一、中國(guó)的能源情況（略）

二、能源的品質(zhì)分析與評(píng)價(jià)

1、能源及其轉(zhuǎn)化和利用

各種能源品質(zhì)有高有低，對(duì)這些品質(zhì)要有個(gè)綜合的評(píng)價(jià)，以便選擇各種適宜的能源來滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門發(fā)展的需要。

圖8表示各種能源經(jīng)過各種設(shè)備把它們轉(zhuǎn)化為各種不同形式的能來使用。圖的左邊是各種能源，右邊是各種使用形式，中間是各種轉(zhuǎn)化過程。從上面往下，天然氣、石油、煤、有機(jī)物（如薪炭、農(nóng)作物秸稈）都是常規(guī)能源，水力和風(fēng)力也算是常規(guī)能源。

水力、風(fēng)力只須經(jīng)過一種機(jī)械裝置（水輪機(jī)、風(fēng)車）就能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。水輪機(jī)的效率可以超過90％，能源利用率很高。

天然氣、石油、煤作為化工原料，我們?cè)谶@里不討論。作為能源，一般要通過熱裝置，如燃燒爐、燃燒室、鍋爐等，要與空氣一起燃燒，成為高溫氣體，或直接使用，或產(chǎn)生蒸汽在工業(yè)上和生活上（取暖）使用，這都是熱利用。如果要把熱轉(zhuǎn)換成機(jī)械能就要經(jīng)過熱機(jī)。機(jī)械能可做功，也可轉(zhuǎn)化為電能——經(jīng)過發(fā)電機(jī)成為電能后可以輸送到使用部門去，再經(jīng)過電動(dòng)機(jī)得到機(jī)械能為我們做功。

太陽(yáng)能是新能源，它可以通過光電池變成電能，現(xiàn)在主要問題是轉(zhuǎn)化效率低，價(jià)格比較貴，只有在那些沒有其它能源的特殊情況下使用才是合適的。它當(dāng)然也可直接產(chǎn)生蒸汽用于生產(chǎn)或取暖。

其它被稱作新能源的還有海洋能、地?zé)帷⒑肆炎兓蚓圩兡艿取?/p>

2、能源品質(zhì)評(píng)價(jià)

能源有很多種，各有優(yōu)缺點(diǎn)。評(píng)價(jià)能源品質(zhì)的指標(biāo)主要是：

這是指在一定空間或一定面積里能源可提供的功率。顯然，如果能流密度很小，就很難用作主力能源。按照目前的技術(shù)水平，太陽(yáng)能的能流密度很小。太陽(yáng)能要通過反射鏡集中到一定的地方，才可產(chǎn)生高溫的蒸汽，這需要很大的面積。所以太陽(yáng)能的能流密度小成了它的缺點(diǎn)。原子能的能流密度十分大，這是它的優(yōu)點(diǎn)。除風(fēng)力外，各種常規(guī)能源的能流密度都比較大。

太陽(yáng)能、風(fēng)能由大自然提供，不需什么開發(fā)費(fèi)，但設(shè)備目前較貴，各種化石燃料與核燃料，從勘探、開采、到加工、運(yùn)輸都需要人力和物力的投資，這些都要考慮進(jìn)去，才能對(duì)每種能源作出全面的比較。根據(jù)目前的技術(shù)水平，太陽(yáng)能、風(fēng)能、海洋能等發(fā)電設(shè)備的價(jià)格為每千瓦幾千元到上萬(wàn)元，初投資太大，資金周轉(zhuǎn)太慢，而燒天然氣和石油裝置的價(jià)格只有前者的幾十分之一，初投資小，資金周轉(zhuǎn)快。用煤和用水力的設(shè)備，單價(jià)每千瓦為幾百到一千元，也比利用太陽(yáng)能、風(fēng)能的設(shè)備便宜得多。

一般常規(guī)能源容易貯存，太陽(yáng)能、風(fēng)能的貯存是個(gè)難題，連續(xù)供應(yīng)也是個(gè)難題。各種化石燃料和核燃料都比較容易實(shí)現(xiàn)這兩方面的要求。

運(yùn)輸本身要消耗能源，也需要投資。所以遠(yuǎn)距離運(yùn)輸影響它的使用。現(xiàn)在，國(guó)際上已發(fā)展用管道運(yùn)輸煤，并且還在改進(jìn)，而我們國(guó)家的煤還全部靠鐵路運(yùn)輸。水力發(fā)電站如果與用戶離得太遠(yuǎn)，遠(yuǎn)距離輸電按目前技術(shù)水平，損失也不小，而且還是一項(xiàng)投資較大的工程。當(dāng)然，近距離輸電，便宜而且方便，這是電能的突出優(yōu)點(diǎn)。

隨著能源大量消耗，這個(gè)問題就更突出了。煤的燃燒造成污染的危害性在我國(guó)還未引起足夠的重視。對(duì)于原子能的危險(xiǎn)性則很重視，應(yīng)用時(shí)會(huì)采取各種安全措施。對(duì)于水力利用，也有它的獨(dú)特的“污染”問題，例如對(duì)生態(tài)平衡、土地鹽堿化，灌溉與航運(yùn)等的影響，所以也必須加以注意。太陽(yáng)能和風(fēng)能基本上是沒有污染的能源。

各種能源一定要資源豐富，才能充分發(fā)揮它的作用。地理分布對(duì)它的使用也有很大關(guān)系。比如，我們水力資源偏在西南地區(qū)，當(dāng)?shù)毓I(yè)較小，人口也較少，要開發(fā)就需要考慮遠(yuǎn)距離輸送電能的問題。

