Повышение эффективности сжигания мазута в нагревательных печах кузнечного и термического производства Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.733

DOI: 10.25206/1813-8225-2018-157-28-31

л. м. плрлмоноВ

омский государственный технический университет, г. омск

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

сжигания млзутл в нагревательных печах

КУЗНЕЧНОГО

И ТЕРМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВл

рассматривается вопрос повышения эффективности использования мазута в нагревательных печах за счет интенсификации его горения. решена задача технико-экономической оптимизации подогрева мазута перед его сжиганием. разработаны метод и алгоритм определения оптимальной температуры подогрева мазута, аналитически учитывающие взаимосвязь теплотехнических, режимных параметров и дисконтированных затрат по нагревательной печи. полученный функционал оптимизации обеспечивает достижение целесообразных теплотехнических показателей нагревательной печи при минимальных дисконтированных затратах. результаты проведенных исследований подтверждают целесообразность использования предложенных разработок.

Ключевые слова: оптимизация, нагревательная печь, мазут, температура, эффективность, энергосбережение.

Повышение энергосбережения в теплотехно-логических установках достигается при полном горении топлива и минимальном расходе воздуха, подаваемого в топливосжигающие устройства. При использовании мазута это обеспечивается повышением его температуры перед сжиганием. Подогрев мазута до высоких температур позволяет интенсифицировать процесс его горения за счет значительного снижения вязкости, более мелкого дробления форсунками капель мазута, значительного увеличения поверхности их испарения и уменьшения поверхностного натяжения, улучшения контакта мазута с кислородом воздуха. По данным исследователей [1—5] значительное повышение температуры подогрева мазута уменьшает диаметр его капель соплами мазутных форсунок, что ускоряет процессы испарения и горения мазута в квадратичной зависимости. В результате обеспечивается полное сгорание мазута, уменьшаются его химический и механический недожог, коэффициент избытка воздуха, потери теплоты с уходящими дымовыми газами, удельный расход мазута на тепловую обработку материала и вредные выбросы в атмосферу (оксида углерода и сажи). При этом повышаются температура в рабочем пространстве теплотехнологических установок и их удельная производительность за счет интенсификации теплообмена. Снижаются затраты на подачу воздуха в форсунки на горение мазута и на выброс дымовых газов в атмосферу, но повышаются капитальные вложения и эксплуатационные затраты на подогреватель мазута, увеличивается расход энергии на подогрев мазута. Следовательно, вопрос определения и выбора целесообразной температуры подогрева мазута перед его сжиганием представляет собой технико-экономическую задачу. Необходимым

условием при ее решении является оценка влияния температуры мазута на производительность, тепловую эффективность и экономичность работы тепло-технологических установок. Исследование данного вопроса является особенно актуальным при использовании тяжелых марок мазута.

Указанный вопрос исследовался в работах [2, 3, 6—10]. В них рассматривались методы повышения эффективности использования топлива, снижения его удельного расхода. Задача целесообразности высокотемпературного подогрева мазута решена не полно, без должного учета экономических факторов и определяющих параметров, их влияния на тепловой режим теплотехнологических установок. Существующие рекомендации для выбора значений температуры подогрева мазута перед его сжиганием основываются на допустимой его вязкости с учетом марки сжигаемого мазута, например, мазут марок М 200 и ТКМ-16 нагревают до 393 К. Таким образом, актуальным является вопрос определения и выбора оптимальной температуры подогрева мазута.

В данной работе решена задача оптимизации подогрева мазута перед его сжиганием в нагревательных печах. Оптимизация подогрева мазута заключается в выборе такой его температуры, которая бы обеспечивала минимум критерия оптимальности З[ :

З, (В, О , К) = шт,

г у т.э' '

(1)

где В, Отэ, К — расходы мазута на нагрев металла в печи, тепловой энергии на подогрев мазута, капитальные вложения в подогреватель мазута.

