火力发电厂课件第3章 燃气-蒸汽联合循环及原子能、地热与太阳能发电

第三章燃气-蒸汽联合循环及原子能、地热与太阳能发电

本章主要讲述燃气-蒸汽联合循环发电、核电、地热发电等新型动力循环的主要特点，基本热力系统及其在国内外的发展简况和在我国的应用情况及发展前景。第一节燃气-蒸汽联合循环

第二节

原子能发电厂

第三节地热发电第四节太阳能热力发电

本章提要第三章燃气-蒸汽联合循环及原子能、地热与太阳能发电第一节燃气-蒸汽联合循环

一燃气-蒸汽联合循环的特点及其类型燃气轮机组主要由压气机、燃烧室和燃气轮机三大设备组成。与常规火电厂的汽轮机组相比，其主要优点：体积小、重量轻、金属及其它材料耗量少、造价较低；占地少，安装周期短，维修简单；冷却用水少，能快速启动和带负荷。主要缺点：需燃用价昂的天然气、石油等轻质燃料；压气机耗费功率大,单机功率较小；放热温度高。

图3-0燃气-蒸汽联合循环流程图燃气-蒸汽联合循环，主要特点为：

提高热经济性，热效率可达40%~45%减轻公害适应缺水地区或水源较困难的坑口电站改造旧电厂二燃气–蒸汽联合循环的类型

按照燃气循环排气放热量被蒸汽循环全部或部分利用的不同情况，根据蒸汽锅炉结构型式的特征，主要分为以下四类：（如图3-2所示）余热锅炉联合循环补燃余热锅炉联合循环助燃锅炉联合循环正压锅炉联合循环

图3-1燃气–蒸气联合的循环(a)余热锅炉型；(b)补燃余热锅炉型；(c)助燃锅炉型；(d)正压锅炉型1—压气机；2—燃烧室；3—燃气轮机；4—蒸汽锅炉；5—汽轮机；6—凝汽器；7—凝结水泵；8—除氧器；9—给水泵；10—发电机；11—补燃室；12—省煤器

1.余热锅炉型余热锅炉实际是个热交换器，容量与参数取决于燃气轮机的排气量和温度汽轮机容量约为燃气轮容量的1/3仍需用轻质燃料2.补燃余热锅炉型

补入部分燃料，相应汽机容量加大汽机仍不能单独运行启动时间比余热型锅炉长冷却用水量比余热型锅炉大

3.助燃锅炉型燃气轮机的排气引入普通锅炉做助燃空气之用助燃锅炉可燃用任何燃料既可联合运行，汽轮机也可单独运行冷却用水量比常规电站的稍少4.正压锅炉联合循环以压气机取代送风机正压锅炉和燃气轮机的燃烧室合二为一正压锅炉体积小，耗金属量少，投资小仍不能用固体燃料（三）燃气–蒸汽联合循环的热效率

联合循环的热效率表示为单独的燃气循环热效率，与单独的蒸汽循环热效率的函数：燃气–蒸汽联合循环的T-S图

(四)余热锅炉型燃气—蒸汽联合循环的主设备配置1.燃气轮机的选择单机容量小、年利用小时数低的燃气轮机，可以采用单循环，经技术经济比较后确定是否预留加装余热锅炉和汽轮机场地；当采用联合循环机组，且燃机与蒸汽轮机同期建设时，宜优先采用同轴布置方式，具体工程可结合工程建设特点确定采用同轴或多轴布置；当燃用重油、低热值煤气和轻油双燃料、原油与柴油混合油或年利用小时较高时，应选用重型燃气轮机。2.余热锅炉的选择应遵下列规定：

燃气—蒸汽联合循环宜采用一台燃气轮机配一台余热锅炉，不设备用；余热锅炉应根据蒸汽循环的要求和烟气特性进行设计，应能适应燃气轮机快速启动的特点；余热锅炉炉型采用强制循环或自然循环，应根据工程情况经技术经济比较后确定。3.蒸汽轮机的选择应遵守下列规定：联合循环机组每个单元应只设置一台蒸汽轮机，即由一台或多台燃气轮机与一台蒸汽轮机组成一个单元；蒸汽轮机的进汽量宜与相应的余热锅炉最大蒸发量之和相匹配；蒸汽循环采用单压、双压或三压，无再热或有再热应经技术经济比较确定；蒸汽轮机与余热锅炉之间的参数匹配，原则上可参照常规火电厂的有关规定；对多台燃气轮机与一台蒸汽轮机组成一个单元的联合循环机组，其每个单元主蒸汽系统应采用母管制；对单轴布置的联合循环机组主蒸汽系统应采用单元制；联合循环机组热力系统中，可只设除氧器。国外的联合循环发展简况：

