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1、电力工业信息化 教 案,第一章 序论,一、电力系统的形成和发展 1831年法拉第发现了电磁感应定律，出现了原始的交流发电机，直流发电机和直流电动机。特点：低压直流输电（100-400V）距离近，功率小。 1882年出现第一次高压输电，法国弥斯巴赫-幕巴黑（57km），直流1500-2000V，输送功率1.5kW，可认为是世界上第一个电力系统，包含了发电，输电，用电设备等电力系统的各个重要组成部分。 对输送功率和输送距离的更高要求，交流输电代替直流输电，1885年制成变压器，单相交流输电，1891年三相变压器和三相异步电机，实现三相交流输电。,1891年近代电力系统雏形：德国起自劳芬镇水轮发电机
2、组，功率230kVA，电压95V，转速150r/min，升压至25000V，经直径为4mm的铜线输至178km外的法兰克福。法兰克福端，两台变压器降至112V，供白炽灯和异步电机驱动水泵（75kW）。 三相交流制发电机迅速发展；汽轮发电机组取代以蒸汽机为原动机的发电机组；发电厂之间出现并列运行；输电电压，输送距离和输送功率不断增大；出现了全国性和跨国性的电力系统。 二、近代电力系统 电源构成：不仅有燃烧煤、石油、天然气等利用化学能的火力发电厂，利用水能的水力发电厂，利用核能的原子能发电厂（传统能源）；还有利用太阳能、风能、生物质能、地热能、潮汐能等的发电厂（新能源）。 负荷成分：电动机、电灯、
3、电热电炉、整流装置等等。,运行管理高度自动化：日益数字化的测量保护控制装置，分散控制系统，监督管理系统（SIS），能量管理系统（EMS）等等。 输电电压电压已超过1000kV，输送距离已超过1000km，输送功率已超过5000MW。个别跨国电力系统中发电设备的装机总容量已超过400GW。 为彻底解决同步发电机并列运行的稳定性问题，提高输送能力，直流输电重新被启用。输电电压已超过正负600kV，输送距离已超过1000km，输送功率已超过3000MW。,三、能源概述 一次能源：以自然形式存在于自然界可以利用的能演，如煤炭、石油、天然气、水能、风能、核能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能等。 二次能
4、源：由一次能源加工转换而来的能源，如电能、机械能、热能（蒸汽、热水）、煤气、焦炭以及石油提取出来的成品油类等。 非再生能源：一次能源中的煤炭、石油、天然气、原子裂变能随着人类的开发利用而逐渐减少。 可再生能源：水能、风能、聚变能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能,电能是清洁、方便的能源，可很方便的转成其他形式的能，电能品质最高。可方便地实现远距离传输，生产使用上可进行有效的精确控制。 常规能源：人类能够大规模利用的能源，如煤炭、石油、天然气、水能、原子裂变能。 新能源：风能、太阳能、省物资能、地热能、海洋能等。 能源革命：化石燃料（煤炭、石油、天然气）在一次能源消费中占90%以上，产生的排放物
5、（粉尘、SO2、CO2、NOx）是引起环境污染、生态破坏的重要原因。新能源是清洁能源，其开发利用不会（或较少）污染环境。应大规模开发利用新能源和可再生能源并提高利用率和节约能源,电力弹性系数：指电力增长速度与国民经济总产值增长速度的比值。我国目前应接近1，低于0.8将制约国民经济的发展。电力是基础，电力要先行。,四、电力系统的组成：由各种发电厂和输配电网组成。 发电厂：把各种天然能源(煤、水能、原子能等)转换成电能的工厂。 火电厂的三大主机：机(汽轮机)、炉(锅炉)、电(发电机) 火电厂的主要生产系统：燃烧系统、汽水系统、电气系统 输配电网：简单的说，就是各种变压器和其相连的输电线及相关设备组
