Моделирование энергосберегающих промышленных установок с термохимической регенерацией

  • Андрей [Andrey] Борисович [B.] Гаряев [Garyaev]
  • Василий [Vasiliy] Степанович [S.] Глазов [Glazov]
  • Сергей [Sergey] Викторович [V.] Жубрин [Zhubrin]
  • Станислав [Stanislav] Константинович [K. ] Попов [Popov]
Ключевые слова: высокотемпературные теплотехнологические установки, термохимическая регенерация, программный комплекс, математическая модель, газотурбинная установка

Аннотация

Показана важность разработки научно-технических решений по созданию энергосберегающих и экологически чистых технологий на основе термохимической регенерации (ТХР) теплоты продуктов сгорания природного газа. Для решения задачи предложено использовать программный комплекс SCAN (Steam Conversion ANalyzer), созданный на основе численного исследования процессов, протекающих при термохимической регенерации и предназначенный для обеспечения информационной поддержки, необходимой при разработке технологических схем с ТХР. Характерной особенностью комплекса является объединение математических моделей, предназначенных для расчета технологических схем (моделей с сосредоточенными параметрами или системных), и моделей для расчета процессов гидродинамики и тепломассообмена с химическими реакциями в аппаратах, входящих в состав технологических схем (моделей с распределенными параметрами или детальных). В комплексе предусмотрен выбор пакетов и подпрограмм, минимизирующих время и необходимые ресурсы. Кроме того, возможно отслеживание зависимостей значений искомых характеристик от детальности (точности) модельного описания исследуемого процесса. В состав комплекса входит библиотечный модуль, который содержит технологические схемы установок и отдельные аппараты, входящие в их состав. К каждому примеру приложены рекомендации по моделированию и организации процессов, полученные в результате численных расчетов. В качестве иллюстрации приведены два примера использования комплекса для разработки схемных решений и моделирования процессов, связанных с ТХР. Первый пример посвящен расчетной схеме с ТХР теплоты отходящих газов ГТУ, а второй — моделированию по алгоритму, объединяющему системные и детальные расчеты. Отмечено, что программный комплекс SCAN позволяет исследовать влияние конструктивных характеристик аппаратов (в том числе конструкции реакционных элементов, образующих реактор конверсии), а также режимных параметров процесса на степень завершенности конверсии, дает возможность оценить экономию топлива в технологическом процессе или при выработке электроэнергии.

Сведения об авторах

Андрей [Andrey] Борисович [B.] Гаряев [Garyaev]

Учёная степень: доктор технических наук

Место работы: кафедра Тепломассообменных процессов и установок НИУ «МЭИ»

Должность: заведующий кафедрой

Василий [Vasiliy] Степанович [S.] Глазов [Glazov]

Учёная степень: кандидат технических наук

Место работы: кафедра Тепломассообменных процессов и установок НИУ «МЭИ»

Должность: доцент, ведущий научный сотрудник

Сергей [Sergey] Викторович [V.] Жубрин [Zhubrin]

Учёная степень: кандидат технических наук

Место работы: Кингстонский университет

Должность: профессор

Станислав [Stanislav] Константинович [K. ] Попов [Popov]

Учёная степень: доктор технических наук

Место работы: кафедра Энергетики высокотемпературной технологии НИУ «МЭИ»

Должность: профессор

Литература

1. Новосельцев В.Н. К вопросу о химической регенерации теплоты промышленных огнетехнических установок: Автореф. дисc. ... канд. техн. наук. М.: МЭИ, 1971.

2. Шопшин М.Ф. Исследование реактора-теплообменника паровой конверсии природного газа в системе регенеративного теплоиспользования топливных печей: Автореф. дисс. ... канд. техн. наук. М.: МЭИ, 1979.

3. Beerkens R., Muysendberg Н. Comparative Study on Energy-Saving Technologies for Glass Furnaces // Glastech. Ber. 1992. V. 65. No. 8. Pp. 216—224.

4. Носач В.Г. Энергия топлива. Киев: Наукова думка, 1989.

5. Шопшин М.Ф. и др. Химическая регенерация тепловых отходов топливных печей. Сер. «Энерготехнологические процессы в химической промышленности». М.: НИИТЭХИМ, 1981.

6. Kesser K.F. et al. Analysis of a Basic Chemically Recuperated Gas Turbine Power Plant // ASME Journal Eng. for Gas Turbines and Power. 1994. V. 116. P. 277.

