能量系统优化（共10篇）
能量系统优化 篇1
1 能量回收系统研究与应用现状分析
能量回收一直是科学领域研究的重点课题之一。无论是工业还是交通行业 (比如, 汽车能量回收等) , 亦或是日常生活领域, 能量浪费现象均比较严重。在当前能源消费不断增加、存量能源面临“枯竭”的背景下, 如何实现能量回收、提升能量利用效率就显得尤为重要。能量系统回收最早应用于海水淡化工艺流程。近年来, 随着能量回收系统研究力度的不断加大, 能量回收系统开始逐渐地应用于工业、交通、生活等诸多领域, 有效地消除了能量损失过大、利用效率较低的现象。
2 容积式能量回收系统及其优化设计
2.1 容积式能量回收系统简介
容积式能量回收系统采用的是“双液压缸”的工作结构, 缸内通过设置活塞隔离成为上下两个“腔室”;硬件部分主要包括配流块、换向控制集成块、供料泵以及活塞组建等;触摸屏、PLC控制系统、传感器、变频器以及组态软件等组成容积式能量回收系统的电气控制系统, 达到控制回收系统安全、稳定回收能量的目的, 比如, 供料泵的控制、液压缸的运行状态、回收能量流量等等都主要通过该控制系统来实现。实际运行过程中, “双缸”交替工作。以化工废液回收为例, 通过安装能量回收装置, 供料泵将废液输送到“A缸”的上腔, 然后打开下腔所连接的电池阀, 高压废液流入下腔, 然后推动缸内活塞向上运行;同时, 开启B缸进液阀, 低压废液流入B缸上腔推动缸内活塞向下运行, 同时打开下腔连接的电池阀排入再生系统。
2.2 容积式能量回收系统的优化设计
2.2.1 容积式能量回收系统液压冲洗的优化
过大的液压冲击不仅会影响装置的安全、稳定运行, 而且还会影响能量回收效果, 降低能量回收效率。容积式能量回收系统工作过程中, 时常会出现液压冲击现象, 对回收装置的正常运行造成不利影响。比如, 开关阀门活塞制动过程中, 液压冲击现象就会频现。实践中, 一方面, 可以采取降低电池阀换向速度或者是加入阻尼装置的方式, 缓冲液压冲击、降低系统的功率消耗;另一方面, 可以在缸内安装圆锥形环隙式缓冲结构, 以减少活塞制动、换向时的冲击力度。
2.2.2 容积式能量回收系统的流量调节
针对废液能量回收而言, 流量过大或者过小都会对容积式能量回收装置的运行、系统的回收效率产生影响, 因此, 必须对流量进行调控, 确保废液流量能在系统参数范围之内变化, 以取得比较理想的能量回收效果。废液流经A缸或者B缸时, PLC负责自动检测活塞运动位置并计算活塞运动到“电池阀门”的时间, 然后在活塞运行到极限位置时, 控制系统打开电池阀门, 但是, 实践中, 经常出现时间差过大的情形, 导致活塞运行时间变化比较大, 影响能量回收的稳定性。
2.2.3 容积式能量回收系统控制系统的优化
PLC控制系统是容积式能量回收系统的核心部件, 其自动化控制精度的优劣, 会直接影响到该系统的能量回收效果。选用自动调节阀, 提升PLC控制系统流量信号检测的精确度, 然后根据废液流量发出控制指令, 将缸内废液流量控制在设置范围之内。
2.2.4 容积式能量回收系统故障诊断的优化
传统的容积式能量回收系统的故障诊断、故障维修基本上是以人工为主, 不仅耗费时间, 而且还极易引发重大事故。针对这一问题, 可以在PLC自动控制系统 (比如, 人机界面) 增加故障自动诊断及控制模块, 通过将检测到的信号直接显示到诊断功能模块, 比如, 阀门所处的状态、电机的制动等等, 便于操作人员实时掌握设备的运行状态, 做到早期预防、早期发现, 准确、及时地发现系统故障位置以及故障原因, 这不仅大大缩短了故障诊断、维修的时间, 而且还可以防患于未然, 将各种潜在的威胁消灭在萌芽状态。
摘要：能量回收一直是科学领域研究的重点课题之一。在当前能源消费不断增加、存量能源面临“枯竭”的背景下, 如何实现能量回收、提升能量利用效率就显得尤为重要。基于现有研究成果, 重点探讨、分析容积式能量回收系统的功能、应用以及优化问题, 旨在达到扩大容积式能量回收系统的应用范围、提升容积式能量回收系统的能量“回收”效率。
关键词：容积式,能量回收,系统优化,设计
参考文献
[1]季宏丽, 马勇, 裘进浩, 等.高效压电能量回收系统的优化设计 (英文) [C].第4届国际压电驱动材料及应用研讨会论文集[C].2008.
[2]薛树旗, 孙鑫, 刘永强, 等.余压能量回收技术在船用反渗透海水淡化工艺中的应用研究[J].船舶工程, 2016, (1) .
能量系统优化 篇2
关键词：能量/质量交换网络；耦合；多目标；瓶颈；优化
Multi-objective optimization and synthesis of energy/mass coupled cascade utilization network
Abstract：Due to the different grade of energy and mass， the cascade utilization of energy and mass is the core approach to reach high efficiency， energy saving and emission reduction. This subject aims to coordinate the different functionalities and objectives for energy and mass transferring system via thermodynamic analysis. We will explore the relationship between the network topology and different functionalities and objectives and identify the system bottleneck. The theory and approach on the multi-objective optimization of energy/mass coupled cascade utilization network will be built and the way of resource utilization optimization would also be investigated. In addition， the research results would be applied in the typical chemical process for olefin and polyolefin.
Keywords：Energy/mass transferring network； coupling； multiple-objective； bottleneck； optimization
容积式能量回收系统优化设计研究 篇3
在能源缺失和工业效益等因素下,国内外许多科研人员已经致力于能量回收技术的应用研究。能量回收技术最早应用于海水淡化工艺,随后应用到越来越多的行业。在化工行业,合成氨工艺中废液的高压能量被浪费[1],能量回收技术的应用能有效的解决这个问题,不同形式的能量回收装置涌现出来。容积式液压能量回收装置利用液压能量一次转换,理论上回收效率达100%,实际应用中则是部分代替铜液泵对低压新鲜铜液增压。
1 能量回收机的应用背景
容积式能量回收装置采用立式双作用液压缸结构,工作时双缸交替使用。PLC和人机界面等组成能量回收电气控制系统,可以实时监控能量回收系统的运行状况。能量回收系统根据工艺要求对废液的高压能量进行回收,进而利用到低压新液的加压工序中,减少了能量的浪费,缩小了高压泵的使用范围,从而节省电能的使用,为企业带来经济效益。
