Способ автоматического управления процессом выпаривания в многоступенчатой выпарной установке с развитым пароотбором Советский патент 1992 года по МПК C13G1/06 

Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности к производству сахара.

Известен способ автоматического управления многокорпусной выпарной уста- новкой, предусматривающий стабилизацию давления вторичного пара первого корпуса, производительности первого корпуса в зависимости от рассогласования фактической и требуемой концентрации раствора после первого корпуса с учетом заданной суммарной производительности установки и заданной концентрации конечного раствора.

Недостатком известного способа является то, что он не учитывает тепловой ба- ланс установки, а стабилизация давления вторичного пара приводит к колебаниям концентрации раствора и перерасходу ре- турного пара при колебаниях концентрации и расхода сока в выпарную установку.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ автоматического управления процессом выпаривания в многокорпусной выпарной установке с промежуточным пароотбором путем регулирования расхода греющего пара в первый корпус, определяемого в зависимости от величины расхода пара, поступающего на внешнее потребление от каждого корпуса с учетом самоиспарения его в последнем корпусе и количества пара, необходимого для выпаривания продукта, при этом одновременно регулируют количество пара, поступающего на испарение продукта в последний корпус и на подпитку в первый корпус в зависимости от количества пара, необходимого для выпаривания продукта, и количества пара, отбираемого на внешние потребители.

Недостатками способа являются следующие недостатки.

Замер пара на внешние потребители практически неосуществим с необходимой точностью. Расходы пара на внешние по- требители составляют для крупнотоннажных производств значительные величины на трубопроводах свыше 300 мм диаметром, Приемлемую точность замера больших паровых потоков можно получить при при- менении сужающих устройств, в первую очередь диафрагм, однако гарантированную точность замеров можно достичь лишь для трубопроводов не свыше 300 мм.

Кроме того, пар находится в насыщен- ном состоянии, в связи с этим при незначительном снижении температуры и давления пара происходит его постепенное превращение в жидкую фазу, что также является источником неконтролируемых ошибок. Замена замеров пара замерами конденсата в данном случае неосуществима в связи с наличием значительного количества приемников пара и также со значительными запаздываниями в показаниях.

В результате при реализации способа возникают значительные отклонения концентрации упаренного продукта от его расчетного значения. Так как при отклонениях концентрации в большую сторону из-за загустения продукта могут возникать аварийные ситуации, то это вынуждает снижать среднее значение концентрации продукта. В сахарном производстве, где довыпарива- ние продукта производят в одноступенчатых вакуум-аппаратах, это приводит к значительному суммарному перерасходу греющего (ретурного) пара.

Отсутствие обратной связи в системе управления по качеству упаривания (режим выпаривания в известном способе устанавливается и поддерживается вне зависимости от фактической концентрации упаренного продукта) и отсутствие коррекции усугубляет ошибки расчетов режима управления и снижает точность поддержания заданной концентрации на выходе.

Не учтены ограничения на процесс, в частности термодинамические условия (температура, либо давление) в испарительной камере первой ступени выпаривания, обусловливающие качество упариваемого продукта. Недостатком является также отсутствие системы стабилизации концентрации промежуточного продукта после второй ступени выпаривания, дающей возможность снижения колебаний концентрации продукта на выходе установки.

Цель изобретения - повышение точности получения продукта заданной концентрации и снижение энергозатрат.

Поставленная цель достигается тем, что в способе автоматического управления процессом выпаривания в многокорпусной выпарной установке с развитым пароотбором. включающей конденсатор и подогреватель, предусматривающем измерение расхода исходного раствора и концентрации сухих веществ в нем, регулирование расхода ретурного пара в греющую камеру первой ступени изменением его подачи, регулирование давления в испарительной камере последней ступени измерением отбора пара из нее на конденсатор, измеряют температуру в греющих и испарительных камерах каждой ступени и вычисляют разность температур между этими камерами, измеряют концентрацию сухих веществ в растворе после второй ступени и на выходе установки, а также температуру барометрической воды

после подогревателя, регулируют температуру барометрической воды путем изменения отбора пара из последней ступени в подогреватель, а регулирование расхода рё- турного пара в греющую камеру первой сту- пени осуществляют в зависимости от расхода исходного раствора, концентрации сухих веществ в нем и в растворе после второй ступени, измеренного значения температуры в испарительной камере первой ступени и вычисленного значения разности температур в первой и второй ступенях, при этом регулирование давления в испарительной камере последней ступени осуществляют в зависимости от расхода исходного раствора, концентрации сухих веществ, в нём, в растворе после второй ступени и на выходе установки, измеренного значения температуры барометрической воды после подогревателя и вычисленного значения разности температур в последующих, начиная с третьей, ступенях выпаривания.

