新能源發(fā)電與控制技術(shù)（第4版）課件：其他形式新能源的發(fā)電技術(shù)

1其他形式新能源的發(fā)電技術(shù)23主要內(nèi)容生物質(zhì)能發(fā)電與控制技術(shù)6.1核能及其應用技術(shù)6.2水能與水力發(fā)電技術(shù)6.3海洋能利用與發(fā)電6.4地熱能發(fā)電與應用6.546.1生物質(zhì)能發(fā)電與控制技術(shù)6.1.1生物質(zhì)能的形式及其利用生物質(zhì)能是蘊藏在生物質(zhì)中的能量，是綠色植物通過葉綠素將太陽能轉(zhuǎn)化為化學能而貯存在生物質(zhì)內(nèi)部的能量。目前廣泛使用的化石能源如煤、石油和天然氣等，也是由生物質(zhì)能轉(zhuǎn)變而來的。生物質(zhì)能是可再生能源，其原料通常包括6個方面：①木材及森林工業(yè)廢棄物；②農(nóng)作物及其廢棄物；③水生植物；④油料植物；⑤城市和工業(yè)有機廢棄物；⑥動物糞便。在世界能源消耗中，生物質(zhì)能約占10％，而在不發(fā)達地區(qū)卻占60％以上，全世界約25億人所需的生活能源的90％以上是生物質(zhì)能。生物質(zhì)能屬于清潔能源，其優(yōu)點是燃燒容易、污染少、灰分較低，燃燒后二氧化碳排放屬于自然界的碳循環(huán)，不形成污染，并且生物質(zhì)能含硫量極低，僅為3％，不到煤炭含硫量的1／4，可顯著減少二氧化碳和二氧化硫的排放。缺點是熱值及熱效率低，直接燃燒生物質(zhì)的熱效率僅為10％～30％，體積大而且不易運輸。5生物質(zhì)在生長過程中通過光合作用吸收CO2，在其作為能源利用過程中，排放的CO2又有效地通過光合作用而被生物質(zhì)吸收，因而，其產(chǎn)生和利用過程構(gòu)成了一個CO2的閉路循環(huán)。即6(CH2O)是生物質(zhì)生長過程中吸收的碳水化合物的總稱。當上述兩個反應的CO2達到平衡時，將對緩解日趨嚴重的溫室氣體效應產(chǎn)生重要的作用。（6-1）（6-2）7生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)可分為直接燃燒方式、物化轉(zhuǎn)換方式、生化轉(zhuǎn)化方式和植物油利用方式4大類，各類技術(shù)又包含了不同的子技術(shù)，各種生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)的分類和子技術(shù)如圖6-1所示。（1）生物質(zhì)能存在的形式8生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)直接燃燒技術(shù)爐灶燃燒技術(shù)鍋爐燃燒技術(shù)固體燃料燃燒技術(shù)垃圾焚燒技術(shù)物化轉(zhuǎn)換技術(shù)木材干餾技術(shù)熱解氣化技術(shù)熱解制油技術(shù)生化轉(zhuǎn)換技術(shù)填埋制氣與堆肥技術(shù)小型戶用沼氣池技術(shù)大中型厭氧消化技術(shù)植物油技術(shù)禽畜糞便技術(shù)厭氧消化技術(shù)工業(yè)有機廢水厭氧消化技術(shù)制取乙醇技術(shù)直接燃燒方式直接燃燒方式可分為爐灶燃燒、鍋爐燃燒、垃圾燃燒和固體燃料燃燒4種方式。其中，固體燃料燃燒是新推廣的技術(shù)，它把生物質(zhì)固化成型后，再使用傳統(tǒng)的燃煤設備燃用。其優(yōu)點是充分利用生物質(zhì)能源替代煤炭，可以削減大氣CO2和SO2排放量。物化轉(zhuǎn)換方式物化轉(zhuǎn)換方式主要有3方面：一是干餾技術(shù)；二是氣化制取生物質(zhì)可燃氣體；三是熱解制生物質(zhì)油。干餾技術(shù)主要目的是同時生產(chǎn)生物質(zhì)炭和燃氣，它可以把能量密度低的小物質(zhì)轉(zhuǎn)化為熱值較高的固定炭或氣，炭和燃氣可分別用于不同用途。生物質(zhì)熱解氣化是把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃氣的技術(shù)，根據(jù)技術(shù)路線的不同，可以是低熱值氣，也可以是中熱值氣。熱解制油是通過熱化學方法把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體燃料的技術(shù)。9生化轉(zhuǎn)化方式生化轉(zhuǎn)化方式主要有4種：①填埋制氣與堆肥技術(shù)；②通過酶技術(shù)制取乙醇或甲醇液體燃料；③小型戶用沼氣池技術(shù)；④大中型厭氧消化技術(shù)。其中大中型厭氧消化技術(shù)又分為禽畜糞便厭氧消化技術(shù)和工業(yè)有機廢水厭氧消化技術(shù)。植物油利用方式能源植物油是從油脂植物和芳香油植物中提取的燃料油，經(jīng)加工后，可以替代石油使用。10生物質(zhì)能存在的形式大致可分為以下四種：（1）森林能源及其廢棄物（2）農(nóng)作物及其副產(chǎn)物（3）禽畜糞便（4）生活垃圾11年度無害化處理廠數(shù)量（座）201420152016201720182019112911871273130013241378122014-2019年中國垃圾無害化處理廠數(shù)量統(tǒng)計生物質(zhì)能利用技術(shù)的研究與開發(fā)是21世紀初世界范圍的重大熱門課題之一，受到世界各國政府與科學家的關(guān)注。目前，國內(nèi)外對生物質(zhì)能的利用集中體現(xiàn)在成型燃料、生物燃氣的生產(chǎn)和生物質(zhì)氣化發(fā)電上。1）生物質(zhì)能利用現(xiàn)狀成型燃料生產(chǎn)及應用

歐洲以及其他大部分地區(qū)生產(chǎn)成型燃料主要以木質(zhì)生物質(zhì)為原料。目前大部分用于各種小型熱水鍋爐、熱風爐、家庭取暖爐或壁爐，部分用于小型社區(qū)熱電聯(lián)供電站，滿足居民供暖需求。13（2）生物質(zhì)能的開發(fā)利用與發(fā)展狀況生物燃氣生產(chǎn)及應用

生物燃氣是指從生物質(zhì)轉(zhuǎn)化而來的燃氣，包括沼氣、合成氣和氫氣。目前沼氣具有較大的成本優(yōu)勢，所以生物燃氣經(jīng)常特指沼氣。生物質(zhì)氣化發(fā)電及燃氣應用

生物質(zhì)氣化發(fā)電及燃氣應用是具有我國特色的生物質(zhì)能分布式利用方式。根據(jù)國家能源局數(shù)據(jù)，截至2019年底，全國已投運生物質(zhì)發(fā)電項目1094個，累計并網(wǎng)裝機容量2254萬千瓦，其中，垃圾焚燒發(fā)電1202萬千瓦，農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電973萬千瓦，沼氣發(fā)電79萬千瓦。2019年生物質(zhì)發(fā)電量為1111億千瓦時，同比增長22.6%，占全部電源總發(fā)電量.5%。發(fā)電年平均利用小時數(shù)達5181小時，生物質(zhì)發(fā)電量顯著提升，年利用小時數(shù)保持較高水平。14（1）直接燃燒獲取熱能（2）沼氣（3）乙醇（4）甲醇（5）生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的可燃氣體及裂解產(chǎn)品15（3）生物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化的能源形式利用物理、化學以及生物技術(shù)，把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體、氣體或固體形式的各種燃料，屬于生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化技術(shù)。目前研究開發(fā)的轉(zhuǎn)換技術(shù)主要有物理干餾、熱裂解法、生物發(fā)酵，包括利用干餾技術(shù)制取木炭、秸稈氣化制取燃氣，生物發(fā)酵制取乙醇，生物質(zhì)直接液化制取燃料油，干濕法厭氧消化制取沼氣等。16（4）生物質(zhì)能的實用轉(zhuǎn)化技術(shù)（1）生物質(zhì)壓縮成型和固體燃料制取技術(shù)

采用生物質(zhì)干餾法制取木炭。生物質(zhì)經(jīng)過粉碎，在一定的壓力、溫度和濕度條件下，擠壓成型，成為固體燃料，具有揮發(fā)性高、熱值高、易著火燃燒、灰分和硫分低、燃燒污染物少以及便于貯存和運輸?shù)葍?yōu)點，可以取代煤炭。（2）生物質(zhì)氣化技術(shù)

生物質(zhì)經(jīng)過熱裂解裝置或氣化爐的一系列反應后，生成可燃氣體。生物質(zhì)氣化即通過化學方法將固體的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為氣體燃料。氣體燃料具有高效、清潔、方便等特點，因此生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究和開發(fā)得到了國內(nèi)外廣泛重視，并取得了可喜的進展。17（3）生物質(zhì)熱裂解液化制取生物油技術(shù)

