吳照云（東北石油大學(xué)）

能量系統(tǒng)效率問題的探討

吳照云（東北石油大學(xué)）

按能量系統(tǒng)效率的評價(jià)目的對效率進(jìn)行了區(qū)分，研究提出了以評價(jià)能量系統(tǒng)對供給能源利用狀況為目的的效率所存在的不完善性，分析了影響不完善性的因素以及不同效率之間的關(guān)系，給出了判斷效率不完善產(chǎn)生失真程度的方法。目前，普遍采用評價(jià)供給能源利用狀況的效率，有必要判斷評價(jià)供給能源利用狀況的效率的失真是否在允許誤差內(nèi)，如若超出了允許誤差，則不應(yīng)采用。

效率 不完善性 能量系統(tǒng)

1 能量系統(tǒng)效率的定義與評價(jià)的目的

能量系統(tǒng)效率作為能量系統(tǒng)的評價(jià)指標(biāo)，根據(jù)效率的不同定義可以看出評價(jià)的目的不一樣。一種評價(jià)的是能量系統(tǒng)對輸入能量的利用狀況，另一種評價(jià)的是能量系統(tǒng)對供給能源的利用狀況。

列出以評價(jià)能量系統(tǒng)對輸入能量利用狀況為目的的效率定義如下：

——效率為一種機(jī)械（原動機(jī)或工作機(jī)）在工作時(shí)輸出能量與輸入能量的比值[1]。

——效率為在一定運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，一個(gè)動力系統(tǒng)輸出的有用能量和向它輸入的能量之比[2]。

——效率為機(jī)器的輸出能量與輸入能量的比率[2]。

再列出以評價(jià)能量系統(tǒng)對供給能源利用狀況為目的的效率定義如下：

——效率為當(dāng)燃料所含的全部可用的可氧化物質(zhì)都燃燒后，單位燃料熱量輸出的程度的量度[2]。

——能量利用效率為有效利用能量占供給能量的百分?jǐn)?shù)。它表示供給能量的有效利用程度[3]。

——鍋爐(熱)效率為單位時(shí)間內(nèi)，鍋爐有效熱量占所消耗燃料的供給熱量的百分?jǐn)?shù)[3]。

——泵系統(tǒng)運(yùn)行效率為泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)管網(wǎng)末端輸出的有效功率與電源開關(guān)輸出端的有功功率之比的百分?jǐn)?shù)。

由上述效率的定義可以看出，評價(jià)目的不一樣，效率定義的含義是有區(qū)別的，因此相應(yīng)的計(jì)算方法也會有所不同。

2 效率計(jì)算表達(dá)式

2.1 效率計(jì)算模型

根據(jù)上述效率的定義，能量系統(tǒng)可以用圖1的計(jì)算模型來表示。

圖1中黑框表示能量系統(tǒng)的邊界，EJ為工質(zhì)（如需加熱或增壓的水）進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)帶入的能量；EC為工質(zhì)輸出系統(tǒng)時(shí)帶出的能量；ES為系統(tǒng)的各種能量損失；E供為外界供給系統(tǒng)的能源（如燃料能、電能等）。

2.2 效率計(jì)算表達(dá)式

2.2.1 評價(jià)輸入能量利用狀況的效率計(jì)算表達(dá)式

為方便分析，文中將評價(jià)輸入能量利用狀況的效率用η1表示，計(jì)算表達(dá)式見式（1）：

通過圖1的平衡關(guān)系可以得到：

2.2.2 評價(jià)供給能源利用狀況的效率計(jì)算表達(dá)式

將評價(jià)供給能源利用狀況的效率用η2表示，計(jì)算表達(dá)式見式（3）：

3 對η2計(jì)算表達(dá)式的分析

3.1 由式（3）得出的推斷

由式（2）可知：

再根據(jù)式（3）可以得到：

因此，由式（3）得到的推斷是：

——外界供給系統(tǒng)的能源E供進(jìn)入系統(tǒng)后轉(zhuǎn)化為兩部分，一部分轉(zhuǎn)化為工質(zhì)輸出系統(tǒng)時(shí)獲得的能量增量（EC-EJ），另一部分轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的能量損失ES。

——能量損失ES由E供轉(zhuǎn)化而來的，與其它項(xiàng)無關(guān)。

——工質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)帶入的能量EJ隨工質(zhì)輸出系統(tǒng)時(shí)仍為EJ，是恒定的，沒有發(fā)生變化。

3.2 推斷存在的問題

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，由式（3）得到的推斷存在著以下問題：

（1）圖1的計(jì)算模型及相應(yīng)的能量平衡關(guān)系表明：ES與E供和EJ都有關(guān)，只有在EJ為零的特殊條件下，ES才僅與E供有關(guān)。否則，不成立。

（2）進(jìn)入系統(tǒng)的工質(zhì)所帶入的能量（如熱能、壓力能）在輸出系統(tǒng)時(shí)會產(chǎn)生損失（散熱損失、摩阻損失等），即EJ有一部分會轉(zhuǎn)化為能量損失，認(rèn)為：“工質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)所帶入的EJ直至輸出時(shí)沒有變化”不符合過程能量變化的特性。

（3）能量損失ES不僅與E供有關(guān)，與EJ也有關(guān)，ES包括了EJ轉(zhuǎn)化的能量損失。

因此，認(rèn)為“系統(tǒng)的能量損失ES只與系統(tǒng)供給能E供有關(guān)”是片面的，不是普遍成立的，只有在特殊條件下才能成立。

3.3 η2的定義及計(jì)算方法的不完善

推斷出現(xiàn)的問題表明η2的定義及計(jì)算方法存在著不完善。工質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)所帶入的EJ至輸出過程會有損失，輸出系統(tǒng)時(shí)帶出的能量中只能包括EJ的剩余部分，而不是全部，由于η2的計(jì)算中沒有考慮這部分損失，所以計(jì)算結(jié)果會產(chǎn)生失真。在某些條件下，這種失真就會比較嚴(yán)重，計(jì)算結(jié)果會出現(xiàn)明顯的不合理。分析如下：

根據(jù)圖1可以得到關(guān)系式

如果工質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)所攜帶的EJ足夠大，而供給系統(tǒng)的E供相對不夠大，且滿足以下關(guān)系

則

在此條件下，由式（6）可知 EJ＞EC，即EC-EJ＜0

在實(shí)際的能量系統(tǒng)分析中會碰到計(jì)算得出的η2為負(fù)的事例。例如在油田機(jī)械采油井的系統(tǒng)效率測試中，按η2計(jì)算方法得到的結(jié)果有時(shí)會出現(xiàn)負(fù)值，其實(shí)原因就是當(dāng)油井采出液在地下進(jìn)入井筒時(shí)攜帶的能量足夠大（相當(dāng)于EJ），由于井筒從井底到地面一般少則幾百米，多則幾千米，地下采出液在井筒流動過程的能量損失ES滿足前面分析的條件時(shí)，計(jì)算得到的η2就會是負(fù)值。

通過理論及實(shí)際事例的分析可知，由于η2的計(jì)算方法不合理地將系統(tǒng)的能量損失ES全部歸給供給系統(tǒng)的E供，當(dāng)工質(zhì)輸入系統(tǒng)時(shí)帶入的EJ相對于E供足夠大，且能量損失ES也比較大時(shí)，計(jì)算的η2就會與實(shí)際不符，產(chǎn)生比較大的失真。

4 η2失真程度的判斷方法

4.1 反映能量系統(tǒng)供給能利用狀況的實(shí)際效率

用η表示反映能量系統(tǒng)供給能利用狀況的實(shí)際效率，設(shè)ΔES為EJ至輸出過程所產(chǎn)生的能量損失，則

式（7）表示了能量系統(tǒng)供給能的實(shí)際利用狀況，由于與EJ相關(guān)的損失ΔES很難通過測試或計(jì)算得到，所以無法直接由式（7）得到η。

4.2 修正效率

η避免了η2的不完善性，但是難以通過測試或計(jì)算得到，所以無法用η代替η2。通過分析已知η2承擔(dān)全部ES是不合理的，因此采用將能量系統(tǒng)的損失按比例分?jǐn)偟霓k法來對η2進(jìn)行修正。ES為能量系統(tǒng)總的能量損失，包括了EJ產(chǎn)生的損失，若將ES按E供與EJ的比例進(jìn)行平均分?jǐn)?，分?jǐn)偨oEJ的損失量用表示，則

