Комплексная оптимизация режимных параметров энерготехнологического блока по переработке бурых углей Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство

УДК 662.73 Семенов Сергей Алексеевич,

д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Промышленная теплоэнергетика»,

Братский государственный университет Гутчинский Леонид Федорович,

старший преподаватель, кафедра «Промышленная теплоэнергетика»,

Братский государственный университет

КОМПЛЕКСНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО БЛОКА ПО ПЕРЕРАБОТКЕ БУРЫХ УГЛЕЙ

S.A. Semenov, L.F. Gutchinskiy

THE INTEGRATED OPTIMISATION OF REGIME PARAMETRES OF THE POWER TECHNOLOGICAL BLOCK ON BROWN COALS PROCESSING

Аннотация. Статья посвящена технико-экономической оптимизации режимных параметров головного процесса энерготехнологической переработки Канско-Ачинских углей с отпуском потребителю чистых энергоносителей различного температурного потенциала.

Ключевые слова: Канско-Ачинский уголь, энерготехнологическая переработка, оптимизация.

Abstract. The article is devoted to integrated technical and economic optimization of regime parameters of head process of power technological processing of Kansko-Achinsk coals for providing the consumer with pure energy carriers of various temperature potential.

Keywords: Kansko-Achinsk coal, power technological processing, optimization.

Комплексная оптимизация режимных параметров (температуры процесса термоокислительного пиролиза КАУ, температуры разогрева твердого теплоносителя) осуществляется путем минимизации целевой функции, в качестве которой выбраны приведенные затраты системы, состоящей из энерготехнологического блока, КЭС с прямым сжиганием Канско-Ачинских углей и коксохимического завода, на котором перерабатываются каменные кузнецкие угли с получением газа, смолы и сырого бензола. При этом должны соблюдаться условия

где Зсист - переменная часть приведенных затрат в системе.

При изменении режимных параметров в широких пределах изменяется ассортимент получаемой на энерготехнологической установке продукции, расходы электроэнергии, тепловой энергии и вспомогательных материалов на собственные нужды энерготехнологической установки и, как результат, отпуск потребителям электрической энергии, газа и ценных химических продуктов. Необходимость обеспечения одинакового энергетического и производственного эффекта у потребителя в любом сравниваемом варианте вызывает введение замыкающих энергетических установок и химических производств. В качестве замыкающей энергетической установки принимается конденсационная электростанция с прямым сжиганием бурых Канско-Ачинских углей, замыкающего химического производства - коксохимический завод, поскольку получаемая в энерготехнологической установке химическая продукция аналогична по своему качеству продукции, получаемой при коксовании каменных углей. Кроме того, усложнение тепловой схемы энерготехнологической установки по сравнению с КЭС, связанное с введением технологической части, где осуществляется процесс термической переработки исходного твердого топлива, приводит к некоторому понижению надеж-

ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения

ности работы энерготехнологического блока. Обеспечение заданной надежности энергоснабжения в системе требует увеличения коэффициента аварийного резерва в энергосистеме.

Затраты в системе при одинаковом энергетическом эффекте и уровне отпуска целевой продукции с учетом обеспечения заданной надежности энергоснабжения и обеспечения природоохранных мероприятий выразятся соотношением

Зсист = ЗЭТБ + АЗКЭС + АЗКХЗ + АЗрез , (2)

где ЗЭТБ - приведенные затраты на производство электрической энергии и химических продуктов в энерготехнологической установке, руб./год; АЗКЭС - приведенные затраты на выработку заданного количества электроэнергии на конденсационной электростанции, сжигающей Канско-Ачинский уголь, руб./год; АЗКХЗ - затраты на производство газа и химической продукции на коксохимическом заводе с учетом потребительских свойств продуктов, руб./год; АЗрез - затраты в резервные энергетические установки, руб./год.

Для решения системы (1) необходимо выразить все составляющие уравнения (2) в виде функции режимных параметров, которые подлежат оптимизации.

Затраты в энерготехнологической установке определятся уравнением

Зэтб ( Епг + Епг + Епг + Ек + Ег(тт) ) ^этб +

+ р ( Ктк + Кэк ) + Зат , где Епг , Ес , Епб , Ек , Ег(тт) - эксергия пиролизного газа, смолы, пиробензола, пылевидного кокса и газа технологической топки, кВт; зэтб - удельные затраты на производство единицы эксергии продуктов технологической части, руб./кВт; тн - число часов использования номинальной мощности, ч/год; кгк - коэффициент готовности энерготехнологического блока; р - коэффициент ежегодных отчислений от капиталовложений, 1/год; Ктк - капиталовложения в технологическую часть энерготехнологического блока, руб.; Кэк - капиталовложения в энергетическую часть энерготехнологического блока, руб.; Зат - затраты, вызванные обеспечением заданного уровня чистоты воздушного бассейна, руб. /год.

Сумма (Епг+Ес +Епб)Зэтб представляет собой эксплуатационные расходы технологической части по производству газа и химической продукции, а (Ек + Ег(тт))Зэтб - топливную составляющую энергетической части, так как пылевидный кокс и газ технологической топки выступают в виде топлива, сжигаемого в топке котла.

