CC BY
181
УДК 574.46
Б.А. Семёнов, Н.А. Озеров МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ОБДУВА ОГРАЖДЕНИЙ ВАРОЧНОГО БАССЕЙНА СТЕКЛОВАРЕННЫХ ПЕЧЕЙ
На основе ранее разработанной математической модели процесса высокотемпературной коррозии огнеупорных стен варочного бассейна стекловаренных печей разработана методика технико-экономического расчета, позволяющая обосновывать экономически целесообразную скорость воздуха в системе обдува наружных поверхностей ванной печи. Расчет, выполненный на примере стекловаренной печи ОАО «Са-ратовстройстекло» в ценах 2012 года, позволяет утверждать, что реализация экономически целесообразной скорости обдува вместо используемого в настоящее время фактического значения скорости 45 м/с способна обеспечить продление срока службы технологической линии примерно на 1 год и приращение чистого дисконтированного дохода предприятия в размере 640 млн руб. Кроме того, в результате использования для облицовки стен варочного бассейна огнеупорных плиток минимальной толщины может быть получено дополнительное приращение ЧДД в размере 360 млн руб.
Ванная стекловаренная печь, огнеупорные материалы, бакор, высокотемпературная коррозия, срок эксплуатации, оптимизация
B.A. Semyonov, N.A. Ozerov
PARAMETER OPTIMIZATION METHODS AND RESULTS FOR THE AIR COOLING SYSTEM PROTECTION OF MELTER ZONE GLASS FURNACES
The new method of technical and economic calculation is based on the previously developed mathematical model of process of high-temperature corrosion of fire-resistant walls of the melter part of glass furnaces. It allows to prove economically expedient air speed in the air cooling system of external surfaces of tin-baths. The calculation is based on the example glass furnace of Open Society "SaratovStroySteklo” with the prices as of 2012 which allows to assert that realization of economically expedient speed of air cooling, used instead of the actual speed value now at 45 m/s, provides prolongation of service life of a technological line by approximately 1 year, and an increase of the pure discounted income of an enterprise by 640 million rubles. Moreover, as a result of the use of wall facings of tin-bath fire-resistant tiles of the minimum thickness additional increment PDI at the rate of360 million rubles can be achieved.
Bath glass furnace, fire-resistant materials, bakor, high-temperature corrosion, operation term, optimization
Продолжительность межремонтного периода эксплуатации стекловаренных печей определяется множеством факторов: свойствами используемых огнеупорных материалов (их коррозионной и термостойкостью), условиями эксплуатации огнеупорной кладки, наличием системы охлаждения, параметрами технологического режима варки стекла и особенностями конструкции самой печи.
Как показывает практика, стены варочного бассейна являются критическим элементом, определяющим общий срок службы технологических линий стекольного производства, поскольку при длительной эксплуатации происходит практически полное разрушение огнеупорной кладки на уровне зеркала стекломассы за счет процессов высокотемпературной коррозии. При этом, как видно из диаграммы, представленной на рис. 1, большую часть капитальных вложений, затрачиваемых на сооружение стекловаренной печи (около 67%), составляет стоимость огнеупорных материалов. Поэтому замена огнеупорной кладки является длительным и чрезвычайно затратным мероприятием, которое связано с капитальным ремонтом или полной заменой печи.
_ □ Огнеупоры
Распределение затрат на строительство
стекловаренной печи, % □Металлоконструкции
□ Система сжигания топлива
□ Система охлаждения и контроля давления
■ Система измерения и контроля
■ Система контроля уровня
■ Система подачи шихты
□ Смесители и холодильники
■ Шибер
■ Система охлаждения печи
Рис. 1. Структура капитальных вложений в сооружение стекловаренных печей
Одним из показателей качества огнеупорных материалов является их коррозионная стойкость в реальных условиях эксплуатации. Каждому виду огнеупорного материала присущи свои особенности нахождения в расплаве стекломассы и агрессивной газовой среде, насыщенной летучими компонентами шихты, стекла и продуктами сжигания топлива. Поэтому выбор материала определяет общий эксплуатационный ресурс стекловаренной печи и существенно влияет на качество выпускаемой продукции, поскольку в процессе эксплуатации частицы огнеупорного материала попадают в рас-
211
плав стекломассы и снижают качество готового стекла. С учетом вышеизложенного можно констатировать, что основным критерием выбора огнеупоров для варочного бассейна стекловаренных печей является скорость высокотемпературной коррозии, происходящей в результате взаимодействия огнеупорной кладки с расплавом стекломассы.
