（工程热物理专业论文）热经济学结构理论对300mw机组运行特性的分析.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 该文以热经济学结构理论为基础，以3 0 0 m w 凝汽式机组为热经济学研究对象， 建立了系统的热经济学成本模型，通过计算各个组元的热经济学成本，获得了各项经 济指标及热力过程的成本形成，利用c + + 语言，编制凝汽式机组热经济学计算程序， 定量分析了设计工况下设备火用成本的分布规律，指出了在系统节能分析中应重点考虑 的单元，并定性地分析了导致热力系统性能降低和成本增加的主要原因及比火用损与比 不可逆成本对产品能量成本的影响；同时还利用估算投资成本计算机组热经济学成 本，计算某局部参量变化时各成本的变化情况，并对系统优化提出合理化建议，对实 际运行机组的节能改造有一定的实际意义。 关键词：热力系统，结构理论，火用成本，热经济学成本，程序设计 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，b 嬲e do nt h es t r u c t u r a l1 1 1 e o 巧o ft h e m l o e c o n o m i c ，t h ec o s t 肌a l y s i s m e t h o di sa p p l i e dt 0t h e m a ls y s t e mo f3 0 0 m w c o n d e n s i n gp o w e rp l a n t t h e 皿o e c o n o m i c c o s tm o d e l 、嬲e s t a b l i s h e du s i n gs t n l c t 叫隐lt h e o 移舢lt h ee c o n o 血ci n d i c a t o r s 姐dc o s t f o m a t i o no ft h c 也e r m o d y n a m i cp r o c e s s 、 ，e r eo b t a i l l e db yc m c u l a t i n g 也et b 崩1 n o e c o n o m i c c o s to fe hc o l n p 0 n t w i 血i n l p l e m e n t a l i o no fc + + l 趾g l l a g e ，at h e 姗o e c o n o m i c c a l c u l a t i o ns o r w a r ef o rc o n d e i l s i n gp o w e rp l a n tw 弱p r o g r a m m e da c c o r d i n gt ot h ep r e s e n t t h e 皿a lp o w e rs y s t e m t h ed i s t r i b u t i o no f 钮e 培e t i cc o s ti nd e s i g nc o n d i t i o n sw 嬲觚a l y z e d q u 舡l t i f i c a t i o n a l ；i ta l s op o i n t e do u tw h i c hu i l i th 嬲t 0b ec o n s i d e r e dm o r ei ne n e r g ys a v i n g a n a l y s i s a tt h es 锄et i m e ，n o t0 1 1 l yt h em a i nr e a s o nf o rp e r f o 珊a n c ed e c r e a s i n go ft h e 咖a l p o 、 ，e rs y s t e ma i l d c o s t i n c r e a s i n g ， b u ta l s ot h ee 丘- e c to fe n e r g yd e s 仃u c t i o na n d i r r e v e r s i b l e c o s to nc o s to fp r o d u c te n e r 雩；) ，w a sa n a l y z e dq u a l i t a t i v e l y t h ev 撕a b l e c o n d i t i o no ft h e 眦o e c o n o m i cc o s tf o rt h es y s t e mw 弱c a l c u l a t e dw h e ns o m el o c a l p a r a m e t e r sw e r ec h a n g e d ，a i l ds o m er a t i o n a l i z a t i o np r o p o s a l sf o rs y s t e mo p t i m i z a t i o nw e r e p u tf o r w a r d i tc a nb ep r a c t i c a ls i g n i f i c 锄tf o rt h ee n e r g ) rc o