火力發電廠

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美國佛羅里達阿波羅海灘的Big Bend發電廠。
猶他州莫納市的Currant Creek天然氣發電廠。
2009年美國電力來源分布。[1]

火力發電廠(簡稱火電廠)或稱化石燃料發電廠,是通過燃燒諸如天然氣石油等來發的發電廠,被設計成可以持續地大量發電,在許多國家,大部分電能均由火力發電廠提供。

火力發電廠(除了磁流體發電機)通過各種旋轉機械將燃燒產生的熱能轉換為機械能,然後驅動發電機。原動機通常是蒸汽機燃氣輪機,在一些較小的電站,也有可能會使用內燃機。他們都是通過利用高溫、高壓蒸汽或燃氣通過透平變為低壓空氣或冷凝水這一過程中的壓降來發電的。

火電站發電帶來許多其他副產物,併產生諸多的環境影響。根據卡諾循環的原理,總有一部分廢棄熱要通過冷卻塔排放到大氣,或被自然江河等水體冷卻。化石燃料燃燒後的煙道氣會被排放到大氣,其主要成分是二氧化碳、水蒸氣、以及其他的一些成分比如氮氣、氮氧化物、氧化硫等,如果是煤發電廠,還會有粉煤灰等。煤燃燒後的殘渣也必須從鍋爐中排除,有些可以用來回收製作建築材料。

火力發電廠是二氧化碳的主要排放來源。近一百年來這種溫室氣體的大量排放導致全球變暖。每產生一度電,褐煤排放的二氧化碳大約是天然氣的3倍,黑煤則是天然氣的2倍。嘗試將排放中碳收集儲存起來在2025年之前是不現實的。雖在過去的十年,全球變暖進入了一個「暫停期」,但近來的一項研究表明,這可能是因為中國的火力發電廠(主要以煤為燃料)大量的硫排放造成的。[2]

明尼蘇達州羅契斯特的一座運行中的發電廠。

名稱辨析[編輯]

火力發電廠從字面上來看是指有燃燒過程參與的發電廠。不過英語中並無對應詞彙,常用fossil-fuel power station來描述燃燒化石燃料的電廠(化石燃料發電廠),細分時可用諸如coal-fired(燃煤)之類的名稱。理論上來講,燃燒生物質能的電廠在中文中也可以被叫做火力發電廠,不過實際上一般所指的火力發電廠都是化石燃料發電廠。

熱力發電廠一般特指用蒸汽發電的發電廠,如大部分的化石燃料發電廠(然而使用燃氣輪機發電的就不是用蒸汽發電的)、核電站以及地熱發電站等。有時也指一切用熱機發電的電廠,這樣用燃氣輪機內燃機發電的電廠也可計算在內。不過在實際使用中,很多時候熱電廠就是指火電廠。還有一種情況,使用熱電廠發電廠分別指熱電聯產的電廠和單純發電的電廠。

基本概念[編輯]

在火力發電廠中,各種化石燃料如燃料油天然氣油頁岩中儲存的化學能被逐步轉換成熱能機械能最後變成電能,供向四方。火力發電廠是一個高度複雜的系統,其建造成本可達1300美元千瓦發電能力,或者說一個500MW發電力的電廠需要約6億5千萬美元。一個發電廠常常有多個發電單元,以節省人力、物力資源。世界上大部分的熱力發電廠都使用化石燃料,數量超過地熱生物質能太陽能發電站。

熱能到機械能[編輯]

熱力學第二定律顯示任何閉式熱力學循環只能把燃燒產生的熱能部分地轉換為。剩下的熱,叫做廢熱,必須被排放到較冷的環境中,以回到循環的起始點。排到冷源的熱的比例必須等於或大於冷源的絕對溫度和熱源(燃燒爐)的絕對溫度的比。提高鍋爐溫度可以提升效率,但是也增加了設計的複雜程度——主要是需選用更高水平的合金,使得爐的造價提升。廢熱無法轉換為機械能,除非有一個溫度更低的冷卻系統。 然而,廢熱可以在熱電聯產發電廠中輸出,用來加熱建築、生產熱水或在工業中用來加熱材料,例如用在某些煉油廠化學合成廠中。