各国余热锅炉联合循环装置不下100多台燃机进气温度可达1430℃，压气机的升压比达30，联合循环热效率可达45%-55%2003年全世界新增蒸汽轮机容量，燃气—蒸汽联合循环装置容量，二者几乎相等目前联合循环已达1000MW级容量

我国从六十年代以来，从各国从引进到自制燃机，其发电容量已达7200MW。七十年代初，我国开始研制联合循环，总容量超过1000MW。张家港华兴电厂1号联合循环发电装置395MW已投运六我国的联合循环

我国的联合循环正向更大的容量等级发展，地域上已开始向内地拓展。上海化工区热电联供项目一号30万千瓦联合循环机组，在6月16日投运，每年还可减少二氧化硫排放3600吨

二、燃煤的联合循环

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，2005年全国煤炭产量突破22亿吨，煤炭消费占我国一次能源消费的69%，比世界水平高42个百分点。随着我国国民经济的增长，能源将持续增加，但一次能源仍以煤为主。年

代1990200020102020总量，Mtce1309.991775.542308.152777.87各品种比例%煤

炭74.2571.2368.5363.91石

油18.9719.2619.8119.88天然气2.012.653.896.23其

它4.776.867.719.98表3-1(一)流化床燃煤联合循环(FBC-CC)增压流化床锅炉（PFBC）：PFBC-CC是增压流化床联合循环(PressurizedFluidizedBedCombustionCombinedCycle)的英文缩写词，采用增压流化床和燃气轮机代替燃煤锅炉，煤和脱硫剂在压力下燃烧、脱硫产生高温燃气，经除尘后引至燃气轮机作功，燃机排气经省煤器余热利用后排入烟囱，增压流化床锅炉产生的过热蒸汽引至汽轮机，带动发电机发电。主要特点：

结构简单洁净烧煤热效率高装置紧凑

贾汪PFBC-CC中试电站

贾汪电厂现有的中参数12MW凝汽式机组为基础，新装一台60t/h增压流化PFBC锅炉，燃机发电功率为3MW，组成15MWPFBC-CC中试电站，属第一代PFBC-CC，其原则性热力系统如图示图3-4我国贾汪15MWPFBC-CC中试电站原则性热力系统1—烟气轮机；2—压气机；3—高温除尘器；4—PFBC；5—汽包；6—汽轮机；7—空气冷却器；8—高温省煤器；9—低温省煤器；10—高压加热器；11—除氧器；12—低压加热器；13—凝汽器；14—凝结水泵；15—排污扩容器；16—排污冷却器

第二代PFBC-CC

第二代的PFBC-CC系统的主要特征是先将煤在气化炉中气化，有两种类型：一种是气化炉采用增压的部分化炉，锅炉采用增压流化床锅炉(PFB)。另一种是气化炉同样采用增压的部分气化炉，而锅炉采用常压循环流化床锅炉(CFB)

系统如图3-5所示

图3-5第二代PFBC-CCF发电系统简图1轴流压缩机；2燃气轮机；3前置燃烧室；4中温过滤器；5空冷煤气冷却器；6增压部分气化炉；7CFB锅炉；8汽轮机；9发电机；10凝汽器；11轴封加热器；12低压加热器；13除氧器；14高压加热器；15灰渣冷却器；16前置省煤器；17高温省煤器；18低温省煤器；19高温除尘器1234567111213141516171819蒸汽半焦灰渣空气煤气CFB排烟灰渣脱硫剂煤空气用于原煤干燥燃机排气8910（二）整体煤气化燃气蒸汽联合循环IGCCIGCC采用常规的燃机、余热锅炉、汽机配合气化炉和烟气净化装置。1、IGCC的特点：易于大型化充分利用资源耗水量少优良环保性能热效率高可以通过合理地选择气化炉型式和气化工艺品位的煤种有利于促进我国某些先进工业和技术的发展机和煤气化设备的制造业等对于大量使用天然气的燃气—蒸汽联合循环装置的国家来说，当天然气资源枯竭或价格昂贵时，IGCC正是改造这些联合循环电站的最佳方案项目燃煤火电机组PFBC-CCIGCC-CC常规带FGD电站规模,MW目前300~1300300~130080~350200~6002010年5001000供电效率,%目前36~3834.5~36.536~3940~462010年45~50(第二代)50~54用水量比，%10010070~8050~70环保性能(排放量比)SO21006~125~101~5NOx10018~9017~4817~32粉尘1002~52~42固态废料100120~20095~60050~95CO21001079895单价：美元/kW116014001300~14001400~1700表3-5不同发电方式的技术经济比较

