На правах рукописи

АРШИНЕНКО ИГОРЬ АНАТОЛЬЕВИЧ

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

СИСТЕМАХ С НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНЫМИ ВТОРИЧНЫМИ

ЭНЕРГОРЕСУРСАМИ

(НА ПРИМЕРЕ ПРОИЗВОДСТВА АЗОТОВОДОРОДНОЙ

СМЕСИ ДЛЯ СИНТЕЗА АММИАКА)

05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

СМОЛЕНСК - 2007

Работа выполнена на кафедре «Физика» филиала ГОУВПО «МЭИ(ТУ)»

в г. Смоленске.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Богатырев Александр Федорович.

Официальные оппоненты: первый заместитель директора Всероссийского государственного унитарного предприятия «Стандартинформ», доктор технических наук, профессор Козлов Александр Дмитриевич.

кандидат технических наук, доцент кафедры кибернетики химико-технологических процессов Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева Писаренко Елена Витальевна.

Ведущая организация: Московский государственный университет инженерной экологии.

Защита диссертации состоится 11 октября 2007 г. в 11 час. 00 мин. в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.204.03 в Российском химико-технологическом университете (РХТУ) им. Д.И. Менделеева, адрес:

125047, г. Москва, Миусская пл., дом 9.

С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-библиотечном центре РХТУ им. Д.И. Менделеева.

Автореферат диссертации разослан 04 сентября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.204.03, к.т.н., доцент Женса А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Среди важнейших проблем в настоящее время особое место занимает проблема энергосбережения. Решение вопросов энергосбережения отвечает концепции энергетической политики России в новых экономических условиях. Создание энергосберегающих химико-технологических систем (ХТС) промышленных предприятий может быть реализовано путем использования современных научных достижений. Такой подход требует больших капиталовложений, что в сложившейся экономической ситуации под силу далеко не каждому промышленному предприятию. Поэтому актуальной является модернизация существующих ХТС, основанная на использовании внутренних энергоресурсов, и требующая значительно меньших капитальных затрат, чем глобальная реорганизация производства. Модернизация может базироваться на проработке большого числа вариантов использования вторичных энергетических ресурсов и выборе оптимального. Проведение комплексного анализа сложных ХТС невозможно без применения методов математического моделирования и разработки алгоритмического и программного обеспечения.

Целью диссертационной работы является:

анализ современных способов синтеза сложных энергосберегающих химикотехнологических и теплотехнологических систем;

выявление вторичных энергетических ресурсов в действующих ХТС промышленных предприятий;

разработка и обоснование энергосберегающих мероприятий для реализации выявленных вторичных энергетических ресурсов внутри ХТС.

Для достижения указанных целей в работе ставятся следующие задачи исследования:

поиск методики разработки энергосберегающих мероприятий для ХТС;

создание библиотеки математических моделей различных химикотехнологических и теплоэнергетических объектов;

на основе найденной методики разработки энергосберегающих мероприятий и созданной библиотеки математических моделей составление алгоритмического и программного обеспечения для анализа сложных ХТС.

Методы исследования в диссертации базируются на численных методах решения систем нелинейных алгебраических уравнений материальных и тепловых балансов ХТС, методах анализа и синтеза сложных ХТС промышленных предприятий с применением теории графов.

Научная новизна. Основные научные результаты заключаются в следующем:

1. Предложены новые схемные решения для ХТС производства азотоводородной смеси и аммиака, позволяющие существенно сократить потребление природного газа при проведении соответствующих химико-технологических процессов.

2. Впервые представлены номограмма и график зависимости срока окупаемости необходимого энергосберегающего мероприятия от удельного расхода природного газа на единицу продукции, которые позволяют для ХТС синтеза аммиака и производства азотоводородной смеси по известному макропараметру (расходу природного газа на 1 т аммиака) без проведения дополнительных расчетов определить возможную экономию энергетических или топливных ресурсов и срок окупаемости необходимого энергосберегающего проекта.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

разработаны автоматизированные средства анализа эффективности работы и выявления энергосберегающего потенциала для сложных ХТС. С помощью этих средств возможна выработка обоснованных инженерно-технических решений по повышению эффективности работы ХТС и рекомендаций по снижению расхода энергоресурсов для конкретных промышленных предприятий;

