热力学分析在锅炉系统中的应用

摘要：热力学分析主要包括以能量平衡为基础的能分析法和以

平衡为基础的分析法。本文定性分析了两种方法的区别，并通过对某电厂锅炉系统的热力学分析，定量得出能分析和分析的区别。文中详细论述了进行系统热力学分析的意义，归纳了热力学分析的方法、内容及步骤。

关键词：能分析 分析 能效率 效率 损失

0 引言

随着人们节能意识的不断提高，为了获取更大的经济效益，人们将热力学原理应用于工程实际各能量系统的分析中。能量系统的热力学分析是根据热力学原理对各种能量系统进行研究分析，以明确系统各部位的能量损失状况，求取各种性能指标，对所研究的系统进行客观评价。

1 热力学分析的方法、内容

热力学分析的方法主要包括两种：以能量平衡为基础的叫做能分析法，它是传统的分析方法，依據热力学第一定律，建立在能量“量”的守恒上，对热力系统进行分析。而以平衡为基础的叫做分析法，是近些年发展起来的一种方法，依据热力学第二定律，是对能量“质”的分析[1][2]。

1.1 能分析法

能分析法是以热力学第一定律为基础，应用热平衡原理，并以热效率为基本评价准则，分析、评价系统能量有效利用状况的方法。它依据能量系统建立热力学模型，进行能量平衡计算，得出系统的热效率和各项热损失，得到系统热损失的分布，从而找出系统中热损最大的薄弱环节和部位，为改进设备和系统的用能状况提供技术依据。

1.2 分析法

分析法是以热力学第二定律为基础的热力学分析法。它是依据能量中的平衡关系，列出平衡方程并求解，通过分析，揭示能量中的转换、传递、利用和损失的情况，确定出该系统或装置的利用效率。

分析法的主要内容有[3]：

①进行物流、热量衡算，确定输入、输出体系中各种物流量、热流量、功流量以及各物流的状态参数（如温度、压力、组成等）。

②流计算。

③由平衡方程确定过程的损失。

④确定效率。

参与用能系统的流，可以分为三类，即输入流、输出流和系统内流。

①输入流类：是指由外界的源，物流穿过系统边界而进系统的。

②输出流类：是指由系统通过边界向外输出的。

③系统内部类：是指系统的输入于输出之差的部分。

1.3 两种热力学分析法的比较

两种热力学分析方法都是通过输入输出，有效利用能和损失的平衡，求解系统的总损失，进而确定损失的分布。并通过计算出的效率有效利用率来评价系统的完善程度。但能分析法只是从不同质的能量在数量上的守恒来计算损失，因而只计算外部损失而忽视了内部损失，其评价指标也只是计算了被利用部分能的数量和输入能的数量而忽略了其质量的变化，即忽略了过程的不可逆性所带来的损失。而且能效率的分子分母常常是不同质的对比，不能准确地表征能量的利用程度，而效率和分析法正好能解决上述缺陷，所以分析法要比能分析法更科学、更深入也更全面，它能准确地揭示损失的原因、部位以及指出改进方向等。分析方法既可以进行系统分析，又可以进行优化综合，它可以很便捷地进行系统优化，与经济因素结合后还可作设备全寿期成本统计等[4]。

随着节能工作的一步步深入，分析方法在能源管理、热能动力、制冷技术、石油化工和冶金等许多领域得到了广泛的应用。目前，有些国家已经将方法用于热力系统的热经济分析当中，而我国火电机组热力系统的分析方法实际上都是基于热力学第一定律的分析方法，其存在的缺点是不能揭示内部不可逆性大小，不能反映能质的蜕变情况，不能体现不可逆性对经济性造成的影响。因此对热力系统进行研究分析，根据分析结果所提出的问题采取相应的措施提高热力系统的热经济性，具有十分重要的现实意义[5][6]。