n s e n ，a t i o n c h ir a n ( e n g i n e e r i n gt h e n n a lp h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f l ih u i j u n k e yw o r d s ：t h e r m a ip o w e rs y s t e m ，s t r u c t u r a it h e o r y ，e x e r g e t i cc o s t ， t h e r m o e c o n o m i cc o s t ，p r o g r a m m i n 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 该文以热经济学结构理论为基础，以3 0 0 m w 凝汽式机组为热经济学研究对象， 建立了系统的热经济学成本模型，通过计算各个组元的热经济学成本，获得了各项经 济指标及热力过程的成本形成，利用c + + 语言，编制凝汽式机组热经济学计算程序， 定量分析了设计工况下设备火用成本的分布规律，指出了在系统节能分析中应重点考虑 的单元，并定性地分析了导致热力系统性能降低和成本增加的主要原因及比火用损与比 不可逆成本对产品能量成本的影响；同时还利用估算投资成本计算机组热经济学成 本，计算某局部参量变化时各成本的变化情况，并对系统优化提出合理化建议，对实 际运行机组的节能改造有一定的实际意义。 关键词：热力系统，结构理论，火用成本，热经济学成本，程序设计 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，b 嬲e do nt h es t r u c t u r a l1 1 1 e o 巧o ft h e m l o e c o n o m i c ，t h ec o s t 肌a l y s i s m e t h o di sa p p l i e dt 0t h e m a ls y s t e mo f3 0 0 m w c o n d e n s i n gp o w e rp l a n t t h e 皿o e c o n o m i c c o s tm o d e lw a se s t a b l i s h e du s i n gs t m c t u r a lt h e o r y a 儿t h ee c o n o m j ci n d i c a t o r s 姐dc o s t f 0 m a t i o no ft h ct h e r m o d y n a m i cp r o c e s s 、e r eo b t a i l l e db yc m c u l a t i n g 也et b 唾；m o e c o n o m i c c o s to fe a c hc o m p o n c n t w i 血i m p l e m e n t a l i o no fc + + l a n g w 唱e ，at h e 姗o e c o n o m i c c a l c u l a t i o ns o r w a r ef o rc o n d e i l s i n gp o w e rp l a n tw 弱p r o g r a m m e da c c o r d i n gt ot h ep r e s e n t t h e 皿a lp o w e rs y s t e m t h ed i s t r i b u t i o no f 钮e 培e t i cc o s ti nd e s i g nc o n d i t i o n sw 嬲觚a l y z e d q u 舡l t i f i c a t i o n a l ；i ta l s op o i n t e do u tw h i c hu i l i th 嬲t 0b ec o n s i d e r e dm o r ei ne n e r g ys a v i n g a n a l y s i s a tt h es 锄et i m e ，n o t0 1 1 l yt h em a i nr e a s o nf o rp e r f o 珊a n c ed e c r e a s i n go ft h e 咖a l p o 、 ，e rs y s t e ma i l d c o s t i n c r e a s i n g ， b u ta l s ot h ee 丘- e c to fe n e r g yd e s 仃u c t i o na n d i r r e v e r s i b l e c o s to nc o s to fp r o d u c te n e r 雩；) ，w a sa n a l y z e dq u a l i t a t i v e l y t h ev 撕a b l e c o n d i t i o no ft h e 眦o e c o n o m i cc o s tf o rt h es y s t e mw 