火力发电

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火力发电(Thermal Power)

目录

什么是火力发电[1]

  火力发电是利用煤、石油天然气等固体、液体、气体燃料燃烧时产生的热能,通过发电动力装置转换成电能的一种发电方式。

火力发电的类型[1]

  按其作用分单纯供电的和既发电又供热的(热电联产的热电厂);

  按原动机分汽轮机发电、燃气轮机发电和柴油机发电;

  按所用燃料主要分燃煤发电、燃油发电和燃气发电。

  在大城市和工业区应实施热电联供。

火力发电的特点[2]

  火力发电厂是通过燃烧方式将燃煤、燃油等的化学能转化为电能的过程,除了一般电能生产的特点外,火力发电厂还有其自身的特点和要求。

  1.必须安全可靠的生产

  现代火力发电厂具有高温(火焰中心温度可达1500~1700℃,蒸汽温度可达600℃)、高压(主给水压力达30MPa甚至更高)、高转速(汽轮机转速3000r/min,给水泵转速6000r/min)、高电压(发电机电压35kV,母线电压110kV)的特点,因此生产过程中必须坚持“安全第一”的方针。要从规划设计、设备制造、施工生产运行检修,直至培训各个方面实行全面的安全管理。同时要采用先进的设备和手段,来提高设备的安全性。现代大容量再热机组的机、炉,电之间运行关系复杂,一般应具备自启停条件,并具备完善的闭锁保护、越限保护、自动停机等功能,电网应采用频率自动控制与功率自动控制装置。

  在安全生产的同时,火力发电厂还必须有较高的可靠性,从而充分发挥供电设备的潜力,向用户保证不间断的供电和保证供电质量,充分发挥电力系统经济效益

  2.力求较高的经济性

  火力发电厂是技术与资金密集型企业,建设火力发电厂特别是大型电厂要耗费大量的人力、物力和财力,目前新建一个4×600MW的电厂,需要投资达60多亿元。因此,在保证安全可靠生产的同时要力求有较高的经济性,以尽快收回投资。火力发电厂发电的同时,其自身也是一个耗能大户,一个2×600MW的凝汽式电厂在满负荷情况下每天就要耗煤近万吨,如果每1kW·h电节约耗煤1g,那么一个1200MW电厂每年将节约标准煤8000多t,可见其节能潜力是很大的。为了降低煤耗,提高效率,除了采用高参数、大容量机组,在设备制造上采用新工艺、新材料,采用较合理的热力系统外,一个重要的方面就是在运行中尽量减少能量的贬值,减少各种不必要的损失和浪费。这需要电厂加强管理,不断提高运行人员的技术水平与责任心。近年来广泛采用的计算机能损在线监测系统、实时耗差分析等都在节能降耗方面取得了较好的效果。

  3.不断提高自动化程度

  随着机组的参数、容量的提高,设备的结构及系统结构也越来越复杂,常规的以运行人员为主的监控机组运行的方式,越来越困难,一台200MW机组就有监视项目600个、报警项目200个,仅靠运行人员监视操作很难保证机组的安全经济运行。因此不断提高自动化程度,不仅是安全经济运行的需要,也是改善运行人员劳动条件,提高生产率的需要。当前,大型机组都配备有自动化的监视控制系统,国内外纷纷引入电子计算机技术,以实现数据的采集与处理、CRT屏幕显示、制表打印、事故追忆、机组性能计算以至运行的自动控制等一系列功能。

  4.搞好环境保护

  火力发电厂对环境污染是多方面的。首先,锅炉排放的烟气中含有大量的粉尘和氧化氮、氧化硫等有害气体,其中粉尘会污染空气,有害健康,氧化硫(SOx)会形成酸雨,氧化氮(NOx)更是危害农作物生长和人体健康的害气体。其次,煤在燃烧后从炉膛下部排出的炉渣,以及除尘器下部和烟道尾部排出的灰,如果处理不当将其排入江河湖泊,也会造成严重的污染。另外,电厂产生的噪音、排放到江河湖泊的循环水等都会产生一定的污染。这些都是要采取一定的措施予以控制与防治的。

