（热能工程专业论文）基于结构理论的600mw机组热经济学分析.pdf

。0 薄 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于结构理论的6 0 0 m w 机组热经济 学分析，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 塾壶鼗 日期：墨! 丝! 至矽 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：塾鱼煎导师签名： 日期：塑丝：! ：兰 日期：孑! 缈10 一 矗 乒 、 电 l 毒 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文以6 0 0 m w 凝汽式机组为热经济学研究对象，在总结现有研究成果的基础 上，对机组进行火用分析和热经济学分析。主要内容包括：利用热经济学结构理论， 建立热经济学数学模型，对机组变工况运行进行火用分析和热经济学分析，根据各项 经济指标，明确指出节能潜力之所在；定量分析了设计工况下单位火用成本和单位热 经济学成本的组成，指出成本高的原因以及改进组元降低成本的可能性；分析变工 况下各热经济学指标的变化规律，比较不同工况各给水加热器和主要汽轮机机组的， 单位火用成本，定量研究了外部燃料价格和设备投资成本增长对各组元热经济学成本 的影响，并深入分析导致发电成本增长的原因；利用v c + + 平台，建立6 0 0 m w 凝汽 式机组的热经济学成本计算软件。 关键词：热经济学，结构理论，火用分析，成本，程序设计 a b s t r a c t e x e r g ya n a l y s i sa n dt h e r m o e c o n o m i ca n a l y s i so f6 0 0 m wu n i tw a sc a r r i e do u t0 1 1 t h eb a s i so fa v a i l a b l ea c h i e v e m e n t si nt h i s p a p e r t h em a i nc o n t e n t s i n c l u d e ： t h e r m o e c o n o m i cc o s tm o d e lw a se s t a b l i s h e du s i n gs t r u c t u r a lt h e o r y e x e r g ya n a l y s i s a n dt h e r m o e c o n o m i ca n a l y s i sw e r ec a r r i e do u tu n d e rv a r i a b l ec o n d i t i o n sa n de n e r g y s a v i n gp o t e n t i a lc o m p o n e n tw a sp o i n t e do u ta c c o r d i n gt oi n d i c a t o r s ；t h ec o m p o s i t i o no f u n i te x e r g yc o s ta n du n i tt h e r m o e c o n o m i cc o s tw e r ea n a l y z e dq u a n t i t a t i v e l y , p o i n t i n g o u tt h er e a s o n sf o rt h eh i g hc o s to fc o m p o n e n t sa n dt h ep o s s i b i l i t yt or e d u c ec o s t ；t h e v a r i a t i o no ft h e r m o e c o n o m i ci n d i c a t o r su n d e rv a r i a b l ec o n d i t i o n sw a sa n a l y z e d ，a l s o t h e u n i te x e r g yc o s t so ff e e dw a t e rh e a t e ra n ds t e a mt u r b i n ew e r ec o m p a r e d ；t h e i n f l u e n c eo ft h ee x t e r n a lf u e lp r i c e sa n dt h eg r o w t ho fe q u i p m e n ti n v e s t m e n tw a ss t u d i e d t h er e a s o n sl e a d i n gt oi n c r e a s e dc o s to fe l