автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка эффективной системы энергообеспечения электросталеплавильного производства

На правах рукописи

Бушуев Антон Николаевич

РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОЙ СИСТЕМЫ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОСТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 05.14.04 — Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени 9 СЕН 2015 кандидата технических наук

Казань-2015

005562131

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Теплотехнические и энергетические системы» в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственны" технический университет им. Г.И. Носова»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Картавцев Сергей Владимирович

Официальные оппоненты: Макаров Анатолий Николаевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тверской государственны" технический университет», заведующий кафедрой «Электроснабжение и электротехника»

Мингалеева Гузель Рашидовна,

доктор технических наук,

Федеральное государственное бюджетно учреждение науки «Казанский научный цен' Российской академии наук», заведую щ лабораторией моделирования систем производств энергии

Ведущая организация: Федеральное государственное автономно

образовательное учреждение высше

профессионального образования «Уральски" федеральный университет имени перво Президента России Б.Н. Ельцина» (г. Екатеринбург).

Защита состоится 1 октября 2015 г., в 14 час. 00 мин. на заседаш диссертационного совета Д212.082.02 при ФГБОУ ВПО «Казански" государственный энергетический университет» по адресу: 420066, Казань ул. Красносельская, д. 51, зал заседаний Ученого совета (Д-225).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке, на сайт ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет) http://www.kgcu.ru/.

Автореферат разослан 24 августа 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие черной металлургии неизбежно связано с совершенствованием сталеплавильного производства с применением дуговых сталеплавильных печей переменного (ДСП) и постоянного (ДППТ) тока при увеличении доли выплавляемой в них стали. Актуальная научная проблема заключается в том, что любое приспосабливание режимов производства дуговых печей к внешним технологическим обстоятельствам является ограничением, влияющим в худшую сторону. Поэтому основным требованием к комплексу «Источник энергии — дуговая печь» должна быть неограниченная внешними факторами подача энергии, вырабатываемая по графику, близкому к графику нагрузки, создаваемой дуговыми печами. Энергетическая эффективность одновременной подачи тепловой и электрической энергии в камеру дуговой печи раскрывает горизонт нерешенных проблем в самих энергетических системах и комплексах, обеспечивающих когенерационную выработку энергии в требуемых соотношениях по необходимому графику нагрузки.

Цель диссертационной работы - теоретическая разработка промышленной системы энергообеспечения электросталеплавильного производства на базе металлургических микро- и мини-заводов, обеспечивающей снижение вредных выбросов и расхода энергетических ресурсов на единицу продукции — электростали.

Для решения данной цели поставлены следующие задачи:

1. Выбор целевых функций промышленной системы энергообеспечения электросталеплавильного производства и сравнительный анализ возможных источников энергии согласно целевым функциям.

2. Построение принципиальной схемы системы энергообеспечения технологического процесса выплавки электростали в дуговых печах, отвечающей выбранным целевьм функциям.

3. Математическое моделирование теплопереноса в исследуемой промышленной системе энергообеспечения электросталеплавильного производства.

4. Численное исследование режима работы системы энергообеспечения, отвечающего выбранным целевым функциям и термодинамический анализ влияния температуры окружающей среды на основные показатели данной системы.

5. Термодинамическая оценка работы системы энергообеспечения при пульсирующей электрической нагрузке в энергетическом комплексе металлургического мини-завода с дуговыми печами постоянного тока.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана принципиальная схема автономной системы энергообеспечения электрометаллургических микро- и мини-заводов - на базе парогазовой установки с включением между газотурбинной установкой (ГТУ) и котлом-утилизатором (КУ) промежуточного устройства для подогрева металлошихты, обеспечивающей снижение вредных выбросов и расхода энергетических ресурсов на единицу продукции (электростали).

2. Получены численным методом зависимости изменен среднеинтегральной температуры подогреваемой металлошихты и греющих газ за слоем металлошихты во времени с учетом переменного характе термодинамических показателей выхлопных газов ГТУ. С целью выявлен распределения температуры по высоте слоя металлошихты экспериментальны путем выведена зависимость изменения порозности засыпки по высо загрузочной корзины цилиндрического сечения.

3. Получены аналитические зависимости основных показателей систем энергообеспечения от температуры внешней среды и наличия полимернь примесей в металлошихте и исследовано изменение гидравлическо сопротивления газового тракта за газовой турбиной, позволяющее оцени колебание противодавления на выхлопе ГТУ.

