火力发电厂

火力发电厂（简称火电厂）或称化石燃料发电厂，是指靠燃烧化石燃料（煤、天然气或石油）来产生电能的热力发电厂。火力发电厂可以持续地稳定大量供电，在许多国家，大部分电能均由火力发电厂提供。

火力发电厂（除了磁流体发电机）通过各种旋转机械将燃烧产生的热能转换为机械能，然后驱动发电机。原动机通常是蒸汽机或燃气轮机，在一些较小的电站，也有可能会使用内燃机。他们都是通过利用高温、高压蒸汽或燃气通过涡轮变为低压空气或冷凝水这一过程中的压降来发电的。

火电站发电带来许多其他副产物，并产生诸多的环境影响。根据卡诺循环的原理，总有一部分废弃热要通过冷却塔排放到大气，或被自然江河等水体冷却。化石燃料燃烧后的烟道气会被排放到大气，其主要成分是二氧化碳、水蒸气、以及其他的一些成分比如氮气、氮氧化物、氧化硫等，如果是煤发电厂，还会有粉煤灰、汞等。煤燃烧后的残渣也必须从锅炉中排除，有些可以用来回收制作建筑材料。

火力发电厂会产生二氧化硫、氮氧化物和可吸入悬浮粒子等的空气污染物，并受政府政策监管。

火力发电厂是二氧化碳的主要排放来源。近一百年来这种温室气体的大量排放导致全球变暖。每产生一度电，褐煤排放的二氧化碳大约是天然气的3倍，黑煤则是天然气的2倍。尝试将排放中碳收集储存起来在2025年之前是不现实的。研究提及近年深层海洋吸收了浅层海水的温度，因此温度上升似乎较为趋缓，但无法保证此情形将会持续多久。

## 名称辨析

火力发电厂从字面上来看是指有燃烧过程参与的发电厂。不过英语中并无对应词汇，常用fossil-fuel power station来描述燃烧化石燃料的电厂（化石燃料发电厂），细分时可用诸如coal-fired（燃煤）之类的名称。理论上来讲，燃烧生物质能的电厂在中文中也可以被叫做火力发电厂，不过实际上一般所指的火力发电厂都是化石燃料发电厂。

热力发电厂一般特指用蒸汽发电的发电厂，如大部分的化石燃料发电厂（然而使用燃气轮机发电的就不是用蒸汽发电的）、核电站以及地热发电站等。有时也指一切用热机发电的电厂，这样用燃气轮机或内燃机发电的电厂也可计算在内。不过在实际使用中，很多时候热电厂就是指火电厂。还有一种情况，使用热电厂和发电厂分别指热电联产的电厂和单纯发电的电厂。

## 基本概念

在火力发电厂中，各种化石燃料如煤、燃料油、天然气或油页岩中储存的化学能被逐步转换成热能、机械能最后变成电能，供向四方。火力发电厂是一个高度复杂的系统，其建造成本可达1300美元每千瓦发电能力，或者说一个500MW发电力的电厂需要约6亿5千万美元。一个发电厂常常有多个发电单元，以节省人力、物力资源。世界上大部分的热力发电厂都使用化石燃料，数量超过核、地热、生物质能或太阳能发电站。

### 热能到机械能

热力学第二定律显示任何闭式热力学循环只能把燃烧产生的热能部分地转换为功。剩下的热，叫做废热，必须被排放到较冷的环境中，以回到循环的起始点。排到冷源的热的比例必须等于或大于冷源的绝对温度和热源（燃烧炉）的绝对温度的比。提高锅炉温度可以提升效率，但是也增加了设计的复杂程度——主要是需选用更高水平的合金，使得炉的造价提升。废热无法转换为机械能，除非有一个温度更低的冷却系统。然而，废热可以在热电联产发电厂中输出，用来加热建筑、生产热水或在工业中用来加热材料，例如用在某些炼油厂或化学合成厂中。

