第二章火力發電
一、火力發電概述
利用煤、石油、天然氣等自然界蘊藏量極其豐富的化石燃料發電稱為火力發電。按發電方式，它可分為汽輪機發電、燃氣輪機發電、內燃機發電和燃氣-蒸汽聯合迴圈發電，還有火電機組既供電又供熱的「熱電聯產」。
汽輪機發電又稱蒸汽發電，它利用燃料在鍋爐中燃燒產生蒸汽，用蒸汽衝動汽輪機，再由汽輪機帶動發電機發電。這種發電方式在火力發電中居主要地位，佔世界火力發電**機的95％以上。
內燃機和燃氣輪機發電均稱燃氣發電。
內燃機發電主要指功率較大的柴油機發電。柴油機系統壓縮點火式發動機，將吸入的空氣用活塞壓縮到高溫與噴入的燃油著火燃燒產生高溫高壓，推動機械旋轉運動，帶動發電機發電。它的優點是單位容量重量輕，占地面積小，投資省、建設速度快，缺點是使用燃料**高，發電成本貴、容量小、維修工作量大、執行周期短，除特殊場合外，多用作尖鋒供用電電源和應急電源。
目前，最大的單機柴油發電機組功率已達4.5萬kw，淨發電效率達30％～40％。
燃氣輪機是旋轉式機械，與柴油機相比更適宜於作為常用發電裝置。它通過壓氣機將空氣壓縮後送入燃燒室，與噴入的燃料混合燃燒產生高溫高壓燃氣，進入透平機膨脹作功，推動發電機發電。它的單機容量遠比汽輪機小，最大功率已發展到13～21.
6萬kw，淨發電效率可達35％以上，主要用於帶尖峰負荷。
把燃氣發電和蒸汽發電組合起來就是燃氣-蒸汽聯合迴圈發電，它有較高的電能轉換效率，受到世界各國重視。
二、火力發電廠的基本生產過程
這裡介紹的是汽輪機發電的基本生產過程。
火力發電廠的燃料主要有煤、石油（主要是重油、天然氣）。我國的火電廠以燃煤為主，過去曾建過一批燃油電廠，目前的政策是盡量壓縮燒油電廠，新建電廠全部燒煤。
火力發電廠由三大主要裝置——鍋爐、汽輪機、發電機及相應輔助裝置組成，它們通過管道或線路相連構成生產主系統，即燃燒系統、汽水系統和電氣系統。其生產過程簡介如下。
1．燃燒系統
燃燒系統如圖2－l所示，包括鍋爐的燃燒部分和輸煤、除灰和煙氣排放系統等。
煤由皮帶輸送到鍋爐車間的煤斗，進入磨煤機磨成煤粉，然後與經過預熱器預熱的空氣一起噴入爐內燃燒，將煤的化學能轉換成熱能，煙氣經除塵器清除灰分後，由引風機抽出，經高大的煙囪排入大氣。爐渣和除塵器下部的細灰由灰渣幫浦排至灰場。
2．汽水系統
汽水系統流程如圖2－2所示，包括鍋爐、汽輪機、凝汽器及給水幫浦等組成的汽水迴圈和水處理系統、冷卻水系統等。
水在鍋爐中加熱後蒸發成蒸汽，經過熱器進一步加熱，成為具有規定壓力和溫度的過熱蒸汽，然後經過管道送入汽輪機。
在汽輪機中，蒸汽不斷膨脹，高速流動，衝擊汽輪機的轉子，以額定轉速（3000r／min）旋轉，將熱能轉換成機械能，帶動與汽輪機同軸的發電機發電。
在膨脹過程中，蒸汽的壓力和溫度不斷降低。蒸汽做功後從汽輪機下部排出。排出的蒸汽稱為乏汽，它排入凝汽器。在凝汽器中，汽輪機的乏汽被冷卻水冷卻，凝結成水。
凝汽器下部所凝結的水由凝結水幫浦公升壓後進入低壓加熱器和除氧器，提高水溫並除去水中的氧（以防止腐蝕爐管等），再由給水幫浦進一步公升壓，然後進入高壓加熱器，回到鍋爐，完成水—蒸汽—水的迴圈。給水幫浦以後的凝結水稱為給水。
汽水系統中的蒸汽和凝結水在迴圈過程中總有一些損失，因此，必須不斷向給水系統補充經過化學處理的水。補給水進入除氧器，同凝結水一塊由給水幫浦打入鍋爐。
3．電氣系統
電氣系統如圖2－3所示，包括發電機、勵磁系統、廠用電系統和公升壓變電站等。
發電機的機端電壓和電流隨其容量不同而變化，其電壓一般在10～20kv之間，電流可達數千安至20ka。因此，發電機發出的電，一般由主變壓器公升高電壓後，經變電站高壓電氣裝置和輸電線送往電網。極少部分電，通過廠用變壓器降低電壓後，經廠用電配電裝置和電纜供廠內風機、水幫浦等各種輔機裝置和照明等用電。
4．火力發電廠的效率提高
在火力發電廠中，汽輪機組容量越大，效率越高。汽輪機組單機容量的增大是隨蒸汽引數提高而實現的。蒸汽引數就是蒸汽的壓力和溫度，其單位分別是帕（pa）和攝氏度（℃）。
最早的汽輪機組是低溫、低壓機組。隨著科學技術的進步，汽輪機組逐漸發展為中溫中壓、高溫高壓、超高壓、亞臨界壓力、超臨界壓力機組，現在正發展超超臨界壓力機組。水的臨界壓力是227.
