电力系统基础知识（二）——电从何处来？
一、火力发电1、三大主机与能量转换火力发电厂简称火电厂，是利用煤、石油、天然气等燃料生产电能的工厂。火电广的三大主机是指锅
一、火力发电
1、三大主机与能量转换
火力发电厂简称火电厂，是利用煤、石油、天然气等燃料生产电能的工厂。
火电广的三大主机是指锅炉、汽轮机和发电机。
锅炉—化学能到热能的转换
锅炉是利用燃料燃烧时产生的热能,把工作介质(水)加热到具有一定的温度和压力的能量转换设备。电厂锅炉的作用是把给水加热成过热蒸汽。
电厂锅炉具有容量大、参数高、效率高、自动化水平高等特点。
锅炉由本体和辅助系统组成。
本体包括燃烧系统(炉)和汽水系统(锅),其中燃烧系统由燃烧室(炉膛)、燃烧器、空气预热器、送风机、引风机、烟囱等设备组成;汽水系统由汽包、水冷壁、省煤器、过热器、再热器等设备组成。
辅助系统包括制粉系统、给水系统、除灰渣系统、除尘设备、脱硫脱硝设备、锅炉构架及一些锅炉附件(如安全门、水位计、吹灰器、仪表等)
电厂锅炉的工作过程如下：
(1)冷空气由送风机送入空气预热器加热后分为两部分,其中一部分送入磨煤机作为干燥剂,另一部分送入燃烧器助燃。
(2)原煤经处理后送入制粉系统磨制成煤粉(流化床锅炉用煤经破碎即可,不需制成煤粉),送入燃烧室进行燃烧。
(3)给水经省煤器加热升温,由蒸发受热面(水冷壁)吸热将给水转变为汽水混合物或全部转变为水蒸气,由过热器过热后送入汽轮机高压缸做功,做功后的鰲汽送回锅炉再热器进行再热,之后送入汽轮机中压缸继续做功。
不同型式的锅炉,虽然结构和工作过程会有一些差异,但其基本工作原理都是相同的。
汽轮机——热能到机械能的转换
汽轮机是将蒸汽的热能转换为机械能的叶轮式旋转原动机。
汽轮机由静止部分和转动部分组成。静止部分包括基础、台板、
汽缸、喷嘴、隔板、汽封和轴承等部件。转动部分包括主轴、叶片、叶轮、靠背轮和盘车装置等部件。
蒸汽在汽轮机中的能量转换有两个过程,首先在喷嘴中将蒸汽的热能转换为动能,然后在叶片中将蒸汽的动能转换为转轴的机械能,喷嘴和叶片是汽轮机能量转换的主要部件。
发电机—机械能到电能的转换
发电机是将机械能转换为电能的设备,通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成。定子由定子铁芯、绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。转子由转子铁芯、绕组、转轴等部件组成。
汽轮机的转子与发电机的转子通过连轴器连在一起。当汽轮机转子转动时便带动发电机转子转动。在发电机转子另一端的励磁机产生的励磁电流送至发电机的转子绕组中,使转子周围产生磁场。当发电机转子旋转时,磁场也是旋转的。发电机定子内的导线就会切割磁力线感应产生电流。这样,发电机便将汽轮机的机械能转变为电能。
2、火电厂生产过程
燃烧系统由输煤、黁煤、给粉、锅炉内燃烧、除尘、脱硫等组成。由皮带輸送机从煤场将煤送到原煤仓,再经过给煤机进入制粉系统进行磨制,磨好的煤粉通过空气预热器来的热风,送到锅炉进行燃烧。燃烧产生的烟气经过除尘器后送至脱硫装置,再经过引风机送到烟囱排入大气。
汽水系统：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。在蒸汽不断做功的过程中,蒸汽压力和温度不断降低,最后排入凝汽器并被冷却水冷却,凝结成水。凝结水集中在凝汽器下部,由凝结水泵打至低压加热器,再经过除氧器除氧,由给水泵将预加热并除氧后的水送至高压加热器,经过加热后的热水打入锅炉。
发电机发出的电分为两路,一路送至厂用电变压器,另一路经升压站升压后送入电网。
3、火电厂废弃污染与防治对策
火电厂废气主要为燃料燃烧后生成的烟气,烟气中含有的二氧化与硫、氮氧化物、烟尘、重金属等一次污染物,通过烟囱排放,经过大策气扩散后对空气环境造成影响,同时部分二氧化硫、氮氧化物等气态污染物会通过大气化学作用形成酸雨、细颗粒物等二次污染物。烟尘控制现代火电厂均采用高效除尘设备,如电除尘器、布袋除尘器、电袋复合除尘器等烟气脱硫烟气脱硫按脱硫剂是否以溶液(浆液)状态进行脱硫,分为湿法与干法。湿法脱硫包括石灰石-石膏湿法、海水法、氨法等;干法脱硫包括烟气循环流化床法、喷雾干燥法、活性炭吸附法等。烟气脱硫是国际上从根本上控制二氧化硫排放普遍采用的技术方法,其中石灰石-石膏湿法是烟气脱硫的主流工艺,中国90%以上的火电机组采用此法。
