автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Эффективность энергетических комплексов на основе поточных газификаторов твердого топлива с парокислородным дутьем

На правах рукописи

00502Ооиэ

МРАКИН Антон Николаевич

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ НА ОСНОВЕ ПОТОЧНЫХ ГАЗИФИКАТОРОВ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА С ПАРОКИСЛОРОДНЫМ ДУТЬЕМ

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Саратов-2012

005020505

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Николаев Юрий Евгеньевич

Официальные оппоненты: Щинников Павел Александрович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет», профессор кафедры «Тепловые электрические станции»

Малое Валерий Тимофеевич кандидат технических наук, доцент, ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова», доцент кафедры «Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция»

Ведущая организация: ОАО «Всероссийский дважды ордена

Трудового Красного Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт», г. Москва

Защита состоится «24» апреля 2012 г. в 10(Ю часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.07 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, д. 77, корп. 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Автореферат разослан « 23 » марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор

Ларин Е. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В соответствии с Энергетической стратегией России до 2030 г. предусматривается ежегодное увеличение доли твердых видов топлива в топливно-энергетическом балансе страны. К началу XXI века наполнение федерального бюджета РФ происходит в основном за счет экспортных поставок нефти и газа. Это положение усугубляется решением ОАО «Газпром» о снижении поставок природного газа на внутренний рынок с целью выполнения обязательств по коммерческим контрактам с европейскими государствами. В связи с этим намечено увеличение доли используемого угля в энергообеспечении национального хозяйства. Однако покрытие роста энергопотребления за счет прямого сжигания угля не представляется возможным, поскольку при этом возрастает негативное воздействие на окружающую среду, ухудшаются экономические показатели производства энергоносителей. Решение поставленных проблем может быть достигнуто при сооружении энергетических комплексов (ЭК) с газификацией топлива, которые комбинированным способом могут вырабатывать электрическую н тепловую энергию, синтез-газ (водород), а.так же ряд побочных продуктов в виде серосодержащих компонентов, гранулированного шлака, технического азота. В силу специфики работы энергетических установок, требований современной техники по маневренности и надежности, а также учитывая мировой опыт, наиболее перспективными являются поточные газогенераторы. Применение парокислородного дутья обусловлено соображениями достижения максимальной теплоты сгорания получаемого газа.

Целью исследования является повышение энергетической и экономической эффективности энергетических комплексов с поточной пароки-слородной газификацией твердого топлива для комбинированного производства энергоносителей и материалов в современных экономических условиях страны.

В соответствии с целью определены основные задачи исследования:

• математическое описание реактора газификации твердого топлива с определением геометрических размеров и времени пребывания частицы топлива в нем для обоснования рациональной схемы энергетического комплекса и определения его характеристик;

• разработка математической модели расчета характеристик и показателей эффективности ЭК с газификацией угля;

• оценка тепловой экономичности вариантов использования синтез-газа, обоснование рабочих параметров паросилового цикла;

• технико-экономическое определение дальности транспорта синтез-газа и теплоты;

• расчет себестоимости энергоносителей на базе эксергетической методологии;

• определение экономических показателей ЭК при комбинированном производстве энергоносителей.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Разработана методика определения характеристик и показателей эффективности ЭК с парокислородной газификацией топлива в поточных реакторах.

2. Произведено дополнение методики расчета характеристик газогенераторного процесса с определением времени пребывания частицы топлива и геометрических размеров газификатора.

3. Предложена новая схема энергетического комплекса с парокислородной газификацией угольной пыли для получения водородосодержащего газа, электроэнергии и теплоты, защищенная патентом РФ.

4. Разработаны рекомендации по выбору параметров паросилового цикла, экономически обоснованной дальности транспорта синтез-газа и горячей воды.

5. Определены показатели энергетической и экономической эффективности ЭК с комбинированным производством электроэнергии, теплоты, синтез-газа (водорода).

Практическая ценность результатов работы заключается в использовании методических подходов, математического описания газогенераторного процесса, эффективности вариантов использования синтез-газа. Полученные результаты могут служить информативной базой при технико-экономическом обосновании строительства новых ЭК или реконструкции угольных ТЭС с применением газогенераторных технологий. Полученные результаты использованы в учебном процессе СГТУ имени Гагарина Ю.А. при подготовке бакалавров и магистров теплоэнергетического направления.

На защиту выносятся методические положения, математическое описание и блок-схема расчета характеристик и показателей эффективности ЭК, результаты расчетов его энергетической и экономической эффективности, рекомендации по эффективному применению установок с комбинированным производством энергоносителей.

Достоверность результатов и выводов обеспечивается использованием методики системных термодинамических и экономических исследований, фундаментальных положений технической термодинамики, теплопередачи, теории надежности теплоэнергетического оборудования и корреляцией полученных зависимостей и показателей с работами других авторов.

Апробация работы. Основные материалы и результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на научных конференциях и семинарах кафедры «Теплоэнергетика» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. в 2008-2012 гг., Международной научной конференции «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения» (Саратов, 2008, 2010), Всерос-

сийской научно-технической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009, 2010), V и VI Международных молодежных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (Казань, 2010, 2011), 17 и 18 ежегодных Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2011, 2012), XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях -ММТТ-24» (Саратов, 2011), VII Всероссийском семинаре вузов по теплофизике и энергетике (Кемерово, 2011), Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2011).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 15 печатных работах, из них 4 статьи в изданиях по рекомендуемому списку ВАК РФ. Получен патент Российской Федерации на изобретение №2428459.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объем 152 стр., включая 38 рисунков и 28 таблиц. Список использованной литературы содержит 163 наименования, в том числе 12 иностранных и 8 электронных адресов сайтов сети Интернет.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, определены объект, цель и задачи исследования, сформулирована научная новизна и практическая ценность. А так же указаны методические положения, выносимые на защиту, конференции, где проходила апробация материалов, вошедших в диссертацию.

В первой главе «Состояние вопроса и выбор направления исследования» дан анализ современного состояния и перспектив развития топливно-энергетического комплекса Российской Федерации, рассмотрены основные технологии, характеристики процессов газификации твердого топлива, приведен краткий анализ исследований по применению технологий газификации на ГЭС и промпредприятиях.

Вопросам эффективного использования топливно-энергетических ресурсов страны уделяется особое внимание как со стороны вузовской, академической науки, так и производственных предприятий, фирм и правительства. Значительный вклад в развитие комплексного использования топлива, системного анализа энергоустановок внесли B.C. Альтшулер, A.A. Беляев, Д.Б. Гинзбург, Е.С. Головина, В.Г. Каширский, В.Ф. Симонов, А.Ф. Рыжков, А.И. Андрющенко, Р.З. Аминов, А.И. Попов, Ю.М. Хлеба-

лин, A.M. Клер, Г.В. Ноздренко, П.А. Щинников и др., трудами которых в XX-XXI веках была создана теоретическая основа для создания установок с газификацией угля и комбинированным производством энергоносителей. Анализ выполненных работ по проблемам использования твердого топлива выявил необходимость проведения дополнительных исследований по выбору рациональных схем и параметров ЭК на базе парокислородных газификаторов угольной пыли, обоснованию параметров установки, выбора направления использования получаемых продуктов и возможности выделения водорода из синтез-газа.

Во второй главе «Методические основы исследования энергетических комплексов с газификацией твердого топлива» представлены показатели для определения топливной и экономической эффективности ЭК с учетом технологических особенностей процессов газификации, надежности систем газо- и электроснабжения. Разработано математическое описание расчета характеристик и показателей эффективности ЭК для различных направлений использования получаемого синтез-газа.

