（化工过程机械专业论文）基于可避免的火用损耗与设备投资的过程系统优化方法.pdf

基于可避免的婀损耗和设备投资的过程系统优化方法 - _ _ _ - _ 。- 。一_ - _ _ _ _ - - _ _ _ 一 摘要 厂 j 能源、环境和经济效益问题受到了越来越多的重视，因此对过程生产系 统的优化变得日益重要。近年来以热力学第二定律为基础路热经济学( 媚经 济学) 优化方法由于其明显的优越性而得到了快速发展。前，煳经济学优 化方法主要考虑过程生产系统中各单元的总媚损耗和设备投资，但是由于技 术和其它条件的限制，媚损耗和设备投资中有一部分是不可避免的，对过程 生产系统优化真正有意义的是可避免的炯损耗和设备投资。基于可避免的焖 损耗和设备投资的炯经济学优化方法比现有的煳经济优化方法更为优越。本 文以此为基础开展了以下研究： 1 、研究过程系统中焖损耗和设备投资的基本规律，提出基于可避免煽 损耗的过程生产系统炯经济学优化方法。给出考虑可避免炯损耗和设备投资 修正的焖效率占：、炯经济学因子丘、相对费用率。 2 、定义了系统单元的不可避免堋损耗和设备投资，分析给出不可避免 的媚损耗和设备投资有计算方法，为本文的优化方法的应用提供了基础。 3 、结合目前的过程系统堋分析和经济学分析软件，编制了可避免的媚 损耗与投资费用的过程系统优化方法分析计算软件，为过程系统优化方法的 使用提供简便方法。 4 、通过对以炼油残渣为原料的! 鱼竺竺丕笙的空分系统优化分析，从其 的过程参数与设备投资费用两方面着手优化，考核了本文优化方法和分析叛 _ _ 笋。 t h e o p t i m i z a t i o n m e t h o do ft h ep r o c e s ss y s t e m s b a s e do nt h e a v o i d a b l ee x e r g yd e s t r u c t i o na n d t h ei n v e s t m e n tc o s t s e n e r g y , e n v i r o n m e n t a n de c o n o m i ce f f i c i e n c yh a v er a i s e dp e o p l e sa t t e n t i o n ， s ot h eo p t i m i z a t i o no f t h ep r o c e s ss y s t e n a si sb e c o m i n g m o r ea n dm o r e i m p o r t a n t t h eo p t i m i z a t i o nm e t h o d so ft h e r m o e c o n o m i c s ( e x e r g o e c o n o m i c s ) b a s e do nt h e s e c o n dl a wo ft h e r m o d y n a m i c sa r ed e v e l o p i n gv e r yf a s tr e c e n t l yb e c a u s eo ft h e a d v a n t a g e o ft h em e t h o d s t o t a le x e r g yd e s t r u c t i o na n de q u i p m e n ti n v e s t m e n to f t h eu n i t so f t h ep r o c e s ss y s t e r n sa r en o wu s e di nt h eo p t i m i z a t i o nm e t h o d so f t h e e x e r g o e c o n o m i c s ，b u t s o m eo ft h e e x e r g y d e s t r u c t i o na n dt h e e q u i p m e n t i n v e s t m e n ta r eu n a v o i d a b l eb e c a u s eo ft h er e s t r i c to ft e c h n o l o g ya n do t h e r c o n d i t i o n s t h ea v o i d a b l ee x e r g yd e s t r u c t i o na n dt h ee q u i p m e n ti n v e s t m e n ta r e m o r ei m p o r t a n tt h a nt h et o t a le x e r g yd e s t r u c t i o na n de q u i p m e n ti n v e s t m e n ti n t h e o p t i m i z a t i o n t h ee x e r g o e c o n o m i c so p t i m i z a t i o nm e t h o db a s e do nt h e a v o i d a b l ee x e r g