电力科普知识.doc

电力科普知识.txt心态决定状态，心胸决定格局，眼界决定境界。当你的眼泪忍不住要流出来的时候，睁大眼睛，千万别眨眼，你会看到世界由清晰到模糊的全过程。 目录 第一章电力技术与电力工业（1） 第二章火力发电（8） 第三章水力发电（24） 第四章核能发电（32） 第五章新能源和可再生能源发电（39） 第六章输电与配电（46） 第七章电力系统（55） 第八章供用电（74） 第九章电力环境保护（86） 第十章电力成本、电价和技术经济指标（92） 第十一章电力基本建设（99） 第十二章当代高新技术的发展与电力新技术（108） 为贯彻中共中央、国务院“关于加强科学技术普及工作的若干意见” 的精神和落实电力部领导关于加强科普工作的指示，进一步提高电力职 工和各级领导干部的科技素质，更好地依靠科技进步，促进电力工业的 迅速发展，特编写出版电力科普知识一书。本书对电力技术、生产 建设和技术经济等知识，以及当代世界高新技术发展和电力科技的新发 展等方面作了深入浅出的论述，知识面宽、通俗易懂，可作为技术工人、 技术人员、管理人员和领导干部了解电力科技知识和高新技术知识的“入 门”读物，供学习参考。 本书是在电力部电力科普知识竞赛组委会具体指导下，由电力科普 知识编委会编写。参加编写人员有曾庆禹、刘纫、杨勤明、肖国泉、 周照茂、曾鸣、刘惠民、朱新华、宗士杰、饶纪杭、林江、杨飞、甄雷、 楼重义、唐金生、王绍民、陈梅倩、孙海波、于海琴、冯爱玲、马驯、 王洪生、杨学勤、周晖等。电力部电力科普知识竞赛组委会全体成员和 有关专家对本书初稿进行了审阅，提出了宝贵的修改意见。本书的编写 得到了电力部有关司局和在京有关单位的领导、专家和学者的指导，以 及科技人员的支持与帮助，在此表示衷心感谢。由于时间仓促、水平与 条件的限制，本书难免存在缺点与不足，请广大读者批评指正。 第一章电力技术与电力工业 一、电力技术与电力工业发展简史 电力技术的发明、电力工业的建立至今已有 100 余年的历史。今天， 电与人们的生产、生活、科学技术研究和精神文明建设息息相关，对现 代社会的各个方面已产生直接的或间接的巨大作用和影响，已成为现代 文明社会的重要物质基础。 1831 年，法拉第发现电磁感应原理，奠定了发电机的理论基础。科 学的发现，引起了技术的发明。1866 年，维西门子发明了励磁电机， 并预见：电力技术很有发展前途，它将会开创一个新纪元。接着，1876 年，贝尔发明了电话；1879 年，爱迪生发明了电灯。这三大发明照亮了 人类实现电气化的道路，继蒸汽机技术革命后，引起了电力技术革命。 1882 年，爱迪生建成世界上第一座较正规的发电厂，装有 6 台直流 发电机，共 900 马力（1 马力0735kw，下同），通过 110V 电缆供电， 最大送电距离 16km，供 6200 盏白炽灯照明用，完成了初步的电力工业 技术体系。 1881 年，卢西恩高拉德和约翰吉布斯取得“供电交流系统”专 利，美国发明家乔治威斯汀豪斯买下此专利，并以它为基础于 1885 年 制成交流发电机和变压器，并于 1886 年建成第一个单相交流送电系统， 1888 年又制成交流感应式电动机。1891 年，在德国劳芬电厂安装了世界 第一台三相交流发电机，建成第一条三相交流送电线路。三相交流电的 出现克服了原来直流供电容量小，距离短的缺点，开创了远方供电，电 力除照明外，用于电力拖动等各种用途的新局面。 电力技术和电力工业的出现和发展改变了人们的生产和生活面貌， 促使经济以前所未有的速度向前发展。美国原来落后于英国、德国等国 家，电力技术革命使美国后来者居上，成为最发达的国家。电力的广泛 应用，电力需求的增加，促使电力技术和电力工业进一步向高电压、大 机组、大电网方向发展。