（化工过程机械专业论文）基于（火用）分析和（火用）经济分析的过程系统能量综合优化研究.pdf

摘要 针对能源利用过程中存在的消耗量大、利用效率低和用能不合理等问题提出 的过程系统能量综合优化在近二、三十年来得到了广泛的发展，成为当今工程节 能中的主要手段。 夹点技术和数学规划法是过程系统能量综合优化的主要手段，但它们均以热 力学第一定律为基础，仅仅确定了能量转换过程中的数量关系，而忽略了能量品 质的区别。因此应该以热力学第二定律即火用的观点来分析、评价过程综合中的 用能情况。 本论文首先对火用的概念、火用分析方法、火用经济分析方法和环境火用经 济分析方法作了详细的分析研究。并进行了实例分析，通过对某合成氨厂一氧化 碳变换工段进行火用分析，找出了其用能过程中火用损失过大，火用效率过低和 不符合热力学第二定律的单元，并提出了两项改进措施，运用火用经济分柝的观 点对两项改进措旌做出评价、比较，得出了最终的结论。最后本论文通过实验分 析验证了利用火用分析方法和火用经济分析方法进行过程系统能量综合优化的 合理性和正确性。 关键词：能量综合优化；火用分析；火用经济分析 a b s t r a c t a i m i n ga t 让l cg r e a tw a s t a g eo fe n e r g ys o u r c e s ，l o wv a l u ei ne 伍c i e n c ya i l d l l n r e 嬲o n a b l eu s ei nt h ep r o c e s so fu s 协ge n e r g y ，p m c e s ss y s t e me 1 1 e 唱yi n t c g r a t i o n a 1 1 do p t i m i z a t i o nw 鹤p 眦df o 删a n dh a sw e l ld e v e l o p e d 趾db e c o m em em a i n m e m o dt od e c r e 觞em ec o n s 瑚n 蛳o no fe n 印g yi nr e c e n tm i r t yy e a r s t h ep i n c hp o i mt e c h n o l o g y 锄dt l l em a ：i l l e m a t i c sp r o g r a n n i n gm e t l l o da r et h e m a i l lm e a n si nt h ep r o c e s ss y s t e i ne n e 唱yi n t e f a t i o na n do p d m i z a t i o n b u tb o mo f 血e ma r ew i t l lt 1 1 e 缸“a wo f t l l c r m o d 舯i c sf o rf o u n d a d o n ，也e yo m ym a k es u r et l l e q u a l 埘t yr e l a t i o ni ne n c l 冒c o n v c r s i o np m c e s s 如dn e g l e c tm e d i f 融蜘c eo fq u a l i t yo f e n e f g y s ot h e1 l s i n gc o n d m o no f 锄e r g yi nm ep m c e s si n t e 乒a t i o n 洲db e 锄_ a l y z e d a 1 1 de v a l u a t e dw i t ht h e c o n d1 a wo f t h e 蛐o d y n 删c s f i r s t l y ，t l l ec o n c e p to fe x 盯g y ，e x e r g ya l l a l y s i sm e m o d ，e x e r g o c c o n 伽i ca i l a l y s i s m e t l l o da n de n v i m e xe i _ g o e c o n o m i c 锄a l y s i sm e t h o da r ed i s c u s di nd “li n 也e 础i c l e s e c o n d l y t h r o u g he x e r g ya i l a l y s i so ft l l ec a r b o nm o n o x i d en 彻s f b 姗a t i o n w d r k s h o ps e c t i o no fa 瑚o n i as y n t h e s i sf a c t o 叮，t l l eu l l i t sm a te x e r g yl o s ei s 汹 g e n e r o u s ，e x e r g ye 矩c i e n c yi st o ol o w 趾dt h a td i s a g r e e 谢mt h es e c o n d l a wo f t h e r n l o d y n 锄i c s 证m ep r o s