最后，還有可再生性。如水能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)岫伎勺匀辉偕@是好的方面。其它燃料用掉就沒有了。能源的品位很重要，但品位的高低須等下面介紹有關(guān)科學(xué)定律后才能看得清楚。

我們把上面講的情況綜合比較在表3中。表中打√的是“一般”，打√√是“比較好”，打≯是“比較差”，打××是“更差”的。

表3 能源品質(zhì)評(píng)價(jià)主要方面與目前狀況

以上大體比較了各種能源在各方面的優(yōu)缺點(diǎn)，在開發(fā)能源時(shí)，需要很好地綜合考慮。

三、能源資源的開發(fā)與有關(guān)科學(xué)技術(shù)問題（略）

四、能的轉(zhuǎn)化和利用的科學(xué)技術(shù)問題

1、水能利用

水能的利用在歷史上是很悠久的，我國(guó)的歷史記載大約在漢武帝時(shí)（公元37年）就有，但比較簡(jiǎn)單。其它國(guó)家如羅馬大約在公元150年才利用這種方式。

水能利用主要是利用水的位能，水位高，水的位能也大。另外也可以從地心吸力來解釋，即地球?qū)λ形Γ畯母咛幭蛳铝鳎?jīng)過水輪機(jī)發(fā)出機(jī)械功（參看圖12）。水輪機(jī)的輪子上裝有很多葉片，水流過葉片時(shí)就使輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。像這種動(dòng)力機(jī)械的輪子上裝有葉片的統(tǒng)稱為葉輪機(jī)械，葉輪機(jī)械不僅用于水輪機(jī)上，在蒸汽輪機(jī)上也用這種形式的動(dòng)力機(jī)械，蒸汽流過葉片時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)輪子，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)。在燃?xì)廨啓C(jī)中則是燃燒后的氣體流過葉片轉(zhuǎn)動(dòng)輪子。另外一種類型的動(dòng)力機(jī)械是活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，氣缸里有活塞、燃燒后的熱氣在氣缸內(nèi)膨脹，推動(dòng)活塞，活塞再通過連桿帶動(dòng)曲柄，使它轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)外作功。

水輪機(jī)的效率一般可達(dá)90％到94％，是轉(zhuǎn)化效率較大的動(dòng)力機(jī)械。水輪機(jī)效率低的也有70～80％。一般說來，水有天然位差，不要花什么投資。但要建造水庫(kù)來貯存，就要花投資了。從轉(zhuǎn)化過程和機(jī)械結(jié)構(gòu)來講還是比較簡(jiǎn)單的。一臺(tái)水輪機(jī)功率小的幾十、幾百千瓦，大的可達(dá)幾十萬(wàn)千瓦（在這里附帶說一下，我們數(shù)字量級(jí)的用法與國(guó)際上以千作為量級(jí)的用法有差別，翻譯和對(duì)比時(shí)很不方便。例如國(guó)際上一千個(gè)瓦叫千瓦，一千個(gè)千瓦叫兆瓦。我們不用千而用萬(wàn)，喜歡用一萬(wàn)、十萬(wàn)、百萬(wàn)、而不用十千、百千、千千。人家叫“千”“千”，我們叫做“百”“萬(wàn)”。不知道將來我們能不能也使用“千”的量級(jí)，放棄“萬(wàn)”的量級(jí)，和國(guó)際上一致起來）。

水能可以直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。風(fēng)能通過風(fēng)車（或叫風(fēng)輪機(jī)）也可直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

2、從燃料到熱

一般常規(guī)燃料是通過熱的形式來使用。通常各種燃料的化學(xué)能（或原子能）都要在各式各樣的爐子（或反應(yīng)堆）中轉(zhuǎn)化為熱（圖13）。熱可以直接使用，以滿足各種工藝流程和生產(chǎn)的需要；熱也可以通過熱機(jī)、電機(jī)等進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、電能，然后再被使用。經(jīng)過熱這個(gè)環(huán)節(jié)而被利用的能量，在我國(guó)占90％以上，世界各國(guó)平均也超過85％。因此，研究提高各種爐子的轉(zhuǎn)化效率是有普遍指導(dǎo)意義的。

燃料在爐里燃燒，產(chǎn)生高溫氣體，通過傳熱過程使水的溫度升高，成為高溫蒸汽，一部分能量則從煙囪排放出去。如果煙氣不加處理，就會(huì)造成污染，例如煤里有硫，硫燃燒生成二氧化硫，它碰上水成為酸雨，對(duì)農(nóng)作物、對(duì)人民健康都有很大壞處。還有氧化氮是可能致癌的物質(zhì)，一氧化碳也有毒。即使是二氧化碳，如果在空氣中大量增加，地球溫度會(huì)升高，使生態(tài)失去平衡。要去掉污染，就要采取措施，要花代價(jià)。燒煤的發(fā)電廠，增加這種去污染設(shè)備要增加投資20％以上。污染最好在燃燒過程中就去掉，這樣就需要科學(xué)技術(shù)（例如采用流態(tài)化燃燒新技術(shù)）了。

現(xiàn)在爐子的效率高低差別很大，火電站鍋爐一般是大型的，設(shè)計(jì)也比較仔細(xì)，效率可以達(dá)到90～94％，比較高。工業(yè)上使用的爐子大的效率可達(dá)90％。小的只有20～60％，平均約50％左右。家庭用的燒煤爐的效率一般只有10～20％（家庭煤爐在燃燒時(shí)效率比這高，但悶火時(shí)效率是零）。如用煤氣爐，使用效率就可提高到50％以上。所以如果家庭燒煤改成燒煤氣，使用效率可提高好幾倍。有個(gè)資料介紹：現(xiàn)在用在工業(yè)鍋爐上全年用煤有100Mt鍋爐的效率是55％，如果提高到60％，就可節(jié)省8Mt煤。城市民用是55Mt，效率只有20％，如果提高到40％，就可節(jié)省27.5Mt煤。如把小鍋爐改成大的，集中供熱或供應(yīng)煤氣，節(jié)約更大，可以節(jié)省幾千萬(wàn)噸煤。

