Contents — find the section you need

看着火力发电厂烟囱里升起的白色烟柱，你可能会想当然地认为“燃料的热量直接转化为电能”，却忽略了效率和环境负担的重要性。实际上，发电厂是将燃料的化学能转化为燃烧气体的热量，利用蒸汽或高温气体驱动汽轮机旋转，然后通过发电机和变压器将电力输送到电网。锅炉、汽轮机、冷凝器、烟气处理设备和冷却设备等所有环节都紧密相连，效率和输出灵活性之间存在着权衡。

伊鲁火力发电厂内部的汽轮机和发电机汽轮机和发电机示例

图片：Waste block turbine and generator in Iru Thermal Power Plant (Lauri Veerde, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons。此为内部示例，并非用于对比的特定电厂照片。

30 秒版本

  • 蒸汽轮机采用朗肯循环；燃气轮机采用布雷顿循环。联合循环燃气轮机 (CCGT) 利用废热产生蒸汽，效率很高。

  • 发电效率不仅取决于燃烧温度，还取决于蒸汽压力和温度、冷凝器真空度、冷却水温度、部分负荷以及机组的启停频率。

  • 煤炭是一种稳定的燃料，但其二氧化碳和空气污染物的处理负担沉重。天然气联合循环燃气轮机（CCGT）排放量更低，启动速度更快，但易受甲烷泄漏和燃料价格波动的影响。

  • 脱碳方案将火力发电与可再生能源和电池储能相结合，并从生命周期的角度比较生物质能、氢/氨混烧以及碳捕获、封存/利用与封存（CCS/CCUS）技术。

  • 对于作为可变发电备用电源的火力发电，其价值更多地取决于最小负荷、爬坡速率、启动时间、同步惯性和排放强度，而非输出功率。

1. 从热能到电能的路径

Diagram 1 · Use the button to switch views
GTCC 示意图，分离燃烧气体、蒸汽给水和冷却水系统以及两个发电机

图 1 — 联合循环首先驱动燃气轮机发电机，然后将废气热量通过余热锅炉 (HRSG) 传递给第二台汽轮发电机产生的蒸汽。蒸汽冷凝后，经泵送返回余热锅炉；独立的冷却水系统用于去除冷凝器热量。

设 Q_{in} 为燃料输入的化学能，P_e 为电能输出；则发电效率可估算为：

输出效率为扣除辅助消耗后的电能输出除以燃料输入。

其中 \dot m_f 为燃料质量流量，LHV 为低位发热量。比较输出效率时很重要——即扣除辅助设备（给水泵、强制通风机、烟气处理设备、冷却水泵）消耗的功率后。

2. 朗肯循环和汽轮机

在燃煤、重油、生物质等燃料的锅炉中，水被转化为高压蒸汽。蒸汽分阶段膨胀，依次通过高压、中压和低压汽轮机，在冷凝器中冷却成水，然后由给水泵送回锅炉。理想朗肯循环的热效率为：

朗肯效率是汽轮机净功除以锅炉热输入。

它可以通过再热、回热给水加热和超临界运行来提高。

蒸汽温度越高，效率越高——但锅炉管、汽轮机叶片和焊缝中的蠕变、氧化和腐蚀也会更加严重。超超临界 (USC) 机组使用高铬钢，并且镍基合金、材料寿命和维护周期最终决定了发电成本。在汽轮机的末级，湿蒸汽中的水滴会侵蚀叶片，因此需要安装水分离器和再热器来解决这个问题。

冷凝器将蒸汽冷凝成低压水，降低汽轮机出口压力，从而增加提取的功。夏季海水温度高或冷却塔性能下降时，冷凝器压力升高，导致输出功率和效率双双下降。热力循环不仅包括热源，还包括冷却水以及其取水河流或海洋的环境条件。

3. 燃气轮机和联合循环

燃气轮机在压缩机中压缩空气，在燃烧室中燃烧燃料，然后将产生的高温气体通过汽轮机膨胀。理想布雷顿循环的效率大致由压力比r_p和比热比\gamma决定，如下所示：

理想布雷顿循环的效率随压力比的增加而提高，但受压缩机和\gamma的影响。涡轮机的限制。

提高压比可以提高理想效率，但压缩机做功、叶片温度、喘振裕度和冷却空气都会成为限制因素。

简单循环的废气仍然很热。联合循环燃气轮机 (CCGT) 通过增加余热回收蒸汽发生器 (HRSG) 来产生蒸汽，并通过汽轮机来利用蒸汽，从而分两级提取燃料的热量。天然气联合循环燃气轮机 (CCGT) 兼具高输出效率和相对较短的启动时间，可作为灵活发电方式，跟踪太阳能和风能的变化。

