К вопросу повышения эффективности работы нагревательных печей

Макетный образец устройства для оперативного измерения заглубления опор должен отвечать следующим требованиям:

быстрота установки устройства на опоре;

жесткое закрепление датчиков для исключения их смещения во время измерений;

возможность изменения положения конструкции вокруг тела опоры;

простота в использовании.

В рабочее состояние данное устройство собирается следующим образом. Предварительно пьезопреобразователи, установленные в каркас устройства 1, соединяют через разъединитель 5 и разъем 6 с микропроцессорным блоком 13, который необходим для приема ультразвуковых колебаний и первоначальной обработки данных. Запитка микропроцессорного блока происходит через аккумуляторную батарею 14. Передача данных карманному персональному компьютеру 11 от микропроцессорного блока происходит по каналу блютуз.

Измерения начинаются с присоединения устройства к телу опоры и подачи с помощью ударного устройства колебаний на пьезопреобразователи.

Способ крепления макетного образца к опоре контактной сети представлен на рисунке 4.

Лабораторные и натурные эксперименты позволили сделать вывод о возможности применения данной методики для определения глубины заложения опор контактной сети в грунт в практической деятельности хозяйства электроснабжения.

Список литературы

1. Ли, В. Н. Неразрушающий контроль элементов контактной сети и токоприемников электроподвижного состава электрифицированных железных дорог: Монография [Текст] / В. Н. Ли, С. Н. Химухин / Дальневосточный гос. ун-т путей сообщения. - Хабаровск, 2007. -266 с.

2. Ли, В. Н. Разработка методики определения глубины заложения опор контактной сети / В. Н. Ли, А. С. Сапов // Труды всерос. конф. с междунар. участием представителей производства, ученых транспортных вузов и инженерных работников / Дальневосточный гос. ун-т путей сообщения. - Хабаровск, 2010. - С. 69 - 76.

3. Кондратьев, А. И. Прецизионные методы и средства измерения акустических величин твердых сред: Монография [Текст]: В 2 ч. Ч. 2. Метрологические характеристики средств измерения и их практическое применение / А. И. Кондратьев / Дальневосточный гос. ун-т путей сообщения. Хабаровск, 2006. - 156 с.

УДК 669.662.76

А. М. Парамонов, А. В. Кушнаренко, А. С. Гусаров

К ВОПРОСУ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ

В статье рассматриваются пути повышения тепловой эффективности и экономичности нагрева металла. Предложены методика и алгоритм технико-экономического оптимизации параметров теплового режима и конструкции печных агрегатов. Обоснована целесообразность применения разработанного алгоритма для определения оптимальных значений температуры уходящих газов на выходе из рабочего пространства нагревательного печи и температуры подогрева воздуха в рекуператоре, иОугцего на горение топлива, при проектировании и эксплуатации печных агрегатов. Использование данных разработок позволяет повысить тепловую эффективность и экономичность работы нагревательных печей.

Пламенные нагревательные печи относятся к основному оборудованию кузнечных отделений предприятий железных дорог. Развитие производства поковок неразрывно связано с со-

вершенствованием технологии и средств тепловой обработки металла. В кузнечных отделениях потребление топлива, которое составляет до 14 % от общего его расхода на предприятии, характеризуется низким коэффициентом теплоиспользования, и долгосрочные прогнозы указывают на устойчивую тенденцию увеличения энергетической составляющей в себестоимости продукции. В связи с этим возникает задача повышения общей энерготехнологической эффективности кузнечного производства путем разработки высокоэффективных тепловых режимов, совершенствования конструкций печей, обеспечивающих условия для интенсификации нагрева металла, энергосбережения, оптимизации их работы. В настоящее время техническое состояние, уровень средств и технологии тепловой обработки металла в кузнечных цехах не отвечает современным требованиям достижения высоких показателей работы, качества продукции и низкого удельного расхода топлива.

Для нагрева металла под обработку давлением в кузнечных отделениях применяются нагревательные печи с камерным температурным режимом. По стоимости пламенный нагрев металла составляет значительную долю в себестоимости продукции кузнечного производства (до 35 %). Широкое распространение печей указанного типа обусловлено их универсальностью (они обеспечивают нагрев самых разнообразных заготовок), простотой конструкции, возможностью сравнительно быстро менять режим работы. Нередко по условиям производства невозможна специализация ковочного оборудования и требуется нагрев широкой гаммы заготовок. В этом случае печи с камерным режимом работы остаются единственным средством нагрева металла.

