CN102169559A - 一种工业能量平衡分析系统及工业能量平衡分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业能量平衡分析系统及工业能量平衡分析方法，包括过程数据采集电路、能量计算电路、用能系统模型和分析结果输出集，过程数据采集电路采集工业过程设备的工业过程数据，并按照仪表位号将工业过程数据分别输入能量参数计算电路；能量参数计算电路输出仪表位号对应的能量介质的焓，并输入到用能系统模型中；用能系统模型根据各能量介质的焓值，计算系统能量指标、收入项与支出项比例、能量衡算指标、能量分布指标，并将计算结果输入分析结果输出集中生成能量平衡表。

Description

一种工业能量平衡分析系统及工业能量平衡分析方法

技术领域

本发明涉及一种用于工业能量平衡分析的方法，具体涉及一种工业能量平衡分析系统及工业能量平衡分析方法。

背景技术

中国是世界上最大的能源消耗国之一，能源成本在总成本中占比例较高，因而节能降耗已成为我国各生产企业的重点任务。许多大中型工业企业已提出了一系列方法与措施来推进节能降耗。企业能源管理是节能降耗工作的基础，通过对企业能耗情况直观的描述，找到在能源利用过程中的薄弱环节，提出改进方向和措施。

企业能量平衡是企业能源管理的一项基础工作，是定量分析企业用能的有效方法，为企业节能改造和用能经济评价提供依据。企业能量平衡是以企业为对象的能量平衡，包括各种能量的收入与支出的平衡，消耗与有效利用及损失之间的数量平衡。企业能量平衡分析就是根据企业能量平衡的结果，对企业用能情况进行全面、系统地分析，以便明确企业能量利用程度，能量损失的大小、分布与损失发生的原因。

企业能量平衡的主要作用有：1、可摸清企业耗能情况。弄清企业的能源构成及其来龙去脉，从而了解企业能源损失的大小与分布、损失的原因和存在的问题，以利于采取节能措施；2、可掌握企业用能水平，即掌握企业各种能源的有效利用率，余能资源率，各主要车间的故率，及各主要产品的能耗数据，为制定合理的能源消耗定额，为完善能源制度和法规提供了科学根据；3、开展企业能量平衡对加强企业管理，提高管理人员的技术水平，推动企业的技术改造等起着促进作用。

开展企业能量平衡分析，主要是为了查出造成能量浪费的原因，以便制定相应的节能措施与管理制度，因而企业能量平衡分析是企业用能评估和诊断的一个环节。对企业进行能量平衡分析主要以工序或车间为主，量化并统计输入能量、输出能量、供给能量、排出能量、回收利用能量，使企业对车间或工序这些用能系统的使用和分配比例清晰掌握，为企业节能改造提供依据。如何以直观的角度建立一个工序或车间的用能系统层次化模型，以便对企业进行全面完整的能量平衡分析，实现企业全面能量分析、评估和诊断的目标，是目前亟需解决的一个问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种以用能系统为对象建立模型，对出入用能系统的能量进行量化和统计，给出完整的能量平衡分析结果的工业能量平衡分析系统，及工业能量平衡分析方法。

本发明的技术方案如下：

一种工业能量平衡分析系统，其特征在于：它包括过程数据采集电路、能量参数计算电路、用能系统模型和分析结果输出集，所述过程数据采集电路采集工业过程设备的指定时间内的工业过程数据，并按照仪表位号将所述工业过程数据输入所述能量参数计算电路；所述能量参数计算电路根据所述工业过程数据获取所述仪表位号对应的能量介质的焓，并将所述能量介质的焓值输入到相应用能系统模型中；所述用能系统模型根据所述能量介质的焓值，计算系统能量指标、收入项与支出项比例、能量衡算指标、能量分布指标，并将计算结果输入分析结果输出集中生成能量平衡表；

所述用能系统模型是以用能系统为对象建立的数据结构关系，包括总用能系统和子用能系统，所述子用能系统包含子用能系统属性，所述总用能系统包含总用能系统属性及子用能系统属性；所述子用能系统属性包括子用能系统的系统结构、能量介质方向、能量介质名称和能量介质数据结构；所述子用能系统的系统结构表示所述子用能系统的输入输出物流；所述总用能系统属性包括总用能系统的系统结构、能量介质方向、能量介质名称和能量介质数据结构；所述总用能系统的系统结构表示所述总用能系统的输入输出物流，总用能系统的输入输出物流从所述子用能系统结构中选取。

