（热能工程专业论文）一般化供热系统的单耗分析及其（火用）传递特性.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文对热电联产、热泵、锅炉房、电热锅炉几种供热方式的单耗公式进行了分 析，得出了一般化供热系统的燃料单耗和各环节附加单耗的通式。对通式的分析表 明，一般化供热系统具有串联链式系统的特性，其供热燃料单耗等于各环节的附加 单耗与理论最低燃料单耗之和， 并等于理论最低单耗与各环节炯效率的倒数的乘积。 其中任何一个环节的改变不仅使自 身的 拥效率发生变化，还必然导致其后各环节拥 效率发生变化。而从单耗的角度来看，系统中一个环节的改变，不仅导致该环节的 附加单耗的变化，同时也会导致系统中其它所有环节的附加单耗的变化，从而使环 节的附加单耗的变化被系统以一定倍数放大;放大的倍数等于前面各环节炜效率的 倒数的乘积。进一步通过对热电 联产中不同热网损失和不同抽汽参数的单耗分析， 得出结论低品位化供热是实现采暖供热节能的最重要途径。 关键词:一般化供热系统，单耗分析，拥传递特性，低品位化供热 abs tract i n t h i s p a p e r , t h e m e t h o d o f u n i t c o n s u m p t i o n a n a l y s i s w a s u s e d o n t h e c h p , h e a t p u m p , b o i l e r a n d e l e c t r i c h e a t i n g s y s t e m s . t h e u n i v e r s a l f o r m u l a t i o n s a b o u t u n i t f u e l c o n s u m p t i o n a n d f u e l s p e c i a l c o n s u m p t i o n a c c r u a l i n g e n e r a l i z e d h e a t in g s y s t e m s w e r e d e d u c e d . a n d t h e i r e x e r g y t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c s a r e f o u n d . t h e c h a n g e o f t h e f u e l s p e c i a l c o n s u m p t i o n o f a n y s e c t i o n o f t h e g e n e r a l i z e d h e a t i n g s y s t e m s w i l l b e g r e a t l y e n l a r g e d i n t h e o t h e r s e c t i o n s i n fr o n t o f i t 厂 t h e r e f o r e , t h e t h e r m o d y n a m i c p e r f o r m a n c e o f s o m e s e c t i o n i s m o r e i m p o r t a n t t h a n t h e o t h e r s e c t i o n . a n d i t s h o w s t h a t t h e l o w - g r a d e t e m p e r a t u r e h e a t i n g i s t h e m o s t i m p o r ta n t w a y t o s a v e e n e r g y i n c h p . k e y w o r d s : g e n e r a li z e d h e a t i n g s y s t e m , u n i t c o n s u m p t io n a n a l y s i s , e x e r g y t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c , l o w - g r a d e t e m p e r a t u r e h e a t 华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文对热电联产、热泵、锅炉房、电热锅炉几种供热方式的单耗公式进行了分 析，得出了一般化供热系统的燃料单耗和各环节附加单耗的通式。对通式的分析表 明，一般化供热系统具有串联链式系统的特性，其供热燃料单耗等于各环节的附加 单耗与理论最低燃料单耗之和， 并等于理论最低单耗与各环节炯效率的倒数的乘积。 其中任何一个环节的改变不仅使自 身的拥效率发生变化，还必然导致其后各环节拥 效率发生变化。而从单耗的角度来看，系统中一个环节的改变，不仅导致该环节的 附加单耗的变化，同时也会导致系统中其它所有环节的附加单耗的变化，从而使环 节的附加单耗的变化被系统以一定倍数放大;放大的倍数等于前面各环节烟效率的 倒数的乘积。