《工业生产过程与管理》电力工业

电力工业

1、人身伤亡事故2、火灾事故3、爆炸事故氢系统和燃油罐爆炸着火事故、压力容器爆破、大容量锅炉承压部件爆漏、锅炉尾部再次燃烧、锅炉炉膛爆炸、锅炉制粉系统爆炸和煤尘爆炸4、汽轮机事故汽轮机超速和轴系断裂、汽轮机大轴弯曲和轴瓦烧损、汽轮机叶片断裂5、全厂停电和电气误操作事故火力发电常见事故7.1概述

电力工业就是把不同形式的能量转换成电能，再以电磁场为载体，通过输电、变电与配电系统经电网输送给用户的工业部门。它是国民经济的一个重要的能源工业部门，是一个技术密集型的行业。

7.1.1电力工业的发展电力工业是国民经济发展中最重要的基础能源产业，是国民经济的第一基础产业，是世界各国经济发展战略中的优先发展重点。作为一种先进的生产力和基础产业，它不仅是关系国家经济安全的战略大问题，而且与人们的日常生活、社会稳定密切相关。电力生产流通过程示意图图7-1电力生产流通过程示意图

7.1.2电力工业在国民经济发展中的地位（1）电力需求平均增长速度超前于国民经济平均增长速度的客观规律，决定了电力工业是一种具有先行发展性质的基础产业。（2）电力应用的广泛社会性和不可缺少性，决定了电力工业是一种具有社会公用服务性质的公用事业行业。（3）电能是一种无形的、不能储存的优质二次能源，决定了电力工业是一种具有与电力需求直接对应性质的供需一体化产业。（4）电网将一次能源转换成为电能，同时直接将电能输送、分配和销售给分散的大量的各种类型电力用户，决定了电力工业是一种具有转换性质的能源转换产业，为能源联合提供了条件。（5）电能生产、输送、分配工艺技术复杂，自动化程度高，需要庞大的先进发电、输变电和配电设备和设施，需要大量资金，决定了电力工业是一种技术和资金密集型的产业。7.1.3电能与其它工业生产的区别（1）电能不能大量储藏。（2）电力系统的电磁变化过程非常迅速。（3）电力工业和国民经济各部门之间有着极其密切的关系。7.2发电厂类型及生产过程7.2.1火力发电利用煤、石油和天然气作燃料进行能量转换，通过发电动力装置（包括电厂锅炉、汽轮机和发电机及其辅助装置）转换成电能的一种发电方式，称为火力发电厂。火力发电以燃煤发电机组为主（约占85%），电煤消耗大。在所有发电方式中，火力发电是历史最久的，也是最重要的一种。1、火力发电的分类

（1）根据发电机组或火力发电厂容量等级，分小型发电厂、中型发电厂、大型发电厂。根据进入汽轮机的蒸汽初参数，可分为中低压电厂、高压电厂、超高压电厂、亚临界压力电厂、临界压力电厂。（2）火力发电按其作用分，为单纯供电的和既发电又供热的两种。（3）按原动机分汽轮机发电、燃气轮机发电、柴油机发电。（4）按所用燃料分，主要有燃煤发电、燃油发电、燃气发电。2、火力发电系统的组成

火力发电系统主要由燃烧系统（以锅炉为核心）、汽水系统（主要由各类泵、给水加热器、凝汽器、管道、水冷壁等组成）、电气系统（以汽轮发电机、主变压器等为主）、控制系统等组成。前二者产生高温高压蒸汽，电气系统实现由热能、机械能到电能的转变，控制系统保证各系统安全、合理、经济运行。3、火力发电厂的生产过程火力发电厂的生产过程实质上是四个能量形态的转变过程，即化石燃料的化学能经燃烧转变为热能，这个过程在蒸汽锅炉或燃气轮机的燃烧室中完成；热能转换机械能，这个过程通过蒸汽轮机或燃气轮机完成；发电机组引导机械能转变为电能。图7-2凝汽式燃煤电厂生产过程示意图蒸汽式燃煤电厂生产过程示意图4、主要设备（1）电厂锅炉以燃煤锅炉为例进行介绍，电厂锅炉本体由炉膛、燃烧器、水冷壁、过热器、省煤器、空气预热器以及钢架炉墙等组成。此外，还有重要的辅助设备，如制粉设备、除灰设备、除尘装置、自动控制装置与仪表、阀门等。现代化电厂锅炉还应用工业电视和计算机锅炉分类按所用燃料分类有燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉。按燃烧方式分类有层燃炉、室燃炉、旋风炉、沸腾燃烧锅炉（即流化床燃烧锅炉）。按蒸汽压力分类有中压锅炉、高压锅炉、超高压锅炉、亚临界压力锅炉、超临界压力锅炉。按工质(水)在锅炉中的流动方式分类有自然循环锅炉、强制循环锅炉、直流锅炉、复合循环锅炉。（2）汽轮机

