Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы, цель и задачи исследования 7
1.1. Оценка актуальности проблемы повышения эффективсти работы нагревательных печей с камерным температурным режимом 7
1.2. Совершенствование тепловой работы и конструкции пламенных нагревательных печей 11
1.3. Цель и задачи работы 19
2. Анализ методов расчета и технических решений по повышению эффективности работы нагревательных печей, применяемых в процессе нагрева металла под обработку давлением 26
2.1. Методы расчета пламенных нагревательных печей 26
2.2. Повышение эффективности использования топлива в печах 34
2.3. Интенсификация тепловой работы и нагрева металла в нагревательных печах 40
2.4. Оптимизация тепловых и температурных режимов нагревательных печах 50
3. Теоретические основы исследования пламенных печных агре гатов на оптимальные показатели их работы 64
3.1. Основные положения оптимизации пламенных нагревательных печей 64
3.2. Методологические основы построения алгоритма расчета оптимальных параметров печных агрегатов 79
3.3. Определение величины дисконтированных затрат при оптимизации печных агрегатов 91
4. Методы и алгоритмы частной оптимизации параметров тепло-вого режима и конструкции пламенных нагревательных печей 96
4.1. Определение оптимальной степени рекуперации теплоты уходящих из рабочего пространства печи продуктов сгорания топлива 96
4.2. Оптимизация подогрева мазута при использовании его в качестве топлива в нагревательных печах 111
4.3. Оптимизация параметров футеровки нагревательных печей 129
4.4. Определение оптимальной степени использования низкопотен циальной теплоты уходящих дымовых газов после нагревательных печей 157
5. Комплексная оптимизация пламенных печных агрегатов с камерным режимом нагрева металла 173
5.1. Оптимизация нагревательных печей при нагреве термически тонких тел 173
5.2. Оптимизация нагревательных печей при нагреве термически массивных тел 190
5.3. Алгоритмы расчета оптимальных параметров печных агрегатов при нагреве термически тонких и массивных тел 198
6. Анализ применения разработанного метода комплексной оптимизации пламенных печных агрегатов с камерным режимом нагрева металла 211
6.1. Сравнительная эффективность работы печных агрегатов с оптимальными технико-экономическими параметрами 211
6.2. Влияние исходной информации и исходных данных на значения оптимальных параметров печных агрегатов 221
6.3. Экспериментальные исследования работы печных агрегатов с оптимальными параметрами 236
7. Оценка технико-экономического эффекта и экологичности разработанных решений 284
7.1. Технико-экономическая эффективность от использования разработок при реконструкции печных агрегатов с камерным режимом нагрева металла 284
7.1.1. Методика расчета и результаты определения экономической эффективности от внедрения разработок при реконструкции нагревательной печи 288
7.1.2. Методика расчета и результаты определения экономической эффективности при оптимальном использовании низкопотенциальной теплоты дымовых газов после рекуператора нагревательной печи 289
7.2. Оценка воздействия пламенных нагревательных печей на окружающую среду при работе с оптимальными технико-экономическими параметрами 294
7.2.1. Методика расчета вредных выбросов в воздушную атмосферу 294
7.2.2. Расчет количества оксидов азота, серы и углерода, выбрасываемых в воздушную атмосферу с дымовыми газами 298
Основные выводы и результаты работы 302
Список использованных источников 306
Приложение
- Совершенствование тепловой работы и конструкции пламенных нагревательных печей
- Повышение эффективности использования топлива в печах
- Методологические основы построения алгоритма расчета оптимальных параметров печных агрегатов
- Оптимизация подогрева мазута при использовании его в качестве топлива в нагревательных печах
Введение к работе
Актуальность проблемы. Пламенные нагревательные печи относятся к основному оборудованию кузнечных участков и цехов предприятий различных отраслей промышленности, железных дорог Развитие производства поковок неразрывно связано с совершенствованием технологии и средств тепловой обработки металла В кузнечных цехах потребление топлива, которое составляет до 19 % от общего его расхода на предприятии, характеризуется низким коэффициентом тешгоиспользовашгя, и долгосрочные прогнозы указывают на устойчивую тенденцию увеличения энергетической составляющей в себестоимости продукции В связи с этим возникает задача повышения общей энерготехнологической эффективности кузнечного производства путем разработки высокоэффективных тепловых режимов, совершенствования конструкций печей, обеспечивающих условия для интенсификации нагрева металла, энергосбережения, оптимизации их работы В настоящее время техническое состояние, уровень средств и технологии тепловой обработки металла в кузнечных цехах не отвечает современным требованиям достижения высоких показателей работы, качества продукции и низкого удельного расхода топлива Таким образом, возникает проблема технического перевооружения, которая носит системный характер
