（工程热物理专业论文）火电厂热力系统的热经济学分析与泛火用分析.pdf

m a s t e rd i s se r t a t i o n e x e r g o e c o n o m i ca n a l y s i sa n du n i v e r s a le x e r g ya n a l y s i so n t h e r m a ls y s t e mo fp o w e rp l a n t m a j o r ： s u p e r v i s o r ： s u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n tt h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo fm a s t e r m a y , 2 0 1 1 s c h o o lo fe n e r g ys c i e n c ea n de n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t h u n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，p r c h i n a 原创性声明 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 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 中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名嗣盘蛙日期：丛年月尘日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签砰业新签趣鳖喻卫年月卫 中南大学硕士学位论文 摘要 火电厂不仅是耗能大户，同时也是污染物排放的重要源头，随着 资源的短缺、气候的变化，我国对火电厂能源利用和污染物排放提出 了更高要求，因此对火电厂热力系统进行综合分析具有重要的意义。 本文对火电厂热力系统的热经济性分析的内容、目的和国内外发 展状况的文献进行了综合评述，系统地阐述了炯分析、热经济学分析 及泛烟分析方法的基本概念以及评价指标。基于热经济学结构理论构 建了火电厂热力系统的结构模型，并利用m a t l a b 编制开发了火电厂 热力系统热经济性分析与评价软件系统，运用软件对3 0 0 m w 亚临界 水冷、6 0 0 m w 亚临界空冷、6 0 0 m w 超临界水冷、1 0 0 0 m w 超超临 界水冷机组的热力系统进行了炯分析、热经济学分析和泛炯分析与评 价，并提出了节能改造的建议。 研究结果表明：热力系统中锅炉的炯效率和泛炯利用系数都较 低；随着机组容量的增大，主蒸汽参数的提高，热力系统以及锅炉、 汽轮机、加热器等主要设备的炯效率及泛炯利用系数都随之提高，而 炯成本增长系数减小，泛炯分析方法和热经济学方法在火电厂热力系 统热经济性分析中得出的结果在反映资源利用状况方面是一致的； 1 0 0 0 m w 超超临界机组的炯损投资比接近最优值，说明1 0 0 0 m w 机 组的热力系统的综合效益最好。火电机组可持续发展指数随着机组容 量的增大而增大，即单位发电量对生态环境的影响随着机组容量的增 大而减小。 论文的主要创新点如下： 1 ) 采用泛炯分析方法对火电厂热力系统进行评价； 2 ) 采用m a t l a b 开发了火电厂热力系统的热经济性分析评价软 件，为不同型号机组，不同工况进行快捷热经济性分析提供了强有力 的平台。 关键词：火电厂热力系统，热经济性，炯分析，热经济学分析，泛炯 分析 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t t h e r m a lp o w e rp l a n ti sn o to n l yab i ge n e r g yc o n s u m e r , b u ta l s oa m a j o rs o u r c eo fe m i s s i o n s w i t ht h es h o r t a g eo fr e s o u r c e s ，c l i m a t e c h a n g e ，ah i g h e rd e m a n do fe n e r g y u t i l i z a t i o na n dt h ee m i s s i o no f p o l l u t a n t so nt h e r m a lp o w e rp l a n tw a sp r o p o s e di nc h i n a ，h e n c e t h e r ei sa g r e a ts i g n i f i c a n c et oc o n d u c tac o