系统§1能源及电能

一、能源的分类一次能源常规能源可再生能源水能非再生能源煤、石油、天然气、核裂变物质新能源可再生能源太阳能、风能、海洋能、地热能非再生能源核聚变物质二次能源电力、煤气、汽油、柴油、蒸气、沼气二、能源资源1、煤炭我国煤炭资源存储量较丰富，质量优良，分布面广，品种也很齐全。我国是世界上煤炭产量最多、增长速度最快的国家。分布极不均匀：新疆、内蒙、山西和陕西占全国煤炭资源总量的81.3%，东北3省占1.6%，华东7省占2.8%，江南9省占1.6%。2、水能资源我国河流很多，水系庞大而复杂，流量大，落差大，蕴藏着非常丰富的水能资源，开发条件优越，技术经洗指标良好。水能资源分布很不均匀：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、其他资源我国是发展中的石油消耗大国，同时又是人均占有油气资源相对贫乏的国家。三、电能电能与其他形式的能源相比其特点如下：1）便于大规模生产和远距离输送2）方便转换和易于控制3）输送损耗小4）效率高5）无气体和噪声污染§2火力发电厂火力发电简称火电厂，是利用煤、石油或天然气作为燃料生产电能的工厂。燃料的化学能==热能==机械能==电能一、火电厂分类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2、按蒸汽压力和温度分（kgf/cm2千克力/平方厘米）中低压发电厂：40kgf/cm2,450度。<25MW高压发电厂：101kgf/cm2,540度。<100MW超高压发电厂：141kgf/cm2,540度。<200MW亚临界压力发电厂：171kgf/cm2,540度。300~1000MW超临界压力发电厂：225kgf/cm2,550度。600MW、800MW及以上3、按输出能源分凝汽式火电厂：只向外供应电能。其效率较低，30%~40%；热电厂：既生产电能，又向用户提供热能，其效率较高，60%~70%。4、按发电厂总装机容量多少分小容量发电厂：100MW以下的发电厂；大中容量发电厂：250~1000MW的发电厂；大容量发电厂：100MW以上的发电厂；二、火电厂的电能生产过程锅炉及其辅助设备、主要设备汽轮机及其辅助设备发电机及电气设备三、火电厂的主要系统1、燃烧系统至灰场冷空气送风机空气预热器热空气热空气煤粉磨煤机煤斗输煤皮带锅炉烟气除尘器引风机炉渣冲灰沟灰渣泵煤经烟囱排向大气烟灰冲灰水2、汽水系统过热蒸汽汽轮机发电机过热器省煤器锅炉给水高压加热器低压加热器除氧器凝结水泵凝结水循环水泵冷却水凝结器排汽生水水处理设备补充给水给水泵G3、电气系统G励磁装置低压配电装置厂用电系统升压变电站配电装置发电机四、火电厂的特点火电厂布局灵活，装机容量的大小可按需要决定。火电厂一次性建造投资少，仅为水电厂的一半左右。火电厂建造工期短，例如，2×300MW发电机组，工期3~4年。发电设备年利用小时数高，约为水电厂1.5倍左右。火电厂耗煤量大，发电用煤约占全国煤总产量的50%左右。生产成本比水力发电要高3~4倍。(4)火电厂动力设备繁多，控制操作复杂，厂用电量和运行人员多于水电厂，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个到十余个小时。火电厂担负急剧升降的负荷时，必须付出附加燃料消耗的代价。(6)火电厂对空气和环境的污染较大。汽轮机构造发电机江苏谏壁发电厂始建于1959年，于1987年9月全部建成，共安装10台机组，总容量162.5万千瓦，年发电量在100亿度左右，成为80年代末到90年代初国内最大的火力发电厂。浙江北仑发电厂是我国目前最大的现代化火力发电厂，总装机容量为300万千瓦(5×600MW)，工程于1988年1月正式开工建设，2000年9月全部建成发电。年发电量167亿度，为浙江省各类发电厂发电总量的四分之一，其中两台机组的发电量就能满足宁波市全部用电所需。北仑发电厂主控制室北仑发电厂汽轮机房

