用能系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性分析

用能系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性分析

1ue006損費及非能量費用在制定煤炭生產(chǎn)和氣分配工具方案時，應(yīng)考慮許多影響因素。從熱力學(xué)角度來講,追求的是用能的合理性(ue006效率),而從經(jīng)濟學(xué)的角度則要求以最小的投資及運行費用獲得最大的利潤,因此一個系統(tǒng)的優(yōu)劣主要看其ue006損費用及非能量費用的高低。ue006損費用決定于ue006效率,若ue006效率高則ue006損費就低。非能量費用主要包括設(shè)備的折舊費、維修費、管理費、人員工資等。ue006損費代表了其ue006效率,非能量費用代表了其經(jīng)濟量,二者共同代表了其ue006經(jīng)濟性。用ue006經(jīng)濟系數(shù)來分析一個系統(tǒng),能正確反映用能的合理性及經(jīng)濟性,從而達到方案決策的目的。對煤氣廠進行分析的方法主要有:①熱平衡分析法,以熱效率作為評價標準;②經(jīng)濟學(xué)法,以投資回收年限或年收益作為評價標準;③價值工程法,以其價值作為評價標準。關(guān)于ue006分析在能源工程的應(yīng)用已有報道。本文以上海浦東煤氣廠為研究對象,用熱經(jīng)濟法對其進行分析與評價。2熱經(jīng)濟分析的原理2.1求取系統(tǒng)物質(zhì)ue006對一個系統(tǒng)進行熱經(jīng)濟分析時,可列出下列四個平衡方程:(1)質(zhì)量平衡方程ΣMin-ΣMout=ΔM(1)(2)能量平衡方程(ΣQin-ΣQout)+(ΣHin-ΣHout)+(ΣWin-ΣWout)=ΔQn(2)(3)ue006平衡方程ΣEin-ΣEout-ΣIr=ΔEn(3)(4)現(xiàn)金平衡方程ΣJin-ΣJout=PL(4)式(1)～式(4)中:ΔM為系統(tǒng)中存留的物質(zhì);ΣIr為系統(tǒng)ue006損總和;ΔEn為系統(tǒng)中的儲存ue006;PL為系統(tǒng)盈利或損失。2.2ue006輸出ue006損定價法則分為兩種,第一種情況是系統(tǒng)的輸入能源可充分供應(yīng)。為保證用戶需要的產(chǎn)品,系統(tǒng)需要多少ue006輸入,能源就能夠提供多少,則ΣIr是以輸入ue006價來定價的,即cir=cf。第二種情況是輸出產(chǎn)品是固定的,但能源所提供的ue006是有限的,即輸出多少產(chǎn)品,能源就提供多少,此時ΣIr是以輸出ue006來定價的,即cir=cp。并且各子系統(tǒng)之間按內(nèi)部傳遞價格計算ue006流價格。2.3ue006流成本向量設(shè)所研究的能量系統(tǒng)有n個子系統(tǒng)和m股ue006流,則就以n為事件矩陣A的行數(shù),m為事件矩陣的列數(shù),便得一個n×m矩陣,表示為A(n×m)。矩陣中的各項叫做矩陣元素,以aij代表,其中ue006流向量記作E。子系統(tǒng)iue006損為Iri=ΣaijEj,Ej為第j股ue006流,所以ue006流向量E和ue006損向量Ir有Ir=E×AC為ue006流成本向量,為n維列向量,其元素cj為第j股ue006流ue006值與其單位成本(或價格)的乘積,即Cj=cjEj(j=1,2,3,...,m)C=[c1c2c3...cm]T其中Cn為子系統(tǒng)的非能量費用向量,它是n維的列向量,其元素Cnj為第i子系統(tǒng)的非能量費用。由該子系統(tǒng)的經(jīng)濟平衡式可得:Cni=∑aijCi以及C×A=An上式包含n個獨立的方程式。但系統(tǒng)具有m(m>n)個ue006流,故方程組不封閉,即矩陣不是滿秩的,矩陣不能得到解。因此需增加(m-n)個獨立的補充方程。這些方程中應(yīng)包括邊界條件和成本分攤方程。以CF與CP分別表示輸入ue006與輸出ue006的平均成本,則第i子系統(tǒng)的輸入與輸出單位ue006成本:CFi=∑(aijCj)F/∑(aijEj)FCPi=∑(aijCj)P/∑(aijEj)P3東[1實行eme]的最佳值ue006經(jīng)濟系數(shù)為非能量費用與總耗費用之比。