m p r e h e n s i v ee c o n o m i ce v a l u a t i o no n t h et h e r m a ls y s t e mo fp o w e r p l a n t s t h ec o n t e n t ，p u r p o s ea n da p p l i c a t i o n si nt h e m o e c o n o m i c sa th o m e a n da b r o a dw e r ec o m p r e h e n s i v er e v i e w e d t h eb a s i cc o n c e p t sa n dt h e e v a l u a t i o ni n d e xo ft h em a i ne v a l u a t i o nm e t h o d ss u c ha se x e r g ya n a l y s i s m e t h o d ，t h e r m o e c o n o m i c sm e t h o da n du n i v e r s a le x e r g ya n a l y s i sm e t h o d w e r es y s t e m a t i ce x p o s i t e d ，t h es t r u c t u r a lt h e o r yo ft h e r m o e c o n o m i c s w a su s e dt ob u i l dt h em o d e lo ft h et h e r m a ls y s t e mo fp o w e rp l a n t s ，a n d t h es o f t w a r ew a sc o m p i l e dt oe v a l u a t et h et h e r m a le c o n o m yo nt h e t h e r m a ls y s t e mo fp o w e rp l a n t sb yu s i n gm a t l a b t h ea n a l y s i sa n d e v a l u a t i o no nt h et h e r m a ls y s t e mo f30 0 m ws u b - c r i t i c a lu n i t s ，6 0 0 m w s u b - c r i t i c a l u n i t s ， 6 0 0 m w s u p e r c r i t i c a l u n i t sa n d10 0 0 m w u l t r a s u p e r c r i t i c a l u n i t sw e r ec o n d u c t e db yt h es o f t w a r e ，t h e nt h e e n e r g y - s a v i n gp r o g r a m sw e r eg i v e n t h er e s u l t ss h o wt h a t ，b o t ht h ee x e r g ye f f i c i e n c ya n du n i v e r s a l e x e r g ye f f i c i e n c yo fb o i l e ra r el o w e r ；w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h eu i n t c a p a c i t ya n dt h ei m p r o v e m e n to f t h em a i ns t e a mp a r a m e t e r s ，t h ee x e r g y e f f i c i e n c ya n dt h eu n i v e r s a le x e r g ye f f i c i e n c yo f t h et h e r m a ls y s t e ma n d m a j o re q u i p m e n ti ta l la r eb o i l e r , t u r b i n e ，h e a t e r sa r es u b s e q u e n t l y i m p r o v e d ，a n dt h ec o e f f i c i e n to fe x e r g yc o s ti sd e c r e s e d ，t h er e s u l to f t h e r m o e c o n o m i c sa n du n i v e r s a le x e r g ya n a l y s i sa r ec o n s i s t e n ti ns i t u a t i o n o