Повышение эффективности работы термических печей Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

УДК 620.97

Е. М. РЕЗАНОВ

Омский государственный университет путей сообщения

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ТЕРМИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ___________________________________________

Предложена методика определения оптимальной температуры подогрева воздуха, идущего для горения топлива в термических печах с радиационными трубами. Разработан алгоритм, для ее определения, исходя из минимума суммарных дисконтированных затрат на рекуператор и топливо.

Обоснована целесообразность применения разработанного алгоритма для определения экономически наивыгоднейшей температуры подогрева воздуха в рекуператоре, идущего на горение топлива, при проектировании и эксплуатации термических печей с радиационными трубами. Использование данных разработок позволяет повысить тепловую эффективность и экономичность их работы.

Ключевые слова: термическая печь, радиационная труба, затраты, температура, алгоритм, эффективность.

В термических печах с радиационными трубами потери теплоты с уходящими газами составляют 50 — 70 % от общего расхода тепла на печь. Использование теплоты уходящих газов в термических печах с радиационными трубами представляет важную задачу, так как позволяет повысить их термический КПД, сократить удельный расход топлива на тепловую обработку изделий.

Эффективность использования топлива в термических печах повышается при сочетании мероприятий по обеспечению полного его сгорания при минимальном избытке воздуха с утилизацией теплоты уходящих газов. Высокотемпературный подогрев воздуха в рекуператоре печи — основное мероприятие по повышению тепловой эффективности печей, позволяющее повысить их термический КПД, снизить удельный расход топлива с одновременным увеличением удельной производительности печи. Однако это ведет к увеличению затрат на теплоутилизирующие устройства, поэтому целесообразно получить оптимальную температуру подогрева воздуха идущего для горения топлива в термических печах с радиационными трубами.

Сравнительная эффективность инноваций, согласно положениям методики определения экономической эффективности капитальных вложений, служит в системе технико — экономических расчетов в качестве основной их количественной оценки при выборе оптимального варианта, характеризуемого наименьшими затратами общественного труда. Они учитывают эксплуатационные расходы и капитальные затраты и определяются выражением [1]:

З = С + Р • К,

(1)

Группа неэнергетических затрат включает: затраты на подачу дутьевого воздуха для горения топлива и на отвод дымовых газов за пределы производственных зданий; затраты на подачу и отвод охлаждающей воды, обеспечивающей надежность работы элементов нагревательной печи; заработную плату производственного персонала; затраты на текущий ремонт печного оборудования; амортизационные отчисления; затраты на обеспечение нормальных санитарногигиенических условий труда.

Из всех текущих расходов при определении оптимальной температуры подогрева воздуха для горения топлива переменной величиной являются затраты на топливо, на подачу дутьевого воздуха и отхвод дымовых газов за пределы печи. Величины отчислений на реновацию, капитальный и текущий ремонт принимаются пропорциональными капитальным вложениям.

В этих условиях выражение для величины суммарных дисконтированных затрат по рекуператору и расходу топлива примет вид:

Зр = Яш + + Яв) + Ри • К,

= Сш • В,

Я = П •К,

ам '

Яв = Сэ • Л • АМшд • Нр,

К = рр • нр+ Сш«. • г • Амш,д, • Нр,

Сш = Рш • Л,

шш

(2)

(3)

(4)

(5)

(6) (7)

где С— изменяющиеся годовые эксплуатационные расходы, руб./год; Рн —норма дисконта инвестиций, 1/год; К—единовременные капитальные вложения, руб.

Эксплуатационные расходы при нагреве металла складываются из двух групп затрат: энергетические, связанные с использованием топлива; неэнергетические, состоящие из прочих видов затрат, связанных с осуществлением технологического процесса нагрева [2].

где Ят — годовые затраты на топливо, руб./год — годовые отчисления на амортизацию, руб./год; Бв — годовые затраты на подачу дутьевого воздуха для горения топлива и отвод дымовых газов за пределы печного агрегата, руб./год; Ст — годовая стоимость топ-

руб. с 3

лива, —з----- ; В — расход топлива, м3/с; П — норма

м год

амортизационных отчислений, 1/год; Сэ—стоимость электроэнергии, руб./(Вт-с); Л — время работы печи

в течение года, с/год; АМ —мощность, затрачиваемая на обслуживание 1 м2 поверхности нагрева рекуператора (на преодоление газового и воздушного сопротивлений), Вш/м2; Нр — поверхность нагрева рекуператора, м2; Рр — капиталовложения в сооружение 1 м2 поверхности нагрева рекуператора, руб./ м2; Стд — стоимость тягодутьевых машин, руб./Вш; г — коэффициент запаса, включающий резерв по расходу и давлению тягодутьевых машин и мощности электродвигателя; Рш — полная расчетная стоимость 1 м3 натурального топлива, руб./м3.

