автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Продление эксплуатационного ресурса стекловаренных печей на основе интенсификации теплообмена в системе регулируемого охлаждения огнеупорных стен варочного бассейна

ОЗЕРОВ НИКИТА АЛЕКСЕЕВИЧ

ПРОДЛЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО РЕСУРСА СТЕКЛОВАРЕННЫХ ПЕЧЕЙ НА ОСНОВЕ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА В СИСТЕМЕ РЕГУЛИРУЕМОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ОГНЕУПОРНЫХ СТЕН ВАРОЧНОГО БАССЕЙНА

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

Саратов 2013

005540877

005540877

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Семенов Борис Александрович

Официальные оппоненты: Щелоков Анатолий Иванович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Промышленная теплоэнергетика»

Демчук Владимир Юрьевич

кандидат технических наук, доцент НИЦ ОАО «Гипрониигаз», заместитель директора

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Национальный

исследовательский университет МЭИ», г. Москва

Защита состоится « 17 » декабря 2013 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д212.242.07 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, корпус 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Автореферат разослан « » ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор ^ Ларин Е.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. 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. Однако доля экспортных поставок в настоящее время не превышает 7-10% от общего объема листового стекла, производимого в России

Для сохранения и наращивания 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.

Стекловаренные печи представляют собой теплотехнологические установки, рабочая температура внутри которых составляет 1450-1550°С. Варочный бассейн печи подвергается износу из-за интенсивно протекающих процессов высокотемпературной коррозии. Поэтому снижение интенсивности коррозионных процессов является актуальной научно-технической задачей, от решения которой зависит продолжительность кампании стекловаренных печей.

Целью диссертационной работы является научное обоснование рациональных путей и методов продления эксплуатационного ресурса стекловаренных печей на основе математического моделирования процессов высокотемпературной коррозии огнеупоров в стенах варочного бассейна и оптимизации параметров обдува, используемого для охлаждения огнеупорной кладки

Задачи исследования: 1. Сравнительный анализ эксплуатационных характеристик современных огнеупоров от ведущих мировых и отечественных производителей с получением адекватных зависимостей, позволяющих прогнозировать интенсивность коррозионных процессов в огнеупорных материалах, контактирующих с расплавом стекломассы.

2. Аналитическое исследование параметров теплоотдачи при обдуве, критических зон огнеупорных ограждений нормально направленными плоскими воздушными струями с получением расчетных зависимостей для обоснования минимально допустимого удельного расхода охлаждающего воздуха в соплах системы обдува.

3. Разработка и тестирование математических моделей для прогнозирования динамики нестационарных процессов высокотемпературной кор-

розии огнеупорных стен в реальных условиях эксплуатации стекловаренных печей при постоянном и регулируемом обдуве критических зон варочного бассейна с обоснованием оптимальных законов регулирования.

4. Разработка методики многофакторной технико-экономической оптимизации параметров обдува для обоснования условий достижения локальных максимумов экономической эффективности и поиска путей достижения глобального максимума ЧДД.

5. Разработка рекомендаций по продлению эксплуатационного ресурса стекловаренных печей в технологических линиях по производству листового стекла.

Научная новизна работы:

1. Выполнен регрессионный анализ массивов экспериментальных данных, полученных разными авторами в лабораторных условиях при взаимодействии огнеупорных материалов с расплавом стекломассы, на основе которого построены аппроксимационные математические модели процессов высокотемпературной коррозии для ряда современных огнеупорных материалов отечественного и зарубежного производства, адекватные с доверительной вероятностью 95%.

2. Уточнена методика расчета конвективной теплоотдачи при струйном обдуве критических зон варочного бассейна, на основе которой разработан и программно реализован алгоритм численного метода определения требуемых параметров системы обдува (размера сопел и удельного расхода воздуха), позволяющий минимизировать энергозатраты на привод нагнетателей.

3. Разработана математическая модель, позволяющая прогнозировать динамику изменений остаточной толщины корродирующих огнеупорных брусьев варочного бассейна стекловаренной печи при различных параметрах обдува, температурах пламенного пространства, характеристиках огнеупорного материала и условиях эксплуатации.

4. Обоснована, разработана и программно реализована методика численной технико-экономической оптимизации параметров наружного обдува огнеупорных ограждений, позволившая доказать экономическую целесообразность обдува с переменными скоростями и подобрать закон регулирования скоростей, обеспечивающий достижение максимума интегрального эффекта.

5. На основе анализа результатов многовариантного вычислительного эксперимента, выполненного с использованием разработанных математических моделей высокотемпературной коррозии огнеупоров при переменных скоростях обдува критических зон, и последующей технико-экономической оптимизации параметров системы обдува сформулированы принципы рационального продления кампании стекловаренных печей. Главные из них: использование регулируемого обдува (с постепенным увеличением скорости в пределах обоснованного интервала значений по

мере уменьшения остаточной толщины корродирующей огнеупорной стенки); обоснованный выбор размера сопел системы обдува в зависимости от принятой конечной скорости обдува и вида огнеупорного материала; многократное эксплуатационное наращивание корродирующей огнеупорной стенки в критических зонах дополнительными плитками минимальной толщины.

Праетическая значимость работы заключается разработке методических рекомендаций и алгоритма комплексной многофакторной технико-экономической оптимизации конструктивных параметров охлаждаемой огнеупорной кладки и эксплуатационных режимов обдува, позволяющих продлевать эксплуатационный ресурс варочного бассейна стекловаренных печей, достигая при этом максимума чистого дисконтированного дохода (ЧДД).

