способ контроля состояния футеровки промышленной печи

Формула изобретения

Способ контроля теплового состояния футеровки промышленной печи, включающий определение температурных изменений в тепловом состоянии ее футеровки, отличающийся тем, что измеряют температуру наружной поверхности печи на всех ее участках или выборочно на одном из участков без остановки работы печи с использованием приборов измерения инфракрасного спектра в виде термографа, тепловизора или пирометра и определяют величину тепловых потерь через футеровку печи по математическому выражению:

Q=62 _iS_{поверхн.i}(t_{наружн.i}-t _расч)+64 _iS_{поверхн. вых. газов i} (кДж/ч),

где Q - величина тепловых потерь с наружной поверхности печи, кДж/ч;

62 - значение коэффициента теплоотдачи излучением и конвекцией с наружной поверхности печи, кДж/м² °C ч,

_iS_{поверхн.i} - площадь всех участков наружной поверхности футеровки печи, не имеющих признаков выхода печных газов, м²;

t_{наружн.i}-t _расч - разность температур t_{наружн.i} - температуры наружной поверхности печи, установленной при измерениях, и t _расч - заданной или расчетной температуры наружной поверхности со всех участков наружной поверхности печи, не имеющей признаков выхода печных газов, °K,

_iS_{поверхн. вых. газов i} - площадь всех участков наружной поверхности печи с признаками выхода печных газов, м²;

64 - математическое значение потери тепла с отходящими газами, состоящими из продуктов сгорания природного газа, проходящих через футеровку печи наружу со скоростью при выходе 0,15 м/с и температурой 200-300°C, кДж/м² ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии и предназначено для контроля состояния футеровки промышленной печи, а именно термической печи для нагрева материала, без изменения его агрегатного состояния.

Совершенствование контроля над процессами, которые происходят при эксплуатации промышленных печей, - является необходимым условием повышения энергоэффективности производства и улучшения экологии.

Необходимость контроля над процессами, которые происходят в футеровки печи, обусловлена тем, что футеровка печи является основным конструктивным элементом, изолирующим процесс теплообмена между носителем тепла и нагреваемым телом.

Потери тепла, которые происходят через футеровку печи, в прямой зависимости определяют коэффициент полезного действия печи и величину потребляемого топлива (энергии).

Для контроля над процессами изменения величины рабочего слоя футеровки промышленных - металлургических, доменных печей разработаны различные способы контроля.

Известен способ контроля состояния футеровки горна доменной печи, описанный в описании изобретения к патенту РФ № 2299910, МПК C21B 7/24 от 07.07.2007, опубл. 10.02.2007., включающий измерение температуры в футеровке при помощи нескольких датчиков (m) температуры, расположенных по поясам (n) и радиусам (r), на которые условно разбита футеровка маталлоприемника печи, где (m) - номер термодатчика по направлению r-го радиуса, определение по сигналам датчиков температуры изменений в тепловом состоянии футеровки горна доменной печи, отличающийся тем, что после проверки сигналов от каждого функционирующего датчика на устойчивость считывания и на их достоверность формируют из сигналов эффективные временные последовательности, которые затем подвергают структурному анализу с использованием математического аппарата вейвлет-преобразования, рассчитывают значения вейвлет-показателя по математическому выражению

,

где x(l) - фактическое значение анализируемого сигнала в 1-й момент времени; *(а,b) - тип нелинейной весовой функции - вейвлет-базис; а - параметр масштабирования; b - параметр смещения по оси времени; L - число данных на скользящем интервале вычисления вейвлет-показателя, запоминают расчетные значения вейвлет-показателя, производят определение экстремального значения вейвлет-показателя на текущий момент времени на всех уровнях детализации структуры сигнала из множества запомненных расчетных данных , а изменение в тепловом состоянии футеровки горна доменной печи констатируют при синхронном появлении экстремальных значений вейвлет-показателя на всех заданных уровнях детализации структуры сигнала функционирующего термодатчика.

В промышленности контроль технического состояния футеровки осуществляют по рекомендациям из различных многочисленных аналогов:

- М.А.Глинков // Металлургические печи, часть 1. - М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1963, стр.199-205;

- А.С.Телегин и Н.С.Лебедев // Конструкции и расчет нагревательных устройств, изд. второе. - М.: Машиностроение, 1964, таблица 53, стр.269 приведены сроки службы кладки свода, стен и пода.

- Система плановопредупредительного ремонта энергетического оборудования на предприятиях отрасли. - М.: НИИ технологии и организации, 1972, часть 2, книга 1, в таблице 9-1, стр.15-16, стр.3-10.

Из аналогов известно, что техническое состояние футеровки печи обследуют, как правило, при ее полной остановке и охлаждении, осмотром печи в определенном объеме.