Проведенные Омским государственным университетом путей сообщения обследования печного хозяйства ряда предприятий железных дорог показали, что низкий технический уровень печей обусловлен несовершенством тепловых схем, конструкций тепловых ограждений (футеровки), применяемых систем топливоснабжения, отсутствием средств утилизации теплоты уходящих газов. Это приводит к значительному перерасходу топлива. Для камерных кузнечных печей термический КПД составляет 5 - 9 %, удельный расход условного топлива - от 425 до 500 кг на тонну нагреваемого металла. Для сравнения: аналогичные показатели для печей США, Германии, Японии: термический КПД - 40 - 45 %, удельный расход условного топлива - 40 - 85 кг/т [1]. По оценкам специалистов прогноз на использование указанных печей, учитывая тенденции развития новых технологий и оборудования дня нагрева металла в нашей стране, а также экономические реалии современного производства, составляет не менее чем 25 - 30 лет. Поэтому сегодня актуальны проблемы совершенствования конструкции печей, повышения эффективности, снижения удельного расхода топлива на нагрев металла и затрат на сооружение и эксплуатацию печей, уменьшения вредных выбросов в атмосферу.

Актуальность перечисленных проблем отвечает федеральному закону «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» № 261-ФЗ от 23.11.2009 г.

Задачам повышения эффективности и качества кузнечного производства, его рационализации и интенсификации в полной мере отвечают методы оптимизации нагревательных печей, обеспечивающие принятие наиболее выгодных технических решений, достижение максимального технико-экономического эффекта (высоких технико-экономических показателей работы, экономии топлива, снижения капитальных вложений и эксплуатационных расходов).

Актуальность оптимизации работы пламенных печей объясняется еще и тем, что в нашей стране их не изготавливают на специализированных заводах, а сооружают на самих предприятиях. В связи с этим невозможно дать общие рекомендации по выбору оптимальных параметров, так как они должны определяться для конкретных производственных условий.

Проблему повышения эффективности печных агрегатов следует решать путем оптимизации их тепловой схемы и основных параметров теплового режима, конструкции отдельных элементов и агрегата в целом. Среди наиболее важных задач - определение и выбор оптимальных параметров теплового режима и конструкции нагревательной печи. Правильное решение названных задач имеет первостепенное значение, так как нагрев металла под обработку давлением является важнейшей операцией, определяющей качество и стоимость продукции.

72 ИЗВЕСТИЯ Транссиб!^— м;п1.

06301360

В настоящее время отсутствуют приемлемые для использования методы определения оптимальных параметров работы печей с камерным температурным режимом. Известными методами решают задачи повышения эффективности работы печей построением усложненных математических моделей без должной комплексной увязки технических решений с экономическими факторами. Существенными их недостатками являются сложность, трудоемкость, неточность определения оптимальных соотношений между отдельными параметрами. По этой причине они не находят применения при проектировании печей.

При реализации принципов обеспечения эффективных решений при проектировании и эксплуатации нагревательных печей заложены внутренние противоречия, что обусловливает необходимость комплексного учета всех условий и накладываемых ограничений на значения оптимальных параметров.

Производительность нагревательной печи зависит от интенсивности ее работы, которая в свою очередь определяется условиями теплообмена в рабочем пространстве. Основным фактором, определяющим производительность печи, является время нагрева. Температура уходящих газов связана с продолжительностью нагрева, ее повышение приводит к увеличению производительности печи, но при этом увеличиваются потери тепла, что влияет на экономичность работы печи. В связи с широким внедрением рекуператоров представляется возможным и экономически целесообразным иметь более высокую температуру уходящих газов. Если производительность печи задана и является постоянной величиной, то интенсификация теплообмена приводит к сокращению размеров печи, т. е. к уменьшению капитальных затрат и эксплуатационных расходов. Эффективность сжигания топлива в печах может быть повышена за счет более полного использования физического тепла уходящих газов для подогрева воздуха и топлива. Однако это ведет к увеличению затрат на теплоутилизирующие устройства. Целесообразно получить максимально возможную, экономически оправданную степень рекуперации тепла дымовых газов.

Таким образом, чтобы получить наиболее приемлемую схему работы печи, надо объективно оценить ее наиболее выгодную температуру, необходимую для обеспечения технологии нагрева тел и производительности, и выбрать конструктивное оформление, которое потребует наименьших суммарных затрат.

На дисконтированные затраты по печному агрегату существенное влияние оказывают капитальные вложения в сооружение печи, рекуператора, расходы на топливо, на подачу воздуха для горения топлива, на удаление дымовых газов. Эти затраты в значительной степени определяют, при заданной и постоянной производительности, температуру уходящих газов на выходе из рабочего пространства печи и степень рекуперации их тепла.

