Video 7-8* 高效及绿色发电技术在线视频

下面就是我们这一章的最后一部分

开篇我也说了

为了拓宽大家的视野

那么也是为了大家了解能源动力

研究发展的一个现状

增加大家的一个使命感

同时也是为了给清华实体课

做大作业的同学

提供一些思路或者说启发

那么我对咱们

高效或者说绿色的一些发电技术

做一个简介

当然这一部分是我们拓展的内容

我们用星号来表示

当然你如果是不感兴趣 你也可以忽略

进入具体内容之前

先帮大家来理清几个术语

我们常常不管是新闻媒体或者什么

常常会听到说火电厂

然后燃煤电厂 燃气的电厂

那么火电厂一般来说

它就是利用燃料燃烧

化学能变成热能

然后通过热机把这热能变成机械能

然后再通过发电机变成电

这就是火电厂

所以火电厂严格地来说

它应该包括所有的

跟这种燃烧方式相关的应该都包括

燃煤的 燃气的

甚至这种垃圾焚烧应该都包括

但是对于我们国家

因为我们国家是以煤为主

所以我们国家的火电厂

基本上都是燃煤电厂

所以大家常常用火电厂

来指代燃煤电厂

那么准确地来说

火电厂包括燃煤的 燃气的

甚至垃圾焚烧发电的都包括在里面的

这是一个

再有一个 我们再来看这个电厂的循环

目前在用的应该也是这几类

一个是燃气动力循环

它是烧气的实际上

里面循环的工质是以空气为主的燃气

当然它也可以烧油的

那么还有一个燃煤的

它是蒸汽动力循环

那么还有燃气-蒸汽联合循环

还有一个词刚才我实际上

在前面热电联产的时候有提过

如果一个电厂只是发电

我们把它叫做电厂或者发电厂

如果这个电厂既发电还供热

我们一般把它叫做热电厂

这是这几个术语的

不同或内涵 我给大家理清一下

然后我们再来看火力发电的占比

在我们国家火力发电

那么这个数据是我前几天

从网上特意下载最新的资料

整理的内容

右侧这个蓝色柱状图

是从中国产业信息网下来的

它是2016年3月的一个文章

里面提到火力发电

占我们国家总的发电的一个份额

我们来看总的趋势是减小的 当然中间有波动 比如2011年、2013年相对较高

而2015年时 是百分之七十三 是迄今为止占比最少的 但依然很高

为什么我们国家发电中

火电占的份额比较大

原因就是我们国家的能源是以煤为主的

在我们绪论中有讲过

然后我们左侧黄色的那个它也是

中国产业信息网上的一个文章介绍

这个大概是15年的一个数据

那么也就是说在总的发电比例来看

煤电 火电

火力发电实际上主要指的是煤电

因为我们国家煤比较多

所以这块蒸汽动力循环

这块是一个比较成熟的一个技术

而燃气动力循环这块

燃气轮机制造技术

我们国家相对来说要弱

而且这个油或者什么这块

能源的量也少

所以我们国家一般

我刚才说了大家常规把火力发电

实际上就指代了煤

那么在这个统计里

它这火力发电指的就是煤电

那么我们来看一下

2015年的数据中间饼状的示意图

我们火电占了百分之七十几

然后剩下的是什么

再稍微大点是水电

然后还有核电等等那就占的就更少了

因为燃煤 煤发电

那么它可以带来很大的污染问题

所以对于我们国家

希望尽量地减少燃煤发电的比例

同时希望这燃煤发电

是一个清洁的一个发电

还有就是要提高发电的热效率

那么对于蒸汽电站

提高电厂供电热效率的措施

实际上我们前面也有提过

那么一个是提高初参数

提高初参数现在向超临界

甚至超超临界发展

那么再一个是要采用大功率的机组

然后这样采用大功率机组

那么相应的一些回热 还有抽汽

一些所有的这种提高热效率措施

都可以进行用

那么采用大功率机组

还可以降低厂用电率

也就是说

这个厂用电的比例可以减小

那么还有一个采用热电联产

或者热电联供

那么提高燃煤发电的热效率