2、美国的CoolWaterIGCC电站

美国于1981年开始建设世界上首台120MWIGCC装置，称冷水工程电厂，于1984年建成投运以来，被誉为“世界上最洁净的燃煤电厂”。

名称美环保局排放标准冷水电厂的排放常规燃煤电厂排放NOx0.60.0590.3SO20.6~1.20.0340.2灰0.030.00130.03

表3-6CoolWater电站各项污染物排放比较IB/106BTU世界上已建成并运行的250MW及以上的IGCC电站情况见表

国家荷兰本班牙美国美国电厂BuggenumPuertollanoTampaWabashRiver投运时间1994199719961995气化炉型ShellPrenflo*GEConocophillipsE-Gas气化炉容量2000t/d2600t/d2000t/d2500t/d气化炉台数1112一运一备燃料煤煤/石油焦煤/石油焦烟煤/石油焦煤气净化方式湿式干湿式除灰+湿式脱硫湿式+10%干式示范干式除灰+湿式脱硫燃机型号西门子V94.2西门子V94.3GE-7FAGE-7FA燃机功率MW156190192198汽机功率MW128145121104净功率MW253300250262净发电效率%43.2454240注原属荷兰电力局SEP的一个子公司Demkolec，现归NUON电力公司所有由欧盟参与组织和实施的示范项目，业主是Elcogas，由ENDESA、EDF、ENDL等多家公司共同投资1989年DOE清洁煤技术示范项目CCTDP第3轮招际选定的项目，总投资6.07亿美元，美国能源部资助1.51亿，其余由Tampa电力公司承担。1991年美国能源部DOE清洁煤技术示范项目CCTDP第4轮招标选定的项目，总投资4.38亿美元，DOE和参与方各承担50％3、我国的IGCC-CC：我国已批准在烟台建第一个IGCC示范电站，规划为2×400MWIGCC机组。250MW级IGCC示范电站及绿色煤电技术国家实验室落户天津滨海新区，工程已于2007年开工建设，2009年建成投产。我国现已具有较多配300MW级容量IGCC机组的气化炉设计及建设经验，以及配200MW级及以下容量IGCC机组气化炉设计、建设、运行等业绩，已了解并基本掌握了Texaco、Shell等气化技术，国内气化技术开发已取得重大进展，具备包括气化炉本体等主要气化设备可以在国内加工制造,设备国产化率可达90%以上的能力。IGCC发电各个分项技术已相当成熟，其关键技术在于整体化。

三、热电煤气三联产燃气—蒸汽联合循环与多功能热电厂煤中挥发份和部分固定碳受热后气化，产生煤气供民用；焦碳燃烧后产生蒸汽，用于热电联产；热电煤气三联产是煤的化学能和燃烧热能综合利用的较好方式。我国已研制75t/h热、电、煤气三联产装置既可进行三联产运行，循环流化床也可独立运行，并已于1995年4月投运。中国节能投资公司正在实施建设多功能热电厂图3-9三联产燃气–蒸汽联合发电简图1-煤；2-再循环煤气；3-气化炉；4-冷却器；5-净化器；6-燃烧室；7-燃气轮机；8-排气；9-循环物料；10-半焦；11-热空气；12-压缩机；13-空气；14-排烟；15-燃烧锅炉；16-水；17-蒸汽；18-水泵；19-汽轮机；20-凝汽器第二节原子能发电厂（一）核电站的一般工作原理:核电站一回路系统以反应堆为核心，核燃料在反应堆中进行可控链式裂变反应，将裂变产生的大量热量带出反应堆的物质称为冷却剂(水或气体)，再通过蒸汽发生器将热量传给水，水被加热成蒸汽供汽轮机拖动发电机转变为电能。冷却剂释热后，通过冷却剂循环主泵送回反应堆去吸热，不断地将反应堆中核裂变释放热能引导出来，其压力靠稳压器维持稳定。二回路系统是从蒸汽发生器引出5-7MPa的饱和蒸汽，用于驱动汽轮发电机，作功后蒸汽通过凝汽器、回热系统在返回蒸汽发生器，与常规火电厂基本相同。本课侧重讨论核电二回路系统，图3-5为核电站生产流程示意图。