Перечисленные факторы свидетельствуют о том, что правильный выбор температуры уходящих из рабочего пространства печи дымовых газов и степени рекуперации их тепла позволяет получить определенный технологический, экономический и экологический эффект.

На основании изложенного выше можно утверждать, что решена задача расширенной технико-экономической оптимизации печных агрегатов с камерным режимом нагрева металла. В качестве критерия оптимальности принята оценка сравнительной экономической эффективности капитальных вложений в печной агрегат по минимуму дисконтированных затрат, так как только комплексный учет капитальных затрат и эксплуатационных расходов может дать экономически правильное решение.

Разработаны методика, алгоритм оптимизации, аналитически увязывающие теплотехнические, конструктивные, режимные параметры и приведенные затраты в целом по печному агрегату. Функционал оптимизации обеспечивает достижение целесообразных теплотехнических показателей печных агрегатов при минимальных приведенных затратах с учетом изменения реальных условий эксплуатации в зависимости от конструкции, мощности и стоимости печи, конструкции и стоимости рекуператора, стоимости и вида топлива, времени использования установленной мощности и других факторов.

Использован один из классических математических методов - метод поиска оптимума путем решения системы нелинейных уравнений, полученных при приравнивании к нулю

частных производных функции по оптимизируемым параметрам, так как была поставлена задача выразить критерий оптимальности в аналитическом виде [1,2].

В основу разработанного метода оптимизации и определения оптимальных технико-экономических параметров теплового режима и конструкции печных агрегатов положено решение системы уравнений исходя из необходимых условий оптимальности функции цели:

д1т т д1т р д1т д1т азп зв дн

-Е- = СТ — + СР—р- = 0,

др др др

где и - температура уходящих газов на выходе из рабочего пространства печи; р - степень рекуперации их тепла; Зп - приведенные расчетные затраты по печному агрегату; Зр - приведенные затраты по рекуператору и топливу; Ст - приведенная годовая стоимость топлива;

о

В - часовой расход топлива; Ср - приведенная годовая стоимость 1 м поверхности нагрева рекуператора; Нр - поверхность нагрева рекуператора; Сп - приведенная годовая стоимость 1 м рабочего пространства печи; Уи - объем рабочего пространства печи.

Возможны следующие решения задачи технико-экономической оптимизации печных агрегатов:

1) при фиксированной по внешним обстоятельствам температуре уходящих газов на выходе из рабочего пространства решением уравнения (2) определяется экономически наиболее выгодная степень рекуперации их тепла Рош;

2) при фиксированной степени рекуперации тепла уходящих газов (например, заданы рекуператор или проектная степень рекуперации и т. п.) решением уравнения (1) определяется оптимальная температура уходящих газов на выходе из рабочего пространства печи /, 0пТ;

3) совместным решением уравнений (1) и (2) определяется ¿г опт и Рош таким образом, чтобы оптимальной температуре уходящих газов на выходе из рабочего пространства печи соответствовала экономически наиболее выгодная степень рекуперации их тепла.

Известно, что повышение температуры подогрева воздуха для горения топлива ведет к повышению температурного уровня в рабочем пространстве печи, интенсификации теплообмена. При заданной и постоянной производительности печи любое изменение степени рекуперации тепла дымовых газов (температуры подогрева воздуха) приведет к изменению температуры уходящих газов на выходе из рабочего пространства печи. Чтобы поддерживать температуру уходящих газов на заданном уровне, необходимо при неизменных условиях изменять температуру газов в рабочем пространстве печи, увеличивая или уменьшая расход топлива на нагрев металла, тогда сохраняются условия внешнего теплообмена печи на заданном уровне. Поэтому первый подход к решению задачи оптимизации не затрагивает самой нагревательной печи, так как неизменными остаются условия теплообмена в рабочей камере и, следовательно, размеры печи. В этом случае минимизируются только приведенные затраты на рекуператор и топливо.

При втором подходе к решению задачи оптимизации рассчитываются только минимальные капитальные затраты на печь без анализа влияния изменения температуры уходящих газов на выходе из рабочего пространства печи на рекуператор и топливо, а следовательно, и в целом на приведенные затраты по печному агрегату. Ведь произвольно фиксированная или возможная степень рекуперации, очевидно, не всегда является экономически наиболее выгодной.