进一步通过对热电联产中不同热网损失和不同抽汽参数的单耗分析， 得出结论低品位化供热是实现采暖供热节能的最重要途径。 关键词:一般化供热系统，单耗分析，a传递特性，低品位化供热 abs tract i n t h i s p a p e r , t h e m e t h o d o f u n i t c o n s u m p t i o n a n a l y s i s w a s u s e d o n t h e c h p , h e a t p u m p , b o i l e r a n d e l e c t r i c h e a t i n g s y s t e m s . t h e u n i v e r s a l f o r m u l a t i o n s a b o u t u n i t f u e l c o n s u m p t i o n a n d f u e l s p e c i a l c o n s u m p t io n a c c r u a l i n g e n e r a l i z e d h e a t in g s y s t e m s w e r e d e d u c e d . a n d t h e i r e x e r g y t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c s a r e f o u n d . t h e c h a n g e o f t h e f u e l s p e c i a l c o n s u m p t i o n o f a n y s e c t i o n o f t h e g e n e r a l iz e d h e a t i n g s y s t e m s w i l l b e g r e a t l y e n l a r g e d i n t h e o t h e r s e c t i o n s i n fr o n t o f i t 厂 t h e r e f o r e , t h e t h e r m o d y n a m i c p e r f o r m a n c e o f s o m e s e c t i o n i s m o r e i m p o r t a n t t h a n t h e o t h e r s e c t i o n . a n d i t s h o w s t h a t t h e l o w - g r a d e t e m p e r a t u r e h e a t i n g i s t h e m o s t im p o r t a n t w a y t o s a v e e n e r g y i n c h p . k e y w o r d s : g e n e r a l i z e d h e a t i n g s y s t e m , u n i t c o n s u m p t io n a n a l y s i s . e x e r g y t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c , l o w - g r a d e t e m p e r a t u r e h e a t 二 士 二口口 尸 口n 月 本 人 郑 重 声 明此 处 所 提 交 的 硕 士 学 位 论 文 ， 杠 舰橄 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己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 嗓 娜日期 : ,u v s .3 甲 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 毕袱导师签名 日期: a p v t i 3 . 日期 :l o b s . -3 . 协 华北电力大学硕士学位论文第 1页 共 4 1 页 第一章绪论 1 . 1 我国的能源现状 1 . 1 . 1 中国的能源资源情况 中国自 然资源总量排世界第七位，能源资源总量约4 万亿吨标准煤，居世界第 三位。中国煤炭保有储量为 1 0 0 2 4 . 9 亿吨，但精查可采储量只有 8 9 3 亿吨 ( 世界煤 炭可采储量为 1 万多亿吨，储采比为2 1 9 年。储量最大的国家依次为美国、中国、 澳大利亚、印度、德国、南非、波兰。其中美国的储量比中国大一倍以上，除中国 外， 其余6国的储采比均在2 1 0 年以上， 中国若保持原开采强度， 储采比不足百年) 。 石油的资源量为 9 3 0亿吨，天然气的资源量为 3 8万亿立方米，现已探明的石油和 天然气储量只占资源量的约 2 0 % 和约 6 %，仅够开采几十年 ( 全世界石油剩余可采 储量仅为 1 4 0 9 亿吨，储采比为4 1 年。