Оптимизационные исследования энерготехнологических установок производства водорода и электроэнергии с удалением со 2

Вид материала

Диссертация

Содержание В пятой главе Годовой расход натурального топлива, тыс. т. Годовое производство СТ Мощность, МВт Годовой отпуск электроэнергии, млн. кВт ч. Эксергетический КПД производства СТ, %. Цена производства СТ, дол./т у.т. Содержание СО2 в уходящих газах, тыс.т. в год Выброс СО2 после очистки, тыс. т в год Суммарный выброс СО2 при производстве и сгорании СТ, тыс. т в год Мощность в системе удаления СО2, МВт Годовой отпуск электроэнергии ЭТУ с учетом потребления в системе удаления СО2, млн. кВт ч. Капвложения в системы удаления СО2, млн. дол. Цена отпускаемой электроэнергии, цент/кВт ч Суммарная стоимость продукции ЭТУ с учетом затрат в системы удаления СО2, млн. дол. в год Удорожание продукции ЭТУ с учетом затрат в системы удаления СО2 В заключении Основные положения диссертации изложены в следующих работах

Подобный материал:

• "Термоядерного синтез для производства электроэнергии в России и проблемы этого проекта, 378.18kb.
• Журнал «Новости теплоснабжения» №1 (101) 2009, 94.51kb.
• Контрольная работа по дисциплине «Статистика», 395.42kb.
• Рейтинг субъектов пфо по показателям промышленного производства, 132.11kb.
• Министерство образования и науки украины приазовский государственный технический университет, 57.84kb.
• Актуальность проблемы, 165.05kb.
• Обзор состояния оптового рынка электроэнергии Казахстана за 1 полугодие 2011 года, 401.63kb.
• Задачи и методы энергоаудита Энергоаудит позволяет решить сразу несколько важных проблем:, 27.35kb.
• «Научно-техническое обеспечение производства и эксплуатации газотурбинных и парогазовых, 39.12kb.
• Генюш Андрей Владимирович, 71.24kb.

Выводы. 1. При высокой цене на нефть и тенденции ее роста водород, получаемый на энерготехнологических установках, может иметь цену, конкурентоспособную с ценами на 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 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.

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 пылеугольном 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 СО₂.

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 затрат на удаление СО₂.

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

min C_CT(x,y,k_CO2,N^_CH ) (7)

при ограничениях

, (8)

, (9)

, (10)

, (11)

, (12)

где k_CO2 – капиталовложения в систему удаления СО₂; – мощность собственных нужд ЭТУ с системой удаления СО₂; – мощность собственных нужд ЭТУ без системы удаления СО₂; – мощность собственных нужд системы удаления СО₂.

Всего в задаче оптимизировалось 9 параметров технологической схемы (давление газа на выходе компрессора азота, изменение энтальпий холодных 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 исследований, 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 угля, полученные в результате оптимизационных исследований на математических моделях установок без учета затрат в системы удаления СО₂. 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 CO расходуется в реакторах синтеза на производство ДМЭ. В ЭТУ синтеза метанола CO 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 угля с учетом затрат на удаление СО₂ (при этом не учитывались затраты на захоронение СО₂). Затраты энергии на удаление двуокиси углерода из продуктов сгорания характеризуются нелинейной зависимостью и значительным ростом по мере понижения парциального давления СО₂ в продуктах сгорания. 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 СО₂.


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. т у. т.	2500
Годовое производство СТ: -условного топлива, тыс. т у. т.	655	1600	1350
-натурального топлива, тыс. т.	165	1625	1880
Мощность, МВт :
-паровой турбины,	351	240	270
-газовой турбины,	349	110	145
-собственных нужд,	57	189	185
-полезная.	642	150	225
Годовой отпуск электроэнергии, млн. 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./т у.т.	198	288	270
Суммарная стоимость продукции ЭТУ, млн. дол. в год	354,7	513,8	442,5

Таблица 5

Основные технико-экономические показатели ЭТУ производства СТ и электроэнергии с учетом энергетических и капитальных затрат в системы удаления СО₂

Показатели, размерность	Варианты ЭТУ
	получения водорода	синтеза ДМЭ	синтеза метанола
Содержание СО2 в уходящих газах, тыс.т. в год	4000,0	2127,0	2700,0
Извлечение СО2, тыс. т. в год	3950,0	2070,0	2592,0
Выброс СО2 после очистки, тыс. т в год	50,0	57,0	108,0
Выброс СО2 в продуктах сгорания СТ, тыс. т в год	0,0	3100,0	2585,0
Суммарный выброс СО2 при производстве и сгорании СТ, тыс. т в год	50,0	3157,0	2693,0
Мощность в системе удаления СО2, 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	17,4
-детандеров азотной холодильной 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 СО2, млн. кВт ч.	3334,0	592,0	1045,0
Капвложения в системы удаления СО2, млн. дол.	128,0	86,0	93,0
Капвложения в ЭТУ с учетом систем удаления СО2, млн. дол.	1018,0	1436,0	1243,0
Цена отпускаемой электроэнергии, цент/кВт ч	5,0
Цена СТ с учетом затрат в системы удаления СО2, дол./т у. т.	356,0	325,0	312,0
Суммарная стоимость продукции ЭТУ с учетом затрат в системы удаления СО2, млн. дол. в год	400,0	549,6	473,5
Удорожание продукции ЭТУ с учетом затрат в системы удаления СО2, %	11,3	7,0	6,9

Выводы. Как видно из табл. 5, системы удаления СО₂ требуют значительных капиталовложений и потребления электроэнергии на 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 СО₂ не компенсирует таких затрат энергии. Поэтому в целом затраты на системы удаления СО₂, используемые в данных установках, приводят к удорожанию отпускаемой продукции в ЭТУ трех рассмотренных производств – получения водорода, синтеза ДМЭ и синтеза метанола – 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 СО₂, учитывающий неопределенность исходной технико-экономической информации.
   
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 кипящем слое 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 продукции.
   
5. Исследования показали, что 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. 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 СО₂ в составе ЭТУ приводит к удорожанию продукции на 7 – 11%, удельные капиталовложения в системы удаления СО₂ в зависимости от состава продуктов сгорания составляют около 35 – 40 дол./т СО₂.
   

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Медников А.С. Исследование технологии получения 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. Энерготехнологическое 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 газа // Энергосистемы, электростанции и их агрегаты: Сборник научных трудов / Под ред. акад. РАН В.Е. Накорякова. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. – Вып. 10. – C. 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. – C. 271 – 278.
   
7. Медников А.С. Исследование энерготехнологических установок комбинированного производства водорода и электроэнергии из природного газа // Системные исследования в энергетике. – Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2006. – Вып. 36.
   
8. Клер А.М., Тюрина Э.А., Медников А.С. Системы удаления СО₂ в составе ЭТУ производства водорода и электроэнергии: математическое моделирование, оптимизационные 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. – C. 145 – 153.
   
10. Медников А.С. Оптимизационные исследования систем удаления СО₂ в составе ЭТУ производства водорода и электроэнергии // Системные исследования в энергетике. – Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2007. – Вып. 37. (в печати).
    
11. A.S. Mednikov. 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” (MTT’2007), Tomsk, Tomsk Polytechnic University. ­– Tomsk: TPU Press, 2007. pp. 159 – 161.
    
12. Клер А.М., Тюрина Э.А., Медников А.С. Перспективные технологии глубокой переработки угля с системами удаления СО₂ // 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 А.С. Математическое моделирование технологий производства водорода из угля с системами удаления СО₂ // 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 СО₂ // 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)