Оптимизационные технико-экономические исследования энерготехнологических установок производства СПГ и электроэнергии с извлечением гелия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.01, кандидат технических наук Степанов, Виталий Викторович

• Степанов, Виталий Викторович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Степанов, Виталий Викторович

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗ

ВОДСТВА СПГ И ГЕЛИЯ, ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ,

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ, МИРОВОЙ РЫНОК СПГ И

ГЕЛИЯ

1.1. Современное состояние технологий получения СПГ, 18 области использования СПГ

1.2. Состояние и перспектива развития мирового рынка 31 СПГ

1.3. Состояние гелиевой промышленности и перспективы 39 ее развития

1.3.1. Установки извлечения гелия

1.4. Альтернативные методы извлечения гелия из природ- 60 ного газа

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ОПТИМИЗАЦИОННЫХ ТЕХ

НИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭТУ ПОЛУЧЕНИЯ СПГ И ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

С ИЗВЛЕЧЕНИЕМ ГЕЛИЯ

2.1. Методический подход к решению задачи оптимизаци- 66 онных технико-экономических исследований ЭТУ получения СПГ и производства электроэнергии с извлечением гелия

2.2. Проблемы создания эффективной математической 74 модели ЭТУ получения СПГ

2.3 Методика расчета показателей инвестиционного про- 77 ekta ЭТУ получения СПГ, гелия и электроэнергии

Hurrim i гпспмэш и пики им. Л л. МглипшисОРЛН

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, 66 ЭЛЕМЕНТОВ ЭТУ ПРОИЗВОДСТВА СПГ, ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С ИЗВЛЕЧЕНИЕМ ГЕЛИЯ

3.1 Математическое моделирование свойств многокомпонентных газовых смесей

3.2. Методика определения термодинамически равновес- 89 ного состава многокомпонентных парожидкостных смесей.

3.3. Математическое моделирование основных элементов 95 на основе свойств многокомпонентных парожидкостных смесей и процессов, протекающих в ЭТУ

4. ОПТИМИЗАЦИОННЫЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ 108 ИССЛЕДОВАНИЯ ЭТУ ПОЛУЧЕНИЯ СПГ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

4.1. Математическое моделирование энерготехнологиче- 108 ских установок получения СПГ и электроэнергии

4.2 Технико-экономическая оптимизация ЭТУ производ- . 111 CTBA СПГ и электроэнергии

5. ОПТИМИЗАЦИОННЫЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ 122 ИССЛЕДОВАНИЯ ЭТУ КОМБИНИРОВАННОГО ПОЛУЧЕНИЯ СПГ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С ИЗВЛЕЧЕНИЕМ ГЕЛИЯ

5.1. Математическое моделирование энерготехнологиче- 122 ских установок получения СПГ и электроэнергии с извлечением гелия

5.2. Технико-экономическая оптимизация ЭТУ получения 127 СПГ и электроэнергии с извлечением гелия

6. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВ- 141 НОСТЬ МОРСКОГО ТРАНСПОРТА СПГ И СЖТ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизационные технико-экономические исследования энерготехнологических установок производства СПГ и электроэнергии с извлечением гелия»

Гелий — ценный компонент природного газа. Природный газ богатых гелием месторождений, в первую очередь месторождений Восточной Сибири и Якутии, стратегически необоснованно поставлять на внутренний рынок и на экспорт до извлечения гелия.

Хотя в настоящее время более 95% мирового потребления гелия обеспечивают США, однако за пределами 2010-2015 гг. экспортные возможности США значительно сократятся, а потребление гелия существенно увеличится. Поэтому при правильном государственном подходе Россия на базе месторождений Восточной Сибири и Дальнего Востока в первой четверти XXI века вполне может стать крупнейшим производителем и экспортером гелия. Так как рынок гелия в настоящее время насыщен, до появления спроса на этот ценный компонент природного газа его возможно выделять и накапливать в специальных хранилищах (подземных пластах, в том числе солевых выработках, которых много в Приангарье).

Следует отметить, что основным способом извлечения гелия из природного газа, получившим промышленное применение в мире, является способ глубокого охлаждения, так как на сегодняшний день он является единственно надежным и проверенным методом извлечения гелия, что особенно актуально для установок большой мощности (перерабатывающих 2-2,5 млрд. м и более природного газа в год). Здесь возможны два варианта: получение сжиженного природного газа (СПГ) и отвод гелиевого концентрата; регенерация холода с последних ступеней охлаждения природного газа и отвод гелиевого концентрата.

Таким образом, извлечение гелия из природного газа — одна из важнейших национальных задач России в наступившем столетии. Эта задача тесно связана с другой задачей — производством сжиженного природного газа, поскольку производство СПГ и гелия технически хорошо сочетаются. Причем эффективность комбинированного производства сущест

Иркутск-2009 4

ННГПГШП1Г11Ч )ШП| ГИСТП1М II \ МГ.ННГПВЛСОРАП венно выше эффективности раздельных производств. Важно отметить, что квалификация и производственные возможности таких российских предприятий, как ОАО "Криогенмаш" , ОАО "Сибкриотехника", ООО НТК "Криогенная техника", "Уралкриотехника", ПО "Гелиймаш" и других предприятий позволяют на основании имеющихся заделов решить любую из конкретных задач в области ожижения природного газа, включая, как выпуск ожижительных установок различной мощности, так и оборудования для транспорта, хранения и газификации СПГ и гелия.

Процессы получения СПГ и выделения гелия криогенным способом характеризуются значительным потреблением электроэнергии на собственные нужды, а также большими капитальными затратами в криогенное оборудование. В этих условиях одной из основных задач при исследовании технологий извлечения гелия из природного газа является разработка энергетически и экономически эффективных технологических схем, где цена производимого СПГ и затраты на получение гелиевого концентрата будут минимальными.

