蒸汽系統(tǒng)能效評(píng)估方法研究及其軟件開發(fā)

，

(山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

蒸汽系統(tǒng)能效評(píng)估方法研究及其軟件開發(fā)

宋文，李歧強(qiáng)

(山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

研究了蒸汽系統(tǒng)的能效評(píng)估方法。首先以熱力學(xué)第一、第二定律為依據(jù)建立了蒸汽系統(tǒng)能效評(píng)估體系，其次根據(jù)能量平衡和質(zhì)量平衡的原理進(jìn)行了蒸汽系統(tǒng)建模，最后給出了能效指標(biāo)的計(jì)算方法并使用Visual studio 2008開發(fā)了蒸汽系統(tǒng)能效評(píng)估軟件。結(jié)果分析表明本軟件能夠較為準(zhǔn)確地建立蒸汽系統(tǒng)的模型并計(jì)算出能效指標(biāo)，對(duì)蒸汽系統(tǒng)節(jié)能評(píng)估工作具有較高的實(shí)用價(jià)值。

蒸汽系統(tǒng)；能效評(píng)估；分析；軟件開發(fā)

蒸汽系統(tǒng)在過程工業(yè)中應(yīng)用廣泛。以鋼鐵工業(yè)為例，蒸汽能耗約占總能耗的10%，其中可回收的余熱蒸汽量約占總能耗的7%[1]。但由于技術(shù)落后、缺乏重視等原因，目前我國工業(yè)蒸汽系統(tǒng)的能源效率一般在30%～40%之間，比西方發(fā)達(dá)國家低20%左右[2]，節(jié)能潛力巨大。能效評(píng)估能夠指出系統(tǒng)中對(duì)能源使用的不合理之處，對(duì)于蒸汽系統(tǒng)節(jié)能降耗工作的開展有重要的指導(dǎo)意義。但現(xiàn)有的評(píng)估體系并不能全面地反映蒸汽系統(tǒng)的能耗情況，且大都以人工計(jì)算為主，步驟繁雜、專業(yè)性強(qiáng)。因此，建立一種較為完善的蒸汽系統(tǒng)能效評(píng)估指標(biāo)體系、研發(fā)一種易于使用的評(píng)估軟件將極大地提高蒸汽系統(tǒng)節(jié)能評(píng)估的效率，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

1 蒸汽系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖1 蒸汽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

蒸汽系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。給水在鍋爐中被加熱變?yōu)檎羝斔偷秸羝腹苤?，供汽輪機(jī)和用汽設(shè)備使用。為匹配不同用汽設(shè)備的需求，設(shè)置多級(jí)蒸汽母管，高壓蒸汽通過減溫減壓閥的調(diào)節(jié)變?yōu)榈蛪赫羝?，進(jìn)入低壓母管。使用后的蒸汽冷凝為水，經(jīng)疏水閥流入冷凝箱，與補(bǔ)充水混合后進(jìn)入除氧器，經(jīng)加熱除氧后重新變?yōu)榻o水進(jìn)入鍋爐。

2 蒸汽系統(tǒng)能效評(píng)估指標(biāo)體系的建立

為準(zhǔn)確、完整地反映蒸汽系統(tǒng)對(duì)能源的利用能力和合理性，本文使用整體熱效率、損及損率、用汽設(shè)備的能級(jí)比、冷凝水回收率四項(xiàng)指標(biāo)來進(jìn)行蒸汽系統(tǒng)能效評(píng)估。

首先，使用整體熱效率指標(biāo)來評(píng)價(jià)蒸汽系統(tǒng)利用能源、防止能量耗散的能力。從蒸汽系統(tǒng)的整體上來看，燃料釋放的熱量、補(bǔ)充水帶有的熱量進(jìn)入蒸汽系統(tǒng)，一部分得到有效利用轉(zhuǎn)變?yōu)槠啓C(jī)發(fā)出的電能和供用戶使用的蒸汽中含有的熱能，另一部分作為損失耗散到環(huán)境中，包括鍋爐的排煙損失、散熱損失，汽輪機(jī)的機(jī)械損失，蒸汽管網(wǎng)中的散熱損失，未能回收的凝結(jié)水中的熱能等。定義系統(tǒng)整體熱效率為有效利用的能量與總輸入能量之比。

