Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ условий работы доменных воздухонагревателей и методов повышения эффективности их эксплуатации 8
1.1. Математическое моделирование температурных полей в доменных воздухонагревателях 10
1.2 Анализ методов оптимизации режимов работы блока доменных воздухонагревателей 19
1.3. Задачи исследования 26
2. Исследование влияния на подогрев дутья поперечного теплопереноса в насадке и коэффициента термической массивности 27
2.1. Исследование влияния поперечной теплопроводности в футеровках и насадке доменного воздухонагревателя 27
2.2. Исследование влияния способов критериального представления коэффициента термической массивности на процесс теплопереноса в доменном воздухонагревателе 48
2.2.1. Приближенный аналитический метод определения коэффициента термической массивности 51
2.2.2. Анализ результатов расчета 54
2.3. Выводы 61
3. Исследование влияния кинетических параметров теплопереноса на эффективность нагрева дутья 62
3.1. Расчетное исследование влияния неравномерности распределения температурного поля в насадке доменного воздухонагревателя на эффективность нагрева дутья 62
3.2. Исследование влияния роста гидравлического сопротивления насадки в период нагрева на температурные параметры теплоносителей 67
3.3 Выводы 72
4. Адаптация математической модели к условиям функционирования действующих доменных воздухонагревателей 73
4.1. Выбор коэффициентов адаптации математической модели
4.2 Методика адаптации математической модели регенеративного теплообмена к характеристикам действующих доменных воздухонагревателей 76
4.3. Выводы 92
5. Оптимизация режима работы доменных воздухонагревателей 93
5.1. Экспериментальная методика оптимизации режимов работы доменных воздухонагревателей 94
5.2. Расчетная методика оптимизации режимов работы доменных воздухонагревателей 99
5.3. Выводы 107
Общие выводы 108
Библиографический список 111
- Анализ методов оптимизации режимов работы блока доменных воздухонагревателей
- Исследование влияния способов критериального представления коэффициента термической массивности на процесс теплопереноса в доменном воздухонагревателе
- Исследование влияния роста гидравлического сопротивления насадки в период нагрева на температурные параметры теплоносителей
- Методика адаптации математической модели регенеративного теплообмена к характеристикам действующих доменных воздухонагревателей
Введение к работе
Актуальность работы. Доменное производство - крупнейший потребитель топливно-энергетических ресурсов металлургического комплекса. Повышение температуры дутья является одним из самых эффективных способов с-нижения удельного расхода кокса, являющегося ценным и дорогостоящим энергоносителем, а также интенсификации процессов доменного передела железа и улучшения технико-экономических показателей печей.
Уровень повышения температуры дутья во многом определяется конструкцией и режимом работы доменных воздухонагревателей. В последнее время ведущие предприятия осуществляют последовательное обновление парка аппаратов, поэтому возникает необходимость поиска путей коррекции и последующей оптимизации режимов работы блока воздухонагревателей с учетом их индивидуальных конструктивных и теплотехнических особенностей.
Цель работы. Экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование и совершенствование методов математического моделирования и оптимизации режимов работы доменных воздухонагревателей с учетом их индивидуальных теплотехнических характеристик.
Методы исследования. Использовались методы математического моделирования, математической статистики, математического программирования, математической физики, математического анализа.
Научная новизна
Разработана экспериментальная методика оптимизации последовательного режима эксплуатации блока воздухонагревателей, отличающаяся от известных тем, что при ее реализации не требуется отключения смесителя дутья.
Сформулирована краевая задача двумерного нестационарного теплопере-носа в насадке доменного воздухонагревателя учитывающая изменение газодинамического сопротивления аппарата и дымового тракта в течение цикла, а также неравномерность распределения теплоносителей по сечению насадки.
Предложена теоретическая зависимость для коэффициента термической массивности регенеративных насадок, позволяющая без увеличения размерности задачи тепломассобмена повысить точность решения.
Теоретически обоснована возможность использования одномерных моделей теплообмена в высокотемпературных регенераторах для оптимизации режимов их работы.
Предложен обобщенный критерий и методика адаптации математической модели доменного воздухонагревателя с учетом наиболее значимых факторов регенеративного теплообмена и индивидуальных характеристик аппаратов.
