“独占鳌头”的火力发电

科普中国-科学原理一点通 2017-12-12

　　电已经成为我们日常生活不可缺少的一部分，电能是科技发展、国民经济增长的主要动力。照明、冶金、化学、纺织、通信、交通、动力等各个领域都要用电。发电有多种形式，包括火力发电、水力发电、风力发电、燃料电池发电、核电和太阳能光热发电等，由于火力发电使用范围最广，占领了电力的大部分市场，可谓“独占鳌头”。

　　发电界的“霸主”

　　1875年，在法国巴黎火车站的火电厂实现了最早的火力发电。随着发电机的不断完善和输变电技术的改进，特别是社会电气化对电能的需求，火力发电从20世纪30年代开始进入大发展时期。火力发电主要是利用化石燃料或生物质燃料等燃烧生产电能，目前主要以煤为主。燃料在锅炉里燃烧，将化学能转化为热能，热能又将水变为水蒸气，水蒸气带动汽轮机转子转动，由于汽轮机转子与发电机转子通过联轴器连接，发电机转子会跟着汽轮机匀速转动，在电磁感应的作用下，发电机产生电流，最后电流通过变电设备向电网输电。

　　与其他形式的发电相比，火力发电有着储量丰富、分布广泛的原料，并且技术简单、投资少，容易规模化生产。目前，我国的发电厂主要是燃煤机组，容量约占70%。火电厂无论是对国民经济的发展，还是人民生活水平的提高，都起着重大作用。即便进入21世纪后，出现了各种新兴的发电技术，火力发电仍是发电界的“霸主”。

　　火力发电厂

　　火力发电的“拦路虎”

　　水是生命的源泉，没有水就没有生命，地球上的动植物都离不开水。水也是“工业的血液”，它在制造、加工、冷却、净化、空调、洗涤等方面发挥着重要的作用。火力发电也需要大量的水，可以说水是火力发电的“拦路虎”。

　　火力发电的原理和过程是一个能量转化过程，它利用燃料（煤、石油或天然气）等蕴藏的化学能，通过燃烧变成热能传给锅炉中的水，使水转变为具有一定压力和温度的蒸汽，蒸汽导入汽轮机后膨胀做功，将热能转变为机械能，然后推动汽轮机旋转，汽轮机转子带动发电机转子一起高速旋转，这样就把机械能转变为电能送至电网。由此看出，在整个能量转化的过程中，水担负着传递能量的重要作用。另外，水也担负着冷却介质的作用，将汽轮机的乏汽冷凝成水循环做功。

　　实际上，火力发电过程中，热能转换为电能的效率只有40%左右，转化效率为什么不高呢？其中水是最大的“拦路虎”。水蒸气压力的高低直接关系到火力发电的效率，水蒸气压力越高，火力发电效率并不是也越高。科学家发现，温度随着水蒸气压力的升高相应地也越高，但同时温度越高，热的辐射和传导损失的也越多，高温水蒸气意味着更多的热能损失。所以，火力发电过程不能仅仅要高温高压，而是要尽量使水处在蒸发的临界状态，这时火力发电效率最高。