整體熱效率指標(biāo)基于熱力學(xué)第一定律，從“量”的角度來進(jìn)行能效評(píng)估。但是，熱效率指標(biāo)并不能反映減溫減壓過程中蒸汽品質(zhì)的變化情況。從熱力學(xué)第一定律的角度出發(fā)，減溫減壓過程中蒸汽能量守恒、質(zhì)量守恒，并不存在熱損失。但高品質(zhì)蒸汽變?yōu)榈推焚|(zhì)蒸汽的過程中會(huì)發(fā)生可用能損失，造成高品質(zhì)蒸汽做功能力的下降，導(dǎo)致能量的貶值。因此，需要根據(jù)熱力學(xué)第二定律，從“質(zhì)”的角度評(píng)價(jià)系統(tǒng)防止可用能耗散的能力[3]。文獻(xiàn)[4]指出，可使用損及損率來評(píng)價(jià)高品質(zhì)蒸汽在減溫減壓過程中的可用能損失情況。是用來衡量能量的做功能力的物理量。定義損為減溫減壓過程中一次蒸汽的降，損率為一次蒸汽的降與實(shí)際之比。

蒸汽系統(tǒng)供、用能設(shè)備間應(yīng)遵循“能級(jí)匹配、壓力匹配”的原則，以盡量減少不必要的損失[4]。損率指標(biāo)不能直觀地反映能級(jí)匹配程度，因此需要使用能級(jí)比指標(biāo)。能級(jí)比是一個(gè)與供汽設(shè)備、用汽設(shè)備以及環(huán)境的熱力學(xué)溫度值有關(guān)的量，其值越接近1，供用能匹配程度越好，損失越少；反之，其值越接近0，供用能匹配程度越差，損失越大。

蒸汽冷凝水是非常有價(jià)值的資源，其中不僅含有一定的熱量，而且是潔凈的蒸餾水，很適合做鍋爐給水。合理地回收利用冷凝水將能夠大大減少鍋爐燃料消耗[5]。因此，需要使用冷凝水回收率指標(biāo)來評(píng)價(jià)蒸汽系統(tǒng)對(duì)冷凝水的回收能力。定義冷凝水回收率為冷凝水箱入口流量與鍋爐蒸發(fā)量之比。

以上各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算方法見本文第4節(jié)。在進(jìn)行能效評(píng)估之前，必須先建立蒸汽系統(tǒng)的模型并求解，以得到能效評(píng)估計(jì)算所需的參數(shù)。

3 蒸汽系統(tǒng)建模

根據(jù)能量守恒和質(zhì)量守恒原理建立各主要設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，用蒸汽流將各設(shè)備聯(lián)系起來構(gòu)成完整的循環(huán)系統(tǒng)[6]。同時(shí)，采用“用戶驅(qū)動(dòng)”的思想，從凝氣式汽輪機(jī)和用汽設(shè)備的需求出發(fā)進(jìn)行求解。限于篇幅，以下簡(jiǎn)述幾個(gè)主要設(shè)備的建模方法。

3.1 鍋爐建模

鍋爐建模的目的是在已知鍋爐給水、產(chǎn)汽和排污參數(shù)以及排污率的條件下，根據(jù)給水流量確定鍋爐實(shí)際蒸發(fā)量、燃料用量及排污水量。如果鍋爐效率已知，則直接使用方程組(1)求解鍋爐模型。

(1)

式中ηB——鍋爐效率/[%];

D——鍋爐實(shí)際蒸發(fā)量/t·h-1;

mbd——排污水量/ t·h-1;

mf——燃料用量/ t·h-1;

mfw——給水流量/ t·h-1;

hs——鍋爐產(chǎn)生的蒸汽焓值/kJ·kg-1;

hbd——排污水焓值/kJ·kg-1;

hfw——給水焓值/kJ·kg-1;

K——鍋爐排污率;

Qar,net——燃料收到基低位發(fā)熱值/kJ·kg-1。

如果鍋爐效率未知，則需要先通過反平衡法計(jì)算出鍋爐效率，如式(2)所示，然后使用方程組(1)求解鍋爐模型。

ηB=100%-q2-q3-q4-q5

(2)

其中，q2、q3、q4、q5分別為排煙損失、氣體不完全燃燒熱損失、固體未完全燃燒熱損失、散熱損失，可通過煙氣參數(shù)、燃料參數(shù)等條件計(jì)算得到。

3.2 汽輪機(jī)建模

汽輪機(jī)建模的目的是在已知相對(duì)內(nèi)效率、出入口蒸汽參數(shù)和汽輪機(jī)蒸汽流量的條件下，求出汽輪機(jī)的發(fā)電功率。

汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率的定義式如(3)所示。

(3)

式中ηT——汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率/[%];

Δhi——蒸汽的實(shí)際焓降/kJ·kg-1;

