节约能源新技术

　　能源与国家的经济建设和人民的物质、精神生活密切相关，我国虽然是 能源大国，但由于人口众多，人均资源占有量在世界上居第 80 位，因此节能 任务十分艰巨和紧迫。 我国的能源利用年平均为 30％左右，远比工业发达国家低，主要原材料 成材率低，利用率低，单位国民生产总值的能耗与原材料消耗高于发达国家， 产品单耗从总体上比国外高 30～90％。此外，资源综合利用率低，对高耗能 设备和落后工艺控制不利，再生资源回收率仅有 30％，比国外低 30％左右； 如将能源有效利用率提高到工业发达国家水平，每年可少用三亿多吨标准 煤。 从温室效应看，在使全球气候变暖的温室气体排放中，能源生产和消费 活动占 57％。据报道，1988 年矿物燃料的燃烧向大气排入了 55 亿吨煤，其 中美国占 20％，前苏联占 17％，中国占 9％，位居第三位。若按单位国民生 产总值产生的二氧化碳衡量，中国则是发达国家的 3～6 倍。环境问题引出了 节能的新意义，如不重视节能，2000 年我国将成为世界上第一大的排碳国。 节能是一项综合性的事业，涉及到生产、生活及社会的各个方面，不仅 仅是我国而且也是世界各国经济发展的一项长远战略方针。对节约能源新技 术的研究和开发利用已被提到世界各国日程上。 热电联供 在火力发电生产中，主要的热损失是在冷凝器中排走的冷源热损失。所 以，若将汽轮机做过功（即发过了电）的部分或全部蒸汽的热能作为供生产 或生活用汽的热源，并拆除这些生产或生活用热所需的额外锅炉，就可使发 电生产中的热能得到合理的利用，这就是所谓的热电联供技术。 热电联供技术主要有以下几种： (1)背压式热电联供系统。背压式热电联供系统汽轮机排汽的热量不是放 给冷源，而是供给热用户使用，燃料的热量可得到充分利用。这种系统的特 点是其热经济性高，发电煤耗低，节能效果明显；另外，机组本身结构简单、 投资少。但由于这种系统以供热为主要目的，发电量受热用户的热负荷限制。 当外界用汽量减少时，发电设备的发电量也随之下降，增加电网的负担，因 此这种机组对蒸汽负荷变化的适应性较差。 (2)抽凝式热电联供系统。抽凝式热电联供系统带有凝汽器，也有冷源热 损失，但比只发电不供热的普通发电设备热损失明显减少。因为做过功的蒸 汽有一部分从汽轮机中某个部位抽出，不流向凝汽器而供应外界用户用热， 因而减少了这部分蒸汽的冷源热损失。抽凝式发电设备的热能利用率和供外 界用热的抽汽量与凝汽器中凝结的蒸汽量的比例，以及抽汽在汽轮机中所做 功的大小等因素有关。不供热的普通火力发电设备的热效率一般介于 25～45 ％之间，而我国热电联供发电设备的热效率一般处在 78～86％的范围内。 (3)裕压发电。一般热源供汽包括热电厂供汽和自备锅炉供汽，其压力较 高，而许多工业部门需要大量压力不高的用汽，因此在供汽与用汽设备之间 就存在一定的压差，利用这一压差发电就称为裕压发电。裕压发电的原理是 将从热源来的蒸汽先进入背压式汽轮机发电，再将所排汽供应热设备使用， 可使热能得到充分利用，这样就提高了能源利用效率。裕压发电采用背压式 机组，与同参数的凝汽式机组相比可节煤 60％，与高参数凝汽式机组相比， 可节煤 35％，节能效果十分明显。 余热利用 余热资源指的是在生产过程中由各种热能转换设备、用能设备和化学反 应设备中产生而未被利用的热能，其数量大得惊人。据美国在 70 年代统计， 每年被排弃的余热为用能总量的 74％。