試論能源與動力工程的節(jié)能技術(shù)

摘 要：當代社會飛速發(fā)展，能源與動力工程功不可沒，但在全新的發(fā)展理念下，傳統(tǒng)工程能源消耗過高的問題逐漸暴露出來。能源與動力工程的節(jié)能技術(shù)研究，是從根本上降低社會運轉(zhuǎn)過程中的能源消耗。本文首先闡述了能源及動力工程的相關(guān)概念，然后從煤炭資源和石油資源兩個角度分析在節(jié)能方面存在的不足，最后對我國能源與動力工程節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用進行探究。

關(guān)鍵詞：能源;動力工程;節(jié)能技術(shù)

中圖分類號：TK018文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）13-0142-03

On Energy Saving Technology of Energy and Power Engineering

YANG Shiming

（Hebei Agricultural University，Baoding Hebei 071000）

Abstract： With the rapid development of contemporary society， energy and power engineering have made great contributions， but under the new development concept， the problem of high energy consumption of traditional engineering gradually exposed. Energy saving technology research of energy and power engineering is to fundamentally reduce energy consumption in the process of social operation. In this paper， the related concepts of energy and power engineering were first described， then the shortcomings in energy conservation were analyzed from the perspectives of coal resources and oil resources. Finally， the application of energy conservation technology in energy and power engineering in China was explored.

Keywords： energy;power engineering;energy saving technology

能源和現(xiàn)代科技是社會發(fā)展的核心動力，因此，我國對能源與動力工程的建設(shè)和管理尤為重視。當前，能源短缺已經(jīng)已經(jīng)成為世界性難題，且傳統(tǒng)能源利用率不高，污染物質(zhì)排放量過高，造成不可再生資源大量消耗和環(huán)境污染的雙重難題。因此，在能源與動力工程中研究和應(yīng)用節(jié)能技術(shù)，是降低能源消耗、維持可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

1 能源與動力工程概述

1.1 能源

能源是向自然界提供能量轉(zhuǎn)化的物質(zhì)，是人類活動的物質(zhì)基礎(chǔ)。人類通過探測、開采、加工和使用能源，推動了社會生產(chǎn)力的進步，因此可以說能源是現(xiàn)代社會發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著工業(yè)和科技社會發(fā)展到全新階段，人們越來越意識到，傳統(tǒng)的能源使用方式快要將地球的各類珍貴能源消耗殆盡，同時粗放式的能源開發(fā)模式，也對生態(tài)環(huán)境造成了巨大破壞。無論是從維持社會生產(chǎn)力的角度，還是從保護和拯救大自然的角度，研究節(jié)能技術(shù)都十分有必要。

1.2 動力工程

簡單來說，動力工程就是將開采和加工出來的能源通過能源轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生人類工業(yè)活動所需動力的相關(guān)技術(shù)。在新的歷史時期，動力工程除了要推動生產(chǎn)力進一步發(fā)展，還承擔著提高能源利用率、減少污染物質(zhì)排放的重要任務(wù)[1]。近幾十年來，我國經(jīng)濟發(fā)展迅速，但也付出了自然生態(tài)遭到破壞的代價，積極推動動力工程研究和發(fā)展，是降低社會發(fā)展能源消耗、促進生態(tài)環(huán)境恢復的關(guān)鍵，也是構(gòu)建可持續(xù)社會發(fā)展體系的必然途徑。

1.3 能源與動力工程

具體來講，能源與動力工程的研究，一方面是對傳統(tǒng)能源利用方式進行優(yōu)化，另一方面是尋求新能源。對煤、石油等傳統(tǒng)能源，主要研究方向是提高利用率，降低能源消耗，降低有害物質(zhì)排放;在新能源研究方面，目前在風能、核能等能源的利用方面取得了一定的成就，在太陽能、生物能源方面的研究和實踐也在逐步進行[2]。從動力工程角度來講，研究方向主要是基于對傳統(tǒng)能源及新能源的深入分析，對內(nèi)燃機、發(fā)動機、鍋爐等動力設(shè)備進行改造，以便提升能源利用率，減少能源消耗，降低污染。能源與動力工程是一個綜合工程體系，與國家經(jīng)濟、社會運轉(zhuǎn)和生態(tài)保護息息相關(guān)。

