Разработка методологии решения задач интенсивного энергосбережения в высокотемпературных теплотехнологиях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, доктор технических наук Попов, Станислав Константинович

• Попов, Станислав Константинович
• доктор технических наук
• 2008

Оглавление диссертации доктор технических наук Попов, Станислав Константинович

Список обозначений.

Введение.

Глава 1. ЗНАЧИМОСТЬ, СОСТОЯНИЕ И МЕТОДИЧЕСКАЯ

БАЗА РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ.

Глава 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕШЕНИЯ

ЗАДАЧ ИНТЕНСИВНОГО ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ (ИЭС).

2.1. Алгоритм решения задач ИЭС для действующих теплотехнологических объектов (алгоритм I).

2.2. Алгоритм решения задач ИЭС для разрабатываемых теплотехнологических объектов (алгоритм II).

Выводы по главе 2.

Глава 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКТА.

3.1. Методика определения энергоемкости технологии производства продукта в действующих ТТО и перспективных моделях ТТО.

3.2. Разработка программного обеспечения для описания структурной схемы ТТО.

3.2.1. Редактор структуры TreeEdit.

3.2.2. Редактор потоков FluxEdit.

3.3. Реализация методики посредством имитационного моделирования объекта в среде Simulink.

Выводы по главе 3.

Глава 4. РАЗРАБОТКА И РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИ ИДЕАЛЬНЫХ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК.

4.1. Основные термины.

4.2. Исходные данные для разработки и расчетного анализа тепловой схемы ИТТУ.

4.2.1. Состав компонентов горения.

4.2.2. Температурные характеристики теплотехнологического процесса.

4.2.3. Характеристики фазовых превращений.

4.2.4. Физические свойства веществ.

4.3. Первоначальная обработка исходных данных.

4.3.1. Расчет температурного графика технологического процесса.

4.3.2. Расчет материальных балансов технологического и топочного процессов.

4.4. Уравнения материального и теплового балансов элементов ИТТР.

4.5. Основы расчета вариантов тепловых схем ИТТУ для процессов групп А, В.

4.5.1. Тепловые схемы ИТТУ для процессов группы А.

4.5.2. Тепловые схемы ИТТУ для процессов группы В.

4.6. Основы расчета вариантов тепловых схем ИТТУ для процессов групп Б, Г.

4.6.1. Тепловые схемы ИТТУ для процессов группы Б с регенерацией тепловых отходов посредством компонентов горения.

4.6.2. Тепловые схемы ИТТУ для процессов группы Б с регенерацией тепловых отходов посредством компонентов горения и промежуточного теплоносителя.

4.6.3. Тепловые схемы ИТТУ для процессов группы Г.

4.7. Программная реализация алгоритмов расчета тепловых схем ИТТУ.

Выводы по главе 4.

Глава 5. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ИНТЕНСИВНОГО ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ КОМПЛЕКСЕ

ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНОЙ КЕРАМИКИ.

5.1. Характеристики действующего теплотехнологического комплекса. Определение энергоемкости технологии производства продукта в ТТК.

5.1.1. Технологическая и структурная схемы, температурные графики теплотехнологии ТТК.

5.1.2. Карта энергоматериалопотребления ТТК. Характеристики энергоемкости технологии комплекса.

5.1.3. Характеристики теплотехнологической системы сушка - обжиг».

5.1.4. Постановка задачи минимизации энергоемкости технологии в теплотехнологическом комплексе

5.2. Характеристики модели ТТК с термодинамически идеальными теплотехнологическими установками.

5.2.1. Теоретический минимум энергоемкости технологии производства продукта в ТТУ обжига.

5.2.2. Теоретический минимум энергоемкости технологии производства продукта в ТТУ сушки.

5.3. Прогноз потенциала интенсивного энергосбережения в ТТК. Расчет критериев энергетической эффективности действующей теплотехнологии.

5.4. Разработка и исследование перспективных моделей действующего теплотехнологического объекта.

5.4.1. Разработка математической модели ТТУ обжига.

5.4.1.1. Концептуальная модель процесса и установки.

5.4.1.2. Математическое описание процесса и установки.

5.4.1.3. Выбор метода численного решения. Программная реализация.

5.4.2. Идентификация математической модели.

5.4.3. Расчетное исследование перспективных моделей теплотехнологического объекта.

