СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПОДГОТОВКИ УТФЕЛЯ К КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ОХЛАЖДЕНИЕМ Российский патент 2008 года по МПК C13F1/02 G05D27/02 

Изобретение относится к способам автоматического контроля и управления процессом подготовки утфеля к кристаллизации охлаждением и может быть использовано в сахарной промышленности при кристаллизации сахара.

Известен способ автоматического управления процессом кристаллизации сахара в мешалках-кристаллизаторах по регулированию подачи охлаждающей воды в рубашку утфелемешалки в зависимости от измеряемой температуры охлаждаемого утфеля (Азрилевич М.Я. и др. Основы автоматизации процессов свеклосахарного производства. М.: Пищевая промышленность. - 1968, с.374).

Недостатком данного способа управления является то, что он не предусматривает регулирование плотности утфеля, подаваемого в кристаллизатор, и не может быть использован для управления процессом подготовки утфеля к охлаждению в вертикальных кристаллизаторах.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому способу является способ автоматического управления процессом подготовки утфеля к кристаллизации охлаждением в вертикальном кристаллизаторе, предусматривающий регулирование объемного расхода воды в смеситель и уровня утфеля в нем, регулирование уровня утфеля в вертикальном кристаллизаторе путем воздействия на частотно-регулируемый электропривод утфельного насоса, включающий периодический лабораторный контроль плотности готового утфеля на выходе из смесителя. Для поддержания заданного значения содержания сухих веществ после смесителя используется периодический аналитический контроль этого показателя с коррекцией задания расхода аммиачной воды и при необходимости - коэффициента соотношения утфель:вода (В.Н.Кухар, А.К.Сущенко, Ю.П.Юшков, Е.М.Федорова, В.М.Посохов, Т.И. Леонов, Л.А. Шаталова. Опыт внедрения вертикальных кристаллизаторов на сахарных заводах компании «РусАгро».//Сахар. - 2002 г. - №3. - С.53...55).

Недостатком известного способа управления является то, что он не позволяет добиться надежного функционирования контуров регулирования, предназначенных для стабилизации плотности утфеля на выходе из смесителя (В.Н.Кухар, А.К.Сущенко и др. Опыт внедрения вертикальных кристаллизаторов на сахарных заводах компании «РусАгро».//Сахар. - 2002 г. - №3. - С.55, строки 11...33 сверху). Также этот способ не позволяет автоматически контролировать содержание сухих веществ в утфеле на входе и на выходе из смесителя.

Техническая задача изобретения заключается в снижении потерь сахарозы с мелассой за счет более качественной стабилизации плотности утфеля на входе в вертикальный кристаллизатор и автоматизации контроля содержания сухих веществ в исходном и готовом утфеле.

Этот результат достигается тем, что в способе автоматического контроля и управления процессом подготовки утфеля к кристаллизации охлаждением, предусматривающем регулирование объемного расхода воды в смеситель и уровня утфеля в нем, регулирование уровня утфеля в вертикальном кристаллизаторе путем воздействия на частотно-регулируемый электропривод утфельного насоса, включающем периодический лабораторный контроль плотности готового утфеля на выходе из смесителя, новым является то, что дополнительно измеряют активную электрическую мощность, потребляемую электроприводом утфельного насоса, температуру и перепад давления утфеля, поступающего в смеситель, температуру воды на входе в смеситель, рассчитывают плотность воды по ее температуре и плотность утфеля по его перепаду давления, вычисляют объемный расход утфеля в смесителе по измеренному объемному расходу воды, по рассчитанным значениям плотности воды и утфеля и по измеренной лабораторно плотности готового утфеля, определяют коэффициенты зависимости активной электрической мощности от объемного расхода утфеля и перепада его давления

где N - активная электрическая мощность;

Q_y - объемный расход утфеля в смесителе;

ΔР_у - перепад давления утфеля;

а₁, а₂ - коэффициенты,

и используют эту зависимость для последующих расчетов объемного расхода утфеля только по измеренным значениям активной электрической мощности и перепада давления утфеля, определяют текущее задание регулятору объемного расхода воды на основе измеренного значения этого расхода, рассчитанных значений плотности утфеля, воды и объемного расхода утфеля, заданного значения плотности готового утфеля и задания этому регулятору, вычисленному на прошлом шаге управления, контролируют содержание сухих веществ в исходном утфеле по его плотности и температуре, в готовом утфеле по объемным расходам и плотности исходного утфеля и воды и по содержанию сухих веществ в исходном утфеле.

