二、电力新技术

电力技术是综合性的技术体系，它的新发展是多方面的，有些已在前面有所叙述，这里仅介绍几项对未来电力工业发展有重大影响的新技术。

1. 高效、洁净煤发电技术

我国煤炭资源丰富，是煤炭的生产和消费大国。煤炭是我国用于发电的主要一次能源。1994 年，燃煤发电量占我国年发电量的 75％左右。估计到 21 世纪前期，燃煤发电仍将是主要的。目前采用的燃煤发电方式要向大气排放 SO2 和 NOx，它们在空中形成酸雨，造成严重的环境污染。因此，发展洁净煤发电技术，减少污染物排放，提高燃煤发电效率是一项重要的战略任务。

洁净煤发电技术可分为燃烧前处理和洁净、燃烧中洁净和燃烧后洁净。火电厂的烟气除尘和脱硫装置系燃烧后的烟气净化。这里主要介绍的是燃烧净化并提高热效率的技术。目前，公认具有发展前途的高效、洁净煤发电有循环流化床燃烧（CFBC）、整体煤气化联合循环（IGCC）、增压流化床燃烧联合循环（PFBC－CC）和燃煤磁流体发电。

1. 循环流化床燃烧（CFBC）。流化床燃烧是一种新型煤燃烧技术。这项技术的最初炉型是沸腾炉。循环流化床锅炉是在沸腾炉基础上发展起来的。

流化床锅炉如图 12－1 所示。它有固定的炉排（布风板），上面钻有许多孔，每个孔上都装有风帽。被破碎的煤粒和石灰石（吸附剂）从炉排上面进入炉膛，从炉排下鼓风，使煤粒和石灰石流化呈悬浮状，煤粒在沸腾状态燃烧，形成“沸腾床”。煤粒燃烧后从溢流孔中以溢流灰排出。流化所形成的湍流、强烈混合条件提高了燃烧效率。同时，它的蓄热量远大于煤粉炉，可在 880～900℃较低的温度下燃烧，因而大大减少 NO 的生成；石灰石固硫可减少 SO2 的排放。与采用煤粉炉和烟气净化装置相比，SO2 和 NOx 排放可减少 50％～70％，无需烟气脱硫装置。

我国小型工业用沸腾炉已遍地开花，但是它的结构不宜大型化，因而限制了它在火力发电的应用。循环流化床锅炉（CFBC）是在沸腾炉基础上发展起来的，其性能指标超过沸腾炉。CFBC 锅炉的特点是进一步细化煤粒，提高流化风速，在炉膛出口安装了高温分离器，使颗粒与气流分离，气流进入省煤器加热燃烧用空气，固体颗粒再送进炉膛流化燃烧， 以此反复循环流化。这样，它延长了燃料在炉内燃烧时间，可大大提高燃烧效率。石灰石（脱硫）同时参与循环，可提高脱硫率。它的燃烧、传热过程发展到整个炉膛，可使锅炉容量扩大。通过调节燃料的循环流量可使锅炉负荷调节范围达到 25％～100％，它适宜参与调峰运行。它对煤种适应性强，同时污染物排放低，在电力工业具有发展前景。目前， 国外 10～20 万 kW 的 CFBC 锅炉技术已成熟，正在向 25～30 万 kW 及以上容量发展。

1. 整体煤气化联合循环发电（IGCC）。煤炭的高效、清洁利用途径是煤的气化和液化。IGCC 发电是首先将煤气化，在汽化过程脱硫除氮， 然后以煤气作燃料参与燃气蒸汽联合循环的发电技术，如图 12－2 所示。

煤气化是把经过适当处理的煤送入反应器，在一定的温度和压力下通过气化剂（空气或氧和蒸气），以一定的流动方式转化成燃料气体。煤气化主要产生 CO 和 H2，而灰可形成废渣排出。煤气可在燃烧前脱除气态硫和氮。粗煤气中的硫化氢，可在煤气冷却后通过化学吸收或物理吸附脱除。这些净化工艺可脱除 90％的硫。还可在气化过程中加石灰石固硫，可脱硫 90%。煤气中的氮容易除去，形成氨还可回收利用。

煤的气化，目前采用常压水煤气工艺，常压固定床一段气化工艺。正在开发常压循环流化床和常压固定床两段气化工艺等。国外正在开发多种煤气化新工艺，以扩大气化煤种，提高效率，减少污染物排放。

