автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Оптимизационные исследования энерготехнологических установок производства водорода и электроэнергии с удалением CO2

На правах рукописи □□3447837

Медников Александр Станиславович

ОПТИМИЗАЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С УДАЛЕНИЕМ С02

Специальность 05.14 01 - «Энергетические системы и комплексы»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О 2 ОКТ 2008

Иркутск-2008

003447837

Диссертация выполнена в Институте систем энергетики им. Л А Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭМ СО РАН)

Научный руководитель

доктор технических наук Тюрина Элина Алекса вдровна

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Каганович Борис Моисеевич

кандидат технических наук, доцент Буйнов Николаи Егорович

Ведущая организация - Институт теплофизики им. С С Кутателадзе СО РАН

Защита состоится 28 октября 2008 г в 9 часов 00 мин на заседании Диссертационного совета Д003 017 01 при Институте систем энергетики СО РАН (664033, Иркутск, ул Лермонтова, д 130), ком 355

С диссертацией можно ознакомиться в бибтаотеке Института систем энергетики им Л А Мелентьева СО РАН

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу 664033, Иркутск, ул Лермонтова, д 130, на имя ученого секретаря диссертационного совета

Автореферат разослан сентября 2008 г Ученый секретарь

диссертационного совета Д 003 017 01 доктор технических наук, профессор

Клер А М

Актуальность проблемы. Ресурсы ископаемого топлива, которые ныне удовлетворяют до 85% мировой потребности в энергоресурсах, не возобновляются, богатые и доступные месторождения быстро исчерпываются К тому же растущие выбросы парниковых газов в атмосферу оказывают необратимое воздействие на климат планеты Гтавное направление глобальной энергетической стратегии на долгосрочную перспективу вырисовывается довольно отчетливо все более широкая замена ископаемого топлива альтернативными, возобновляемыми, экологически безопасными источниками энергии, к которым принадлежит и водородная энергия, отходом использования которой явтяется обыкновенная вода К этому будет подталкивать и реализация Киотского протокола

Среди альтернативных экологически чистых топлив водород явтяется универсальным энергоносителем Водород перспективен для использования в двигателях внутреннего сгорания, дтя выработки электроэнергии в топтивных элементах, для производства синтетических жидких топлив (СЖТ) и др В связи с этим возникает задача поиска и исстедования технологий крупномасштабного получения водорода, характеризующиеся высокими энергетическими, экологическими и экономическими показателями

Из существующих в настоящее время техно тогий производства водорода экономически наиболее эффективными являются технологии на основе органических топчив Следует отметить, что в восточных регионах России находятся крупнейшие месторождения угля, которые по энергетическому эквиваленту существенно превосходят месторождения жидких и газообразных углеводородов Фактором, обусловливающим ограниченность спроса на твердое топливо, является невозможность его прямого использования у значительной части потребителей автомобильного, водного, железнодорожного транспорта и др Поэтому крупномасштабное производство водорода на базе угля, а также синтез СЖТ на его основе позволит увеличить объем добычи, сократить уровень вредных выбросов и выбросов парниковых газов в окружающую среду, перейти на прогрессивные технологии производства электрической и механической энергии (топливные элементы, высокотемпературные газовые турбины и др)

Следует отметить, что получение водорода из органического топлива осуществляется, как правило, в одноцетевых установках В данных установках производится утилизация тепла, выделившегося в процессах парокистородной конверсии природного газа или газификации угля, а также охлаждения уходящих газов При этом получается пар, который испотьзует-ся в основном на собственные нужды технологии Такие процессы характеризуются невысоким КПД Существенно более эффективным является комбинированное производство водорода и электроэнергии в одной энерготехнологической установке (ЭТУ) В этом случае возникает возможность утилизации высокотемпературного тепла и горючих газов для производства электроэнергии В результате повышается КПД процесса производства синтетического топлива (СТ), сокращаются удельные капиталовложения Кроме того, есть все основания по-

3

лагать, что использование прогрессивных способов выделения водорода из синтез-газа, основанных на применении палладиевых мембран, позволит существенно повысить энергетическую и экономическую эффективность энерготехнологического производства водорода

ЭТУ производства водорода и электроэнергии 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

Разработки методов математического моделирования и оптимизации теплоэнергетических установок ведутся как в нашей стране, так и за рубежом на протяжении нескольких десятилетий Здесь в первую очередь следует отметить работы таких ученых, как Г.Б Левен-таль, JIС Попырин, А А Палагин, JI А Шубенко-Шубин, Г Б Усынин, В П Бубнов, Ю В Наумов, А М Клер, Н П Деканова, М A El-Masn, W F Stoecker, V Grovic, С Frangopoulos и ДР

В монографии Э Э Шпильрайна и соавторов освещен широкий круг вопросов, относящихся к водородной энергетике, включая традиционные и перспективные методы получения водорода, его хранения и транспорта, использования в качестве энергоносителя и сырья

Интересные результаты расчетных исследований, проектных разработок и испытаний опытно-промышленных установок комбинированного производства электроэнергии и CT представлены в работах СГТУ (А И Андрющенко) В этом же направлении выполнены комплексные исследования экологически перспективных энерготехночогических блоков электростанций с новыми технологиями использования углей в НГТУ (Г В Ноздренко)

Оригинальный подход к долгосрочному прогнозированию энергетических технологий, основанный на сочетании технико-экономического исследования схем и циклов конкурирующих установок и их системной эффективности с физико-химическим анализом процессов превращения вещества топлива, изложен в работах под руководством Б М Кагановича

Большая часть исследований по технологиям переработки твердого топлива в синтетические жидкие и газообразные топлива в мире и России посвящена изучению отдетьпых процессов и аппаратов При исследовании комбинированных технотогий производства из угля квалифицировашюго синтетического топлива, выполненных в ИВТ РАН, ЭНИН, ИГИ, Sasol, Shell, Mobil, Bechtel, EPRI и др, в основном проводится термодинамический анализ эффективности Конструктивные характеристики установок определяются, как правило, для одного варианта, полученного на основе термодинамического анализа Комплексный технико-экономический анализ таких технологий и реализующих их установок не проводится В то же время без такого анализа невозможно получение оптимальных технических решений и достаточно объективных экономических показателей, позволяющих определить условия конкурентоспособности изучаемых технологий

В институте систем энергетики им Л А Мелентьева СО РАН в течение значительного времени ведутся работы по математическому моделированию и технико-экономическим оптимизационным исследованиям энерготехнологических установок для производства СЖТ и электроэнергии Разработаны методы автоматизации математического моделирования установок и оптимизации их параметров Указанный методический задел является базой для построения математических моделей энерготехнологических установок получения водорода на основе органического топлива и проведения оптимизационных исследований на моделях

Один из важнейших вопросов, возникающих при исследовании технологий получения СТ в свете Киотских соглашений по сокращению выбросов парниковых газов, связан с определением стоимости продукции установок с учетом затрат на удаление СОг Несмотря на то, что в мире уделяется значительное внимание проектам удаления и захоронения СОг (Норвегия, Канада, Алжир), до настоящего времени этот вопрос остается открытым

Анализ проводимых исследований в отмеченных направлениях позволяет выявить некоторые нерешенные вопросы, которые возникают при комплексном рассмотрении технологий переработки энергоресурсов в СТ Работы, связанные с переработкой энергоресурсов в СТ, большей частью посвящены экспериментальному и теоретическому изучению Выбору обоснованных схем и параметров экологически перспективных энерготехпологических установок с новыми технологиями использования энергоресурсов, определению областей их экономической эффективности с применением подробных математических моделей не было уделено достаточною внимания Часто не учитывается нелинейный характер зависимостей, не проводится оптимизация параметров с применением строгих математических методов, не учитываются затраты, связанные с удалением СОг

В связи с отмеченным цели диссертационной работы заключаются в следующем

• разработка методического подхода к решению задачи комплексных исследований ЭТУ комбинированного получения водорода и электроэнергии из органического топлива с учетом затрат в системы удаления СОг,

• создание согласованной системы математических моделей процессов и этемен-тов энергетической и технологической частей ЭТУ комбинированного получения водорода и электроэнергии из различных видов органического топлива и систем удаления С02,

• создание эффективных в вычислительном плане математических моделей ЭТУ производства водорода и электроэнергии с системами удаления С02 в целом,

• проведение комплексных технико-экономических исследований ЭТУ производства водорода и электроэнергии на основе угля и природного газа с получением их оптимальных параметров и условий конкурентоспособности с учетом затрат в системы удаления С02

Научная иовнзна работы состоит в том, что в ней впервые получены и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты

5

1 Постановка и схема решения задачи комплексных технико-экономических исследований энерготехнодошческих установок комбинированного производства водорода и электроэнергии из угля и природного газа с учетом затрат на удаление С02

2 Математические модели ЭТУ производства водорода и электроэнергии из угля с различными технологиями газификации и природного газа с системами удаления СО2, созданные на основе согласованной системы математических моделей энергетических и технологических элементов с использованием методов математического моделирования

3 Результаты оптимизационных технико-экономических исследований ЭТУ производства водорода и электроэнергии, перерабатывающих уголь, природный газ, обосновывающие основные схемно-параметрические решения по ЭТУ в условиях неопределенности экономической информации и показывающие условия конкурентоспособности данной технологии

4 Сравнительная эффективность ЭТУ производства водорода и ЭТУ производства экологически чистых СЖТ (метанола и диметилового эфира) с учетом затрат на удаление С02

Разработанные в рамках данной диссертационной работы математические модели реализованы в виде программ, используемых в составе созданного в ИСЭМ СО РАН программно-вычислительного комплекса СМПП для персональных компьютеров

Практическая ценпость работы заключается в возможности получения с помощью разработанных математических моделей оценки технической и экономической эффективности ЭТУ производства водорода и электроэнергии по сравнению с установками других типов, принятия оптимальных схемно-параметрических решений по установке и выработке рекомендаций для проектирования установок данного типа Разработанные математические модели систем удаления диоксида углерода из продуктов сгорания мяуг быть применены при исследовании теплоэнергетических установок

Апробация работы. Результаты исследований опубликованы в павах 5 4 и 5 5 монографии Теплосиловые системы оптимизационные исследования / А М Клер, Н П Деканова, Э А Тюрина и др - Новосибирск Наука, 2005 - 326 с , а также в 14 печатных работах, 2-х отчетах о научно - исследовательской деятельности и обсуждались

