（机械工程专业论文）基于工程（火用）分析法的纸机烘干部（火用）效率研究.pdf

摘要 本文根据我国能源现状和造纸氽业节能的要求，结合所在造纸公司的实际情 况，依据能源管理的目的，以纸机烘干部为载体，探讨了造纸企业能源管理中的 热力效率等技术问题。作者在依据热力学第一定理分析纸机烘干部热效率的基础 上，选择# 18 纸机作为研究对象，建立“黑箱一扶箱”数模型，运用热力学第 二定理分析了该纸机烘干部中四个部分的煽效率，明确了该纸机用能薄弱环节， 为进一步节能找到重要途径。 本文共分五个部分 第一章：绪论，介绍我幽能源现状及能源消费，国家为了经济词+ 持续发展进 一步提出了将节约资源提升剑基本幽策。 第二章：企业能源管理，介绍企业能源管理的目的和重要性，并就企业能源 管理具体要求提出能源管理的技术方法。 第三章：热力学基本原理。主要对与本文相关的煳、熵、煳效率、煳平衡等 概念进行阐述。 第四章：纸机的简要介绍。 第五章：造纸机系统热平衡、主要介绍本企业7 台纸机热平衡及热效率计算 结果。 第六章：基于工程煳分析法分析纸机烘干部热效率，主要用“黑箱法”在 纸机烘干部建立模型，用“狄箱法”对烘干部系统进行烟效率分析，并对灰箱 法分析结果的讨论。 第七章：结论。 关键词：能源管理、纸机烘干部、煽效率、“黑箱狄箱” a b s t r a c t a c c o r d i n g t ot h e 1 e q u i r e m e n t s o fc u lr e n ts i t u a t i o no fe n e r g yo fo u r c o u n t r y a n dt h e p a p e r m a k i n ge n t e r p r i s e se n e r g y 一c o t l s e lv i n gd e m a n d ，c o m b i n i n g t h e p r a c t i c e o ft h ew r i t e r s c o m p a n y , b a s i n go nt h ep u r p o s eo fe n e r g ym a n a g e m e n t ，a n dr e g a r d i n gt h ed r y i n gs e c t i o no f t h e p a p e rm a c h i n e a sc a r r i e r s ，t h i st e x tp r o b e di n t os o m et e c h n i c a li s s u e ss u c ha sh e a t i n ge f f i c i e n c yi n p a p e r m a k i n ge n t e r p r i s e l se n e r g y m a n a g e m e n t t h ev , r i t e rs e t s u p b l a c kb o x g r e yb o x m a t h e m a t i c a lm o d e la n du t i l i z c si | 1 et l e r m o d y n a m i c ss e c o n dt h e o r e mt oa n a l y z et h ee x e r g y e f f i c i e n c yo n4m a i np a r t so f t i l ed r y e rs e c t i o no ft h em a c h i n e ，a n dc o n f i r m st h ew e e k n e s so ft h e e n e r g yu s t i l i z a t i o no f t h em a c h i n e ，w h i c hi sa ni m p o r t a n tm e t h o df o rf u r t h e re n e r g yc o n s e r v a t i o n t h i st e x ti n c l u d e s7n l a i np a li s c h a p t e ri ：i n t r o d u c t i o n ，i tm a i n l yp r e s e n t st h ec u r r e n ts t a t u so fe n e r g ya n de n e r g yc o n s u m p t i o ni n o u rc o u n t r y , t h ec o u n t r yh a spr o p o s e dt ob r i n gu pr e s o u r c e sc o n s e r v i n gt ob et h ef u n d a m e n t a l s t a t ep o l i c yf o re c o n o t n i cc o n t i n u a b l cd e v e l o p m e n t c h a p t e r2 ：i n t r o d u c et h e e n t e l p r i