弱c a l c u l a t e dw h e ns o m el o c a l p a r a m e t e r sw e r ec h a n g e d ，a i l ds o m er a t i o n a l i z a t i o np r o p o s a l sf o rs y s t e mo p t i m i z a t i o nw e r e p u tf o r w a r d i tc a nb ep r a c t i c a ls i g n i f i c 锄tf o rt h ee n e r g ) rc o n s e n ，a t i o n c h ir a n ( e n g i n e e r i n gt h e n n a lp h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f l ih u i j u n k e yw o r d s ：t h e r m a ip o w e rs y s t e m ，s t r u c t u r a it h e o r y ，e x e r g e t i cc o s t ， t h e r m o e c o n o m i cc o s t ，p r o g r a m m i n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文热经济学结构理论对3 0 0 m w 机组运行特性的分析，是本人在华北电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已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：丝盘 日 期： 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： 日期：一缱曼：z 导师签名褪 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 热力系统热经济学研究目的及意义 上世纪7 0 年代，爆发两次世界范围内的石油危机，这是能源短缺的征兆。从 世界能源储量探明结果看，不仅仅是石油紧缺，其它一次能源都十分紧缺。中国人 均能源资源非常匾乏，人均能源资源占有量不到世界平均水平的一半【1 1 。 随着社会的进步，人类追求舒适快捷高质量生活的欲望不断增加，作为社会进 步基础的能源消费趋势无法逆转。人类社会的更替是以能源消费为代价的，1 9 8 7 年 联合国发布了一个经专门研究汇总的人类社会进步发展与能耗的关系，表中数据显 示，由原始社会发展到今天的科技时代人类人均耗能增长了1 1 0 倍。2 0 世纪以来， 世界范围能源消费大幅度增加，1 9 0 0 年，世界能源消费总量约为7 7 5 1 0 8 t 标准煤， 而1 9 7 5 年就增加到8 5 7 1 0 8 t 标准煤，增长了1 0 倍多。预计未来2 0 年世界能源消 费增长率为1 6 一2 i 列能源的开采、运输不但会造成水源、土地和地球生态系统 严重污染，而且能源的消费也会对环境造成污染。目前，各用热设备的热利用率较 低，在电厂一般热利用的平均效率为3 4 ；采暖的热利用率也不过是7 0 一8 0 左右。 大量的余热经烟气排向大气，或经废热水排入水域。使大气和水域的温度升高，同 时使水体周围的气温升高，昆虫改变生理周期，危害整个生态系统【3 j 。 从热力学观点出发，人类和人类社会都是耗散结构。一个远离平衡态的开放系 统，当外界条件或系统的某个参量变化到一定临界值时，通过涨落发生突变，就有 可能从原来的混乱无序转变为一种时间、空间或功能有序的新状态。要稳定或维持 这种远离平衡在非线性区域形成的宏观有序结构，需要与外界不断的进行物质和能 量交换。这种需要耗散能量或物质的有序结构称为耗散结构。 火力发电厂是消耗一次能源的大户。现在我国火电厂年耗能量约占全国能源总 产量的2 0 。然而我国的发电能耗水平与发达国家相比还存在较大的差距，即使情 况较好的火电厂供电煤耗也高出国际先进水平。因此降低电厂能耗，提高能源利用 率具有重大意义。在我国，8 0 年代就曾提出热经济学在发电厂中的应用，但由于当 时电厂运行的安全性未能彻底解决及体制上的原因，各电厂把安全放在首位，各种 参数调节总是留有最大的安全裕量，甚至远远超过这个已经留有很大安全裕量的标 准，造成电厂热效率下降，煤耗率增加。随着电力工业改革的深入，电力供需矛盾 的缓和，电力市场化机制的形成，厂网分离、竞价上网已成为必然趋势。在这种形 势下，降低发电成本、提高机组运行经济性已成为发电厂的迫切需要，电厂热经济 性的研究也就成为了各电厂在安全性得到保证前提下的首要课题。 原有的热经济分析多数是以热力学第一、第二定律为核心开展的，主要是在提 l 华北电力大学硕士学位论文 高能源的利用效率上进行研究与考虑。但是随着我国改革的进一步的深入，企业的 自负盈亏、自主经营渗透到各个企业部门，电力工业企业也不例外。这样企业关心 的就不仅仅是如何节约能源，而将重点主要放在了与企业发展密切相关的经济效益 上来。