CC BY
192
УДК 574.46
Н.А. Озеров, Б.А. Семёнов
ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И МАТЕРИАЛЬНЫХ ЗАТРАТ В СИСТЕМЕ ОБДУВА ВАРОЧНОГО БАССЕЙНА СТЕКЛОВАРЕННЫХ ПЕЧЕЙ
Предложены пути снижения энергетических и материальных затрат в системе обдува ограждающих конструкций варочного бассейна стекловаренных печей, обоснованные с использованием методологии технико-экономической оптимизации и результатов вычислительного эксперимента, выполненного по разработанной ранее двухфакторной математической модели скорости высокотемпературной коррозии бадделеито-корундовых огнеупорных материалов.
Ванная стекловаренная печь, огнеупорные материалы, бакор, высокотемпературная коррозия, срок эксплуатации, оптимизация
N.A. Ozerov, B.A. Semyonov OPTIMIZATION POWER AND MATERIAL INPUTS IN COOLING-SYSTEM OF MELTER ZONE GLASS FURNACES
Ways of decrease power and material inputs in cooling-system protecting designs of melted part glass furnaces, proved with use of methodology of technical and economic optimization and results of the computing experiment executed on speed developed before two-factorial mathematical model of high-temperature corrosion of fire-resistant materials are offered.
Bathing glass furnace, fire-resistant materials, bakor, high-temperature corrosion, operation term, optimization
В современных условиях международного разделения труда, одной из отраслей специализации России является национальная стекольная промышленность. 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. м2. Основной же рост физических объёмов производства высококачественного флоат-стекла в России пришелся на 2009-2010 гг. Так, объёмы производства к 2010 году составили примерно 300 млн. м2 флоат-стекла в год. Однако доля экспортных поставок в настоящее время не превышает 7-10% от общего объема листового стекла, производимого в России [1]. Вместе с тем сегодня в нашей стране наметилась явная тенденция наращивания новых мощностей с участием крупных западных компаний, в результате чего, по прогнозам СтеклоСоюза, стекольная отрасль должна существенно увеличить объём экспорта листового стекла в самое ближайшее время.
Повышенный интерес к размещению стекольных производств на территории Российской Федерации у западных компаний вызван сохраняющимися низкими ставками цен на энергоносители и близостью к сырьевой базе, обеспечивающей снижение затрат на транспортировку сырья, поскольку значительную часть сырья для производства как листового, так и стекол другого назначения, европейские заводы продолжают приобретать в России. Для сравнения в таблице 1 приведены цены на сырье и энергоносители в России и Западной Европе, подтверждающие экономическую целесообразность наращивания объемов стекольного производства в нашей стране.
Таблица 1
Расходы и цены на сырье и энергоносители по данным [1]
Виды потребляемых энергоносителей, сырья и материалов Расход энергоносителей, сырья и материалов на 1 т стекла Стоимость, долл. США
Россия Западная Европа
Газ (куб. м) 205 11 51,3-55,4
Электроэнергия (кВт/ч) 588 11,8 29-35,4
Кварцевый песок (кг) 700 14-28 18-21
Кальцинированная сода (кг) 210 53-63 46-56
Доломит (кг) 170 0,5-1,2 0,3-1,2
Полевой шпат (кг) 60 13-14 23-25
Сульфат натрия (кг) 20 2,5 1,8-2,8
Олово (кг) 0,1 8 8
Итого: 114-140 177-205
Для сохранения 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.
В настоящей работе представлены результаты многовариантных расчетов, выполненных с использованием ранее разработанных нами двухфакторных математических моделей процесса высоко-
температурной коррозии бадделеито-корундовых огнеупоров [2, 3], необходимые для обоснования путей продления эксплуатационного ресурса стекловаренных печей. На рис. 1 для примера представлены графики зависимостей прогнозного срока службы огнеупорных материалов марки БК-33 в стенах варочного бассейна в зависимости от скорости обдува и толщины обкладочных плиток.