so fm a k i n gu s eo fe n e r g ya r el o c a t e d - t h e n 咖 i n e n d e dm e 如o d sa r ep m p o s e d 卸de v a l u a t e da n dc o m p a r e d 、i t l lt l l es t l m d p o i mo f 瓤e r g o e c o n o m i ca i l a l y s i s s om ec o n c i o ni s d r e wf i n a l l y ，u l c 硎o n a l 蚵a n d c o 玎c 咖e s so f 锄a l y z i i l g 舻e s ss y s t e me n e q g yi n t e g r a t i o n 锄do p t i i i l i z a t i o nl l s 吨 e x e 理了a n a l y s i s 锄de x e 珏弘e c o n o n l i c a l l a l y s i s m e m o da r ev e r i f i e d t l l r o u 咖 e x d e f i m e n t si n 也ea r t i c l e k e r d s ：e r g yi n t e g r a t i o na n do p t i m i z a t i o n ；e x e 唱ya i l a l y s i s ；e x e r g o e c o n o m i c a n a l y s i 8 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄 袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切 法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ： ；身嘀伟 。年印月 郑州大学硕士学位论文 1 1 课题的背景及意义 第一章引言 能源是国民经济与社会发展的重要物质基础，它不仅关系到我国经济的快速 增长和社会的可持续发展，也关系到我国的国家安全和外交战略。我国的能源汝 源虽然丰富，但能源浪费严重，能源利用率低下。我国大多数高耗能企业的耗电 量都高于发达国家，能源利用效率与世界先进水平相差l o 多个百分点，单位产 品能耗比发达国家高出1 0 q o ，重要用能产品比发达国家消耗高出 2 5 t ，9 0 ，平均高4 0 以上。单位产值能耗比发达国家高，按每公斤标准煤计 算产值，世界平均水平是中国的2 3 倍，中国只有o 8 l 美元，日本为5 5 8 美元， 法国3 2 4 美元，世界平均值为1 8 6 美元。 过程系统工业是能耗大户，包括化工、炼油、冶金、电力、环保等在内更是 首当其冲。尽管近年来这些行业能耗水平有了很大的下降，但整体来说，仍高于 先进发达国家水平，其主要原因就是能源未能得到合理的利用。为了合理、经济 的利用资源、降低生产成本，设计人员已不仅着眼于单个操作单元的节能，而越 来越注重整个生产系统的能量的综合应用，这会带来更显著的效果。 过程综合是当今工程节能的主要手段，通过过程集成、综合、匹配等手段， 从全局考虑，使许多传统行业的能耗逐年下降i l 】。过程综合，尤其是着眼于能量 利用的过程能量综合，已经形成了一套比较完整的理论和方法。 1 2 过程系统能量综合优化方法 1 2 1 夹点技术 1 9 7 8 年末，b o d ol i 曲h o 任等人首先提出了过程换热网络中描述能量流的 种新方法，这种方法引入了热力学概念因此被叫做“过程综合”1 2 3 1 。1 9 8 3 年 l i 皿h o f r 和h i n d i l l 8 r s l l 把这一概念表达为夹点( p i n c hp o 缸) 技术q 夹点技术 是以热力学为基础，从宏观的角度分析过程系统中能量流沿温度的分布，从中发 现系统用能的“瓶颈”，并给以解“瓶颈”的一种方法【s 】。夹点技术把最大的能 郑州大学硕士学位论文 量回收和夹点温度通过最小传热温差t m 。联系起来，使换热网络优化在理论和 工程设计中取得了突破性的进展，并且它已经被广泛地应用于工业生产中。 用夹点技术设计的基本思想是：从最大热回收能量出发，建立一个初始网络， 然后根据设备费用和能量费用的协调，对初始网络进行修正，从而得到一个最佳 的网络结构。 夹点位置的确定可以用t - h 图法或问题表格法，h u a i l g 和e l s h o u t 【6 1 于1 9 7 6 年提出了在温一焓图( t - h 图) 上分别将换热网络中所有冷、热物流按照温度高 低顺序首尾相接画出各自的温度一焓变化曲线，然后将各个公共温度空间内的热 焓变化加和，就形成了两条折线，如图1 1 ，两折线之间的垂直最小距离即为夹 点。从t - h 图中我们可以很清楚地看出夹点的位置以及所需的最小公用工程加热 负荷甄。，最小公用工程冷却负荷2 。和系统所能达到的最大热回收缘，。 夹点把过程系统分隔为两个部分夹点上方和夹点下方。 