Технический результат предлагаемого изобретения поясняется примером его выполнения и фиг.1 и 2. На фиг.1 изображена схема управления, реализующая данный способ. На фиг.2 приведены полученные экспериментально сравнительные графики изменения во времени плотности готового утфеля на выходе из смесителя (фиг.2а) и чистоты межкристального раствора утфеля перед центрифугированием (фиг.2б) при управлении процессом подготовки утфеля к кристаллизации охлаждением с помощью известного способа (графики 1,3) и с помощью предлагаемого изобретения (графики 2,4).

Способ автоматического контроля и управления процессом подготовки утфеля к кристаллизации охлаждением реализуется следующим образом.

Утфельный насосный агрегат 1 подает исходный утфель по вертикальному трубопроводу 2 в смеситель 3. По трубопроводу 4 в смеситель 3 подается аммиачная вода. Из смесителя 3 готовый утфель поступает в вертикальный кристаллизатор 5, уровень утфеля в котором регулируется посредством контура, включающего датчик уровня 6, регулятор 7 и частотный преобразователь 8 электропривода утфельного насоса 1. Перепад давления исходного утфеля в трубопроводе 2 и температуру утфеля измеряют соответственно датчиками 9 и 10. Объемный расход аммиачной воды в смесителе 3 измеряют датчиком 11 и регулируют с помощью регулятора 12 и регулирующего клапана 13. Уровень в смесителе регулируется с помощью контура, включающего датчик 14, регулятор 15 и регулирующий шибер 16. Температура аммиачной воды измеряется датчиком 17. Активная электрическая мощность, потребляемая электроприводом утфельного насоса 1, измеряется датчиком 18. Информация от датчиков 9, 10, 11, 17, 18 поступает на входы функционального блока 19, в котором рассчитывается задание регулятору 12 расхода аммиачной воды в смесителе и вычисляется содержание сухих веществ в исходном и готовом утфеле. В блок 19 от технолога-оператора поступает также информация о лабораторно измеренной плотности готового утфеля и задание на плотность готового утфеля .

Зависимость плотности утфеля от содержания СВ рассчитывается по формуле, позволяющей с оцененной точностью вычислить плотность сахарного раствора (Д.Е.Синат-Радченко, С.М.Василенко, К.О.Штангеев. Расчетные зависимости теплофизических свойств сахарных растворов.//Сахар.- 2004 г. - №1. - С.43):

где ρ_B(t) - плотность воды.

Плотность утфеля определяется блоком 19 по перепаду гидростатического давления столба жидкости, измеренному датчиком 9:

где ΔР_у - перепад давления, измеряемый датчиком 9, Н/м²;

g - ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с²;

Н_у - высота столба утфеля в трубопроводе 2, м. Температура утфеля измеряется датчиком 10, °С.

Таким образом, по формулам 2, 3, 4 может быть рассчитано содержание сухих веществ в утфеле СВ_у. Расчет СВ_у осуществляется блоком 19 по формуле:

где - текущая плотность утфеля, определенная по формуле 4;

(CB,t) - рассчитанная по формулам (2) и (3) плотность утфеля при текущей температуре t, измеренной датчиком 10.

Задача оптимизации (5) формулируется следующим образом: определить такое значение содержания, чтобы текущая плотность утфеля, определенная по формуле (4), была равна его плотности, рассчитанной по формулам (2) и (3).

Так как в формуле (2) зависимость содержания СВ_у от плотности утфеля существенно нелинейная и не решается аналитически, то для расчета СВ_у поплотности и температуре необходимо использовать один из методов нелинейного программирования, например метод конфигураций Хука-Дживса (Шуп Т. Решение инженерных задач на ЭВМ: Практическое руководство. Пер. с англ. - М.: Мир, 1982. - 238 с. стр.178...182). Из-за того, что при нахождении СВ_у могут получаться отрицательные значения или большие 100%, то на величину СВ_у необходимо наложить ограничения, обусловленные технологическим регламентом:

С учетом ограничений (6) целевая функция (5) запишется следующим образом:

Найденное блоком 19 по формуле (7) значение будет являться истинным содержанием сухих веществ в утфеле, подаваемом в смеситель. Точность расчета определяется точностью датчиков 9, 10 и точностью зависимости (2). Погрешность алгоритма, реализующего метод Хука-Дживса, обычно составляет не более 10^-5...10^-6.

Исходя из материального баланса, плотность готового разбавленного утфеля на выходе из смесителя ρ_см может быть определена следующим образом:

где Q_у, Q_B - объемный расход в смесителе соответственно утфеля и воды.