生物柴油于1988年誕生，由德國聶爾公司發(fā)明，它是以菜籽油等為原料，提煉而成的潔凈燃油。（4）干濕法厭氧消化制取沼氣技術(shù)

采用干濕法厭氧消化的方式制取沼氣，并以沼氣利用技術(shù)為核心的綜合利用技術(shù)是具有中國特色的生物質(zhì)能利用模式，典型的模式有“四位一體”模式，“能源環(huán)境工程”技術(shù)等。18結(jié)合國外生物質(zhì)能利用技術(shù)的研究開發(fā)現(xiàn)狀，以及我國的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)水平和實際情況，我國生物質(zhì)能應用技術(shù)應主要在以下幾方面發(fā)展：（1）高效直接燃燒技術(shù)和設備（2）薪材集約化綜合開發(fā)利用（3）生物質(zhì)能的液化、氣化等新技術(shù)開發(fā)利用

（4）城市生活垃圾的開發(fā)利用

（5）能源植物的開發(fā)

19（5）生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)的應用前景由于電能具有清潔、易傳輸、易使用等優(yōu)良特性，只要提供電能，幾乎所有的設備都可以滿足各自的需要。因而生物質(zhì)能除了直接轉(zhuǎn)化成熱能供消費外，最終消費形式還是以轉(zhuǎn)化成電能為主。（1）生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電是指把生物質(zhì)原料送入適合生物質(zhì)燃燒的特定鍋爐中直接燃燒，產(chǎn)生蒸汽帶動蒸汽輪機及發(fā)電機發(fā)電。生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電利用技術(shù)又可分為單燃生物直燃技術(shù)和生物質(zhì)與煤混合直燃技術(shù)。206.1.2生物質(zhì)能的制取與發(fā)電（1）單燃生物直燃技術(shù)

在歐美發(fā)達國家主要燃燒的生物質(zhì)是木本植物，我國由于特殊的國情，使得用于燃燒的物質(zhì)基本局限于秸稈等草本類植物。秸稈等生物質(zhì)與常規(guī)燃料的區(qū)別主要有以下幾點：①秸稈的含水量較大，約為20％，是常規(guī)燃料的8～10倍，因此，在鍋爐相同出力的情況下，其煙氣量約是常規(guī)燃料的1.5～2倍；②秸稈的堆積密度較小。（2）生物質(zhì)與煤混合直燃技術(shù)

生物質(zhì)與煤有2種混合燃燒方式：①生物質(zhì)直接與煤混合燃燒，產(chǎn)生蒸汽以帶動蒸汽輪機發(fā)電。這時生物質(zhì)要進行預處理，即生物質(zhì)預先與煤混合后再經(jīng)磨煤機粉碎，或生物質(zhì)與煤分別計量、粉碎。②將生物質(zhì)在氣化爐中氣化產(chǎn)生的燃氣與煤混合燃燒，產(chǎn)生蒸汽，帶動蒸汽輪機發(fā)電。21混合燃燒的技術(shù)優(yōu)勢：①煤與生物質(zhì)共燃，可以利用現(xiàn)役電廠提供一種快速而低成本的生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)，具有廉價和低風險；②煤粉燃燒發(fā)電效率高，可達35％以上。③生物質(zhì)燃燒低硫低氮，在與煤粉共燃時可以降低電廠的SO2和NOx及CO2的排放。生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)中的生物質(zhì)燃燒方式包括固定床燃燒和流化床燃燒等方式。1）固定床燃燒。固定床燃燒對生物質(zhì)原料的預處理要求較低，生物質(zhì)經(jīng)過簡單處理甚至無須處理就可投入爐排爐內(nèi)燃燒。2）流化床燃燒。流化床燃燒要求將大塊的生物質(zhì)原料預先粉碎至易于流化的粒度，其燃燒效率和強度都比固定床高。22（2）生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的基本原理是把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化燃氣，再利用可燃氣推動燃氣發(fā)電設備進行發(fā)電。根據(jù)燃氣發(fā)電設備的不同，生物質(zhì)氣化發(fā)電可分為內(nèi)燃機發(fā)電系統(tǒng)、燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)及燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，如圖6-3所示。23內(nèi)燃機發(fā)電系統(tǒng)以簡單的燃氣內(nèi)燃機組為主，內(nèi)燃機一般由柴油機或天然氣機改造而成，可單獨燃用低熱值燃氣，也可以燃氣、油兩用，它的特點是設備緊湊，系統(tǒng)簡單、技術(shù)較成熟、可靠。燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)是在內(nèi)燃機、燃氣輪機發(fā)電的基礎上增加余熱蒸汽的聯(lián)合循環(huán)，這種系統(tǒng)可以有效地提高發(fā)電效率。24生物質(zhì)氣化爐凈化系統(tǒng)鍋爐內(nèi)燃機燃氣輪機蒸氣輪機發(fā)電機發(fā)電規(guī)模上分，生物質(zhì)氣化發(fā)電目前主要有小型氣化發(fā)電、中型氣化發(fā)電和大型氣化發(fā)電3種模式。25表6-2各種生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)的應用和特點規(guī)模氣化過程發(fā)電過程主要用途小型系統(tǒng)功率<200kW固定床氣化流化床氣化內(nèi)燃機組微型燃氣輪機農(nóng)村用電中小企業(yè)用電中型系統(tǒng)功率500～3000kW常壓流化床氣化內(nèi)燃機大中企業(yè)自備電站小型上網(wǎng)電站大型系統(tǒng)功率>5000kW常壓流化床氣化高壓流化床氣化雙流化床氣化內(nèi)燃機+蒸汽輪機燃氣輪機+蒸汽輪機上網(wǎng)電站、獨立能源系統(tǒng)生物質(zhì)氣化發(fā)電工藝包括3個過程：①生物質(zhì)氣化。把同體生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體燃料；②氣體凈化。氣化出來的燃氣都帶有一定的雜質(zhì)，包括灰分、焦炭和焦油等，要經(jīng)過凈化系統(tǒng)把雜質(zhì)除去，以保證燃氣發(fā)電設備的正常運行；③燃氣發(fā)電。生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)如圖6-4所示。2627生物質(zhì)氣化發(fā)電裝置主要由進料機構(gòu)、燃氣發(fā)生裝置、燃氣凈化裝置、燃氣發(fā)電機組、控制裝置及廢水處理設備等6部分組成。生物質(zhì)氣化是在一定的熱力學條件下，將組成生物質(zhì)的碳氫化合物轉(zhuǎn)化為含一氧化碳和氫氣等可燃氣體的過程。生物質(zhì)氣化是在氣化爐中進行的，氣化爐的類型分為固定床氣化爐和流化床氣化爐。

①固定床氣化爐。固定床氣化爐可分為下吸式、上吸式、橫吸式和開心式，其中下吸式氣化爐應用最廣。2829上吸式氣化爐30原料灰燃氣干燥層熱解層還原層空氣氧化層空氣下吸式氣化爐單流化床氣化爐結(jié)構(gòu)圖31················

原料流化床材料可燃氣壓力通風原料空氣可燃氣分離器循環(huán)流化床氣化爐原理圖32d2生物質(zhì)焦炭空氣d1流化床氣化爐結(jié)構(gòu)圖生物質(zhì)能發(fā)電主要包括沼氣發(fā)電與垃圾焚燒發(fā)電，以下就其發(fā)電與控制進行討論。（1）沼氣發(fā)電技術(shù)與控制策略沼氣的產(chǎn)生原理

沼氣是由多種厭氧微生物混合作用后發(fā)酵而產(chǎn)生的。沼氣發(fā)酵過程可分為兩個階段，即不產(chǎn)甲烷（CH4）階段和產(chǎn)甲烷階段。其中不產(chǎn)甲烷過程又可分為兩個過程，即水解液化過程（消化過程）和產(chǎn)酸過程。

336.1.3生物質(zhì)能發(fā)電的控制技術(shù)多糖蛋白質(zhì)脂肪單糖肽或氨基酸脂肪酸和甘油低級揮發(fā)性脂肪酸醇類、中性化合物H2

、CO2

H2

、CO2

甲酸、甲醇乙酸CH4CO2消化階段產(chǎn)酸階段產(chǎn)甲烷階段不產(chǎn)甲烷階段圖6－12為我國農(nóng)村推廣使用的水壓式沼氣池的結(jié)構(gòu)。正常情況下，這種家用沼氣池在中國南方可年產(chǎn)沼氣250～300m3，提供一個農(nóng)戶8～10個月的生活燃料。北方在沼氣池上加蓋塑料大棚，使沼氣與養(yǎng)豬種菜相結(jié)合，組裝成“四位一體”模式，解決了冬季低溫沼氣發(fā)酵問題。341－進料口2—0壓水位3—輸出閥門4—蓋板5—溢流口6—貯留室7—水壓箱8—滲井9—發(fā)酵室10—貯氣室沼氣燃燒發(fā)電