7. Wen-Ching Yang at al. Thermal Chemical Recupe-Rarion Method and System for Use with Gas Turbine System // U.S. Patent. 1997. No. 5. P. 896.

8. Westinhouse Electric Corporation. Advansed Natural Gas-Fired Turbine System Utilizing Thermochemical Recuperation and/or Partial Oxidation for Electricity Generation, Greenfield and Repowering Applications. Final Report. Orlando: Florida, 1997.

9. Крылов А.Н. Повышение эффективности стекловаренных печей на основе комплексной регенерации тепловых отходов: Автореф. дисс. ... канд. техн. наук. М.: МЭИ, 2007.

10. Ткач М.Р., Чередниченко А.К. Эффективность газотурбинной установки с термодинамической и термохимической регенерацией теплоты уходящих газов // Авиационно-космическая техника и технология. 2009. No 7 (64). C. 19—22.

11. Пащенко Д.И. Повышение энергетической эффективности высокотемпературных теплотехнологических установок за счет термохимической регенерации теплоты: Автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Саратов: СГТУ, 2011.

12. Рестрепо Г.А. и др. Повышение энергоэффективности системы термохимической рекуперации на основе численного моделирования тепломассообменных процессов в ее элементах // Тепловые процессы в технике. 2012. No 4. С. 165—171.

13. Zhubrin S.V. Сomputational Model for Performance Predictions in Bayonet-Tube Metnane-Steam Reformer [Электрон. ресурс] https://docs.google.com/document/d/129Z9z7yLiQcg BpSv7IgKXxL2dxO0hisw F5ShkWp3anM/preview?pli=1 (дата обращения 04.06.2017)

14. Ву Ван Чьен. Использование труб Фильда в аппаратах системы комплексной утилизации тепловых отходов высокотемпературных установок: Автореф. дисс. .... канд. техн. наук. М.: НИУ «МЭИ», 2012.

15. Жубрин С.В. и др. Модель тепло- и массо-обмена в камере дожигания с трубами Фильда // Надежность и безопасность энергетики. 2014. No 3 (26). С. 57—65.

16. Тарарыков А.В., Гаряев А.Б. Исследование неравновесного характера протекания паровой конверсии метана в процессе термохимической регенерации // Вестник МЭИ. 2015. No 2. С. 62—66.

17. Zhubrin S.V., Glazov V.S. Detailed Lumped Model of Bayonet-Tube Methane Steam Reformer [Электрон. ресурс] http://www.researchgate.net/publication/280599860 (дата обращения 07.05.2017)

18. Zhubrin S.V., Glazov V.S. Some Models Predicting ThermoChemical Performance in Tubular Methane Steam Reformers [Электрон. ресурс] http://www.researchgate.net/publication/280610351 (дата обращения 12.06.2017)

19.Попов С.К. Анализ предельного уровня энергосбережения в установках с термохимической регенерацией теплоты // Вестник МЭИ. 2012. No 5. С. 9—13.

20. Попов С.К., Свистунов И.Н., Гавряшина И.В. Эффективность применения термохимической регенерации тепловых отходов в промышленных печах // Энергосбережение – теория и практика: Труды VI Междунар. школы-семинара молодых ученых и специалистов. М.: Издательский дом МЭИ, 2012.

21. Попов С.К., Свистунов И.Н. Исследование установок с термохимической регенерацией теплоты на основе пароуглекислотной конверсии // Промышленная энергетика. 2013. No 8. С. 28—31.

22. Попов С.К., Свистунов И.Н., Конопелько Е.Д. Анализ эффективности термохимической регенерации в высокотемпературных установках // Энергосбережение и водоподготовка. 2014. No 3. С. 52—56.

23. Попов С.К. Методика оценки эффективности применения термохимической регенерации тепловых отходов // Промышленная энергетика. 2014. No 8. С. 36—40
---
Для цитирования: Гаряев А.Б., Глазов В.С., Жубрин С.В., Попов С.К. Моделирование энергосберегающих промышленных установок с термохимической регенерацией // Вестник МЭИ. 2017. № 4. С. 15—22. DOI: 10.24160/1993-6982-2017-4-15-22.
#
1. Novosel'tsev V.N. K Voprosu o Himicheskoy Regeneratsii Tepla Promyshlennyh Ognetekhnicheskih Ustanovok: Avtoref. Dis. ... Kand. Tekhn. Nauk. M.: MPEI, 1971. (in Russian).