整体煤气化联合循环发电过程，与天然气或石油为燃料的燃气蒸汽联合循环发电一样，不同之处就是以煤气代替天然气和石油，以煤气化生产的燃料气，先驱动燃气轮机组发电，余气再送往锅炉燃烧，产生蒸汽，驱动汽轮发电机组发电。煤气联合循环发电可提高系统热效率。即使烧含硫较多的煤的煤气化联合循环发电站，SO2 排放量比煤粉炉加烟气脱硫少 70%，比常压流化床少 50%，N 的排放分别减少 60%和 25%，固体废料分别减少 60%和 75%。新一代煤气化联合循环发电的供电效率可达43%～46%，同时能满足当代严格的环境保护要求。

煤气化联合循环发电是美国洁净煤技术计划的重点，可望在本世纪末商业化，到下个世纪将成为煤发电的主导技术。目前的示范电站，单套机组容量已达 35～60 万 kw。

煤气化联合循环发电除整体煤气化联合循环发电（IGCC）外，还有增压流化床煤气化联合循环发电和第二代增压流化床（顶部循环）煤气化联合循环发电（PFBC－CC）。后者是以蒸汽发电作为主导部分（60%以上），对现有火电厂的更新改造来说，将是一项更为实用的新技术。

1. 燃煤磁流体发电技术。它亦称为等离子体发电，是使极高温度并高度电离的气体高速流经强磁场直接发电的技术。当燃煤得到的 2.6

×106℃以上的高温等离子气体以高速流过强磁场时，气体中的电子受磁力作用，沿着与磁力线垂直的方向流向电极，发出直流电，经直流逆变为交流送入交流电网。从磁流体排出的气体可送往一般锅炉，继续燃烧把水变成蒸汽，驱动汽轮机发电，组成高效的联合循环发电，总的热效率可达 50%～60%。同样，它可有效地脱硫，有效地控制 NO 的产生，也是一种低污染的煤气化联合循环发电技术。此技术正在研究之中。

1. 人类用之不竭的清洁能源——受控核聚变能发电

核聚变反应是两个或两个以上较轻原子核〔如氘（D）和氚（T）〕， 在超高温等特定条件下聚合成一个较重的原子核，同时释放出巨大能量。这种反应是在极高温度（1～5 亿℃）下进行，所以叫热核反应。据计算，1kg 核聚变燃料放出的能量为核裂变的 4 倍。利用受控核聚变放出的热能发电是核能发电的另一种形式。

核聚变原料主要是氢〔氘（D）和氚（T）〕，氘也叫重氢。1kg 海水中含有 0.034 克氘。据估算，地球上汪洋大海中有 23.4 万亿吨氘，足够人类使用几十亿年，是一项无穷无尽的持久的发电能源，它的利用将开创能源的新时代。

适合应用的核聚变反应有 D-D、D-T 和 D-He3 反应。D-T 聚变反应堆最有希望首先运行，它的成功可导致 D-D 堆的发展。

由于带电的原子核之间的静电排斥力非常强，只有使两个粒子或其中的一个粒子具有很高速度（很高的温度）才能克服静电斥力，使两个原子核靠近，发生核聚变反应。等离子体有可能被加热到核聚变反应的温度（点火温度）、因此，是最有希望实现核聚变的介质。

实现受控核聚变反应的条件，一是在反应堆形成等离子体，二是把等离子体加热到点火温度，还要控制反应物的密度和维持其密度的时

间。实现产生核聚变反应的条件和进行人工控制，远比核裂变能的利用困难得多。

大功率激光器能产生巨大能量，高度集中的焦班和超短的脉冲时间被认为是实现受控核聚变反应可能最有效的途径。

核聚变能发电目前尚处于研究阶段，离实用尚有相当距离，但由于它取之不尽的资源来源和能量的巨大，又不会产生大量放射性废料，作为发电的能源，有很好的前景。人们预计，它在下世纪中叶可望能商业运行。

1. 电力系统自动化技术的新发展

电能的质量主要是电压和频率维持在规定的范围内，通常用汽轮机和水轮机的调速器维持其转速恒定来实现频率稳定；用发电机电压调节器维持其机端电压，以保证电压在给定的水平。当需要改变发电机的有功出力时，用人工改变调速器的整定值（输入量）来实现；当需要升高或降低发电机端电压时，用手动改变电压调节器整定值（输入量）就可实现。它们的调节过程是（以电压调节为例），当机端电压变化时，检测机端电压实际值与给定值进行比较、给出偏差值，其值经放大去调节发电机励磁电流，使发电机端电压回到原来的水平。这是一个自动的没有人直接参与的自动调节过程。实现这种自动调节的装置就是自动控制系统，而且是闭环控制系统。

由上所述，不难看出自动控制系统基本上由检测装置、控制装置和执行装置组成，如图 12-3（a）所示。其工作原理是：检测装置用于检测被控对象的状态信息、指令信息以及外界变化信息，并将其变换成电信号传给控制装置。控制装置计算被控对象的当前实际状态（称为被控量或系统的输出量），与所期望的状态（称为输入量）之差，并根据这一偏差（称为误差信号），按一定规律产生出控制信号，然后经过放大， 送给操作执行机构。操作机构用于驱动被控对象运动，直到其状态变到所期望的状态为止。这种把系统的输出或系统的另外一些受控变量和系统的输入作比较后形成的控制，称为闭环控制或反馈控制。

还有一种控制系统，其输出量不反馈到控制装置同输入量进行比较，只是单方向地由控制装置改变被控对象的状态，这种自动控制称为开环控制系统[如图 12-3（b）所示]。

研究自动控制系统的构造、性能、设计方法以及应用的理论就是控制理论，最初的控制理论以频率法为基础，称为经典控制理论。80 年代以前，电力系统中的单机或单个过程控制（如电压和转速调节），均以经典控制论为基础，几乎都是比例式调节。这种调节方式，调节能力差。例如，比例式电压调节器就不能较好地维持发电机端电压恒定。虽然增大比例调节的放大倍数可使电压恒定能力好些，但可能出现控制系统本身的不稳定而不能正常工作。这样，为解决调节精度与稳定的矛盾，电力系统的一些调节器采用了比例——积分——微分（PID）调节方式。

随着工业过程控制，社会和经济的控制与决策的需要以及计算机技术的发展，控制理论得到了迅速发展，形成了现代控制理论。控制理论从经典控制到状态空间、动态规划、最优控制、自适应控制，今天已发展到智能控制与大系统控制。现代控制理论在电力系统控制的应用研究工作从 70 年代末以来异常活跃，目前在我国已取得重要研究成果，已在

工程实际中有应用。最优控制就是保证系统某种（某些）性能指标为最佳（如火电厂全厂热效率最高）的控制。自适应控制是在系统和环境的信息不齐备的情况下，自动适应被控对象参数的缓慢变化或自动适应对象特性难以确知的情况，并能保证系统性能优良的控制方法。它主要有模型参数自适应（MRAC）和自校正控制（STC）。它们都是根据输入输出参数，辩识对象的模型或参数，通过在线调正控制装置的参数对系统进行控制。自适应控制理论仍在发展中。智能控制是将人脑的智能、计算机技术与控制理论结合起来，自动识别图象和自然语言，会学习和积累经验，能自主地进行推理、规划和决策的新近发展起来的控制方式。目前，它主要有专家系统控制和模糊控制等方法。神经网络，由于它可以处理那些难于用模型或规则描述的过程或系统，采用并行处理，本质的非线性系统特点和很强的综合信息能力，因而在自动控制系统中的应用已有不少研究。神经网络自动控制对于多变量、复杂系统和大系统的控制将具有明显的优势。

电力系统自动化技术包括电厂（包括火电厂、水电厂和核电厂）自动化、变电站自动化、电网控制自动化和配电自动化等方面的自动控制技术。由于现代控制技术以计算机技术为核心，具有综合信息的能力， 可实现电力系统多变量，保证性能指标最优以及复杂的自动控制功能， 能明显提高劳动生产率和经济效益，因而它在电力系统中的应用具有广阔的前景。

火电厂自动化的发展趋势将是：在当前计算机监控系统基础上，实现发电厂的最优控制，不仅使锅炉运行在最优工况，而且寻找火电机组全热力系统最优热效率及火电厂全厂的经济负荷分配，以节省燃料，降低发电成本。它具有显著的经济效益。