2 傳統(tǒng)能源與動力工程相關(guān)技術(shù)存在的不足

2.1 煤炭資源的應(yīng)用

煤炭是一種經(jīng)典的傳統(tǒng)能源，在我國儲量極高，我國各個地區(qū)都有悠久的煤炭資源利用歷史。在我國近年來的工業(yè)發(fā)展過程中，煤炭成為主要應(yīng)用資源之一，也是我國能源與動力工程的核心資源。但是，煤炭資源的一大弊端就是污染性極強，其硫含量極高。而傳統(tǒng)動力工程對煤炭的使用普遍采用比較粗放的燃燒方式，在能源轉(zhuǎn)化過程中，會產(chǎn)生大量的有毒物質(zhì)，對空氣造成嚴重污染，酸雨就是因煤炭能源的大量使用而產(chǎn)生的典型的不正常的自然現(xiàn)象[3]。

2.2 石油資源的應(yīng)用

石油資源是目前全球最為重要的能源。通過對石油資源的開發(fā)和使用，人類社會在第二次科技革命之后飛速發(fā)展。我國對石油資源的研究和使用十分重視，其推動了工業(yè)和現(xiàn)代科技的發(fā)展。但是，隨著人類社會對石油資源的依賴性越來越強，這種不可再生資源的消耗量不斷增加。隨著石油資源儲量越來越少，人們開始對傳統(tǒng)能源與動力工程的運行方式進行反思，急需改善工藝，研究新能源，以應(yīng)對將來石油資源枯竭的難題。

3 能源與動力工程節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

能源與動力工程節(jié)能技術(shù)的關(guān)鍵在于提升煤炭、石油等傳統(tǒng)能源的利用率，減少因為工藝和管理問題導致的能源浪費問題，同時還需要對可再生、污染性較低的新能源進行研究。能源與動力工程節(jié)能技術(shù)的研究，實際上是為了逐步構(gòu)建一個兼顧社會經(jīng)濟發(fā)展、自然生態(tài)保護的可持續(xù)發(fā)展體系[4]。目前，在我國能源與動力工程研究中，主要有以下幾種典型的節(jié)能技術(shù)。

3.1 空氣壓縮機余熱回收技術(shù)

傳統(tǒng)的能源與動力工程能源系統(tǒng)中，空氣壓縮機是比較常見且關(guān)鍵的設(shè)備，其在系統(tǒng)中承擔轉(zhuǎn)化能源動力的關(guān)鍵任務(wù)?？諝鈮嚎s機的工作原理是空氣通過進氣過濾器將大氣中的灰塵或雜質(zhì)濾除后，由進氣控制閥進入壓縮機主機，在壓縮過程中與噴入的冷卻潤滑油混合，經(jīng)壓縮后的混合氣體從壓縮腔排入油氣分離罐，此時壓縮排出的含油氣體通過碰撞、攔截、重力作用，絕大部分的油介質(zhì)被分離下來，然后進入油氣精分離器進行二次分離，得到含油量很少的壓縮空氣，當空氣被壓縮到規(guī)定的壓力值時，最小壓力閥開啟，排出壓縮空氣到冷卻器進行冷卻，最后送入使用系統(tǒng)。在傳統(tǒng)空氣壓縮機中，所消耗的電能僅有10%轉(zhuǎn)換為壓縮空氣，而90%轉(zhuǎn)化為熱能，而這部分熱能中有一部分會隨著設(shè)備散發(fā)到空氣中，被直接浪費掉。目前，在行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了一種新型的節(jié)能技術(shù)，即空氣壓縮機余熱回收技術(shù)，通過相應(yīng)裝置，可以將部分被浪費的能量回收，然后通過回收系統(tǒng)在水箱中以約60 ℃左右熱水的形式儲存。通過該技術(shù)，可以收集傳統(tǒng)機械系統(tǒng)運行中浪費的熱能并進行二次利用，進一步提高了能源利用率。

