一次能源与电能生产

一次能源与电能生产第1页/共107页能量能量是物质的一种形态，既不能创造，也不能消灭，但可以从一种形态转换到另一种形态。到目前为止，人类所认识的能量有：（1）机械能（2）热能（3）化学能（4）辐射能（5）核能（6）电能第2页/共107页能源的分类一次能源和二次能源常规能源和新能源再生能源与非再生能源含能体能源和过程性能源

第3页/共107页能量转换能量的形态转换，如燃料的化学能通过燃烧转换成热能；热能通过热机转换成机械能；等等能量的空间转换，即能量的传输能量的时间转换，即能量的储存能量转换须遵守能量守恒定律任何能量转换都需要一定的条件，并在一定的设备或系统中实现第4页/共107页能源能量形态转换过程转换设备或系统石油、煤炭、天然气等矿物燃料氢、酒精等二次能源化学能→热能化学能→热能→机械能化学能→热能→机械能→电能化学能→热能→电能化学能→电能炉子，燃烧器各种热力发动机热机，发电机，磁流体发电，EGD发电（压电效应）热力发电，热电子发电燃料电池水力、风力、潮汐、海流、波浪机械能→机械能机械能→机械能→电能水车，风车水轮发电机，波力发电，风力发电，潮汐发电，海流发电太阳能光能→热能光能→热能→机械能光能→热能→机械能→电能光能→热能→电能光能→电能光能→化学能光能→生物能电磁波→电能热水器，采暖，制冷，光化学反应，太阳灶太阳热发动机太阳热发电热力发电，热电子发电光电池，光化学电池光化学反应（水分解）光合成第5页/共107页能源能量形态转换过程转换设备或系统海洋热能热能→机械能→电能海洋温度差发电（热力发动机）海洋盐分（能）化学能→电能化学能→机械能→电能化学能→机械能→电能浓度发电渗透压发电浓度差发电地热能热能→机械能→电能热能→电能热力发动机-发电机热力发电核能核裂变→热能→机械能→电能核裂变→热能核裂变→热能→电能核裂变→电磁能→电能核聚变→热能→机械能→电能电能→光（激光）→热能电能→热能核裂变发电，磁流体发电核能炼钢热力发电，热电子发电光电池核聚变发电第6页/共107页第7页/共107页第8页/共107页第9页/共107页第10页/共107页西(部水)电东送

北(方)煤(电)南运

南水北调第11页/共107页新能源及其资源分布新能源发电：核聚变发电厂、风电场、太阳能发电厂核聚变发电：轻核聚变用的燃料是海水中的氘，1升海水可提取30毫克氘，相当于300升汽油中国10m高度层的风能资源总储量为32.26亿kW，其中实际可开发利用的风能资源储量为2.53亿kW第12页/共107页第13页/共107页东南沿海及其附近岛屿是风能资源丰富地区，有效风能密度大于或等于200W/m2的等值线平行于海岸线；沿海岛屿有效风能密度在300W/m2以上，全年中风速大于或等于3m/s的时数约为7000～8000h，大于或等于6m/s的时数为4000h。新疆北部、内蒙古、甘肃北部也是中国风能资源丰富地区，有效风能密度为200～300W/m2，全年中风速大于或等于3m/s的时数为5000h以上，全年中风速大于或等于6m/s的时数为3000h以上。第14页/共107页黑龙江、吉林东部、河北北部及辽东半岛的风能资源也较好，有效风能密度在200W/m2以上，全年中风速大于和等于3m/s的时数为5000h，全年中风速大于和等于6m/s的时数为3000h。青藏高原北部有效风能密度在150～200W/m2之间，全年风速大于和等于3m/s的时数为4000～5000h，全年风速大于和等于6m/s的时数为3000h；但青藏高原海拔高、空气密度小，所以有效风能密度也较低。第15页/共107页云南、贵州、四川、甘肃、陕西南部、河南、湖南西部、福建、广东、广西的山区及新疆塔里木盆地和西藏的雅鲁藏布江，为风能资源贫乏地区，有效风能密度在50W/m2以下，全年中风速大于和等于3m/s的时数在2000h以下，全年中风速大于和等于6m/s的时数在150h以下，风能潜力很低第16页/共107页第17页/共107页我国太阳能资源一类地区

