熱力學分析在鍋爐系統中的應用
能量系統的熱力學分析是根據熱力學原理對各種能量系統進行研究分析，以明確系統各部位的能量損失狀況，下面是小編搜集整理的一篇探究鍋爐系統中熱力學分析應用的論文范文，歡迎閱讀參考。
摘要：熱力學分析主要包括以能量平衡為基礎的能分析法和以平衡為基礎的分析法。本文定性分析了兩種方法的區別，并通過對某電廠鍋爐系統的熱力學分析，定量得出能分析和分析的區別。文中詳細論述了進行系統熱力學分析的意義，歸納了熱力學分析的方法、內容及步驟。
關鍵詞：能分析 分析 能效率 效率 損失
引言
隨著人們節能意識的不斷提高，為了獲取更大的經濟效益，人們將熱力學原理應用于工程實際各能量系統的分析中。能量系統的熱力學分析是根據熱力學原理對各種能量系統進行研究分析，以明確系統各部位的能量損失狀況，求取各種性能指標，對所研究的系統進行客觀評價。
1 熱力學分析的方法、內容
熱力學分析的方法主要包括兩種：以能量平衡為基礎的叫做能分析法，它是傳統的分析方法，依據熱力學第一定律，建立在能量“量”的守恒上，對熱力系統進行分析。而以平衡為基礎的叫做分析法，是近些年發展起來的一種方法，依據熱力學第二定律，是對能量“質”的分析[1][2]。
1.1 能分析法
能分析法是以熱力學第一定律為基礎，應用熱平衡原理，并以熱效率為基本評價準則，分析、評價系統能量有效利用狀況的方法。它依據能量系統建立熱力學模型，進行能量平衡計算，得出系統的熱效率和各項熱損失，得到系統熱損失的分布，從而找出系統中熱損最大的薄弱環節和部位，為改進設備和系統的用能狀況提供技術依據。
1.2 分析法
分析法是以熱力學第二定律為基礎的熱力學分析法。它是依據能量中的平衡關系，列出平衡方程并求解，通過分析，揭示能量中的轉換、傳遞、利用和損失的情況，確定出該系統或裝置的利用效率。
分析法的主要內容有[3]：
�、龠M行物流、熱量衡算，確定輸入、輸出體系中各種物流量、熱流量、功流量以及各物流的狀態參數(如溫度、壓力、組成等)。
�、诹饔嬎恪�
�、塾善胶夥匠檀_定過程的損失。
�、艽_定效率。
參與用能系統的流，可以分為三類，即輸入流、輸出流和系統內流。
�、佥斎肓黝悾菏侵赣赏饨绲脑矗锪鞔┻^系統邊界而進系統的。
�、谳敵隽黝悾菏侵赣上到y通過邊界向外輸出的。
�、巯到y內部類：是指系統的輸入于輸出之差的部分。
1.3 兩種熱力學分析法的比較
兩種熱力學分析方法都是通過輸入輸出，有效利用能和損失的平衡，求解系統的總損失，進而確定損失的分布。并通過計算出的效率有效利用率來評價系統的完善程度。但能分析法只是從不同質的能量在數量上的守恒來計算損失，因而只計算外部損失而忽視了內部損失，其評價指標也只是計算了被利用部分能的數量和輸入能的數量而忽略了其質量的變化，即忽略了過程的不可逆性所帶來的損失。而且能效率的分子分母常常是不同質的對比，不能準確地表征能量的利用程度，而效率和分析法正好能解決上述缺陷，所以分析法要比能分析法更科學、更深入也更全面，它能準確地揭示損失的原因、部位以及指出改進方向等。分析方法既可以進行系統分析，又可以進行優化綜合，它可以很便捷地進行系統優化，與經濟因素結合后還可作設備全壽期成本統計等[4]。
隨著節能工作的一步步深入，分析方法在能源管理、熱能動力、制冷技術、石油化工和冶金等許多領域得到了廣泛的應用。目前，有些國家已經將方法用于熱力系統的熱經濟分析當中，而我國火電機組熱力系統的分析方法實際上都是基于熱力學第一定律的分析方法，其存在的缺點是不能揭示內部不可逆性大小，不能反映能質的蛻變情況，不能體現不可逆性對經濟性造成的影響。因此對熱力系統進行研究分析，根據分析結果所提出的問題采取相應的措施提高熱力系統的熱經濟性，具有十分重要的現實意義[5][6]。
2 鍋爐系統的熱力學分析
2.1 原始數據
某電廠鍋爐，其出口蒸汽壓力為p=13.72MPa，溫度為330℃，給水溫度tw=215℃，尾部排煙溫度為135℃，過熱蒸汽量為410t/h，空氣預熱器出口空氣溫度為226℃，爐膛過剩空氣系數為1.1。理論空氣量為4.907m3/kg，每小時燃煤量為58298kg，其燃煤的低位發熱量QL=18636