高压输电、大型汽轮发电机、大型水轮发电机 应运而生，迅速发展。 1960 年，美国制成 50 万 kW 汽轮发电机，1963 年制成 100 万 kW 双 轴汽轮发电机。1973 年，美国将BBC 公司制造的 130 万 kW 双轴汽轮发电 机投入运行。1971 年，原苏联将单轴 80 万 kW 机组投入运行。1980 年， 在科斯特罗姆火电厂单轴 120 万 kW 机组投入运行，这是世界上唯一的一 台单轴最大机组。 在高电压输电方面，瑞典于 1954 年首先建成第一条 380kV 输电线， 此后美国、加拿大等欧美国家相继使用 330345kV 输电系统。1964 年， 美国建成第一条 500kV 输电线路，原苏联也于 1964 年完成了 500kV 输电 系统。1965 年，原苏联建成400kV 直流输电线路。1965 年，加拿大建 成 765kV 输电线路。1989 年，原苏联建成一条世界上最高电压 1150kV、 长 1900km 交流输电线路。到 1990 年，全世界拥有发电设备 27.46 亿 kW， 其中火电占 64.9，水电占 23，核电占 12.1，全世界发电量为 117340 亿 kWh。 随着电子技术、电子计算机技术和自动化技术的发展，电力工业自 动化迅速向前发展。以大机组、大电厂、高电压、大电网、高度自动化 为特点的现代化电力工业在不同的国家已经形成或正在形成。 二、中国电力工业发展 中国电力工业从 1882 年上海创建第一个 12kW 发电厂至今，已有 110 余年历史。1949 年，全国发电装机容量 185 万 kW，年发电量 43 亿 kWh， 分别名列世界第 25 位和 21 位。中华人民共和国成立后，用了 30 年时间， 使全国发电装机容量达到 5712 万 kW，年发电量达 2566 亿 kWh。自 1978 年改革开放以来，只用了 10 年时间，发电装机容量和年发电量就翻了一 番。1990 年，全国发电装机容量达 13789 万 kW，年发电量达 6213 亿 kWh， 均名列世界第 4 位。1994 年，全国发电装机容量为 19990 万 kW，其中火 电占 74，水电占 24.8，核电占 1.2，年发电量为 9279 亿 kWh。 随着电力工业的发展和电力技术的不断进步，1972 年建成了刘一天 一关 330kV 输电线路，接着 1981 年建成了第一条姚双武 500kV 输电 线路。1990 年，第一条葛洲坝至上海、南桥500kV 直流输电线路投入 运行。1975 年，我国自行设计制造的第一台 30 万 kW 汽轮发电机在姚孟 电厂投入运行。目前，国内运行最大机组是 60 万 kW 汽轮发电机和 90 万 kW 核电机组；全国（除台湾省外）已形成东北、华北、华东、华中、西 北和南方联营六大跨省（区）电网，以及山东、福建、四川、海南、新 疆和西藏等省（区）独立电网。一个初步现代化的电力工业技术体系已 经建立起来。 三、电力与能源 电力是通过一定的技术手段从其他能源转换而来的能源。人类利用 的能源包括已开采出来可供使用的自然资源和经过加工或转换的二次能 源。电力是二次能源。能源可分为可再生能源与非再生能源。可连续再 生、永久持续利用的能源，如水力、风能、潮汐能和太阳能，均称为可 再生能源，而经过亿万年形成的，短期内无法恢复的能源，如煤、石油、 天然气等称为非再生能源。自然界存在的能源资源，通过相应的技术都 可转换为电能。目前，用于发电的主要能源是煤、石油、天然气、水力、 风能、潮汐、地热、太阳能、核能和生物质能。在技术、经济可行的情 况下，应首先考虑利用可再生能源发电，造福人类。 电力是一种便于集中、传输、分散、控制和转换成其他形式的能源， 它的利用已遍及国民经济和人民生活的各个方面，成为现代社会的必需 品。