第 1 5届世界石油大会认为，上述石油资源 的探明程度为7 9 %，故此，不可能再找到足够大的石油资源了，石油短缺将不可避 免地在下个世纪出现) 。煤层气资源量为3 5 万亿立方米，相当于4 5 0 亿吨标准煤， 排世界第三位，但尚未成规模开发利用。因此，我国常规能源资源并不丰富，应建 立正确的“ 资源意识” 。 我国可再生能源资源丰富，水能的可开发装机容量为 3 . 7 8亿千瓦，年发电量 1 . 9 2万亿千瓦时，居世界首位;水电装机容量 2 0 0 3年底已超过 1 亿千瓦，占全国 总发电装机容量的 2 4 %.太阳能在三分之二的国土上，年辐射量超过 6 0万焦耳/ 平方厘米，每年地表吸收的太阳能大约相当于 1 7万亿吨标准煤的能量，开发利用 前景广阔。 风能资源量约为1 6 亿千瓦， 可开发利用的风能资源约2 . 5 亿千瓦， 2 0 0 3 年底风力发电装机容量4 9 . 5 万千瓦( 2 0 0 2 年世界风力发电装机容量为3 2 0 4 万千瓦) 。 地热资源的远景储量为 1 3 5 3 . 5 亿吨标准煤，预测储量 1 1 6 . 6 亿吨标准煤，探明储量 为3 1 . 6 亿吨标准煤 ( 可供高温发电的约 5 8 0 0 兆瓦以上，可供中低温直接利用的约 2 0 0 0 亿吨标准煤以上。 现己开发利用地热折合2 0 0 万吨标准煤， 开发利用比 例很小、 。 生物质能资源亦十分丰富，秸秆等农业废弃物的资源量每年有 3 . 1 亿吨标准煤，薪 柴资源量为 1 . 3 亿吨标准煤，加上城市有机垃圾等，资源总量可达 6 . 5 亿吨标准煤 以上。其它如海洋能可供开发的就有4 . 4 亿千瓦以上。 但是我国人口众多，能源资源相对匾乏。 的煤炭储量占世界储量的 1 1 % 有量不到世界平均水平的一半 、原油占 2 . 4 %. 我国人口占 世界总人口2 0 % ，己 探明 天然气仅占 1 .2 %。人均能源资源占 石油仅为十分之一。我国己成为世界上第三大能源 华北电力大学硕士学位论文第 1页 共 4 1 页 第一章绪论 1 . 1 我国的能源现状 1 . 1 . 1 中国的能源资源情况 中国自 然资源总量排世界第七位，能源资源总量约4 万亿吨标准煤，居世界第 三位。中国煤炭保有储量为 1 0 0 2 4 . 9 亿吨，但精查可采储量只有 8 9 3 亿吨 ( 世界煤 炭可采储量为 1 万多亿吨，储采比为2 1 9 年。储量最大的国家依次为美国、中国、 澳大利亚、印度、德国、南非、波兰。其中美国的储量比中国大一倍以上，除中国 外， 其余6国的储采比均在2 1 0 年以上， 中国若保持原开采强度， 储采比不足百年) 。 石油的资源量为 9 3 0亿吨，天然气的资源量为 3 8万亿立方米，现已探明的石油和 天然气储量只占资源量的约 2 0 % 和约 6 %，仅够开采几十年 ( 全世界石油剩余可采 储量仅为 1 4 0 9 亿吨，储采比为4 1 年。第 1 5届世界石油大会认为，上述石油资源 的探明程度为7 9 %，故此，不可能再找到足够大的石油资源了，石油短缺将不可避 免地在下个世纪出现) 。煤层气资源量为3 5 万亿立方米，相当于4 5 0 亿吨标准煤， 排世界第三位，但尚未成规模开发利用。因此，我国常规能源资源并不丰富，应建 立正确的“ 资源意识” 。 我国可再生能源资源丰富，水能的可开发装机容量为 3 . 7 8亿千瓦，年发电量 1 . 9 2万亿千瓦时，居世界首位;水电装机容量 2 0 0 3年底已超过 1 亿千瓦，占全国 总发电装机容量的 2 4 %.太阳能在三分之二的国土上，年辐射量超过 6 0万焦耳/ 平方厘米，每年地表吸收的太阳能大约相当于 1 7万亿吨标准煤的能量，开发利用 前景广阔。 风能资源量约为1 6 亿千瓦， 可开发利用的风能资源约2 . 5 亿千瓦， 2 0 0 3 年底风力发电装机容量4 9 . 5 万千瓦( 2 0 0 2 年世界风力发电装机容量为3 2 0 4 万千瓦) 。 地热资源的远景储量为 1 3 5 3 . 5 亿吨标准煤，预测储量 1 1 6 . 6 亿吨标准煤，探明储量 为3 1 . 6 亿吨标准煤 ( 可供高温发电的约 5 8 0 0 兆瓦以上，可供中低温直接利用的约 2 0 0 0 亿吨标准煤以上。 现己开发利用地热折合2 0 0 万吨标准煤， 开发利用比 例很小、 。 生物质能资源亦十分丰富，秸秆等农业废弃物的资源量每年有 3 . 1 亿吨标准煤，薪 柴资源量为 1 . 3 亿吨标准煤，加上城市有机垃圾等，资源总量可达 6 . 5 亿吨标准煤 以上。其它如海洋能可供开发的就有4 . 4 亿千瓦以上。 但是我国人口众多，能源资源相对匾乏。 的煤炭储量占世界储量的 1 1 % 有量不到世界平均水平的一半 、原油占 2 . 4 %. 我国人口占 世界总人口2 0 % ，己 探明 天然气仅占 1 .2 %。人均能源资源占 石油仅为十分之一。我国己成为世界上第三大能源 华北电力大学硕士学位论文第 2页 共 4 1 页 生产国和第二大能源消费国。 我国2 0 0 3 年一次能源生产量为 1 6 . 0 3 亿吨标准煤， 能 源消费量为1 7 . 5 亿吨标准煤:人均能源消费量仅为1 . 