2. Shopshin M.F. Issledovanie Reaktora-Teploobmennika Parovoy Konversii Prirodnogo Gaza v Sisteme Regenerativnogo Teploispol'zovaniya Toplivnyh Pechey: Avtoref. Dis. ... Kand. Tekhn. Nauk. M.: MPEI, 1979. (in Russian).

3. Beerkens R., Muysendberg N. Comparative Study on Energy-Saving Technologies for Glass Furnaces. Glastech. Ber. 1992;65;8:216—224.

4. Nosach V.G. Energiya Topliva. Kiev: Naukova Dumka, 1989. (in Russian).

5.Shopshin M.F. i dr.Himicheskaya Regeneratsiya Teplovyh Othodov Toplivnyh Pechey. Seriya Energotekhnologicheskie Protsessy v Himicheskoy Promyshlennosti. M.: NIITEKHIM, 1981. (in Russian).

6. Kesser K.F. et al. Analysis of a Basic Chemically Recuperated Gas Turbine Power Plant. ASME Journal Eng. for Gas Turbines and Power. 1994;116:277.

7. Wen-Ching Yang at al. Thermal Chemical Recupe-Rarion Method and System for Use with Gas Turbine System. U.S. Patent. 1997;5:896.

8. Westinhouse Electric Corporation. Advansed Natural Gas-Fired Turbine System Utilizing Thermochemical Recuperation and/or Partial Oxidation for Electricity Generation, Greenfield and Repowering Applications. final report. Orlando: Florida, 1997.

9. Krylov A.N. Povyshenie Effektivnosti Steklovarennyh Pechey na Osnove Kompleksnoy Regeneratsii Teplovyh Othodov: Avtoref. Dis. ... Kand. Tekhn. Nauk. M.: MPEI, 2007. (in Russian).

10. Tkach M.R., Cherednichenko A.K. Effektivnost' Gazoturbinnoy Ustanovki s Termodinamicheskoy i Termohimicheskoy Regeneratsiey Tepla Uhodyashchih Gazov. Aviatsionno-kosmicheskaya Tekhnika i Tekhnologiya. 2009;7(64):19—22. (in Russian).

11. Pashchenko D.I. Povyshenie Energetiches-koy Effektivnosti Vysokotemperaturnyh Teplotekhnologicheskih Ustanovok za Schet Termohimicheskoy Regeneratsii Teploty: Avtoref. Dis. ... Kand. Tekhn. Nauk. Saratov: SGTU, 2011. (in Russian).

12.Restrepo G.A. i dr.Povyshenie Energoeffektivnosti Sistemy Termohimicheskoy Rekuperatsii na Osnove Chislennogo Modelirovaniya Teplomassoobmennyh Protsessov v ee Elementah. Teplovye Protsessy vTekhnike. 2012;4:165—171. (in Russian).

13. Zhubrin S.V. Somputational Model for Perfor-mance Predictions in Bayonet-Tube Metnane-Steam Reformer. [Elektron. Resurs] https://docs.google.com/document/d/129 Z9z7yLiQcgBpSv7IgKXxL2dxO0hiswF5ShkWp3anM/pre view?pli=1 (Data Obrashcheniya 04.06.2017)

14. Vu Van Ch'en Ispol'zovanie Trub Fil'da v Apparatah Sistemy Kompleksnoy Utilizatsii Teplovyh Othodov Vysokotemperaturnyh Ustavnovok: Avtoref. Dis. .... Kand. Tekhn. Nauk. M.: NRU «MPEI», 2012. (in Russian).

15. Zhubrin S.V. i dr. Model' Teplo- i Massoobmena v Kamere Dozhiganiya s Trubami Fil'da. Nadezhnost' i Bezopasnost' Energetiki. 2014; 3 (26):57—65. (in Russian).

16. Tararykov A.V., Garyaev A.B. Issledovanie Neravnovesnogo Haraktera Protekaniya Parovoy Konversii Metana v Protsesse Termohimicheskoy Regeneratsii. MPEI Vestnik. 2015;2:62—66. (in Russian).