同时，电力又是使用方便、清洁的能源。因此，世界各国都尽可能 地将各种能源转换成电能再加以利用，例如：美国的发电能源消耗量占 一次能源消耗总量的比重，1970 年为 24.7，1980 年为 34.8，1990 年为 43.6，按预测，本世纪末将达到 50以上。1990 年，我国的比 重为 23.1，按照规律，这一比重必将逐步增加。 电力消耗量的年增长率与国民经济增长率的比值称为电力弹性系 数。它是分析电力工业发展与国民经济发展相互依存的内在关系的重要 指标，系数的大小与产业结构和科技进步有关。为了保持国民经济持续、 快速、健康向前发展，电力工业要保持与国民经济同步发展（即电力弹 性系数为 1），同时要加快技术改造和技术进步的步伐，坚持开发与节约 并重的方针，使电力工业的发展适应国民经济发展和人民生活水平不断 提高的需要。 四、电力技术与电力工业 人类对客观世界的认识出现飞跃，是科学革命；人类改造客观世界， 技术的飞跃就是技术革命。而科学革命、技术革命会引起整个社会生产 体系的变革，即产业革命。人类近代历史经历过蒸汽机技术革命和电力 技术革命，因此，电力技术是人类历史上重要的知识宝库。 技术是什么？18 世纪末，法国科学家狄德罗在他主编的百科全书 中，给技术下了一个定义，即“技术是为某一目的的共同协作组成的各 种工具和规则体系”。他所阐述的技术概念包括 5 个方面的要点，即 技术是“有目的”，强调技术的实现是通过广泛“社会协作”完成的； 技术表现首先是生产“工具”，即硬件；技术表现的另一重要形式 是“规则”，即生产工艺、方法、制度等知识，是软件；技术是成套 的知识体系。狄德罗给技术下的定义，今天仍有指导意义。 电力工业主要包括 5 个生产环节。发电，包括火力发电、水力发 电、核能和其他能源发电；输电，包括交流输电和直流输电；变电； 配电；用电，包括用电设备的安装、使用和用电负荷的控制，以及 将这 5 个环节所存在的设备连接起来的电力系统。此外，还包括规划、 勘测设计和施工等电力基本建设，电力科学技术研究和电力机械设备制 造。 电力技术，按照狄德罗给技术的定义是形成电力产业，发展电力产 业的综合的知识体系，它随现代科学技术的发展而不断向前发展。电力 技术的发展推动电力工业的发展，电力工业的发展史就是电力技术的发 展史；电力工业的发展需要更先进的技术支持，反过来促进电力技术的 发展。因此，电力工业发展必须依靠科学技术进步，电力科学技术的研 究必须面向电力建设，为电力工业发展服务。 五、电力工业的特点 电力工业与生产其他商品的行业一样，其产品有生产、运输、销售 和使用的过程，但又有显著的不同。目前，它是集产、运、销为一体。 电力作为广泛利用的二次能源，电能与其他能源不一样，一般不能大规 模储存。电力生产过程是连续的，发、输、变、配电和用电是在同一瞬 间完成的，因此发电、供电、用电之间，必须随时保持平衡。 在一个电力系统内，电力用户有千家万户，其用电的时间和用电的 数量虽然有一定规律，但很难准确预测。为了满足用户的电能需要，电 力系统内的发电容量和设备均需要有相应的备用容量，以适应各种用户 用电因素的变化。 在一个电力系统内，发电、供电和用电设备在电磁上相互连接，相 互耦合，因此，任何一点发生故障或任何一个设备出现问题，都会在瞬 间影响和波及全系统，如果处理不及时和控制措施不恰当，往往会引起 连锁反应，导致事故扩大，在严重情况下会使系统发生大面积停电事故。 因此，保证电力系统的安全、稳定运行显得特别重要。所有发供用电设 备在制造时，均有规定的额定容量和短时过负荷的能力，使用时必须按 照厂家规定的容量使用，这样才能保证设备的安全。为了整个电力系统 的安全、经济运行和可靠地向用户供电，电力生产过程有严格的统一调 度制度。