Результаты диссертационной работы внедрены на предприятии ОАО «Саратовстройстекло» (Рекомендации по продлению эксплуатационного ресурса включены в техническое задание на реконструкцию системы обдува стекловаренной печи ЛТФ-1 и используются в эксплуатационной практике, приказ 147-5 от 3.09.2013), а также в организации ООО «Проектный институт Саратовтеплопроект» (Методические рекомендации и программный продукт приняты для использования в проектной практике, приказ № 136/п от 28.08.2013).

Материалы работы используются также в СГТУ имени Гагарина Ю.А. в спецкурсе «Тепловые режимы огнетехнических установок», дипломном проектировании и НИРС для специальности «Промышленная теплоэнергетика» и при подготовке магистров по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника».

На защиту выносятся:

- комплекс двухфакторных аппроксимационных математических моделей для описания процесса высокотемпературной коррозии огнеупорных материалов отечественного и зарубежного производства в статических условиях;

- уточненная методика расчета конвективной теплоотдачи при струйном обдуве критических зон варочного бассейна и разработанный на ее основе алгоритм численного определения минимально допустимых параметров системы обдува (размера сопел и удельного расхода воздуха);

- математическая модель и результаты прогнозирования динамики эксплуатационных изменений остаточной толщины корродирующих огнеупорных элементов варочного бассейна стекловаренной печи при различных параметрах обдува, температурах пламенного пространства, характеристиках огнеупорного материала и условиях эксплуатации;

- методика и программа для реализации численного метода многофакторной технико-экономической оптимизации параметров системы наружного обдува огнеупорных ограждений варочного бассейна стеклова-

ренных печей. Вывод об экономической целесообразности обдува с переменными скоростями, методика и результаты обоснования параметров оптимального регулирования скорости обдува по условию достижения максимума интегрального эффекта.

- рекомендации по продлению кампании стекловаренных печей, разработанные на основе анализа результатов многовариантных расчетов, выполненных на математических моделях.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов определяется использованием фундаментальных физических законов, математических методов обработки данных и методологии статистического анализа. Полученные аппроксимационные зависимости, адекватны с доверительной вероятностью 95%, их погрешность не превышает ±10%. Тестирование математической модели, разработанной для оценки продолжительности эксплуатационного ресурса варочного бассейна в реальных условиях, показало хорошее совпадение с фактическими показателями работы стекловаренной печи ЛТФ-1 ОАО "Саратовстрой-стекло" (расхождение менее 8 %). Все это позволяет оценить степень достоверности полученных в работе результатов, как вполне достаточную для практических целей.

Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: ежегодных научных семинарах и научно-технических конференциях кафедры «Промышленная теплотехника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А; МНК «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения», (Саратов 2010); на пятой международной конференции «Стеклопрогресс XXI»,(Саратов, май 2011); на шестой международной конференции «Стеклопрогресс XXI»,(Саратов, май 2012).

Публикации. Основные положения и результаты диссертационного исследования опубликованы в 12 печатных работах, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 199 страницах и состоит из введения, пяти глав, общих выводов и заключения, списка использованных источников и приложения. Работа содержит 47 рисунков, 20 таблиц, 6 приложений. Список использованных источников включает 95 наименования, из них 13 зарубежных работ и 3 электронных ресурса.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, изложены цели и задачи, сформулированы научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе «Обзор состояния вопроса и выбор направления исследования» дана характеристика производства листового стекла в России

и современного состояния стекловаренной промышленности в целом. Приведено описание состава, теплофизических характеристик и способов получения огнеупорных материалов, из которых состоит кладка варочного бассейна стекловаренных печей. Проанализированы методы снижения скорости высокотемпературной коррозии огнеупорных материалов: воздушное охлаждение наружной поверхности брусьев огнеупорной кладки, испарительный способ охлаждения, способ подачи хладоносителя на поверхность стекломассы в месте соприкосновения с огнеупорным материалом, подача охлаждающего воздуха во внутреннюю полость огнеупора, метод, основанный на комбинации горизонтального слоя приконтактной стекломассы и наружной металлической водоохлаждаемой пластины.

В результате сравнительного анализа достоинств и недостатков перечисленных методов снижения скорости высокотемпературной коррозии огнеупоров для исследования был выбран вариант наружного охлаждения огнеупорной кладки путем обдува периметра стен варочного бассейна направленными воздушными струями, истекающими из щелевых сопел. Суть метода заключается в том, что при высоких скоростях обдува интенсифицируется теплоотвод от наружной поверхности критической зоны огнеупорной кладки, в которой воздействие высокотемпературной коррозии проявляется наиболее сильно. При этом из-за эффекта теплопроводности понижается температура в зоне контакта огнеупора с расплавом стекломассы, а это способствует уменьшению скорости коррозии. Принципиальная схема выбранного метода представлена на рис. 1.

1 2 3 4 5 6 рнс 1 Система наружного обдува

' огнеупорных конструкций варочного

, , бассейна стекловаренной печи:

с*—у. ' __1 - воздушный коллектор; 2 - щелевое сопло;

_~_ __3- огнеупорный материал; 4 - область

—_— разъедания огнеупорного материала;

.-V' *" .. _—__5 - уровень зеркала стекломассы;

—— —— —~~ 6 - пламенное пространство печи

Достоинством выбранного метода является относительная простота реализации, эксплуатационная надежность и отсутствие рисков, связанных с нарушением технологического регламента производства листового стекла. Поэтому данный метод наиболее распространен на предприятиях отрасли, что является важным аргументом для проведения исследований с целью научного обоснования мероприятий, направленных на повышение его эффективности.