Так как установки получения сжиженного природного газа потребляют достаточно большие количества механической и электрической энергии, то представляется эффективным комбинирование в одной энерготехнологической установке (ЭТУ) процессов получения СПГ и электроэнергии. Такое комбинирование дает возможность покрытия собственных нужд, при необходимости — производства дополнительной электроэнергии, а также утилизации для производства электроэнергии несконденсировав-шихся газов с последней ступени сепарации (продувки), которая необходима для удаления из холодильного цикла балластных газов: азота и гелия. Это повышает перспективы эффективного извлечения из газов продувки гелия, поскольку ее объем незначителен и может в пределе сводится к объему, необходимому для производства электроэнергии для удовлетворения собственных нужд. flictirivi CHCTLIIJIlt Г! гпошч.Л Л. Mini НПЬПСОРЛН

Энерготехнологические установки получения СПГ, производства электроэнергии и извлечения гелия из природного газа характеризуются сложностью описания процессов, протекающих в многокомпонентных двухфазных смесях, а также практическим отсутствием значительного опыта их проектирования. Поэтому основным путём их исследования является математическое моделирование и проведение оптимизационных технико-экономических расчетов на разработанных моделях с целью получения оптимальных схем и параметров ЭТУ.

Вопросы математического моделирования и исследования энергетических и технологических установок освещены во многих работах: Институтом проблем машиностроения АН Украины [76-78, 113] проведён большой комплекс исследований конструкций турбомашин и автоматизации их проектирования; значительный опыт математического моделирования и оптимизации процессов и схем теплоэнергетических установок накоплен в Институте систем энергетики имени JI.A. Мелентьева (ИСЭМ) СО РАН, большие достижения в области методов математического моделирования и оптимизации энергетического оборудования и энергетических производств отражены в работах [2, 40-42, 49, 76-79, 113]. Наиболее значимыми в направлении исследований сложных ТЭУ и ЭТУ являются разработки таких ученых как А.И. Андрющенко, Н.П. Деканова, A.M. Клер, А.А. Палагин, JI.C. Попырин, С.К. Скрипкин, JI.A. Шубенко-Шубин, М.А. El-Masri, V. Grovic и др.

Оригинальные наработки в области моделирования различных типов термодинамических систем, в том числе многофазных систем реальных газов изложены в работах А.Н. Горбаня, Б.М. Кагановича, С.П. Филиппова.

Вопросам исследования криогенных процессов и установок, в том числе установок получения СПГ и извлечения гелия, посвящено значительное количество научных работ. Во ВНИИГАЗе ведутся работы по созданию методов расчёта термодинамических и теплофизических свойств imc гип п iictlm )ш гп гип111м ч \ мышшшшрчн газовых смесей, по разработке методов расчёта холодильных циклов и основного оборудования установок получения СПГ, по анализу и выбору типов холодильных циклов сжижения газа, разработке основных технических решений по установкам сжижения [18, 39].

Кроме того, работы по изучению установок получения СПГ ведутся КБ Общего Машиностроения (специализируется на создании комплексов для получения, хранения и выдачи потребителю жидкого водорода или сжиженного природного газа) [115], НПО Криогенмаш [116], ВНИ-ПИТрансгазом (занимается проектированием установок сжижения и разделения газов, обустройства подземных хранилищ газа) [117], ЛенНИИ-химмашем [118], АНТК им. А.Н. Туполева [119]. ВНИИГАЗом совместно с ЛенморНИИпроектом, ЦНИИ Морского Флота, РКК "Энергия" и норвежской компанией "Квернер Мосс Технолоджи" разработано технико-экономическое обоснование целесообразности освоения Харасавэйского ГКМ путём строительства завода сжижения и вывоза сжиженного газа танкерами.

Среди прочих следует выделить ЛенНИИхиммаш, который занимается разработкой аппаратуры для низкотемпературного газоразделения и очистки газовых смесей, крупных поршневых компрессоров и установок. Одним из важных направлений деятельности ЛенНИИхиммаша в 70-х годах была разработка проекта крупнотоннажной установки переработки бедного по содержанию гелия (всего 0,055%) природного газа производительностью 1,5 млн. м с выделением из него гелиевого концентрата, этана и широкой фракции легких углеводородов для Оренбургского гелиевого завода.

В настоящее время институт преобразован в многопрофильное инжиниринговое предприятие, осуществляющее исследование, проектирование как отдельных видов оборудования, комплектных технологических линий, так и целых заводов. К примеру, завершен рабочий проект реконст

Ннепп-yi сигп \юш и пиги им. Л.л. Mini mmu СО РАН рукции гелиевого блока №1 первой очереди Оренбургского гелиевого завода. На стадии согласования находятся проекты по второй и третьей очереди.

ЛенНИИхиммашем выполнен технический проект Саянского гелиевого завода по выделению гелия из природного газа Ковыктинского месторождения в Восточной Сибири, то есть возобновлена традиционная тематика института- извлечение гелия из природного газа

Предприятие ОАО «НПО Гелиймаш» проводит модернизацию ранее выпущенных установок, с заменой теплообменного, машинного оборудования и системы контроля и управления. Отличительной чертой криогенных гелиевых установок (КГУ) производства ОАО «НПО Гелиймаш» является схема по использованию предварительного азотного охлаждения и высокоэффективных турбодетандеров (расширительных машин), в том числе, на газовых опорах собственной разработки. В крупных ожижителях гелия применены одноступенчатые жидкостно-паровые турбодетандеры вместо дроссельных вентилей, что позволило значительно увеличить производительность установок. Аналогичными турбодетандерами оснащены три ожижителя гелия, которые более шести лет успешно работают в г. Оренбурге, а также крупный ожижитель гелия в Российском научном центре «Курчатовский институт».