fr e s o u r c e su t i l i z e d t h er a t i oo fe x e r g yl o s st oc a p i t a lc o s to f10 0 0 m w u l t r a s u p e r c r i t i c a lu n i t si sc l o s e s tt ot h eo p t i m a lv a l u eo f t h ec o e 街c i e n to f e x e r g yl o s st oc a p i t a lc o s t s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti n d e xo ft h ep o w e r p l a n ti n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo ft h ec a p a c i t y , t h a ti s ，t h ep o w e r g e n e r a t i o nu n i t si m p a c to ft h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n ti sd e c r a e a s ew i m 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec a p a c i t yi n c r e a s e t h em a i ni n n o v a t i o n so ft h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h eu n i v e r s a le x e r g ya n a l y s i sm e t h o dw a su s e dt oe v a l u a t et h e t h e r m a ls y s t e mo fp o w e r p l a n t 2 ) d e v e l o pt h e t h e r m a l p o w e rp l a n t e c o n o m i c a n a l y s i s a n d e v a l u a t i o n s o f t w a r eb yu s i n gm a t l a b ，t h es o f t w a r ep r o v i d e sas t r o n g p l a t f o r mw h e ne c o n o m i ca n a l y s i sf o rd i f f e r e n tt y p e so fu n i t s ，d i f f e r e n t w o r k i n gc o n d i t i o n so f t h e r m a lh e a t i n gs y s t e m k e yw o r d s ：t h e r m a ls y s t e mo fp o w e rp l a n t ，t h e r m a le c o n o m y , e x e r g ya n a l y s i s ，t h e r m o e c o n o m i c s ，u n i v e r s a le x e r g ya n a l y s i s 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 目勇之i v 第一章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 1 1 我国能源现状1 1 1 2 我国电力工业发展现状1 1 1 3 电力发展对环境的影响2 1 1 4 电厂热力系统综合评价的意义3 1 2 热力系统评价方法概述4 1 2 1 热平衡分析方法及其发展应用4 1 2 2 炯分析方法及其发展5 1 2 3 热经济学分析方法的发展与应用5 1 2 4 泛炯分析方法的建立1 0 1 3 主要研究工作。1 1 第二章热力系统的分析方法与评价指标1 2 2 1 炯分析方法及其评价指标1 2 2 1 1 炯分析方法1 2 2 1 2 焖分析的评价指标1 2 2 2 热经济学分析方法及其评价指标1 3 2 2 1 热经济学分析方法1 3 2 2 2 热经济学分析的评价指标1 4 2 3 泛炯分析法及其评价准则18 2 3 1 泛炯分析法18 2 3 2 泛炯分析的评价指标1 9 2 4 本章小结2 0 第三章火电厂的热力系统分析建模2 2 3 1 热力系统的结构模型2 2 3 1 1 热力系统概述2 2 3 1 2 结构理论建模2 3 中南大学硕士学位论文 目录 3 2 主要设备的热力学计算模型2 6 3 2 1 水和水蒸气的热力学计算模型2 6 3 2 2 炯的基准态及计算模型2 7 3 2 3 各子系统的炯分析模型2 7 3 3 经济学量计算模型3 0 3 4 热力系统及主要设备的泛j 盼析模型3 0 3 4 1 单位货币资金泛炯的计算3 1 3 4 2 热力系统及主要设备的泛炯计算模型3 1 3 5 本章小结。