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第十章电力工业清洁生产

第一节电力工业概述

随着人类社会的发展，人们越来越感到环境、资源和人口是日益突出的三大问题，它将决定着地球上人类生活的质量。而能源与三者之间有着密切的关系，能源的消耗取自于资源，服务于人类，因此如何更好、更合理地开发和利用能源对国民经济的发展和环境的改善具有重大意义。

一．能源的分类
能源，也就是“能量的源泉”，是指可以给我们提供大量能量的物质和自然过程，因此能源的种类是形形色色的。对能源进行分类，可以帮助我们了解各种能源的基本性质和它们之间的相互关系。
（一）按来源进行分类，见表10－1。

表10－1根据能源的来源分类表
第一类能源
（来自地球以外）
太阳辐射级
煤、石油、天然气、油页岩、草木燃料、沼气和其他由于光合作用而固定的太阳辐射能。
风、流水、海流、波浪
海洋热能
直接的太阳辐射
宇宙射线、流星和其它星际物质带进地球大气中的能量
第二类能源
（来自地球内部）
地球热能
地震、火山活动
地下热水和地热蒸汽（包括温泉）
热岩层
原子核能
铀、钍、氢等
第三类能源
（来自地球和其
它天体的作用）
潮汐能

第一类是来自地球以外的天体的能量。其中最主要的是太阳辐射能，此外，还有其它恒星或天体发射到地球上的各种宇宙射线的能量。
第二类是地球本身蕴藏的能量。如海洋和地壳中储存着的原子核能以及地球内部的热能。
第三类是由于地球和其它天体相互作用而产生的能量，如潮汐能等。
（二）按“一次能源”和“二次能源”进行分类，表10－2。
表10－2“一次能源”和“二次能源”
一次能源
再生能源
风、流水、海流、海洋热能、潮汐能
草木燃料、直接的太阳辐射、地震、火山活动
地下热水、地热蒸汽（包括温泉）、热岩层
非再生能源
化石燃料（煤、石油、天然气、油页岩）
核燃料（铀、钍、氢）
二次能源
电能、氢能、汽油、煤油、柴油、火药、酒精、甲醇、丙烷、苯胺、硝化棉和硝化甘油等等

以现成的形式存在于自然界中的能源一般称为“一次能源”，需要依靠其它的能源来制取或产生的能源则称为“二次能源”。
对于“一次能源”而言，火电厂是消费者，但是，相对于其它能源使用部门来说，它又是一个能源的供应者，所以通常把电能列为“二次能源”。
“一次能源”还可以按照能否“再生”而进一步分类。所谓“再生能源”就是不会随着它本身的转化或人类的利用而日益减少的能源。随着人类的利用逐渐减少的能源称为“非再生能源”。当然，“再生”和“非再生”之间的区别只是相对的。
（三）按“含能体能源”和“过程性能源”分类，表10－3。

表10－3“含能体能源”和“过程性能源”
含能体能源
草木燃料、化石燃料、核燃料、
地下热水和地热蒸汽
高水位水库
氢能
过程性能源
风、流水、海流、潮汐
地 震
直接的太阳辐射
电 能

能量比较集中的“含能体”是“含能体能源”，能量比较集中的“能量过程”则是“过程性能源”。各种化石燃料（或矿化燃料）和核燃料、地下热水和蒸汽等都是“含能体能源”，风、流水和潮汐等则是“过程性能源”。
从某种意义和角度来说，能源是人类生命之根本，是人类进行生产和生活赖以维持和发展的物质基础。纵观历史，人类学会和掌握了钻木取火技术，从而籍助火的作用驱除猛兽毒蛇，并从菇毛饮血向以熟食转化，这可以说是利用能源的起始，这大大加强了人类生存和延息的能力。人类对能源的认识和利用，经历了漫长的发展过程。每次新能源的开发利用和变革不论从柴薪转向煤炭，还是由煤炭转向石油，可进行裂变和聚变反应的物质，都伴随着生产技术的重大突破，使生产力获得巨大发展。实践表明，人类对能源资源的开发利用的历史，也就是人类认识、改造和征服自然的历史。