Для нагрева металла под обработку давлением широко применяются нагревательные печи с камерным температурным режимом В стране их насчитывается несколько тысяч По стоимости пламенный нагрев металла составляет значительную долю в себестоимости продукции кузнечного производства (до 35 %) Широкое распространение печей указанного типа обусловлено их универсальностью (они обеспечивают нагрев самых разнообразных заготовок), простотой конструкции, возможностью сравнительно быстро менять режим работы Нередко по условиям производства невозможна специализация ковочного оборудования и требуется нагрев широкой гаммы заготовок В этом случае печи с камерным режимом работы остаются единственным средством нагрева металла
Проведенные в свое время ОАО «Теплопроект» и Омским государственным университетом путей сообщения обследования печного хозяйства ряда предприятий машиностроительной промышленности, железных дорог показали, что низкий технический уровень печей обусловлен несовершенством тепловых схем, конструкций тепловых ограждений, применяемых систем топливоснабжения, отсутствием средств утилизации теплоты уходящих газов Это при-
водит к значительному перерасходу топлива Для камерных кузнечных печей термический КПД составляет 5-9 %, удельный расход условного топлива — от 325 до 500 кг на тонну нагреваемого металла Для сравнения аналогичные показатели для печей США, Германии, Японии термический КПД - 40 - 45 %, удельный расход условного топлива - 40 - 85 кг/т По оценкам специалистов прогноз на использование указанных печей, учитывая тенденции развития новых технологий и оборудования для нагрева металла в нашей стране, а также экономические реалии современного производства, составляет не менее чем 25-30 лет Поэтому актуальными являются проблемы совершенствования конструкций печей, повышения эффективности их работы, снижения удельного расхода топлива на нагрев металла и затрат на сооружение и эксплуатацию печей
Актуальность перечисленных проблем отвечает федеральному закону «Об энергосбережении» (1996 г) и федеральной целевой программе «Энергоэффективная экономика» (2001г)
Проблема повышения эффективности работы печных агрегатов должна решаться посредством оптимизации их тепловой схемы, основных параметров схемы и режимов работы агрегата, конструкции отдельных его элементов и агрегата в целом
Одной из наиболее важных проблем является определение и выбор оптимальных параметров теплового режима и конструкции печи Правильное ее решение имеет первостепенное значение, так как нагрев металла под обработку давлением является важнейшей операцией, определяющей качество и стоимость продукции
В этих условиях требуется разработка методов нахождения технических решений, обеспечивающих достижение максимального технико-экономического эффекта при наименьших затратах материальных средств Этой задаче в полной мере отвечают методы оптимизации печей Актуальность оптимизации пламенных печей объясняется еще и тем, что они в нашей стране не изготавливаются на специализированных заводах, а сооружаются самими предприятиями В связи с этим не представляется возможным дать общие рекомендации по выбору оптимальных параметров, так как они должны определяться для конкретных условий предприятия
В настоящее время отсутствуют приемлемые для использования методы определения оптимальных параметров работы печей с камерным температурным режимом Известными методами решают задачи повышения эффективно-
сти работы печей построением усложненных математических моделей без должной комплексной увязки технических решений с экономическими факторами Существенными их недостатками являются сложность, трудоемкость, неточность определения оптимальных соотношений между отдельными параметрами По этой причине они не находят применения при проектировании печей
При реализации принципов обеспечения эффективных решений при проектировании и эксплуатации нагревательных печей заложены внутренние противоречия, что обусловливает необходимость комплексного учета всех условий и накладываемых ограничений на значения оптимальных параметров
Целью работы является разработка научно обоснованных технических решений по повышению эффективности работы печных агрегатов на основе разработки методов комплексной их оптимизации и расчета оптимальных параметров, обеспечивающих снижение удельного расхода топлива и стоимости нагрева металла, улучшение качества его тепловой обработки
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи
разработаны метод и алгоритм обеспечения оптимальной рекуперации теплоты уходящих из рабочего пространства нагревательных печей дымовых газов,
предложены метод и алгоритм оптимизации температуры подогрева мазута при использовании его в качестве топлива в нагревательных печах,
созданы метод и алгоритм оптимизации параметров футеровки печей,
разработаны метод и алгоритм определения оптимального использования низкопотенциальной теплоты уходящих газов после нагревательных печей,
предложены алгоритмы комплексной оптимизации печных агрегатов при нагреве термически тонких и массивных тел,
проведены сравнительный анализ и экспериментальная оценка правомерности разработанного метода комплексной оптимизации печных агрегатов,