这样对于热经济性的分析又提出了新的任务，即如何充分考虑节能与节钱的 并重。“节能但不节钱 的现象是任何企业都不能接受的现象。 单纯经济学的分析虽然能够计算整个电厂燃料，投资，运营和维护的成本，但 是既不能评估发生在子系统的单一过程，也不能确定在系统中的成本分摊，更不能 对多产品的系统成本分摊进行严格的计算。而热力学分析能够计算子系统的效率， 确定不可逆损失，但不能说明成本形成的过程。因此就出现了新的能量系统分析方 法，它们是基于组件功能，利用线性火用方程定义能量系统的热经济学方法。这种新 方法综合了两者的优点，能够分析复杂能量系统的生产过程，得出资源消费的经济 收益和效率，这是经济学或热力学单独一门学科所不能完成的。于是考虑到经济因 素的热经济学的研究就由此发挥了它自身的特点来解决其它分析方法很难解决甚 至不能解决的问题，尤其是不同质量能的定价问题。 热经济学虽然模式众多，但是其所解决问题的目标大体相近，根据所用的方法 和目的通常可以分为两种类型，一种是成本会计法，另一种是系统优化法。成本会 计方法用于决定实际的产品成本，而且为定价提供合理的基础。优化方法用来寻求 技术和经济相平衡的最佳设计或运行方案。 1 2 热力系统热经济学研究现状 热经济学是上世纪5 0 年代末6 0 年代初兴起的一门研究热系统经济运转的应用 性新兴学科，也是热力学与经济学和系统工程学相结合而产生的一门交叉学科。热 经济学这一学科起因是热电联产装置中的蒸汽和电的定价问题。美国j h k e e n a n l 4 】 是第一位应用火用成本概念的。他认为电和蒸汽的价值在于有效能而不在于能，据此 得到的电价便与传统单产电的电价一致了【引。 可以说，自从有了人类就有了人类优化决策活动。优化决策的目的是要追求决 策的合理性。优化决策科学是一门综合交叉学科。发展到今天，优化决策的方法己 经很多。着眼于火用能系统的优化决策方法也不少。热力学分析法包括能分析法和火用 分析法。其中能分析法是以热力学第一定律为基础，按能量守恒原理分析系统能量 转换和利用；火用分析法是以热力学第二定律为基础，按火用量守恒分析系统的火用损失， 并确定火用损发生部位。热经济学分析法以热力学和经济学环境为约束条件，对火用能 系统产品进行成本定价，通过比较单位产品成本价格大小优化系统1 6 j 。 热经济学是热力学分析和经济因素特别是成本分析的结合产物。它走出了单纯 热力学分析的范畴而囊括了并在继续囊括许多因素，如为考虑环境可持续发展的生 2 华北电力大学硕士学位论文 态因素，以期在能量系统规划和设计阶段作系统分析和计算时，就同时进行生态平 衡的优化，因而就有了热经济学发展的技术、经济和生态的3 个层次平行处理的新 趋势。热经济学形成的分析计算模式是分散的，但有着相互继承和发展的成就。 考察热经济学的近期发展，确实有着明显地向统一方向发展的趋势，早在1 9 9 9 年v a l e r 。等人就已经提出关于热经济学理论与方法论的统一化的问题，2 0 0 0 年他与 b e r l a c h 合作发表了以“结构理论 所提供的方法作“热经济学的共同标准”。这些 做法都有利于推动热经济学的发展，但是我们知道统一只是相对的，而不统一才是 绝对的。现在推出的共同标准新方法的建议，用不了多久就会被另一种更高的新方 法取代。 热经济学分析所用的数学表达式基本上都是一元齐次方程，有一些个别例外的 只要稍加处理，剩下的仍是一元齐次方程，而把一些难以处理的难点集中于某一系 数，如结构系数模式热经济学，把问题留给了结构键和外部键系数的计算上。而 e r l 础的结构理论提供的方法为使各单元都能排成一进一出的子系统，而将例外的 单元虚拟成为“汇合点一和“分流点一，单独处理，剩下的都是以一元齐次方程所描 述的单元。这也是它所以能囊括以前的各种不同模式的重要原因，同时也是最容易 将它们以对角矩阵或几乎对角矩阵来表述的原因。在开发新的数学模式中，一些在 第一律分析中使用过的好方法，也不妨移植过来加以利用。 热经济学的结构理论也是一种数学方法，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 ) 。这里的输入输出不同于 实际物流的输入输出，而是指能量火用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物流的成本。 1 3 论文研究的主要内容 针对3 0 0 m w 凝汽式机组的热力系统划分成若干子系统，根据热经济学结构理 论建立数学模型，从而分析热经济成本分布规律及原因。本论文的主要工作是利用 热经济学分析方法对3 0 0 m w 凝汽式火电机组热经济性进行分析，内容包括： ( 1 ) 基于热经济学结构理论的方法，针对3 0 0 m w 凝汽式机组建立热经济学数学 模型。 ( 2 ) 应用所建立的数学模型具体分析3 0 0 m w 机组的运行特性，利用不同的性能 指标分析机组热经济性的变化趋势。其中包括火用损率、火用损系数等热经济性指标； 和单位火甩成本、火用流率、热经济学成本及火甩经济系数等热经济学指标。 3 华北电力大学硕十学位论文 ( 3 ) 利用v c + + 平台进行程序的编制，建立机组热经济学数学模型的具体实现， 对3 0 0 m w 机组的运行性能及火用损特性进行全面的分析计算，并且定量研究各种运 行参数对设备火用成本的影响。 ( 4 ) 进行各个工况下机组热经济性分析，根据计算结果，利用改进的热经济学结 构理论分析电厂在设计工况以及变工况下的成本形成及其分布规律，深入分析导致 发电成本增长的原因，并提出解决方案。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章热经济学基础及结构理论 2 1 热经济学的基本理论 热经济学的基本思路，一是把所要分析的系统放到两个环境中去进行考查，这 就是物理环境和经济环境，热力学第一定律分析不考虑环境问题，因为它把能只看 成简单的与环境无关的物理量，进行系统分析时只根据能的量的大小，计算进出系 统的能量的代数和。因此，这种分析只要一个能平衡方程就足矣。进入火用分析则就 必须考虑环境的因素了，火用是个势参数，它是系统与环境共有的参数，不论是系统 改变，还是环境改变，都会引起火用值的变化。因此，我们进行火用分析的时候，首先 先确定火用值计算的基准态，而且基准态的选取常常会对计算的简繁程度起到很大的 影响，这个基准态就是在进行火用分析时所设定的环境，描述这个环境的参量是热力 学的物理量，如温度、压力和化学势等，即物理环境。而对于热经济学分析来说， 除了计算煳值变化的基准态，还需要考虑另一环境，描述此环境的参量是一系列的 经济信息，如价格、成本和利润等，即经济环境。物理环境也就是自然环境，受着 一系列自然规律的约束；经济环境虽然不受这些自然环境的约束但要遵循一切自然 规律而不能违反。同时，影响经济的因素是多个方面的、多种性质的，因而对于经 济的因素就常表现出一些不确定性。这样在两个不同的环境中，进行统一分析就构 成了热力学和经济学交叉的热经济学。 热经济学的另一个基本思想，就是将系统划分为各个子系统，把连接各个子系 统之间和系统与环境之间相互作用的物质、能量以及现金都看成是流。这些流都严 格遵循着自然规律和经济规律，包括子系统之间的流入或流出，由系统流入环境或 由环境流入系统，描述这些流的规律的数学表达式就是其特征方程，而描述经济参 量流动的现金流的方程就是成本方程。热经济学分析就是要根据这些流在系统中所 构成的质量平衡、能量平衡、成本平衡，进行各种量的计算，以获得评价能量系统 所需的各种信息。成本平衡是指系统的产品成本等于为了获得此项产品而支付的全 部费用。成本平衡的数学表达式描述了系统的现金流状况，也叫做成本方程【引。 2 1 1 能量的热经济学定价 要准确合理地确定机组的产品成本，必须解决好以下问题：能量定价标准问题， 是以能定价，还是以火用定价。以火用为基础计算蒸汽成本，可使低压蒸汽的成本与其 使用价值相符，当蒸汽压力降低到无法使用时，其使用价值趋于零，单位火甩成本也 趋于零，符合经济规律。因此，在解决生产两种以上不同品位的产品成本问题时， 主张以火用定价。 5 华北电力大学硕士学位论文 虽然我们强调以火用定价的合理性，但也不是说进行任何能量系统的分析时都必 须用火用来定价，而绝对排除以能来定价当系统产品单一，而且其质量特性固定时， 其含能量与含火用量的比值是一个常数，这类系统以能定价和以火用定价只差一个比例 系数，所以以能定价和以火用定价并无原则区别。 这种两者的一致性只能在特定的系统条件下才能获得，实际在热经济学分析与 优化中所遇到的系统往往比较复杂，即使原本简单的系统，面临着优化时，也常需 改变其参数，因此我们还是主张对任何能量系统，一般均采用以：| ( 用定价，以火用为基 础进行分析计算。 2 1 2 热经济学成本方程 按照能量本身的特性给能量定价，我们主张以_ ：i ( 用定价比较合理。但对于能量产 品的成本，还可以进一步划成两类，由于获得能量产品所付出的代价，有直接的能 量消耗，又有非能量的消耗，从这一事实出发，可以把能量产品成本划分为能量费 用和非能量费用。这样我们可以把成本方程概括为 成本费用= 能量费用+ 非能量费用 在热经济学分析中，我们常用下列方程来描述成本方程 c p ，e 声一气毛+ c ： ( 2 - 1 ) 式中、c ，为产品的火用及其单价：瓯、气为输入系统的火用及其单价；e 为非能 量费用，c = z i + 尺，z 为各种设备的折旧费，r 为工资、管理等费用。 t 图2 1 表示了成本的构成关系 图2 一l 成本构成的示意图 以火用定价后，热力学量就变成了经济学量。根据经济平衡，可以写出式( 2 1 ) 的 成本方程式。由式( 2 1 ) 和图2 1 可以看出，火用的价格是在系统边界上确定的。取一 个简单的系统为例加以说明，如图2 2 所示，把它分为1 和2 两个子系统。火用流e 抽 先进入子系统1 ，进入子系统1 的火用价气按外部价格确定，即市场价格；然后子系 统l 向子系统2 输出火用流巨，子系统之间的火用价不附加利润，子系统1 输出的火用 价c ，就等于输入子系统2 的火甩价c ，又记作c ，；最后子系统2 输出产品火用流e ， 6 华北电力大学硕士学位论文 子系统2 的输出的火用价c 由市场价格决定。 图2 2 两个子系统的能量系统 根据式( 2 1 ) ，子系统1 的产品成本方程改写为 气2 巨，2 一c i i l 毛+ c l ( 2 2 ) 式中& ：、c 如为子系统1 输入子系统2 的火用及其单位成本。 