Выражая эксергию продуктов пиролиза через удельные величины, получим

(3)

ЗэтБ=(епг ипг + ее 8о + епб 8пб + ек 8к +

+ ег(тт) иг(тт

))ХЗэтб ву (1 - 100) тн кгк + (4)

+р ( Ктк + Кэк ) + Зат ,

где епг, ег(тт) - удельная эксергия пиролизного газа и газа технологической топки, кДж/м3; ес, епб, ек -удельная эксергия смолы, пиробензола и пылевидного кокса, кДж/кг; ипг, иг(тт) - удельный выход пиролизного газа и газа технологической топки, м3/кг с. у.; 8пб, 8тк - удельный выход смолы, пиробензола и пылевидного кокса, кг/кг с. у.; ву - расход исходного угля на переработку в реакторе, кг/с; Wр - влажность исходного угля, %.

Капиталовложения в энергетическую часть энерготехнологического блока можно считать пропорциональными установленной мощности:

Кэк кэк ^уст 5 (5)

где кэк - удельные капиталовложения в энергетическую часть ЭТБ, руб./кВт.

Капиталовложения в технологическую часть ЭТБ состоят из суммы капиталовложений в оборудование углеподготовки и топливоподачи Куп, высокотемпературное оборудование термической переработки Ктп, оборудование газоочистки Кго, улавливания пиробензола КУЛ, смолохозяйства и первичной переработки смолы Ксх и склада жидких продуктов Кскл.

Капиталовложения в оборудование топли-воподготовки и топливоподачи принимаются пропорциональными расходу перерабатываемого угля с учетом аварийного простоя ЭТБ:

Куп _ куп Ву = куп ву тн кгк 5 (6)

где куп - удельные капиталовложения в оборудование топливоподготовки и топливоподачи5 руб./кг перерабатываемого угля.

Капиталовложения в высокотемпературное оборудование цеха термической переработки топлива можно выразить зависимостью

кш = ^—^ , (7)

где К0П - капиталовложения в оборудование при

исходной температуре пиролиза у - показатель степени, зависящий от конструкции аппаратов и давления газов.

При давлении р < 0,3 МПа величину показателя можно принимать близкой к единице.

Капиталовложения в оборудование газоочистки пропорциональны объему парогазовых продуктов процесса пиролиза

Кго _ кго Упгс _ кго (§с + §пб + §пг + + §вл)/Упгс ву (1 100) кгк 5

где Впб, 8пг 8вл, - удельные выходные характеристики соответственно смолы, пиробензола, пиро-

Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство

лизного газа и влаги, кг/кг с. у.; упгс - плотность парогазовой смеси, кг/м3.

Капиталовложения в оборудование цеха улавливания пиробензола принимаются пропорциональными количеству улавливаемого бензола

Кго кул Впб куЛ (§пб - апб Упг) ву (1 - юп) Тн кгк ,

(9)

100' "н

где кул - удельные капиталовложения в оборудование цеха улавливания, руб/кг бензола; а'пб - остаточное содержание бензола в обратном газе, кг/м3 газа.

Капиталовложения в аппараты цеха первичной переработки смолы и смолохозяйства принимаются пропорциональными количеству получаемой смолы:

Ксх = ксх Вс _ ксх §с (1 — 100) Тн кгк ' (10)

где ксх - удельные капиталовложения в цех первичной переработки смолы и смолохозяйство, руб./кг смолы.

Капиталовложения в оборудование склада жидких продуктов определяются по формуле

Кго кскл ( Вс + Впб ) кскл (§с - §пб) ву (1 - 100) Тн кгк .

= ЭиЪ + ^ЭдВу ,

(13)

где Эсн и Э; - относительный расход электроэнергии на потребности конденсационного паротурбинного блока и на единицу получаемого продукта.

Приведенные затраты на КЭС на выработку заданного количества электроэнергии при прямом сжигании КАУ выразятся уравнением

АЗкэс = 10-6 вЭр (N1 )тн^рЦтб + рАКкЭс, (14)

где вэр - средний удельный расход топлива на КЭС, г/кВт ч; кгр - коэффициент готовности блоков КЭС, сжигающих бурый уголь ; Цтб - удельная стоимость исходного бурого угля, руб./т; АКкэс -изменение капиталовложений в оборудование КЭС, руб.; К, - максимальная электрическая мощность в энергосистеме, кВт; N - мощность (нетто) энерготехнологического блока, кВт.

