автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Математическое моделирование и технико-экономические исследования энерготехнологических установок синтеза метанола на угле и природном газе

РГ6 од

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК '^¿СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ СИБИРСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

Тюрина Элина Александровна

УДК 621.311.183

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК СИНТЕЗА МЕТАНОЛА НА УГЛЕ И ПРИРОДНОМ ГАЗЕ

Специальность 05.14.01 - Энергетические

, системы и комплексы

Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск - 1994

Работа выполнена в Сибирском энергетическом институте СО РАН <СЭИ)

Научный руководитель:

доктор технических наук, Клер А.М.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, Каганович Б;М. кандадат технических наук, Малевский А.Л. Институт нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева, г.Москва

Защита состоится 26.05,94 в 10 часов на заседании специализированного , совета Д.002.30.01 при Сибирском энергетическом институте СО РАН по адресу: 664033, г.Иркутск, ул. Лермонтова, 130, СЭМ.

С диссертацией можно' ознакомиться в библиотеке Сибирского энергетического института СО РАН.

, Автореферат разослан ' 25 апреля 1994 г-.

Ученый секретарь специализированного совета, к.т.н.

А.М.Тришечкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В условиях возрастающего дефицита жидкого топлива и сырья для химической и других отраслей промышленности вследствие уменьшения запасов нефти и природного газа все более актуальным становится комплексное использование твердых горючих ископаемых с получением из них как электрической и тепловой энергии, так и ценных химических продуктов.

Одним из эффективных методов комплексного использования угля является метод, основанный на переработке его в более качественное жидкое топливо - метанол по схеме "газификация + синтез". Интерес к данной технологии определяется высокой селективностью и производительностью процесса синтеза метанола, достаточной экологической чистотой, ценностью метанола как исходного продукта многих химических производств и как экологически - чистого топлива. Недостатками таких процессов являются низкий термический к.п.д. и большие капитальные вложения. Преодолеть эти недостатки можно посредством комбинированного производства метанола и электроэнергии в энерготехнологической установке (ЭТУ). Следует отметить, что комбинированное производство метанола и электроэнергии может дать эффект при использовании не только угля, но и природного газа, а в некоторых случаях и продуктов подземной газификации угля. Важно подчеркнуть, что основные процессы, применяемые в таких установках (газификация твердого топлива, конверсия природного газа и синтез метилового спирта), являются хорошо освоенными в промышленных масштабах.

ЭТУ синтеза метанола характеризуются высокой сложностью технологических схем, многообразием физико - химических процессов, протекающих в элементах, а также практическим отсутствием какого-либо опыта их проектирования. Поэтому основной путь исследования таких установок - математическое моделирование и проведение численных экспериментов на моделях.

• Большой опыт таких исследований теплоэнергетических установок (ТЭУ) имеется в СЭИ СО РАН, ИШаш АН Украины, ЦНИИКА, НПО ЦКТИ, СПИ и других организациях. В ряда организаций (ГИАИе, ИНХС РАН, МХТИ им.Менделеева и др.) имеется опыт исследования химико - технологических установок. Однако опыта достаточно подробного математического моделирования и комплексных исследования энерготехнологических установок нет ни в одной

организации, поскольку в существующих работах в основном рассматриваются или весьма простые установки, либо упрощенные математические модели сложных установок.

Диссертационная работа посвящена решению важной задачи создания эффективных математических моделей энерготихнологических установок синтеза метанола и производства электроанергии иа угля и природного газа, проведения комплексных технико - экономических исследования таких установок.

Целью работы является:

1) разработка методического подхода к решению задачи комплексных технико- экономических исследований ЭТУ;

2) создание согласованной системы математических моделей процессов и элементов энергетической и технологической частей;

3) создание эффективной математической модели установки синтеза метанола и производства электроэнергии;

4) проведение на основе предложенного методического подхода комплексных технико- экономических исследований ЭТУ синтеза метанола на угле и природном газе.

Работа базируется на основных достижениях теории и методов технико - экономических расчетов в энергетике и современных методов математического моделирования и программирования.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом основных научных работ в рамках общеакадемической программы фундаментальных исследований на период до 2000 года "Коренное повышение эффективности энергетических систем" по направлению 10.6.1 "Новые технологии производства СЖТ из угля".

Научйая новизна работы состоит в том, ' что в ■ ней впервые получены и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты:

1. Постановка и схема решения задачи комплексных технико-экономических исследований энерготехнологических установок комбинированного производства метанола и электроэнергии из угля и природного газа.

2.Математическая модель энерготехнологическоа установки синтеза метанола, созданная на основе согласованной системы математических моделей энергетических и технологических элементов

с использованием метода математического моделирования.

3.Подход к приведению вариантов сложных ЭТУ к сопоставимым условиям.

