火用分析方法及其在电厂锅炉中的应用

【摘 要】本文采用火用分析方法对火电厂锅炉进行分析计算，准确地揭示锅炉中火用损失的环节以及造成的原因，利用火用效率客观体现锅炉运行状况，具体地反映出锅炉中各种不可逆因素引起损失的严重程度。从而为改进设备以及节能提供目标或对策。

【关键词】火电厂；锅炉；火用分析；火用损失

0 引言

火用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火用概念的基础上的，它以火用平衡为工具，通过研究循环中能量转换与利用的效果，分析其影响因素，揭示产生火用损失的部位、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。将火用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。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。因此，“火用”可用以作为评价能量价值质量的参数，“火用”分析在对各类动力装置及其循环的分析更全面、更深入。

1 火用的分析及发展

火用狭义是在环境下，能流物流所具有的最大理论做功能力，是一种能量转化能力的度量。广义是物质与环境之间存在的某种不平衡势差的度量。

各种形态能量，转换为“高级能量”能力并不相同。以这种转换能力为尺度，就能评价出各种形态能量优劣。转换能力大小与环境条件有关，还与转换过程不可逆程度有关。实际上采用给定环境条件下，理论上最大可能转换能力作为量度能量品味高低尺度，这种尺度称之为火用。它定义如下：

当系统由一任意状态可逆变化到与给定环境相平衡状态时，理论上可以无限转换为任何其他能量形式那部分能量，称之为火用。

可逆过程才有可能进行最完全转换，可以认为火用是给定环境条件下，可逆过程中，理论上所能做出最大有用功。与此相对应，一切不能转换为火用能量，称之为火无。 任何能量均由火用和火无两部分所组成。

从质的角度来分析能量利用，即从火用的角度去分析能量利用，从更高层次分析能量利用效率。如燃气-蒸汽联合循环，系统采用天然气+余热锅炉+内燃机同时向用户供电供热供冷；典型的热力循环还有IGCC，是将煤气化技术和高效的联合循环相结合的先进动力系统。因此热能的温度对口、梯级利用，将是21世纪热力循环研究的主线，即能量转换与合理利用，提高热力设备的火用效率，减少热力设备的火用损失将是主要研究课题。

采用火用分析比热分析方法更全面、更能有效揭示锅炉各种损失及损失所产生部位。锅炉火用效率大大低于热效率，因为锅炉不仅存在外部损失，亦存在大量的不可逆内部损失。蒸汽参数、给水参数对火用效率均有影响。采用火用分析将全面反映锅炉设备内部及外部的损失情况。

2 锅炉中火用分析过程

锅炉火用损失过程主要发生在绝热燃烧过程、定压排烟过程以及定压放热三个过程之中，其三个过程的用损失分别为πb1、πb2、πb3，具体计算表达式分别如下：

实例分析

一台燃煤蒸汽锅炉，已知参数如下，出口蒸汽1参数P1=9.8MPa，t1=540℃；锅炉进口4给水压力11.0MPa，，给水温度215℃；环境压力P0=0.1MPa，温度T0=298.15K；锅炉绝热燃烧温度Tad=2000K，排烟温度Te=575K；锅炉效率ηb=0.9。燃料化学火用ex，f近似为低位发热量。

经热平衡分析计算可得，每产生1 kg蒸汽时燃料提供的能量为2830.2kJ/kg；锅炉绝热燃烧时烟气的火用为1886.5kJ/kg；绝热燃烧过程火用损失为943.7 kJ/kg；锅炉排烟火用损失为83.5 kJ/kg；锅炉内烟气与水蒸气之间传热过程的火用损失为528.7 kJ/kg；水定压加热时的加热平均温度为596.6K；锅炉火用效率为45.02%。

3 锅炉中火用损失分析

从上例中可以看出锅炉总的火用损失为1555.9kJ/kg；热燃烧过程火用损失占输入火用量的比例为33.34%；锅炉排烟火用损失占输入火用量的比例为2.95%；锅炉内烟气与水蒸气之间传热过程的火用损失占输入火用量的比例为18.68%；火用损失占输入火用量的比例为54.98%。

锅炉内部火用损失主要为三部分：

（1）燃烧不可逆火用损失，炉膛火用效率远远低于其他各处的火用效率，其主要原因在于炉膛中存在巨大的燃烧不可逆火用损失，占锅炉系统的绝大部分。这项损失是由于燃料将高质量的化学能转变为热能，然后加热低温燃料和空气而产生的，其大小主要取决于理论绝热燃烧温度。适当提高空气预热温度和控制过量空气系数都可以减少燃烧不可逆火用损失。

（2）传热火用损失，锅炉本体的传热不可逆火用损失仅次于燃烧不可逆火用损失，传热火用损失的大小与传热温差有着密切关系，传热温差越大，传热火用损失就越大。炉膛传热火用损失最大，其主要原因是该处烟温达到最高值，而工质温度约为饱和温度，两者之间存在很大的传热温差。锅炉中其他各受热面的传热损失也是由于传热温差引起的。就整台锅炉而言，提高蒸汽参数和降低排烟温度都可以减少传热火用损失。

（3）排烟火用损失。锅炉受热面积灰、结渣，必然会造成排烟温度上升，使得排烟火用损失增大，通过优化系统及调整燃烧，降低煤粉细度，增设受热面吹灰器使得排烟温度下降，从而降低排烟火用损失。

从火用效率的计算公式可以看出，火用效率与主蒸汽，给水参数以及环境、燃料的种类性质、锅炉性能都有一定的关系，而锅炉燃料及环境温度基本不变，所以只能尽量改善蒸汽以及给水参数，提高火用效率措施具体表现在以下几方面：

1）采用抽气回热动力装置，提高给水温度。根据相关资料，给水温度提高2℃，其相对火用效率升高1%。从火用损失来看，由于给水被预热，提高了蒸汽的温度水平，这时吸热平均温度■显然比无回热时的有所提高，锅炉内传热火用损失相对减少，锅炉火用效率就能有所提高。

2）采用锅炉再热循环提高蒸汽温度，但受材料成本限制。

3）选择合理的蒸汽压力值，不能过高。若蒸汽压力过高容易降低乏汽的干度，容易使汽轮机末级叶片受到严重冲刷，影响叶片寿命与汽轮机效率。因此，主蒸汽压力的提高受到蒸汽干度的限制，同时也限制了锅炉火用效率的提高。

4）锅炉内燃烧过程火用损失最大，因此尽量改进炉膛的燃烧程度，提高火用效率效果明显。

4 结论

1）火用分析法能更系统、更科学、更深入、更全面的分析锅炉以及其他热力设备热力学过程，揭露其损失原因部位以及指出改进的方向，同时反映内部及外部的火用损失，真实地揭露锅炉的薄弱环节。

2）通过本例利用火用分析法对锅炉损失进一步分析得知，锅炉火用损失大，主要是燃烧及传热两个不可逆过程造成的，对于火电厂来说，锅炉的烟气温度及给水温度由设计给定，主蒸汽温度又受材料的限制，因此燃烧不可逆火用损失以及传热火用损失不可能降低很多。

【参考文献】

[1]金新军，董仁义，马义柱.浅谈蒸汽锅炉的火用分析[J].油田与节能，1996（3）：44-46.

[2]韩学延，张杰，陈贵堂，张忠进.从锅炉火用效率分析看提高小型热电厂参数的意义[J].热能动力工程，1997（5）：161-163.

[责任编辑：丁艳]

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