автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка методологии решения задач интенсивного энергосбережения в высокотемпературных теплотехнологиях

На правах рукописи

□034В4343

ПОПОВ СТАНИСЛАВ КОНСТАНТИНОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОЛОГИИ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ИНТЕНСИВНОГО ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЯХ

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва-2009

003464343

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (техническом университете) на кафедре Энергетики высокотемпературной технологии.

Научный консультант: заслуженный деятель науки и техники РСФСР,

доктор технических наук, профессор Ключников Анатолий Дмитриевич

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор Леончик Борис Иосифович

доктор технических наук, профессор Бухмиров Вячеслав Викторович

доктор технических наук Пацков Евгений Алексеевич

Ведущая организация: ОАО «Объединение ВНИПИЭнергопром».

Защита диссертации состоится 26 марта 2009 года в 15 час. 30 мин. в аудитории Г-406 на заседании диссертационного совета Д 212.157.10 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан 20 февраля 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.10 к.т.и., доцент

Попов С.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

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

Таким образом, работы по выявлению и реализации наиболее масштабного резерва энергосбережения следует сосредоточить на теплотехнологичсских объектах (ТГО) энергоемких отраслей промышленного производства, обращая особое внимание при этом на объекты высокотемпературных теплотехнологий.

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

На основе концепции интенсивного энергосбережения (ИЭС) сформулированы задачи энергетики теплотехнологии, к числу которых относятся:

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

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

3. Формирование, разработка и реализация на основе совокупности мероприятий интенсивного энергосбережения:

а) перспективных моделей теплотехнологических объектов нового поколения;

б) перспективных моделей действующих теплотехнологичсских объектов.

Указанные задачи можно квалифицировать как задачи интенсивного энергосбережения.

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

Цель работы. Разработка на базе концепции интенсивного энергосбережения методологии решения задач энергетики теплотехнологии для высокотемпературных теплотехнологических объектов энергоемких отраслей промышленного производства.

Достижение намеченной цели предусматривает решение ряда научных и практических задач:

- разработка методов определения энергоемкости технологии производства продукта и потенциала интенсивного энергосбережения в теплотехнологическом объекте;

- создание универсального программного обеспечения для определения теоретически минимального энергопотребления в ТТО;

- разработка математических моделей теплотехнологических установок для определения практически возможного энергосберегающего эффекта в ТГО;

- реализация разработанных методов и программных средств решения задач интенсивного энергосбережения в применении к трем разномасштабным тепло-технологическим объектам - комплексу, системе и установке;

- формирование энергетического сценария развития теплотехнологического объекта на основе разработки и ранжирования совокупности ею перспективных моделей.

Научная новизна диссертационной работы.

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

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

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

- методические основы формирования математических моделей идеализированных теплотехнологических установок (ЙТТУ) с регенеративным тепло-использованием и топливным источником энергии;

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

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

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

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

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

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

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

- количественно оценена эффективность направлений реализации потенциала интенсивного энергосбережения в ТТК.

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

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

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

- расчетный анализ моделей с использованием оригинальных программных средств;

- формулировку и алгоритм решения задачи ранжировки перспективных моделей.

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

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

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

Практическая значимость работы заключается в следующем:

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

- анализ энергоемкости технологии производства продукта, выявление структуры энергоемкости;

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

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

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

3. Выполнены научно-технические разработки:

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

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

- математическая модель компактного регенератора, -

которые могут быть использованы научно-исследовательскими и проектно-конструкторскими организациями различных отраслей промышленности.

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

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

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

Москва, 2005; «Энерго- и ресурсосберегающие технологии в металлургии», Москва, 2008.

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

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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемой научной проблемы. Отмечено, что решению различных аспектов проблемы энергосбережения в промышленности во второй половине XX века были посвящены работы многих ученых: H.A. Семененко, Г.П. Иванцова, М.А. Глинкова, Б,И. Китаева, В.А. Кривакдина. Ю.И. Розенгарта, В.Г. Лисиенко, Я.М. Щелокова, В.И. Тимошпольского, А.П. Несенчука, Л.А. Бровкина, А.Н. Коротана, О.Л. Данилова, B.C. Степанова и других. Показана связь работы е научными программами, изложены методы исследования, сформулированы научная новизна, практическая ценность.

В первой главе проанализированы состояние и методическая база решения проблемы энергосбережения. Показано, что именно в энергетике технологии - в сфере конечного энсргоиспользовакия - кроется основная часть общего резерва энергосбережения российской экономики.

Среди работ по созданию методологии решения проблемы энергосбережения можно выделить три направления: сквозной энергетический анализ (В.Г. Лисиенко, Я.М. Щелоков и др.); комплексный энергетический анализ (B.C. Степанов, Т.Б. Степанова); концепция интенсивного энергосбережения (А.Д. Ключников), продуктивно примененная к теплотехкологическому комплексу черной металлургии в трудах C.B. Картавцева.

Предпосылками дальнейшего развития концепции интенсивного энергосбережения являются: необходимость углубленной разработки методологии решения задач ИЭС; целесообразность иллюстративного пополнения методологии примерами решения задач ИЭС в условиях различных по целевой функции и масштабу теплотехкологических объектов.

Выбранная в работе методологическая осноза решения проблемы энергосбережения - концепция интенсивного энергосбережения - позволяет сформулировать фундаментальные задачи энергетики теплотехнологии, которые можно квалифицировать как задачи интенсивного энергосбережения, и определить цель работы.

Во второй главе рассмотрены методические основы решения задач интенсивного энергосбережения. На основе системного подхода разработаны детализированные алгоритмы решения задач интенсивного энергосбережения как для действующих теплотехнологических объектов (рис.1), так и для вновь создаваемых ТТО. Этапы алгоритмов составляют логическую последовательность процедур, реализация которых является основой решения задач ИЭС.

Рис. 1. Алгоритм решения задач интенсивного энергосбережения для действующего теплотехнологического объекта: ШТС - идеализированный теплотехнологичсский объект

Изложено содержание каждого из этапов представленных алгоритмов. В частности, на этапе 3 выполняется обработка результатов энергоаудита с целью подготовки исходных данных для решения задач ИЭС. Результаты выполнения данного этапа составляют содержание структурной модели теплотехнологического объекта. Структурная модель ТТО - это объединение компонентов: » компоненттехнологическая схема ТТО;

• компонент В: температурный и тепловой графики теллогехнологии объекта;

• компонент С: структурная схема объекта;

• компонент £>: тепловая схема объекта.

В рамках этапа 4 завершается решение первой задачи ИЭС - определение энергоемкости технологии продукта и выявление ее структуры. Для реализации этапа формируется карта энергоматериалопотребления ТТО с использованием одного из компонентов структурной модели, - структурной схемы ТТО. Данные, содержащиеся в карте энергоматериалопотребления, используются в процедуре расчета энергоемкости технологии производства продукта в действующем ТТО - Этто> кг/т. Эта величина, называемая также энергоемкостью технологии в ТТО, определяется на уровне первичного топлива и имеет размерность кг условного топлива на 1 т технологического продукта.

На этапе 5 производятся формирование и расчет характеристик структурной модели идеализированного теплотехнологического объекта (ИТТО), в том числе параметров материальных и энергетических потоков исследуемой модели (расход, мощность, температура и т.п.).

Идеализация выполняется з соответствии с определением термодинамически идеального ТТО, т.е. идеализированный объект обладает предельными свойствами, теоретически обеспечивающими минимальный расход топлива (теплоты) на теплотехнологический процесс. К числу этих свойств относятся технически неограниченные возможности: организации сквозной непрерывной теп-лотехнологии и противотока обрабатываемых материалов и теплоносителей; обеспечения низкого уровня потерь теплоты через ограждения элементов объекта (вплоть до адиабатности ограждений); интенсификации внешнего теплообмена и достижения его завершенности в технологических и теплотехнических элементах объекта; интенсификации массообмена в теплотехнологических реакторах; рациональной организации процесса горения топлива; организации предельно глубокой регенерации тепловых отходов; обеспечения предельно низкого самопотребления энергии (вплоть до нуля).

На этой основе определяется Э°- энергоемкость технологии производства продукта в ИТТО.

В общем случае структурная и тепловая схемы ИТТО, сформированные на этапе 5, являются не единственно возможными. Для одного и того же температурного графика теплотехнологического процесса (компонента В структурной модели) можно сформировать несколько структурных и тепловых схем ИТТО (компонентов С и В), соответственно получив несколько вариантов структурной модели ИТТО. Вследствие этого величину энергоемкости технологии производства продукта, определенную для какой-либо тепловой схемы, следует рассматривать как локальный минимум.

На этапе 6 формируются альтернативные варианты структурной модели ИТТО и устанавливается глобальный минимум величины Э° - в резуль-

тате поиска и анализа экстремальной тепловой схемы ТТО. Процедура поиска экстремальной тепловой схемы ТТО основывается на циклическом повторе этапа 5. В итоге формируется множество [ ¿ = 1,...,М, наименьший элемент которого и есть искомая величина , а соответствующая схема - экстремальная тепловая схема ТТО.

Информация о параметрах двух структурных моделей - модели действующего ТТО и модели идеализированного ТТО с экстремальной тепловой схемой - дает основу для расчета на этапе 7 критериев энергоиспользования и энергетической эффективности действующей теплотехнологии производства продукта. Так, потенциал интенсивного энергосбережения в ТТО

. г^шау. _ о _ г\0 7ТО ~ тто тго'

В результате реачизации этапов 5-7 решается вторая задача ИЭС - задача определения теоретического минимума энергоемкости технологии производства продукта и потенциала интенсивного энергосбережения в ТТО.

Третья задача ИЭС - поиск путей реализации потенциала ИЭС на основе разработки и исследования перспективных моделей ТТО - решается в рамках этапов 8 и 9.

Перспективная модель ТТО - это структурная модель объекта, который воплощает в себе некоторую выборку мероприятий интенсивного энергосбережения из полной их совокупности, состоит из реальных реакторов и установок (осуществляющих технологические процессы с конечными перепадами температур между теплоносителями, с тепловыми отходами и т.п.), при этом компоненты А, В, С, D данной модели возможно более приближены в своих качественных и количественных характеристиках к компонентам структурной модели ИТТО с экстремальной тепловой схемой,

Анализ содержания алгоритмов решения задач интенсивного энергосбережения приводит к выводу, что они имеют в своем составе ряд идентичных по содержанию этапов, в частности, этапы определения энергоемкости технологии производства продукта в действующем теплотехнологическом объекте, его идеализированном аналоге и в вариантах перспективных моделей ТТО. Следовательно, методы выполнения указанных этапов могут иметь достаточно общий характер, а результаты разработки и программной реализации этих методов отличаться универсальностью и широкой областью применения.

В третьей гласе изложена методика определения энергоемкости технологии производства продукта в действующих ТТО и перспективных моделях ТТО. Для наглядной реализации методики использована действующая металлургическая TTC переработки лома в стальную проволоку, состоящая из N элементов. В каждом элементе реализуется одна технологическая стадия.

Результаты систематизации исходных данных об энергетических и материальных потоках в ТГС представлены в форме карты энергоматериалопотребле-ния. В потоке материала, обрабатываемого в TTC, выделены сечения, при этом j-e сечение данного потока соответствует выходу из ]-й технологической стадии, Pj- удельный массовый расход полупродукта на выходе из j-й стадии, т/(т т.п);

&Pj- удельный массовый расход материала, выводимого из потока полупродукта в пределаху'-й стадии в составе технологического металлосодержащего отхода, т/(т т.п). Потоки pj, APj отнесены к тонне конечного технологического продукта.

Введен ряд локальных характеристик энергоемкости технологических стадий. Они исчисляются в кг условного топлива и отнесены к тонне полупродукта, покидающего /-¡о стадию. К их числу относятся:

1) энергоемкость исходных материалов, получаемых из окружения TTC и потребляемых на j-й стадии, кг/(т пп),

пггж п-1

Здесь gnt - удельный (на тонну полупродукта) расход п-го компонента исходных материалов, т/(т пп); еп- энергоемкость данного компонента, то сеть удельный расход первичного условного топлива на добычу (производство), под-

готовку (переработку) и транспортировку к потребителю «-го компонента исходных материалов, кг/(т компонента); и""* - общее количество компонентов исходных материалов, потребляемых нау'-й стадии;

2) энергоемкость топливно-энергетических ресурсов, потребляемых на у'-й стадии, кг/(т пп). Так, для системы, потребляющей природный газ и электроэнергию,

(АЭтэр)у=^пг + ™/ээ>

где епт, еээ - энергоемкости видимых расходов соответственно природного газа и электроэнергии, кг/(кг у.т.) и кг/кВт-ч;

3) прирост энергоемкости полупродукта в пределах у'-й стадии, кг/(т пп),

(ДЭпп);. = (АЭт!)у + (дЭтэр). , je[\,N}.

Введен ряд интегральных характеристик энергоемкости технологических стадий. Они содержат количественную информацию о совокупности технологических стадий - с первой по у'-ю, исчисляются в кг условного топлива н отнесены к тонне технологического продукта. Этот ряд составляют:

1) энергоемкость исходных материалов, потребляемых в TTC в пределах с первой по j-ю стадию. кг/(т т.п)

(ЗД- = tpi(ДЭИД. или (ЭJ. = (Эш)я + Pj(ЛЭим)у;

2) энергоемкость полупродукта после у'-й стадии, кг/'(т т.п),

(Э1Ы)у- = ¿А-^Э^Х или (Эпп)у=(Эпп);._1+^-(дЭпп)/; 1=1

3) энергоемкость металлосодержащих технологических отходов, выведенных из TTC в пределах с первой по у'-ю стадию, кг/(т т.п)

(Э™Т)у = ¿АР,-(ЭП„)< или (э^)у=(этТ)у-.1 + ^(Эп„);. j=i

В данных формулах находит отражение тот факт, что поток Дpj, выводимый

из TTC на у'-й стадии, последовательно проходит в составе потока полупродукта не только у'-ю, но и все предыдущие стадии, повышая свою энергоемкость в пределах TTC так же, как и полупродукт;

4) энергоемкость шлаковых технологических отходов, выведенных из TTC' в пределах с первой по у'-ю стадию, кг/(т т.п)

(Э^),=2>,Р,(ЭПП), или (эГак\ = (Этоак);-1 + OjPj(эпп,

1=1

где üj - удельный массовый расход шлаковых отходов в у'-й стадии, отнесенный

к тонне полупродукта, выходящего из этой стадии, т/(т пп);

5) энергоемкость технологических отходов, выведенных из TTC в пределах с первой по у-ю стадию, кг/(т т.п), определяется как сумма

/о \ \ , (г^шлах ^

Рто/у=1Это )j+Pto !j ■

Для j = 1 принимаем (Эим )0 = (Эш )0 = (э"0ет \ - (э™ак \ = (Эт0 )0 = 0.

Энергоемкость технологии производства продукта в TTC определим как энергоемкость полупродукта на выходе из последней технологической стадии:

^ттс — '

Для выбора направлений решения задач интенсивного энергосбережения представляет интерес информация о структуре величины Эпс, а именно:

1) уровень Э™ - энергоемкости технологических отходов TTC:

это = Сэ )

^то wto//=jv> как абсолютный, так и отнесенный к Э^ ;

2) значения - энергоемкости исходных материалов, полученных TTC из ее окружения, и Э™- энергоемкости ТЭР. потребленных в TTC:

э = Э1ТС + Эт где Э™ =(э )

Представленные соотношения совместно с уравнениями для расчета pj, àpj составляют систему уравнений, являющуюся аналитической основой методики определения ЭП(1- энергоемкости технологии производства продукта в ТТО (или энергоемкости технологии в ТТО).

Таким образом, изложены и проиллюстрированы на конкретном примере методические основы решения первой задачи ИЭС, ориентированной на определение энергоемкости технологии производства продукта и выявление структуры энергоемкости.

Новые программные продукты, разработанные для решения указанной задачи, позволяют зафиксировать многоуровневую структуру объекта, описать множество потоков, связывающих элементы объекта между собой. Эти программные продукты легко адаптируются к любым иерархически сложным промышленным объектам и ТТО, повышают эффективность процедуры систематизации и обработки информации о теплотехнологических объектах - составной части процесса решения задач интенсивного энергосбережения.

Проиллюстрирована технология создания имитационной модели ТТО в среде Simulink для реализации методики решения первой задачи ИЭС. Показана перспективность использования имитационного моделирования ТТО в среде Simuiink с целью создания эффективных инструментов для решения задач интенсивного энергосбережения.

В четвертой главе изложены теоретические и методические основы разработки тепловых схем идеализированных (термодинамически идеальных) тепло-технологических установок (ИТТУ) и реакторов (ИТТР). Формирование и математическое моделирование тепловых схем ИТТУ необходимы в процессе решения второй задачи ИЭС - задачи определения теоретического минимума энергоемкости технологии производства продукта и потенциала интенсивного энергосбережения в ТТО ДЭ™*4.

Изложены определения и допущения, используемые при математическом описании ИТТР. Представлен перечень исходных данных, изложен алгоритм определения характеристик температурного графика теплотехнологии с учетом фазовых превращений. Соответственно температурному графику производится разбиение ИТТР на расчетные элементы, для каждого из которых формируются уравнения материального и теплозого балансов. Система таких уравнений совместно с аналитическими условиями идеализации составляет математическую модель ИТТР.

Формирование тепловой схемы ИТТУ основывается на классификации тепло-технологических процессов по температурному ¡рафику, разработанной профессором А.Д. Ключниковым.

В зависимости от соотношения между температурами: исходного материала

ГШ „ гт* .. -.тах

, окружающей среды /ос, материала максимальной Т и для последующе-

го использования Г - выделяются четыре группы температурных графиков и соответствующих им теплотсхнологичесхих процессов:

* группа А (Т'п - Т0

у-тах у

♦группа Б (Г"

= Т

■'с.с

•рО'М ^ у.тах

• группа В (Т'">Т0 С , Г =Гг . группаГ(Г">Г0 С , тси!<Тл

Для случая отсутствия фазовых превращений описанные температурные трафики показаны на рис. 2.

Рис. 2. Классификация процессов по температурному графику

Любой температурный график теплотехнологического процесса из числа представленных на рис. 2 можно реализовать в рамках нескольких тепловых схем ИТТУ: с регенеративным использованием тепловых отходов; с внешним (энергетическим или технологическим) использованием тепловых отходов; с регенеративным и внешним использованием тепловых отходов. В этой связи возникает задача выбора тепловой схемы ИТТУ. Решение данной задачи, в соответствии с концепцией интенсивного энергосбережения, должно выполняться в рамках поиска глобального минимума Э^, - энергоемкости технологии производства продукта в рассматриваемом ТТО.

Структура величины Э^ иллюстрируется уравнением

\ГГО , о™}

з = + э

■Что

(1)

где Э™ - энергоемкость исходных материалов, полученных теплотехнологиче-ским объектом из его окружения, Э™- энергоемкость ТЭР, потребленных в ТТО. Регенеративное использование тепловых отходов в ТТУ обеспечивает снижение видимого расхода топлива, в результате уменьшается и, как следствие, Э^. Представляется целесообразным в процессе решения задач интенсивного энергосбережения разрабатывать в первую очередь тепловые схемы 'ГТУ с глубоким регенеративным использованием тепловых отходов, стремясь таким способом к минимизации потребления ТЭР каждой установкой в составе ТТО. Соответственно для поиска глобального минимума величины Э^, следует анализировать тепловые схемы идеализированных аналогов таких установок -тепловые схемы ИТТУ с регенерацией тепловых отходов.

На основе классификации теплотехнологических процессов по температурному графику сформирована совокупность тепловых схем ИТТУ с регенеративным теплоиспользованием и топливным источником энергии, которая должна быть подвергнута расчетному анализу в процессе решения бторой задачи ИЭС -задачи определения теоретического минимума энергоемкости технологии производства продукта и потенциала интенсивного энергосбережения в ТТО.

пкг 1 ПТО 1 ОТО ТРО ДТ ПКГ

г--£ . гот -:— гот ,,,, гп

!им *пт| |пт' ТгД

| I* го

кг^ ' ! 1ч-г-1

го ■4— *— 1-—:---<- ч-'ок

Рис. 3. Тепловая схема ИТТУ с регенерацией тепловых отходов компонентами горения (кг) и исходным материалом (им) посредством промежуточного теплоносителя (пт): т - топливо; ок - окислитель; тп - технологический продукт; го - газовые отходы; гот - газовые отходы технологического процесса; ГЖГ, ПТО, ОТО - камеры (зоны) подогрева компонентов горения, предварительной и основной тепловой обработки; ТРО -камера (зона) технологически регламентированного охлаждения; ДТ - элемент диссипации теплоты технологического продукта

Для сформированной совокупности тепловых схем созданы математические модели идеализированных аналогов ТТУ. В процессе программной реализации моделей впервые разработаны алгоритмы расчета, которые:

а) являются общими для нескольких типов тепловых схем;

б) обеспечивают поиск условий предельно эффективного использования промежуточного теплоносителя в тепловой схеме с регенерацией тепловых отходов компонентами горения и исходным материалом (рнс. 3).

Разработанные алгоритмы расчетного анализа и созданное на их основе программное обеспечение являются в достаточной мере универсальными, т.к.:

а) охватывают значительную долю высокотемпературных теплотехнолошй;

б) позволяют определить теоретический минимум энергоемкости производства продукта для любых материалов с произвольным количеством и параметрами фазовых превращении.

Созданный комплекс программ расчета тепловых схем ИТТУ обеспечивает возможность определения глобального минимума расхода топлива для реализации заданного температурного графика теплотехнологии.

Методические подходы к формированию математических моделей тепловых схем ИТТУ и к программной реализации этих моделей составляют достаточную основу для расчетного анализа других тепловых схем высокотемпературных ИТТУ, отличающихся от рассмотренных, а также термовлажностных ИТТУ.

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

В пятой главе выполнено решение ряда задач интенсивного энергосбережения в приложении к теплотехнологическому комплексу (ТТК) производства строительной керамики. Карта энергоматериалопотребления действующего ТТК производства кирпича, содержащая нумерованный перечень технологических стадий, представлена на рис. 4.

В пределах ТТК имеется несколько потоков технологических отходов, один из которых - рециркулирующий. Разработан алгоритм расчета материальных потоков и характеристик энергоемкости, распространенный на случай рециркуляции отдельных потоков.

Энергоемкость технологии производства продукта в ТТК Э^,. составляет величину 167,85 кг у.т./т и представляется суммой, выявляющей структуру этой важной характеристики:

гч _ гчТТК , ОПК , глТГК .

"-'тгк ~ ^им +с'тэр + ^рец» (2)

где Э™ = 1,48ТО'" у.т./т - энергоемкость исходных материалов, получаемых из окружения ТТК; Э™ = 164,916 у.т./т - энергоемкость ТЭР, потребляемых в ТТК; Э™ = 2,933 у.т./т - энергоемкость рециркулирующих потоков технологических отходов. Кроме этого, для выбора мероприятий интенсивного энергосбережения требуется знание величины энергоемкости нерециркулиругощих технологических отходов ТТК Э™к = И ,47 у.т./т.

В результате решена первая задача ИЭС: получена объективная картина использования ТЭР, характеризуемая величиной и структурой энергоемкости технологии производства продукта, динамикой ее изменения по технологическим стадиям комплекса (рис. 5).

Анализ полученных данных приводит к выводу о целесообразности поиска энергосберегающих решений в первую очередь для теплотехнологической сис-

темы «сушка - обжиг», реализующей основные энергопотреодяющие технол гические стадии - стадии 5 и 7.

I

5. Добыча в карьере

г] "*"] 2. Транспортировка

I | ця "зонптт

на завод

3. Подготовка исходного материала

г

к

I 3 ! «

V

4, Формование изделий, вакуумное прессование, транспортировка к сушилке, укладка на вагонетки

5. Сушка

6. Сортировка. Укладка на печные вагонетки

-¡агрев, оожиг,

охлаждение в печи

8, Выставка кирпича, разгрузка вагонеток, сортировка

Рис. 4. Карта энергоматериалопотреблевия ТТК производства кирпича

Рис. 5. Изменение энергоемкости полупродукта но стадиям ТТК: ] - номер технологической стадии

( | Сырье

Оборудование | стада! 1 - 4

' Исх. материал для ТТС

ттс

"сушка - обжиг" (стадии 5-8)

| I Технологический } | продукт

Рис. 6. Укрупненная структурная схема ТТК

Руководствуясь укрупненной структурной схемой ТТК (рис. 6), энергоемкость технологии в ТТК можно наряду с (2) представить в виде

чГГС

Э-ГТК — -^КМ ^^yjj ,

(3)

где Э™ = 32,95 кг у.т./т - энергоемкость исходного материала для данной TTC;

ДЭ-п-с = 134,90 кг у.т./т - прирост энергоемкости полупродукта в пределах TTC.

Это позволяет сформулировать два подхода к постановке задачи минимизации энергоемкости технологии в теплотехнологическом комплексе.

—> min,

Глобальная постановка задачи минимизации:

ДЭТ

• mm.

Объект постановки и решения задачи - весь ТТК, включающий выделенную TTC. Результат решения - глобальный минимум Э.^ .

Локальная постановка задачи минимизации:

Э™ = const, ДЭПС -» min.

Объект постановки и решения задачи - выделенная TTC. Результат решения -локальный минимум функции Эпк.

Целесообразно решение задачи минимизации Э^ начинать с локальной постановки, т.е. сосредоточить внимание на TTC «сушка - обжиг». Данный выбор основывается на том, что в этой TTC основная доля прироста энергоемкости технологии (77,8 % от Э^ ) и весь прирост энергоемкости нерециркулирующих технологических отходов.

Разработаны идеализированные модели обжиговой и сушильной установок. Посредством этих моделей выполнено исследование теоретического минимума

удельного расхода топлива на процесс обжига ( ¿>°6ж ) и сушки ( ¿®уш ).

Посредством комплекса программ, представленного в главе 4, установлено, что для обжиговой ТТУ экстремальной является тепловая схема с промежуточным теплоносителем (см. рис. 3). Установленная для этой схемы зависимость Ь°6ж от содержания Л1203 в исходном материале показана на рис. 7.

70

15

ta

— ь° обж кг/т

AljO г.%

Рис. 7. Зависимость от содержания АЬОз в исходном материале

1С

15

Исследование модели обжиговой ИТТУ приводит к выводу, что £0'6ж несущественно зависит от температуры обжига, а в первую очередь определяется эндотермическим эффектом превращений оксида алюминия. Для глин, не относя-

щихся к каолинитовой группе, когда учитывается единственный эндотермический эффект - расход теплоты на испарение связанной влаги, оставшейся в кирпиче-сырце, - теоретический минимум расхода топлива составляет ¿0°6ж = 5 кг у.т./т. Соответственно теоретический минимум энергоемкости технологии в обжиговой ТТУ - 5,84 кг у.т./т.

В приложении к модели сушильной ИТТУ разработан и реализован алгоритм

поиска глобального минимума величины , получена оценка теоретического

минимума энергоемкости технологии в сушильной установке - 15,87 кг у.т./(т продукта).

Результаты выполненных исследований позволяют сформировать совокупность данных, являющихся решением второй задачи ИЭС для теплотехнологи-ческого комплекса: теоретический минимум энергоемкости технологии в ТТК

(21,71 кг у.т./т), потенциал интенсивного энергосбережения (ДЭ"

146,14 кг

у.т./т), коэффициент полезного использования энергии первичного топлива в ТТК (12,9 %). Следовательно, теплотехнологический комплекс обладает значительными резервами энергосбережения.

Традиционно применяемый показатель энергоэффективноети - коэффициент полезного использования энергоносителя на участке «сушка-обжиг» - составляет 53%. Близкий по смыслу показатель, используемый в методологии решения задач ИЭС, - коэффициент полезного использования энергии в пределах внутренних границ окружения TTC «сушка-обжиг», - составляет существенно меньшую величину: 16,1%. Это'позволяет сделать вывод, что методология решения задач ИЭС вскрывает большие резервы энергосбережения в ТТО.

На долю TTC «сушка - обжиг» приходится 77,5 % от ДЭ™Х (рис. 8), з на долю только обжиговой ТТУ -61,5 % от при этом коэффициент полезного использования энергии в ТТУ обжига, составляющий КПИ^ = 6,1 %, в 6,6 раз меньше, чем в ТТУ сушки, где КПИ^"= 40,5%. Следовательно, наибольшие резервы энергосбережения скрыты в высокотемпературной установке - обжиговой ТТУ, и пути реализации выявленных резервов целесообразно искать посредством разработки перспективных моделей обжиговых установок.

ДЭ"°

кг/т

100 -i

50Н

Ш-

146.14 i 8||Щ! 113.19

(100%)" (77.5%)

|

i/3

89.85

(61.6 Щ !

Рис. 8. Распределение потенциала ИЭС по элементам ТТК: 1 - потенциал ИЭС, относящийся ко всему ТТК; 2 - потенциал ИЭС, относящийся к системе «сушка - обжиг»; 3 - потенциал ИЭС, относящийся к элементу системы - обжиговой установке

Разработанные и проиллюстрированные методические подходы к оценке фактического уровня энергоемкости технологии в ГТК и ее теоретического минимума могут быть использованы в энергетическом анализе аналогичных тепло-технологических объектов при оценке потенциала интенсивного энергосбережения и разработке мероприятий по его реализации.

С целью поиска путей реализации выявленного потенциала ЮС посредством исследования перспективных моделей ТТК разработана математическая модель туннельной обжиговой печи.

В модели принято, в частности, что теплоперенос в массе материала (садки) и вагонетки описывается уравнением энергии

дт д (. дт рс—= — ^

от дх\ ах

б

+ —

. ду.

+ 5; (4)

в ограждении туннеля - процесс одномерной стационарной теплопроводности; внутренняя поверхность элемент« ограждения участвует б радиацрюнко-конвективном теплообмене с газовым потоком и в радиационном теплообмене с обращенной к этому элементу поверхностью садки.

Расчет внутреннего теплообмена в садке, вагокегке и элементах ограждения выполняется методом контрольного объема по полностью неявной схеме. При итерационном уточнении температурного поля в садке и вагонетке используется метод переменных направлений.

Программная реализация модели ориентирована на выполнение поверочного расчета печи, вследствие чего обеспечивается возможность решить следующие задачи:

1) при заданных исходных режимных и конструктивных параметрах печи рассчитать распределение температуры газов по длине печного канала и оценить степень соответствия расчетных результатов регламентному температурному графику;

2) повысить указанную степень соответствия, изменяя совокупность значений основных локальных (позиционных) характеристик работы печи:

- распределение суммарного расхода топлива по позициям;

- расход воздуха, вводимого в зону охлаждения;

- расход воздуха, вдуваемого в какую-либо позицию, номер этой позиции;

- расход газа, отбираемого из какой-либо позиции, номер этой позиции.

Попутно в результате решения этих задач устанавливаются значения дополнительных локальных характеристик работы печи: температурного поля материала Гч, вагонетки; температурного поля газа Ггаз по длине печи; составляющих уравнения теплового баланса позиции; температуры внутренних и наружных поверхностей элементов ограждения печного канала.

Разработанная программа защищена свидетельством о государственной регистрации. В процессе программной реализации модели создана совокупность классов - программных продуктов, имеющих универсальный характер и широкую область применения в области расчетного исследования топливных высокотемпературных установок. Эти программные продукты использованы при разработке перспективных моделей ТТУ в других теплотехнологических комплексах.

Для описания внутреннего теплообмена в садке туннельных печей с объемной укладкой материала предложен новый подход: теплообмен во внутренних каналах садки учитывается в (4) через источниковый член 5 = аДГгга - Ти), где а,, -коэффициент объемной теплоотдачи в садке, Вт/(м^'К).

Математическая модель туннельной печи для производства строительного кирпича, использующая данный подход, позволяет получить детальную картину тепловой работы печи и после идентификации может быть использована для разработки энергосберегающих мероприятий.

Задача параметрической идентификации модели туннельной печи формулируется следующим образом: определить значения ряда параметров модели (калибровочных коэффициентов), обеспечивающие удовлетворительное соответствие расчетных данных результатам теплотехнического испытания действующей печи.

Калибровочными коэффициентами являются о^, а также коэффициенты газоплотности зон подогрева и обжига к\, зоны охлаждения к2. Критерий идентичности - минимум среднего отклонения (по модулю) расчетной средней температуры газа от определенной в эксперименте температуры газа в зонах подогрева и обжига

1 л.У. i

при ограничении расчетной скорости охлаждения материала в зоне охлаждения и^4 < 'и'^хи строгом равенстве ряда расчетных и экспериментальных данных (суммарный расход топлива и др.). Здесь АМ- 30 - количество позиций в зонах подо)рева и обжига; - расчетная и определенная в экс-

перименте средняя температура газового потока на выходе из г'-й позиции, К;

тах

н-'охл - экспериментально установленная максимально допустимая скорость охлаждения материала, °С/ч. В качестве дополнительного критерия идентичности используется

Дм -

среднее отклонение (по модулю) расчетной средней температуры материала от регламентной в зонах подогрева и обжига.

Величины Агази Дм зависят от распределения по позициям потоков топлива, окислителя, вдува и отбора (функций В (/), Ут (г), Квдуз (/), Кот5 (г), где ¡' - номер позиции).

Разработан и реализован алгоритм идентификации математической модели, в котором для поиска минимума многомерной функции Дга.( использовано сочетание двух прямых методов оптимизации: метода Хука - Дживса, называемого также методом конфигураций, и метода полиномиальной аппроксимации.

Установлено, что в области искомого минимума зависимость Агаз от ау и к2 при кх= 2,2 описывается полиномом

л™ (х> у) = ао + а1х + агУ + аз ХУ + а4х2 + аьУ1 + аб1х + а1 /у>

х = сх^, /100; у-к2 (5)

со среднеквадратичным отклонением 2% (рис. 9). Функция (5) относится к классу овражных: минимум распопагается в овраге с пологим дном и крутыми стенками.

Рис. 9. Общий вид (а) и линии уровня (б) функции Дш в области минимума

Минимальное значение Дгаз = 33 °С (или 3,4% от Гг™ах) наблюдается при а„= 130 Вт/(м3-К), при этом Дм = 34 °С (или 3,8% от Гитах). Накопление информации о зависимости а„ от конструктивных и режимных параметров печей позволит получить аналитическое выражение указанной зависимости.

Сформулировала задача параметрической оптимизации туннельной печи: при неизменных конструктивных параметрах и производительности печи, а также установленных в процессе идентификации модели значениях калибровочных коэффициентов <л„, к-., к2 найти распределения по позициям потоков топлива, окислителя, вдува и отбора, обеспечивающие одновременное выполнение технологического условия оптимальности

Апм Л'

лСР _ "М ' — М дм ------

обж

тш

и энергетического условия оптимальности 5печь - X В (0 т'п

¡=1

при ограничении на величину расчетной скорости охлаждения материала в зоне охлаждения н»^4 й Здесь Д° ж - отклонение (по модулю) рас-

четной средней температуры материала от регламентной, осредненное по позициям соответственно зон подогрева и обжига; суммарный расход топлива на печь, количество позиций з печи.

Разработан алгоритм решения поставленной задачи. Вследствие ее многофакторности ядром алгоритма является реализация плана Плакепа - Бермана для 17

факторов, предусматривающего выполнение 20 расчетных экспериментов на математической модели печи. Поиск области выполнения условий оптимальности в пространстве 17 факторов осуществляется посредством градиентного метода.

Разработанный алгоритм параметрической оптимизации туннельной печи на основе идентифицированной математической модели обеспечивает достаточную достоверность исследования перспективных моделей ТТУ, в которых предусмотрены те гаи иные энергосберегающие мероприятия.

Путем многократной реализации процедуры параметрической оптимизации выполнено исследование ряда перспективных моделей ТТУ (табл. 1) в составе рассматриваемого ТТК (рис. 10).

50

20

1 ¿обж^'1 1 ф1

о2 в2

и i x

-"-""'б

7 в

2000

1000

^.ла.м3 ч 5

6

7

"""б

400

800

Рис. 10. Режимные параметры перспективных моделей обжиговой ТТУ в зависимости от расхода воздуха, отбираемого из зоны охлаждения

400

800

Таблица 1

Индексация перспективных моделей ТТУ (к рис. 10, 11)

Мероприятия

Индекс в зависимости от уровня газоплотпости

Исходный

Повышенный

Предельный

I. Нет (базовый вариант)

II. Оптимизация ТТУ без изменения конструкции

3

III. Повышение термического сопротивления транспортного оборудования ТТУ___

и

IV. Повышение термического сопротивления ограждения рабочего пространства и транспортного оборудования ТТУ___

ш

Выявлены направления достижения высокой степени реализации потенциала интенсивного энергосбережения - до 85% в обжиговой ТТУ и до 52% в ТТК (рис. 11). Полученные результаты:

- обеспечивают одновременное выполнение требований технологии и интенсивного энергосбережения;

- позволяют оценить степень реализации потенциала энергосбережения в каждой из перспективных моделей;

- содержат сведения о совокупности конструктивных и режимных параметров печи, обеспечивающих энергосберегающий эффект;

- дают количественную основу для выбора направлений совершенствования энергоиспользования в обжиговой установке и ТТК в целом.

В шестой главе последовательно реализованы все этапы алгоритма решения задач интенсивного энергосбережения для действующего объекта - металлургической теплотехнологической системы переработки лома в стальную проволоку. В систему входят дуговая сталеплавильная печь, нагревательная и термические печи, ванны щелочного и кислотного травления. Сформирована структурная модель системы, установлены количественные характеристики ее компонентов -температурные и тепловые графики, карта энергоматериалопотребления.

На основе программной реализации и исследования модели решена первая задача ИЭС: установлена энергоемкость технологии в системе Э.ггс = 1323 кг у.т./т. Анализ структуры энергоемкости приводит к выводу, что система характеризуется высоким уровнем собственного потребления ТЭР (69,1% в составе Этгс), вместе с тем значительный удельный вес в Эггс приходится на технологические отходы (37,8%). Следовательно, система характеризуется значительной долей непроизводительного расхода энергетических и материальных ресурсов.

