ASSESSMENT OF DECREASE IN ENERGY CONSUMPTION ON PRODUCTION EXPANDED CLAY WHEN USING ALGORITHM OF THE COORDINATED MANAGEMENT BY THE FURNACE

Full Text

Введение. Современное строительство предъявляет целый ряд новых требований к производству керамзита1.Среди них можно выделить два основных. Во-первых, в связи с все более расширяющимися областями технологического применения керамзита необходим выпуск его с широким диапазоном величины насыпной плотности ρ = 150, …, 800 кг/м3. При этом ставится задача уменьшения погрешности отклонения ρ от заданного значения с целью повышения однородности характеристик керамзита. Второе основное требование - снижение энергозатрат на производство керамзита2, что существенно повышает его конкурентоспособность по сравнению с другими наполнителями. Для достижения поставленной цели необходимо решение как технологических задач3, связанных главным образом с приготовлением гранул сырца, так и совершенствование систем управления технологическим оборудованием производства керамзита, прежде всего - печью обжига [1]. В настоящей статье дается оценка снижения энергозатрат производства керамзита во вращающейся печи при использовании алгоритма согласованного управления режимом работы горелки и загрузки сырца. Постановка задачи. Допускаем, что сырец, загружаемый во вращающуюся печь, отвечает технологическим требованиям, предъявляемым к производству керамзита. В этих условиях качество керамзита в значительной мере определяется параметрами теплового поля печи, что характеризуется кривой обжига [2], в линейно-кусочной аппроксимации кото1 Комиссаренко Б.С. Перспективы развития производства керамзита и керамзитобетона с учетом современных задач стройиндустрии // Строительные материалы. 2000. №6. С. 22-23. 2 Литвиненко А. Рациональный выбор естественных, искусственных заполнителей бетонной смеси // Строительная газета. 2003. 11 марта. 3 Анализ причин низкого качества традиционного керамзита и разработка технологических принципов производства особо легкого керамзита шарообразной формы (II) / М.Г. Габидуллин, Р.З. Рахимов, Р.М. Гильфанов // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2005. №9, ч. I. С. 62-64. Рис. 1. Кривая обжига керамзита во вращающейся печи рой4 (рис. 1) процесс вспучивания представлен участком ABCDE, где принято подтвержденное практикой допущение, что отрезок BD параллелен оси z. Исследования области управляемости процесса вспучивания керамзита как объекта управления в пространстве параметров5 (объемная тепловая мощность горелки Qп и загрузка печи qз) показали, что координаты zA и zC точек А и С ломаной ABCDE практически не меняют своих значений во всем технологически возможном диапазоне изменения указанных параметров, а отрезок BD перемещается вдоль оси ОТ и меняет свою длину при вариации величины Qп горелки. Известны результаты экспериментальных исследований влияния температуры ТА на величину ρ [2]. Они представлены множеством N нелинейных зависимостей Квсп.i = F1(ТА,γi), (1) где Квсп - коэффициент вспучивания; Квсп = ρс /ρ, здесь ρс - насыпная плотность сырца; γi - обобщенный показатель свойств глины i-го месторождения, i  1, 2, … , n, здесь n - число исследованных месторождений глины. Зависимости (1) получены в условиях осуществления обжига на верхней границе технологически допустимого диапазона температуры керамзита в 4 Галицков С.Я. Взаимовлияние режима работы горелки и загрузки печи на насыпную плотность керамзита // Интерстроймех2012: материалы Международной научно-технической конференции, 2-4 октября 2012 г., Россия. Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2012. С. 200-205. 5 Галицков С.Я. Области управляемости вспучивания керамзита [Текст] / С.Я. Галицков, А.С. Фадеев // Интерстроймех-2011: материалы Международной научно-технической конференции / М-во образования и науки Рос. Федерации, Междунар. ассоциация автомоб. и дорожного образования, УМО вузов Рос. Федерации по образов. в обл. трансп. машин и трансп.-технол. комплексов, Могилевавтодор, Дорожно-строительный трест №12, Белорус.-Рос. ун-т; редкол.: И.С. Сазонов (гл. ред.) [и др.]