Ремонт тепловых агрегатов - Инженерные решения по энергосбережению при реконструкции печных агрегатов

Авторы: Ойстрах А.В. (генеральный директор ООО «ТПП»), Артемьев А.В. – главный инженер

1. Актуальность и основные направления энергосбережения в современном печестроении

В современном печестроении вопросы энергосбережения и повышения тепловой эффективности работы тепловых агрегатов приобретают определяющее значение при планировании и проведении их реконструкции.

Это связано с определяющим влиянием улучшения экономичности работы печей на повышение энергетической эффективности работы предприятия в целом, на снижение себестоимости продукции и увеличение рентабельности, поскольку тепловые агрегаты предприятий металлургического комплекса, машиностроения, нефтехимии и теплоэнергетики являются энергоемкими и материалоемкими объектами.

Вопросы энергосбережения, а также конкуренция, побуждают печестроительные и инжиниринговые компании создавать новые технические решения, разрабатывать новые технологии и искать новые инженерные подходы, направленные на повышение эффективности работы тепловых агрегатов.

Круг энергосберегающих факторов постоянно расширяется, в него сейчас включаются также организационные и «трудовые» факторы, к примеру, повышение уровня квалификации персонала, улучшение культуры эксплуатации печей, повышение трудовой дисциплины

Далее рассмотрим основные направления энергосбережения в современном печестроении и важнейшие энергосберегающие факторы.

1.1. Модернизация системы отопления

установка современных горелочных устройств, прошедших испытания и сертифицированных в установленном порядке
оптимизация расположения горелочных устройств в рабочем пространстве печей
обеспечение полноты сгорания топлива, исключение недожога и присутствия свободного кислорода в рабочем пространстве (за исключением печей, где неполное сгорание либо повышенный коэффициент избытка воздуха a необходимы по технологии)

1.2. Модернизация системы управления

Управление температурным режимом в печах с применением программируемых логических контроллеров
Управление режимом давления в печи со стабилизацией гидравлического режима в рабочем пространстве печей для исключения подсосов воздуха и необходимости нагрева балластного воздуха, а также для исключения перегрева и повышения тепловых потерь через нижние строения печей вследствие повышенного давления в рабочем пространстве
Оптимизация расхода топлива на каждом этапе технологического цикла тепловой обработки (нагрева, выдержки, охлаждения)
Внедрение при технологической целесообразности импульсных схем управления температурным режимом с двух либо с трехпозиционным режимом работы горелочных устройств
Совместное и взаимозависимое управление тепловым режимом и режимом транспортирования металла через печи с учетом работы стана и темпа прокатки для оптимизации расхода топлива при обеспечении требований по качеству нагрева металла.

1.3. Керамоволокнистые футеровочные материалы как альтернатива плотным штучным огнеупорным изделиям и бетонам.

Применение (при технологической целесообразности) в футеровке печей и дымовых трактах изделий и материалов из керамического волокна с малой тепловой инерцией и низкой теплопроводностью, позволяет сократить потери тепла теплопроводностью, уменьшить аккумуляцию тепла кладкой (для печей периодического действия), а также сократить время на разогрев и охлаждение печей.

В качестве этих материалов могут использоваться разнообразные керамоволокнистые изделия: плиты, маты, картон, ткань, бумага, модульные блоки, шнуры и т.п.

Керамоволокнистые материалы используются при скоростях печных газов до 40 м/с.

Для защиты поверхности материалов от механических воздействий при загрузке/выгрузке и транспортировке металла используются специальные высокотемпературные обмазки

Указанные изделия и материалы могут использоваться практически во всех тепловых агрегатах, включая плавильные (кроме рабочего и арматурного слоев), так как имеют широкий диапазон температур применения (150°С - 1350°С).

Применение современных керамоволокнистых материалов позволяет уменьшить температуру на наружной обшивке стен печей до 45-55ºС, подин и сводов печей – до 55-65ºС при одновременном уменьшении толщины футеровки печей (на 150-300мм), либо некотором (на 300-600мм) увеличении ширины и высоты рабочего пространства.

Этим достигается повышение надежности транспортировки металла в проходных печах за счет увеличения зазоров между металлом и боковыми стенами, и увеличение габаритов загружаемой садки и производительности печей в камерных печах и печах с выкатным подом.

К достоинствам керамоволокнистой теплоизоляции также необходимо отнести:

стойкость к термическим ударам
низкая температурная усадка
высокая ремонтопригодность и сокращение сроков монтажа
уменьшение нагрузки на несущие конструкции и возможность уменьшить их вес

1.4. Конструктивные решения.

Использование съемных модулей (футерованных металлоконструкций) на своде стенах, торцах и т.д. для повышения ремонтопригодности печей, сокращения продолжительности ремонтов и увеличения годового фонда времени работы печей за счет увеличения межремонтных периодов
Уплотнение рабочего пространства печей, конструкций дымового тракта, мест установки технологического оборудования (горелочных устройств, рекуператоров, котлов-утилизаторов, дымовых клапанов, заслонок, рабочих окон и т.д.).
Применение в конструкции подовых балок толкательных печей и печей с шагающими балками несущих термоизолирующих элементов (рейтеров), а также современной блочной изоляции, позволяющих уменьшить теплосъем с нагреваемого металла, улучшить равномерность нагрева металла и снизить расход теплоносителя (горячей воды либо пароводяной смеси)
Применение в конструкции печных роликов роликовых печей и внутрипечных рольгангов печей с шагающим подом современных термоизолирующих блочных конструкций из жаропрочных бетонов и керамоволокна, позволяющих сократить расход воды на охлаждение роликов и соответственно снизить расход природного газа на отопление печей
Термоизоляция трубопроводов подачи воздуха к горелочным устройствам, позволяющая подавать воздух на горения с температурой, практически не отличающейся от температуры подогрева воздуха в рекуператорах
Отказ от использования водоохлаждаемых конструкций в рабочем пространстве печей (заслонок торцов загрузки/выгрузки, рам заслонок, пережимов зон, подовых труб и шагающих балок, роликов, конвейеров, отбойников, склизов и т.д.), если это технологически целесообразно и технически допустимо, и применение конструкций из жаропрочного литья, керамических жаропрочных элементов, жаропрочных бетонов и т.п.
Применение жаропрочных обмазок рабочего слоя футеровки печей, имеющих хорошую адгезию к футеровке при рабочих температурах и стойкостью к теплосменам, для исключения повреждения футеровки, в том числе при высоких скоростях истечения теплоносителя и интенсивном конвективном теплообмене в рабочем пространстве печей

1.5. Интенсификация теплообмена в рабочем пространстве,

Рециркуляционные схемы нагрева и охлаждения
Импульсные (двух либо трехпозиционные) режимы подачи теплоносителя в рабочее пространство теплового агрегата

1.6. Решения по утилизации тепловой энергии топлива.

Установка рекуператоров, водяных экономайзеров, котлов-утилизаторов в дымовых трактах печей
Применение горелочных устройств со встроенными рекуператорами
Регенеративные схемы отопления (при технологической целесообразности)
Увеличение длины методических (неотапливаемых) зон печи
Оптимизация конфигурации профиля рабочего пространства проходных печей (толкательных, и с шагающим подом) для более полного использования тепла отходящих дымовых газов

1.7. Решения по синхронизации работы печного и транспортирующего оборудования.

Синхронизация работы толкателя/машины загрузки/машины выгрузки с поднятием/опусканием заслонок печей и циклами подъема и перемещения шагающих балок
Синхронизация работы шагающих балок с внутрипечными рольгангами выгрузки
Синхронизация работы механизма выкатки пода с поднятием/опусканием заслонки печей с выкатным подом
Синхронизация работы печных секций роликового пода с внепечными секциями рольгангов и с работой укладчика металла на рольганг перед печью
Отключение подачи топлива при открытии заслонки/выкатке подины для камерных печей

1.8. Снижение температуры прокатки, а также температуры ковки/штамповки на 10-20ºС

При технологической возможности это мероприятие предполагает уменьшение температуры нагрева металла в проходных и камерных печах на 10-20ºС, что позволит уменьшить продолжительность нагрева и увеличит производительность теплового агрегата, а также представляет собой существенный резерв снижения расхода топлива.

1.9. Мониторинг состояния футеровки, каркасов печей и печного оборудования.