图3-10压水堆核电站生产流程示意图核岛常规岛汽水分离再热器冷却水

（二）核反应堆的堆型:堆

型燃料慢化剂冷却剂热中子堆轻水堆LWR压水堆PWR浓缩铀轻水轻水沸水堆BWR浓缩铀轻水轻水重水堆HWR重水冷却型天然铀重水轻水轻水冷却型天然铀浓缩铀钚重水轻水石墨–气冷堆:一代天然铀气冷堆天然铀石墨CO2二代改进型气冷堆低浓缩铀石墨CO2三代高温气冷堆浓缩铀、钛石墨氦快中子增殖堆浓缩铀，钚无钠（三）核电的优越性:

化石燃料资源有限，核能资源丰富核能是安全清洁的能源核电经济上合算，特别是缺煤少油地区

1.工质为低压饱和蒸汽，工质流量和容积流量都大得多

项

目火电汽轮机核电汽轮机主

汽p0/t0

MPa/℃16.18/5505.345/268.1干度

%过

热99.5比容

m3/kg0.021050.03656流量

t/h9452015排

汽压力

kPa5070.0490.33干度

%9390.54比容，m3/kg25.4626.00体积流量相对值主

汽13.764排

汽11.873高压缸排汽Prh

i/trh

i

MPa/℃3.462/3280.817/171.3湿度

%过

热87.73有效比焓降高压缸

kJ/kg382.7265.9中压缸

kJ/kg1317.2799.68级

数高压缸92×9中压缸11–––低压缸2×2×62×2×7湿蒸汽区级数214汽机保证热耗率

kJ/kg8189.410760（四）核电厂二回路系统及其热力设备的特点：2.核电饱和蒸汽轮机的结构特点

新汽为饱和蒸汽或微湿蒸汽，必须先行汽水分离。高压缸排蒸汽湿度较大，必须再加热再热器的特点是用新蒸汽或抽汽来作为加热蒸汽。在湿蒸汽区域的各级叶栅，应采取相应的去湿措施。3.核电汽轮机装置热力系统的特点

需有蒸汽母管需用整机旁路系统。给水系统也为母管式单元制系统。须有连续放射性监测装置（五）核电站的主要热经济指标

压水堆核电厂机组热耗率，一般为q=10000-11000kJ/(kW

h)

一、二回路的管道效率分别

kJ/h式中Dsg、hsg为蒸汽发生器出口的蒸汽流量,kg/h，蒸汽比焓，kJ/kg图见教材3-13

一回路反应堆热功率QR为:W式中–冷却剂与燃料元件包壳之间的平均对流放热系数，W/(m2.℃)A–燃料元件总的放热面积，m2

—燃料元件包壳外表面的平均温度。℃

冷却剂平均温度，℃一、二回路管道效率

:核电厂毛效率

核电厂净效率

压水堆核电站的发电效率一般为35.5%-38.5%；供电效率一般为31.5%-34.5%,核电站的厂用电率一般为6%-7%.

反应堆核燃料消耗率

bas为：

1kg核燃料的发热量qnu

为6.8×1010kJ/kg。二、国外核电事业(一)国外核电概况1938年德国科学家首先发现了铀的核裂变现象，1942年英国建成第一座核反应堆，1954年在原苏联建成世界上第一座核电站，它以低浓缩铀为燃料，石墨为减速剂，容量为5MW，揭开了核电发展的历史。接着美国研制成轻水反应堆，英、法研制了气冷反应堆，加拿大研制了重水反应堆，并分别建成实用的核电站。2006年全球核电分布图如图3-6所示。第二代特征是标准化、系列化第三代是具有预防和缓解严重事故措施,经济上能与天然气机组相竞争的核电机组。第四代是更经济、更安全性、废物量极少、并具有防核扩散能力的核能利用系统。2006年全球核电分布情况

国外核电发展的预测

今后核电的发展将以改进核电安全性为主，并在经济上更具有竞争性发展方向：

快中子增值反应堆型核聚变反应堆型三、我国的核电事业：

（一）我国的人口需要发展核电事业我国能源资源分布很不均匀我国经济发达地区需求核电未来全国煤炭供不应求和环保要求全国电力需求要发展核电（二）

我国的核电建设

我国核电发展起步于上世纪80年代中期，核电设计工作从上世纪70年代就已开始，经过了300MW、600MW和1000MW三个等级压水堆核电机组建设，已具有较强的设备国产化能力。300MW国产化率达80%以上，年生产能力可达2套机组，并可出口创汇，600MW经努力国产化率可达70%，年生产能力也可达2套机组，1000MW在“十一五”期间国产化率经努力可达50%。国内现有3个核基地，包括秦山5台、大亚湾4台、田湾2台，共11台机组。

注解：PWR:压水堆;HWR:重水堆；LWR：轻水堆我国正在运行核电厂概况

1、秦山300MW核电站

浙江秦山300MW核电站是我国自行设计和建造的第一座工业示范性压水堆核电站.于1991年12月并网发电调试成功，1994年4月投入商业运行，运行情况良好，环保监测值符合国家限值规定。国产300MW核电，已出口2、5MW低温供热堆

