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

1.4.Проблемы создания эффективной математической модели ЭТУ

ЭТУ представляет собой комбинированную техническую систе­ му, включающую как технологические, так и энергетические элементы оборудования со сложной схемой разнородных тех­ нологических связей. Основной путь исследования таких уста­ новок — математическое моделирование и проведение числен­ ных экспериментов на моделях.

Стадии разработки ЭТУ, на которых принимаются основ­ ные схемно-параметрические решения, включают предпроектные стадии и стадии эскизного проектирования. Именно здесь установка рассматривается как единая сложная техническая система. На этих стадиях формируется технологическая схема установки, определяются ее параметры. Здесь требуется ис­ пользовать достаточно подробные модели ЭТУ, наиболее пол­ но отражающие протекающие в их элементах процессы.

При построении математической модели ЭТУ необходимо решить ряд проблем, которые условно можно разделить на проблемы создания детальных математических моделей отдель­ ных элементов установки и проблемы создания эффективной математической модели установки в целом.

К разрабатываемым математическим моделям элементов ЭТУ предъявлялись следующие требования:

1. Математические модели должны обеспечивать достаточ­ но точные описания реальных процессов, протекающих в элементах установки, соответственно поставленным целям и задачам исследования.

2.Модели должны включать в себя зависимости между входными и выходными параметрами элементов (расходами, температурами, давлениями, концентрациями газовых смесей и т.д.), а также зависимости между этими переменными и конструктивными характеристиками элементов. Это обеспе­ чивает проведение теплового, гидравлического, аэродинамиче­ ского и конструктивно-компоновочного расчетов установки.

3.В модели основных элементов должны быть включены зависимости, обеспечивающие проверку допустимости приня­ тых решений — расчет действующих напряжений в трубах теплообменников, проверка на неотрицательность расходов, перепадов давлений, температурных напоров и т.д.

4.Математические модели элементов должны отвечать тре­ бованиям быстродействия при использовании их в оптими­ зационных расчетах.

5.Математические модели энергетических и технологи­ ческих элементов должны быть согласованы между собой как по детализации протекающих в них процессов, так и по входным и выходным параметрам.

Исходя из этих предпосылок и строились математические модели отдельных элементов ЭТУ.

Следующий этап после построения математических моде­ лей энергетических и технологических элементов — создание математической модели установки в целом. При построении эффективной математической модели ЭТУ требуется решить ряд задач.

1.Необходимо разработать расчетную схему ЭТУ, отличие которой от технологической состоит в том, что каждый ее элемент должен иметь математическую модель, а каждой тех­ нологической связи между элементами схемы должна соответ­ ствовать информационная связь между моделями. Здесь необ­ ходимо отметить, что технологические схемы ЭТУ, рассмат­ риваемые в данной работе, разрабатывались исходя из предпо­ сылки выбора наиболее перспективных и отработанных схем как энергетической части (к таким относятся парогазовые установки), так и технологической части (для синтеза метанола используются прогрессивные прямоточные реакторы без ре­ циркуляции синтез-газа).

Сдругой стороны, разработанная система математических моделей энергетических и технологических элементов позволя­ ет на ее основе рассматривать широкий класс таких установок (с использованием других реакторов синтеза метанола, газоге­ нераторов, на другом топливе и т.д.).

2.При построении расчетной схемы ЭТУ необходимо про­ извести ее агрегирование, заключающееся в том, что для уменьшения числа элементов и связей, т.е. уменьшения раз­ мерности схемы, целесообразно заменить группы одинаковых параллельно работающих и равномерно загруженных элемен­ тов технологической схемы на один элемент расчетной схемы (параллельно работающие газогенераторы, реакторы синтеза метанола и др.).

3.В связи с большой размерностью расчетной схемы ЭТУ целесообразно использовать метод декомпозиции. Суть этого

блоков, технологических связях между ними и целях расчета автоматически генерирует математическую модель блока в виде подпрограммы расчета на языке FORTRAN. Полученные та­ ким образом модели блоков были оформлены в виде подпрог­ рамм, из которых опять-таки с помощью СМПП-ПК была построена математическая модель установки в целом.

Иерархию построения математической модели ЭТУ можно представить в следующем виде (рис. 1.3).

Разработанная на основе такого подхода математическая модель ЭТУ включает порядка 2000 переменных и несколько сотен алгебраических и трансцендентных уравнений. Решение систем уравнений, описывающих отдельные блоки и установку в целом, проводилось методом Зейделя. Математическая мо­ дель ЭТУ ориентирована на конструкторский расчет ее эле­ ментов.

