Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛЛВЛ 1. Аналитический обзор и иосіаиовка задачи 10
Современное состояние вопроса построения, исследования и 10 оптимизации топливно-энергобаланса металлургического комбинат
Современное сосюяние вопроса математического 15 моделирования и оптимизации источника энерюснабжения промышленного предприятия
Парогазовые технологии на современном этапе развития 21 энергетики
1.4. Постановка задачи 30
ГЛЛВЛ 2. Построение математических моделей ПГУ-ВГЭР, ТЭЦ- 32
ПВС и математической модели усредненного металлургического
комбината
2.1. Описание математической модели ПГУ-ВГЭР 32
Описание математической модели ГТУ 32
Описание математической модели котла-утилизатора 41
Моделирование геплофизических свойств воды и 44 водяного пара
Математическое описание рабоїьі іепловой схемы 48 паровой турбины ПГУ-ВГЭР
Методика упрощенных расчетов показателей 50 ушлизационных и сбросных схем ПГУ-ВГЭР
2.2. Интеграция математической модели ТЭЦ-ПВС с ПГУ-ВГЭР в 55
расчет энергобаланса металлургического комбината
Постановка задачи схемно-параметрической оптимизации 60 ТЭЦ-ПВС в рамках рассмотрения полною энергобаланса металлурі ического комбината
Критерии оптимизации энеркмехнологической системы, 63 включающей ТЭЦ-ПВС, в рамках полного энергобаланса металлу pi ического комбината
Особенности применения меюдов ошимизации в задачах 64 оптимизации меіаллургических и теплоэнергетических процессов
Краткое описание применяемого метода оптимизации DSFD 65 (Метод прямого поиска возможных направлений)
Поиск глобальною оптимума на базе мноюкрагного поиска 67 локальных оптимумов
Выводы 69
ГЛАВА 3. Расчетно-теоретичсское исследование характеристик ГТУ 70
и ПГУ, работающих на ВГЭР меіаллурі ическоіо комбината
Особенности применения парогазовых технологий в условиях 70 металлургического комбинат
Характеристики доменною і аза 71
Характеристики коксового газа 73
Харак і еристики конвертерною і am 74
Характеристики простого цикла ГТУ при работе на различных 77 топливах
Характеристики ПГУ с ко і лом - утилизатором (ІІГУ-КУ) при 100 работе на различных іазовьіх топливах
Выводы 103
ГЛАВА 4. Опіимизация схемно-парамеїрических решений ТЭЦ-ПВС 105
металлургическої о комбината
4.1. Структура топливно-энергетическою баланса 105
металлурі ического комбинаїа
Топливно-знеріегические балансы зарубежных 111 металлургических заводов
Топливно-энергетический и материальный балансы 115 усредненного металлургическою комбинат
Схемно-параметрическая оптимизация энергоснабжения 126 усредненного металлургическою комбината на базе традиционных паротурбинных установок по критерию минимума потребления топливно-знеріеіических ресурсов
Схемно-параметрическая оптимизация энергоснабжения 131 усредненною металлурі ического комбината на базе традиционных паротурбинных усіановок по критерию минимума затрат на топливно-энергетические ресурсы
Схемно-параметрическая оніимизация энергоснабжения 136 усредненного металлургическою комбинаїа на базе ПГУ-ВГЭР
по криіерию минимума иоіребления топливно-энергетических ресурсов.
4.7 Схемно-параметрическая ошимизация энергоснабжения 141
усредненного металлургическою комбинаїа на базе ПГУ-ВГЭР
по критерию минимума затрат на топливно-знеріетические ресурсы.
4.8 Схемно-параметрическая оптимизация эиерюспабжспия 147
усредненною металлурі ическою комбината на базе ПГУ-ВГЭР
по критерию минимума шраг на гопливноонеріетические
ресурсы в условиях увеличения стоимости природної о газа.
4.9. Схемно-параметрическая ошимизация энергоснабжения 149
усредненною металлургическою комбинаїа на базе ПГУ-ВГЭР
по критерию минимума суммарных (интегральных) затрат.
