节能原理-能量平衡

模块二节能原理项目2能量平衡项目2能量平衡概述热平衡设备热平衡平衡热平衡及平衡结果的表示方法提高能源利用率的途径3.1概述

进行能量平衡是考察设备及企业的重要构成、分布、利用的有效而科学的手段，是能源领域重要的基础性工作。

进行企业或设备的能源平衡，以评价其能源利用状况，找出能源浪费的环节或部位，优化用能过程，指导节能工作，达到降低成本、提高生产效率的目的。能量平衡的对象国家和地区的能量平衡企业和设备的能量平衡能量平衡两种方法能量数量平衡法能量质量平衡法3.1.1能量平衡

热力学第一定律是热平衡的基础，各种能量在传递和转换过程中，其总量是守恒的。输入能量=有效利用能量+损失能量式中：W表示系统对外做功。能效率定义为收益能与代价能之比，有3.1.2平衡

热力学第二定律指出了能量在质的方面的本性。在孤立系统中，系统的只会减少，而只会增加。

效率定义为收益与代价之比，即有式中：W表示系统对外做功；表示系统向环境的散热，它退化为；是由于各项不可逆过程造成的损失。E2当可利用时：3.2热平衡3.2.1基本概念热平衡的分类设备热平衡：以一台设备或装置为对象企业热平衡：以车间、企业为对象燃料发热量：燃料在完全燃烧条件下发出的热量。高位发热量：单位燃料完全燃烧且燃烧产物中的水蒸气凝结为水时放出的热量。低位发热量：单位燃料完全燃烧，但不计入燃烧产物中的水蒸气凝结为水时放出的热量。一般而言，烟气中的水蒸气不会凝结成水，常用低位发热量在进行能量平衡计算时，需考虑：一次能源直接用热值带入；二次能源包括：电力\蒸汽\石油制品\焦碳\煤气；耗能工质：压缩空气、氧气、水等。后两者需折合为它们所消耗的一次能源计算，其折算系数称为等价热量。例如：某压力下饱和蒸汽的焓值为2720kJ/kg，若锅炉效率为0.65，其等价热量为4185kJ/kg；若锅炉效率为0.85，其等价热量为3400kJ/kg。提高能量转换效率是合理利用能源的一个重要途径！等价热量当量热量——指用能过程中所使用的二次能源在工艺过程中实际完全转换成的能量。例如：1kW·h电完全转换为热时产生3600kJ热量在进行热平衡计算时，等价热量与当量热量具有不同的用途！当量热量对二次能源，在计算系统输入热量时，应使用等价热量；在计算实际放出的热量时，应使用当量热量。耗能工质不是能源，在生产过程中，作为原料或消耗性工质使用，只有等价热量而无当量热量。3.2.2热平衡技术指标能耗：考核企业单位产量或单位产值的能量消耗的指标。单耗：单位产量或单位产值所消耗的某种能量折算为标准煤的数量；综合能耗：企业消耗的各种能源的总耗量与产品总产量或总产品总产值之比。能量利用效率：这是衡量企业用能水平的主要指标。设备热效率装置能源利用率企业能源利用率能量利用效率能耗能源利用效率余热回收率三类指标锅炉热效率表示为：式中：Qyx为设备有效利用热；Qgg为设备供给热；Qss为各项损失热。设备热效率用以反映设备的能源利用程度，定义为：式中：D为锅炉蒸发量，kg/h；Hq为蒸汽焓，kJ/kg；Hs为给水焓，kJ/kg；B为用煤量，kg/h；为煤的低位发热量，

kJ/kg设备热效率装置能源利用率企业能源利用率能量利用效率式中：Qll—为制冷量，kJ；Qxh—为压缩机消耗的功，kJ。设备热效率（续）对某些设备，其用能水平的衡量已有习惯用法，仍沿用。制冷机用制冷系数热泵采用供热系数式中：Qgc—为供出热量，kJ；Qxh—为压缩机消耗的功，kJ

