Лекция. Направления интенсификации работы теплотехнологических систем и комплексов

НАПРАВЛЕНИЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ РАБОТЫ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ И КОМПЛЕКСОВ

Оптимизация теплотехнологических процессов

Оптимизацией называют целенаправленную деятельность для получения наилучшего решения при имеющихся определенных условиях и ресурсах. Термин «оптимальный» введен немецким ученым Готфридом Фридрихом Лейбницем еще в 1680 г., но только в последние десятилетия он прочно вошел в инженерную практику.

Сегодня особенно важно получать те или иные технологические продукты не любой ценой, а при наименьших затратах труда. Поэтому поиск оптимальных решений в любой области производства стал обязательной процедурой.

Оценку эффективности того или иного решения производят по критерию качества или критерию оптимальности решения, к которому предъявляется ряд требований. Критерий оптимальности должен быть единственным, количественным (выражаться одним числом), иметь ясный физический смысл, должен быть эффективным с точки зрения достижения цели и т. д. Эта совокупность требований приводит к тому, что выбор критерия оптимальности для конкретных условий представляет собой достаточно сложную комплексную задачу.

Критерии оптимальности делятся на простые и сложные.

Первые отвечают экстремуму одной величины без каких-либо ограничений и условий, например, минимальной массе конструкции. Вторые требуют достижения экстремума величины, но при соблюдении некоторого ограничения или условия, например, максимальной прочности конструкции при определенной ограниченной ее массе или минимальной себестоимости продукции при обеспечении стандартного качества.

Наиболее общим и полным критерием оптимальности технических решений является экономический, а именно минимум приведенных затрат, т. е.

З = Ен ∙ 𝑘 + 𝑆𝑆,

где Е_н – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений, 1/год; k – капитальные затраты, руб.; S – издержки производства, руб/год.

Этот критерий охватывает все стороны принимаемого решения, если он рассчитывается с учетом экологических, социальных, стратегических и других аспектов. Однако выразить все эти аспекты количественно удается далеко не всегда. В этом случае приходится использовать сложный критерий оптимальности, в котором требование минимума приведенных затрат дополняется условиями соблюдения некоторых ограничений или дополнительных требований.

На стадии предпроектной проработки при отсутствии проекта новой теплотехнологической установки рассчитать приведенные затраты не представляется возможным и для принятия основных решений вынуждены переходить от общего к частным критериям оптимальности, вытекающим из требований, предъявляемых к данной установке.

Разработанная установка должна обеспечить заданную производительность и требуемое качество технологического продукта, должна быть относительно недорогой и технологичной, т. е. удобной в изготовлении, ремонте, монтаже и демонтаже элементов, частей, крупных узлов. Вместе с тем она должна в процессе эксплуатации обеспечивать эффективное использование сырья и топливно-энергетических ресурсов, выполнение требований охраны труда и защиты окружающей среды. Перечисленные требования противоречивы, поскольку стремление удовлетворить наиболее полно одному из них ведет к невыполнению других.

Технологические ограничения назначаются по технологическим параметрам процесса – давлению, температуре, концентрации веществ и времени обработки, по качеству технологических материалов и продуктов. Ограничения социального характера вытекают из требований охраны труда и защиты окружающей среды.

При разработке установки и поиске оптимального решения изменяется в определенных пределах ряд величин – управляющих параметров, которые являются параметрами оптимизации. К ним относятся, например, давление, температура и скорость рабочих тел, конструктивные характеристики элементов установки и др. Ряд других величин в данной постановке задачи не могут произвольно меняться, они заданы и относятся к неуправляемым параметрам, например, состав сырья, производительность установки. Они неизменны, но учитываются при оптимизации ВТУ. Эффективный набор параметров оптимизации должен описывать все возможные конструкции и состояния установки, а сами параметры должны быть независимыми друг от друга.

Содержание задачи оптимизации высокотемпературной установки может быть различным. При необходимости улучшения режима работы действующей установки ставится задача оптимизации лишь параметров ее работы в рамках имеющейся конструкции. При конструктивном оформлении новых теплотехнологических процессов и проектной разработке высокотемпературных установок возникает более сложная, но и более плодотворная и творческая задача – одновременная оптимизация конструкции и параметров работы создаваемой установки.

