能量衡算法的优化方法

能量衡算法是根据能量守恒方程确定过程的能量损失和能量利用率的一种方法。

能量衡算法的主要计算步骤如下：

（1）确定出入系统的各种物流量和状态参数、热流量和功流量；

（2）确定过程的能量损失和热力学第一定律效率；

（3）确定循环过程的热力学效率。

对不同的装置或系统，按所考察能量守恒的计算方式不同，有两种形式，即以进入系统的全部能量为基础的能量平衡和以供给系统的能量为基础的能量平衡。

12.8.1.1　以进入系统全部能量为基础的能量平衡法

进入系统的全部能量包括供给系统的一次能源（煤、油、天然气等）和二次能源（电、蒸汽、焦炭、煤气等）的供给能E供给、原料等带入系统的输入能E输入（包括放热化学反应的反应热）。

从系统输出的能量包括由产品带出系统的输出能E输出（包括吸热反应热）和由离开系统的冷却水、废气、废液等带出的排出能E排出和回收能E回收等。

这种能量平衡的目的在于考察进入系统的全部能量的利用情况，特别是能量回收利用情况。它主要应用于石油、化工的生产装置。系统的能量衡算方程可写成如下形式：

式（12-81）左端是为了达到预定目标必须供给系统的全部能量。右端是达到预定目标后排出系统的全部能量，其中输出能由两部分组成：一部分是产品带走的能量E产品；另一部分是供外界利用的能量E外供（如外供的电、蒸汽的能量）等，如图12-8所示。

图12-8　系统能量收支平衡图

这类能量平衡的技术经济指标有能量利用率η利用，还有能量回收率η回收、能量输出率η输出和能量排出率η排出，各项指标的定义和关系如下：

在实际应用中，应在现有技术上可能和经济上允许的条件下，制定各种排出物流能量的最小排放标准，E排出，min（为目前技术经济条件下不可回收的能量），以E排出-E排出，min为最大可能回收的能量目标函数，进行能量的优化使用。

12.8.1.2　以供给系统的能源能量为基础的能量平衡

能源能量包括一次能源和二次能源提供的能量。这种能量平衡的目的在于考察能源供给系统的能量利用情况。它主要用于各种动力循环、制冷和供热循环及锅炉、加热炉、干燥设备等单体设备。

图12-9　高温转化气余热利用装置

解：计算中以每吨氨为基准，并忽略装置的热损失和驱动水泵所需的轴功（Q=0，H1=H4，S1=S4）。查水蒸气表可得图12-9中各点的参数值如表12-4所示。

表12-4　各状态点水热力学性质表

（1）产汽量的计算

对废热锅炉忽略热损失，由稳定流动系统的热力学第一定律知

ΔH废热=0(www.xing528.com)

因Q（废热）=0，Ws（废热）=0，即

则水蒸气吸收的热量

Q(H2O)=ΔH(H2O)=G(H2-H1)=1673.7×(3284.6-212.6)=5.142×106(kJ)

（2）冷却水的焓变

同样忽略热损失，则有

ΔH（冷却）=-ΔH（冷凝）=-G（H4-H3）=-1673.7×（212.6-2557）=3.924×106（kJ）

（3）透平做功

Ws=G(H3-H2)=1673.7×(2557-3284.6)=-1.218×106(kJ)

（4）热力学效率

将结果汇总至表12-5。

表12-5　转化气余热回收能量平衡结果汇总表