工业上发电机的典型热效率对于燃煤或燃油大约在33%左右，燃气联合循环电厂可达50%。峰值电厂通常效率低一些，因为它们不能总是工作在最理想的设计工况中（例如温度过低）。

把热能转换成有用功的理论最大效率是卡诺循环，故所有实际的火电厂不可能超过此限制。

## 煤

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煤是火力发电最主要的原料，而中国、印度、美国等政治较为稳定的国家都拥有许多煤矿，而不像石油、天然气主要依赖风云多变的波斯湾进口故其供应相对稳定。然而如想替代甚至取代石油或天然气，煤必须要进行转换，尤其是考虑到汽车或者加热器还必须得进行改造以适用于新燃料。另外，如果不回收废气，煤产生的污染要比石油或者天然气严重，尤其是如果算上二氧化碳等温室气体的话。

同时固体煤矿的开采较为危险和高污染，需要开挖矿坑派人进入开矿，或是在特定地形用炸药露天大面积开挖，中国山西省为世界最大最高密度煤业聚集区，全省产煤120亿吨以上，采煤形成的采空区达到2万平方公里，相当于山西省1/8的面积，针对此问题中国政府设立国家资源型经济转型发展综合配套改革试验区开始整顿煤业，提高采矿安全性和设备效率并降低污染。

世界上最大的火力发电厂是内蒙古托克托发电公司；世界上能量效率最高的发电机组是上海外高桥第三发电公司的两台100万千瓦中国国产超超临界燃煤发电机组，该厂也是世界上第一个将实际运行煤耗降低到280克/千瓦时整关口数的电厂。

台湾台中火力发电厂目前是世界第四大燃煤火力发电厂，同时也是台湾发电量最大的发电厂，二氧化碳排放量于2009年时为世界各发电厂首位。

## 燃料输送

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煤通过高速公路卡车、铁路、船舶或煤浆管道等方式输送。一些电厂甚至直接建在煤矿边上，用传送带送煤。大型的运煤火车专列可长达两公里，包含100节车厢，每节载煤100英吨以上，总量可达一万英吨。大型的电厂在全负荷时每天至少需要一列这样的火车。在用电高峰期，如最热的夏天和最冷的冬天（视当地气候而定），电厂甚至每天需要三到五列这样的火车。例如位于安大略的北美最大燃煤电厂Nanticoke发电站，每个冬天的结冰期就需要储备几百万公吨的煤供使用。

电站有时也会使用燃料油。燃料油可以通过管道、油船等方式运输。油在电厂先被储存在圆柱形的钢桶里。黏度较高的油燃烧前可能需要先进行加热。

燃天然气电站经常建在天然气管道旁边，或者用专用管道传输过来。在没有生产天然气的地方，需从产地将天然气液化后，以液化天然气船（LNG船）输送至天然气接收站，再由管线输送至电厂。

## 燃料处理

煤会先被先碾成长度不大于2in的小块，然后运送到电厂的堆料场上，通过传送带源源不断的输入。其用量最高可达每小时3600吨。

对于燃烧粉煤的电厂，煤块在进入锅炉之前会先在磨煤机里磨成粉，然后用预热空气吹进炉中。一个500MW的发电站可能有6个这样的磨煤机（一个备用），全力负载时可以每小时提供200多吨进入锅炉。不燃粉煤的电厂，2in的煤块直接通过料仓送到活动炉排或旋风炉（一种可以高效燃烧大块燃料的燃烧器）中。

至于燃料油和天然气发电站，燃料不需特别处理，液态的天然气和提炼过的石油产物运至发电站可直接加入机组燃料槽。

## 机组类型

### 蒸汽发电

大部分化石燃料都是通过蒸汽发电的。自从1906年涡轮发动机发明以来，往复式的蒸汽机逐渐被淘汰了。

### 燃气涡轮发电

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一种类型的火电厂用燃气涡轮联合废热回收蒸汽发生器（HRSG）发电。这被称作联合循环发电厂，因为它包含了燃气涡轮的布雷顿循环和HRSG的郎肯循环。其效率可达6,003千焦／千瓦时，热效率接近60%，在威尔士Baglan Bay发电厂实现。