系统内各个电厂、变电站和供电所都必须接受统一调度，执行 调度员的命令；在正常运行条件下，随时保持电力供需平衡；在故障出 现时，按调度员命令，迅速处理事故，使事故的影响限制在最小范围， 以减少事故的损失。 第二章火力发电 一、火力发电概述 利用煤、石油、天然气等自然界蕴藏量极其丰富的化石燃料发电称 为火力发电。按发电方式，它可分为汽轮机发电、燃气轮机发电、内燃 机发电和燃气-蒸汽联合循环发电，还有火电机组既供电又供热的“热电 联产”。 汽轮机发电又称蒸汽发电，它利用燃料在锅炉中燃烧产生蒸汽，用 蒸汽冲动汽轮机，再由汽轮机带动发电机发电。这种发电方式在火力发 电中居主要地位，占世界火力发电总装机的 95以上。 内燃机和燃气轮机发电均称燃气发电。 内燃机发电主要指功率较大的柴油机发电。柴油机系统压缩点火式 发动机，将吸入的空气用活塞压缩到高温与喷入的燃油着火燃烧产生高 温高压，推动机械旋转运动，带动发电机发电。它的优点是单位容量重 量轻，占地面积小，投资省、建设速度快，缺点是使用燃料价格高，发 电成本贵、容量小、维修工作量大、运行周期短，除特殊场合外，多用 作尖锋供用电电源和应急电源。目前，最大的单机柴油发电机组功率已 达 4.5 万 kW，净发电效率达 3040。 燃气轮机是旋转式机械，与柴油机相比更适宜于作为常用发电设 备。它通过压气机将空气压缩后送入燃烧室，与喷入的燃料混合燃烧产 生高温高压燃气，进入透平机膨胀作功，推动发电机发电。它的单机容 量远比汽轮机小，最大功率已发展到 1321.6 万 kW，净发电效率可达 35以上，主要用于带尖峰负荷。 把燃气发电和蒸汽发电组合起来就是燃气-蒸汽联合循环发电，它有 较高的电能转换效率，受到世界各国重视。 二、火力发电厂的基本生产过程 这里介绍的是汽轮机发电的基本生产过程。 火力发电厂的燃料主要有煤、石油（主要是重油、天然气）。我国 的火电厂以燃煤为主，过去曾建过一批燃油电厂，目前的政策是尽量压 缩烧油电厂，新建电厂全部烧煤。 火力发电厂由三大主要设备锅炉、汽轮机、发电机及相应辅助 设备组成，它们通过管道或线路相连构成生产主系统，即燃烧系统、汽 水系统和电气系统。其生产过程简介如下。 1.燃烧系统 燃烧系统如图 2-l 所示，包括锅炉的燃烧部分和输煤、除灰和烟气 排放系统等。煤由皮带输送到锅炉车间的煤斗，进入磨煤机磨成煤粉， 然后与经过预热器预热的空气一起喷入炉内燃烧，将煤的化学能转换成 热能，烟气经除尘器清除灰分后，由引风机抽出，经高大的烟囱排入大 气。炉渣和除尘器下部的细灰由灰渣泵排至灰场。 2.汽水系统 汽水系统流程如图 2-2 所示，包括锅炉、汽轮机、凝汽器及给水泵 等组成的汽水循环和水处理系统、冷却水系统等。 水在锅炉中加热后蒸发成蒸汽，经过热器进一步加热，成为具有规 定压力和温度的过热蒸汽，然后经过管道送入汽轮机。 在汽轮机中，蒸汽不断膨胀，高速流动，冲击汽轮机的转子，以额 定转速（3000rmin）旋转，将热能转换成机械能，带动与汽轮机同轴 的发电机发电。 在膨胀过程中，蒸汽的压力和温度不断降低。蒸汽做功后从汽轮机 下部排出。排出的蒸汽称为乏汽，它排入凝汽器。在凝汽器中，汽轮机 的乏汽被冷却水冷却，凝结成水。 凝汽器下部所凝结的水由凝结水泵升压后进入低压加热器和除氧 器，提高水温并除去水中的氧（以防止腐蚀炉管等），再由给水泵进一 步升压，然后进入高压加热器，回到锅炉，完成水蒸汽水的循环。 给水泵以后的凝结水称为给水。 汽水系统中的蒸汽和凝结水在循环过程中总有一些损失，因此，必 须不断向给水系统补充经过化学处理的水。补给水进入除氧器，同凝结 水一块由给水泵打入锅炉。 3.电气系统 电气系统如图 2-3 所示，包括发电机、励磁系统、厂用电系统和升 压变电站等。 