任务一 发电厂主要类型及特点

认知1 发电厂的分类

一、发电厂概念

发电厂是将自然界蕴藏的各种一次能源（如燃料的化学能、水流的位能和动能、核能、太阳能、风能等）转换为电能（二次清洁能源）的工厂。

二、发电厂分类

发电厂的分类方法很多，按其所利用的一次能源不同，分为火力发电厂、水力发电厂、核电厂、风力发电厂、太阳能发电厂等；按发电厂的规模和供电范围不同，又可以分为区域性发电厂、地方发电厂和自备发电厂等。

认知2 火力发电厂

一、火电厂的概念

火力发电厂简称火电厂，是利用煤、石油、天然气作为燃料生产电能的工厂。其基本原理是利用燃料的化学能使锅炉产生蒸汽，蒸汽进入汽轮机做功，推动汽轮机转子转动将热能转变为机械能，汽轮机转动再带动发电机转子旋转，在发电机内将机械能转换成电能。火电厂的全景如图23所示。

图23 凝汽式火电厂全景

二、火电厂分类

火力发电厂的分类方法较多，主要有以下几种：

（1）按燃料分，可分为燃煤发电厂、燃油发电厂、燃气发电厂和生物能源发电厂等。（2）按蒸汽压力和温度分，可分为中低压发电厂（3.92MPa，450℃）、高压发电厂

（9.9MPa，540℃）、超高压发电厂（13.83MPa，540℃）、亚临界压力发电厂（16.77MPa，540℃）和超临界压力发电厂（22.11MPa，550℃）。

（3）按原动机分，可分为凝汽式汽轮机发电厂、燃汽轮机发电厂、内燃机发电厂和蒸汽—燃汽轮机发电厂等。

（4）按输出能源分，可分为凝汽式发电厂和热电厂。

（5）按发电厂装机容量分，可分为小容量发电厂（100MW以下）、中容量发电厂

（100～250MW）、大中容量发电厂（250～1000MW）和大容量发电厂（1000MW以上）。

三、火力发电厂生产过程

火电厂的容量大小各异，具体形式也不尽相同，但就其生产过程来说却是相似的。图24是凝汽式燃煤电厂的生产过程示意图。

1.燃烧系统

燃煤通过皮带从煤场运至煤斗，然后送至磨煤机磨成煤粉。煤粉由热空气携带经排粉风机送入锅炉的炉膛内燃烧，燃烧后形成的热烟气沿锅炉的水平烟道和尾部烟道流动，放出热量，最后进入除尘器，将燃烧后的煤灰分离出来。洁净的烟气在引风机的作用下通过烟囱排入大气。助燃用的空气由送风机送入装设在尾部烟道上的空气预热器内，利用热烟图24 凝汽式火电厂生产过程示意图

气加热空气。从空气预热器排出的热空气，一股去磨煤机干燥和输送煤粉，另一股直接送入炉膛助燃。燃煤燃尽的灰渣落入炉膛下面的渣斗内，与从除尘器分离出的细灰一起用水冲至灰浆泵房内，再由灰浆泵送至灰场。

2.汽水系统

除氧器水箱内的水经过给水泵升压后通过高压加热器送入省煤器，水受到热烟气的加热后进入锅炉顶部的汽包内。锅炉炉膛四周密布着水管，称为水冷壁。水冷壁水管的上下两端均通过联箱与汽包连通，汽包内的水经由水冷壁不断循环，吸收着煤燃烧过程中放出的热量。部分水在冷壁中被加热沸腾后汽化成水蒸气，这些饱和蒸汽由汽包上部流出进入过热器中。饱和蒸汽在过热器中继续吸热，成为过热蒸汽。过热蒸汽有很高的压力和温度，因此有很大的热势能。具有热势能的过热蒸汽经管道引入汽轮机后，便将热势能转变成动能。高速流动的蒸汽推动汽轮机转子转动，形成机械能。

