能源概論 第1章 概述

能源概論授課教師：王樹群課程要求：1.完成1篇論文2.結(jié)業(yè)考試3.按照學(xué)生手冊(cè)要求進(jìn)行教學(xué)4.請(qǐng)假制度參考書《能源科學(xué)導(dǎo)論》（第一版），黃素逸主編；中國電力出版社；《能源概論》（第一版），陳礪、王紅林、方利國編；化學(xué)工業(yè)出版社；《能源與環(huán)境工程概論》（第一版），方夢(mèng)祥主編；中國電力出版社

Chapter1能源概述本節(jié)課主要內(nèi)容什么是能量？能量的形式有哪些？什么是能源？能源的種類有哪些？能量轉(zhuǎn)換的含義是什么？人類利用能源的主要時(shí)期有哪幾個(gè)？石油、煤炭、天然氣是如何形成的？電有哪些特點(diǎn)？發(fā)電廠的類型有哪些？Chapter1-1能源的分類Chapter1-2能源的利用和轉(zhuǎn)換Chapter1-3常規(guī)能源的的開發(fā)和利用Chapter1能源概述第一章能源概述第一節(jié)能源分類能量1.定義：產(chǎn)生某種效果（變化）的能力。2.形式：機(jī)械能、熱能、電能、輻射能、化學(xué)能、核能

一、能源定義定義：比較集中的含能體或能量過程稱為能源。能直接或間接經(jīng)過轉(zhuǎn)換而獲得某種能量的自然資源。二、能源分類：1.按照能量蘊(yùn)藏方式分：地球本身蘊(yùn)藏的能源——核能、地?zé)崮埽粊碜缘厍蛲馓祗w的能源——宇宙射線及太陽能；地球與天體相互作用的能源——潮汐能。2.按照能源形態(tài)、特性分類：形態(tài)：固體、液體、氣體特性：常規(guī)能源——煤炭、石油等；新能源——太陽能、地?zé)崮堋L(fēng)能。3.按照獲得方法分：一次能源——可直接利用的，如煤、石油。二次能源——由一次能源直接或間接轉(zhuǎn)換來的，如電、蒸汽等。4.按照是否可再生分：可再生能源——水能、風(fēng)能、太陽能；不可再生能源——煤炭、石油等。三、一次能源和二次能源1.一次能源：分可再生和非可再生。定義：可直接從自然界獲取，沒有經(jīng)過加工轉(zhuǎn)換的各種能量和資源?；茉矗好禾?、石油、天然氣是經(jīng)過漫長地質(zhì)年代形成的，稱為化石能源。化石能源是當(dāng)今世界的三大支柱。2.二次能源定義：指無法從自然界直接獲取，必須經(jīng)過一次能源的消耗才能得到的能源。四、常規(guī)能源、新能源和可再生能源1.常規(guī)能源：又稱傳統(tǒng)能源。在相當(dāng)長的歷史時(shí)期和一定的科學(xué)技術(shù)水平下，已經(jīng)被人類大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛利用的能源。如煤炭、石油、天然氣、水能、生物質(zhì)能源。2.可再生能源：可連續(xù)再生、永續(xù)利用的一次能源。這類能源大都直接或間接來自太陽。3.新能源：在新技術(shù)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)地開發(fā)利用的可再生能源。如太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、海洋能、地?zé)崮?、氫能等。新能源也可稱為替代能源。五、分布式能源（一）定義建立在用戶端的能源供應(yīng)方式，既可以獨(dú)立運(yùn)行，也可并網(wǎng)運(yùn)行。相對(duì)于傳統(tǒng)的集中供電方式，指將冷熱電系統(tǒng)以小規(guī)模、小容量、模塊化、分散式的方式布置在用戶附近，可獨(dú)立輸出冷熱電能的系統(tǒng)。（二）分布式能源主要特征高效性環(huán)保性能源利用的多樣性調(diào)峰作用安全性和可靠性減少國家輸配電投資解決邊遠(yuǎn)地區(qū)的供電問題1.高效性：分布式能源可用發(fā)電后工質(zhì)的余熱制熱、制冷，能源得以合理的梯級(jí)利用，可根據(jù)自己所需來向電網(wǎng)輸電和購電，可提高能源的利用效率(達(dá)60%～90%)。