Δht——蒸汽的理想焓降/kJ·kg-1;

h1——入口蒸汽焓值/kJ·kg-1;

h2a——出口實(shí)際蒸汽焓值/kJ·kg-1;

h2s——出口壓力和入口熵值下的蒸汽焓值/kJ·kg-1。

根據(jù)式(3)可求得出口實(shí)際蒸汽焓值h2a，進(jìn)而可由式(4)求得汽輪機(jī)的發(fā)電功率。

(4)

式中P——汽輪機(jī)的發(fā)電功率/kWh;

mtb——汽輪機(jī)蒸汽流量/t·h-1。

3.3 除氧器建模

除氧器使用低壓蒸汽來加熱補(bǔ)充水及回收的冷凝水以除去其中溶解的氣體[7]。除氧器建模的目的是根據(jù)補(bǔ)充水流量、冷凝水流量、除氧器排空率確定鍋爐給水流量、除氧器排放量和使用的低壓蒸汽流量。可列出質(zhì)量平衡方程如式(5)所示。

mls+mmw+mcd=mfw+mv

(5)

式中mmw——補(bǔ)充水流量/t·h-1;

mcd——冷凝水流量/t·h-1;

mv——除氧器排放量/t·h-1;

mls——低壓蒸汽流量/t·h-1。

同時(shí)，可列出能量平衡方程如式(6)所示。

mlshls+mmwhmw+mcdhcd=mfwhfw+mvhv

(6)

式中hls——低壓蒸汽焓值/kJ·kg-1;

hmw——補(bǔ)充水焓值/kJ·kg-1;

hcd——冷凝水焓值/kJ·kg-1;

hv——排汽焓值/kJ·kg-1。

定義排放率為排放量與除氧器排出的給水流量之比，如式(7)所示。

(7)

式中v——除氧器排放率。

使用式(5)、式(6)和式(7)即可求解除氧器模型。

4 蒸汽系統(tǒng)能效評(píng)估指標(biāo)的計(jì)算方法

根據(jù)蒸汽系統(tǒng)模型求解得到的參數(shù)，使用以下方法計(jì)算蒸汽系統(tǒng)的能效評(píng)估指標(biāo)。

4.1 整體熱效率

根據(jù)定義，采用式(8)計(jì)算整體熱效率。

(8)

式中 ηH——整體熱效率/[%];

QE——總發(fā)電量/MJ;

QU——用戶使用的蒸汽能之和/MJ;

QF——燃料釋放的熱量/MJ;

QM——補(bǔ)充水中的熱量/MJ;

NG——蒸汽系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)數(shù)量;

Pi——第i臺(tái)發(fā)電機(jī)的發(fā)電量/kW;

NU——用汽設(shè)備的數(shù)量;

mui——第i個(gè)用戶的蒸汽流量/t·h-1;

hui——第i個(gè)用戶的蒸汽焓值/kJ·kg-1。

ΔEs,p,r=ΔEs,p-ΔEw

(9)

式中 ΔEs,p——單位時(shí)間一次蒸汽的降/kJ·kg-1;

ΔEw——單位時(shí)間減溫水的升/kJ·kg-1。

(10)

式中 Δes,p——一次蒸汽的比降/kJ·kg-1;

ms,p——一次蒸汽的流量/t·h-1;

Δew——減溫水的比升/kJ·kg-1;

mw——減溫水的流量/t·h-1;

es,p——一次蒸汽的比/kJ·kg-1;

Es,p——單位時(shí)間一次蒸汽的實(shí)際/kJ·kg-1。

4.3 能級(jí)比

針對(duì)每個(gè)用汽設(shè)備，根據(jù)定義式(11)計(jì)算用汽設(shè)備能級(jí)比。

(11)

式中T0——環(huán)境溫度/℃;

Tu——設(shè)備用汽溫度/℃;

Ts——設(shè)備供汽溫度/℃。

4.4 冷凝水回收率

根據(jù)定義，采用式(12)計(jì)算冷凝水回收率。

(12)

式中ηCD——冷凝水回收率/[%]。

5 軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)

在以上理論研究的基礎(chǔ)上開發(fā)了蒸汽系統(tǒng)能效評(píng)估軟件。軟件的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示，操作流程如圖3所示。軟件在Visual Studio 2008環(huán)境下開發(fā)，采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法。軟件主界面如圖4所示。

圖2 軟件功能結(jié)構(gòu)圖

圖3 軟件操作流程圖

圖4 軟件主界面

6 實(shí)例分析

某鋼鐵企業(yè)采用二級(jí)蒸汽母管系統(tǒng)為高壓和低壓用戶供汽，同時(shí)系統(tǒng)中安裝有1臺(tái)凝氣式汽輪機(jī)和1臺(tái)背壓式汽輪機(jī)。企業(yè)基本參數(shù)以及各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)見表1～表5，軟件計(jì)算結(jié)果見表6。

