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(火用)分析在能源审计中的应用的开题报告开题报告：火用分析在能源审计中的应用一、选题的背景和意义能源消耗成为当今全球面临的重要问题，尤其是在日益增长的工业化和城市化进程中，能源消耗量不断攀升。
因此，进行能源审计成为企业和单位管理中重要的一环。
其中，火用分析是能源审计中的重要内容之一，可以帮助企业和单位更好地了解和控制能源的消耗情况，实现节能减排的目标，从而帮助企业和单位降低能源成本，提高经济效益，同时也有助于保护环境。
二、国内外研究现状国内外学者已经对火用分析在能源审计中的应用进行了广泛的研究。
目前，火用分析技术已经在各种工业和商业领域得到应用。
例如，在钢铁、石化、水泥等重工业以及医药、食品等轻工业中，通过火用分析技术，企业可以有效地控制能源消耗情况，进而实现节能减排的目标。
然而，国内还存在着一些问题。
一些企业在进行能源审计时，火用分析技术的应用还不够广泛和深入，对能源的消耗情况不能够进行科学的评估和分析，导致消耗情况较为模糊，控制效果也不够显著。
因此，进一步研究火用分析在能源审计中的应用，发挥其最大的效益，有着重要的现实意义。
三、研究内容和研究方法本研究将从火用分析在能源审计中的应用角度进行研究，重点研究火用分析技术在工业和商业领域的应用实践，分析其控制能源消耗的效果。
同时，本研究也将结合国内外的实践案例和文献资料，深入探讨火用分析技术的优点和缺点，以及在实际应用中可能出现的问题和挑战。
本研究将采取文献调研、实地调研和案例分析等方法，借助专业的数据分析软件，对火用分析的应用效果进行科学排查和评估，找到应用技术的优化方案，为进一步促进企业的节能减排工作提供科学的依据和参考方案。
四、预期结果和实际应用前景通过对火用分析在能源审计中的应用研究，本研究预期可以有效地提升企业和单位节能减排意识和技术水平，为企业和单位发展提供有力的支撑和指导。
同时，在全社会推广火用分析等能源管理技术，提高国家能源保障水平和市场竞争力，对于保护环境、提高国家形象和加快可持续发展有着积极的作用。
2 能量系统的火用分析火用，exergy ，可以定义为热力系统在只与环境（自然界）发生作用而不受外界其它影响的前提下，可逆地变化到环境状态时所能作出的最大有用功。
火用表征了热力系统所具有的能量转变为机械能的能力，因此可以用来评价能量的质量、或品位、能级。
数量相同而形式不同的能量，火用大者其能的品位高或能质高；火用少的能的品位低或能质差。
机械能、电能的能质高，而热能则是低品质的能量，热能之中，温度高的热能比温度低的热能品位高。
根据热力学第二定律，高品质的能量总是能够自发地转变为低品质的能量，而低品质的能量永远不可能转变成为高品质的能量。
因此按品位用能是进行能量系统的火用分析所得到的第一个结论，也是能源工作者的基本守则之一。
在动力系统中（动力与动力系统，这里是指power 和power system ，而不是dynamics 和dynamic system ），火用分析正确地给出了可用能损失情况，为人们正确地改进动力循环，提高其热效率指明了途径。
在仅考虑热能直接利用的情况下，虽然不存在热能与机械能转换的问题，但火用分析仍然具有重要的意义，它可以指明如何充分地利用热能，典型的例子就是燃煤供热系统的火用分析结果：如果采用“热电联产+热泵系统”来代替燃煤直接供热的话，理论上可以获得比煤的热值多0.5~1倍的供热量，甚至更多（图2.1）。
但是火用分析忽视了火无的使用。
火无虽然不能用来作功以获得动力，却可以用来加热、取暖，而在火用分析中不能得到所供应能量中的火无有多少得到了利用的信息。
