外行学空分（244）一一深冷空分中的有效能定义和计算（三）

Yb2021

! |  F) u* {* k( k, s; P     深冷空分装置中所有的有效能均来自压缩功！压缩效率是深冷空分有效能效率极为重要的一个内容。前帖已经说明了多变效率和绝热效率是压缩过程的有效能效率，而等温效率则是环境温度下，压缩系统（分系统）的有效能效率（也是少见的有效能投入产出率和目标有效能效率计算结果完全一致的例子）。前帖我们给出了系统（分系统）目标有效能效率的定义和计算方法。等温效率本质上是空压系统出口的压力气体压力能和压缩功耗的比值。是压力能增加值和有效能衡算差值（即有效能投入额）之和（就是有效能投入值）的比值。由于系统初始状态是环境状态，系统终未状态的压力能就是压力能的增加值。而终未状态压力能增加值加系统有效能衡算差值（即有效能损失额）之和就是实际压缩功耗！等温效率的计算是有严格的前提条件的，一是压缩起始温度必须和环境温度一致，二是压缩系统终末状态的温度必须和环境温度一致。而系统（分系统）目标有效能计算公式则不受这些前提条件的约束，是一个更加通用的定义和计算方法（事实上代替了所谓的有效能投入产出率的计算公式即国家标准能量系统有效能投入产出率计算公式5！）。
     深冷空分教科书中有标准双塔流程全装置有效能效率的计算，和系统（分系统）有效能效率的计算结果完全一致！这是因为标准双塔流程工艺方案中液体产品数量为零，也不存在内压缩。如果空分装置有液体产品产出，又采用内压缩工艺方案，那么计算出的有效能效率也就没有什么意义了。如果用系统（分系统）目标有效能效率的定义和计算公式则根据定位的不同，会有三个有效能效率计算结果，其实也没有太大的实际意义。
! D1 R( M; ~- h    现在讨论一下双塔流程精馏系统的有效能效率问题，前帖已经说过，精馏过程的有效能效率计算是非常困难的，一般只能计算精馏系统的有效能效率。深冷空分中精馏系统的边界可大可小，大可以将整个空分装置作为精馏系统，小可以只是精馏本体部分。在计算软件出现后，各节点有效能数值可以非常容易得到，就有人尝试进行精馏系统有效能效率计算。其计算范围不包括空压系统，纯化器，主换热器，膨胀机外，其余部分都属于精馏系统。按照标准双塔流程各节点有效能数值，按照有效能投入产出率公式5，计算的结果是包括上下塔精馏系统有效能效率90%以上，下塔精馏效率95%以上！根据标准双塔流程各节点有效能数值，包括上下塔的精馏系统有效能衡算差额达到空压机压缩功耗的40%，下塔有效能衡算差额也达到空压机压缩功耗的10%，深冷空分装置最小分离功（也就是分离有效能）是空压机压缩功耗的20%（这个数值偏小）。这样的精馏系统有效能效率结果当然让人感到匪夷所思。   
& ?. K9 w0 S( `( C8 Z" H, e    如果用前帖中的系统（分系统）目标有效能效率定义和计算办法（即国家标准能量系统有效能分析技术导则中的目标有效能效率定义和计算公式6），计算结果是包括上下塔的精馏系统（分系统）有效能效率是30%-40%！如果空压机等温效率70%，则完整开式热泵精馏系统的有效能效率20%-30%！
) _- D8 z  O+ v# ]   下塔如果定位为初级精馏塔，其计算有效能效率结果是大约50%，如果定位为一拖二热泵转换器，其计算结果是70%-80%！这样的结果就比较符合实际状况了。
    有效能效率的定义和计算是热力学理论中最难以掌握的内容，但又是极为重要的内容。简单总结如下。
) d: c/ N* ~' d) ?* X    一，任何有效能的数值均是确定的环境参考状态下的数值，环境参考状态的改变都必然导致有效能数值相应改变。
% E4 {. }. h/ f6 y$ |( s    二，压缩和膨胀过程是热功转换最重要的过程，一般以多变效率和绝热效率描述压缩膨胀过程的有效能效率。绝热效率和多变效率有明确的定义。
    三，气体压缩的等温效率不是压缩过程的有效能效率而是压缩系统（分系统）的系统（分系统）有效能效率。实际上等温压缩过程并不存在，实际的压缩过程都是多变过程，但和绝热压缩过程非常接近而和等温压缩过程相去甚远。计算等温效率的压缩系统实际上由多变压缩过程（近于绝热压缩过程），压缩气体冷却至常温等过程构成。只有压缩进气状态是环境参考状态，而且压缩后气体又冷却至环境参考状态温度的压缩系统计算等温效率才有实际意义，不满足以上条件则不宜使用等温效率。
   四，系统（分系统）有效能效率的定义和计算曾经非常混乱，故有白箱，黑箱，灰箱的说法。现在这种情况有了很大的改变，国家制定了能是系统有效能分析技术导则，对系统（分系统）有效能效率的技术术语，定义和计算公式进行了规范。
6 ^; [7 ?1 T, g0 D4 s    五，系统有效能效率本质上是有效能投入产出率，技术导则中规定了两个计算公式，一是针对不存在有效能转化（热能转化为分离能，冷能转化为分离能等等）的系统（分系统），其有效能效率是系统（分系统）出系统物流有效能数值之和进系统（分系统）物流有效能数值之和的比值。二是针对存在有效能转化的系统（分系统），则目标有效能效率是转化目标有效能增加值和目标有效能之外的其它有效能减少值的比值，这当然也可以按照目标有效能增加值和目标有效能增加值和系统（分系统）有效能损失值之和的比值。其实能量系统有效能效率分析技术导则中的公式（6）才是普适的系统分系统有效能效率计算公式，而公式（5）的使用必须有严格的前提条件，不然会出现匪夷所思的结果，所以才会有白箱，灰箱，黑箱的说法，其实就是不靠谱的客气说法。