yd e s t r u c t i o na n dt h ee q u i p m e n ti n v e s t m e n ti sm o r em e a n i n g f u l t h a nt h ec o m m o n e x e r g o e c o n o m i c so p t i m i z a t i o nm e t h o d s n e r e s e a r c h e so f t h i s p a p e r a r ea sf o l l o w i n g ： 1 t h e e x e r g yd e s t r u c t i o na n de q u i p m e n ti n v e s t m e n to f t h eu n i t so f t h ep r o c e s s s y s t e m sa r es t u d i e d ，a n dt h ee x e r g o e c o n o m i c so p t i m i z a t i o nm e t h o db a s e do n t h ea v o i d a b l ee x e r g yd e s t r u c t i o na n dt h ee q u i p m e n ti n v e s t m e n ti sp r o p o s e d t h em o d i f i e de x e r g ye f f i c i e n c y 丘，e x e r g o e c o n o m i c sf a c t o r ，r e l a t i v e c o s td i f f e r e n c e r ；w i t h t h ea v o i d a b l ee x e r g yd e s t r u c t i o na n dt h ee q u i p m e n t i n v e s t m e n ta r ed e f i n e d 2 t h eu n a v o i d a b l ee x e r g yd e s t r u c t i o n sa n dt h ee q u i p m e n ti n v e s l m e n t so ft h e u n i t so ft h e p r o c e s ss y s t e m sa r ed i s c u s s e d t h ec o n d i t i o n sf o rc a l c u l a t i n gt h e u n a v o i d a b l e e x e r g y d e s t r u c t i o n sa n dt h e e q u i p m e n t i n v e s t m e n t so ft h e t y p i c a lu n i t so f t h ep r o c e s ss y s t e m sa r ea n a l y z e d 3 i no r d e rt o o p t i m i z e t h ep r o c e s s s y s t e me a s i l ya n dc o n v e n i e n t l y , s o m e p r o g r a m so fe x e r g ya n a l y s i sa n de c o n o m i ca n a l y s i sa r ed e v e l o p e db a s e do n t h eo t h e r o p t i m i z a t i o np r o g r a m s ，s u c h a st h e s i s 4 a sa ne x a m p l e a i r s e p a r a t i o nu n i to f r e f i n e r y - r e s i d u a l b a s e di g c c s y s t e m s i so p t i m i z e db yt h en e wm e t h o dd e v e l o p e d b yt h i sp a p e r t h eo p t i m i z a t i o n m e t h o da n dt h ep r o g r a m sa r et e s t i f i e d 浙江工业大学硕士学位论文 ! 第一章绪论 i 1 引言 能源的有效利用，与设备基建投资和总的生产费用相比，迄今一般被降到次 要地位。随着常规燃料价格的增长及可用燃料日益减少的趋势，有效利用能源得 到它早应得到的重视【”。能量系统中能量未有效利用的程度和部位现在应该成为 设计系统和分析其性能时需要考虑的首要因素。炯经济学分析方法就是提供这方 面情况的一种系统的方法。人们能够很容易地把这种方法补充到通常的设计和性 能计算的程序中去。 近年来我国经济发展迅速，但能源始终是一制约经济发展的重要因素，不 仅资源紧张，而且能源的利用率也相对较低，能耗较高。