吴仲华教授于20世纪50年代初创立了国际公认的叶轮机械三元流动理论，后又倡议创立研究热、能、功的转换与利用的基本物理规律的工程热物理学科。现在，这两者已成为能源动力科学技术发展的主要理论支撑，也是他留给世界的宝贵理论遗产。正如国际著名科学家田长霖先生所说：“吴仲华先生一生对科学的主要贡献有两个，一是创立叶轮机械三元流动理论，这已经是举世公认的了；另一是他提出了工程热物理学科，这一点还没有被充分认识，但它的意义随着时间的推移，会日益显现。”其实，还有一个没有被充分认识的理论遗产，应该就是他的“能的梯级利用与总能系统”思想。值此吴先生诞辰100周年之际，梳理、阐明总能系统的概念、内涵及其最新的发展，具有特殊的意义也可有助于总能系统思想为国家实现节能减排和强国强军梦发挥更大的作用。
一、总能系统的概念与内涵
每一代能源技术和动力机械的兴起，都推动了人类社会生产和科学技术的发展。18世纪蒸汽机的出现，使人类找到将化石能源转化为功的办法来承担人类体力难以胜任的劳动，开始了现代生产活动的新纪元，带动了第一次产业革命与资本主义的成长，也推动能源动力科学研究的全面展开；石油资源的发现，开拓了能源利用的新时代，又推动了内燃机、燃气轮机与汽轮机的发展，为现代交通和电气化创造了条件。一百多年以来，热机学者们都是遵循经典卡诺定理理论来开展相关研究，主要研究热能转换为机械能的规律和方法以及使热机更有效地将热能转化为功的途径。但是，仅依靠简单循环构建热力系统的方法，越来越不能适应发展的需要，同时继续提高循环效率的难度也越来越大，低能耗控制污染更是无能为力。
上世纪八十年代初，在对能源利用的核心科学问题进行全面深入的梳理与总结后，吴先生提出了基于热能品位概念的“温度对口、梯级利用”理念，作为普遍适用的热能利用原理，对能源动力的发展应用具有重要意义。他通过归纳各种能源经过各种设备转化为不同形式的能的情况，认为在开发利用能源时，要认真比较各种能源的优缺点，对各种能源的品质加以综合考虑；现代科学技术的发展将为较大幅度地提高能源利用率提供可能性和多样性，但都必须重视基于能的品位概念的梯级利用理念。
1988年，吴先生主编撰写了《能的梯级利用与燃气轮机总能系统》专著，对能的梯级利用与总能系统进一步做了全面阐述。首先，他从能量转化的基本定律出发，阐述总能系统中能的综合梯级利用与品位概念，提出了著名的“分配得当、各得其所、温度对口、梯级利用”原理，包括：（1）通过热机把能源最有效地转化成机械能时，基于热源品位概念的“温度对口、梯级利用”原则；（2）把热机发电和余热利用或供热联合时，大幅度提高能源利用率的“功热并供的梯级利用”原则；（3）把高温下使用的热机与中低温下工作的热机有机联合时，“联合循环的梯级利用”原则等。
总能系统是近年来提倡的高效合理的能源利用系统，它是一种根据“能的梯级利用”原理来提高能源利用水平的能量系统及其相应的概念与方法。“温度对口、梯级利用”的热力系统，通常被称为总能系统（狭义）。吴先生给它下这样定义：总的安排好功（电）与热的能源利用，而不仅是着眼于提高单一生产过程或工艺的能源利用率。从能源科技发展角度看，能源动力系统的发展研究可分为三个阶段或层面：第一代基本上在单一热力循环的热力系统层面，即简单的热力系统形式，以热力学第一定律为基础，追求更高的总能利用率；第二代是基于第二定律，注意到能的品位和与梯级利用，开始提出总能系统概念，不过还局限于热工领域，为狭义或传统的总能系统；第三代则是在可持续发展的大背景下全面发展的广义总能系统，即多领域学科交叉渗透、多能源与多输出一体化的多功能能源系统，为新世纪能源动力系统发展的主流方向和前沿。
现在，能的梯级利用原理已成为能源动力系统集成开拓的关键核心科学问题，基于它集成的总能系统则成为能源科学发展的主流思想，对能源科学技术和能源学科、乃至国民经济发展都产生了巨大而深远的影响。
二、能的梯级利用原理与总能系统思想的战略作用
吴先生高瞻远瞩地预测了世界能源动力发展的趋势和前景，从总能系统的基本概念出发，提出把燃气轮机和其他用能系统关联起来，综合考虑能源的综合梯级利用，组成总能系统。他侧重阐述了燃气轮机总能系统的概念及其基本组合形式，以及他们大幅度提高能源利用率的能力，把燃气轮机的发展应用提高到系统高度，形成崭新的系统节能的科学用能思想。进而从“能的梯级利用与总能系统”思想的视野，率先提出对我国乃至世界经济发展都有重大影响的若干总能系统研究方向：烧天然气的大型联合循环，燃煤整体煤气化联合循环（IGCC）与流化床燃煤流化循环（PFBCC），三联产（电、热、燃料气），多联产（电、热、燃料气、化工产品）等。