Способы и рекомендации, приведенные для сравнения как известные аналоги, не решают задачу определения относительной величины энергопотребления и имеют недостатки:

- техническое состояние теплоизоляции на работающих промышленных печах определяют субъективно, осмотром наружной поверхности, математические расчеты не используют, точность определения технического состояния низкая;

- предполагают частичное разрушение футеровки для установки датчиков контроля или непосредственный контакт с футеровкой печи, температура наружной поверхности которой может разогреваться до температуры, значительно превышающей предельно допустимую для безопасного контакта с частями тела исследователя;

- субъективный фактор - визуальный, наружный осмотр печи в настоящее время является основным - для «уточнения» фактического состояния футеровки и теплоизоляции нагревательных промышленных печей при ее остановке. Точность определения фактического технического состояния низкая и зависит от квалификации и опыта работы персонала;

- при одном и том же сроке службы печи ее техническое состояние может различаться от состояния пригодности к работе до состояния непригодности к работе и частичного разрушения конструкции. Точность определения фактического состояния по сроку службы - низкая.

Известные аналоги не позволяют оценить эффективность работы футеровки и теплоизоляции в динамике во время работы печи и тем самым заблаговременно планировать ремонт печи.

Технический результат: повышение точности контроля над состоянием теплоизоляции и футеровки нагревательной печи без остановки ее работы.

Технический результат достигается за счет того, что в способе контроля состояния футеровки промышленной печи, включающем определение температурных изменений в тепловом состоянии ее футеровки, измеряют температуру наружной поверхности печи на всех ее участках или выборочно на одном из участков без остановки работы печи с использованием приборов инфракрасного спектра измерения температуры, термографа, тепловизора или пирометра и определяют величину путем вычисления относительной величины фактических тепловых потерь через кладку печи по математическому выражению:

Q=62 _iS_{поверхн. i}(t_{наружн.i} -t_расч.)+64 _iS_{поверхн. вых. газов i} (кДж/час),

где Q - величина тепловых потерь с наружной поверхности печи (кДж/час);

62 - значение коэффицинта теплоотдачи излучением и конвекцией с наружной поверхности печи, (кДж/°C час),

_iS_{вых. поверхн. i} - площадь всех участков наружной поверхности футеровки печи, не имеющих признаков выхода печных газов (м²);

t_{наружн.i} -t_расч. - разность температур t_{наружн.i} - температуры наружной поверхности печи, установленной при измерениях, и t_расч. - заданной или расчетной температуры наружной поверхности в соответствии с проектом печи со всех участков наружной поверхности печи, не имеющей признаков выхода печных газов (К),

_iS_{вых. поверхн i} - площадь всех участков наружной поверхности печи с признаками выхода печных газов (м ²);

64 - математическое значение потери тепла с отходящими газами, состоящими из продуктов сгорания природного газа, проходящих через футеровку печи наружу со скоростью при выходе 0,15 м/с и температурой 20-300°С, (кДж/м² час).

Заявляемый способ позволяет проводить обследование работающей печи и выявлять отклонения в футеровки промышленных печей - печей из твердых и волокнистых материалов, печей с обшивкой из листовой стали во время их работы и другие.

Заявляемый способ основан на получении значения относительной величины тепловых потерь с наружной поверхности печи с помощью объективных методов контроля, последующем проведении теплотехнических расчетов, основанных на основных теоретических положениях теплотехники, анализе причин отклонений и учитывает срок службы футеровки печи. С печи непосредственно получают значение только одной величины: температуры наружной поверхности, при этом исследователь находится на дистанции, исключающий воздействие на части его тела фактора температуры (излучения), а использование высокотехнологичных приборов измерения температуры позволит исследователю получить плоскостное изображение наружной поверхности печи, автоматически сохранить снимок в памяти прибора, с высокой степенью точности обработать данные.

Сопоставительный анализ представленного решения с аналогами позволяет сделать вывод о том, что заявляемое изобретение отвечает условиям патентоспособности: является новым, имеет изобретательский уровень и промышленное применение.

Сопоставление заявляемого способа с аналогами показывает, что заявляемый способ отличается от известных тем, что

- не требуется контролировать температуру материала непосредственно в слое футеровки;

- не требуется прекращения загрузки материалов в печь на длительный период без изменения внешних параметров, т.е. печь может работать в обычном, нормальном режиме;

- изменяется момент измерения параметров - измерение температуры наружной поверхности печи производится во время стабилизации температуры внутри печного пространства;

- не оказывается разрушающее или иное воздействие на футеровку для установки или внедрения различных органов контроля.

Новизна заявляемого способа состоит в том, что для определения относительной величины тепловых потерь предложена новая зависимость, которая учитывает потери тепла конвекцией, излучением, фильтрацией печных газов через кладку в зависимости от изменения температуры наружной поверхности печи, площади поверхности печи и площади поверхности печи, имеющей признаки выхода печных газов через кладку.

На фиг.1 показана схема определения измерения температуры в заданных точках поверхности печи;

На фиг.2 показана схема замеров температуры в заданных точках, с мест наружной поверхности печи, имеющих признаки выхода печных газов;

На фиг.3 показана схема измерения температуры в заданных участках поверхности печи;

На фиг.4 показана схема замеров температуры в заданных участках поверхности печи.