特别是许多中小型工厂， 从工厂的建设、投资，一直到正常生产都没有把降低能耗，提高能源的利用率放 在重要的位置考虑，不仅使生产成本增加，也浪费了资源。从现有的统计资料来 分析，我国大多数中、小型企业的单元产值能耗水平都高于发达国家平均水平， 而与国外先进水平相比差距更大。 能源价格的提高，使设计的经济准则。由占支配地位的基建投资最低的原则 转变为更为关注整个使用期内费用最低的原则。因此，除了在未来的系统的设计 中使用复合能源外，还更应强调单一能源的综合利用，以提高这种能源中可用功 的有效利用程度，为了估价能源系统中能源利用的有效程度，通过综合应用热力 学第一定律和第二定律，把炯分析法和技术经济学有机结合起来的媚经济学成为 能源、化工等过程系统新的一种评估和优化方法。 1 2 过程系统优化的发展和研究现状 1 2 1 过程系统和过程系统单元 系统就是由两个或两个以上相互区别、又相互联系的要素( 或称单元) 有机 地结合起来，为完成同一目的的综合体。为了达到既定的目的，系统必须具备一 定的特定关系，遵循某特定的法则。在工业生产中，通过物质和能量转换的生产 过程，将原料加工成所需的产品。将系统的概念应用于工业过程，就称之为过程 系统。1 。即过程系统是以物质和能量的分配、输送、转换和储存过程。以及其辅 基于可避免的炯损耗与馥备投资的过程系统优化方法 ! 助的信息处理过程为研究对象，是针对实际的生产过程和设备、装置的。特定的 过程称作过程单元、分离过程单元、反应过程单元、换热过程单元等都是过程单 元。过程单元按照一定的方式相互联结在一起形成的网络构成过程系统，如化工 过程系统、石油过程系统、医药生产过程系统、冶金过程系统等等。过程单元间 是通过物料流和能流相互联结的。物料流籍助于管线、输送带传送，能流包括热 流和功流。1 。 现代在能源、化工、制冷等工业都用到大量的过程系统，而且这些系统变得 越来越复杂，越来越庞大。对过程系统的节能和物流的最优化配置越来越显得重 要。因此，过程系统优化伴随而生。 i 2 2 过程系统优化方法 过程系统的优化是系统工程学科的分支。随着生产、运输等规模的扩大，自 动化程度的提高，追求最佳效果、提高经济效益的问题日益突出。实际上，在激 烈的市场竞争环境下，过程工业同样必须经常根据内外条件的变化，适时调整生 产，才能生存和发展。过程工业企业有三种生产状态：定常生产、实际生产和再 生产”3 。( i ) 定常生产是指在现有的工艺、设备和流程下，生产按照设计给定的 原料、产品( 有市场保证) 和操作条件正常运行。在这种状态下，只有控制优化问 题，即如何保证各种参数稳定在设定值。( 2 ) 实际生产中的原料供应、产品需求、 加工量均随市场条件而变化，气候等环境条件和设备状况也在变化，由于偏离设 计工况，因而存在运行优化的问题。( 3 ) 再生产由于市场变化或技术进步，企业 面临不扩产的技术改造或扩产改造，需要投资决策，因而提出设计( 改造) 优化的 问题。因而，过程系统优化不应片面地理解为控制优化或操作优化，而应是物质 流、能量流、资金流、工件流、人件流和信息流在所有生产状态下全局运作的总 体优化。 过程系统最优化就是在过程系统性能、特点所给定的约束条件下，找出使系 统的性能指标或叫目标函数达到最小( 或最大) 的设备参数或工艺变量。本文主 要研究过程系统优化主要从节能和经济效益方面。对过程系统的节能优化就必须 对其进行能量分析和经济分析。 1 过程系统的技术经济学优化法： 浙江工业太学硕士学位论文 二 技术经济学是一门介于自然科学和社会科学之间的交叉科学或称边缘科学。 它是对为了达到某种预定目的而可能被采用的各项不同的技术政策、技术方案、 技术措施的经济效果，进行计算、分析、比较和评价，从而选择技术上先进、经 济上合理的最优化方案的科学。技术经济学是现代管理学中的一门综合性学科， 在经济管理和工程建设中，在以提高经济效益为中心而进行有效的决策中，越来 越发挥了它熏要的作用。技术经济学研究的内容主要是项目经济效果的分析、评 价的理论及方法，归纳起来可分为： ( 1 )技术经济分析与评价的理论及方法： ( 2 )投资新建项目、技术改造项目与设备更新的技术经济评价分析： ( 3 )各种新产品、新工艺开发的技术经济分析； ( 4 )各种引进资金、技术项目的技术经济分析； ( 5 )能源和原材料合理开发、利用的技术经济分析； ( 6 )投资项目的可行性研究； ( 7 )确定性分析、风险性分析等。 技术经济分析研究主要又体现在两方面，一方面是解决实践中某个技术方案 的经济效益如何度量、计算、分析以及评价，并据此如何进行科学决策的问题， 另一方面是解决实践中如何科学地构思出经济效益较好的技术方案问题。 2 过程系统的热力学定律优化分析法： 热力学第一定律就是能量守恒与转换定律，它对任一个系统可表示如下： 输入的能量一输出的能量= 系统贮存能量的变化 热力学第二定律主要是阐述热功转换是有方向性的，自然界的过程还需遵循一定 的方向性。用克劳修斯表述方法即：热不可能自发地、不付代价地从低温物体传 至高温物体。它对过程系统的能量优化分析法即：焖分析法6 3 。 最早能量系统的分析方法是基于热力学第一定律的：能量守恒与转换定律， 它只能在能量的数量利用上的加以评价。热力学第二定律则从能量的质量和品位 上对能量系统进行分析。