выполнена технико-экономическая оценка эффективности практического использования результатов проведенных исследований
Методы исследования. Методологической основой теоретических и экспериментальных исследований является системный подход к решению поставленных задач В работе получили дальнейшее развитие методы оптимизации высокотемпературных теплотехнологических установок
Разработаны и применены, на основе логического анализа, методы оптимального проектирования печных агрегатов с камерным температурным режи-
мом, полученные путем решения сформулированных экстремальных задач Использованы методы математического моделирования, в процессе расчетов и анализа математических зависимостей применялся универсальный математический пакет программ MatLab 6
Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем
-
Разработаны научные основы исследования пламенных печных агрегатов для достижения оптимальных показателей их работы и решения задач комплексной оптимизации
-
Разработана методология оптимального проектирования печных агрегатов, представленная в виде многоуровневой задачи оптимизации
-
Разработан метод и решена задача комплексной оптимизации параметров теплового режима и конструкции печных агрегатов с камерным температурным режимом
-
Предложены эффективные математические модели для решения задач комплексной оптимизации печных агрегатов, учитывающие взаимосвязь их теплотехнических, конструктивных, режимных параметров, затраты на сооружение и эксплуатацию печей
5 Получен функционал комплексной оптимизации печных агрегатов,
обеспечивающий достижение наилучших показателей работы при минималь
ных затратах и глубокой утилизации теплоты уходящих газов В представлен
ном функционале учтены условия эксплуатации печных агрегатов, а также га-
кие факторы, как мощность, конструкция и стоимость нагревательной печи,
конструкция и стоимость рекуператора, вид, стоимость и качество подготовки
топлива к сжиганию и др Функционал позволяет свести задачу комплексной
оптимизации к определению двух доминирующих показателей работы печных
агрегатов оптимальной температуры уходящих газов на выходе из рабочего
пространства нагревательной печи и оптимальной степени рекуперации тепло
ты дымовых газов
6 Разработаны эффективные методы и алгоритмы определения
оптимальной температуры подогрева мазута при сжигании его в печах,
оптимальной толщины футеровки нагревательной печи, комплексно и
наиболее полно увязывающие трехмерный тепловой поток в окружающую среду через стены, под и свод с их конструкцией, теплотехническими, эксплуатационными и стоимостными характеристиками,
оптимальной степени использования низкопотенциальной теплоты дымовых газов после нагревательных печей.
Достоверность научных положений и выводов работы подтверждена экспериментальными исследованиями, практической апробацией и эксплуатацией реконструированных печных агрегатов Достоверность результатов исследований базируется на строго доказанных положениях теплофизики, общей теории печей, математического моделирования В работе применены современные аналитические и численные методы решения оптимизационных задач Расхождение результатов теоретических исследований с экспериментальными данными не превышает 9 %
Практическая ценность. Созданные методы и разработанные программные средства позволяют эффективно решать задачи оптимального проектирования и конструирования печных агрегатов с камерным температурным режимом
Проведенные исследования показали практическую эффективность реализации разработанных методов и алгоритмов комплексной оптимизации печных агрегатов и позволяют
облегчить труд проектировщика по определению и выбору оптимальных параметров теплового режима и конструкции печных агрегатов как при проектировании новых, так її при реконструкции существующих,
повысить удельную производительность печей и их термический КПД,
снизить удельный расход топлива на нагрев металла,
повысить экономичность работы печных агрегатов,
снизить затраты на сооружение и эксплуатацию печных агрегатов,
интенсифицировать процесс нагрева металла, снизить его угар
Основные положения, выносимые на защиту
-
Метод комплексной оптимизации параметров теплового режима и конструкции печных агрегатов
-
Структура оптимального проектирования печных агрегатов
-
Метод и алгоритм определения оптимальной степени рекуперации теплоты уходящих из рабочего пространства печи дымовых газов
4 Метод и алгоритм определения значений оптимальных параметров футеровки нагревательных печей
5 Метод и алгоритм определения оптимальной температуры подогрева мазута при его сжигании в нагрева і ельных печах
-
Метод и алгоритм определения оптимальной степени утилизации низкопотенциальной теплоты дымовых газов после нагревательных печей
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований по оптимизации режимных и конструктивных параметров печных агрегатов с камерным температурным режимом
Реализация результатов работы. Комплекс исследований составляет основу выполненной кафедрой «Теплоэнергетика» ОмГУПСа фундаментальной и поисковой НИР МПС России № 617/03 19 10 00 (19 1 17) - «Оптимизация тепловой работы и конструктивных параметров нагревательных печей»