ОАО «НПО Гелиймаш» осуществляет значительный объем научных и производственных работ в области развития гелиевого оборудования. Специалисты ОАО «НПО Гелиймаш» разработали математические модели криогенных гелиевых установок, обеспечивающие их оптимальные параметры. На базе новых турбодетандеров с использованием результатов экспериментальных и теоретических работ был создан ряд криогенных гелиевых установок различной производительности, как для получения холода на температурном уровне от 4,5 К до 20 К, так и для получения жидкого гелия до 700 л/час. Созданные криогенные гелиевые установки использу

Инстип г сиги \юш гггпкнич Ч \ МглпншиСОРЛН ются в различных областях науки и промышленности - академических научных институтах для исследования элементарных частиц и для получения мощных электромагнитных полей с помощью сверхпроводящих обмоток, предприятиях по выделению гелия из природного газа, ожижения гелия.

Также следует отметить, что сотрудники Института теоретической и прикладной механики СО РАН работают над идеей выделения гелия без глубокого охлаждения природного газа с использованием цеолитов, тем более, что эти алюмсиликаты применяются в качестве осушителей природного газа при его подготовке к транспорту. Однако, при детальном исследовании выяснилось, что цеолиты поглощают гелий только тогда, когда он охлажден до криогенных температур.

Заслуживают внимания работы Фастовского В.Г. [109, 110], посвященные фундаментальным вопросам криогенной техники: к примеру- холодильным газовым циклам установок с детандерами, термодинамическому анализу низкотемпературных процессов, методам расчета многоступенчатых циклов криогенных установок.

В работах Бродянского В.М. и Семенова А.М [12] изложены основные принципиальные положения применительно к задачам криогеники, более детально рассмотрены вопросы термодинамического анализа криогенных систем и их элементов, особое внимание уделено трактовке понятия КПД и определению его значений для различных процессов и систем (в частности, разомкнутых), а также анализу процессов дросселирования, разделения смесей, теплообмена и смешения.

В работе М.П. Малкова [90] представлена наиболее распространенная и обобщенная схема технологической установки выделения гелия из природного газа, даны некоторые экспериментальные данные по фазовому равновесию бинарных и тройных смесей, приведены физические свойства веществ при низких температурах, кратко приведены основные холодиль

Mimnrvi шгамипппшпм Ч л МишаннСОРАН ные циклы, механические свойства металлов и сплавов при низких температурах, основные уравнения гидравлики и теплопередачи.

В работах сотрудников Московского энергетического института Григорьева В.А., Крохина Ю.И., Аметистова Е.В. [19, 20] даны критические параметры, параметры насыщения и параметры тройной точки для некоторых газов (азот, водород, гелий и др.), даны рекомендации для расчета свойств различных ожиженных газов, также в работе произведена классификация различных теплообменников, применяемых в криогенной технике, изложена методика расчета теплообменник: аппаратов и примеры расчета. Как правило, при расчете процессов теплообмена теплофизиче-ские свойства теплоносителей определяются при средней температуре потоков и давлении на входе. В данной работе свойства теплоносителей определяются при разбивке площади теплообмена на значительное число участков (15 и более) с целью увеличения точности расчетов по среднему давлению и средней температуре на исследуемом участке.

Следует отметить, что большая часть исследований по технологиям сжижения природного газа и извлечения гелия в мире и России посвящена изучению отдельных процессов и аппаратов (Dutch Shell, испано-аргентинская Repsoil, японская Chyoda Corp., норвежская государственная компания Statoil ASA, американская Air Products & Chemicals, Криоген-маш, Гелиймаш, ВИНИТ A3, НИПИГАЗ (ОАО "Нипигазпереработка") и др.), а также различным экспериментальным исследованиям. Кроме того, часть исследований посвящена изучению установок небольшой производительности. Оптимизационных исследований таких сложных комбинированных систем, какими являются ЭТУ, основанных на подробных моделях энергетических и криогенных элементов с учетом нелинейности происходящих в них процессов, а также фазового состояния многокомпонентных парожидкостных смесей, не проводилось. В то же время без таких исследований невозможно получение оптимальных технических решений и досfHCTlrm UICTLMЭ1Н ГГГШШ11М 1.Л. Ml'JI ШЫ-ВЛСОРЛН таточно объективных экономических показателей, позволяющих определить условия конкурентноспособности изучаемых технологий.

Из анализа имеющихся работ можно сделать вывод о недостаточном опыте моделирования и проектирования установок глубокого охлаждения природного газа и, следовательно, об актуальности задачи исследования установок получения СПГ, производства электроэнергии и извлечения гелия при помощи методов математического моделирования и оптимизации. Это даёт возможность оценить технико-экономическую эффективность установок с различными вариантами технологических схем и принять оптимальные схемно-параметрические решения по ЭТУ.

Следует отметить, что в ИСЭМ СО РАН накоплен значительный опыт математического моделирования и оптимизационных исследований ЭТУ производства синтетических жидких топлив (СЖТ) и производства электроэнергии из разных видов органического топлива [27, 41, 44-48, 50], на котором базируется моделирование установок получения СПГ, производства электроэнергии с извлечением гелия. Наличие выполненных с использованием согласованных математических моделей и исходной информации исследований установок производства СПГ и СЖТ позволяет решить проблему оценки областей конкурентноспособности способов дальней транспортировки энергии природного газа: в виде СЖТ или СПГ.