Основная причина разъедания огнеупора стекломассой - это его растворимость. Одним из наиболее доступных и эффективных способов снижения скорости высокотемпературной коррозии является повышение вязкости контактирующего с расплавом стекломассы растворенного огнеупорного материала путем охлаждения внешней поверхности кладки. Для этих целей в основном применяется воздушное и реже - испарительное охлаждение. Известно, что при варке агрессивных стекол используется испарительное охлаждение. Однако из-за сложностей конструкции и эксплуатации установок испарительного охлаждения такой метод не нашел широкого распространения в стекольной промышленности. Кроме того, сами элементы испарительного охлаждения, контактирующие со стенами варочного бассейна, снижают температуру внутренней поверхности лишь при малой остаточной толщине бруса.
Для уменьшения степени износа стен варочного бассейна на уровне зеркала стекломассы разработан ряд принципиально новых методов непосредственного охлаждения внутренней, контактирующей со стекломассой поверхности верхнего ряда брусьев, таких как:
- метод, основанный на непосредственной подаче газообразного хладоагента на поверхность стекломассы в месте ее контакта со стеной варочного бассейна;
- метод, основанный на подаче воздуха во внутреннюю полость брусьев верхнего ряда, расположенную непосредственно под горизонтальным слоем приконтактной стекломассы;
- метод, основанный на комбинации горизонтального слоя приконтактной стекломассы и наружной металлической водоохлаждаемой пластины.
На данный момент в стекольной промышленности наибольшее распространение получил самый простой и хорошо зарекомендовавший себя на практике метод воздушного обдува наружных стен варочного бассейна по линии контакта поверхности расплавленной стекломассы с огнеупорной стенкой, способствующий локальному охлаждению критической зоны и снижающий таким образом скорость коррозионных процессов в огнеупорной кладке. Рекомендуемая интенсивность обдува, согласно [1, 2], нормируется величиной расхода воздуха L = 0,8^1,2 м3/с на 1 погонный метр длины обдуваемой поверхности при давлении перед щелевыми соплами P = 800^900 Па (н/м2), что при температуре воздуха 40^45°С соответствует средней скорости в соплах 35-40 м/с.
Однако, как показывают расчеты, эти рекомендуемые значения не могут считаться оптимальными по экономическим соображениям, так как дальнейшее увеличение скорости истечения воздушных струй способствует росту коэффициента конвективной теплоотдачи, а это в свою очередь увеличивает охлаждающий эффект, приводя к снижению интенсивности коррозионных процессов в огнеупорной кладке, что в конечном итоге увеличивает эксплуатационный ресурс ванной печи, а следовательно, и всей технологической линии, позволяя предприятию получать дополнительную прибыль от реализации продукции за счет продления срока эксплуатации оборудования.
С другой стороны, сверхнормативное увеличение скорости обдува неизбежно приводит к увеличению капитальных вложений в более мощное дутьевое оборудование и эксплуатационных затрат на электроэнергию, потребляемую приводом дутьевых вентиляторов. Таким образом, имеем классическую оптимизационную задачу, решение которой позволит строго обосновать величину рекомендуемой скорости обдува по экономическим соображениям.
