(24)--热经济学的现状与发展.pdf
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1、第 5期 化 f 进 露 热经 济 学 的现状 与发展 作者在支中目顾了热经济学 诞生与点展过程,阐述了它的持点耍#意义,并从分折、优化 与综台三1、嘉面萍细 绍 热经 学的主要内容 研究对象以及已取撂 0 进艇 包挺叠同 学者在这方面妁贡献,指出了目前尚待解庆 与进一步发展的问题,对比说明了热 翌 齐学 分 析、炯 菏析 与 能 分析 以殛燕 经 济学 觉化 号热 经济 学分 抒之 间的 异 同、作用 帮 目的 就 我 国 开展 达方 面 的研究 工 车提 出 了相 应 j 建 议。一、热经济学的产生及 特点 1阍题的提 出 早 在3 0 年 代,J t 5 Kc e n a n 就提 出和
2、发 展 了能量“可用性 的概 念。,并 指 出成本 的计算应 建 筑在可 用能的基 础上,而不应 基 于一般 能 的概念 上。1 9 5 6 年 z Ra n t 正 式命名 了“媚(可能能,E xe r g y,国 内 也 有译 为“有效 能)。它从“量 与“质 的结合上 科学地 评价 能量“价值。“焖 分 析为7 0 年代以来节能工作和提高能源利用率 带 来 了新 见解,推动 了新 方 法与 新 技 术 的 探索。然 而,提 高能源 利用率并 不是一 个单纯 的技术 问题,而 受到 经济决策 众 多因素的约 束:实 际实施 的方案 必须是热 力学的“理想”与经济学 的 现实 相 结台的 产
3、物,因 而促 成 了热经 济学 的产生 与发展。1 9 7 3 年 1 2 月 的 中东 战争,由石油供应 危 机 触发了全 球性 的“能源 危机”。由于 价 格 体 系人为 的不 台理 因素,采用 基 于热 力学第 一定律 的热平 衡 计算 与技术经 济的联 合分 析 不 能全面、正 确地 作 出 中、长 期的决策。这 是 因为热 力学第 一定律所 确认 的是能量 的守 恒 性,不反 映能 量的 贬值 性,只 能指导 堵塞“跑、冒、滴、漏 的初级节能与管理 工作,却无助 于节 能工作 的进一步 深入。基 于这 种不全面 的认识,即使 进行技 术经济分 析,也 会 导致 下述 一些决 策失误(
4、1)企 业 目标 与国 家 目标的不一 致 j(2)容 易着 眼短 期 的经 济效益,特别 在 当前燃料价 格不合理 情 况下易导致 毁灭性 耗用 能源。据E P Gy f t o p o u l o s 报 导,早在 1 9 4 9 年a n s o n Be n e d i c f 萄 次采 用热力 学分析 与 经济评债相 结 台的方 法设计 了空 气 分 离 工 厂。6 O 年 代E、F Ob e r t 等 人“对 简 单 系 统 进 行 了炳 的船 篮化 工作,而 且在美 国与欧(主要是 联邦 德 国)几 乎 同时提 出了将 堋 与 经济学分 析相 结台 的方法,热 经济学 方法的
5、设想。例如美 国的M Tr i b u s,Y M El Saye d,R B Evans E F Ober tR、A。Ga g g i o l i 联邦 德国的 FB0 n j a k 0 v ,P Gr a s s m I l n z、R n t,JBe y e r等。这 种方 法 在7 0 年代 和8 0 年 代初 期得 劐 了明显 的 发 展,出版 了专 门的文集,美国机 械:程师 学 会(AS i d E)还 为此专 门成 立 了 分 学 会“A D VA NCED NERGY SYSTEM S DI V1 8 I ON”。我 目的一批 学 者从8 0年 代 起 车文 及 化 工进
6、最 1 9 8 9 年 第 3期 无 焉 的氯 氟 烃替代物的开发研究 均为匿家自然科学基 盘 蹙助面目。维普资讯 http:/ 化 工 进 展 也开 始开 展 了这 一领 域的研 究工作,发 表 了 相应的论文”。2 热 经 济学 的特点(1)热经 济学所考 虑的是 由环境 压力、环境 温度 o 以殛 一集 环境 化 学 势 p _ J 0 所 描述 的 物理 环境 和一集 市场价 格c 描写 的经济 环境。(2)不 同形态的能 量 中 所 含 的堋 是 等价 的,可以相互 比较。但是 在实 际流 程 中,为了获得 每个 单位的“炳”,所 需 热 力 学代价并 不相 同,因此,以“堋 柞 为
