許云峰

摘要：多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)理論的核心就是化學(xué)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(dòng)力聯(lián)產(chǎn)及其系統(tǒng)優(yōu)化分析的基礎(chǔ)。目前，在常規(guī)的熱力系統(tǒng)之中關(guān)于污染控制的思路大多集中在流程尾部的脫除中，即延續(xù)傳統(tǒng)先污染、后治理的方式，為了解決這一傳統(tǒng)的治理模式，可以使用能量轉(zhuǎn)化利用與CO2的控制一體化原理，這種原理的本質(zhì)就是將化學(xué)能梯級利用同降低CO2的能耗分離相結(jié)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(lián)產(chǎn)系統(tǒng)集成理論以及相關(guān)的優(yōu)化方式。

關(guān)鍵詞：熱能動(dòng)力聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化分析

在長期以來，熱系統(tǒng)都是一種相互獨(dú)立的關(guān)系，常規(guī)的熱動(dòng)力系統(tǒng)為熱力循環(huán)，傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)的重點(diǎn)就是組分調(diào)整，在這種情況下，常常伴隨環(huán)境污染和化學(xué)能損失的情況。為了解決這一問題，必須研究一種多產(chǎn)品聯(lián)合、多能源互補(bǔ)的熱能動(dòng)力聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。多聯(lián)產(chǎn)就是通過系統(tǒng)集成的方式將動(dòng)力系統(tǒng)與化工過程進(jìn)行組成，在完成供熱、發(fā)電的過程中生產(chǎn)適宜的化工產(chǎn)品，這就可以實(shí)現(xiàn)一種多領(lǐng)域的功能化綜合，實(shí)際上，多聯(lián)產(chǎn)的本質(zhì)就是聯(lián)產(chǎn)概念的一種集成，是一種能量的階梯型的轉(zhuǎn)換利用。

1 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)集成理論相關(guān)介紹

多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)理論的核心就是化學(xué)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(dòng)力聯(lián)產(chǎn)及其系統(tǒng)優(yōu)化分析的基礎(chǔ)。

1.1 化學(xué)能和物理能階梯利用的方法 在傳統(tǒng)熱力循環(huán)系統(tǒng)中，熱力學(xué)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(xué)能品位的利用，因此，具有一定的局限性。基于傳統(tǒng)理論的基礎(chǔ)上，相關(guān)專家學(xué)者建立了關(guān)于反映Gibbs自由能、燃料化學(xué)能以及熱能品位之間的關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)，解釋了關(guān)于化學(xué)能可控轉(zhuǎn)換聯(lián)產(chǎn)相關(guān)的集成機(jī)理。大量的調(diào)查研究解釋了，組成轉(zhuǎn)化同能量轉(zhuǎn)化之間是一種相互利用耦合的關(guān)系，其中，動(dòng)力側(cè)與化工側(cè)的相互整合也成為整個(gè)系統(tǒng)的集成關(guān)鍵，其共同的核心理論就是關(guān)于能量的階梯利用。

1.2 能量轉(zhuǎn)換利用同CO2控制一體化的相關(guān)原理 目前，在常規(guī)的熱力系統(tǒng)之中關(guān)于污染控制的思路大多集中在流程尾部的脫除中，即延續(xù)傳統(tǒng)先污染、后治理的方式，為了解決這一傳統(tǒng)的治理模式，可以使用能量轉(zhuǎn)化利用與CO2的控制一體化原理，這種原理的本質(zhì)就是將化學(xué)能梯級利用同降低CO2的能耗分離相結(jié)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(zhuǎn)了這種傳統(tǒng)的分離技術(shù)，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)一體化的理論也能夠解決溫室氣體高能耗的問題，在進(jìn)行生產(chǎn)的過程中，能夠?qū)O2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(xué)，保證化工合成能夠更加優(yōu)化的進(jìn)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)類型及其集成原則的相關(guān)思路

基于以上的原理，就可以研究出一種多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)類型同系統(tǒng)集成、集成特征整合的思路，就可以為系統(tǒng)的優(yōu)化提供一種有效的途徑，為此，需要注意到以下幾個(gè)方面的問題：

