Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние, перспективы производства ижт, области применения 20
1.1. Современное состояние технологий переработки твердого и газообразного топлива 20
1.2. Традиционные и перспективные сферы применения метанола 35
1.3. Состояние и перспектива развития мирового рынка метанола 42
1.4. Свойства метанола и диметилового эфира 47
2. Постановка задачи комплексных технико- экономических исследований эту синтеза ижт и производства электроэнергии 50
2.1. Методический подход к решению задачи комплексных технико-экономических исследований эту синтеза ижт 50
2.2. Проблемы создания эффективной математической модели эту 53
2.3. Критерии экономической эффективности сопоставляемых вариантов 59
2.4. Условия сопоставимости вариантов эту 68
3. Математическое моделирование энерготехнологических установок синтеза метанола 71
3.1. Технологическая схема установки синтеза метанола 71
3.2. Моделирование основных процессов и элементов эту 79
3.2.1. Математическая модель блока газификации 80
3.2.2. Математическая модель энергетического блока 83
3.2.3. Математическая модель блока синтеза 85
3.2.4. Алгоритм расчета адиабатных зон реактора синтеза 90
3.3. Математическое моделирование установки в целом 97
4. Математическое моделирование энерготехнологических установок синтеза диметилового эфира 103
4.1, Технологическая схема эту синтеза диметилового эфира из природного газа Иркутск-2004 ИСЭМ СО РАН ИМ Л А. Мелентьева
4.2. Математическая модель реактора синтеза ДМЭ 107
4.3. Определение функции гиббса 114
Технико-экономические исследования эту синтеза ижт и производства электроэнергии 116
5.1. Исследования эту синтеза метанола на угле 116
5.1.1. Исходная информация для технико-экономических исследований эту 116
5.1.2. Результаты исследований эту синтеза метанола на угле 117
5.2. Исследования эту синтеза метанола на природном газе 129
5.3. Сопоставление эффективности технологий комбинированного производства метанола и дмэ из природного газа 140
5.4. Использование газа подземной газификации угля для производства метанола и электроэнергии 145
Оптимизация параметров энерготехнологических установок в условиях случайного характера исходной информации 153
6.1. Постановка задачи 153
6.2. Подход к решению задачи оптимизации эту в условиях неопределенности 155
6.3. Пример оптимизации эту синтеза метанола в условиях
случайного характера исходной информации 161
Энерготехнологическая переработка угля и природного газа в ижт как базовая технология для дальнего транспорта энергии 168
7.1. Постановка задачи 168
7.2. Математическое моделирование элементов трубопроводных систем 171
7.2.1 Линейный участок трубопровода 171
7.2.2 Компрессоры природного газа и насосы для перекачки
ИЖТ 174
7.3. Оптимизационные технико-экономические исследования трубопроводного транспорта природного газа и ижт 175
7.3.1 Определение капитальных вложений в трубопровод 175
7.3.2 Постановка задачи оптимизации трубопроводов 176
7.3.3 Исходные данные 178
Иркутск-2004
Исэм со ран им л а мелентьев\
7.3.4. Результаты оптимизации трубопроводов природного газа и ИЖТ 181
7,4. Результаты сравнительных исследований технологий переработки энергоресурсов и дальнего транспорта энергоносителей 185
7.5 Исследование чувствительности затрат на транспорт природного газа и метанола к изменению капвложений в трубопроводы 191
8. Оптимизация технической системы добычи, Переработки энергоресурсов и транспорта энергоносителей 205
8.1. Постановка задачи 205
8.2. Математические модели элементов тсдптэ 207
8.2.1 математическая модель разработки газового месторождения 208
8.2.2 математическая модель участка газопровода 213
8.3. Подход к решению задачи оптимизации тсдптэ 219
8.4. Пример оптимизации тсдптэ, включающей предприятия по переработке природного газа в ижт 223
Заключение 233
Литература 237
- Состояние и перспектива развития мирового рынка метанола
- Проблемы создания эффективной математической модели эту
- Математическая модель энергетического блока
- Математическая модель реактора синтеза ДМЭ
Введение к работе
Развитие мировой экономики характеризуется постоянным ростом потребления энергоресурсов, в первую очередь нефти и газа, остановить который не могут ни периодические взлеты цен на энергоносители, ни повсеместное развитие и внедрение энергосберегающих технологий [1, 2]. Только за период 1971-1995 гг. потребление увеличилось с 5 млрд. т условного топлива до 8,3 млрд. т у.т., в том числе нефти с 2,4 до 3,3 млрд. т у.т. и газа с 0,9 до 1,8 млрд. т у.т. [3]. Прогнозы развития мировой энергетики показывают, что эти тенденции сохранятся и в ближайшие годы, по крайней мере, в первой четверти нового столетия; Ожидается, что глобальное потребление энергоресурсов в ближайшие 20 лет возрастет на 60% [4]. Сопоставление запасов нефти, газа, угля и сложившейся в настоящее время структуры их мирового потребления приводит к выводу о необходимости постоянного увеличения масштабов использования угля в энергетике и промышленности.
Запасы твердых органических топлив составляют около 90% всех горючих ископаемых мира (без учета метаногидратов). Наша страна располагает более 40% мировых ресурсов твердых топлив, в первую очередь каменных и бурых углей. Распространение угля по ее территории неравномерно, порядка 80% запасов приходится на Сибирь. Будущее развитие топливно-энергетического комплекса (ТЭК) страны будет ориентировано на широкое привлечение потенциала углей, в первую очередь Сибирских бассейнов. Основными направлениями использования углей в настоящее время являются сжигание для производства тепла и электроэнергии в котельных и на тепловых электростанциях (ТЭС) и получение облагороженного твердого топлива, В дальнейшем к этим традиционным направлениям
ИСЭМ СО РАН им Л А Мрлрнтьева
использования углей должно добавиться получение искусственного жидкого топлива.