Скорость обдува, м/с
... -используемая скорость обдува 30м/с — - -граница технической возможности 127м/с
Рис. 1. Прогнозная продолжительность кампании варочного бассейна стекловаренной печи при использовании огнеупоров марки БК-33:
1 - обкладка плиткой 75 мм; 2 - обкладка плиткой 100 мм; 3 - обкладка плиткой 120 мм
Три восходящие кривые, показанные на этом графике, характеризуют расчетную продолжительность эксплуатации в зависимости от скорости наружного обдува и толщины бадделеито-корундовой огнеупорной плитки, дополнительно устанавливаемой в процессе эксплуатации печей для наращивания толщины коррозирующих огнеупорных стен варочного бассейна после достижения ими критического остаточного значения (30 мм). Стандартно производятся плитки толщиной 75 мм и 100 мм, но на ОАО «Саратовстройтекло» традиционно использовались и плитки толщиной 120 мм, изготавливаемые на заказ.
На рис. 2 показана динамика процесса коррозии огнеупора в процессе эксплуатации варочного бассейна, выложенного из БК-33, с использованием для наращивания дополнительных огнеупорных плиток той же марки, но разной толщины, при применяемой на предприятиях данной отрасли скорости обдува 30 м/с .
Продолжительность эксплуатации, сут Рис. 2. Динамика процесса коррозии огнеупора марки БК-33 при скорости обдува 30 м/с:
1 - обкладка плиткой 75 мм; 2 - обкладка плиткой 100 мм; 3 - обкладка плиткой 120 мм Анализируя графики на рис. 1 и 2, можно сделать вывод, что использование более толстых плиток не приносит желаемого результата. Как видно из рис. 2, увеличение срока эксплуатации стекловаренных печей может быть достигнуто при многократном последовательном наращивании коррозирующих стен дополнительными бакоровыми плитками наименьшей стандартной толщины 75 мм. Последнее подтверждает тот факт, что эффективность воздействия системы наружного обдува на интенсивность коррозионных процессов значительно возрастает по мере уменьшения остаточной толщины огнеупорного материала.
Вместе с тем на большинстве стекловаренных заводов наружный обдув начинают с первого дня эксплуатации ванной печи, что влечет за собой увеличенное потребление электроэнергии. Суточная норма потребления электроэнергии системой обдува стекловаренной печи производительностью 700 т в сутки, при использовании скорости обдувающего воздуха 30 м/с составляет около 3000 кВт*ч. Расчеты показывают, что при увеличении скорости обдува эта цифра может значительно возрастать. Так, при использовании обдува с максимальной (технически возможной) скоростью 127 м/с эксплуатационные издержки на оплату потребленной электроэнергии могут достигать 25% от прибыли, которая может быть получена предприятием от продления эксплуатационного ресурса стекловаренной печи за счет увеличения скорости обдува.
Зависимость эксплуатационных издержек на оплату электроэнергии, рассчитанных в долях от приращения прибыли, которая может быть получена предприятием при продлении эксплуатационного ресурса стекловаренной печи за счет обдува с увеличенной скоростью, представлена на рис. 3.
-^О
Скорость обдува, м/с
— —испольльзуемая скорость обдува, 30м/с— - -граница технической возможности, 127 м/с
Рис. 3. Изменение доли эксплуатационных издержек на электроэнергию, потребляемую системой обдува,при увеличении скорости
Расчет кривой графика рис. 3 выполнен на основе тарифов 2012 года. Однако в связи прогнозируемым увеличением тарифных ставок на электроэнергию можно с высокой степенью вероятности предположить еще более значительное увеличение доли оплаты за электроэнергию, используемую в системах обдува ограждающих конструкций стекловаренных печей.
Для экономии средств некоторые производители листового стекла включают систему обдува при достижении остаточной толщины бруса в диапазоне от 180 до 100 мм. При первоначальном значении толщины в 250 мм. Такой подход приводит к сокращению финансовых затрат на производство листового стекла и энергосбережению. Однако в этом случае возрастает риск возникновения трещин и пороков в бадделеито-корундовых огнеупорах из-за внезапного стремительного нарастания внутренних термических напряжений в толще материала в момент включения системы обдува, причем отечественные огнеупорные материалы характеризуются повышенной склонностью к данному виду пороков, поскольку в отличие от аналогичных зарубежных огнеупоров в них присутствует большее количество механических дефектов и их стекловидная фаза более пористая. Исходя из всего вышеизложенного, наиболее рациональным представляется режим многоступенчатого увеличения скорости обдува с нарастанием мощности по мере снижения остаточной толщины огнеупора. При этом снижается вероятность механического разрушения огнеупорной кладки, увеличивается срок эксплуатации 140
и достигается экономия электроэнергии. Однако оборудование стекловаренных печей такими системами обдува потребует дополнительных затрат на высоконапорные вентиляторы, обеспечивающие возможность частотного регулирования.