В результате решения этой задачи должны быть определены набор элементов  установки,  оптимальная  форма  и  размеры  рабочей  камеры  и теплоиспользующих элементов установки, а также установлено наиболее целесообразное (оптимальное) сочленение их между собой (компоновка), обеспечивающее компактность установки в целом при минимальной длине и оптимальных сечениях транспортных коммуникаций между элементами. Сокращение размеров установки является одним из важных условий снижения капитальных затрат на ее сооружение и потерь теплоты через ограждения.

Решение задачи оптимизации конструкции ВТУ в настоящее время еще не разработано в полной мере, и пока может быть указан только путь ее решения.

При поиске оптимальной конструкции установки должны совместно использоваться три уровня оптимизации путем осуществления единого итерационного процесса (рис. 6):

• уровень – отбор наилучшего принципа действия, руководящей технической идеи, берущейся в основу разработки (оптимизация принципа действия);
• уровень – поиск наилучшей структуры или схемы установки в рамках выбранного принципа действия (структурная оптимизация);
• уровень – определение наилучших значений параметров работы для выбранной структуры установки (параметрическая оптимизация).

Чаще всего отобранный принцип действия воплощается в рабочей камере и в значительной мере определяет тепловую и структурную схемы установки, конструкцию ее элементов. Разные по структуре ВТУ отличаются набором элементов и последовательностью их расположения, конструкцией самих элементов, конструкцией и способом соединения элементов в единую установку.

При структурной оптимизации в первую очередь должны быть рассмотрены варианты различного набора и последовательность расположения элементов, т. е. тепловая и технологическая схемы установки, куда входят элементы: технологические (аппараты предварительной подготовки и обработки технологических материалов, шихты; для дообработки и кондиционирования продуктов, защиты окружающей среды, переработки технологических отходов и др.), транспортные (для передвижения технологических материалов и продуктов вблизи и внутри установки), энергетические (для подвода и преобразования энергоносителей, использования вторичных энергоресурсов и т. п.), теплотехнические (рабочая камера, регенеративные устройства) и вспомогательные (для обеспечения требований охраны труда, связь, управление и сигнализация, КИП и т. д.). Затем следует разработать оптимальную конструкцию каждого элемента и их оптимальное сочетание между собой в единую установку, что составляет задачу конструктивной оптимизации, которая является частью структурной оптимизации.

В процессе поиска наилучшей структуры установки может возникнуть необходимость вернуться к анализу руководящей технической идеи и скорректировать принятый на I уровне оптимизации принцип действия. Последующая параметрическая оптимизация установки взаимосвязана со структурной оптимизацией. Например, определение на этом уровне температуры подогрева воздуха и температуры газов на входе в воздухоподогреватель определяет тип конструкции рекуператора (конвективного или радиационного), количество ступеней и т. п. Таким образом, процесс              оптимизации              конструкции высокотемпературной теплотехнологической установки имеет итерационный характер, т. е. по мере получения последующих решений возникает необходимость вернуться к предыдущим и скорректировать их (обратные связи).

Общая последовательность оптимизации конструкции установки складывается из восьми этапов.

Первый – формирование исходных данных: цель и содержание технологического процесса, исходные технологические материалы, производительность установки, требования к качеству технологического продукта, охране труда, защите окружающей среды и др.

На втором этапе на базе исходных данных производится отбор руководящей технической идеи, закладываемой в установку.

Третий этап посвящен выбору и оптимизации тепловой схемы и параметров работы установки (с последующим их уточнением).

На четвертом этапе на основе принятого принципа действия и полученных предварительно оптимальных параметров работы установки (температура подогрева компонентов горения, состав окислителя, температура технологического материала, концентрация реагирующих веществ и т. п.) производится оптимизация конструктивной схемы (КС) рабочей камеры –устанавливаются ее форма, размеры, тип ограждений. В результате осуществления четвертого этапа должны быть скорректированы некоторые ранее использованные параметры процесса – расход топлива, температура и состав отходящих газов и др.

На пятом этапе производится оптимизация ограждений рабочей камеры и уточняется расход топлива и др.

После уточнения параметров работы на шестом этапе производится оптимизация КС элементов установки – транспортных, энергетических, технологических, теплотехнических и вспомогательных, в результате чего корректируются температуры дымовых газов и теплоносителей по их трактам.

Седьмой этап – оптимизация трубопроводных коммуникаций и газоходов установки, уточнение энергетических затрат на тягодутьевые средства, распределение давления рабочих тел по их трактам, доли газообмена установки с окружающей средой (выбивание газов, присосы воздуха).