Таким образом, первые два подхода решают только частную задачу технико-экономической оптимизации. Более полное решение задачи комплексной оптимизации печных агрегатов достигается лишь в том случае, когда каждому оптимальному значению температуры уходящих газов на выходе из рабочего пространства печи соответствует экономически наиболее выгодная степень рекуперации их тепла. Это обеспечивается совместным решением уравнений (1) и (2). Вначале из уравнения (2) определяется экономически наибо-

74 ИЗВЕСТИЯ Транссиб^ ЩИ

06301360

лее выгодная степень рекуперации тепла уходящих газов для любого возможного значения их температуры на выходе из рабочего пространства печи. Затем, подставляя для конкретного значения и найденное значение р0пт, из уравнения (2) определяют оптимальную температуру уходящих газов на выходе из рабочего пространства печи. При этом решении минимизируются приведенные затраты по печному агрегату в целом, т. е. одновременно устанавливаются рациональный расход топлива и целесообразные затраты на рекуператор, экономически наиболее выгодные размеры рабочего пространства печи, обеспечивается достижение наилучших технико-экономических показателей работы печного агрегата.

Данный подход к решению уравнений (1) и (2) и принят за основу при определении оптимальных параметров тепловых режимов печных агрегатов.

Расчетные уравнения для определения оптимальной температуры уходящих газов на выходе из рабочего пространства печи и экономически наиболее выгодной степени рекуперации их теплоты получены для нагрева термически «тонких» и «массивных» тел путем подстановки в уравнение (1) выражения для определения объема рабочего пространства печи, поверхности нагрева рекуператора, расхода топлива в виде функции от ¿г:

К =ла

яР=т-,

в =ла

а в уравнении (1) в виде функции от р\

Щ=№\

в =т

После дифференцирования слагаемых уравнения (1) по а уравнения (2) по р для случая нагрева термически «тонких» тел имеем:

/Ж _ £>г|в б/1/2+б/2/г+/

С,

2+СП

+

М

+

х1п

дВг

2 +

№т + м - тмн

; е{ - м, 2 и'+тг 2

^ 4(ВА + юква + Ю-Г^ВА + Щ (в^+му-т:

ар2 + Ьр + с1 = О, для нагрева термически «массивных» тел -

/Ж „ Щв

= 0:

С

х<

• + С,

+с

{ех -мг)2 р ^(1+е)сг сЕх -мг)2([/'+г/г)2 п

См №г+м)2-т:]2

С^КД^+АО2-^] №+2)Л

ар2 +Ьр+с1 = 0.

Т -Т

^ВЬ+М-Т^ВЬ+М-Ъ)

= 0:

=ИВНЕСТИЯ Транссиба 75

В системах уравнений (8), (9) коэффициенты Д М, Е\, д\,/, и\ РГ) Ва, Ъ, с1, ^"определяются из выражений, приведенных в работе [4].

С определением 1У опт и Р()т представляется возможным найти оптимальные значения температуры подогрева воздуха в рекуператоре £ в опт и дымовых газов за рекуператором г г.

Системы уравнений (8) и (9), полученные в результате выполнения необходимых условий оптимальности (1) и (2), не гарантируют минимума функции двух переменных 3(7Г, р). Для того чтобы убедиться в достоверности полученных решений, нужно проверить их на достаточность [1, 2]. С этой целью были проведены исследования на существование (или отсутствие) экстремума в испытываемой стационарной точке. Проверка выполнения условия положительной определенности целевой функции производилась путем взятия вторых производных от выражения (2) по степени рекуперации тепла уходящих газов и выражения (1) по температуре уходящих газов на выходе из рабочего пространства печи. Многократные

523р 8%

вычисления величин 2 и ^ 2 ПРИ различных значениях оптимальной температуры

др сяг

уходящих газов на выходе из рабочего пространства печи и экономически наиболее выгодной степени рекуперации их теплоты показали, что во всех рассмотренных случаях они всегда положительны. Следовательно, одновременно выполняются необходимые и достаточные условия существования экстремума функции двух переменных 3(£г, р).

Проверка достаточности условий (1) и (2) производилась также предварительным исследованием целевой функции при отладочных расчетах посредством выдачи на печать результата каждого шага поиска. В процессе проведения расчетов по определению значений оптимальных параметров работы печных агрегатов вычислялась величина приведенных затрат в окрестностях экстремальной точки. Одновременно отыскивались все внутренние точки, «подозрительные» по экстремуму, для которых также вычислялась величина приведенных затрат и сравнивалась с величиной приведенных затрат для полученных значений ¿г опт и />опт. При этом решение имеется лишь в том случае, если выполняется неравенство З1 < 3 < З2, где 3, Зь З2 - соответственно величины дисконтированных затрат при оптимальных значениях параметров и в окрестностях экстремальной точки.