Учитывая, что сырьевая база мировой энергетики размещена крайне неравномерно, рост потребления энергоресурсов сопровождается увеличением объемов всех видов транспорта, в первую очередь трубопроводного -природного газа, железнодорожного — твердого топлива, морского — нефти и сжиженного природного газа и соответствующим ростом транспортных издержек. Особенную актуальность приобретает эта проблема в нашей стране с ее значительными запасами энергоресурсов и не менее значительными расстояниями до их потенциальных потребителей.
Указанные тенденции обусловливают повышенный интерес к технологиям получения искусственного жидкого топлива (ИЖТ) из твердого и газообразного. Переработка твердого и газообразного топлива в жидкое позволяет повысить потребительские свойства топлива, следовательно, его стоимость, расширить рынок сбыта. Кроме того, получение ИЖТ открывает возможность сократить транспортные издержки путем перехода от железнодорожного транспорта твердого топлива и трубопроводного - природного газа к более эффективному трубопроводному транспорту жидкого топлива.
Среди технологий крупномасштабного производства различных ИЖТ одной из наиболее перспективных является технология получения метанола (СНзОН) из синтез-газа, производимого в свою очередь из угля или природного газа. Это связано с высокой производительностью и селективностью каталитического процесса синтеза метанола, а также возможностью использования метанола как экологически чистого моторного и котельно-печного топлива. В то же время наряду с достоинствами метанолу как топливу присущи и недостатки, основные из которых - токсичность и низкая теплота сгорания (около 21000 кДж/кг). В настоящее время в мире проявляется повышенный интерес к новому энергоносителю - ди-
1ІРКУТСК-2004 6
ИСЭМ СО РАН им Л А Мелентьевл
метиловому эфиру (ДМЭ) [5]. При комнатной температуре и атмосферном
давлении диметиловый эфир - газ, но при давлении 6-8 атм легко сжижа-
ется и без труда помещается в топливные баки. Помимо известных пре
имуществ синтетических топлив (отсутствие ароматических углеводоро
дов, серы и полнота сгорания), диметиловый эфир характеризуется высо
ким цетановым числом (55-60 против 40-55 для нефтяного дизельного топ
лива), а также отсутствием сажи и оксидов азота в продуктах сгорания, что
особенно важно для крупных городов. Получаемый из ДМЭ бензин полно-
ф стью удовлетворяет требованиям последних евростандартов (EURO-4,
ULEV) [6]. Правительство Москвы приняло постановление о городской целевой программе использования ДМЭ в качестве дизельного топлива [7] с привлечением распределительной инфраструктуры сжиженного природ- t ного газа.
В связи с этим в последние годы стала интенсивно разрабатываться
технология получения диметилового эфира (СН3ОСН3), который не обла- '
w дает токсичностью и имеет более высокую теплоту сгорания (около 29000
кДж/кг), чем метанол. Значительные успехи достигнуты в исследовании * двухстадийного процесса получения диметилового эфира из синтез-газа: конверсии метана в синтез-газ (смесь оксидов углерода и водорода) и каталитического синтеза ДМЭ из синтез-газа [8].
Следует сказать, что при производстве как метанола, так и димети-
м лового эфира, выделяется значительное количество тепла и образуются го-
рючие отдувочные газы. Эффективным способом утилизации этих «энергоотходов» является комбинированное производство ИЖТ (метанола или ДМЭ) и электроэнергии в единой энерготехнологической установке (ЭТУ).
Большой интерес к исследованию энерготехнологических установок синтеза ИЖТ и производства электроэнергии определяется следующими причинами:
ИРКУТСК-2004
ИСЭМ СО РАН им Л А Ме-ПЕНТЪЕВА
возникновением существенных технических, экономических, экологических трудностей при крупномасштабном использовании низкосортных углей для производства электроэнергии на традиционных теплоэнергетических установках;
незначительным объемом вредных выбросов ЭТУ в атмосферу, обусловленным высокими технологическими требованиями к составу газа, используемого для синтеза ИЖТ;
> техническим и экономическим эффектом от комбинированного
ф производства электроэнергии и ИЖТ;
> перспективностью использования ИЖТ в качестве экологически чистого моторного и котельно-печного топлива, в качестве сырья для химических производств;
> техническими и экономическими преимуществами дальнего трубо
проводного транспорта ИЖТ по сравнению с транспортом природ
ного газа, а также простотой его железнодорожной и танкерной пе-
ревозки.
Таким образом, развитие процессов комбинированного производства ИЖТ и электроэнергии определяется экономической целесообразностью, технологической необходимостью и условиями охраны окружающей среды.
ЭТУ синтеза ИЖТ характеризуются высокой сложностью техноло-
* гических схем, многообразием физико-химических процессов, протекаю-
щих в элементах, а также практическим отсутствием значительного опыта их проектирования. Основной путь исследования этих установок - математическое моделирование и проведение технико-экономических исследований на моделях.
Кроме этого, оценка экономической эффективности переработки газа и угля в ИЖТ будет не полной, если не учесть эффект, получаемый за счет снижения транспортных затрат при переходе от транспорта газа или угля к
Иркутск-20О4
ИСЭМСОРАНии Л A МеЛЕНТЪЕВА
транспорту ИЖТ. Это приводит к необходимости корректно сопоставлять (с применением одинаковых моделей и цен) транспорт природного газа и ИЖТ.
