火力發電廠

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美国佛罗里达阿波罗海滩的Big Bend发电厂。
犹他州莫纳市的Currant Creek天然气发电厂。
2009年美国电力来源分布。[1]

火力发电厂(简称火电厂)或称化石燃料发电厂,是通过燃烧诸如天然气石油等来发的发电厂,被设计成可以持续地大量发电,在许多国家,大部分电能均由火力发电厂提供。

火力发电厂(除了磁流体发电机)通过各种旋转机械将燃烧产生的热能转换为机械能,然后驱动发电机。原动机通常是蒸汽机燃气轮机,在一些较小的电站,也有可能会使用内燃机。他们都是通过利用高温、高压蒸汽或燃气通过透平变为低压空气或冷凝水这一过程中的压降来发电的。

火电站发电带来许多其他副产物,并产生诸多的环境影响。根据卡诺循环的原理,总有一部分廢棄熱要通过冷却塔排放到大气,或被自然江河等水体冷却。化石燃料燃烧后的烟道气会被排放到大气,其主要成分是二氧化碳、水蒸气、以及其他的一些成分比如氮气、氮氧化物、氧化硫等,如果是煤发电厂,还会有粉煤灰等。煤燃烧后的残渣也必须从锅炉中排除,有些可以用来回收制作建筑材料。

火力发电厂是二氧化碳的主要排放来源。近一百年来这种温室气体的大量排放导致全球变暖。每产生一度电,褐煤排放的二氧化碳大约是天然气的3倍,黑煤则是天然气的2倍。尝试将排放中碳收集储存起来在2025年之前是不现实的。虽在过去的十年,全球变暖进入了一个“暂停期”,但近来的一项研究表明,这可能是因为中国的火力发电厂(主要以煤为燃料)大量的硫排放造成的。[2]

明尼苏达州罗契斯特的一座运行中的发电厂。

名称辨析[编辑]

火力发电厂从字面上来看是指有燃烧过程参与的发电厂。不过英语中并无对应词汇,常用fossil-fuel power station来描述燃烧化石燃料的电厂(化石燃料发电厂),细分时可用诸如coal-fired(燃煤)之类的名称。理论上来讲,燃烧生物质能的电厂在中文中也可以被叫做火力发电厂,不过实际上一般所指的火力发电厂都是化石燃料发电厂。

热力发电厂一般特指用蒸汽发电的发电厂,如大部分的化石燃料发电厂(然而使用燃气轮机发电的就不是用蒸汽发电的)、核电站以及地热发电站等。有时也指一切用热机发电的电厂,这样用燃气轮机内燃机发电的电厂也可计算在内。不过在实际使用中,很多时候热电厂就是指火电厂。还有一种情况,使用热电厂发电厂分别指热电联产的电厂和单纯发电的电厂。

基本概念[编辑]

在火力发电厂中,各种化石燃料如燃料油天然气油页岩中储存的化学能被逐步转换成热能机械能最后变成电能,供向四方。火力发电厂是一个高度复杂的系统,其建造成本可达1300美元千瓦发电能力,或者说一个500MW发电力的电厂需要约6亿5千万美元。一个发电厂常常有多个发电单元,以节省人力、物力资源。世界上大部分的热力发电厂都使用化石燃料,数量超过地热生物质能太阳能发电站。

热能到机械能[编辑]

热力学第二定律显示任何闭式热力学循环只能把燃烧产生的热能部分地转换为。剩下的热,叫做廢熱,必须被排放到较冷的环境中,以回到循环的起始点。排到冷源的热的比例必须等于或大于冷源的绝对温度和热源(燃烧炉)的绝对温度的比。提高锅炉温度可以提升效率,但是也增加了设计的复杂程度——主要是需选用更高水平的合金,使得炉的造价提升。废热无法转换为机械能,除非有一个温度更低的冷却系统。 然而,废热可以在热电联产发电厂中输出,用来加热建筑、生产热水或在工业中用来加热材料,例如用在某些煉油廠化学合成厂中。

工业上发电机的典型热效率对于燃煤或燃油大约在33%左右,燃气联合循环电厂可达50%。峰值电厂通常效率低一些,因为它们不能总是工作在最理想的设计工况中(例如温度过低)。[3]