Выполненные исследования показывают, что разработанная в рамках решения второй задачи ИЭС модель системы с идеализированными установками и экстремальной тепловой схемой характеризуется высоким уровнем регенеративного использования тепловых отходов.

90

80 70 60 50 ¿0 30 20 10 о

Рис. ) 1. Зависимость коэффициента использования потенциала ИЭС в ТТК и обжиговой ТТУ от варианта перспективной модели

12345678 Номер варианта модели

В результате исследования установлены теоретический минимум энергоемкости технологии в системе Э^.с= 356,9 кг у.т./т и потенциал интенсивного энергосбережения в TTC - ДЭ™Х = Эте - Это= 1323 - 356,9 = 966,1 кг у.т./т.

Величину ЛЭ®^ целесообразно представить как сумму

. г^тах _ .глгпах , .гчтах д^-чтах _ г^ггс __(rV.TC Лс>гоах _ ¡-лггс _/гупчЛ0

TTC ~~ ^тэр им М]5р тзр \JT)pJ > им \Jm ! •

Здесь ДЭ™Х- потенциал экономии ТЭР, расходуемых в TTC, ДЭ1^ - потенциал экономии ТЭР, расходуемых на исходные материалы для TTC. Структура потенциала интенсивного энергосбережения в TTC и составляющих этого потенциала проиллюстрирована на рис. 12.

Рис. 12. Структура энергоемкости технологии в действующей ITC (а), в идеализированной TTC (б), а также структура потенциала интенсивного энергосбережения (в)

Рис. 13. Распределение потенциала интенсивного энергосбережения

Первая составляющая потенциала ИЭС в TTC - величина ДЭ™^- относится

непосредственно к системе. Вторая составляющая - ДЭ1^=158,7 кг у.т./т или 16,4 % от ДЭ"®Х- относится к элементам окружения системы (рис. 13), она про-

является благодаря изменениям только в TTC без каких-либо изменений в технологических объектах, составляющих окружение. Интенсивное энергосбережение в TTC оказывает положительное влияние на уровень энергопотребления в окружении TTC благодаря связям между системой и окружением.

Таким образом, область, для которой выявлен потенциал интенсивного энергосбережения, не ограничивается пределами TTC, немалая доля этого потенциала - 16,4 % - приходится на окружение рассматриваемого объекта. Это свидетельствует о важности постановки и решения задач интенсивного энергосбережения в пределах внешних границ окружения конкретного объекта - в границах замкнутого теплотехнологического комплекса.

Критерии энергетической эффективности действующей теплотехиолопш:

а) коэффициент полезного использования энергии (КПИ энергии) в пределах внешних границ окружения TTC (т.е. в системе «TTC плюс окружение» или в границах замкнутого теплотехнологического комплекса)

КШт =100Э'^/ЭТ1.С = 100-356,9/1323 =27,0 %;

б) КПИ энергии в пределах внутренних границ окружения TTC (т.е. в системе «ITC»)

КПИ^тр = 1 оф™)°/э™ = 100-106,2/913,6 = 11,6 %.

Величины Эттс и включают в себя энергоемкость исходных материалов (или удельный расход переходящего первичного топлива), т.е. энергоиспользование за пределами TTC, тогда как в формуле для КПИ™:^ величины Э^р и

(э™) характеризуют энергоиспользование именно в рамках TTC. Эго и является причиной существенного различия КПИ^ и КПИ^Ф.

По сравнению со значением КПИ!^ггр= 11,6% традиционно применяемый коэффициент полезного использования суммарного энергоносителя в системе составляет- величину существенно большую: 27,8%. Отсюда следует, что методология решения задач ИЭС позволяет выявить более масштабный потенциал энергосбережения.

При переходе от действующей TTC к идеализированному аналогу снижение Э™ имеет опережающий темп по сравнению со снижением Э™1" :

Действующая TTC Идеализированный аналог Э£р/Э„м : 2,2 0,4

Следовательно, приближение к установленному ориентиру - идеализированному аналогу действующей системы - потенциально обладает эффектом, который можно квалифицировать как интенсивное энергосбережение. Своеобразными вехами на пути от действующей системы к ее идеализированному аналог)' являются перспективные модели объекта.

В рамках решения третьей задачи ИЭС отобрана совокупность мероприятий интенсивно1 о энергосбережения и па их основе сформирован ряд перспективных моделей системы. Сформулирована задача ранжировки перспективных моделей, изложен алгоритм решения данной задачи.

Рис. 14. Перспективная модель 'ПС. № 5 (см. табл. 2) в среде Simuiink

Реализация алгоритма средствами визуального программирования в среде пшИпк (рис. 14) позволила установить очередность освоения мероприятий с це-

лью интенсивного энергосбережения в системе.

Таблица 2

___Характеристики исходной TTC и перспективных моделей _

Номер модели ¡Э кг/т •^ТГС 1 оггс кг/т | кг/т Этэр ! кпито кг/т i % КПИ!^ % П/ % ДП,. %

0 1323 499,9 ! 409,4 913,6 27,0 11,6 0 -

1 965,8 310,9 ! 370,1 595,7 37.0 17.8 37,0 [37,0

2 Г769,2 279,6 370,1 _399,1 46,4 26,6 57,3 20,3

3 589,0 270,8 | 370,1 218,9 60,6 I 48,5 76,0 18,7

4 468,9 91,1 278,0 190,9 ! 76,1 55.6 88,4 12,4 1

5 356,9 43,1 I 250,7 106,2 i 100 100 100 11,6 |

Примечания: 0 - исходное состояние TTC; 1- замена электрического источника энергии на топливный в плавильном процессе. 2 - то же плюс горячий посад в нагревательную и термическую печи; 3 - то же плюс замена электрического источника энергии на топливный з заключительной термообработке; 4 - то же плюс исключение потерь металла с браком, обрезью; 5 - то же плюс исключение потерь металла с угаром

В табл.2 приведены показатели перспективных моделей, в том числе П. - коэффициент использования потенциала ИЭС в ,;-й перспективной модели и -прирост коэффициента использования потенциала ИЭС при переходе к г'-й перспективной модели от предшествующей (М)-й:

П, =юо(э^-(э1ТС))/дэг, АП, =юо((этоЬ-(этк])Мг.

Первоочередными являются замена электрического источника энергии на топливный в плавильном процессе, а также горячий посад в нагрезательную и термическую печи.

В результате определен своего рода энергетический сценарий развития тепло-технологического объекта на основе разработки и ранжирования совокупности его перспективных моделей, что является решением важной научной и практической задачи.

Выполнена разработка элементов перспективных моделей системы.

Создана математическая модель компактного регенератора, входящего в состав регенеративных горелок. Модель характеризуется надежностью работы в широком диапазоне варьирования факторов, позволяет изучить взаимосвязь конструктивных и режимных параметров регенератора. Она может сложить эффективным инструментом при разработке регенеративных горелок и теплотехноло-гических установок, оснащенных такими горелками.

В ходе исследования идеализированного аналога термической установки выявлены резервы значительного снижения топливопотребления на основе регенерации теплоты технологического продукта. На этой основе разработана перспективная модель установки для термообработки длинномерных изделий. Результаты разработки защищены авторским свидетельством. Расчетное исследование тепловой работы установки подтверждает возможность снижения удельного расхода топлива до 6-7 кг у.т./т, что обеспечивает существенный энергосберегающий эффект.

Углубленная проработка и последовательная детальная реализация всех этапов алгоритма решения задач интенсивного энергосбережения для действующего тегиотехнологического объекта повышают практическую значимость работы.

Седьмая глава посвящена решению задач ИЭС для плавильной теплотехно-логической установки (ТТУ) - ванной стекловаренной печи с тошшвным источником энергии, - широко используемой в теплотехнологиях производства листового и тарного стекла, стекловолокна, специальных стекол и других продуктов. Рассмотрены следующие задачи интенсивного энергосбережения:

- определение энергоемкости технологии производства полупродукта в ТТУ;

- определение теоретического минимума энергоемкости технологии производства полупродукта и прогноз потенциала интенсивного энергосбережения;

- разработка перспективной модели теплотсхнологичсского оборудования нового поколения.

Для стекловаренной установки в системе производства стекловолокна сформирована структурная модель, включающая в себя технологическую и тепловую схемы, температурные графики теплотехнологии (рис. 15), характеристики энергопотребления (табл. 3). В результате решения первой задачи ИЭС установлена энергоемкость потребляемых ТЭР -483,1 кг у.т./т.

1673

1473

1273

1073

873

673

473 тт

пто ото ТД ТРО

г, к 1 1 ! 1 1 1 1 I 1 1 1 1 ! 1 1 1 1 1 1 у^шах

- 1 1 1 1 I 11111/ 1 ! 1 ! 1 А~"Т | 1 >2>огЛ'

- 1 1 ! 1 / 1 / - ч / ! 1 1 1 -¡л2)/ 1 | I 1 / 1 1 1 1 1 1 1 1 1 .....

- ! / 1 / Г/0)/ ; 1 1 1 1 1 ! 1 ■ 1 1 1 1 1 1 I ! : 1 ! I I 1 1 1 ! | 1 ; 1 ;

1

2

10 11

4 5 6 7 8! номер сечения графика

Рис. 15. Температурный график технологического процесса в стекловаренном ТТР: Т^(к) - температура £-го фазового превращения; ТД - камера (зона) технологической

дообработки

Решение второй задачи ИЭС выполнено посредством разработки, программной реализации и исследования структурных моделей идеализированных аналогов стекловаренной установки. Определена зависимость Ь°-теоретического минимума удельного видимого расхода топлива от массовой доли стеклобоя для различных тештовых схем ИТТУ (рис. 16).

