原油管道的热经济学优化设计与运行.doc

分类号：TE832 单位代码：10220 UDC： 密 级： 原油管道的热经济学优化设计与运行第一章 绪 论1.1 本文研究背景1.2 课题研究现状 第二章 热经济学基本原理2.1 火用分析原理2.1.1两种能损失（能量和能质）P79火用分析节能技术2.1.2两种火用损失（内部和外部）P81火用分析节能技术2.1.3火用平衡模型2.2 热经济学原理2.2.1热经济学与传统热力学分析区别传统 P178 （火用分析节能技术）目前2.2.2 热经济学研究内容（1）能量系统的热经济优化设计（2）能量系统的热经济最优化运行研究（3）合理确定能量系统各种产品的成本，火用单价（4）能量系统的经济决策及可行性研究2.2.3 热经济学评价方法第三章 管输原油过程火用的传递和转换管道运输是当今世界最主要的原油运输方式，我国原油百分之八十以上是通过管道进行输送的。我国所产原油大部分是低温流动性较差的高含蜡原油，需采取有效的降凝降黏措施，如逐站加热等方式使油品黏度降低，此时输送油品可减少沿程摩阻损失，节省输油所需动力消耗1。而随着人们对油品需求不断增加，导致热油管道输送油品的能源消耗和输油成本的大幅增加，因此应用能分析方法对管输原油过程进行用能评价，找出其用能薄弱环节并加以改进，对管输过程节能具有重要意义2。管道输送原油过程中存在着能的传递和转换，能具有质和量的双重属性，能量在传递和转换过程中数量守恒，火用作为过程进行的推动力是能质的量度，由于管道输送原油中存在扩散、传热以及流体流动等热力学不可逆过程，因此能的质量不可避免的产生了变化，其品质已经降低，即火用的总量减少，减少的那部分火用蜕变为火无，火无不可重新再利用因此成为真正的能损失。对此应充分有效地发挥火用的作用，尽可能减少那些不必要的火用损失3。因此对管输过程火用的传递和转换的研究，在计算由于不可逆性而产生的火用损失，和有效的利用能量并改善传递过程性能有着重要的意义。3.1 管输过程火用传递模型3.1.1 管输过程基本场平衡方程利用管输过程中的各种传递方程，可以重新建立不同形式火用的分量传递方程。通过分析不同形式火用之间的传递和转换规律，来确定火用损和不可逆过程之间的定量关系，进一步获得管输过程的总火用传递方程。流体力学的基本方程组所反映的是物质在其运动过程中，能量和质量进行的传递和转换所遵循的物理规律，包括力学范畴的质量守恒定律和动量平衡定律，热力学范畴的能量守恒定律和熵平衡方程，以此作为火用传递的基本方程组，进而得到火用平衡方程。质量守恒方程4： （1）动量守恒方程： （2）能量平衡方程5：（3）熵平衡方程： 假定体系的居于热力学平衡条件成立， （4）式中，式中，熵产分别由原油的粘性、热传导、质量扩散、热传导与质量扩散的耦合、化学反应及外力作用的不可逆性引起。火用平衡方程： （5）式中，为单位体积的火用损率。以上质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、熵平衡方程和火用平衡方程构成了管输火用传递过程的动力学基本方程组，描述了原油在管道输送过程中火用传递的基本规律，将其应用到实际过程可以求得其火用的时空分布，为研究管输不可逆过程火用损失提供了合理的依据5。3.1.2 管输过程不可逆火用传递方程在管输原油过程中，动量、质量、热量传递及任何其它形式的传递现象,其共同本质是能量和火用的传递和转换,即各种强度量势场梯度驱动力作用下的能流和火用流。在管道输送这一不可逆过程中，在压力势场力的推动下产生压火用流密度,在温度势场力的推动下产生热火用流密度。对于一般热力学体系，其火用平衡的动力学方程为： （6）式（6）即为普遍化热力学体系的火用平衡动力学方程表达式。它反映了不同形式火用之间传递和转换的普遍关系。其中，右端第一项为经由体系的边界输入体系的火用；第二项为由于体系强度量分布不均而使过程不可逆的转换为其他形式的火用；第三项为火用的源项，一般为火用产率或火用损率；第四项为经由广义的Gibbs-Duhem关系可逆的相互转换的部分，该项总和为06。而对于管输过程，在考虑体系仅有热能和压能的存在情况下，给出如下方程。