Использование низкопотенциальной теплоты, отводимой в системе охлаждения МНЛЗ, в системе теплоснабжения ЧМК ПАО 'Северсталь'

Содержание

Введение

. Проблема использования теплоты, отводимой в системе охлаждения МНЛЗ

.1 Описание системы охлаждения МНЛЗ

.2 Зона вторичного охлаждения

1.3 Способы использования тепла низких параметров

1.4 Система испарительного охлаждения

.5 Постановка задач исследования

2. Разработка способов получения горячей воды в МНЛЗ

2.1 Возможность и целесообразность утилизации теплоты ПВС и неиспарившейся воды

.2 Возможность и целесообразность утилизации теплоты, отводимой кристаллизатором и роликами

2.3 Способы получения горячей воды в кристаллизаторе и роликах при существующей геометрии охлаждаемых каналов

3. Разработка схем утилизации теплоты от МНЛЗ

3.1 Схемы утилизации теплоты, отводимой в оборудовании МНЛЗ

.2 Характеристики промежуточных теплообменников

3.3 Утилизация теплоты от МНЛЗ в системе теплоснабжения ЧМК

4. Экономическая целесообразность проекта

.1 Расчет капитальных вложений при проектировании нового оборудования

.2 Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования

.3 Определение экономического эффекта и экономической эффективности

. Безопасность жизнедеятельности

.1 Анализ условий труда персонала при обслуживании системы охлаждения МНЛЗ

.2 Меры по обеспечению безопасности и здоровых условий труда

.3 Меры по обеспечению устойчивой работы системы охлаждения МНЛЗ в условиях чрезвычайных ситуаций

. Меры по охране окружающей среды

Заключение

Список использованных источников

Введение

Повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на предприятиях черной металлургии в современных условиях является одним из главных направлений выживания. Черная металлургия - одна из наиболее энергоемких отраслей промышленности. Доля затрат на ТЭР в общих заводских затратах на производство продукции составляет более 30 %. Высокая энергоемкость металлургических производств при постоянном росте цен на ТЭР ставит на одно из первых мест проблему энергоресурсосбережения. Потенциал энергосбережения в этой отрасли достигает 30 %.

Наиболее полное решение вопросов, связанных с оптимизацией структуры энергетического хозяйства промышленных объектов, дает системный подход в его классическом понимании. Рассмотрение энергохозяйства в качестве сложной системы, оптимизация работы каждого элемента и учет их влияния на работу объекта в целом могут дать значимый результат, особенно на реконструируемых и проектируемых объектах. Однако такие этапы решения задачи оптимизации как получение корректной исходной информации для составления моделей всех элементов системы, разработка программ для ЭВМ, увязка частных решений требуют значительных затрат времени. Сами модели часто теряют смысл при изменении внешних факторов, особенно, в современной экономической ситуации.

Особенность потенциала энергосбережения на металлургических предприятиях заключается в том, что на сегодняшний момент времени существует значительный моральный и физический износ основного энерготехнологического оборудования и наблюдается существенная неритмичность работы металлургических комбинатов, связанная с особенностью современного рынка продукции. Эти два фактора вместе с проблемой системы учета и контроля за расходом ТЭР, требующей коренного улучшения на всех уровнях производства, в основном определяют значительную часть нерациональных потерь ТЭР на производстве (до 70 % от потенциала энергосбережения).

Кроме этого для металлургических заводов вопросы энергосбережения являются одним из основных направлений для снижения издержек производства и повышения конкурентоспособности их продукции на рынке.

В настоящее время в металлургическом производстве возрастают требования к качеству продукции, снижению энергозатрат и улучшению экологической обстановки.

Конвертерное производство стали является одним из наиболее перспективных переделов в сталеплавильном производстве. При этом жидкая сталь, получаемая в конверторах, разливается на слябовых машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). МНЛЗ - современный высокотемпературный металлургический агрегат, в котором температура жидкой стали, подаваемой в кристаллизатор МНЛЗ, составляет примерно 1550 °С. Основная технологическая задача установки - превратить жидкую сталь в твёрдую заготовку правильной формы (сляб). Для этого нужно отвести от металла значительное количество теплоты. Примерно треть поступившей теплоты отводится в системе охлаждения МНЛЗ и далее теряется в окружающей среде. Использование даже части этой теплоты может дать значительный энергетический, экологический и экономический эффекты. Поэтому, проблема утилизации теплоты является актуальной темой для моей работы.

1. Проблема использования теплоты, отводимой в системе охлаждения МНЛЗ

.1 Описание системы охлаждения МНЛЗ

Разливка стальных слябов (слитков) на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) - это современный, высокопроизводительный, технологический процесс в металлургии.

Рассмотрим конструкцию МНЛЗ на рисунке 1.1 и её основные функции на примере криволинейной слябовой машины конструкции АО «Уралмаш». Такие машины успешно эксплуатируются в конвертерном производстве ЧМК ОАО «Северсталь» с 1980 г.

Рисунок 1.1- Принципиальная схема криволинейной МНЛЗ

Криволинейная МНЛЗ состоит из криволинейного, радиального и горизонтального участка. Жидкая сталь из разливочного ковша поступает в промежуточный ковш, а из него через разливочный стакан в кристаллизатор. В кристаллизаторе происходит формирование оболочки непрерывного слитка, который следует в зону вторичного охлаждения (ЗВО), где осуществляется его охлаждение с помощью водовоздушных или водяных форсунок. Для предохранения поверхности заготовки от выпучивания ЗВО оборудуется специальной поддерживающей системой в виде брусьев, роликов, и др. Далее слиток проходит через правящую и тянущую клети в зону резки, на выходе из которой получается готовый сляб. Длина кристаллизатора составляет 900-1000 мм.

Основное требование к кристаллизатору - это получение однородной затвердевающей оболочки заготовки посредством эффективной однородной теплопередачи. кристаллизатор охлаждаемый теплота

Медные кристаллизаторы бывают двух типов: гильзовые и сборные. В обоих случаях они изготавливаются либо из рафинированной меди, либо из сплавов меди с хромом и цирконием либо из сплава с серебром. Для повышения эксплуатационной стойкости на внутреннюю поверхность кристаллизатора наносятся специальные защитные покрытия на основе хрома или никеля.

Хромовое покрытие - износостойкое традиционное покрытие внутренней поверхности кристаллизатора. Его применяют непосредственно на медных пластинах при разливке блюмовой и сортовой заготовки. На сегодняшний день основные задачи применения хрома - снижение трения и уменьшение прилипания в кристаллизаторе при резком изменении уровня металла при запуске.

Кристаллизатор является одним из наиболее функционально важных узлов, которые определяют эффективную работу МНЛЗ и требуемое качество полученного слитка.

.2 Зона вторичного охлаждения

Зона вторичного охлаждения МНЛЗ располагается сразу после кристаллизатора. Ее длина на современных МНЛЗ может составлять от десяти до нескольких десятков метров.

Равномерное охлаждение заготовки при помощи воды или водовоздушной смеси - основная задача зоны вторичного охлаждения (ЗВО).

Отвод тепла от поверхности слитка в ЗВО достигается путем интенсивного опрыскивания ее поверхности водой, передачи тепла к поддерживающим роликам с внутренним охлаждением и вследствие конвекции и лучеиспускания в окружающую среду.

Интенсивность охлаждения во вторичной зоне должна выбираться так, чтобы температура на границе заготовки в процессе её перемещения оставалась постоянной или медленно уменьшалась. Более приоритетным считается вариант, при котором температура поверхности медленно снижается по всей длине ЗВО.

На рисунке 1.2 приведена схема расположения форсунок относительно сляба, а так же график заданного и реального режимов охлаждения.

Рисунок 1.2- Форсуночное охлаждение сляба в ЗВО

Так как непрерывная разливка стали протекает при высоких температурах, то нельзя рассматривать этот процесс без учёта явлений тепло- и массопереноса. Необходимо обеспечить соответствующее охлаждение слитка для отвода физического тепла и скрытой теплоты плавления. Теплообмен слитка с охлаждающими его элементами решающим образом влияет на формирование его твёрдой оболочки и на получающуюся структуру металла [10, 11].

В зоне начального формирования слитка охлаждение осуществляется в кристаллизаторе, где образуется твёрдая оболочка (корочка) слитка, которая контактирует с водоохлаждаемыми стенками. В зоне вторичного охлаждения (ЗВО) процесс затвердевания слитка продолжается. Передача тепла от поверхности слитка к охлаждающей воде происходит в основном за счёт конвекции. В зоне охлаждения на воздухе процесс протекает в условиях свободной конвекции и излучения.

По итогам экспериментов и расчётов многих авторов следует, что в пределах МНЛЗ от слитка отводится порядка 55% тепла стали [34]. Из всего тепла, отводимого от металла в пределах машины, в кристаллизаторе отводится около 15%, в ЗВО - 70%, в зоне воздушного охлаждения - 15%.

Количество теплоты, отводимой от слитка, соизмеримо с теплотой выдаваемой ТЭЦ, которое в настоящее время нигде не используется и теряется на градирнях. Сложность обуславливается низким температурным потенциалом (вода с температурой 30¸50 °С и паро-воздушная смесь с температурой 60¸70 °С).

.3 Способы использования тепла низких параметров

Запасы низкопотенциального тепла (НПТ) огромны. Величина энергии для России равна 31,5 млн. т/год условного топлива даже без учета НПТ отходящих газов энергетических и технологических установок. Это составляет 22 % общего энергопотребления страны, превосходит экономический потенциал ветра и солнечной энергии [4].

Разработка технологий непрерывной разливки с минимальными потерями тепла занимает лидирующее место среди научных исследований, как в России, так и за рубежом [6, 13, 36]. Такие технологии улучшают энергетические и теплотехнические показатели прокатных станов и линий МНЛЗ.

Особенности утилизации НПТ связаны с их использованием в энергосиловых установках с легкокипящими теплоносителями, холодильных устройствах, экономайзерах и теплообменниках, тепловых насосах.

Установки с легкокипящими теплоносителями находят большое применение («холодный» пар, или цикл Ренкина) [29, 37]. Кроме электроэнергии, установка выдает конденсат греющего пара. В соответствии с расчетами, себестоимость вырабатываемой электроэнергии получается в три раза ниже, чем на ТЭЦ [31, 33].

Весьма эффективны при использовании НПТ тепловые насосы (ТН). Они предназначены для повышения потенциала рабочего тела от величин, непригодных для использования в данном процессе, до достаточных для этого. Часто имеется в виду увеличение давления паров рабочего тела с соответствующей новой температурой конденсации. Изменение последней до значений, превышающих температуру кипения этого рабочего тела при обычном давлении, делает возможным его испарение (кипение). Данная схема соответствует второму закону термодинамики[3].

Известны три вида тепловых насосов: термоэлектрические , компрессионные и сорбционные .Самой распространенной моделью является - компрессионный тепловой насос.

Принципиальная схема компрессионного теплового насоса изображена на рисунке 1.3. Компрессор засасывает из испарителя пары легкокипящего рабочего вещества, например фреона, и сжимает их. Сжатие сопровождается увеличением температуры и давления паров. Далее пары поступают в конденсатор, где отдают тепло другому теплоносителю, например воде, используемой далее в системе горячего водоснабжения. Поскольку температура конденсации сжатого газа выше, чем кипения рабочего тела при обычном давлении, то через регулирующий вентиль конденсат подают в испаритель. Таким образом, работа теплового насоса непрерывно воспроизводится [27, 31].

Рисунок 1.3- Принципиальная схема работы компрессионного теплового насоса

В качестве источника НПТ в тепловых насосах могут применяться вытяжной воздух и отработанная вода системы горячего водоснабжения. Извлеченная теплота передается воде (водо-водяные ТН) или воздуху (воздушные или воздухо-воздушные ТН).

