第五節(jié) 總能系統(tǒng)分析

一、總能和總能系統(tǒng)

總能(TotalEnergie)和總能系統(tǒng)(TotalEnergieSystem)是于20世紀初提出的，其原意是指同時利用能源的數(shù)量和質(zhì)量。

生產(chǎn)和生活通常需要兩類熱能。一類是高品質(zhì)熱能(如高溫高壓蒸汽或燃氣)，主要用于發(fā)電、動力;另一類是低品質(zhì)熱能(如溫度、壓力稍高于環(huán)境的熱水、蒸汽或空氣)，主要用于采暖、干燥、蒸煮、炊事、沐浴等。

在能量利用中存在的主要問題有兩種情況：一種是要消耗大量燃料去提供低品質(zhì)的熱能;另一種是工藝過程放出很多低品位的熱能未被利用而棄掉。典型的例子如圖3-5所示。

因此，總能系統(tǒng)的指導(dǎo)思想是先做功后用熱，即燃料的能量先通過汽輪機或燃氣輪機或內(nèi)燃機做功或發(fā)電，然后把低品位熱量作為熱源加以利用;對于工藝過程放出的熱量，先做功后再作為熱源使用。典型例子如圖3-6所示。

二、按質(zhì)用能

熱能品質(zhì)上是有差別的，要合理利用和節(jié)約熱能，就必須根據(jù)用戶需要按質(zhì)提供熱能。其基本原則就是“熱盡其用”，即熱能供需不僅數(shù)量上相等，而且質(zhì)量上匹配。

在實際使用熱能的過程中常有許多不按質(zhì)用熱而造成熱能浪費的現(xiàn)象。例如，在工廠中常?？梢钥吹桨迅邊?shù)(品質(zhì))的蒸汽經(jīng)過節(jié)流過程降為低參數(shù)(品質(zhì))的蒸汽來使用，此時用能的數(shù)量基本上沒有減少，但?損失卻很大。如常用的低壓鍋爐生產(chǎn)的1.3MPa的飽和蒸汽，其?值約為1005kj/kg，如將它經(jīng)過節(jié)流過程降壓到生產(chǎn)所需的0.3MPa的蒸汽來使用，就會使?損失171kj/kg，這是很不合算的。

又如，利用燃料燃燒直接對房屋供暖也是很不合理的熱能利用方式，因為它沒有把1000℃的高溫熱源的?加以利用，而是把優(yōu)質(zhì)熱能用于低質(zhì)熱能完全可以滿足要求的采暖上，浪費了優(yōu)質(zhì)熱能。反之，如果先將高溫熱源的?通過熱機將其轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，然后再利用此機械能通過熱泵系統(tǒng)去提供采暖所需的熱量，則從理論上講，1kJ的燃燒熱?可以提供12kJ采暖所需的低溫熱量，由此可見按質(zhì)使用熱能的重要意義。

還常常會遇到這樣的情況，即利用一個高品質(zhì)的熱源供幾個要求不同的工藝裝置使用[見圖3-7(a)]，從而導(dǎo)致大量優(yōu)質(zhì)熱能當作低質(zhì)熱能使用，造成熱能的浪費。如果從熱能的綜合利用角度出發(fā)，對用能過程進行全面合理地組合，如先用作動力，再用于生產(chǎn)工藝過程，最后用于生活用熱【見圖3-7(b)】，就能大大減少優(yōu)質(zhì)熟能的浪費，節(jié)約大量熱能。理論和實踐證明，凡是有熱現(xiàn)象發(fā)生的過程，例如，燃料的燃燒、化學(xué)反應(yīng)、有溫差下的換熱、介質(zhì)的節(jié)流降壓以及有摩擦的擾流等都是典型的不可逆過程，都要引起?值的下降，造成?損失。因此除按質(zhì)使用熱能外，還必須在熱能利用過程中盡可能減少由于不可逆過程所引起的?貶值，例如，燃燒和化學(xué)反應(yīng)過程要盡量在高溫下進行;加熱、冷卻等換熱過程應(yīng)使放熱和吸熱介質(zhì)的溫度接近;力求避免介質(zhì)節(jié)流降壓和摩擦擾流等。

三、余熱利用

熱能是國民經(jīng)濟和人民生活中應(yīng)用最廣泛的能量形式，因此節(jié)約熱能有特別重要的意義。

除家用炊事和采暖外，熱能主要用于工業(yè)企業(yè)。工業(yè)企業(yè)有不同的類型，各種企業(yè)的生產(chǎn)過程又多種多樣，但從使用熱能的目的來看，熱能主要用于以下三方面。

(1)發(fā)電和拖動。將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，用作各種電氣設(shè)備的動力;或者直接以蒸汽為動力，拖動壓氣機、風機、水泵、起重機、汽錘和鍛壓機等。這類熱能消費者，通常稱為動力用戶。

(2)工藝過程加熱。利用蒸汽、熱水或熱氣體的熱量對工藝過程的某些環(huán)節(jié)加熱，以及對原料和產(chǎn)品進行熱處理，以完成工藝要求或提高產(chǎn)品質(zhì)量。這類熱能消費者統(tǒng)稱為熱力用戶。

(3)采暖和空調(diào)。公用和民用建筑冬季采暖、熱水供應(yīng)以及夏季空調(diào)，它們都直接或間接使用大量熱能。這類熱能消費者簡稱為生活用戶。

從使用熱能的參數(shù)來看，可以分為以下三個級別：

(1)高溫高壓熱能。通常指500℃以上、壓力為3.O—10MPa的高溫高壓蒸汽或燃氣，它們通常用于發(fā)電;溫度和壓力越高，熱能轉(zhuǎn)換的效率也越高。

(2)中溫中壓熱能。通常指150～300℃、4.0MPa以下的熱能，它們大量用于加熱、干燥、蒸發(fā)、蒸餾、洗滌等工藝過程，少數(shù)用于汽力拖動。

(3)低溫低壓熱能。通常指150℃、0.6MPa以下的熱能，主要用于采暖、熱水、制冷、空調(diào)等。

在工業(yè)企業(yè)中，中、低參數(shù)的熱能使用最廣泛，見表3-3。

工業(yè)企業(yè)有著豐富的余熱資源，從廣義上講，凡是溫度比環(huán)境高的排氣和待冷卻物料所包含的熱量都屬于余熱。具體而言，可以將余熱分為以下六大類：

(1)高溫煙氣余熱。主要指各種冶煉窯爐、加熱爐、燃氣輪機、內(nèi)燃機等排出的煙氣余熱，這類余熱資源數(shù)量最大，約占整個余熱資源的50%以上，其溫度為650～1650℃。

(2)可燃廢氣、廢液、廢料的余熱。如高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、煉油廠可燃廢氣、紙漿廠黑液、化肥廠的造氣爐渣、城市垃圾等。它們不僅具有物理熱，而且含有可燃氣體?？扇紡U料的燃燒溫度為600～1200℃，發(fā)熱值為3350～10465kj/kg。

(3)高溫產(chǎn)品和爐渣的余熱。其中有焦炭、高爐爐渣、鋼坯鋼錠、出窯的水泥和磚瓦等，它們在冷卻過程中會放出大量的物理熱。

(4)冷卻介質(zhì)的余熱。它是指各種工業(yè)窯爐殼體在人工冷卻過程中冷卻介質(zhì)所帶走的熱量，例如，電爐、鍛造爐、加熱爐、轉(zhuǎn)爐、高爐等都需采用水冷，水冷產(chǎn)生的熱水和蒸汽都可以利用。

(5)化學(xué)反應(yīng)余熱。它是指化工生產(chǎn)過程中的化學(xué)反應(yīng)熱，這種化學(xué)反應(yīng)熱通常可在工藝過程中再加以利用。

(6)廢氣、廢水的余熱。這種余熱的來源很廣，如熱電廠供熱后的廢汽、廢水，各種動力機械的排汽，以及各種化工、輕紡工業(yè)中蒸發(fā)、濃縮過程中產(chǎn)生的廢汽和排放的廢水等。

余熱按溫度水平可以分為三檔：高溫余熱，溫度大于650℃;中溫余熱，溫度為230—650℃;低溫余熱，溫度低于230℃。

余熱利用的途徑主要有三方面：余熱的直接利用、發(fā)電、綜合利用。

(1)余熱的直接利用。主要在以下幾方面：

1)預(yù)熱空氣。它是利用高溫煙道排氣，通過高溫換熱器來加熱進入鍋爐和工業(yè)窯爐的空氣。由于進入鍋爐爐膛的空氣溫度升高，使燃燒效率提高，從而節(jié)約燃料。在黑色和有色金屬的冶煉過程中，廣泛采用這種預(yù)熱空氣的方法。

2)干燥。利用各種工業(yè)生產(chǎn)過程中的排氣來干燥加工的材料和部件，如陶瓷廠的泥坯、冶煉廠的礦料、鑄造廠的翻砂模型等。

3)生產(chǎn)熱水和蒸汽。它主要是利用中低溫的余熱生產(chǎn)熱水和低壓蒸汽，以供應(yīng)生產(chǎn)工藝和生活方面的需要，在紡織、造紙、食品、醫(yī)藥等工業(yè)以及人們生潔上都需要大量的熱水和低壓蒸汽。

4)制冷。它是利用低溫余熱通過吸收式制冷系統(tǒng)來達到制冷或空調(diào)的目的。

(2)余熱發(fā)電。利用余熱發(fā)電通常有以下幾種方式：

1)用余熱鍋爐(又稱廢熱鍋爐)產(chǎn)生蒸汽，推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。

2)高溫余熱作為燃氣輪機的熱源，利用燃氣輪發(fā)電機組發(fā)電。

3)如果余熱溫度較低，可利用低沸點工質(zhì)(如正丁烷)來達到發(fā)電的目的。

(3)余熱的綜合利用。余熱的綜合利用是根據(jù)工業(yè)余熱溫度的高低，采用不同的利用方法，實現(xiàn)余熱的梯級利用，以達到“熱盡其用”的目的，例如高溫排氣，首先應(yīng)當用于發(fā)電，而發(fā)電的余熱再用于生產(chǎn)工藝用熱，生產(chǎn)工藝的余熱再用于生活用熱。