二．能源的发展与消耗
随着科学技术的发展，以及能源状况的改变，世界能耗的结构特点也不断地发生变化。今天，石油、煤、天然气、水力和裂变原子能，构成了现代世界“一次能源”的五大支柱。展望未来，石油、煤、天然气相对来说将愈来愈少的用作能源，而愈来愈多的当作宝贵的化工原料来使用，地热能、裂变能以及太阳能等将构成未来世界新的能源支柱。
地球上能量的储存是巨大的，但能量的消耗数字也是十分惊人的，而且能耗的增长，特别是近三十年来，极为迅速。按照目前的能耗水平，自然界几十亿年生成的矿化燃料——煤、石油、天然气，人类几个世纪就可以把它们消耗掉，因为消耗速度比大自然生长它们的速度要快千万倍。勘探资料表明，目前使用的核燃料的储存量也是很有限的。以上四种燃料现在约占界能源消费的94%。其中煤提供了27%，石油提供了45%。
地球上能源的分布情况很不均匀，不同国家的人均能源消费的数量相差也很悬殊。目前占人口不到四分之一的工业发达国家消费的能源占全世界总能耗的80%，这种不公平的现象也加剧了南北国家之间矛盾。一些国际性机构指出，地球的总人口中尚有近三分之一的人没有使用电能，但是，西方工业化国家的人均能源消耗量却达到了很高的数值。如果所有国家的人均能源消耗量都像美国、加拿大、瑞典那样高，世界的能源早就枯竭了。印度需要新建数千座五百兆瓦的发电厂，其人均电能消耗量才能达到上述国家的水平。
工业化国家大量地消耗地球上有限的能源，而产生有害物质的污染却远远超过其本国的范围，是极不合理和不道德的现象，现在已成为国际上一个非常严重的问题。
我国能源消费总量（不包括农村非商品能源）1979年为5.86亿吨标准煤，居世界第三位，但平均到每个人的能源消费量只有1.14吨。这个数字是非常小的，仅为世界平均水平2.3吨的二分之一。同世界上发展中国家相比，属于中等偏低水平。一些工业发达国家1978年的相应数字（吨标准煤/人·年）是：

美国苏联德国日本
12.86.6 6.3  4.7

四个现代化建设需要大量的能源，但我国目前的能源利用效率和取得的经济效果与国外相比尚有较大差距。以1980年为例，每创造一个美元国民生产总值，美国消费能源为零点九二吨标准煤，苏联消费一点二二吨标准煤，日本消费零点三五吨标准煤，印度消费零点七九吨标准煤，而我国则消费二吨左右标准煤，是世界平均消费水平零点八四吨标准煤二点五倍左右。这说明我国在节约能源方面有很大的潜力。当前，我国的能源问题：一是能源的开发，一是能源的节约。但是，由于能源开发受到多种因素的限制，在短期内不大可能大幅度增长。对我国能源供需进行预测，工农业生产（翻两番）所需能源有相当一部分须依靠节能解决。我国节能的途径应当是：将节能政策以法律形式固定下来，也就是制订相应的节能法，节能与当代最先进的科学技术结合起来，不断地探索和开发新能源，以满足国民经济发展的需要。

三．电力工业在国民经济中的作用
电能是能源中最主要的能源之一，它是一种极“灵活”的能，它可以很方便地转变成其它形式的能：如机械能、热能、光能、声能、化学能以及粒子的动能等等；而其它形式的能也可通过一定方式转变成电能。自然界中许多“含能体能源”和“过程性能源”都蕴藏着极为丰富的能量，这为电能的大量生产提供了充分的物质基础。电能便于传输，通过升压设备和输送线路可将强大的电源按照人们的要求送至数十公里、数百公里、甚至数千公里处的用户，而线路损失较小。此外，电能的生产，输送和使用能够进行有效而精确的控制。由于以上原因，电能已成为最广泛的一种能量。
电能作用于一些物质所引起的效应，往往被认为是很奇妙和用其它方法所不能获得的。随着科学技术的发展和对电能本质的深入研究，电能的“奥秘”将愈来愈多地被提出。到目前为止，电能在机械加工、化学、生物农业、医疗和药物，以及国防等各方面的应用中，有的已显示出独特的优点，产生了巨大的效果，有的则展露出一些苗头，从发展上来看，其中某些方面将对科学研究和生产技术带来某些根本性的变革。因此，电能在人类社会的各个领域中必将发挥更大的作用。
十八世纪中叶以前，人类对电还没有正确的认识。1752年7月，北美一个普通的印刷工人本杰明·富兰克林（1706—1790），在一个雷雨交加的荒野上，冒着生命危险，利用风筝做了一次震动世界的吸取“天电”的实验。他把闪电引到地上点燃了酒精，破除了对“天火”的迷信，打开了近代电学研究的大门。接着，由于库仑、法拉第、麦克斯韦尔、爱迪生等许许多多科学家的努力，多少年来一直捉摸不定、视若神鬼的电，终于成为人类手中驯服的动力。如果说，火是人类发展史上的一个路标，电则是人类征服自然的又一个里程碑。从火到电经历了五十万年的时间，然而从利用电能到现在的二百年多一点的时间内，则又开发和利用了许多新的能源，这标志着生产水平和科学技术前进的步伐由于电能的利用而大大地加快了。
电能的应用，今天已深入到社会生产和人们生活的各个方面，与二百年前相比，今日的世界在生产水平、建设规模和科研成就，在社会的物质文化生活的各个方面，都发生了极大的变化，这是与电能日益广泛地被应用分不开的，电气化的程度已成为国民经济现代化的一个重要标志。电力工业是为国民经济各个领域提供电能的部门，它能否高速发展，对整个国民经济的发展有着直接的影响。世界各国发展国民经济正、反两方面的经验都证明了：电力工业必须以更快的速度向前发展，国民经济才有可能迅速的发展，也就是说电力应当先行。