在合成氨工艺流程中,洗涤原料气时需要高压新鲜铜液,铜洗结束后流出铜洗塔的废铜液仍带有高压能量,废铜液进入再生系统时不需要高压能量,通过多级减压阀将其高压能量减掉[2],铜洗塔工艺流程如图1所示。在铜洗工艺流程中装有能量回收装置,利用高压废铜液的能量对新鲜低压铜液进行加压,供洗涤原料气使用。高压铜液在洗涤过程中会有部分能量损失,而流出铜洗塔后通过管道、阀门进入活塞中也会损失小部分能量,因此在实际工程中还需要小型的高压铜泵为系统提供部分动力[3]。
2 能量回收系统的工作流程
容积式液压能量回收装置的主体是双作用液压缸,液压缸内由活塞隔离成上下两个腔室,硬件部分还包括换向控制集成块(换向阀件、压力传感元件等)、配流块(为双液压缸的进、排液阀集成块)、供料泵和活塞组件等。
高压废铜液由铜洗塔底部排出,其中小部分铜液经过减压阀直接进入再生系统,而大部分废铜液经过管道、阀门进入能量回收装置,回收其高压能量后进入再生系统。
回收装置工作时,供料泵将低压新鲜铜液输送到A缸上腔后,下腔连接的电磁阀打开,高压废铜液进入下腔,高压废铜液推动活塞上行对低压新鲜铜液加压,上腔连接的排液阀门打开,将加压的新鲜铜液泵入铜洗塔顶部。A缸动作的同时B缸上腔进液阀开启,由供料泵供应的新鲜低压铜液进入B缸上腔推动活塞下行,下腔连接的电磁阀打开,下腔被回收能量的低压废铜液由B缸下腔排出进入再生系统。
当A缸活塞上升到限位点时,接近开关1KT闭合,进而控制进液电磁阀闭合,排液电磁阀打开,供料泵提供新鲜铜液由进液阀进入A缸上腔推动活塞下行,下腔废铜液经排液电磁阀排出进入再生系统。当B缸下行至限位点时,接近开关4KT闭合,下腔连接的排液电磁阀关闭,进液电磁阀开启,来自铜洗塔的高压废铜液进入B缸下腔,高压液体推动活塞上行对上腔新鲜铜液加压,上腔排液阀开启将新鲜铜液排出进入铜洗塔。双缸如此循环,交替上行、下行工作[4]。
能量回收装置在回收高压能量的过程中,对新鲜铜液不断提供高压能量并将其送入铜洗塔,减少了传统工艺中高压泵的电能消耗。
3 能量回收系统的电控部分
3.1 电气控制系统的组成结构
为了适应车间级工作现场实时监控的趋势,能量回收系统加强了电气控制系统部分的设计。电气控制系统采用PLC、触摸屏、变频器、传感器以及组态王等硬件和软件,实现能量回收过程中的数据采集和监控,包括铜液压力信号、液缸位置信号、供料泵工作情况、主机流量等信号,并实现报警。
电气控制系统主要包括人机界面、组态软件以及硬件结构等。其结构图如图3所示。
人机界面部分采用西门子公司的S7-200PLC和TP171系列触摸屏,通过组态王软件实现对能量回收系统的组态和监控。TP系列触摸屏代替传统的控制面板,增加了文本显示量,丰富了显示界面,提高了工作人员对人机界面的可操作性。PLC和CPU通信模式通用性强,可与整个合成氨生产工厂DCS系统互联互通。数据采集仪器将采集的现场信号送到PLC,通过液晶屏显示出来,组态软件的图形界面可以直观的呈现出工作现场,工作人员根据现场工况标准对采集信息进行分析,采取调整措施保障能量回收机正常工作并处于最佳状态。
3.2 PLC的报警设置及控制功能
在能量回收系统工作运行时,压力传感器将检测到的高低压废铜液及新鲜铜液的压力信号转换成4m A~20m A的电流信号,直接送入PLC中,PLC再传输到触摸屏显示出来,PLC根据程序员设定的各项压力报警极限,实时监控报警,工作情况严重时能量回收机将自动保护停车。接近开关将检测到的位置信号直接传入PLC,PLC根据程序指令实时控制电磁阀通断电,进而控制液压缸往复自动换向。
3.3 组态软件及人机界面
能量回收系统采用组态王软件进行系统组态,组态王是一个具有易用性、开发性和集成能力的通用组态软件,它向下能与低层数据采集设备通信,向上能与管理层通信,实现上位机与下位机的双向通信。组态王强大的界面显示组态功能和仿真功能,使得能量回收系统在设计阶段以及今后的使用阶段具有直观的实时监控性。
对于能量回收系统电气控制部分,组态王软件以画面和报表的形式将能量回收机的工作状态展现在操作人员眼前,如图4所示,方便工作人员实时地监视控制系统运行。组态王将从能量回收系统工作现场采集的数据记录在实时数据库中,把数据的变化用动画的方式形象地表示出来,同时完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视功能,并生成立式数据文件。
4 系统设计方案优化分析
容积式能量回收系统在设计方案中针对以下环节进行了分析、设计和优化。
4.1 液压冲击
由于某些因素影响,液压系统中会产生液压冲击,如阀门的迅速开启或关闭会引起液压冲击,应尽可能减慢电磁换向阀的移动速度,适当降低阀门的控制压力,或加入阻尼装置。选用气动阀作为先导阀,辅助电磁阀控制液体流量,降低功率消耗。
对于活塞换向或制动时在液压缸内产生的液压冲击,可以利用一些缓冲装置来减少冲击力度。液压缸中常见的缓冲结构有圆柱形环隙式、圆锥形环隙式、可变节流槽式和可调节流孔式,如图5所示[5]。
比较四种装置后选取圆锥形环隙式缓冲结构,其缓冲柱塞为圆锥形,缓冲环形间隙随位移的变化而变化,即通流截面面积随缓冲行程增大而减小,使机械能的吸收较均匀,其缓冲效果较好,相较可变节流槽式装置而言结构简单[6]。
4.2 流量调节
进入铜洗塔的高压铜液流量需要满足铜洗工艺需求,流量的变化对工业生产影响很大。为保证铜洗塔不间断供应铜液,两个液压缸交替工作时,双缸活塞上下行时间差应尽可能小。当活塞上、下行到极限时,PLC检测到位置信号并计算出液缸运行时间,对两缸活塞的运行时间进行比较,时间差过大时需要调整运行时间,通过调节进入液压缸的流量可调节活塞运行时间。
供料泵输入到液压缸的铜液流量影响着活塞下行时间,通过调节变频器的频率可调整供料泵的运行速度,对输出流量进行控制,进而缩小两缸运行的时间差。变频器频率与供料泵电机转数的关系如下式:
其中,n为电机转数;
f为变频器频率;
p为电机的极对数。
影响活塞下行时间的流量可通过调节阀来调整,工业中常通过手动阀控制阀门开度调整流量,由于手动调节偏差较大、调节滞后,故选择与控制系统相连的自动调节阀,当PLC检测到流量信号时,分析实际情况对自动调节阀发出命令,控制流量在设定值偏差范围内。在流量调节过程中,可利用PID控制算法进行优化。
4.3 设备故障诊断功能优化
当系统故障时,一般由检修人员检查各个设备或线路是否正常,这样造成故障停车时间较长,影响了生产进度。针对这一因素,在人机界面的设计中增加了自诊断功能界面(如图7所示),将现场检测量实时状态显示在诊断界面中,如电机启停状态、阀门开启关闭状态等,工作人员实时了解和掌握设备运行技术状态,确定其整体或局部正常与否,早期发现故障并判断故障的部位和程度,分析故障原因,及时排除故障。这大大缩短了故障检修时间,缩短了工厂故障停机的时间,降低了对维修人员的依赖程度,提高了生产效率。
5 结论
容积式能量回收系统采用以PLC为核心的电气控制部分,人机界面作为操作人员与工业现场的桥梁将PLC采集数据直观展现出来,以便实时监控系统运行工况。分析了系统优化方向,使能量回收系统能高效、稳定的工作。
摘要：以容积式能量回收装置在合成氨铜洗工艺中的应用为研究基础,对能量回收系统电气控制部分进行设计,并提出优化措施提高能量回收机的性能,使系统稳定、有效地回收利用铜液的高压能量。构建以PLC为基础的工业控制系统,采用触摸屏和组态软件等构成人机界面,操作人员通过操作人机界面直接控制现场运行状态,及时对现场工况进行分析与调整。
关键词：容积式能量回收装置,工业控制系统,人机界面
参考文献
[1]曹志锡,汪小洪,赵文宏,等.铜氨液能量回收机在合成氨生产中的应用[J].浙江工业大学学报,2003,31(1):75-77.
[2]朱芸,曹志锡,洪孝鹏.活塞式多相流能量回收装置的研究[J].液压与气动,2010,(1):77-79.
[3]杨守智,张冲,李姝娟,等.原料气洗涤液体能量回收机的研究与开发[J].化肥工业,2003,30(4):26-27,37.
[4]杨守智,马小兵.合成氨原料气湿法脱碳富液能量回收方法的选择[J].化肥工业,2006,33(5):17-19.
[5]袁承训.液压与气压传动[M].机械工业出版社,2008,61-62.