发电机的机端电压和电流随其容量不同而变化，其电压一般在 10 20kV 之间，电流可达数千安至 20kA。因此，发电机发出的电，一般由主 变压器升高电压后，经变电站高压电气设备和输电线送往电网。极少部 分电，通过厂用变压器降低电压后，经厂用电配电装置和电缆供厂内风 机、水泵等各种辅机设备和照明等用电。 4.火力发电厂的效率提高 在火力发电厂中，汽轮机组容量越大，效率越高。汽轮机组单机容 量的增大是随蒸汽参数提高而实现的。蒸汽参数就是蒸汽的压力和温 度，其单位分别是帕（Pa）和摄氏度（）。 最早的汽轮机组是低温、低压机组。随着科学技术的进步，汽轮机 组逐渐发展为中温中压、高温高压、超高压、亚临界压力、超临界压力 机组，现在正发展超超临界压力机组。水的临界压力是 22798105Pa （225 大气压），该值以上的压力称为超临界压力，17225105Pa（170 210 大气压）一般称为亚临界压力。水的压力越高，水的沸点（也称饱和 温度）也越高。在临界压力下，水加热到沸点 374（称临界温度）时， 一下子全部变成饱和蒸汽。此时，饱和蒸汽和饱和水的比重相同，两种 状态没有任何区别。 目前，我国火力发电厂采用的蒸汽参数和相应的机组容量的关系如 表 2-1 所示。 表 2-1 我国火力发电厂采用的蒸汽参数和 相应的机组容量的关系 电厂参数类型 汽轮机汽压（ Pa ） 汽轮机汽温（） 机组容量范围（ MW） 中温在压 34 105 435 6 50 高温高压 88 105 535 25 100 超高压 132 105 535 125 200 亚临界压力 167 105 535 300 超临界压力 241.3 105 538/538 600 提高火电厂效率，必须减少生产过程中的热量损失。火电厂热量损 失主要是汽轮机乏汽热损失，以中温中压机组为例，每公斤汽轮机进汽 的热含量为 3308103kJ（790 大卡），而每公斤乏汽在凝汽器内损失 的热量约为 2093103kJ（500 大卡），这是火电厂效率低的主要原因。 提高火电厂的效率措施除提高锅炉、汽轮机等设备的制造、运行水 平外，主要是提高蒸汽参数和采用中间再热。进入汽轮机的蒸汽参数越 高，含的热量也越高，但是汽轮机排出的乏汽损失的热量因蒸汽参数的 提高却变化不大。这样蒸汽参数提高后，转变为机械能的热量相对增加， 从而可提高火力发电的效率。 中间再热就是把在汽轮机高压缸内已经部分膨胀做功后降低了汽 压、汽温的蒸汽，再送回锅炉内的中间再热器中重新加热到初蒸汽温度， 然后再引回到汽轮机的中、低压缸继续做功，这样可提高效率 56， 同时可降低汽轮机低压缸中蒸汽的水分，有利于安全运行。因此，超高 压以上的机组普遍采用中间再热。 提高火电厂效率的另一途径是利用供热式汽轮机的抽汽或乏汽供生 产或生活用，从而减少排到凝汽器中的热量损失。这种热电联产方式， 发电效率可达 5080。 目前世界上大多数国家，绝大多数机组采用亚临界压力；采用超临 界压力机组最多的国家主要是美国、日本和原苏联。我国引进的超临界 压力的 600MW 机组已投入运行。日本于 1990 年建成 2 台容量为 700MW 的 超临界压力机组，发电效率为 406，其蒸汽参数为 310105Pa、566 566566，居于现阶段汽轮机发电的领先地位。 三、锅炉设备 锅炉是利用燃料燃烧释放的热能加热给水以获得规定参数（温度、 压力）和品质的蒸汽的设备，是火力发电厂的主要设备之一。按锅炉炉 膛结构和燃烧方式，划分为链条炉、煤粉炉、液态排渣炉、旋风炉和沸 腾炉等，在我国单机容量 25MW 以上的火电机组都是由煤粉炉供应蒸汽。 按照锅炉水流动的方式，锅炉又可分为自然循环锅炉、强迫循环锅炉和 直流锅炉。自然循环锅炉设备的组成，如图 2-4 所示。 