3 吨标准煤，只有世界人均能 源消费水平 ( 2 0 0 0年)2 . 1吨标准煤的一半多，是发达国家的 1 / 5 -1 / 8( 经济合作 与发展组织国家人均能源消费量为6 .7 吨标准煤，北美人均能消费量超过 1 1 . 7 吨标 准煤) 。2 0 0 3 年底我国人均拥有发电 装机仅0 . 3 0 3 k w，人均发电量为1 4 7 4 . 3 k w h , 约为世界平均水平的 5 8 %，为发达国家的 1 / 5 -1 / 1 0 。随着我国经济的快速发展和 人民生活水平的不断提高，我国年人均能源消费量将逐年增加，专家预计，到2 0 4 0 年将达到2 . 3 8 吨标准煤左右， 相当于目 前世界平均值， 远低于发达国家目前的水平。 人均常规能源资源相对不足，是中国经济、社会可持续发展的一个限制因素，尤其 是石油和大然气。 我国的能源生产和消费基本上是平衡的，但从 1 9 9 3 年开始成为能源净进口国。 据预测，中国未来能源供需的缺口 将越来越大，在采用先进技术、推进节能、加速 可再生能源开发利用以及依靠市场力量优化资源配置的条件下， 2 0 1 0 年约缺能8 %, 到2 0 4 0 年将短缺2 4 %左右， 其中石油缺额可能多达4 .4 亿吨标准煤。 石油进口依存 度 ( 净进口量与消费量之比)由1 9 9 5 年的6 . 6 %上升为2 0 0 0 年的2 0 %. 2 0 0 2 年石 油净进口量 8 1 3 0万吨，对外依存度高达 3 2 . 8 %，远超过预期水平。天然气进口依 存度2 0 0 0 年为6 %, 2 0 1 0 年为2 0 %。能源安全不容忽视川。 1 . 1 . 2 中国的能源消费情况 1 9 9 8 年世界一次能源消费总量约为1 2 8 . 9 亿吨标准煤， 其中美国消费3 2 . 3 亿吨 标准煤，占世界能源消费的 2 5 . 1 %，居世界第一位。我国 ( 不含香港、台湾。澳门 地区)能源消费量为 1 3 . 6 亿吨标准煤，占世界能源消费总量的 1 0 .9 %，居世界第二 位。 1 9 8 0 年到 1 9 9 8 年，我国的能源消费量从6 . 4 亿吨标煤增长到 1 3 .6 亿吨标煤年 均增长率为4 . 6 2 %. 2 0 0 2 ， 全国一次能 源消费总量1 5 . 1 4 亿吨标准煤， 比1 9 9 。 年增 加 5 .2 7 亿吨标准煤，增长 5 3 %，年均增长 3 . 6 %。但是 2 0 0 3 年全国一次能源消费 总量为 1 7 . 5 亿吨标准煤， 比2 0 0 2 年增长 1 5 %。 这主要是受经济过热等因素的影响， 产生了波动。但从近年总的情况来看，今后的能源消费年均增长率将有所下降，如 果按4 %来推算，年能源消费量情况如下: 2 0 0 3 年1 2 0 0 5 年 2 0 1 0 年2 0 2 0 年1 2 0 4 0 年 1 7 . 51 8 . 92 3 . 03 4 . 0 17 4 . 7 单位:亿吨标准煤 到2 0 2 0 年，我国能源消费量比2 0 0 3 年翻了一番，是现在全世界能源消费量的五分 华北电力大学硕士学位论文第 2页 共 4 1 页 生产国和第二大能源消费国。 我国2 0 0 3 年一次能源生产量为 1 6 . 0 3 亿吨标准煤， 能 源消费量为1 7 . 5 亿吨标准煤:人均能源消费量仅为1 . 3 吨标准煤，只有世界人均能 源消费水平 ( 2 0 0 0年)2 . 1吨标准煤的一半多，是发达国家的 1 / 5 -1 / 8( 经济合作 与发展组织国家人均能源消费量为6 .7 吨标准煤，北美人均能消费量超过 1 1 . 7 吨标 准煤) 。2 0 0 3 年底我国人均拥有发电 装机仅0 . 3 0 3 k w，人均发电量为1 4 7 4 . 3 k w h , 约为世界平均水平的 5 8 %，为发达国家的 1 / 5 -1 / 1 0 。随着我国经济的快速发展和 人民生活水平的不断提高，我国年人均能源消费量将逐年增加，专家预计，到2 0 4 0 年将达到2 . 3 8 吨标准煤左右， 相当于目 前世界平均值， 远低于发达国家目前的水平。 人均常规能源资源相对不足，是中国经济、社会可持续发展的一个限制因素，尤其 是石油和大然气。 我国的能源生产和消费基本上是平衡的，但从 1 9 9 3 年开始成为能源净进口国。 据预测，中国未来能源供需的缺口 将越来越大，在采用先进技术、推进节能、加速 可再生能源开发利用以及依靠市场力量优化资源配置的条件下， 2 0 1 0 年约缺能8 %, 到2 0 4 0 年将短缺2 4 %左右， 其中石油缺额可能多达4 .4 亿吨标准煤。 石油进口依存 度 ( 净进口量与消费量之比)由1 9 9 5 年的6 . 6 %上升为2 0 0 0 年的2 0 %. 2 0 0 2 年石 油净进口量 8 1 3 0万吨，对外依存度高达 3 2 . 8 %，远超过预期水平。天然气进口依 存度2 0 0 0 年为6 %, 2 0 1 0 年为2 0 %。能源安全不容忽视川。 1 . 1 . 2 中国的能源消费情况 1 9 9 8 年世界一次能源消费总量约为1 2 8 . 