7、价 值化 的“基本 商品”,在经 济学上 可 以 不 等价。(3)经 过任何 一个实 际过程,由于不 可 逆性,l堋流 减少,由于投 资、经 济 流增 大,爝 流与经济 流 的增 减 互 为 逆 向,相互 依存。(4)深入研 究系统 内部炳 流 与经济 流 的分 布与依 附关 系,可 以在热力 学参量 与经 济 参量之间 寻找 一 个适 当 的“折衷,即热 力学 完善性 与经济 学完善性 俱佳 的决策。(5)从方 法论上看,热经 济学既越 出 了 单纯的 热力学领 域,也 走 出了单纯的经 济 学 领域,是 一 门涉及 系统工程、信息 论、价 值 观,并 借助 于计算 机技术 的交 叉软 科学
8、。二、热 经 济 学 的 研 究现 状 与 主要 成 就 热经济学 的 中心 问题是探 讨堋损 的热力 学代价 与经济 代价之 间相互 联系 的本 质,提 出热 力学完 善性 与经 济学完 善性俱佳 的可行 方 案。根 据所研 究 的具体 内容及对 象,原 则 上 可分 为“热 经济学 分 析(The r mo e c o no mi c An a l y s i s)、热 经济学 优化(Th e r n o e e o n o mi c Op t i mi z a t i o n)和“热 经济学 综合(Th e r mo e c o n o mi c s y n t h e s i s)三
9、个 方 面。1 热经 济学分折 对结构和参数均已知的能量系统,分析 堋 流与经济 流以爱 它们之 间的相 互联系,从 减少不可逆堋损和提高经济效益的联合角度 指 出 系统进一 步改进 的潜 力和 方 向。结 合热 电联产系 统,采 用堋平 衡方程 和 成本 费 用方程 联解 求 出爝 流的平均 单价,提 出了一 套堋 成本 会计 方 法“”。对 系 统 中某一 具体 分 区,可写 出如下方 程:(l c )=()+t (2)o【】T J l N,式 中,和c 各为第 i 股 流的堋流率和炳 成 本 单价,既,t 和 z 各为 区的潮 损 率和 非能 量 投 资率。由于所 有实 际过程 都不是
10、可逆的,一个 分 区的总炳 流输 出必小 于其总潮 流输 入,外 加过程 的 附加 资本 投 资磊,炳成本 单价 必沿 着 流动 方 向趋 于增 加。如 果在一个 分区里,包 含多股堋 流的输 入或输 出,则另需相应 的 附加信 息或补 充假 设,例 如 抽 提 法、等 值 法、副 产 法和增 量 法等假 设,方能 确定 唯一 解 现 已用这 种方 法分 析 了总能系 统 殛 简化 的化工系统“,指 出了改进 潜 力 和 方 向。G Ts a t s a r o ni s 和M W i n h o l d进 一 步 提 出了分 析 和 辨 识 薄 弱 环 节 的 一 套 方 法,把系统及 其单
11、元 中的堋 流 捌分为“燃 料 炳殛 产 品 堋,对 分 区(或 单 元)可 写 出l堋平衡 方程如下:+E 0 :1,b i D (3)下标“F 与“P 分 别 代 表“燃 料 和 产品”,ND 为 系统的 单元 总数。如 果 系 统 中有NS 殷 流,第,股 流相应的 经 济 值可 表 述 为 t ,=,+一 p,H c p,H+彳 c 彳+,一 1,biS(4)维普资讯 http:/ 纤维素原料 预处理技术新 发展 穗兰(太 原 工 业 大 学 可 复 苏 能 源 研 究 室)术文对目前世界 新关注的i 有被地将纤犟垂物 质转化成燧斟。食物和亿学制品所 提 出柏各种瓠处理方 法,如机槭持
12、碎、高眺辐射、蒸 处 热解作用咀爰眭:辩、碱液处 理、溶剂 处理 等进 抹 述 洋 e 一、前言 纤维 索物质 是一个 潜 在的 物 质 资源宝 库,它是 人类未来 的能 量、食 物和化 学原料 的重要源 泉。据 估计,世 界范 围的纤 维 索物 质 的年生成 量大 约为 1 0 0 0 亿 t,按 全球 5 0 亿 人 口计,人均 每天 就 有 5 5 k g的 纤 维 素物 质。纤 维素 物质包含 三 种主 要成分,即纤维 索 半 纤维 素和术 质素 它 们 的大 致 比例为 4:3:3。纤维素为 由若干 失水葡 萄糖 链 节所 组成 的高分子 化 台 物 半 纤 维 素 则 由戊糖(主