合理利用燃料另外一個(gè)途徑就是將現(xiàn)在許多燒油的爐子改為燒煤。現(xiàn)在國(guó)際上在研究將煤和油混合成為油煤漿，甚至將煤和水混合成為水煤槳。對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行一些修改就可使用。這樣就可以煤代替一部分油。這幾年國(guó)際上在這方面的研究工作發(fā)展很快，我國(guó)也已開展研究工作。

我國(guó)工業(yè)能耗占全部能耗的65％，是一次能源的最大用戶。這與許多工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)需要耗費(fèi)大量能源，而我國(guó)工業(yè)方面的能量利用率不高有關(guān)。

各式各樣的工業(yè)爐把燃料轉(zhuǎn)化為熱，供應(yīng)工藝流程的需要。熱利用在工業(yè)耗能中占有相當(dāng)大的比例，由于從化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱很容易，其能源利用率應(yīng)該比較高。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家一般超過70％，而我國(guó)工業(yè)部門的能源利用率尚不到50％，是節(jié)能潛力最大的部門。

工業(yè)部門中除電力工業(yè)外，冶煉工業(yè)和化學(xué)工業(yè)耗能最多。許多國(guó)家在工業(yè)節(jié)能方面進(jìn)行了大量工作。

國(guó)外的焦?fàn)t和高爐都向大型化發(fā)展，日本高爐日產(chǎn)達(dá)萬(wàn)噸以上，大大降低了焦比；我國(guó)大型高爐日產(chǎn)千噸以上，中小高爐耗能更多。國(guó)外有些高爐煉鋼回收煤氣，減少能量消耗。日本采用新的工藝流程，把煉鋼、連續(xù)澆鑄、直接軋制統(tǒng)一起來，去掉了中間冷卻和加熱；還采取了高爐爐頂余壓發(fā)電等余能利用措施，大大節(jié)省了能源。

國(guó)外化學(xué)工業(yè)裝置也搞大型化，進(jìn)入七十年代以來，發(fā)展速度超過其它部門，并且普遍制訂了節(jié)能規(guī)劃，改進(jìn)工藝流程，充分利用余熱，使能量多次利用，降低了能耗。我國(guó)除新近引進(jìn)的設(shè)備，能耗可以接近國(guó)外水平外，其余大部分還是比較落后的。以合成氨為例，全國(guó)平均能耗水平1975年為3.7t標(biāo)準(zhǔn)煤，1978年為3.1t標(biāo)準(zhǔn)煤，而日本的平均能耗只有1.3t。顯然，節(jié)能必須成為化學(xué)工業(yè)的重要課題。

其它如機(jī)械制造業(yè)，產(chǎn)品的能耗也比較高。以汽車為例，1978年生產(chǎn)每輛汽車所需要能耗日本為0.4t標(biāo)準(zhǔn)煤，而我國(guó)有的企業(yè)為5.8t。

為了提高工業(yè)部門的能源利用率，我們必須采用先進(jìn)的工藝流程，改造能耗高的企業(yè)，促進(jìn)設(shè)備更新，大幅度提高各種爐子效率，搞好集中供熱，熱電井供和余能利用。

3、由熱到機(jī)械能

我國(guó)現(xiàn)在大約有全部能耗的16％用在蒸汽輪機(jī)上；4％用在蒸汽機(jī)上；7％用在內(nèi)燃機(jī)上，總共約為全部能源的29％用在這些動(dòng)力機(jī)械上。

怎樣把能源最有效地轉(zhuǎn)化成機(jī)械能呢？需要介紹兩個(gè)熱力學(xué)定律。

（1）能量轉(zhuǎn)化的基本規(guī)律

熱力學(xué)第一定律是根據(jù)生產(chǎn)上、實(shí)驗(yàn)室里觀察到的現(xiàn)象歸納出來的能量轉(zhuǎn)化的基本定律，它普遍適用于各式各樣的機(jī)械和自然界現(xiàn)象。熱力學(xué)第一定律也叫做能量守恒定律。在馬克思恩格斯經(jīng)典著作中很重視這個(gè)自然科學(xué)中的基本定律。它的簡(jiǎn)單說法是：能量可以以各種形式出現(xiàn)，不能無(wú)中生有，也不能白白消滅，而只可以從一種形式等量轉(zhuǎn)化為另一種形式。

在處理能量轉(zhuǎn)化問題時(shí)，我們首先要明確所研究問題的對(duì)象。在熱力學(xué)中，把作為研究對(duì)象的那些物體、物質(zhì)稱為“體系”，習(xí)慣上用一個(gè)框框來代表這些對(duì)象物質(zhì)（見圖14）。

于是，上述定律可以表示為：經(jīng)過一個(gè)熱力過程后，對(duì)體系總的傳熱量Q,等于體系總的輸出功W，加上在此過程中該體系內(nèi)的總的內(nèi)能升高值△E。熱力學(xué)第一定律可用下列公式代表：

Q＝W＋△E或△E＝Q－W

上式表示高溫?zé)嵩磦鹘o體系的熱量等于體系對(duì)外界所做的機(jī)械功加上體系內(nèi)部能量的增加。一般這個(gè)公式中三個(gè)量都出現(xiàn)，有時(shí)有一個(gè)不出現(xiàn)。例如：W＝0，則Q＝△E。或△E＝0則Q＝W。