那么肯定对于我们的改善环境

是有非常重要的意义 这是毫无疑问的

那么这里我们展示了一些

高效或者说绿色发电技术

这些有的甚至在研究阶段的

那么主要有这几大块

一个是高效发电

最左侧的这一组

那么高效发电 这里就包括

超临界 超超临界机组

还有联合循环

然后还有多联产

多联产实际上还有两块

一个是以发电为中心

还有一个是以煤气化为核心

煤气化包括化工的一些东西

都包含在里面

然后第二块是洁净发电

那么这个因为是煤

所以说它一个循环流化床

还有煤炭加工转化这些一系列的东西

包括我们的可再生能源发电

以及这核电也在这个块里

那么第三块就节水发电

因为我们刚才前面讲过

我们的蒸汽动力循环一般来说

它的冷凝器外面接的是冷却塔的

那么冷却塔它的一个

最根本的一个原理

就是通过一部分水分蒸发带走热量

那么水分蒸发也就散到大气中去了

那么这水怎么样 也就浪费了

所以来怎样实现

高效发电同时要节水

这实际上是一个很大的一个研究课题

那么实际上 我也在做一些

冷却塔节水的一些研究

我们在第九章的时候会介绍

我们所做的一些工作

那么同时

那这节水发电这块还有一个内容

就是空冷机组

我们一会儿会展示一点照片

第四块就是分布式发电

我们后面会介绍分布式发电

它要小型的这种

微型的燃气轮机组

那么冷热电联供

我们后面会简单地介绍

还有太阳热发电 风电

也是这个模块的

那么还有一些新型的一些发电技术

那么这里面的这些内容

我们不可能全去介绍

我们挑其中的几块来进行介绍

那么这个照片是我们国产流化床的

一个锅炉的一个外景的照片

它是苏盛热电厂的

那么就是为了煤更好地燃烧

而且减少排放

这个就是空冷机组

我们左上角是示意图

从蒸汽轮机出来的燃气

然后到换热器管子里面

然后下面进行送风 鼓风

然后推通过管壁

空气冷却管内的蒸汽

使它变成水

然后再回到这水泵去 不用冷却塔

那这样就可以杜绝冷却塔水的蒸发

但是有一个问题

那么你通过这种风冷

它的冷却能力远不如

利用水的这种蒸发来冷却

这个讲传热的时候会讲

但是不是我们这课程的内容了

还有一个它的降温的能力

冷却的温度比水冷也要差的

这个我们不能去展开

这是一个传热的问题

我们现在来介绍一下

超临界 超超临界机组

那么这个实际上是一个现实

而且实用的一个先进的发电技术

那么临界点我们知道

我们前面讲

第六章讲水和水蒸气的时候

我们知道水的临界点是多少

22个兆帕

那么它的温度374.15度

那所谓的超临界机组

也就是说它的压力和温度

肯定比这要高的

一般来说超临界机组

它的压力是24个兆帕以上

那么这超临界机组

有时候用英文的SC来表示

那么它就是英文超临界机组的两个字头

那么压力24个兆帕

那么主汽和再热气体的温度

大概是540-560度

当然它的效率肯定比亚临界要高了

因为它平均吸热温度高了

那么接下来是超超临界

那么你这个压力肯定比前一个还要高

而且它英文表示用USC来表示

刚才SC前面再加一个U

这也是它的英文的缩写

三个单词第一个字母放在一起

那么对于超超临界它的主蒸汽压力

在25-28个兆帕及以上

然后主汽和再热汽的气温

是高于580度的

当然它的效率

它的热效率肯定比超临界的还要高

那么对于我们国家

自主研发生产的第一台

百万千瓦超超临界机组

是在2006年的8月进行投产的

是在浙江的玉环

那么它的参数是28个兆帕

蒸汽的初温是580度

它的热效率是多少 46%

然后它的供电煤耗是每千瓦小时292g

我们国家现在平均的燃煤发电

那么煤耗大概是每千瓦小时300多

三百二十几 大概是这样一个情况

那么从现在开始再建

或者是新建的燃煤发电机组