s e s e n e r g y m a n a g e m e n t i tm a i n l yp r e s e n t s t h eo b j e c t i v ea n d i m p o r t a n c eo f t h ee n t e r p r i s e se n e r g y m a n a g e m e n t ，a n dp u tf o r w a r ds o m et e c h n i c a lm e t h o d sf o r e n e r g ym a n a g e m e n tb ) i n t r o d u c i n g t h ew a y st om a n a g et h ee n e r g y c h a p t e r3 ：i n t r o d u c et h e r m o d y n a n l i c ss e c o n dt h e o r e m i tm a i n l ye x p l a i n s t h ef o l l o w i n gr e l a t e d c o n c e p t s ：e x e r g y ，c x e r g ye f f i c i e n c y e x e r g yb a l a n c e e t c c h a p t e r4 ：i n t r o d u c es t r l t c t u r eo fp a p e rm a c h i n e c h a p t e r5 ：t h e r m a lb a l a n c eo fp a p e rm a c h i n es y s t e m ，i tm a i n l yp r e s e n t st h er e s u l t so f t h et h e r m a l b a l a n c ea n dt h et h e r m a le f f i c i e n c ya b o u to u rc o m p a n y l ss e v e np a p e r m a c h i n e s c h a p t e r6 ：a n a l y z et h e r m a le f f i c i e n c yo f t h ed r y e rs e c t i o no f p a p e r m a c h i n e ，b a s e do ne n g i n e e r i n g e x e r g ya n a l y s i s ，s e tu pt h e “b l a c k - b o x ”m o d e la b o u t t h ed r y e rs e c t i o no fp a p e rm a c h i n e ，a n a l y z e t h ee x e r g ye f f i c i e n c yo f t h ed r y e rs e c t i o no fp a p e rm a c h i n eb y “g r e y b o x ”m e t h o d ，a n dd i s c u s s t h e r e s u l t s c h a p t e r7 ：a n a l y z et h er e s u l ta n dm a k e ac o n c l u s i o n - k e yw o r d s ：e n e r g ym a n a g e m e n t ，d r y e rs e c t i o no fp a p e rm a c h i n e ，e x e r g ye f f i c i e n c y , “b l a c kb o x g r e yb o x ” 致谢 弋7 5 9 2 2 1 值此论文完成之际，谨向我的两位导师张沂泉教授、陈祖良高级工程师 致以我最诚挚的敬意和由衷的感谢，感谢他们在我做课题和撰写论文期间给 予的指导和鼓励，使我能够顺利完成论文的撰写工作。他们严谨的治学态度 、谦虚的人格、处理问题的方法和学习的技巧，将使我受益终生。 感谢民丰特纸股份有限公司领导的关心和帮助，感谢班主任李荚杰书记 在工作、学习和生活上的关怀和支持。 感谢在论文中被引用的诸多论文的作者，他们的研究成果拓宽了本论文 的思路。 感谢那些曾经关心和帮助过我的f 4 学和同事们。 作者：李亚红 二oo 五年七月 基于工程媚分析法的纸机烘干部焖效率研究 1 绪论 我国能源资源总储量约4 0 0 0 0 亿t c 。( 吨标准煤) ，居世界第三位，但人均能源 资源占有量不足，仅为世界人均值的i 2 。煤炭储量1 0 0 2 4 9 亿吨，其中：可采储 量为8 9 3 亿吨，占世界储量的“，储量不足世界人均值的1 2 。石油储量9 3 0 亿吨， 占世界总量的2 4 ，仅为世界人均值的1 1 0 。天然气储量为3 8 0 0 0 0 亿立方米，占 世界总量的1 2 ，仅为世界人均值的1 2 0 煤气层资源量为3 5 0 0 0 0 亿立方米，相 当于4 5 0 亿i c e 。我国能源现状形势严竣，令人担忧。