Разработана оригинальная расчетная методика оптимизации режима работы блока доменных воздухонагревателей, позволяющая при выбранных критерии оптимальности, ограничениях на значимые факторы теплообмена, определить оптимальный режим функционирования блока аппаратов с учетом их индивидуальных характеристик.
Практическая ценность и реализация работы
В условиях доменной печи объемом 700 м3 внедрена опытно-промышленная методика оптимизации режима работы блока доменных воздухонагревателей, что позволило повысить температуру дутья на 20 С.
Разработан и передан ОАО «Липецкий ГИПРОМЕЗ» пакет прикладных программ, реализующий математическую модель регенеративного теплопере-носа, процедуру ее адаптации и методику поиска оптимального режима работы блока доменных воздухонагревателей с учетом их индивидуальных теплотехнических характеристик.
Для условий доменной печи объемом 2000 м3 НПО «Тулачермет» разработана и передана для реализации режимная карта, составленная на основе созданной расчетной методики.
Материалы по теме диссертационной работы используются в учебном процессе при изучении студентами специальности 150103.65 «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей» специальных дисциплин «Специальные разделы численных методов», «Информационные технологии в ме-
таллургии», «Моделирование процессов и объектов в металлургии», а также при выполнении курсовых и дипломных работ.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на Областной научно-практической конференции «Теплотехника и теплоэнергетика промышленного производства» (Липецк, 2003 г.); Международной научно-технической конференции «Современная металлургия начала нового тысячелетия» (Липецк, 2006 г.); Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии» (Липецк, 2006 г.); XV Областной научно-технической конференции «Повышение эффективности металлургического производства» (Липецк, 2006 г.); XVI Областной научно-технической конференции «Повышение эффективности металлургического производства» (Липецк, 2007 г.).
Публикации. Результаты диссертации отражены в 10 публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 112 наименований. Основная часть работы изложена на 119 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков, 11 таблиц.
В первой главе проведен литературный обзор основных путей повышения эффективности эксплуатации доменных воздухонагревателей, основанных на моделировании температурных полей в регенераторах. Решение задач управления группой (блоком) воздухонагревателей доменной печи связано с определением характеристик квазистационарных и переходных режимов, при которых сформулированный критерий оптимальности достигает экстремума. Как правило, при оптимизации режимов воздухонагревателей в качестве критерия принимают среднюю или минимальную за полный цикл работы аппаратов блока температуру нагрева дутья.
Во второй главе исследовано влияние поперечной теплопроводности в насадочном массиве на температуру теплоносителей на выходе из доменного воздухонагревателя, распределение температурных полей теплоносителей, ма-
териалов насадки и ограждающих ее стен, а также способа описания коэффициента термической массивности насадки.
В третьей главе исследовано влияние кинетических параметров тепло-массопереноса на эффективность нагрева дутья.
В четвертой главе решалась задача адаптации детерминированной математической модели к условиям функционирования действующих воздухонагревателей.
В пятой главе Изложена экспериментальная и расчетная методики оптимизации работы блока доменных воздухонагревателей с учетом их индивидуальных теплотехнических и аэродинамических характеристик.
Представленный материал является обобщением результатов, полученных автором при выполнении научно-исследовательских работ в Липецком государственном техническом университете в период с 2003 по 2007 гг.
Диссертант выражает глубокую признательность д.т.н., проф. Коршикову В.Д. за научное руководство работой, к.т.н., доц. Бянкину И.Г. за помощь в проведении расчетных исследований.
Анализ методов оптимизации режимов работы блока доменных воздухонагревателей
Решение задач управления группой доменных воздухонагревателей связано с определением характеристик оптимального квазистационарного режима. Использование для этих целей математических моделей в алгоритмическом обеспечении систем оптимального управления, предполагает применение процедуры адаптации на основе данных информационной системы. Такие модели позволят отражать, с достаточной степенью адекватности, реальные процессы теплообмена в каждом аппарате блока, как в квазистационарном состоянии, так и в переходных режимах.
