WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Оптимизационные технико-экономические исследования энерготехнологических установок производства спг и электроэнергии с извлечением гелия

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.

 Схема методического подхода к решению задачи оптимизационных-0

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.

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.

 Упрощенный алгоритм расчета теплообменника-охладителя-1Рис.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.

 Упрощенная технологическая схема установки сжижения ПГ: Т1 – группа-56

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
Температура охлаждающего потока, К вход 165,4 163,1 166,1
выход 263,3 254,4 274,5
Давление охлаждающего потока, МПа 1,9 1,7 1,8
Давление охлаждаемого потока, МПа 7,5
Площадь теплообменника, м2 10,0 20,0 22,6
Вес труб, т 0,08 0,2 0,21
Т2 Температура охлаждаемого потока, К вход 208,0 198,2 192,8
выход 164,7 160,2 163,7
Температура внешнего азота, К вход 89,6 94,9 94,2
выход 151,0 179,5 178,8
Давление внешнего азота, МПа 0,4 0,8 0,7
Давление охлаждаемого потока, МПа 1,9 1,7 1,8

Окончание таблицы 1

Т2 Расход внешнего азота, кг/с 96,3 83,8 69,6
Суммарная площадь теплообменников, м2 4187,6 820,0 683,4
Вес труб, т 33,8 6,6 5,5
Т3 Температура охлаждаемого потока, К вход 298,2
выход 193,8 201,6 188,2
Температура охлаждающего потока, К вход 117,8 132,8 130,0
выход 261,4 261,2 278,6
Давление охлаждающего потока, МПа 0,4 0,8 0,7
Давление охлаждаемого потока, МПа 15,3 15,7 13,5
Суммарная площадь теплообменников, м2 983,5 510,8 480,0
Вес труб, т 8,1 4,2 4,0
КУ Температура продуктов сгорания, К вход 792,9 811,8 810,7
выход 502,2 499,8 490,7
Давление продуктов сгорания, МПа 0,112
Энтальпия питательной воды, ккал/кг 100,0
Расход питательной воды, кг/с 33,8 79,0 85,7
Суммарная площадь поверхностей нагрева,м2 12000,0 15370,0 16706,0
Вес труб, т 412,4 528,1 574,0
Д1 Давление потока, МПа вход 7,5
выход 1,9 1,7 1,8
Температура потока, К вход 289,4 281,1 272,7
Температура потока, К выход 208,1 196,8 192,3
Вырабатываемая мощность, кВт 6270,0 6338,0 6470,0
Д3 Давление азота, МПа вход 15,3 15,7 13,5
выход 0,4 0,8 0,7
Температура азота, К вход 193,8 201,7 188,2
выход 91,3 100,0 98,7
Вырабатываемая мощность, кВт 29926,0 27073,0 20867,0
К1 Давление азота, МПа вход 0,4 0,8 0,7
выход 15,3 15,7 13,5
Температура азота, К вход 261,7 261,2 278,7
выход 494,2 484,5 457,5
Потребляемая мощность, кВт 85441,0 73704,0 55755,0
ТГ Давление продуктов сгорания, МПа вход 1,8 1,6 1,8
выход 0,112
Температура продуктов сгорания, К вход 1373,2
выход 792,9 811,8 810,7
Вырабатываемая мощность, кВт 217240,0 459240,0 493120,0
ПТ Давление пара, МПа вход 11,3 12,6 11,7
выход 0,005
Энтальпия пара, ккал/кг вход 805,1 808,6 812,3
выход 528,4 530,3 532,7
Вырабатываемая мощность, кВт 38259,0 90762,0 98647,0
КВ Давление воздуха, МПа вход 0,1023
выход 1,8 1,6 1,8
Температура воздуха, К вход 287,2
выход 700,7 677,5 697,8
Расход воздуха, кг/с 302,5 660,4 598,5
Потребляемая мощность, кВт 133197,0 273767,0 261413,0

