能源概论第1次课- 概述

1、*单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级能源概论授课教师：王树群课程要求：1.完成1篇论文2.结业考试3.按照学生手册要求进行教学4.请假制度参考书?能源科学导论?第一版，黄素逸 主编；中国电力出版社；?能源概论?第一版，陈砺、王红林、方利国编；化学工业出版社；?能源与环境工程概论?第一版，方梦祥主编；中国电力出版社 Chapter 1 能源概述本节课主要内容什么是能量？能量的形式有哪些？什么是能源？能源的种类有哪些？能量转换的含义是什么？人类利用能源的主要时期有哪几个？石油、煤炭、天然气是如何形成的？电有哪些特点？发电厂的类型有哪些？Chapter 1-1

2、能源的分类Chapter 1-2 能源的利用和转换Chapter 1-3 常规能源的的开发和利用Chapter 1能源概述第一章 能源概述第一节 能源分类能量1.定义：产生某种效果变化的能力。2.形式：机械能、热能、电能、辐射能、化学能、核能 一、能源定义定义：比较集中的含能体或能量过程称为能源。能直接或间接经过转换而获得某种能量的自然资源。二、能源分类：1.按照能量蕴藏方式分：地球本身蕴藏的能源核能、地热能；来自地球外天体的能源宇宙射线及太阳能；地球与天体相互作用的能源潮汐能。2.按照能源形态、特性分类：形态：固体、液体、气体特性：常规能源煤炭、石油等； 新能源太阳能、地热能、风能。3.按照

3、获得方法分：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间接转换来的，如电、蒸汽等。4.按照是否可再生分：可再生能源水能、风能、太阳能；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。定义：可直接从自然界获取，没有经过加工转换的各种能量和资源。化石能源：煤炭、石油、天然气是经过漫长地质年代形成的，称为化石能源。化石能源是当今世界的三大支柱。2.二次能源定义：指无法从自然界直接获取，必须经过一次能源的消耗才能得到的能源。四、常规能源、新能源和可再生能源 1.常规能源 ：又称传统能源。在相当长的历史时期和一定的科学技术水平下，已经被人类大规模生产和广

4、泛利用的能源。如煤炭、石油、天然气、水能、生物质能源。2.可再生能源 ：可连续再生、永续利用的一次能源。这类能源大都直接或间接来自太阳。3.新能源 ：在新技术的根底上系统地开发利用的可再生能源。如太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热能、氢能等。新能源也可称为替代能源。五、分布式能源一定义建立在用户端的能源供给方式，既可以独立运行，也可并网运行。相对于传统的集中供电方式，指将冷热电系统以小规模、小容量、模块化、分散式的方式布置在用户附近，可独立输出冷热电能的系统。二分布式能源主要特征高效性环保性能源利用的多样性调峰作用平安性和可靠性减少国家输配电投资解决遥远地区的供电问题1.高效性：分布式能源可

5、用发电后工质的余热制热、制冷，能源得以合理的梯级利用，可根据自己所需来向电网输电和购电，可提高能源的利用效率(达60%90%)。投资回报的周期较短，投资回报率高，可降低一次性的投资和本钱的费用；降低网损(包括输电和配电网的网损)。2.环保性：减少有害物的排放总量，减轻环保的压力；减少了高压输电线的电磁污染，减少了高压输电线的线路走廊和相应的征地面积，减少了对线路下树木的砍伐。分布式能源系统由于实现了优质能源梯级合理利用，能效可达80%以上，超过燃煤火电机组一倍，SO2和固体废弃物排放几乎为零，温室气体CO2减少50%以上，NOx减少80%，大气悬浮颗粒总数减少95%，占地面积与耗水量减少60%

6、以上。3.能源利用的多样性：布式能源可利用多种能源，同时为用户提供电、热、冷等多种能源应用方式，是节约能源、解决能源短缺、能源危机和能源平安问题的一种很好的途径。4.调峰作用：夏季和冬季往往是电力负荷的顶峰时期，此时采用可降低电力峰荷，起到了电力调峰作用。天然气作为一种恒定的燃料源用于发电，发挥了天然气与电力的互补作用。5.平安性和可靠性：大电网出现大面积停电事故时，具有特殊设计的分布式发电系统仍能保持正常运行。分布式发电系统比较简单，易于再启动，有利于大电力系统在崩溃后的黑启动，由此可提高供电的平安性和可靠性。6.减少国家输配电投资：就地组合，协同供给，节省投资、运行费和损失。7.遥远地区的

7、供电问题：我国许多遥远及农村地区远离大电网，因此难以从大电网向其供电，采用太阳能光伏发电、小型风力发电和生物质能发电的独立发电系统不失为一种优选的方法。三分布式能源的应用1.在一些重要的部门或场所，用户往往自行安装一些小型发电设备，作为紧急备用电源；2.早期用作自备电厂的燃煤小热电，这些也可认为是分布式发电的范畴，由于其技术性能差或效率低下，或对环保有影响，已被逐渐淘汰或取代。目前所谓的分布式发电(电源)通常并非指采用柴油发电机组的紧急备用电源或燃煤的自备小火力发电厂，而是指以天然气、煤层气或沼气为燃料的燃气轮机、内燃机、微型气轮机发电、太阳能光伏发电、以天然气、氢气为燃料的燃料电池发电、生物

8、质能发电、小型风力发电等。其应用范围也相当广泛，如可用于医院、疗养院、大型商厦、办公楼、宾馆、体育馆等。第二节 能量的转换与利用含义：能量形态上的转换、能量空间的转换传输、能量时间上的转换储存。能量转换和守恒定律：输入能量输出能量=储存能量的变化能量转换过程、设备及系统。 燃烧煤的炉中：煤炭燃烧，化学能热能； 太阳能热水器中：太阳能热能。 转换的流程:一次能源二次能源终端能源一、能源的转换1.能源转换流程：一次能源二次能源终端使用能源2.一次能源转换成二次能源的方法：多种不同的方法。中心电站生产电力，有时还进行区域供热。石油炼制成更方便的液体燃料汽油、喷气燃料、柴油等。能源转换设备有时是系统的

9、终点，如核裂变能，在核电站发电以前，要进行化学转换，同位素浓缩，核燃料制作等。简单的机器，如水电或风力机。但一次能源转换成二次能源无论如何都会有转换损失，把能源送到用户会有输送损失。把这些损失当作浪费是错误的。3.最后阶段是二次能源转换成终端使用的能源。如汽车、炉子、计算机或灯泡所用的能源。随后终端能源变成有效能，能量实际上储存在产品中，或用于效劳。二、能源利用与转换的历史人类对能源的利用主要有三大转换：第一次是煤炭取代木材等成为主要能源；第二次是石油取代煤炭而居主导地位；第三次是世纪后半叶开始出现的向多能源结构的过渡转换。人类利用能源的历史可分为五大阶段：火的发现和利用；畜力、风力、水力等自

10、然动力的利用；化石燃料的开发和热的利用；电的发现及开发利用；原子核能的发现及开发利用。世纪前，木材长期占居首位。世纪下半叶，出现了人类历史上第一次能源转换。年，煤炭在世界一次能源消费结构中占，年上升为。从此，世界进入了“煤炭时代。世纪年代，电力代替了蒸汽机，电器工业迅速开展，煤炭在世界能源消费结构中的比重逐渐下降。年，石油首次取代煤炭占居首位，世界进入了“石油时代。年，世界能源消费结构的比重是：石油占，天然气和煤炭各占，油、气之和高达。石油取代煤炭完成了能源的第二次转换。石油的储量有限，已开始从以石油为主要能源逐步向多元能源结构过渡。新能源开始大量应用。第三节 常规能源的开发和利用内容概述：石

11、油的形成、性质，石油工业概述；煤炭的形成、分类、分布、用途；天然气的形成、特点；电力生产特点、电力生产过程、发电厂类型、电力工业环节。一、石油一概念1.概念：石油又称原油，是从地下深处开采的棕黑色可燃粘稠液体，与煤一样属于化石燃料。2.分类：天然石油和人造石油。天然石油是从地下采出的石油；人造石油是从煤或油页岩中提炼出的液态碳氢化合物。组成原油的主要元素是碳、氢、硫、氮、氧。3.石油用途：提炼燃料、化工原料。我们平时的日常生活中到处都可以见到石油或其附属品的身影。比方汽油、柴油、煤油、润滑油、沥青、塑料、纤维等还有很多，这些都是从石油中提炼出来的。 二石油的形成石油是由古代有机物(主要是单细胞

12、植物，如蓝绿海藻类；单细胞动物，如有孔虫类)变来的。在漫长的地质年代里，海洋里繁殖了大量的海洋生物，它们死亡后的遗体随着泥沙一起沉到海底，常年累月地一层层堆积起来，跟外界空气隔绝着，经过细菌的分解，以及地层内的高温、高压作用，生物遗体逐渐分解、转化成石油和天然气。世界石油分布产量是极不平衡的，探明储量有万亿桶，仅中东地区就占68的可采储量。其余依次为美洲、非洲、俄罗斯和亚太地区，分别占14、7、和。三石油的性质1.物理性质1石油是可以流动的液体，比重小于水，比其他燃料容易开采；2占有的容积小，容易运输。与一般燃料比较，它的可燃性好，发热量高，1 千克石油燃烧起来可以产生10000多大卡的热量，

13、比煤炭的发热量高1倍，比木柴的发热量高45倍。3石油又有易燃烧、燃烧充分和燃后不留灰烬的特点。石油的性质因产地而异，密度为克/厘米3，粘度范围很宽，凝固点差异很大30C 60C，沸点范围为常温到500C以上，可溶于多种有机溶剂，不溶于水，但可与水形成乳状液。2.化学性质1组成元素：组成石油的化学元素主要是碳 83% 87%、氢11% 14%，其余为硫0.06% 0.8%、氮0.02% 1.7%、氧0.08% 1.82%及微量金属元素镍、钒、铁等。由碳和氢化合形成的烃类构成石油的主要组成局部，约占95% 99%，含硫、氧、氮的化合物对石油产品有害，在石油加工中应尽量除去。我国主要原油的特点是含蜡

14、较多，凝固点高，硫含量低， 镍、氮含量中等，钒含量极少。除个别油田外，原油中汽油馏分较少，渣油占1/3。2原油的成分：主要有油质这是其主要成分、胶质一种粘性的半固体物质、沥青质暗褐色或黑色脆性固体物质、碳质一种非碳氢化合物。3原油的颜色：有红、金黄、墨绿、黑、褐红、甚至透明；原油的颜色决定于它本身所含胶质、沥青质的含量，含的越高颜色越深，原油的颜色越浅其油质越好。透明的原油可直接加在汽车油箱中代替汽油。四石油工业石油工业四个主要环节：寻找、开采、输送和加工；四个环节一般又分别称为“石油勘探、“油田开发、“油气集输和“石油炼制。1.“石油勘探：通过勘探手段进行石油勘测，使用测量手段勘察地下是否有

15、油。2.“油田开发：指的是用钻井的方法证实了油气的分布范围。从这个意义上说，1821年四川富顺县自流井气田的开发是世界上最早的天然气田。3.“油气集输：收集石油并进行输油。4.“石油炼制：进行石油炼制，获得石油产品。 二、煤炭一煤的形成在地质历史上，沼泽森林覆盖了大片土地，包括菌类、蕨类、灌木、乔木等植物。但在不同时代海平面常有变化.当水面升高时，植物因被淹而死亡。如果这些死亡的植物被沉积物覆盖而不透氧气，植物就不会完全分解，而是在地下形成有机地层。随着海平面的升降，会产生多层有机地层。经过漫长的地质作用，在温度增高、压力变大的复原环境中，这一有机层最后会转变为煤层。因埋深和埋藏时间的差异，形

16、成的煤也不尽相同。一座煤矿的煤层厚薄与这地区的地壳下降速度及植物遗骸堆积的多少有关。地壳下降的速度快，植物遗骸堆积得厚，这座煤矿的煤层就厚，反之，地壳下降的速度缓慢，植物遗骸堆积的薄，这座煤矿的煤层就薄。又由于地壳的构造运动使原来水平的煤层发生褶皱和断裂，有一些煤层埋到地下更深的地方，有的又被排挤到地表，甚至露出地面，比较容易被人们发现。还有一些煤层相比照较薄，而且面积也不大，所以没有开采价值。二煤的分类：依据碳化程度深浅不同，可将其分为无烟煤、烟煤、褐煤、泥煤等几种类型；以其挥发物含量和焦结性为主要依据，烟煤又可分为贫煤、瘦煤、焦煤、肥煤、漆煤、弱黏煤、不黏煤、长焰煤等。三煤分布：根据成煤条

17、件，地球上的煤炭资源主要分布在北半球，集中在北美、中国、前苏联，约占世界总蕴藏量的80%以上。世界95%的煤炭储量分布在北半球，南半球仅在南非、澳大利亚和博茨瓦纳等国有较大储量。中国煤炭资源的分布十分广泛，普及全国各省区，并且生在各地质时代的煤炭都有。中国煤炭资源总储量居世界第一位。四煤的用途：煤炭被人们誉为黑色的金子，工业的食粮，它是十八世纪以来人类世界使用的主要能源之一。电力生产和钢铁工业中炼焦，某些国家蒸汽机车用煤比例也很大。虽然它的重要位置已被石油所代替，但在今后相当长的一段时间内，由于石油的日渐枯竭，必然走向衰败，而煤炭因为储量巨大，加之科学技术的飞速开展，煤炭汽化等新技术日趋成熟，

18、并得到广泛应用，煤炭必将成为人类生产生活中的无法替代的能源之一。 五煤被石油取代的原因煤作为燃料燃烧时，放出大量的二氧化碳及二氧化硫等污染物，对环境质量的影响非常严重。当前“温室效应的罪魁祸首就是空气中的二氧化碳超标，造成全球气温变暖，从而引起海平面上升，自然灾害频发。而酸雨的形成，主要原因是空气中的二氧化硫含量大。石油同煤相比有很多优点：1.它释放的热量比煤大，就发热量而言，石油大约是煤的23倍。2.石油使用非常方便。3.它易燃又不留灰烬，是理想的清洁燃料。三、天然气一天然气的形成1.形成：天然气是埋藏在地下的古生物经过亿万年的高温和高压等作用而形成的以碳氢化合物为主的各种汽体所组成的可燃混

19、和气体。它的主要成分是甲烷，通常为无色无味，热值高，燃烧稳定，在进入门站加臭后才有易觉察的臭味。2.发现历史：伊朗、中东、阿塞拜疆的巴库地区；古代波斯人、古代中国。中国在公元前211年钻了第一个天然气气井，据有关资料记载深度为150米500英尺。欧洲人直到1659年在英国发现了天然气，对它有所了解，然而它并没有得到广泛应用。世界天然气的开发利用，以1925年美国铺设第一条天然气长输管道作为现代工业利用的标志。3.天然气类型：一是伴生气，由原油中的挥发性组分所组成。约有40%的天然气与石油一起伴生，称油气田。它溶解在石油中或是形成石油构造中的气帽，并对石油储藏提供气压。二是非伴生气，与液体油的积

20、聚无关，可能是一些植物体的衍生物。60%的天然气是非伴生气，即气田气，它埋藏更深。我们日常所用的天然气液化气是从专门的气田中产出的，通过输气管道和气站再到各家各户。4.天然气开采运输：同石油类似，但收采率较高，可达60%95%。长距离管道输送投资很大。二天然气资源的用途一是能源行业，主要有三种用途：发电、生活燃料采暖和做饭、工业燃料。二是化工行业原料，以生产化肥及合成纤维类为主。三天然气的优点1.平安性高：天然气比空气轻，一旦泄漏不易引发爆炸事故，因此其平安性比人工煤气和液化石油气要好。2.无毒：天然气不含有毒一氧化碳气体，不易引发中毒事故。3.热值高：天然气的热值是人工煤气的倍，因而比人工煤

21、气耐用。4.环保：天然气的杂质含量极少，是洁净能源，其燃烧所造成的污染仅为石油的1/40、煤炭的1/800。5天然气还是一种重要的化工原料。三天然气的性质无色、无味、无毒且无腐蚀性，是一种清洁的能源。 主要成分为甲烷CH4 ，也包括一定量的乙烷、丙烷和重质碳氢化合物，还有少量的氮气、氧气、二氧化碳和硫化物。另外，在天然气管线中还发现有水分。CH42O2 CO22H2O 与其它化石燃料相比，天然气燃烧时仅排放少量的二氧化碳粉尘和极微量的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物。水能：水力发电:水力发电是将高处的河水(或湖水、江水)通过导流引到下游形成落差推动水轮机旋转带动发电机发电。四、电能一电能的意义电

22、的发现是个神奇的开始，它已经成为现在应用最广泛、最多的二次能源。在日常生活和生产中，几乎到处都要用到电：电灯通电会发光，电动机通电会旋转，电视机通电会出音像等。我们已无法离开电。电使用起来非常方便、清洁，易于输送，容易转化为其他形式的能。电已成为现代生产不可或缺的动力，已与现代生活密不可分。二电能产生过程电能是由一次能源转化来的。除了干电池、蓄电池，我们通常使用的电能都是从发电厂发出的电。1.电的生产过程火力发电：煤、石油、天然气等作为燃料在锅炉中燃烧，使水加热成蒸汽，将燃料的化学能转变成热能，蒸汽压力推动汽轮机旋转，热能转换成机械能，然后汽轮机带动发电机旋转，将机械能转变成电能。2.发电机：

23、发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，它由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。发电机的形式很多，但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。三电流的输送过程发电厂发出来的电通过升压变压器把电传输到电力线路，再由降压变压器把电转换成电压等级较低的电能，通过配线街上看到的电线传输到城市各片区，再通过各区的降压变压器把电转换为家用的220V或380V电能，然后再接到各个家庭。动能推动发电机组转动发电机组将电能输送至变电站升压后(超高压)或直接送出或并入电网地方变电站将高压降压后(高压)再分配给相应

24、用户用户经单元变压器将高压降为380和220伏低压后分配给直接用户。 二电力生产的特点1.电是商品，具有价值和使用价值，具有以下几方面特点：电能的生产、供给、使用几乎是瞬间同时完成的；它不易储存，没有中间环节；电能使用总量是随时都在变化的；发电厂、电力用户通过电力线路和变电站互相连接成电网进行生产和使用，电网是一个不可分割的整体。电能的质量管理是非常严格的。交流电网的电压和频率的质量，不仅直接影响电力用户终端产品的质量，而且直接关系电网本身的平安和电力用户用电的可靠性。由于电力生产具有上述特点，这就要求全电网范围内随时进行生产调整，才能和不断变化的用电总量保持平衡，电能质量才能保持在规定的范围

25、内。2.发电厂类型发电厂按其使用的一次能源不同分为火力发电厂、水力发电厂、核电发电厂等。其中火力发电厂在全世界发电厂总装机容量中，占70%以上。 (1)火力发电厂: 火电厂是利用煤、石油、天然气作为燃料生产电能的工厂。火力发电机组主要形式:汽轮发电机组和燃气轮机发电机组。利用锅炉产生高温高压蒸汽冲动汽轮机旋转带动发电机发电,称为汽轮发电机组；燃料进入燃气轮机将热能转换为机械能驱动发电机发电,称为燃气轮机发电机组。火力发电厂通常是指以汽轮发电机组为主的发电厂。火力发电的原理是将燃料燃烧时的化学能，转换为水蒸气的热能；水蒸气推动汽轮机转动，将热能转换为机械能；汽轮机带动发电机转动，将机械能转换为电

26、能。火力发电厂按使用燃料、蒸汽压力和和温度、原动机、输出能源、发电厂装机容量的不同，可分为许多种类型。(2)水力发电厂:水力发电是将高处的河水(或湖水、江水)通过导流引到下游形成落差推动水轮机旋转带动发电机发电。以水轮发电机组发电的发电厂称为水力发电厂。水力发电厂按水库调节性能又可分为:径流式水电厂：无水库,根本上来多少水发多少电； 日调节式水电厂:水库很小,水库的调节周期为一昼夜,将一昼夜天然径流通过水库调节发电的水电厂；年调节式水电厂：对一年内各月的天然径流进行优化分配、调节,将丰水期多余的水量存入水库,保证枯水期放水发电；多年调节式水电厂：将不均匀的多年天然来水量进行优化分配、调节,多年调节的水库容量较大,将丰水年的多余水量存入水库,补充枯水年份的水量缺乏,以保证电厂的可调出力。水电开展：早期的水电站规模非常小，只为电站附近的居民效劳。随着输电网的开展及输网能力的不断提高，水力发电逐渐向大型化方向开展，这种大规模的开展为人们生产和生活带来了很大的益处。三峡水电站是目前世界上最大