В данной статье представлены методика и результаты технико-экономического расчета, позволяющие обосновать экономически целесообразную скорость воздуха в соплах системы наружного обдува стенок варочного бассейна по условиям достижения наибольшей экономической эффективности. Физической основой предлагаемой методики служит ранее разработанная математическая модель процесса высокотемпературной коррозии стен варочного бассейна стекловаренной печи [3]. Экономической основой является рекомендованная UNIDO [4] методика оценки эффективности инвестиций по величине чистого дисконтированного дохода (ЧДД). В качестве исходных данных использованы значения фактических затрат и ценовых показателей стекольного производства по данным ОАО «Саратовстройстекло».
Расчеты выполнены на примере стекловаренной печи с огнеупорной кладкой из Бакора 33 при начальной толщине стен варочного бассейна 250 мм. Критическое значение остаточной толщины огнеупорной конструкции, позволяющее осуществлять текущий ремонт путем наращивания дополнительных слоев огнеупора с наружной стороны без останова печи, принято равным 30 мм, согласно технологическому регламенту стекольного производства.
Температура воздуха в системе обдува принята равной 45°С, то есть равной температуре внутреннего воздуха в цехе (в зоне ванны расплава). Норма расхода воздуха на 1 погонный метр огнеупорной кладки принята 1,2 м3/с.
Для сравнения расчеты продолжительности кампании стекловаренной печи выполнялись при двух вариантах наращивания дополнительных слоев огнеупора стандартными бакоровыми плитками: толщиной 5 = 120 мм (вариант 1) и 5 = 75 мм (вариант 2).
Процедура наращивания дополнительных слоев огнеупора с наружной стороны стен варочного бассейна является штатной и соответствует регламенту. Она реализуется несколько раз в процессе эксплуатации без останова печи при достижении коррозирующей огнеупорной кладкой критического значения толщины.
Необходимость сравнения двух вариантов наращивания огнеупора обусловлена тем, что при облицовке наружной поверхности плитками различной толщины конечная толщина огнеупорных стен, определяющая эксплуатационный ресурс ванной печи, может получаться различной. В то же время срок службы печи при использовании более тонких плиток должен возрастать из-за того, что скорость коррозионных процессов снижается при меньших толщинах обдуваемого огнеупора. Поэтому ответ на вопрос о том, какой из вариантов способен максимально продлить эксплуатационный ресурс печи, должен решаться в каждом конкретном случае путем сравнения вариантов.
В качестве примера на рис. 2 изображены кривые, наглядно иллюстрирующие динамику изменения толщины огнеупорных стен варочного бассейна по продолжительности кампании стекловаренной печи при двух вариантах толщины облицовочных плиток, используемых для наращивания огнеупорных конструкций в процессе эксплуатации.
Из этого графика видно, что в течение эксплуатационного периода может быть выполнено несколько обкладок-облицовок. Очередная обкладка производится всякий раз, когда остаточная толщина наиболее изношенной части огнеупорных стен варочного бассейна достигает критической величины (в данном случае 30 мм). На графике каждая обкладка отражается соответствующим внезапным скачком толщины. Количество таких скачков соответствует общему числу обкладок. Однако, следует понимать, что в реальных условиях число обкладок всегда ограничено предельно возможной толщиной огнеупорной конструкции, которая в каждом конкретном случае определяется зарезервированными габаритными размерами несущих элементов (металлических рам) стекловаренной печи, выход за пределы которых не возможен.
В условиях рассмотренного примера предельная толщина наращивания огнеупорного слоя принята равной 250 мм. При этом, как показано на рис. 2, мероприятие по обкладке может быть реализовано 3 раза с использованием бакоровой плитки толщиной 75 мм (3x75 = 225<250 мм), или 2 раза - с использованием плитки толщиной 120 мм (2x120 = 240<250 мм). Из графика рис.2 видно, что общая продолжительность кампании стекловаренной печи при реализации каждого из рассмотренных вариантов будет различной. В частности, при 5 = 75 мм она составит 2384 сут., а при 5 = 120 мм - 2109 сут. Исходя из этого, в дальнейших расчетах исследовался вариант, обеспечивающий наибольшую продолжительность кампании.
