热系统评估PPT课件

1、1 过程熵产可衡量过程不可逆程度及作功能力损失的大小，过程熵产可衡量过程不可逆程度及作功能力损失的大小，对整个系统各个装置逐一分析各设备的熵产即可找出不可逆性程对整个系统各个装置逐一分析各设备的熵产即可找出不可逆性程度最大的薄弱环节，指导实际循环的改善。度最大的薄弱环节，指导实际循环的改善。 0gj 1nITS环境温度环境温度 工质流经整个系统各部件之总熵产工质流经整个系统各部件之总熵产 第二定律分析法第二定律分析法不可逆损失也可采用不可逆损失也可采用方法方法 xe效率效率 5-1 热工装置的效率和损失系数 有效有效提供的提供的第1页/共75页2一、一、效率和效率和损失系数损失系数 能量的合理

2、利用，是能量中能量的合理利用，是能量中的合理利用的合理利用。要充分利用为实施某种过程所提供能量中的要充分利用为实施某种过程所提供能量中的在完成一个特定过程时要耗费尽量少的在完成一个特定过程时要耗费尽量少的在实际的能量转换过程中应尽量减少在实际的能量转换过程中应尽量减少的损失。的损失。显然，对于在给定条件下进行的过程，能用显然，对于在给定条件下进行的过程，能用损失损失 的大小用来衡量该过程热力学完善程度。的大小用来衡量该过程热力学完善程度。 不可逆过程不可逆过程损失损失过程不可逆性越过程不可逆性越大，大，损失越大损失越大的总量随不可逆的总量随不可逆过程进行不断减少过程进行不断减少用能的实质是用用

3、能的实质是用 如何合理正确利用能量如何合理正确利用能量第2页/共75页3系统或设备系统或设备效率：效率：在系统或设备进行的过程中，被利用或收益的在系统或设备进行的过程中，被利用或收益的与支付或耗费与支付或耗费的的的比值的比值 系统或过程中耗费系统或过程中耗费与收益与收益之差即为系统或设备进行的不之差即为系统或设备进行的不可逆过程所引起的可逆过程所引起的损失：损失： 损失和损失和损系数损系数 效率效率 热力系统或热工设备中热力系统或热工设备中的利用程度，的利用程度， 或系统中进行热力过程的热力学完善程度。或系统中进行热力过程的热力学完善程度。 xx,gainex,pay1EEx,gainEx,p

4、ayEx,x,payx,gainlEEE第3页/共75页4所以所以损失系数损失系数 效率是耗费效率是耗费的利用分额，的利用分额，损失系数是耗费损失系数是耗费的损失分额。的损失分额。因此因此二、二、效率的不同形式效率的不同形式 构造构造平衡方程时平衡方程时 系统的输入系统的输入不一定就是耗费不一定就是耗费，输出输出不一定就是收益不一定就是收益 ；耗费耗费和收益和收益中必须包含所有向中必须包含所有向系统输入的系统输入的和从系统输出的和从系统输出的； 输入输入和输出和输出中任一项中任一项只能在只能在耗费耗费和收益和收益中出现一次。中出现一次。 xx,payx,x,ex,payx,pay11llEEE

5、EE x,x,paylEE第4页/共75页5按按的作用，可以将外界分为三种：的作用，可以将外界分为三种：向系统或设备提供耗费向系统或设备提供耗费的能源或的能源或源源A； 的主要收益户的主要收益户B； 是是的辅助收益户的辅助收益户C。 稳定工作系统稳定工作系统平衡方程式：平衡方程式： 其中每项其中每项没有计入宏观位能没有计入宏观位能 上述四项至少有一项不为零上述四项至少有一项不为零 其它其它流，上述四项可以全为零。流，上述四项可以全为零。 x,Ax,Bx,Cx,Ax,Bx,Cx,lEEEEEEEx,Ax,B,EE2x,x,fx,x,12iHQWEEmcEE第5页/共75页6x,Ax,Bx,Cx,

6、Ax,Bx,Cx,lEEEEEEExx,Ax,Bx,Cx,Ax,Bx,CeEEEEEE x,Ax,Ax,Bx,Bx,Cx,Cx,lEEEEEEE x,Ax,Ax,Cx,Cx,Bx,Bx,lEEEEEEE xx,Bx,Bx,Cx,Cx,Ax,AeEEEEEE xx,Bx,Bx,Ax,Ax,Cx,CeEEEEEE第6页/共75页7 系统以外发生的系统以外发生的损失（如燃气轮机的排气、锅炉的排烟损失（如燃气轮机的排气、锅炉的排烟和其它场合下的向环境大气的排汽、排热水和排热物体等）和其它场合下的向环境大气的排汽、排热水和排热物体等）称为系统称为系统外部外部损失损失 。x,out()lE 同时考虑了外部

7、同时考虑了外部损失的损失的效率总是小于只考虑内部效率总是小于只考虑内部损损失的失的效率。效率。 例例5-1 研究系统及其内部进行的过程时，系统内部以及系统与有关研究系统及其内部进行的过程时，系统内部以及系统与有关外界间（包括环境大气）进行不可逆过程所引起的外界间（包括环境大气）进行不可逆过程所引起的损失（如系损失（如系统内部摩擦不可逆因素引起的统内部摩擦不可逆因素引起的损失，以及系统与有关外界间温损失，以及系统与有关外界间温差传热等），称为系统差传热等），称为系统内部内部损失损失。 x,ilE三、内部三、内部损失和外部损失和外部损失损失第7页/共75页8 p-v及及T-s图图 .123456.