. Могилев: Белорус.Рос. ун-т, 2011. С. 273-275. точке С: ТС = ТСmax. Исследования, выполненные в [3], позволили найти множество R зависимостей ρ = F2(ТА,ТС,γi), (2) с помощью которого расширяются технологические возможности получения керамзита с требуемым значением  за счет управления величиной ТС путем изменения Qп горелки. Как показано в [3], для рассматриваемого типоразмера печи температура ТА нелинейно зависит как от расхода qз загружаемого сырца, так и от его влажности w: ТА = F3(qз,w,γi). (3) Таким образом, при решении производственной задачи по выпуску керамзита с требуемым значением ρ на основании зависимостей (2) и (3) можно решить задачу определения оптимального соотношения между значениями Qп и qз. Требуется на математической модели печи [4], оснащенной системой автоматического согласованного управления Qп и qз [1], найти величину энергозатрат на выпуск 1 м3 керамзита заданной величины ρ и сравнить эти затраты с затратами при используемом в настоящее время эвристическом управлении обжигальщиком тепловой мощностью Qп горелки в условиях постоянной величины загрузки qз(t) = const. Решение задачи. Для оценки эффективности применения метода согласованного управления проведем ряд вычислительных экспериментов с использованием модели [4] в условиях выбора рациональных значений параметров задатчиков системы управления [1]. Моделирование осуществлялось для печи типоразмера 2,5×40 м, оснащенной газовой горелкой. В печь поступает сформованный сырец с постоянным гранулометрическим составом, изготовленный из глины смышляевского месторождения. Для этой глины в соответствии с (2) и (3) определены значения Qп и qз, необходимые для оптимального проведения процесса вспучивания керамзита. На первом этапе решения задачи оценим энергозатраты на производство керамзита, когда используется широко распространенное на предприятиях На втором этапе выполнена оценка энергозатрат на производство керамзита при согласованном управлении режимом работы горелки и загрузки печи. Для этого необходимо решить систему нелинейных уравнений в условиях, когда известно значение γi и задан типоразмер печи: ручное «эвристическое» управление вспучиванием 2 A   F (T C i , F , ), обжигальщиком путем изменения мощности Qп го релки при постоянной величине загрузки печи. МодеTA  F3 (qз , w, i ), (5) лирование выполнялось для режима, когда постоянная загрузка qз = 4,5 т/ч, влажность материала w = 15 %.  Qг  F4 (Qп ). Исследования выполнялись для шести значений Qп = 28000; 30000; 32000; 34000; 36000; 38000 Вт/м3. По результатам моделирования определены для каждого опыта значения ТА и ТС, вычислено значение коэффициента вспучивания Квсп, найдена плотность керамзита ρ = ρ0/Квсп. Исходя из известной зависимости [5] Qг = F4(Qп), (4) определен расход газа Qг (и эквивалентный ему расход условного топлива Qу), подаваемого в горелку для создания объемной тепловой мощности Qп. Производительность печи определяется выражением П = (qз Квсп)/ ρс. Затраты газа для вспучивания 1 м3 керамзита определяются отношением σ0г = Qт/П, затраты условного топлива σ0у = Qу/П. Результаты вычислительных экспериментов сведены в табл. 1. При решении задачи численным методом задаемся требуемой плотностью керамзита ρ и получаем требуемые значения температур керамзита в точках А и С (ТА и ТС). Результаты сведены в табл. 2. Затем на вычислительной модели [4] решается обратная задача, целью которой является определение таких значений Qп и qз, при которых на выходе модели формируются необходимые ТА и ТС. Дальнейшая обработка результатов вычислительных экспериментов осуществляется аналогично первому этапу. По результатам, приведенным в табл.1 и 2, построены графические зависимости σ 0г и σ 1г от насыпной плотности ρ керамзита (рис. 2). Зависимость энергозатрат на производство керамзита σ0 от коэффициента вспучивания Квсп при qз(t) = const = 4,5 т/ч Таблица 1 qз, т/ч Qп, Вт/м3 ТА, °С ТС, °С Квсп ρ, кг/м3 Qг, м3/с П, м3/ч σ0г σ0у 4.5 28000 586 935 1.502 692 0.1005 6.50 55.68 64,01 4.5 30000 586 977 2.376 438 0.1182 10.28 41.40 47,60 4.5 32000 586 1003 