火力發電廠

火力發電廠（簡稱火電廠）或稱化石燃料發電廠，是指靠燃燒化石燃料（煤、天然氣或石油）來產生電能的熱力發電廠。火力發電廠可以持續地穩定大量供電，在許多國家，大部分電能均由火力發電廠提供。

火力發電廠（除了磁流體發電機）通過各種旋轉機械將燃燒產生的熱能轉換為機械能，然後驅動發電機。原動機通常是蒸汽機或燃氣輪機，在一些較小的電站，也有可能會使用內燃機。他們都是通過利用高溫、高壓蒸汽或燃氣通過渦輪變為低壓空氣或冷凝水這一過程中的壓降來發電的。

火電站發電帶來許多其他副產物，並產生諸多的環境影響。根據卡諾循環的原理，總有一部分廢棄熱要通過冷卻塔排放到大氣，或被自然江河等水體冷卻。化石燃料燃燒後的煙道氣會被排放到大氣，其主要成分是二氧化碳、水蒸氣、以及其他的一些成分比如氮氣、氮氧化物、氧化硫等，如果是煤發電廠，還會有粉煤灰、汞等。煤燃燒後的殘渣也必須從鍋爐中排除，有些可以用來回收製作建築材料。

火力發電廠會產生二氧化硫、氮氧化物和可吸入懸浮粒子等的空氣污染物，並受政府政策監管。

火力發電廠是二氧化碳的主要排放來源。近一百年來這種溫室氣體的大量排放導致全球變暖。每產生一度電，褐煤排放的二氧化碳大約是天然氣的3倍，黑煤則是天然氣的2倍。嘗試將排放中碳收集儲存起來在2025年之前是不現實的。研究提及近年深層海洋吸收了淺層海水的溫度，因此溫度上升似乎較為趨緩，但無法保證此情形將會持續多久。

## 名稱辨析

火力發電廠從字面上來看是指有燃燒過程參與的發電廠。不過英語中並無對應詞彙，常用fossil-fuel power station來描述燃燒化石燃料的電廠（化石燃料發電廠），細分時可用諸如coal-fired（燃煤）之類的名稱。理論上來講，燃燒生物質能的電廠在中文中也可以被叫做火力發電廠，不過實際上一般所指的火力發電廠都是化石燃料發電廠。

熱力發電廠一般特指用蒸汽發電的發電廠，如大部分的化石燃料發電廠（然而使用燃氣輪機發電的就不是用蒸汽發電的）、核電站以及地熱發電站等。有時也指一切用熱機發電的電廠，這樣用燃氣輪機或內燃機發電的電廠也可計算在內。不過在實際使用中，很多時候熱電廠就是指火電廠。還有一種情況，使用熱電廠和發電廠分別指熱電聯產的電廠和單純發電的電廠。

## 基本概念

在火力發電廠中，各種化石燃料如煤、燃料油、天然氣或油頁岩中儲存的化學能被逐步轉換成熱能、機械能最後變成電能，供向四方。火力發電廠是一個高度複雜的系統，其建造成本可達1300美元每千瓦發電能力，或者說一個500MW發電力的電廠需要約6億5千萬美元。一個發電廠常常有多個發電單元，以節省人力、物力資源。世界上大部分的熱力發電廠都使用化石燃料，數量超過核、地熱、生物質能或太陽能發電站。

### 熱能到機械能

熱力學第二定律顯示任何閉式熱力學循環只能把燃燒產生的熱能部分地轉換為功。剩下的熱，叫做廢熱，必須被排放到較冷的環境中，以回到循環的起始點。排到冷源的熱的比例必須等於或大於冷源的絕對溫度和熱源（燃燒爐）的絕對溫度的比。提高鍋爐溫度可以提升效率，但是也增加了設計的複雜程度——主要是需選用更高水平的合金，使得爐的造價提升。廢熱無法轉換為機械能，除非有一個溫度更低的冷卻系統。然而，廢熱可以在熱電聯產發電廠中輸出，用來加熱建築、生產熱水或在工業中用來加熱材料，例如用在某些煉油廠或化學合成廠中。