3 4 第四章火电厂热力系统的热经济性软件开发与计算结果分析3 5 4 1 火电厂热力系统热经济性分析与评价软件系统开发3 5 4 1 1 软件开发的必要性3 5 4 1 2 软件的设计思想3 5 4 1 3 软件的模块及功能3 6 4 26 0 0 m w 超临界机组热力系统热经济性评价。3 8 4 2 1 机组热力系统参数3 8 4 2 26 0 0 m w 超临界机组热力系统热经济性计算结果与分析。4 0 4 3 不同类型机组的热经济性分析与比较4 2 4 3 1 不同类型机组热力系统热经济性分析计算结果4 2 4 3 2 不同类型机组的热经济性能分析与比较4 4 4 3 3 不同类型机组的可持续发展性能比较4 9 4 4 不同分析方法的比较4 9 4 5 本章小结5 0 第五章总结与建议5 1 5 1 本文主要工作及创新点5 1 5 2 关于下一步工作的建议5 2 参考文献5 3 附录一5 8 附录二。6 0 致谢6 4 攻读学位期间发表论文及工作6 5 能源是人类赖以生存和社会发展的重要物质基础，能源工业是实现现代化的 基础产业。世界各国都把建立安全、可靠、稳定的能源供应保障体系作为国民经 济的战略目标之一。 1 1 1 我国能源现状 我国的能源资源总量位于世界第3 位，仅次于俄罗斯和美国，但我国人口众 多，人均能源拥有量不足。最新资料显示，目前中国的人口已经超过了1 3 亿，人 均能源拥有量居全球第8 8 位；人均拥有的水力、煤炭等资源相当于全球平均水平 的1 2 ：人均拥有的石油、天然气的资源量约为全球平均水平f 拘1 1 5 t 1 1 。从能源储 量来看，我国煤炭资源较为丰富，但经济可采储量不足，预计至u 2 0 2 0 年我国煤炭 供需缺口将达到1 3 亿吨；目前我国已经是一个石油进口国，n 2 0 2 0 年石油的供需 将出现更大的缺口：天然气已探明可采储量仅占全球的1 2 ，预计至u 2 0 2 0 年供需 缺口将达上千亿立方米【2 j 。此外，我国的水资源也存在地区分布不均的问题。 根据2 0 1 1 年出版的能源消费年鉴【2 】，2 0 1 0 年我国一次能源消费总量为2 9 6 亿吨标准煤，其中原煤占能源消费总量的8 1 7 ，此比例位于全球第一。在电力、 热力的生产和供应业中，煤炭的年消耗总量约为1 4 4 9 亿吨标煤，占煤炭年生产 总量的5 5 8 0 【3 】。专家预测，今后5 0 年内煤炭在我国的能源行业中的导向性作用 不会改变。 1 1 2 我国电力工业发展现状 中国的电力工业开始于1 8 8 2 年。新中国成立前，电力工业发展缓慢，新中 国成立后，电力工业得到快速发展，1 9 7 8 年发电装机容量达到了5 7 1 2 万千瓦， 发电量达到了2 5 6 6 亿千瓦时，分别跃居世界第8 位和第7 位。 从1 9 7 8 年改革开放到2 0 0 0 年，我国电力工业的发展进入了突飞猛进的时 期，1 9 8 7 年全国发电总装机量突破了1 亿千瓦，1 9 9 5 年超过了2 亿千瓦，2 0 0 0 年跨上3 亿千瓦的台阶，发电装机量和年发电量先后超越世界发达国家，居全 球第2 位。2 0 0 0 以后，电力工业进入了飞速发展时期，2 0 0 6 2 0 1 0 年的全国年发 中南大学硕士学位论文第一章绪论 电量如图1 1 所示。 鲁 翟 忙 攀 v 衄 躜 脚 赵 4 5 0 0 0 4 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 全国年发电总量 2 0 0 6 年2 0 0 7 年2 0 0 8 年 2 0 0 9 生g 2 0 1 0 年 年份 图1 - 12 0 0 6 - - , 2 0 1 0 年全国发电总量汇总图 2 0 0 6 年到2 0 1 0 年的五年期间，平均每年发电量比上年同比增长1 3 2 2 。在 这五年间我国电力装机总容量扩建4 亿多千- 瓦1 4 ，2 0 1 0 年全国的发电设备累计 平均利用小时数达到4 6 6 0 小时，其中火电机组年利用小时数为5 0 3 1 小时。预计 到2 0 1 5 年全国电力装机容量还将增加8 0 0 0 万千瓦左右。随着国家对资源利用颁 布行业调整结构、转变发展方式的政策，以及“十二五 节能减排任务分工的落 实，我国的电力行业将逐渐回归理性增长。 2 0 1 0 年我国燃煤火力发电量占总发电量的8 0 左右。预计到2 0 1 5 年全国发 电装机容量将达到1 4 3 7 亿千瓦左右，年均增长8 5 。