火用分析方法及其应用
第二篇1章 能量系统的火用分析方法
EX ,U 1 和 由 ex,u (u u0 ) p0 (v v0 ) T0 (s s0 ) 计算 ex,u1 、 E X ,U 2 。 ex,u 2 、
(2) 蒸汽从初态膨胀到终态可能作出的最大有用功为
借可逆机计算冷量火用
EX,QL WA, max
An,QL QL EX ,QL
T QL 1 0 1 T 2 Q
2
1
T
T0 ( S 2 S1 ) Q0
E X ,Q
L
QL
与热量火用不同，冷量火用流的方向和冷量流 的方向是相反的。
En ,Q
冷量火用 Ex ,Q 和火无 在T－S图上的表示
2.环境状态 任何一个系统与环境处于热力学平衡的状态称为环境状态。 热力学平衡包括热平衡，力平衡和化学平衡。当不涉及化学 反应或扩散等系统时，系统可以与环境仅处于力平衡和热平衡， 称之为不完全热力学平衡。 当研究涉及化学反应系统，如后面的化学火用时，此时系统 与环境的平衡状态不但涉及力平衡和热平衡，而且还涉及化学 平衡，称之为完全热力学平衡。 西安交通大学热流科学与工程系
wA,max ex,u1 ex,u 2
WA,max mwA,max
(3)蒸汽在实际过程中的有用功为
wA w12 p0 (v2 v1 ) q (u2 u1 ) p0 (v2 v1 )
WA m wA
西安交通大学热流科学与工程系
高等工程热力学
3、封闭系统
在给定环境状态下，封闭系统从初态可逆地转变到终态 所能作出的最大有用功，只与初、终有关，与具体过程无关，
4第四章-能源系统火用分析方法-毕月虹
热量一定的条件下，热量火用与热量的温 度和环境温度有关，即与卡诺系数有关。 热量火用和卡诺系数随to的降低而升高， 随t的升高而增大，而且其值永远小于1。
2. 冷量火用：冷量是系统在低于环境温度下通过边界所传递 的热量，冷量火用是低于环境温度的热量火用。
设想将冷量加给工作在To和T间的可逆机，冷量火用：
1956年Rant采用了希腊字“ergy”（意为功或力）加上前缀“ex” （意为从其中，外部）来命名可以转换部分的能为“Exergy”,而把 不可转换的部分叫“Anergy”。Rant提出的这个术语可以满足国际间 关于术语所有的要求，能反应所代表的概念，而且形式上也非常接 近同类术语能（Energy）、熵（Entropy）和焓（Enthalpy）等。
（四）机械火用
1. 机械能火用：动能和位能都是机械能，能全部转变为火用；
2. 机械功火用：通过系统边界以功的形式转移的能量是机械形 式的能量，并非所有形式的机械功都是火用，只有在环境 条件下的有用功才是火用。
（1）体积变化功火用：闭口系统的体积变化功W中，一部分是反抗 环境压力p0所做的功，系统通过边界所做的功火用为： 若系统进行的是可逆过程，则功火用为：
白箱分析除了可以获得黑箱分析的全部结果外，还可以 计算出体系内各过程的火用损系数。据此即可揭示出体系 内用能不合理的“薄弱环节”，白箱分析是一种精细的火 用分析。
子系统的通用火用平衡方程
子系统的火用效率
子系统内不可逆过程i的火用损系数
子系统外部物流或能流排放过程i的火用损系数
（四）灰箱分析模型 用于对系统整体用能状况的评价及对系统中薄 弱环节（设备）的判别。
（三）物理火用和化学火用
环境是火用的自然零点，通常将环境状态作为火用的基准状态。 1. 物理火用：系统不涉及化学反应和扩散的简单可压缩系统， 选环境状态作基准，系统能量所具有的火用； 2. 化学火用：系统涉及化学反应和扩散时，选环境状态作基 准，系统能量所具有的火用是物理火用和化学火用之和， 其中化学火用是系统因化学不平衡所具有的火用。
火用分析方法在电站锅炉中的应用