17. Zhubrin S.V., Glazov V.S. Detailed Lumped Model of Bayonet-Tube Methane Steam Reformer. [Elektron. Resurs] http://www.researchgate.net/publication/280599860 (Data Obrashcheniya 07.05.2017)

18. Zhubrin S.V., Glazov V.S. Some Models Predicting ThermoChemical Performance in Tubular Methane Steam Reformers [Elektron. Resurs] http://www.researchgate.net/publication/280610351 (Data Obrashcheniya 12.06.2017)

19. Popov S.K. Analiz Predel'nogo Urovnya Energosberezheniya v Ustanovkah s Termohimicheskoy Regeneratsiey Teploty. MPEI Vestnik. 2012;5:9—13. (in Russian).

20. Popov S.K., Svistunov I.N., Gavryashina I.V. Effektivnost' Primeneniya Termohimicheskoy Regeneratsii Teplovyh Othodov v Promyshlennyh Pechah. Energosberezhenie – Teoriya i Praktika: Trudy VI Mezhdunar. Shkoly-seminara Molodyh Uchenyh i Spetsialistov. M.: Izdatel'skiy dom MPEI, 2012. (in Russian).

21. Popov S.K., Svistunov I.N. Issledovanie Ustanovok s Termohimicheskoy Regeneratsiey Teploty na Osnove Parouglekislotnoy Konversii. Promyshlennaya Energetika. 2013;8:28—31. (in Russian).

22. Popov S.K., Svistunov I.N., Konopel'ko E.D. Analiz Effektivnosti Termohimicheskoy Regeneratsii v Vysokotemperaturnyh Ustanovkah. Energosberezhenie i Vodopodgotovka. 2014;3:52—56. (in Russian).

23. Popov S.K. Metodika Otsenki Effektivnosti Primeneniya Termohimicheskoy Regeneratsii Teplovyh Othodov. Promyshlennaya Energetika. 2014;8:36—40. (in Russian).
---
For citation: Garyaev A.B., Glazov V.S., Zhubrin S.V., Popov S.K. Simulating Energy-Saving Industry-Grade Installations Involving Thermochemical Heat Recovery. MPEI Vestnik. 2017; 4: 15—22. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2017-4-15-22.
#
1. Novosel'tsev V.N. K Voprosu o Himicheskoy Regeneratsii Tepla Promyshlennyh Ognetekhnicheskih Ustanovok: Avtoref. Dis. ... Kand. Tekhn. Nauk. M.: MPEI, 1971. (in Russian).

2. Shopshin M.F. Issledovanie Reaktora-Teploobmennika Parovoy Konversii Prirodnogo Gaza v Sisteme Regenerativnogo Teploispol'zovaniya Toplivnyh Pechey: Avtoref. Dis. ... Kand. Tekhn. Nauk. M.: MPEI, 1979. (in Russian).

3. Beerkens R., Muysendberg N. Comparative Study on Energy-Saving Technologies for Glass Furnaces. Glastech. Ber. 1992;65;8:216—224.

4. Nosach V.G. Energiya Topliva. Kiev: Naukova Dumka, 1989. (in Russian).

5.Shopshin M.F. i dr.Himicheskaya Regeneratsiya Teplovyh Othodov Toplivnyh Pechey. Seriya Energotekhnologicheskie Protsessy v Himicheskoy Promyshlennosti. M.: NIITEKHIM, 1981. (in Russian).

6. Kesser K.F. et al. Analysis of a Basic Chemically Recuperated Gas Turbine Power Plant. ASME Journal Eng. for Gas Turbines and Power. 1994;116:277.

7. Wen-Ching Yang at al. Thermal Chemical Recupe-Rarion Method and System for Use with Gas Turbine System. U.S. Patent. 1997;5:896.

8. Westinhouse Electric Corporation. Advansed Natural Gas-Fired Turbine System Utilizing Thermochemical Recuperation and/or Partial Oxidation for Electricity Generation, Greenfield and Repowering Applications. final report. Orlando: Florida, 1997.

9. Krylov A.N. Povyshenie Effektivnosti Steklovarennyh Pechey na Osnove Kompleksnoy Regeneratsii Teplovyh Othodov: Avtoref. Dis. ... Kand. Tekhn. Nauk. M.: MPEI, 2007. (in Russian).

10. Tkach M.R., Cherednichenko A.K. Effektivnost' Gazoturbinnoy Ustanovki s Termodinamicheskoy i Termohimicheskoy Regeneratsiey Tepla Uhodyashchih Gazov. Aviatsionno-kosmicheskaya Tekhnika i Tekhnologiya. 2009;7(64):19—22. (in Russian).

