автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Исследование и разработка методов повышения эффективности режимов работы доменных воздухонагревателей с учетом их индивидуальных теплотехнических характеристик

На правах рукописи

КРИВЦОВ Алексей Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ДОМЕННЫХ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЕЙ С УЧЕТОМ ИХ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Специальность 05 16 02 «Металлургия черных, цветных и редких металлов»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗ 1590*78

Липецк - 2007

003159078

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Коршиков Владимир Дмитриевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Дождиков Владимир Иванович

кандидат технических наук, Плешков Виктор Иванович

Ведущая организация

ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат»

Защита состоится 23 октября 2007 г в 10°° на заседании диссертационного совета Д212 108 02 при Липецком государственном техническом университете (398600, г Липецк, ул Московская, 30, ауд 601)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Липецкого государственного технического университета

Автореферат разослан <¿ i

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Доменное производство — крупнейший потребитель топливно-энергетических ресурсов металлургического комплекса. Повышение температуры дутья является одним из самых эффективных способов снижения удельного расхода кокса, являющегося ценным и дорогостоящим энергоносителем, а также интенсификации процессов доменного передела железа и улучшения технико-экономических показателей печей

Уровень повышения температуры дутья во многом определяется конструкцией и режимом работы доменных воздухонагревателей В последнее время ведущие предприятия осуществляют последовательное обновление парка аппаратов, поэтому возникает необходимость поиска путей коррекции и последующей оптимизации режимов работы блока воздухонагревателей с учетом их индивидуальных конструктивных и теплотехнических особенностей

Цель работы. Экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование и совершенствование методов математического моделирования и оптимизации режимов работы доменных воздухонагревателей с учетом их индивидуальных теплотехнических характеристик

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи

1 Разработка и экспериментальное опробование опытно-промышленной методики оптимизации режимов работы блока доменных воздухонагревателей без отключения смесителя горячего дутья

2 , Расчетно-теоретические сравнительные исследования эффективности и точности математических моделей тепломассопереноса в высокотемпературных регенеративных теплообменниках для определения целесообразности использования многомерных моделей

3 Разработка и обоснование расчетно-теоретической зависимости для коэффициента термической массивности регенеративных насадок, позволяющей без увеличения размерности краевой задачи повысить точность ее решения

4 Теоретический анализ влияния газодинамического сопротивления тракта и неравномерности распределения теплоносителей по сечению насадки на теп-

лотехническую эффективность функционирования доменного воздухонагревателя на основе двумерной математической модели нестационарного теплопере-носа в насадке аппарата

5 Обоснование методики и разработка обобщенного критерия адаптации математической модели доменного воздухонагревателя с учетом наиболее значимых факторов регенеративного теплообмена и индивидуальных характеристик аппаратов

6 Разработка и расчетные исследования методики оптимизации режима работы блока доменных воздухонагревателей, позволяющей при выбранных критерии оптимальности, а также ограничениях на значимые факторы теплообмена, определить оптимальный режим функционирования блока аппаратов с учетом их индивидуальных характеристик

Методы исследования. Использовались методы математического моделирования, математической статистики, математического программирования, математической физики, математического анализа Научная новизна

1 Разработана экспериментальная методика оптимизации последовательного режима эксплуатации блока воздухонагревателей, отличающаяся от известных тем, что при ее реализации не требуется отключения смесителя дутья

2 Сформулирована краевая задача двумерного нестационарного теплопере-носа в насадке доменного воздухонагревателя учитывающая изменение газодинамического сопротивления аппарата и дымового тракта в течение цикла, а также неравномерность распределения теплоносителей по сечению насадки

3 Предложена теоретическая зависимость для коэффициента термической массивности регенеративных насадок, позволяющая без увеличения размерности задачи тепломассопереноса повысить точность решения

4 Теоретически обоснована возможность использования одномерных моделей теплообмена в высокотемпературных регенераторах для оптимизации режимов их работы

5 Предложен обобщенный критерий и методика адаптации математической модели доменного воздухонагревателя с учетом наиболее значимых факторов регенеративного теплообмена и индивидуальных характеристик аппаратов

6 Разработана оригинальная расчетная методика оптимизации режима работы блока доменных воздухонагревателей, позволяющая при выбранных критерии оптимальности, ограничениях на значимые факторы теплообмена, определить оптимальный режим функционирования блока аппаратов с учетом их индивидуальных характеристик

Практическая ценность и реализация работы

1 Для условий доменной печи объемом 700 м3 внедрена опытно-промышленная методика оптимизации режима работы блока доменных воздухонагревателей, что позволило повысить среднюю температуру дутья на 20 °С

2 Разработан и передан ОАО «Липецкий ГИПРОМЕЗ» пакет прикладных программ, реализующий математическую модель регенеративного теплопере-носа, процедуру ее адаптации и методику поиска оптимального режима работы блока доменных воздухонагревателей с учетом их индивидуальных теплотехнических характеристик

3 Для условий доменной печи объемом 2000 м3 НПО «Тулачермет» разработана и передана для реализации режимная карта, составленная на основе созданной расчетной методики