所述能量参数计算电路中包括数据结构关联数据库和能量计算电路，所述数据结构关联数据库根据所述工业过程数据计算出对应的中间数据，并将所述中间数据输入所述能量计算电路，所述能量计算电路包含对应各能量介质的能量计算模型，所述能量计算模型调用所述中间数据和工业过程数据计算并输出对应的焓、熵和

所述工业过程数据包括质量参数、流量参数、电量参数、平均压力参数、平均温度参数；所述数据结构关联数据库包括对应各能量介质的工艺过程混合气体组分表、折标系数表、饱和蒸汽热力学数据表、过热蒸汽热力学数据表、混合气体热力学参数总表和液体热力学参数表。

所述能量计算电路的能量计算模型包括燃料能量计算模型、蒸汽能量计算模型、混合液体能量计算模型和混合气体能量计算模型。

所述系统能量指标包括一次能源和二次能源的系统供给能E_供给，原料带入用能系统的输入能E_输入、系统回收能E_回收，离开的能量介质带出的系统排出能E_排出，在不同输出源中分布的系统输出能E_输出。

所述能量平衡指标包括能量回收率、能量输出率、能量排出率、能量利用率，其中所述能量回收率、能量输出率、能量排出率的总和为1；所述能量利用率为所述能量回收率与能量输出率的和。

所述能量分布指标包括系统输入能E_输入在不同输入源中的分布、系统排出能E_排出在不同排出源中的分布、系统输出能E_输出在不同输出源中的分布、系统回收能E_回收的分布。

一种工业能量平衡分析方法，其步骤包括：

1)通过过程数据采集电路采集工业过程设备的过程数据，并将所述过程数据输入能量参数计算电路；所述能量参数计算电路根据所述工业过程数据计算所述能量介质对应的焓；

2)建立用于表示用能系统中各工业过程设备属性的工业过程设备属性表，模型内容包括设备名称、设备输入输出能量介质名称、工业设备之间的连接关系、能量参数；其中能量参数为能量介质的焓，所述焓即为所述能量介质的能量值；

3)以实际的工业用能系统为对象，采用层次化的方式，通过所述工业设备之间的连接关系配置用能系统模型；所述用能系统模型包括总用能系统和子用能系统，所述子用能系统包含子用能系统属性，所述总用能系统包括总用能系统属性以及子用能系统属性；

4)从所述子用能系统的输入输出物流中选取能量介质作为所述总用能系统的输入输出物流，并指定各能量介质的能量值类别；其中能量值类别包括系统供给能E_供给、系统输入能E_输入、系统回收能E_回收、系统输出能E_输出、系统排出能E_排出；

5)根据所述能量值计算系统能量指标、收入项与支出项比例、能量衡算指标、能量分布指标，并将计算结果生成能量平衡表。

所述步骤3)，所述子用能系统属性包括子用能系统结构、能量介质方向、能量介质名称、能量介质数据结构；所述子用能系统结构表示所述子用能系统的输入输出物流；所述总用能系统属性包括总用能系统结构、能量介质方向、能量介质名称、能量介质数据结构；所述总用能系统结构的输入输出物流由所述子用能系统结构中选取。

所述步骤3)中的系统输出能E_输出包括产品带出能E_产品和系统外供能E_外供。

本发明的技术效果如下：

本发明是一种工业能量平衡分析系统，包括能量计算电路、过程数据采集电路、用能系统模型和分析结果输出集，过程数据采集电路采集工业过程设备的工业过程数据和化验数据，并按照仪表位号将工业过程数据和化验数据分别输入能量参数计算电路和过程设备计算电路；能量参数计算电路输出仪表位号对应的能量介质的焓，并输入到用能系统模型中；用能系统模型根据各能量介质的焓值，计算系统能量指标、收入项与支出项比例、能量衡算指标、能量分布指标，并将计算结果输入分析结果输出集中生成能量平衡表。本发明根据能量平衡分析的需要，建立以车间或工序为对象的用能系统模型，采用面向对象的设计方法进行组织与管理。根据选定的用能系统和指定时间内的历史数据进行能量平衡分析，对车间的能量流、能量介质进行量化和统计，进而分析各项能量衡算指标，得到系统总体性能的定量结论。

本发明的方法基于热力学第一定律，包括数据结构关联数据库、计算模块、过程数据采集模块和数据存储器，过程数据采集模块将在生产过程控制系统中采集的工业过程数据存入数据存储器中，数据存储器将所述工业过程数据分别输入所述数据结构关联数据库和计算模块中，所述数据结构关联数据库根据所述工业过程数据计算出对应的中间数据，并将所述中间数据输入计算模块，计算模块包含根据工业企业能量介质的特点进行分类所得的不同能量介质所对应的能量计算模型，根据不同能量介质所对应的能量计算模型调用所述中间数据和工业过程数据计算并输出对应的焓、熵和

