第5-6讲：节能原理及技术-节能原理及方法

1、六六 节能原理与方法节能原理与方法o科学找出节能潜力与部位科学找出节能潜力与部位o制定节能措施的指导原则制定节能措施的指导原则o规划长短期节能目标规划长短期节能目标n提出不恰当的节能指标提出不恰当的节能指标n制定出不合理的节能决策制定出不合理的节能决策n批准不合理的节能方案批准不合理的节能方案1 掌握节能原理的重要性掌握节能原理的重要性掌握节能原理掌握节能原理不掌握节能原理不掌握节能原理n热力学第一定律分析法热力学第一定律分析法n热力学第二定律分析法热力学第二定律分析法n热经济学热经济学n节能原理与方法节能原理与方法n窄点技术窄点技术n能量平衡能量平衡 n流程模拟技术流程模拟技术n三环节理论三

2、环节理论2 节能分析方法与原理节能分析方法与原理2.1 节能分析方法节能分析方法 热力学第一定律即能量守恒定律：热力学第一定律即能量守恒定律：能量是物质运动能量是物质运动的量度，当任何一种形式的能量被转移或转化为另的量度，当任何一种形式的能量被转移或转化为另一种形式的能量时，数量不变。一种形式的能量时，数量不变。（1）热力学第一定律分析法n用热效率的高低来估计节能潜力，用热效率的高低来估计节能潜力，热效率越高说明节能潜热效率越高说明节能潜力越大力越大。n用能量平衡法将能量的来龙去脉搞清楚，用能量平衡法将能量的来龙去脉搞清楚，确定多少能量被确定多少能量被利用，多少能量损失掉利用，多少能量损失掉。

3、热力学第一定律的具体应用方法及优缺点热力学第一定律的具体应用方法及优缺点n优点：优点：简单直观，容易理解和掌握，运用得当对节能工作简单直观，容易理解和掌握，运用得当对节能工作能起到重要作用。能起到重要作用。n缺点：缺点：仅反映能量数量上的守恒关系，在挖掘节能潜力时仅反映能量数量上的守恒关系，在挖掘节能潜力时有较大的局限性和不合理性。有较大的局限性和不合理性。 具体应用方法：具体应用方法：优缺点：优缺点：（2 2）热力学第二定律分析法）热力学第二定律分析法n当任何一种形式的能量被转移或转化为另一种形式的能当任何一种形式的能量被转移或转化为另一种形式的能量时，量时，其品位只可能降低或蜕变，绝不可能

4、提高其品位只可能降低或蜕变，绝不可能提高。n能量在能量在数量的守恒性和质量上的贬值性数量的守恒性和质量上的贬值性，就构成了能量，就构成了能量的全面本性。的全面本性。热力学第二定律的基本内涵热力学第二定律的基本内涵20世纪世纪50年代以后，热力学第二定律年代以后，热力学第二定律的理论开始在节能实践中广泛应用！的理论开始在节能实践中广泛应用！n有熵分析法和火用分析法有熵分析法和火用分析法。由于熵分析法比较抽象，不能评价能量由于熵分析法比较抽象，不能评价能量的使用价值，且本身也不是一种能量，现在已被的使用价值，且本身也不是一种能量，现在已被火用火用分析法取代。分析法取代。n火用火用分析法认为：能量分

5、析法认为：能量= =火用火用 + + 火无火无n火用火用是这样一种能，在给定环境的作用下，可以完全连续地转化为是这样一种能，在给定环境的作用下，可以完全连续地转化为任何一种其它形式的能量，而任何一种其它形式的能量，而火无火无是一种不可能转化的能量形式。是一种不可能转化的能量形式。n火用火用主要是主要是针对热提出针对热提出的，即热量中最大能转化为功的部分。的，即热量中最大能转化为功的部分。n 采用采用火用火用分析法，能从本质上找出能量损失。分析法，能从本质上找出能量损失。 热力学第二定律的应用方法热力学第二定律的应用方法现代节能原理是同时依据现代节能原理是同时依据热力学第一、第二定律热力学第一、

6、第二定律，并通过直观，并通过直观实用的方式，来体现能的全面本性，由此建立的节能理论和方实用的方式，来体现能的全面本性，由此建立的节能理论和方法，称为第二定律分析法。法，称为第二定律分析法。应用方法应用方法（3 3） 热经济学热经济学n2020世纪世纪6060年代以来，在节能领域产生了将年代以来，在节能领域产生了将火用火用分析法与经分析法与经济因素及优化理论有机结合的济因素及优化理论有机结合的热经济学方法热经济学方法，即除了研究，即除了研究体系与自然环境之间的相互作用外，还要研究一个体系内体系与自然环境之间的相互作用外，还要研究一个体系内部的经济参量与环境经济参量之间的相互作用。部的经济参量与环