Оценку энергетической эффективности комбинированного производства энергоносителей на базе ЭК предлагается выполнять с использованием критерия системного эксергетического КПД:

_ Ехг> + ЕхС! + Ехтт + Ехш

В ех +G ex +G ex +G -ex АЕх^ АЕх,,,,,,, ' (1)

'ex lex Чех

где Exn, Ex„, Exmm, Exmi - эксергия отпущенной потребителям электрической энергии, синтез-газа, теплоты и золошлакового материала, кВт; ех„, ex€mr,, ех,и), ех1ти - удельная эксергия потребленного топлива, воздуха, воды и реагента сероочистки, кДж/кг; в, G„„,, G,(i0, Gptag - расход топлива, воздуха, воды и реагента сероочистки в ЭК, кг/с; Д£х,:), ДЕхС1, ЛЕхтт - недовыработка эксергии электроэнергии, синтез-газа и теплоты в сравнении с базовым вариантом, кВт; tj"', rj""y, 7*™" - эксергетические КПД замещающих КЭС, газогенераторной энерготехнологической установки и котельной.

Технико-экономическая эффективность ЭК определялась с использованием следующих критериев: интегрального эффекта (чистый дисконтированный доход), индекса доходности, внутренней нормы доходности и срока окупаемости первоначальных инвестиций. Величина интегрального эффекта с учетом приведения вариантов к равному энергетическому эффекту определена по формуле, руб.:

hi (1 + к.)

где /?„, R,,, /?,„„,, Rm - результат от реализации синтез-газа, электрической и тепловой энергии, золошлакового материала, руб./год;

З, = Зт + + Зм + 3„р + Зт, + 30С + ДЗ^ + Д3„ - эксплуатационные затраты на топливо, ремонт основного и вспомогательного оборудования, заработную плату персонала, прочие виды расходов, обеспечение надежности и защиты окружающей среды, затраты на приобретение электроэнергии и синтез-газа от замещающих установок, руб./год; Е - норма дисконта, 1/год; і -номер расчетного шага (0, 1, 2...Ти); Та - расчетный срок службы объекта,

лет; и - коэффициент учитывающий налог на прибыль; К •-

(! + £)'

приведенные капиталовложения в осуществление инвестиционного проекта, руб.; К, - капитальные вложение в объект строительства в год I, руб.

Обеспечение заданного уровня надежности энергоснабжения потребителей от ЭК требует учета дополнительных затрат в резервные установки по производству электроэнергии и синтез-газа. Эти затраты определялись по следующим зависимостям, руб.:

з: = £ [(1 - кг) - э: ■ ЬГ ■ СГ + Рр„ ■»• ЛГ» • кГ ]■ тг^гг + И • ЛГ„ ■ кГ, (3)

,=о (1 + С)

з:=£ [а ■- кг у■ к: • ьг ■ сг+Р„„ ■ к, ■ кг\+к, • кг, (4)

Ы) (,1 + с)

где Э'к., Ус'г - годовой отпуск электроэнергии и синтез-газа от ЭК, кВт-ч/год и м3/год; ЬГ, Ь'Г - удельные расходы топлива резервными установками на производство электроэнергии и синтез-газа, кг/кВт-ч и кг/м3; С/"" -стоимость резервного топлива, руб./кг; ррп - коэффициент, учитывающий отчисления от капиталовложений в резервные установки, Угод; и - аварийный резерв в энергосистеме; Nж, V,.. - электрическая мощность ЭК и производительность по синтез-газу, кВт и м3/с; к'"'> - удельные капитальные затраты в резервные установки, руб./кВт и руб./(м3/с); Е - норма дисконта, 1/год; Тс, - срок службы ЭК, лет.

Затраты, связанные со снижением вредных выбросов и компенсацией негативных последствий от загрязнения окружающей среды (при условии не превышения предельно-допустимых выбросов), рассчитаны по формуле, руб.:

1 (5)

(1 + £)' '

где Зу, - затраты на подавление в I году у-го выброса, руб./год; V'' - годовой расход синтез-газа ЭК, м1/год; - суммарный удельный объем продуктов сгорания, м3/м3; пп - плата в I год за выброс у-го загрязнителя, руб./кг; Су1 - концентрация в I году вредного у-го ингредиента в продуктах сгорания синтез-газа, мг/м\

=1Хк.'к: п.-",.,-с,,ю-'

Для определения характеристик, показателей энергетической и экономической эффективности вариантов тепловых схем ЭК разработана математическая модель, блок-схема которой представлена на рис. 1.

Блок К» I

Состав н расход топлива; параметры дутьевой смеси; характеристики продукции; климатические данные; доля синтез-пш, отдаваемого потребителю; ценовые (Ьактооы

Клок Nsl

Расчет системы пылепри готов лен ия

Клок №

Расчет показателен ВРУ

її] гок №4

Расчет газогенераторной установки

Блок >№

Расчет системы очистки генераторного газа

Блок М

Расчет коп ла-)тилизатора №2

3.

Ь)іо* КЛ>

Расчет компрессора синтез-газа

ІіЛіж MIO

Расчет охладителя синтез-газа

нет(0<у<1)

ЬлокММ

Определение часовых и годовых балансовых показателей

Ьж»к МП I Расчет ГТУ

К.юкШ2 Расчет КУ ЛеЗ

Блок К* 15 Расчет термодина ьжчсской эффективности ЭК

Б;кжХ»16 Оценка капиталовложений в основное и вспомогательное оборудование

Іілмк №17

Определение экономических показателей

Рис. 1. Блок-схема расчета технологических и экономических показателей ЭК

Расчет газогенераторного процесса парокислородной газификации пылеугольного топлива выполнен для определяющих реакций:

f с+ог~^>со7

| С+С02 ->2СО (6)

[С+2 Н20<г-&->С02 + 2 И2

Дополнив систему (6) реакцией встречной диффузии С0+Н20=С02+Н2 и уравнением константы равновесия в зависимости от

температуры процесса Кр=Г(1газиф) по методу проф. Беляева A.A. рассчитан состав генераторного газа.

Время пребывания частицы топлива в газификаторе оценивается по наиболее медленной химической реакции. Для принятых условий такой реакцией является реакция Будуара, поэтому время рассчитывается по выражению, с:

' (Ет,Л (7)

где к<> - предэкспоненциальный множитель, м/с; £„„„ - энергия активации реакции, Дж/моль; = 8,314 Дж/(мольК) - универсальная газовая постоянная; Т - температура процесса, К.

Для реакции Будуара в принятых условиях £„„,=367400 Дж/моль и

lg ^о = 0'2'' 0~* • £„„„ + 2.

Поскольку конструктивно газификатор выполняется из двух цилиндрических горизонтальных частей с торцевыми горелками, то его диаметр определяется при заданной интенсивности процесса из соотношения, м:

0= (В)

j

где В - суммарный расход топлива, т/ч; j - интенсивность процесса газификации, т/м2-ч.

Общая длина реактора, обеспечивающая протекание химических реакций, определяется по выражению, м:

/ = ±Vi (9)

я-D2 '

где V.r - выработка генераторного газа, м 7с.

Математическая модель расчета технологических и экономических показателей ЭК включает уравнения материальных, энергетических балансов, теплопередачи и аэродинамических сопротивлений отдельных элементов энергетического комплекса (газогенераторов, котлов-утилизаторов, паротурбинной и парогазовой установок, компрессоров синтез-газа и пр.), критерии оценки энергетической и экономической эффективности, ограничения на технически достижимые параметры сред, температурные напоры в котлах-утилизаторах и др.

В третьей главе «Расчетные исследования работы элементов ЭК и определение его тепловой эффективности» предложена тепловая схема ЭК, защищенная патентом РФ, обоснованы параметры пара утилизационной ПТУ, рассчитаны затраты на обеспечение надежности установки, определены энергетические показатели ЭК для различных направлений использования синтез-газа.