8、 .p1. .12465.p1.bap2.3.ss5-2 电厂电厂分析和热电合产经济分析分析和热电合产经济分析 一、电厂基本理论循环的一、电厂基本理论循环的分析分析 简单蒸汽动力装置循环简单蒸汽动力装置循环郎肯循环郎肯循环第8页/共75页9 初参数对朗肯循环热效率的影响初参数对朗肯循环热效率的影响 初温初温t112TT 或或 循环循环1T2T3561T =循环循环123561+循环循环11T2T21tt11 2 21t123561TTt.1T2T不变不变1T2T1T1T 但循环但循环123561平均吸热温度高于平均吸热温度高于循环循环11T2T21，而放热温度相同。，而放热温度相同。 朗肯循环

9、的热效率朗肯循环的热效率 1243net2t11141hhhhwqqqhh 第9页/共75页10 初压力初压力 p1但但 x2下降且下降且 p太高造成强度问题太高造成强度问题. .t12TT不变不变 背压背压 p2.2b3b4b1T但受制于环境不能任意降低但受制于环境不能任意降低226kPa,36.17 C;4kPa,28.95 Cssptpt同时，同时，x2下降下降 。 t2T 基本不变基本不变第10页/共75页114-1 水在蒸汽发生器中的预热、水在蒸汽发生器中的预热、汽化过程近似认为定压过程汽化过程近似认为定压过程 114qhh1-2过程绝热过程绝热t,T12whh2-3乏汽在冷凝器中冷

10、凝，乏汽在冷凝器中冷凝，也为定压过程也为定压过程 223qhh4-3绝热压缩，给水泵消耗的功绝热压缩，给水泵消耗的功43Cwhh压水堆压水堆二回路基本循环的理论热效率二回路基本循环的理论热效率 net232t111411whhqqqhh 循环热效率循环热效率 第11页/共75页12蒸汽参数对循环的影响蒸汽参数对循环的影响蒸汽初压力和初温的影响蒸汽初压力和初温的影响 循环平均放热温度循环平均放热温度T m2 相等相等 ,但但1p2341p的的平均吸热温度比循环平均吸热温度比循环12341的平均吸热温度高，的平均吸热温度高，因此初压较高的循环因此初压较高的循环1p2p341p热效率较高。热效率较高

11、。 单纯提高初压力，虽可使热效率提高，但同时也会造成汽轮机单纯提高初压力，虽可使热效率提高，但同时也会造成汽轮机出口蒸汽干度下降，蒸汽干度过低将危及汽轮机的安全运行。出口蒸汽干度下降，蒸汽干度过低将危及汽轮机的安全运行。 提高二回路蒸汽温度（或压力）需提高一回路冷却剂的温度，提高二回路蒸汽温度（或压力）需提高一回路冷却剂的温度，提高一回路压力，但，受到水热物性质的制约。例如，大亚湾提高一回路压力，但，受到水热物性质的制约。例如，大亚湾核电厂反应堆出口核电厂反应堆出口 冷却剂平均温度为冷却剂平均温度为329.8，一回路压力为，一回路压力为15.5MPa（饱和温度（饱和温度344.7）。若提高到）

12、。若提高到20MPa（饱和温度（饱和温度365.7），虽然冷却剂温度提高了），虽然冷却剂温度提高了21，可以使二回路蒸汽的，可以使二回路蒸汽的初温有一定的提高，带来循环热效率的些微提高，但一回路压初温有一定的提高，带来循环热效率的些微提高，但一回路压力却因此而提高了力却因此而提高了4.5MPa，这将提高系统内各主要设备的承压，这将提高系统内各主要设备的承压要求及材料和加工制造的难度，最终影响到电厂的经济性，所要求及材料和加工制造的难度，最终影响到电厂的经济性，所以目前压水堆核电厂一回路系统的工作压力大多在以目前压水堆核电厂一回路系统的工作压力大多在15MPa。 第12页/共75页13 乏汽参数

13、的影响乏汽参数的影响 维持蒸汽初参数维持蒸汽初参数p1、T1不变，降低乏汽压不变，降低乏汽压力力p2，热效率将提高。，热效率将提高。 乏汽压力乏汽压力p2选择取决于冷凝器内冷却流选择取决于冷凝器内冷却流体的温度，一般冷却流体是自然界中的水。体的温度，一般冷却流体是自然界中的水。因此，降低因此，降低p2受制于环境介质的温度。受制于环境介质的温度。汽轮机内部相对效率汽轮机内部相对效率T（简称汽机效率）（简称汽机效率） t,Tact12actTt,T12whhwhh近代大功率汽轮机近代大功率汽轮机T 在在0.92左右左右 有摩阻的实际朗肯循环有摩阻的实际朗肯循环 损失损失x,0 g02,act1()

14、leT sT ss第13页/共75页14 再热循环再热循环 新汽膨胀到某一中间压力后撤出汽轮机，导入锅炉中特新汽膨胀到某一中间压力后撤出汽轮机，导入锅炉中特设的再热器或其它换热设备中，使之再加热，然后再导入汽轮机设的再热器或其它换热设备中，使之再加热，然后再导入汽轮机继续膨胀到背压继续膨胀到背压的循环。的循环。 再热对循环的影响再热对循环的影响 提高汽轮机末端蒸汽干度提高汽轮机末端蒸汽干度对循环热效率的影响对循环热效率的影响 热效率热效率 net12t112()()()()abbawhhhhqhhhh 根据已有经验，中间压力在根据已有经验，中间压力在p1的的2030%范围内，对提高热范围内，对

