中國的能源問題及其依靠科學技術解決的途經(jīng)（部分摘錄）

一、中國的能源情況（略）

二、能源的品質(zhì)分析與評價

1、能源及其轉(zhuǎn)化和利用

各種能源品質(zhì)有高有低，對這些品質(zhì)要有個綜合的評價，以便選擇各種適宜的能源來滿足國民經(jīng)濟各部門發(fā)展的需要。

圖8表示各種能源經(jīng)過各種設備把它們轉(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、有機物（如薪炭、農(nóng)作物秸稈）都是常規(guī)能源，水力和風力也算是常規(guī)能源。

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

天然氣、石油、煤作為化工原料，我們在這里不討論。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)換成機械能就要經(jīng)過熱機。機械能可做功，也可轉(zhuǎn)化為電能——經(jīng)過發(fā)電機成為電能后可以輸送到使用部門去，再經(jīng)過電動機得到機械能為我們做功。

太陽能是新能源，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、地熱、核裂變或聚變能等。

2、能源品質(zhì)評價

能源有很多種，各有優(yōu)缺點。評價能源品質(zhì)的指標主要是：

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。按照目前的技術水平，太陽能的能流密度很小。太陽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。所以太陽能的能流密度小成了它的缺點。原子能的能流密度十分大，這是它的優(yōu)點。除風力外，各種常規(guī)能源的能流密度都比較大。

太陽能、風能由大自然提供，不需什么開發(fā)費，但設備目前較貴，各種化石燃料與核燃料，從勘探、開采、到加工、運輸都需要人力和物力的投資，這些都要考慮進去，才能對每種能源作出全面的比較。根據(jù)目前的技術水平，太陽能、風能、海洋能等發(fā)電設備的價格為每千瓦幾千元到上萬元，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。用煤和用水力的設備，單價每千瓦為幾百到一千元，也比利用太陽能、風能的設備便宜得多。

一般常規(guī)能源容易貯存，太陽能、風能的貯存是個難題，連續(xù)供應也是個難題。各種化石燃料和核燃料都比較容易實現(xiàn)這兩方面的要求。

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

隨著能源大量消耗，這個問題就更突出了。煤的燃燒造成污染的危害性在我國還未引起足夠的重視。對于原子能的危險性則很重視，應用時會采取各種安全措施。對于水力利用，也有它的獨特的“污染”問題，例如對生態(tài)平衡、土地鹽堿化，灌溉與航運等的影響，所以也必須加以注意。太陽能和風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。地理分布對它的使用也有很大關系。比如，我們水力資源偏在西南地區(qū)，當?shù)毓I(yè)較小，人口也較少，要開發(fā)就需要考慮遠距離輸送電能的問題。

最后，還有可再生性。如水能、太陽能、風能、地熱都可自然再生，這是好的方面。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科學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)評價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，在開發(fā)能源時，需要很好地綜合考慮。

三、能源資源的開發(fā)與有關科學技術問題（略）

四、能的轉(zhuǎn)化和利用的科學技術問題

1、水能利用

水能的利用在歷史上是很悠久的，我國的歷史記載大約在漢武帝時（公元37年）就有，但比較簡單。其它國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?，水從高處向下流，?jīng)過水輪機發(fā)出機械功（參看圖12）。水輪機的輪子上裝有很多葉片，水流過葉片時就使輪子轉(zhuǎn)動，再通過驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動發(fā)電機發(fā)電。像這種動力機械的輪子上裝有葉片的統(tǒng)稱為葉輪機械，葉輪機械不僅用于水輪機上，在蒸汽輪機上也用這種形式的動力機械，蒸汽流過葉片時轉(zhuǎn)動輪子，帶動發(fā)電機。在燃氣輪機中則是燃燒后的氣體流過葉片轉(zhuǎn)動輪子。另外一種類型的動力機械是活塞式發(fā)動機，氣缸里有活塞、燃燒后的熱氣在氣缸內(nèi)膨脹，推動活塞，活塞再通過連桿帶動曲柄，使它轉(zhuǎn)動，對外作功。