13、要是木 糖和阿拉 伯糖)、己糖(主要 是葡 萄糖 和甘露 糖)和许 多糖酸 的聚合 物 木 质 枣是 苯丙烷 均复 杂 的无 定型聚 合物。半 纤维 案较易 降解,可 用酸 法、碱 法、酶 法水解得 到单糖 和寡糖。纤维 索太多 以结 晶态 存在,加上术 质素 的缠绕和 包裹,形成 了降解纤维 紊 的强大障碍。应 用酸催化、酶催 化或直 接 微生 物法使 纤维 素 降解,可 以得 到葡 萄糖、乙醇 单细胞 蛋 白、食用 蛋 白等 重要 产品,如 图 1所 示。由此可 知,从 纤 维 素 物质来 潞、成本 和潜在 的经济价 值来看,它将是人 类 未来 的能量,食 物和化学原 料的 重要源泉。围
14、l表 明,为 了台 理利 用 纤 维 素 物质 一一这 个年复 一年可 以复 苏再生 的 资源,首 一 登 羔 立 兰 l J 竺 一 一一 I 一l l 至 卜 一i 一f 一 一 一 f一广 一 一 矗=二二:j !至 蔓 H l一广 _ i 一 l 图l纾 维 禁物 厦 的 利用 先 必须 将纤维 素转化 为它 的组成单 元 葡 的晶 体结 构,将 会促进纤 维素 的降解 作用 萄 糖。影响 纤维索分 子降解 的两个 主要 目豢 业 已表明,在酶 促降解、直 接微 生物 降解 及 是 纤 维素 的晶体结构 和缠裹 在其周 围 的术 质 酸 催化水 解之前,对 纤 维者 原 料 进行 预处
15、 素,所 以,破 坏木 质隶保 护层和改 变纤维 紊 理,可 以 显著提 高纤 维素的 降解 速 度和增 加 蔼 季 群 2 妾 “哟 艄髀氰 镩龈玫 博 L 维普资讯 http:/ 工 进 展 表 1 兰种分折方法 的比较 能分抒 !拥分析 I 热 经 济 分 折 理 论 基 砬 热 力 学 葛 一 定 替 热 力 学 第 一、第 二 定 律 学 釜 睾 茎 葺 _ 毳 至 囊 霉 经 济 热 效率 烯 效率 热经 济壹=盐率 评 世 准 则 一 禁鬻=可 (或 ,五,)决策王 f=境 基 准奄 物理环境 物理与璺济(社击)环 境 宴 用 托 兹 量 罕 衡 能 筘 质 与 量。的 依蠢 霎
16、 颦 流 与 经 济 流 之 间 的 相 互 作用 揭示外却损失 揭示、外损失 揭示热经济薄弱环节 评 述 且 指导 名宴 毙,冒、导辜 藿 是 鬟 墓 程 匕 较,指 学 莩 嘎 赣 妾 蔷 要 翌 蠡 秦 济 漓 艉 班 期 决 麓 ,与煳效率,之 间显然存 在下 列关系 f c=1+【c F F)并 且在文 欤 3 5 中进 一步 提 出 l“热 经济影 响 因子 的概念,以此全 西反 映热 力学与 经 济学 因素对系统 总特 性 的影 响趋 势 及 程 嫂,还 由此 导出了辨 识 系统 中“热 经济薄 弱 单元 的指标,可用 以进行 灵敏度分 析及 动 态特性分析,并 给 出了实 际应
17、 用 的范例“”。概 括起来,热经济 学分析 的 主 要 目 的 是(1)项 目预设计 阶段 的可 行性研 究及 方案 择优(2)现行能量 系统改进 措 施 的 辩识 (3)由同一系统生 产 的多种产 品之 间真 实经济成 本 的分 配计算,(4)系 统单 元 的维 护、取代与运 行决策 的制 订。表 1对 比了能分析 力法、煳分析方 法与 热 经济学分 析方 法。2 热 经 济 学 优 化 对 于一 个给定 结构 的能量系 统,热 经济 学优 化的 目的是通 过系统 参数的优 化,在 投 资费用与堋成本费用之间达成一种折衷,以 便 使产 品的成本 最低 但 能量 系统 的 复 杂 性,使这种
18、优 化十分 困难。热经 济学优化技 术 的研究 目标是简化优化方法与步骤,同时 保 证 结果能 在可接受 的精度 范 围以 内。R A Ga g g i o l i 等人 使用 前述 热 经济 学 分析 中所 取得的拥 流平均 单价的概 念,以单 元输 入堋 流的单价直 接度 量潮损 的费 用,先 后 对 蒸汽 管道及其保 温层 进行 了 优 化 设 计”,对 电厂 中给水 加热器 的维 护及 替 换 进 行 了优化决 策。以及 对给水 泵作 出了 驱 动 决 策”。这 种方 法 固然简单 易行,但并 未考 虑系 统 内某 个单元 的改进 对系统特 性可能 发 生 的 变化。M Tr i b
