Снижение энергозатрат при эксплуатации газовых одностопных колпаковых печей

ским фактором является обеспечение при разгоне привода сцепления между приводными роликами и самим кокилем. Завышенный темп может привести к пробуксовкам. В то же время с учетом возможности уменьшения времени разгона на 20% без снижения нагрузки, а также коррекции темпа разгона с целью выбора благоприятного по нагреву режима работы АД рекомевдуется выбор 2-х электродвигателей мощностью 55 кВт каждый При моделировании системы использовались паспортные данные электродвигателя промышленного назначения АК2-82-4.

Ожвдаемые результаты от реконструкции машины центробежного лигья валков на основа -нии моделирования заключаются в следующем:

1. Снижение стоимости установки при условии использования системы электропривода отечественных производителей до 70%, а срока окупаемости оборудования - практически вдвое.

2. Снижение общего энергопотребления центробежной машины до 40% при увеличении загрузки в 1,5 раза.

3. Уменьшение массогабаритных показателей установки в целом.

4. Снижение эксплуатационных расходов за счет перехода от гвдравлической системы к электрическому приводу.

5. Повышение энергетической эффективности центробежной машины вввду возможности торможения с рекуперацией механической энергии в сеть.

6. Система АВК с предложенной схемой соединения статорных и роторных обмоток позволит реализовать все требования, предъявляемые к приводу установки с точки зрения ра-ционального потребления электроэнергии и экономии дорогостоящих материалов.

Библиографический список

1. ОнищенкоГ.Б. Асинхронныйвентильныйкаскад. МЭнергия, 1972.

2. Хватов С.В., Титов В.Г. Проектирование и расчет асинхронного вентильного каскада: Учеб. пособие. Горький: ГГУ им.

Н.И. Лобачевского, 1977.

3. Сарваров А.С., Демин С.А. Оптимизация процесса центробежного литья валков // Электротехнические комплексы и системы: Межвуз. сб. науч. трудов. Вып. 11. Магнитогорск, МГТУ. 2006.

УДК 662.942.2:621.783.245 В.В. Копцев

СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГОЗАТРАТ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГАЗОВЫХ ОДНОСТОПНЫХ КОЛПАКОВЫХ ПЕЧЕЙ

Высокая энергоемкость металлургического производства при относительно высокой стоимости энергоресурсов обусловливает исключительную важность энергосбережения на всех переделах. Средние удельные затраты на производство 1 т стали в развитых странах в последние два десятилетия были снижены на 25-30%. В то же время показатели энерго- и материалоемкости производства металлопродукции в РФ существенно уступают зарубежным аналогам [1].

На предприятиях черной металлургии России одним из крупнейших потребителей природного газа являются колпаковые печи, в которых проходит термообработку значительная часть листового проката. Существующие горелочные устройства таких печей обладают повышенным расходом топлива по сравнению с аналогами западных стран, что увеличивает энергозатраты при производстве металлопродукции.

Для отопления широко используемых газовых одностопных колпаковых печей конструкции

СТА ЛЬ ПРОЕКТ применяются инжекционные горелки Эти горелочные устройства имеют рад недостатков [2], такие как зависимость производительности и устойчивости работы от давления, малые пределы регулирования. Кроме того, они обладают короткими, сосредоточенными факелами, приводящими к ухудшению эксплуатационных характеристик и выходу из строя муфелей.

Для разработки более совершенного энергосберегающего сожигательного устройства для колпаковых печей необходимо проанализировать условия сжигания топлива в пространстве «колпак - муфель» колпаковой печи и создаваемые при этом условия теплообмена.

В нагревательных колпаках печей, установленных в термическом отделении ЛПЦ-5 ОАО «ММК», 16 инжекционных горелок расположены тангенциально по окружности в два яруса в шахматном порядке в нижней части колпака. Теплообмен в системе «муфель - продукты сгорания -внутренняя поверхность колпака» необходимо

организовать так, чтобы температура на поверхности отжигаемого рулона стали не превышала 720°С. При этом не должен происходить местный чрезмерный перегрев поверхности муфеля в точ-ках соприкосновения факела и муфеля, поскольку ЭТО ведет К деформации муфеля, появлению «ЯЗЫКОВЫХ» раздутий и выходу муфеля из строя.