Предлагаемый способ обеспечивает поддержание необходимой концентрации упаренного раствора (сиропа) на выходе ус- тановки путем определения теплового режима на основе комбинированной системы управления, когда возмущения процесса, связанные с отбором пара сторонними потребителями, учитывают при помощи кос- венных показателей - разниц температур в греющих и испарительных камерах; влияние прочих возмущений нейтрализуется посредством обратной связи, осуществляемой через стабилизацию концентрации растер- ра после второй и после конечной ступеней выпаривания. Кроме того, управление по , данному способу обеспечивает поддержание температуры нагрева барометрической воды не ниже заданной, требуемой по тех- нологическим условиям.

Процесс выпаривания в выпарных аппаратах с теплопередающей поверхностью . может быть описан выражением

;

Q К F At,(1)

где Q - тепловой поток от греющей к испарительной камере;

К - коэффициент теплопередачи;

F - поверхность теплопередачи;

At - разность температур в греющей и испарительной камерах.

При этом для сухого насыщенного пара справедлива зависимость

Q C- W2,(2)

где Wa - расход сухого насыщенного пара в греющую камеру;

С - скрытая теплота парообразования.

Подставив (2) в (1), получим

W2

К F

At a At,

(3)

здесь

а

К ; F

(За)

Рассмотрим материальный баланс сухих веществ в упариваемом растворе, поло- жив, что выносом сухих веществ с вторичным паром можно пренебречь. В таком случае для выпарной установки с поступлениями без концентратора

Go b0 Gn- bn,(4)

где G0bo - расход и концентрация свежего раствора;

Gnbn - расход и концентрация упаренного раствора.

Для выпарного аппарата можно принять количество выпаренной влаги равным затраченному количеству греющего пара, так как тепловые потери компенсируются дополнительным количеством пара самоиспарения, возникающего из-за перепада давления:

Wrj Wi, .(5)

где W - расход выпаренной влаги;

i - порядковый номер ступени выпаривания.

Запишем условие материального баланса упариваемого раствора

Go Gn + Ј Wi .(6)

1 1

или с учетом (5) и (3) имеем

п G0 Gn + .2 ai A ti.(7)

i 1 .

Из (7) определим Gri, подставим его в (4), и после преобразования прлучим

1 Ati-Go((8)

i - 1Dn

Из полученного результата (правая часть равенства - постоянная) можно сделать вывод, что для данного режима выпаривания, характеризуемого конкретными величинами, левая часть выражения (8) должна быть также постоянной:

. .

Ј а Ati const.(9)

i 1

Согласно (За) коэффициенты ai являются функциями коэффициентов теплопередачи Ki, которые при незначительных изменениях режима и на определенных временных интервалах можно принимать за постоянные.

В таком случае в (9) переменными являются только Ati, поэтому можно записать

ЈaiAti(1) J).aiAtP}- ...

- 2aiAti(m)D,0°)

I 1 где(1), (2),... - индексы вариантов режима;

D - числовая величина, определяемая по правой части (8).

Отсюда вытекает способ управления тепловым режимом выпаривания - следует изменять подачу ретурного пара, либо отбор пара из последней ступени выпаривания до восстановления условия (10).

Принимая во внимание динамику технологического процесса, объект управления разделим на две части, при этом режим в первой из них будет поддерживаться изменением подачи ретурного пара, режим во второй - изменением отбора пара из последней ступени. Для 4-ступенчатой установки наиболее рациональным является следующее деление

iaiAti + . (11)

3

При управлении необходимо также включить ряд ограничений. Для головной части выпарной установки такими ограничениями являются максимальная допустимая температура Ti в испарительной камере первой ступени выпаривания, что можно выразить условием TI - Т 0, а также требуемая концентрация сухих веществ 02 в растворе после 2-й ступени выпаривания: Б2 - 02 Ф.

