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电力与发电
发电能源构成compositionofenergyforelectricitygeneration
在发电能源消耗总量中各类能源消费量所占的比重。目前世界上用于发电的能源主要有
煤炭、石油、天然气、核能、水能,还有少量风能、太阳能和地热能等。发电能源的构成随
科学技术的发展而变化。如核能作为发电能源,是在核技术被人类掌握,并在发电领域中成
熟应用的结果。随着科学技术的发展,可用于发电的新能源和可再生能源将逐步得到应用。
由于各个国家的政治、经济、社会、资源、地理环境以及科学技术等方面的情况不同,
发电能源构成有很大的差异。加拿大、挪威、瑞士等国以水电为主;俄罗斯、日本等国以燃
油、燃天然气电站为主;法国以核电为主;美国、德国、印度和中国以燃煤电站为主。
中国的发电能源以煤为主,其次是水能,核电的比重很小,2003年全国总发电量中,
火电占%,水电占%,核电只占%。中国各地区的发电能源结构也不尽相同,主要受各地区一
次能源的制约,过去水能作为发电能源多为就地利用,所以华北、华东、东北水能资源较少,
水电比重较低;西南、中南、西北地区水能资源丰富,水电比重较高。中国近年来实施西部
大开发,正在加快西部地区的水电开发,实行“西电东送”,中国在21世纪上半叶有可能
使发电能源结构中的水电比重有所增加。
电力弹性系数electricpowerelasticityfactor
电力增长速度与国民经济增长速度的比率。是观察一个时期内电力与国民经济发展适应
程度的重要指标。
计算式为::.
电力弹性系数=电力增长速度/国民经济增长速度
?
电力弹性系数分为电力生产弹性系数和电力消费弹性系数,前者采用发电量的增长速
度,后者采用用电量的增长速度。国民经济增长速度可根据研究的需要,采用国民生产总值,
国民收入或工农业总产值的增长速度。
电作为优质能源,使各用能部门对电力的需求快于对其他能源品种需求的增长。因此,
在国民经济电气化的初期,电力工业的增长速度一般高于工业生产的增长速度,高于能源消
费的增长速度,高于国民经济的增长速度,表现为电力弹性系数大于1;但是到了国民经济
电气化后期,由于节能节电技术的发展和工业结构的调整,出现了电力弹性系数小于1的情
况。
西电东送West-EastPowerTransmission
中国为合理利用能源资源、电力工业的合理配置和实现西部大开发所采取的电力开发战
略措施。在西部和中部水能资源和煤炭资源丰富的地区建设发电站向东部能源资源缺乏的地
区送电。
中国能源资源分布不均匀,从河流看,中国水能资源主要集中在长江、黄河中上游、雅
鲁藏布江的中下游、珠江、澜沧江、怒江和黑龙江。这七大江河可开发的大、中型水能资源
总量占全国大、中型水能资源总量的90%。按行政区划分,中国的水能资源主要集中在经
济发展相对滞后的西部地区。西南、西北11个省、市、区(包括云、川、藏、黔、桂、渝、
陕、甘、宁、青、新)的水能资源约亿千瓦,占全国水能资源量的78%,其中云、川、藏三:.