另一方面，频繁的启停会增加热应力并缩短使用寿命。CCGT 的运行不仅需要优化额定负荷下的高效运行，还需要优化低负荷、最小输出功率下的排放、爬坡速率、燃料供应和维护计划。

4. 烟气处理和环境负担

燃料中的碳主要转化为二氧化碳 (CO₂)；氮和高温燃烧会产生氮氧化物 (NOx)；硫转化为硫氧化物 (SOx)；灰分转化为颗粒物。脱硝 (SCR)、静电除尘器或袋式过滤器等技术可用于处理烟气。脱硫设备组合使用以满足排放法规要求。脱硫试剂、氨、风机和吸收液循环都会增加辅助能耗和废物排放，因此排放量应针对整个设施进行计算，而不仅仅是烟囱浓度。

燃料的二氧化碳排放量可以根据燃料消耗量和碳含量估算。

燃料的碳含量和碳与二氧化碳的分子量比决定了直接排放量。

此处 w_C 表示燃料中的碳质量分数。比较不同能源时，应以输出端而非发电机终端为基准，考虑每千瓦时二氧化碳排放量（g-CO₂/kWh），并考虑包括设备制造、燃料运输和处置在内的整个生命周期，同时排除容量系数和启动排放。

5. 氢/氨混烧和碳捕获与封存 (CCS)

氢气燃烧时不排放二氧化碳，但其生产方式决定了其作为能源的排放量。天然气重整制氢加碳捕获与封存 (CCS) 制取的蓝氢，以及利用可再生电力电解制取的绿氢，都需要进行评估，包括能源效率。运输、泄漏和储存。氢气火焰传播速度快、易燃，因此燃烧器回火、氮氧化物排放和材料脆化等问题都需要加以解决。

氨气以液态形式易于运输，但其燃烧速度慢，导致未燃烧氨（泄漏）和氮氧化物的处理成为一项挑战。提高混烧比例会增加改造工程量和燃料成本，因此需要权衡利弊，例如延长现有电厂寿命、新建专用燃烧装置，以及与可再生能源加电池的方案进行比较。

碳捕获与封存 (CCS) 技术从烟气中分离二氧化碳，对其进行压缩、运输并储存在地下。胺吸收法使用蒸汽和电力进行分离，会降低发电效率。其可行性需要评估，包括储存场地勘探、泄漏监测、管道中的相态管理以及长期责任。如果碳捕获、利用与封存 (CCUS) 技术使用捕获的二氧化碳作为原料或燃料，则还需确认其最终释放到大气中所需的时间。

6. 价值所在电网运行

只要燃料供应充足，火力发电厂就能持续输出电力，并为电网提供同步发电机的惯性和短路电流。一些燃气轮机机组可以在几分钟到几十分钟内启动，因此非常适合用于供需平衡。燃煤机组和大型汽轮机机组的最小负荷较高，启动时间较长，频繁的负荷跟踪会缩短其使用寿命。

假设爬坡率为R=dP/dt，最小负荷为P_{min}，启动时间为t_{start}；那么，与仅根据额定输出相比，通过爬坡率、运行时间和最小稳定负荷来评估机组能够覆盖可再生能源预测误差的范围会更加准确，因为

可用调度范围受爬坡率、运行时间和最小稳定负荷的限制。

将火力发电与电池、水力发电、需求响应和互联电网相结合，可以减少火力机组在低负荷下空转的时间。

7. 阅读今天的设备和研究

在日本，东京电力公司/JERA、关西电力公司、东北电力公司等正在推进高效液化天然气（LNG）热电、燃煤电厂环境控制以及与可再生能源的运行协调等方面的研发。在海外，GE Vernova、西门子能源和三菱重工正在推广大型燃气轮机、蒸汽轮机、联合循环燃气轮机（CCGT）以及氨/氢燃烧器。除了产品名称之外，还应比较额定效率、最小负荷、启动时间、燃料规格、维护周期和排放保证等参数。