把热能转换成有用功的理论最大效率是卡诺循环,故所有实际的火电厂不可能超过此限制。燃料电池不受此限制,因為它們不是用此原理發電。

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山西一處煤礦

煤是地球上最丰富的化石燃料之一。它相对而言比较便宜,而且中国印度美国等政治较为稳定的国家都拥有大量储量,而不像石油天然气主要依赖风云多变的波斯湾进口故其供应相对稳定。然而如想替代甚至取代石油或天然气,煤必须要转换成液体或者气体,因为石油多用在运输上,而天然气除了发电主要用在家庭、水以及工业供热上,这样的转换是不经济的,尤其是考虑到汽车或者加热器还必须得进行改造以适用于新燃料。另外,如果不回收废气,煤产生的污染要比石油或者天然气严重,尤其是如果算上二氧化碳溫室氣體的话。

同時固體煤礦的開採較為危險和高汙染,需要開挖礦坑派人進入開礦,或是在特定地形用炸藥露天大面積開挖,中国山西省為世界最大最高密度煤業聚集區,全省產煤120億噸以上,採煤形成的採空區達到2萬平方公里,相當于山西省1/8的面積,針對此問題中國政府設立國家資源型經濟轉型發展綜合配套改革試驗區開始整頓煤業,提高採礦安全性和設備效率並降低汙染。

世界上最大的火力發電廠是台中發電廠;世界上能量效率最高的发电厂是丹麦的Avedøre发电厂[4]

燃料输送[编辑]

在美国,燃煤电站提供了约46%的电能。此为犹他州的Castle Gate电站。

煤通过高速公路卡车铁路船舶或煤浆管道等方式输送。一些电厂甚至直接建在煤矿边上,用传送带送煤。大型的运煤火车专列可长达两公里,包含100节车厢,每节载煤100英吨以上,总量可达一万英吨。大型的电厂在全负荷时每天至少需要一列这样的火车。在用电高峰期,如最热的夏天和最冷的冬天(视当地气候而定),电厂甚至每天需要三到五列这样的火车。例如位于安大略的北美最大燃煤电厂Nanticoke发电站英语Nanticoke Generating Station,每个冬天的结冰期就需要储备几百万公吨的煤供使用。

电站有时也会使用燃料油。燃料油可以通过管道、油船等方式运输。油在电厂先被储存在圆柱形的钢桶里。黏度较高的油燃烧前可能需要先进行加热。

燃天然气电站经常建在天然气管道旁边,或者用专用管道传输过来。

燃料处理[编辑]

1会先被先碾成长度不大于2英寸(5厘米)的小块,然后运送到电厂的堆料场上,通过传送带源源不断的输入。其用量最高可达每小时3600吨。

对于燃烧粉煤的电厂,煤块在进入锅炉之前会先在磨煤机里磨成粉,然后用预热空气吹进炉中。一个500MWe的发电站可能有6个这样的磨煤机(一个备用),全力负载时可以每小时提供200多吨进入锅炉。不燃粉煤的电厂,2英寸(51毫米)的煤块直接通过料仓送到活动炉排或旋风炉(一种可以高效燃烧大块燃料的燃烧器)中。

至於燃料油和天然气發電站,燃料不需特別處理,液態的天然氣和提煉過的石油產物運至發電站可直接加入機組燃料槽。

機組類型[编辑]

蒸汽发电[编辑]

大部分化石燃料都是通过蒸汽发电的。自从1906年渦輪發動機发明以来,往复式的蒸汽机逐渐被淘汰了。

燃气涡轮发电[编辑]

480兆瓦 GE H系列电厂燃气涡轮
犹他州莫纳市的Currant Creek燃天然气发电厂。

一种类型的火电厂用燃氣渦輪联合废热回收蒸汽发生器(HRSG)发电。这被称作联合循环发电厂,因为它包含了燃气涡轮的布雷顿循环和HRSG的郎肯循环。其效率可达6003千焦/千瓦时,热效率接近60%,在威尔士Baglan Bay发电厂实现[5]

燃氣渦輪的燃料可以是天然气、 合成气或燃料油。尽管这种发电站效率更高且建造更快(甚至可以在18个月内从零建造一个1000MW的电站),但其经济性很大程度上取决于多变的燃料价格,一般是天然气。联合循环电厂的配置很多变,比如一个3-1联合循环设施有三个燃气涡轮和一个蒸汽涡轮。其他的配置包括(1-1)、(2-1)、(3-1)、(4-1)、(5-1)、(6-1)等。