15、提高热效率的作用最大。但选取中间压力时必须注意使进入冷凝器的乏效率的作用最大。但选取中间压力时必须注意使进入冷凝器的乏汽干度在允许范围内，此为再热之根本目的。汽干度在允许范围内，此为再热之根本目的。 第14页/共75页15压水堆二回路循环的新蒸汽是饱和或仅压水堆二回路循环的新蒸汽是饱和或仅稍微过热的，因此提高蒸汽膨胀终态的干稍微过热的，因此提高蒸汽膨胀终态的干度更显重要；度更显重要； 压水堆电厂汽水分离再热的特征压水堆电厂汽水分离再热的特征核电厂的热源的特殊性，核电厂循环的再热是由新蒸汽完成，核电厂的热源的特殊性，核电厂循环的再热是由新蒸汽完成，因此对循环热效率的提高并不有利，但汽水分离再热对

16、保证汽轮因此对循环热效率的提高并不有利，但汽水分离再热对保证汽轮机的安全运行提供了保障。机的安全运行提供了保障。 第15页/共75页161- -kgkg.0101.1kg1- -kg 抽汽回热循环抽汽回热循环 工程上采用的回热方式是从汽轮机的适当部位抽出尚未完全工程上采用的回热方式是从汽轮机的适当部位抽出尚未完全膨胀的压力、温度相对较高的少量蒸汽，去加热低温凝结水。膨胀的压力、温度相对较高的少量蒸汽，去加热低温凝结水。 大亚湾电站一回路压力为大亚湾电站一回路压力为15.5MPa，冷却剂平均出口温度，冷却剂平均出口温度329.8，平均进口温度，平均进口温度290.8，但凝结水的温度仅约，但凝结水

17、的温度仅约40 。 现代大中型蒸汽动力装置毫无例外均采用回热循环，抽汽的级现代大中型蒸汽动力装置毫无例外均采用回热循环，抽汽的级数由数由23级到级到78级，参数越高、容量越大的机组，回热级数越级，参数越高、容量越大的机组，回热级数越多。大亚湾核电站的二回路循环就有高达多。大亚湾核电站的二回路循环就有高达7级的抽汽。级的抽汽。 第16页/共75页17循环分析循环分析循环净功循环净功 111net10102112110()(1)()(1)()()whhhhhhhh循环吸热量循环吸热量 1110 qhh循环热效率循环热效率 nett,R1wq 工质平均吸热温度提高，平均放热温度不变，工质平均吸热温度

18、提高，平均放热温度不变，回热循回热循环的热效率一定大于单纯朗肯循环的热效率。环的热效率一定大于单纯朗肯循环的热效率。 回热循环分析计算回热循环分析计算 确定抽汽量确定抽汽量1 热平衡方程热平衡方程 11110 4100 (1)()()hhhh忽略水泵功忽略水泵功 24hh 110 2102hhhh第17页/共75页18 电厂蒸汽循环的热分析和电厂蒸汽循环的热分析和分析分析 第一定律分析法第一定律分析法 以能量的数量为立足点，从以能量的数量为立足点，从能量转换的数量关系来评价循能量转换的数量关系来评价循环的经济性，热效率为指标。环的经济性，热效率为指标。 抓住能量数量上的平衡，考抓住能量数量上的

19、平衡，考虑能量数量的利用程度，反映虑能量数量的利用程度，反映能量数量的能量数量的“外部损失外部损失” 火力发电厂蒸汽动力装置热火力发电厂蒸汽动力装置热平衡揭示锅炉散热、排烟和不平衡揭示锅炉散热、排烟和不完全燃烧损失、汽轮机和管道完全燃烧损失、汽轮机和管道等散热损失及冷凝器热损失，等散热损失及冷凝器热损失，得到装置的能流分配和热效率。得到装置的能流分配和热效率。 第二定律分析法第二定律分析法 从能量的数量和质量来分析，从能量的数量和质量来分析，以以“熵产或作功能力损失和熵产或作功能力损失和效效率率” 为指标。其中为指标。其中分析法揭示分析法揭示出能量中出能量中的转换、传递、利用的转换、传递、利用

20、和损失情况，得出系统和损失情况，得出系统效率。效率。 抓住不可逆过程中抓住不可逆过程中转变为转变为、不可能转变为不可能转变为，揭示出，揭示出系统内部存在的能量系统内部存在的能量“质质”的贬值的贬值和损耗。和损耗。 两种方法揭示的不完善部位及损失大小不同两种方法揭示的不完善部位及损失大小不同 系统的能量分析方法系统的能量分析方法第18页/共75页19设设 备备能量损失占输入能量损失占输入能量的比（能量的比（%）损失占输入损失占输入量的比（量的比（%）锅炉：锅炉： 燃烧过程燃烧过程 传热过程传热过程 烟道损失烟道损失 其他损失其他损失汽轮机汽轮机冷凝器冷凝器加热器加热器其他其他合计合计9 0470

21、35949 29.7 14.9 0.68 3.7241.51.05.561某蒸汽动力装置两种分析结果某蒸汽动力装置两种分析结果第19页/共75页20 压水堆核电厂二回路简化系统分析结果压水堆核电厂二回路简化系统分析结果 第20页/共75页21简化的二回路各点参数简化的二回路各点参数 No.参参 数数34 5678p / MPa6.697.080.72012.5140.6590.0885t / 282.8230.2166.1224.3267.396.2h / kJ/kg2772.5992.02477.52652.12991.02623.0s / kJ/(kgK)5.8302.6036.0455.

22、9527.2037.274x / %99.6900.92ex,H/ kJ/kg1039.73220.85680.66882.97849.07459.91qm / kg/s1304.781685.171104.425200.35928.30204.50环境参数环境参数 00.1MPap 0298KT 以二回路水在蒸汽发生器以二回路水在蒸汽发生器吸收的热量为基准，忽略管路吸收的热量为基准，忽略管路散热损失和压力损失，假定流散热损失和压力损失，假定流经冷凝器后海水温度由经冷凝器后海水温度由23上上升到升到30 第21页/共75页22 No.参参 数数91011121314p / MPa0.0070.