Диссертационная работа посвящена решению важной задачи создания эффективных в вычислительном плане математических моделей установок получения СПГ, производства электроэнергии, извлечения гелия и проведения комплексных технико-экономических исследований таких установок и включает следующие основные цели-этапы: разработка методического подхода к решению задачи комплексных технико-экономических исследований ЭТУ получения СПГ, производства электроэнергии и извлечения гелия, основанного на исполь Инспгп I CTiCTi м :)Щ и i mm им Ч.л. Мгл чишх СО 1',\И зовании достаточно подробных математических моделей, нелинейной оптимизации и учете неопределенности исходной информации; ♦♦♦ разработка эффективного (быстродействующего, устойчиво работающего и удовлетворяющего требуемой точности вычислений) метода определения термодинамически равновесного состава многокомпонентных парожидкостных смесей; ♦♦♦ создание согласованной системы математических моделей элементов технологических схем ЭТУ, моделирование процессов тепломассообмена, термодинамических и теплофизических свойств всех составляющих многокомпонентных парожидкостных газовых смесей с учётом быстродействия и требуемой точности вычислений; ♦♦♦ создание математических моделей ЭТУ получения СПГ и производства электроэнергии и ЭТУ получения СПГ и производства электроэнергии с выделением гелия в целом; проведение комплексных технико-экономических исследований установок получения СПГ, производства электроэнергии без извлечения гелия на основе разработанных моделей с целью обоснования основных схемных и параметрических решений по ЭТУ и определения стоимости производства СПГ; оптимизационные исследования ЭТУ производства СПГ и электроэнергии с извлечением гелия с целью получения оптимальных схем и параметров, оценки затрат на извлечение гелия; разработка математических моделей систем морского транспорта СПГ, сопоставление эффективности транспорта СПГ и синтетических жидких топлив (метанола, диметилового эфира- ДМЭ) на различные расстояния с учетом затрат в звенья рассматриваемых систем транспорта.

Ннснго i сиси м:)ш n roranv ч.Л. Mi-i> iiileba СОРЛН

Работа опирается на современные методы математического моделирования, нелинейной оптимизации и основные достижения теории и методов технико—экономических расчётов в энергетике.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые получены и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты.

1. Методический подход к задаче комплексных технико-экономических исследований ЭТУ получения СПГ, производства электроэнергии и извлечения гелия из ПГ, основанный на использовании достаточно подробных математических моделей ЭТУ, нелинейной оптимизации их параметров, учете неопределенности исходной информации и сопоставлении технико-экономических показателей ЭТУ с извлечением и без извлечения гелия.

2. Математические модели криогенных элементов технологических схем ЭТУ получения СПГ, производства электроэнергии и извлечения гелия, которые основаны на разработанном быстродействующем и устойчиво работающем методе определения термодинамически равновесного состава многокомпонентных парожидкостных газовых смесей.

3. Результаты оптимизационных технико-экономических исследований ЭТУ получения СПГ, производства электроэнергии с извлечением гелия, обосновывающие основные схемно-параметрические решения по ЭТУ в условиях неопределённости экономической информации и показывающие уровень затрат в производство гелиевого концентрата на основе сравнения технико-экономических показателей ЭТУ получения СПГ и электроэнергии с извлечением и без извлечения гелия.

4. Результаты сопоставления экономической эффективности технологий морского транспорта энергии природного газа в виде СПГ и синтетически жидких топлив (СЖТ), полученные при различных сочетаниях исходной экономической информации.

ПНСТШЛ i CIICriMb! II fi itu1 hum. П Л Ml-il 1ПШ5.л СОРЛН

Практическая ценность работы заключается в возможности оценки с помощью разработанных математических моделей ЭТУ производства СПГ, электроэнергии и извлечения гелия технической и экономической эффективности производства гелиевого концентрата, электроэнергии и СПГ, принятия оптимальных схемно-параметрических решений по установке и выработке рекомендаций для проектирования таких ЭТУ.

Методические разработки диссертации могут быть рекомендованы при выборе того или иного варианта извлечения гелия из природного газа разрабатываемого Ковыктинского газо-конденсатного месторождения и других месторождений Восточной Сибири и Якутии.

Апробация работы. Результаты исследований опубликованы более чем в 20 печатных работах и обсуждались на: конференциях молодых ученых ИСЭМ СО РАН (2001-2008 гг.); IV Международной научно-технической конференции «Достижения и перспективы развития энергетики Сибири», (Красноярск, 2005); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири», (Иркутск, 2005); пятой Международной конференции Asian Energy Cooperation: Mechanisms, Risks, Barriers (Якутск, 2006); шестой Международной конференции Asian Energy Cooperation: Forecasts and Realities (Иркутск, 2008); XXI Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-21» (Саратов, 2008); в 2006-2008 гг. проводились работы по теме диссертации по гранту РФФИ 06-08-964-а.

Личный вклад автора. Автором совместно с научным руководителем разработаны: методический подход к комплексным технико-экономическим исследованиям технологий извлечения гелия и обсуждены результаты. Самостоятельно разработаны математические модели всех элементов технологических схем ЭТУ и установок в целом, проведены оп

НС ПГГНСИСПМ 5ШРПГИПП1Ч ИЛ МЬЛПШННСОРЛП тимизационные исследования ЭТУ, проанализированы результаты, сделаны выводы и др.

Состав и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (123 наименования). Общий объем диссертационной работы 164 стр., в том числе список литературы - 13 страниц, 21 Рис. и 11 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Энергетические системы и комплексы», Степанов, Виталий Викторович

Выводы

Рассматриваемые технологии производства и морского транспорта энергии природного газа имеют свои области эффективности при различных сочетаниях исходной экономической информации по оборудованию ЭТУ, ценам на топливо и отпускаемую электроэнергию, затратам в звенья рассматриваемых цепочек производства и транспорта СПГ и СЖТ.

Исследования показали, что СПГ имеют более высокую по сравнению с СЖТ конкурентоспособность, вплоть до расстояний 7-14 тыс. км при цене на отпускаемую от ЭТУ электроэнергию 5 цент за кВт*ч, и вплоть до расстояний 12-20 тыс. км при цене электроэнергии 3 г^ента за кВт *ч в зависимости от стоимости производства СПГ (СЖТ) в ЭТУ загруженности танкеров, расстояния перевозки и др.

Институ т cuctTM ингггшк'и им П.А МШШИТЬГВА СО РАМ

230,0

220,0 210,0 I of 200,0 с.