  目前,大型火力发电厂普遍采用的静电除尘器能够除掉烟气中99%以上的粉尘,我国烟尘排放在1978年的时候是400万t,2007年减低为300万t左右。也就是说虽然电力工业大力发展,但是烟尘的排放量是下降的,与世界发达国家基本持平。

  国内,烟气脱硫系统的脱硫效率可以达到93%以上,而且装备脱硫设施的火电机组占全部火电机组的比重逐年增加,2005~2007年分别为12%、30%和50%,2008年超过60%。同时,烟气的脱硝(氧化氮)系统也正在我国大型电厂推广,新建的1000MW机组都将同步配备脱硝装置。

  在灰渣的综合利用上,目前取得了有益的经验,例如利用灰渣制造建筑材料、提取稀有金属、改良土壤等。国家已明令禁止向江河湖泊排放灰渣。

火力发电的工作过程和原理[3]

  锅炉、汽轮机、发电机为火力发电厂的三大核心设备。一台燃煤发电机组的发电过程大致可分为燃烧过程、水蒸气转换过程、发电转化过程,每个过程内部又存在若干子过程。这三个过程存在相互协调的紧密联系,又具有各自的独立性。任何一台过程设备出现故障或停用都会引起整个工况的重新调整,并造成巨大的经济损失。因此,火力发电厂对可靠性、经济性要求甚高。

  火力发电的生产过程大致为:在锅炉内燃烧时,燃料的化学能首先转化为烟气的热能;当烟气沿锅炉炉膛及其后面的烟道流过时,它的热能就逐步传递给在锅炉各部分受热面内流动的水、蒸汽以及空气。锅炉产生的新蒸汽进入汽轮机后逐级进行膨胀,蒸汽的部分热能就转变为气流的动能;高速气流施加作用力于汽轮机的叶片上,推动了叶轮连同整个转子旋转,气流的功能被转换成汽轮机轴上的机械能。汽轮机通过联轴器带动发电机转动,机械能则被转换成电能——交流电。由此,发电厂热工过程的自动控制可归纳为如下:

  (1)自动检测自动地检查和测量反映生产过程进行情况的各种物理量、化学量以及生产设备的工作状况,以监视生产过程的进行情况和趋势

  (2)顺序控制根据预先拟定的程序和条件,自动地对设备进行一系列操作。

  (3)自动保护在发生事故时,自动采取保护措施,以防止事故进一步扩大或保护生产设备使之不受严重破坏,如汽轮机的超速保护、锅炉的超压保护等。

  (4)自动控制自动地维护生产过程在规定的工况下进行,又称为自动调节。

火力发电系统[1]

  主要由燃烧系统(以锅炉为核心)、汽水系统(主要由各类泵、给水加热器、凝汽器、管道、水冷壁等组成)、电气系统(以汽轮发电机、主变压器等为主)和控制系统等组成。前二者产生高温高压蒸汽(燃气轮机发电和柴油机发电无此系统);电气系统实现由热能、机械能到电能的转变;控制系统保证各系统安全、合理、经济运行。各系统的组成、功能及流程见表1。 

表1 火力发电系统各系统的组成、功能及流程

系统名称组成功能流程
燃烧系统燃烧室(即炉膛)、送风装置、送煤(或油、天然气)装置、灰渣排放装置完成燃料的燃烧过程,将燃料所含能量以热能形式释放出来,用于加热锅炉里的水烟气流程、通风流程、排灰除渣流程
汽水系统培水泵、循环泵、给水加热器、凝汽器、除氧器、水冷壁及管道系统是利用燃料的燃烧使水变成高温高压蒸汽,并使水进行循环汽水流程、补给水流程、冷却水流程
电气系统电厂主结线、汽轮发电机、主变压器、配电设备、开关设备、发电机引出线、厂用结线、厂用变压器和电抗器、厂用电动机、保安电源、蓄电池直流系统及通信设备、照明设备保证按电能质量要求向负荷或电力系统供电供电用流程、厂用电流程
控制系统锅炉及其辅机系统、汽轮机及其辅机系统、发电机及电工设备、附属系统对火电厂各生产环节实行自动化的调节、控制,以协调各部分的工况,使整个火电厂安全、合理、经济运行汽轮机自起停、自动升速控制流程、锅炉燃烧控制流程、灭火保护系统控制流程、热工测控流程、自动切除电气故障流程、排灰除渣自动化流程

