WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

К важнейшим особенностям, которые необходимо учитывать при исследовании ЭТУ получения СПГ и электроэнергии с извлечением гелия, следует отнести взаимовлияние между производством СПГ и выработкой электроэнергии, что существенно сказывается на стоимости всех блоков установки и её тепловой эффективности. Основным параметром, определяющим это соотношение, является расход продувки природного газа на производство электроэнергии. Этот параметр был основным оптимизируемым при нелинейной оптимизации параметров ЭТУ.

Третья глава посвящена математическому моделированию процессов и элементов расчетных схем ЭТУ ожижения ПГ и систем извлечения гелия.

Математические модели элементов ЭТУ ориентированы на конструкторский расчет: определение поверхностей нагрева теплообменников и конденсаторов, мощностей детандеров, компрессоров и др. Для построения математических моделей ЭТУ в целом разработаны математические модели криогенных элементов: регенеративных теплообменников (конденсаторов-испарителей), компрессоров, дросселей, турбодетандеров, газо-водяных теплообменников, смесителей, сепараторов как на природном, так и продувочном газе.

В математических моделях регенеративных теплообменников-охладителей, алгоритм расчета которых приведен на рис.2, охлаждающей средой является жидкий азот или компоненты природного газа с последующих ступеней охлаждения. Охлаждаемый поток – ПГ (азот в охладителе азотного цикла). В моделях обеспечивается расчет энтальпии и температуры нагреваемой среды на выходе, выходных давлений обоих сред, количества в паре и жидкости для всех компонентов, конструктивных характеристик (площади поверхности теплообменника, веса металла) и др. Исходными данными для моделей охладителей служат расход и состав обоих потоков, входные давления, энтальпии.

Рис.2. Упрощенный алгоритм расчета теплообменника-охладителя (конденсатора-испарителя): п – пар, ж–жидкость, гор – горячий поток, хол – холодный поток, уч – участок, I – номер компонента, вх – вход, вых – выход.

Для увеличения точности расчетов диапазон между входной и выходной энтальпиями охлаждаемого потока разбивается на значительное число участков. Для расчета теплофизических и термодинамических свойств парожидкостной смеси на участке в качестве расчетной принимается средняя между входной и выходной энтальпиями, за расчетное давление - среднее между входным и выходным. Итерационно уточняемыми переменными являются перепады давлений по тракту нагреваемого и охлаждаемого потоков. Отметим, что модель охладителя является универсальной и может быть использована для расчета как процессов испарения и конденсации рабочих сред, так и охлаждения одного потока другим.

В моделях ступеней турбодетандеров (компрессоров), газовых турбин проводится расчет процесса изоэнтропийного расширения или сжатия рабочего тела с учетом неидеальности, определяются полезная (потребляемая) мощность, выходные энтальпия и температура рабочего тела, покомпонентный расход в жидкости и паре на каждой ступени расширения (сжатия). При этом задаётся адиабатный и механический КПД, выходное давление рабочего тела.

Модель камеры сгорания газовой турбины на парокислородном дутье предназначена для определения состава продуктов сгорания при заданных: расходе, составе, давлении и температуре продувочного газа, температуре продуктов сгорания на выходе из камеры сгорания, температуре кислорода, доле потерь тепла от химического недожога. Она включает уравнения теплового и материального (по отдельным химическим элементам) балансов.

Как отмечалось, описание процессов, происходящих в криогенных элементах ЭТУ, характеризуется высокой сложностью, что обусловлено в первую очередь необходимостью расчета термодинамических и транспортных свойств потоков с учетом фазового состояния входящих в него компонентов. Поэтому был разработан быстродействующий и устойчиво работающий метод определения термодинамически равновесного состава многокомпонентных парожидкостных систем. Предлагаемый метод является базовым при моделировании криогенных элементов ЭТУ, разрабатывался в сотрудничестве с А.М. Клером и Э.А. Тюриной в ИСЭМ СО РАН. С математической точки зрения расчёт равновесного фазового состава многомпонентных 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, или только паровой фазы)

(1)

(2)

, (3)

здесь – вектор расходов газа в смеси, – суммарный расход i–го вещества,– расход i–го вещества в газовой фазе, –расход i–го вещества в жидкой фазе.