水輪機的效率一般可達90％到94％，是轉(zhuǎn)化效率較大的動力機械。水輪機效率低的也有70～80％。一般說來，水有天然位差，不要花什么投資。但要建造水庫來貯存，就要花投資了。從轉(zhuǎn)化過程和機械結構來講還是比較簡單的。一臺水輪機功率小的幾十、幾百千瓦，大的可達幾十萬千瓦（在這里附帶說一下，我們數(shù)字量級的用法與國際上以千作為量級的用法有差別，翻譯和對比時很不方便。例如國際上一千個瓦叫千瓦，一千個千瓦叫兆瓦。我們不用千而用萬，喜歡用一萬、十萬、百萬、而不用十千、百千、千千。人家叫“千”“千”，我們叫做“百”“萬”。不知道將來我們能不能也使用“千”的量級，放棄“萬”的量級，和國際上一致起來）。

水能可以直接轉(zhuǎn)化為機械能。風能通過風車（或叫風輪機）也可直接轉(zhuǎn)化為機械能。

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能（或原子能）都要在各式各樣的爐子（或反應堆）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、電機等進一步轉(zhuǎn)化為機械能、電能，然后再被使用。經(jīng)過熱這個環(huán)節(jié)而被利用的能量，在我國占90％以上，世界各國平均也超過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，對農(nóng)作物、對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。燒煤的發(fā)電廠，增加這種去污染設備要增加投資20％以上。污染最好在燃燒過程中就去掉，這樣就需要科學技術（例如采用流態(tài)化燃燒新技術）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，設計也比較仔細，效率可以達到90～94％，比較高。工業(yè)上使用的爐子大的效率可達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％（家庭煤爐在燃燒時效率比這高，但悶火時效率是零）。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，集中供熱或供應煤氣，節(jié)約更大，可以節(jié)省幾千萬噸煤。

合理利用燃料另外一個途徑就是將現(xiàn)在許多燒油的爐子改為燒煤?，F(xiàn)在國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。對現(xiàn)有設備進行一些修改就可使用。這樣就可以煤代替一部分油。這幾年國際上在這方面的研究工作發(fā)展很快，我國也已開展研究工作。

我國工業(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)需要耗費大量能源，而我國工業(yè)方面的能量利用率不高有關。

各式各樣的工業(yè)爐把燃料轉(zhuǎn)化為熱，供應工藝流程的需要。熱利用在工業(yè)耗能中占有相當大的比例，由于從化學能轉(zhuǎn)化為熱很容易，其能源利用率應該比較高。在工業(yè)發(fā)達國家一般超過70％，而我國工業(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)和化學工業(yè)耗能最多。許多國家在工業(yè)節(jié)能方面進行了大量工作。

國外的焦爐和高爐都向大型化發(fā)展，日本高爐日產(chǎn)達萬噸以上，大大降低了焦比；我國大型高爐日產(chǎn)千噸以上，中小高爐耗能更多。國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。

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

其它如機械制造業(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標準煤，而我國有的企業(yè)為5.8t。

為了提高工業(yè)部門的能源利用率，我們必須采用先進的工藝流程，改造能耗高的企業(yè)，促進設備更新，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、由熱到機械能

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

怎樣把能源最有效地轉(zhuǎn)化成機械能呢？需要介紹兩個熱力學定律。

（1）能量轉(zhuǎn)化的基本規(guī)律

熱力學第一定律是根據(jù)生產(chǎn)上、實驗室里觀察到的現(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械和自然界現(xiàn)象。熱力學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自然科學中的基本定律。它的簡單說法是：能量可以以各種形式出現(xiàn)，不能無中生有，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，我們首先要明確所研究問題的對象。在熱力學中，把作為研究對象的那些物體、物質(zhì)稱為“體系”，習慣上用一個框框來代表這些對象物質(zhì)（見圖14）。

于是，上述定律可以表示為：經(jīng)過一個熱力過程后，對體系總的傳熱量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