我国建材、冶金行业的余热占燃料消 耗的比例在 30％以上，化工、机械、造纸、纺织等行业也在 10％以上，可见 余热资源的潜力是非常大的。 余热的来源主要有工业排气余热、高温产品及炉渣的余热、冷却介质的 余热、化学反应过程中生成的弃热、可燃废气、废液、废料的热能以及废汽、 废水的余热。 余热资源只有具备一定数量才有回收的可能，同时还必须根据其能量品 位的高低评价其回收价值。余热的品位由温度、压力、化学潜热共同构成。 温度、压力越高，化学潜热越大，则品位越高。 余热利用是节能中的一个重要课题，它具有很高的经济效益和社会效 益。 围绕余热利用的新技术有余热发电、低沸点有机工质循环、热管、热泵 等。根据热力分析，利用余热发电或作为动力直接去拖动机械是最有效的余 热利用方式。 电力负荷控制 电力负荷的大小随时间而异，负荷随时间变化的轨迹称为负荷曲线，最 大负荷称为高峰负荷，最小负荷称为低谷负荷。由于工业电能不能存储，电 力部门的发电功率必须实时跟踪负荷的变化，即高峰负荷时，必须要有和高 峰负荷相当的发电容量，而在低谷负荷时，则要停掉很多机组。这种按最大 负荷确定装机容量的作法是很不经济的，而且机组频繁地启动和停止对运行 也十分不利。因为水轮发电机启动比较简单，所以目前广泛采用水电调峰的 办法；另外，可利用抽水蓄能机组在低谷时抽水填谷，在高峰时发电调峰， 也就是说，在负荷处于低谷时，抽水机是用电设备，它将电能转变成水的势 能暂时存储起来；一旦用电处于高峰，再将这部分水的势能变成电能并入电 网。总之，所有的这些措施都是以大于高峰负荷的总装机容量为前提，以调 整发电机组的运行为手段的。 负荷控制利用限制负荷或调整部分负荷用电时间的方法控制高峰负荷， 减小高峰负荷和低谷负荷的差值，以平滑负荷曲线。 在电力系统装机容量一定的情况下，通过合理调整用电时间，为更多用 户供电。在电力系统负荷增长的情况下，通过合理调整用电时间，推迟新机 组的装机时间；在严重缺电，电力供需矛盾突出的情况下，通过将用户分类， 能停则停，保证对重点用户供电的可靠性。 电力负荷控制在西方虽然应用较早，但真正受到重视是在 70 年代石油危 机以后。石油危机的出现，使人们真正认识到节能的重要性。负荷控制可以 平滑负荷曲线，提高能源利用的效率，甚至可以通过合理设计负荷、减少电 力系统的备用容量，推迟新建电站的建设时间，因而对于电力部门有很大的 吸引力。 配电网自动化包括配电线自动化和用户自动化两个方面，前者指对配电 线路开关的监控和配电线管理信息的处理，后者指对用户用电量的自动测量 和对用户负荷的控制。前者的控制对象是供电部门本身，后者的控制对象是 用户。虽然控制对象不同，但两者是紧密相关的。 美国在 70 年代后期至 80 年代以负荷控制为核心，对配电网自动化问题 进行了大量开发工作。例如由美国电力科学院和能源部资助的配电网自动化 通信系统研究，投资 1000 万美元，包括五个工程，每个工程的控制对象至少 为 700 个。该项目于 1976 年开始，1980 年完成，取得了很好的结果。1980 年完成的由通用电气公司和联合爱迪生公司负责的 PROBE 计划在系统构成和 多种功能配合方面也取得了很好的经验。1984～1988 年间，电力科学院协调 开展了一系列配电网自动化的研究工作，其中五个最大配电网自动化的投资 超过 1500 万美元。 如果说 70 年代的石油危机给了配电网自动化和负荷控制强大的推动 力，那么 80 年代微电子及微型计算机的发展又提供了强有力的手段。目前已 经进入了综合配电线自动化和用户自动化两个领域并包含其它功能的配电网 综合自动化阶段。