Дисциплина для мАгистров

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ оптимизация параметров

теплотехнологических и теплоэнергетических

установок

1. Основные положения оптимизации теплотехнологических установок

Оптимизация - целенаправленная деятельность, заключающаяся в получении наилучших результатов при соответствующих условиях.

Задаче повышения эффективности и качества теплоэнергетического и промышленного производства, его рационализации и интенсификации в полной мере отвечают методы оптимизации теплотехнологических и теплоэнергетических установок Они обеспечивают нахождение наиболее выгодных технических решений, достижение максимального технико-экономического эффекта при наименьших затратах народнохозяйственных средств. Один из способов повышения эффективности их работы– оптимизация их тепловых режимов. Именно в оптимизации тепловой работы установок скрываются основные резервы повышения экономичности производства продукции. Это становится очевидным и актуальным на общем фоне развития науки и техники в условиях интенсификации производства. Методы оптимизации получают в последнее время широкое распространение. Развитие методологии, совершенствование методов и алгоритмов оптимизации имеют большое научное и практическое значение для решения проблем оптимального проектирования. теплотехнологических и теплоэнергетических установок.

Общим для задач принятия оптимальных решений, которые возникают на этапах проектирования, является то, что они могут быть сформулированы математически как задачи нелинейной оптимизации. Для заданной математической модели проектируемого устройства требуется подобрать такие значения варьируемых параметров, чтобы они обеспечивали экстремальное значение (максимум или минимум) одной из наиболее важных технико-экономических характеристик при условии, что другие характеристики удовлетворяют заданной совокупности технических требований. Оптимизация математических моделей установок значительно сокращает объем трудоемких и весьма дорогостоящих промышленных экспериментов, на долю которых остается только проверка адекватности математических моделей и внедрение результатов моделирования. Использование математических методов оптимизации позволяет более эффективно решить задачи оптимального управления и проектирования теплотехнологических и теплоэнергетических установок. К сожалению, среди методов поиска оптимальных решений (методов оптимизации) не существует универсального, который позволял бы эффективно решать любую задачу оптимизации.

Основной задачей оптимизации установок является достижение высоких технико-экономических показателей их работы, экономии топлива, снижение капитальных затрат и эксплуатационных расходов. Она может быть решена различными путями. В связи с этим возникает необходимость сопоставления ряда вариантов для выбора экономически наиболее эффективного решения.

Постановку задачи оптимизации следует начинать с выявления условий работы установок в общем технологическом процессе цеха и с выявления целей оптимизации. От того, насколько правильно определены требования к работе установок и сформулирована цель оптимизации, может зависеть возможность решения задачи. При постановке задачи оптимизации необходимо так же выявить наличие у оптимизируемой установки свободных варьируемых параметров, которые позволили бы изменять режим тепловой работы, конструкцию, не нарушая технологических требований, выбрать критерий оптимальности.

Процесс тепловой обработки материала является одним из звеньев в общей технологической цепочке процессов производства энергетической и промышленной продукции. Поэтому входные и выходные параметры подвергаемого тепловой обработке материала определенным образом связаны с технологическим процессом (например - пластической деформацией: ковкой, штамповкой, резкой и т.д. (применительно к печам кузнечного производства). В наиболее общей постановке задача оптимизации установки должна решаться совместно с оптимизацией основного технологического оборудования (например кузнечно-прессового оборудования кузнечного цеха, прямо или косвенно связанного с процессом нагрева металла в нагревательных печах), так как параметры подвергаемого тепловой обработке материала на входе и выходе из установки могут определенным образом влиять на технико-экономические показатели цеха и предприятия.

Решение задачи оптимизации теплотехнологических установок можно выделить из общей задачи оптимизации цеха. В этом случае входные и выходные параметры материала, а также некоторые ограничения на режим его тепловой обработке принимаются как заданные, а процесс нагрева материала рассматривается изолированно от других элементов производственного процесса. Такая постановка задачи возможна, поскольку оптимальные входные и выходные параметры и ограничения на режимы нагрева материала достаточно точно определены и нормированы практикой эксплуатации установок.

Задача оптимизации (например, нагревательной печи) решается на основе математического моделирования процессов нагрева металла. Согласно общей теории печей в основу математических моделей закладывается определенная схематизация (идеализация) процессов технологической обработки металла и тепломассообмена между металлом и печной средой. В рамках общей теории печей разработаны основные положения оптимального проектирования и конструирования печей-теплогенераторов и печей теплообменников. Существует ряд возможных математических моделей печей, потенциально приемлемых для осуществления различных вариантов технологии нагрева металла. На основе какой-либо из математических моделей проводится сопоставление различных вариантов теплового режима печи с целью выбора наилучшего.

Объектами оптимизации являются обычно параметры теплового режима: температура в рабочем пространстве теплотехнологической установки, температура газов на выходе из ее рабочего пространства, температура подогрева воздуха (топлива), степень утилизации теплоты дымовых газов, температурные напоры в поверхностях теплообмена, скорости рабочих сред и т.п. При этом следует иметь в виду, что оптимизация какого-нибудь одного параметра или характеристики какого-либо элемента может обеспечить, на первый взгляд, незначительную экономию средств или топлива. Однако если учесть большие объемы и размеры производства, за длительные периоды эксплуатации фактическая экономия средств оказывается весьма существенной.

Теплотехнологическая установка представляет из себя объект с распределенными параметрами. Она описывается системой уравнений, определяющих внешний и внутренний теплообмен в рабочем пространстве установки в системе газ-кладка-материал, тепломасообменные процессы в теплоутилизирующих устройствах. Очень важной особенностью теплотехнологической установки является взаимозависимость между параметрами. Изменение какого-либо параметра: температуры, размера тепловоспринимающей поверхности, величины температурного напора и т.п. влечет за собой необходимость соответствующего изменения всех других оптимизируемых параметров. Оптимальное значение какого-либо одного параметра сразу же перестает быть оптимальным, как только изменился один из рабочих параметров установки или изменились условия ее работы.

2. Факторы, определяющие выбор оптимальных параметров.

Главной задачей оптимизации работы теплотехнологической установки является выбор таких значений всех расчетных параметров теплового и температурного режима оборудования (как собственно установки, так и теплоутилизирующего оборудования, например, рекуператора), при котором каждый элемент имеет действительно наилучшие показатели при наиболее выгодном соотношении всех параметров агрегата в заданных технологических условиях эксплуатации с учетом требований на качество тепловой обработки материала, ограничений на выходные параметры и режимы нагрева, конструктивные особенности установки, условия сжигания топлива.

Большая сложность взаимозависимостей отдельных параметров, процессов и характеристик является отличительной чертой современных теплотехнологических установок. Поэтому для любой установки комплексный выбор ее оптимальных параметров должен предусматривать по возможности полный охват всех совокупных факторов и взаимосвязей, влияющих на выбор теплотехнологических параметров и конструктивных размеров установки, которые с определенной условностью можно подразделить на внешние и внутренние.

Внешние факторы характеризуют влияние внешних условий на функционирование проектируемой установки. К этой группе относятся экономические, производственные и цеховые условия. Под экономическими факторами понимаются издержки производства, находящие отражение в изменении стоимости материала, топлива, материалов установки, электроэнергии, планируемых темпах роста производства и т.д. Производственные факторы учитывают физико-технические и стоимостные характеристики топлива, располагаемых материалов, балансовые ограничения по расходу топлива, если они имеют место, сортамент нагреваемого металла, сменность работы оборудования и т.д. Цеховые факторы характеризуют условия эксплуатации теплотехнологической установки, трудоемкость ее изготовления и монтажа, необходимую производительность установки по отдельным видам подвергаемого тепловой обработке материала и т.д.

В соответствии с поставленной задачей, внешние факторы, определяющие работу установки, должны быть отнесены к группе задаваемых тем или иным способом или предварительно определены.

Каждый из указанных выше факторов влияет на все элементы установки, благодаря тесной внутренней взаимосвязи, которая и передает «неявное» влияние внешних факторов на весь оптимизируемый агрегат.

Внутренние факторы включают в себя технологические и конструктивные условия. Технологические условия характеризуют основные исходные параметры: температура нагреваемого материала, футеровки установки, газов в рабочем пространстве установки, температура подогрева воздуха (топлива), динамику движения газов, теплофизические свойства теплоносителей и т.д. Технологические параметры чаще всего имеют непрерывный характер изменения во времени и пространстве.

Конструктивные факторы включают размеры рабочего пространства установки, материал и толщину футеровки, параметры конструкций отдельных узлов установки, расположение и типы горелок. К группе конструктивных параметров следует отнести также компоновочные решения по размещению материала в рабочем пространстве теплотехнологической установки, способы его загрузки и т.д. Конструктивные параметры имеют в основном дискретный характер, то есть могут принимать только какие-то определенные значения, например толщина футеровки должна быть кратной размерам применяемых огнеупорных и теплоизоляционных изделий, а ее теплофизические свойства, технико- экономические характеристики будут определяться материалом футеровки. Дискретность изменения параметров для отдельных групп может иметь различный вид.