国家已将节能提升为“可持 续发展”的战略目标，并于2 0 0 5 年5 月成立国家能源办公室。 1 1 我国的能源现状及面临的问题 从2 0 0 0 年数据看，全国能源消费总量为1 2 8 亿t c 。，占世界能源消费总量的 1 0 ，为世界第二位。从总量看，我国目前的能源储备与一次能源的开采居世界前 列。但人均资源仅列世界第8 0 位，远低于世界平均水平，2 0 0 0 年人均石油可开采 量、人均天然气可开采量、人均煤炭可开采量分别列世界平均值的1 1 、4 3 和 5 5 4 ，按人均计算我国实际上是资源弱国，按照目前资源消费速度和能源开采的 粗放经营方式，5 0 年后我国除了煤炭外，几乎所有的矿产资源将面临枯竭，而且 我国人均资源消费量只有发达国家的5 一1 0 ，必将随着国民经济的发展进一 步增长。2 0 0 3 年全国全年用电量比上年增长1 5 4 ，用电量是2 5 年来最快的一年， 出现了全国2 1 个省拉闸限电的局面，我国部分地区已出现燃料短缺现象，电力供 需紧张的局面加剧了资源的竞争、无序开采和价格上涨。与此同时，我国对石油、 天然气的需求也在以惊人的速度增长。2 0 0 3 年我国原油产量为1 7 1 0 8 t ，比上年 增长1 8 ，原油消耗量2 5 2 x1 0 h ，比上年增长1 2 ，进口原油达9 1 1 2 1 0 4 t ，比 上年增长3 1 1 中国已超过日本成为世界第二大石油消费国对国际市场原油的依 存度已达3 0 ，根据国际能源机构的测算，到2 0 2 0 年中国所需石油的6 0 将需要 进口。一般认为一个国家的资源的对外依存度达到2 0 3 0 时，就面临着较高 的风险，对我们这样大的一个发展中大国，能源安全问题，已影响我国经济可持 续发展和国家安全的重大战略问题。 我国能源消费结构中，煤炭消费比例占7 0 以上，煤炭消费量占世界煤炭消 费总量的1 4 以上。世界上除南非、波兰、中国、印度等国以外，其余国家的煤炭 消费占总能耗的比例均在3 0 以t ，从八十年代初到目前，全世界煤炭消费增加 量中，8 0 以上是中国增加。由于煤炭使用过程中效率低，大气污染严重，运输成 本高，社会综合经济效益差，且已不符合世界能源发展趋势。 从国民经济能耗强度看，我国的国内生产总值能耗是世界上最高的国家之一。 我国每吨标准煤产生的国内生产总值仅为3 6 0 美元，而世界平均值为1 8 6 0 美元， 是中国的5 1 2 倍；日本为5 5 8 0 美元，是中国1 5 5 倍：法国是3 2 4 0 美元，是中国9 倍；韩国是1 5 6 0 美元，是中国4 3 倍。以上这组数据说明，能源利用效率低下， 节能潜力很大。 1 2 国内外能源管理研究情况 做好企业的能源管理是合理用能和科学节能的重要手段，对于企业增加产品 产量，降低成本，增加经济效益有着重大的意义。目前大部分企业都在根据本企 业的特点建立符合自己企业的能源管理网络和计量系统，配备有职称的能源管理 人员，加强能源输入管理和能源使用管理。但在具体的能源使用方面，如优化生 产工艺中，充分利用余热、余压，回收放散的可燃性气体：在耗能设备的运行中， 做好设备的选型，淘汰麓耗高的设备，在运行中应使能耗设备在最佳负荷状态下 运行，同时严格地执行操作规程，每个企业又各有侧重点。 但要系统地做好一个企业能源管理工作，还必须重视能源利用分析工作，目 前能源利用的分析方法有宏观分析法和微观分析法。宏观分析法是能源消耗效果 评价，其方法有全能耗分析法、净能耗分析法、纯能耗分析法和价值分析法四种， 但因为其难度前面三种能耗方法在国内尚未被采用。微观分析法是能量利用过程 评价，其方法分为数量分析和质量分析。数量分析法又可分为终态法、过程法和 单元法三种。 质量分析又分为熵方法和煽方法二种。终态分析简单，它的不足之处主要不 考虑生产工艺，仅考察全部能量的利用水平，因而就不能具体地反映能源利用水 平。单元法是凡进入单元的热量均属有用的指导思想下建立起来的，因而把工艺 2 加工单元的热利用率当作百分百，结果便否定了生产工艺和热利用率的关系。事 实上几乎所有的工艺过程在进行时，都伴有热量损失，能量并没有完全利用，所 以这种方法有很大的局限性。过程法进一步考虑了能量在生产中的作用，即不仅 考虑能量最终去向，而且分析能量的工艺利用，故有利于把搞好生产同节约能源 相结合。对于质量分析中的方法，熵方法和熘方法是今后深入节能的主要分析方法， 但由于国内的能源管理的其他原因，现在开展的较少。 具体到造纸行业的能源管理技术与装备层面工作，在用电方面，为了降低纸 机电消耗，很多运转机械采用变频技术节电。在耗汽方面，纸机烘燥部烘干技术 与装备得到较大的发展。自六十年代开始，在原来传统蒸汽干燥技术上通过优化 工艺和利用新技术使得造纸耗汽大幅度的降低。如使用干网并配以袋区通风后， 使耗汽量有大幅下降。另外对全封闭汽罩的技术采用，可以使纸幅蒸发出的水汽 不致散布到车间内，并提高送入风罩内空气的温度和速度，减少了热的损失，使 通风的蒸汽耗量降低1 5 2 0 ，烘干部的干燥能力提高1 5 2 0 ，并使通风需要的 空气量减少，因此所用风机电耗相应减少。热风辊的使用代替烘毯缸，使热利用 率大大提高。