CC BY
31
ЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.181.27 В. Р. ВЕДРУЧЕНКО
Е. В. ГЛЛИМСКИЙ
Омский государственный университет путей сообщения
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА САЖЕВЫХ ГАЗОВ НА ТЕМПЕРАТУРУ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ НА ВЫХОДЕ ИЗ ПРЕДТОПКА И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
На основании исследований получены приближенные математические полиномиальные модели для анализа зависимости температуры на выходе из предтопка от суммарного содержания в газе присадочного природного газа, влагосодержания и температуры перед горелкой.
Производство технического углерода (сажи) на сажевых заводах сопровождается образованием большого количества отбросных сильно забалластированных сажевых газов, содержащих небольшой процент горючих компонентов и высокий
процент балласта (азота, двуокиси углерода и др.). На каждый килограмм готовой продукции в атмосферу выбрасываются сажевые газы (от 40 до 60 м3), содержащие около 80% балласта, 40-45% водяных паров.
В котельной ОАО «Техуглерод» (г. Омск) установлены котлы марки ПКК-75/24-150-5 для сжигания (утилизации) отбросных сажевых газов. Утилизация сажевых газов осуществляется дожиганием их в неэкранированных предтопках названных котлов, на фронте которых установлены специальные газогорелочные устройства комбинированного типа ЭНИН-СТУ15-10-200.
Компонентный состав отбросных газов является сложным, варьируется в зависимости от вырабатываемой марки технического углерода. Средняя объемная концентрация (%) компонентов отбросного газа составляет: С02 = 5,0 - 5,6; СО = 13,5 - 15,3; СН, = 0,10 - 0,20; Н2 = 11,7 - 12,7; 02 = 1,0 - 2,0: N.. = 71,2 — 66,8; Н^ = 0,08 - 0,10; Ы02 = 0,01 - 0,03; Б02 = 0,040 - 0,065. В неосушснном виде (при температуре 200 — 230 "С) отбросной газ имеет теплоту сгорания 1,47 - 2,10 МДж/м3 (350 - 500 ккал/мг') и в эксплуатации взрывоопасен. Отбросной газ содержит токсичные составляющие, пыброс которых в атмосферу загрязняет ее, теряя низкопотенциальное тепло.
Наиболее эффективным методом утилизации отбросных газов является их огневое обезвреживание [1-3]. Метод основан на предварительном смешении иеосушенного отбросного газа с воздухом и последующем сжигании получаемой газопаровоздушной смеси в горелочных устройствах. Для этой цели Белгородским заводом «Энергомаш» специально спроектированы названные котлы-утилизаторы [ 1 ].
При сжигании низкокалорийный сажевый газ является основным топливом, а с целью интенсификации горения в предтопок подается дополнительное количество природного газа (1,5 — 2,0% от расхода отбросного газа по объему).
Разработка практических рекомендаций гю совершенствованию процессов утилизации отбросного сажевого газа, с целью минимизации количества вредных компонентов в дымовых газах и повышения экономичности работы котла-утилизатора, должна проводиться за счет оптимизации режимов его сжигания, рационального выбора регулировочных параме тров, численного моделирования теплообмена в предтопке, оптимизации состава газового топлива [4-6].
Значительное влияние на изменение значений температуры на выходе из предтопка оказывает состав отбросного низкокалорийного газа производства технического углерода и его смесей с природным газом.
При изучении сложных систем и явлений, включая процессы горения и теплообмена в предтопках котлов-утилизаторов, изменяются не только методы исследований, но и способы представления результатов экспериментов, что приводит к изменению информационного языка, к использованию, в частности, языкалинейной алгебры и связанной с ним теории математического планирования экспери-мента[7-9].
При проведении эксперимента необходимо рассмотреть зависимость температуры газов на выходе из предтопка 10 г, содержания N0^ и С02 за котлом от суммарного содержания в отбросном газе негорючих (балластирующих) компонентов (02, ГЧ2, N0.^, БО.,, С02) Бд, расхода присадочного природного газа в виде отношения расхода природного газа к отбросному К г, влагосодержания отбросного газа "М,., температуры отбросного газа перед горелкой I,..
