Разработка методологии технического и теплоэнергетического обоснования на основе методов математического моделирования эффективности инновационного проекта реконструкции производств аммиака с организацией получения нового продукта - метанола

           Основной целью перестройки и кардинальных рыночных реформ в России было существенное повышение эффективности экономики.

          Важным обобщающим показателем эффективности экономики страны является энергоемкость ее продукции. Если в 1985 году в России расходовали на единицу валового национального продукта в 2-3 раза больше энергии, чем на Западе, то сегодня в 3 –3,5 раза. Поэтому единственным выходом является модернизация предприятий.

Модернизация и реструктуризация должны основываться на продуманной инновационной политике в отрасли. При всем разнообразии рынка инноваций сегодня определяющим условием для успешной реализации нововведений является обеспечение снижения энергопотребления. Корректная оценка занимает центральное место в процессе обоснования и выбора возможных вариантов инноваций.

Целью работы является разработка методологии технического и теплоэнергетического обоснования на основе методов математического моделирования эффективности инновационного проекта реконструкции производств аммиака с организацией получения нового продукта - метанола.

В связи с этим в диссертационной работе выполнен анализ производства и потребления аммиака и метанола, анализ состояния агрегатов аммиака и их развития путем создания комплексного производства аммиака и метанола.

Дать описание основных стадий производства по плакатам с реакциями и материальным балансом. Сказать про метанол-сырец и ректификацию. Процесс ректификации мы не рассматривали, т.к. он достаточно разработан как в технологическом плане, так и в плане моделирования.

 Основными преимуществами такого производства являются выход предприятия на другие рынки сбыта, возможность реагировать на рыночные колебания путем изменения выработки того или другого продукта, более полное использование мощностей, снижение суммарных энергозатрат на единицу продукции.

          Все перечисленные технологические стадии жестко связаны между собой материальными  и тепловыми потоками и отличаются большой энергоемкостью. Поэтому весь процесс развития производства аммиака представляет собой борьбу за снижение энергопотребления. В связи с этим важнейшее внимание в работе уделено организации теплообмена в контуре метанола.

Как известно, прежде чем осуществлять инновационный проект, предприятию необходимо выполнить его комплексный анализ, включающий  технический, коммерческий, экономический анализ, а также анализ окружающей среды. В настоящее время достаточно хорошо разработаны методики коммерческого и экономического анализа проекта, реализованные на ЭВМ чаще всего в виде отдельных программ.

Однако применение подобных методик должно быть основано на оценке технических характеристик и технологических параметров объектов модернизации, которые являются сложными химико-теплоэнергетическими комплексами.  Это позволит избежать существенных ошибок в определении объема капитальных и эксплуатационных затрат, связанных с приобретением оборудования, технологической обвязки и автоматизированных систем управления.

В настоящее время разработано несколько математических моделей, описывающих независимые производства аммиака и метанола и реализованные на ЭВМ в виде прикладных программ. Но эти программы ориентированы на независимые производства и работают только в режиме ввода исходных данных и вывода результатов расчета В связи с этим адаптация таких программ  к совместному производству потребует очень существенных их программных доработок.

Исходя из вышеизложенного, были поставили следующие задачи исследования:

1)  создание концептуальной модели объекта исследования;

2)  формализация концептуальной модели;

3)  алгоритмизация расчетов по формализованной математической модели;

4)  реализация алгоритмов на ЭВМ с использованием стандартных программных средств;

5)  проведение на основе разработанной модели численных экспериментов (имитационное моделирование) с набором некоторого массива данных, являющихся основой для определения эффективности проекта совместного производства аммиака и метанола;

6)  подтверждение с помощью расчетов по модели предложенных технических решений, обеспечивающих оптимальный с точки зрения экономии энергоресурсов вариант реализации комплексного проекта.

Объектом исследования является химико-теплоэнергетическая система комплексного производства аммиака и метанола на базе агрегата АМ-76 (ОАО ''Череповецкий ''Азот'').

Стадии производства аммиака в разработанной нами математической модели описаны на макроуровне, достаточном для проведения балансовых расчетов. Корректность такого подхода проверена путем сравнения результатов моделирования и параметров технологического режима агрегата аммиака. Что касается контура метанола, то здесь не существует объекта, позволяющего проверить результаты моделирования путем физического эксперимента. Поэтому процессы в контуре метанола описаны в модели на более низком уровне. В частности, рассмотрим систему уравнений, описывающих синтез метанола в трубчатом реакторе. Реактор представляет собой вертикальный цилиндрический трубчатый аппарат. В трубки засыпан катализатор, на котором протекают реакции синтеза метанола, в межтрубном пространстве за счет кипения воды отводится тепло реакций.

Уравнения (1,2) описывают материальный баланс в слое катализатора, уравнение (3) – тепловой баланс в слое. Уравнения (4,5) описывают перенос тепла от газовой смеси к кипящей в межтрубном пространстве воде. Данная система дифуравнений решается заменой дифференциалов на конечные разности.

На таком же уровне рассмотрен процесс конденсации метанола и воды.

Процессы теплообмена в контуре метанола описываются уравнениями теплового баланса и теплопередачи.

Таким образом в диссертационной работе разработана методология математического моделирования химико-теплоэнергетической системы совместного производства аммиака и метанола.

Технико-экономический анализ и обоснование таких крупных инвестиционных проектов требует большого объема сложных и громоздких расчетов, связанных с многостадийностью производства и наличием в нем рециркулирующих потоков. Поэтому необходимо разработать четкий алгоритм моделирования и реализовать его на ЭВМ. Такая задача также выполнена в работе.

Рассмотрим пример алгоритма моделирования процесса в реакторе синтеза метанола. Описать плакат. Подобные алгоритмы описывают каждую стадию производства, а также теплообмен в контуре метанола. Из таких алгоритмов низкого уровня складывается общий алгоритм совместного производства.

Разработанный алгоритм реализован в ''Microsoft Excel''. Особое внимание уделено организации итерационных вычислений, что позволяет рассчитывать материальные и тепловые балансы в системах с рециклами.

Прежде чем обсуждать результаты моделирования, рассмотрим вопрос организации теплообмена в контуре метанола. Здесь мы предложили ряд технических решений, направленных на экономию энергоресурсов.

Сказать про схему ТЕС.

1)  Поднять температуру газа, входящего в реактор синтеза метанола, до 260 °С. Это не приведет к снижению производительности по метанолу, зато позволит вырабатывать пар давлением 42-43 ата и присоединить его к системе пара среднего давления (39-40 ата) агрегата аммиака.

2)  Подачу питательной воды в реактор осуществлять насосами, имеющимися в агрегате аммиака.

3)  Подогрев питательной воды для реактора осуществлять парогазовой смесью, поступающей в контур метанола из агрегата аммиака.