能源管理的基础知识

热力学第一定律
任何处于平衡态的热力学系统都有一个状态参数U（内 能）。系统从一个平衡态变化到另一个平衡态时，内能 等于系统吸收的热量和系统对外做功之和。
能量贬值原理
• 能量不仅有量的多少，还有质的高低。 热力学第一定律只说明了能量在量上要 守恒，并没有说明能量在“质”方面的 高低。
• 自程称 为自发过程，反之为非自发过程。自发 过程都有一定的方向。
1. 电力产生；2. 通过升压变电站电压升高；3. 电能传送；4. 通过降压变 电所降低电压；5.分配电力；6.到达需要电力的地点
电能的输送
电能的输送
升压和降压变压器
我国电能输送存在的问题
• 电压等级偏低，电压层次过多，造成重 复容量多，线路长、线损高，事故多， 调度不灵。 • 输电方式单一，缺乏超高压直流输电。 • 电网容量小，联网发展缓慢，影响了电 网整体效益的发挥。 • 变配电设备陈旧老化，难以适应电力输 送发展的需要。
第二节 化学能转换为热能
概述
• 燃料燃烧是化学能转换为热能的最主要方式。 • 能在空气中燃烧的物质称为可燃物，但不能把 所有的可燃物都称作燃料（如米和沙糖之类的 食品）。 • 所谓燃料，就是能在空气中容易燃烧并释放出 大量热能的气体、液体或固体物质，是能在经 济上值得利用其发热量的物质的总称。 • 燃料通常按形态分为固体燃料、液体燃料和气 体燃料。
• 常用的气体燃烧器有扩散式燃烧器；另 一种是预混式燃烧器；此外还有一种部 分预混式燃烧器，
室燃（粉状燃烧） 煤的燃烧 层燃（层状燃烧） 内燃 燃烧方式 油的燃烧 外燃 容器内燃烧 气体燃料的燃烧 燃烧器燃烧
第三节 热能转换为机械能电能
概述
• 在能量利用中热效率和经济性是非常重 要的两个指标。 • 由于存在着耗散作用、不可逆过程以及 可用能损失，在能量转换和传递过程中， 各种热力循环、热力设备和能量利用装 置的效率都不可能达到100%。
Energy efficiency of some common energy conversion device
燃气轮机
• 燃汽轮机和蒸汽轮机最大的不同是，它 不是以水蒸气作工质而是以气体作工质。 燃料燃烧时所产生的高温气体直接推动 燃汽轮机的叶轮对外做功，因此以燃汽 轮机作为热机的火力发电厂不需要锅炉。 • 它包括三个主要部件：压气机、燃烧室 和燃气轮机。
compressor
Combustion chamber
The diameter of the compressor stages gets progressively smaller as the gas pressure rises. Conversely, the turbine stages get progressively bigger as the hot gas expands, transferring momentum to the turbine blades and pushing them round.
气体燃料的燃烧技术
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气体燃料燃烧的效率主要取决于气体燃料燃烧 器。对气体燃烧器的基本要求是： 不完全燃烧损失小，燃烧效率高； 燃烧速率高，燃烧强烈，燃烧热负荷高； 着火容易，火焰稳定性好，既不回火，又不脱 火； 燃烧产物有害物质少，对大气污染小； 操作方便，调节灵活，寿命长，能充分利用炉 膛空间。
四冲程发动机
• 二冲程发动机是将四冲程发动机完成一 个工作循环所需要的四个冲程纳入二个 冲程中完成。
二冲程 发动机
二冲程发动机
二冲程发动机
• 四冲程发动机和二冲程发动机相比，经 济性好，滑润条件好，易于冷却；但二 冲程发动机运动部件少，质量轻，发动 机运动较平稳。
火力发电厂
• 发电机 (1) 将蒸汽轮机或燃气轮机的机械能转换 成电能是通过同步发电机。 (2) 同步发电机由定子（铁心和绕组）、 转子（钢心和绕组）、机座等组成。
水总是从高处向低处流动 气体总是从高压向低压膨胀
热量总是从高温物体向低 温物体传递
热量传递有方向性
热力学第二定律的克劳修斯说法
• 不可能把热量 从低温物体传 到高温物体而 不引起其他变 化。
Cold
Hot
热力学第二定律的克劳修斯说法
• 为了将热量 从冷态输送 到热态，您 需要一个装 置，例如热 泵或冰箱， 持续做功。
• 天然的固体燃料有煤炭和木材；人工的 固体燃料有焦炭、型煤、木炭等。其中 煤炭应用最为普遍，是我国最基本的能 源。 • 天然的液体燃料有石油（原油）；人工 的液体燃料有汽油、煤油、柴油、重油 等。 • 天然的气体燃料有天然气，人工的气体 燃料则有焦炉煤气、高炉煤气、水煤气 和液化石油气等。
• 固体燃料
• 能源输送是能源利用中的一个重要环节。 • 能源输送方式很多，通常有铁路、水路、 公路、管道、输电线路等多种方式。不 同的输送方式有不同的特点和适用范围。 • 受资源分布、能源消费多寡、交通运输 格局等诸多因素的影响，能源输送工作 是一项十分复杂的系统工程。
电能的输送
• 电能的特点是发电、传输、用电都是同 时发生。 • 采用大机组发电，建设大电网，提高输 电电压成为电力工业发展的趋势。
煤炭的铁路运输
• 我国煤炭输送主 要是以山西、陕 西和内蒙西部 （所谓“三西”） 为中心向全国缺 煤省市输送。
煤炭的水路运输
• 海运是北煤南运的主通道，华北煤炭供 应华东和华南地区，海运约占55%，铁 路直达运输约占43%。 • 除了海运外，长江和大运河北段也是煤 炭的主要水运通道。
煤炭的公路运输
turbine
辐流式燃气轮机
定子盘和转子盘
轴流式燃气轮机
小型燃气轮机
Combustiom
Compressor and Diffuser Turbine Wheels
• 燃气轮机具有以下优点： (1) 质量轻、体积小、投资省。 (2) 起动快、操作方便。 (3) 水、电、润滑油消耗少，只需少量的 冷却水或不用水，因此可以在缺水的地 区运行；辅助设备用电少，润滑油消耗 少，通常只占燃料费的1%左右，而汽轮 机要占6%左右。
汽轮机发电过程
汽轮机示意图
汽轮机如何工作
A 228 MW axial flow turbine Axial flow of steam
Change of radial momentum drives rotor round
Miniature lab. turbine
Rotor motion
Gas flow through the turbine
能量守恒与转换定律
• 能量守恒和转换定律指出：“自然界的 一切物质都具有能量；能量既不能创造， 也不能消灭，而只能从一种形式转换成 另一种形式，从一个物体传递到另一个 物体；在能量转换与传递过程中，能量 的总量恒定不变。”
能量相互转换
James Joule (1818~1889)
• 热力学第一定律：能量守恒 • 系统的内能=系统吸收的热量+对系统做功
• 液体燃料
• 气体燃料
燃料燃烧必须具备的条件
• 必须有可能燃烧的可燃物（燃料）； • 必须有使可燃物着火的能量（或称热 源），即使可燃物的温度达到着火温度 以上； • 必须供给足够的氧气或空气（因为空气 中也含有助燃的氧气）。
• 通过燃料燃烧将化学能转换为 热能的装置称为燃烧设备
锅炉
不同燃料的燃烧特点
热力学第二定律的 开尔文 – 普朗克说法
• 不可能从单一 热源吸取热量 使之完全转变 成功而不产生 其他影响。
• 热力学第二定律的实质就是能量贬值原 理。 • 热力学第二定律深刻地指明了能量转换 过程的方向、条件及限度。
能量转换的效率
• 根据能量贬值原理，不是每一种能量都可以连 续地、完全地转换为任何一种其他形式的能量。 • 各种不同形式的能量，按其转换能力可分为三 大类： （1）无限转换能（全部转换能），如电能、机 械能、水能、风能、燃料储存的化学能等； （2）有限转换能（部分转换能），如热能、流 动体系的总能 ； （3）非转换能（废能）。
油的燃烧技术
• 油是最常用的液体燃料。 • 油的燃烧实际上包含了油加热蒸发、油 蒸气和助燃空气的混合以及着火燃烧三 个过程。