23、0070.69040.69042.5146.69t / 39.039.039.4137.1224.3282.8h / kJ/kg2354.6163.4165.5577.0982.72772.5s / kJ/(kgK)7.5790.5590.5641.7092.5965.830 x / %99.69ex,H/ kJ/kg100.621.381.9972.28213.661039.73qm / kg/s723.801104.4251104.425200.351685.17380.39环境参数环境参数 00.1MPap 0298KT 以二回路水在蒸汽发生器以二回路水在蒸汽发生器吸收的热量为基准，忽略

24、管路吸收的热量为基准，忽略管路散热损失和压力损失，假定流散热损失和压力损失，假定流经冷凝器后海水温度由经冷凝器后海水温度由23上上升到升到30 第22页/共75页23 No.参参 数数151617181920p / MPa2.4630.6590.0070.0070.10.1t / 223.2267.339.039.02330h / kJ/kg1281.62991.02452.2400.796.5125.8s / kJ/(kgK)3.1987.2037.8911.3190.3390.436x / %ex,H/ kJ/kg333.16849.07105.2512.200.0440.438qm /

25、kg/s1380.39176.125176.125204.50环境参数环境参数 00.1MPap 0298KT 以二回路水在蒸汽发生器以二回路水在蒸汽发生器吸收的热量为基准，忽略管路吸收的热量为基准，忽略管路散热损失和压力损失，假定流散热损失和压力损失，假定流经冷凝器后海水温度由经冷凝器后海水温度由23上上升到升到30 第23页/共75页24 循环循环分析分析进入进入系统系统减减去去离开离开系统的系统的减减去系统去系统损失损失等于等于系统系统增量增量。 平衡方程：平衡方程：损失进入系统的损失进入系统的离开系统的离开系统的。稳定流动系统稳定流动系统内部内部损失损失工质在设备内部经历不可逆过程工质

26、在设备内部经历不可逆过程外部外部损失损失由于泄漏、散热等造成由于泄漏、散热等造成+汽轮机这类作功设备汽轮机这类作功设备进行绝热过程，定义进行绝热过程，定义 无功量输入或输出设备，无功量输入或输出设备，如蒸汽发生器、冷凝器、如蒸汽发生器、冷凝器、高低压加热器、除氧器，高低压加热器、除氧器，定义定义 效率效率第24页/共75页25 项目项目名称名称数值数值/（kJ/s）相对百分率相对百分率/ %平衡法平衡法热平衡法热平衡法平衡法平衡法热平衡法热平衡法一、一回路冷却剂提供的热量一、一回路冷却剂提供的热量 冷却剂提供的热量的冷却剂提供的热量的值值 3.0001063.0001061001470257.

27、7100二、过程损失二、过程损失 （1）蒸汽发生器损失）蒸汽发生器损失 （2）汽轮机高压缸损失）汽轮机高压缸损失 （3）汽轮机低压缸损失）汽轮机低压缸损失 （4）水泵汽轮机损失）水泵汽轮机损失 （5）给水泵损失）给水泵损失 （6）凝水泵损失）凝水泵损失 （7）汽水分离再热器损失）汽水分离再热器损失 （8）凝汽器损失）凝汽器损失 （9）低压加热器损失）低压加热器损失 （10）除氧器损失）除氧器损失90308.56.1478050.45.31101788.36.926735.5559.250.460.0023522.00.241645.60.1182775.95.6391660.72023383.

28、76.2367.4713926.70.9523408.21.59三、净输出有用功三、净输出有用功976404.9976404.966.3932.5二回路循环的能分析和二回路循环的能分析和分析表分析表 第25页/共75页26二回路装置二回路装置流图和热流图流图和热流图 第26页/共75页27 讨论讨论 （1）冷凝器中冷却水带走的能量占一回路提供热量的比例）冷凝器中冷却水带走的能量占一回路提供热量的比例67.47%，即几乎输入能量的，即几乎输入能量的2/3在冷凝器中损失，但是冷凝器在冷凝器中损失，但是冷凝器中的中的损失仅是一回路供给损失仅是一回路供给的约的约6%。 （2）本案例假设不计除水泵汽轮机

29、外的散热损失，所以各）本案例假设不计除水泵汽轮机外的散热损失，所以各个设备的能量效率均为个设备的能量效率均为100%，但这些设备都有可用能损失。，但这些设备都有可用能损失。以汽轮机为例，由于汽轮机内过程的不可逆性，虽然没有散热以汽轮机为例，由于汽轮机内过程的不可逆性，虽然没有散热损失，但两级的损失，但两级的损失之和高达一回路输入损失之和高达一回路输入的的12.23%。 （3）二回路装置的）二回路装置的分析结果与第一章所提出的火力发电厂分析结果与第一章所提出的火力发电厂蒸汽动力装置的蒸汽动力装置的分析的结果有明显差异。火力发电厂蒸汽动力分析的结果有明显差异。火力发电厂蒸汽动力装置的装置的分析中锅

30、炉内分析中锅炉内损失占输入损失占输入量的量的49%，本案例中蒸汽，本案例中蒸汽发生器的发生器的损失仅损失仅6.14%，燃料燃烧是典型不可逆过程，燃料燃烧是典型不可逆过程，燃料的化学能转换成燃气的热力学能伴随着巨大可用能损失；燃料的化学能转换成燃气的热力学能伴随着巨大可用能损失；锅炉中燃气的平均温度远高于水和水蒸气的平均温度锅炉中燃气的平均温度远高于水和水蒸气的平均温度而蒸汽发生器中一回路的冷却剂的平均温度与二回路中而蒸汽发生器中一回路的冷却剂的平均温度与二回路中输入的给输入的给水和输出的饱和蒸汽平均温度之间差别不大水和输出的饱和蒸汽平均温度之间差别不大，故，故损失不大。损失不大。 第27页/共