工業上發電機的典型熱效率對於燃煤或燃油大約在33%左右，燃氣聯合循環電廠可達50%。峰值電廠通常效率低一些，因為它們不能總是工作在最理想的設計工況中（例如溫度過低）。

把熱能轉換成有用功的理論最大效率是卡諾循環，故所有實際的火電廠不可能超過此限制。

## 煤

<image>

煤是火力發電最主要的原料，而中國、印度、美國等政治較為穩定的國家都擁有許多煤礦，而不像石油、天然氣主要依賴風雲多變的波斯灣進口故其供應相對穩定。然而如想替代甚至取代石油或天然氣，煤必須要進行轉換，尤其是考慮到汽車或者加熱器還必須得進行改造以適用於新燃料。另外，如果不回收廢氣，煤產生的污染要比石油或者天然氣嚴重，尤其是如果算上二氧化碳等溫室氣體的話。

同時固體煤礦的開採較為危險和高汙染，需要開挖礦坑派人進入開礦，或是在特定地形用炸藥露天大面積開挖，中國山西省為世界最大最高密度煤業聚集區，全省產煤120億噸以上，採煤形成的採空區達到2萬平方公里，相當於山西省1/8的面積，針對此問題中國政府設立國家資源型經濟轉型發展綜合配套改革試驗區開始整頓煤業，提高採礦安全性和設備效率並降低汙染。

世界上最大的火力發電廠是內蒙古托克托發電公司；世界上能量效率最高的發電機組是上海外高橋第三發電公司的兩台100萬千瓦中國國產超超臨界燃煤發電機組，該廠也是世界上第一個將實際運行煤耗降低到280克/千瓦時整關口數的電廠。

臺灣台中火力發電廠目前是世界第四大燃煤火力發電廠，同時也是台灣發電量最大的發電廠，二氧化碳排放量於2009年時為世界各發電廠首位。

## 燃料輸送

<image>

煤通過高速公路卡車、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。大型的運煤火車專列可長達兩公里，包含100節車廂，每節載煤100英噸以上，總量可達一萬英噸。大型的電廠在全負荷時每天至少需要一列這樣的火車。在用電高峰期，如最熱的夏天和最冷的冬天（視當地氣候而定），電廠甚至每天需要三到五列這樣的火車。例如位於安大略的北美最大燃煤電廠Nanticoke發電站，每個冬天的結冰期就需要儲備幾百萬公噸的煤供使用。

電站有時也會使用燃料油。燃料油可以通過管道、油船等方式運輸。油在電廠先被儲存在圓柱形的鋼桶里。黏度較高的油燃燒前可能需要先進行加熱。

燃天然氣電站經常建在天然氣管道旁邊，或者用專用管道傳輸過來。在沒有生產天然氣的地方，需從產地將天然氣液化後，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

煤會先被先碾成長度不大於2in的小塊，然後運送到電廠的堆料場上，通過傳送帶源源不斷的輸入。其用量最高可達每小時3600噸。

對於燃燒粉煤的電廠，煤塊在進入鍋爐之前會先在磨煤機裡磨成粉，然後用預熱空氣吹進爐中。一個500MW的發電站可能有6個這樣的磨煤機（一個備用），全力負載時可以每小時提供200多噸進入鍋爐。不燃粉煤的電廠，2in的煤塊直接通過料倉送到活動爐排或旋風爐（一種可以高效燃燒大塊燃料的燃燒器）中。

至於燃料油和天然氣發電站，燃料不需特別處理，液態的天然氣和提煉過的石油產物運至發電站可直接加入機組燃料槽。

## 機組類型

### 蒸汽發電

大部分化石燃料都是通過蒸汽發電的。自從1906年渦輪發動機發明以來，往復式的蒸汽機逐漸被淘汰了。

### 燃氣渦輪發電

<image>

<image>

一種類型的火電廠用燃氣渦輪聯合廢熱回收蒸汽發生器（HRSG）發電。這被稱作聯合循環發電廠，因為它包含了燃氣渦輪的布雷頓循環和HRSG的郎肯循環。其效率可達6,003千焦／千瓦時，熱效率接近60%，在威爾斯Baglan Bay發電廠實現。