第二节火力发电厂的基本生产过程

火力发电厂的主要生产系统包括汽水系统、燃烧系统及电气系统，其生产过程分述如下：

一．汽水系统
火力发电厂的汽水系统，如图10－1所示。

图10－1汽水系统流程
汽水系统包括由锅炉、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过热蒸汽，然后经管道送入汽轮机。
在汽轮机中，蒸汽不断膨胀，高速流动的蒸汽冲动汽轮机的转子，带动发电机发电。在膨胀过程中，蒸汽的压力和温度不断降低，最后排入凝汽器。
在凝汽器中，汽轮机的乏汽被冷却水冷却，凝结成水。
凝汽器下部的凝结水由凝结水泵升压后流经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，然后经高压加热器打回锅炉（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总有一些损失，必须不断向系统补充经过化学处理的水或蒸镏水。补给水通常加入除氧器中。
二．燃烧系统
锅炉的燃烧系统，如图10－2所示。

图10－2燃烧系统流程（煤粉炉）

燃烧系统包括锅炉的燃烧部分及输煤、除灰系统等。
煤由皮带输送到锅炉房煤斗，进入磨煤机中磨成煤粉，然后和经过预热的空气一起喷入炉内燃烧，烟气经脱硫、除尘后由引风机抽出，经烟囱排入大气。
炉渣和除尘器下部的细灰通常由灰渣泵排至灰场。

三．电气系统
电气系统，如图10－3所示。

图10－3电器系统

发电机发出的电除电厂自用部分外，一般由主变压器升高电压后，经高压配电装置和输电线路向外供电。电厂自用部分通常由电厂用变压器降低电压后，经厂用配电装置和电缆供厂内各种辅机及照明等用电。
大、中型火电厂消耗的燃料和排出的灰渣等，数量相当大，一座20万瓩火电厂的一些主要生产数据，如表10－4所示。

表10－420万瓩水电厂生产技术数据单位：
项 目
高温高压电厂
中温中压电厂
说 明
烧煤量
约110吨
约140吨
按发热量5000大卡/公斤的普通煤计算
排灰量
约15～20吨
约20～25吨
按煤的灰分为15～20%计算
冷却水量
3～4万吨
（约9立方米/秒）
4～5万吨
（约12立方/秒）
冬季用水量可以减少40～50%
补给水量/h
30～40吨
35～50吨
化学处理水或蒸馏水，补难率按5%计算（国外一般为1%左右）
供电量/h
约18.2万度
约18.4万度
发电20万度，电厂自用按8～9%计算（国外燃油电厂为4%左右，燃煤电厂为6左右）。
四．火力发电厂的效率
火电厂生产过程中，各个环节都有能量损失。如果以电厂锅炉燃用煤的发热量作为100%，则各种参数电厂的能量损失和发电效率大致如表10－5所示。

表10－5电厂的能量损失和发电效率
项 目
中温
中压
电厂
高温
高压
电厂
超高压
电厂（中
间再热）
超临界压
力电厂
（中间再热）
说 明
锅炉热损失
（%）
汽轮机的机械损失
（%）
发电机损失
（%）
管道系统损失
（%）

11

1

1

1
10

0.5

0.5

1.0
9

0.5

0.5

0.5
8

0.5

0.5

0.5
这四项损失主要与机组容量有关，较大的机组损失的百分数较小，表中所列数据为粗略的平均值
汽轮机排汽
热损失（%）
61.5
57.5
52.5
50.5
主要决定于蒸汽参数
总损失（%）
发电效率（%）
75.5
24.5
69.5
30.5
63
37
60
40