Используя метод многофакторного эксперимента, примем эмпирическую математическую модель
искомой зависимости в виде полинома второй степени относительно переменных (5Г), К, д, а для уменьшения числа опытов необходимо применить ортогональное планирование на трех уровнях.
Искомую статистическую математическую зависимость (модель) представим в виде полной квадрики от четырех параметров, описывающей соответствующую поверхность отклика
У = /(Х1,:<2-ХУ'Х4) = + + и2Х2 + азхз + а4Х4 +
+ а|Г\-,' - а,..х; + а33х: + амх; + ап_х^2 + (1)
+ а,,*,*.. + и.Ах^хА +ап х2х, +а^х2хл +¿/3^X3.^,
где У - исгл _у.уемый параметр (11)Г, N0,, СО,);
й/ - ко эффициенты интерполяционного полинома, показывающие влияние отдельного фактора ЬкЬ их совместного взаимодействия на функцию отклика;
X, - кодированное безразмерное значение фактора (независимого переменного).
Переход к уравнению поверхности отклика в натуральных значениях исследуемых факторов выполняется через соотношение
где 2 < и 1■ - соответственно текущее значение ]-го
фактора и значение данного фактора на нулевом уровне;
Дг. - фактическое значение единицы варьирования данного фактора.
Интервалы варьирования факторов, уровни их изменения представлены в табл. 1.
При этом значения нижнего и верхнего уровней изменения факторов выбирались с учетом важнейших требований теории планирования эксперимента: независимости факторов друг от друга, управляемости в ходе эксперимента, однозначности и совместимости, Если эти условия не выполняются, нельзя планировать эксперимент. Важным условием при планировании экспериментов являлось также получение практических рекомендаций для энергетической службы ОАО «Техуглерод», где утилизируются отбросные сажевые газы в вышеуказанных котлах-утилизаторах. Выбранные уровни изменения факторов в большой степени соответствовали этим требованиям. Расширение диапазона изменения факторов приводит к нарушению работы газовых горелок, что подтверждается выполненными ранее исследованиями (3, 4]. Выбор факторов из ряда других был продиктован наибольшим комплексным их влиянием на исследуемые параметры, что установлено в процессе наладочных испытаний котлов-утилизаторов, а также в процессе их эксплуатации.
Корреляционные зависимости между факторами позволяют находить количественные соотношения варьируемых факторов и, таким образом, оценить степень их взаимного влияния. Оценка влияния других факторов на выбранные параметры, а также параметры долговечности, надежности и т.д. требуют специальных исследований.
Эксперимент проводился по ортогональному плану, позволяющему минимизировать трудоемкость многофакторного эксперимента. В табл. 2 приведены план экспериментов, а также результаты опытных К,„ и расчетных }'„ значений функций отклика.
Таблица 1
Интервалы варьирования факторов и уровни их иэенения
Фактор Кодированное обозначение факторов Интервал варьирования факторов Уровни изменения факторов
нижний - 1 основной 0 верхний + 1
Отношение расходов природного и
отбросного газов К„р г X, 0,005 0,015 0,020 0,025
Содержание негорючих компонентов
отбросного газа % >4 5,3 68,7 74,0 79,3
Влагосодержание отбросного газа % 2,5 40,0 42,5 45,0
Температура отбросного газа перед
горелкой Г. 40 170 210 250
а *
X
X
§
ее >5 2 х
I
План проведения эксперимента и результаты значений функций отклика
Таблица 2
Номер опыта х 1 х2 хЗ х4 Уоп
уМО, оп У'ог. ОП уС02 оп уМОх Р у'о.г Р уСОг Р
1 1 1 1 1 241 1050 8,0 243,5 1050,0 8,03
2 1 1 1 -1 258 980 8,5 260,9 977,5 8,51
3 1 1 -1 1 233 1060 7,8 233,7 1065,0 7,90