熱力學(xué)第一定律是普遍定律，自然界里，工程界里都適用。使用這個(gè)公式時(shí)，要注意公式中三個(gè)量的單位，按照國(guó)內(nèi)過去的習(xí)慣用法Q代表傳熱量，它與內(nèi)能變化都用kca1表示（所謂kcal就是1kg升高1℃時(shí)所需的能量，1cal就是1g水升高1℃所需能量）；做的功W用kg•m表示。kg是作用力的大小，沿作用力的方向移動(dòng)多少米就是做了多少kg•m的功。以kcal表示的能與以kg•m表示的功之間的關(guān)系是從實(shí)驗(yàn)中定下來的：lkcal＝427kg•m。所以能量單位都可以只用熱單位kcal或機(jī)械功單位kg•m一種單位來表達(dá)。一秒鐘做75kg•m的功我國(guó)叫做一馬力。實(shí)際上這是功率的單位，是單位時(shí)間里做的功。可我們以前沒有翻譯對(duì)，原文實(shí)際是馬功率，我們翻譯成馬力，變成力的單位了。另一個(gè)功率單位是W或kW，它們與馬力之間有一定的換算關(guān)系。我國(guó)已決定推行國(guó)際單位制，已經(jīng)制定了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定能、功、熱都用統(tǒng)一的單位焦耳。

分析各種動(dòng)力機(jī)械的工作過程首先要用到熱力學(xué)第一定律。剛才說的水輪機(jī)的工作過程中沒有傳熱，所以W＋△E＝O。用來分析鍋爐時(shí)，因?yàn)閃＝O，所以Q＝△E。這就給出了水的內(nèi)能變化與對(duì)體系傳熱量之間的關(guān)系。用來分析熱機(jī)可用蒸汽機(jī)說明。

圖15是十八世紀(jì)末才趨于完善的人類發(fā)明創(chuàng)造的第一種熱機(jī)——蒸汽機(jī)的示意圖。煤或其它燃料，在鍋爐中燃燒后產(chǎn)生高溫燃?xì)鈧鳠峤o水，獲得具有一定壓力和溫度的蒸汽。蒸汽進(jìn)入氣缸，在膨脹過程中，推動(dòng)活塞，再通過連桿、轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄軸，輸出機(jī)械功。膨脹后蒸汽的壓力和溫度降低，在冷凝器中凝結(jié)成水，再用水泵打回到鍋爐中。這樣構(gòu)成了可以不斷重復(fù)進(jìn)行的循環(huán)過程，稱為熱力學(xué)循環(huán)。水或蒸汽在蒸汽機(jī)裝置中，經(jīng)過高溫燃?xì)鈱?duì)它傳熱（Q）后，內(nèi)能升高了。當(dāng)它從高壓向低壓膨脹時(shí)，內(nèi)能降低而對(duì)活塞輸出機(jī)械功（W）。水或蒸汽是蒸汽機(jī)使用的工作介質(zhì)，叫做工質(zhì)。我們把工質(zhì)作為體系，如果考慮它進(jìn)行了一個(gè)熱力學(xué)循環(huán)，回到原來的狀態(tài)，內(nèi)能沒有變化（即△E＝O），則W=W-W=Q=Q-Q這就是說，蒸汽機(jī)活塞的輸出功減去輸給水泵的功，恰好等于從燃?xì)鈧鹘o工質(zhì)的熱量減去工質(zhì)傳給冷卻水的熱量。

熱力學(xué)第一定律只規(guī)定了能量轉(zhuǎn)化的數(shù)量關(guān)系，而未指明轉(zhuǎn)化的方向性。其實(shí)各種形式的能彼此轉(zhuǎn)化是有可否、難易之分的，也就是具有某些方向性的。

除了第一定律以外，分析熱機(jī)很重要的是熱力學(xué)第二定律，能源充分利用與否還要用熱力學(xué)第二定律。下面用圖16來說明熱力學(xué)第二定律。

這個(gè)定律有許多說法，但各種說法是彼此一致的。其中有些說法比較通俗易懂，例如；“不可能自發(fā)地由低溫向高溫傳熱。”對(duì)于熱機(jī)最為實(shí)用的一種說法是：“熱機(jī)不可能將單一熱源傳給工質(zhì)的熱Q全部轉(zhuǎn)化為功W”。熱機(jī)是將外界傳給工質(zhì)的熱轉(zhuǎn)化為機(jī)械功并連續(xù)不斷地工作的機(jī)器。工質(zhì)經(jīng)過若干個(gè)熱力學(xué)循環(huán)后，其內(nèi)能不變，即△E＝O（參看圖16）。由高溫?zé)嵩磦鹘o體系的熱量O不可能全部變?yōu)楣Γ囟ㄓ幸徊糠譄崃縊傳給另一較低溫度的熱源。這樣，熱機(jī)的輸出功只有W=Q-Q。人們用熱效率來表征傳熱量Q轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的程度，即

熱效率＝W/Q=（Q-Q）/Q=1-Q/Q

這是熱機(jī)效率的普遍關(guān)系式。

“如果希望熱效率高，就必須使Q/Q小，那么（1-Q/Q）的值就大，熱效率也就愈高，但不可能大于1。希望Q/Q值愈小，那就要求相對(duì)地Q大或Q小，這樣熱效率就高。

但在實(shí)際工作中，Q和Q都需要考慮具體過程來計(jì)算，比較困難，所以在作一般性工作時(shí)，就有人提出了理想熱機(jī)的作法。這種理想機(jī)實(shí)際上是做不到的，但可以從它得出一些簡(jiǎn)單的關(guān)系，具有定性指導(dǎo)的意義。在理想熱機(jī)中傳熱是恒溫的，即熱源向熱機(jī)傳熱的溫度T不變，熱機(jī)向冷源傳熱的溫度T也不變，并且沒有任何摩擦損失（這也是一個(gè)理想條件）。在這種理想條件下，理想熱機(jī)的熱效率是：

η理想＝1-T2/T1

式中T是低溫?zé)嵩吹慕^對(duì)溫度，T是高溫?zé)嵩吹慕^對(duì)溫度。從這個(gè)公式就可以知道，對(duì)理想熱機(jī)來說，T越高越好，T越低越好，這樣熱機(jī)效率就愈高。

注意式中T是絕對(duì)溫度，不是攝氏溫度。在一個(gè)大氣壓下，水在0℃時(shí)結(jié)冰，在100℃時(shí)沸騰成蒸汽。絕對(duì)溫度的度數(shù)是攝氏溫度加上273，所以它的零度是-273℃（見圖17）。計(jì)算上式時(shí)，攝氏溫度要換算成絕對(duì)溫度。T高，即能源產(chǎn)生蒸汽的溫度高，叫作高品位能源，這也就是高品位的含義。

熱機(jī)中T1高，理想熱效率高，實(shí)際熱效率也相應(yīng)地高。相反的，能源產(chǎn)生的溫度比較低，就叫作低品位能源。能夠直接變成為機(jī)械功或電的能源（如水能），可以認(rèn)為是更高品位的能源。所以作為熱源的高低品位，是指經(jīng)過熱機(jī)把熱轉(zhuǎn)化為機(jī)械能給我們做功來講的。我們?cè)诳紤]余熱利用時(shí)，如果它們的溫度太低，這種低品位的能源拿到熱機(jī)上去利用，熱效率很低，經(jīng)濟(jì)上就不合算；如余熱溫度高，拿到熱機(jī)上去利用，熱效率高，經(jīng)濟(jì)效益就比較高。高品位能源用在熱機(jī)上最好，因?yàn)榭梢缘贸鲚^多的機(jī)械功。低品位只能作為供應(yīng)較低溫度的蒸汽或熱水用，也是各得其用。總的來說，要很好利用能源，特別是通過熱機(jī)把它轉(zhuǎn)化成機(jī)械功，就要做很多研究工作。把整個(gè)熱機(jī)循環(huán)參數(shù)選擇好，各個(gè)熱力過程組織好，燃料要燃燒得很完全，傳熱要很有效，內(nèi)部流動(dòng)損失也要很小，這樣才能使能源的轉(zhuǎn)化與傳遞得到最高的效率。這些就是工程熱物理這門學(xué)科研究的主要內(nèi)容。通過這門學(xué)科的發(fā)展和應(yīng)用，各種設(shè)備、熱機(jī)能得到最高的效率。

（2）發(fā)電耗能

圖18是蒸汽輪機(jī)電站的示意圖。在我國(guó)燒煤或油：通過蒸汽輪機(jī)發(fā)電的火電站大約消耗全部能源的16％。我國(guó)火電站的平均效率大約是29％。現(xiàn)在，一般高參數(shù)大功率蒸汽輪機(jī)電站的發(fā)電效率可達(dá)38％，如果考慮消除污染設(shè)備的能量消耗及有些損失，效率就降低到36％以下。從這個(gè)角度來講，我們積極采用現(xiàn)代的蒸汽輪機(jī)和今后建設(shè)更先進(jìn)蒸汽輪機(jī)，我們能量的有效利用率就可提高，從29％左右提高到36％，增加了20％。

但是，能源利用率提高更多的辦法是把蒸汽輪機(jī)發(fā)電與余熱利用、供熱結(jié)合起來，就是說既供電、又供熱，這樣燃料的利用率就很容易達(dá)到60％。假如把燃料在鍋爐內(nèi)燒掉只是為了供生產(chǎn)用或供暖用的蒸汽，即使燃燒效率很高，鍋爐效率99％，實(shí)際上從熱力學(xué)第二定律來看仍然是一種浪費(fèi)，在爐中燃燒后的高溫氣體加熱水使產(chǎn)生溫度和壓力都比較高的蒸汽，讓它先通過蒸汽輪機(jī)發(fā)電，排出的蒸汽溫度還足夠高，可以供生產(chǎn)用或者用來供暖。這樣燃料的能量利用率就大大提高。這比把燃料分開來燃燒，一部分燃燒產(chǎn)生蒸汽到蒸汽輪機(jī)去發(fā)電，另一部分燃燒產(chǎn)生蒸汽供熱，要合理。現(xiàn)在很多國(guó)家都在想法做到不是單純發(fā)電，也不是單純供熱，而是把兩者結(jié)合起來，梯級(jí)使用。很多工業(yè)部門都可以考慮這樣來使用。如化工工業(yè)、鋼鐵工業(yè)、煉油、紙槳造紙、紡織、食品加工工業(yè)等部門都可以用。他們本來就要電、熱或蒸汽，過去他們可能是向電網(wǎng)要電，而自己再燒些燃料來生產(chǎn)蒸汽。假如把兩方面的要求結(jié)合起來，燃料在鍋爐里燃燒后，傳熱給水變成蒸汽，蒸汽先在蒸汽輪機(jī)里膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)。排出的蒸汽再到熱交換器產(chǎn)生較低溫度的蒸汽或熱水等。這樣燃料總利用率就可以提高到60％以上。

現(xiàn)代工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家主要是由于燃料價(jià)格日益高漲，從經(jīng)濟(jì)角度來考慮。而我們要這樣做還不只是經(jīng)濟(jì)性考慮，因?yàn)楣まr(nóng)業(yè)產(chǎn)量要增加到四倍，能源生產(chǎn)只能提高到兩倍，所以必須用符合科學(xué)規(guī)律的這種方法才能用較少量的能源來滿足生產(chǎn)的需要。一般工業(yè)供熱約兩年就可以回收成本（與原來比較），居民供熱也可用這種供暖方法，特別是我們社會(huì)主義國(guó)家更有條件這樣做。以后在北方新建的居民點(diǎn)都可考慮這樣做，大大節(jié)省單獨(dú)燃燒燃料來供熱的能耗。

在產(chǎn)油基地如用蒸汽灌進(jìn)井去來增加石油回收率，也可考慮這樣一個(gè)聯(lián)合裝置，既發(fā)電以滿足動(dòng)力的需要，又產(chǎn)生蒸汽打到井里去，值得我們很好考慮采用。

但是這樣一個(gè)裝置、設(shè)備受到材料限制，蒸汽溫度不能很高（約550℃），發(fā)電熱效率也不能很高（不能超過40％）。為了更多地提高熱效率，熱機(jī)工質(zhì)的初溫希望能提高到1000℃以上，這就要使用燃?xì)廨啓C(jī)了，因?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)可以適應(yīng)1000℃以上的高溫。

燃?xì)廨啓C(jī)的前面是風(fēng)扇（或壓氣機(jī)），把空氣的壓力提高并且往后面輸送；中間是燃燒室，燃料同空氣混合燃燒，得到高溫高壓燃燒氣體；最后有個(gè)葉輪機(jī)械，叫氣輪機(jī)或透平，它同蒸汽輪機(jī)一樣，轉(zhuǎn)動(dòng)的輪子上有很多葉片，高溫高壓燃?xì)饬鬟^葉片后就能轉(zhuǎn)動(dòng)輪子，輸出機(jī)械功，一方面帶動(dòng)前面的風(fēng)扇，一方面帶動(dòng)后面的發(fā)電機(jī)。

圖19表示一個(gè)不帶回?zé)崞骰蛘邘в谢責(zé)崞鞯娜細(xì)廨啓C(jī)的示意圖。上邊講了，空氣先通過壓氣機(jī)，提高壓力，再到燃燒室，提高溫度，最后到氣輪機(jī)膨脹輸出功，它的工作溫度范圍表示在左邊的溫度圖上。

燃?xì)廨啓C(jī)的初始溫度T比較高，現(xiàn)在的技術(shù)水平已經(jīng)超過1000℃。目前最簡(jiǎn)單的燃?xì)廨啓C(jī)效率達(dá)33％以上。燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度較高，如果加用一個(gè)回?zé)崞鳎涯芰枯斔徒o從壓氣機(jī)出來的空氣，提高溫度后再進(jìn)入燃燒室，就可以減少燃料量，這樣就能提高燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率，在國(guó)外最好的效率已超過43％，所以國(guó)外燃?xì)廨啓C(jī)在固定設(shè)備上使用的趨勢(shì)是增加回?zé)崞鱽硖岣咝省?/p>

燃?xì)廨啓C(jī)又可以與蒸汽輪機(jī)聯(lián)合起來，成為一個(gè)聯(lián)合循環(huán)裝置。圖20、21是燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)聯(lián)合裝置的示意圖。

這種聯(lián)合裝置在發(fā)電上已大力發(fā)展。因?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)可以在高溫下使用，它是在機(jī)內(nèi)燃燒，與蒸汽輪機(jī)不一樣，對(duì)氣輪機(jī)葉片采取冷卻措施，可以耐受高的溫度，在1000℃以上的高溫下工作。它的排氣溫度為500～600℃，也比較高，正好可以到余熱鍋爐中去產(chǎn)生蒸汽，帶動(dòng)蒸汽輪機(jī)工作，蒸汽最后在冷凝器中以接近大氣的溫度冷凝成水。因此它可以在1000℃與20～30℃的溫度范圍內(nèi)工作，所以熱效率高。目前聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率已經(jīng)超過46％，是一般蒸汽輪機(jī)做不到的。這是熱機(jī)發(fā)展的方向。在國(guó)外這樣的聯(lián)合裝置，燃?xì)廨啓C(jī)燒的是天然氣或油，有的工業(yè)生產(chǎn)過程中就有副產(chǎn)品可燃?xì)怏w，可以用作這種裝置的燃料。我國(guó)發(fā)電全要燒煤。目前國(guó)外正在大力研究?jī)煞N燒煤的辦法：一種是流態(tài)化床燃燒室（見圖22），另一種是把煤氣化后，送到燃燒室里燃燒。

表4 燃煤聯(lián)合循環(huán)的發(fā)展情況

估計(jì)燒煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的熱效率將來可以超過40％。這種聯(lián)合裝置的燃?xì)廨啓C(jī)的排氣還可以用來供熱，這樣多級(jí)利用煤的總效率可以達(dá)到80％以上。

下面談?wù)劷煌ㄟ\(yùn)輸方面耗能問題。當(dāng)前我國(guó)鐵路上消耗的能量占全部能耗的4％，主要使用蒸汽機(jī)，它的熱效率很低。一般蒸汽機(jī)本身的熱效率是10～12％，輸送到輪子上，真正體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)火車的不到8％，是現(xiàn)在使用熱機(jī)中效率最低的。我們國(guó)家運(yùn)輸主要靠鐵路，今后要發(fā)展鐵路來滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。電力機(jī)車、柴油機(jī)車都比蒸汽機(jī)車能源利用率高，但是電氣化鐵路造價(jià)比較高，除非線路特別繁忙的地方，流通量特別大才合算。柴油機(jī)車效率也比較高，在30%以上，不過柴油供應(yīng)量受到限制，所以將來發(fā)展也有限制。一個(gè)出路是用燒重油的燃?xì)廨啓C(jī)車，假如把現(xiàn)在發(fā)電廠燒的重油改用燒煤后，把重油用于燃?xì)廨啓C(jī)車，這樣一轉(zhuǎn)移，在發(fā)電量不減少的情況下，鐵路可以得到使用蒸汽機(jī)機(jī)車兩倍以上的動(dòng)力。從費(fèi)用上比較這也是經(jīng)濟(jì)的，這項(xiàng)工作計(jì)委正在抓。