这里的汽轮机排汽热损失，就是排汽在凝汽器内凝结水时为冷却水所吸收并带走的潜热损失。以中温中压电厂为例，每公斤汽轮机进汽的含热量为790大卡，而每公斤排汽在凝汽器内损失的热量约500大卡。排汽凝结成水的损失如此大，但不凝结成水又无法送回锅炉支，这是火力发电厂效率低的主要原因。
提高火电厂效率的办法除提高锅炉、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，它的含热量也越高，但排汽潜热损失变化不大。因此，当进汽参数提高时，转变为机械能的热量相对增加，从而提高了发电效率。
我国目前已大量采用高温高压（90大气压、555℃）机组，比中温中压（35大气压、435℃）机组 ，平均可以节约燃料25%左右。近年来新建的大型电厂，大多采用超高压或临界压力机组，可以节约更多的燃料。
进一步提高蒸汽参数会带来一些问题。一般当汽温提高到570℃以上时，需采用一种特殊的不锈钢奥氏体钢），它的价格很贵，可靠性较差。如果只提高汽压而不提高汽温，则非但效率提高很有限，而且使汽压机低压部分蒸汽中的水分增多，影响安全运行。因此，超高压上的机组普遍采用中间再热。
中间再热就是把在汽轮机内已经部分膨胀后降低了汽压、汽温的蒸汽，引入锅炉内的中间再热器中重新加热，如图10－4所示，一般使汽温提高到初蒸汽温度，然后再引回汽轮机中、 低压部分继续做功。中间再热约可提高效率5～6%，同时可以降低汽轮机低压部分蒸汽机中的水分，有利于安全经济运行。我国已有一批12.5万、20万及30万瓩的中间再热式机组投入运行。

图10－4中间再热系统

目前国外大型机组的汽压一般采用160～170大气压或240～250大气压，汽温535～570℃，中间再热至535～570℃。过去曾经有少数大型机组采用两次中间再热，可以进一步提高效率2%左右，但系统过于复杂，近年来基本上已不采用。
图10－5为热电厂生产工艺流程简图。

图10－5热电厂生产工艺流程图
第三节火电厂主要设备
一．磨煤机
磨煤机通常是靠击碎、压碎和研碎三种方式把煤磨制成煤粉，每一种磨煤机往往同时用上述两种甚至三种碎煤方式，但以一种方式为主。
磨煤机的型式种类很多，按转速可以分为三类：低速磨煤机，如筒式钢球磨煤机；中速磨煤机，如平盘磨、碗式磨和E型磨等；高速磨煤机，如风扇磨、竖井磨等。其特点见表10－6。

表10－6磨煤机种类及特点
种 类
项 目
低速磨煤机
中速磨煤机
高速磨煤机
常用型式
钢球磨煤机
球式和辊式中速磨煤机
锤击式、竖井式、风扇式磨煤机
转 速
15～25转/分
80～100转/分
600～1，500转/分
特点
结构简单，维护方便，但体积大笨重，用钢材多耗电也多。一般用于贮仓式系统
体积小，用钢材少，耗电省（约为钢球磨煤机的60～75%），但结构较复杂。一般用于直吹式系统
结构简单、轻巧，用电最省，但磨制的煤粉较粗，部件磨损较快。用于直吹式系统
适用煤种
各种煤都能磨，特别适用于较硬并要求磨得较细的煤（如无烟煤）
除很硬和水分很高的煤种外都适用
主要用于松软、水份较多、挥发物较高的煤种（如褐煤和泥煤）
使用情况
我国广泛采用，欧美各国主要用于磨制无烟煤
我国用得较少，欧美各国广泛采用
我国用得较少，德国和东欧各国用得较多

筒式钢球磨煤机简称球磨机，是目前国内各电厂应有最广泛的一种磨煤机，它的主体是一个直径为2～4米，长3～8米的圆筒或锥形筒，其容积的20～35％装着直径为30～60毫米的钢球。筒身由两端空心轴颈支持在轴承上。电动机经减速装置以16 ～25转/分的转速带动筒体旋转。原煤和干燥剂（一般是热空气）从一端经过空心轴颈进入磨煤机，当筒体旋转时，钢球被提升到一定的高度，然后落下，煤在筒中一方面由于钢球的撞击，另一方面也受到钢球移动时的研磨被破碎成煤粉。在此过程中热空气对原煤及煤粉进行干燥，磨制成的煤粉靠干燥剂的流动从另一端空心轴颈带出，所以干燥剂也起着输送煤粉的作用，其流速的大小也影响着被带出的煤粉的细度。
从磨煤机被干燥剂带出的煤粉颗粒是不均匀的，其中含有一部分不合格的粗粉和煤粒，所以在磨煤机出口处装有粗粉分离器，把不合格的粗粉和煤粒分离出来，经回粉管送入磨煤机再行磨碎。
这种磨煤机的圆筒是由厚18～25毫米的钢板制成，筒内衬有护板，护板由锰钢铸成，以增强其抗磨性，护板的表面呈波浪形或锯齿形，其作用是使钢球易于被带到一定高度，并可保护筒身，磨损后可以更换，护板用螺栓固定在筒身上，两者之间有10～15毫米厚的绝缘石棉衬垫，筒身外包有40～70毫米厚的毛毡，起隔音作用，最外层是2毫米的钢板做成的保护壳。
磨煤机的轴承用水冷却、润滑油由单独的油系统供给，该系统包括油箱、油泵和冷油器等设备。

二．锅炉设备
锅炉是生产蒸汽的设备。燃料在锅炉内燃烧，将化学能转变为热能，使水变成蒸汽、经管道送到汽轮机。
锅炉的容量和锅炉设备的组成
1．锅炉的容量
锅炉的容量也叫蒸发量，单位是吨/时。锅炉的蒸汽参数就是锅炉出口处过热蒸汽的汽压和汽温。我国目前系列生产的锅炉，如表10－7所示（不包括低温低压锅炉）。

表10－7我国目前系列生产的锅炉
蒸发量
（t/h）
汽 压
（大气压）
汽 温
（℃）
配汽轮机容量
（万瓩）
炉 型
35
65
75
120
240
220
410
400
670
935
40
40
40
40
40
100
100
140
140
170
450
450
450
450
450
540
540
555/555*
540/540
555/555
0.6
1.2
1.2
2.5
5
5
10
12.5
20
30
链条炉、煤粉炉
链条炉
煤粉炉
煤粉炉
煤粉炉
煤粉炉
煤粉炉
煤粉炉
煤粉炉
煤粉炉
＊斜线前为过热蒸汽温度，斜线后为中间再热蒸汽系统。

国外已运行的最大锅炉是美国的4220吨/时锅炉，汽压247大气压、汽温538.538°C，配130万瓩汽轮机。
2、锅炉设备的组成
锅炉设备的组成，如图10－6所示。

图10－6自然循环锅炉
锅炉设备由锅炉的汽水部分、燃烧部分，锅炉附件和锅炉辅机组成，如表10－8所示。

表10－8锅炉设备的组成
部 分
包 括 的 部 件 或 设 备
汽水部分
燃烧部分
锅炉附件
锅炉辅机
包括水冰壁、汽包、过热器和省煤器
包括炉膛、燃烧设备和空气预热器
水位计安全门、吹灰器及防爆门等
给水泵、制粉设备（磨煤机等）、通风设备（送风机及引风机和除尘器等）

水冷壁、过热器、省煤器和空气预热器统称为锅炉的受热面。其中布置在锅炉尾部烟道中的省煤器和空气预热器，又称为尾部受热面。

三．汽轮机
汽轮机设备包括汽轮机本体、调速系统、油系统及附属设备（凝汽设备、回热系统设备等）。
（一）汽轮机的容量和种类
汽轮机的容量是以它的发电能力来表示的，单位是瓩。由于蒸汽流经管道产生压降和热损失，汽轮机的蒸汽参数（进口的汽压和汽温）比锅炉出口处的低一些。发电厂用的汽轮机主要有凝汽式和供热式两种。供热式又分为抽汽式和背压式两种。
凝汽式汽轮机是专门用来发电的，做完功的蒸汽全部排入凝汽器凝结成水，重新打回锅炉。供热式汽轮机既发电又供热，效率较高。在抽汽式汽轮中，部分膨胀做功后的蒸汽被抽出来向外供热。在背压式汽轮机中，全部排汽都供给工厂生产用，不需要凝汽设备。
我国目前系列生产的中温中压以上的汽轮机见表10－9。

表10－9 我国目前系列生产的中温中压以上的汽轮机
容 量
（万瓩）
汽 压

（大气压）
汽 温
（℃）
类 型
0.6
1.2
2.5
5.0
2.5
5.0
10.0
12.5
20.0
30.0
35
35
35
35
90
90
90
135
135
165
435
435
435
435
535
535
535
553/550
535/535
550/550
凝汽式、抽汽式、背压式
凝汽式、抽汽式、背压式
凝汽式
凝汽式
抽汽式、背压式
凝汽式
凝汽式
凝汽式
凝汽式
凝汽式
国外近年来已大量采用亚临界或超临界压力的30万至60万瓩的汽轮机。多数为一次中间再热，少数为两次中间再热。目前世界上最大的汽轮机是美国的130万瓩机组。
（二）汽轮机的原理和结构
1．原理
汽轮机中能量转换的主要部件是喷嘴（静叶片）和叶片（动叶片）。蒸汽流过固定的喷嘴如图10－7所示，压力、温度降低，体积膨胀，流速增高，热能转变为动能；高速蒸汽冲动装在叶轮上的叶片，使转子转动，蒸汽流速降低，动能又变成机械能，这就是冲动式汽轮机的基本原理。