这个阶段的主要特点是应用计算机网络技术构成分层分布 监控系统，集负荷管理、配电线控制、信息管理、电费结算、规划、运行等 于一个系统；软件和硬件都采用国际标准；使用具有微处理机的智能终端； 将人工智能等新技术用于供电故障点检查及恢复供电操作，提高了供电的可 靠性和缩短故障停电时间；及利用地理信息系统对供电设备进行管理等。 我国电力供应长期短缺，负荷的监督和控制尤其显得重要。目前不少地 方采用的在高峰时强行拉路的分片轮流停电的办法，给用户带来了极大的不 便，对有些重要用户造成经济损失。在用户方面，由于电力使用不合理，浪 费能源的现象也十分严重。因而有关方面对电力负荷控制十分重视，原国务 院电振办曾出资支持了四个试点，取得了可喜的效果。如今，以配电线载波、 有线通信和无线电为通道的系统均有运行。在分散控制方面，我国自行研制 的电力定时开关和电力定量器都是适合我国国情的产品。但总的说来，我国 的负荷控制水平和工业化国家的差距还是比较大的。 节约用电 电能是经过一次能源转换而成的二次能源，转换的效率很低，一般火力 发电的能源利用效率只有 20～40％，其代价十分昂贵。发展电力工业，不管 用非再生能源还是再生能源，都会对环境造成污染，并在一定程度上影响生 态平衡，代价很高，因而世界各国都对节电问题十分重视。由于我国的电力 供应长期不能满足工农业迅速发展的要求，节约用电具有巨大的经济和社会 效益。 (1)电力系统电能损失的构成： 电力系统由发电、输电和配电三个环节组成，每个环节都有电能损失， 电力系统的电能损失是上述三个环节损失的总和。电力系统的总损耗高达 25～34％，这是一个相当可观的数字。其中发电损耗和输配电损耗是电力部 门可以控制的，如电力部门已经要求把输电损耗降至 7.8％以下，而 12～14 ％的用电损耗则应该由用户控制。 (2)主要节电措施大致有以下几种： ①降低线路损耗。 线路损耗和线路电阻的一次方及所传输的电流的平方成正比，电阻和电 流越小，则线损越小。缩短动力线的传输距离，增大导线的截面，可以减小 线路电阻；在传输功率不变的条件下，提高输电线路的电压等级可以减小传 输电流。我国很多城市配电网及农村配电网在电压等级的选择、变压器的布 点、配电线路的走经和导线选择方面均存在不少问题。近几年城网改造引起 了供电部门的高度重视，有的城市已经取得了明显成效。农网和用电大户厂 内用电系统量大面广，应当引起关注。 说起降低线路损耗，我们不能不提一下超导技术。 电是依靠导体来传送的，所有的金属都能导电，但实际用来作导线的只 有铜、铝、铁等为数不多的金属。另外，电解液以及电离状态的空气也能导 电。由于电阻的存在，电在导体内流通会产生损耗，引起发热，这就限制了 导体通电的能力。 1911 年初，有人在-269℃的环境温度下，测量汞的电阻值时，发现电阻 指示值为零，当时还以为测量仪表发生了故障，但经各种仪表校核，确证汞 确实消失了电阻。以后人们又陆续地发现一些金属在一定的温度下，电阻也 会突然消失。金属电阻完全消失这一特殊现象，称为超导电性，具有超导电 性的金属、合金和化合物为超导体。80 年代中期以来，超导的研究进展得相 当快，许多国家都集中人力、投入重金，力争在超导研究的国际竞争中取胜， 超导成了科技界的热门话题。 超导技术的应用将使电力工业产生根本性的变革。利用常规导线作为输 电线，电能的损耗极为严重，为了提高送电效率，只能向超高压输电方向发 展，但损耗仍然很大。