7、境经济参量之间的相互作用。n第一定律和第二定律分析法第一定律和第二定律分析法，在方案比较中，在方案比较中仅能给出一个仅能给出一个参考方向，而不能得出具体结论参考方向，而不能得出具体结论。n热经济学分析法可以直接给出能效评价结果热经济学分析法可以直接给出能效评价结果，这种方法特，这种方法特别适用于解决大型、复杂的能量系统分析、设计和优化。别适用于解决大型、复杂的能量系统分析、设计和优化。 2.2 2.2 节能原理与方法节能原理与方法按能量的作功能力，将其分为三大类：按能量的作功能力，将其分为三大类：高级能量：高级能量：理论上可完全转化为功的能量，如理论上可完全转化为功的能量，如机械功、电能、水能

8、机械功、电能、水能等。等。低级能量：低级能量：理论上不能全部转化为功的能量，主要是理论上不能全部转化为功的能量，主要是热能热能；僵态能量：僵态能量：完全不能转化为功的能量。完全不能转化为功的能量。 n可逆过程是热力学中的一种理想过程，如没有摩擦阻力的机械运动，可逆过程是热力学中的一种理想过程，如没有摩擦阻力的机械运动，没有温差的传热过程。真正的可逆过程是不存在的，事实上，自然界没有温差的传热过程。真正的可逆过程是不存在的，事实上，自然界的任何过程都不是可逆过程。的任何过程都不是可逆过程。n节能工作就是在现有的条件下使热功过程尽可能接近可逆过程节能工作就是在现有的条件下使热功过程尽可能接近可逆过

9、程。用能的本质用能的本质：n大部分能量是过客；大部分能量是过客；n能量是完成过程中不发生化学变化的能量是完成过程中不发生化学变化的“催化剂催化剂”；n能量是完成过程的推动力。能量是完成过程的推动力。（1 1）能量的相关概念）能量的相关概念n使用耗能量小的先进工艺过程和高效设备使用耗能量小的先进工艺过程和高效设备。n减少过程减少过程。由于任何过程均不可逆，因此应尽可能减少过程，减少不可逆性。如装置之间的热进出料；从整个系统的角度使用能量，抓住优化匹配的机会，减少不可逆性。n能量多次使用能量多次使用。如对传热过程就要减少传热温差。目前的经济传热平均温差（不包括加热炉）已经达2030，随着强化传热技

10、术的发展，传热系数提高后，经济传热温差可能进一步减小。炼油过程中，最常见最典型的过程为传热过程，各个装置均有大量的换热器。凡是传热温差大的地方，即是节能潜力所在（如何理解？如何理解？）。n高能高用，低能低用（高能高用，低能低用（能量梯级利用！能量梯级利用！）。 （2 2）节能方法）节能方法案例案例- -烧开水烧开水（1 1）用电加热用电加热：280kg280kg标油标油；（2 2）LPGLPG加热加热： 9494kgkg标油标油( (加热效率按加热效率按90%)90%)；（3 3）用燃料发生高压蒸汽，通过凝汽机的排汽加热用燃料发生高压蒸汽，通过凝汽机的排汽加热：50.350.3kgkg标油标油

11、。此时，。此时，所需的一次能源已大大小于水本身所需的一次能源已大大小于水本身升温所需的热量升温所需的热量85kg85kg标油！标油！ 将将10000kg水从水从15 加热到加热到100 ，需能，需能量量85万万kcal，按数量折为，按数量折为85kg标油标油。典型加热方法的耗能量典型加热方法的耗能量8.8MPa,53511010010t,15501.436t蒸汽汽轮机内效率82%发电289kWh发电等效率92%输入一次能源=1.436*92=132kg标油发电相当于输出一次能源=289*0.2828=81.7kg标油用于加热热水的一次能源=132-81.7=50.3kg标油1t蒸汽放热量59.

12、2万大卡启示：启示：2.3 2.3 窄点技术窄点技术窄点技术的概念窄点技术的概念n窄点技术窄点技术(Pinch Technology)(Pinch Technology)是英国是英国Bodolinn Bodolinn hoff hoff 教授等人于教授等人于7070年代末提出的换热网络优化设计年代末提出的换热网络优化设计方法，并逐步发展成为化工过程综合的方法论。方法，并逐步发展成为化工过程综合的方法论。n窄点技术是能量回收系统的分析方法的重大突破。窄点技术是能量回收系统的分析方法的重大突破。窄点技术原理窄点技术原理n工艺过程中存在多股冷、热物流工艺过程中存在多股冷、热物流, ,过程综合就是设计

13、过程综合就是设计 出能使冷、热物流充分换热出能使冷、热物流充分换热 以尽可能回收热量以尽可能回收热量 , ,并并同时满足投资费用、可操作性等方面的约束条件的同时满足投资费用、可操作性等方面的约束条件的过程系统。过程系统。n多股冷、热物流在多股冷、热物流在 T TH H 图上可分别合并为冷热物流复合图上可分别合并为冷热物流复合曲线曲线, ,两条曲线在两条曲线在 H H 轴上投影的重叠部分即为冷、热物轴上投影的重叠部分即为冷、热物 流间流间的换热量的换热量, ,未重叠部分即为冷、热公用工程耗量。当两曲线在未重叠部分即为冷、热公用工程耗量。当两曲线在水平方向上相互移近时水平方向上相互移近时, ,热热

14、 回收量回收量QxQx增大，而公用工程耗量增大，而公用工程耗量Q Q。和和Q,Q,减小减小, ,各部位的传热温差也减小。各部位的传热温差也减小。n当曲线互相接近至某一点达最小允许传热温差当曲线互相接近至某一点达最小允许传热温差T Tminmin时时, ,热回热回收量达到最大收量达到最大(Qx,max),(Qx,max),冷、热公用工程耗量达到最小冷、热公用工程耗量达到最小(Q(Qc.minc.min,Q,QH.minH.min) )。n两曲线纵坐标最接近的位置叫作窄点。窄点把换热网络分为两曲线纵坐标最接近的位置叫作窄点。窄点把换热网络分为窄点之上窄点之上 ( (称为热端或热阱称为热端或热阱)

15、)和窄点之下和窄点之下( (称为冷端称为冷端) )两个子网两个子网络。络。n为保证达到最小的加热、冷却公用工程用量，窄点技术有三为保证达到最小的加热、冷却公用工程用量，窄点技术有三条最基本的原则：条最基本的原则：(1 )(1 )不应穿过窄点传热；不应穿过窄点传热；(2 )(2 )窄点之上不应采用冷公用工程；窄点之上不应采用冷公用工程；(3 )(3 )窄点之下不应采用热公用工程。窄点之下不应采用热公用工程。（1）总综合曲线的应用）总综合曲线的应用nFig.1: Fig.1: 窄点温度窄点温度180 180 ，可产低压蒸汽及供低温余热；，可产低压蒸汽及供低温余热；nFig.2: Fig.2: 第第

16、1 1窄点温度窄点温度260 260 ，第第2 2窄点温度窄点温度120 120 ，中间，中间可发生中压蒸汽，背压发电后，再供出可发生中压蒸汽，背压发电后，再供出0.5Mpa0.5Mpa蒸汽，利用蒸汽，利用中间富裕的温差作功。中间富裕的温差作功。 180260120（2 2）窄点技术超目标方法）窄点技术超目标方法n确定了窄点温差，就确定了冷、热公用工程目标，但窄确定了窄点温差，就确定了冷、热公用工程目标，但窄点温差如何在具体设计之前选取？点温差如何在具体设计之前选取？n因此窄点技术中发展出了一个超目标方法，即在换热网因此窄点技术中发展出了一个超目标方法，即在换热网络还没有具体设计的情况下，运用

17、一些模型，优化选取络还没有具体设计的情况下，运用一些模型，优化选取窄点温差。假如把每一个窄点温差下的换热网络都设计窄点温差。假如把每一个窄点温差下的换热网络都设计出来，而进行选取，其工作量太大，工程上不实用，也出来，而进行选取，其工作量太大，工程上不实用，也没有这个必要。没有这个必要。 超目标方法的实质是利用冷超目标方法的实质是利用冷热综合曲线的热综合曲线的“垂直换热垂直换热”传热面积模型、壳程数传热面积模型、壳程数模型以及泵功模型模型以及泵功模型，预测，预测每一个窄点温差情况下的每一个窄点温差情况下的最小传热面积、最小壳程最小传热面积、最小壳程数，从而预测出投资，当数，从而预测出投资，当然选

18、取一个窄点温差，就然选取一个窄点温差，就可确定了冷热工程目标，可确定了冷热工程目标，也就可以确定能耗费用。也就可以确定能耗费用。综合选取年操作费用最低综合选取年操作费用最低的窄点温差即为优化值。的窄点温差即为优化值。 优化的窄点温差如何选择？（3 3）加热炉在过程组合中的适宜布局）加热炉在过程组合中的适宜布局 习惯上总是认为增加空气预热可以提高加习惯上总是认为增加空气预热可以提高加热炉效率和降低燃料耗量。热炉效率和降低燃料耗量。 下图中下图中不带烟气预热的烟气温焓线以虚线不带烟气预热的烟气温焓线以虚线表示表示，而空气对燃料比率保持不变的，而空气对燃料比率保持不变的带空带空气预热的烟气线以实线表

