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论能源利用的评价基准
1. 引言
能源利用评价体系是制定国家能源政策和标准的依据,科学的评价体系是建设资源节约型社会,促进能源经济可持续发展的重要保障。能源利用优劣的评价是建立在一定的评价基准之上的,综观世界各国法定的评价方法,都是建立在热力学第一定律基础上的,其优点是方法简单,对于多数系统本身的优化设计是有效的。但是它将不同品质的能量等价处理,所得的结果有时是不科学的,甚至可能是反科学的,无法满足国家能源科学管理的需要。
第二定律分析被公认为是最有效的能量系统分析方法,但是,一方面由于火用概念的抽象性与复杂性,另一方面由于其应用研究存在严重的不足,致使火用方法至今未能真正发挥作用。
能源利用可以分为生产供应、网络输配和终端用户使用三个环节[1,2],分属不同的利益集团,它们之间的能量交换往往代之以货币结算,这种条块分隔客观上阻断了能源利用的热力学分析的连续性,是导致目前国家能源管理缺乏科学性的一个重要原因。
热电联产是传统的节能技术,其性能不仅取决于机组初参数,还取决于热负荷的特性。采暖供热是一种季节性负荷,低参数供热机组非采暖期凝汽工况发电效率较之电网大机组相差很大,其总能系统是否节能须在年度周期内评价,仅采暖季及额定工况的性能不足以说明其节能性,能源利用的评价体系应能适应这种需要。
我国能源构成以煤为主(约占66.3%),是我国能源效率低下与环境污染严重的一个重要原因,煤的高效清洁利用是我国能源工作的核心。随着经济的发展,煤炭消耗量还将不断增大,我国能源的供需矛盾和环境压力必将日益随之增大,如何有效地进行能源利用的科学管理,是摆在我们面前的一个重要任务。
2. 一般化能源利用系统
能源利用系统可以一般化地表示生产供应、网络输配和用户使用等三个部分组成,如图1所示。天然气、煤、石油等一次能源可以通过铁路、公路和航运等交通网络输运;也可以通过设置专门的管道输运,如输油管、输气管和输粉管(燃煤电厂大量采用)等;更可以根据需要将这些一次能源转化为电、热(含热水、蒸汽及冷、热空气) 等二次能源进行输运。对于那些输配网络很小或没有输配网络的能源利用系统,也可以沿用一般化能源利用系统的形式,只要将网络输配环节的效率设为100%即可。
图1 一般化能源利用系统
不同的一次能源开采的能耗不同,不同的输运方式(铁路、公路、航运及管道)和输送距离,能耗相差更大,网络输运环节对能源利用效率和经济性的影响极大,应给予高度的重视。我国能源资源以煤为主,铁路货运能力的55%在运煤,而原煤中含有相当比例的灰份(约占20%-40%),如果煤的利用是以发电为目的,是运煤,还是将煤转化为电输送是很值得研究的问题。尽管天然气可以用管道输运,但是由于气体密度相对较小,输运损耗的影响很大,如果仅是针对热电冷联产,是输电还是输气就变得很值得商榷了。
二次能源如电、热等,也可以通过网络输配,电网、热网和暖通空调的风系统等都是二次能源的输配系统。不同的输配系统,能耗相差非常大。比较而言,电力输配能流密度大,效率高,因此电网规模最大;热网输配不仅有热损失,还必然要消耗电(功)以克服管道阻力,输配效率较低,即热不适合远距离输配,因此热网规模远小于电网。据统计,中央空调系统中冷(热)空气输运系统的能耗可以占到其总能耗的绝大部分[3],导致中央空调系统的能耗偏高。同样的问题在水源热泵系统中也非常突出,值得关注。
1. 能源利用的单耗分析
单耗分析思想是宋之平教授提出的[1,2]。根据热力学第二定律,对于任一能源利用过程,其火用平衡关系可以一般性地描述为燃料火用=产品火用+火用耗损,即:
Bs·ef =P·ep+ΣBi·ef [kJ]
式中,ep, ef分别表示单位产品和单位燃料的火用值;P表示产品产量;Bs表示燃料量;ΣBi为生产过程中各环节的火用耗损所对应的煤耗。
