运用_火用_分析法分析和优化钢铁企业中的供热系统

·52· 钢 铁 技 术 2009年第5期

·热力工程·

运用(火用)分析法分析和优化钢铁企业中的供热系统

丹 宇

(中冶赛迪公司动力设计部, 重庆 400013)

【摘 要】运用(火用)分析方法针对目前钢铁厂中常见的供热模式(汽机抽汽供热和锅炉产汽直接减温减压供热)对其进行了热经济性分析和比较，以探求一种高效节能的供热供汽方式。

【关键词】火用分析 供热系统 热经济性

1 引言

火用，是热力系统中的一个重要概念，它表示在能量转换过程中，可用和有用能的部分，代表着能源的“质”，其效率和损失大小反映了能源利用过程中用能品质的优劣，是评价热经济性能的重要指标。

根据火用的定义[1]

，在热力过程中某一状态下的比火用可以表示为：

s T h e amb ×−=

其中：e-该状态下系统的比火用(kj/kg)；h-该状态下系统的比焓(kj/kg)；T amb -环境温度(℃)；s-该状态下系统的比熵[kj/(kg.℃)]。

目前国内绝大多数钢铁厂内配设有热电联产的自备电厂，电厂的一项主要功能就是向钢铁工艺提供供热汽源，北方地区还兼有冬季供暖的任务。一般说来，自备电厂设有两路供热方式，一路为汽机抽汽的供热方式；一路为直接将锅炉产汽经减温减压后送入热网的供热方式。这两种供热模式在用能的数量和供热热效率方面基本相当，但在能源品质的利用和热经济性能方面有所不同。

2 供热系统热经济性分析和比较 2.1供热现状

以我国北方某钢铁厂供热系统为例，系统流程图如图1所示，在夏季时，锅炉产生的中温中压（3.82 MPa、450℃）蒸汽进入蒸汽轮机发电，汽机为单抽凝汽式，抽汽参数为1.27 MPa，320℃，

抽汽经调压减温后进入全厂蒸汽管网供热，管网参数为1.0 MPa、184℃。进入冬季后，增加了采暖任务，增大了汽轮机的抽汽调节流量，采暖用汽取自全厂管网，受采暖换热设备耐压及投资影响，送入采暖换热站的蒸汽需进站前减压至0.5 MPa。当采暖供热负荷达最大时，锅炉产汽不进汽机，V 1阀和V 2阀关闭，蒸汽经V 3阀进入旁路，再经减压减温后进入全厂蒸汽管网，采暖用汽仍取自全厂管网。 2.2分析和比较

如前所述，该厂的锅炉产汽可由两路进入热网，即分为汽机抽汽供热和减温减压供热两种模式，简称模式a 和模式b。由火用方法可知，这两种不同供热模式发生火用损的主要热力过程见表1。

表1 两种不同供热模式中产生火用损

的主要热力过程

编号汽机抽汽供热模式

(a) 减温减压供热模式

(b) 1 锅炉至汽机蒸汽管道输送过程 蒸汽节流减压过程 2 蒸汽轮机做功过程 蒸汽喷水减温过程 3 汽机抽汽调压过程 4

汽机抽汽喷水减温过程

根据火用分析理论，表1中各热力过程中的比火用损公式如下：

管道输送过程： s T h e amb ∆+∆=∆ （1）

汽机做功过程： s T e amb ∆=∆ （2） 调压减压过程： s T e amb ∆=∆ （3）

2009年第5期 钢 铁 技 术 ·53·

喷水减温过程：

⎟

⎟⎠⎞

⎜⎜⎝⎛⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=∆b amb a b a T T T q e (4）

式中,e ∆-热力过程的比火用损(kj/kg)；h ∆-热力过程初末状态焓差(kj/kg)；s ∆-热力过程初

末状态熵产[kj/(kg.℃)]；q -换热过程中的热流量(kj/kg)；amb T -环境温度(℃)；a T -热介质的放热平均温度(℃)；b

T

-冷介质的吸热平均温度

(℃)。

图1 某钢厂现有供热系统流程图

根据(1)～(4)式计算a、b 模式供热过程的比火用损，计算结果见表2。

由表2可知，减温减压供热过程中的比火用损值显然高于汽机抽汽供热，高出157％，即模式b 在供热过程中浪费了大量的可用能。同样是供热，模式a 利用了产汽和抽汽间的焓差来发电，其热经 济性和能源利用质量要优于模式b。

同时，从表2数据可以看出，在a、b 两种供热模式中产生火用损最大的项是喷水减温过程，其火用损值占总火用损的75％～85％；同是喷水减温过程，b 模式的火用损较a 模式的火用损大138％。这说明了有温差换热是不可逆热力过程中火用

损最大的过程，且冷热端温差越大，火用损越大[2]

。

表2 两种供热模式在供热过程中

比火用损值汇总表

a 汽机抽汽供热模式比火用损值(kj/kg)

过程1 过程2 过程3 过程4 总值 0.15 2.20

1.06 17.54

20.94 b 减温减压供热模式比火用损值(kj/kg)

过程1 过程2 总值 12.25

41.68

53.92

此外，根据比火用损计算式(4)，可计算出热

网蒸汽供采暖换热站过程中的比火用损为 6.8 kj/kg。

3 供热系统的优化

在以上计算和分析的基础上容易看出，当向采暖换热站供汽时，供热模式的热经济性好，用能质量高(模式 a a e ∆＝27.75 kj/kg＜模式b b e ∆＝60.73 kj/kg)，但仔细分析发现，在锅炉产汽进入采暖换热站的过程中，模式a 的热能要经历5项主要的火用损过程，其过程数量不可谓不多，显然从系统的简化和用能的优化角度来看，这里面还有工作可作。

优化供热模式，考虑采用双抽型蒸汽轮机，一级抽汽设定压力等级为0.98～1.27 MPa，向全厂1.0 MPa 等级蒸汽管网供汽；二级抽汽设定压力等级0.49～0.6 MPa 专向采暖换热站供汽，如图2

所示。

根据火用分析理论，在改进后的系统中，产汽从锅炉出口到采暖换热站的过程里只经历了2项主要的火用损过程，即蒸汽管道输送过程和蒸汽轮机做功过程，较之间系统比，这里减少了调压过程，没有了有温差换热；根据公式(1)(2)可计算出改进后采暖供汽过程中的总比火用损值为6.45 kj/kg，分别占a、b 供热模式比火用损的10.6%、23.3％。

虽然，改进后的系统在汽机做功过程中火用损较模式a 有所增加，但减少了喷水减温火用损和节流减压火用损两项，故总比火用损减小了不少，并较模式a 能多产出约35％的电能。

图2 优化后的供热系统流程图

4 结论

1)供热系统中主要的火用损来源于有温差的换热过程中，即喷水减温过程。该过程使高品质的热能未经有效利用而转化成了低品质热能。

2)在设计供热系统时，应将用户用热的等级加