Как правило, в том числе на востоке России, развитие добычи и транспорта природного газа происходит в рамках единой газотранспортной системы. Для этой системы вопросы динамики добычи газа на отдельных месторождениях и динамики ввода звеньев трубопроводной сети должны решаться согласованно. Включение в такую систему предприятий по производству ИЖТ и трубопроводов для его транспорта существенно усложняет задачу моделирования и оптимизации такой системы и требует специальных методических разработок.
Решение отдельных аспектов указанных выше проблем привлекает внимание ученых как в нашей стране, так и за рубежом.
Вопросам моделирования и исследования энергетических и химико-технологических установок посвящено большое количество работ. Значительный опыт математического моделирования и оптимизации процессов и схем теплоэнергетических установок накоплен в ИСЭМ СО РАН в работах Левенталя Г.Б., Попырина Л.С., Клера A.M. и др.[9-20].
Большой комплекс исследований в области оптимизации процессов и конструкций турбомашин и автоматизации их проектирования проведен в Институте проблем машиностроения АН Украины в работах Шубенко-Шубина Л.А., Палагина А.А. и коллег [21-25]. Интересной в этом направлении представляется методология Алемасова В.Е., Дрегалина А.Ф. в области математического моделирования аэротермохимических процессов в энергоустановках, реализованная в автоматизированной системе моделирования (АСМ) высокотемпературных процессов [26].
В работе Вульмана Ф.А., Хорькова Н.С. [27] предложено построение математических моделей теплоэнергетических установок (ТЭУ) на основе принципов модульного программирования. Принципы технико-
ИСЭМ СО РАН ИМ Л А Мелентърва
экономической оптимизации циклов и схем теплоэнергетических блоков ТЭС изложены в работе Андрющенко А.И. и соавторов [28]. Подход, базирующийся на сочетании аналитических методов оптимизации с математическим моделированием энергоустановок атомных электростанций, представлен в работе Андреева П.А., Гринмана М.И., Смолкина Ю.В.[29].
В химической технологии наибольшие достижения в области методов математического моделирования и оптимизации химического оборудования и химических производств отражены в работах школы Кафарова В.В., Полака Л.С., Островского Г.М. и др. [30-34].
Интересные результаты расчетных исследований, проектных разработок и испытаний опытно-промышленных установок, используемых в качестве исходных данных для проектирования ТЭС с энерготехнологическими паротурбинными и парогазовыми блоками, представлены в работе '"' сотрудников Саратовского государственного технического университета Андрющенко А.И., Попова А.И. [35]. В этом же направлении выполнены * комплексные исследования экологически перспективных энерготехнологических блоков электростанций с новыми технологиями использования & углей в Новосибирском государственном техническом университете Нозд-ренкоГ.В. [36].
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 Кагановича Б.М., Филиппова СП. [37-40].
Вопросы моделирования и исследования процессов энерготехнологической переработки низкосортных топлив стали привлекать значительное внимание специалистов в области энергетических и химических про-
ИОМ СО РАН ИЧ Л А МЕЛЕНТЬРВА
изводств в период нефтяного кризиса 70-х, хотя и нашли меньшее отражение в литературе.
В этом направлении известны работы как у нас в стране: в Энергетическом институте (ЭНИН), Институте горючих ископаемых (ИГИ), Институте высоких температур (ИВТ) РАН, Научно-исследовательском и про-ектно-конструкторском институте по проблемам развития Канско-Ачинского угольного бассейна (КАТЭКНИИуголь) [41-45], так и за рубежом [46-48].
В течение значительного времени -в ИСЭМ СО РАН ведутся работы по математическому моделированию и технико-экономическим- исследованиям ЭТУ синтеза метанола [49-59, 174-176].
Сложные вопросы математического моделирования, оптимизации трубопроводных и других гидравлических систем уже давно решаются с применением теории гидравлических цепей, основные положения которой заложены и развиты в работах Хасилева В.Я., Меренкова АЛ., Сенновой Е.В. и др. [60-63]. В рамках этой теории решен ряд принципиальных вопросов анализа режимов, оптимального синтеза и идентификации параметров систем тепло-, нефте- и газо- снабжения [64, 65].
Совместное использование принципов термодинамики, моделей и методов теории гидравлических цепей дало возможность оценки пределов энергетического и экологического совершенствования технологий трубопроводного транспорта различных энергоносителей, представленной в работах Кагановича Б.М. и соавторов [66, 67].
Общие алгоритмы математических описаний и оптимизации систем транспорта газа, основанные на методах линейного программирования, опубликованы в работах Сухарева М.Г., Ставровского Е.Р. [68-70].
В работе Галиуллина В.Г., Леонтьева Е.В. [71] используется метод оптимизации параметров магистральных газопроводов, основанный на
Иркутск-2004 И
ИСЭМ СО РАН ИМ Л А Мелентьеэа
идее использования обобщенных комплексов, включающих в себя технические и технико-экономические исходные данные.
Работы по сравнительной эффективности транспорта различных энергоресурсов до конечных потребителей опираются в основном на экономические оценки с применением аналитических или упрощенных линейных зависимостей [72, 73].
Анализ проводимых исследований в отмеченных направлениях позволяет выявить некоторые нерешенные вопросы, которые возникают при комплексном рассмотрении систем добычи, переработки энергоресурсов и транспорта энергоносителей.
Работы, связанные с переработкой энергоресурсов в ИЖТ, в основном, посвящены экспериментальному и теоретическому изучению новых технологических высокоинтенсивных процессов переработки угля, опытно-промышленной проверке методов. 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.
В задачах оптимизации систем транспорта энергоносителей часто не учитывается нелинейный характер зависимостей, не проводится оптимизация пропускных способностей трубопроводов. Кроме того, не учитывается важный фактор оптимального режима разработки конкретного месторождения в системе добычи и переработки энергоресурсов и транспорта энергоносителей с учетом динамики.
