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能源概论
黄素逸高伟编著
内容提要
能源是国民经济的命脉,与人民生活和人类的生存环境休戚相关,在社会可持续发展中起着举足轻重的作用。
本书以能源科学为介绍对象,对能源与社会发展的关系、能源资源、能源与环境、能量的转换与储存、常规能源、新能源、节能与能源系统工程,以及计算机和控制技术在能源工程中的应用均作了较为深入地讨论。
书中取材新颖、内容丰富,对当代能源科学各分支的现状、技术特征和发展趋势作了比较完整地介绍。
本书既可作为高等学校能源动力类专业的教材,也可作为大学生自然科学素质教育课的教科书,亦可供有关工程技术人员和管理干部参考。
前言
构成客观世界的三大基础是物质、能量和信息。
世界是由物质构成的,没有物质,世界将虚无缥缈;能量是物质的属性,是一切物质运动的动力,没有能量,物质会静止停滞;信息则是客观事物和主观认识相结合的产物,没有信息,物质和能量既无法认识也毫无用处。
人类的一切活动都与能量及其使用紧密相关。
当人类使用薪柴作为主要能源时,社会发展迟缓,生产和生活水平都极低。
当煤炭作为主要能源时,不但社会生产力有了大幅度的增长,而且生活水平也有了很大的提高。
20世纪50年代,由于巨大油气田的相继开发,人类迎来了石油时代。
近50年来,世界上许多国家,特别是发达国家,依靠石油和天然气创造了人类历史上空前的物质文明。
然而,事物的发展总有相反的一面。
一方面,煤炭、石油、天然气这类化石燃料总有耗尽之日;另一方面,它们给环境造成的污染也日益严重。
能源、环境、人口、粮食、资源,也成为困扰当今全人类的共同问题。
因此,在新世纪,如何使经济、社会、环境协调和可持续发展仍是全世界面临的共同挑战。
科学技术是实现社会可持续发展的保证。
本书的编写目的就是为广大读者介绍有关能源科学的知识、面临的问题、解决的对策和发展的前景。
书中不但涉及到能源的基础知识、常规能源和新能源,而且还对节能、能源系统工程及计算机和控制技术在能源中的应用作了详尽的讨论。
在取材上本书力求资料新颖、涉猎面广、叙述简洁,以达到为读者提供更多新的能源信息。
教育部热工课程教学指导委员会在面向21世纪热工课程改革的研究中,明确提出了设置能源概论课作为热工课程改革的一个主要内容。
本书也被列为热工课程系列教材之一。
鉴于能源、环境、生命、信息、材料、管理等学科是新世纪高等学校大学生科学素质系列教育的主要组成部分。
本书在编写上也力求兼顾文理科大学生科学素质教育的要求,即理论上不做深入探讨,叙述上则通俗易懂,可读性强。
教育部热工课程教学指导委员会委员赵镇南教授对书稿进行了认真的审阅,谨此表示衷心的感谢。
同时作者也要感谢教育部热工课程教学指导委员会各位委员对本书的支持和帮助,感谢同行、同事们为本书提供的宝贵资料和建议,也感谢作者的研究生为本书所作的资料整理工作。
由于作者水平有限,且能源科学发展迅速,创新不断,书中若有错误和不妥之处,诚恳欢迎读者批评指正。
进入21世纪,由于科学技术的发展,一个清洁能源时代将随之到来,世界将变得更加美好。
黄素逸、高伟
2004年1月于华中科技大学
目录
内容提要 I
前言 II
第一章能量与能源 1
第一节能量 1
一概述 1
二能量的形式 3
三能量的性质 7
四能量的转换 8
五能量的传递 10
第二节能源的分类与评价 12
一能源的分类 12
二能源的评价 15
第三节能源与人类文明 18
一能源的更迭与社会发展 18
二能源与国民经济 19
三能源与人民生活 21
四20世纪世界能源大事回顾 22
第四节能源资源生产与消费 26
一能源资源 26
二能源消费 35
三能源的需求预测 40
第五节能源与环境 42
一环境问题 42
二温室效应 43
三酸雨 48
四臭氧层破坏 51
五热污染 52
六放射性污染 54
七能源对人体健康的影响 54
第六节能源的可持续发展 57
一可持续发展的概念 57
二能源问题 59
三中国能源可持续发展的对策 63
第二章能量的转换与储存 66
第一节能量转换的基本原理 66
一概述 66
二能量守恒与转换定律 66
三能量贬值原理 67
第二节化学能转换为热能 74
一概述 74
二燃料的燃烧 77
三气体燃料的燃烧技术 80
四油的燃烧技术 83
五煤的燃烧技术 87
六燃烧设备 91
第三节热能转换为机械能电能 93
一概述 93
二蒸汽轮机 94
三燃气轮机 96
四内燃机 97
五火力发电厂 100
六先进发电技术 107
第四节能量的传输 116
一概述 116
二电能的输送 118
三煤炭的输运 122
四石油和天然气的输运 126
第五节能量的储存 131
一概述 131
二机械能的储存 133
三电能的储存 133
四热能的储存 136
第三章常规能源 145
第一节煤炭 145
一有关煤炭的知识 145
二煤炭资源与开采 152
三煤炭消费 158
四洁净煤技术 159
五煤的气化与液化 167
第二节石油 175
一有关石油的知识 175
二石油资源 176
三石油生产与消费 180
四油田的开发 182
五石油的加工 184
六主要石油产品及油品结构 185
第三节天然气 190
一天然气的特性 190
二天然气资源与生产 191
三天然气市场 196
四煤层气 197
五天然气水合物 200
第四节水能 201
一水能资源 201
二水能利用概述 204
三水电站 208
四小水电 217
第五节二次能源 219
一概述 219
二燃料型的二次能源 219
三非燃料型二次能源 223
第四章新能源 241
第一节核能 241
一核能的来源 241
二核燃料 244
三世界核能利用的现状 246
四反应堆 248
五核电站 252
六可控核聚变 258
第二节太阳能 262
一概述 262
二太阳辐射 264
三太阳能热利用 268
四太阳能光利用 283
第三节风能 285
一有关风的知识 285
二风能资源 291
三风能利用 294
四风力机 299
五风能利用中的问题 302
第四节地热能 303
一地球的内部构造 303
二地热资源 305
三地热能的利用 307
四地热能利用中的环境问题 312
第五节海洋能 313
一潮汐能 313
二波浪能 317
三温差能 320
四盐差能 322
五海流能 323
第六节生物质能 325
一生物质资源 325
二生物质能的转换技术 328
三薪柴 329
四醇能 331
五沼气 333
第七节氢能 337
一概述 337
二氢的制取 339
三氢的储存和运输 341
四氢能的应用 342
五燃料电池 343
六氢经济 345
第五章节能 346
第一节节能概述 346
一节约能源法 347
二能源的利用效率 349
三节能潜力 351
四技术和工艺节能的途径 352
五结构和管理节能措施 353
六节能经济评价 354
第二节节约热能 356
一热能的重要用途 356
二热能的品质 359
三按质使用热能 360
四余热回收和利用 361
五热能节约中的新设备和新技术 361
第三节节约煤炭 368
一提高燃煤设备和装置的效率 368
二集中供热 375
三热电联产 376
四发展各种先进的发电技术 378
五城市垃圾的能源化利用 378
第四节节约用油 380
一内燃机节油 381
二工业炉窑和工业锅炉的节油 388
三交通运输节油 390
四利用新技术从废物中提取石油 391
第五节节约用电 392
一概述 392
二提高发电效率 392
三输配电节电 393
四电动机节电 396
五电热和电炉类设备的节电 398
六金属弧焊机节电 399
七照明节电 400
八家用电器及办公设备的节电 403
第六章能源系统工程 407
第一节概述 407
一基本概念 407
二能源系统工程的任务 408
第二节能源系统工程的基本方法 411
一能源投入产出分析法 412
二线性规划方法 415
三层次分析法 418
第三节能源系统的预测和规划 420
一能源系统预测 420
二能源系统规划 426
第四节能源管理及信息系统 430
一管理信息系统 430
二能源管理信息系统 432
第七章计算机和控制技术在能源工程中的应用 435
第一节概述 435
一控制技术在能源工程中的运用 435
二计算机技术在能源工程中的运用 435
第二节火电厂中的计算机和控制技术 436
-计算机在火电厂输出过程自动化的应用 436
二计算机过程控制功能和特点 438
三过程控制方式和类型 439
四计算机仿真在火电厂的应用 447
第三节水电站中的计算机及控制技术 451
一水电站中的计算机控制发展慨况 451
二计算机控制系统的基本组成 452
三水电站计算机控制的主要任务 455
四水电站计算机控制发展的趋势 457
第四节核电站中的计算机及控制技术 463
一核电发展现状 463
二电厂先进主控制室的发展 463
三电站仪表控制与计算机化的发展 470
四核电站仿真分析系统 473
五分散集控系统在常规岛上的应用 474
第五节能源系统及设备的监测与故障诊断 475
一基本状况 475
二相关监测诊断系统 476
三典型系统构成 477
四监测诊断系统的关键技术 479
五状态监测、故障诊断系统的功能要求 479
参考文献 481
63
第一章能量与能源
第一节能量
一概述
物质和能量是构成客观世界的基础。
科学史观认为,世界是由物质构成的,没有物质,世界便虚无飘渺。
运动是物质存在的形式,是物质固有的属性。
没有运动的物质正如没有物质的运动一样是不可思议的,能量则是物质运动的度量。
由于物质存在各种不同的运动形态,因此能量也就具有不同形式。
众所周知,各种运动形态是可以互相转化的,所以各种形式的能量之间也能够相互转换。
各种能量相互转换是人类在实践中的最伟大的发现之一。
也正是不同形式的能量利用和转换促进了人类的文明。
宇宙间一切运动着的物体都有能量的存在和转化。
人类一切活动都与能量及其使用紧密相关。
所谓能量,广义地说,就是“产生某种效果(变化)的能力”。
反过来说,产生某种效果(变化)的过程必然伴随着能量的消耗或转化。
倘若任何效果和变化都没有,那么世界也就不存在了。
如果说劳动创造了世界,那么这种创造首先就是从能量的使用开始的。
科学史观还认为,物质是某种既定的东西,既不能被创造也不能被消灭,因此作为物质属性的能量也一样不能创造和消灭。
试想,如果我们创造或消灭了任何能量岂不意味着与之相伴的某种物质也被创造或消灭了吗。
能量守恒定律正是反映了物质世界中运动不灭这一事实。
这个定律告诉我们“自然界一切物质都具有能量。
能量不可能被创造也不可能被消灭,而只能在一定条件下从一种形式转变为另一种形式,在转换中能量总量恒定不变。
”
1922年爱因斯坦揭示了能量和物质质量之间的关系,即
E=mc2 (1—1)
式中,E表示物质释放的能量,J;m为转变为能量的物质的质量,kg;c为光速,3×108m/s。
上述公式表示的是一个可逆过程,其前提是质量和能量的总和在任何能量的转换过程中都必须保持不变。
从式(1—1)可以看出,一个很小的质量消失后,都能够产生巨大的能量。
例如一个功率为600MW的燃煤发电厂,不停地工作,每小时耗煤约220t,每年耗煤约2Mt,而一个600MW的核电站,也不停地工作,每年仅耗1t燃料铀。
但从能量转换的角度而言,在上述两个不同的发电设备中,实际转变为能量的燃料质量,每年仅为640克左右。
因此无论是化学反应或核反应,在产生或释放能量的过程中,质量一定会相应减少。
即反应物的质量的一部分能够在某种类型的能量转换过程中,转换为另一种形式的能量。
在国际单位制中,能量的单位,功及热量的单位通常都用焦(J)表示,而单位时间内所做的功或吸收(释放)的热量则称之为功率,单位为瓦(W)。
因为在能量的转换和使用中焦和瓦的单位都太小,因此更多的是用千焦(kJ)和千瓦(kW),或兆焦(MJ)或兆瓦(MW)。
在能源研究中还会用到更大的单位。
有关的国际制的词冠见表1—1。
表1—1能源中常用的国际制词冠
幂
词冠
国际代号
中文代号
1018
艾可萨(cxa)
E
爱
1015
拍它(peta)
P
拍
1012
太拉(tera)
T
太
109
吉珈(giga)
G
吉
106
兆(mega)
M
兆
103
千(kilo)
K
千
102
百(hecto)
h
百
10
十(deca)
da
十
在工程应用和一些有关能源的文献中,还会见到其它一些单位,如卡、大卡、标准煤当量、标准油当量、百万吨煤当量(Mtce)、百万吨油当量(Mtoe)等。
它们与国际单位之间的关系是:
1卡=4.186焦;1公斤标准煤当量(kgce)=7000大卡;1公斤标准油当量(kgoe)=10000大卡。
据此即可对有关数据进行换算。
二能量的形式
作为一个哲学上的概念,能量是一切物质运动、变化和相互作用的度量。
利用能量从实质上讲就是利用自然界的某一自发变化的过程来推动另一人为的过程。
例如水力发电就是利用水会自发地从高处流往低处的这一自发过程,使水的势能转化为动能,再推动水轮机转动,水轮机又带动发电机,通过发电机将机械能转换为电能供人类利用。
显然能量利用的优劣,利用效率的高低与具体过程密切相关。
而且利用能量的结果必然和能量系统的始末状态相联系,例如水力发电系统通过消耗一部分水能来获得电能,系统的始末状态(如水位、流量等)都发生了变化。
对能量的分类方法没有统一的标准,到目前为止,人类认识的能量有如下六种形式:
是
1机械能
机械能是与物体宏观机械运动或空间状态相关的能量,前者称之为动能,后者称之为势能。
它们都是人类最早认识的能量形式。
具体而言,动能是指系统(或物体)由于作机械运动而具有的作功能力。
如果质量为m的物体的运动速度为v,则该物体的动能E可以用下式计算:
(1—2)
势能与物体的状态有关,除了受重力作用的物体因其位置高度不同而具有所谓重力势能外,还有弹性势能,即物体由于弹性变形而具有的作功本领;以及所谓表面能,即不同类物质或同类物质不同相的分界面上,由于表面张力的存在而具有的作功能力。
重力势能E可以用下式计算:
(1—3)
式中,m为物体的质量;g为重力加速度;H为高度。
弹性势能E的计算式为:
(1—4)
式中,k为物体的弹性系数;x为物体的变形量。
表面能E可用下式计算:
(1—5)
式中,σ为表面张力系数;S为相界面的面积。
2热能
热能是能量的一种基本形式,所有其它形式的能量都可以完全转换为热能,而且绝大多数的一次能源都是首先经过热能形式而被利用的,因此热能在能量利用中有重要意义,也是本书讨论的重点。
构成物质的微观分子运动的动能和势能总和称之为热能。
这种能量的宏观表现是温度的高低,它反映了分子运动的激烈程度。
若系统的熵的变化为ds,则热能E可表述成如下的形式:
(1—6)
3电能
电能是和电子流动与积累有关的一种能量,通常是由电池中的化学能转换而来,或是通过发电机由机械能转换得到;反之电能也可以通过电动机转换为机械能,从而显示出电做功的本领。
如果驱动电子流动的电动势为U,电流强度为I,则其电能E可表述为:
(1—7)
4辐射能
辐射能是物体以电磁波形式发射的能量。
物体会因各种原因发出辐射能,其中从能量利用的角度而言,因热的原因而发出的辐射能(又称热辐射能)是最有意义的,例如地球表面所接受的太阳能就是最重要的热辐射能。
物体的辐射能E可由下式计算:
(1—8)
式中,ε为物体的发射率;c为黑体辐射系数;T为物体的绝对温度。
5化学能
化学能是物质结构能的一种,即原子核外进行化学变化时放出的能量。
按化学热力学定义,物质或物系在化学反应过程中以热能形式释放的内能成为化学能。
人类利用最普遍的化学能是燃烧碳和氢,而这两种元素正是煤、石油、天然气、薪柴等燃料中最主要的可燃元素。
燃料燃烧时的化学能通常用燃料的发热值表示。
单位重量(对固体、液体燃料)或体积(气体燃料)在完全燃烧,且燃烧产物冷却到燃烧前的温度时所放出的热量称为燃料的发热量(发热值或热值),单位为kJ/kg或kJ/m3。
应用上又将发热量分为高位发热量和低位发热量。
高位发热量是指燃料完全燃烧,且燃烧产物中的水蒸汽全部凝结成水时所放出的热量;低位发热量是燃料完全燃烧,而燃烧产物中的水蒸汽仍以汽态存在时所放出的热量。
显然,低位发热量在数值上等于高位发热量减去水的汽化潜热。
由于燃烧设备,如锅炉中燃料燃烧时,燃料中原有的水分及氢燃烧后生成的水均呈蒸汽状态随烟气排出,因此低位发热量接近实际可利用的燃料发热量,所以在热力计算中均以低位发热量作为计算依据。
表1—2为各种不同燃料低位发热量的概略值。
表1—2各种不同燃料低位发热量的概略值
固体燃料
天然固体燃料(MJ/kg)
木材
泥煤
褐煤
烟煤
13.8
15.89
18.82
27.18
加工的固体燃料(MJ/kg)
木炭
焦炭
焦块
29.27
28.43
26.34
液体燃料
天然液体燃料(MJ/kg)
石油(原油)
41.82