燃氣渦輪的燃料可以是天然氣、合成氣或燃料油。儘管這種發電站效率更高且建造更快（甚至可以在18個月內從零建造一個1,000MW的電站），但其經濟性很大程度上取決於多變的燃料價格，一般是天然氣。聯合循環電廠的配置很多變，比如一個3-1聯合循環設施有三個燃氣渦輪和一個蒸汽渦輪。其他的配置包括(1-1)、(2-1)、(3-1)、(4-1)、(5-1)、(6-1)等。

天然氣聯合循環發電與再生能源的互補性高，因為此種發電方法能在短時間內升降發電量以配合發電量不穩定的再生能源，尤其是當風力發電、太陽能電池及天然氣的成本越來越低，再生能源與天然氣的組合已經有經濟競爭力。

單一循環或者開式循環的燃氣渦輪發電站（不含蒸汽循環）有時候會用在緊急場合或峰值電廠中。其熱效率要低很多。它的運行成本遠高於初始成本，故本來就設計成一年僅運行幾百個小時。還有一些採用多級的方式，即首級使用開式循環燃氣渦輪，然後再連接到其他的渦輪；或在未來轉換成閉式循環。

### 往復式發動機

壓燃式內燃機發電機組常用作臨時的備用發電機。它們常常使用內燃機燃燒燃料油或者天然氣來發電。柴油引擎在低轉速時就能有很大的轉矩，很適合交流發電機。

火花點火式內燃機（即汽油機）的燃料包括汽油、丙烷、液化石油氣（LPG）等，經常用作移動性的臨時發電機，用在建設工程、戶外緊急用電等場合。

往復式外燃機如斯特林發動機可以使用多種多樣的化石燃料發電。不過現在在工業上已經非常少見。

### 汽電共生

熱電聯產又稱汽電共生，是指用電廠同時發電和廢熱供熱。儘管從熱力循環中抽熱會導致電站熱效率有所降低，但是如果專門使用一部分燃料燃燒來供熱，總效率反而更低，所以汽電共生設備如果設計得當有其利基點存在。熱電聯產技術在丹麥等斯堪地那維亞國家以及德國的一部分被廣泛使用。

## 環境影響

<image>

世界能源需求預計到2030年將提升60%。介於全球有超過5萬座活動的煤電站，國際能源署預計到2030年仍有85%的能源是化石燃料。

一些國際組織密切關注化石燃料，尤其是煤對環境的影響。煤燃燒是空氣污染以及酸雨的罪魁禍首，而燃煤所排出的二氧化碳是溫度氣體之一，會做成溫室效應，現在已經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係。因為其化學結構所致，很難在燃燒之前從固體煤中去除雜質。不過，得益於現代工業的發展，通過對煙囪排放的廢氣的過濾及更高效率的鍋爐，當代煤電站的污染已比過去小很多，非二氧化碳污染已經低到很接近天然氣。當代燃煤電站的空氣污染排放包括碳氧化物（COx，主要為二氧化碳）、氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx，如二氧化硫）、粒狀物（PM）、臭氧（O3）、重金屬等。

酸雨是由二氧化硫和氮氧化物導致的。這些氣體本身的酸性有限，但是在和空氣反應之後，會產生諸如亞硫酸、硫酸、硝酸等酸性化合物，最終導致酸雨。在美國及歐洲，隨著排放法規的日漸嚴格和重工業的衰落，酸雨的危害正在逐漸減小，已低於1960年代的最高峰。然而這些污染工業卻轉移到大部分開發中的國家、且監管常更為寬鬆，如中國、印度、越南、泰國、印尼、巴西、墨西哥等，所以全球的工業污染並沒有得到適當的控制，並且日愈嚴重，這是全人類必須嚴肅面對的緊急課題。

為了解決兩難局面各種將火力發電潔淨化的構想產生，例如整體煤氣化聯合循環技術意圖擁有火力燃煤的建設便利和低成本，同時具備環保要求，美國於2010年代開始建立肯珀項目等實驗電廠，然而2017年宣布該計畫失敗，預算超支2.5倍後依然相關科技達不到預定效果。