张家口发电总厂成立于1988年8月，由下花园发电厂和沙岭子发电厂合并而成，位于张家口市东南14km，距首都北京170km，距煤都大同180km。发电厂总装机容量240万千瓦（8×300MW），通过500kV双回线向北京供电，同时兼顾地方用电，担负着北京地区1/4电力负荷的供电任务。张家口发电总厂夜景厂区景色汽轮机房§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击水轮机旋转，将水能变成机械能，然后由水轮机带动发电机旋转，机械能转换面电能。水电厂的发电容量P与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：发电容量－kW；Q：水流量－m3/sH：水的落差－m；：水轮机组的效率。由于河道的地质、地形等自然条件有很大差异，因此集中落差的方式也各不相同，水电站也就有各种不同的形式。按集中落差方式不同，水电厂可分为：堤坝式、引水式和混合式三种。一、水电厂的分类1、按集中落差分

由于河道的地质、地形等自然条件有很大差异，因此集中落差的方式也各不相同，水电厂也就有各种不同的形式（1）堤坝式水电厂①坝后式②河床式（2）引水式水电厂（3）混合式水电厂

根据河流特点建造的兼有堤坝式和引水式两种特点的水电厂。堤坝式水电厂三峡水力发电机组发电示意图河床式水电厂引水式电厂堤坝式坝后式

在河水中上游山区峡谷地段。单独筑坝，坝身高，水位也高，厂房建在坝后，不承受水压。特点是：形成蓄水库，以调节流量，引用流量大，电站规模大，综合效益高。

如三门峡、刘家峡、丹江口、三峡水电站

河床式

适用于平原上河床平缓地区，由于落差小，将厂房和坝建在一起，构成拦河建筑物的一个组成部分。厂房承受上游水的压力，起挡水作用。特点是：水头低（小于30～40米）；挡水建筑物长。如葛洲坝、西津水电厂

引水式无压引水

在河流上游，当河床坡度较大时，可以借助坡降较小的引水道（修建隧洞和渠道）引水，用以集中水头，以获取最大落差。特点是：水头较高（最高为1020米），流量小，无蓄水池调节流量；综合利用价值低，电站规模也较小。

有压引水

混合式根据河流特点建造的兼有堤坝式和引水式两种特点的水电厂。2、按径流调节的程度分（1）无调节水电厂例如引水式水电厂、水头很低的河床式水电厂。（2）有调节水电厂①日调节水电厂水库容量较小②年调节水电厂水库容量较大③多年调节水电厂较高的堤坝和很大库容二、水电厂的特点（1）可综合利用水能资源（2）发电成本低、效率高（3）运行灵活（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）水电厂建设和生产都受到河流的地形、水量及季节条件限制，有丰水和枯水期之别，发电不均衡。（8）水库的兴建，淹没土地，移民搬迁，给农业生产带来一些不利影响，还可能在一定程度上破坏自然界的生态平衡。广州抽水蓄能电站为目前世界上最大的抽水蓄能电站，是为大亚湾核电站安全经济运行而建设的配套工程，同时还承担着广东、香港电网的调峰填谷和事故备用的任务。电站总装机总装机容量2.4GW（8×300MW），分两期建设，每期4台，设计水头535m，电站一期工程于1989年5月25日开工且1993年6月29日1号机投产，二期工程于1994年9月12日开工，至2000年3月14日8号机投产。葛洲坝27孔泄洪闸葛洲坝水电站葛洲坝水电站是长江干流上修建的第一座大型水电工程，是三峡工程的反调节和航运梯级。电站始建于1970年，共有机21台机组，总装机容量271.5万千瓦，年发电量157亿度。电站以500kV和220kV输电线路并入华中电网，并通过500kV直流输电线路向距离1000km的上海输电120万千瓦。三峡水电厂三峡水电站效果图长江三峡水电站坝长2309m，坝高185m，水头175m，总库容393亿立方米，总装机容量18.2GW（26×700MW），年发电量86.5TW·h；库区将淹没耕地36万亩，淹没城镇129座，需安置迁移人口113万；电站于93年起步，首批机组于2003年10月发电，以后每年投产4台机组（280MW），2009年全部机组建成投产。三峡电站发出的强大电力将送往华中、华东地区和广东省。电站将引出15条超高压交流输电线路，其中3条线路通过换流站将交流电转换成直流电后，再通过500kＶ直流输电线路，2条送往华东、1条送往广东。三期导流图三峡大坝模型三峡大坝由多个功能模块组成，从左至右（面向下游）依次为永久船闸、升船机、泄沙通道（临时船闸）、左岸大坝及电站、泄洪坝段、右岸大坝及电站、山体地下电站等。升船机的最大提升高度为113米，供3000吨以下船只通过大坝，用时约40分钟；永久船闸是双线五级船闸，供3000吨以上船只从这里翻过大坝，用时约3.5小时。三峡工程综合效益防洪：三峡水库正常蓄水位175米，总库容393亿立方米，防洪库容221.5亿立方米，能有效地控制长江上游洪水，保护长江中下游荆江地区1500万人口、2300万亩土地，是世界上防洪效益最为显著水利工程。发电：三峡水电站装机总容量为1820万kW，年均发电量847亿kW·h。以直线距离1000公里为半径，全国除辽宁、吉林、黑龙江、新疆、西藏、海南、台湾7省区外，其余地区的主要城市和工业基地都在这个范围内。航运：它将改善航运里程660公里，使重庆至宜昌航道通行的船队吨位由现在的3000吨级提高至万吨级，年单向通过能力由1000万吨提高到5000万吨。§4核电厂1．核电厂的能量转换过程：核燃料的裂变能→热能→机械能→电能。2．核电厂的组成：核反应堆、汽水系统（汽轮机）、电力系统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，再按火力发电厂的发电方式，将热能转换为机械能，再转换为电能，它的核反应堆相当于火电厂的锅炉。一公斤标准煤含的热量是3×104J，而一公斤铀235裂变所产生的热能为7.95×1010J，相当2700t煤，用核电厂代替火电厂将大量节约煤炭。自1954年世界上第一座核电厂投入运行以来，许多国家纷纷建设核电厂。

