第1章 绪论
　　1.1 能源简况
　　1.1.1 世界化石能源探明储量
　　根据2021年《BP世界能源统计年鉴》，截止到2020年底，全球石油剩余探明储量2444×108t，储产比(储量与年开采量的比值)53.5年；天然气剩余探明储量188.1×1012m3，储产比48.8年；煤炭剩余探明储量10741.08×108t，储产比139年；化石能源的总体储产比达百余年。根据目前的能源供需情况，今后很长一个时期不大可能出现能源短缺的危机。但是，地球上化石能源的储量总体来讲是十分有限的，人类进行如此巨大的消费，可能会在今后某个时期遭遇能源危机。在找到安全可靠、经济可行的替代能源之前，节能的重要性是不言而喻的。
　　化石能源剩余探明储量居世界前五位的国家及其储量见表1.1。
　　表1.1 化石能源剩余探明储量居世界前五位的国家及其储量
　　1.1.2 中国能源简况
　　根据《中国统计年鉴2021》，截至2020年底，我国石油剩余探明技术可采储量36.19×108t，天然气剩余探明技术可采储量62665.78×108m3，煤炭证实储量与可信储量之和1622.88×108t。
　　2020年我国一次能源生产总量40.8×108t标准煤，其中原煤产量占67.6%，原油产量占6.8%，天然气产量占6.0%，一次电力及其他能源占19.6%。其中，电力折算标准煤的系数根据当年平均发电煤耗计算。
　　另据中华人民共和国自然资源部编写的《中国矿产资源报告2022》，截至2021年底，我国石油剩余探明技术可采储量36.89×108t，天然气剩余探明技术可采储量63392.67×108m3，煤炭证实储量与可信储量之和2078.85×108t，煤层气剩余探明技术可采储量5440.62×108m3，页岩气剩余探明技术可采储量3659.68×108m3。
　　2021年一次能源生产总量43.3×108t标准煤，较上年增长6.2%；消费总量52.4×108t标准煤，增长5.2%，能源自给率82.6%。2021年能源消费结构中煤炭占56%，石油占18.5%，天然气等能源占8.9%，水电、核电、风电等非化石能源占16.6%。
　　根据国家能源局《水电发展“十三五”规划(2016-2020年)》，我国水能资源可开发装机容量约6.6×108kW，年发电量约3×1012kW h，按利用100年计算，相当于1000×108t标准煤，在常规能源资源剩余可开采总量中仅次于煤炭。根据国家能源局《2020年全国水利发展统计公报》、国家能源局2020年全国电力工业统计数据及国家统计局网站，截止到2020年底，我国常规水电装机容量3.6972×108kW，占全国全口径发电设备容量的16.8%；2020年全国水电生产电力量13552.1×108kW h，占全国电力生产量的17.42%。我国水能资源总量、投产装机容量和年发电量均居世界首位。
　　1.2 能量与能源
　　1.2.1 能量
　　20世纪90年代末，笔者所在学校的一位老先生给了笔者一份题为“技术能量系统——基本概念”的国际标准(ISO13600—1997)的复印件，说：“太让人震惊了，国际专家竟然定义‘能量是遵守热力学定律的物理量’。”笔者也很吃惊，不能理解为什么会这样定义能量。另外，该标准还给了一个注释：与所有其他物理量一样，能量是一个抽象概念。事实上，在人类从事的各种社会生活及生产实践中，能量被赋予了太多的意义及使命。对于能量的认识，可谓仁者见仁，智者见智。也许正是因为概念定义上的问题，这份标准后来被废止。
　　关于能量这一概念，更多的是将其定义为系统做功的能力，如国际标准(ISO 17741—2016)的定义：能量是系统产生外部影响或做功的能力。但这样的定义其实也不够严谨，因为根据热力学第二定律，热能只有一部分有做功能力，取决于其载体与环境的温度差，这部分的做功能力称为(exergy)。剩余的那一部分则称为(anergy) (宋之平和王加璇，1985)，表示这一部分能量没有做功能力。二者之和为能量。热能的做功能力(E)也称为热量，用公式表示为
　　(1.1)
　　式中，Q为热量；和T分别为环境和承载热量Q的物质所处的热力学温度。
　　(A)为
　　(1.2)
　　能量(热量)等于热量+，即
　　(1.3)
　　这里的环境是指地球环境。环境温度随地理位置和时间变化，因此热量的大小随之变化。所谓的，也只是相对于地球环境的。能源利用系统排入地球环境的热量，以及地气系统接受的太阳能及地热能等，在地球上都可称为。但相对于宇宙2.7K的背景环境，它们不再是，而有巨大的做功能力，只是人们无法构建“太空型”热机利用这一巨大的温差进行热功转化而已。这里值得一提的是，地气系统中水的蒸发、升迁、凝结及降水，会形成巨大的风能资源和水能资源，其本质就是地气系统的环境热量()相对于宇宙环境之做功能力的一种释放，即地气系统可以视为一个热机，以水及蒸汽为媒介，以地表为高温热源、天空为低温热源，不断地蒸发(膨胀)、升迁、凝结(收缩)和降水，完成“热能动力循环”，不断提供风能资源。降水落到地表，从高原向海洋进发，输出水能资源。与此同时，海水蒸发而形成的降水，是太阳能作用下的海水淡化过程。
　　归结起来，能量有动能、势能、电能、热能及辐射能和物质的化学能等几种形式。一切自然的过程及人类所做的一切事情都不可避免地与一种或多种形式的能量有关。能源动力设备(如燃煤火电机组)的一个重要功能就是把燃料的化学能转化为流体的热能，继而转化为流体动能和机械动能，*后转化为电能，以方便人们使用。能量不仅存在形式的不同，还存在品质上的差异，因此，能量是极为复杂的物理量。
　　能量可以在形式上相互转化，但不能创造或毁灭，这一性质称为能量守恒，为无数实践所证实，任何违反能量守恒定律的尝试都以失败而告终。能量守恒定律无法通过理论推导证明，属于公理性定律。它表明除非有能量进入或排出系统，否则该系统的总能量保持不变。
　　1.2.2 能源
　　能源不仅是一种自然资源，它还是现代社会有序运转的重要支撑。能源问题是涉及民众生活品质、社会稳定、经济增长和国家安全的重大问题。
　　能源及技术具有显著的时代特征。火的使用是人类从茹毛饮血的原始状态走向文明的一个标志。工业化是煤炭作为能源的大规模使用所带来的一场技术革命，创造了建立现代社会制度的物质基础。而电气化和智能化时代的到来，更与能源技术的进步息息相关。
　　为便于管理，《综合能耗计算通则》(GB/T 2589—2020)对能源进行了分类。一般说来，一次能源主要包括煤炭、石油、天然气、水能、风能、太阳能、生物质能等；二次能源主要包括热力、电力及由一次能源转化生产而来的其他种类的能源，如煤气、焦炭、汽油、柴油、液化石油气和氢能等。
　　一次能源中的煤炭、石油和天然气等也称化石能源，化石能源是一经燃烧就不可能再生的能源。当然，核能也是一种不可再生能源。与此对应的是可再生能源，包括水能、风能、太阳能、生物质能、潮汐能和波浪能等。
　　能源与能量有十分紧密的关系。但是，能量的内涵比能源的内涵要大很多。作为能量形式之一的化学能比作为能源的煤炭、石油及天然气等的意义广泛很多，比如，能够燃烧的物质都具有化学能，但并不都适合作为能源。因此，比较而言，能量具有更为一般的意义，能源则在一定程度上反映着科学技术的现状及局限性，因为所有的物质都具有能量，但并不一定能够成为合适的能源。因此，现代科学技术的一个重要使命就是开发和利用新能源。
　　1.3 节能工作要点
　　1.3.1 管理节能
　　生活工作在现代电气化时代，人们几乎所有行为或多或少涉及能源问题。小到居家生活、手机通信、购物休闲、驾车旅行、乘坐飞机等，大到电厂发电、钢厂炼钢、石油化工、燃气输运等，无不与能源相关。
　　而关于如何实现节能，人们往往首先想到的是能源高效利用。其实，正确的节能理念及节能要点是：能不用的不用、能少用的少用以及在此基础上的能源高效利用。事实上，在能源利用环节，*重要的节能就是不让能源在不经意之间浪费了，无论所使用的能源属于谁，每一个人都应该成为这一科学节能理念的自觉践行者。管理节能是第一位的，能源高效利用的理论与技术则是实施管理节能的一种技术支撑。
　　一般来讲，管理节能的关键是尽可能缩短能源浪费的时间，实现“能不用的不用，能少用的少用”的节能理念，不让能源在不经意之间被白白地浪费掉是管理节能的根本。相比高效节能技术，管理节能是简单实用的节能方式，在节能工作中占有举足轻重的地位，甚至比节能技术本身更重要。事实上，无论采用了多么高效的节能技术，当没有必要开启时，都要让设备处于停机状态；或者当实际负荷需求减小时，一定要让设备减负荷，尽管低负荷时设备的效率往往低于额定负荷下的效率。当然，实施管理节能有时是举手之劳，非常简单，只需扳动开关即可，有时则需要一定的技术手段作为保障。比如，针对各种照明灯设施、计算机等的长时间待机，需要的只是节能意识和责任心；而对于火电机组的调峰以及泵与风机的调速等，则需要根据实际运行特性选择合适的技术手段。以泵与风机变负荷调速为例，如果负荷变化不大且相对稳定，宜选择经济实用的双速电机，若负荷变化相对频繁，则可选择变频技术或永磁涡流传动技术等。当然，采用何种调速技术，还应该考虑设备的运行安全，避免出现急速猛烈调整对设备的损害。火电机组调峰，则是众多的泵与风机、磨煤机、调节阀等热工设备的协调联动，技术要求之高不言而喻。
　　当然，管理节能并不限于上述这些内容，科学的调度和决策也是管理节能的一部分。比如，交通运输是国民经济的重点耗能行业，科学合理地组织运力、运量及路径等对于降低运输能耗至关重要。城镇交通网络建设以及交通管理等对于交通运输节能也非常重要。
　　管理节能工作的重点在于加强能源管理系统建设和维护管理人员的责任意识，杜绝一切“跑、冒、滴、漏”现象，把设备和管道的泄漏率降到*低限度。加强能源管理系统设备建设，促进管理节能的信息化、自动化和智能化，对保障管理节能取得实效具有举足轻重的作用。当然，即便系统设备再先进、再智能，管理节能也离不开有责任感的维护管理人员，这是其得以执行的根本保障。
　　实施管理节能的首要任务是对管理职责范围内的用能情况做准确的计量和分析，在此基础上，才能搭建管理节能的框架和智能化能源管理系统。对一般企事业单位来说，应对各个用能设备及各种能源消耗做深入细致的审计计量，掌握它们的负荷特性。具体来讲，就是要针对水、电、煤、油、气、冷、热等各种能源消耗，掌握它们的总消耗量及负荷变化特性，并针对各工艺设备或功能等做必要的分解，然后开展综合分析，并制定切实可行的能源管理方案和实施细则，有条件的要建设智能化的能源管理系统。
　　但是，由于能源系统的多样性和复杂性、企事业单位的规模和效益情况不同，以及管理人员素质参差不齐和能源管理标准的不完善等，管理节能还存在诸多的问题。其中第一位的就是能源管理的标准体系还不够健全和合理。事实上，从国家和地区以及国民经济各个行业的角度看，管理节能需要有科学的技术指标来制定相应的标准，以此来指导和规范企事业单位的管理节能，这需要建立科学的统一化能源利用评价体系。而要使节能管理行之有效，必须有制度保障。
　　需要特别指出的是，一台能源利用设备，一旦建好投产，如果没有设计和制造上的缺陷，原则上在新的一段时期，其性能是*好的。而随着使用，设备会发生磨损及老化，它的性能只会越来越差，不可能越来越好，这应该是一项基本规律，不可抗拒。管理节能必须尊重这一规律。
　　1.3.2 规划与设计节能
　　从能源高效利用的节能角度看，规划与设计节能的目标就是建设一个在其服役的全寿期内能高效、可靠、安全运行的系统设备。要满足这样的要求，就必须对拟投资建设的设备及系统所应用的领域有充分的了

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 能源简况 1
1.1.1 世界化石能源探明储量 1
1.1.2 中国能源简况 1
1.2 能量与能源 2
1.2.1 能量 2
1.2.2 能源 3
1.3 节能工作要点 4
1.3.1 管理节能 4
1.3.2 规划与设计节能 5
1.4 能效评价体系及评价基准 8
1.4.1 节能的理论限度 8
1.4.2 能源利用的分析决策与评价基准 8
1.4.3 建立统一化能源利用评价体系的重要性和紧迫性 9
第2章 热力学基础知识 12
2.1 热力状态与状态参数 12
2.1.1 状态参数的类型与性质 13
2.1.2 热力学第零定律 15
2.1.3 热力学第一定律——能量守恒定律 15
2.1.4 内能等其他状态参数 16
2.1.5 状态参数之间的关系——热力学一般关系式 17
2.1.6 比热容 18
2.1.7 状态参数的计算 19
2.2 理想气体及其热力学性质 20
2.2.1 理想气体状态方程 20
2.2.2 理想气体的内能和焓 20
2.2.3 理想气体熵 21
2.2.4 理想气体比热容及计算 21
2.2.5 理想气体混合物的热力学性质 22
2.3 湿空气及其热力学性质 25
2.4 热力学参考环境与状态参数 27
2.4.1 环境、参考环境及其热力学特性 27
2.4.2 物理和化学 29
2.4.3 工质的图示 32
2.5 热力过程 34
2.5.1 功的定义及其热力学意义 34
2.5.2 热力过程 35
2.5.3 热力过程的功量 38
2.5.4 热力过程的热量 39
2.5.5 热力过程的热量 39
2.5.6 理想气体热力过程 40
2.6 热力循环 41
2.6.1 卡诺循环 41
2.6.2 兰金循环 43
2.6.3 布雷顿循环及联合循环 44
2.6.4 斯特林循环 46
2.7 化学反应过程 47
2.7.1 化学反应的表示方法 47
2.7.2 化学反应的热力学分析 48
2.7.3 盖斯定律 51
2.7.4 绝热燃烧温度 51
2.8 化学势 52
2.8.1 吉布斯函数与化学势 52
2.8.2 化学势的定义 53
2.8.3 化学势的计算 55
2.9 热力学分析方法简介 59
2.9.1 热力学第一定律分析 59
2.9.2 分析方法 60
2.9.3 熵平衡方法 61
2.9.4 熵产与不可逆损失的关系 62
第3章 能源利用的单耗分析理论 63
3.1 能源利用与转化的化学背景 63
3.2 能源利用的单耗分析方法 63
3.2.1 能源利用的单耗分析模型 63
3.2.2 能源利用的第二定律效率 65
3.3 理论节能潜力与现实节能潜力 67
3.4 一般化节能量计算方法 68
3.5 燃料分析与能源利用效率评价 69
3.5.1 燃料分析的经典方法 69
3.5.2 能源利用系统效率评价及存在的主要问题 72
3.5.3 燃料的化学的确定 74
3.5.4 能源利用系统总熵产及能源利用第二定律效率 76
3.5.5 燃料的化学分析产生的余差 77
3.5.6 能源利用第二定律效率正反平衡核算示例 79
3.6 耗能产品的比及其理论*低燃料单耗 81
3.6.1 电的比及其理论*低燃料单耗 81
3.6.2 供热产品的比及其理论*低燃料单耗 81
3.6.3 物质性产品的比及其理论*低燃料单耗 82
3.7 能源利用单耗分析示例 83
第4章 典型不可逆过程的热力学分析 85
4.1 有限温差传热过程的不可逆性分析 85
4.1.1 有限温差传热过程的分析 85
4.1.2 有限温差传热过程的熵分析 87
4.2 节流过程的不可逆性分析 88
4.2.1 定焓过程的热力学实质 88
4.2.2 节流过程的熵产计算 90
4.3 余热排放及散热损失的不可逆性分析 90
4.3.1 余热排放的不可逆性分析 90
4.3.2 散热损失的不可逆性分析 92
4.4 实际传热过程的不可逆性分析 93
4.4.1 流动阻尼的影响 93
4.4.2 流动阻尼和散热损失的共同影响 95
4.5 考虑散热损失的节流过程 96
4.6 摩擦与扰动的不可逆性分析 98
4.7 扩散现象的不可逆性分析 98
4.8 压缩与膨胀过程的不可逆性分析 100
4.8.1 压缩过程的不可逆性分析 100
4.8.2 膨胀过程的不可逆性分析 102
4.9 流体混合动量传递过程的不可逆性分析 102
4.10 化学过程的第二定律分析 105
4.10.1 化学功与燃料电池 105
4.10.2 等温等压化学反应过程的不可逆性分析 106
4.10.3 绝热燃烧过程的熵产 108
4.11 非平衡热力学过程的解析与节能对策 109
第5章 能效评价基准及统一化能源利用指标体系 112
5.1 能源利用的评价原则 112
5.2 终端产品燃料单耗的统一化计算方法 114
5.2.1 火电机组的供电燃料单耗 114
5.2.2 基准电、电网网损与电网平均供电燃料单耗 114
5.2.3 耗电产品的燃料单耗 115
5.2.4 联产型产品生产的燃料单耗 116
5.2.5 直燃型产品生产的燃料单耗 118
5.2.6 热网网损问题 119
5.3 基于终端产品生产的节能评价方法 119
5.3.1 发电技术的节能评价 119
5.3.2 终端产品生产的节能评价 120
5.3.3 输配系统及其节能评价 120
5.4 供热成本与热价问题 121
5.5 能源利用之环境影响评价方法 122
5.5.1 发电设备的污染物排放强度指标 122
5.5.2 电驱动设备的污染物排放强度指标 122
5.5.3 联产型设备的污染物排放强度指标 123
5.5.4 直燃型设备的污染物排放强度指标 123
5.6 能效评价的基准问题 124
5.6.1 能源利用的三个层面与评价基准 124
5.6.2 热电联产机组的节能条件 124
5.6.3 能效评价基准的特性与选择 125
5.6.4 热电联产机组节能评价案例 126
第6章 燃煤火电机组的单耗分析 129
6.1 火电机组的供电燃料单耗构成分析方法 129
6.1.1 火电机组的平衡式 129
6.1.2 燃料比 129
6.1.3 不可逆损失导致的附加煤耗 129
6.1.4 不可逆损失导致的附加煤耗率 129
6.1.5 发、供电理论*低燃料单耗 130
6.1.6 机组供电燃料单耗及构成 130
6.2 火电机组主要性能指标 130
6.2.1 锅炉热负荷 130
6.2.2 锅炉热效率 130
6.2.3 热量的比及其理论*低燃料单耗 131
6.2.4 锅炉的第二定律效率 131
6.2.5 汽轮机热力系统的循环吸热量 132
6.2.6 汽轮机热力系统的循环热效率 132
6.2.7 汽轮机热力系统的内功率 132
6.2.8 汽轮机热力系统的循环吸热平均温度 132
6.2.9 机炉管道系统的第二定律效率 133
6.2.10 汽轮机热力系统的第二定律效率 134
6.2.11 机组的机械损耗和机械效率 134
6.2.12 发电机的电机损耗和电机效率 134
6.2.13 机组发电煤耗率(发电燃料单耗) 134
6.2.14 机组发电效率 135
6.2.15 机组厂用电量和厂用电率 135
6.2.16 机组供电效率 135
6.2.17 机组供电煤耗率(供电燃料单耗) 135
6.2.18 机组供电效率 135
6.3 火电机组供电燃料单耗(供电煤耗率)构成分析 136
6.3.1 锅炉系统熵产分析 136
6.3.2 汽轮机热力系统熵产分析 143
6.3.3 机炉管道系统熵产分析 147
6.3.4 机械损耗造成的熵产 148
6.3.5 电机损耗造成的熵产 148
6.3.6 厂用电造成的熵产 148
6.3.7 机组总熵产 149
6.4 火电机组单耗分析案例 149
6.4.1 1000MW超超临界机组概况 149
6.4.2 锅炉系统热平衡分析 151
6.4.3 汽轮机热力系统热平衡分析 157
6.4.4 机组的第二定律分析 163
6.4.5 机组的单耗分析 167
6.4.6 不同压力等级火电机组单耗分析 169
6.4.7 锅炉各受热面热(煤)耗分摊及分析 170
6.4.8 锅炉传递特性 174
6.5 锅炉省煤器的问题及三管制锅炉概念的提出 178
6.5.1 锅炉尾部热力学问题分析 178
6.5.2 省煤器概念的问题 180
6.5.3 三管制锅炉概念的提出 182
6.5.4 热风温度的设计选取问题 184
第7章 余热资源价值的定量分析方法 188
7.1 引言 188
7.2 余热资源的热力学定量分析方法 188
7.2.1 基于热力学第一定律的定量分析方法 188
7.2.2 基于热力学第二定律的定量分析方法 189
7.3 余热回收利用节煤量的定量计算方法及评价 191
7.3.1 基于热力学第一定律的方法及评价 191
7.3.2 基于热力学第二定律的方法及评价 191
7.4 余热发电效率 192
7.5 案例分析 193
7.5.1 燃气轮机排气余热资源的热力学分析 193
7.5.2 水泥窑炉烟气余热资源的热力学分析 193
7.5.3 电厂锅炉烟气余热资源的热力学分析 194
7.5.4 余热发电的节能评述 194
7.5.5 锅炉烟气余热引入电厂热力系统的热经济性分析 195
7.5.6 实际案例 200
7.6 结论与建议 201
第8章 制冷及其单耗分析 203
8.1 制冷过程的基础热力学分析 203
8.1.1 制冷过程及其分析 203
8.1.2 制冷传热过程的不可逆损失分析 204
8.1.3 制冷产品及其理论*低燃料单耗 205
8.2 压缩式制冷系统的单耗分析 208
8.2.1 实际压缩式制冷循环的熵产分析 208
8.2.2 压缩式制冷系统的平衡及效率 213
8.2.3 压缩式制冷系统耗电量所携带的不可逆损失及熵产 214
8.2.4 压缩式制冷系统的燃料单耗构成分析 215
8.2.5 案例分析 216
8.3 直燃型吸收式制冷系统的单耗分析 224
8.3.1 吸收式制冷循环 224
8.3.2 吸收式制冷循环的熵产分析 226
8.3.3 吸收式制冷系统的平衡分析 229
8.3.4 直燃型吸收式制冷系统的燃料单耗构成分析 230
8.3.5 直燃型吸收式制冷