另一方面，红外线加热技术的应用，也使得纸机的干燥技术又有了 新的突破。在红外加热干燥领域，太阳红外公司已在世界无接触式红外干燥领域 居于领先地位。太阳红外公司是由两个世界上杰出的红外加热干燥公司 ( s o l a o n i c s 一燃气式红外干燥和i r t 一电热式红外干燥) 合并而来的。 其公司电热式的m i n i f l e x 是专门设计的用以适应造纸工业中有限的干燥器空间。 这是市场上最紧凑的干燥器，尽管其尺寸很小，其干燥功率等同或优于其他干燥 器。红外加热传递能量更快，更直接。m i n i f l e x 是w e b m a t e 干燥器的升级。w e b m a t e 已经在全球范围内广泛应用。红外发射灯管的使用寿命高达1 5 0 0 0 小时。 1 3 课题研究工作的设想 1 3 1 课题目标： 针对目前民丰特纸目前的能源管理现状，本文试图从加强管理力度和定量分 析的角度，来提高本企业能源的管理水平。重点放在分析纸机干燥部汽耗情况， 通过在烘干部建立数学模型，运用热力学第二定律相关知识，找到用能薄弱环节， 指出节能方向，将达到降低能源消耗，增大企业盈利空间，同时增加社会效益。 1 。3 2 研究内容； 企业能源管理是一个系统的、综合性工程，所涉及的面较多，本文一方面从 加强管理力度的角度来阐述如何从能源管理制度、能源计量等方面建立和健全来 加强企业能源管理：另一方面从能源管理技术层面工来分析本企业能源的使用和 利用状况，具体运用热力学第一定律对公司的主要纸机的烘干部热效率进行计算， 从定量的角度明确热效率高低，从结构上再进一步分析原因。再用热学第二定律， 借助“黑箱灰箱”分析法，在纸机烘干部建立用汽“黑箱”数学模型及“灰箱” 数学模型，计算出系统炯效率和各部份炯损系数，在此基础上，找出用能薄弱环 节，指出节能方向，以达到降低汽消耗，增加利润空间，实现企业能源的优化利 用。 1 3 3 课题预期的实际应用价值 通过从能源利用分析的角度，分析讨论了本企业# 1 8 纸机在耗汽( 热能利用) 能源利用情况，找出其中的原因并通过加以改进，以达到企业能源的优化利用， 从能源的角度促进了工艺的更新和改进。 通过分析讨论本企业纸机在耗汽( 热能利用) 能源利用差别情况，找出其中 的原因并加以改进，将新的工艺、设备和技术应用到能源利用率差纸机系统中， 以提高能源的利用率。从能源的角度促进了工艺的更新，并通过对加强管理力度 的角度来阐述，给企业能源管理注入新的理念，从整体上提高本企业的能源管理 水平。 4 2 企业能源管理 能源是国民经济发展的支柱，是实现四个现代化和提高人民生活水平的物质 基础，对于一个工业企业，其发展离不开能源。加强能源管理是合理用能和科学 节能的重要手段。 任何工业企业不论生产什么产品都是要消耗能源的，据统计，我国的能源消 费主要集中在工业企业，约占全部能源消费的7 2 ，工业企业中有7 0 0 0 余家年耗 标煤i 万吨以上，其能耗约占全部工业能耗的7 6 左右，这种能源消费构成决定 了节能的重点在工业企业，而工业企业的节能关键又在能耗大、节能潜力大的重 点用能单位。 节约能源，降低消耗，对提高我国经济增长的质量和效益具有十分重大的战 略意义。一方面，从目标能源利用情况看，我国节能潜力巨大。一是产品能耗高， 我国主要用能产品的单位能耗比发达国家高3 0 一9 0 ；二是产值能耗高，单位 能耗宦产值低，经测算，我国企业能源和原材料费用约占企业成本的7 5 左右。 2 1 企业能耗管理的目的 企业能源管理的目的就是为了达到合理利用能源及尽可能地节约能源。所谓 能源管理是指综合运用自然科学和社会科学的原理和方法，对能源的生产、分配、 供应、转换、储运和消费的全过程进行科学地计划、组织、指挥、监督和调节工 作，以达到经济合理，有效地开发和利用能源。设立能源管理部门，开展能源管 理工作，认真学习和研究企业的能源管理，促进节能降耗，对于提高能源管理人 员的素质和管理水平，促进企业发展和提高企业的经济效益都是极为重要的。 2 2 国家法律法规企业能源管理的基本要求 节约能源是我国一项长远战略方针，9 1 年江泽民总书记就为“全国节能宣传 周”题词：“节约能源、保护资源、造福子孙”。9 7 年国家又颁布了中华人民共和 国节约能源法，2 0 0 1 年，国务院制订了“十五”国民经济与社会发展计划纲要 中进步重申了“坚持资源开发与节约并举，实现持续发展”。这些充分说明党和国 家历来都十分重视节约能源工作，并把节约能源作为国民经济和社会可持续发展 的重要组成部分。用能单位特别是重点用能企业是社会节能的主体，更应加快建 立自身节能管理体系和节能机制，是企业开展节能工作的首要任务。对重点用能 单位实行能源管理人员持证上岗制和岗位聘任制，是促进企业自身内部节能管理 组织体系建设，推进企业自身内部节能工作持久开展的一项重要举措，也是企业 自身建立依法用能自我约束机制的实际需要。 中华人民共和国节能法第2 9 条中规定“重点用能单位应当设立能源管理 岗位，在具有节能专业知识，实际经验以及工程师以上技术职称的人员中聘任能 源管理人员能源管理人员负责对本单位的能源利用状况进行监督、检查”。