Анализ выполненных работ позволяет сделать вывод об актуальности комплексного подхода к исследованию технических систем добычи, переработки и транспорта энергоносителей (ТСДПТЭ), содержащих в своем составе предприятия по переработке природного газа в ИЖТ и сие-
ИСЭМ СО РАН ИМ. Л А. Меленгъева
темы транспорта ИЖТ, на основе согласованной системы математических моделей входящих в нее элементов и исходных данных.
Таким образом, основной целью работы является разработка методических подходов, математических моделей и методов для комплексного решения следующих взаимосвязанных задач для оценки условий широкомасштабного вовлечения ИЖТ в энергетику страны. Выбор оптимальных технологий переработки угля и природного газа
в ИЖТ, схем и параметров реализующих их установок. а Выбор оптимальных технологий дальнего транспорта ИЖТ. а Согласованная оптимизация технических систем добычи, переработки энергоресурсов и транспорта энергоносителей. В итоге решения этих задач в диссертации впервые получены, составляют предмет научной новизны и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты.
Методика математического моделирования энерготехнологических установок синтеза ИЖТ и производства электроэнергии и разработанные на ее основе математические модели ЭТУ синтеза метанола и ДМЭ на угле и природном газе.
Постановка и методический подход к решению задачи комплексных технико-экономических исследований ЭТУ синтеза ИЖТ и производства электроэнергии при различных условиях их функционирования.
Метод решения задачи оптимизации параметров энерготехнологических установок с учетом случайного характера исходных данных, основанный на принятии в качестве целевой функции критерия эффективности с заданным уровнем обеспеченности.
Постановка и решение задачи нелинейной оптимизации пропускных способностей трубопроводов ИЖТ на основе их математических моделей.
ИГЭМ СО РАН им Л А Мемнтьёв*.
Методический подход к оценке сравнительной эффективности дальнего транспорта различных энергоносителей с учетом затрат на их переработку.
Методика математического моделирования элементов ТСДПТЭ, включающих энерготехнологические установки по переработке природного газа и угля в ИЖТ, газовые месторождения, элементы систем транспорта энергоносителей с учетом нелинейности, дискретности и развития в динамике и математические модели элементов ТСДПТЭ и системы в целом, построенные на её основе,
Комплексный подход к проблеме использования ИЖТ в энергетике страны, состоящий в согласованной оптимизации ТСДПТЭ, содержащей в своем составе предприятия по добыче природного газа, предприятия синтеза ИЖТ и системы транспорта энергоносителей, учитывающий нелинейный характер технологических процессов, дискретный характер некоторой части технико-экономической информации, развитие ТСДПТЭ в динамике с выделением нескольких расчетных интервалов времени. >
Практические результаты, полученные на базе разработанных методов и моделей:
оптимизации ЭТУ синтеза метанола или ДМЭ и производства электроэнергии при различных условиях функционирования;
оптимизации ЭТУ синтеза метанола в условиях неопределенности функционирования;
оптимизации пропускных способностей трубопроводов ИЖТ;
сравнительной эффективности дальнего транспорта различных энергоносителей с учетом затрат на их переработку.
9. Пример оптимизации ТСДПТЭ, содержащей в своем составе ЭТУ
синтеза ИЖТ и системы трубопроводного транспорта ИЖТ.
Иркутск-2004 14
ИСЗМ СО РАН ИМ Л А МЕЛЕНТЪГВА
Практическая ценность работы. Разработанные методики, методические подходы, математические модели, алгоритмы и программы расчета позволяют получать' оптимальные схемно-параметрические решения по технологиям производства ИЖТ из угля и природного газа, технологиям транспорта ИЖТ, структуре и динамике развития ТСДПТЭ, которые включают подсистемы производства и транспорта ИЖТ. Полученные с использованием представленных разработок технико-экономические показатели ЭТУ и систем транспорта ИЖТ могут служить информационной базой для обоснования рациональных масштабов вовлечения в топливно-энергетический баланс страны и объёмов экспорта ИЖТ из углей и природных газов крупных месторождений России.
Методические результаты диссертационной работы получили практическую реализацию в работах ИСЭМ СО РАН, ИНХС РАН и МЕТА-НОЛПРОЕКТа по технико-экономическим исследованиям ЭТУ производства метанола и электроэнергии. На базе разработанных методов1 и моделей были проведены исследования, результаты которых нашли отражение в материалах: «Программа развития энергетики Восточно-Сибирского района», 1992-1993; «Комплексные исследования перспективных технологий для малой энергетики», 1994; «Концепция развития нефтегазовой промышленности восточных регионов России и изучение возможности экспорта углеводородных ресурсов в страны АТР», 1998 г.; «Разработка комплексной программы «Развитие топливно-энергетического комплекса Восточной Сибири и Дальнего Востока», 2000; «Концепция создания единой системы добычи и транспортировки нефти и газа Восточной Сибири и Дальнего Востока с выходом на рынки стран тихоокеанского региона», 2001; и др.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих заседаниях.
ИСЭМ СО РАН ИМ Л A MFJIFHTbEB*
S Международная конференция «Восточная энергетическая политика России и проблемы интеграции в энергетическое пространство Азиатско-Тихоокеанского региона», 22-26 сентября, 1998, Иркутск, Россия.
S 4th International Conference on Northeast Asian Natural Gas Pipeline, 1998, Ulan-Bator, Mongolia.
J Second international conference on a World Energy System, May 19-22, 1998, Toronto, Ontario, Canada.
* 5 International Conference on Northeast Asian Natural Gas Pipeline, 25-27 July 1999, Yakutsk.
