автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Оптимизация режимных и конструктивных параметров и совершенствование методов расчета газовых нагревательных печей

1ЕМЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИИ ГАЗОВЫХ НАГРЕВАТЕЛЬНЫ^ овершенствование и оптимизация тепловой работы нагревательных печей.

1. Режимы нагрева с минимальным угаром металла.

1.2. Режимы нагрева с минимальным расходом топлива.

1.3 .Задачи наискорейшего нагрева металла до заданных пар£гз. .1.4.0птимизация режимных и конструктивных параметров по минимуму затрат на нагрев металла. Математическое моделирование теплообмена . " ~ -.

1.2.1. Моделирование температурных полей металла и огражд^е '

1.2.2. Моделирование конвективного и радиационного теплоо^х .3. Автоматизация процесса математического моделирован ^

1.3.1.Разработка типовых программ и автоматизированных "'

1.3.2.Распространение программных средств.^ ■

1.3.3. Подготовка пользователей ЭВМ. %

Актуальность. Высокотемпературные процессы и установки формируют техническую базу металлургической, машиностроительной, химической промыш-ленностей и производства строительных материалов. Значительные расходы топлива на тепловую обработку материалов при сравнительно низком КПД высокотемпературных установок определяют необходимость проведения работ по их совершенствованию и оптимизации.

До начала последней четверти XX века совершенствование нагревательных печей проводилось лишь на основе обобщения опыта эксплуатации или дорогостоящих промышленных экспериментов.

Теоретические и экспериментальные исследования высокотемпературных процессов и развитие ЭВМ создали хорошие предпосылки для решения задач энерго- и ресурсосбережения методами математического моделирования.

Подбор оптимальных режимных и конструктивных параметров, обеспечивающих выполнение технологических требований и минимум затрат на тепловую обработку материалов, позволит улучшить экономичность действующих и проектируемых установок. Оптимизация нагревательных печей математическими методами началась с использования аналитических моделей, описывающих взаимосвязи параметров.

Первые решения задач оптимизации температурных режимов нагрева по минимуму угара металла и выводы, сделанные на их основе, носили противоречивый характер и вызвали дискуссию. К разработке методов расчета оптимальных режимных параметров нагревательных печей подключились многие научные коллективы, работавшие в области металлургической теплотехники.

Однако очень важные для практики вопросы: имеются ли общие закономерности для оптимальных режимов и каковы они, величины возможных эффектов оптимизации и от чего они зависят, оставались нерешенными. В учебных пособиях, за редким исключением, не появились разделы "Оптимальные режимные и конструктивные параметры нагревательных печей", хотя проблема оптимизации решается около 30 лет.

Получение надежных решений этих задач сдерживалось недостаточной эффективностью математических моделей, средств программного и информационного обеспечения, необходимых для проведения многовариантных расчетов.

По заданиям Всесоюзного НИИ металлургической теплотехники и "Информационного центра по использованию вычислительной техники в учебном процессе", созданного при Минвузе РСФСР, автор работы участвовал в анализе программного обеспечения металлургической теплотехники и учебного процесса по специальности "Промышленная теплоэнергетика".

Анализ методических документов и аннотаций к программам показал дефицит программ, пригодных для широкого распространения.

Наши исследования для решения отмеченных проблем проводились по трем взаимосвязанным направлениям: разработка эффективных математических моделей, создание средств программного и информационного обеспечения, оптимизация режимных и конструктивных параметров нагревательных печей.

Работы выполнялись в соответствии с планом основных научных направлений Ивановского государственного энергетического университета, по договорам с промышленными предприятиями и научно-исследовательскими организациями, в рамках целевых, государственных и отраслевых научно-технических программ:

• тема 15.09 Координационного плана ГКНТ СССР "Разработка пакета прикладных программ по расчету характеристик тепло-массообменных процессов", утвержденная постановлением ГКНТ СССР № 500 от 21.11.1975 г.;

• темы 1.4 и 1.5 Координационного плана Минчермета СССР "Разработка пакета

С" прикладных программ для расчета режимных и конструктивных параметров нагревательных печей" и "Разработка структуры информационно-вычислительной системы для решения задач металлургической теплотехники";

• тема 3.2 "Разработка методического, программного и информационного обеспечения специализированного отделения фонда алгоритмов и программ металлургической теплотехники" комплексной программы № 21 Министерства черной металлургии СССР "Разработать совершенные методы расчета металлургических агрегатов, в том числе тепловых, с использованием ЭВМ и информационно-вычислительной системы по металлургической теплотехнике с целью повышения энергетического КПД", утвержденной 08.10.1981 г.;

• тема 2.7.6. "Создание мультимедийных учебно-методических комплексов и тренажерно-обучающих систем по естественнонаучным и техническим дисциплинам межвузовской научно-технической программы "Научное научно-методическое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования, 2001-2002 гг.".

Цель работы. Оптимизация режимных и конструктивных параметров газовых нагревательных печей, с целью экономии энергетических ресурсов, совершенствование методов расчета, разработка программного и информационного обеспечения для моделирования и оптимизации теплотехнологических процессов и установок. 8

Научная новизна.

1. Впервые найдены и исследованы зависимости параметров оптимальных режимов нагрева стали от конечного времени нагрева, толщины металла, заданного конечного перепада температур по сечению металла, ограничений на температуры металла и ограждений. В результате исследования обнаружен и доказан ряд закономерностей:

• угар металла для режима нагрева с минимальным окислением при увеличении времени сверх оптимального остается практически постоянным, а не увеличивается или уменьшается, как утверждалось в других исследованиях;

• скорость роста температуры поверхности металла для режима с минимальным окислением может увеличиваться в ходе нагрева, убывать или быть постоянной в зависимости от заданного конечного перепада температур по сечению металла;

• для режимов нагрева с минимальным расходом топлива в секционной печи найдена (открыта) взаимосвязь между температурами газа в первых зонах, которая практически не зависит от производительности, заданного конечного перепада температур по сечению, толщины металла и его теплофизических свойств;

• довольно широкая область значений температур газа в первых зонах той же печи, при которых расход топлива отличается от оптимального не более чем на 1 %, значительно сужается при повышении производительности печи;

• режим нагрева с одинаковыми расходами топлива, м /(с- п.м), в первые зоны секционной печи, пока не проявляются ограничения на температуры металла и ограждения, близок к оптимальному.

2. Выполнен системный анализ проблем оптимизации нагревательных печей и разработаны обобщенные схемы:

• декомпозиции процедуры проектирования нагревательного отделения и пред. ставление ее в виде многоуровневой задачи оптимизации;

• параметрических взаимосвязей теплофизических процессов, происходящих в рабочем пространстве теплотехнологических установок;

• автоматизированных систем для моделирования и оптимизации теплотехнологических установок, включающих инвариантные компоненты, которые использовались при моделировании нескольких типов нагревательных печей;

• информационного обеспечения программ моделирования, которые позволяют реализовать системные принципы и упростить создание средств для решения задач оптимизации. 9

3. Разработаны математические модели, предназначенные для решения экстремальных задач численными методами, и решены задачи совершенствования и оптимизации режимных и конструктивных параметров: протяжкой печи малоокислительного нагрева проволоки; проходнрй роликовой печи; нагревательных колодцев; секционной нагревательной печи.

4. Предложены и исследованы математические модели, уменьшающие трудоемкость расчета процессов: окалинообразования; стационарной и нестационарной теплопроводности в ограждениях; дожигания продуктов неполного горения газов.

5. Разработаны эффективные численно-аналитические методы расчета нестационарных температурных полей, обеспечивающие возможность проведения многократных расчетов для решения задач оптимизации и управления.

• Для известного метода дискретного удовлетворения краевых условий предложены обобщенные формулы и алгоритмы; рассчитаны, табулированы и записаны в автоматизированные базы данных специальные функции (решения уравнения теплопроводности при граничных условиях первого рода), без которых было бы невозможно практическое использование метода; расширена область его применения для решения различных задач теплопроводности; получены формулы для контроля устойчивости вычислений.

• Создан метод, который по своим возможностям мало уступает численным методам, но на порядок сокращает время вычислений; получены формулы, связывающие начальные и граничные условия с параметрами температурного поля в конце расчетного интервала для двухслойных тел простой формы, многослойной пластины, для двух- и трехмерных тел.

• Разработан эффективный численный алгоритм нахождения температур газа (печи), при которых металл за время тк нагреется до заданных значений: средне-массовой температуры Тсрж и перепада температур по толщине металла ЛТК или до температуры поверхности Тк и ЛТК (алгоритм может применяться с любыми методами расчета температурных полей).

6. Впервые для металлургической теплотехники были разработаны логические структуры автоматизированных баз данных по составам газовых топлив, теплофи-зическим характеристикам материалов ограждений и сталей.

7. Разработаны эффективные методы:

• расчета нелинейных сопряжений процессов теплообмена;

• поиска оптимальных значений "с разведкой";

10

• поиска теплофизических характеристик сталей в базе данных по химическому составу, близкому к заданному;

• тестирования математических моделей и программ, рассчитывающих температурные поля.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

• разработаны математические модели нагревательных печей, процессов теплообмена, программные средства, автоматизированные базы данных, использование которых позволяет уменьшить трудоемкость исследования установок промышленной теплоэнергетики;

• получены количественные данные об эффективности оптимизации режимных и конструктивных параметров и найдены закономерности для режимов нагрева с минимальным расходом топлива и (или) угаром металла, знание которых снизит объем работ по оптимизации действующих и проектируемых нагревательных печей;

• результаты расчетов по совершенствованию и оптимизации теплотехнологиче-ских установок были использованы ПТП Центрэнергочермет, ВНИИМТ, ВНИ-ПИчерметэнергоочистка, Череповецким (ОАО СЕВЕРСТАЛЬ) и Коммунарским металлургическими комбинатами, Кинешемским заводом "Поликор";

• автоматизированные подсистемы и базы данных, программы для моделирования и оптимизации нагревательных печей, программные модули, математические модели процессов использовались проектными, научно-исследовательскими организациями и вузами: ВНИИМТ, СТАЛЬПРОЕКТ, ВНИИЦЕММАШ, УралВТИ, ООО ЭЛВЕСТ-М, ДМетИ (ГМАУ), ЗИИ (ЗГИА), ЧПИ (ЮУГТУ) и др.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработок в пересчете на доллары США более $1 млн.

Автор защищает:

1) выявленные закономерности, характерные для оптимальных режимов нагрева металла;

2) структуры процедуры оптимального проектирования нагревательных печей, автоматизированных подсистем и баз данных;

3) результаты расчетов по совершенствованию и оптимизации режимных и конструктивных параметров ряда теплотехнологических установок;

4) математические модели процессов теплопроводности, окалинообразования и нагревательных печей; методы: расчета нелинейных сопряжений процессов, поиска оптимальных значений "с разведкой", автоматизированного поиска тепло

11 физических характеристик сталей, тестирования математических моделей для расчета температурных полей.

Апробация результатов работы. Материалы диссертации 48 раз докладывались на 39 конференциях и семинарах. Среди них Международные, Всесоюзные и Республиканские конференции и совещания (Краснодар 1973, Днепропетровск 1973, 1976, 1981, 1985, 1989, 1996, 1999, Москва 1977 (МЭИ), ВДНХ СССР 1979, Минск 1980, Каунас 1987, Свердловск, ВНИИМТ 1983, 1990, Новокузнецк 1983, Иваново 1983, 1985, 1987, 1989, Владимир 1989, Тула 1979, Казань 2002); итоговые научно-технические конференции ИЭИ 1969. 1980, 2001 гг., научно-методические семинары секции "САПР в энергетике и электротехнике", 1976. 1989 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 120 печатных работ (среди них 2 монографии, 5 - уч. пособий, 66 статей, 3 авторских свидетельства СССР), выпущено 34 отчета по НИР и программных документа.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы из 315 наименований, приложений. Работа изложена на 292 с. машинописного текста, включая 82 рис. и 30 табл. Общий объем работы -345 с.

2. Основные результаты работы но теме прОведСНИ теплотехнические ИСПЫтания роликовой печи шаропрокатного стана, разработаны математические модели и программы, предложены новые технологические . инструкции нагрева заготовок. : '

3. Экономическая эффективность, ожидаемая от использования работы ?? шт^*^* руп- ГУОУОХ. Л^Ъ 0 ■

I® |||g|f|f

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

ШШ0Шй прим

1Й1Ш1

8 вычислительном центре ВШШМ? в 1983г. внедрены 5 комплексов программ Ш, РАГГ, БРАГГ, PACT, БРАСТ и Z автоматизированные база данных, разработанные по теме №32/82 "Разработка методического «программного и информационного обеспечения специали* аированного отделения ФА11-металлургической теплотехники? .Комплексы программ и автоматизированные базы данных позво-ляот сократить трудоемкость поиска и подготовки, vb так же уср.„. flSilfili? корить проведение расчетов горения газа и стационарной теплопередачи при расчетах металлургических агрегатов. >* i » ^ кШЩфЩ

§шшш

Ч *

Л-

Годовой экономический эффект, полученный ВНЙИМТ от внедрения разработки составил 7 (семь) тыс.руб. ,

4 ' ^ , ' , . - - * 4 •

Расчёт годового экономического эффекта прилагается к акту

2 1 Л*» У

-.У работе

А т В И £ Д Р £ П - Я

0 учоОнна процесс кафедра проишшо»по>! топлоэно^ го ют? ЧП7 1к.3г. внадрыш Б ¡{оуп.но1<геов програгш 11],; ,РШ »БРАГ * ,РДОТ, Б РА ОТ с автшатшзироваинваи базаря данизх ш внешних оапэля-паюпшх устройствах ЬВЛ, которзо раэработаин на ка-эдро эпоргэ-тики Высокотояпературшх проаищлбтшх процессов с,к. с. Соколовым А*И. и пор о даны о ЦП И по договору Т4У/сс.

Коап л окон п рог реши попользуются в курсе: "Зачислятся ыюя техн:-ша в аняснориых ш экономических расчетах", в д!т ложном, и аурсовоы проектировании для студентов специальностя 1-,-;Сс • кон<хшчэсаий эф.оат в сулле 14.СУ5 : руй Счетырнадцать тояч шестьсот девяносто ПЯТЬ руб.) будо? подучом ПроДПрЙЯТЯЯЛ й организациями, в которое будут иаг^ о в лона вппусгштда ко. одра йТо, владеэщя© мотодазтс расчета с ягепольоовпииои Ъ» 3 и, слодоиатэльпо, обладаэсих повыяошюм производительность^ труда Расчет годового овоно'лячосдого -о.-'озта прплагоор^а к акту.1 Долевое участие "ч" в получении экоиоаичос^оги ©¡¿-.оита Зав. уч#гот делом ЧШ$

Нач IIФО завкафедрой № ЧПР и,т.н., доц. Т.И.Парубочая/ /А ,М .-Ильиных/

1,А.аО( олэико

340