98×105pa（225大氣壓），該值以上的壓力稱為超臨界壓力，172.25×105pa（170～210大氣壓）一般稱為亞臨界壓力。水的壓力越高，水的沸點（也稱飽和溫度）也越高。
在臨界壓力下，水加熱到沸點374℃（稱臨界溫度）時，一下子全部變成飽和蒸汽。此時，飽和蒸汽和飽和水的比重相同，兩種狀態沒有任何區別。
目前，我國火力發電廠採用的蒸汽引數和相應的機組容量的關係如表2－1所示。
表2－1我國火力發電廠採用的蒸汽引數和
相應的機組容量的關係
提高火電廠效率，必須減少生產過程中的熱量損失。火電廠熱量損失主要是汽輪機乏汽熱損失，以中溫中壓機組為例，每公斤汽輪機進汽的熱含量為3.308×103kj（790大卡），而每公斤乏汽在凝汽器內損失的熱量約為2.
093×103kj（500大卡），這是火電廠效率低的主要原因。
提高火電廠的效率措施除提高鍋爐、汽輪機等裝置的製造、執行水平外，主要是提高蒸汽引數和採用中間再熱。進入汽輪機的蒸汽引數越高，含的熱量也越高，但是汽輪機排出的乏汽損失的熱量因蒸汽引數的提高卻變化不大。這樣蒸汽引數提高後，轉變為機械能的熱量相對增加，從而可提高火力發電的效率。
中間再熱就是把在汽輪機高壓缸內已經部分膨脹做功後降低了汽壓、汽溫的蒸汽，再送回鍋爐內的中間再熱器中重新加熱到初蒸汽溫度，然後再引回到汽輪機的中、低壓缸繼續做功，這樣可提高效率5％～6％，同時可降低汽輪機低壓缸中蒸汽的水分，有利於安全執行。因此，超高壓以上的機組普遍採用中間再熱。
提高火電廠效率的另一途徑是利用供熱式汽輪機的抽汽或乏汽供生產或生活用，從而減少排到凝汽器中的熱量損失。這種熱電聯產方式，發電效率可達50％～80％。
目前世界上大多數國家，絕大多數機組採用亞臨界壓力；採用超臨界壓力機組最多的國家主要是美國、日本和原蘇聯。我國引進的超臨界壓力的600mw機組已投入執行。日本於2023年建成2臺容量為700mw的超臨界壓力機組，發電效率為40.
6％，其蒸汽引數為310×105pa、566／566／566℃，居於現階段汽輪機發電的領先地位。
三、鍋爐裝置
鍋爐是利用燃料燃燒釋放的熱能加熱給水以獲得規定引數（溫度、壓力）和品質的蒸汽的裝置，是火力發電廠的主要裝置之一。按鍋爐爐膛結構和燃燒方式，劃分為鏈條爐、煤粉爐、液態排渣爐、旋風爐和沸騰爐等，在我國單機容量25mw以上的火電機組都是由煤粉爐**蒸汽。按照鍋爐水流動的方式，鍋爐又可分為自然迴圈鍋爐、強迫迴圈鍋爐和直流鍋爐。
自然迴圈鍋爐裝置的組成，如圖2－4所示。
鍋爐是一龐大而複雜的裝置，它由鍋爐本體及輔助裝置所組成。鍋爐本體由「鍋」和「爐」兩大部分組成，所謂「鍋」是指鍋爐的汽水系統，主要包括汽包、下降管、水冷壁等；而「爐」是指燃燒系統，主要包括爐膛、燃燒器、煙風道及空氣預熱器，它的任務是使燃料燃燒放熱，產生高溫火焰和煙氣，並把熱量傳遞給汽水系統。鍋爐輔助裝置包括輸煤系統、製粉系統、給水系統、送風機、引風機、煙囪、除灰除塵裝置，以及熱工儀表自動調節裝置等。
鍋爐裝置的主要工作過程簡述如下：由輸煤皮帶運來的煤送入磨煤機磨製成煤粉後，被熱空氣烘乾並攜帶出磨煤機進入粗粉分離器中分離，符合要求的煤粉送入輸粉管道，經燃燒器噴入爐膛燃燒。在爐膛內煤粉的燃燒非常強烈，其中心溫度可達1300～1400℃。
燃燒所形成的火焰及生成的煙氣主要以輻射的方式把熱量傳給爐膛四周被稱為水冷壁的管子上，加熱其中的水並使其部分蒸發成蒸汽。離開爐膛的煙氣依次流過過熱器、省煤器等各個對流受熱面，逐步將熱量以對流的方式傳給這些受熱麵中的蒸汽和水，最後流過空氣預熱器將熱量傳給來預熱的空氣。煙汽流出空氣預熱器，經高效除塵後被吸風機送入煙囪，排入大氣。
過熱器是電站鍋爐的重要組成部分，它的作用是把水冷壁中蒸發的飽和蒸汽加熱成為具有一定溫度的過熱蒸汽。提高蒸汽溫度可使蒸汽在汽輪機中的作功能力提高，從而提高熱力迴圈的效率。流出過熱器的蒸汽稱為主蒸汽，主蒸汽經主汽管道流向汽輪機，推動汽輪機運轉，從而帶動發電機發電。
供給鍋爐的水要經過嚴格的化學處理，除去硬度和氧以減少對裝置的腐蝕。給水由給水幫浦在送到鍋爐以前，已在汽輪機車間受到低壓、高壓加熱器的加熱，送入鍋爐後經省煤器進一步加熱。由此可知，鍋爐的工作過程可以看成是燃料在爐膛內燃燒放熱生成高溫煙氣，通過熱交換不斷地將熱量由煙氣傳給水和蒸汽的過程。
省煤器和空氣預熱器都布置在鍋爐尾部煙道中，故統稱鍋爐的尾部受熱面。它們的共同作用是：吸收煙氣的餘熱，降低排煙溫度，提高鍋爐效率，節約燃料。
自然迴圈鍋爐的優點是可以將汽包內含雜質濃度較高的水連續排去一部分（連續排汙），還可以在水冷壁下部定期放水，除去沉澱的水渣（定期排汙），對給水質量要求稍低，自動調節系統較簡單。目前我國火電廠採用的鍋爐絕大部分是自然迴圈鍋爐。
鍋爐的汽壓越高，飽和蒸汽與飽和水的比重就越接近，使爐水自然迴圈的動力也越小。如果設計、執行不當，就容易發生水迴圈不良，引發爆管事故。一般汽壓超過16.
6mpa（170大氣壓）時不宜採用此種鍋爐。
直流鍋爐的特點是沒有汽包，水在給水幫浦的壓力下，一直流過鍋爐的蒸發部分，不往返迴圈，如圖2－5所示。
直流鍋爐的優點是沒有汽包，比較容易製造，鋼材耗量少，缺點是不能排汙，對水質要求高，自動調節也比較複雜。
直流鍋爐可用於任何蒸汽引數，特別適用於超高壓以上的電廠。
四、汽輪機裝置
汽輪機裝置包括汽輪機、調速系統、凝汽器和附屬裝置等。
汽輪機是以蒸汽作為工作介質的原動機，其作用是將來自鍋爐的高溫高壓蒸汽所具有的熱能轉換為汽輪機轉子旋轉的機械能，轉子帶動發電機就可以將機械能再轉換為電能。
汽輪機工作依靠的主要零部件是噴嘴（或稱靜葉片）和動葉片。噴嘴起著將蒸汽的勢能轉換為動能的作用，從噴嘴出來的蒸汽具有每秒數百公尺的高速，這樣的高速汽流衝擊到裝在葉輪上的動葉片，就可以推動由動葉片、葉輪、軸等零部件組成的轉子連續不斷地高速旋轉，再帶動發電機源源不斷地產生電能。動葉承受蒸汽衝擊力作用的原理叫衝動原理。
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