最早使用焖( e x e r g y ) 一词的应归功于兰特，伯斯雅柯 维克，特里普和贝尔。在这前后的某些场合，炯一般曾被称为作功能力或可用功。 烟一词目前已被广泛接受和应用，并构成了第二定律的原理的一个完整的发展， 其主要作用是指导在实际工业系统中的应用。堋方法的基本概念从本世纪5 0 年 基于可避免的炯损耗与设套攫费的过程系统优化方c i 一4 代开始，以热力学势概念为基础的分析方法越来越引起人们的关注。而形成在西 方国家称之为“热力学第二定律分析法”，其含义包括炯分析、熵分析和能级分 析法。随着时间的推移，炯方法突出出来，许多工业技术先进的国家争相以炯分 析代替能分析。最典型的是日本，1 9 8 0 年日本政府明令规定：“热工管理当用参 数为有效能( 即堋) ”。随着过程的进展，堋定义和概念也越来越清晰起来，起初 的堋概念完全用一般人很难确切把握的热力学术语表述：炯是从平衡态中“拉出” 一个系统时所需要最小功，或表述为将此系统再“放回”平衡态时所能得到的最 大功。1 9 5 6 年德籍南斯拉夫人对能概念进行了系统的分析，提出了能( e 1 1 ) = 媚( e ) + 寂( a ) 的分式，进而明确了炯是能量中可以无限转换的部分，而寂则是不可转换 的部分，而且取希腊字“e r g o ”( 意为功或力) 加上前缀“e x ”( 意为从其中) 确定 了炯的名称为“e x e r g i e ”( 英文为e x e r g y ) ，统一了全世界对此势参数的名称。在 我国的热能动力工程第1 4 卷( 总第8 0 期) 1 9 9 9 年3 月将其译为焖。受s h a n o n 信 息论启发，人们认识到熵乃是无序性的度量，于是把能量又分成有序能( 无熵能) 和无序能( 有熵能) 。有了有序能与无序能的概念，我们完全可以定义炯就是有序 能，它可以无限转换。推而广之一切宏观能，如机械能，电能等都是有序能，因 此它们都是纯煳。比较麻烦的是热能，它不是完全的无序能，既有有序能又有无 序能，随着其温度的提高，有序能的份额相应提高。这与炯概念完全一致，我们 还可以进一步理解所谓有序能则意味着载能实体中的载能粒子的运动方向是一 致的，否则就是无序能。进行媚分析的方法主要是列出煳平衡求解，这点与能平 衡计算一样，但炯分析中的重要问题是进行煳值计算，为此首先要将总炯分解成 热焖、机械调和化学用，分别计算后再加起来。对于热炯和机械烟要选定计算的 基准态，即p 0 、t 0 等，而对于进行化学反应的化学煳则要在环境中选定其准参 照物( 在环境中相关的稳定化合物) 。媚值计算公式封闭系： e 2 u t o s ( 1 1 ) 考虑有化学反应为： e = h t o s f h( 1 2 ) k 1 由此可见，煳分析是将不可逆损失项恢复而已。但其区别在于前者是预先将 各计算点上的炯( 包括减掉不可逆损失) 计算出来再作煳平衡计算，而后者则相 晰江工业土学硕士学位论文 ! 反，先进行能平衡计算后再补算所统计的总不可逆损失。别看这一前一后的小小 差别，它却造成原则上不同的两类方法。拥方法可以作系统分析，又可以作优化 综合，它可以很方便地进行系统优化，与经济因素结合后可以作设备整个寿命期 的成本核算，展示了堋方法的优越性。堋在系统分析中的应用，六十年代初首先 出现于几本书和几篇技术报告中。伯斯雅柯维克在他的一本工程热力学的书中对 一个电厂进行了炯分析，并用熵图给出了结果。他还制定了衡量要其它能量系统 中应用炯分析的益处的基准。特里普在密执安阿伯召开的、较早的一次低温工程 会议上发表的文章中考察了低温制冷机械中的烟损失。他用炯损失来研究制冷循 环的最优化设计。贝尔在他所著的热力学一书中对焖进行了广泛的讨论，并附有 几个对电厂进行用计算的例子。他介绍了用t 朋流图与按第一定律热平衡算出的能 流图相比较的研究结果。他的成果清晰地表明这两种分析方法所得的结果的重大 差别。 3 过程经济系统煳经济优化分析法 把堋分析与技术经济学相结合煳经济学是八十年代开始发展起来的，它是热 力学、化学工程、流体力学、设备技术等工程学科交叉结合的学科。德国的 t s a t s a r o n i s 等对煳经济学开展了较多研究“”1 ，通过炯分析和工程经济分析 有机地结合，有效地对热系统、化工过程系统等工业生产系统进行热经济学分析， 实现生产系统的经济优化。与以热力学第一定律为基础的能量分析和经济优化改 进的方法相比，以热力学第二定律为基础的堋经济学分析方法更为客观、系统， 且能良好地显示优化或改进方向的工业生产系统生产效率和经济优化或改进方 法。炯经济学方法大大节约了优化计算时间和生产系统的工程费用，尤其对于复 杂的化工生产系统炯经济学方法使设计费用和产品的生产成本显著地下降。堋经 济学方法不仅可使工厂大大提高生产效率和能源利用率，而且能有效地减少对环 境的污染，对能源厂和石化厂更为明显。由于煳经济学方法的重要意义，炯经济 学的研究引起了学术界和工程界的普遍关注。 1 2 3 过程系统烟经济优化的研究现状 国外过程系统烟经济优化主要表现为以下几个方面 ( 1 ) 最优综合 基亏可避免的堋损耗与设备投资的过程系统优化方法 ! 为了完成某类产品的生产任务，将分散的单元，遵循一定的法则，组织面对 给定的性能指标来说是最优的过程系统，这个阶段称中最优综合。在此阶段要确 定的是单元间的联接关系，是结构变量，是过程系统能否达到优化的根本大计。 但是，可以满足生产要求的过程结构不至一个，特别是石油、化工系统，生产同 一种产品，可以用不同的原料，不同性能的生产装置，组成不同的工艺路线。 以焖经济分析作综合分析方法比较成熟，它们的相似之处，主要是把整个 系统从能量平衡、炯平衡、熵平衡和收支平衡出发，把投资与烟损耗相结合，一 方面它可以找出炯损耗最薄弱的环节；另一方面，可以减少可避免的投资【9 】。尽 管这种分析在该领域得到广泛的应用，但大部分都停留总体分析上。 德国著名堋经济学专家t s a t s a r o n i s 用三个堋经济学变量炯效率、堋经济 学因子 、相对费用率吃( 三个变量的意义见第二章) 来评价过程系统的优化方 向，给炳经济学方法的过程系统优化带来很大的进展，并且给过程系统优化带进 深的层次，人们可利用以上三个变量逐渐向最优的目标接近。 ( 2 ) 最优设计 在给定过程结构的条件下，要求确定各单元的最优参数的优化计算，这个 阶段称为最优设计。待定参数称为设计变量。最优设计是以过程系统的模拟为基 础，通过系统的优化模型进行的。 中东的沙特等国家的大学对的冰箱和空调机功率调节方案进行堋分析。一般 利用压缩机来作为调节冰箱和空调机功率的主导设备。压缩机的调节器又可分为 两种：l 、调节器可以调节任何压缩机；2 、调节器由生产压缩机的厂家自带；他 们提出了三个方案： i 在蒸发器的出口处注入热瓦斯； 图1 1 渐江工业大学硕士学位论文 二 i i 在蒸发器的入口处注入热瓦斯； 图1 2 i i i 由于热瓦斯和液态制冷剂汇合开设旁路。 图1 3 在不同的温度和不同的功率载荷下进行对炯分析因子c o p ( t h ec o e f f i c i e n t o fp e r f o r m a n c e ) 利用图象进行比较分析，及各个器件在不同载荷下的不可避免 堋损耗比较。得出最佳的设计方案：i 方案损失最大，i i 方案损失最小【引。它是 用堋效率来分析设计是否达到最优化，比用热力学第一定律更有效。 f 2 ) 最优操作 在结构参数和设计参数都已固定的条件下，为使生产过程在外界条件变化以 及各种干扰因素或控制参数进行优化分析和运算，叫最优操作。 荷兰的j e r o e n 等把堋分析应用于造纸和制板技术，对现有的造纸工艺流程进 行分析，开发新的压缩与干燥技术和潜在的余热回收，将为现有的造纸能量消耗 减少到原来的7 5 9 0 川。 热系统是由一些设备组成，比如压缩机、空气分离器、燃烧炉、透平等。每 一设备在出厂都完好时，整个系统在额定功率下堋效率是最高的。但是当系统中 某一个设备或多个设备出了故障，只有找出具体出问题的设备才能进行维修。意 基亏可避免的炯损耗与设备投费的过程系统优化方法 ! 大利的m d e n t i c ed t a c c a d i a 和m s a a 0 提出用炯分析来检测故障的方 法，通过对每一个设备进行炯分析，看那一个设备炯损增加。那就要考虑这个设 备的原来的炯效率，再去考虑别的设备是否结构上是否出问题。这种方法对较少 的设备组成系统比用复杂的数学工具在计算机来仿真来得简便、直接。但对多设 备复杂的系统就失去了优势。 在国内过程系统分析的经济与能量分析相结合的有西安交通大学的严俊杰、 邢秦安等在火电厂热力系统经济性诊断理论及应用作了研究，其中包括：凝汽机 组、叠置机组、再热机组热力系统及运行参数的经济性定量诊断方法和数学模型。 火电机组热力学系统定量分析是火电机组经济诊断的重要组成部分和进行汽轮 机组经济性诊断的有效手段。该方法是在6 0 年代后期，苏联学者库兹涅佐夫首 先提出了“等效热降法”，7 0 年代传入我国后，经西安交通大学的研究，得到了 拓展，使其作为一种新的热工理论得以创造和完善。这种方法以其快速、准确、 简捷的特点成为火电厂热力系统局部定量分析的主要工具。汽轮机热力计算通常 采用热平衡方法，该方法对热耗计算准确性高，但对热力系统局部计算需全面计 算，既繁杂，又不明了。等效热降法适于热力系统局部定量计算，该方法只研究 与热力系统变化有关的部分，简单明了，且计算结果与简易热平衡计算基本相同， 但因汽轮机排汽焓和轴封用汽量难以取准，对汽轮机热耗计算误差较大。采用等 效热降方法对回热系统进行局部定量计算分析“等效热降法”是火电厂进行热力 系统定量分析的有力工具 1 1 】。与传统的常规计算相比，具有计算简捷、准确等特 点，尤其是在对热力系统进行局部定量分析时，更突出了它的这一优越性。等效 热降法的使用有着严格的限制条件：首先，等效热降的计算是以新蒸汽流量保持 不变为前提条件的；同时，它还假定新蒸汽参数、再热参数、终参数以及各抽汽 参数均为已知，且保持不变，即汽轮机膨胀过程线的变化暂时不考虑。此外，为 了局部定量分析的方便，设定加入循环的热量q ( 燃料供热量) ，也保持不变【1 2 】。 用于过程系统优化的方法很多，而且在方方面面都得到的应用。由于世界各 国对环境与能源的日益重视，把经济学与炯分析相结合炯经济学方法也越为人们 所使用，但媚的具体分析工作量很大，给优化评估带来不方便，效率低下，甚至 效果不明显。我国过程系统优化技术面临以下主要问题： ( 1 ) 我国大部分过程工业企业是按原苏联模式建设起来的大中型企业，长期 浙江工业文学硕士学位论文 ： 在计划经济体制下运行，缺乏竞争。先进的信息技术和过程系统技术是就应用 而应用，没有和推行现代企业制度，进行企业重组或改革紧密结合起来。就目 前状况来说，基本上仍是在计划体制下，用行政手段实行自上而下的集权管理。 ( 2 )技术水平参差不齐，总体水平落后发达国家1 5 2 0 年。为了缩短这种差 距，虽然引进了多项成套设备和技术，包括国际先进的工艺技术和设备技术乃 至信息( 软硬件) 技术，但尚未形成集约化的、有中国特色的系统技术。系统技 术一直被忽视，迄今仍是最薄弱的环节。 ( 3 )过程工业原有的生产自动化水平比离散制造业高，但c i p s 研究开发和推 广应用落后于c i i s ，“自动化孤岛”、“子过程孤岛”现象严重，下层的生产自 动化系统和上层的管理决策信息系统严重脱节。 ( 4 )优化目标主要局限在物料目标，对能量目标和环境目标等尚缺乏足够的 重视，上层的生产计划调度、企业管理、经营决策、市场营销尚缺乏定量模型， 距管理决策科学化还有很大差距。 一方面向控制层面深化，使先进控制和在线优化更有针对性，产生更大的效 益；另一方面向设计改造层面深化，使扩产、节能改造，乃至新装置的设计、投 资决策、资金配置逐步脱离目前自上而下纯行政干预，长官意志，粗放经营的状 况。信息技术的应用已经历了起步阶段( 计算机硬件起主要作用) 和网络化系统化 阶段( 软件起主要作用) ，现在正步入信息化阶段( 最终用户起决定性作用) 。在传 统工业中，无论是离散制造业还是过程工业”3 。 1 3 基于可避免的| 厢损耗与投资费用的优化方法 炯经济学方法以减少设备或单元总的焖损耗及由此引起的焖消耗、投资费 用来实现生产系统的经济优化。由于设备或单元本身原因和目前技术水平的限 制，烟损耗不能完全避免，投资费用更是不能完全避免。因此设备或单元的佣损 耗和投资费用可分为可避免和不可避免二部分，设备或单元的类型不同，其不可 避免的烟损耗和投资费用也不同，有的差别还比较大，故设备或单元在相同的炯 损耗和投资下可避免的媚损耗和投资费用也各不相同。在优化过程中真正有意义 的是可避免的炯损耗的投资费用，优化的重点应集中减少可避免的媚损耗和投资 费用。目前的炯经济学方法考虑的是总煳损耗和投资费用，虽然与传统的能量方 基于可避免的炯损耗与议备投资的过程系统优化方法一1 0 法相比有了很大的提高，但其方法还不尽合理，如不同类型的设备或单元的炯效 率( e x e r g e t i ce f f i c i e n c y ) ，炯经济因子( e x e f g o e c o n o m i cf a c t o r ) 等优化所依据的主要 技术指标没有可比性，显示的优化方向亦非最佳。可避免的炯损耗和投资费用给 出了设备或单元可改进的热效率和投资费用的真正潜力，考虑可避免的煳损耗和 投资费用的炯效率等主要技术指标不仅相同类型设备或单元可以比较，而且不同 类型设备或单元也有可比性，为生产系统的优化或改进指出了正确的方向。本论 文的目的是考虑可避免和不可避免的损耗和投资费用，给出可避免和不可避免的 焖损耗和投资费用的定义和计算方法，提出全新的以可避免炯损耗和投资为基础 的炯经济学分析方法，使炯经济学方法更为合理，理论更为完善；同时新方法对 生产系统的优化或改进更为明确，快速和合理，进一步节约优化或改进计算时间 和生产系统的设计费用和工程应用，提高生产系统的效率，降低环境污染。因此 本项目的研究具有重要的学术价值，显著的社会效益和经济效益，在国民经济建 设中有广泛应用前景。 l - 4 本文研究内容 1 、对目前佣经济学优化方法进行研究，找出它们所存在解决实际问题存在 的缺陷，针对不同的设备或单元的进行研究，给出可避免部分和不可避免的炯损 耗定义及可避免和不可避免的投资费用的定义： 2 、由炯损耗与设备投资费用的关系，提出可避免和不可避免炯损耗和可避 免和不可避免投资费用的计算方法： 3 、建立基于可避免的：l 甩损耗和投资费用为基础的炯经济学分析，炯经济学 堋效率，炯经济因子等主要技术指标计算方法，为热系统、化工过程系统等典型 系统的经济优化设计提供理论基础： 4 、利用新烟经济学分析方法，对目前所存在的佣分析和经济分析软件进行 改进，编制基于可避免的炯损耗与投资费用的分析方法计算软件，以便对热系统、 化工过程系统等典型系统的焖经济优化设计。 5 、针对以炼油残渣为原料的i g c c 发电系统的空分系统为优化对象，计算 其不可避免的炯损耗与投资费用，并利用所改进的计算软件进行煳经济学计算和 分析，对其提出改进方案并给出优化参数结果。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章焖经济学优化基础 2 1 堋 焖的概念在第一章中已用文字详尽的描述，但在实际应用中，炯是怎样推算 出来的? 下面是就最常用的热与功来阐明堋的计算方法及热系统堋中的数学表 达式。 2 1 1 有效热和无效热： 按卡诺( s c a r n o t ) 定理，在两个给定的热源( t l ，t 2 ) 问工作的可逆热机 循环( 无论其工质如何) ，其热效率为 1 1 = 1 - t 2 ( 2 1 ) 因此对1 k g 的物质系统而言，处于温度为t 时传递的微元热量6 q ，在给定的环 境温度t o 下，最大有效功，即有效热为： ( z 一争) 国= c 丁一兀，凼 相应地，其无效热应为： ( 2 2 ) ( 瓦丁) 国= 瓦出= 国。