对于子系统2 ，其输入火用流为r 2 ，其单位火用价即其成本( 内部经济不加利润) 为 钆，同样由式( 2 1 ) 得 = 气：毛z + e z ( 2 3 ) 又因为整个系统的产品火用成本不因划分子系统而有所改变，则 c e ，一c 厶e l + e 1 + c 2 ( 2 - 4 ) c 巴，c 厶己i - i + c 1 + c 2 【z 4 j 式( 2 4 ) 表明，子系统2 的输入火用的单位价格等于子系统l 输出“产品 ：j ( 用的单 位成本，这是因为子系统与子系统之间的火用交换不计利润，称为内部经济，其火用价 也叫传递价格。因而，在分成子系统写其成本方程时，需注意以下几点： ( 1 ) 子系统的成本方程必须满足经济平衡准则，即子系统的“产品”火用成本也应 包括两项：能量费用与非能量费用。 ( 2 ) 个子系统向其下一个子系统输出“产品 时，应遵守内部经济法则，不加利 润，只按其成本定价，即传递价格。 2 1 3 在系统的不同部位火用的不等价性 火用的等同性和不等价性是热经济学中火用在热力学和经济学的各自属性。火用定价 物理量把不同形式的能量等同起来，因为火用只是指能量的可转换部分。因此可以忽 略不同形式能量的差别，这是火用分析的特点，即具有等同性但是我们不能因此就 把切火用的经济值也随之等同，因为在系统中的各部位，在过程进行的不同阶段上， 为获得火用所付出的代价不同。在一般来说：能量消耗和非能量消耗都是越接近系统 末端越大，而接近初端者小，故火用在经济上是不等价的1 9 1 。 7 华北电力大学硕士学位论文 为了进一步说明问题，我们分析一个所有的子系统都一次排列的链式系统，如 图2 3 所示子系统1 的成本方程为 g = 瓦气+ c 。 ( 2 5 ) 式中c l 为子系统1 输出产品火用目的总成本，& ：、c l ，：为由子系统1 输入子系 统2 的火用及其单位成本。 图2 3 依次排列的链式系统 按照子系统的成本方程，子系统2 的输出产品砭的总成本为 c 2 = q + c 2 = 瓦+ e 。+ c 2 以此类推，子系统七的总成本为 g 2 气瓦+ 善巳 ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) 子系统七出口火用经历其前各子系统累计火用损后所需要输入火用玩一影冉仇代 入式( 2 - 7 ) ，有 印蔫+ 套巳 仇筒 则子系统七的输出火用鹾的单位成本为 ( 2 8 ) 嚏常警= 掣讹弘9 ， 式中 反：生。：二( 妻：左：兰) ，反叫做子系统七的单位火用成本增长系数。 仇 8 华北电力大学硕士学位论文 由于每个子系统的火用效率都是介于0 与1 之间的数，而且非能量费用是累积值， 只会越来越大，因此反大于1 ，而且随着序数七的增大而增大。这证明了在系统的 不同部位的火用成本是不同的，也就是说火用在经济上是不等价的，同时火用成本越接近 系统的末端越大。进一步分析可见造成火用成本递增的因素有两个：一是能量的，即 过程的不可逆性；另一则是非能量的，即非能量费用递增的因素。 2 1 4 系统的平衡方程及火用损定价法则 从热经济学角度看，我们把能量系统中的各项物质、能量及经济值都看作是在 系统中流动的流，物流、能流、火用流及现金流，它们都是按照一定方向流动的，其 中现金流总是与能流或火用流方向相反。系统中某一子系统向另一子系统输出一定量 的火用流，它总是从后一子系统获得相应量的现金流。这样在子系统之间进行着“交 易疗，从而维持着各股流之间的平衡【1 0 】。因此，用数学来描述它们之间的关系，就 可以相应地写出它们的平衡式。m 代表物流，用大写膨代表现金流，下标“伽f 和。i ，i ”分别表示流出和流入各子系统的流，则可以写出下列四个平衡方程式 物质平衡方程 一一锄 ( 2 - 1 0 ) 能量平衡万程 ( 瓯一既) + ( 巩一) + ( 呢一) = 皈 ( 2 1 1 ) 火用平衡方程 瓦一一- 丝 ( 2 1 2 ) 现金平衡方程 m 叫一m 妇。咒 ( 2 - 1 3 ) 式中皈为系统总储存能；，l 为系统中存留的物质；为系统火用损总和；咒代 表盈利或损失。当系统稳定流动时，删和丝均为零。 式( 2 - 1 0 ) 一( 2 - 1 2 ) 都是属于自然科学的，它们都要遵守热力学的各定律包括守恒定 律，火用平衡方程式中火用与火寂的总和也是守恒的，唯有式( 2 - 1 3 ) 是属于经济方面的，它 自然要遵守经济规律，而不遵守能量守恒定律。在此方程中，总是或盈或亏或盈亏 相抵，因此，这个方程叫做盈亏方程。 由式( 2 1 3 ) 分析可见，输入系统的现金之和芝m h ，实际上就是系统在定时间 华北电力大学硕士学位论文 内为获得产品而花费的总费用，即产品的总成本 c = m 妇一e + c = e + 巳 ( 2 1 4 ) 式中e 为整个系统的能量费用，e 为整个系统的非能量费用；e ；为子系统f 的非 能量费用。 e 又可表示为 e - 瓦气 ( 2 - 1 5 ) 将式( 2 1 5 ) 代入式( 2 - 1 4 ) ，得到 帆一气毛+ 巳 ( 2 1 6 ) 系统对外输出产品而获得的现金流m 删是系统的实际收入，若以c 表示产品 的市场价格，则 m 删= c ( 2 - 1 7 ) 最后将式( 2 1 7 ) 和( 2 - 1 6 ) 代入式( 2 - 1 3 ) ，得到 咒= c 一气毛一巳 ( 2 - 1 8 ) 能量系统的热经济学的基本计算就是在上述四个平衡方程的基础上进行的。 