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名稱(chēng)辨析

火力發(fā)電廠從字面上來(lái)看是指有燃燒過(guò)程參與的發(fā)電廠。不過(guò)英語(yǔ)中并無(wú)對(duì)應(yīng)詞匯，常用 fossil-fuel power station 來(lái)描述燃燒化石燃料的電廠（ 化石燃料發(fā)電廠 ），細(xì)分時(shí)可用諸如coal-fired（燃煤）之類(lèi)的名稱(chēng)。理論上來(lái)講，燃燒生物質(zhì)能的電廠在中文中也可以被叫做火力發(fā)電廠，不過(guò)實(shí)際上一般所指的火力發(fā)電廠都是化石燃料發(fā)電廠。

熱力發(fā)電廠一般特指用蒸汽發(fā)電的發(fā)電廠，如大部分的化石燃料發(fā)電廠（然而使用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的就不是用蒸汽發(fā)電的）、核電站以及地?zé)岚l(fā)電站等。有時(shí)也指一切用熱機(jī)發(fā)電的電廠，這樣用燃?xì)廨啓C(jī)或內(nèi)燃機(jī)發(fā)電的電廠也可計(jì)算在內(nèi)。不過(guò)在實(shí)際使用中，很多時(shí)候熱電廠就是指火電廠。還有一種情況，使用 熱電廠 和 發(fā)電廠 分別指熱電聯(lián)產(chǎn)的電廠和單純發(fā)電的電廠。

基本概念

在火力發(fā)電廠中，各種化石燃料如煤、燃料油、天然氣或油頁(yè)巖中儲(chǔ)存的化學(xué)能被逐步轉(zhuǎn)換成熱能、機(jī)械能最后變成電能，供向四方。火力發(fā)電廠是一個(gè)高度復(fù)雜的系統(tǒng)，其建造成本可達(dá)1300美元每千瓦發(fā)電能力，或者說(shuō)一個(gè)500MW發(fā)電力的電廠需要約6億5千萬(wàn)美元。一個(gè)發(fā)電廠常常有多個(gè)發(fā)電單元，以節(jié)省人力、物力資源。世界上大部分的熱力發(fā)電廠都使用化石燃料，數(shù)量超過(guò)核、地?zé)帷⑸镔|(zhì)能或太陽(yáng)能發(fā)電站。

熱能到機(jī)械能

熱力學(xué)第二定律顯示任何閉式熱力學(xué)循環(huán)只能把燃燒產(chǎn)生的熱能部分地轉(zhuǎn)換為功。剩下的熱，叫做廢熱，必須被排放到較冷的環(huán)境中，以回到循環(huán)的起始點(diǎn)。排到冷源的熱的比例必須等于或大于冷源的絕對(duì)溫度和熱源（燃燒爐）的絕對(duì)溫度的比。提高鍋爐溫度可以提升效率，但是也增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度——主要是需選用更高水平的合金，使得爐的造價(jià)提升。廢熱無(wú)法轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，除非有一個(gè)溫度更低的冷卻系統(tǒng)。 然而，廢熱可以在熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠中輸出，用來(lái)加熱建筑、生產(chǎn)熱水或在工業(yè)中用來(lái)加熱材料，例如用在某些煉油廠或化學(xué)合成廠中。

工業(yè)上發(fā)電機(jī)的典型熱效率對(duì)于燃煤或燃油大約在33%左右，燃?xì)饴?lián)合循環(huán)電廠可達(dá)50%。峰值電廠通常效率低一些，因?yàn)樗鼈儾荒芸偸枪ぷ髟谧罾硐氲脑O(shè)計(jì)工況中（例如溫度過(guò)低） 。

把熱能轉(zhuǎn)換成有用功的理論最大效率是卡諾循環(huán)，故所有實(shí)際的火電廠不可能超過(guò)此限制。燃料電池不受此限制，因?yàn)樗鼈儾皇怯么嗽戆l(fā)電。

