熱能動力聯(lián)產(chǎn)及其系統(tǒng)優(yōu)化設計分析

【摘 要】熱力系統(tǒng)中有關(guān)控制污染的思路大都是集中于流程尾部脫除中，也就是延續(xù)污染在前，治理在后的方式，這種治理模式顯然不符合相關(guān)要求。為了打破這種治理模式，利用能量轉(zhuǎn)化原理及與二氧化碳控制一體化原理，這樣的原理能夠結(jié)合化學能階梯利用與降低二氧化碳能源消耗分離，使能量利用率有效提高，同時使二氧化碳的排放量得到了降低。本文簡要介紹了多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)集成理論，并指出了多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的主要類型和系統(tǒng)優(yōu)化的有關(guān)思路，旨在為熱能動力聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】熱能動力聯(lián)產(chǎn) 系統(tǒng)優(yōu)化 設計

一、前言

長久以來，熱能動力系統(tǒng)都是互相獨立的，傳統(tǒng)的熱力循環(huán)系統(tǒng)的中心理論是熱力學里面的卡諾定理，卡諾定理能夠把燃料的品位變成熱能品位，但是并沒有利用燃料化學能品位，所以說具有很大的局限性。在這樣的理論基礎上，很多研究者建立了熱能品位與燃料化學能、Gibbs自由能之間的關(guān)系，在這些的基礎上，解釋了化學能可控轉(zhuǎn)換聯(lián)產(chǎn)有關(guān)的集成機理。當今世界，系統(tǒng)整合思想頗受歡迎，能源動力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢多產(chǎn)品聯(lián)產(chǎn)和多能源互補。

二、多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)集成理論簡介

多聯(lián)產(chǎn)指的是整合動力系統(tǒng)和化工工程，既能完成熱工功能，包括供熱、發(fā)電等，又能進行化工產(chǎn)品的生產(chǎn)，綜合了多個領(lǐng)域的多功能，在生產(chǎn)中起到很重要的作用。綜合能和化學能的階梯利用是多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)理論的核心內(nèi)容，同時也是熱能動力聯(lián)產(chǎn)的基礎和系統(tǒng)優(yōu)化分析的基礎，這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)二氧化碳的一體化。首先是物理能和化學能階梯利用方法。以前的熱力循環(huán)系統(tǒng)的中心理論是熱力學里面的卡諾定理，卡諾定理能夠把燃料的品位變成熱能品位，但是并沒有利用燃料化學能品位，所以說存在很大的局限性。在這樣的理論基礎上，很多研究者建立了熱能品位與燃料化學能、Gibbs自由能之間的關(guān)系，在這些的基礎上，解釋了化學能可控轉(zhuǎn)換聯(lián)產(chǎn)有關(guān)的集成機理。研究顯示，能量轉(zhuǎn)化和組成轉(zhuǎn)化屬于互相利用耦合關(guān)系，化工側(cè)和動力側(cè)的互相整合是整個系統(tǒng)的集成重點，能量的階梯利用就是其核心理論。其次是應用和二氧化碳控制一體化有關(guān)原理進行能量轉(zhuǎn)化。通常情況下，熱力系統(tǒng)都是在流程尾部脫除中進行污染控制，也就是采取污染在前，治理在后的方式，這種治理模式顯然不符合相關(guān)要求。為了打破這種治理模式，利用能量轉(zhuǎn)化原理及與二氧化碳控制一體化原理，這樣的原理能夠結(jié)合化學能階梯利用與降低二氧化碳能源消耗分離，使能量利用率有效提高，同時使二氧化碳的排放量得到了很大程度的減少。一體化思路把傳統(tǒng)的分離技術(shù)顛覆了，而將溫室氣體能耗高的問題解決的是聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)一體化理論，實際生產(chǎn)過程中，既能夠回收二氧化碳氣體，又能分離出干凈的氣體燃料氫氣，使得合成氣成分比例更為科學化，確保化工合成得到有效的優(yōu)化，使二氧化碳氣體的排放量降到最低，為二氧化碳集成方法奠定了扎實的基礎。

三、多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的主要類型和系統(tǒng)優(yōu)化的有關(guān)思路

根據(jù)上述原理可以研發(fā)出多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)類型，并為優(yōu)化系統(tǒng)提供有效的方法，但是需要注意的地方有很多。