( 2 - 3 ) 由于这部分热量相当于与环境交换的热量，又可称为环境热6 q o 。 对传递的热量q ，其有效热和无效热( 环境热) 分别为 卜争国= 广( r - t o ) a s r 扣2 瓦虹g 。 t t 0 图2 - 1 有效热和无效热如t - - s 图( 图2 - 1 ) 所示 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 基于可避免的堋损苎兰兰鱼望竺竺兰翌! 苎竺兰! 苎 旦 一 1 - t o 厂r 0 q 图2 2 有效热还可示于热质如( v i r t u e ) 上图( 图2 - 2 ) ，如对l k m o l 的物质系统， 传递的热量q = m q ，则有效热和无效热( 环境热) 分别为 m n 等p = f “c r 一兀培 p 。， m r 知= 肘( l d s ) = 岣。= q 。= m ( 2 _ 7 ) 式中，m 为该物质的分子量。 2 1 2 有效功和无效功： 关于功量( 量) 的有效性和无效性问题，迄今未能起重视。传递的功量和传 递的热量具有形式上的对称性。当气体在气缸内膨胀或压缩时，系统与外界交换 的微元( 机械) 功为： 8 w = 一p d v ( 2 8 ) 其中，在给定的环境压力p o 下，对环境所作的微元( 机械) 功为 - p o d v = ( p o p ) 8 w o( 2 - 9 ) 这部分( 机械) 功，事实上不可能为人类所利用，因此它是无效的，是无效功， 因为它是对环境所作的( 机械) 功，故又可称环境功8 w o 。 由此可见，在可逆过程中其有效部分，即有效功为： 8 w t = s w 8 w o - 一( p - p o ) d v = ( 1 p o p ) 5 w( 2 - 1 0 ) 对传递的功( 量) w ，其有效部分和无效部分别为 w ，= 小鲁p = r h 如 陪国 w r 铷_ - p o v ( 2 - 1 2 ) 晰江工业土学硕士学位论文 旦 一 类似地，功有效部分和无效部分如图( 图2 - 3 ) 所示。 p v 图2 - 3 如对i k m o l 的物质系统，传递的功量w = m w ，则其有效部分和无效部分( 环境 功) 分别为【5 】 彬= 胁，= m 聃譬p = m 产b - p 0 如 p 。= m 。= m r 等o = m ( - p 。v ) = 一p 。v ( 2 1 4 ) 2 1 3 物质系统的堋和怃： 设有几何边界而无物理边界的i k m o l 物质系统的初始态t ，p ，e n ，s ，如 此系统经过一可逆过程后，与给定的环境达到非约束平衡( t 0 ，p o ，e o o ，s o o ) ， 在此过程中，释放给环境的热为q 嚣”；环境作的功为w o o ：对物质系统作的功为 w ；物质系统作出的最大有效功一一堋为e ，对此物质系统按热力学第一定律和 第二定律有： 矿一( 簖”+ 砜+ e ) = ( e 。一e n ) 一f 盟z , j = ( 乳一s ) ( z 小) 由上式，即得物质系统焖e 和怃a 的统一表达式： e = ( e n + w ) - - e n o o - - q 0 0 一w 0 0 ( 2 1 6 ) a = ( e n + w ) 一e = e n o o + q 0 0 刚+ w o o ( 2 1 7 ) 式( 2 1 5 ) 和( 2 1 7 ) 表明，物质系统的堋等于该系统携有的能量e n 和传 递给系统的能量w 之和扣除无效能e n 0 0 、无效热0 0 0 和无效功w 0 0 。物质系 统的怃等于上述三项被扣除的无效量之和。式( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 适用于静止的、 流动的、有物理边界的以及无物理边界的各种物质系统。这个统表达式的物理 基亏可避免的塑塑兰墨竺! 垦竺竺兰兰查苎竺竺查堕一一1 4 意义明确，概念清楚，具有一定的理论意义和实践意义。 对每k g 物质，物质系统的比炯和比火无的统一表达式为： e - ( e n + w ) 一e n o o + q 0 0 ”一w o o ( 2 1 8 ) 一e n + w ) 一e = e n 0 0 + q 0 0 ”v + w o o ( 2 1 9 ) 2 2 经济评估 在工程建设中，经济评估对节约社会劳动、合理利用资源，充分发挥资金的 作用有着重大的现实意义。 2 2 1 几种常规的经济评估法 ( 1 ) 经济效果的静态分析法： 投资收益率 投资收益率( 又称投资利润或投资效果系数) ， 项目总投资额的比值，用公式表示： e ：丝 丘 式中：e 一一投资收益率 k 一一项目总投资额 它是后获得的年净收入与 ( 2 2 0 ) m 一一年净收入 货币的时间价值： 资金的时间价值是以一定的经济活动所产生的增值或利润来表达的，因此， 利息、利润是资金时间价值的体现，是衡量时间价值的绝对尺度。