煤

  山西一處煤礦

煤是地球上最豐富的化石燃料之一。它相對(duì)而言比較便宜，而且中國(guó)、印度、美國(guó)等政治較為穩(wěn)定的國(guó)家都擁有大量?jī)?chǔ)量，而不像石油、天然氣主要依賴(lài)風(fēng)云多變的波斯灣進(jìn)口故其供應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定。然而如想替代甚至取代石油或天然氣，煤必須要轉(zhuǎn)換成液體或者氣體，因?yàn)槭投嘤迷谶\(yùn)輸上，而天然氣除了發(fā)電主要用在家庭、水以及工業(yè)供熱上，這樣的轉(zhuǎn)換是不經(jīng)濟(jì)的，尤其是考慮到汽車(chē)或者加熱器還必須得進(jìn)行改造以適用于新燃料。另外，如果不回收廢氣，煤產(chǎn)生的污染要比石油或者天然氣嚴(yán)重，尤其是如果算上二氧化碳等溫室氣體的話。

同時(shí)固體煤礦的開(kāi)采較為危險(xiǎn)和高污染，需要開(kāi)挖礦坑派人進(jìn)入開(kāi)礦，或是在特定地形用炸藥露天大面積開(kāi)挖，中國(guó)山西省為世界最大最高密度煤業(yè)聚集區(qū)，全省產(chǎn)煤120億噸以上，采煤形成的采空區(qū)達(dá)到2萬(wàn)平方公里，相當(dāng)于山西省1/8的面積，針對(duì)此問(wèn)題設(shè)立國(guó)家資源型經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)開(kāi)始整頓煤業(yè)，提高采礦安全性和設(shè)備效率并降低污染。

世界上最大的火力發(fā)電廠是內(nèi)蒙古托克托發(fā)電公司；世界上能量效率最高的發(fā)電機(jī)組是上海外高橋第三發(fā)電公司的兩臺(tái)100萬(wàn)千瓦中國(guó)國(guó)產(chǎn)超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，該廠也是世界上第一個(gè)將實(shí)際運(yùn)行煤耗降低到280克/千瓦時(shí)整關(guān)口數(shù)的電廠 。

燃料輸送

  在美國(guó)，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(guò)高速公路卡車(chē)、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(yùn)煤火車(chē)專(zhuān)列可長(zhǎng)達(dá)兩公里，包含100節(jié)車(chē)廂，每節(jié)載煤100英噸以上，總量可達(dá)一萬(wàn)英噸。大型的電廠在全負(fù)荷時(shí)每天至少需要一列這樣的火車(chē)。在用電高峰期，如最熱的夏天和最冷的冬天（視當(dāng)?shù)貧夂蚨ǎ?，電廠甚至每天需要三到五列這樣的火車(chē)。例如位于安大略的北美最大燃煤電廠 Nanticoke發(fā)電站 （ 英語(yǔ) ： Nanticoke Generating Station ） ，每個(gè)冬天的結(jié)冰期就需要儲(chǔ)備幾百萬(wàn)公噸的煤供使用。

電站有時(shí)也會(huì)使用燃料油。燃料油可以通過(guò)管道、油船等方式運(yùn)輸。油在電廠先被儲(chǔ)存在圓柱形的鋼桶里。黏度較高的油燃燒前可能需要先進(jìn)行加熱。

燃天然氣電站經(jīng)常建在天然氣管道旁邊，或者用專(zhuān)用管道傳輸過(guò)來(lái)。在沒(méi)有生產(chǎn)天然氣的地方，需從產(chǎn)地將天然氣液化后，以液化天然氣船（LNG船）輸送至天然氣接收站，再由管線輸送至電廠。

燃料處理

1會(huì)先被先碾成長(zhǎng)度不大于2英寸（5厘米）的小塊，然后運(yùn)送到電廠的堆料場(chǎng)上，通過(guò)傳送帶源源不斷的輸入。其用量最高可達(dá)每小時(shí)3600噸。

對(duì)于燃燒粉煤的電廠，煤塊在進(jìn)入鍋爐之前會(huì)先在磨煤機(jī)里磨成粉，然后用預(yù)熱空氣吹進(jìn)爐中。一個(gè)500MW的發(fā)電站可能有6個(gè)這樣的磨煤機(jī)（一個(gè)備用），全力負(fù)載時(shí)可以每小時(shí)提供200多噸進(jìn)入鍋爐。不燃粉煤的電廠，2-英寸（51-毫米）的煤塊直接通過(guò)料倉(cāng)送到活動(dòng)爐排或旋風(fēng)爐（一種可以高效燃燒大塊燃料的燃燒器）中。

至于燃料油和天然氣發(fā)電站，燃料不需特別處理，液態(tài)的天然氣和提煉過(guò)的石油產(chǎn)物運(yùn)至發(fā)電站可直接加入機(jī)組燃料槽。

機(jī)組類(lèi)型

蒸汽發(fā)電

大部分化石燃料都是通過(guò)蒸汽發(fā)電的。自從1906年渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)明以來(lái)，往復(fù)式的蒸汽機(jī)逐漸被淘汰了。

燃?xì)鉁u輪發(fā)電

  480兆瓦GE H系列電廠燃?xì)鉁u輪

 猶他州莫納市的Currant Creek燃天然氣發(fā)電廠。

一種類(lèi)型的火電廠用燃?xì)鉁u輪聯(lián)合廢熱回收蒸汽發(fā)生器（HRSG）發(fā)電。這被稱(chēng)作聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠，因?yàn)樗巳細(xì)鉁u輪的布雷頓循環(huán)和HRSG的郎肯循環(huán)。其效率可達(dá)6003千焦/千瓦時(shí)，熱效率接近60%，在威爾士Baglan Bay發(fā)電廠實(shí)現(xiàn) 。

燃?xì)鉁u輪的燃料可以是天然氣、合成氣或燃料油。盡管這種發(fā)電站效率更高且建造更快（甚至可以在18個(gè)月內(nèi)從零建造一個(gè)1000MW的電站），但其經(jīng)濟(jì)性很大程度上取決于多變的燃料價(jià)格，一般是天然氣。聯(lián)合循環(huán)電廠的配置很多變，比如一個(gè)3-1聯(lián)合循環(huán)設(shè)施有三個(gè)燃?xì)鉁u輪和一個(gè)蒸汽渦輪。其他的配置包括(1-1)、(2-1)、(3-1)、(4-1)、(5-1)、(6-1)等。

天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電與再生能源的互補(bǔ)性高，因?yàn)榇朔N發(fā)電方法能在短時(shí)間內(nèi)升降發(fā)電量以配合發(fā)電量不穩(wěn)定的再生能源，尤其是當(dāng)風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能電池及天然氣的成本越來(lái)越低，再生能源與天然氣的組合已經(jīng)有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。

單一循環(huán)或者開(kāi)式循環(huán)的燃?xì)鉁u輪發(fā)電站（不含蒸汽循環(huán)）有時(shí)候會(huì)用在緊急場(chǎng)合或峰值電廠中。其熱效率要低很多。它的運(yùn)行成本遠(yuǎn)高于初始成本，故本來(lái)就設(shè)計(jì)成一年僅運(yùn)行幾百個(gè)小時(shí)。還有一些采用多級(jí)的方式，即首級(jí)使用開(kāi)式循環(huán)燃?xì)鉁u輪，然后再連接到其他的渦輪；或在未來(lái)轉(zhuǎn)換成閉式循環(huán)。

往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)

壓燃式內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組常用作臨時(shí)的備用發(fā)電機(jī)。它們常常使用內(nèi)燃機(jī)燃燒燃料油或者天然氣來(lái)發(fā)電。柴油引擎在低轉(zhuǎn)速時(shí)就能有很大的轉(zhuǎn)矩，很適合交流發(fā)電機(jī)。

火花點(diǎn)火式內(nèi)燃機(jī)（即汽油機(jī)）的燃料包括汽油、丙烷、液化石油氣（LPG）等，經(jīng)常用作移動(dòng)性的臨時(shí)發(fā)電機(jī)，用在建設(shè)工程、戶(hù)外緊急用電等場(chǎng)合。

往復(fù)式外燃機(jī)如斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)可以使用多種多樣的化石燃料發(fā)電。不過(guò)現(xiàn)在在工業(yè)上已經(jīng)非常少見(jiàn)。

汽電共生

熱電聯(lián)產(chǎn)又稱(chēng)汽電共生，是指用電廠同時(shí)發(fā)電和廢熱供熱。盡管從熱力循環(huán)中抽熱會(huì)導(dǎo)致電站熱效率有所降低，但是如果專(zhuān)門(mén)使用一部分燃料燃燒來(lái)供熱，總效率反而更低，所以汽電共生設(shè)備如果設(shè)計(jì)得當(dāng)有其利基點(diǎn)存在。熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)在丹麥等斯堪的納維亞國(guó)家以及德國(guó)的一部分被廣泛使用。

環(huán)境影響

  位于內(nèi)達(dá)華勞夫林的Mohave發(fā)電站，已因?yàn)榄h(huán)境因素于2005年關(guān)閉

世界能源需求預(yù)計(jì)到2030年將提升60% 。介于全球有超過(guò)5萬(wàn)座活動(dòng)的煤電站 ，國(guó)際能源署預(yù)計(jì)到2030年仍有85%的能源是化石燃料 。

一些國(guó)際組織密切關(guān)注化石燃料，尤其是煤對(duì)環(huán)境的影響。煤燃燒是空氣污染以及酸雨的罪魁禍?zhǔn)?，而燃煤所排出的二氧化碳是溫度氣體之一，會(huì)做成溫室效應(yīng)，現(xiàn)在已經(jīng)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(guān)系 。因?yàn)槠浠瘜W(xué)結(jié)構(gòu)所致，很難在燃燒之前從固體煤中去除雜質(zhì)。不過(guò)，得益于現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，通過(guò)對(duì)煙囪排放的廢氣的過(guò)濾，當(dāng)代煤電站的污染已比過(guò)去小很多。當(dāng)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(dǎo)致的。這些氣體本身的酸性有限，但是在和空氣反應(yīng)之后，會(huì)產(chǎn)生諸如亞硫酸、硫酸、硝酸等酸性化合物，最終導(dǎo)致酸雨。在美國(guó)及歐洲，隨著排放法規(guī)的日漸嚴(yán)格和重工業(yè)的衰落，酸雨的危害正在逐漸減小，已低于1960年代的最高峰。然而這些污染工業(yè)卻轉(zhuǎn)移到大部分開(kāi)發(fā)中的國(guó)家，如中國(guó)、印度、越南、泰國(guó)、印尼、巴西、墨西哥等，所以全球的工業(yè)污染并沒(méi)有得到適當(dāng)?shù)目刂?，并且日愈?yán)重，這是全人類(lèi)必須嚴(yán)肅面對(duì)的緊急課題。

歐洲環(huán)境署基于歐盟的發(fā)電站，給出了不同燃料的排放量 。

火電廠的替代物

化石能源的替代物包括核能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、風(fēng)能、潮汐能、水力發(fā)電以及其他可再生能源。其中有些已經(jīng)在工業(yè)中實(shí)際使用（如核能、風(fēng)能、潮汐能和水力發(fā)電），其他很多還在開(kāi)發(fā)研究之中。就目前而言，其他各種電站的發(fā)電成本仍然高于化石燃料發(fā)電，不過(guò)這里僅考慮了直接成本（燃料、建設(shè)等），未考慮污染等導(dǎo)致的間接成本所需的費(fèi)用（例如污染導(dǎo)致人類(lèi)疾病的醫(yī)療成本）。另外，這些電站需要在特定的地方建設(shè)才能發(fā)揮作用，而且運(yùn)作時(shí)仍然會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境構(gòu)成一定程度的影響。

生產(chǎn)組織

火力發(fā)電廠的生產(chǎn)部門(mén)一般分為：

燃料車(chē)間：負(fù)責(zé)燃料準(zhǔn)備、配煤、磨煤、輸煤

鍋爐車(chē)間：包括鍋爐司爐、電除塵、脫硫、風(fēng)機(jī)等

汽機(jī)車(chē)間：包括汽機(jī)司機(jī)、化學(xué)（給水除氧）等

電氣車(chē)間：負(fù)責(zé)全廠一次系統(tǒng)、二次系統(tǒng)、直流系統(tǒng)等

由于火力發(fā)電廠24小時(shí)不間斷工作，所以各崗位配備3-5班人員，由各車(chē)間的班長(zhǎng)領(lǐng)導(dǎo)。全廠設(shè)值長(zhǎng)統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)當(dāng)班各班長(zhǎng)。

參見(jiàn)

參考書(shū)籍

Steam: Its Generation and Use (2005). 4t edition, Babcock & Wilcox Company, ISBN 0-9634570-0-4

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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

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