В формуле (8) неизвестными параметрами являются объемный расход утфеля Q_y и плотность разбавленного утфеля ρ_см. Если измерить лабораторным путем плотность утфеля на выходе смесителя, то при установившемся режиме из формулы (8) можно рассчитать объемный расход утфеля Q_y:

С другой стороны объемный расход утфеля определяется исходя из измеренной датчиком 18 активной электрической мощности N, потребляемой электроприводом насоса 1. Для этого воспользуемся формулой (Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - М.: Химия, 1969, 624 с., стр.28, формула 1-32):

где ΔР_С - гидравлическое сопротивление сети, Н/м²;

η - к.п.д. утфельного насосного агрегата.

Величину ΔР_С подсчитывают как сумму следующих слагаемых ΔР_С=ΔР_ск+ΔР_тр+ΔР_мс+ΔР_под+ΔР_доп,

ΔР_ск - затраты давления на создание скорости потока, Н/м²;

ΔР_тр - потеря давления на преодоление сопротивления трения, Н/м²;

ΔР_мс - потеря давления на преодоление местных сопротивлений, Н/м²;

ΔР_под - затраты давления на подъем жидкости, Н/м²;

ΔР_доп - потери, обусловленные разностью давлений в пространствах всасывания и нагнетания насоса, Н/м².

Потери давления на трение утфеля можно определить по формуле Гагена-Пуазейля (Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - М.: Химия, 1969, 624 с., стр.30, формула (1-40)):

где L - длина утфельного трубопровода, м;

d - внутренний диаметр, м;

ω - скорость ламинарного течения, м/с;

μ_У - вязкость утфеля, Па·с.

Но , а , тогда получаем:

где Re - критерий Рейнольдса.

Потери давления на подъем утфеля равны

Затраты давления на создание скорости потока выражаются формулой:

Потери ΔР_мс и ΔР_доп составляют не более 5...10% всех потерь давления.

Среднее значение критерия Re при перекачке утфеля составляет примерно 1. Погрешность при расчете потерь давления на трение при допущении, что Re≈1, также составляет не более 5...10%. Примем, что неучтенные потери давления, а также погрешность расчета потерь давления на трение составляют часть суммарных потерь давления ΔР_ск+ΔР_тр+ΔР_под, рассчитанных по формулам (12), (13), (14).

Тогда гидравлическое сопротивление сети будет равно:

где а - коэффициент, меньший 1.

С учетом (15) активная электрическая мощность будет равна:

где константа

Подставим (9) в (16) и получим

где

Откуда легко определяется величина А:

где [К] - шаг корректировки модели (17), зависящий от периодичности лабораторного контроля плотности.

Таким образом, на основании лабораторного анализа на [K] шаге корректировки плотности разбавленного утфеля и автоматически измеренных соответствующих значений расхода воды , перепада давления столба утфеля , электрической мощности N^[K], температуры воды (необходимой для расчета плотности воды по формуле (3)), блок 19 рассчитывает параметр А^[K] по формуле (18).

С учетом А^[K] зависимость активной мощности от объемного расхода утфеля примет вид:

где [n] - текущий шаг измерения и управления.

Решение уравнения (19), в котором неизвестным является объемный расход утфеля , блок 19 выполняет методом Хука-Дживса. Для этого вначале составляется функция:

С учетом технологических ограничений на целевая функция Ф примет вид:

В результате решения (21) определяется текущее значение расхода утфеля .

Вычислив текущее значение расхода утфеля , блок 19 определяет для заданного значения плотности готового утфеля необходимый расход воды в смесителе :

Задание регулятору 12 расхода воды рассчитывается блоком 19 по формуле:

где - задание регулятору 12, рассчитанное на прошлом (n-1) шаге управления. На первом шаге оно равно измеренному значению расхода воды.

- измеренное датчиком 11 на текущем [n] шаге значение расхода воды в смесителе.

Текущее задание регулятору расхода воды, рассчитанное по формуле (23), запоминается, преобразуется в управляющий сигнал и поступает с выхода блока 19 в камеру задания регулятора 12. Запомненное значение задания используется в формуле (23) на следующем шаге управления в качестве значения задания прошлого шага управления.

Определение параметра А осуществляется при наладке предлагаемого изобретения. В процессе эксплуатации при выполнении только плановых лабораторных анализов плотности разбавленного утфеля может осуществляться корректировка значения этого коэффициента. Формула для корректировки следующая:

где - рассчитанное по формуле (18) на [К] шаге корректировки значение коэфициента А;

- сглаженное на [К] шаге значение коэффициента А;

α - коэффициент сглаживания, определяемый экспериментально в пределах 0,5≤α≤1.