190,0 180.0 170,0 160,0

150,0

1,

О 2,0 4,0 6,0 8,0 10.0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0 Расстояние транспорта, тыс. км а)

§ а к с, а>

8 I I

250,0 240,0 230,0 220,0 210,0 200,0 190,0 180,0 170,0

6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 Расстояние транспорта, тыс. км 3 4

Метэноя 3 Метанол 4 3 4 б)

Рис. 6.2. а) - цены СЖТ и СПГ у потребителей в зависимости от расстояния транспорта при стоимости СЖТ или СПГ на ЭТУ, полученной при цене электроэнергии - 5 цент/кВт ч; б) - цены СЖТ и СПГ у потребителей в зависимости от расстояния транспорта при стоимости СЖТ или СПГ на ЭТУ, полученной при цене электроэнергии - 3 цент/кВт ч.

Инсним <ис п u'mm шли им Л A Mt ium.nvC01'\ll

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Выводы

Проведённые в рамках диссертации исследования позволили сделать следующие выводы, основанные на полученных в ходе работы результатах:

S На основе анализа литературных данных и результатов технико-экономических исследований ЭТУ синтеза синтетически жидких и газообразных топлив обоснована перспективность извлечения гелия из природного газа методом глубокого охлаждения в установках комбинированного производства СПГ и электроэнергии. Показана необходимость исследования установок извлечения гелия такого уровня с широким привлечением методов математического моделирования и оптимизации.

S Разработан методический подход к решению задачи комплексных технико-экономических исследований энерготехнологических установок получения СПГ и электроэнергии с извлечением гелия из природного газа. Разработанный подход ориентирован на широкое привлечение метода математического моделирования, проведение численных исследований на моделях и позволяет учесть неопределённость условий сооружения установок получения СПГ и электроэнергии с выделением гелия в долгосрочной перспективе, обеспечить сопоставимость рассматриваемых вариантов энерготехнологических установок ожижения природного газа по энергетическому эффекту.

S Разработана согласованная система математических моделей энергетических и технологических элементов технологических схем установок ожижения природного газа, позволяющих создавать на их основе программы расчёта широкого класса таких установок. Следу

Нислшутсистюнич тики им. Л.Л. МииггынлСОКЛН ет отметить, что ранее такие ЭТУ не моделировались (речь идет о ЭТУ комбинированного производства СПГ, гелия и электроэнергии). Разработан эффективный в вычислительном плане метод, характеризующийся высокой точностью и быстродействием, основанным на двухэтапной одномерной минимизации функции Гиббса определения термодинамически равновесного состава многокомпонентных парожидкостных смесей. Разработанные модели элементов (аппаратов) ЭТУ получения СПГ и производства электроэнергии и установок в целом достаточно точно описывают рассматриваемые процессы тепло- и массообмена (сравнение проводилось с аппаратами, рассчитанными в специальной литературе) и позволяют вести расчет при любом составе и параметрах природного газа.

•S В работе применяется адаптированная модель конструкторского расчета теплообменников, которая хорошо совпадает с точной (нелинейной) моделью вблизи решения точной задачи оптимизации. Подход универсален и применим к любой модели, где ведутся итерационные расчеты с применением методов решения больших систем нелинейных уравнений.

S Результаты исследований ЭТУ комбинированного производства СПГ и электроэнергии показывают, что при принятых условиях функционирования (ценах на ПГ, электроэнергию, оборудование, заданной рентабельности), цены на СПГ на выходе из установки лежат в диапазоне 95-115 дол./т у.т.

•S Проведены оптимизационные технико-экономические исследования ЭТУ комбинированного производства СПГ и электроэнергии с выделением гелия, которые показали, что при принятых условиях функционирования ЭТУ цена гелия составляет 2,7 дол./м3.

Инсштокнч шшппкицч Л л Mint ни,; in СО РАН

S При рассмотрении эффективности технологий дальнего транспорта энергии природного газа были определены оптимальные расстояния транспортировки СПГ и СЖТ в зависимости от различного уровня затрат в звенья рассматриваемых технологических цепочек морского транспорта энергии природного газа. Было установлено, что СПГ может эффективно конкурировать с СЖТ вплоть до расстояний 7-14 тыс. км.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Степанов, Виталий Викторович, 2009 год

1. Ананьев Е.П. Атомные установки в энергетике — М.: Атомиз-дат, 1978.-192 с.

2. Андрющенко А.И., Аминов Р.З. Оптимизация режимов работы и параметров тепловых электростанций. М.: Высш. шк., 1983. - 225 с.

3. Антифеев В.Н. Моторное топливо транспорта XXI века. Экологические, сырьевые и технические аспекты. 2003. www.transgasindustry.com.

4. Балыбердина И.Т. Физические методы переработки и использования газа. -М.: Недра, 1998.-256 с.

5. Беляков В.П. Криогенная техника и технология.-М.: Энерго-атомиздат, 1982.-272с.

6. Бендукидзе Н. Первый в России завод по производству СПГ станет крупнейшим в мире// Нефть и газ. Аналитика //2007. http://www.neftegaz.ru/analit/comments.php?comms=0&id=1089&one=l

7. Берлин М.А., Гореченков В.Г., Волков Н.П. Переработка нефтяных и природных газов.-М.: Химия, 1981.-472 с.

8. Инспцут сис':м")1л.1'гь'Н!К1П1м Л.Л. МыиггьнпСО 1'ЛИ

9. Богданов С.В., Иванов О.П., Куприянова А.В. Свойства рабочих веществ, теплоносителей и материалов, используемых в холодильной технике. — JL: Изд-во Ленингр. ун-та, 1972. — 148с.

10. Богданов С.Н., Иванов О.П., Куприянова А.В. Холодильная техника. Свойства веществ: Справочник. Изд.З-е, перераб. и доп.-М.: Агропромиздат, 1985.-208с

11. Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский И.Ю. Основные процессы и аппараты химической технологии —М.: Химия, 1991.^196с.

12. Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей. М.: Химия, 1986.-556 с

13. Бродянский В.М., Семенов A.M. Термодинамические основы криогенной техники. -М.: Энергия, 1980.-448 с.

14. Булатов В.П. Методы погружения в задачах оптимизации. Методы оптимизации—Иркутск: СЭИ СО АН СССР, 1974.-c.3-68.

