CC BY
218
14. Г р е ч и х и н, Л. И. Современная энергетика. Пути и методы развития и применение на транспорте / Л. И. Гречихин, Н. Г. Куць // Науюж нотатю. - 2010. - Вып. 28. -С. 162-165.
15. Г р е чихин, Л. И. Современная аэродинамика полета летательных аппаратов и возможности компьютерного моделирования / Л. И. Гречихин // АВИА-2007: материалы VIII междунар. науч.-техн. конф. - Киев: НАУ, 2007. - Т. 2. - С. 33-95.
16. Л и г у м, Т. И. Аэродинамика самолета ТУ-134А / Т. И. Лигум. - М.: Транспорт, 1975. - 320 с.
17. К р ю к о в, А. М. Конструкция и летная эксплуатация двигателя D-30 2 сер. / А. М. Крюков. - М.: Воздушный транспорт, 1975. - 198 с.
Представлена кафедрой технологии и методики преподавания Поступила 18.01.2011
УДК 539.3:669.046
МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО И МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВ
Канд. физ.-мат. наук ГЕРМАН М. Л., канд. техн. наук КАБИШОВ С. М., инж. ОЗНОБИШИН А. А.
РУП «БЕЛТЭИ»
В настоящее время перед белорусскими предприятиями стоит задача модернизации печного парка. Способы повышения эффективности использования топлива и электроэнергии в процессах тепловой обработки различных изделий и материалов неоднократно обсуждались на страницах ведущих изданий республики, а также за рубежом [1, 2 и др.]. Вместе с тем, опыт эксплуатации нагревательных устройств различной конструкции, а также результаты экспериментальных исследований, полученные в условиях действующего производства, показывают, что не всегда за счет использования современного оборудования и материалов можно добиться желаемого результата в плане сокращения энергозатрат.
В работе выполнен анализ энерготехнологических характеристик двух нагревательных печей: печи с комбинированным подом стана 320 ПО «Белорусский металлургический завод» и проходной толкательной печи для нагрева заготовок перед штамповкой ПНП-300, установленной в кузнечном цехе ОАО «МАЗ».
Конструктивные и технологические параметры печи с комбинированным подом стана 320 приведены в табл. 1, аналогичные характеристики проходной печи ПНП-300 - в табл. 2.
Таблица 1
Техническая характеристика нагревательной печи стана 320 ПО «БМЗ»
Наименование Характеристика
1. Назначение печи Нагрев заготовок перед прокаткой
2. Тип печи Печь с комбинированным подом (шагающие балки, шагающий под)
3. Размер нагреваемых заготовок: • сечение, мм2; • длина, м 125x125 До 12
4. Температура металла: • перед загрузкой, °С; • перед выдачей, °С 20 150-1200
5. Длина пода, м 29,3
6. Максимальная производительность печи, т/ч 2500
7. Топливо, низшая теплота сгорания, МДж/м3 (ккал/м3) Газ природный, б = 33,5 МДж/м3 (8000 ккал/м3)
8. Номинальный расход газа на печь, м3/ч 7000
9. Номинальная тепловая мощность печи, МВт 67
10. Расход воздуха для горения, м3/ч 77000
11. Максимальная температура подогрева воздуха, °С 450
12. Тип и количество горелок, шт. Дутьевые с регулируемой длиной факела - 6 шт.; плоскопламенные - 96 шт.
13. Тип рекуператора нагрева воздуха Трубчатый
Таблица 2 Техническая характеристика нагревательной печи ПНП-300 ОАО «МАЗ»
Наименование Характеристика
1. Назначение печи Нагрев заготовок перед штамповкой
2. Обрабатываемый материал Сталь 35, 40, 45, 40Х, 40ХН, 12ХН3А, 18ХГТ, 12ХГТ и др.
