CC BY
23
Из полученных результатов следует, что присутствие проводников на поверхности земли увеличивает потенциал, создаваемый на поверхности земли. Потенциал поверхности земли зависит от количества наземных сооружений, их параметров и расстояния до точечного источника.
Список литературы
1. Стрижевский, И. В. Теория и расчет дренажной и катодной защиты магистральных трубопроводов от коррозии блуждающими токами [Текст] / И. В. Стрижевский. / Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы. - М., 1963. - 240 с.
2. Бронштейн, И. Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов [Текст] / И. Н. Бронштейн, К. А. Семендяев. - М.: Наука, 1980. - 976 с.
УДК 669.662.76
А. М. Парамонов, В. Т. Черемисин, Е. Н. Рыжкова
К ВОПРОСУ ОПТИМИЗАЦИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ПРЕДПРИЯТИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
В статье рассматриваются пути повышения эффективности и экономичности пламенного нагрева металла. Предложены методика и алгоритм технико-экономической оптимизации рекуперации тепла уходящих газов для конкретного значения их температуры на выходе из рабочего пространства нагревательной печи. Обоснована целесообразность применения разработанного алгоритма для определения экономически выгодной температуры подогрева в рекуператоре воздуха, идущего на горение топлива, при проектировании и эксплуатации нагревательных печей. Применение предлагаемых рекомендаций позволяет повысить тепловую эффективность и экономичность работы нагревательных печей.
В пламенных нагревательных печах при отсутствии утилизации потери тепла с уходящими газами составляют 40 - 70 % от общего расхода тепла на печь. Использование теплоты уходящих газов в промышленных печах представляет собой важную задачу, так как повышает КПД печи, снижает удельный расход топлива на тепловую обработку материала, позволяет интенсифицировать процессы горения топлива и нагрева металла.
Эффективность использования топлива в печах повышается при сочетании мероприятий по обеспечению полного его сгорания при минимальном избытке воздуха с более полной утилизацией (рекуперацией) физической теплоты уходящих газов в теплоиспользующих устройствах (рекуператорах).
Рекуперация теплоты уходящих газов характеризуется степенью рекуперации. Степень рекуперации - это отношение количества утилизированной теплоты на подогрев нагреваемого теплоносителя в рекуперативном теплообменнике к количеству теплоты уходящих газов на его входе.
Высокотемпературный подогрев воздуха, идущего на горение топлива, в рекуператоре печи - основное мероприятие по повышению тепловой эффективности нагревательных печей, позволяющее повысить их термический КПД, снизить удельный расход топлива на подогрев металла с одновременным увеличением производительности печи. Однако это ведет к увеличению затрат на теплоутилизирующие устройства, поэтому целесообразно получить оправданную степень рекуперации теплоты уходящих газов. Окупаемость капиталовложений в теплоутилизирующие устройства ускоряется подбором оптимальных схем и последовательностью их установки по дымовому тракту.
Значение экономически выгодной степени рекуперации теплоты для конкретного значения температуры уходящих из рабочего пространства нагревательной печи дымовых газов можно найти исходя из минимума суммарных (приведенных) затрат на рекуператор и топливо:
Зр = ст В+Ср Нр. (1)
Приравняв к нулю частные производные функции (1) по степени рекуперации теплоты уходящих газов (оптимизируемому параметру) [1], имеем:
д Зр а В д Нр
-р = С — + С-^ = 0, (2)
а р т а р р а р
где Зр - приведенные затраты по рекуператору и топливу, р./г.;
Р - степень рекуперации теплоты уходящих газов;
В - расход топлива, м /г. или кг/г.;
Нр - поверхность нагрева рекуператора, м2;
Ст - стоимость топлива, р./м или р./кг;
2 2
Ср - приведенная годовая стоимость 1 м поверхности нагрева рекуператора, р./(м г.);
Ср = Рр (Рн + П) + АЖТ Д[2 • Ст д(Рн + П) + Сэ • И],
22 где Рр - стоимость 1 м поверхности нагрева рекуператора, р./м ;
Рн - нормативный коэффициент эффективности, 1/г.;
П - норма амортизационных отчислений;
АNТД - мощность, затрачиваемая на обслуживание 1 м поверхности нагрева рекуператора (на преодоление газового и воздушного сопротивления), кВт/м ;
АСт д - стоимость тягодутьевых машин, р./кВт;
2 - коэффициент запаса по расходу и давлению тягодутьевых машин;
Сэ - стоимость электроэнергии, р./кВт • ч;
И - время работы печи в течение года, с./г.