为我国太阳能资源最丰富的地区，年太阳辐射总量6680～8400MJ/㎡，相当于日辐射量5.1～6.4kWh/㎡。这些地区包括宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部和西藏西部等地。尤以西藏西部最为丰富，最高达2333kWh/㎡（日辐射量6.4kWh/㎡），居世界第二位，仅次于撒哈拉大沙漠。第18页/共107页我国太阳能资源二类地区为我国太阳能资源较丰富地区，年太阳辐射总量为5850-6680MJ/m2，相当于日辐射量4.5～5.1kWh/㎡。这些地区包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。第19页/共107页我国太阳能资源三类地区为我国太阳能资源中等类型地区，年太阳辐射总量为5000-5850MJ/m2，相当于日辐射量3.8～4.5kWh/㎡。主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、苏北、皖北、台湾西南部等地。第20页/共107页我国太阳能资源四类地区是我国太阳能资源较差地区，年太阳辐射总量4200～5000MJ/㎡，相当于日辐射量3.2～3.8kWh/㎡。这些地区包括湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏北部、安徽南部以及黑龙江、台湾东北部等地。第21页/共107页我国太阳能资源五类地区主要包括四川、贵州两省，是我国太阳能资源最少的地区，年太阳辐射总量3350～4200MJ/㎡，相当于日辐射量只有2.5～3.2kWh/㎡。第22页/共107页西(水、风、太阳能)电东送

北(方)煤(电)南运

南水北调第23页/共107页电厂能量转换过程其它形式的能机械能电能火电厂：燃料的化学能热能机械能电能核电厂：核能热能机械能电能水电厂：水的势能和动能机械能电能风电场：风能机械能电能第24页/共107页火力发电厂1.火力发电厂将煤、油、天然气或其它燃料的化学能转换成电能的工厂。2.分类：按容量大小： 大型电厂、中型电厂、小型电厂按燃料种类： 燃煤、燃油、燃气按原动机： 蒸汽轮机、燃气轮机按输出能量： 凝汽式电厂和热电联产电厂按机组热力参数：低压、中压、高温高压 超高压、亚临界、超临界电厂3.能量转换过程： 燃料的化学能热能机械能电能4.火电厂的组成 火电厂由三大主机（锅炉，汽轮机，发电机）及其辅助设备组成。第25页/共107页第26页/共107页水蒸汽的临界点pc

=22.129MPatc=372.15oC

c=0.00326m3/kg在临界点，气化潜热量qvap

=0第27页/共107页第28页/共107页超超临界机组第29页/共107页第30页/共107页燃烧系统：运煤、磨煤、燃烧、风烟、灰渣第31页/共107页汽水系统由锅炉、汽轮机、除氧器、凝汽器、加热器等设备和管道构成。包括给水系统、循环水系统、补充水系统第32页/共107页汽轮机内的绝热膨胀过程（1-2）、凝汽器内的定压（定温）放热凝结过程（2-3）、给水泵内的绝热压缩过程（3-4）、锅炉内的定压加热过程（4-5-6-1）火电厂朗肯循环（汽包锅炉）第33页/共107页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第34页/共107页火电厂特点火电厂布局灵活，装机容量的大小可按需要确定火电厂一次性建设投资少，单位容量的投资仅为同容量水电厂的一半左右。火电厂建造周期短，2台30万kW机组，工期3～4年。发电设备年利用小时数较高，约为水电厂的1.5倍火电厂耗煤量大，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，其生产成本比水力发电要高出3～4倍第35页/共107页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，运行费用高燃煤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，并附加耗用大量燃料。火电机组负荷的调节速度非常缓慢，国产30万kW机组试验表明，改变负荷的速率仅为每分钟1～2%火电厂担负调峰、调频或事故备用时，相应事故增多，强迫停运率增高，厂用电率增高。因此，从经济性和供电可靠性考虑，火电厂应该尽可能担负较均匀的负荷火电厂的各种排放物（烟气、灰渣、废水）对环境的污染大火电厂特点第36页/共107页水电厂水电厂是把水的位能和动能转换成电能。它的基本生产过程是：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。Q为通过水轮机的水的流量（m3/s）；H为作用于水电厂的水位落差，也称水头（m）；