4 1 1 -1 -1 252 1000 8,4 251,1 992,5 8,35
5 1 -1 1 1 169 1120 7,4 168,4 1127,5 7,35
6 1 -1 1 -1 187 1050 7,8 185,3 1055,0 7,85
7 1 -1 -1 1 160 1150 7,2 158,1 1142,5 7,19
8 1 -1 -1 -1 176 1070 7,7 175,4 1070,0 7,67
9 -1 1 1 1 279 1020 6,9 27В,9 1017,0 6,85
10 -1 1 1 -1 297 950 7,3 296,3 945,0 7,33
11 -1 1 -1 1 271 1030 6,7 269,1 1032,5 6,69
12 -1 1 -1 -1 289 950 7,2 286,4 960,0 7,17
13 -1 1 1 205 1100 6,2 203,3 1095,0 6,17
14 -1 -1 1 221 1020 6,6 220,7 1022,5 6,65
15 -1 -1 -1 1 190 1110 6,0 193,4 1110,0 6,01
16 -1 -1 -1 -1 207 1040 6,5 210,8 1037,5 6,49
17 0 0 0 223 1050 7,2 227,2 1044,0 7,26
18 1 0 0 0 - - - - -
19 -1 0 0 0 - - - -
20 0 1 0 0 - - - -
21 0 -1 0 0 - - - -
22 0 0 1 0 - - - -
23 0 0 -1 0 - - - -
24 0 0 0 1 - - - -
25 0 0 0 -1 - - - -
На основании первой серии из 16 опытов определяли коэффициенты линейной аппроксимации для каждой из трех функций
У. = а0 + а.х, + а1х2 + аъхъ + а.х,,
р -*0 1 I I 1 "2Л2 ' "3Л3 вычисляемые по формулам:
=
вп(/)
16
aJ =
X У 16
где x¡ - вектор (см. табл. 2).
Полученные уравнения регрессии в кодированном виде имели вид:
Ур0' =227,1875 - 17,6875х, + 37,8125Х2 +
+ 4,9375 Х3 - 8,6875 У'р°> =1043,75 + 16,25 х2 - 38,75 -
-7,50 + 36,25;
Ур2 =7,26 + 0,59 + 0,34 + + 0,08 - 0,24.
(3)
(4)
(5)
Как показали выборочные исследования при фиксированных значениях параметров, вариация колеблется в пределах 5%.
Для оценки качества аппроксимации уравнениями (3) — (5) вариация вычислялась по формуле
100 _ 100 1Е(гоп(0-гР(о)2
г
ср
N-к
где N — число опытов;
к — число коэффициентов линейной аппроксимации.
Вычисленные значения вариации составили
Vю' = 1,00 % < 5%; V" = 0,55 % < 5%; УС°> = = 0,66% <5%.
Заметим, что если бы вычисленные значения вариаций для исследуемых параметров превышали 5%, то необходимо было бы поставить дополнительно девять опытов и снова оценить адекватность полученной зависимости исследуемому процессу (формат табл. 2 и учитывает это обстоятельство).
Учитывая также, что условия Уоп » а0 для уравнений (3), (4) и (5) в точках с координатами (0, 0, 0, 0) удовлетворительно выполняются (табл. 2), можно
считать их адекватными исследуемому процессу с вероятностью не менее 95%.
Уравнения аппроксимации (3), (4) и (5) позволяют не только компактно записать полученную информацию, но и численно оценить степень влияния исследуемых факторов. Так, анализ уравнения (3) показывает, что наибольшее влияние на содержание N0^ в дымовых газах оказывает изменение содержания негорючих компонентов в отбросном газе 50 (54,4%), далее по значимости (примерно 26%) следует отношение расходов природного и отбросного газов и температура отбросного газа перед горелкой (13%). Анализируя равенство (4), можно заключить, что на температуру продуктов сгорания на выходе из предтопка наибольшее влияние оказывают изменение содержания негорючих компонентов в отбросном газе (39,2%) и се-тпе-ратура отбросного газа перед горелкой (36,£%), меньшее влияние оказывает отношение раслодов природного и отбросного газов (16,5% ¡. Из уравнения (5) следует, что наибольшее влияние нп содержание С02 в дымовЫх газах оказываем отношений расх;. дов природного и отбросного газов (47%), далее по значимости следует содержание негорючих компонентов в отбросном газе (27%) и температура отбросного газа перед горелкой (19%). Наим^чы^.о влияние (из рассматриваемых факторов) нг. температуру продуктов сгорания из пыходе и? нредтопка и экологические показатели котла-утилизатора оказывает влагосодержанис отброс-ного газа (6,5 — 10%).