氮氧化物控制氮氧化物控制技术可分为低氮燃烧控制技术和烟气脱硝技术。低氮燃烧控制技术是控制锅炉燃烧过程中氮氧化物的生成反应,其技术包括采用低氨燃烧器、燃料再燃和烟气再循环等。烟气脱硝技术主要有以氨或尿素为还原剂的选择性催化还原法(SCR)选择性非催化还原法(SNR)、活性炭吸附法等,其中SCR法是烟气脱硝技术中应用最广泛、应用比例最高的技术。
二、水力发电
水力发电是利用河流、湖泊等位于高处的水流至低处,将其中所含势能转换成水轮机的动能,然后依靠水轮机带动发电机产生电能。
1、主要设备
水电站是完成水力发电的工厂，主要由拦河坝、压力水管、水轮发电机组、厂房及变压器等升压设备组成。
能量转换：水的势能 
2、发电原理及特点
河川的水经由拦水坝摄是由拦水设施积蓄后,经过压力隧道、压力钢管等水路设施送至电厂,当机组须运转发电时,打开主阀,后开启导翼使水冲击水轮机，水轮机转动后带动发电机旋转发电。如果要调整发电机组的出力,则可以通过调整导翼的开度增减水量来达成,发电后的水由尾水路回到河道,供给下游使用。
水力发电效率高,发电成本低,机组启动快,调节容易。水力发电是综合利用水资源的一个重要组成部分,与航运、养殖、灌溉、防洪和旅游组成水资源综合利用体系。缺点是建厂时间长,建造费用高,需筑坝移民等,基础建设投资大。
三、风力发电
风力发电是利用自然能源的大气为工作介质,将风能转换为机械能，再通过发电机发电的。
1、风力发电机组
风力发电机组主要由风轮,发电机、齿轮箱、塔架、对风装置、刹车装置和控制系统等组成。
能量转换:风的动能→风轮旋转的动能→电能。
2、发电原理及特点
风力发电的原理是利用风力带动风力发电机组叶片旋转,再通过增速齿轮箱将旋转的速度提升,带动发电机发电的。依据目前的风力发电机组技术,风速大约是3m/s(微风的程度),便可以开始发电。
主要优点是;清洁,可再生,永不枯竭,风电场基建周期短、装机规模灵活。缺点是:声大,占用大片土地,风速不稳定,不可控,目前成本仍然很高,影响鸟类活动等。
四、太阳能发电
太阳能发电可分为太阳能光伏发电和太阳能热发电。太阳能热发电是利用汇聚的太阳光，把水烧至沸腾变为水蒸气，然后用来发电。太阳能光伏发电是指利用太阳能电池直接把光能转化为电能，是我国太阳能发电的主要形式。
1、主要设备
太阳能光伏发电的主要设备有太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器。太阳能电池主要分为晶体硅电池和薄膜电池。
能量转换:太阳能→电能。
2、发电原理及特点
太阳能光伏发电的原理:光伏效应就是光生伏特效应,指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光能量转化为电能量的过程;其次是形成电压的过程。有了电压,就像筑高了大坝,如果两者之间连通,就会形成电流的回路。
主要优点有:太阳能资源没有枯竭危险,且资源分布广泛,受地域限制小,太阳能电池主要的材料—硅,原料丰富,无机械转动部件,没有噪声,稳定性好,维护保养简单,维护费用低,系统为组件,可在任何地方快速安装,无污染。缺点是:太阳能照射的能量分布密度小,年发电时数较低,不能连续发电,受季节、昼夜以及阴晴等气象状况影响大,精准预测系统发电量比较困难,光伏系统的造价较高等。
四、核能发电
核能发电是利用核反应堆中核裂变(或核聚变)所释放出的热能进行发电的方式。核能发电时存在大量放射性物质,需要特殊的防护设施。
1、主要设备
核电站主要设备有核反应堆、蒸汽发生器、汽轮机、冷凝器及发电机等。
能量转换:核燃料的核能→热能→蒸汽的热能→汽轮机转子动能
发电原理及特点：核反应产生的巨大能量被反应堆主泵驱动进入反应堆的一回路冷却剂吸收。一回路冷却剂再流进蒸汽发生器传热管束内,将吸收的热量传给蒸汽发生器二次侧的给水,使之转变成蒸汽,驱动汽轮机转动,进而带动发电机发电。降温后的一回路冷却剂被主泵送回堆芯,形成与二回路隔离开的一回路主系统。
2、特点:
(1)消耗燃料少。一座100万kW的压水堆核电站,每年只需消耗低浓缩铀25~30,远低于同容量火电厂消耗的约300万t原煤。
(2)是清洁能源。核电站生产过程不排出CO2和S02,不会造成空染
(3)经济性日益提高。建设费用昂贵曾是阻碍核电发展的重要因素，核电的特点是前提投入高、生产周期场，但运营成本低。