Во второй главе «Создание информационной базы и математическая обработка данных о теплофизических параметрах и коррозионной устойчивости огнеупоров» собраны сведения о составе, свойствах, теплофизических характеристиках и коррозионной устойчивости современных огнеупорных материалов, используемых в стекольном производстве. Произве-

ч

дена математическая обработка графиков, представленных в коммерческих проспектах ведущих мировых производителей огнеупорных материалов, и выполнена аппроксимация результатов полиномами третьей степени:

Я= Л,-t3 +А2 t2 + A,-t + A0 (1)

где t - средняя температура огнеупорного материала, °С; А/, А2, А}, А0 -эмпирические коэффициенты, значения которых, определены методом наименьших квадратов (в результате компьютерного аппроксимирования).

Таким образом, были получены адекватные с 95% доверительной вероятностью расчетные зависимости теплопроводности от температуры следующих огнеупоров: «МОИМ» (Венгрия), «SEPR Beijing» (Китай), «Zibo Asahi glass fused materials» (Япония), «Luoyng Dayang Refractory»(KHTafl), «Monofrax», (США), которые могут использоваться при математическом моделировании.

Аппроксимационное математическое описание интенсивности высокотемпературной коррозии было выполнено на примере двух линеек огнеупорных материалов: линейка отечественных огнеупоров марки Бакор, и линейка огнеупоров зарубежного производства марки Monofrax. Данный выбор был обусловлен тем, что огнеупоры этих марок производятся по разным технологиям и, несмотря на практически идентичный химический состав, обладают различной стеклоустойчивостью, разными теплофизиче-скими характеристиками и структурными особенностями, что существенно отражается на их эксплуатационных ресурсах.

Исходными данными для математического моделирования интенсивности коррозионных процессов послужили графики зависимостей скорости высокотемпературной коррозии от температуры расплава стекломассы, построенные по экспериментальным данным, полученным разными авторами на основе результатов лабораторных испытаний ряда отечественных и зарубежных электроплавленных бадделеито-корундовых огнеупоров с различным содержанием двуокиси циркония, (рис. 2, 3).

о

0.5

о

5 о

1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650

Температура в зоне контакта,!, "С

Рис. 2. Стеклоустойчивость огнеупоров

марки Бакор: 1 - БК-33, 2 - БК-41,3 - БК-45; 4 - БК-50

Рис. 3. Стеклоустойчивость бадделеито-корундовых огнеупоров марки Monofrax

В результате реализации методов регрессионного анализа и ортогонального планирования первого порядка предварительно линеаризованной базовой экспоненциальной функции были получены двухфакторные ап-проксимационные математические модели процесса высокотемпературной коррозии огнеупоров марки Бакор (2) и Monofrax (3).

«=4,708- Ю"5 • еф (7,336- 10*-(t+273) • (84,82+С) -0,1664-с); (2)

(0= 2,65-]0~4 -ехр (2,366-Ю-4 -(? + 273)-(24,826 + С)-0,4867-С|. (3)

где со - скорость коррозии, мм/сут.; г - температура в зоне контакта огне-упора с расплавом стекломассы,°С; С - содержание двуокиси циркония в огнеупорном материале, %.

Статистический анализ показал, что полученные аппроксимационные математические модели высокотемпературной коррозии огнеупоров (2) и (3) адекватны с доверительной вероятностью 95% и обеспечивают точность предсказания в пределах доверительных интервалов ± 7,64% и ± 9,48% соответственно при 1200°С < t < 1600°С; 33% < С < 50% (2) и 1430°С < t < 1550°С; 34% < С < 40% (3).

В третьей главе «Аналитическое обоснование требуемых параметров системы наружного обдува стекловаренных печей» приведено математическое описание процесса конвективной теплоотдачи, адаптированное к случаю струйного обдува критической зоны варочного бассейна плоской, нормально направленной воздушной струей, основой которого послужило известное критериальное уравнение М.А.Михеева

Nu^s = 0,037 • Re°;85 • Pr°<43 - (Ргж/ PrCT f25 (4)

Схема развития воздушного потока, истекающего из плоского щелевого сопла на наружную поверхность огнеупорного материала при h/S =10, показана на рис. 4.

В результате проведенного анализа было решено, что для математического описания теплоотдачи от плоской поверхности к воздушному потоку, образованному струей, истекающей из плоского сопла, удобнее использовать следующую модифицированную форму критериального уравнения (5), отличающуюся тем, что в качестве характерного размера в критериях Nu^-.s и Re^s использован размер сопла (ширина), а не размер зоны теплоотдачи, как в (4):

Воздух ■

_Р

h

/ к к

-о

-5 о

1,„°С; и(), м/с

Л'в = +S /2 ,

X = и ■.г,, = 0,0 х = - S*l2

лн = -S /2

Со

¡3 сх

э-

35 сЗ

£ —■

§i

Рис. 4. Схема образования продольных течений при обдуве критической зоны корродирующей огнеупорной стенки

NU;,S ~ 0,037 • (Re;sf8 • {SIS - РгГ3 • (Ргж/Ргст)0'25 (5)

Кроме того, для учета нагрева воздушной струи в процессе ее движения вдоль теплоотдающей поверхности была получена аналитическая зависимость среднелогарифмического температурного напора от соотношения размеров сопла S * и критической зоны S:

к

A f„

Аг„

Ar„

1-ехр

м-* а S

- Nu*.s----

A,, S*

Ln^ Ai™.

