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1、科学用能的基础理论及追求 目标 摘 要：科 学用 能是经 济社 会持 续发展 的要 求。优 化 能 源 结构是 实施 科 学 用能 的前 提 和基 础。揭 示 能 量行 为规律 和性 质 的热 力 学 第一、第 二 定律，为我!们充分、合理地利用能量和能质提供 了理论原则。j 同步提 高 用能 系统 的 能量 效 率和 能 质(丈 用)效 率，追 求 用能过 程 的节 能效 益、经 济效 益和 环 保 收 益，构成 了追求和评估科 学用能的综合指标体 系 文：中从 实施科 学 用能的基 础、科 学 用能的基 本理论 和 j 科 学 用 能 应达 到 的 目标 等方 面论述 了有 关科 学 用
2、能 的 一 些 问 题 关键词：科学用能 基础理论研究 目标：1 前言 能 源、资 源 问题是 关 系 到我 国 的经 济社 会 能 否持 续 发 展 的重大 战 略问题，把创 建 节 约 型社会 已上 升 到 国策 的高度。鉴于 此，不久前 近 百名 两 院院士 和科 技界 专 家，从坚 持 和落 实科 学 发展 观 的高 度，向全 国发 出 科 学 用 能 建立“和谐 社 会”的重 要 保 障 倡 议 书，呼 吁 全国上下 以积极 的行动，认真实施科学 用能的宏伟创举。科学 用 能有 丰 富 的科学 内涵 它 既体 现 了解决 现 实和 长远 能 源 问题 的科 学思 想，又 是 深入 开
3、 展 全 民节 能，以 取 得“经 济效 益 好、资源 消 耗 低、环 境 污染 少”最 佳 效果 的基 本途 径 2 实施科学用能的基础和前提优化 能源结构 煤 能否 实现 能源 利 用效 益好、消耗 低、污 染 少 的三 目标，主 要取 决 于两 条，一 是 能 源 结 构 是 否 科 学 合理，二 是用 能过 程 的科 学 程度。不言 而喻，若是 能 源结 构本 身 不合 理，无论 用 能过 程 的科 学程 度有 多 高，三 大 目标 也是不可能达到的。从这个意义上说，科学合理 的能源 结 构，或者 说 优化 能 源结 构，乃是 实 施科 学 用 能 的前 提 和 基础 煤 能源 结 构
4、优 化分 为一 次 能 源结 构 优 化 和二 次 能 源结 构优 化 两个层 面。对一 个 国家、一个 地 区或特 大 型 高耗 能企 业来 说，一次 能 源结构 优 化至关 重 要。就一般 耗 能企业 而 言，二 次能 源 结构 优 化 则与 企业 利 益 的关 系更 为密 切 从 科 学用 能 的角 度 看，能源 结 构 优化 至 少 应遵 循 以下 原则：(1)在不 违背 与环 境相 容 的原 则下，优先 采 用运输、再 加工、储 存成 本低 的商 品能 源：(2)在满 足生 产、工 艺要 求 的前 提下，优先 采 用无 污 染、低污 染 能源：(3)遵 循用 能效 率高，经 济效 益
5、好 与 环境 相容 的原 则，优 化一 次与二 次 能源 的结 构：(4)在 满足 终端 用能 要求 的前 提 下，尽 可 能减 少 能 量形 式 的转换 环节：(5)对必 不 可少 的能 量转 换过 程，应选 择转 换 效率 高 的方式 和过 程 在做 能 源结 构规 划 时 往 往 出现 某种 不利 于 能量 结构 优化 的倾 向 或 是 一些 对结 构 优化 的“技 术误 导”如在 一次 能 源结 构优 化 中 对 新能 源 的 开发 利 用缺 乏 足够 的重视，时 有排 斥新 能源 的倾 向。由于 离 常规能 源 终 极 的时 间越 来 越近，人类 对 新能 源 的渴 求 也越 来 越
