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发电厂

发电厂(power plant)又称发电站,是将自然界蕴藏的各种一次能源转换为电能(二次能源)的工厂。19世纪末,随着电力需求的增长,人们开始提出建立电力生产中心的设想。电机制造技术的发展,电能应用范围的扩大,生产对电的需要的迅速增长,发电厂随之应运而生。现在的发电厂有多种发电途径:靠火力发电的称火电厂,靠水力发电的称水电厂,还有些靠太阳能(光伏)和风力与潮汐发电的电厂等。而以核燃料为能源的核电厂已在世界许多国家发挥越来越大的作用。

19世纪70年代,欧洲进入了电力革命时代。不仅大企业,就连小企业也都纷纷采用新的动力──电能。最初,一台发动机设备只供应一栋房子或一条街上的照明用电,人们称这种发电站为 “住户式”电站,发电量很小。随着电力需求的增长,人们开始提出建立电力生产中心的设想。爱迪生1882年在美国纽约珍珠街建立拥有6台发动机的发电厂。

发电厂起初是直流发电。美国的著名发明家爱迪生在1881年开始筹建中央发电厂,1882年总共有两座初具规模的发电厂投产。1882年1月,伦敦荷陆恩桥的爱迪生公司开始发电,供应圣马厂邮局桥西的城市大教堂和桥头旅馆等。当时发电厂利用蒸汽机驱动直流发电机,电压为110伏,电力可供1000个爱迪生灯泡用。同年末,纽约珍珠街爱迪生公司发电厂也装上了同型机组,这是美国的第一座发电厂,内装6台发动机,可供6000个爱迪生灯泡用电。后来俄国彼得堡的芬坦克河上出现了水上发电站,发电站建在驳船上,为涅夫斯基大街照明供电。

在电力的生产和输送问题上,早期曾有过究竟是直流还是交流的长年激烈争论。爱迪生主张用直流,人们也曾想过各种方法,扩大直流电的供电范围,使中小城市的供电情况有了明显改善。但对大城市的供电,经过改进的直流电站仍然无能为力,代之而起的是交流电站的建立,因为要作远程供电,就需增协电压以降低输电线路中的电能损耗,然后又必须用变压器降压才能送至用户。直流变压器十分复杂,而交流变压器则比较简单,没有运动部件,维修也方便。美国威斯汀豪斯公司的工程师斯坦利研制出了性能优良的变压器。1886年该公司利用变压器进行交流供电试验获得成功,1893年威斯汀豪斯公司承接为尼亚加拉瀑布水力发电计划提供发动机的合同,事实证明必须用高压交流电才可实现远征电力输送,从而结束了长时间的交、直流供电系统之争,交流电成为世界通用的供电系统。

早期发电机靠蒸汽机驱动。1884年发明涡轮机,直接与发电机连接,省去云齿轮装置,既运行平稳,又少磨损。1888年在新建的福斯班克电站安装了一台小涡轮机,转速为每分钟4800转,发电量75千瓦。1900年在德国爱勃菲德设置了一台1000千瓦涡轮机。到1912年芝加哥已有一台25,000千瓦涡轮发电机,如今涡轮发电机最大已超过100万千瓦,而且可以连续多年不停运转。 [1]

传统发电指的是燃煤电厂,燃煤火力发电厂流程图:

A:燃烧气体系统──煤:由自动输送带漏斗、度量计送入磨粉机,粉碎后,与高温蒸汽以一定比例混合,再由喷嘴吹入锅炉内燃烧。构成炉壁内衬的整排水管中的循环纯水被加热而沸腾产生蒸汽。燃烧后灰落入出灰口排出。烟道内烟气驶过热器,再由热器内蒸汽加热,提高再预加热省煤器内的锅炉,用温水和空气加热器内的燃烧用气,最后经沉淀集尘器与烟囱后排至大气中。

B.蒸汽系统──过热后高压高温蒸汽最初送入高压涡轮,使其旋转,再经再热器,补足热能后,依序送入中压涡轮及低压涡轮,使所有热能消耗殆尽后,送入冷凝器,恢复为原水,此水经加热器、省煤器而循环。

C.冷却水系统──冷却塔(凉水塔)中的冷却水由河、井、海及自来水系统供给,经由冷凝器的冷却水回到冷却塔冷却。

D.发电系统──接于涡轮转子上的发动机产生电力,经由变压器提升电压后进入电力系统。 [2]

利用水流的动能和势能来生产电能的工厂,简称水电厂。水流量的大小和水头的高低,决定了水流能量的大小。从能量转换的观点分析,其过程为:水能→机械能→电能。实现这一能量转换的生产方式,一般是在河流的上游筑坝,提高水位以造成较高的水头;建造相应的水工设施,以有效地获取集中的水流。水经引水机沟引入水电厂的水轮机,驱动水轮机转动,水能便被转换为水轮机的旋转机械能。与水轮机直接相连的发电机将机械能转换成电能,并由发电厂电气系统升压送入电网。

建造强大的水力发电厂时,要考虑改善通航和土地灌溉以及生态平衡。水电厂按电厂结构及水能开发方式分类有引水式、堤坝式、混合式水电厂;按电厂性能及水流调节程度分类有径流式、水库式水电厂;按电厂厂房布置位置分类有坝后式、坝内式水电厂;按主机布置方式分类有地面式、地下式水电站。