省区共29743万千瓦,约占57%。而经济相对发达,人口相对集中的东部沿省11省、市(辽、
京、津、冀、鲁、苏、浙、沪、粤、闽、琼)仅占6%。改革开放以来,沿海地区经济高速
发展,电力负荷增长很快。目前东部沿海11省、市的用电量已占全国的51%,这一态势在
相当长时间内难以改变。为满足东部经济发展对电力的需求,同时为了加快西部开发,中国
决定加大西部电力开发,加快西电东送的步伐。
中国根据西部发电资源,结合全国电网发展规划,西部水电、火电资源大体上将从北、
南、中三条大通道分别东送或引入东部各电网:北路为黄河上游的水电,结合宁夏、内蒙、
陕西、山西的火电东送至华北电网,形成西北、华北联网;中路为长江上中游包括金沙江、
雅砻江、大渡河等的水电东送至华中、华东电网,形成西南、华中、华东三大区联网;南路
为南盘江、红水河干流梯级电站、澜沧江中下游梯级电站和乌江水电东送至华南,形成云南、
贵州、海南、广西、广东五省(区)的南方电网。
最大出力maximumpoweroutput
在某特定时间内设备可能达到的最大生产能力。对火电厂来说,在燃料正常供应,附属
设备正常运行前提下,全厂所发出的最大功率。对水电站来说,在水头和水流量都为最佳值
时全厂所发出的最大功率。
最小稳定出力minimumstablepoweroutput
又称技术最小出力。在满足锅炉稳定燃烧的情况下,发电机组安全运行的最小稳定的发
电能力。火力发电机组的最小稳定出力是一项重要的性能指标,具有小的稳定出力机组,出
力调整范围大,可以满足电力系统调峰的需要。中国火电机组的最小稳定出力与国外差距很:.
大,国外几乎都按调峰运行设计,启停快,可带小的稳定负荷;燃油汽包炉的最低稳定负荷
可达额定值的25%~30%,燃煤汽包炉可达额定值的30%~35%,如投辅助油嘴可低到25%
左右。国产汽轮机组均按带基本负荷设计,启动慢,负荷变动范围不大,大型燃油机组最低
稳定负荷一般只能达到额定值的60%~70%,燃煤机组则最低,一般只能达到额定值的70%
~80%。
经济出力economicalpoweroutput
在最高效率、最低费用支出时系统或发电厂的出力。
梯级水电站stephydro-electricstation
指一条河流梯级开发中的每一个水电站,也称梯级工程。为了充分利用河流水能资源,
一般河流规划中,从河流或河段的上游到下游,修建一系列呈阶梯形的水电站,这是开发利
用河流水能资源的一种重要方式。各个梯级水电站组成了河流或河段的梯级水电开发。
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坝式水电站damtypehydro-electricstation
在河流上拦河筑坝壅高水位,形成发电水头的水电站。这种水电站一般修建在比降较缓
或流量甚大的河流上,是河流水电开发中最广泛采用的一种形式。坝式水电站除了依靠坝的
高度集中水头之外,还可利用大坝形成调节径流的水库。坝式水电站由于具有调节水库,不
仅发电质量好,且常具有防洪、航运、灌溉、供水、养殖等综合利用效益。同时,这种水电
站的各项建筑物布置很集中,有利于运行管理。
引水式水电站diversiontypehydro-powerstation
用明渠、隧洞、管道等引水建筑物集中河流的落差而形成发电水头的水电站。兴建这种
水电站的基本条件是河流天然坡降很陡(通常应10‰以上)或有天然跌水、瀑布,可以通:.
过水力坡降平缓的引水道取得集中落差;或者河流流向存在U形和S形大河湾,可以通过裁
湾取直引水取得集中落差;或者相邻两条河流,高程相差大,可以通过跨流域引水取得很大
的落差。引水式水电站一般布置较分散,不利于运行管理。
混合式水电站damanddiversionmixedtypepowerstation
由坝和引水道两种建筑物共同形成发电水头的水电站,即发电水头一部分靠拦河坝壅高
水位取得,另一部分靠引水道集中落差取得。混合式水电站可以充分利用河流有利的天然条
件,在坡降平缓河段上筑坝形成水库,以利径流调节,在其下游坡降很陡或落差集中的河段
采用引水方式得到大的水头。这种水电站通常兼有坝式水电站和引水式水电站的优点和工程
特点。
高水头水电站highheadhydro-electricstation
:.