。

对有些行业（如石油、化工），因装置的工艺过程中有较多的化学反应和回收热利用，不能用一般工艺有效能及设备效率来考核其用能水平，而要以全入热为基础进行热平衡，定义为：式中：Qsc—为输出能，kJ；Qhs—为回收利用能，kJ

；Qgr—为供入热，kJ②装置能量利用率设备热效率装置能源利用率企业能源利用率能量利用效率

企业总能源供给包括一次能源的燃料热值和二次能源的等价热量。当有二次能源输出时，上述两项均应折算到一次能源，并从总能量供给中扣除。式中：∑Qyx—为总有效能，kJ；∑Qgr—为总供入热，kJ③企业能源利用率

这是用于考察整个企业用能水平的指标，定义为：企业总能源供给率与能源转换设备及用能设备的热效率有关！设备热效率装置能源利用率企业能源利用率能量利用效率回收率：反映企业由于余热回收和利用所带来的节能效益指标，记作式中：Qhs—为回收利用能，kJ；Qgr—为供入热，kJ回收率余热（能）回收率—是指在余热回收装置中被回收介质吸收的热量占进入余热回收装置的余热资源的百分数。

企业的余热（能）资源中绝大部分是以热能的形式存在，也有少数是气体的压力能和一部分带压力的冷却水的剩余压头。能耗能源利用效率余热回收率三类指标3.2.3热平衡模型及类型1.热平衡模型

将要进行热平衡的对象看成一个体系，用一方框表示。进入体系和输出体系的能量分别用箭头标于方框的四周。体系回收热用弧线画在方框内，若在体系外循环，则在方框外画一循环线。根据热力学第一定律有：式中：Qr—工质带入体系的热，kJ；Qgg—外界供给体系的热，kJQc—工质带出体系的热，kJQp—排出体系的热量，kJ2.热平衡类型供入热平衡全入热平衡净入热平衡热平衡类型类型含义输入热主要设备供入热平衡以供给体系的热为基础的热平衡一次能源+二次能源锅炉、加热炉、干燥设备全入热平衡以进入系统的全部热量为基础的热平衡燃料燃烧热+工质带入的显热、化学反应热、回收热也包括在内化工系统净入热平衡以实际加给体系的热量为基础的热平衡换热器计算公式供入热平衡全入热平衡净入热平衡供入热平衡（外界供入热的情况）全入热平衡（余热利用情况）净入热平衡（加给体系的热量利用程度）式中：Qdc—工质带出热，kJQdr—工质带入热，kJ热平衡类型3.2.4热平衡时各种热量的计算1.供入热计算燃料燃烧时供给的热量外界供给系统的电量P和功量W外界向系统的传热量载热体带入系统的热量

供入热包括煤、石油、天然气等燃料燃烧提供的热量，以及由电、蒸汽、焦炭等二次能源提供的热量。供入热包括供入热包括下列各项中的一项或数项。1.供入热计算燃料燃烧时供给的热量②外界供给系统的电量P和功W③外界向系统的传热量式中：K为传热系数，kJ/(m2·℃)；F为传热面积，m2；△T为外界与系统间的温差，K。④载热体带入系统的传热量1）如果为蒸汽2）如果为空气、烟气、煤气及其他高温气体，则供入Qgr热为载热体在系统入口处的焓与基准温度下的焓值差。2.有效能概念及计算有效能概念：指达到工艺要求时，理论上必须消耗的最小能量。一般加热工艺有化学反应的工艺蒸发干燥工艺产品中包含部分燃料时系统向外界输出电、功时未包括在以上各项中的其他有效能

有效能包括多种工艺过程所消耗的能量和各种动力过程所输出的能量。理论上必须消耗的最小能量。有效能常包括下列中的一项或数项。①一般加热工艺

一般加热工艺中有效能为从系统入口状态加热到出口状态时，物料或工质所吸收的热量。②有化学反应的工艺此时有效能为所吸收的化学反应热。③在蒸发、干燥工艺中此时有效能为水分等蒸发物质所吸收的热量。④产品中包含部分燃料时此时有效能应是这部分燃料的发热量。