Тепловая схема приведена на рис. 2. Особенностью предложенной схемы является применение автотермического газогенератора, двух кот-

лов-утилизаторов для охлаждения синтез-газа, с включением в рассечку системы высокотемпературной очистки. Охлажденный синтез-газ может использоваться для отпуска потребителям, выделения водорода или сжигаться в парогазовой установке.

Рис. 2. Тепловая схема ЭК: 1 - воздухоразделительная установка; 2 - система подготовки угольной пыли; 3 - реактор газификации; 4 - котел-утилизатор №1; 5 - система очистки газа; 6 - котел-утилизатор №2; 7 - подогреватель конденсата; 8 - компрессор синтез-газа; 9 - паровая турбина; 10 - электрогенератор; 11 - конденсатор; 12 - конден-сатный насос; 13 - деаэратор; 14 - питательный насос; 15 - бустерный насос; 16 - хим-водоподготовка; 17 - компрессор ГТУ; 18 - камера сгорания; 19 - газовая турбина; 20 - котел-утилизатор на продуктах сгорания синтез-газа; 21 - емкостной подогреватель ГВС (аккумулятор теплоты)

С использованием разработанного математического описания газогенераторного процесса проведен расчет состава синтез-газа, при использовании в качестве основного топлива Кузнецкого каменного угля с низшей теплотой сгорания 27420 кДж/кг. Образующийся синтез-газ имеет следующий состав: СОг=2,5%; С0=48,0%; Н2=38,9%; N2=1,3%; Н20=9,3% и менее 0,1% Н28. Низшая теплота сгорания синтез-газа 10268 кДж/м3.

Расчет газогенераторного процесса, материальный и тепловой балансы процесса при расходе угольной пыли на один газогенератор 33,5 кг/с; удельном расходе кислорода 0,493 кгк/кт угля; удельном расходе водяного пара 0,483 кгп/кг угля; степени чистоты кислорода - 0,95; потерях от механической неполноты выгазовывания топлива - 2,0%; размере угольной частицы - 0,08 мм, приведены в табл. 1-3.

Таблица 1

Результаты расчета газогенераторного процесса__

Показатель, ед. изм. Величина Показатель, ед. изм. Величина

1. Диаметр газогенератора, м 5,24 5. Интенсивность газификации, т,/м"-ч 2,79

2. Длина газогенератора, м 8,48 6. Выработка генераторного газа, м' газа/с 73,14

3. Время пребывания топливной частицы, с 2,5 7. Удельный расход угля, кг,Ум3 газа 0,458

4. Объемная производительность реактора, т,/м" ч 0,659 8. Удельный выход газа, м3 газа/кг, 2,183

Таблица 2

Материальный баланс газогенератора._

Приходные статьи баланса, ед. изм. Значение % Расходные статьи баланса, ед. изм. Значение %

1. Угольная пыль, кг/с 2. Дутьевой кислород, кг/с 3. Водяной пар, кг/с 33,50 16,50 16,20 50,6 24,9 24,5 1. Генераторный газ, кг/с 2. Шлак, кг/с 3. Золовой унос, кг/с 58,51 3,85 3,84 88,4 5,8 5,8

Итого 66,20 100 Итого 66,20 100

Таблица 3 Тепловой баланс газогенератора.

Приходные статьи баланса, ед. изм. Значение % Расходные статьи баланса, ед. изм. Значение %

1. Химическая теплота топлива, МВт 2. Физическая теплота топлива, МВт 3. Физическая теплота кислород, МВт 4. Физическая теплота водяного пара, МВт 918,6 7,3 5,3 4,3 98,2 0,7 0,6 0,5 1. Химическая теплота газа, МВт 2. Физическая теплота газа, МВт 3. Теплота шлака и уноса, МВт 4. Потери теплоты в окружающую среду, МВт 751,0 173,6 9,2 1,7 80,3 18,5 1,0 0,2

Итого 935,5 100 Итого 935,5 100

Для указанного состава генераторного газа был произведен расчет те-плофизических свойств с последующей их аппроксимацией для использования в расчетах котлов-утилизаторов.

Выбор давлений пара в котлах-утилизаторах производился на основе технико-экономических расчетов. В качестве критерия эффективности

принят прирост интегрального эффекта за срок службы паротурбинной установки ЭК по выражению, руб.:

(Ю)

ДЭ„=£(Ся-ДЭ,г-р-ДК).

(1 + £)

г(1-н)-д К,

где Ся - стоимость реализуемой электроэнергии, руб./кВт-ч; ДЭ/ - прирост годовой выработки электроэнергии в год I, кВт-ч/год; р - коэффициент, учитывающий отчисления на ремонт, обслуживание и прочие виды расходов, 1/год; ДК - изменение капиталовложений в ЭК включая паропроводы, паровую турбину, электротехническое оборудование и котлы-утилизаторы, руб.

В расчетах принято: механический КПД - 98%; КПД электрического генератора - 99%; давление в деаэраторе - 0,6 МПа; доля собственных нужд паротурбинной установки - 0,08; Та = 30 лет; С„= 1,36 руб./кВтч;

= 0,11 1/год; £ = 0,1 1/год; и-0,2 и г = 7500 ч/год. Результаты расчетов представлены на рис. 3.

Рис. 3. Изменение величины прироста интегрального эффекта от давлений в котлах-утилизаторах, при давлении в КУ №2: 1 - 3,5 МПа; 2-6,0 МПа

12СЮ II СП 1Є.М 1000

Давление в котле-утилизаторе №1, МПа

Степень утилизации теплоты синтез-газа (КПД системы утилизации) составляет 96,1-97,5%. С учетом имеющегося опыта эксплуатации типовых ПТУ были выбраны параметры вырабатываемого пара в КУ №1 - 13 МПа / 565 °С, в КУ №2 - 6 МПа / 535. °С. Количество вырабатываемого пара при этом составило в КУ №1 - 39 кг/с, в КУ №2 - 15 кг/с.

Сооружение ЭК с комбинированным производством энергоносителей оказывает влияние на показатели надежности систем электро- и газоснабжения потребителей. В работе произведены расчеты коэффициентов готовности ЭК при изменении количества параллельно работающих цепочек, включающих систему топливоприготовления, газогенераторы, котлы-утилизаторы и паротурбинную установку. Для трех технологических цепочек коэффициент готовности составил 0,8525. Затраты на обеспечение надежности рассчитаны при Ь?" =0,360 кг/кВт-ч; Ц" = 1,00 руб./кг; ррп =0,163 1/год; к?" =36 тыс. руб./кВт; ¿/"=0,4 кг/м3; =85918 тыс. руб./(м3/с); Е = 0,1 1/год и Та =30 лет, и=0,50-0,58 (в зависимости от направления использования синтез-газа). Результаты расчетов представлены на рис. 4.

Рис. 4. Изменение затрат для обеспечения надежности энергоснабжения в зависимости от направления использования синтез-газа: 1 - газ; 2 - электроэнергия;

3 - суммарные затраты

Из рисунка следует, что суммарные затраты на обеспечение надежности снижаются с ростом доли синтез-газа, используемого для выработки электроэнергии.

Из проведенных в диссертации расчетов следует, что сооружение ЭК приводит к снижению оплаты вредных выбросов по сравнению с вновь вводимыми КЭС на твердом топливе при условии одинакового количества вырабатываемой электрической энергии.

Производимый на ЭК синтез-газ может быть использован для замещения твердых топлив и природного газа в топливоиспользующих установках промышленных и коммунально-бытовых потребителей с целью улучшения экологической обстановки урбанизированных территорий, а также для химических и нефтехимических производств в качестве технологического сырья.