其中，水电为2 8 4 亿千 瓦，煤电9 3 3 亿千瓦，抽水蓄能4 1 0 0 万千瓦，核电4 3 0 0 万千瓦，天然气发电 3 0 0 0 万千瓦，风电1 亿千瓦，太阳能发电2 0 0 万千瓦，生物质能发电及其他3 0 0 万千瓦，燃煤电厂的发电量所占比例为6 3 3 4 ，燃煤发电量比例虽然有所下降， 但煤电仍是我国主要电源【4 】。 尽管我国的电力行业发展迅猛，但是其总体能耗水平不容乐观。近十多年来， 由于人口增加、环境破坏、水资源日益短缺和工业迅速发展，电力行业特别是火 电行业的发展受到了多方面的制约。 1 1 3 电力发展对环境的影晌 电力行业是资源消耗大户，也是环境污染物的主要排放源。燃煤火电厂会产 生大量的s 0 2 、n o x 、颗粒物、重金属等大气污染物以及大量的温室气体一0 2 。 燃煤电厂排放的s 0 2 是酸雨形成的主要原因，同时烟尘、废气、废热的排放也不 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 容忽视。在2 0 1 0 年一年期间，全国火电厂排放的s 0 2 、n o x 、烟尘分别为1 0 3 8 万 吨、8 8 1 万吨和3 8 4 万吨【5 1 ，根据现在的发展趋势，专家预计至u 2 0 2 0 年，s 0 2 、n q 、 烟尘的年排放量将分别达至u 2 1 0 0 万吨、1 0 0 0 万吨和5 0 0 万吨。随着各地经济的快 速发展，电力需求量也将大幅度增长，火电厂建设必将加快，火电排放的污染物 对生态环境的影响也将越来越严重。中国环境科学研究院的研究表明，从长远来 看，我国s 0 2 排放量应该控制在1 2 0 0 万吨年，其中电力行业排放的s 0 2 应控制在 5 5 0 万吨年以下【o j 。 全球变暖以及由此带来的一系列负面问题引起了人们的关注，因此作为温室 气体c 0 2 的排放问题也逐渐引起了人们的重视。c 0 2 主要产生于矿物燃料的燃烧 过程，而以矿物燃料为主要能源的电力行业排放的c 0 2 占了c 0 2 排放总量的 3 0 t7 1 ，控制和减缓电力生产过程中c 0 2 的排放量对解决全球气候变暖和温室效 应具有重要的意义。目前控制化石燃料燃烧时c 0 2 的排放，受到了世界各国政府 和研究人员的广泛关注，我国于2 0 0 2 年签订了京都议定书，并在2 0 0 5 年2 月1 6 日正式生效。目前针对控n c 0 2 排放问题的技术有：c 0 2 富集技术、c 0 2 资源化 综合利用技术、c 0 2 封存技术等【8 】。 控制燃煤电厂大气污染物的排放对于改善我国空气质量，实现电力工业的可 持续发展意义重大。随着人民对改善环境质量要求的提高，相关部门对火电厂污 染物排放设立了相应的标准以及处罚措施，新建、扩建燃煤电厂时强制安装高效 脱硫、除尘、脱硝等设备。减少生产过程中污染物的排放量是电力工业实现可持 续发展的必然之路。 1 1 4 电厂热力系统综合评价的意义 当前我国燃煤电厂的平均煤耗与国际技术领先机组相比要高出4 0 多克标准 煤，而电厂发电机的效率一般都很高，在9 8 【9 j 左右，所以电厂的热力系统才是 导致燃煤电厂煤耗偏高的主要环节，对热力系统及相关设备进行综合分析与评 价，研究煤耗偏高的原因和部位，挖掘节能降耗潜力，是电厂技术改进的重点。 现代电厂不单单追求利益的最大化，同时也必须担负起一定的社会责任，减 少污染物的排放，追求可持续发展。能耗分析、经济可行性分析、环境评估已经 是电厂热力系统分析评价必不可少的三个环节，如何将这三个环节融为一个有机 的整体，建立电厂热力系统能源、经济和环境三方共赢的局面，是目前许多专家 学者共同研究的问题。当选择合理的用能评价分析方法时，才能确定系统的薄弱 点所在，进而有的放矢地对系统进行有效的改进，以提高系统中各项生产要素的 综合利用效率，减少污染物的排放。因此，对火电厂热力系统的技术、经济和环 境特性进行综合分析与评价具有极为重要的理论和现实意义。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 热力系统评价方法概述 各种能量系统一般都有各种形式的热功转换过程，热能在能量转换过程中占 有非常重要的地位。因此，能量系统的分析方法主要是基于热力学的各种定律， 到目前为止，分析现代工程系统( 包括一切与能量有关的系统) 所用的热力学分 析方法可分为以下三类【l o l ，即基于热力学第一定律的分析法，也叫做热平衡分析 方法；基于热力学第二定律的分析法，包括熵分析法和炯分析方法；基于炯分析 与经济学的分析方法一热经济学分析法，或称为炯经济学分析法。 1 2 1 热平衡分析方法及其发展应用 热平衡分析法也叫做第一定律分析法，是利用能量守恒与转换定律对系统的 能量有效利用状况进行分析的方法。它利用系统的能量平衡来分析系统的完善 性，利用热效率、能量损失率等对能量利用和转化系统进行评估。 热平衡法是传统的火电厂热力系统的分析方法。