工作原理来自锅炉的高温高压蒸汽，经主汽阀和调节阀进入汽轮机内，依次流过一系列环形配置的喷嘴（或静叶栅）和动叶栅而膨胀做功，其热能转变成推动汽轮机转子旋转的机械能，从而驱动发电机（或其他机械）。膨胀做功后的蒸汽由排气部分排出机外，被引入凝汽器而凝结，凝结水再经泵送至加热器中加热作为锅炉给水循环使用。（3）内燃机组成：往复活塞式内燃机的组成部分主要有曲柄连杆机构、机体和气缸盖、配气机构、供油系统、润滑系统、冷却系统、起动装置等。（4）燃气轮机组成：燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气透平机（燃气轮机）等组成。压气机有轴流式和离心式两种，轴流式压气机效率较高，适用于大流量的场合。在小流量时，轴流式压气机因后面几级叶片很短，效率低于离心式。7.2.2水力发电

1、概述水力发电就是利用水力(具有水头)推动水力机械(水轮机)转动，将水能转变为机械能，如果在水轮机上接上另一种机械(发电机)随着水轮机转动便可发出电来，这时机械能又转变为电能。水力发电在某种意义上讲是水的势能变成动能，又变成电能的转换过程。我国是一个水力资源非常丰富的国家，水能资源居世界首位。水电是一种可再生能源，是集一次能源和二次能源于一身，而且技术成熟、发电成本低廉污染问题少的发电方式。7.2.2水力发电2．水力资源的开发方式和水电站类型水力资源的开发方式是按照集中落差而选定，大致有四种基本方式：即堤坝式、引水式、混合式、抽水蓄能式。另外，按用水方式分类有：径流式水电站、调节水池式水电站、水库式水电站、抽水蓄能式水电站。

7.2.2水力发电3、水力发电的基本生产过程（1）集中能量阶段，即取得河川的径流（2）输入能量阶段，即集中水头和流量，并输送水能至水电站（3）变换能量阶段，即将水能转变为电能。（4）输出能量阶段，即变换电能的参数送到用户4、水电站的构成(1)水工建筑物包括大坝、引水建筑物和泄水建筑物等。(2)水轮发电机组。(3)水电站的电气设备。电气部分主要有电气主接线、主变压器、高压断路器、高压隔离开关等设备。7.2.3核能发电

1、原理：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。反应中，可裂变物的原子核吸收一个中子后发生裂变并放出两三个中子。若这些中子除去消耗，至少有一个中子能引起另一个原子核裂变，使裂变自持地进行，则这种反应称为链式裂变反应。实现链式反应是核能发电的前提。核能发电的关键系统是反应堆系统。反应堆主要由堆芯、反射屏、屏蔽层等组成。

一回路反应堆堆芯因核燃料裂变产生巨大的热能，由主泵泵入堆芯的水被加热成高温高压水，高温高压水流经蒸汽发生器内的传热Ｕ型管，通过管壁将热能传递给Ｕ型管外的二回路冷却水，释放热量后又被主泵送回堆芯重新加热再进入蒸汽发生器。水这样不断地在密闭的回路内循环，被称为一回路。

二回路蒸汽发生器Ｕ型管外的二回路水受热从而变成蒸汽，推动汽轮发电机做功，把热能转化为电力：做完功后的蒸汽进入冷凝器冷却，凝结成水返回蒸汽发生器，重新加热成蒸汽。这样的汽水循环过程，被称为二回路。