为了推动这些与国家发展密切相关的重大能源技术尽快发展，吴先生殚精竭虑、四处奔波。1980年，吴先生在中共中央书记处作了题为《中国的能源问题及其依靠科学技术解决的途径》的报告。他不顾年事已高，多次深入大庆、辽河等油田现场调研，建议推广应用燃气轮机总能系统（如注蒸汽燃气轮机发电供热装置等）。他亲自牵头承担国家攻关项目(北京燕山石化公司东方红炼油厂燃气蒸汽联合循环发电供热试验装置)，按照他提出的“能的梯级利用”原理确定了联合循环总体技术方案。他还最早认识到洁净煤发电技术对我国的重要性， 20世纪80年代初就提出一个我国发展燃煤联合循环的“双管齐下”方针：一方面在能够烧气和烧油的地方，先发展烧气烧油的联合循环装置，以取得实际经验，也为使用者节能；另一方面要大力研究各种在燃气轮机中烧煤的方法。在两者都取得成绩以后，合起来就可以得到适合我国国情的高效率、低污染、少用水的烧煤联合循环装置了。在最后与病魔斗争的岁月里，他还一直念念不忘向国家建议发展IGCC洁净煤发电技术，于1990年和1992年分别向邹家华副总理、胡启恒副院长和其他有关领导提交“在我国发展IGCC的建议”，希望在我国能早日实现IGCC示范项目。
吴先生的科学眼光敏锐而深远，清晰地洞察着科技前沿，早在上世纪80年代初就已准确地预见到新世纪第三代可持续发展的能源动力科技发展趋势与远景。那时，他所建议的许多研究方向都已跨进第三代能源动力系统概念范畴，并以不同形式列入我国各时期国家能源领域的科技规划和计划中，且与世界上诸多国家的重大科学技术发展计划有许多惊人相似之处，如美国的洁净煤技术计划（CCT）、21世纪远景计划（Vision21）和FutureGen项目以及先进透平动力系统项目（ATS），美国和欧洲联合执行的先进燃气轮机合作计划（CAGT），欧盟的FP6计划和尤里卡计划，以及日本的“月光计划”与“日光计划”国家项目等。
能的梯级利用原理与总能系统思想的提出和发展，30余年间为燃气轮机总能系统、燃气蒸汽联合循环、IGCC与多联产、分布式能源系统等我国能源系统的发展提供了理论指导。现在，能的综合梯级利用原理已成为能源动力系统集成开拓的关键核心科学问题，总能系统已成为能源利用领域科学发展的主流思想，对能源科学技术和能源学科、乃至国民经济发展都产生了巨大而深远的影响。世界能源动力系统的开拓发展正是按照这个思路蓬勃展开，而我国许多科学和技术发展规划中能源领域的具体内容与发展思路，都可看到这个科学用能思想的影响。
2005年6月，由中国工程热物理学会、中国节能投资公司在北京联合主办了“科学用能——构建节约型社会论坛”。中国科学界百名能源领域院士专家在《科学用能——建立“和谐社会”的重要保障》倡议书上签名，呼吁实施全国科学用能战略，开展多层次的节能和全方位的科学用能宣传教育活动，以及针对共性科技问题，加强基础研究、注意引进国外先进的节能技术，尽早消化、吸收和国产化等具体措施。倡议书指出“科学用能”，重点强调“科学技术是第一生产力”，依靠科学进步与技术创新，通过“分配得当、各得所需、温度对口、梯级利用”的方式，不断提高能源及各种资源的综合利用效率，降低环境资源代价。“科学用能”是基于总能系统概念，从能的梯级利用、清洁生产、资源再循环等基本科学原理出发，强调依靠科学技术来节能和提高能源利用率，旨在全面、切实推进能源系统的可持续发展。
在2006年国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要 （2006━2020年）》中，能源位居11个重点领域之首，工业节能位于62个优先主题之首，其中明确提出发展“能源梯级综合利用技术”，分布式供能技术作为能源梯级利用总能系统的重要代表，被列为能源领域四项前沿技术之一。此后，“能的梯级利用”作为关键词，频繁出现在国家和各部们陆续出台的行业指导性文件中。能源局等四部委联合印发的《关于发展天然气分布式能源的指导意见》（发改能源〔2011〕2196号）文件中，指出分布式能源通过冷热电三联供等方式实现能源的梯级利用，综合能源利用效率在70%以上。随后出台的《天然气分布式能源示范项目实施细则》（发改能源〔2014〕2382号）要求分布式能源做到“能源利用充分：高能高用，低能低用，温度对口，梯级利用”。《中国能源发展“十二五”规划》（国发〔2013〕2号）中关于“推进能源高效清洁转化”方面指出“立足资源优势，依靠科技创新，加快推进燃煤发电、炼油化工技术进步和产业升级，探索煤炭分质转化、梯级利用的有效途径，提高能源加工转化效率和清洁化利用水平”。对煤炭深加工，要求按照能量梯级利用、节水降耗、绿色低碳等要求，完善核心技术和工艺路线，稳步开展升级示范。在国务院《关于加快发展节能环保产业的意见》（国发〔2013〕30号）文件中，提出要实现“能源高效和分质梯级利用、污染物防治和安全处置、资源回收和循环利用等关键核心技术研发取得重点突破”。“十三五”期间，总能系统理论体系将得到进一步发展，如已经启动的国家重点研发项目“基于能的综合梯级利用的分布式供能系统”将在多能互补、品位耦合等方面进一步丰富和发展能源综合梯级利用的总能系统思想。“能的综合梯级利用”这一总能系统的核心内容已经成为我国能源利用的指导原则。
三、总能系统思想的继承与发展
长期以来，能源动力系统存在能源利用效率低和环境污染严重的重大弊病，有关研究囿于工程热物理学范畴，侧重于热力循环。面对能源与环境交叉融合的发展需要，以及可再生能源利用和温室气体控制等新的研究方向，传统能源科学理论已难以适应，常规的能源转换利用模式与方法急需变革，领域学科交叉的新理论体系亟待创建。
吴先生以科学大师特有的远见卓识，开拓了我国能源科学研究的新局面。为了全面深入地研究总能系统，他组建了联合循环课题组。三十多年来，科研组承担完成了数十项国家级重要科研项目，继承和发展了总能系统思想，在燃料化学能梯级利用、分布式能源系统、可再生能源利用、能源动力系统温室气体控制等方面都做出了系统性、创造性的成果。
1. 燃料化学能与物理能综合梯级利用原理
传统的热力循环卡诺定理仅描述了燃烧释放的热能转化为功的理论，没有涉及到燃烧或燃料转化过程中的化学反应做功能力（Gibbs自由能）的有效利用问题。能源动力系统的直接燃烧过程中，燃料化学能的品位直接降低为热能的品位，导致化学反应做功能力的损失过大，也就是说燃料化学能做功能力尚未实现梯级利用。研究团队揭示了燃料化学能的梯级利用机理，即燃料先作为原料适度转化（不是全转化）为二次燃料或化工产品，难以转化的组分再燃烧，依据能的品位高低有序地利用燃料化学能，从而降低燃料化学能释放的不可逆损失。这种燃料先转化再燃烧的方式可以实现燃料化学能的梯级释放。研究团队首次建立了燃料品位关联式，得出燃料化学能、反应最大做功能力以及热能三种能的基本品位之间的普适性关系式。该研究明确指出，燃料化学能的转化利用与Gibbs自由能品位和热能品位间的相互作用是密切相关的。这一定理突破了热力循环理论框架，揭示了燃料化学能做功能力梯级利用的潜力与规律。在此基础上，建立了燃料化学能与物理能综合梯级利用原理，其具体内涵：（1）能的综合梯级利用基本原则。依据燃料化学反应可用能品位的高低，燃料转化将化学能逐级、有序转化释放，然后进行燃烧与热能梯级利用。对燃料化学能转化、释放本质提出了新认识。（2）能的品位变化分析法。关注能量转化过程与过程之间的能的品位变化关联关系，揭示品位之间相互作用规律，克服了传统热力学“火用平衡方法”不能深层次剖析不可逆损失本质的局限性。（3）燃料化学能的逐级、定向释放机理。基于燃料品位定理，得出燃料转化反应不可逆损失减小与热力循环做功增加的相互关系表达式，揭示出燃料转化反应可用能品位降低与热能品位提升的燃料化学能释放机制，即通过“燃烧前热化学反应”与“燃烧后热力循环”耦合，以解决传统燃烧过程中燃料化学能不可逆损失过大的难题。新原理是对传统热能利用理论的突破，近年来已成为工程热物理学科发展的前沿热点。
2. 可再生能源利用