Продолжительность эксплуатации стекловаренной печи, сут
Рис. 2. Общая продолжительность кампании стекловаренной печи с начальной толщиной бакоровой стенки ванны расплава 250 мм, при ? = 1450°С и скорости обдува 127 м/с. Кривая 1 - 5 = 75 мм; Кривая 2 - 5 = 120 мм
Далее на основе анализа технических возможностей современных тяго-дутьевых машин, представленных в табл. 1, был сделан вывод о том, что в процессе оптимизационного расчета следует ограничиться предельной величиной развиваемого давления Р = 13500 Па, которое способны развивать высоконапорные вентиляторы серии ВМ при максимальном КПД, не превышающем 85%.
Таблица 1
Технические характеристики высоконапорных вентиляторов по данным каталога предприятия РУВЕН
(Русский вентилятор) http://www.ru/catalog/
№ Тип вентилятора Значения технических характеристик
Т Р, Па Цв, % ^тах, °С п, об/мин N кВт к и, В Тип электродви гателя
1 ВДН-15 78000 8700 85 40 1500 315 1,41 380/66 0 АИР355М4
2 ВДН-17НЖ 113000 11390 85 250 1500 630 1,50 6000 ДАЗ04-450Х-4МУ1
3 ВМ-20 150000 13500 85 200 1500 800 1,21 6000 ДАЗ04-450У-4МУ1
С учетом введенного ограничения была выявлена максимальная скорость воздуха 127 м/с, которая теоретически может быть достигнута в соплах системы обдува стекловаренных печей, и определен реальный диапазон варьирования скоростей: от минимального рекомендуемого значения 35 м/с до предельного 127 м/с. Однако с расчетом на возможную перспективу в процессе выполнения вычислительного эксперимента был рассмотрен более широкий диапазон варьирования скоростей обдува от 30 до 200 м/с.
На рис. 3 представлена зависимость расчетного срока эксплуатации стекловаренной печи от скорости воздуха в системе обдува, полученная методом математического моделирования [3] процесса высокотемпературной коррозии огнеупорных стен варочного бассейна, выполненных из бакора 33, при начальной толщине кладки 250 мм с тремя промежуточными обкладками стандартными бакоро-выми плитками минимальной толщины 5 = 75 мм.
2400
Н О
К 2200 -
ЕТ1 О С
я 2000 -Я
сЗ Н
^ 1800 -с о «
£ 1600 -о а О
1400 -
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Скорость обдува, м/с -----Рекомендуемая скорость обдува, 45 м/с, используемая на предприятиях отрасли;
.....Предельно возможная скорость обдува, 127 м/с, ограниченная техническими возможностями
дутьевого оборудования
Рис. 3. Зависимость расчетного срока эксплуатации стекловаренной печи от скорости наружного обдува ограждающих конструкций
Как видно из представленного графика, увеличение скорости обдува в пределах всего рассмотренного диапазона варьирования приводит к продлению кампании стекловаренной печи. На этом же графике нанесены граничные значения диапазона возможного увеличения скоростей обдува, первое из которых равно фактической скорости обдува 45 м/с, реализуемой в настоящее время при производстве листового стекла на предприятии ОАО «Саратовстройстекло», а второе - 127 м/с обусловлено техническими возможностями современных высоконапорных тяго-дутьевых машин.
Таким образом, выполненные расчеты свидетельствуют о том, что за счет увеличения скорости обдува с 45 до 127 м/с можно продлить срок эксплуатации стекловаренной печи с 1732 до 2100 суток, то есть почти на год, а значит - получить дополнительную прибыль от реализации продукции, произведенной в этот период.