31、75页28 （4）虽然低压加热器和除氧器等设备中存在）虽然低压加热器和除氧器等设备中存在损失，但是由损失，但是由于提高了给水的温度，减小了蒸汽发生器内传热介质间的温差，于提高了给水的温度，减小了蒸汽发生器内传热介质间的温差，使蒸汽发生器内使蒸汽发生器内损失较大的下降从而有利于装置整体效率的提损失较大的下降从而有利于装置整体效率的提高。高。 （5）如果综合考虑包括反应堆在内的整个系统，则装置）如果综合考虑包括反应堆在内的整个系统，则装置效效率将大为减小，压水堆冷却剂采用水为一回路冷却剂，核燃料的率将大为减小，压水堆冷却剂采用水为一回路冷却剂，核燃料的核能转变成压力水的热力学能有极大的核能转变成压

32、力水的热力学能有极大的损失；水的临界温度才损失；水的临界温度才374.15，所以，提高一回路压力对于减少，所以，提高一回路压力对于减少损失的效果非常有损失的效果非常有限，改用金属钠作冷却剂，在热力学意义上是降低这种损失的有限，改用金属钠作冷却剂，在热力学意义上是降低这种损失的有效措施。效措施。 总之，就压水堆发电厂的二回路而言，从第一定律分析法总之，就压水堆发电厂的二回路而言，从第一定律分析法（热分析）的角度看，冷凝器中损失了绝大部分能量，但从第（热分析）的角度看，冷凝器中损失了绝大部分能量，但从第二定律分析法（二定律分析法（分析）的分析）的角度来看角度来看损失，最大损失发生损失，最大损失发生

33、在汽轮机内，应尽可能改善汽轮机内的通流结构的气动特性，在汽轮机内，应尽可能改善汽轮机内的通流结构的气动特性，减少不可逆损失。减少不可逆损失。 第28页/共75页29 以年产以年产6万吨氮肥的某化肥厂动力车间热电合产为例介绍万吨氮肥的某化肥厂动力车间热电合产为例介绍分析在热电合产方案的经济分析中的热电合产应用分析在热电合产方案的经济分析中的热电合产应用 p / MPat / qm / t/h0.3200481.220815 2.540014动力车间装有四台锅炉动力车间装有四台锅炉 需三种蒸汽需三种蒸汽 系统中还装有一台容量为系统中还装有一台容量为3000kW的背压机组，进的背压机组，进汽参数为汽

34、参数为390 、2.4MPa排汽压力为排汽压力为0.3MPa。 炉号炉号p/MPat/qm/ t/h炉型炉型设计效率设计效率N1N2N3N42.53.93.93.940045040040030353535链条链条煤粉煤粉煤粉煤粉煤粉煤粉0.800.870.870.87二、热电合供方案分析二、热电合供方案分析第29页/共75页30 建造时为了便于机炉并列运行，采用方案建造时为了便于机炉并列运行，采用方案I，对，对N2、N3、N4三三台煤粉炉作了改造，将其运行参数降至台煤粉炉作了改造，将其运行参数降至400、2.5MPa，除氧器，除氧器从在从在0.12 MPa下运行改为在下运行改为在0.18 MP

35、a下运行。不配备高压回热加下运行。不配备高压回热加热器，使锅炉给水温度由热器，使锅炉给水温度由160降至降至116。采用这种方案后，用。采用这种方案后，用户所需的三种参数的蒸汽中，除户所需的三种参数的蒸汽中，除2.5MPa的蒸汽可直接由锅炉产的蒸汽可直接由锅炉产生的蒸汽供应外，其它两种参数的蒸汽都要全部或部分地通过两生的蒸汽供应外，其它两种参数的蒸汽都要全部或部分地通过两台减压减温器输出。台减压减温器输出。 锅炉改造后，运行效果不佳，平均的锅炉效率只有锅炉改造后，运行效果不佳，平均的锅炉效率只有65%，锅炉，锅炉耗煤量大大增加。耗煤量大大增加。 对方案对方案I作作平衡计算，找出平衡计算，找出损

36、失最大的环节，为拟选合理损失最大的环节，为拟选合理而有较高经济效益的热电合产方案指明方向。而有较高经济效益的热电合产方案指明方向。 假设：压力为假设：压力为0.1MPa、温度为、温度为20的水流的比的水流的比为零；为零； 假定假定N1、N2、N3炉运行；炉运行； 除锅炉至背压机的蒸汽管道考虑压力损失及散热损失除锅炉至背压机的蒸汽管道考虑压力损失及散热损失 外，其它汽水管道、设备都忽略这种损失；外，其它汽水管道、设备都忽略这种损失； 锅炉排污及动力车间的汽水泄漏损失及泵功忽略不计；锅炉排污及动力车间的汽水泄漏损失及泵功忽略不计； 取燃料取燃料等于燃料低发热量（等于燃料低发热量（q=29307.6

37、kJ/kg）。）。第30页/共75页31系统及参数图系统及参数图第31页/共75页32计算结果表计算结果表项项 目目代号代号值值/ /kW占占E Exfxf的百分数的百分数/ /%供给热电用户的供给热电用户的锅炉锅炉损失损失蒸汽管道蒸汽管道损失损失背压机组背压机组损失损失除氧器（除氧器（2 2台）台）损失损失减温减压器减温减压器损失损失减温减压器减温减压器损失损失ExgainEl,BEl,TUEl,TEl,OEl,El,20858.370472.7204.21238.9794.2516.21946.721.7173.390.211.290.830.542.03小小 计计96031.2100.0