4.Результаты 'Комплексных технике- экономических исследования ЭТУ, перерабатывающих уголь, природный газ и газ подземной газификации угля, обосновывающие основные схемно - параметрические решения по ЭТУ в условиях неопределенности экономической информации и показывающие перспективность данной технологии.

Практическая ценность работы заключается в возможности получения с помощью разработанной математической модели ЭТУ оценки технической и экономической эффективности ЭТУ синтеза метанола по сравнению с установками других типов, принятия оптимальных схемно-параметрических решении по установке и выработке рекомендаций для проектирования установок данного типа.

Основные результаты исследования Э|У нашли применение в энергетических программах по развитию Восточной Сибири и Дальнего Во стока, о чем свидетельствуют акты о внедрении результатов исследований.

Достоверность результатов и выводов, изложенных в работе, определяется достаточно широким использованием результатов исследований в совместных работах СЭИ СО РАН, ИНХС РАН и МЕТАНОЛПРОЕКТа, а тага® в проводимых в течении ряда лет в СЭИ исследованиях по теме 10.6.1.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались: на Третьем Всесоюзном совещании по физико- химическим основам синтеза метанола ("Метанол-3", Новомосковск, 1986); на конференциях научной молодежи СЭИ СО РАН (Иркутск, 1990 г., 1992 г.); на Всесоюзном симпозиуме "Современные проблемы системных исследовании в энергетике" (Иркутск, 1980); на Всероссийской конферзнции по экономическому развито Сибири (Новосибирск, 1993).

Публикации. , По теме диссертации олуйликивэно 5 печатных рзйот~.

Состав и обмм работы. Диссератция состоит из введения, 4 глав,"заключения, списка литературы и 2 приложений. Общий объем 158 страниц, из них: 94 страницы основного текста, 13 рисунков и 12 таблиц. Список литературы содоркиг 63 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕПШИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко обоснована актуальность тамн диссертлши.

сформулированы цели и задачи исследования, отмечены элементы новизны подученных результатов и перечислены положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена анализу современного состояния и перспектив использования низкосортных углей, обоснованию перспективности переработки угля в метанол в комбинированной установке производства метанола и выработки электроэнергии, проблеме создания эффективной математической модели энерготехнологичоскои установки синтеза метанола и проведения на ее основе комплексных технике - экономических исследований ЭТУ.

На основании анализз современного состояния исследований по использованию низкосортных углей для получения синтетических жидких тошшв (СЖТ) сделан вывод о перспективности технологии переработки углей в метанол по схеме 'газификация ч синтез". Это связано с рядом обстоятельств.

В настоящее время среди известных методов переработки углей в СИ наиболее проработанным и реализованным в промышленных масштабах является метод, основанный на газификации с последующим получением СЖТ на основе синтез - газа. Синтез метанола также один из отработанных гетерогенно - каталитических процессов: достаточно селективный, высокопроизводительный, непрерывный и технологичный. Единичная мощность агрегатов доведена до 0.6 - 0.8 млн, т в год. Недостатками существующих процессов переработки угля в синтез' -газ с последующим получением из него метанола являются низкий термический к.п.д. и большие капитальные вложения. Эффективным путем преодоления указанных недостатков может являться создание знерготехнологических установок комбинированного производства метанола и электроэнергии. В данном случае появляется возможность утилизации высокотемпературного тепла процесса газификации, а также тепла • и горючих продувочных газов процесса синтеза» в энергетической (парогазовой) установке для выработки электроэнергии.

Данные обстоятельства обуславливают * интерес к исследованию технологии комбинированного производства матанола и электроэнергии в одной установке.

До настоящего времени нет опыта комплексных технико-экономических исследований ЭТУ с использованием подробных и эффективных математических моделей.

Исследования,"выполненные в ИГИ, ЭНЮз, ГИАГй, ИНХС РАН, СПИ и других организациях, в основном посвящены экспериментальному и теоретическому изучению новых технологических высокоинтенсивных процессов переработки угля, опытно- промышленной проверке методов.

Выбору обоснованных схем и параметров экологически перспективных энерготехнологических установок с новыми технологиями использования угля, определению их экономической эффективности, технико- экономических показателей с использованием подробных математических моделей не было уделено достаточного внимания.

В связи с этим основными целями комплексных технико-экономических исследований ЭТУ являются:

I.Определение целесообразности комбинированного производства метанола и электроэнергии в одной энерготехнологической установке по сравнению с раздельным производством электроэнергии и 'метанола или эквивалентного ему экологически- чистого топлива в широком диапазоне исходной экономической информации.

2.Определение рациональных (близких к оптимальным) схемно-параметрических решений по ЭТУ при конкретных условиях ее функционирования.

