电是现代社会不可缺少的,发电厂就是将其他形式的能量转化为电能的工厂.按照资源的能量形式不同,常见的有火力发电厂、水力发电厂和核电厂等.
火力发电厂
火力发电一般是指利用煤炭、石油和天然气等燃料燃烧时产生的内能来加热水,使水变成高温、高压的水蒸气,然后再由水蒸气推动发电机来发电的方式的总称.目前我国的火电厂以燃煤为主.
最早的火力发电是1875年在法国巴黎北火车站的火电厂实现的.这座火电厂安装直流发电机,给附近照明供电.随后,美国、俄国、英国也相继建成火电厂.1886年,美国建成第一座交流发电厂.1891年,英国电灯公司的火电厂安装第一台带有凝汽器的发电机组,容量100千瓦,热效率大为提高.1882年,中国上海建成一座装有12千瓦直流发电机的火电厂(乍浦路火电厂),为电灯供电.组织建造中国第一套火力发电设备的是热能动力工程专家杨锦山.目前中国内地最大的火电厂是浙江北仑发电厂(300万千瓦).截止到2009年底,我国发电设备总容量是8.7亿千瓦,其中火电6.5亿千瓦,占总发电量的74.7%.
如图1是火力发电厂从煤到电的生产流程图,根据火力发电的生产流程,其基本组成包括燃烧系统、汽水系统、电气系统和控制系统.
火力发电的优越性是投资相对较少,适合我国现阶段国情,烧煤的成本比较低.它的弊端:一是效率低,传统的火力发电站的燃烧能量大约有近70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上;二是污染大,有烟气污染:煤炭直接燃烧排放大量的SO2、NOX等酸性气体,使我国很多地区酸雨量增加.全国每年产生140万吨SO2.还有粉尘污染:对电站附近环境造成粉煤灰污染,对人们的生活及植物的生长造成不良影响.全国每年产生1500万吨烟尘;三是资源消耗大,发电的汽轮机通常选用水作为冷却介质,一座1000兆瓦火力发电厂每日的耗水量约为10万吨.我国每年火力发电要消耗5000万吨标准煤,且污染严重,电力工业已经成为我国最大的污染排放产业之一.
水力发电厂
水力发电是利用江河水流从高处流到低处的落差所具备的势能转化为动能,冲击推动水轮机旋转,带动发电机发电(如图2).
世界第一座水电站1878年在法国建成.美洲第一座水电站建于美国威斯康星州阿普尔顿的福克斯河上,由一台水车带动两台直流发电机组成,装机容量25千瓦,于1882年 9月30日发电.欧洲第一座商业性水电站是意大利的特沃利水电站,于1885年建成,装机容量65千瓦.1895年在美国与加拿大边境的尼亚加拉瀑布处建造了一座大型水轮机驱动的3750千瓦水电站.进入20世纪以后由于长距离输电技术的发展,使边远地区的水力资源逐步得到开发利用,并向城市及用电中心供电.30年代起水电建设的速度和规模有了更快和更大的发展,由于筑坝、 机械、 电气等科学技术的进步,人们已能在十分复杂的自然条件下修各种类型和不同规模的水力发电工程.
中国是世界上水力资源最丰富的国家之一,可开发量约为3.78亿千瓦.中国内地第一座水电站为建于云南省螳螂川上的石龙坝水电站,始建于1910年7月,1912年发电,当时装机容量480千瓦,以后又分期改建、扩建,最终达6000千瓦.截至2009年底,全国水电装机容量约2亿千瓦,占总发电装机容量的22.5%.目前,我国的三峡水电站是世界最大的水电站,左岸厂房安装14台水轮发电机组,右岸厂房安装12台,总共装机26台;单机容量70万千瓦,装机总容量为1820万千瓦,年发电量为846.8亿千瓦时.此前世界上最大的水电站是位于南美洲巴拉那河上的伊泰普水电站,总共装机18台,单机容量70万千瓦,装机总容量为 1260万千瓦,年发电量为710亿千瓦时.
水力发电厂为了有效利用天然水能,需要人工修筑能集中水流落差和调节流量的水工建筑物,如大坝、引水涵管等.因此工程投资大、建设周期长.但水力发电效率高,发电成本低,机组启动快,调节容易.由于利用自然水流,受自然条件的影响较大.水力发电往往是综合利用水资源的一个重要组成部分,与航运、养殖、灌溉、防洪和旅游组成水资源综合利用体系.
核电厂
核电厂是将原子核裂变释放的核能转变为电能,通常称为核电站(也称原子能发电站).核电站是怎样发电的呢?简而言之,它是以核反应堆来代替火电站的锅炉,以核燃料在核反应堆中发生特殊形式的“燃烧”产生热量,来加热水使之变成蒸汽.蒸汽通过管路进入汽轮机,推动汽轮发电机发电.一般说来,核电站的汽轮发电机及电器设备与普通火电站大同小异,其奥妙主要在于核反应堆.核电站除了关键设备——核反应堆外,还有许多与之配合的重要设备.以压水堆核电站为例,它们是主泵、稳压器、蒸汽发生器、安全壳、汽轮发电机和危急冷却系统等.它们在核电站中有各自的特殊功能.
1954年世界上第一座核电站建成——奥布灵斯克核电站,它位于俄罗斯卡卢加州,总输出功率5000千瓦,于2002年正式关闭.秦山核电站(如图3)是我国自行设计、建造和运营管理的第一座30万千瓦压水堆核电站,地处浙江省海盐县.目前秦山核电站已有5台发电机组,总装机容量290万千瓦.
核电站是一种高能量、少耗料的电站.以一座发电量为100万千瓦的电站为例,如果烧煤,每天需耗煤 7000～8000吨左右,一年要消耗200多万吨.若改用核电站,每年只消耗1.5吨裂变铀或钚,一次换料可以满功率连续运行一年.可以大大减少电站燃料的运输和储存问题.此外,核燃料在反应堆内燃烧过程中,同时还能产生出新的核燃料.核电站基建投资高,但燃料费用较低,发电成本也较低,并可减少污染.
火电需要燃烧煤、石油等化石燃料.一方面化石燃料蕴藏量有限、越烧越少,正面临着枯竭的危险.据估计,全世界石油资源再有30年便将枯竭.另一方面燃烧燃料将排出CO2和硫的氧化物,因此会导致温室效应和酸雨,恶化地球环境.
水电要淹没大量土地,有可能导致生态环境破坏,而且大型水库一旦塌崩,后果将不堪设想.另外,一个国家的水力资源也是有限的,而且还要受季节的影响.
核电在正常情况下固然是干净的,但万一发生核泄漏,后果同样是可怕的.前苏联切尔诺贝利核电站事故,已使900万人受到了不同程度的伤害,而且这一影响并未终止.这些都迫使人们去寻找新能源.新能源要同时符合两个条件:一是蕴藏丰富不会枯竭;二是安全、干净,不会威胁人类和破坏环境.目前找到的新能源主要有两种,一是太阳能,二是燃料电池.另外,风力发电也可算是辅助性的新能源.其中,最理想的新能源是太阳能.