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

Продувочный газ

ке, другой — в блоках газификации и синтеза метанола. Пар из этих блоков направляется в отсеки паровой турбины для выработки электроэнергии. Отработанный пар конденсирует­ ся в конденсаторе паровой турбины. Электроэнергия выраба­ тывается в паровой и газовых турбинах.

Анализ технологических схем блоков ЭТУ позволяет вы­ явить необходимый состав математических моделей элементов и перейти к ее расчетной схеме, на основе которой строится математическая модель установки.

2 2 . Моделирование основных процессов и элементов ЭТУ

При построении математических моделей блоков и всей уста­ новки использовалось большое число моделей отдельных эле­ ментов энергетических установок (газогенераторов, теплооб­ менников различных типов, камер сгорания, компрессоров, газовых и паровых турбин и т.д.). Кроме того, использова­ лись математические модели элементов технологической час­ ти ЭТУ (модели адиабатных зон реактора синтеза метанола, встроенных газоводяных, регенеративных газо-газовых теп­ лообменников, холодильников-конденсаторов и др.). Вопро­ сы моделирования энергетических установок и их элементов рассмотрены в ранее опубликованных работах СЭИ СО РАН [4, 6, 12].

В данной монографии более подробно описаны мате­ матические модели и алгоритмы расчета элементов техно­ логической части.

Рис. 2.4. Технологическая схема энергетического блока.

1 — расширительная турбина; 2 — камера сгорания; 3 — воздушный компрес­ сор; 4 — газовая турбина; 5 — промежуточный пароперегреватель второй ступени; 6 — перегреватель острого пара второй ступени; 7 — промежуточный пароперегреватель первой ступени; 8 — перегреватель острого пара первой ступени; 9 — испаритель пара высокого давления; 10 — пере1реватель пара низкого давления; 11 —экономайзер пара высокого давления; 12 — испаритель пара низкого давления; 13 — экономайзер пара низкого давления; 14—17 — отсеки паровой турбины; 18 — конденсатор паровой турбины; 19 — регене­ ративный подогреватель низкого давления; 20 — барабан-сепаратор; 21 — на­

сос; 22 — смеситель потоков; 23 — разделитель потоков.

2.2.1. Математическая модель блока газификации

Математическая модель блока газификации твердого топлива включает модели реакционных камер газогенераторов, надслоевого пространства, конвективных газоводяных теплообмен­ ников и системы очистки синтез-газа.

Модель реакционной камеры газогенератора описывает про­ цессы газификации. Она предназначена для определения тем­ пературы процесса и состава продуктов газификации при заданных расходе и составе топлива, удельных расходах и термодинамических параметрах пара и кислорода, подаваемых на газификацию. Состав продуктов газификации и температура процесса находятся из совместного решения уравнений закона действующих масс для реакций конверсии СО и СН4 водяным

паром, уравнений теплового баланса и материальных балансов по отдельным химическим элементам.

Математическая модель надслоевого пространства газогенера­ тора, представляющего собой радиационный теплообменник на продуктах газификации, конструктивно объединенный с реак­ ционной камерой газогенератора, описывает процесс охлаж­ дения продуктов газификации. В результате конструкторского расчета теплообменника определяются его геометрические ха­ рактеристики (высота, величина поверхности нагрева), темпе­ ратура газа на выходе, величины отвода тепла к охлаждающим экранным испарительным поверхностям нагрева, гидравличес­ кое сопротивление пароводяного тракта, действующие и пре­ дельно допустимые напряжения металла труб с наибольшими тепловыми потоками. При этом заданными считаются следу­ ющие параметры: давление, температура и весовой расход компонентов газовой смеси на входе в теплообменник, расход нагреваемого теплоносителя, его входная и выходная эн­ тальпии, коэффициент тепловой эффективности тепловоспри­ нимающей поверхности, внутренний и внешний диаметры, шаг, марка стали экранных труб и др.

Математическая модель радиационного теплообменника вклю­ чает уравнения теплопередачи и теплового баланса. Для реше­ ния системы уравнений используется итерационный метод Зейделя. В результате находятся средняя и наружная расчетные температуры металла труб, а также предельно допустимые и действующие напряжения. Проверяется выполнение техни­ ческих ограничений на такие параметры теплообменника, как

скорость нагреваемого теплоносителя на выходе из труб тепло­ воспринимающей поверхности, температура металла труб и т.д.

Модель охладителя шлака предназначена для определения расхода воды, требуемой при охлаждении шлака, и параметров образующегося при этом пара. Исходные данные — расход шлака, его выходная и входная температуры, удельный расход воды на охлаждение и ее термодинамические параметры на входе в элемент.

Модели конвективных теплообменников системы охлаждения продуктов газификации ориентированы на определение темпе­ ратуры и давления газа на выходе, выходного давления нагре­ ваемого теплоносителя, поверхности теплообмена, массы труб и других конструктивных характеристик. В них проводятся тепловой, гидравлический и аэродинамический расчеты, опре­ деляются температура металла труб и действующие в металле механические напряжения. Исходными данными для моделей являются входные температура и давление газа, расход и термодинамические параметры нагреваемого теплоносителя на входе и его выходная энтальпия, конструктивные характе­ ристики (диаметр и шаги труб, схема включения потоков теплоносителей, массовая скорость воды или пара и др.).