Оценка энергетической эффективности ЭК при различных направлениях использования синтез-газа выполнена с применением коэффициента, представляющего собой отношение энергии синтез-газа, израсходованной на ЭК, к энергии выработанного синтез-газа:

К-ШП" (11)

где - количество синтез-газа, потребляемое ЭК, м?/с; Утр - общая выработка синтез-газа, м3/с.

В расчетах принято: затраты электрической энергии для целей топли-воприготовления эшбм =24,12 кВт-ч/т; объемный расход кислорода от ВРУ-40,3 м3/с, объемный расход синтез-газа - 219,4 м3/с, КПД компрессора г}к = 0,88, удельная эксергия твердого топлива - 28876 кДж/кг. В качестве замещающих установок принято: для синтез-газа - газогенераторная энерготехнологическая установка с эксергетическим КПД 80%; для электроэнергии - угольная конденсационная электростанция повышенной эффективности с КПД 44%. Отпуск теплоты и золошлакового материала в сравниваемых вариантах сохраняется одинаковым. Результаты расчета вариантов схем энергетического комплекса представлены в табл. 4.

Таблица 4

Годовой эксергетический баланс ЭК_

Показатель, ед. изм. Направление использования синтез-газа

у = 0,0 У = 0,5 у = 1,0

Приход эксергии, млрд. кВт ч/год топливо воздух вода сероочистной реагент 21,7653 0,0059 0,0009 0,0001

Расход эксергии, млрд. кВт-ч/год отпущенная электроэнергия синтез-газ тепловая энергия золошлаковый материал 0,1639 16,3906 0,0370 0,0006 3,4369 8,1953 0,0370 0,0006 6,7099 0,0370 0,0006

Эксергетический КПД ЭК, % 76,2 53,6 31,0

Недовыработка эксергии, млрд. кВт ч/год - электроэнергии - сиитез-газа 6,546 3,273 8,1953 16,3906

Системный эксергетический КПД. % 63,13 58,64 54,24

Из анализа табл. 4 видно, что максимальная эффективность использования угля при наличии в системе новых угольных ТЭС достигается в схеме с полным отпуском синтез-газа, это объясняется тем, что при использовании синтез-газа в цикле ПГУ возникают дополнительные термодинамические потери.

В четвертой главе «Технико-экономическая эффективность комбинированного производства энергоносителей на основе газификации твердого топлива» проведен расчет экономических показателей ЭК при производстве электроэнергии и синтез-газа, обоснована дальность транспорта синтез-газа и теплоты, определена эффективность выработки электроэнергии и водорода.

Определение эффективности ЭК при производстве электроэнергии и синтез-газа выполнено для трех значений коэффициента у=0,0; 0,5 и 1,0 (крайние значения соответствуют максимальной выработке синтез-газа и электроэнергии). Варианты приведены к одинаковому энергетическому эффекту путем учета затрат на покупную электроэнергию - 1,36 руб./кВт-ч, и синтез-газа - 1,17 руб./м3. Расчеты произведены при следующих исходных данных: С,„ =862 руб./т; £ = 0,1 Угод; т;, = 7500 ч/год; срок строительства 5 лет; п""„ = 2,0 чел./(т/ч) и = 1,5 чел./МВт; годовой фонд заработной платы - 180 тыс. руб./чел.тод и коэффициент отчислений в фонд социального страхования - 0,27. Удельные капиталовложения в замещающие установки по производству электроэнергии к, =36 тыс. руб./кВт, а в энерготехнологическую установку с газификацией твердого топлива для производства синтез-газа - 85,918 млн. руб./(м3/с). Дальность транспорта синтез-газа принята 22,5 км. Результаты расчетов представлены в табл. 5.

Расчет эксплуатационных затрат вариантов схем

Таблица 5

Показатель, ед. изм. Направление использования газа

7 = 0,0 7 = 0,5 1 7 = 1,0

Расход исходного угля, кг/с 100,5

Электрическая мощность, кВт 21857 458253 866175

Производительность по синтез-газу, м_7с 219,42 109,71 0

Суммарные капиталовложения, млн. руб. 18852,067 29659,826 39510,974

Производственные издержки, млн. руб. - топлпво - ремонтные работы (8%) - заработная плата с отчисления в ФСС - прочие виды расходов (2,5%) - оплата вредных выбросов - затраты в обеспечение надежности Затраты на замещающую ТЭС, млн. руб. Затраты на замещающую ЭТУ, млн. руб. 2338,000 1508,165 201,706 471,302 0 3198,219 8612,064 0 2338,000 2372,786 351,348 741,496 0,402 4692,966 4160,784 3465.739 2338,000 3160,878 491,223 987,774 0,804 6405,734 0 6931,478

Суммарные производственные издержки, млн. руб. 16329,46 18123,52 20315,89

Отчисления на амортизацию основных фондов (3,3%), млн. руб. 622,118 978.774 1303,862

Стоимость энергоносителей при комбинированном производстве на ЭК определена с использованием эксергетического метода распределения затрат и заданной норме рентабельности, равной 0,15. Стоимость электроэнергии при этом составила 1,25 руб./кВт-ч, синтез-газа - 1,01 руб./м3.

Интегральный эффект рассчитан при изменении стоимости отпускаемой электроэнергии С.ю = 1,0 + 6,0 руб./кВт-ч и синтез-газа в пределах Ссг =1,0 + 10,0 руб./м3 (рис. 5,6).

1,0 2.0 3,0 4,0 5,0 6,0 Стоимость электроэнергии, руб./кВтч

Стоимость синтез-газа, руб./мЗ

Рис. 5. График зависимости интегрального эффекта от стоимости реализуемой электроэнергии (при Си = 1,01 рубУм3):

-- у = 0,0;----у = 0,5;

—---7 = 1,0

Рис. 6. График зависимости интегрального эффекта от стоимости реализуемого синтез-газа (при = 1,25 руб./кВт-ч):

-- 7 = 0,0;---- 7 = 0,5;

----7 = 1,0

С = 1 +

Из анализа рисунков следует, что положительный эффект достигается при См > 2,0 руб./кВт-ч и Сс, = 1,6 руб./м3. Увеличение тарифов на топливо и стоимости сооружения энергетических комплексов с парокислородной газификацией угля на 10% приводит к снижению эффекта на 3-6%.

Для экономической оценки дальности газоснабжения от ЭК выразим стоимость синтез-газа на границе района газопотребления, руб./кДж:

о у/сг (3, +3„„ + 3„) (12)

-и) уа-тг-ш;г ' где г - рентабельность производства; н - коэффициент, учитывающий налог на прибыль; у/сг - доля эксергии синтез-газа в суммарной эксергии отпускаемых продуктов; 3,, Зау, 3„ - годовые производственные затраты на ЭК, включающие затраты на топливо, электроэнергию, ремонтные работы, заработную плату персоналу, прочие виды расходов, амортизацию основного оборудования и обеспечение надежности энергоснабжения, руб./год; - выработка синтез-газа, мя/ч; (2,Г)" ~~ низшая теплота сгорания синтез-газа; кДж/м3.

В расчетах приняты следующие показатели: г = 0,15; н = 0,20;

=0,98785; (<2;у = 10268 кДж/м3; время работы установки 7500 ч/год; давление синтез-газа перед ГРП потребителей - 0,3 МПа; стоимость природного газа на уровне 2011 г. составляет 100 руб./ГДж; удельная стоимость электроприводных компрессоров - 540 руб./кВт, трубопроводов - 45 млн. руб./км. Результаты вариантных расчетов представлены на рис. 7.

