An Introduction to Energy and Power Engineering--Energy and Power Engineering
a preliminary understanding of energy and power engineering
abstract : To clarify what energy and power engineering does, what does it solve, and what does it do, the author combines the course content and some materials, and thus obtains some understanding of the major.
keywords: Energy and Power Engineering,energy,professional introduction
引言
人类社会自诞生以来就依赖着能源、动力来生存发展。能源，亦称能量资源或能源资源，是可以产生各种能量或各种可做工物质的资源的统称；动力，则是为之机械提供的可以用于做功的一切作用力[1]。能源与动力工程主要是关于能源有效开发与充分利用的学科。能源与动力工程专业作为一门传统工科专业，主要包含直接取得或者通过加工、转换而取得有用性的各种资源的能源方面，以及研究如何将各种能源转化为我们需要的力量的动力方面。总体上看，能源与动力作为对发展起基础作用的重要因素是我们必须面临的重大问题和历史难题。
⒈历史的回顾
人类利用能源主要分为几个阶段：柴草能源阶段、煤炭能源阶段、石油能源阶段、多元化新能源阶段[2]。整体上呈现出资源消耗量日益增加、资源开发难度日益加大的特点。尤其是工业革命以后带来的对能源的巨大需求，使得能源供给压力空前巨大。
⒈⒈柴草能源阶段
这一时期是能源与动力与人类社会结合的初期，人们对能源的利用和对动力的获取十分原始，主要是通过燃烧各种树木、树枝、杂草来满足烤制食物、驱寒取暖、驱赶野兽等基本需求。这一时期，人们从自然界获取了最初级的燃料，也通过自身活动影响第一次较大程度地改变了自然面貌。
⒉煤炭能源阶段
约1760年，由于政治上的民主化、经济上的资本主义化，各种创新极大地推动了欧洲社会面貌的改变（当然，由于历史原因，这种改变只首先地产生在了欧洲，尤其是英国），这一时期农业向规模化发展，城镇化速度极大提升，生产经营方式在自由市场中形成了新形态。人们对能源、动力的需求上升到了新高度。人们对各种机械不断改进，直到瓦特改进完善了蒸汽机，为人们提供了一种通用的、强劲的动力。尽管能源利用效率不高，但蒸汽机的广泛运用推动煤炭能源的大规模开发利用，是人类能源动力史上的重要进步。
⒈⒊石油能源阶段
石油能源的大规模运用始于第二次工业革命，内燃机发明、石油化工业的发展极大促进了石油能源开发与利用。这种新型的能源更加强劲，很快得到了大规模运用，进一步促进了生产力发展。在一定程度上，石油改变了世界格局，催生了新一轮变革（如美国崛起，战争形态改变等）。
⒈⒋多元化新能源阶段
从上世纪中叶，人们愈发认识到使用传统能源的危害，其负面影响愈发不可接受。人们开始寻找各种途径上的新能源。主要包括核能、水能、太阳能、核能、地热能、海洋能、生物质能等。各种新能源的开发一定程度上缓解了传统能源带来的问题，但是其运用规模和范围仍然受限。
⒈⒌能源危机与中国的能源现状
根据热力学定律（热力学第一定律、热力学第二定律），能量转换是有方向性的，已利用的能量不仅无法回收再利用，还会对社会系统整体产生一系列负面影响，也影响到了人均能源占有、分配。同时，人们开发能源也要付出一定代价，也由于发展水平不同，人们开发利用能源的能力不同，导致能源分配不均。以上因素在其他一系列因素加持下，造成了能源危机。
图1. 我国近年能源消费情况
当然，毫不例外，中国也面临同样的问题。经历了四十余年高速工业化发展，动力问题是我们无时无刻面临的问题，对能源的需求与日俱增，我们面临着环境污染、能源枯竭、生态恶化等一系列问题，这已经是满足人民日益增长的美好生活需要的障碍。解决好能源与动力的问题，对我国经济社会发展具有重要意义。
⒉能源与动力工程应用
能源与动力工程应用主要指在社会各个领域该专业的具体应用，以具体产品为例阐述该问题。
⒉⒈内燃机
作为一种把化学能转化为机械能的热机，内燃机包括往复活塞发动机、旋转活塞式发动机、自由活塞式发动机、旋转叶轮式燃气机、喷气发动机等。一般以石油能源（化石能源）为燃料产生动力。不同的需求、环境要求有不同的内燃机形式。以德国MTU2000系列舰用柴油发动机为例，它不仅能够高效利用燃料并持续输出1500匹马力的动力[3]，还能够长时间持续工作。
图2. 德国MTU2000柴油机
数据
MTU 2000
specifications
horsepower
1200 or 1500
Operating Range (rpm)
600 to 1500
Displacement
22 liters
Cylinder Block Configuration
V-8 or V-10
Weight
1022 lbs.