Способ контроля состояния футеровки промышленной печи включает проведение мониторинга относительной величины тепловых потерь с наружной поверхности промышленных печей 1-12 раз в год, периодическое обследование нагревательной промышленной печи, осуществляемое 1-3 раза в год и состоящее из осмотра и проверки исправности и работоспособности всех узлов, механизмов и конструктивных элементов печи, технического контроля режимов работы печи, для печи на газовом топливе состоящего из контроля за расходом топлива, соотношения топлива и окислителя (газ и воздух), над избыточным давлением в рабочем пространстве, над разрежением в системе удаления продуктов сгорания и их температуры проведения, при необходимости, коррекции следующих отклонений: соотношения объема газа, подаваемого для горения в печь, и воздуха, подаваемого на горение газа, путем увеличения или уменьшения объема воздуха или объема природного газа с использованием органов управления печью или горелочных устройств до параметров оптимального соотношения газа и воздуха, конструктивно заданных в горелочном устройстве, величины избыточного давления в печи и разрежения в системе дымоудаления путем уменьшения или увеличения проходного сечения дымоотводящего канала печи шибером с помощью органов управления шибером или изменения частоты вращения двигателя привода насоса дымоудаления до параметров, указанных в режимной карте, которую составляют на каждую печь, для электрической печи, после проверки электрических цепей и показаний приборов по режимной карте; после определения постоянной стабильной температуры в печи t_вн (°C) во время технологической выдержки, определения температуры окружающей среды у печи t_окруж. (°C) при обследовании 1-3 раза в год и при проведении мониторинга относительной величины тепловых потерь 1-12 раз в год. Для сравнения результатов и последующего анализа изменений относительной величины тепловых потерь, при проведении повторных обследований и мониторинга, температура в печи во время обследования и мониторинга должна быть равной температуре предыдущего обследования с отклонениями, не превышающими величину 50°С. Причем определение температуры наружной поверхности печи проводят на всех участках или выборочно на одном из участков наружной поверхности печи с использованием приборов инфракрасного спектра измерения температуры термографа, или тепловизора 5, или пирометра 3 путем дистанционного измерения температуры в заданных участках плоскости 4 поверхности или в заданных точках 2. Для процесса определения величины температуры наружной поверхности печи с измерением температуры в заданных точках 2 используют приборы, измеряющие значение температуры только в точке непосредственного наведения сканирующего устройства, например пирометра 3 инфракрасного диапазона измерений.

Измерения величины температуры наружной поверхности t_наружн. производят по геометрической плоскости 4 наружной поверхности печи системно, через равные расстояния с установлением расстояния по осям в плоской системе координат. Результаты обследования оформляют в виде схемы (фиг.2), в которой обозначают места наружной поверхности печи, имеющие признаки выхода печных газов, с указанием площади локализации, признаки неплотности теплоизоляции, видимые изменения преломления света на границе воздуха и объемной массы печных газов, выбиваемых через футеровку. Из полученных результатов проводят расчет значения t_{наружн.} - усредненной температуры наружной поверхности исследуемых участков, которая находится как среднее арифметическое.

Процесс измерения температуры наружной поверхности печи может быть выполнен в заданных плоскостях 4 с использованием термографа или тепловизора 5 инфракрасного диапазона измерений, позволяющего получить контрастные или цветные изображения величины температуры на геометрической плоскости 4 наружной поверхности (фиг.3).

В настройках управления прибора термографа или тепловизора 5 задают фиксированный диапазон значений температуры от 40 до 200°С.

Измерения величины температуры наружной поверхности t_наружн. производят снимками геометрических плоскостей 4 заданного участка наружной поверхности печи, составляют схему (фиг.4) исследуемых фрагментов площадей наружной поверхности. Результаты обследования (снимки) запоминаются в электронном виде в памяти прибора, обозначения снимков записываются на схему. В схеме отмечают снимки мест наружной поверхности, имеющей признаки выхода печных газов, с указанием площади локализации. Признаки выхода печных газов через футеровку печи, которые выявляют при термографии как области относительного увеличения температуры, видимые на дисплее прибора, области характеризуются повышенным температурным фоном и хорошо различимыми четкими границами мест повышенной температуры, которые, как правило, совпадают с кладочными швами или повреждениями металлической обшивки каркаса. Области выхода печных газов видны в виде более светлым тоном и, как правило, совпадают с границами кладочных швов. Расчет значения t_{наружн.} - усредненной температуры наружной поверхности исследуемых участков для получения результата находят как среднее арифметическое.

Обработка результатов включает в себя:

расчет температуры наружной поверхности печи t_расч,

расчет относительной величины тепловых потерь Q,

установление причин образования Q,

расчеты величины Q в денежном выражении _{(денежных единиц)},

преобразование величины относительных потерь Q в W - величину потери мощности электрической печи по причинам тепловых потерь с наружной поверхности на величину Q для обработки результатов обследования электрической печи,

расчеты величины W в денежном выражении _{(денежных единиц)}, которые производят следующим образом:

расчет температуры наружной поверхности печи t_расч. проводят по формуле

t _расч.=t_окруж.+Q_{расчетн.}/ _нар. (°С),

где t_окруж. - определяют во время подготовки к обследованию печи.