19、示气预热的烟气线以实线表示，显然空气预，显然空气预热后理论火焰温度上升，其结果是烟气线热后理论火焰温度上升，其结果是烟气线的斜率变陡了，导致烟气从烟囱排弃的热的斜率变陡了，导致烟气从烟囱排弃的热损失降低，降低的燃料耗量热值相当于助损失降低，降低的燃料耗量热值相当于助燃空气所获得的热量。燃空气所获得的热量。 如右图所示：工艺过程所需的最低供如右图所示：工艺过程所需的最低供热量为热量为QhminQhmin，当窄点温差为，当窄点温差为50 50 时是时是1300kW1300kW，窄点温度为，窄点温度为400 400 （烟气窄点（烟气窄点温度为温度为425 425 ，工艺冷流窄点温度为，工艺冷流窄点温

20、度为375 375 ）。如不用空气预热则理论火焰温度为）。如不用空气预热则理论火焰温度为1500 1500 。如尾端烟气在热流窄点温度下离开加热炉时，所需燃料为：如尾端烟气在热流窄点温度下离开加热炉时，所需燃料为： 燃料燃料=Qhmin+(=Qhmin+(烟气窄点温度烟气窄点温度T0)T0)烟气热容流率烟气热容流率 1790kW1790kW 然而，然而，425 425 的烟气是足以用来预热空气的，设最小允许离开的烟气是足以用来预热空气的，设最小允许离开烟囱的烟气温度为烟囱的烟气温度为200 200 ，则最高空气预热温度是，则最高空气预热温度是270 270 。这时新。这时新的理论火焰温度为的理

21、论火焰温度为1725 1725 ，并可计算出新的燃料耗量：，并可计算出新的燃料耗量： 燃料燃料hmin+(200-Thmin+(200-T0 0) )烟气热容流率烟气热容流率=1480kW=1480kW 所以助燃空气预热可节省燃料所以助燃空气预热可节省燃料17%17%。 以上是有传统方法设计的优化结果，烟气流率和烟囱以上是有传统方法设计的优化结果，烟气流率和烟囱排弃温度已经是最低了，似乎没有改进的余地了。排弃温度已经是最低了，似乎没有改进的余地了。用窄点技术考虑的空气预热用窄点技术考虑的空气预热 如果把工艺过程和加热炉作为一个整体来考虑，预热空气就意味着引入了一股以前没有考虑的冷物流，根据窄点

22、金法则，引入冷物流只有当其温度低于窄点时才是有效的，因为它增加了低于窄点部分的冷物流热量从而有助于降低冷公用工程（如冷却水）。同时窄点金法则也告诉我们：最大的空气预热温度应该等于冷流的窄点温度。如果空气和燃料的预热需要QR的热量，则工艺过程所消耗的冷公用工程量也下降QR，但更重要的是燃料耗量也按下式降低了（即燃料量等于烟气放热量减去空气和燃料的预热量）。 燃料=Qhmin+( TPH -T0)*Cp烟气-（TPC-T0）*（Cp空气+Cp燃料） 由于 Cp烟气= Cp空气+Cp燃料 燃料= Qhmin+（TPH -TPC）* Cp烟气 也即 燃料= Qhmin+窄点温差* Cp烟气 (1) 如

23、果燃料不预热或没有预热到窄点温度，则上式做如下修改： 燃料= Qhmin+窄点温差* Cp烟气+ Cp燃料*（TPC T燃料） (1a) TPH-热物流窄点温度 TPC-冷物流窄点温度 T燃料-燃料温度 以上述公式为前提的结果令人吃惊，因为当窄点温差为以上述公式为前提的结果令人吃惊，因为当窄点温差为0 0且燃料又且燃料又完全预热的话，可以得到燃料量等于最小热公用工程完全预热的话，可以得到燃料量等于最小热公用工程QhminQhmin，即可以得，即可以得到到100%100%的加热炉效率。即使窄点温差在合理的范围内，且假定燃料不预的加热炉效率。即使窄点温差在合理的范围内，且假定燃料不预热，也可以算出

24、很高的加热炉效率。热，也可以算出很高的加热炉效率。 用公式（用公式（1a1a）可以计算得出这时的燃料是）可以计算得出这时的燃料是1379kW1379kW，而用传统优化方，而用传统优化方法所得到的燃料是法所得到的燃料是1480kW1480kW，其差别主要在于加热炉和过程是否组合在一，其差别主要在于加热炉和过程是否组合在一起考虑。传统的方法中，空气预热温度只能加热到起考虑。传统的方法中，空气预热温度只能加热到270 270 ，而冷流窄，而冷流窄点温度却是点温度却是375 375 。通过上图中总综合曲线可以清楚看出：低于窄点。通过上图中总综合曲线可以清楚看出：低于窄点温度处尚有多余的工艺过程热量可利

25、用，就可把空气预热到温度处尚有多余的工艺过程热量可利用，就可把空气预热到375 375 ，燃料耗量降到燃料耗量降到1379kW,1379kW,进一步降低了进一步降低了6%6%的燃料消耗。这时燃料耗量才真的燃料消耗。这时燃料耗量才真正降到最低值了。正降到最低值了。 应注意的是：加热炉效率是不可能等于应注意的是：加热炉效率是不可能等于100%100%的，之所以出现前面的的，之所以出现前面的结果是因为：空气预热的一部分热量是由工艺过程物流提供的。结果是因为：空气预热的一部分热量是由工艺过程物流提供的。 （4 4）易污垢换热的网络设计法）易污垢换热的网络设计法n传统设计方法：传统设计方法：增大易导致结

26、垢换热器的传热面积。n窄点技术设计方法：窄点技术设计方法：减少易结垢换热器的传热面积，增大其下游不易结垢换热器的传热面积。n物流物流3 3在超过在超过125 125 以后易结垢，结垢趋势为渐近线型，以后易结垢，结垢趋势为渐近线型，6 6个月（装置操作个月（装置操作周期为周期为1212个月）达到最高峰后就平缓了。个月）达到最高峰后就平缓了。n换热器换热器1 1的总传热系数是的总传热系数是120W/m120W/m2 2.K.K，运行，运行6 6个月后降至个月后降至81W/m81W/m2 2.K.K。n物流物流1 1和和2 2的终温不严格，而物流的终温不严格，而物流3 3、4 4的终温则必须满足要求

27、。所以不管有的终温则必须满足要求。所以不管有无结垢，物流无结垢，物流3 3的终温必须是的终温必须是17 17 。利用传统设计方法，则换热器。利用传统设计方法，则换热器1 1需增加需增加148m148m2 2，且为确保装置正常运转，在换热器，且为确保装置正常运转，在换热器1 1增设旁路，流经旁路的流量应随增设旁路，流经旁路的流量应随换热器换热器1 1结垢的严重程度逐步减少，直到结垢的严重程度逐步减少，直到6 6个月后把旁路关死。装置能耗在运个月后把旁路关死。装置能耗在运转期间维持在转期间维持在1850kW1850kW。案例案例见下图示见下图示：传统设计法的缺点：传统设计法的缺点： （1 1）增加

28、面积的利用率低，投资没有充分利用。）增加面积的利用率低，投资没有充分利用。另一个可另一个可能方案是在换热器能方案是在换热器1 1后增设一台加热器，但这样不仅设备利用后增设一台加热器，但这样不仅设备利用率低，而且还增加了能耗。率低，而且还增加了能耗。 （2 2）增加面积的换热器的布局不好。）增加面积的换热器的布局不好。在换热网络不同换热在换热网络不同换热器中增加面积的成本效益是不同的。如将增加的面积放在较好器中增加面积的成本效益是不同的。如将增加的面积放在较好布局中将有利于投资的回收。布局中将有利于投资的回收。 （3 3）设计安全系数过大往往会进一步导致结垢。）设计安全系数过大往往会进一步导致结

29、垢。因为选用因为选用大富裕量换热器或使用旁路时，通过换热器的物流流速会降低大富裕量换热器或使用旁路时，通过换热器的物流流速会降低，污垢加快，膜传热系数降低以致影响管壁温度，而壁温度又，污垢加快，膜传热系数降低以致影响管壁温度，而壁温度又对结垢有较大影响。对结垢有较大影响。 （4 4）设备利用率低。）设备利用率低。结垢后往往在装置继续操作的同时，结垢后往往在装置继续操作的同时，必须把换热器切除负荷进行清洗，这时设备没有被利用。必须把换热器切除负荷进行清洗，这时设备没有被利用。新方案及优点新方案及优点 新方案的优点：新方案的优点： （1 1）额外增加面积的利用率高；）额外增加面积的利用率高； （2

30、 2）额外增加面积不仅得到了充分利用，而且还降低了能耗；）额外增加面积不仅得到了充分利用，而且还降低了能耗； （3 3）不会加速结垢；）不会加速结垢； （4 4）不存在清洗问题。）不存在清洗问题。 新方案：由于换热网络特有的灵敏性能，即在一个地方增加额外传由于换热网络特有的灵敏性能，即在一个地方增加额外传热面积会促使该换热器物流温度变化而进一步影响到其它物流温度变化，热面积会促使该换热器物流温度变化而进一步影响到其它物流温度变化，可在网络中不产生污垢或污垢较少的地方增加额外面积以解决结垢问题。可在网络中不产生污垢或污垢较少的地方增加额外面积以解决结垢问题。因此推荐的方案是加大不结垢的换热器因此

31、推荐的方案是加大不结垢的换热器3 3的面积。计算结果表明：换热的面积。计算结果表明：换热器器3 3增加不大于增加不大于103m2103m2的面积完全可以补偿换热器的面积完全可以补偿换热器1 1结垢的影响。换热器结垢的影响。换热器3 3增加的面积比原方案少增加的面积比原方案少30%30%，该方案的另一优点是：加大换热器，该方案的另一优点是：加大换热器3 3的换热的换热量后，换热器量后，换热器1 1的负荷降低，换热器的负荷降低，换热器2 2的负荷增大而使物流的负荷增大而使物流4 4的加热器负的加热器负荷下降，从而减少热公用工程量荷下降，从而减少热公用工程量15%15%。（5 5）设备或系统性能量组

32、合设计）设备或系统性能量组合设计n单装置的优化与多装置相互之间及其系统的大优化有很单装置的优化与多装置相互之间及其系统的大优化有很大的不同，大的不同，系统越复杂越大，系统优化的潜力就越大系统越复杂越大，系统优化的潜力就越大，因为此时优化匹配的机会大大增加了。因为此时优化匹配的机会大大增加了。n同时对多个工艺装置及辅助系统，尤其是蒸汽动力系统同时对多个工艺装置及辅助系统，尤其是蒸汽动力系统应用应用总综合曲线总综合曲线，进行系统优化。，进行系统优化。n可以将拟进行系统优化体系内的所有单元的各自总综合可以将拟进行系统优化体系内的所有单元的各自总综合曲线集合画成曲线集合画成一条全局综合曲线一条全局综合

33、曲线，可以方便地选择合适，可以方便地选择合适的公用工程方案或改造方案。的公用工程方案或改造方案。 基本原理与方法基本原理与方法案例分析案例分析燃煤锅炉过剩空气系数的优化燃煤锅炉过剩空气系数的优化glglq4q2optopt全局（综合）全局（综合）总曲线总曲线2.4 2.4 能量平衡法能量平衡法n摸清摸清用能现状用能现状；n分析企业及产品的分析企业及产品的用能水平用能水平；n摸清主要用能设备和工艺的摸清主要用能设备和工艺的能效指标能效指标（能量利用率等）；（能量利用率等）；n查清企业查清企业余热资源余热资源及其回收及其回收利用情况利用情况；n找出能量损失的找出能量损失的原因、潜力，明确节能途径原

34、因、潜力，明确节能途径，为节能规划，为节能规划和节能改造提供依据。和节能改造提供依据。n能量平衡最好由企业自身进行，培养出能搞清能量的来龙能量平衡最好由企业自身进行，培养出能搞清能量的来龙去脉的队伍，便于开展经常性的节能工作，容易使节能管去脉的队伍，便于开展经常性的节能工作，容易使节能管理工作落到实处。理工作落到实处。（1 1）企业开展能量平衡的主要目的）企业开展能量平衡的主要目的（2 2）企业能量平衡的方法）企业能量平衡的方法A. A. 测算结合，以测为主测算结合，以测为主n能量平衡主要靠测试，必须以测为主，不能以计算代替测试。能量平衡主要靠测试，必须以测为主，不能以计算代替测试。n某些设备

35、或数据的可测性是能量平衡现场测试的一大难点。因此在制某些设备或数据的可测性是能量平衡现场测试的一大难点。因此在制定能量平衡工作大纲时，必须充分考虑可测性问题。定能量平衡工作大纲时，必须充分考虑可测性问题。n对于重点设备、重点参数，要采取各种直接或间接的方法尽可能做到对于重点设备、重点参数，要采取各种直接或间接的方法尽可能做到实测；而对于一般情况，测试大困难时，则采用根据日常生产数据或实测；而对于一般情况，测试大困难时，则采用根据日常生产数据或经验数据进行推算。尤其对重点参数，还应采用多种估算方法进行校经验数据进行推算。尤其对重点参数，还应采用多种估算方法进行校核性结算，以提高数据的准确性、可靠

36、性。核性结算，以提高数据的准确性、可靠性。n能量平衡测试并不是要对企业的所有设备和装置都完全地进行实测，能量平衡测试并不是要对企业的所有设备和装置都完全地进行实测，应该选择主要耗能设备进行实测，其它则只进行统计计算。应该选择主要耗能设备进行实测，其它则只进行统计计算。采用测试计算与统计计算相结合的方法。测试计算反映测试状采用测试计算与统计计算相结合的方法。测试计算反映测试状况下的能耗水平，而统计计算反映实际平均水平。况下的能耗水平，而统计计算反映实际平均水平。B.B.先易后难，掌握步骤先易后难，掌握步骤n开展能评工作时，应先从简单设备，掌握原则，开展能评工作时，应先从简单设备，掌握原则，“练好

37、兵练好兵”。C.C.正反结合，抓住重点正反结合，抓住重点n能量平衡测试原则上应同时采用效率直接测定法（正平衡法）与效能量平衡测试原则上应同时采用效率直接测定法（正平衡法）与效率间接测定法（反平衡法），并以其中一种方法为主。如对锅炉，率间接测定法（反平衡法），并以其中一种方法为主。如对锅炉，规定必须同时使用正反平衡法，且正平衡法为主，反平衡法为校核规定必须同时使用正反平衡法，且正平衡法为主，反平衡法为校核方法。方法。n实际能量平衡测试时，对用能较少的设备，可只进行正平衡测试。实际能量平衡测试时，对用能较少的设备，可只进行正平衡测试。D.D.分批测试，统一计算分批测试，统一计算n对于大型复杂企业，

38、应对所测试设备分类，按先易后难原则分批测对于大型复杂企业，应对所测试设备分类，按先易后难原则分批测试。整个企业的测试阶段不宜拖得太长，以避免测试数据与统计数试。整个企业的测试阶段不宜拖得太长，以避免测试数据与统计数据严重脱节的现象。据严重脱节的现象。n全企业能量平衡测试完成后，再进行数据整理，统一计算，以避免全企业能量平衡测试完成后，再进行数据整理，统一计算，以避免先后计算口径的不一致。先后计算口径的不一致。（3 3）能量平衡工作步骤）能量平衡工作步骤一般分为以下6个步骤。 A. A. 组织准备工作组织准备工作 开展培训教育工作，建立企业能量平衡工作领导小组开展培训教育工作，建立企业能量平衡工

39、作领导小组（全面组织、协调，合理安排生产，推进实施能量平衡结（全面组织、协调，合理安排生产，推进实施能量平衡结果后的成果实施）、工作小组（实施机构）和有关专业测果后的成果实施）、工作小组（实施机构）和有关专业测试小组，明确职责。试小组，明确职责。 收集主要耗能设备的设计与运行技术参数、以及测试收集主要耗能设备的设计与运行技术参数、以及测试统计期（截止到能平结束，向前追溯一个整年度）的主要统计期（截止到能平结束，向前追溯一个整年度）的主要产品品种及数量、能源消耗量。产品品种及数量、能源消耗量。 做好计量准备工作，配备、完善（校核）测试仪器，做好计量准备工作，配备、完善（校核）测试仪器，以及现场采

40、样点、测试点的准备。以及现场采样点、测试点的准备。B.B.制定能量平衡测试方案制定能量平衡测试方案 确定加工的原料与产品、处理量，需要遵守的标准和原则，哪些设备与装置是需要测试的，测试时间与进度（石化企业一般能量平衡测试要求在二个月内完成），测试体系的划分， 有关基准（基准温度）、数据单位（包括绝压、表压）的统一、能量平衡采用的计算公式的确定。 人为地单独划分出来作为研究分析的对象称为体系，体系具有一定的空间和边界。企业能量平衡中的体系可以划分为设备能量平衡体系、主要生产车间（工艺装置）能量平衡体系、企业能量平衡体系。也可以根据能源品种划分为蒸汽平衡体系、电能平衡体系、燃料平衡体系和水平衡体系

41、等。体系的边界必须明确，并且符合能量平衡工作目标的要求，使测试方便。随着测试体系的确定，被测设备、测试项目、测点布置、数据采集、计算方法才能确定。计算方法需首先确定，是因为不同的计算方法需要的测试数据不同。 C. C. 能量平衡测试实施能量平衡测试实施n 首先消除被测设备体系的明显缺陷（操作及管理上的缺陷、设备本体、监控仪表、辅助设施的缺陷，是否存在明显的偶然性能源浪费现象）；n根据设备测试计算表，制作原始记录表，包括测试时间、地点、环境状态、设备名称、型号、测点位置、测试仪表、采集次数、时间间隔、样品编号、生产产品的名称及性能参数、测试人及记录人等。n在最后的测试过程中，应统一指挥，分工负责

42、，尽量保证测试开始、结束时间、数据记录时间及间隔的统一。还必须保证测试记录与现场分析相结合，及时发现数据的不合理性，进行调整和补救测试。D. D. 能量平衡数据的整理与计算能量平衡数据的整理与计算n数据整理过程中，将需要三类数据：测试数据、统计数据、引用数据，这些数据应相互结合，保证能量平衡结果的准确可靠。有时靠某一单独设备或装置的数据还不行，必须与其它相连的设备或装置相联系。n石油化工能量平衡方法中规定，按石化企业的用能三环节进行数据的汇总和分析，由于这几年各企业普遍开展能量平衡的测试较少，相关指标没有可比性，故可根据实际情况，采用灵活的汇总方法。E. E. 能量平衡分析能量平衡分析 分析各

43、设备、装置或全厂用能的合理性，以及产生不合理用能的原因。F. F. 提出节能措施提出节能措施 改进不合理用能是企业能量平衡的最终目的，因此必须根据企业不合理用能现象及原因，有针对性地提出改进和改造的方法与措施。已经发现，有些企业在能量平衡后，只有大堆的表格和数据，但分析与措施很少，实际上起不到能量平衡的作用。案例案例高压除氧器能量平衡结果高压除氧器能量平衡结果项目项目流量t/h压力MPa温度C能量kW供入项供入项高加疏水高加疏水39.611707830汽机凝结水汽机凝结水86757500供热回水供热回水318.410037024低压除氧水低压除氧水988091161MPa1MPa蒸汽蒸汽49.

44、41.031042014轴封漏汽轴封漏汽6.285915一级连排汽一级连排汽3.870.61592963供入合计供入合计112362供出项供出项轴封抽汽用汽轴封抽汽用汽1.40.561561070除氧器排汽除氧器排汽1.10.56156840除氧水除氧水599.1156108815散热损失散热损失1637供出合计供出合计112362内部优化反应、工艺流程换热流程第2个企业第n个企业第3个企业公用工程系统第1个企业第1个工艺装置第n个装置项目参数 苯塔 甲苯塔 二甲苯塔 （常压方案） 二甲苯塔 （加压方案） 塔盘数 实际理论 60/33 66/40 110/66 150/90 进料位置（自上而下

45、） 30/16 30/18 66/40 67/40 进料温度 110 148 171 171 操作温度顶底 93/148 125/171 153/191 227/253 操作压力MPa(g)顶底 0.03/0.08 0.03/0.10 0.1/0.2 0.58/0.7 回流温度 60 90 100 215 回流比（对产品） 10.6 1.0 12.4 18.4 产品纯度w% 99.99(苯) 99.5(甲苯) 99.96(二甲苯) 99.97(二甲苯) 产品回收率 wt% 99.9(苯) 99.0(甲苯) 产品流率kg/h1 8785(苯) 33900(甲苯) 19910 19910 重沸器热

46、负荷kW 14020 11217 29381 33255 塔顶冷凝热负荷kW 12762 11260 32900 32506 塔盘型式塔径m 筛板/3.4 筛板/3.4 筛板/5.0 筛板/5.4 板间距m 0.5 0.5 0.6 0.5 三井油化公司浮岛石化厂投资400亿日元增设燃气轮机与裂解炉匹配，能耗从 523kgEo/t乙烯降至 452kgEot乙烯，相当于每年节约 3.93万吨标油。4 4 节能设备节能设备4.1 4.1 热泵热泵4.2 4.2 燃气轮机燃气轮机4.3 IGCC4.3 IGCC4.4 4.4 变频调速变频调速4.5 4.5 超声波除垢超声波除垢4.6 4.6 高效传热

47、设备高效传热设备4.7 4.7 机械抽真空机械抽真空4.8 4.8 溴化锂制冷溴化锂制冷4. .1 热泵热泵n吸收式热泵有二种形式，吸收式热泵有二种形式，第一种吸收式热泵需要较高温位第一种吸收式热泵需要较高温位的低温热，温度约为（的低温热，温度约为（120120130 130 ），使更低温位（），使更低温位（202050 50 ）的低温热温度升高）的低温热温度升高3030，提温到，提温到50508080 （最高（最高不超过不超过90 90 ）。）。n目前使用的第一种热泵主要采用溴化锂作工质，循环形式目前使用的第一种热泵主要采用溴化锂作工质，循环形式与溴化锂制冷机相同。与溴化锂制冷机相同。n第一

48、种热泵的第一种热泵的性能系数性能系数COPCOP通常为通常为1.51.51.7,1.7,即可使用即可使用100100份份的高温热的高温热, ,得到得到150150170170份的中温热（份的中温热（707090 90 ）。）。 第二种吸收式热泵不需较高温位的低温热第二种吸收式热泵不需较高温位的低温热，仅耗少量的泵功，就可仅耗少量的泵功，就可使使707090 90 的低温热升高至的低温热升高至150150200 200 ，这种方式一般称为吸，这种方式一般称为吸收式变热器（收式变热器（absorption heat transformer)absorption heat transformer)，应是在炼油厂非，应是在炼油厂非常实用的一种节能措施。典型的单级吸收式变压器如下图所示。常实用的一种节能措施。典型的单级吸收式变压器如下图所示。 C冷凝器 G发生器 E蒸发器 A吸收器H1、H2换热器 P1、P2液泵 V节流阀4.2 燃气轮机燃气轮机 工作原理：工作原理：压气机（压缩机，在燃机的前部）连续地从大气中吸压气机（压缩机，在燃机的前部）连续地从大气中吸入空气并将其压缩，压缩后的空