图10－7冲动式汽轮机原理

还有一种汽轮机称为反动式汽轮机，它的能量转换部件也是静叶片和动叶片。在这种汽轮机中，蒸汽既在静叶片中又在动叶片中降低压力和温度，将热能变为动能，依靠汽流喷出产生的反作用力，推动叶轮旋转，与喷气式飞机的原理相似，如图10－8所示。

图10－8反动式汽轮机原理

除了容量很小、蒸汽参数较低的汽轮机只有一级喷嘴和叶片外，一般汽轮机都是多级式的，有许多级喷嘴和叶片。例如，国产高温高压50，000瓩汽轮机有18级喷嘴和叶片。蒸汽逐级流过喷嘴和叶片，从每级喷嘴出来的高速蒸汽都冲动叶片使转子转动，最后一级叶片出口处的蒸汽压力、温度、流速均很低。
2．结构
汽轮机本体是由静止部分（汽缸、喷嘴、隔板等）和转动部分即转子（大轴、叶轮、叶片等）组成的，如图10－９所示。

图10－９汽轮机部件

四．汽轮发电机
现代汽轮发电机都是三相交流发电机，它的转速大多为3,000转/分，应用电磁感应原理，把机械能转变为电能，下面将介绍汽轮发电机的原理和结构。
（一）基本原理
天然磁铁都有南极和北极，磁铁周围有磁力（对铁类金属有吸力和排斥力）的地方称为磁场。通常用磁力线来表示磁场的存在和强度，如图10－10所示。

图10－10天然磁铁

如将导线绕在铁棒上，通以直流电，铁棒即成为电磁铁，它同天然磁铁具有同样的特性，如图10－11所示。

图10－11 电磁铁

当导线在磁场中移动，“切割”磁力线时（或磁场移动，磁力线切割导线时），在导线中就产生电压，称为感应电压，此时如将导线两端连通，就会有电流通过，称为感应电流，如图10－12所示。

图10－12导线切割磁力线

汽轮发电机即按照上述原理制成，它包括转子和静子两部分，分别绕有导线制成的线圈。转子线圈内通以直流电，产生磁场，并形成一对南北磁极。静子线圈分成三组（即三相），沿圆周相隔120º布置，如图10－13所示。

图10－13三相交流发电机原理
转子转动时，磁场随着旋转，每转动一圈，磁力线顺次切割静子的每相线圈，产生电压。当北极磁场经过线圈时，产生正电压，当南极磁场经过线圈时，产生负电压。因此，转子每转一圈，静子每相线圈的电压方向变化一次，即从零增加到正的最大值，再从正的最大值减到零，然后改变方向，再从零增加到负的最大值，又从负的最大值减到零，如图10－14所示。 这样的变化每秒50次，在三相线圈中，即产生周率为50Hz的三相交流电。

图10－14静子线圈中电压的变化

（二）结构
1．转子
转子由整块的优质合金钢制成，具有良好的导磁性，其上开有齿槽，放置转子线圈，线圈是由带有绝缘的铜线绕制成的。绝缘是为了把带电的铜线与齿槽及其它部分隔离用的，用云母等材料制成。绝缘耐受的温度有一定的限制，长期运行后，将逐步老化（即绝缘性能逐渐变坏）。转子两端轴上装有风扇，以加强发电机的通风冷却。
2．静子
静子由铁芯、线圈及外壳等组成。铁芯由环形硅钢片叠压而成，其内圆开有齿槽，安放静子线圈。