В нашей стране ТН практически не применяются из-за сложившейся ситуации цен на ТЭР и значительных капитальных затрат. [14, 15, 16].

Вместе с тем расширение применения ВЭР, как и другие направления рационального использования сырьевых и топливно-энергетических ресурсов, требуют прогрессивной технологии и внедрения новой техники, что связано с дополнительными капитальными затратами.

В этой ситуации рациональное использование ТЭР является одним из основных направлений повышения энергоэффективности производства. Решением энергосбережения в промышленности является внедрение трансформаторов теплоты и комбинированных установок теплохладоснабжения.

.4 Получение пара и горячей воды в системах охлаждения технологических агрегатов

Возможности эффективного использования теплоты жидкой стали открываются при непрерывной разливке стали с охлаждаемыми кристаллизаторами, при применении испарительного охлаждения [8].

При испарительном охлаждении снижается расход электроэнергии на подачу воды, отпадает необходимость в сооружении громоздких дорогостоящих водоводов, градирен, бассейнов, насосных станций, прудов[1].

В отличие от водяного, испарительное охлаждение предусматривает полное согласование отвода теплоты с технологией работы МНЛЗ. При водяном способе количество охлаждающей воды должно соответствовать максимальным нагрузкам, для избежания перегрева охлаждающей среды и выпадения накипи. При испарительном - увеличение тепловой нагрузки приводит к турбулизации потока пароводяной смеси, и надежность охлаждения сохраняется, т. е. процесс отбора тепла саморегулируется [9, 24].

Принципиальная схема системы испарительного охлаждения представлена на рисунке 1.4. Охлаждаемые детали двумя трубами присоединяют к барабану-сепаратору. По опускной трубе (к нижней ее части) подводится вода. По подъемной трубе образовавшаяся пароводяная смесь отводится (из верхней части) в барабан-сепаратор, где пар отделяется от жидкой фазы и направляется в паропровод. Взамен испарившейся в барабан подаётся свежая питательная вода, и смесь её с отсепарированной водой опять попадает в охлаждаемую деталь. Циркуляция воды в системе непрерывна. При этом возможна естественная или принудительная циркуляция.

Рисунок 1.4 -Принципиальная схема СИО: 1 - опускная труба; 2 - охлаждаемая деталь; 3 - подъемная труба; 4 - водозаборное устройство; 5 - станция перекачки воды; 6 - химическая водоочистка; 7 - питательный насос; 8 - подвод питательной воды; 9 - барабан-сепаратор; 10 - отвод насыщенного пара.

При естественной циркуляции движущей силой является разность плотностей воды в опускной трубе и пароводяной смеси в подъёмной. В случае принудительной циркуляции на опускной трубе устанавливают циркуляционный насос. На отечественных предприятиях в СИО обычно применяют естественную циркуляцию, обеспечивающую работу системы независимо от подачи электроэнергии.

Применение CИО не всегда возможно, поэтому многие агрегаты продолжают охлаждать неочищенной водой, большей частью оборотной. Такую воду нельзя подогревать в охлаждаемых элементах агрегатов более чем на 10¸15 °С из-за выпадения солей и опасности образования нагаров в отдельных местах с большими теплонапряжениями. Для исключения выпадения взвесей приходится поддерживать определённую скорость движения воды. Поэтому при проточном охлаждении сырой водой её нагрев обычно не превышает 5¸10 °С. Экономичное использование такой теплоты невозможно. Но оно становится возможным, если применять схему, показанную на рисунке 1.5. Элементы агрегата охлаждаются химически очищенной водой, не дающей отложений даже при местных высоких подогревах. Это позволяет нагревать воду до 80¸100 °С и выше, если поддерживать в замкнутом контуре давление выше атмосферного [32].

Рисунок 1.5- Схема использования теплоты охлаждения конструктивных элементов технологических агрегатов: 1 - охлаждаемые элементы; 2 - теплообменник; 3 - насосы; 4 - обратный трубопровод; 5 - подающий трубопровод.

Циркулирующая по замкнутому контуру химически очищенная вода отдаёт теплоту потребителям через поверхностный теплообменник. Зимой, когда требуется отопление, сетевая вода может нагреваться в ТО до вполне достаточной температуры.

При обеспечении предприятий обессоленной и умягченной водой от испарительных установок (ИУ) резко снижается количество сбросных вод, поэтому не требуется химических реагентов, ионообменных смол и других материалов.

Если летом горячую воду использовать негде (нет производственных ее потребителей), то отвод теплоты в ТО может осуществляться той же проточной сырой водой, которой охлаждаются агрегаты по обычной схеме. При этом подогрев последней в ТО производится до температур, при которых не происходит выпадение солей и их оседание на стенках, что достигается поддержанием соответствующего расхода.

1.5 Постановка задач исследования

На машинах непрерывного литья заготовок в системе охлаждения теряется большое количество низкопотенциальной теплоты. Её возможно утилизировать различными способами, например: применением тепловых насосов и испарительного охлаждения, повышением температуры охлаждающей воды, применением различных теплообменников. Однако, внедрение мероприятий по утилизации тепловых выбросов неизбежно потребует капитальных затрат.

При утилизации низкопотенциальной теплоты от криволинейных ролико-форсуночных МНЛЗ имеются следующие особенности:

.        Наличие источника сбросного тепла промышленного предприятия - идеальный вариант для тепловых насосов. Однако, получение финансовой выгоды при сложившейся ситуации цен в России на электроэнергию и топливо, а также с учетом значительных капитальных и эксплуатационных затрат на ТН, вряд ли возможно из-за значительного срока окупаемости, необходимости монтажа дополнительного оборудования и проведения обширных реконструкционных работ.

.        При испарительном охлаждении кристаллизатора снижается расход электроэнергии на подачу воды, отпадает необходимость в сооружении громоздких дорогостоящих водоводов, насосных станций, градирен, бассейнов, прудов. Теплота, теряемая при водяном охлаждении, используется для получения пара, направляемого потребителям. В настоящее время СИО кристаллизатора является перспективным направлением в энергосбережении, однако применение таких систем возможно лишь на вновь строящихся мощностях.

3.       Элементы технологических агрегатов можно охлаждать химически очищенной водой, не дающей отложений. Это позволит нагревать воду в охлаждаемых элементах до 80¸100 °С и выше.

В связи с этими особенностями, в работе поставлены следующие задачи:

1.       Оценить энергетический потенциал теплоты, отводимой в системе охлаждения МНЛЗ.

2.       Оценить возможность и целесообразность утилизации теплоты охлаждения кристаллизатора, роликов, паровоздушной смеси и неиспарившейся воды отводимых от МНЛЗ.

3.       Обосновать возможность повышения температурного уровня воды, охлаждающей кристаллизаторы и ролики МНЛЗ без ущерба для технологического оборудования и процесса.

.        Разработать способы получения горячей воды с использованием низкопотенциальных ВЭР, получаемых на МНЛЗ, не влияющие на технологический процесс и нормальную работу оборудования.

.        Разработать схемы утилизации теплоты, отводимой в кристаллизаторах и роликах МНЛЗ, в системе теплоснабжения металлургического комбината.

2. Разработка способов получения горячей воды в МНЛЗ

2.1 Возможность и целесообразность утилизации теплоты ПВС и неиспарившейся воды

Вместе с паровоздушной смесью из бункера ЗВО МНЛЗ отводится значительное количество теплоты в системе охлаждения (доля теплоты ПВС составляет примерно q_ПВС » 17 % от теплоты жидкой стали), однако температура ПВС из-за значительных присосов воздуха на выходе из бункера составляет в зависимости от скорости разливки t¢_пв = 55¸65 °С.

Поток энтальпии ПВС, кВт, при температуре t_пв можно рассчитать по выражению [19]:

(2.1)

где G_возд - расход воздуха в ПВС, кг/с;

h_пв - энтальпия ПВС, кДж/кг, в расчете на 1 кг воздуха;

b = G_возд/G_п0 - относительное содержание воздуха в ПВС;

G_п0 - суммарный расход пара на выходе из ЗВО,кг/с; d_п - паросодержание, кг/кг;

(2.2)

где р_н(t_пв) - давление насыщенного водяного пара при t_пв, Па;

р_пв - давление ПВС, Па.

Выражение (2.1) не учитывает энтальпию взвешенного конденсата, который образуется при смешении пара с воздухом.

При уменьшении температуры ПВС от t¢_пв = t_пв до t²_пв может быть выделено такое количество теплоты, кВт:

(2.3)

Относительное количество теплоты ПВС, которое выделяется при этом, с учетом (2.1) и (2.2) можно рассчитать по выражению:

(2.4)

На рисунке 2.1 показана рассчитанная по выражению (2.3) зависимость DQ_ПВС/Q_ПВС, %, от понижения температуры ПВС Dt_пв = t¢_пв - t²_пв при различной температуре ПВС t_пв = t¢_пв на выходе из бункера МНЛЗ.

Рисунок 2.1- Зависимость DQ_ПВС/Q_ПВС от Dt_пв

Из рисунка 2.1 видно, что если исходная температура ПВС t_пв = 60 °С, то при охлаждении ПВС на Dt_пв = 40 °С, т.е. от 60 до 20 °С, будет выделено 94 % теплоты Q_ПВС, отводимой ПВС из бункера МНЛЗ. В этом случае начальная температура вторичного теплоносителя, нагреваемого за счет теплоты ПВС, должна быть меньше 20 °С, например, 15 °С (5 °С - минимальный температурный напор, необходимый для передачи теплоты в поверхностном теплообменнике).

Если исходная температура ПВС t_пв = 95 °С, то при охлаждении ПВС на Dt_пв = 40 °С, т.е. от 95 до 55 °С, выделяется практически 100 % теплоты Q_ПВС. В этом случае начальная температура вторичного теплоносителя, нагреваемого за счет теплоты ПВС, должна быть меньше 55 °С, например, 50 °С.

Поскольку ПВС достаточно загрязнена, то утилизация ее теплоты может быть произведена в поверхностном теплообменнике-конденсаторе с противоточной схемой движения ПВС и охлаждающей воды, показанной на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 -Схема движения ПВС и воды в теплообменнике.

Если исходная температура воды t¢_в, то ПВС можно охладить до температуры t²_пв ³ t¢_в + Dt_min, а воду - нагреть до температуры t²_в £ t¢_пв - Dt_min, где Dt_min » 5 °С - минимальный температурный напор, необходимый для теплопередачи от ПВС к воде. Расход нагреваемой воды G_в, кг/с, определяется из теплового баланса теплообменника [18]:

(2.5)

Утилизация теплоты ПВС может быть эффективной только при достаточно высокой температуре ПВС (t_пв > 90 °С), т.е. при исключении присосов воздуха в бункер МНЛЗ, т.к. при низкой температуре ПВС (t_пв » 60 °С), имеются следующие недостатки: теплообменник-конденсатор будет очень громоздким и дорогим из-за большого содержания воздуха в ПВС, и соответственно, невысокого коэффициента теплоотдачи от ПВС; такой теплообменник-конденсатор будет создавать значительное аэродинамическое сопротивление в паровоздуховоде.

Неиспарившаяся вода, сливающаяся со сляба, отводит примерно
q_сл » 4 % теплоты жидкой стали, и имеет среднюю температуру
t_сл = 80¸90 °С. Неиспарившаяся вода в настоящее время практически на всех МНЛЗ стекает в желоб под машиной и перекачивается на фильтровальную станцию. Такая вода содержит большое количество примесей (частицы окалины), что накладывает условия по ее очистке.

Для утилизации теплоты неиспарившейся воды необходима установка поверхностного водоводяного теплообменника, но из-за сильного загрязнения сливающейся воды работа теплообменника будет неэффективной.