Bore x Stroke
5.1"×5.3"
它提供的动力是全球航运、经济联通的基础。内燃机能够这种机械工作环境差，可靠性高，其提供的动力支撑起了运输、化工、制造等多个行业，也串联起了人类社会，为我们的发展进步做出贡献。
⒉⒉蒸汽轮机
这是一种以蒸汽做工的旋转式热力原动机，具有功率大、效率高、结构简单、维护性高、运行稳定性强等一系列优点[4]。汽轮机的主要元件是喷嘴与动叶，其中，蒸汽通过喷嘴，压力下降并膨胀为高速气流，冲击叶片，推动叶片开始转动而做功。
图3. 汽轮机转子
表-2 蒸汽轮机分类
分类方式\名称
按工作原理：
冲动式汽轮机、*动反**式汽轮机
按所具级数：
单级汽轮机、多级汽轮机
按蒸汽流向：
轴流式汽轮机、辐流式汽轮机、周流式汽轮机
按热力特征：
凝汽式汽轮机、抽汽背压式汽轮机、背压式汽轮机
按用途：
电站汽轮机、工业汽轮机、船用汽轮机
按进汽气压：
低压汽轮机、中压汽轮机、次高压汽轮机、高压汽轮机
按转速：
低速汽轮机、中速汽轮机、高速汽轮机
由上表可以看到，蒸汽轮机有着丰富的种类，可以满足各领域不同动力需求，是一种通用的可靠动力机械。
⒉⒊电站锅炉
电站锅炉是发电厂中向汽轮机提供规定数量和质量蒸汽的大型锅炉[5]。通常与汽轮机发电机组配套使用。
图4. 锅炉燃烧系统流程
通过对锅炉技术的改革创新，我们可以尽可能的提高其能源利用效率，进而节约能源。这对一个地区内人民生活水平的提高至关重要。
⒉⒋其他
其他能源与动力工程应用还有燃气轮机、发电厂等。燃气轮机是一种以流动气体为工质、以高速气流推动扇叶转动做功的内燃式动力机械。燃气轮机是⒉⒈中内燃机的一种。发电厂（指火力发电厂）是利用燃料产生电能的工厂，包括汽水系统、燃烧系统、发电系统，与前文⒉⒊部分重合，原理就是煤炭燃烧产热使锅炉中产生高压蒸汽，蒸汽转化为机械能并带动机组发电。这是关系百姓生计的重要资源。
同时，能源与动力工程不仅关心已有的工程应用形式，还在进一步开发利用新型能源、寻找新的能源利用形式。不仅在改进已有技术（提高效率、降低能耗等），还在积极的开发利用新的、具有革命性的技术。
⒊能源与动力工程的社会影响
⒊⒈民用领域
能源与动力工程主要与经济、政治相互交融。经济上，能源与动力工程的科学研究和工程应用为经济发展提供了动力，能源是人们赖以生活的基础，在经济活动中，货客运输、商品集散、贸易活动等无不需要动力机械推动其正常运转；任何商品的生产制造也都需要消耗一定的能源，也需要一定的动力机械提供必须的动力。在政治活动中，新一轮科技和产业革命背景下，在能源与动力领域的争夺甚至能够决定一个国家的命运。1973年10月，第四次中东战争爆发，阿拉伯国家要求西方国家改变支持以色列的政策，并以石油为*器武**对支持以色列的西方国家进行打击——OPEC成员国中的阿拉伯国家宣布收回石油标价权[6]，最终引发资本主义阵营的经济震荡，改变了冷战中的局部政治格局。能源与动力在经济与政治中的作用不仅如此，争夺动力技术高地的斗争愈演愈烈，谁能创新创造出更先进的能源与动力技术，谁就能占据经济政治斗争主动权，甚至能赢得国际竞争的胜利。
⒊⒉*用军**领域
能源与动力工程在军事领域主要与两个方面有关：战争、军事斗争准备。这两个方面在时间与空间上是连续的。无论是飞机大炮、装甲战车、海面舰艇，任何装备都有动力模块，装备在战场上的正常运转的前提是有着充沛的动力。比如，在今年的俄乌冲突中，我们可以看到许多装备因为故障、战损等原因失去动力无法移动，这种失去了机动性的装备最终只能被遗弃于战场。同时，战争后勤与军事斗争准备过程中也是要耗费能源来提供动力。能源与动力始终是与国防建设紧密相连的。甚至，能源与动力甚至可以成为战争手段，在一定时期内压制对手。由此可知，能源、动力也是是重要的军事资源，持续地影响着诸多军事活动。
⒋结语
能源与动力工程与社会生活紧密相连，其专业研究不仅解决了我们日常生活中的已有的能源与动力问题，更能够通过其专业知识与各种其他学科结合，为解决能源危机、应对系列未来挑战提供解决方案。
本文是结合课程内容与各种资料写成的，是个人对专业的一些认识，具有主观性，而且受个人水平有限的影响表述不够全面。
参考文献：
[1] 潘小勇. 能源与动力工程概论[M]. 江西高校出版社，2019年10月.1-3.
[2] 潘小勇. 能源与动力工程概论[M]. 江西高校出版社，2019年10月.4-6.
[3] 互联网. An Overview of MTU's 2000 Series of Common Rail Marine Diesel Motors[EB].https://marineenginedigest.com/profiles/mtu/mtu2000.htm，2022年10月.
[4] 潘小勇. 能源与动力工程概论[M]. 江西高校出版社，2019年10月.179-180.
[5] 潘小勇. 能源与动力工程概论[M]. 江西高校出版社，2019年10月.238-240.
[6]《能源》编辑部.战争与能源[Z].《能源》编辑部，2022年4月15日.