В качестве целевой функции приняты дисконтированные затраты на нагрев металла. Температура мазута, поступающего в форсунки, влияет

на значение переменной части себестоимости тепловой обработки металла в нагревательной печи. Ее составляющими являются затраты на мазут, на подачу воздуха в мазутные форсунки для горения мазута, на удаление продуктов сгорания мазута в окружающую среду, на теплоноситель, подаваемый в подогреватель мазута, на амортизационные отчисления.

Переменная часть дисконтированных затрат выражена в аналитическом виде как функция от температуры подогрева мазута.

Для решения задачи (1) получена аналитическая зависимость З[ на основе разработанной математической модели процессов теплообмена и тепловых балансов в нагревательной печи и в подогревателе мазута.

Предложенное выражение для переменной части дисконтированных затрат на тепловую обработку металла имеет вид:

ский коэффициент полетного действия подогревателя мазута.

Выражеиие для ртсчета огеимялоной темпераяу-ры подогрева мазута получим, представив площадь теплопередацщей поверхности подотцееитеоя мазута и расход мязуга та тепяовую обрабятпу моталлт как функции от темпертрфы нодоорева мазуга.

цыражеиие дде --ая-еде -яаоута потучену из уралнеи^ тепоноого балалсе на^]Р(^^^тепьной оечл.

%

Т; н д'{ '

(5)

Вд — + о5 + О6 + 07 — у торр-м2)п(ог • tг -о;)[ в

+мс-яд- дд- —и- -

3 = (5 + 5 +5 + 5 ) + Р К,

у т в т.э ам' н

(2)

где 5 , 5, 5 , 5 — затраты на мазут; на дутье-

т в ш.э ам ^

вой воздух, идущий на горение мазута; на теплоноситель, подаваемый в подогреватель мазута; на амортизационные отчисления, руб./год; Рн — норма дисконта инвестиций, 1/год; К — капитхль -ные вложения в подогреватель мазута, руб.

Составляющие правой части выражения (2) рассчитываются:

-(= 0( - П; 0(= Д( - У; И-О ПО - Мр^ - У - т;

Ио о Л/6°т о ' Уо о; По о До о ' У; Уо о —е ' Уп'

Иат= П ' К; К=Р[СТ + Др,т ' Мр. V:; П:=П ' и :,

(3)

п(о- — - — ) К

зTзи = (те-те )-;

(4)

где (у1 — типл-, пе-вдтваемоа истаяли ^ри рто татр твеэ, 05, 0у 0° — тоте°и тепчт чтрез тепло-т(те печи, -врыты- оона и недкеенныо

тотеуи, — тепмп икз-те-мичестих ретк-

аий[, Но; е-р — — ившдт тегпп-^от;:! сгоцамно мозртт, 1Нжяиг; —К УП— — ^с^тет^и тетла от типиче(кой и мяхлническит нвиолнаты мазуте, 1Гт; С.

у к , — средн—и иешвоемкость, темпе]эатуре, количе-стто цг^о,а,к1пик еаест на - ко ржит-тмито нвкута- Т+ , И, — сренняя тепипем]ностс и температура тотдуха; ХОо , §И — патиние темпепахтры еоздука и мазута при пвтжении их ио метунныл [со)ссунок

площтдп се елапередающиП иове ]э:5гност— иодт-гревателя кег-з.-^^ с[:с]]:}]э,[]]а!Л5)ется по тыртжитим [10]:

с =

где В — расход мазута, кг/ч; С — годовые затраты на 1 кг мазута, (руб/кг) (ч/год); Рт — стоимостп м азута, пуб/к н; 1) — время работы нагревательто й печр в течение годня ч/год; Сэ — стоимость электрической энергии, руб/(кВт . ч); Мшд — суммарная мощность вентилятора и дымососа, приходящаяся на 1 и3 дутьевого возцгит, кВт°мц д — часявой расход воздуха, ид—щиС на гориние иаз=го, мУч ; П — ноума амортизаторныр отрислений, год; Сшэ — сто—мость тепи^]^осите^;е, (рур/к+с)-(ч/год); Dn — расход теплоносителя, подаваемого на подо-гртк мигую, кг/ч; ХО — энтаеьпия теплоносителя на входе г подвг р еветедт ма зутг-^ ^Дж/тр; Р — та -траты на! 1 м2 поворхности лагревт подогцеваттлр мазута, руб/м2; _Рм — площодь гговерхность нагреив подогр ав аеем маеуга, р2; С, — с то иио с гт еептиля -торт и дымососа, отнесенная к 1 кВт их мощности, руб/кХт; [ — расход воздуха на 1 кг мазута, подаваемо го в мазртлые 4-врсДмлл, м3/т;; С- — ратхо= теплоат. внерти, мсдатаемой о подо^оIзаттлт 5;а-зуса, Вт; Длэ — озоиаюс'з'е непдонocитe^еЯ; р]згУе-цт(]и.