沼氣以燃燒方式進行發(fā)電，是利用沼氣燃燒產(chǎn)生的熱能直接或間接地轉(zhuǎn)化為機械能并帶動發(fā)電機而發(fā)電。圖6－13是采用沼氣發(fā)動機（內(nèi)燃機）、燃氣輪機和鍋爐（蒸汽輪機）發(fā)電的結(jié)構(gòu)示意圖。35圖6－14是采用不同種類動力發(fā)電裝置的效率比較。從中可見，在4000kW以下的功率范圍內(nèi)，采用內(nèi)燃機具有較高的利用效率。相對燃煤、燃油發(fā)電來說，沼氣發(fā)電的特點是功率小，對于這種類型的發(fā)電動力設備，國際上普遍采用內(nèi)燃機發(fā)電機組進行發(fā)電，否則在經(jīng)濟性上不可行。因此采用沼氣發(fā)動機發(fā)電機組，是目前利用沼氣發(fā)電的最經(jīng)濟而高效的途徑。36幾種典型燃氣及燃－空混合氣低位熱值的比較情況如表6－3所示。沼氣的主要成份是甲烷，從表6－3中可以知道，它的低位熱值僅次于天然氣，而在燃燒時，其燃－空混合氣的低位熱值也是比較高的，因而沼氣是一種優(yōu)質(zhì)的燃氣。37燃氣種類燃氣低位熱值/（kJ/m3）理論空氣量/（m3/m3）理論燃燒溫度/（0C）燃－空混合氣低位熱值/（kJ/m3）天然氣365869.6419703438焦爐煤氣176154.2119983381混合煤氣138583.1819863315發(fā)生爐煤氣57351.1916002618沼氣212235.56

3191秸稈煤氣53160.918102798幾種典型燃氣及燃—空混合氣的低位熱值比較情況典型的沼氣內(nèi)燃機發(fā)電系統(tǒng)的工藝流程如圖6－15所示。沼氣發(fā)電系統(tǒng)主要由消化池、貯氣罐、供氣泵、沼氣發(fā)動機、交流發(fā)電機、沼氣鍋爐、廢熱回收裝置（冷卻器、預熱器、熱交換器、汽水分離器、廢熱鍋爐等）、脫硫化氫及二氧化碳塔、穩(wěn)壓箱、配電系統(tǒng)、并網(wǎng)輸電控制系統(tǒng)等部分組成。38由于沼氣在發(fā)生過程中，也會產(chǎn)生一些有害氣體，如硫化氫等，因而在進入內(nèi)燃機之前必須經(jīng)過一定的處理，即凈化處理，通過疏水、脫硫化氫處理后，將硫化氫含量降到500mg/m3以下。圖6－16是垃圾處理場沼氣發(fā)電的工藝流程。391—污泥進料口2—發(fā)酵池3—循環(huán)管道4—循環(huán)泵5—溢流管6—沼氣儲氣罐7—沼氣發(fā)動機8—三相交流發(fā)電機9—消化污泥閥10—沉淀池11—溢流管12—排渣閥13—貯留池14—排污管沼氣與天然氣雙氣源的鍋爐，在沼氣可以滿足鍋爐燃燒要求時，采用由沼氣供氣的方式；當沼氣不能滿足鍋爐燃燒要求時，切換至天然氣供氣方式。這種方式是共用了一個燃燒器，即采用一拖二的方式使兩種氣源合用一個燃燒控制器。鍋爐燃燒產(chǎn)生高溫高壓飽和蒸汽，進入蒸汽輪機，并帶動發(fā)電機高速旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)發(fā)電。其實現(xiàn)發(fā)電原理的控制框圖如圖6－18所示。40沼氣發(fā)生裝置沼氣儲存裝置氣源自動選擇天然氣供氣系統(tǒng)溫度控制發(fā)酵反應控制燃燒控制器鍋爐系統(tǒng)蒸汽輪機發(fā)電機中央控制器控制電源系統(tǒng)供用戶或并網(wǎng)目前采用沼氣燃燒發(fā)電的3種形式的沼氣綜合利用率對比如下：1)沼氣鍋爐。利用沼氣燃燒產(chǎn)生熱源加熱消化污泥。這種利用途徑只能利用沼氣熱值的50％。2)沼氣內(nèi)燃機―余熱回收―鼓風機組。利用沼氣內(nèi)燃機驅(qū)動鼓風機，并利用余熱回收裝置回收沼氣內(nèi)燃機的余熱加熱消化污泥。這種利用途徑能充分利用沼氣熱值，一般可達沼氣熱值的85～90%。3)沼氣內(nèi)燃機―余熱回收―發(fā)電機組。利用沼氣內(nèi)燃機驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電并與廠內(nèi)公共電網(wǎng)并網(wǎng)，并利用余熱回收裝置回收沼氣內(nèi)燃機的余熱加熱消化污泥。這種利用途徑能充分利用沼氣熱值，其利用率也可達85%～90%。41沼氣燃料電池發(fā)電

燃料電池是一種將儲存在燃料中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，當源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時，它就可以連續(xù)發(fā)電。廣州市番禺水門種豬場建設的由日本政府提供的200kW的沼氣燃料電池裝置。該200kW燃料電池設備由東芝公司下屬的ONSI公司提供，型號為PC25TMC，主要技術(shù)指標見表6－4。42項

目

名

稱指

標發(fā)電輸出功率200kW輸出電壓(頻率)400V(50Hz)，480V(60Hz)發(fā)電效率40%余熱利用效率/溫度41%/60℃熱水燃料/消耗量天然氣/43m3/h有害排放物NOX：低于5×10-6SOX：可忽略不計噪音約60dB(距設備10m處)排水凈水(接近于零污染)應用時供應水自來水或純凈水(接近于零)應用時供應氮氣4個圓柱型容器存有7m3的氮氣用于一次起動與停機循環(huán)(保護)操作自動，可遠程控制PC25TMC型燃料電池主要性能及技術(shù)指標沼氣燃料電池系統(tǒng)一般由3個單元組成：燃料處理單元、發(fā)電單元和電流轉(zhuǎn)換單元。1）燃料處理單元。該單元主要部件是改質(zhì)器，它以鎳為催化劑，將甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣，反應過程為(參與反應的水蒸汽來自發(fā)電單元)43（6－3）為了降低CO的濃度，在銅和鋅的催化作用下，混合氣體在改質(zhì)器后的變成器中得到進一步的改良，反應式為（6－4）2）發(fā)電單元。發(fā)電單元基本部件由兩個電極和電解質(zhì)組成，氫氣和氧化劑(O2)在兩個電極上進行電化學反應，電解質(zhì)則構(gòu)成電池的內(nèi)回路，其工作原理簡圖如圖6－19所示。電解質(zhì)可采用磷酸，其發(fā)電效率雖然較低，但溫度低(約200℃)。在磷酸電解質(zhì)中，電池反應為44陽極

陰極（6－5）（6－6）45沼氣燃料電池（磷酸型燃料電池）工作原理3）電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。主要任務是把直流電轉(zhuǎn)換為交流電，供交流負載使用還可以實現(xiàn)并網(wǎng)供電。表6－5是沼氣用作燃料電池各種氣體含量的最高限值及超過此限值時對燃料電池的影響。46有害物質(zhì)限制值對燃料電池的影響H2S7.12mg/m3以下縮短內(nèi)部催化劑的壽命HCl濃度盡可能低使內(nèi)部催化劑能力低下SOx對內(nèi)部催化劑有不利影響NOx對內(nèi)部催化劑有不利影響F化合物使內(nèi)部催化劑能力低下O21.0%以下使脫硫催化劑有不利影響粉塵3mg/m3以下使催化劑壓力損失增大CO2濃度盡可能低減少電池發(fā)出的電力CH4濃度盡可能高90%以上燃料電池對氣體的限制值及超過時對燃料電池的影響沼氣燃料電池所用的沼氣，其純度要求較高，因而需要對沼氣進行提純。沼氣提純常用的方法有：①用NaOH水溶液溶解吸收法；②沸石吸附法(PSA法)；③膜法，利用CH4和CO2透過膜的速度差來提純CH4。47雙塔式吸收法提純沼氣沼氣燃料電池與一般燃料電池一樣，具有如下的優(yōu)缺點沼氣燃料電池的主要優(yōu)點：①電池的工作效率高，能量轉(zhuǎn)換的效率可達90％左右，而一般內(nèi)燃機受卡諾循環(huán)的限制，效率僅達40％；②電池在工作時沒有或極少有污染物排放；③電池在工作時不產(chǎn)生噪音和機械振動；④維護管理容易。沼氣燃料電池的主要缺點：①缺乏長期運行經(jīng)驗；②排氣中除H2S外，還可能含有微量磷廢氣，它們對環(huán)境的影響尚不清楚。48沼氣發(fā)電的控制策略