Для хвостовой части установки необ- ходимо соблюдение ограничений Тб.в. - Тб.в. Ф . где Тб.в. и Тб.в. - требуемая и действительная температуры барометрической воды, а также Ь4 - 04 Ф, гдеЪз и Ь4 - требуемая и действительная концентрации сухих веществ в упаренном растворе.

В таком случае с учетом ограничений получим системы

а)головной части выпарной установки:

2 aiAti-Di:) i 1

b2-b2 0; /(12)

. . .. . J

б)хвостовой части выпарной установки:

4

ЈaiAti D2; i з

b4-b4 0; ((13)

Тб.в. - Тб.в. 0. Величину DI определим аналогично D, воспользовавшись (8):

DI

Тогда

Go(1-{Ј). .(И)

D2

D-Dl Go(bЈ-bЈ). (15)

0

5

0

5

Рассмотрим способ управления при условии, что в качестве управляющих параметров использованы расход ретурного пара в греющую камеру первой ступени выпаривания и давление пара в испарительной камере четвертой ступени выпаривания.

При отсутствии помех и линейности связей между основными параметрами процесса выпаривания можно записать, используя (14) и (15):

W0

Doi

miGo(1-) miDi:

D2

m2G0(-rЈ) m2

J

(16)

P4 - irtzGb ( - Ј9 m2 -D2

D2 b4

где гтп, коэффициенты;

W0 и - задаваемые величины расхода ретурного пара в греющую камеру первой ступени и давления в испарительной камере четвертой ступени выпаривания.

В случае возникновения возмущений происходит нарушение первых равенств в (12) и (13), что количественно можно описатьс помощью разниц (О - Ј a- Ati).

Вводя в (16) эти составляющие, а также ограничения на процесс из (12) и (13), получим- . 2

W0 - g ai A ti + Ki(bz - ba) +

+ K2(fi-Ti):(17aj

PA - 2 ti - K3 (b4 - b4) + i 3

+ К4(Тб.в. -Тб.в.),(176)

где Ki, K2, Кз, «4 - коэффициенты;.

т- время сдвига сигнала управления по отношению к информационному сигналу Ats из третьей ступени выпаривания.

При этом

К2 0 npnfi-Ti 0; I

K2-K2npnfi-Ti 0; J(18)

i Тб.в. - Тб.в. О 1 Тб,в.Тб.В. 0. J. (19)

К4 0 при

К4 К4 ПРИ

Таким образом, при выполнении условий ограничений по (12) и (13) управление ведется, используя информацию A ti, путем стабилизации выражений

24

2 а A ti Di и 2) ai A ti Da.

1 1i 3

В противном случае согласно (1б)-(19) про- изводится дополнительная корректировка Wo и Р4 в направлении, выводящем технологический процесс из зон действия ограничений.

На чертеже представлено устройство для реализации предлагаемого способа.

Устройство включает выпарные ступени 1-4, конденсатор 5, подогреватель 6, датчик 7, соединенный через регулятор 8 расхода ретурного пара в греющую камеру первой ступени выпаривания с клапаном 9 подачи ретурного пара в греющую камеру первой ступени выпаривания, датчики 10-17 температуры в греющих и испарительных камерах ступеней 1-4 выпаривания, блоки 18-21 вычитания, используемые для вычисления разниц температур соответственно в ступенях 1-4 выпаривания, датчики 22 и 23 концентрации сухих веществ в растворе соответственно после второй ступени и на выходе установки, датчик 24 деления, соединенный через регулятор 25 давления в испарительной камере четвертой ступени выпаривания с клапаном 26 на паропроводе отвода вторичного пара из четвертой ступени на конденсатор 5, датчик 27 и регулятор 28 температуры барометрической воды, клапан 29 на паропроводе вторичного пара из четвертой ступени выпаривания барометрической воды, задатчики 30 и 31 подогреватель 6 концентрации сухих веществ в растворе после второй и четвертой ступеней выпаривания, задатчики 32 и 33 температуры в испарительной камере первой ступени выпаривания и температуры подогрева барометрической воды в подогревателе 6. вычислительные устройства 34 и 35 определения задаваемого соответственно расхода в греющую камеру первой ступени и давления в испарительной камере последней ступени выпаривания, расходомер 36 и датчик 37 концентрации сухих веществ в потоке раствора на входе выпарной установки. Входы вычислительного устройства 34 соединены с датчиками 11, 22. 36 и 37 и блоками вычитания 18 и 19. а выход через регулятор 8- с клапаном 9 подачи ретурного пара. Входы вычислительного устройства 35 соединены с датчиками 22. 23. 27. 36 и 37 и блоками вычитания 20 и 21. а выход через регулятор 25 - с клапаном 26. В качестве вычислительных устройств 34 и 35 может быть использован микропроцессорный комплекс ГРАСмикро.

