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火力發電行業


火力發電(thermal power,thermoelectricity power generation),利用可燃物在燃燒時產生的熱能,通過發電動力裝置轉換成電能的一種發電方式。中國的煤炭資源豐富,1990年產煤10.9億噸,其中發電用煤僅占12%。火力發電仍有巨大潛力。
 
 
簡介
由于地球上化石燃料的短缺,人類正盡力開發核能發電、核聚變發電以及高效率的太陽能發電等,以求最終解決人類社會面臨的能源問題。最早的火力發電是1875年在巴黎北火車站的火電廠實現的。隨著發電機、汽輪機制造技術的完善,輸變電技術的改進,特別是電力系統的出現以及社會電氣化對電能的需求,20世紀30年代以后,火力發電進入大發展的時期。火力發電機組的容量由200兆瓦級提高到300~600兆瓦級(50年代中期),到1973年,最大的火電機組達1300兆瓦。大機組、大電廠使火力發電的熱效率大為提高,每千瓦的建設投資和發電成本也不斷降低。到80年代后期,世界最大火電廠是日本的鹿兒島火電廠,容量為4400兆瓦。但機組過大又帶來可靠性、可用率的降低,因而到90年代初,火力發電單機容量穩定在300~700兆瓦。,其所占中國總裝機容量約在70%以上。火力發電所使用的煤,占工業用煤的50%以上。目前我國發電供熱用煤占全國煤炭生產總量的50%左右。大約全國90%的二氧化硫排放由煤電產生,80%的二氧化碳排放量由煤電排放。  
火力發電按其作用分單純供電的和既發電又供熱的。按原動機分汽輪機發電、燃氣輪機發電、柴油機發電。按所用燃料分,主要有燃煤發電、燃油發電、燃氣發電。為提高綜合經濟效益,火力發電應盡量靠近燃料基地進行。在大城市和工業區則應實施熱電聯供。
 
 
發展
火力發電是我國主要的發電方式,電站鍋爐作為火力電站的三大主機設備之一,伴隨著我國火電行業的發展而發展。
當環保節能成為中國電力工業結構調整的重要方向時,火電行業在“上大壓小”的政策導向下積極推進產業結構優化升級,關閉大批能效低、污染重的小火電機組,在很大程度上加快了國內火電設備的更新換代。
至2010年底,單機容量30萬千瓦及以上火電機組占全部火電機組容量的60%以上。火電行業的“上大壓小”也推動了電站鍋爐向高參數、大容量方向發展。此外,循環流化床、IGCC等清潔煤技術逐漸成熟,應用也日益廣泛,從而推動了CFB鍋爐與IGCC氣化爐的發展。
2014年1月-2015年3月,我國火電項目數量出現猛增。近期,中電聯發布《2015年前三季度全國電力供需形勢分析預測報告》指出,2015年9月底火電發電量持續負增長、設備利用小時同比降幅擴大。一邊是火電發電量持續負增長、設備利用小時同比大幅下降,一邊是各地新批火電項目眾多,2015年火電的爆發式增長值得仔細回味。
 
 
行業概況
利用可燃物等所含能量發電的方式統稱為火力發電。按發電方式,火力發電分為燃煤汽輪機發電、燃油汽輪機發電、燃氣-蒸汽聯合循環發電和內燃機發電。
火電仍占領電力的大部分市場,只有火電技術必須不斷提高發展,才能適應和諧社會的要求。
“十五”期間中國火電建設項目發展迅猛。2001年至2005年8月,經國家環保總局審批的火電項目達472個,裝機容量達344382MW,其中2004年審批項目135個,裝機容量107590MW,比上年增長207%;2005年1至8月份,審批項目213個,裝機容量168546MW,同比增長420%。如果這些火電項目全部投產,屆時中國火電裝機容量將達5.82億千瓦,比2000年增長145%。