图1 1 在t - h 图上描述夹点 用夹点技术进行设计时，l i n l l l l o f f 以热力学原理为基础，提出了三条原则： ( 1 ) 夹点处不能有热量通过； ( 2 ) 夹点上方只能有公用工程加热； ( 3 ) 夹点下方只能有公用工程冷却。 如果违反了这三条原则，将造成能量的不必要的浪费。 在实际的生产当中，有时我们为了减少设备的投资费用，就需要减少换热器 2 郑州大学硕士学位论文 的个数，以增加公用工程为代价，人为地允许有热量通过夹点。此时新网络的最 小传热温差将大于t m 。针对这一情况， 1 9 9 0 年t r i v ed i 提出了伪夹点的概念 和双温差法【7 1 。伪夹点的设计和夹点的设计相似，不同之处在于，伪夹点设计允 许伪夹点以下的网络传递静物流x ，相应地，物流数与分支规则和热容都要进行 修改，因此得到的网络往往比夹点法设计的简单。双温差法代表方法有：伪夹点 设计法，垂直m i l p 运转模型等。另外还有三温差法，代表方法有：m i n l p 超 结构模型等。 夹点技术是过程系统综合调优的有效实用方法，与其他过程综合方法相比， 夹点技术具有实用，简单，直观和灵活的特点。但是对多流股问题其初始化网络 比较复杂，进一步调优时要考虑公用工程消耗量最低，单元数最少和面积最低网 络，需要协调三者之间的关系，因此工作量较大。 随着计算机的广泛应用，一些针对夹点技术的过程仿真软件也得到了不断发 展。现在已经推出商品化的夹点技术应用软件，包括l 妇l h o f rm a r c h 公司的 s u p e r t a 唱e t ，a s p c n 技术公司的a d v 髓t ，美国加州电力研究学院的h p s c 柚，弗吉 尼亚大学和l i n n h o f f m a r c h 联合开发的用于夹点技术的原型专家系统【9 1 。国内也 有多家单位开发了类似的软件，如：清华大学开发了e s o p ( e n e r 鲥s y s t e m 0 p d m i z a t i o np r o 蹦吼) 软件【9 j 等。 1 2 2 数学规划法 随着计算机技术的发展，过程系统网路综合的研究出现了一个新的分支数 学规划法。该法是通过对过程系统网络建立数学模型，利用计算机求解数学模型， 实现从众多可能的结构中选择最优结构的任务。 数学规划法可用于解决具有大量变量和多种反馈的问题，从理论上说，如果 问题的有关影响因素在数学模型中都予以考虑，那么它是最完美的方法。然而， 即使是全部由换热器构成的网络，它的影响因素也非常多，关系非常复杂，比如： 不同物性的物流在不同几何参数的管程或壳程中，它们的膜传热系数和压力降以 及关联式差别很大；不同的压力条件下，对于腐蚀性不同的物流，换热器的壁厚 郑州大学硕士学位论文 和材质也不同。如果我们把所有的影响因素全部考虑进来，网络模型就很难建立， 结果根本无法求解。因此必须对数学模型进行简化，为了使简化的数学模型与真 实情况最为接近，后人在基本方法的基础之上作了很多改进，提出了不少更加有 效的方法。 最早是在1 9 6 9 年k e s l e r 和p m r e r 年提出了线性规划( l p ) 分析法【1 0 】，1 9 9 0 年g u n d e r s e n 和g m s s m 锄基于组合曲线之间的垂直传热能够提高驱动力而减 少换热总面积的思想提出了垂直m i l p 模型【l l 】。g m s s m a l l n 等基于线性化分解方 法提出了超结构混合整数非线性规划( m i n l p ) 综合策略f 1 2 1 ，该模型同时强调 能量回收目标、换热器单元数以及换热面积目标，并且允许划分网络时温差可以 不同，这样就减少了网络结构的复杂性，可以进行各子系统的同步热集成联合优 化。但这个模型也存在着很多问题，它的目标函数和约束条件中均存在着非凸的 非线性项，使一些传统的m i n l p 算法失效。大连理工大学的袁一，尹洪超等提 出了改进的m i n l p 转运模型【1 3 】，它不仅同时考虑网络设计的不同费用目标，而 且在线性约束条件下消除了等温混合的不合理假设，只需求解一次m i n l p 问题 就可得到包括分流情况在内的同步优化网络结果。 但是混合整数非线性规划( m p ) 存在许多计算上的困难，特别是对大型 复杂的系统，更是一个十分突出的问题。ga “e r 等人提出了两段设计法f l4 ， 首先用模拟退火法产生不同的网络结构，再用非线性规划法对这些网络结构进行 选择并优化，这种方法对处理一些大型复杂系统非常有效。h o n g r n e iy u 等人用 遗传算法与模拟退火法相结合对大型的能量系统进行优化，也取得了良好的效果 【1 5 】。针对由于忽略工程因素而做出的各种假设和在网络结构不同时没有考虑匹配 单元的优化等而造成网络最小传热温差的最优值偏离工程实际的真正最优解的 情况，华南理工的李志红等提出了人工智能和数学规划集成的方法用于解决具有 各种工艺条件限制的换热网络的最优合成设计【l6 】。在上面的几种过程系统优化方 法中，体现了各种优化方法的互相结合利用，充分发挥各自优势，以取得最优的 网络结构。 4 郑州大学硕士学位论文 1 2 3 基于火用概念的优化方法 不管是夹点技术还是数学规划法都是以热力学第一定律分析为基础来计算 过程系统网络的能耗费，即是以冷、热公用工程的消耗量来求取能耗，它仅仅确 定了能量转换过程中能量的数量关系1 7 】。这实际上是不合理的，考察一个过程的 能量利用是否合理，仅用热力学第一定律进行能量衡算，确定能量在数量上的利 用率，不能全面地评价能量的利用情况。因为能量不仅仅有数量，还有品质。热 力学第二定律揭示了能量转换的方向、条件和限度。数量相同而形式不同的能量， 其有用程度是不同的。因此为了度量能量的可用程度，应以能量的做功能力即以 “火用”作为评判标准，资料中称之为“有效能”或“可用能”，英文中称之为 e x e 玛y ，a v a i l a b i l i t y 或a v a i l a b l e e n e r g y 掣1 引。在过程综合网络中变化和消耗的只 是输入能量中的火用，即可用能，正是由于火用的损耗推动了过程的进行。因此， 应该以火用分析和火用经济学为基础来描述过程综合网络的能耗费用及目标函 数。 1 2 3 1 火用 1 火用的概念 火用的热力学定义为【1 9 】：以给定的环境为基准，理论上能够最大限度转换为 “可无限转换能量”的那部分能量。如果在转换过程中，这种“可无限转换能量” 表现为向外界提供有用功时，则也可以把火用定义为：在除环境外无其它能源的 条件下，当系统由任意状态可逆地变化到与给定的环境相平衡的状态时，能量最 大限度转换为有用功的那部分能量。应当指出【1 3 】m 】： ( 1 ) 以给定的环境为基准，在该环境状态下火用值为零，这个状态称为热 力学死态。 ( 2 ) 火用是在做功过程是完全可逆( 系统内部变化和系统与环境间发生的 变化均为可逆过程) 的情况下能够转化的那部分能量。并且此时的环境状态是热 力学死态。 ( 3 ) 在转换过程中，除了环境外，无其他热源或功源参与作用，这样才能 郑州大学硕士学位论文 使获得的功全部是由给定状态下物质的能量转换而来的，此时系统的火用具有唯 一的确定性。 2 火用的分类 由文献 2 1 ，对于没有核、磁、电与表亟张力效应的过程，稳定流动的流体 ( 体系) 的火用是由下列四个主要成分组成的： ( 1 ) 动能火用 动能本身是机械能，可以全部转变为功，即动能火用值与动能值相等。因此 流体的动能即为火用，动能项中的线速度为物系与地球表面的相对线速度。 ( 2 ) 位能火用 流体的位能同样也可以完全转化为有效功，即流体的位能即为位能火用。位 能中位高以当地的海平面为基点。 ( 3 ) 物理火用 物系所处的状态到达与环境成约束性平衡关系所提供的理想功即为该物系 的物理火用。即物系因温度和压力与环境的温度和压力不同所具有的火用称为物 理火用。 ( 4 ) 化学火用 体系和环境由约束性平衡方程达到非约束性平衡所提供的理想功为该物系 的化学火用。也就是说体系由于组成和环境组成不同所具有的火用称为化学 火用。 3 火用损失 系统与环境介质之间的相互作用可以是可逆的( 理想过程) ，也可以是不可 逆的( 实际过程) 。理想可逆情况是达到了系统与环境之间相平衡，因此根据确 定的火用将会得到与火用相等的功，但实际过程是在系统与环境平衡之前就停止 了，那么所完成的功量小于系统所提供的火用值，就意味着火用的损失。即一切 实际的不可逆过程必然伴有各种火用损失。总的来说，对一工艺过程或能量转化 过程火用损失包括以下两个部分【2 2 】： 6 郑州大学硕士学位论文 ( 1 ) 内部火用损失：系统内部的不可逆因素造成的火用损失，主要表现在 火用部分被消耗，借以推动生产中或其它的能量转化中所必须的各种过程的进 行，这是为克服阻力、推动过程进行所付出的代价。 以往对内部火用损失的讨论基本上都是从能的利用与降质的角度考虑的，而 对混合火用损很少提及，实际上混合火用损和副产品火用损也是造成物质资源退 化的主要原因，应尽量减少从过程内部的这两种火用损【2 4 】。 ( 2 ) 外部火用损失：即通过各种散失和排放到环境介质中去的火用损失， 主要表现一是被转移，如原料的火用转移到产品上去；另一种表现是散失，如通 过散热或物流的排弃所损失的火用，如系统的冷却水、废气、冷凝水、废渣等带 出的火用。 1 2 3 2 火用分析 1 概述 火用分析法是一种新的能量分析方法，它深刻揭示了能量在传递和转换过程 中能量品质( 能质) 必然蜕变的规律，热力学称之为能质蜕变原理。火用分析法 与第一热力学分析法( 焓分析法) 的根本区别就在于它确认了不同能量之间所具 有的质的差别，并在分析中同时体现能的数量和品质的作用，为火用分析结果的 科学性与准确性提供了保证【2 5 】【2 】。 火用分析是根据能量中火用的平衡关系，即热力学第一和第二定律，揭示出 能量中的火用的转换、传递、利用和损失的情况，确定出该系统或装置的火用利 用效率。在火用分析中，火用损失和火用效率分别是过程系统性能的定量和定性 指标，将两者结合起来就得到过程改进潜力。 2 主要内容 火用分析法是通过火用平衡方程确定过程的火用损失和火用效率。其主要内 容包括【1 】： ( 1 ) 确定流出、流入系统的各种物流量、热流量和功流量，以及各种物流 的状态参数； 7 郑州大学硕士学位论文 ( 2 ) 由火用平衡方程确定过程的火用损失： ( 3 ) 确定过程的热力学第二定律效率。 火用分析是在选定的计算基准下，由火用的概念，采用热力学计算方法，直 接计算出物质或能流在某个状态下的火用值，进而可以算出各种过程以及由若干 过程组成的子系统的火用损，进而能够计算系统的火用效率、热力学完善度等， 用以评价用能的完善程度，找出火用损较大或者不符合热力学第二定律的环节和 部位，对其用能情况做出评价，指出过程用能改进的潜力和方向。 1 2 3 3 火用经济分析 1 概述 考虑到实际过程中火用的不等价性以及经济性因素，不同部位和不同形态的 火用，其价值也不同。在火用的基础上，把不等价性和经济性因素反映在火用的 “单位”上，这就是“火用的价值化”，运用这个观点进行分析称为热经济学或 火用经济学。 火用分析法将热力学第一定律和热力学第二定律结合起来，能衡量能量的 “质”与“量”，指出了提高用能效率的潜力与方向。但火用分析法片面强调降 低系统的火用损耗，过多追求热力学的完善性。强调小的火用损将导致过大的设 备投资，忽视了火用损耗在系统中作为过程进行的推动力作用，因此很可能得到 经济上并不可行的方案。实际的设计方案应达到热力学的完善性与经济上的最大 效益两方面的目标，将最大的总体经济效益作为系统优化的目标。 火用经济学是以火用作为能量计价的基准，通过能量的正确计价定量地反映 出火用流与经济流之间的关系，使投资费与火用耗费( 操作费) 有机地统一起来。 通过热力学与经济学的相交叉，以热力学第一、第二定律分析法为基础，将热力 学原理与经济学的观点结合为一体，运用系统工程的思想研究用能过程的合理 性、方案的可行性以及系统的最优性等问题，是热力学分析法取得实用化的有益 的补充。 2 基本观点 郑州大学硕士学位论文 3 0 年代早期k e e n a l l 就指出成本的计算应建立在可用能( 火用) 的基础之上， 并首先提出使用火用来计价，并针对汽、电联产装置，指出产品的经济价值在于 其火用含量而非能量。7 0 年代y m e i s a y e d 和r b e v a l l s l 2 7 1 等对火用经济学的发展 做出了重要的理论贡献，之后又有一些学者先后对蒸汽动力系统、煤气化系统等 进行了火用经济性分析，并且取得了一定的进展。 t s a i s a r o n i s 【2 8 2 9 】将火用经济学方法对能量系统的应用研究作了理论上的概 括，提出了“燃料火用”与“产品火用”的概念，给出了相应的火用计价方法与 费用平衡表达式。且对火用损耗与排弃火用计价理论与策略进行了一定程度的研 究，发展了一套完整的火用经济分析评价方法。国内的宋之平、王加漩州最先将 火用经济学研究介绍到国内并开展这方面的研究工作。华贲等【3 0 _ 3 3 】把系统技术与 火用经济学有机结合起来，发展了独具特色的用于过程系统全局优化的三环节 火用经济策略方法。 火用经济学认为： ( 1 ) 系统处于两个环境之中，即由环境温度、环境压力以及环境化学势所 描述的物理环境和市场价格描写的经济环境； ( 2 ) 能量在热力学上是不等价的，其价值取决于火用含量； ( 3 ) 火用在经济学上是不等价的。火用平衡与费用平衡方程构成了火用经 济学分析优化的基础。费用平衡方程是火用经济学的基本点，它是连结系统中物 流、火用流及经济流的纽带，以此构成不同火用流实际价值计算的前提。 1 2 3 4 环境火用经济分析 随着社会的发展和经济技术条件的变化，能源紧缺，环境污染等问题日益突 出。我国的过程工业在不断发展的同时对环境也造成了严重污染，为了达到国家 规定的污染物排放标准，需通过改变工艺流程、优化操作条件等从源头上减少废 物的生成量，或者增加废物治理单元，进行末端治理。这样就改变了原有的系统 结构，造成了系统分析优化的困难。 随着火用经济学的发展，火用还可以作为描述偏离环境平衡态和驱动过程本 9 郑州大学硕士学位论文 质的重要指标来度量环境效应和环境污染程度。环境火用经济学是在火用经济 学基础上发展起来的交叉学科【蚓。f m n g o p o 山o s 将系统优化时对环境的负面影 响结合到优化目标中，提出了环境经济学( e n v i r o n o m i c s ) 概念以综合考虑热力 学、经济学与环境三方面的目标，扩展了火用经济学的应用范围。 环境火用经济学将环境看作具有一定价值的可消耗资源，通过对污染物造成 的环境问题量化分析，给污染物造成环境退化以合理的计价，揭示了火用损的热 力学代价、环境代价与经济代价之间相互联系的本质，使过程系统优化中综合考 虑热力学、环境与经济等多目标的优化成为可能3 6 3 7 】。 传统的能量系统在全寿命期内成本包括能量费用和非能量费用，进行火用经 济学分析优化的目标就是系统在全寿命期内成本最小。随着可持续发展的今天， 能量系统在全寿命期内成本应该包括：能量成本，非能量成本和由污染物排放造 成的环境成本。 环境火用经济学目的是实现火用损耗与经济学的协调，生态环境与经济效益 的协调。因此要在操作费用、投资费用、产品收入和环境费用之间的权衡，而且 各个费用之间又有密切的联系。目前大部分的研究工作是通过建立数学模型，结 合优化算法求得最优解。如陈清林蚓等引入了环境损害因子，环境污染率及环境 损害函数的概念，建立了能量系统环境火用经济三予系统优化模型。杨勇平【3 卅 等提出了“广义子系统”的概念，建立了包括火用环境成本平衡在内的各种平衡 方程，以矩阵形式表示的各种平衡方程来描述生产结构。 1 3 本章小结 综上所述，过程系统综合优化已经取得了很大的进展。然而过程系统优化是 一个非常复杂的问题，无论上述的哪种方法，均存在着一定的缺点，无法得到最 优解。它需要许多学科的交叉协同，密切配合，所以我们要深入细致地了解过程 系统优化本身的特点和内在规律，使几种优化方法相互渗透，取长补短，不断地 寻求更为合理更为有效的优化方法。 今后过程系统优化研究重点应注重于网络最优匹配结构的搜索以及考虑诸 】0 郑州大学硕士学位论文 多实际工程约束条件的网络最优匹配以及网络的弹性控制，并且要综合考虑环境 因素。 1 4 论文的研究内容 1 本文利用火用的观点进行分析计算，主要对火用的概念、火用分析、火用 经济分析和环境火用经济分析作了详细的分析研究。提出将夹点技术，火用的观 点和环境结合起来的想法。 2 通过实例分析计算，在初步优化前提下，利用火用分析的观点，找出火用 损耗较大或不符合热力学第二定律的组元，并提出改进的措施。 3 计算所有改进措旌的火用损值和火用效率，并通过火用经济分析的方法来 分析、比较和评价所有改进措施的可行性。 4 通过实验验证了利用火用分析方法和火用经济分析方法来进行过程系统能 量综合优化的合理性和正确性。 郑州大学硕士学位论文 第二章火用分析和火用经济分析的技术路线 在对过程系统进行火用分析的过程中，需要对系统中的单元设备和系统整体 做出分析，因为任何单元设备的运行过程中都会伴随着能量的消耗，对单元设备 火用分析的目的在于： ( 1 ) 根据设备的火用效率和热力学的完善度，对设备的用能做出评价； ( 2 ) 根据设备的火用损分布，判别用能过程中的薄弱环节； ( 3 ) 对火用分析的结果进行理论分析，并提出改进方案。 而系统是一个有机整体，由多类单元设备和能量物流参与能量交换，从系统 的观点来看，系统的火用分析才能解决整体全局的问题，系统火用分析的目的和 作用是： ( 1 ) 对系统的用能状况做出评价，其中主要是对系统火用的有效利用程度 和系统的节能潜力进行评价； ( 2 ) 找出系统中用能的薄弱环节，对确定系统改造的主要对象提供依据； ( 3 ) 全面分析系统的耗能结构，火用损分布，火用流去向，为系统的整体 技术改造提供技术资料。 2 1 火用值的计算 2 1 1 动能火用 动能火用值与动能值相等，因此流体的动能即为火用。即： e ，= 形= 三m v 2 ( 2 1 ) 其中e ，流体的火用值，u ； 矿以功的形式传递的动能，； 埘流体的质量；培 v 流体与地球表面的相对线速度，埘s 。 1 2 郑州大学硕士学位论文 2 1 2 热流火用 热流火用是指温度高于环境温度的系统与外界传递的热量所能做出的最大 有用功，若系统为恒温，则： = q ( ，一争 c z 吲 其中熟流火用，七，： q 高温热源与外界交换的热量，u ； 瓦环境温度，k ； 丁系统温度，k 。 2 1 3 物理火用 对于稳流系统，若不计动能和位能的变化，并且仍取系统和环境组成的孤立 系统，根据热力学第一定律，可得稳流系统的物理火用： e = ( 日一风) 一瓦p 一& ) ( 2 3 ) 其中日稳流物料的焓值，材培： 风环境状态下的焓值，材豫； s 稳流物料的熵值，灯( 姆j i ：) ； r 环境状态下的熵值，材( 堙置) 。 可见，稳流系统的火用取决于物流的状态和环境。当环境状态一定时，仅取 决于物流本身的状态。当系统与环境相平衡时，工质的物理火用为零。 2 1 4 化学火用 化学火用是由于系统的组成及其成分与环境的不同而引起的。为了计算化学 火用，必须首先确定环境的模型即环境的物质构成及其成分。这里所说的“环境” 郑州大学硕士学位论文 是由那些在环境温度与压力下再也不能通过化学反应和浓度变化做出有用功的 物质构成的，我们称这类物质为“基准物”。 2 1 4 1 基准物体系 构成环境基准物具有以下一些特点与要求： ( 1 ) 每种元素都应该有其相应的基准物； ( 2 ) 各种基准物都应该是环境中可能存在的物质，而且可以在不消耗有用 功的条件下由环境不断地供应； ( 3 ) 不可能从基准物的任何结合中获得有用功： ( 4 ) 各种基准物都应该是相应元素的最稳定物质，基准物的火用值等于零。 基准物的选择是颇为复杂的，不同的学者提出的基准物的体系并不相同，有 一定的人为因素。目前，基准物体系大致分为四类：龟山一吉田体系、s 翻四l t 体系、s u s s l n 鼬体系、斑e k e r t 体系。相对地说龟山一吉田体系较为完整实用。 龟山一吉田体系的死态条件为磊= 2 9 8 1 5 彭，矗= 1 口加。空气中相应的各种 元素，以空气相应的组成气体为基准物，而以饱和湿空气的摩尔分率为基准物成 分，即： 气体种类 20 2h pc o l 爿， 组成 7 5 6 02 0 3 43 1 20 0 3o 9 1 其他元素以含有该元素、最稳定的纯物质为其基准物。 2 1 4 2 化学火用的计算 本文化学火用的计算也以龟山吉田体系为基础。引入一种修正方法，环境 状态下f 组分气体的化学火用为： 瓦( 写，f ) = 瓦( f ) + 孝( f ) ( 矗一2 9 8 1 5 ) ( 2 4 ) 其中瓦( 矗，f ) 环境状态下的f 组分气体化学火用，川甜； 1 4 郑州大学硕士学位论文 瓦( j ) 基准物状态下的f 组分气体化学火用，u 历d ， 善( j ) f 组分气体化学火用的温度修正系数a 混和气体化学火用的计算式为： 乏( 瓦) = 葺瓦( 矗，f ) + 豆写葺l i l 薯 ( 2 5 ) 其中瓦( 瓦) 混和气体化学火用，材历o ，； 蕾混和气体中均1 分气体的摩尔百分率。 2 1 5 反应焓火用1 9 l 【4 0 l 在标准状态下( 通常是磊为2 5 0 c ，矗为l 标准大气压) ，化学反应生成物的 焓与同一标准下反应物的焓之差称为标准反应焓，可以通过实验测定，用日。来 表示。即： 日o = 日。一日o( 2 6 ) 其中矿生成物在标准状态下的焓，材m d f ； 哎反成物在标准状态下的焓，川耐。 虽然任何化学反应的标准反应焓在原则上都可以通过实验的方法来确定，但 是化学反应数目居多，通常情况下通过实验测定的生成热来求出标准反应焓。 埘。2 莩h ( 矽) 。一莓h ( 矽) ， c 2 刊 其中”称为化学计量系数或计量数； 酽标准状况下各组分的生成焓，u 埘d ，。 对于稳流等压状态下进行的无传递功的化学反应，忽略动能和势能的变化， 由热力学第一定律知： 胡= 砟一峨= v l ( 瓦一醪) ，一v ( 瓦一霹) 。+ 蜩。 ( 2 8 ) 郑州大学硕士学位论文 其中日任意状态下化学反应的焓值，七，埘d z 珥任意状态下生成物的焓值，材坍o ，； 峨任意状态下反应物的焓值，u m o ，。 若反应物和生成物的温度相同，日称为反应焓。反应焓是由传热量所决定 的，因此也称为反应热，这里规定当反应是放热时，a 日为负，当反应是吸热时， 为正。 2 2 火用平衡与火用损失 火用的含义是以环境为基准时系统的理论做功能力，它不是实际过程中系统 做出的最大功，也不是系统由初态变化到与环境平衡状态实际完成的有用功，即 火用与实际过程功无关。如果实际过程所完成的功量小于系统所提供的火用值， 就意味着过程中的火用损失，而任何的实际过程都存在着不可逆因素，也必然存 在着火用的损失。 对于稳流系统，如有多股物流的稳流过程，在忽略动能，位能变化时，可得 稳流系统的火用平衡方程【2 】： ( 莩岛 。一( 莩民 。= 莩，。一一岛 c 2 一， 其中毛流出系统的，股流的火用值，七，。 色流入系统的一股流的火用值，耵； 系统中t 股流的热流火用，耵； 过程中的功交换，材； e 过程中的火用损失，。 故得到火用损失的表达式： 1 6 郑州大学硕士学位论文 互= ，。+ i e ，| _ l 岛i 一 ( 2 1 0 ) ij ， 对于恒组成的稳流过程，并且由于大多数化工过程的流速和位高的变化不大 可以忽略，火用损失的表达式( 2 5 ) 可以简化为 局= 厂峨一 t 其中嘎= ( ) 。，一( b e 出入控制体的1 种流体的火用值变化，材 即峨= 码 慨) 。一) 。 具体应用到以下场合的时候可以作下述简化： ( 2 1 1 ) 1 对于有热交换而无功交换的过程。由于蹄r 轴= o ，式( 2 一1 1 ) 可以简化为 与= 厂峨 tf 相应的设备有热损失的如换热器等。 ( 2 1 2 ) 2 对于绝热有功交换的过程。由于，。= o ，式( 2 1 1 ) 可以简化为 骂= 一岷一 ( 2 1 3 ) l 相应的设备有鼓风机，泵，膨胀机，离心压缩机，蒸汽透平等。 3 绝热无功交换的过程。由于 = o ，= o ，式( 2 1 1 ) 可以简化为： 骂= 一峨 ( 2 1 4 ) 表明绝热无功交换的过程。其火用损失等于出入控制体的物料火用的减少。 4 对于循环过程，如控制体内仅包括循环工质，由于毛= o ，式( 2 一1 1 ) 可以简化为： 骂= 厂 1 7 ( 2 1 5 ) 郑州大学硕士学位论文 即可用过程的热火用流及功火用流计算火用损失e 。 2 3 火用分析的评定准则1 9 】 2 3 1 两种火用效率 火用损失的大小可以衡量某一具体过程的热力学完善程度，但由于火用损失 是一个绝对量，它无法比较不同工作条件下各个过程或各类热工设备中的火用的 利用程度，因此在火用分析中广泛采用了火用效率的概念。 火用效率是一种相对效率，它反应了实际过程偏离理想过程的程度。它从本 质上说明了应该转变成的可用能中有多少被实际利用了。它比能效率更能深刻揭 示出能量转换、利用和耗损的实质。 2 3 1 1 普遍火用效率 从火用平衡方程可以看出输入的各种火用量的总和总是大于或等于输出的 各种火用景( 除外部火用损失外) 的总和。两者的差值表现为该过程的不可逆程 度。差值越大，表明内、外不可逆性越大。因此，不管过程的具体性质，任务和 目的如何，一切过程中的热力学完善度都可以用下式加以度量： 叩：= 爱 c 2 咄， 其中巩有效输出火用，u ； 点k 总输入的火用，材。 这个效率称为普遍火用效率，它考虑了系统输入火用和系统输出火用之间的 关系，但它未能根据系统的不同性质、目的和任务进行具体分析，不能如实反应 系统和过程能量利用的具体情况。