При использовании для обдува внутреннего цехового воздуха величина эксплуатационных затрат, необходимых для функционирования системы обдува, определяется только затратами на электроэнергию, которая затрачивается на привод высоконапорных вентиляторов, нагнетающих этот воздух в распределительные воздуховоды и создающих давление, требуемое для достижения заданной скорости в щелевых обдувочных соплах. Удельная электрическая мощность Ыуд, Вт/м, затрачиваемая на привод системы обдува в расчете на 1 погонный метр длины обдуваемой поверхности, может быть рассчитана как
Р • I
Муд = к-----------, (1)
П •Пэд •п
где Р - полное давление, развиваемое вентилятором, Па; I - удельный расход воздуха на 1 погонный метр длины обдуваемой поверхности, м3/с (в расчетах использовано нормативное значение 1,2 м /(с-пм)); пв, Пэд, Ли - коэффициенты полезного действия вентилятора, электродвигателя и передачи (принятые в примере ориентировочные значения равны соответственно 0,8; 0,97 и 0,95); к - коэффициент запаса мощности электродвигателя (принятое ориентировочное значение 1,25)
Полное давление, развиваемое вентилятором для обеспечения любой заданной скорости в об-дувочных соплах, может быть определено по выражению
(2)
где и - требуемая скорость обдува, м/с; р - плотность воздуха при заданной температуре, кг/м ;
5ир - коэффициент местного сопротивления системы обдува, приведенный к скорости воздуха в соплах и рассчитываемый в каждом конкретном случае с учетом аэродинамических характеристик всех элементов воздухораспределительной сети, как
Е АР
= 2 •
2
и2 -р
(3)
где ЕАР - сумма потерь давления по всем элементам воздухораспределительной сети, Па.
В примере принято ориентировочное значение 5ир = 0,5.
На графике рис. 4 показана рассчитанная по изложенной методике зависимость необходимых удельных затрат электрической мощности, рассчитанных на один погонный метр длины обдуваемой поверхности, от выбранной скорости обдува.
и
3
О
2
§
и
л
4
и
и
Скорость обдува, м/с
------Рекомендованная скорость обдува, 45 м/с, используемая на предприятиях отрасли;
Предельно возможная скорость обдува, 127 м/с, ограниченная техническими возможностями дутьевого оборудования
Рис. 4. Зависимость требуемой удельной мощности электропривода от скорости обдува, в расчете на 1 погонный метр длины обдуваемой поверхности
Графики, представленные рис. 3 и 4, убедительно свидетельствуют о том, что при увеличении скорости обдува можно значительно продлить срок эксплуатации стекловаренных печей, но при этом существенно возрастет электропотребление привода дутьевых вентиляторов, а следовательно, увеличатся эксплуатационные издержки на электроэнергию.
С учетом всего вышеизложенного была разработана методика и выполнен техникоэкономический расчет экономически целесообразной скорости обдува на примере стекловаренной
печи производительностью 350 т/сутки с общей длиной обдуваемой поверхности 72 м (по двум сторонам). Методика этого расчета изложена ниже.
Интегральный эффект Эинт, млн руб., или чистый дисконтированный доход (ЧДД) определялся как сумма текущих (годовых) эффектов за весь расчетный период, приведенных к начальному шагу, или как превышение интегральных результатов (доходов) над интегральными затратами (расходами):
Эинт = ЧДД = Е (Я, - з, И *=0
к,
(4)
где Я - результат (доходы), достигаемые на ,-м шаге расчета, млн руб/год; З, - затраты (без капитальных), то есть эксплуатационные издержки, осуществляемые на ,-м шаге, млн руб/год; Т - продолжительность расчетного периода или горизонт расчета, лет, (принимался равным продолжительности всего периода эксплуатации стекловаренной печи при соответствующей скорости воздуха в системе обдува)
а, = (1 1 , - дисконтирующий множитель; (5)
Е - норма дисконта, равная приемлемой для инвестора норме дохода на капитал (принята в расчете
0,1, то есть 10% в год); , - номер шага расчета по годам, начиная с момента начала осуществления проекта (строительства печи, монтажа и др.);
К = Е К,а, - сумма дисконтированных капиталовложений, млн руб;
(6)
К, - капиталовложения на ,-м шаге, учитывающие стоимость облицовочной огнеупорной плитки, выбранной для обкладки наружных поверхностей ванны расплава, в соответствующие моменты времени, млн руб.