工業上發電機的典型熱效率對於燃煤或燃油大約在33%左右,燃氣聯合循環電廠可達50%。峰值電廠通常效率低一些,因為它們不能總是工作在最理想的設計工況中(例如溫度過低)。[3]

把熱能轉換成有用功的理論最大效率是卡諾循環,故所有實際的火電廠不可能超過此限制。燃料電池不受此限制,因為它們不是用此原理發電。

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山西一處煤礦

煤是地球上最豐富的化石燃料之一。它相對而言比較便宜,而且中國印度美國等政治較為穩定的國家都擁有大量儲量,而不像石油天然氣主要依賴風雲多變的波斯灣進口故其供應相對穩定。然而如想替代甚至取代石油或天然氣,煤必須要轉換成液體或者氣體,因為石油多用在運輸上,而天然氣除了發電主要用在家庭、水以及工業供熱上,這樣的轉換是不經濟的,尤其是考慮到汽車或者加熱器還必須得進行改造以適用於新燃料。另外,如果不回收廢氣,煤產生的污染要比石油或者天然氣嚴重,尤其是如果算上二氧化碳溫室氣體的話。

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,中國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發電廠是丹麥的Avedøre發電廠[4]

燃料輸送[編輯]

在美國,燃煤電站提供了約46%的電能。此為猶他州的Castle Gate電站。

煤通過高速公路卡車鐵路船舶或煤漿管道等方式輸送。一些電廠甚至直接建在煤礦邊上,用傳送帶送煤。大型的運煤火車專列可長達兩公里,包含100節車廂,每節載煤100英噸以上,總量可達一萬英噸。大型的電廠在全負荷時每天至少需要一列這樣的火車。在用電高峰期,如最熱的夏天和最冷的冬天(視當地氣候而定),電廠甚至每天需要三到五列這樣的火車。例如位於安大略的北美最大燃煤電廠Nanticoke發電站英語Nanticoke Generating Station,每個冬天的結冰期就需要儲備幾百萬公噸的煤供使用。

電站有時也會使用燃料油。燃料油可以通過管道、油船等方式運輸。油在電廠先被儲存在圓柱形的鋼桶里。黏度較高的油燃燒前可能需要先進行加熱。

燃天然氣電站經常建在天然氣管道旁邊,或者用專用管道傳輸過來。

燃料處理[編輯]

1會先被先碾成長度不大於2英寸(5公分)的小塊,然後運送到電廠的堆料場上,通過傳送帶源源不斷的輸入。其用量最高可達每小時3600噸。

對於燃燒粉煤的電廠,煤塊在進入鍋爐之前會先在磨煤機里磨成粉,然後用預熱空氣吹進爐中。一個500MWe的發電站可能有6個這樣的磨煤機(一個備用),全力負載時可以每小時提供200多噸進入鍋爐。不燃粉煤的電廠,2英寸(51公釐)的煤塊直接通過料倉送到活動爐排或旋風爐(一種可以高效燃燒大塊燃料的燃燒器)中。

至於燃料油和天然氣發電站,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[編輯]

蒸汽發電[編輯]

大部分化石燃料都是通過蒸汽發電的。自從1906年渦輪發動機發明以來,往複式的蒸汽機逐漸被淘汰了。

燃氣渦輪發電[編輯]

480兆瓦 GE H系列電廠燃氣渦輪
猶他州莫納市的Currant Creek燃天然氣發電廠。

一種類型的火電廠用燃氣渦輪聯合廢熱回收蒸汽發生器(HRSG)發電。這被稱作聯合循環發電廠,因為它包含了燃氣渦輪的布雷頓循環和HRSG的郎肯循環。其效率可達6003千焦/千瓦時,熱效率接近60%,在威爾斯Baglan Bay發電廠實現[5]

燃氣渦輪的燃料可以是天然氣、 合成氣或燃料油。儘管這種發電站效率更高且建造更快(甚至可以在18個月內從零建造一個1000MW的電站),但其經濟性很大程度上取決於多變的燃料價格,一般是天然氣。聯合循環電廠的配置很多變,比如一個3-1聯合循環設施有三個燃氣渦輪和一個蒸汽渦輪。其他的配置包括(1-1)、(2-1)、(3-1)、(4-1)、(5-1)、(6-1)等。

單一循環或者開式循環的燃氣渦輪發電站(不含蒸汽循環)有時候會用在緊急場合或峰值電廠中。其熱效率要低很多。它的運行成本遠高於初始成本,故本來就設計成一年僅運行幾百個小時。還有一些採用多級的方式,即首級使用開式循環燃氣渦輪,然後再連接到其他的渦輪;或在未來轉換成閉式循環。

往複式發動機[編輯]

壓燃式內燃機發電機組常用作臨時的備用發電機。它們常常使用內燃機燃燒燃料油或者天然氣來發電。柴油引擎在低轉速時就能有很大的轉矩,很適合交流發電機

火花點火式內燃機(即汽油機)的燃料包括汽油、丙烷、液化石油氣(LPG)等,經常用作移動性的臨時發電機,用在建設工程、戶外緊急用電等場合。

往複式外燃機如斯特林發動機可以使用多種多樣的化石燃料發電。不過現在在工業上已經非常少見。

汽電共生[編輯]

熱電聯產又稱汽電共生,是指用電廠同時發電和廢熱供熱。儘管從熱力循環中抽熱會導致電站熱效率有所降低,但是如果專門使用一部分燃料燃燒來供熱,總效率反而更低,所以汽電共生設備如果設計得當有其利基點存在。熱電聯產技術在丹麥等斯堪的納維亞國家以及德國的一部分被廣泛使用。

環境影響[編輯]

位於內達華勞夫林的Mohave發電站,已因為環境因素於2005年關閉[6]

世界能源需求預計到2030年將提升60%。[7]介於全球有超過5萬座活動的煤電站,[8]國際能源署預計到2030年仍有85%的能源是化石燃料。[7]

一些國際組織密切關注化石燃料,尤其是煤對環境的影響。煤燃燒是空氣污染以及酸雨的罪魁禍首,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,現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]。因為其化學結構所致,很難在燃燒之前從固體煤中去除雜質。不過,得益於現代工業的發展,通過對煙囪排放的廢氣的過濾,當代煤電站的污染已比過去小很多。當代燃煤電站的污染排放包括碳氧化物(主要為二氧化碳)、氮氧化物以及二氧化硫等。

酸雨是由二氧化硫和氮氧化物導致的。這些氣體本身的酸性有限,但是在和空氣反應之後,會產生諸如亞硫酸硫酸硝酸等酸性化合物,最終導致酸雨。在美國歐洲,隨著排放法規的日漸嚴格和重工業的衰落,酸雨的危害正在逐漸減小,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。

歐洲環境署基於歐盟的發電站,給出了不同燃料的排放量。[11]

污染物 硬煤 褐煤 燃料油 其他油 氣體燃料
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
非甲烷有機化合物 (g/GJ) 4.92 7.78 3.70 3.24 1.58
顆粒物 (g/GJ) 1203 3254 16 1.91 0.1
廢氣體積總量 (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 第二代核反應爐 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 多晶矽太陽能電池 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

火電廠的替代物[編輯]

化石能源的替代物包括核能太陽能地熱能風能潮汐能水力發電以及其他可再生能源。其中有些已經在工業中實際使用(如核能、風能、潮汐能和水力發電),其他很多還在開發研究之中。不過就目前而言,其他各種電站的發電成本仍然高於化石燃料發電,不過這裡僅考慮了直接成本(燃料、建設等),未考慮污染等導致的間接成本所需的費用(例如污染導致人類疾病的醫療成本)。另外,這些電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。

參見[編輯]

參考文獻[編輯]

  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.

參考書籍[編輯]

  • 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

外部連結[編輯]