單耗分析

單耗分析理論的進一步發展，即將設備能耗劃分為設備結構因素和系統拓撲因素附加單耗，探索揭示設備間附加單耗的耦合關係與依變特性，理論推導建立了2種類型附加單耗的定量模型。對燃氣輪機系統進行改進單耗分析，結果表明，設備間存在複雜耦合作用關係；設備能耗的65%~75%源自設備自身結構的不完善，其餘則由系統拓撲結構缺陷造成。理論從新角度詮釋設備能耗的產生原因，為探索系統和單元雙重節能最佳化打下基礎。

基本介紹

• 中文名：單耗分析
• 外文名：Unit consumption analysis
• 描述：揭示設備間附加單耗
• 套用：設備能耗分析
• 學科：能源科學

概念

單耗分析是在㶲和㶲經濟學的基礎上所設計的能量系統分析理論和方法，它不但保留了㶲和㶲經濟學的優點削弱了其不確定性，而且直觀，易被理解和運用，能與成本和技術水平直接掛鈎，可望對節能降耗起到較大的促進作用。我國的國民經濟發展將主要地依靠技術進步。節能降耗既是技術進步的重要任務，也是技術進步的重要標誌。使用傳統的熱效率衡量節能潛力往往不確切，有時甚至會出現假象㶲和㶲經濟學是當代能量系統先進的分析方法，但也有不足之處。首先㶲分析和㶲經濟學要規定環境基準，這不僅帶來了㶲值的不統一性而且在涉及到多種化學物質時是相當繁雜的。其次㶲效率指標存在著多義性，有傳遞效率、普遍效率和目的效率等的區別，不同效率的數值有差異，有時差異甚至可達90%以上，同一效率在不同理解時其數值也有差異。同時，為了表證㶲效率需要對能量系統中的每個設備或子系統定義燃料和產品，這不僅摻入了很多人為的規定性，而且當系統複雜能量流、物質流和設備多時，這是一件很冗繁的步驟。此外，㶲經濟學的基本步驟就是把系統中的能流轉化為㶲流，再由㶲流轉化為金錢流。為此，系統中的眾多設備都要涉及棘手的成本分攤問題，進一步摻入了很多的主觀規定性，因而帶來了多義性和不確定性。

單耗分析理論的改進與初步套用

研究背景

能量的高效轉化利用被認為是應對有限化石燃料資源高速粗放消耗和溫室效應等問題的有效手段，而高效熱力系統的設計與改造離不開先進的節能分析理論，尤其是㶲分析理論。它雖已廣泛套用於各種類型熱力系統的熱力分析及參數最佳化，但固有的缺陷使其對系統和設備節能的指導意義沒有得以充分發揮。常規㶲分析不考慮設備內部細節，孤立地計算設備能耗，然而系統中各設備並非孤立存在，物流連線使設備間能耗發生相互作用——設備能耗並非全部由設備本身結構不完善造成，它與系統中其他設備的缺陷也密切相關。另外，常規㶲分析常以㶲損與㶲效率作為設備性能的評價指標。事實上，㶲損不能反映變工況下設備性能優劣， 而㶲效率評價不同設備的熱力完善程度也一直備受爭議。

近年國內外學者已針對㶲分析的上述缺點開展相關研究，G.Tsatsaronis等率先提出了先進㶲分析理論，將設備㶲損劃分為可避免與不可避免、內部與外部㶲損，初步探索單元間能耗耦合關係及其定量模型。H.Chang等提出了基於可逆運行、熱力學平衡運行的設備內外因㶲損劃分方法，試圖消除可避免與不可避免㶲損劃分的主觀
性。宋之平將設備能耗與燃料單耗相聯繫，提出單耗分析理論，增強了設備性能評價指標的適用性與實用性；周少祥等對單耗分析理論進行深入思考，拓展了其在能量系統分析中的套用。上述研究都在一定程度上改進了㶲分析理論，但既可揭示設備本身結構和系統拓撲結構完善程度，又可靈活評價不同工況、不同設備性能優劣的㶲分析理論遠未發展起來。

能耗作用的時空特性

設備間附加單耗存在耦合關係 f，只要系統拓撲結構確定，則f 函式形式確定，即由b_aux,I→K可計算設備K 的系統拓撲因素附加單耗b_aux,K^sys，因此耦合關係具有能耗“空間”作用特性。然而，複雜的系統拓撲結構使f的具體形式難以確定，增加了系統拓撲因素附加單耗的計算難度。從另一個角度，如果能確定設備本身結構因素附加單耗，則可由式計算出設備的系統拓撲因素附加單耗。實際上，只要確定b_aux,K^sys與b_aux,oth的依變特性，即可計算出設備的結構因素附加單耗。這一方面可以輔助計算某工況下設備的系統拓撲因素附加單耗，另一方面也利於評估設備K對其他設備附加單耗變化的敏感度，因此依變特性具有能耗“時間”作用特性。圖1表示設備間附加單耗耦合關係f 與依變特性的具體意義。

圖 1 耦合關係 f 與依變特性示意

研究結論

進一步發展了單耗分析理論，提出了設備自身結構和系統拓撲因素附加單耗的概念，探索了設備附加單耗的耦合關係和依變特性，並據此給出了兩種類型附加單耗的計算方法。主要得到以下結論：

（1）設備K的系統拓撲因素附加單耗並非設備對K的作用量的線性疊加，設備間能耗存在複雜的非線性耦合關係。

（2）固定設備K的㶲效率，改變其他設備㶲效率，則系統總附加單耗與其他設備附加單耗之和線性無關，但是兩者呈線性關係，且直線縱向截距為設備K的結構因素附加單耗。

（3）燃氣輪機系統中，能耗最大的設備為燃燒室，各設備附加單耗的65%~75%源自其自身結構的不完善，而剩餘25%~35%則由系統拓撲結構造成。

單耗分析理論與能源利用的效率問題

能源利用的效率問題是一個重要而不容易說清楚的問題。在很多時候，人們喜歡用效率來描述能源利用，但又時常面臨著熱力學第一定律效率失效或不科學的尷尬境地。眾所周知，熱力學第二定律是分析能源利用的有力武器，但是由於第二定律和燜概念抽象性和複雜性，仍難以套用於工程實踐。為解決這一問題，華北電力大學宋之平教授提出了能源利用的單耗分析方法，經過多年的研究和發展，徹底改變了第二定律套用難的現狀，為能源利用的統計與評價以及指導節能減排提供了有力的武器。

能源利用的單耗分析

根據第二定律，任一能源利用過程的㶲平衡可以一般性地描述為燃料㶲=產品㶲+㶲耗損。為更好地進行能源利用的評價，有必要根據第二定律對“用能目的”進行“產品”界定。所謂產品可以是能量形式的，如電和熱；也可以是直接或間接耗用一次能源生產出來的非能量形式的，如鋼鐵冶金產品、化工產品、海水淡化的產品淡水等。供熱是能源利用的一大類，不同的供熱需求，要求不同的參數，因此需根據第二定律對熱產品的品位進行界定。

冶金、化工及海水淡化等產品，以噸計量，純度是表征產品品質的重要指標；交通運輸產品的科學定義應該
是“噸·公里”；風機，壓縮機、水泵等耗能設備的產品定義應是“流量·揚程”。顯然，只有針對同一品位的產品，其能耗的對比分析才具有本質意義。當然，應把在某一品質範圍內的產品看成同一種產品，以使問題簡化。

關於能源利用效率的討論

雖然第一定律效率簡單明了，但不足以反映能源利用的高效性。並且許多能源利用如鋼鐵、化工及海水淡化等也不適合用熱效率來評價，因此本文僅討論能源利用的第二定律效率。儘管我國供電的燃料單耗比國際先進水平差許多，但其第二定律效率仍是全國能源利用中最高的。不少人根據熱力學第一定律分析，說電力生產的效率低，實際上是一種不科學的認識。不但如此，電力是國民經濟的支柱行業，其效率的提高可以極大地提高其他行業的效率，因此大力發展高效的電力是推進一個國家能源利用效率的重點。位於其後的是鋼鐵生產，但所計算的是上海寶鋼的情況，由於寶鋼在國內屬於比較先進的，因此這一效率代表鋼鐵行業的先進水平。能源利用第二定律效率最低的是海水淡化和供暖，它們均是直接涉及民眾日常生活的，是非常普通的能源需求，但也是國家和民眾普遍感到有壓力的行業。可以講，正是因為其第二定律效率過低，才使得它們的發展面臨巨大的困難。

研究結論

基於單耗分析，我們很容易得到任何產品生產的第二定律效率，可以用來進行一切能源利用的橫向比較和評價。換句話說，單耗分析既可以進行同一能源行業或領域內各種不同生產方式之間的橫向比較和評價，還可以進行不同領域之間的橫向比較和評價，這是其他分析方法所無法做到的。不僅如此，單耗分析研究和計算的是從能源利用的生產供應，網路輸配到終端用戶使用之全過程的績效性指標，而不只是某一個環節，因此是最全面的熱力學分析。只有掌握了終端產品的燃料單耗，才能真正回答能源利用系統是否節能的問題。

但是，產品的第二定律界定以及理論最低燃料單耗的確定是有一定理論難度的問題，它可以結合國家能源統計的有關要求和規定，由有關專家來完成，並作為大家共同遵守的標準規範頒布，以指導能源利用的單耗分析與評價。基於單耗分析理論，建立能源利用的評價基準以及包括環境影響評價在內的統一化能源利用的績效性評價指標體系，是從全局角度管理能源利用的關鍵，應引起有關部分的重視。