本发明根据工业企业能量介质的特点，将介质进行分类，以这种分类为基础，建立不同能量介质的能量计算模型，大大简化了能量数据的计算过程。利用该模型可以实时性获取企业用能分析等能源管理工作所需的能量数据，为企业开展深入的用能诊断及分析工作提供数据基础。

附图说明

图1是本发明工业能量平衡分析系统的系统结构示意图

图2是本发明本发明能量参数计算电路结构示意图

图3是合成氨车间的总用能系统结构示意图

图4是造气工序的子用能系统结构示意图

图5是煤气净化工序的子用能系统结构示意图

图6是合成工序的子用能系统结构示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

用能系统指的是进行能量平衡分析的工序或车间，用能系统通常为树形结构，用能系统模型是针对用能系统建立的数据模型，包括总用能系统和子用能系统，其中子用能系统既可以作为系统独立存在，也可作为总用能系统的组成部分。

如图1所示，本发明的工业能量分析系统包括能量参数计算电路1、过程数据采集电路2、用能系统模型3和分析结果输出集4，其中过程数据采集电路2通过DCS系统(生产过程控制系统)采集实时或历史工业过程数据，如质量、流量、平均压力、平均温度等数据，采集数据按照不同的仪表位号输入到能量参数计算电路1中。能量参数计算电路1中包括数据结构关联数据库11和能量计算电路12，能量计算电路12包括燃料能量计算模型121、蒸汽能量计算模型122、混合液体能量计算模型123、混合气体能量计算模型124。用能系统模型3根据能量参数计算电路1输出的各能量介质的能量参数，采用能量平衡分析方法进行全面分析和计算，最终向结果输出集4中输出完整的平衡分析结果。

能量平衡分析涉及的能量介质包括供给用能系统的一次能源(煤、油、天然气)和二次能源(电、蒸汽、焦炭、煤气)的系统供给能E_供给；原料带入用能系统的系统输入能E_输入；回收装置收集的系统回收能E_回收；用能系统输出的包括产品带出的和吸热反应热的系统输出能E_输出；离开用能系统的冷却水、废气、废液带出的系统排出能E_排出。能量平衡的理论基础是热力学第一定律；因而本发明的用能系统模型3中的能量平衡分析采用焓值平衡分析法，仅使用能量参数计算电路1中输出的焓值进行计算。

数据结构关联数据库11中设置多个关联数据表，根据物料特性将能量介质分别在表中定义能量介质名称，设定能量介质名称是旨在确定不同能量介质与其化验数据和计算方法的对应关系，能量介质名称的编码可结合国家规定代码和企业能量介质编号来定义，以保证唯一性。每个能量介质名称对应一套关联数据表，在关联数据表中整合化验数据、热力学参数输入能量计算电路12中，能量计算电路12根据中间计算结果，输出各能量介质对应的焓、熵、

数据。其中数据结构关联数据库11包括工艺过程混合气体组分表111、企业能源折标系数表112、饱和蒸汽热力学数据表113、过热蒸汽热力学数据表114、混合气体热力学参数总表115、液体热力学参数表116等关联数据表。

其中工艺过程混合气体组分表111表示混合气体包含的各组分体积含量，包含混合气体的组分分压、用于计算焓的平均定压比热容及用于计算熵的平均定压比热容、气体密度等参数。企业能源折标系数表112来源于国家统计局标准。饱和蒸汽热力学数据表113表示温度、压力与液焓、汽焓及汽液焓之间的关系。过热蒸汽热力学数据表114按照生产过程涵盖实际生产中各蒸汽级别的压力，再以温度值查询比焓和比熵，采用线性插值法获得实际温度和压力下的比焓和比熵值。混合气体热力学参数总表115分为理想气体比热容系数表和标准生成焓变熵变表，理想气体比热容系数表包含组分序号、组分代号、组分名称、分子式、理想气体比热容系数、修正系数，标准生成焓变熵变表包括气体标准生成焓变、标准生成自由焓变、标准生成熵变、标准化学

液体热力学参数表116表示混合液体的密度、平均比热容等热力学参数。

能量计算电路12中的燃料能量计算模型121包含原料煤能量计算模型、油能量计算模型、电能量计算模型；蒸汽能量计算模型122包含饱和蒸汽能量计算模型、过热蒸汽能量计算模型、饱和水能量计算模型。能量计算电路12中的模型，通过查询数据结构关联数据库11中的表格得到能量介质量化计算所需要的中间数据，即可获得能量介质的能量参数。

