WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |

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 Gi– количество газа, прошедшего через мембрану, pi1, pi2 – парциальное давление компонента газовой смеси соответственно на внутренней и внешней сторонах поверхности мембраны, - толщина мембраны, F – поверхность мембраны, – коэффициент проницаемости газа, Di – коэффициент диффузии, Si – коэффициент растворимости, i – номер компонента газовой смеси.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»