15. Быков А.В., Калнинь И.М., Канышев Г.А. и др. Анализ эффективности двухступенчатого дросселирования в схеме с одноступенчатым винтовым компрессором — М.: Холодильная техника, 1976, №6, с.10-14.

16. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. — М.: Наука, 1972.—720 с.

17. Виленский П.Л., Лившиц В.И., Смоляк С.А. Оценка эффективности инвестиционных проектов. Теория и практика: Учебно-практ. пособие. -М.: Дело, 2001. 832 с.

18. Виноградова О. Атлантический рынок СПГ: Великобритания // Нефтегазовая вертикаль. 2006. №3. — С.48-50.

19. Грезин А.К., Громов А.В., Мельникова Н.С. Использование сжиженного природного газа в качестве энергоносителя задача го

20. VlH<.iiii>-i-cncii:M-j(!UTi;iiiKiniM Л.Л.МьшпърьлСОРЛИсударственной важности // Компания ЭКИП—ГАЗ, 1999. http://www.ekip-gas.rU/lng/7/lngl.shtml.

21. Григорьев В.А., Крохин Ю.И. Тепло- и массообменные аппараты криогенной техники: Учебное пособие для вузов. — М.: Энерго-атомиздат, 1982.-312с.

22. Григорьев В.А., Павлов Ю.М., Аметистов Е.В. Кипение криогенных жидкостей. М.: Энергия, 1977.-289 с.

23. Доклады конференции "Перспективы развития и освоения топливно-энергетической базы Дальневосточного экономического района, углеводородных ресурсов шельфа морей Северо-Востока и Дальнего Востока Сибири". Санкт-Петербург: ВНИГРИ, 1998.-416 с.

24. Дытнерский Ю.И., Брыков В.П., Каграманов Г.Г. Мембранное разделение газов. — М., Химия, 1991. 344 с.

25. Загорученко В.А., Журавлев A.M. Теплофизические свойства газообразного и жидкого метана—М.: Изд-во стандартов, 1969. -С.55-69.

26. Иванов В.А., Крылов Г.В., Рафиков Л.Г. Эксплуатация энергетического оборудования газопроводов Западной Сибири. -М.: Недра, 1987.- 143с.

27. Изотов Н.И., Никифоров В.Н. Исследование технологий сжижения природного газа//Газовая промышленность.2005.№1.-С.67-68.

28. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. -М.: Энергоатомиздат, 1981.-416с.

29. Каганович Б.М., Филиппов С.П., Анциферов Е.Г. Эффективность энергетических технологий: термодинамика, экономика, прогнозы. — Новосибирск: Наука. Сиб.отд-ние, 1989.-256 с.1.l it I iii VT cut П si till I 'ш1ки11ч Л л МЕЛПГГЫВЧСОРЛН

30. Калафати Д.Д., Попалов В.В. Оптимизация теплообменников по эффективности теплообмена. — М.: Энергоатомиздат, 1986.-152 с.

31. Каневец Г.Е. Обобщенные методы расчёта теплообменников. — Киев: Наук. Думка, 1979. — 351 с.

32. Кантарджян СЛ., Еганян Г.К., Хуршудян А.К. Экономико-математическое моделирование химико-технологических систем.-JL: Химия, 1987.-160 с.

33. Караваев М.М., Мастеров А.П. Производство метанола. М.: Химия, 1971.- 160 с.

34. Караханов Э.А. Синтез-газ как альтернатива нефти. Часть И. Метанол и синтезы на его основе // Соросовский образовательный журнал. 1997. №12. С. 65-69.

35. Кафаров В. В., Мешалкин В. П., Гурьева Л. В. Оптимизация теплообменных процессов и систем. -М.: Энергоатомиздат, 1988. -192 с.

36. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии-М.:Химия, 1985.-448 с.

37. Кессель И.Б., Шурупов С.В., Гриценко А.И. и др. На димети-ловом эфире. Новая технология превращения природного газа в дизельное топливо (по материалам доклада CITOGIC'2000) // Нефтегазовая вертикаль. 2002. №9. www.ngv.ru.

38. Кириллов Н. СПГ — моторное топливо XXI века//Нефть. Газ. Промышленность-2007—№3 -С.31 -35.

39. Кириллов Н.Г. Концепция создания инфраструктуры производства сжиженного природного газа для городского автомобильного транспорта //Холодильная техника. 2002. - N 7. - С. 27-31.

40. Httt nii'>TOicii:\i"'Hi.piHiiit;iiHM Л A Me. inrmmCOl'An

41. Кириллов Н.Г. Машины Стирлинга для высокоэффективных и экологически чистых систем автономного энергоснабжения // Химическое и нефтегазовое машиностроение. — 2000. -N 12. — С. 21-24.

42. Кириллов Н.Г. Сжиженный природный газ как универсальное моторное топливо XXI века: технологии производства и системы долгосрочного хранения. М.: ИРЦ Газпром, 2002. — 64 с.

43. Клер A.M. , Деканова Н.П. , Скрипкин С.К. и др. Математическое моделирование и оптимизация в задачах оперативного управления тепловыми электростанциями. — Новосибирск: Наука, 1997.-120 с.

44. Клер A.M., Деканова Н.П., Тюрина Э.А. и др. Теплосиловые системы: Оптимизационные исследования. Новосибирск: Наука, 2005.-236 с.

45. Клер A.M., Деканова Н.П., Щеголева Т.П. и др. Методы оптимизации сложных теплоэнергетических установок— Новосибирск: Наука, 1993.-116 с.

46. Клер A.M., Маринченко А.Ю., Сушко С.Н. Оптимизация паротурбинного энергоблока угольной мини-ТЭЦ с учетом переменных графиков тепловых и электрических нагрузок// Теплофизика и аэромеханика. 2006.- Т. 13, №2. - С.303-314.

47. Клер A.M., Прусова Н.М., Тюрина Э.А. и др. Математическое моделирование и технико-экономические исследования энерготехнологических установок синтеза метанола // Изв. РАН. Энергетика. 1994. №3. С.129-137.