Таблица 3

Технологический продукт Стекловолокно Тарное стекло

Производительность ТТУ, т/сутки 4,5 16 250 250 250 250 330

Массовая деля стеклобоя /истб 0 0 0 0,30 0,30 0,700,75 0,30

а.г.% 54,2 67,3 54.7 55,7 45,6

28,1 16,4 13,2 11,5 16,0

Удельный расход топлива Ь, кг у.т./т 333 414 215 143 221 118 138

КПД,% 23,6 20,9 47,8 49,6 54,5

Примечания: г~ теплота отходяших газов; 2о с~ потери теплоты в окружающую среду; КПД - коэффициент полезного действия

Рис. 16. Зависимость Ь° от массовой доли стеклобоя: 1 - тепловая схема с регенерацией ()0 компонентами горения; 2 - тепловая схема с промежуточным теплоносителем (см. рис. 3)

Альтернативный вариант определения Ь через дтс(>р — теоретическое количество теплоты, требуемое для получения стекломассы из исходного материала, кДж/кг стекломассы, - дает завышенный результат и не учитывает влияние Тпп -

температуры полупродукта после студки расплава. Зависимость Ь° от Тпл может

быть учтена только при расчете тепловых схем И'ГГУ, в ходе которого и опреде-1.0

ляется уровень Ь .

Установлены глобальный минимум энергоемкости ТЭР, потребляемых ТТУ (74,5 кгу.т./т), потенциал интенсивного энергосбережения (408,6 кгу.т./т), а также коэффициент полезного использования энергии первичного топлива (15,4%). При этом традиционно определяемый КПД установки заметно больше: 24,8%. Следовательно, в рамках решения задач ИЭС получается более строгая оценка энергетической эффективности ТТО.

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

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

Плавильная камс-ра с перфорированным слоем (рис. 17) представляет собой прямоугольный параллелепипед с габаритными размерами ¿.т. Ьу, Ьг . Боковые стенки камеры выполнены из теплоизоляционного материала толщиной 8сосЛ. Они образуют вертикальный канал, по которому сверху вниз движется перфорированный слой обрабатываемого материала.

Ш1й £Гог

Рис. 17. Расчетная схема ПКПС:

ИМ - исход ный материал; ПП - полупродукт; ВГ -высокотемпературные газы (на входе в ПКПС); ОГ -отходящие газьт

Периферийная оболочка слоя состоит из стенок с толщинами би», 5е, 8/ и 5Ь. В центральной - перфорированной - части сечения слоя имеются одинаковые прямоугольные сквозные каналы в количестве псапа1 шириной Ъсапа1 по оси Ог. Они равномерно распределены по поперечному сечению камеры и разделены перегородками из обрабатываемого материала толщиной 5и>а//. По этим каналам в противотоке с материалом движутся снизу вверх греющие газы.

Плавильная зона камеры имеет высоту ЬтеИ. В пределах этой зоны западная (в плоскости уОг) теплоизолирующая стенка камеры отсутствует. В плавильной зоне имеет место радиационно-конвективный теплообмен, тогда как в канатах выхаерасположенной нагревательной зоны теплообмен преимущественно ко н-вективный.

Впервые разработанная трехмерная математическая модель ПКПС по сравнению с аналогами в большей мере приближена к реальной картине процесса теп-ломассопереноса в камере, обеспечивает получение уточненной и более деталь-

ной информации о режимных характеристиках ПКПС, их связи с конструктивными характеристиками камеры. Разработанная программа защищена свидетельством о государственной регистрации.

Исследована энергетическая и технологическая эффективность ПКПС. Показателем технологической эффективности выбрана тр- массовая доля расплава в

полупродукте (на выходе из камеры), а энергетическая эффективность характеризуется коэффициентом регенерации тепловых отходов

Л per = (б„„ Qkm > бшрби.м ~ тепловой поток с полупродуктом и

исходным материалом; Ag™*- потенциал регенерации тепловых отходов. Варьируемые параметры - производительность Р и отношение теплоемкостей потоков газа и материала W. Исследование выполнено для камеры с габаритами Ly = 3 м, Lx = 0,7 м, Lz = 0,9 м, массовой долей перегородок в перфорирован-um* ело*1 ^ 53,

Установлена возможность достижения в ПКПС высокого уровня коэффициента регенерации тепловых отходов Г]рсг - более S0-90 % (рис. 18). Впервые выявлена слабая зависимость г)рег от производительности. Эти результаты дают

основание оценить плавильную камеру с перфорированным слоем как экерго-эффективный регенеративный элемент тепловой схемы плавильной установки -

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

Посредством программного комплекса Fluent реализована математическая модель нагревательной зоны ПКПС. В модели решается система уравнений На-вье - Стокса и уравнения энергии, используется к-г -модель турбулентности. Установлена и впервые оценена неравномерность распределения массового расхода газа по каналам: в исследованных условиях массовый расход газа по центральному каналу на 16% превышает аналогичную величину для периферийного канала.

Впервые разработана математическая модель плавильной зоны ПКПС, учитывающая изменение реологических свойств материала яри его нагреве и плавлении. Модель разработана для цилиндрической конфигурации зоны (рис. 19, а), Уравнение движения для материала имеет вид

O'w CW

pnv- + prti-

:pgT-

д ( ЗиЛ — гц— ! дг

Oz or

где w(r,z), u(r,z)~ осевая и радиальная скорости.

V« ^ V-fl ■w 1||:С 7 0

\ ^

-----------------J а)

слой 1 Ikw ^ ^ слой 2

U,

Рис. 19. Расчетная схема плавильной зоны камеры:

а) в размерных координатах г-г,

б) в безразмерных координатах Г|— слой 1 - слой движущегося материала; слой 2 - слой неподвижной изоляции

Особенностью расчетной области является пере.менность радиуса внутренней поверхности Г) и толщины слоя материала 8 =гь- г, по высоте зоны 2, причем

функция г, = г{ (г) - искомая. Осуществлен переход в новую систему координат г]-^ (рис. 19, б), чем достигнуто совмещение координатных линий с физическими границами. Однако задача становится неортогональной, что существенно усложняет дискретизацию уравнений энергии и движения при реализации метода контрольного объема.

W \ Л = (г-г((г))/ 50

W = w(r,z)/wM

K'-'V- 2 ч \ \-Н ~ 0,5

\ \ \ \ \ \ 2-Я = 1,0

■ ■ ..... : :

D = 5 (г)/5 (о) H = z/L

Ркс. 20. Скоростное поле и относительная толщина слоя материала в плавильной зоне ПКПС

В ходе исследования модели зоны установлены ее геометрические, скоростные и температурные характеристики (рис. 20). Выявлено, что плавильная зона камеры способна работать практически без потерь теплоты в окружающую среду через боковое ограждение камеры: коэффициент регенерации материалом указанных тепловых потерь более 99 %. Это подтверждает эффективность ПКПС как энергосберегающего оборудования.

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

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

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

Перспективная модель стекловаренной установки с ПКПС характеризуется степенью реализации потенциала интенсивного энергосбережения 67,7 % и значением КПИ 36,1%, что превышает аналогичный показатель действующей печи - 15,4 % - более чем вдвое.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

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

Основными результатами рабогы являются:

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

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

2. Разработаны методические основы решения задачи определения энергоемкости технологии производства продукта и выявления ее структуры. Новые про-

граммные продукты для решения указанной задачи повышают эффективность процедуры систематизации и обработки информации о теплотехнологических объектах.

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

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

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

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

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

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

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

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

Сформулирована задача параметрической оптимизации туннельной печи с использованием технологического и энергетического условий оптимальности. Разработан и реализован алгоритм оптимизации на основе идентифицированной

математической модели. Исследованием ряда перспективных моделей системы «сушка - обжиг» в составе теплотехнологического комплекса зыявлены направления реализации потенциала ИЭС.

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

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

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

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

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

Впервые разработана трехмерная математическая модель ПКПС, по сравнению с аналогами в большей мере приближенная к реальной картине процесса тепломассопереноса в камере. Установлена возможность достижения в ПКПС высокого уровня коэффициента регенерации тепловых отходов Т|рег - более 8090 %. Впервые выявлена слабая зависимость т]ргг от производительности. Эти

результаты дают основание рассматривать ПК ПС как перспективную модель оборудования нового поколения.

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

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

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

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

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

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

ИТТО - идеализированный теплотехнологический объект; ИТТР идеализированный теплотехнологический реактор; ИТТУ — идеализированная тенлотехнологическая установка; ИЭС - интенсивное энергосбережение; КПИ - коэффициент полезного использования энергии первичного топлива в ге-плотехнологическом объекте; ПКПС - плавильная камера с перфорированным слоем технологического материала; ТТК - теплотехнологический комплекс; ТТО - теплотехнологический объект: ТТР - теплотехнологический реактор; TTC - теплотехнологическая система; ТТУ - теплотехнологическая установка;

ТЭР - топливно-энергетические ресурсы; у.т. - условное топливо; Эта, -энергоемкости технологии производства продукта соответственно в реальном теплотехнологическом объекте и в его идеализированном аналоге.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В

СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. Попов С.К. Использование первичной энергии и интенсивное энергосбережение в производственной системе переработки лома на мелкосортный прокат / А.Д. Ключников, С.К. Попов // Сталь. - 1991. - № 3. - С. 85-89.

2. Попов С.К. Разработка и использование математических моделей туннельных печей // Стекло и керамика. -1995. - № 3. - С. 16-17.

