3.2 现代发电技术

3.2.1 火力发电

利用煤、石油、天然气等自然界蕴藏量极其丰富的化石燃料发电称为火力发电。按发电方式可分为：汽轮机发电、燃汽轮机发电、内燃机发电和燃气-蒸汽联合循环发电，还有火电机组既供电又供热称为“热电联产”。按燃料分类又可分为：燃煤发电厂、燃油发电厂（石油提取了汽油、煤油、柴油后的渣油）、燃气发电厂（天然气、煤气等）、余热发电厂（工业余热、垃圾或工业废料）、生物质能发电厂（秸杆、生物肥料）。

汽轮机发电又称蒸汽发电（图3-1），它利用燃料在锅炉中燃烧产生蒸汽，用蒸汽冲动汽轮机，再由汽轮机带动发电机发电。这种发电方式在火力发电中居主要地位，约占世界火力发电总装机的95%以上。

火力发电厂由三大主设备——锅炉、汽轮机、发电机及相应辅助设备组成，它们通过管道或线路相连构成生产主系统，即燃烧系统、汽水系统和电气系统。

从能量转换的观点分析，各类火力发电厂生产过程是基本相同的，概括地说是把燃料中含有的化学能转变为电能的过程。以燃煤发电厂为例（图3-2），整个生产过程可分为三个阶段。

（1）燃烧系统

包括输煤、磨煤、锅炉与燃烧、风烟系统、灰渣系统等环节（图3-3），其作用是使燃料的化学能在锅炉中转变为热能，加热锅炉中的水使之变为蒸汽。

锅炉的作用是使燃料在炉膛中燃烧放热，并将热量传给工质，以产生一定压力和温度的蒸汽，供汽轮发电机组发电。锅炉本体结构有炉膛、水平烟道和尾部烟道，主要部件按燃烧系统和汽水系统来设置，有空气预热器、喷燃器、省煤器、汽包、下降管、水冷壁、过热器、再热器等。电厂锅炉与其他行业所用锅炉相比，具有容量大、参数高、结构复杂、自动化程度高等特点。

锅炉容量即锅炉的蒸发量是指锅炉每小时所产生的蒸汽量。在保持额定蒸汽压力、额定蒸汽温度、使用设计燃料和规定的热效率情况下，锅炉所能达到的蒸发量称作额定蒸发量。电厂锅炉的额定参数是指额定蒸汽压力和额定蒸汽温度。所谓蒸汽压力和温度是指过热器主汽阀出口处的过热蒸汽压力和温度。对于装有再热器的锅炉，锅炉蒸汽参数还应包括再热蒸汽参数。

火电厂为提高燃煤效率都是燃烧煤粉。原煤由皮带输送机从煤场，通过电磁铁、碎煤机后送到煤仓间的煤斗内，煤斗中的原煤要先送至磨煤机内磨成煤粉，并经空气预热器来的一次风烘干并带至粗粉分离器。在粗粉分离器中将不合格的粗粉分离返回磨煤机再行磨制，合格的细煤粉被一次风带入旋风分离器，使煤粉与空气分离后进入煤粉仓。磨碎的煤粉由热空气携带经排粉风机送入锅炉的炉膛内燃烧。煤粉燃烧后形成的热烟气沿着烟道经过热器、省煤器、空气预热器逐渐降温，放出热量，最后进入除尘器，将燃烧后的煤灰分离出来。处理后的烟气在引风机的作用下通过烟囱排入大气。炉膛内煤粉燃烧后生成的小的灰尘颗粒，被除尘器收集成细灰，排入冲灰沟，燃烧中因结焦形成的大块炉渣，下落到锅炉底部的渣斗内，经过碎渣机破碎后也排入冲灰沟，再经灰渣水泵将细灰和碎炉渣经冲灰管道排往灰场。

（2）汽水系统

汽水系统由锅炉、汽轮机、凝汽器、除氧器、加热器等构成，主要包括给水系统、冷却水系统、补水系统，如图3-4所示。其作用是使锅炉产生的蒸汽进入汽轮机，推动汽轮机旋转，将热能转变为机械能。