Таким образом можно сделать следующие выводы.
1. Для совершенствования процессов утилизации сжиганием отбросного сажевого газа., с целью минимизации количества выбросов вредных компонентов в дымовых газах и повышения экономичности работы котла-утилндетора в числе других задач необходима оптимизация состава и свойств сильно забалластированного газового топлива, подаваемого в предтопок для его огневого обезвреживания.
2. Применение метода математического планирования эксперимента при исследовании влияния свойств и состава отбросного газа производства технического углерода на температуру продуктов сгорания на выходе из предтопка и экологические показатели котла-утилизатора целесообразно, позволяет сократить длительность проведения эксперимента в несколько раз и получить
количественные и качественные зависимости в форме полиномиальных моделей.
3. Получены приближенные математические модели для оценки зависимости температуры на выходе из предтопка I о г, содержания !\'Ох и СО, за котлом от изменения определяющих факторов.
Библиографический список
1 Котлы, работающие на отбросных газах сажевых заводов / В. а. Сизйшер, 1 В. Шимановский, А. Г. Лебедев, М. К. Семенов, С .-v 1 кчушков, Ю. Г. Гольдштейн // Промышленная энергетика, 1 У7.->, ,\ул с. 19-22.
2. Спеп"и р В. А. Обезвреживание промышленных выбросов дожиганием. М.: Знергоатомиздат, 1986.
3. Ведрученко В. Р., Га\имский Е. В. Оптимизация состава сильно заПалластироьанчи.х отбросных юзов саженого производства ири их утилизации в пакегно-конвективиом котле // Ресурсосберегающие технологии »•, обособленных подразделениях Заподяо - Сибирской хелезиой дороги. Млпгриали научно-практической конференции/ Омский государе] кенный университет путей сообщения. Омск, 2002. с.97-99.
4. Бедрученко В, Р., Галимский Е. В. О температуре и условиях теплообмена п незкранированпой топке котла-утнлнза-трра при сжигании сильно забалластированного газового топлива// Дизельные энергетические у>т .тонки: Сборник науч-ных-*рудов/ Новосибирская государственная академия водного транспорт Новосибирск, 2002. с. 114 - 124.
5. Спейшер В. А. Сжигание газа на электростанциях и и промышленности. М: Госэнергоиздат, 1960.
6. Михеев В. П. Сжигание природного газа п промышленных установках. М.: Гостоптехиздат, 1962.
г. Адлер Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В. Планирование экспериментов при поиске оптимальных условий М.: Наука, 1976. 279 с
Я. Новик, ф. С., Арсои Я. Г). Оптимизация процессов технологии металлов методам! планировл \иу. экспериментов. М.: Техника, 1930. 304 с
9. Бара5?щук В. И., Креленцер К П.. Мирошниченко В. И. Планирование эксперимента цтехнике Киев: Техника, 1984.200 с.
ВЕДРУЧЕНКО Виктор Родионович, профессор,
доктор технических наук.
ГАЛИМСКИЙ Евгений Викторович, аспирант
Дата поступления статьи в редакцию: 10.01.06 г. © Ведрученко В.Р., Галимский Е.В.
Книжная полка
Филипова Т.А.Стратегический Менеджмент в Энергетике: принципы, цели, методы управления / Т.А. Филиппова, С.С. Чернов, Ю.В.Дронова, А.А. Матыцин. - Новосибирск: Изд-во: НГТУ, 2005. - 422 с.
Обобщены и развиты основные положения стратегического управления, которое является важнейшей составляющей деятельности современной деловой организации. Уделено внимание научным основам целевого управления, типовым коммерческим стратегиям, основам маркетинга, анализу деловой среды и другим вопросам. Излагаются модели и методы решения принципиальных задач стратегического менеджмента. Представленный материал интерпретируется для стратегического управления энергетическими предприятиями. Монография может быть полезна руководителям, экономистам менеджерам и другим работникам промышленных (в т.ч. энергетических) предприятий, преподавателям, научным сотрудникам и студентам высших учебных заведений.