Предлагаемый способ позволяет надежно застабилизировать на заданном значении плотность готового разбавленного утфеля на выходе из смесителя, так как формула (19) однозначно связывает объемный расход утфеля и активную электрическую мощность, потребляемую электроприводом утфельного насоса, а плотности утфеля и воды рассчитываются автоматически.

Содержание СВ_см на выходе смесителя рассчитывается блоком 19 по формуле:

где G_CB, С_у, G_B - массовые расходы соответственно сухих веществ, утфеля и воды в смеситель, кг/с, равные:

где CB_у - значение концентрации сухих веществ, рассчитанное по формуле (7).

Способ автоматического контроля и управления процессом подготовки утфеля к кристаллизации охлаждением поясняется следующими примерами.

Пример 1. Расчет задания регулятору расхода воды

Конструктивные параметры системы управления, реализующей способ, равны: Н_у=14,2 м; L=22,5 м; d=0,158 м. Тогда конструкционный коэффициент В, определяемый по формуле (16), равен:

Измеренная лабораторным путем плотность готового разбавленного утфеля . Соответствующие этой плотности измеренные значения параметров равны:

ΔР_У=205000 Н/м² (датчик 9);

Q_В=0,25 м³/ч=6,9444·10^-5 м³/с (датчик 11);

t_В=72°С (датчик 17);

N=988 Вт (датчик 18).

Рассчитанная по формуле (3) плотность воды равна: ρ_В=976,93 кг/м³ (на основе информации от датчика 7). Плотность утфеля, определенная по формуле (4), равна: ρ_у=1471,62 кг/м³ (на основе информации от датчика 9).

По формуле (18) определяем настроечный параметр А:

Измеренные на [n] шаге управления значения параметров были равны:

=206200 H/м²;

=0,37 м³/час=1,028·10^-4 м³/сек;

=73°С;

N^[n]=1090 Вт.

Тогда (формула 4).

=976,33 кг/м³ (формула 3).

Составляем кубическое уравнение (19)

1090=(85191,547·+)·206200·2,463 или

85191,547-+-0,0021462=0.

Решая составленное кубическое уравнение в условиях ограничений =7,5 м³/час=2,083·10^-3 м³/сек; =4,5 м³/час=1,25·10^-3 м³/сек, получаем =1,715833 м³/сек=6,177 м³/час.

Таким образом, текущий объемный расход утфеля, рассчитанный на [n] шаге, равен =6,177 м³/час.

Допустим, что задание по плотности готового разбавленного утфеля равно . По формуле (22) определим задание по расходу воды:

.

Если, например , то тогда =0,394 м² /час.

Таким образом, изменение задания по плотности разбавленного утфеля всего на 10 кг/м³ ведет к изменению задания по расходу воды на 0,142 м³/час или на 25% от первоначального задания, т.е. чувствительность регулирования по каналу плотность разбавленного утфеля - расход воды очень высокая. Этим и объясняется плохое качество регулирования плотности разбавленного утфеля в прототипе, которое осуществляется по заданному соотношению утфель:вода.

Допустим значение задания регулятору 12, рассчитанное блоком 19 на прошлом [n-1] шаге уравнения, было равно =0,38 м³/час. Тогда текущее значение задания регулятору 12 (формула 23) равно для , =0,38+(0,536-0,37)=0,546 м³/час, а при , =0,38+(0,594-0,37)=0,604 м³/час.

Пример 2. Расчет концентрации сухих веществ

Для расчета содержания сухих веществ на входе в смеситель используют формулу (2). Текущее значение плотности утфеля равно =1480,24 кг/м³, температура утфеля =69°C. Согласно регламенту =96,5%, =90%. Составляем целевую функцию по формуле (7)

решение которой равно =94,174%.

Расход сухих веществ равен

Находим массовые расходы воды и утфеля:

.

Тогда по формуле (25):

.

Таким образом, концентрация СВ на входе и выходе смесителя соответственно равна 94,17% и 90,59%.

Экспериментальная проверка предлагаемого способа автоматического управления процессом подготовки утфеля к кристаллизации охлаждением показала его высокую эффективность и работоспособность (фиг.2). Средняя чистота межкристалльного раствора утфеля на выходе вертикального кристаллизатора снижается с 54,24% (при управлении по известному способу) до 54,0% (при управлении по предлагаемому способу) (фиг.2б.).