上式表示高溫熱源傳給體系的熱量等于體系對外界所做的機械功加上體系內(nèi)部能量的增加。一般這個公式中三個量都出現(xiàn)，有時有一個不出現(xiàn)。例如：W＝0，則Q＝△E?；颉鱁＝0則Q＝W。

熱力學第一定律是普遍定律，自然界里，工程界里都適用。使用這個公式時，要注意公式中三個量的單位，按照國內(nèi)過去的習慣用法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表示的功之間的關系是從實驗中定下來的：lkcal＝427kg•m。所以能量單位都可以只用熱單位kcal或機械功單位kg•m一種單位來表達。一秒鐘做75kg•m的功我國叫做一馬力。實際上這是功率的單位，是單位時間里做的功?？晌覀円郧皼]有翻譯對，原文實際是馬功率，我們翻譯成馬力，變成力的單位了。另一個功率單位是W或kW，它們與馬力之間有一定的換算關系。我國已決定推行國際單位制，已經(jīng)制定了國家標準。標準中規(guī)定能、功、熱都用統(tǒng)一的單位焦耳。

分析各種動力機械的工作過程首先要用到熱力學第一定律。剛才說的水輪機的工作過程中沒有傳熱，所以W＋△E＝O。用來分析鍋爐時，因為W＝O，所以Q＝△E。這就給出了水的內(nèi)能變化與對體系傳熱量之間的關系。用來分析熱機可用蒸汽機說明。

圖15是十八世紀末才趨于完善的人類發(fā)明創(chuàng)造的第一種熱機——蒸汽機的示意圖。煤或其它燃料，在鍋爐中燃燒后產(chǎn)生高溫燃氣傳熱給水，獲得具有一定壓力和溫度的蒸汽。蒸汽進入氣缸，在膨脹過程中，推動活塞，再通過連桿、轉(zhuǎn)動曲柄軸，輸出機械功。膨脹后蒸汽的壓力和溫度降低，在冷凝器中凝結成水，再用水泵打回到鍋爐中。這樣構成了可以不斷重復進行的循環(huán)過程，稱為熱力學循環(huán)。水或蒸汽在蒸汽機裝置中，經(jīng)過高溫燃氣對它傳熱（Q）后，內(nèi)能升高了。當它從高壓向低壓膨脹時，內(nèi)能降低而對活塞輸出機械功（W）。水或蒸汽是蒸汽機使用的工作介質(zhì)，叫做工質(zhì)。我們把工質(zhì)作為體系，如果考慮它進行了一個熱力學循環(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，蒸汽機活塞的輸出功減去輸給水泵的功，恰好等于從燃氣傳給工質(zhì)的熱量減去工質(zhì)傳給冷卻水的熱量。

熱力學第一定律只規(guī)定了能量轉(zhuǎn)化的數(shù)量關系，而未指明轉(zhuǎn)化的方向性。其實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，分析熱機很重要的是熱力學第二定律，能源充分利用與否還要用熱力學第二定律。下面用圖16來說明熱力學第二定律。

這個定律有許多說法，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。”對于熱機最為實用的一種說法是：“熱機不可能將單一熱源傳給工質(zhì)的熱Q全部轉(zhuǎn)化為功W”。熱機是將外界傳給工質(zhì)的熱轉(zhuǎn)化為機械功并連續(xù)不斷地工作的機器。工質(zhì)經(jīng)過若干個熱力學循環(huán)后，其內(nèi)能不變，即△E＝O（參看圖16）。由高溫熱源傳給體系的熱量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)化為機械功的程度，即

熱效率＝W/Q=（Q-Q）/Q=1-Q/Q

這是熱機效率的普遍關系式。

“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，那就要求相對地Q大或Q小，這樣熱效率就高。

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

η理想＝1-T2/T1

式中T是低溫熱源的絕對溫度，T是高溫熱源的絕對溫度。從這個公式就可以知道，對理想熱機來說，T越高越好，T越低越好，這樣熱機效率就愈高。

注意式中T是絕對溫度，不是攝氏溫度。在一個大氣壓下，水在0℃時結冰，在100℃時沸騰成蒸汽。絕對溫度的度數(shù)是攝氏溫度加上273，所以它的零度是-273℃（見圖17）。計算上式時，攝氏溫度要換算成絕對溫度。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。