Поэтому для предварительной оценки сравнительной эффективности наружного обдува с переменными скоростями в рамках настоящей работы было выполнено математическое моделирование нескольких эксплуатационных режимов с варьированием двух управляющих параметров: скорости обдува в зависимости от остаточной толщины огнеупорного материала и толщины бакоровых брусьев, дополнительно устанавливаемых в процессе эксплуатации. Данные о значениях управляющих параметров в каждом режиме представлены в табл. 2. Полученные результаты представлены в табл. 3. В качестве откликов в этой таблице даны прогнозные значения продолжительности кампании и затраты электроэнергии в системе обдува при каждом выбранном для сравнения режиме.
Таблица 2
Продолжительность использования скоростей системы обдува
Параметр Интервал остаточных толщин огнеупорной кладки, мм
Вариант 1 250-200 200-150 150-100 100-50 До конца эксплуатации
Скорость обдува, м/с 30 45 60 75 90
Продолжительность, сут. 98,2 107 128,4 218 1675,4
Кампания печи, сут. 2227
Вариант 2 Интервал остаточных толщин огнеупорной кладки, мм
250-200 200-150 150-100 100-50 До конца эксплуатации
Скорость обдува, м/с 30 50 70 90 110
Продолжительность, сут. 98,2 107,4 129,2 224 1765
Кампания печи, сут. 2323,8
Вариант 3 Интервал остаточных толщин огнеупорной кладки, мм
250-200 200-150 150-100 100-50 До конца эксплуатации
Скорость обдува, м/с 30 60 90 120 127
Продолжительность, сут. 98,2 107,8 130,8 232,4 1898,2
Кампания печи, сут. 2467,4
Вариант 4 Интервал остаточных толщин огнеупорной кладки, мм
250-150 150-100 100-50 До конца эксплуатации
Скорость обдува, м/с 30 60 90 120
Продолжительность, сут. 204,2 128,2 224 1803,2
Кампания печи, сут. 2359,6
Вариант 5 Интервал остаточных толщин огнеупорной кладки, мм
250-100 100-50 До конца эксплуатации
Скорость обдува, м/с 30 60 90
Продолжительность, сут. 327 210,4 1675,4
Кампания печи, сут. 2213,2
На основе анализа данных табл. 2 был сделан вывод о том, что скорость обдува огнеупорных конструкций варочного бассейна стекловаренных печей при толщинах бадделеито-корундового бруса в диапазоне 250-100 не является фактором, существенно влияющим на скорость высокотемпературной коррозии огнеупорного материала. Поэтому при остаточной толщине бруса, большей 100 мм, не целесообразно использовать высокую скорость обдува. Это позволит существенно сократить электропотребление. Использование же скоростей в высоком диапазоне значений уместно начинать в тот момент, когда остаточная толщина огнеупоров варочного бассейна стекловаренных печей становиться меньшей 100 мм и начинает приближаться к критическому значению в 30 мм.
Попарное сопоставление расчетного электропотребления в системах обдува с переменной скоростью (согласно вариантам, представленным в табл. 2) и ответной постоянной скоростью, обеспечивающей такую же продолжительность кампании стекловаренной печи, дало возможность количественно оценить экономию электропотребления, как в процентном, так и в денежном выражении.
Расчетные данные об ответных постоянных скоростях обдува, обеспечивающих одинаковую продолжительность кампании в сравнении с каждым из предлагаемых вариантов переменного обдува, полученные методом итерационного подбора по математической модели [4], представлены в табл. 3.
Таблица 3
Продолжительность кампании стекловаренной печи
№ пар альтернативных вариантов, / Варианты эксплуатации системы обдува Макси- мальная скорость, ишах , м/с Установленная мощность нагнетателей, Муст, кВт Продолжительность кампании печи, сут
1 Вариант переменного обдува №1 90 1110,1 2227
Постоянный обдув со скоростью 88 м/с 88 1061,3 2227
2 Вариант переменного обдува №2 110 1658,3 2323,8
Постоянный обдув со скоростью 107 м/с 107 1569,03 2322
3 Вариант переменного обдува №3 127 2210,4 2396,8
Постоянный обдув со скоростью 125 м/с 125 2141,3 2395,8
4 Вариант переменного обдува №4 120 1973,5 2359,6
Постоянный обдув со скоростью 115 м/с 115 1812,4 2356,8
5 Вариант переменного обдува №5 90 1110,1 2213,2
Постоянный обдув со скоростью 85 м/с 85 990,2 2210,4
Как видно из табл. 3, все варианты, выбранные для попарного сравнения, приведены к сопоставимым условиям по продолжительности эксплуатационного ресурса. В то же время, обдув с меньшими скоростями на начальном этапе может обеспечивать существенную экономию электроэнергии за весь период эксплуатации.
