第二章一次能源与电能生产XXXX

一次能源与电能生产华中科技大学电力工程系罗毅[e-mail]本章主要内容•了解中国的发电能源分布，掌握能源分布对电力系统的影响；•了解一次能源向电能的转换的原理和特点；•掌握不同发电厂的电能生产过程和运行特点；•了解节能减排和可持续发展的基本概念，掌握节能减排和可持续发展对电力系统的影响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）电能能源的分类再生性能源水力常规能源非再生性能源煤，石油，天然气，核裂变物质再生性能源太阳能、风能、海洋能、地热能一次能源新能源非再生性能源核聚变物质二次能源电力、焦炭、煤气、汽油、煤油、柴油重油、氢能、沼气、酒精、蒸汽、热水等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含能体能源化石燃料（煤、石油、天然气）核燃料，地下热水，地热蒸汽氢能，高水位水库过程性能源风，流水，海洋，潮汐太阳的直接辐射，电能能量转换•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人均可开采资源煤炭(吨)石油(吨)天然气(m3)我国89.82.61074USA876.413.216843世界平均162.523524796西(部水)电东送北(方)煤(电)南运南水北调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•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。•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。•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。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。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。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。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/㎡。西(水、风、太阳能)电东送北(方)煤(电)南运南水北调电厂能量转换过程•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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。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超超临界机组燃烧系统：运煤、磨煤、燃烧、风烟、灰渣汽水系统由锅炉、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）ABTThhhh12121BTAT火电厂朗肯循环（汽包锅炉）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•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0.80～0.859.8PQH三峡工程水电厂的分类•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、多年调节水电厂坝后式水电厂河床式水电厂引水式水电厂水电厂的特点•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）。抽水蓄能电厂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抽水蓄能电厂在电力系统