发电厂 第一章 概述

第一节电力工业发展概况一、我国电力工业发展简况第一章概述1882年7月26日，上海电气公司在上海成立，安装了一台以蒸汽机带动的直流发电机，并正式发电，从电厂到外滩沿街架线，供给照明用电，这是我国的第一座火电厂。这与世界上第一座火电厂——于1875年建成的法国巴黎火车站电厂相距仅7年，与美国的第一座火电厂——旧金山实验电厂相距3年，与英国的第一座火电厂——伦敦霍尔蓬电厂同年建成，说明当年我国电力建设和世界强国差距并不大。从1882年7月上海第一台发电机组发电开始到1949年新中国成立，在60多年中经历了辛亥革命、土地革命、抗日战争和解放战争，这时期电力工业发展迟缓，全国发电设备的总装机容量184.86万kW（当时占世界第21位），年发电量仅43.1亿kW·h（当时占世界第25位），人均年占有发电量不足10kW·h。新中国成立后，电力工业有了很大的发展，尤其是1978年以后，改革开放、发展国民经济的正确决策和综合国力的提高，使电力工业取得了突飞猛进、举世瞩目的辉煌成就。到1995年末，全国年发电量已达到10000亿kW·h，仅次于美国而跃居世界第2位；全国发电设备总装机容量达2.1亿kW，当时居世界第3位。截至2013年底，全国发电装机容量达到12.5亿kW，首次超越美国位居世界第1位。从电力生产情况看，全年发电量达到5.35万亿kW·h，同比增长7.5%。全国火电机组供电标准煤耗321g/kW·h，提前实现国家节能减排“十二五”规划目标，煤电机组供电标准煤耗继续居世界先进水平。1972年建成了我国第一条超高压330kV输电线路，由甘肃刘家峡水电厂到陕西关中地区。2005年9月，我国第一个超高压750kV输变电工程（官厅至兰州东）正式投入运行，这是我国电力工业发展史上一个新的里程碑。2006年8月19日，我国特高压试验示范工程1000kV晋东南—南阳—荆门工程正式奠基。2014年7月，溪洛渡左岸—浙江金华±800kV特高压直流输电工程正式投运。该工程在世界上首次实现单回直流工程800万kW连续运行和840万kW过负荷输电运行，创造了超大容量直流输电的新纪录。目前，我国最大的火电机组容量为110万kW（新疆农六师煤电有限公司二期工程），最大的水电机组容量为80万kW（向家坝水电站），最大的核电机组容量为175万kW（台山核电站）；最大的火力发电厂装机容量为540万kW（内蒙古托克托电厂，8×60万+2×30万kW），最大的水力发电厂装机容量为2250万kW（三峡电厂，32×70万+2×5万kW），最大的核电发电厂装机容量为380万kW（大亚湾——岭澳核电站，2×90万+2×100万kW），最大的抽水蓄能厂装机容量为240万kW（广东抽水蓄能电厂，8×30万kW）。二、电力系统发展前景为国民经济各部门和人民生活供给充足、可靠、优质、廉价的电能，是电力系统的基本任务。节能减排，“一特四大”，实现高度自动化，西电东送，南北互供，发展联合电力系统，是我国电力工业的发展方向，也是一项全局性的庞大系统工程。为了实现这一目标，还有很多事要做，且依赖于各方面相关技术的全面进步。如下为相关的技术与目标。1.节能减排，世纪之约2.做好电力规划，加强电网建设3.电力工业现代化4.联合电力系统5.电力市场6.IT技术7.洁净煤发电技术8.绿色能源的开发和利用第二节发电厂类型一、电能与发电厂电能是由一次能源经加工转换而成的能源，称为二次能源。电能与其他形式的能源相比，其特点有：

（1）电能可以大规模生产和远距离输送

（2）电能方便转换和易于控制

（3）损耗小

（4）效率高

（5）电能在使用时没有污染，噪声小总之，随着科学技术的发展，电能的应用不仅影响到社会物质生产的各个侧面，也越来越广泛地渗透到人类生活的每个层次。电气化在某种程度上成为现代化的同义语，电气化程度已成为衡量社会物质文明发展水平的重要标志。发电厂将各种一次能源转变成电能的工厂。按一次能源的不同发电厂分为：（1）火力发电厂（2）水力发电厂