9 亿吨标准煤， 其中美国消费3 2 . 3 亿吨 标准煤，占世界能源消费的 2 5 . 1 %，居世界第一位。我国 ( 不含香港、台湾。澳门 地区)能源消费量为 1 3 . 6 亿吨标准煤，占世界能源消费总量的 1 0 .9 %，居世界第二 位。 1 9 8 0 年到 1 9 9 8 年，我国的能源消费量从6 . 4 亿吨标煤增长到 1 3 .6 亿吨标煤年 均增长率为4 . 6 2 %. 2 0 0 2 ， 全国一次能 源消费总量1 5 . 1 4 亿吨标准煤， 比1 9 9 。 年增 加 5 .2 7 亿吨标准煤，增长 5 3 %，年均增长 3 . 6 %。但是 2 0 0 3 年全国一次能源消费 总量为 1 7 . 5 亿吨标准煤， 比2 0 0 2 年增长 1 5 %。 这主要是受经济过热等因素的影响， 产生了波动。但从近年总的情况来看，今后的能源消费年均增长率将有所下降，如 果按4 %来推算，年能源消费量情况如下: 2 0 0 3 年1 2 0 0 5 年 2 0 1 0 年2 0 2 0 年1 2 0 4 0 年 1 7 . 51 8 . 92 3 . 03 4 . 0 17 4 . 7 单位:亿吨标准煤 到2 0 2 0 年，我国能源消费量比2 0 0 3 年翻了一番，是现在全世界能源消费量的五分 华北 电力大学硕士学位论文第 3页 共 4 1 页 之一:照此发展到2 0 4 0 年，中国的能源消费量将超过7 4 亿吨标准煤，超过现在全 世界能源消费量的一半以上! 这样大的能源消费量无论如何也是不能实现的。 假设我们加大节能力度、 降低能源消费年均增长率为2 . 8 %( 国内生产总值年均 增长率为 7 %，能源消费弹性系数为 。 .4 )的方案计算: 2 0 0 3 年 2 0 0 5 年 2 0 1 0 年年 2 0 4 0 年 1 7 . 51 8 . 521 . 2 2 0 2 0 2 84 8 . 6 单位:亿吨标准煤 那么到2 0 2 0 年， 我国能源消费量将达到2 8 亿吨， 是现在能源消费量的1 . 6 倍; 即使按此低增长速度发展， 到2 0 4 0 年我国一次能源的总消费量比2 0 2 0 年又增长1 . 7 4 倍，将达4 8 . 6 亿吨标准煤，是现在能源消费量的2 . 8 倍，人均能源消费量达到3 .0 3 吨标准煤，超过了世界人均能源消费水平和专家的预测，明显是偏高的。因此，我 国今后的能源消费年均增长率必须大幅度降低! 而且应越来越低，到 2 0 4 0降到零 增长 2 1 。 国民 经济的发展和人民生活水平的提高都只能走高效利用能源的节能型之 路。 1 . 2 科学用能和节约能源的必要性 按环比法算法，1 9 9 1 -2 0 0 2 年的 1 2 年间，累计节约和少用能源约7 亿吨标准 煤，能源消费以年均 3 . 6 %的增长速度支持了国民经济年均 9 . 7 %的增长速度。节约 和少用能源相当于减排灰渣 1 .7 亿吨， 减排二氧化硫排放 1 0 5 0 万吨， 减排二氧化碳 3 . 1亿吨。节能对缓解能源供需矛盾，提高经济增长质量和效益，减少环境污染， 保障国民经济持续、快速、健康发展发挥了重要作用。 但同时也要看到我国的能源利用效率与国外有相当的差距。单位产值能耗多， 2 0 0 0年按现行汇率计算的每百万美元国内生产总值能耗，我国为 1 2 7 4吨标准煤， 比世界平均水平高 2 .4倍，比美国、欧盟、日本、印度分别高 2 . 5倍、4 . 9倍、8 . 7 倍和0 .4 3 倍。 单位产品能耗高， 2 0 0 0 年电力、 钢铁、有色、石化、建材、化工、 轻工、纺织 8 个行业主要产品单位能耗平均比国际先进水平高4 0 %， 如火电供电煤耗高2 2 . 5 %, 大中型钢铁企业吨钢可比能耗高 2 1 .4 %，铜冶炼综合能耗高 6 5 %，水泥综合能耗高 4 5 . 3 %，大型合成氨能耗高3 1 . 2 % ，纸和纸板综合能耗高 1 2 0 %. 总的能源利用效率比国际先进水平低 1 0 个百分点。 能源利用中间环节 ( 加工、 转换和贮运)损失量大，浪费严重。国内与国外能源利用效率差距明显，节能潜力 巨大。根据测算，按单位产品能耗和终端用能设备能耗与国际先进水平比较，目前 我国的节能潜力约为3 亿吨标准煤。 华北 电力大学硕士学位论文第 3页 共 4 1 页 之一:照此发展到2 0 4 0 年，中国的能源消费量将超过7 4 亿吨标准煤，超过现在全 世界能源消费量的一半以上! 这样大的能源消费量无论如何也是不能实现的。 假设我们加大节能力度、 降低能源消费年均增长率为2 . 8 %( 国内生产总值年均 增长率为 7 %，能源消费弹性系数为 。 .4 )的方案计算: 2 0 0 3 年 2 0 0 5 年 2 0 1 0 年年 2 0 4 0 年 1 7 . 51 8 . 521 . 2 2 0 2 0 2 84 8 . 6 单位:亿吨标准煤 那么到2 0 2 0 年， 我国能源消费量将达到2 8 亿吨， 是现在能源消费量的1 . 6 倍; 即使按此低增长速度发展， 到2 0 4 0 年我国一次能源的总消费量比2 0 2 0 年又增长1 . 