产品是多样的,其火用是不等价的,如电(功)与热、不同参数的热量、海水淡化的产品淡水以及化工产品等。但是,任何产品的火用是一定的。任何的不可逆因素都必然造成产品产量的减少或单位产量燃料消耗(简称燃料单耗)增大。因此,对于任何能源利用过程,单耗分析模型都可以一般性地表示为:
b=Bs/P=bmin+Σbi
式中,bmin=ep/ef[1,2]为生产该产品的理论最低燃料单耗,即在无任何火用耗损存在时的产品燃料单耗,Σbi为系统各子系统设备的火用耗损引起的附加燃料单耗之和。
只要我们知道某一产品的实际燃料单耗,就能很方便地计算出其生产过程的第二定律效率(火用效率):
ηex=P·ep/Bs·ef =(ep/ef)/(Bs/P)= bmin/b
根据式,我们不难理解产品的理论最低燃料单耗以及生产过程的附加燃料单耗的分析具有重要的理论和工程实际意义,有助于我们了解该产品生产的节能潜力及最需要改进的环节。表1列入了部分产品的理论最低燃料单耗[1]和实际值,能源利用的节能潜力略见一斑。
表1 部分产品生产的单耗分析 (t标煤/t)
名称 |
钢 |
水泥 |
铝 |
原油 |
纸 |
电力 |
海水淡化 |
供暖热能(20℃) |
理论最低 |
0.216 |
0.025 |
0.90 |
0.014 |
0.007 |
|
0.00028 |
2.33kg/GJ |
实际值 |
0.6751 |
0.1592 |
5.233 |
- |
- |
366g/kWh4 |
0.00775 |
52.46kg/GJ 6 |
火用效率(%) |
32 |
15.7 |
17.2 |
- |
- |
33.6 |
3.64 |
4.44 |
注:(1).宝钢2004年的数值;(2).全行业2005年平均值;(3).电解铝电耗15000kWh/t,按
一种产品的比火用是根据热力学第二定律分析计算得出的一个确定数值,许多产品的实际燃料单耗值的计算不一定需要进行能源利用全过程的第二定律分析,而可以直接由其标准煤耗与产品产量计算出来,也可以根据行业的统计数据计算。有了产品燃料单耗,其火用效率可以直接计算出来。从表1不难看出,基于单耗分析的第二定律效率可用于评价一切能源利用,它使热力学第二定律分析用于能源利用的统计分析与评价成为了可能,这对能源利用及其科学管理具有非常重要的意义。
锅炉房集中采暖供热的热效率可达65%,但其火用效率只有4.44%;即使热效率达到100%,其火用效率也只有6.83%,非常的低。之所以如此,是因为供热是低品位能源需求,采用高品质的化石能源燃烧直接供应,违反了按质用能的原则。
NC200/145MW两用机的供热燃料单耗仅是锅炉房集中供热的46.5%,相对于锅炉房供热显然是节能的,但其供热过程的火用效率也只有9.55%,说明其节能的潜力还很大。
尽管我国电力生产的供电燃料单耗比国际先进水平要差许多,即便如此,电力生产的第二定律效率(火用效率)仍是所有能源利用系统中最高的。不少人根据热力学第一定律分析,常常说电力生产的效率低,实际上是一种不科学的认识。
综上所述,单耗分析是基于热力学第二定律的分析方法,最主要的特点就在于研究分析了能源利用的生产供应、网络输配及终端用户使用之全过程,而不是某一个环节,因此是最全面的热力学分析方法。事实上,只有掌握了终端产品的燃料单耗,才能真正回答能源利用系统是否节能的问题,基于单耗分析的能源利用效率才是真正意义上的第二定律效率,任何其它的分析都是不完整的。
2. 能源利用的评价原则
一次能源输运必然要消耗一定的能量,这部分能耗在研究一次能源远距离输运合理性的时候是必须给予充分考虑的。但是,如果将一次能源输运能耗计入能源利用系统的分析,则不仅使问题复杂化,更重要的是对实际能源利用系统不公平。而在“标准煤”的概念下,一次能源开采、输运过程及燃料的某些差异所产生的问题就被消除了。基于标准煤,能源利用过程热力学分析的资源口径就得到了统一。
用能的目的多种多样,满足同一用能目的的供能方式也是多种多样,如何针对用能目的进行能源利用的分析与评价是能源利用的一个核心问题:究竟哪一种能源利用方式是节能的或节能潜力是多少?