为水轮发电机组的效率，一般为0.80～0.85第37页/共107页三峡工程第38页/共107页水电厂的分类按集中落差的方式分堤坝式水电厂：坝后式水电厂、河床式水电厂引水式水电厂混合式水电厂按径流调节的程度分无调节水电厂有调节水电厂：日调节水电厂、年调节水电厂、多年调节水电厂第39页/共107页坝后式水电厂第40页/共107页河床式水电厂第41页/共107页引水式水电厂第42页/共107页水电厂的特点可综合利用水能资源。除发电外，兼顾防洪、灌溉、航运、供水、养殖、旅游等多方面综合效益，并且可以因地制宜，将一条河流分为若干河段分别修建水力枢纽，实现梯级开发发电成本低，效率高。利用循环不息的水能发电，节省大量燃料。因不用燃料，也省去了运输、加工等多个环节，运行维护人员少，厂用电率低，发电成本仅是同容量火电厂的1/3~1/4或更低运行灵活。由于水电厂设备简单，易于实现自动化，机组启动快，水电机组从静止状态到载满负荷运行只需4～5min，紧急情况可只用1min。水电厂能适应负荷的急剧变化，适合于承担系统的调峰、调频和作为事故备用第43页/共107页水电厂的特点水能可储蓄和调节。电能的生产是发、输、用同时完成的，不能大量储存，而水能资源则可借助水库进行调节和储蓄，而且可兴建抽水蓄能发电厂，扩大利用水能能源水力发电不污染环境。相反，大型水库可能调节空气的温度和湿度，改善自然生态环境水电厂建设投资较大，工期较长水电厂建设和生产都受到河流的地形、水量及季节气象条件限制，因此发电量也受到水文气象条件的制约，有丰水期和枯水期之别，因而发电不均衡由于水库的兴建，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第44页/共107页抽水蓄能电厂在抽水蓄能电厂中，必须兼备抽水和发电两类设施。在电力负荷低谷时（或丰水时期），利用电力系统的富裕电能（或季节性电能），将下游水库中的水抽到上游水库，以位能形式储存起来；待到电力系统负荷高峰时（或枯水时期），再将上游水库中的水放下，驱动水轮发电机组发电，并送往电力系统，这时，用以发电的水又回到下游水库。显而易见，抽水蓄能电厂既是一个吸收低谷电能的电力用户（抽水工况），又是一个提供峰荷电力的发电厂（发电工况）。第45页/共107页抽水蓄能电厂第46页/共107页抽水蓄能电厂在电力系统中的作用调峰：响应负荷变动的能力很强，能够跟踪负荷的变化填谷：在电力负荷低谷时，抽水蓄能电厂利用电力系统富裕电能抽水，使火电机组不必降低出力（或停机）和保持在热效率较高的区间运行，从而节省燃料，并提高电力系统运行的稳定性。填谷作用是抽水蓄能电厂独具的特色，常规水电厂即使是调峰性能最好，也不具备填谷作用备用：抽水蓄能机组启动灵活、迅速，从停机状态启动至载满负荷仅需1~2min，而由抽水工况转到发电工况也只需3~4min，因此抽水蓄能电厂宜于作为电力系统事故备用第47页/共107页抽水蓄能电厂在电力系统中的作用调频：抽水蓄能机组跟踪负荷变化的能力很强，承、卸负荷迅速灵活。当电力系统周波偏离正常值时，它能立即调整出力，使周波维持在正常值范围内，而火电机组却远远适应不了负荷陡升陡降调相：抽水蓄能电厂的同步发电机，在没有发电和抽水任务时，可用来调相。由于抽水蓄能电厂距离负荷中心较近，控制操作方便，对改善系统电压质量十分有利第48页/共107页抽水蓄能电厂在电力系统中的作用黑启动：抽水蓄能电厂可以作为黑启动电源。无需外部电源支持能迅速自动完成机组的自启动，并向部分电网供电，带动没有自启动能力的其他机组启动储能：电能的发生、输变和使用是同时完成的，不能大量储存，而水能可借助上游水库储蓄，应用抽水蓄能机组，将下游水库中的水抽到上游水库，以位能形式储存起来，便可实现较大规模的蓄能第49页/共107页抽水蓄能电厂的效益静态效益：容量效益节能效益环保效益动态效益提高火电设备利用率提高风电设备利用率第50页/共107页核电厂核能发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第51页/共107页第52页/共107页核能核能能量密度高，1g铀—235全部裂变时所释放的能量为8×1010J，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，铀的运输量非常小，发电成本低。例如一座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天然铀作燃料只需130t，采用3%的浓缩铀-235作燃料则仅需28t利用核能发电还可避免化石燃料燃烧所产生的日益严重的温室效应第53页/共107页核能发电厂的组成通常由两大部分组成：核系统和设备，又称核岛；常规系统和设备，又称常规岛目前世界上使用最多的是轻水堆核电厂，包括压水堆核电厂和沸水堆核电厂第54页/共107页压水堆核电厂整个系统分成两大部分：一回路系统和二回路系统一回路系统中压力为15MPa的高压水被冷却剂主泵送进反应堆，吸收燃料元件的释热后，进入蒸汽发生器下部的U形管内，将热量传给二回路的水，再返回冷却剂主泵入口，形成一个闭合回路二回路系统的水在U形管外部流过，吸收一回路水的热量后沸腾，产生的蒸汽进入汽轮机的高压缸做功；高压缸的排汽经再热器再热提高温度后，再进入汽轮机的低压缸做功；膨胀做功后的蒸汽在凝汽器中被凝结成水，再送回蒸汽发生器，形成一个闭合回路一回路系统和二回路系统彼此隔绝，万一燃料元件的包壳破损，只会使一回路水的放射性增加，而不致影响二回路水的品质。