7 4 倍，将达4 8 . 6 亿吨标准煤，是现在能源消费量的2 . 8 倍，人均能源消费量达到3 .0 3 吨标准煤，超过了世界人均能源消费水平和专家的预测，明显是偏高的。因此，我 国今后的能源消费年均增长率必须大幅度降低! 而且应越来越低，到 2 0 4 0降到零 增长 2 1 。 国民 经济的发展和人民生活水平的提高都只能走高效利用能源的节能型之 路。 1 . 2 科学用能和节约能源的必要性 按环比法算法，1 9 9 1 -2 0 0 2 年的 1 2 年间，累计节约和少用能源约7 亿吨标准 煤，能源消费以年均 3 . 6 %的增长速度支持了国民经济年均 9 . 7 %的增长速度。节约 和少用能源相当于减排灰渣 1 .7 亿吨， 减排二氧化硫排放 1 0 5 0 万吨， 减排二氧化碳 3 . 1亿吨。节能对缓解能源供需矛盾，提高经济增长质量和效益，减少环境污染， 保障国民经济持续、快速、健康发展发挥了重要作用。 但同时也要看到我国的能源利用效率与国外有相当的差距。单位产值能耗多， 2 0 0 0年按现行汇率计算的每百万美元国内生产总值能耗，我国为 1 2 7 4吨标准煤， 比世界平均水平高 2 .4倍，比美国、欧盟、日本、印度分别高 2 . 5倍、4 . 9倍、8 . 7 倍和0 .4 3 倍。 单位产品能耗高， 2 0 0 0 年电力、 钢铁、有色、石化、建材、化工、 轻工、纺织 8 个行业主要产品单位能耗平均比国际先进水平高4 0 %， 如火电供电煤耗高2 2 . 5 %, 大中型钢铁企业吨钢可比能耗高 2 1 .4 %，铜冶炼综合能耗高 6 5 %，水泥综合能耗高 4 5 . 3 %，大型合成氨能耗高3 1 . 2 % ，纸和纸板综合能耗高 1 2 0 %. 总的能源利用效率比国际先进水平低 1 0 个百分点。 能源利用中间环节 ( 加工、 转换和贮运)损失量大，浪费严重。国内与国外能源利用效率差距明显，节能潜力 巨大。根据测算，按单位产品能耗和终端用能设备能耗与国际先进水平比较，目前 我国的节能潜力约为3 亿吨标准煤。 华北电力大学硕士学位论文第 4页 共 舰 页 现阶段节能工作面临的形势严峻， 任务繁重。 党的十六大明确提出了“ 全面建 设小康社会， 在优化结构和提高效益的基础上， 国内生产总值到2 0 2 0 年力争比2 0 0 0 年翻两番” ， 并目 _ 提出“ 到2 0 2 0 年基木上实现工业化”的奋斗目 标。随着人口增加、 工业化和城镇化进程的加快，特别是重化工业和交通运输的快速发展，能源需求量 将大幅度上升，经济发展面临的能源约束矛盾和能源使用带来的环境污染问题更加 突出。如按近三年能源消费的增长趋势发展，到2 0 2 0 年能源需求量将高达4 4 亿吨 标准煤。如此巨大的需求，在煤炭、石油和电力供应以及能源安全等方面都会带来 严重的问题。 按照能源中长期发展规划“ ， 在充分考虑节能因素的情况下， 预计到 2 0 2 0 年能源消费曾 量需要 3 0 亿吨标准煤。即便如此，要满足这一需求，无论是增 加国内能源供应还是利用国外资源，都面临巨大的压力。 节能是缓解能源约束矛盾的现实选择，是解决能源环境问题的根本措施， 是提 高经济增长质量和效益的重要途径。不加大力度节约能源，国民经济难以持续快速 协调健康发张。所以必须从战略高度充分认识节能的重要性，提高能源利用效率， 加快建设节能型社会，才能保证2 0 2 0 年全面小康社会目标的实现。 1 . 3国内热电联产的发展概况 我国工业锅炉共计 5 0 万台，1 2 0 万蒸吨/ 时，平均单台容量仅为2 .4 蒸吨/ 时， 由于容量小，平均运行热效率仅 5 0 %左右，即浪费能源又污染环境。并且工业锅炉 改造已经开展二十多年，没有从根本上提高热效率，改变其落后的面貌。而大型区 域锅炉的运行热效率能达到7 0 %以上，热电联产锅炉的运行热效率更在 8 0 %以上。 因此，实行热电联产、集中供热才是提高热效率的根本出路。热电联产相对分散小 锅炉供热在降低污染、环境保护方面的效果也是十分显著。 经过 4 0 年的发展，到 1 9 9 8 年热电联产机组的容量为 2 4 9 4 万千瓦，占当年火 电机组装机容量的1 2 .2 4 %。 但是在 1 9 9 8 年总共 1 3 1 3 台热电机组中， 5 0 m w以上的 仅有 1 4 0 台， 大多数是不到1 2 mw的次高压以下机组， 小型的燃煤热电联产机组比 热电分产的煤耗量还高，根本不节能，无法实现热电联产的效益。为此国家出台了 相应的政策法规鼓励和规范热电联产的发展。提出 “ 十一五”期间重点在以 采暖负 荷为主，且热负荷比较集中或发展潜力较大的地区，建设 3 0万千瓦等级高效环保 热电联产机组;在工业热负荷为主的地区，因地制宜建设以热力为主的背压机组; 在以采暖供热需求为主，且热负荷较小的地区，先发展集中供热，待具备条件后再 发展热电联产;在中小城市建设以循环流化床为主要技术的热电煤气三联供，以洁 净能源作燃料的分布式热电联产和热电冷联供，将现有分散式供热燃煤小锅炉改造 成集中供热。 到2 0 1 0 年城市集中供热普及率由2 0 0 2 年的2 7 % 提高到4 0 %， 新增供 暖热电联产机组4 0 0 0 万千瓦，年节能3 5 0 0 万吨标准煤的水平。 