e c t r i c i t yw a sa n a l y z e dd e e p l y ；t h ec a l c u l a t i o n s o f t w a r eo ft h e r m o e c o n o m i cc o s tw a se s t a b l i s h e du s i n gv c + + l a n g u a g e n i uw e i j i n g ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l ih u i j u n k e yw o r d s ：t h e r m o e c o n o m i c s ，s t r u c t u r a l t h e o r y , e x e r g ya n a l y s i s ，c o s t ， p r o g r a m m m g 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 选题背景1 1 1 1 能源结构发展现状1 1 1 2 不同的能量系统分析方法：1 1 2 热经济学的形成及国内外发展现状3 1 3 热经济学研究的意义4 1 4 本文研究的主要内容5 第二章热经济学结构理论分析6 2 1 结构理论基础6 2 2 结构理论基本概念6 2 2 1 集成度6 2 2 2 燃料、产品的定义7 2 2 3 生产结构模型的建立8 2 2 4 特征方程8 第三章火用分析和热经济学分析理论10 3 1 火用分析理论1 0 3 1 1 数学描述的基本方程式1 0 3 1 - 2 参数火用的确定，j 11 3 1 3 火用损失：11 3 1 4 火用分析评价指标1 2 3 2 产品成本及设备成本估算方法1 3 3 2 1 产品成本的概念1 3 3 2 2 产品成本的构成1 3 3 2 3 设备成本估算方法1 4 3 2 4 非能量费用的折算1 5 3 3 热经济学分析1 6 i 华北电力大学硕士学位论文目录 3 3 1 能量的热经济学定价1 6 3 3 2 成本的计算推导1 8 3 3 2 1 单位火用成本的计算推导1 8 3 3 2 2 单位热经济学成本的计算推导1 9 3 3 3 热经济学分析评价指标2 0 3 3 3 1 火用成本和热经济学成本2 0 3 3 3 2 火用经济系数2 0 3 3 3 3 相对成本差2 1 第四章6 0 0 m w 机组的火用分析与热经济学分析2 2 4 1 程序设计2 2 4 2 研究对象介绍2 3 4 2 1 热力系统图2 3 4 2 2 设计工况下主要基本参数2 4 4 3 热经济学建模：2 5 4 3 1 物理结构图2 5 4 3 2 生产结构图2 5 4 3 3 成本方程的建立2 6 4 3 4 燃料、产品的定义2 7 4 4 系统火用分析2 8 4 5 系统热经济学分析3 0 4 5 1 系统火用成本分析3 0 4 5 2 分析火用成本的组成一3 2 4 5 3 比火用损和比不可逆成本二：3 3 4 5 4 系统热经济学成本分析3 4 4 5 5 热经济学成本的组成3 6 4 5 6 相对成本差和火用经济系数3 7 第五章6 0 0 m w 机组变工况的火用分析与热经济学分析3 8 5 1 变负荷工况的火用分析3 8 5 1 1 火用损率分析。3 9 5 1 2 火肘员系数分析4 0 5 2 变负荷工况的单位火用成本分析4 1 i i j 华北电力大学硕士学位论文目录 5 2 1 加热器的单位火用成本分析4 1 5 2 2 汽轮机级组的单位火用成本分析4 2 5 3 变负荷工况的单位热经济学成本分析4 4 5 3 1 变负荷工况的单位热经济学成本分析4 4 5 3 2 单位热经济学成本的影响因素4 5 第六章结论与展望4 6 6 1 结论，4 6 6 2 未来工作展望4 6 参考文献4 8 致谢5 1 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 2 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景 1 1 1 能源结构发展现状 第一章绪论 能源是发展生产力和提高人类生活水平的重要物质基础，在人类社会发展进程 中，能源总是处于举足轻重的地位。1 9 世纪以来，随着世界能源工业突飞猛进地发 展，经济环境以及人们的生活条件也有了巨大的变化，但同时对不可再生资源的过 度开采和利用也使得人类面临着资源枯竭、环境恶化的局面。能源储量的有限以及 各国对化石能源的严重依赖势必成为一对矛盾，给各国的经济发展、国家安全等一 系列方面造成较大影响随着国民经济的不断发展，对于能源的需求也日益增长，统 计数据表明，能源消耗量的增长率与国民生产总值的增长率接近正比的关系。能源 的不足将会严重制约着国民经济的发展。