тг- a S

Nu*.s--

а

(6)

где а - коэффициент температуропроводности, м2/с; ЬуД - удельный расход воздуха, приходящийся на каждый метр длины плоского сопла, м2/с.

После математических преобразований с учетом (6) было получено выражение, определяющее интегральную величину удельного теплового потока, q, Вт/пм, отводимого с каждого погонного метра критической зоны шириной 5, м, при обдуве наружной поверхности огнеупорной стенки варочного бассейна нормально направленной воздушной струей, истекающей из плоского сопла шириной 5*, м:

<7 = <V4

.V -¿.Ь. S а

1-ехр

ч

х, а 5

- Nu»,s----

' S*

А,

Л/п

s =anp.s-Af„-S

(7)

Далее аналитическим путем было получено выражение для расчета минимального удельного расхода обдувающего воздуха 1Ля |П|П, м2/с, требуемого по условию не превышения допустимой температуры уходящей струи , °С, при температуре обдуваемой наружной поверхности г1Ш, °С и начальной температуре воздуха в сопле га, °С:

✓ \"]5

^уддпіл а '

о,оз7-Рг;а37-| ^ Рг,т

\0,25

s*

0,8

Ln

tu П -t

ух y

(8)

Эта величина является одним из определяющих параметров системы наружного обдува. При известных размерах сопла, 5*, м, и критической зоны, 5, м, она позволяет определить минимально допустимую скорость обдува, ц„1П, м/с, что в конечном итоге дает возможность оценить энергопотребление системы. На основе выражения (8) были получены частные зависимости для существующей печи ЛТФ-1 ОАО «Саратовстройстекло» " (при 5*=0,014м; 5=0,1 м):

¿Уд

40,80293- Ln

'нп-45 ч'нп -60у

Ріж Pu

1.25

(9)'

Зная, что удельный расход определяется произведением средней скорости на ширину сопла, уравнение (9) было решено относительно мини-

мально допустимого значения средней скорости обдува и после математических преобразований представлено в виде

17,3747-їм

-45 /.... -60

0,696 Рг„

(10)

Выражения (9) и (10) определяют минимально допустимые параметры обдува в соплах размером 5* = 0,014 м, применяемых на ОАО «Саратовст-ройстекло» при ширине критической зоны 5 = 0,1 л».

Далее в главе 3 описан методический подход к получению обобщенных зависимостей между требуемыми параметрами системы обдува и остаточной толщиной корродирующего огнеупора, основанный на итерационном расчете с использованием уравнения (11): \0,2

= 0,037-

п0.8 г, -0,12

Рй^-Рг

-0,25 ,

1ст

ы

'ег ~'0

і *тах \'ст 'ух

(11)

Методика и алгоритм данного расчета приведены в диссертации, а результаты, полученные на примере огнеупоров двух разных марок, представлены на графиках рис. 5.

О 100 200 300

Остаточная толщина огнеупора, (5, мм

• гі-М (Сопло К*=0,005 м>;

• /1-М (Сопло 8*=0.0!4 м); » 7-1-М (Сопло 3'=0,00<)5 и); о БК-ЯЗ (Сопло 5*-0.005м>; а БК-33 (Сопло Х*=0,0ї4 м), л БК-33 (Сопло -Ч*=0.0095 и};

Аппроксимирующая функция 1

-Аппроксимирующая функция 2

—■ Аплрокспмхруюшля функиня 3

___Аплрокслмируюшзя функция 4

Аппроксимирующая функция 5 Аппроксимирующая функция й

Рис. 5. Зависимости минимально допустимых скоростей обдува от остаточной толщины, построенные по результатам вычислительного эксперимента на примере огнеупоров марки БК-33 и 2х-М

Эти результаты аппроксимированы дробно-рациональными функциями (12), коэффициенты которых представлены в табл. 1.

С = „ . = , Р2 . г, , ■ (12)

я, -8 +а, -8+ап

А1-5+ Д ¿+Д,

Дополнительно в табл. 1 представлены коэффициенты аппроксимирующих функций (12) для огнеупора гиковк-У, обладающего наибольшей коррозионной устойчивостью. Выражения (12) с учетом данных таблицы 1 позволяют обосновывать минимальные значения удельного расхода и скорости в системе обдува стекловаренных печей, варочный бассейн которых выполнен из огнеупоров БК-33, ЙгкоБП-М или г^ковй-У, при условии использования сопел трех типоразмеров, показанных табл. 1.

Наблюдаемое на рис. 5 хорошее визуальное совпадение аппроксимирующих кривых с расчетными точками, полученными на основе вычислительного эксперимента, доказывает справедливость описания полученных расчетных зависимостей дробно-рациональными функциями второй степени (12), обеспечивающими высокую точность расчета.

