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

Вид материала

Диссертация

Содержание Тюрина Элина Александровна Буйнов Николай Егорович В связи с отмеченным цели диссертационной работы Научная новизна Практическая ценность работы Личный вклад автора. Структура и объем работы. Во введении В первой главе Во второй главе Третья глава F – поверхность мембраны, – коэффициент проницаемости газа, D В четвертой главе Годовой расход Годовое производство Годовой отпуск Показатели оптимальных вариантов ЭТУ с газификацией в кипящем слое по критерию минимума цены водорода Показатель, размерность Годовой расход Годовое производство ... Полное содержание

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.

На правах рукописи


Медников Александр Станиславович


ОПТИМИЗАЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

С УДАЛЕНИЕМ СО₂


Специальность 05.14.01 – «Энергетические системы и комплексы»


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Иркутск – 2008

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 Александровна


Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Каганович Борис Моисеевич


кандидат технических наук, доцент

Буйнов Николай 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 библиотеке 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.


У

ченый 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. 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 является универсальным энергоносителем. Водород перспективен для использования в двигателях внутреннего сгорания, для выработки электроэнергии в топливных элементах, для производства синтетических жидких топлив (СЖТ) и др. В связи с этим возникает задача поиска и исследования технологий крупномасштабного получения водорода, характеризующиеся высокими энергетическими, экологическими и экономическими показателями.

Из существующих в настоящее время технологий производства водорода экономически наиболее эффективными являются технологии на основе органических топлив. 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 одноцелевых установках. 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. 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 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.

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. Левенталь, Л.С. Попырин, А.А. Палагин, Л. А. Шубенко-Шубин, Г.Б. Усынин, В.П. Бубнов, Ю.В. Наумов, А.М. Клер, Н.П. Деканова, M.A. El-Masri, W.F. Stoecker, V. Grovic, C. 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 СТ представлены в работах СГТУ (А.И. Андрющенко). В этом же направлении выполнены комплексные исследования экологически перспективных энерготехнологических 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 отдельных процессов и аппаратов. При исследовании комбинированных технологий производства из угля квалифицированного 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 СО₂. Несмотря на то, что в мире уделяется значительное внимание проектам удаления и захоронения СО₂ (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 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, не учитываются затраты, связанные с удалением СО₂.

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 СО₂;
  
• создание согласованной системы математических моделей процессов и элементов энергетической и технологической частей ЭТУ комбинированного получения водорода и электроэнергии из различных видов органического топлива и систем удаления СО₂;
  
• создание эффективных в вычислительном плане математических моделей ЭТУ производства водорода и электроэнергии с системами удаления СО₂ 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 СО₂.
  

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

1. Постановка и схема решения задачи комплексных технико-экономических исследований энерготехнологических установок комбинированного производства водорода и электроэнергии из угля и природного газа с учетом затрат на удаление СО₂.
   
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 СО₂.
   

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 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 могут быть применены при исследовании теплоэнергетических установок.

Апробация работы. Результаты исследований опубликованы в главах 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 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).

Личный 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 СО₂). 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 стр., 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 хранения 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 на удаление СО₂, 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 энерготехнологической установке и оценка условий конкурентоспособности такого производства с учетом неопределенности исходной технико-экономической информации;
   
3. оценка затрат на удаление СО₂ 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 СО₂.
   

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 технологических процессов, характеристики материалов и т.д.), что влияет на величину непредвиденных капиталовложений в установку (в частности, величину удельных капиталовложений в палладиевые мембраны). Поэтому при оптимизационных исследованиях 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 разработанного в ИСЭМ СО РАН (А.М. Клер, Н.П. Деканова) программно-вычислительного оптимизационного комплекса, позволяющего проводить нелинейную оптимизацию многочисленных параметров 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).



Рис.1. Блок-схема методического подхода к комплексным технико-экономическим исследованиям ЭТУ производства водорода и электроэнергии с учетом удаления СО₂


1 этап. Разрабатываются технологические схемы ЭТУ производства водорода и электроэнергии и системы (блока) удаления диоксида углерода на основе анализа перспективных технологий производства водорода, выработки электроэнергии и удаления СО₂. 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 теплообменников, проверка на неотрицательность расходов, перепадов давлений, температурных напоров и т.д.
  
• математические модели элементов должны отвечать требованиям быстродействия при их расчете, что обеспечивает возможность проведения на их основе оптимизационных исследований.
  
• математические модели энергетических и технологических элементов 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 элементов ЭТУ.

При построении эффективных математических моделей 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. уменьшение размерности схемы путем замены группы одинаковых параллельно работающих и равномернозагруженных элементов технологической схемы на один элемент расчетной схемы.
  
• В связи с большой 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 СО₂.
  

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

Третья глава посвящена выбору технологических схем ЭТУ производства водорода и электроэнергии из угля и природного газа, математическому моделированию основных процессов и элементов ЭТУ и установок в целом. В данной главе подробно представлены разработанные автором математические модели элементов установки, блока выделения водорода и блока извлечения СО₂.

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 шлакоудалением на парокислородном дутье под давлением 2 МПа и при температуре 1173 К. Такой газогенератор является аналогом 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 СО₂ применяется криогенный метод выделения диоксида углерода из продуктов сгорания, поскольку данный метод более эффективен для удаления СО₂ 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 низкого 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 электроэнергии. 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).



Рис.3. Технологическая схема блока 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)

где G_i– количество газа, прошедшего через мембрану, p_i1, p_i2 – парциальное давление компонента газовой смеси соответственно на внутренней и внешней сторонах поверхности мембраны, - толщина мембраны, F – поверхность мембраны, – коэффициент проницаемости газа, D_i – коэффициент диффузии, S_i – коэффициент растворимости, i – 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 получения 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.




Рис.4. Расчетная схема ЭТУ производства электроэнергии и водорода:

1 – блок 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 теплообменник на продуктах конверсии, 14 – компрессор продуктов конверсии, 15 – установка мембранного разделения продуктов конверсии, 16 – расширительная газовая турбина, 17 – котел-утилизатор, 18 – регенеративный подогреватель низкого давления, 19 – конденсатор паровой турбины, 20 – паровая турбина, w – вода, пар, p – пар, k – конденсат, g – газ, y – природный газ, o – кислород.


Моделирование систем удаления СО₂ в составе ЭТУ. В основе удаления СО₂ 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 СО₂ из продуктов сгорания представлена на рис. 5.

При построении математической модели системы удаления СО₂ в целом использовались модели входящих в нее элементов: охладителей, регенеративных теплообменников, турбодетандеров, компрессоров, сепараторов, газо-водяных теплообменников и т.д.

При расчётах систем выделения 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 расчётов 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 высокой точностью. С математической точки зрения расчёт равновесного фазового состояния многокомпонентных парожидкостных систем сводится к минимизации функции Гиббса с учётом 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 двухэтапном 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:

W1, 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 охладителей азотного холодильного цикла, D1, D22 – турбодетандеры.


Разработанная математическая модель блока удаления СО₂ 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 СО₂.

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 полезной продукции, водорода и электроэнергии, к эксергии топлива)
   

(2)

при ограничениях

, (3)

, (4)

, (5)

где x – вектор независимых оптимизируемых параметров; y – вектор зависимых вычисляемых параметров; Н – вектор ограничений–равенств (уравнения материального, энергетического балансов, теплопередачи и др.); G – вектор ограничений-неравенств; х_min, x_max – векторы граничных значений оптимизируемых параметров.

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

. (6)

При этом к системе ограничений (3) – (5) добавляется дополнительное ограничение вида , где С_Н2 – стоимость водорода; k_m – удельная стоимость мембран; IRR, IRR_z – соответственно расчетная и заданная внутренняя норма возврата капиталовложений.

В качестве оптимизируемых параметров в задаче назначены параметры дутья в газогенераторы, суммарная площадь палладиевых мембран, энтальпии, давления и расходы острого пара, пара промперегрева, давления и паропроизводительность 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 пылеугольного потока и жидким шлакоудалением, полученные по критерию максимума эксергетического КПД.


Таблица 1

Показатели оптимальных по критерию масксимума эксергетического КПД вариантов ЭТУ с газификацией угля в кипящем слое (вариант 1) и ЭТУ с газификацией пылеугольного потока (вариант 2).

Показатель, размерность	Вариант
	1	2
Температура процесса конверсии СО, К	975,7	880,9
Суммарная площадь поверхности мембран, м2	9003	7406
Расход водорода, кг/с:	7,4	5,0
Мощность, МВт:
-паровой турбины,	408	608
-основных газовых турбин,	302	246
-кислородных компрессоров,	47,6	50,1
-воздушных компрессоров,	376	290
-расширительной турбины	12,2	12,5
-полезная.	650	788
Годовой расход топлива:
-условного, тыс. т у.т.	2500
-натурального, тыс. т	4600
Годовое производство водорода:
-условного, тыс. т у.т.	755	511
-натурального, тыс. т	190	128
Годовой отпуск электроэнергии, млн. 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, цене 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