использованная методика разработки энергосберегающих мероприятий сложных ХТС и ее программная реализация являются универсальными и позволяют провести структурный анализ ХТС любой степени сложности;

разработанные автоматизированные средства анализа эффективности работы и выявления энергосберегающего потенциала представляют собой инструмент оперативного планирования и управления предприятием, позволяющий руководителю предприятия наряду с текущей фактической информацией и оценкой реальных значений критериальных параметров получать, для сопоставления, характеристику работы ХТС промышленного предприятия при возможном проведении различных энергосберегающих мероприятий. В частности, используя разработанные автоматизированные средства, для ОАО «Дорогобуж» Смоленской области, занимающегося производством аммиака, предложено восемь энергосберегающих мероприятий и оценены сроки их окупаемости.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на I Международной научно-практической конференции «Эффективные энергетические системы и новые технологии», г. Казань, 4-6 декабря 2001 г., II Межрегиональном симпозиуме «Проблемы реализации региональных целевых программ энергосбережения», г. Казань, 4-5 декабря 2002 г., международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование 2002», г. Санкт-Петербург, 6-8 июня 2002 г., Девятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов, 4-5 марта 2003 г, г. Москва, Десятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов, 2-3 марта 2004 г, г. Москва, XVII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» 1- июня 2004 г., г. Кострома, XVIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» 31 мая – 2 июня 2005 г., г.Казань, Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития энерготехнологии» (XII Бенардосовские чтения) 1-3 июня 2005 г., г.Иваново.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав основного текста, выводов по работе, списка использованной литературы, включающего 112 наименований, и четырех приложений. Работа изложена на 187 страницах машинописного текста, содержит 19 рисунков и таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы основные цели и задачи исследования.

В первой главе проведен обзор литературных источников, посвященных состоянию работ по анализу, синтезу, расчету ХТС промышленных предприятий, рассмотрено применение методов математического моделирования и способов расчета для анализа сложных ХТС в различных отраслях промышленности.

Вторая глава посвящена рассмотрению общих принципов решения задач энергосбережения, обзору работ по энергосбережению на промышленных предприятиях, поиску методики разработки энергосберегающих мероприятий и описанию алгоритмического и программного обеспечения для ЭВМ, позволяющего проводить расчет и анализ сложных ХТС для выявления неиспользуемых внутренних энергоресурсов и разрабатывать пути их реализации. Методика, изложенная во второй главе работы, предполагает многократный расчет ХТС при различных предпосылках. С целью сокращения труда на проведение рутинных расчетов автором, на основании этой методики, был разработан программный пакет автоматизированного анализа сложных ХТС. Структурная схема программного пакета приведена на рис.1. Программа разработана в интегрированной среде визуального программирования Borland C++ Builder 5.

Анализ эффективности принятой методики расчета и ее программной реализации был проведен путем выполнения теплового расчета водогрейной котельной, ХТС синтеза нитрила акриловой кислоты и ХТС синтеза аммиака из азотоводородной смеси. Математические модели химико-технологических аппаратов, исходные данные для расчета и результаты расчета приведены в Приложении 3 диссертационной работы.

си стем ы у равн ен и й м атематическ ой м атемати ческ и х м оделей объек т ов Рисунок 1. Структурная схема разработанного программного обеспечения В третьей главе описано восемь энергосберегающих мероприятий для ХТС конверсии метана при производстве азотоводородной смеси на ОАО «Дорогобуж», разработанных автором с помощью описанной во второй главе методики и реализующего эту методику программного обеспечения. Для всех предложенных схемных решений были также определены сроки их окупаемости. При проведении энергетического обследования этого производства, автором были выявлены неиспользуемые в производстве вторичные энергоресурсы, часть из которых представлена в табл. 1.

Характеристика части неиспользуемых вторичных энергоресурсов Воздух в межступенчатых охладителях компрессора воздуха:

Азотоводородная смесь в охладителях:

На основании данных табл.1 были сделаны следующие выводы:

в окружающую среду теряется большое количество вторичных энергетических ресурсов, из-за чего потребление природного газа находится на достаточно высоком уровне;

структура производства позволяет использовать физическую энергию отдельных потоков вторичных энергоресурсов, но лишь частично по технологическим ограничениям, однако возможности эффективной утилизации вторичных энергоресурсов, в отдельных агрегатах, на основе внутренней регенерации позволяют резко повысить энергосбережение.