熱機中T1高，理想熱效率高，實際熱效率也相應地高。相反的，能源產(chǎn)生的溫度比較低，就叫作低品位能源。能夠直接變成為機械功或電的能源（如水能），可以認為是更高品位的能源。所以作為熱源的高低品位，是指經(jīng)過熱機把熱轉(zhuǎn)化為機械能給我們做功來講的。我們在考慮余熱利用時，如果它們的溫度太低，這種低品位的能源拿到熱機上去利用，熱效率很低，經(jīng)濟上就不合算；如余熱溫度高，拿到熱機上去利用，熱效率高，經(jīng)濟效益就比較高。高品位能源用在熱機上最好，因為可以得出較多的機械功。低品位只能作為供應較低溫度的蒸汽或熱水用，也是各得其用?？偟膩碚f，要很好利用能源，特別是通過熱機把它轉(zhuǎn)化成機械功，就要做很多研究工作。把整個熱機循環(huán)參數(shù)選擇好，各個熱力過程組織好，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科研究的主要內(nèi)容。通過這門學科的發(fā)展和應用，各種設備、熱機能得到最高的效率。

（2）發(fā)電耗能

圖18是蒸汽輪機電站的示意圖。在我國燒煤或油：通過蒸汽輪機發(fā)電的火電站大約消耗全部能源的16％。我國火電站的平均效率大約是29％?，F(xiàn)在，一般高參數(shù)大功率蒸汽輪機電站的發(fā)電效率可達38％，如果考慮消除污染設備的能量消耗及有些損失，效率就降低到36％以下。從這個角度來講，我們積極采用現(xiàn)代的蒸汽輪機和今后建設更先進蒸汽輪機，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發(fā)電與余熱利用、供熱結合起來，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％，實際上從熱力學第二定律來看仍然是一種浪費，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)生蒸汽到蒸汽輪機去發(fā)電，另一部分燃燒產(chǎn)生蒸汽供熱，要合理?，F(xiàn)在很多國家都在想法做到不是單純發(fā)電，也不是單純供熱，而是把兩者結合起來，梯級使用。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，蒸汽先在蒸汽輪機里膨脹做功，帶動發(fā)電機。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)達國家主要是由于燃料價格日益高漲，從經(jīng)濟角度來考慮。而我們要這樣做還不只是經(jīng)濟性考慮，因為工農(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，特別是我們社會主義國家更有條件這樣做。以后在北方新建的居民點都可考慮這樣做，大大節(jié)省單獨燃燒燃料來供熱的能耗。

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

但是這樣一個裝置、設備受到材料限制，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，熱機工質(zhì)的初溫希望能提高到1000℃以上，這就要使用燃氣輪機了，因為燃氣輪機可以適應1000℃以上的高溫。

燃氣輪機的前面是風扇（或壓氣機），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；最后有個葉輪機械，叫氣輪機或透平，它同蒸汽輪機一樣，轉(zhuǎn)動的輪子上有很多葉片，高溫高壓燃氣流過葉片后就能轉(zhuǎn)動輪子，輸出機械功，一方面帶動前面的風扇，一方面帶動后面的發(fā)電機。

圖19表示一個不帶回熱器或者帶有回熱器的燃氣輪機的示意圖。上邊講了，空氣先通過壓氣機，提高壓力，再到燃燒室，提高溫度，最后到氣輪機膨脹輸出功，它的工作溫度范圍表示在左邊的溫度圖上。

燃氣輪機的初始溫度T比較高，現(xiàn)在的技術水平已經(jīng)超過1000℃。目前最簡單的燃氣輪機效率達33％以上。燃氣輪機排氣溫度較高，如果加用一個回熱器，把能量輸送給從壓氣機出來的空氣，提高溫度后再進入燃燒室，就可以減少燃料量，這樣就能提高燃氣輪機的熱效率，在國外最好的效率已超過43％，所以國外燃氣輪機在固定設備上使用的趨勢是增加回熱器來提高效率。