系统供给热量中未被利用的部分，主要为散失于环境中的热量，如不完全燃烧、排烟损失、排水排气等损失热，散热、蓄热、泄漏损失及其他损失热量。⑤系统向外输出电、功时⑥未包括在以上各项中的其他有效能

采暖、照明、运输等过程中的有效能，按标准规定：凡耗能低于规定指标时，视实际耗能量为有效能量；高于规定指标时，其超出部分不计入有效能量。3.损失能量3.3设备热平衡

设备热平衡是企业热平衡的基础，只有设备用能合理，才能使企业用能合理。燃煤锅炉是将化学能转变为蒸汽或水的热能的设备。由于各种原因，燃料在锅炉中不会完全燃烧，燃烧放出的热量也只有一部分被工质所吸收，还有一部分随炉渣、烟气排放到环境中。尽量减少损失热是提高锅炉效率的有效措施。按用途分类电站锅炉:发电工业锅炉:工业生产生活锅炉:采暖和热水供应3.3.1锅炉热平衡方程锅炉热平衡方程式如下：对于液体燃料:q6≈0；对于气体燃料:q4≈0q6≈03.3.2锅炉热效率正平衡热效率反平衡热效率燃烧效率毛效率与净效率锅炉热效率分为

锅炉热平衡是指在稳定运行状态下，锅炉输入热量与输出热量及各项热损失之间的热量平衡。热平衡是以1kg固体或液体燃料，或0℃、0.1MPa的气体燃料为基础进行计算的。正平衡热效率通过锅炉试验求得Qr、Q1所得的热效率称为正平衡热效率。

在直接测得锅炉的工质流量、参数（温度、压力）及燃料消耗后，热效率可用下式计算：正平衡法常用于中小型锅炉反平衡热效率

正平衡法只能给出锅炉热效率，不能给出各项热损失，因而找不到节能途径。由确定各项热量损失求得的热效率，称为反平衡热效率。反平衡法常用于大型锅炉燃烧效率

实际生成热与低位发热量之比称为燃烧效率。

在锅炉的损失热中，机械不完全燃烧热损失Q4和化学不完全燃烧热损失Q3表示燃料有一部分未燃烧。

大型煤粉燃烧锅炉和循环流化床锅炉的燃烧效率可达到98%~99%以上。毛效率与净效率上述介绍的锅炉正平衡及反平衡热效率时，扣除设备自用的能量消耗，称为毛效率。将锅炉自用能量作为损失计入，这样求得的效率称为净效率。3.3.3锅炉各项热损失的确定1.机械不完全燃烧热损失（1）燃煤锅炉机械不完全燃烧热损失

这是燃料中未燃烧或未燃尽碳造成的热损失。q4中包括灰渣热损失、漏煤热损失及飞灰热损失。对于煤粉炉：由于热损的煤量G难于测定，采用灰平衡原理，且：影响q4的主要因素有：燃料性质、燃烧方式、炉膛型式和结构、燃烧器设计和布置、炉膛温度、炉膛负荷、运行水平、燃料在炉内的停留时间、燃料与空气的混合情况等。某锅炉所用燃料应用基飞灰含量为21.3%，其中灰渣灰量份额46%，飞灰灰量含量49.63%，漏煤灰量份额4.37%。灰渣、漏煤、飞灰中碳的含量分别为10%，91%，8%，求q4案例1.机械不完全燃烧热损失（2）燃油锅炉机械不完全燃烧热损失

燃油锅炉q4约占1%左右。未完全燃烧的碳黑粒子会污染受热面，严重时会引起尾部再燃烧。用下式计算：3.3.3锅炉各项热损失的确定2.化学不完全燃烧热损失

燃料燃烧时，产生的CO、H2、CH4等可燃气体，有的未来得及燃烧随烟气排出而损失掉，这种损失q3称为化学不完全燃烧热损失。对于燃煤、燃油锅炉：一般情况下烟气中含H2、CH4很少，则上式可简化为：在没有元素分析仪时，用以下经验公式计算：对于燃气锅炉：无需修正3.3.3锅炉各项热损失的确定3.排烟热损失q2