4 Материалы по теме диссертационной работы используются в учебном процессе при изучении студентами специальности 150103 65 «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей» специальных дисциплин «Специальные разделы численных методов», «Информационные технологии в металлургии», «Моделирование процессов и объектов в металлургии», а также при выполнении курсовых и дипломных работ

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на Областной научно-практической конференции «Теплотехника и теплоэнергетика промышленного производства» (Липецк, 2003 г), Международной научно-технической конференции «Современная металлургия начала нового тысячелетия» (Липецк, 2006 г), Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии» (Липецк, 2006 г), XV Областной научно-технической конференции «Повышение эффективности металлургического

производства» (Липецк, 2006 г), XVI Областной научно-технической конференции «Повышение эффективности металлургического производства» (Липецк, 2007 г )

Публикации. Результаты диссертации отражены в 10 публикациях

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 112 наименований Основная часть работы изложена на 119 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков, 11 таблиц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность и практическая ценность темы диссертационной работы исходя из роли доменного процесса в современной металлургической промышленности и неразрывно связанной с ней практикой нагрева доменного дутья Отмечено, что, несмотря на длительный опыт эксплуатации воздухонагревателей, достаточно глубокую проработку практических и теоретических вопросов тепломассопереноса в аппаратах, практические методики и математические модели, направленные на оптимизацию режима работы, как отдельного аппарата, так и их блока в целом нуждаются в совершенствовании

В первой главе проведен литературный обзор основных путей повышения эффективности эксплуатации доменных воздухонагревателей, основанных на моделировании температурных полей в регенераторах Решение задач управления группой (блоком) воздухонагревателей доменной печи связано с определением характеристик квазистационарных и переходных режимов, при которых сформулированный критерий оптимальности достигает экстремума Как правило, при оптимизации режимов воздухонагревателей в качестве критерия принимают среднюю или минимальную за полный цикл работы аппаратов блока температуру нагрева дутья

Рассмотрены методы оптимизации режимов работы блока аппаратов Показана целесообразность использования для этих целей детерминированных, адаптированных к реальным условиям функционирования, математических мо-

делей Отмечено, что известные методики оптимизации либо вообще не учитывают индивидуальность теплофизических и аэродинамических характеристик аппаратов, либо требуют накопления больших объемов статистической информации, поэтому не могут быть использованы для оперативной коррекции режимов при вынужденных изменениях технологических параметров.

Различие аппаратов блока определяется не только местоположением аппаратов по отношению к доменной печи и конструкцией насадки, но и механизмов ее старения, что влияет на эффективность регенеративного теплопереноса

Однако, реализация расчетных методов оптимизации сталкивается с рядом проблем, главными из которых являются разработка алгоритма адаптации математической модели доменного воздухонагревателя к реальным условиям, анализ и выбор факторов регулирования теплопереноса в доменном воздухонагревателе (адаптационных коэффициентов), а также метода построения критерия оптимизации

На основании литературного анализа и полученных опытных данных сформулированы цели и задачи исследования

Во второй главе исследовано влияние поперечной теплопроводности в насадочном массиве на температуру теплоносителей на выходе из доменного воздухонагревателя, распределение температурных полей теплоносителей, материалов насадки и ограждающих ее стен, а также способа описания коэффициента термической массивности насадки

Проблема прогноза режимных параметров теплообменных аппаратов может быть решена лишь при использовании адекватной математической модели тешщмассопереноса в насадке При современном уровне развития вычислительной техники возможно построение трехмерной математической модели, в которой учитывалось бы распределение поля скоростей по всему объему насадки Однако это потребует значительных вычислительных ресурсов управляющей ЭВМ, которые в производственных условиях ограничены В то же время, двумерные, адаптированные к реальным условиям математические модели, позволяют прогнозировать режимные параметры регенераторов с требуемой для практики точностью

Для анализа влияния двумерной аппроксимации задачи тепломассоперено-

са на точность определения температур теплоносителей сформулирована краевая задача, описывающая нестационарные тепловые процессы в доменном воздухонагревателе

Полученные результаты применительно к доменной печи объемом 3200 м3 сравнивались с данными, полученными по известной одномерной модели Р И Меньшикова, С Л Соломенцева, не учитывающей поперечный теплопере-нос Сравнение результатов, полученных по разным методикам, показало, что погрешность расчета температуры дутья при расчете по двумерной модели по сравнению с одномерной не превышает 5 "С, по температуре продуктов сгорания газов 3 °С Однако учет поперечной теплопроводности, безусловно, необходим для анализа условий службы огнеупоров насадки, радиальной стены и стены камеры горения На рис 1 представлено распределение температуры насадки по радиусу в конце каждого периода

1400

1200

в_1000 я с.

Я 800

&<

в

£ 600

400 200

Верх насадки

| |

дв-мкв

МКВ - ШВ42

\ I— I—

ШВ42 -ШВ37

\

\ Н из насадки

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Относительный радиус, г/Ян

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Относительный радиус, г/Кн

Рис 1 Распределение температуры насадки по сечению в конце дутьевого (а) и дымового периодов (б)

Сплошными линиями показано распределение температуры при учете поперечной теплопроводности, штриховыми линиями - без ее учета Видно, что радиальный градиент температуры у камеры горения значительно выше, чем у радиальной стены Однако общий тепловой поток от насадки к радиальной стене выше, чем от стены камеры горения к насадке за счет большей поверхности

теплообмена

Снижение температуры нагрева дутья объясняется потерями тепла от насадки в окружающую среду, которые не компенсируются дополнительным приходом тепла к насадке от разделительной стены камеры горения Потери тепла вследствие поперечного теплопереноса от камеры горения к радиальной стене воздухонагревателя составляют около 1%

При решении задачи теплообмена в регенеративной насадке используют конечно-разностные методы, точность которых зависит в первую очередь от величины шага временной и пространственной сеток Для упрощения решения Б И Китаев предложил вести расчёты по формулам термически тонких тел с введением коэффициента массивности М, который учитывает их внутреннее термическое сопротивление и определяется выражением

М = 1 + -^-, (1)

2 + /'

где/- коэффициент формы, Вг — критерий Био.

Этот подход широко применяется при расчетах теплопереноса в насадках регенераторов Однако в работах Ф Р Шкляра показано, что при расчете нагрева слоя массивных частиц по уравнениям для термически тонких тел при небольших значениях критерия Фурье (7<Ь< 1), использование коэффициента массивности по зависимости (1) дает неудовлетворительные результаты Актуальной становится задача нахождения выражения, которое позволит более точно, по сравнению с традиционной зависимостью (1), определять коэффициент массивности для небольших интервалов времени

Для большинства огнеупорных материалов можно считать, что зависимость коэффициента теплопроводности и теплоемкости от температуры носит линейный характер Л(б) = Л0 + А,/ = Л1 (1 + Л'(в0 - в)),

с(0) = с(1 + = с„(1 + с'(в0 - в)), здесь = Г- температурный напор, К, в0 = Т - - начальный температурный напор, К, ? — температура материала стены, К, Г - температура газообразного теплоносителя, К, А(в) - коэффициент теплопроводности, Вт/(м К), с{в) — теплоёмкость материала, Дж/(кг К),

X = —, с' = — , Лн, сн - коэффициент теплопроводности и теплоемкость мате-Л„ си

риала насадки при начальной температуре С учетом этого на основе приближенного аналитического решения краевой задачи теплообмена в бесконечно длинной плоской однослойной стене с симметричными граничными условиями получено выражение для зависимости коэффициента термической массивности от времени и параметров, определяющих интенсивность теплопереноса в регенераторе

А + л, 53111 ^

М--

Их

Иг

А, со в ¿и, + Аг соз//2

(2)

А„=в0 \ 1 + ^00

ния

СЩИп = -

В1

1

--ехр(- /и*Ро), Ип определяются из уравне-

, _ г „ л

и=1,2, Ро = —г~ критерии Фурье,

где

рс{9):

1 + Л'вп

Вг--

а

№

л(в)

— критерий Био; р - плотность материала, кг/м3, а{д) - коэффициент

теплоотдачи от газа к стенке, Вт/(м К),я - толщина стены, м, г — время, с

На рис 2 представлен график зависимости разницы относительных ошибок

методов определения коэффициента термической массивности от критериев Вг и Ро, отнесенных к «точному» значению коэффициента, полученного по зависимости

Т-1

М = -

Т-и

(3)

0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

Критерий Ро

Рис 2 Зависимость разницы относительных ошибок методов определения коэффициента термической массивности, отнесенных к «ТОЧНОМУ» значению, от критериев Вг и Ро

в которой распределение температуры по толщине стенки и температура поверхности 1П определялись неявным конечно-разностным методом, а средняя температура 7 - путем численного интегрирования температурного поля Очевидно, что уравнение (2) дает за-

метное увеличение точности с ростом критерия Вг и уменьшением расчетного временного шага ЛГо

Для оценки температурных полей в насадке и ограждающих конструкциях доменных воздухонагревателей следует использовать двумерную расчетную модель регенеративного теплопереноса с учетом совокупности рассмотренных факторов В то же время для оптимизации режимной карты работы блока достаточно использовать одномерную модель, поскольку погрешность в расчете температуры не превышает 1%

В третьей главе исследовано влияние кинетических параметров тепло-массопереноса на эффективность нагрева дутья

Оценено воздействие поперечного температурного поля в насадке на существующий профиль скоростей по сечению аппарата При этом использована математическая модель, учитывающая поперечную теплопроводность от стены камеры горения к радиальной стене воздухонагревателя Скоростное поле определялось из условия равенства потерь давления газовой среды в различных каналах по сечению насадки Для оценки влияния неравномерности распределения теплоносителей в насадке проведен сравнительный расчет для варианта с постоянством скоростей

Показано, что неравномерность температурного поля по сечению насадки слабо (менее ±2 %) изменяет уровень неравномерности распределения относительных скоростей потоков газовых сред без учета радиального теплопереноса

Для учета снижения среднего расхода отопительного газа в течение периода нагрева и исследования его влияния на определяющие показатели работы аппарата двумерная математическая модель дополнена расчетом потерь давления в каждый расчетный момент времени на следующих участках горелка по газовому тракту, камера горения, подкупольное пространство и насадка, дымовые патрубки, дымовой боров, дымовая труба

Произведено сравнение расчетных значений в характерных сечениях газового и дымового трактах с данными опытно-промышленного эксперимента, проведенного ВНИИМТ для одного из аппаратов доменной печи объемом 3200 м3 Максимальная разница значений не превышает 0,4 кПа (10%)

При учете постепенного роста газодинамического сопротивления аппарата

за счет нагрева насадки по сравнению с расчетной моделью, не учитывающей данного эффекта, средняя температура теплоносителей на выходе из аппарата практически не изменилась Это связано с тем, что при уменьшении расхода отопительного газа, вызванным ростом общего сопротивления, его средний интегральный расход и расход продуктов сгорания за период нагрева не изменились, поскольку в обоих случаях в насадку вносится одинаковое количество тепла Таким образом, при реализации прогностической модели для определения параметров тепловой работы аппаратов нет необходимости в расчете гидравлического сопротивления на каждом временном шаге Температурные параметры теплоносителей остаются теми же, что и при задании средней постоянной величины расхода отопительного газа на протяжении всего периода нагрева насадки

В четвертой главе решалась задача адаптации детерминированной математической модели к условиям функционирования действующих воздухонагревателей

В общем случае адаптация математической модели доменного воздухонагревателя к условиям функционирования реального аппарата представляет собой процесс минимизации обобщенного критерия, характеризующего отличие значений рассчитанных на модели параметров от их значений, полученных в результате опытных измерений

Обобщенный критерий представлен в виде зависимости

( .Ы tO \2 Г tM t0

t" — t

ГДI 1ГД1

t°

V 1ГД> У

+

f _

1ПСI 1ПС I t°

\ lnc, ;

(4)

где S, =

f v

КД.ГД1СДг

- весовой множитель, полученный из уравнения теп-

Jl^nc,trncicnci

лового баланса, trni, tnCl - температура горячего дутья и продуктов сгорания в

конце соответствующих периодов, °С, УД1, VnCl - расходы дутья и продуктов

сгорания, м3/с, тД[, tHl - длительности периодов дутья и нагрева, с, , cnCl -

удельные теплоемкости дутья и продуктов сгорания, Дж/(м3 К), к - количество циклов работы аппарата, принятое для процедуры адаптации модели, i=1 к-

номер цикла, верхние индексы «М» и «О» соответствуют значениям, полученным расчетом по модели и измерениями на натурном объекте

На основании проведенного анализа осуществлен выбор факторов наиболее значимо влияющих на интенсивность теплообменных процессов в доменном воздухонагревателе, и в итоге на значение обобщенного критерия (4) К этим факторам относятся конвективный и лучистый коэффициенты теплоотдачи, среднемассовая теплоемкость и средневзвешенный коэффициент теплопроводности насадки, которым соответствуют коэффициенты адаптации математической модели Как , К , Кс, Кх Эти коэффициенты являются множителями

для соответствующих величин модели

Процедура адаптации математической модели осуществлена для блока доменных воздухонагревателей из трех аппаратов доменной печи объемом 2000 м3. Минимизация обобщенного критерия У, характеризующего адекватность прогнозных параметров, производилась методом правильного симплекса В результате минимизации критерия сформирован спектр коэффициентов адаптации математической модели регенеративного теплообмена (Табл 1)

Таблица 1

Коэффициенты адаптации математической модели

ВН№ ак К О-Л кх Г

1 1,215 1,308 0,993 1,207 0,00731

2 0,870 1,151 1,153 1,247 0,00496

3 0,488 0,937 0,928 1,263 0,00632

Наибольшее отклонение значений от номинальных характерно для коэффициентов при факторах модели, в наибольшей степени влияющих на выходную функцию - среднюю температуру дутья по блоку

Результаты расчета температур теплоносителей, полученных на адаптированной математической модели, представлены в сравнении с опытными значениями в соответствующие периоды Разница между опытными и расчетными значениями конечной температуры дутья не превышает 7 °С, а по максималь-

ной температуре уходящих газов 3 °С, что ниже абсолютной инструментальной погрешности средств измерения

В пятой главе изложена экспериментальная и расчетная методики оптимизации работы блока доменных воздухонагревателей с учетом их индивидуальных теплотехнических и аэродинамических характеристик

Известные экспериментальные методики оптимизации мало эффективны при работе воздухонагревателей блока со смесителем, так как всегда требуется последующая коррекция режимной карты, поскольку при использовании смесителя временные зависимости температуры дутья аппаратов блока будут отличаться от полученных при работе аппаратов без смесителя

В связи с этим в данной главе описана экспериментальная методика оптимизации последовательного режима эксплуатации воздухонагревателей, реализуемая при работе аппаратов без отключения смесителя Ее алгоритм состоит в следующем

Для самого «слабого» аппарата блока, который выбирается по минимальной длительности до полного закрытия смесителя или по минимальной степени открытия заслонки смесителя в конце дутьевого периода, задается минимально возможная продолжительность дутьевого периода, исходя из удобства обслуживания воздухонагревателей и максимального расхода топлива На практике это обеспечивается постепенным увеличением заданной средней температуры горячего дутья за полный цикл до уровня, при котором к концу дутьевого периода заслонка смесителя оказывается полностью закрытой При этом для «слабого» воздухонагревателя при максимальном расходе топлива постепенно увеличивается продолжительность периода нагрева насадки до значения, когда максимальная температура уходящих газов достигнет заданного ограничения Таким образом, у самого «слабого» аппарата блока при заданном уровне нагрева дутья будет наименьшая продолжительность дутьевого периода и наибольшая - дымового периода

С учетом определенных таким образом температуры дутья и длительности цикла работы воздухонагревателей выбирается следующий аппарат, для которого в течение нескольких циклов повторяется описанная выше процедура При этом нагрев насадки ведется с максимальным расходом топлива В случае пре-

вышения ограничения по максимальной температуре уходящих газов тепловую мощность горелки следует снизить за счет уменьшения расхода топлива

В результате применения описанной процедуры к остальным воздухонагревателям блока достигается максимально возможная температура нагрева дутья с оптимальными продолжительностями циклов работы и расходами топлива для каждого аппарата

На основе предлагаемой опытно-промышленной методики сформирована режимная карта для блока воздухонагревателей доменной печи объемом 700 м3, реализация которой позволила увеличить температуру нагрева дутья на ~20 °С

В то же время трудоемкость и значительная продолжительность осуществления данной экспериментальной методики (как и любой другой), требует не только определенного изменения технологических режимов ведения аппаратов, но и соответствующей квалификации персонала В связи с этим менее затратной и более эффективной является разработка соответствующей расчетной методики оптимизации режимов, позволяющей исследовать режимы без непосредственного влияния на технологический процесс и имеющихся для него ограничений

Рассмотрен блок воздухонагревателей доменной печи, состоящий из N аппаратов В качестве критерия оптимальности их работы выберем минимальную температуру дутья за полный цикл работы блока

Значения Г)^ являются функциями от множества режимных факторов, к

числу которых в первую очередь относятся длительности дутьевого тд и дымового хн периодов, расходы газа Уем, воздуха горения Увг и дутья Уд, температуры купола 1КуП, продуктов сгорания глс и холодного дутья

Следовательно, ^д является функционалом, а задачу его оптимизации формально можно записать в виде

*ПС1>

г^-ьМАХ (5)

Однако отыскание экстремума Ф затруднено тем обстоятельством, что ввиду сложности математического описания тепломассообмена в высокотемпе-

MIN

ратурных регенераторах зависимости Гщ от режимных параметров не могут

быть в общем случае выражены аналитически В связи с этим обстоятельством для поиска экстремума предлагается использовать адаптированную к реальным условиям работы блока математическую модель регенеративного теплообмена

Область существования решения системы должна быть ограничена следующими условиями

1) При строго последовательном режиме работы воздухонагревателей блока продолжительность дымового и дутьевого периодов каждого аппарата являются связанными величинами Из очевидных соотношений

ТД + ТД + + ТД = ТЦ '

тц=тд+тн+тп=тд+тн+тп = =TNa+TNH+Tn, (6)

где Тц - длительность цикла работы воздухонагревателя, постоянная для всех N аппаратов блока, тп - длительность отдаления и переключения воздухонагревателя, следует:

*"я = 1>£-гд,г=/ N (7)

]=1

2) Тепловая мощность горелочного устройства каждого из воздухонагревателей ограничена как «сверху», так и «снизу» При повышении расходов топлива и воздуха в объеме камеры горения заметно возрастают пульсации горения с образованием стоячих волн, которые способны привести к явлению резонанса и разрушению аппарата Нижний предел тепловой мощности связан с конструктивными особенностями горелочного устройства по обеспечению качества сжигания топлива и устойчивости факела Таким образом,

yM/N <v <уМЛХ , хг

УСМ 1 - VCM,1 - vCM,i >' 1 1У>

yMIN <v <VMAX J IT

УВГ,! - ¥ВГ,1 - ' ВГ,1 > 1 1 "

3) Ограничения по температуре купола:

tMAX MIN j N

4) Температура уходящих газов лимитируется максимальной температурой, допустимой по условиям службы поднасадочного устройства

ТПС,1 - ТПС, 1 ' ' 1 "

С практической точки зрения параметры дутья (расход и температура холодного дутья) при оптимизации режимов работы блока воздухонагревателей являются заданными величинами, поскольку определяются требованиями технологии доменной плавки и возможностями компримирующих устройств, обеспечивающих подачу дутья к воздухонагревателям

Для определения тепловой эффективности каждого аппарата блока на математической модели производится расчет при минимально возможном времени дутья из условий удобства обслуживания с максимально возможным расходом отопительного газа После определения температур теплоносителей по минимальной температуре дутья в конце периода определяется самый «слабый» аппарат блока Его время нагрева рассчитывается итерациями из условия достижения температуры дыма на выходе из насадки к его окончанию Таким

образом, у «слабого» аппарата будет минимальное время дутья и максимальное время нагрева, он определит длительность цикла работы всего блока, а также минимальную температуру дутья Затем из условий (6) и (7) методом последовательного направленного поиска находятся такие длительности периодов нагрева и дутья остальных аппаратов, чтобы их температура дутья в конце периода приняла максимально возможное значение при заданном значении цикла

Использование смесителя теплотехнически неоправданно Поэтому целесообразно для минимизации температурных колебаний дутья использовать режим работы воздухонагревателей блока со смещением Такой режим позволяет также повысить минимальную температуру дутья в целом по блоку аппаратов

При этом «слабые» аппараты играют роль смесителя для снижения температуры дутья в начале периода сильных Поэтому в последовательности постановки на дутье «слабые» аппараты должны располагаться между «сильными» Смещение тси, формируемое за счет увеличения длительности дутьевых периодов более «сильных» воздухонагревателей, определяется для каждой отдельно взятой пары аппаратов в результате реализации серии последовательных расчетов, до достижения минимальной температуры дутья максимально возможного значения При этом постоянно анализируется температура дыма,

которая будет возрастать за время нагрева у «слабых» аппаратов, поскольку для изначально фиксированных Тд за время смещения их насадка отдает меньше тепла Для предотвращения превышения температурой дыма допустимого значения увеличение тсм должно сопровождаться некоторым приращением тд,

которое определяется в ходе расчетов

Расчетная методика, основанная на адаптированной к реальным теплотехническим характеристикам воздухонагревателей математической модели, использована для определения оптимального режима работы блока доменных воздухонагревателей из трех аппаратов доменной печи объемом 2000 м3 На рис 3 представлена зависимость температуры дутья от длительности цикла для трех режимов работы последовательном с равными (минимальными) периодами нагрева и дутья, последовательном с оптимальными периодами нагрева и дутья, последовательном со смещением

1250 -

У 1225 -

V1200 -

А

11175 -

я

^1150 -

|1125

В нов

н

1075 -

1050 -

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 длительность цикла, мин

Рис 3 Зависимость температуры дутья от длительности цикла 1 - последовательный с равными (минимальными) периодами нагрева и дутья, 2 - последовательном с оптимальными периодами нагрева и дутья, 3 - последовательном со смещением

Смещение периодов дутья (гсм=10 мин) двух аппаратов по сравнению с последовательным режимом позволило повысить минимум температуры дутья на 5 °С и снизить ее неравномерность на 30 °С Однако, расчетом установлено, что дальнейший сдвиг периодов для условий данного блока приводит к снижению температуры дутья из-за чрезмерного сокращения времени нагрева

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 Предложена оригинальная опытно-промышленная методика оптимизации работы блока доменных воздухонагревателей при работе со смесителем В качестве критерия оптимальности использована средняя по блоку аппаратов температура нагрева дутья На ее основе сформирована режимная карта для блока воздухонагревателей доменной печи объемом 700 м3, реализация которой позволила увеличить температуру нагрева дутья на 20 °С

2 На основе двумерной математической модели регенеративного теплообмена исследовано влияние поперечной теплопроводности в камере насадки на температуру теплоносителей на выходе из доменного воздухонагревателя, а также распределение температурных полей в насадке и ограждающих ее стенах Установлено, что поперечный теплоперенос к радиальной стене воздухонагревателя составляет лишь около 1% от потребляемого тепла Таким образом, для оптимизации режима работы аппаратов достаточно использовать одномерную модель

3 На основе приближенного аналитического решения задачи теплообмена в регенеративной насадке получено выражение для определения коэффициента термической массивности в зависимости от параметров, определяющих интенсивность теплопереноса критериев Вг и /<о, а также коэффициента теплопроводности насадки По результатам проведенных расчетов показано, что использование полученного выражения дает существенное повышение точности прогноза тепловых параметров работы регенераторов при значениях критериев Вг>0,5 и £о<0,2

4 На основе разработанной двумерной модели регенеративного нестационарного теплопереноса расчетным путем установлено, что воздействие поперечного теплопереноса на поле скоростей теплоносителей по сечению насадки доменного воздухонагревателя не оказывает существенного влияния температуру дутья Показано, что неравномерность температурного поля по сечению насадки слабо (менее ±2 %) изменяет неравномерность распределения относи-

тельных скоростей потоков газовых сред, получаемую без учета радиального теплопереноса

5 Сформулированная математическая модель дополнена расчетом потерь давления в газовом и дымовом трактах доменного воздухонагревателя и, соответствующим изменением расхода отопительного газа Показано, что при реализации прогностической модели для определения оценок тепловой работы аппаратов нет необходимости в расчете гидравлического сопротивления на каждом временном шаге, поскольку температурные параметры теплоносителей остаются теми же, что и при задании постоянной средней величины расхода отопительного газа на протяжении всего периода нагрева насадки

6 Произведен выбор наиболее значимых факторов теплопереноса в доменном воздухонагревателе, влияющих на обобщенный критерий, характеризующий адекватность прогнозных параметров

7 Для условий блока воздухонагревателей доменной печи объемом 2000 м3 осуществлена адаптация математической модели регенеративного теплообмена Адаптированная модель позволяет определять температуры теплоносителей с погрешностью, не превышающей инструментальной погрешности средств измерения Показана практическая целесообразность использования симплекс-метода для минимизации обобщенной функции

8 Разработана и передана ОАО «Липецкий ГИПРОМЕЗ» расчетная методика оптимизации режимов работы блока доменных воздухонагревателей, основанная на использовании адаптированной к реальным условиям детерминированной математической модели Она позволяет сформировать режимную карту и производить ее оперативную коррекцию при изменении ряда технологических параметров (состава, расхода и температуры топлива и воздуха горения, температуры купола и т д )

9 Анализ результатов расчетно-теоретических исследований и практического использования разработанной расчетной методики позволяет рекомендовать ее для разработки режимных карт последовательного, попарно-параллельного и смешанного режимов работы блоков доменных воздухонагревателей

Результаты диссертационной работы изложены в следующих основных публикациях

1 Бянкин И Г К расчету нагрева слоя массивных частиц [Текст] /ИГ Бян-кин, А Ю Кривцов // Теплотехника и теплоэнергетика промышленного производства Тезисы докладов областной научно практической конференции - Липецк, ЛГТУ, 2003 г - С 14-15

2 Бянкин И Г Исследование влияния распределения теплоносителей в насадке доменного воздухонагревателя на температуру нагрева дутья [Текст] / И Г Бянкин, С В Скаков, А.Ю Кривцов // Изв Вузов Черная металлургия, № 7,2006 - С 52-55

3 Бянкин И Г Методика оптимизации работы блока доменных воздухонагревателей [Текст] / ИГ. Бянкин, В Д Коршиков, А Ю Кривцов, С В Скаков // Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии Сб науч тр , Часть 2 - Липецк ЛГТУ, 2006 - С 63-66

4 Бянкин И Г Исследование влияния неравномерности распределения теплоносителей в насадке доменного воздухонагревателя на эффективность его работы [Текст] /ИГ Бянкин, В Д Коршиков, С В Скаков, А Ю Кривцов // Повышение эффективности металлургического производства. Тезисы докладов XV областной научно-технической конференции. Липецк ЛГТУ, 2006 - С 29

5 Бянкин И Г Уточненный метод расчета коэффициента термической массивности [Текст] /ИГ Бянкин, В Д Коршиков, А Ю Кривцов, С В Скаков // Повышение эффективности металлургического производства Тезисы докладов XV областной научно-технической конференции Липецк ЛГТУ, 2006 - С 2728 ,

6 Бянкин И Г Метод расчета коэффициента термической массивности при нагреве слоя массивных частиц [Текст] /ИГ Бянкин, В Д Коршиков, А Ю Кривцов, С В Скаков // Современная металлургия начала нового тысячелетия сборник научных трудов Часть 4-Липецк ЛГТУ, 2006 - С 136-141

7 Бянкин И Г Адаптация математической модели регенеративного теплообмена к условиям функционирования действующих аппаратов [Текст] /ИГ Бянкин, А Ю Кривцов, С В Скаков, В Д Коршиков // Повышение эффектов-

ности металлургического производства Тезисы докладов XVI областной научно-технической конференции Липецк ЛГТУ, 2007 - С. 50-52

8 Кривцов АЮ О повышении адекватности расчетной модели регенеративного теплообмена [Текст] /ИГ Бянкин, А Ю Кривцов, В Д Коршиков, С В Скаков // Экология Центрального Черноземья РФ № 1 (18) Липецк ЛЭ-ГИ,2007 -С 14-20

9 Коршиков В Д О снижении выбросов оксидов углерода в доменных воздухонагревателях оснащенных керамическим кессоном [Текст] / В Д Коршиков, А Ю Кривцов, А В Тормышов // Экология Центрального Черноземья РФ № 1 (18) Липецк ЛЭГИ,2007 - С 11-14

10 Кривцов А Ю Реализация режимов работы воздухонагревателей с пониженной эмиссией парниковых газов [Текст] / А Ю Кривцов, И Г Бянкин, В.Д Коршиков, С В Скаков // Экология Центрального Черноземья РФ Краткое сообщение № 1 (18) Липецк ЛЭГИ, 2007 -С 70-73.

Подписано в печать^ 09,Формат 84x108 1/16 Бумага писчая Ротапринт Печ л 1,0 Тираж 100 экз Заказ Бесплатно Типография ЛГТУ 398600,Липецк, ул Московская, 30

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ РАБОТЫ ДОМЕННЫХ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЕЙ И МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

1.1. Математическое моделирование температурных полей в доменных воздухонагревателях

1.2 Анализ методов оптимизации режимов работы блока доменных воздухонагревателей

1.3. Задачи исследования

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НА ПОДОГРЕВ ДУТЬЯ ПОПЕРЕЧНОГО ТЕПЛОПЕРЕНОСА В НАСАДКЕ И КОЭФФИЦИЕНТА ТЕРМИЧЕСКОЙ МАССИВНОСТИ

2.1. Исследование влияния поперечной теплопроводности в футеровках и насадке доменного воздухонагревателя

2.2. Исследование влияния способов критериального представления коэффициента термической массивности на процесс теплопереноса в доменном воздухонагревателе

2.2.1. Приближенный аналитический метод определения коэффициента термической массивности

2.2.2. Анализ результатов расчета

2.3. Выводы

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КИНЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОПЕРЕНОСА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ НАГРЕВА ДУТЬЯ

3.1. Расчетное исследование влияния неравномерности распределения температурного поля в насадке доменного воздухонагревателя на эффективность нагрева дутья

3.2. Исследование влияния роста гидравлического сопротивления насадки в период нагрева на температурные параметры теплоносителей

3.3 Выводы

4. АДАПТАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ К УСЛОВИЯМ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ДЕЙСТВУЮЩИХ ДОМЕННЫХ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЕЙ

4.1. Выбор коэффициентов адаптации математической модели 4.2 Методика адаптации математической модели регенеративного теплообмена к характеристикам действующих доменных воздухонагревателей

4.3. Выводы

5. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА РАБОТЫ ДОМЕННЫХ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЕЙ

5.1. Экспериментальная методика оптимизации режимов работы доменных воздухонагревателей

5.2. Расчетная методика оптимизации режимов работы доменных воздухонагревателей

5.3. Выводы 107 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 108 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Уровень повышения температуры дутья во многом определяется конструкцией и режимом работы доменных воздухонагревателей. В последнее время ведущие предприятия осуществляют последовательное обновление парка аппаратов, поэтому возникает необходимость поиска путей коррекции и последующей оптимизации режимов работы блока воздухонагревателей с учетом их индивидуальных конструктивных и теплотехнических особенностей.

Цель работы. Экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование и совершенствование методов математического моделирования и оптимизации режимов работы доменных воздухонагревателей с учетом их индивидуальных теплотехнических характеристик.

Методы исследования. Использовались методы математического моделирования, математической статистики, математического программирования, математической физики, математического анализа.

Научная новизна

1. Разработана экспериментальная методика оптимизации последовательного режима эксплуатации блока воздухонагревателей, отличающаяся от известных тем, что при ее реализации не требуется отключения смесителя дутья.

2. Сформулирована краевая задача двумерного нестационарного теплопере-носа в насадке доменного воздухонагревателя учитывающая изменение газодинамического сопротивления аппарата и дымового тракта в течение цикла, а также неравномерность распределения теплоносителей по сечению насадки.

3. Предложена теоретическая зависимость для коэффициента термической массивности регенеративных насадок, позволяющая без увеличения размерности задачи тепломассобмена повысить точность решения.

4. Теоретически обоснована возможность использования одномерных моделей теплообмена в высокотемпературных регенераторах для оптимизации режимов их работы.

5. Предложен обобщенный критерий и методика адаптации математической модели доменного воздухонагревателя с учетом наиболее значимых факторов регенеративного теплообмена и индивидуальных характеристик аппаратов.

6. Разработана оригинальная расчетная методика оптимизации режима работы блока доменных воздухонагревателей, позволяющая при выбранных критерии оптимальности, ограничениях на значимые факторы теплообмена, определить оптимальный режим функционирования блока аппаратов с учетом их индивидуальных характеристик.

Практическая ценность и реализация работы

1. В условиях доменной печи объемом 700 м внедрена опытно-промышленная методика оптимизации режима работы блока доменных воздухонагревателей, что позволило повысить температуру дутья на 20 °С.

2. Разработан и передан ОАО «Липецкий ГИПРОМЕЗ» пакет прикладных программ, реализующий математическую модель регенеративного теплопере-носа, процедуру ее адаптации и методику поиска оптимального режима работы блока доменных воздухонагревателей с учетом их индивидуальных теплотехнических характеристик.

3. Для условий доменной печи объемом 2000 м НПО «Тулачермет» разработана и передана для реализации режимная карта, составленная на основе созданной расчетной методики.

4. Материалы по теме диссертационной работы используются в учебном процессе при изучении студентами специальности 150103.65 «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей» специальных дисциплин «Специальные разделы численных методов», «Информационные технологии в металлургии», «Моделирование процессов и объектов в металлургии», а также при выполнении курсовых и дипломных работ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на Областной научно-практической конференции «Теплотехника и теплоэнергетика промышленного производства» (Липецк, 2003 г.); Международной научно-технической конференции «Современная металлургия начала нового тысячелетия» (Липецк, 2006 г.); Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии» (Липецк, 2006 г.); XV Областной научно-технической конференции «Повышение эффективности металлургического производства» (Липецк, 2006 г.); XVI Областной научно-технической конференции «Повышение эффективности металлургического производства» (Липецк, 2007 г.).

Публикации. Результаты диссертации отражены в 10 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 112 наименований. Основная часть работы изложена на 119 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков, 11 таблиц.