Таким образом, утилизация теплоты ПВС и неиспарившейся воды в системе теплоснабжения предприятия является на сегодняшний день малоэффективной и достаточно затратной, несмотря на значительное количество теплоты, отводимой ПВС и неиспарившейся водой (примерно половина всей теплоты, отводимой в системе охлаждения МНЛЗ). Утилизация теплоты ПВС может стать эффективной при исключении присосов воздуха в бункер ЗВО.

.2 Возможность и целесообразность утилизации теплоты, отводимой кристаллизатором и роликами

Примерно 50 % теплоты охлаждения сляба, отводимой в МНЛЗ, отводится кристаллизаторами и роликами, имеющими охлаждаемые водой внутренние каналы, причем в роликах отводится в несколько раз больше теплоты, чем в кристаллизаторе.

На рисунке 2.3 показана схема охлаждения слитка в кристаллизаторе.

Рисунок 2.3- Схема охлаждения слитка в кристаллизаторе

Через разливочный стакан из промежуточного ковша в кристаллизатор поступает жидкая фаза, которая из-за интенсивного теплообмена с рабочими стенками кристаллизатора затвердевает. При этом образуется твердая оболочка сляба, которая контактирует с рабочими стенками кристаллизатора и непрерывно нарастает вдоль технологической оси МНЛЗ. Теплота, отведенная через рабочую стенку кристаллизатора, передается охлаждающей воде, циркулирующей по каналам в рабочей стенке кристаллизатора. Обычно охлаждающая вода проходит каналы снизу вверх.

Максимальная температура рабочей поверхности стенки кристаллизатора соответствует уровню мениска жидкого металла, где плотность теплового потока, отводимого от сляба к стенке составляет для слябовых кристаллизаторов q_max = 2¸2,5 МВт/м² [19]. Максимальная температура стенки зависит от температуры охлаждающей воды. При повышении температуры воды возрастает и максимальная температура рабочей поверхности стенки. Она не должна превышать 350 °С (температура рекристаллизации меди, выше которой начинается интенсивный износ стенки из-за трения со слябом) [19].

На рисунке 2.4 показана схема медной стенки щелевого кристаллизатора с прямоугольными каналами.

Рисунок 2.4- Схема рабочей стенки щелевого кристаллизатора: 1 - рабочая стенка; 2 - стальной корпус; 3 - канал; 4 - рабочая поверхность; d - толщина стенки от рабочей поверхности до канала; 2s - расстояние между каналами; h - глубина канала; 2l - ширина канала; q - плотность теплового потока, подводимого к стенке от сляба.

В таблице 2.1 приведены геометрические параметры рабочих стенок прямоугольного щелевого кристаллизатора, установленного на одной МНЛЗ сталеплавильного цеха ЧерМК ОАО «Северсталь».

Таблица 2.1- Геометрические параметры рабочих стенок

Прямоугольный кристаллизатор имеет две узких и две широких рабочих стенки, высотой H = 1 м. На каждую рабочую стенку расход воды подается отдельно. В прямоугольные пазы охлаждаемых стенок кристаллизатора вода поступает снизу с температурой 30¸35 °С и выходит сверху с температурой до 40¸45 °С. Скорость движения воды в пазах составляет примерно 6 м/с.

Верхние и нижние ролики служат для поддержания и транспортировки затвердевающего или затвердевшего сляба, и число их пар составляет, например, на МНЛЗ № 3 ЧерМК, 92 шт. Ролики контактируют с широкими гранями сляба, как показано на рисунке 2.5. Шаг S и диаметр D роликов увеличиваются вдоль технологической оси МНЛЗ, стабилизируясь на выходе из бункера ЗВО.

Ролики, в отличие от рабочей стенки кристаллизатора, находятся в нестационарных температурных условиях. Максимальная температура поверхности ролика t_max соответствует текущему месту контакта с поверхностью сляба, и не зависит от температуры охлаждающей воды t_в. Температурные напряжения, пропорциональны разности температур (t_max - t_в), поэтому чем выше температура охлаждающей воды, тем меньше температурные напряжения в ролике, и тем большую стойкость от ролика можно ожидать [38].

Рисунок 2.5-Схема взаимодействия роликов со слябом

На рисунке 2.6 показана схема охлаждения роликов МНЛЗ. Охлаждающая вода поступает по внутренней круглой трубе внутрь ролика, а затем по кольцевому каналу возвращается назад, забирая теплоту от внутренней поверхности ролика. Внешняя поверхность вращающегося ролика получает теплоту от сляба за счет излучения и контактного теплообмена. Путем теплопроводности в бочке ролика теплота передается охлаждающей воде. В настоящее время температура охлаждающей воды, нагретой в роликах МНЛЗ, обычно не превышает 45¸50°С, а нагрев воды при этом составляет 15¸20°С.

Рисунок 2.6-Схема охлаждения ролика

Теплоту, отводимую охлаждающей водой в кристаллизаторе и роликах возможно утилизировать, но для этого необходимо повысить ее температурный уровень. Для этого нужно перевести эти элементы МНЛЗ с охлаждения оборотной технической водой на охлаждение химически очищенной водой, циркулирующей по замкнутому контуру. Охлаждение нагретой воды производится в промежуточном поверхностном теплообменнике.

Нагрев охлаждающей воды в элементах МНЛЗ (кристаллизаторе и роликов) до 100 °С и выше можно осуществить разными способами. Например, в несколько раз уменьшить ее расход на эти элементы при той же температуре воды на входе (~30 °С), однако при этом из-за уменьшения скорости воды резко уменьшится коэффициент теплоотдачи к охлаждающей воде, и значительно возрастет температура рабочей поверхности этих элементов, что неблагоприятно отразится на их работе. Это связано с высокой плотностью теплового потока, отводимого в элементах МНЛЗ. На поверхности роликов плотность теплового потока значительно меньше (порядка 100 кВт/м²), при этом поверхность роликов, в отличие от поверхности рабочей стенки кристаллизатора, подвержена циклической тепловой нагрузке.

.3 Способы получения горячей воды в кристаллизаторе и роликах при существующей геометрии охлаждаемых каналов

В настоящее время ролики и кристаллизаторы МНЛЗ на ЧерМК ОАО «Северсталь» охлаждаются химочищенной водой с t_в » 30 °C. Вода, отводя теплоту, нагревается на 5¸10 °С. Затем эта вода охлаждается в промежуточных теплообменниках технической водой, и вновь направляется в ролики и кристаллизатор. Нагретая техническая вода, пройдя через промежуточные теплообменники направляется на градирни, там же охлаждается, отдавая теплоту окружающему воздуху (рисунок 2.7).

Рисунок 2.7-Принципиальная схема охлаждения оборудования МНЛЗ

Таким образом, отводимая от роликов и кристаллизатора теплота никак не используется и выбрасывается в атмосферу в градирнях. Это вызвано низким тепловым потенциалом охлаждающей воды и невозможностью ее дальнейшего использования. Повышение температуры охлаждающей воды до 80¸100 °С позволило бы использовать теплоту, отводимую от роликов и кристаллизатора МНЛЗ, например, в системе теплоснабжения предприятия.

Нагрев охлаждающей воды в элементах МНЛЗ до 100°С можно осуществить, если уменьшить расход (скорость) охлаждающей воды на эти элементы при той же температуре воды на входе (~30 °С). На рисунке 2.8 приведена зависимость температуры охлаждающей воды на выходе из кристаллизатора t²_кр от скорости ее движения по каналам кристаллизатора w. За исходное взяли значение скорости w₀ = 6 м/с, при котором нагрев воды в кристаллизаторе dt_кр0 = 5 °С.

Рисунок 2.8-Зависимость температуры t²_кр от w

Температура t²_кр рассчитывалась по выражению:

(2.6)

где температура воды на входе в кристаллизатор t¢_кр = 30 °С.

Как видно из рисунке 2.8 для того чтобы температура воды на выходе из кристаллизатора стала равной 100 °С необходимо снизить расход (скорость) воды в 15 раз, т.е. до w = 0,4 м/с. При этом из-за уменьшения скорости воды резко уменьшится коэффициент теплоотдачи к охлаждающей воде, и значительно возрастет температура рабочей поверхности этих элементов, что неблагоприятно отразится на их работе.

Максимальную температуру рабочей поверхности стенки кристаллизатора можно оценить по выражению [20]:

(2.7)

где q_max - максимальная плотность теплового потока на уровне мениска жидкой стали; l @ 385 Вт/(м×К) - коэффициент теплопроводность меди;

a_в = a_в(a, h, l, s) - эффективный коэффициент теплоотдачи от рабочей стенки к охлаждающей воде;

a = a (w, t_вод, h, l) - обычный коэффициент теплоотдачи от стенок каналов к воде;

d, h, l, s - геометрические размеры стенки щелевого кристаллизатора, показанные на рисунке 2.4; w - скорость воды в каналах.

Для расчета эффективного коэффициента теплоотдачи a_в в [20] получено выражение:

(2.8)

где  - линейное термическое сопротивления ребра рабочей стенки:

(2.9)

Коэффициенты D_k в (3.6) определяются по формуле:

где m_k - корни характеристического уравнения:

(2.10)

где  - критерий Био.

Известно, что корни m_k уравнения (2.10) представляют бесконечную последовательность возрастающих чисел: m₁ < m₂ < …< m_n < ….. Поэтому ряд в (2.6) является быстро сходящимся для точек с координатой х < h.

Обычный коэффициент теплоотдачи a определяется по известным эмпирическим зависимостям. Достаточно точной является формула Петухова [26], полученная при турбулентном течении капельных жидкостей и газов при 0,5 < Pr < 200 и 4000 < Re < 10⁷:

(2.11)

где  - критерий Рейнольдса;

 - критерий Нуссельта;

Pr - число Прандтля для воды;

x - коэффициент гидравлического сопротивления;

w - средняя скорость движения воды в охлаждаемых каналах;

d_э - эквивалентный диаметр канала; v_в - коэффициент кинематической вязкости для воды;

l_в - коэффициент теплопроводности для воды.

Величины v_в, l_в и Pr выбираются по температуре охлаждающей воды t_в. Коэффициент x можно рассчитать по формуле [26]:

(2.12)

Эквивалентный диаметр прямоугольного канала определяется так:

(2.13)

где f = 2l×2h - площадь сечения канала; р = 2×(2l + 2h) - периметр канала.

На ЧерМК применяются кристаллизаторы с параметрами: h = 0,025 м; 2l = 0,009 м; 2s = 0,026 м; d = 0,02 м. Например, при w = 6 м/с и t_в = 40 °С эффективный коэффициент теплоотдачи, рассчитанный по формулам (3.5)-(3.8), при данных размерах каналов равен a_в » 21920 Вт/(м²К). При w = 0,4 м/с и t_в = 100 °С эффективный коэффициент теплоотдачи составит a_в » 2290 Вт/(м²К). На рисунке 2.9 показана зависимость t_max от скорости воды в каналах w, рассчитанная по формуле (2.4) при q_max = 2,5 Вт/м².

Рисунок 2.9-Зависимость t_max от скорости движения воды в каналах w

Из рисунке 2.9 следует, что при скорости w = 6 м/с максимальная температура стенки кристаллизатора t_ст,max = 290 °С, что меньше критического значения 350 °С, при котором начинается интенсивный износ меди. При уменьшении скорости воды температура t_ст,max возрастает. Например, при w = 3,5 м/с температура t_ст,max » 350 °С, а при w = 1 м/с - t_ст,max » 710 °С. При скорости w = 0,4 м/с, когда температура воды на выходе из кристаллизатора составит 100 °С, максимальная температура рабочей поверхности составит t_ст,max » 1320 °С, что совершенно недопустимо.

Из приведенного примера видно, что простое уменьшение расхода охлаждающей воды через ролики и кристаллизатор МНЛЗ для увеличения нагрева воды недопустимо, т.к. это приведет к быстрому выходу оборудования МНЛЗ из строя.