3. Размер заготовок: • диаметр, мм; • длина, мм 50-150 170-900
4. Температура металла: • перед загрузкой, °С; • перед выдачей, °С 20-200 (после разливки на МНЛЗ) 1250±10
5. Площадь полезного пода, м2 4,75
6. Расчетная максимальная производительность печи, кг/ч 2500
7. Топливо, низшая теплота сгорания, МДж/м3 (ккал/м3) Газ природный, Q = 33,5 МДж/м3 (8000 ккал/м3)
8. Номинальный расход газа на печь, м3/ч 110
9. Номинальная тепловая мощность печи, МВт 1,0
10. Давление газа, кПа: • в подводящем газопроводе; • перед горелками 40 3-6
11. Расход воздуха для горения, м3/ч 1100
12. Давление воздуха перед печью, кПа 5-6
13. Давление (разрежение) в печи, Па 1 —(—2)
14. Максимальная температура подогрева воздуха, °С 400
15. Тип и количество горелок (фирма «Кромшредер», Германия), шт. Плоскопламенные BIO 140 (2 шт.), BIO 100 (1 шт.)
16. Тип рекуператора нагрева воздуха Радиационно-конвективный
Предметом анализа в данной работе является сравнение коэффициента полезного действия указанных печей при изменении производительности. Вопрос влияния производительности на КПД проходных пламенных печей неоднократно обсуждался в технической литературе [3-8]. Но фактические данные, полученные в условиях действующего производства на современных печах, на наш взгляд, по-прежнему представляют как практический, так и научный интерес. С одной стороны, детальный анализ этих данных позволит разработать организационные и технологические мероприятия, обеспечивающие реальную экономию топлива, а с другой - даст возможность исследователям и конструкторам оборудования, а также руководству промышленных предприятий сформулировать требования, предъявляемые к новому оборудованию.
Данные, представленные ниже, в первом случае получены в процессе экспериментальных исследований на печи стана 320, а во втором - при проведении пусконаладочных работ нагревательной печи ПНП-300.
С целью уменьшения погрешности при определении реального КПД печей в процессе анализа результатов рассматривались показатели, соответствующие периодам стабильной работы оборудования в течение не менее одного часа. Добиться таких условий при эксплуатации печи ПНП-300 в кузнечном цехе ОАО «МАЗ» сложно, так как производительность печи напрямую зависит от производительности кузнеца, осуществляющего операцию штамповки, и другого технического персонала, а также от стабильности работы прочего оборудования, работающего в одной технологической цепи с печью (пресс для обрезки облоя, раскатной станок).
По результатам проведения пусконаладочных работ печи ПНП-300 были выполнены расчеты теплового баланса. На рис. 1 приведены зависимости часового расхода топлива и КПД от производительности печи.
100"
о юс
90 90
80 80
70 70
60 60
50 50
40 40
30 30
20 20
10 „Ю 1,0
0,65
0,60
0,55
0,50
С
и
0,45
1,2
1,4 1,6 1,8
Производительность, т/ч
2,0
2,2
Рис. 1. Зависимость часового расхода природного газа и КПД от производительности печи ПНП-300 по результатам пусконаладочных работ
Анализ зависимостей, представленных на рис. 1, показывает, что КПД печи по мере роста производительности повышается. Причем при увеличении производительности от 1,1 до 2,1 т/ч рост составляет более 15 %. Очевидно, что с целью повышения эффективности использования топлива целесообразно эксплуатировать нагревательное оборудование с производительностью, максимально близкой к номинальному значению.
В процессе выполнения балансовых испытаний нагревательной печи стана 320 РУП «БМЗ» также были получены данные о расходе топлива
и определен КПД печи при работе в различных режимах. Зависимость удельного расхода природного газа на нагрев заготовок сечением 125*125 мм из стали ст. 3 от производительности представлена на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость удельного расхода природного газа от производительности нагревательной печи стана 320
С целью сравнения показателей двух печей различных типов, мощности и размеров построим зависимости КПД исследуемых агрегатов от их относительной производительности (отношение фактической производительности к номинальной). Результаты для печи стана 320 и ПНП-300 представлены на рис. 3.