圍繞著提高沼氣燃燒發(fā)電或沼氣燃料電池的轉(zhuǎn)化效率，沼氣發(fā)電的控制主要從以下兩個方面進行考慮：1）凈化及提純沼氣

凈化及提純沼氣，提高沼氣內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)化效率和熱電聯(lián)合利用效率，提高沼氣燃料電池的燃料利用率。沼氣發(fā)動機要解決的核心問題是沼氣的凈化處理和混合。49根據(jù)沼氣發(fā)動機的工作特點，在組建沼氣發(fā)動機發(fā)電機組系統(tǒng)時，需考慮以下4個方面：沼氣脫硫及穩(wěn)壓、防爆裝置。進氣系統(tǒng)。發(fā)動機。調(diào)速系統(tǒng)。50可以利用沼氣熱、電、冷三聯(lián)供，提高沼氣發(fā)電系統(tǒng)的總體利用率，系統(tǒng)如圖6－21所示。512）沼氣燃料電池的發(fā)電控制

沼氣燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的工作方式與內(nèi)燃機相似，必須不斷地向電池內(nèi)部輸入燃料氣體與氧化劑才能確保其連續(xù)穩(wěn)定地輸出電能。同時還必須連續(xù)不斷地排除相應的反應產(chǎn)物，如所生成的水及熱量等。沼氣在進入燃料電池之前必須經(jīng)過重整改質(zhì)，轉(zhuǎn)化成富氫氣體并去除對陽極氧化過程有毒的雜質(zhì)。目前一般燃料電池的電能轉(zhuǎn)化效率約為40%～60％，而剩余的部分大多數(shù)以熱能形式存在，因而為保持電池的工作溫度不致過高，必須將這些熱量排出電池本體或者加以循環(huán)利用。52一套完整的沼氣燃料電池發(fā)電系統(tǒng)除了具備沼氣燃料電池組、沼氣供氣系統(tǒng)、沼氣凈化及提純系統(tǒng)、DC—DC變換器、DC—AC逆變器以及熱能管理與余熱回收系統(tǒng)之外，最重要的是燃料電池控制器，這樣才能對系統(tǒng)中的氣、水、電、熱等進行綜合管理，形成能夠自動運行的發(fā)電系統(tǒng)。沼氣燃料電池的交流發(fā)電系統(tǒng)如圖6－22所示。53近年來，我國的城市人口數(shù)量正在不斷地增加，隨著人民生活水平日益提高，作為城市公害的生活垃圾發(fā)生量及其組成發(fā)生了很大變化，城市生活垃圾的產(chǎn)量和熱值也不斷增長。處理城市生活垃圾，實現(xiàn)無害化、減量化和再生資源化，消除城市生活垃圾的污染已成為我國必須解決的重大課題。隨著政府對城市垃圾處理的重視和科學技術(shù)的發(fā)展，坑填、焚燒和堆肥等技術(shù)已經(jīng)得到普遍采用。54（2）垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)與控制策略我國城市的經(jīng)濟水平、人口規(guī)模以及人口密度等因素決定了可用于焚燒發(fā)電的垃圾量，垃圾焚燒發(fā)電項目前期投入大，運營成本較高，因此項目投資建設主要集中在東部經(jīng)濟較為發(fā)達的地區(qū)，占比達到68.1%，其次是中部地區(qū)，占比為20.4%，西部地區(qū)占比較小，為11.5%，青海、西藏兩個地區(qū)現(xiàn)階段尚無垃圾焚燒發(fā)電項目。我國垃圾焚燒發(fā)電項目區(qū)域分布不均衡，中部地區(qū)還有非常大的發(fā)展空間。55（1）垃圾焚燒發(fā)電的工藝流程垃圾焚燒發(fā)電的工藝流程分為垃圾焚燒前無分檢處理和有分檢處理2種。1）垃圾焚燒前無分檢處理

圖6－24為垃圾焚燒前無分檢處理的工藝流程，美國洛杉磯市LongBeach垃圾發(fā)電就是采用這個工藝流程。562）垃圾焚燒前有分檢處理

圖6－25為垃圾焚燒前有分檢場垃圾發(fā)電工藝流程，美國夏威夷市垃圾發(fā)電就是采用這種流程。57（2）垃圾焚燒發(fā)電及其控制策略垃圾焚燒發(fā)電的控制包括電廠的自動控制，以及發(fā)電后的電能變換控制。根據(jù)垃圾焚燒電廠控制系統(tǒng)的規(guī)模以及要求達到的控制水平，目前技術(shù)水平先進的垃圾焚燒發(fā)電站（廠）普遍采用基于以太網(wǎng)、具有遠程通訊和監(jiān)控能力的現(xiàn)場總線構(gòu)筑分布式控制系統(tǒng)，底層采用DCS（分布式控制系統(tǒng)）、SCP或PLC（可編程序控制器）、多種化學成份檢測傳感器（氣體、液體、固體等）及電力電子變換器（變頻器）、并網(wǎng)配電箱，同時對垃圾焚燒鍋爐的燃燒進行有效的控制、對尾氣進行檢測、處理、控制、對鍋爐煙氣在線監(jiān)控以及對發(fā)電機組的發(fā)電狀態(tài)、電能變換與無擾并網(wǎng)等進行實時控制。下面以杭州綠能環(huán)保發(fā)電有限公司城市垃圾焚燒電廠為例，簡要說明垃圾焚燒電廠的自動控制策略。581）垃圾焚燒的鍋爐控制

該系統(tǒng)的垃圾焚燒鍋爐采用日本三菱馬丁爐排垃圾焚燒處理技術(shù)，屬爐排爐中的反送式爐排垃圾焚燒爐。垃圾焚燒鍋爐的控制包括爐溫的控制、給料及爐排等的動作控制、風門壓力控制、風室溫度控制、風量控制及汽包水位控制等。592）垃圾焚燒系統(tǒng)的汽機控制電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)。汽機配有采用Woodward505型電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可靠性高、操作簡單。在實例工程中，該電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要完成下列任務：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、入口蒸汽壓力調(diào)節(jié)、輔助發(fā)電機同步控制及負荷調(diào)整。調(diào)節(jié)回路。除電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)之外，DCS（分布式控制系統(tǒng)）過程控制系統(tǒng)還配有下列汽機調(diào)節(jié)回路：①熱井水位調(diào)節(jié)，熱井水位過低會影響汽機真空，過高則會對設備造成威脅。穩(wěn)定的熱井液位對機組的安全、經(jīng)濟運行十分重要；②冷凝泵最小流量控制，用于避免產(chǎn)生汽蝕對設備的損害；③軸封蒸汽壓力調(diào)節(jié)，使真空得以維持；④除氧器壓力調(diào)節(jié)，保證給水的質(zhì)量；⑤除氧器水箱水位調(diào)節(jié)。60開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)的主要作用是汽機安全連鎖保護控制，包括：汽機轉(zhuǎn)速保護、汽機軸位移保護、汽機真空保護、潤滑油壓聯(lián)鎖保護、除氧抽汽聯(lián)鎖保護、汽機發(fā)電機聯(lián)鎖保護、射水泵汽機聯(lián)鎖保護等。此外，電氣部分除繼電保護和網(wǎng)控外，所有的電機控制、電氣的電量等信號等都通過I/O通道輸入DCS。613）垃圾焚燒系統(tǒng)的安全保護控制

垃圾焚燒系統(tǒng)的安全保護有以下方面：鍋爐燃燒安全保護、主蒸汽壓力安全保護、鍋爐水位安全保護、鼓引風機安全聯(lián)鎖保護、給水壓力聯(lián)鎖保護。624）垃圾焚燒的電能變換控制策略