S Семинар вузов Сибири и Дальнего Востока, институтов СО РАН по теплофизике и теплоэнергетике, посвященного памяти академика С.С. Кутателадзе, 6-8 октября, 1999, Новосибирск.
S Международная конференция «Физико-технические проблемы Севе
ра», 10-11 июля, 2000, Якутск. *
S International Conference «Energy Integration in Northeast Asia: Perspectives for the Creation of Interstate Electric Power Systems»," September 21-22, 2000, Irkutsk, Russia.
S Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы использования Канско-Ачинских углей на электростанциях», 21-23 ноября, 2000, Красноярск.
V Всероссийская конференция «Энергетика России в 21 веке: проблемы и научные основы устойчивого и безопасного развития», 14-17 сентября, 2000, Иркутск.
S The 6th International Conference on Northeast Asian Natural Gas Pipeline: Multilateral Cooperation, September 17-19, 2000, Irkutsk, Russia.
S 12-ая Байкальская международная конференция «Методы оптимизации и их приложения», 24 июня-1 июля, 2001, Иркутск.
Иркутск-200+ 16
ИСЭМ СО РАН им Л Л Мелентьев*
S Третья Международная конференция «Энергетическая кооперация в
Северо-восточной Азии: предпосылки, условия, направления», 9-13
сентября, 2002, Иркутск, Россия.
J 5-е Мелентьевские чтения «Системные исследования развития энер
гетики в рыночных условиях», 8-9 декабря, 2003, Звенигород и др.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 работ, из них - 1
монография, главы в 6 монографиях, 8 статей в центральных изданиях, а
также в сборниках и трудах международных, всероссийских симпозиумов,
ф конференций и семинаров.
Личный вклад. Диссертантом разработано лично или при активном участии большинство из представленных методических подходов, математических моделей, алгоритмов и программ расчета. Те части исследований, которые проводились в сотрудничестве, или использованные наработки других авторов, отмечены при описании содержания глав. Все практические результаты получены лично автором. Несомненный вклад в работу научного консультанта, который на начальных этапах исследовании был идейным и практическим организатором работ и впоследствии своими ценными замечаниями и плодотворным обсуждением помогал в вопросах решения поставленных проблем.
Состав и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, за
ключения, списка литературы из 177 наименований. Общий объем - 257
I страниц, из них 236 страниц основного текста, 41 таблица, 30 рисунков.
Во введении кратко обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, отмечены элементы новизны полученных результатов и перечислены положения, выносимые на защиту.
Состояние и перспектива развития мирового рынка метанола
Основными потребителями метанола в мире являются промышленно развитые страны. В 90-х годах производство метанола развивалось высо кими темпами в связи со стремительно растущим спросом на МТБЭ, ут вержденным в США «Законом о чистом воздухе» в качестве приоритетно го окислителя автомобильного топлива. ш В середине 90-х годов темпы роста спроса изменились, так как его потребление приблизилось к максимуму, а предложение продукта на рынке удовлетворяло спрос. Тем не менее, в 1996-2000 гг. мировые мощности по выработке метанола были расширены примерно на 25%. В табл. 1.2 приведены данные по мировому потреблению метанола в различных отраслях промышленности [169]. Таблица 1.2 Спрос на мировом рынке, тыс. тонн Продукты 1998 1999 2000 2001 2002 Формальдегид 9712 10173 10408 10018 10463 МТБЭ 7507 7696 8124 8266 7531 Кислоты 2331 2695 2840 2793 3027 Диметилтерефталат 584 584 579 588 588 Метилметакрилат 734 774 792 829 845 Топливо 776 854 888 830 844 Растворитель 1066 1101 1147 1209 1245 Другие 3995 4156 4342 4532 4738 Общий спрос 26705 28033 29120 29065 29281 Все данные, используемые в таблице, приводятся в отчетах Methanol Institute, США (www, me th an ol. ог ),
Природный газ является пока практически единственным видом сырья для получения метанола. Цены на природный газ имеют принципиаль ИРКУТСК-2004 ИСЭМ СО РАН им ЛА. МЕЛЕНТЬЕВА ное значение для развития производства метанола. В последнее десятилетие рост его производства происходил главным образом в странах, распо к лагающих дешевым природным газом (например, Тринидад и Тобаго, Чили). В настоящее время крупнейшим производителем метанола в мире остаются США, хотя в 1996-2000 гг. объем производственных мощностей в этом секторе химической индустрии из-за нерентабельности сократился примерно на 25%. В число крупных производителей метанола no il прежнему входит Россия, а по итогам последних лет к их числу можно от нести Саудовскую Аравию, Тринидад и Тобаго, Новую Зеландию и Чили. В перспективе мощности в странах и регионах с дешевым природным газом будут расти. В Северной Америке продолжится сокращение мощностей в связи с повышением цен на природный газ. Так, в Канаде большая часть произ водств уже закрыта, то есть страна больше не входит в число крупных производителей метанола. В США процесс сокращения производства и за крытия предприятий будет продолжаться. Даже при цене на природный газ 2 ДОЛЛ./МЛН. БТЕ производство метанола для некоторых производителей в стране было убыточно, во второй половине 2000 г. цены поднялись в среднем до 5,4 долл./млн. БТЕ, что в значительной мере снизило конкурентоспособность американских производителей метанола.
