单耗分析理论与能源利用的效率问题

 

 

1.   引言

能源利用的效率问题是一个重要而又不是很容易能说清楚的问题。在很多时候，人们喜欢用效率来描述能源利用，但是又时常面临着热力学第一定律效率失效或不科学的尴尬境地，更重要的是许多耗能领域并不合适用热效率来评价，比如钢铁冶金、石油化工，水泥建材以及海水淡化等。

众所周知，热力学第二定律是能源利用分析与评价的有力武器，但遗憾的是由于热力学第二定律和^火用 概念抽象性和复杂性，至今仍难以应用于工程实践。

为了使热力学第二定律分析能够很方便地应用于工程实践，华北电力大学的宋之平教授提出了能源利用的单耗分析方法^[1,2]，经过多年的研究和发展，彻底改变了第二定律应用难的现状，为能源利用的统计与评价以及指导节能减排提供了有力的武器。

2.   能源利用的单耗分析

根据第二定律，任一能源利用过程的 平衡可以一般性地描述为燃料^火用 =产品^火用 +   ^火用 耗损，即：B^s•e_f=P•e_p+∑△B^s•e_f  [kJ] 。式中， e_f,e_p分别为燃料比^火用 和产品的比^火用  ； P为产品产量；B^s 为标准煤耗量； ∑△B^se_f为系统各环节^火用耗损导致的附加燃料消耗之和。

显然，上式可以写成^[1]：b=P/B^s=e_p/e_f+∑△B^s/P=b^min+∑△b。   这里， b^min=△e_p/e_f为生产该产品的理论最低燃料单耗，即在无任何 耗损时的产品燃料单耗；∑△b 为系统各环节^火用耗损引起的附加燃料单耗之和，取决于生产方式和工艺流程。

表1为部分产品的理论最低燃料单耗^[1]和实际燃料单耗^[2]，清楚地展示能源利用的现状其具有的节能潜力。

 

表1  部分产品的理论最低单耗和实际值

注：(1).宝钢2004年的数值；(2).全行业2005年平均值；(3).电解铝电耗15000kWh/t，燃料单耗按366g/kWh计算；(4).2006年平均值；(5).河北沧东发电有限公司低温多效海水淡化的数值；(6).参数匹配的热电联产海水淡化；(7).热效率为65%的锅炉房集中供热。(8).NC200/145热电联产两用机0.25MPa抽汽供热。

3.   产品的定义及其第二定律界定

为更好地进行能源利用的评价，有必要根据第二定律对“用能目的”进行“产品”界定。所谓产品可以是能量形式的，如电和热；也可以是直接或间接耗用一次能源生产出来的非能量形式的，如钢铁冶金产品、化工产品、海水淡化的产品淡水等。

供热是能源利用的一大类，不同的供热需求，要求不同的参数，因此需根据第二定律对热产品的品位进行界定(参见式)。

冶金、化工及海水淡化等产品，以吨计量，纯度是表征产品品质的重要指标；交通运输产品的科学定义应该是“吨•公里”；风机、压缩机、水泵等耗能设备的产品定义应是“流量•扬程”^[3]。

显然，只有针对同一品位的产品，其能耗的对比分析才具有本质意义。当然，应把在某一品质范围内的产品看成同一种产品，以使问题简化。

4.   燃料和产品的比^火用及产品的理论最低燃料单耗

4.1.        燃料的比 ^火用

燃料的比 ^火用可以定义为1kg燃料理论上可能转变成的功量(电量)：   

         e_f=7000•4.1868/3600=8.14           [kWh/kg]

4.2.        电和热的比 ^火用及其理论最低燃料单耗

反映一个产品品质的重要指标是产品比 ^火用。“电”和“热”是是能源利用的两种主要形式，几乎所有的耗能产品都直接或间接地消耗电和热两种能量，因此这里仅讨论电和热两种产品的比^火用 ，其他产品的比^火用可以基于热力学分析确定。

“电”在热力学分析^[4]中被视为100%的 ，即电的比 ^火用为e_p=1 。因此，电力生产的理论最低燃料单耗为：b^min=e_p/e_f=1/8.14=0.123                [kg/kWh]

对于一定的热量，如果其热力学平均温度为 T_h，其比 ^火用为：

       e_p=(1-T₀/T_h)                                     [kWh/kWh_h]

       或，e_p=278(1-T₀/T_h)                           [kWh/GJ]

式中，T₀为环境温度。

因此，供热的理论最低燃料单耗为：b^min=e_p/e_f=34.1(1-T₀/T_h)          [kg/GJ]

显然，不同用热产品，其理论最低燃料单耗不同。对于供暖，如果将室内温度T_h=293.15K，环境温度 T₀=273.15K定义标准供暖工况，则根据上式，标准供暖工况下，供热的理论最低燃料单耗仅为b^min =34.1(1-273.15/293.15) =2.33[kg/GJ]。

5.   能源利用的效率

5.1.        能源利用的第二定律效率

根据式，我们不难得到任一产品生产过程的第二定律效率( ^火用效率)为：

                   η_ex=P•e_p/(B^s•e_f)=(e_p/e_f)/(B^s/P)=b^min/b                                   [%]

只要我们知道产品的实际燃料单耗，就能很方便地计算出该产品的第二定律效率，而无须进行全面的第二定律分析。

部分产品的第二定律效率如表1所示，从表中不难看出，基于单耗分析的第二定律效率可以用于一切能源利用的评价，这使第二定律分析用于能源利用的统计分析与评价成为了可能。

5.2.        第一定律效率与第二定律效率的关系

对于发电，其第二定律效率η_ex 与第一定律效率η_en 是一样的。若供电燃料单耗为 b_e，则有：η_ex=η_en=0.123/b_e                           [%]