Результаты работы использованы при реконструкции нагревательных печей кузнечного цеха в ООО «Сибзавод Полиформ» г Омска, в локомотивном депо ст Московка Западно-Сибирской железной дороги, в ОАО «Завод «Омск-гидропривод»
Алгоритмы и программы расчета оптимальных параметров печных агрегатов с камерным температурным режимом приняты для использования научно-исследовательским центром ОАО «Инжиниринговая компания по теплотехническому строительству «ТЕПЛОПРОЕКТ»
Использование материалов диссертации подтверждено актами внедрения Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработок при реконструкции 260 нагревательных печей в Западно-Сибирском регионе должен составить 305,5 млн р
Научные результаты диссертации используются в учебном процессе в лекционных и практических курсах «Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях» для студентов специальности «Промышленная теплоэнергетика», а также в Институте повышения квалификации и переподготовки для инженерно-технических работников, работающих в теплоэнергетических службах предприятий
Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всесоюзной научно-технической конференции «Повышение эффективности использования топлива в нагревательных и термических печах машиностроения» (Москва, 1982), на всесоюзной научно-технической конференции «Энергосберегающие технологии и теплоэнергетические проблемы оптимизации печного хозяйства» (Миасс, 1987), на республиканской научно-технической конференции «Пути реконструкции металлургических печей для оптимизации энерго- и ресурсосберегающих технологий»
(Магнитогорск, 1988), на 2-й международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 1997), на научно-практической конференции с международным участием «Новые технологии железнодорожному транспорту» (Омск, 2000), на международной научно-практической конференции «Автоматизированный печной агрегат — основа энергосберегающих технологий металлургии XXI века» (Москва, 2000), на 2-й международной научно-практической конференции «Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии» (Москва, 2002), на международной научно-практической конференции «Рациональное использование природного газа в металлургии» (Москва, 2003), на научно-практической конференции кафедр ОмИИТа, посвященных 60-летию института (Омск, 1990), на 3-й научно-практической конференции «Энергосбережение на предприятиях Западно-Сибирской железной дороги» (Омск, 1997), на межвузовской научно-технической конференции «Железнодорожный транспорт Сибири Проблемы и перспективы» (Омск, 1998), на научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии на предприятиях Западно-Сибирской железной дороги» (Омск, 1999), на научно-практической конференции, посвященной 100-летию завершения строительства Транссибирской магистрали (Омск, 2001), на научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии на обособленных подразделениях Западно-Сибирской железной дороги» (Омск, 2003), на научно-технической конференции ОмИИТа (Омск, 1986)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 62 работы, в том числе одна монография, 12 публикаций - в изданиях, указанных в перечне ВАК РФ, 10 — в материалах международных, всесоюзных и всероссийских конференций, получены свидетельства на полезную модель и на разработку алгоритмов и программ
Личный вклад автора заключается в формировании основных предпосылок исследования, в разработке научных основ технических решений по повышению эффективности работы печных агрегатов, методов, эффективных математических моделей и алгоритмов комплексной оптимизации печных агрегатов с камерным температурным режимом, в проведении исследований для оценки эффективности реализации предложенных разработок
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных источников из 330 наименований и приложения Ее общий объем - 341 страница, она содержит 45 таблиц, 80 рисунков
Совершенствование тепловой работы и конструкции пламенных нагревательных печей
Печи кузнечных цехов и участков, предназначенные для нагрева заготовок с чрезвычайно широким диапазоном размеров под ковку, штамповку, характеризуются разнообразием конструкций: от крупных печей с выкатным подом для нагрева отдельных слитков до компактных установок непрерывного действия скоростного нагрева термически тонких заготовок. Стремясь обеспечить прогрессирующее энергосбережение, следует непрерывно совершенствовать тепловую работу и конструкции нагревательных устройств, используемых в металлургии и машиностроении. Главными направлениями совершенствования тепловой работы и конструкции нагревательных печей за последние годы были повышение удельной производительности и качества нагрева металла. Прогресс в современном печестроении характеризуется также, энергосбережением (уменьшением удельного расхода топлива на нагрев металла). Важной задачей совершенствования конструкций и тепловой работы печей является снижение вредных выбросов в атмосферу, главным образом оксидов азота [3-5].
