热能动力联产及其系统优化分析

许云峰

摘要：多联产系统理论的核心就是化学能和综合能的阶梯型利用，该种利用方式可以控制CO2的一体化，这也是热能动力联产及其系统优化分析的基础。目前，在常规的热力系统之中关于污染控制的思路大多集中在流程尾部的脱除中，即延续传统先污染、后治理的方式，为了解决这一传统的治理模式，可以使用能量转化利用与CO2的控制一体化原理，这种原理的本质就是将化学能梯级利用同降低CO2的能耗分离相结合，提高能量的利用水平，并降低CO2的排放。本文主要分析多联产系统集成理论以及相关的优化方式。

关键词：热能动力联产系统优化分析

在长期以来，热系统都是一种相互独立的关系，常规的热动力系统为热力循环，传统工业生产的重点就是组分调整，在这种情况下，常常伴随环境污染和化学能损失的情况。为了解决这一问题，必须研究一种多产品联合、多能源互补的热能动力联产系统。多联产就是通过系统集成的方式将动力系统与化工过程进行组成，在完成供热、发电的过程中生产适宜的化工产品，这就可以实现一种多领域的功能化综合，实际上，多联产的本质就是联产概念的一种集成，是一种能量的阶梯型的转换利用。

1 多联产系统集成理论相关介绍

多联产系统理论的核心就是化学能和综合能的阶梯型利用，该种利用方式可以控制CO2的一体化，这也是热能动力联产及其系统优化分析的基础。

1.1 化学能和物理能阶梯利用的方法 在传统热力循环系统中，热力学的卡诺定理为其中心理论，该种理论就是将燃料的品位降低成热能品位的一种模式，该种模式并未涉及燃料化学能品位的利用，因此，具有一定的局限性。基于传统理论的基础上，相关专家学者建立了关于反映Gibbs自由能、燃料化学能以及热能品位之间的关系，并以此为基础，解释了关于化学能可控转换联产相关的集成机理。大量的调查研究解释了，组成转化同能量转化之间是一种相互利用耦合的关系，其中，动力侧与化工侧的相互整合也成为整个系统的集成关键，其共同的核心理论就是关于能量的阶梯利用。

1.2 能量转换利用同CO2控制一体化的相关原理 目前，在常规的热力系统之中关于污染控制的思路大多集中在流程尾部的脱除中，即延续传统先污染、后治理的方式，为了解决这一传统的治理模式，可以使用能量转化利用与CO2的控制一体化原理，这种原理的本质就是将化学能梯级利用同降低CO2的能耗分离相结合，提高能量的利用水平，并降低CO2的排放。这种一体化的思路在根本上扭转了这种传统的分离技术，联产系统一体化的理论也能够解决温室气体高能耗的问题，在进行生产的过程中，能够将CO2回收，并将清洁性燃料氢气从中分离出来。这就可以保证合成气成分的比例更加的科学，保证化工合成能够更加优化的进行，还可以保证将排放CO2的能耗降低，这也为CO2集成方式提供一种坚实的基础。