Таблица 1

Коэффициенты аппроксимирующих функций (12)

Б*, м для расчета формального параметра V по формуле (45) и расхода ¿.'[^ по формуле (46) для расчета минимально допустимой скорости воздуха в соплах с использованием дробно-рациональной функшш (47)

а-> <¡1 ая .4. А, Ао

Бакор марки БК-33

0,014 7.72157Е-05 0,0468593 0,84964982 1.08102Е-06 0,000656 0,0118951

0.0095 3.30856Е-05 0,0368325 0.65434035 3.14313Е-07 0,0003499 0,00622098

0,005 1.42949Е-05 0,0307058 0,54449552 7,14746Е-08 0.0001535 0,00272248

Хпкмарки У-1~'.>:о±\1 -М

0,014 9.349Е-05 0,0513496 0.8439494 1.309Е-06 0,0007189 0,0118153

0.0095 3.822Е-05 0,0409696 0,6281092 3.631Е-07 0,0003892 0.005967

0,005 1.452Е-05 0.0343771 0.4827335 7,26Е-08 0.0001719 0,0024137

/нг.о^!; марки /к'к-У

0,014 9.330Е-05 0.0517022 0.8376516 1.306Е-06 0.0007238 0,0117271

0,0095 3.778Е-05 0.0411526 0.6202459 3.589Е-07 0.0003909 0.0058923

0,005 1.411Е-0.5 0.0344145 0.4709521 7.055Е-08 0.0001721 0,0023548

В главе 4 «Комплексное математическое моделирование динамики нестационарных коррозионных процессов при эксплуатации стекловаренных печей» представлены основные зависимости и алгоритм пошагового итерационного расчета прогнозного эксплуатационного ресурса варочного бассейна стекловаренных печей. Перечислены исходные данные, варьируемые величины и установленные ограничения. К исходным данным относятся технологические параметры варки стекломассы, геометрические характеристики огнеупорного материала, теплофизические параметры обдувающего воздуха ширина критической зоны. Варьируемыми величинами являются марка и теплофизические характеристики огнеупорного материла, геометрические размеры щелевого сопла, скорость истечения воздушной струи и типоразмер дополнительных плиток, используемых при горячем ремонте варочного бассейна, а в случае исследования наружного обдува с использованием частотного регулирования добавляются параметры закона изменения скорости по мере уменьшения остаточной толщины огнеупорной кладки. Ограничениями при расчете служили предварительно рассчитанные минимально допустимые скорости обдува и размеры щелевых сопел, а также количество возможных наращиваний толщины коррозирующих участков путем установки дополнительных плиток.

Для оценки адекватности разработанной математической модели, подтверждения достоверности получаемых на ее основе результатов, а

также с целью обоснования возможности распространения действия двух-факторной зависимости (3), которая была получена ранее на примере огнеупоров марки МопоГгах, производимых по технологии окислительной плавки, на другие типы огнеупорных материалов, изготавливаемых по той же технологии, был выполнен тестовый вычислительный эксперимент.

При этом в качестве базы для сравнения была выбрана реальная стекловаренная печь ЛТФ-1 предприятия ОАО «Саратовстройстекло». Исходными данными для математического моделирования служили фактические параметры этой печи.

Сопоставимость условий сравнения обеспечивалась использованием в математической модели данных, принятых на основании имеющейся проектной документации, а также реальных эксплуатационных показателей и результатов выполненных замеров. Производительность печи 450 т/сут; пуск в эксплуатацию - 4 декабря 2003 г.; назначение - производство листового стекла; температура пламенного пространства печи на границе с зеркалом стекломассы 1450°С; марка огнеупора в стенах варочного бассейна - г^козк-М, начальная толщина стен варочного бассейна 5(| = 250 мм; толщина плиток для дополнительной обкладки 5П1 = 75 мм; параметры системы обдува: размер сопла 5*= 0,014 м, скорость воздуха в соплах и - 30 м/с (постоянное значение в течение всего срока эксплуатации); удельный расход воздуха Ьул = 0,42 м3/с-пм; начальная температура воздуха в соплах ?о=45°С; средняя ширина по результатам замеров Б = 0,1 м.

Для расчета скорости коррозии использовалась зависимость (3), предположительно справедливая для всех огнеупоров, изготовленных по технологии окислительной плавки.

На рис. 6 сплошной ломаной кривой показан расчетный график изменения остаточной толщины коррозирующей огнеупорной стенки варочного бассейна по времени эксплуатации, построенный для базовой стекловаренной печи по результатам тестового вычислительного эксперимента.

а §

п к О с-

31Ю 25(1 ЭХ) 150 НЮ 50

0 1000 201)0 3000 4!ХХ) 5М1

Продолжительность эксплуатационного ресурса, сут

- Расчетная остаточная толшина огнеупорного материала

- 1-ая обкладка по данным ОЛОТаратовстронстекло"

■ остановка печи на холодный ремонт по данным ОАО "Слрэтовстройстекло"

Рис. 6. График динамики коррозионных изменений остаточной толщины огнеупорной стенки варочного бассейна стекловаренной печи по времени эксплуатации на примере линии ЛТФ-1 ОАО «Саратовстройстекло»

Для сравнения на этом же графике показаны фактические сроки, в которые, согласно данным предприятия, была выполнена первая обкладка стен варочного бассейна дополнительными слоями огнеупорной плитки после достижении минимально допустимого значения остаточной толщины огнеупора в зоне коррозии = 30 мм. Кроме того, на графике рис. 6 показан установленный техническим паспортом нормативный срок эксплуатации данной печи (4200 сут), после которого необходима остановка линии на холодный ремонт.