基于总能系统理论和品位分析方法，对聚光太阳能的能势进行了探索。突破了迄今广泛使用的聚光太阳能集热品位与作功能力理论，从理想黑体模型出发，建立了聚光太阳能能势与理想能力的热力学关系，包括聚光光源的理想温度、聚光光源的最大作功能力，并进一步确定了聚光太阳能的能势。在这一理论的指导下，明确建立了能势与光热转化不可逆性关联关系的表达式，揭示了聚光太阳能与集热的能势差是光转热不可逆损失的主要原因；进而发现随着聚光比的变化，系统的不可逆性出现拐点，其对应的聚光比很好地对应槽式集热与塔式集热的分界点，从而揭示了塔式聚光的不可逆性大于槽式聚光，为发展中低温太阳能热化学发电提供了重要的理论依据。研究团队提出了光煤互补系统优化集成及镜场主动调控优化运行方法，建立了300kWt抛物槽式广角跟踪主动调控太阳能聚光集热平台，实现集热温度范围200℃～390℃，年均集热效率达55%，高于国际现有水平5个百分点。
3. 多能互补的分布式能源系统
基于能的综合梯级利用理论，研究化石燃料与聚光太阳能等多种能源的品位特性表征，建立了吉布斯自由能能势与化石燃料能势、可再生能源能势的作用关系式，为突破目前分布式能源系统不可逆损失大、可再生能源比例低、变工况性能差等关键问题打下了理论基础。研究了天然气、甲醇等清洁燃料与中温太阳能热化学耦合方法，实验揭示了化石能源与太阳能的热化学互补机理，建成百kW级太阳能热化学互补发电系统，验证了基于太阳能热化学的分布式能源系统集成方法；该技术发电功率范围为10kW至MW级，一次能源利用率达80%以上，太阳能所占份额15－20%，太阳能净发电效率达20%以上（高于常规槽式太阳能热发电技术效率5个百分点）。研究团队已建成国家能源分布式能源技术研发中心系统研发平台、“分布式冷热电联供系统”北京市重点实验室等高水平研发平台，主持了分布式能源国家标准体系建设，制定了我国首部分布式能源行业的国家标准。
4. 能源动力系统温室气体控制
基于燃料化学能梯级利用原理，围绕煤炭碳氢组分分级气化技术、化学链燃烧、低能耗CO2捕集技术和多联产技术，开展机理、实验及系统集成研究。为解决低能耗CO2减排的难题，探索了化学能梯级利用与CO2捕集的协同机制。将原料中能够低能耗转化的组分先适度转化为化工产品，而难以转化的组分（未反应气）再作为发电燃料，突破了化工工业遵循了近一个世纪的追求完全转化的生产方式。在此基础上，发明了能的梯级利用与CO2富集一体化方法，提出了替代燃料生产与CO2捕集一体化的化工动力多联产系统，以及革新性的无火焰化学链燃烧与CO2分离一体化的发电系统，可以实现零能耗CO2减排。从燃料转化的源头出发，将化学能梯级利用与CO2的富集有机结合，建立了CO2一体化控制原理。基于我国国情，初步提出了适合中国的温室气体控制技术路线图，明确了适合我国的温室气体控制技术路线的节能与减排潜力，有望每年节约数亿吨标煤与数千亿美元的经济代价。研究成果为我国的能源环境可持续发展与低碳技术的发展提供了科学依据。以上成果为我国急需发展的多能互补分布式供能、多联产系统、太阳能热动力系统以及CO2零排放等能源技术发展提供了重要理论支撑，为我国节能减排的重大能源需求提供了关键理论指导，在相当程度上提高了我国能源科学领域的自主创新能力。总能系统在自身理论和内涵得到发展和丰富的同时，也在我国能源利用领域发挥着日益重要的指导作用。
2004年出版的《能的综合梯级利用与燃气轮机总能系统》百万字学术专著，就是他组建的科研组研究成果的总结和学术沉淀。该书不仅对能的综合梯级利用思想与燃气轮机总能系统做了系统的诠释，而且对多能源互补和多功能综合的系统集成理论、系统建模与分析方法、系统特性规律以及新系统开拓等方面的研究进展做了更加全面的总结，同时也归纳了能的品位概念及热力学学科的发展。该书是目前为止最为全面深入地阐述燃气轮机总能系统及其集成理论的专著。荣获的国家自然科学奖和这部百万字学术专著，是献给吴先生的礼物。
吴先生留给世人的理论遗产和精神遗产无比珍贵。在他100周年诞辰之际，我们不会忘记他将毕生精力献给祖国和人类能源动力事业的丰功伟绩，吴先生的爱国情怀和执着的事业心将永远激励着从事能源动力事业的广大科技人员砥砺奋进！
作者简介：金红光，1957年生，中国科学院院士，吉林省长春市人。长期从事总能系统理论基础研究。中国科学院工程热物理研究所研究员、学术委员会主任、博士生导师，“国家杰出青年基金”获得者，973首席科学家，荣获2009年国家自然科学二等奖（能源动力系统中能的综合梯级利用和CO2控制原理与方法）。系吴仲华先生的门人弟子和后期助手，是他组建的总能系统联合循环科研组的主要成员、第三任组长。