研究主题涵盖超高温材料、低氮氧化物（NOx）燃烧器、人工智能驱动的锅炉燃烧优化、热回收、与固体氧化物燃料电池的混合应用、二氧化碳分离膜以及用于灵活运行的寿命模型。重要的是要确认，在考虑辅助电源、催化剂更换、燃料预处理和并网成本后，新技术带来的效率提升是否仍然有效。

结论

火力发电是一项设计燃料的技术，燃烧器、热力循环、汽轮机、发电机、烟气处理、冷却和电网运行作为一个整体进行整合。仅从效率来看，采用更高温度和联合循环配置显然更胜一筹——但材料寿命、启停循环、燃料供应、二氧化碳/氮氧化物排放、冷却水以及当地环境条件等因素都会同时对其构成制约。

在评估设备或研究时，检查以下几点很有帮助：(1) 循环类型，以及循环温度和压力；(2) 输出效率和部分负荷性能；(3) 改变输出功率需要多少分钟，以及这会消耗多少年的使用寿命；(4) 考虑燃料生产、运输、烟气处理和碳捕集与封存 (CCS) 等因素后，排放情况如何。

检查你的理解
仅凭效率数据能否比较火力发电厂？

需要统一热值基准、总输出功率与净输出功率以及负荷条件。效率也会随部分负荷而变化。加载。

参考资料

8. 热平衡和净输出

\dot Q_{fuel}=P_{gross}+\dot Q_{condenser}+\dot Q_{stack}+\dot Q_{other}

P_{net}=P_{gross}-P_{aux},\qquad \eta_{net}=\frac{P_{net}}{\dot m_f H}

9. 朗肯循环中的焓值核算

w_t=h_3-h_4,\qquad w_p=h_2-h_1,\qquad q_{in}=h_3-h_2

\eta_R=\frac{w_t-w_p}{q_{in}} =\frac{(h_3-h_4)-(h_2-h_1)}{h_3-h_2}

10. 热电联产与效率上限

\eta_{total}=\frac{P_{net}+Q_{useful}}{\dot m_f H}
\eta_C=1-\frac{T_L}{T_H}

11. 燃气轮机做功与联合循环

w_{GT}=w_t-w_c
\eta_{CC}=\eta_g+(1-\eta_g)\eta_s

12. 材料与热应力

\sigma_{th}\propto\frac{E\alpha\Delta T}{1-\nu}

13. 排放强度与碳捕获与封存

I_{CO_2}=\frac{EF_{fuel}}{\eta_{net}}
I_{life}=I_{upstream}+I_{transport}+I_{plant}-I_{stored}
\text{Avoidance rate}=1-\frac{I_{CCS}}{I_{reference}}

14. 一个30兆瓦的实例

P_{net}=1\times50\times0.60=30\ \mathrm{MW}
\dot m_f=\frac{30}{50\times0.50}=1.2\ \mathrm{kg/s}

15. 日本主要来源

16. 评估清单

在比较两台火电机组之前，请检查其热值基础、总输出与净输出、部分负荷特性、爬坡速率、启动寿命消耗、燃料供应、冷却水限制以及全生命周期排放。

17. 辅助功率和冷却损失

18. 热回收和蒸汽条件

19. 燃烧控制和氮氧化物排放

20. 灵活的运行和维护

21. 燃料生命周期边界

22. 安全和监测

23. 比较范围

为了便于交叉核对，日文版也使用了以下符号：\eta=W_{net}/Q_{in}、P_{gross}、\dot Q_{condenser}、\dot Q_{stack}、P_{aux}、\dot m_f、H、h、w_p\simeq v(P_2-P_1)、T_H、T_L、\eta_g、\eta_s、\eta_g=0.40。 \eta_s=0.35、\eta_{CC}=0.61、\Delta T、E、\alpha、\nu、EF_{fuel}、NH_3、N_2O 和 r。

日文版还使用了低碳燃料和碳捕获、利用与封存发电。

SVG命名空间遵循W3C SVG，此处重复使用以匹配图表标记：W3C SVG。

What to read next

Review the background电力系统入门——将发电、输电和储能视为一个整体系统来解读Continue the series水力发电入门——将水头和流量转化为可调节的电力和储能Explore another aspect of this field模拟电网频率：不平衡、惯性和一次响应
#Thermal Power #Steam Turbine #Gas Turbine #Combined Cycle #Hydrogen Co-firing #CCS