Визуальное сопоставление показанных на рис. 6 расчетных и фактических сроков достижения минимально допустимой остаточной толщины коррозирующих огнеупорных стен варочного бассейна на первом этапе наращивания и в конце нормативного срока эксплуатации печи свидетельствует о достаточно хорошем совпадении результатов. Количественное расхождение между расчетным и фактическим значениями эксплуатационного ресурса печи до первой обкладки не превысило - 5%, а разница между общим эксплуатационным ресурсом, полученным в результате расчета на разработанной математической модели, и плановой датой останова печи на холодный ремонт, не превышает +8%.

Вышеизложенное свидетельствует об адекватности разработанной математической модели и подтверждает предположение о том, что двух-факторная зависимость (3), полученная на основе данных по огнеупорам МопоАгах, может с достаточной точностью использоваться для прогнозирования эксплуатационного ресурса стекловаренных печей, варочные бассейны которых выполнены из огнеупорных материалов других торговых марок, произведенных по технологии окислительной плавки. Это дает основание для использования разработанной математической модели в многовариантных расчетах с целью обоснования наиболее рациональных путей продления эксплуатационного ресурса.

Далее была реализована программа многовариантного вычислительного эксперимента по оценке прогнозных эксплуатационных ресурсов стекловаренной печи при использовании других огнеупорных материалов.

Основными результатами выполненных расчетов стали значения эксплуатационного ресурса при постоянных скоростях обдува, варьируемых в диапазоне от 30 до 127 м/с. Графическая интерпретация результатов полученных, на примере огнеупоров марки г^кояН-М и Мопо1тах С5-4, представлена на рис. 7.

Анализ графиков рис. 7 показывает, что эксплуатационный ресурс стекловаренных печей увеличивается с ростом скорости обдува. Однако, увеличение скорости приводит к значительному увеличению потребления электроэнергии на привод нагнетателей.

Поэтому был сделан вывод о том, что выбор оптимальных условий продления эксплуатационного ресурса за счет увеличения скорости обдува

может быть осуществлен только на основе оценки интегральной экономической эффективности всех конкурирующих вариантов.

60 8(1 1«) 12(1 140 Скорость постоянного обдува, со , м/с

-:/.ііко*н-М. плитка 75мм — - Уикачи-М, пл;пк;і 100мм

■ " ■ МопогГах плнка 75мм — ■ Мопоі Гах СЯ-4, плика 100мм

Рис. 7. Прогнозные продолжительности эксплуатации варочных бассейнов, выполненных из огнеупоров гк'кохП-М и МопоП'ах С5-4, в зависимости от скорости обдува при различной толщине плиток, используемых для дополнительного наращивания

В главе 5 «Методика и результаты многофакторной технико-экономической оптимизации параметров обеспечивающих продление эксплуатационного ресурса стекловаренных печей» представлены выражения для расчета основных критериев экономической эффективности (чистого дисконтированного дохода (ЧДД), индекса доходности (ИД), срока окупаемости, внутренней нормы доходности, адаптированные к случаю продления эксплуатационного ресурса стекловаренных печей.

Описаны принципы сравнения вариантов наружного обдува ограждений варочного бассейна с постоянной и регулируемой скоростью, перечислены принятые допущения, которые использовались при оптимизации.

Представлены результаты многовариантных оптимизационных расчетов, выполненных на примере стекловаренной печи ЛТФ-1 ОАО «Сара-товстройстекло» с целью обоснования оптимальных путей продления эксплуатационного ресурса по условию достижения максимума ЧДД. Для поиска экстремума многофакторной целевой функции был использован метод Гаусса-Зайделя, заключающийся в покоординатном движении к оптимуму при варьировании четырьмя управляющими параметрами в вариантах обдува с постоянной скоростью и семью параметрами в вариантах обдува с регулируемыми скоростями. Варьируемыми параметрами при постоянном обдуве были: вид огнеупорного материала; размеры используемых сопел; скорость воздуха в соплах; толщина дополнительных огнеупорных плиток, а при регулируемом обдуве к перечисленным параметрам были дополнительно добавлены начальная скорость обдува и показатели степени ¡и и п в законе регулирования, который имел вид:

1-

5 ~ 8хпт

с _ е

^тах ^тіп

(13)

где ён V- текущие значения остаточной толщины огнеупора, м, и скорости обдува, м/с; ¿¡„¡п, ¿>гах и илах - минимальные и максимальные значения толщины огнеупора, м, и скорости обдува, м/с.

Технико-экономическая оптимизация проходила в три этапа: оптимизация параметров обдува при постоянной скорости, оптимизация при использовании частотного регулирования скорости обдува и сравнение полученных результатов с целью обоснования условий достижения глобального максимума ЧДД.

На рис. 8 показаны зависимости локальных максимумов ЧДД от размера обдувочных сопел при использовании различных огнеупоров в оптимальных вариантах постоянного обдува.