由于超导体几乎可以无损耗地输送直流电，而且目前 对超导材料的研究已经可以使交流电损耗降到很低的水平，所以利用超导体 制作的电缆将节省大量能源，而且可以实现远距离送电，建设跨国、跨洲的 大电网。 目前，电力生产只能是需要多少生产多少，无法储存，超导体的出现将 解决这一难题。由于超导体能使电流无限通过，因此利用超导体制成线圈可 以大量储存电能。这种储能装置既可以用作特殊电源，也可以用来调节电力 系统的负荷，以充分利用发电设备。 超导材料还可用于电机制造。普通发电机由于各种限制，单机最大输出 功率不能超过 150 万千瓦，而超导材料由于无电阻而且载流能力大，用来制 造电机可使功率损失减少到普通发电机的一半以下，并能简化普通发电机庞 大而复杂的冷却系统。 超导技术的应用将会给产业界带来一场革命。超导材料可广泛应用于交 通、医学、计算机、精密仪器、军事、机械制造等各个领域，对能源工业也 将产生巨大冲击。人类将最终解决能源问题的希望寄托在实现核聚变，而核 聚变要达到实用化，必须依靠超导体。目前国际能源机构正在组织应用超导 体实现核聚变的国际合作，一旦人类掌握了这一技术，将彻底摆脱能源危机 的困扰。 ②合理使用变压器。 变压器中的损耗由铁损耗和铜损耗两部分组成。铁损是变压器一次侧加 压时，磁通在铁芯中磁滞的涡流所致，当电压不变时为常数，与负载的大小 无关，但一次电压越高，其值越大。铁损在变压器的副方开路时测量，故又 称开路损失。铜损由一次侧及二次侧的电流分别通过一次及二次线圈时的电 阻所致，与通过电流的平方成正比。铜损在将变压器的副方短路时测得，故 又称短路损失。 为了提高变压器的效率，除了注意选择低耗变压器外，还应使其负荷系 数在 0.4～0.6 的范围之内。负载太小时，铁损所占比例太大；负载太大时铜 损迅速增大。 ③合理使用电动机。 电动机是工业上使用最多的一种电力驱动设备，而且绝大部分为异步电 动机。和变压器比较，异步电动机除了有铁损和铜损之外，因为是旋转机械， 还有机械损耗。 ④家用电器节能。 家用电器是一种量大面广的耗能器具，节能潜力相当可观。近 15 年来， 国外家用电器的耗电量不断下降，洗衣机平均降低 33％，电冰箱平均降低 25 ％，冷冻箱平均降低 40％，热水器和电视机平均降低 70％。 近年来，我国电冰箱、洗衣机、电风扇、电视机和其它小型家用电器的 社会拥有量迅速增长。按照我国 2000 年工农业总产值翻两翻、人民生活达到 小康水平的战略目标，电力部门预测，届时中国城镇生活用电将占总发电量 的 10％以上，城市居民基本上可以普及电视机、洗衣机和电冰箱，但大多数 家庭还不能使用电炉、电灶和空调设备；全国农村基本上都能用上电，部分 农村也可以用上电视机、电冰箱等家用电器。在小水电资源丰富的地区，还 可以使用电炉、电灶等。根据这样的预测，并考虑到其它制约因素，我国应 发展耗电不多、能有效减轻家务劳动、节省时间、改善家庭环境的节能型家 用电器。 目前，有些单位研制的节能家电产品迟迟不被生产厂家所采用，除了节 能产品性能上尚有不足外，在税收、价格上没有优惠也是原因之一。因此， 制订家用电器节能的技术经济政策和法规是刻不容缓的。 随着家用电器用户的增多，使用中节能问题会变得越来越突出。因此， 必须向广大用户普及正确使用家用电器的知识，提高节能意识。应该利用电 视、广播、报刊、杂志、举办展览等宣传手段，促进家庭节能。

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