Нагрев воды, охлаждающей кристаллизатор и ролики, до 100 °С, и выше, при существующих геометрических размерах каналов можно осуществить, если расходы охлаждающей воды на кристаллизатор и ролики и скорости воды в каналах оставить неизменными, а температуру охлаждающей воды на входе - увеличить. При неизменных расходах воды G_кр и G_рол нагрев воды в кристаллизаторах и роликах dt_кр и dt_рол не изменятся, т.к. температура охлаждающей воды практически не влияет на тепловые потоки, отводимые в кристаллизаторе и роликах.

Расчеты показывают, что при температуре воды t²_кр = 40 °С величина a_в составит 21920 Вт/(м²К), а максимальная температура рабочей поверхности t_max (при q_max = 2,5 МВт/м²) по формуле (2.4) не превысит
290 °С. При увеличении температуры воды до t²_кр = 100 °С величина a_в возрастет до 26080 Вт/(м²К), а t_max не превысит 325 °С. Таким образом, при увеличении температуры охлаждающей воды на выходе из кристаллизатора на 60 °С максимальная температура рабочей поверхности возрастет всего на 35 °С, и останется в пределах допустимой нормы. Это объясняется тем, что при увеличении температуры воды увеличивается коэффициент теплоотдачи a из-за снижения вязкости воды, в результате чего температура рабочей поверхности возрастает в меньшей степени, чем температура воды.

Плотность теплового потока, подводимого к поверхности ролика из легированной стали, во много раз меньше, чем к рабочей стенке кристаллизатора, кроме того, сталь является более прочной, чем медь. Средняя температура поверхности бочки ролика не превышает 400 °С. Максимальная температура поверхности ролика, в месте контакта с поверхностью сляба, слабо зависит от температуры охлаждающей воды, поэтому повышение средней температуры ролика уменьшит термические напряжения в бочке ролика, возникающие при его вращении. Стойкость роликов при этом не уменьшится, а может даже возрасти. Тепловой поток, отводимый роликами от сляба, при этом также практически не изменится. Ролик получает теплоту от сляба во многом за счет излучения, и при температуре поверхности сляба порядка 950°С небольшое увеличение температуры поверхности ролика (которая обычно меньше 400°С) практически не повлияет на теплообмен ролика со слябом.

Таким образом, повышение средней температуры охлаждающей воды в роликах может положительно влиять на их стойкость и срок службы в отличие от кристаллизатора, где такое повышение может несколько снизить стойкость кристаллизатора.

Чтобы никак не повлиять на стойкость кристаллизатора и теплообмен в кристаллизаторе, можно предложить еще один способ получения горячей воды, заключающийся в последовательном охлаждении кристаллизатора и роликов.

В настоящее время охлаждающая вода движется параллельно через кристаллизатор и группы роликов, по схеме, показанной на рисунке 2.10. При этом она имеет значительный расход и низкую температуру на сливе с оборудования, порядка 35¸45 °С.

Рисунок 2.10- Существующая схема движения охлаждающей воды

Для повышения температурного уровня нагреваемой воды можно применить последовательное движение воды, когда вода с тем же расходом G_кр проходит сначала кристаллизатор, где нагревается как обычно, например, от 30 до 40 °С (dt_кр = 10 °С), а дополнительный нагрев воды от 40 °С и выше будет происходить при ее последовательном прохождении через роликовые секции (рисунок 2.11).

Рисунок 2.11- Схема последовательного охлаждения кристаллизатора и роликов

Т.к. тепловой поток Q_рол, отводимый в роликах, в несколько раз превышает тепловой поток Q_кр, отводимый в кристаллизаторе той же МНЛЗ (Q_рол/Q_кр = 2¸4 раза в зависимости от длины МНЛЗ), то подогрев воды в МНЛЗ в схеме на рисунке 2.11 составит:

(2.14)

При dt_кр = 10 °С и Q_рол/Q_кр = 3 подогрев воды в МНЛЗ составит dt_м = 40 °С. При исходной температуре воды 30 °С температура нагретой воды на выходе из МНЛЗ составит 70 °С, что достаточно, например, для целей горячего водоснабжения.

Недостаток схемы на рисунке 2.11 в том, что, во-первых, необходимо менять схему движения охлаждающей воды на МНЛЗ. Для этого придется заменить перекачивающие насосы, и в любом случае придется останавливать действующие МНЛЗ. Во-вторых, данная схема не является гибкой - при изменении сечения разливаемого сляба или скорости разливки изменяются тепловые потоки Q_кр, Q_рол, и изменяется нагрев воды в МНЛЗ dt_м.

Из рассмотренных мною способов получения горячей воды в оборудовании МНЛЗ наиболее предпочтительным является способ, когда расходы охлаждающей воды и схемы движения воды остаются без изменения. В этом случае лишь повышается температура охлаждающей воды на входе и на выходе из оборудования. Данный способ используется в следующей главе при разработке схем утилизации теплоты, отводимой в кристаллизаторе и роликах МНЛЗ.

3. Разработка схем утилизации теплоты от МНЛЗ

.1 Схемы утилизации теплоты, отводимой в оборудовании МНЛЗ

На рисунке 3.1 показана схема охлаждения кристаллизатора и роликов МНЛЗ технической водой. Охлаждающая вода с расходом G_охл и температурой t¢_охл поступает с градирни, и разделяется на два потока. Один поток с расходом G_кр направляется на охлаждение кристаллизатора МНЛЗ, где нагревается от температуры t¢_кр = t¢_охл до температуры t²_кр, а второй поток с расходом G_рол направляется на охлаждение роликов, где нагревается от температуры t¢_рол = t¢_охл до температуры t²_рол. Нагретые потоки G_кр и G_рол смешиваются, и суммарный поток с расходом G_охл и температурой t²_охл направляется для охлаждения в градирню. В данной схеме вся теплота, которая отводится вместе с охлаждающей водой в роликах и кристаллизаторе теряется в градирне.

Рисунок 3.1- Существующая схема охлаждения оборудования МНЛЗ технической водой

На некоторых современных МНЛЗ (в частности, на ЧерМК ОАО «Северсталь») применяется схема охлаждения химочищенной водой с применением промежуточных теплообменников, показанная на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Схема охлаждения оборудования МНЛЗ химочищенной водой

В схеме на рисунке 3.2 кристаллизатор и ролики охлаждаются химочищенной водой, циркулирующей по замкнутым контурам (отдельно для кристаллизатора и роликов). Вода в количестве G_кр, нагретая в кристаллизаторе, охлаждается в поверхностном теплообменнике Т1, а вода в количестве G_рол, нагретая в роликах, охлаждается в теплообменнике Т2. Техническая вода, поступающая с градирни в количестве G_охл, разделяется на два потока: один в количестве G_охл1 направляется для нагрева в теплообменник Т1, другой в количестве G_охл2 направляется для нагрева в теплообменник Т2. После теплообменников нагретые потоки G_охл1 и G_охл2 смешиваются, и направляются для охлаждения в градирню. На рисунке 3.2 теплота, отводимая с охлаждающей водой в роликах и кристаллизаторе, также теряется в градирне.

Для утилизации теплоты охлаждения оборудования МНЛЗ можно предложить схему, показанную на рисунке 3.3. От водогрейной котельной (ВК) к коммунально-бытовым тепловым потребителям (ТП) по прямой магистрали подается прямая сетевая вода с расходом G_с.в и температурой t_пс. От тепловых потребителей обратная сетевая вода возвращается с температурой t_ос. Если расход сетевой воды G_с.в не превышает суммарного расхода охлаждающей воды G_охл на кристаллизаторы и ролики всех МНЛЗ при обычной схеме охлаждения, то вся обратная сетевая вода в количестве
G_м = G_с.в направляется в промежуточные теплообменники МНЛЗ, включенные параллельно: поток сетевой воды с расходом G_м1 проходит теплообменник Т1, входящий в контур охлаждения кристаллизатора, поток сетевой воды с расходом G_м2 проходит через теплообменник Т2, входящий в контур охлаждения роликов. Затем потоки G_м1 и G_м2 смешиваются и получатся общий поток сетевой воды с расходом G_м и температурой t_м, которая по условиям нормальной работы оборудования не должна превышать 95¸100 °С. Подогретая в теплообменниках сетевая вода направляется в водогрейную котельную, где нагревается до нужной температуры t_пс.

Если расход сетевой воды G_с.в превышает суммарный расход охлаждающей воды G_охл на кристаллизаторы и ролики всех МНЛЗ при обычной схеме охлаждения, то расход сетевой воды, направляемый для подогрева в теплообменники МНЛЗ, следует принимать равным G_м = G_охл, чтобы обеспечить нормальный гидравлический режим работы теплообменников.

При росте температуры наружного воздуха t_нар тепловая нагрузка Q_т, отпускаемая тепловым потребителям, значительно уменьшается. В определенных случаях величина Q_т при некоторой температуре t_нар может стать меньше величины SQ_м - суммарного выхода теплоты, отводимой от кристаллизаторов и роликов всех работающих МНЛЗ. В этом случае появляется избыточная теплота DQ = SQ_м - Q_т, которую некуда девать.

Рисунок 3.3 - Схема утилизации теплоты, отводимой в кристаллизаторах и роликах МНЛЗ

В этом случае теплота охлаждения оборудования большинства МНЛЗ может стать излишней, а отпуск переменной теплоты Q_гвс от одной или нескольких МНЛЗ становиться невозможно регулировать.

Поэтому более гибкой схемой, позволяющей плавно регулировать отпуск теплоты от всех МНЛЗ, является схема, показанная на рисунке 3.4.

Эта схема отличается наличием дополнительного теплообменника Т3, который охлаждается технической водой из градирни. Избыточная теплота DQ, которая появляется при повышении температуры наружного воздуха, отводится от сетевой воды, предварительно нагретой в теплообменниках Т1 и Т2, в теплообменнике Т3.

Рисунок 3.4 - Схема утилизации теплоты МНЛЗ (усложненная)

Штриховые линии на рисунке 3.4 соответствуют случаю, когда SQ_м > Q_т, т.е. когда появляется избыточная теплота. В этом случае сетевая вода (или ее часть), нагретая в Т1 и Т2, пропускается через теплообменник Т3, где охлаждается технической водой из градирни. Температура t_м сетевой воды после теплообменника Т3 должна равняться температуре прямой сетевой воды t_пс, и в этом случае, сетевая вода, минуя водогрейную котельную, направляется к тепловому потребителю, что показано соответствующей штриховой линией. В данной схеме нет необходимости резко «выключать» одну из МНЛЗ, а можно плавно уменьшать количество утилизируемой теплоты Q_УУ = SQ_м -DQ. Поскольку на МНЛЗ наряду с работающими теплообменниками Т1 и Т2 всегда имеются резервные теплообменники Т1 и Т2, то в качестве теплообменника Т3 можно использовать резервные теплообменники.

.2 Характеристики промежуточных теплообменников

От тепловой работы промежуточного теплообменника, изображённого на рисунке 3.4, зависит тепловая работа оборудования МНЛЗ. Рассмотрим тепловую работу промежуточных теплообменников, где охлаждается химочищенная вода из кристаллизатора и роликов, и нагревается сетевая вода. На рисунке 3.5 показана тепловая схема промежуточных теплообменников.

Рисунок 3.5- Тепловая схема промежуточных теплообменников

Обратная сетевая вода в количестве G_м (для данной МНЛЗ) с температурой t_о.с, направляется в промежуточные теплообменники МНЛЗ, включенные параллельно: поток сетевой воды с расходом G_м1 проходит теплообменник Т1, входящий в контур охлаждения кристаллизатора, поток сетевой воды с расходом G_м2 проходит через теплообменник Т2, входящий в контур охлаждения роликов. Затем потоки G_м1 и G_м2 смешиваются и получается общий поток сетевой воды с расходом G_м и температурой t_м. Химочищенная вода с расходом G_кр, охлаждающая кристаллизатор, нагревается в кристаллизаторе от температуры t¢_кр до t²_кр, и соответственно, охлаждается в теплообменнике Т1 от t²_кр до t¢_кр. Химочищенная вода с расходом G_рол, охлаждающая ролики, нагревается в роликах от температуры t¢_рол до t²_рол, и охлаждается в теплообменнике Т2 от t²_рол до t¢_рол.

Температуры химочищенной воды на выходе из кристаллизатора и роликов будут зависеть от температуры обратной сетевой воды t_о.с, от соотношения расходов первичного и вторичного теплоносителей, и от эффективности теплопередачи в теплообменниках. По условиям нормальной работы оборудования МНЛЗ температуры t²_кр и t²_рол не должны превышать 100¸110 °С.

Уравнения теплового баланса для кристаллизатора и роликов:

(3.1)

где W_кр = с_в×G_кр;

W_рол = с_в×G_рол - водяные эквиваленты для воды, охлаждающей кристаллизатор и ролики;

с_в @ 4,19 кДж/(кг×К) - теплоемкость воды, которую в интервале температур 0¸100 °С можно считать постоянной;

dt_кр, dt_рол - нагрев охлаждающей воды в кристаллизаторе и роликах:

(3.2)

Обычно в кристаллизаторе нагрев воды составляет dt_кр = 5¸10 °С; в роликах dt_кр = 15¸20 °С. Поскольку схеме утилизации теплоты на рис. 3.4 массовые расходы G_кр и G_рол остаются без изменений, то и нагрев воды в кристаллизаторе dt_кр и роликах dt_рол при тех же условиях не изменится.

Рассмотрим схему изменения температур греющей и нагреваемой воды в противоточном теплообменнике Т1, показанную на рис. 3.6. Сетевая вода с расходом G_м1 нагревается в Т1 от температуры t_о.с до t_м1. Максимальная разность температур в теплообменнике равна разности температуры воды на выходе из кристаллизатора и температуры обратной сетевой воды:

(3.3)

На рисунке 3.7 показана схема изменения температур греющей и нагреваемой воды в теплообменнике Т2. Сетевая вода с расходом G_м2 нагревается в Т2 от температуры t_о.с до t_м2. Максимальная разность температур в теплообменнике равна разности температуры воды на выходе из роликов и температуры обратной сетевой воды:

(3.4)

Рисунок 3.6 - Схема изменения температур воды в теплообменнике Т1

Рис. 3.7. Схема изменения температур воды в теплообменнике Т2

Тепловой поток, отводимый в поверхностном теплообменнике, можно определить по выражению [35]:

(3.5)

где e - коэффициент эффективности теплообменника;

Dt_max - максимальный температурный напор в теплообменнике;

W_м - наименьший из двух водяных эквивалентов теплоносителей.

Обычно уравнение (3.5) используется для того, чтобы определять тепловой поток Q по известной максимальной разности температур Dt_max, однако в данном случае тепловые потоки, отводимые в кристаллизаторе и роликах, а значит и в теплообменниках Т1 и Т2 можно считать известными, а неизвестной является величина Dt_max, которую можно выразить из (3.4):

(3.6)

Коэффициент e для противоточных водоводяных теплообменников при различных режимах работы можно определить по формуле [35]:

(3.7)

где W_б - наибольший из двух водяных эквивалентов теплоносителей;

Ф - параметр теплообменника, который при неизменном качестве поверхности нагрева остается постоянным в широком диапазоне изменения расходов теплоносителей. Величина Ф определяется выражением [35]:

(3.8)

где k - коэффициент теплопередачи в теплообменнике при данных W_м и W_б;

F - площадь поверхности нагрева теплообменника;

Dt_ср - среднелогарифмический температурный напор в теплообменнике;

dt_м и dt_б - наименьшее и наибольшее изменения температур теплоносителей, определяемые из соотношений:

(3.9)

Для отечественных пластинчатых теплообменников с чистой поверхностью нагрева величина Ф =1 [35]. Величина Ф зависит от длины одной пластины l теплообменника и количества теплообменников n, включаемых последовательно (обычно n = 1 ¸ 2), и для чистых теплообменников может определена по выражению: Ф = 1,1×l×n [35].

При загрязнении поверхности нагрева величина Ф снижается, и ее нужно определять экспериментально, например, используя выражение (3.8).

Рассмотрим случай, когда водяной эквивалент первичного теплоносителя W_п больше, чем у вторичного W_в, т.е. W_п = W_б, W_в = W_м. Выражение (3.6) можно записать в виде:

(3.10)

Подставляя (3.6) в (3.3), можно получить:

(3.11)

Пусть наоборот, W_п < W_в, т.е. W_п = W_м, W_в = W_б, тогда выражение (3.10) можно записать так:

(3.12)

Подставляя (3.12) в (3.3), получим:

(3.13)

Поскольку величина e зависит от отношения W_м/W_б, а отношение водяных эквивалентов первичного и вторичного теплоносителя для водоводянных теплообменников можно представить как:

(3.14)

то из выражений (3.8) и (3.10) следует, что отношение  является функцией отношения , и параметра Ф теплообменника.

На рисунке 3.8 показана зависимость  от  при условии  для трех значений параметра Ф = 0,7; 1; 2. На рисунке 3.9 показана зависимость  от  при условии  для те же Ф.

Рисунок 3.8- Зависимость  от ()

Зная отношение , нагрев первичного теплоносителя  в оборудовании (кристаллизаторе, роликах), и температуру обратной сетевой воды t_о.с, можно определить максимальную температуру первичного теплоносителя t²_п по выражению:

(3.15)

Пусть, например, максимальный нагрев химочищенной воды в кристаллизаторе составляет dt_п = 10 °С, температура обратной сетевой воды - t_о.с = 70 °С, тогда при параметре Ф = 1 и равенстве расходов воды, охлаждающей кристаллизатор и теплообменник Т1 (), из рисунка 3.8. получаем , а из формулы (3.15) -

Максимальный нагрев химочищенной воды в роликах составляет dt_п = 20 °С; при t_о.с = 70 °С, Ф = 1 и , , тогда

Рисунок 3.9-Зависимость  от ()

В рассмотренных примерах максимальная температура воды, нагретой в оборудовании, не превышает допустимой температуры 110 °С. Поскольку максимальная температура сетевой воды при температурном графике 70¸130 °С не превышает 70 °С, то отношение  можно считать максимально допустимым для кристаллизатора или роликов. С учетом возможного загрязнения поверхности нагрева теплообменника, данное соотношение должно быть меньше единицы ().

Например, если , то при загрязненной поверхности нагрева с Ф = 0,7 из рис. 3.8 получается . Тогда при dt_п = 20 °С; t_о.с = 70 °С, получается

Если тепловая сеть работает по температурному графику 50¸130 °С, т.е. максимальная температура обратной сетевой воды равна t_о.с = 50 °С, то при максимальном нагреве химочищенной воды dt_п = 10 °С из условия, что температура нагретой воды t²_п £ 110 °С, из (3.11) можно получить:

(3.16)

Например, из графика на рисунке 3.9 следует, что при Ф = 1 и  отношение , т.е. удовлетворяет предыдущему неравенству.

Таким образом, допустимое отношение , которое необходимо для нормальной работы оборудования МНЛЗ, зависит от максимальной температуры обратной сетевой воды t_о.с, от максимального нагрева воды dt_п в оборудовании, и от параметра Ф теплообменника.

Нагрев сетевой воды в теплообменнике определяется по выражению:

(3.17)

Например, при  и dt_п = 10 °С, нагрев сетевой воды составит dt_в = 50 °С, а при  - dt_в = 10 °С.

Подогрев сетевой воды в промежуточных теплообменниках МНЛЗ определяется выражением:

(3.18)

где G_м = G_м1 + G_м2.

Температура сетевой воды t_м, получаемой при смешении воды, подогретой в теплообменниках Т1 и Т2 на схеме рисунка 3.5, определяется так:

(3.19)

Величина t_м, определяемая выражением (3.19), может относиться к одной МНЛЗ, если величины G_м, G_кр и G_рол относятся к одной МНЛЗ, либо это температура сетевой воды, идущей на котельную после всех МНЛЗ, тогда G_м, G_кр и G_рол - суммарные расходы воды для всех МНЛЗ.

.3 Утилизация теплоты от МНЛЗ в системе теплоснабжения ЧМК

Рассмотрим схему утилизации теплоты, отводимой оборудованием МНЛЗ, показанную на рисунке 3.4, применительно к ЧерМК ОАО «Северсталь».

При одновременной работе всех (пяти) двухручьевых МНЛЗ конвертерного производства ЧМК на охлаждение кристаллизаторов подается воды G_кр @ 5000 т/ч = 1389 кг/с, на охлаждение роликов и прочего оборудования G_рол @ 7000 т/ч = 1945 кг/с. Нагрев воды при этом составляет в среднем dt_кр = 6,5 °С в кристаллизаторах и dt_рол =16 °С в роликах.

Тепловые потоки, отводимые во всех кристаллизаторах и во всех роликах, будут, соответственно, равны:

где с_в = 4,19 кДж/(кг×К).

Тепловой поток, отводимый в промежуточных теплообменниках всех МНЛЗ, равен:

Рассмотрим вариант, когда сетевая вода, предварительно нагретая в промежуточных теплообменниках МНЛЗ, дополнительно подогревается на водогрейной котельной. На ОАО «Северсталь» для обеспечения теплом потребителей используются 4 водогрейных котла ПТВМ-100, работающих параллельно. Основные характеристики котлов [30, 39] приведены в таблице 3.1. Номинальная теплопроизводительность четырех котлов ПТВМ-100 составляет 400 Гкал/ч = 1676 ГДж/ч.

Таблица 3.1- Основные характеристики котла ПТВМ-100

Расход сетевой воды в контуре котельной определяется установленными на водогрейной котельной сетевыми насосами и составляет G_с.в = 6000 т/ч. Т.к. расход сетевой воды G_с.в не превышает сумму расходов воды на кристаллизаторы и ролики всех МНЛЗ G_кр и G_рол, то всю сетевую воду следует направлять в промежуточные теплообменники, т.е. G_м = G_с.в = 6000 т/ч. Подогрев сетевой воды в промежуточных теплообменниках, как следует из формулы (3.13), составит:

Сталеплавильное производство ОАО «Северсталь» подключено к отопительному контуру водогрейной котельной, работающей по температурному графику 130°С/70°С со срезом на 110 °С [2, 23, 40, 41] (рисунок 3.10). Таким образом температура сетевой воды в подающем трубопроводе в самый холодный период составляет 110 °С, а максимальный перепад температур в подающем и обратном трубопроводах составляет 52,6 °С.

Суммарные расчетные тепловые нагрузки по отопительному контуру водогрейной котельной ОАО «Северсталь» составляют:

на отопление  или 769,9 ГДж/ч;

на вентиляцию  или 625,35 ГДж/ч

на горячее водоснабжение  или 59,9 ГДж/ч.

Рисунок 3.10 - Температурный график сетевой воды на ОАО «Северсталь»

Расчетная тепловая нагрузка водогрейной котельной составляет:

По известным тепловым нагрузкам можно построить график годового потребления теплоты [12, 17, 35] (рис. 3.10), где по оси абсцисс отложена тепловая нагрузка Q_т, Гкал/ч, отпускаемая тепловым потребителям, определяемая выражением:

(3.20)

где G_с.в - расход сетевой воды, кг/с;

t_пс, t_ос - температуры прямой и обратной сетевой воды, которые определяются из температурного графика на рисунке 3.10 в зависимости от температуры наружного воздуха t_нар.

По рисунку 3.11 величину Q_т можно определить в зависимости от температуры наружного воздуха t_нар, и в зависимости от продолжительности тепловых нагрузок.

Как видно из рисунка 3.11, теплота, сообщаемая сетевой воде в промежуточных теплообменниках МНЛЗ (SQ_м = 157,5 Гкал/ч) позволит полностью перекрыть нагрузку горячего водоснабжения в течение всего года, а в отопительный период и часть нагрузки на отопление и вентиляцию.

Рисунок 3.11- График годового потребления теплоты на ОАО «Северсталь»

Расход сетевой воды через промежуточные теплообменники составит G_м = 6000 т/ч, при этом через теплообменники Т1 (в контуре кристаллизаторов) расход сетевой воды равен примерно половине этого расхода, т.е. G_м1 @ 3000 т/ч, через теплообменники Т2 (в контуре роликов) - G_м2 @ 3000 т/ч. Соотношение G_п/G_в для теплообменников Т1 составит 5000/3000 @ 1,7; для теплообменников Т2 - 7000/3000 @ 2,3. По рис. 3.9 определим зависимость , которая для теплообменника Т1 составит 2,5, для теплообменника Т2 - 3 (при Ф = 1). Из рисунке 3.10 следует, что максимальная температура обратной сетевой воды, с учетом срезки, составляет t_о.с @ 60 °С.

Максимальная температура воды, нагретой в кристаллизаторах, составит:

t²_кр = t_о.с + ×dt_кр = 60 + 2,5·6,5 = 76 °С;

Максимальная температура воды, нагретой в роликах, составит:

t²_рол = t_о.с + ×dt_рол = 60 +3·16 = 108 °С. (3.21)

Нагрев сетевой воды в теплообменнике кристаллизаторов согласна выражения (3.12) составит dt_в = 6,5·2,3 = 15°С, в теплообменнике роликов dt_в = 16·3 = 48 °С. Температура сетевой воды t_м, получаемой на выходе из теплообменников Т1 и Т2 согласно формулам (3.13) и (3.14) составит

t_м = 60 + 6,5·(5000/6000) + 16·(7000/6000) = 84 °С.

Теплота SQ_м равна теплоте подогрева сетевой воды, проходящей через теплообменники Т1 и Т2:

(3.22)

Если теплота, отводимая в промежуточных теплообменниках МНЛЗ, SQ_м больше тепловой нагрузки Q_т, отпускаемой тепловым потребителям, то избыточная теплота, отводимая в теплообменнике Т3 в схеме на рис. 3.4, равна:

(3.23)

Температура сетевой воды t_м, выходящей после теплообменников Т1, Т2 и Т3, в данном случае должна равняться температуре прямой сетевой воды t_пс, определяемой в зависимости от температуры наружного воздуха.

Утилизируемая теплота в этом случае равна:

(3.24)

Из графика годового потребления теплоты на ОАО «Северсталь», показанном на рисунке 3.11, следует, что тепловая мощность SQ_м = 157,5 Гкал/ч отпускаемая МНЛЗ, в течение 5000 ч в году меньше тепловой нагрузки котельной Q_т, и в течение этого времени вся теплота SQ_м может быть утилизирована в системе теплоснабжения, связанной с данной котельной. В течение отопительного периода, длящегося 5080 ч в году, количество утилизированной теплоты от МНЛЗ составит примерно:

Q_уу @ 157,5×5080 = 797 560 Гкал = 3 353 тыс. ГДж.

Экономия условного топлива на котельной при подогреве сетевой воды в теплообменниках МНЛЗ в течение отопительного периода составит [32]:

где  - теплота сгорания условного топлива, ГДж/т.у.т; h_к @ 0,9 - КПД водогрейной котельной.

Экономия природного газа (топлива на водогрейной котельной) при теплоте сгорания 35 МДж/м³ составит 106 млн. м³, что при цене на природный газ 4,75 руб/м³ составит денежную экономию затрат на покупное топливо в размере 503,5 млн. руб. в течение отопительного периода.

Расчет экономии условного топлива проведен при условии, что тепловая мощность SQ_м, отпускаемая МНЛЗ, не изменяется в течение года, однако, часто, одна, две или несколько МНЛЗ могут по тем или иным причинам не работать, в результате чего пропорционально числу работающих МНЛЗ уменьшается величина SQ_м. Соответственно, количество утилизированной теплоты в течение отопительного периода будет меньше, чем в приведенных расчетах, когда величина SQ_м соответствует одновременной работе всех пяти МНЛЗ.

Также достигается уменьшение тепловых выбросов в атмосферу в количестве, равном утилизированной теплоте Q_уу, а также уменьшение выбросов СО₂, которое при уменьшении расхода природного газа в котельной, составит примерно 60 кг на 1 ГДж утилизированной теплоты. При Q_уу = 660 ГДж/ч, снижение выбросов СО₂ в атмосферу составит примерно 40 т/ч.

Применительно к ЧерМК ОАО «Северсталь» капитальные затраты на реализацию мероприятия по утилизации теплоты являются не очень значительными, т.к. промежуточные теплообменники для охлаждения химочищенной воды, нагретой в кристаллизаторе и роликах, на большинстве МНЛЗ уже имеются, а другие МНЛЗ планируют перевести на охлаждение химочищенной водой (для увеличения срока службы оборудования МНЛЗ). Требуется проложить лишь дополнительный участок тепловой сети, связывающий сталеразливочный цех с водогрейной котельной.

Разработаны схемы утилизации теплоты, отводимой в промежуточных теплообменниках МНЛЗ, в системе теплоснабжения металлургического предприятия; описана их работа.

Рассмотрены характеристики промежуточных теплообменников, тепловая работа которых во многом определяет температурный режим оборудования МНЛЗ (кристаллизатора и роликов).

Рассмотрены схемы утилизации теплоты, отводимой в промежуточных теплообменниках МНЛЗ, применительно к Череповецкому металлургическому комбинату ПАО «Северсталь».

Рассчитаны энергетический, экономический и экологический эффекты от утилизации теплоты, отводимой в промежуточных теплообменниках МНЛЗ, в системе теплоснабжения ЧерМК ОАО «Северсталь».

4. Экономическая целесообразность проекта

Новая система водоснабжения является наиболее выгодной с экономической точки зрения: увеличивается производительность машины, повышается срок службы оборудования из-за меньшего воздействия коррозионных факторов, что приводит к снижению себестоимости выпускаемой продукции, уменьшаются затраты на капитальный ремонт.

.1 Расчет капитальных вложений при проектировании нового оборудования

Капитальные вложения К_н.о, руб., могут быть определены по формуле:

(4.1)

где - оптовая цена нового оборудования, изготовленного по проекту, руб.;

- транспортно - заготовочные затраты, руб.;

- затраты на монтаж, руб.;

- затраты на специальные строительные работы, руб.

 от ,  = 15% от,  = 21% от .

= 48,71 млн. руб;

= 2,44 млн. руб;

= 7,31 млн. руб;

= 10,23 млн. руб.

млн.руб

4.2 Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования

Данная комплексная статья включает в себя виды затрат:

амортизационные отчисления;

затраты на малоценные и быстроизнашивающиеся предметы.

Амортизационные отчисления - это часть первоначальной стоимости, переносимая на продукцию в течение одного года. Амортизационные отчисления И_а, руб., рассчитываются по формуле:

(4.2)

где Н_а - норма амортизационных отчислений от первоначальной стоимости основных фондов;

К_о - первоначальная стоимость основных фондов.

Норма амортизационных отчислений от первоначальной стоимости основных фондов насосной станции составляет Н_а = 5,0%.

Первоначальная стоимость основных фондов в данном случае равна капитальным вложениям К_о = 68,69 млн. руб.

= = 3 млн. 345 тыс. руб.

Так как не применяется быстроизнашивающееся оборудование, то этой статьей можно пренебречь.

Таким образом, расходы на содержание и эксплуатацию оборудования будут состоять только из амортизационных отчислений.

.3 Определение экономического эффекта и экономической эффективности

Определение экономической эффективности проектных разработок заключается в расчете срока окупаемости Т_р и коэффициента эффективности капиталовложений Е_р.

Размеры денежной экономии Э_г руб., определяются разностью приведенных затрат в пересчете на годовой объем работ.

Годовая экономия достигается за счет более длительного срока службы роликов и оборудования МНЛЗ, а именно срок службы увеличивается в два раза. За счет этого в год экономится сумма равная 1/3 от стоимости всех роликовых секций и оборудования:

(4.3)

где Ц_об - стоимость роликовых секций и оборудования;

n - количество роликовых секций.

 = 30×1331838/3 = 13,32 млн руб./год

Так же годовая экономия достигается за счет увеличения производительности МНЛЗ №5 от 700 тыс. тонн стали в год до 2 млн тонн.

(4.4)

где - m₁ и m₂ производительность МНЛЗ до и после модернизации;

Ц_ст - прибыль от 1 тыс. тонн стали, 34 тыс. руб.

= 700×34000 = 23800000 млн руб./год

= 2000×34000 = 68000000 млн руб./год

(4.5)

 = 68000000 - 23800000 = 44200000 руб./год = 44,2 млн руб./год

(4.6)

 = 44,2 + 13,32 +3,35 = 60,87 млн руб./год

Экономический эффект Э_ф рассчитывается по формуле:

(4.7)

 = 60870000- 68690000·0,15 = 50566500 руб.

Расчетный срок окупаемости Т_р, год., составляет:

(4.8)

 = 68690000/60870000 = 1,1 года

Расчетный коэффициент экономической эффективности проекта составляет:

(4.9)

 = 1/1,1=0,91

Данный проект является экономически выгодным, т.к. полученные технико-экономические показатели выше нормативных.

5. Безопасность жизнедеятельности

Безопасность жизнедеятельности представляет собой область научных знаний, охватывающих теорию и практику защиты человека от опасных и вредных факторов во всех сферах человеческой деятельности, сохранение безопасности и здоровья в среде обитания.

Основными задачами БЖД является:

.сохранение здоровья и работоспособности человека;

.выбор параметров состояния среды обитания;

.применение мер защиты от негативных факторов естественного и антропогенного происхождения;

.интегрирует знания по охране труда, охране окружающей среды, гражданской обороне.

Обеспечение безопасности жизнедеятельности человека на производственных предприятиях занимается «охрана труда».

Охрана труда - система обеспечения безопасности жизни и здоровья работников в процессе трудовой деятельности, включающая правовые, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические, социально-экономические, психофизические, реабилитационные и другие мероприятия. Функциями охраны труда являются исследования гигиены труда и санитарии, проведение мероприятий по снижению влияния вредных факторов на организм работников в процессе труда.

На человека в процессе его трудовой деятельности могут воздействовать вредные (вызывающие заболевания) и опасные (вызывающие травмы) производственные факторы. Вредные и опасные производственные факторы (ГОСТ 12.0.003-74) подразделяются на четыре группы: физические, химические, биологические и психофизиологические.

5.1 Анализ условий труда персонала при обслуживании системы охлаждения МНЛЗ

Персонал, обслуживающий систему охлаждения МНЛЗ, подвергается следующим вредным и опасным факторам:

•электрический ток;

•повышенная температура поверхности оборудования;

•повышенный уровень вибрации и шума;

•разрывы трубопроводов;

•отклонения от нормативных параметров микроклимата помещения;

•расположение рабочего места на высоте.

Вибрация - сложный колебательный процесс, возникающий при периодическом смещении центра тяжести какого-либо тела от положения равновесия, а также при периодическом изменении формы тела, которую оно имело в статическом состоянии.

Вибрация возникает под действием внутренних или внешних динамических сил, вызванных плохой балансировкой вращающихся и движущихся частей машин, неточностью взаимодействия отдельных деталей узлов, ударными процессами технологического характера, неравномерной рабочей нагрузкой машин, движением техники по неровности дороги и т.д. Вибрации от источника передаются на другие узлы и агрегаты машин и на объекты защиты, т.е. на сиденья, рабочие площадки, органы управления, а вблизи стационарной техники - и на пол (основание). При контакте с колеблющимися объектами вибрации передаются на тело человека.

Вибрация делится на общую, локальную и фоновую. Местная вибрация малой интенсивности может оказать благоприятное воздействие на организм человека: восстановить трофические изменения, улучшить функциональное состояние центральной нервной системы, ускорить заживление ран и т.п.

Увеличение интенсивности колебаний и длительности их воздействия вызывают изменения в организме работающего. Эти изменения (нарушения центральной нервной и сердечно-сосудистой систем, появление головных болей, повышенная возбудимость, снижение работоспособности, расстройство вестибулярного аппарата) могут привести к развитию профессионального заболевания - вибрационной болезни.

Наиболее опасны вибрации с частотами 2...30 Гц, так как они вызывают резонансные колебания многих органов тела, имеющих в этом диапазоне собственные частоты.

Рабочий персонал подвергается общей вибрации, воздействие которой может привести к нарушению нормальной деятельности вестибулярного аппарата, головным болям, нарушениям сна, снижению работоспособности.

Шум (звук) - упругие колебания в частотном диапазоне слышимости человека, распространяющиеся в виде волны в газообразных средах.

Производственный шум - совокупность звуков различной интенсивности и частоты, беспорядочно изменяющихся во времени и вызывающих у работников неприятные ощущения.

Шум с уровнем звукового давления до 30...45 дБ привычен для человека и не беспокоит его. Повышение уровня звука до 40...70 дБ создает дополнительную нагрузку на нервную систему, вызывает ухудшение самочувствия и при длительном воздействии может стать причиной неврозов.

Длительное воздействие шума с уровнем свыше 80 дБ может привести к ухудшению слуха - профессиональной тугоухости. При действии шума свыше 130 дБ возможен разрыв барабанных перепонок, контузия, а при уровнях звука свыше 160 дБ вероятен смертельный исход.

Шум звукового диапазона на производстве приводит к снижению внимания и увеличению ошибок при выполнении работы. В результате снижается производительность труда и ухудшается качество выполняемой работы. Шум замедляет реакцию человека на поступающие от технических объектов и внутрицехового транспорта сигналы, что способствует возникновению несчастных случаев на производстве.

Поражение человека электрическим током возможно только при замыкании электрической цепи через тело человека. Это возможно при:

• прикосновении к корпусам электроустановок, случайно оказавшихся под напряжением (повреждение изоляции);

• прикосновении к открытым токоведущим частям оборудования и проводам;

• воздействии атмосферного электричества во время грозовых разрядов;

• освобождении человека, находящегося под напряжением;

• шаговом напряжении;

• действии электрической дуги.

Проходя через организм, электрический ток оказывает следующие воздействия: термическое (нагревает ткани, кровеносные сосуды, нервные волокна и внутренние органы вплоть до ожогов отдельных участков тела); электролитическое (разлагает кровь, плазму); биологическое (раздражает и возбуждает живые ткани организма, нарушает внутренние биологические процессы).

Электрический удар - поражение организма человека, вызванное возбуждением живых тканей тела электрическим током и сопровождающееся судорожным сокращением мышц. В зависимости от возникающих последствий электрические удары делят на четыре степени: I - судорожное сокращение мышц без потери сознания; II - судорожное сокращение мышц с потерей сознания, но с сохранившимися дыханием и работой сердца; III - потеря сознания и нарушение сердечной деятельности или дыхания (или того и другого); IV - состояние клинической смерти.

Различают два вида поражения электрическим током: общее и местное. Общее травматическое действие тока (электрический удар) возникает при прохождении тока недопустимых величин через организм человека и характеризуется возбуждением живых тканей организма, непроизвольным сокращением различных мышц тела, сердца, легких, других органов и систем, при этом происходит нарушение их работы или полная остановка.

Микроклимат производственных помещений определяется действующими на организм человека сочетаниями температуры, влажности и скорости движения воздуха, а также температурой окружающих поверхностей.

При благоприятных сочетаниях параметров микроклимата человек, условием жизнедеятельности которого является сохранение постоянства температуры тела, испытывает состояние теплового комфорта - важного условия высокой производительности труда и предупреждения заболеваний.

Неблагоприятные метеорологические условия окружающей среды возникают при отклонении действующих на человека сочетаний температуры, влажности, скорости движения воздуха от оптимальных.

Значительное отклонение микроклимата рабочей зоны от оптимального может привести к резкому снижению работоспособности и к профессиональным заболеваниям.

.2 Меры по обеспечению безопасных и здоровых условий труда

Борьба с шумом на производстве осуществляется комплексно и включает меры технологического, санитарно-технического, лечебно-профилактического характера.

При обслуживании системы охлаждения МНЛЗ предусматриваются следующие методы защиты персонала от шума:

•устройство звукоизолированных рабочих мест для персонала;

•звукоизоляция ограждающих конструкций;

•установка в помещениях на пути распространения шума звукопоглощающих конструкций и экранов;

•укрытие источников шума в кожухи;

•создание шумозащитных зон в различных местах нахождения людей;

•использование под полом упругих прокладок без жесткой их связи с несущими конструкциями зданий;

•установкой оборудования на амортизаторы или специально изолированные фундаменты;

•применение средств индивидуальной защиты (противошумные наушники, вкладыши, шлемы и каски, костюмы).

Мероприятия по защите от вибраций подразделяют на технические, организационные и лечебно-профилактические.

Для снижения воздействия вибрирующих машин на организм человека применяются следующие меры и средства:

•устранение вибраций в источнике и на пути их распространения;

•ременных передач вместо цепных;

•применение деталей из пластмасс;

•балансировка вибрирующего оборудования;

•выбор оптимальных рабочих режимов;

•повышение точности и качества обработки деталей.

•применение СИЗ (рукавицы, перчатки, спецобувь с виброзащитными упругодемпфирующими элементами и др).

При эксплуатации техники уменьшения вибраций можно достигнуть путем своевременной подтяжки креплений, устранения люфтов, зазоров, качественной смазки трущихся поверхностей и регулировкой рабочих органов.

В качестве средств и методов защиты персонала от поражения электрическим током применяют:

•изоляцию токоведущих частей (нанесение на них диэлектрического материала - пластмасс, резины, лаков, красок, эмалей и т.п.);

•двойную изоляцию - на случай повреждения рабочей;

•изоляцию рабочего места (пола, настила);

•воздушные линии, кабели в земле и т.п.;

•блокировочные устройства, автоматически отключающие напряжение электроустановок, при снятии с них защитных кожухов и ограждений;

•ограждение электроустановок;

•заземление или зануление корпусов электроустановок, которые могут оказаться под напряжением при повреждении изоляций;

•автоматическое отключение электроустановок;

•выравнивание электрических потенциалов;

•предупреждающую сигнализацию (звуковую, световую) при

появлении напряжения на корпусе установки, надписи, плакаты, знаки;

•средства индивидуальной защиты.

Необходимые характеристики микроклимата воздуха рабочей зоны обеспечиваются вентиляцией. Для обеспечения необходимой температуры воздуха в рабочей зоне в холодный период и в теплый период служит приточная и вытяжная вентиляция. Необходимую относительную влажность в рабочей зоне и кратность воздухообмена обеспечивает общеобменная вентиляция.

.3 Меры по обеспечению устойчивой работы системы охлаждения МНЛЗ в условиях чрезвычайных ситуаций

Под устойчивостью работы объекта народного хозяйства понимается способность объекта выпускать установленные виды продукции в объемах и номенклатурах, предусмотренных соответствующими планами (для объектов, не производящих материальные ценности, - транспорт, связь и др. - выполнять свои функции), в условиях ЧС, а также приспособленность этого объекта к восстановлению в случае повреждения.

В работе системы охлаждения МНЛЗ могут возникнуть следующие ЧС:

•пожар;

•взрыв;

•обрушение здания;

•аварии на системах жизнеобеспечения;

•природные ЧС.

Основными причинами возникновения ЧС являются:

•сложность технологий производства;

•недостаточная квалификация персонала;

•проектно - конструкторские недоработки;

•физический и моральный износ оборудования;

•низкая трудовая и технологическая дисциплина;

•наличие источника риска;

•действие факторов риска.

Основные мероприятия, для повышения устойчивости работы промышленных объектов:

•защита рабочих и служащих;

•повышение прочности и устойчивости важнейших элементов объектов и совершенствование технологического процесса;

• повышение устойчивости управления объектом;

• повышение устойчивости материально-технического снабжения;

•разработка мероприятий по уменьшению вероятности возникновения вторичных факторов поражения и ущерба от них;

•подготовка к восстановлению производства после поражения объекта.

При планировании мероприятий по подготовке объекта к устойчивой работе в экстремальных условиях предусматриваются мероприятия по защите оборудования, созданию и укрытию запасов материальных средств и сооружений, систем энерго-, водо- и газоснабжения, разработке упрощенных технологических процессов. При возможной остановке предприятия на длительный срок необходимо предусмотреть порядок остановки оборудования, отключения систем энерго-, водо- и газоснабжения, опорожнения ядовитых, замерзающих жидкостей из емкостей и трубопроводов и облегчения доступа к средствам пожаротушения.

6. Меры по охране окружающей среды

Под охраной окружающей среды понимают совокупность международных, государственных и региональных правовых актов, инструкций и стандартов, доводящих общие юридические требования до каждого конкретного загрязнителя и обеспечивающих его заинтересованность в выполнении этих требований, конкретных природоохранных мероприятий по претворению в жизнь этих требований.

В цехе разливки стали ОАО “Cеверсталь” при обслуживании системы охлаждения МНЛЗ проводятся следующие природоохранные мероприятия:

•утилизация отработанного масла;

•утилизация спецодежды;

•утилизация люминесцентных ламп;

•ликвидация утечек масла.

Утилизация отработанного масла производится путем воздействия коагулята оксихлорид алюминия. В результате коагуляции нефтепродуктов и других загрязнителей образуется водонепроницаемый осадок. Образовавшийся твердый осадок (пульпа), по степени накопления, выгружается из емкости для обезвреживания и переработки в гидрофобный порошок, обладающий высокими силикатными свойствами, который можно использовать в строительстве при изготовлении гидрозащитных оснований, площадок, при строительстве хранилищ, отстойников, обсыпок дорог и др.

Люминесцентная лампа представляет собой трубку длиной до 70 см и диаметром до 4 см и сделана из бесцветного и прозрачного стекла, а так же из цветного для декорирования. На ее внутреннюю поверхность нанесен плотный слой бесцветных кристаллов люминофора, придающий ей белый (молочный) цвет. Из трубки откачан воздух, впущено немного аргона и помещена капелька ртути, которая при разогревании электродов превращается в ртутный пар, заполняющий всю трубку. Примесь аргона нужна для лучшего использования электрической энергии в разряде, свечение же разряда в основном определяется ртутью.

Одной из самых важных проблем, связанных с люминисцентными лампами является проблема их утилизации. Необходимость в специализированных условиях утилизации ртутных ламп объясняется, прежде всего, их высокой токсичностью и жесткими требованиями со стороны проверяющих органов.

Содержащаяся в люминесцентных лампах ртуть при их бое является потенциальным источником загрязнения различных помещений. Ртуть относится к веществам первого класса опасности и применительно к здоровью (патологии) человека обладает широким спектром клинических проявлений токсического действия. Накопление и хранение таких отходов на территории предприятий допускается временно до отправки на утилизацию в установленном порядке.

Утечки масла в помещения ликвидируются засыпкой места разлива деревянными опилками, после впитывания масла масса убирается деревянной лопатой, во избежание возникновения искры.

Заключение

Целью диссертационной работы являлась разработка способов и схемы утилизации теплоты, отводимой от кристаллизатора и роликов МНЛЗ, в системе теплоснабжения предприятия. Для достижения данной цели было сделано следующее:

1.       Произведена оценка целесообразности и возможности утилизации теплоты воды, охлаждающей кристаллизаторы и ролики МНЛЗ, где отводится примерно половина всей теплоты, отводимой от сляба в МНЛЗ. Разработаны способы получения горячей воды при неизменных геометрических размерах охлаждающих каналов кристаллизатора и роликов.

2.       Рассмотрена возможность утилизации теплоты паровоздушной смеси, удаляемой из бункера МНЛЗ, и неиспарившейся воды. Отмечено, что ПВС и неиспарившаяся вода отводят примерно половину всей теплоты, отводимой от сляба в системе охлаждения МНЛЗ. Однако, из-за низкой температуры ПВС, и сильной загрязненности неиспарившейся воды, утилизация их теплоты в настоящее время представляется нецелесообразной. При исключении подсосов воздуха в бункер ЗВО и повышении температуры ПВС до значения выше 90 °С утилизация ее теплоты может стать целесообразной.

.        Разработаны схемы утилизации теплоты, отводимой в промежуточных теплообменниках МНЛЗ, в системе теплоснабжения металлургического предприятия; описана их работа. Рассмотрены характеристики промежуточных теплообменников, тепловая работа которых во многом определяет температурный режим оборудования МНЛЗ (кристаллизатора и роликов).

.        Рассмотрены схемы утилизации теплоты, отводимой в промежуточных теплообменниках МНЛЗ, применительно к Череповецкому металлургическому комбинату ОАО «Северсталь». Рассчитаны энергетический и экологический эффекты от утилизации теплоты, отводимой в промежуточных теплообменниках МНЛЗ, в системе теплоснабжения ЧерМК ОАО «Северсталь». Установлено, что наибольшие энергетический и экологический эффекты при утилизации теплоты от МНЛЗ достигаются в схемах, включающих водогрейную котельную.

Список использованных источников

1.       Амиров, Р.Я. Технические системы [Текст] / Р.Я. Амиров, И.М. Уракаев и др. - Уфа, Гилем, 2000 - 600 с.

2.       Апарцев, М.М. Наладка водяных систем централизованного теплоснабжения [Текст]: Справочно-методическое пособие / М.М. Апарцев.- Москва: Энергоатомиздат. - 1983. - 204 с.

.        Баскаков, А.П. Теплотехника [Текст] / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, O.K. Витг. - Москва: Энергоатомиздат, 1991. 224 с.

.        Безруких, П.П. Нетрадиционная энергетика [Текст] / П.П. Безруких // Рос. хим. журн. - 1997. - № 6. - С. 82 - 91.

.        Белан, Ф.И. Водоподготовка промышленных котельных [Текст] / Ф.И. Белан, Г.П. Сутоцкий. - Москва: Энергия. - 1969 г. - 328 с.

.        Ефимов, В.А. Современные технологии разливки и кристаллизации сплавов [Текст] / В.А. Ефимов, А.С. Эльдарханов. - Москва: Машиностроение, 1998. - 360 с.

.        Журавлев, Б.А. Наладка и регулирование систем вентиляции и кондиционирования воздуха [Текст]: Справочное пособие / Б.А. Журавлев.- Москва: Стройиздат. - 1980. - 234 с.

.        Здоровый, А.К. комплекс теплоутилизирующих, тепло- и металлосберегающих мероприятий в линии МНЛЗ и прокатных станов [Текст] / А.К. Здоровый, В.А. Белый и др. // Использование вторичных энергоресурсов и охлаждение агрегатов в черной металлургии: Темат. сб. научн. тр. - Науч.-произв. об-ние по защите атмосферы, водоемов, использ. вторичных энергоресурсов и охлаждению металлургических агрегатов на предприятиях черной металлургии (НПО «Электросталь»). - Москва: Металлургия. - 1991. - С. 45-50.

.        Злобин, А.А. Некоторые технико-экономические оценки при внедрении тепловых насосов в промышленности [Текст] / А.А. Злобин, В.Н. Курятов, А.П. Мальцев, Г.А. Романов.- Вестник МЭИ №3. - 2004.

.        Белый, В.А. Комплексная система вторичного охлаждения машин непрерывного литья заготовок с использованием тепла и получением конденсата [Текст] / В.А. Белый, М.В. Сагайдак и др.// Теплоутилизационная техника и проблемы охлаждения в черной металлургии: Темат. сб. науч. тр. / Всесоюз. н. -и. и проект. ин-т по очистке технол газов, сточ. вод и использ. вторичн. энергоресурсов предприятий черн. Металлургии. - Москва: Металлургия. - 1987. - 64 с.

.        Гичёв, Ю.А. Вторичные энергоресурсы промышленных предприятий [Текст]. Часть І: Конспект лекций / Ю.А. Гичёв. - Днепропетровск: НМетАУ. - 2012. - 57 с.

.        Григорьев, В.А. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника [Текст] / В.А. Григорьев В.М. Зорин. - Москва: Энергоатомиздат. - 1991.

.        Емельянов В.А. Тепловая работа машин непрерывного литья заготовок [Текст]. Учебн. пособие для вузов. - Москва: «Металлургия». - 1988. - 143 с.

.        Есаулов, В.С. Моделирование процесса теплообмена при водовоздушном охлаждении непрерывнолитой заготовки [Текст] / В.С. Есаулов, А.И. Сопочкин и др. // Известия вузов. Черная металлургия. - 1990. - № 8. - С. 82-85.

.        Злобин, А.А. Тепловые насосы в промышленности - мифы и реальность [Текст] / А.А. Злобин, Б.Н. Зиборов, И.А. Зюбин, В.Н. Курятов, А.П. Мальцев. // Энергослужба предприятия №2 - 2003.

.        Зюбин, И.А. Основные концептуальные положения энергосбережения на предприятиях черной металлургии [Текст] / И.А. Зюбин, О.В. Толчеев, Б.Н. Зиборов // Энергетическая политика № 4 - 2003.

.        Ионин, А.А. Теплоснабжение [Текст] / А.А. Ионин, Б.М. Хлыбов и др. - Москва: Стройиздат. - 1982. -336 с.

.        Исаченко, В.Л. Теплопередача [Текст] / В.Л. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. - Москва: Энергоиздат, 1981. - 417 с.

.        Лукин, С.В. Тепловые процессы при разливке стали на машинах непрерывного литья заготовок [Текст]: / С.В. Лукин. - Череповец: ГОУ ВПО ЧГУ. - 2008. - 418 с.

.        Лукин, С.В. Инженерная методика расчета теплопередачи в рабочей стенке щелевого кристаллизатора машины непрерывного литья заготовок [Текст] / С.В. Лукин, А.Н. Кибардин, Ю.А. Калягин, В.И. Славов // Вестник Череповецкого государственного университета. - 2012. - № 2. Т. 1. -
С. 14 - 17.

.        Лукин, С.В. Разработка схемы утилизации теплоты, отводимой от кристаллизатора и роликов МНЛЗ, в системе теплоснабжения предприятия / С.В. Лукин, Е.Н. Калинин, Р.П. Лукошников // Череповецкие научные чтения - 2014: Материалы всероссийской научно-практической конференции. Ч. 3: - Череповец: ЧГУ, 2015. - С. 245-248.

.        Лукин, С.В. Исследование теплового баланса слябовой машины непрерывного литья заготовок / С.В. Лукин, Р.П. Лукошников, Е.Н. Калинин // Череповецкие научные чтения - 2014: Материалы всероссийской научно-практической конференции. Ч. 3: - Череповец: ЧГУ, 2015. - С. 249-251.

.        Манюк, В.И. Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей [Текст]: Справочник - 3-е изд., перераб и доп. / В.И. Манюк, Я.И. Каплинский, Э.Б. Хиж и др. - Москва: Стройиздат. - 1988. - 432с.

.        Хлопонин, В.Н. основные концепции экономии энергии и тепла в процессе широкополосовой горячей прокатки / В.Н. Хлопонин, ред. В.Л. Мазур // Теория и технология производства листового проката. Тематический сборник научных трудов - Москва. - 1991. - С. 11-23.

.        Шварц, Г.Р. Утилизационные энергетические установки с органическими теплоносителями [Текст] / Г.Р. Шварц, С.В. Голубев, Б.П. Левыкин и др. // Газовая промышленность. - 2000. № 6. - С. 14.

.        Шестаков, Н.И. Теплообмен в роликах машины непрерывного литья заготовок [Текст] /Н.И. Шестаков, В.Я. Тишков, М.И. Летавин и др. // Черметинформация. - 1992. - 94 с.

.        РД 34.26.704 Типовая энергетическая характеристика водогрейного котла ПТВМ-100 при сжигании природного газа [Текст]. - Москва: Союзтехэнерго. -1986.

28.   СП 61.13330.2012. Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов: актуализированная редакция СНиП 41-01-2003: утв. Минрегионом России от 27.12.2011 №608. - Введ. 01.01.2013. - Москва: ФАУ «ФЦС», 2012. - 52 с.

29.     СП 124.13330.2012. Свод правил. Тепловые сети: актуализированная редакция СНиП 41-02-2003: утв. Минрегионом России от 30.06.2012 №280. - Введ. 01.01.2013. - Москва: ФАУ «ФЦС», 2012. - 74 с.

30.     Нисковских, В.М. Машины непрерывного литья слябовых заготовок [Текст] / В.М. Нисковских, С.Е. Карлинский, А.Д. Беренов- Москва: «Металлургия». 1991. - 272 с.

31.     Огуречников, Л. В. Обоснование направлений развития низкотемпературных энергосберегающих технологий [Текст]: дис. док. тех. наук: 05.14.14 / Лев Александрович Огуречников. - Новосибирск: 1999. - 330 с.

.        Петухов, Б.С. Теплообмен при смешанной турбулентной конвекции [Текст] / Б.С. Петухов, А.Ф. Поляков - М.: Наука.- 1986 . - 191 с.

.        Проценко В.П. Теплонасосные установки в системах централизованного теплоснабжения [Текст] / В.П. Проценко. // Энергоресурсосберегающие системы теплохладоснабжения на промышленных и гражданских объектах: Материалы семинара. - Москва: Центр. Росс, дом знаний. - 1992. - С. 15 - 27.

.        Псахис, Б. И. Методы экономии сбросного тепла [Текст] / Б. И. Псахис. под ред. Кутателадзе. -Новосибирск: Западно - Сиб. Книжное изд. - 1984. - 159 с.

.        Пятничко, В.А. Утилизация низкопотенциального тепла в энергетических установках с органическими теплоносителями [Текст] / В.А. Пятничко // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2002. - № 5. - С. 10 - 14.

.        Роддатис, К.Ф. Справочник по котельным установкам малой производительности [Текст] / К.Ф. Роддатис, А.Н. Полтарецкий. Под ред. К.Ф. Роддатиса. - Москва: Энергоатомиздат. - 1989. - 488 с.

.        Розенгарт, Ю.И. Вторичные энергетические ресурсы черной металлургии и их использование [Текст] / Ю.И. Розенгарт, Б.И. Якобсон, З.А. Мурадова.- Киев: Выща шк. - 1988. - 328 с.

.        Сазанов, Б.В. Теплоэнергетические системы промышленных предприятий: Учебное пособие для вузов [Текст] / Б.В. Сазанов, В.И. Ситаc. - Москва: Энергоатомиздат. - 1990. - 304 с.

.        Смирнов, А.Н. Процессы непрерывной разливки [Текст] / А.Н. Смирнов, В.Л. Пилушенко, А.А. Минаев и др. - Донецк: ДонНТУ. - 2002. - 536 с.

.        Смирнов, Л.А. Вторичные материальные ресурсы черной металлургии [Текст]. Справ.: В 2 т. / Под ред. Л.А.Смирнова. - Москва: Экономика, 1986. - Т.2. - 344 с.

.        Соколов, Е.Я. Теплофикация и тепловые сети [Текст] / Е.Я. Соколов. - Москва: Издательство МЭИ. - 2001. - 2001. - 472 с.