Алгоритм расчета конвективных теплообменников основы­ вается на нормативных методах теплового, гидравлического и аэродинамического расчетов котельных агрегатов [64—66]. Так как коэффициент теплоотдачи от труб тепловоспринимающих поверхностей к нагреваемой среде сильно зависит от фазового состояния среды (нагретая до кипения вода, пароводяная смесь, перегретый пар), при тепловом расчете конвективных теплообменников отдельно рассматриваются три зоны — экономайзерная, испарительная и перегревательная. Состав зон в данном теплообменнике определяется на основе анализа пара­ метров нагреваемой среды на его входе и выходе. Принято, что тепло, поступающее в теплообменник за счет излучения, рас­ пределяется между его зонами прямо пропорционально тепловосприятию в них нагреваемой среды.

Тепловой расчет конвективных теплообменников сводится к решению системы уравнений, состав которой зависит от того, из каких зон состоит теплообменник. В эту систему входят уравнения теплового баланса и теплопередачи каждой зоны.

В математической модели теплообменника вычисляются компоненты массива ограничений на его параметры. Учитыва-

ются ограничения на неотрицательность температурных напо­ ров на входе и выходе теплообменника и выходе воды из экономайзерной зоны, на неотрицательность расхода нагревае­ мого теплоносителя, на температуру и действующие напря­ жения металла труб, скорости греющего и нагреваемого тепло­ носителей.

В математических моделях системы очистки продуктов газификации (циклонов, скрубберов, абсорберов) определяют­ ся эффективность улавливания вредных компонентов, тепло­ вые потери, аэродинамическое сопротивление и конструк­ тивные характеристики аппаратов.

22.2. Математическая модель блока синтеза

Математическая модель блока синтеза метилового спирта включает модели компрессоров синтез-газа, адиабатных зон каталитического реактора, встроенных газоводяных и регене­ ративных газо-газовых теплообменников, холодильников-кон­ денсаторов и сепараторов метанола-сырца.

Принципиально новым элементом, отсутствующим в энер­ гетических установках, является каталитический реактор синте­ за метанола. Процессы, протекающие в указанных элементах ЭТУ, не могут быть с достаточной точностью описаны урав­ нениями химической термодинамики. Состояние газовой сме­ си в реакторе значительно отличается от равновесного и хорошо описывается дифференциальными уравнениями хи­ мической кинетики. Математическая модель реактора основана на механизме синтеза метилового спирта и кинетических уравнениях, предложенных ИНХС РАН [67—69], и разработана авторами моно1рафии совместно с Н.М. Прусовой.

Реактор синтеза метанола состоит из нескольких адиабат­ ных зон, заполненных катализатором, между которыми вклю­ чены конвективные теплообменники для отвода тепла синтеза. Зоны, в свою очередь, при расчетах разбиваются на участки.

При построении математической модели каталитического реактора синтеза метанола исходили из следующих предпо­ сылок:

1) реакции, проходящие при синтезе метанола, рассмат­ риваются в открытой системе, (по условиям обмена веществом и теплом);

2) считается, что реактор синтеза метанола является реак­ тором идеального смешения и вытеснения;

dl и 50 — длина и площадь поперечного сечения участка;

дий образования промежуточных соединений;

к, кр^ — константы равновесия реакций синтеза СН3ОН

иконверсии СО.

Парциальное давление /-го компонента газовой смеси:

где (?2 — суммарный мольный расход газовой смеси на входе

в участок; (?'. — мольные расходы соответствующих /-х компонентов

на входе в участок; Р ‘ — давление газовой смеси на входе в участок.

Уравнения теплового баланса (без учета теплообмена с окру­

Математические модели встроенных конвективных теплооб­ менников отображают процессы в соответствующих аппаратах для случая, когда греющий теплоноситель — синтез-газ, а нагреваемый — питательная вода. Принято, что газоход подо­ гревателя имеет цилиндрическую форму со спиральным распо­ ложением труб. Модель включает уравнения теплового балан­ са, теплопередачи, уравнения для определения гидравлическо­ го и аэродинамического сопротивлений, аналогичные описан­ ным ранее для конвективных теплообменников на продуктах газификации. Исходными данными являются: расход, энталь­ пия и давление питательной воды, давление и температура греющей среды, конструктивные характеристики теплообмен­ ника. Вычисляемые переменные — выходная температура и давление газа, выходное давление нагреваемого теплоносителя, поверхность теплообмена, масса труб и др.

Модели холодильников-конденсаторов помимо указанных за­ висимостей включают уравнения, определяющие распределе­

где Р — давление газа в конденсаторе; />*о(П , ^сн3он(-П “ давления насыщения водяных па­

ров и метанола при_температуре в конденсаторе Т\ ^н20’ ^сн3он’ ^2 — мольные расходы на входе в конден­

сатор водяных паров, метанола и суммарный.