水力发电厂建设费用高,发电量受水文和气象条件限制,但是电能成本低,具有水利综合效益。水轮机从启动到带满负荷只需几分钟,能够适应电力系统负荷变动,因此水力发电厂可担任系统调频、调峰及负荷备用。

从容量角度来说处于所有水电站的末端,它一般是指容量5万千瓦以下的水电站。世界小水电在整个水电的比重大体在5%-6%。中国可开发小水电资源如以原统计数7000万kW计,占世界一半左右。而且,中国的小水电资源分布广泛,特别是广大农村地区和偏远山区,适合因地制宜开发利用,既可以发展地方经济解决当地人民用电困难的问题,又可以给投资人带来可观的效益回报,有很大的发展前景,它将成为中国21世纪前20年的发展热点。

世界上,许多发展中国家都制订了一系列鼓励民企投资小水电的政策。由于小水电站投资小、风险低、效益稳、运营成本比较低。在中国各种优惠政策的鼓励下,全国掀起了一股投资建设小水电站的热潮,由于全国缺电严重,民企投资小水电如雨后春笋,悄然兴起。国家鼓励合理开发和利用小水电资源的总方针是确定的,2003年开始,特大水电投资项目也开始向民资开放。根据国务院和水利部的“十一五”计划和2015年发展规划,将对民资投资小水电以及小水电发展给予更多优惠政策。中国小水电可开发量占全国水电资源可开发量的23%,居世界第一位。

利用可燃物作为燃料生产电能的工厂,简称火电厂。从能量转换的观点分析,其基本过程是:化学能→热能→机械能→电能。世界上多数国家的火电厂以燃煤为主。煤粉和空气在电厂锅炉炉膛空间内悬浮并进行强烈的混合和氧化燃烧,燃料的化学能转化为热能。热能以辐射和热对流的方式传递给锅炉内的高压水介质,分阶段完成水的预热、汽化和过热过程,使水成为高压高温的过热水蒸气。水蒸气经管道有控制地送入汽轮机,由汽轮机实现蒸气热能向旋转机械能的转换。高速旋转的汽轮机转子通过联轴器拖动发电机发出电能,电能由发电厂电气系统升压送入电网。 [3]

垃圾发电作为火力发电的一种,截至2007年底,中国垃圾焚烧发电厂总数已达75座,其中建成50座,在建25座垃圾焚烧发电厂的收益稳定、运营成本低廉并享有一定的税收优惠政策,能给投资者带来稳定的收益,但是垃圾发电带来的环境问题不容忽视。

利用核能来生产电能工厂,又称核电厂(核电站)。原子核的各个核子(中子与质子)之间具有强大的结合力。重核分裂和轻核聚合时,都会放出巨大的能量,称为核能。技术已比较成熟,形成规模投入运营的,只是重核裂变释放出的核能生产电能的原子能发电厂从能量转换的观点分析,是由重核裂变核能→热能→机械能→电能的转换过程。

太阳能发电厂是一种用可再生能源太阳能来发电的工厂,它利用把太阳能转换为电能的光电技术来工作的。德国利用太阳能来发电可供55万个家庭用电所需,是利用太阳能发电的世界冠军。

截止到2003年底,全国风能资源丰富的14个省(自治区)已建成风电场40座,累计运行风力发电机组1042台,总容量达567.02MW(以完成整机吊装作为统计依据)。

地热能是指贮存在地球内部的可再生热能,一般集中分布在构造板块边缘一带,起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。全球地热能的储量与资源潜量十分巨大,每年从地球内部传到地面的热能相当于100PWh,但是地热能的分布相对比较分散,因此开发难度很大。由于地热能是储存在地下的,因此不会受到任何天气状况的影响,并且地热资源同时具有其它可再生能源的所有特点,随时可以采用,不带有害物质,关键在于是否有更先进的技术进行开发。地热能在全球很多地区的应用相当广泛,开发技术也在日益完善。对于地热能的利用,包括将低温地热资源用于浴池和空间供热以及用于温室、热力泵和某些热处理过程的供热,同时还可以利用干燥的过热蒸汽和高温水进行发电,利用中等温度水通过双流体循环发电设备发电等,这些地热能的开发应用技术已经逐步成熟,而且对从干燥的岩石中和从地热增压资源及岩浆资源中提取地热能的有效方法进行研究可以进一步提高地热能的应用潜力,但是地热能的勘探和提取技术还有待改进。

太空发电厂可能是迄今为止人类有望实现的最大规模轨道建筑,如果建造完成,那么太空发电厂面积将达到6平方公里,部署在3.6万公里的轨道高度上。如此之大的人造建筑甚至可用肉眼察觉到,研究人员称从地面看轨道电站好像一颗恒星高高挂的天空中。把太阳能发电厂转移到太空中的优势很明显,即不会因为昼夜的问题导致能量输出受到影响,而且天气问题也不必去考虑,没有云层会遮挡住电站对阳光的采集。更重要的是,太空发电厂也不占用土地资源。

当然,建造轨道发电站还需要克服几个重大问题,比如如何把能量传递到地球上,目前的方法是用微波或者激光。日本科学家的方案是通过微波远程传递把能量接入地面。但是轨道电站的重量将达到1万吨。美国宇航局在研的超级火箭一次仅能将120吨的载荷送入轨道。同时太阳能电池板的安装也是个问题,定期也需要更换,这里都涉及到庞大的资金供应。

当前在电力系统中起主导作用的仍是火力、水力、核能发电厂。 [4]


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