На восьмом этапе после окончательного уточнения параметров работы, тепловой схемы и конструкции всех элементов производится оптимизация их компоновки в единую установку, в которой обеспечиваются оптимальные расходы конструкционных материалов и топливно-энергетических ресурсов, оптимальная надежность, минимальная длина газоходов и трубопроводных коммуникаций, доступность для обслуживания и ремонта каждого элемента и узла установки. На этом этапе также может возникнуть необходимость в корректировке некоторых ранее полученных решений для обеспечения оптимальности установки как системы элементов, поскольку могут измениться расход топлива, аэродинамическое сопротивление, капитальные затраты и др.

После указанной последней корректировки получается окончательное оптимальное решение ВТУ для принятых в его основу исходных данных. Таким образом, оптимизация установки – это весьма трудоемкий процесс, носящий итерационный характер и требующий неоднократной корректировки ранее полученных результатов.

Повышение экономической эффективности теплотехнологических систем

Каждая высокотемпературная установка предназначается для экономически целесообразного получения заданных продуктов из имеющихся или предварительно подготовленных исходных материалов и энергии.

Экономическая эффективность теплотехнологических комплексов является самым важным показателем, характеризующим степень совершенства теплотехнологических, теплотехнических и механических процессов, оптимальность созданных условий для их осуществления, а также полноту использования в них достижений науки и техники.

Экономическая эффективность теплотехнологических комплексов характеризуется тремя основными показателями: удельными капитальными затратами, затратами на передел исходных материалов в целевые продукты и трудозатратами.

Удельные капитальные затраты – это сумма затрат, произведенных при строительстве теплотехнологического комплекса на единицу полученного продукта. Они складываются из затрат на доставку и монтаж оборудования, строительных и футеровочных материалов и выполнение общестроительных, специальных и монтажных работ и т. д. Из этих затрат основную часть составляет стоимость футеровочных материалов и выполнение этого вида работ.

Выбор материалов огнеупорного слоя футеровки должен осуществляться в строгом соответствии с требованиями теплотехнологического и теплотехнического процессов и выполняемых ею функций, с учетом опыта эксплуатации ВТУ для аналогичных процессов. Практически в большинстве случаев  это  осуществляется  однозначно.  Толщина  огнеупорного  слоя выбирается из условий обеспечения заданных режимов работы, строительной и механической прочности и кратности размерам кирпича или изделий. Материал теплоизоляционного слоя выбирается по допустимой температуре на границе с огнеупорным слоем и наружной поверхности, строительной и механической прочности, а также кратности размерам теплоизоляционных изделий и эксплуатационных особенностей.

При проектировании футеровки ВТУ имеется возможность уменьшения ее стоимости за счет использования высококачественных теплоизоляционных материалов, что может позволить уменьшить толщину огнеупорного слоя или использовать экранирование наружной поверхности футеровки в зонах обслуживания.

В настоящее время и в будущем, учитывая необходимость бережливого производства при расходовании энергетических ресурсов, уменьшение тепловых потерь за счет некоторого увеличения толщины теплоизоляционного слоя может считаться вполне обоснованным.

Конструкции футеровки ВТУ из огнеупорных большемерных кирпичей, изделий и блоков может сократить срок строительства, что также является одной из статей повышения экономической эффективности по данному показателю.

Затраты на передел исходных материалов – это денежное выражение затрат на получение единицы продукта в ВТУ.

По данному показателю экономическая эффективность ВТУ может быть достигнута:

• экономией энергетических ресурсов (топлива и электрической энергии) при осуществлении теплотехнологических процессов;
• совершенствованием теплотехнологических процессов в части получения качественного продукта, полноты проводимых физических и химических превращений исходных материалов, получения качественных побочных продуктов, находящих сбыт;
• увеличением срока эксплуатации установки за счет качественного выполнения футеровочных и монтажных работ;
• уменьшением числа обслуживающего персонала за счет укрупнения

ВТУ.

Трудозатраты – это количество рабочего времени, затрачиваемого на

получение единицы продукции из ВТУ. Увеличение экономической эффективности теплотехнологических установок по данному показателю может быть достигнуто за счет осуществления следующих мероприятий:

• оптимизации осуществления теплотехнологических процессов: перевод установок периодического режима на непрерывный, уменьшение влияния лимитирующих факторов для химического превращения, ускорение подачи исходных материалов в реакционную зону, сокращение реакционного времени за счет проведения процессов при максимально допустимых температурах, повышение концентрации реагентов и увеличение или уменьшение давления до максимальных величин, ускорение отвода полученных продуктов из реакционной зоны, увеличение скорости предварительного (начального) нагрева исходных материалов за счет повышения температуры до максимально допустимой, повышение скорости охлаждения полученных продуктов в установке или после нее до максимально допустимой или возможной, улучшение предварительной подготовки исходных материалов к теплотехнологическому процессу;

• обеспечения необходимой степени надежности вспомогательного оборудования, ибо выход из строя незначительного вспомогательного оборудования ведет к простою всего теплотехнологического комплекса и наносимый при этом ущерб во много больше стоимости этого оборудования;
• полной механизации и автоматизации процессов, протекающих в ВТУ, и операций обслуживания их;
• совершенствования организации работ за счет исключения или максимального уменьшения времени простоя установки из-за неисправности оборудования либо других организационных причин, исключения остановки (кроме аварийной) ВТУ с непрерывным теплотехнологическим процессом, максимального сокращения времени загрузки и разгрузки установок с периодическим теплотехнологическим процессом;
• повышения научного уровня проектирования теплотехнологических установок и технического уровня обслуживающего персонала.

В зависимости от вида теплотехнологических процессов, осуществляемых в теплотехнологических установках, их конструктивного типа и условий производства экономическая эффективность будет различна для каждого конкретного случая. Однако рассматриваемые позиции экономической эффективности и приведенные рекомендации по ее достижению являются общими и обязательными при проектировании, расчете, конструировании и эксплуатации всех ВТУ.

Вторичные энергоресурсы ВТУ и способы их использования

Высокотемпературные теплотехнологические установки являются потребителями значительного количества топлива и электроэнергии для осуществления различных теплотехнологических процессов. Наряду с этим они выделяют большое количество отходов и продуктов с высокой температурой, которые могут быть вторичными энергоресурсами (ВЭР).

Рациональное использование ВЭР – важнейшая задача технологов и энергетиков, разрабатывающих теплотехнологические установки.

Отходы теплотехнологических процессов, которые могут быть использованы как ВЭР, можно разделить на два вида: горючие материалы и материалы-теплоносители.

Горючие материалы и их теплотворная способность (в МДж/м³):

• печные технологические газы, отходящие от печей фосфорных (8,4– 10,9), карбидных (8,8–12,5), доменных (3,8–4,4), коксовых (15–16), ретортных при прокалке литейного кокса и термоантрацита (11,5) и при прокалке нефтяного кокса (5,8) и т. д.;
• коксовые отходы – отходы обогащения углей (16–18) и отходы коксового отсева фракции 0–10 мм (25,2–27,3).

К материалам-теплоносителям относятся:

• продукционные материалы – сернистые газы, раскаленный кокс, жидкий чугун, сталь, декарбонизированный фосфорит и т. д.;
• вода, охлаждающая корпус и элементы печей;
• шлаки фосфорные и металлургические;
• отходящие дымовые газы;
• воздух, охлаждающий полученные продукты, и т. д.

Все горючие материалы на практике используются в качестве технологического или энергетического топлива. Например, ретортные печи для обжига антрацита в основном работают за счет теплоты, получаемой от сжигания собственных отходящих печных газов.

Материалы-теплоносители должны использоваться для нагрева воды, воздуха, исходных материалов основных теплотехнологических процессов, получения пара и т. д. Для этих целей применяются рекуператоры, регенераторы, котлы-утилизаторы и другие теплообменники. Нагретый воздух из рекуператоров и регенераторов используется для сжигания топлива как окислитель, что дает возможность не только экономить топливо, но и достигать более высоких температур в рабочей камере печей.

В настоящее время создаются комбинированные теплотехнологические комплексы, в которых одновременно сжигаются горючие исходные материалы (сера, колчедан) и получающиеся высокотемпературные продукционные газы, которые используются для получения пара энергетических параметров, расходуемого далее на получение электроэнергии. В химической промышленности для использования отходящих высокотемпературных газов применяются котлы-утилизаторы.

Для использования вторичных печных энергоресурсов главным и определяющим фактором всегда должна быть их экономическая и экологическая эффективность.