В связи со значительными изменениями географической локализации производственных мощностей в последние годы подверглась изменениям и сложившаяся в начале 90-х годов схема мировой торговли метанолом. Так, в США продукт поставляется, главным образом, из Канады и Тринидада и Тобаго, в Западную Европу - из России, Канады и стран Среднего Востока, в Японию - из Канады, стран Среднего Востока и Океании. Канада, поставлявшая более 40% импортируемого США метано-ла, более не является его основным экспортером в эту страну. Значительно ИРКУТСК -2004 ИСЭМ СО РАН им Л.А. МЕЛЕНТЬЕВА сократились ее продажи в Западную Европу и Японию. Теперь эти поставки осуществляются из Чили [170].
В перспективе объем мировой торговли метанолом будет расти. По расчетам, в США из-за сокращения выработки метанола потребление продукта собственного производства снизилось к 2000 г. до 50% (в середине 90-х годов этот показатель был на уровне 75%). Другая причина - рост спроса на МТБЭ в Западной Европе и Азиатском регионе.
В Западной Европе не предполагается строительство новых мощностей по выработке метанола, а введение с 2000 г. новых спецификаций на автомобильный бензин в большинстве стран региона вызвало повышенный спрос нефтепереработчиков на МТБЭ и, соответственно, на метанол. Азиатские страны продолжают использовать МТБЭ в качестве основного средства в борьбе за чистоту выхлопных газов автомобильного транспорта. Для российских производителей этот рынок является перспективным. Та же Япония потребляет ежегодно 2 миллиона тонн этого сырья и полностью зависит от его импорта из Индонезии, Саудовской Аравии, Новой Зеландии и других стран, достаточно удаленных от Японии.
В настоящее время метанол является сырьем главным образом для химической промышленности. По оценкам зарубежных специалистов, существует несколько областей применения метанола, которые при условии разработки новых экономичных технологий, могут в значительной мере повлиять на рост спроса на этот продукт.
В мире разрабатывается множество технологий, предполагающих использование метанола в качестве топлива для прямого сжигания и для топливных элементов, а также для .получения бензина. Продвижение технологии конвертирования метанола в бензин или другие продукты, получаемые в настоящее время только из нефти, может существенно поднять спрос на него.
Значительный интерес представляет использование метанола в качестве топлива на электростанциях, оборудованных газовыми турбинами с комбинированным циклом по топливу. По данным специалистов, потребуется незначительная модификация этих установок при переводе их на метанол [47, 48, 172].
Компания FOSTER WHEELER лицензировала процесс получения мета нола топливного сорта. Компания планирует разработать этот процесс до коммерческого применения с целью получения метанола, который можно Щ использовать в качестве альтернативного топлива на силовых электро станциях, работающих на сжиженном природном .газе. Компания METHANEX и другие производители метанола химического сорта также рассматривают возможности выхода на этот рынок. Б программы по созданию метанольных топливных элементов включились как крупнейшие компании по производству метанола METHANEX И STATOEL, так и ряд автомобилестроительных фирм, в частно т сти Форд и Даймлер Крайслер, которые разрабатывают соответствующие двигатели, По прогнозам, двигатели с метанольными топливными элементами могут появиться на рынке в 2005 г. По расчетам специалистов, затраты на заправочные станции для автомобилей с метанольными топливными эле ментами будут на приемлемом уровне, причем для этой цели могут быть переоборудованы существующие бензоколонки. Однако у этой технологии имеются противники. В частности, компания GENERAL MOTORS, которая предполагает выпускать к концу текущего десятилетия ежегодно сотни и тысячи автомобильных двигателей на базе топливных элементов, еще не определилась, какое именно топливо будет применяться для этой цели.
Проблемы создания эффективной математической модели эту
В энергетическом блоке предусмотрен наиболее перспективный для энергетических установок комбинированный парогазовый цикл.
В блоке газификации осуществляются процессы газификации твердого топлива (или конверсии природного газа), охлаждение и очистка продуктов газификации, генерация пара высокого и низкого давления. Входными потоками в данный блок являются: твердое топливо-уголь (или природный газ), кислород и дутьевой пар, подающиеся в газогенератор (или в 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 ИРКУТСК - 2004 ИСЭМ СО РАН им Л А МЕПЕНТЪЕВА шлака и для очистки и охлаждения продуктов газификации (конверсии). Выходными потоками являются синтез-газ, поступающий в блок синтеза метанола, а также пар высокого и низкого давления, идущие в энергоблок на выработку электроэнергии.
В блоке синтеза метанола осуществляется процесс каталитического синтеза метилового спирта. В блок поступают потоки: синтез-газа; питательной воды, из которой вырабатывается пар низкого давления; охлаждающей воды для отвода тепла конденсации метанола-сырца. Выходные потоки - продувочный газ, идущий на сжигание в энергоблок; жидкий метанол-сырец, который выводится из установки; сгенерированный пар низкого давления, поступающий в энергоблок на выработку электроэнергии.
В энергетическом блоке происходит процесс сжигания продувочно-го газа, генерация пара в котле-утилизаторе, выработка электроэнергии в паровой и газовых турбинах. Входными потоками являются: продувочный газ, сжигаемый в камере сгорания; необходимый для сжигания воздух; пар промперегрева, пар высокого и низкого давления, направляемые в паро-вую 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, в блок газификации (конверсии) подается пар на дутье и на вторую ступень промперегрева с холодной нитки промперегрева энергоблока.
Далее перейдем к более подробному рассмотрению отдельных блоков ЭТУ синтеза метанола из угля. Технологическая схема блока газификации представлена на рис.3.2. Блок газификации состоит из газогенераторов с кипящим слоем, выносных и встроенных циклонов, скруббера мокрой золоочистки, системы глубокой очистки синтез-газа и системы получения кислорода.