Параметры печного агрегата не могут принимать совершенно произвольные значения, а могут изменяться в пределах физически возможных и технически осуществимых состояний энергоносителей и конструкций. Поэтому полученные алгоритмы справедливы с учетом ряда ограничений. К их числу относятся ограничения по температуре печи, уходящих газов на выходе из рабочего пространства печи, температуре подогрева воздуха в рекуператоре и др. Возможность выхода оптимизируемых параметров в процессе расчета за ограничения контролируется. Теплотехнические, расходные и конструктивные параметры в процессе оптимизации могут лишь принимать такие значения, которые находятся внутри или на границе допустимой области. Четкое указание допустимой области изменения параметров входит в математическое их определение и является необходимым условием при решении задачи оптимизации печных агрегатов. Например, ограничения по температуре печи учитываются исходя из условия обеспечения необходимого качества нагрева металла. При расчете оптимальных параметров по алгоритму для «массивных» тел вводится ограничение на «массивность» тела, определяемое критерием Старка, в котором контролируемым параметром является эффективная температура печи. Как показали проведенные исследования, область рационального применения указанного алгоритма определяется значением 0,25 < Бк < 0,95. При выходе за границы допустимой области расчет прекращается и параметр фиксируется.

Реализация полученных результатов осуществлена при проектировании реконструкции печных агрегатов производительностью 1200 и 600 кг/ч, предназначенных для нагрева стальных заготовок до 1200 °С. Каждый из печных агрегатов до реконструкции включал в себя камерную нагревательную печь, рекуператор, механизм загрузки и выгрузки заготовок из печи, тягодутьевые устройства, щит теплового контроля.

76 ИЗВЕСТИЯ Транссиб!^— м;п1.

06301360

В процессе разработки и проектирования реконструированных печных агрегатов в качестве исходных данных принимались оптимальные параметры, рассчитанные по предложенной методике и алгоритмам. Значения оптимальных технико-экономических параметров составили: и опт = 1330 - 1338 °С, оптимальная температура подогрева воздуха £ в опт = 450 - 485 °С. Температура в печах была повышена за счет увеличения температуры уходящих газов на выходе их из рабочего пространства (на 60 - 85 °С) и температуры подогрева воздуха в рекуператорах. Это позволило интенсифицировать нагрев металла, значительно повысить тепловую эффективность и экономичность работы печных агрегатов. Площадь пода была уменьшена в 1,88-2,13 раза за счет увеличения напряженности пода (удельной производительности печи), удельный расход топлива снизился на 46 - 47 %, угар стали уменьшился на 34 - 38 %.

Таким образом, результаты работы показали целесообразность применения печных агрегатов с оптимальными технико-экономическими параметрами теплового режима. Разработанные метод и алгоритмы оптимизации рекомендуются для практического использования при проектировании новых и модернизации существующих печных агрегатов.

Список литературы

1. Овчаренко, Е. Г. Энергосбережение в нагревательных и термических печах машиностроения и других производств [Текст] / Е. Е. Овчаренко, В. И. Бербенев, В. Н. Асцатуров // Материалы 2-й междунар. конф. «Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии» / МИСиС. - М., 2002. - С. 29-33.

2. Бояринов, А. И. Методы оптимизации в химической технологии. [Текст] / А. И. Боя-ринов, В. В. Хазаров. -М.: Химия, 1975. -458 с.

3. Левенталь, Е. Б. Оптимизация теплоэнергетических установок [Текст] / Е. Б. Левен-таль, Л. С. Попырин. - М.: Энергия, 1970. - 249 с.

4. Парамонов, А. М. К определению оптимальных параметров теплового режима нагревательных печей с камерным режимом нагрева металла [Текст] / А. М. Парамонов // Известия вузов. Черная металлургия. 1978. - № 4. - С. 119 - 123.

УДК 656.25: 519.171

М. М. Соколов

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ УСТРОЙСТВ АВТОМАТИКИ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

В статье рассматриваются вопросы контроля качества электрического энерггш, пгтгаюгцей устройства автоматики железных дорог. Предложена методгта (щепки качества электрической энерггш с использованием математ и чес кого аппарата векторного алгебры г/ теоргт графов.

Наряду с надежностью электроснабжения качество электроэнергии (КЭ) является решающим фактором для безотказной работы автоматизированных систем. В связи с этим КЭ все чаще становится одним из основных критериев оценки экономического ущерба, связанного с отказами устройств по причине некачественного электроснабжения. Поэтому постоянный контроль и протоколирование КЭ необходим как для поставщика электроэнергии, так и для конечного пользователя. Не является исключением и железнодорожный транспорт, от качественного электроснабжения которого зависят безопасность и эффективность пассажирских и грузовых перевозок.