3.电气系统

汽轮机的转子与发电机的转子通过联轴器连在一起。当汽轮机转子转动时便带动发电机转子转动。在发电机转子的另一端带着直流发电机，叫励磁机。励磁机发出的直流电送至发电机的转子线圈中，使转子成为电磁铁，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，发电机便把汽轮机的机械能转变为电能。电能经变压器将电压升压后，由输电线送至电用户。

四、火力发电的优、缺点

优点：火力发电技术成熟，成本较低，对地理环境要求低。

缺点：火力发电环境污染大，可持续发展前景暗淡，耗能大，效率低。

认知3 水力发电厂

一、水电厂的概念

水力发电厂简称水电厂，是把水的位能和动能转变成电能的工厂。其原理是利用水的能量推动水轮机转动，再带动发电机发电，即水能→机械能→电能。水电厂全景如图25所示。

图25 水力发电厂全景

二、水电厂的分类

（1）按集中落差的方式分为堤坝式、引水式和混合式。

（2）按运行方式分为有调节水电站、无调节水电站和抽水蓄能水电站。三、几种水力发电厂

1.堤坝式水电厂

在河流的适当位置上修建拦河水坝，形成水库，抬高上游水位，利用坝的上下游水位

差，引水发电。堤坝式水电厂可以分为坝后式和河床式两种。

（1）坝后式水电厂的厂房建筑在大坝的后面，不承受水的压力，全部水头由坝体承受。由压力水管将水库的水引入厂房，转动水轮发电机组发电。这种发电方式适合于高、中水头的水电厂，如三峡、刘家峡、丹江口水电厂。图26是坝后式水电厂布置示意图。

（2）河床式水电厂厂房和大坝连成一体，厂房是大坝一个组成部分，要承受水

图26 坝后式水电厂布置

压力，因厂房修建在河床中，故名河床式。这种发电方式适合于中、低水头水电厂，如葛洲坝水电厂。

2.引水式水电厂

水电厂建在水流湍急的河道上或河床坡度较陡的地方，由引水管道引入厂房。这种水电厂一般不需修坝或只修低堰。

3.抽水蓄能电厂

这种水电厂由高落差的上下两个水库和具备水轮机—发电机或电动机—水泵两种工作方式的可逆机组组成。抽水蓄能电厂一般作为调峰电厂运行，还可以作系统的备用容量、调频、调相等用途。生产过程如图27所示。

四、水力发电的优、缺点

图27 抽水蓄能水电厂工作过程

水能为可再生能源，基本无污染；运营成本低，效率高，技术成熟；取之不尽，用之不竭；控制洪水泛滥，提供灌溉用水，改善河流航运。但是，水力发电破坏生态环

境，大坝以下水流侵蚀加剧，河流的变化及对动、植物产生影响等；需要筑坝移民等，基础建设投资大；降水季节变化大的地区，少雨季节发电量少甚至停发电。

五、三峡水电站

三峡水电站全景如图28所示。三峡水电站大坝高程185m，蓄水高程175m，水库长逾600km，安装32台单机容量为70万kW的水轮发电机组，年发电量达到981.04亿kW·h，现为世界最大的水力发电站和清洁能源生产基地。

图28 三峡水电站全景

认知4 核 电 厂

一、核电厂概念

核能电厂简称核电厂，是指用铀、钚等做核燃料，将其在可控链式裂变反应中产生的能量转变为电能的工厂。其原理是它是以核反应堆来代替火力发电厂的锅炉，以核燃料在核反应堆中发生特殊形式的“燃烧”产生热量，来加热水使之变成蒸汽。蒸汽通过管路进入汽轮机，推动汽轮发电机发电。核电生产过程如图29所示。

二、核电厂分类

按照反应堆形式分为压水反应堆核电厂、沸水反应堆核电厂、重水反应堆核电厂、快堆核电厂和石墨气冷堆核电厂。

图29 核电生产过程示意图

1.压水堆核电站

它是以压水堆为热源的核电站，主要由核岛和常规岛组成。压水堆核电站核岛中的四大部件是蒸汽发生器、稳压器、主泵和堆芯。在核岛中的系统设备主要有压水堆本体、一回路系统以及为支持一回路系统正常运行和保证反应堆安全而设置的辅助系统。常规岛主要包括汽轮机组及二回路等系统，其形式与常规火电厂类似。