垃圾焚燒發(fā)電一般是由焚燒爐加熱鍋爐，產(chǎn)生蒸汽并驅(qū)動蒸汽輪機，并由與之相連的發(fā)電機而直接發(fā)電，發(fā)出的電能除了可以直接并網(wǎng)供電之外，也可以利用電力電子技術(shù)對電能進行變換，然后再并入中高壓電網(wǎng)。63圖6－26是垃圾焚燒發(fā)電控制的系統(tǒng)框圖?？刂葡到y(tǒng)中的總協(xié)調(diào)控制器需要對垃圾焚燒全過程進行控制，包括控制方式的確定，并將逆變控制的方式下達逆變控制器，將燃燒狀態(tài)和要求下達燃燒控制器，起到整體的協(xié)調(diào)作用。逆變控制器采集公用電網(wǎng)的電壓和相位等信號，并控制三相SPWM逆變器，實現(xiàn)同步并網(wǎng)，將發(fā)電機所發(fā)出的交變電能變換成與電網(wǎng)同頻率、同相位的交流電后，通過逆變匹配變壓器輸送到公共供電網(wǎng)絡。而燃燒控制器采集相關(guān)的焚燒爐的溫度、鍋爐溫度與壓力、蒸汽輪機的轉(zhuǎn)速及工作狀態(tài)，并控制焚燒爐排的進給速度，保持焚燒系統(tǒng)的穩(wěn)定。64眾所周知，原子核是由中子和質(zhì)子組成的。一個原子的質(zhì)量應該等于組成它的基本粒子的質(zhì)量的總和。但是，實際上并不是這樣簡單。通過精密的實驗測量，人們發(fā)現(xiàn)，原子核的質(zhì)量總是小于組成它的質(zhì)子和中子質(zhì)量之和。例如，氦原子核是由2個質(zhì)子和2個中子組成，外面有2個電子。氦原子的質(zhì)量應該是:656.2.1核能的主要形式其中，u為質(zhì)量單位，g6.2核能及其應用技術(shù)但經(jīng)實驗測得的氦但經(jīng)實驗測得的氦原子的質(zhì)量，比組成它的基本粒子總質(zhì)量少了；再如的原子，它的核由92個質(zhì)子和146個中子組成，核外有92個電子。這些粒子的質(zhì)量加在一起應該是239.986u。但直接測量得的的原子質(zhì)量卻是，少了1.935u。像上述這種質(zhì)量減少現(xiàn)象在其它原子核中同樣存在，人們將這種現(xiàn)象稱為“質(zhì)量虧損”。661．核裂變能某些重核原子如等，在熱中子的轟擊下原子核發(fā)生裂變反應，產(chǎn)生質(zhì)量相差不多的兩種核素和幾個中子，并釋放出大量的能量。以為例，有67（6-7）據(jù)測算，1kg全部裂變后釋放出的能量，相當于標準煤完全燃燒放出的化學能。在不加控制的鏈式反應中，從一個原子核開始裂變放出中子，到該中子引發(fā)下一代原子核的裂變，只需1nS（10^-9s）時間。在非常短的時間以及有限空間內(nèi)，核裂變所放出的巨大能量必然會引起劇烈地爆炸，原子彈就是根據(jù)這種不加控制的鏈式反應的原理制成的。通過鏈式反應的控制，使核裂變能緩緩地釋放出來，可用于直接供熱或發(fā)電等。核裂變電站就是利用可控核裂變來發(fā)電的。682．核聚變能核聚變是由兩個或多個輕元素的原子核，如氫的同位素氘()或氚()的原子核，聚合成一個較重的原子核的過程。在這個過程中，由于某些輕元素如氘在聚變時質(zhì)量虧損較核裂變反應時大，根據(jù)、核聚變反應將會放出更多的能量。691）核聚變應用中可控核聚變的發(fā)生條件產(chǎn)生可控核聚變需要的條件非?？量?。我們的太陽就是靠核聚變反應給太陽系帶來光和熱，其中心溫度達到1500萬攝氏度，另外還有巨大的壓力能使核聚變正常反應，而地球上沒辦法獲得巨大的壓力，只能通過提高溫度來彌補，不過這樣一來溫度要到上億度才行。核聚變?nèi)绱烁叩臏囟葲]有一種固體物質(zhì)能夠承受，只能靠強大的磁場來約束。2）核聚變的反應裝置可行性較大的可控核聚變反應裝置就是托卡馬克裝置。托卡馬克是一種利用磁約束來實現(xiàn)受控核聚變的環(huán)性容器。它的名字Tokamak來源于環(huán)形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、線圈(kotushka)，最初是由位于前蘇聯(lián)莫斯科的庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在20世紀50年代發(fā)明的。托卡馬克的中央是一個環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈，在通電的時候托卡馬克的內(nèi)部會產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。703．核能發(fā)電的特點1）能量的高度集中2）鈾資源豐富71（1）核反應堆工作原理核電站是利用核裂變反應釋放出的能量來發(fā)電的工廠。它是通過冷卻劑流過核燃料元件表面，把裂變產(chǎn)生的熱量帶出來，再產(chǎn)生蒸汽，推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。726.2.2核反應原理及核能發(fā)電（2）核反應堆裝置這部分將介紹世界上的幾種主要的核電堆型。1）快中子和熱中子的概念快中子：裂變過程直接產(chǎn)生的中子；熱中子：快中子經(jīng)過慢化劑慢化后的中子。依所采用的中子種類核反應堆可分為：快中子反應堆；熱中子反應堆。732）主要堆型壓水

壓水堆核電廠使用低濃鈾作為核燃料，富集度大約為3%～4%，其慢化劑和載熱劑是輕水，故屬于輕水堆。沸水堆

沸水堆核電廠也使用低濃鈾作核燃料，富集度同壓水堆，其慢化劑和載熱劑是輕水，故屬于輕水堆。重水

重水堆核電站采用天然鈾作核燃料，其慢化劑和載熱劑是重水，故稱為重水堆。系統(tǒng)與壓水堆相似。74核反應堆裝置由堆芯、冷卻系統(tǒng)、中子慢化系統(tǒng)、中子反射層、控制與保護系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)、輻射監(jiān)測系統(tǒng)等組成。核反應堆如圖6-28所示。75壓水堆全稱為加壓輕水慢化冷卻反應堆。壓水堆核電廠的反應堆采用普通高純水作慢化劑和冷卻劑，低富集度的二氧化鈾為燃料，為了把反應堆的出口水溫提高到300℃左右，必須將壓力提高到14～16MPa，以防止沸騰。所以稱這種類型的反應堆為加壓水反應堆，簡稱壓水堆。壓水堆結(jié)構(gòu)圖如圖6-29所示。76（3）核能發(fā)電裝置壓水堆核電廠主要由核島系統(tǒng)和常規(guī)島2個系統(tǒng)構(gòu)成。1）核島系統(tǒng)一回路系統(tǒng)通常由并聯(lián)到反應堆的2～4條相同的傳熱環(huán)路組成。反應堆外殼是一個耐高壓容器，被稱為壓力容器或壓力殼，堆芯安裝在其內(nèi)部。每一條環(huán)路有一臺反應堆冷卻劑泵，一臺蒸汽發(fā)生器和相應的反應堆冷卻劑管道與反應堆構(gòu)成一條封閉的回路。整個一回路的運行壓力由一臺與其中一條環(huán)路熱端連接的穩(wěn)壓器來維持，并控制其可能產(chǎn)生的壓力波動。77此外，核島系統(tǒng)還包括一些安全系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)，按照功能大體分為四類。專設安全系統(tǒng)核輔助系統(tǒng)三廢處理系統(tǒng)電廠輔助系統(tǒng)782）常規(guī)島系統(tǒng)可劃分為汽輪機回路、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)三大部分。汽輪機回路

汽輪機回路的主要設備有汽輪機、汽水分離再熱器、凝汽器、凝結(jié)水泵、低壓加熱器、除氧器、主給水泵和高壓加熱器等。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)亦稱三回路，其主要功能是向凝汽器供給冷卻水，確保汽輪機凝汽器的有效冷卻。電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)包括發(fā)電機、勵磁機、主變壓器、廠用變壓器等。發(fā)電機出線電壓經(jīng)主變壓器升壓后與主電網(wǎng)相連。79核反應堆的啟動、功率調(diào)節(jié)、停堆等是依靠控制棒的運行進行控制；一回路的壓力、冷卻劑容量控制靠穩(wěn)壓器系統(tǒng)來完成；停堆后的熱量導出由余熱排除系統(tǒng)來實現(xiàn)；一回路冷卻劑的水質(zhì)控制由化學和容積控制系統(tǒng)來完成；一回路的正常泄漏補償由化學和容積控制系統(tǒng)來完成；一回路的事故泄漏補償由安注系統(tǒng)(高壓、低壓及中壓安注系統(tǒng))來實現(xiàn)。所以，壓水堆核電廠將核能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊炙牟?，在以下四個主要設備中實現(xiàn)的：806.2.3核電站的運行與監(jiān)控1)反應堆：將核能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?高溫高壓水)。2)蒸汽發(fā)生器：將一回路高溫高壓水中的熱量傳遞給二回路的水，使其變?yōu)轱柡驼羝?。在此只進行熱量交換，不進行能量的轉(zhuǎn)變。3)汽輪機：將飽和蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚傩D(zhuǎn)的機械能。4)發(fā)電機：將汽輪機傳來的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?11.核電站的運行（1）反應堆標準運行方式對于壓水堆核電站，反應堆的標準運行方式包括：①冷停堆；②中間停堆；③熱停堆；④熱備用；⑤功率運行。其中冷停堆又可以細分為：1）換料冷停堆：允許反應堆進行燃料更換操作的停堆方式。2）維修冷停堆：允許反應堆對一回路部分設備進行維修的運行方式。3）正常冷停堆：正常條件下的停堆。82中間停堆可以細分為：1）單相中間停堆：一回路沖水排氣后穩(wěn)壓器充滿水(單相)的狀態(tài)。2）兩相中間停堆：一回路沖水排氣后穩(wěn)壓器為雙相的狀態(tài)。3）正常中間停堆：在兩相中間停堆的基礎上，余熱排出系統(tǒng)（RRA）完成隔離的狀態(tài)。83序號運行方式次臨界度（pcm）控制棒位置一回路冷卻劑平均溫度（℃）一回路冷卻劑壓力（MPa）穩(wěn)壓器狀態(tài)壓力控制主泵運行數(shù)量1換料冷停堆≥5000所有棒在堆內(nèi)10≤t≤60大氣壓排空無02維修冷停堆≥5000所有棒在堆內(nèi)10≤t≤70大氣壓排空無03正常冷停堆≥1000S、R棒在堆外，G棒在堆內(nèi)10≤t≤90≤2.9單相RCV*上的調(diào)節(jié)閥t≥70℃時至少一臺4單相中間停堆≥1000S、R棒在堆外，G棒在堆內(nèi)90≤t≤1802.3≤ρ≤2.9單相RCV上的調(diào)節(jié)閥≥15兩相中間停堆≥1000S、R棒在堆外，G棒在堆內(nèi)120≤t≤1802.3≤ρ≤2.9汽水兩相穩(wěn)壓器≥16正常中間停堆≥1000S、R棒在堆外，G棒在堆內(nèi)160≤t≤2912.3≤ρ≤15.4汽水兩相穩(wěn)壓器≥27熱停堆按照相關(guān)曲線確定S棒在堆外，R、G棒在堆內(nèi)29115.4汽水兩相穩(wěn)壓器≥28熱備用0S棒在堆外，R棒在調(diào)節(jié)帶，G棒在整定棒位29115.4汽水兩相穩(wěn)壓器39功率運行0S棒在堆外，R棒在調(diào)節(jié)帶，G棒在整定棒位29115.4汽水兩相穩(wěn)壓器384851-換料冷停堆；2-維修冷停堆；3-正常冷停堆；4-單相中間停堆；5-兩相停堆；6-正常中間停堆；7-熱停堆；8-熱備用；9-功率運行注：pmax為蒸發(fā)器二次側(cè)壓力（2）反應堆逼近臨界狀態(tài)時的操作原則在反應堆啟動過程中，反應性數(shù)值是逐漸增大的——從負數(shù)值增大到零，再到正數(shù)值；逼近臨界狀態(tài)和達到臨界狀態(tài)時，為保證反應堆的安全，必須遵守以下準則：1）溫度：必須避免引起一回路冷卻劑平均溫度變化的任何操作。2）反應性變化：在逼近臨界狀態(tài)的過程中，在任何時間內(nèi)，只允許使用一種方法來控制反應性的變化，即改變硼濃度或者控制棒捧位不允許同時進行。3）反應性控制：逼近臨界狀態(tài)時，中子通量倍增時間必須大于18s。86（3）反應堆啟動過程實際壓水堆核電站的操作是非常嚴格和復雜的，這里以壓水堆核電站基本操作為例，簡要說明核電站的啟動和停機過程。1）一回路沖水排氣

2）一回路升溫、穩(wěn)壓器建立汽腔3）繼續(xù)升溫至熱停堆

4）反應堆達到臨界5）提升功率到2%核電站的額定功率6）汽輪機沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)7）升負荷至100%額定功率87（4）核電站停堆過程核電站的停堆過程相對簡單。首先是按照一定的速率降負荷，當負荷低到一定程度時汽輪機跳閘，同時發(fā)電機解列。隨后繼續(xù)硼化或者插入G棒，降低功率到2%額定功率以下，使機組處于熱備用狀態(tài)。根據(jù)計劃安排，進行下一步的工作。882.核電站的監(jiān)控系統(tǒng)核電站的監(jiān)控系統(tǒng)主要指儀表和控制(簡稱I&C)系統(tǒng)，它是核電廠關(guān)鍵的綜合系統(tǒng)之一，是整個核電廠的“中樞神經(jīng)”系統(tǒng)，它對確保核電廠的安全、經(jīng)濟運行起著至關(guān)重要的作用。89AP1000的I&C體系如圖6-31所示。90（1）核電廠儀表和控制系統(tǒng)的功能核電廠儀表和控制系統(tǒng)包括核島（NI）)、常規(guī)島（CI）及電廠輔助設施（BOP）等部分的儀表和控制系統(tǒng)。儀表和控制系統(tǒng)是核電廠安全、可靠和經(jīng)濟運行的重要保證，其主要功能包括：1)在正常運行、預計運行事件和事故工況下，監(jiān)測核電廠參數(shù)和各系統(tǒng)的運行狀態(tài)，為操縱員安全有效地操縱核電廠提供必要信息。2)通過自動化設備的自動控制或操縱員手動控制，將工藝系統(tǒng)或設備的運行參數(shù)維持在運行工況規(guī)定的限值內(nèi)。3)在異常工況和事故工況下，觸發(fā)保護動作，保護人員、反應堆和系統(tǒng)設備的安全，避免環(huán)境受到放射性污染。4)為操縱員提供事故后實施操作的監(jiān)控手段，從而能將核電廠保持在安全狀態(tài)。91（2）核電廠的監(jiān)測和控制方式1）集中的監(jiān)測和控制2）分散、成組的監(jiān)測和控制3）就地監(jiān)測和控制

92（3）核電廠控制室在核電廠中，控制室系統(tǒng)是指包括人機接口、控制室工作人員、操作規(guī)程、培訓大綱和相關(guān)的設施或設備的總體，它們共同維持控制室功能的正確執(zhí)行。1）主控制室

由主控制室集中控制和監(jiān)測的、并由操縱員操作的設備和系統(tǒng)用于執(zhí)行以下功能：使得機組安全運行、提高機組的可用率、保證設備安全、保障人員安全。93主控制室位于電氣廠房。整個主控制室可以分成以下區(qū)域：1)經(jīng)常操作區(qū)，操縱員可在此進行所有負荷變化的控制（包括廠用負荷運行）。2）一回路冷卻劑系統(tǒng)和有關(guān)的輔助設備的操作區(qū)。3）二回路冷卻劑系統(tǒng)和有關(guān)的輔助設備的操作區(qū)。4）與安全設施系統(tǒng)有關(guān)的區(qū)域。5）試驗區(qū)。942）公共控制室

對于雙堆機組，除每個機組設置了一個主控制室外，兩臺機組公用的某些功能是從公共控制室內(nèi)的公共控制盤控制和監(jiān)測的。公共控制室位于兩個機組的主控室之間，并緊靠在一起，以便每個機組的操縱員能迅速到達該房間內(nèi)操作。公共控制室的設計基準以及盤臺設備等都與主控室的要求一樣。95966.3水能與水力發(fā)電技術(shù)根據(jù)當前技術(shù)、經(jīng)濟水平，可開發(fā)資源主要是河川水能資源，潮汐能資源占小部分，波浪能利用尚處于試驗階段。水能資源，亦稱水力資源。水能資源分3級統(tǒng)計理論蘊藏量技術(shù)可開發(fā)資源經(jīng)濟可開發(fā)資源97我國水力資源的特點:１）

水力資源總量較多，但開發(fā)利用率低２）

水力資源地區(qū)分布不均，與經(jīng)濟發(fā)展不匹配３）大多數(shù)河流年內(nèi)、年際徑流分布不均４）

水力資源主要集中于大江大河，有利于集中開發(fā)和規(guī)模外送98當位于高處具有位能的水流至低處沖擊水輪機時，將其中所含有的位能轉(zhuǎn)換成水輪機的動能，再由水輪機作為原動機推動發(fā)電機發(fā)電。水能的主要利用形式是水力發(fā)電。水力發(fā)電是利用河流在流經(jīng)不同高度地形時產(chǎn)生的能量來發(fā)電。

因此水力發(fā)電在某種意義上講是水的位能變成機械能，又變成電能的“轉(zhuǎn)換過程”。6.3.1水能與水力發(fā)電概述99可利用的水量和一年中不同的流量決定了水力發(fā)電站一年的發(fā)電量是不同的。水能的大小取決于兩個因素：河流中水的流量（Q）和水從多高的地方流下來（水頭/H）水的流量：指單位時間內(nèi)水流通過河流（或水工建筑物）過水斷面的體積，一般用立方米/秒（m3/s）和升/秒（l/s）來表示。水頭：用來表示發(fā)電站的發(fā)電機到水壩的水平面的高度（m）。6.3.2水力發(fā)電原理與應用100式中P——發(fā)電機的輸出功率（kW）；Q——流量（m3/s），單位時間內(nèi)流過水輪機水的體積；H——水頭（m），水輪機做功用的有效水頭，為水輪機進出口斷面的總水位差；η——電廠的效率（包括水輪機和發(fā)電機的總效率0.60-0.85）；9.81——流速和水頭轉(zhuǎn)換為kW?h的常系數(shù)。水力發(fā)電機發(fā)出的電能稱為發(fā)電機的出力。（8-1）其計算公式為101對于小型水電站，水力發(fā)電機的出力近似為（8-2）年發(fā)電量的公式為（8-3）式中

E——年發(fā)電量（kW?h）；——平均出力（kW）；T——年利用小時數(shù)（h）102水力發(fā)電的成本低、效率高、技術(shù)先進，其運行、維護的費用是所有發(fā)電技術(shù)中最低的；可以按需供電，從小的、分散的鄉(xiāng)村小水電到為城市和工業(yè)的大型、集中供電，水力發(fā)電都能保證供電質(zhì)量和數(shù)量。水力發(fā)電除了提供廉價的電力外，還有以下的優(yōu)點：在電力系統(tǒng)中可作為調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相及負荷和事故備用；控制洪水泛濫、提供灌溉用水、改善河流航道和提供旅游景點等，可以帶動地方經(jīng)濟發(fā)展。1036.4海洋能利用與發(fā)電

6.4.1海洋能的分類與應用海洋能的表現(xiàn)形式多種多樣，通常包括：潮汐能、海流能、波浪能、海洋溫差能和海洋鹽差能等。1．潮汐能

潮汐能是以位能形態(tài)出現(xiàn)的海洋能，是指海水潮漲和潮落形成的水的勢能。海水漲落的潮汐現(xiàn)象是由地球和天體運動以及它們之間的相互作用而引起的。主要是指海水潮和潮落形成的水的勢能，利用的原理與水力發(fā)電的原理類似，而且潮汐能的能量與潮量和潮差成正比。1042．海流能

海流能是另一種以動能形態(tài)出現(xiàn)的海洋能。所謂海流主要是指海底水道和海峽中較為穩(wěn)定的流動以及由于潮汐導致的有規(guī)律的海水流動。海流能也主要用來發(fā)電，發(fā)電原理與風力發(fā)電類似。但是由于海水的密度比較大，而且海流發(fā)電裝置必須置于海水中，所以海流發(fā)電還存在了以下一些關(guān)鍵技術(shù)：安裝維護、電力輸送、防腐、海洋環(huán)境中的載荷與安全性能、海流裝置的固定形式和透平設計等。6.4.1海洋能的分類與應用1053．波浪能

波浪能是海洋能利用研究中近期研究最多、政府投資項目最多和最重視的一種能源。波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能。波浪的能量與波高的平方、波浪的運動周期以及迎波面的寬度成正比，波浪能是海洋能源中能量最不穩(wěn)定的一種能源。波浪能是由風把能量傳遞給海洋而產(chǎn)生的，它實質(zhì)上是吸收了風能而形成的。能量傳遞速率和風速有關(guān)，也和風與水相互作用的距離（即風區(qū)）有關(guān)。6.4.1海洋能的分類與應用1064．溫差能溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱能。赤道附近太陽直射多，其海域的表層溫度可達25～28℃，波斯灣和紅海由于被炎熱的陸地包圍，其海面水溫可達35℃，而在海洋深處500～1000m處海水溫度卻只有3～6℃，這個垂直的溫差就是一個可供利用的巨大能源。海洋溫差能轉(zhuǎn)換主要有開式循環(huán)和閉式循環(huán)兩種方式。溫差能利用的困難主要是溫差太小，能量密度太低。溫差能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵是強化傳熱傳質(zhì)技術(shù)。6.4.1海洋能的分類與應用1075．鹽差能鹽差能是以化學能形態(tài)出現(xiàn)的海洋能。它是指海水和淡水之間或兩種含鹽濃度不同的海水之間的化學電位差能。主要存在于河海交接處。同時，淡水豐富地區(qū)的鹽湖和地下鹽礦也可以利用鹽差能。在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當于240m的水頭）。從原理上來說，可通過讓淡水流經(jīng)一個半滲透膜后再進入一個鹽水水池的方法來開發(fā)這種理論上的水頭。如果在這一過程中鹽度不降低的話，產(chǎn)生的滲透壓力足可以將水池水面提高240m，然后再把水池水泄放，讓它流經(jīng)水輪機，從而提取能量。6.4.1海洋能的分類與應用1086.4.2海洋能發(fā)電原理與應用潮汐是海水受太陽、月球和地球引力的相互作用后，所發(fā)生的周期性漲落現(xiàn)象。

潮汐過程線109單庫單向作用——”落潮發(fā)電”步驟

①向水庫注水；②等候，直至水庫中的水到退潮，這樣使庫內(nèi)外產(chǎn)生一定的水頭；③將水庫中的水通過水輪機放入大海中，直到海水漲潮，海水水頭降到最低工作點為止；④第二次漲潮時重復以上工作步驟。也可以反過來，使海水從海里向水庫注入時推動水輪機發(fā)電，這種方式稱為“漲潮發(fā)電”。但是，蓄水庫的壩邊通常是斜坡形的，所以“落潮發(fā)電”一般更為有效。（1）

潮汐能發(fā)電原理及應用技術(shù)110單庫雙向作用步驟

①通過水閘向庫內(nèi)注水；②等候，使水在庫內(nèi)保持一段時間；③利用落潮發(fā)電；④通過水閘將庫中的水泄干；⑤等候一段時間；⑥漲潮發(fā)電。無論是單向發(fā)電還是雙向發(fā)電，出力的大小都與水庫的深度、潮差以及電站的結(jié)構(gòu)設計有關(guān)。（1）

潮汐能發(fā)電原理及應用技術(shù)111站名位置型式機組數(shù)量裝機容量每年耗電量/萬度建站時間投產(chǎn)時間設計/kW實際/kW設計實際沙山浙江溫嶺單庫單向140ⅹ1409.38.519581959.10岳甫浙江象山單庫單向475ⅹ475ⅹ1606.219701972.5海山浙江玉環(huán)雙庫單向275ⅹ2150315～719731975江廈浙江溫嶺單庫雙向6500ⅹ6500ⅹ1107011619721980白沙口山東乳山單庫單向6160ⅹ6640232/19701978.8瀏河江蘇太倉雙向雙貫流式275ⅹ215025619701978.7籌東福建長樂臥軸軸伸式140ⅹ140//19581959果子山廣西龍門港單庫單向140ⅹ140//19761977.2我國運行發(fā)電的主要潮汐電站簡況表（1）

潮汐能發(fā)電原理及應用技術(shù)112地點平均潮差/m庫區(qū)面積/km2裝機容量/MW發(fā)電量/(GW·h/a)投入運行時間/年份朗斯（法國）基斯洛灣（前蘇聯(lián)）江廈（中國）安娜波利斯（加拿大）8.02.47.16.417226240.00.43.217.8540-11301966196819801984世界現(xiàn)有投入運行的潮汐電站（1）

潮汐能發(fā)電原理及應用技術(shù)113我國的潮汐能開發(fā)技術(shù)研究已取得很大進展。小型潮汐電站開發(fā)技術(shù)已趨成熟。江廈潮汐電站已成功地使用了我國自己設計制造安裝的雙向貫流燈泡型機組，水輪機具有正、反向發(fā)電和泄水的工況。為了保證潮汐電站的發(fā)電質(zhì)量，提高經(jīng)濟效益，有些電站也采用了新的電子技術(shù)，實行自動運行控制。江廈潮汐電站利用計算機能正確地做潮位預報，能夠保證機組的最大出力。（1）

潮汐能發(fā)電原理及應用技術(shù)114（2）

海流能發(fā)電原理及應用技術(shù)海流發(fā)電概況：海流和潮汐實際上是同一潮波現(xiàn)象的兩種不同表現(xiàn)形式。潮汐是潮波運動引起的海水垂直升降，潮流是潮波運動引起的海水水平流動。一般來說，開闊的外海潮差小，流速亦小，靠岸邊越大，在港灣口、水道地區(qū)流速顯著變化。潮流漲落方向如果呈旋轉(zhuǎn)變化，則稱旋轉(zhuǎn)流，一般發(fā)生在較開闊的海區(qū)；潮流漲落方向如果為正反向變化，則稱往復流，一般發(fā)生在較狹窄的水域。海流能的利用方式主要是發(fā)電，其原理和風力發(fā)電相似，幾乎任何一個風力發(fā)電裝置都可以改造成為海流發(fā)電裝置。11512

海流發(fā)電裝置的兩種方式鏈式發(fā)電系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)式發(fā)電系統(tǒng)

（2）

海流能發(fā)電原理及應用技術(shù)116（2）

海流能發(fā)電原理及應用技術(shù)鏈式海流發(fā)電裝置：它主要由降落傘、環(huán)狀鏈條、驅(qū)動輪和發(fā)電機組成。一般在環(huán)狀鏈條上裝有多個降落傘，鏈條在降落傘的帶動下會轉(zhuǎn)動，同時使驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，驅(qū)動輪與船上發(fā)電機相連。當降落傘順著海流方向時。由于海流的作用，降落傘張開，當降落傘轉(zhuǎn)到與海流相對的方向時，傘口收攏，帶有降落傘的鏈條的運動使驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動。掛有降落傘的鏈條自動地向驅(qū)動輪的下游漂移，所以降落傘和鏈條的方向可以始終與流速較大的海流的方向保持一致。117（2）

海流能發(fā)電原理及應用技術(shù)鏈式海流發(fā)電裝置118（2）

海流能發(fā)電原理及應用技術(shù)旋轉(zhuǎn)式海流發(fā)電裝置：這種發(fā)電裝置有一臺帶外罩的水輪機。在喉部有一臺用輪緣固定方式固定的雙轉(zhuǎn)式水輪機。當葉輪旋轉(zhuǎn)速度加快時，可變式水輪葉片呈懸鏈線形，這樣可最大限度地利用海流。水輪機邊緣有多個動力輸出裝置，動力輸出裝置帶動發(fā)電機組，從而使水輪機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為電能。這種裝置通常采用繃緊式三點系泊裝置進行固定?？梢詼p少海面船舶活動造成的影響，發(fā)出的電能通過電纜輸往岸上。

119（2）

海流能發(fā)電原理及應用技術(shù)旋轉(zhuǎn)式海流發(fā)電裝置120（3）

波浪能發(fā)電原理及應用技術(shù)波浪能發(fā)電概況：波浪是由于風和水的重力作用形成的起伏運動，它具有一定的動能和勢能。波浪能利用的關(guān)鍵是波浪能轉(zhuǎn)換裝置，通常波浪能要經(jīng)過三級轉(zhuǎn)換：第一級為受波體，它將大海的波浪能吸收進來；第二級為中間轉(zhuǎn)換裝置，它優(yōu)化第一級轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生出足夠穩(wěn)定的能量；第三級為發(fā)電裝置，與常規(guī)發(fā)電裝置類似。波浪發(fā)電是波浪能利用的主要方式。波浪能利用裝置大都源于幾種基本原理，主要是：利用物體在波浪作用下的振蕩和搖擺運動；利用波浪壓力的變化；利用波浪的沿岸爬升將波浪能轉(zhuǎn)換成水的勢能等。其中具有商品化價值的裝置包括有：振蕩水柱式裝置、擺式裝置和聚波水庫式裝置三大類。121（3）波浪能發(fā)電原理及應用技術(shù)關(guān)于波浪能的計算波浪能的大小可以用海水起伏勢能的變化來進行估算，根據(jù)波浪理論，波浪能量與波高的平方成比例。波浪功率，即能量產(chǎn)生或消耗的速率，既與波浪中的能量有關(guān)，也與波浪到達某一給定位置的速度有關(guān)。按照Kinsman(1965年)的公式，一個嚴格簡單正弦波單位波峰寬度的波浪功率為：式中：H為波高，T為波周期，ρ為海水密度，g為重力加速度。如有一周期為10s，波高為2m的涌浪涌向波浪發(fā)電裝置，波列的10m波峰L的功率為：它表明每10m波峰寬度的波浪功率等效為400kW。122（3）

波浪能發(fā)電原理及應用技術(shù)1波浪鴨裝置.2波動水柱裝置3“壩礁”波浪能利用裝置波浪能利用裝置.123（3）波浪能發(fā)電原理及應用技術(shù)波浪鴨裝置：他的形狀設計成能最大限度地吸收波浪能的形狀。從左邊過來的波浪使波浪鴨擺動，波浪鴨右邊做成柱形，使右邊的海面不再有波浪，能量從搖擺軸上獲得。這個裝置的效率比較高，該裝置需要解決這樣兩個問題：①需要把低速的搖擺運動轉(zhuǎn)換成發(fā)電機需要的高速轉(zhuǎn)動；②需要把電能從一定水深中活動的裝置上輸送到較遠的地方去。124（3）波浪能發(fā)電原理及應用技術(shù)波動水柱波浪能發(fā)電裝置波動水柱波浪能發(fā)電裝置工作原理波動水柱波浪能發(fā)電裝置

：當波浪遇到部分浸在水中的空腔時，空腔中水柱會上下波動，從而引起上部氣體或液體的壓力變化?？涨豢赏ㄟ^某種渦輪機與大氣相連，并從渦輪機獲得能量。這類裝置的主要優(yōu)點是可以把低速的波浪運動變成速度較高的氣流，設備可以不浸在海水中。125“壩礁”波浪能利用裝置

：波浪進入靠近海面的開口，流經(jīng)一組導片和旋轉(zhuǎn)葉片。由于波浪的折射，波浪從各個方向進入結(jié)構(gòu)物的中心部分。旋轉(zhuǎn)的葉片使海水在中心區(qū)呈螺旋狀向下運動。這種旋轉(zhuǎn)的水柱就像一個液體飛輪，似水輪機轉(zhuǎn)動，從而可以推動發(fā)電機發(fā)電。壩礁波浪能轉(zhuǎn)換裝置沿海地區(qū)供電的壩礁發(fā)電裝置（3）

波浪能發(fā)電原理及應用技術(shù)126（3）

波浪能發(fā)電原理及應用技術(shù)波浪能利用的關(guān)鍵技術(shù)：波浪聚集與相位控制技術(shù)；波能裝置的波浪載荷及在海洋環(huán)境中的生存技術(shù)；波能裝置建造和施工中的海洋工程技術(shù)；不規(guī)則波浪中的波能裝置的設計與運行優(yōu)化；波浪能的穩(wěn)定發(fā)電技術(shù)和獨立發(fā)電技術(shù)等。

127（4）

溫差能、鹽差能發(fā)電原理及應用技術(shù)海洋溫差能發(fā)電：利用海洋表層暖水與底層冷水間溫差來發(fā)電。工作方式一般可分為開式循環(huán)、閉式循環(huán)和混合式循環(huán)三種方式。

海洋熱能轉(zhuǎn)換的基本過程128（4）

溫差能、鹽差能發(fā)電原理及應用技術(shù)閉式循環(huán)是利用海洋表層的溫水來蒸發(fā)氨或氟里昂之類的工作流體。蒸汽流經(jīng)渦輪機后，再由從海洋深處抽上來的冷水冷凝成液體。閉式循環(huán)129（4）

溫差能、鹽差能發(fā)電原理及應用技術(shù)開式循環(huán)

表層水本身就是流體。表層水在小于其蒸汽壓的壓力下蒸發(fā)，蒸汽流經(jīng)渦輪機，然后如同氟利昂在閉式循環(huán)中那樣冷卻和凝聚。開式循環(huán)130（4）

溫差能、鹽差能發(fā)電原理及應用技術(shù)混合式循環(huán)系統(tǒng)131（4）

溫差能、鹽差能發(fā)電原理及應用技術(shù)對于溫差能發(fā)電無論是閉式工作循環(huán)還是開式工作循環(huán)，都類似于常規(guī)的熱電站，只是工作溫度低一些，而且海洋熱能電站用的是表層海水的熱量，而不是燃料燃燒產(chǎn)生的熱量。這種發(fā)電的基本原理是選取一種易揮發(fā)的介質(zhì)如液態(tài)氨、丙烷等，使其被海面的高溫海水汽化，氣體從高溫室(海面溫水)向低溫室(海底冷水)運動的過程中帶動渦輪機轉(zhuǎn)動發(fā)電，在低溫室遇冷又變成液體，如此循環(huán)往復進行發(fā)電。132（4）

溫差能、鹽差能發(fā)電原理及應用技術(shù)海洋鹽差能發(fā)電：河流的淡水與鄰近的海水之間具有濃度差，鹽差能是由江河淡水流入大海，與苦咸的海水交融在一起由滲透引起的滲透壓能。把這種壓力差轉(zhuǎn)換為勢能，然后用于發(fā)電。

連續(xù)運轉(zhuǎn)的鹽差能發(fā)電系統(tǒng)133海洋能對人類具有無限吸引力,人類在對海洋能開發(fā)的同時不斷認識了解海洋,盡管海洋能發(fā)展的困難很大,投資也比較昂貴,但由于它在海上和沿岸進行,不占用土地資源,不消耗一次性礦物燃料,又不受能源枯竭的威脅,作為未來技術(shù),把能源資源、水產(chǎn)資源和空間利用有效地結(jié)合起來,建立能發(fā)揮海洋優(yōu)勢的總能源系統(tǒng),實現(xiàn)海洋能的綜