蒸汽系统能效评估方法研究及其软件开发

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(山东大学 控制科学与工程学院，山东 济南 250061)

蒸汽系统能效评估方法研究及其软件开发

宋文，李歧强

(山东大学 控制科学与工程学院，山东 济南 250061)

研究了蒸汽系统的能效评估方法。首先以热力学第一、第二定律为依据建立了蒸汽系统能效评估体系，其次根据能量平衡和质量平衡的原理进行了蒸汽系统建模，最后给出了能效指标的计算方法并使用Visual studio 2008开发了蒸汽系统能效评估软件。结果分析表明本软件能够较为准确地建立蒸汽系统的模型并计算出能效指标，对蒸汽系统节能评估工作具有较高的实用价值。

蒸汽系统；能效评估；分析；软件开发

蒸汽系统在过程工业中应用广泛。以钢铁工业为例，蒸汽能耗约占总能耗的10%，其中可回收的余热蒸汽量约占总能耗的7%[1]。但由于技术落后、缺乏重视等原因，目前我国工业蒸汽系统的能源效率一般在30%～40%之间，比西方发达国家低20%左右[2]，节能潜力巨大。能效评估能够指出系统中对能源使用的不合理之处，对于蒸汽系统节能降耗工作的开展有重要的指导意义。但现有的评估体系并不能全面地反映蒸汽系统的能耗情况，且大都以人工计算为主，步骤繁杂、专业性强。因此，建立一种较为完善的蒸汽系统能效评估指标体系、研发一种易于使用的评估软件将极大地提高蒸汽系统节能评估的效率，具有较强的实用性。

1 蒸汽系统的结构

图1 蒸汽系统结构简图

蒸汽系统的结构如图1所示。给水在锅炉中被加热变为蒸汽输送到蒸汽母管中，供汽轮机和用汽设备使用。为匹配不同用汽设备的需求，设置多级蒸汽母管，高压蒸汽通过减温减压阀的调节变为低压蒸汽，进入低压母管。使用后的蒸汽冷凝为水，经疏水阀流入冷凝箱，与补充水混合后进入除氧器，经加热除氧后重新变为给水进入锅炉。

2 蒸汽系统能效评估指标体系的建立

为准确、完整地反映蒸汽系统对能源的利用能力和合理性，本文使用整体热效率、损及损率、用汽设备的能级比、冷凝水回收率四项指标来进行蒸汽系统能效评估。

首先，使用整体热效率指标来评价蒸汽系统利用能源、防止能量耗散的能力。从蒸汽系统的整体上来看，燃料释放的热量、补充水带有的热量进入蒸汽系统，一部分得到有效利用转变为汽轮机发出的电能和供用户使用的蒸汽中含有的热能，另一部分作为损失耗散到环境中，包括锅炉的排烟损失、散热损失，汽轮机的机械损失，蒸汽管网中的散热损失，未能回收的凝结水中的热能等。定义系统整体热效率为有效利用的能量与总输入能量之比。

整体热效率指标基于热力学第一定律，从“量”的角度来进行能效评估。但是，热效率指标并不能反映减温减压过程中蒸汽品质的变化情况。从热力学第一定律的角度出发，减温减压过程中蒸汽能量守恒、质量守恒，并不存在热损失。但高品质蒸汽变为低品质蒸汽的过程中会发生可用能损失，造成高品质蒸汽做功能力的下降，导致能量的贬值。因此，需要根据热力学第二定律，从“质”的角度评价系统防止可用能耗散的能力[3]。文献[4]指出，可使用损及损率来评价高品质蒸汽在减温减压过程中的可用能损失情况。是用来衡量能量的做功能力的物理量。定义损为减温减压过程中一次蒸汽的降，损率为一次蒸汽的降与实际之比。

蒸汽系统供、用能设备间应遵循“能级匹配、压力匹配”的原则，以尽量减少不必要的损失[4]。损率指标不能直观地反映能级匹配程度，因此需要使用能级比指标。能级比是一个与供汽设备、用汽设备以及环境的热力学温度值有关的量，其值越接近1，供用能匹配程度越好，损失越少；反之，其值越接近0，供用能匹配程度越差，损失越大。