利息是资金占 有者转让使用权所取得的报酬，资金使用者所付出的代价。利润是资金投入生产 流通领域直接所获取的增值，也是衡量资金时间价值的绝对尺度。 衡量资金时间价值除可用绝对尺度之外，也可用相对尺度。通常我们把单位 时间内的资金现值与原来资金额( 本金) 的比值称利率，用百分数表示，它可反 映资金增值的速度。习惯上把银行储蓄或债务资本支付中，单位时间的利息额与 本金的比值称为利率，而把单位时间内直接投资生产、流通中所获得的利润额与 投资的比值称资金利润或投资收益。技术经济学中，把资金增值的利息、利润可 统称为收益、因此，利润率、利率也可用收益率来统称，它们都是衡量资金时间 价值的相对尺。 浙江工业土学硕士学位论文 旦 单利与复利：单利法就是只对本金计算利息，对利息不再支付利息，在整个 计息时间内只考虑本金产生利息，上一计息周期的利息不转入本利息周期的本金 中计算本计息周期利息，也即“利不生利”，按单利计息方式，利息和占用资金 的时间、本金量成正比的关系，比例系数即利率，写成公式： i = p n i 本利和写成公式：f - - - - - p + p n i = p ( 1 + n i ) 式中：i 一一n 期利息额 p 一一本金 i 一一利率 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) f 一一n 期末的本利和 复利法就是把上期末的本利和作为本期基数计息，即考虑上期利息再投入生产 流通过程中去继续增值，也通常所说“利生利利滚利”。 ( 2 ) 经济效果的动态分析法 净现值法： 净现值法中所指的“现值”并不是一定指“现在”的价值，而是用做决策时 所采用的基准时点，可选建设期末、使用期初，也可选建设期初。另外，这里所 指的“净值”是指现金流入量与流出量之差值，因此，净现值就是净现金流折算 累计值，记为n p v ，如果净现金累计为正值，说明在这个基准收益率下收入大 于支出，累计为负值，说明支出大于收入。 净现值计算方法：净现值计算方法是将项目寿命期内发生的资金流量，用 流入量减去流出量得出年净额，然后按某一基准折现率用现值复利式公式逐一 计算其现值，再加和累计其值。其计算公式如下： n p v = f , ( p f ，f o ，f )( 2 2 3 ) 工程中：f t 一一第t 年的净现金流量，收入减去支出后的净额 t 一一现金流量发生在第t 年 i o - - 一基准收益率 n - - 一方案的研究期或寿命 基准收益率( 基准折现率) ： 基于可避免曲煳损耗与设备投资的过程系统优化方法 兰 基准收益率也称基准折现率，国外也有称最小目标收益率( m a r r ) ，它是 指投资者可以按照利率取得的投资效益。一般来讲，进行财务评价时，若己制定 了部门或行业的基准收益率( i o ) ，则按部门或行业的规定进行计算评价。若没有 规定，则可根据下面原则确定目标收益率。这一原则是：不论是用银行贷款或筹 资金进行投资，目标收益率以在贷款利率基础上再加5 风险系数。 净现值率( n p v r ) ： 净现值率就是净现值与投资额现值之比值，它反映了每单位投资现值获得净 现值。写成公式如下： 净现值率= 淼 用符号式表示： n p v r ：_ ! 二( 2 - 2 4 ) f ，( p f ，- o ，i f ) ，= 0 式中：n p v r 一一净现值率 f 。一一第t 年投资额 净现值率反映了方案的相对经济效益，净现值率愈大，投资的经济效益就 越好，无论从投入与产出角度考虑，或从资金有效运用角度来说，选净现值率最 高的方案应是最好的方案。 2 2 2 工程的经济学评估： 一个完整成功的热系统设计项目，它需要考虑参照经济、技术、和社会法 制背景下各种假想和预测，并应用工程技术经济对项目( 项目的总投资、燃料 费用、操作和维护费用及最终产品费用等) 主要费用进行估计。 影响热系统设计选择的最重要的一个因素是其最终产品成本。一项产品的 成本是指得到或生产它所付出的资金。产品的市场价格不光受它的生产成本和 所期望利润的影响也受其它诸如产品的供求、竞争、调节和津贴等因素的影响。 在热系统设计中我们所感兴趣的是生产成本，我们使用市场价格仅是用来估价 系统的副产品。 产品的总成本由固定成本与可变成本组成。固定成本区别于其它成本在于 它不受生产率的影响。成本折价、设备税收、保险、维护、租金都属于这一类。 浙江工业土学硕士学位论文 旦 一 可变成本是直接受生产率的不同而不同，它包括原料的成本、劳动力、燃料和 电力。 好的成本估算是成功地完成工程设计的关键因素。成本估算在所有的设计 阶段中进行，以便为每阶段提供一个选择基础。主要的产品费用可通过以下四 个步骤来完成： ( 1 )估算总的投资费用 ( 2 )确定计算具体成本的经济、财务、操作、市场参数 ( 3 )计算总的收入需要 ( 4 )计算等值生产费用 1 、总投资资本的估算： 与持续、重复的燃料费用和操作维护费用相比投资费用是一次性的。用于购 买土地、建造所必要的工具和购买、安装所需的机器的资本叫做固定资产投资。 总投资是固定资产投资和其它资本总和。为了估算新系统的总投资，把总投资分 为两大重要部分：直接投资和间接投资。具体划分如下： i 固定资产投资( f c i ) a 直接投资( d c