各子系统的火用流定价是在子系统的边界上取值的，这对于利用黑箱法分析各子 系统非常有利，我们取一个只有单输入和单一产出的简单系统来研究，系统为稳定 流动。式( 2 1 2 ) 和式( 2 1 8 ) 可以写成： 瓦一= ( 2 1 9 ) 咒一c ，一气瓦一巳 ( 2 2 0 ) 式中，为各项不可逆火用损外，还包括系统向外界的排放损失。我们看个极端情 况，这两种情况都需要满足对外产品的供应，即e = c d 淞f 。 第一种情况：系统的输入能源可充分供应，为保证用户所需的产品，那么系统 需要多少输入，能源就能够提供多少，而不受到限制。对于这种情况，我们把式( 2 1 9 ) 和式( 2 2 0 ) 合并，并消去输入= l c j 8 瓦，得到： 咒= ( c 一) 一( 气+ 氏) ( 2 - 2 1 ) l n 华北电力大学硕士学位论文 由式( 2 2 1 ) 可见，火用损罗，是以输入火用价来定价的，因此，式中有气罗，项。 这一结论可做如下解释：假如生产过程全部都是可逆的，而且没有损失和排放，那 么为了生产e 这么多的产品火用，只要有已= 矿，但实际上过程是不可能是可逆的， 也不可能没有损失和排放，那么为保证输出的产品火用为常数，就不得不增加输入火用， 即矗 e 矿，而所增加的这部分火用输入就得从能源处增加，因此，损失火用的则必须以 能源输入系统的火用定价，即气。 第二种情况：输出产品还是固定的，与第一种情况相同，但是能源所提供的是 有限的，输出多少产品，能源只提供多少，这种情况下，我们把式( 2 1 9 ) 和式( 2 2 0 ) 合并，消去e 。项，得到 咒= ( c ，一) 瓦一( c ，+ 巳) ( 2 - 2 2 ) 由式( 2 2 2 ) 可见，火用损是由产品的价格来确定的，因此式中有c p ，罗项，这说 明生产过程有火用损，因而不能维持产品火甩不变的前提。能源所提供的火用不可能增加， 只好用市场价格，即c 。来买火用以补此亏额。故其火用损( 包括排放) 必须以产品火用的价 格来定价。 以上两种情况的分析，说明火用流定价应在各个子系统的边界上进行。这也就是 以边界定价的证明，同时也说明在进行系统的热经济学分析时不能忽视所分析系统 的边界条件。边界定价的原则可以使我们不用关注子系统内部的情况，只关注进出 流的状态，并为之确定价格即可，这种黑箱法对子系统的划分要求更严格。 2 1 5 划分子系统的原则 热经济学分析所面临的系统往往是很复杂的，要想把它当成整体，一次进行分 析和计算，不仅使问题头绪复杂，有时甚至根本无法求解。有效的办法就是化整为 零，把整个系统划分成若干个子系统，逐一地进行分析，这样不但可以化繁为简， 而且可使分析过程和步骤清晰，便于检查。系统与子系统的划分，完全取决于分析 的目的和任务，怎样能更简捷地得到确切的分析结果，就应该怎样划分。一般来说， 最好是按照系统中每个部件的功能来划分，即把功能上联系比较紧密的设备划成一 个单元，也就是子系统。对于复杂的设备，可把一台设备就当作一个子系统。如果 一台设备在系统里比较复杂，这台设备也可以划分成若干子系统。由于子系统之间 的“交易为内部经济，内部经济的产品不附加利润，也就是说，子系统的划分对 整个系统的分析结果并无影响。 对于一个复杂的电厂进行热经济学分析，以汽轮机为例，我们可以划分为一个 子系统，也可以按高、中、低压缸划分，但是划分的不同得到的信息量是不同的， 1 1 华北电力大学硕士学位论文 假如说我需要知道每一级的情况，也可以每一级就是一个子系统。因此，子系统的 划法是自由的，唯一地取决于分析的目的和任务。一般来说，子系统划分越细，集 成度越低，获得的信息越多，分析的复杂程度越高；子系统划分越粗，集成度越高， 获得的信息越少，分析的复杂程度越低【引。 2 2 热经济学结构理论 v a l e r 0 等人在1 9 8 6 年提出矩阵模式热经济学，所使用的数学工具主要是矩阵分 析，被称作“矩阵模式热经济学 ，矩阵分析在西方国家又称作“符号数学技术 ， 故又名“符号模式热经济学。v a l e r o 等人在完成矩阵模式热经济学体系之后，为统 一各种模式热经济学，又提出了一种新的理论，即热经济学结构理论【1 1 l 。 2 2 1 火用成本理论 成本计算的基本问题在v a l e r o 的火用成本理论中叙述为：给出一个系统，其边界 条件是确定的，系统内各子系统与火用流分布情况也已确定，在此条件下求取与此系 统内部结构相关的物理流的成本。 对于一个给定系统，这里需要注意的是所说系统的范围要比一般所说的能量系 统广泛。它所指的不仅是能量转换系统，而且也包括物质转换系统。因此这里所说 的流也不仅是能流，而是指一切系统内的流，故称为“物理流”。火用成本理论的主张 是，自然中具备计算成本的全部信息，只要确立f p r 概念，其最本质的问题是 不要离开物理学的领域。这里引出了一个新的热力学概念，这就是火用成本，或叫做火 用费用。