国 家经贸委重点用能单位节能管理办法第1 8 条中指出“重点用能单位应设立能 源管理岗位，聘任的能源管理人员应熟悉国家有关节能法律、法规、方针、政策， 具有节能知识，三年以上实际工作经验和工程师以上( 含工程师) 职称，并报主 管经济贸易委员会备案”。节能工作牵涉面广，既要了解生产工艺流程，耗能设备， 节能操作方法等，还要懂得节能的专业理论知识。其次，还要在各车间和班组设 立节能员，组成节能管理网络，节能工作才能在基层扎住根。 2 3 企业能源管理制度要求 制度建立是能源管理工作的基础工作，有了制度才能统一人们的行为标准。 如果没有建立这方面的制度，要实行节能奖罚就没有依据。任何一个用能单位或 者说是企业要搞好能源管理工作，都应有一定的基础，首先是领导思想上要有节 能意识和节能法制意识，领导头脑里要有“节能”两个字。只有领导重视了节能工作， 才能亲自来部署、协调节能工作。节能工作的方方面面才能顺利地开展起来。如 果职工思想上对节能工作意义认识不充分，可以通过宣传教育培训考核等来解决。 企业能源管理的一系列制度和技术改进，必须在能源的使用过程严格按既定 的要求下才能最终体现出是否有效，所以能源使用的管理制度的重要性可想而知。 其中的两个过程主要是输入管理和使用管理这两个环节。 ( 一) 企业能源输入管理 ( 1 ) 购入能源原品种、规格要能满足生产的需要 ( 2 ) 要确保能源的质量 6 ( 3 ) 明确有关人员的职责和权限 ( 4 ) 明确规定对数量和质量发生异议时的报告，裁定程序和索赔工作。 ( 5 ) 制定和执行购入能源的贮存管理文件，减少贮存损耗，如能源分品种存 放，不混放，按次序存放，做到先来的先用等。 ( 二) 企业能源使用管理 ( 1 ) 优化生产工艺 不管企业生产何种产品，都有一定的生产工艺，生产工艺都在随着生产的发 展而不断改进，不断优化，因各生产工序，特别是主要的耗能工序，要选择优良 的工艺参数，加强监测调控，要采用先进的生产工艺，改进产品的加工方法，降 低能源的消耗。 ( 2 ) 耗能设备的经济运行 耗能设备首先要做到满足生产的需要，确保安全，同时要实行经济运行，所 谓经济运行就是消耗最小，效益最好，耗能设备要做到经济运行，基本上可以从 以下三个方面着手： a 做好设备的选型。选择设备根据节能、环保和提高综合经济效益为原则， 选用节能型设备，淘汰高能耗的设备，对于国家明令淘汰的高耗能产品要禁止使 用，对已经使用的要尽可能地换成节能产品。 b 根据设备的特性和生产加工的需要，合理地安排生产计划调度，使能耗设 备在最佳负荷状况下运行，尤其要避免大马拉小车和空转现象。 ( 3 ) 节能操作 有了好的生产工艺和先进的耗能设备，并不能保证能耗一定就低，相对同一 工艺和设备条件，能耗指标并不完全相同，大家肯定有这方面的体会。同样的生 产工艺，同样能耗设备，生产同一种产品，消耗同一种能源，能源消耗水平并不 完全一样。企业能源管理人员应当根据实际情况，组织在耗能设备操作岗位上工 作的同志，互相交流节能操作的经验，或者通过竞赛等方法，以求达到互相学习 互相交流共同提高，做好节能工作。 ( 4 ) 加强用能管理 有了好的生产工艺和良好的生产设备，还要加强用能管理，能源使用过程管 理可以从能源分配和传输管理开始。首先应当界定范围，明确各有关单位人员的 7 管理职责和权限，以及有关的管理原则和方法。能源分配可根据生产计划消耗定 额或能耗指标计划为基础进行分配。一般是一年或者半年修订一次，并按规定程 序逐级下达。同时应当结合经济责任制或能源专业经济责任制对其完成情况进行 考核和奖罚，不断推进和深化企业节能工作。 用能情况的检查和整改，对用能情况和能源分配传输分配过程进行检查是能 源管理不可缺少的一环，企业能源管理部门应对输电线路、供水、供气、供汽、 供油、供热管道、耗能设备、燃烧状况等定期进行巡查，杜绝跑、冒、滴、漏、 长流水和长明灯等不合理用能现象。 健全能源计量是企业能源管理的重要基础工作之一，如果没有计量或者计量 不准确就无法进行科学的能源管理，没有办法提供原始数据或者提供的原始数据 不准确，后面一系列能源管理都将成为无效的管理。 就目前的情况来说，企业能源管理的技术工作，大致分成两个分支，一个分 支属于项目的前期设计工作，由于受当时生产技术发展的限制和其他一些因素的 影响，在项目投产后，随着生产技术的发展，部分系统能耗就需要改良和改进， 这便形成了企业能源管理的另一个主要分支，这个分之的主要工作就是要根据当 时项目生产的实际情况，通过实际测算数据，利用一些新的理论，找出系统用能 的薄弱环节，为企业的节能指明方向。就目前企业的能源技术管理工作来说，多 属第二个分支。本文后面对本单位# 1 8 纸机的烘干部的能耗进行测算分析，就属于 该方面的工作。 2 4 民丰特纸能源管理情况 笔者所在企业为一主要生产高档卷烟纸的企业，在当地应当说是个用能大 户，能源支出占了企业成本很大一部分，虽然近年来通过企业技术更新改造，各 项能耗指标在逐年下降，但和国内外的技术更为先进的企业比较，仍然存在比较 大的差距。而如何改进和进一步缩小差距，涉及到资金，技术和管理等方面。能 源管理改革步伐的大小，取决于当前的认知水平。 民丰特种股份有限公司是已有8 0 多年历史的大型造纸企业，公司现拥有1 3 台造纸机纸和1 台涂布机，年产机制纸的能力为五万多吨。