kJ/kg，全水分ω=4.9%。環境溫度為19℃，依據上述數據分別對此鍋爐系統進行能分析和分析。
2.2 分析計算
設圖中mf、ma、ms、mg和mw分別為燃料、空氣、蒸汽、煙氣和給水的質量流量;而ha、hs、hg分別表示相應物質的焓，QL為燃煤的低位發熱量，QB是損失的熱量;ef、ea、es、eg和ew表示相應各物質流的比，IQ為向環境散失熱量而引起的損失。由題設得：mf=58298kg，ma=4.907×1.293×1.1×58298=406875kg，ms=410000kg，不考慮鍋爐排污損失mw=ms=410000kg，由已知溫度查表得：
ha=509.4kJ/kg sa=7.2245kJ/(kg・k) hs=3469.8kJ/kg，ss=3.5449kJ/(kg・k)，hw=598.4kJ/kg，sw=2.4747kJ/(kg・k)，ha=292.25kJ/kg，so=6.6732kJ/(kg・k)
圖1 鍋爐的能量平衡
圖2 鍋爐的平衡
按照圖1所示的鍋爐能量平衡關系，得出能量平衡方程：
mfQL+maha+mwhw=mshs+mghg+QB (1)
其中QB、mghg為損失的能量，而mshs-mwhw=ms(hs-hw)為有效利用的能量，則該鍋爐的能效率為：
η=
=
=1.91(2)
按照圖2所示的'鍋爐平衡關系，可以寫出下面的平衡方程： mfef+maea+mwew=mses+mgeg+IQ+IB(3)
式中IB表示整個鍋爐內部過程總的損失�？紤]到mw=ms，則鍋爐內部過程總損失為：
IB=mfef+maea-ms(es-ew)-mgeg-IQ(4)
該鍋爐的目的效率η應為：
η= (5)
由于es=(hs-h0)-T0(Ss-S0)，ew=(hw-h0)-T0(Sw-S0)兩式相減得：
es-ew=(hs-hw)-T0(Ss-Sw) (6)
用(5)對應除以(2)可得：
η=η (7)
將(6)式代入上式，則有：
η=η(1-T0) (8)
代入數據得：
ea=(ha-h0)-T0(sa-so)
=(509.4kj/kg-292.25kj/kg)-292.3(7.2245-6.6732)
=56.01
η=η(1-T0)
=0.91(1-)
=0.69
3 結論
從以上的計算結果可以看出，雖然是對同一臺鍋爐進行效率計算，但能效率和效率相差很大，能效率為91%而效率僅為69%，能效率的計算主要取決與鍋爐排煙向外界散熱的多少，主要考慮的是能量“數”的變化。但效率則不同，它不僅考慮了鍋爐燃燒過程中的外部損失，而且考慮了燃燒、傳熱等鍋爐內部各個過程所造成的不可逆損失。實際上，蒸汽鍋爐的損失中最大的一項就是燃料燃燒和傳熱造成的損失，所以雖然從能效率即能量的數量上來看鍋爐損失的不多，但這部分能量都是高品位的能量，價值都很高[7][8]。
由此可見，效率比能效率更能完善地反映鍋爐的熱經濟性。所以，通過系統分析計算，找出損高的部位，采取相應措施進行改善。對目前我國火電機組熱力系統分析具有十分重要的意義。
參考文獻：
[1]鄭體寬.熱力發電廠.中國電力出版社，2001.
[2]郭民臣，魏楠.電廠熱力系統矩陣熱平衡方程式及其應用[J].動力工程，2002，22(2)：1733-1738.
[3]杜亞榮.600MW機組熱力系統的熱力學分析與優化.碩士學位論文，保定：華北電力大學動力系，2007.
[4]朱明善.能量系統的分析.清華大學出版社，1988.
[5]林萬超.火電廠熱系統節能理論.西安：西安交通大學出版社，1994.
[6]孫實文，林萬超.火電廠熱力系統定量分析通用模型[J].西安交通大學學報，1996，30(5)：123-125.
[7]王加璇，張樹芳.方法及其在火電廠中的應用.水利電力出版社，1993.
[8]朱明善，陳宏芳.熱力學分析.北京：高等教育出版社，1992.
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