Введение к работе
Актуальность работы. Стекло российского производства занимает значительную долю мирового рынка. По данным СтеклоСоюза, объём рынка листового стекла в России по итогам 2007 года составил порядка 175 млн. м . Основной же рост физических объёмов производства высококачественного флоат-стекла в России пришелся на 2009-2010 гг. Однако доля экспортных поставок в настоящее время не превышает 7-10% от общего объема листового стекла, производимого в России
Для сохранения и наращивания позиций на мировом рынке листового стекла отечественным производителям необходимо улучшать качество продукции, сокращать энергозатраты и издержки, наращивать производительность и увеличивать срок службы технологических линий стекольных заводов. Однако главным фактором, существенно ограничивающим общий эксплуатационный ресурс технологических линий стекольного производства, является высокотемпературная коррозия огнеупорных материалов, интенсивно разрушающая стены варочного бассейна стекловаренных печей в процессе эксплуатации.
Стекловаренные печи представляют собой теплотехнологические установки, рабочая температура внутри которых составляет 1450-1550С. Варочный бассейн печи подвергается износу из-за интенсивно протекающих процессов высокотемпературной коррозии. Поэтому снижение интенсивности коррозионных процессов является актуальной научно-технической задачей, от решения которой зависит продолжительность кампании стекловаренных печей.
Целью диссертационной работы является научное обоснование рациональных путей и методов продления эксплуатационного ресурса стекловаренных печей на основе математического моделирования процессов высокотемпературной коррозии огнеупоров в стенах варочного бассейна и оптимизации параметров обдува, используемого для охлаждения огнеупорной кладки
Задачи исследования: 1. Сравнительный анализ эксплуатационных характеристик современных огнеупоров от ведущих мировых и отечественных производителей с получением адекватных зависимостей, позволяющих прогнозировать интенсивность коррозионных процессов в огнеупорных материалах, контактирующих с расплавом стекломассы.
-
Аналитическое исследование параметров теплоотдачи при обдуве, критических зон огнеупорных ограждений нормально направленными плоскими воздушными струями с получением расчетных зависимостей для обоснования минимально допустимого удельного расхода охлаждающего воздуха в соплах системы обдува.
-
Разработка и тестирование математических моделей для прогнозирования динамики нестационарных процессов высокотемпературной кор-
розии огнеупорных стен в реальных условиях эксплуатации стекловаренных печей при постоянном и регулируемом обдуве критических зон варочного бассейна с обоснованием оптимальных законов регулирования.
-
Разработка методики многофакторной технико-экономической оптимизации параметров обдува для обоснования условий достижения локальных максимумов экономической эффективности и поиска путей достижения глобального максимума ЧДД.
-
Разработка рекомендаций по продлению эксплуатационного ресурса стекловаренных печей в технологических линиях по производству листового стекла.
Научная новизна работы:
1. Выполнен регрессионный анализ массивов экспериментальных
данных, полученных разными авторами в лабораторных условиях при
взаимодействии огнеупорных материалов с расплавом стекломассы, на ос
нове которого построены аппроксимационные математические модели
процессов высокотемпературной коррозии для ряда современных огне
упорных материалов отечественного и зарубежного производства, адекват
ные с доверительной вероятностью 95%.
-
Уточнена методика расчета конвективной теплоотдачи при струйном обдуве критических зон варочного бассейна, на основе которой разработан и программно реализован алгоритм численного метода определения требуемых параметров системы обдува (размера сопел и удельного расхода воздуха), позволяющий минимизировать энергозатраты на привод нагнетателей.
-
Разработана математическая модель, позволяющая прогнозировать динамику изменений остаточной толщины корродирующих огнеупорных брусьев варочного бассейна стекловаренной печи при различных параметрах обдува, температурах пламенного пространства, характеристиках огнеупорного материала и условиях эксплуатации.
-
Обоснована, разработана и программно реализована методика численной технико-экономической оптимизации параметров наружного обдува огнеупорных ограждений, позволившая доказать экономическую целесообразность обдува с переменными скоростями и подобрать закон регулирования скоростей, обеспечивающий достижение максимума интегрального эффекта.