另外還有一種可能性，就是熱氣機(jī)或者叫斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。它是一種外燃式活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。過去就有過，但效率很低。隨著材料等方面的技術(shù)進(jìn)步，現(xiàn)在效率提高了，已經(jīng)超過了30%，并且還可以燒煤。不過現(xiàn)在還沒有大功率的，如果能研制成功大功率的，將是取代蒸汽機(jī)車的一種好辦法。

運(yùn)輸用的動(dòng)力應(yīng)具有機(jī)動(dòng)性。為了去掉龐大的鍋爐系統(tǒng)和換熱器金屬耐受高溫的限制，19世紀(jì)下半葉出現(xiàn)了將燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒的內(nèi)燃機(jī)（圖23），內(nèi)燃機(jī)的大多數(shù)是四沖程，即活塞上下移動(dòng)四次，經(jīng)過吸氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣等過程完成一個(gè)“循環(huán)”。也有上下移動(dòng)兩次完成一個(gè)循環(huán)的，叫作二沖程。因?yàn)檫@種熱機(jī)間歇地短時(shí)間接觸燃燒氣體，并且采取冷卻措施，所以可以采用較高的（瞬時(shí)）燃燒溫度如表5所示。

這樣可以得到較高的熱效率（30～42％）。隨著曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度的高低，內(nèi)燃機(jī)又可分為高速、中速、低速幾種，其中以低速柴油機(jī)效率量高。內(nèi)燃機(jī)使用的燃料有汽油、柴油、重油、酒精、天然氣、煤氣、以及煤液化和氣化后的燃料及氫氣等，它也可以使用油和氣的雙重燃料。由于內(nèi)燃機(jī)的熱效率較高，中小功率的內(nèi)燃機(jī)較輕小，它特別適用于中小功率的車、船等運(yùn)輸工具及拖拉機(jī)、農(nóng)用動(dòng)力等。世界上僅汽車就有3億輛之多。我國(guó)汽車數(shù)量較少，發(fā)動(dòng)機(jī)主要是仿制或參考國(guó)外三十年代到六十年代的產(chǎn)品，目前耗油率與國(guó)外先進(jìn)水平比，差距相當(dāng)大。表6是相同等級(jí)小轎車的耗油率的比較（單位：L/100km）：

為了節(jié)約能源，有些國(guó)家還規(guī)定了每年油耗下降的指標(biāo)。如美國(guó)要求各汽車公司產(chǎn)品于1985年達(dá)到8.5L/100km的指標(biāo)。

船舶運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性較好，如內(nèi)河航運(yùn)每HP可運(yùn)載3-8t，而火車為1-3t，汽車僅為0.1t，應(yīng)當(dāng)大力發(fā)展水運(yùn)。內(nèi)河航運(yùn)中較為突出的問題是對(duì)自然河流沒有注意的計(jì)劃、有步驟地開發(fā)治理和利用。內(nèi)河航道由1961年的17萬(wàn)2千Mm減少到目前的10萬(wàn)8Mm。治理航道的費(fèi)用每公里投資為新建鐵路的三分之一到五分之一。在河流整治中應(yīng)注意水資源的綜合利用，同時(shí)發(fā)揮防洪、發(fā)電、航運(yùn)、灌溉的效用。我國(guó)海運(yùn)船舶數(shù)量也少，碼頭現(xiàn)代化程度也差。

我國(guó)公路運(yùn)輸、航空運(yùn)輸方面能耗大概占全國(guó)總能耗的3～4％，好的內(nèi)燃機(jī)熱效率可以在30％以上，但仍比國(guó)外的低10％左右。這方面提高效率比較容易，國(guó)際上已經(jīng)有成熟技術(shù)。現(xiàn)在我國(guó)耗油較低的汽車已經(jīng)出現(xiàn)，將來交通運(yùn)輸、公路運(yùn)輸、航運(yùn)比重要增加，交通運(yùn)輸方面燃料利用率可以轉(zhuǎn)好。

4、工業(yè)余能利用

工業(yè)余能的利用，是個(gè)大問題。我國(guó)工業(yè)耗能約占全國(guó)總能耗的三分之二，而利用效率低，大量余能白白丟掉了，今后應(yīng)該好好利用起來。余能利用的辦法與它的品位很有關(guān)系，前面介紹熱力學(xué)第二定律，已經(jīng)提到能源品位的高低對(duì)熱機(jī)熱效率的影響。例如有高溫的廢氣，溫度甚至高到1000℃以上，如果氣體壓力也比較高，那就很好利用，把它通過一個(gè)膨脹氣輪機(jī)（例如煙氣輪機(jī)），高溫高壓的氣體就可以膨脹作功。高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、化工工業(yè)中都有兩個(gè)大氣壓上下的高溫氣體，過去是浪費(fèi)掉了，現(xiàn)在裝上一個(gè)煙氣輪機(jī)，就可以很好利用這個(gè)能量了。但是如果高溫氣體壓力只是略大于大氣壓，就不能膨脹作功，只能作為一個(gè)熱源來使用，用在封閉式的氣輪機(jī)上，或者用來產(chǎn)生蒸汽通過汽輪機(jī)發(fā)電。假如余氣的溫度低，只有300℃左右，則需應(yīng)用有機(jī)工質(zhì)的蒸汽循環(huán)（圖24），勉強(qiáng)還可以使用。從熱力學(xué)第二定律就可以看出熱效率會(huì)很低（目前不會(huì)超過8％），而設(shè)備投資比較大，回收投資的年數(shù)也就多了。要比較用熱機(jī)來發(fā)電，還是用來產(chǎn)生工業(yè)上或者生活供暖上所需要的低溫蒸汽，或熱水那一個(gè)更為合算。