燃气涡轮的燃料可以是天然气、合成气或燃料油。尽管这种发电站效率更高且建造更快（甚至可以在18个月内从零建造一个1,000MW的电站），但其经济性很大程度上取决于多变的燃料价格，一般是天然气。联合循环电厂的配置很多变，比如一个3-1联合循环设施有三个燃气涡轮和一个蒸汽涡轮。其他的配置包括(1-1)、(2-1)、(3-1)、(4-1)、(5-1)、(6-1)等。

天然气联合循环发电与再生能源的互补性高，因为此种发电方法能在短时间内升降发电量以配合发电量不稳定的再生能源，尤其是当风力发电、太阳能电池及天然气的成本越来越低，再生能源与天然气的组合已经有经济竞争力。

单一循环或者开式循环的燃气涡轮发电站（不含蒸汽循环）有时候会用在紧急场合或峰值电厂中。其热效率要低很多。它的运行成本远高于初始成本，故本来就设计成一年仅运行几百个小时。还有一些采用多级的方式，即首级使用开式循环燃气涡轮，然后再连接到其他的涡轮；或在未来转换成闭式循环。

### 往复式发动机

压燃式内燃机发电机组常用作临时的备用发电机。它们常常使用内燃机燃烧燃料油或者天然气来发电。柴油引擎在低转速时就能有很大的转矩，很适合交流发电机。

火花点火式内燃机（即汽油机）的燃料包括汽油、丙烷、液化石油气（LPG）等，经常用作移动性的临时发电机，用在建设工程、户外紧急用电等场合。

往复式外燃机如斯特林发动机可以使用多种多样的化石燃料发电。不过现在在工业上已经非常少见。

### 汽电共生

热电联产又称汽电共生，是指用电厂同时发电和废热供热。尽管从热力循环中抽热会导致电站热效率有所降低，但是如果专门使用一部分燃料燃烧来供热，总效率反而更低，所以汽电共生设备如果设计得当有其利基点存在。热电联产技术在丹麦等斯堪的纳维亚国家以及德国的一部分被广泛使用。

## 环境影响

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世界能源需求预计到2030年将提升60%。介于全球有超过5万座活动的煤电站，国际能源署预计到2030年仍有85%的能源是化石燃料。

一些国际组织密切关注化石燃料，尤其是煤对环境的影响。煤燃烧是空气污染以及酸雨的罪魁祸首，而燃煤所排出的二氧化碳是温度气体之一，会做成温室效应，现在已经可以肯定人为排放温室气体是近期全球暖化的主因，所以排放二氧化碳与全球暖化有极大关系。因为其化学结构所致，很难在燃烧之前从固体煤中去除杂质。不过，得益于现代工业的发展，通过对烟囱排放的废气的过滤及更高效率的锅炉，当代煤电站的污染已比过去小很多，非二氧化碳污染已经低到很接近天然气。当代燃煤电站的空气污染排放包括碳氧化物（COx，主要为二氧化碳）、氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx，如二氧化硫）、粒状物（PM）、臭氧（O3）、重金属等。

酸雨是由二氧化硫和氮氧化物导致的。这些气体本身的酸性有限，但是在和空气反应之后，会产生诸如亚硫酸、硫酸、硝酸等酸性化合物，最终导致酸雨。在美国及欧洲，随着排放法规的日渐严格和重工业的衰落，酸雨的危害正在逐渐减小，已低于1960年代的最高峰。然而这些污染工业却转移到大部分开发中的国家、且监管常更为宽松，如中国、印度、越南、泰国、印尼、巴西、墨西哥等，所以全球的工业污染并没有得到适当的控制，并且日愈严重，这是全人类必须严肃面对的紧急课题。