投資回報(bào)的周期較短，投資回報(bào)率高，可降低一次性的投資和成本的費(fèi)用；降低網(wǎng)損(包括輸電和配電網(wǎng)的網(wǎng)損)。2.環(huán)保性：減少有害物的排放總量，減輕環(huán)保的壓力；減少了高壓輸電線的電磁污染，減少了高壓輸電線的線路走廊和相應(yīng)的征地面積，減少了對(duì)線路下樹木的砍伐。分布式能源系統(tǒng)由于實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)能源梯級(jí)合理利用，能效可達(dá)80%以上，超過燃煤火電機(jī)組一倍，SO2和固體廢棄物排放幾乎為零，溫室氣體（CO2）減少50%以上，NOx減少80%，大氣懸浮顆?？倲?shù)減少95%，占地面積與耗水量減少60%以上。3.能源利用的多樣性：布式能源可利用多種能源，同時(shí)為用戶提供電、熱、冷等多種能源應(yīng)用方式，是節(jié)約能源、解決能源短缺、能源危機(jī)和能源安全問題的一種很好的途徑。4.調(diào)峰作用：夏季和冬季往往是電力負(fù)荷的高峰時(shí)期，此時(shí)采用可降低電力峰荷，起到了電力調(diào)峰作用。天然氣作為一種恒定的燃料源用于發(fā)電，發(fā)揮了天然氣與電力的互補(bǔ)作用。5.安全性和可靠性：大電網(wǎng)出現(xiàn)大面積停電事故時(shí)，具有特殊設(shè)計(jì)的分布式發(fā)電系統(tǒng)仍能保持正常運(yùn)行。分布式發(fā)電系統(tǒng)比較簡單，易于再啟動(dòng)，有利于大電力系統(tǒng)在崩潰后的黑啟動(dòng)，由此可提高供電的安全性和可靠性。6.減少國家輸配電投資：就地組合，協(xié)同供應(yīng)，節(jié)省投資、運(yùn)行費(fèi)和損失。7.邊遠(yuǎn)地區(qū)的供電問題：我國許多邊遠(yuǎn)及農(nóng)村地區(qū)遠(yuǎn)離大電網(wǎng)，因此難以從大電網(wǎng)向其供電，采用太陽能光伏發(fā)電、小型風(fēng)力發(fā)電和生物質(zhì)能發(fā)電的獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)不失為一種優(yōu)選的方法。（三）分布式能源的應(yīng)用1.在一些重要的部門或場(chǎng)所，用戶往往自行安裝一些小型發(fā)電設(shè)備，作為緊急備用電源；2.早期用作自備電廠的燃煤小熱電，這些也可認(rèn)為是分布式發(fā)電的范疇，由于其技術(shù)性能差或效率低下，或?qū)Νh(huán)保有影響，已被逐漸淘汰或取代。目前所謂的分布式發(fā)電(電源)通常并非指采用柴油發(fā)電機(jī)組的緊急備用電源或燃煤的自備小火力發(fā)電廠，而是指以天然氣、煤層氣或沼氣為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、微型氣輪機(jī)發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電、以天然氣、氫氣為燃料的燃料電池發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電、小型風(fēng)力發(fā)電等。其應(yīng)用范圍也相當(dāng)廣泛，如可用于醫(yī)院、療養(yǎng)院、大型商廈、辦公樓、賓館、體育館等。第二節(jié)能量的轉(zhuǎn)換與利用含義：能量形態(tài)上的轉(zhuǎn)換、能量空間的轉(zhuǎn)換（傳輸）、能量時(shí)間上的轉(zhuǎn)換（儲(chǔ)存）。能量轉(zhuǎn)換和守恒定律：輸入能量—輸出能量=儲(chǔ)存能量的變化能量轉(zhuǎn)換過程、設(shè)備及系統(tǒng)。燃燒煤的爐中：煤炭燃燒，化學(xué)能→熱能；太陽能熱水器中：太陽能→熱能。轉(zhuǎn)換的流程:一次能源二次能源終端能源一、能源的轉(zhuǎn)換1.能源轉(zhuǎn)換流程：一次能源→二次能源→終端使用能源2.一次能源轉(zhuǎn)換成二次能源的方法：多種不同的方法。中心電站生產(chǎn)電力，有時(shí)還進(jìn)行區(qū)域供熱。石油煉制成更方便的液體燃料→汽油、噴氣燃料、柴油等。能源轉(zhuǎn)換設(shè)備有時(shí)是系統(tǒng)的終點(diǎn)，如核裂變能，在核電站發(fā)電以前，要進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)換，同位素濃縮，核燃料制作等。簡單的機(jī)器，如水電或風(fēng)力機(jī)?！畹淮文茉崔D(zhuǎn)換成二次能源無論如何都會(huì)有轉(zhuǎn)換損失，把能源送到用戶會(huì)有輸送損失。把這些損失當(dāng)作浪費(fèi)是錯(cuò)誤的。3.最后階段是二次能源轉(zhuǎn)換成終端使用的能源。如汽車、爐子、計(jì)算機(jī)或燈泡所用的能源。隨后終端能源變成有效能，能量實(shí)際上儲(chǔ)存在產(chǎn)品中，或用于服務(wù)。二、能源利用與轉(zhuǎn)換的歷史人類對(duì)能源的利用主要有三大轉(zhuǎn)換：第一次是煤炭取代木材等成為主要能源；第二次是石油取代煤炭而居主導(dǎo)地位；第三次是２０世紀(jì)后半葉開始出現(xiàn)的向多能源結(jié)構(gòu)的過渡轉(zhuǎn)換。人類利用能源的歷史可分為五大階段：火的發(fā)現(xiàn)和利用；畜力、風(fēng)力、水力等自然動(dòng)力的利用；化石燃料的開發(fā)和熱的利用；電的發(fā)現(xiàn)及開發(fā)利用；原子核能的發(fā)現(xiàn)及開發(fā)利用。１８世紀(jì)前，木材長期占居首位。１９世紀(jì)下半葉，出現(xiàn)了人類歷史上第一次能源轉(zhuǎn)換。１８６０年，煤炭在世界一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占２４％，１９２０年上升為６２％。從此，世界進(jìn)入了“煤炭時(shí)代”。１９世紀(jì)７０年代，電力代替了蒸汽機(jī)，電器工業(yè)迅速發(fā)展，煤炭在世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重逐漸下降。１９６５年，石油首次取代煤炭占居首位，世界進(jìn)入了“石油時(shí)代”。１９７９年，世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的比重是：石油占５４％，天然氣和煤炭各占１８％，油、氣之和高達(dá)７２％。石油取代煤炭完成了能源的第二次轉(zhuǎn)換。石油的儲(chǔ)量有限，已開始從以石油為主要能源逐步向多元能源結(jié)構(gòu)過渡。新能源開始大量應(yīng)用。第三節(jié)常規(guī)能源的開發(fā)和利用內(nèi)容概述：石油的形成、性質(zhì)，石油工業(yè)概述；煤炭的形成、分類、分布、用途；天然氣的形成、特點(diǎn)；電力生產(chǎn)特點(diǎn)、電力生產(chǎn)過程、發(fā)電廠類型、電力工業(yè)環(huán)節(jié)。一、石油（一）概念1.概念：石油又稱原油，是從地下深處開采的棕黑色可燃粘稠液體，與煤一樣屬于化石燃料。2.分類：天然石油和人造石油。天然石油是從地下采出的石油；人造石油是從煤或油頁巖中提煉出的液態(tài)碳?xì)浠衔?。組成原油的主要元素是碳、氫、硫、氮、氧。3.石油用途：提煉燃料、化工原料。我們平時(shí)的日常生活中到處都可以見到石油或其附屬品的身影。比如汽油、柴油、煤油、潤滑油、瀝青、塑料、纖維等還有很多，這些都是從石油中提煉出來的。