公司主要产品有高档 卷烟纸、电容器纸、描图纸、水松纸和彩色喷墨打印纸等。2 0 0 3 年机制纸的产量 为5 1 2 9 6 1 0 6 吨，产值和利税分别在全国造纸企业中排名分别1 3 位和1 4 位。机 制纸综合能耗为0 9 7 6 7 t c e 吨纸，吨纸耗标煤为3 5 0 千克，耗电量为l o l o k w h ， 吨纸耗水量为2 8 0 吨。就本公司生产同样产品的纸机，其消耗相差很大，比如近 年投产的生产高档卷烟纸的# 1 8 机，2 0 0 3 年其吨纸煤耗仅为5 9 5 4 9 千克，耗水仅 为1 0 3 吨，耗电为2 3 6 2 k w h 。而抖l o 、# l l 纸机2 0 0 3 年卷烟纸的耗煤为9 0 2 9 9 2 千 克，耗水量为3 2 1 吨，耗电量1 3 7 4 k w h 。可以看出生产同类产品的两台纸机其各项 耗能指标区别很大。作为一大型造纸企业的能源管理员，试图通过企业能源状况 的研究，达到提高公司能源管理水平，降低公司能耗，增大利润空间的目的。 9 3 热力学基本原理在能源技术管理中的应用 在工程界的经济技术分析中，过去一直沿用着热力学第一定律的能平衡方法 来论证方案的可行性，评价系统设计和运行的优化及其经济性，能平衡只反映能 量的平衡性，未考虑各种不同形式的能量在使用价值上的不等性，因此近十几年 来为适应合理与节约用能的需要，逐步转向炯平衡。即改以热力学第二定律为依 据，采用“可用能”“煳”赋予能量价值的观点。 近年来，由于人们对能源短缺和节能意识的不断增长，传统的只用热力学第一 定律分析问题的方法具有一定局限性，它只反映了能量在“量”上的关系，而没能 揭示出能景在“质”上的差异，因而导致在节能技术改造中抓不住关键所在。由此， 炯作为一个将“量”与“质”结合起来评价能量价值的物理量便应运而生，从而改 变了人们对能的性质、损失、转换效率等传统的看法，深刻揭示了能量转换过程中 热能变质退化的本质。焖分析和系统工程的方法，又成为“热经济学”重要基础。 利用炯的概念及理论产生的焖分析法已经成为世界瞩目的重要课题。 “炯分析”这个概念虽然在工程界提了很多年，但在实际应用过程中存在着 不少困难，所以开展的一直不多，在企业更是少之又少。但炯对热能的转换的规 律和进一步开展节能的研究，是在热力学第一定律基础上更深层次的认识。所以 推广“炳”在企业能源技术和管理的应用，有着深远的意义。 就对本企业来讲，纸机烘干部用热在生产能源支出中占很大一部分。本文试 图通过一些新的理论阐述目前在纸机用热应用方面的节能问题，为进一步的改进 指明方向。 3 1 炯分析相关参数的介绍 在介绍炯分析法前，先对热力学第二定理中的相关参数做简要介绍 3 1 1 焓的定义 焓( h ) ：其数学表达式为： h = u + p v ( 3 - 1 ) 其中：h 一一焓，j ； t o u 一内能，j ； p 一压力，p 。； v 一一体积，m 3 。 单位质量的焓称为比焓( 有时也简称为焓) ： h = h m = u + p v( 3 - 2 ) 其中：h 一比焓，j k g ； m 一一一质量，k g ； u 一比内自，j k g ； v 一比容，i l l ：k g 。 状态参数焓的物理意义可以这样理解：现以每单位质量流进热力系统的工质 为对象，带进系统的与其热力状态有关的能量不仅是内能u ，还有流动功p v ，焓 就是这两种能量的总和( u 十p v ) 。焓可以理解为工质流动时通过某截面所传递的与 其热力状态有关的总能量。 3 1 2 熵的定义 熵( s ) ，其数学表达式为： d s = 6q ，t( 3 - 3 ) ；# 中：s 一熵，j k ； 8q 。一一交换热量，j ； t - 一一温度，k 单位质量工质的熵称为比熵，用s 表示： s = s m( 3 - 4 ) 其中：s - - 比熵，j k g k ： m 质量，m 熵是状态参数，任何两状态间的熵差与路径无关。微元可逆过程的6q r t 是 全微分d s ，d s = 6q 。t 。 数学方程式表达为： d s 。= d s 0 ( 3 5 ) 其中：d s 。一一一单位时间内过程进行时，不可逆因素的熵产 为孤立系统墒增原理。其含意孤立系统中所进行的一切实际过程( 不可逆过 程) 都朝着使系统熵增加的方向进行；在极限情况下( 可逆过程) 系统的熵维持 不变；任何使系统熵减少的过程都是不可能的。 3 2 不同能量形式的炯参数 各种工业能量装置中，参与实际过程的能量形式是多种多样的，其能位也不 尽相同，而且从e = e ；+ a 。可知，任何形式的能量都可看成是由其炯( e 。) 和火无( a 。) 所组成。媚值是衡量陔能量可转化成可用功部分的指标，而火光值则表示剩余的无 法转化成可用功部分的能量。由于很多实际的能量转换与传递过程都是在周围环 境的条件下进行的，因此分析各种不同形式的能量所具有的炯值时，都是相对于 外界自然环境的状态而确定的。 在工程热力学中，所谓外界自然环境都认定具用稳定不变的状态，亦即说， 环境压力p 。，环境温度t 。和化学组成的浓度x o ，都认定是始终不变的。采用这种稳 定的环境状态作为分析和确定各种形式炯值的基准态是十分必要的。 