Выи'0жениe -°ля массвуу теплсеолс зi^^':]]'Iеи позхх^^ чено иа у^пи(^нш а^]Р]цслот]э °>аО;Тн^ст подогвквате-ля л^азуга:

п(но; [Д - Д] - ни нв • К • я

С^)

гптт сСВ — сре—нвн 'яеквпе;ратлтеныТ( непор 1в по^\аг]ве) ват^^зе ми;зуТ(а, Нг; К — кмеффициент Т^-Т[],ипе]3бн1в,а^^1^ в по.ио гневетспс гсии^ов^са^ [Е5;-,]Н(,м2 : К); ; — гвопраточ-ный к;п^с^(Ници^1^т д сложнои ^хеме лооб-ме на.

Тстпоратурррш 1В(]^]со];) ц I^o^oг]oз^a,-,в[[,т ]^aв[нта определяется по ВЕтражении^ позоолямпве^^ рнас очитать сСВ с пв грршносеью не более 2 % ] 11]:

нвон[((е-ву)нн(вяпве), п; = -е1 - о - зу.

е— в

гпв И], В", — оемоязр агор а ноило носнтповц:; 1-л входе и выходе изпрдтгревателя мг^зувп; н', Н — коз)ф[ фе тие евт ы.

Поставив в (2) величины (3) — (7], инлуцим ввт-р.^жение] доя пe]Э[-меиной части дисконсиров^нных затраы ната^]эе13 мет^.лтла:

3 т -

%

Д С

нр—е - fл•lл)вхщO=ПДзT¿Др 1(д с'и п нд:^

. (О

г^^ —[и, — температура и е еит^о ёт я о е1—ь м а З3]ега на входе в пк,оо грт ватель %асута; Д] и", — ^^^пе^-ратура и теплоёмкость т^;^уса навыиоде из подогревателя мапута; С — ;энталь^ия тет^носивe^о-на вь^тходв из подок^]тл^ют^ля ма^^та ; н% — термиче-

П^и выво,а^е фодмулы длт ]знсяте^тге oптимa^^Ь;HPя тумтерасуры поре^1,рева ]т^('(ту^т В'¡дт в^зп(^^^зoв^п елсссичесний мето,"" ^^^ени^о мдау Исходр ир не^о бходимых условий -птимсоьнести рр И 3 и" т В и выражения (8), получено уравнение, позволяющее рассчитывать и,^^ :

6000

ч/год

t | 4000

1 1 3000

t" ie h 2000

1000

110

3000 Рм 2000

t" fonm

б

Рис. 1.Зависимостьоптимальнойтем пе рату р ы подогрев а мазут а а — оттемпературы уходящих газов и воздуха; б — от времени работпр печи и от стоимогти рпдзгревателя мрзута:

1 — П'юпт. и f(tr);2 — t"íonm = f(t"B);3— t"onm и /(У); 4 — Молт = ррь)

af + f + df=0, (9)

гд e

а = (дП-лП)тс-Я]-К"х х[с](-с;-(ст+сг-;ш)к.ыш1] + ■+■3,6 с^'-к- ч-е2-С",(Е 2+С'гТ);

Ьг=2(К-К)цпСг С'Х х х [^((^тт ^ )>К-. - ^ ^ сг, - С.-,««;:;!)^] --Ъ+С^-К.К •'-с.-С'сс;; СД );

а,=з,бсШ(-к ск-с-й (х

хсЯя+сН; х [С'„С2 (С/ ' - С) - (( - /[) + СМ - СК; • С( - Я ■ ] --к.'-скс2 (д; с; •«,)].

