Промышленные нагревательные печи расходуют колоссальные объемы энергоресурсов. Поэтому от точности выставленных параметров напрямую зависят ежемесячные расходы предприятия на природный газ или электроэнергию. Если оборудование работает с отклонениями от нормативных значений, завод начинает буквально отапливать улицу. Снижение эффективности оборудования происходит постепенно, из-за чего перерасход топлива часто замечают только при аудите или после резкого скачка цифр в счетах за энергоносители. Рассмотрим конкретные технические факторы, из-за которых предприятие теряет деньги.
Последствия нарушения пропорций топливовоздушной смеси
Основа газопламенного нагрева – правильное соотношение газа и кислорода в горелке. Коэффициент избытка воздуха (альфа) определяет, насколько полно сгорает топливо. Для большинства промышленных агрегатов оптимальное значение коэффициента находится в пределах от 1,05 до 1,15. При отклонении химическая реакция протекает с нарушениями, снижая общую эффективность процесса. Недостаток кислорода приводит к химическому недожогу, а его избыток охлаждает рабочее пространство.
При нехватке кислорода часть подаваемого газа попросту не сгорает. Образуется угарный газ, а также выделяется сажа. В итоге заявленная теплота сгорания топлива не реализуется полностью. Температура факела падает, нагрев заготовок замедляется. Чтобы компенсировать падение температуры, операторы вынуждены увеличивать общую подачу газа, что напрямую умножает затраты.
Избыток кислорода также наносит удар по рентабельности производства.
- Лишний холодный воздух, поступающий через горелки, нужно нагревать до рабочей температуры печи (например, до 1000 градусов Цельсия), на что уходит дополнительное топливо.
- Возрастают объемы и скорость движения отходящих дымовых газов, которые уносят с собой значительную часть полезного тепла в трубу.
- Внутри камеры усиливается окисление нагреваемого металла, образуется толстый слой окалины, что переводит часть качественного сырья в безвозвратный брак.
Проблемы с давлением и тягой в рабочей камере
Давление на уровне пода должно поддерживаться на строго заданном, слабоположительном уровне (обычно около 10-20 Паскалей). Если дымососы вытягивают больше газов, чем поступает из горелок, в камере возникает разрежение. Это приводит к тому, что через щели, неплотности заслонок и технологические окна внутрь агрегата засасывается холодный цеховой воздух. Такой процесс специалисты называют инфильтрацией. Холодные потоки стелются по поду печи, резко снижая температуру в нижней зоне. Заготовки прогреваются неравномерно: сверху металл начинает плавиться, а снизу остается недогретым. Автоматика реагирует на падение температуры включением горелок на максимальную мощность.
Если давление чрезмерно высокое (выбивание), возникают другие неприятности:
- раскаленные дымовые газы начинают просачиваться через зазоры наружу, разрушая металлические конструкции каркаса и механизмы подъема заслонок;
- ухудшается целостность теплоизоляции возле смотровых окон и дверей, что приводит к значительным тепловым потерям через поврежденные участки;
- ухудшаются условия труда персонала в цехе, возникает необходимость усиленной работы приточной вентиляции, что также потребляет электроэнергию.
Влияние на теплоизоляцию и футеровку
Огнеупорная кладка должна удерживать тепло внутри агрегата. Некорректно выставленный температурно-аэродинамический режим ускоряет износ огнеупоров. Локальные перегревы из-за длинного факела неправильно настроенной горелки могут оплавить кирпич. Разрушение футеровки означает потерю ее теплоизолирующих свойств.
Металлический кожух агрегата начинает нагреваться выше допустимых значений (иногда свыше 80-100 градусов). Теплоотдача от раскаленного корпуса в окружающую среду возрастает в геометрической прогрессии. В результате горелки снова расходуют кубометры газа не на нагрев металла, а на компенсацию потерь через истонченные стенки камеры.
Некорректная работа температурных датчиков и ПИД-регуляторов
Современные системы управления опираются на показания термопар и логику ПИД-регуляторов (пропорционально-интегрально-дифференцирующих). Если термопара установлена в неправильном месте или покрылась слоем сажи/окалины, она передает контроллеру заниженные показания. Автоматика «видит» недостаток тепла и дает команду на открытие топливных клапанов. Возникает перерасход газа, а реальная температура заготовок превышает норму.
Сама настройка коэффициентов ПИД-регулятора определяет, насколько плавно агрегат выходит на заданный режим. Установка случайных или заводских значений «по умолчанию» приводит к автоколебаниям. Температура в камере постоянно скачет вверх и вниз относительно нужной отметки. Система то включает нагрев на 100%, то полностью его гасит.
При таком рваном графике работы происходят следующие негативные явления:
- увеличивается износ исполнительных механизмов (сервоприводов, газовых клапанов), они быстрее выходят из строя и нуждаются в замене;
- появляются «температурные качели», из-за которых тепло расходуется на постоянный ненужный подогрев остывающей из-за отключения горелок камеры;
- металл может получить внутренние напряжения или пережог из-за кратковременных, но сильных забросов температуры выше технологического порога.
Любая нагревательная установка обладает огромной тепловой инерцией. Ее нельзя отрегулировать «на глаз». Только инструментальный контроль состава отходящих газов с помощью газоанализаторов, точная калибровка датчиков и грамотный расчет аэродинамики позволяют остановить перерасход топлива.