锅炉是一庞大而复杂的设备，它由锅炉本体及辅助设备所组成。锅 炉本体由“锅”和“炉”两大部分组成，所谓“锅”是指锅炉的汽水系 统，主要包括汽包、下降管、水冷壁等；而“炉”是指燃烧系统，主要 包括炉膛、燃烧器、烟风道及空气预热器，它的任务是使燃料燃烧放热， 产生高温火焰和烟气，并把热量传递给汽水系统。锅炉辅助设备包括输 煤系统、制粉系统、给水系统、送风机、引风机、烟囱、除灰除尘设备， 以及热工仪表自动调节装置等。 锅炉设备的主要工作过程简述如下：由输煤皮带运来的煤送入磨煤 机磨制成煤粉后，被热空气烘干并携带出磨煤机进入粗粉分离器中分 离，符合要求的煤粉送入输粉管道，经燃烧器喷入炉膛燃烧。在炉膛内 煤粉的燃烧非常强烈，其中心温度可达 13001400。燃烧所形成的火 焰及生成的烟气主要以辐射的方式把热量传给炉膛四周被称为水冷壁的 管子上，加热其中的水并使其部分蒸发成蒸汽。离开炉膛的烟气依次流 过过热器、省煤器等各个对流受热面，逐步将热量以对流的方式传给这 些受热面中的蒸汽和水，最后流过空气预热器将热量传给来预热的空 气。烟汽流出空气预热器，经高效除尘后被吸风机送入烟囱，排入大气。 过热器是电站锅炉的重要组成部分，它的作用是把水冷壁中蒸发的饱和 蒸汽加热成为具有一定温度的过热蒸汽。提高蒸汽温度可使蒸汽在汽轮 机中的作功能力提高，从而提高热力循环的效率。流出过热器的蒸汽称 为主蒸汽，主蒸汽经主汽管道流向汽轮机，推动汽轮机运转，从而带动 发电机发电。 供给锅炉的水要经过严格的化学处理，除去硬度和氧以减少对设备 的腐蚀。给水由给水泵在送到锅炉以前，已在汽轮机车间受到低压、高 压加热器的加热，送入锅炉后经省煤器进一步加热。由此可知，锅炉的 工作过程可以看成是燃料在炉膛内燃烧放热生成高温烟气，通过热交换 不断地将热量由烟气传给水和蒸汽的过程。 省煤器和空气预热器都布置在锅炉尾部烟道中，故统称锅炉的尾部 受热面。它们的共同作用是：吸收烟气的余热，降低排烟温度，提高锅 炉效率，节约燃料。 自然循环锅炉的优点是可以将汽包内含杂质浓度较高的水连续排去 一部分（连续排污），还可以在水冷壁下部定期放水，除去沉淀的水渣 （定期排污），对给水质量要求稍低，自动调节系统较简单。目前我国 火电厂采用的锅炉绝大部分是自然循环锅炉。 锅炉的汽压越高，饱和蒸汽与饱和水的比重就越接近，使炉水自然 循环的动力也越小。如果设计、运行不当，就容易发生水循环不良，引 发爆管事故。一般汽压超过 166MPa（170 大气压）时不宜采用此种锅炉。 直流锅炉的特点是没有汽包，水在给水泵的压力下，一直流过锅炉 的蒸发部分，不往返循环，如图 2-5 所示。 直流锅炉的优点是没有汽包，比较容易制造，钢材耗量少，缺点是 不能排污，对水质要求高，自动调节也比较复杂。 直流锅炉可用于任何蒸汽参数，特别适用于超高压以上的电厂。 四、汽轮机设备 汽轮机设备包括汽轮机、调速系统、凝汽器和附属设备等。 汽轮机是以蒸汽作为工作介质的原动机，其作用是将来自锅炉的高 温高压蒸汽所具有的热能转换为汽轮机转子旋转的机械能，转子带动发 电机就可以将机械能再转换为电能。 汽轮机工作依靠的主要零部件是喷嘴（或称静叶片）和动叶片。喷 嘴起着将蒸汽的势能转换为动能的作用，从喷嘴出来的蒸汽具有每秒数 百米的高速，这样的高速汽流冲击到装在叶轮上的动叶片，就可以推动 由动叶片、叶轮、轴等零部件组成的转子连续不断地高速旋转，再带动 发电机源源不断地产生电能。动叶承受蒸汽冲击力作用的原理叫冲动原 理。 当蒸汽在动叶流道中流过时，如果蒸汽在其内继续膨胀降压，进一 步将热能转换为动能，蒸汽在高速离开动叶的同时给其一个反作用力， 就象火箭的工作原理一样，这叫反作用原理。 