单一循环或者开式循环的燃气涡轮发电站(不含蒸汽循环)有时候会用在紧急场合或峰值电厂中。其热效率要低很多。它的运行成本远高于初始成本,故本来就设计成一年仅运行几百个小时。还有一些采用多级的方式,即首级使用开式循环燃气涡轮,然后再连接到其他的涡轮;或在未来转换成闭式循环。

往复式发动机[编辑]

压燃式内燃机发电机组常用作临时的备用发电机。它们常常使用内燃机燃烧燃料油或者天然气来发电。柴油引擎在低转速时就能有很大的转矩,很适合交流发电机

火花点火式内燃机(即汽油机)的燃料包括汽油、丙烷、液化石油气(LPG)等,经常用作移动性的临时发电机,用在建设工程、户外紧急用电等场合。

往复式外燃机如斯特林发动机可以使用多种多样的化石燃料发电。不过现在在工业上已经非常少见。

汽電共生[编辑]

热电联产又稱汽電共生,是指用电厂同时发电和廢熱供热。尽管从热力循环中抽热会导致电站热效率有所降低,但是如果专门使用一部分燃料燃烧来供热,总效率反而更低,所以汽電共生設備如果設計得當有其利基點存在。热电联产技术在丹麦等斯堪的纳维亚国家以及德国的一部分被广泛使用。

环境影响[编辑]

位于内达华劳夫林的Mohave发电站,已因为环境因素于2005年关闭[6]

世界能源需求预计到2030年将提升60%。[7]介于全球有超过5万座活动的煤电站,[8]國際能源署预计到2030年仍有85%的能源是化石燃料。[7]

一些国际组织密切关注化石燃料,尤其是煤对环境的影响。煤燃烧是空气污染以及酸雨的罪魁祸首,而燃煤所排出的二氧化碳是溫度氣體之一,會做成溫室效應,现在已經可以肯定人為排放溫室氣體是近期全球暖化的主因,所以排放二氧化碳與全球暖化有極大關系[9][10]。因为其化学结构所致,很难在燃烧之前从固体煤中去除杂质。不过,得益于现代工业的发展,通过对烟囱排放的废气的过滤,当代煤电站的污染已比过去小很多。当代燃煤电站的污染排放包括碳氧化物(主要为二氧化碳)、氮氧化物以及二氧化硫等。

酸雨是由二氧化硫和氮氧化物导致的。这些气体本身的酸性有限,但是在和空气反应之后,会产生诸如亚硫酸硫酸硝酸等酸性化合物,最终导致酸雨。在美国欧洲,随着排放法规的日渐严格和重工业的衰落,酸雨的危害正在逐渐减小,已低於1960年代的最高峰。然而這些污染工業卻轉移到大部分開發中的國家,如中國、印度、越南、泰國、印尼、巴西、墨西哥等,所以全球的工業污染並沒有得到適當的控制,並且日愈嚴重,這是全人類必須嚴肅面對的緊急課題。

歐洲環境署基于欧盟的发电站,给出了不同燃料的排放量。[11]

污染物 硬煤 褐煤 燃料油 其他油 气体燃料
CO2 (g/GJ) 94600 101000 77400 74100 56100
SO2 (g/GJ) 765 1361 1350 228 0.68
NOx (g/GJ) 292 183 195 129 93.3
CO (g/GJ) 89.1 89.1 15.7 15.7 14.5
非甲烷有机化合物 (g/GJ) 4.92 7.78 3.70 3.24 1.58
颗粒物 (g/GJ) 1203 3254 16 1.91 0.1
废气体积总量 (m3/GJ) 360 444 279 276 272
各種發電方法所產生的每單位電最所產生整體二氧化碳排放量[12]
發電放法 簡述 每單位電量所產生的二氧化碳 (g CO2/kWhe))(百一分段價)
水力發電 水塘 4
風力發電廠 位於陸地的 12
核電 第二代核反應堆 16
生質燃料 18
聚光太陽能熱發電 22
地熱發電 45
太陽能電池 多晶硅太陽能電池 46
燃氣發電 燃氣渦輪聯合廢熱回收蒸汽發生器 469
燃煤發電 1001