Выводы 151
Выводы по работе 152
Литература 154
Введение к работе
Одной из наиболее акіуальньїх проблем в черной металлургии является повышение энерюэффективности и ЭКОЛ01ИЧНОСГИ производства на металлургических предприятиях. В условиях постепенного роста цен на топливно-энергетические ресурсы, энергопотребление при производстве стали становится всё более и более значимым фактором. Крупный металлургический комбинат полного цикла можеі имеїь производительность около 10 млн. т. стали в год и поіреблять колоссальное количеспю топлива - более 10 млн. т у.т. в год. В целом по стране иредприяіия черной металлургии потребляют около 15% всею производимого природного юплива и более 12% электроэнергии. Доля предприятий черной меіаллуріии в общем объеме промышленной продукции Российской Федерации составляет весомую величину - более 12%.
По оценкам, потенциал энергосбережения российских металлургических нредприяіий составляет 20-30%. Доля покупных энергоресурсов - угля, кокса, природного газа и электроэнергии - в сірукіуре себестоимости проката составляет 30-50%, что говори і о высокой энергоемкости производства. Значительного эперюсбережения можно добиться, в первую очередь, за счет рационального построения и оптимизации топливно-энергетического баланса металлургического комбината, а также оптимизации энерюиснользования в отдельных технологических процессах.
ТЭЦ-ПВС меткомбината компенсирует небаланс производственного пара, одновременно обеспечивая утилизацию ВГЭР, отпускает заданные объемы сжатого воздуха и электроэнергию. 'Го есть является важнейшим звеном, замыкающим юпливно-знеріеіический баланс меткомбината по этим энергоносителям, поэтому вопросы оптимизации энергоиспользования в отдельных технологических процессах должны рассматриваться совместно не только между собой, но и включать вопросы, касающиеся энергетики предприятия.
Для решения этих задач необходимо применение сие і ємного анализа для энерготехнологическою комплекса металлургического комбината,
6 являющеюся сложной системой.
На мноіих меткомбинаїах оборудование ТЭЦ-ПВС физически и морально усгарело, в связи с чем назрела необходимосіь проводить ее техническое перевооружение, используя современное или даже разрабатывая новое энергетическое оборудование.
Повышение экономии ТЭР, снижение выбросов вредных веществ и парниковых газов, а, следовательно, повышение экономической эффективности меткомбината, за счет разработки оптимальных схемно-параметрических решений ТЭЦ-ПВС на базе ИГУ и с увязкой топливно-энергетического баланса металлургического комбината являеіся весьма актуальной задачей.
Цель работы. Целью рабоїьі является разработка и выбор оптимальных схемно-параметрических решений '1ЭЦ-ПВС на базе ПГУ в увязке топливно-энергетического баланса металлургического комбината Для достижения указанной цели требуеіся
разработать математическую модель ТЭЦ-ПВС, включающую модель ПГУ (ГТУ) на ВГЭР, модель пароіурбинной ТЭЦ-ПВС, позволяющую проводить расчет и оптимизацию схем и параметров 1ЭЦ-ПВС с учетом полною топливно-энергетического баланса ме і комбината;
разработать метод оценки оптимальных обласіей применения ПГУ и ГТУ, ПТУ-ТЭЦ, рабоїающих на ВГЭР меіаллурі ического комбината;
разработать инструмент выбора оптимальной страгеїии развития ТЭЦ-ПВС на основе математических моделей и методов с учетом полного топливно-знеріеі ического баланса меткомбинаїа.
Научная новизна рабопл заключается в следующем:
Впервые разрабоїана единая матемаїическая модель ТЭЦ-ПВС, включающая модель ПГУ на ВГЭР, модель паротурбинной ТЭЦ и ПВС, позволяющая проводить расчет и ошимизацию схем и параметров ТЭЦ-ПВС с учетом полного топливно-энергетическою баланса меткомбината.
Получены характернеіики ПГУ-КУ на гопливах ВГЭР меткомбината, установлено, что при одинаковых начальных параметрах ГТУ на их
7 характеристики оказьіваеі влияние объемное содержание в топливе ССЬ, СН4, ЬЬО, СО, Иг, СЬ, N2 (по степени убывания влияния).
