火力發電

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火力發電(Thermal Power)

目錄

什麼是火力發電[1]

  火力發電是利用煤、石油天然氣等固體、液體、氣體燃料燃燒時產生的熱能,通過發電動力裝置轉換成電能的一種發電方式。

火力發電的類型[1]

  按其作用分單純供電的和既發電又供熱的(熱電聯產的熱電廠);

  按原動機分汽輪機發電、燃氣輪機發電和柴油機發電;

  按所用燃料主要分燃煤發電、燃油發電和燃氣發電。

  在大城市和工業區應實施熱電聯供。

火力發電的特點[2]

  火力發電廠是通過燃燒方式將燃煤、燃油等的化學能轉化為電能的過程,除了一般電能生產的特點外,火力發電廠還有其自身的特點和要求。

  1.必須安全可靠的生產

  現代火力發電廠具有高溫(火焰中心溫度可達1500~1700℃,蒸汽溫度可達600℃)、高壓(主給水壓力達30MPa甚至更高)、高轉速(汽輪機轉速3000r/min,給水泵轉速6000r/min)、高電壓(發電機電壓35kV,母線電壓110kV)的特點,因此生產過程中必須堅持“安全第一”的方針。要從規劃設計、設備製造、施工生產運行檢修,直至培訓各個方面實行全面的安全管理。同時要採用先進的設備和手段,來提高設備的安全性。現代大容量再熱機組的機、爐,電之間運行關係複雜,一般應具備自啟停條件,並具備完善的閉鎖保護、越限保護、自動停機等功能,電網應採用頻率自動控制與功率自動控制裝置。

  在安全生產的同時,火力發電廠還必須有較高的可靠性,從而充分發揮供電設備的潛力,向用戶保證不間斷的供電和保證供電質量,充分發揮電力系統經濟效益

  2.力求較高的經濟性

  火力發電廠是技術與資金密集型企業,建設火力發電廠特別是大型電廠要耗費大量的人力、物力和財力,目前新建一個4×600MW的電廠,需要投資達60多億元。因此,在保證安全可靠生產的同時要力求有較高的經濟性,以儘快收回投資。火力發電廠發電的同時,其自身也是一個耗能大戶,一個2×600MW的凝汽式電廠在滿負荷情況下每天就要耗煤近萬噸,如果每1kW·h電節約耗煤1g,那麼一個1200MW電廠每年將節約標準煤8000多t,可見其節能潛力是很大的。為了降低煤耗,提高效率,除了採用高參數、大容量機組,在設備製造上採用新工藝、新材料,採用較合理的熱力系統外,一個重要的方面就是在運行中儘量減少能量的貶值,減少各種不必要的損失和浪費。這需要電廠加強管理,不斷提高運行人員的技術水平與責任心。近年來廣泛採用的電腦能損線上監測系統、實時耗差分析等都在節能降耗方面取得了較好的效果。

  3.不斷提高自動化程度

  隨著機組的參數、容量的提高,設備的結構及系統結構也越來越複雜,常規的以運行人員為主的監控機組運行的方式,越來越困難,一臺200MW機組就有監視項目600個、報警項目200個,僅靠運行人員監視操作很難保證機組的安全經濟運行。因此不斷提高自動化程度,不僅是安全經濟運行的需要,也是改善運行人員勞動條件,提高生產率的需要。當前,大型機組都配備有自動化的監視控制系統,國內外紛紛引入電子電腦技術,以實現數據的採集與處理、CRT屏幕顯示、製表列印、事故追憶、機組性能計算以至運行的自動控制等一系列功能。

  4.搞好環境保護

  火力發電廠對環境污染是多方面的。首先,鍋爐排放的煙氣中含有大量的粉塵和氧化氮、氧化硫等有害氣體,其中粉塵會污染空氣,有害健康,氧化硫(SOx)會形成酸雨,氧化氮(NOx)更是危害農作物生長和人體健康的害氣體。其次,煤在燃燒後從爐膛下部排出的爐渣,以及除塵器下部和煙道尾部排出的灰,如果處理不當將其排入江河湖泊,也會造成嚴重的污染。另外,電廠產生的噪音、排放到江河湖泊的迴圈水等都會產生一定的污染。這些都是要採取一定的措施予以控制與防治的。

