燃煤发电厂在平均负荷区间的应用

热电厂是由化石载能体，即由煤、褐煤、石油和天然气或核燃料铀获得电能。

水电站是利用拦堵的水驱动涡轮机来发电的。

德国发电主要分配图见提要。

图10-1所示的VNB日负荷图表指出每一个整天都存在一个基本负荷。

（1）基本负荷覆盖有

1）核电站。

2）燃煤发电厂。

3）蓄水水电站。

在图10-1所示的平均负荷区中，发电厂只运行几小时并在夜间（低负荷运行区）断开。

（2）平均负荷区的供电为

1）褐煤发电厂。

2）天然气或燃油发电厂。

在最大负荷区中，电厂可以在几分钟以内提供电能。最大负荷电厂会造成高运行成本。

（3）最大负荷区中使用的电厂有

1）水力发电站。

2）泵水储能水电站。

3）燃气涡轮机发电厂。

10.1.1.1 热电厂

蒸汽发电厂是把在锅炉中产生的20MPa、530℃的过热蒸气输送到蒸汽涡轮机中。发电机把蒸汽涡轮机产生的动能转变为电能。因为有部分热量转变为动能，所以能量的转变是有限的。蒸气涡轮机发电厂的效率为45%。

图10-2（见书后彩插）所示的热电厂，因为是以力-热结合运行，所以比较经济。把蒸汽涡轮机后管路中的热能通过远距离管路系统输送到加热设备中。

图10-1 VNB的日负荷图表

图10-3 压水反应堆工作原理图

在核电站中由分裂的铀提供热能。如图10-3所示，在反应堆容器的内部有用调节棒构成反应堆活化区的燃料元件。沸腾水核反应堆把反应堆活化区中的水汽化并把蒸汽直接输送进蒸汽轮机。图10-3所示的压水反应堆首先通过一次回路的冷却剂吸收所产生的热量，随后送到用涡轮机构成的二次回路的蒸汽发生器。

燃汽涡轮机发电厂是以燃油或天然气运行，并可在2～3min以内发出其全部功率并以此覆盖最大负荷区。

10.1.1.2 热电厂的环保

发电的环保首先是对噪声和水质的保护，而对于热电厂还应附加对空气的保护。初级措施是减少发电时的环境负荷。涡轮机、发电机和冷却塔应有防噪声措施。在燃煤发电厂中，如果把燃烧温度控制在1350℃并使用多级混合烧嘴，可以减少氧化氮（NO和NO₂）的形成。此方法可以把烟气中的氧化氮发散值降到200mg/m³。

二次措施脱去热电厂烟气中的有害物，如氧化氮、灰尘和氧化硫。如图10-4所法，脱氮装置在添加氨作为催化剂时把在烟气中所形成的氧化氮分解为氮和水，可以把烟气的氧化氮降低到200mg/m³。

在除尘装置中通过电滤器把飞灰从烟气中过滤出去，并可除掉99.5%的灰尘。除掉的灰尘可在建筑业中使用。

烟气脱硫装置除去烟气中的二氧化硫（SO₂），大多数以洗涤方法工作。用碳酸钙（CaCO₃）悬浮液喷淋烟气。氧化硫与石灰发生反应并通过鼓进的空气与石膏（CaSO₄·2H₂O）氧化而形成亚硫酸钙（CaSO₃）。所形成的石膏悬浮液在滚筒过滤器中脱水，落下的产品为石膏，可在建筑业中使用。烟气脱硫装置可以除去烟气中85%的硫或二氧化硫。

从锅炉排出的烟气温度为150℃，流过脱氮装置、除尘器和烟气脱硫装置后温度下降到50℃。气体预热器在烟气进入烟囱前重新被加热，所以烟囱出口处的烟气有足够的上升力。

用于发电厂运行所需的管道水在水处理设备中净化，供给冷却循环，最终用于烟气脱硫装置中的过程水。在流回江河前，大多数石膏颗粒的固体废水都予以了清除与中和处理。通过这样的多次利用可以减少用水量。