水头大于200m的水电站。一般建社河流上游的高山地区,多数为引水式或混合式水电
站。这种水电站往往本身无调节水库或只有调节能力很低的水库,因此一般不具有综合利用
效益;因上下游水位相对稳定,水头变化幅度相对不大,它的出力和发电量基本取决于来水
量。
低水头水电站lowheadhydro-electricstation
通常是指水头在40m以下的水电站。有时将仅有水头2~4m的水电站称为极低水头水电
站。低水头水电站多数建在坡降平缓的中下游河段,常常具有对外交通便利,施工条件良好,
距离用电中心近,工程较易实施等有利条件,并且常有渠化河道,发展航运和引水灌溉之利。
从发电运行特性来看,存在着水库调节径流能力低,多数属径流式电站,如上游无大型水库
调节,其出力过程随天然流量的变化而变化,稳定性差。
抽水蓄能电站pumpedstoragepowerstation
具有上下水库,利用电力系统中多余的电能、把下水库(下池)的水抽到上水库(上池)
内,以位能的的方式蓄能;系统需要电力时,再从上水库至下水库进行发电的水电站。在抽
水和发电能量转换(由电能变为水能,再由水能变为电能)过程中,输水系统和机电设备都
有一定的能量损耗。发电所得电能与抽水所用电能之比,是抽水蓄能电站的综合效率,早期
在65%左右,近来已提高至75%左右。抽水蓄能是利用电力系统多余的低价电能,转换成
电力系统十分需要的高价峰荷电能,并具有紧急事故备用、调峰、调频、调相的效用,可以
提高电力系统的可靠性。抽水蓄能电站按水流情况可分为3类:(1)纯抽水蓄能电站,上
水库没有天然径流来源,抽水与发电的水量相等,循环使用;(2)混合式抽水蓄能电站,
上水库有天然径流来源,既利用天然径流发电,又利用由下水库抽水蓄能发电;(3)调水:.
式抽水蓄能电站,从位于一条河流的下水库抽水至上水库,再由上水库向另一条河流的下水
库放水发电。
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潮汐电站tidalpowerstation
利用海水在涨潮和落潮时出现的落差进行发电的水电站。选择地形优越的海湾或河口修
筑堤坝,与外海隔开,形成水库,并建造水闸及发电厂房。涨潮时海水位高于库内水位,形
成水头,将海水引入库内发电;退潮时海水位低于库内水位,库内的水泄入外海发电。潮汐
电站可利用的水头是潮差的一部分,水头较小,但引用海水流量可以很大,它是一种低水头
大流量间歇式水电站。潮汐电站按建筑物布置和不同的发电方式,可分为:(1)单库单向
潮汐电站,只建一个水库,涨潮时开闸向水库充水,落潮时启动单向水轮机组发电;(2)
单库双向潮汐电站,在涨潮和落潮时都发电。方法有两种:一种是采用双向水轮发电机组,
另一种是设置两条引水道,从水工建筑物布置上使涨落潮时海水都依同一方向通过水轮机:.
组;(3)双库连续发电潮汐电站,建造两个相邻的水库,一为高水库,一为低水库;涨潮
时海水进入高水库,落潮时海水从低水库流入大海。水轮发电机组安装在两水库之间的坝段
内,利用海水在高、低水库间的流动连续发电。
太阳能热发电solarthermalelectricpowergeneration
太阳能转换成热能再转换成电能进行发电。通常,太阳能热发电站由集热、输热、储热、
热交换系统和汽轮发电机组成。一些工业发达国家对太阳能热发电进行了开发研究,建立一
批试验电站,其中容量最大的为10MW。太阳能热发电站投资,技术尚不成熟,目前还未投
入商业运行。
沼气发电biogasgeneration
用燃气发动机或双燃料发动机以沼气作为燃料产生动力来驱动发电机产生电能。沼气发
电系统主要有沼气发动机、发电机、沼气脱硫器、输配电设备、余热利用设备等部分组成。
以沼气为燃料的燃气发动机,一般有2种形式:一种是火花点火式燃气发动机;一种是压缩
点火式双燃料发动机。中国农村的沼气发电系统一般采用小容量发电设备。
风力发电windpowergeneration
利用风力发电机组将风能转换成电能,提供生活和生产用电需要。生活用电一般使用独
立运行的小型风力发电机组配以蓄电池输出直流电或经逆变器输出交流电。生产用电通常使
用中、大型风力发电机组直接和公用电网并网运行,并网运行或并联运行,输出交流电。:.