Важно отметить, что эти задачи итерационно взаимоувязаны, т.к., не решив задачу нижнего уровня, мы не можем правильно сшоставить варианты верхнего уровня. ,

'Решение поставленных задач невозможно без использования подробной математической модели ЭТУ синтеза метанола и производства электроэнергии.

Исходя из этого одной из основных задач , решаемых в работе, является разработка эффективной математической модели ЭТУ.

Стадиями разработки ЭТУ, на которых принимаются основные схемно- параметрические решения, являются предпроектные стадии и стадии эскизного проектирования. Именно здесь установка рассматривается как единая сложная техническая система и требуется использовать достаточно подробные модели ЭТУ, наиболее полно отражающие протекающие в их элементах процессы. Как показывает практика технико - экономических исследований, метода

математического моделирования, применяемые для ТЗУ с достаточно простой технологической схемой, как правило, не подходят для сложных установок, к которым относятся ЭТУ. Поэтому в работе предлагается методика построения эффективной математической модели ЭТУ, основанная на применении методов агрегирования и декомпозиции. Иерархию построения математической модели ЭТУ можно представить в следующем виде (рис.1).

В качестве долевой функции при сопоставлении вариантов ЭТУ используются приведенные затраты в установку с учетом приведения вариантов по полезному отпуску метанола и электроэнергии.

Одним из основных принципов сопоставимости вариантов энергетических установок является принцип оптимальности, согласно которому каждый вариант должен быть поставлен в оптимальные условия. Использование строгих математических методов оптимизации затруднено из-за большой размерности математической модели ЭТУ. Поэтому для выбора рационального (близкого к оптимальному) сочетания параметров предложен подход, основанный на контроле выполнения системы ограничений на уровне расчета моделей блоков установки и на выделении на уровне расчета математической модели ЭТУ балансируемых переменных, значения которых во всех' вариантах должны быть одинаковыми.

Поскольку для ввода в эксплуатацию ЭТУ синтеза метанола большой мощности потребуется значительное время, то имеется весьма существенная неопределенность исходной информации. В первую очередь это относится к такой экономической информации как замыкающие затраты на уголь, Метанол и электроэнергию, а также капиталовложения в установку. . Для учета неопределенности исследования проводились при различных значениях замыкающих затрат на метанол и непредвиденных капиталовложений в установку .

Анализ технологической схемы ЭТУ показывает, что фактором, наиболее сильно влияющим на технико-экономические' показатели установки, является соотношение между производством метанола и выработкой электроэнергии. Поэтому в работе рассматриваются варианты ЭТУ с различными значениями параметров ЭТУ, определяющими данное соотношение.

Взтаийв задачи комплексных технико- экономических

в

математическая модель энерготехнологическоя установки

Л_Л-

система кадимого построения программ

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ

свойств рабочих тел и математические модели элементов эту

теплоносителей

1 . Термодинамически.? Энергетических? Технологически*!

свойства воды и водя- -> а Газогенераторов, а 1реакторов син-

ного пара. 01 газовых еурЗин, пеэа метанола.

2 - Термодинамические еЮтсеков паровых б(регенеративных

своясява, г&зоеых снесся. турбин. подогревателей,

3.Определение констант пкоилрессорое, е!холодильников-

равновесия химических д»конвективных конденсаторов,

реакция. тплоооыенимков, г)сепара.як>ров

1-Определение допустимых е)радиационных метанола-сырца,

напряжения труб. теплообменниковг

РисЛ.йэрархия построения натекэтическоа иодали ЭТУ.

<"ис. 2. упродвянад адаа иате^юлваг ияшм» 31У. 9

исследований ЭТУ проходит по следующей схеме.

1.Назначение вариантов сочетаний исходной экономической информации.

2.Назначение схемно- параметрических решений по установке.

3.Расчет технологической схемы для каждого варианта с проверкой выполнения системы ограничений и балансировкой параметров ЭТУ.

4.Расчет вариантов ЭТУ с различными сочетаниями исходной экономической информации.

Здесь необходимо отметить, т.к. экономические характеристики (замыкающие затраты на метанол и непредвиденные капиталовложения в установку) не влияют на области допустимых значений параметров ЭХУ, то дая различных сочетаний экономической информации можно использовать результаты одного расчета технологической схемы, что существенно сокращает время расчета и облегчает проведение исследований ЭТУ.

Во второй главе освещены вопросы математического моделирования ЭТУ синтеза метанола. Приведена технологическая схема установки, дано описание математических моделей основных технологических элементов и алгоритмов их расчета. На основании предложенной методики разработаны математические модели отдельных блоков установки и математическая модель установки в целом.