Чтобы уменьшить площадь, занимаемую печами, конструкторы стремятся обеспечить их высокую удельную производительность.
Для современных нагревательных установок является обязательным автоматическое регулирование или поддержание заданной температуры в рабо чем пространстве печи, регулирование соотношения топливо-воздух, давления газов в печи с целью рационального сжигания топлива и поддержания газовой среды постоянного состава. Печи оборудуются устройствами для сигнализации отклонений в тепловом режиме. В некоторых печах вместо горелок и отдельно установленной автоматики для регулирования сжигания топлива применяют полностью автоматизированные газогорелочные блоки.
При оборудовании печей рекуператорами автоматизируется тепловой режим рекуператора.
Подобные печи эксплуатируются в Российской Федерации, за рубежом в Швейцарии, Англии, США, Германии и других странах [2,4-10].
При высоких температурах в среде продуктов горения топлива сталь окисляется и обезуглероживается. Наиболее реальным путем для уменьшения окисления и обезуглероживания стали является ускорение ее нагрева при операциях горячей обработки. Ускорение нагрева возможно во всех печах.
Современная наука о нагреве металла включает большой комплекс теоретических и технологических вопросов, направленных на разработку и внедрение наиболее прогрессивных методов нагрева, обеспечивающих повышение производительности, экономичности и качества нагрева, снижение выбросов вредных веществ в окружающую среду.
В последние годы большое внимание уделяется проблеме безокислительного и малоокислительного нагрева. На основе представления о высокотемпературном окислении, как о диффузном процессе, разработаны методы расчета окалинообразования, определено влияние различных факторов на величину окисления, на толщину слоя окалины.
Еще большее значение имеет проблема борьбы с обезуглероживанием стали при нагреве высокоуглеродистых и легированных сталей.
При разработке режимов нагрева металла в кузнечно-штамповочном производстве необходимо учитывать особенности этого процесса.
Новые технологические методы, внедряемые в кузнечно-штамповочном производстве, и повышение требований к качеству поковок, изготовляемых обычными способами, требуют существенного улучшения нагрева заготовок под ковку и штамповку. Качество нагрева стальных заготовок определяется следующими показателями: величиной угара металла, глубиной обезуглеро-женного слоя, равномерностью нагрева по сечению и объему заготовок.
Основными направлениями в улучшении качества нагрева являются: скоростной и ускоренный нагрев в печах с окислительными атмосферами (при полном горении топлива), малоокислительный и безокислительный нагрев в печах с малоокислительными и безокислительными атмосферами (при неполном горении высококалорийного газа).
В последние годы развитие конструкций нагревательных печей направлено в сторону создания печей и оборудования к ним, работающих в условиях скоростного конвективного нагрева при котором большая часть тепла, поступающего к металлу передается конвекцией от высокоскоростных струй высокотемпературных продуктов сгорания. Наиболее интересен способ нагрева, при котором струи горячих газов, бьют непосредственно в металл (атакующие струи), а на кладку попадают газы, отдавшие часть своего тепла металлу. Температура металла в конце нагрева выше температуры кладки, что полностью устраняет опасность нагрева металла от излучения кладки при остановке печи и во много раз уменьшает инерционность последней. Именно в этом и состоит преимущество печей скоростного конвективного нагрева [2,3,5,11-19].
Этот вид нагрева привлекает все большее внимание. Он появился в кузнечном производстве в конце 70-х, начале 80-х годов двадцатого века и уже показал свои исключительные возможности в отношении резкого повышения скорости нагрева и улучшения качества продукции при минимальном образовании окалины и малом обезуглероживании поверхности. Скорости нагрева атакующими струями значительно выше скоростей нагрева в обычных печах.