Q_{расчетн.} - определяют для теплового потока в многослойной кладке при условии того, что температура внутренней поверхности кладки с допустимым приближением равна температуре в печи во время проведения обследования - t_вн:

где

- соответственно толщина каждого слоя многослойной кладки, деленная на коэффициент теплопроводности материала слоя; значение толщины каждого слоя стенки берут из паспортных (проектных) характеристик печи; значение коэффициента теплопроводности из справочных данных материала слоя;

t_вн-t_ок - относительная величина разности расчетной температуры внутри печи и температуры окружающей среды, величину t_вн берут из показаний приборов измерения температуры в пункте управления печью или измеряют пирометром 3; величина температуры снаружи печи t_ок принимают 303°K (30°C) и обусловлена наиболее распространенными температурными условиями для печей, установленных в закрытых отапливаемых помещениях, непосредственно у обшивки или над сводом 1 печи;

_нар - коэффициент теплоотдачи излучением и конвекцией принимают равным расчетной величине:

_нар=62 кДж/(м²°С час).

По результатам измерений, ранее проведенных на участках наружной поверхности печи, рассчитывают фактическое значение относительной величины тепловых потерь Q через кладку по формуле:

Q=62 _iS_{поверхн i}(t_{наружн.i}-t _{расч. i})+64 _iS_{вых. поверхн.} (кДж/час);

где

Q - суммарное значение относительной величины тепловых потерь с наружных поверхностей печи с различных по своему конструкционному предназначению участков наружной поверхности печи;

62 кДж/ (м² °C час) - известное, условно-постоянное, с достаточным для вычислений приближением значение математического выражения коэффициента теплоотдачи излучением и конвекцией с наружной поверхности - _нар.,

_iS_{поверхн.} (t_{наружн.}-t _расч.) - суммарное значение разности температур t_{наружн.} - фактической температуры наружной поверхности, установленной при измерениях, и t_расч. - заданной температуры наружной поверхности по проекту печи (расчетной) со всех участков обследуемой наружной поверхности, не имеющей признаков выхода печных газов (м² К);

усредненное значение t _{наружн.} - фактической температуры наружной поверхности - по схеме (фиг.2 или фиг.4);

_iS_{вых. поверхн. i} - суммарное значение площади наружной поверхности печи, с признаками выхода печных газов (м²);

64 (кДж/м² час); - условно-постоянное, с достаточным для вычислений приближением значение математического выражения потери тепла с отходящими простыми газами Q_выб. в составе продуктов сгорания природного газа с температурой 200-300°C, через футеровку со скоростью 0,15 м/с, выполненной из фасонных изделий по ГОСТ 8691-73 (ИСО 5019-1-84, ИСО 5019-2-84, ИСО 5019-5-84) «Изделия огнеупорные общего назначения. Форма и размеры (с Изменениями N 1-4), через поврежденные кладочные швы 3 мм. Величина Q _выб. при приближенных расчетах будет постоянной и в способе расчетным путем определена как 64 кДж с 1 м² площади за 1 час. Величина Q_выб. будет равна нулю при отсутствии признаков инфильтрации печных газов через кладку и для электрических печей, без принудительной циркуляции атмосферы.

Формула: Q=62 _iS_{поверхн. i}(t_{наружн.i} -t_{расч. i})+64 _iS_{вых. поверхн.} (кДЖ/час) - в заявляемом способе составляет основу для расчетов тепловых потерь и предназначена для определения относительной величины тепловых потерь с наружной поверхности печи конвекцией, излучением, инфильтрацией газов через кладку пропорционально увеличению температуры наружной поверхности.

При расчете величины Q для промышленных печей, использующих электрическую энергию, без принудительного перемешивания атмосферы, инфильтрации газов через кладку не происходит, значение площади поверхности выхода печных газов S_{вых. поверхн.} принимают равным нулю, S_{вых. поверхн.}=0, а формула расчета относительной величины тепловых потерь Q=62 _iS_{поверхн. i}(t_наружн. _i-t_{расч i})+64 _iS_{вых. поверхн.} (кДж/час), преобразовывают в формулу потери мощности электроэнергии, W за 1 час, в прямой зависимости от изменения температуры наружной поверхности печи и принимает вид:

W=0,017 _iS_{поверхн i}(t_{наружн. i} - t_{расч. i}), КВт/м² °C в час.

Формула является основной для расчета потери мощности электрической печи по причинам тепловых потерь с наружной поверхности.

Затем результаты обследования печи вносят в отчет обследования печи, который подписывают лица, непосредственно проводившие обследование, расчеты и комментировавшие снимки (схемы).

Результат - значение величины Q, с каждого участка обследования, снимки термографа, схемы замеров (фиг.2 и фиг.4) - указывают в отчете. Дополнительно в отчете указывают основные причины образования величины Q в форме комментариев к снимкам или схемам измерений.