Подставив выражение (3) — (6) в уравнение (2), получим:

З = С • В + С • Н ,

р ш р р'

(8)

где Ср — годовая стоимость 1 м2 поверхности нагрева рекуператора, руб./(м2год),

Ср = Рр • (Ри + П) + АМтд

ри теплоты водоохлаждаемыми элементами, Вт; Оак — потери теплоты на аккумуляцию кладкой при выводе нагревательной печи из холодного состояния после длительного простоя на стационарный температурный режим, Вт; Оир — низшая теплота сгорания топлива, Дж/м3; Св‘, ^' — соответственно средняя объемная теплоемкость и температура подогретого воздуха, поступающего к горелочным устройствам печи, Дж/(м3-К), 0С; Ув — количество воздуха, необходимое для сжигания единицы количества топлива, м3/м3; С/, tт/ — соответственно средняя объемная теплоемкость и температура топлива, Дж/(м3-К), 0С; ^, С—соот-ветственно температура и средняя объемная теплоемкость уходящих из радиационных труб печного агрегата газов, оС, Дж/(м3-К); Уг—количество дымовых газов на единицу количества топлива, м3/м3; Л — теплота несгоревшего СО в уходящих газах, Дж/м3; Л2 — доля потерь от механической неполноты сгорания.

Подставив выражения (12) — (17) в уравнение (11), получим:

[г • Сщд,, • (Ри + П) + СЭ • Л].

(9)

Значение оптимальной температуры подогрева воздуха для конкретной температуры уходящих газов на выходе из радиационной трубы печи можно найти, исходя из минимума суммарных дисконтированных затрат на рекуператор и топливо З , при приравнивании к нулю частных производных функции по оптимизируемому параметру [3]:

в в

= о + в • с • г • V + в • V • я + в • ор • я, +

м г г г г н 2

В ■ Ор + В ■ С* ■ 1* ■ V + В ■ С / ■ \/ + о =

л-’ '-х н і ---в «--в в 1 т т экз

+ о + о + о +о +о + о •

кл шр аш охл изл ак

(18)

Температура воздуха ^', поступающего к горе-лочным устройствам печи, связана с температурой воздуха на выходе из рекуператора, равенством:

V • с' • г' = V • с// • г//-уг • с// • бг, (19)

в в в в в в в в в' ' '

дЗР

Чг = С

ді/

д-В-+С

т ді/ р

дН р ______р

' и

е

ді

= 0,

(10)

где г/ — температура воздуха на выходе из рекуператора, °С;

Выражение для расхода топлива получим из уравнения теплового баланса печи [4]:

где бгв — падение температуры воздуха на пути от рекуператора до горелочных устройств печи вследствие потерь теплоты в окружающую среду, оС; Св// , г/ — средняя объемная теплоемкость и температура воздуха на выходе из рекуператора, Дж/(м3К).

Подставив (19) в уравнение (18), получим выражение для определения расхода топлива на печной агрегат с радиационными трубами:

о + о + о + о — о + о +о +о +

х в ш экз м ух х.г. м.г.

+ о + о + о + о + о + о, (11)

кл шр аш охл изл ак

ох = В • онр, ов = В • ев • гв • Vв,

о = в • с / • г/,

о = в • с • г • ч,

ух г г г

о„ = в • V • я,

ом.г. = В •

м.г.

онр •

н

я.

(12)

(13)

(14)

(15)

(16) (17)

В =

Д

(Е+С/ V • і/),

где

е = онр • (1-я) + Сш/ • гш'--с • г • у-ч • я-ч • с// • бг;

г г г г в в в

Д = ом + окл + ошр + оаш + оохл + + оизл + оак - оэкз.