火用分析方法在电站锅炉中的应用摘要：传统的火用分析方法已经在电站锅炉中得到了广泛的应用，但这种方法却存在一些问题，如不可靠性高、处理方式陈旧等。
因此，研究人员开发出了一种新的火用分析方法，该方法结合了安全管理、智能技术以及实时性的要求，可以提高电站锅炉的火用效率。
本文系统地介绍了火用分析方法在电站锅炉中的应用，具体包括应用历史及其发展、应用的优缺点和改进方法等内容。
本文对火用分析方法的有效应用具有重要的指导意义。
关键词：火用分析；电站锅炉；应用一、火用分析方法在电站锅炉中的应用1、火用分析方法的概念用分析，是一种基于实际火用状态来分析和估算火用能力的方法，能够确定锅炉系统真实能量消耗情况，检测锅炉工作是否符合规定要求等。
具体来说，火用分析方法可以用来测量燃烧和燃料吸收的热量，检测烟气的实际含量，以及分析燃烧的细微和绝对不平衡等。
2、火用分析方法在电站锅炉中的应用于火用分析方法在节约能源、提高热效率、提高安全性能及简化锅炉维护等方面具有重要的意义，所以它已经得到了广泛的应用，特别是在电站锅炉中应用，一直备受重视。
站锅炉的火用状态及其能量消耗是影响火力发电效果的重要因素，因此，采用火用分析方法来检测和分析电站锅炉的火用状态和能量消耗状况是必要的。
用分析方法的应用主要有两个方面，一是配备自动火用分析系统；二是根据火用数据，分析热效率、安全性等情况。
自动火用分析系统可以实时监控锅炉的火用状态，提高火用效率；而基于火用数据分析，可以评估锅炉的能效性能，帮助管理者有效控制锅炉的运行状况。
二、应用的优缺点及改进方法1、优点比于传统的火用分析方法，现代火用分析方法具有一些明显的优势，具体表现在：1）准确性和可靠性高：结合智能科技，采用自动火用分析系统，可以进一步提高火用分析的准确性和可靠性。
2）实时性好：火用分析系统可以实时监控火用状态，提高锅炉的热效率。
3）可以更好地分析热效率及安全性：根据火用数据可以评价锅炉的热效率及安全性，帮助管理者有效控制锅炉的运行状况。
火用分析方法在电站锅炉中的应用
火用分析方法在电站锅炉中的应用火用分析方法是一种重要的技术，它有助于改善电站锅炉的运行效率。
它能够有效地确定锅炉的运行状况，改善燃烧和水质，减少碳排放，减少维护成本等。
本文首先介绍了火用分析方法的原理，然后分析了这种方法在电站锅炉中的应用，以及它在燃烧优化、维护质量控制、水质控制、碳排放控制等方面的优点。
最后，通过实际案例，简要概述了火用分析方法在电站锅炉中的实际应用，并给出了未来发展的展望。
火用分析方法是一种利用火用分析仪在操作过程中提取燃烧特性和水质信号的技术。
它不仅能够检测电站锅炉的燃烧状态，而且可以检测水的瞬时变化，时变特性，水质等。
火用分析仪可以搭载在涡轮机或锅炉上，通过气、烟、汽等传感器收集系统运行参数和燃烧特性，通过线性回归和拟合算法，计算出当前操作状况以及不均匀燃烧、汽油和水质偏差等。
这样，可以确定锅炉的燃烧状态，从而针对性地改善锅炉的运行状况。
电站锅炉的火用分析方法在燃烧优化、维护质量控制、水质控制、碳排放控制等方面具有重要的意义。
火用分析方法能够实时检测锅炉的燃烧状态，有助于燃烧优化，减少运行成本和维修成本。
同时，火用分析也能够检测水质，有助于改善水质，减少水污染。
此外，它还可以检测锅炉碳排放量，帮助政府和企业遵守环保规定，减少污染，改善环境质量。
最近，火用分析方法已经在一些电站锅炉中得到了成功应用。
例如，新疆博尔塔拉地区的一家电厂应用了火用分析仪，检测火把燃烧特性和水质，改善了锅炉燃烧、降低成本和污染物排放。
另一家电厂应用了同样的方法，重新调整了发电机的转速以及燃油、水等杂物比例，达到了满足环保标准的要求。
火用分析方法在电站锅炉中的应用已经显著改善了燃烧、水质和碳排放控制等方面的问题，但仍有待进一步发展。
未来，火用分析方法将继续发挥重要作用，提高电厂效率，降低污染，构建更加绿色的发电环境。
火用分析
目前的资源综合利用分析与评价主要是基于统计数据的指标评价。
较早出现并具有影响力的评价指标有联合国可持续发展委员会建立的可持续发展指标，蔡邦成等基于生态环境和经济可持续发展理念建立了区域可持续发展评价指标。
但是，指标评价存在数据统计工作繁多、指标计算过程复杂、不能给出量化的评价结果等问题。
在能源利用效率研究中，一直困扰人们的也是如何将非同质的能源投入要素、不同产出进行加总和成本分摊等问题，火用概念的提出解决了这个问题。
火用指能量、物质系统在只有环境作用的条件下，经历可逆过程达到与周围环境状态平衡时能产生的最大可用功。
火用为正确评价不同形态的能量、不同状态的物质的价值提供了统一的标尺[1]。
火用分析是根据进出系统火用的不平衡发现不可逆火用损失，对系统物质、能量利用状况给出全面评价的分析方法。
火用分析不仅已被广泛应用于冶金、电力、水泥等高耗能生产过程和设备的能量系统的分析和评价,火用理论也成为了评价地球和国家资源环境状况的重要工具。
建设资源节约、环境友好两型社会要求的是节约原材料、能源、资金、劳动力以及环境资源等的广义节能。
广义节能必须要有新的科学有效的分析和评价方法对经济系统进行评价和监督。
将火用理论与微观经济学结合，形成了交叉学科—火用(热)经济学。
火用(热)经济学在生产系统的综合经济性分析方面得到了应用。
张超等在单位火用成本基础上，分析了电厂热力系统在设计工况以及变工况下火用成本的分布规律，并且定量研究了各种运行参数对设备火用成本的影响。
而运用火用(热)经济学对运行机组各设备的火用成本变化进行在线监督，已经是热力系统故障诊断的主要方法之一。
但是，火用经济学分析中总是存在热力学参数火用与经济学量货币资金的分别衡算问题，衡算方程多，计算过程复杂。
目前，火用经济学分析的应用研究主要集中在只有单一火用流输入的火电厂或者供热系统的火用成本分析、经济性优化和故障诊断等方面。
生产资料(土地、原材料和能源等)、资金和劳动力是生产系统的3 个要素资源，随着环境恶化，生产的环境成本越来越高，环境资源也成为了生产要素资源之一。
能量系统的火用分析
2 能量系统的火用分析火用，exergy ，可以定义为热力系统在只与环境（自然界）发生作用而不受外界其它影响的前提下，可逆地变化到环境状态时所能作出的最大有用功。
火用表征了热力系统所具有的能量转变为机械能的能力，因此可以用来评价能量的质量、或品位、能级。
数量相同而形式不同的能量，火用大者其能的品位高或能质高；火用少的能的品位低或能质差。
机械能、电能的能质高，而热能则是低品质的能量，热能之中，温度高的热能比温度低的热能品位高。
根据热力学第二定律，高品质的能量总是能够自发地转变为低品质的能量，而低品质的能量永远不可能转变成为高品质的能量。
因此按品位用能是进行能量系统的火用分析所得到的第一个结论，也是能源工作者的基本守则之一。
在动力系统中（动力与动力系统，这里是指power 和power system ，而不是dynamics 和dynamic system ），火用分析正确地给出了可用能损失情况，为人们正确地改进动力循环，提高其热效率指明了途径。
在仅考虑热能直接利用的情况下，虽然不存在热能与机械能转换的问题，但火用分析仍然具有重要的意义，它可以指明如何充分地利用热能，典型的例子就是燃煤供热系统的火用分析结果：如果采用“热电联产+热泵系统”来代替燃煤直接供热的话，理论上可以获得比煤的热值多0.5~1倍的供热量，甚至更多（图2.1）。
但是火用分析忽视了火无的使用。
火无虽然不能用来作功以获得动力，却可以用来加热、取暖，而在火用分析中不能得到所供应能量中的火无有多少得到了利用的信息。
[1]对于复杂系统进行火用分析，可能得到重要的、不寻常的结论。
借鉴中国工程院院士陆钟武教授所提出的系统节能和载能体[2]的概念，对全工序、全流程、全行业或全地区进行比较仔细的火用分析，可能在能源利用方面提出新的见解1。
能源的利用与环境污染是密不可分的，系统节能理论也好，能源技术经济学也好，都提倡从全系统的角度综合评价能源的利用，而从经济性角度考虑，节能的经济性不一定好（实际上大部分都不好），如果把能源利用对环境造成的污染也折算成经济性指标与节能一同考虑，结论一定会大相径庭。
第五章—火用分析基础
wmax ex1 ex 2 u1 u2 T0 s1 s2 p0 v1 v2
●开系工质物理火用（焓火用）
对稳流系统，仍取系统和环境组成孤立系 统，则系统由初始状态可逆过渡到环境状态所完 成的最大技术功（轴功），即为开系工质的物理 火用，也称为焓火用。
（Ex） 理论上可以完全转换为功的能量——高级能量 如：机械能、电能、水能、风能 （An） 2、不能转换的能量 理论上不能转换为功的能量——无效能 如：环境（大气、海洋） （Ex+An） 3、可有限转换的能量 理论上不能完全转换为功的能量——低级能量 如：热能、焓、内能
●
火用和火无的概念
1、在环境条件下，任一形式的能量中理论上能够 转变为有用功的那部分能量，称为该能量的 火用，用Ex表示，单位: J、kJ；
T0 Q T
● ExQ’与Q’、T、T0有关，T0=const，ExQ’/Q’是T
的单值函数。
T↓→ ExQ’ ↑ T →0 ， ExQ’ → ∞
T↑→ ExQ’ ↓
对外界作功；
T →T0 ，ExQ’ → 0
◆ 系统吸热，放出冷量火用，δQ’>0， ExQ’ >0 ，系统
◆ 系统放热，吸入冷量火用，δQ’<0， ExQ’ <0 ，外界
T const
ExQ T0 Q 1 T
T0 AnQ Q T0 S T
● ExQ取决于Q、T和T0
◆ 当T0＝Const，单位热量火用（ExQ/Q）只是
T的单值函数
◆ 高温热源较低温热源具有更大的可用性
● AnQ与T0、△S有关
● Q<0，ExQ<0，系统放热，系统也放出了火用，
火用(exergy)及火用分析课件PPT
各种不同的火用损失
• 总火用损失与局部火用损
Charging
Storing
Discharging
a
d
Q1,1
Q1,2
Q1,3
b
c
I Ii i
各种不同的火用损失
• 外部火用损失
– 系统和环境之间温度、压力、浓度或成分等 不平衡引起
– 可以避免的
• 内部火用损失
– 实际过程需要一定的驱动力，温差、压差、 化学势差
根据总能量系统的特点，各子系统的复杂程度和精确度，选择参考环境模型
状态量 根据需要将总能量系统分成尽可能多的子系统
稳定流动系统工质的火用（焓火用）
能效率和火用效率的比较
可正可负 稳定流动系统、任何循环
火用损失和火用平衡方程式
• 火用损失（exergy consumption） 在任何非可逆过程中，必然发生火用向火 无的转变，并使火用的总量减少，这部分 减少的火用称为火用损失。
几个火用损的例子
有限温差传热过程
XH
Q1
T0 TH
TH>TL
TH δQ
TL
XL
Q1
T0 TL
IXHXLT0QT1LT1H
几个火用损的例子
有摩阻耗散的火用损失
IQ XQ Q 1T T 0 Q T T 0
换热器的火用损失
IT0QT 1LT1 HT0QTT HH TT LL
火用平衡
25º
Charging
Disharging after1 day( case A) Disharging after100 day( case B)
35º 5000kg
25º
75º 1000kg
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[㶲]分析方法及其应用摘要：本文从㶲的定义出发，给出了㶲的定义以及分析的意义。
㶲传递研究㶲的传递和转换规律，系经典热力学在从热静力学向热动力学过渡的过程中产生的研究新领域。
阐述了静态的㶲分析方法的特点，分析了㶲传递的产生与发展现状，指出㶲传递的学科属性及其应用。
关键词：热力学；㶲；㶲分析；㶲传递1 引言热力学第一定律“能量守恒定律”只是从数量上说明了能量在转化过程中的总量守恒关系，它可以发现装置或循环中哪些设备、部位能量损失大，但未顾及到能量质量的变化，不能发现耗能的真正原因。
而热力学第二定律阐述了孤立系统熵增原理，从能的本性的高度，规定过程发生的方向性与限制，特别是指出了能量转化的条件和限制，指出能量在转移过程中具有部分地乃至全部地失去其使用价值的客观规律。
为提高火电机组的发电效率，减少在电力生产过程中排放物对环境的影响，人们对火电机组的热力系统性能开展了大量的理论与试验研究。
从热力学观点，所从事的这些研究大体可分为能量分析与㶲分析两类方法。
传统的研究主要基于热力学第一定律的能量分析，它们从能的“量”方面评价热力设备和系统，而近年来广泛开展的㶲分析法则是基于热力学第二定律，它们从能的“量”与“质”2个方面进行评价。
后者既能辨别㶲损的性质，即内部不可逆性与外部排放性，也能揭示㶲损的分布规律，从而能很好地指明系统性能改进方向。
2 㶲的概念及其定义表征物质所含热量多少的状态参数之一的焓，只表达了单位质量物质所含热量的多少，但并未表明热量质量的优劣。
能源是有级别的，相同的热能量，其有效作功的能力并不相同。
最能说明这一问题的是：稍高于环境温度的锅炉排出的烟气，尽管其量很大，但其热量很难加以利用。
热力学中用物质的另一个状态参数“㶲”来表示单位质量物质所含热量的可用性，可以定义为：在无其它(除环境介质外)热源的条件下，稳定流动的工质从初始状态经可逆过程变化到与环境介质处于热平衡时所能作的最大有用功，称为工质在该初始状态的热力㶲。
热力㶲和压力、温度、焓、熵一样，是工质状态参数之一，它对应于某一温度的值是单一的．热力㶲区别于热量㶲(热量作功的能力)和机械㶲(机械作功的能力)，热量㶲和机械㶲都不是物质的状态参数。
众所周知，在实际热力过程中，系统物质的熵的总和是增加的，但是系统物质的㶲的总和则是减少的。
将㶲分析应用于锅炉设计的目的在于发现锅炉设计方面在能源利用中存在的问题，从而采取措施提高能源的利用效率，这是国家节能政策的需要。
㶲分析方法是建立在热力学第一定律的平衡思想和第二定律的㶲概念的基础上的，它以㶲平衡为工具，通过研究循环中能量转换与利用的效果，分析其影响因素，揭示产生㶲损失的部位、分布与大小，找出薄弱环节，探讨提高能量转换与利用效果的途径。
2.1 㶲平衡与㶲损失能量守恒是一个普遍定律，能量收支应保持平衡。
㶲能量中可用能部分，它收支一般是不平衡，实际转换过程中，一部分可用能将转变成不可用能，㶲将减少，称之为㶲损失。
这并不违反能量守恒定律，㶲平衡是㶲与㶲损失（不可用能）之和保持平衡。
㶲平衡考虑了能量数量，还顾及了能量质量。
考虑㶲平衡时，关键是需要记入各项㶲损失才能保持平衡。
其中，内部不可逆㶲损失项热平衡中并无反映。
两种分析方法有着质区别。
两者相互之间又存着内联系，㶲平衡是建立热平衡基础之上。
2.2 㶲分析与㶲效率通常热量平衡和能量转换效率并不能反映出㶲利用程度，我们引入了㶲效率概念。
㶲效率与能量转换效率由类似定义，所不同是，㶲效率是收益㶲与支付㶲比值。
有了㶲效率概念，我们就可以针对某个热力系统建立㶲平衡关系式，并对其进行㶲分析，达到以下目：（1）定量计算能量㶲各项收支、利用及损失情况。
收支保持平衡是基础，能流去向中包括收益项和各种损失项，各项分配比例可以分清其主次。
（2）计算效率，确定能量转换效果和有效利用程度。
（3）分析能量利用合理性，分析各种损失大小和影响因素，提出改进可能性及改进途径，并预测改进后节能效果。
3 㶲传递理论分析在我国的发展状况㶲传递理论作为一种新兴的理论国内外的学者对其进行的研究相对较少，大多数研究集中在于对㶲传递理论本身的研究，而对此理论在工程上的应用研究相对较少，而对于此理论在电力系统的应用则更是少之又少。
但是我国的一些学者还是在这方面做出了一些有益的尝试。
1997年，吴双应通过阐述㶲效率法在余热回收换热器的热力学性能分析中的局限性。
提出了一个新的评价换热器性能的概念一㶲传递有效度，得到了一般计算式。
讨论了传热单元数，冷热流体热容量比和流型对换热器㶲传递有效度的影响。
这可以说是开了㶲传递理论在电力系统中应用的先河。
2007年，张友利从热力学第一二定律出发，基于非平衡热力学和㶲平衡理论，对外部流动强制对流换热过程的㶲传递基本特性进行研究，探讨实用而完整的外部流动对流换热的㶲传递方程和㶲传递规律，导出外部流动强制对流换热㶲传递系数传㶲Nusselt数等新的表达式并进行数值计算。
这对㶲传递在在对流换热中研究具有一定的指导意义。
2007年，项新耀基于对燃烧系统㶲转换元和输㶲元组成及传递结构的分析，建立燃烧系统通用烟传递模型。
2008年，张友利通过导出结垢前后换热器传热单元数之间的关系，并引人传㶲有效度的概念，对考虑污垢时的换热器㶲传递性能进行了分析，讨论了洁净状态下的传热单元数和冷热流体热容量比对结垢前后换热器的㶲传递性能的影响。
最后得出了污垢对逆流影响最大，其次是交叉流，对顺流的影响最小的结论。
2008年，华北电力大学的陈海平教授建立了电站锅炉㶲传递分析模型。
参照工程㶲传递评价准则，提出了㶲传递过程，㶲流密度，㶲阻等评价指标，并且定义了㶲传递系数，完成了对IOOMW机组锅炉的㶲传递分析。
通过与常规的传热及㶲分析比较，认为㶲传递分析可以提供新的技术评价信息，从而对能量传递过程有更完整和全面的动态分析。
2009年，陈海平教授又通过对热㶲传递规律的研究，获得了对流受热面的热㶲传递规律，提出了㶲流密度、娴密度降低率、㶲损率等评价原则且定义了无因次热流密度、无因次㶲流密度的概念，并以IOOMW机组锅炉的后屏受热面为例进行㶲传递分析，通过与常规的传热及㶲分析比较，得出了在传递过程中，㶲密度总是小于热流密度的结论引。
2009年，华北电力大学的张明智教授借鉴推导无相变逆流换热器对数平均温度的方法，导出了无相变换热器中流体及换热管中、外壁的温度分布，同时得出了换热过程中蒸汽至管外壁及管内壁至给水的传㶲系数，从㶲传递的角度讨论了无相变管壳式换热器的换热性能，为优化换热器结构提供了理论参考依据。
4 㶲传递理论在未来的发展方向以热力学第一定律和第二定律为依据的烟分析理论无论是其科学性还是它对实践的指导作用，无疑要比任何其他能量分析法更优越在我国经济飞速民展，工业生产规模和产值成倍增长，能源供需矛盾日异尖锐的今天，假若我们仍然只用热效率这个指标来评价用能水平，那么，纵然浪费能量的现象可以得到有效扼制，但是能质浪费严重的状况将会依然存在。
如何合理利用㶲和提高㶲效率便成为能源建设和能源设备改选的重要课题。
㶲的合理利用和提高㶲效率，原则上是使能源能量的质量与用户需要的能量的质量相匹配，尽量做到高质能高用，低质能低用，让不同质的能物尽其用。
因此，降耗节能目标的实现,还需使用能的理论研究与工程应用研究紧密结合，今后的研究主攻方向应该是理论研究与应用研究并举，而以应用研究为主。
理论研究的目的是赶上或超过世界潮流，应用研究的主要目的则是使㶲分析走出研究室，使之在工程实践中充分发挥它的重要作用。
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