排烟热损失是锅炉热损失中最主要的一项，最高可达20%以上。这是锅炉排烟物理显热造成的热损失，等于排烟焓与入炉空气焓之差，即燃煤、燃油锅炉排烟热损失在热平衡试验中，也可用下式计算：煤种重油无烟煤烟煤褐煤泥煤木材m0.50.20.40.71.71.4n3.453.653.553.93.93.8m、n的经验系数燃气锅炉排烟热损失排烟热损失取决于排烟温度和过量空气系数；排烟温度每升高12~15℃，排烟热损失增加1%；空气过剩系数每增加0.1，排烟热损失增加0.7%；10吨以上锅炉排烟温度应低于160℃；对大中型锅炉，q2约为（4~8）%；需要经常吹灰和减少漏风。分析：3.3.3锅炉各项热损失的确定4.散热损失q5

锅炉在运行时，炉墙、锅筒、集箱、烟道及汽水管道的温度总高于周围空气的温度，会通过自然对流和辐射向周围散热，形成损失。其值约在2%~3%。q5的测定比较困难，一般按经验选取。蒸发量/t.h-1461015203560无尾部受热面2.11.5有尾部受热面2.92.41.71.51.31.00.8锅炉在满负荷工作时散热损失查取表非额定负荷工作时的q5当锅炉在非额定负荷工作时，按下式计算：影响q5的主要因素锅炉外表面的大小、外表面的温度、炉墙结构、保温隔热性能及环境温度等。3.3.3锅炉各项热损失的确定5.燃煤炉灰渣物理热损失q6

灰渣排出时温度较高，约600~800℃，要带走部分热量，这部分热量称为灰渣物理热损失。q6一般小于1%。设某燃油锅炉蒸发量为15t/h。过热蒸汽压力为2MPa，温度为400℃。给水温度105℃，压力为2.2MPa。燃料为重油，消耗量为1110kg/h，入炉温度100℃，环境温度20℃。求锅炉正平衡效率。案例3.4平衡

表达了能量转换过程中能的可用性，余热回收的可能性，以及用能过程中能的贬值性。对能量的有效利用，首先是对的有效利用，节能在很大程度上是要对的节约！进行平衡可进一步帮助人们评价用能的合理程度，了解节能的部位、按质供能，达到节能的目的。

例如，锅炉生产的1.3MPa的饱和蒸汽具有值为1000kJ/kg左右，如果把它节流降压至0.3MPa后再使用，就会白白造成损失170kJ/kg，约占原有值的17%。

再如，利用燃料燃烧产生的热能直接对室内供暖时，实际上也是一种很不合理的用能方式。理论上讲，1kg燃料可以提供12倍采暖需要的低位热能。3.4.1的分类对应于系统与环境之间的两类平衡物理化学根据能量性质分类热量冷量机械能按工艺过程分类输入输出燃料排烟

热量由和组成。热力系统从某一状态可逆的变化到与环境相平衡的状态时，对外界作的最大有用功，称为该系统的或热量。3.4.2的计算1、热量对一般的热力过程，热量为：系统为：热量Q的能质系数：

冷量也是热量，仍由和组成。冷量是温度低于环境温度时的热量。2、冷量

消耗外界的有效功即是冷量。对于可逆卡诺循环，制冷机消耗的最小有用功为Pmin

冷量从系统放出，冷量同时进入系统。冷量的表达式为：冷量的能质系数：冷量也是过程量，λ随温度的降低而迅速增加。能质系数越高的热量和冷量越宝贵，特别要节约冷量。定义：工质从给定状态通过开口系统中的可逆稳定流动过程变化到约束性死态（环境状态），并且只与环境交换热量所能作的最大有用功。3、稳定流动开口系统工质的工质从入口至出口，可逆下对外做功W1，放出热量Q1。因为放热过程并不是在环境温度进行，该热量中还具有一定做功能力，可逆热机下做功W2。根据能量平衡关系，则它所具有的值为

对可逆过程，总熵变（包括体系与环境的熵变之和）应为零。而工质本身的熵由S变化到S0；热机循环的熵变为零；环境接受热量Q0，熵增为Q0/T0。因此总熵变为工质的值为：单位工质的值为：

对于开口体系，在不考虑宏观运动的动能和位能时，工质具有的总能即为其焓，与环境状态相比，所具有的能量为：单位工质的值为：开口体系工质的能级工质的能级为熵变量也可以用来评价热能的品质。工质的熵变量越大，就越大，相应的值就越小，能级越低。

工程上常用水和蒸汽作为工质，在定压下工质随温度的变化可用下式计算：定义：任一封闭系统从给定状态可逆的转变到环境状态，并且只与环境交换热量时所能作的最大有用功称为给定状态下封闭系统的

。4、封闭系统的根据能量平衡关系，则系统的为：系统的为：下标0表示环境状态参数

在给定状态下，理想气体的若忽略动能和位能，用下式计算5、理想气体的理想气体的由两部分组成，即温度和压力。温度：压力：理想气体的：cp为常数时：6、燃料单位：（1）燃料的物理显

燃料有固体、液体、气体之分，其主要是化学。当燃料在高温、高压条件下燃烧时，还应加上物理。

燃料有固体、液体、气体之分，其主要是化学。当燃料在高温、高压条件下燃烧时，还应加上物理。（2）燃料的化学由于化学不平衡具有的称为化学。化学不平衡包括系统与环境的成分不平衡和组成不平衡。在进行锅炉、工业窑炉及燃气轮机等的平衡计算时，燃料的化学用近似公式计算。①固体燃料的化学按信泽式计算①固体燃料的化学按Rant式计算②液体燃料的化学按信泽式计算②液体燃料的化学按Rant式计算③气体燃料的化学计算当气体燃料中的组分已知时，其化学按下式计算也可按近似公式计算：对气体燃料对液体燃料对固体燃料Rant近似公式7、燃料产物

从燃料的化学能得到产物的热能，在转换过程中存在不可逆损失。当助燃空气温度及环境温度相同又不计向环境散热下，燃料在理论燃烧温度下，生成燃烧产物为：8、空气和烟气的按理想气体的值计算公式计算。

在锅炉、加热炉等热力设备中，会有的损失，包括由燃烧及传热的不可逆过程引起的损，由排烟及炉墙散热、冷却等引起的损。1.燃烧过程的损失3.4.3损及损率

损率指各项损失与总供给的比值。

燃烧过程是一个氧化反应过程，燃料与空气通过燃烧器混合、燃烧，释放出热量，转换成烟气携带的热能。一般情况下，燃烧损失率高达30%以上。燃烧过程的损等于燃料与燃烧产物之差2.传热过程的损失

燃烧产物与工质间存在温差，有温差的传热是不可逆过程，即使没有热量损失，也必然会产生损失。传热损失用下式计算：对于热水锅炉及原油加热炉,因无尾部受热面3.散热损

部分热量通过炉墙散失到周围环境中，造成散热损失。计算式为4.排烟损

由于排烟有较高的温度，烟气带走了，造成排烟损失。计算式为:温度：5.换热过程损

在换热器中，冷、热两种流体进行非接触热交换时，造成损，用下式计算：6.化学反应损

在工业窑炉中，一些物质被加热而发生化学反应，反应前后具有的化学之间存在差值，称为反应。对于放热反应，反应计入反应前物质；对于吸热反应，反应计入反应后物质。1.平衡3.4.4平衡与效率

在稳定状态下，系统的收入与支出应当平衡，从这点出发就可以寻求节能途径。实行按质供能。系统的平衡方程如下：以全入为基础的平衡方程如下：2.效率对各种用能设备，当以供入热为基础时，效率为：系统实际得到的有效与供给之比，称作效率。也可用反平衡法表示为：对于整个企业，则用能效率表示：对于石油、化工装置，全入效率：

的回收率：3.5热平衡及平衡结果的表示方法3.5.1热流图和流图3.5.2表格表示法热平衡和平衡找出的损失部位是不同的。从节能的观点来看，应致