Чтобы получить расчетную формулу для определения Ропт, представим поверхность нагрева рекуператора и расход топлива в виде функции от степени рекуперации тепла отходящих газов.
Годовой расход топлива
В = Вн h+Вр, (3)
где Вн - расход топлива на нагрев металла при стационарном температурном режиме печи, кг/с.;
Вр - расход топлива при выводе из печи из холодного состояния после длительного простоя на стационарный температурный режим, кг/г.
Выражение для вычисления расхода топлива Вн получим из уравнения теплового баланса печи:
бх+а+а+бэкз=01+о+о+о+о+а, (4)
где бх = В бн - химическое тепло топлива, Вт;
бн - низшая теплота сгорания топлива, Дж/м3 или Дж/кг;
бв, бт - тепловой поток, вносимый соответственно воздухом и топливом, Вт
бв = ВЛ Св^в; (5)
& = Вн С,',, (6)
где 'в, Св - соответственно температура и средняя теплоемкость воздуха, поступающего к
горелочным устройствам печи, С, Дж/(м -К);
Ув - количество воздуха, необходимое для сжигания единицы количества топлива, м /кг или м3/м3;
^, С/- температура и средняя теплоемкость топлива соответственно, С, Дж/(кг -К); &экз - тепловой поток от экзотермических реакций, Вт; & - тепловой поток, необходимый для нагрева металла, Вт; &2- тепловой поток уходящих из печи дымовых газов, Вт,
&2 = ВЧт = ВУТСТ гт ; (7)
Яг = V Сг 'г, (8)
где Уг - объем дымовых газов на единицу количества топлива, м3/кг или м3/м3;
'г, Сг - температура и средняя теплоемкость уходящих из печи дымовых газов, 0С, Дж/(м3 -К);
03,04А - тепловые потери от химической и механической неполноты сгорания топлива, Вт,
&3 = ВУг Я; (9)
Я = 12140 •103Я1; (10)
04 = ВОР Я2, (11)
где Я1- доля несгоревшего СО в уходящих газах;
Я2 - доля потерь от механической неполноты сгорания топлива;
65 - тепловые потери теплопроводностью через кладку, Вт;
66 - тепловые потери излучением через открытые окна, Вт.
Температура воздуха на выходе из рекуператоре ^ связана с температурой горячего воздуха, поступающего к горелочным устройствам печи, равенством:
'в = 'в + 5 *в, (12)
где 5'в - падение температуры воздуха на пути от рекуператора до горелочных устройств печи вследствие потерь теплоты в окружающую среду.
УвСв'в = рУтС'Л - УвС^д'в =Р4т - УвСЦЫв; (13)
Я = Уг сг (14)
где ?г/, Сг- температура и средняя теплоемкость уходящих газов на выходе в рекуператор, С, Дж/(м3 -К);
Сх + ОС'
'г = " ^в - 5 'г, (15)
(1+о)С
где С]/, С]// - средняя теплоемкость окружающего воздуха и воздуха на выходе из рекуператора, Дж/(м3 -К);
температура окружающего воздуха, С;
8гг - падение температуры газов от печи до рекуператора вследствие потерь теплоты в
окружающую среду, С;
9 - коэффициент, учитывающий разбавление уходящих газов на пути до рекуператора.
Внр + ву Сг + Вн С,г, - ву Сг *г - ву я-вор я2 = о + е5 + е6 - 0^; (16)
В =
01 + 05 + о - Оэ
0нр (1 - Яг) + С/г/ - у я - ят + р
Яг
1 + 9
У
' 9СХ
1 + 9
/
г ~ г
8гС
(17)
// //
УС"г.
Обозначив Д = 01 + 05 + 06 - 0ЖЗ, Е = 0нр (1 - Я2) + Сггг - УТЯ- Чт - Уъф г1 получим:
Д
В =
Е + Яг р
(18)
Годовой расход топлива на разогрев печи при выводе ее из холодного состояния после длительного простоя на стационарный температурный режим определяется по выражению:
вр =
0а N + (0г + 0т ) Ир N
о.