图10-4 燃褐煤电厂的烟气净化原理框图

复习题

图10-5 转桨式水轮机

1.发电时以下区域覆盖哪种发电厂？

a）基本负荷区。

b）平均负荷区。

c）最大负荷区。

2.蒸汽发电厂与热电厂有何区别？

3.沸腾水反应堆核电站与压水反应堆核电站的主要区别是什么？

4.举出热电厂的环保措施。

10.1.1.3 水力发电站

水力发电站按其类型分为未经调节水流式水力发电站、储水式水力发电站和泵水储能式水力发电站。潮汐发电站是一种特殊类型的发电站。

根据落差把水力发电站分为低压设备（落差达25m）、中压设备（落差达25～100m）和高压设备（落差大于100m）。如图10-5所示，在低压设备中，首先采用的是转桨式水轮机；在中压和高压设备中采用混流式水轮机。当落差大于400m时，采用的是自由射流水轮机或水戽式水轮机。

水力发电站的效率高达85%。

未经调节水流式水力发电站建在河流或槽道中，通过闸坝设备使动压头的水直接进入电站。当落差小时，大多数采用转桨式水轮机。转桨式水轮机可以制成立轴式或图10-5所示的管道式水轮机。管道式水轮机是在水流的方向布置水轮机。发电机安装在固定的混凝土基座上并从机房容易接近的无水流的钢壳中。

储水式水力发电站是把雨水或融化水收集在蓄水坝内或一个蓄水库中。按其容积而分为日储水、周储水、月储水和年储水。

图10-6所示的泵水储能式水力发电站，由处于高位储水库的水经过水轮机流到低位储水库时便能产生电能。如在夜间的低负荷期，把水从低位储水库用泵抽到高储水库。如图10-6所示，每套发电机组是由水轮机、电动机-发电机机组和泵组成的。机组是选择性的以电动机或以发电机工作。水轮机通过刚性联轴器与机组联接。在发电机-电动机与泵之间，为了把力传递到电动机驱动侧安装了一个转矩转换器。在水轮机运行时，泵排空并与发电机-电动机脱开联接，以避免不必要的能耗。在过渡到泵运行时，首先由压缩空气排空水轮机气缸，然后泵以额定转速工作。为了使设备和泵有相同转速，则在转矩转换器中装有刚性联轴器。

泵水储能式水力发电站，可以在几分钟以内在泵运行与水轮机运行之间转换。泵水储能式水力发电站仅不覆盖最高负荷区。

潮汐发电站是利用退潮和涨潮时流动的水进行发电。潮汐发电站只能在特殊的潮汐时，如在法国的大西洋海岸，才能获得经济的电能。

10.1.1.4 可再生能源

图10-6 泵水储能发电站机组

提要：

可再生能源包括：

•太阳能

•生物质能

——生物燃气装置(www.xing528.com)

——垃圾燃气装置

•水电站

——非蓄水发电站

——蓄水发电站

•风力发电装置

•水电站

——潮汐发电站

——浪涌发电站

•地热热电厂

由可再生的能发电是使用提要所涉及的其蓄能量连续更新、即实际上未耗尽的载能体。这种载能体称为再生载能体。所涉及的蓄能量主要是太阳能、地球旋转能或地热能。

（1）光伏装置 图10-7所示的光伏装置是把太阳能转变为电能。此装置的主要部件是太阳电池。因为太阳在不同的季节以及天气的晴阴而照射强度不同，所以光伏装置的发电量是波动的，如图10-8所示。

图10-7 光伏装置

图10-8 气象关系与太阳照射

当天空无云且太阳光垂直照射时，在德国的照射能为1000W/m²。

图10-9所示的太阳能电池的额定电压为0.5～0.6V，0.01m²面积的额定电流约为3A。

太阳能组件由单个的太阳能电池组成。当太阳能电池为串联时，其总电压为各电池电压的和；当电池并联时，可以获得最大电流。

在图10-9所示特性曲线拐点区的工作点（MPP），在恒定的太阳照射时，太阳能组件发出最大功率。在工作点处的太阳能组件的短路电流I_K与负载电流I_MPP相比几乎相差无几。