6、 强 烈。作 为渐 进 过程，近 年来 一 些 国家 或 地 区 新 能 源 在 能源 总量 中的 比例快速 增 长。如 欧盟 计划 到 2 0 1 0年 新 能源 和再 生 能源 在 总能 源 中 的 比例，将 由 目前 的 6 增 长到 1 2。全 球 的风 力 发 电 2 0 0 3年 比 1 9 9 3年增 长 了 1 O倍，预 计 到 2 0 1 0增 长 7 4倍。日本 执 行 的太 阳 能 屋顶(光 电)计划，2 0 0 0年一 年就 安 装 1 6 2万户。一 些 大 石油 公 司如 荷 兰壳牌、美 国阿莫 尔 均积 极 研 发光 电 技 术。瑞典 1 9 9 9年 2 6 的
7、供 热和 热 电联 产 来 自于生 物质 2 油 田节 能 Y TJ N 第 1 6卷 第 3期 能。我 国为 促进 对 新能 源 和可再 生 能 源 的大 规模 开 发 和利 用 将 于 明年 1 月正 式施 行 可再 生能 源法。到 2 0 1 5 年 我 国 新 能 源 和 可 再 生 能 源 的 年 开 发 量 将 达 到 4 3 0 0 x l 0 ff标 准 煤。与 一 些用 能 先进 的 国家 相 比，我 国 在 新 能源 开发 利 用方 面 的力 度 略显 不 足，至 2 0 1 5年 新 能源 和可再 生 能 源 占能源 消 费总 量仅 2，风 电装 机 占 发 电总装 机不
8、 到 1。这与 我 国拥 有 丰 富的生 物 能、太 阳能、风能 资源 极不 相称。在 二 次能 源结 构优 化 中，存在 电能 所 占 比例越 高，系统用 能 效率 就越 高 的 片面认 识，理 由是 电能 转 换 为 其 它形 式能 量 的转 换效 率 通常 在 9 O 以上，甚 至 高达 9 8。实际 上，电能 皆 由一 次 能源(热 能、核能 等)转 换而 来，且转换效率并不高，尤其是以石化燃料作为一次能 源，其 发 电、输 配 电及 用 电 的全程 转 换 效率 通 常 不到 3 O。而热 电联产、总能 系统 的转换 效 率 则高 达 5 0 8 0 ，甚至 更 高。目前 技 术先
9、进 的 乙烯 企业，生 产过 程 配备 的大 量 机泵，不 是 电 动泵，而 用 蒸 汽 泵，由 于减 少 了热 与 功和 机械 能 与 电能 两个转 换 环 节，系统 转 换 效 率大 大 提高。同样，以电换 热 的方式 也 应谨 慎 采 用，尽 管 电 热转 换 效 率高 达 9 5 9 8，但 全 程转 换 效 率 仅为 2 8。如 1 L常 温水 从 1 5 升 至 1 0 0 o C，需 耗 电热 3 5 6 k J，折 合 耗 一 次 能 源 1 2 7 0 k J，而 以炉 火 直 接 加 热，即使 7 O 的炉 效 耗 能仅 5 0 8 k J 二者 能 耗至 少 相差 1 5
10、倍。在 做二 次 能源 结 构优 化考 虑 采 用 电能 时，不 能 只看好 电能与 热 能、机 械 能 的高转 换 率，而要 作 全 程转 换 分析 这在 二 次能 源结 构优 化时 是 不能忽 视 的。只有在 符 合科 学 的优 化能 源结 构 前 提下，才 能 为 后续 的科学 用能 过程 取得 良好 效益 创造 最 佳条件。3 科学用能的基本理论热力学第一 第二定律 科学用能包含 三个 方面，即 以有关能 量(行 为)的科学 理 论指导用能实践 以科学 的方 法规 范用能过程，以科学 的手段 检测、评价用能效 果。显 然，三者之 中以科学 用能 理论 为其首要，离开科学 用能理论，就不