地热发电geothermalpowergeneration
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。到2002年底,
世界上已有21个国家利用地热发电,总装机容量达8438MWe,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97061MWe。
中国于20世纪70年代后期建造的西藏羊八井地热电站,至2000年底共有9台机组,
总装机容量为。
中国从70年代初开始研究地热发电,相继建成一批小地热发电机组:广东丰顺邓屋
386kWe,江西宜春温汤50kWe,河北怀来20kW,湖南灰汤300kWe,辽宁熊岳100kWe,西藏
那曲1000kWe,西藏朗久2000kWe,台湾清水3000kWe等。目前,温汤、怀来、熊岳、地热
发电试验机组在结束试验运行后均已拆除,其余一些机组有的尚在断断续续运行,有的已长
期停运(主要因地热水温过低,不如直接利用)。从经济上考虑,地热发电要150℃以上的
高温地热资源。用高温地热蒸汽发电,系统简单,经济性高,来自地热井的蒸汽只要经井口
分离装置分离掉蒸汽中所含的固体杂质就可通入汽轮机作功发电,排汽经冷凝后排放。
地热水发电有两种系统:(1)闪蒸系统(又称减压扩容法),它是根据热水饱和温度
与压力有关的原理设计的。当热水进入扩容器减压后,其相应的饱和温度降至热水温度以下,
使部分热水汽化变为蒸汽,然后通入汽轮发电机组作功发电,排汽经冷凝后排放。(2)双
循环系统(又称中间介质法)利用地下热水间接加热某些低沸点物质(如***里昂等),使之
变成蒸气,推动汽轮机作功发电。地热水加热低沸点物质在蒸发器中进行,两者只换热不直
接接触。低沸点物质被加热后变成蒸气通过低沸点物质汽轮机作功,排汽在冷凝器中冷凝成
液体,经工质泵再打回蒸发器加热,重复使用。地热水放热后从蒸发器排出加以综合利用。:.
闪蒸法系统简单,操作维修容易,但体积大,效率较低。双循环系统设备紧凑,效率高,
但系统比较复杂,操作维修水平要求较高,工质费用也较昂贵。因此,地热发电以高温热水
为宜。
潮汐发电tidalpowergeneration
建筑拦潮坝,利用潮水涨落的水能,推动水轮发电机组发电,其原理与水力发电相似。
但潮汐发电有双向式和单向式,有的涨落潮时都发电,有的仅在潮水蓄入水库后,落潮放水
时才发电。还有建设上下两个水库,上水库只进潮,下水库专在退潮时泄放水。水轮发电机
组安装在两水库之间,以保持连续运转发电。
海洋温差发电generationwiththehelpofdifferenceinsea-watertemperature
利用海水表层及深层间的温度差进行发电的技术。海洋温差量大,且较稳定,可提供基
本负荷电力。根据构成热力循环系统所用工质及流程不同可分为闭式、开式、和混合式循环。
不论采用何种型式,实际热效率或称净效率均较小,约为%。此外,还有雾滴提升循环、全
流循环和热电效应等转换方式。高效的热交换器和大直径的深海冷水取水管是海洋热能转换
的关键部件。海洋热能电站可分为陆基电站和漂浮电站,在离岸不远(5km以内)的1km水
深处若可取得冷水与表层海水达18℃温差的话,宜建立陆基电站。漂浮电站则可以向陆上
送电或者就地生产能量密集型产品。抽吸上来的富于营养的深海海水还可以用于促进海生物
的繁殖。
热电冷联产cogenerationofheatpowerandcool(CCHP)
:.