Заявляемый способ описывает основные причины тепловых потерь, образованных на наружной поверхности печи, не предусмотренных проектом печи, рассматривает факторы, способствующие изменениям общего теплового сопротивления футеровки или появления локального разогрева наружной поверхности вследствие:

- общего эксплуатационного износа футеровки (кладки) - определяют по сроку ее фактической работы и нормам предприятия по срокам проведения ремонтов (межремонтный период),

- влияния факторов: вибрации от прессов и молотов, вибрации от электроустановок - части конструкции печи, агрессивности печной среды, механического воздействия на футеровку подвижных конструктивных элементов печи (вращающийся или выкатной под и другие), если таковые факторы присутствуют;

- уменьшение теплового сопротивления кладки из-за усадки материалов футеровки (кладки) или увеличение ее теплопроводности из-за низкого качества конструкционных материалов - учитывают при наличии локальных мест разогрева наружной поверхности и наличием признаков проникновения через футеровку печи печных газов;

- уменьшение величины толщины футеровки по причинам, связанным с химическим взаимодействием материала футеровки с печной средой;

- неэффективность работы системы удаления печных газов и автоматики поддержания давления в печи;

- технологический уровень печи: технология сжигания топлива, технология строительства печи, технология регулирования температуры, давления и других параметров;

- соответствие технологии производства техническим возможностям печи.

По результатам анализа - сопоставления показателей: фактического срока службы печи и срока службы по нормативам, полученного значения величины тепловых потерь с расчетной величиной, общего технического состояния печи и степени влияния дополнительных факторов увеличения износа футеровки: вибрации, печной среды, качества материала футеровки - делают заключение по необходимости изучения влияния тех или иных причин и факторов на состояние футеровки печи.

Производят статистический сбор и сохранение данных изменения величины температуры наружной поверхности печи с течением времени, намечают мероприятия по коррекции отклонений.

Коррекция отклонений температуры наружной поверхности печи, технического состояния кладки (футеровки) и эффективности устройства теплоизоляции производят при ремонтах печи путем восстановления футеровки и теплоизоляции.

Ремонт печи влечет затраты. Затраты, как правило, обуславливаются достижением пригодности печи или ее отдельных конструктивных элементов к использованию.

Печь может быть пригодной к производству, но эксплуатация печи может иметь относительно высокую стоимость из-за неустановленных дополнительных затрат на топливо на величину .

- величина дополнительных затрат на закупку и транспортирование к печи природного газа, связанная с отклонениями технического состояния кладки (футеровки).

Сравнение затрат на ремонт или затрат на изменение конструкции печи с затратами, связанными с отклонением технического состояния кладки (футеровки), - необходимое действие для определения экономической целесообразности ремонта или модернизации.

Описываемый заявляемый способ позволяет объективно определить затраты , связанные с отклонением технического состояния кладки (футеровки). Затраты определяют как отношение количества относительной величины тепловых потерь (потерь энергии) к стоимости энергоносителя.

Определение стоимости затрат на топливо в зависимости от относительной величины тепловых потерь для - природного газа, где величину относительных тепловых потерь - Q представляют в денежном эквиваленте _{(денежн. ед. час)}, следующее: производят расчет величины (объем) природного газа V_газа, которое необходимо сжечь в печи для получения величины тепловых потерь Q, связанной с отклонениями технического состояния кладки (футеровки) от нормального, по формуле:

V _газа= Q/Q_{сгор.топл.} (м³)

где

V_газа - объем природного газа, необходимый для образования величины Q при сжигании;

Q - полученная относительная величина тепловых потерь, определенная настоящим способом;

Q_{сгор.топл.} - теплотворная способность природного газа, поставляемого на предприятие. Сведения о теплотворной способности содержатся в сертификате качества.

Основные экономические расчеты по обороту природного газа производят в 1000 м³ . Для определения денежного эквивалента стоимости 1000 м ³ природного газа - _{1000 куб. м} значение стоимости берут с учетом расходов внутри предприятия (расходы на транспортировку, редуцирование, дегидратацию природного газа; расходы на обслуживание газопроводов; расходы на проведение различных экспертиз и диагностики газопроводов; расходы на обслуживание и поверку приборов коммерческого учета природного газа и другие расходы).

Выражение величины тепловых потерь Q в денежном эквиваленте принимает вид:

_{(денежных единиц)}/в 1 час = _{1000 куб. м}( Q/Q_{сгор.топл.})/1000,

где

_{1000 куб. м} - стоимость 1000 м³ природного газа;

Q - относительная величина тепловых потерь, рассчитанная по основной формуле:

Q=62 _iS_{поверхн. i}(t_{наружн.i} -t_{расч i})+64 _iS _{вых. поверхн.} (кДж/час),

Q_{сгор.топл.} - теплота сгорания топлива, которая указана в сертификате качества природного газа.

Формула _{(денежных единиц)}/в 1 час = _{1000 куб. м}( Q/Q_{сгор. топл.})/1000 - является основной для расчета дополнительных денежных затрат на закупку природного газа в прямой зависимости от относительной величины тепловых потерь Q.