Относительная производительность
Рис. 3. Зависимость КПД нагревательных печей стана 320 (РУП «БМЗ») и ПНП-300 (ОАО «МАЗ») от производительности (р/рпот)
Обе зависимости имеют почти линейный характер. При этом очевидно, что производительность нагревательной печи стана 320 оказывает практически такое же влияние на ее КПД, как и печи ПНП-300. При минимальной зафиксированной в процессе исследований производительности (0,42 от номинальной 170 т/ч) КПД печи стана 320 составил 51,3 %, а при максимальной (0,74 от номинальной) - 61,6 %. То есть при увеличении производительности на 0,32рпот КПД печи вырос на 10,3 %.
У печи ПНП-300 при повышении относительной производительности от 0,44рпот до 0,75рпот КПД возрастает от 45,6 до 56 %. Фактический рост КПД составляет 10,4 % при изменении производительности на 0,31рпот. Как видим, степень зависимости КПД от производительности у исследуемых печей практически одинакова.
Вместе с тем, представляет интерес выявление причин существенных различий между уровнем КПД данных печей. Как видно из рис. 3, практи-
чески во всем диапазоне наблюдаемых режимов работы КПД печи стана 320 в среднем на 5,5-6,0 % больше, чем у печи ПНП-300.
С целью решения данной задачи рассмотрим сравнительную диаграмму основных статей расхода тепловых балансов исследуемых печей (рис. 4).
Рис. 4. Сравнительная диаграмма статей расхода тепловых балансов нагревательной
печи стана 320 (прямоугольная призма) и печи ПНП-300 (цилиндрическая призма)
В результате анализа технических характеристик исследуемых печей и данных, представленных на рис. 4, причины, приводящие к снижению энергоэффективности нагревательного оборудования, а также методы их устранения условно подразделим на три группы:
• конструктивные;
• технологические;
• организационные.
На примере объектов нашего исследования выделим причины более высокого КПД нагревательной печи стана 320 по сравнению с печью ПНП-300.
1. Как видно из рис. 4, в нагревательной печи ПНП-300 значительно выше потери теплоты с уходящими газами (до 35-36 %). Это объясняется двумя причинами: небольшой длиной методической зоны и высокими температурами в рабочем пространстве печи. Общая длина печи ПНП-300 и, как следствие, длина методической зоны ограничены габаритами рабочей площадки и расположением другого технологического оборудования в кузнечном цеху ОАО «МАЗ». Температурный режим согласно действующей технологии должен обеспечивать температуру нагрева заготовок перед штамповкой до 1250 °С (и более), для чего в сварочной и томильной зонах необходимо поддерживать температуру на уровне 1320-1350 °С.
С одной стороны, в печи стана 320 длина методической зоны составляет около 9 м (30,7 % от общей длины пода). Это позволяет более эффективно использовать теплоту дымовых газов на подогрев металла и тем самым улучшить энерготехнологические параметры печи. С другой стороны, максимальная температура в сварочной и томильной зонах печи стана 320 не превышает 1220 °С. Это способствует тому, что на выходе из рабочего пространства дымовые газы имеют более низкую температуру.
Для того чтобы оценить, насколько сильно на величину КПД печи ПНП-300 влияет температурный режим нагрева заготовок, были выполнены дополнительные расчеты. В них принимали, что температура нагрева
металла понижена в среднем до 1170 °С, т. е. до средней температуры нагрева металла в печи стана 320. В результате было установлено, что в абсолютном выражении расходные статьи теплового баланса уменьшились, а в относительном выражении «полезная» доля теплоты возросла приблизительно на 1,5 %, т. е. КПД составил около 53,5 % при производительности 1,5 т/ч (0,6рпот).
На основании сказанного можно сделать вывод о том, что при существующей конструкции печи понижение температуры нагрева незначительно повлияет на энерготехнологические характеристики печи ПНП-300. Тем не менее следует отметить, что более низкая температура положительно отразится на долговечности футеровки и прочего оборудования печи, а также позволит значительно уменьшить потери металла с окалиной.