Значительный объём исследований по оптимизации режимов работы доменных воздухонагревателей выполнен во ВНИИМТ и в Липецком государственном техническом университете [53-71]. В рамках проведённых расчётных оценок определено влияние основных режимных параметров на показатели работы доменных воздухонагревателей. Среди них: влияние длительности периодов нагрева охлаждения насадки [60], влияние температуры продуктов горения под куполом, а также дымовых газов на выходе из насадки, влияние расхода и температуры холодного дутья, наконец, влияние положения клапана смесителя [63].
Оптимальные режимы работы воздухонагревателей исследовались также Э.М. Гольдфарбом. Впервые автором учитывалось влияние длительности перекидки клапанов при сокращении периодов работы теплообменных аппаратов. Действительно, перевод воздухонагревателей связан с паузой, в течении которой прекращается подача газа. А так как доменную печь нельзя оставить без дутья, то пауза, связанная с переводом воздухонагревателей, входит в длительность газового периода. Включение паузы в газовый период снижает среднюю тепловую мощность в единицу времени за период нагрева насадки. Сокращение длительности периодов ведёт к интенсификации теплообмена в насадке, а также необходимость паузы на переключение приводит к прекращению подачи топлива на отопление воздухонагревателей. При увеличении длительности периодов возрастают колебания температур дыма в нижней части насадки, что увеличивает потери тепла с уходящими газами. Это определяет оптимальную длительность периодов, которую предложено найти из условия максимального количества тепла, аккумулированного насадкой в единицу времени [64, 65].
Методы оптимизации режимов работы блока доменных воздухонагревателей можно разделить на три группы. Первая группа методов оптимизации предполагает нахождение оптимальных условий при проведении исследований непосредственно на аппаратах блока. На практике, в большинстве случаев, это осуществляется путем последовательного изменения длительностей периодов нагрева и дутья воздухонагревателей с учетом их тепловой мощности, руководствуясь опытом персонала. В ЛГТУ совместно с ОАО «НЛМК» разработана упрощённая методика оптимизации режимов работы блока доменных воздухонагревателей, учитывающая их индивидуальные конструктивные и теплотехнические особенности [68]. На ее основе в результате опытно-промышленных испытаний блока воздухонагревателей доменной печи №3 ОАО НЛМК выбрана последовательность постановки аппаратов на дутье и сформулирована режимная карта. Ее реализация позволила увеличить температуру нагрева дутья в среднем на 21 С.
Понятно, что подобного рода исследования и последующая «подстройка» режимной карты могут проводиться лишь один раз в несколько лет специальной научной группой. В то же время современные системы АСУТП доменной печи позволяют накапливать все необходимые технологические и теплотехнические параметры каждого воздухонагревателя блока. Это позволяет на основе большого числа современных методик статистического анализа и последующей оптимизации по специально сформированным критериям проводить формирование режимной карты шкалы математического обеспечения управляющей ЭВМ. Такие методы оптимизации, называемые экспериментально-статистическими, можно отнести ко второй группе. Они, как правило, не учитывают сущности физических (тепловых и аэродинамических) процессов, протекающих в регенераторах.
В работе [69] изложена статистическая модель оптимизации режимов работы доменных воздухонагревателей, в основу которой положены результаты расчетного эксперимента по четырехфакторному плану с применением детерминированной модели. Объектом моделирования является блок из одинаковых в тепловом и аэродинамическом отношениях доменных воздухонагревателей. В результате моделирования работы блока получено уравнение регрессии. В качестве независимых переменных приняты температура купола, разность температур купола и дутья, поступающего в печь, длительность полного периода rs и безразмерное время смещения -—, где А г - время смещения, N - число аппа 2TZ ратов в блоке. Целевая функция оптимизации - максимальный экономический эффект от использования дутья в печи с учетом затрат на его нагрев.
Алгоритм построен с ограничений на температуры опасных мест насадки, пропускную способность горелки по топливу и воздуху, а также длительность полного периода ттт TZ rmax. Для осуществления процедуры оптимизации использован метод нелинейного программирования, основанный на алгоритмах Фибоначчи и Гаусса-Зейделя. Выбор данного метода связан с наличием пологого экстремума функции эффекта и нахождения его вблизи либо на границе области существования. Учет ограничений при поиске экстремума производился введением функции штрафа, представляющей сумму разностей фактических значений параметров и их ограничений, умноженных на соответствующие коэффициенты штрафа. Поиск экстремума начинается из произвольной точки (от исходного режима) методом Фибоначчи. При выходе на границу области существования поиск не прекращается. Производится отступление от границы последовательно по каждой из переменных, после чего продолжается процедура поиска методом Гаус-са-Зейделя. Повторение результатов является признаком окончания процесса оптимизации.
Недостатком данной статистической модели является то, что она отражает идеализированное состояние группы одинаковых воздухонагревателей. Ее использование предполагает процедуру адаптации на основе данных информационной системы о квазистационарном состоянии аппаратов.
Исследование влияния способов критериального представления коэффициента термической массивности на процесс теплопереноса в доменном воздухонагревателе
При решении задачи теплообмена в регенеративной насадке используют конечно-разностные методы, точность которых зависит, в первую очередь, от величины шага временной Дги пространственной сеток Az, Аг. Этот подход широко применяется при расчетах теплопереноса в насадках регенераторов. Однако в работе [45] показано, что при расчете нагрева слоя массивных частиц по уравнениям для термически тонких тел при небольших значениях критерия Фурье (Fo \), использование коэффициента массивности по зависимости (2.42) дает неудовлетворительные результаты. Актуальной становится задача нахождения выражения, которое позволит более точно, по сравнению с традиционной зависимостью (2.42), определять коэффициент массивности для небольших интервалов времени.
В рамках сформулированных задач считается целесообразным произвести учет зависимости коэффициента термической массивности от времени и параметров, определяющих интенсивность теплопереноса в доменном воздухонагревателе.
Теплофизические коэффициенты каждого реального тела более или менее резко зависят от температуры. Законы X(t) и c(t) могут существенно сказаться на температурных полях, которые должны отвечать уравнению теплопроводности.
В результате расчёта коэффициента массивности по выражению (2.47) и (2.48) неявным конечно-разностным методом, установлено, что максимальная относительная ошибка метода определения коэффициента массивности по формуле (2.48) в сравнении с (2.47) не превышает 0,8%.
В отличие от численных методов, которые лишь дают возможность перейти от условий задачи в виде системы уравнений к конкретным числовым ответам, применение аналитических методов решения задач теплообмена позволяют получить распределение температур в теле в виде непрерывной функции координаты и времени.
Для сравнения методов определения коэффициентов массивности по уравнениям (2.42) и (2.57) произведен расчет теплопереноса в слое неподвижной насадки со сплошными каналами при движении «холодного» газа (воздух) вдоль полоской «горячей» стенки. Температура газа на входе Тх=500 С. В начальный момент температура стенки / =1000 С. Материал стенки - динас (ДВ), ее высота Ah=\ м, толщина =0,02 м. Процесс теплопереноса протекает при следующих условиях: коэффициент теплоотдачи «=50 Вт/(м К); скорость газа 5,7 м/с; критерий Био 0,51; критерий Рейнольдса 10240. На рис. 2.11 представлены графики зависимости коэффициентов массивности, определенных по традиционному выражению (2.42) и выражению (2.57), от величины шага временной сетки в сравнении с «точным» коэффициентом. «Точные» значения коэффициента получены из зависимости (2.48), в которой распределение температур по толщине стенки определялось неявным конечно-разностным методом, а средняя температура - путем численного интегрирования температурного поля. Видно, что зависимость коэффициента массивности от времени из выражения (2.57) не только обладает меньшей погрешностью, но и качественно повторяет характер зависимости «точного» коэффициента. Относительная ошибка метода определения коэффициента массивности по выражению (2.57) в интервале Jr=1...12Q с составляет 1,2...4,0%, а при использовании зависимости (2.42) 2,5.. .14%.
Результаты расчета изменения температуры поверхности стенки и температуры газа по высоте за расчетный интервал времени при использовании зависимостей (2.42) и (2.57) представлены на рис. 2.12 и 2.13 в сравнении со значениями «точного» решения. Так погрешность определения температуры поверхности стенки и газа в интервале Лт=1...120 с при использовании зависимости (2.42) в 2...6 раз больше, чем погрешность значений, найденных при использовании выражения (2.57). На рисунках МР - значение «точного» коэффициента термической массивности, определенного при использовании конечно-разностного метода; Мт - значение коэффициента термической массивности, определенного по традиционной зависимости (2.42); МА - значение коэффициента термической массивности, определенного по приближенной аналитической зависимости (2.57).