在自然界中，存在着很多不同的能量形式，把这些不同的能量形式分别反映 着众多物质的不同形态，而不同的物质运动形态都具有各自特定的作功能力。人 们通过实践认识到各种物质的运动形态虽然不同，但都可以相互转换；换句话说， 各种不同的能量形式之间都可以不同程度的相互转换。在工业中常见的工业能量 装置及其能量转换关系，例如通过蒸汽气轮机燃气轮机和内燃机等动力能量装置， 把热能或化学能转换成机械能( 功) 和电能；通过压缩机把机械能转换成有用的 压力位能：通过制冷机组把机械能或其他能量转换成所需的低温热能。此外还有 通过加热或冷却的的能量装置( 如各种类型的换热设备等) ，实现热量的传递过程。 1 、不同能量形式的能位 热力学第一定律指出，任何能量形式的都是可以相互转换的，而且在数量上 保持守恒。 但应看到，热力学第一定律只说明了自然界能量在相互转换过程中的数量关 系，它并末回答过程进行的方向以及能量在相互转换时的必要条件，这些内容都 属于热力学第二定律的范畴。 热力学第二定律不但指明了能量转换过程的方向性极其不可逆性，而且揭示 了并非各种不同的能量形式间都能自发的地转换成另一其他的能量形式。换句话 说，不论何种形式的能量不但有其“量”方面，而且还有其“质”方面的特征， 现取最有用的机械功作为分析基准来说明，从热力学第一定律可知，机械功可以 1 0 0 地转化成热量，而且从卡诺定律又可知，反之则不然，而且事前表明即使数 量相同而质量有所差别的的热量，所转化成的机械功的分量也是不相同的。根据 这一原则，对于任何形式的能量，都可以按其可转换成机械功的程度而区分为高、 低不同能位的能量，如表3 一l 所示： 表3 1 高能位能量和低能位能量 高能位能量低能位的能量高能位能量低能位的能量高能位能量低能位的能量 机械能热能、内能水力势能核反应能潮汐能 电能燃料燃烧热能高速动能、风能化学反应能液体压力能 所谓低能位能量，是指由于受一定条件的限制只能部份地转化成机械功的能 量。从微观上看，低能位的能量体现于包含物质分子级内部运动所具有的能量， 因而属于无序运动的能量，如热能、内能等。从本质上说，低能位能量只能把其 中的一部份转化成有序的能量，亦即只有其中的一部份能转换成有用的机械功， 其余的部份则不能；换句话说，低能位的能量只有一部份能量属于可用能部分 相 当于该条件下的熘值) ，而其余的部分则相当于该能量相对于环境条件下的无用能 部分( 相当于该条件下的火无值) ，例如在定温t 下传递的热量q ，其炯值只等于q ( 卜t 0 t ) ，而其火无值则等于其余的部分q ( t o t ) 。 2 、能量转换与炯参数的关系 根据以上分析可以得出，任何一种形式的能量( e ) 都可以看成是由其炯( e ) 和火无( a n ) 两部分所组成，即： e = e 。+ a 。 ( 3 - 6 ) 而且在既定的能量转换过程中，e 值保持不变。对于高能位的能量，如机械能， 电能等，e = e ，a 。= o ：对于低能位的能量，其e 。和a 。各占总能量e 中的一部分； 对于处于外界自然环境条件下的能量，可视为其e = a 。，e 。= o 。能量中“炯值所占 的部分越大，表明其能位越高，亦即其可转换成可用能的部分越大，其能量质量 也越高；反之，则表明其能位越低、其能量质量越差”。由此可见，对于各种能量 的转换过程，可以通过过程中能量堋或火无的变化，直接来说明过程进行时能量转 换的完善程度。对于任何可逆过程，能量的熘值均视为定值，而对于不可逆过程， 能量的炯值只能单方向地转成火无值。 3 3 工业用装置的炯效率分析 在工程上，最常用的能量形式有：机械能( 功) ，热能，化学能，压力位能以 及低温热能等。当不同的能量形式进行转换时，有的能量形式能全部地转换成另 一能量形式，有的则不能，而且在实际转换与传递的过程中还会因存在各种不可 逆的因素而造成能量的损耗。 为了评价各种工业能量装置转换与传递过程中热力学性能的完善程度，工程 上主要通过效率这一指标进行评定。由于分析时所依据的基本原理不同，效率的 表达式也有所不同。常用的效率有两大类：一是基于热力学第一定理能量守恒定 理而提出的效率，常称为热效率；另一则是基于热力学第二定理炯平衡方程式而 提出的效率，称之为炯效率。前者的分析法是仅从能量数量的分布状态而进行的 分析方法：后者则是采用表征能量质量的炯变化值的分布状态丽进行的分析方法。 3 4 炳分析方法在工程中的应用 3 4 1 烟分析方法在能量交换系统中的应用举例 随着焖理论及分析方法的不断完善，国内外一些专家学者开展了大规模的产 能与用能系统的媚分析，取得了较大成果。 l 、制冷装置的炯分析 制冷装置的炯分析将有助于人们认识制冷本质，了解产生损失的原因与部位， 认清改善制冷循环性能的途径与方向。对于制冷装嚣的炯分析，朱明善教授在能 量系统的炯分析一书中进行了较为详尽的阐述：王军、姚立伟等人也根据制冷循 环原理做了大量细致的分析工作。 2 、热泵装置的熘分析 热泵的工作原理与制冷装置相同，循环过程及相应设备也无区别，只是作用和 温度范围不同。制冷装置是为了维持低温，通常以环境大气为高温热源：而热泵属 于供热性质，将大气作为低温热源。关于热泵装置的焖分析，比较有代表性的有朱 明善教授的能量系统的炯分析。东南大学朱培根等人 7 的研究也较为完善和 合理。