4. Произведен термодинамический анализ работы ГТУ при пульсирующе нагрузке и противодавлении и котла-утилизатора с дополнительным сжигание природного газа при переменных термодинамических параметр утилизируемого газа.

Практическая значимость и результаты работы:

1. На основании сравнительного анализа согласно предложенным целевы функциям построена принципиальная схема системы энергообеспечени электрометаллургических микро- и мини-заводов на базе ДППТ.

2. Показано, что при температуре выхлопных газов турбины 510°С удельном расходе более 0,35 кг/с-т обеспечивается достаточно эффективны прогрев металлошихты к моменту 40 мин при достижении среднеинтегрально температуры 250°С. При удельном расходе 0,5 кг/с т температура металлошихт превышает 300°С.

3. Установлено, что при постоянной доле мощности ГТУ в систем энергообеспечения КПД системы лежит в пределах 48...55% при доли отбор газов в интервале 0,3...0,4 на каждую загрузочную корзину с металлошихтой отклонение температуры рабочего тела от заданного значения в КУ лежит пределах 100°С.

4. Для поддержания устойчивой работы котла-утилизатора при параметр:, соответствующих экологическим требованиям дожигания органическ соединений, отмечена необходимость применения футерованно! неэкранированной топки в котле, исключение воздухоподогревателя и переход н атмосферный деаэратор с температурой деаэрированной воды 104°С.

5. Перевод паротурбинной части системы на атмосферный деаэратор понижением температуры питательной воды обеспечивает полезный избыто! теплоты на теплофикацию (для паровой турбины 50 МВт до З0,96-103 кДж/с) з счет неполного использования регенеративных отборов.

6. Работа системы энергообеспечения в полуавтономном режиме снижае потребление электроэнергии из внешней сети на 70...80% (в зависимости о режима работы печей), что обеспечивает сбережение энергетических ресурсо (снижение энергоемкости стали) до 6... 12%. Срок окупаемости данной системь энергообеспечения составляет порядка 5-6 лет.

Достоверность и обоснованность полученных экспериментальных и расчетных данных в работе подтверждается множественным экспериментальным измерением и применением современных вычислительных алгоритмов, графических редакторов, сертифицированных программ, воспроизводимостью полученных результатов, применением основных математических следствий и законов термодинамики и теплофизики.

Основные методы научных исследований. Применительно к проблематике диссертации использован комплекс базовых методов исследования, а именно: методы математического моделирования, численные методы решения дифференциальных уравнений, вычислительный эксперимент.

Личный вклад автора состоит в разработке принципиальной схемы автономной тепловой системы энергообеспечения электрометаллургических микро- и мини-заводов на базе дуговых печей постоянного тока; в экспериментальном выводе зависимости порозности металлошихты электросталеплавильного производства в загрузочной корзине цилиндрического сечения; в аналитическом и численном решении дифференциальных уравнений теплообмена в металлошихте с учетом переменной порозности металлошихты и зависимости термодинамических параметров газов и металлошихты от температуры; в термодинамическом анализе тепловой системы энергообеспечения, оценке работы ГТУ и котла-утилизатора с дополнительным сжиганием природного газа при пульсирующей электрической нагрузке и переменных составе, расходе и температуре утилизируемых в котле газов.

Автор защищает:

1. Оригинальную схему автономной тепловой системы энергообеспечения электросталеплавильного производства на базе микро- и мини-заводов.

2. Зависимости изменения температуры выхлопных газов ГТУ и металлошихты при теплообмене в загрузочной корзине, полученные численным методом.

3. Коэффициент отбора выхлопных газов ГТУ на подогрев металлошихты и коэффициент распределения электрической мощности в бинарной парогазовой системе энергообеспечения.

4. Зависимости основных показателей системы энергообеспечения от температуры внешней среды и наличия загрязняющих примесей в металлошихте.

5. Временную зависимость основных термодинамических показателей ГТУ и котла-утилизатора с дополнительным сжиганием природного газа при работе системы энергообеспечения при пульсирующей и постоянной электрической нагрузке на электрогенераторе ГТУ.

Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 24 работы в научных изданиях, в том числе 7 публикаций в изданиях из перечня, рекомендуемого ВАК. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве» (Орск, 2011 г.); VI - X Международных молодежных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (Казань, 2011 -

2015 г.); XIII - XV Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и специалистов «Энергетики и металлурги настоящему и будущему России» (Магнитогорск, 2012 - 2014 г.); VI и VII Международной школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика» (Москва, 2012, 2014 г.); Ш Международной конференции «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных материалов и сплавов» (Оренбург, 2014 г.); «Национальном конгрессе по энергетике 2014» на базе ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» (Казань, 2014 г.); VII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы» (Оренбург, 2014 г.).

Соответствие паспорту специальности. По тематике, методам исследования, предложенным новым научным положениям диссертация соответствует паспорту специальности научных работников 05.14.04 «Промышленная теплоэнергетика» в части пункта 1 - «Разработка научных основ сбережения энергетических ресурсов в промышленных теплоэнергетических устройствах и использующих тепло системах и установках», в части пункта 3 -«Теоретические и экспериментальные исследования процессов тепло- и массопереноса в тепловых системах и установках, использующих тепло» и в части пункта 6 - «Разработка и совершенствование аппаратов, использующих тепло, и создание оптимальных тепловых систем для защиты окружающей среды».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 179 наименований и 9 приложений. Текст диссертации изложен на 175 страницах машинописного текста, включающих 45 иллюстраций и 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, изложены цели, задачи, сформулирована научная новизна и практическая

значимость работы.

В первой главе приведен литературный обзор схожих вопросов науки с подробным рассмотрением энергоснабжения дуговых сталеплавильных печей переменного и постоянного тока, способов снижения расхода электроэнергии дуговыми печами и сокращения продолжительности выплавки электростали, способов подогрева металлошихты и изложена актуальность автономного энергообеспечения электросталеплавильного производства. Также предложены основные критерии (целевые функции) эффективности автономного энергообеспечения металлургических микро- и мини-заводов.

Во второй главе на основании энергетической оценки тепловых источников и тенденции внедрения в электросталеплавильный процесс предварительного подогрева металлошихты, загружаемой в ДППТ, предложена автономная парогазовая система энергообеспечения, обеспечивающая производство совместно электрической и тепловой энергии, вносимой в печь. Принципиальная схема системы приведена на рисунке 1.

Рис. 1 Принципиальная схема системы энергообеспечения электросталеплавильного производства с указанием топливно-тепловых потоков в системе

При сжигании топлива В\ с воздухом V\ выхлопные газы ГТУ в доле <р направляются в систему (устройство) подогрева металлошихты (СПШ) с засыпанным внутрь слоем металлического лома и далее в котел-утилизатор (КУ). Подогрев обеспечивает внос теплоты Q$mu в дуговую печь. Данная схема допускает дополнительную подачу топлива £2 в КУ в целях дожигания вредных выбросов, образуемых при горении и деструкции примесей в металлоломе, и В3 в СПШ в целях требуемой интенсификации. Электрическая энергия, вырабатываемая электрогенераторами ГТУ и ПТУ (мощность N^ и соответственно), подводится к электрической дуге ДСП.

Актуальность автономного энергообеспечения электросталеплавильного производства на базе мини-заводов может быть объяснена:

целесообразностью предварительного подогрева металлошихты, обеспечивающего интенсификацию технологического процесса выплавки и выжигание полимерных и масляных примесей в металлошихте;

- необходимостью последующего дожигания образуемых СОЗ при предварительном подогреве металлошихты с полезной выработкой энергии согласно критериям энергетической эффективности;

- снижением энергоемкости продукции (стали) при близком расположении источника к потребителю (к ДППТ).

В третьей главе произведен выбор способа подогрева металлошихты выхлопными газами ГТУ, заключающийся в использовании загрузочной корзины в камере нагрева, и экспериментальным путем выведена зависимость изменения порозности металлошихты по высоте загрузочной корзины цилиндрического сечения. Получены аналитическое (при постоянных параметрах) и численное (при переменных термодинамических показателях и порозности) решения

математической модели теплообмена при прохождении выхлопных газов ГТУ

через слой кускового металлолома.

Снизу корзины подаются выхлопные газы газовой турбины с температурой ©О (К). Скорость движения газов сог на входе в корзину с металлошихтой температурой 0М(К) определяется массовым расходом в (кг/с). Порозность металлошихты в корзине принимается равной е = е(г). Задача расчета теплообмена заключается в нахождении временной функции изменения температуры греющего газа за слоем металлошихты Тг = /(г) и функции изменения средней температуры металлошихты Ты =^(г). Математическая формулировка задачи нагрева металлошихты в загрузочной корзине имеет вид:

- стртеЦ1- - стрт(йт —1с- = К (Гг - Тм )

дт дха ^ (1)

от

с краевыми условиями вида:

Ти|г=0 =0м. ^г|г=о =®м> 4=0 = ®0. (2)

где сг,рг,си,ри - массовая изобарная теплоемкость (кДж/кг-Л) и плотность

рабочего газа (кг/м3) и металла соответственно; Гг,Гм - абсолютные температуры

газа и металла соответственно, К\ К - объемный коэффициент теплопередачи,

Вт/м3-К; г - время, с.

Решение системы уравнений (1) возможно сеточными уравнениями:

ь (1 - г • В ■ (гм, Гг. и1, ГМ.1Я ))• ТЩл у

1.Я

А-Дг,_1,Гг.и.1)л

т • АГ/_ 1 К{л

Л-Дгм>Гг.1Н)

г„... ——+ (3)

. г _ т__

•-'•■И г

К(2>'\>*2)

ш л =_Ы'А'Ь)_

и,1, 2) см(,2) рм(<2)

здесь ¡{,¡2 - температуры греющего газа и металлошихты соответственно, °С.

Результаты расчета системы показали достаточно эффективный (до 250°С и более) прогрев металлошихты при удельном расходе выхлопных газов ГТУ 0,4...0,5 кг/с на 1т металлошихты за длительность технологического процесса выплавки стали 45 мин. Данный прогрев обеспечивает интенсификацию процесса на 9... 12%, т.е. до 40 мин.

В четвертой главе произведена энергетическая оценка автономной системы энергообеспечения с учетом влияния масляных и полимерных загрязнений в металлошихте на показатели эффективности системы. Выведена зависимость требуемой подачи дополнительного топлива в котел-утилизатор на дожигание газовой смеси при задаваемой температуре.

Одним из определяющих показателей системы энергообеспечения служит функция процентного распределения генерируемой мощности в системе:

Q(r) = <^/Vr(r), (5)

где АГ"17 (г) - временная функция полной электрической мощности.

Требуемая доля отбора выхлопных газов ГТУ непосредственно на подогрев металлического лома составляет:

ç>(r) = G/G>£(r), (6)

где G^y(r) - функция массового расхода выхлопных газов ГТУ.

Подача природного газа т(т) на дожигание поступающего потока газов при задаваемой рабочей температуре в котле Т может быть оценена через тепловой баланс. Полная действительная подача топлива на котел составляет:

В2(т) = т(т) + т'(т),- (7)

где т'(г) - регулирующая (дополнительная) подача топлива в котел:

-М(т)■ [/(г)-Ф(г)-(1-а)-/ухМ] , = Ътту-Уэ_____W

m{T) ß„(i-«)+/yx(r)

где N3Jl - удельная электрическая мощность, подводимая к ДСП, кВт/т; а -коэффициент, учитывающий долю тепловых потерь котла через внешнюю обмуровку; Ф(г) - поправочная функция, учитывающая изменение химического состава рабочего тела в котле при дожигании природного газа; /(г) - функция энтальпии рабочего тела в котле при задаваемой температуре Т, кДж/кг, М(т) -массовый расход рабочего тела в котле, кг/с; /ух (г) - функция энтальпии

уходящих газов котла, кДж/кг.

Оптимальное значение показателя <р при заданном расходе газов на нагрев

лома G второстепенно может быть определено функциями:

Г(т) = т'(т)/В2(т), m = В2 (г)Д"пг (г), (9)

где /Ипг(г) - функция, отображающая максимально возможное количество природного газа, сжигаемого в котле за счет кислорода утилизируемых газов.

Показатель <р(т) отображает распределение тепловой нагрузки между составляющими узлами системы - ГТУ, СПШ и ПТУ. Графики зависимости полного КПД системы и КПД котла-утилизатора при переменном ç изображены на рисунке 2. При регулировке системы энергообеспечения по минимуму

функции QnTy (г), коэффициент распределения электрической мощности 0 лежит

в пределах 0,38...0,43.

При среднем 0 = 0,4 коэффициент <р изменяется в интервале 0,665... 1,0 по

линейной зависимости q>{i) = 0,83 - 5,5667 -10 3 • t.

КПД КУ испытывает зависимость от внешней температуры по причине зависимости функции у(т) (рис.2), обеспечивающей отрицательное значение регулирующей подачи топлива на котел и, следовательно, недогрев рабочего тела. Понижение температуры окружающей среды ведет к повышению значения функции £(т), что приводит к необходимости дополнительной подачи воздуха на сжигание в котел-утилизатор.

Графики, изображенные на рисунках 2 и 3, соответствуют фиксированному расходу газов G = 0,4 кг / с ■ т, поэтому увеличение доли q> приводит к снижению показателя 0 и расхода рабочих газов ^ через КУ.

Точки А, В, С на кривых, 1-5 приведенных на рис. 3, соответствуют крайним оптимальным значениям доли 1.0 отбора выхлопных газов <р при фиксированном расходе 0,4 кг/с на 1 т металлошихты. Значениям показателя £ < 1 соответствует интервал

коэффициента <р ~ 0,75...0,8 (точки В и С). При увеличении удельной мощности КПД системы и котла-утилизатора имеют близкие значения, но при меньших ф (изменение (р обратно пропорционально увеличению показателя удельной мощности). В данном интервале при £ = 1 коэффициент (р изменяется:.

<р0) = 0,77103 - 9,4 • 10"4 • t + 3.4921 • 10_6 • Г2. (10)

При двукратной мощности системы (540x2 кВт/т) коэффициент q> при 0 = 0,4 изменяется в интервале 0,297...0,444 по линейной зависимости:

0.7 0.8 0.9 ф Рис. 2 Кривые изменения полного КПД системы 77 и КПД котла-утилизатора

7ку (пунктир) при переменном ф для

различных температур среды /

.....

г --------------—'—Г-«*'.

;в • 0 зоч ^-^гс"..........

JS**

-б

<

? • -30

-8 0.6

_L

_L

J_

0.5

0

0.7 075 0.8 0.9 ф Рис. 3 Кривые среднеинтегральных значений функций у(т) и ^(г) (при удельной мощности 480 кВт/т)

р(/) = 0,3697-2,44667-10 3-t. Закономерность изменения показателя <р при у = 0 выражается:

(П)

«КО = 0.36-и5-10-3-Г + 6,1111-10 6-/2. (12)

При работе системы энергообеспечения на электрической мощности более 720 кВт/т коэффициент (3<0,5, что позволяет обеспечивать отбор выхлопных газов на 2 загрузочные корзины (при наличии двух ДППТ). Среднеинтегральные значения показателей системы для режима работы системы при двукратном запасе мощности для случая сильнозагрязненного лома сведены в таблицу 1. Как показывают полученные результаты, коэффициент распределения мощности также лежит в интервале 0 и 0,38...0,42.

Таблица 1 - Среднеинтегральные значения основных показателей системы (при работе на 2 загрузочные корзины при увеличенной мощности)

в, кг/с <р 77, % Пку.% Г 4 0

0,30 -30 0,6335 55,0 89,73 0,0005 1,372 0,4204

0 0,5366 52,74 89,69 0,0002 1,012 0,4104

30 0,4909 49,57 89,64 -0,0001 0,911 0,3611

0,40 -30 0,8802 54,11 89,74 0,0008 1,557 0,4035

0 0,7304 51,92 89,70 0,0009 1,1088 0,402

30 0,6543 49,39 89,63 -0,0002 0,934 0,3612

0,50 0 0,9453 51,54 89,71 0,0013 1,239 0,3883

30 0,8206 49,24 89,63 -0,0004 0,972 0,360

Графики изменения КПД системы, котла-утилизатора и г при постоянном © = 0,4 приведены на рисунке 4 (при мощности 540x2 кВт/т). Точки резкого перелома кривых объясняются организацией дополнительного подсоса воздуха в котел в моменты времени, когда £(г)>1.

У

0.54 -

- -0.05

0.52 -

0.48

0.5 0.6 0.7 0.8 ф "'"0.5 0.6 0.7 0.8 <Р

Рис. 4 Кривые изменения КПД системы (а), КПД КУ и показателя / (б) в зависимости от температуры внешней среды и показателя (р при постоянном коэффициенте 0 = 0,4 и отборе выхлопа ГТУ на 2 корзины. Анализируй полученные результаты при оценке работы системы энергообеспечения коэффициент <р может быть выражен через требуемый расход греющих газов Б и показатель © следующим образом:

0 • (П)

где Mgaz(t) - функциональная зависимость удельного количества (массы) рабочих газов ГТУ от температуры окружающей среды /, определяемая:

TWO

AfgaziO^j13—, (14)

*тту -77э

где N„y (О - функциональная зависимость развиваемой электрической

мощности ГТУ, определяемая множеством параметров, зависящих от температуры внешней среды t; L^- удельная работа 1 кг рабочего газа в ГТУ;

7] э - КПД электрогенератора.

При увеличенной электрической мощности системы 540x2 кВт/т, низких температурах окружающей среды и требуемом расходе греющих газов 0,5 кг/с-т коэффициент отбора ф-¥ 1. При более высоких расходах будет наблюдаться недостаток греющих газов. Вопрос недостатка выхлопных газов ГТУ решается увеличением © до 0,42...0,45.

Энергообеспечение дуговой печи от разрабатываемой системы приводит к понижению энергоемкости электростали (по топливной составляющей) примерно на 11% по сравнению с режимом электроснабжения процесса от классической ПГУ с подогревом металлошихты дополнительным сжиганием природного газа, что объясняется дополнительной затратой энергии в размере 600 МДж на нагрев металлошихты и в размере 376,25 МДж на дожигание газов за металлошихтой,

загрязненных СОЗ.

Пятая глава посвящена технической оценке внедрения предлагаемой автономной системы энергообеспечения в энергетический комплекс среднестатистического мини-завода. Рассмотрены 2 варианта работы ДППТ на производстве - при одной загрузке и с дозагрузкой.

В моменты работы одной печи энергообеспечение процесса выплавки стали осуществимо от автономной системы, при одновременном включении обеих печей в сеть оптимально погашение электрической нагрузки одной печи от внешней сети, что обеспечивает подстраховку в электроснабжении ЭСПЦ и гашение возможных колебаний нагрузки. При избытке выхлопных газов ГТУ может осуществляться подогрев металлошихты одновременно в двух корзинах

обеих печей ДСП. .........

Принимая к установке на мини-заводе две ДППТ-50 электрической мощностью по 38 МВт, при коэффициенте 0 « 0,4 мощность ГТУ составит порядка 30 МВт (например, ГТУ Siemens SGT-700), мощность ПТУ - 50 МВт (например, турбина Siemens SST-300). Для привода паровой турбины подобной мощности требуется котел-утилизатор с дожиганием топлива паропроизводительностью 220...230 т/ч.

Массовый расход газов на выхлопе турбины в нормальном режиме составляет 93,5...95 кг/с, задаваемый удельный массовый расход греющих газов для металлошихты - 0,4 кг/с на 1 т, масса засыпки в корзине - 90... 100 т.

При данном коэффициенте 0 и работе системы по циклограмме без догрузки в печь при температуре внешней среды +15°С в котел-утилизатор

поступают выхлопные газы, охлажденные до 383...474°С (при температуре на выхлопе ГТУ 510°С, удельном расходе 0,5 кг/с-т). Подача газа колеблется в пределах 88,51...94,08 кг/с. Периодически к газам примешиваются продукты деструкции и сгорания масляных и органических примесей металлолома.

При температуре внешней среды -15°С подача газа в котел колеблется в интервале 81,35...88,7 кг/с при увеличении мощности ГТУ на 5% (в связи с понижением температуры), температура колеблется 365,5...467,9°С. Характер колебания данных величин не изменяется.

Применение питательной воды в котле с температурой 230°С делает невозможным охлаждение уходящих газов до экономичных значений температур. Следовательно, деаэрацию питательной воды необходимо производить в атмосферном деаэраторе с целью снижения температуры питательной воды до 104°С (что обеспечивает избыток теплоты в размере порядка 30,96-103 кДж/с).

Изменение тепловосприятия в котле по поверхностям нагрева при

пульсирующей нагрузке на генераторе ГТУ (до 8%) показано на рисунке 5.

%

44.2["

Рис. 5 Зависимость тепловосприятия поверхностей нагрева %, при +15°С (а) и -15°С (б) от времени, мин: 1 - кривая тепловосприятия пароперегревателя (левая ось); 1" — то же при дополнительном подсосе воздуха (6%) в котел; 2 — кривая тепловосприятия водяного экономайзера (правая ось); 2а - то же при дополнительном подсосе воздуха (6%) в котел.

При работе системы при температуре внешней среды ниже 0°С подсос воздуха требуется в течение большей части цикла в связи с недостаточным количеством окислителя, поступающего от ГТУ. Тепловосприятие кипятильного пучка в обоих вариантах относительно стабильно и колеблется в пределах менее 1%. Температурный напор в поверхностях нагрева котла колеблется в следующих пределах - в пароперегревателе 831,5...953,4°С, в испарительном пучке -514,6...550,2°С, в экономайзере - 107,8...113,4°С. Изучение теплового и аэродинамического режимов работы котла указывает на сильную взаимосвязь КПД с адиабатической температурой горения (рисунок 6).

Изменение графика колебания нагрузки и увеличение амплитуды (до 40%) не приводит к значительному изменению интервалов колебания основных показателей котла-утилизатора. Интервалы колебания основных показателей котла-утилизатора при значительном колебании нагрузки лежат примерно в тех же границах: коэффициент теплоотдачи излучением на поверхности

пароперегревателя изменяется 32,28...36,52 Вт/м °С, конвекцией — 105,11...113,02 Вт/м2 °С, на поверхности экономайзера - 112,47... 128,8 Вт/м2 оС. Температурный напор в пароперегревателе колеблется в диапазоне 763,79...943°С, в испарительном пучке - 487,53...546,74°С, в экономайзере -107,86... 114,5°С. Кривые показателей КУ для режима постоянной нагрузки на ГТУ и при сжигании коксового газа перед металлошихтой (в целях интенсификации) приведены на рисунке 7.

Т.°С"

16401620 -1600 -¡580 -1560 f 1540 -152015001480 -1460,!-

1600 1580 1560 1540 i 520 1500 14S0

,1 \ н j

- si ы

'fíJi} 1 а) ~ !

93.2 93.0

0

20

40

92.8 92.6 92.4 92.2 92.0

Рис. 6 Графики изменения КПД брутто и адиабатической температуры газа в котле при +15°С (а) и -15°С (б): 1 - кривая адиабатической температуры горения,°С; 2 — кривая КПД брутто, %.

~~ Г с:' 1460-

Т,"С 2 я. 92.4

1530 1 —

1520 - - 92.3

1510 i 1 - 92.2

1500 1490 : ■ * 1 ¡ - 92.1

1480 - Г 1 - 92.0

1470 -а) i i и 1 ~ 91.9

0 10 20 30 40 50 60 мин

91.2 60 мин

Рис. 7 Графики изменения КПД брутто и температуры газа в котле при постоянной нагрузке (а) и при условии дожигания коксового газа перед металлошихтой (б): 1 - кривая адиабатической температуры горения, "С; 2 - кривая КПД брутто, %.

При исключении колебаний электрической нагрузки тепловосприятие по поверхностям в котле колеблется в пределах 40,89. ..41,45% в пароперегревателе, 10,68... 11,14% в экономайзере и практически постоянно около 47,9% в испарительном пучке. При сжигании коксового газа перед металлошихтой требуется обеспечение дополнительного подсоса воздуха (в пределах 3...5%) в котел в моменты горения масел в металлошихте. По данным проектов генерирующих компаний стоимость подобного проекта составляет порядка 5 — 6 млрд. руб. на 2014 год. Кривые срока окупаемости при различной стоимости покупной энергии (по регионам России) представлены на рис. 8. Учет высвобождаемой тепловой энергии регенеративных отборов снижает показатель на 6%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе комплексного анализа предложена парогазовая установка с размещенным между ГТУ и КУ по тракту выхлопных газов турбины устройством для подогрева металлошихты с целью теплоснабжения технологического процесса выплавки стали в ДППТ.

2. На основании серий модельных экспериментов выведены зависимости изменения порозности засыпки металлошихты электросталеплавильного производства по высоте загрузочной корзины, уточняющие распределение температуры в слое металлошихты.

3. Произведена термодинамическая оценка предлагаемой автономной системы энергообеспечения при учете наличия масляных и полимерных загрязнений в ломе и влияния температуры окружающей среды на основные термодинамические показатели системы.

4. Оценка системы энергообеспечения при пульсирующей нагрузке показывает устойчивую работу котла-утилизатора с рабочей температурой в топке выше 1350°С при выдержке газов с требуемым (более 2%) избытком кислорода в течение более 1,8 с, что соответствует экологическому критерию.

5. На основании термодинамической оценки может быть предложено:

- доля электрической мощности ГТУ в системе лежит в пределах 0,38...0,42 при большинстве возможных режимов работы;

- удельный расход выхлопных газов на нагрев металлошихты, обеспечивающий достаточный прогрев до 250...300°С, лежит в интервале 0,4.. .0,5 кг/с на 1т металлошихты при температуре газов 500.. ,520°С;

- при энергообеспечении мини-завода с двумя ДППТ и отсутствии внешней системы электроснабжения должна быть разработана циклограмма работы печей, обеспечивающая непрерывную равномерную нагрузку;

- котел должен быть снабжен неэкранированной футерованной топкой, без воздухоподогревателя при температуре деаэрированной воды 104°С.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях из перечня ВАК РФ:

1. Бушуев, А.Н. Об энергоэффективности теплового генерирующего источника на базе паротурбинного цикла для сталеплавильного производства / А.Н. Бушуев, C.B. Картавцев // Энергобезопасность и энергосбережение. 2012. №5. С.24-29.

2. Бушуев, А.Н. Эффективность системы энергообеспечения электросталеплавильного производства на базе газотурбинной установки / А.Н. Бушуев, C.B. Картавцев // Энергетик. 2013 № 5. С.20-23.

проекта от стоимости покупной электроэнергии Э (руб. за 1 кВт-ч) при различных стоимостях системы энергообеспечения: 1-5 млрд.руб.; 2 -бмлрд.руб.; 1а, 2а - то же самое, но с учетом тепловой энергии паровых

3. Бушуев, А.Н. Эффективность газопоршневых и газотурбинных технологий при индивидуальном энергообеспечении электросталеплавильного производства / А.Н. Бушуев // Промышленная энергетика. 2013. № 5. С.10-13.

4. Бушуев, А.Н. Энергетическая оценка дожигания вредных выбросов, образуемых при предварительном подогреве загрязненного металлического лома газами умеренной температуры в электросталеплавильном производстве / А.Н. Бушуев, Е.Б. Шабловская // Вестник Казанского технологического университета. 2013. № 15 (Т.16). С.34-41.

5. Бушуев, А.Н. Зависимость изменения порозности металлошихты по высоте загрузочной бадьи в электросталеплавильном производстве / А.Н. Бушуев, Д.А. Гюнтер // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2013. № 4 (44). С.21-25.

6. Бушуев, А.Н. Оценка показателей эффективности автономной системы энергообеспечения электросталеплавильного производства / А.Н. Бушуев, А.Ю. Кулагин, C.B. Картавцев //Промышленная энергетика. 2014. № 6. С.24-29.

7. Гюнтер, Д.А. Анализ нагрева металлошихты выхлопными газами ГТУ в электросталеплавильном производстве / Д.А. Гюнтер, А.Н. Бушуев // Промышленная энергетика. 2014. № 9. С.26-29.

В других периодических изданиях и материалах конференций:

8. Бушуев, А.Н. Комплексная оценка альтернативной, атомной и гидроэнергетики при индивидуальном энергообеспечении электросталеплавильного производства / А.Н. Бушуев // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2013. № 1. С.7-20.

9. Бушуев, А.Н. Повышение энергетической эффективности электросталеплавильного процесса / А.Н. Бушуев, C.B. Картавцев // Материалы докладов VII Международной молодежной научной конференции "Тинчуринские чтения". В 4т.; Т.2. -Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2012. -С.40-41.

10. Бушуев, А.Н. Эффективность системы энергообеспечения электросталеплавильного производства при возможности утилизации ВЭР предприятия / А.Н. Бушуев // Труды VI-й Международной школы-семинара молодых ученых и специалистов "Энергосбережение - теория и практика". - М.: МЭИ, 2012. — С.291-295.

11. Бушуев, А.Н. Основные показатели автономной системы энергообеспечения электросталеплавильного производства / А.Н. Бушуев // Национальный конгресс по энергетике 2014: Сборник материалов конгресса для аспирантов и студентов, молодых ученых и специалистов. - Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2014. -С.237-243.

и другие.

Подписано в печать 26.06.201S г. Формат бумаги 60 X 84 Vie. Бумага офсетная. Печать плоская. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 эю. Заказ № 38/1416.

Отпечатано с готового оригинал-макета в издательстве Орского гуманитарно-технологического института (филиала) ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» 462403, г. Орск Оренбургской обл., пр. Мира, 15А