В работе рассматривается ЭТУ синтеза метанола, представляющая из себя комбинированную техническую систему, включающую как элементы технологической установки синтеза метанола, так и элементы теплоэнергетической (парогазовой) установки.

Условно знерготехнологическую установку синтеза метанола• можно представить состоящей из тр&х блоков : газификации угля, синтеза метилового спирта и энергетического блока. Упрощенная схема материальных потоков, связывающих блоки, показана на рис.2.

В блоке газификации осуществляются процессы газификации твёрдого топлива, охлаждение и очистка продуктов газификации, генерация пара высокого и низкого давления. В блоке синтеза метанола осуществляется процесс каталитического синтеза метилового спирта, генерируется пар низкого давления, поступающий в энергоблок ва выработку электроэнергии. В энергетическом .блоке

/о

происходит процесс сжигания продувочного газа, поступающего та блока синтеза, генерация пара в котле-утилизаторе, выработка электроэнергии в паровой и газовых турбинах.

Здесь необходимо отметить, что технологическая схема ЭТУ разрабатывалась, исходя из предпосылки выбора наиболее перспективных и отработанных схем как энергетической части (к таким относятся наиболее перспективные парогазовые установки), так и технологической (для синтеза метанола используются наиболее прогрессивные прямоточные реакторы без рециркуляции синтез-газа).

С другой стороны разработанная система математических моделей энергетических и технологических элементов позволяет на ее основе рассматривать широкий класс таких установок (с использованием других реакторов синтеза метанола, газогенераторов, на другом топливе и т.д.).

При построении математических моделей блоков и всей установки использовалось большое число разработанных ранее моделей отдельных элементов энергетических установок (газогенераторов, теплообменников различных типов,. камер сгорания, компрессоров, газовых и паровых турбин и т.д.). Кроме того, были вновь разработаны математические модели элементов технологической части ЭТУ (модели адиабатных зон реактора синтеза метанола, встроенных газо-водяных, регенеративных газо-газовых' теплообменников, холодильников-конденсаторов и др.).

К разрабатываемым математическим моделям элементов ЭТУ предъявлялись следующие требования:

' I.Математические модели должны обеспечивать достаточно точные описания реальных процессов, протекающих в элементах установки, соответственно подавленным целям и задачам исследования.

2.Модели должны включать в себя зависимости между входными и выходными параметрами элементов (расходами, температурами, давлениями, концентрациями газовых смесей и т.д.), зависимости между этими переменными и конструктивными характеристиками элементов. Это обеспечивает проведение теплового, гидравлического, аэродинамического и конструктивйо-компоновочного расчетов установки. ■

3.В модели основных элементов должны быть включены зависимости, обеспечивающие проверку допустимости принятых решений - расчет действующих напряжений в трубах теплообменников, проверка

неотрицательности расходов, перепадов давлении, температурных напоров и т.д..

4.Математические модели элементов должны отвечать требованиям быстродействия при их расчете.

5.Математические модели энергетических и технологических элементов должны быть согласованы между собой как по детализации происходящих в них процессов, так и по входным и выходным параметрам.

Исходя из этих предпосылок и строились математические модели отдельных элементов ЭТУ.

Принципиально новым элементом, отсутствующим в энергетических установках, является каталитический реактор синтеза метанола. Процессы, протекающие в этих элементах ЭТУ, не могут быть с достаточной точностью описаны уравнениями химической термодинамики. Состояние газовой смеси в реакторе значительно отличается от равновесного и хорошо описывается дифференциальными уравнениями химической кинетики. Модель реактора основана на механизме синтеза метилового спирта и кинетических уравнениях, предложенных ИНХС РАН и разработана сотрудниками СЭИ А.М.Клером и Н.М.Прусовой при непосредственном участии автора.

-Реактор синтеза метанола состоит из нескольких адиабатных зон, заполненных катализатором, между которыми включены конвективные теплообменники для отвода тепла синтеза. Зоны в свою очередь разбиваются на участки.

Процессы, протекающие в каждом из участков реактора синтеза, описываются системой уравнений, включающей уравнения материальных балансов то отдельным химическим элементам, кинетические уравнения скоростей образования сн3он и со, уравнения теплового баланса (без учёта теплообмена с окружающей средой), уравнение для определения гидравлического сопротивления фильтрующего слоя катализатора.

Рассматриваемая система уравнения включает обыкновенные нелинейные дифференциальные уравнения первого порядка и систему нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений.,

Для решения системы уравнений разработан специальный алгоритм, в котором учтены следующие особенности. Скорости образования сн3он и со определяются константами равновесия и

роста, однозначно зависящими от температуры газа, давления и ¡ьных долей компонентов газовой смеси. Изменение давления, а ж» констант равновесия и скорости в рабочем диапазоне процесса ггезз невелико. Изменение же мольных долей отдельных компонентов <ет бьггь весьма существенным. Кроме того характер их влияния на фости образования си3он и со таков, что определение мольных ш следует проводить с высокой точностью. Поэтому давление зоной смеси, константы скорости и равновесия допустимо считать зтоянными на гораздо больших участках адиабатной зоны реактора, л мольные доли компонентов (назовем первые участки большими, а орые малыми). Это позволяет существенно снизить объем вычислений и расчете адиабатной зоны.