(19)
где 0а - количество тепла на аккумуляцию, Дж;
N - количество пусков печи в работу из холодного состояния после длительных остановок, 1/г.;
0г - теплота дымовых газов, уходящих из печи во время ее пуска в работу из холодного состояния, Вт;
0т - теплота, теряемая теплопроводностью в окружающую среду через футеровку печи, которая определяется по общеизвестной формуле, принимая значение внутренней температуры кладки как среднее в начале и в конце ее разогрева, Вт;
Ир - время разогрева печи при ее пуске из холодного состояния, с. Количество тепла на аккумуляцию определяется по выражению:
0а = С гк - г?г?), (20)
г=1
где у, рI - соответственно объем и плотность ¿-го слоя футеровки, м3, кг/м3;
ггн ггк - значения начальной и конечной температуры ¿-го слоя футеровки, С;
С", Ск - средняя теплоемкость материала ¿-го слоя футеровки при начальной и конечной
его температуре, Дж/ (кг-К).
Если принять с определенной степенью погрешности, что производительность топли-восжигающих устройств при разогреве печи и ее работе при стационарном температурном режиме одинаковы, то
0г=вуС гг ; (21)
„ Вн И/С гг N (0а + 0ткр) N в =--1—
0нр
0
(22)
Суммарный годовой расход топлива определим, подставив в уравнение (3) выражения (18) и (22):
Д + КУг Стг г N + О+ОЛ) N Е + ^ *1 + О + О
В =—(К + р г гг р/ ). (23)
Величину поверхности нагрева рекуператора определим из выражения [2]:
н = влУ (СХ - ев¿в), (24)
Ке и
где и - средний температурный напор, С;
2
К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м -К);
С]/ — соответственно температура и средняя теплоемкость воздуха на входе в рекуператор, С, Дж/(м3 -К);
е — поправочный коэффициент при сложной схеме теплообмена; — коэффициент, учитывающий потери воздуха в рекуператоре.
С целью упрощения конечных зависимостей средний температурный напор в рекуператоре определим по приближенной формуле [3]:
и = А (г'// - О + Б (г/ - О, (25)
// ° где гг — температура уходящих газов на выходе из рекуператора, С.
В зависимости от отношения (г^ - г!^)/(г!^ - г^) коэффициенты А и Б принимают следующие численные значения: при (г^ -г'^)/(г'^ -гв/ ) = 1 *3 А = 0,43; Б = 0,57; при (г/ -гв)/(гв - г^) = 3 * 6 А = 0,35; Б = 0,735.
Принятое допущение дает отклонение от среднелогарифмического значения величины и не более чем на 2 %.
Температуру уходящих газов на выходе из рекуператора определим из уравнения теплового баланса:
УвПвС< - Св¿в) = тУг(С# - с;О (1 + 0) Пг; (26)
1 - Рдг - УвСвгв
С т Уг (1 + 0) ПгС
г // = - Рцу - УвСв ¿в
// 3
где Сг — средняя теплоемкость уходящих газов на выходе из рекуператора, Дж/(м • К); т — коэффициент, учитывающий выбивание продуктов сгорания из печи;
— коэффициент, учитывающий тепловые потери через ограждающие стенки рекуператора в окружающую среду.
Температуру уходящих газов на входе в рекуператор определяется из выражения (15). Получим выражение для расчета температуры воздуха на выходе из рекуператора:
а У С н г11
Р = Ц = ^С^; (28)
Яг Яг
У С'
г! = ^ (29)
Подставив уравнение (27) и (29) в равенство (25) и обозначив
/
и = г В
Г ТЛ /-./ ./ Л
С
А^т + Б
V ^г 0 V"' г^г V- '
+ Аг/
Ув Св ¿в - 1
тУг Сг//(1 + 0)
(30)
ктУтС/ Пг(1 + 9) КвС 0
получим выражение для среднего температурного напора:
и = U - WP. (32)
Подстановка значений Bн и и из уравнений (18) и (32) в выражение (24) с учетом, что ¥в Св/ г]// = Pqг/, дает искомую зависимость в виде:
H = Дп ( ряг - Ув св)
р (Е + яг р )(и - ЖР)Яе
(33)
Взяв первые производные по Р из выражений (23) и (33) и подставив их в уравнение (2), получим после некоторых преобразований:
ар2 + вр + й = 0, (34)
где а = я/Ж [ 3Лв 0 нр я г - Ке Ж (И0 нр + крУг С г гг N У
в = 2Пв0нрЖЯЕ + УвС^гв) - 2 Я )2Кеи Ж(И0нр + ИУСгггN);
/\2п
н р г г г
//
"в опт
й = Пв0нр [Ув Св7 <(я'ти + ЕЖ) - я'тЕи ] + Яг7Кеи 2( Н01 + Иу Сг гт N).