11、可 能对用能 实践 做 出正确指导，用能 的方法 和评价也会无所遵 循。科 学用 能 理论 涉及 能 量转 换 与 传递 规 律、能 量性 能 与评 价、用 能模式 与 过 程描 述等 多方 面 的 内容 而作 为能 量转 换与 传 递 的基本 规 律 热力 学 第一、第 二 定 律，则是科 学 用能 的基本 理论。在 人类 漫长 的用 能 过程 中，至 少 有数 千 年或 许 是 数 万 年，一 直 在 摸 索、探 究 如 何 用 能，历 经 一 代 又 一 代 无 数 研究 者 的 不懈努 力 逐 渐 完成 了 由被 动 用 能 向主 动 用 能 的转换 由 自发 追求 用 能效 率 到积
12、 极 研究 高 效 用 能 的进程 千万 年 的用 能实 践，积累 了极 为丰 富 的用 能 经验，由此 孕 育 了用 能科学 理论 的诞 生。1 9世 纪 中叶 先 后创 立 的热力 学第 一 定律 和热 力学 第二 定律f 下文 简 称 一、二 定 律)即能之 质 是分 别揭 示能在 转 换和 传 递 过程 中能 量，和能 质变 化规 律 的理论。一个 半 世纪 的 用 能 实 践证 明，一、二 定 律 作 为 科 学 的普 遍 规 律，乃 是 指导 科学 用 能 的基本 理论。热 力 学 第 一 定 律 阐 述 的 是 能 的 数 量 所 固 有 的性 质，即能量 的属 性。无 论 何种
13、形 式 的能，在其 转 换 和传 递 过程 中它 的 数量 是 不会 变化 的。一 定 律实 质 上 就是 能量 守恒 定 律 用能量 系统模 型来描 述热 力学第 一定律。输 入系统 的能量 为 E输 ，系统 输 出的能量 为 E输 _出，二者 之差 是系 统 内储存 能量 的变化 即通常 所说 的能量方程。E输 入=AE系 统+E输 出 (1)由一 定 律或 能量 方程 可 知，用 能过 程 中，无论 何 种 形 式 能发 生 何种 变 化 其数 量 总是 守 恒 的 既 不会 增 加，也 不会 减少，即能量 具有 不生 不灭 的属性。作 为科 学 用能 基 本理 论之 一 的一定 律，对
14、科 学 用 能 的指 导作 用 主要 有 二点：一 是 告诫 人们 企 图 以投 入 有 限 能量来 获 得更 多 能量 的第 一 类 永动 机，无论 设 计 得 多么 巧妙，都 是不 可 能制造 出来 的。由此挽救 了 1 9 世 纪一 大批 痴 迷 于第 一类 永 动机 而误 入 科 学歧 途 的研 究 者 这是 一 定律 不可 磨 灭 的历 史功 绩：二 是利 用 能量 方程 对 能量 系 统作 能 量分 析，为 提高 系统 的能 量利 用 效率 提供 依据。1 9世纪 8 O年 代 至 9 O年代 上、中叶，我 国工 业企 业 曾做 过 大规 模 的能 量 平衡 工作 对 提 高企 业
15、 的用能 效率 有 不可低 估 的积 极作 用。需 指 出 的是，即 使 用 能水 平 已有 较 大提 高 的今 天 能 量 平衡 分 析仍 不 失为 一种 能 量分 析 的基 本方 法，其对 科学 用 能 的指 导 价 值依 然 有 效 那种 认 为能 量平 衡 分 析 已过 时 的观 点 是不 可取 的 热 力 学 第 二 定 律 阐 述 的 是 能之 质 的 固有 属 性，即 能 质 的属 性：无论 何种形 式 能，在其 转换 和传 递过程 中，能 质必将 不 断蜕变 二 定律实 质上 就是 能质蜕 变定 律。学 术界 习惯 以作 功 能力 表 征能 质 参 数 火 用即是一 个表征能质
16、的参数，以符号 E 损 表示。对于确定 的一 维普资讯 http:/ 2 0 0 5年 9月 项新 耀：科 学用 能的基 础 理论及 追 求 目标 3 定量 的能，_大 用值越 高 表示其 能质 越 高。在能的转换和传递过程 中，由能质蜕变 引起 的 大 用 耗 散 称 为(内部)损 失，以 E 输 表 示。据能 质蜕 变原 理，系 统 的输 出火 用 E 恒 小 于系统 输 入 火 用，二 者之 差 即是 系 统 的 内部 火 用 损。即娴 平 衡方 程，简称 娴 方程：E 输 =系 统+E 内 损 (2)二 定律 和 大 用方 程可 知 用能 过程 中伴 随着 能 的转 换 和传递，能 质
17、必 然逐 渐 蜕变，因而 一定 有能 质 即 火 用 损 失，可见 与能 量守 恒不 同，能质是 不 守恒 的。二 定律 对科 学 用能 的指 导 作用 有 三 点：一 是宣 告 了只有 一个 热 源 的热机 即在 热转 换 为功 的 过 程 中，欲 使热 全 部转 换 为 功f 符 合 一 定律)而 没 有火 用 损 失 的第 二 类永 动 机 是不 成立 的，这是 二定 律 的 历史 功绩：二是 为 用 能 过程 指 明 了 如何 使 输入 火 用(如 热 娴)更 多地 转 换 为 目的 火 用(如 功 火 用)的 途 径，即 降 低 转 换 过 程 的 火 用损 失：三 是 利 用 大
18、用 方 程 对 能 量 系统 进 行 火 用 分 析 辩 识 系 统 的用能 薄弱 环节。热力 学第 一、第 二定 律之 所 以成 为科 学 用能 的基 本理 论 主要 在 于二 者 分别 揭示 了在能 的转 换 和传 递 过 程 中能 量守 恒 与能质 蜕 变 的普 遍 规律，告 诫 我 们 不 要 做 违背 两个 规 律，同时 也启 示我 们 如何 有 效、合 理地 利 用能 量 和能质，以获取 用能过 程 的最 佳效 果。4 科学用能的综合指标两个效率和 三种效益 4 1 评价 科学用 能的两个 效率 能量 效率 和能质 用)效 率 科学 用 能主 要体 现 于要 科学 合 理地 利 用
19、 能 的量 和 质，即能量 和 能质。由此 建立 了分 别评 价能量 和能质 有 效 利 用 的指 标 热 力学 第一 定 律 效 率 和热 力学 第 二 定 律 效率，或 分 别称 能量 效 率和 能 质效 率，而 后者 通 常 取 的是 火 用 效 率 从 工 程 的角 度看，输 入能 量 系统 的供给 能，其 中有一 部分 被有效 利 用，称 为 有效 能量，一部 分转 换 为 系统储 存能，余 下部分 则 为损 失能 量：据 能量 守 恒原理 有：供 给=系 统+有 效+E损 失 (3)式(3)称 为工 程 能 量 平 衡 方 程。有 效 能 量 占供 给 能 量 的百 分 比 即是
20、热 力 学 第 一 定 律 效 率，即 能 量 效 率：F 叩 盟1 0 0 (4)供 给 能 量 效 率 只 能 用 来 衡 量 能 的 数 量 有 效 利 用 的 程 度，并 不反 映 有效 能 量 与供 给能 量 二者 品质 的差 异，由 此 仅 以能量 效率 评价 用 能，可 能会 导致 错误 结 论。如 火 电厂能量 效 率 为 3 8，集 中供 热 站热效 率 8 0，以能 量 效 率而 论，将得 出后者 优 于前 者 的结 论，其 实 由火 电厂 提供 的电力，无 论 是能 质还 是 经 济价 值 均 显 著优 于供 热站 提供 的热 量。对 于能 质(火 用)系 统，与 能量
21、系统 相似，同样 有 供 给 E 与 有效 火 用 E _有 效，但 火 用 损 失 则有 两 种，一 是 系 统 内 的 不可逆 火 用 损 E 内 损，二 是 系统对 外 界 的排 放 火 用 损 E”。据 火 用 平 衡方 程 得 出：工 程 火 用 平衡 方 程。E x 供 给=E 系 统+E 内 损+外 损 (5)大 用 有效 火 用占供 给 火 用的百 分 比，即 是 以 火 用 效 率表 示 的热力 学 第二 定律 效率：F 叩 =盟 1 0 0 (6)x供 给 大 用 效 率是 衡量 系统 能质(火 用)有 效利 用 程度 的技 术 指 标。从技 术 角度 看，科学 用能 要求
22、 能量 效 率 和能 质f 大 用)效 率应 同步高 效，因 为 只有二 者都 达 到 高效，才能 表 明 用 能 系统 对能 量 和能 质 的利用 都 是 充分 的。若 两 个 效 率 中仅 有 一个 是高 效 则 必定 在 能量 利 用 或是 在 能 质 利用 上存 在 问题。如 火 电厂 的火 用 效 率 3 8 ，较高，而 能 量效 率也 是 3 8，则 较低，说 明火 电厂 对能 量 的利 用 是 不充 分 的。若 集 中供热，能量 效 率 8 0，相 当高，若 供热 温度 9 0 c c，火 用 效 率 仅 1 8 ，相 当低，可 见集 中供 热对 能 质 的利用 很差 4 2以三
23、个 效益 全 面考 察科 学 用能 任何 用能 过 程都 是 在一 定 的经 济 社会 和 自然环 境 中进行 的，这就 决 定 了能量 系 统 不 可避 免地 要 与经 济 社 会 和 自然 环境 发 生作 用。就 现状 而论，用 能过 程对 自 然 环境 产 生 的负 面作 用 和影 响 已危及 人 类 的 正常 生 存。冈此，作 为对 系 统用 能是 否科学，应 取 下 列 三个 效 益 作为 评价指 标。(1)节 能效 益 节 能 效 益 不仅 要 按 能 量 平 衡 测 算 节 能 量，还 应按 大 用 平 衡 测算 节 t大 用 量。只有 节能 和 节 火 用 均 显 著或 均较
24、好 的工 程设 计或 技 改，才 符 合 节能效 益 最 好 的要求。(下转 第 9页)维普资讯 http:/ 2 0 0 5年 9月 梁 惠勋：大港 油 田公 司节 能潜 力分析 与 战略 对策 研 究 9 程项 目可研 报告 和初 步 设计“节 能 篇”的 审查，修 订 能 源 消耗 考核定 额 ，把 各 项 节能 定额 指 标分 解 落 实 到基 层。实行 节能绩 效 考核。第三。加 强能 流控 制。从 采、注、输 三个 工艺 环 节人 手 以“降成 本、增效 益”为 主线，开 拓 工作 思路，推广 应 用各 项 低 成本、高 实效 的采 油、集输、注水 和供 配 电技 术 为油 田的发
25、 展提 供 强有 力 的技 术 支撑。包 括：机械 采油 系统：以 提高 系统 效 率 和 降低 采 油单 耗 为主 要 目标，重 点 措施 包 括：推广“大 泵、长 冲 程、慢 冲 次”的抽 汲参 数优 化设 计 理念：做 好 机、泵、杆 与 油井 参 数 的合理 匹配：继 续 推广 应用 节 能抽 油 机、节 能 电机 及 其 他 配套 技 术装 置；逐 步应 用抽 油 系统 效 率 控制 图技 术等。油 田注水 系统：以提 高 系统 效 率 和降 低 注水 单 耗 为主 要 目标，重点 措施 包 括：针对 泵 与 注水 量 不 配 的 问题，选 择 泵 的 合理 参 数；针 对 离 心泵
26、 泵 效 低 的 问题，采 用 高效 柱 塞泵 代替 离心 泵；针 对压 力损 耗 大、注 水 管 网效率 低 的问题 优 化注水 管 网压 力等。油气集输及供热加热系统：以提高系统效率和降 低 集输 能耗 为 主要 目标。重点 措施 包 括：简 化板 桥 油 田 单 管加 热 集油 工艺，在高 含水 油 井生 产 中推广 应 用 常 温 集 油工艺：简化 中北 部 油 田双 管掺 活性 水 集油 工 艺：简 化、优化 南部 油 田双 管掺 热 活性 水集 油 工 艺；优选 新 型 高效 泵：根 据需 要进 行 减级 改 造；推 广应 用 变频 调 速：推广 应 用 油气 混 输、高效 三相
27、分 离 器；推 广 污水 精 细 处理、集输 系统 除 砂 工 艺；简 化 原 油 脱 水 流 程；推 广 高效 加热 炉及 节能 安 全 自控 技 术等。供配 电系统：以降 低 网损、搞 好 安 全运 行 和 提 高功 率 因数 为 主 要 目标，重 点 措 施 包 括：按 照 轻 负 荷、短线 路、经 济截 面 和 运行 优 化 原 则进 行 线 路 改造；推 广 S l l 型 节能 变压 器及 防盗 电装 置：推 广线 路 经 济运 行 和变 压器 经 济 运 行 软件：推 广 抽 油 机、输 油 泵、注水 泵 变 频 技 术。有 条件 地 区应 用 天 然气 发 电机；淘 汰 J O
28、 2电 机。优选 高效 节能 电机 等。5 结语(1)作 为生 产能 源 的企 业 更应 加倍 重 视 节 能节 水 工作。诚 恳 的正 视 目前 现 实、细 致 的节 能 潜 力分 析、正 确 的经 营战 略思 想 和 明晰 的对 策措 施 方法。将 是油 田 公 司走 可持 续 发展 战 略的重 要途 径。(2)“又要 马儿 跑，又要 马儿 少吃 草。”这 是我们 惟 一的选 择。显 然，节能 关 系 当前、关 系 长远、关 系子孙 后 代。我 们过 去常 讲，节能 为 了造福 子孙 后代。其 实撇 去 唱高 调 的“水 分”，就 是要 给 后代 们 留一 点 光 明、留一 口 饭 吃!参
29、 考文 献 1】汪 应洛 系统丁程理论 方法与应用 高等教育 H 版社，1 9 9 8 2 2 1 能 源 基 础 概 论 3 1 刘 冀 生 企业 经 营 战 略 清 华 大 学 出版 社，2 0 0 4 8 4 1 李 瑞 生 基 础 会计 学 中 国人 民大 学 出版 社，2 0 0 4 7 5 1 陈 荣 秋 马 士华 生 产 与 运 作 管 理 高 等 教 育 出版 社，1 9 9 9 6 6 1 周 三 多 管理 学 高 等 教 育 出版 社，2 0 0 0 8 (收 稿 日期：2 0 0 5 0 7 2 6编 辑杜 丽 华)+-+一+一+一+一+一+一+*+一+-+-+*+一+一
30、+一+-+一+一+-+一+一+一+一+一+-+-+一+-+一+-+-+-+-+-+*+*+*+一+一+-+-+-+-+一+一+-(上 接 3页)(2)经 济 效 益 测 算 经 济 效 益 的重 要 性，众所 周 知。但 实际 计算 似有 难 处，一是 由于 价格 体 系 不尽 合理 抑 或缺 失等 原 因，可能 现 一项 节 能工 程 的 节能效 益 与经 济效 益 不 同步 的结 果，即所 谓“节能 不 节钱”的现 象：二是 目前经 济效 益 的计 算 方 法 尚不 统 一，甚 至相 当混乱。我 国的价格 体 系在 不断 地调 整 完善 中，希望 国家 尽快 出台统 一 的计 算模 式。应
31、 用 到 实际 生 产 中。(3)环 境 效 益任何 用 能 过 程，不 可避 免地 向环境 排 放粉 尘、有 害 气 体 以及 辐 射、散 热等，造 成 不 同程 度 的环境 污染。就 现 阶段 的科技 水平，尚不能 完全 消除 用 能过 程 的环 境 污染，比较 现实 的做法 是 采 取严 格 控 制 污染 的措 施，以确保 人 类 正常 生 活、生 产 所需 的环境 质 量。按 照 国家 或行业 排 放标 准进 行生 产，即 当实 际排放 量低 于 排 放 标 准 时，有 正 环 保 收 益，反 之，则 为 负环 保 收益，用能过程只有达到或低于排放标准，才符合与环 境 协调 相 容 的原则。科 学 用 能是 新世 纪 新时 代 的要 求，是我 国经 济社 会 持续 发 展、全 面 建设 小康 社 会 的要求。推 进 科学 用 能，是一 代科 技 工作 者 的神 圣 职责，更 是能 源 战线 科 技、管理 人 员义不 容 辞 的责 任。(收 稿 日期：2 0 0 5 0 9 0 3编 辑 庄 景春)维普资讯 http:/