Рассматриваемый в работе газогенератор представляет собой агрегат, состоящий из двух корпусов. В одном, реакторе, располагается кипящий слой и надслоевое пространство, окруженные испарительными экранами, в другом - система конвективных газопаровых и газоводяных теплообменников, предназначенных для охлаждения продуктов газификации, и встроенные циклоны. Для возврата отделенных в циклонах частиц золы и угля в кипящий слой используется часть направляемого на дутье пара. Шлак из реактора газогенератора направляется в охладитель, где охлаждается водой.
Процесс газификации топлива происходит в реакционной камере газогенератора в кипящем слое при температуре около 1173 К и давлении 2 МПа на паро кислородном дутье. Пар на процесс газификации топлива от-бирается из холодной нитки промперегрева в энергоблоке. Кислород поступает из кислородного отделения, сжатие его происходит в кислородном і компрессоре. .
Генераторный газ, выходящий из кипящего слоя, охлаждается в ис-парительных экранных поверхностях в надслоевом пространстве, а затем в системе конвективных теплообменников. Питательная вода для охлаждения продуктов газификации поступает из энергоблока. Полученный в результате пар различных параметров направляется в отсеки паровой турбины энергоблока и используется для выработки электроэнергии.
В блоке предусматривается очистка продуктов газификации. Грубая сухая очистка от частиц золы и угля происходит во встроенных циклонах газогенератора и в выносном циклоне. Тонкая очистка газа от пыли производится в скруббере мокрой золоочистки. Кроме этого предусмотрена очистка продуктов газификации от соединений серы и излишнего С02 в системе глубокой очистки газа.
Полученный синтез-газ поступает на вход блока синтеза метанола для каталитического получения метанола-сырца.
Технологическая схема блока синтеза метилового спирта. Блок синтеза метанола состоит из трех последовательно включенных ступеней. Технологическая схема ступени блока синтеза представлена на рис.3.3.
Каждая ступень блока содержит регенеративный газо-газовый теп лообменник, несколько параллельно включенных реакторов синтеза, кон денсатор метанола-сырца, сепаратор. Реактор разделен на десять адиабат ных зон, заполненных катализатором, между которыми включены конвек тивные теплообменники для отвода тепла, выделяющегося в процессе синтеза. Получаемый при этом пар низкого давления поступает на паро вую турбину энергоблока для выработки электроэнергии. Синтез-газ, поступающий из блока газификации, дожимается в компрессоре синтез-газа, догревается в регенеративном теплообменнике и по-. ступает на вход реакторов, где происходит процесс каталитического синтеза метилового спирта на медьсодержащем катализаторе СНМ-1. Газ по-еле реакторов охлаждается в расположенных по ходу газа теплообменни-" ках: регенеративном и конденсаторе метанола-сырца. В последнем газ охлаждается до заданной температуры, при этом большая часть метанола и водяных паров конденсируется. Эта жидкость (метанол-сырец) отделяется от газа в сепараторе и выводится из установки. Оставшийся, так называемый продувочный газ, поступает в следующую ступень блока синтеза, а из последней ступени направляется в энергетический блок на сжигание.
Математическая модель энергетического блока
В блоке генерируется острый пар и пар низкого давления, которые идут в энергоблок на выработку электроэнергии,
В блоке синтеза диметилового эфира осуществляется каталитический синтез ДМЭ. Блок, также как в установке синтеза метанола, имеет три последовательных ступени синтеза с различным числом параллельно работающих реакторов в каждой ступени.
В энергетическом блоке происходит сжигание продувочного газа, поступающего из блока синтеза диметилового эфира, охлаждение продуктов сгорания и выработка электроэнергии в газовых и паровой турбинах.
В отличие от ЭТУ синтеза метанола, технологическая схема которой представлена на рис.3.5, в ЭТУ синтеза ДМЭ не требуется установка промежуточных теплообменников в реакторах синтеза. Это обусловлено существенно меньшим тепловыделением при образовании из синтез-газа ДМЭ, чем при образовании метанола, что позволяет достичь в адиабатном каталитическом реакторе термодинамического равновесия, не выходя из допустимого для процесса синтеза интервала температур.
Математическая модель блока конверсии природного газа включает модели реакционных камер конвертора, радиационных и конвективных теплообменников, в которых продукты конверсии охлаждаются водой или паром, систем очистки синтез-газа. Математические модели теплообменников ориентированы на определение требуемой площади поверхности нагрева и других конструктивных характеристик. Математическая модель блока синтеза ИЖТ включает модели компрессоров синтез-газа, каталитических реакторов, регенеративных газо-газовых теплообменников и холодильников-конденсаторов. Математическая модель энергетического блока включает математические модели расширительной и основной газовых турбин, воздушного компрессора, камеры сгорания продувочного газа, паровой турбины и котла-утилизатора.
На основании расчета технологических схем ЭТУ определяются такие технико-экономические показатели, как производство ИЖТ и электроэнергии (при заданном расходе природного газа), коэффициент полезного действия установки, мощности механизмов собственных нужд, величины поверхностей нагрева теплообменных аппаратов, капитальные вложения и ДР Как известно [98, 118] процесс синтеза ДМЭ из синтез-газа проходит через стадию образования метанола и в газовой смеси на выходе из реакторов присутствует остаточный метанол (до 4-6 %% об. в зависимости от условий процесса синтеза). Этот метанол может использоваться после разделения как целевой продукт, либо может быть возвращен в цикл, что повышает общий выход диметилового эфира. В работе рассматривается по-следний вариант.
Так как технологические установки синтеза метанола и ДМЭ имеют подобные схемы, математические модели блока конверсии и энергетического блока аналогичны соответствующим математическим моделям ЭТУ синтеза метанола, описание которых приведено в предыдущей главе. Там же дано описание основных математических моделей элементов, входящих в их состав. Принципиальное различие ЭТУ синтеза ДМЭ и метанола состоит в блоке синтеза, конкретно в реакторе синтеза ДМЭ. Поэтому далее приведено подробное описание математической модели реактора синтеза.