[1]对于复杂系统进行火用分析，可能得到重要的、不寻常的结论。
借鉴中国工程院院士陆钟武教授所提出的系统节能和载能体[2]的概念，对全工序、全流程、全行业或全地区进行比较仔细的火用分析，可能在能源利用方面提出新的见解1。
能源的利用与环境污染是密不可分的，系统节能理论也好，能源技术经济学也好，都提倡从全系统的角度综合评价能源的利用，而从经济性角度考虑，节能的经济性不一定好（实际上大部分都不好），如果把能源利用对环境造成的污染也折算成经济性指标与节能一同考虑，结论一定会大相径庭。
火用分析方法在电站锅炉中的应用
随着能源的紧缺，绿色能源的重要性越来越受到重视。
而火用分析是研究利用绿色能源发电的一种重要方法，在电站锅炉中也可以得到广泛的应用。
首先，火用分析可以帮助锅炉操作人员更好地理解锅炉燃烧效果，从而提高锅炉的运行效率。
火用分析可以帮助燃料组成、发热量、空气到比、集热量等关键参数的分析，还可以全面分析燃料的火法性能和温度场分布情况。
此外，火用分析还可以帮助操作人员更好地控制锅炉的排放。
通过火用分析，可以更准确地估算锅炉排放物的种类和数量以及排放浓度，更好地满足当地法律法规对排放和环境保护的要求。
此外，火用分析还可以帮助企业节约能源和成本。
通过掌握锅炉的效率，可以有效地提高燃料的热效率和利用率，节约能源，进而降低生产成本。
同时，火用分析可以帮助企业更好地进行结构调整和优化，提高锅炉的热效率，从而节约成本。
此外，火用分析还可以帮助操作人员准确诊断锅炉的运行状况，及时发现锅炉存在的问题，并采取必要的措施来解决。
一旦发现问题，可以利用火用分析发现问题的原因，从而进行精确的检修，从而减少锅炉的故障率、提高锅炉的运行安全性。
以上就是火用分析方法在电站锅炉中的应用的主要内容，从以上可以看出，火用分析方法在电站锅炉中有着重要的作用，不仅可以有效提升锅炉的运行效率和安全性，还可以节约能源成本，弥补其他能
源紧缺所造成的损失。
因此，电站锅炉操作人员应该加强对火用分析方法的研究学习，掌握火用分析方法，更好地提高锅炉的运行效率和安全性，保证锅炉的正常运行。
火用分析方法在电站锅炉中的应用
电站锅炉的发电运行工况十分复杂，在燃烧过程中会产生大量的烟气，其中含有多种气体，而火用分析可以有针对性的测量和监测这些气体的浓度，以此实时调节制作出较为理想的排放条件。
因此，火用分析可以在排放控制等方面发挥重要作用。
火用分析可以直接测量锅炉的烟气和固体废物中的气态元素，测量出的组成便会反映锅炉的燃烧运行工况，或者发现有无燃烧失控等潜在危险因素。
下面介绍一下火用分析在电站锅炉中的应用：首先，火用分析可以帮助分析燃烧时的气态组成，可以根据气态组成来判断锅炉是否燃烧正常，由此可以及时调整燃烧参数，消除可能出现的故障隐患。
其次，火用分析可以实时探测工况下主要污染物的浓度，排放结果反映的是锅炉的燃烧效率，从而对控制排放污染物的排放量起到负责任的作用。
此外，还可以根据实测结果优化发电技术，把握排放的把控点，提高锅炉的运行效率，节能减排。
再者，火用分析可以测量气态有毒物质及其排放量，监测排放控制技术的有效性，实现排放有效控制，从而保护运行时产生的烟气污染物以及潜在的空气污染物不会污染环境，保护环境健康。
最后，火用分析可以检测烟气中的气体种类比例，进而根据混合气体的比例分析出锅炉各燃料类型的比例，可以根据检测的结果改变燃料的配比，从而提高发电的经济效益。
综上所述，火用分析是电站锅炉燃烧过程中的重要检查项目，用
于实时测量和监测气态物质的浓度，可以有效地反映出锅炉的燃烧运行状态，并能及时调整灶面燃烧和排放控制，保护环境安全。
在实际应用中，应该注重对火用分析的及时准确，以提高排放控制技术的有效性，实现排放有效控制，努力在发电过程中实现环境友好的经济效益。
第三章分析法建立在热力学第一定律基础上的能量平衡法只能确定能量数量的损失和能量利用率。
因此它不能反映出过程在能量质量上的损失，当然也不能解释能量消耗的真正原因，不能全面评价过程能量利用情况。
因此，还必须联合应用热力学第一、二定律，建立新的热力学分析法──分析法。
本章根据热力学第一、二定律阐述的定义、分类、数学表达式及计算方法，并讲述分析的基本方法和在化工过程中的应用。
3.1 的定义及其构成3.1.1 的定义在第一章中已简略说明了的物理意义，现首先对物系的给出准确定义。
物系处于一定的热力学状态下，当其在一定的自然环境状态下，经历完全可逆过程，最终与（自然）环境建立完全的热力学平衡。
此时物系总能量中理论上可作出的最大有用功，称为该物系在所处状态下具有的。
在一些文献中，又称可用能、有效能、有用能等。
与的定义相对应，物系从给定状态完全可逆地变化到基准状态（寂态）时，其总能量中理论上不能转化为有用功的部分，称为，也称寂态能、无效能。
为了将此定义中（自然）环境与热力学中泛指的环境相区别，以后将其称为周境。
上述定义中所谓完全热力学平衡，系指：（1）热平衡：即物系的温度变化到与周境的温度完全相同，无温差；（2）力平衡：即物系的压力变化到与周境的压力完全相同，无压差；（3）相平衡：即物系的相态变化到与周境的相态完全相同；（4）化学平衡：即物系的化学物质和组成变化到与周境的化学物质和组成完全相同。
这里还需注意：（1）所谓完全可逆，指物系经历的一切变化，包括内部变化以及和周境间发生的变化都必须可逆；（2）是指总能量中理论上所能作出的最大有用功，这就要求物系从给定的状态变化到周境状态时，一切过程均须可逆，从而使得在一定周境状态下，物系的为唯一确定值；（3）是物系的热力学性质，是状态函数，但与U、H、S等不尽相同。
除取决于物系本身的状态外，还与规定的周境状态有关，所以是一个复合状态函数。
3.1.2 物系的基准状态和周境由的定义得出，当物系与周境建立了完全的热力学平衡时，其为零。
湿空气热力过程的火用分析0 引言火用（exergy）分析是研究能量转化的重要方法，已在能源领域得到广泛的应用。
在空调领域，由于在处理湿空气的时候既存在热量的传递又存在物质的传递（湿度的变化），使得湿空气的火用分析复杂程度增加。
在能源、化工、材料等领域的火用分析方法已经发展得比较完善，很多可以借鉴到湿空气处理过程中。
但是，针对空调的具体应用条件，侧重点有所不同。
火用分析的关键问题是参考点的选择，下面简要介绍一下历史上对零火用参考点的论述。
从60年代末至今，关于参考状态选择的争论从来没有停止过。
所谓参考状态是人为定义的一个环境状态，它实质是一个在一定压力下的无穷大的热源和无穷大的物质源。
参考状态不是随意选定的，对于参考状态的选择原则，Brodjanskij指出作为参考状态的环境介质模型应该具备3个条件：一、与系统作用时保持不变；二、环境介质应该在热力学平衡的范围内；三、接近实际运行的条件或不能相差太远。
至今已经提出了许多环境模型来确定参考状态，如Ahrendts的环境模型、Szargut的环境模型以及Kameyama和Yoshida环境模型以及郑丹星等提出的环境模型等。
这些模型并不是专门针对湿空气，而是涵盖了能源、化工、材料等等诸多领域的第二定律分析的参考点，其中包涵了自然界中所有存在的物质，涉及到每种化学元素复杂形态。
专门针对湿空气火用分析的理论最早是由Szargut（1969）和Wepfer etal.（1979）提出的，后来陆续有国内外学者如朱明善（1985），Moran （1989），Bejan（1996，1997）等对该理论进行过阐述。
继之，有学者应用热力学第二定律的思想来思考湿空气的热力学过程，Jung Yang San(1985)，Cammarata(1997)，Fratzscher(1997),任承钦等应用该理论分析实际的湿空气处理过程，湿空气火用分析问题的焦点是环境参考点的选择，不同参考点令分析结果大相径庭。
目前的资源综合利用分析与评价主要是基于统计数据的指标评价。
较早出现并具有影响力的评价指标有联合国可持续发展委员会建立的可持续发展指标，蔡邦成等基于生态环境和经济可持续发展理念建立了区域可持续发展评价指标。
但是，指标评价存在数据统计工作繁多、指标计算过程复杂、不能给出量化的评价结果等问题。
在能源利用效率研究中，一直困扰人们的也是如何将非同质的能源投入要素、不同产出进行加总和成本分摊等问题，火用概念的提出解决了这个问题。
火用指能量、物质系统在只有环境作用的条件下，经历可逆过程达到与周围环境状态平衡时能产生的最大可用功。
火用为正确评价不同形态的能量、不同状态的物质的价值提供了统一的标尺[1]。
火用分析是根据进出系统火用的不平衡发现不可逆火用损失，对系统物质、能量利用状况给出全面评价的分析方法。
火用分析不仅已被广泛应用于冶金、电力、水泥等高耗能生产过程和设备的能量系统的分析和评价,火用理论也成为了评价地球和国家资源环境状况的重要工具。
建设资源节约、环境友好两型社会要求的是节约原材料、能源、资金、劳动力以及环境资源等的广义节能。
广义节能必须要有新的科学有效的分析和评价方法对经济系统进行评价和监督。
将火用理论与微观经济学结合，形成了交叉学科—火用(热)经济学。
火用(热)经济学在生产系统的综合经济性分析方面得到了应用。
张超等在单位火用成本基础上，分析了电厂热力系统在设计工况以及变工况下火用成本的分布规律，并且定量研究了各种运行参数对设备火用成本的影响。
而运用火用(热)经济学对运行机组各设备的火用成本变化进行在线监督，已经是热力系统故障诊断的主要方法之一。
但是，火用经济学分析中总是存在热力学参数火用与经济学量货币资金的分别衡算问题，衡算方程多，计算过程复杂。
目前，火用经济学分析的应用研究主要集中在只有单一火用流输入的火电厂或者供热系统的火用成本分析、经济性优化和故障诊断等方面。
生产资料(土地、原材料和能源等)、资金和劳动力是生产系统的3 个要素资源，随着环境恶化，生产的环境成本越来越高，环境资源也成为了生产要素资源之一。
若能将这些类别截然不同的资源用统一的测度参数进行度量，就解决了同类型资源的加总和比较问题，从而可对资源综合利用状况进行量化分析[2]。
1.自然资源的泛火用计算泛火用反应的是物品的价值，只有当物质和能量等自然资源是商品时才有泛火用，当属于生产资料的自然资源不是商品时，它们虽然含有火用，但它们的泛火用为0。
自然资源可分为不可再生资源和可再生资源，许多可再生资源如太阳能、风能、水能等都不是商品资源，它们的泛火用为0。
物质、能量等自然资源的泛火用可用下式表示U ME=U NR=E NR式中：U ME 为投入到系统的物质和能量的泛火用,MJ；U NR 为不可再生资源的泛火用，MJ；E NR 为不可再生资源的火用，MJ。
式(1)表明：投入到系统的物质和能量等自然资源的泛火用等于其中不可再生的自然资源的泛火用，可再生资源的泛火用为0 MJ，而不可再生资源的泛火用等于其火用值。
1.1资金的泛火用计算货币是一般商品的特殊等价物，可以与任何商品进行交换。
当作为特殊商品的资金货币与一般商品进行交换时，认为它们具有等量的泛火用。
例如，用一定量的资金购买到一定量的某种商品时，可以认为这些资金的泛火用与购买到的商品的泛火用相同。
U C=u c C式中：U C 为一定量的资金的泛火用量，MJ；u C 为单位货币资金的泛火用，MJ/$;；C 为资金总量，$单位货币资金泛火用u C 是单位资金能够购买到的物质资源的火用。
不同类别的系统有不同的计算方法。
1.2工业系统资金泛火用量的计算对于一般工业系统的分析，资金泛火用计算遵循火用经济学的思想，资金泛火用或以购买系统所有物质和能量资源泛火用的资金成本为依据计算，或以系统所有输出产品的泛火用的资金量为依据计算，工业系统的单位资金泛火用为：u c=U i i式中：U i 为第i 种输入系统的自然资源或产品的泛火用量，MJ；C i 为购买第i 种资源付出或卖出第i 种产品获得的资金量，$1.3劳动的泛火用计算劳动的泛火用计算以劳动力的工资为基础，工资以货币和资金形式表现，劳动的泛火用为U L=u C C L式中：U L 为投入工业生产系统的劳动的泛火用，MJ；C L 为劳动力的工资总量，$。
1.4环境成本的泛火用及其计算环境成本的泛火用是指使用环境导致了环境污染和破坏，将环境恢复到正常状态所必须消耗的最小的物质和能量火用。
环境状态的恢复不是 1 个人、1 个企业甚至 1 个国家能够做到的，它需要全人类的努力。
而分摊到每个生产系统和消费系统的环境成本就是必须付出的排污税(费)、治污费、碳排放费等，这些费用都以资金量体现。
环境成本的泛火用可用下式计算U E=u C C EU E 为生产系统的环境成本泛火用，MJ；C E 为系统的环境成本费用，$。
2.泛火用分析方法的定义泛火用概念的提出解决了不同类型资源的加总和比较问题。
泛火用分析方法(UEA，即Universal exergyanalysis)就是以泛火用作为衡量物质、能量、资金、劳动及环境成本等一切商品要素资源价值的统一尺度，对系统进行泛火用衡算，揭示系统中所有资源被消耗和利用的机理，以获得资源综合利用状况的分析方法，它是一种综合性的定量分析方法。
2.1生产系统的要素资源流与泛火用流任意系统的物质、能量、资金和劳动等要素资源投入和产出的资源流动示意图。
系统的投入项包括原材料与能源等自然资源输入和设备投资、劳动投入等资本输入；产出项包括主产品、副产品和排放物。
投入的物质和能源资源可划分为再生的和不可再生资源，不可再生资源可继续划分为取自自然环境的资源和回收利用的资源2 种类别。
系统的泛火用输入为4 项，即物质、能量的泛火用UME、设备投资的泛火用UC、劳动成本的泛火用UL 和废物排放引起的环境成本的泛火用UE[3]。
系统总泛火用输入量为：U in =U ME +U C +U L +U EU NR +U C +U L +U E与物质、能量流方向不同，系统的排放物是离开系统的，但因废物排放导致的环境费用的泛火用在却变成了输入项。
投入系统的自然资源的泛火用U ME等于其中不可再生的自然资源的泛火用U.将投入系统的物质、能量和资金等各种资源要素都换算为泛火用后，系统的泛火用衡算分析显得直观且易于理解。
图2 中系统的泛火用平衡计算方程为：U ME +U C +U L +U E =U mp +U bp +U loss3.基于泛火用分析的节能评价指标泛火用利用系数是指系统有效利用的泛火用量与输入系统的总泛火用量之比。
在生产系统中，有效利用的泛火用是输出的所有产品(主产品和副产品)的泛火用量。
根据图 2 和式(7)，总系统的泛火用利用系数为：ρ=U efU in=U mp+U bpU in式中：ρ 为系统的泛火用利用系数；Uef 为输出的有效泛火用，指所有产品(产品和副产品)的泛火用，MJ；Emp 和Ebp 为主产品和副产品的火用，MJ。
泛火用利用系数是生产系统资源利用状况的综合反映。
式(9)表明：在同等技术条件下，降低不可再生资源消耗，增加可再生资源消耗的比例，则在投入总火用不变的情况下，投入不可再生资源的火用ENR 降低，系统的泛火用利用系数提高[4]。
3.1主产品泛火用利用系数主产品泛火用利用系数ρmp 为输出的主产品的泛火用与总输入泛火用之比ρmp=U mpin主产品泛火用利用系数反映了输入总泛火用被利用于生产主要产品的份额，是反映单位产品泛火用消耗情况的重要指标，要降低单位产品的资源消耗，必须提高主产品泛火用利用系数。
生产系统对生态环境的影响越小，则系统的可持续发展性越好。
社会生产系统从2 个方面对自然生态环境造成影响：一方面，是从自然环境系统索取不可再生资源造成资源短缺；另一方面，是向环境排放废弃物而造成环境污染。
由于系统排放的各废弃物对环境造成危害的程度不同，因此，排放物对环境的影响程度不能以排放物的总量或者总火用来衡量，而应该以系统付出的环境成本的泛火用来衡量。
输入生产系统的不可再生资源火用包括从自然界索取的和回收利用的资源。
4.泛火用分析方法的应用以某年产10 万t 粗铅的SKS 炼铅系统(水口山炼系统)为案例进行泛火用分析。
该系统设备总初投资(不含土地等费用)为63 769 800 $，维修费平均每年为1 483 000 $ ，劳动力工资及管理费用每年约为3258000$，排污费平均每年为519 000 $。
选取系统生产稳定、设备运转率为90%的某一生产月的统计数据为物质、能量投入量及其泛火用的计算依据。
根据统计数据计算得到：该SKS 炼铅系统每生产1 t 粗铅产品时需要投入的物质和能量的总火用量EME 为21.066 19 GJ，输出系统的产品火用即收益火用Ep为4.392 52 GJ，主产品粗铅的火用Emp 为 2.036 45 GJ。
以当前价格计算，获得购买物质和能量的总资金为 2 101.10 $。
由式(3)可求得系统的单位资金泛火用为10.03 MJ/$[5]。
取生产系统装置折旧年限为10 a，银行利息为10%，资金周转期为90 d。
以系统建设的初投资的年折旧费、维修费用和流动资金的财务成本为系统资金成本、劳动力工资及管理费用为劳动力成本、污染排放费为环境成本对系统的各泛火用量进行计算和分析，获得系统的单位产品对应的各泛火用投入和产出量并进行泛火用分析，得到结果如表1 所示。
由表1 可知：SKS 炼铅系统的泛火用利用系数和主产品泛火用利用系数都较低，分别为0.189 6 和0.087 9；可持续发展指数很小，仅为0.208。
可见：输入系统的自然资源特别是不可再生资源的泛火用量占比很大，说明SKS 炼铅系统主要以消耗不可再生自然资源为主，属于资源消耗型企业，可持续发展性很差，因此，这类系统的综合节能主要应该从技术上、管理上采取措施，减少不可再生资源火用特别是不可再生能源火用的消耗。
4.1泛火用分析在太阳能光伏发电系统中的应用以北京地区的光伏发电系统作为研究实例，分析光伏发电系统的经济效益和综合环境效益。
研究表明：太阳能光伏系统的寿命为20~25 a，根据北京地区年日照量的历史平均数据，取电池组件的年衰减为1%，大气尘埃造成阻挡的年衰减为l%，计算可得到平均每1 W 装机容量的光伏电池的20 a 总发电量为22.696kW·h。
[6]光伏发电系统运行时只利用太阳能，太阳能是非商品的可再生能源，因此，输入系统的自然资源的泛火用量为0 MJ；光伏发电系统运行人员很少，取劳动力成本为0 $；光伏系统无污染排放，环境成本也为0 $。
因此，太阳能光伏系统的投入泛火用仅是光伏装置购置和安装的资金成本的泛火用。