(20)

(21)

(22)

где Ох — химическая теплота топлива, Вт; Ов — теплота, вносимая подогретым воздухом, Вт; От — теплота, вносимая с подогретым топливом, Вт; Ож—теплота экзотермических реакций, Вт; Ом — теплота, необходимая для нагрева металла, Вт; Оух — потери теплоты с уходящими продуктами сгорания топлива, Вт; ОХТ— потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива, Вт; ОМГ— потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива, Вт; Ол — потери теплоты теплопроводностью через кладку печи, Вт; 0азл — потери теплоты излучением через открытые окна и щели, Вт; Отр — потери теплоты, расходуемой на нагрев транспортных средств и тарных устройств, Вт; Оат — потери теплоты с защитной атмосферой, покидающей рабочее пространство печи, Вт; Оохд-поте-

Исходя из условия установки рекуператора на каждой радиационной трубе печного агрегата, выражения для определения расхода топлива на одну радиационную трубу примет вид:

В = -

Д

,\Е + С/ V • і/ ) -

(23)

где пт — число радиационных труб в печи, шт.

Величина поверхности нагрева Нр рекуператора определяется из выражения [5]:

Н = В-л в -V. -(С в -1/ - с: -I В)

Р К -£д( -и , (24)

где т\в — коэффициент, учитывающий потери воздуха в рекуператоре; Св/, гв/—средняя объемная теплоемкость и температура воздуха на входе в рекуператор,

п

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

146

Дж/(м3К); К—коэффициент теплопередачи, Вш/ (м2К); еАг — поправочный коэффициент при сложной схеме теплообмена; и — средний температурный напор, °С.

Средний температурный напор и в рекуператоре определяется по приближенной формуле [6]:

эффициент, учитывающий выбивание продуктов сгорания из радиационной трубы; ^г — коэффициент, учитывающий тепловые потери через ограждающие стенки рекуператора в окружающею среду.

Подставив выражение (27) в уравнение (25), полу-

и = А • (гт//-гв/) + Б • (г/-гв//),

(25)

где г, tг// — температура газов на входе и выходе из рекуператора, оС; А и Б — коэффициенты, зависимые от соотношения ^т//^в , и имеют числен-

ные значения.

В зависимости от соотношения ^г//—^/)/(^/—^//) коэффициенты А и Б принимают следующие численные значения:

при ^г//—^/)/(^/—^//) = 1+3 коэффициенты равны А = 0,43, Б = 0,57;

при (^—^ у^/—^) = 3 +6 коэффициенты равны А = 0,35, Б = 0,735.

Такое допущение дает отклонение от среднелогарифмического значения величины и не более чем на 2 % .

Температура газов на входе в рекуператор tr/ определяется из выражения (26) связывающим ее температуру уходящих газов на выходе из радиационной трубы печи [7, с. 94]:

где

и= и - Ш • г'

С/

и = (А'СТТ + Б )• іГ +

+ (

V -ц -С1

е I е е

т • Уг -цг -С/ -(1 + ©)

-1)-А-і /;

Ж —

А • V - ц -С

е I е

т - V г -ц г •С / • (1 + © )

+ Б

(28)

(29)

(30)

Подставив выражения для В (23) и для и (28) в уравнение (24), получим искомую зависимость Нр = f(tв//) в следующем виде:

, С г -і г +©• С / • і/

г (і + ©)• с г

(26)

Д • Ц/ V-(С-і/ - С/ •і.)

' пт-(Е+V С •і/)• К• Єаі-(V-Ж -і/)'

НР —

(31)

где бгг — падение температуры газов на пути до рекуператора вследствие потерь тепла в окружающую среду, оС; © — коэффициент, учитывающий разбавление уходящих газов воздухом на пути до рекуператора.

Температура уходящих газов на выходе из рекуператора г// определяется из уравнения теплового баланса [7, с. 96]:

• і, -

•(с 4-і / - С / •і /)

т - V г -цг - С Г - (і + © )

(27)

Взяв первые производные по гв// из выражений для расхода топлива (23) и поверхности нагрева рекуператора (31), получим:

дВ

ді1!

Д С V

•(е+с/ V<)2

дНр

ді/

Д-Ц.-V,.

Пт- К-Єа, -(Е + С/ - V. -іУ

N+Ц

(V-Ж-і/)2

(32)

(33)

где С /, С// — средние объемные теплоемкости газов где

на входе и выходе из рекуператора, Дж/(м3К);ш — ко- N — С/ -V.-Ж-і/ - 2-С.-і.-С/-V.-Ж-і/ , (34)

Ь = С" ■ Е ■ и + С1 ■ г' Ас" ■ К • и - Ж ■ Е). (35)

в в в \ в в /

Подстановка выражений (32) и (33) в уравнение (10) позволяет получить уравнение, позволяющее определить значение оптимальной температуры подогрева воздуха ^

где

, подаваемого на горение топлива.