Мониторинг может проводиться как визуально, так и с использованием инструментальных средств (пирометров, тепловизоров).

Периодичность мониторинга определяется производственной загрузкой, а также состоянием теплового агрегата.

Данное мероприятие позволяет иметь актуальную информацию о состоянии конструкций печи и своевременно принять меры по его модернизации (реконструкции).

1.10. Проведение режимной наладки печных агрегатов

Проведение режимной наладки при новом строительстве, реконструкции и после капитальных ремонтов тепловых агрегатов позволяет при эксплуатации:

обеспечить оптимальную работу системы управления,
обеспечить отрегулированную работу системы отопления, и, в частности, горелочных устройств со стабильным соотношением «топливо-воздух»,
контролировать требуемый по технологии состав печной атмосферы
иметь актуальную информацию о состоянии и параметрах печного оборудования.

1.11. Использование исключительно сертифицированных для РФ и поверенных приборов и устройств в качестве средств мониторинга параметров работы печи.

Нередко некоторые предприятия ради экономии средств, а также стремясь сократить период плановых ремонтов, используют не сертифицированные приборы мониторинга и регулирования, и не прошедшие процедуру поверки в установленном порядке.

В результате нарушается оптимальный режим работы системы отопления и системы управления тепловым агрегатом, поскольку показания средств КИПиА не соответствуют действительным, что приводит к неточным тепловым воздействиям на печь (расход и давление топлива по зонам и пр.).

Как следствие – перерасход топлива, нарушение режима горения, изменение состава печной атмосферы (недожог либо избыток кислорода).

Использование исключительно сертифицированных средств КИПиА, прошедших поверку в установленном порядке и по надлежащему графику, позволяет предотвратить указанные явления, и служит одним из факторов повышения тепловой эффективности работы печей.

2. Влияние энергосберегающих факторов на повышение эффективности и экономичности работы тепловых агрегатов

Внедрение энергосберегающих факторов позволяет:

Сократить энергозатраты при эксплуатации печи (уменьшить расход топлива, снизить затраты электроэнергии)
Повысить качество тепловой обработки и обеспечить требования по равномерности нагрева металла
Повысить безопасность работы печей
Улучшить ремонтопригодность и сократить продолжительность плановых ремонтов
Увеличить межремонтный период за счет увеличения срока службы элементов конструкции печей и печного оборудования
Облегчить условия эксплуатации печей

Влияние различных факторов на тепловую эффективность работы печей неодинаково и определяется их технологическим назначением, режимом работы, состоянием оборудования и конструкций, уровнем обслуживания.

Ниже приводим экспертную оценку величины снижения расхода газа (как одного из основных показателей энергетической эффективности) при внедрении описанных выше мероприятий.

Необходимо учитывать, что мероприятия взаимосвязаны и оценка величины экономии природного газа может быть отнесена одновременно к нескольким взаимосвязанным мероприятиям.

2.1. Модернизация системы отопления.

Оптимизация расположения горелочных устройств; решения по стабилизации режима давления в печи, исключению подсосов воздуха в печь и перегрева нижних строений печи позволят снизить расход газа на 6 - 10%

2.2. Модернизация системы управления.

Оптимизация температурного режима, применение импульсных систем управления тепловым режимом позволят снизить расход газа на 15 - 25%

Интенсификация теплообмена в рабочем пространстве.

Использование систем рециркуляции, импульсных схем подачи теплоносителя в рабочее пространство позволят снизить расход газа на 8 - 15%.

Установка рекуператоров, котлов-утилизаторов, регенеративных схем отопления.

Установка рекуператоров, котлов-утилизаторов, применение рекуперативных горелочных устройств позволит снизить расход газа до 8 - 10%;
Применение схем отопления с использованием регенеративных насадок позволит снизить расход газа на 15 - 30%;

Увеличение длины методической зоны и оптимизации профиля рабочего пространства

Увеличение длины методической зоны и оптимизации профиля рабочего пространства проходных печей (в основном толкательных печей и печей с шагающим подом) позволит снизить расход газа на 6 - 10%

Применение современной футеровки с использованием керамоволокна позволит снизить расход газа:

на 3 - 5% в проходных печах
на 12-20% в камерных печах

2.7. Уплотнение рабочего пространства печей позволит снизить расход газа на 2 – 4%..

2.8. Применение рейтеров и керамобетонной изоляции подовых балок в толкательных печах и в печах с шагающими балками позволит снизить расход газа на 7 - 10% .

2.9. Термоизоляция роликов (печи с роликовым подом и внутрипечные рольганги толкательных печей и печей с шагающим подом) позволит снизить расход газа на 5 - 7 %..

2.10. Отказ от использования водоохлаждаемых конструкций в рабочем пространстве проходных и камерных печей (заслонок и рам заслонок, несущих балок торцов и пережимов (толкательные печи), подовых труб (при нагреве до 1100ºС), склизов и т.п.) позволит снизить расход газа на 3 -5%..

2.11. Изоляция трубопроводов воздуха на горение позволит снизить расход газа на 2 - 3%.

2.12. Синхронизация работы толкателей, заслонок, шагающих балок и машины выгрузки позволит снизить расход газа на 2 - 4% за счет сокращения времени открытия заслонок (особенно заслонки выгрузки) и сведения к минимуму подстуживания металла перед выгрузкой из печи.

2.13. Синхронизация работы механизма выкатки пода и механизма подъема/опускания заслонки (печи с выкатным подом) позволит снизить расход газа на 1,5 - 3%.

2.14. Снижение температуры нагрева перед прокаткой или ковкой позволит снизить расход газа на 5 - 7%.

Указаны ориентировочные значение на основании анализа показателей работы различных печей, проведенные специалистами ООО «ТПП» за последние 2,5 года. Более точный расчет экономии топлива, оценка стоимости реализации мероприятий по энергосбережению, а также расчет срока окупаемости данных мероприятий, могут быть выполнены при наличии технического задания на реконструкцию/модернизацию конкретной печи в составе проектных решений по реконструкции.

Максимальная экономия природного газа при серьезной реконструкции одной печи с большой производительностью и реализации максимального технологически обоснованного количества мероприятий по энергосбережению может быть оценена в 15-18%.

3. Показатели тепловой эффективности работы печей на примере опыта ООО «ТПП»

На примере показателей работы термической печи до и после реконструкции, проведенной специалистами ООО «ТПП», проиллюстрируем повышение тепловой эффективности при применении керамоволокнистой футеровки взамен кирпичной.
Габариты печи - длина 8,7 м, ширина 5,6 м, высота 4,6 м.
Топливо – природный газ, цена за 1 м3. - 2,7 руб.
Максимальная рабочая температура печи - 1000° C
Расчетная температура наружного воздуха - 20° C
Температура на обшивке печи – 60 - 65° C.
Футеровка существующая – кирпич шамотный ША-1 плотностью 2000 кг/м3., толщина футеровки 600 мм.
Футеровка новая из керамоволокна – блоки керамоволокнистые LYTX 1260Z плотностью 200 кг/м3, толщина футеровки 310 мм.

В таблице приведено сравнение показателей работы печи до и после реконструкции.

Наименование показателя	Значение до реконструкции	Значение после реконструкции
Объем футеровки, м3	92	34
Рабочий объем печи, м3	132	190
Масса футеровки, т	184	6,8
Объем газа для нагрева футеровки до 1000° C, м3	5100	186
Количество тепла для нагрева футеровки, МДж	173300	6450
Затраты на разогрев футеровки (руб.) 1 цикл	13500	500

Таким образом, чтобы разогреть футеровку данной печи до 1000 ºС из кирпича ША-1, потребуется 173 300 МДж..
При использовании керамоволокнистой изоляции для рабочей температуры 1000ºС при плотности 200 кг/м3, ее толщина составит 310 мм.
Объем футеровки керамоволокнистой изоляцией составит 34 м3, масса - .6,8т, то есть в 27 раз меньше, чем при кирпичной футеровке!
Поскольку теплоемкость шамота и керамоволокна одинакова, на разогрев футеровки также требуется в 27 раз меньше тепла
Экономия в затратах на цикл составили 13,0 тыс. руб. При фактической работе печи в год она отработала 72 цикла и экономия на природном газе составила 848,0 тыс. руб.
Немаловажным фактором также явилось увеличение рабочего объема камеры на 58м3.
Оценка срока окупаемости от замены футеровки – 2 года.