При расчете величины Q для промышленных печей, использующих электрическую энергию, инфильтрации газов через кладку не происходит, значение площади поверхности выхода печных газов S_{вых. поверхн.} принимают равным нулю S_{вых. поверхн}=0, а формулу расчета относительной величины тепловых потерь Q=62 _iS_{поверхн. i}(t_{наружн. i} -t_{расч i})+64 _iS_{вых. поверхн} (кДж /час) преобразовывают в формулу расчета потребленной мощности W электроэнергии за час в зависимости от изменения температуры наружной поверхности печи, которая принимает вид:

W=0,017 _iS_{поверхн. i}(t_{наружн. i} -t_{расч. i}), кВт/м² °С в час,

величину _{(денежных единиц)} определяют как:

_{(денежных единиц)}= Q (кВт/м² °C в час)/ _{стоимость 1 кВт/ч.}

Формула: _{(денежных единиц)}= Q (кВт/м² °C в час)/ _{стоимость 1 кВт/ч} - является основной для расчета дополнительных денежных затрат на оплату электроэнергии в прямой зависимости от относительной величины тепловых потерь Q, преобразованной в величину тепловой мощности.

Способ контроля состояния футеровки промышленной печи реализуется следующим образом.

Для точности и достоверности прогнозов по дальнейшей работе промышленной печи способ выполняют в комплексе с организационными мероприятиями. На предприятии организуют мероприятия контроля и диагностики печного хозяйства с обеспечением исследователей средствами измерения температуры: пирометр 3 инфракрасного диапазона с диапазоном измерения от 20 до 400°C или термограф, или тепловизор 5, работающий в инфракрасном диапазоне в интервале температур от - 20 до +360°C. Термограф должен иметь следующие опции: защита матрицы от излучения, превышающего допустимые значения для функциональности прибора; наведение оси объектива по лазерной указке; электронная память с возможностью запоминания и сохранения не менее 50 снимков; в органах управления термографом должна быть предусмотрена возможность ручной настройки (выбора) температурного диапазона; комплектация программного обеспечения термографа должна обеспечивать обработку снимков на компьютере (возможности копирования и вставки в электронные документы). Организуют учет проведения мониторинга и обследования, сбор статистических данных по результатам обследования на каждую печь. Проводят обучение специалистов приемам пользования приборами измерения температуры и обработки данных. Выборочное обследование промышленной печи по заявляемому способу допускает снижение достоверности анализа и установление причин отклонений в футеровки, при этом точность математических расчетов данного способа сохраняется.

Непосредственно на печи выполняют обследования в следующем порядке. Проводят осмотр и проверку исправности и работоспособности всех узлов, механизмов и конструктивных элементов печи. Проводят технический контроль режима работы печи и устанавливают параметры работы печи по значениям режимной карты. В электрических печах проверяют электрические цепи. Внутри печи устанавливают и поддерживают постоянную температуру t_вн (°C), если обследование проводят повторно, то значение t_вн (°C) должно быть установлено равным значению t_вн (°C) предыдущего обследования. Значение t_вн (°C) - должно быть равным величине технологической температуре для нагрева основного вида продукции. Определяют температуру окружающей среды у печи t_окруж (°C); составляют схему замеров в заданных точках 2 (фиг.1) или заданных поверхностей 4 (фиг.3), схему замеров заданных поверхностей составляют без вставки снимков, которые получают только при замерах для определения температуры наружной поверхности печи. Производят определение температуры наружной поверхности печи или участка наружной поверхности с использованием приборов инфракрасного спектра измерения температуры пирометра 3 или термографа, или тепловизора 5 путем измерения температуры в заданных участках плоскости 4 поверхности или в заданных точках.

На схеме замеров в заданных точках 2 (фиг.1) записывают значения температуры в заданных точках после каждого замера температуры. На схеме замеров в заданных плоскостях 4 (фиг.3) предварительно записывают обозначения снимков, поверхностей в заданной системе координат, снимки запоминают в определенной последовательности в электронной памяти термографа или тепловизора 5, окончательно схему составляют с использованием средств электронной обработки информации путем вставки снимков в схему. Снимок содержит значение величины наружной поверхности каждой заданной для обследования плоскости 4. Производят расчет значения t_наружн - усредненной температуры наружной поверхности исследуемых участков как среднее арифметическое значение при обследовании пирометром 3, термографом или тепловизором 5.

Производят определение расчетной температуры наружной поверхности печи для каждого участка, имеющего отличия по размеру толщины футеровки, конструкционному материалу и устройству теплоизоляции.

Расчет t_расч. проводят по формуле

t_расч.=t_окруж.+Q_{расчетн} / _нар. (°С),

где, t_окруж. - температура окружающей среды;

Q_{расчетн.} - определяют для теплового потока в многослойной кладке при условии того, что температура внутренней поверхности кладки с допустимым приближением равна температуре в печи во время проведения обследования - t_вн:

где

- соответственно толщина каждого слоя многослойной кладки, деленная на коэффициент теплопроводности материала слоя; значение толщины каждого слоя стенки берут из паспортных (проектных) характеристик печи; значение коэффициента теплопроводности из справочных данных материала слоя;

t_вн-t_ок - относительная величина разности расчетной температуры внутри печи и температуры окружающей среды, величину t_вн берут из показаний приборов измерения температуры в пункте управления печью или измеряют пирометром 3; величину температуры снаружи печи t_ок принимают 303K (30°C) и обусловливают наиболее распространенными температурными условиями для печей, установленных в закрытых отапливаемых помещениях, непосредственно у обшивки или над сводом 1 печи;

_нар - коэффициент теплоотдачи излучением и конвекцией принимают равным расчетной величине:

_нар=62 кДж/(м² °С час).