（3）核能发电厂

（4）风力发电厂

（5）地热发电厂

（6）太阳能发电厂

（7）潮汐发电厂二、火力发电厂（一）火电厂的分类按原动机分

（1）凝汽式汽轮机发电厂（2）燃气轮机发电厂（3）内燃机发电厂（4）蒸汽-燃气轮机发电厂等。

（1）燃煤发电厂（2）燃油发电厂（3）燃气发电厂（4）余热发电厂按燃料分按蒸汽压力和温度分

（1）中低压发电厂，其蒸汽压力在3.92MPa、温度为450℃的发电厂，单机功率小于25MW（2）高压发电厂，其蒸汽压力一般为9.9MPa、温度为540℃的发电厂，单机功率小于100MW

（3）超高压发电厂，其蒸汽压力一般为13.83MPa、温度为540/540℃的发电厂，单机功率小于200MW（4）亚临界压力发电厂，其蒸汽压力一般为16.77MPa、温度为540/540℃的发电厂，单机功率为300MW直至1000MW不等；

（5）超临界压力发电厂，其蒸汽压力大于22.11MPa、温度为550/550℃的发电厂，机组功率为600MW、800MW及以上；

（6）超超临界压力发电厂，其蒸汽压力为26.25MPa、温度为600/600℃的发电厂，机组功率为1000MW及以上；按输出能源分

（1）凝汽式发电厂，即只向外供应电能的发电厂，其效率较低，只有30%~40%。

（2）热电厂，即同时向外供应电能和热能的电厂，其效率较高，可达60%~70%。图1-3火电厂汽水系统流程示意图3.电气系统

发电厂的电气系统，包括发电机、励磁装置、厂用电系统和升压变电站等，如图1-4所示。

图1-4火电厂电气系统流程示意图(三)火电厂的特点

（1）布局灵活，装机容量的大小可按需要决定。

（2）一次性建造投资少，单位容量的投资仅为同容量水电厂的一半左右。

（3）耗煤量大。（4）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）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。

（6）火电厂担负调峰、调频或事故备用，相应的事故增多，强迫停运率增高，厂用电率增高。

（7）火电厂的各种排放物（如烟气、灰渣和废水）对环境的污染较大。(四)火电厂对环境的影响及处理措施火电厂生产时的污染排放主要是烟气污染物排放、灰渣排放和废水排放，其中烟气中的粉尘、硫氧化物和氮氧化物经过烟囱排入大气，这些一次污染物通过在大气中的迁移、转化生成二次污染物，会给环境造成很大的危害。处理措施：（1）废水：净化，回收再利用（2）烟气：除尘，脱硫（3）灰渣：综合利用(一)水电厂的分类1.按集中落差的方式分

（1）堤坝式水电厂。在河流中落差较大的适宜地段拦河建坝，形成水库，将水积蓄起来，抬高上游水位，形成发电水头，这种开发模式称为堤坝式。由于水电厂厂房在水利枢纽中的位置不同，又分为坝后式和河床式两种型式。坝后式水电厂示意图如图1-6所示。河床式水电厂示意图如图1-7所示。三、水力发电厂图1-6坝后式水电厂示意图图1-7河床式水电厂示意图

（2）引水式水电厂。由引水渠道造成水头，用于河床坡度较大的高水头中小型水电厂。图1-8引水式水电厂示意图

（3）混合式水电厂。在适宜开发的河段拦河筑坝，坝上游河段的落差由坝集中，坝下游河段的落差由有压力引水道集中，而水电厂的水头则由这两部分落差共同形成，这种集中落差的方式称为混合开发模式，由此而修建的水电厂称为混合式水电厂，它兼有堤坝式和引水式两种水电厂的特点。2.按径流调节的程度分

（1）无调节水电厂。

（2）有调节水电厂。根据水库对径流的调节程度，又可将水电厂分为：日调节水电厂，年调节水电厂和多年调节水电厂。(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）发电不均衡。