- на конференциях паучной молодежи ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2005, 2006, 2007,

2008),

- на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и испотьзования энергии в условиях Сибири» (Иркутск, 2005,2007),

- на IV Международной научно-технической конференции «Достижения и перспективы развития энергетики Сибири» (Красноярск, 2005),

- на Всероссийском конкурсе инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направ тению «Энергетика и энергосбережение» (Томск, 2006),

- на XIII международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и техно чогии СТТ 2007» (Томск, 2007),

- на III международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики» (Екатеринбург, 2007),

- на XXI международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-21» (Саратов, 2008)

Лпчный вклад автора Постановка задач исследований и анализ выводов, касающихся содержания работы, осуществлены с научным руководителем Самостоятельно автором разработаны новые математические модели элементов, блоков ЭТУ (конвертора природного газа, конвертора СО, мембранной установки выделения водорода, блока водорода, блока удаления СОг) Все исследования по теме диссертации выполнены автором лично под руководством научного руководителя

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы (84 наименования) Общий объем диссертационной работы 147 сгр , в том числе список литературы - 9 стр , 11 рис и 22 таблицы

Во введении кратко обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, отмечены элементы новизны полученных результатов и перечислены положения, выносимые на защиту

В первой главе данной работы освещено современное состояние технологий получения водорода, дано обоснование перспективности получения водорода на основе угля с применением палладиевых мембран в комбинированной установке производства водорода и электроэнергии Кроме того, рассмотрены объем и структура потребления водорода, а также методы храпения водорода Проанализированы существующие характеристики рынка водорода

Во второй главе приведен методический подход к решению задачи комплексных оптимизационных технико-экономических исследований ЭТУ производства водорода и электроэнергии из органического топлива с учетом затрат в системы удаления двуокиси углерода

Основными задачами комплексных технико-экономических исследований ЭТУ получения водорода и электроэнергии с учетом затрат па удаление СОг, представленных в данной работе, являются

1) определение оптимальных схемно-параметрических решений по ЭТУ при конкретных условиях ее функционирования,

2) определение целесообразности комбинированного производства водорода и электроэнергии в одной энерготехно логической установке и оценка условий конкурентоспо-

собпости такого производства с учетом неопределенности исходной технико-экономической информации,

3) оценка затрат на удаление СОг из продуктов сгорания ЭТУ получения водорода и электроэнергии и ЭТУ производства синтетических жидких топлив и электроэнергии, сопоставление эффективности этих экологически чистых производств с учетом затрат в удаление СОг

В качестве экономического критерия при сопоставлении рассматриваемых вариантов ЭТУ в работе применялся критерий минимума цены на отпускаемую продукцию при заданной рентабельности производства - внутренней норме возврата инвестиций

Важнейшим фактором, который учитывался при исследовании ЭТУ, является соотношение между степенью извлечения водорода в мембранной установке и выработкой электроэнергии, что оказывает наибольшее влияние на стоимость всех блоков установки и ее тепловую эффективность Основными параметрами, определяющими данное взаимовлияние, являются расход пара и кислорода на дутье в газогенераторы (конверторы), что определяет состав синтез-газа и количество параллельно работающих ступеней мембранной установки, что определяет степень выделения водорода из синтез-газа Соответственно данные параметры являются одними из важнейших при нелинейной оптимизации параметров ЭТУ

При технико-экономических исследованиях ЭТУ большое значение имеет учет неопределенности исходной информации, необходимой для определения технико-экономических показателей установки Применительно к энерготехнологическим установкам неопределенность информации обуславливается действием внешних и внутренних факторов Внешние факторы определяются взаимоотношением ЭТУ с другими системами энергетики и отраслями народного хозяйства Данный фактор в первую очередь влияет на величину ожидаемой цены на производимую продукцию К внутренним фактором, прежде всего, относятся перспективные проявления научно-технического прогресса (показатели новых техночогических процессов, характеристики материалов и т д), что влияет на величину непредвиденных капиталовложений в установку (в частности, величину удельных капиталовложений в палла-диевые мембраны) Поэтому при оптимизационных исстедованиях ЭТУ учитывались данные обстоятельства

Одним из основных принципов сопоставимости вариантов оборудования энергетических установок и других сложных технических систем является принцип оптимальности, согласно которому каждый сопоставляемый вариант должен быть поставлен в оптимальные условия Это в частности означает необходимость оптимизации параметров для каждого варианта ЭТУ В данной работе оптимизация технологических, конструктивных параметров и экономических показателей установок проводится с использованием разработанною в ИСЭМ СО РАН (А М Клер, Н П Деканова) программно-вычислительного оптимизационного комплекса, позволяющего проводить нелинейную оптимизацию многочисленных пара-

8

метров ЭТУ с учетом системы ограничений в форме равенств и неравенств большой размерности

Методический подход к решению указанной задачи можно разделить на три этапа (рис 1)

Математически модели элементов ЭТУ

газогенераторов

газовых турбин

от се ко« паровых турбин

компрессоров

конвективных

теплообменников

сепараторе*

регенеративных

подогревателей и др

Разработанные математические модели

элементов ЭТУ мембранная установка метенвтор

конвертор природного гааа блок получения водорода

Рис 1 Блок-схема методического подхода к комплексным технико-экономическим исследованиям ЭТУ производства водорода и этектроэнергии с учетом удаления ССЬ

1 этап Разрабатываются технотогические схемы ЭТУ производства водорода и электроэнергии и системы (блока) удаления диоксида углерода на основе анализа перспективных технологий производства водорода, выработки электроэнергии и удаления СОг Проводится анализ состава процессов и элементов, необходимых для моделирования

На основе ранее разработанных энергетических и технологических элементов ЭТУ с использованием вновь созданных строятся математические модели ЭТУ (на различных видах топлива, с использованием разных технологий газификации (конверсии) и т д)

Для построения математических моделей ЭТУ используется созданная в ИСЭМ СО РАН система машинного построения программ (СМПП-ПК), которая на основании информации о математических моделях отдельных элементов, технологических связях между ними и целях расчета автоматически генерирует математическую модель установки в виде программы расчета на языке FORTRAN

2 этап. Производится поиск оптимальных схем и параметров ЭТУ путем решения задач нелинейного математического программирования При этом назначается состав оптимизируемых параметров (состав дутья в газогенератор, площадь мембранных поверхностей и т д), состав ограничений (температурные напоры, перепады давлений, расчетные температуры металла труб, механические напряжения и т д) и критерий оптимизации (минимизация цены производимого водорода, максимизация эксергетического КПД) Также учитывается неопределенность экономической информации (удельные капвложения в палладиевые мембраны и др)

3 этап. На третьем этапе для определения энергетических и экономических затрат в удаление диоксида углерода проводятся оптимизационные исследования ЭТУ производства водорода и ЭТУ синтеза СЖТ с учетом затрат на удаление СО2 Дается сопоставление эффективности ЭТУ производства водорода и ЭТУ производства СЖТ с учетом удаления СО2

В качестве альтернативных вариантов экологически чистых топлив в работе рассматриваются метанол и диметиловый эфир (ДМЭ), производимые на ЭТУ синтеза СЖТ и электроэнергии

Также в данной главе рассмотрены вопросы построения эффективных математических моделей элементов и установок в целом

К разрабатываемым математическим моделям элементов ЭТУ предъявлялись следующие требования

• математические модели должны обеспечивать достаточно точные описания реальных процессов, протекающих в элементах установки, соответственно поставленным целям и задачам исследования,

• модели должны включать в себя зависимости между входными и выходными параметрами элементов (расходами, температурами, давлениями и т д ), а также зависимости между этими переменными и конструктивными характеристиками элементов Это обеспечивает проведение теплового, гидравлического, аэродинамического и конструктивно-компоновочного расчетов установки,

• в модели основных элементов необходимо включить зависимости, обеспечивающие проверку допустимости принятых решений - расчет действующих напряжений в трубах

10

теплообменников, проверка па неотрицательность расходов, перепадов давлений, температурных напоров и т д

• математические модели элементов дотжпы отвечать требованиям быстродействия при их расчете, что обеспечивает возможность проведения на их основе оптимизационных исследований

• математические модели энергетических и технологических этемептоа должны быть согласованы между собой как по детализации протекающих в них процессов, так и по входным и выходным параметрам

Исходя из этих требований, строились математические модели отдельных этементов

ЭТУ

При построепии эффективных математических моде!ей ЭТУ в целом также потребовалось решить ряд задач

• Разработать расчетную схему ЭТУ, отличие от технологической состоит в том, что каждый элемент должен иметь математическую модель, а каждой технологической связи между элементами схемы должна соответствовать информационная связь между моделями

• При построении расчетной схемы ЭТУ необходимо произвести ее агрегирование, т е уменьшепие размерности схемы путем замены группы одинаковых параллельно работающих и равпомернозагруженных элементов технологической схемы на один элемент расчетной схемы

• В связи с ботыпой размерностью расчетной схемы ЭТУ целесообразно использование метода декомпозиции Суть этого метода заключается в том, что в технологической схеме ЭТУ на основании анализа выделяется несколько частей, связи между которыми немногочисленны и для каждой части строится своя математическая модель Таким образом были построены математические модели ЭТУ в целом и блока удаления СОг

Также, во второй главе представлена методика расчета технико-экономических показателей ЭТУ

Третья глава посвящена выбору техноадгических схем ЭТУ производства водорода и электроэнергии из угля и природного газа, математическому моделированию основных процессов и элементов ЭТУ и установок в четом В данной главе подробно представтены разработанные автором математические модели элементов установки, блока выделения водорода и блока извлечения СОг

При разработке технологической схемы ЭТУ комбинированного производства электроэнергии и водорода предусматривались перспективные на настоящий момент решения по технологическому оформлению используемых в ней процессов Газификация топлива происходит в газогенераторах с кипящим слоем и сухим ютакоудалением на парокислородном дутье под давлением 2 МПа и при температуре 1173 К Такой газогенератор явтяется анало-