Получены условия взаимозаменяемости топлив ВГЭР для ПГУ-КУ, показано, что в зависимости от состава юплива ВГЭР ГТУ (ПГУ) ее агрегатная и схемная реализация должна бьпь различна. Для группы низкокалорийных смесей (до 12 МДж/м ) на основе доменного, конвертерною и природного газов должен использоваться топливный компрессор ГТУ динамического действия; для группы высококалорийных смесей ( более 17 МДж/м3) на основе коксового и природною газов - топливный компрессор ГТУ объемного действия.
Установлено, что для задач наращивания только электрической мощности оптимально использование ПГУ, для задач замены оборудования с высокой долей отопительной нагрузки - ПТУ, для задач замены оборудования с наращиванием электрической мощное і и и с высокой долей производственной тепловой нагрузки - сочетание ПТУ и ПГУ (ГТУ) на ВГЭР металлургического комбината, которое зависит от структуры производства меткомбината.
Усыновлено, что сущее і вую г оптимальные области применения на ТЭЦ-ПВС металлургическою комбината ИГУ-ТЭЦ и ГТУ-ТЭЦ, работающих на топливах ВГЭР, в зависимости от нарамеїров отпуска тепла.
Пракіическан ценность рабоїьі сосюит в том, что разработанные в ней меюды и ее результаты позволяют решить сложную задачу формирования энергетической стратегии металлуріических производств. Разработанная методика рекомендуется к использованию при техническом перевооружении и модернизации 1ЭЦ-ПВС металлургических комбинатов России и стран СНГ.
Достоверное и» и обоснованное! ь резулыатов работы обусловлены применением современных меюдов термодинамическою анализа, апробированных методов маїематического моделирования, надежных и отработанных методов системных исследований в промышленной теплоэнергетике, применением широко используемых методик расчетов теплоэнергетических агрегатов и достоверных справочных данных, сравнением полученных результатов с данными друїих авторов и данными, полученными
8 при проведении энергоаудита теплоэнергетических систем металлургических производств.
Автор защищает:
разработанную методику и оптимизационную математическую модель ТЭЦ-ПВС, включающую ГТУ- и ПГУ-ВГЭР, интефированную в оптимизационную математическую модель металлургическою комбината;
результаты расчетных исследований характеристик и энергетических показателей эффективности парогазовых и газотурбинных установок, работающих на ВГЭР металлурі ическою комбината
резулыагы оптимизационных исследований и поиска структуры ТЭЦ-ПВС, включающей Г ГУ- и ПГУ-ВГЭР, с учетом полного топливно-энергетического баланса металлурі ическою комбинат.
Личный вклад автра заключается:
в разработке методики и оптимизационной математической модели ТЭЦ-ПВС, включающей ГТУ- и ПГУ-ВГЭР, ишетрированной в оптимизационную математическую модель металлургического комбината;
в проведении расчешых исследований характеристик и энергетических показателей эффективности парогазовых и газотурбинных установок, работающих на ВГЭР металлургического комбината
в проведении оптимизационных исследований структуры энергоисточника металлургическою комбината, построенного на базе традиционного паротурбинного, а также газотурбинного и парогазовою оборудования с учетом полного топливно-энергетическою баланса металлургическою комбината.
Апробация и публикации. Результаты работы были представлены на VIII-XII Международных научно-технических конференциях сіудентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (МЭИ; 2002-2006 г.г.), II и III Всероссийских школах-семинарах молодых ученых и специалистов "Энергосбережение - теория и пракшка" (МЭИ; 2004 г и 2006 г.), III Международной научно-пракіической конференции "Металлургическая теплотехника: история, современное состояние, будущее" (МИСиС, 2006 г.).
Основное содержание выполненных исследований опубликовано в 10 журнальных сіаіьях, тезисах и докладах на конференциях.
Авгор выражает свою глубокую признаїельность за консультации, поддержку и творческое участие при выполнении работы проф. д.т.н. Султангузину И.А., к.т.н. Ситасу В.И., Яшину АЛ I.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка использованных исгочников. Работа изложена на 167 стр. машинописного текста, содержит 70 рисунков, 9 таблиц. Список использованных источников состой і из 136 наименований.
