Введение к работе
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 энергоресурсов. Это особенно характерно для объектов высокотемпературных теплотехнологии.
Таким образом, работы по выявлению и реализации наиболее масштабного резерва энергосбережения следует сосредоточить на теплотехнологических объектах (ТТО) энергоемких отраслей промышленного производства, обращая особое внимание при этом на объекты высокотемпературных теплотехнологии.
Одним из продуктивных направлений решения 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) сформулированы задачи энергетики теплотехнологии, к числу которых относятся:
-
Определение величины и структуры энергоемкости технологии производства продукта в теплотехнологическом объекте.
-
Определение теоретического минимума энергоемкости технологии производства продукта. Прогноз потенциала интенсивного энергосбережения.
-
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 энерго
сбережения.
Насущной необходимостью решения проблемы энергосбережения определяется актуальность разработки методов и средств решения задач ИЭС в применении к разномасштабным объектам высокотемпературных теплотехнологии.
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 ТТО;
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 его перспективных моделей.
Научная новизна диссертационной работы.
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 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 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 реа
лизован 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 (ТТС) черной металлургии. Впервые выявлена
величина и структура потенциала ИЭС системы, свидетельствующая о важности
постановки и решения задач интенсивного энергосбережения в границах замк
нутого теплотехнологического комплекса.
Впервые реализован метод построения последовательности этапов энергетического совершенствования теплотехнологической системы, включая:
формирование совокупности перспективных моделей ТТС на основе мероприятий интенсивного энергосбережения;
расчетный анализ моделей с использованием оригинальных программных средств;
формулировку и алгоритм решения задачи ранжировки перспективных моделей.
-
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).
-
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 теплотехнологи-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.
-
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.
-
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.
-
Решение задач интенсивного энергосбережения на конкретных примерах разномасштабных объектов с применением разработанной методологии расширяет возможности ее практического использования в аналогичных высокотемпературных теплотехнологиях.
-
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) 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.