По результатам измерений, ранее проведенных на участках наружной поверхности печи, рассчитывают фактическое значение относительной величины тепловых потерь Q через кладку по основной формуле:

Q=62 _iS_{поверхн. i}(t_{наружн. i} -t_{расч. i})+64 _iS_{вых. поверхн.} (кДж/час),

где

Q - суммарное значение относительной величины тепловых потерь с наружных поверхностей печи, с различных по своему конструкционному предназначению участков наружной поверхности печи;

62 кДж/(м² °C час) - известное, условно-постоянное, с достаточным для вычислений приближением значение математического выражения коэффициента теплоотдачи излучением и конвекцией с наружной поверхности - _нар,

S_{поверхн.}(t_{наружн.}-t_расч. ) - суммарное значение разности температур t_{наружн.} - фактической температуры наружной поверхности, установленной при измерениях, и t_расч - заданной температуры наружной поверхности по проекту печи (расчетной) со всех участков обследуемой наружной поверхности, не имеющей признаков выхода печных газов (м² °C).

Усредненное значение t_{наружн.} - фактической температуры наружной поверхности - по схеме (фиг.2 или фиг.4);

S_{вых. поверхн. i} - суммарное значение площади наружной поверхности печи с признаками выхода печных газов (м ²),

64 (кДж/м² час) - условно-постоянное, с достаточным для вычислений приближением значение математического выражения потери тепла с отходящими простыми газами в составе продуктов сгорания природного газа, с температурой 200-300°C, через футеровку со скоростью 0,15 м/с, выполненной из фасонных изделий по ГОСТ 8691-73 (ИСО 5019-1-84, ИСО 5019-2-84, ИСО 5019-5-84) «Изделия огнеупорные общего назначения. Форма и размеры (с Изменениями N 1-4), через поврежденные кладочные швы 3 мм. Величина Q_выб. при приближенных расчетах будет постоянной. Величина Q_выб. будет равна нулю при отсутствии признаков инфильтрации печных газов через кладку и для электрических печей без принудительной циркуляции атмосферы.

При расчете величины Q для промышленных печей, использующих электрическую энергию, без принудительного перемешивания атмосферы, инфильтрации газов через кладку не происходит, значение площади поверхности выхода печных газов S_{вых. поверхн.} принимают равным нулю, S_{вых. поверхн}=0, а формулу расчета относительной величины тепловых потерь Q=62 _iS_{поверхн i}(t_{наружн. i} -t_{расч. i})+64 _iS_{вых. поверхн.} (кДж/час) преобразовывают в формулу потери мощности электроэнергии, W за 1 час, в прямой зависимости от изменения температуры наружной поверхности печи и используют для расчетов в виде: W=0,017 _iS_{поверхн i}(t_{наружн. i} -t_{расч. i}), кВт/м² °С в час.

Затем результаты обследования печи вносят в отчет обследования печи, устанавливают основные причины тепловых потерь, образованных на наружной поверхности печи, не предусмотренных проектом печи, для чего определяют наиболее значимые факторы износа:

- время фактической работы печи сравнивают с нормативным сроком службы и срокам проведения ремонтов (межремонтный период), если отношение фактической работы печи к сроку ее службы по нормам близко к нормативному или превышает нормативный срок, то фактор эксплуатационного износа указывают в отчете как определяющий причину;

- влияние факторов вибрации от прессов и молотов, вибрации от электроустановок - части конструкции печи, агрессивности печной среды, механического воздействия на футеровку подвижных конструктивных элементов печи учитывают, если таковые факторы присутствуют, в отчете определяют как факторы - повышения интенсивности износа футеровки или для печей кузнечного производства - определяющими причину износа, в случае, если в кузнечных печах имеются признаки инфильтрации печных газов через кладку; по кладочным швам.

- уменьшение теплового сопротивления кладки из-за усадки материалов футеровки (кладки) или увеличение ее теплопроводности из-за низкого качества конструкционных материалов или качества строительных работ - указывают в отчете как определяющая причина при наличии локальных мест разогрева наружной поверхности, деформации конструктивных элементов и видимой усадки материала кладки; причину считают определяющим фактором при сроке работе печи менее половины от нормативного срока службы или межремонтного периода;

- уменьшение величины толщины кладки из-за взаимодействия печной среды с материалом футеровки указывают как определяющую причину, если процесс износа футеровки является наиболее скоротечным процессом по времени, по отношению к другим процессам, а именно: процессу износа футеровки при теплосменах, длительного срока службы (нормативного срока), абразивного износа футеровки газодинамическим потоком.

- неэффективную работу системы удаления печных газов и автоматики поддержания давления в печи указывают в отчете и считают основным фактором износа футеровки при наличии признаков выхода печных газов через кладку на большей части поверхности печи при отсутствии других факторов;

- технологический уровень печи, технологию сжигания топлива, технологию строительства печи, технологию регулирования температуры, давления и других параметров принимают как дополнительное обстоятельство и указывают в отчете при сравнении фактической величины температуры наружной поверхности t_{наружн.} с нормативными величинами предельно допустимых значений температуры, установленных санитарно-гигиеническими нормативами.