-
На основе анализа результатов многовариантного вычислительного эксперимента, выполненного с использованием разработанных математических моделей высокотемпературной коррозии огнеупоров при переменных скоростях обдува критических зон, и последующей технико-экономической оптимизации параметров системы обдува сформулированы принципы рационального продления кампании стекловаренных печей. Главные из них: использование регулируемого обдува (с постепенным увеличением скорости в пределах обоснованного интервала значений по
мере уменьшения остаточной толщины корродирующей огнеупорной стенки); обоснованный выбор размера сопел системы обдува в зависимости от принятой конечной скорости обдува и вида огнеупорного материала; многократное эксплуатационное наращивание корродирующей огнеупорной стенки в критических зонах дополнительными плитками минимальной толщины.
Праісгическая значимость работы заключается разработке методических рекомендаций и алгоритма комплексной многофакторной технико-экономической оптимизации конструктивных параметров охлаждаемой огнеупорной кладки и эксплуатационных режимов обдува, позволяющих продлевать эксплуатационный ресурс варочного бассейна стекловаренных печей, достигая при этом максимума чистого дисконтированного дохода (ЧДЦ).
Результаты диссертационной работы внедрены на предприятии ОАО «Саратовстройстекло» (Рекомендации по продлению эксплуатационного ресурса включены в техническое задание на реконструкцию системы обдува стекловаренной печи ЛТФ-1 и используются в эксплуатационной практике, приказ 147-5 от 3.09.2013), а также в организации ООО «Проектный институт Саратовтеплопроект» (Методические рекомендации и программный продукт приняты для использования в проектной практике, приказ № 136/п от 28.08.2013).
Материалы работы используются также в СГТУ имени Гагарина Ю.А. в спецкурсе «Тепловые режимы огнетехнических установок», дипломном проектировании и НИРС для специальности «Промышленная теплоэнергетика» и при подготовке магистров по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника».
На защиту выносятся:
комплекс двухфакторных аппроксимационных математических моделей для описания процесса высокотемпературной коррозии огнеупорных материалов отечественного и зарубежного производства в статических условиях;
уточненная методика расчета конвективной теплоотдачи при струйном обдуве критических зон варочного бассейна и разработанный на ее основе алгоритм численного определения минимально допустимых параметров системы обдува (размера сопел и удельного расхода воздуха);
математическая модель и результаты прогнозирования динамики эксплуатационных изменений остаточной толщины корродирующих огнеупорных элементов варочного бассейна стекловаренной печи при различных параметрах обдува, температурах пламенного пространства, характеристиках огнеупорного материала и условиях эксплуатации;
методика и программа для реализации численного метода многофакторной технико-экономической оптимизации параметров системы наружного обдува огнеупорных ограждений варочного бассейна стеклова-
ренных печей. Вывод об экономической целесообразности обдува с переменными скоростями, методика и результаты обоснования параметров оптимального регулирования скорости обдува по условию достижения максимума интегрального эффекта.
- рекомендации по продлению кампании стекловаренных печей, разработанные на основе анализа результатов многовариантных расчетов, выполненных на математических моделях.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов определяется использованием фундаментальных физических законов, математических методов обработки данных и методологии статистического анализа. Полученные аппроксимационные зависимости, адекватны с доверительной вероятностью 95%, их погрешность не превышает ±10%. Тестирование математической модели, разработанной для оценки продолжительности эксплуатационного ресурса варочного бассейна в реальных условиях, показало хорошее совпадение с фактическими показателями работы стекловаренной печи ЛТФ-1 ОАО "Саратовстрой-стекло" (расхождение менее 8 %). Все это позволяет оценить степень достоверности полученных в работе результатов, как вполне достаточную для практических целей.
Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: ежегодных научных семинарах и научно-технических конференциях кафедры «Промышленная теплотехника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А; МНК «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения», (Саратов 2010); на пятой международной конференции «Стеклопрогресс ХХ1»,(Саратов, май 2011); на шестой международной конференции «Стеклопрогресс ХХ1»,(Саратов, май 2012).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационного исследования опубликованы в 12 печатных работах, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 199 страницах и состоит из введения, пяти глав, общих выводов и заключения, списка использованных источников и приложения. Работа содержит 47 рисунков, 20 таблиц, 6 приложений. Список использованных источников включает 95 наименования, из них 13 зарубежных работ и 3 электронных ресурса.