根据蒸汽产生冲击力和反作用力大小比例以及结构的不同，汽轮机 可分为冲动式和反动式两大类，目前我国均有生产。 由一列喷嘴（静叶片）和一列动叶片构成汽轮机最基本的作功单元， 称为“级”。汽轮机是由许多级串联起来的，蒸汽在各级内逐级膨胀作 功，组成多级汽轮机。现代电厂使用的大功率汽轮机往往由几十级至一 百多级组成，分装在高压缸、中压缸、低压缸中，成为多缸汽轮机。图 2 -6 所示为国产 300MW 汽轮机示意图。 在汽轮机内作完功的蒸汽被排至低压缸后的凝汽器，在凝汽器内蒸 汽将热量进一步传给循环水，最终成为凝结水，凝结水再通过高低压加 热器等进入锅炉。所以凝汽器的任务有两个：一是使作完功的蒸汽凝结， 使排汽侧形成负压（称真空状态），以提高热效率；其次是回收作完功 的蒸汽，供给锅炉洁净的凝结水。 调速系统的作用是保持汽轮机在额定转速 3000rmin 下稳定运行， 调整进汽量，以适应电力负荷变化的需要。危急保安器是装在汽轮机大 轴上的重要保护装置。当调速系统动作失灵，汽轮机转速超过 3300rmin 时，危急保安器动作，迅速将主汽门关闭，防止汽轮机超速破坏，以免 造成设备破坏和人身伤亡事故。 五、汽轮发电机 火电厂中用来发电的电机都是由汽轮机或燃气轮机拖动的同步发电 机。它是利用导线切割磁力线感应出电势的电磁感应原理，将原动机的 机械能变为电能输出。同步发电机由定子和转子两部分组成。定子是发 出电力的电枢，转子是磁极。定子由电枢铁芯，均匀排放的三相绕组及 机座和端盖等组成。转子通常为隐极式，由励磁绕组、铁芯和轴、护环、 中心环等组成。汽轮发电机的极数多为两极的，也有四极的。 转子的励磁绕组通入直流电流，产生接近于正弦分布磁场（称为转 子磁场），其有效励磁磁通与静止的电枢绕组相交链。转子旋转时，转 子磁场随同一起旋转、每转一周，磁力线顺序切割定子的每相绕组，在 三相定子绕组内感应出三相交流电势。发电机带对称负载运行时，三相 电枢电流合成产生一个同步转速的旋转磁场。定子磁场和转子磁场相互 作用，会产生制动转矩。从汽轮机输入的机械转矩克服制动转矩而作功。 发电机可发出有功功率和无功功率。所以，调整有功功率就得调节汽机 的进汽量。转子磁场的强弱直接影响定子绕组的电压，所以，调发电机 端电压或调发电机的无功功率必须调节转子电流。 发电机的有功功率和无功功率几何相加之和称为视在功率。有功功 率和视在功率之比称为发电机的功率因数（力率），发电机的额定功率 因数一般为 085。 供给发电机转子直流建立转子励磁的系统称为发电机励磁系统。大 型发电机励磁方式分为：它励励磁系统；自并激励磁系统。它励励 磁是由一台与发电机同轴的交流发电机产生交流电，经整流变成直流 电，给发电机转子励磁。自并激励磁是将来自发电机机端的交流电经变 压器降压，再整流变成直流电，作为发电机转子的励磁。 六、汽轮机乏汽的冷却 汽轮机乏汽的冷却过程是火力发电厂生产过程的一部分，通常选用 水作为冷却介质（水冷），这种系统简单，初投资小，运行可靠，但水 的散失量大。一座 1000MW 火力发电厂每日的耗水量约为 115105m3。 这给贫水富煤地区建设电厂带来了困难。为解决这一问题，人们提出了 用空气作为乏汽的冷却介质（空冷）。早在 30 年代末，德国首先在鲁尔 矿区的 15MW 汽轮机组应用了直接空冷系统，使在贫水地区建设电厂成 为可能。1987 年和 1988 年，山西大同第二发电厂的两台 200MW 机组首次 引进了匈牙利的海勒式间接空冷系统，使我国火电厂空冷技术的发展进 入一个新的阶段，该两台机组每小时能节水 470m3。 用于乏汽冷却的空冷系统主要有 3 种，即直接空冷系统、带喷射式 凝汽器的间接空冷系统和带表面式凝汽器的间接空冷系统。 直接空冷系统是将汽轮机的乏汽引入粗大的排汽管道，送到室外的 空冷凝汽器内，轴流冷却风机使空气流过散热器外表面，将乏汽在散热 器内冷却成水。