Для получения представленных в табл. 3 количественных значений установленной мощности нагнетателей, требуемой для обеспечения заданных скоростей обдувающего воздуха по каждому варианту, использовалась зависимость [4], имеющая вид:
I1 + %пР )'и 'р' Ь N = к--——----------------- (1)
уст О п п п
2пв Пэд Пп
где V - требуемая скорость обдува, м/с; р - плотность воздуха при заданной температуре, кг/м3; ^пр - 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; Ь - удельный расход воздуха на 1 погонный метр длины обдуваемой поверхности, м3/(с-пм); п, Пэд, П - коэффициенты полезного действия вентилятора, электродвигателя и передачи (принятые в примере ориентировочные значения равны соответственно 0,8; 0,97 и 0,95); к - коэффициент запаса установленной мощности электродвигателя (принятое ориентировочное значение 1,25).
В практике проектирования и эксплуатации систем наружного обдува ограждений стекловаренных печей достаточными считается удельный расход воздуха на каждый погонный метр длины обдуваемой поверхности Ь=1,2 м /(с-пм) [5]. С учетом этого значения по выражению (1) были рассчитаны требуемые установленные мощности нагнетателей, представленные в табл. 3 при соответствующих скоростях обдува.
В процессе эксплуатационного регулирования скорости обдува удельный расход воздуха, истекающего из плоского сопла, имеющего постоянную удельную площадь живого сечения /уд=еот1, м2/пм, будет изменяться пропорционально скорости обдува в соответствии со следующим соотношением:
Ь = /уд и , (2)
При этом, согласно [6], расходы нагнетаемого воздуха Ь (а значит и скорости обдува и) должны изменяться пропорционально изменению частоты вращения вала рабочего колеса нагнетателя п = уаг, об/мин, а требуемая мощность на валу N, кВт, - пропорционально изменению числа оборотов в кубе, то есть
V п N
и п N
‘'шах шах 'уст
С \
п
п
V шах
3
С учетом всего вышеизложенного, зависимость потребляемой электрической мощности в г-м режиме Ni, кВт, от скорости обдува и;, м/с, в случае многоступенчатого регулирования скорости путем изменения числа оборотов вала нагнетателя должна иметь следующий вид:
Г Л3
. (4)
N = N
у г у уст
и
и
V тах у
Количество потребленной электроэнергии Э1, кВт*ч, за всю кампанию стекловаренной печи при изменении скорости обдувающего воздуха определяется выражением
Э1 = 1^.24 т; (5)
г=1
где Ni - потребляемая мощность нагнетательной установки при 1-й скорости обдува, кВт; Тг - время
работы нагнетателя в 1-м режиме работы системы обдува, сут.
Изменение общего количества потребленной электроэнергии
АЗ = Э2 — Э1; (6)
где Э2 - количество потребленной электрической энергии за кампанию печи при обдуве с постоянной скоростью, кВт*ч; Э1 - количество потребленной электрической энергии за кампанию печи с
переменной скоростью обдува, кВт*ч.
Для оценки доли сокращения затрат электрической энергии было использовано следующее соотношение:
АЗ%
^ З — З ^
З2 З1
З
З2 У
100%; (7)
Экономия денежных средств за счет сокращения потребления электрической энергии при переменном режиме обдува:
А = АЗ-Цз / З; (8)
где ЦЗ /З - тарифная ставка за потребление электрической энергии, по данным ОАО «Саратовстрой-
стекло», 2,79 руб./кВт*ч.
Результаты прогнозного сокращения электропотребления при использовании обдува с переменными скоростями по пяти конкурирующим вариантам приведены в табл. 4.
