книги / Математическое моделирование и технико-экономические исследования энерготехнологических установок синтеза метанола

где К\0 — суммарная стоимость газоводяных и газо-газовых

Кпхэ — то же для паровых турбин;

Кэкон — то же для конденсаторов;

АГрег — то же для регенеративных подогревателей;

А^охл ~ то же Для охладителей системы технического водоснабжения;

^кан ~ то же Для каналов и трубопроводов системы технического водоснабжения;

<з^р — доля стоимости неучтенного оборудования энер­ гетического блока.

<315>

здесь кохл — удельная стоимость охладителей воды (на еди­

ничный расход отведенного тепла);

QOTQ — количество тепла, отводимого охлаждающей водой в единицу времени.

каналов и трубопроводов системы технического водоснаб­ жения;

G — расход охлаждающей воды в единицу времени.

где ктопл — удельные (на единичный расход условного топ­ лива) капиталовложения в топливную систему;

В 1} — часовой расход условного топлива.

Составляющие капиталовложений в тепломеханическое оборудование (3.8) находятся следующим образом.

Стоимость теплообменников различных типов для каждого блока определяется как сумма стоимостей трубной поверх­ ности нагрева и прочного корпуса (если он есть):

где подстрочный индекс у обозначает величины, относящиеся к у-му теплообменнику;

F т — площадь трубной поверхности нагрева теплооб­

менника, полученная в результате его конструкторского расче­ та;

*SnH — удельная стоимость поверхности нагрева;

Н к — длина прочного корпуса теплообменника, получен­

ная в результате его конструкторского расчета;

S . — удельная (на единицу длины) стоимость прочного

J

корпуса.

Стоимость насосов, газовых турбин и компрессоров рас­ считывалась по формуле

где N т — механическая мощность у-го элемента;

S m — удельная (на единицу мощности) стоимость у'-го

элемента.

Стоимость реактора синтеза определялась как сумма стои­ мостей корпуса реактора (пропорционально суммарной длине адиабатных зон, заполненных катализатором) и поверхности нагрева всех встроенных в реактор теплообменников. Стои­ мость катализатора учитывается в текущих затратах, поскольку полная замена катализатора происходит в течение года.

Стоимость конденсаторов, регенеративных подогревателей и паровых турбин определяется по методикам НПО ЦКТИ [79].

Термический КПД производства метанола, используемый в работе, находится из выражения

где В * — расход угля на производство электроэнергии, отпу­

щенной от ЭТУ внешним потребителям замыкающими стан­ циями. В качестве замыкающих станций приняты перспек­ тивные парогазовые установки с внутрицикловой газификацией угля с расходом условного топлива 281 г у.т/(кВт-ч). От­ метим, что G„ B t, В* измеряются в единицах условного топлива.

3.2. Условия сопоставимости вариантов ЭТУ

Одним из основных принципов сопоставимости вариантов оборудования энергетических установок и других сложных технических систем является принцип оптимальности, согласно которому каждый сопоставляемый вариант должен быть по­ ставлен в оптимальные для него условия. Это, в частности,

означает необходимость оптимизации параметров для каждого сопоставляемого варианта. Использование строгих математитических методов для оптимизации параметров ЭТУ затрудне­ но из-за громоздкости модели. Даже вариантные расчеты по модели ЭТУ связаны с большими вычислительными трудно­ стями. Для выбора рационального (допустимого и близкого к оптимальному) сочетания параметров ЭТУ использован прием, состоящий в выделении нескольких вычисляемых контрольных параметров, значения которых во всех вариантах должны быть примерно одинаковыми. Для ЭТУ, расчетная схема которой представлена на рис. 2.5, это температурный напор на выходе газа из экономайзера низкого давления в конвективной шахте газогенераторов и температурный напор на выходе газа из испарителя низкого давления в котле-утилизаторе газовой турбины. Из опыта исследований различных ЭТУ известно, что рациональные значения этих температурных напоров (ми­ нимальных по трактам продуктов газификации и продуктов сгорания) лежат в диапазоне 20—40 °С.

Поддержание заданного значения первого параметра осу­ ществляется изменением расхода питательной воды на газоге­ нераторы, а второго — изменением расхода питательной воды, поступающей в котел-утилизатор. Данные параметры назовем балансирующими. Изменение указанных расходов определяет­ ся из выражения

где Дt3 — заданное значение температурного напора; Д/ф — фактическое значение температурного напора;

к — коэффициент чувствительности, рассчитываемый ко­ нечно-разностным методом.

После каждого расчета схемы ЭТУ проверяются условия вида

где е — допустимое отличие Дt3 от Д/ф.

Если это условие не соблюдается, то происходит кор­ ректировка соответствующих расходов:

где G — скорректированный расход;

G 0 — исходный расход питательной воды.