§

Ей

о. ЁГ

250

200

150

100

50-

22,5 45,0

Рис. 7. Стоимость энергоносителей:

--природный газ (нижняя линия -

цена на уровне 2011 г., верхняя - с учетом платы за технологическое подключение и возможное дальнейшее удорожание к 2018 г.);----синтез-газ

67,5

Дальность транспорта, км

Из анализа рис. 7 можно сделать вывод, что сооружение ЭК с комбинированным производством электроэнергии и синтез-газа будет эффективно при стоимости природного газа 175 руб./ГДж и более (что при существующем уровне роста цен может быть достигнуто уже к 2018 г.). В современных экономических условиях с учетом фактора надежности вырабатываемый на ЭК синтез-газ получается дороже природного, но с учетом его удорожания экономически обоснованная дальность транспорта синтез-газа может составить 24-28 км.

В диссертации предлагается способ дальнего теплоснабжения на базе утилизации теплоты шлака. Экономическая эффективность дальнего теплоснабжения определяется путем оценки достигаемой экономии дисконтированных затрат по сравнению с вариантом производства теплоты для горячего водоснабжения в котельных на природном газе, размещаемых в районе теплопотребления. Для указанной схемы прирост интегрального эффекта представим в виде

ДЭ„. = £ (С,„ • /?;:„„ + Рт ■ Кт - С, ■ Э,„,„ - Су • а,„ - ря • Кж - Р„и, ■ Кти - (13)

Л*' •(! + £)"'- (К„с + К,ю + Кпс - К„„„), где С,„ - стоимость природного газа, сжигаемого в котельных, руб./м1; К.„, ~ годовой расход топлива котельными, м3/год; рт, - коэффициент, учитывающий отчисления на ремонты, обслуживание, прочие эксплуатационные затраты, Угод; Ктт = £,,„„• <2Ж - стоимость котельной, руб.; кют -удельная стоимость котельной, руб./кВт; - тепловая мощность котельной, кВт; С3 - стоимость электроэнергии, расходуемой на перекачку воды, руб./кВт-ч; Э„ч, - расход электроэнергии на перекачку воды, кВт-ч/год; С\, - стоимость теплоты, отпускаемой от ЭК, руб./ГДж; £>т - тепловые потери, ГДж/год; р„с, р,т), ртс - коэффициенты, учитывающие отчисления на ремонт и обслуживание насосной станции, теплообменного оборудования и тепловых сетей, I/год; Кт = кж■Л'- стоимость насосной станции, руб.; кы; - удельная стоимость насосной станции, руб./кВт; N - мощность насосной станции, кВт; к„„ = к,т-г - стоимость теплообменного оборудования, устанавливаемого на ТЭС, руб.; кпн, - удельная стоимость теплообменного оборудования, руб./м2; г - площадь теплопередающей поверхности, м2; К,„с = кшс■ I - стоимость тепловых сетей, руб.; ктс - удельная стоимость теплосети, руб./м.

Расчеты прироста интегрального эффекта по выражению (13) выполнены при осуществлении дальнего транспорта теплоты от загородного ЭК в зависимости от протяженности транзитной теплосети и стоимости природного газа, сжигаемого в котельных для климатических условий СФО (г. Новосибирск) при тепловой нагрузке горячего водоснабжения 20 МВт и дальности теплоснабжения 10-60 км. Стоимостные показатели энергоносителей и оборудования приняты на уровне 2011 г.: С, = 1,36 руб./кВт-ч, св = 198 руб./ГДж, ктт = 2000 руб./кВт, кК = 12000 руб./кВт, к,„с= 5000 руб./м, кто = 21000 руб./м2. Дополнительные исходные данные: >7„„„ =0,92, ^ =0,95; /Л„ = Р,, = Р,„„ =0.12 1/год; ртс = 0,05 1/год; £ = 0,1 1/год; Г„ = 30 лет; (3=0,05; и Р=2040 м2. Результаты расчетов показаны на рис. 8.

------

аУп= -------

50%

2 3 4

Стоимость природного газа, рубЛиЗ

Рис. 8. Влияние стоимости природного газа, сжигаемого в котельных, на предельную длину теплосети в зависимости от степени уноса золы

Вырабатываемый на ЭК синтез-газ может транспортироваться к потребителям или из него может выделяться водород с последующей передачей предприятиям химической, нефтехимической, металлургической и пищевой промышленности. Его потребление в перспективе будет только возрастать. Наиболее перспективным способом производства водорода из синтез-газа является применение палладиевых мембран.

Расчеты эксергетических КПД ЭК с производством электроэнергии и водорода и раздельной схемы (электроэнергия на угольной КЭС с КПД 36%, водород на установке с паровой конверсией природного газа с удельным расходом - 0,45 м3 газа/м3 водорода) выполнены при следующих данных: коэффициент проницаемости 0,234-10"3 кг/(с-м2-бар0'5) при толщине мембраны 60 мкм; давление выделенного водорода составляет 0,15 МПа. Площадь водородной мембранной установки составляет 23187 м2, что обеспечит выход водорода 2304,450 млн. м3/год. Результаты расчетов представлены в табл. 6. Из таблицы следует, что комбинированное производство обеспечивает прирост КПД на 3,15%.

Таблица 6

Термодинамическое сравнение вариантов технологического использования синтез-газа

Величина, ед. изм. Технологический профиль

эк раздельная схема

Эксергия первичного топлива, млрд. кВт ч/год Эксергия отпущенного водорода, млрд. кВт ч/год Эксергия электроэнергии, млрд. кВт-ч/год 21,7653 6,7059 4,9046 23,1297 6,7059 4,9046

Эксергетический КПД, % 53,34 . 50,19

Экономические расчеты вариантов схем проведены при базовых стоимостных характеристиках: Сг=862 руб./т; С.„= 1,36 руб./кВт-ч; з"™ = 6,50 руб./м3; удельная стоимость палладиевых мембран 180 тыс. руб./м2; тр = 7500 ч/год; срок строительства 5 лет, жизни объекта - 30 лет; п'2, = 2,0 чел./(т/ч); п'2„ = 1,5 чел./МВт и представлены в табл. 7. 18

Таблица 7

Экономический расчет вариантов схем_

Показатель, ед. изм. Технологический профиль

эк раздельная схема

Суммарные капиталовложения, млн. руб. 30417,855 54268,097

Производственные издержки, млн. руб. - топливо - ремонтные работы (8%) - заработная плата с отчисления в ФСС - прочие виды расходов (2,5%) - оплата вредных выбросов 2338,000 2433,428 366,758 760,446 0,322 4506,581 4341,448 286,990 1356,702 0,322

Суммарные производственные издержки, млн. руб. 5898,954 10492,043

Поступления от амортизации основных фондов (3,3%), млн. руб. 1003,789 1790,847

Выручка от реализации электроэнергии, млн. руб. 6670,256

Выручка от реализации водорода, млн. руб. при его стоимости: 1,75 руб./м3 3,50 руб./м3 5,25 руб./м3 4032,788 8065,575 12098,363

Интегральный эффект, млрд. руб. при стоимости водорода: 1,75 рубЛ!3 3,50 руб./м3 5,25 руб./м3 -0,565 18,319 37,203 -40,155 -21,271 -2,387

Вариант ЭК с производством водорода оказывается эффективным при его стоимости более 1,8 руб./м3. При базовых капиталовложениях и стоимости водорода с?* =3,50 руб./м3 интегральный эффект составляет 18319

млн. руб., индекс доходности - 1,79 руб./руб., срок окупаемости - 12 лет и внутренняя норма доходности - 16,6%.