2006年12月,全國火電發電量繼續保持快速增長,但增速有所回落。當月全國共完成火電發電量2266億千瓦時,同比增長15.5%,增速同比回落1個百分點,環比回落3.3個百分點;隨著冬季取暖用電的增長,火電發電量環比增長較快,12月份與上月相比火電發電量增加223億千瓦時,環比增長10.9%。2006年1-12月,全國火電發電量為230,087,958.32萬千瓦小時,同比增長15.8%,增速高于2005年同期3.3個百分點。
2007年1-10月,全國火電發電量為217,564,783.55萬千瓦小時,比上年同期增長了16.04%。8月份的火電發電量最高,為23,904,609.94萬千瓦小時,同比增長了10.19%。
2015年1-6月份,全國規模以上電廠發電量27091億千瓦時,同比增長0.6%。其中,火力發電20879億千瓦時,占上半年發電量總比重77.07%。  
隨著中國電力供應的逐步寬松以及國家對節能降耗的重視,中國開始加大力度調整火力發電行業的結構。“十一五”期間將加大“關小”步伐,到“十一五”末期,要關掉4000萬千瓦小火電,使電力工業結構發生一個較大的變化。“十一五”期間的火電電源建設,將體現資源優化配置,西電東送,合理布局,東部與中西部地區協調發展。“十一五”期間,火電行業整體效益將有一定的下降趨勢。對于企業來說,效益還將出現兩極分化的趨勢。
 
 
發電過程
原理
火力發電一般是指利用可燃物燃燒時產生的熱能來加熱水,使水變成高溫、高壓水蒸氣,然后再由水蒸氣推動發電機來發電的方式的總稱。以可燃物作為燃料的發電廠統稱為火電廠。
火力發電廠主要設備系統包括:燃料供給系統、給水系統、蒸汽系統、冷卻系統、電氣系統及其他一些輔助處理設備。
多數火電廠采用煤炭作為一次能源,利用皮帶傳送技術,向鍋爐輸送經處理過的煤粉,煤粉燃燒加熱鍋爐使鍋爐中的水變為水蒸汽,經一次加熱之后,水蒸汽進入高壓缸。為了提高熱效率,應對水蒸汽進行二次加熱,水蒸汽進入中壓缸。通過利用中壓缸的蒸汽去推動汽輪發電機發電。從中壓缸引出進入對稱的低壓缸。已經作過功的蒸汽一部分從中間段抽出供給煉油、化肥等兄弟企業,其余部分流經凝汽器水冷,成為40度左右的飽和水作為再利用水。40度左右的飽和水經過凝結水泵,經過低壓加熱器到除氧器中,此時為160度左右的飽和水,經過除氧器除氧,利用給水泵送入高壓加熱器中,其中高壓加熱器利用再加熱蒸汽作為加熱燃料,最后流入鍋爐進行再次利用。以上就是一次生產流程。
流程
火力發電的流程依所用原動機而異。在汽輪機發電方式中,其基本流程是先將燃料送進鍋爐,同時送入空氣,鍋爐注入經過化學處理的給水,利用燃料燃燒放出的熱能使水變成高溫、高壓蒸汽,驅動汽輪機旋轉做功而帶動發電機發電。熱電聯產方式則是在利用原動機的排汽(或專門的抽汽)向工業生產或居民生活供熱。在燃氣輪機發電方式中,基本流程是用壓氣機將壓縮過的空氣壓入燃燒室,與噴入的燃料混合霧化后進行燃燒,形成高溫燃氣進入燃氣輪機膨脹做功,推動輪機的葉片旋轉并帶動發電機發電。在柴油機發電中,基本流程是用噴油泵和噴油器將燃油高壓噴入汽缸,形成霧狀,與空氣混合燃燒,推動柴油機旋轉并帶動發電機發電。
效率
在火力發電方面,燃氣輪機和蒸汽輪機發電廠目前已經實現了迄今最高的能源效率 - 超過60%。由于啟動時間非常短,這類電廠最適宜于補充風力發電帶來的自然電力波動。而通過熱電聯產電廠可以達到更高的能源效率 - 超過90% 。
火力發電
根據火力發電的生產流程,其基本組成包括燃燒系統、 汽水系統(燃氣輪機發電和柴油機發電無此系統,但這二者在火力發電中所占比重都不大)、電氣系統、控制系統。
燃燒系統
主要由鍋爐的燃燒室(即爐膛)、送風裝置,送煤(或油、天然氣)裝置、灰渣排放裝置等組成。主要功能是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,用于加熱鍋爐里的水。主要流程有煙氣流程、通風流程、排灰出渣流程等。對燃燒系統的基本要求是:盡量做到完全燃燒,使鍋爐效率≥90%;排灰符合標準規定。
汽水系統
主要由給水泵、循環泵、給水加熱器、凝汽器、除氧器、水冷壁及管道系統等組成。其功能是利用燃料的燃燒使水變成高溫高壓蒸汽,并使水進行循環。主要流程有汽水流程、補給水流程、冷卻水流程等。對汽水系統的基本要求是汽水損失盡量少;盡可能利用抽汽加熱凝結水,提高給水溫度。
電氣系統
主要由電廠主接線、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、保安電源、蓄電池直流系統及通信設備、照明設備等組成。基本功能是保證按電能質量要求向負荷或電力系統供電。主要流程包括供電用流程、廠用電流程。對電氣系統的基本要求是供電安全、可靠;調度靈活;具有良好的調整和操作功能,保證供電質量;能迅速切除故障,避免事故擴大。
控制系統
主要由鍋爐及其輔機系統、汽輪機及其輔機系統、發電機及電工設備、附屬系統組成。基本功能是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,降低勞動強度,提高生產率,遇有故障時能迅速、正確處理,以避免釀成事故。主要工作流程包括汽輪機的自起停、自動升速控制流程、鍋爐的燃燒控制流程、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等。
火力發電
電力是國民經濟發展的重要能源,火力發電是中國和世界上許多國家生產電能的主要方法。然后蒸汽沿管道進入汽輪機膨脹做功,帶動發電機一起高速旋轉,從而發出電來。最后又被給水泵送回鍋爐中重復參加上述循環過程。顯然,在這種火力發電廠中存在著三種型式的能量轉換過程:
電站鍋爐
發電用鍋爐稱為電站鍋爐。電站鍋爐與其它工廠用的工業鍋爐相比有如下明顯特點:①電站鍋爐容量大;②電站鍋爐的蒸汽參數高;③電站鍋爐自動化程度高,其各項操作基本實現了機械化和自動化,適應負荷變化的能力很強,多達90以上,工業鍋爐的熱效率多在60~80之間。
電站用煤
火力發電廠燃用的煤通常稱為動力煤,其分類方法主要是依據煤的干燥無灰基揮發分進行分類。
煤粉制備
煤粉爐燃燒用的煤粉是由磨煤機將煤炭磨成的不規則的細小煤炭顆粒,其顆粒平均在0.05~0.01mm,其中20~50μm(微米)以下的顆粒占絕大多數。由于煤粉顆粒很小,表面很大,故能吸附大量的空氣,且具有一般固體所未有的性質——流動性。煤粉的粒度越小,含濕量越小,其流動性也越好,但煤粉的顆粒過于細小或過于干燥,則會產生煤粉自流現象,使給煤機工作特性不穩,給鍋爐運行的調整操作造成困難。另外煤粉與氧氣接觸而氧化,在一定條件下可能發生煤粉自燃。在制粉系統中,煤粉是由氣體來輸送的,氣體和煤粉的混合物一遇到火花就會使火源擴大而產生較大壓力,從而造成煤粉的爆炸。
鍋爐燃用的煤粉細度應由以下條件確定:燃燒方面希望煤粉磨得細些,這樣可以適當減少送風量,使 損失降低;從制粉系統方面希望煤粉磨得粗些,從而降低磨煤電耗和金屬消耗。所以在選擇煤粉細度時,應使上述各項損失之和最小。總損失蟬聯小的煤粉細度稱為“經濟細度”。由此可見,對揮發分較高且易燃的煤種,或對于磨制煤粉顆粒比較均勻的制粉設備,以及某些強化燃燒的鍋爐,煤粉細度可適當大些,以節省磨煤能耗。由于各種煤的軟硬程度不同,其抗磨能力也不同,因此每種煤的經濟細度也不同。
煤粉燃燒
由煤粉制備系統制成的煤粉經煤粉燃燒器進入爐內。燃燒器是煤粉爐的主要燃燒設備。燃燒器的作用有三:一是保證煤粉氣流噴入爐膛后迅速著火;二是使一、二次風能夠強烈混合以保證煤粉充分燃燒;三是讓火焰充滿爐膛而減少死滯區。煤粉氣流經燃燒器進入爐膛后,便開始了煤的燃燒過程。燃燒過程的三個階段與其它爐型大體相同。所不同的是,這種爐型燃燒前的準備階段和燃燒階段時間很短,而燃盡階段時間相對很長。
發電用煤
電廠煤粉爐對煤種的適用范圍較廣,它既可以設計成燃用高揮發分的褐煤,也可設計成燃用低揮發分的無煙煤。但對一臺已安裝使用的鍋爐來講,不可能燃用各種揮發分的煤炭,因為它受到噴燃器型式和爐膛結構的限制。發電用煤質量指標有:
①揮發分。是判明煤炭著火特性的首要指標。揮發分含量越高,著火越容易。根據鍋爐設計要求,供煤揮發分的值變化不宜太大,否則會影響鍋爐的正常運行。如原設計燃用低揮發分的煤而改燒高揮發分的煤后,因火焰中心逼近噴燃器出口,可能因燒壞噴燃器而停爐;若原設計燃用高揮發分的煤種而改燒低揮發分的煤,則會因著火過遲使燃燒不完全,甚至造成熄火事故。因此供煤時要盡量按原設計的揮發分煤種或相近的煤種供應。②灰分。灰分含量會使火焰傳播速度下降,著火時間推遲,燃燒不穩定,爐溫下降。③水分。水分是燃燒過程中的有害物質之一,它在燃燒過程中吸收大量的熱,對燃燒的影響比灰分大得多。④發熱量。為的發熱量是鍋爐設計的一個重要依據。由于電廠煤粉對煤種適應性較強,因此只要煤的發熱量與鍋爐設計要求大體相符即可。⑤灰熔點。由于煤粉爐爐膛火焰中心溫度多在1500℃以上,在這樣高溫下,煤灰大多呈軟化或流體狀態。⑥煤的硫分。硫是煤中有害雜質,雖對燃燒本身沒有影響,但它的含量太高,對設備的腐蝕和環境的污染都相當嚴重。因此,電廠燃用煤的硫分不能太高,一般要求最高不能超過2.5。  
生產過程
火力發電廠的主要生產系統包括汽水系統、燃燒系統和電氣系統,現分述如下:
汽水系統
火力發電廠的汽水系統是由鍋爐、汽輪機、凝汽器、高低壓加熱器、凝結水泵和給水泵等組成,他包括汽水循環、化學水處理和冷卻系統等。
水在鍋爐中被加熱成蒸汽,經過熱器進一步加熱后變成過熱的蒸汽,再通過主蒸汽管道進入汽輪機。由于蒸汽不斷膨脹,高速流動的蒸汽推動汽輪機的葉片轉動從而帶動發電機。
為了進一步提高其熱效率,一般都從汽輪機的某些中間級后抽出作過功的部分蒸汽,用以加熱給水。在現代大型汽輪機組中都采用這種給水回熱循環。此外,在超高壓機組中還采用再熱循環,既把作過一段功的蒸汽從汽輪機的高壓缸的出口將作過功的蒸汽全部抽出,送到鍋爐的再熱器中加熱后再引入氣輪機的中壓缸繼續膨脹作功,從中壓缸送出的蒸汽,再送入低壓缸繼續作功。在蒸汽不斷作功的過程中,蒸汽壓力和溫度不斷降低,最后排入凝汽器并被冷卻水冷卻,凝結成水。凝結水集中在凝汽器下部由凝結水泵打至低壓加熱再經過除氧器除氧,給水泵將預加熱除氧后的水送至高壓加熱器,經過加熱后的熱水打入鍋爐,再過熱器中把水已經加熱到過熱的蒸汽,送至汽輪機作功,這樣周而復始不斷的作功。
在汽水系統中的蒸汽和凝結水,由于疏通管道很多并且還要經過許多的閥門設備,這樣就難免產生跑、冒、滴、漏等現象,這些現象都會或多或少地造成水的損失,因此我們必須不斷的向系統中補充經過化學處理過的軟化水,這些補給水一般都補入除氧器中。
燃燒系統
燃燒系統是由輸煤、磨煤、粗細分離、排粉、給粉、鍋爐、除塵、脫硫等組成。是由皮帶輸送機從煤場,通過電磁鐵、碎煤機然后送到煤倉間的煤斗內,再經過給煤機進入磨煤機進行磨粉,磨好的煤粉通過空氣預熱器來的熱風,將煤粉打至粗細分離器,粗細分離器將合格的煤粉(不合格的煤粉送回磨煤機),經過排粉機送至粉倉,給粉機將煤粉打入噴燃器送到鍋爐進行燃燒。而煙氣經過電除塵脫出粉塵再將煙氣送至脫硫裝置,通過石漿噴淋脫出流的氣體經過吸風機送到煙筒排入天空。  
發電系統
發電系統是由副勵磁機、勵磁盤、主勵磁機(備用勵磁機)、發電機、變壓器、高壓斷路器、升壓站、配電裝置等組成。發電是由副勵磁機(永磁機)發出高頻電流,副勵磁機發出的電流經過勵磁盤整流,再送到主勵磁機,主勵磁機發出電后經過調壓器以及滅磁開關經過碳刷送到發電機轉子,當發電機轉子通過旋轉其定子線圈便感應出電流,強大的電流通過發電機出線分兩路,一路送至廠用電變壓器,另一路則送到SF6高壓斷路器,由SF6高壓斷路器送至電網。


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