5.4.3.1. Постановка и алгоритм решения задачи параметрической оптимизации обжиговой ТТУ.

5.4.3.2. Технологическое использование тепловых потерь теплопроводностью через ограждение ТТУ.

5.4.3.3. Параметрическая оптимизация действующей ТТУ.

5.4.3.4. Повышение термического сопротивления транспортного оборудования ТТУ.

5.4.3.5. Повышение термического сопротивления ограждения рабочего пространства и транспортного оборудования ТТУ.

5.4.3.6. Комплексное повышение теплотехнической эффективности ограждения рабочего пространства ТТУ.

Выводы по главе 5.

Глава 6. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ИНТЕНСИВНОГО ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА.

6.1. Результаты энергоаудита производственного объекта, содержащего исследуемую TTC. Установление системных границ окружения TTC.

6.2. Формирование структурной модели TTC.

6.3. Разработка карты энергоматериалопотребления в TTC.

Определение энергоемкости технологии в TTC.

6.4. Формирование и расчет характеристик структурной модели идеализированной TTC.

6.4.1. Технологическая схема идеализированной TTC.

6.4.2. Температурный и тепловой графики теплотехнологии в идеализированной TTC. Структурная схема ИТТС.

6.4.3. Тепловая схема идеализированной TTC.

6.4.3.1. Разработка и расчет тепловой схемы термодинамически идеальной плавильной установки.

6.4.3.2. Разработка и расчет тепловой схемы термодинамически идеальной термической установки.

6.4.4. Характеристики энергоемкости технологии производства продукта в ИТТС.

6.5. Прогноз потенциала интенсивного энергосбережения в TTC. Расчет критериев энергетической эффективности действующей теплотехнологии

6.6. Формирование и сопоставительный анализ вариантов перспективных моделей TTC.

6.7. Разработка элементов перспективных моделей TTC.

6.7.1. Математическое моделирование компактного регенератора.

6.7.2. Разработка энергосберегающей термической установки.

Выводы по главе 6.

Глава 7. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ИНТЕНСИВНОГО ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В ПЛАВИЛЬНОЙ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКЕ.

7.1. Систематизация характеристик ТТУ.

7.2. Формирование и расчет характеристик структурной модели ИТТУ. Глобальный минимум энергоемкости технологии производства полупродукта. Прогноз потенциала интенсивного энергосбережения в ТТУ

7.3. Обзор вариантов перспективных моделей ТТУ.

7.4. Разработка перспективной модели оборудования нового поколения -плавильной камеры с перфорированным слоем (ПКПС).

7.4.1. Математическое моделирование ПКПС.

7.4.1.1. Модель ПКПС.

7.4.1.2. Моделирование ПКПС в среде Fluent.

7.4.1.3. Модель плавильной зоны ПКПС.

7.4.2. Разработка вопросов промышленного освоения ПКПС.

7.4.2.1. Способы формования перфорированного слоя в процессе работы камеры.

7.4.2.2. Равномерное распределение материала по сечению камеры.

7.4.2.3. Формирование перфорированного слоя в камере в предпусковой период.

7.5. Эффективность перспективной модели ТТУ на основе плавильной камеры с перфорированным слоем.

Выводы по главе 7.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методологии решения задач интенсивного энергосбережения в высокотемпературных теплотехнологиях»

Обеспеченность растущей экономики России энергоресурсами, являющаяся одним из условий повышения качества жизни населения страны, неразрывно связана с эффективным решением проблемы энергосбережения - ключевой энергетической проблемы современности.

Наибольшие резервы энергосбережения кроются в области конечного энергоиспользования - в энергетике технологии. Ведущим сектором энергетики технологии является энергетика теплотехнологии, охватывающая разнообразные и разномасштабные объекты: реакторы, установки, системы и комплексы. В указанных объектах наряду со значительными масштабами энергопотребления наблюдается наиболее низкий уровень эффективности использования энергоресурсов. Это особенно характерно для объектов высокотемпературной теплотехнологии.

Таким образом, работы но выявлению и реализации наиболее масштабного резерва энергосбережения следует сосредоточить на теплотехнологических объектах (ТТО) энергоемких отраслей промышленного производства, обращая особое внимание при этом на объекты высокотемпературной теплотехнологии.