38、方案方案I效率很低，仅效率很低，仅21.71%最大部分的最大部分的损失发生在锅炉中损失发生在锅炉中其次是在减压减温器其次是在减压减温器II中中燃料的燃烧、散热及不可逆传热所引起燃料的燃烧、散热及不可逆传热所引起现行条件下恢复锅炉原参现行条件下恢复锅炉原参数运行，并提高锅炉效率数运行，并提高锅炉效率选用一台适当容量选用一台适当容量的背压机组代替的背压机组代替节流损失节流损失第32页/共75页33 方案方案II要点：要点：N2、N3和和N4炉恢复原设计参数（炉恢复原设计参数（450、3.9MPa）运行；增设高压加热器，将锅炉给水加热到运行；增设高压加热器，将锅炉给水加热到160；N1炉给水温炉给水

39、温度恢复到度恢复到104（即除氧器在（即除氧器在0. 12MPa下运行）；增装一台下运行）；增装一台B3-35/10背压机组，进汽参数为背压机组，进汽参数为435、3.5MPa，使两台背压机组发，使两台背压机组发电达电达4871.4kW。 方案方案要点：锅炉参数与方案要点：锅炉参数与方案相同相同增设一台增设一台Y02背压机组，背压机组，发电发电1500kW，进汽参数为，进汽参数为390、2.4MPa，使两台背压机组发，使两台背压机组发电达电达4500kW。第33页/共75页34方案方案第34页/共75页35方案方案第35页/共75页36各方案比较表各方案比较表（ ）B0.80序序号号项项 目目

40、单单 位位数数 值值备备 注注方案方案I方案方案II 方案方案123456锅炉消耗标准锅炉消耗标准煤耗量煤耗量燃料（标准煤燃料（标准煤)总总供给热、电用供给热、电用户的户的系统的系统的效率效率发电的标准煤发电的标准煤耗率耗率年节约标准煤年节约标准煤t/hkWkW%kg/(kWh)吨吨/年年11.79696031.220858.321.710.213/9.439 12.07576842.9 98302.622729.7 22358.329.60 22.740.163 0.191414.2 -1674燃料燃料=低发热值低发热值只计锅炉热损失只计锅炉热损失年运行年运行6000小时小时 方案方案II需

41、要增加两个回热加热器；更换三台给水泵（二台工作，需要增加两个回热加热器；更换三台给水泵（二台工作，一台备用）；增设一些汽、水管道与一个减压减温器一台备用）；增设一些汽、水管道与一个减压减温器III，投资，投资较大，改建也较麻烦。从能量的合理利用及长远的经济效果来较大，改建也较麻烦。从能量的合理利用及长远的经济效果来看，方案看，方案II是较合理的，它既满足了工艺用热的需要，又可节约是较合理的，它既满足了工艺用热的需要，又可节约14140吨标准煤。吨标准煤。 第36页/共75页375-3 热（热（）经济学基础）经济学基础一、一、 热经济学的特热经济学的特点点分析与能量有关的现代工程系统方法：分析与

42、能量有关的现代工程系统方法：第一定律分析法第一定律分析法利用系统能量平衡概念分析和完善所利用系统能量平衡概念分析和完善所 讨论的系统，用各项技术指标计算并评估它们的完善程度讨论的系统，用各项技术指标计算并评估它们的完善程度（又称能平衡法又称能平衡法）； 考虑能量的数量概念忽略各种不可逆损失。考虑能量的数量概念忽略各种不可逆损失。第二定律分析法第二定律分析法利用热力学势可以给出各种形式下功利用热力学势可以给出各种形式下功的数值的概念评估和分析所讨论系统任意点上的物流与能流的数值的概念评估和分析所讨论系统任意点上的物流与能流的作功性能（包含熵分析法、的作功性能（包含熵分析法、分析法和能级分析法）。

43、分析法和能级分析法）。 对系统作性能分析而与系统的形式、结构及复杂程度对系统作性能分析而与系统的形式、结构及复杂程度无关。无关。70年代来年代来分析法与经济因素相结合产生了交叉学分析法与经济因素相结合产生了交叉学科科热热（）经济学经济学。第37页/共75页38 热经济学热经济学是热力学第二定律分析法发展的一个重要分支：是热力学第二定律分析法发展的一个重要分支： 把热力学第二定律分析法与经济优化技术结合起来把热力学第二定律分析法与经济优化技术结合起来的产物的产物把技术和经济融合在一起的全新技术，适用于解决把技术和经济融合在一起的全新技术，适用于解决大型的、复大型的、复杂的生产能量和消耗能量的工程

44、系统杂的生产能量和消耗能量的工程系统的分析、设计和优化。的分析、设计和优化。 热力学研究热力学研究注重于对热力过程的描述、热工参数的计算以及注重于对热力过程的描述、热工参数的计算以及热力系统中能流和物流变化的计算。热力系统中能流和物流变化的计算。 热力学方案比较、使用单纯的热力学特性量，如效率、有效热力学方案比较、使用单纯的热力学特性量，如效率、有效利用系数、熵增、不可逆性和利用系数、熵增、不可逆性和耗损等等耗损等等 经济学研究经济学研究着重经济行为的分析着重经济行为的分析 使用成本、价格、利润、利息率以及其它经济信息。使用成本、价格、利润、利息率以及其它经济信息。 热经济学热经济学的特点的特

45、点： 热力学参量与经济信息参量之间找到适当的结合点，使虽以热力学参量与经济信息参量之间找到适当的结合点，使虽以第二定律分析法为基础，但得到以给出经济量表示的答案第二定律分析法为基础，但得到以给出经济量表示的答案。 热经济学的特点热经济学的特点A：第38页/共75页39 第一定律分析法没有环境概念第一定律分析法没有环境概念，只使用一个能量的概念，只使用一个能量的概念，是单纯地以能量平衡和物质平衡为基础进行分析的一种方法。是单纯地以能量平衡和物质平衡为基础进行分析的一种方法。 第二定律分析法有一个环境第二定律分析法有一个环境物理环境。取一定的环境为物理环境。取一定的环境为基准，确定体系中的物质所具

46、有的基准，确定体系中的物质所具有的值。值。不仅是取决于体系不仅是取决于体系本身，而且还取决于环境的参数。本身，而且还取决于环境的参数。 热经济学热经济学的特点的特点： 热经济学分析法具有两个环境热经济学分析法具有两个环境 物理环境；物理环境； 经济环境经济环境 依照热力学方法想象的，随社会经济信息的改变而改变。依照热力学方法想象的，随社会经济信息的改变而改变。 热经济学分析除了研究热经济学分析除了研究体系与自然环境体系与自然环境之间的相互作用外，之间的相互作用外，还要研究还要研究体系内部的经济参量与环境经济参量间体系内部的经济参量与环境经济参量间的相互作用的相互作用 。B：C：第39页/共75

47、页40二、二、 热经济学的基础热经济学的基础1. 方法的基本概念方法的基本概念 1932年美国麻省理功学院年美国麻省理功学院等提出等提出可用能函数可用能函数表示表示 能量质概念；能量质概念； 1868年年Tait第一次使用第一次使用availability的概念；的概念； 1871年年axwell使用使用 了了available energy； 1873年年Gibbs和和1889年年Gouy提出了提出了 封闭系可用能封闭系可用能的概念；的概念； 1889年年Stodola导出导出稳流系的最大功稳流系的最大功，并，并 和和Gouy同时但独立地同时但独立地 把可用能损失与熵产联系起来，奠定了第一定

48、律与第二定律把可用能损失与熵产联系起来，奠定了第一定律与第二定律 结合的基础；结合的基础； 20世纪世纪50年年代德国学者对能的概念进行系统分析，提出代德国学者对能的概念进行系统分析，提出能能= +，明确，明确是能量中可无限转换的部是能量中可无限转换的部 分，分，是不可转是不可转 换部分，统一了换部分，统一了“”参数名称参数名称英文英文exergy，德文，德文exergie。第40页/共75页412、 热经济学发展轨迹热经济学发展轨迹 热经济学是热力学与经济因素分析结合的产物，起源于热经济学是热力学与经济因素分析结合的产物，起源于20世世纪纪50年代末，年代末，60年代形成完整体系。最早称为年

49、代形成完整体系。最早称为“孤立化孤立化”模式模式的热经济学。的热经济学。 热经济学的创始人热经济学的创始人M .Tribus把一个复杂的能量系统划分成若把一个复杂的能量系统划分成若干干“子系统子系统”，首创通过子系统，首创通过子系统逐个寻优逐个寻优达到全局最优的目的。达到全局最优的目的。 为使系统各个局部最优即意味着系统全局最优，各子系统必为使系统各个局部最优即意味着系统全局最优，各子系统必须满足须满足热经济孤立化热经济孤立化条件。条件。 热经济孤立化的基本思想热经济孤立化的基本思想热系统的某一部分在热孤立热系统的某一部分在热孤立化的情况下，可以从其它部分中孤立出来，这时，它在经济上化的情况下

50、，可以从其它部分中孤立出来，这时，它在经济上的每一种联系可被一组唯一稳定的拉格朗日乘子所充分描写的每一种联系可被一组唯一稳定的拉格朗日乘子所充分描写。 热孤立化方法通过仅热孤立化方法通过仅优化子系统自身优化子系统自身，不必确定它对系统，不必确定它对系统其它部分的影响，就能其它部分的影响，就能保证全系统寻优保证全系统寻优的一种充分必要条件。的一种充分必要条件。本质本质是是拉格朗日待定乘子法分散优化拉格朗日待定乘子法分散优化。 R.Evans对热经济学孤立化原理进行了数学论证。对热经济学孤立化原理进行了数学论证。第41页/共75页42 20世纪世纪70年代又形成了以年代又形成了以R.Gaggiol

51、i为首的所谓为首的所谓“代数代数”模模式热经济学式热经济学 近年来又出现了近年来又出现了“结构系数结构系数”模式热经济学、模式热经济学、“矩阵矩阵”模模式热经济学（又称符号式热经济学（又称符号经济学）。经济学）。 总之：总之： 热经济学把热力学分析法与经济学分析法（优化）结合在热经济学把热力学分析法与经济学分析法（优化）结合在一起，分析与优化相辅相成。分析的结果可给出一起，分析与优化相辅相成。分析的结果可给出在系统各部位在系统各部位上上流及经济信息流的分布，从而发现那些地方存在着最大的流及经济信息流的分布，从而发现那些地方存在着最大的改进潜力。优化方法则从系统整体的角度给出系统的某一局部改进潜

52、力。优化方法则从系统整体的角度给出系统的某一局部改进或某一参数改进对全系统的影响改进或某一参数改进对全系统的影响。第42页/共75页433、热经济分析的关键 的定价 方法和经济分析方法相结合的关键是方法和经济分析方法相结合的关键是的定价的定价，问题，问题的复杂在于每种模式可以有几种形式的价格。的复杂在于每种模式可以有几种形式的价格。代数定价方法：代数定价方法：一个分成若干子系统的复杂能量系统，一个分成若干子系统的复杂能量系统，价格分成价格分成外部价格外部价格系统输入和输出系统输入和输出的定价的定价，由市场价格确定由市场价格确定内部价格内部价格子系统之间交易的子系统之间交易的的定价，特征：的定价