гом достаточно исследованного и реализованного в промышленных масштабах газогенератора Winkler Также рассматривается другая перспективная схема газификации угля - на основе высокотемпературной газификации пылеугольного потока при температуре 1673 К с жидким шлакоудалением Получение водорода основано на принципах мембранного разделения газовых смесей Причем в качестве мембранных модулей приняты модули на основе палладиевых мембран, позволяющие работать при высоких давлениях и температурах Высокая селективность таких мембран дает возможность получать водород высокой чистоты В схеме предусмотрен учет основного требования со стороны палладиевых мембран - отсутствия в разделяемом газе значительных количеств окислов углерода и окислов серы, которые способны образовывать с палладием устойчивые химические соединения, снижающие скорость диффузии Снижение концентрации СО в продуктах газификации осуществляется в реакторах конверсии СО, от соединений серы - в системе глубокой очистки продуктов газификации В энергетическом блоке предусмотрен наиболее перспективный для энергетических установок комбинированный парогазовый цикл В блоке извлечения СОг применяется криогенный метод выделения диоксида углерода из продуктов сгорания, поскольку данный метод более эффективен для удаления СОг в значительных масштабах

Моделирование ЭТУ производства водорода и электроэнергии без учета удаления СО2 Условно энерготехнологическую установку получения водорода можно представить состоящей из следующих блоков (частей) газификации угля (конверсии), получения водорода и энергетического блока Упрощенная схема материальных потоков, связывающих блоки, показана на рис 2

В блоке газификации (конверсии) происходят процессы газификации твердого топлива (конверсии природного газа), охлаждение и очистка продуктов газификации (конверсии), генерация пара высокого и низкого давления Входными потоками в данный блок являются уголь (природный газ), кислород и дутьевой пар, подающиеся в газогенератор (конвертор природного газа) Кроме того, в блок поступает питательная вода, из которой генерируется пар высокого и пизкого давления, и пар с холодной нитки промперегрева энергоблока для нагрева продуктами газификации (конверсии) Также в блок подается вода для охлаждения шлака и для очистки и охлаждения продуктов газификации (в случае низкотемпературной газификации) Выходными потоками являются продукты газификации (конверсии), поступающие в блок получения водорода, а также пар высокого и низкого давления, идущие в энергоблок на выработку электроэнергии

Рис 2 Упрощенная схема материальных потоков ЭТУ Газ, поступающий из блока газификации угля (конверсии природного газа), идет на очистку от СО2 и соединений серы в системе тонкой очистки (2) (см рис 3) В реакторе конверсии СО (3) происходит конверсия продуктов газификации угля (конверсии природного газа) При этом концентрация СО в продуктах конверсии может достигать достаточно малых значений Предусмотрен отвод тепла реакций во встроенных теплообменниках Продукты конверсии охлаждаются в системе конвективных газо-водяных и газопаровых теплообменников (4-6), при этом получается пар низкого давления, поступающий в отсеки паровой турбины на выработку электроэнерпш Газ после охлаждения поступает в компрессор (7), где дожимается до давления 3 МПа, применяемого в установке мембранного разделения газовой смеси (8) После установки мембранного разделения оставшиеся после отделения водорода продукты конверсии идут на сжигание в камеру сгорания энергоблока Установка мембранного разделения газовой смеси представляет собой одноступенчатую газоразделительную установку с параллельно-последовательным расположением мембранных модулей (9)

Шрнл

Питательная вода

[41 а

ЧЯ-рГ

сяк» на энерю&кж

Отделенный * водерод

Рис 3 Технологическая схема б тока получения водорода

Математическая модель мембранного модуля описывает процесс разделения газовых смесей, а именно отделения водорода от продуктов конверсии Она определяет проницаемость водорода через палладиевую мембрану При этом заданными считаются следующие величины коэффициенты проницаемости компонентов газовой смеси, давление газовой смеси, поверхность и толщина мембран Проницаемость компонентов газовой смеси определяется согласно уравнению

^(1) о

где б,- количество газа, прошедшего через мембрану, ра, Ра - парциальное давление компонента газовой смеси соответственно на внутренней и внешней сторонах поверхности мембраны, 5 - толщина мембраны, Г — поверхность мембраны, к, = Д - коэффициент проницаемости газа, А - коэффициент диффузии, 5, - коэффициент растворимости, г - номер компонента газовой смеси

В камере сгорания газовой турбины энергетического блока сжигается продувочный газ, поступающий с блока выделения водорода В блоке генерируется пар различных параметров в котле-утилизаторе, вырабатывается электроэнергия в паровой и газовых турбинах Входными потоками являются необходимый для сжигания воздух, пар промперегрева, пар высокого и низкого давления, направляемые в паровую турбину для выработки электроэнергии, охлаждающая вода для конденсации пара в конденсаторе паровой турбины Из блока выходят потоки электроэнергии, питательной воды, охлаждающей воды и продуктов сгорания Кроме того, подается пар на дутье и на промперегрев в блок газификации (конверсии) и дутьевой пар в реакторы конверсии СО блока потучения водорода

На рис 4 приведена упрощенная расчетная схема ЭТУ получения водорода, для которой разработаны математические модели ее отдельных элементов и математическая модель установки в целом

Математическая модель установки в целом включает 1105 входных, 1089 выходных и 25 итерационно-уточняемых параметров Расчет схемы производится итерационным методом Зейделя Модель ЭТУ ориентирована на конструкторский расчет элементов установки определение поверхностей нагрева теплообменников, необходимой площади мембранных поверхностей, мощностей привода насосов и компрессоров, мощностей газовых и паровой турбины, термодинамических параметров, расходов продуктов газификации угля (конверсии природного газа), продуктов конверсии СО, продуктов сгорания, воды и пара в различных точках схемы и др

1 - бток получения кислорода, 2 - кислородный компрессор, 3 - газогенератор (конвертор), 4 - барабан сепаратор, 5 - регенеративный газо-газовый теплообменник, 6 - система тонкой очистки продуктов газификации (конверсии), 7 - камера сгорания газовой турбины, 8 - компрессор воздушный, 9 - основная газовая турбина, 10 - реактор СО-сдвига, 11 - 13 - конвективный тепюобченник на продуктах конверсии, 14 - компрессор продуктов конверсии, 15 - установка мембранного раздетения продуктов конверсии, 16 - расширительная газовая турбина, 17 - котел-утилизатор, 18 - регенеративный подогреватечь низкого давления, 19 - конденсатор паровой турбины, 20 - паровая турбина, \у - вода, пар, р - пар, к - конденсат, g - газ, у - природный газ, о - кисю-род

Моделирование систем удачения СО-> в составе ЭТУ В основе удаления СОг в данной системе лежит криогенный метод Этот метод представляется более эффективным для удаления диоксида углерода в значительных масштабах, так как по предварительным оценкам он требует меньших затрат по отношению к другим методам очистки (абсорбционным, адсорбционным, мембранным и др) Применяется система детандерного типа с внешним контуром охлаждения, где в качестве хладагента используется жидкий азот, и регенерацией холода с последних ступеней охлаждения Упрощенная технологическая схема системы удаления СОг из продуктов сгорания представлена на рис 5

При построении математической модели системы удаления СОг в целом использовались модели входящих в нее элементов охладителей, регенеративных теплообменников, турбодетандеров, компрессоров, сепараторов, газо-водяных теплообменников и т д

При расчетах систем выдечения двуокиси углерода криогенными методами возникает необходимость в определении термодинамически равновесного состава многокомпонентных парожидкостных смесей Точность и скорость нахождения такого состава в значительной мере определяет точность и скорость расчетов указанных систем в целом Для проведения указанных расчетов применяется разработанный в ИСЭМ СО РАН эффективный метод определения термодинамически равновесного состава многокомпонентных парожидкостных смесей, значительно сокращающий время расчета элементов ЭТУ и характеризующийся вы-

сокой точностью С математической точки зрения расчйт равновесного фазового состояния многокомпонентных парожидкостных систем сводится к минимизации функции Гиббса с учетом ограничений-равенств по материальному, энергетическому балансам, ограничений-неравенств, требующих неотрицательности масс отдельных фаз, логических условий, определяющих область, в которой ищется решение (докритическая, закритическая, с возможностью совместного существования жидкой и паровой фаз и др) Метод основан на двухэтап-ном итерационном процессе расчета равновесного состава смеси, на каждом этапе решаются задачи одномерной минимизации функции Гиббса Предлагаемый метод является базовым при моделировании большинства элементов указанных систем

Рис 5 Система удаления СО2 Wl, W22 - газо-водяной теплообменник, К1 - компрессор продуктов сгорания, К22 - компрессор азотного холодильного цикла, S1,S2, S22 - сепараторы-отделители жидкой фазы, Т1 - группа регенеративных охладителей, Т2 - группа охладителей на внешнем хладагенте, Т22 - группа охладители азотного хоюдильного цикла, D1, D22 - турбодетандеры

Разработанная математическая модель блока удаления СОг включена в состав ЭТУ производства водорода и электроэнергии для проведения оптимизационных исследований указанных установок с учетом удаления СО2

В четвертой главе представлены основные результаты оптимизационных технико-экономических исследований ЭТУ производства водорода и электроэнергии из угля и природного газа без учета удаления СОг

Целью оптимизационных исследований, проводимых в работе, является получение оптимальных технико-экономических решений по ЭТУ комбинированного производства электроэнергии и водорода в принятом допустимом диапазоне изменения ее параметров с учетом неопределенности исходной экономической информации При этом одной из основных задач, решаемых с помощью математических моделей энерготехнологических установок комбинированного производства электроэнергии и водорода, является определение влияния

степени выделения водорода из продуктов газификации (конверсии) на экономическую эффективность энерготехнологической установки

Оптимизация проводилась по следующим критериям

1 Максимум эксергетического КПД установки (отношение суммарной эксергии потез-ной продукции, водорода и электроэнергии, к эксергии топлива)

тах77(х, у) (2)

при ограничениях

ям=0, (3)

G(x,r)>0, (4)

хтт <, х ä хпш, (5)

где х - вектор независимых оптимизируемых параметров, у - вектор зависимых вычисляемых параметров, Н - вектор ограничений-равенств (уравнения материального, энергетического балансов, теплопередачи и др ), G — вектор ограничений-неравенств, -х.|Г|]:], — векторы граничных значений оптимизируемых параметров

2 Минимум цепы водорода при заданной внутренней норме возврата капиталовложений и цене электроэнергии

mmC„2(;r,.y,*J (6)

При этом к системе ограничений (3) - (5) добавляется дополнительное ограничение вида IRR = IRR > где Cm - стоимость водорода, кт - удельная стоимость мембран, IRR, IRRZ - соответственно расчетная и заданная внутренняя норма возврата капиталовложений

В качестве оптимизируемых параметров в задаче назначены параметры дутья в газогенераторы, суммарная площадь палтадиевых мембран, энтальпии, давления и расходы острого пара, пара промперегрева, давления и паропроизводителыюсть в испарительных контурах высокого и низкого давления, температура процесса конверсии СО и др Всего в задаче оптимизировалось 33 параметра технологических схем Система ограничений включает условия на неотрицательность концевых температурных напоров теплообменников, перепадов давлений вдоль проточной части паровых и газовых турбин, ограничения на расчетные температуры и механические напряжения труб теплообменников, на минимальную и максимальную температуру газификации и конверсии СО, на предельно-допустимую степень сжатия в отсеках компрессоров и т д Всего - 235 ограничений

В табл 1 представлены результаты оптимизации вариантов ЭТУ с газогенераторами с газификацией угля в кипящем слое и сухим шлакоудалением и ЭТУ с газификацией пыле-угольного потока и жидким шлакоудалением, полученные по критерию максимума эксергетического КПД

Таблица 1

Показатели оптимальных по критерию маекеимума эксергетического КПД вариантов ЭТУ с газификацией угля в кипящем слое (вариант 1) и ЭТУ с газификацией пылеутольного потока

Показатель, размерность Вариант

1 2

Температура процесса конверсии СО, К 975,7 880,9

Суммарная площадь поверхности мембран, м1 9003 7406

Расход водорода, кг/с 7,4 5,0

Мощность, МВт -паровой турбины, -основных газовых турбин, -кислородных компрессоров, -воздушных компрессоров, -расширительной турбины -полезная 408 608

302 246

47,6 50,1

376 290

12,2 12,5

650 788

Годовой расход топлива -условного,тыс тут -натурального, тыс т 2500

4600

Годовое производство водорода -условного,тыс тут -натурального, тыс т 755 511

190 128

Годовой отпуск электроэнергии, мин кВт ч 4550 5520

Эксергетический КПД 50,3 45,8

В табл 2 представлены оптимальные технико-экономические показатели ЭТУ с газификацией в кипящем слое, полученные при разной удельной стоимости палладиевых мембран, цепе на отпускаемую от ЭТУ электроэнергию 3 цента/кВт ч

Технико-экономические показатели вариантов ЭТУ производства водорода и электроэнергии из природного газа при стоимости электроэнергии 3 и 5 цента/кВт ч отражены в табл 3

Таблица 2

Показатели оптимальных вариантов ЭТУ с газификацией в кипящем слое по критерию минимума цены водорода___

Показатель, размерность Удельные капиталовложения в мембраны, тыс дот /ч2

6 12 18

Температура процесса конверсии СО, К 970,7 962,6 945,2

Суммарная площадь поверхности мембран, м2 8575 6206 5243

Расход водорода, кг/с 7,3 6,4 5,4

Мощность, МВт -паровой турбины, -основных газовых турбин, -кислородных компрессоров, -воздушных компрессоров, -полезная

334 346 351

297 328 349

47,8 47,6 47,5

371 409 436

571 615 642

Годовой расход топлива -условного,тыс тут -натурального,тыс т

2500

4600

Годовое производство водорода -условного,тыс тут -натурального, тыс т

750 654 554

188 164 140

Годовой отпуск электроэнергии, л1лн кВт ч 4000 4300 4500

Капиталовложения в установку, млн дол 607 664 696

КПД эксергетический 0,47 0,45 0,43

Цена водорода,дол /гут 191 235 287

Таблица 3

Технико-экономические показатели вариантов ЭТУ производства водорода и электроэнергии из природного газа__

Наименование, размерность Удетьные капиталовложения в мембраны

6 | 12 | 18

Цена отпускаемой ЭТУ электроэнергии, цепт/кВт ч

3 5 3 5 3 5

1 2 3 4 5 6 7

Расход продуктов конверсии, кг/с -водород, -окись углерода, -двуокись углерода, -водяные пары, -метан, -сероводород, -азот

11,9 12 11,9 12 12 12,1

61,6 71,9 61,8 70,2 68 4 73,2

53,1 36,9 52,8 39,5 42,4 34,9

145,4 87 2 143,7 95,4 105,2 81,4

0 007 0,02 0 007 0,02 0,01 0,02

0

1,39

Расход продуктов конверсии СО, кг/с -водород, -окись углерода, -двуокись углерода, -водяные пары, -метан, -сероводород, -азот

7,3 6,5 6,4 4,7 6,2 3,5

4,75 4,3 3,6 2 8 3 1,9

43,2 50,8 40,3 40,7 46,6 38,2

163,8 171,4 161,4 131,7 188,3 114,3

17,4 20,6 19,2 24,2 20,9 27,3

0

1,39

Расход водорода, кг/с 7,1 6,4 6,2 4 5,7 2,5

Расход продуктов сгорания, кг/с -азот, -кислород, -двуокись углерода, -вода

663 762,8 738,9 984,8 825,5 1138, 9

133 152 148,3 198,5 165,1 229,8

91,4 105,2 92,8 107,5 103,9 113,3

57,3 65 63,1 82,5 71 95,2

Температура процесса конверсии СО, К 900 880 880 855 860 830

Суммарная площадь поверхности мембран, V 11000 8500 5800 5150 4750 4000

Мощность, МВт

-паровой турбины, -основных газовых турбин, -кислородных компрессоров, -воздушных компрессоров, 320 308 342 393 393 480

200 235 223 305 305 355

30 27,7 29 2 27,3 28,5 27

268 308 298 397 398 460

Годовой расход топлива

-уставного, тыс тут -натурального, тыс и3 2500

2200

Годовое производство водорода

-условного, тыс тут -натурального, тыс т 730 650 635 410 580 250

179 161 156 101 144 63

Годовой отпуск электроэнергии, млн кВт ч 3200 3400 3545 4515 3600 5500

Капиталовложения в установку, лпн доч 472 460 485 510 514 555

Цепа водорода, дол7т у т 218 124 240 97 270 34

Выводы 1 При высокой цене на нефть и тенденции ее роста водород, получаемый на энерготехнологических установках, может иметь цену, конкурентоспособную с ценами па моторные топлива, получаемые из нефти

2 Комбинированное производство электроэнергии и водорода из угля на ЭТУ с применением для выделения водорода из продуктов газификации палладиевых мембран экономически эффективно при удетьной стоимости палладиевых мембран не выше 6-12 тыс

дол /м2 При этом цена водорода, производимого на ЭТУ, при внутренней норме возврата 15% находится в диапазоне 191-235 дол /тут

3 ЭТУ производства водорода и электроэнергии с газогенераторами, использующими газификацию угля в кипящем слое, имеют более высокую термодинамическую эффективность (эксергетический КПД -50%) по сравнению с установками с газификацией в пыле-угольном потоке (эксергетический КПД ~46%)

4 Как показали расчеты ЭТУ на природном газе, при высокой стоимости электроэнергии производство водорода вырождается, т к заданная рентабельность производства покрывается за счет дохода от продажи электроэнергии

В пятой главе проведено сопоставление эффективности ЭТУ производства водорода и электроэнергии и ЭТУ производства СЖТ (метанола и ДМЭ) и электроэнергии из угля с учетом удаления С02

Целью оптимизационных исследований, на данном этапе, является получение оптимальных технико-экономических решений по ЭТУ производства водорода и электроэнергии, ЭТУ производства СЖТ и электроэнергии с учетом затратна удаление С02

Оптимизация проводилась по критерию минимума цены СТ при заданной внутренней норме возврата капиталовложений и цене электроэнергии

Пип Сст(х,у,Лксо2,^сн) (7)

при ограничениях

Н(х,у)= 0, (8)

СМ>0, (9)

(Ю)

ш = т,, (П)

Ы1 =Ы3" + Исо\ (12)

СИ СИ СП ' 4

где Аксог - капиталовложения в систему удаления С02, - мощность собственных нужд ЭТУ с системой удаления СОг, - мощность собственных нужд ЭТУ без системы удаления СОг, ДГ" - мощность собственных нужд системы удаления СОг

Всего в задаче оптимизировалось 9 параметров технологической схемы (давление газа на выходе компрессора азота, изменение энтальпий хочодных потоков в теплообменниках-охладителях, расход внешнего азота, массовые скорости в теплообменниках-охладителях и др) Всего - 56 ограничений

Основная исходная информация для исследования выбрана в результате анализа существующих стоимостных характеристик материалов и оборудований, смет энергетических и технологических объектов с распределением затрат по различным статьям, а также была

получена в результате проведенных технико-экономических исстедований, которые представлены выше

Как отмечалось, в качестве альтернативных вариантов экологически чистых топлив в работе рассматриваются метанол и ДМЭ, производимые на ЭТУ производства метанола и электроэнергии и ЭТУ синтеза ДМЭ, соответственно, т к данные виды топлива признаются наиболее перспективными

В таблице 4 приведены основные технико-экономические показатели оптимальных вариантов ЭТУ синтеза метанола и ДМЭ (показатели ЭТУ синтеза СЖТ приняты на основе ранее проделанных работ в ИСЭМ СО РАН) и ЭТУ производства водорода из угтя, полученные в результате оптимизационных исстедований на математических моделях установок без учета затрат в системы удаления СОг Видно, что варианты производства метанола и ДМЭ существенно различаются по соотношению производимой продукции (СЖТ и электроэнергии) Так установки синтеза ДМЭ характеризуются более высоким уровнем производства СЖТ (в энергетическом эквиваленте) по сравнению с установками синтеза метанола В свою очередь на ЭТУ синтеза метанола электроэнергии вырабатывается значительно больше (в 1,5 - 2 раза в зависимости от вида потребляемого топлива) Это обусловлено тем, что практически весь СО расходуется в реакторах синтеза на производство ДМЭ В ЭТУ синтеза метано та СО в значительных объемах поступает после синтеза в камеру сгорания газовой турбины

Производство водорода характеризуется меньшими капитальными вложениями и соответственно меньшей ценой Следует отметить, что дальнейшее использование газообразного водорода в качестве энергоносителя требует разработки эффективных методов хранения и транспортировки, что будет существенно увеличивать его конечную стоимость (у потребителя) по сравнению с СЖТ, поскольку транспортировка и хранение жидких топлив значительно дешевле, чем газообразных

В табл 5 даны основные технико-экономические показатели оптимальных вариантов ЭТУ производства СТ и электроэнергии на основе угтя с учетом затрат на удаление СО2 (при этом не учитывались затраты па захоропение СО2) Затраты энергии на удаление двуокиси углерода из продуктов сгорания характеризуются нелинейной зависимостью и значительным ростом по мере понижения парциального давления СОг в продуктах сгорашы По этой причине извлечение СО2 производится не полностью, небольшое его количество присутствует в уходящих газах Следует отметить, что часть СО2 удаляется из синтез-газа в блоке газификации рассматриваемых ЭТУ Затраты электроэнергии и капитальные затраты в удаление СО2 в блоке газификации учитываются при расчете показателей ЭТУ без систем удаления СОг

Таблица 4

Основные технико-экономические показатели оптимальных вариантов ЭТУ производства СТ и электроэнергии на основе угля_

Показатели, размерность Варианты ЭТУ

получения водорода синтеза ДМЭ синтеза метанола

Годовой расход натурального топлива, тыс т 4500

Годовой расход условного топлива, тыс тут 2500

Годовое производство СТ -условного топлива, тыс тут 655 1600 1350

-натурального топлива, тыс т 165 1625 1880

Мощность, МВт

-паровой турбины, 351 240 270

-газовой турбины, 349 ПО 145

-собственных нужд, 57 189 185

-полезная 642 150 225

Годовой отпуск электроэнергии, мчн кВт ч 4500 1060 1560

Капиталовложения суммарные в установку, млн дол 890 1350 1150

Эксергетический КПД производства СТ, % 45,3 59,2 61,7

Цена отпускаемой электроэнергии, цент/кВт ч 5

Цена производства СТ, дол /тут 198 288 270

Суммарная стоимость продукции ЭТУ, млн доч в год 354,7 513,8 442,5

Таблица 5

Основные технико-экономические показатети ЭТУ производства СТ и электроэнергии с учетом энергетических, и капитальных затрат в системы удаления СОг_

Показатели, размерность Варианты ЭТУ

получения водорода синтеза ДМЭ синтеза метанола

Содержание С02 в уходящих газах, тыс т в год 4000,0 2127,0 2700,0

Извлечение ССЬ. тыс т в год 3950,0 2070,0 2592,0

Выброс С02 после очистки, тыс т в год 50,0 57,0 108,0

Выброс С02 в продуктах сгорания СТ, тыс т в год 0,0 3100,0 2585,0

Суммарный выброс С02 при производстве и сгорании СТ, тыс ТВ год 50,0 3157,0 2693,0

Мощность в системе удаления С02, МВт -компрессоров продуктов сгорания, 50,1 11,8 19 8

-компрессоров азота в азотной холодильной машине, 182,7 91 1 99,5

-детандеров продуктов сгорания, 42,4 9,5 ¡74

-детандеров азотной холодичьной машины, 52,2 26 5 28,2

-собственных нужд суммарная 138,0 67,0 75,0

Годовой отпуск электроэнергии ЭТУ с учетом потребления в системе удаления С02, млн кВт ч 3334,0 592,0 1045,0

Капвложения в системы удаления С02, мчн дол 128,0 86,0 93,0

Капвложения в Э ГУ с учетом систем удаления С02, мтн дол 1018,0 1436,0 1243,0

Цена отпускаемой электроэнергии, цент/кВт ч 5,0

Цена СТ с учетом затрат в системы удаления С02, дол /тут 356,0 325,0 312,0

Суммарная стоимость продукции ЭТУ с учетом затрат в системы удаления С02, млн дот в год 400,0 549,6 473,5

Удорожание продукции ЭТУ с учетом затрат в системы удаления С02, % 11,3 7,0 6,9

Выводы Как видно из табл 5, системы удаления СОг требуют значительных капиталовложений и потребления этектроэисргии па собственные нужды, что обусловливает существенной удорожание производимых синтетических топлив Большая часть электропотребления на собственные нужды установок по производству СТ и электроэнергии связана с работой компрессоров продуктов сгорания и азота в азотном холодильном цикле Причем дополнительная полезная выработка электроэнергии в детандерах системы удаления СОг не компенсирует таких затрат энергии Поэтому в целом затраты на системы удаления СОг, используемые в данных установках, приводят к удорожанию отпускаемой продукции в ЭТУ трех рассмотренных производств - получения водорода, синтеза ДМЭ и синтеза меганола -соответственно на 11,3, 7,0 и 6,9 % по сравнению с установками без систем удаления диоксида углерода

В заключении даны основные выводы, сделанные на основе проведенных исследований

Основные результаты работы

1 Разработан методический подход к решению задачи оптимизационных исследований ЭТУ производства водорода и электроэнергии с учетом затрат в удаление СОг, учитывающий неопределенность исходной технико-экономической информации

2 Разработаны математические модели элементов, блоков энерготехнологических установок (конвертора природного газа, метапатора, мембранной установки выделения водорода, блока водорода, блока удаления диоксида углерода)

3 Разработаны эффективные в вычислительном плане математические модели энерготехнологических установок комбинированного производства водорода и электроэнергии из угля (с газогенераторами с газификацией топтива в кипящем слое и в пылеугольном потоке) и природного газа

4 Проведены оптимизационные технико-экономические исстедования энерготехнологических установок из угля и природного газа с целью определения оптимальных схем и параметров и условий конкурентоспособности продукции

5 Исследования показали, что при наблюдаемой в настоящее время высокой цене на нефть и имеющейся тенденции к ее росту водород, получаемый на энерготехнотогических установках, может иметь цену, конкурентоспособную с ценами на моторные топлива, получаемые из нефти

6 Комбшшрованное производство электроэнергии и водорода из угля на эперготехнологи-ческих установках, с применением для выделения водорода из продуктов газификации пал-ладиевых мембран, является экономически эффективным при удельной стоимости палладие-вых мембран не выше 6-12 тыс дол/м2 При этом цена водорода, производимого на ЭТУ, при внутренней норме возврата 15% находится в диапазоне 191-235 дол /тут

7 ЭТУ производства водорода и электроэнергии с газогенераторами, использующими газификацию угля в кипящем слое, имеют более высокую термодинамическую эффективность (эксергетический КПД ~50%) по сравнению с установками с газификацией в пылеугольном потоке (эксергетический КПД -46%)

8 Проведено сравнение эффективности ЭТУ производства водорода и ЭТУ производства СЖТ с учетом удаления двуокиси углерода В качестве альтернативных вариантов экологически чистых топлив в работе рассматриваются метанол и ДМЭ, производимые на ЭТУ синтеза метанола и электроэнергии и ЭТУ синтеза ДМЭ, соответственно Исследования показали, что использование систем удаления С02 в составе ЭТУ приводит к удорожанию продукции на 7 - 11%, удельные капиталовложения в системы удаления СОг в зависимости от состава продуктов сгорания составляют около 35 - 40 дол /т С02

Основные положепия диссертации изложены в следующих работах

1 Медников А С Исследование технологии потучения водорода и электроэнергии из угля // Системные исследования в энергетике Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН Выпуск 35 -Иркутск ИСЭМ СО РАН, 2005 -С 143-149

2 Тюрина Э А, Медников А С Исследование энерготехнологических установок комбинированного производства водорода и электроэнергии // Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» - Иркутск ИрГТУ, 2005 -С 317-324

3 Клер А М, Тюрина Э А , Медников А С Эперготехнологическое производство водорода и электроэнергии на основе канско-ачинских углей // IV Международная научно-техническая конференция «Достижения и перспективы развития энергетики Сибири», Красноярск, 2005 - С 447 - 455

4 Клер А М , Тюрина Э А , Медников А С разделы 5 4, 5 5 в монографии «Теплосиловые системы оптимизационные исследования» - Новосибирск Наука, 2005 - С

5 Клер А М , Тюрина Э А , Медников А С Исследование технологии комбинированного производства водорода и электроэнергии из природного 1аза // Энергосистемы, электростанции и их агрегаты Сборник научных трудов / Под ред акад РАН В Е Накорякова -Новосибирск Изд-во НГТУ, 2006 -Вып 10 -С 5-16

6 Медников А С Энерготехнологические установки производства водорода и электроэнергии из угля математическое моделирование и технико-экономические исследования // Всероссийский конкурс инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению «Энергетика и энергосбережение» -Томск ТПУ, 2006 -С 271 -278

7 Медников А С Исстедование энерготехнологических установок комбинированного производства водорода и электроэнергии из природного газа // Системные исследования в энергетике - Иркутск ИСЭМ СО РАН, 2006 -Вып 36

24

8 Клер А М, Тюрина Э А , Медников А С Системы удаления С02 в составе ЭТУ производства водорода и электроэнергии математическое моделирование, оптимизациошше исследования // Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» - Иркутск ИрГТУ, 2007 - С 243 - 248

9 Клер А М, Тюрина Э А , Медников А С Исследование технологии комбинированного производства водорода и электроэнергии из угля // Известия РАН Энергетика, 2007 №2 -С 145-153

10 Медников А С Оптимизационные исстедования систем удаления СОг в составе ЭТУ производства водорода и электроэнергии // Системные исследования в энергетике - Иркутск ИСЭМ СО РАН, 2007 -Вып 37 (в печати)

11 AS Medmkov Study on the energy technology installations for hydrogen and electricity production with CO2 removal systems // The thirteenth International Scientific and Practical Conference of Students, Postgraduates and Young Scientists "Modern Techniques and Technologies" (МТГ 2007), Tomsk, Tomsk Polytechnic University -Tomsk TP U Press, 2007 pp 159 -161

12 Клер AM, Тюрина Э A , Медников А С Перспективные технологии глубокой переработки угля с системами удаления СОг // Актуальные проблемы энергетики Материалы III Международной научно-практической конференции, Екатеринбург, 21-23 ноября 2007 г - Екатеринбург Изд-во «ИРА УТК», 2007 - С 97-98

13 Тюрина Э А, Медников АС Математическое моделирование технологий производства водорода из угля с системами удаления СОг // Материалы XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-21» СГТУ, Саратов

14 Тюрина Э А, Медников А С Перспективные технологии производства синтетических топлив и электроэнергии из угля с системами удаления С02 // Научно технические ведомости СПбГПУ, 2008 № 1(53) -С 31-41

15 Медников А С Комплексные исследования энерготехнологических установок производства водорода и электроэнергии // Системные исследования в энергетике - Иркутск ИСЭМ СО РАН, 2008 - Вып 38 (в печати)

Отпечатано в Институте систем энергетики СО РАН 664033, Иркутск, ул Лермонтова, 130 Заказ №220 Тираж 100 экз

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ, ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

1.1. Анализ существующего положения угольной энергетики и перспек швее развития

1.2. Физико-химические свойства водорода

1.3. Объем и структура потребления водорода

1.4. Хранение водорода

1.5. Характеристика рынка водорода

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ОПТИМИЗАЦИОННЫХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭТУ КРУПНОМАСШТАБНОГО ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА И ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С УДАЛЕНИЕМ С

2.1. Методический подход к решению задачи оптимизационных технико-экономических исследований ЭТУ производства водорода и электроэнергии с удалениемС

2.2. Вопросы пос троения эффективных математических моделей элементов и установок в целом ЭТУ производства водорода и электроэнергии с извлечением С

2.3 Методика расчета экономических показателей ЭТУ производства водорода и электроэнергии с извлечением С

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С ИЗВЛЕЧЕНИЕМ С

3.1. Технологическая схема энерготехнологической установки производства водорода и электроэнергии

3.1.1. Технологическая схема блока газификации (конверсии)

3.1.2. Технологическая схема энергетического блока

3.1.3. Технологическая схема блока получения водорода

3.1.4. Технологическая схема блока выделения С

3.2. Моделирование основных процессов и элементов ЭТУ

3.2.1. Математическая модель блока получения водорода

3.2.2. Математические модели конвертора природного газа и метанатора (конвертора СО)

3.2.3. Математическое моделирование систем удаления С02 в составе ЭТУ

3.2.3.1. Математическая модель системы удаления СО из продуктов сгорания 3.3. Математическое моделирование установки в целом

3.3.1. Программно-вычислительный комплекс для гехнико-экономических исследований ЭТУ

4. ОПТИМИЗАЦИОННЫЕ

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ ЭТУ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

4.1. Исходная информация для технико-экономических исследований ЭТУ

4.2. Результаты исследований ЭТУ производства водорода и электроэнергии

4.3. Определение условий конкурентоспособности синтетических жидких и газообразных топлив с естественными углеводородными топливами

5. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭТУ ПРОИЗВОСТВА ВОДОРОДА И ЭТУ СИНТЕЗА СЖТ С УЧЕТОМ

УДАЛЕНИЯ С02 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Актуальность работы. Ресурсы ископаемого топлива, которые ныне удовлетворяют до 85% мировой потребности в энергоресурсах, не возобновляются, богатые и доступные месторождения быстро исчерпываются. К тому же растущие выбросы парниковых газов в атмосферу оказывают необратимое воздействие на климат планеты. Главное направление глобальной энергетической стратегии на долгосрочную перспективу вырисовывается довольно отчетливо: все более широкая замена ископаемого топлива альтернативными, возобновляемыми, экологически безопасными источниками энергии, к которым принадлежит и водородная энергия, отходом использования которой является обыкновенная вода. К этому будет подталкивать и реализация Киотского протокола.

Среди альтернативных экологически чистых топлив водород благодаря своим уникальным свойствам является универсальным энергоносителем (чистота продуктов сгорания, высокая массовая энергоемкость, возможность получения из различных сырьевых ресурсов и др.). Водород перспективен для использования в двигателях внутреннего сгорания, для выработки электроэнергии в топливных элементах, для производства синтетических жидких топлив и др. В связи с этим возникает задача поиска и исследования технологий крупномасштабного получения водорода, характеризующихся высокими энергетическими, экологическими и экономическими показателями.

Из существующих в настоящее время технологий производства водорода экономически наиболее эффективными являются технологии получения водорода на основе органических топлив (например, по сравнению с электролизом воды, термохимическим разложением воды и др.). Следует отметить, что в восточных регионах России находятся крупнейшие месторождения угля, которые по энергетическому эквиваленту существенно превосходят месторождения жидких и газообразных углеводородов. Причем, запасы угля (Кузбасс, КАТЭК и др.) располагаются в обжитых районах с развитой инфраструктурой. В то же время спрос на уголь восточных месторождений страны со стороны традиционных потребителей (ТЭС, котельные, индивидуальные теплоисточники) ограничен в связи с низкой экономичностью его дальней транспортировки. Другим фактором, обусловливающим ограниченность спроса на твердое топливо, является невозможность его прямого использования у значительной части потребителей: автомобильного, водного, железнодорожного транспорта и др. Поэтому крупномасштабное производство водорода на базе угля, а также синтез на его основе синтетических жидких топлив позволит увеличить объем добычи, сократить уровень вредных выбросов и выбросов парниковых газов в окружающую среду, перейти на прогрессивные технологии (топливные элементы, высокотемпературные газовые турбины и др.) производства электрической и механической энергии [1].

Следует отметить, что получение водорода из органического топлива, в первую очередь природного газа, осуществляется, как правило, в одноцелевых установках, производящих указанные продукты. Кроме того, в данных установках производится утилизация тепла, выделившегося в процессах' "парокислородной конверсии природного газа или газификации угля, а также охлаждения уходящих газов. При этом получается пар, который используется в основном на собственные нужды технологии (паротурбинный привод компрессоров и др.). Такие процессы характеризуются невысоким КПД. Существенно более эффективным является комбинированное производство синтетического топлива (водорода) и электроэнергии в одной энерготехнологической установке (ЭТУ). В этом случае возникает возможность утилизации высокотемпературного тепла процесса газификации угля (или конверсии природного газа) и горючих газов, получаемых после выделения водорода, для производства электроэнергии. В результате повышается КПД процесса производства синтетического топлива (СТ), сокращаются удельные капиталовложения за счет совмещения функций части энергетического и технологического оборудования. Кроме того, есть все основания полагать, что использование прогрессивных способов выделения водорода из синтез-газа, основанных на применении палладиевых мембран, позволит существенно повысить энергетическую и экономическую эффективность энерготехнологического производства водорода.

Таким образом, большой интерес к исследованию энерготехнологических установок производства водорода и электроэнергии обуславливается рядом причин:

1) возникновением существенных технических, экономических, экологических трудностей при крупномасштабном использовании низкосортных углей для производства электроэнергии на традиционных паротурбинных установках;

2) значительным улучшением экологических показателей ЭТУ, связанным с технологическими требованиями;

3) энергетическим и экономическим эффектом от комбинированного производства электроэнергии и водорода;

4) необходимостью получения альтернативных нефтяным энергоресурсов в связи с уменьшениями запасов нефти, а также наблюдаемом росте цен на нефть и нефтепродукты;

5) перспективностью использования водорода в качестве экологически чистого котельного топлива, в специальных двигателях внутреннего сгорания, в топливных элементах, в качестве сырья для химических производств.

То есть, развитие процессов комбинированного производства водорода и электроэнергии определяется экономической целесообразностью, технологической необходимостью и условиями охраны окружающей среды.

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

Разработки методов математического моделирования и оптимизации теплоэнергетических установок (ТЭУ) ведутся как в нашей стране, так и за рубежом на протяжении нескольких десятилетий. Здесь в первую очередь следует отметить работы таких ученых, как Г.Б. Левенталь, J1.C. Попырин, A.A. Палагин, Л. А. Шубенко-Шубин, Г.Б. Усынин, В.П. Бубнов, Ю.В. Наумов, A.M. Клер, Н.П. Деканова, М.А. El-Masri, W.F. Stoecker, V. Grovic, С. Frangopoulos и др. [1 - 26].

Были созданы эффективные методы оптимизации параметров энергоустановок, подходы к оптимизации схем, методы автоматизированного построения математических моделей. Предложены методы декомпозиции, позволяющие поэтапно проводить оптимизацию параметров-технологических связей и внутренних параметров элементов - ТЭУ. Выполнены многочисленные оптимизационные исследования теплоэнергетических установок разных типов: паротурбинных, газотурбинных, парогазовых на органическом и ядерном топливе, а так же комбинированных энерготехнологических установок, предназначенных для производства искусственного жидкого топлива и электроэнергии [1,6, 17].

В Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской Академии наук (ИСЭМ СО РАН) на протяжении длительного времени разрабатывались методы построения математических моделей сложных ТЭУ и методы оптимизации их схем и параметров. В работах Г.Б. Левенталя, Л.С. Попырина, Ю.В. Наумова, С.М. Каплуна [5, 6, 9, 10, 14-17] разработаны методы комплексной оптимизации теплоэнергетических установок и схем. Выполнены многочисленные исследования паротурбинных и парогазовых установок, атомных электростанций. В ИСЭМ СО РАН разработан оригинальный подход к автоматизации построения программ расчета сложных ТЭУ, базирующийся на графовом представлении систем нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений (работы В.Г. Карпова, Л.С. Попырина, В.И. Самусева, В.В. Эпельштейна [17,27]). Создан программно-вычислительный комплекс «Система машинного построения программ» (СМГ1П), позволяющий автоматически генерировать программу расчета сложной ТЭУ на основе графического изображения технологической схемы и архивов математических моделей ее элементов, формировать задачи оптимизации параметров ТЭУ.

Технологии комбинированного производства синтетических топлив и электроэнергии исследовались в США (фирма ВесЫе1, институт ЕРШ при поддержке министерства энергетики и др.) и России (ИНХС РАН, ИВТ РАН, ИСЭМ СО РАН, ИГИ, СГТУ, НГТУ) [1, 28].

Интересные результаты расчетных исследований, проектных разработок и испытаний опытно-промышленных установок представлены в работах Саратовского государственного технического университета [29]. В этом же направлении выполнены комплексные исследования экологически перспективных энерготехнологических блоков электростанций с новыми технологиями использования углей в Новосибирском государственном техническом университете [30].

Оригинальный подход к долгосрочному прогнозированию энергетических технологий, основанный на сочетании технико-экономического исследования схем и циклов конкурирующих установок и их системной эффективности с физико-химическим анализом процессов превращения вещества топлива, изложен в работах под руководством Б.М. Кагановича [31].

Анализ проводимых исследований в отмеченных направлениях позволяет выявить некоторые нерешенные вопросы, которые возникают при комплексном рассмотрении технологий переработки энергоресурсов в синтетические топлива. Работы, связанные с переработкой энергоресурсов в синтетические топлива, большей частью 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 энергоресурсов, определению областей их экономической эффективности с применением подробных математических моделей не было уделено достаточного внимания. Часто не учитывается нелинейный характер зависимостей, не проводится оптимизация параметров с применением строгих математических методов.

Диссертационная работа посвящена решению задач создания эффективных математических моделей энерготехнологических установок (ЭТУ) производства водорода и электроэнергии из угля и природного газа с учетом затрат на удаление диоксида углерода из продуктов газификации и сгорания, проведения комплексных технико — экономических исследований таких установок и включает следующие основные цели:

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

2) создание эффективных в вычислительном плане математических моделей энерготехнологических установок производства водорода и электроэнергии из различных типов органического топлива;

3) создание математической модели системы удаления СО2 из продуктов сгорания ЭТУ;

4) проведение комплексных технико-экономических исследований ЭТУ производства водорода и электроэнергии на основе угля и природного газа с получением их оптимальных параметров и условий конкурентоспособности;

5) сравнение эффективности ЭТУ производства водорода и ЭТУ производства СЖТ с учетом затрат в удаление С02.

Работа базируется на основных достижениях теории и методов технико-экономических расчетов в энергетике, современных методов математического моделирования, программирования и нелинейной оптимизации параметров энергоустановок.

Научная новизна работы состоит в том, что в пей впервые получены и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты.

1. Постановка и схема решения задачи комплексных технико-экономических исследований энерготехнологических установок комбинированного производства водорода и электроэнергии из угля и природного газа с учетом затрат на удаление С02.

2. Математические модели ЭТУ производства водорода и электроэнергии из угля с различными технологиями газификации и природного газа с учетом затрат на удаление С02, создание на основе согласованной системы математических моделей энергетических и технологических элементов с использованием методов математического моделирования.

3. Математическая модель системы удаления С02 из продуктов газификации и сгорания.

4. Результаты оптимизационных технико-экономических исследований ЭТУ, перерабатывающих уголь, природный газ, обосновывающие основные схемно-параметрические решения по ЭТУ в условиях неопределенности экономической информации и показывающие условия конкурентоспособности данной технологии.

5. Сравнительная эффективность ЭТУ производства водорода и ЭТУ производства СЖТ с учетом затрат на удаление С02.

Разработанные в рамках данной диссертационной работы математические модели реализованы в виде программ, используемых в составе созданного в ИСЭМ СО РАН программно-вычислительного комплекса СМПП для персональных компьютеров.

Практическая ценность работы заключается в возможности получения с помощью разработанной математической модели ЭТУ оценки технической и экономической эффективности ЭТУ производства водорода и электроэнергии по сравнению с установками других типов, принятия оптимальных схемно - параметрических решений по установке и выработке рекомендаций для проектирования установок данного типа. Разработанная математическая модель систем удаления диоксида углерода из продуктов сгорания и газификации может быть применена для различных теплоэнергетических установок.

Апробация работы. Результаты исследований опубликованы в главах 5.4 и 5.5 монографии: Теплосиловые системы: оптимизационные исследования / A.M. Клер, Н.П. Деканова, Э.А. Тюрина и др. - Новосибирск: Наука, 2005, — 326 е., а также в 14 печатных работах, 2-х отчетах о научно -исследовательской деятельности и обсуждались:

- на конференциях научной молодежи ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2005, 2006, 2007, 2008); на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск, 2005, 2007); на IV Международной научно-технической конференции «Достижения и перспективы развития энергетики Сибири» (Красноярск, 2005); —------~

- на Всероссийском конкурсе инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению «Энергетика и энергосбережение» (Томск, 2006);

- на XIII международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2007» (Томск, 2007); на III международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики» (Екатеринбург, 2007);

- на XXI международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-21» (Саратов, 2008).

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.

Выводы. Как видно из таблицы, системы удаления С02 характеризуются значительными капиталовложениями и потреблением электроэнергии на собственные нужды, что обусловливает существенное удорожание производимых синтетических топлив. Удельные капиталовложения в системы удаления С02 в зависимости от состава продуктов сгорания составляют порядка 35 - 40 дол./ т С02 в год. Большая часть электроэнергии для собственных нужд ЭТУ производства СТ и электроэнергии расходуется в компрессорах продуктов сгорания и азота в азотном холодильном цикле. Полезная выработка электроэнергии в детандерах системы удаления С02 не компенсирует этих затрат энергии. Дополнительные затраты в системы удаления ССЬ в составе ЭТУ приводят к удорожанию отпускаемой от ЭТУ продукции на 11,3%, 7% и 6,5% соответственно в ЭТУ получения водорода, в ЭТУ синтеза ДМЭ и ЭТУ синтеза метанола по сравнению с установками без систем удаления С02.

Заключение

В результате проведенных в рамках диссертации исследований получены следующие основные результаты.

1. На основе анализа литературных данных обоснована перспективность переработки твердых топлив в комбинированных установках производства водорода и электроэнергии. Показана необходимость исследования установок такого уровня методами математического моделирования и оптимизации.

2. Разработаны математические модели элементов, блоков энерготехнологических установок (конвертора природного газа, метанатора, мембранной установки выделения водорода, блока водорода, блока удаления диоксида углерода).

3. Разработаны эффективные в вычислительном плане математические модели энерготехнологических установок комбинированного производства водорода и электроэнергии из угля (с газогенераторами с газификацией топлива в кипящим слоем и в пылеугольном потоке) и природного газа.

4. Проведены оптимизационные технико-экономические исследования энерготехнологических установок из угля и природного газа с целью определения оптимальных схем и параметров и условий конкурентоспособности.

5. При наблюдаемой в настоящее время высокой цене на нефть и имеющейся тенденции к ее росту водород, получаемый на энерготехнологических установках, может иметь цену, конкурентоспособную с ценами на моторные топлива, получаемые из нефти.

6. Комбинированное производство электроэнергии и водорода из угля на энерготехнологических установках, с применением для выделения водорода из продуктов газификации палладиевых мембран, является экономически эффективным при удельной стоимости палладиевых мембран не выше 6-12 тыс. дол./м2. При этом цена водорода, производимого на ЭТУ, при внутренней норме возврата 15% находится в диапазоне 191-235 дол./т у.т.

7. Результаты исследований показали меньшую экономическую эффективность получения водорода в ЭТУ с газификацией пылеугольного потока, по сравнению с ЭТУ с газификацией в кипящем слое.

8. Проведены комплексные оптимизационные технико-экономические исследования ЭТУ с учетом затрат на удаление диоксида углерода и неопределенности исходной экономической информации.

9. Среди сопоставляемых синтетических топлив наиболее дешевым является водород, однако его использование в качестве моторного топлива связано со значительными сложностями.

10. Проведено сравнение эффективности ЭТУ производства водорода и ЭТУ производства СЖТ с учетом удаления двуокиси углерода. В качестве альтернативных вариантов экологически чистых топлив в работе рассматриваются метанол, производимый на ЭТУ синтеза метанола и электроэнергии, и ДМЭ, производимый на ЭТУ синтеза ДМЭ и электроэнергии.

11. Системы удаления диоксида углерода требуют значительных капиталовложений и потребления электроэнергии на собственные нужды, что обуславливает существенное удорожание производимых синтетических топлив.

1. Клер A.M., Тюрина Э.А. Математическое моделирование и технико-экономические исследования энерготехнологических установок синтеза метанола. - Новосибирск: Наука. Сиб. предприятие РАН, 1998. - 127 с.

2. Беляев Л. С. Решение сложных оптимизационных задач в условиях неопределенности. Новосибирск: Наука, 1978. - 128 с.

3. Бубнов В. П., Курцман М. В. Выбор параметров АЭС с быстрым реактором в системе ядерной энергетике. Минск: Наука и техника, 1988. — 96 с.

4. Левенталь Г.Б., Попырин Л.С. Оптимизация теплоэнергетических установок. — М.: Энергия, 1970 352 с.

5. Математическое моделирование и комплексная оптимизация теплоэнергетических установок /Попырии Л. С. и др. // Системы энергетики: управление развитием и функционированием. Иркутск: СЭИ СО РАН СССР, 1986.-С. 36-38.

6. Мелентьев Л. А. Оптимизация развития и управления больших систем энергетики. 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Высш. школа, 1982. - 320 с.

7. Мелентьев Л. А. Системные исследования в энергетике. М.: Наука, 1983.-456 с.

8. Методы математического моделирования и комплексной оптимизации при неопределенности исходной информации: Сб. работ / АН

9. СССР Сиб. отд-ние. Спб. энерг. инт-т; Под ред. Попырина Л.С. Иркутск: Вост-Сиб. изд-во, 1977. - 192 с.

10. Методы математического моделирования и оптимизации теплоэнергетических установок. Отв. ред. Левенталь Г. Б., Попырин Л. С. — М.: Наука, 1972.-224 с.

11. Методы оптимизации сложных энергетических установок / А.М.Клер, Н.П.Деканова, Т.П.Щеголева п др. Новосибирск: ВО «Наука». Сибирская издательская фирма, 1993. - 116 с.

12. Палагин А. А. Автоматизация проектирования теплосиловых схем турбоустановок. — Киев: Наукова думка, 1983. 160 с.

13. Палагин А. А. Логически-числовая модель турбоустановки // Проблемы машиностроения, 1975. Вып. 2. - С. 103 - 106.

14. Попырин Л. С. Исследование энергетических объектов при неполной информации // Методы технико-экономических исследований энергетических установок в условиях неполной информации. —М.: ЭНИН, 1987. -С. 5-21.

15. Попырин Л. С. Оптимизация энергетических объектов в условиях неполной исходной информации // Известия АН СССР. Энергетика и транспорт, 1975. №4.-С. 20-30.

16. Попырин Л. С., Клер А. М. , Самусев В. И. Оптимизация состава основного оборудования и тепловой схемы ТЭЦ // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1979. -№5- С. 24-34.

17. Попырин Л. С., Самусев В. И., Эпелынтейн В. В. Автоматизация математического моделирования теплоэнергетических установок. —М.: Наука, 1981.-236 с.

18. Попырин Л.С. Математическое моделирование и оптимизация теплоэнергетических установок. -М.: Энергия, 1978.-416 с.

19. Попырин Л.С., Щеглов А.Г. Эффективные типы парогазовых и газотурбинных установок для ТЭС //Электрические станции. №7.-С.8-17.

20. Шубенко Шубин JI. А., Палагин А. А. Об автоматическом синтезировании оптимальных конструкций в турбостроении // Энергомашиностроение, 1970. -№ 4. - С. 45-51.

21. Шубенко-Шубин JI. А., Палагин А. А. Цели и основные принципы автоматизации проектирования турбин. -Харьков: ИПМАШ, 1970. -40 с.

22. El-Masri М. A. A Modified, high-efficiency Gas TurbiCycle // ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 1988. № 2. - p. 233 - 250.

23. El-Masri M. A. Gascan on Interactive Code for Thermal Analysis of Gos Turbine Systems // ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 1988.-vol.110.-P. 201 -207.

24. Frangoupoulos Christos A. Thermo-economic functional analysis and optimization// Energy.-1987.-Vol.l2.-№7.- P.-563-571.

25. Grovic V. Selection of optimal extraction pressure for steam from a condensation-expraction turbine // Energy.- 1990.- Vol 15. № 5. - p. 459 - 465.

26. Stoecker W.F. Design of thermal systems.- New York a.o.: McGraw-Hill, 1971.-XI, 244 p., ill.

27. Карпов В. Г.,Попырин JI. С.,Самусев В. И., Эпелыитейн В. В. Автоматизация построения программ для расчета схем теплоэнергетических установок // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1973. - № 1.- С. 129 -137.

28. Тюрина Э.А. Комбинированное производство искусственного жидкого топлива и электроэнергии: сопоставление технологий // Перспективы энергетики. 2002. Т.6. С . 377 — 384.

29. Андрющенко А.И., Попов А.И. Основы проектирования энерготехнологических установок электростанций. — М.: Высш. шк., 1980. -240 с.

30. Ноздренко Г.В. Эффективность применения в энергетике КАТЭКа экологически перспективных энерготехнологических блоковэлектростанций с новыми технологиями использования угля: Учеб. пособие.- Новосибирск: НЭТИ, 1992. 249 с.

31. Каганович Б.М., Филиппов С.П., Анциферов Е.Г. Эффективность энергетических технологий: термодинамика, экономика, прогнозы. — Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1989. -256 с.

32. Ольховский Г.Г. Газотурбинные и парогазовые установки в России // Теплоэнергетика. 1999. № 1. - С. 2 - 9.

33. КАТЭК и развитие отраслей хозяйства Сибири. — Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1984. С. 24.

34. Липович В.Г., Калабин Г.А., Калечиц И.В. и др. Химия и переработка угля. — М.: Химия, 1988. 336 с.

35. Хоффман. Энерготехнологическое использование угля / Пер. с англ. под ред. Э.Э. Шпильрайна. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 328 с.

36. Уайтхерст Д.Д., Мишель Т.О., Фаркаши М. Ожижение угля / Пер. с англ. под ред. В.Г. Липовича. М.: Химия, 1986. - 336 с.

37. Гаркуша A.A., Кричко A.A. и др. Переработка бурого угля в жидкие продукты на опытном заводе СТ-5 // Химия твердого топлива. 1990. № 4. - С. 84-90.

38. Синтетическое топливо из углей: Сб. науч. трудов. М.: ИГИ, 1983, 1984 и 1986 гг.

39. Юлин М.К. Синтетическое жидкое топливо из бурых углей Канско-Ачинского бассейна II Химия твердого топлива. 1990. № 6. - С. 5563.

40. Шиллинг Г.Д., Бонн Б., Краус У. Газификация угля: Горное дело- сырье энергия / Пер. с нем. - М.: Недра, 1986. - 175 с.

41. Тимашев С.Ф. Физикохимия мембранных процессов. М.: Химия, 1988.-240 с.

42. Мембранная технология в решении экологических проблем газовой промышленности / Т.С. Казарян, А.Д. Седых, Ф.Г. Гайнуллин, А.И. Шевченко и др. М.: Недра, 1997. - 227 с.

43. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение: Справ, изд. / Под ред. Д.Ю. Гамбурга, Н.Ф. Дубовкина. М.: Химия, 1989.-672 с.

44. Шпильрайн Э.Э. Введение в водородную энергетику. -М.:Энергоатомиздат, 1984. 264 с.

45. Дытнерский Ю.И., Брыков В.П., Каграманов Г .Г. Мембранное разделение газов. М., Химия, 1991. - 344 с.

46. Heydorn В., Frequently asked questions about hydrogen, fuel cells and the hydrogen economy, SRI Consulting Business Intelligence, March 31, 2005. http://www.sric-bi.com/consultmg/briefings/FuelCellFAQ2005-03.pdf.

47. Simbeck D., Long-Term Technology Pathways to Stabilization of Greenhouse Gas Concentrations, Aspen Global Change Institute, Colorado, July 613,2003.

48. Гамбург Д. 10., Семенов В. П., Дубовкин Н. Ф., Смирнова JI. Н. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение: Справочник / Под ред. Д. Ю. Гамбурга и Н. Ф. Дубовкина. М.: «Химия», 1989.

49. Schlapbach L. Hydrogen as a fuel and its storage for mobility and transport // MRS Bulletin, September 2002. P. 675-679.

50. Zuttel A. Materials for hydrogen storage— Materials Today, September 2003. P. 24-33.

51. Hart D. Hydrogen Power: The Commercial Future of the "Ultimate Fuel" // Financial Times Energy Publishing, a Division of Pearson Professional Limited, 1997.

52. Irani R. S. Hydrogen Storage: High-Pressure Gas Containment // MRS Bulletin, September 2002. P. 680-682.

53. Hydrogen Composite Tank Program // Proc. of the 2002 U.S. DOE Hydrogen Program Review NREL/CP-610-32405.

54. Dynetek. Advanced Lightweight Fuel Storage Systems TM. Composite Cylinders Latest Developments // Asia-Pacific Natural Gas Vehicles Summit, Brisbane, Australia, April 10, 2001. Rene Rutz, VP Marketing & Business Development.

55. Eihusen J. A. Application of plastic-lined composite pressure vessels for hydrogen storage // 15th World Hydrogen Energy Conf. "WHEC-15", Yokohama, Japan, June 27 July 2, 2004. P. 301 - 307.

56. A Multiyear Plan for the Hydrogen R&D Program: Rationale, Structure, and Technology Roadmaps // Office of Power Delivery; Office of Power Technologies; Energy Efficiency and Renewable Energy; U.S. Department of Energy; August 1999.

57. Langmi H. W., Walton A., Al-Mamouri M. M., Johnson S. R. et al. Hydrogen adsorptionin zeolites A, X, Y and RHO // J. Alloys and Compounds. 2003. Vol. 356-357. P.710-715.

58. P.L. Spath, M.K. Mann, and W.A. Amos Update of Hydrogen from Biomass — Determination of the Delivered Cost of Hydrogen Milestone Completion Report // National Renewable Energy Laboratory. December 2003. Pp. 104.

59. Hydrogen, Fuel Cells & Infrastructure Technologies Program. Multi-Year Research, Development and Demonstration Plan. Planned program activities for 2003-2010. U.S. Department of Energy, Energy Efficiency and Renewable Energy, Draft (June 3, 2003).

60. Математическое моделирование и оптимизация в задачах оперативного управления тепловыми электростанциями / A.M. Клер, Н.П. Деканова, С.К. Скрипкин и др. Новосибирск: Наука. Сиб. предприятие РАН, 1997.- 120 с.

61. Медников А.С. Исследование технологии получения водорода и электроэнергии из угля.// Системные исследования в энергетике. — Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2005.-(Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН, Вып. 34)

62. Ривкин C.JL, Александров А.А. Теплофизическпе свойства воды и водяного пара. М.: Энергия, 1980. - 424 с.

63. Термодинамические свойства индивидуальных веществ / Под ред. В.П. Глушко и др. М.: Изд-во АН СССР, 1962. - Т. 2. - 916 с.

64. Рид Р., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. JL: Химия, 1971. - 704 с.

65. Справочник азотчика: Физико-химические свойства газов и жидкостей. Производство технологических газов. Синтез аммиака. 2-е изд., перераб., М.: Химия, 1986. - 512 с.

66. Основы химической технологии: Учеб. Для студентов хим.-технол. Спец. Вузов / Под ред. И.П. Мухленова. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. Шк., 1991.-463 с.

67. Справочник по физико-техническим основам криогеники. Под ред. М.П. Малкова. Изд. 2-е перераб. и доп. М.: Энергия, 1973. -392 с.

68. Клер A.M., Тюрина Э.А., Степанов В.В. Оптимизационные исследования энерготехнологических установок сжижения природного газа // Перспективы энергетики. 2006. Т. 10, С. 191-202.

69. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. 720 с.

70. Клер A.M., Прусова H.M., Тюрина Э.А. и др. Математическое моделирование и технико-экономические исследованияэнерготехнологических установок синтеза метанола // Изв. РАН. Энергетика. 1994. №3. С.129-137.

71. Тюрина Э.А. Комбинированное производство искусственного жидкого топлива и электроэнергии: сопоставление технологий // Перспективы энергетики. 2002. Том 6. С. 377-384.

72. Попов И. Г., Решетняк JI. Ф., Шмелев А. С., Соболевский В. С. Термодинамическое равновесие реакций образования диметилового эфира и метанола из оксидов углерода и водорода // Химическая промышленность. 2000. №7. С.29-32.

73. Ольховский Г.Г. Разработка перспективных ГТУ в США // Теплоэнергетика, 1994. №9. С.61-69.

74. Ольховский Г.Т. Газотурбинные и парогазовые установки в России // Теплоэнергетика, 1999. №1. С.2-9.

75. Прогноз цен на 2000 г., 2001 г. и до 2003 г. Мировые и внутренние цены // Справочно-информационный сб. «Цены и рынок». Книга 10 за 2000 г. М.-2000 г. 123 с.

76. Мировые, контрактные и внутренние цены //Справочно-информационный сб. «Цены и рынок». Книга 3 за 2001 г. М.-2001 г. 186 с.

77. Jong-San Chang, Hyun-Seog Roh, Min Seok Park, and Sang-Eon Park Propane Dehydrogenation over a Hydrogen Permselective Membrane Reactor Bull // Korean Chem. Soc. 2002, Vol. 23, No. 5

78. Stephen N. Paglieri & Stephen A. Birdsell Hydrogen Separating Membranes for Coal Gas Reforming // Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, New Mexico, U.S.A.http://www.psc.edu/MetaCenter/MetaScience/Articles/Wolf/Wolf.html

79. Шелдон P.А. Химические продукты на основе синтез-газа: Пер. с англ. / Под ред. С.М. Локтева. М.: Химия, 1987. - 248 с.

80. Фальбе Ю. Химические вещества из угля. Пер. с нем. / Под ред. И.В. Калечица. М.: Химия, 1980. - 616 с.