Следующим этапом после построения математических моделей ергетических и технологических элементов является создание тематической модели установки в целом.

Анализ литературных источников показывает, что до настоящего вмени нет методических положения по ' построению подробных тематических моделей сложных ЭТУ. Поэтому в работе предложена тодика, основанная на применении метода математического делироваяия с учетом особенностей объекта моделирования и »ставленных целей и задач исследования.

Схема построения эффективной математической модели ЭТУ слючает ряд этапов.

1.Необходимо разработать расчетную схему ЭТУ, отличие которой г технологической состоит в том, что кзвдыя ее элемент должен леть математическую модель, а кавдой технологической связи между яементами схемы должна соответствовать информационная связь между э долями.

2.При построении расчетной схемы ЭТУ необходимо произвести ее грегировэнда. Здесь имеется в виду, что для уменьшения числа Л9ментов и связей, т.е. уменьшения размерности схемы, элесообразно заменить группы одинаковых параллельно работающих и авномерно загруженных элементов технологической схемы на один лемент расчетной (параллельно ргсотающие газогенераторы, реактор,) интеза метанола и др.). В некоторых случаях можно заменить одним лементом расчетной схемы встречающуюся несколько раз комбинацию язнотипных элементов (например, испарительную поверхность [агрева, насос принудительной циркуляции и барабан- сепаратор).

З.Из-зз большой размерности расчетной схемы ЭТУ необходи использование метода декомпозиции. Суть которого в данном случ заключается в том, что в технологической схеме ЭТУ на основании < анализа выделяется несколько частей, связи между которьн немногочисленны и для каждой части строится своя математическ; модаль. Затем происходит увязка математических моделей частей О" между собой. С использованием такого подхода были разработа) математические модели трех достаточно обособленных блоков ЭТ> газификации угля, синтеза метилового спирта, . знергетическогс Модели строились с помощью системы машинного построения прогрэм (СМПП), которая на основании информации о математических моделя отдельных элементов блоков, технологических связях между ними шлях расчета автоматически генерирует математическую модель блок в вире подпрограммы расчета на языке гонг р. ли. Подученные тэки образом модели . блоков были оформлены в виде подпрограмм, и; которых затем построена математическая модель установки в целом

Разработанная на основе такого подхода математическая модел; ЭТУ включает порядка 2000 переменных и несколько соте! алгебраических и трансцендентных уравнений. Взшвние систем уравнений, описывающих отдельные блоки и установку в целог/ проводилось методом Зевделя. Математическая модель ЭТУ ориентирована на конструкторский расчет ее элементов.

Третья глава работы посвящена вопросам комплексных технико-экономических исследований ЭТУ синтеза метанола и. производства электроэнергии. Дана методика определения технико- экономических показателей установки и приведенных затрат с учетом неопределенности исходной информации.

Как уае отмечалось, до настоящего времени нет опыта комплексных технико- экономических исследования ЭТУ с использованием подробных и эффективных математических моделей.

К важнейшим особенностям, которые необходимо учитывать при исследовании ЭТУ; следует отнести сильное влияние отношения между производством метанола и выработкой электроэнергии на стоимости всех блоков установки и ее тепловую эффективность.

Основными параметрами, влияющими на это отношение, являются расход пара и.кислорода на дутье в газогенераторы, что определяет

состав синтез- газа и количество параллельно- работающих реакторов в ступенях блока синтеза, что определяет степень превращения синтез- газа в метанол. Поэтому в работе рассматриваются варианты с различными значениями этих параметров.

В качестве целевой функции при сопоставлении вариантов энергетических установок обычно, используется приведенные затраты. В выражение приведенных затрат входят затраты по всем основным элементам оборудования и сооружений ЭТУ с учетом конструктивно-компоновочных решений по ним, а также с учетом характеристик внешних условий и связей.

Непременным условием сопоставимости вариантов энерго-технологическях установок является приведение их к одинаковому энергетическому эффекту. Это требование означает необходимость приведения вариантов по полезному . отпуску метанола и электроэнергии. Поэтому в выражении суммарных приведенных затрат •учитываются замыкающие затраты на электроэнергию и метанол или эквивалентное ему экологически чистое топливо.

