熱能動力聯產及其系統優化分析

許云峰

摘要：多聯產系統理論的核心就是化學能和綜合能的階梯型利用，該種利用方式可以控制CO2的一體化，這也是熱能動力聯產及其系統優化分析的基礎。目前，在常規的熱力系統之中關于污染控制的思路大多集中在流程尾部的脫除中，即延續傳統先污染、后治理的方式，為了解決這一傳統的治理模式，可以使用能量轉化利用與CO2的控制一體化原理，這種原理的本質就是將化學能梯級利用同降低CO2的能耗分離相結合，提高能量的利用水平，并降低CO2的排放。本文主要分析多聯產系統集成理論以及相關的優化方式。

關鍵詞：熱能動力聯產系統優化分析

在長期以來，熱系統都是一種相互獨立的關系，常規的熱動力系統為熱力循環，傳統工業生產的重點就是組分調整，在這種情況下，常常伴隨環境污染和化學能損失的情況。為了解決這一問題，必須研究一種多產品聯合、多能源互補的熱能動力聯產系統。多聯產就是通過系統集成的方式將動力系統與化工過程進行組成，在完成供熱、發電的過程中生產適宜的化工產品，這就可以實現一種多領域的功能化綜合，實際上，多聯產的本質就是聯產概念的一種集成，是一種能量的階梯型的轉換利用。

1 多聯產系統集成理論相關介紹

多聯產系統理論的核心就是化學能和綜合能的階梯型利用，該種利用方式可以控制CO2的一體化，這也是熱能動力聯產及其系統優化分析的基礎。

1.1 化學能和物理能階梯利用的方法 在傳統熱力循環系統中，熱力學的卡諾定理為其中心理論，該種理論就是將燃料的品位降低成熱能品位的一種模式，該種模式并未涉及燃料化學能品位的利用，因此，具有一定的局限性。基于傳統理論的基礎上，相關專家學者建立了關于反映Gibbs自由能、燃料化學能以及熱能品位之間的關系，并以此為基礎，解釋了關于化學能可控轉換聯產相關的集成機理。大量的調查研究解釋了，組成轉化同能量轉化之間是一種相互利用耦合的關系，其中，動力側與化工側的相互整合也成為整個系統的集成關鍵，其共同的核心理論就是關于能量的階梯利用。

1.2 能量轉換利用同CO2控制一體化的相關原理 目前，在常規的熱力系統之中關于污染控制的思路大多集中在流程尾部的脫除中，即延續傳統先污染、后治理的方式，為了解決這一傳統的治理模式，可以使用能量轉化利用與CO2的控制一體化原理，這種原理的本質就是將化學能梯級利用同降低CO2的能耗分離相結合，提高能量的利用水平，并降低CO2的排放。這種一體化的思路在根本上扭轉了這種傳統的分離技術，聯產系統一體化的理論也能夠解決溫室氣體高能耗的問題，在進行生產的過程中，能夠將CO2回收，并將清潔性燃料氫氣從中分離出來。這就可以保證合成氣成分的比例更加的科學，保證化工合成能夠更加優化的進行，還可以保證將排放CO2的能耗降低，這也為CO2集成方式提供一種堅實的基礎。

2 多聯產系統類型及其集成原則的相關思路

基于以上的原理，就可以研究出一種多聯產系統類型同系統集成、集成特征整合的思路，就可以為系統的優化提供一種有效的途徑，為此，需要注意到以下幾個方面的問題：

2.1 多聯產系統類型集成特征與節能效益 多聯產系統由化工、熱工、污染控制等各種過程組成，在具體的實施過程中，需要根據實際的情況對不同進程進行優化和整合，這樣才能夠實現既定的功能。因此，在這種情況之下，多聯產系統就會出現多種類型，且這些不同的類型也會出現不同的分類方式。在輸出方式的選擇中，也有多種方式，可以按照輸出產品種類進行選擇，可以按照系統特征和流程結構進行選擇，也能夠按照輸出能源的類型進行選擇。在這幾種輸出方式中，系統特征與流程結構選擇的科學性更好，按照該種方式可以將化工動力聯產系統分為以下幾種：①簡單并聯系統。并聯型系統即化工流程同動力系統采取一種并聯的方式進行組合，這種結構有著一定的獨立性，也能夠將原分產流程結構保留下來，這種化工流程使用未反應氣全循環的技術路線，其動力系統的原料大多也源自于氣爐中的合成氣，這種系統具有顯著的節能效果。②綜合并聯型系統。綜合并聯型系統是基于簡單并聯型系統發展而來，就是使用能量系統進行優化和合整的一種方式，這種工藝流程能力主要由動力系統對口熱能來滿足，回收廢氣則使用甲醇合成、混合器廢鍋低溫抽氣來滿足熱能的需求，這種系統的節能性較為理想。③簡單串聯型系統。簡單串聯型系統就是將動力與化工系統使用簡單串聯的方式進行組合，在這種系統中，動力和化工系統使用的是一種上、下串聯的方式進行，動力系統并不需要使用合成氣，這種系統能夠很好的防止流程消耗高問題的出現，也在第一程度上降低合成氣的能耗，具有很好的節能效果。④綜合串聯型系統。綜合串聯型系統是對簡單系統的一種優化，這能夠實現能量轉化與組分轉化的耦合，這種系統使用的是一種優化調整和無成分調整的方式，就可以在一定程度上降低合成氣的損失，可以在最大程度提高能量的轉化率和利用水平，具有十分理想的節能效果。⑤串并聯聯合系統。串并聯聯合系統是一種基于串聯和并聯的思路上發展而來的一種新型系統，這種系統對于能源的轉化思路更加的合理，但是動力側與化工側的結合相對較緊，就會在一定程度上影響系統的靈活性和穩定性，但是可以更好的適應整個系統的負荷。串并聯聯合系統綜合了串聯系統與并聯系統的優點，能夠達到綜合目標的實現。

2.2 多聯產系統設計優化理論及方法 ①基于相對節能率基礎的聯產系統設計優化方式。聯產系統包括熱工、化工、控制污染等過程組成，整個系統的復雜性較高，就現階段來看，聯產系統大多使用傳統熱力系統的設計方式，這種設計方式就存在多種弊端。其選擇的評標標準不同，相應的結論也會有所不同，就難以對整個系統進行客觀公正的評價，加上在整個過程中也沒有注意到各個參數的優化方式，這就導致系統缺乏科學性，因此，必須對其進行優化。②基于相對節律的多聯產系統優化方式。設計優化基準與改進方式：在聯產系統與參比分產系統輸出相同時，兩者總能耗能夠滿足以下的條件：

E■=Q■-Q■/Q■=Q■/η■+P■/η■；

P■=P■；G■=G■；

其中，Q為能量，G為質量，η是效率，P是功率，cog為聯產時，D是分產時，M是化工，P是動力。

下面就從熱力學定義以及基本方程為出發點，得出新參比標準，經過實踐證明，這種新的參比標準能夠更加實時、綜合的考慮各種參數的變化情況，與傳統的計算方式相比，更加的準確和方便，在合成煤氣與焦爐煤氣雙氣頭動力聯產系統中，技能率ESR為：

ESR=[（P■/ηDee+GDMqDM）-（Qe+Qeg）]/（P■/ηDee+GDMqDM）；

QD=P■/ηDee+GDMqDM；

Qcog=Qe+Qeg=GeogeHDC+GeogogHeog；

其中PD為分產中聯合循環功率，ηDee是分產聯合循環小效率，GDM是分產化工生產質量，qDM是分產化工生產效率。

其中，多聯產系統設計優化需要選擇一種合理的參比流程，就現階段而言，可以使用燃用焦爐煤氣常規聯合循環系統作為參比分產化工流程。這種參比是一種半理論性的折合性能指標，需要利用到各個指標之間的函數關系來進行，同時，要使用分產系統性能典型值，或者使用統計值來計算出折合性能的指標。根據熱力學的相關方程以及定義，可以得出聯產系統折合性能的表達方式：

其中，參比分產系統聯合循環折合效率ηDee的表達式為：

ηDee=■=■=fη■，ηIGCC，X■

使用不同分產參比基準，其節能率的變化規律將呈現出不同的規律，定性能基準方法、當量系數方法都是產生一定的誤差。尤其在高混合比區域，其計算的ESR的數值都會偏大。在低混合比區域，其計算的ESR數值都會偏小。

在基于化學能梯級收益率來對聯產系統進行優化時，需要將使用的化工動力分流比、變換后的合成氣碳氫比、未反應氣循環倍率、雙氣頭混合比、甲醇轉化率、甲烷重整度進行分析，研究出其之間化學性能利用之間的一種影響規律，繼而根據系統的規律以及具體的設計要求確定好設計的變量，將各種獨立變量以及流程進行綜合優化，這樣便能夠獲得最優的設計流程。

參考文獻：

[1]金紅光，林汝謀，高林.化工動力多聯產系統設計優化理論與方法[J].燃氣輪機技術，2011（09）.

[2]Hongguang JIN，Shien SUN，Lin GAO，et al.Study on a Novel Multifunctional Energy System Producing Coking Heat，Methanol and Electricity.ISAF XVII，Taiyuan，China，October，20

08.

[3]孫士恩，林汝謀，金紅光.串聯型焦電聯產系統概念性設計與特性規律[J].動力工程，2007，27(4).

[4]Shien SUN，Lin GAO，Hongguang JIN，et al.System Study on Polygeneration System for Methanol and Power Production Based on Coke Oven Gas and Coal Gas.Proceeding of ECOS2007，Padova，Italy，2007.