火力发电企业成本[4]

  火力发电企业的总成本由固定成本和变动成本两部分组成。

  1.火力发电企业的固定成本

  火力发电企业的固定成本主要包括四部分,即设备折旧费用、固定财务费用、大修费用、大部分的人员工资费用。

  假设某火力发电企业的平均建设成本为P,基本贴现率为i0,折旧年限为n年,则第t年的设备折旧费用为:
N_{1,t}=\frac{i_0(1+i_0)^nP}{(1+i_0)^n-1}  (1)

  式中:N1,t表示第t年的设备折旧费用,t=1,2,…,n。

  假设第t年的固定财务费用为N2,t,大修费用为N3,t,大部分的人员工资费用为N4,t,并按照等额分付的方式进行还款,则该发电企业在第t年所消耗的固定成本Ft为:
Ft = N1,t + N2,t + N3,t + N4,t  (2)

  2.火力发电企业的变动成本

  火力发电企业的变动成本主要有:燃料费、水费、排污费、销售税金及附加、职工部分工资。本书主要探讨燃料费,尤其是煤价对发电企业的影响。设第t年每度电的供电标准煤耗为gt(g/kW·h)。若第t年标准煤的价格为Pc,t(元),则发电企业第t年的变动成本为:
V_t=\frac{P_{c,t}g_t(7000/w)\times 10^{-6}}{1+13%}+v_t  (3)

  式中:Vt表示第t年除煤炭以外的其他变动成本;w为天然煤发热量;gt为第t年供电标准煤耗;13%是购买电煤的进项税率。

  3.火力发电企业总成本与煤价的关系模型

  假设该发电企业的机组容量为r,第t年设备年利用小时数为h,第t年厂用电率为α,则该发电企业第t年的上网发电量Qt可以表达为:
Qt = rht(1 − αt)  (4)
  由式(2)和式(3)可知,发电企业第t年的发电总成本为:
C_t=F_t+V_tQ_t=N_{1,t}+N_{2,t}+N_{3,t}+N_{4,t}+[\frac{P_{c,t}g_t(7000/w)\times 10^{-6}}{1+13%}+v_t]Q_t  (5)

  4.煤价波动给发电企业带来的成本风险

  如果第t年标准煤价格每吨上涨却\triangle P_{c,t}元,则发电企业第t年单位电量的燃料成本将直接增加:
\triangle V_t=\frac{\triangle P_{c,t}g_t(7000/w)\times 10^{-6}}{1+13%}  (6)
  由于固定成本与煤炭价格波动没有关系,故发电企业在第t年的单位电量发电成本随煤炭价格增加而增加的关系为:
\triangle C_t=\frac{\triangle P_{c,t}g_t(7000/w)Q_t\times 10^{-6}}{1+13%}  (7)

  煤炭价格的波动给火力发电企业带来巨大的成本压力,对其盈利造成巨大的风险

火力发电的环境问题与防治

  (一)环境问题

  火力发电中以燃煤发电产生的环境问题尤为严重,而目前我国火电厂95%左右以燃煤为主。燃煤火电厂的环境问题主要有燃煤排放的烟气对环境的污染、各类设备运行中排出的废水、废液对环境的污染以及企业运行时产生的噪声对人体健康的危害等。

  1.烟气污染

  火电厂煤炭燃烧排放的烟气中主要污染物有烟尘、S02NOx等。

  烟尘飘浮于大气中,不仅本身污染环境,还会与S02NOx等有害气体结合,加剧对环境和人群健康的危害。

  S02排放是造成我国大气污染及酸雨不断加剧的主要原因。据我国历年全国环境统计公报和电力环境监测站的统计资料分析,1998年我国火电厂排放的S02占全国排放总量的1/3左右,2000年占到40%以上,到2005年已占全国排放总量的50%以上。

  火电厂排放的NOx中主要是NO,占NOx总浓度的90%以上,吸入NO,可引起变性血红蛋白的形成并对中枢神经系统产生影响。NO氧化形成N02则对人体的危害性更大,因为N02比NO的毒性高4倍,可引起肺损害,甚至造成肺水肿,慢性中毒可致气管、肺病变。

  2.废水污染

  火电厂的废水主要有冲灰水、除尘水、工业污水、生活污水、酸碱废液和热排水等。除尘水、工业污水一般均排入灰水系统。酸碱废液主要来自锅炉给水系统,一般都排入中和池,中和以后再排出。热排水主要是经过凝汽器以后排出的循环水,一般排水温度要比进水温度高8℃。如热水排入水域后超过水生生物承受的限度,则会造成热污染,对水生生物的繁殖、生长均会产生影响。

  3.粉煤灰渣

  粉煤灰渣是煤燃烧后排出的固体废物。其主要成分是SiO2Al2O3、FeO、CaO、MgO及部分微量元素。若不很好地加以处置而排入环境任意堆放,则会造成对水体、大气和土壤的污染。

  4.噪声干扰

  火电厂的噪声主要有锅炉排汽的高频噪声、设备运转时的空气动力噪声、机械振动噪声以及电工设备的低频电磁噪声等。其中以锅炉排汽噪声对环境影响最大,排汽噪声最大可达130dB(A)。

  (二)防治措施

  1.烟气污染防治

  (1)烟尘的防治

  ①采用高效率除尘器

  如电除尘器的效率高达99%,最高可达99.9%。

  ②采用高烟囱

  高空排放可降低近地面烟尘浓度,美国采用了世界最高的烟囱(368m)。但过分加高烟囱并非有效的防治方法,因为高烟囱虽可降低污染物的近地面浓度,但却把污染物扩散到更大的区域。

  (2)SO2的防治

  火电厂减排SO2的主要途径有燃用低硫煤、煤炭洗选、洁净煤燃烧技术和烟气脱硫。

  ①燃用低硫煤

  降低燃煤含硫量是减少SO2排放量最简单的办法。我国目前已采取烟气脱硫措施的火电机组容量仅500×104kW左右,绝大多数火电厂还没有采取脱硫措施。“九五”期间SO2排放的减少,主要是通过关停小火电机组和“两控区”内的火电厂换烧低硫煤实现的。根据我国的能源政策,低硫煤主要保证民用和用作工业原料的需要。如果用煤量大、技术装备水平较高的燃煤电厂燃用低硫煤,则不仅将造成全国低硫煤资源供应的紧缺,而且将导致中高硫煤转移到技术装备水平较差的其他工业炉窑或民用方面使用,从而增加全国SO2排放控制的难度和治理SO2污染所付出的经济代价。因此,燃用低硫煤不能作为减排SO2的主要手段。

  ②煤炭洗选

  煤炭洗选技术是一种采用物理、化学或生物方法除去或减少煤中所含的硫分、灰分的洁净煤技术。煤炭经洗选后不仅可以脱除一定的灰分和硫分,同时热值也有所提高,平均而言,其热值将提高10%以上,也就是说,洗后煤与原煤相比,节煤率约为10%。但我国高硫煤产区中,煤中有机硫成分都较高,很难用煤炭洗选的方法达到有效控制SO2排放的目的。目前,由于技术水平和发展速度的限制,燃用洗选煤只能作为削减SO2排放的一个手段,单靠它尚不能满足火电厂环境保护的需要。

  ③洁净煤燃烧技术

  近十几年来,在多数国家发展烟气脱硫的同时,洁净煤发电技术也得到了积极的研究与开发。美国是投入较多的国家之一。目前工业发达国家成熟的已经商业化运行的有常压循环流化床锅炉(CFBC)、加压循环流化床锅炉(PFBC)、煤气联合循环发电(IGCC),但单机容量都不大,国内目前尚处于引进技术和示范试验阶段。

  ④烟气脱硫

  烟气脱硫是控制SO2污染的主要技术手段。烟气脱硫技术开发于20世纪60年代,到70年代后期已出现200多种脱硫技术。到80年代,各种脱硫技术在竞争中不断完善。按照国外排放标准的要求,美国、欧盟的新建火电厂必须安装脱硫装置,日本的燃煤火电厂全部安装了脱硫装置。尽管各国开发的烟气脱硫方法很多,但真正进行工业应用的方法仅是有限的十几种。其中湿式洗涤法占主导地位。湿法烟气脱硫技术以其脱硫效率高、运行可靠性好、适应范围广、技术成熟、副产物可作商品出售等优势,逐步被广大用户所接受,成为世界上脱硫市场中占统治地位的脱硫技术。自20世纪80年代始,我国从国外近百种比较成熟的脱硫技术中有选择地引进了几种烟气脱硫工艺,建成一批工业脱硫装置和大型工业性示范工程。如重庆珞璜电厂湿式石灰石一石膏烟气脱硫、太原第一热电厂简易湿式石灰石一石膏烟气脱硫、山东黄岛电厂旋转喷雾干燥脱硫、深圳西部电厂海水烟气脱硫、南京下关电厂炉内喷钙尾部增湿脱硫、成都热电厂电子束脱硫等项目已投入运行。就单项研究指标来讲,我国有些脱硫装置已达到了国际先进水平,但就整体水平来说,与国外发达国家还相差甚远。主要表现在:缺少成套技术、设备可靠性差、自动化程度低、工艺设计尚未达到优化,特别是在商品化、企业化和资本运营方面仅处于初级发展阶段,尤其缺少大型电站锅炉烟气脱硫成套技术及相关运行管理经验。

  将烟气除硫系统与回收硫的综合利用相结合,还可回收硫黄、硫酸或硫酸铵等副产品

  (3)氮氧化物控制技术

  控制火电厂NOx排放的措施分两大类。一类是通过燃烧技术的改进(包括采用先进的低NOx燃烧器)降低NOx排放量;另一类是尾部加装烟气脱硝装置,其优点是可将其排放量降至200mg(标准状态)/m3以下,但其初期投资及运行费用高。

  在降低火力发电厂NOx排放的众多方法中,选择性催化还原脱硝法(SCR法)以其成熟的技术和良好的脱硝效果得到了世界各国的普遍重视。SCR法是在20世纪70年代末80年代初首先由日本发展起来的,并从80年代中期开始在几年时间里迅速在日本、西欧、美国等国家电站得到了应用。采用该方法能达到80%~90%的NOx降低率。国内采用SCR脱硝系统的电厂目前只有福建漳州后石电厂。

  目前,国外对联合脱硫脱硝的研究开发工作十分活跃。与单独采用脱硫或脱硝工艺相比,在一个系统内同时脱硫脱氮的工艺有很大的优越性,如减少系统复杂性、更好的运行性能以及低成本。

  (4)CO2的减排

  CO2对温室效应的贡献超过65%,而人类活动排放的CO2主要源于化石燃料的燃烧利用。尤其是在大型工业生产过程中的应用,如电厂、水泥窑炉、工业和钢铁生产企业所用的锅炉。当我们面临CO2减排的挑战时,从这些燃烧过程后的烟气中捕集CO2就显得尤为重要。图1为燃煤电厂燃烧后CO2捕集系统流程图。
Image:燃煤电厂燃烧后二氧化碳捕集系统流程图.jpg

  从燃烧排气中分离回收CO2的技术目前主要有吸收分离法、膜分离法、吸附分离法、富氧燃烧技术、低温分离法、复合分离法和化学链燃烧技术等。其中,吸收分离法按照吸收分离原理的不同,分为化学吸收法和物理吸收法,化学吸收法是通过CO2与溶剂发生化学反应来实现CO2的分离并借助其逆反应进行溶剂再生,通常采用热碳酸钾或者醇胺类水溶液作为吸收剂,具有较高的CO2吸收速率,CO2纯度可达99.99%,适合CO2浓度较低的混合气体的处理。

  2.废水污染防治

  废水污染防治要综合考虑污水的来源、水量和水质,污水输送集中的方式,污水处理装置的设置和处理方法,污水处理后的排放和回收利用,以及水体、土壤等自净能力诸因素,采取综合防治措施。水污染的综合防治要综合考虑水资源规划、水体用途、经济投资和自净能力,以人工处理与自然净化相结合、无害化处理与综合利用相结合为原则,推行闭路循环用水系统,发展无废水或少废水生产工艺,运用系统工程方法,采用优化方案解决水污染的问题。如利用火电厂的粉煤灰净化污水是一个明显的综合利用实例。粉煤灰经过酸处理并加以活化后,和石灰及少量聚合电解质一起使用,可清除大部分工业废水和城市废水中的污染物。

  3.粉煤灰渣的处理和利用

  粉煤灰既是“废弃物”也是宝贵的“资源”。在农业方面,粉煤灰含有磷、钾、镁、硼、钼、锰、钙、铁、硅等植物所需的化学元素,适量施用粉煤灰能促进植物的生长,增加产量,还能提高作物的抗病能力。在工业方面,粉煤灰和煤渣可用来制造砌筑砂浆和墙体材料等。从煤渣中还可回收能源,如利用炉渣(其中含碳)烧制黏土砖,可节省燃料。中国近年在利用火电厂的液态渣方面取得进展。采用增钙技术使煤渣成为水泥和墙体材料的优质原料;钙增加后可吸收煤中的硫,生成硫化钙,成为渣中的活性组分,并可减少排入大气中的SO2。增钙液态渣工艺与煤粉炉排灰工艺相比,渣的利用价值高,节约用水,减少SO2排放量,有利于环境保护。但这种工艺需改用立式旋风炉,并要求使用优质煤,因而难以广泛应用。

  火电厂的粉煤灰数量很大,基于技术经济条件的限制,还不能全部利用,需要堆存一部分。因此,火电厂在选择厂址时,应预先考虑设置可堆存10~20年的储灰场。可根据电厂所处的地理位置,选择附近的小沟、洼地、废河湾、煤矿塌陷区修建储灰场。储灰场的底部要有防水防渗设施,同时要妥善管理,在已堆满的灰场上可覆土造田,植树种草,或进行表面药物处理,防止粉煤灰飞扬。

  4.噪声防治

  噪声干扰是局部性的和无后效的。当噪声源的声输出停止后,污染立即消失,不留下任何残余物质。因此,噪声的防治主要是控制声源和声的传播途径,以及对接收者进行保护。例如,对炉膛、风道共振引起的噪声,采用隔声板可取得降噪10~20dB的效果;对进气、排气噪声,安装微孔消声器可降低10~30dB;对机械转动部件动态不平衡引起的噪声,进行平衡调整可降低10~20dB;安装隔声罩可使电机噪声降低10~20dB。

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参考文献

  1. 1.0 1.1 1.2 尹秀英,钟宁宁主编.第四章 工业企业环境保护 环境科学认识实习教程.化学工业出版社,2010.12.
  2. 胡念苏主编.第一章 绪论 发电动力系统概论.中国水利水电出版社,2011.03.
  3. 徐建军,闫丽梅主编.第8章 计算机控制系统应用实例 计算机控制系统理论与应用.机械工业出版社,2008年02月第1版.
  4. 谭忠富,王绵斌,姜海洋等著.第五章 煤电联动价格对上网电价的影响分析 我国电力产业价格链设计理论及方法.经济管理出版社,2008.11.
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