2.沸水堆核电站（现在发生事故的日本福岛第一核电站）

它是以沸水堆为热源的核电站。沸水堆是以沸腾轻水为慢化剂和冷却剂，并在反应堆压力容器内直接产生饱和蒸汽的动力堆。沸水堆与压水堆同属轻水堆，都具有结构紧凑、安全可靠、建造费用低和负荷跟随能力强等优点。它们都需使用低富集铀做燃料。沸水堆核电站系统有主系统（包括反应堆）、蒸汽—给水系统及反应堆辅助系统等。

3.重水堆核电站（如中国秦山Ⅲ核电站）

它是以重水堆为热源的核电站。重水堆是以重水做慢化剂的反应堆，可以直接利用天然铀作为核燃料。重水堆可用轻水或重水做冷却剂，重水堆分压力容器式和压力管式两类。

4.快堆核电站（如日本茨城县东海村常阳和福井县敦贺市文殊反应炉）

它是由快中子引起链式裂变反应所释放出来的热能转换为电能的核电站。快堆在运行中既消耗裂变材料，又生产新裂变材料，而且所产可多于所耗，能实现核裂变材料的增殖。

5.石墨气冷堆

以气体（二氧化碳或氦气）作为冷却剂的反应堆，这种堆经历了3个发展阶段，有天然铀石墨气冷堆、改进型气冷堆和高温气冷堆3种堆型。天然铀石墨气冷堆实际上是天然铀做燃料，石墨做慢化剂，二氧化碳做冷却剂的反应堆。改进型气冷堆设计的目的是改进蒸汽条件，提高气体冷却剂的最大允许温度，石墨仍为慢化剂，二氧化碳为冷却剂。高温气冷堆是石墨作为慢化剂，氦气作为冷却剂的堆。

三、核电厂的优、缺点

1.优点

核电厂没有大量污染物排放到大气中，不产生加重地球温室效应的二氧化碳；核电厂综合发电成本低，经济效益好；核燃料能量密度比起煤等燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座1000MW的压水反应堆核电厂一年只需1t的铀燃料，而普通火电厂一年则需300万t煤。

2.缺点

产生的废料具有放射性，难以处理；一次性投资较大；核电厂不适宜做尖峰、离峰之随载运转；核电厂的反应器内有大量的放射性物质，如果在事故中释放到外界环境，可能会对生态及民众造成灾难性后果。

认知5 风力发电厂

一、风力发电概念

风力发电是指利用风力发电机组直接将风能转化为电能的发电方式。二、风力发电机构成

风力发电机一般由风叶、机舱和塔筒3部分组成。风力发电机的工作原理如图210所示，风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能。发电机在风轮轴的带动下旋转发电。

图210 风力发电机工作原理

图211 风力发电机叶片

1.风叶

风叶是集风装置，如图211所示。它的作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋

转的机械能。一般风力发电机的风轮由2个或3个叶片构成。风轮叶片的材料因风力发电机的型号和功率大小不同而异，如玻璃钢、尼龙等。

2.机舱

机舱包含着风力发电机的关键设备，如齿轮箱、发电机、自动控制柜等，具体结构如图212所示。维护人员可以通过风力发电机的塔筒进入机舱。

3.塔筒

图212 机舱内部结构

塔筒是风力发电机的支撑机构，也是风力发电机的一个重要部件。考虑到便于搬迁、降低成本等因素，

百瓦级风力发电机通常采用管式塔筒。管式塔筒以钢管为主体，在4个方向上安置张紧索。稍大的风力发电机塔筒一般采用由角钢或圆钢组成的桁架结构。

三、风力发电优、缺点

优点：清洁，环境效益好；可再生，永不枯竭；基建周期短；装机规模灵活。缺点：噪声和视觉污染；占用大片土地，投资大；不稳定，不可控；成本高。