火电厂的替代物[编辑]

化石能源的替代物包括核能太阳能地热能风能潮汐能水力发电以及其他可再生能源。其中有些已经在工业中实际使用(如核能、风能、潮汐能和水力发电),其他很多还在开发研究之中。不过就目前而言,其他各种电站的发电成本仍然高于化石燃料发电,不过这里仅考虑了直接成本(燃料、建设等),未考虑污染等导致的间接成本所需的费用(例如污染导致人类疾病的医疗成本)。另外,這些电站需要在特定的地方建設才能發揮作用,而且運作時仍然會對生態環境構成一定程度的影響。

参见[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ EIA.doe.gov
  2. ^ Washington Post 7-5-2011 | http://www.washingtonpost.com/blogs/capital-weather-gang/post/new-study-blames-10-year-lull-in-global-warming-on-china-coal-use-air-pollution/2011/07/05/gHQAwjV8yH_blog.html
  3. ^ Electrical Generation Efficiency—Working Document of the NPC Global Oil & Gas Study, 18 July 2007
  4. ^ Avedøre Power Station from the web page of DONG Energy
  5. ^ GE Power’s H Series Turbine
  6. ^ SEC Mohave Generation Station Retrieved 24-07-2008
  7. ^ 7.0 7.1 World Outlook 2004, Paris: 國際能源署. 2004-10-26:  31 [2006-06-13], ISBN 92-64-1081-73 
  8. ^ Carbon Dioxide Emissions From Power Plants Rated Worldwide. Science News. 2007-11-15 [2008-01-29]. 
  9. ^ Hegerl, Gabriele C.; et al.. Understanding and Attributing Climate Change (PDF). 2007年氣候變化-物理基礎。由政府間氣候變化專門委員會第四個評估報告第一個工作小組提供. 政府間氣候變化專門委員會. 690. 2007-05-07 [2007-05-20]. "Recent estimates (Figure 9.9) indicate a relatively small combined effect of natural forcings on the global mean temperature evolution of the seconds half of the twentieth century, with a small net cooling from the combined effects of solar and volcanic forcings" 
  10. ^ Ammann, Caspar; et al.. Solar influence on climate during the past millennium: Results from transient simulations with the NCAR Climate Simulation Model (PDF). Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2007-04-06, 104 (10): 3713–3718. doi:10.1073/pnas.0605064103. PMID 17360418. "However, because of a lack of interactive ozone, the model cannot fully simulate features discussed in (44)." "While the NH temperatures of the high-scaled experiment are often colder than the lower bound from proxy data, the modeled decadal-scale NH surface temperature for the medium-scaled case falls within the uncertainty range of the available temperature reconstructions. The medium-scaled simulation also broadly reproduces the main features seen in the proxy records." "Without anthropogenic forcing, the 20th century warming is small. The simulations with only natural forcing components included yield an early 20th century peak warming of ≈0.2 °C (≈1950 AD), which is reduced to about half by the end of the century because of increased volcanism." 
  11. ^ Air pollution from electricity-generating large combustion plants, Copenhagen: EEA. 2008, ISBN 978-92-9167-355-1 
  12. ^ http://srren.ipcc-wg3.de/report/IPCC_SRREN_Annex_II.pdf see page 10 Moomaw, W., P. Burgherr, G. Heath, M. Lenzen, J. Nyboer, A. Verbruggen, 2011: Annex II: Methodology. In IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation.

参考书籍[编辑]

  • Steam: Its Generation and Use (2005). 41st edition, Babcock & Wilcox Company, ISBN 0-9634570-0-4
  • Steam Plant Operation (2005). 8th edition, Everett B. Woodruff, Herbert B. Lammers, Thomas F. Lammers (coauthors), McGraw-Hill Professional, ISBN 0-07-141846-6
  • Power Generation Handbook: Selection, Applications, Operation, Maintenance (2003). Philip Kiameh, McGraw-Hill Professional, ISBN 0-07-139604-7
  • Standard Handbook of Powerplant Engineering (1997). 2nd edition, Thomas C. Elliott, Kao Chen, Robert Swanekamp (coauthors), McGraw-Hill Professional, ISBN 0-07-019435-1

外部链接[编辑]