（8）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。(三)抽水蓄能电厂1.工作原理

抽水蓄能电厂是以一定水量作为能量载体，通过能量转换向电力系统提供电能。图1-9抽水蓄能电厂示意图2.抽水蓄能电厂在电力系统中的作用

（1）调峰。

（2）填谷。

（3）事故备用。

（4）调频。（5）调相。

（6）黑启动。（7）蓄能。3.抽水蓄能电厂的效益

（1）容量效益。

（2）节能效益。

（3）环保效益。

（4）动态效益。（5）提高火电设备利用率。

（6）对环境没有污染且可美化环境。

（一）核电厂的分类1.压水堆核电厂

图1-10所示为压水堆核电厂的示意图。整个系统分成两大部分，即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。四、核能发电厂图1-10压水堆核电厂示意图2.沸水堆核电厂

图1-11所示为沸水堆核电厂的示意图。在沸水堆核电厂中，堆芯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。在沸水堆核电厂中反应堆的功率主要由堆芯的含汽量来控制。图1-11沸水堆核电厂的示意图（二）核电厂的系统1.核岛的核蒸汽供应系统

核蒸汽供应系统包括以下子系统：（1）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。（2）化学和容积控制系统。（3）余热排出系统，又称停堆冷却系统。（4）安全注射系统，又称紧急堆芯冷却系统。（5）控制、保护和检测系统。2.核岛的辅助系统

核岛的辅助系统包括以下子系统：（1）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。（2）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。（3）反应堆的安全壳及喷淋系统。（4）核燃料的装换料及储存系统，用于实现对燃料元件的装换料和储存。（5）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。（6）柴油发电机组，为核岛提供应急电源。3.常规岛的系统

常规岛的系统与火电厂的系统相似，它通常包括：（1）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。（2）循环冷却水系统。（3）电气系统及厂用电设备。（三）核电厂的运行

核电厂的运行和火电厂相比有以下一些新的特点：

（1）压水堆核电厂的反应堆，只能对反应堆堆芯一次装料，并定期停堆换料。

（2）反应堆的堆芯内，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。

（3）反应堆在停闭后，运行过程中积累起来的裂变碎片和、衰变，将继续使堆芯产生余热（又称衰变热）。

（4）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。（5）核电厂的建设费用高，但燃料所占费用较为便宜。第三节变电站类型变电站是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的电气设施。在电力系统中变电站是输电和配电的集结点。一、变电站的分类（一）按变电站在电力系统中的地位和作用分类（1）枢纽变电站（2）中间变电站（3）区域（地区）变电站（4）企业变电站（5）末端（用户）变电站（二）按变电站建筑形式和电气设备布置方式分类（1）户内变电站（2）半户内变电站（3）户外变电站（三）其他分类（1）按变电站供电对象的差异，分为城镇变电站、工业变电站和农业变电站；（2）按变电站是否有人正常运行值班，分为有人值班变电站和无人值班变电站；（3）按变电站围护结构不同，分为土建变电站和箱式变电站。二、新型变电站简介（一）数字化变电站1.含义和结构数字化变电站是由智能化一次设备、网络化二次设备在IEC61850通信协议基础上分层构建，能够实现智能设备间信息共享和互操作的现代化变电站。数字化变电站自动化系统的结构在物理上可分为两类，即智能化的一次设备和网络化的二次设备；在逻辑结构上可分为三个层次，分别为过程层、间隔层、站控层。2.主要特点与优点特点：（1）变电站传输和处理的信息全数字化；（2）过程层设备智能化；（3）统一的信息模型，包括数据模型和功能模型；（4）统一的通信协议，数据无缝交换；（5）高质量信息，具有可靠性、完整性、实时性；（6）各种设备和功能共享统一的信息平台。优点：（1）各种功能共用统一的信息平台，避免设备重复投入；（2）测量准确度高、无饱和、无电流互感器二次开路；（3）二次接线简单；（4）光纤取代电缆，电磁兼容性能优越；（5）信息传输通道都可自检，可靠性高；（6）管理自动化。（二）智能变电站