加工成的液体燃料(MJ/kg)
汽油
液化石油气
煤油
重油
焦油
甲苯
苯
酒精
45.99
50.18
45.15
43.91
37.22
40.56
40.14
26.76
气体燃料
天然气体燃料(MJ/m3)
天然气
37.63
加工成的气体燃料(MJ/m3)
焦炉煤气
高炉煤气
发生炉煤气
水煤气
油气
丁烷气
18.82
3.76
5.85
10.45
37.65
125.45
6核能
核能是蕴藏在原子核内部的物质结构能。
轻质量的原子核(氘、氚等)和重质量的原子核(铀等)其核子之间的结合力比中等质量原子核的结合力小,这两类原子核在一定的条件下可以通过核聚变和核裂变转变为在自然界更稳定的中等质量原子核,同时释放出巨大的结合能。
这种结合能就是核能。
由于原子核内部的运动非常复杂,目前还不能给出核力的完全描述。
但在核裂变和核聚变反应中都有所谓的“质量亏损”,这种质量和能量之间的转换完全可以用式(1—1)来描述。
三能量的性质
能量的性质主要有:
状态性,可加性,传递性,转换性,作功性和贬值性。
1状态性
能量取决于物质所处的状态,物质的状态不同,所具有的能量也不同(包括数量和质量)。
对于热力系统而言,其基本状态参数可以分为两类,一类与物质的量无关,不具有可加性,称之为强度量,例如温度、压力、速度、电势和化学势等;另一类与物质的量相关,具有可加性,称为广延量,例如体积、动量、电荷量和物质的量等。
对能量利用中常用的工质,其状态参数为温度T、压力P和体积V,因此它的能量E的状态可表示为:
E=f(p.T)或E=f(p,v)等
2可加性
物质的量不同,所具有的能量也不同,即可相加;不同物质所具有的能量亦可相加,即一个体系所获得的总能量为输入该体系多种能量之和,故能量的可加性可表示为:
E= (1—9)
3传递性
能量可以从一个地方传递到另一个地方,也可以从一种物质传递到另一种物质。
例如对传热来讲,能的传递性可表示为:
Q=KAΔt (1—10)
式中,Q为传递的热量;K为传热系数;A为传热面积;Δt为传热的平均温差。
4转换性
各种形式的能可以互相转换,其转换方式、转换数量、难易程度均不尽相同,即它们之间的转换效率是不一样的。
研究能量转换方式和规律的科学是热力学,其核心的任务就是如何提高能量转换的效率。
5作功性
利用能量来作功,是利用能量的基本手段和主要目的。
这里所说的功是广义功,但通常我们主要是针对机械功而言的。
各种能量转换为机械功的本领是不一样的,转换程度也不相同。
通常按其转换程度可以把能分为无限制转换(全部转换)能、有限制转换(部分转换)能和不转换(废)能,又分别称为高质能、低质能和废能,显然这一分类也是以转换为功的程度来衡量的。
能的做功性,通常也以能级ε来表示,即
(1—11)式中,E称之为“”。
6贬值性
根据热力学第二定律,能量不仅有“量的多少”,还有“质的高低”之分。
能量在传递与转换等过程中,由于多种不可逆因素的存在,总伴随着能量的损失,表现为能量质量和品位的降低,即作功能力的下降,直至达到与环境状态平衡而失去作功本领,成为废能,这就是能的质量贬值。
例如,最常见的有温差的传热与有摩擦的作功,就是两个典型的不可逆过程,在这两个不可逆过程中,能量都会贬值。
能的贬值性,即能的质量损失(或称内部损失、不可逆损失),其贬值程度可用参与能量交换的所有物体熵的变化(熵增)来反映。
即能的贬值E可表示为
(1—12)
式中,T为环境温度;ΔS为系统的熵增。
四能量的转换
能量转换是能量最重要的属性,也是能量利用中的最重要的环节。
人们通常所说的能量转换是指能量形态上的转换,如燃料的化学能通过燃烧转换成热能,热能通过热机再转换成机械能等。
然而广义地说,能量转换还应当包括以下两项内容:
1)能量在空间上的转移,即能量的传输;
2)能量在时间上的转移,即能量的储存。
任何能量转换过程都必须遵守自然界的普遍规律——能量守恒定律,即
输入能量—输出能量=储存能量的变化
在国民经济和日常生活中用得最多、最普遍的能量形式是热能、机械能和电能。
它们都可以由其它形态的能量转换而来;它们之间也可以互相转换。
显然
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