Одно из энергосберегающих мероприятий предполагает утилизацию охлаждающего теплого воздуха с межступенчатых охладителей компрессора воздуха, направив его на окисление в трубчатую печь первичного риформинга. Поясним применение методики разработки энергосберегающих мероприятий.

Шаг. 1. ХТС представляется в виде графа. На рис.2 дано граф-представление схемы энергосберегающего мероприятия «Утилизация теплого воздуха с межступенчатых охладителей компрессора воздуха» с забором недостающего количества воздуха из атмосферы (поток 23).

VI VI VI

Рисунок 2. Граф-представление схемы энергосберегающего мероприятия «Утилизация теплого воздуха с межступенчатых охладителей компрессора воздуха»

I-трубчатая печь (конвертор метана первой ступени); II-змеевики подогрева в трубчатой печи; IV-смеситель воздуха; VI-межступенчатый охладитель воздуха Шаг 2. Формируется система нелинейных уравнений, описывающих процессы в агрегатах ХТС. Математические модели технологических аппаратов, составленные для анализа тепловой схемы производства азотоводородной смеси на ОАО «Дорогобуж» и разработки энергосберегающих мероприятий, основаны на уравнениях материального и теплового балансов с допущениями идеального теплообмена. Математическая модель трубчатой печи первичного риформинга состоит из уравнений материального и теплового баланса:

Змеевики подогрева трубчатой печи моделируются поверхностным теплообменным аппаратом II на рис.2:

Математические модели межступенчатых охладителей компрессора воздуха VI на рис.2 основывается на уравнениях материального и теплового баланса:

G9=G11, (8) G10=G12, (9) G13=G15, (11) G14=G16, (12) G17=G19, (14) G18=G20, (15) Математические модели смесителей воздуха имеют вид:

G12+G16=G21, (17) G21+G20=G22, (19) где Gi, Ci, ti — расход, удельная изобарная теплоемкость и температура i-го потока в схеме на рис.2.

Шаг 3. Составляется двудольный граф, состоящий из двух непересекающихся подмножеств, соответствующих уравнениям и переменным системы уравнений. На рис.3 приведен двудольный граф Кенига, отражающий структуру системы уравнений математической модели ХТС (1)-(22).

Шаг 4. Неориентированный двудольный граф (рис.3) ориентируется с использованием алгоритма нахождения совершенного паросочетания для определения независимых переменных, задаваемых в качестве исходных. Часть матрицы, аналогичной матрице смежности, для графа системы уравнений, представленного на рис.3, приведена в табл. 2 а). В результате обработки этой матрицы алгоритмом Манкреса, изложенным в Приложении 1 диссертации, получим преобразованную матрицу, часть которой приведена в табл. 2 б). Совершенное паросочетание считается найденным в том случае, когда число нулей со звездочкой станет равным числу столбцов (в каждом столбце должно быть по одному нулю со звездочкой). Множество независимых переменных при этом изменилось и стало состоять из переменных: t2, G3, t3, t4, t5, G6, t6, t8, G9, t9, t10, t11, t12, G13 t13, t14, t15, t16, G17, t17, t18, t19, t20, t23, которые и необходимо задать в качестве исходных, для решения системы уравнений математической модели ХТС, приведенной на рис.2.

f Рисунок 3. Двудольный граф системы уравнений математической модели энергосберегающего мероприятия «Утилизация теплого воздуха с межступенчатых Часть матрицы, аналогичной матрице смежности, для графа а) до обработки алгоритмом б) после обработки алгоритмом Задание этих переменных в качестве исходных осуществляется путем введения в составленную ранее систему уравнений математической модели ХТС следующих уравнений связи:

Шаг 5. Сформированная система уравнений разбивается на подсистемы с использованием метода максимальных весовых коэффициентов, изложенного в Приложении 2 диссертации. Декомпозиция системы уравнений математической модели ХТС заключается в выделении из этой системы строго соподчиненных уравнений и совместно замкнутых подсистем уравнений, а также в определении последовательности их решения. Структура общей системы уравнений кодируется матрицей структуры с элементами вида: Sij=1, если xi входит в уравнение fj; и Sij=0, в противном случае. В табл. 3 приведена часть объединенной матрицы структуры системы уравнений математической модели ХТС.

Часть объединенной матрицы структуры системы уравнений математической трубчатая печь – конвертор метана Объединенная матрица структуры (табл.3 а) преобразуется так, чтобы над выходными переменными стояли только нулевые элементы. Переменные, которые стоят в преобразованной структурной матрице выше главной диагонали матрицы, определяются итерационно (табл.3 б). Последовательность уравнений и переменных в преобразованной матрице соответствует последовательности расчета уравнений и вычисления значений переменных. Например, параметры t17, t18, t19 и t23 определяются безитерационно из строго соподчиненных уравнений (42), (43), (44), (46). Выходные переменные уравнений (3), (1), (4), (9), (10), (17), (12), (13), (18), (19), (15), (16), (20), (21), (22) стоят выше главной диагонали преобразованной структурной матрицы. Следовательно, перечисленные уравнения образуют совместно замкнутую подсистему уравнений (их необходимо решать совместно), а их выходные переменные G1, G2, G4, t1, G10, G12, G16, G21, G14, t21, G20, G22, G18, t22, G23 определяются итерационно.

Шаг 6. Декомпозированная система уравнений решается одним из итерационных методов. Часть результатов расчета представлено в табл.4.

Часть результатов автоматизированного расчета процесса утилизации теплого воздуха с межступенчатых охладителей компрессора воздуха Анализируя полученные результаты, можно заключить, что реализация этого энергосберегающего мероприятия приведет к повышению температуры воздуха подаваемого на окисление в печь первичного риформинга с 18°С до 72°С, а это, в свою очередь, приведет к снижению расхода природного газа на обогрев печи на 3,2% по сравнению с расходом в действующей на предприятии схеме. Срок окупаемости этого энергосберегающего мероприятия составляет 11 мес.

Шаг 7. Рассматриваются возможные варианты замыкания неиспользуемых энергопотоков внутри анализируемой схемы с целью обеспечения внутренней регенерации и возможно более полного использования внутренних энергоресурсов. Среди неиспользуемых потоков в анализируемой ХТС, графпредставление которой дано на рис.2, можно указать поток № 7 (дымовые газы из печи риформинга), который можно замкнуть внутри этой же ХТС, например, для подогрева первичного воздуха перед его подачей в трубчатую печь на окисление. В случае нахождения возможных путей обеспечения внутренней регенерации методика повторяется, начиная с шага 1.

Основные характеристики предложенных в диссертационной работе энергосберегающих мероприятий для ОАО «Дорогобуж» представлены в табл.5.

Характеристики предложенных энергосберегающих мероприятий Объекты модернизации и но- Стоимость Экономия мер энергосберегающего ме- реализации, природного Печь риформинга Огневой подогреватель и печь риформинга Примечание к таблице 5:

1. Первое число обозначает процент экономии природного газа в огневом подогревателе, а второе число — процент экономии природного газа в печи риформинга.

В результате обработки результатов энергетического обследования ОАО «Дорогобуж» построена номограмма, представленная на рис.4, позволяющая для предприятий данного типа по расходу природного газа на 1 т аммиака без проведения дополнительных расчетов определить возможную экономию природного газа. График зависимости срока окупаемости энергосберегающего мероприятия от желаемого удельного расхода природного газа, представленный на рис.5, построен на основании данных, полученных в результате расчета тех схемных решений, которые могут быть реализованы на практике. Полученная номограмма может быть использована для предварительной оценки степени экономии природного газа на ОАО «Дорогобуж» и аналогичных предприятиях следующим образом:

1) определяется удельный расход природного газа на предприятии;

2) в зависимости от предполагаемой степени регенерации находится предварительное значение экономии природного газа по номограмме, представленной на рис.4;

Рисунок 4. Линейная зависимость удельного расхода природного газа от степени регенерации вторичных энергоресурсов для ОАО «Дорогобуж»

срок окупаемости, мес Рисунок 5. Зависимость срока окупаемости энергосберегающего мероприятия от желаемого удельного расхода природного газа для ОАО «Дорогобуж»

3) в зависимости от найденного нового удельного расхода природного газа определяется срок окупаемости энергосберегающего проекта по графику, представленному на рис.5.

