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节能咨询

1 企业热平衡

目前,热能是能量利用的主要形式,热平衡即人们常说的能量平衡。它重点研究热能的利用和损失之间的关系。它是实现科学用能,提高能源利用率和降低能源消耗的一项重要基础工作。因此,在能量系统、节能技术分析以及设备和企业能源管理中,一直应用着热平衡分析。

1.1  基本概念

1.1.1  热平衡的定义

热平衡是按照能量守恒法则,考察一个系统(设备、装置、车间或企业)的输入能量、有效利用能量和损失能量之间的平衡关系,分析用能过程中各个环节的影响因素,衡量能量的利用水平,找出能量损失的原因和节能潜力,从而有针对性地制订技术改造措施和整改方案,以提高系统的能量利用水平。《热设备能量平衡通则》(GB258781)中明确指出:能量平衡是“对进入体系的能量与离开体系的能量在数量上的平衡关系进行考察”。

1.1.2 燃料的热值

燃料(煤、油、天然气等)在完全燃烧条件下所发出的热量叫发热量。发热量由实验测定,在实验时要保证化学反应前后系统的温度为定值25℃,并且燃料要采用应用基。单位燃料的发热量称为燃料的热值。

热值分为高热值和低热值两种:高热值Qgw指单位燃料完全燃烧,而燃烧产物中的水蒸气凝结为水时所发出的热量;低热值Qdw指单位燃料完全燃烧,而且燃烧产物中的水蒸气仍以气态存在时所发出的热量。

我国燃烧设备的排烟温度较高,烟气中的水蒸气不会凝结成水,故一般均用低热值。

1.1.3标准煤及燃料的折标准煤系数

能源标准量是指对不同品种、规格、成分的能源,按照其相应的换算系数,折合成某一标准品数量的指标。国际上通常采用的能源标准量有:油当量、电当量、热功当量和煤当量。我国采用煤当量。

标准煤  将热值等于29.308MJ(7000kcal)的能源量叫1kg标准煤。

折标准煤系数  单位实物量能源的热值除以29.3076MJ所得的值为该单位实物量能源的折标准煤系数。

1.1.4当量热值和等价热值

当量热值dn  一个单位实物量能源,在理论上所含有的能量叫这种能源的当量热值。

燃料的当量热值就是该种能源的应用基低位发热值Qdw1kW·h电能的当量热值是3600kJ。蒸汽的当量热值可根据其压力和温度查得其焓值来确定。环境温度的水和压缩空气的当量热值等于它的压力能,可根据其压

表2-1  各种能源的热值及折标准煤系数


能源名称

能源

实物单位

当量热值(dn

等价热值(Dn

热值

kJ

折标煤系数(kg

热值

kJ

折标煤系数(kg

标准煤

kg

29307.6

1.0000

29307.6

1.0000

kW·h

3600

0.1228

11840

0.4040

蒸汽

(压力<2.45MPa)

Kg

2763

0.0943

4187

0.1429

石油及石油制品

标准油

Kg

41868

1.4286

41868

1.4296

重油

Kg

41868

1.4286

46055

1.5714

汽油

Kg

43124

1.4714

47436

1.6186

煤油

Kg

43124

1.4714

47436

1.6186

柴油

Kg

42705

1.4571

46976

1.6028

渣油

Kg

37638

1.2842

37681

1.2858

液化石油气

Kg

50242

1.7143

55266

1.8857

燃料油

Kg

41868

1.4286

43477

1.4835

煤及煤制品

原煤

Kg

20934

0.7143

20934

0.7143

动力煤

Kg

18841

0.6429

18841

0.6429

无烟煤

Kg

26168

0.8929

26168

0.8929

劣质煤

Kg

14654

0.5000

14654

0.5000

洗中煤

Kg

8374

0.2857

8374

0.2857

干洗精煤

Kg

26377

0.9000

26377

0.9000

焦碳

Kg

28470

0.9714

33494

1.1428

可燃气

天然气

标准立方米

35588

1.2143

35588

1.2143

油田气

标准立方米

41868

1.4286

41868

1.4286

城市煤气

标准立方米

16747

0.5714

32238

1.1000

发生炉煤气

标准立方米

5652

0.1928

8696

0.2967

焦炉气

标准立方米

17983

0.6136

21161

0.7220

乙炔气

标准立方米

56099

1.9141

243672

8.3142

耗能工质

新鲜水

t

 

 

7536

0.2571

循环水

t

 

 

4187

0.1429

软化水

t

 

 

14235

0.4857

除氧水

t

 

 

28470

0.9714

压缩空气

标准立方米

 

 

1172

0.0400

氧气

标准立方米

 

 

11723

0.4000

二氧化碳

标准立方米

 

 

6280

0.2143

氯气

标准立方米

 

 

19678

0.6714

氮气

标准立方米

 

 

11723

0.4000

鼓风

标准立方米

 

 

878

0.0300

电石

kg

16287

0.556

60918

2.0785


力相对与大气压来计算得出。环境温度的氧气、氮气等的当量热值,分别等于其从空气中分离出来时所需的理论最小分离功与其压力能的和。 

等价热值Dn  为生产一个单位实物量的二次能源或单位载能工质所实际消耗的一次能源所能提供的热量。

二次能源的等价热值计算原则是:

例如,1kg 焦碳的低位发热值取28470kJ,若焦碳炉的效率为0.85,则1kg焦碳的等价热值为28470/0.85=33494kJ/kg。二次能源的等价热值是随生产二次能源过程的转换效率而变化的。因此,在热平衡中,二次能源及耗能工质的等价热值要实测,无法实测时,可选用参考数据。表2-1列出了一次能源、二次能源及耗能工质的热值及折标准煤系数。

必须注意区分等价热值和当量热值及其不同用途,后面要详述。还应注意,在工业生产过程中,栽能工质(水、空气、氮气、氧气等)一般作为原料或消耗工质使用,而不是作为能源,此时,只计入等价热值。

1.2  热平衡体系模型

在实际进行热平衡时,首先要确定热平衡体系,然后要建立热平衡模型,因为不同的体系其平衡关系也不同。现以一个设备热平衡为例来介绍热平衡的模型和类型。

1.3 确定热平衡体系

热平衡体系就是所研究的热平衡对象包含的范围,即热平衡的范围。体系应有明确的边界线,边界线的划定应符合所考虑的范围要求,并兼顾方便测试、计算。如对一台卧式快装链条锅炉进行热平衡,其体系为图2-1虚线框以内部分。它将包括燃烧设备、锅筒及省煤器等在内的锅炉本体作为热平衡体系。

                   图 2-4  锅炉热平衡模型

 

(2)       全入热平衡

全入热平衡是以进入体系的全部能量为基础的热平衡。

全入热包括热源供给热、物料带入热、化学反应热、回收热等。全入热平衡主要是考察全部进入体系的能量利用情况,特别是能量回收利用情况。这种热平衡在石油、化工装置中应用较多,这不仅是由于它的化学反应多和能量回收利用多,而且还由于它不是按设备而是按装置进行热平衡的缘故。此时,热平衡方程式为:

       2-3

式中

(3)       净入热平衡

净入热平衡是以实际进入体系的热量为基础的热平衡。它主要考察实际加给体系的热量的利用程度,即有多少热量真正被体系所得到。换热器等设备经常采用净入热平衡。其热平衡方程式为:

      2-4从以上三种热平衡类型可见,由于行业不同,设备不同,考察的目的不同,进行热平衡的基础是不一样的。实际应用时,以个设备或工序的热平衡计算标准为准。

2.1.3          热平衡的测算方法

1.3.1 热平衡的测试和统计

测试和统计是进行热平衡工作的主要手段,两者是相辅相成的。

在能量平衡的测试中,供给(输入)的能量为必测项目,若输出的能量。测试计算与统计计算有些出入,测试计算反映测试状态下的水平;而统计计算是以统计期内的计量和记录数据为基础进行综合计算,其结果反映实际的平均水平。

以测试为主的企业热平衡,一般是先进性用能设备的测试,通过测试所得的数据,进行车间的能量平衡,最后计算出全厂的能量平衡。这种方法需要对各种设备进行大量的测试,工作量大,工作复杂,要花费大量的人力、物力和财力,一般工厂都要进行一年左右的时间。

以统计为主的企业热平衡,其顺序为从总体到局部,即先从全厂到车间进行能量平衡,然后再到主要耗能设备。这种方法节省人力、财力和物力,节省时间,约三个月就可完成整个企业的能量平衡。它适用于能源管理系统和管理规章制度健全,能源计量、仪表和统计资料齐全的企业。

1.5  热平衡计算的基准

热平衡计算基准是能量计算的依据和出发点。采用不同的基准虽然不影响能量平衡,却影响技术指标的可比性就。考虑到能量计算的复杂性、只对影响最大的三个量规定了统一基准,这就是温度基准、燃料发热量基准和燃烧用空气的基准。

(1)       温度基准

原则上以环境温度为基准,若采用其它温度基准时应予以说明。环境温度是指在环境状况下的干球温度,可直接测得。国标之所以采用环境温度为基准是由于:1)环境温度比较符合实际;2)环境温度有较强的适应性,比较灵活方便,一般情况下环境温度就是大气温度,但室内外温度不同时,环境温度也不同,可高于或低于大气温度;3)用环境温度计算比较简单,处于环境温度下的工质、燃料、物料的焓或物理显热都可不需计算。

工程热力学中,以0℃为基准温度,内能或焓都以0℃为起点。因此,按蒸汽图表查出的蒸汽或水的焓,应减去环境温度下水的焓。这一点应加以注意。

(2)       燃料发热量基准

燃料发热量原则上以低位发热量为准。若采用高位发热量时,应对选择的根据予以说明。国标之所以采用低位发热量为基准,是由于:1)我国目前的锅炉和工业窑炉等燃烧设备和能源转换设备,大多都是以低位发热量为计算基准;2)当前各种窑炉的排烟温度都远远超过水蒸气的凝结温度;3)采用低位发热量后,燃料中水分的多少,对计算炉子热效率影响较小。

(3)       燃烧用空气基准

燃烧用空气,原则上采用下列空气组成:

按体积百分数   O221.0%N279.0%

按质量百分数   O223.2%N276.8%

   1.3.3热平衡计算

热平衡计算是搞好热平衡的核心环节,也是进行热平衡工作的难点之一。下面就热平衡计算中的基本点加以概述,其具体计算应当结合实际进行。


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