效益,而且造成了严重的环境污染问题。因此用先进的能量系统综合、优化技术改造造纸等
传统产业,既是提高经济效益和环境质量,又是降低其单位能耗的重要途径[4,5]。

2 过程能量系统综合技术与过程能量结构模型

过程能量综合(ProcessIntegration,PI)是用系统工程的理论对过程工业的用能过程进行
综合、优化和分析的方法,它是过程工业技术中发展比较快的领域之一,是过程系统
(ProcessSystemEngineer2ing,PSE)的一个主要组成部分。过程系统技术是继 2"年代的
单元操作技术开发,6"年代的对传递过程归纳和研究之后,化学工程研究领域的第三次重
大发展,是化学工程技术一个新的核心部分。从过程工业的总体上看,工艺技术、设备技术和
系统技术构成了过程工程技术的三个主要方面。近些年来,由于过程工业(包括炼油、化工、
冶金、造纸等)生产规模的扩大化和集成化以及市场的激烈竞争,不仅促进了 PSE 的核心,
即系统技术(SystemTech2nology,ST)的发展,同时也带动和促进了过程能量综合技术的
研究和开发。经过二十多年的发展,过程能量综合不仅在工艺装置的设计阶段起作用,而且
还可以用于工艺装置的改进阶段。迄今为止,过程能量综合在过程工业的各个方面,包括化
工、炼油、造纸、冶金、轻工、建材等工业领域已经得到了广泛的应用,并且取得了良好的节
能降耗效果。过程能量综合是在多学科之间交叉集成,相互渗透中形成和发展起来的。过程
能量综合以热力学的基本理论为基础,同时引入系统工程技术、计算机技术、化学工程技术
等多门学科进行集成,所以对于过程工业的用能过程形成了多角度方位的分析方法,许多学
者在系统能量综合的研究中,从不同的角度提出若干不同的用能过程分析的综合模型。如
城子克夫的简单方框模型,Gaggioli[6]的有效能分析法,Smith 和 Linnhoff[7]的"洋葱"模
型,梅田富雄等[8]的双子系统模型(加工子系统和换热子系统)Douglas[9]的层次分析法
以及 Linnhoff[10,14]的"夹点技术"等。这些模型,都在不同程度上反应了过程系统内部的
确存在着具有不同功能的子系统。但它们都没有从能流演化角度对过程系统的用能进行本
质、定量的描述。华贲等以热力学第二定律分析为基础,从能量在过程系统中的变化规律入
手,提出了较为通用的反映能量系统结构的"三环节"结构模型[15,16]。三环节方法是一个
以全局优化为目标的过程系统能量综合的策方法,它建立在对过程系统能量结构的深入理
解和描述以及按照这种能量结构所进行的分析和经济学分析的基础上,该法由模型化和流
程模拟技术支持,可以与任何单元或子系统的优化技术(如数学规划法、试探法、人工智能
等配合使用。"三环节"模型把整个工艺过程中的用能过程划
分为具有不同功能的三个环节,即能量的转换和传输环节、能量的工艺利用环节和能量的
回收环节能量在整个工艺过程中的消耗和降质是在不同功能的三个环节中逐步发生的。三
个环节之间存在着密切的相互联结和制约关系。"三环节"能量结构模型和"三环节"流结构
模型分别如图 1 和图 2 所示。

转换和传输环节是通过加热炉、锅炉、电动机、燃气轮机、蒸汽轮机等设备把外界供给的一
次能源或二次能源通过转换或传输,以一定的形式、数量、品位的能量提供给体系和工艺物
流。该环节的评价指标是能量转换效率和转换效率。能量利用环节是过程能量综合的核心
部分。在这个环节中,能量推动着各个单元过程进行运作,在工艺装置中完成由原到产品的
转化。用能量利用效率和利用效率来反映利用环节的能量和利用水平。该环节总用能的合
理性是影响整个工艺总用能的主要因素。
回收环节是回收产品携带的热量,主要由换热过程构成。用能量回收效率和回收效率反映
系统的能量和回收利用的水平。该环节中各个不同温位物流的能量利用和匹配的合理性决
定着回收利用水平的高低,每增加一份回收循环能或火用,便可以减少一份供入能或供入。