热平衡法在改善火电厂的用 能状况方面起到了很大的作用，它是从能量利用的角度来评价用能装置的优劣， 具有概念清晰、简单易懂的优点，且具备良好的推广性，所以热平衡法对于热力 系统的热经济性分析法的创立、发展以及推行功不可没【1 1 1 。 目前针对火电厂热力系统的热平衡分析方法主要有：常规热平衡法【1 2 1 、循环 函数法【”】、等效热降法【1 4 】等。常规热平衡法的特点是计算的精度很高，所以经 常用来评价其他分析方法的精确度；等效热降法和循环函数法关注于减小分析过 程中的工作量，它们都为减少繁复的计算而对实际的热力系统做了许多近似处 理，导致计算结果的精确性欠佳。循环函数法和等效热降法在我国应用较广，关 于这两种方法的应用和计算分析的报道比较多【l 孓1 9 1 。 闰水保【2 0 j 通过比较循环函数法和等效热降法，找出了其中的规律，将矩阵法 引入到循环函数法中，在计算回热系统流量分布时具有一定的优势。循环函数法 是固定锅炉的分析方法，辅助循环的冷源位置和回热加热器组随着辅助循环的不 同而有所差别；等效焓降法是一种固定冷源( 凝汽器) 的分析方法，当辅助循环不 同时只需要改变焓值即可。 各种热平衡分析方法侧重点不同，应根据系统的计算需要选取不同的方法。 但是热平衡分析法是以能量利用的量来评价用能装置的好坏，即用设备的能量输 出量与输入量的比值作为指标来探究用能过程的完善与否，并未考虑能量物质的 状态，即能量的“质”。假如电厂中的回热加热器的散热量为0 ，那么，回热加 热器的热效率就会等于1 0 0 ，说明无论回热加热器中工质的流动状态如何，换 热情况怎样，是否出现压损，换热面是否结垢等，该加热器的用能水平都趋于完 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 善。但实际上从热力学第二定律的观点来看，压力损失、温差传热等，都会造成 加热器内能量“质 的贬值，但热平衡分析方法对这些问题都没有加以考虑，最 后的计算结果中只是把这些“质”的损失统- n 凝汽器的冷源损失项中，导致冷 凝器的损失变大。这样的分析结果不仅没有达到热经济性分析的目的，无法真实 体现设备的用能完善度，而且还会导致节能工作方向性的失误。 1 2 2 炯分析方法及其发展 热平衡分析方法能从能量“量”的角度说明能量转换的效果。但是，能量不 但有“数量 的多少，而且有“品质 高低。因此能说明能量“品质 属性的热 力学第二定律在热力学研究中的重要性不能忽视。而且从某种意义上来说，如果 没有热力学第二定律，热力学这门科学就没有单独成为一个学科的必要【2 1 1 。 热力学第二定律是阐明与热现象相关的各种过程进行的方向、条件以及限度 的定律。它是由克劳修斯( c l a u s i u s ) 在1 8 5 0 年提出来的，克劳修斯认为热不可 能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。 随着热力学第二定律理论的逐步完善，基于热力学第二定律的分析方法已经 发展成为今天的炯分析方法。 由第一定律所确立的能的数量概念，很快被人们接受了，并广泛用于工程实 践，而由热力学第二定律建立起来的能量品质和熵概念，长期以来却仅仅限于理 论上的认识，久久未被工程技术界所接受【2 3 1 。直n 2 0 世纪5 0 年代，概括能量数量 与品质的炯的概念才被正式确立，参数“炯 获得了国际的认可，从而结束了这 种不合理的情况。从此，能量的品质概念被越来越多的人接受，炯分析方法也开 始进入工程应用领域。 利用炯分析方法对各种能量系统进行分析，可以明确系统各设备的炯损失， 通过求取各项媚性能指标，能够对所研究的系统进行客观的分析与评价。 近2 0 几年来，炯分析法已经在火电厂热力系统节能分析与评价中被广泛采 用，为系统节能及节能新技术的发展提供了强有力的理论支撑。 1 2 3 热经济学分析方法的发展与应用 不论是热平衡分析方法，还是炯分析方法，它们都是单纯的热力学分析方法， 或者说是纯技术的分析方法。事实上，技术作为获得经济利益的“工具”，必然 与经济有着千丝万缕的关系。热力学研究的目的是提高能量利用的“经济性 ， 这表明热力学分析方法本身就服务于经济。对实际工程中的热功转换问题，如果 仅进行热力学分析而不考虑过程的经济性，这样的分析就会缺乏足够的实际意 中南大学硕士学位论文第一章绪论 义。因此对实际工程中的用能问题进行分析时，在进行热力学第一、第二定律分 析的同时必须进行经济学分析。 热力学第二定律的“炯”参数包含了能量品质的信息，相比其他热力学属性， 更容易与经济学中产生价值的成本相结合，因此在娴分析的基础上将热力学分析 与经济因素统筹考虑，发展形成一门交叉学科热经济学【2 4 】，也叫炯经济学。 热经济学在上世纪五十年代末美国诞生，到6 0 年代中期热经济学才初步形 成体系，但是当时美国能源价格相对于初始投资来说是相当低廉的，提高能量利 用的效率并没有引起当时社会的重视，所以热经济学的学者们发表论文仅仅是停 留在理论探讨的阶段。