Для оценки влияния метода определения коэффициента массивности (точность описания процесса теплопереноса в регенеративной насадке) на температуру насадки и теплоносителей в реальном аппарате произведены сравнительные расчеты с использованием «традиционного» (2.42) и приближенного аналитического выражения (2.57).
Расчетное исследование показало, что использование предложенного коэффициента массивности не дает существенного отличия температурных параметров дутья. Это связано с тем, что теплообмен в каналах насадки осуществляется при небольших значениях критерия Ві. В диапазоне изменения Bi, превышающем 0,5, выражение (2.42) позволяет достаточно точно определять коэффициент термической массивности насадки. На рис. 2.14 представлен график зависимости изменения температуры теплоносителей от времени цикла при расчете с использованием новой зависимости для коэффициента термической массивности.
Исследование влияния роста гидравлического сопротивления насадки в период нагрева на температурные параметры теплоносителей
Анализ технологических параметров работы блока доменных воздухонагревателей показывает, что средний расход отопительного газа на каждый аппарат в течение периода нагрева самопроизвольно снижается. На рис. 3.8 представлен график зависимости расхода доменного газа от времени нагрева для воздухонагревателей доменной печи объемом 700 м3.
Это, очевидно, связано с ростом по мере повышения температуры гидравлического сопротивления насадки и дымового тракта. Для учета данного эффекта и исследования его влияния на определяющие показатели работы аппарата двумерная математическая модель дополнена расчетом потерь давления в каждый расчетный момент времени на следующих участках: горелка по газовому тракту; камера горения; подкупольное пространство и насадка; дымовые патрубки; дымовой боров; дымовая труба. При аэродинамическом расчете учитываются местные сопротивления А Рм, сопротивления трения Л Ртр, дополнительные потери давления за счет ускорения потоков АРН и геометрический напор АРГН. Определение значений коэффициентов местных сопротивлений и падения давления на участках производилось по стандартной методике, изложенной в работе [66].
Расход отопительного газа определялся численно, исходя из условия соответствия общих потерь давления в аппарате и дымовом тракте избыточному давлению газа перед горелкой. В качестве объекта исследования выбран возду-хонагреватель блока доменной печи объемом 3200 м . Зависимость величины потерь давления на участках движения отопительного газа и продуктов сгорания от времени нагрева представлена на рис. 3.9.
Для проверки адекватности полученных результатов произведено сравнение расчетных значений в характерных сечениях газового и дымового трактах с данными опытно-промышленного эксперимента, проведенного ВНИИМТ для одного из аппаратов доменной печи объемом 3200 м . На рис. 3.10. представлены расчетные значения в сравнении с данными эксперимента. Максимальная разница значений не превышает 0,4 кПа (10%).
На рис. 3.11-3.12 представлены графики зависимости расхода отопитель ного газа и продуктов сгорания в сравнении с вариантом, когда расход отопи тельного газа принимался постоянным. При учете постепенного роста сопро тивления аппарата по сравнению с расчетной моделью, не учитывающей дан ного эффекта, температура теплоносителей на выходе из аппарата практически не изменилась. Это связано с тем, что при уменьшении расхода отопительного газа, связанном с ростом общего сопротивления, его средний интегральный расход и расход продуктов сгорания за период нагрева не изменились, посколь ку в обоих случаях в насадку вносится одинаковое количество тепла. Таким об разом, учет температурного роста не приводит к повышению точности прогноза температуры теплоносителей [98]. О 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
1. На основе разработанной двумерной модели регенеративного нестационарного теплопереноса расчетным путем установлено, что выравнивание поля скоростей теплоносителей по сечению насадки доменного воздухонагревателя не дает ожидаемого повышения температуры дутья. Показано, что неравномерность температурного поля по сечению насадки слабо (менее ±2 %) изменяет неравномерность распределения относительных скоростей потоков газовых сред, полученную без учета радиального теплопереноса.