Далее расчет схемы повторяется до выполнения условия (3.23).

3.3.Учет неопределенности исходной информации

При технико-экономических исследованиях ЭТУ большое зна­ чение имеет правильный учет природы и свойств исходной информации, необходимой для определения технико-эконо­ мических показателей установки. Свойства исходной инфор­ мации принадлежат к числу решающих условий постановки указанной задачи, от них в значительной мере зависит метод решения и интерпретация полученных результатов.

Влияние сложной совокупности случайных факторов иск­ лючает возможность получения строго определенной и точной исходной информации при проведении технико-экономичес­ ких исследований ЭТУ

Неполная определенность используемой информации не позволяет получить однозначное оптимальное решение. Воз­ можно лишь установить диапазон, внутри которого каждое решение оптимально при том или ином сочетании значений исходной информации [80, 81].

Применительно к энерготехнологическим установкам неоп­ ределенность исходной информации обусловливается дейст­ вием внешних и внутренних факторов. Внешние факторы — это факторы, определяемые взаимодействием ЭТУ с другими системами энергетики и отраслями народного хозяйства. Они проявляются, в первую очередь, через неопределенность цен на потребляемое топливо, производимые метанол и электро­ энергию, а также цен на оборудование ЭТУ.

К внутреннему фактору, влияющему на изменение тех­ нико-экономических показателей ЭТУ, прежде всего относится неопределенность конкретных условий строительства установ­ ки. Данный фактор в сочетании с неопределенностью цен на

оборудование ЭТУ проявляется в неопределенности удельных капиталовложений в установку.

В связи с этим необходимо исследовать чувствительность используемого критерия экономической эффективности рас­ сматриваемых вариантов ЭТУ — внутренней нормы возврата капитальных вложений — к изменению цен на топливо, метанол, электроэнергию и удельных капиталовложений в ЭТУ.

3.4.Оценка эффекта от использования метанола

употребителей топлива

В электроэнергетике возможны два варианта использования метанола вместо угля:

1 ) при сжигании в паровых котлах на действующих тепло­ вых электрических станциях (ТЭС) вместо угля. В этом случае можно ожидать повышения на 1—2 % КПД котлов за счет уменьшения химического и механического недожога и сни­ жения примерно на 25 % расхода электроэнергии на собствен­ ные нужды за счет сокращения расхода электроэнергии в системах подготовки топлива. Резко сократится объем вредных выбросов в атмосферу, однако снижение платы за вредные выбросы, определяемой по действующим нормативам, не ком­ пенсирует увеличения топливных издержек, обусловленных высокой ценой метанола;

2) при строительстве новых ТЭС на метаноле вместо новых ТЭС на угле основной эффект будет состоять в сни­ жении капитальных вложений, которые для угольных ТЭС гораздо выше, чем для станций на жидком квалифицирован­ ном топливе. Особенно велика разница в капитальных вло­ жениях между ПГУ на газе или жидком топливе и эко­ логически чистыми угольными паротурбинными или парогазо­ выми энергоблоками. По различным оценкам эта величина лежит в интервале 150—350 дол./кВт, или 75—175 дол./т пот­ ребляемого в течение года метанола.

Указанные величины относятся к станциям, сооружаемым в благоприятных климатических условиях. Для районов с дорогостоящими строительно-монтажными работами, таких как Магаданская и Камчатская области, Якутия, север Хабаровско­ го края и некоторых других, разность между капитальными вложениями в ТЭС на угле и метаноле будет в несколько раз

выше. В этих районах может оказаться более выгодным стро­ ительство электростанций на метаноле, чем на угле, особенно привозном.

Значительную экономию капитальных вложений может дать сооружение в указанных районах новых котельных на метаноле, как альтернатива новым угольным котельным. Здесь экономия капитальных вложений, приходящаяся на каждую тонну метанола, потребляемую в течение года, составляет 200—300 дол., что соизмеримо с капитальными вложениями в производство метанола.

Эффект от использования метанола вместо природного

.газа существенно различен для разных групп потребителей. Так, на новых электростанциях на газе и метаноле разница в капиталовложениях невелика и может не учитываться.

Разница в капитальных вложениях при строительстве круп­ ных котельных на газе и метаноле связана с отсутствием у метанольных котельных распределительной сети, стоимость которой оценивается в 20 дол. на расход метанола, равный 1 т в год. Для мелких городских потребителей эта величина составляет около 80 дол./(т год), а для мелких сельских потребителей порядка 300 дол./(т год).

С учетом типичной доли перечисленных потребителей можно считать, что в среднем каждая тонна метанола, исполь­ зуемого вместо газа, позволяет уменьшить у конечных пот­ ребителей удельные капитальные вложения на 30—40 дол. Следовательно, при равной цене единицы условного топлива метанол является более привлекательным топливом, чем при­ родный газ, для районов, где при использовании газа нужно было бы создавать распределительную газовую сеть.

3.5.Оценка емкости мирового и российского рынков метанола

Прогноз потребления метанола по традиционным и новым сферам в развитых странах показывает, что на уровне 2000 г. ожидается использование метанола в традиционных сферах порядка 22 млн т [82], причем по оценкам фирмы ICI дефицит метанола на этом рынке составляет 1—2 млн т. Емкость рынка метанола для производства добавок к моторному топливу может быть оценена в объеме 10—15 % от общего производст­ ва бензина. В целом мировая потребность в метаноле для

изготовления высокооктановых добавок к моторным топливам оценивается в 50—75 млн т [83]. Следует подчеркнуть огром­ ный дефицит на новом рынке, обусловивший всплеск мировых цен на метанол со 180—220 до 450—500 дол./т в течение 1994 г. [84—86]. Хотя этот всплеск имел временный характер и в настоящее время согласованными действиями потребителей цены удалось сбить, рост спроса на метанол и поддержание его цены на достаточно высоком уровне можно прогнозировать с большой уверенностью.

Самым емким в перспективе может стать рынок энер­ гетического метанола. Это связано с тем, что по потре­ бительским качествам метанол как моторное и котельно-печ­ ное топливо в основном не уступает, а по некоторым показа­ телям существенно превосходит такие традиционные виды топлив, как мазут, природный газ, керосин и дизельное топ­ ливо. При его сжигании образуется меньше вредных выбросов,

вотличие от мазута не требуется сложной системы разогрева,

вотличие от природного газа нет проблем с хранением и транспортировкой к мелким потребителям. Для энергетических целей может использоваться не метанол-ректификат, а более дешевый метанол-сырец.

Новый рынок энергетического метанола можно оценить в сотни миллионов тонн. Только в России в 1995 г. было произведено 47,5 млн т дизельного топлива и 64,5 млн т мазута [87]. Причем многие нефтехимические предприятия (например, Ангарская нефтехимическая компания) планируют внедрение современных технологий переработки нефти, позволяющих резко увеличить выход бензина и сократить выход мазута. В результате возникнет острый дефицит жидкого котельно-печ­ ного топлива. Таким образом, с учетом прогноза роста цен на нефть и нефтепродукты можно ожидать, что через обозримое время энергетический метанол сможет конкурировать с ма­ зутом.

4.Технико-экономические исследования ЭТУ синтеза метанола

4.1. Исследования ЭТУ на угле

4.1.1. Исходная информация для технико-экономических исследований ЭТУ на угле

Цель исследований, проводимых с помощью математических моделей ЭТУ, — определение оптимальных параметров уста­ новки и чувствительности ее экономических показателей к изменению внешних условий. Это требуется для оценки перс­ пективности крупномасштабного применения данного способа переработки углей.

Анализ технологической схемы ЭТУ показывает, что фак­ тором, наиболее сильно влияющим на стоимость всех блоков установки, ее тепловую эффективность и технико-экономи­ ческие показатели, является соотношение между производст­ вом метанола и выработкой электроэнергии. В связи с этим необходимо рассмотреть разные значения данного соотно­ шения и найти соответствующие им технико-экономические показатели. Основные параметры, воздействующие на это со­ отношение, — расходы пара и кислорода на дутье в газогене­ раторы, которые определяют состав синтез-газа, и количество параллельно включенных реакторов в ступенях блока синтеза, что обусловливает степень превращения синтез-газа в метанол. Отметим, что в расчетах задавалась температура процесса газификации, а расход кислорода на дутье находился из условия обеспечения требуемой температуры газификации при заданном расходе пара.

Таким образом, независимыми параметрами, определяю­ щими соотношение между производством метанола и электро­ энергии, являются удельный расход пара на дутье в газогене­ раторы и число параллельно включенных реакторов синтеза в каждой из трех ступеней блока синтеза. В работе рассматрива­ ются варианты ЭТУ с различными значениями этих парамет­ ров (табл. 4.1).

В табл. 4.2 приведены основные исходные данные, кото­ рые принимались при расчетах технологической схемы ЭТУ и определении ее технико-экономических показателей. Все ва­ рианты рассчитывались при одинаковом расходе угля, равном 2480 тыс. т у.т./год. Для унификации используемые в работе стоимостные характеристики даются в долларах США. При этом перевод российских цен конца 1997 г. в доллары про­ водился с индексом 6000, цены 1991 г. переводились в цены 1997 г. с индексом 7000, а цены 1984 г. — в цены 1991 г. с индексом 1,56.

Т а б л и ц а 4.2