WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |

На правах рукописи

Степанов Виталий Викторович

ОПТИМИЗАЦИОННЫЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

ПРОИЗВОДСТВА СПГ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

С ИЗВЛЕЧЕНИЕМ ГЕЛИЯ

Специальность 05.14.01 - «Энергетические системы и комплексы»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Иркутск – 2009

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

Соколов Александр Даниилович

кандидат технических наук

Сушко Светлана Николаевна

Ведущая организация – Новосибирский государственный технический университет

Защита состоится 23 июня 2009 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 мая 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д003.017.01

доктор технических наук, профессор Клер A.M.

Актуальность проблемы

В настоящее время более 95% мирового потребления гелия обеспечивают США, однако за пределами 2015-2020 гг. экспортные возможности США значительно сократятся, и при правильном подходе Россия на базе месторождений природного газа (ПГ) Восточной Сибири и Дальнего Востока, характеризующихся высоким содержанием гелия, в первой четверти XXI века может стать крупнейшим производителем и экспортером гелия.

В установках выделения гелия разделение ПГ на фракции происходит при низких температурах и сжижаются его значительные объемы, что обусловливает большие энергетические и материальные затраты. Поэтому одной из задач при исследовании технологий извлечения гелия из ПГ является разработка энергетически и экономически эффективных технологических схем, характеризующихся минимальными затратами на производство гелия. Поскольку при производстве сжиженного природного газа (СПГ) также требуется охлаждать ПГ до низких температур, достаточно очевидна целесообразность комбинирования производства СПГ и выделения гелия. Так как установки ожижения природного газа характеризуются значительным потреблением электрической энергии на собственные нужды, также эффективно комбинирование в одной энерготехнологической установке (ЭТУ) процессов производства СПГ и электроэнергии. Это дает возможность покрытия собственных нужд в электроэнергии, при необходимости производства дополнительной электроэнергии, а также утилизации для производства электроэнергии несконденсировавшихся газов с последней ступени сепарации, так называемой продувки, которая необходима для удаления из холодильного цикла азота, гелия. При этом объем продувки может быть оптимизирован, что обеспечит рост экономической эффективности комбинированного производства в целом.

Энергетическая и экономическая эффективность перспективных ЭТУ в большой мере зависит от правильности выбора основных параметров установки и вида ее технологической схемы. Решение указанной задачи из-за сложности таких установок возможно только на основе современных методов математического моделирования и оптимизации. Наиболее значимыми в направлении исследований сложных ТЭУ и ЭТУ являются разработки таких ученых как А.И. Андрющенко, Н.П. Деканова, А.М. Клер, А.А. Палагин, Л.С. Попырин, С.К. Скрипкин, Л.А. Шубенко-Шубин, M.A. El-Masri, V. Grovic и др.

Оригинальные наработки в области моделирования различных типов термодинамических систем, в том числе многофазных систем реальных газов изложены в работах А.Н. Горбаня, Б.М. Кагановича, С.П. Филиппова.

Следует отметить, что большая часть исследований по технологиям сжижения природного газа и извлечения гелия в мире и России посвящена изучению отдельных процессов и аппаратов (Dutch Shell, EPRI, испано-аргентинская Repsoil, японская Chyoda Corp., норвежская государственная компания Statoil ASA, американская Air Products & Chemicals, ЛенНИИхиммаш, Криогенмаш, Гелиймаш, ВНИИГАЗ, НИПИГАЗ, ВНИПИТрансгаз и др.), а также различным экспериментальным исследованиям. Кроме того, часть исследований посвящена изучению установок небольшой производительности. Оптимизационных исследований таких сложных комбинированных систем, какими являются ЭТУ, основанных на подробных моделях энергетических и криогенных элементов с учетом нелинейности происходящих в них процессов и фазового состояния многокомпонентных парожидкостных смесей, не проводилось.