對一個能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng),輸入為輸入ue006現(xiàn)金CFiEini(Eini為子系統(tǒng)i輸入ue006)和非能量費用Zi,輸出為輸出ue006現(xiàn)金CPiEout(Eout為子系統(tǒng)i輸入ue006)。則ue006經(jīng)濟系數(shù)fexi表示為:fexi=Zi/(Zi+Cir∑Iir)(5)式中:Zi——子系統(tǒng)i的非能量費用;Cir——ue006損的單位價格(在此Cir=CFi);ΣIir——子系統(tǒng)i的ue006損失。對式(5)進行分析:因為ΣIir=(1-ηexi)ΣExi(ηexi為ue006效率),所以fexi=Zi/[(1-ηexi)ΣExi],當Zi一定時,fexi隨ηexi增大而增大;當ηexi一定時,隨Zi增大而增大。因為ue006損費用與非能量費用不是相互獨立的,減少一項時會使另一項增大,因此認為這兩項費用之間存在著一最佳比例。在這最佳比下,兩項之和最小,此時fexi對應(yīng)一個最佳值,這是我們追求的目標。一般來說,當fexi偏離最佳值太大時,則說明系統(tǒng)不太合理,需改善。如果fexi太小,則說明ue006損太大,這時應(yīng)增大投資,改進設(shè)備,降低ue006損。若fexi太大,則說明非能量費用太大,雖可減小ue006損,但節(jié)能不省錢,故應(yīng)尋找出fexi的最佳值:對于子系統(tǒng)i,fexi在最佳值時,(CPi-CFi)也最小。為求fexi的最佳值,可利用(CPi-CFi)最小來求解。因為CPi=(CFiEini+Zi)/Eouti(6)CPi-CFi=(CFiEini+Zi)/Eout-CFi(7)由式(5)有:Zi=fexi/(1-fexi)·CFiΣIir(8)又因為Eout+ΣIir=Eini(9)ηexi=Eout/Eini(10)將式(8)—式(10)代入式(7)得:CPi-CFi=CFi[1/(1-fexi)][(1-ηexi)/ηexi](11)設(shè)CFi為定值,據(jù)式(11)對CPi-CFi求最小值得:1/(1-fexi)=(1-ηexi)/ηexi(12)fexi=(1-2ηexi)/(1-ηexi)(13)式(13)即fexi的最佳值。此式適用于ηexi<0.5的熱力系統(tǒng)。對于大型企業(yè),其ue006效率ηexi一般小于0.5,故式(13)可用。若只以子系統(tǒng)的ηexi或Zi來判斷系統(tǒng)的優(yōu)劣,可能出現(xiàn)偏激,因為ηexi高而設(shè)備費用也高時,Zi也高,則總費用不一定最小;反之Zi低而其ue006損費大時,總費用也不一定最小;ue006經(jīng)濟系數(shù)正是兼顧兩者來分析的,當兩者處在最佳比時,其總費用最少,ue006經(jīng)濟系數(shù)處于最佳值。4熱經(jīng)濟學(xué)在煤炭氣處理廠的應(yīng)用4.1病焦爐煉焦廠以上海浦東煤氣廠為例,來說明熱經(jīng)濟學(xué)在煤氣廠的應(yīng)用。浦東煤氣廠是以生產(chǎn)焦爐煤氣及水煤氣為主的煤氣廠。其中還生產(chǎn)發(fā)生爐煤氣作為焦爐加熱用?，F(xiàn)通過測試所得數(shù)據(jù),對發(fā)生爐煤氣-焦爐煤氣系統(tǒng)進行分析。其熱力系統(tǒng)如圖1所示。4.2鍋爐煙氣量的計算(1)煤的元素分析(%)及工業(yè)分析(%)Cy=72.3,Hy=0.33,Oy=3.7,Ny=5.07,Sy=0.8,Ay=8.7,Wy=9.1,Vy=0.97。(2)焦炭的元素分析(%)及工業(yè)分析(%)Cy=81.29,Hy=0.39,Oy=0.78,Ny=0.63,Sy=0.72,Ay=16.28,Wy=4.84,Vy=0.97。(3)大氣環(huán)境的溫度t0=34℃,壓力為0.1013MPa。(4)蒸汽與空氣混合后的飽和空氣的溫度為62.5℃。(5)發(fā)生爐煤氣的溫度為480℃,焦爐煤氣的溫度為650℃,煤氣壓力為2.7kPa;焦炭出爐溫度為100℃。(6)鍋爐煙氣量的計算1)理論空氣量V0=0.889(Cy+0.375Sy)+0.265Hy-0.033Oym3/kg。2)實際空氣量V=αV0,m3/kg,α為過?？諝庀禂?shù),取1.3。3)煙氣體積Vy計算VRO2=1.866(Cy+0.375Sy)/100;VN2=0.79V+0.8Ny/100;VH2O=0.111Hy+0.0124Wy+0.0161;VO2=0.21(α-1)V0;Vy=VRO2+VRO2+VH2O+VO2。4)煙氣的比熱容、密度及ue006值Cpf=∑Cpfi·Xiρpf=∑ρpfi·XiEf=VfCpf[(tf-t0)-T0ln(Tf/T0)](7)煤氣燃燒所產(chǎn)生的廢氣量Vf計算1)所需理論空氣量V0=1/21[0.5CO+0.5H2+2CH4+∑(m+n/4)CmHn+1.5H2S-O2],m3/m3。2)實際空氣量V=αV0,α=1.3。3)廢氣量VRO2=0.01(CO2+CO+CH4+H2S),m3/m3;VH2O=0.01(H2+H2S+2CH4),m3/m3;VN2=0.01N2+0.79αV0,m3/m3;VO2=0.01O2+0.21(α-1)V0,m3/m3;Vf=VRO2+VH2O+VN2+VN2,m3/m3。4)廢氣的比熱、密度及ue006值Cpy=∑Cpyi·Xi,ρpy=∑ρpyi·Xi,Ey=VyCpy[(ty-t0)-T0ln(Ty/T0)]。(8)水的ue006值計算E(T,P)=Cp(T-T0)[1-T0/(T-T0)ln(T/T0)]+υ(P-P0)4.3煤氣廠ue006效率對圖1進行計算分析,熱力學(xué)參數(shù)見表1。系統(tǒng)總的ue006效率為:ηex=ΣEpui/ΣEini=38.31%。對煤氣廠來說,ue006效率已經(jīng)不低,說明從熱力學(xué)分析來看,此系統(tǒng)較完善。但系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)是否都達到最優(yōu),還應(yīng)對其進行經(jīng)濟性分析。4.4折舊費的補充邊界條件此系統(tǒng)有10個子系統(tǒng),29條ue006流組成,故有29個未知量,應(yīng)組成一個A10×29的矩陣。由方程可獲得10個獨立的子系統(tǒng)的經(jīng)濟平衡式,然后再列出系統(tǒng)的事件矩陣A,ue006流成本向量C含有29個矩陣元素,每個矩陣元素對應(yīng)一個ue006流成本。非能量費用向量Cn中含有10個元素,每個元素對應(yīng)一個子系統(tǒng)的非能量費用。非能量費用即計算子系統(tǒng)的折舊費,并用勻速折舊法,即Z=I0/L,I0為初投資,L為還本年限。為使方程封閉,還得補充邊界條件和成本分攤方程。邊界條件為系統(tǒng)的輸入或輸出ue006流所具有的特定的經(jīng)濟條件,如煤、電能按市場價。成本分攤方程應(yīng)遵循:(1)子系統(tǒng)的任何非產(chǎn)品性的輸出ue006的ue006單價與輸入ue006的ue006單價相等。(2)子系統(tǒng)內(nèi)的所有產(chǎn)品ue006流的ue006單價相等。按以上規(guī)則補充方程共20個:C1=c1E1,C2=0,C4=0,C7=c7E7,C8=0,C3/E3-C21/E21=0,C10/E10-C12/E12=0,C13/E13-C14/E14=0,C9/E9-C14/E14=0,C17/E17-C18/E18=0,C17/E17-C29/E29=0,C18/E18=0,C17/E17-C29/E29=0,C20/E20-(C18+C19)/(E18+E19)=0,C21/E21-(C20-C24)/(E20+E24)=0,C3/E3-C27/E27=0,C23=c23E23,C24=c24E24,C19=c19E1,C13/E13-C22/E22=0。計算結(jié)果見表2—5。4.5ue006損費用由表2知,子系統(tǒng)5,8的ue006損較大,子系統(tǒng)6,7,9的ue006效率較高。從熱力學(xué)角度來看,子系統(tǒng)6,7,9能量使用最合理;子系統(tǒng)5,8能量使用很不合理的,需改進設(shè)備,減小ue006損。由表5可知,子系統(tǒng)2,7,8,9的fex很小,說明其ue006損費用太高;子系統(tǒng)1的fexi最大,說明其非能量費用略高,雖其ue006效率較高,但其非能量費用較大,也不十分合理。子系統(tǒng)3最合理,因為它的ue006效率較高且ue006經(jīng)濟系數(shù)于最佳用經(jīng)濟系數(shù)很接近。