Повышение эффективности использования топлива в печах
Повышение эффективности и экономичности пламенного нагрева, создание совершенных тепловых схем и конструкций пламенных нагревательных печей имеет большое народно-хозяйственное значение. Используемые при этом методы многообразны. Они описаны в отечественной и зарубежной литературе [105-140]. Решение данной проблемы ведется в следующих основных направлениях: 1) утилизация теплоты отходящих дымовых газов, автоматизация тепловых процессов, уменьшение тепловых потерь; 2) совершенствование топливосжигающего оборудования теплотехнического оформления технологического процесса нагрева металла в печах, способных обеспечить резкий подъем удельной производительности и высокие технико-экономические показатели; 3) создание и использование совершенных тепловых схем печей; 4) оптимизация температурных и тепловых режимов печей. Вопросы энергосбережения при реализации организационных, научных, производственных, технических и экономических мер, направленных на эффективное использование энергетических ресурсов и на вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии, являются оснопо-логающими при анализе тепловой работы действующих и подлежащих разработке новых печных агрегатов. Решение проблем энергосбережения оказывает существенное влияние и на экологическую безопасность конкретного технологического процесса. Если учесть, что в Российской федерации, как уже отмечалось, около 19% всех энергетических ресурсов, потребляемых в машиностроении, расходуется в процессе нагрева металла, то становится ясным значение мероприятий, направленных на повышение полезного теплоиспользования. Экономия топлива - одно из звеньев повышения тепловой эффективности работы нагревательных печей. Работа большинства нагревательных печей с весьма низким коэффициентом полезного использования тепла и высоким удельным расходом топлива обусловлена в основном потерями тепла с отходящими дымовыми газами, достигающими 50-70 % от количества тепла, подведенного в печь [106-109 и ДР-] Таким образом, использование этого тепла, представляющего мощный резерв энергоресурсов, создает большие возможности повышения коэффициента использования тепла топлива и приобретает важное народнохозяйственное значение. Следует отметить большой вклад Рафаловича И.М., Кривандина В.А., Семененко Н.А., Тебенькова Б.П., Еринова А.Е., Розенгарта Ю.И., Ицковича И.М., Ващенко А.И., Раменской Е.С., Медиокритского Е.Л., Сезоненко В.Д., Григорьева В.Н., Щукина А.А., Лисиенко В.Г., Дружинина Г.М., Прибытко-го И.А., Торопова Е.В., Невского А.С., Асцатурова В.Н.,Сальникова В.А.,Зеньковского А.Г.,Щукина А.А. и др. в теорию и практику повышения эффективности использования топлива. Их работы создали предпосылки и большие возможности для коренного переустройства в организации и оформлении технологического процесса нагрева металла, повышения технико-экономических показателей работы печных агрегатов. Так в работах [105,110,111] рассматривается состояние проблемы вторичных энергоресурсов печей, дается анализ применяемых методов их использования. Особое внимание уделяется вопросам регенеративного, энергетического и энерготехнологического использования теплоты высокотемпературных уходящих газов. При рассмотрении использования этой теплоты предпочтение отдается первому направлению, так как при этом обеспечивается не только экономия топлива, но и интенсифицируется процесс нагрева металла. В [105,110,112-122] изложены и предложены мероприятия, приемы и способы повышения тепловой эффективности работы печей, в том числе по снижению удельного расхода топлива. Рассмотрена теория и практика регенеративного теплоиспользования. Отмечено, что экономия топлива в нагревательных печах в значительной степени обеспечивается путем регенерации теплоты уходящих из их рабочего пространства дымовых газов. Установка регенераторов и рекуператоров на печах для подогрева воздуха, идущего на горение топлива, несет в себе определенные резервы по увеличению удельной производительности печей и улучшению технико-экономических показателей их работы. Указано, что при подогреве воздуха в рекуператорах до 500-800 С достигается сокращение расхода топлива на нагрев металла от15до 40 % . В России и за рубежом ведутся исследования и разработки, направленные на создание рекуператоров из металлических и керамических материалов. В работах [123-125] отмечается, что доминирует тенденция к все большему применению радиационных рекуператоров, являющихся перспективным направлением по утилизации теплоты уходящих газов нагревательных печей в силу важных их достоинств. Отмечено, что наблюдается повышение температуры подогрева воздуха до 500-800 С и более при использовании теплоты отходящих газов с температурой 1300-1500 С, а также получение максимальной теплонапряженности единицы поверхности нагрева. Рассмотрены условия надежной работы, особенности и расчет теплопередачи в радиационных рекуператорах, факторы, сопутствующие подогреву воздуха, особенности и способы интенсификации теплообмена в радиационных рекуператорах. При высоких температурах (выше 1000 С) отходящих из рабочего пространства нагревательных печей дымовых газов теплоотдача на воздушной стороне рекуператора лимитирует общую теплопередачу. Интенсификация теплоотдачи к воздуху от поверхности нагрева рекуператора позволяет уменьшить габариты последнего, снизить температуру поверхности нагрева, сократить расход остродефицитных жароупорных сталей.