Решению различных аспектов проблемы энергосбережения в промышленной теплоэнергетике во второй половине XX века были посвящены работы многих ученых: H.A. Семененко, Г.П. Иванцова, М.А. Глинкова, Б.И. Китаева, В.А. Кри-вандина, Ю.И. Розенгарта, В.Г. Лисиенко, Я.М. Щелокова, В.И. Тимошпольского, А.П. Несенчука, Л.А. Бровкина, А.Н. Коротина, О.Л. Данилова, B.C. Степанова и других.

Одним из продуктивных направлений к решению проблемы энергосбережения в теплотехнологических объектах является концепция интенсивного энергосбережения. Данное научное направление разрабатывается в МЭИ (ТУ) профессором Ключниковым А.Д. и руководимым им научным коллективом.

На основе концепции интенсивного энергосбережения (ИЭС) в трудах профессора Ключникова А.Д. сформулированы фундаментальные задачи энергетики теплотехнологии. к числу которых относятся:

1. Определение величины и структуры энергоемкости технологии производства продукта в теплотехпологическом объекте.

2. Определение теоретического минимума энергоемкости технологии производства продукта. Прогноз потенциала интенсивного энергосбережения.

3. Формирование, разработка и реализация на основе совокупности мероприятий интенсивного энергосбережения: а) перспективных моделей теплотехнологических объектов нового поколения; б) перспективных моделей действующих теплотехнологических объектов.

Указанные задачи можно квалифицировать как задачи интенсивного энергосбережения.

Насущной необходимостью решения проблемы энергосбережения определяется актуальность разработки методов и средств решения задач ИЭС в применении к разномасштабным объектам высокотемпературной теплотехнологии.

Связь работы с научными программами. Настоящая работа проводилась в рамках следующих программ и заданий:

1) Общесоюзная научно-техническая программа ГКНТ СССР на 1986-1990 г.г. 0.01.11 «Разработать и внедрить новые методы и технические решения межотраслевых проблем промышленной энергетики, направленные на энергосбережение» (Постановление ГКНТ и Госплана СССР № 555 от 30.10.85).

Задание 03.03.Д: «Разработать научные основы построения энергосберегающих тепловых схем и создания энергосберегающего экологически совершенного оборудования для теплотехнологических установок и систем, реализуемых на принципах безотходной технологии».

2) Координационный план научно-исследовательских работ Академии Наук СССР на 1986-1990 г.г.

Направление 2.26 «Физико-химические основы металлургических процессов». Раздел 2.26.2 - «Металлургия». Подраздел 2.26.2.2 - «Энергетика в металлургии». Задание 2.26.2.2.2 - «Разработка научных основ построения энергосберегающих тепловых схем и создание энергосберегающего и экологически совершенного оборудования для теплотехнологических установок и систем черной и цветной металлургии, реализуемых на базе безотходной технологии, эффективных источников энергии и теплотехнических принципов».

3) Программа научно-исследовательских работ МЭИ «Повышение эффективности и надежности энергоснабжения г. Москвы на период 1986-1990 г.г.».

Направление 7: «Разработка и внедрение энергосберегающих технологий в промышленных теплотехнологических и теплоэнергетических системах».

НИР: «Анализ энергобаланса металлургического завода «Серп и Молот» и прогноз перспектив его развития на основе энергоматериалосберегающих мероприятий и рекомендаций по созданию мало- и безотходных теплотехнологических и энергетических систем».

4) Госбюджетные НИР:

- «Разработка перспективных моделей энергосберегающих теплотехнологий и теплотехнологических систем нового поколения на базе концепции интенсивного энергосбережения», 1998 год;

- «Концептуальные энергосберегающие модели теплотехнологических систем как база выявления предельно полных принципиального и практического (технически выявленного) резерва экономии топлива и энергии в промышленности», 2001 год.

5) Тематический план по заданию Федерального агентства по образованию. Тема «Разработка основных принципов и методов повышения энергетической эффективности в теплотехнологиях», 2006-2008 годы.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы системного подхода к анализу теплотехнологических объектов, концепция интенсивного энергосбережения, методы имитационного моделирования структурно сложных объектов, методы математического моделирования процессов тепломас-сопереноса в высокотемпературных установках, методы планирования многофакторных вычислительных экспериментов.

Научная новизна

1. Разработан научно-методический аппарат решения задач интенсивного энергосбережения, имеющий универсальный характер и включающий:

- алгоритмы решения задач ИЭС как для действующих, так и для вновь создаваемых объектов высокотемпературных теплотехнологий. Этапы алгоритмов составляют логическую последовательность процедур, реализация которых является основой решения всех задач ИЭС, рассматриваемых в работе;

- методы и программные средства для анализа энергоемкости технологии производства продукта, выявления структуры энергоемкости;

- методические основы формирования математических моделей идеализированных теплотехнологических установок (ИТТУ) с регенеративным теплоисполь-зованием и топливным источником энергии;

- алгоритмы и программы расчета представительной совокупности тепловых схем ИТТУ для определения теоретического минимума энергоемкости технологии производства продукта и потенциала интенсивного энергосбережения в ТТО.

Разработанный универсальный научно-методический аппарат составил общую основу решения задач интенсивного энергосбережения в трех разномасштабных теплотехнологических объектах - в комплексе, системе и установке, при этом с учетом специфики каждого объекта методы и программные средства решения задач ИЭС получили дальнейшее развитие.

2. Реализованы методы и средства решения задач ИЭС в условиях теплотех-нологического комплекса (ТТК) производства строительной керамики.

Определена энергоемкость технологии производства продукта, выявлена ее структура. Впервые сформулированы глобальная и локальная постановки задачи минимизации энергоемкости технологии в ТТК, изложен подход к выбору очередности решения задач минимизации.

Определены теоретический минимум энергоемкости технологии производства продукта и потенциал интенсивного энергосбережения в ТТК. В рамках поиска путей реализации потенциала ИЭС на основе разработки и исследования перспективных моделей объекта создана математическая модель туннельной обжиговой печи. В процессе разработки и использования модели:

- обоснован новый подход к описанию внутреннего теплообмена в садке с применением коэффициента объемной теплоотдачи, впервые разработан и реализован алгоритм идентификации модели объекта;

- впервые поставлена и решена задача параметрической оптимизации объекта на основе технологического и энергетического условий оптимальности;

- количественно оценена эффективность направлений реализации потенциала ИЭС в ТТК.

3. Развиты и расширены методы и средства решения задач ИЭС в применении к теплотехнологической системе (TTC) черной металлургии. Впервые выявлена величина и структура потенциала ИЭС системы, свидетельствующая о важности постановки и решения задач интенсивного энергосбережения в границах замкнутого теплотехнологического комплекса.

Впервые реализован метод построения последовательности этапов энергетического совершенствования теплотехнологической системы, включая:

- формирование совокупности перспективных моделей TTC на основе мероприятий интенсивного энергосбережения;

- расчетный анализ моделей с использованием оригинальных программных средств;

- формулировку и алгоритм решения задачи ранжировки перспективных моделей.

4. Разработаны этапы алгоритма решения задач интенсивного энергосбережения для плавильной теплотехнологической установки (ТТУ) производства стекловолокна. Определен потенциал ИЭС, выбрано средство реализации этого потенциала - плавильная камера с перфорированным слоем материала (ПКПС).

5. Выполнена программная реализация трехмерной математической модели ПКПС, посредством которой впервые выявлена слабая зависимость коэффициента регенерации тепловых отходов от производительности камеры, количественно обоснована оценка ПКПС как перспективной модели оборудования нового поколения.

Разработана математическая модель плавильной зоны ПКПС, учитывающая изменение реологических свойств материала при его нагреве и плавлении и основанная на уточненной физической модели движения расплавленного материала. Выполнена оценка правомерности допущений, используемых в расчетных исследованиях движения пленки расплава по вертикальной охлаждаемой стенке в условиях высокотемпературной камеры.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Разработаны методы, алгоритмы и программные средства, обеспечивающие:

- анализ энергоемкости технологии производства продукта, выявление сгруктуры энергоемкости;

- определение теоретического минимума энергоемкости технологии производства продукта и потенциала интенсивного энергосбережения в теплотехнологическом объекте;

- ранжировку перспективных моделей теплотехнологического объекта, — которые могут применяться в текущей деятельности предприятий, работающих в области энергоаудита и энергосбережения, а также промышленных предприятий для поддержки принятия управленческих решений.