表1 企業(yè)基本參數(shù)

表2 鍋爐參數(shù)

表3 汽輪機(jī)參數(shù)

表4 用汽設(shè)備參數(shù)

表5 除氧器及冷凝箱參數(shù)

表6 指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

分析表6中的能效指標(biāo)可以得到以下結(jié)論：

(1)該系統(tǒng)的整體熱效率為72.91%，相對(duì)較高[2]。若想進(jìn)一步提高整體熱效率，可采取的措施包括降低鍋爐排煙溫度、降低鍋爐排污率以提高鍋爐效率[8]，提高汽輪機(jī)效率，改造管網(wǎng)以減少熱損和蒸汽放散等。

(2)系統(tǒng)冷凝水回收率僅為52.86%，尚未達(dá)到60%，是一個(gè)較低的水平[9]，應(yīng)通過加裝冷凝水回收設(shè)備或更換疏水閥等措施來提高冷凝水的回收率。

(3)系統(tǒng)供用汽設(shè)備之間的能級(jí)不匹配，存在一定程度的可用能損失。若采用余壓發(fā)電技術(shù)(例如背壓式汽輪機(jī)或螺桿膨脹機(jī)等)將這部分可用能轉(zhuǎn)化為電能，將獲得可觀的收益。假設(shè)熱電轉(zhuǎn)換效率為80%，則可得電功率為

=968.82 kW。

按照該企業(yè)年運(yùn)行8 000 h、當(dāng)?shù)仉妰r(jià)0.65元/kWh來計(jì)算，每年將能夠創(chuàng)造約500萬元的經(jīng)濟(jì)效益。

7 結(jié)論

蒸汽系統(tǒng)節(jié)能評(píng)估能夠指出系統(tǒng)的不合理之處，便于下一步有針對(duì)性地開展節(jié)能改造。實(shí)例分析表明，本軟件能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算出蒸汽系統(tǒng)的能效指標(biāo)，進(jìn)而幫助企業(yè)和政府更好地了解蒸汽系統(tǒng)的整體用能情況、主要能耗問題及節(jié)能潛力，為以后有序開展和推進(jìn)蒸汽系統(tǒng)節(jié)能工作奠定基礎(chǔ)。

[1]張立宏,蔡九菊,杜濤,等.鋼鐵企業(yè)蒸汽系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析及改進(jìn)措施[J].中國冶金,2007(1):50-3.

[2]宋徐輝.我國蒸汽系統(tǒng)現(xiàn)狀及節(jié)能潛力[J].節(jié)能與環(huán)保,2007,(1):52-4.

[3]ROSEN M A,DINCER I.Exergy-cost-energy-mass analysis of thermal systems and processes[J].Energy Conversion and Management,2003,44(10):1633-51.

[4]張立宏,蔡九菊.鋼鐵企業(yè)蒸汽利用方式的研究[J].工業(yè)加熱,2007(5):1-3.

[5]斯派莎克工程中國有限公司.蒸汽和冷凝水系統(tǒng)手冊(cè)[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,2007.

[6]EASTWOOD A.ProSteam—A Structured Approach To Steam System Improvement[J].Energy Engineering,2003,100(1):59-79.

[7]WAMSLEY G.Evaluating Deaerator Operation[J].Heating/Piping/Air Conditioning Engineering, 2010,82(1):BSE2-BSE9.

[8]EINSTEIN D,WORRELL E,KHRUSHCH M.Steam systems in industry:Energy use and energy efficiency improvement potentials[M].Lawrence Berkeley National Laboratory.2001.

[9]蔡文海.蒸汽凝結(jié)水回收技術(shù)的幾個(gè)問題[J].能源與環(huán)境,2005(2):34-5.

StudyofSteamSystemEnergyEfficiencyAssessmentMethodandSoftwareDevelopment

SONG Wen,LI Qi-qiang

(School of Control Science and Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China)

In this paper, the energy efficiency assessment method is studied. Firstly, the energy efficiency assessment system of steam system is established based on the first and second law of thermodynamics. Secondly, the model of steam system is build up based on the principle of energy and mass conservation. Finally, the calculation method of the indexes is given and an assessment software is developed. Test result shows that the software can build up a relatively accurate steam system model and calculate the efficiency indexes,which has high practical value in energy assessment of steam system.

steam system; energy efficiency assessment; exergy analysis; software development

2013-04-23修訂稿日期2013-04-26

宋文(1988～)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橄到y(tǒng)優(yōu)化與節(jié)能。

TK01+8

A

1002-6339 (2014) 01-0078-05