这样就大大增加了核电站的安全性第55页/共107页压水堆核电厂第56页/共107页压水堆核电厂稳压器的作用是使一回路水的压力维持恒定。它底部有电加热器，顶部有喷水装置的压力容器，其上部充满蒸汽，下部充满水。如果一回路系统的压力低于额定压力，则接通电加热器，增加稳压器内的蒸汽，使系统的压力提高。如果系统的压力高于额定压力，则喷水装置启动，喷冷却水，使蒸汽冷凝，从而降低系统压力。通常一个压水堆有2～4个并联的一回路系统（又称环路），但只有一个稳压器。每一个环路都有一台蒸汽发生器和1~2台冷却剂主泵。压水堆核电厂由于以轻水作慢化剂和冷却剂，反应堆体积小，建设周期短，造价较低；加之一回路系统和二回路系统分开，运行维护方便，需处理的放射性废气、废液、废物少，因此在核电厂中占主导地位第57页/共107页主要参数环路数234堆热功率/MW188229053425净电功率/MW6009001200一回路压力/MPa15.515.515.5反应堆入口水温/℃287.5292.4291.9反应堆出口水温/℃324.3327.6325.8压力容器内径/m3.3544.4燃料装载量/t4972.589燃料组件数/个121157193控制棒组件数/个376161一回路冷却剂流量/（t/h）423006325084500蒸汽量/（t/h）370055006860蒸汽压力/MPa6.36.716.9蒸汽含湿量（%）0.250.250.25第58页/共107页沸水堆核电厂在沸水堆核电厂中，堆心产生的饱和蒸汽经分离器和干燥器除去水分后直接送入汽轮机做功。与压水堆核电厂相比，省去了既大又贵的蒸汽发生器，但有将放射性物质带入汽轮机的危险由于沸水堆心下部含汽量低，堆心上部含汽量高，因此下部核裂变的反应性高于上部。为使堆心功率沿轴向分布均匀，与压水堆不同，沸水堆的控制棒是从堆心下部插入的第59页/共107页沸水堆核电厂在沸水堆核电厂中反应堆的功率主要由堆心的含汽量来控制，因此在沸水堆中配备一组喷射泵。通过改变堆心水的再循环率来控制反应堆的功率。当需要增加功率时，可增加通过堆心水的再循环率，将汽泡从堆心中扫除，来提高反应堆的功率。万一发生事故时，如冷却循环泵突然断电时，堆心的水还可以通过喷射泵的扩压段对堆心进行自然循环冷却，保证堆心的安全由于沸水堆中作为冷却剂的水在堆心中会产生沸腾，因此设计沸水堆时一定要保证堆心的最大热流密度低于沸腾的“临界热流密度”，以防止燃料元件因传热恶化而烧毁第60页/共107页沸水堆核电厂第61页/共107页主要参数名称参数值堆热功率/MW3840净电功率/MW1310净效率/%34.1燃料装载量/t147燃料元件尺寸（外径×长度）/mm12.5×3760燃料元件的排列/个8×8燃料组件数/个784控制棒数目/根193一回路系统数目/个4压力容器内水的压力/MPa7.06压力容器的直径/m6.62压力容器的总高/m22.68压力容器的总重/t785第62页/共107页核岛的核蒸汽供应系统一回路主系统，包括压水堆、冷却剂主泵、蒸汽发生器和稳压器等。化学和容积控制系统，用于实现一回路冷却剂的容积控制和调节冷却剂中的硼浓度，以控制压水堆的反应性变化。余热排出系统，又称停堆冷却系统。它的作用是在反应堆停堆、装卸料或维修时，用以导出燃料元件发出的余热。安全注射系统，又称紧急堆心冷却系统。它的作用是在反应堆发生严重事故时，如一回路主系统管道破裂而引起失水事故时为堆心提供应急的和持续的冷却。控制、保护和检测系统，为上述4个系统提供检测数据，并对系统进行控制和保护。第63页/共107页核岛的辅助系统设备冷却水系统，用于冷却所有位于核岛内的带放射性水的设备。硼回收系统，用于对一回路系统的排水进行储存、处理和监测，将其分离成符合一回路水质要求的水及浓缩的硼酸溶液。反应堆的安全壳及喷淋系统。核蒸汽供应系统大都置于安全壳内，一旦发生事故安全壳既可以防止放射性物质外泄，又能防止外来袭击，如飞机坠毁等；安全壳喷淋系统则保证事故发生引起安全壳内的压力和温度升高时能对安全壳进行喷淋冷却。核燃料的装换料及储存系统，用于实现对燃料元件的装卸料和储存。安全壳及核辅助厂房通风和过滤系统。它的作用是实现安全壳和辅助厂房的通风，同时防止放射性外泄。柴油发电机组，为核岛提供应急电源第64页/共107页常规岛的系统二回路系统，又称汽轮发电机系统，由蒸汽系统、汽轮发电机组、凝汽器、蒸汽排放系统、给水加热系统及辅助给水系统等组成。循环冷却水系统电气系统及厂用电设备第65页/共107页核能发电厂的运行只能对反应堆堆心一次装料，并定期停堆换料。因此在堆心换新料后的初期，过剩反应性很大，为了补偿过剩的反应性，除采用控制棒外，还需在冷却剂中加入硼酸，并通过硼浓度的变化来调节反应堆的反应性反应堆的堆心内，核燃料发生裂变反应释放核能的同时，也放出瞬发中子和瞬发