为更好地进行能源利用的评价,有必要根据热力学第二定律对“用能目的”进行“产品”界定,这是一项非常重要的工作。供热是能源利用的一大类,可分解为工艺负荷和采暖负荷两类,不同的供热需求,要求不同的供热参数,因此需要根据热力学第二定律对供热负荷的品位进行界定[1,2],只有针对同一品位的热产品的能耗对比分析也才具有本质意义。对于钢铁、冶金、化工、海水淡化的产品淡水等具体工业产品,纯度是表征产品品质的重要指标,只有针对同一品质产品的能耗对比分析才有意义。交通运输常用“百公里油耗”作为评价指标,但这是不全面的,交通运输产品的科学定义应该是“吨•公里”,即吨公里油耗才是评价交通运输的科学指标。对于风机、压缩机、水泵等流体机械,科学的产品定义是“流量•扬程”(对照非平衡热力学关于耗散功的定义:热力学流•热力学力)[5]。能源利用的分析与评价必须建立在产品等价的原则基础上。
众所周知,任何终端用能目的都可以有多种供能方式满足。比如,对于采暖供热,我们可以选择锅炉、热电联产、分布式热电冷联产系统、热泵以及电热膜等技术;对于钢铁冶炼,我们可以选择基于燃煤的高炉、转炉,也可以选择电炉等,高炉煤气和余热可以回收利用,或发电、或供热等;对于海水淡化,我们可以选择锅炉或核能蒸馏海水淡化,热电联产蒸馏海水淡化,也可以选择电驱动的机械压缩蒸馏以及反渗透海水淡化等;对于制冷空调,我们可以选择直燃型吸收式制冷、热电冷联产、压缩式制冷等。分析这些终端用能目的,我们不难发现任何的能源终端利用可以归结为热、电两种主要形式,这是能源利用的共性所在。但是由于热、电之间存在不等价性,如何处理热、电的不等价性成为目前能源利用系统的分析与评价的一个难题。
之所以说是一个难题,是因为任何的处理方法都具有人为规定性[6],完全取决于研究人员的主观判断和经验,至今没有达成一致意见,这使得针对终端产品的能耗指标缺乏可比性。那种认为热电联产发电没有冷源损失,就一定存在所谓的“好处”,因此需要合理分摊的观点无助于问题的解决[7~9]。
不但如此,由于能量具有可相互转化性,任何用能目的都可以用“电”来实现。不同发电技术的供电燃料单耗(供电煤耗率)不同,不同电压等级的电网输配系统及输送距离的损耗不同,因此通过电网到达各个用户终端的“电”具有的燃料单耗也不同,这是客观事实。但如果将发电及其输配系统的损耗计入终端用户的能耗分析,对终端用户的用能系统评价既不公平,又很难计算准确,这一问题似乎成为能源利用分析与评价无法克服的困难。
我们知道,“标准煤”概念的采用,消除了一次能源开采及输运环节的影响,那么我们完全可以基于电网平均供电燃料单耗确立“标准电”,用于计算所有从电网取电的终端产品生产的燃料单耗,则可以消除电力生产及输运环节的影响。
由于热电联产供热是以减少机组发电量为代价的,如果我们将减少的发电量视为其供热的当量电耗,这部分电量与机组实际发电量完全等价,籍此我们可以很方便地计算热电联产供热燃料单耗。更由于热网输配环节需要消耗相当比例的电(功),基于电量,我们可以很方便地分析热网输配环节对供热燃料单耗的影响。这一点对于暖通空调系统至关重要,因为低品位自然能源和余热利用是暖通空调系统节能的一个重要途径[3,10],但是低品位之后,由于温程的降低,所需载热质的流量大幅度提高,用于载热质输运的电(功)消耗大幅度提高,从而加大暖通空调系统的能源消耗,需引起足够的重视。
因此,终端产品生产的二次能源消耗可以用(当量)性能系数或(当量)电耗率指标评价。这里统一地用下式表示[11-17]:
ECOP=Qh/(EECR+ΣWp) [-]
或,eecr=(EECR+ΣWp)/P
式中,Qh为供热量或制冷量[kW];P为产品产量[kg/h, m3/h, kg•km, etc.];EECR为生产Qh和P产品的(当量)电耗[kW];ΣWp为输运电(功)之和[kW];ECOP为(当量)性能系数[-];eecr单位产品产量的(当量)电耗(不同的产品形式,量纲不同)。
直燃型的产品燃料单耗可直接计算,电驱动设备所耗的是标准电(b*n(e)),热电联产按当量电耗与流程泵功之和(