节约能源是我国国民经济发展的一项长远 战略方针，是保护资源、改善环境的重要手段f j 】。针对我国能源紧张的问题，国家 制定了“坚持丌发与节能并重，把节约放在突出的位置”的方针政策。而电力工业 是耗能的大户，因此提高电厂设备的热经济性为当前节能工作的一项重要内容。对 于电厂机组的各项性能和热经济指标进行分析和计算是分析电厂热经济性和节能 程度的一项最为主要的措施【2 j 。 我国目前的能源结构中，煤炭比例过大，电力结构中煤电价格比例过大，这是 我国的基本国情。随着中国经济发展和能源需求量的增加，能源结构矛盾日益突出， 以煤为主的一次能源结构给中国经济发展带来一定的制约。根据中国确定的2 0 1 0 远 景目标，经济的增长对能源需求量的增加是必然的趋势，按目前能源结构发展下去， 能源消费对社会和环境的压力难以承受，国家实现经济长期可持续发展战略受到制 约。随着我国社会主义市场经济体制的完善，电力行业正在由计划经济体制逐步向 市场经济过渡，电力竞价上网势在必行。为了配合“厂网分离，竞价上网”，发电 企业需要实时计算发电成本，并以此为依据，结合发电量确定上网电价，参与发电 市场竞争【3 1 。 1 1 2 不同的能量系统分析方法 自从热经济学问世之后，迄今我们已有了三种分析能量系统的基本工具和方 法，这就是能量分析法、火用分析法和热经济学分析法【4 1 。能量分析法是在卡诺和克 劳修斯所奠定的理论基础上经过长期的运用而形成，利用系统能平衡概念进行分析 的方法。它可以进行各种技术经济指标计算，从而评估其完善程度。其方法论是把 华北电力大学硕士学位论文 所分析的系统与卡诺循环进行比较，看它能接近的程度来评价其优劣。一部热力学 发展的历史可概括为这种使实际循环向理想循环接近的不断追求中发展起来的。因 此，这条路线比较深入人心，再加上简单易行，使之形成不易改变的习惯，这就是 人们常说的“热力学第一定律分析法，迄今仍在控制着相当的领域。仍尽人皆知 这种方法不能反映能的质方面因素是其一大缺欠【5 】。 第二种方法是基于热力学第一定律和第二定律的火用分析法。火用分析法在热力学 两大定律基础上，结合环境情况，从对能的本质的全面认识以及从能的实用性出发 而提出的一种思想和方法。火用分析法认为：能分为两类，火甩是这样一种能，在给定 环境的作用下，它可以完全地、连续地转化为任何一种其他形式的能量。真正为我 们服务的不是能，而是能中的火用在用能过程中，一切损失的实质，都是火用的耗损。 可逆过程是实际过程理想化的极限，是在体系与外界火用的总量保持不变的情况下所 进行的过程。列火用平衡式是确定火用耗损的常用方法。火用效率是从能量转化的角度表 示设备或过程热力学完善性的科学指标。火用损系数体现了具体的设备或过程在造成 总的火用耗损中的相对地位，它与火用效率一起相辅相成的从一个侧面为节能目标提供 参考依据【6 j 。 前两种方法是以热力学第一、第二定律为主要核心开展的，主要是提高能源的 利用效率上进行研究与考虑。但是随着我国改革的进一步的深入，企业的自负盈亏、 自主经营渗透到各个企业部门，电力工业企业也不例外。这样企业关心的就不仅仅 是如何节约能源，而主要把重点放在了与企业发展密切相关的经济效益上来。这样 对于热经济性的分析又提出了新的任务，即如何充分考虑节能与节钱的并重。“节 能但不节钱的现象是任何企业都不能接受的现象。于是考虑到经济因素的热经济 学的研究就由此发挥了它的自身的特点来解决其它分析方法很难解决甚至不能解 决的问题，尤其是不同质量能的定价问题【j 7 1 。火用经济学将热力学分析优化与经济学 评价相结合，以火用为成本核算对象，通过对系统内每股能流成本的核算，可以得到 非传统热力学分析或经济评价所能提供的成本形成信剧8 1 。 表卜1 三种分析方法的对比 能量分析法火用分析法热经济学分析法 对比项目 热力学第一定律： 综合运用热力学第一定综合运用热力学分析原 理论基础律和第二定律；理与经济学理论和方法 能平衡； 火用平衡；相结合的技术 给出的结果为经济量纲 评级能量过程 能量利用率火用效率 的量，可直接用于方案 的准则比较和决策 2 华北电力大学硕士学位论文 只涉及参数计算的基准 除物理环境外，还涉及 涉及的环境只涉及物理环境 态 经济环境 既考虑能的量，更注重综合运用热力学原理与 分析方法的实 能量在数量上的平衡能的质，追求能级品味经济学准则，追求经济 质 的最佳匹配效益的最佳效果 1 2 热经济学的形成及国内外发展现状 热经济学从其诞生迄今已有5 0 年历史了。5 0 年来的理论开拓和工程应用验证 了它是一门全新的学科，是热力学分析与经济因素的巧妙结合而创造出的求解能量 系统中复杂问题的强有力的工具。这不仅是减少计算步骤而省时，更重要的是它能 求解用常规方法很难、甚至无法解决的问题，比如解决多产品成本问题。热经济学 是火用概念和火用分析方法不断演化和发展的产物，因而也称为火用经济学。热经济学具有 热力学的物理环境、经济学的社会环境和人文环境的特性，是专门研究能量系统经济 运转规律的经济学分支学科【9 】。 