Методологические основы построения алгоритма расчета оптимальных параметров печных агрегатов
Как уже отмечалось ранее, оптимизации работы печных агрегатов сопутствует выбор математического аппарата нахождения экстремального значения функции нескольких переменных. Ввиду того, что решение задач оптимизации связано, как правило, с выполнением довольно значительного объема расчетов, сочетающихся с серьезными вычислительными трудностями и трудоемкостью вычислений, большое значение приобретает выбор математического метода поиска минимума сложной функции из числа существующих. Обоснованный его выбор позволяет значительно облегчить труд исследователя, осуществить вычислительный процесс наиболее эффективным способом с учетом инженерной специфики, возможностей используемых электронных вычислительных машин, получить наибольший объем информации об искомом решении. Задача оптимизации печного агрегата может быть решена различными известными математическими методами поиска экстремума многих переменных. Выбор метода в значительной степени определяется постановкой задачи оптимизации, используемой математической моделью объекта оптимизации, родом минимизируемой цели. Печные агрегаты с полным основанием можно отнести к сложным системам, так как им присущи главные отличительные черты таких систем [269,270]: наличие большого числа элементов; сложный характер связей между отдельными элементами; сложность функций, выполняемых системой; наличие сложного организованного управления; необходимость учета взаимодействия с окружающей средой и воздействия случайных факторов.
Поэтому целесообразно воспользоваться главным инструментом системного анализа сложной системы - последовательным переходом от общего к частному, когда в основе рассмотрения лежат цель и построение обобщенной модели, отображающей все факторы и взаимосвязи реальных ситуаций, проявляющиеся в процессе осуществления решений. Использование системного подхода в этих условиях позволяет создать модель печного агрегата и на базе этой модели выбрать необходимое количество управляющей информации, оценить показатели функционирования [270]. Общая схема системного анализа сложной системы или проблемы представлена на рисунке 3.1. Для решения задач, возникающих при проектировании, построении и эксплуатации таких систем, требуется проводить многочисленные исследования и расчеты, связанные с оценкой показателей, выбором структуры системы и оптимальных значений параметров. Однако выполнение таких исследований возможно лишь в том случае, если имеется математическое описание (модель) процесса функционирования разрабатываемой системы и ее подсистем. Сложность конструкций печного агрегата, явлений и процессов, происходящих в нем и его элементах, не позволяет строить для них абсолютно адекватные математические модели. Поэтому используемые на практике модели описывают лишь главные факторы, действующие на реальную систему. На разных стадиях и этапах создания модели печного агрегата основные факторы определяются, исходя из назначения системы. Методологическим недостатком практического проектирования является априорное задание вида математической и конструктивной моделей рассматриваемой системы, когда используется интуиция и субъективные пред- ставлення о возможностях различных математических схем разрабатываемых моделей. В соответствии с системным принципом взаимосвязи структуры и функции сложной системы более строгим подходом к моделированию процессов функционирования является системотехнический, предполагающий преобразование конструктивной модели из системной и основанный на системотехнической цепочке «общесистемная модель - системная модель - конструктивная модель». В этом случае рассматривают следующие системные свойства разрабатываемой модели: непрерывность, линейность, стационарность, стохастич-ность. Функционирование каждой из подсистем печного агрегата описывают различного вида математическими или другими моделями: частными или обобщенными. Для выполнения методологически обоснованного выбора системной модели функционирования печного агрегата обратимся к функциональной его схеме как наиболее общей и современной (рис. 3.2). Как известно, важной особенностью современных печных агрегатов является наличие нелинейного характера зависимостей между теплотехническими, расходными и конструктивными параметрами. На рисунке 3.2. приняты следующие обозначения параметров величин: Gf,Pf,Pf ,tf,tf ,pf,Pf - соответственно массовый расход, давление, температура и плотность топлива до и после топливоподготовительной установки; Vj, Рв;, \ в, р в - соответственно объемный расход, давление, температура, плотность воздуха, подаваемого на горение топлива, на входе в рекуператор; Vr, tr, Pr, рг - соответственно количество, температура, давление и плотность продуктов сгорания топлива, уходящих из рабочего пространства нагревательной печи;
Оптимизация подогрева мазута при использовании его в качестве топлива в нагревательных печах
Одной из наиболее важных задач, возникающих при проектировании и эксплуатации нагревательных печей, является выбор оптимальных параметров их теплового режима. Правильное ее решение способствует значительному повышению эффективности и экономичности работы печей, качеству нагрева металла, снижению удельного расхода топлива. Определенный теоретический и практический интерес представляет оптимизация температурного уровня подогрева мазута при его использовании в качестве топлива в нагревательных печах. Повышение надежности и эффективности сжигания мазута сводится к проблеме его сжигания при очень малых избытках воздуха (близких к стехиометрическому количеству), что в свою очередь определяется интенсификацией топочного процесса.