我国已于1989年4月建成5MW低温核供热堆，共5万余平方米建筑物采暖。我国200MW低温核供热堆已形成拥有完全自主知识产权的技术体系，处于商用示范堆建设并进而实现产业化的阶段。我国在核供热领域已跨入世界先进水平。

我国核裂变实验装置历时8年耗资2亿，于2006年9月28日在合肥，EAST实验装置首次放电，是我国第一代核聚变实验装置。图3-12高温气冷堆示范工程（四）我国核电的预测AP1000作为西屋公司开发的第三代先进压水堆核电技术，是目前惟一得到美国核管会最终设计批准的新一代商用核电技术。中国第三代核反应堆的示范项目计划2013年投入运营，预计到2020年成为国内核电站的主流技术。2020年，核电装机容量4000万千瓦。比重从现在的不到2%提高到4%，核电年发电量达到2600～2800亿千瓦时。AP1000技术引进已拟定国产化路径：第一步，外方为主中方参与设计；第二步，以中方为主进行设计，外方提供技术咨询；第三步，设计和建造自主品牌的大型压水堆核电站。据悉，第五台核电机组的建造就将实现AP1000的自我设计目标。第三节地热发电一、地热资源

中国地处欧亚板块的东南边缘，是地热资源丰富的国家之一。据原地矿部统计，地热资源的远景储量为1553.5×108t标准煤，推测储量为116.6×108t标准煤，探明储量为31.6×108t标准煤。

图3-13我国的地热资源二、地热发电(一)蒸汽型地热发电蒸汽型地热发电是把蒸汽中的干蒸汽直接引入汽轮发电机组。干蒸汽地热资源十分有限，多存于较深的地层，应用有限。

(二)热水型地热发电1.闪蒸式地热发电（扩容法）（如右图所示）2.双循环式地热发电（中间介质法）汽轮机发电机分离器减压器凝汽器冷水去冷却塔地热井回灌井图3-15闪蒸式地热发电系统汽水分离器

2双循环式地热发电

双循环式地热发电:可以采用井下换热的方法，即将换热器做成适合置于地热井中的形式(例如采用U形管或同轴管)，低沸点介质在管内流动，在井下吸热，产生高压蒸汽，通过汽轮机发电优点：

无排水污染环境的问题；有利于保护地热资源；无过量开采影响地面沉降忧；可减轻地热水的腐蚀问题。

图3-16双循环地热发电系统（二）国内外地热发电

1904年，意大利在拉德瑞罗地热田建立了世界上第一台地热发电机组。2002年底，世界上有21个国家利用地热发电，总装机容量达8438MW，生产电力约50000GWh，其中以美国、菲律宾、意大利、墨西哥、印度尼西亚、日本、新西兰等国较多。估计全世界尚有地热发电资源潜力97061MW。地热资源1977年10月羊八井地热田建起了第一台1000kW的地热发电试验机组。1985年电站总装机容量已达10000kW。我国从70年代初开始研究地热发电，广东丰顺邓屋386kW，江西宜春温汤50kW等。地热发电示意图第四节太阳能热力发电

太阳能发电能两种基本途径：一：热发电：是把太阳辐射能变为热能，然后将热能再转变为电能。二：是光伏发电：通过光电器件，将太阳能直接变换为电能。热发电两种类型

1、将聚集的热能按常规的方法（与一般热机一样）先转变为机械能，再由发电机转变为电能，这种发电类型称为太阳能热力发电。

2、是将太阳能转变的热能直接变为电能，如利用Seebeck效应发电，称为太阳能温差发电。图3-19太阳能发电示意图目前采用的太阳能发电系统有分散型、集中型和中间型三种

（一）分散型发电系统将抛物柱面聚光镜等构成的许多个集热器布置在场地上，再将这些集热器加以串联、并联，从而收集一定温度和数量的热能，按这种方式组成的系统称为分散型发电系统。功率较小，聚光比约50左右图3-17槽型抛物面镜集热系统

（二）集中型发电系统集中型发电系统助特征是：在宽广场地的中心附近设有高大的竖塔，塔顶上面装有吸热器（太阳锅炉）。以竖塔为中心，在其周围布置大量的平面镜，太阳辐射经平面镜反射，全部集中到塔顶吸热器转变为热能，被加热的工质传送到塔下的发电装置，从而转变为电能。如图3-18所示聚光比大于分散型，热输送效率比分散型高。图3-18塔式聚光系