热经济学发展的历史不长，但其基础火用分析的历史却可以追溯到很远。早 在十九世纪末，g i b b s 、g o u y 和s t o d o l a 就分别提出了能的可用性及能的质量的概念。 19 3 2 年，美国的j h k e e n a n 在研究热电联产问题时，指出蒸汽与电的价值是指对“有 效能”而言，而不是笼统地针对于能量，并提出“火用成本”的概念。k e e n a n 曾用这个概 念为美国东部的某公司进行了热电联产装置中的热、电定价。遗憾的是，由于当时工 程界对火用和第二定律的认识的局限性，使这一合理的建议未能实现。早在上个世纪五 十年代之前，k e e n a n 等人就开始进行基于热力学第二定律的成本计算( s e c o n dl a w c o s t i n g ) 研究【i o 1 j 】。同一时期，t r i b u s 和e v a n s 也在开展除盐过程的火用成本计算 ( e x e r g yc o s t i n g ) 研究，并定义了热经济学( t h e r m o e c o n o m i c s ) 的名词2 1 。但是 热经济学的诞生正处于美国能源价格相对于设备的一次投资过分低廉的时代，人们 并不重视采用更完善的方法去提高能量利用的效率和效果，所以只停留在一些学者 们发表文章进行理论探讨的阶段。发生在7 0 年代初的席卷全球的“能源危机”，使能 源变成举世瞩目的问题，热经济学才与“火用分析”一道，从单纯的学术探讨跨进了工 程应用的领域，并随着人们的节能意识的增长而得到长足发展。在其前期发展中的 分歧不仅是名词术语，还有使用的数学模式和方法论的差异，因而呈现出不同的学 派、不同模式的热经济学。 火用分析传入我国较晚，1 9 5 7 年，当时东德的e i s n e r 教授来华讲学，首次系统的 介绍了火用概念和火用分析。较大规模的理论研究是从二十世纪7 0 年代末和8 0 年代初 开始的，此后有了一些突破性的进展。主要有： 王加璇【1 3 】系统地总结了火用经济学的理论和方法，以及他在美国与m t r i b u s ， 3 华北电力大学硕士学位论文 y m e l 共同研究拉格朗日乘子法应用于燃气轮机系统分区优化所取得的进展。 华贲提【1 4 】出y i 艺过程用能三环书的理论。该模式创造性的用了h a c a g g i o j j 提出的火用经济学的代数模式，为炼油工程的建模热经济性分析提供了基础。 王玲、朱克雄等运用五种方法对一个总能系统的电、热水和冷却水等载能产品 进行了火用成本分析，为热经济学的实用化起了积极的促进作用。 冯霄、钱立伦、苏长荪以及蔡祥兴、陈文亮i 】在简单系统热经济整体优化方面 做了一些工作。 另外，王加璇、王清照、宋乃辉【1 6 】等将v a l e r o 提出的“燃料”、“产品”的概念应 用于热力系统计算分析，将燃料、产品概念与热力学第一、第二定律及热经济性分 析方法相结合，统一建模，从而使不同层面的经济性分析统一在一起。 杨勇平、郭民臣【 】等在用热经济学方法进行能量系统故障系统诊断等方面做了 一些应用性的研究。 1 3 热经济学研究的意义 热经济学以热力学第一、第二定律分析法作为基础，将热力学原理和经济学的 观念结合为一体，运用系统工程的方法论，研究设计各类工程方案的可行性、用能过 程的合理性、系统运行的经济性以及系统结构和参数的最优化等问题。实践证明， 运用热经济理论决策和优化所得到的热力系统用能方案和能量系统的投资方案，不 仅具有明显的经济效益，而且具有重大的社会效益。热经济学的形成是以火甩成本概 念为基础的科学综合过程，火用成本计算是热经济学的核心问题。我们知道，单纯的热 力学第一定律分析不能令人信服和满意的根本原因在于，它将能量作为价值交换 物。从经济学角度看，作为价值的交换物，必须是在过程中耗尽的东西，而能量本身 不具有耗尽的特征，而只有转换的特征。热力学和经济学交叉组合成的热经济学，巧 妙地把能量的价值建立在可耗尽的火用的基础上，科学地解释了能源危机的实质是由 于有价值的火用不断耗尽和无法更新的火无的日益增多造成的【1 8 】。热经济学是热力学与 经济学交叉在“火用价值化 这个连接点上的新的交叉学科。经过三十多年的发展， 热经济学从理论和方法上已逐渐趋于完善，并由实践证明它是热力学分析取得实用 化的一条有效途径。 由于各种热经济学分析方法的不断涌现，导致热经济学领域的名词、术语、概 念层出不穷，容易造成混淆并阻碍了热经济学理论的进一步发展。为了统一热经济 学领域中出现的各种方法、概念，v a l e r o 等人发表了多篇重要的文章，力求探寻热 经济学的理论根基。所有的这些工作，都为后来建立的统一的热经济学理论( 也就 是热经济学结构理论) 铺平了道路。只有建立一个通用的数学形式，并且提供一个 4 华北电力大学硕士学位论文 能够用于比较各种热经济学方法的通用基础，才能避免不必要的混淆。