48. Клер A.M., Санеев Б.Г., Соколов А.Д. и др. Сравнительная эффективность различных видов дальнего транспорта энергетических ресурсов месторождений природного газа и угля // Регион: экономика и социология, 2002. № 1. - С. 118-125.

49. Hue un% г с ис п\ошт тышч Л А Мышгы тСОРАН

50. Клер A.M., Санеев Б.Г., Соколов А.Д., Тюрина Э.А. Оценка эффективности различных технологий дальнего транспорта энергии // Известия РАН. Энергетика, 2000. №2 - С. 36-43.

51. Клер A.M., Санеев Б.П., Соколов А.Д. и др. Дальний транспорт энергоносителей из восточных регионов России в страны СевероВосточной Азии // Перспективы энергетики. 2002. - Т. 6, № 1. - С. 67-84.

52. Клер A.M., Скрипкин С.К., Деканова Н.П. Автоматизация построения статических и динамических моделей теплоэнергетических установок //Изв. РАН Энергетика.-1996.-№3.-с.78-84.

53. Клер A.M., Тюрина Э.А. Математическое моделирование и технико-экономические исследования энерготехнологических установок синтеза метанола. — Новосибирск: Наука. Сиб. предприятие РАН, 1998.-127 с.

54. Клименко А.П. Разделение природных углеводородных газов-Киев: Техника, 1974.-379 с.

55. Конторович А.Э., Коржубаев А.Г., Эдер Л.В. Сырьевая база и перспективы развития гелиевой промышленности России и мира// Минеральные ресурсы России. Экономика и менеджмент. 2006. №2. -С. 17-24.

56. Концепция освоения СПГ в качестве энергоносителя в отраслях хозяйства Российской Федерации (утверждена в 1998г. "Росавиакосмосом", Министерством топлива и энергетики РФ, ОАО «Газпром»)», 1998 http://www.transgasindustrv.com /gas/lng/1/lngl.shtml.

57. Коптюбенко Д. Нефть потекла на фондовую биржу. // Нефтега-зохимический портал республики Татарстан. Аналитика. //2005. http://neft.tatcenter.ru

58. Корешонков Н.А. Проблемы заправки газом авто- и речного транспорта //Сер. Природный газ в качестве моторного топлива. Подготовка, переработка и использование газа. — 1995. — N 5-7. С. 16-20.

59. Костюк А.Г., Шерстюк А.Н. Газотурбинные установки. — М.: Высшая школа, 1979-254с.

60. Кроу А., Гамилец А., Хоффман Т. Математическое моделирование химических производств М.: Мир, 1973.-392 с.

61. HlKiiuvToi<ii\omwiniiuiHM Л Л Mf нлГЬПиСОРЛН

62. Крылов О.В. Ограниченность ресурсов как причина предстоящего кризиса // Вестник РАН. 2002. Том 70. №2. С. 136-146.

63. Лебедев К. Мировая торговля сжиженным природным газом. // Нефтегазохимический портал республики Татарстан. Аналитика. //2005. http://neft.tatcenter.ru

64. Лебедев К. Мировая торговля сжиженным природным газом. Специализированные обзоры института финансовых исследований. -www.itf.ru/bodY/memo/specials/280105 .htm .

65. Левенталь Г.Б., Попырин Л.С. Оптимизация теплоэнергетических установок. -М.: Энергия, 1970.-352 с.

66. Малышев Ю.Н., Зыков В.М. Будущее угольной промышленности//Уголь. 1997. №11.-С. 5-14.

67. Матафонов Д. Прогноз фрахтовых ставок // Атланта Капитал, 2005. www.nettrader/objfiles/bank/nomp.pdf.

68. Математическое моделирование и оптимизация сиситем тепло, водо-, нефте- и газоснабжения / А.П. Меренков, Е.В. Сеннова, С.В. Сумароков и др.; Отв. ред. А.П. Меренков. — Новосибирск: Наука, Сиб. издат. фирма РАН, 1992. 407 с.

69. Мелентьев Л.А. Системные исследования в энергетике.-М.: Наука, 1983.-456 с.

70. Методы расчета тепло физических свойств газов и жидкостей: Справочник.-М.: Химия, 1974.-248 с.

71. Методы расчета теплофизических свойств рабочих тел и теплоносителей при комплексной оптимизации теплоэнергетических установок—Иркутск: СЭИ СО АН СССР, 1978.-184 с

72. Миркин А.З., Усинын В.В. Трубопроводные системы: Справ, изд.—М.: Химия, 1991.-256 с.

73. Hi к ш rv г < ип i.\t "и им i.i l ки мм. JI V. Mr л! ш ы вл CO I'AH

74. Мировые цены //Справочно-информационный сб. «Цены и рынок». Книга 5 за 2006 г. -М.-2006.-214 с.

75. Николаев В.В., Бусыгина Н.В., Бусыгин И.Г. Основные процессы физической и физико-химической переработки газа. М.: Недра, 1998.-184 с.

76. Николаев В.В., Молчанов С.А., Каширская Е.О. Гелий: получение, ожижение, хранение, транспортирование, рынок сбыта. М.: ИРЦ Газпром, 1997.-52 с.

77. Ольховский Г.Г., Гончаров В.В. Основные технические направления и тенденции развития рынка газотурбинной и парогазовой техники (обзор) // Энергохозяйство за рубежом, 2007 №5. С.46-51.

78. Палагин А.А. Автоматизация проектирования тепловых схем турбоустановок.-Киев: Наук. Думка, 1983.-60 с.

79. Палагин А.А. Логически-числовая модель турбоустанов-ки//Проблемы машиностроения-1975—Вып.2-с. 103-106.

80. Палагин А.А., Ефимов А.В. Имитационный эксперимент на математических моделях турбоустановок.- Киев: Наук. Думка, 1986.-132 с

81. Попырин Л. С., Самусев В. И., Эпельштейн В. В. Автоматизация математического моделирования теплоэнергетических установок. М.: Наука, 1981.-236 с.