Цель работы. Диссертационная работа посвящена решению важной задачи создания эффективных в вычислительном плане математических моделей установок получения СПГ, производства электроэнергии, извлечения гелия, проведения комплексных технико-экономических исследований таких установок для оценки затрат на извлечение гелия.

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

1. Методический подход к задаче комплексных технико-экономических исследований ЭТУ получения СПГ, производства электроэнергии и извлечения гелия из ПГ, основанный на использовании достаточно подробных математических моделей ЭТУ, нелинейной оптимизации их параметров, учете неопределенности исходной информации и сопоставлении технико-экономических показателей ЭТУ с извлечением и без извлечения гелия.

2. Математические модели криогенных элементов технологических схем ЭТУ получения СПГ, производства электроэнергии и извлечения гелия, которые основаны на разработанном быстродействующем и устойчиво работающем методе определения термодинамически равновесного состава многокомпонентных парожидкостных газовых смесей.

3. Результаты оптимизационных технико-экономических исследований ЭТУ получения СПГ, производства электроэнергии с извлечением гелия, обосновывающие основные схемно-параметрические решения по ЭТУ и показывающие уровень затрат в производство гелиевого концентрата на основе сравнения технико-экономических показателей ЭТУ получения СПГ и электроэнергии с извлечением и без извлечения гелия.

4. Результаты сопоставления экономической эффективности технологий морского транспорта энергии природного газа в виде СПГ и синтетически жидких топлив (СЖТ), полученные при различных сочетаниях исходной экономической информации.

Практическая ценность работы заключается в возможности оценки с помощью разработанных математических моделей ЭТУ производства СПГ, электроэнергии и извлечения гелия технической и экономической эффективности производства гелиевого концентрата, электроэнергии и СПГ, принятия оптимальных схемно-параметрических решений по установкам и выработке рекомендаций для проектирования таких ЭТУ. Методические разработки диссертации могут быть рекомендованы при выборе варианта производства СПГ с системами извлечения гелия из природного газа разрабатываемых месторождений Восточной Сибири и Якутии.

Апробация работы. Результаты исследований опубликованы более чем в 20 печатных работах и обсуждались на: конференциях молодых ученых ИСЭМ СО РАН (2001-2008 гг.); IV Международной научно-технической конференции «Достижения и перспективы развития энергетики Сибири», (Красноярск, 2005); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири», (Иркутск, 2005); пятой Международной конференции Asian Energy Cooperation: Mechanisms, Risks, Barriers (Якутск, 2006); шестой Международной конференции Asian Energy Cooperation: Forecasts and Realities (Иркутск, 2008); ХХI Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-21» (Саратов, 2008); в 2006-2008 гг. проводились работы по теме диссертации по гранту РФФИ 06-08-964-а.

Личный вклад автора. Автором совместно с научным руководителем разработаны: методический подход к комплексным технико-экономическим исследованиям технологий извлечения гелия и обсуждены результаты. Самостоятельно разработаны математические модели всех элементов технологических схем ЭТУ и установок в целом, проведены оптимизационные исследования ЭТУ, проанализированы результаты, сделаны выводы и др.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (123 наименования). Общий объем диссертационной работы 164 стр.,, 21 рис. и 11 таблиц.

Во введении обоснована актуальность решаемой в диссертации проблемы, определена цель работы, дана ее краткая характеристика, отмечены элементы новизны полученных результатов и перечислены положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена обзору современного состояния технологий получения СПГ, областям его использования, состоянию рынка СПГ и перспективам его развития. Кроме того, рассмотрены современные технологии производства гелия, области его применения, состояние и перспективы развития мирового рынка. На основе анализа перспективных технологий производства СПГ и извлечения гелия и основных технологических решений по установкам приведены требования, которые были приняты во внимание при разработке рациональных схем производства СПГ и извлечения гелия.

Во второй главе дано описание методического подхода к решению задачи оптимизационных технико-экономических исследований ЭТУ получения СПГ и производства электроэнергии с системами извлечения гелия. Поставлены основные задачи комплексных технико-экономических исследований установок получения СПГ, производства электроэнергии и извлечения гелия. Приведена методика расчета основных показателей инвестиционного проекта ЭТУ.

Энерготехнологические установки получения СПГ, производства электроэнергии и извлечения гелия из природного газа характеризуются сложностью описания процессов, протекающих в многокомпонентных двухфазных газовых смесях, а также практическим отсутствием значительного опыта их проектирования. Поэтому основным путём их исследования является математическое моделирование и проведение оптимизационных технико-экономических расчетов на разработанных моделях с целью получения оптимальных схем и параметров ЭТУ.

Основными задачами оптимизационных технико-экономических исследований установок получения СПГ, производства электроэнергии и извлечения гелия, представленных в данной работе, являются:

  • нахождение оптимальных схемно-параметрических решений по ЭТУ получения СПГ и электроэнергии по критерию минимума стоимости СПГ, без учета затрат в системы выделения гелия, с целью получения диапазона цен на СПГ, которые при исследовании ЭТУ с извлечением гелия принимаются в качестве «базовых» в равных условиях функционирования установок;
  • оптимизационные технико-экономические исследования ЭТУ получения СПГ и электроэнергии с системами выделения гелия по критерию минимума стоимости выделяемого гелиевого концентрата при заданной «базовой» стоимости СПГ.

В соответствии с поставленными задачами схему методического подхода к комплексным технико-экономическим исследованиям технологий извлечения гелия можно представить в следующем виде (рис. 1).

На первом этапе исследований на основе анализа перспективных технологий производства СПГ и выработки электроэнергии разрабатывались технологические схемы ЭТУ комбинированного получения СПГ и электроэнергии. Назначался состав необходимых для математического моделирования процессов и элементов.

В связи с необходимостью расчета равновесного состояния многокомпонентных двухфазных смесей, возникающей при математическом моделировании элементов криогенных установок, разработан эффективный (быстродействующий и устойчиво работающий) метод определения термодинамически равновесного состояния многокомпонентных парожидкостных смесей.

Рис.1. Схема методического подхода к решению задачи оптимизационных технико-экономических исследований ЭТУ получения СПГ и производства электроэнергии с извлечением гелия.

На основе ранее разработанных математических моделей элементов ЭТУ с использованием вновь созданных построена математическая модель ЭТУ производства СПГ и электроэнергии в целом. Для построения математических моделей ЭТУ используется созданная в ИСЭМ СО РАН система машинного построения программ (СМПП), которая на основании информации о математических моделях отдельных элементов, технологических связях между ними и целях расчета автоматически генерирует математическую модель ЭТУ в виде подпрограммы расчета на языке Фортран.

Далее выполняется поиск оптимальных схем и параметров ЭТУ производства СПГ и электроэнергии без систем выделения гелия путем решения задач нелинейного математического программирования. Назначается состав оптимизируемых переменных, состав ограничений, критерий оптимизации – минимум цены СПГ при заданной рентабельности производства. Цены на СПГ, полученные в результате, являются «базовыми» при проведении дальнейших оптимизационных исследований ЭТУ комбинированного получения СПГ и электроэнергии с выделением гелия с целью определения затрат на получаемый гелиевый концентрат.

На втором этапе исследований разработана технологическая схема и построена математическая модель ЭТУ производства СПГ и электроэнергии с системами извлечения гелиевого концентрата. Поставлена задача оптимизации параметров таких установок по критерию минимума затрат в системы выделения гелия при заданных «базовой» стоимости СПГ и рентабельности производства, получены результаты ее решения.

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 СМПП, позволяющего проводить нелинейную оптимизацию многочисленных параметров ЭТУ с учетом системы ограничений в форме равенств и неравенств большой размерности.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |






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