生态系统能量流动计算汇总 篇4
【关键词】 生态系统 能量 流动 计算
【中图分类号】 G633.91 【文献标识码】 A 【文章编号】 1674-4772（2013）03-023-01
一、能量传递效率理解
1. 能量传递效率= ■
2. 能量传递效率大约是10%～20%。其含义是指一个营养级的总能量大约只有10%～20%传递到下一个营养级。如果按20%这一最高效率计算，以第一营养级的总能量为100%，第二营养级所获得的能量为20%，第三营养级所获得的能量为20%×20%=4%，第n个营养级，所获得的能量是第一营养级能量的1/5n-1（若按传递效率10%计算，则为1/10n-1），定量分析是能量流动的关键。
二、能量流动解题方法归纳：
1. 食物链中能量流动计算
[1]根据题目要求确定能量传递效率计算（即能量流动“极值”的计算）
结合某一具体食物链极其传递率10%～20%进行相关计算时，应注意以下思路：
（1）已知高营养级能量（生物量），求低营养级具备能量（生物量）：
（2）已知低营养级能量（生物量），求高营养级能量（生物量）：
[2]根据隐含的能量流动数量关系进行计算
[3]易混淆能量流动计算
2. 食物网中能量流动计算
[1]根据题目要求确定能量传递效率和具体食物链计算
（1）若一食物网中，已知高营养级增重为N
①要求最多需第一营养级多少时，按最长食物链，最低传递效率计算；②要求至少消耗第一营养级多少时，按最短食物链，最高传递效率计算。
（2）若一食物网中，已知第一营养级重量为M
①要求高营养级最多获得多少能量时，应按最短食物链，最高传递效率计算； ②要求高营养级最少获得多少能量时，应按最长食物链，最低传递效率计算。
[2] 根据规定的能量流动效率和规定的食物链计算
（1）已知高营养级能量（生物量），求低营养级能量（生物量）：
例1 在如图所示食物网中，若狼增加1Kg体重，从上一营养级得到的能量各占50%，从理论上推算，最多需消耗草的重量
是（ ） A. 25Kg B. 45Kg C. 550Kg D. 1000Kg
草 兔 狼
羊 狐
[解析]：狼在该食物网中通过两条食物链获得的能量，在草→兔→狼中，经两次传递，在草→羊→狐→狼中经三次传递，能量传递效率为10%，消耗的草最多，所以消耗草的重量为：0.5/（10%×10%）+0.5/（10%×10%×10%）=550（Kg）
故答案选C
（2）已低高营养级能量（生物量），求高营养级能量（生物量）：
例2下图为温带草原食物网简图，已知各营养级之间能量转化效率为 10%，若一种生物
通过食物链平均分配至下一个
营养级，若蛇为44.2Kg，该生态
系统共需要生产者 Kg。
[解析]：首先理清食物
网中蛇共占有三条食物链：
①草→鼠→蛇；②草→食草
昆虫→蟾蜍→蛇；③草→食草昆虫→蜘蛛→蟾蜍→蛇。然后设生态系统共需生产者（草）为A Kg，根据食物链中每种生物分配到下一个营养级是平均的，则有：第一条食物链①A/4×1/10×1/3×1/10；加上第二条食物链②A/4×1/10×1/3×1/10×1/10；再加上第三条食物链③A/4×1/10×1/3×1/10×1/2×1/10×1/10；三者之和等于44.2Kg；解得A=48000 Kg。故答案为：48000.
[3] 根据变化的能量流动效率计算
例3 已知如下图所示的食物网中，C生物同化的总能量为a，其中A生物直接供给C生物的
比例为x，则按最低的能量传递效
率计算，需要A生物的总能量（y）
与x的函数关系式为______。
[解析] 本题中，C获得能量的途径有二条：从A直接获得和从A经B传递间接获得，已知C从A直接获得的比例为x，则直接获得的能量为ax，需要消耗A的能量为10ax，间接获得的比例为（1-x），则间接获得的能量为（1-x）a，需要消耗A的能量为100（1-x）a，那么消耗A的总能量为10ax+100（1-x）a=100a-90ax，亦即y与x的函数关系式为：y=100a-90ax。
[4] 根据特定的能量流动要求计算
例4 有一食物网如下图所示，
设E种群干物质量为5.8×109kJ，
B种群干物质量为1.3×108kJ，则
A种群干物质量的值至少是____。
[解析]：首先由于能量寓于物质之中，所以计算干物质量的值也就是计算能量的量值；其次，由于E种群的干物质的最终去向有B和A，所以要使A种群所得干物质的量最少，只有在E种群以最低的传递效率传给B（这时E种群剩余干物质最少），E剩余部分再以最低的传递效率传给A时才可能发生。B种群干物质量为1.3×108kJ，至多消耗E种群干物质为1.3×108kJ/10%=1.3×109kJ，由于A与E相隔一个营养级，因而A种群干物质量的值至少为（5.8-1.3）×109kJ×10%×10%=4.5×107kJ。
能量系统优化 篇5
能源持续消耗、环境污染等问题成为我国经济、不可再生能源可持续发展中的一个重大问题, 通过调整能源原料的结构, 应用分布式能量供应系统, 优化能源利用, 改善供能的可靠性, 同时降低能源消耗, 减少环境污染, 这将是能量供应系统的发展方向。分布式能量供应系统在第二代能量供应系统的建设中起着积极的作用, 具有广泛的发展前景。
2 分布式能量供应系统概述
2.1 分布式能量供应系统的概念
分布式能量供应系统简称DES, 根据用户需求, 整合利用矿物能源和可再生能源建立的梯级的能源利用的供能系统, 可以有效减少能源在输送环节的消耗, 增加能源的利用效率, 降低矿物能源的损耗, 达到保护环境的目的。
2.2 分布式能量供应系统的组成及基本原理
根据结构的不同分布式能量供应系统可以蒸汽轮机、燃气轮机、内燃机为核心构建不同的能量供应系统, 但系统的基本结构大致相同。一个完整的分布式能量供应系统主要组成部分一般包括:发电设备、供热或制冷设备、能量存储设备、能量交换设备、控制调节设备等。蒸汽式能量供应系统结构如图1所示[1]。
电能转换设备是能量转换的核心, 将能源分解转化为能量, 通过发电机转换为电力驱动设备运转, 提供给热能转换或提供制冷效果的设备, 根据用户需求供热或制冷, 各设备协调工作为用户提供能源。
3 分布式能量供应系统的优点
分布式能量供应系统在能源利用及功能需求有较大的优势, 以分布式供电站为例, 其主要优点如下:
(1) 实现热电冷联产, 为空调或冷库提供制冷, 有效提高能源利用率; (2) 能源设备布局在用户附近, 降低输送过程中的能量损耗, 功能可靠性高; (3) 需求能量小, 设备体积微型化, 开发成本较低, 用户可以按照能量需求建立小型的联合电站; (4) 分布式能量供应系统的建设周期较短, 只需1年左右就可以投产; (5) 系统灵活性高, 发电机组布局分散, 便于对各级组进行分散维护。
4 分布式能量供应系统的结构系统方案以及能源利用率分析
对能源进行梯级利用是分布式能量供应系统提高能源利用率的关键所在, 还可以通过专用的设备采集无污染的高效能源转化电能, 实现能源的可持续发展。
4.1 分布式能量供应系统的结构系统方案
根据能源利用方式及结构的不同可以将分布式能量供应系统分为以下几类:
1) 采用矿物燃料的系统:燃料电池、内燃机系统、燃气轮机系统、与混合燃料系统等;
2) 可再生能量供应系统:主要采用水能、风能、太阳能、生物能等无污染的可再生能源;
3) 利用二次能源氢能的系统。
可再生能源如风能、水能受地域条件影响较大, 且采集密度较低, 适用于小型的能量供应系统;燃煤系统和燃油系统可以提供较大的能量, 但在能源缺少的地方需要能源运输, 输送消耗较大, 环境污染较大, 且为不可再生资源, 不利于能源的可持续发展, 一般用作大型能量供应系统;燃气系统采用天然气作为能源, 能提供较大密度的能量, 对环境无污染是能量供应系统的理想燃料。
4.2 常见的系统能效分析指标
4.2.1 能源初始利用率
对冷热电联产系统进行评价, 其能源初始利用率 (Primary Energy Ratio) 简称PER, 是对能量供应系统较为直观的评价指标, 是指能量供应系统产出的客户需求的有用能量与系统工作所消耗总能源量的比值。根据用户需求, 在电能供应、空调制冷、暖气供应相同的前提下, 分别求出各系统的能源初始利用率, 通过比较各系统的能源初始利用率可以挑选出哪个能量供应系统结构的效率最高。分布式能量供应系统的能源消耗模型如图2所示。
由图2可知冷、热电联产结构在提供电能时, 通过余热装置对余热进行吸收转换, 提供热量供应和制冷效果, 其能源的利用效率更高。
4.2.2 节能率