• 为了实现油的高效低污染燃烧，应从以 下来两方面着手： （1） 提高燃油的雾化质量； （2） 实现良好的配风 。
气体燃料的燃烧
• 气体燃料的燃烧可以分为容器内燃烧和 燃烧器燃烧，它们和油的两种燃烧方式 相近。 • 气体燃料的燃烧过程包括三个阶段，即 混合、着火和正常燃烧。
• 公路主要承担短距离的煤炭运输，特别 是乡镇煤矿生产规模小，布点分散，大 量煤炭靠汽车集运到铁路车站。由于铁 路运力不足，公路运输作为辅助运输手 段，对煤炭的运输也起到了重要作用。
第二章 能源管理的基础知识
• 第一节 能量转换的基本原理
• 第二节 化学能转换为热能 • 第三节 热能转换为机械能和电能 • 第四节 能量的传输 • 第五节 能量的储存
• 第六节 节能技术
• 第七节 管理学基础
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第一节 能量转换的基本原理
概述
• 从热力学的角度看，能量是物质运动的 度量，运动是物质的存在的方式，因此 一切物质都有能量。
油的燃烧
• 油的燃烧方法有内燃和外燃两种方式。 • 所谓内燃，是在发动机气缸内部极为有限的空 间进行高压燃烧，是一种瞬间的燃烧过程。 • 所谓外燃，就是不在机器内部燃烧，而在燃烧 室内燃烧，并直接利用燃烧发出的热量，如锅 炉、窑炉内进行的燃烧。 • 油燃烧的全过程包含着传热过程、物质扩散过 程和化学反应过程。
内燃机
• 内燃机包括汽油机和柴油机，是应用最 广泛的热机。 • 大多数内燃机是往复式，有气缸和活塞。 内燃机有很多分类方法，但常用的是根 据点火顺序分类或根据气缸排列方式分 类。按点火或着火顺序可将内燃机分成 四冲程发动机和二冲程发动机。
应用广泛
• 四冲程发动机完成一个循环要求有四个 完全的活塞冲程： (1) 进气冲程； (2) 压缩冲程； (3) 膨胀冲程（即下行冲程）； (4) 排气冲程。
• 将热能转换为机械能是目前获得机械能 的最主要的方式。 • 热能转换成机械能的装置称为热机。因 为热机能为各种机械提供动力，故通常 又将其称为动力机械。 • 应用最广泛的热机有内燃机、蒸汽轮机、 燃气轮机等。
蒸汽轮机
• 蒸汽轮机，简称汽轮机，是将蒸汽的热 能转换为机械功的热机。 • 汽轮机单机功率大、效率高、运行平稳， 在现代火力发电厂和核电站中都用它驱 动发电机。汽轮发电机组所发的电量占 总发电量的80%以上。 • 此外汽轮机还用来驱动大型鼓风机、水 泵和气体压缩机，也用作舰船的动力。
• 煤的燃烧 • 油的燃烧 • 气体燃料的燃烧
煤的燃烧
• 煤的燃烧基本上有两种：第一种是煤粉 悬浮在空间燃烧，称为室燃或粉状燃烧； 第二种就是煤块在炉排上燃烧，称为层 燃或层状燃烧。
煤的燃烧技术
• 目前煤的燃烧方式主要是煤粉燃烧和流 化床燃烧。我国大型锅炉和工业窑炉大 多采用煤粉燃烧。 • 为了提高煤炭燃烧的效率和减少污染， 发展了许多先进的燃烧技术，如煤粉燃 烧稳定技术，包括各种新型的燃烧器， 煤粉低氮氧化物燃烧技术，高浓度煤粉 燃烧技术，流化床燃烧技术等。
火电站的能量转换效率是多少？
combustion 88%
Chemical energy In coal
Thermal energy in steam
Steam turbine
46%
electricity
98%
Mechanical energy In turbine
Overall efficiency: 88% ×46% × 98% = 40%
火力发电厂的热力系统
• 火力发电厂有两种类型：只承担电能生 产任务的凝汽式电厂和既能生产电能又 提供热能的热电厂。 • 从能源利用的角度讲，热电联产是公认 的节能手段。
火电站
火电站
热电联产系统
热电分产系统
第四节 能量的传输
概述
• 能量的传输实质上是能量在空间的转移 过程。 • 广义上的能量传输通常有两种含义：一 种含义是指能量本身的传递，即能量从 某一处传至另一处。另一种含义是指能 源的输运，即含能体如煤、石油、天然 气等从生产地向用能处输送。