热经济学结 构理论采用一种基于线性模型的通用数学形式，包含了成本会计以及优化领域内的 所有热经济学方法。因此，本文采用了结构理论模式对6 0 0 m w 凝汽机组进行热经 济学分析。 1 4 本文研究的主要内容 本文将以6 0 0 m w 凝汽式机组为主要研究对象，对机组进行火用分析和热经济学分 析，指出系统中需要改进优化的组元，通过比较两种方法的异同，指出结构理论的 优越性与合理性。利用结构理论计算机组变工况下各个组元的单位火用成本和单位热 经济学成本，分析电厂在设计工况和变工况下成本形成及分布规律，并分析影响成 本的因素。 主要内容包括： ( 1 ) 基于热经济学结构理论模式，针对6 0 0 m w 凝汽式机组建立热经济学数学模型。 ( 2 ) 对机组进行火用分析，计算火用效率、火用损率、火用损系数等热经济性指标，根据 结果确定需要改进优化的组元。 ( 3 ) 利用结构理论对机组进行热经济学分析，根据物理结构图和生产结构图，利 用特征方程，计算出各组元单位火用成本、单位热经济学成本、火用经济系数、 相对成本差等热经济学指标。 ( 4 ) 分析单位火用成本和单位热经济学成本的组成，根据各组元成本组成，指出成 本高的原因以及改进组元性能降低成本的可能性。 ( 5 ) 利用实时数据，进行各个工况下机组热经济性分析，根据计算结果，分析电 厂在设计工况以及变工况下的成本形成及其分布规律，定量研究了外部燃料 价格和设备投资成本增长对各组元产品热经济学成本的影响，并深入分析导 致发电成本增长的原因。 ( 6 ) 利用v c + + 平台，建立6 0 0 m w 凝汽式机组的热经济学成本计算软件。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章热经济学结构理论分析 热经济学结构理论是一种根据热力系统的结构特点，来分析考察系统中各组元 在各种情况下的热力学特性及行为的理论方法。热经济学结构理论采用一种基于线 性模型的通用数学形式，包含了成本会计以及优化领域内的所有热经济学方法【1 9 】。 热经济学结构理论将平均成本和边际成本的计算统一到一个通用的模型上，同时使 得该模型不仅能用于系统的成本分析也能用于系统优化等方面。它把系统划分为若 干子系统、过程组元。过程组元是与真实设备相对应，具有生产性目的的功能组元。 过程组元也可以是各个不同设备的结合，或者是一个物理设备分解为几个过程组 元。 2 1 结构理论基础 热经济学结构理论以火用成本理论为基础。火用成本是西班牙学者v a l e r o 等人首先 提出的概念，并且是作为热力学参量被提出来的，使用热力学量纲，即生产单位产 品火用所需消耗的外部火用量，将它乘以单位火用耗的价格便可得到经济参数并且以经济 学量纲来表达成本【2 叭。结构理论虽然以火用成本理论为基础，但是对火用成本理论有了 一些发展。结构理论将环境进入系统的能量、资金统称为资源。热经济学的成本分 为火用成本和货币成本，统称为资源成本。物理流的火用成本便是为生产它所消耗的火用 值。这些成本是对产生这些流的生产过程的热力学效率的衡量。货币成本考虑了消 耗燃料的经济成本、设备投资的成本和运行维护费用，也就是为生产一股物理流所 花费货币的数量。货币成本是对过程经济效率的衡量。物理流的单位货币成本( 也 就是单位热经济学成本) 是为获得一个单位火用所花费的货币数量。 2 2 结构理论基本概念 2 2 1 集成度 根据研究目的以及求解精度的不同，需要将系统中的组件进行分解或者合并， 由此可以获得一个更为合理的系统结构【2 1 1 。系统划分的繁简程度称为“集成度。 集成度高表明划分的粗一些，系统所含的组件数量少，优点是建模和计算量小，但 计算精度低，反映的信息少；集成度低则相反，组件数量多，建模和计算复杂但精 度高，包含的信息多。一般来说，最好是按照系统中的每个部件的功能来划分，即 把功能上联系比较紧密的设备划分成一个组件( 也就是一个子系统) ，对于复杂的 设备也可划分为若干子系统。根据研究目的不同，选择合适的集成度，例如比较系 统各个设备的效率时，就应该选择较低的集成度。 6 一 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 燃料、产品的定义 无论是过程系统还是热力系统，为获得一定的产品总是伴随着一些必要的损 耗。出入各子系统的火用流，按其作用和目的可分成“燃料”与“产品 两部分。所 谓“燃料 是为获得产品需要消耗的火用流，而“产品是指作为子系统生产目的的 火用流。“燃料 和“产品 分别泛指一个子系统的输入和输出，但又不能理解“燃 料”就是子系统的输入，“产品 就是输出，因为系统存在着单线流与双线流的概 念【2 2 1 。为了更好的解释燃料、产品的概念及单线流、双线流的差别，以表面式加热 器和混合式加热器为例进行说明，图中旦一晟表示各股流的火用值。 图2 - 1 表面加热器图2 2 混合式加热器 对于电厂的表面加热器( 如图2 1 ) ，目的是使给水的温度、焓值升高而提高系 统整体的效率，给水增加的火用量就是子系统的“产品”，而付出的代价一一燃料， 就是消耗了本级抽汽和上一级疏水的火用量。故表面式加热器的燃料和产品分别为： f b = 蜀+ 岛一忍 ( 2 - 1 ) p = 忍一皿 ( 2 - 2 ) 式中，册表示加热器的燃料火用消耗； 尸表示加热器的产品火用； 蜀一b 表示各股流的火用值。 对于混合式加热器( 如图2 2 ) ，如除氧器，蒸汽、疏水在加热器内混合后，温 度降低，火用值下降，给水温度升高，火用值升高。故混合式加热器的燃料和产品分别 为： f b = 蜀+ 岛一( 啊+ 聊2 ) 么 p = m 3 ( 玩一6 3 ) 式中，m 。，m ：，m ，表示各股流的质量流量； 7 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 华北电力大学硕士学位论文 6 3 ，6 4 表示各股流的比火用值。 2 2 3 生产结构模型的建立 将所分析的系统参照其流程图，按不同的要求和规则绘制两张结构图：一张是 “物理结构图”，另一张是“生产结构图 。物理结构图是在流程图上按设备功能划 分成若干“功能单元”，再按功能单元的物理结构图绘制而成。功能单元的划分完 全根据解题的需要，可粗可细。而生产结构图是利用物理结构图上功能单元，按生 产过程绘制，由于所有的燃料和所有的产品分别都具有等同性，我们使用总的燃料 和总的产品来代表组元的输入和输出，这样特征方程就完全线性化了【2 3 1 。这就是结 构理论解决问题的出发点。而为了完成整个生产结构还需要有补充，一个过程组元 的燃料或者产品有时并不是由一股组成的，这就提出了虚拟组元的概念。虚拟组元 有两种：一种是一输入多输出的分流点，称为分支组元，用。表示；另一种为多输 入一输出的汇流点，称为汇集组元，用表示。 2 2 4 特征方程 特征方程是热经济学模型的数学表达形式，该方程表达了在生产结构中每一个 组件的入口流e 作为该组件内部参数集_ 和所有组件输出流b j 的函数 忍= 蜀( 而，哆) i = 1 ，m j ( 2 5 ) 其中下标f 表示组件，的输入流，下标为组件，的输出流，m 为生产结构中所有 流的数量，s 为系统输出到环境的流的数量。当组件与系统外部环境交互时， 吃咐，= q i = ，j ( 2 - 6 ) 其中劬为系统输出到环境的产品。在生产结构与特征方程中的各股输入和输出 流忍通常使用广延量表示，内部参数集薯仅能选择那些依赖于组件或子系统的性能 而不依赖于质量流率的参数。 在热经济学中，存在三类一阶齐次的特征方程： ( 1 ) 生产和耗散组件的特征方程：f = 岛，e ，每一个组件的燃料都对应一个这样 的方程。该方程反映了每一个组件的生产功能、用于完成它的生产功能所需的燃料 以及该组件的热力学效率； ( 2 ) 汇集和分支组件的结构方程：f = r v 弓和c = 露，该方程反映了系统所消 耗的资源在系统组件内的分布； ( 3 ) 成本计算方程：该方程将系统的投资成本表达为热力学变量以及组件产品的 函数形式【4 t ，反映了系统中某一组件所需的外部投资、运行、维护等成本。这些方 r 华北电力大学硕士学位论文 程通常不是线性方程，但可以将方程分割为多个运行间隔，在每一个间隔内进行线 性化处理。 当使用燃料一产品表达系统的特征方程时，可以得到： = 垦。+ 饬= e 。+ 岛弓 i = 0 ，1 ，刀 ( 2 - 7 ) j = i，- i 式中：岛第i 个组件的产品作为燃料提供给第j 个组件的火用； 忍。第i i - 组件的作为系统的总产品输出到环境的火用。 该方程反映了某一组件的产品作为其它组件料或系统总产品的一部分是如何在系 统内部进行分配的。 采用技术产品系数露表示成矩阵形式，整理得： p = ( 一i 即1 ) - i ( 2 - 8 ) 式中：u d 以疗维单位矩阵； 即包含技术产品系数屯的刀维矩阵； 一一包含系统最终产品鼠。的n 维向量。 将特征方程进行一阶齐次化后具有以下特点： ( 1 ) 方程形式简单易于理解，建模和求解的工作量较小。然而，凡事都是有利有 弊，齐次化的特征方程无法反映出系统的非线性特性【2 5 1 ( 例如在利用热经济学结构 理论进行故障诊断时，无法辨识系统的诱导故障) ； ( 2 ) 当特征方程为一阶齐次方程时，利用火用或者热经济学成本方程求得的成本既 是平均成本也是边际成本，这一结果使得热经济学结构理论不仅能用于系统的成本 计算，也能用于系统优化等方面； ( 3 ) 使用k p 矩阵量化了组件之间的生产交互，为将热经济学结构理论应用于系统 的热力故障诊断打下了坚实的基础。 9 华北电力大学硕士学位论文 3 1 火用分析理论 第三章火用分析和热经济学分析理论 火用分析法又称热力学第二定律分析法，它的理论根据是热力学第一定律和第二 定律。火用分析法就是对热系统进行计算和火用平衡分析，通过火用平衡去发现损失最大 的部位、环节并分析其原因。这些部位和环节，一般来说，就是应当采取节能措施 的主要对象。所以，火用分析是一种有效的节能诊断法。分析火用损是火用分析中重要的 环节，在分析过程中不仅从损失分布的观点来分析，而且要特别注意分析其产生的 原因：( 1 ) 技术的，指不可逆现象是因设备不完善而引起的；( 2 ) 固有的，指不可 逆现象是由系统结构与其外部联系等因素引起的。这时，损失与其产生在系统的哪 个部件里或过程的哪个阶段上无关，而是按照其产生的原因来分组分析【2 6 。 火用分析是以系统的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 统的火用与由系统输出的火用是不相等的。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后，才能揭示出系统的各能量项之间的火用平衡 关系，然后确定过程的火用损失和火甩效率。 3 1 1 数学描述的基本方程式 从热经济学角度看，我们把能量系统中的各项物质、能量及经济值都看作是在 系统中流动的流，物流、能流、火用流，它们都是按照一定方向流动的【2 7 1 。因此，用 数学来描述它们之间的关系，就可以相应地写出它们的平衡式。历代表物流，下标 “o u t 和“伽分别表示流出和流入各子系统的流，则可以写出下列四个平衡方 程式： 物质平衡方程： 一m o w = a m ( 3 一1 ) 能量平衡方程： ( 瓯一q o 眦) + ( 蛾一h o 以) + ( 既一形删) = 蝇 ( 3 2 ) 火用平衡方程： 既一吃一 - a b ( 3 3 ) 式( 3 1 ) ( 3 3 ) 中：，和胧。，表示系统流入和流出的质量，毓为系统中存 1 n 华北电力大学硕士学位论文 留的物质；q 表示系统和外界的热量交换量，矿表示系统和外界作功交换量，蝇为 系统总储存能；a g i 和蛾肼表示系统流入的火用值和流出的火用值，为系统火用损失 总和，衄表示系统火用值变化量。当系统稳定流动时，锄和衄均为零。 3 1 2 参数火用的确定 在电厂回热系统的火用分析中，主要涉及到开口系统焓火用的计算。一般认为，周 围环境条件下任一形式的能量中理论上能转变为有用功的那部分能量就称为该能 量的火用。火电机组各子系统可视为稳定流动系统，其比火用可用下式计算： b = h 一一写掌o 一) ( 3 4 ) 式中：6 单位质量稳定物流比火用( 材堙) ； 环境条件下物流比焓( k j i 姆) ； 一一环境条件下物流比熵( 材i ( k g k ) ) ； 露环境温度( k ) ； h 物流比焓( # c s l 蛔) ； s 一一物流比熵( k d l ( k g k ) ) 。 上式各参数均可由物质流所具有的温度、压力值来确定。从上式可以看出，环境状 态的火用为零。由于机械能是有序能，其值全部是火用。煤的化学火用可近似取其低位发 热量【2 8 1 。火电机组的绝大部分的物流用值可直接利用( 3 4 ) 式，但当汽机排汽在 湿蒸汽区，排汽干度又无法测定时，就不能简单的利用上式计算火用值，这时应通过 熵来确定火用值。 3 1 3 火用损失 在一切实际的不可逆过程中，不可避免的发生能的贬值变质，火用的总量将有所 减少，由于这种退化是无法逆转的，所以称之为火用损失。能量在传递过程中由于不 可逆性引起的火用消失现象称为火用耗散，或称内部火用损失【2 9 1 。 内部火用损失有如下特点：( 1 ) 内部火用损失完全是由系统内部过程的不可逆性引 起的，其大小主要是取决于过程的不可逆程度。一般来说，环境的变化不会直接影 响系统内部进行的过程，但内部火用损失的大小与环境变化相联系，只是环境所起的 作用要比系统内过程本身的不可逆性影响要小得多。( 2 ) 内部火用损失是不可避免的， 只能设法减少，即减少过程的不可逆性。从能量系统的优化观点来看，不是消除内 部火用损失，而是要把它控制在某一最佳值【3 0 1 。( 3 ) 从能质的观点看，内部火用损失通 常是高质能，如因摩擦而耗散的机械火用、因流阻而耗散的动能火用等。 华北电力大学硕士学位论文 外部火用损失主要是由于系统对环境的物质和能量的排放，因而外部火用损失的值 主要取决于排放物和环境的状况【3 1 1 。外部火用失，对于“孤立”系统或接近于“孤立” 的能量系统来说，它是可以接近甚至等于零的，工程上应尽量减少它。外部火用损失 常是由温度、压力较低的排放物带走的低质能。 3 1 4 火用分析评价指标 ( 1 ) 单位火用耗k b 定义i 单位火用耗是指为了获得单位产品火用所需消耗的燃料火用。 k b ：丝+ ( 3 5 ) p 式中：船设备消耗的燃料火用； 户设备的产品火用。 单位火用耗反映了过程的热力学效率，对于可逆过程，单位火用耗为1 ，对于所有 实际过程，其值都大于l 。过程不可逆性越大，单位火用耗越高。 ( 2 ) 设备的目的火甩效率叩。 定义：目的火用效率是指得到的产品火甩与付出代价所消耗的燃料火用的比值，即单 位火用耗的倒数。 玎。= 上：上 ( 3 6 ) 弦= 历2 面 3 击， 火用效率反映了为提高系统或某一设备火用的利用程度尚有多大潜力，但并不能直 接反映出系统或设备中火用损失的分布情况以及每个环节火用损失所占的比重，因而也 就不能直接揭示出系统的薄弱环节。 ( 3 ) 设备过程的火用损率仃 定义：设备过程的火用损率是该设备的煳损与系统的总火甩损之比。 弘袁 妈刁) 式中：，设备的火用损； 系统的总火用损。 火用损率表示局部火用损失占总火用损失的比重，利用该参数能揭示各环节火用损失的 相对大小，然而，当利用该参数评价不同系统的火用利用水平时，由于各系统总火用损 失不同，因而所得到的结果不具备可比性。 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 设备过程的火用损系数五 定义：设备过程的火用损系数是指以输入到系统的总的燃料火用为基准， 火用损与系统总燃料火用的比值。 五2 南 该设备的 ( 3 8 ) 式中：磊，整个热力系统总的燃料火用。 相应的，系统的总火用损系数被定义为 rr 2 = 等= 以 ( 3 - 9 ) 一10 j 上式反映出系统的总火用损系数等于各环节火用损系数之和，揭示了系统与各环节之间 的内在联系。另外，当研究不同系统的火用利用程度时，如果各系统所消耗的外部燃 料火用相同，该系数也可以用于系统之间的比较。 3 2 产品成本及设备成本估算方法 3 2 1 产品成本的概念 工业企业的基本经济活动是生产工业产品，在产品的生产过程中，一方面要生 产出产品，另一方面又必然要发生各种消耗。按照经济学观点，凡有稀缺性存在， 要获得一种东西，必然要放弃另外一种东西，而所放弃者正是所获得的东西的真正 成本。对工业企业来说，为了生产和销售一定种类和数量的产品，则必然消耗各种 费用，这些费用的总和就是其成本。产品成本是其价格的组成部分，价格成本外还 包括制造厂家的利润和税金【3 2 】。 3 2 2 产品成本的构成 一般火电厂的发电成本构成如下图所示，一般情况下产品成本可分为下列七 项： 图3 一l 火电厂发电成本的构成 1 3 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 原材料费用：指构成产品实体的原料和材料，以及各种辅助材料等费用； ( 2 ) 燃料与动力费用：指直接用于生产的外购或自产的燃料和动力消耗； ( 3 ) 人员工资：直接参与生产的工人的工资及按比例提取的职工福利基金； ( 4 ) 废品损失：成产过程中及入库以后发现产品缺陷需处理或补修的花费； ( 5 ) 车间经费：包括车间管理和组织车间生产所需要的各项开支； ( 6 ) 企业管理费：包括全厂生产管理及组织全厂生产所需各项开支； ( 7 ) 销售费用：因销售产品而付出的费用，如运输费、推销费、广告费等。 综合起来我们可以把这些成本归结成两类：能量费用和非能量费用成本。所谓 能量费用指系统所消耗的燃料费用，非能量费用指除燃料以外的所有费用。 3 2 3 设备成本估算方法 在进行工程的技术经济论证时，常常是只有设计而尚未购置设备，因而不知道 设备的实际费用，这样折旧费用和维修费用等所构成的年运行费用都无法计算出实 际值。因此在初步设计或估算中可以利用估价方程来估算主设备的费用，而这类方 程一般为若干因数的乘积，每个因数都代表着决策变量或者状态变量改变的结果。 在资料不足或者设备刚在设计中的时候，这类估价方程是非常有用的，其精度用于 初步估算是足够的。 表3 - 1 主要设备投资成本估算方程 组件成本估算方程( 单位：$ ) z b d ，= 7 4 0 e x p ( ( 1 0 p i 一2 8 ) 1 5 0 1 1 + 5 e x p ( ( t i 一8 6 6 ) 1 0 4 2 ) 】【1 锅炉整 3 3 , 3 4 + ( ( o 4 5 - 0 4 0 5 ) ( 0 4 5 - r ) ) 71 b o j b s hfr h z b 谢= ( 1 一f 嘣、) z b o l ，z 嘣= f l t h z 8 0 i 加热器 彳= 0 0 2 x 3 3 q x ( 1 ( t r i o + 订) ) 0 。1 ( 1 0 x 只) m ( 1 0 x 只) - o 肼x 1 0 0 0 汽轮机 刁= 3 0 0 0 1 1 + 5 e x p ( ( t ! 一8 6 6 ) 1 0 4 2 1 + ( ( 1 一，7 纾) ( 1 一) ) 3 形n 7 泵 彳= 3 7 8 1 1 + ( ( 1 - 0 8 0 8 ) ( 1 - r p ) ) 3 】曰m 7 1 凝汽器 z c 粕= ( 1 t o g ) 2 1 7 0 2 4 7 + ( 1 ( 3 2 4 v 。8 ) ) 】砌( 1 ( 1 一s )