Площадь контакта муфеля и факела определяется размерами сечения факела и углом, под которым он направлен по отношению к цилиндриче-ской поверхности муфеля. При тангенциальном расположении горелок пространство возможных тангенциальных и близким к ним направлений оси горелки ограничено (рис. 1). Это ограниченное пространство «колпак - муфель» не позволяет равномерно и активно использовать факел горе-лочного устройства, что приводит к неэффективной организации теплообмена.

В свою очередь, площадь контакта определяет, в основном, количество теплоты, переданной в подмуфельное пространство, причем, чем выше температура такого контакта, тем выше интенсивность теплопереноса. Поэтому для интенсификации теплообмена необходимо стремиться к увеличению поверхности контакта между факелом и муфелем в системе теплообмена «муфель - продукты сгорания - внутренняя поверхность колпа-ка». Это можно обеспечить за счет изменения ориентации горелки Предлагается применить вместо тангенциального расположения наклонно-тангенциальное расположение горелки, при котором ее ось направлена тангенциально к поверхности муфеля и наклонена вниз на некоторый угол.

Увеличить поверхность контакта можно также за счет увеличения длины факела. Однако, как отмечалось выше, одним из недостатков ин-

Рис. 1. Схема возможныхтангенциальных и близких к ним направлений (угол р) расположения оси горелки

жекционных горелок является малая длина факела. Кроме того, коэффициент расхода воздуха инжекционных горелок напрямую зависит от расхода газа через горелку и зачастую принимает нежелательные значения. При этом необходимо учесть, что коэффициент расхода воздуха опре-деляется в первую очередь степенью смешения топлива и окислителя, которая, в свою очередь, зависит от схемы смешения и кинетической энергии истекающих потоков.

На основании вышесказанного сформулируем требования к горелочному устройству для колпа -ковых печей, обеспечивающему рациональный теплообмен в системе «муфель - продукты сгорания - внутренняя поверхность колпака».

1. Высокая скорость истечения природного газа через сопло горелочного устройства для создания высокоэнергетического потока в целях обеспечения требуемой длины факела — не менее 60 калибров (относ и-тельных расстояний хМо, х - расстояние по оси от горелочного сопла диаметром ^) [3].

2. Возможность точного регулирования ве-личины коэффициента расхода воздуха.

3. Обеспечение высокой степени эжекции спутного потока воздуха для лучшего смешения его с топливом.

4. Создание рациональной конфигурации зоны горения, обеспечивающей наиболь-шее «прилегание» поверхности факела к внутренней поверхности футеровки печи и поверхности муфеля.

5. Равномерное горение по всей длине факела при требуемой температуре для обеспечения необходимых условий теплообмена.

Для максимального смешения природного газа с потоком воздуха необходимо обеспечить максимально возможную энергию газового потока . Энергия газового потока в данном случае является функцией скорости Наиболее существенное увеличение энергии обеспечивается за счет достижения сверхкритических скоростей газового потока. Основным средством получения сверхкритических скоростей являются сопла Лаваля. Для подобной же цели служат сопла с централь ным телом, они значительно короче обыч-ных сопел Лаваля, проще в изготовлении и в от -личие от последних дают очень небольшое снижение относительного импульса при давлениях значительно ниже расчетного, поскольку из-за отсутствия стенок в сверхзвуковой части не происходит перерасширения газа.

Автором разработана высокоскоростная горелка с централь ным телом ГЦТ. Конструкция сопла этого горелочного устройства (рис. 2) по-

добна соплу с центральным телом турбореактивного двигателя (ТРД) [4].

В таком сопле газ истекает из кольцевого канала (между центральным телом и обечайкой). Размер критического сечения «кр - кр» может регулироваться продольным перемещением центрального тела 1.

На основании результатов расчетов был изготовлен опытный образец горелки с центральным телом ГЦТ-К для колпаковой печи, схема которого приведена на рис. 3. В целях получения сверхкритических скоростей истечения газового потока используется сопло с центральным телом, в котором выходное сечение образовано выходным кониче -ским соплом 9 и соответствующим ему наиболь-шим сечением обратно-двухконусного центрального тела специфической формы 1, обеспечивающим наиболее полное смешение истекающего через сопло газового потока с эжектируемым воздухом.