智能变电站是指采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要实现支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。1.智能设备智能设备是指附加了智能组件的高压设备。智能组件通过状态感知元件和指令执行元件，实现状态的可视化、控制的网络化和信息互动化，为智能电网提供最基础的功能支撑。2.智能变电站高级应用功能（1）设备状态可视化。（2）变电站智能告警在线处理专家系统。（3）变电站事故信息综合分析辅助决策系统。（4）智能变电站经济运行与优化控制。（5）与智能电网其他节点的互动。三、直流输电换流站（一）换流站简介在输电系统的送端需要将交流电转换为直流电（此过程称为整流），经过直流输电线路将电能送往受端；而在受端又必须将直流电转换为交流电（此过程称为逆变），然后送到受端的交流系统中去，供用户使用。在这个系统的送端进行整流变换的地方称为整流站，而在受端进行逆变变换的地方称为逆变站，两者统称为换流站。（二）背靠背换流站背靠背换流站作为高压直流输电工程的一种特殊换流方式，将高压直流输电的整流站和逆变站合并在一个换流站内，在同一处完成将交流变直流，再由直流变交流的换流过程，其整流和逆变的结构、交流侧的设施与高压直流输电完全一样。背靠背换流站具有以下优点：（1）换流站的结构简单，比常规换流站的造价低15%~20%。（2）控制系统响应速度更快。直流侧的故障率很低，从而使保护得到了简化。（3）在运行中可方便地降低直流电压和增加直流电流来进行无功功率控制或交流电压控制，以提高电力系统的电压稳定性。（4）在实现电力系统非同步联网时，可不增加被联电力系统的短路容量，从而避免了由此所产生的需要更换开关等问题；可利用直流输送功率的可控性，方便地实现被联电力系统之间的电力和电量的经济调度；此外，可方便地利用直流输送功率的快速控制来进行电力系统的频率控制或阻尼电力系统的低频振荡，从而提高了电力系统运行的稳定性和可靠性。（5）由于直流侧电压较低，有利于换流站设备的模块化设计。采用模块化设计可进一步降低换流站的造价，缩短工程的建设周期，提高工程运行的可靠性。（一）一次设备

通常把生产、变换、输送、分配和使用电能的设备，如发电机、变压器和断路器等称为一次设备。它们包括：

（1）生产和转换电能的设备。

（2）接通或断开电路的开关电器。第四节发电厂和变电站电气部分概述一、电气设备、接线和装置

（3）限制故障电流和防御过电压的保护电器。

（4）载流导体。（5）互感器，包括电压互感器和电流互感器。

（6）无功补偿设备。（7）接地装置。对一次设备和系统的运行状态进行测量、控制、监视和起保护作用的设备，称为二次设备。（1）测量表计，如电压表、电流表、频率表、功率表和电能表等，用于测量电路中的电气参数。

（2）继电保护、自动装置及远动装置。（3）直流电源设备，包括直流发电机组、蓄电池组和整流装置等。（4）操作电器、信号设备及控制电缆。（二）二次设备一次电路：由一次设备，例如发电机、变压器、断路器等，按预期生产流程所连成的电路，称为一次电路，或称电气主接线；二次电路：由二次设备所连成的电路称为二次电路，或称二次接线。图1-12是具有两种电压（发电机电压及升高电压）大容量发电厂的电气主接线图。（三）电气接线在发电厂和变电站中，根据各种电气设备的作用及要求，按一定的方式用导体连接起来所形成的电路称为电气接线。图1-12火电厂的电气主接线图（四）配电装置

配电装置按电气设备装设地点不同，可分为屋内配电装置和屋外配电装置。图1-12中，由断路器QF1和QF2，隔离开关QS1~QS4，母线W1~W3，电抗器L1和L2以及馈线WL1和WL2等，构成的配电装置，布置在屋内，称为屋内配电装置，又称发电机电压配电装置；而由断路器QF3~QF5，相应的隔离开关，母线W4和W5以及出线WL3和WL4等，构成的配电装置，称为屋外配电装置，又称高压配电装置。（一）300MW发电机组电气部分1.电气主接线300MW发电机组，采用发电机－变压器单元接线，如图1-13所示。变压器高压侧，经引线接入220kV系统。二、发电厂电气部分图1-13300MW发电机组电气主接线图1—发电机；2—主变压器；3—高压厂用变压器（为分裂绕组变压器）4—电压互感器；5—高压熔断器；6—避雷器；7—电流互感器；8—中性点接地变压器

由图1-13可看出，300MW发电机组电气主接线具有下述特点：

（1）发电机与主变压器的连接采用发电机－变压器单元接线，无发电机出口断路器和隔离开关。

（2）在主变压器低压侧引接一台高压厂用变压器，供给厂用电。

（3）在发电机出口侧，通过高压熔断器接有三组电压互感器和一组避雷器。

（4）在发电机出口侧和中性点侧，每相装有电流互感器4只。（5）发电机中性点接有中性点接地变压器。

（6）高压厂用变压器高压侧，每相装有电流互感器4只。

发电机和主变压器之间的连接母线及厂用分支母线均采用全连离相封闭母线。其具有以下优点：

（1）供电可靠。

（2）运行安全。

（3）基本消除了母线周围钢构件的发热。

（4）施工安装简便，运行维护工作量小。

2.主要电气设备（1）发电机。（5）高压熔断器。

（2）主变压器。

（6）电流互感器。（3）高压厂用变压器。（7）发电不均衡。（4）电压互感器。

（8）中性点接地变压器。

（二）600MW发电机组电气部分1.电气主接线图1-14600MW发电机组电气主接线图1—发电机；2—主变压器；3—高压厂用变压器4—高压公用变压器；5—励磁变压器；6—中性点接地变压器；7—电压互感器；8—熔断器；9—高压避雷器由图1-14可看出，600MW发电机组电气主接线具有下述特点：（1）发电机与主变压器的连接采用发电机－变压器单元接线，发电机和主变压器之间没有断路器和隔离开关。

（2）主变压器采用三相双绕组变压器，低压侧绕组接成三角形，高压侧绕组接成星形。变压器高压侧中性点接地方式为直接接地。（3）在主变压器低压侧引接一台高压厂用变压器和一台高压公用变压器，供给厂用电。（4）在发电机出口侧，通过高压熔断器接有三组电压互感器和一组避雷器。

（5）在发电机出口侧和中性点侧，每相装有电流互感器4只。

（6）发电机中性点接有中性点接地变压器。

（7）高压厂用变压器高压侧，每相配置套管式电流互感器3只。

（8）主变压器高压侧每相各配置套管式电流互感器3只，中性点配置电流互感器1只

2.主要电气设备

（1）发电机。（5）电流互感器。（2）主变压器。（6）中性点接地变压器。（3）高压厂用变压器。（7）高压熔断器。（4）电压互感器。（8）避雷器。

（三）1000MW发电机组电气部分1.电气主接线1000MW发电机组，采用发电机－变压器单元接线，如图1-15所示。变压器高压侧，经隔离开关和引线接入500kV系统，500kV侧采用一个半断路器接线方式。图1-151000MW发电机组电气主接线图1—发电机；2—主变压器；3、4—高压厂用变压器；5—励磁变压器；6—中性点接地变压器；7、8—电压互感器；9—高压避雷器；10—隔离开关；11—电压互感器由图1-15可看出，1000MW发电机组电气主接线具有下述特点：（1）发电机与主变压器的连接采用发电机－变压器单元接线，发电机和主变压器之间没有断路器和隔离开关，但在主母线上设有可拆连接点。（2）发电机出口主封闭母线上有接地刀闸，母线接地刀闸能承受主回路动、热稳定的要求。接地刀闸附近有观察接地刀闸位置的窥视孔。（3）主变压器采用三台单相双绕组油浸式变压器，低压侧绕组接成三角形，高压侧绕组接成星形。变压器高压侧中性点接地方式为直接接地。（4）在主变压器低压侧引接两台容量相同的高压厂用变压器，供给厂用电。

（5）在发电机出口主封闭母线有短路试验装置，主回路T接引至电压互感器柜，通过高压熔断器接有三组三相电压互感器和一组避雷器。（6）在发电机出口侧和中性点侧，每相装有套管式电流互感器4只。（7）发电机中性点经隔离开关接有中性点接地变压器。（8）高压厂用变压器高压侧，每相配置套管式电流互感器3只。（9）主变压器高压侧每相各配置套管式电流互感器4只，中性点配置电流互感器2只。

2.主要电气设备

（1）发电机。（2）主变压器。（3）高压厂用变压器。（4）电压互感器。

（5）电流互感器。

（6）中性点接地变压器。（四）超超临界发电机组的特点与问题前述300MW发电机组为亚临界火力发电机组，600MW发电机组为超临界火力发电机组，1000MW发电机组为超超临界火力发电机组。

超超临界火力发电机组和常规发电机组相比，具有无可比拟的优越性。但是，发展超超临界机组，在设计和制造方面还有许多关键技术问题有待解决，例如开发新材料就是关键的问题。三、500kV交流变电站电气部分

目前，我国500kV变电站的电气接线一般采用双母线四分段带专用旁路母线和3/2断路器两种接线方式。如图1-16