3.2 變頻調(diào)速技術(shù)

變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系，通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。作為電能消耗量巨大的設(shè)備，電機在工作過程中也會浪費大量的能源。一方面受傳統(tǒng)工藝制約，設(shè)備在運行中存在摩擦力過大的問題，導致電能消耗量過大;另一方面，多數(shù)電機運行速度可調(diào)控的幅度小，無法根據(jù)相應(yīng)的生產(chǎn)需求靈活調(diào)整能源消耗量。為此，業(yè)界專門開發(fā)了一款變頻調(diào)速技術(shù)，通過靈活調(diào)整電源輸出頻率，不僅能有效降低電機運行過程中的能源消耗，而且有助于降低電機損耗，提高電機使用壽命。目前，我國工業(yè)工程及民用系統(tǒng)中都在逐步普及變頻調(diào)速技術(shù)，提高了電機運行智能化水平，優(yōu)化了能源消耗機制，提高了能源利用率。同時，為了適應(yīng)交流驅(qū)動機在機器人、自動化處理、加工工具、傳輸設(shè)備等方面的綜合運用，變頻調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展，針對復雜的觀測和算法的綜合性控制，持續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)，提高對復雜任務(wù)的同時性處理和對簡單任務(wù)的快速控制。

3.3 流體機械與動力機械的結(jié)合

目前，動力機械是將自然界中的能量轉(zhuǎn)換為機械能而做功的機械裝置;而流體機械是指以流體為工質(zhì)進行能量轉(zhuǎn)換的機械。以流體動力學設(shè)計航空發(fā)動機諸部件為例，采用三維黏性作為設(shè)計的基本原則，尤其是在葉輪機械設(shè)計方面，在二維、準三維設(shè)計以及其他設(shè)計過渡方面學科研究不斷深入，未來的燃氣輪機不僅要結(jié)合熱機動力學的相關(guān)理論和技術(shù)，而且要在能源轉(zhuǎn)化過程中，結(jié)合氣動熱力學對設(shè)計方案進行調(diào)整，使大型設(shè)備及工程的動力需求得到滿足。例如，在我國西氣東輸、南水北調(diào)、三峽工程等國家重大工程中，熱機氣動熱力學和流體機械的結(jié)合，能夠進一步降低系統(tǒng)能耗。同時，結(jié)合動熱力學的能源動力補充能力，在水電動力工程設(shè)計、制造、運營、實驗的過程中，為高級工程技術(shù)提供先進的理論支撐和研究創(chuàng)新。

3.4 新能源技術(shù)

目前，我國新能源技術(shù)的研究和實踐應(yīng)用取得了一定的成就，逐步形成了以風能、潮汐能、太陽能為主體的新能源動力工程體系。其中，風能發(fā)電即利用風力帶動風車轉(zhuǎn)動，通過風車系統(tǒng)中的增速機，提高風車轉(zhuǎn)速，帶動發(fā)電機組產(chǎn)生電能。在我國風力資源比較豐富的內(nèi)蒙古、吉林等地，已經(jīng)建成了多個風力發(fā)電廠，尤其是東北部分地區(qū)，通過風力發(fā)電所產(chǎn)生的電能，替代了大量來自火力發(fā)電廠的電能，在較大程度上降低了煤炭資源消耗，減少了碳排放。數(shù)據(jù)表明，隨著東北地區(qū)風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)逐步形成規(guī)模，該地區(qū)冬季供暖系統(tǒng)所需能源正逐步向清潔化的方向發(fā)展，對持續(xù)改善東北地區(qū)空氣污染問題具有至關(guān)重要的積極意義，但僅僅依靠東北地區(qū)部分風力發(fā)電還難以實現(xiàn)整體技術(shù)水平的發(fā)展，在保證產(chǎn)創(chuàng)結(jié)合的動力探索時，還需要對技術(shù)落后和實驗設(shè)備落后等方面的問題進行研究，保證整體研究水平和產(chǎn)業(yè)建設(shè)的同步性。

4 推動能源與動力技術(shù)的持續(xù)性發(fā)展

4.1 接力國家和社會支持

近年來，隨著能源與動力技術(shù)的不斷發(fā)展，在產(chǎn)能轉(zhuǎn)換技術(shù)方面，動力工程技術(shù)持續(xù)發(fā)展。為了提高能源與動力技術(shù)的應(yīng)用價值，國家和社會各界需要通力合作。首先，國家要為推動能源動力技術(shù)的更新?lián)Q代提供政策支持，并逐步將能源產(chǎn)業(yè)廢物排放、環(huán)境污染等相關(guān)管理內(nèi)容納入國家環(huán)境保護法律體系中;同時，國家要對動力能源產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展提供指導，不斷敦促企業(yè)進行新型能源技術(shù)研發(fā)，逐步向清潔能源方向發(fā)展。其次，鼓勵民間的企業(yè)團體和科學研究所等單位進行通力合作，結(jié)合跨國境、跨地區(qū)的技術(shù)資源合作，加速研究成果的市場化發(fā)展。例如，華科的能源與動力工程學院，與歐美、日本、澳大利亞等國家和地區(qū)的科研機構(gòu)都建立起了長期合作關(guān)系，在機構(gòu)的支持下，學者和專家進行境外的訪學交流，不斷聯(lián)合培養(yǎng)學生，推動了動力能源技術(shù)在國際上交流與合作[5]。為此，國家要對實驗室研究成果及相關(guān)技術(shù)技術(shù)進行獎勵，幫助提高研究和生產(chǎn)之間產(chǎn)能轉(zhuǎn)換的效率。

4.2 推動動力工程被其他行業(yè)借鑒

動力工程與工程熱物理的研究成果，不僅能在能源清潔化方面得到應(yīng)用，還能在熱力發(fā)電、發(fā)動機制造及換熱設(shè)備的制造中進行運用。在研究過程中，能源及動力工程技術(shù)和信息化技術(shù)進行結(jié)合，將會進一步提高應(yīng)用水平。例如，動力工程和電子研究技術(shù)能作為電子技術(shù)進行發(fā)展，在動力工程實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，電子研究技術(shù)能提供數(shù)據(jù)支撐和模擬實驗。尤其是在熱力學技術(shù)研究方面，熱力學和分子模擬領(lǐng)域離不開“熱身理論”的電子化模擬和設(shè)備支持。目前在華東理工大學化學系的研究過程中，已經(jīng)有專門的動力學模型被學術(shù)界廣泛認可，“分子溶液的計算機模擬和分子熱力學模型”重點研究了固液界面區(qū)不同吸附構(gòu)型密度分布、大小和數(shù)量等微觀信息，幫助專項研究取得了較大的條件基礎(chǔ)。除此之外，可再生能源與溫室氣體控制演示等主題能夠為太陽能發(fā)電形式的技術(shù)研究提供支持，并且能為我國和世界都面臨的溫室氣體控制問題提供真實動態(tài)的數(shù)據(jù)參考。

5 結(jié)語

能源和動力工程是維持當代國家經(jīng)濟、社會工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，但該類工程本身對自然資源消耗較大，加上傳統(tǒng)工藝在污染物排放方面存在的不足，導致能源短缺、生態(tài)污染成為一個抑制社會持續(xù)發(fā)展的重要難題。為此，有必要對傳統(tǒng)能源與動力工程應(yīng)用和發(fā)展中存在的不足進行全面分析，通過優(yōu)化傳統(tǒng)能源技術(shù)、開發(fā)新能源的節(jié)能技術(shù)，降低能源消耗、提高能源利用率、減少環(huán)境污染。只有這樣，才能構(gòu)建科學的能源技術(shù)體系，維持社會可持續(xù)發(fā)展。

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收稿日期：2020-04-05

作者簡介：楊世明（1997—），男，本科，研究方向：工程熱物理。