水电厂自动化的发展趋势是在用计算机实现自动操作和安全监视的基础上，实现整个水电厂甚至梯级水电厂的运行优化控制。这最优化控制同样具有显著经济效益。

变电站将向综合自动化趋势发展，建立分布式微机控制系统，就地处理信息，进行综合监视与控制，实现远方安全监视、操作与控制。

电力系统计算机监控系统是在发电厂和变电站之上的自动控制系统，目前已从安全监视控制（ SCADA）、自动发电控制与经济调度

（AGE/EDC），发展到今天的能量管理系统（EMS），它是一个以电力系统发输电为控制与管理对象，具备数据采集与监视、发电计划与控制和网络分析等功能的计算机控制系统。计算机的硬件配置和操作系统正向开放式系统发展，因此 EMS 系统也正在向开放的 EMS 系统发展。总的来说，电力系统自动化技术将向综合化，智能化方向发展。

电力系统自动化技术除了上述的生产控制自动化外，还包括经营管理自动化技术。管理自动化技术将向网络化和智能化方向发展，两个方面的自动化技术对于电力工业发展来说都是不能偏废的，它们相互联系，相互渗透，相互促进，它们的广泛应用将提高电力工业的经济效益和劳动生产率。

1. 灵活交流输电系统（FACTS）

灵活交流输电系统（FACTS）是利用现代电力电子技术、计算机技术、现代通信技术和自动控制技术，对传统的交流输电系统进行根本变革的

新的输电概念。1986 年，美国电力科学研究院提出这个新概念后，FACTS 技术受到各国极大重视，研究开发工作迅速发展。有人认为，FACTS 技术的实现将是输电技术上的革命。

FACTS 技术的基础是大功率可控晶闸管（如可控硅整流器、GTO 可控晶闸管），利用它们可以实现输电系统参量的快速控制。

FACTS 技术可以做到：

1. 改变传统交流输电系统有功和无功的自然传输状态和不可控的情况，能让所希望的功率按指定的输电线路输送到任何期望的地方。当一条输电线过负荷时，可将功率迅速地转移到负荷比较小的线路上。

2. 极大地提高输电系统的输电能力，把线路的输送能力安全地提高到接近线路的静态极限、短时过负荷热稳定极限，并且能适应各种可能出现的紧急故障情况。

3. 互联的电力系统通过提高了输电能力的联络线，能从其他系统得到紧急功率支援，从而可减少备用容量。

4. 逐级断开多重故障线路或机组，限制多重故障导致主要系统瓦解的影响。

5. 用增加电压等级或电流额定值来使原有输电线路升级。总体来说，建设更高一级电压电网来适应未来负荷增加的概念可以修正，电流升级也是有效的替代方案。

总之，FACTS 技术可以提供能力，以最小的投资，分阶段，一个又一个地克服过去输电系统的各种限制，将使输电系统发挥他们最大的潜力。

FACTS 技术不是一个单个的大功率控制器，而是控制器（装置）的集成。这些控制器既能单独、也可以分阶段应用来控制输电系统的相关参数。

各种 FACTS 控制装置及其功能和作用如表 12-1 所示。表 12-1 各种 FACTS 控制装置及其功能和作用

由表 12-1 不难看出：串联控制器可提供强有力的功率控制，最主要

的是有功，也有部分是无功；并联控制器可提供电压和无功控制。阻尼器可配合任何其他 FACTS 控制器一块使用。

目前正在研究的或进行样机试验的 FACTS 装置还有：①大功率晶闸管开关，其开断时间仅有 0.3～1ms，可速断各种故障，提高暂态稳定， 减少操作过电压；②高能无间隙氧化锌避雷器（HEGZOA），其箝制过电压达 1.1～1.2 倍，时间达数十个周波。

Siemens 公司制造的晶闸管控制的串联补偿（TCSE）装置已在美国西部电管局凯雅塔变电站投入试运行。ABB 公司制造的晶闸管开关样机已装在美国的 AEP 系统。GE 公司制造的模块结构、调节范围大的 TCSE 装置已在美国 BPA500kV 斯劣特变电站投入试运行。在我国，FACTS 技术的研究刚起步。由于 FACTS 技术的应用具有投资少、效益高的特点，特别适合我国缺乏投资的情况。预计，FACTS 技术的研究和应用在我国有非常好的前景。FACTS 技术的研究和应用要作好规划，做到具体情况具体分析。