對η2修正后的修正效率用ηX表示，則

4.3 各種效率之間的關(guān)系

4.3.1 η與η2的關(guān)系

比較式（7）與式（3），得到

4.3.2 η2與ηX的關(guān)系

ES為能量系統(tǒng)總的能量損失，包括了傳熱損失、燃燒損失、傳動損失、散熱損失、摩阻損失、泄漏損失等各類損失，而由EJ產(chǎn)生的損失ΔES只與ES中的某些類型的損失有關(guān)，例如可能與散熱損失、摩阻損失、泄漏損失有關(guān)，但與燃燒損失、傳動損失應(yīng)該是無關(guān)的。對η2的修正中將ES按E供與EJ的比例平均分?jǐn)?，分?jǐn)偨oEJ的包括了與ΔES無關(guān)的損失，因此

將式（7）減式（9），得到

因此

4.3.3 η1與ηX的關(guān)系

對式（9）進(jìn)一步推導(dǎo)，可以得到

即式（9）等于式（1），所以

4.4 η2失真程度的判斷

η與η2的差值可以反映η2對于能量系統(tǒng)供給能真實(shí)利用狀況的失真程度，若用Δ1表示，即

用Δ表示η1與η2的差值，即

由式（10）、式（11）和（式（12）可得

由式（14），可知

η2的不完善性會導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果失真，若非出現(xiàn)負(fù)值，一般來說無法判斷計(jì)算結(jié)果的失真大小，以及這種失真是非可以忽略。有了式（14），就可以利用Δ來確定η2的失真程度，先用式（13）計(jì)算得到Δ，再與設(shè)定的允許誤差比較，如果Δ小于允許誤差，那么根據(jù)式（15）可以斷定，η2的失真程度一定在允許誤差內(nèi)，可以采用；如果大于允許誤差，則不應(yīng)采用。

5 結(jié)束語

目前，普遍采用η2來評價(jià)能量系統(tǒng)對供給能源的利用狀況，但η2的定義及其計(jì)算方法存在的不完善所導(dǎo)致的失真通常并未引起人們的注意。盡管在許多情況下η2的失真可以忽略，但不能避免有時(shí)的失真是不可忽略的，如果不對η2的失真大小做出判斷，這種錯(cuò)誤又不易被察覺，就會導(dǎo)致對能量系統(tǒng)的用能狀況做出錯(cuò)誤評價(jià)。例如，采用η2對機(jī)械采油井的用能狀況進(jìn)行評價(jià)，如果該機(jī)械采油井的η1為30%，當(dāng)油井的地下采出液帶入井筒的能量比較大，與系統(tǒng)總的輸入能量的比值達(dá)到0.25時(shí)，η2僅為6.67%，若不考慮η2的失真情況，就會做出該油井效率太低，屬于高耗能油井的評價(jià)。但是，若注意到η2的Δ達(dá)到23.3%，就會斷定η2的失真太大，不能作為評價(jià)的依據(jù)。事實(shí)上，如果該油井地下采出液帶入井筒的能量比較小，與系統(tǒng)總的輸入能量的比值為0.05的話，同樣η1為30%，η2則達(dá)到26.32%。前后兩種情況的差別僅僅在于油井地下采出液帶入井筒的能量不同而已，標(biāo)志能量利用水平的η1是相同的。因此，當(dāng)需要采用η2評價(jià)能量系統(tǒng)的供給能源利用狀況時(shí)，有必要判斷η2的失真是否在允許誤差內(nèi)，如若超出了允許誤差，則不應(yīng)采用。

[1]夏征農(nóng)等.辭海（1989年版）.上海:上海辭書出版社,1990.

[2]現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)詞典.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1980.

[3]全國能源基礎(chǔ)與管理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會能源術(shù)語分委員會編著.能源基礎(chǔ)術(shù)語.北京:科學(xué)出版社,1991.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.05.001

吳照云，1982年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院，研究員，從事油田節(jié)能和標(biāo)準(zhǔn)化研究工作，E-mail：wuzy126@126.com，地址：黑龍江省大慶市東北石油大學(xué)，163318。

2012-04-08）