На рис. 5 представлены результирующие зависимости интегрального эффекта от скорости обдува наружных поверхностей ванны расплава при двух вариантах толщины облицовочной плитки.
1800
ю
&
я
С!
с!
=Г
Скорость обдува, м/с ■Кривая для случая облицовки плиткой толщиной 120 мм:
■Рекомендуемая скорость обдува. 45 м/с, используемая на предприятиях отрасли;
•Предельно возможная скорость обдува, 127 м/с. ограниченная техническими возможностями дутьевого оборудования;
■Кривая для случая облицовки плиткой толщиной 75 мм
Рис.5. Зависимость интегрального эффекта от скорости обдува наружных поверхностей огнеупорных стен ванны расплава
Т
1=0
Из графиков рис. 5 видно, что в условиях рассмотренного примера наибольший интегральный эффект достигается при использовании для облицовки бакоровой плитки толщиной 75 мм.
Экстремальный характер графиков объясняется тем, что при увеличении скорости обдува с ростом прибыли от реализации дополнительно произведенной продукции происходит параллельный рост эксплуатационных издержек на электроэнергию по квадратичной зависимости. Резко возрастающие эксплуатационные издержки, согласно выражению (4), снижают прирост ЧДД и при достижении некоторой скорости, равной в данном случае 121 и 126 м/с для облицовки плитками 75 и 120 мм соответственно, обеспечивают максимум интегрального эффекта. Дальнейший рост скорости обдува нерационален, так как приводит не к росту, а к снижению ЧДД.
Величину скорости, соответствующую максимуму ЧДД, следует считать оптимальной. Однако из графиков видно, что эта оптимальная скорость находится за пределами технических возможностей серийного дутьевого оборудования.
С учетом всего вышеизложенного можно сделать однозначный вывод о том, что экономически целесообразной следует считать скорость, соответствующую пределу технических возможностей современного серийного дутьевого оборудования, составляющую примерно 127 м/с, и рекомендовать предприятиям стекольной промышленности максимально увеличивать скорость воздуха в системах обдува стекловаренных печей с целью продления срока службы технологических линий и получения наибольшей экономической выгоды. Но при этом следует обязательно учитывать, что увеличение скорости обдува на работающей печи следует производить постепенно, т.к. резкое увеличение скорости обдува может привести к росту температурных напряжений внутри огнеупорного материала и способствовать возникновению трещин и разрушению огнеупорного материала.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дзюзер В.Я. Эффективное применение электроплавленных бадделеитокорундовых огнеупоров в высокотемпературных стекловаренных печах / В.Я. Дзюзер // Огнеупоры и техническая керамика. 2004. № 6. С. 45-49.
2. Попов О.Н. Интенсификация охлаждения стен варочного бассейна ванной стекловаренной печи / О.Н. Попов, Р.З. Фридкин, З.Т. Мамедов // Огнеупоры и техническая керамика. 2000. № 4.
С. 34-38.
3. Семенов Б.А. Математическое моделирование высокотемпературной коррозии огнеупоров варочного бассейна стекловаренных печей / Б.А. Семенов, В.Н. Лункин, Н.А. Озеров // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2010. № 7-8. С. 88-93.
4. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования. Официальное издание: Утверждено Госстроем России № 7-12/47. М.: Ин-формэлектро, 1994. 78 с.
Boris A. Semenov -
Dr. Sc., Professor
Department of Industrial Thermal Engineering, Yu. Gagarin Saratov State Technical University
Семенов Борис Александрович -
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Промышленная теплотехника»
Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Озеров Никита Алексеевич -
аспирант кафедры «Промышленная теплотехника»
Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Статья поступила в редакцию 01.11.11, принята к опубликованию 15.11.11
Nikita A. Ozerov -
Postgraduate
Department of Industrial Thermal Engineering, Yu. Gagarin Saratov State Technical University