华北电力大学硕士学位论文第 4页 共 舰 页 现阶段节能工作面临的形势严峻， 任务繁重。 党的十六大明确提出了“ 全面建 设小康社会， 在优化结构和提高效益的基础上， 国内生产总值到2 0 2 0 年力争比2 0 0 0 年翻两番” ， 并目 _ 提出“ 到2 0 2 0 年基木上实现工业化”的奋斗目 标。随着人口增加、 工业化和城镇化进程的加快，特别是重化工业和交通运输的快速发展，能源需求量 将大幅度上升，经济发展面临的能源约束矛盾和能源使用带来的环境污染问题更加 突出。如按近三年能源消费的增长趋势发展，到2 0 2 0 年能源需求量将高达4 4 亿吨 标准煤。如此巨大的需求，在煤炭、石油和电力供应以及能源安全等方面都会带来 严重的问题。 按照能源中长期发展规划“ ， 在充分考虑节能因素的情况下， 预计到 2 0 2 0 年能源消费曾 量需要 3 0 亿吨标准煤。即便如此，要满足这一需求，无论是增 加国内能源供应还是利用国外资源，都面临巨大的压力。 节能是缓解能源约束矛盾的现实选择，是解决能源环境问题的根本措施， 是提 高经济增长质量和效益的重要途径。不加大力度节约能源，国民经济难以持续快速 协调健康发张。所以必须从战略高度充分认识节能的重要性，提高能源利用效率， 加快建设节能型社会，才能保证2 0 2 0 年全面小康社会目标的实现。 1 . 3国内热电联产的发展概况 我国工业锅炉共计 5 0 万台，1 2 0 万蒸吨/ 时，平均单台容量仅为2 .4 蒸吨/ 时， 由于容量小，平均运行热效率仅 5 0 %左右，即浪费能源又污染环境。并且工业锅炉 改造已经开展二十多年，没有从根本上提高热效率，改变其落后的面貌。而大型区 域锅炉的运行热效率能达到7 0 %以上，热电联产锅炉的运行热效率更在 8 0 %以上。 因此，实行热电联产、集中供热才是提高热效率的根本出路。热电联产相对分散小 锅炉供热在降低污染、环境保护方面的效果也是十分显著。 经过 4 0 年的发展，到 1 9 9 8 年热电联产机组的容量为 2 4 9 4 万千瓦，占当年火 电机组装机容量的1 2 .2 4 %。 但是在 1 9 9 8 年总共 1 3 1 3 台热电机组中， 5 0 m w以上的 仅有 1 4 0 台， 大多数是不到1 2 mw的次高压以下机组， 小型的燃煤热电联产机组比 热电分产的煤耗量还高，根本不节能，无法实现热电联产的效益。为此国家出台了 相应的政策法规鼓励和规范热电联产的发展。提出 “ 十一五”期间重点在以 采暖负 荷为主，且热负荷比较集中或发展潜力较大的地区，建设 3 0万千瓦等级高效环保 热电联产机组;在工业热负荷为主的地区，因地制宜建设以热力为主的背压机组; 在以采暖供热需求为主，且热负荷较小的地区，先发展集中供热，待具备条件后再 发展热电联产;在中小城市建设以循环流化床为主要技术的热电煤气三联供，以洁 净能源作燃料的分布式热电联产和热电冷联供，将现有分散式供热燃煤小锅炉改造 成集中供热。 到2 0 1 0 年城市集中供热普及率由2 0 0 2 年的2 7 % 提高到4 0 %， 新增供 暖热电联产机组4 0 0 0 万千瓦，年节能3 5 0 0 万吨标准煤的水平。 华北电力大学硕士学位论文第 5页 共 4 1 页 可见热电联产对于节能政策的实施具有重要的意义。 本文就是利用单耗分析理 论对热电联产在内的供热系统的拥 传递特性进行了分析，对热电联产进一步挖掘潜 力， 节能降耗明 确了方向， 对推动热电 联产的发展不仅具有理论上的价值更具有实 际的意义。 1 . 4 单耗分析的特点 1 9 9 2年，宋之平教授分别在 中国电机工程学报和第六届全国 热力学分 析与节能学术会议上发表了论文 “ 能量系统单耗分析理论和实施” ( 3 - - 4 ， 提出了 单耗分析理论。 单耗分析理论所提出的 “ 单耗”并非传统意义上的 “ 单耗” 。传统意义上的单 耗是建立在热力学第一定律基础上的，系统局部与总体之间可通过热效率相联系， 但热效率的高低有时并不能反映设备的热力学完善性。而单耗分析理论则是建立在 热 力学第二 定 律之上 ， 反映出 决 定 单 耗高 低的 本 质 在于能 量 系统 各 环 节 运 行过 程中 由于不可逆性造成的拥耗损。它清楚的显示出系统单耗在各设备间的分配以及设备 单耗在系统总单耗中的地位。这无疑为节能分析提供了很好的指导。 该方法把第二定律实用化，把产品单耗分为理论最低单耗和附加单耗两部分， 认为节能就是要降低附加单耗。单耗分析并不排斥使用 拥 效率，但它最关心的是每 个设备在给定能量转换任务下在产品单耗中的地位或降耗贡献，而设备附加单耗中 的人为规定性成份极小，从而使设备的性能得到了客观的描述。单耗具有可加性， 系统附加单耗为各子系统附加单耗之和。单耗分析以更直观的形式出现，能与产品 的技术水平直接挂钩，使问 题得到简化，增强了 理论的实用性。此外，单耗分析法 认为系统设备附加单耗不仅因时间而异， 对不同设备也会变化，这就是附加单耗 的时空分布问 题。它反映了设备的纵向 或横向附加单耗的比较，因而，对系统的用 能情况有更清楚的了解。