В заключении изложены выводы по результатам диссертационной работы:

1. Автором показано, что наряду с использованием в действующих и вновь проектируемых ХТС современных энергосберегающих технологий и улучшением энергетических показателей отдельных технологических агрегатов, необходимо рассматривать возможность повышения КПД ХТС посредством структурной оптимизации этих систем с учетом особенностей производственнотехнологического процесса.

2. Автором создана библиотека математических моделей различных химикотехнологических и теплоэнергетических объектов, построенных по унифицированному принципу.

3. На основе методики разработки энергосберегающих мероприятий и созданной библиотеки математических моделей автором разработан программный пакет для автоматизированного анализа ХТС промышленных предприятий, содержащий развитый интерфейс, использующий алгоритмы нахождения совершенного паросочетания, декомпозиции системы уравнений на подсистемы и решения сформированной системы уравнений в автоматическом режиме без использования элементов диалога между оператором и ЭВМ.

4. С помощью разработанного программного пакета анализа сложных ХТС промышленных предприятий и сведений, собранных на ОАО «Дорогобуж», были проанализированы различные варианты энергосберегающих мероприятий в ХТС конверсии метана производства азотоводородной смеси; определен процент экономии топливного природного газа в каждом из них и оценены их сроки окупаемости; проведен синтез ХТС с огневым подогревателем природного газа и трубчатой печью с энергосберегающей точки зрения; сделаны конкретные предложения по реконструкции ХТС этого производства.

5. На основании проведенных расчетов впервые автором построена номограмма, позволяющая для производства азотоводородной смеси и аммиака на ОАО «Дорогобуж» и аналогичных предприятиях по известному макропараметру (расходу природного газа на 1 т аммиака) без проведения дополнительных расчетов определить возможную экономию природного газа.

В приложении приведены описания использованных в работе алгоритмов, результаты анализа принятой в работе методики расчета и ее программной реализации и акт об использовании результатов диссертационной работы.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих опубликованных работах:

1. Панченко С.В., Богатырев А.Ф., Аршиненко И.А. Компьютерный анализ тепловых схем энерготехнологических систем // Известия вузов, Проблемы энергетики.-2003. №7-8.-С.3-13.

2. Богатырев А.Ф., Панченко С.В., Аршиненко И.А. Обработка результатов энергетического обследования с помощью компьютера // Труды I Международной научно-практической конференции «Эффективные энергетические системы и новые технологии EEST’2001».-Казань, 2001.-С.173-176.

3. Богатырев А.Ф., Панченко С.В., Аршиненко И.А. Решение систем нелинейных уравнений с использованием BORLAND C++ BUILDER 5 // Труды 3-й Международной научно-технической конференции Компьютерное моделирование 2002.-Санкт-Петербург, 2002-С. 14-17.

4. Богатырев А.Ф, Панченко С.В., Аршиненко И.А. Автоматизированная обработка результатов обследования промышленных объектов для составления энергетического баланса // Научно-техническая конференция, посвященная 40летию филиала МЭИ в г. Смоленске: Тез. докл.-Смоленск, 2001.-С. 41-42.

5. Богатырев А.Ф., Аршиненко И.А. Математическое моделирование стационарных режимов работы системы синтеза аммиака // XVII Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях»: Сб.

трудов.-Кострома, 2004.-Т.9.-С. 19-22.

6. Аршиненко И.А., Богатырев А.Ф. Проблемно-ориентированный подход в автоматизации расчетов теплотехнологических систем // Десятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл.-Москва, 2004.-Т.2.-С. 308-309.

7. Богатырев А.Ф., Аршиненко И.А. Математическое моделирование энергосберегающих мероприятий при производстве азотоводородной смеси // XVIII Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях»: Сб. трудов.-Казань, 2005.-Т.3.-С. 85-88.

Издательский сектор филиала ГОУВПО «МЭИ(ТУ)» в г. Смоленске