即在边界条件已定，子系统的分布结构和火用效率都一定的系统中，任一物理 流赖以形成的基础是真实的火用量。这是火用成本理论提出来的基本论据，与我们在一 般经济学概念里的成本是有所不同的。火用成本理论把它归属于热力学概念。如果在 经济学里使用，只需换算成经济学量纲即可。这点也说明火用成本是联系热力学与经 济学的自然途径。 烟成本把烟效率和成本统一到一个概念里，而产生了一个火甩成本的新概念。而 且是把它作为热力学概念提出来的，应该理解这是扩大了的热力学，与经济学联合 的热力学。质量或能量流的火用成本就是在系统里产生火用流所需的火用量，这些成本是 对产生这些流的生产过程的热力学效率的衡量。质量或能量流的单位火用成本意味着 为获得一单位火用的质量或能量流所消耗资源的火用量。 就一般的系统而言，若此系统的物理结构由刀个子系统构成，系统中有m 股火用 流，无论系统多么复杂，都可以用事件矩阵彳( 刀肌) 来描述它。此矩阵把刀个子系 统与胁股物理流联系起来了。于是通过矩阵分析既可以知道系统内各股物理流与子 系统的相互作用情况，如实地反映系统内部所进行的过程。定义系统中那股流为燃 1 2 华北电力大学硕士学位论文 料，那股流为产品，再进一步通过求解个子系统的效率，就可确定其单位火用耗。因 为效率的倒数就是单位火用耗，所以kt 】7 一，尸。 求得火用效率，就可以求出火用成本或火用费用。火用成本的定义是在单位时间内为生产 一单位物理流所需要的火用量，以曰表示。口与召一样，都是热力学的量。在火用分析 中，火用成本仍以火用为单位，但在热经济学分析里，则火用成本虽然还以曰表示，但其 量纲就换成了经济单位。 设有一系统，只有单一的燃料火用e 输入系统和单一的产品e 由系统输出，那 么单位时间内生产此产品毋所需的火甩成本耳明显地就是燃料费用耳。若此系统是某 大系统的一个子系统，那么它的燃料火用e 就可能是前一个子系统d 的产品昂 ( 弓暑e ) ，弓中包含的火用费用巧便是子系统d 的燃料火用巴，这样，我们便得到芹一巧 及巧= e ，但这个结论只能用于耳- 巧的简单情况。 由以上分析，我们得出以下几个结论 ( 1 ) 一物理流的烟费用取决于系统限定的范围，没有绝对的物理流火用费用。我们 所讨论的系统是其边界条件及其它条件都已限定了系统。 ( 2 ) 当一物理流跨越边界而进入系统时，其烟费用就等于其火甩值，因为迄今我们 还没有去生产它，因而e 一昂。 ( 3 ) 任何一确定的子系统中，都存在着烟费用平衡：巧a e ，巧= 巧。 在一般的情况下，给定一子系统，它具有g 股输入流和s 股输出流，就可以写成 善耳= 善耳 ( 2 - 2 3 ) 或在一个有事件矩阵彳所决定的系统中，其火用成本平衡为 彳b 一o ( 2 - 2 4 ) 式中b + 为火用成本的m 维向量；m 是物理流的数目。 2 2 2 结构理论的基本概念 结构理论与矩阵模式热经济学的理论基础是一致的，都以火用成本理论为基础， 但都相对火用成本理论有了一些发展。系统中每股流的成本意味着整个系统为生产这 股流所消耗的外部资源。热经济学分析区分火用成本和热经济学成本，火用成本可以转 化为热经济学成本。系统中存在着各股流与子系统相联系，根据在不同环境中的分 析可以分为物理流和现金流。物理流的火用成本便是为生产它所消耗的火用值。这些成 本是对产生这些流的生产过程的热力学效率的衡量。物理流的单位火用成本代表为获 得一单位火用所消耗资源的数量，我们可以看到单位火用成本是一个无量纲的比值。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 热经济学成本则考虑了消耗燃料的经济成本、设备投资的成本和运行维护费用， 物理流的单位热经济学成本是为获得一个单位火用所花费的货币数量。热经济学成本 是对过程经济效率的衡量。平均成本是经济学里的概念，在这里通过火用成本理论引 入到热经济学中。单位平均成本是每单位产品和资源的平均量的比率。 单位平均成本 ： 风 五j2 一 e ( 2 2 5 ) 式中七，为第i 股流的单位平均成本，风为资源的火用值，毽为第j 股产品的煳值。平 均成本只能在完成生产之后才能确定，这时我们已经知道系统的资源消耗量，获得 的产品量。平均成本不可预测，只能是实际值。 结构理论沿袭了矩阵模式热经济学中的火用成本理论。同样把系统划分为若干子 系统或过程组元。但这里需要注意的是在结构理论当中将存在虚拟组元的概念，过 程组元可以是与真实设备相对应的，具有生产性目的的功能组元，也可以是一个不 存在的虚拟结构组元。各个不同的设备可以结合成一个过程组元，或者一个物理结 构设备也可以进一步分解为几个过程组元。选择一个合适的集成度是很重要的，这 样可以很好地说明在整个生产过程中的每个过程组元的性能和它的目的。在产品生 产过程中，过程组元产生的火用流，称为产品；消耗的火用流叫做燃料1 1 2 l 。电厂典型过 程组元的燃料和产品定义在表2 1 中显示。 表2 1 电厂典型组元的燃料和产品定义 在任何实际过程中都会发生火用损失【1 3 l ( 不可逆损失) ，也就是说，在生产过程中 燃料火用的一部分被损耗。单位火用耗是对热力学过程效率的一种衡量，其倒数是火用效 率叼。对于可逆过程他等于1 ，对于所有实际过程它小于1 。对于可逆过程它等于1 ， 对于所有的实际