3. Попов С.К. Программный комплекс для энергодиагностики туннельных печей / С.К. Попов, О.Л. Русов // Стекло и керамика. - 1997. - № 4. - С. 14-16.

4. Попов С.К. Направления энергетической модернизации вращающейся печи / С.К. Попов, Л.Н. Сидельковский // Промышленная энергетика. -1997.-№6.-С. 17-18.

5. Попов С.К. Разработка вращающейся печи в системе производства комплексных удобрений / С,К. Попов, Л.Н. Сидельковский // Промышленная энергетика. - 2001. - № 9. - С. 42-44.

6. Попов С.К. Математическая модель компактного регенератора // Промышленная энергетика. - 2001. - № 10. - С. 39-40.

7. Попов С.К. Математическая модель плавления движущегося полого цнлиндра в условиях плавильной камеры с перфорированным слоем // Вестник МЭИ. - 2002. - № 3. - С. 56-63.

8. Гашо Е.Г. О комплексной рационализации распределенных систем те-плоэнергоснабжения промышленных комплексов / Е.Г. Гашо, С.К. Попов, // Вестник МЭИ. - 2005. - .Y» 1. - С. 21-27.

9. Попов С.К. Плавильная камера с перфорированным слоем технологического материала / С.К. Попов, Ю.К. Иванов // Стекло и керамика. - 2005. -№12.-С. 37-40.

10. Поноб С.К. Разработка и идентификация математической модели туннельной печи // Вестник МЭИ. - 2006. - № 1. - С. 22-28.

11. Крылов А.Н. Моделирование процессов в регенеративном подогревателе технологического материала / А.Н. Крылов, С.К. Попов, Э.Д. Сергиевский // Промышленная энергетика. - 2006. - № 5. - С. 42-44.

12. Иванов Ю.К. Выбор технологии уплотнения шихты и формования перфорированного слоя / Ю.К. Иванов, С.К. Попов, А.К. Шамшин // Стекло и керамика. - 2006. - № 6. - С. 3-5.

13. Попов С.К. Направления реализации потенциала интенсивного энергосбережения туннельных печей // Вестник МЭИ. - 2007. - № 2. - С. 57-62,

14. Попов С.К. Теоретический минимум энергопотребления в теплотех-нологии производства строительного кирпича / С.К. Попов, П.А. Стогов // Промышленная энергетика, - 2007. - № 9. - С. 31-34.

15. Крылов А.Н. Моделирование процессов тепломассообмена при термохимической регенерации теплоты отходящих газов / А.Н. Крылов, С.К. Попов, Э.Д. Сергиевский И Вестник МЭИ. - 2008. - № 4. - С. 49-54.

16. Попов С.К. Разработка и исследование математической модели плавильной камеры с перфорированным слоем // Вестник МЭИ. - 2008. - № 2. -С. 20-25.

17. Попов С.К. Потенциал энергосбережения в стекловаренных печах // Промышленная энергетика. - 2008. - № 6. - С. 34-38.

18. Попов С.К. Прогноз характеристик теплотехнологической системы производства стальной проволоки при реализации интенсивного энергосбережения. // Проблемы энергетики теплотехнологии: Тез. докл. 2-й Всесоюзн. науч. конф. / Под ред. А.Д. Ключникова. - М.: Изд-во МЭИ. - 1987. - С. 6.

19. Ключников А.Д. Повышение эффективности энергоматериалоиспользова-ния при нагреве стали / А.Д. Ключников, С.К. Попов // Повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в черной металлургии: Тез. докл. Республ. конф. - Днепропетровск: ДМетИ. - 1989. - Ч.1.- С. 14.

20. Ключников А.Д. Разработка концепции интенсивного энергосбережения в теплотехнологической системе производства стальной проволоки / А.Д. Ключников, С.К. Попов, И.В. Государев // Повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в черной металлургии: Тез. докл. Республ. конф. - Днепропетровск: ДМетИ. - 1989. - 4.1.- С. 15.

21. Ключников А.Д. Разработка концепции интенсивного энергосбережения в теплотехнологической системе производства мелкосортного стального проката / А.Д. Ключников, С.К. Попов // Научные основы создания энергосберегающей

техники и технологий: Тез. докл. Всесоюзн. конф., Москва, 27-29 ноября 1990 г. - М.: Изд-во МЭИ. - 1990. - С. 52.

22. Ключников А.Д. Повышение уровня энергоматериалосбережения при нагреве стали / А.Д. Ключников, С.К. Попов // Энергосбережение в высокотемпературной теплотехнологии: Сб. науч. тр. - М.: Изд-во МЭИ. - ¡990. - Вып. 235. -С. 5-12.

23. Круглов Ю.Д. Диагноз качества использования энергии в теплотехноло-гическом комплексе комбината черной металлургии / Ю.Д. Круглов, С.К. Попов, С.Н. Шапкарин // Интенсивное энергосбережение в промышленной теплотехнологии: Тез. докл. 3-й Всесоюзн. науч. конф. - М.: Изд-во МЭИ. - 1991. - С. 6.

24. Ключников А.Д. Разработка концепции интенсивного энергосбережения в теплотехнологической системе сталь-прокат / А.Д. Ключников, С.К. Попов // Интенсивное энергосбережение в промышленной теплотехнологии: Тез. докл. 3-й Всесоюзн. науч. конф. - М.: Изд-во МЭИ. - 1991. - С. 8.

25. Попов С.К. Интенсивное энергосбережение при нейтральном нагреве металла ! С.К. Попов, А.Ф. Горелов // Интенсивное энергосбережение в промышленной теплотехнологии: Тез. докл. 3-й Всесоюзн. науч. конф. -М.: Изд-во МЭИ,-1991.-С. 14.

26. Попов С.К. Разработка программного комплекса экспресс-диагностики потенциала энергосбережения в многоуровневой технологической системе / С.К. Попов, A.B. Пушкин, O.JI. Русов // Интенсивное энергосбережение в промышленной теплотехнологии: Тез. докл. 3-й Всесоюзн. науч. конф. -М.: Изд-во МЭИ,-1991.-С. 21.

27. Ключников А.Д. Диагноз энергетической эффективности и прогноз резерва интенсивного энергосбережения промышленной теплотехнологической системы / А.Д. Ключников, С.К. Попов // 2-й международный симпозиум по энергетике, окружающей среде и экономике: Тез. докл., Казань, 7-10 сентября 1998 г. -Казань: Казанский филиал МЭИ. - 1998. - С. 42-45.

28. Ключников А.Д, Анализ резерва интенсивного энергосбережения тепло-технологической системы /' А.Д. Ключников, С.К. Попов, Б.Л. Фильчиков /У Проблемы эффективного использования энергоносителей и низкосортных топлив в промышленности: Тез. докл. Междунар. конф., Саратов, 24-25 сентября 1998 г. -Саратов: СГТУ. - 1998. - С. 35-36.

29. Попов С.К, Использование математического моделирования для повышения энергетической эффективности туннельных печей / С.К. Попов, A.B. Заславский // Проблемы эффективного использования энергоносителей и низкосортных топлив в промышленности: Тез. докл. Междунар. конф., Саратов, 24-25 сентября 1998 г. - Саратов: СГТУ. - 1998. - С. 39^10.

30. Ключников А.Д. Анализ направлений энергосбережения в теплотехнологической системе / А.Д. Ключников, С.К. Попов // Современное газоиспользую-щее оборудование и технологии в решении энергосберегающих и экологических проблем в газовой промышленности: Тез. докл. науч.-практ. конф., Ижевск, 15-17 декабря 1999 г. - Ижевск. - 1999. - С. 33-36,

31. Ключников А.Д. Диагноз энергетической эффективности и прогноз резерва интенсивного энергосбережения теплотехнологической системы / А.Д. Ключников, С.К. Попов. - М.: Изд-во МЭИ. - 1999. - 70 с.

32. Кривошеее С.Ю. Диагноз энергетической эффективности металлургической системы «лом - сталь - прокат» / С.Ю. Кривошеев, А.Д. Ключников, С.К. Попов // Автоматизированный печной агрегат - основа энергосберегающих технологий металлургии XXI века: Тез. докл. Междунар. науч.-практ. конф., Москва, 15-17 ноября 2000 г. - М.: МИСиС. - 2000. - С. 204-205.

33. Кривошеев С.Ю. Прогноз резерва интенсивного энергосбережения в металлургической системе «лом - сталь - прокат» / С.Ю. Кривошеев, А.Д. Ключников, С.К. Попов // Автоматизированный печной агрегат - основа энергосберегающих технологий металлургии XXI века: Тез. докл. Междунар. науч.-практ. конф., Москва, 15-17 ноября 2000 г. - М.: МИСиС. - 2000. - С. 206-207.

34. Попов С.К. Математическая модель теплообмена при плавлении движущегося полого цилиндра в условиях плавильной камеры с перфорированным слоем // Состояние и перспективы развития электротехнологии» (X Бенардосов-ские чтения): Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф., в 2-х т. - Иваново: ИГЭУ.

2001.-Т.2.-С. 181.

35. Попов С.К. Новые информационные средства обучения в области высокотемпературной теплотехнологии / С.К. Попов, И.П. Морозов // Международный форум информатизации - 2002: Докл. Междунар. конф. «Информационные средства и технологам», Москва, 15-18 октября 2002 г., в 3-х т. - М.: Янус-К. -

2002.-Т.2.-С. 91-94.

36. Попов С.К. Особенности расчета внутреннего теплообмена в печах со сложной геометрией садки // Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии: Тез. докл. 2-й Междунар. науч.-практ. конф. - М.: Изд-во «Учеба» МИСиС. - 2002. - С. 257-258.

37. Попов С.К. Математическая модель тепловой работы регенеративной горелки // Рациональное использование природного газа в металлургии: Сб. тез. Междунар. пауч.-практ. конф., Москва. 13-14 ноября 2003 г. - М.: МИСиС. -

2003.- С. 128-129.

38. Кривошеев С.Ю. Потенциал резерва интенсивного энергосбережения в металлургической системе / С.Ю. Кривошеев, С.К. Попов, А.Д. Ключников Н Энергосбережение - теория и практика: Тр. Н-й Всеросс. школы-сем. мол. ученых и спец. - М.: Изд-во МЭИ. - 2004. - С. 166-169.

39. Попов С.К. Разработка и программная реализация структурной математической модели региона // Информационные технологии к математическое моделирование: Матер. Ш-й Всеросс. науч.-практ. конф., Томск, 11—12. декабря 2004 г. - Томск: Изд-во Том. ун-та. - 2004. - 4.1. - С. 79-81.

40. Попов С.К. Исследование потенциала энергосбережения и мероприятий по его реализации в туннельной печи на основе математического моделирования // Информационные технологии и математическое моделирование: Матер. Ш-й Всеросс. науч.-практ. конф., Томск, 11-12 декабря 2004 г. - Томск: Изд-во Том. ун-та. -2004. -4.1. - С. 132-133.

41. Попов С.К. Разработка и расчет тепловых схем термодинамически идеальных установок. Теория и алгоритмы. - М.: Изд-во МЭИ. - 2005. - 60 с.

42. Попов С.К. Потенциал энергосбережения и мероприятия по его реализации в теплотехнологии производства строительного кирпича / С.К. Попов, П.А. Стогов // Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и теп-

ловые процессы) СЭ'ГТ-2005: Тр. И-й Междунар. науч.-практ. конф., в 2-х т. -М.: Изд-во ВИМ. - 2005. -Т.2. - С. 91-94.

43. Иванов Ю.К. Разработка вопросов промышленного освоения энергосберегающей плавильной установки с перфорированным слоем / Ю.К. Иванов, С.К. Попов, А.К. Шамшин // Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы) СЭТТ-2005: Тр. II-й Междунар. науч.-практ. конф. -М.: Изд-во ВИМ. - 2005. - Т. 2. - С. 179-182.

44. Попов С.К. Идентификация математической модели туннельной печи // Информационные технологии и математическое моделирование (ИТТМ-2005): Матер. IV-й Всеросс. науч.-практ. конф., Томск, 18-19 ноября 2005 г. - Томск: Изд-во Том. ун-та. - 2005. -4.1. - С. 115-117.

45. Устройство для термообработки длинномерных изделий: А. с. 1724706 А1 СССР, МКИ5 С 21 D 9/52 / Ключников А.Д., Попов С.К., Степанова Т.А., Нурга-тина Г.Н. (СССР). - Опубл. 07.04.92. Бюл. № 13.

46. Пат. 2240987 РФ. Шахтная печь /' Ю.К. Иванов, С.К. Попов (РФ); МЭИ(ТУ) (РФ). - Заяв. № 2003113517; Опубл. 27.11.04. Бюл. № 33. Приоритет 13.05.03 (РФ).

47. Пат. 2272794 РФ. Плавильная печь с шахтной предкамерой / Ю.К. Иванов, С.К. Попов, А.К. Шамшин (РФ); МЭИ (ТУ) (РФ). - Заяв. № 2004116805; Опубл. 27.03.06. Бюл. № 9. Приоритет 03.06.04 (РФ).

48. Патент РФ. Способ формования рабочей камеры шахтной печи с перфорированным слоем шихтового материала и устройство для его осуществления / Ю.К. Иванов, С.К. Попов (РФ); МЭИ (ТУ) (РФ). - Заяв. № 2006145305. Решение о выдаче патента на изобретение от 15.04.2008.

49. Патент на полезную модель № 73330 РФ, МПК С03В 3/00, F27B 1/00. Устройство формования шихты в рабочей шахтной предкамере печи с перфорированным слоем (варианты) / Ю.К. Иванов, С.К. Попов, А.К. Шамшин (РФ). -Опубл. 20.05.08. Бюл. № 14.

50. Свид. о гос. per. программы для ЭВМ № 2008610418 «Расчет плавильной камеры с перфорированным слоем материала» ! С.К. Попов // Зарег. в Реестре программ для ЭВМ 23.01.08.

51. Свид, о гос. per. программы для ЭВМ № 2008610417 «Программный комплекс «KILN» для теплотехнического расчета туннельной печи в системе производства керамических изделий» / С.К. Попов // Зарег. в Реестре программ для ЭВМ 23.01.08.

Подписано в печать З.СХ Г. Зак. л 4 Тнр. 100 П.л. 2,5 Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

Список обозначений.

Введение.

Глава 1. ЗНАЧИМОСТЬ, СОСТОЯНИЕ И МЕТОДИЧЕСКАЯ

БАЗА РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ.

Глава 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕШЕНИЯ

ЗАДАЧ ИНТЕНСИВНОГО ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ (ИЭС).

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

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

Выводы по главе 2.

Глава 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКТА.

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

3.2. Разработка программного обеспечения для описания структурной схемы ТТО.

3.2.1. Редактор структуры TreeEdit.

3.2.2. Редактор потоков FluxEdit.

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

Выводы по главе 3.

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

4.1. Основные термины.

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

4.2.1. Состав компонентов горения.

4.2.2. Температурные характеристики теплотехнологического процесса.

4.2.3. Характеристики фазовых превращений.

4.2.4. Физические свойства веществ.

4.3. Первоначальная обработка исходных данных.

4.3.1. Расчет температурного графика технологического процесса.

4.3.2. Расчет материальных балансов технологического и топочного процессов.

4.4. Уравнения материального и теплового балансов элементов ИТТР.

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

4.5.1. Тепловые схемы ИТТУ для процессов группы А.

4.5.2. Тепловые схемы ИТТУ для процессов группы В.

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

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

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

4.6.3. Тепловые схемы ИТТУ для процессов группы Г.

4.7. Программная реализация алгоритмов расчета тепловых схем ИТТУ.

Выводы по главе 4.

Глава 5. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ИНТЕНСИВНОГО ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ КОМПЛЕКСЕ

ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНОЙ КЕРАМИКИ.

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

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

5.1.2. Карта энергоматериалопотребления ТТК. Характеристики энергоемкости технологии комплекса.

5.1.3. Характеристики теплотехнологической системы сушка - обжиг».

5.1.4. Постановка задачи минимизации энергоемкости технологии в теплотехнологическом комплексе

5.2. Характеристики модели ТТК с термодинамически идеальными теплотехнологическими установками.

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

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

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

5.4. Разработка и исследование перспективных моделей действующего теплотехнологического объекта.

5.4.1. Разработка математической модели ТТУ обжига.

5.4.1.1. Концептуальная модель процесса и установки.

5.4.1.2. Математическое описание процесса и установки.

5.4.1.3. Выбор метода численного решения. Программная реализация.

5.4.2. Идентификация математической модели.

5.4.3. Расчетное исследование перспективных моделей теплотехнологического объекта.

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

5.4.3.2. Технологическое использование тепловых потерь теплопроводностью через ограждение ТТУ.

5.4.3.3. Параметрическая оптимизация действующей ТТУ.

5.4.3.4. Повышение термического сопротивления транспортного оборудования ТТУ.

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

5.4.3.6. Комплексное повышение теплотехнической эффективности ограждения рабочего пространства ТТУ.

Выводы по главе 5.

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

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

6.2. Формирование структурной модели TTC.

6.3. Разработка карты энергоматериалопотребления в TTC.

Определение энергоемкости технологии в TTC.

6.4. Формирование и расчет характеристик структурной модели идеализированной TTC.

6.4.1. Технологическая схема идеализированной TTC.

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

6.4.3. Тепловая схема идеализированной TTC.

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

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

6.4.4. Характеристики энергоемкости технологии производства продукта в ИТТС.

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

6.6. Формирование и сопоставительный анализ вариантов перспективных моделей TTC.

6.7. Разработка элементов перспективных моделей TTC.

6.7.1. Математическое моделирование компактного регенератора.

6.7.2. Разработка энергосберегающей термической установки.

Выводы по главе 6.

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

7.1. Систематизация характеристик ТТУ.

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

7.3. Обзор вариантов перспективных моделей ТТУ.

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

7.4.1. Математическое моделирование ПКПС.

7.4.1.1. Модель ПКПС.

7.4.1.2. Моделирование ПКПС в среде Fluent.

7.4.1.3. Модель плавильной зоны ПКПС.

7.4.2. Разработка вопросов промышленного освоения ПКПС.

7.4.2.1. Способы формования перфорированного слоя в процессе работы камеры.

7.4.2.2. Равномерное распределение материала по сечению камеры.

7.4.2.3. Формирование перфорированного слоя в камере в предпусковой период.

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

Выводы по главе 7.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Указанные задачи можно квалифицировать как задачи интенсивного энергосбережения.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

4) Госбюджетные НИР:

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

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

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

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

Научная новизна

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

- количественно оценена эффективность направлений реализации потенциала ИЭС в ТТК.

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

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

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

- расчетный анализ моделей с использованием оригинальных программных средств;

- формулировку и алгоритм решения задачи ранжировки перспективных моделей.

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

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

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

Практическая значимость работы заключается в следующем:

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

- анализ энергоемкости технологии производства продукта, выявление сгруктуры энергоемкости;

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

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

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

3. Выполнены научно-технические разработки:

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

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

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

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

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

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

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

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

Выводы по главе 7

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Заключение и основные выводы по работе

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

Основными результатами работы являются:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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