Изменение капиталовложений на КЭС можно выразить через удельные капиталовложения и изменение мощности КЭС

дк = к (ъ*-ъ ),

кэс Эр \ Э Э 1 5

(11)

(15)

где кэр - удельные капиталовложения в оборудование КЭС, руб./кВт. Подставляя (15) в (14), получим

ДЗИс = (10-6вэргХРЦтб + рКЬ)(Ъ* - N ). (16) Приведенные затраты на производство газа и химической продукции на коксохимическом заводе определятся, как

ДЗкхз =(ДЕ + ДЕс + ДЕпб ) ЗкхЭ + рДКтр, (17) где АЕг, АЕс ,АЕпб - находятся по формулам

АЕпг _ Е пг - Епг, (18)

АЕс = Е*с - Ес, (19)

Удельные капиталовложения в оборудование технологической части ЭТБ определяются прямым счетом после определения состава оборудования в результате технологических расчетов с учетом стоимостных показателей и удельных норм капиталовложений в аналогичные производства, в частности в оборудование коксохимических заводов.

Электрическая мощность ЭТБ (нетто) выразится разностью

N = Кбр - Шсн , (12)

где ГКсн - суммарный расход электроэнергии на собственные нужды ЭТБ, который можно выразить как сумму расходов электроэнергии на потребности конденсационного паротурбинного блока и на единицу получаемого в технологической части продукта:

АЕпб Е пб Еп

(20)

-^пб Е пб Епб?

в которых Епг*, Ес*, Епб* - максимальная эксергия пирогаза, смолы и пиробензола в условном варианте, кВт; Епг,Ес, Епб - эксергия отпускаемых от энерготехнологической установки пирогаза, смолы и пиробензола, кВт; зх - усредненные удельные затраты на КХЗ на отпуск единицы эксергии, руб. /кВт; ДКтр - изменение капиталовложений на

коксохимическом заводе при производстве заданного количества газа и химической продукции,

руб.

Величину ДК тр можно выразить через эксер-гию отпускаемых продуктов:

ДКтр = ккхз (ДЕпг + ДЕс + ДЕпб ), (21)

где ккхз - удельные капиталовложения в оборудование КХЗ, руб./кВт.

Усредненные удельные величины затрат на отпуск заданного количества газа и химической продукции и капиталовложений в оборудование КХЗ, относящиеся к единице отпущенной эксер-гии, можно найти через аналогичные показатели, относящиеся к единице отпущенного продукта в натуральном исчислении с учетом потребительских свойств каждого продукта, если воспользоваться способом распределения затрат и капиталовложений между продуктами пропорционально отпущенной эксергии продуктов.

г =1

ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения

Подставив (3)-(21) в (2) и произведя необходимые преобразования, получим уравнение5 представляющее собой зависимость приведенных затрат в системе от режимных параметров процесса термоокислительного пиролиза - ^ и Ь^.. Непосредственная зависимость Зсист = ДЬп, Ь^.) имеет большой и очень громоздкий вид, вследствие этого точное ее приведение затруднено. Проще воспользоваться способом графического представления данной зависимости (рис. 1 и 2) в координатах

Зсист "тт и Зсист "п. .

tn-TOO'á

-tn'75-Ot

*

t„=Soo*

t тт'С

юоо loso i-too -USO Í200

Рис. 1. Зависимость приведенных затрат в системе от температуры разогрева твердого теплоносителя tr

Рис. 2. Зависимость приведенных затрат в системе от температурного уровня процесса пиролиза 1п

Из рис. 1 и 2 видно, что изменение температурного уровня процесса пиролиза оказывает большее влияние на величину приведенных затрат в системе, чем температура разогрева твердого теплоносителя. В заданном интервале температур процесса окислительного пиролиза

Ьп = 700^850 °С минимум приведенных затрат в

системе приходится на режим с параметрами Ь„ =850 °С и Ьгг =950 °С. Повышение величины Зсист при увеличении температуры разогрева теплоносителя вызвано увеличением затрат на энерготехнологическом блоке, связанных с необходимостью снижения возрастающих тепловых потерь. Снижение же приведенных затрат системы при повышении температурного уровня процесса пиролиза объясняется тем, что повышается отпуск целевых химических продуктов от энерготехнологического блока, более экономичного по сравнению с коксохимическим заводом. При понижении температуры Ь„ недоотпуск потребителям химической продукции приходится компенсировать за счет отпуска от КХЗ газа, смолы и сырого бензола, себестоимость которых выше, чем у продуктов, отпускаемых от ЭТБ, что приводит к повышению приведенных затрат в системе.

Полученные при технико-экономической оптимизации значения режимных параметров хорошо согласуются с результатами термодинамической оптимизации, проведенной по ранее разработанной методике [2].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гутчинский Л.Ф. Использование продуктов термоокислительного пиролиза бурых Канско-Ачинских углей // Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири : материалы Межрегиональной научно-технической конференции. - Братск : БрГУ, 2006, - С. 45.

2. Семенов С.А. Методика эксергетического анализа установки термоокислительного пиролиза твердого топлива / С.А. Семенов, Л.Ф. Гутчинский // Вестник ИрГТУ. -2005. - № 4 (24). - С. 60-64.

3. Гутчинский Л.Ф. Выбор головного процесса термической переработки бурых углей в схеме энерготехнологической установки для получения чистых энергоносителей различного потенциала // Труды Братского государственного университета : серия «Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири». - В 2 т. - Т. 2. - Братск : БрГУ, 2006. -С. 100-103.