2. Создана совокупность программных продуктов, которая имеет универсальный характер и широкую область применения в расчетном исследовании топливных высокотемпературных установок, использована в проектно-конструкторских разработках АО «Уралхиммаш», ЗАО «АМКО» (г. Череповец), в научно-исследовательской деятельности ОАО «НИУИФ» для создания новых и энергетической модернизации действующих печей в теплотехнологических системах производства фторида алюминия, комплексных минеральных удобрений.

3. Выполнены научно-технические разработки:

- математическая модель туннельной обжиговой печи, методы и алгоритмы идентификации модели, а также параметрической оптимизации печи;

- математическая модель плавильной камеры с перфорированным слоем, технические решения по промышленному освоению камеры;

- математическая модель компактного регенератора, которые могут быть использованы научно-исследовательскими и проектно-конструкторскими организациями различных отраслей промышленности.

4. Решение задач интенсивного энергосбережения на конкретных примерах разномасштабных объектов с применением разработанной методологии расширяет возможности ее практического использования в аналогичных высокотемпературных теплотехнологиях.

5. Научные и практические результаты работы используются в учебном процессе, в учебно-методической литературе при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по специальностям «Энергетика теплотехнологии», «Промышленная теплоэнергетика», а также на курсах по переподготовке инженерно-технического персонала в Московском энергетическом институте (техническом университете).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международных, Всесоюзных и Всероссийских конференциях: «Проблемы энергетики теплотехнологии», Москва, 1987; «Повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в черной металлургии», Днепропетровск, 1989; «Научные основы энергосберегающей техники и технологий», Москва, 1990; «Интенсивное энергосбережение в промышленной теплотехнологии», Москва, 1991; Второй международный симпозиум по энергетике, окружающей среде и экономике, Казань, 1998; «Проблемы эффективного использования энергоносителей и низкосортных топлив в промышленности», Саратов, 1998; «Современное газоисполь-зующее оборудование и технологии в решении энергосберегающих и экологических проблем в газовой промышленности», Ижевск, 1999; «Автоматизированный печной агрегат — основа энергосберегающих технологий металлургии XXI века», Москва, 2000; «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (X Бенар-досовские чтения), Иваново, 2001; «Информационные средства и технологии», Москва, 2002; «Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии», Москва, 2002; «Рациональное использование природного газа в металлургии», Москва, 2003; «Энергосбережение - теория и практика», Москва, 2004; «Информационные технологии и математическое моделирование», Томск, 2004, 2005; «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы) СЭТТ-2005», Москва, 2005; «Энерго- и ресурсосберегающие технологии в металлургии», Москва, 2008.

Публикации. Основные научные положения, выводы и рекомендации диссертации содержатся в 51 опубликованной работе, в том числе 17 работ опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 авторское свидетельство и 3 патента на изобретения.

Объем и структура работы. Материал диссертации изложен на 331 странице машинописного текста. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов и приложений, содержит 132 рисунка и 24 таблицы. Библиографический список включает 274 публикации.

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Попов, Станислав Константинович

Выводы по главе 7

1. Для плавильной теплотехнологической установки - стекловаренной установки в системе производства стекловолокна - сформирована структурная модель, включающая в себя технологическую и тепловую схемы, температурные графики теплотехнологии ТТУ, характеристики энергопотребления. Полученные данные составляют основу для решения задач интенсивного энергосбережения.

В результате решения первой задачи ИЭС установлена величина энергоемкости ТЭР, потребляемых в ТТУ, - 483,1 кг у.т./т.

Решение второй задачи ИЭС на основе разработки, программной реализации и исследования структурных моделей идеализированных аналогов стекловаренной установки позволило установить глобальный минимум энергоемкости ТЭР, потребляемых ТТУ (74,5 кг у.т./т), потенциал интенсивного энергосбережения (408,6 кг у.т./т), а также коэффициент полезного использования энергии первичного топлива (15,4%). При этом традиционно определяемый КПД установки [184] заметно больше: 24,8%. Следовательно, в рамках решения задач ИЭС получается более строгая оценка энергетической эффективности ТТО.

Полученные результаты формируют объективную картину использования топливно-энергетических ресурсов в теплотехнологическом объекте. Анализ этой картины приводит к выводу, что рассматриваемая ТТУ обладает существенным потенциалом энергосбережения, и необходим поиск путей реализации выявленного потенциала посредством разработки перспективных моделей стекловаренной ТТУ.

2. На основе анализа вариантов перспективных моделей ТТУ выбрана установка, включающая в свой состав плавильную камеру с перфорированным слоем материала (ПКПС). Данная камера, согласно известным результатам исследований, способна обеспечить высокий уровень теплотехнического и экологического совершенства плавильного процесса. Это дает основание отнести плавильную камеру с перфорированным слоем к числу перспективных моделей нового поколения плавильных установок и одновременно указывает на целесообразность дальнейшей разработки ПКПС для промышленного освоения камеры в различных теплотехно-логиях, основанных на плавильных процессах.

3. Впервые разработанная трехмерная математическая модель ПКПС по сравнению с аналогами в большей мере приближена к реальной картине процесса тепломассопереноса в камере, обеспечивает получение уточненной и более детальной информации о режимных характеристиках ПКПС, их связи с конструктивными характеристиками камеры.

4. Расчетными исследованиями модели установлена возможность достижения в ПКПС высокого уровня коэффициента регенерации тепловых отходов т]рег более 80-90 %. Впервые выявлена слабая зависимость Г|рег от производительности. Эти результаты дают основание оценить ПКПС как энергоэффективный регенеративный элемент тепловой схемы плавильной установки - перспективную модель оборудования нового поколения.

5. Разработанная математическая модель ПКПС позволяет провести масштабное комплексное исследование области энергоэффективного использования данного технического решения в высокотемпературной теплотехнологии, выполнить оптимизацию конструктивных и режимных параметров ПКПС, получить необходимую информацию для проектирования и промышленного освоения установки, содержащей ПКПС в составе теплотехнической схемы.

6. Впервые разработана математическая модель плавильной зоны ПКПС, учитывающая изменение реологических свойств материала при его нагреве и плавлении. Исследование модели приводит к выводу, что плавильная зона ПКПС способна работать практически без потерь теплоты в окружающую среду через боковое ограждение камеры: коэффициент регенерации материалом указанных тепловых потерь более 99 %. Это подтверждает эффективность ПКПС как энергосберегающего оборудования.

7. Посредством модели плавильной зоны ПКПС оценена правомерность некоторых допущений, используемых в расчетных исследованиях движения пленки расплава по вертикальной охлаждаемой стенке в условиях плавильной камеры.

Подтверждена допустимость рассмотрения движения материала как движения, близкого к равномерному. Вместе с тем может быть не всегда оправданным допущение, что существует четкая граница между вязкопластичным и квазитвердым слоями материала, определяемая по конкретному значению динамической вязкости.

8. Разработан ряд вопросов, связанных с промышленным освоением ПКПС. Предложенные технические решения по организации перфорированного слоя в процессе работы камеры и формированию перфорированного слоя в камере в предпусковой период защищены тремя патентами на изобретения и патентом на полезную модель.

9. Высокая степень реализации потенциала интенсивного энергосбережения (67,7 %) и возрастание более чем вдвое значения КПИ - с 15,4 % до 36,1 % - по сравнению с исходным вариантом свидетельствуют о том, что перспективная модель стекловаренной установки с ПКПС является эффективным решением проблемы энергосбережения в стекловаренных теплотехнологических установках для систем производства стекловолокна. Следующее, более близкое приближение к идеализированному аналогу следует искать для данных установок в направлении комплексной регенерации всех тепловых отходов, включая тепловой поток через ограждение в окружающую среду и тепловой поток от охлаждаемого расплава в зоне студки.

Заключение и основные выводы по работе

В результате выполнения диссертационной работы решена важная научная проблема создания методологии решения задач интенсивного энергосбережения в высокотемпературных теплотехнологических объектах энергоемких отраслей промышленного производства.

Основными результатами работы являются:

1. Выполненный анализ подходов к решению проблемы энергосбережения в теплотехнологических объектах позволил выбрать в качестве методологической базы концепцию интенсивного энергосбережения и выделить в се рамках совокупность задач энергетики теплотехнологии - задач интенсивного энергосбережения.

Разработаны алгоритмы решения задач интенсивного энергосбережения (задач ИЭС) как для действующих, так и для вновь создаваемых теплотехнологических объектов (ТТО). Алгоритмы содержат ряд идентичных по содержанию этапов, в частности, этапы определения энергоемкости технологии производства продукта в теплотехнологическом объекте, его идеализированном аналоге и в вариантах перспективных моделей ТТО. Проведенные исследования позволяют заключить, что методы выполнения указанных этапов имеют достаточно общий характер, а результаты разработки и программной реализации этих методов отличаются универсальностью и широкой областью применения.

2. Разработаны методические основы решения задачи определения энергоемкости технологии производства продукта и выявления ее структуры. Новые программные продукты для решения указанной задачи повышают эффективность процедуры систематизации и обработки информации о теплотехнологических объектах.

3. Разработаны методические основы формирования математических моделей идеализированн ых теплотехнологических установок (ИТТУ). Сформирована совокупность тепловых схем ИТТУ, которая должна быть подвергнута анализу в процессе решения задачи определения теоретического минимума энергоемкости технологии производства продукта и потенциала интенсивного энергосбережения в ТТО.

Впервые разработанные алгоритмы расчета являются общими для нескольких типов тепловых схем ИТТУ. Созданное на основе этих алгоритмов программное обеспечение в достаточной мере универсально, т.к. охватывает значительную долю высокотемпературных теплотехнологий и применимо для анализа тепловой обработки материалов с различным количеством и параметрами фазовых превращений.

4. Реализация методов и программных средств решения задач интенсивного энергосбережения, их дальнейшее развитие выполнены в применении к трем разномасштабным объектам высокотемпературных теплотехнологий — комплексу, системе и установке.

Для теплотехнологического комплекса (ТТК) производства строительной керамики разработан алгоритм расчета материальных потоков и характеристик энергоемкости с учетом рециркуляции отдельных потоков. Установлена величина и структура энергоемкости технологии производства продукта, динамика ее изменения по технологическим стадиям комплекса.

Сформулированы глобальная и локальная постановки задачи минимизации энергоемкости технологии в ТТК, предложен подход к выбору очередности решения задач минимизации.

Разработаны идеализированные модели элементов ТТК, исследованием которых установлено: теоретический минимум энергоемкости технологии в ТТК (на тонну продукта) - 21,71 кг у.т./т, потенциал интенсивного энергосбережения -146,14 кг у.т./т. коэффициент полезного использования энергии первичного топлива (КПИ) - 12,9 %. Наибольшие резервы энергосбережения скрыты в высокотемпературной установке - обжиговой ТТУ.

С целью решения одной из задач ИЭС - поиска путей реализации потенциала ИЭС на основе разработки и исследования перспективных моделей ТТО - разработана математическая модель туннельной обжиговой печи с объемной укладкой материала. В процессе программной реализации модели создана совокупность классов - программных продуктов, имеющих универсальный характер и широкую область применения.

Для описания внутреннего теплообмена в садке предложен новый подход: ввод в уравнение энергии источникового члена, содержащего коэффициент объемной теплоотдачи av. Разработан и реализован алгоритм идентификации математической модели, позволяющий определить величину av.

Сформулирована задача параметрической оптимизации туннельной печи с использованием технологического и энергетического условий оптимальности. Разработан и реализован алгоритм оптимизации на основе идентифицированной математической модели. Исследованием ряда перспективных моделей системы «сушка - обжиг» в составе ТТК выявлены направления реализации потенциала ИЭС.

5. Последовательно реализованы этапы алгоритма решения задач интенсивного энергосбережения для действующего объекта — металлургической теплотех-нологической системы (TTC) производства стальной проволоки.

Установлена энергоемкость технологии в системе — 1323 кг у.т./т. Разработана модель TTC с термодинамически идеальными установками и экстремальной тепловой схемой. Установлены теоретический минимум энергоемкости технологии в системе - 356,9 кг у.т./т и потенциал интенсивного энергосбережения в TTC — 966,1 кг у.т./т. Немалая доля потенциала - 16,4 % - приходится на окружение системы. Это свидетельствует о важности постановки и решения задач ИЭС в пределах внешних границ окружения конкретного ТТО - в границах замкнутого тепло-технологического комплекса.

Сформулирована задача ранжировки перспективных моделей TTC, изложен и реализован алгоритм ее решения. В результате определен своего рода энергетический сценарий развития теплотехнологического объекта.

Разработана перспективная модель элемента TTC — энергосберегающая установка для термообработки длинномерных изделий, обеспечивающая снижение удельного расхода топлива до 6-7 кг у.т./т. Результаты разработки защищены авторским свидетельством.

6. Для плавильной теплотехиологической установки - стекловаренной ТТУ в системе производства стекловолокна - в результате решения задач ИЭС установлены энергоемкость ТЭР, потребляемых в ТТУ, - 483,1 кг у.т./т, ее глобальный минимум - 74,5 кг у.т./т, потенциал интенсивного энергосбережения - 408,6 кг у.т./т и КПИ - 15,4%. Для реализации потенциала ИЭС из совокупности перспективных моделей ТТУ выбрана установка, включающая в свой состав плавильную камеру с перфорированным слоем материала (ПКПС).

Впервые разработана трехмерная математическая модель ПКПС, по сравнению с аналогами в большей мере приближенная к реальной картине процесса теп-ломассопереноса в камере. Установлена возможность достижения в ПКПС высокого уровня коэффициента регенерации тепловых отходов т|рег - более 80-90 %.

Впервые выявлена слабая зависимость Т1рег от производительности. Эти результаты дают основание оценить ПКПС как перспективную модель оборудования нового поколения.

Впервые разработана математическая модель плавильной зоны ПКПС, учитывающая изменение реологических свойств материала. Установлено, что плавильная зона ПКПС способна работать практически без потерь теплоты в окружающую среду через боковое ограждение камеры.

Высокая степень реализации потенциала интенсивного энергосбережения (67,7 %) и возрастание более чем вдвое значения КПИ - с 15,4 % до 36,1% - по сравнению с исходным вариантом свидетельствуют о том, что перспективная модель стекловаренной установки с ПКПС является эффективным решением проблемы энергосбережения в стекловаренных ТТУ.

Разработан ряд вопросов промышленного освоения ПКПС. Предложенные технические решения защищены патентами на изобретения и полезные модели.

7. Во всех рассмотренных теплотехнологических объектах методология решения задач ИЭС приводит к более низким значениям характеристик энергетической эффективности по сравнению с традиционно используемыми показателями. Это позволяет сделать вывод, что разработанная методология решения задач ИЭС вскрывает большие резервы энергосбережения в ТТО, стимулируя тем самым поиск путей реализации этих резервов.

8. Методология решения задач интенсивного энергосбережения нашла применение в научно-исследовательских и проектно-конструкторских работах, реализованных в промышленности (см. приложение 5), что подтверждает ее продуктивность и востребованность.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Попов, Станислав Константинович, 2008 год

1. Simulink 4. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002. - 528 с.

2. Абзалов Ю.М., Невский A.C. Изучение теплопроводности слоя кускового материала // Изв. вузов. Черная металлургия. 1971. - №2. - С. 142-145.

3. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. -М.: Наука, 1976. 279 с.

4. Аоки М. Введение в методы оптимизации. М.: Наука, 1977. - 343 с.

5. Аракелов В.Е., Кремер А.И. Методические вопросы экономии энергоресурсов. — М.: Энергоатомиздат, 1990. 190 с.

6. Арутюнов В.А., Бухмнров В.В., Крупенников С.А. Математическое моделирование тепловой работы промышленных печей. М.: Металлургия, 1990.-239 с.

7. Асцатуров В.Н. Интенсификация тепловой работы нагревательных печей // Рациональное использование природного газа в металлургии: Сб. тез. докл. межд. науч.-практ. конф. М., 2002. - С. 47-50.

8. Бердов A.A., Буланов Ю.Н., Бурчанов А.П., Медиков В.Я. Вопросы разработки экономико-математической модели металлургического предприятия // Изв. ВУЗов. Черная металлургия. 1990. - №10. - С. 66-68.

9. Блехман И.И. Что можег вибрация. О "вибрационной механике" и вибрационной технике. М.: Наука, 1998. - 208 с.

10. Блох С.А. Термоупругие напряжения в изделиях стеновой керамики при их обжиге // Строительные материалы. 1976. - № 2. - С. 27-33.

11. Ботов Л.П., Исагулов А.З., Егоров В.В. Опыт и перспективы импульсного уплотнения литейных форм: Аналитич. обзор. М.: ВНИИЭСМ- 1990. -Вып. 2.-45 с.

12. Бухмиров В.В. Разработка и использование математических моделей для решения актуальных теплотехнических задач металлургического производства: Автореф. дисс. . докт. техн. паук. М., 1998. - 48 с.

13. Бухмиров В.В., Крупенников С.А. Некоторые аспекты современного состояния математического моделирования тепломассообменных процессов в15