（二）石油的形成石油是由古代有機(jī)物(主要是單細(xì)胞植物，如藍(lán)－綠海藻類；單細(xì)胞動(dòng)物，如有孔蟲類)變來的。在漫長的地質(zhì)年代里，海洋里繁殖了大量的海洋生物，它們死亡后的遺體隨著泥沙一起沉到海底，長年累月地一層層堆積起來，跟外界空氣隔絕著，經(jīng)過細(xì)菌的分解，以及地層內(nèi)的高溫、高壓作用，生物遺體逐漸分解、轉(zhuǎn)化成石油和天然氣。世界石油分布產(chǎn)量是極不平衡的，探明儲(chǔ)量有1.2萬億桶，僅中東地區(qū)就占68％的可采儲(chǔ)量。其余依次為美洲、非洲、俄羅斯和亞太地區(qū)，分別占14％、7％、4.8％和4.27％。（三）石油的性質(zhì)1.物理性質(zhì)（1）石油是可以流動(dòng)的液體，比重小于水，比其他燃料容易開采；（2）占有的容積小，容易運(yùn)輸。與一般燃料比較，它的可燃性好，發(fā)熱量高，1千克石油燃燒起來可以產(chǎn)生10000多大卡的熱量，比煤炭的發(fā)熱量高1倍，比木柴的發(fā)熱量高4～5倍。（3）石油又有易燃燒、燃燒充分和燃后不留灰燼的特點(diǎn)。石油的性質(zhì)因產(chǎn)地而異，密度為0.8～1.0克/厘米3，粘度范圍很寬，凝固點(diǎn)差別很大（30°C～60°C），沸點(diǎn)范圍為常溫到500°C以上，可溶于多種有機(jī)溶劑，不溶于水，但可與水形成乳狀液。2.化學(xué)性質(zhì)（1）組成元素：組成石油的化學(xué)元素主要是碳（83%～87%）、氫（11%～14%），其余為硫（0.06%～0.8%）、氮（0.02%～1.7%）、氧（0.08%～1.82%）及微量金屬元素（鎳、釩、鐵等）。由碳和氫化合形成的烴類構(gòu)成石油的主要組成部分，約占95%～99%，含硫、氧、氮的化合物對(duì)石油產(chǎn)品有害，在石油加工中應(yīng)盡量除去。我國主要原油的特點(diǎn)是含蠟較多，凝固點(diǎn)高，硫含量低，鎳、氮含量中等，釩含量極少。除個(gè)別油田外，原油中汽油餾分較少，渣油占1/3。（2）原油的成分：主要有油質(zhì)（這是其主要成分）、膠質(zhì)（一種粘性的半固體物質(zhì)）、瀝青質(zhì)（暗褐色或黑色脆性固體物質(zhì)）、碳質(zhì)（一種非碳?xì)浠衔铮?。?）原油的顏色：有紅、金黃、墨綠、黑、褐紅、甚至透明；原油的顏色決定于它本身所含膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的含量，含的越高顏色越深，原油的顏色越淺其油質(zhì)越好。透明的原油可直接加在汽車油箱中代替汽油。（四）石油工業(yè)石油工業(yè)四個(gè)主要環(huán)節(jié)：尋找、開采、輸送和加工；四個(gè)環(huán)節(jié)一般又分別稱為“石油勘探”、“油田開發(fā)”、“油氣集輸”和“石油煉制”。1.“石油勘探”：通過勘探手段進(jìn)行石油勘測(cè)，使用測(cè)量手段勘察地下是否有油。2.“油田開發(fā)”：指的是用鉆井的辦法證實(shí)了油氣的分布范圍。從這個(gè)意義上說，1821年四川富順縣自流井氣田的開發(fā)是世界上最早的天然氣田。3.“油氣集輸”：收集石油并進(jìn)行輸油。4.“石油煉制”：進(jìn)行石油煉制，獲得石油產(chǎn)品。