2 锅炉系统的热力学分析

2.1 原始数据

某电厂锅炉，其出口蒸汽压力为p=13.72MPa，温度为330℃，给水温度tw=215℃，尾部排烟温度为135℃，过热蒸汽量为410t/h，空气预热器出口空气温度为226℃，炉膛过剩空气系数为1.1。理论空气量为4.907m3/kg，每小时燃煤量为58298kg，其燃煤的低位发热量QL=18636

kJ/kg，全水分ω=4.9%。环境温度为19℃，依据上述数据分别对此锅炉系统进行能分析和分析。

2.2 分析计算

设图中mf、ma、ms、mg和mw分别为燃料、空气、蒸汽、烟气和给水的质量流量；而ha、hs、hg分别表示相应物质的焓，QL为燃煤的低位发热量，QB是损失的热量；ef、ea、es、eg和ew表示相应各物质流的比，IQ为向环境散失热量而引起的损失。由题设得：mf=58298kg，ma=4.907×1.293×1.1×58298=406875kg，ms=410000kg，不考虑锅炉排污损失mw=ms=410000kg，由已知温度查表得：

ha=509.4kJ/kg sa=7.2245kJ/（kg·k） hs=3469.8kJ/kg，ss=3.5449kJ/（kg·k），hw=598.4kJ/kg，sw=2.4747kJ/（kg·k），ha=292.25kJ/kg，so=6.6732kJ/（kg·k）

图1 锅炉的能量平衡

图2 锅炉的平衡

按照图1所示的锅炉能量平衡关系，得出能量平衡方程：

mfQL+maha+mwhw=mshs+mghg+QB （1）

其中QB、mghg为损失的能量，而mshs-mwhw=ms（hs-hw）为有效利用的能量，则该锅炉的能效率为：

η=

=

=1.91（2）

按照图2所示的锅炉平衡关系，可以写出下面的平衡方程：

mfef+maea+mwew=mses+mgeg+IQ+IB（3）

式中IB表示整个锅炉内部过程总的损失。考虑到mw=ms，则锅炉内部过程总损失为：

IB=mfef+maea-ms（es-ew）-mgeg-IQ（4）

该锅炉的目的效率η应为：

η= （5）

由于es=（hs-h0）-T0（Ss-S0），ew=（hw-h0）-T0（Sw-S0）兩式相减得：

es-ew=（hs-hw）-T0（Ss-Sw） （6）

用（5）对应除以（2）可得：

η=η （7）

将（6）式代入上式，则有：

η=η（1-T0） （8）

代入数据得：

ea=（ha-h0）-T0（sa-so）

=（509.4kj/kg-292.25kj/kg）-292.3（7.2245-6.6732）

=56.01

η=η（1-T0）

=0.91（1-）

=0.69

3 结论

从以上的计算结果可以看出，虽然是对同一台锅炉进行效率计算，但能效率和效率相差很大，能效率为91%而效率仅为69%，能效率的计算主要取决与锅炉排烟向外界散热的多少，主要考虑的是能量“数”的变化。但效率则不同，它不仅考虑了锅炉燃烧过程中的外部损失，而且考虑了燃烧、传热等锅炉内部各个过程所造成的不可逆损失。实际上，蒸汽锅炉的损失中最大的一项就是燃料燃烧和传热造成的损失，所以虽然从能效率即能量的数量上来看锅炉损失的不多，但这部分能量都是高品位的能量，价值都很高[7][8]。

由此可见，效率比能效率更能完善地反映锅炉的热经济性。所以，通过系统分析计算，找出损高的部位，采取相应措施进行改善。对目前我国火电机组热力系统分析具有十分重要的意义。

参考文献：

[1]郑体宽.热力发电厂.中国电力出版社，2001.

[2]郭民臣，魏楠.电厂热力系统矩阵热平衡方程式及其应用[J].动力工程，2002，22（2）：1733-1738.

[3]杜亚荣.600MW机组热力系统的热力学分析与优化.硕士学位论文，保定：华北电力大学动力系，2007.

[4]朱明善.能量系统的分析.清华大学出版社，1988.

[5]林万超.火电厂热系统节能理论.西安：西安交通大学出版社，1994.

[6]孙实文，林万超.火电厂热力系统定量分析通用模型[J].西安交通大学学报，1996，30（5）：123-125.

[7]王加璇，张树芳.方法及其在火电厂中的应用.水利电力出版社，1993.

[8]朱明善，陈宏芳.热力学分析.北京：高等教育出版社，1992.

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