蒸汽冷凝水是非常有价值的资源，其中不仅含有一定的热量，而且是洁净的蒸馏水，很适合做锅炉给水。合理地回收利用冷凝水将能够大大减少锅炉燃料消耗[5]。因此，需要使用冷凝水回收率指标来评价蒸汽系统对冷凝水的回收能力。定义冷凝水回收率为冷凝水箱入口流量与锅炉蒸发量之比。

以上各项指标的计算方法见本文第4节。在进行能效评估之前，必须先建立蒸汽系统的模型并求解，以得到能效评估计算所需的参数。

3 蒸汽系统建模

根据能量守恒和质量守恒原理建立各主要设备的数学模型，用蒸汽流将各设备联系起来构成完整的循环系统[6]。同时，采用“用户驱动”的思想，从凝气式汽轮机和用汽设备的需求出发进行求解。限于篇幅，以下简述几个主要设备的建模方法。

3.1 锅炉建模

锅炉建模的目的是在已知锅炉给水、产汽和排污参数以及排污率的条件下，根据给水流量确定锅炉实际蒸发量、燃料用量及排污水量。如果锅炉效率已知，则直接使用方程组(1)求解锅炉模型。

(1)

式中ηB——锅炉效率/[%];

D——锅炉实际蒸发量/t·h-1;

mbd——排污水量/ t·h-1;

mf——燃料用量/ t·h-1;

mfw——给水流量/ t·h-1;

hs——锅炉产生的蒸汽焓值/kJ·kg-1;

hbd——排污水焓值/kJ·kg-1;

hfw——给水焓值/kJ·kg-1;

K——锅炉排污率;

Qar,net——燃料收到基低位发热值/kJ·kg-1。

如果锅炉效率未知，则需要先通过反平衡法计算出锅炉效率，如式(2)所示，然后使用方程组(1)求解锅炉模型。

ηB=100%-q2-q3-q4-q5

(2)

其中，q2、q3、q4、q5分别为排烟损失、气体不完全燃烧热损失、固体未完全燃烧热损失、散热损失，可通过烟气参数、燃料参数等条件计算得到。

3.2 汽轮机建模

汽轮机建模的目的是在已知相对内效率、出入口蒸汽参数和汽轮机蒸汽流量的条件下，求出汽轮机的发电功率。

汽轮机的相对内效率的定义式如(3)所示。

(3)

式中ηT——汽轮机相对内效率/[%];

Δhi——蒸汽的实际焓降/kJ·kg-1;

Δht——蒸汽的理想焓降/kJ·kg-1;

h1——入口蒸汽焓值/kJ·kg-1;

h2a——出口实际蒸汽焓值/kJ·kg-1;

h2s——出口压力和入口熵值下的蒸汽焓值/kJ·kg-1。

根据式(3)可求得出口实际蒸汽焓值h2a，进而可由式(4)求得汽轮机的发电功率。

(4)

式中P——汽轮机的发电功率/kWh;

mtb——汽轮机蒸汽流量/t·h-1。

3.3 除氧器建模

除氧器使用低压蒸汽来加热补充水及回收的冷凝水以除去其中溶解的气体[7]。除氧器建模的目的是根据补充水流量、冷凝水流量、除氧器排空率确定锅炉给水流量、除氧器排放量和使用的低压蒸汽流量。可列出质量平衡方程如式(5)所示。

mls+mmw+mcd=mfw+mv

(5)

式中mmw——补充水流量/t·h-1;

mcd——冷凝水流量/t·h-1;

mv——除氧器排放量/t·h-1;

mls——低压蒸汽流量/t·h-1。

同时，可列出能量平衡方程如式(6)所示。

mlshls+mmwhmw+mcdhcd=mfwhfw+mvhv

(6)

式中hls——低压蒸汽焓值/kJ·kg-1;

hmw——补充水焓值/kJ·kg-1;

hcd——冷凝水焓值/kJ·kg-1;

hv——排汽焓值/kJ·kg-1。

定义排放率为排放量与除氧器排出的给水流量之比，如式(7)所示。

(7)

式中v——除氧器排放率。

使用式(5)、式(6)和式(7)即可求解除氧器模型。

4 蒸汽系统能效评估指标的计算方法

根据蒸汽系统模型求解得到的参数，使用以下方法计算蒸汽系统的能效评估指标。

4.1 整体热效率

根据定义，采用式(8)计算整体热效率。

(8)

式中 ηH——整体热效率/[%];

QE——总发电量/MJ;