节能率 (PES) 是在供应相同能量总量的前提下能源材料的节省量节能率是判定能量供应系统是否节能的标准。当PES﹥0时, 系统节能效果高能, 反之系统能量消耗率低, 系统的节能效果可以通过PES反映出来。
5 分布式能量供应系统的优化分析
5.1 方案优化
分布式能量供应系统的优化方案是依据用户对功能的需求量和能量服务类型, 确定能量供应系统的设备所需的总容量, 并结合用户当地的能源产量及其结构选择适当的结构。随着太阳能、风能、生物能等新能源技术开发和使用, 结合制冷、制热设备的多样性, 以最低成本的能源消耗, 实现系统的能源供给。
确定分布式能量供应系统结构后, 根据需求总量进行设备选型, 主要是根据原动机的功率和容量、能量存储装置的容量、制热和制冷设备的功率选择合理的型号。
5.2 运行优化
燃机的优化运行和存能设备存储量及释放量是分布式能量供应系统的优化的两大重点。燃机是能量供应系统的核心设备, 其运行效率及稳定性, 是决定系统能耗经济性及稳定性的重要因素。燃机的运行优化主要是根据用户需求确定发电方案, 优化燃机的运行负荷, 达到经济性的目的。
6 结语
本文通过对分布式系统的结构和运行方式的研究和分析, 可以看出分布式比传统方式的能量供应系统有较大的优势, 可以因地制宜选择能源利用结构、配置合适的设备, 提高能源初始利用率, 减小能源损耗, 维持较低运行成本。还可采用能源密度较小的可再生能源来满足功能需求, 降低对环境的污染。
参考文献
能量系统优化 篇6
20世纪90年代以来,我国的节能工作取得了长足的进展,但是与世界发达国家相比,还有相当大的差距。目前国内的一些智能建筑,它的实际耗电量远远超过智能建筑的耗电设计标准(0.035 kW/m2～0.045 kW/m2),如上海的金茂大厦现在每年的电费约6 000万元,远远超过设计标准。
HVAC(Heating Ventilating and Air-conditioning,亦称暖通空调)是智能建筑的重要构成部分,是智能建筑日常耗电的主要设备。该系统的耗能一般占整个智能建筑的60%以上,因此作为建 筑的能耗大户——空调系统的节能控制技术应当也是人们的研究热点。如果能有效地降低建筑空调能耗,将获得巨大的经济效益,因此,研究智能建筑的节能特别是HVAC的节能对国民经济的发展具有重要的意义。
1 暖通空调能量管理与优化控制系统的国内发展状况
随着计算机的普及应用,计算机系统逐步取代了常规仪表对暖通空调进行智能化监测、控制和管理。大量空调、供热系统开始使用计算机监测、控制系统。在暖通空调系统的控制管理中应用计算机技术,可以有效地改善系统运行品质,节省运行能耗,提高管理水平,并减小运行管理劳动强度,取得良好的经济效益和社会效益。江亿研究了从新风机组的控制开始,到全空气定风量系统、变风量系统的各种空调系统的计算机监测控制,通过中央控制管理机启/停,来修改参数的设定值。翁史俊探讨了空调冷热源和输送部分的空调自控节能设计,通过接受现场智能操作台的指令对冷冻热泵机组,各水泵和风机实现连锁逻辑顺序启停和节能控制。曹秋声基于变频技术,结合最优控制和模糊控制,研究了具有负荷随动跟踪特性的专用管理系统软件,实现了暖通空调节能控制。钟玮采用从冷热负荷计算开始,调整COP值适合的冷热源机组和末端设备,节约冷热源。总之,能量管理系统体现在设备组合优化、工作时序优化以及各种能量指标统计、计量、考核实现管理节能。
暖通空调变工作点优化控制问题的研究近年来才在我国引起重视。香港理工大学王盛卫(Shengwei Wang)等人提出了一种基于整个系统环境的预测响应及能量运行来改变HVAC系统控制设定点的系统方法,并用遗传算法对系统进行优化控制,同时优化多个设定点来改善系统响应和降低系统能耗。
2 暖通空调能量管理与优化控制系统的功能设计
2.1 暖通空调能量管理模块
当能量消耗数量接近某个设定值时,该模块通过调节开关指定设备以降低能量成本。需求限定的目的是在任何给定时间内保证能量的需求低于目标值。能量成本的降低有利于公司确定每天能量需求峰值的费用。它主要包括以下五个方面:1)优化启/停:该模块是通过实际温度范围和设定温度范围的差分来计算HVAC系统中各设备的最优启停时间。2)负载循环:主要是通过在一定的时间周期关闭指定设备来降低能量损耗。冷冻机优化组合函数:根据冷却负荷和允许冷冻机类型优化组合以提高HVAC系统的性能系数来节约能量。3)时间调度的具体功能:根据用户需求预先设定调度事件;以工作日和调度时间为依据开关设备;定义可以很容易地反映规律性的发生条件的重用事件;定义偶然发生的重用事件;修改调度,用户可以很方便地制定日程安排程序的类型,比如:假日、工作日、周末。4)能量管理与统计模块:允许用户检验电量和先前的能量消耗量以及使用成本。然后将从数据库中获得的数据生成图表,进一步分析日月年的使用情况。该模块基本功能有两个,即“能量管理和分析”和“能耗管理和分析”。5)夜间气洗的作用:在夜间,当室外温度降低的时候用室外空气清洗建筑。例如:AHU打开室外新风阀,关闭回风阀,打开所有选定的排风扇,从而达到节能、提高室内空气质量的目的。
2.2 暖通空调优化控制模块
该模块根据最小能量消耗优化冷冻机,AHU和泵设备控制回路的设定点。为了使制冷量与用户负荷相匹配,提高HVAC系统的效率,降低能耗,需要优化HVAC控制系统的各回路设定点。根据设备构成及空调运行模式的特性,建立了各主要组成部分的数学模型,包括冷却盘管、冷却塔、冷冻机、泵和风扇。
暖通空调空气调节子系统:典型的全空气处理过程是由送风系统、回风系统、热交换器三部分构成。新风与回风热交换形成混风,混风通过热交换器后降低温度,再通过很长的送风管道进入房间进行热交换。之后通过回风机排出室外,部分回风与新风混合进行下一次循环。调节目标温度主要是通过控制电动调节阀来实现。影响控制目标温度的主要因素有冷冻水温度、露点温度、新风与回风的混风温度和湿度、送风量、房间负荷。当混合空气经过热交换器时由于达到露点温度时,特别是当相对湿度较大时,造成热交换系统的严重非线性关系,另一方面热交换过程是存在显热和潜热两部分,温度上升和下降的特性也不同,存在非线性环节。空气处理单元和被控房间是通过长长的送风管道相连,这就带来纯滞后,惯性也很大,另外长期使用造成管道阻力变化,这部分存在时变环节。
2.3 暖通空调自整定模块
1)控制回路:由于HVAC系统控制回路数量非常多,普通2万m2的智能大楼的回路控制数量就有近2 000个,这么多的控制回路同时在线校正是没有必要的,也是不现实的,因此采用分类方法,按空气处理系统中的温度调节、送风压力调节、混风比例调节,制冷子系统可以按冷冻水温度调节回路、冷却水温度调节回路等,这样尽管设备回路数很多,但需要控制类型是少的。2)控制器参数在线校正:在暖通空调系统的过程控制中,控制对象非常复杂,有些控制环节表现出很强的时滞、时变、非线性的特性,目前HVAC系统温度、湿度、空气污染度分别独立控制,控制器都是采用PID控制器,并且控制器参数是固定的。外界环境发生变化,特别是在湿度和房间负荷变化较大时,其送风温度和静压力的控制效果差。由于空调控制系统的被控对象是房间的温度场,它与空调进行换热的工况相当复杂,制约因素太多,对这种大滞后、强扰动且被控对象未知或是时变的系统实施常规PID控制往往效果欠佳。因此,需要对PID参数进行整定以获得最佳的控制参数。3)控制性能监测:对于众多控制回路的控制效果是采用分组监视的方式,来评价其控制效果,系统只对其中控制效果差的回路首先进行单元控制器的屏蔽,然后通过现场总线把单元控制器中的控制量和被控制量信息读取到过程优化计算中,按照某种校正策略进行在线调节。
3结语
根据暖通空调的系统构成和运行方式,通过分析HVAC系统可知,需要用于管理、计量和优化控制的变量很多,并且由于系统的多变量动态响应时间和要求的不同,而且还要完成系统的优化算法和控制器参数自整定的任务,使得软件系统的数据类型和数据结构非常复杂。最终根据HVAC系统各环节能量消耗特点,把软件设计分为设定点在线优化,能量管理及控制器参数自校正三部分,再把三大功能模块集成在一起,实现整个HVAC系统的运行最优化。
摘要：介绍了我国HVAC系统的发展现状,描述了暖通空调能量管理与优化控制系统的功能设计,得出将软件设计分为三大功能模块并集成在一起能实现系统运行最优化的结论。
关键词：暖通空调,控制系统,能量管理,模块,优化
参考文献
[1]曹秋声.新型中央空调节能控制系统研究[J].节能,2005(3):6.
[2]钟玮.我国建筑中央空调能耗现状及全面节能措施[D].重庆:重庆大学,2004.