11. Pashchenko D.I. Povyshenie Energetiches-koy Effektivnosti Vysokotemperaturnyh Teplotekhnologicheskih Ustanovok za Schet Termohimicheskoy Regeneratsii Teploty: Avtoref. Dis. ... Kand. Tekhn. Nauk. Saratov: SGTU, 2011. (in Russian).

12.Restrepo G.A. i dr.Povyshenie Energoeffektivnosti Sistemy Termohimicheskoy Rekuperatsii na Osnove Chislennogo Modelirovaniya Teplomassoobmennyh Protsessov v ee Elementah. Teplovye Protsessy vTekhnike. 2012;4:165—171. (in Russian).

13. Zhubrin S.V. Somputational Model for Perfor-mance Predictions in Bayonet-Tube Metnane-Steam Reformer. [Elektron. Resurs] https://docs.google.com/document/d/129 Z9z7yLiQcgBpSv7IgKXxL2dxO0hiswF5ShkWp3anM/pre view?pli=1 (Data Obrashcheniya 04.06.2017)

14. Vu Van Ch'en Ispol'zovanie Trub Fil'da v Apparatah Sistemy Kompleksnoy Utilizatsii Teplovyh Othodov Vysokotemperaturnyh Ustavnovok: Avtoref. Dis. .... Kand. Tekhn. Nauk. M.: NRU «MPEI», 2012. (in Russian).

15. Zhubrin S.V. i dr. Model' Teplo- i Massoobmena v Kamere Dozhiganiya s Trubami Fil'da. Nadezhnost' i Bezopasnost' Energetiki. 2014; 3 (26):57—65. (in Russian).

16. Tararykov A.V., Garyaev A.B. Issledovanie Neravnovesnogo Haraktera Protekaniya Parovoy Konversii Metana v Protsesse Termohimicheskoy Regeneratsii. MPEI Vestnik. 2015;2:62—66. (in Russian).

17. Zhubrin S.V., Glazov V.S. Detailed Lumped Model of Bayonet-Tube Methane Steam Reformer. [Elektron. Resurs] http://www.researchgate.net/publication/280599860 (Data Obrashcheniya 07.05.2017)

18. Zhubrin S.V., Glazov V.S. Some Models Predicting ThermoChemical Performance in Tubular Methane Steam Reformers [Elektron. Resurs] http://www.researchgate.net/publication/280610351 (Data Obrashcheniya 12.06.2017)

19. Popov S.K. Analiz Predel'nogo Urovnya Energosberezheniya v Ustanovkah s Termohimicheskoy Regeneratsiey Teploty. MPEI Vestnik. 2012;5:9—13. (in Russian).

20. Popov S.K., Svistunov I.N., Gavryashina I.V. Effektivnost' Primeneniya Termohimicheskoy Regeneratsii Teplovyh Othodov v Promyshlennyh Pechah. Energosberezhenie – Teoriya i Praktika: Trudy VI Mezhdunar. Shkoly-seminara Molodyh Uchenyh i Spetsialistov. M.: Izdatel'skiy dom MPEI, 2012. (in Russian).

21. Popov S.K., Svistunov I.N. Issledovanie Ustanovok s Termohimicheskoy Regeneratsiey Teploty na Osnove Parouglekislotnoy Konversii. Promyshlennaya Energetika. 2013;8:28—31. (in Russian).

22. Popov S.K., Svistunov I.N., Konopel'ko E.D. Analiz Effektivnosti Termohimicheskoy Regeneratsii v Vysokotemperaturnyh Ustanovkah. Energosberezhenie i Vodopodgotovka. 2014;3:52—56. (in Russian).

23. Popov S.K. Metodika Otsenki Effektivnosti Primeneniya Termohimicheskoy Regeneratsii Teplovyh Othodov. Promyshlennaya Energetika. 2014;8:36—40. (in Russian).
---
For citation: Garyaev A.B., Glazov V.S., Zhubrin S.V., Popov S.K. Simulating Energy-Saving Industry-Grade Installations Involving Thermochemical Heat Recovery. MPEI Vestnik. 2017; 4: 15—22. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2017-4-15-22.
Опубликован
2019-01-16
Раздел
Энергетика (05.14.00)