2 多联产系统类型及其集成原则的相关思路

基于以上的原理，就可以研究出一种多联产系统类型同系统集成、集成特征整合的思路，就可以为系统的优化提供一种有效的途径，为此，需要注意到以下几个方面的问题：

2.1 多联产系统类型集成特征与节能效益 多联产系统由化工、热工、污染控制等各种过程组成，在具体的实施过程中，需要根据实际的情况对不同进程进行优化和整合，这样才能够实现既定的功能。因此，在这种情况之下，多联产系统就会出现多种类型，且这些不同的类型也会出现不同的分类方式。在输出方式的选择中，也有多种方式，可以按照输出产品种类进行选择，可以按照系统特征和流程结构进行选择，也能够按照输出能源的类型进行选择。在这几种输出方式中，系统特征与流程结构选择的科学性更好，按照该种方式可以将化工动力联产系统分为以下几种：①简单并联系统。并联型系统即化工流程同动力系统采取一种并联的方式进行组合，这种结构有着一定的独立性，也能够将原分产流程结构保留下来，这种化工流程使用未反应气全循环的技术路线，其动力系统的原料大多也源自于气炉中的合成气，这种系统具有显著的节能效果。②综合并联型系统。综合并联型系统是基于简单并联型系统发展而来，就是使用能量系统进行优化和合整的一种方式，这种工艺流程能力主要由动力系统对口热能来满足，回收废气则使用甲醇合成、混合器废锅低温抽气来满足热能的需求，这种系统的节能性较为理想。③简单串联型系统。简单串联型系统就是将动力与化工系统使用简单串联的方式进行组合，在这种系统中，动力和化工系统使用的是一种上、下串联的方式进行，动力系统并不需要使用合成气，这种系统能够很好的防止流程消耗高问题的出现，也在第一程度上降低合成气的能耗，具有很好的节能效果。④综合串联型系统。综合串联型系统是对简单系统的一种优化，这能够实现能量转化与组分转化的耦合，这种系统使用的是一种优化调整和无成分调整的方式，就可以在一定程度上降低合成气的损失，可以在最大程度提高能量的转化率和利用水平，具有十分理想的节能效果。⑤串并联联合系统。串并联联合系统是一种基于串联和并联的思路上发展而来的一种新型系统，这种系统对于能源的转化思路更加的合理，但是动力侧与化工侧的结合相对较紧，就会在一定程度上影响系统的灵活性和稳定性，但是可以更好的适应整个系统的负荷。串并联联合系统综合了串联系统与并联系统的优点，能够达到综合目标的实现。

2.2 多联产系统设计优化理论及方法 ①基于相对节能率基础的联产系统设计优化方式。联产系统包括热工、化工、控制污染等过程组成，整个系统的复杂性较高，就现阶段来看，联产系统大多使用传统热力系统的设计方式，这种设计方式就存在多种弊端。其选择的评标标准不同，相应的结论也会有所不同，就难以对整个系统进行客观公正的评价，加上在整个过程中也没有注意到各个参数的优化方式，这就导致系统缺乏科学性，因此，必须对其进行优化。②基于相对节律的多联产系统优化方式。设计优化基准与改进方式：在联产系统与参比分产系统输出相同时，两者总能耗能够满足以下的条件：

E■=Q■-Q■/Q■=Q■/η■+P■/η■；

P■=P■；G■=G■；

其中，Q为能量，G为质量，η是效率，P是功率，cog为联产时，D是分产时，M是化工，P是动力。

下面就从热力学定义以及基本方程为出发点，得出新参比标准，经过实践证明，这种新的参比标准能够更加实时、综合的考虑各种参数的变化情况，与传统的计算方式相比，更加的准确和方便，在合成煤气与焦炉煤气双气头动力联产系统中，技能率ESR为：

ESR=[（P■/ηDee+GDMqDM）-（Qe+Qeg）]/（P■/ηDee+GDMqDM）；

QD=P■/ηDee+GDMqDM；

Qcog=Qe+Qeg=GeogeHDC+GeogogHeog；

其中PD为分产中联合循环功率，ηDee是分产联合循环小效率，GDM是分产化工生产质量，qDM是分产化工生产效率。

其中，多联产系统设计优化需要选择一种合理的参比流程，就现阶段而言，可以使用燃用焦炉煤气常规联合循环系统作为参比分产化工流程。这种参比是一种半理论性的折合性能指标，需要利用到各个指标之间的函数关系来进行，同时，要使用分产系统性能典型值，或者使用统计值来计算出折合性能的指标。根据热力学的相关方程以及定义，可以得出联产系统折合性能的表达方式：

其中，参比分产系统联合循环折合效率ηDee的表达式为：

ηDee=■=■=fη■，ηIGCC，X■

使用不同分产参比基准，其节能率的变化规律将呈现出不同的规律，定性能基准方法、当量系数方法都是产生一定的误差。尤其在高混合比区域，其计算的ESR的数值都会偏大。在低混合比区域，其计算的ESR数值都会偏小。

在基于化学能梯级收益率来对联产系统进行优化时，需要将使用的化工动力分流比、变换后的合成气碳氢比、未反应气循环倍率、双气头混合比、甲醇转化率、甲烷重整度进行分析，研究出其之间化学性能利用之间的一种影响规律，继而根据系统的规律以及具体的设计要求确定好设计的变量，将各种独立变量以及流程进行综合优化，这样便能够获得最优的设计流程。

参考文献：

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