能量系统优化 篇7
一、当前暖通系统优化控制与能量管理的现状
1. 工作点优化控制
暖通空调系统优化控制与能量管理问题一直以来都是我国发展中需要考虑的重点问题, S.W.Wang所提出的基于整个系统环境预测相应和能量运行, 进而改变暖通空调系统控制设定点的方式, 是在遗传算法的基础上进行暖通空调优化设置, 借助多个优化设定点和改变系统相应, 达到降低系统能耗的效果, 这种方式逐渐应用于我国暖通空调系统优化控制和能量管理中。
随着我国暖通空调技术的不断发展, 罗启军等人提出了的暖通空调系统动态优化技术, 即为在制定时间内, 通过目标函数最小的房间温度曲线来达到优化控制和能量管理的效果, 目标函数为运行成本或者是峰值能耗。同时, 还有很多研究学者通过人工神经网络模拟暖通空调系统中各个设备的非线性特征, 进而达到优化配置整个空调系统的效果。最近几年来, 随着我国科学技术的不断发展, 更多的研究学者开始加入到暖通空调系统优化控制和能量管理的研究活动当中, 使得越来越多先进的建模方式和智能优化方式开始融入到了暖通空调优化控制当中, 对于我国暖通空调系统的优化和我国能量的节约带来了积极的影响。
2. 基础控制器参数整定
我国暖通空调系统优化控制与能量管理中, 基础控制器参数整定对于整个控制和管理模式具有较大的影响。在回路控制方面, 论证了人工神经元网络 (Artificial Neural Networks, 简写为ANNs) 。人工神经网络是一种模仿动物神经网络行为特征, 通过调整内部大量节点之间相互连接的关系, 达到处理信息的目的。神经网络是一种运算模型, 由大量的节点 (或称神经元) 和之间相互联接构成, 每个节点代表一种特定的输出函数, 称为激励函数 (activation function) 。人工神经网络通常是通过一个基于数学统计学类型的学习方法 (Learning Method) 得以优化, 模拟大脑神经处理功能, 达到大量信息快速处理的效果。吴柳波等人研究了变风量空调系统送风段控制模式, 并分别采用带积分分离的增量型PID (Proportion Integration Differentiation) 控制算法和模糊控制算法编制了应用程序。这些方式在一定程度上推动了我国暖通空调系统优化与能量管理的效果, 值得不断研究和创新。
3. 能量管理
信息技术的普及在一定程度也推动了我国暖通空调系统的优化控制和能量管理效果, 信息技术管理模式逐渐取代了常规的仪表控制管理模式, 逐渐成为了我国暖通空调系统智能化监测和管理的常用设备。暖通空调系统控制管理中, 信息技术的融入提升了暖通空调系统管理的综合效果, 在一定程度上降低了能耗量, 提升了暖通空调的系统运行速度和运行质量, 降低管理成本。变频技术在暖通空调系统管理中的应用, 结合了最优控制和模糊控制的优点, 创造了含有负荷跟踪特点的专用管理系统软件, 达到了暖通空调节能控制的效果。根据冷热负荷计算选择COP值, 能够更加适合冷热源机组和末端设备, 达到节约冷热源的效果, 而借助变频技术等方式, 能够使水泵变流量运行, 达到减少水、风系统输送能耗的作用。这些方式都对我国暖通空调系统的优化控制和能量管理产生了较大的影响, 降低了能耗。
二、暖通空调系统优化控制与能量管理发展趋势
暖通空调系统优化控制与能量管理未来发展中, 定会将信息技术更好地融入于其中, 达到全面管理、优化配置、节约能耗等效果。
1. 暖通空调控制系统自动化水平的不断提升
未来我国暖通空调系统优化控制模式定会逐渐实现自动化水平的不断提升, 以传统的PID (Packet Identifier) 为控制方式的回路控制和设备顺序、逻辑控制管理单元器会逐渐被信息化的CPU (Central Processing Unit) 核心处理方式所取代。随着我国嵌入式系统和智能控制理论的发展, 嵌入式微处理器价格也会逐渐出现下调趋势, 基于16位和以上的嵌入式未处理系统会逐渐成为单元控制器的主流模式, 将高级控制管理模式融入于暖通空调系统优化控制和能量管理的过程当中, 形成带来自适应、自学习功能的单元控制器, 使控制对象能够在变负荷、多工况等多种条件下实现控制与管理, 实现回路的最优控制, 达到能量管理和暖通空调系统优化控制的效果。
2. 暖通空调系统管理功能的多元化发展
现有暖通空调系统管理功能更多体现在监控, 即对基础控制单元的信息进行集中管理、报告、报警、状态监测的设备的调度等方面, 而未来的暖通空调系统优化管理模式, 定会逐渐向多元化的方向发展, 增加能量管理功能、能量监测功能等等。在现有的管理模式和基础上, 更多的关注暖通空调能量管理效果, 监测暖通空调各个环节运行的过程当中, 所需要使用的能量, 从而更好地控制能量, 达到降低能耗的效果。
3. 信息技术网络在暖通系统管理中的应用
当前我国暖通空调控制系统存在着不同的控制协议, 不同的控制系统也具有各不相同的开发环境和技术标准。未来随着我国科学技术的不断发展, 相信暖通空调技术优化控制和能量管理也会逐渐普遍应用网络信息技术管理模式, 实现暖通空调格控制系统的集中管理, 将系统的能量管理和设备的运行信息技术、全面、精确的融入到Internet和Intranet构成的企业信息管理系统当中, 为决策者提供更多的信息和数据参考, 也能够为我国暖通空调系统优化控制和能量管理模式的创新带来更多的保障, 创建更为优越的条件。实现异构计算机系统的数据共享和信息交换, 是未来暖通空调系统优化控制和能量管理的新方向。
三、结语
能量系统优化 篇8
关键词：暖通空调系统,优化控制,能量管理,现状分析,发展趋势
1 我国暖通空调系统优化控制与能力管理技术的发展现状
我国在暖通空调系统的优化控制管理开始的时间比较晚, 因此相关问题的重视程度还不够高, 基于整个系统环境下的能量运行转换进行的控制设定的系统安排, 实现必要的多个设定点支持运行, 保证后部终端系统的实时监控, 做好必要的结构回应, 确保系统耗能的记录和分析, 以运用先进的技术进行具体能耗的降低处理。而现阶段的自适应控制理论在空调系统内部有了一定规模的控制与应用, 采用具体参数的辨识处理技术进行基因遗传优化, 就是在原有空气处理方式上进行具体的设备支持, 保证促进功能提升的同时, 做好必要的现场资料的观察与分析, 实现后期的整体系统功能与节能管理的要求。而接下来的动态优化技术的提出, 主要是在一定期限内, 根据记录的资料做到一定格式的转换, 同时建立一定基准的目标函数, 包括具体阶段的运行成本和峰值能耗的数值, 保证最小房间温度曲线的建立, 这种算法与结构主要是通过暖通空调的最佳开关时间的预测, 进行冷凝温度设定点的科学制定, 保证具体的优化系统控制管理在实施过程中的现实意义。
发展至今, 人们运用智能处理技术在各项领域的拓展和延伸已经成为现代科技应用的主要形式, 因此关于现下时代最为先进的建模方法与智能优化控制监督等都理所当然的被应用在暖通空调的系统控制工序中, 对于内部结构运行过程中的变工况点的在线观察与分析, 实现优化手段的现场制定, 这种分析程序是在相关的技术积累下的经验之谈, 是在分析国内外的系统资料后, 将必要的模型分析制定与成果分析功能录入终端的智能分析系统, 确保具体建议和意见的科学、快速的制定, 保证一定工作效率的同时, 有助于促进整体能耗管理的实际信息检查效果。面对已建的暖通空调各关键设备的静态模型与相关的实数编码的科学预计计算方法, 建立系统工作点的优化控制策略, 另外引进模糊聚类建立空气处理单元的温湿度和送风压力的恒定测量系统, 保证具体要求的稳定性;根据空调系统内部的负荷变化实现内部水系统的流量监督与控制, 保证具体设备能耗的科学降低, 不致影响整体功能的正常发挥。总之, 在智能技术控制的形势要求下, 必须面对控制效果的改良与能量消耗的合理控制进行仿真研究, 保证实验后的功能发挥水平的进一步提高, 保证一定实践经验和技巧得以增加, 避免刚刚接触后的生疏, 实现空调系统技术改良的经济效益和社会效益的综合改进。
2 我国暖通空调系统处理技术的未来发展趋势
具体设备的负荷要求与现实中的气候条件基础控制参数的融合调整功能可以认为的调节成最佳状态, 所以在全负荷运行范围内部的对象特性发生一定程度的变化时, 运用一定的技术进行回路控制参数的实时调节, 保证工作点的处理的最优效能, 这是节能手段的主要模式, 也是应用技术的必要成果;而关于能量管理、设备结构优化等, 是建立在一定节能应用功能的主要手段, 这就深刻证明了关于空调普的优化处理与能量管理在整体运行节能作用的联系效果, 因此为了实现一定的功能改进和管理水平的提升, 就必须积极引进先进的技术进行国内外空调系统的现状对比, 实现未来发展趋势的科学预测。