射线。由于裂变产物的积累，以及反应堆的堆内构件和压力容器等因受中子的辐射而活化，所以反应堆不管是在运行中或停闭后，都有很强的放射性反应堆在停闭后，运行过程中积累起来的裂变碎片和

、

衰变，将继续使堆心产生余热（又称衰变热），因此堆停闭后不能立即停止冷却，还必须把这部分余热排出去，否则会出现燃料元件因过热而烧毁的危险；即使核电厂在长时间停闭情况下，也必须继续除去衰变热；当核电厂发生停电，一回路管道破裂等重大事故时，事故电源，应急堆心冷却系统立即自动投入，做到在任何事故工况下，保证对反应堆进行冷却第66页/共107页核能发电厂的运行核电厂在运行过程中，会产生气态、液态和固态的放射性废物，对这些废物必须遵照核安全的规定进行妥善处理，以确保工作人员和居民的健康。与火力发电厂相比，核电厂的建设费用高，但燃料所占费用较为便宜。为了提高核电厂的运行经济性，极为重要的是要维持高的发电设备利用率，为此，核电厂应在额定功率或尽可能在接近额定功率的工况下带基本负荷连续运行，并尽可能缩短核电厂的停闭时间。第67页/共107页第68页/共107页第69页/共107页第70页/共107页第71页/共107页第72页/共107页第73页/共107页第74页/共107页第75页/共107页第76页/共107页第77页/共10