Реализация функционального блока 19 осуществляется с помощью средств вычислительной техники. В качестве первичных измерительных преобразователей могут быть использованы:

- интеллектуальные датчики разности давлений Метран-100-ДД, погрешность измерения ±0,1%;

- термопреобразователи сопротивления медные ТСМ Метран-204 (100М) с погрешностью измерения ±0,25+0,0035(t) %;

- расходометр Метран-360 с погрешностью ±0,5%;

- ваттметр Ц-201.

Использование предлагаемого способа дает возможность по сравнению с прототипом:

- уменьшить потери сахара с мелассой за счет более качественной стабилизации плотности утфеля на выходе из смесителя;

- автоматизировать контроль концентрации сухих веществ в утфеле на входе и выходе из смесителя.

Способ автоматического контроля и управления процессом подготовки утфеля к кристаллизации охлаждением предусматривает регулирование объемного расхода воды, поступающего в смеситель, и уровня утфеля в нем, регулирование уровня утфеля в вертикальном кристаллизаторе путем воздействия на частотно-регулируемый электропривод утфельного насоса. Периодически лабораторно контролируют плотность готового утфеля на выходе из смесителя. Измеряют активную электрическую мощность, потребляемую электроприводом утфельного насоса, температуру и перепад давления утфеля, поступающего в смеситель, и температуру воды на входе в смеситель. Рассчитывают плотность воды по ее температуре и плотность утфеля по его перепаду давления. Затем вычисляют объемный расход утфеля в смесителе по измеренному объемному расходу воды, по рассчитанным значениям плотности воды и утфеля и по измеренной лабораторно плотности готового утфеля. Определяют коэффициенты зависимости активной электрической мощности от объемного расхода утфеля и перепада его давления N=α₁Q³ _УΔP_y+α₂Q_yΔP_y, где N - активная электрическая мощность; Q_y - объемный расход утфеля, поступающего в смеситель; ΔР_у - перепад давления утфеля; α₁, α₂ - коэффициенты. Полученную зависимость используют для последующих расчетов объемного расхода утфеля только по измеренным значениям активной электрической мощности и перепада давления утфеля. Определяют текущее задание регулятору объемного расхода воды на основе измеренного значения этого расхода, рассчитанных значений плотности утфеля, воды и объемного расхода утфеля, заданного значения плотности готового утфеля и задания этому регулятору, вычисленному на прошлом шаге управления. Контролируют содержание сухих веществ в исходном утфеле по его плотности и температуре, в готовом утфеле по объемным расходам плотности исходного утфеля и воды и по содержанию сухих веществ в исходном утфеле. Данное изобретение позволяет уменьшить потери сахара с мелассой за счет более качественной стабилизации плотности утфеля на выходе из смесителя. 2 ил.

Способ автоматического контроля и управления процессом подготовки утфеля к кристаллизации охлаждением, предусматривающий регулирование объемного расхода воды в смеситель и уровня утфеля в нем, регулирование уровня утфеля в вертикальном кристаллизаторе путем воздействия на частотно-регулируемый электропривод утфельного насоса, включающий периодический лабораторный контроль плотности готового утфеля на выходе из смесителя, отличающийся тем, что дополнительно измеряют активную электрическую мощность, потребляемую электроприводом утфельного насоса, температуру и перепад давления утфеля, поступающего в смеситель, температуру воды на входе в смеситель, рассчитывают плотность воды по ее температуре и плотность утфеля по его перепаду давления, вычисляют объемный расход утфеля, поступающего в смеситель, по измеренному объемному расходу воды, по рассчитанным значениям плотности воды и утфеля и по измеренной лабораторно плотности готового утфеля, определяют коэффициенты зависимости активной электрической мощности от объемного расхода утфеля и перепада его давления

N=α₁Q³ _уΔP_у+α₂Q_уΔP_у,

где N - активная электрическая мощность;

Q_у - объемный расход утфеля в смеситель;

ΔР_у - перепад давления утфеля;

α₁, α₂ - коэффициенты,

и используют эту зависимость для последующих расчетов объемного расхода утфеля только по измеренным значениям активной электрической мощности и перепада давления утфеля, определяют текущее задание регулятору объемного расхода воды на основе измеренного значения этого расхода, рассчитанных значений плотности утфеля, воды и объемного расхода утфеля, заданного значения плотности готового утфеля и задания этому регулятору, вычисленному на прошлом шаге управления, контролируют содержание сухих веществ в исходном утфеле - по его плотности и температуре, в готовом утфеле - по объемным расходам и плотности исходного утфеля и воды и по содержанию сухих веществ в исходном утфеле.