2. Математическая модель дополнена расчетом потерь давления в газовом и дымовом трактах доменного воздухонагревателя и, соответствующим изменением расхода отопительного газа. Показано, что при реализации прогностической модели для определения оценок тепловой работы аппаратов нет необходимости в расчете гидравлического сопротивления на каждом временном шаге, поскольку температурные параметры теплоносителей остаются теми же, что и при задании средней величины отопительного газа на протяжении всего периода нагрева насадки.
Методика адаптации математической модели регенеративного теплообмена к характеристикам действующих доменных воздухонагревателей
В общем случае адаптация математической модели доменного воздухонагревателя к условиям функционирования реального аппарата, представляет собой процесс минимизации обобщенного критерия, характеризующего отличие значений рассчитанных по модели параметров от их значений, полученных в результате измерений.
Апробация методики адаптации модели выполнена для блока доменных воздухонагревателей из трех аппаратов доменной печи объемом 2000 м3 ОАО. Использовалась и анализировалась информация, накопленная в базе данных управляющей ЭВМ доменной печи, за 10 последовательных циклов работы каждого аппарата. Первичная статистическая обработка технологических данных приведена в табл. 4.2-4.4. Температура купола и расходы теплоносителей определены как средние арифметические значения за соответствующие циклы. В течение рассмотренного периода работы аппаратов состав отопительного газа изменялся незначительно, колебания состава по каждому из его компонентов не превысили 0,5 %. Температуры холодного дутья, доменного газа и воздуха горения также оставались практически постоянными, их колебания в отдельных циклах составляли не более ±5 С от среднего уровня. Поэтому можно пренебречь влиянием изменения этих параметров на температуру нагрева дутья.
Абсолютная инструментальная погрешность ± 9,5 С ±11,5 С ±3,5 С ± 1,067 м3/с ± 0,419 м3/с Минимизация обобщенного критерия Y производилась методом правильного симплекса [106,107], поскольку он в сравнении с другими факторными методами требует меньшее число вычислений, не чувствителен к случайным помехам и стабилен даже при сложной конфигурации поверхности отклика. Так при формировании шага в четырехмерном факторном пространстве, с использованием симплекс-метода необходимо 5 обращений к математической модели, в то время как метод крутого восхождения (МКВ) требует 16 обращений. Для подтверждения правомерности использования симплекс-метода произведена процедура адаптации модели к условиям выбранного блока аппаратов методами МКВ и Гаусса-Зейделя. Рабочие шаги в факторном пространстве по каждому коэффициенту изменялись при приближении к экстремуму от 0,1 до 0,0001. Результаты адаптации представлены в табл. 4.6.
Очевидно, что симплекс-метод обеспечивает более высокую точность определения главного минимума. Изменение коэффициентов адаптации математической модели Ка , Ка , Кс, Кл при увеличении количества включаемых в выборку циклов работы аппаратов показано на рис. 4.1...4.4. Как видно из представленных зависимостей наибольшие изменения коэффициентов происходят до 10-го цикла. Это свидетельствует о том, что из-за относительно небольшой вариации значений точность математической модели не может быть существенно повышена за счет увеличения выборки. Результаты расчета температур теплоносителей, полученных на адаптированной математической модели, представлены в сравнении с опытными значениями в соответствующие периоды в табл. 4.7 и нарис. 4.5...4.7. Разница между опытными и расчетными значениями конечной температуры дутья не превышает 7 С, а по конечной температуре продуктов сгорания 3 С, что ниже абсолютной инструментальной погрешности средств измерения [108].
В результате минимизации обобщенного критерия, характеризующего адекватность прогнозных параметров, сформирован спектр коэффициентов адаптации математической модели регенеративного теплообмена, в зависимости от месторасположения аппаратов, их индивидуальных геометрических и теплотехнических характеристик, а так же параметров физического старения. При этом наибольший разброс значений характерен для коэффициентов при факторах модели, в наибольшей степени влияющих на выходную функцию - среднюю температуру дутья по блоку.
![Совершенствование режимов работы блока доменных воздухонагревателей с целью повышения эффективности процесса нагрева дутья [Электронный ресурс]](/i/i/4263/169004.png "Совершенствование режимов работы блока доменных воздухонагревателей с целью повышения эффективности процесса нагрева дутья [Электронный ресурс] Рябчиков Михаил Юрьевич")