同时发电、供热和供冷的能量转换生产过程。它是在热电厂发电的同时,用汽轮机抽汽
供热、制冷,满足用户对电、热、冷负荷的需求。由手只有冬季才有供暖负荷,因此,热电
联产的年运行小时数受限,其节能潜力不能充分发挥。而供冷,却是夏季对用户进行空调,
达到降温除湿的目的。因此,实现热、电、冷联产联供,可以明显提高年运行小时数,进一
步挖掘节能潜力。热电冷联产联供,作为一种重要的节能技术,最早由美国和日本采用,并
且大量发展小型楼宇的热电冷联产,已为世界各国普遍采用。用于热电冷联产的制冷方式多
来用溴化锂吸收式制冷。
分布式发电distributedgeneration
将发电系统以小规模(数千瓦至50MW的小型模块式)、分散式的方式布置在用户附近,
可独立地输出电、热或冷能的系统。这个概念是从1978年美国公共事业管理政策法公布后
先在美国正式推广,然后被其他工业国所接受。目前分散发电主要是指用液体或气体燃料的
内燃机、微型燃气轮机和各种工程用的燃料电池。因其具有良好的环保性能,分散发电与“小
机组”已不是同一概念。
与常规的集中供电电站相比,分散发电具有以下优势:没有或很少输配电损耗;无需建
设变电站和配电站,可避免或延缓增加输配电成本;适合多种热电比的变化,系统可根据热
或电的需求进行调节,从而增加年设备利用小时;土建和安装成本低;各电站相互独立,用
户可自行控制,不会发生大规模供电事故,供电的可靠性高;可进行遥控和监测区域电力质
量和性能;非常适合对乡村、牧区、山区、发展中区域及商业区和居民区提供电力;大量减
少环保压力。总之,分散发电可满足特殊场合的需求,为能源的综合梯级利用提供了可能,
为可再生能源的利用开辟了新的方向。并可为提高能源利用率、改善安全性与解决环境污染
方面做出突出贡献。:.
分散发电多种多样,根据燃料不同,可分为化石能源与可再生能源;根据用户需求不同,
有电力单供方式与热电联产方式(CHP)或冷热电三联产方式(CCHP)等;根据循环方式不
同、可分为燃气轮机发电方式、蒸汽轮机发电方式或柴油机发电方式等。
联合循环发电厂combinedcyclepowerplant
将燃气轮机和汽轮机联合在一起的大型发电工厂。燃料(通常是燃料油)首先通过汽化
后在燃气轮机中燃烧作功,带动发电机组发电。燃气轮机的(约600℃)排气用于提高乏气
锅炉中蒸汽温度,然后蒸汽再进入汽轮机膨胀作功,带动发电机发电。联合循环发电的热效
率可达38%~44%。联合循环发电厂的特点是启动决、冷却水量少、氧化氮污染低。
燃气轮机发电厂gasturbinepowerplant
以高温气体为工质,按照等压力加热循环工作燃料中的化学能转变为机械能和电能的工
厂。燃气轮机发电厂用液体和气体燃料通过燃气轮机转变为机械能,然后带动发电机发电。
燃气轮机的绝热压缩、等压加热、绝热膨胀和等压放热等四个过程分别在压气室、燃烧室、
燃气透平和回热器或大气中完成。大型燃气轮机的压气机为多级轴流式,中小型的为离心式。
燃气透平一般为轴流式,在小型机组中有用向心式的。燃气透平带动压气和发电机。燃气轮
机组单机容量小的约为10~20kW,最大的已达140MW。热效率30%~34%,最高达38%。燃
气轮机结构有重型和轻型两种,后者主要由航空发动机改装。由于体积小、重量轻、启动快、
安装快,用水少或不用水,能使用多种液体和气体燃料,在发电上多用于调峰。此外,燃气
轮机在油气开采输送、交通、冶金、化工、舰船等领域也得到广泛应用。
煤气化联合循环发电厂integratedgasificationcombinedcycleplant(IGCC):.
用煤气为燃料的燃气轮机和汽轮机联合在一起的大型发电厂。用煤炭气化后的燃气代替
石油或天然气作为联合循环发电机组的燃料,具有许多优点:(1)提高电站热经济性,目
前燃煤的试验机组的效率已达40%以上。(2)能解决燃煤发电的环保间题。燃煤联合循环
分为两类:一是煤气化联合循环,二是沸腾燃烧联合循环。它们可将高硫、高灰分、低热值
的劣质煤气化(或沸腾炉燃烧),经脱硫、除尘净化成清洁燃料,供联合循环发电用,是一
种对环境污染极小的发电装置。(3)可充分利用中国储量丰富的煤炭资源。(4)适宜在少
水或缺水的地区应用。(5)除了发电外,亦可热电联供,甚至供给化工原料--煤气。目
前,全球约有15座IGCC电厂在运行。1998年开始商业运行的西班牙普埃托利亚诺IGCC电
厂,装机容量335MW,效率43%。2000年投的美国佛罗里达电力公司马丁工IGCC电厂,容
量2×385MW。
燃料电池fuelcell
将燃料的化学能用化学方法直接转换成电能的发电装置。由于燃料电池不是热机,它不
需承受热机的热力学损失项目,因此理论上它可在接近100%的热效率下运行,具有很高的
经济性。目前实际运行的各种燃料电池,由于种种技术因素的限制,再考虑整个装置系统的
耗能,总的转换效率在45%~60%范围内,如考虑排热利用可达80%以上。此外,燃料电他
装置不含或含有很少的运动部件,工作可靠,较少需要维修,且比传统发电机组安静。另外
电化学反应清洁、完全,很少产生有害物质。所有这一切都使得燃料电池被视作是一种很有
发展前途的能源动力装置。
燃料电池已于20世纪60年代在美国阿波罗载入宇宙飞船上作为主电源使用。迄今已有
多种燃料电池的开发获得成功,但规模都很小。已有50、100、200kW从产品。到2003年,:.
日本已累计安装磷酸型燃料电池刀209台,51428kW,其中正在运行的51台,8750kW;北美
累计安装156台,21460kW;欧洲累计安装32台,6600kW。
燃料电池可以根据所使用的燃料和氧化剂的不同进行分类:如氢氧燃料电池、甲醇氧燃
料电池、金属氢化物空气燃料电池等;但较多是根据所使用的电解质的不同进行分类:如酸
电解质型(如磷酸型)、碱液电解质型(如氢氧化钾等)、熔盐电解质型(如碳酸盐等)和
固态电解质型(如氧化锆等)几种。此外,燃料电池还可按运行温度分类,工作温度低于
100℃的称为低温电池,典型的是运行在1MPa压力下的碱性氢氧电池;中温电池一般指在
150~300℃下工作的电池,在9MPa压力下工作的磷酸型氢氧电池可作为示例;高温电池的工
作温度一般在500℃以上,多用含碳燃料和熔态电解质。
循环流化床发电circulatingfluidizedbedcombustion(CFBC)
回收流化床所扬折的固体颗粒,返回流化床进行循环燃烧的发电技术。由于
沸腾床燃烧有扬折损失大,脱硫用的石灰石的利用率低,燃烧效率低,埋管磨损
严重的缺点,人们开发了能流化燃烧的优点,同时又能克服其缺点的循环流化床
燃燃发电技术。
循环流化床主床温度可保持在850~900℃,主床不用埋管受热面,解决了埋
管磨损性,工作寿命短的问题。气流携带的燃煤颗粒经过多次循环,在炉中多次
燃烧,可以燃烧得很完全,燃烧效率可以和煤粉炉一样高,达99%以上。脱硫
用的石灰石粉,也可在炉中多次循环,既提高了石灰石的利用率,又提高了脱硫
效率。
目前世界上的循环流化床有多种方案,如鲁奇(Lurgi)方案、奥斯龙
(Ahlstrom)方案、福斯特惠勒(FosterWheeler)方案和巴布科克(Deutsche:.
Bad-cock)方案和田培拉(Tempella)方案等。循环流化床燃烧技术虽然发展很
快,但仍处在发展阶段,还很难比较它们的优劣。它们的共同优点是燃烧效率高,
脱硫效率高,脱硫剂的利用率也高,避免了埋管磨损问题,锅炉单位功率大等。
中国科技工作者开发这种燃烧技术,创立了中国特色的燃烧技术,清华大学研制
成带有平面流分离器的循环流化床燃料锅炉,中国科学院工程热物理研究所开发
出采用多级分离的循环流化床燃烧锅炉。