19、us、R BEva ns、Y M EL S a y e d 及其 合作 者提 出了一 种 基于 拉格 朗 日 优化 技术 的热经 济学优化 方 法“,从 数 学上 导 出了单 元输 入 堋流的 当地 边 际单价 为 该 单元拥平 衡 约束 式 的拉格 朗 日乘子,并 进 一步导 出 了当单元 问的经 济相 互作 用完全 由一集稳 定拉格 朗 日乘子描写 时,系统处于 热 经济 的 孤 立 状 态(The r mo e c o n o mi c I s o l a t i o n),此 时可单 独优化 系统 内的各十 单 元,而 不必考 虑其 它单元 的影 响。后来,围绕 拉格 朗 日乘 子的稳
20、 定 问题,以Y M E卜 维普资讯 http:/ 苎!塑 些 王 堂 垦 表 2 稿经济学分析方 涪与基于拉格朗 日乘子法 的热经济学位化方法的比较、l方 l 热 经 济 学 撕 I 热 譬!:物 理 环 境:c j 墼 黥耋 决 策 环 境 经 济 环 境:)佣 捐:中 嚣 z E,一 E 蛔 损:中=E,一 EI 决策准埘函敷 l N o u T J N o U T 收益:中=,f+XZ,一E P,P,收益:中o,。z ,E,+I ,一z P ,P,结 果 f 方 篓 茔 善 砉 蓄 塞 差 藩 嚣 舅 翌 雾 需 进 行 比 较 J f 化 黼 吾 者 辐 葬 髋 鬻 纂 参 数 变
21、现 状 I 较 彝 于 理 解、接 受。方 法 的 系 统 性 及 普 遍 性 用 季 爹 军 尧 秉 曩 篙 署 袭 多 瞽 霪 者 不 多 t 尤 其 应 S a y e d和 M Tr i b u s为代表 继续致 力于反 复 迭代拉格 朗日乘子求最优解的研究分解 技术,并 将迭代 步骤完 善化“,而以 R B Ev a n s 为 代表则 致力于热 系统 中单 元的 孤 立化 研究“,随 后又 引 入 了“功 能(u n c t l o n)的概念,形成 了被称 为“热 经 济功能 分析(T F A 1 1 T he r mo e c o n o mi c Fu n c t i o n
22、 An a l y s i s)的热 经 济 学 优 化 技术,导 出了热 经济孤 立 化 的 理 想 条 件“线性模型。表 2列出了热经 济 学 T F A优化 方法 与热经济 学分析 方 法 的 主 要异 同点。J Be y e r 提 出 了“结构 系数 的概 念,形 成 另一 种热 经济 学优化方 法“”,但只能 用于 只有 一 种类 型 煳输入的 能量 系统(例 如 燃油或 电)或不同类型煳输入之间保持不变 的炳 流 比率的能 量系统,这 时可 获得输 入炳 流 唯一 的单价。设工厂 的产 品一定,则年费 用 目标 函数可 表 示为 C a(j)盅 0 P c E IN(蜘)+c;(
23、m)+扩 l。I (1 3)式 中,是年运 行 时间,c 是 系统输 入炳 流的单 价,霸是影 响完善 性的参 数,4 是 资 本 偿还因 子,c;是 由 个单 元构成 的系统 中 第 j个单元 的投 资费用,是不影 响优 化的 部分 的年 费用。优 化条件为 t c ()一mi n,则有(等)一 鼍 其中,f ,=f t ,+_;一 兽 ,(1 5)=()(等),壹旦 拿 (1 7)j l d r为整 个 系统 的炳 损失率,奴 为第 单 元的 炳 损率。式(1 6)是 结构健 系数C S B(C o e f f i c i e n t o f S t r u c t u r a l Bo
24、n d s)“的定义 式。实 际 系 统各单元 中的 可 以大于 或小 于 1,也 可 以等于或小 于零,这 反 映了炳损 的热力学 非 等价性。式(1 7)是 资本 费用系 数(C a 维普资讯 http:/ 化 工 进 展 pi t a l C o s t C o e f f i c i e n t)l t I i 的定义 式,表 征 单元 中炳 损率 变化所 引起 的其 它单 元投 资成 本 的变 化。式(1 5)定 义 了第 单 元 中 蜩 损奉 的单 价,它 既考 虑了蜩 损的热力 学非 等价 性 也考 虑 了投 资的影 响 从 而 揭 示 出改变系 统单 元 时所 出现的堋损 热经
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- 24 经济学 现状 发展
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