Множества отвечают условиям:

а), если для всех i, для которых выполняется условие и имеет место равенство

б), если для всех i, для которых выполняется условие и имеет место равенство Здесь – температура насыщения i–го вещества при заданном давлении смеси, –критическая температура i–го вещества.

Функция Гиббса системы может быть представлена в виде суммы функций Гиббса для отдельных компонентов смеси

, (5)

, (6)

где – парциальное давление i–ой компоненты, R–универсальная газовая постоянная, – молекулярная масса i–ой компоненты, –стандартное давление.

Если бы в точке решения задачи (1–6) было заранее известно, то решение этой экстремальной N–мерной задачи распадалось бы на решение N независимых одномерных экстремальных задач вида

(7)

при условиях

,. (8-9)

Пусть при решении N задач (7)–(9) с, равном, выполняется условие

, (10)

где – решение j–ой задачи (7)–(9). Очевидно, что является решением исходной задачи (1)–(6).

Указанные особенности позволяют организовать двухуровневый (двухэтапный) алгоритм решения задачи(1)–(6). На верхнем уровне (1-6) ищется, отвечающее условию (10), а на нижнем уровне решаются задачи (7)–(9). При этом они решаются для каждого рассматриваемого значения.

На нижнем уровне для поиска решения задачи (7)–(9) используется производная функции по

. (10)

Обозначим, являющееся результатом решения j–ой одномерной задачи (7)(9) при заданном, через. На каждом шаге верхнего уровня решения задачи (1)–(6) определяется невязка

. (11)

Анализ знака позволяет с учётом вида зависимости (11) определить больше или меньше заданное значение, чем искомое решение. Если то, а если то

Частная производная определяется на основе уравнений (8-9), все остальные частные производные определяются конечноразностным способом. Для поиска минимума функции Гиббса используется сочетание методов половинного деления и хорд, также как и на верхнем уровне. При этом учитывается, что в силу выпуклости функций, если, то, и, если то.

Следует отметить, что математические модели всех входящих в ЭТУ элементов, в расчетах которых требуется нахождение термодинамического равновесия парожидкостных многокомпонентных смесей, построены с использованием вышеописанного подхода.

Четвертая глава посвящена математическому моделированию и оптимизационным исследованиям установок комбинированного получения СПГ и производства электроэнергии без систем выделения гелия. Представлена технологическая схема установки комбинированного производства СПГ и электроэнергии. Дана постановка задачи и представлены результаты оптимизационных технико-экономических исследований ЭТУ производства СПГ и электроэнергии без систем извлечения гелия. Определены базовые цены на СПГ, которые принимаются в качестве исходных данных при исследовании установок с извлечением гелия.

Технологическая схема ЭТУ получения СПГ и производства электроэнергии представлена на рис.3. В схеме применяется цикл с комбинированным хладагентом и двумя ступенями сепарации. На первой ступени сепарации из установки отбираются легкоожижаемые компоненты (пропан, бутан), которые могут использоваться как целевые компоненты или для выработки механической (электрической) энергии. В данной схеме продукты первой ступени сепарации используются как целевые. Со второй ступени сепарации отбирается сжиженный метан (с примесью несконденсировавшегося на предыдущих ступенях этана). Для избежания накопления в регенеративном цикле балластных компонентов в схеме предусмотрена продувка природного газа. Часть несконденсировавшегося природного газа со второй ступени сепарации возвращается в цикл на первую ступень охлаждения природного газа, а затем поступает в камеру сгорания КС газовой турбины ТГ на выработку электроэнергии. Для сжижения ПГ используется азотный холодильный цикл с детандером.

Рис. 3. Упрощенная технологическая схема установки сжижения ПГ: Т1 – группа регенеративных охладителей ПГ (предварительное охлаждение), T2 группа охладителей на внешнем хладагенте, T3 группа охладителей азотного холодильного цикла, Д1, Д3 турбодетандеры, К1 компрессор азотного холодильного цикла, С1-С3 сепараторы-отделители жидкой фазы, TГ газовая турбина на продуктах сгорания КС – камера сгорания продувочных газов, КВ воздушный компрессор для нагнетания воздуха в КС, ПТ –паровая турбина, ГВТ1 – газо-водяной теплообменник для предварительного охлаждения ПГ, ГВТ2 газо-водяной теплообменник азотного холодильного цикла, КУ котёл-утилизатор на продуктах сгорания для получения пара для паровой турбины, К – конденсатор паровой турбины, ПН – питательный насос.