单耗分析理论可以 用来研究设备对系统降耗贡献的确定方 法，从而可以考察系统局部的改变对全局的影响。 单耗分析理论是建立在拥分析的基础上的能量系统分析的理论和方法。 它以 产 品单耗作为节能降耗的主要指标，分析单耗的构成及其分布和变化的图景，可以为 节能降耗技术及管理决策提供实用的理论依据。 华北电力大学硕士学位论文第 5页 共 4 1 页 可见热电联产对于节能政策的实施具有重要的意义。 本文就是利用单耗分析理 论对热电联产在内的供热系统的拥 传递特性进行了分析，对热电联产进一步挖掘潜 力， 节能降耗明 确了方向， 对推动热电 联产的发展不仅具有理论上的价值更具有实 际的意义。 1 . 4 单耗分析的特点 1 9 9 2年，宋之平教授分别在 中国电机工程学报和第六届全国 热力学分 析与节能学术会议上发表了论文 “ 能量系统单耗分析理论和实施” ( 3 - - 4 ， 提出了 单耗分析理论。 单耗分析理论所提出的 “ 单耗”并非传统意义上的 “ 单耗” 。传统意义上的单 耗是建立在热力学第一定律基础上的，系统局部与总体之间可通过热效率相联系， 但热效率的高低有时并不能反映设备的热力学完善性。而单耗分析理论则是建立在 热 力学第二 定 律之上 ， 反映出 决 定 单 耗高 低的 本 质 在于能 量 系统 各 环 节 运 行过 程中 由于不可逆性造成的拥耗损。它清楚的显示出系统单耗在各设备间的分配以及设备 单耗在系统总单耗中的地位。这无疑为节能分析提供了很好的指导。 该方法把第二定律实用化，把产品单耗分为理论最低单耗和附加单耗两部分， 认为节能就是要降低附加单耗。单耗分析并不排斥使用 拥 效率，但它最关心的是每 个设备在给定能量转换任务下在产品单耗中的地位或降耗贡献，而设备附加单耗中 的人为规定性成份极小，从而使设备的性能得到了客观的描述。单耗具有可加性， 系统附加单耗为各子系统附加单耗之和。单耗分析以更直观的形式出现，能与产品 的技术水平直接挂钩，使问 题得到简化，增强了 理论的实用性。此外，单耗分析法 认为系统设备附加单耗不仅因时间而异， 对不同设备也会变化，这就是附加单耗 的时空分布问 题。它反映了设备的纵向 或横向附加单耗的比较，因而，对系统的用 能情况有更清楚的了解。单耗分析理论可以 用来研究设备对系统降耗贡献的确定方 法，从而可以考察系统局部的改变对全局的影响。 单耗分析理论是建立在拥分析的基础上的能量系统分析的理论和方法。 它以 产 品单耗作为节能降耗的主要指标，分析单耗的构成及其分布和变化的图景，可以为 节能降耗技术及管理决策提供实用的理论依据。 华北电力大学硕士学位论文第 s页 共 4 1 页 1 . 5本文的主要研究内容 单耗分析理论是宋之平教授提出的基于拥分析的能量系统分析方法，它研究 能量系统产品单耗的构成、时空分布以及系统局部变化对全局的影响，并以产品单 耗来考察节能降耗的潜力。 烟 分 析 结 构系 数 法 是由b e y e : 提出 来的， 通 过 对引 起 规 损失的 原因 的 进一 步 考 察， 探讨拥 损失可能减少的极限以 及分析系统内部结构之间的相互关系。通过结构 系数法对系统整体的拥 损失或拥 输入随着系统的某一子系统的烟损失或拥输入变化 而变化的关系的分析以期获得一个实际过程更合理的系统结构。结构系数法的思想 是值得肯定的，它提出了通过系统内部结构之间相互关系的分析来考虑a 损失可能 减少的极限，为优化整个系统结构提供了可能，但是我们也要注意到结构系数法在 分析中引入了过多的假设前提，使其分析得到的结果失去了一般性，所以对其应用 有很大的局限性。 本文根据单耗分析理论，对热电联产供热系统、热泵供热系统、锅炉房供热 系统和电锅炉供热系统的单耗分析公式进行了推导并由此推出一般化供热系统的 单耗分析通式。根据单耗分析的通式结合拥 分析结构系数法的思想， 推导 得出了一 般化供热系统的拥 传递特性公式， . 利用该公式对国 产 2 0 0 mw 两用机不同的热网损 失和不同的抽汽参数的情况进行了分析，得出了热电联产大幅度节能降耗的唯一途 径一一低品位化供热。 华北电力大学硕士学位论文第 7页 共 4 1 页 第二章一般化供热系统的单耗分析 2 . 1 单耗分析理论 根据热 力学第二定律， 对于任一能 源利用过程， 其拥平衡关系可以 描述为燃料 拥 = 产品烟+ 拥耗损: b o f 二 p e , + 艺 b i o f ( 2 . 1 ) 式中， e n , o f 分别表示单 位产品 和单 位燃料的 拥 值; p 表示 产品 产量; b s 表示燃 料量:e b i 为生产过程中各环节的 拥耗损所对应的煤耗。 因此，对于任何能源利用过程，单耗分析模型都可以一般性地表示为: b , , = b / p = b , . + 叉b ( 2 . 2 ) 可以看出产品的单耗都由两部分组成:一是理论最低单耗;一是为生产此产品 而需要付出的设备的附加单耗。 产品的理论最低单耗是指在可逆情况下，在没有附加单耗的理想系统中，单位 产品在理论上所必须消耗的 最低燃料量。其数值为单位产品所含的炯值与单位燃料 所含的拥值之比。 设f 。 为投入系统的燃料总 拥值， p 。