此外，由于余能利用設(shè)備有各種損失，影響余能的回收，因此要開展高效率余能利用設(shè)備的研究和改進(jìn)，如高效率換熱器，回收低溫余熱的熱管、熱泵，軸流式、向心式氣體膨脹輪機(jī)，余熱鍋爐，高效率有機(jī)工質(zhì)蒸汽循環(huán)動(dòng)力裝置等。給予一定投資，采用較先進(jìn)的余能利用技術(shù)和設(shè)備，不僅可以把余能利用好，而且回收周期也可縮短，這樣就有可能把工業(yè)方面的燃料熱利用率提高到更先進(jìn)的水平，節(jié)約出更多的燃料。工業(yè)余能是一個(gè)很大的能量，根據(jù)它具體的情況、品位的高低、使用得合適，可以以不太大的投資取得較好的效果。這是我們今后節(jié)約能源很重要的一個(gè)方面。

五、結(jié)束語(yǔ)

為了搞好能源工作以促進(jìn)四個(gè)現(xiàn)代化建設(shè)，我們建議要搞好下述幾項(xiàng)工作：

1、進(jìn)一步查清中國(guó)能源儲(chǔ)藏量與利用的全部確切情況，做到心中有數(shù)，有的放矢地正確制定方針政策。

2、制定能源方面的法規(guī)，加強(qiáng)能源管理，以貫徹加強(qiáng)能源開發(fā)，大力節(jié)約能源消耗，近期把節(jié)約放在優(yōu)先地位的方針。

3、搞現(xiàn)代化一定要依靠科學(xué)技術(shù)進(jìn)步。能源是中國(guó)現(xiàn)代化的一個(gè)根本環(huán)節(jié)和戰(zhàn)略重點(diǎn)，對(duì)它的科學(xué)研究工作必須先行，而且要循序漸進(jìn)，在統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)下組織好近期與長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，以及攻關(guān)工作。

4、為確保能源這個(gè)戰(zhàn)略重點(diǎn)，需要適當(dāng)?shù)卦黾影l(fā)展能源各方面工作的投資，在條件合適時(shí)還可以爭(zhēng)取國(guó)際合作，引進(jìn)外資。

5、油和天然氣是優(yōu)質(zhì)能源，要加強(qiáng)它的勘探與開發(fā)。在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)煤是中國(guó)的主要能源，需要把加快煤炭的開發(fā)擺在重要的地位。但它在開采、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)化與使用中都有不少困難問題，必須加強(qiáng)煤的科技工作。電力工業(yè)要把建設(shè)重點(diǎn)逐步放在水電的開發(fā)上，在嚴(yán)重缺能地區(qū)還要建設(shè)核電站，因地制宜地發(fā)展各種新能源。

6、各種不同品質(zhì)的能源要合理分配、對(duì)口供應(yīng)，做到各得其所（見圖26），例如各種液體燃料應(yīng)該用于運(yùn)輸機(jī)械，而煤應(yīng)該用于固定設(shè)備，沼氣先用在農(nóng)村。

7、以節(jié)能為中心，對(duì)現(xiàn)有企業(yè)進(jìn)行技術(shù)改造，更新關(guān)鍵設(shè)備、工藝。經(jīng)濟(jì)政策方面要為技術(shù)進(jìn)步開路。

8、在能源利用方面，應(yīng)該按照基本科學(xué)原理，按照能的不同品位，按照各盡其用的原則來進(jìn)行，例如根據(jù)熱源溫度的高低選擇適當(dāng)?shù)臒釞C(jī)和熱裝置，大力發(fā)展各種聯(lián)合循環(huán)與熱電并供，余能利用等（見圖27）。

9、能源工業(yè)很容易產(chǎn)生大量的各種污染，在發(fā)展能源的同時(shí)必須要很好地同時(shí)重視環(huán)保工作。

10、中國(guó)是社會(huì)主義國(guó)家，應(yīng)該可以做到有計(jì)劃按比例發(fā)展。還應(yīng)該系統(tǒng)規(guī)劃，進(jìn)行全面的綜合性研究以得出最佳方案。

總之，從能源科學(xué)技術(shù)的角度來看，我國(guó)的能源資源比較豐富，有條件依靠我們自己的能源資源實(shí)現(xiàn)四個(gè)現(xiàn)代化。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也為較大幅度地提高能源利用率提供了可能性。我們應(yīng)該努力做好能源規(guī)劃工作，大力加強(qiáng)能源的科學(xué)研究工作，掌握有關(guān)的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，抓好能源開發(fā)，特別是要節(jié)約能源，開展以節(jié)能為中心的技術(shù)改造。這樣我們一定可以在本世紀(jì)末用年產(chǎn)為現(xiàn)在兩倍的能源來滿足年產(chǎn)為現(xiàn)在四倍的工農(nóng)業(yè)產(chǎn)量。

本文收自吳仲華先生主編，由機(jī)械工業(yè)出版社1988年出版的《能的梯級(jí)利用與燃?xì)廨啓C(jī)總能系統(tǒng)》一書。