3能源有效利用的分析方法

能源经济基础主讲老师：龙妍能源与动力工程学院三、能源有效利用的分析方法3-1能源系统分析方法的发展历程3-2能源有效利用的评价指标3-3热平衡分析法3-4火用分析法3-5火用经济分析法2011-12-213/49‡能源有效利用是能源工程的核心，也是能源技术经济分析中“技术”部分的最重要的内容。2011-12-214/493-1能源系统分析方法的发展历程‡能源系统是个典型的复合系统——„自然系统：涉及各种自然的能源系统（如煤炭、石油、风力、太阳能、潮汐等）；„人工系统：大量人类活动（能源开采、加工，运输、转换和利用）以及这些活动对自然环境的影响。2011-12-215/49‡能源系统的每个环节是由国民经济的若干部门组成：„能源运输环节涉及铁路、公路、水运等交通运输部门；„物质管理部门，电力输送部门等。‡各个环节彼此制约和互相影响而形成一个复杂的整体，起着为国民经济发展和人民生活需要提供能量和原料等物质基础的作用。2011-12-216/49‡由此可见，能源系统属于社会经济大系统中的一个子系统，并且是个直接把握经济命脉的重要子系统。2011-12-217/49‡我国的能源问题：„能源资源相对匮乏；„能耗水平高，能源利用率低下；„环境污染非常严重。——我国当前一项极为紧迫的任务应该是各种能源系统的节能降耗。2011-12-218/49‡如何使得能源系统达到节能、经济和环保的目标？„选择合理的系统评价方法，准确定位系统的症结所在，找到节约能源、提高能源利用效率的最好办法。2011-12-219/49‡自工业革命以来，人类所建立的各种能量系统一般都伴随着各种形式的热功转换，热能在能量转换过程中占有非常重要的地位，因此，能量系统的分析方法主要基于热力学的各种定律。‡目前主要有三类基于热力学各种定律的评价能量系统的方法。2011-12-2110/49‡(1)以热力学第一定律为基础的能量平衡分析法。„简单易行，在国内外已经发展成熟，并且广泛应用于实际工程的分析评价之中。„但是，该方法只是建立在“量”的守恒上，而忽视了能量品质的变化，因而在系统分析中常常忽视各种不可逆性造成的损失，而无法正确分析系统节能和优化的潜力。2011-12-2111/49‡(2)综合运用热力学第一定律和第二定律，在西方国家称之为“热力学第二定律分析法”。„火用分析法„熵分析法„能级分析法2011-12-2112/49‡“热力学第二定律分析法”能够分析、量化生产过程中的不可逆损失，辨识系统中不可逆损失的原因以及产生的部位。„其中火用分析法的发展尤为突出。‡火用分析法是以火用效率为评价准则，既可以作系统分析，又可以作优化综合，目前已广泛应用于能源有效利用和节能分析工作中。2011-12-2113/49蒸汽电站的能量损失与火用损失对比•与热力学第一定律相比，利用第二定律分析能够准确辨识导致系统能量降等的原因。2011-12-2114/49‡但是，火用方法在对复杂能量系统进行节能分析和优化改造时，会产生一些工程中不容许的误差或出现“节能不省钱”等局限性。2011-12-2115/49‡(3)将热力学分析与经济因素统一考虑的火用(热)经济学分析法(Thermoeconomy)。„该方法融合了热力学、工程经济学、系统工程、最优化技术以及决策理论等基本思想，同时考虑能量的“质”和“量”，并将系统中的火用流价格化，来追求经济效益的最佳效果。„尤其是在对复杂能量系统的分析、优化、诊断、改进以及设计中，火用经济学的技术优势非常明显，是分析优化工程系统的强力工具。2011-12-2116/493-2能源有效利用的评价指标(一)能源消费系数‡从宏观上评价能源有效利用的优劣，采用能源消费系数。‡定义：某一年或某一时期，为实现国民经济产值平均消耗的能源量。ME=能源消费系数能源消费量/kg标准煤/油同期国民生产总值/美元2011-12-2117/49(二)能源利用效率(η)％）供给能量损失能量－％＝（供给能量有效利用能量100×1100×=η)按单位产品能耗计算（）)按部门能耗计算（）)按某种用途的能耗计算（）)按能源开发到利用的能耗计算（总的能源利用效率）tηdηpηη2011-12-2118/49(三)用能效益‡从价值工程的观点，用能效益相当于价值。„不论产品的功能和能耗是增加还是减小，只要用能效益提高即可。„以节能为例，用能效益就是节能效益。产品消耗产品功能用能效益=2011-12-2119/49‡为此，根据产品功能和能耗改变情况，有以下几种节能类型：„功能不变，能耗降低，称为纯节能型„功能提高，能耗不变，称为增值节能„功能提高，能耗降低，称为理想节能„功能大量提高，能耗略有提高，称为相对节能„功能略有降低，能耗大量降低，称为简单节能„功能或提高或不变或降低，但能耗为零，称为零点节能（超理想节能）。2011-12-2120/493-3热平衡分析法‡热力学第一定律是在卡诺和克劳修斯所奠定的基础上，经过长期运用于正向循环和逆向循环分析所形成的传统方法。‡它利用系统能平衡概念来分析和完善所分析的系统，可以进行各项技术、经济指标计算并评估它们的完善程度。2011-12-2121/49‡能量平衡法是依据热力学第一定律，采用所谓“黑箱方法”，对指定时期内，对某一能量利用装置（或系统）考察其收入的能量和支出能量的数量上的平衡关系进行考察，以定量分析用能的情况，为提高能量利用水平提供依据。输入能量=输出能量+体系内能量的变化2011-12-2122/49‡目的：对考察对象的用能完善程度作出评价，对能量损失程度和原因作出判断，对节能的潜力及影响因素作出估计。‡这种方法简单，是多年来工厂企业普遍采用的方法。2011-12-2123/49‡能量平衡既包括一次能源和二次能源所提供的能量，也包括工质和物料所携带的能量，以及在工艺过程、发电、动力、照明、物质输送等能源转换和传输过程的各项能量收支。2011-12-2124/49‡由于热能往往是能量利用中的主要形式，因此，在考察系统的能量平衡时，通常将其它各种形式的能量（如电能、机械能、辐射能等）都折算成等价热能，并以热能为基础来进行能量平衡的计算，因此往往又将能量平衡称之为热平衡。2011-12-2125/49‡做法：„确定热平衡分析的范围„根据热力学第一定律对所选定范围进行热平衡测试‡输入体系的能量＝体系输出的能量+体系贮存能量的增量‡对连续稳定的过程或周期性过程（周期循环的规律不变且以周期为单位），内部贮存能量不变，故有输入体系的能量＝由体系输出的能量„热平衡测试时不能有漏计、重计和错计等错误„热平衡测试结果用表格或热流图反映，以便于分析„分析的重点是各种损失能量的去向、比重，以便采取措施减小损失。2011-12-2126/49‡测试结果表示方式：„能源平衡表„能流图„能流网络图2011-12-2127/49典型的热平衡系统2011-12-2128/49‡当能量平衡分析具体应用于设备和装置时，成为设备的能量平衡。„着眼于设备单元的能量收支分析‡应用于车间、企业时则称之为企业能量平衡。„以企业为基本单位，着眼于企业整体能量利用的综合平衡分析。2011-12-2129/493-4火用分析法‡热平衡法的不足之处：„热平衡只能反映系统的外部损失（如排烟、散热损失等），而不能揭示能量转换和利用过程的内部损失（不可逆损失）„只能反映能量在量方面的守恒，而不能反映能量在质方面的贬值。2011-12-2130/49‡火用分析法正是从“质”和“量”两方面来综合评价能源系统的新方法。‡火用分析法的基本原理是利用热力学势的方法评价系统中任意点上的物流与能流的做功性能，以对平衡状态（基准态）的偏离程度作为火用，或者作功能力的度量。2011-12-2131/49‡通过火用分析可以更深刻、更本质地认识能量系统的薄弱环节，从而更加合理地安排用能过程。‡因为火用是能量价值的一种理论量度，所以在评价能量的价值方面，“火用”的概念要比“能”更科学、更全面。2011-12-2132/49‡从转换的角度，可以把能量分为“火用”（Exergie）和“火无”（Anergie）。„“火用”称为可用能或有效能„“火无”称为无用能或无效能2011-12-2133/49‡能量＝火用＋火无，即E＝Ex＋An„对无限转换能（高质能），全部为火用，即E＝Ex，An＝0„对有限转换能（低质能），ExE，An0„对非转换能（废能），Ex＝0，E＝An2011-12-2134/493-5火用经济分析法‡火用分析方法在能量有效利用和节能分析工作发挥着很大的作用，它可以对系统能量和能质利用进行科学评价，给出技术上的最优方案，提供技术决策的科学依据。‡但是从工程经济学的角度来考虑，对于一个工程系统，其技术方案的最终决策，不但要求技术上优越，还必须要求经济上合理。2011-12-2135/49‡火用分析的两个局限性：„经济合理性上具有局限性（节能不省钱）。„不同形态能量所具有的单位火用值并不等价。即使是同种能量形态的每单位火用值，也并非等价。2011-12-2136/49‡为了考虑实际过程中火用的不等价性和经济因素：‡对“火用”赋以“价值”。„即考虑到不同部位和不同形态的火用的价值是不同的，因而在火用的基础上，把不等价性和经济因素反映在火用的“单位”上，这就是所谓的“火用的价值化”。2011-12-2137/49‡于是，20世纪60年代，一种将火用方法与经济因素相结合的交叉学科——热经济学或称火用经济学便应运而生了。2011-12-2138/49‡火用经济学是在热力学量度与经济学量度之间找到一个适当的平衡，借以全面而正确地反映用能系统载能价值流的运动规律，以期得到产品的单位成本最小，经济效益最佳的最优结果。2011-12-2139/49‡热经济学的基本思路之一：„把系统中（包括系统与环境之间）相互作用的物质、能量、信息、设备、现金及人员都看成“流”，这些流从系统或环境的某一部分流入或流出，在流动过程中严格遵守着物理环境和经济环境的有关规律，可以用一系列数学方程来描述这些规律。2011-12-2140/49‡这些数学方程通常包括„质量平衡方程„能量平衡方程„火用平衡方程„经济平衡方程（成本平衡方程）。‡在热经济学中，成本平衡方程的建立是重点。2011-12-2141/49‡热经济学的主要模式：„“孤立化”模式热经济学„代数模式热经济学„结构系数模式热经济学„矩阵（符号）模式热经济学2011-12-2142/491.“孤立化”模式热经济学‡由M.Tirbsu创立，基本思想是将热力系统划分为若干子系统，并使各子系统孤立化，通过对子系统逐个寻优，以局部优化代替总体进行优化，而达到全局最优的目的。2011-12-2143/492.代数模式热经济学‡代数模式热经济学是热经济学中比较经典的一种模式，它主要采用会计统计的方法进行热经济学分析，因此也称为会计模式热经济学。„热力学的统计和计算，如系统中的各股物流与能流的分布以及这些能流的焓值和火用值；„经济学的统计和计算。2011-12-2144/493.结构系数模式热经济学‡结构系数法是德国的Beyer提出并用了十年时间形成的一套方法，之后由英国的Kotas把它应用到热力系统的分析并创造了结构键、外部键（CSB、CEB）两个系数，从而形成了热经济学的结构系数模式。2011-12-2145/49‡结构系数模式热经济学的主要任务是在选定的运行参数下，找出局部不可逆损失与系统整体不可逆损失、局部火用流与系统火用输入之间的关系。„对于这两个相对的变化可以用两个结构系数，即结构键系数和外部键系数来表示。2011-12-2146/494.矩阵模式热经济学‡矩阵模式热经济学或称符号模式热经济学就是A.Valero等人在“火用成本理论”基础之上建立起来的。‡使用符号或矩阵计算技术建立更为通用的热经济学模型，分析各组件局部消耗对系统外部资源消耗的影响。2011-12-2147/49‡矩阵模式热经济学还包括扰动理论的部分，主要研究系统内部间相互的影响关系，对于系统中各个参数之间的关系可以用矩阵这一数学