2. Согласно результатам, представленным на диаграмме (рис. 4), печь ПНП-300 отличается от печи стана 320 значительными потерями теплоты излучением через открытое торцевое окно выгрузки (около 8,5 % от общего объема тепловых затрат). С одной стороны, это обусловлено особенностями технологии (ручная выгрузка заготовок из печи), с другой - высокой температурой в томильной зоне печи (1330-1350 °С).
Печь стана 320 имеет боковые окна посада и выдачи заготовок. Эти операции на стане 320 механизированы, и в процессе посада и выдачи заготовка перекрывает собой значительную часть окна, что уменьшает тепловые потери.
3. Еще одной причиной более эффективного использования топлива в нагревательной печи стана 320 является полная автоматизация процессов загрузки, нагрева, выгрузки из печи и пластической деформации заготовок на стане 320. Печь в течение длительных периодов времени (смена и более) работает в стационарном режиме. В условиях кузнечного производства такую стабильность эксплуатации обеспечить весьма сложно. Во-первых, значительное влияние на величину производительности оказывают физическое состояние и квалификация кузнеца, а во-вторых, в работе периодически возникают незапланированные остановки при необходимости наладки штампа, пресса для обрезки облоя, раскатного станка, т. е. оборудования, которое работает с печью в одной технологической цепи. Это приводит к перегреву металла, увеличению потерь металла с окалиной и перерасходу топлива.
Таким образом, анализ представленной информации позволил установить основные причины перерасхода топлива при нагреве заготовок перед штамповкой в проходной печи толкательного типа в условиях кузнечного производства ОАО «МАЗ» по сравнению с методической печью с комбинированным подом прокатного стана 320 ПО «БМЗ».
В Ы В О Д Ы
Анализ представленной информации позволяет сформулировать ряд рекомендаций, направленных на снижение топливопотребления и актуальных как для новых, так и для действующих нагревательных печей.
1. При строительстве новых и модернизации действующих печей кузнечного и металлургического производств целесообразно увеличивать
длину методической зоны (конструктивный метод). Данный вывод неоднократно делался другими исследователями на основании теоретических изысканий и подтверждается нашими экспериментальными и расчетными данными.
2. В небольших нагревательных печах с короткой методической зоной и нестабильным режимом работы необходимо управлять процессом нагрева с помощью современных АСУ ТП. В случае неплановых остановок следует автоматически снижать мощность горелочных устройств в отапливаемых зонах до необходимого минимума либо вообще их отключать, а также закрывать заслонки окна посада и выдачи заготовок. В методических печах металлургического производства, имеющих большую длину и работающих практически в стационарном режиме, как показывает опыт наших исследований, весьма эффективных результатов позволяет добиться совершенствование температурных режимов нагрева [9, 10]. Основной эффект при этом достигается за счет перераспределения тепловой мощности между зонами по длине печи: в первых по ходу металла зонах мощность (температура) понижается, а в последних - повышается. Ограничением скорости «форсированного» этапа нагрева служит допустимый уровень деформаций и термонапряжений, который определяется расчетным путем [6]. Данные рекомендации относятся к технологическим мероприятиям.
3. На предприятиях с крупными объемами производства целесообразно подбирать номенклатуру продукции и оборудование, работающее в одной технологической цепи с нагревательной печью таким образом, чтобы сократить диапазон снижения производительности относительно номинального значения (организационные мероприятия). Это обеспечит высокую эффективность использования топлива и высокий КПД нагревательного оборудования.
4. Наибольший эффект от обновления парка нагревательного оборудования на действующих предприятиях машиностроительного и металлургического производств может быть получен в случае комплексной модернизации всего производства, включающей замену и автоматизацию прочего технологического оборудования, работающего с печью в одной технологической цепи. Замена только нагревательных печей может не дать ожидаемого эффекта.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Г е р м а н, М. Л. Перспективы и методы повышения энергоэффективности машиностроительного производства за счет модернизации газовых печей / М. Л. Герман, С. М. Ка-бишов // Энергия и Менеджмент. - 2009. - № 2. - С. 16-19.
2. Т и м о ш п о л ь с к и й, В. И. Концепция реконструкции и модернизации парка нагревательных печей металлургических и машиностроительных предприятий Республики Беларусь: от теории к практике / В. И. Тимошпольский, М. Л. Герман // Литье и металлургия. - 2007. - № 2. - С. 21-28.
3. Г л и н к о в, М. А. Основы общей теории печей / М. А. Глинков. - М.: Металлург-издат, 1962. - 575 с.
4. Т е п л о о б м е н и тепловые режимы в промышленных печах / В. И. Тимошполь-ский [и др.]. - Минск: Вышэйш. шк., 1992. - 217 с.
5. С п и в а к, Э. И. Нагревательные печи с шагающим подом и балками / Э. И. Спивак // Проектирование металлургических печей. - 1978. - № 6. - 30 с.
6. Т и м о ш п о л ь с к и й, В. И. Стальной слиток. - Т. 3: Нагрев / В. И. Тимошполь-ский, Ю. А. Самойлович, И. А. Трусова. - Минск: Белорусская наука, 2001. - 879 с.
7. К р и в а н д и н, В. А. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей: справ. / В. А. Кривандин, Ю. П. Филимонов. - М.: Металлургия, 1986. - Т. 1.
8. И в а н ц о в, Г. П. Нагрев металла: теория и расчет / Г. П. Иванцов. - Свердловск; М.: Металлургиздат, 1948. - 191 с.
9. О с н о в н ы е методы оптимизации режимов нагрева металла / В. И. Тимошполь-ский [и др.] // Литье и металлургия. - 2000. - № 3. - С. 68-73.
10. М а т е м а т и ч е с к о е моделирование сопряженного теплообмена в нагревательных печах с подвижным подом / В. И. Тимошпольский [и др.] // Инженерно-физический журнал. - 2006. - Т. 79, № 3. - С. 3-11.
Поступила 03.11.2010
УДК 621.182.3
ПЕРЕВОД ВОДОГРЕЙНОЙ КОТЕЛЬНОЙ В РЕЖИМ МИНИ-ТЭЦ*
Докт. техн. наук БАЙРАШЕВСКИЙ Б. А.
В составе производственных и отопительных водогрейных котельных, как правило, имеется паровой котел для обеспечения потребностей в паре. В ряде случаев решение проблемы одновременного производства горячей воды и пара осуществляется путем установки комбинированных пароводо-грейных котлов [1, 2] или расширителей и прочих паросепарирующих устройств, позволяющих получать насыщенный пар низких параметров из перегретой воды. Основным недостатком получения пара из перегретой воды является его малая доля по сравнению с попутным дренажом той же температуры. Соответствующие меры конструктивного и технологического характера по снижению этого недостатка приводят к удорожанию установки и, по мнению специалистов [1, 2], оказываются неконкурентоспособными в сравнении с вариантом, положим, двухконтурных котлов.
Известные разработки конструкций турбин, работающих на насыщенном паре [3, 4], позволяют несколько по-иному оценить эффективность применения паросепарирующих устройств в совокупности с работой водогрейных котлов. В Беларуси идея использования водогрейных котлов посредством расширителя в качестве источника питания паровой турбины была предложена проф. В. К. Балабановичем, реализация которой способствовала бы значительному увеличению спроса разработанных им же конструкций турбин [5]. Здесь следует добавить, что положительные тенденции к переводу теплосетей на независимые схемы теплоснабжения также перспективны, так как позволяют использовать высокотемпературные потоки воды в пределах тепловой схемы котельной. Это позволяет увеличить температурный напор в водоводяном бойлере сетевой воды, что, несомненно, способствует оптимизации его конструкции и снижению металлоемкости поверхностей нагрева за счет возрастания температурного напора.
* Печатается в порядке обсуждения.