В настоящее время проявляется тенденция к повышению температуры предварительного подогрева мазута перед его сжиганием. Высокий температурный уровень подогрева мазута обеспечивает более глубокое диспергирование его форсунками, оказывает качественное влияние на интенсификацию процесса горения непосредственно активизацией испарения топлива и косвенно улучшением его распыления за счет снижения таких физических характеристик, как поверхностное натяжение и особенно вязкость [279,280]. Так по данным Всероссийского теплотехнического института повышение темпера-туры мазута до вязкости (6,2-12,2)-10" м /с является значительным резервом повышения эффективности его сжигания. Согласно данным работ [279,281-284] предварительно высокий подогрев мазута уменьшает размер капель в распыливающих устройствах, что ускоряет процессы испарения и горения в квадратичной зависимости. Значительно повышая температуру мазута и осуществляя затем его распыл со сбросом давления, получаем так называемое термическое распыление. Сущность его заключается во вторичном дроблении капель от образовавшихся в них паров перегретой жидкости. При этом возникает качественно иной по виду и форме факел, который становится более ярким и прозрачным с резко выраженными очертаниями. Основными преимуществами подогрева мазута до более высоких температур является снижение коэффициента расхода воздуха, химического и механического недожога, потерь тепла с уходящими газами, снижение вредных выбросов в атмосферу.
Следовательно, при постоянной производительности печного агрегата с повышением температуры подогрева мазута уменьшается его удельный расход на нагрев металла, затраты на подачу дутьевого воздуха, расходуемого на горение топлива, и на выброс дымовых газов за пределы печного агрегата. Но при этом увеличиваются расходы теплоэнергии на подогрев мазута, капитальные затраты и эксплуатационные расходы на мазутоподогреватель. Особую актуальность исследование и внедрение высокотемпературного подогрева мазута приобретает в связи использованием более тяжелых его марок, получаемых на нефтеперерабатывающих заводах в результате углубления переработки нефти.
Таким образом, решение вопроса об оптимальной температуре подогрева мазута представляет собой технико-экономическую задачу. Для определения максимально возможной, технически и экономически оправданной температуры подогрева мазута, надо объективно оценить ее влияние на технико-экономические показатели работы печного агрегата.
В настоящее время рекомендуемые максимальное значение температуры подогрева мазута устанавливаются из допустимой вязкости в зависимости от его марки и типа применяемых форсунок, например, мазут марки 40 нагревают до 378 К, марки 100 - до 393 К. Указанные рекомендации предполагают рациональное сжигание мазута без учета влияния экономических факторов (затрат на подогрев мазута и т.д.) на стоимость нагрева металла.
Ниже приводится алгоритм технико-экономической оптимизации подогрева мазута перед его сжиганием, обеспечивающий повышение тепловой эффективности и экономичности работы печей, снижение удельного расхода топлива, затрат на нагрев металла и вредных выбросов в атмосферу. В качестве критерия оптимальности принята оценка эффективности сравниваемых вариантов по минимуму дисконтированных затрат на нагрев металла.
Исходя из выше рассмотренного, переменной частью дисконтированных затрат на нагрев металла, зависящей от температуры подогрева мазута, являются затраты на топливо, на тягодутьевые машины, обеспечивающие подачу вентиляторного воздуха к горелочным устройствам и выброс дымовых газов за пределы печного агрегата, на тепловую энергию для подогрева мазута, амортизационные отчисления, которые пропорциональны капитальным вложениям.