3.041 342 0.1359 13.16 37.17 42,75 4.5 34000 586 1028 3.773 276 0.1535 16.33 33.85 38,92 4.5 36000 586 1075 5.265 198 0.1712 22.78 27.05 31,11 4.5 38000 586 1140 6.616 157 0.1888 28.63 23.74 27,30 Зависимость энергозатрат на производство керамзита σ1 от коэффициента вспучивания Квсп при согласованном управлении Qп и qз Таблица 2 Квсп ρ, кг/м3 ТА, °С ТС, °С Qп, Вт/м3 qз, т/ч Qг, м3/с П, м3/ч σ1г σ1у 1.096 949 742 920 26300 13.9 0.0855 14.65 21.03 24,16 1.113 935 677 920 26800 9.5 0.0900 10.16 31.86 36,67 1.181 880 612 920 27100 5.8 0.0926 6.59 50.60 58,17 1.277 815 600 924.5 27350 5.1 0.0948 6.26 54.51 62,70 1.918 542 600 950 28600 5.2 0.1058 9.59 39.73 45,67 2.548 408 600 989 30500 5.2 0.1226 12.74 34.64 39,84 3.092 336 600 1010 32500 5.2 0.1403 15.46 32.66 37,57 4.075 255 592 1040 34500 5 0.1579 19.59 29.02 33,37 4.925 211 599 1070 35800 5.1 0.1694 24.15 25.25 29,04 5.702 182 604 1100 36800 5.4 0.1782 29.61 21.67 24,92 6.138 169 606 1130 37800 5.5 0.1871 32.46 20.75 23,86 Рис. 2. Энергозатраты на производство керамзита в функции плотности Оценка снижения энергозатрат от использования согласованного управления Qп и qз при производстве керамзита с требуемым значением плотности ρ Таблица 3 ρ, кг/м3 o 0 o 1 δ, % 692 55.68 48 13.8 438 41.40 35.5 14.2 342 37.17 33 11.2 276 33.85 30 11.4 198 27.05 23.8 12.0 157 23.74 20 15.8 Оценим снижение энергозатрат на производство керамзита путем сравнения графиков 1 и 2 (рис. 2) на отрезках ab и cd соответственно. Результаты сравнения сведены в табл. 3. Снижение энергозатрат оценивалось по формуле    0  1 100 % .  0 Заключение. Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы: а) Применение согласованного управления расширяет технологические возможности печи обжига, а именно, при прочих равных условиях в этом случае можно обеспечить производство керамзита с диапазоном плотностей 170-950 кг/м3, в то время как при традиционном ручном управлении он составляет 160-700 кг/м3. б) Зависимость энергозатрат от плотности выпускаемого керамзита (рис. 2) имеет экстремум. Для выполненных экспериментов он соответствует значению 800-850 кг/м3. в) Показано, что применительно к печи типоразмера 2,5×40 м и в условиях использования смышляевской глины применение согласованного управления позволяет снизить энергозатраты на обжиг керамзита на 11-15 %. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Галицков, С.Я. Структурный синтез системы управления вспучиванием керамзита во вращающейся печи [Текст] / С.Я. Галицков, А.С. Фадеев // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 1; URL: www.science-education.ru/101-5627. Онацкий, С.П. Производство керамзита. - 3-е изд., перераб. и доп. [Текст] / С.П. Онацкий. - М.: Стройиздат, 1987. - 333 с., ил. Галицков, С.Я. Экспериментальные исследования влияния геометрии факела на прочность керамзита [Текст] / С.Я. Галицков, А.С. Пышкин, А.С. Фадеев // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: материалы 68-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2010 г. / СГАСУ. - Самара, 2011. - С. 726-729. Фадеев, А.С. Моделирование вспучивания керамзита во вращающейся печи как объекта управления. [Текст] / А.С. Фадеев, С.Я. Галицков, А.И. Данилушкин // Вестник Самарского государственного технического университета, Серия «Технические науки». - №2 (30) СамГТУ. Самара, 2011. С. 160-168. Перегудов, В.В. Тепловые процессы и установки в технологии строительных изделий и деталей: учебник для ВУЗов [Текст] / В.В. Перегудов, М.И. Роговой. - М.: Стройиздат, 1983. - 416 с. © Галицков С.Я., Фадеев А.С., 2013

About the authors

S. Ya GALITsKOV

Самарский государственный архитектурно-строительный университет

Author for correspondence.
Email: vestniksgasu@yandex.ru

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой механизации, автоматизации и энергоснабжения строительства

A. S FADEEV

Самарский государственный архитектурно-строительный университет

Email: vestniksgasu@yandex.ru

кандидат технических наук, доцент кафедры механизации, автоматизации и энергоснабжения строительства

References

Supplementary files