（一）有關(guān)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能效果及對應的類型

多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)有很多組成部分，分別是污染控制、熱工和化工等，在實際的實施過程中，一定要結(jié)合實際的具體情況整合和優(yōu)化不同的過程，才能達到預期的功能。所以，基于這種情況下，多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)會有很多類型出現(xiàn)，同時這些類型的分類方式也各不相同。舉個例子，可以根據(jù)輸出產(chǎn)品的類型來挑選輸出方式，可以根據(jù)流程的結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)的特點來選擇，并且還可以結(jié)合輸出能源的種類來選擇。這些輸出方式中，較為科學的方式是結(jié)合流程結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)特征來選擇，在這樣的輸出方式中，動力聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可以分成多種類型。首先是簡單并聯(lián)系統(tǒng)。所謂并聯(lián)系統(tǒng)就是并聯(lián)動力系統(tǒng)和化工流程，獨立性較強是它的主要特點，它可以保留原來的分產(chǎn)流程結(jié)構(gòu)，氣爐里面的合成氣當做是動力系統(tǒng)的主要燃料。簡單并聯(lián)系統(tǒng)的優(yōu)勢是節(jié)約能源效果好。其次是綜合并聯(lián)型系統(tǒng)。相對簡單并聯(lián)系統(tǒng)而言的綜合并聯(lián)系統(tǒng)，是在簡單并聯(lián)系統(tǒng)的基礎上整合和優(yōu)化能量系統(tǒng)，它的動力系統(tǒng)熱能提供了工藝流程能力。而混合器低溫抽氣滿足了廢氣回收的熱能的需求。綜合并聯(lián)型系統(tǒng)的節(jié)能效果明顯優(yōu)于簡單并聯(lián)系統(tǒng)。接下來是簡單串聯(lián)系統(tǒng)。所謂簡單串聯(lián)系統(tǒng)就是串聯(lián)化工系統(tǒng)和動力系統(tǒng)，而且化工系統(tǒng)和動力系統(tǒng)都是采用上、下串聯(lián)的方法，而動力系統(tǒng)無需利用合成氣，因此在很大程度上避免了高能耗的情況，同時減少了合成氣的消耗，節(jié)約能源的效果較好。第四是綜合串聯(lián)系統(tǒng)。所謂綜合串聯(lián)系統(tǒng)就是優(yōu)化簡單系統(tǒng)的結(jié)果，這個系統(tǒng)可以耦合組分轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)化的，它采用的是無成分調(diào)整和優(yōu)化調(diào)整的方法，在很大程度上將合成氣的損失降到最低，最大限度的把能量利用率提高，最大限度的節(jié)約能源。最后是串并聯(lián)聯(lián)合系統(tǒng)。屬于新型的系統(tǒng)的串并聯(lián)聯(lián)合系統(tǒng)，是在并聯(lián)系統(tǒng)和串聯(lián)系統(tǒng)的思路上發(fā)展起來的，它具有更為合理的能源轉(zhuǎn)化思路，但是這種系統(tǒng)也有一定的缺陷，就是化工側(cè)和動力側(cè)的結(jié)合比較緊，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定和靈活，優(yōu)點是對具有很強的適應性。串并聯(lián)聯(lián)合系統(tǒng)集合了并聯(lián)系統(tǒng)的優(yōu)勢并摒棄了并聯(lián)系統(tǒng)的缺點、集合了串聯(lián)系統(tǒng)的優(yōu)勢并摒棄了串聯(lián)系統(tǒng)的缺點，對于完成綜合目標有很大作用。

（二）熱能動力聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化設計方法

首先是在節(jié)能率基礎上的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化設計方法。聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的組成成分有很多，包括污染控制、化工、熱工等過程，因此整個系統(tǒng)非常復雜，按照目前的情況來看，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的設計都是采用傳統(tǒng)的設計方法，但是傳統(tǒng)的設計方式存在很多缺陷。評標標準的選擇不同，就會有不同的結(jié)論，因此對整個不易于客觀評價整個系統(tǒng)，而且在整個過程里面都沒有意識到優(yōu)化各個參數(shù)，因此造成整個系統(tǒng)科學性不足。其次是在節(jié)律基礎上的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化方法。當參比分產(chǎn)系統(tǒng)和聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的輸出一樣時，兩者能耗總量要滿足的條件是Pcog=PD；GcogM=GDM；ESR=（QD-Qcog）/QD=QDM/ηDM+PD/ηDP.其中Q屬于能量，η屬于效率，G屬于質(zhì)量，P屬于功率，D屬于分產(chǎn)時，M屬于化工，cog屬于聯(lián)產(chǎn)時，P屬于動力。

以下從基本方程和熱力學定義出發(fā)，找到新的參比標準，大量實踐顯示，新的參比標準相對于傳統(tǒng)的計算方法更方便和準確，因為它全面的考慮了不同參數(shù)的變化情況，在聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)里面，合成焦爐煤氣和煤氣的技能率ESR具體如下：

Qcog=Qe+Qeg=GeogeHDC+GeogogHeog；

QD=PD/ηDee+GDMqDM）；

ESR=[（PD/ηDee+GDMqDM））-（Qe+Qeg）]/（PD/ηDee+GDMqDM）；

以上公式中，qDM屬于分產(chǎn)化工生產(chǎn)效率，GDM屬于分產(chǎn)化工生產(chǎn)質(zhì)量，ηDee屬于分產(chǎn)聯(lián)合循環(huán)小功率，PD屬于分產(chǎn)中聯(lián)合循環(huán)的工具。

在多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化設計中，需使用合理的參比流程，從目前的情況來看，參比分產(chǎn)化工流程可以使用焦爐煤氣聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，這種參比流程通過采用各個指標的函數(shù)關(guān)系及分產(chǎn)系統(tǒng)性能值來進行。

使用的分產(chǎn)參比基準不同，節(jié)能率就會有不同的變換規(guī)律，而當量系數(shù)方法以及定性能基準方法都會出現(xiàn)程度不同的誤差。例如，高混合比區(qū)域中ESR的計算值會有偏大的趨勢，而低混合比區(qū)域剛好相反，ESR的計算值會相對偏小。

四、結(jié)束語

多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的主要類型主要有很多，首先是簡單并聯(lián)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)的獨立性較強，節(jié)約能源效果相對較好。其次是綜合并聯(lián)型系統(tǒng)，節(jié)能效果相對簡單并聯(lián)系統(tǒng)更好。第三是簡單串聯(lián)系統(tǒng)，它在很大程度上避免了高能耗的情況，同時減少了合成氣的消耗，節(jié)約能源的效果較好。第四是綜合串聯(lián)系統(tǒng)，它最大限度的把能量的利用率提高。最后一個是串并聯(lián)聯(lián)合系統(tǒng)，它具有更為合理的能源轉(zhuǎn)化思路，利于實現(xiàn)綜合目標。熱能動力聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化設計方法有兩種，首先是在節(jié)能率基礎上的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化設計方法。其次是在節(jié)律基礎上的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化方法，兩種方法都各有千秋，在實際應用中要根據(jù)實際情況來選擇。