汽轮机是以蒸汽为工质，将热能转变为机械能的高速旋转式原动机。汽轮机本体由三个部分组成。

①转动部分：由主轴、叶轮、动叶栅、联轴器及其他装在轴上的零件组成；

②静止部分：由汽缸、喷嘴隔板、隔板套、汽封、静叶片、滑销系统、轴承和支座等组成；

③控制部分：由自动主汽门、调速汽门、调节装置、保护装置和油系统等组成。

来自锅炉的蒸汽进入汽轮机后，依次经过一系列环形配置的喷嘴和动叶，将蒸汽的热能转化为汽轮机转子旋转的机械能。蒸汽在汽轮机中，以不同方式进行能量转换，便构成了不同工作原理的汽轮机。按热力特性，汽轮机可分为：凝汽式、供热式、背压式、抽汽式和饱和蒸汽汽轮机等类型。凝汽式汽轮机排出的蒸汽流入凝汽器，排汽压力低于大气压力，因此具有良好的热力性能，是最为常用的一种汽轮机。

水在锅炉中被加热成蒸汽，经过热器进一步加热后变成过热的蒸汽，再通过主蒸汽管道进入汽轮机。由于蒸汽不断膨胀，高速流动的蒸汽推动汽轮机的叶片转动从而带动发电机发电。

在汽轮机内做功后的蒸汽，其温度和压力大大降低，释放出热势能的蒸汽称为乏汽，从汽轮机下部的排汽口排出，最后排入凝汽器并被冷却水冷却成为凝结水，由凝结水泵打至低压加热器中加热，再经除氧器除氧并继续加热。由除氧器出来的水称为锅炉给水，经给水泵升压和高压加热器加热，最后送入锅炉汽包，继续进行热力循环。

在汽水循环过程中难免有汽水损失，因此要不断地向循环系统内补充经过化学处理的软化水，以保证循环的正常进行。高、低压加热器是为提高循环的热效率所采用的装置，除氧器是为了除去水含的氧气以减少对设备及管道的腐蚀。

为了将汽轮机中做功后排入凝汽器中的乏汽冷凝成水，需由循环水泵从凉水塔抽取大量的冷却水送入凝汽器，冷却水吸收乏汽的热量后再回到凉水塔冷却，冷却水是循环使用的。

（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所等，如图3-5所示。在电力系统中，几乎所有的发电机都属同步发电机，发电机要发出电来，除了需要原动机带动其旋转外，还需要给转子绕组输入直流励磁电流，建立旋转磁场。供给励磁电流的电路，称为励磁系统，包括励磁机、励磁调节器及控制装置等。

发电机的机端额定电压在10～20kV之间。发电机发出的大部分电能，由主变压器升压后，经高压配电装置、输电线路送入电网。其中一小部分由厂用变压器降低电压，经厂用配电装置，通过电缆供给水泵、送风机、磨煤机等各种辅机和电厂照明等设备用电，这部分电能称为厂用电，约占发电机容量的4%～8%。

我国以燃煤为主要动力资源，发电用原煤是煤炭消费总量的一半。从多年来发电量构成来看，燃煤发电在总发电量中的比例一直在80%左右，据预测，到2020年，这一比例不会低于60%。火力发电一方面为社会可持续发展和物质进步提供着动力保障；另一方面，这种以煤为主的能源消费结构特点，造成了严重的环境污染和能源利用效率低等多方面的问题，成了能源可持续发展亟待解决的问题。我国将面临着经济和社会可持续发展的重大挑战，在有限的资源和严格的环保要求下，节约资源和环境保护将是电力技术发展的总体趋势。因此，必须采用新技术提高资源的转化效率和利用率，同时减少、收集和处置好电力生产过程中产生的SOx、NOx、CO2、烟尘和废水，发展清洁煤发电势在必行。

一方面，要提高煤这种高碳资源的发电效率，发展高能效的超临界、超超临界燃煤发电机组，淘汰大量高耗能高污染的小机组，安装脱硫装置，并且积极发展热电联产等，以减少排放，提高能源的综合利用率。

另一方面，要大力发展以煤气多联产技术和整体煤气化联合循环发电技术（IGCC）为代表的清洁煤发电技术。

煤气多联产技术既可以发电，又可以做城市供热，还可以给城市居民供应生活热水，同时可以生产甲醇、二甲醚等工业原料，还可以把其中的一部分二氧化碳变为资源重新加以利用，可以说是一举多得。

IGCC就是把煤炭气化，然后用煤气来发电，不仅清洁而且发电效率也比较高，同时煤炭气化以后还可以把煤炭中的有害物质过滤出来。它能实现98%以上的污染物脱除，并可回收高纯度的硫，粉尘和其他污染物在此过程中一并被脱除。

IGCC是将固体煤的气化、净化与燃气—蒸汽联合循环发电相结合的清洁高效发电技术，具有高效发电和低排放的突出优势，将成为煤电未来主流机型之一。