На основании полученных выражений разработан алгоритм определения экономически выгодной степени рекуперации теплоты уходящих газов для конкретного значения их температуры на выходе из рабочего пространства печи Ропт. С определением Ропт представляется
возможным найти экономически выгодные значения температуры подогрева воздуха в рекуператоре и уходящих газов за рекуператором, используя выражения (27) и (29).
Исследование влияния стоимостных показателей на величину Ропт показало, что с повышением стоимости топлива и времени работы нагревательной печи возрастают Ропт и гв/опт. Повышение стоимости рекуператора приводит к снижению Ропт и г^
Разработанный алгоритм был использован при реконструкции кузнечной камерной нагревательной печи производительностью 600 кг/ч с конечной температурой нагрева металла 1100 С одного из предприятий г. Омска, использующего в качестве топлива мазут марки М100. Целью реконструкции печи являлось повышение технико-экономических показателей ее работы и снижение удельного расхода топлива на нагрев металла за счет утилизации теплоты дымовых газов для подогрева воздуха, подаваемого на горение топлива. Существующая печь не имела рекуператора. Футеровка печи являлась трехслойной, выполненной из шамотного кирпича марки ША, легковесного кирпича марки ШЛ-0,4, перлитодиатомитового кирпича «Термосилипор». После реконструкции печь была оборудована щелевым радиационным рекуператором с двойной циркуляцией воздуха конструкции ОАО «Теплопроект». Рекуператор расположен над печью.
Характеристики нагревательной печи до и после реконструкции представлены в таблице.
Разработан алгоритм определения экономически выгодной степени рекуперации теплоты уходящих газов. Результаты работы подтверждают целесообразность использования предложенного алгоритма при проектировании и эксплуатации печных агрегатов.
Характеристики нагревательной печи до и после рекуперации
Наименование показателя Единица измерения До реконструкции После реконструкции
Стоимость топлива р./кг 2,25 2,25
Время работы печи ч/г. 3100 3100
Температура уходящих газов на выходе из печи С 1160 1160
Температура подогрева воздуха С - 425
Степень рекуперации теплоты уходящих газов - 0,239
Термический КПД печи % 7,8 28,6
Удельный расход топлива (с учетом пусков печи в работу из холодного состояния после простоев) кг/т 245 193
Список литературы
1. Батищев, Д. И. Методы оптимального проектирования [Текст]: Учеб. пособие для вузов / Д. И. Батищев. - М.: Радио и связь, 1984. - 248 с.: ил. - Библиогр.: с. 243, 244. - Предм. указ.: с. 246-247. - (в пер.).
2. Тебеньков, Б. П. Рекуператоры для промышленных печей [Текст]: / Б. П. Тебеньков. -4-е изд., испр. и доп. - М.: Металлургия, 1975. - 294 с.: ил. - Библиогр.: С. 286 - 290. -Предм. указ.: с. 291 - 294 - (в пер.).
3. Тебеньков, Б. П. Экономия топлива при нагреве металла в кузнечных печах / Б. П. Тебеньков, Е. С. Раменская // Прогрессивная технология и оборудование для нагрева под штамповку. - М.: Машиностроение, 1976. - С. 19 - 32.
УДК 658.26:656.2:519:673
А. В. Пономарев
МЕТОД АПРИОРНОЙ ОЦЕНКИ РАСХОДА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ РЕМОНТА ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
В статье рассматриваются возможности повышения эффективности использования электрической энергии. Показаны способы совершенствования существующего подхода к определению расхода электрической энергии на квазидетерминированные технологические процессы ремонта подвижного состава путем выявления отклонений в процессе электропотребления. Представлен также разработанный метод технологически обоснованного определения расхода электрической энергии с использованием имитационного моделирования технологических процессов.
В соответствии с «Энергетической стратегией ОАО «РЖД» на период до 2010 г. и на перспективу до 2030 г.» одним из основных ориентиров инвестиционного и инновационного развития ОАО «РЖД» в области стационарной энергетики является снижение энергоемкости основных технологических процессов до 2015 г. на 10 - 15 %. Для достижения поставленных целей активно внедряются организационно-технические мероприятия, направленные на снижение объемов потребления электрической энергии или на повышение показателей производства.
Действующие по сети железных дорог методы планирования и нормирования расхода топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) не позволяют получить достоверной априорной оценки изменения расхода ТЭР при модернизации технологических процессов ремонта подвижного состава. Причиной этого являются две основные проблемы, которые вытекают из