为了解决两难局面各种将火力发电洁净化的构想产生，例如整体煤气化联合循环技术意图拥有火力燃煤的建设便利和低成本，同时具备环保要求，美国于2010年代开始建立肯珀项目等实验电厂，然而2017年宣布该计划失败，预算超支2.5倍后依然相关科技达不到预定效果。

欧洲环境署基于欧盟的发电站，给出了不同燃料的排放量。

污染物｜硬煤｜褐煤｜燃料油｜其他油｜气体燃料

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

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

颗粒物 (g/GJ)｜1203｜3254｜16｜1.91｜0.1

废气体积总量 (m3/GJ)｜360｜444｜279｜276｜272

发电方法｜简述｜每单位电量所产生的二氧化碳 (g CO2/kWhe))（百一分段价）

水力发电｜假设利用水塘，不含水坝建设｜4

风力发电厂｜位于低成本陆地的情境，不含海上型｜12

核电｜以普遍的第二代核反应堆计算不含更新型科技｜16

生质燃料｜18

聚光太阳能热发电｜22

地热发电｜45

太阳能电池｜多晶硅太阳能电池生产过程的碳排放｜46

燃气发电｜假设加装燃气涡轮联合废热回收蒸汽发生器｜469

燃煤发电｜1001

备注：这些数据的原始来源是由1989~2010年间的各种相关研究报告整理而成。

## 火力发电厂的替代物

化石能源的替代物包括核能、太阳能、地热能、风能、潮汐能、水力发电以及其他可再生能源。其中有些已经在工业中实际使用（如核能、风能、潮汐能和水力发电），其他很多还在开发研究之中。就目前而言，其他各种电站的发电成本仍然高于化石燃料发电，不过这里仅考虑了直接成本（燃料、建设等），未考虑污染等导致的间接成本所需的费用（例如污染导致人类疾病的医疗成本）。另外，这些电站需要在特定的地方建设才能发挥作用，而且运作时仍然会对生态环境构成一定程度的影响。

## 生产组织

火力发电厂的生产部门一般分为：

- 燃料车间：负责燃料准备、配煤、磨煤、输煤
- 锅炉车间：包括锅炉司炉、电除尘、脱硫、风机等
- 汽机车间：包括汽机司机、化学（给水除氧）等
- 电气车间：负责全厂一次系统、二次系统、直流系统等

由于火力发电厂24小时不间断工作，所以各岗位配备3-5班人员，由各车间的班长领导。全厂设值长统一领导当班各班长。

## 特点

与水电厂和其他类型电厂相比，火电厂有如下特点：

- 布局灵活，装机容量的大小可按需要决定。
- 建造工期短，一般为水电厂的一半甚至更短。一次性建造投资少，仅为水电厂的一半左右。
- 煤耗量大，目前发电用煤约占全国煤炭总产量的25%左右，加上运煤费用和大量用水，其生产成本比水力发电要高出3—4倍。
- 动力设备繁多，发电机组控制操作复杂，厂用电量和运行人员都多于水电厂，运行费用高。
- 汽轮机开、停机过程时间长，耗资大，不宜作为调峰电源用。
- 对空气和环境的污染大、最新科技则可以让温室气体以外的污染排放降到极低。

## 区别

与热电相比的区别，火电仅指燃烧发电。热电是指发电的同时用产生的热能取暖，为提高效率节省能源，一般是发电与供热联合的方式。即是在汽轮机某一级抽出一部分汽来供热，其余的仍冲转汽轮机带动发电机发电，两者可调整，可供热多发电少，也可供热少发电多。当前中国受能源政策影响正在大力发展核电、水电，这些也可供热，有的国家为了节约能源有风力与地热发电，而中国在这些方面很少，使其火力发电厂主要是用来发电的。

## 参考书目

- 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