QU——用户使用的蒸汽能之和/MJ;

QF——燃料释放的热量/MJ;

QM——补充水中的热量/MJ;

NG——蒸汽系统中的发电机数量;

Pi——第i台发电机的发电量/kW;

NU——用汽设备的数量;

mui——第i个用户的蒸汽流量/t·h-1;

hui——第i个用户的蒸汽焓值/kJ·kg-1。

ΔEs,p,r=ΔEs,p-ΔEw

(9)

式中 ΔEs,p——单位时间一次蒸汽的降/kJ·kg-1;

ΔEw——单位时间减温水的升/kJ·kg-1。

(10)

式中 Δes,p——一次蒸汽的比降/kJ·kg-1;

ms,p——一次蒸汽的流量/t·h-1;

Δew——减温水的比升/kJ·kg-1;

mw——减温水的流量/t·h-1;

es,p——一次蒸汽的比/kJ·kg-1;

Es,p——单位时间一次蒸汽的实际/kJ·kg-1。

4.3 能级比

针对每个用汽设备，根据定义式(11)计算用汽设备能级比。

(11)

式中T0——环境温度/℃;

Tu——设备用汽温度/℃;

Ts——设备供汽温度/℃。

4.4 冷凝水回收率

根据定义，采用式(12)计算冷凝水回收率。

(12)

式中ηCD——冷凝水回收率/[%]。

5 软件设计与开发

在以上理论研究的基础上开发了蒸汽系统能效评估软件。软件的功能结构如图2所示，操作流程如图3所示。软件在Visual Studio 2008环境下开发，采用面向对象的程序设计方法。软件主界面如图4所示。

图2 软件功能结构图

图3 软件操作流程图

图4 软件主界面

6 实例分析

某钢铁企业采用二级蒸汽母管系统为高压和低压用户供汽，同时系统中安装有1台凝气式汽轮机和1台背压式汽轮机。企业基本参数以及各设备的运行参数见表1～表5，软件计算结果见表6。

表1 企业基本参数

表2 锅炉参数

表3 汽轮机参数

表4 用汽设备参数

表5 除氧器及冷凝箱参数

表6 指标计算结果

分析表6中的能效指标可以得到以下结论：

(1)该系统的整体热效率为72.91%，相对较高[2]。若想进一步提高整体热效率，可采取的措施包括降低锅炉排烟温度、降低锅炉排污率以提高锅炉效率[8]，提高汽轮机效率，改造管网以减少热损和蒸汽放散等。

(2)系统冷凝水回收率仅为52.86%，尚未达到60%，是一个较低的水平[9]，应通过加装冷凝水回收设备或更换疏水阀等措施来提高冷凝水的回收率。

(3)系统供用汽设备之间的能级不匹配，存在一定程度的可用能损失。若采用余压发电技术(例如背压式汽轮机或螺杆膨胀机等)将这部分可用能转化为电能，将获得可观的收益。假设热电转换效率为80%，则可得电功率为

=968.82 kW。

按照该企业年运行8 000 h、当地电价0.65元/kWh来计算，每年将能够创造约500万元的经济效益。

7 结论

蒸汽系统节能评估能够指出系统的不合理之处，便于下一步有针对性地开展节能改造。实例分析表明，本软件能够较为准确地计算出蒸汽系统的能效指标，进而帮助企业和政府更好地了解蒸汽系统的整体用能情况、主要能耗问题及节能潜力，为以后有序开展和推进蒸汽系统节能工作奠定基础。

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StudyofSteamSystemEnergyEfficiencyAssessmentMethodandSoftwareDevelopment

SONG Wen,LI Qi-qiang

(School of Control Science and Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China)

In this paper, the energy efficiency assessment method is studied. Firstly, the energy efficiency assessment system of steam system is established based on the first and second law of thermodynamics. Secondly, the model of steam system is build up based on the principle of energy and mass conservation. Finally, the calculation method of the indexes is given and an assessment software is developed. Test result shows that the software can build up a relatively accurate steam system model and calculate the efficiency indexes,which has high practical value in energy assessment of steam system.

steam system; energy efficiency assessment; exergy analysis; software development

2013-04-23修订稿日期2013-04-26

宋文(1988～)，男，硕士研究生，研究方向为系统优化与节能。

TK01+8

A

1002-6339 (2014) 01-0078-05