轻水堆核电厂的生产过程示意图如图1-5所示。图1-5轻水碓核电厂生产过程示意图a）沸水碓b）压水碓热力系统由单回路构成，有可能使汽轮机等设备受放射性污染由双回路系统构成，两个回路各自独立循环，不会造成设备的放射性污染。3．核反应堆的分类（核裂变时产生的是快速、高速中子，为了使其变成慢中子需要慢化剂将其减速，根据慢化剂的不同，热核反应堆可分成多种）轻水堆（包括沸水堆和压水堆）、重水堆和石墨冷气堆等。4．核电厂是我国目前最重要的电源之一，比例大于10%。我国第一座浙江泰山核电厂（1×300M）于1991年并网发电，广东大亚湾核电厂（2×900M）于1994年建成投产。我国准备16年内投4000亿，建40个核电站。核电产业2011年、2020年发展目标分别为1200万千瓦、8600万千瓦。

5.核能发电的优缺点节省大量煤炭、石油等燃料，避免燃料运输。不需空气助燃，可建在地下、水下、山洞或空气稀薄地区。比火电厂造价高，但发电成本低30%～50%，且规模越大越合算。存在问题：放射性污染。秦山核电站位于东海之滨美丽富饶的杭州湾畔，是中国第一座依靠自己的力量设计、建造和运营管理的压水堆核电站，总装机容量2×300MW。1985年3月动工，1991年12月首次并网发电。它的建成使我国成为继美、英、法、前苏联、加拿大、瑞典之后世界上第七个能够自行设计、建造核电站的国家。秦山核电站主控制室秦山核电站汽轮机房

大亚湾核电站位于深圳市东部大亚湾畔，为我国目前最大的核电站。大亚湾核电站是我国引进国外资金、设备和技术建设的第一座大型商用核电站。核电站安装有两台单机容量为900MW的压水堆反应堆机组。1987年8月7日工程正式开工，1994年2月1日和5月6日两台机组先后投入商业营运。大亚湾核电站每年发电量超过100亿度，其中七成电力供应香港，三成电力供应广东电网。大亚湾核电站电站设备五、其他发电厂太阳能发电地球表面一年从太阳获得的总能量比全世界目前一年内利用各种能源的总和还大1万倍以上。光电板控制器逆变器配电线路负载蓄电池太阳能发电系统的组成太阳能电池板：将太阳的辐射能转换为电能。太阳能控制器：控制整个系统的工作状态，对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。蓄电池：在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。逆变器：将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能。

我国太阳能发电装机规模在2011年、2020年分别达200万千瓦和2000万千瓦。风力发电世界上风能总量约为世界经济可采水能的700倍。1.中小容量风能电站，用于偏远地方。2.可并入电网的大型风能发电机组。通过大型风电场特许权招标和引进技术，国产1.5兆瓦级风电机组已批量投入运行，自主化率达到86％。目前我国正在研制3兆瓦、5兆瓦级风电机组。

风能在我国能源发展战略中占有重要的地位。根据国家的中长期规划，2015年我国风电规模将达到1500万千瓦，2020年将达3000万千瓦，届时风能将成为我国的第三大电源。达板城风力发电厂装机容量7.23万千瓦。地热发电

地下水在地表深处被加热成蒸汽或热水即构成了地热资源，根据地质条件不同，热水温度约在