就热泵炯效率的计算方法，文献 1 6 提出了不同见解，指出了现用热泵炯效 率计算具有局限性的原因，提出了新的炯效率计算式。 3 、佣方法在生产电能工程系统的应用 a 凝汽式发电厂天津电力公司的宋淑英等人 1 9 采用炯分析法对电厂热力 循环做了详尽的分析工作，给电厂热机专业人员提供了大量可供参考的信息。 b 热电联产电厂俄国学者bm 布罗章斯基在炯方法及其应用一书中 做了大量分析总结工作。在国内，中国矿业大学的张洪波、周旭康等人 2 0 结合国 内情况，对小型热电站的热电联产系统进行了煳分析，得出热电联产系统较分散供 热系统具有一定节能效果，同时还对热电联产系统内各环节中的堋流损失进行计 算，得出各热力设备的炯效率，找出系统用能的主要薄弱环节，为今后设备的工艺 过程改进指出了方向。此外，在石油化工 2 1 、生态系统 2 2 等方面，国内外专家 学者也做了大量全面的调查、分析，找出系统用能中存在的问题，指出了节能的方 向和途径。 3 4 2 炯分析的基本原理 1 6 炯分析方法属于热力学分析方法之一。它以炯概念为基础，以煳平衡为工具， 经过全面分析和计算，对能量系统或用能设备的局部或整体的热力学完善性做出 评价。这种评价不仅包括系统总体热经济性的定量结论，而且包括各个部位上炯损 失的大小及影响因素。因此，焖分析方法的理论基础是热力学第一定律的平衡思想 和第二定律的熘概念。 3 4 3 炯损分类及其计算方法 1 、炯损分类 在实际过程中，炯在传递过程中被耗散部分称为j 厢损，炯损按其分布情况分为 内部损失和外部损失两种。与系统内部进行过程的不可逆性有关的损失，称为内部 炯损，也称为佣耗散，如设备中的节流、流体阻力、机械摩擦、有限温差传热和浓 度差等：与系统接触的环境条件有关的损失，称为外部烟损，也称为炯损失，如锅炉 烟气的排放损失、与热绝缘的不理想有关的损失等。分成如此两类损失的实际意 义在于降低内、外部损失各自的途径明显不同。由于所有过程都是不可逆过程，内 部炯损实际是不可避免的，只能设法减少，而不能将其完全消除；外部炯损并不像 内部炯损那样总是存在的，从技术上看，外部炯损确实是一种纯粹的损失，因此工 程上应尽量减少。 2 、炯损计算方法 炯损的计算方法主要分为两种：一是通过收益、消耗和损失3 者的平衡求取炯 损失，即炯平衡方法，这种炯平衡方法与第一定律分析法中能平衡法非常相似，它 既可用于某一能量系统，也可以用于系统中的某一部分或具体设备。二是利用go uy stodoia 关系式，通过计算熵产的办法求得媚损，因而也可以叫做熵 平衡法。前者直接从炯概念出发求取损失，概念清楚，并且符合人们长期使用“平 衡”观念，较为方便：后者则从计算熵产入手，虽对使用者的细心程度有较高要求， 但思路清晰，影响因素更为明确，不仅能够给出定量的结论，而且往往便于定性分 析，因此，在烟分析中，它们是并驾齐驱的两种方法 2 。 3 、炯平衡原理与炯平衡方程 众所周知，在任何实际能量系统或任何实际过程中，总是存在着这样或那样的 不可逆性。将煳损概念应用于能量系统可以导出能量系统中各种堋流的关系，如图 3 一l 所示，考虑稳流条件下组元j 的炯平衡，假定过程吸热对外做功，且组元的炯传 递量分别为： e ；j ，e w ，e ；。， 可以写出 ( e 。i ) j + e j = 。( e 。) j + w 。+ dt 。 ( 3 7 ) 式中：e e 。分别为进入及离开组元j 的煳流率： e ，。与w 分别为所交换的热炯及功： d 。为组元的煳损。 式( 3 7 ) 表明：输入系统的煳恒等于系统的有效输出煳与系统的各种炯损之和 这就是炯平衡原理。 1 6 控制边界 e ，。 e ，。dkj j 图3 - 1 能量系统的烟平衡模型 w e ，。 3 4 4 娴分析方法“” 在实际应用工程系统中，烟分析可以在3 个层次上进行： 计算出系统内部所有元件的不可逆损失与外部不可逆损失，明确其引起的原 因： 根据系统内部与外部损失，计算系统内部以及穿过控制面各种形式的爝流值， 使之能够计算相对特性娴效率、各元件中的炯权重和焖产量： 炯分析与焖的不等价性相联系，求取工程系统热力学优化因素。 对工程问题的煳分析可以分为两大类。一是依据工程设计数据进行的焖分析， 称为设计参数炯分析：二是依据对运行中设备或系统的测试数据进行的炯分析，称 为运行参数焖分析。作为工程炯分析，两者都是必要的，目标也都是为了降耗节能， 但两者的作用和节能途径又有明显区别，表3 2 对两种佣分析做了比较。 表3 - 2两种工程焖分析的比较 比较设计参数烟分析运行参数堋分析 分析依据殴计计算参数值实涮运行参数值 节能基本途径优化设计优化运行 节能措施系统的整体或局部改造调整系统运行参数 节能效益的获得间接取得直接取得 3 4 5 单元设备炯分析模型 单元设备的炯分析是生产系统煳分析的基础，任何复杂的生产系统的焖分析， 都只能在完成了各种单元设备的炯分析之后才能进行。 在实际用能设备中进行的能量交换和传递过程，通常都不是单一的过程，而是 由几个、甚至很多个过程组成的复杂过程。但无论如何复杂，均可以将其概括为两 类：一是设备与外界之间的焖交换：二是设备内部的炯耗散。 按照炯分析的不同要求，可以选择黑箱模型、灰箱模型和白