在7 0 年代爆发了“能源危机 ，使能源变成了人们关心的 话题，在这个时候，热经济学才与炯分析一起，从理论探讨跨进了工程应用的领 域，并随着人们节能意识的增强逐渐得到越来越多人的重视。 在热经济学的研究领域，学者们把热经济学近5 0 年的发展以1 9 8 6 年为界分 成了两个阶段：1 9 8 6 年前为它的前期发展阶段，而1 9 8 6 年至今称为近期发展阶 段【2 5 1 。 1 ) 热经济学的前期发展 在热经济学开始出现的时候是存在分歧的，有很多不同的学派、不同的模式 以及不同的方法论【2 4 1 。例如：t r i b u sm 学派的孤立化模式热经济学；g a g g i o l ir 学派的代数模式热经济学；b a y e r s 学派的结构系数模式热经济学；雅典大学 f r a n g p o l o u sc 和e v a n s 共同开发的功能模式热经济学：波兰s p a k o u v s k ym 开发 的工程模式热经济学；前苏联b r o d y s k yv 的炯技术经济模式热经济学。波兰的 s z a r g u t 的基于累积炯的热经济学模式：以及v a l e r o a 等人开发的炯成本理论热经 济学模式，以及在此基础上开发的符号炯经济学以及扰动理论热经济学模式等， 总计不下数十种模式。 2 ) 热经济学的近期发展 在热经济学前期发展的基础上，热经济学逐渐走向了统一的发展道路。针对 前期的各种模式，1 9 8 6 年v a l e r o 掣2 6 。2 1 7 】首先提出了将各种热经济学模式统一的 观点，并分别从炯成本、热经济学、节能与热经济学角度来阐述他们的观点，从 此热经济学模式的统一问题被提上议程；在1 9 8 7 年e 1 s a y e d 和g a g g i o l i t 2 8 就基 于炯流的资金分配问题达成了一致，为热经济学模式的统一做出了一定的贡献； 到1 9 8 9 年v a l e r o 2 9 1 等直接号召统一热经济学的模式，提出了热经济学统一的 必要性以及原则，并提出了结构理论的雏形：1 9 9 5 年v a l e r o 3 0 1 在焖成本和拥定价 法则的方面取得了进展，制定了“l i f o 法则 即先进后出法；这些都是热经济 学统一化和规范化所做的必要准备。在这些基础上，1 9 9 8 年t s a t s a r o n i s 的学生 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 e r l a c h t 3 1 】通过综合比较不同的热经济学分析方法，并提出它们之间的共同点，指 出热经济学进行统一化的方向。在19 9 9 年e r l a c h 与l u i ss e r r a 、e r 0 【3 2 】正式提 出了使用结构理论方法的建议，完成了热经济学多模式、多中心的局面的统一任 务。 目前，热经济学还在不断的发展，各种新的模式还在不断地出现。到目前为 止比较成熟的模式和方法有会计模式热经济学、优化模式热经济学、结构系数模 式热经济学、矩阵模式热经济学和目前最具有统一意义的结构理论热经济学【3 3 1 。 ( 1 ) 会计模式热经济学 会计模式热经济学主要使用代数方法，因此也叫做代数模式热经济学。从方 法论上来说，会计统计分析结果只能给出在系统各个部位上炯流及经济流的分 布，从而能够发现哪些地方存在着改进的潜力，但是它不能从系统整体分析的角 度给出系统的某一局部改进或某一参数改变对全系统带来的影响，这是它的局限 性。在进行系统寻优改进时，往往要以会计法先进性筛选，最后才把有可能的方 案付诸优化，选出最优者进行决策，这是会计法的重要用途。会计模式包括：炯 成本理论，平均成本方法和先进后出法l i f o 等。 ( 2 ) 优化模式热经济学 优化模式与会计模式是相辅相成的，它主要对方案进行热经济学优化。是在 传统热力学优化方法不足的前提下建立起来的一种更为科学、全面的评价方法。 它是在e 1 - s a y e d 和e v a n s 提出的拉格朗日法的基础上与g a g g i o l i 提出的严格炯成 本结合在一起发展而成的，优化模式热经济学为热经济学的发展及其体系的形成 作出了重大的贡献。 ( 3 ) 热经济学的结构系数法 结构系数方法是由德国学者b e y e r 提出来的一整套的热经济学评估方法。英 国的k o t a s 把它应用到热力系统的分析中并创造了结构键、外部键( c s b ，c e b ) 两个指标系数，苏联的布罗章斯基在这方面做了不少工作，把它引入到热经济学 分析和优化中，形成了一个独特的模式。 以前的热经济学分析的方法有很多优点：它们可以展示系统各组元不可逆性 的相对值；揭示这些不可逆性的实质，从而可以指出热力系统在热力学性能和经 济性能方面可以改进的潜力等。