2.1 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)類型集成特征與節(jié)能效益 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)由化工、熱工、污染控制等各種過程組成，在具體的實(shí)施過程中，需要根據(jù)實(shí)際的情況對不同進(jìn)程進(jìn)行優(yōu)化和整合，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)既定的功能。因此，在這種情況之下，多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)就會出現(xiàn)多種類型，且這些不同的類型也會出現(xiàn)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(chǎn)品種類進(jìn)行選擇，可以按照系統(tǒng)特征和流程結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇，也能夠按照輸出能源的類型進(jìn)行選擇。在這幾種輸出方式中，系統(tǒng)特征與流程結(jié)構(gòu)選擇的科學(xué)性更好，按照該種方式可以將化工動(dòng)力聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)分為以下幾種：①簡單并聯(lián)系統(tǒng)。并聯(lián)型系統(tǒng)即化工流程同動(dòng)力系統(tǒng)采取一種并聯(lián)的方式進(jìn)行組合，這種結(jié)構(gòu)有著一定的獨(dú)立性，也能夠?qū)⒃之a(chǎn)流程結(jié)構(gòu)保留下來，這種化工流程使用未反應(yīng)氣全循環(huán)的技術(shù)路線，其動(dòng)力系統(tǒng)的原料大多也源自于氣爐中的合成氣，這種系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能效果。②綜合并聯(lián)型系統(tǒng)。綜合并聯(lián)型系統(tǒng)是基于簡單并聯(lián)型系統(tǒng)發(fā)展而來，就是使用能量系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和合整的一種方式，這種工藝流程能力主要由動(dòng)力系統(tǒng)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(tǒng)的節(jié)能性較為理想。③簡單串聯(lián)型系統(tǒng)。簡單串聯(lián)型系統(tǒng)就是將動(dòng)力與化工系統(tǒng)使用簡單串聯(lián)的方式進(jìn)行組合，在這種系統(tǒng)中，動(dòng)力和化工系統(tǒng)使用的是一種上、下串聯(lián)的方式進(jìn)行，動(dòng)力系統(tǒng)并不需要使用合成氣，這種系統(tǒng)能夠很好的防止流程消耗高問題的出現(xiàn)，也在第一程度上降低合成氣的能耗，具有很好的節(jié)能效果。④綜合串聯(lián)型系統(tǒng)。綜合串聯(lián)型系統(tǒng)是對簡單系統(tǒng)的一種優(yōu)化，這能夠?qū)崿F(xiàn)能量轉(zhuǎn)化與組分轉(zhuǎn)化的耦合，這種系統(tǒng)使用的是一種優(yōu)化調(diào)整和無成分調(diào)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(zhuǎn)化率和利用水平，具有十分理想的節(jié)能效果。⑤串并聯(lián)聯(lián)合系統(tǒng)。串并聯(lián)聯(lián)合系統(tǒng)是一種基于串聯(lián)和并聯(lián)的思路上發(fā)展而來的一種新型系統(tǒng)，這種系統(tǒng)對于能源的轉(zhuǎn)化思路更加的合理，但是動(dòng)力側(cè)與化工側(cè)的結(jié)合相對較緊，就會在一定程度上影響系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性，但是可以更好的適應(yīng)整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)荷。串并聯(lián)聯(lián)合系統(tǒng)綜合了串聯(lián)系統(tǒng)與并聯(lián)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，能夠達(dá)到綜合目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2.2 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化理論及方法 ①基于相對節(jié)能率基礎(chǔ)的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方式。聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)包括熱工、化工、控制污染等過程組成，整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性較高，就現(xiàn)階段來看，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)大多使用傳統(tǒng)熱力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，這種設(shè)計(jì)方式就存在多種弊端。其選擇的評標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)不同，相應(yīng)的結(jié)論也會有所不同，就難以對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行客觀公正的評價(jià)，加上在整個(gè)過程中也沒有注意到各個(gè)參數(shù)的優(yōu)化方式，這就導(dǎo)致系統(tǒng)缺乏科學(xué)性，因此，必須對其進(jìn)行優(yōu)化。②基于相對節(jié)律的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化方式。設(shè)計(jì)優(yōu)化基準(zhǔn)與改進(jìn)方式：在聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與參比分產(chǎn)系統(tǒng)輸出相同時(shí)，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(zhì)量，η是效率，P是功率，cog為聯(lián)產(chǎn)時(shí)，D是分產(chǎn)時(shí)，M是化工，P是動(dòng)力。

下面就從熱力學(xué)定義以及基本方程為出發(fā)點(diǎn)，得出新參比標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過實(shí)踐證明，這種新的參比標(biāo)準(zhǔn)能夠更加實(shí)時(shí)、綜合的考慮各種參數(shù)的變化情況，與傳統(tǒng)的計(jì)算方式相比，更加的準(zhǔn)確和方便，在合成煤氣與焦?fàn)t煤氣雙氣頭動(dòng)力聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)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(chǎn)中聯(lián)合循環(huán)功率，ηDee是分產(chǎn)聯(lián)合循環(huán)小效率，GDM是分產(chǎn)化工生產(chǎn)質(zhì)量，qDM是分產(chǎn)化工生產(chǎn)效率。

其中，多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化需要選擇一種合理的參比流程，就現(xiàn)階段而言，可以使用燃用焦?fàn)t煤氣常規(guī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)作為參比分產(chǎn)化工流程。這種參比是一種半理論性的折合性能指標(biāo)，需要利用到各個(gè)指標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系來進(jìn)行，同時(shí)，要使用分產(chǎn)系統(tǒng)性能典型值，或者使用統(tǒng)計(jì)值來計(jì)算出折合性能的指標(biāo)。根據(jù)熱力學(xué)的相關(guān)方程以及定義，可以得出聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)折合性能的表達(dá)方式：

其中，參比分產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)合循環(huán)折合效率ηDee的表達(dá)式為：

ηDee=■=■=fη■，ηIGCC，X■

使用不同分產(chǎn)參比基準(zhǔn)，其節(jié)能率的變化規(guī)律將呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，定性能基準(zhǔn)方法、當(dāng)量系數(shù)方法都是產(chǎn)生一定的誤差。尤其在高混合比區(qū)域，其計(jì)算的ESR的數(shù)值都會偏大。在低混合比區(qū)域，其計(jì)算的ESR數(shù)值都會偏小。

在基于化學(xué)能梯級收益率來對聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，需要將使用的化工動(dòng)力分流比、變換后的合成氣碳?xì)浔取⑽捶磻?yīng)氣循環(huán)倍率、雙氣頭混合比、甲醇轉(zhuǎn)化率、甲烷重整度進(jìn)行分析，研究出其之間化學(xué)性能利用之間的一種影響規(guī)律，繼而根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)律以及具體的設(shè)計(jì)要求確定好設(shè)計(jì)的變量，將各種獨(dú)立變量以及流程進(jìn)行綜合優(yōu)化，這樣便能夠獲得最優(yōu)的設(shè)計(jì)流程。

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