第五节 总能系统分析
一、总能和总能系统
总能(TotalEnergie)和总能系统(TotalEnergieSystem)是于20世纪初提出的，其原意是指同时利用能源的数量和质量。
生产和生活通常需要两类热能。一类是高品质热能(如高温高压蒸汽或燃气)，主要用于发电、动力;另一类是低品质热能(如温度、压力稍高于环境的热水、蒸汽或空气)，主要用于采暖、干燥、蒸煮、炊事、沐浴等。
在能量利用中存在的主要问题有两种情况：一种是要消耗大量燃料去提供低品质的热能;另一种是工艺过程放出很多低品位的热能未被利用而弃掉。典型的例子如图3-5所示。
因此，总能系统的指导思想是先做功后用热，即燃料的能量先通过汽轮机或燃气轮机或内燃机做功或发电，然后把低品位热量作为热源加以利用;对于工艺过程放出的热量，先做功后再作为热源使用。典型例子如图3-6所示。
二、按质用能
热能品质上是有差别的，要合理利用和节约热能，就必须根据用户需要按质提供热能。其基本原则就是“热尽其用”，即热能供需不仅数量上相等，而且质量上匹配。
在实际使用热能的过程中常有许多不按质用热而造成热能浪费的现象。例如，在工厂中常常可以看到把高参数(品质)的蒸汽经过节流过程降为低参数(品质)的蒸汽来使用，此时用能的数量基本上没有减少，但㶲损失却很大。如常用的低压锅炉生产的1.3MPa的饱和蒸汽，其㶲值约为1005kj/kg，如将它经过节流过程降压到生产所需的0.3MPa的蒸汽来使用，就会使㶲损失171kj/kg，这是很不合算的。
又如，利用燃料燃烧直接对房屋供暖也是很不合理的热能利用方式，因为它没有把1000℃的高温热源的㶲加以利用，而是把优质热能用于低质热能完全可以满足要求的采暖上，浪费了优质热能。反之，如果先将高温热源的㶲通过热机将其转变为机械能，然后再利用此机械能通过热泵系统去提供采暖所需的热量，则从理论上讲，1kJ的燃烧热㶲可以提供12kJ采暖所需的低温热量，由此可见按质使用热能的重要意义。
还常常会遇到这样的情况，即利用一个高品质的热源供几个要求不同的工艺装置使用[见图3-7(a)]，从而导致大量优质热能当作低质热能使用，造成热能的浪费。如果从热能的综合利用角度出发，对用能过程进行全面合理地组合，如先用作动力，再用于生产工艺过程，最后用于生活用热【见图3-7(b)】，就能大大减少优质熟能的浪费，节约大量热能。理论和实践证明，凡是有热现象发生的过程，例如，燃料的燃烧、化学反应、有温差下的换热、介质的节流降压以及有摩擦的扰流等都是典型的不可逆过程，都要引起㶲值的下降，造成㶲损失。因此除按质使用热能外，还必须在热能利用过程中尽可能减少由于不可逆过程所引起的㶲贬值，例如，燃烧和化学反应过程要尽量在高温下进行;加热、冷却等换热过程应使放热和吸热介质的温度接近;力求避免介质节流降压和摩擦扰流等。
三、余热利用
热能是国民经济和人民生活中应用最广泛的能量形式，因此节约热能有特别重要的意义。
除家用炊事和采暖外，热能主要用于工业企业。工业企业有不同的类型，各种企业的生产过程又多种多样，但从使用热能的目的来看，热能主要用于以下三方面。
(1)发电和拖动。将蒸汽的热能转变为电能，用作各种电气设备的动力;或者直接以蒸汽为动力，拖动压气机、风机、水泵、起重机、汽锤和锻压机等。这类热能消费者，通常称为动力用户。
(2)工艺过程加热。利用蒸汽、热水或热气体的热量对工艺过程的某些环节加热，以及对原料和产品进行热处理，以完成工艺要求或提高产品质量。这类热能消费者统称为热力用户。
(3)采暖和空调。公用和民用建筑冬季采暖、热水供应以及夏季空调，它们都直接或间接使用大量热能。这类热能消费者简称为生活用户。
从使用热能的参数来看，可以分为以下三个级别：
(1)高温高压热能。通常指500℃以上、压力为3.O—10MPa的高温高压蒸汽或燃气，它们通常用于发电;温度和压力越高，热能转换的效率也越高。
(2)中温中压热能。通常指150～300℃、4.0MPa以下的热能，它们大量用于加热、干燥、蒸发、蒸馏、洗涤等工艺过程，少数用于汽力拖动。
(3)低温低压热能。通常指150℃、0.6MPa以下的热能，主要用于采暖、热水、制冷、空调等。
在工业企业中，中、低参数的热能使用最广泛，见表3-3。
工业企业有着丰富的余热资源，从广义上讲，凡是温度比环境高的排气和待冷却物料所包含的热量都属于余热。具体而言，可以将余热分为以下六大类：
(1)高温烟气余热。主要指各种冶炼窑炉、加热炉、燃气轮机、内燃机等排出的烟气余热，这类余热资源数量最大，约占整个余热资源的50%以上，其温度为650～1650℃。
(2)可燃废气、废液、废料的余热。如高炉煤气、转炉煤气、炼油厂可燃废气、纸浆厂黑液、化肥厂的造气炉渣、城市垃圾等。它们不仅具有物理热，而且含有可燃气体。可燃废料的燃烧温度为600～1200℃，发热值为3350～10465kj/kg。
(3)高温产品和炉渣的余热。其中有焦炭、高炉炉渣、钢坯钢锭、出窑的水泥和砖瓦等，它们在冷却过程中会放出大量的物理热。
(4)冷却介质的余热。它是指各种工业窑炉壳体在人工冷却过程中冷却介质所带走的热量，例如，电炉、锻造炉、加热炉、转炉、高炉等都需采用水冷，水冷产生的热水和蒸汽都可以利用。
(5)化学反应余热。它是指化工生产过程中的化学反应热，这种化学反应热通常可在工艺过程中再加以利用。
(6)废气、废水的余热。这种余热的来源很广，如热电厂供热后的废汽、废水，各种动力机械的排汽，以及各种化工、轻纺工业中蒸发、浓缩过程中产生的废汽和排放的废水等。
余热按温度水平可以分为三档：高温余热，温度大于650℃;中温余热，温度为230—650℃;低温余热，温度低于230℃。
余热利用的途径主要有三方面：余热的直接利用、发电、综合利用。
(1)余热的直接利用。主要在以下几方面：
1)预热空气。它是利用高温烟道排气，通过高温换热器来加热进入锅炉和工业窑炉的空气。由于进入锅炉炉膛的空气温度升高，使燃烧效率提高，从而节约燃料。在黑色和有色金属的冶炼过程中，广泛采用这种预热空气的方法。
2)干燥。利用各种工业生产过程中的排气来干燥加工的材料和部件，如陶瓷厂的泥坯、冶炼厂的矿料、铸造厂的翻砂模型等。
3)生产热水和蒸汽。它主要是利用中低温的余热生产热水和低压蒸汽，以供应生产工艺和生活方面的需要，在纺织、造纸、食品、医药等工业以及人们生洁上都需要大量的热水和低压蒸汽。
4)制冷。它是利用低温余热通过吸收式制冷系统来达到制冷或空调的目的。
(2)余热发电。利用余热发电通常有以下几种方式：
1)用余热锅炉(又称废热锅炉)产生蒸汽，推动汽轮发电机组发电。
2)高温余热作为燃气轮机的热源，利用燃气轮发电机组发电。
3)如果余热温度较低，可利用低沸点工质(如正丁烷)来达到发电的目的。
(3)余热的综合利用。余热的综合利用是根据工业余热温度的高低，采用不同的利用方法，实现余热的梯级利用，以达到“热尽其用”的目的，例如高温排气，首先应当用于发电，而发电的余热再用于生产工艺用热，生产工艺的余热再用于生活用热。