В этом случае выражение для суммарных приведенных затрат г-го варианта примет вид:

I I I баэ I

3 =3 + < Э. -Э )-а + (б -а )г , (1)

1 сум уст % баз ' эл * м м' н* 4 '

где 3 -приведенные затраты по установке ¿-го варианта,

Эбаэ-бззовый годовой отпуск электроэнергии, к которому приводятся отпуски всех вариантов, Э-годовой отпуск электроэнергии варианта,, аэл-удельньге замыкающие затраты на электроэнергию, с®аэ-бззовое годовое производство метанола (к йэму приводятся производства всех вариантов), си-годовоэ производство метанола «.-го варианта,

'4и-удельные замыкающие затрата на метанол.

Следует отметить, что приведенные затраты являются критерием эффективности, применяемым в условиях централизованной экономики. Однако, если заменить замыкающие затраты на электроэнергию и метанол их рыночными ценами, а базовые отпуски метанола и электроэнергии принять равными нул», то го своей структуре

1<7

приведенные затраты ь виде (1) совпадут с точностью до знака прибылью, используемой в качестве критерии эффективности условиях рыночной экономики. При этом минимизация ириведеннь затрат даст то же решение, что и максимизация прибыли.

При технико- экономических исследованиях ЭТУ решающе значение имеет учет неопределенности исходной информации необходимой Для определения технико- экономических показателе установки. Применительно к энергетическим установкам неопреде ленвость информации обуславливается действием внешних и внутренне факторов. Внешние факторы определяются взаимоотношением ЭТУ другими системами энергетики и отраслями народного хозяйства Данный фактор в первую очередь влияет ну величину замыкающи затрат на метанол. К внутренним факторам прежде всего относите, перспективные проявления научно- технического прогресс (показатели новых технологических процессов, характеристик материалов и т.д.). Данное обстоятельство влияет на величин непредвиденных капиталовложения в 'установку. Поэтому в работ исследуются варианты ЭТУ с различными значениями этих величин.

Одним из основных принципов сопоставимости варианто оборудования энергетических установок и других сложных технически систем является принцип оптимальности, согласно которому кажды сопоставляемый вариант должен быть поставлен в оптимальны' условия. Это в частности означает необходимость оптимизаци параметров для каждого варианта ЭТУ. Использование строги математических методов оптимизации затруднено из-за большо; размерности модели. Поэтому для выбора рационального (близкого оптимальному) сочетания параметров ЭТУ производится контрол: выполнения системы' ограничений в форме неравенств на уровн< расчета моделей блоков установки, определяющей области допустимы; значений параметров. Система включает условия на неотрицательное^ концевых температурных напоров, дарепадов давлений, расхо&о] теплоносителей, ограничения на расчетные ' температуры 1 механические напряжения труб теплообменников, на минимальную 1 максимальную температуру синтеза и газификации и т.д.,

Кроме этого, для приведения вариантов в услови* сопоставимости на уровне расчета математической модели ЭТЗ

использован прием, состоящий в выделении балансируемых параметров, значения которых во всех вариантах должны быть одинаковыми. Расчет варианта ЭТУ идет до достижения данными параметрами некоторых заданных значения.

В четвертой главе приводятся основные результаты исследований ЭТУ различных типов (на угле, природном газе, газе подземной газификации угля, с использованием тепла ядерного реактора), полученные на основе предлагаемых методических подходов.

Целью комплексных технико-экономических исследовании, проводимых с помощью подробных матаматических моделей ЭТУ, является определение оптимальных параметров установки и изменения ее экономических показателей в зависимости от внешних условий. Это требуется для оценки перспективности крупномасштабного применения данного способа использования углей.

Следует подчеркнуть, что важно не только сопоставить различные варианты ЭТУ между собой, но и оценить их экономическую эффективность по сравнению с раздельным производством электроэнергии и метанола или другого жидкого, экологически-чистого топлива. Для удобства такого сопоставления следует принять равными нулю базовый годовой отпуск электроанергии и базовое годовое производство метанола . Тогда отрицательное значение

V

суммарных приведенных затрат Зсум си будет говорить о большей -эффективности «-го варианта ЭТУ по сравнению с раздельным производством электроэнергии и метанола, а положительное значение

I

Зсум 0 йольшай эффективности раздельного производства.

Исходными данными для расчетов являются расход и состав угля, удельный расход пара (на один кг угля) в газогенегаторы, давление и температура процесса газификации, давление и температура газа на входе в реактор синтеза, нагрев газа в адиабатных зонах реактора синтеза, давление и энтальпия острого пара, пэра промежуточного перегрева, давление в испарителе низкого давления, давление и температура газа перед газовой турбиной и т.д.. Кроме того задаётся число параллельно включенных газогенераторов и реакторов синтеза в каждой из трех ступеней.

Бее расчеты проводились при одинаковых удельных замыкающих затратах на уголь 20 руб./т у.т. и одинаковых удельных замыкающих

затратах на электроэнергию 2 коп./кВт-ч. Следует отметить, что работе использовались цены 1990 года.

Основные технико- экономические показатели оптимального варианта ЭТУ на угле представлены в таблице 1.

. Таблица 1.

Основные технико-экономические показатели оптимального варианта ЭТУ на угле

Наименованда Величина

1)Удельный расход кислорода на газификацию,

кг/кг угля 0.395

2)Удельный расход пара на газификацию,

кг/кг угля 0.5

3)Мощность газовой турбины, МВт 332.9

4)Мощность паровой турбины, МВт 265.9

5)Мошность собственных нужд, МВт 384.5

6)Полезная мощность установки, МВт 223.1

7)Годовой расход условного топлива,

тыс. т у.т. 2480.

8)Годовой отпуск электроэнергии,

млн. кВт-ч 1561.

9)Годовое производство метанола,

тыс. т у.т. 1351.5

ХО)Термичвский к.п.д. производства

метанола 0.66

ШУдельная масса вредных выбросов,

кг/МВт-ч:

зслэ 0.08

0.5

301 0.0032

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие вывода.

ЭТУ производства метанола имеет достаточно высоки? термический коэффициент полезного действия, около 65% е

зависимости от варианта, по сравнению с 55% для традиционных технологических установок производства метанола из угля.

Определено, что комбинированное производство метанола и электроэнергии (суммарные приведенные затраты меньше нуля) экономически эффективнее раздельного производства в широком диапазоне удельных замыкающих затрат на метанол или эквивалентное ему по качеству жидкое топливо. Раздельное производство выгодно лишь при максимальных капиталовложениях в ЭТУ и минимальной стоимости метанола, что представляется маловероятным, т.к. метанол пользуется большим спросом как на внутреннем, так и на внешнем рынке.

Важно подчеркнуть, что при всех сочетаниях непредвиденных капиталовложений в установку и удельных замыкающих затрат на метанол оптимальным является один вариант. Этот вариант характеризуется значительным отклонением состава свежего синтез-газа от стехиометрически необходимого (меньше отношение Н2:С0). Работа с таким составом снижает энергетические потери, а весь избыточный СО сгорает в энергетической установке. Данное обстоятельство дает возможность отказаться от дорогостоящего блока конверсии СО, снизить подачу водяного пара в газогенераторы (по сравнению с чисто технологическими установками), что повышает энергетическую эффективность использования химической энергии угля.

Необходимо отметить, что за счет большего отдува газа из 5лока синтеза (существенно большего, чем для технологических установок синтеза метанола) резко повышается производительность »акторов синтеза (примерно- в 2 раза), т.к. они работают на жнтез-газе с более благоприятным составом.

Таким образом, комбинация производства ттанола и электроэнергии повышает тепловую эффективность и • снижает (на [0-15%) удельные капиталовложения в установку, ■ по сравнению с гаолированными установками производства метанола и электроэнергии.

Другой важной особенностью ЭТУ является ее экологическая шстота. Это связано с требованиями технологии синтеза и [едопущения эррозии проточной части газовых компрессоров и турбин. !з расчета на тонну натурального топлива выбросы ЭТУ в сотни раз го эог, в 2 раза по золе и в 4 раза по нс^ меньше, чем у дологически - чистых ТЭС.

Целью исследований ЭТУ на газе являлось определение влияния параметров установки на выход конечных продуктов - метанола и электроэнергии. Исследования показали, что изменение состава дутья весьма . существенно сказывается на технико-экономических показателях установки. Так, использование паровоздушного дутья вместо парокислородаого для процесса конверсии природного газа приводит к снижению как выработки электроэнергии, так и конечного выхода метанола. Резко возрастают капиталовложения в установку, снижается термический к.п.д. производства метанола. В случае парокислородаого дутья оптимальный удельный расход пара в конвертор природного газа составляет 0.1 кг/кг. Как увеличение удельного расхода пара, так и дальнейшее ех-о снижение ведет к росту суммарных приведенных затрат в установку.

ЭТУ на природном газе имеют значительно более высокий выход метанола в расчете на I т исходного топлива (примерно в 3 раза) по сравнению с установками производства метанола из угля.

За счет комбинирования процессов синтеза метанола и производства электроэнергии ЭТУ на природном газе имеют высокий термический к.п.д. (около 75Ж), что примерно на ЮЖ выше аналогичного показателя для ЭТУ на угле и примерно на 15% для традиционных технологических установок синтеза метанола.

Результаты исследований ЭТУ с подводом тепла от ядерного реактора показа.®!, что существует доля тепла, при которой термический к.п.д. процесса будет максимальный. Эта доля составляет примерно 25% от общего подвода энергии.

Для ЭТУ подземной газификации угля была определена требуемая стоимость газа подземной газификации ■ угля .при различных сроках окупаемости капиталовложения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ Т.На основе анализа литературных данных обоснована перспективность знерготехнологической переработки твердых топлив в комбинированной установке производства метанола и электроэнергии. Показана необходимость исследования установок такого уровня с широким привлечением методов математического моделирования и оптимизации.

2.Разработан методический подход к решению задачи комплексных

го

нико- экономических исследований ЭТУ синтеза метанола, рзботанныя подход ориентирован на широкое привлечение метода вматического моделирования, проведение численных исследований моделях и позволяет учесть неопределенность условий сооружения ' в долгосрочной перспективе, обеспечить сопоставимость :смзтриваемых вариантов ЭТУ по энергетическому эффекту и по ювиям оптимальности.

3.Разработана согласованная система математических моделей (ических и энергетических элементов технологических схем ЭТУ, (волямцэя создавать на ее основе программы расчета широкого )ссэ таких установок.

4.Для разрешения проблемы большой размерности технологических 1М ЭТУ использован метод декомпозиции. Нэ основе этого метода с ющью СМПП сгенерированы программы расчета подсистем и установки далом, позволяющая с достаточно высокой .точностью определять зходы и термодинамические параметры рабочих тел и теплоносителей эазличных узлах схемы, ее тепловую эффективность, конструктивные эактеристики элементов, приведенные затраты и другие технико -зномические показатели.

5.Анализ технологических схем ЭТУ показывает, что фактором, яболее сильно влияющим на техяико - экономические показатели, ляется соотношение между производством метанола и выработкой эктроэнергии. Независимыми параметрами, определяющими указанное отношение, являются удельный расход пара на дутье в зогенераторы и число параллельно включенных реакторов в каждой удани блока синтеза. В работе рассмотрены варианты ЭТУ с злич'ными значениями этих параметров. Для выпо.янения условия поставимости вариантов использован метод постановки параметров вдого варианта в оптимальные условия. В результате исследований У на угле найдено оптимальное соотношение между производством танола и электроэнергии.

6.При исследовании ЭТУ на угле учтена неопределенность ходной. информации. Определен возможный диапазон технико ономических показателей ЭТУ. Вэзультаты исследований ЭТУ синтеза танола показали эффективность комбинированного производства танола и электроэнергии по сравнению с их раздельным шзводством в широком диапазоне изменения замыкающих затрат нэ танол и непредвиденных капиталовложений в установку. Из

основании ' этого можно сделать вывод о перспективное! широкомасштабного применения данного способа использования угля.

7.Результата расчета вариантов ЭТУ на природном газе показал неэффективность паровоздушного дутья. Найден оптимальный соста парокислородаого дутья в конверторы природного газа.

8.Для ЭТУ подземной газификации угля определена требуема стоимость газа подземной газификации при различных срока окупаемости капиталовложения.

9.Главными направлениями дальнейших разработок являются уточнение моделей некоторых элементов и процессов ЭТУ, в парву очередь очистки продуктов газификации от золы, соединений серы сог, отделения подготовки кислорода; доработка моделей некоторы; элементов и доведение схемно- параметрических решений до уровн: требований, предъявляемых при техническом проектировании ЭТУ.

Основные методические положения и результаты исследований содержащиеся в диссертации, отрэшыы в следующих работах: З.Кдер A.M., Прусова Н.М., Твринэ Э.А. Математическое моделирование энерготехнодогических установок синтеза метанола.// Физико-химические основы синтеза метанола. "Метанол-3": Тез. докл. третьего Всесоюзного совещания. Новомосковск.1986.М.: Наука.1986. С.32-33.

2.Математическое моделирование и технико- экономические исследования ЭТУ синтеза метанола. /Тюрина Э.А. //Материалы xxi конференции научной молодежи СЭИ СО АН СССР. Иркутск,1990. С.205-218.

3.Технико- экономические исследования ЭТУ синтеза метанола на угле и природном газе. /Тюрина Э.А. //Материалы ххш конференции научной молодежи СЭИ СО РАН. Иркутск, 1992. C.I56-I7I.

4.Тюрина Э.А. Математическое моделирование и технико-экономические исследования зяерготехнологических установок на угле и природном газе. Иркутск: СЭИ СО РАН, 1993, ПРЕПРИНТ.'68 с. ь Б.Беляев Л.С,, Клер A.M. и др.. Малая энергетика и нетрадиционные виды и источники энергии: их роль и место б энергетике . Сибири в ближайшие годы и на перспективу //Труда Всероссийской конференции по экономическому развитию Сибири. Новосибирск,1993. 51 с.

гг