53、，特征：没有利润没有利润， 即这种即这种价格仅计算各子系统加工价格仅计算各子系统加工所消耗所消耗 的成本，这种成本沿子系统逐级增值，因此，的成本，这种成本沿子系统逐级增值，因此， 这种价格也称这种价格也称“传递价格传递价格” 第43页/共75页44考虑图示各子系统依次排列成链式的能量系考虑图示各子系统依次排列成链式的能量系统统Exin、Expr分别为输入分别为输入流和输出流和输出流；流；Ck第第k个子系统输出产品的总成本；个子系统输出产品的总成本；Cnk第第k个子系统消耗的非能量费用，如折旧、工资等；个子系统消耗的非能量费用，如折旧、工资等；ck,k+1第第k个子系统向第个子系统向第k+1个子

54、系统输送的个子系统输送的单价单价1EX1Cn 12EX2Cn 2EX1kCn kmEXmCn mEXkEXkEX2Exm=EXpr= EXin系统系统1向子系统向子系统2输送的输送的值。值。 X1EEX2向子系统向子系统2输入的输入的值。值。 第44页/共75页45对子系统对子系统1，列，列成本方程：成本方程：112x1inx,in1( )nCc Ec ECA子系统子系统1 1输出产品的总成本输出产品的总成本 对子系统对子系统2列列成本方程：子系统成本方程：子系统1向向2输出输出价是无利润价是无利润价价223x212x22( )nCc Ec ECB子系统子系统2 2输出产品的总成本输出产品的总

55、成本A代入代入B，得子系统，得子系统2输出产品总成本为：输出产品总成本为：212inx,in12( )nnnCCCc ECCC依次类推依次类推inx,in1()kkniiCc ECDEX1=EX2输入输入单价单价1EX1Cn 1EX1= EX,in2EX2Cn 2EX2第45页/共75页46根据设备根据设备效率的概念效率的概念x2x1EEx1x1 1X,in1EEE类推类推x,x,in1kkiiEE所以式所以式 D inx11( )kkknikiiic ECCF第第i个子系统的个子系统的传递效率。传递效率。x2x22EEinx,in1()kkniiCc ECDx2x1 12x,in12EEE2

56、EX2Cn 2EX21EX1Cn 1EX1= EX,in第46页/共75页47子系统子系统 k 输出的单位输出的单位成成本本in1x,in1kniikiiCcExkkkCcE1inx,inin11kniikkkiiCc Ecc子系统子系统k的的单位单位成本增长系数成本增长系数xx,in1kkiiEEinx11( )kkknikiiic ECCFin1x1knikikiiCcEin( )kcG第47页/共75页484、 热经济学分析常用的数学模式热经济学分析常用的数学模式热经济学会计统计热经济学会计统计热经济学优化热经济学优化 热经济学分析的会计统计模式热经济学分析的会计统计模式 热力学方面包括

57、对全系统热力学方面包括对全系统（如整个工厂如整个工厂）的过程不可逆性的过程不可逆性的搜索，这些不可逆性之间的相互影响并探索系统流程可行的改的搜索，这些不可逆性之间的相互影响并探索系统流程可行的改进方案。做这些工作的基本工具是进方案。做这些工作的基本工具是函数，把函数，把当成一切物流热当成一切物流热力学值的尺度，跟踪全系统的力学值的尺度，跟踪全系统的流。流。 经济方面是对进入和流出的各价值流的追踪，使用的基本经济方面是对进入和流出的各价值流的追踪，使用的基本工具为度量各物流和能流经济价值的工具为度量各物流和能流经济价值的“价值流价值流”。 最后，把两种流最后，把两种流（流和经济价值流和经济价值）

58、汇合在一起，形成一汇合在一起，形成一张张流走向和单位流走向和单位流经济价值表，在两种流之间作权衡、取流经济价值表，在两种流之间作权衡、取舍得最佳方案。舍得最佳方案。 通过会计统计方法找出值得进一步探讨区域，用优化方通过会计统计方法找出值得进一步探讨区域，用优化方法求取最优方案法求取最优方案在一组约束条件下对目标函数求极值。在一组约束条件下对目标函数求极值。第48页/共75页49 热经济学优化，基于热经济学孤立化的概念，用分区的办法热经济学优化，基于热经济学孤立化的概念，用分区的办法来求取各区的局部最优，通过对各区的局部寻优达到全局最优。来求取各区的局部最优，通过对各区的局部寻优达到全局最优。热

59、经济学孤立化是拉格朗日待定乘子法分散优化的发展热经济学孤立化是拉格朗日待定乘子法分散优化的发展。 能量系统通常总是包含着许多具体设备，特别是大型的综合能量系统通常总是包含着许多具体设备，特别是大型的综合装置，总体优化常常很困难。热孤立化着眼于总体优化，但从装置，总体优化常常很困难。热孤立化着眼于总体优化，但从个别部件或设备的优化着手，通过各别设备的局部优化达到全个别部件或设备的优化着手，通过各别设备的局部优化达到全局的系统优化。局的系统优化。 热经济学优化分析模式热经济学优化分析模式第49页/共75页505-4 输出功率最大时内可逆热机的效率输出功率最大时内可逆热机的效率经典热力学经典热力学即

60、平衡态热力学是建立在即平衡态热力学是建立在平衡态平衡态概念及从自然现概念及从自然现 象总结概括得到的基本定律的基础上的。经典热力学在象总结概括得到的基本定律的基础上的。经典热力学在 “基本概念运用范围内是不会被推翻的基本概念运用范围内是不会被推翻的”。系统从一个状态系统从一个状态可逆可逆地转换到另一状态可以得到地转换到另一状态可以得到最大功最大功， 一切一切不可逆不可逆过程都要造成过程都要造成作功能力损失作功能力损失。因此，可逆过。因此，可逆过 程是经典热力学问题的最优解。但是可逆过程需要系统程是经典热力学问题的最优解。但是可逆过程需要系统 保持内部平衡，保持系统与外界总熵不变，所有的实际保持