в.опт1 ^ *

2 (36)

- Ь + V Ь2 - 4 ■ а ■ ё 2 ■ а

а = Ср ■ч. ■СВ -У.-Ж -- К ■Єд, ■ С/ ■ СтЖ2;

Ь = 2-(К-е„-Ст и -■С, ч. ■С'е-1[-Уе )■ С/Ж;

(37)

(38)

(39)

воздуха ^/вопт определенное по выражению (41), отвечает минимуму целевой функции (рис. 1).

Реализация разработанного алгоритма применительно к конкретным условиям эксплуатации печного агрегата с радиационными трубами производительностью 400 кг/ч и температурой нагрева металла 870 0С на одном из предприятий г. Омска, использующего в качестве топлива природный газ с Qнр = 34,5 МДж/м3, Рт = 2,5 руб./м3, Л = 4300 ч/год, дала следующие результаты: 1//в опт =382 0С; Зр = 2,554 ■ 105 руб./год. Удельный расход топлива на нагрев изделий, подвергаемых термической обработке, уменьшился на 35 % . Ожидаемый экономический эффект от внедрения составляет 252 тыс. рублей в год.

Выводы. Разработан алгоритм определения оптимальной температуры подогрева воздуха идущего для горения топлива в термических печах с радиационными трубами. Результаты исследования подтверждают целесообразность его использования при проектировании и эксплуатации термических печей с радиационными трубами.

Библиографический список

ё = С, ч. [С/ ■Е ■и +

+ С/^і ■( С: ■У. ■и - Ж • Е ) ]-

- к ■ е д, ■ С ; ■ С т • и 2 .

В качестве расчетного принимается выражение: // - Ь + \[Ь - 4 ■ а ■ ё

2 ■ а

поскольку значения величины оптимальной температуры подогрева воздуха ^/вопш, вычисленные по выражению

- Ь - V Ь2 - 4 ■ а ■ ё 2 ■ а

1. Зайцев, Н. Л. Экономика организации [Текст] / Н. Л. Зайцев. — М. : Экзамен, 2004. — 624 с.

2. Некрасов, А. С. Экономика энергетики процессов нагрева [Текст] / А. С. Некрасов, Ю. В. Синяк. — М. : Энергия, 1975. —

(40) 136 с.

3. Батищев, Д. И. Методы оптимального проектирования [Текст] / Д. И. Батищев. — М. : Радио и связь, 1984. — 248 с.

4. Тымчак, В. М. Расчет нагревательных и термических печей [Текст] / В. М. Тымчак, В. Л. Гусовский.—М. : Металлургия, 1983. - 480 с.

5. Тебеньков, А. М. Рекуператоры для промышленных печей [Текст] / А. М. Тебеньков. — М. : Металлургия, 1975. — 222 с.

6. Бакластов, А. М. Проектирование, монтаж и эксплуатация теплоиспользующих установок [Текст]/А. М. Бакластов. —М.: Энергия, 1970. — 568 с.

7. Парамонов, А.М. Повышение тепловой эффективности и экономичности работы нагревательных печей [Текст]/А. М. Пара-

(42) монов, В. В. Крайнов. — М. : Спутник +, 2006. — 225 с.

(41)

і

е .опт

//

как показали проведенные расчеты, всегда отрицательные, что не имеет физического смысла.

На основании полученных выражений разработан алгоритм определения оптимальной температуры подогрева воздуха на выходе из рекуператора для конкретной температуры уходящих газов, на выходе из радиационной трубы печного агрегата.

Проведенные расчетные исследования показали, что значение оптимальной температуры подогрева

РЕЗАНОВ Евгений Михайлович, аспирант кафедры теплоэнергетики.

Адрес для переписки: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35.

Статья поступила в редакцию 28.05.2010 г.

© Е. М. Резанов

Книжная полка

621.311/К88

Кудрин, Б. И. Электрооборудование промышленности [Текст]: учеб. / Б. И. Кудрин.-М.: Академия, 2008.423 с.-ISBN 978-5-7695-4094-3.

Рассмотрено электрооборудование различных отраслей промышленности, включая машиностроение и металлообработку, металлургию, химию, общепромышленное электрооборудование, электрооборудование для повышения качества жизни населения и др. Освещены проблемы диагностики, ремонта и повышения эффективности использования электрооборудования и электроэнергии.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА