第五節 總能系統分析

一、總能和總能系統

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

生產和生活通常需要兩類熱能。一類是高品質熱能(如高溫高壓蒸汽或燃氣)，主要用于發電、動力;另一類是低品質熱能(如溫度、壓力稍高于環境的熱水、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，總能系統的指導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燃機做功或發電，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、按質用能

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

在實際使用熱能的過程中常有許多不按質用熱而造成熱能浪費的現象。例如，在工廠中常常可以看到把高參數(品質)的蒸汽經過節流過程降為低參數(品質)的蒸汽來使用，此時用能的數量基本上沒有減少，但?損失卻很大。如常用的低壓鍋爐生產的1.3MPa的飽和蒸汽，其?值約為1005kj/kg，如將它經過節流過程降壓到生產所需的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，而是把優質熱能用于低質熱能完全可以滿足要求的采暖上，浪費了優質熱能。反之，如果先將高溫熱源的?通過熱機將其轉變為機械能，然后再利用此機械能通過熱泵系統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)]，從而導致大量優質熱能當作低質熱能使用，造成熱能的浪費。如果從熱能的綜合利用角度出發，對用能過程進行全面合理地組合，如先用作動力，再用于生產工藝過程，最后用于生活用熱【見圖3-7(b)】，就能大大減少優質熟能的浪費，節約大量熱能。理論和實踐證明，凡是有熱現象發生的過程，例如，燃料的燃燒、化學反應、有溫差下的換熱、介質的節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，燃燒和化學反應過程要盡量在高溫下進行;加熱、冷卻等換熱過程應使放熱和吸熱介質的溫度接近;力求避免介質節流降壓和摩擦擾流等。

三、余熱利用

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

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

(1)發電和拖動。將蒸汽的熱能轉變為電能，用作各種電氣設備的動力;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節加熱，以及對原料和產品進行熱處理，以完成工藝要求或提高產品質量。這類熱能消費者統稱為熱力用戶。

(3)采暖和空調。公用和民用建筑冬季采暖、熱水供應以及夏季空調，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，它們通常用于發電;溫度和壓力越高，熱能轉換的效率也越高。

(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、蒸餾、洗滌等工藝過程，少數用于汽力拖動。

(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、空調等。

在工業企業中，中、低參數的熱能使用最廣泛，見表3-3。

工業企業有著豐富的余熱資源，從廣義上講，凡是溫度比環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、內燃機等排出的煙氣余熱，這類余熱資源數量最大，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。可燃廢料的燃燒溫度為600～1200℃，發熱值為3350～10465kj/kg。

(3)高溫產品和爐渣的余熱。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)冷卻介質的余熱。它是指各種工業窯爐殼體在人工冷卻過程中冷卻介質所帶走的熱量，例如，電爐、鍛造爐、加熱爐、轉爐、高爐等都需采用水冷，水冷產生的熱水和蒸汽都可以利用。

(5)化學反應余熱。它是指化工生產過程中的化學反應熱，這種化學反應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、輕紡工業中蒸發、濃縮過程中產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、發電、綜合利用。

(1)余熱的直接利用。主要在以下幾方面：

1)預熱空氣。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，從而節約燃料。在黑色和有色金屬的冶煉過程中，廣泛采用這種預熱空氣的方法。

2)干燥。利用各種工業生產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)生產熱水和蒸汽。它主要是利用中低溫的余熱生產熱水和低壓蒸汽，以供應生產工藝和生活方面的需要，在紡織、造紙、食品、醫藥等工業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來達到制冷或空調的目的。

(2)余熱發電。利用余熱發電通常有以下幾種方式：

1)用余熱鍋爐(又稱廢熱鍋爐)產生蒸汽，推動汽輪發電機組發電。

2)高溫余熱作為燃氣輪機的熱源，利用燃氣輪發電機組發電。

3)如果余熱溫度較低，可利用低沸點工質(如正丁烷)來達到發電的目的。

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