Горелочное устройство работает следующим образом. Газ, проходя через входной патрубок, попадает в газовой тракт рассчитанной длины и через выходное коническое сопло 9 истекает со сверхзвуковой скоростью. Попадая на поверхность выходного конуса центрального тела 1, он эжектирует воздух, подаваемый через воздушную трубу 2. Установочный винг 6 служит для точного позиционирования центрального тела с помощью штока 7 для создания сверхкригиче-ской скорости истечения газового потока из сопла . Для центрирования положения газового ка -нала служат четыре лопасти 8.

Исследования работы горелочного устройства было решено проводить в термическом отделении ЛПЦ-5 ОАО «ММК», используя топливо и воздух непосредственно с работающей колпаковой печи. Это позволяло использовать возможности измене -ния расходов топлива и воздуха в соответствии с

Воздух

Рис. 3. Схема горелочного устройства с центральным телом для колпаковой печи ГЦТ-К

Рис. 4. Устойчивое горение при номинальных расходах топлива и воздуха

существующими режимами отжига.

Программа испытаний предусматривала исследование работы горелки ГЦТ-К при использовании различного рода насадок, имитирующих противодавле-ние в печи, а также при использовании имитатора горелочного канала колпа-ковой печи.

В случае создания небольшого противодавления при расходе топлива, меньше номинального, удалось получить устойчивое горение топлива при достаточной длине факела (рис. 4).

Она соответствовала расчетной длине, полученной на основе моделирования аэродинамики газового тракта, и составляла около 500-600 мм.

Увеличение расхода топлива до номинального при одновременном увеличении расхода воздуха не приводит к нарушению устойчивости про -цесса горения. При этом формируется более рациональная форма факела, причем срыва пламени при этом не происходит. Голубой цвет пламени факела сввдетельствует, что горение топлива происходит с коэффициентом расхода воздуха, близком к единице. Температура факела приблизительно 1300-1400°С. Угол раскрытия полученного факела составляет 15-18°, что хорошо согласуется с результатами моделирования аэродина-

мики газового тракта. Небольшой угол раскрытия факела позволяет располагать его в ограниченном пространстве «колпак - муфель» без прямого контакта с поверхностью муфеля. Это дает возможность повысить температуру факела по сравнению с инжекционными горелками и улучшить условия теплообмена в системе «муфель - продукты сгорания - внутренняя поверхность колпака», не опа-саясь недопустимого перегрева муфеля.

Библиографический список

1. Афонин С.З., Муринец С.В. О необходимости усиления государственного регулирования цен (тарифов) на продукцию и услуги топливно-энергетического комплекса России // Черная металлургия. 1999. № 1-2. С. 8-10.

2. Металлургическая теплотехника: В 2 т. Т. 2. Конструкция и работа печей: Учебник для вузов / Кривандин В.А., Неведом-ская И.Н., Кобахидзе В.В. и др. М.: Металлургия, 1986. 592 с.

3. Совершенствование теплового и температурного режимов работы одностопной газовой колпаковой печи ЛПЦ-5: От -чет по НИР / Магнитогорск. гос. техн. ун-т; Руководитель работы В.В.Копцев; № ГР 01200510640. Магнитогорск, 2005. 59 с.

4. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика: В 2 ч.: Учеб. руководство для втузов. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Наука. Гл. ред. физ .-мат. лит., 1991. 304 с.

УДК 662.942.2.001.57

В.В. Копцев

ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИКИ СОПЛА ГОРЕЛОЧНОГО УСТРОЙСТВА С ЦЕНТРАЛЬНЫМ ТЕЛОМ

Работа горелочного устройства, основанного на теории сопла с центральным телом [1, 2], в основном зависит от характера истечения газового потока из сопла, так как газовый поток истекает с гораздо большей скоростью, чем воздушный Ха -

рактер истечения определяет условия перемешивания газового и воздушного потоков и, в свою очередь, условия сгорания. Поэтому наибольший интерес представляет исследование на физической модели аэродинамики газового тракта.