如图2所示，在能量计算电路12中，燃料能量计算模型121的数据结构及计算公式如下：

(a)原料煤能量计算模型：

原料煤能量计算模型数据结构

模型输入参数为质量、折标系数、含水量。

其中，质量通过仪表位号获得；折标系数通过原料煤的能量介质能量介质名称所关联的折标系数表112获得，含水量ω通过化验室化验数据获得，注意单位换算。

输出参数为化学焓、热量

化学焓及热量通过以下计算公式获得：

化学焓Q＝质量×折标系数×7000×4.1868        (1)

热量

E_XQ＝质量*(Q+2438ω)                (2)

国标规定每千克标准煤的热值为7000kcal，将不同品种、不同含量的能源按各自不同的热值换算成每kg热值为7000kcal的标准煤，公式中7000单位为kcal/kg；1kcal＝4.1868kJ；ω为原料煤的含水量；2438为水潜热，单位为kJ/kg。

(b)油能量计算模型：

油能量计算模型数据结构

模型输入参数为流量、折标系数。

其中，流量通过仪表位号获得；折标系数通过油的能量介质名称所关联的折标系数表112获得，注意单位换算。

输出参数为化学焓、热量

化学焓Q＝质量×折标系数×7000×4.1868(kJ/kg)            (3)

热量

E_XQ＝0.975Q                (4)

(c)电能量计算模型：

电能量计算模型数据结构

模型输入参数为电量、折标系数，电量通过仪表位号获得，折标系数通过电的能量介质能量介质名称所关联的折标系数表112获得，注意单位换算。

输出参数为焓、

蒸汽能量计算模型122的数据结构及计算公式如下：

(i)饱和蒸汽能量计算模型：

饱和蒸汽能量计算模型数据结构

模型输入参数为通过仪表位号获得的饱和蒸汽流量、平均温度、平均压力

中间计算结果为通过在饱和蒸汽热力学数据表113查找温度或压力，获得的比焓HG和比熵SG。

输出参数为焓、熵、

饱和蒸汽焓＝流量×比焓            (6)

饱和蒸汽熵＝流量×比熵            (7)

饱和蒸汽的物理

E_XPh＝-(H₀-H)+T₀(S₀-S)＝(H-H₀)-T₀(S-S₀)    (8)

其中，H为实际条件下饱和蒸汽焓；S为实际条件下饱和蒸汽熵；H₀为基准态饱和蒸汽焓；S₀为基准态饱和蒸汽熵；T₀为基准态温度。饱和蒸汽基准态为25℃、0.10133MPa液态水，或25℃、3.169kPa饱和蒸汽为基准态，本模型计算对于蒸汽的基准态取25℃、3.169kPa饱和蒸汽。

(ii)过热蒸汽能量计算模型：

过热蒸汽能量计算模型数据结构

在过热蒸汽只有物理变化的情况下，模型输入参数为流量、平均温度、平均压力，通过仪表位号获得。

中间计算结果为比焓和比熵，通过查过热蒸汽热力学数据表114获得。

输出参数为焓、熵、

过热蒸汽焓＝流量×比焓        (9)

过热蒸汽熵＝流量×比熵        (10)

过热蒸汽

E_XPh＝-(H₀-H)+T₀(S₀-S)＝(H-H₀)-T₀(S-S₀)    (11)

其中，H为实际条件下饱和蒸汽焓；S为实际条件下饱和蒸汽熵；H₀为基准态饱和蒸汽焓；、S₀为基准态饱和蒸汽熵；T₀为基准态温度。饱和蒸汽基准态为25℃、0.10133MPa液态水，或25℃、3.169kPa饱和蒸汽为基准态，本模型计算对于蒸汽的基准态取25℃、3.169kPa饱和蒸汽。

(iii)饱和水能量计算模型：

饱和水能量计算模型数据结构

模型输入参数为流量、平均温度，通过仪表位号获得。

中间计算结果为通过在饱和蒸汽热力学数据表113查找温度或压力，获得的比焓HF和比熵SF。

输出参数为焓、熵、

焓＝流量(m³)×1000×比焓        (12)

熵＝流量(m³)×1000×比熵        (13)

E_XPh＝-(H₀-H)+T₀(S₀-S)＝(H-H₀)-T₀(S-S₀)    (14)

其中，H为实际条件下饱和水焓；H₀为基准态饱和水焓；T为实际温度；T₀为基准态温度；S为实际条件下饱和水熵；S₀为基准态饱和水熵。其中以标准状况为饱和水的基准态。

混合液体能量计算模型123的数据结构及计算公式如下：

本计算模型同样适用于纯组分液体。

混合液体能量计算模型数据结构

模型输入参数为体积流量、平均温度、平均压力、密度、平均比热容。

其中，流量、平均温度、平均压力通过仪表位号获得；密度及平均比热容通过查液体热力学参数表116获得。

输出参数为焓、熵、

不可压缩液体如煤气水、低温甲醇洗的富甲醇液、脱硫富液等，Cp＝Cv＝C。压力对液体的焓和熵的影响相对于温度变化来说是很小的，在此忽略不计，因而可按理想液体计算。

液体流量一股按体积流量计量，体积流量和质量流量的换算关系为：质量流量＝体积流量×密度

$\underset{\·}{\·\·}\mathrm{dH}=C_p\mathrm{dT}+[V-T{\left(\frac{\∂V}{\∂T}\right)}_p]\mathrm{dp},$ $\mathrm{dS}=C_p\frac{\mathrm{dT}}{T}-{\left(\frac{\∂V}{\∂T}\right)}_p\mathrm{dp}$

∴混合液体的比焓：h＝C_p(T-T₀)

混合液体的焓＝流量×比焓            (15)

混合液体的比熵 $s=C_p\ln \frac{T}{T_0}$

混合液体的熵＝流量×比熵            (16)

混合液体的

$\mathrm{Ex}=(H-H_0)-T_0(S-S_0)=C_p(T-T_0)-T_0{C}_p\ln \frac{T}{T_0}---\left(17\right)$

其中，Cp为混合液体平均比热容；H为实际条件下液体焓；S为实际条件下液体熵；H₀为基准态液体焓；S₀为基准态液体熵；V为液体体积流量；T为实际温度；T₀为基准态温度。以标准状况为混合液体的基准态。

混合气体能量计算模型124的数据结构及计算公式如下：

本计算模型同样适用于纯组分气体。

(u)混合气体物理变化计算模型：

混合气体物理变化能量计算模型数据结构

模型输入参数为流量、平均温度、平均压力、组分分压、平均定压比热容(焓)、平均定压比热容(熵)。

其中，流量、平均温度、平均压力通过仪表位号获得；组分分压通过能量介质名称关联的工艺过程混合气体组分111获得；平均定压比热容(焓)及平均定压比热容(熵)通过混合气体热力学参数总表115中的理想气体比热容系数表计算获得。输出参数：物理焓变、物理熵变、物理

流量一股累积量是设计条件下的量，要计算出摩尔值，再计算焓；其计算方法为：

混合物质的量＝标准状况下的体积流量/0.0224(mol)

标准状况下的体积流量

其中下标为D的为设计条件。

理想混合气体平均定压比热容(T₁～T₂温度范围内的平均定压比热容)，即用于焓计算的定压比热容：

$\underset{\text{i}}{\mathrm{\Σ}}{n}_i\frac{C_{\mathrm{pmh}}^{*}}{R}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{n}_i{A}_i+\left(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{n}_i{B}_i\right)T_{\mathrm{am}}+\left(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{n}_i{C}_i\right)\left[\frac{1}{3}(4{T_{\mathrm{am}}}^2-T_1{T}_2)\right]+\left(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{n}_i{D}_i\right)T_1^{-1}{T}_2^{-1},---\left(18\right)$

其中T_am是算数平均温度，n_i是混合气体各组分的量，

是混合气体平均定压比热容，

为热力学平均温度。

用于熵计算的定压比热容

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{n}_i\frac{C_{\mathrm{pms}}^{*}}{R}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{n}_i{A}_i+\left(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{n}_i{B}_i\right)T_{\mathrm{lm}}+\left(T_{\mathrm{am}}{T}_{\mathrm{lm}}\right)(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{n}_i{C}_i+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{n}_i{D}_i{T}_1^{-2}{T}_2^{-2})---\left(19\right)$

混合气体的物理焓变： $\mathrm{\ΔH}=C_{\mathrm{pmh}}^{*}(T-T_0)---\left(20\right)$

混合气体的物理熵变： $\mathrm{\ΔS}=C_{\mathrm{pms}}^{*}\ln \frac{T}{T_0}-R\ln \frac{p}{p_0}.---\left(21\right)$

混合气体的物理

${\mathrm{Ex}}_{\mathrm{ph}}=(H-H_0)-T_0(S-S_0)=C_{\mathrm{pmh}}^{*}(T-T_0)-T_0[C_{\mathrm{pms}}^{*}\ln \frac{T}{T_0}-R\ln \frac{p}{p_0}]---\left(22\right)$

其中，

是混合气体用于焓计算的定压比热容，

是用于熵计算的定压比热容；T为实际温度；T₀为基准态温度；H为实际条件下气体焓；S为实际条件下气体熵；H₀为基准态气体焓；S₀为基准态气体熵；p为实际压力；p₀为基准态压力。以标准状况为混合气体的基准态。

(v)混合气体化学反应能量计算模型

混合气体化学反应能量计算模型数据结构

模型输入参数为流量、平均温度、平均压力、平均定压比热容(焓)、平均定压比热容(熵)。

其中，流量、平均温度、平均压力通过仪表位号获得；平均定压比热容(焓)及平均定压比热容(熵)通过混合气体热力学参数总表中的理想气体比热容系数表计算获得。

中间计算结果为物理焓变、物理熵变、物理

标准化学焓、标准化学熵、标准化学。其中，标准化学焓、标准化学熵、标准化学

通过混合气体热力学参数总表115中的标准生成焓变熵变表获得。

输出参数：焓、熵、

混合气体化学反应能量计算模型中包含了物理变化过程，所以输出参数中焓熵

的结果为物理变化和化学变化焓熵

之和，其中物理焓变、物理熵变、物理的计算如上节所述。

混合气体的焓＝物理焓变+化学焓            (23)

混合气体的熵＝物理熵变+化学熵            (24)

用能系统模型3通过能量参数计算电路1输出的各能量介质焓值，即各能量介质所携带的能量值，该能量值即为对应能量介质的焓值。通过指定不同能量介质输出的能量值类别，将相同类别的能量值加和，即得到用能系统的一次能源和二次能源的系统供给能E_供给，原料带入用能系统的输入能E_输入、系统回收能E_回收，离开用能系统的能量介质带出的系统排出能E_排出，在不同输出源中分布的系统输出能E_输出包括产品带出能E_产品和系统外供能E_外供。

用能系统模型3输出的分析结果包括能量平衡表，平衡表包含输入输出各项能量介质的能量值、收入项与支出项比例；能量回收率η_回收、能量输出率η_输出、能量排出率η_排出及能量利用率η_利用等能量衡算指标；系统供给能分布、系统输入能分布、系统回收能分布、系统输出能分布及系统排出能分布等能量分布指标。

通过如下能量衡算指标计算方程算出上述各能量衡算指标，并输入到分析结果输出集4中。

能量平衡方程：

E_输入+E_回收+E_供给＝E_输出+E_排出+E_回收＝(E_产品+E_外供)+E_排出+E_回收    (26)

能量回收率：

能量输出率：

能量排出率：

其中，η_回收+η_输出+η_排出＝1            (30)

能量利用率：

系统供给能E_供给在不同供给源中的分布，用各种形式的供给能占系统供给能E_供给的百分比来表示，一股将能量分为热能和动力两类；系统输入能E_输入在不同输入源中的分布，用各种形式的能占系统输入能E_输入的百分比来表示；系统排出能E_排出在不同排出源中的分布，排出源有冷却水、烟气、产品、废水等，根据排出能的分布可发现哪些排出能有可能减少，以确定节能的方向和措施；系统输出能E_输出在不同输出源中的分布，用各种形式的能占系统输出能E_输出的百分比来表示；系统回收能E_回收的分布，由此分布可掌握各回收项在系统回收能E_回收中所占的比例，以此确定节能潜力。

本发明工业能量平衡分析系统的构建方法包括以下步骤：

1)在数据库中建立用于表示用能系统中各工业过程设备属性的工业过程设备属性表，模型内容包括设备名称、设备输入输出能量介质名称、能量参数；其中能量参数是能量参数计算电路1针对流经工业过程设备的不同企业能源介质的能量介质属性，计算获得的焓、熵、

等能量参数。

2)采用层次化的方式以实际的车间和工序为对象，配置生成用能系统模型；层次化的方式是从底层子用能系统开始建立模型，子用能系统仅包含子用能系统属性，系统属性包括子用能系统的系统结构、能量介质方向、能量介质名称、能量介质数据结构；系统结构表示子用能系统的输入输出物流，从子用能系统中各设备模型的输入输出能量介质中选取。总用能系统的系统结构包括总用能系统属性及内部所包含的子用能系统属性，系统输入输出物流从其所包含的子用能系统结构中选取；在建立用能系统后，仅对总用能系统进行平衡分析。

3)从选取总用能系统中子用能系统的输入输出物流中选取能量介质，并指定各能量介质的能量值类别；其中能量值类别包括系统供给能E_供给、系统输入能E_输入、系统回收能E_回收、系统输出能E_输出(包括产品带出能E_产品和系统外供能E_外供)，以及系统排出能E_排出。

4)根据能量平衡分析的时间范围采集各能量介质的工业过程数据，工业过程数据通过过程数据采集电路2采集，工业过程数据通过能量参数计算电路1获得的各能量介质的焓值，用于计算能量衡算指标，向分析结果输出集4中输出完整的分析结果。

下面通过一个具体的实例，对用能系统模型3的分析结果进行说明：

如图3所示，合成氨车间主要由以下三大工序构成：造气系统、净化系统和氨合成及储存。如图4所示为造气系统工序，由块煤加气化剂在气化炉中制取粗煤气，还包括煤的气化，粗煤气变换和粗煤气冷却；如图5所示为净化系统工序，将粗煤气进一步净化和精制，包括低温甲醇洗、液氮洗涤、变压吸附和甲烷蒸汽转化等；如图6所示为氨合成及储存工序，将精制的氢气、氮气经压缩至合成压力在合成塔内反应生成氨，然后冷却分离成液氨，供氨加工使用或储存。将合成氨车间作为用能系统模型中的总用能系统，其内部包含三个子用能系统，即造气子用能系统、净化子用能系统、合成子用能系统。

如图4所示，造气子用能系统含煤气化、煤气变换、煤气冷却三个子工序，能量介质从工序内各设备进出物流(输入输出物流)中选取，选取结果见表1。

表1造气子用能系统能量介质数据结构

如图5所示，净化子用能系统包括低温甲醇洗、液氮洗、甲烷变换子工序，能量介质从工序内各设备输入输出物流中选取，选取结果见表2。

表2煤气净化子用能系统能量介质数据结构

如图6所示，合成子用能系统中能量介质从工序各设备输入输出物流中选取，选取结果见表3。

表3氨合成子用能系统能量介质数据结构

将合成氨车间作为总用能系统，其内部包含上述三个子用能系统，即造气子用能系统、净化子用能系统、合成子用能系统。合成氨车间用能系统的能量介质从三个子用能系统各输入输出物流中选取，并指定各能量介质的能量值类别：系统供给能E_供给、系统的输入能E_输入、系统回收能E_回收、系统输出能E_输出(包括产品带出能E_产品和系统外供能E_外供)，以及系统排出能E_排出。结果见表4。

表4合成氨车间总用能系统能量介质数据结构

通过能量参数计算电路1输出各能量介质的焓值，即为各能量介质所携带的能量值，根据能量衡算指标进行全面分析和计算，得到完整的平衡分析结果。能量平衡表如下所示：

表5合成氨车间总用能系统能量平衡表

能量衡算指标中，能量回收率η_回收、能量排出率η_排出、能量利用率η_利用、能量输出率η_输出根据公式27、28、29、31计算。

能量回收率：

能量输出率：

能量排出率：

能量利用率：

系统供给能分布、系统输入能分布、系统回收能分布、系统输出能分布及系统排出能分布如下表所示：

供给能的分布例：

供给能分布项	供给能的分布％
		煤	46.87
工艺蒸汽	28.43
		净化用电	11.32
合成用电	13.39

输入能的分布例：

输入能分布项	输入能的分布％
		氧气1	0.88
粗煤气锅炉给水	13.87
		变换气锅炉给水	14.08
氧气2	2.16
		脱盐水	30.38
高压氮气	4.44
		氨冷器用液氨	21.24
锅炉给水	12.96

回收能的分布例：

回收能分布项	可回收能的分布％
		甲烷压缩驱动蒸汽	100

输出能的分布例：

输出能分布项	输出能的分布％
		CO2-1	8.89
CO2-2	5.45
		氢气	5.90
产品液氨	29.36
		氨冷器出气氨	30.11
轻油	9.05
		燃料气	6.69
副产低压蒸汽	4.55

排出能的分布例：

排出能分布项	排出能的分布％
		甲烷压缩驱动蒸汽冷凝水	23.86
低压蒸气冷凝水1	22.43
		低压蒸气冷凝水2	2.82
H2S	17.29
		合成气压缩机冷凝水	33.59

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种工业能量平衡分析系统，其特征在于：它包括过程数据采集电路、能量参数计算电路、用能系统模型和分析结果输出集，所述过程数据采集电路采集工业过程设备的指定时间内的工业过程数据，并按照仪表位号将所述工业过程数据输入所述能量参数计算电路；所述能量参数计算电路根据所述工业过程数据获取所述仪表位号对应的能量介质的焓，并将所述能量介质的焓值输入到相应用能系统模型中；所述用能系统模型根据所述能量介质的焓值，计算系统能量指标、收入项与支出项比例、能量衡算指标、能量分布指标，并将计算结果输入分析结果输出集中生成能量平衡表；