20000

15000

£ 10000

5000 -

1,00 1,15 1,30

Увеличение капитальных вложений

I £ 3 ^

ч і

1.5

0,5 -

т 20

— 15 §

10

-- 5

1,00 1,15 1,30 Увеличение капитальных вложений

Рис. 11. Влияние относительного изменения капиталовложений на интегральный эффект

Рис. 12. Влияние относительного изменения капиталовложений на индекс доходности (-) и срок окупаемости (---)

Учитывая неопределенность в оценке капиталовложений в ЭК для случая с выделением водорода при стоимости реализуемого водорода С;'"' =3,50 руб./м\ выполнен расчет показателей экономической эффективности от относительного изменения капиталовложений по сравнению с базовым вариантом (табл. 7), которые представлены на рис. 11, 12.

Как видно из рисунков, абсолютное значение капиталовложений оказывает существенное влияние на экономические показатели ЭК с выделением водорода, при увеличении их более чем на 45-50% и сохранении тарифов на энергоносители строительство такого рода ЭК становиться нецелесообразным.

ВЫВОДЫ

1. Разработаны методические положения расчета характеристик и показателей эффективности энергетических комплексов с поточными газификаторами на парокислородном дутье с учетом взаимосвязей с системами электроснабжения, газоснабжения и теплоснабжения.

2. Произведено дополнение методики расчета характеристик газогенераторного процесса с определением времени пребывания частицы топлива и геометрических размеров газогенератора.

3. Разработана математическая модель для определения характеристик и показателей энергетической и экономической эффективности ЭК и блок-схема алгоритма расчета, включающая описание технологической и энергетической частей установки и их взаимное влияние.

4. Предложена новая схема ЭК с комбинированным производством электрической и тепловой энергии, синтез-газа (водорода) и золошлаково-го материала, защищенная патентом РФ, отличающаяся применением двух котлов-утилизаторов разных давлений вырабатываемого пара для охлаждения генераторного газа с включенной в рассечку между ними системой очистки.

5. Расчетно-теоретическими исследованиями обоснованы параметры пара, вырабатываемого котлами-утилизаторами. Для первой ступени охлаждения синтез-газа рекомендуется выработка пара 13 МПа / 565 °С, для второй - 6,0 МПа / 535 °С. Установлено, что максимум термодинамической эффективности (63,13%) достигается при полной реализации синтез-газа стороннему потребителю.

6. Определены характеристики и показатели эффективности ЭК при различных направлениях использования синтез-газа. Наибольший эффект (эксергетический КПД 63,1%) достигается при реализации синтез-газа и выработки электроэнергии за счет утилизации теплоты синтез-газа. Сооружение такого энергокомплекса экономически целесообразно при С,, > 2,0 руб./кВт-ч и С, . > 1,6 руб./м3.

7. Дано экономическое обоснование предельной дальности транспорта синтез-газа и тепловой энергии за счет утилизации теплоты шлака. Пре-

дельная дальность транспорта синтез-газа составляет 24-28 км и определяется ценой природного газа. Дальность транспорта теплоты находится в пределах 30-60 км и зависит от цены природного газа, сжигаемого в котельных города.

8. Выполнен анализ эффективности производства на ЭК электроэнергии и водорода. Эксергетический КПД комбинированной схемы составляет 53,34%, интегральный эффект - 18319 млн. руб.; индекс доходности - 1,79 руб./руб.; срок окупаемости с учетом строительства - 12 лет и внутренняя норма доходности - 16,6%.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ

1. Николаев Ю.Е. Возможности создания энергокомплексов с газификацией топлива для энергообеспечения городов / Ю.Е. Николаев, А.Н. Мракин // Промышленная энергетика. 2009. №9. С. 2-7.

2. Николаев Ю.Е. Математическое описание процесса газификации твердого топлива в поточных автотермических газогенераторах / Ю.Е. Николаев, А.Н. Мракин // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 1 (54). С. 154-161.

3. Николаев Ю.Е. Выбор направления рационального использования синтез-газа, получаемого при газификации угля / Ю.Е. Николаев, A.M. Чертыков, А.Н. Мракин Н Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2011. №3-4. С. 33-40.

4. Николаев Ю.Е. Анализ эффективности комбинированного производства водорода и электроэнергии из твердого топлива / Ю.Е. Николаев, А.Н. Мракин, М.С. Семушкина // Энергетик. 2011. №8. С. 38-40.

Патент

5. Установка для комбинированного производства водородосодер-жащего газа, электрической и тепловой энергии / Ю.Е. Николаев, А.Н. Мракин // Патент РФ на изобретение №2428459; Бюл. №25 от 10.09.2011.

Публикации в других изданиях

6. Мракин А.Н. Технико-экономические предпосылки сооружения энергокомплексов с газификацией твердых топлив / А.Н. Мракин, Ю.Е. Николаев // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий: материалы Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых: в 2 т. Т. 2. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2009. С. 218-221.

7. Мракин А.Н. Обоснование параметров утилизации теплоты генераторного газа установок с газификацией твердого топлива / А.Н. Мракин II Материалы докладов V Междунар. молодежной научной конференции

«Тинчуринские чтения»: в 4 т. Т. 2. Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2010. С. 203-204.

8. Николаев Ю.Е. Определение показателей энергетической и экономической эффективности энергокомплексов с газификацией угля / Ю.Е. Николаев, А.Н. Мракин И Проблемы энерго- и ресурсосбережения: сборник науч. трудов. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2010. С. 179-184.

9. Мракин А.Н. Эффективные технологии комбинированного производства энергоносителей на основе газификации твердого топлива / А.Н. Мракин, М.С. Семушкина, Ю.Е. Николаев // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий: материалы Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых: в 2 т. Т. 2. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2010. С. 208-210.

10. Николаев Ю.Е. Определение показателей надежности и затрат на ее обеспечение при проектировании энерготехнологических установок с газификацией твердого топлива / Ю.Е. Николаев, А.Н. Мракин // Проблемы теплоэнергетики: сб. науч. тр. Вып. 1. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2011. С. 105-111.

11. Мракин А.Н. Эффективность дальнего теплоснабжения от загородных ТЭС с газификацией угля / А.Н. Мракин // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: тез. докл. 17 Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: в 3 т. Т. 2. М.: Изд. дом МЭИ, 2011. С. 564-565.

12. Мракин А.Н. Разработка математической модели расчета показателей энерготехнологических установок с газификацией угля / А.Н. Мракин // Материалы докладов VI Междунар. молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения»: в 4 т. Т. 2. Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2011. С. 166-167.

13. Мракин А.Н. Математическое описание паровых котлов-утилизаторов на продуктах газификации твердого топлива / А.Н. Мракнн, Ю.Е. Николаев // Участники школы молодых ученых и программы У.М.Н.И.К.: сб. трудов XXIV Междунар. науч. конф. «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24». Саратов: Сар. гос. техн. унт, 2011.С. 11-14.

14. Николаев Ю.Е. Исследование эффективности источников комбинированного энергоснабжения на базе газогенераторных установок / Ю.Е. Николаев, А.Н. Мракин // Тезисы докладов VII Всероссийского семинара вузов по теплофизике и энергетике. Кемерово: Кузбасс, гос. техн. ун-т, 2011. С. 52.

15. Мракин А.Н. Экономическое обоснование предельной дальности транспорта синтез-газа от энерготехнологических установок / А.Н. Мракин, Ю.Е. Николаев // Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Сборник материалов Всероссийской студенческой олимпиады, научно-практической конференции и выставки работ студентов, аспирантов и молодых ученых 1316 декабря 2011 г. Екатеринбург: УрФУ, 2011. С. 160-163.

16. Мракин А.Н. Термодинамическая и экономическая эффективность энерготехнологических установок с парокислородной газификацией угольной пыли / А.Н. Мракин // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Восемнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: тез. докл.: в 4 т. Т. 3. М.: Изд. дом МЭИ, 2012. С. 312-313.

Подписано в печать 15.03.2012 Формат60х84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 34 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, ул. Политехническая, д. 77. Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, ул. Политехническая, д. 77. Тел.: 99-87-39, E-mail: izdat@sstu.ru

61 12-5/3518

САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ГАГАРИНА Ю.А.

На правах рукописи

Л 4Ы.

Г

МРАКИН АНТОН НИКОЛАЕВИЧ

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ НА ОСНОВЕ ПОТОЧНЫХ ГАЗИФИКАТОРОВ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА С ПАРОКИСЛОРОДНЫМ ДУТЬЕМ

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Николаев Ю.Е.

Саратов - 2012

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ABO - аппарат воздушного охлаждения

ВАК - высшая аттестационная комиссия

ВПГ - высоконапорный парогенератор

ВРУ - воздухоразделительная установка

ВТИ - Всероссийский теплотехнический институт

ГВС - горячее водоснабжение

ГОСТ - государственный стандарт

ГПК - газовый подогреватель конденсата

ГРП - газорегуляторный пункт

ГРЭС - государственная районная электростанция

ГЭС - гидроэлектростанция

ЖКХ - жилищно-коммунальное хозяйство

ЗАО - закрытое акционерное общество ИСЭМ СО РАН - Институт систем энергетики им. JI.A. Мелентьева

Сибирского отделения РАН

КПД - коэффициент полезного действия

КПТ - котельно-печное топливо

КС - камера сгорания КУ - котел-утилизатор КЭС - конденсационная электростанция J1M3 - Ленинградский металлический завод МЭИ - Московский энергетический институт НГТУ - Новосибирский государственный технический

университет НПЗ - нефтеперерабатывающий завод

ОАО - открытое акционерное общество

ОГК - оптовая генерирующая компания

ОРЭМ - оптовый рынок электроэнергии и мощности

ОЭС - объединенная энергосистема

ПГУ - парогазовая установка

ПДК - предельно допустимая концентрация

ПКМ - паровая конверсия метана

ПТУ - паротурбинная установка

РАН - Российская академия наук

РФ - Российская Федерация

СГТУ - Саратовский государственный технический

университет имени Гагарина Ю.А.

СССР - Союз Советских Социалистических Республик

СФО - Сибирский Федеральный округ

США - Соединенные Штаты Америки

ТГК - территориальная генерирующая компания

ТУ - технические условия

ТЭК - топливно-энергетический комплекс

ТЭР - топливно-энергетические ресурсы

ТЭС - тепловая электростанция

ТЭЦ - теплоэлектроцентраль

ФСС - фонд социального страхования

ФЦП - Федеральная целевая программа

ЦКС - циркулирующий кипящий слой

ЦКТИ - Центральный котлотурбинный институт

им. И.И. Ползунова

ЧВД - часть высокого давления

ЧНД - часть низкого давления

ШБМ - шаровая барабанная мельница

ЭК - энергетический комплекс

ЮАР - Южно-Африканская республика

ОГЛАВЛЕНИЕ

22

34 42

Введение ^

Глава 1. Состояние вопроса и выбор направления исследования 11

1.1. Анализ современного состояния и перспектив развития топливно-энергетического комплекса Российской Федерации 11

1.2. Мировой опыт газификации органических топлив. Технологии

газификации, характеристики процессов

1.3. Обзор выполненных исследований по применению технологий

газификации на ТЭС и промпредприятиях

1.4. Цель и задачи исследования Глава 2. Методические основы исследования энергетических комплексов с поточной газификацией твердого топлива 44

2.1. Критерии энергетической и экономической эффективности ЭК

с газификацией твердого топлива 44

2.2. Обеспечение надежности и защиты окружающей среды при функционировании ЭК с газификацией твердого топлива 52

2.3. Режимы потребления электрической энергии 57

2.4. Математическое описание газогенераторного процесса 61

2.5. Разработка математической модели расчета характеристик и показателей эффективности ЭК с газификацией твердого топлива 68 Глава 3. Расчетные исследования вариантов схем ЭК и определение

его тепловой эффективности

3.1. Выбор тепловой схемы ЭК для комбинированного производства

энергоносителей 89

3.2. Расчет газогенераторного процесса и определение теплофизических свойств синтез-газа 92

3.3. Обоснование параметров пара, генерируемого в котлах-утилизаторах

3.4. Расчет показателей надежности и вредных выбросов в

окружающую среду 1 ®1

3.5. Определение термодинамической эффективности ЭК

при различных направлениях использования синтез-газа 108

Глава 4. Технико-экономическая эффективность комбинированного производства энергоносителей на основе газификации твердого

топлива ^^

4.1. Выбор направления использования синтез-газа 112

4.2. Экономическое обоснование предельной дальности транспорта

11 8

синтез-газа

4.3. Получение дополнительной прибыли за счет утилизации теплоты шлака и реализации золошлакового материала 122

4.4. Анализ эффективности комбинированного производства

водорода и электроэнергии на ЭК с газификацией твердого топлива 128

1 44

Выводы 1

Список использованной литературы 136

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В соответствии с Энергетической стратегией России до 2030 г. предусматривается ежегодное увеличение доли твердых видов топлива в топливно-энергетическом балансе страны [149]. К началу XXI века наполнение федерального бюджета РФ происходит в основном за счет экспортных поставок нефти и газа. Это положение усугубляется решением ОАО «Газпром» о снижении поставок природного газа на внутренний рынок с целью выполнения обязательств по коммерческим контрактам с европейскими государствами. В связи с этим намечено увеличение доли используемого угля в энергообеспечении национального хозяйства. Однако покрытие роста энергопотребления за счет прямого сжигания угля не представляется возможным, поскольку при этом возрастает негативное воздействие на окружающую среду, ухудшаются экономические показатели производства энергоносителей. Решение поставленных проблем может быть достигнуто при сооружении энергетических комплексов (ЭК) с газификацией топлива, которые комбинированным способом могут вырабатывать электрическую и тепловую энергию, синтез-газ (водород), а также ряд побочных продуктов в виде серосодержащих компонентов, гранулированного шлака, технического азота [69, 72, 81]. В силу специфики работы энергетических установок, требований современной техники по маневренности и надежности, а также учитывая мировой опыт, наиболее перспективными являются поточные газогенераторы [115]. Применение парокислородного дутья обусловлено соображениями достижения максимальной теплоты сгорания получаемого газа [160].

Исходя из вышесказанного, определен предмет исследования диссертационной работы - энергетический комплекс на основе поточных газификаторов твердого топлива с парокислородным дутьем, инновационные технологии его усовершенствования и увеличения экономической эффективности.

Целью исследования является повышение энергетической и экономической эффективности энергетических комплексов с поточной парокислородной

газификацией твердого топлива для комбинированного производства энергоносителей и материалов в современных экономических условиях страны.

В соответствии с целью определены основные задачи исследования:

• математическое описание реактора газификации твердого топлива с определением геометрических размеров и времени пребывания частицы топлива в нем для обоснования рациональной схемы энергетического комплекса и определения его характеристик;

• разработка математической модели расчета характеристик и показателей эффективности ЭК с газификацией угля;

• оценка тепловой экономичности вариантов использования синтез-газа, обоснование рабочих параметров паросилового цикла;

• технико-экономическое определение дальности транспорта синтез-газа и теплоты;

• расчет себестоимости энергоносителей на базе эксергетической методологии;

• определение экономических показателей ЭК при комбинированном производстве энергоносителей.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Разработана методика определения характеристик и показателей эффективности ЭК с парокислородной газификацией топлива в поточных реакторах.

2. Произведено дополнение методики расчета характеристик газогенераторного процесса с определением времени пребывания частицы топлива и геометрических размеров газификатора.

3. Предложена новая схема энергетического комплекса с парокислородной газификацией угольной пыли для получения водородосодержащего газа, электроэнергии и теплоты, защищенная патентом РФ.

4. Разработаны рекомендации по выбору параметров паросилового цикла, экономически обоснованной дальности транспорта синтез-газа и горячей воды.

5. Определены показатели энергетической и экономической эффективности ЭК с комбинированным производством электроэнергии, теплоты, синтез-газа (водорода).

Практическая ценность результатов работы заключается в использовании методических подходов, математического описания газогенераторного процесса, эффективности вариантов использования синтез-газа. Полученные результаты могут служить информативной базой при технико-экономическом обосновании строительства новых ЭК или реконструкции угольных ТЭС с применением газогенераторных технологий. Полученные результаты использованы в учебном процессе СГТУ имени Гагарина Ю.А. при подготовке бакалавров и магистров теплоэнергетического направления.

На защиту выносятся методические положения, математическое описание и блок-схема расчета характеристик и показателей эффективности ЭК, результаты расчетов его энергетической и экономической эффективности, рекомендации по эффективному применению установок с комбинированным производством энергоносителей.

Достоверность результатов и выводов обеспечивается использованием методики системных термодинамических и экономических исследований, фундаментальных положений технической термодинамики, теплопередачи, теории надежности теплоэнергетического оборудования и корреляцией полученных зависимостей и показателей с работами других авторов.

Апробация работы. Основные материалы и результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на научных конференциях и семинарах кафедры «Теплоэнергетика» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. в 2008-2012 гг., Международной научной конференции «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения» (Саратов, 2008, 2010), Всероссийской научно-технической

конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009, 2010), V и VI Международных молодежных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (Казань, 2010, 2011), 17 и 18 ежегодных Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2011, 2012), XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24» (Саратов, 2011), VII Всероссийском семинаре вузов по теплофизике и энергетике (Кемерово, 2011), Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2011).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 15 печатных работах, из них 4 статьи в изданиях по рекомендуемому списку ВАК РФ. Получен патент Российской Федерации на изобретение №2428459.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объем 152 стр., включая 38 рисунков и 28 таблиц. Список использованной литературы содержит 163 наименования, в том числе 12 иностранных и 8 электронных адресов

сайтов сети Интернет.

Работа выполнена в рамках научного направления Проблемной научно-исследовательской лаборатории теплоэнергетических установок электростанций и систем энергоснабжения СГТУ имени Гагарина Ю.А. в соответствии с межвузовской научно-технической программой основного научного направления развития науки и техники Российской Федерации «Топливо и энергетика», Федеральной программой фундаментальных исследований по направлению «Физико-технические проблемы энергетики» (раздел «Фундаментальные проблемы энергосбережения и эффективного использования топлива»).

Автор считает приятным долгом выразить глубокую благодарность своему научному руководителю, доктору технических наук, профессору Николаеву

Юрию Евгеньевичу за внимательное руководство и неоценимую помощь при выполнении работы, а также коллективам кафедр «Теплоэнергетика», «Промышленная теплотехника», «Тепловые электрические станции» и Проблемной научно-исследовательской лаборатории теплоэнергетических установок и систем энергоснабжения Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. за ценные советы и замечания, высказанные в процессе подготовки и обсуждения диссертации.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1Л. Анализ современного состояния и перспектив развития топливно-энергетического комплекса Российской Федерации

Успешное развитие национальной экономики в значительной мере определяется состоянием топливно-энергетического комплекса страны. Основная часть топливно-энергетического баланса РФ покрывается за счет органического топлива. В последние годы здесь сложилась диспропорция между запасами нефти и газа и значительными опережающими темпами их добычи, что привело к истощению действующих относительно дешевых месторождений. При этом полное истощение запасов газа на разведанных месторождениях при сохранении сегодняшних темпов потребления ожидается через 80-100 лет, нефти - через 40-60 лет, а угля - через 220-330 лет. Очевидным является вывод о том, что грядущий энергетический кризис может предотвратить только угольная энергетика.

Россия располагает огромными (второе место в мире) ресурсами твердого топлива [41]. Подавляющая их часть сосредоточена в Сибири (79,6%) и на Дальнем Востоке (10,1 %) (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Расположение ресурсной базы твердого топлива в СФО

При этом уголь является одним из важнейших топливных ресурсов страны. Его доля в топливном балансе электроэнергетики составляет 28%, что соответствует ежегодному потреблению 115 млн. т каменных и бурых углей. Суммарная установленная электрическая мощность угольных электростанций составляет 52 тыс. МВт, на них вырабатывается 155 млрд. кВт-ч электроэнергии и

460,9 млн. ГДж теплоты в год.

По данным Министерства энергетики РФ, в 2009 г. добыча угля составила 305,574 млн. т (исторический максимум 2008 г. составил 326,6 млн. т), из которых 36% добыто подземным способом и 64% - открытым. К тому же необходимо отметить, что импорт казахстанских и украинских углей в РФ составил около 23 млн. т, а экспорт из РФ - 103 млн. т. В 2009 г. уголь использовался в следующих направлениях: 38% - на экспорт (33% - энергетический уголь и 5% - коксующийся уголь); 32% - на ТЭС страны; 17% - в коммунально-бытовом секторе и 13% - в черной металлургии. Топливно-энергетический баланс в 2009-2011 гг. показан в табл. 1.1 [64].

Институт конъюнктуры рынка угля оценивает инвестиции в развитие угольной отрасли по регионам следующим образом: Кузбасс - 50%; Печорский бассейн - 15%; Дальний Восток - 14%; Восточная Сибирь - 11%; Ростовская область - 8% и Урал - 2%. В абсолютных цифрах для 2002 г. это составило 9 млрд. руб. с увеличением в перспективе доли привлеченных со стороны средств. Следует также отметить, что при общем падении добычи каменных энергетических углей в стране к концу 90-х годов XX века добыча кузнецких увеличилась на 2,3% и составила 61,4 млн. т, удельный вес их в общем объеме увеличился с 48,2 до 62,9%. Однако уже к 2002 г. добыча угля достигла 249,7 млн. т с увеличением его доли на коксование на 23,7%, для энергетики -на 7%. Для последней группы на фоне спада добычи бурых углей (-10%) добыча каменных возросла на 20,4% преимущественно за счет дальнейшего развития и реструктуризации Кузнецкого угольного бассейна. В этот период наблю-

дается частичный спад внутреннего потребления угля всех марок с двукратным ростом экспорта.

Таблица 1.1

Топливно-энергетический баланс России за 2009-2011 гг.

Показатель Год

2009 2010 2011

Нефть, млн. т

Добыча нефти с газовым конденсатом 494,274 505,130 511,315

Поставка нефтяного сырья для переработки на территории России 235,944 248,828 256,816

Экспорт российской нефти 248,309 247,005 241,833

Первичная переработка нефтяного сырья на НПЗ России 235,819 248,770 254,203

Производство основных нефтепродуктов, млн. т

Автобензин 35,775 36,050 36,240

Дизельное топливо 67,425 70,341 69,653

Топочный мазут 64,206 69,871 70,365

Авиакеросин 8,533 9,068 9,091

Газ природный, млрд. м

Добыча газа 583,058 650,784 669,675

Внутреннее потребление газа 430,499 501,439 496,217

Экспорт российского газа 167,237 184,012 203,936

Уголь, млн. т

Добыча угля 305,574 323,000 334,752

Экспорт российского угля 97,073 96,459 104,655

Производство энергоносителей, млрд. кВт-ч / млн. ГДж

Электроэнергия 990,30 1036,40 1053,00

Тепловая энергия 2149,47 2196,40 2174,19

Хорошо просматривается перспектива производства электроэнергии на тепловых электростанция