都要是超临界或者是超超临界

而且超超临界要占一半以上 50%以上

那么就是为了提高热效率

而且降低污染物的排放

我前面在抽汽回热的时候讲过

广义回热是上海外高桥三厂

一个世界首创技术

那么在这再稍微介绍一下它们的情况

左侧这个照片是它们外景的一个照片

它们有两台

一百万千万超超临界燃煤发电机组

分别在2008年的3月和6月投产的

中间下面这个

是它年平均运行供电煤耗

这肯定越小越好 你看一下

从2008年开始这个数一直在减小

一直在减小

那么现在是二百七十几 二百七十几

而且上海外高桥三厂

它是世界上率先冲破燃煤280g/kwh

这样一个整数关口的一个电厂

也就是说它是世界上最先进的

那么这右侧的照片是我们2013年去

我们系的一些老师

当然我是其中之一

到那去参观交流的时候一个照片

背景就是在它们这两个超临界机组

那个工厂里照的

你从照片可以看到

它那个房间是非常非常清洁的

一尘不染

甚至可以说是光可照人

你可以看这照片非常干净的房间

所以燃煤发电厂

不是大家想象的那种脏的那种

实际上是非常非常干净的 屋里

他们自主研发了大概是12项

世界首创节能减排技术

那么这个是我当时去的照的三个照片

截图了 左侧是表示它这个应该是

它有两个机组 7号机组和8号机组

那么这是两个机组

年平均供电煤耗

多少 270g多一些

然后中间这是什么

是它的年均的供电效率

然后你看右侧这个

右侧它是排放物 各种排放物

大概列了这三个排放物实时的参数

然后这个右侧是国家的一个标准

你可以看到它远低于国家的标准

所以它们这电厂是世界上最先进的

华尔街日报说

世界上最高效的燃煤发电厂

就是我们上海外高桥三厂

大概的一个情况

我是简单介绍在这

然后我们再来介绍 简单介绍一下

注蒸汽燃气循环

那么这个是它的一个示意图

这个循环是姓程 方程的程

这个华人发明的

那么这是它的一个示意图

我们来看一下

注蒸汽 怎么个注蒸汽法

首先我们从汽轮机膨胀作功之后的气体

到这余热锅炉里面

到余热锅炉里面把它的热量

放给这水 水泵打的水在这余热锅里吸收热量

那么经过这吸热之后

就变成了这个蒸汽

那么这个蒸汽一部分

有水泵打的时候压力也是高的

那么这个蒸汽 高压蒸汽去哪

去燃烧室里面

去燃烧室里面它有两个作用

一个是降低燃烧温度

一个是降低温度燃烧温度

那么第二个就是增加循环的功

因为蒸汽量增加了

所以循环的净功可以增加的

还有一部分低压蒸汽到哪去

到了低压透平里

那它就是为了增加这功的

增加这工质的量

所以它也可以提高热效率

这是注蒸汽燃气循环

燃气循环我们简单介绍一下

然后这个是什么

是整体煤气化联合循环

大家可能有

在媒体上可能有听说过叫做IGCC

IGCC它就是我们整体煤气化联合循环

这个英文几个字母的一个缩写IGCC

然后你看它实际上

它是由什么组成的

它实际上就是三部分

那么这个右侧是我们的一个

更直观的一个示意图了

我们看有哪三部分组成

最上面我们用虚线

红色的虚线表示的这块

它实际上就是一个

煤气化这样的一个过程

煤气化这样一个环节

然后接下来蓝色这是什么

是我们的燃气动力循环

然后这下面黄色的这个是什么

是我们的蒸汽动力循环

也就是说煤气化产生的燃气

然后送到燃气动力循环的燃烧室里

进行燃烧

所以说整体煤气化联合循环

就是我们的燃气蒸汽联合循环的前面

加了一个煤气化

那么由煤气化来提供燃料

实际上就是这样

那么对于整体煤气化联合循环

它有什么优点 有什么缺点

我们做一个简单的一个分析

它的热效率高

一般来说目前是40%-46%

那么预计可以达到百分之五十几

这是一个

第二个它的环保性能好

SO2 NOx 还有CO2

以及粉尘的排放可以降低

另外可以延用高硫煤

第三个它可以实现煤化工的综合利用

生产硫 硫酸 甲醇还有尿素等等

这些化工的这些产品

那么它的单机的功率

可以达到300-400个兆瓦

但是它也有缺点了

那么它的缺点就是

目前煤气化和净化的热损失还比较大

初投资也比较大 这是它的缺点

它的应用情况是这样的

那么美国预测在2030年

整体煤气化联合循环它的市场份额

能达到35%左右

那么比如说美国加州有一个电站

它就是这种整体煤气化联合循环

那么它的脱硫达到98%-99%

是非常环保的一个方式

然后我们再来看

整体煤气化燃料电池联合循环

这是它的一个设备的一个示意图

我们来看它由什么组成的

前面是这个煤气化

然后接下来这个煤气化

产生洁净的煤气

作为燃料去到什么地方

到燃料电池发电中去进行发电

然后产生的热量到余热锅炉里

带动蒸汽动力循环

那么也就是说

给蒸汽动力循环提供热量

也就是说这个

整体煤气化燃料电池联合循环

就是一个前面是煤气化

然后燃料电池发电

然后最后是一个蒸汽动力循环

那么对于这个

整体煤气化燃料电池联合循环

它实际上主要与前面的一些不同

就是燃料电池这块

燃料电池实际上是化学能变成电能

当然它是通过电化学反应的

也就是说要有燃料然后加上氧化剂

通过电化学反应把化学能变成了电能

它实际上有不同的类别的

比如说有熔融碳酸盐型的

有磷酸型的

有固体氧化剂型的等等

那么它的特点是高效 大概60%左右

而且洁净排放接近于0

因为电化学反应

但是目前还只是实验室阶段

那么这个世界上第一台固体氧化剂型燃料电池和燃气联合循环

是由西门子和西屋公司完成的

这是它的一个照片

在2000年5月份

安装在美国的加州大学

大概是这样的一个情况

然后我们来看这个设备示意图

这个设备

辅设备画的稍微多一点

它是一个整体煤气化

燃气 蒸汽燃料电池联合循环

我们紫色表示的这一块

主要是煤气化这块

然后这个下面这块是燃气发电

燃气动力循环

上面绿色表示的这个

是这个蒸汽动力循环

然后蓝色的这个是燃料电池

这图稍微复杂一点

但是你细看一下

它是由这四个主要部分组成的

整体煤气化

燃气动力循环

蒸汽动力循环

然后燃料电池

这个效率肯定更高了

然后我们再来看磁流体发电联合循环

它与前面不同的

我们前面是煤气化

那么这块前面是一个磁流体发电

从磁流体发电出来的热燃气

它进到回收装置

然后给蒸汽动力循环来进行加热

它的水加热

也就是说

最后这一部分是蒸汽动力循环

所以你看人家前面的这几个

从IGCC开始这些联合循环最后面那个

都是蒸汽动力循环

因为它的放热温度接近于环境

这个磁流体发电联合循环

它的特点是没有运动的机械

那么热转变为电不经过机械能

它的温度大概是3000K

热效率可以达到60% 污染比较小

但是目前还只是实验室阶段

我们再来看以煤化工为核心的发电

煤化工综合能源利用系统

那么这个实际上是大家期望的

希望的未来的能源工厂的一个

预计的一个指标 期望是这样

发电的效率燃煤的希望它是60%

然后天然气的75%

热电联产希望它的热效率是多少

85%-90%

我们目前离这个目标

还有相当远的路要走

然后污染物的排放

粉尘和二氧化硫 NOx的排放

希望它接近于0

温室气体

温室气体主要是二氧化碳了

排放减少50% 并且要100%地利用

后面我们会有一些图来展示一下

怎么来利用温室气体

也就是二氧化碳怎么来用

那么它联产的那些产品

合成气 还有氢气 煤化工产品等等

这是我们期望未来的煤化工

是这样的一种情况

这个图那就展示我们这煤化工

那么也就是说煤经过这个气化炉

那么它变成洁净的煤气

然后再进行一个分离

分离出来氢气可以进行发电

然后二氧化碳去干什么用

刚才说这二氧化碳100%地利用

一个是强化石油的开采

还有强化开采煤层气

这都是它可以来用二氧化碳

那么这个跟刚才那个类似

表示的意思只不过是把

考虑的内容更多一些

低碳经济与综合利用

也就是说不管你是煤还是油还是气

那么经过发电之后

它都会产生二氧化碳的

那么这二氧化碳可以去

强化煤层的开采

以及其它的一些各方面的利用

我们不去展开它

这个是一个分布式能源的一个方式

那么这个是德国的一个

实用的一个例子

这个标注的语言当然也是德语

尽管我们不认识这德语是啥意思

但是从这图可以很直观地看出来

大概它要表示的内容

那么这个是一个农户

这有牛 有牲畜

城市不会有这东西的

那么它实际上是一个沼气发电

也就是说牲畜

甚至人类活动排泄物变成沼气

那么沼气来发电

这个发电来做什么

一切生活用的地方都可以用

可以来照明 直接变成电来照明

然后还可以做饭

然后供热水等等

一系列生活能源的利用

都可以从自家来进行提供

然后你用不了的电

它甚至可以并到电网上

这是分布式能源自给自足

那么再一个我们想说的是

分布式供能系统

也就是就近冷热电联产

这是一个非常先进的供能系统

那么我们用图来表示一下

那么比如说

这是一个工业以及建筑的用户

当然也可以是居民

那么实际上不管是你这工业还是建筑

因为它需要用的是什么东西

实际上就是电 冷

当然是夏天供冷 冬天有可能

有可能需要冷却的房间

然后还有一个热

热水 供暖 这都属于热

那么电怎么来的

通过燃气轮机利用燃气到燃气轮机

然后经过燃气动力循环来进行发电

这是我们前面讲过 前面讲过

然后排出来的

从燃气动力循环出来的气体

它是一个中温的一个燃气

相比于入口而言

当然它肯定是一个中温

那么中温的燃气我们用它来干什么

用它来借助于吸收式冷热水机组

我们来制冷

吸收式制冷这个我们在第八章中会讲

第八章怎样来制冷 我们第八章会讲

那么它利用中温的煤气

借助于吸收式冷热水机组可以来制冷

那么就可以为工业

以及建筑的用户来进行供冷了

然后它从吸收式冷热水机组出来的

那就是低温的烟气了

它又可以干什么

它可以通过热泵来进行供热

热泵怎样来供热

那是我们第八章要讲的

总之它通过利用热泵

把低温的燃气的热量来进行利用

来进行利用

然后我们再来看一下

对于燃气轮机

它是一个微型的燃气轮机

那么它的污染物的排放

NOx的排放是9-25个PBM

而一般区域燃气锅炉的NOx的排放

那是大于200个ppm的

所以微型燃气轮机

它在环保这块是有很大的这种优势的

然后我们再来看后面这两块

后面这两块实际上是一个

余热的一个回收了

也就是说回收燃气轮机排出来那余热

我们利用冷水机组来制冷

来利用热泵来供热 这个预热回收

那么可以把这热量回收利用

那么实际上你看这三段

高温的燃气 中温的燃气 低温的燃气

三个不同的温度

我们来不同地使用

也就是说温度对口 能量梯级利用

最高的用来发电 然后中间用来制冷

最低的那个来进行

通过热泵来进行回收热量 供热

也就是说温度对口 能量梯级利用

这是能量使用的最高的一个境界

那么这个如果做得好

能源的利用率大概是 要高于80%的

那么这种分布式供能

就近冷热电联供的这种方式

它具有高效节能 环境友好 灵活可靠等优势

灵活因为你的微型燃气轮机

你的移动就不是很困难

所以我们国家

中长期科学和技术发展规划纲要

2006年到2020年的纲要

把分布式供能系统

作为能源领域四项前沿技术之一

所以说是很重要的

那么接下来我在简单介绍几个

可再生能源发电的一些技术

首先是太阳能的热发电

首先太阳能也可以光伏发电

我们不去讲

我们简答说一下 太阳能热发电

太阳能热发电实际上

我们这有两个照片

左侧上方和中间下方这是两个

热发电实验的照片

它实际上利用太阳的聚光

然后把它热量集中收起来温度升高

聚焦以后它使温度升高

然后利用这热量

去加热我们的蒸汽动力循环

不用烧煤了

我们利用这份热量

来加热蒸汽动力循环

然后进行发电

当然根据你这温度的不同

你循环的工质可能是不一样的

如果温度足够高用水

如果温度不是很高可以用有机工质

所以你会听到有机朗肯循环 就是这个

但是它循环本身就是我们的朗肯循环

工质不同而已

这是太阳能的热发电

然后我们再来看生物质发电

生物质发电严格地来说有三类

一类是最原始的 你可以想象

我这东西烧

直接来烧它 作为燃料来烧

也有的跟煤混合在一起来烧

也就是说直接燃烧包括混燃

那么你循环就是我们的蒸汽动力循环

蒸汽动力循环

只不过燃料不是煤而已

那么这个是我们一种形式

另外一种形式是生物质气发电

也就是对生物质

那么它先气化变成燃气

然后利用燃气带动燃气动力循环

然后利用燃气

在这个燃气动力循环里进行发电

借助于燃气动力循环进行发电

那最后一个是沼气 沼气发电

我们刚刚讲的德国的使用的就是

但是它的一般功率是很小的

大概生物质发电有这三种情况

那么再想说的一个就是地热发电

我们到地下

地球越往下面它的温度越高

核心它温度是非常之高的

所以 而且地下还有水 地下有水

那么在足够深的地下

你如果能把这热水取上来

那么到上面它进行

变成蒸汽直接取出来

那你就可以利用蒸汽动力循环

来进行发电

但根据你地下

取上来这气体的温度不同

那么需要采用合适的工质

所以有机朗肯循环也用在这个地方

那么我们右侧这图

它是一个二进制的一个发电

也就是说两级发电

根据你温度的不同

这简单我们介绍一下

那最后一个干热岩发电

前面说的是直接从地下取蒸汽上来

取蒸汽上来

那么我地下没有蒸汽

没有蒸汽那是岩石

岩石但是它有温度 有热量

那怎么办 把冷水送进去

那么遇到干热岩然后变成蒸汽

再把蒸汽再抽上来

那么这是干热岩的发电

因为一般来说四五千米

地下四五千米的温度是非常之高的

水送下去马上就气化成蒸汽

然后抽上来进行发电

我们右侧是一个直观的一个示意图

大概的是这样

本小节是拓展内容

所以对大家不做要求

但是我建议大家要知道IGCC是什么

它是整体煤气化联合循环

也就是煤气化加上燃气蒸汽联合循环

然后再一个希望大家能够知道

我们这能源动力的发展进步任重道远

期望大家能够为

能源动力的发展做一份贡献

至少我们现在可以从低碳生活 节省资源做起

那么本章的所有内容我们都讲完了

而且在每一个小节的后面

我对每个小节的重点内容

都做了一个总结

所以在这个地方就不再赘述

但是我想把我们提高

蒸汽动力循环热效率的方法

做一个归纳 汇总

我希望大家从这个类别上

来进行一个区分

第一类是改变参数

那么具体来说有什么

提高初压 提高初温 降低阀气压力

可以提高蒸汽动力循环的热效率

第二类 改进循环

一个是再热

但是同时要记住

再热未必一定提高热效率

它跟你再热压力有关的

再热压力如果太低

有可能反而降低热效率 这是一个

那么改进循环还有一个什么

抽汽回热

抽汽回热一定可以提高热效率的

这是第二类改进循环

第三类 那就是联合循环或者说新的循环

有我们燃气蒸汽联合循环

有热电联产

还有什么 IGCC

那么也就是说

我们提高我们蒸汽动力循环热效率

应该有这么三类的方法

改变参数 还有改进循环

然后联合循环或者新的循环

大概是这样

那么到此我们这一章所有内容就结束了

那么期待下一章与你的再会

再见