Вывод искомые сыражений прсизв о^сыся при нопдщенинх, сто псоиз+одительность нагревательно" аечи постоянна, на грет металла влдятся при п+сдо-нной т^мпе паяу-е печи.

Ра;рлб-тан алгоритм и программа определения нптимальняй темперсну.,: подогтева маз уга г

^считывающая тис маеушых фарсуюк с псрасетрс теплоносителя. Уравненио (9) обеспечивает лишь необходимые условия оптимальности. Поэаьму он.)) ирпверясось на достеточность путем проведенся исследований на с)Ш(есчвование эксэрем)зш в иепы-туемой точке и выполнение условия полтжитель-ной опшеделенности квадратичной формы второго дифф ео енц и ала вт це лево й ф унчции дЗ /д Ц) = (3. Проведенные расчеты еодтвшрдили, что снечьнио Ц"опт , определенные по фравмнию (9), отеечают минимуму целевой функции, то есть ега решение при выполнении условит дЗ / д Ц) = 0 существует и единственно.

Выполнены численные исследования с цтлью установления зависимости и характера влияния различных параметров и факторов на Ц)опш . Аналсз их результатов позволил определить следуюгц 9в:

1) изменения расхода теплоэнергии на подогрев мазута, термического коэффициента полезного деш -ствия подогревателя мазута, мощности вентилфторт и дымососа, производительности нагревательной печи незначительно влияют на значение г. опт , что существенно упрощает ее расчет;

2) уменьшение температуры газов t , уходящих израбочегопространств а печи, снижает Я озТ до 13 % (рис. 1а);

3) повышение температн>ы воздуха t"B , подааае-мого на джигание мазтта в мазутные фим сунта, уменьшает t"íonm Дп 32 % (дис. 1а);

4) увеличение продолжительности работы на-греяательной пичи h повышает t"fo3m до 26 % (р ис. 1б);

5) аовышение затрат на подогреватель мазута Рм снажает t" ОП1П до24 % (рис. 1б).

Реализация разработанного алгоритма в кузнечном цехе предприятия Омска, использующего в качестве топлива мазут ТКМ-16, позволила опре-делитьоптимальную температуру его подогрева — 428 К.

При расчете составляющих переменной части годовых расходов на нагрев металла приняты следующие показатели: время использования установленной мощности — 3360 ч/год, температура уходящих газов — 1373 К, температура подаваемого на горение воздуха — 523 К, температура пара на входе в подогреватель мазута — 453 К, стоимость маза — 5200 руб/т.

Средняя иксплуаеационная температура подогрева мазута в цехе составляла 383 К. Как пока-гали расчеты, пивышение температуры его подогрева до рекомендуемого оптимального значения дает возможность повысить термический КПД нагревательной печи, уменьшить удельный расход мазута на нагрев металла на 3,5 % за счет снижения коэффициента расхода воздуха, химического и механического недожога, потерьтеплоты суходя-щими газами.

Таким образом, разработанный алгоритм определения оптимальной температуры подогрева мазута аналитически увязывает теплотехнические, конструктивные, режимные параметры и дисконтированные затраты на нагрев металла. Результаты работы подтверждают целесообразность его использования при проектировании и эксплуатации печных агрегатов.

Библиографический список

1. Борушко А. П., Глухов В. Ф. Исследование сжигания сверхподогретого мазутав котлоагрегатах большой мощности // Теплоэнергетика. 1973. Вып. 3. С. 56 — 62.

2. Булгаков В. Г., Чернышев Е. В., Цирульников Л. М., Эрнест А. К. О целесообразности высокотемпературного по-

догрева мазута перед распылением // Теплоэнергетика. 1978. № 9. С. 51-53.