В блоке газификации осуществляются процессы газифи­ кации твердого топлива (или конверсия 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. Также в блок подается вода для охлаждения шлака и для очистки и охлаждения продуктов газификации. Выходными потоками яв­ ляются синтез-газ, поступающий в блок синтеза метанола, а также пар высокого и низкого давления, идущий в энергоблок на выработку электроэнергии.

Вблоке синтеза метанола осуществляется процесс ка­ талитического синтеза метилового спирта. В блок поступают потоки: синтез-газа; питательной воды, из которой вырабаты­ вается пар низкого давления; охлаждающей воды для отвода тепла конденсации метанола-сырца. Выходные потоки — про­ дувочный газ, идущий на сжигание в энергоблок; жидкий метанол-сырец, который выводится из установки; сгенери­ рованный пар низкого давления, поступающий в энергоблок на выработку электроэнергии.

Вэнергетическом блоке происходит процесс сжигания продувочного газа, генерация пара в котле-утилизаторе, выра­ ботка электроэнергии в паровой и газовых турбинах. Входные потоки: продувочный газ, сжигаемый в камере сгорания; необ­ ходимый для сжигания воздух; пар промперегрева, пар высоко­ го и низкого давления, направляемые в паровую турбину для выработки электроэнергии; охлаждающая вода для конден­ сации пара в конденсаторе паровой турбины. Из блока выхо-

'дят потоки: электроэнергии, питательной воды, охлаждающей воды и продуктов сгорания. Кроме того, в блок газификации подается пар на дутье и на промперегрев с холодной нитки промперегрева энергоблока.

Далее перейдем к более подробному рассмотрению отдель­ ных блоков ЭТУ.

Технологическая схема блока газификации (рис. 2.2). Блок газификации состоит из газогенераторов с кипящим слоем, выносных и встроенных циклонов, скруббера мокрой золо-

Зола

Рис. 2.2. Технологическая схема блока газификации.

7 — реактор газогенератора; 2 — промежуточный перегреватель; 3 — перегрева­ тель острого пара; 4 — испаритель пара высокого давления; 5 — перефеватель пара низкого давления; 6 — экономайзер пара высокого давления; 7 — испаритель пара низкого давления; 8 — экономайзер пара низкого давления; 9 — выносной циклон; 10 — скруббер; 11 — система глубокой очистки газа; 12 — система получения кислорода; 13 — кислородный компрессор; 14 — бара­

бан-сепаратор; 15 — насос; 16 — встроенные циклоны.

очистки, системы глубокой очистки синтез-газа и системы получения кислорода.

Рассматриваемый в работе газогенератор представляет со­ бой агрегат, состоящий из двух корпусов. В одном, реакторе, располагается кипящий слой и надслоевое пространство, окру­ женные испарительными экранами, в другом — система кон­ вективных газопаровых и газоводяных теплообменников, пред­ назначенных для охлаждения продуктов газификации, и встро­ енные циклоны. Для возврата отделенных в циклонах частиц золы и угля в кипящий слой используется часть направляемого на дутье пара. Шлак из реактора газогенератора попадает в охладитель, где охлаждается водой.

Процесс газификации топлива осуществляется в реакцион­ ной камере газогенератора в кипящем слое при температуре около 1173 К и давлении 2 МПа на парокислородном дутье. Пар на процесс газификации топлива отбирается из холодной нитки промперегрева в энергоблоке. Кислород поступает из кислородного отделения, сжатие его происходит в кислород­ ном компрессоре.

Генераторный газ, выходящий из кипящего слоя, охлажда­ ется в испарительных экранных поверхностях в надслоевом пространстве, а затем в системе конвективных теплообмен­ ников. Питательная вода для охлаждения продуктов гази­ фикации поступает из энергоблока. Полученный в результате пар различных параметров направляется в отсеки паровой турбины энергоблока и используется для выработки электро­ энергии.

В блоке предусматривается очистка продуктов газифи­ кации. Грубая сухая очистка от частиц золы и угля происходит во встроенных циклонах газогенератора и в выносном цикло­ не, тонкая очистка газа от пыли — в скруббере мокрой золоочистки.

Кроме этого предусмотрена очистка продуктов газифи­ кации от соединений серы и излишнего С 02 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 (рис. 2.3).

Пар низкого давления Питательная вода

Продувочный газ

Рис. 2.3. Технологическая схема ступени блока синтеза метанола.

1 — компрессор синтез-газа; 2 — регенеративный газо-газовый теплообменник; 3 — реактор синтеза метанола; 4 — конвективный газоводяной теплообменник; 5 — конденсатор метанола-сырца; 6 — сепаратор метанола-сырца; 7 — барабан-

сепаратор.