对于供热，若实际燃料单耗为 b_h，则由式得供热过程的第二定律效率为：

     η_ex=b^min/b_h=[34.1/b_h](1-T₀/T_h) = η_en(1-T₀/T_h)                [%]

式中，η_en=34.1/b_h       [%] 表征的是供热过程的第一定律效率，34.1kg/GJ为热效率100%时的供热燃料单耗。

显然，供热的第二定律效率不仅取决于供热的热效率，还取决于热产品的品位。

比如对于标准供暖工况，如果锅炉房热效率为65%，但其^火用效率只有4.44%(见表1)，非常低。这是因为供暖是低品位能源需求，采用化石能源燃烧直接供应，违反了按质用能原则的缘故。

NC200/145MW两用机的供热燃料单耗仅是锅炉房集中供热的46.5%，相对于锅炉房供热显然是节能的，但其供热过程的 ^火用效率也只有9.55%(见表1)。事实上，我们目前所采用的主要供热方案，无论是锅炉房供热，还是热电联产供热，都存在很大的能质不匹配的问题，有很大的节能空间，关键在于要采用全新的供暖模式^[5,6]。

但是对于绝对压力为28MPa的超超临界电厂锅炉，情况则大不相同。这种锅炉的热效率可达大约92%，给水温度和主蒸汽温度分别为280°C and 566°C。如果设计环境温度为25°C，则其吸热过程的热力学平均温度674.6K。即使不考虑再热的影响，锅炉的 ^火用效率达到0.92(1-298.15/674.6)=51.3%，与超超临界机组的高效率一致。只要再热过程的热力学平均温高于基本循环，则再热可以提高锅炉的第二定律效率。因此，单耗分析使锅炉 ^火用效率的计算变得更容易了。

5.3.        关于能源利用效率的讨论

虽然第一定律效率简单明了，但不足以反映能源利用的高效性。并且许多能源利用如钢铁、化工及海水淡化等也不适合用热效率来评价，因此本文仅讨论能源利用的第二定律效率。

尽管我国供电的燃料单耗比国际先进水平差许多，但其第二定律效率仍是全国能源利用中最高的。不少人根据热力学第一定律分析，说电力生产的效率低，实际上是一种不科学的认识。

不但如此，电力是国民经济的支柱行业，其效率的提高可以极大地提高其它行业的效率，因此大力发展高效的电力是推进一个国家能源利用效率的重点。

位于其后的是钢铁生产，但所计算的是上海宝钢的情况，由于宝钢在国内属于比较先进的，因此这一效率代表钢铁行业的先进水平。

排在第三位的是称之为高耗能行业的电解铝行业，尽管每吨铝的电耗高达15000kWh，但其第二定律效率仍有17.2%。紧随其后的是水泥行业，平均第二定律效率也有15.7%。

能源利用第二定律效率最低的是海水淡化和供暖，它们均是直接涉及民众日常生活的，是非常普通的能源需求，但也是目前国家和民众普遍感到有压力的行业。可以讲，正是因为其第二定律效率过低，才使得它们的发展面临巨大的困难。

国家发改委《节能中长期专项规划》^[7]对许多耗能产品的燃料单耗作了指导性规划，可有效促进各行业的节能。如果配合基于单耗分析的第二定律效率，可以促进不同行业之间的节能竞赛，是非常有意义的。

6.   结束语

基于单耗分析，我们很容易得到任何产品生产的第二定律效率，可以用来进行一切能源利用的横向比较和评价。换句话说，单耗分析既可以进行同一能源行业或领域内各种不同生产方式之间的横向比较和评价，还可以进行不同领域之间的横向比较和评价，这是其他分析方法所无法做到的。

不仅如此，单耗分析研究和计算的是从能源利用的生产供应，网络输配到终端用户使用之全过程的绩效性指标，而不只是某一个环节，因此是最全面的热力学分析。只有掌握了终端产品的燃料单耗，才能真正回答能源利用系统是否节能的问题。

但是，产品的第二定律界定以及理论最低燃料单耗的确定是有一定理论难度的问题，它可以结合国家能源统计的有关要求和规定，由有关专家来完成，并作为大家共同遵守的标准规范颁布，以指导能源利用的单耗分析与评价。

基于单耗分析理论，建立能源利用的评价基准^[8]以及包括环境影响评价在内的统一化能源利用的绩效性评价指标体系^[9]，是从全局角度管理能源利用的关键，应引起有关部分的重视。

 

参  考  文  献

[1]   宋之平，“单耗分析的理论和实施”，《中国电机工程学报》，Vo1.12，No.4，1992。

[2]   周少祥，宋之平，“论能源利用的评价基准”，《工程热物理学报》2008年 ，待发表。

[3]   李如生编著，《非平衡态热力学和耗散结构》，清华大学出版社，1986年。

[4]   曾丹苓，敖越，等主编，《工程热力学》，人民教育出版社，1980年。

[5]   周少祥，胡三高等，“凝汽机组低品位化供热改造及其应用前景”，《热能动力工程》，2004年第2期。

[6]   宋之平，张光，周少祥，“新模式热电联产系统：联产供热的一个发展”，《工程热物理学报》，1997年第5期：536-539。

[7]   国家发展和改革委员会，《节能中长期专项规划》，2004年第2505号。

[8]   Zhou Shaoxiang, Hu Sangao, Li Hongtao and Liang Shuangyin, “An Alternative Index for Evaluating Cogene- ration Heating System”, Taies’97, Beijing, China, 1997.6.

[9]   周少祥，胡三高，程金明，“能源利用的环境影响评价指标的统一化研究”，《工程热物理学报》，2006年第1期。

 

 

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