所述用能系统模型是以用能系统为对象建立的数据结构关系，包括总用能系统和子用能系统，所述子用能系统包含子用能系统属性，所述总用能系统包含总用能系统属性及子用能系统属性；所述子用能系统属性包括子用能系统的系统结构、能量介质方向、能量介质名称和能量介质数据结构；所述子用能系统的系统结构表示所述子用能系统的输入输出物流；所述总用能系统属性包括总用能系统的系统结构、能量介质方向、能量介质名称和能量介质数据结构；所述总用能系统的系统结构表示所述总用能系统的输入输出物流，总用能系统的输入输出物流从所述子用能系统结构中选取。

2.如权利要求1所述的一种工业能量平衡分析系统，其特征在于：所述能量参数计算电路中包括数据结构关联数据库和能量计算电路，所述数据结构关联数据库根据所述工业过程数据计算出对应的中间数据，并将所述中间数据输入所述能量计算电路，所述能量计算电路包含对应各能量介质的能量计算模型，所述能量计算模型调用所述中间数据和工业过程数据计算并输出对应的焓、熵和 

。

3.如权利要求2所述的一种工业能量平衡分析系统，其特征在于：所述工业过程数据包括质量参数、流量参数、电量参数、平均压力参数、平均温度参数；所述数据结构关联数据库包括对应各能量介质的工艺过程混合气体组分表、折标系数表、饱和蒸汽热力学数据表、过热蒸汽热力学数据表、混合气体热力学参数总表和液体热力学参数表。

4.如权利要求2所述的一种工业能量平衡分析系统，其特征在于：所述能量计算电路的能量计算模型包括燃料能量计算模型、蒸汽能量计算模型、混合液体能量计算模型和混合气体能量计算模型。 

5.如权利要求1所述的一种工业能量平衡分析系统，其特征在于：所述系统能量指标包括一次能源和二次能源的系统供给能E_供给，原料带入用能系统的输入能E_输入、系统回收能E_回收，离开的能量介质带出的系统排出能E_排出，在不同输出源中分布的系统输出能E_输出。

6.如权利要求1所述的一种工业能量平衡分析系统，其特征在于：所述能量平衡指标包括能量回收率、能量输出率、能量排出率、能量利用率，其中所述能量回收率、能量输出率、能量排出率的总和为1；所述能量利用率为所述能量回收率与能量输出率的和。

7.如权利要求1或5所述的一种工业能量平衡分析系统，其特征在于：所述能量分布指标包括系统输入能E_输入在不同输入源中的分布、系统排出能E_排出在不同排出源中的分布、系统输出能E_输出在不同输出源中的分布、系统回收能E_回收的分布。

8.一种工业能量平衡分析方法，其步骤包括：

1)通过过程数据采集电路采集工业过程设备的过程数据，并将所述过程数据输入能量参数计算电路；所述能量参数计算电路根据所述工业过程数据计算所述能量介质对应的焓；

2)建立用于表示用能系统中各工业过程设备属性的工业过程设备属性表，模型内容包括设备名称、设备输入输出能量介质名称、工业设备之间的连接关系、能量参数；其中能量参数为能量介质的焓，所述焓即为所述能量介质的能量值；

3)以实际的工业用能系统为对象，采用层次化的方式，通过所述工业设备之间的连接关系配置用能系统模型；所述用能系统模型包括总用能系统和子用能系统，所述子用能系统包含子用能系统属性，所述总用能系统包括总用能系统属性以及子用能系统属性；

4)从所述子用能系统的输入输出物流中选取能量介质作为所述总用能系统的输入输出物流，并指定各能量介质的能量值类别；其中能量值类别包括系统供给能E_供给、系统输入能E_输入、系统回收能E_回收、系统输出能E_输出、系统排出能E_排出；

5)根据所述能量值计算系统能量指标、收入项与支出项比例、能量衡算指标、能量分布指标，并将计算结果生成能量平衡表。 

9.如权利要求8所述的一种工业能量平衡分析系统的构建方法，其特征在于：所述步骤3)，所述子用能系统属性包括子用能系统结构、能量介质方向、能量介质名称、能量介质数据结构；所述子用能系统结构表示所述子用能系统的输入输出物流；所述总用能系统属性包括总用能系统结构、能量介质方向、能量介质名称、能量介质数据结构；所述总用能系统结构的输入输出物流由所述子用能系统结构中选取。

10.如权利要求9所述的一种工业能量平衡分析系统的构建方法，其特征在于：所述步骤3)中的系统输出能E_输出包括产品带出能E_产品和系统外供能E_外供。 

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