2400 -;-1-:- Рис. 8. Расчетные зависимо-

2200 Максимум ЧДД (ЭШ[Г=20| 8,33 млн.руб; У= 6.3 мм; р„р,=100 м/с) ^--СТИ ЛОКЭЛЬНЫХ МЭКСИМуМОВ

2000 -----------•—---------1— { 2- ЧДД от размера сопел,

1800 ==!===■--- I /~2- полученные в оптимальных

режимах постоянного обдува

огнеупоров: 1 - Йгкоэи-У; 2 - гпкобк-М;

З-ЕЯ 1711; 4—ЕК 1685; 5 - ги'кош М; 6 - ЕЯ 1681;

7 - МопоГгах С8-5;

8 - МопоПах С5-4;

9 - МопоЛах С.Я-З; о.ооб 0,008 0,01 0,012 0,014 0,01« 10 - БК-41; 11 - БК-37;

Размеры обдувочных сопел, Я', м 12 — БК-33

Из рис. 8 видно, что при постоянном обдуве глобальный максимум ЧДД (2018 млн. руб.) может быть достигнут в случае использования огнеупора г^ковк-У, размер сопла 5'*=0,0063 м. Расчетами установлено, что оптимальная скорость воздуха в соплах при этом должна составлять 100 м/с, а наращивание должно осуществляться плитками толщиной 75 мм. Прогнозный эксплуатационный ресурс стекловаренной печи в этом случае может составить 34 года.

При регулируемом обдуве ограждений варочного бассейна, выполненных того же огнеупора гкковк-У, эксплуатационный ресурс стекловаренной печи может быть продлен до 37 лет, а ЧДД при этом может составить 2069 млн. руб. Условиями реализации этого варианта являются начальная скорость обдува 20 м/с (при начальной толщине стенки 250 мм), конечная скорость 127 м/с (при остаточной толщине огнеупора 30 мм), размер сопла 0,005 м, значения показателей степени в законе оптимального регулирования (13) т-1,9 и л=0,8 и использование плиток толщиной 75 мм для дополнительного наращивания толщины корродирующих стен.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выполнен регрессионный анализ теплофизических характеристик и показателей коррозионной устойчивости ряда современных огнеупорных материалов в рамках созданной информационной базы данных, на основе которого разработан комплекс адекватных аппроксимационных зависимостей, пригодных для количественного описания интенсивности процессов теплопередачи и высокотемпературной коррозии в огнеупорах различных марок.

2. Уточнено математическое описание конвективного теплообмена для случая нормального струйного обдува высокотемпературных критических зон варочного бассейна стекловаренных печей и получено аналитическое выражение, позволяющее выполнять расчеты теплоотдачи с учетом изменения температуры струи при ее нагреве в пределах критической зоны.

3. Разработана математическая модель, позволяющая определять требуемые параметры системы наружного обдува ограждений варочного бассейна численным методом и обосновывать минимально допустимые значения скорости, удельного расхода и размера сопел на основе вычислительного эксперимента. По результатам вычислительного эксперимента, выполненного для ряда характерных частных случаев, получены аппрок-симационные зависимости и разработана инженерная методика обоснования минимально допустимых параметров системы обдува, обеспечивающих выполнение условий технологического регламента.

4. Создана многофакторная математическая модель для прогнозирования продолжительности кампании и оценки общего эксплуатационного ресурса стекловаренных печей, учитывающая динамику двух взаимосвязанных нестационарных процессов теплопередачи и высокотемпературной коррозии, одновременно происходящих в огнеупорных стенах варочного бассейна при различных режимах эксплуатации. Разработан алгоритм пошаговой реализации вычислительного эксперимента и выполнено тестирование математической модели путем сравнения полученных расчетных значений с фактическими эксплуатационными показателями стекловаренной печи ЛТФ-1 ОАО «Саратовстройстекло», в результате которого подтверждена адекватность модели и достоверность получаемых с ее помощью прогнозных результатов.

5. Получены и проанализированы результаты многовариантного вычислительного эксперимента по исследованию продолжительности эксплуатационных режимов стекловаренных печей, выявлены основные факторы, влияющие на эксплуатационный ресурс и эффекты от их воздействия. В частности, показано, что при одинаковых условиях эксплуатации прогнозное увеличение эксплуатационного ресурса варочного бассейна за счет замены отечественного бакора зарубежными аналогами, изготовленными по технологии окислительной плавки, может достигать 116 % при условии сохранения существующей скорости обдува 30 м/с. Увеличение

скорости обдува критических зон с 30 до 127 м/с без изменения марки ог-неупора также способствует продлению общего эксплуатационного ресурса стекловаренных печей в 1,5-2,5 раза в зависимости от марки используемого огнеупорного материала. При использовании в стенах стекловаренных печей огнеупора любой марки и обдуве критических зон с любой заданной постоянной скоростью наибольшая продолжительность кампании может быть достигнута в случае дополнительной обкладки стен плитками наименьшей стандартной толщины 75 мм.

6. Обоснована общая стратегия многофакторной технико-экономической оптимизации конструктивных и режимных параметров системы обдува огнеупорных ограждений, реализация которой позволила выявить комплекс оптимальных условий, необходимых для достижения глобального максимума экономической эффективности и разработать практические рекомендации по рациональному продлению эксплуатационного ресурса стекловаренных печей.

7. Выполнен сравнительный анализ эффективности продления эксплуатационного ресурса стекловаренных печей с использованием различных типов современных огнеупорных материалов отечественного и зарубежного производства, в результате которого показано, что наилучшие интегральные показатели могут достигаться при использовании огнеупора марки Ягковк У, несмотря на его высокую стоимость. Доказана перспективность использования регулируемого обдува с постепенным увеличением скорости в зависимости от остаточной толщины корродирующих огнеупорных конструкций и выявлены параметры оптимальных законов регулирования, обеспечивающие достижение максимума ЧДД. На основе анализа удельного потребления электроэнергии, затрачиваемой на привод нагнетателей системы обдува, обозначены пути экономии электроэнергии, заключающиеся в использовании сопел минимально допустимого размера совместно с регулированием скорости по оптимальным законам.

8. Сформулированы рекомендации по оптимальному продлению эксплуатационного ресурса стекловаренных печей, заключающиеся в следующем:

- глобальный максимум, соответствующий наилучшим значениям всех интегральных экономических показателей, может достигаться при использовании в стенах варочного бассейна огнеупора марки Zirkosit-Y, обладающего наиболее высокой коррозионной устойчивостью;

- одновременно с этим необходима реализация оптимального режима регулируемого обдува критических зон на основе частотного регулирования привода нагнетателей, обеспечивающего постепенное увеличение скорости воздуха в соплах от 20 до 127 м/с по мере уменьшения остаточной толщины огнеупора от 250 до 30 мм;

- оптимальные размеры сопел при этом должны быть равными 5 мм;

- оптимальное регулирование скорости обдува должно выполняться на основе степенной функции (13) с числовыми значениями показателей степени п = 0,8 и т =1,9;

- в процессе дополнительного эксплуатационного наращивания корродирующих стен в проблемных зонах следует использовать огнеупорные плитки марки Zirkosit-Y толщиной 75 мм.

На примере стекловаренной печи ЛТФ-1 ОАО «Саратовстройстекло» показано, что при одновременном соблюдении всех этих требований прогнозный эксплуатационный ресурс варочного бассейна может быть продлен до 37 лет, а ожидаемые значения ЧДД и индекса доходности могут достигнуть глобального максимума 2069 млн. руб. и 2,22 руб./руб. при сроке окупаемости, не превышающем 4,5 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Озеров H.A. Математическое моделирование высокотемпературной коррозии огнеупоров варочного бассейна стекловаренных печей / Н.А.Озеров, Б.А.Семенов, В.Н. Лункин // Известия вузов. Проблемы энергетики. Казань, 2010. № 7-8. С. 88-93.

2. Озеров H.A. Двухфакторная математическая модель процесса высокотемпературной коррозии бадделеито-корундовых огнеупоров в условиях контакта с расплавом стекломассы / H.A. Озеров, Б.А. Семенов // Известия вузов. Проблемы энергетики. Казань, 2012. № 7-8. С. 87-96.

3. Озеров H.A. Методика и результаты оптимизации параметров системы обдува ограждений варочного бассейна стекловаренных печей / Н.А.Озеров, Б.А.Семенов II Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 4 (59). С. 210-217.

4. Озеров H.A.Оптимизация энергетических и материальных затрат в системе обдува варочного бассейна стекловаренных печей / Н.А.Озеров, Б.А.Семенов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2013. № 1 (69). С. 137-144.

В материалах международных конференций

5. Озеров H.A. Теплопроводность современных огнеупорных материалов, используемых в технологии производства листового стекла // H.A. Озеров, Б.А. Семенов // Стеклопрогресс XXI: сб. материалов 5 Меж-дунар. конф. Саратов, 2010. С. 78-81.

6. Озеров H.A. Математические модели высокотемпературной коррозии огнеупоров марки БК (Россия) и Monofrax (США)/Н.А.Озеров // Стекло-прогресс XXI: сб.материалов 6 Междунар. конф. Саратов, 2012. С. 194-197.

В других изданиях

7. Озеров H.A. Моделирование процесса высокотемпературной коррозии огнеупоров варочного бассейна стекловаренных печей / Н.А.Озеров, Б.А.Семенов, В.Н. Лункин // Энергосбережение в Саратовской области. 2009. № 1 (35).С. 28-29.

8. Озеров H.A. Методика и принципы математического моделирования процесса высокотемпературной коррозии огнеупорных материалов в стенах варочного бассейна стекловаренных печей/Н.А.Озеров, Б.А.Семенов, В.Н. Лункин II Проблемы энерго- и ресурсосбережения: сб. науч. тр. / СГТУ. Саратов, 2009. С. 161-170.

9. Озеров H.A. Математическое моделирование процесса высокотемпературной коррозии огнеупоров на первом этапе эксплуатации стекловаренных печей / Н.А.Озеров, Б.А. Б.А.Семенов, P.P. Гизитдинов // Проблемы энерго- и ресурсосбережения: сб. науч. тр. / СГТУ. Саратов, 2009. С. 171-175.

10. Озеров H.A. Математическое моделирование процесса высокотемпературной коррозии огнеупоров при обдуве ограждений варочного бассейна на втором этапе эксплуатации стекловаренных печей / H.A. Озеров, Б.А. Семенов // Проблемы энерго- и ресурсосбережения: сб. науч. тр. / СГТУ. Саратов, 2009. С. 183-193.

11. Озеров H.A. Математические зависимости для расчета теплопроводности огнеупорных материалов, применяемых в варочном бассейне стекловаренных печей / H.A. Озеров // Проблемы энерго- и ресурсосбережения: сб. науч. тр. / СГТУ. Саратов, 2012. С. 45-53.

12. Озеров H.A. Двухфакторная математическая модель процесса высокотемпературной коррозии огнеупоров фирмы Monofrax в условиях контакта с расплавом стекломассы натрийсиликатного стекла / Н.А.Озеров // Проблемы энерго- и ресурсосбережения: сб. науч. тр. / СГТУ. Саратов,

2012. С. 53-65.

Подписано в печать 11.11.13 Бум. офсет. Тираж 100 экз.

Усл. печ. л. 1,0 Заказ 183

Формат 60x84 1/16 Уч.-изд. л. 1,0 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru