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能源动力技术提高人应对环境的能力
发布时间: 2017-03-27 13:02:11| 作者:本站编辑| 来源: 本站原创| 浏览次数:

能源的开发利用是人类进步的标志、人类创新应用的结果。从历史发展来看,人类文明的进步总是伴随着能源利用技术的革命,而能源发展主要是以热能生产为主,技术上主要以热功转换的方式进行。

热能动力指将热能转换成动能的过程,热能产生是由化石燃料的化学反应过程中放出热量,如火电机组中的锅炉和燃气机组中的燃烧室,都可将燃料的化学能转变为热能。热—电转换过程则利用汽轮发电机组、燃气轮机组等将热能转换为动能及电能。把化石能转换为热能、热能转换为动能、动能转换为电能的过程则由发电厂完成。

 

德国黑泵电站

以化石燃料发电的形式称为火力发电,燃料主要包括煤炭等固体燃料,重油、柴油等液体燃料,天然气、煤层气等各种气体燃料。而燃气—蒸汽联合循环、热电联产等形式使火电机组进一步提高了热能的利用效率。

世界上首次采用热能发电要追溯到19世纪,1875年法国巴黎北火车站建成世界上第一座发电站,用电提供弧光灯照明。1882年1月英国高架路电厂是第二座,同年7月中国上海南京东路江西路口建成第三座电厂。此后美国纽约、俄国彼得堡、德国柏林等电厂相继建成,火电厂在世界各地陆续出现。

电厂建设初期均采用蒸汽机带动的低压直流发电,19世纪末随着爱迪生发明白炽灯,瑞典的拉瓦尔发明单级冲动式汽轮机,英国帕森斯发明多级反动式汽轮机(单机功率7.5 千瓦),汽轮机代替了蒸汽机,在法拉第的交流发电技术出现后,火电发展才具备了技术基础。1897 年德国工程师狄塞尔发明了柴油机,使内燃机发电成为可能。1939年瑞士制造出单机容量4000千瓦的燃气轮机,使燃气轮机发电得到应用,火力发电有了巨大进步,火力发电逐步成为世界主要发电形式。由于热效率比同容量蒸汽机组高,燃气—蒸汽联合循环机组从20 世纪70年代后得到迅速发展。1995年全世界发电量达到130.98亿千瓦时,其中火电占63%,水电和核电分别占19%和17%,其他发电形式占1%。

随着电力需求的高速增长,发电机组单机容量迅速增大,下表显示了全世界最大单机容量机组出现的年份。

目前世界上装有单机800兆瓦以上机组的国家,主要是美国、俄罗斯、日本、德国和中国。采用大容量机组可降低单位容量造价,加快工程建设速度,提高热能利用效率和减少运行维护人员,但发展大容量机组需要一个成熟期,即随机组容量增大,机组可用率反而降低。据北美可靠性协会统计,北美11台1000兆瓦级以上燃煤机组,1990年机组等效可用系数仅为75.89%,强迫停运率9.11%。同时机组容量过大时单位容量造价下降已不明显,因此在选择单机容量时,应根据系统容量、可靠性和综合经济效益综合考虑。

1882年中国上海建成的全国首座发电厂,距世界第一座发电厂仅晚7年,当时机组的蒸汽压力0.59兆帕,出力12千瓦,转速800转/分,电压100伏,点燃了15盏弧光灯。经过漫长的战争年代,中国电力工业发展缓慢,到1949年火电装机容量仅168.5万千瓦。中华人民共和国成立后,电力制造和发电行业迅速发展,1980年全国总装机容量达到6586.9万千瓦,火电平均供电标准煤耗率为448克/千瓦时。

20世纪80年代改革开放以来,中国火力发电以更高速度发展,采用引进和消化吸收相结合研制的300兆瓦和600兆瓦机组技术成熟,成为国内火电主力机组。2006年我国首台华能玉环电厂单机容量1000兆瓦机组投产,超超临界技术应用开始全面推开。世界最大的 1000 兆瓦直接空冷机组在宁夏缺水地区得到应用,燃气—蒸汽联合循环机组得到发展,火力发电朝着高效、节能、节水和环保的方向发展。2011年和2012 年全国发电总装机和总发电量先后超过美国成为世界第一。2013年全国53台1000兆瓦级机组平均等效可用系数92.05%,强迫停运率0.35%,2014年全国总装机容量达到13.6019亿千瓦,其中燃煤发电供电标准煤耗率318克 / 千瓦时,电站装备和技术大量出口,我国的火电技术水平已经走在世界前列。

能源动力技术的发展为人类提供了方便的电能,改善了人们的生活,提高了人类应对环境的能力,可以预料电能将成为人类生产和生活的主要动力。但是,传统能源发电主要采用化石燃料,增加了二氧化碳和其他污染物的排放,污染了大气和水体环境。为了应对全球气候变化,减少环境污染,在2015年11月在巴黎召开的第21届联合国气候变化大会上,全世界184个国家提交了应对气候变化“国家自主贡献”文件,涵盖全球碳排放量的97.9%。其 中 美 国 承 诺2030年的温室气体排放比2005年减少32%;中国提出2030年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60%~65%,非化石能源占一次能源消费比重达到 20%。

实现上述目标,主要依靠以下方法:提高化石能源发电转化效率;利用燃烧过程中产生二氧化碳少的燃料;采用二氧化碳捕集、封存和利用技术;采用可再生能源发电。即“化石能源清洁化、低碳化,清洁能源规模化”。

目前我国的燃煤发电无论是从机组参数还是从机组容量上说,在世界上都属于领先水平,通过技术进步,发电效率可以进一步提高,但提高的空间有限,因而仅靠这一技术不能解决全部问题。

随着国际市场天然气开采量的扩大和我国页岩气开采技术的发展,采用逐步降低燃煤发电,增加天然气发电的形式,也能够降低温室气体的排放,因为天然气中氢成分占的比例较大,根据摩尔分子量的计算,在同样发热量的条件下,天然气的二氧化碳排放量仅为燃煤的54%,如果天然气发电增加10%,替代同样容量的燃煤发电,则二氧化碳排放将降低4.6%。

发电过程中采用碳捕集和封存法,可以从根本上解决排放问题,技术上有三种方法,即燃烧前脱碳、燃烧后脱碳及富氧燃烧脱碳技术。燃烧后脱碳技术较为成熟,但主要问题是碳捕集的成本及脱除后的封存问题。各国都在进行碳捕集技术研究和示范项目的建设,我国目前已完成示范的项目有10余项,规模在年收集二氧化碳0.3万~10万吨级水平,主要有华能石洞口12万吨 / 年捕集示范项目、神华集团10万吨/年捕集示范项目等。

 

 

华电国际莱州电厂

还有一种方法可以解决排放问题,那就是提高可再生能源的发电,可再生能源主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等,其中太阳能资源占全部可再生能源的99.7%,近些年我国的可再生能源利用发展迅速,国家“十二五”期间,我国的风力发电和太阳能发电量快速增长,2014年年底全国风力发电总装机容量达到9581万千瓦,光伏发电达到2805万千瓦,分别占全国总装机容量的7.04%和2.06%。

随着可再生能源发电量的增加,可再生能源发电的不稳定性和电网负荷调节矛盾越来越严重,近年来我国西北地区出现大量弃风、弃光现象,造成了巨大的浪费。普遍的观点认为,随着智能化电网技术的逐步实现和储能技术的发展,这一问题将得到缓解和解决,人类在发展和环境的关系上将会找到新的平衡点。


(来源:科协改革进行时微信公众号)

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