但是若想更充分地利用这些分析法所得出的结 果，就得从系统的分析方面过渡到系统的优化综合方面：一般来说系统分析并不 改变系统结构，而优化综合可以帮助我们获得优化的系统结构，即获得系统各组 元之间的最优布局从而使系统总体效率最高，同时它可以对系统几何参数的进行 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 优化而得到系统各组元的最优效率。通过热经济学分析，又可以求取这些组元在 经济上的合理成本。结构系数法在热经济学发展中起到了重要的作用。 ( 4 ) 矩阵模式热经济学 西方国家称矩阵模式热经济学为“符号数学技术”，也就是“符号炯经济学 ， 它是由西班牙学者v a l c r o 的“炯成本理论引申而来。由于所使用的数学工具主 要是矩阵分析，所以翻译到我国的时候，就称为“矩阵模式热经济学 。矩阵模 式热经济学基本上可以把结构系数法等几种模式的热经济学方法都概括在内。 要理解矩阵模式热经济学，首先要了解v a l c r o 提出的炯成本，其概念是在边 界条件已确定、子系统分布和炯效率都一定的系统中，任一物理流赖以形成的真 实炯量。炯成本在此变成了热力学概念，采用热力学的量纲。 ( 5 ) 结构理论热经济学 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、属性、 概念越来越多，阻碍了热经济学理论的进一步发展。为了统一热经济学研究过程 中出现的各种方法、概念，v a l e r o 3 4 3 5 1 建立了热经济学结构理论。结构理论能够 使各单元都能排成一进一出的子系统，而将例外的单元虚拟为“汇合点”和“分 流点 单独处理，而真实的组元都能够用一元齐次方程进行描述，这是结构理论 能够概括之前出现的不同模式的重要原因。采用这种方法，首先可以获得一组描 述系统中运行特点的特性方程，并由此获得描述整个系统的成本方程组。对于每 一个组元，它的输入称为燃料( f u e l ) ，输出称为产品( p r o d u c t i o n ) 。这里的 输入输出不同于实际物流的输入输出，而是指能量炯在组元中的交换与转化。在 结构理论中，用于描述整个系统燃料产品分布的工具是生产结构图。利用系统 的生产结构图和数学中导数的链式法则，可以计算系统中每一股炯流的成本。 3 ) 热经济学理论的应用 ( 1 )国外热经济学理论的应用 第一次运用炯经济学对实际用能系统进行分析的学者是v a l c r o “3 6 】，他对一 个需要输出3 0 m w 电和2 m p a 饱和蒸汽的微型燃气轮机热电联供系统进行分析， 并运用炯成本最小化方法对系统中的燃烧室、空气压缩机、空气预热器、汽轮机 装置进行了优化。接下来，有许多学者【3 7 “1 】对热电联供电厂热力系统进行了炯经 济学的分析，并就炯经济学的成本分摊问题展开了讨论，结果证明采用不同的成 本分摊方法会导致不同的产品炯成本，进而对这些系统的经济效益产生不同影 响。学者f f 3 t 4 2 4 3 】在进行焖经济学分析时，主张将能量系统相关的热力学费用并入 到总产品费用中去，从而计算得出炯成本，炯成本计算能够让设计者明白能量系 8 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 统中成本形成的过程，最后通过优化产品炯成本从而达到系统优化的目的。 a m e r i m 等对一个含有蒸汽喷射制冷系统以及微型燃气轮机的热、电、冷综合联 产系统进行了热经济学分析，通过分析得出系统炯成本最大的设备在于余热锅炉 和燃气轮机，并针对这些设备提出了改造措施。t s a t s a r o n i s 和w i n h o l d 4 5 】对5 0 0 m w 燃煤电厂进行了热经济学分析，用货币单位评估了各个设备由于过程不可逆性引 发的投资，并进行了对比，指出系统中设备的需改进的部位所在。在t s a t s a r o n i s 和w i n h o l d 基础上，r o s e n 4 6 j 也对5 0 0 m w 燃煤电厂进行了分析，通过计算结果得 出各个设各炯损失与资本成本之间存在某种系统关联性，运用这种关联性可以对 系统设备进行热经济性评估。可见，炯经济学分析对于热力系统的设计、分析、 改进和优化具有重要意义。 f r a n g o p o u l o s 等【4 7 j 将热经济学分析研究发展扩充到环境领域，在经济学分析 优化的基础上，通过环境因素的量化，将环境影响结合到系统优化的目标中，提 出了系统环境经济优化的目标函数及相应的分析优化策略和方法，借助环境炯经 济学优化( e n v i r o n m e n t a l e x e r g o e c o n o r n i co p t i m i z a t i o n ) 方法，可以实现过程系统 分析优化中同时考虑热力学完善性、经济性以及环境三方面的目的。d i l l c e r 通过计算爝与环境影响之间的关系，得出了热力系统的炯和资本投资、能量流以 及与污染物相关的环境费用的关系，最终分析出用能系统的环境可持续性价值。 e h y