第四节电力工业的清洁生产
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一．改变燃料种类达到清洁生产
每年世界上用于发电的能量消耗是十分巨大的，在总能耗中所占的比例越来越高，尤其在我国燃煤火电厂占总发电量的79.6%，以煤为原料生产电力排放大量的污染物——粉煤灰、废水、废气等，对环境造成严重的污染，它是燃煤型污染区域的主要污染源之一，另外由于 煤资源是一次性资源不可再生，这样就需要开发应用新的清洁能源代替煤以保护环境和资源。
（一）水力发电
水从高处流下，具有能量。能量之大小，由水量和水头决定。
水电站是将水能转变为电厂的工厂，它的生产流程大致如下，在河川的上游筑坝，提高水位，以造成较大的水头；水经引水机构进入电站，驱使水轮机旋转；水轮机直接拖动发电机，使后者发出电来。
按照水轮机的工作原理，可将国内外水电站采用的水轮机概括地分成冲击式和反击式两种。
在冲击式轮机工作轮的进口前，水流所具有的总能量，基本上可认为是动能的形态。而在反击式水轮机工作轮的进口前，水流的总能量中仅有一部分为动能形态，其余部分则为压能形态。两类水轮机的这种差别，使它们结构具有许多不同之处。
河水的基本来源是陆地降水。在全球范围内，每年降至陆地的水量约为9.9×104立方公里，相当于我国渤海蓄水量的数十倍。水流是一种“过程性能源”，可以循环使用。
水力发电不污染环境，运行灵活，发供电成本低，发展水电还具有防洪、灌溉、航运、水产养殖和供应城市用水等综合效益。建设水电站虽然需要的投资较多和时间较长，但建成投产后，资金的回收是比较快的。
我国河流年径流量达二万七千多亿立方米。主要的大江大河多发源于西部高原，奔腾于高山峡谷之间，上下游往往形成了上千米以至几千米的落差。我国的水力资源居于世界各国的首位，但目前已开发利用的比例仍然很小，只占总蕴藏量的百分之五多一点。
水力资源在世界各地的分布以及各国利用的情况，存在着很大的差异。在开发利用程度方面，欧洲居于领先的地位，有几乎百分之六十的水能潜力在发挥作用。在亚洲，情况就差得多，尽管水能储量比欧洲多三倍，而水电站发电量却比欧洲少百分之五十。在非洲，只利用了水能的极小一部分——百分之五左右，而其中一半是由在东非、埃及和加纳的几个电站使用的。
目前世界上水力发电较多的国家有三十几个。按水力发电量占全国总发电量比例的顺序排列，挪威处于领先地位——99%，其它依次是：巴西——87%；瑞士——74%；加拿大——67%。
水力发电的基本生产过程
水力发电是利用江河水流在高处与低处之间存在的位能进行发电。它的基本生产过程是：从河流较高处或水库内引水，利用水的压力或流速冲动水轮机旋转，将水能转变成机械能，通过水轮机的水流到河流较低处或水库下游；水轮机再带动发电机旋转，将机构能变成电能，然后经升压变压器和送电线，将电能送到负荷中心，降压后供给工农业和居民用电需要。械成水能的基本条件，是河水的流量和落差。
流量是河流中指定地点每秒时间内流过的水量，单位为秒立米。流量和落差的大小决定水能的大小。水电站所发电力（瓩），约为利用流量（秒立米 ）与利用水头（米）的乘积的8倍。
水力发电的特点
1．水能是循环不息的能源
一般江河的水流川流不息，经过支流干流汇流入海后，在海洋内受太阳辐射能而蒸发成水汽，被大气吹向大陆形成雨雪降至地面，又流入江河。利用循环不息的水能发电，与水电厂相比，可以节省大量的煤、石油或天然气等燃料资源，而且没有污染。
2．投资较大，工期较长，效率较高，成本较低
水电的土建工程较大，造价比火电高，建设周期比火电长，但水电生产效率较高（大、中型水电站的发电效率约为80～90%，小水电站约为60～70%，而火电效率一般为30%左右），发电成本较低（约为火电的1/3～1/4）。
3．机组起动快，宜于担任调峰、备用
水电机组从静止状态起动到满负荷运行，正常情况下只要4～5分钟，事故情况下还缩短到1分钟左右，而火电机组需要数小时，故水电机组能适应负荷的急剧变化，宜于承担系统的峰荷及备用，而高温高压大型火电机组和原子能发电机组适宜于承担稳定的基荷，两者可相互配合。
4．受自然条件影响较大
河流中的天然流量，随着各个时期的降水量而变化。我国河流在夏秋季节流量较大，冬春季节流量较小。利用天然径流发电，丰水期可以多发电，而枯水期受到限制。发电不均衡是利用水能发电的一个问题。
利用水库调节径流，可以把丰水期的多余水量蓄存起来，以补充枯水期的不足，缩小洪枯的差别，使天然水能得到更多更好的利用。
在电力系统中，水火电可配合供电；丰水期多发水电，以便节省火电厂的燃料消耗；枯水期多发火电，以弥补水电的不足。
坝库式水电站（或称堤坝式、蓄水式），如图10－15所示。

10－15坝库式水电站
这种形式的水电站比较普遍。在河道中拦河筑坝建水库，有两个作用：一是拥高水位，集中落差；二是形成水库，调节径流，使其适应用电要求，并取得防洪、灌溉、航运、给水、渔业、游览等综合利用效益。发电厂房一般设在坝体的下游，有的设在坝内。
（二）原子能发电
1．原子能发电的原理
原子能有两种，一种是一些重金属元素如铀、钚等的原子核发生分裂放出巨大能量，这就是裂变反应，原子弹就是根据这个原理制造出来的另一种是一些轻元素如氢的同位素氘和氚等原子核聚合成较重的原子核如氦，放出巨大的能量，这就是聚变反应（又称热核反应），氢弹就是根据这个原理制造出来的。
以U235为例，当一个U235受到中子轰击产生裂变，释放能量的同时可以放出2～3个新中子，而这些新中子又去轰击周围其它的U235核，发生链式裂变反应，人们通常采用镉棒作为中子吸收剂来控制其反应速度。
这个过程释放出的能量是巨大的，每千克铀含有8.3×1013KJ的热量，而烧去1KJ优质煤共放出29.4×106KJ热量，由此可见，每千克铀核所释放的核能相当于燃烧2700T优质煤所释放的能量。
原子能发电就是利用这些能量将水加热为蒸汽，然后同一般火力发电厂一样，用蒸汽冲动汽轮机，带动发电机发电。原子能发电厂与火电厂在构成上的最主要区别是前者用核蒸汽发生系统（反应堆、蒸汽发生器、泵和管道等）代替后者的蒸汽锅炉。
2．原子能发电的反应堆类型
国外用于原子能发电厂的反应堆主要有气冷堆、改进型气冷堆、轻水堆（沸水堆和压水准）和重水堆等，正在试验和发展的有快中子增殖堆。
（1）气冷堆（GCR）
这种反应堆用石墨作慢化剂，用气体（二氧化碳或氦）作冷却剂，原理流程如图10－16所示。这种反应堆用天然铀作燃料，一次装入燃料多，反应堆体积大、造价高。燃料元件（装天然铀的元件）的覆盖材料是铝镁合金，蒸汽参数为25大气压、410°C，热效率低。

图10－16气冷堆原理流程图
过去，英国首先采用这种堆型，法国也采用过。
（2）改进型气冷堆（AGR）
这种反应堆的原理流程与上述气冷堆基本相同，所不同者是用2.5～3%的低浓缩铀作燃料， 一次装入燃料量只有天然铀的1/5至1/4（重量计），因而体积小，更换燃料元件也简单，可以在较高的温度下运行，热交率也较高。
近年美国、德国还建设了实验性高温气冷堆。蒸汽参数可达180大气压、530/530°C。
（3）轻水堆（LWR）
这种反应堆慢化剂和冷却剂都用水。水在反应堆中直接变成蒸汽的称为沸水堆（BWR），经过蒸汽发生器变成蒸汽的称为压水堆（PWR）其原理流程如图10－17和图10－18所示。由于用2～3%低浓缩铀作燃料及水的传热效率较高，所以反应堆体积小，造价低，技术上也较易掌握。

图10－17沸水堆原理流程图

图10－18压水堆原理流程图

3．原子能发电厂建设造价、发电成本和运行
国外原子能发电厂的造价约比燃煤火电厂的高50～60%，比燃油火电厂的高一倍左右；发电成本与燃煤火电厂相差不多，比燃油火电厂低很多。原子能发电厂的运行可靠性逐年增高，设备可用率已与一般电厂接近。
4．受控核聚变发电
核聚变反应要在极高温度（例如摄氏一亿度）下才能发生，因此也叫“热核反应”。氢弹爆炸的核聚变反应是在一瞬间产生的，释能过程无法控制，其能量一般在生产上无法利用。20多年来，一些国家一直在努力探索实现“受控热核聚变”的方法，以便利用它产生的热能来发电。现有的托卡马克等装置都是为了研究人工控制热核反应而设计制造的。此外，还在研究用激光、电子束来引发核聚变。受控热核反应成功后，就可以利用无穷无尽的聚变能来发电。
（三）风力发电
风力发电装置主要包括转子（回转叶片等）、升速装置、发电机、控制装置、调速系统以及支撑铁塔等，如图10－19所示。当风力发电装置作为稳定电源经常供电时，还必须装设储电装置（如蓄电池）。转子上的回转片受风力冲动，将风力转变为回转的机构力，通过升速装置驱动发电机发电。转子一般为立式，叶片数一般为2～3片，而以2片的效率最高，叶片的方向与风向垂直，转速只有40～50转/分，而发电机的转速较高（例如1500转/分，50周/秒的发电机），必须装设升速装置（齿轮、链条和皮带等）。控制装置包括定向装置（将转子调整对准风向）、起动和停机装置、调整风机装置（调整叶片角度以调整接受的风力）和保护装置（在过高风速时停机以及发电机保护等）。调整装置用来维持发电机定速回转，支撑铁塔用来支撑和提高转子位置，使回转叶片能接受较大风速，因风速随高度而升高。