Следует отметить, что для технологий каталитического синтеза ДМЭ из синтез-газа, в отличие от синтеза метанола, в публикациях не приводятся уравнения химической кинетики этих процессов. Указывается только на их высокую селективность и производительность. При этом практически единственной основой для оценочных расчетов процессов синтеза остаются условия термодинамического равновесия в сочетании с законом сохранения энергии. Именно такой подход к анализу процесса синтеза ДМЭ использован в [118]. Допустимость такого подхода к математическому моделированию процессов каталитического синтеза на предпроектных стадиях исследования возможна потому, что стоимость собственно реакторов синтеза в общей стоимости ЭТУ составляет лишь несколько процентов и погрешность, обусловленная упрощенным описанием процессов, не приведет к существенным ошибкам в определении технико-экономических показателей установок. Эта погрешность соизмерима с ошибками, связанными с неопределенностью экономической информации.
В данной работе моделирование химических реакторов ДМЭ базируется на соотношениях равновесной термодинамики [119-121]. Термодинамическое описание процессов, протекающих в химических реакторах, должно включать следующие зависимости.
Математическая модель реактора синтеза ДМЭ
В рассматриваемых задачах критерий эффективности F(x,y) (внутренняя норма возврата капиталовложений, чистая дисконтированная стоимость проекта и др.) зависит от вектора оптимизируемых параметров х є Е" и вектора случайных параметров у є Ет. Оптимизационные исследования проводятся в рамках физико-технических ограничений, накладываемых на вектор оптимизируемых параметров, т. е. на множестве R = {x\G{x) 0, Н(х)=0} , (6.1) где G(x) И Н(Х) - нелинейные вектор-функции. Для вектора случайных параметров у задается множество возможных значений, т.е. у їуйу Ь (6.2) и предполагается, что известны законы распределения значений случай ных параметров на соответствующих интервалах. й Рассмотрим задачу максимизации внутренней нормы возврата капиталовложений с заданной обеспеченностью. С математической точки зрения она сводится к решению следующей задачи.
Требуется максимизировать детерминированную целевую функцию при вероятностных ограничениях, т.е. найти тах (6.3) при условиях X&R, (6.4) P{F(x,y) 0} Pz (6.5) где - дополнительная оптимизируемая переменная (предел обеспеченности одномерного распределения порядка Pz); Рг - заданное значение веро ИРКУТСК-2004 155 ИСЭМ СО РАН ИМ. ДА. МЕЖНТЬЕВА ятности (уровень обеспеченности критерия эффективности F(x,y)). Очевидно, что значение вероятности Pz удовлетворяет условию 0 Pz 1.
Задача (6.3)-(6.5), решаемая при выполнении условий (6.1)-(6.2) и сделанных выше предположениях, относится к классу задач стохастического программирования с вероятностными ограничениями. В работе [141] представлен общий подход к решению такого рода задач. Прежде всего, при решении возникает вопрос о том, какие точки х є R следует считать допустимыми. Трудность заключается в сложности проверки ограничения (6.5). В прямых методах стохастического программирования контроль выполнения ограничения (6.5) осуществляется вероятностными методами с помощью испытаний в пространстве состояний случайных величин. При этом точное решение задачи (6.3)-(6.5) получается при бесконечном числе испытаний. Очевидно, что при технико-экономических исследованиях сложных технических систем нельзя рассчитывать на проведение доста точно большого числа испытаний, а дано лишь конечное число испытаний, которым следует распорядиться так, чтобы найти решение х є R, с наибольшей гарантией удовлетворяющее условию (6.5) и максимизирующее целевую функцию (6.3). Такая постановка задачи приводит к дискретизации вектора случайных параметров и к экстремальным задачам частично-дискретного программирования.
Предполагаем, что законы распределения компонентов вектора у не зависят Друг от друга и от вектора оптимизируемых параметров л:. Для решения задач вида (6.3)-(6.5) предлагается алгоритм, который, хотя и не имеет строгого математического обоснования, но на практике показывает хорошую сходимость к оптимальному решению для достаточно сложных прикладных задач.
Основная идея решения задачи вероятностной оптимизации (6.3)-(6.5) состоит в том, что она сводится к последовательности более простых задач из класса детерминированных задач нелинейного программирования. Для этой цели выделяется конечное число М сочетаний значений случайных параметров вектора - У\,У2, — ,Уі -",Ум Выбранные точки распределены равномерно на множестве {у""", утах] и имеют известные вероятности реализации р{,р2,...,рг;,...,рм,такие, что
Число рассматриваемых сочетаний значений случайных параметров М подбирается таким образом, чтобы совокупность точек УІ У2І — УІ - Ум составляла достаточно представительное подмножество г пил max-, -п множества \У , у ] При равномерном законе распределения р. —t v і є [і,М] В начальной точке, допустимой с точки зрения ФИЗМАТ ко-технических ограничений, т.е. х є Я, все М реализаций вектора слу чайных параметров у нумеруются в соответствии с убыванием значений принятого критерия эффективности (внутренней нормы возврата капита ловложений в данном случае) Р;\х ,у)\ где F1[x\y?) F2[x\y2}) ... Fi(x\y?) ... FM(x( yMy Выделяется такая о реализация вектора случайных величин yJt которая соответствует наибольшему значению критерия эффективности среди реализаций, отвечающих условию превышения заданной обеспеченности критерия. Начиная с реализации yJf последовательно выбирается к предшествующих реализаций вектора случайных параметров yJy yJ_],...,yJ k. Пусть совокупность
