火用及其漫谈

引言火用，可以定义为热力系统在只与环境（自然界）发生作用而不受外界其它影响的前提下，可逆地变化到环境状态时所能作出的最大有用功。火用表征了热力系统所具有的能量转变为机械能的能力，因此可以用来评价能量的质量、或品位、能级。数量相同而形式不同的能量，火用大者其能的品位高或能质高；火用少的能的品位低或能质差。机械能、电能的能质高，而热能则是低品质的能量，热能之中，温度高的热能比温度低的热能品位高。根据热力学第二定律，高品质的能量总是能够自发地转变为低品质的能量，而低品质的能量永远不可能转变成为高品质的能量。因此按品位用能是进行能量系统的火用分析所得到的第一个结论，也是能源工作者的基本守则之一。在动力系统中（动力与动力系统，这里是指power和powersystem，而不是dynamics和dynamicsystem），火用分析正确地给出了可用能损失情况，为人们正确地改进动力循环，提高其热效率指明了途径。在仅考虑热能直接利用的情况下，虽然不存在热能与机械能转换的问题，但火用分析仍然具有重要的意义，它可以指明如何充分地利用热能，典型的例子就是燃煤供热系统的火用分析结果：如果采用“热电联产+热泵系统”来代替燃煤直接供热的话，理论上可以获得比煤的热值多0.5~1倍的供热量，甚至更多。但是火用分析忽视了火无的使用。火无虽然不能用来作功以获得动力，却可以用来加热、取暖，而在火用分析中不能得到所供应能量中的火无有多少得到了利用的信息。对于复杂系统进行火用分析，可能得到重要的、不寻常的结论。借鉴中国工程院院士陆钟武教授所提出的系统节能和载能体的概念，对全工序、全流程、全行业或全地区进行比较仔细的火用分析，可能在能源利用方面提出新的见解。能源的利用与环境污染是密不可分的，系统节能理论也好，能源技术经济学也好，都提倡从全系统的角度综合评价能源的利用，而从经济性角度考虑，节能的经济性不一定好（实际上大部分都不好），如果把能源利用对环境造成的污染也折算成经济性指标与节能一同考虑，结论一定会大相径庭。2火用概念及其分类2.1火用的概念火用的概念本质上与载能体的概念有冲突。载能体计算的是能源物质与非能源物质在制取的过程中消耗了能量的数量；火用的是按照能源物质与非能源物质在只与环境（外界、自然界）发生作用的前提下，可逆地变化到环境（或自然界）中存在的状态所能作出的最大有用功来计算的。一种物质由于制取的工艺流程不同，可能有不同的载能量，但它的火用只有一个数值，除非环境状态改变。各种不同形式的能量的转换能力是不同的。在周围环境条件下任一形式的能量中理论上能够变为有用功的那部分能量称为该能量的火用（可用能、有效能、作功能力），不能够变为有用功的那部分能量称为该能量的火无(Anerey)，火无不能转换为火用，它相当于周围自然环境的能量。能量=火用+火无在任何能量的转换过程中火用和火无的总和保持不变。（热力学第一定律）火用可以转换为火无，而火无不可以转化为火用。（热力学第二定律）2.2自然环境与环境状态环境的性质作为基准状态是影响火用值大小的重要因素。实际的环境并不是均匀、稳定和平衡（热平衡、力平衡、化学平衡，哪个都达不到）的，在太阳能、地热能和引力的作用下不断地发生着变化，能量和物质不断地聚集、转换和耗散。为研究方便起见，我们忽略这些变化和不平衡，把周围的自然环境包括大气、海洋甚至地壳的外层当作一个具有恒定压力p0、恒定温度T0和恒定化学组成的无限大的物质系统，即使有物质或能量出入也不会改变其压力、温度和化学组成。当系统与环境处于平衡时，可以是完全的热力学平衡，即热平衡、力平衡和化学平衡，也可以是不完全的热力学平衡，仅有热平衡和力平衡，或者说，环境基准状态可以有不同的选取方法。当研究内容不必考虑化学反应因素时，取仅有热平衡和力平衡的环境状态为基准状态可以减少问题的烦琐程度，此时被研究的热力系统的火用可称为物理火用。否则需要按照完全的热力学平衡状况确定的基准状态进行分析，此时被研究的热力系统的火用包括物理火用和化学火用。一个系统的能量的化学火用是系统在p0、T0条件下相对于完全平衡环境状态因为化学不平衡所具有的火用。2.3火用的各种形式2.3.宏观动能和宏观位能都是机械能，都是火用，可以称为机械（能）火用。但是闭口系统对外作功并不全是火用。由于环境状态p0、T0都不会等于零，所以闭口系统对外膨胀必然要推开环境（p0、T0）物质，从而有一部分功作用于环境而不能输出使用，这部分功就不是有用功，也就不是火用。环境状态p0、T0下推开环境物质所作的功为p0V，那么闭口系统对外膨胀作出的功的火用为：ExW=W12–p0V(2-1)反抗环境压力所作的环境功p0V可以看作是体积变化功的火无部分。2.3.2热量是系统通过边界传递的热能，传递时唯一的特性是传递温度T。根据卡诺理论，很容易得到一定温度的热量Q所具有的火用为：Exq=Q(1–)(2-2)2.3.冷量是指在系统边界温度低于环境温度时通过边界传递的热能，冷量火用的定义有两种方式：定义一考虑低温热源T下的热量Q——即冷量，假定在低温热源T和环境T0之间运行一卡诺热机，它从环境吸热Q0，对外作功W，定义此W为冷量火用Exq'，有Exq'=W=Q0(1–)=(W+Q)(1–)得Exq'=W=Q(–1)(2-3)定义二考虑低温热源T下的热量Q——即冷量，假定在低温热源T和环境T0之间运行一逆向卡诺热机，它利用外功W，制冷Q，定义此W为冷量火用Exq'，有Exq'=W==Q(–1)(2-4)2.3.计算闭口系统的最大有用功时，不能允许系统与环境以外的其它热源之间有任何热交换，以避免因为发生可用能传递而影响最大有用功的计算，而且系统与环境之间的传热是在等温下进行的。假定最大有用功给予了一个功源，则咸与过程的仅为系统、环境和功源。系统+环境与功源之间仅有机械能传递，因此对于“系统+环境”有dWA=–(dU+dU0)其中，dWA为给予功源的有用功，dU为闭口系统的热力学能（内能）增量，dU0为环境的热力学能增量。对于环境，热力学第一定律表达为–dQ0=dU0+(–p0dV)Q0是闭口系统与环境之间传热量，所以从环境的角度Q0应加一负号；dV是闭口系统体积膨胀量，从环境角度也应加一负号。由于功源无熵变，所以孤立系统熵增为dSisolated=dS+dS0=0（可逆）其中dS0=综上dWA=–dU–dU0=–dU+dQ0–p0V=–dU+T0dS–p0V从系统状态积分到环境状态，可以得到Exu=WA=U–U0+p0(V–V0)–T0(S–S0)这就是闭口系统的火用，也称热力学能火用（内能火用）。2.3.p0,T0,s0,h0T0,s1p1p0,T0,s0,h0T0,s1p1,T1,s1,h1s图2-1计算稳定流动系统的Tq=h0–h1+wt其中q=T0(s0–s1)于是exh=wt=h1–h0–T0(s1–s0)=(h1–T0s1)–(h0–T0s0)这就是稳定流动系统的火用，也称焓火用。2.3.热力系统与环境（自然界）之间只存在物质结构的不同，而其他条件如压力、温度等都完全相同的情况下，所具有的火用（可逆地变化到环境状态时所能作出的最大有用功）称为化学火用。物质结构的差异包括构成物质的分子或分子团的不同，也包括仅仅由于成分（浓度）不一样而带来的不同。后者不涉及化学反应，也可以成为扩散火用。3火用平衡及火用分析火用平衡与火用分析在我们对热力系统进行能量分析时，希望通过对能量形态的变化过程分析，定量计算能量有效利用及损失等情况，弄清造成损失的部位和原因，以便提出改进措施，并预测改善后的效果。我们通常采用的能量平衡分析分为热平衡（焓平衡）分析及火用平衡分析两种。3.1火用平衡与火用损失能量守恒是一个普遍的定律，能量的收支应保持平衡。但是，火用只是能量中的可用能部分，它的收支一般是不平衡的，在实际的转换过程中，一部分可用能将转变成不可用能，火用将减少，称之为火用损失。这并不违反能量守恒定律，火用平衡是火用与火用损失（不可用能）之和保持平衡。设穿过体系边界的输入火用为Exin，输出火用为Exout，系统各项内部火用损失为Ii，外界作功为W，则它们的平衡关系为∑Exin＋W＝∑Exout＋∑Ii火用平衡不仅考虑了能量的数量，而且还顾及了能量的质量。在考虑火用平衡时，关键是需要记入各项火用损失才能保持平衡。其中，内部不可逆火用损失项在热平衡中并无反映。因此，两种分析方法有着质的区别。但是，两者相互之间又存在着内在的联系，火用平衡是建立在热平衡的基础之上的。3.2火用分析与火用效率通常的热量平衡和能量转换效率并不能反映出火用的利用程度，因而我们引入了火用效率的概念。火用效率与能量转换效率由类似的定义，所不同的是，火用效率是收益火用与支付火用的比值。火用效率Ex为有了火用效率的概念，我们就可以针对某个热力系统建立火用平衡关系式，并对其进行火用分析，从而达到以下目的：（1）定量计算能量火用的各项收支、利用及损失情况。收支保持平衡是基础，能流的去向中包括收益项和各种损失项，根据各项的分配比例可以分清其主次。（2）通过计算效率，确定能量转换的效果和有效利用程度。（3）分析能量利用的合理性，分析各种损失大小和影响因素，提出改进的可能性及改进途径，并预测改进后的节能效果。4火用分析的模型和方法4.1火用分析的模型和方法在工质分析应用中，根据分析对象的不同，分析要求的不同，对建立的分析模型可以采用不同精度的模型。目前广泛应用于工程火用分析的模型，按分析精度可分为三种：黑箱分析模型、白箱分析模型、灰箱分析模型。其中，黑箱分析模型适用于粗略分析，白箱分析模型适用于精细分析，灰箱则介于前面两者之间。火用分析是以系统火用平衡原理为基础，在实际过程中火用是不守恒的，即输入系统的火用与系统输出的火用是不相等的。火用分析法就是以热力学第二定律和火用平衡为基础，对各种能量进行火用分析，求取各种性能指标，以考察系统各部位的火用损失分布，找到火用损失的最大环节，对所研究的系统进行评价，是工程项目、工程设计和节能分析的有效方法。为了建立火用平衡方程，就要引入火用损失的概念，只有在计算出系统的各项火用损失之后，才能揭示出系统的各项能量向之间的火用平衡关系，然后确定过程的火用效率和火用损失，找出损失和损耗的原因以及能量利用的薄弱环节，从而为节能降耗，提高能量利用率指明正确方向。分析法主要内容有以下几部分：（1）确定出入系统的各种物理量、热流量和功流量，及各种物流的状态参数；（2）火用流计算；（3）由火用平衡方程确定过程的火用损失；（4）确定热力学第二定律效率、及火用耗。4.2简单蒸汽动力装置循环的火用平衡方程的建立在火力发电厂的热动力装置中主要就是蒸汽动力装置，其中有三类循环：简单蒸汽动力循环——朗肯循环，复杂蒸汽动力循环——再热循环和回热循环，由于回热蒸汽动力循环是大多数火电厂中动力循环的基础，在这里我们只分析简单的一级回热蒸汽动力循环。4.2冷冷凝器1235水泵锅炉Rab45—1可逆定压加热过程1—2和1—a水蒸气在汽轮机中定熵膨胀过程2—3乏汽在冷凝器中定压定温放热过程a抽出尚未完全膨胀、压力、温度较高的少量蒸汽3—b冷却水在水泵升压后进入回热器a、b混合—4抽出蒸汽与冷却水混合4—5混合后的水升压后进入锅炉4.2锅炉设备火用损失：，,分别为燃料的化学火用，锅炉出口蒸气火用，入口饱和水火用或为水泵出口水火用汽轮机的火用损失为：，，分别为轴功，汽轮机排出乏汽火用，抽出蒸汽火用若循环冷却水未被利用，则冷凝器的火用损：为冷凝器出口冷却水火用若循环冷却水作为采暖热水，则有：，分别为入口和出口水火用水泵的火用损失：和为水泵耗功，为水泵出口水火用，为回热器出口水火用且，供给体系的火用有，输入体系电功（主要是），输出的有用功为回热器火用损失：是抽出蒸汽火用于是得出简单蒸汽动力循环的火用平衡方程：则一级回热蒸汽动力循环的火用效率：通过测定整个循环的各个设备的水和蒸汽参数P，V，T，从而计算出进入和流出设备的水，蒸汽的火用值，代入公式求出各个设备的火用损失，最后计算可以得到循环的火用效率。5火用理论分析在我国的发展状况及应用5.1火用传递理论的发展火用传递理论作为一种新兴的理论国内外的学者对其进行的研究相对较少，大多数研究集中在于对火用传递理论本身的研究，而对此理论在工程的应用研究相对较少，而对于此理论在电力系统的应用则更是少之又少。但是我国的一些学者还是在这方面做出了一些新的尝试。1997年，吴双应通过阐述火用效率法在余热回收换热器的热力学性能分析中的局限性。提出了一个新的评价换热器性能的概念-火用传递有效度，得到了一般计算式。讨论了传热单元数，冷热流体热容量比和流型对换热器火用传递有效度的影响。这可以说是开了火用传递理论在电力系统中应用的先河。2007年，张有利从热力学第一二定律出发，基于非平衡热力学和火用平衡理论，对外部流动强制对流换热过程的火用传递方程和火用传递规律，导出外部流动强制对流换热火用传递系数传火用Nusselt数等新的表达式并进行数值计算。这对火用传递在对流换热中研究具有一定的指导意义。2008年，华北电力大学的陈海平教授建立了电站锅炉火用传递分析模型。参照工程火用传递评价标准，提出了火用传递过程，火用流密度，火用阻等评价指标，并且定义了火用传递系数，完成了对100MW机组锅炉的火用传递分析。通过与常规的传热及火用分析比较，认为火用传递分析提供新的技术评价信息，从而对能量传递过程有更完整和全面的动态分析。2009年，陈海平教授又通过对热火用传递规律的研究，获得了对流受热面的热火用传递的规律，提出了火用流密度、娴密度降低率、火用损率等评价原则且定义了无因次热流密度、无因次火用流密度的概念，并以100MW机组锅炉的后屏受热面为例进行火用传递分析，通过与常规的传热及火用分析比较，得出了在传递过程中，火用密度总是小于热流密度的结论。2009年，华北电力大学的张明智教授借鉴推导无相变逆流换热器对数平均温度的方法，同时得出了换热过程中蒸汽至管外壁及管内壁至给水的传火用系数，从火用传递的角度讨论了无相变管壳式换热器的换热性能，为优化换热器结构提供了理论参考依据。5.2火用分析法的应用目前，随着节能工作发展的需要，首先在欧洲，苏联，继而在美国、日本以及其他国