燃氣輪機又可以與蒸汽輪機聯(lián)合起來，成為一個聯(lián)合循環(huán)裝置。圖20、21是燃氣輪機和蒸汽輪機聯(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。因為燃氣輪機可以在高溫下使用，它是在機內(nèi)燃燒，與蒸汽輪機不一樣，對氣輪機葉片采取冷卻措施，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，帶動蒸汽輪機工作，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％，是一般蒸汽輪機做不到的。這是熱機發(fā)展的方向。在國外這樣的聯(lián)合裝置，燃氣輪機燒的是天然氣或油，有的工業(yè)生產(chǎn)過程中就有副產(chǎn)品可燃氣體，可以用作這種裝置的燃料。我國發(fā)電全要燒煤。目前國外正在大力研究兩種燒煤的辦法：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)合裝置的燃氣輪機的排氣還可以用來供熱，這樣多級利用煤的總效率可以達到80％以上。

下面談談交通運輸方面耗能問題。當前我國鐵路上消耗的能量占全部能耗的4％，主要使用蒸汽機，它的熱效率很低。一般蒸汽機本身的熱效率是10～12％，輸送到輪子上，真正體現(xiàn)在驅(qū)動火車的不到8％，是現(xiàn)在使用熱機中效率最低的。我們國家運輸主要靠鐵路，今后要發(fā)展鐵路來滿足國民經(jīng)濟發(fā)展的需要。電力機車、柴油機車都比蒸汽機車能源利用率高，但是電氣化鐵路造價比較高，除非線路特別繁忙的地方，流通量特別大才合算。柴油機車效率也比較高，在30%以上，不過柴油供應量受到限制，所以將來發(fā)展也有限制。一個出路是用燒重油的燃氣輪機車，假如把現(xiàn)在發(fā)電廠燒的重油改用燒煤后，把重油用于燃氣輪機車，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機車兩倍以上的動力。從費用上比較這也是經(jīng)濟的，這項工作計委正在抓。

另外還有一種可能性，就是熱氣機或者叫斯特林發(fā)動機。它是一種外燃式活塞式發(fā)動機。過去就有過，但效率很低。隨著材料等方面的技術進步，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，將是取代蒸汽機車的一種好辦法。

運輸用的動力應具有機動性。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世紀下半葉出現(xiàn)了將燃料在發(fā)動機內(nèi)部燃燒的內(nèi)燃機（圖23），內(nèi)燃機的大多數(shù)是四沖程，即活塞上下移動四次，經(jīng)過吸氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣等過程完成一個“循環(huán)”。也有上下移動兩次完成一個循環(huán)的，叫作二沖程。因為這種熱機間歇地短時間接觸燃燒氣體，并且采取冷卻措施，所以可以采用較高的（瞬時）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)動速度的高低，內(nèi)燃機又可分為高速、中速、低速幾種，其中以低速柴油機效率量高。內(nèi)燃機使用的燃料有汽油、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)燃機的熱效率較高，中小功率的內(nèi)燃機較輕小，它特別適用于中小功率的車、船等運輸工具及拖拉機、農(nóng)用動力等。世界上僅汽車就有3億輛之多。我國汽車數(shù)量較少，發(fā)動機主要是仿制或參考國外三十年代到六十年代的產(chǎn)品，目前耗油率與國外先進水平比，差距相當大。表6是相同等級小轎車的耗油率的比較（單位：L/100km）：

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

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

我國公路運輸、航空運輸方面能耗大概占全國總能耗的3～4％，好的內(nèi)燃機熱效率可以在30％以上，但仍比國外的低10％左右。這方面提高效率比較容易，國際上已經(jīng)有成熟技術?，F(xiàn)在我國耗油較低的汽車已經(jīng)出現(xiàn)，將來交通運輸、公路運輸、航運比重要增加，交通運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，是個大問題。我國工業(yè)耗能約占全國總能耗的三分之二，而利用效率低，大量余能白白丟掉了，今后應該好好利用起來。余能利用的辦法與它的品位很有關系，前面介紹熱力學第二定律，已經(jīng)提到能源品位的高低對熱機熱效率的影響。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，把它通過一個膨脹氣輪機（例如煙氣輪機），高溫高壓的氣體就可以膨脹作功。高爐煤氣、焦爐煤氣、化工工業(yè)中都有兩個大氣壓上下的高溫氣體，過去是浪費掉了，現(xiàn)在裝上一個煙氣輪機，就可以很好利用這個能量了。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，只能作為一個熱源來使用，用在封閉式的氣輪機上，或者用來產(chǎn)生蒸汽通過汽輪機發(fā)電。假如余氣的溫度低，只有300℃左右，則需應用有機工質(zhì)的蒸汽循環(huán)（圖24），勉強還可以使用。從熱力學第二定律就可以看出熱效率會很低（目前不會超過8％），而設備投資比較大，回收投資的年數(shù)也就多了。要比較用熱機來發(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，或熱水那一個更為合算。

此外，由于余能利用設備有各種損失，影響余能的回收，因此要開展高效率余能利用設備的研究和改進，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，余熱鍋爐，高效率有機工質(zhì)蒸汽循環(huán)動力裝置等。給予一定投資，采用較先進的余能利用技術和設備，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的水平，節(jié)約出更多的燃料。工業(yè)余能是一個很大的能量，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方面。

五、結束語

為了搞好能源工作以促進四個現(xiàn)代化建設，我們建議要搞好下述幾項工作：

1、進一步查清中國能源儲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)，加強能源管理，以貫徹加強能源開發(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技術進步。能源是中國現(xiàn)代化的一個根本環(huán)節(jié)和戰(zhàn)略重點，對它的科學研究工作必須先行，而且要循序漸進，在統(tǒng)一領導下組織好近期與長遠規(guī)劃，以及攻關工作。

4、為確保能源這個戰(zhàn)略重點，需要適當?shù)卦黾影l(fā)展能源各方面工作的投資，在條件合適時還可以爭取國際合作，引進外資。

5、油和天然氣是優(yōu)質(zhì)能源，要加強它的勘探與開發(fā)。在相當長一段時期內(nèi)煤是中國的主要能源，需要把加快煤炭的開發(fā)擺在重要的地位。但它在開采、運輸、轉(zhuǎn)化與使用中都有不少困難問題，必須加強煤的科技工作。電力工業(yè)要把建設重點逐步放在水電的開發(fā)上，在嚴重缺能地區(qū)還要建設核電站，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、對口供應，做到各得其所（見圖26），例如各種液體燃料應該用于運輸機械，而煤應該用于固定設備，沼氣先用在農(nóng)村。

7、以節(jié)能為中心，對現(xiàn)有企業(yè)進行技術改造，更新關鍵設備、工藝。經(jīng)濟政策方面要為技術進步開路。

8、在能源利用方面，應該按照基本科學原理，按照能的不同品位，按照各盡其用的原則來進行，例如根據(jù)熱源溫度的高低選擇適當?shù)臒釞C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)展能源的同時必須要很好地同時重視環(huán)保工作。

10、中國是社會主義國家，應該可以做到有計劃按比例發(fā)展。還應該系統(tǒng)規(guī)劃，進行全面的綜合性研究以得出最佳方案。

總之，從能源科學技術的角度來看，我國的能源資源比較豐富，有條件依靠我們自己的能源資源實現(xiàn)四個現(xiàn)代化。現(xiàn)代科學技術的發(fā)展也為較大幅度地提高能源利用率提供了可能性。我們應該努力做好能源規(guī)劃工作，大力加強能源的科學研究工作，掌握有關的先進科學技術，抓好能源開發(fā)，特別是要節(jié)約能源，開展以節(jié)能為中心的技術改造。這樣我們一定可以在本世紀末用年產(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，由機械工業(yè)出版社1988年出版的《能的梯級利用與燃氣輪機總能系統(tǒng)》一書。