Таблица 4
Результаты расчета экономии потребляемой электроэнергии
Номер сравне- ния Сравниваемые варианты З, кВт-ч АЗ%, % АЗ, кВт - ч Ц РУб А, млн. руб
ЦЗ/З ’ п кВт - ч
1 Вариант 1 49464650 12,79 7259712,5 2,79 20,25
Постоянный обдув со скоростью 88 м/с 56723119
2 Вариант 2 76934246 12,01 10504658 2,79 29,3
Постоянный обдув со скоростью 107 м/с 87438825
3 Вариант 3 114240323 7,21 8884361,4 2,79 24,78
Постоянный обдув со скоростью 125 м/с 123124685
4 Вариант 4 90792792 11,43 11722352 2,79 32,7
Постоянный обдув со скоростью 115 м/с 102516307
5 Вариант 5 46620648 11,24 5909066,2 2,79 16,48
Постоянный обдув со скоростью 85 м/с 52527081
Выводы
1. В результате выполненного математического моделирования установлено, что на продление эксплуатационного ресурса стекловаренных печей, определяющегося интенсивностью коррозионных процессов в огнеупорной кладке стен варочного бассейна, влияют два основных фактора: скорость наружного обдува и толщина огнеупорных элементов (брусьев), дополнительно устанавливаемых в процессе эксплуатации.
2. При начальной толщине огнеупорного бруса 250-100 мм влияние скорости обдува на снижение интенсивности высокотемпературной коррозии проявляется менее значительно, чем при меньших остаточных толщинах, поэтому значимость скорости обдува, как фактора продления эксплуатационного ресурса стекловаренных печей, резко возрастает по мере уменьшения остаточной толщины.
3. Для снижения электропотребления в начальный период эксплуатации скорость обдува должна устанавливаться минимальной (по условию обеспечения допустимого уровня температурных напряжений в огнеупорной кладке).
4. На примере огнеупоров марки БК-33 установлено, что использование в процессе эксплуатационного наращивания стен варочного бассейна дополнительных брусьев минимальной толщины 75 мм может обеспечить продление эксплуатационного ресурса стекловаренной печи на 11,68% по сравнению с вариантом использования для тех же целей брусьев толщиной 100 мм и на 8,59% по сравнению с использованием брусьев толщиной 120 мм.
5. Наилучшие прогнозируемые показатели могут быть достигнуты в случае реализации четвертого варианта: продление эксплуатационного ресурса печи - до 2359,6 сут. при наибольшей экономии эксплуатационных издержек за потребленную электроэнергию - порядка 32 млн. руб. (за счет ступенчатого регулирования мощности нагнетателя).
ЛИТЕРАТУРА
1. Интернет-портал «Стройпрофиль» - путь доступа http://stroyprofile.-com/archive/2533.
2. Семенов Б.А. Двухфакторная математическая модель процесса высокотемпературной коррозии бадделеито-корундовых огнеупоров в условиях контакта с расплавом стекломассы / Б.А. Семенов, Н.А. Озеров // Известия вузов. Проблемы энергетики. Казань, 2012. №7-8. С. 87-96.
3. Озеров Н.А. Двухфакторная математическая модель процесса высокотемпературной коррозии огнеупоров фирмы «Мопо&ах» в условиях контакта с расплавом стекломассы натрийсиликат-ного стекла / Н.А. Озеров // Проблемы энерго- и ресурсосбережения: сб. науч. тр. / СГТУ. Саратов, 2012. С. 53-65.
4. Семенов Б.А. Методика и результаты оптимизации параметров системы обдува ограждений варочного бассейна стекловаренных печей / Б.А. Семенов, Н.А. Озеров // Вестник СГТУ, 2011. №4 (59). Вып. 1. С. 210-217.
5. Дзюзер В.Я. Эффективное применение электроплавильных бадделеитокорундовых огнеупоров в высокотемпературных стекловаренных печах / В.Я. Дзюзер // Огнеупоры и техническая керамика. 2004. №6. С. 45-49.
6. Калинушкин М.П. Насосы и вентиляторы / М.П. Калинушкин. М.: Высш. шк., 1987. 176 с.
Озеров Никита Алексеевич -
ассистент кафедры «Промышленная теплотехника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Семенов Борис Александрович -
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Промышленная теплотехника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Nikita A. Ozerov -
Assistant
Department of Industrial Heating Engineer Gagarin Saratov State Technical University
Boris A. Semyonov -
Dr. Sc., Professor
Head: Department of Industrial Heating Engineer Gagarin Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 15.01.13, принята к опубликованию 20.02.13