Таблица 2

Показатели оптимальных вариантов ЭТУ получения СПГ и производства электроэнергии при разной цене электроэнергии

Показатель, размерность Цена электроэнергии, цент/кВт ч
3 4 5
Производство СПГ, кг/с 50,9 45,4 42,3
Продувка ПГ на производство электроэнергии, % 8 18 24
Мощность, МВт: 38 91 98
-паровой турбины,
-газовой турбины, 217 459 493
детандеров, 36 33 27
-компрессора азота, 85 74 56
-воздушного компрессора, 133 274 261
-полезная. 73 236 302
Годовой расход топлива: 2500
-условного, тыс. т у.т.
-натурального, млн. м3 2200
Годовое производство СПГ: 1920 1680 1550
-в условном топливе, тыс. т у.т.
-натурального, тыс. т 1150 1000 930
Годовой отпуск электроэнергии, млн. кВт ч 510 1650 2110
Капиталовложения в установку, млн. дол. 360 420 440
КПД установки эксергетический, % 77,2 74,4 71,9
Цена СПГ, дол./т у.т. 115 109 95

 Цена СПГ и капиталовложения в ЭТУ в зависимости от стоимости-77

Рис.4. Цена СПГ и капиталовложения в ЭТУ в зависимости от стоимости электроэнергии.

 Годовой отпуск электроэнергии и производство СПГ в зависимости от-78

Рис.5. Годовой отпуск электроэнергии и производство СПГ в зависимости от стоимости электроэнергии.

Выводы. Из табл. 1 видно, что с ростом объема продувочных газов, поступающих в камеру сгорания газовой турбины и соответственно с понижением степени сжижения природного газа, сокращается расход внешнего азота, требующегося для охлаждения ПГ в системе теплообменников Т2, и потребление электрической мощности в азотном холодильном цикле. В системе теплообменников первой ступени Т1 снижение температуры охлаждаемого потока в вариантах составляет 8-25 К, второй ступени Т2 30-45 К в зависимости от варианта ЭТУ. Охлаждающий эффект турбодетандера Д1 составляет 80-85 К. Таким образом, наибольший эффект охлаждения ПГ достигается на турбодетандере Д1 и системе теплообменников второй ступени Т2 на внешнем азоте.

Оптимизационные исследования показали, что для вариантов ЭТУ, отличающихся ценой отпускаемой от ЭТУ электроэнергии (3, 4, 5 цент/ кВт ч), существует оптимальная доля продувки природного газа и соответствующая ей выработка электроэнергии (8, 18, 24 %).При этом в зависимости от принятых условий функционирования ЭТУ диапазон цен на СПГ составляет 95-115 дол./т у.т.

С ростом цен электроэнергии производство СПГ сокращается и возрастает производство электрической энергии. При этом эксергетический КПД комбинированного производства уменьшается с 77,2 % до 71,9 %, а капиталовложения в установку увеличиваются с 360 до 440 млн. дол. При стоимости электроэнергии 2 цента/кВт ч дополнительное производство электроэнергии (на продажу в энергосистему) вырождается, так как экономическая эффективность ЭТУ обеспечивается за счет производимого СПГ.

Пятая глава посвящена математическому моделированию и оптимизационным технико-экономическим исследованиям ЭТУ комбинированного производства СПГ и электроэнергии с системами извлечения гелия. Представлена в формализованном виде постановка задачи оптимизации ЭТУ получения СПГ и выработки электроэнергии с извлечением гелия. Приведены результаты исследований и сделаны выводы.

Схема ЭТУ с системами выделения гелия приведена на рисунке 5. В схеме ЭТУ получения СПГ и электроэнергии с системами выделения гелия для выработки электроэнергии из продувочного газа применяется установка комбинированного цикла ПГУ–STIG с впрыском пара, получаемого в котле-утилизаторе КУ, в камеру сгорания КС и с использованием кислородного дутья. Данные обстоятельства позволяют сократить объем продуктов сгорания и избежать поступления азота из воздуха в продукты сгорания, что существенно снижает энергетические и материальные затраты на извлечение гелия. Продукты сгорания, образующиеся после камеры сгорания, состоят из двуокиси углерода, следов кислорода, азота, содержащегося в исходном природном газе, и гелия.

 Упрощенная технологическая схема установки сжижения ПГ и получения-79

Рис.5. Упрощенная технологическая схема установки сжижения ПГ и получения гелия: МТ– магистральный трубопровод, Т1 – группа регенеративных охладителей ПГ (предварительное охлаждение),T2 группа охладителей на внешнем хладагенте, Т3 группа охладителей азотного холодильного цикла, Д1-Д3 турбодетандеры, С1-С6 сепараторы-отделители жидкой фазы, TГ газовая турбина на продуктах сгорания, КС – камера сгорания, КК кислородный компрессор для нагнетания кислорода в КС, ГВТ1 – газо-водяной теплообменник для предварительного охлаждения ПГ, ГВТ2, ГВТ4 группа газо-водяных теплообменников азотного холодильного цикла, ГВТ3 газо-водяной теплообменник на продуктах сгорания, КУ котел-утилизатор на продуктах сгорания для получения пара требуемых параметров, К1,К3 компрессоры азотных холодильных циклов, К2 компрессор на продуктах сгорания, СМ1,СМ2–смесители потоков газа в азотных холодильных циклах.

Таким образом, для получения гелиевого концентрата из продуктов сгорания в разработанной схеме необходимо удалить двуокись углерода. СО2 в сжиженном виде отводится из сепаратора С5, гелиевый концентрат в паре поступает на выход установки.

На базе разработанных математических моделей отдельных элементов ЭТУ при помощи СМПП построена математическая модель ЭТУ комбинированного производства СПГ, электроэнергии с системами выделения гелиевого концентрата, которая содержит 375 входных, 478 выходных и 8 итерационно-уточняемых параметров.

Оптимизация ЭТУ комбинированного производства СПГ и электроэнергии с извлечением гелия проводилась по критерию минимума цены гелия при заданных значениях внутренней нормы возврата капиталовложений, цены СПГ и цены на производимую электроэнергию. Задача оптимизации параметров ЭТУ получения СПГ, гелия и электроэнергии в формализованном виде имеет вид

,

при условиях

,

, .

Здесь – капиталовложения в энерготехнологическую установку, – затраты на ПГ, – затраты на азот внешних холодильных циклов, – выручка от продажи электроэнергии, – выручка от продажи СПГ, – дополнительные затраты энергии в системе удаления гелия, – дополнительные капвложения в систему удаления гелия, – векторная m-мерная функция ограничений-равенств, – вектор независимых оптимизируемых параметров, – m-мерный вектор вычисляемых параметров (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 гелия, – ранее определенная в результате оптимизационных исследований ЭТУ получения СПГ и электроэнергии (без извлечения гелиевого концентрата) стоимость производства СПГ.

Всего в задаче оптимизировалось 23 параметра технологической схемы. В состав ограничений для ЭТУ комбинированного получения СПГ и электроэнергии с извлечением гелия входят: для теплообменников – ограничения на неотрицательность температурного напора на входе и выходе расчетного участка, К; ограничения на расчетное механическое напряжение металла труб расчетного участка, кг/мм2; суммарный тепловой поток расчетного участка, ккал/с; для компрессоров – ограничение на степень сжатия; максимально допустимая температура природного газа, К, и др.; для турбодетандеров – разность между предельно допустимой высотой лопатки и фактической, м; разность между давлением газа на входе и выходе, ата; разность между предельно допустимой степенью расширения и фактической; разность между максимально допустимой температурой газа и фактической, К; и др. Всего – 620 ограничений. Цена электроэнергии принята равной 5 центам/кВт ч, что соответствует стоимости электроэнергии в местах предполагаемого размещения установок.