Целью расчёта технологических схем ЭТУ сжижения ПГ и производства электроэнергии является определение термодинамических параметров и расходов рабочих тел и теплоносителей в различных элементах (аппаратах) схемы, состава всех компонентов рабочих тел и теплоносителей в жидкости и паре, мощностей детандеров (Д1 и Д3), компрессоров (К1, КВ), площадей теплообменников (Т1-Т3, ГВТ1, ГВТ2), других конструктивных характеристик элементов и их стоимостей, энергозатрат, суммарных капиталовложений и критериев экономической эффективности такого производства. Проведение указанных расчётов в объёме, необходимом для принятия рациональных предпроектных решений по параметрам и структуре схем, становится возможным с использованием их подробных математических моделей. На базе разработанных математических моделей отдельных криогенных элементов ЭТУ комбинированной выработки СПГ и электроэнергии при помощи СМПП построена математическая модель ЭТУ получения СПГ и производства электроэнергии в целом, проведены оптимизационные технико-экономические исследования. Математическая модель установки в целом, ориентированная на конструкторский расчёт элементов, включает 370 входных, 403 выходных и 6 итерационно-уточняемых параметров.

В формализованном виде задача оптимизации параметров ЭТУ получения СПГ и электроэнергии имеет вид

при условиях

,

, Cэ=Сz.

Здесь – капиталовложения в энерготехнологическую установку, – затраты на ПГ, – затраты на азот внешних холодильных циклов, – выручка от продажи электроэнергии, – прибыль от продажи СПГ, H – векторная m-мерная функция ограничений-равенств, – вектор независимых оптимизируемых параметров, – m-мерный вектор вычисляемых параметров при конструкторском расчете (включает термодинамические параметры и расходы рабочих тел в различных элементах технологической схемы ЭТУ, а также конструктивные характеристики); – l-мерная векторная функция ограничений-неравенств, и – векторы, задающие интервалы определения оптимизируемых параметров, – заданная внутренняя норма возврата капиталовложений, –стоимость производства СПГ, – заданная стоимость производства электроэнергии, – стоимость производства электроэнергии.

Всего в задаче оптимизировалось 12 параметров технологической схемы (давление газа на выходе компрессора азота, изменение энтальпий холодных потоков в теплообменниках-охладителях, расход внешнего азота, перепады давлений в детандерах и компрессорах и др.). Система ограничений включает условия на неотрицательность концевых температурных напоров теплообменников, неотрицательность перепадов давлений вдоль проточной части детандеров, компрессоров, паровых и газовых турбин, ограничения на расчетные температуры и механические напряжения металла труб теплообменников, на минимальную и максимальную продувку природного газа, на предельно-допустимую степень сжатия в отсеках детандеров, компрессоров и т.д. Всего более 600 ограничений.

Основная исходная информация выбрана в результате анализа существующих стоимостных характеристик материалов и оборудования, смет энергетических и технологических объектов с распределением затрат по различным статьям. Все варианты рассчитывались при одинаковом расходе ПГ, равном 2,2 млрд. м3 в год. Цена природного газа принята равной 50 дол./тыс. м3, внутренняя норма возврата капиталовложений составляет 15%. Состав ПГ, который использовался в расчетах (%): CH491,53; C2H6–3,51; C3H8–2,51; N2–2,13; He–0,31. Исследования проводились при ценах на электроэнергию 3, 4, 5 цент/ кВт ч.

Оптимальные параметры основных элементов ЭТУ для вариантов с разной ценой электроэнергии представлены в таблице 1, основные показатели оптимальных вариантов исследуемых ЭТУ – в таблице 2. На рис.4 приведены зависимости цены СПГ и капиталовложений в ЭТУ, на рис.5 – годовой отпуск электроэнергии и производство СПГ от стоимости производимой ЭТУ электроэнергии.

Таблица 1

Оптимальные параметры основных элементов ЭТУ получения СПГ в зависимости от цены на производимую электроэнергию (обозначения элементов соответствуют принятым на рисунке 3)

Элемент

Показатель

Цена электроэнергии, цент/кВт ч

3

4

5

1

2

3

4

5

Т1

Температура охлаждаемого потока, К

вход

298,2

выход

289,9

281,2

272,9

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |






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