（1）压火用传递方程压火用是系统由于相对于环境基准的压差而具有的理论做功能力,其强度量是压力P,广延量是体积v。压火用的微分式为，负号源于体积膨胀系数对外做功时，系统的压火用减少7，引起火用传递的力是压力梯度,产生的流即压火用流8。由压力场的压差引起的火用，称为压火用， （7）式中，P管道压力，Pa；P0管外环境压力，Pa；V介质体积，m3。压火用传递方程： （8）式中，右边第一项为在正交压力（静压力和粘性应变压力之和）的作用下输入体元的压火用；第三项为由于流体摩擦压火用不可逆的转换为热火用的部分，能级降低了。（2）热火用传递方程热火用是系统由于相对于环境基准的温差而具有的理论做功能力,其强度量是温度T,广延量是熵s。热火用的微分式，将熵的定义代入，得7，引起火用传递的力是温度梯度,产生的流即热火用流8。由温度场的温差引起的热火用， （9）式中，比定压比热容热火用传递方程： （10）式中，右边第一项为经由热传导、热辐射和质量扩散传输的火用；第二项是由于热传导过程中火用不可逆的降级部分，即热火用损；第三项是压火用不可逆转换为热火用的部分，但降级为原来的倍。则其总火用流可表示为： （11）负号表示火用流量传递的方向与势场的梯度方向相反。3.2 管输过程火用传递分析及火用损分类3.2.1 管输过程压火用流3.2.2 管输过程热火用流火用分析法弥补了热力学第一定律单纯的以能量的数量关系来分析过程和循环的不足，从而能够进行各种热力过程和热力循环的热力学不完善性分析，而常规的火用分析法只能刚指出热力过程或循环改进的潜力或可能性，而不能之处改进的是否可行，这是因为常规的用火用分析法的基础仍是以无驱动力的理想过程和理想循环作为分析基础的。实际上，热力过程和循环的进行均需要一定的驱动力，这些驱动力包括温差、压差和化学势差。等驱动力的存在必然导致火用损失，驱动力越大，过程进行得就越快，火用损失就越大，但要使热力过程和循环过程得以进行，就不可避免地要有一驱动力，从而不可避免的会产生些火用损失。为了对实际热力过程和热力循环进行有实际意义的分析和指导，可以将火用损失换划分为两部分：可避免的火用损失和不可避免的火用损失。3.2.3 不可避免火用损失 不可避免火用损失定义为技术上或经济上不可避免的最小火用损失，从而有将火用损失划分为可以避免的火用损失不可避免的火用损失后，热力过程和循环的改进就从笼统的减少火用损失改变为只减少可避免的火用损失，从而真正实施过程和循环改进。在可以避免的火用损失和不可避免火用损失概念的基础上，定义使用火用效率和实用火用损失系数，公式如下：式中：为火用收益，为火用代价。这样，在进行火用分析时，求取实用火用效率和实用火用损失的关键就在于求取过程和循环的不可避免的火用损失。3.2.4 可避免火用损失加入管道部分能量系统的热力学分析方法傅秦生 第十章3.3 管输过程火用传递转换与热经济学结论（1）通过普遍化火用的传递和转换关系推导出管输过程压火用和热火用的传递方程，得到管输过程压火用和热火用的传递和转换规律及其影响因素，为分析管输过程流体能量传递和转换机理提供依据。（2）管输各不可逆过程是原油能量的传递和转换中能量耗散的来源，分析得到的管道温降和压降变化对不可逆过程火用的传递和转换的影响，为深入探索管输实际过程中不同形式火用的转化和贬值的关系提供了理论基础。（3）对管输不可逆过程的火用传递和转换研究，不仅将在传输过程中起推动作用的热火用和压火用每一部分火用值的传递和转换关系细化并做具体分类，而且从微观角度阐述了火用流的传递和转换随管输过程进行的定量关系和变化规律，可作为以火用传递为基础的管道能耗评价体系的补充。管道优化方法对比第四章 管输过程热经济学成本分析及计算4.2 管输过程代数模式热经济学计算 4.2.1 火用流计算 4.2.2 火用损计算 4.2.3火用损定价4.1 管输过程热经济学成本模型 4.1.1 火用流计价策略（基于火用分析和火用经济分析的过程系统能量综合优化研究 谢伟P21）（序贯计价策略、当量计价策略）（动力工程热经济学 王加璇） 4.1.2 火用流单位火用成本 4.1.3 热经济学成本方程4（动力工程热经济学 p60）（开篇背景介绍）4.3 管输过程优化模型