Ниже показаны оптимальные значения оптимизируемых параметров, полученных в результате нелинейной оптимизации систем уравнений, описывающих процессы, происходящие в ЭТУ комбинированного производства СПГ и электроэнергии с извлечением гелия (обозначения элементов соответствуют рис.5).

Давление газа на выходе компрессора К1, МПа 14,2

Давление газа на выходе компрессора К2, МПа 0,62

Давление газа на выходе компрессора К3, МПа 9,1

Изменение энтальпии холодного потока в регенеративном теплообменнике Т1, кДж/кг 206,0

Массовая скорость холодного потока в регенеративном теплообменнике Т1, кг/(м2 с) 187,1

Изменение энтальпии холодного потока в регенеративном теплообменнике Т2, кДж/кг 190,5

Массовая скорость холодного потока в регенеративном теплообменнике Т2, кг/(м2 с) 148,7

Расход азота на входе регенеративного теплообменника Т3, кг/с 214,9

Изменение энтальпии холодного потока в регенеративном теплообменнике Т3, кДж/кг 167,0

Массовая скорость холодного потока в регенеративном теплообменнике Т3, кг/(м2 с) 38,9

Изменение энтальпии холодного потока в регенеративном теплообменнике Т4, кДж/кг 158,6

Массовая скорость холодного потока в регенеративном теплообменнике Т4, кг/(м2 с) 51,2

Расход азота на входе регенеративного теплообменника Т5, кг/с 154,9

Изменение энтальпии холодного потока в регенеративном теплообменнике Т5, кДж/кг 197,2

Массовая скорость холодного потока в регенеративном теплообменнике Т5, кг/(м2 с) 42,2

Перепад давления в турбодетандере Д1, МПа 4,82

Перепад давления в турбодетандере Д3, МПа 0,42

Температура продуктов сгорания на входе в газовую турбину, К 1482,2

Температура продуктов сгорания на выходе котла-утилизатора, К 412,0

Расход воды в котле-утилизаторе, кг/с 74,6

Энтальпия впрыскиваемой воды в камеру сгорания, ккал/кг 426,2

Массовая скорость пара в теплообменных поверхностях котла-утилизатора, кг/(м2 с) 513,0

Продувка природного газа, поступающая на производство электроэнергии, кг/c (%) 14,0 (26)

Далее приведены оптимальные технико-экономические показатели ЭТУ получения СПГ и производства электроэнергии с извлечением гелия.

Мощность, МВт: -газовой турбины 305
-детандеров, 56
-компрессоров азота, 164
-кислородного компрессора, 25
-полезная. 172
Годовой расход ПГ: 2500
-условного, тыс. т у.т.
-натурального, млн. м3 2200
Годовое производство СПГ: 1360
-условного, тыс. т у.т.
-натурального, тыс. т 820
Годовой отпуск электроэнергии, млн. кВт ч 1200
Годовой выход гелия, тыс. м3 6308
Годовой выход пропан-бутановой смеси, тыс.т 63
Годовой выход жидкого CO2, тыс.т. 886
Капиталовложения в установку, млн. дол. 560
КПД установки эксергетический, % 65
Цена СПГ с учетом затрат на выделение гелия, дол./ т у.т. 110
Цена гелия на выходе, дол./м3 2,7

Выводы. Из результатов оптимизационных технико-экономических исследований ЭТУ с извлечением гелия видно, что дополнительные затраты на производство СПГ, связанные с извлечением гелия, составляют около 15 дол./т у.т., что в пересчете на гелий – 2,7 дол./м3, то есть цены на получаемый в ЭТУ гелий являются достаточно конкурентноспособными с ценами на основных рынках сбыта с учетом их ожидаемого роста.

Шестая глава посвящена оценке сравнительной эффективности морского транспорта СПГ и СЖТ: обоснована актуальность морского транспорта СЖТ и СПГ перед транспортировкой природного газа в газообразном состоянии, рассмотрены преимущества СПГ и СЖТ, приведены основные исходные данные по затратам в отдельные звенья рассматриваемых цепочек получения и транспорта СПГ и СЖТ.

При комплексных исследованиях технологий получения СПГ одним из важных условий является учет затрат на транспорт получаемого энергоносителя до потребителей. В данной работе рассмотрена одна из возможных технологий дальнего транспорта энергии природного газа – переработка природного газа в СПГ или синтетические жидкие топлива, как альтернативные сжиженному природному газу жидкие топлива, с последующим морским транспортом СПГ или СЖТ.

Цена на СЖТ при равной рентабельности производств и одних исходных данных по стоимости оборудования, стоимости отпускаемой электроэнергии принята равной 160–200 дол./т у.т. для метанола и 145–190 дол./т у.т. для ДМЭ на основании ранее проведенных в ИСЭМ СО РАН исследований. Затраты на транспорт метанола соответствуют затратам на транспорт нефти танкерами суперкласса VLCC дедвейтом 200 тыс. т с учетом разной плотности рассматриваемых энергоносителей. Затраты на транспорт ДМЭ приняты по аналогии с затратами на транспорт танкерами для перевозки сжиженных углеводородных газов. Цена транспорта СПГ задана диапазоном в зависимости от дедвейта танкеров-метановозов на основе анализа данных в специальной литературе.

Затраты в трубопроводный транспорт природного газа, метанола и ДМЭ получены на основе ранее проведенных в ИСЭМ СО РАН оптимизационных исследований зависимости цен на перекачку энергоносителя от диаметра трубопровода, расхода перекачиваемой среды и расстояний между перекачивающими станциями. Удельные затраты на единицу энергетического эквивалента топлива в приемные терминалы (включая завод по регазификации СПГ) и терминалы по отгрузке топлив получены в результате расчета инвестиционных проектов данных предприятий на основе анализа информации по основным исходным данным (капитальным вложениям, эксплуатационным издержкам, амортизационным отчислениям и др.) при внутренней норме возврата капитальных вложений, равной 15%.

 Цены СЖТ и СПГ у потребителей в зависимости от расстояния транспорта-102

Рис.6. Цены СЖТ и СПГ у потребителей в зависимости от расстояния транспорта при стоимости СЖТ или СПГ на ЭТУ, полученной при цене электроэнергии – 5 цент/кВт ч.

Выводы. На рис.6 представлены результаты сравнительной эффективности морского транспорта СПГ и СЖТ, из которых видно, что СПГ имеет более высокую эффективность по сравнению с СЖТ до расстояний 7-14 тыс.км.

Основные результаты работы.

1. Обоснована перспективность извлечения гелия из природного газа методом глубокого охлаждения в установках комбинированного производства СПГ и электроэнергии. Показана необходимость исследования установок извлечения гелия такого уровня с широким привлечением методов математического моделирования и оптимизации.

2. Разработанный методический подход к решению задачи комплексных технико-экономических исследований энерготехнологических установок получения СПГ и электроэнергии с извлечением гелия из природного газа ориентирован на широкое привлечение методов математического моделирования, проведение численных исследований на моделях и позволяет учесть неопределённость условий сооружения установок получения СПГ и электроэнергии с выделением гелия в долгосрочной перспективе, обеспечить сопоставимость рассматриваемых вариантов энерготехнологических установок ожижения природного газа по экономическому эффекту.

3. Построена согласованная система математических моделей энергетических и криогенных элементов технологических схем установок ожижения природного газа, позволяющих создавать на их основе программы расчёта широкого класса таких установок.

4. Создан эффективный в вычислительном плане (быстродействующий и устойчиво работающий) метод определения термодинамически равновесного состава многокомпонентных парожидкостных смесей.

5. Разработанные модели элементов (аппаратов) ЭТУ получения СПГ и производства электроэнергии и установок в целом с достаточной точностью описывают рассматриваемые процессы тепло- и массообмена и позволяют вести расчет при любом составе и параметрах природного газа.

6. Результаты исследований ЭТУ комбинированного производства СПГ и электроэнергии показывают, что при принятых условиях функционирования (ценах на ПГ, электроэнергию, оборудование, заданной рентабельности), цены на СПГ на выходе из установки лежат в диапазоне 95-115 дол./т у.т.

7. Проведены оптимизационные технико-экономические исследования ЭТУ комбинированного производства СПГ и электроэнергии с выделением гелия, которые показали, что при принятых условиях функционирования ЭТУ цена гелия составляет около 2,7 дол./м3.

8. Определены оптимальные расстояния транспортировки СПГ и СЖТ в зависимости от различного уровня затрат в звенья рассматриваемых технологических цепочек морского транспорта энергии природного газа. Установлено, что СПГ может эффективно конкурировать с СЖТ до расстояний 7-14 тыс.км.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах.

1. Степанов В.В. Исследование установок получения сжиженного природного газа с комбинированным производством электроэнергии //Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири». – Иркутск: ИрГТУ, 2005.– С.298-304

2. Клер А.М., Тюрина Э.А., Степанов В.В. Математическое моделирование процессов и аппаратов комбинированных установок производства сжиженного природного газа и электроэнергии // Материалы IV Международной научно-технической конференции «Достижения и перспективы развития энергетики Сибири».– Красноярск, 2005. – С 287-299.

3. Клер А.М., Тюрина Э.А., Степанов В.В. Технико-экономические исследования ЭТУ сжижения природного газа //Энергосистемы, электростанции и их агрегаты: Сборник научных трудов / Под ред. акад. РАН В.Е. Накорякова. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. – Вып. 9. – C. 5-22.

4. Клер А.М., Тюрина Э.А., Степанов В.В. Оценка эффективности производства и транспорта синтетически жидких топлив и сжиженного природного газа //Материалы пятой международной конференции «AEC-2006». – Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2006. – C.157-165.

5. Клер А.М., Тюрина Э.А., Степанов В.В. Оптимизационные исследования энерготехнологических установок выделения гелия из природного газа и производства электроэнергии // Вестник Иркутского Государственного Технического Университета. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2006. – Вып.2 (26). Том 2. – С.8.

6. Клер А.М., Тюрина Э.А., Степанов В.В. Оптимизационные исследования энерготехнологических установок сжижения природного газа // Перспективы энергетики, 2006. Том 10. – С.191-202.

7. Клер А.М., Тюрина Э.А., Степанов В.В. Оптимизационные исследования ЭТУ комбинированного получения СПГ и электроэнергии с извлечением гелия // Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири». – Иркутск.: ИрГТУ, 2007. – С.253-258.

8. Клер А.М., Тюрина Э.А., Степанов В.В. Комплексные исследования энерготехнологических установок комбинированного получения сжиженного природного газа и электроэнергии с извлечением гелия // Вестник Саратовского Государственного Технического Университета. – Саратов: Изд-во СГТУ, 2007. №3(27) – С.74-85.

9. Степанов В.В. Оптимизационные исследования ЭТУ комбинированного получения СПГ и электроэнергии с извлечением гелия // Системные исследования в энергетике. – Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2007. – С.123-131.

10. Клер А.М., Тюрина Э.А., Степанов В.В. Комбинированное производство сжиженного природного газа и электроэнергии с извлечением гелия // Материалы шестой международной конференции «AEC-2008». – Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2008. – С.297-304.

11. Тюрина Э.А., Степанов В.В. Математическое моделирование энерготехнологических установок извлечения гелия из природного газа // Труды XXI Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях».– Саратов: Изд-во СГТУ, 2008. – С.153-158.

Отпечатано в Институте систем энергетики СО РАН

664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 130.

Заказ № 98. Тираж 100 экз.



 





<


 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.