一个具有面积为0.6m²的太阳能组件在测定电压为18.2V时可发出约5A的电流。在通过逆变器的功率匹配运行时，太阳能组件发出的功率为90W。

计算例题：

计算一个具有面积A=1m²、功率输出P_ab=140W在太阳照射E=1000W/m²时的效率η。

图10-9 太阳照射1kW/m²时的A=0.01m²太阳能电池的特性曲线

解：

（2）光伏装置的工作方式 光伏装置原则上分为：

1）用于直流用电器的装置：

——用于用电器的直接运行

——把电能储在蓄电池中

2）用于交流用电器的装置：

——单机运行

——储存到公用电网中

如图10-10a所示，在用于直接运行的装置中，光电发生器的测定电压应与用电器的测定电压一致。这种装置仅适用于大规模配置的太阳能组件和有足够的太阳光照射。

图10-10 单机运行光电装置

a）用于直接运行 b）以中间存储运行

具有中间存储到蓄电池中的装置适用于紧急呼叫电池或远距电网的建筑物的供电。如图10-11所示，这种装置需要一个在蓄电池充电达到充电终止电压时能结束充电和在蓄电池放电时把用电器与电网隔离开来的充电调节器。

交流用电器用光电装置。如图10-11所示，此装置是由光电发生器、发生器接线盒、释放装置、逆变器以及电网连接点与电网连接装置组成的。

如图10-11所示，光电发生器把串联的太阳能组件汇总到接在L+与L-之间有连接筋的发生器接线盒中的端子上的相线。

图10-11 光电装置的组成

在阴影中的太阳能组件在相线中其作用如同电阻，必须通过旁路二极管保护其热过载。通过相线二极管保护断开的相线。

用释放装置把直流主线与发生器接线盒连接起来，其导线截面由光电发生器额定电流和高于最大1%发生器电压的允许电压降来确定。因为光电发生器的短路电流与测定电流差不多，所以直流主电路可以不用过电流保护装置，因此，组件连接线和直流主线应有接地和短路保护，如在电缆沟中加隔离筋或用护套电缆NYY或护套电线NYM等保护绝缘线。

直流主线上电压降的最大允许值为光电发生器电压的1%。

释放装置把直流主线与逆变器隔离，并且处在贴近逆变器处。

逆变器是把在光电装置中产生的直流电转换为交流电。自使用逆变器是自运行的，即在装置中未向公共电网供电的运行中使用；电网使用逆变器是在需要向电网供电中使用。这种逆变器应与供电网电压的高低、频率以及相径相匹配，并且电网出现故障时能在电网断路5s内供电。

光电装置中的保护措施。作为既防止直接接触又防止间接接触的保护措施适用于低电压和保护绝缘。对于低电压，其光电发生器的开路电压不允许超过120V。绝缘保护的太阳能组件没有金属框架，其保护等级应为Ⅱ级。组件接线有接地和短路保护或敷设保护绝缘线（表10-1）。

表10-1 光电装置线路

在采用安全措施时，对于低电压要求用逆变器的，在输入与输出端应有安全隔离。

避雷与过电压保护。光伏装置不强制房屋安装避雷装置。经过所预料的雷击损害试验验证，已证明避雷和防过电压的最小装置是有效的。若实现了根据DINUDE0855如用于天线设备的保护，则可以为无避雷装置。支承结构的接线以及必要时的组件框架接线应以最短距离和用最小截面积为16mm²的铜接到接地装置上。如图10-12所示，将避雷通过过电压泄电器安全地置于直流主线中。

图10-13所示为制成卧轴或立轴的风力发电装置。风力发电厂的合理厂址是海滨区域或中等山脉的高平面，其先决条件是平均风速最低为5m/s。当风速为12.5m/s、叶桨直径为17m时，风力发电装置的测定功率可达80kW，所发出的功率以风速的3次幂提高，即两倍的风速发出8倍的功率。为了避免机械过载，对于最高3m/s风速工作的装置，在风速达到25m/s时应断开。

图10-12 光电装置的避雷

垃圾燃气与生物燃气装置是利用垃圾腐烂时或动、植物残渣沉积物所形成对害环保的甲烷气体。1t的用户垃圾在20年内可产生热值为5kW·h/m³的150～200m³垃圾气体。如图10-14所示，把这些气体收集在垃圾气体装置中并把它输入进带发电机的内燃机中进行燃烧做功，可使1t的家庭垃圾产生30kW·h的电功。

图10-13 风力发电装置

图10-14 垃圾气体装置原理图