歐洲環境署基於歐盟的發電站，給出了不同燃料的排放量。

污染物｜硬煤｜褐煤｜燃料油｜其他油｜氣體燃料

CO2 (g/GJ)｜94600｜101000｜77400｜74100｜56100

SO2 (g/GJ)｜765｜1361｜1350｜228｜0.68

NOx (g/GJ)｜292｜183｜195｜129｜93.3

CO (g/GJ)｜89.1｜89.1｜15.7｜15.7｜14.5

非甲烷有機化合物 (g/GJ)｜4.92｜7.78｜3.70｜3.24｜1.58

顆粒物 (g/GJ)｜1203｜3254｜16｜1.91｜0.1

廢氣體積總量 (m3/GJ)｜360｜444｜279｜276｜272

發電方法｜簡述｜每單位電量所產生的二氧化碳 (g CO2/kWhe))（百一分段價）

水力發電｜假設利用水塘，不含水壩建設｜4

風力發電廠｜位於低成本陸地的情境，不含海上型｜12

核電｜以普遍的第二代核反應堆計算不含更新型科技｜16

生質燃料｜18

聚光太陽能熱發電｜22

地熱發電｜45

太陽能電池｜多晶矽太陽能電池生產過程的碳排放｜46

燃氣發電｜假設加裝燃氣渦輪聯合廢熱回收蒸汽發生器｜469

燃煤發電｜1001

備註：這些數據的原始來源是由1989~2010年間的各種相關研究報告整理而成。

## 火力發電廠的替代物

化石能源的替代物包括核能、太陽能、地熱能、風能、潮汐能、水力發電以及其他可再生能源。其中有些已經在工業中實際使用（如核能、風能、潮汐能和水力發電），其他很多還在開發研究之中。就目前而言，其他各種電站的發電成本仍然高於化石燃料發電，不過這裡僅考慮了直接成本（燃料、建設等），未考慮污染等導致的間接成本所需的費用（例如污染導致人類疾病的醫療成本）。另外，這些電站需要在特定的地方建設才能發揮作用，而且運作時仍然會對生態環境構成一定程度的影響。

## 生產組織

火力發電廠的生產部門一般分為：

- 燃料車間：負責燃料準備、配煤、磨煤、輸煤
- 鍋爐車間：包括鍋爐司爐、電除塵、脫硫、風機等
- 汽機車間：包括汽機司機、化學（給水除氧）等
- 電氣車間：負責全廠一次系統、二次系統、直流系統等

由於火力發電廠24小時不間斷工作，所以各崗位配備3-5班人員，由各車間的班長領導。全廠設值長統一領導當班各班長。

## 特點

與水電廠和其他類型電廠相比，火電廠有如下特點：

- 布局靈活，裝機容量的大小可按需要決定。
- 建造工期短，一般為水電廠的一半甚至更短。一次性建造投資少，僅為水電廠的一半左右。
- 煤耗量大，目前發電用煤約占全國煤炭總產量的25%左右，加上運煤費用和大量用水，其生產成本比水力發電要高出3—4倍。
- 動力設備繁多，發電機組控制操作複雜，廠用電量和運行人員都多於水電廠，運行費用高。
- 汽輪機開、停機過程時間長，耗資大，不宜作為調峰電源用。
- 對空氣和環境的污染大、最新科技則可以讓溫室氣體以外的污染排放降到極低。

## 區別

與熱電相比的區別，火電僅指燃燒發電。熱電是指發電的同時用產生的熱能取暖，為提高效率節省能源，一般是發電與供熱聯合的方式。即是在汽輪機某一級抽出一部分汽來供熱，其餘的仍沖轉汽輪機帶動發電機發電，兩者可調整，可供熱多發電少，也可供熱少發電多。當前中國受能源政策影響正在大力發展核電、水電，這些也可供熱，有的國家為了節約能源有風力與地熱發電，而中國在這些方面很少，使其火力發電廠主要是用來發電的。

## 參考書目

- Steam: Its Generation and Use (2005). 41st edition, Babcock & Wilcox Company, ISBN 0-9634570-0-4
- Steam Plant Operation (2005). 8th edition, Everett B. Woodruff, Herbert B. Lammers, Thomas F. Lammers (coauthors), McGraw-Hill Professional, ISBN 0-07-141846-6
- 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