该系统一般与高背压汽轮机配套。 带喷射式凝汽器的间接空冷系统，又称海勒式间接空冷系统。冷却 水进入凝汽器直接与汽轮机乏汽混合并将其冷凝。冷凝混合后的水绝大 部分由冷却水循环泵送至空冷塔散热器，与空气进行表面式换热冷却 后，通过调压水轮机返回到喷射式凝汽器。还有少部分水经过凝结水精 处理装置处理后作为锅炉给水。该系统可与中背压汽轮机配套。 带表面式凝汽器的间接空冷系统，又称哈蒙式间接空冷系统。它是 在海勒式间接空冷系统基础上发展的，所不同的是冷却水与汽轮机排汽 不相混合，进行表面换热。这样可以满足大容量机组对锅炉给水水质较 高的要求。 七、火电厂电子计算机控制现代火电厂自动化 火力发电设备的发展方向是采用高参数带有中间再过热的大容量单 元式机组。随着单机容量的增大，火电厂系统日趋复杂，辅助设备和辅 机数量多、容量大，结构也复杂，生产工况变化多，监视与控制项目数 量大，只有在高度自动化的前提下，才能确保火电厂的安全、可靠和经 济运行。 随着电子计算机的迅速发展，采用电子计算机对火力发电机组进行 控制，进而对火电厂全厂进行控制，不仅成为可能，而且具有显著的经 济效益。现代化的大型火力发电机组和发电厂将广泛采用电子计算机进 行控制。 计算机控制可实现的功能随各电厂要求的控制方式和控制范围有所 不同，主要功能有： （1）安全监视、数据处理。包括巡回检测、参数处理、越限报警、 参数显示、制表打印、性能计算等。这是火电厂计算机运用的一种初级 和最基本的功能。 （2）正常调节。在正常运行时，对锅炉、汽机、发电机等主辅设备 进行直接或间接控制。 （3）管理计算。对生产过程可按数学模型进行计算，寻找最优工况， 实现最优控制；对各运行指标进行计算，改善全厂的运行管理。 （4）事故处理。对生产过程进行监视和趋势预报，事故发生时进行 分析和处理，并记录下事故时的设备状态和参数，供运行人员事后分析。 （5）机组起停。实现发电机的自动起停。 计算机对电厂的控制可分开环控制和闭环控制。开环控制方式就是 火电厂生产过程的计算机安全监视。闭环控制方式分为：直接数字控 制（DDC），即利用计算机在正常运行时对汽温、汽压、负荷、给水进行 控制及锅炉的点火灭火、升温升压、汽机的升速和加负荷等几乎所有项 目进行控制；监视控制方式（SEC），是指计算机不直接操作发电设备 而是通过常规仪表或子回路控制等去控制发电设备，适宜于已有常规仪 表和子回路控制系统对发电设备实行闭环控制的情况，利用计算机只在 它们的上层进行监视和指挥；触发控制（STC），即计算机向程序控制 器发出触发信号，程序控制器按规定顺序起停多种电动机，适宜于辅机 的起停方面。 计算机对电厂的控制还可分为：集中控制和分布式控制方式。集中 控制是指一台发电机或全厂各台发电机的监视、控制以及管理集中于一 台或两台计算机上。分布式控制方式如图 2-7 所示，其特点是控制任务 分散在下层各级机上，在上层设置小型机或中型机进行总的管理，这是 一种有前途的控制方式。 采用计算机控制可以：提高火电机组或全厂的运行效率，机组运 行稳定；减少和避免重大事故，延长设备寿命；节省运行人员，减 轻劳动强度。 第三章水力发电 一、水力资源和水电站 天然的水流所蕴藏的位能或动能统称为水能或称水力资 源。水力是一种宝贵的自然资源，是取之不尽用之不竭的可再生能 源，而且是洁净的能源。利用水能的最普遍的形式是建设水电站，利用 水流的流量和落差发电，或称为水力发电。世界各国都竟相优先开发水 力发电，作为电力工业的重要组成部分。 我国幅员辽阔，河川纵横，是世界上水力资源最丰富的国家之一， 水力资源的蕴藏量达 6.8 亿 kW，约占全世界的 16，居世界第一位， 可能开发的容量约 4