二、煤炭（一）煤的形成在地質(zhì)歷史上，沼澤森林覆蓋了大片土地，包括菌類、蕨類、灌木、喬木等植物。但在不同時(shí)代海平面常有變化.當(dāng)水面升高時(shí)，植物因被淹而死亡。如果這些死亡的植物被沉積物覆蓋而不透氧氣，植物就不會(huì)完全分解，而是在地下形成有機(jī)地層。隨著海平面的升降，會(huì)產(chǎn)生多層有機(jī)地層。經(jīng)過漫長的地質(zhì)作用，在溫度增高、壓力變大的還原環(huán)境中，這一有機(jī)層最后會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槊簩?。因埋深和埋藏時(shí)間的差異，形成的煤也不盡相同。一座煤礦的煤層厚薄與這地區(qū)的地殼下降速度及植物遺骸堆積的多少有關(guān)。地殼下降的速度快，植物遺骸堆積得厚，這座煤礦的煤層就厚，反之，地殼下降的速度緩慢，植物遺骸堆積的薄，這座煤礦的煤層就薄。又由于地殼的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使原來水平的煤層發(fā)生褶皺和斷裂，有一些煤層埋到地下更深的地方，有的又被排擠到地表，甚至露出地面，比較容易被人們發(fā)現(xiàn)。還有一些煤層相對(duì)比較薄，而且面積也不大，所以沒有開采價(jià)值。（二）煤的分類：依據(jù)碳化程度深淺不同，可將其分為無煙煤、煙煤、褐煤、泥煤等幾種類型；以其揮發(fā)物含量和焦結(jié)性為主要依據(jù)，煙煤又可分為貧煤、瘦煤、焦煤、肥煤、漆煤、弱黏煤、不黏煤、長焰煤等。（三）煤分布：根據(jù)成煤條件，地球上的煤炭資源主要分布在北半球，集中在北美、中國、前蘇聯(lián)，約占世界總蘊(yùn)藏量的80%以上。世界95%的煤炭儲(chǔ)量分布在北半球，南半球僅在南非、澳大利亞和博茨瓦納等國有較大儲(chǔ)量。中國煤炭資源的分布十分廣泛，遍及全國各省區(qū)，并且生在各地質(zhì)時(shí)代的煤炭都有。中國煤炭資源總儲(chǔ)量居世界第一位。（四）煤的用途：煤炭被人們譽(yù)為黑色的金子，工業(yè)的食糧，它是十八世紀(jì)以來人類世界使用的主要能源之一。電力生產(chǎn)和鋼鐵工業(yè)中煉焦，某些國家蒸汽機(jī)車用煤比例也很大。雖然它的重要位置已被石油所代替，但在今后相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，由于石油的日漸枯竭，必然走向衰敗，而煤炭因?yàn)閮?chǔ)量巨大，加之科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，煤炭汽化等新技術(shù)日趨成熟，并得到廣泛應(yīng)用，煤炭必將成為人類生產(chǎn)生活中的無法替代的能源之一。

（五）煤被石油取代的原因煤作為燃料燃燒時(shí)，放出大量的二氧化碳及二氧化硫等污染物，