3. Пелешок А. Г., Синякович Б. Г. К вопросу о высокотемпературном подогреве мазута перед сжиганием // Теплоэнергетика. 1981. № 3. С. 109-115.

4. Глухов Б. Ф., Белосельский Б. С. Некоторые особенности распыления высокоподогретого мазута // Теплоэнергетика. 1986. № 9. С. 36-39.

5. Глухов Б. Ф. Эксплуатационные исследования сжигания мазута в котле ТП-35У // Сб. трудов ЛИСИ. Л., 1984. С. 101-105.

6. Cz. X. Szargut Ian, Koziot Ioachim, Majza Eugeniusz Analiza mozliwosci zmniejszenia zuzycia paliwa w piecach grzejnych // Gosp. paliw. i energy. 1986. Vol. 34, No. 4. P. 9-13.

7. Coombs M., M. Strumpf D, Kotchic R. [et al.]. A high-temperature flue gas heat recovey system // Gas W^rme International. 1983. No. 7/8. P. 292-296.

8. Kohnken K. H. Energy Conservation-vital in todays comprtitive international to increase thermal efficiency // Industrial Heating. 1983. No. 7. P. 17-19.

9. Irretier Olaf. Resource savings and energy efficiency in heat treatment shops // Heat Process. 2014. Vol. 12, No. 1. P. 47-52.

10. Stumpp Hermann. Energy and global natural resources -from the point of the Furnace Industry // Heat Process. 2013. Vol. 11, No. 1. P. 92-93.

11. Бакластов А. М. Проектирование, монтаж и эксплуатация теплоиспользующих установок. М.: Энергия, 1970. 568 с.

ПАРАМОНОВ Александр Михайлович, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Теплоэнергетика».

Адрес для переписки: [email protected]

Для цитирования

Парамонов А. М. Повышение эффективности сжигания мазута в нагревательных печах кузнечного и термического производства // Омский научный вестник. 2018. № 1 (157). С. 28-31. Б01: 10.25206/1813-8225-2018-157-28-31.

Статья поступила в редакцию 15.11.2017 г. © А. М. Парамонов

удк 621.316.3 / С. С. гиршин

DOI: 10.25206/1813-8225-2018-157-31-35

ч. п. монгуш

С. В. БИРЮКОВ

омский государственный технический университет, г. омск

РАСЧЕТ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ

в электрических сетях

ПРИ ВЕРОЯТНОСТНОМ

ЗАДАНИИ НАГРУЗОК_

В статье рассмотрена задача расчета потерь активной мощности в линии электропередачи при вероятностном задании нагрузок с учетом температурной зависимости сопротивления. предложена расчетная формула для потерь мощности, построены и проанализированы зависимости потерь мощности от тока в детерминированной форме и математического ожидания потерь мощности от математического ожидания тока. В результате анализа приведенных зависимостей выявлено, что расчет потерь мощности в вероятностной форме при использовании распределения релея дает наилучшие результаты для не очень больших токов. при токах, близких к допустимому, начинает сказываться влияние области кривой распределения, где невозможно уста-н овление теплового равновесия.

Ключевые слова: потери мощности, потери электроэнергии, вероятностно-статистические методы, закон рэлея, математическое ожидание, среднеквадратичный ток.

Введение. Проблема потерь электроэнергии 220 кВ и ниже — 8,86 млрд кВт • ч (4,63 %)) [1]. По-

во всем мире стоит очень остро. В 2016 году по- тери энергии по регионам страны и по филиалам

тери энергии в сетях ПАО «ФСК ЕЭС» (Публич- ПАО «МРСК Сибири» (Публичное акционерное об-

ное акционерное общество «Федеральная сете- щество «Межрегиональная распределительная се-

вая компания Единой энергетической системы») тевая компания Сибири») приведены в табл. 1, 2 [2].

из 540,534 млрд кВт • ч сальдированного отпуска По вышеприведенным данным можно отметить,

из сети составили 25,033 млрд кВт • ч (по уровню что большинство отчетных потерь не соответствует

напряжения 330 кВ и выше 16,173 млрд кВт • ч, уровню, установленному Энергетической стратегией