在系统的输出火用中，副产品火用和产品火用 的地位是不同的，而且有效输出火用中包含了只发生了物理转移而赢接通过系统 和过程的惰性火用量。因此普遍火用效率并不能完全表达系统代价火用的利用情 况。 1 8 郑州大学硕士学位论文 2 3 1 2 目的火用效率 目的火用效率用产品火用和代价火用的比值来表示，用表示。即： 西k 2 其中玩产品火用，材 ，代价火用，材。 ( 2 1 7 ) 目的火用效率只包含了产品火用，把副产品火用撇开，表达了输出火用中实 际到底有多少被真正利用了。因此深入细致地分析火用的分类，火用损失和过程 或系统的分类是正确定义火用效率的关键。 对于各类工艺装置或过程，需要具体确定任务、目的、损失和推动力。有时 还必须将各种火用量按其成因区别对待，按其作用分别处理。有的装置同时使用 两种火用效率还表示，即用普通火用效率表示工艺过程的完善性，而用目的火用 效率表示工艺设备的完善性。 2 3 2 火用损系数 火用损系数是表示火用损所占比例的系数，它是以输入火用或代价火用为基 准时局部火用损失所占的比例，即： 矗：且 i e x m 其中毛局部火用损失，u 或者q ：且 。k 它们分别适用于普遍火用效率与目的火用效率两种情况。 总火用损系数与局部火用损系数之间的关系为： 1 9 ( 2 1 8 a ) 郑州大学硕士学位论文 或者 q = q q = q 。 ( 2 1 9 b ) 显然整个系统的总火用损系数等于各环节火用损系数的总和，因而把整个系 统各个环节之间的内在关系揭示的很清楚。 火用效率和火用损系数之间的关系为： 吁：= 1 一q ： ( 2 2 0 a ) 或者 = l 一q ( 2 2 0 b ) 火用损系数与火用效率之间的关系表明，它不仅可以揭示各个环节火用损失 的相对大小，而且还能明确地看出火用的利用程度。当需要横向比较、评定不同 系统方案的火用利用程度或火用损大小时，只要这些系统的输入火用或代价火用 相同，就可以直接从各种系统的火用损系数看出相应环节火用损失的大小。 2 4 火用流计价策略 热力学在发展中，发现了过程的不可逆性带来的损失是严重和普遍的，曾提 出过“向不可逆性开战”，进入了热力学经济领域后，这个口号应改为“为获得 最佳不可逆损失”而奋斗了。 火用经济学的研究内容是：火用单价与能量品质之间的关系，通过建立数学 模型及求解，确定产品成本最低的条件，进而做出决策。 火用经济学研究的两个关键问题是能量流的火用值的准确计算和火用费用 核算方法 2 9 1 。 火用流的计价方法与策略是火用经济学研究的重要内容之一，特别是针对多 产品火用流的费用分配问题，火用的准确计价构成了系统火用经济分析与优化的 前提。联产多火用流计价研究中辅助方程的引入，一般是因人因研究对象及研究 目的而异，存在相当的人为性，因而对其共性的研究得到了火用经济学界广泛的 重视，并针对不同的研究对象与应用背景，在深入研究的基础上提出了相应的 郑州大学硕士学位论文 火用流定价方法。 2 4 1 序贯计价策略 早期的火用流计价策略主要是针对能量系统中的能量多级转换，并发展成了 一套成熟的体系2 9 】【4 1 】。当能量系统表示成多个子系统串联组成时，即前一个子 系统的某些输出火用流作为下一个子系统的输入火用流，且可以将后续的子系统 作为一系列附加能量回收子系统看待。如图2 1 所示的简化情形【4 2 】，在这里采 用t s a t s a r o i l i s 等提出的燃料火用与产品火用的概念。 图2 1 能量串级模型 即传统的火用流计价方法是借助价值平衡方法，采用序贯计价策略，任意子 系统，中输出火用流的火用价均可由子系统_ ，的输入火用价及其设备投资费用 求得。 2 4 2 当量计价策略 序贯计价方法处理联产火用价是针对系统中存在两个以上产品的火用流，而 对排弃火用作无价处理。随着技术经济条件的变化，原设计排弃火用流在经济上 有回收再利用的可能。因此应该对其进行计价处理。而序贯计价方法无法将排弃 火用从以前的无价处理转变为按联产火用价来计价，并以此价来计算后续回收子 系统的回收产品火用价，以致得出整个系统中同类回收火用流火用价相差甚远的 不合理结果，所以事先给定的排弃火用对其后续的回收利用毫无意义，所以说序 贯计价方法在大多数情况下并非是完整的火用计价方法。因此必须有一种新的计 价方法来估算排弃火用待回收的价值。 华贲等在进行过程系统的火用经济分析优化研究中，对待回收火用和排弃 火用计价作了较为详细的讨论，提出了反向当量计价策略，具有一定的工程意义 2 l 郑州大学硕士学位论文 【4 3 1 。通过后续的辅助回收子系统所回收能量( 火用) 的价值来决定子系统间待回 收火用的实际价值的方法称为当量计价方法。计价原则为h 1 】： ( 1 ) 辅助回收子系统的回收循环火用流按与主子系统同类火用流同价原则； ( 2 ) 回收输出火用流按同类火用流市场价计价。 2 5 费用平衡方程 费用平衡方程是火用经济学的基本点，是连接物流、火用流以及经济流的纽 带以此构成不同火用流实际价值的前提。对于任何体系，除了质量( m 粥s ) 和 能量( e n e 强，) 平衡方程式外，还可以建立火用( e x