82. Прогноз цен до 2009 г. Мировые и внутренние цены // Справочно-информационный сб. «Цены и рынок». Книга 18 за 2006 г. М. -2006 г. 245 с.

83. Ривкин С.Л. Термодинамические свойства газов: Справочник — М. :Энергоатомиздат, 1987.-315с.

84. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие. Л.: Химия, 19823.-592 с.

85. Икс mis I ок ич-шпч> liiKiiHM Л \ Mi HHHUUCOI'AH

86. Розовский А.Я. Поедем на попутке? // Нефть России 2001. №5. htpp://press. lukoil.ru.

87. Рубинин П.Е., Дмитриев В.В. Свойства жидкого гелия// Природа. №12. 1997—С. 35-43.

88. Сейдж Б.Х. Термодинамика многокомпонентных смесей. М.: Недра, 1969.-С. 139-147.

89. Серова С.Л., Самохина Л.Л., Марьямов А.Н. Расчет термодинамических свойств хладагентов с помощью ЭВМ. — М.: Наука, 1977. С.87-94.

90. Сжиженный газ и нефтехимия. Обзор рынков сжиженного нефтяного газа и нефтехимии // Petroleum Argus, 2003. www.petroleumargus.ru.

91. Смирнова Т., Захаров С. Диметиловый эфир экологически чистое моторное топливо XXI века. Теория и практика внедрения ДМЭ на городском транспорте // Автогазозаправочный комплекс 2002. №3. htpp://agzk.boom.ru.

92. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения—М.: Энергия, 1986.-335 с.

93. Справочник по физико-техническим основам криогеники./ Под ред. М.П. Малкова. М.: Энергия, 1973. - 392 с.

94. Степанов В.В. Исследование технологий извлечения гелия из продуктов переработки природного газа//Системные исследования в энергетике.-Иркутск: ИСЭМ СО РАН ,2004(Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН, Вып.34).-С. 130-136

95. Степанов В.В. Исследование технологических установок извлечения гелия из природного газа и продуктов его переработки — Иркутск: ИСЭМ СО РАН ,2003 (Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН, Вып.33).-С. 120-126.

96. Hm inm cu( iiM'4itvmnM)»si Л л Мьчпггы».\С01'АН

97. Степанов В.В. Исследование установок получения сжиженного природного газа //Системные исследования в энергетике.-Иркутск: ИСЭМ СО РАН ,2005 (Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН, Вып.35).-С. 155-160.

98. Степанов В.В. Моделирование технологических установок извлечения гелия из природного газа и продуктов его переработка/Системные исследования в энергетике- Иркутск: ИСЭМ СО РАН ,2002.(Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН, Вып.32) .-С.135-143.

99. HIK ним окиM'Hiii I ничпш Л Л Vi шпь тСОРЛН

100. Степанов В.В. Сопоставление затрат энергии на извлечение гелия из природного газа и продувочного газа ЭТУ синтеза ИЖТ //Системные исследования в энергетике Иркутск: ИСЭМ СО РАН ,2001 (Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН, Вып.31) .-С. 133-140.

101. Степанов Г.А., Фаткина A.M., Лоханкина Л.К. Свойства сталей и сплавов для криогенной техники — М.: ГССД, 1976.-58 с.

102. Судо М.М. Нефть и горючие газы в современном мире М.: Недра, 1984.-360 с.

103. Татевский В.М. Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов.-М.: Гостоптехиздат, 1960.-412с.

104. Тепловые и атомные электрические станции: Справочник/ Под ред. В А Григорьева и В.М. Зорина.-М.:Энергия, 1982.-625 с.

105. Терентьев Г.А., Тюков В.М., Смаль Ф.В. Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов — Химия, 1989. — 272 с.

106. Терминалы нефтяные и бумажные // Нефтетранспорт. 2004. Выпуск IV. №1-2. www.petroleumargus.ru

107. Техника низких температур / Под ред. Е.И. Микулина, И.В. Марфениной, A.M. Архарова-Энергия, 1975.-512 с.

108. Тимошилов В. Газ Востока России в ожидании судьбоносных решений.// Нефтегазовая вертикаль. №7. 2006. www.ngv.ru

109. Трубилов М.А., Арсеньев Г.В., Фролов В.В. и др. Паровые и газовые турбины: Учебник для вузов.-М.: Энергоатомиздат,1985-352с.

110. Усюкин И.П. Установки, машины и аппараты криогенной тех-ники.-М.: Пищевая промышленность, 1986.-343 с.

111. Фастовский В.Г., Петровский Ю.В. Криогенная техника-М.:Энергия,1974

112. Фастовский В.Г., Ровинский А.Е., Петровский Ю.В. Инертные газы.-М.: Атомиздат, 1972.-352с.

113. JlIK III fi I OiC IlM'dlH'li Н1К11ИМ Л A MLlililbl BVCO РЛ11

114. Чижухин B.H., Щербаков M.M., Фенько B.E. Комплекс технических средств обеспечения транспорта сжиженным природным газом в качестве моторного топлива /Материалы межд. конференции Таз в моторах", 1996. С. 32-33.

115. Шпильрайн Э.Э., Кессельман П.М. Основы теории теплофизи-ческих свойств веществ.-М.: Энергия, 1977.-С.35-57.

116. Шубенко-Шубин JI.A., Стоянов Ф.А. Автоматизированное проектирование лопаточных аппаратов тепловых турбин — Л.Машиностроение. Ленинградское отд-ние, 1984.-237 с.

117. F. Ortiz Update 2-BG Group wins Chile LNG plant big // Reuters, Feb. 15, 2006/ htpp://today.reuters.com

118. LPG World. News, prices and analysis // Petroleum Argus, 2003. www.petroleumargus.ru.

119. Utility Evaluation Of Advanced Nuclear Systems//EPRI Journal-1990-V.15, №4.-p.40-42