(1) 关于控制器的基础参数设置
通过人工智能分析网络与暖通空调的负荷水平的结合, 进行能耗模型制作的可行性研究, 指出单个模型的识别输入和输出对于具体优化方案的贡献。这种智能预测手段采用一定的算法进行空调蓄冷量的合理控制, 解决正常使用时间过后的超调和波动现象, 具体保证其在抗干扰能力与解耦控制效果的优异水平, 在空调系统控制过程中进行参数的整定和输入, 实现整定环节中的温度变化控制在0.5摄氏度上下;而这种空调系统在送风段的静压控制手段主要是进行分离的增量型控制算法以及模糊算法进行优势能力的集合, 使用具体风速的控制程序, 根据实验效果进行控制效能的优缺点的合理界定, 保证后期应用的合理价值的实现。由于暖通空调系统的控制回路比较繁多, 并且不同对象的特性又有着很大的区别, 在回路的控制器的参数设定和控制方法也不尽相同, 具体的控制器的研究成果也就有着很大的差异。
能量管理
(2) 智能控制下自行处理和自行学习功能
计算机在进行智能化监测与设备的管理控制过程中, 主要是通过中央控制机的参数设定值进行分析, 根据热源与输送部分的自控节能, 实现智能操作台在一定的制冷热泵机组的指令下的风机等结构按照一定逻辑顺序和节能控制要求进行回水温度与温差信息的全面提供, 根据冷水机组冷却塔风机设备的最佳太熟组合实现必要的节能水准, 负荷随动跟踪特性的专用管理系统软件的开发需要根据热冷负荷在整体结构的具体值的控制下进行的冷热源机组的合适效果的连接进行的流量运行控制, 以减少各个环节系统的输送能耗, 根据现代技术下的新风量的要求, 根据嵌入式微处理技术进行高级控制策略的制定, 实现自适应与自行学习功能在控制单元的主流地位, 实现控制对象在多工况与变负荷初始条件下的初步学习, 保证回路作用下的最佳控制效应, 实现各个环节的最佳控制机能。
对着企业信息化程度的不断提高, 不仅需要暖通空调系统的集成控制手段, 并且还要做到网络存储下的关于系统能量管理和设备运行信息的整理, 实现异构计算机智能存储数据的通信和共享功能, 保证系统信息的及时分析与下部传输, 确保各类意见和结果上报在整个终端控制的高效分析和预测, 这是暖通空调能量管理与优化控制的主要发展方向。
3 总结
自动化处理技术在我国暖通空调系统的应用范围越来越广, 采用必要的回路负荷控制和设备顺序的合理安排, 进行逻辑顺序作用下的开关量构成的基础控制单元器, 借助计算机网络信息分析处理技术, 进行实时信息的及时报备, 保证必要的节能功能在内部结构的合理实现, 保证优化控制的效应全面扩展, 实现我国暖通空调技术改善与系统优化控制的先进效果。
参考文献
[1]龚冠祥.中央空调变流量控制系统探讨[J].电气应用, 2009, 1 (715) .
能量系统优化 篇9
生态系统能量流动包括能量的输入、传递、转化和散失.其内容总结如下表.
例1图1表示某一生态系统的能量金字塔，其Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别代表不同的营养级，E1、E2代表能量的形式.下列叙述正确的是
（）.
A.Ⅰ和Ⅳ是实现物质循环的关键生态成分图1
B.该图所示的食物网只有1条食物链：Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ
C.E1表示的能量主要是通过光合作用所输入的能量
D.能量可在食物链中循环利用
解析本题考查能量流动过程，考查分析问题能力.图中Ⅰ代表生产者，Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ都代表消费者，实现物质循环的关键生态成分是生产者和分解者，A项错误.每一营养级的生物种类可能有很多，该图所示的食物网可能由很多条食物链组成，B项错误.生态系统中能量流动是单向的，能量不能循环利用，D项错误.
答案：C
方法归纳流经生态系统的能量还可以用表格形式体现，如下表是某生态系统营养级和能量流动的调查情况[能量单位J/（cm2·a）]，表中的①～④分别表示不同的营养级，⑤为分解者，表中NP=GP-R.
分析根据题干可以推知表中的营养结构关系是②→⑤→④→①→③（但不一定构成一条食物链），这是该生态系统能量流动的途径.流入该生态系统的总能量是②生产者固定的太阳能总量，即871.27J/（cm2·a），可以通过比较生态系统散失的总能量（呼吸消耗部分）比生产者固定的太阳能总量少，推断该系统能量在增加，系统的稳定性会提升.
营养级生物同化作用所固定的能量（GP）生物体贮存着的能量（NP）生物呼吸消耗的能量（R）
①15.912.6813.23
②871.27369.69501.58
③0.880.340.54
④141.2062.0779.13
⑤211.8519.26192.59
二、某营养级能量流动过程（如图2所示）
图解解读：
（1）图中摄入量、同化量、粪便量三者之间的关系：摄入量=同化量+粪便量.流入某一营养级的能量是指该营养级生物的同化量，而不是摄入量；粪便中能量不属本营养级同化量而属“上一营养级的同化量中流入分解者的能量的一部分”.
（2）在各营养级中，能量的三个去路：①通过呼吸作用以热能的形式散失；②被下一营养级生物利用；③被分解者利用.
图3例2某生态系统中有A、B、C、D四种生物，构成食物链A→B→C，D为分解者，如图3是该生态系统中能量流入B处发生的一系列变化示意图，下列说法错误的是 （ ）.
A.图中的甲表示B的同化量，乙表示B用于生长、发育和繁殖的能量
B.参与丁过程的都是异养型生物，包括细菌、真菌等
C.当生态系统处于相对稳定状态时，B的种群数量一般处于K值
D.图中D的能量全部来自B生物
解析本题考查营养级间能量流动过程.当生态系统处于相对稳定状态时，B种群数量达到环境容纳的最大值，一般处于K值；B摄入量为其同化量和粪便量之和，其同化量一部分用于呼吸消耗，一部分用于自身的生长、发育和繁殖；丁过程为分解者的分解作用，分解者主要是营腐生生活的细菌、真菌等，都是异养型生物；D的能量可来自于B的粪便，而此部分属于上一营养级A的能量.
答案：D
方法归纳为便于掌握某营养级能量流动过程，可以用“拼图法”分拆其过程，如图4所示（设在第一、二营养级间流动）.
分析输入第一营养级的能量也即流经整个生态系统的总能量是生产者固定的总能量，即W1，被分解为两部分：一部分在生产者的呼吸作用中以热能的形式散失了（A1），一部分则用于生产者的生长、发育和繁殖（B1+C1+D1）.而后一部分能量中，包括现存的植物体B1、流向分解者的C1、流向下一营养级的D1.将图中第三营养级同化的总能量D2“拼回”第二营养级，则第二营养级的总能量刚好等于D1，即第二营养级同化的能量；再将D1“拼回”第一营养级，则刚好等于生产者固定的总能量W1.可见，在一个生态系统中，所有生物的总能量都来自W1，所有生物总能量之和都小于W1（呼吸作用消耗的缘故）.
单向流动逐级递减
原因①能量流动是沿食物链进行的，食物链中各营养级之间的捕食关系是长期自然选择的结果，是不可逆转的；②各营养级通过呼吸作用所产生的热能不能被生物群落重复利用，因此能量流动无法循环.
①各营养级生物都会因呼吸作用消耗大部分能量；②各营养级的能量都会有一部分流入分解者，包括未被下一营养级生物利用的部分.
说明①不定时分析：流入某一营养级的能量在足够长的时间内的去路可能有3条，即自身呼吸消耗、流入下一营养级（最高营养级除外）和被分解者分解利用.
②定时分析：流入某一营养级的能量在一定时间内的去路可能有4条，除了上面的三条外，还有一条是既未被自身呼吸消耗，也未被下一营养级和分解者利用，即“未被利用”部分.如果是以年为单位研究，其中“未被利用”部分能量将保留到下一年.
提示影响能量传递效率高低的因素
上一营养级生物呼吸速率越低，或是下一营养级的捕食、同化效率越高，相邻营养级之间的能量传递效率就会越高.代谢所需的酶由生物的遗传基础决定，环境条件会影响生物的代谢和捕食效率.
例3在生态系统中，营养级越高的生物获得的总能量越少.下列解释错误的是（ ）.
A.各营养级中总有一部分能量被分解者利用
B.各营养级中的能量一部分以热能形式散失
C.生物维持自身的生命活动消耗一部分能量
nlc202309041853
D.能量金字塔顶层的生物数量少需要能量少
解析D项应该是能量金字塔顶层的生物因为所处的营养级高，因而获得的能量最少，不能满足太多个体所需.
答案：D
四、能量流动效率的相关计算
能量传递效率是指“相邻两营养级”间的传递效率，即下一营养级全部生物同化量/上一营养级全部生物同化量×100%，而不是相邻营养级中个体间的传递效率，如“一只狼”捕获“一只狐”时，应获得了狐的“大部分能量”而不是获得“ 10%～20%”的能量，“所有狼”可获得“所有狐”的能量才是10%～20%；同一食物链不同环节能量传递效率往往不完全相同，不涉及“最多”、“最少”，计算时不能按10%或20%，而需按具体数值计算.如在食物链A→B→C→D中，能量传递效率分别为a%、b%、c%，若A的能量为M，则D的能量为M×a%×b%×c%；在食物网中，某一营养级同时从上一营养级的多种生物按一定比例获取能量，则按照单独的食物链进行计算后再合并.
例4（综合原创题）回答下列有关能量传递效率问题.
（1）图5为一个草原生态系统的营养结构示意图，E表示牧草一年固定的太阳能总量，E1、E2、E3分别表示流入牲畜、昆虫、鼠的能量.第一营养级传递到第二营养级的能量传递效率是.
（2）在图6所示的食物网中，假如猫头鹰的食物有2/5来自于兔子，2/5来自于鼠，1/5来自于蛇，那么猫头鹰若增加 20 g体重，最少需要消费植物 （ ）.
A.600 g B.900 g C.1 600 g D.5 600 g
图7图8（3）如图7所示的食物网中，若人的体重增加
1 kg，最少消耗水藻kg，最多消耗水藻kg.
（4）有一食物网如图8所示.如果能量传递效率为10%，各条食物链传递到庚的能量相等，则庚增加1 kJ的能量，丙最少含多少能量（ ）.
A.550 kJ B.500 kJ C.400 kJ D.100 kJ
（5）某自然保护区地震后，据不完全统计，植被毁损达到30%以上.图9为该地区在人为干预下恢复过程的能量流动图[单位为103 kJ/（m2·y）]，请回答：
图9①如图所示，输入该生态系统的能量主要是，第一营养级到第二营养级的能量传递效率为 （保留一位小数）.
②图9中A表示，图中未利用部分的能量在生物体内的存在形式是.
③如图所示，除生产者外其他营养级需要补偿能量输入的原因是.计算可知，肉食性动物需补偿输入的能量值至少为×103 kJ/（m2·y）.
解析本题综合考查能量流动的传递效率问题，考查获取信息能力和分析问题能力.（1）该食物网共有4条食物链；牲畜、昆虫、鼠属于第二营养级，由第一营养级传递到第二营养 级的能量传递效率是两个营养级同化量的比值，即（E1+E2+E3）/E.（2）通过食物链（植物→兔→猫头鹰），猫头鹰增加20 g×2/5=8 g，最少需要消费植物的量为8 g×5×5=200 g；通过食物链（植物→鼠→猫头鹰），猫头鹰增加20 g×2/5=8 g，最少需要消费植物的量为8 g×5×5=200 g；通过食物链（植物→鼠→蛇→猫头鹰），猫头鹰增加20 g×1/5=4 g，最少需要消费植物的量为4 g×5×5×5=500 g.所以合计至少需要消费植物200 g+200 g+500 g=900 g.（3）能量在相邻两个营养级间的传递效率是10%～20%.求最少消耗水藻时，选最短的食物链，如水藻→小鱼→人，传递效率按20%计算，设最少消耗水藻为X，则X×20%×20%=1 kg，X=25 kg；求最多消耗水藻时，选最长的食物链，如水藻→水蚤→虾→小鱼→大鱼→人，传递效率按10%计算，设最多消耗水藻为Y，则Y×10%×10%×10%×10%×10%=1 kg，Y=100 000 kg.（4）设丙的能量为x，经丙→丁→己→庚传递到庚的能量为0.5 kJ，则需要丙0.5÷（10%）3=500（kJ），经丙→戊→庚传递到庚的能量为0.5 kJ，则需要丙0.5÷（10%）2=50 （kJ），即丙最少含500+50=550（kJ）的能量.（5）生态系统的能量输入有两种方式：输入太阳能和人为输入有机物，从图可以推知，该生态系统输入的太阳能为3+14+70+23=110×103 kJ/（m2·y），输入的有机物能量为7×103 kJ/（m2·y），所以输入该生态系统的能量主要是生产者光合作用固定的太阳能，第一营养级到第二营养级的能量传递效率为14/110×100%=12.7%（保留一位小数）.图9中A表示细胞呼吸（或呼吸作用），图中未利用部分的能量在生物体内的存在形式是有机物中的化学能.如图9所示，除生产者外其他营养级需要补偿能量输入的原因是植被受损，光合作用能力减弱，流入该生态系统的能量减少；补偿能量输入可以减轻植被恢复的压力.从第二营养级流入第三营养级的能量为：（14+2）-（0.5+4+9）=2.5×103 kJ/（m2·y），肉食性动物需补偿输入的能量值至少为：（0.05+0.25+2.1+5.1）-2.5=5×103 kJ/（m2·y）.
答案：（1）（E1+E2+E3）/E（2）B（3） 25100000（4）A（5）①生产者光合作用固定的太阳能12.7%②细胞呼吸（或呼吸作用） 有机物中的化学能③植被受损，流入该生态系统的能量减少；减轻植被恢复的压力（答出前者即可） 5
五、考查能量流动与物质循环关系（如下表所示）
项目能量流动物质循环（以碳循环为例）
形式以有机物为载体以化学元素形式流动
特点单向流动、逐级递减全球性、循环性
范围生态系统各营养级生物圈（全球性）
联系同时进行，相互依存，不可分割：①能量的固定、储存、转移和释放，离不开物质的合成和分解；
nlc202309041853
②物质是能量沿食物链（网）流动的载体；③能量是物质在生态系统中循环往复的动力
图示
例5下列有关生态系统中能量流动的叙述，正确的是（ ）.
A.兔子吃了1千克的草，则这1千克草中的能量就流入了兔子体内
B.一只狼捕食了一只兔子，则这只兔子中约有10%～20%的能量流入狼的体内
C.生产者通过光合作用合成有机物，能量就从无机环境流入了生物群落
D.生态系统的能量是伴随着物质循环而被循环利用的
解析本题考查能量流动和物质循环关系.兔子吃的草中的能量一部分被兔子同化，一部分残留在粪便中，故A错误；能量传递效率中的10%～20%指的是营养级与营养级之间的传递效率，并非个体与个体之间的，故B错误；生产者通过光合作用合成有机物来固定太阳能，而太阳能来自无机环境，故C正确；生态系统中的能量是单向流动、逐级递减的，最终都会以热能的形式散失，故D错误.
答案：C
六、考查能量流动与生态系统的稳定性
能量流动效率能直接反映生态系统的稳定性，能量在传递过程中，若超过一定的限度，容易引起种群的生长、繁殖或再生等的障碍，从而导致生态系统稳定性的改变.
例6某生态系统中的四种生物构成一条食物链a→b→c→d，通过测定得到这四种生物a、b、c、d所含的有机物总量分别为M1、M2、M3和M4.下列叙述中错误的是（ ）.
A.M1一定不是a种群固定的太阳能总量
B.若M1<5M2，则生态系统稳态可能遭到破坏
C.d个体所含的有机物的质量应比c个体的小
D.若M2大量增加，一般会导致M1减少、M3增加
解析本题考查能量流动对生态系统稳定性的影响.生产者固定的太阳能总量中会通过细胞呼吸损失一部分，故A正确；根据能量流动的特点，前一营养级同化的能量要大于或等于后一营养级同化的能量的5倍，才能满足后一营养级的能量需要，故B正确；相对较高营养级的个体不一定比相对较低营养级的个体小，如虎与兔，故C错误；一定时间内，M2大量增加会导致被捕食者减少，捕食者增多，故D正确. 答案：C
七、以能量流动为中心的生态学综合知识考查
例7某弃耕地的主要食物链由植物→田鼠→鼬构成.生态学家对此食物链能量流动进行了研究，结果如下表，单位是J/（hm2·a）.
植物田鼠鼬
固定的太阳能摄入量同化量呼吸量摄入量同化量呼吸量
2.45×10111.05×1097.50×1087.15×1082.44×1072.25×1072.18×107
（1）能量从田鼠传递到鼬的效率是.
（2）在研究能量流 动时，可通过标志重捕法调查田鼠种群密度.在1 hm2范围内，第一次捕获并标记40只田鼠，第二次捕获30只，其中有标记的15只.该种群密度是只/hm2.若标记的田鼠有部分被鼬捕食，则会导致种群密度估算结果.
（3）田鼠和鼬都是恒温动物，同化的能量中只有3%～ 5%用于，其余在呼吸作用中以热能的形式散失.
（4）鼬能够依据田鼠留下的气味去猎捕后者，田鼠同样也能够依据鼬的气味或行为躲避猎捕.可见，信息能够，维持生态系统的稳定.
解析本题考查能量流动传递效率及能量流动与生态系统结构和功能的关系.（1）田鼠的同化量是7.50×108 J/（hm2·a），鼬的同化量是2.25×10 7 J/（hm2·a），故能量传递效率为2.25×1077.50×108×100%=3%.（2）设1 hm2的范围内种群数量为M，则40M=1530，M=80.若标记的田鼠有部分被鼬捕食，即重捕个体中标记个体数减少，则估算值M偏高.（3）某一营养级的能量，一部分用于呼吸作用（细胞呼吸），一部分用于自身的生长、发育和繁殖.田鼠和鼬都属于恒温动物，进行呼吸作用用于维持体温需消耗大量能量，还有部分能量用于自身的生长、发育和繁 殖.（4）由题意知，通过信息传递，鼬和田鼠的数量基本稳定，可见信息传递可调节生物的种间关系，维持生态系统的稳定.
答案：（1）3% （2）80 偏高
（3）生长、发育、繁殖等生命活动
（4）调节生物的种间关系
（收稿日期：2014-10-15）
甲醛生产过程能量综合优化 篇10
关键词：甲醛,过程能量,综合优化
甲醛是重要的基础化工原料,甲醛除传统用作生产脲醛树脂、酚醛树脂、氨基树脂等合成树脂( 其中脲醛树脂胶在木材加工制造业应用最为广泛,占消费量40% 左右) 、维纶纤维、异戊二烯、乌洛托品、季戊四醇、农药、染料、医药和炸药等的原料外,多聚甲醛、聚甲醛、甲缩醛、电子甲醛等下游产品突飞猛进,发展势头十分强劲［1］。在中国,作为基础化工原料的甲醛产能近二十年来每年增速都在20% 以上,华南地区更超过25%［2］。
目前,甲醛生产主要通过甲醇在银催化剂或铁钼催化剂下经由空气氧化得到［3］,由于甲醇蒸汽爆炸极限为6. 7% ~ 36%( 体积) ,通常反应控制在爆炸极限上限和下限外进行。为了控制反应器中甲醇浓度以及有效带出反应热量,氧化过程中采用大量的配料蒸汽,同时反应过程中又有大量的反应生成热,因此实际生产中重点考虑如何有效回收利用这些热量以降低整个装置能耗。通过对整个工艺特别是通过甲醇氧化、甲醛吸收等工艺改进及过程用能优化,甲醛生产过程由过去的输入能量到目前的外输能量。目前很多在用甲醛生产装置普遍装置规模较小、原料甲醇单耗偏高、单位甲醛生产能耗高,本文运用过程能量综合优化,从全局角度,通过对传统银催化法甲醛生产过程各个环节的用能状况进行综合分析,指出用能改进的潜力并提出相应的用能优化措施。
1 传统银催化法甲醛生产工艺
甲醇和空气在蒸发器中蒸发配置成二元混合气体,再同配料蒸汽混合配置成甲醇- 空气- 水( 蒸汽) 三元混合气。三元混合气经过热加热至120 ℃ 左右,进入过滤器,除去羰基铁等杂质,然后进入氧化反应器。甲醇经氧化脱氢反应生成甲醛,产物在一个带有蒸汽发生装置的骤冷段被迅速冷却到220 ℃ ,在一个水冷却器中被进一步冷却到80 ℃ ,再进入吸收塔底部,甲醇蒸汽和甲醛在塔底被冷凝和吸收。从吸收塔底得到产品甲醛水溶液,吸收塔尾气用尾气锅炉回收发生蒸汽。
2 银催化法甲醛生产过程能量分析
( 1) 甲醛生产过程可以回收和利用的能源来自以下三部分:
1由物料衡算与热量衡算可知,整个甲醛生产是放热反应,每生产1 吨37% 甲醛反应生成热约1. 4 GJ［4］,使反应后的气体温度上升至650 ~ 700 ℃ 。回收这部分热量是甲醛生产节能的关键。现国内甲醛生产装置一般采用氧化急冷段产生0. 35 MPa的低压蒸汽供甲醛生产装置自用及外供给其他配套装置使用,急冷段出口200 ℃ 的反应气再经过冷却段降温至80 ℃左右进入吸收塔,冷却段制备的热水供甲醇蒸发器使用。
2反应气体在冷凝过程中放出冷凝热,在吸收过程中又放出吸收热。目前对甲醇吸收热的利用很多装置要利用冷却水降温到40 ℃ 左右,冷却水所携带的热量再通过冷却塔排出而没有加以利用。
3甲醛生产中的尾气含有18% ~ 21% H2和少量CO、CH4气体。该尾气的热值经测算为2311. 52 k J/Nm3,可以燃烧利用［5］。
( 2) 甲醛生产中有以下几个部分消耗能量:
1甲醇蒸发器,在此甲醇从室外温度被加热到60 ℃ 以上。蒸发器中通常设有列管加热器,底部还设有恒温加热的夹套,因此这里是甲醛生产消耗能量的大户。
2反应器由于甲醇氧化反应放出大量热量,为了控制反应温度需加入一定量的配料蒸汽。该蒸汽除了能降低反应温度外,还可以缩小甲醇在空气中的爆炸极限,使反应更安全。
3甲醇过热器,为保证进入甲醇氧化器的气体中不含甲醇液滴( 该液滴如进入氧化器的催化剂中,将导致甲醇转化率降低) ,必须使甲醇蒸汽过热至120 ℃ ,因此这里需要一部分加热蒸汽。
( 3) 甲醛生产过程用能分析:
通过热平衡计算可以发现,温度大于400 ℃ 时反应气冷凝放热量很大,温度在90 ~ 400 ℃ 之间反应气冷凝冷却时放热较小,而当温度低于90 ℃ 时反应气的冷凝冷却热量又明显增多,这主要是反应产物甲醛的冷凝潜热。每千摩尔反应气从90 ℃冷却至70 ℃ 可得到热量约10 MJ。因此必须根据反应产物冷凝冷却曲线,优化分配各段热量回收比例,充分利用400 ℃ 以上热量产生高压蒸汽,采用200 ~ 400 ℃ 之间的热量产生低压蒸汽,80 ~ 200 ℃ 之间的热量来蒸发甲醇,尽可能增大热量回收,减少反应气带入吸收塔的热量。热量回收时可根据冷热物流情况,进行优化匹配。此外,还有2 处热量需要加以回收: 1成品甲醛须由80 ℃ 冷却到40 ℃ ,目前只是利用冷却水吸收热后完全由冷却塔排出,堪为可惜。2 尾气锅炉的排烟温度在220 ℃ 左右,目前也未回收,应该用来预热锅炉的助燃空气和尾气,达到热能的极限回收。
从以上分析可知,如何合理利用甲醛生产中释放的反应热、冷却热、吸收热和尾气燃烧热,将回收的热量合理的分配给生产中耗热的设备,这将是能量能否合理利用的关键,也是衡量甲醛生产装置技术是否先进和完善的关键。
3 甲醛生产过程用能综合优化
目前的能量利用系统是比较完善的,但是还有可能做到进一步的优化。利用夹点分析,本着能量梯级利用的原则,可以得到优化流程如图2。
经过夹点计算,甲醛装置的夹点温度为70 ℃ 左右。根据夹点分析的几个原则,对原来用能系统做了以下优化: ( 1) 抽取部分80 ℃ 的循环甲醛溶液用来加热尾气、循环尾气、甲醇,并蒸发一部分甲醇。( 2) 因为蒸汽的品质远高于热水,可采用2 废来产低压蒸汽供生产之用。
根据能量梯级利用原则,将反应气分为三段进行利用。首先1 废产生高压蒸汽供生产之用,然后再利用2 废来产生低压蒸汽供反应之用,最后安装甲醇蒸发器,利用甲醇蒸发温度低的特点,充分利用低温段的水蒸汽冷凝潜热。
甲醛生产中的尾气,尾气的燃烧后进行烟气余热回收,排烟温度降到60 ℃ ,锅炉进空气温度提高到150 ℃ 左右,软水温度95 ℃ 以上,这样可多产出蒸汽100 kg/t 37% 甲醛。
4 结论