三回路三回路使用海水或淡水，它的作用是在冷凝器中冷却二回路的蒸汽使之变回冷凝水。2、核电站分类按产生蒸汽的方式分（1）压水堆核电站（如下图7-3）（2）重水堆核电站（3）快中子增殖堆核电站5、核电站的安全（1）核电站在设计上所采取的安全措（2）在出现可能危及设备和人身的情况时采用多重保护措施。（3）核电厂在管理方面采取的安全措施。（4）核电厂发生自然灾害时，它能安全停闭（5）核电站的纵深防御措施例：日本核电事故6、核电链与煤电链的安全性比较(1)对公众健康的影响。从对公众产生的辐射照射看，煤电链约为核电链的50倍。就非辐射而言，采用健康危害评价方法，煤电链比核电链高1个数量级。(2)对环境的影响。对煤电链，在正常情况下就可观察到排出SO2和NOx等对森林、农作物等的明显影响。对核电链，除切尔诺贝利事故外，未发现可察觉的影响。(3)对工作人员健康的影响。从辐射照射看，煤电链约为核电链的10倍；从尘肺看，煤矿为铀矿的5倍；从急性事故死亡率看，煤电链约为核电链的60倍。(4)温室气体排放系数。煤电链温室气体排放系数为核电链的100倍。7.2.4新能源发电1．太阳能发电2．地热能发电3．风能发电4．海洋能发电5．生物能发电6．煤层气发电7.新能源发电7.3输、配电系统

输电系统是电力系统的主体，承担着各类发电厂中发电机生产电能、远距离输送电能、各级电压等级间电能电压的变换等重大使命。输电系统的功能是将发电厂产生的电能变压，输送至负荷中心。它由发电机、变压器、输电线路及综合电力负荷组成。其中仅含变压器和输电线路的部分为输电网络。日本地震引发核电事故必须重新审核电站抗震性

位于新潟地震灾区的柏崎刈羽核电站这两天麻烦不断。日本政府和相关部门认识到，有必要重新探讨有关核电站抗震性能的国家指南，提高核电站自身对灾害的应急能力。

在16日新潟地震发生仅两分钟后，柏崎刈羽核电站3号机组变压器就发生起火事故。然而，当地的消防总部疲于应付其他救援请求，消防队员1个多小时后才赶到核电站灭火。而核电站虽然拥有自主防灾组织，但是第一时间参与灭火的只有4名职员，在消防队员到达之前，他们能做的只是在周围浇水，防止火势蔓延。当天，核电站6号机组反应堆还发生含微量放射性物质的水泄漏事故。

17日中午，核电站工作人员又在固体废弃物贮藏库发现，约100个装有低水平放射性废弃物的罐子倒在地上，其中几个罐子的盖子脱落。东京电力公司目前仍在调查，罐子内盛放的废弃物是否对环境产生影响。同样在17日，工作人员还在地震后紧急停运的核电站7号机组的主排气筒过滤器中检测出一些放射性物质。

上述一连串麻烦不仅让核电站附近居民提心吊胆，更引起了日本各方对核电站安全的深层忧虑。

16日地震震中距离核电站仅9公里，并且是深度只有17公里的浅源地震。地震发生时，设置在1号机组地下5层的地震仪测得东西方向的加速度为680伽(每平方秒6.8米)，远远超过反应堆重要设备273伽的设计值上限。

日本经济产业大臣甘利明17日要求，对日本国内全部55座反应堆抗震能力进行检验。官房长官盐崎恭久当天也表示，有必要重新审视有关核电站抗震性能的国家指南。7.3.1概述

20世纪出现的大规模电力系统是人类工程科学史上最重要的成就之一，是由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电力生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电力，再经输电、变电和配电将电力供应到各用户。现代电力系统正向着“互联大系统”方向发展。1．数学模型与运行特性（1）同步发电机组运行特性（2）变压器的基本运行特征（3）输电线路基本运行特性（4）电力负荷的运行特性7.3.2输电系统2．输电系统故障与稳定性

在输电系统中使并联运行的所有发电机保持同步是输电系统保持正常运行的一个重要标志。输电运行中受到大的或小的干扰后，能否继续保持发电机同步运行的问题，称为输电系统的稳定性问题，为便于研究，一般净输电系统稳定性的问题分为静态稳定性与暂态稳定性。系统在实际运行过程中会受到大的或小的干扰，如短路故障。系统在受到各种干扰后，同步发电机组经过一段运动变化后仍能恢复同步运行，则系统就是稳定的，否则就是不稳定的。7.3.3配电系统1、配电系统的组成

配电系统在电力系统中主要起分配电能的作用，它是从电厂或输电网枢纽变电站中获得电能，然后再把电能分配到不同电压等级的用户。配电系统按电等级来分类，可分为高压配电系统，电压为35KV~110KV；中压配电系统，电压为6KV~10KV；低压配电系统，电压为220V~380V。按供电区的功能分为城市配电网、农村配电网、工厂配电网。最大特点是作为电力网的末端而直接和用户相接，敏锐地反映着用户在安全、优质、经济等方面的要求。2、配电系统的运行特点（1）10KV中压配电网在运行中，负荷节点多。（2）随着铁路电气化和用户电子设备大量使用，要求准确测量和计算配电网中谐波分布，以采取有效措施抑制配电网运行中的谐波危害。（3）配电运行要采取不影响城市绿化及能防火、防爆、防噪声等技术和组织措施，以便减少配电网运行对环境的污染。（4）配电系统运行要提高自动化、智能化水平，满足用户对供电可靠性和电压质量的要求。（5）电力公司应加强管理，提高电网运行经济性，降低配电成本，降低配电运行线损和年运行费用。

3、配电系统的规划设计要求

配电网规划设计的主要内容有：①分析配电网布局与负荷分布情况；②负荷预测（电量与功率预测）；③确定规划的各期目标，电网结构原则，供电设施标准化；④进行电量和电力（有功、无功功率）平衡，提出对供电电源点的建设要求；⑤确定变电所的布点与布局；⑥确定无功补偿容量与布局；⑦确定调度、通信、自动化的规模与要求；⑧估算规划投资重要设备的规范和数量；⑨估算规划将取得的经济效益和扩大供电能力后的社会经济效益；⑩编制配电网规划地理接线图（包括现状图）以及编制规划说明书。4、电力负荷预测

电力负荷预测是配电系统规划的基础工作，国内外对远景电力负荷预测的方法有直观分析法、需求叠加法、回归分析法、灰色理论法等。可分别预测出第一产业、第二产业、第三产业生产用电量。配电系统电压等级（电网额定电压（KV））分别为0.22、0.38、6、10、35、110、220。5、配电系统的可靠性和经济指标

配电系统可靠性指标有：①系统平均停电率；②用户平均停电率；③系统平均停电持续时间；④用户平均停电持续时间；⑤平均供电可靠率；⑥平均供电不可靠率。配电网经济指标有：①一次性投资（综合造价）；②年运行经费；③资金的时间效益；④年费用；⑤抵偿年限。6、配电系统接地方式

选择配电系统中性点的接地方式是一个综合性问题，它与电压等级、单相接地短路电流、过电压水平、保护配置有关。中性点接地方式分为有效接地与非有效接地两大类。有效接地配电网的特征是零序电阻与正序电阻之比小于或等于1，零序电抗与正序电抗之比为正值不大于3。7.4电力行业常见事故风险及管控措施

电力工业作为关系国计民生的基础产业，电力安全直接关系到国民经济发展和人民生命财产安全。由于作为电力工业源头的发电厂设备众多、生产过程复杂、技术工艺先进，属资金密集性和技术密集型产业，也属于人员相对密集型产业，安全生产风险相对较大，特别是占比超过七成的火力发电机组大容量、高参数的发展趋势以及化学环保处理过程中危险化学品的大量使用，生产过程中大量高温高压蒸汽管道、高转速机械设备、长期存在的易燃易爆有毒有害物质，使火力发电生产过程中存在大量危险因素与危险源。7.4.2电力生产常见事故1.触电事故

火力发电厂或其他发电厂在发电输电变电过程中总是伴随着高压电流和大功率电机的使用与检修，这些过程都易导致触电事故的发生。引发触电风险的起因也有很多种，就触电风险来说可分为高压电源、低压电源、感应电压以及电气设备等方面。预防触电事故的主要措施有：加强对员工的安全教育培训；严格落实保证现场作业安全的技术及防范措施；严格履行工作票制度；规范作业现场安全围栏设置；绝缘工器具的配备、试验、管理必须符合规定及要求等。2．机械伤害

机械伤害风险是指由机械设备运动部件与人体接触引发的伤害，机械伤害风险主要存在于生产系统设备维修、气动工具及电动工具使用等生产作业流程中，机械伤害风险事故的形式有机械与员工身体接触而产生的夹击、碰撞、打击、剪切、卷入、绞、碾、擦、割、刺等伤害。预防措施有：加强安全工作规程的培训和学习；严格加强检修作业现场的安全监督管理及检修工具的正确操作；严格“两票”制度的执行、监督管理；加大反“三违”活动的力度；转动机械和传动装置的外露部分应装设可靠防护罩；严格控制劳务派遣人员；现场作业防护用具的配备、穿着、使用必须符合规定。3．高温灼烫灼烫伤风险也是电力企业最为常见的一种生产安全风险，就其起因来说也集中在高湿、髙压以及辐射等几个常见方面。预防高温灼烫事故的主要措施有：高温作业