В отчете комментируют все основные причины износа и степень влияния факторов износа. Комментарии сопровождают снимки или схемы измерений.

В отчете производят расчеты значения величины Q в денежном эквиваленте .

Различают расчет величины Q для промышленных печей, использующих в качестве топлива природный газ, и печей использующих для нагрева электрическую энергию.

Для печей, которые используют природный газ как топливо, экономические потери определяют следующим образом.

Производят расчет величины (объем) природного газа V_газа, который необходимо сжечь в печи для получения величины тепловых потерь Q, связанной с отклонениями технического состояния кладки (футеровки) от нормального. Для чего полученное при расчете значение относительной величины тепловых потерь Q делят на значение теплоты сгорания топлива Q_{сгор.топл.} , которое указано в сертификате качества природного газа, поставляемого на предприятие.

V_газа= Q/Q_{сгор. топл.} (м³)

где

V_газа - объем природного газа, необходимый для образования величины Q при сжигании;

Q - полученная из основной формулы Q=62 _iS_{поверхн. i}(t_{наружн. i} -t_{расч. i})+64 _iS_{вых. поверхн.} (кДж /час) относительная величина тепловых потерь;

Q_{сгор. топл.} - теплотворность природного газа, поставляемого на предприятие.

Основные экономические расчеты по обороту природного газа производят в 1000 м³. Для определения денежного эквивалента стоимости 1000 м³ природного газа _{1000 куб. м} определяют значение стоимости 1000 м³ природного газа с учетом всех расходов внутри предприятия.

Производят расчет величины тепловых потерь Q в денежном эквиваленте _{денежных единиц} по формуле:

_{(денежных единиц)}/в 1 час= _{1000 куб м}( Q/Q_{сгор. топл.})/1000,

где:

_{1000 куб. м} - стоимость 1000 м³, закупленного и доставленного к печи природного газа;

Q - относительная величина тепловых потерь, рассчитанная по основной формуле:

Q=62 _iS_{поверхн i}(t_{наружн. i} -t_{расч. i})+64 _iS_{вых. поверхн.}) (кДж /час),

Q_{сгор.топл.} - теплота сгорания топлива, которая указана в сертификате качества природного газа.

Для промышленных печей, использующих электрическую энергию, используя результат проведенного расчета потребляемой мощности W электроэнергии по формуле: W=0,017 _iS_{поверхн. i}(t_{наружн. i} -t_{расч i}) (КВт/м² °C в час). Величину _{(денежных единиц)} определяют как:

_{(денежных единиц)}= W(КВт/м² °С в час)/ _{стоимость 1 кВт/ч}.

Результаты расчетов величины _{(денежных единиц)} указывают в отчете.

Сравнение величины _{(денежных единиц)} с затратами на ремонт печи является основой для заключения о необходимости проведения ремонта печи.

После составления отчета производят мероприятия статистического характера, сохранение данных изменения величины температуры наружной поверхности печи с течением времени на электронных или иных носителях, уточняют сроки ремонта печи.

Технико-экономический эффект.

Заявляемый способ используют на металлургическом предприятии г.Чебаркуля Челябинской области с 2007 года для обследования печей на предприятии на предмет выявления мест и величины тепловых потерь с наружной поверхности кладки.

Использование заявляемого способа позволяет: повысить точность контроля над состоянием теплоизоляции и футеровки нагревательной печи без остановки ее работы,

- контролировать состояние футеровки нагревательных печей, работающих на газовом топливе, и определять значение относительной величины тепловых потерь с каждой печи, способ использовался для мониторинга печей на предмет изменения величины тепловых потерь с наружной поверхности с течением времени;

- своевременно проводить ремонты печей и использовать в полном объеме ресурс эксплуатации футеровки, способ использовался для прогноза предельного срока безопасной эксплуатации печей;

- производить оценку эффективности мероприятий по изменению конструкции теплоизоляции сводов;

- контролировать эффективностью теплоизоляции во время работы печи,

позволяет решать следующие технические, организационные и экономические задачи:

- проводить обследование работающих печей без остановки производства, выявлять отклонения в футеровки и теплоизоляции, в том числе для печей из волокнистых материалов в печах с обшивкой из листовой стали;

- заблаговременно планировать ремонты футеровки и теплоизоляции печей исходя из реального состояния футеровки;

- проверять эффективность мероприятий, связанных с улучшением теплоизоляции или модернизацией печей;

- выделять экономическое значение величины тепловых потерь, связанных с отклонениями работы футеровки и теплоизоляции, в виде стоимости определенного способом количества энергоносителя.

Перечень позиций

1 - свод печи;

2 - заданные точки для измерения значения температуры;

3 - пирометр для измерения значения температуры;

4 - заданные плоскости на поверхности свода печи для измерения значения температуры;

5 - тепловизор для измерения значения температуры на плоскости.