  目前,大型火力發電廠普遍採用的靜電除塵器能夠除掉煙氣中99%以上的粉塵,我國煙塵排放在1978年的時候是400萬t,2007年減低為300萬t左右。也就是說雖然電力工業大力發展,但是煙塵的排放量是下降的,與世界發達國家基本持平。

  國內,煙氣脫硫系統的脫硫效率可以達到93%以上,而且裝備脫硫設施的火電機組占全部火電機組的比重逐年增加,2005~2007年分別為12%、30%和50%,2008年超過60%。同時,煙氣的脫硝(氧化氮)系統也正在我國大型電廠推廣,新建的1000MW機組都將同步配備脫硝裝置。

  在灰渣的綜合利用上,目前取得了有益的經驗,例如利用灰渣製造建築材料、提取稀有金屬、改良土壤等。國家已明令禁止向江河湖泊排放灰渣。

火力發電的工作過程和原理[3]

  鍋爐、汽輪機、發電機為火力發電廠的三大核心設備。一臺燃煤發電機組的發電過程大致可分為燃燒過程、水蒸氣轉換過程、發電轉化過程,每個過程內部又存在若幹子過程。這三個過程存在相互協調的緊密聯繫,又具有各自的獨立性。任何一臺過程設備出現故障或停用都會引起整個工況的重新調整,並造成巨大的經濟損失。因此,火力發電廠對可靠性、經濟性要求甚高。

  火力發電的生產過程大致為:在鍋爐內燃燒時,燃料的化學能首先轉化為煙氣的熱能;當煙氣沿鍋爐爐膛及其後面的煙道流過時,它的熱能就逐步傳遞給在鍋爐各部分受熱面內流動的水、蒸汽以及空氣。鍋爐產生的新蒸汽進入汽輪機後逐級進行膨脹,蒸汽的部分熱能就轉變為氣流的動能;高速氣流施加作用力於汽輪機的葉片上,推動了葉輪連同整個轉子旋轉,氣流的功能被轉換成汽輪機軸上的機械能。汽輪機通過聯軸器帶動發電機轉動,機械能則被轉換成電能——交流電。由此,發電廠熱工過程的自動控制可歸納為如下:

  (1)自動檢測自動地檢查和測量反映生產過程進行情況的各種物理量、化學量以及生產設備的工作狀況,以監視生產過程的進行情況和趨勢

  (2)順序控制根據預先擬定的程式和條件,自動地對設備進行一系列操作。

  (3)自動保護在發生事故時,自動採取保護措施,以防止事故進一步擴大或保護生產設備使之不受嚴重破壞,如汽輪機的超速保護、鍋爐的超壓保護等。

  (4)自動控制自動地維護生產過程在規定的工況下進行,又稱為自動調節。

火力發電系統[1]

  主要由燃燒系統(以鍋爐為核心)、汽水系統(主要由各類泵、給水加熱器、凝汽器、管道、水冷壁等組成)、電氣系統(以汽輪發電機、主變壓器等為主)和控制系統等組成。前二者產生高溫高壓蒸汽(燃氣輪機發電和柴油機發電無此系統);電氣系統實現由熱能、機械能到電能的轉變;控制系統保證各系統安全、合理、經濟運行。各系統的組成、功能及流程見表1。 

表1 火力發電系統各系統的組成、功能及流程

系統名稱組成功能流程
燃燒系統燃燒室(即爐膛)、送風裝置、送煤(或油、天然氣)裝置、灰渣排放裝置完成燃料的燃燒過程,將燃料所含能量以熱能形式釋放出來,用於加熱鍋爐里的水煙氣流程、通風流程、排灰除渣流程
汽水系統培水泵、迴圈泵、給水加熱器、凝汽器、除氧器、水冷壁及管道系統是利用燃料的燃燒使水變成高溫高壓蒸汽,並使水進行迴圈汽水流程、補給水流程、冷卻水流程
電氣系統電廠主結線、汽輪發電機、主變壓器、配電設備、開關設備、發電機引出線、廠用結線、廠用變壓器和電抗器、廠用電動機、保全電源、蓄電池直流系統及通信設備、照明設備保證按電能質量要求向負荷或電力系統供電供電用流程、廠用電流程
控制系統鍋爐及其輔機系統、汽輪機及其輔機系統、發電機及電工設備、附屬系統對火電廠各生產環節實行自動化的調節、控制,以協調各部分的工況,使整個火電廠安全、合理、經濟運行汽輪機自起停、自動升速控制流程、鍋爐燃燒控制流程、滅火保護系統控制流程、熱工測控流程、自動切除電氣故障流程、排灰除渣自動化流程

火力發電企業成本[4]

  火力發電企業的總成本由固定成本和變動成本兩部分組成。

  1.火力發電企業的固定成本

  火力發電企業的固定成本主要包括四部分,即設備折舊費用、固定財務費用、大修費用、大部分的人員工資費用。

  假設某火力發電企業的平均建設成本為P,基本貼現率為i0,折舊年限為n年,則第t年的設備折舊費用為:
N_{1,t}=\frac{i_0(1+i_0)^nP}{(1+i_0)^n-1}  (1)

  式中:N1,t表示第t年的設備折舊費用,t=1,2,…,n。

  假設第t年的固定財務費用為N2,t,大修費用為N3,t,大部分的人員工資費用為N4,t,並按照等額分付的方式進行還款,則該發電企業在第t年所消耗的固定成本Ft為:
Ft = N1,t + N2,t + N3,t + N4,t  (2)

  2.火力發電企業的變動成本

  火力發電企業的變動成本主要有:燃料費、水費、排污費、銷售稅金及附加、職工部分工資。本書主要探討燃料費,尤其是煤價對發電企業的影響。設第t年每度電的供電標準煤耗為gt(g/kW·h)。若第t年標準煤的價格為Pc,t(元),則發電企業第t年的變動成本為:
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變動成本;w為天然煤發熱量;gt為第t年供電標準煤耗;13%是購買電煤的進項稅率。

  3.火力發電企業總成本與煤價的關係模型

  假設該發電企業的機組容量為r,第t年設備年利用小時數為h,第t年廠用電率為α,則該發電企業第t年的上網發電量Qt可以表達為:
Qt = rht(1 − αt)  (4)
  由式(2)和式(3)可知,發電企業第t年的發電總成本為:
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.煤價波動給發電企業帶來的成本風險

  如果第t年標準煤價格每噸上漲卻\triangle P_{c,t}元,則發電企業第t年單位電量的燃料成本將直接增加:
\triangle V_t=\frac{\triangle P_{c,t}g_t(7000/w)\times 10^{-6}}{1+13%}  (6)
  由於固定成本與煤炭價格波動沒有關係,故發電企業在第t年的單位電量發電成本隨煤炭價格增加而增加的關係為:
\triangle C_t=\frac{\triangle P_{c,t}g_t(7000/w)Q_t\times 10^{-6}}{1+13%}  (7)

  煤炭價格的波動給火力發電企業帶來巨大的成本壓力,對其盈利造成巨大的風險

火力發電的環境問題與防治

  (一)環境問題

  火力發電中以燃煤發電產生的環境問題尤為嚴重,而目前我國火電廠95%左右以燃煤為主。燃煤火電廠的環境問題主要有燃煤排放的煙氣對環境的污染、各類設備運行中排出的廢水、廢液對環境的污染以及企業運行時產生的雜訊對人體健康的危害等。

  1.煙氣污染

  火電廠煤炭燃燒排放的煙氣中主要污染物有煙塵、S02NOx等。

  煙塵飄浮於大氣中,不僅本身污染環境,還會與S02NOx等有害氣體結合,加劇對環境和人群健康的危害。

  S02排放是造成我國大氣污染及酸雨不斷加劇的主要原因。據我國曆年全國環境統計公報和電力環境監測站的統計資料分析,1998年我國火電廠排放的S02占全國排放總量的1/3左右,2000年占到40%以上,到2005年已占全國排放總量的50%以上。

  火電廠排放的NOx中主要是NO,占NOx總濃度的90%以上,吸入NO,可引起變性血紅蛋白的形成並對中樞神經系統產生影響。NO氧化形成N02則對人體的危害性更大,因為N02比NO的毒性高4倍,可引起肺損害,甚至造成肺水腫,慢性中毒可致氣管、肺病變。

  2.廢水污染

  火電廠的廢水主要有沖灰水、除塵水、工業污水、生活污水、酸鹼廢液和熱排水等。除塵水、工業污水一般均排入灰水系統。酸鹼廢液主要來自鍋爐給水系統,一般都排入中和池,中和以後再排出。熱排水主要是經過凝汽器以後排出的迴圈水,一般排水溫度要比進水溫度高8℃。如熱水排入水域後超過水生生物承受的限度,則會造成熱污染,對水生生物的繁殖、生長均會產生影響。

  3.粉煤灰渣

  粉煤灰渣是煤燃燒後排出的固體廢物。其主要成分是SiO2Al2O3、FeO、CaO、MgO及部分微量元素。若不很好地加以處置而排入環境任意堆放,則會造成對水體、大氣和土壤的污染。

  4.雜訊干擾

  火電廠的雜訊主要有鍋爐排汽的高頻雜訊、設備運轉時的空氣動力雜訊、機械振動雜訊以及電工設備的低頻電磁雜訊等。其中以鍋爐排汽雜訊對環境影響最大,排汽雜訊最大可達130dB(A)。

  (二)防治措施

  1.煙氣污染防治

  (1)煙塵的防治

  ①採用高效率除塵器

  如電除塵器的效率高達99%,最高可達99.9%。

  ②採用高煙囪

  高空排放可降低近地面煙塵濃度,美國採用了世界最高的煙囪(368m)。但過分加高煙囪並非有效的防治方法,因為高煙囪雖可降低污染物的近地面濃度,但卻把污染物擴散到更大的區域。

  (2)SO2的防治

  火電廠減排SO2的主要途徑有燃用低硫煤、煤炭洗選、潔凈煤燃燒技術和煙氣脫硫。

  ①燃用低硫煤

  降低燃煤含硫量是減少SO2排放量最簡單的辦法。我國目前已採取煙氣脫硫措施的火電機組容量僅500×104kW左右,絕大多數火電廠還沒有採取脫硫措施。“九五”期間SO2排放的減少,主要是通過關停小火電機組和“兩控區”內的火電廠換燒低硫煤實現的。根據我國的能源政策,低硫煤主要保證民用和用作工業原料的需要。如果用煤量大、技術裝備水平較高的燃煤電廠燃用低硫煤,則不僅將造成全國低硫煤資源供應的緊缺,而且將導致中高硫煤轉移到技術裝備水平較差的其他工業爐窯或民用方面使用,從而增加全國SO2排放控制的難度和治理SO2污染所付出的經濟代價。因此,燃用低硫煤不能作為減排SO2的主要手段。

  ②煤炭洗選

  煤炭洗選技術是一種採用物理、化學或生物方法除去或減少煤中所含的硫分、灰分的潔凈煤技術。煤炭經洗選後不僅可以脫除一定的灰分和硫分,同時熱值也有所提高,平均而言,其熱值將提高10%以上,也就是說,洗後煤與原煤相比,節煤率約為10%。但我國高硫煤產區中,煤中有機硫成分都較高,很難用煤炭洗選的方法達到有效控制SO2排放的目的。目前,由於技術水平和發展速度的限制,燃用洗選煤只能作為削減SO2排放的一個手段,單靠它尚不能滿足火電廠環境保護的需要。

  ③潔凈煤燃燒技術

  近十幾年來,在多數國家發展煙氣脫硫的同時,潔凈煤發電技術也得到了積極的研究與開發。美國是投入較多的國家之一。目前工業發達國家成熟的已經商業化運行的有常壓迴圈流化床鍋爐(CFBC)、加壓迴圈流化床鍋爐(PFBC)、煤氣聯合迴圈發電(IGCC),但單機容量都不大,國內目前尚處於引進技術和示範試驗階段。

  ④煙氣脫硫

  煙氣脫硫是控制SO2污染的主要技術手段。煙氣脫硫技術開發於20世紀60年代,到70年代後期已出現200多種脫硫技術。到80年代,各種脫硫技術在競爭中不斷完善。按照國外排放標準的要求,美國、歐盟的新建火電廠必須安裝脫硫裝置,日本的燃煤火電廠全部安裝了脫硫裝置。儘管各國開發的煙氣脫硫方法很多,但真正進行工業應用的方法僅是有限的十幾種。其中濕式洗滌法占主導地位。濕法煙氣脫硫技術以其脫硫效率高、運行可靠性好、適應範圍廣、技術成熟、副產物可作商品出售等優勢,逐步被廣大用戶所接受,成為世界上脫硫市場中占統治地位的脫硫技術。自20世紀80年代始,我國從國外近百種比較成熟的脫硫技術中有選擇地引進了幾種煙氣脫硫工藝,建成一批工業脫硫裝置和大型工業性示範工程。如重慶珞璜電廠濕式石灰石一石膏煙氣脫硫、太原第一熱電廠簡易濕式石灰石一石膏煙氣脫硫、山東黃島電廠旋轉噴霧乾燥脫硫、深圳西部電廠海水煙氣脫硫、南京下關電廠爐內噴鈣尾部增濕脫硫、成都熱電廠電子束脫硫等項目已投入運行。就單項研究指標來講,我國有些脫硫裝置已達到了國際先進水平,但就整體水平來說,與國外發達國家還相差甚遠。主要表現在:缺少成套技術、設備可靠性差、自動化程度低、工藝設計尚未達到優化,特別是在商品化、企業化和資本運營方面僅處於初級發展階段,尤其缺少大型電站鍋爐煙氣脫硫成套技術及相關運行管理經驗。

  將煙氣除硫系統與回收硫的綜合利用相結合,還可回收硫黃、硫酸或硫酸銨等副產品

  (3)氮氧化物控制技術

  控制火電廠NOx排放的措施分兩大類。一類是通過燃燒技術的改進(包括採用先進的低NOx燃燒器)降低NOx排放量;另一類是尾部加裝煙氣脫硝裝置,其優點是可將其排放量降至200mg(標準狀態)/m3以下,但其初期投資及運行費用高。

  在降低火力發電廠NOx排放的眾多方法中,選擇性催化還原脫硝法(SCR法)以其成熟的技術和良好的脫硝效果得到了世界各國的普遍重視。SCR法是在20世紀70年代末80年代初首先由日本發展起來的,並從80年代中期開始在幾年時間里迅速在日本、西歐、美國等國家電站得到了應用。採用該方法能達到80%~90%的NOx降低率。國內採用SCR脫硝系統的電廠目前只有福建漳州後石電廠。

  目前,國外對聯合脫硫脫硝的研究開發工作十分活躍。與單獨採用脫硫或脫硝工藝相比,在一個系統內同時脫硫脫氮的工藝有很大的優越性,如減少系統複雜性、更好的運行性能以及低成本。

  (4)CO2的減排

  CO2對溫室效應的貢獻超過65%,而人類活動排放的CO2主要源於化石燃料的燃燒利用。尤其是在大型工業生產過程中的應用,如電廠、水泥窯爐、工業和鋼鐵生產企業所用的鍋爐。當我們面臨CO2減排的挑戰時,從這些燃燒過程後的煙氣中捕集CO2就顯得尤為重要。圖1為燃煤電廠燃燒後CO2捕集系統流程圖。
Image:燃煤电厂燃烧后二氧化碳捕集系统流程图.jpg

  從燃燒排氣中分離回收CO2的技術目前主要有吸收分離法、膜分離法、吸附分離法、富氧燃燒技術、低溫分離法、複合分離法和化學鏈燃燒技術等。其中,吸收分離法按照吸收分離原理的不同,分為化學吸收法和物理吸收法,化學吸收法是通過CO2與溶劑發生化學反應來實現CO2的分離並藉助其逆反應進行溶劑再生,通常採用熱碳酸鉀或者醇胺類水溶液作為吸收劑,具有較高的CO2吸收速率,CO2純度可達99.99%,適合CO2濃度較低的混合氣體的處理。

  2.廢水污染防治

  廢水污染防治要綜合考慮污水的來源、水量和水質,污水輸送集中的方式,污水處理裝置的設置和處理方法,污水處理後的排放和回收利用,以及水體、土壤等自凈能力諸因素,採取綜合防治措施。水污染的綜合防治要綜合考慮水資源規劃、水體用途、經濟投資和自凈能力,以人工處理與自然凈化相結合、無害化處理與綜合利用相結合為原則,推行閉路迴圈用水系統,發展無廢水或少廢水生產工藝,運用系統工程方法,採用優化方案解決水污染的問題。如利用火電廠的粉煤灰凈化污水是一個明顯的綜合利用實例。粉煤灰經過酸處理並加以活化後,和石灰及少量聚合電解質一起使用,可清除大部分工業廢水和城市廢水中的污染物。

  3.粉煤灰渣的處理和利用

  粉煤灰既是“廢棄物”也是寶貴的“資源”。在農業方面,粉煤灰含有磷、鉀、鎂、硼、鉬、錳、鈣、鐵、硅等植物所需的化學元素,適量施用粉煤灰能促進植物的生長,增加產量,還能提高作物的抗病能力。在工業方面,粉煤灰和煤渣可用來製造砌築砂漿和牆體材料等。從煤渣中還可回收能源,如利用爐渣(其中含碳)燒制黏土磚,可節省燃料。中國近年在利用火電廠的液態渣方面取得進展。採用增鈣技術使煤渣成為水泥和牆體材料的優質原料;鈣增加後可吸收煤中的硫,生成硫化鈣,成為渣中的活性組分,並可減少排入大氣中的SO2。增鈣液態渣工藝與煤粉爐排灰工藝相比,渣的利用價值高,節約用水,減少SO2排放量,有利於環境保護。但這種工藝需改用立式旋風爐,並要求使用優質煤,因而難以廣泛應用。

  火電廠的粉煤灰數量很大,基於技術經濟條件的限制,還不能全部利用,需要堆存一部分。因此,火電廠在選擇廠址時,應預先考慮設置可堆存10~20年的儲灰場。可根據電廠所處的地理位置,選擇附近的小溝、窪地、廢河灣、煤礦塌陷區修建儲灰場。儲灰場的底部要有防水防滲設施,同時要妥善管理,在已堆滿的灰場上可覆土造田,植樹種草,或進行錶面藥物處理,防止粉煤灰飛揚。

  4.雜訊防治

  雜訊干擾是局部性的和無後效的。當雜訊源的聲輸出停止後,污染立即消失,不留下任何殘餘物質。因此,雜訊的防治主要是控制聲源和聲的傳播途徑,以及對接收者進行保護。例如,對爐膛、風道共振引起的雜訊,採用隔聲板可取得降噪10~20dB的效果;對進氣、排氣雜訊,安裝微孔消聲器可降低10~30dB;對機械轉動部件動態不平衡引起的雜訊,進行平衡調整可降低10~20dB;安裝隔聲罩可使電機雜訊降低10~20dB。

相關條目

參考文獻

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  3. 徐建軍,閆麗梅主編.第8章 電腦控制系統應用實例 電腦控制系統理論與應用.機械工業出版社,2008年02月第1版.
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