6、成。,五、电力系统运行的特点 1.电能不能储存。指的是不能大量储存。电能的生产、输送、分配和使用是在同一时刻完成的。 2.暂态过程非常迅速。电能以电磁波的形式传播。发电机、变压器、线路、用电设备的投入或者停运都在瞬间完成，故障的发生和发展十分短促，电力系统的暂态过程非常迅速。 3.电力和国民经济各部门间的关系密切。 六、动力系统与电力系统 动力系统：发电厂、变电所、电能用户之间用电力线路连接起来，发电厂与热能用户之间用热力管道连接起来，构成电能和热能的统一生产、输送、分配和使用的总体。,电力系统作为动力系统的一部分，包括发电厂的发电机、升压及降压变电所、电力线路及用电设备。电力网：是电力系统的
7、一部分，包括变电所及不同电压等级的电力线路。,用单线图表示为：,电 力 网：变电所+输配电线路,电力系统：发（电气部分）+变+输+配+用,动力系统：电力系统+发电厂动力部分,凝汽式火电厂生产过程示意图,1.热力网 2.变压器 3.负荷 4.高压电机 5.照明负荷 6.低压电机,第二节 火电厂基本知识,一、热力学基本定律 能够将热能转换成机械能的动力设备称之为“热力发动机”（热机），完成能量转换所必须借助的中间媒介物质称之为“工质”；工质应具有良好的流动性和膨胀性，因此热机都采用气（汽）态物质作为工质。火电厂的热机是汽轮机和燃气轮机，工质分别为水蒸汽和化石燃料燃烧后产生的烟气。,工质在进入热机前
8、，需从其他物质（如锅炉）吸取热量，这物体叫做“高温热源”（热源），而接受工质放出热能的物体（如凝汽器）称为“低温热源”（常称为冷源） 常用参数：压力（p，压强），温度（T，热力学温标），比容（v，与密度互为倒数），焓（h，比焓）；压力、比容是衡量单位工质做功能力大小的一个尺度；焓是用来衡量单位工质具有“热力势能”大小的一个尺度，国际单位为“J/kg、kJ/kg”。,如果一个热力系统在不受外界影响的条件下，其状态能保持长时间不变化，则系统处于“平衡状态”，这时可用参数来描述； 要实现热能与机械能的转换需通过工质状态的变化才能完成，热力系统由其初始平衡状态，经过一系列的中间状态而达到另一新的平衡状
9、态，其中间的物理变化过程称为“热力过程”（过程）。 常见的基本热力过程有：（1）定压过程(如工质在锅炉内的吸热过程）；（2）定温过程（如工质在凝汽器内的放热过程）；（3）定容过程（如工质在过热器内的加热过程）；（4）绝热过程（如工质在汽轮机内的膨胀做功过程）,热力学第一定律：是能量转换及守恒定律在热现象上的应用，“热可以变为功，功也可以变为热。一定量的热消失时，必产生与之数量相当的功；消耗一定量的功时，也必出现相应数量的热”。其基本表达形式为进入系统的能量 - 离开系统的能量 = 系统储存能量的增加当流动过程为稳定流动时，在开口系统可简化为进入系统的能量 = 离开系统的能量应用：忽略进出口的势
10、能差和动能差，在理想情况下单位工质对汽轮机所做的功为w = h1 - h2,热力学第二定律：热量总是从高温物体传向低温物体，但反过来却不可能自发进行。一切自然过程都具有方向性。热力学第二定律指出了一切自然过程的不可逆性，是解决与热现象有关的各种过程进行的方向、条件和深度等问题的定律。有各种表述方法，但本质一样，典型的说法：(1)热不可能自发地、不付代价地从低温物体传向高温物体(2)凡是有温度差的地方都能产生动力(3)不可能制造出从单一热源吸热，使之全部转化为功而不留下其他任何变化的热力发动机。,热力学第二定律指出，只从一个热源吸热而连续做功的循环发动机是造不成功的（第二类永动机是不可能存在的）
11、，热向功的转化过程是非自发的，要使过程得以进行，必须付出一定的代价，此代价就是使部分从高温热源获取的热量排向低温热源，即系统从高温热源吸取的热量中，除一部分转变为功外，另一部分必须排放到低温热源（冷源损失不可避免），热机不可能将热能全部转变为机械能。,著名的卡诺循环（由两个等温过程和两个绝热过程组成）是实际动力循环中效率最高的理想循环，它在理论上确定了一定范围内热能转变为机械功的最大限度，为实际循环的组成及热效率的提高指出了方向与途径，其循环的热效率表达式为t = 1 - T2/T1,由上式得出的一些重要结论如下：(1)循环效率决定于高温热源与低温热源的温度T1和T2，提高工质吸热温度并且尽可
12、能降低工质排向冷源（大气环境）的温度，可提高循环热效率。(2)循环热效率永远小于100%，因为T1为无穷和T2=0都是无法实现的，这真是热力学第二定律所揭示的规律。(3)当T1=T2时，循环热效率为零。意即，在没有温度差存在的体系中，热能不可能转变为机械功，要利用热能来产生动力，就一定要有温度高于环境的高温热源。,(4)在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆循环，均具有相同的热效率，且于工质的性质无关。(5)在两个不同温度的恒温热源间工作的任何不可逆循环，其热效率必低于在两个同样恒温热源间工作的可逆循环。实际循环都是不可逆循环，其热效率必低于同温限的卡诺循环。,二、水蒸气动力循环 水蒸气的定
13、压加热过程：在常规火电厂的动力循环中以水蒸气作为工质，它是在锅炉中定压下由水加热而形成的。加热过程中的形态依次为过冷水（低于饱和温度的水，也称未饱和水）、饱和水（水开始沸腾，对应的温度叫饱和温度，与压力一一对应）、湿蒸气（湿饱和蒸汽，湿蒸气中饱和蒸汽占总量的份额用干度x来表示）、干饱和蒸汽（x=1，并且温度仍然是饱和温度）、过热蒸汽（过热蒸汽的温度与其饱和温度的差值，称为过热度）。 过冷水定压加热成过热蒸汽，经历了三个阶段： （1）过冷水加热到饱和水的预热阶段，所需热量为预热热； （2）饱和水汽化成干饱和蒸汽的汽化阶段，所需的热量为汽化潜热,（3）干饱和蒸汽加热成过热蒸汽的过热过程，所需的热量
14、为过热热。 临界点：在加热过程中，工质的比容、焓值持续增大，其中比容从过冷水到饱和水增加不大，而饱和水到饱和汽比容迅速增大，且压力值越低饱和汽和饱和水比容差值越大，压力提高，差值减小。当压力升高到某一值时，差值为零，饱和水与饱和汽具有相同参数且汽化潜热等于零，此时的状态点为“临界点”，所对应的临界参数即pcr=22.129MPa，tcr=374.15oC。这表明，当蒸汽温度大于临界温度时，加压不能使水蒸气液化。,朗肯循环：由水泵打出高压水，经锅炉加热、汽化、过热三个阶段被加热成高温、高压的过热蒸汽，送入汽轮机膨胀做功将蒸汽热能转换成机械能，从汽轮机排出的低温、低压蒸汽引入凝汽器凝结成水再由水泵
15、重新打入锅炉，完成封闭的朗肯循环。,由四个理想的基本热力过程构成： （1）12为过热蒸汽在汽轮机内的理想绝热膨胀做功过程，所做的功为w=h1-h2； （2）23为乏汽（汽轮机排汽）向凝汽器（冷源）的理想定压放热的完全凝结过程，其放热量为q2=h2-h3； （3）34为凝结水通过水泵的理想越热压缩过程，所消耗的功为wp=h4-h3； （4）41为高压水在锅炉内经定压加热、汽化、过热而成为过热蒸汽的理想定压过程，所吸收的热量为q1=h1-h4；,由此，1kg工质按照朗肯循环工作每循环一次向外输出的净功率w0为汽轮机输出功与水泵耗功之差，即w0=w-wp=（h1-h2）-（h4-h3） 朗肯循环的热
16、效率为t = w0 / q1 =（h1-h2）-（h4-h3） / (h1-h4) 因水泵耗功所占比例很小，在分析时可忽略不计，上式可简化为t = （h1-h2）/ (h1-h2 ) 可知，循环热效率t取决于h1、h2、h2 （排气压力下的饱和水焓）的大小，提高h1、h2 以及降低h2可以使t增加。,h1是汽轮机的进汽焓，其值取决于蒸汽的初压和温度； h2、h2分别是排汽压力下的排汽焓和饱和水焓，显然取决于排气压力的高低。 为了提高蒸汽动力装置循环的热效率，应尽可能提高蒸汽的初压和初温并降低排汽压力。现在压临界（17MPa左右）、超临界（23MPa以上）压力得到广泛应用，但提高初温受金属材料耐热性能的限制，国内的蒸汽初温一般控制在540oC左右。 降低汽轮机的排汽压力可使工质向冷源的放热量减少，从而提高循环热效率。但排汽压力的降低受环境温度的限制，通常为5kPa左右。冬季温度低，相应的排汽压力也低，循环效率比夏季要高一些。,中间再热循环：降低排汽压力可以提高循环热效率，但蒸汽排出汽轮机的干度随之降低，使汽轮机的内部损失增加、末几级叶片受湿蒸汽的冲蚀加剧，影响汽轮机安全、经济运行。排汽干度不能太低（一般x0.88），适当改进朗肯循环，采取“再热”的方法，可提高排汽干度。,