Устройство работает следующим образом.

Сигналы от датчиков 11. 22. 36 и 37 и блоков вычитания 18 и 19. а также от задат- чиков ЗО И 32 поступают на вычислительное устройство 34, где происходит переработка информации согласно формулам (17а) и (18) и выработка управляющего воздействия. В данном случае управляющим воздействием- является заданное значение расхода ретурного пара Wo в греющую камеру первой ступени выпаривания. Соответствующий

сигнал поступает на вход установки регулятора 8, который вырабатывает сигнал на регулирующий клапан 9 на паропроводе ретурного пара в греющую камеру первой

ступени выпаривания.

Аналогично функционирует вычислительное устройство 35, на которое поступают сигналы от датчиков 22,23, 27,36 и 37, от блоков вычитания 20 и 21, а также от задатчиков 31 и 33. На устройстве 35 происходит переработка информации согласно формулам (176) и (19).

В качестве управляющего воздействия вырабатывается заданное значение давления Р4 (г) в испарительной камере четвертой ступени выпаривания, его сигнал поступает на вход установки регулятора 25, выходом которого является сигнал на регулирующий клапан 26 на линии пара из испарительной камеры четвертой ступени выпаривания в барометрический конденсатор 6.

Пример. Положим, что уменьшается отбор экстрапара Ei после первой ступени

выпаривания на 5 т/ч. ТаХ как расход ретурного пара на первую ступень выпаривания поддерживается стабильным при помощи регулятора 8, то излишки экстрапара будут поступать на вторую и следующие ступени

выпаривания. В результате этого согласно (3) возрастут перепады температур вначале на второй ступени At2, а затем через время переходного процесса на последующих ступенях выпаривания, причем приращения в установившемся состоянии составят д (A t2) 0,8°С, 6 (Д ta) 1,2°С, д (A t«) 1,6°С.

Система автоматического управления по предлагаемому способу управления отреагирует на изменение At2 и согласно (17а) задаваемое значение расхода ретурного пара изменится от 98 до 96,5 т/ч. Снижение расхода ретурного пара приведет к снижению отпаривания влаги из раствора и тем

самым частично компенсирует избыток теплового потока-в связи с уменьшением отбора экстрапара EI.

Через время переходного процесса возрастает перепад температуры Д t3 на

третьей ступени выпаривания и согласно (176) будет изменено заданное значение давления Рз в испарительной камере четвертой ступени от 0,39 до 0,45 эта, причем новое значение будет выдано на регулятор

25 через время запаздывания г. Аналогично система отреагирует при изменении перепада температуры At4.

В результате концентрация раствора на выходе составила 61,8%, как и до возникновения возмущения. В случае отсутствия таких корректирующих воздействий предлагаемого способа управления концентрация на выходе равнялась бы аварийной величине в 78,7%.

Также при увеличении отбора экстрапаpa E l на 5 т/ч при использовании предлагаемого способа управления концентрация на выходе осталась бы практически неизменной, в то время как без его применения концентрация снизилась бы до 51 %.

Таким образом, применение предлагаемого способа обеспечивает повышение точности поддержания требуемой концентрации сиропа на выходе, а также снижение энергозатрат. Последнее вытекает из того, что в способе-прототипе из-за значительных колебаний концентрации с целью исключения завышенных ее значений намеренно занижают ее заданное значе- ние. Вследствие этого на вакуум-аппараты кристаллизационного отделения поступает сироп с повышенным содержанием влаги и в результате этого кратность использования ретурного пара снижается - его затраты возрастают.

Формул а изобретения Способ автоматического управления процессом выпаривания в многоступенча- той выпарной установке с развитым парорт- бором, включающей конденсатор и подогреватель, предусматривающий измерение расхода исходного раствора и концентрации сухих веществ в нем. регулирования расхода ретурного пара в

греющую камеру первой ступени путем изменения его подачи и регулирование давления в испарительной камере последней ступени изменением отбора пара из нее на конденсатор, отличающийся тем, что,, с целью повышения точности получения упаренного раствора заданной концентрации и снижения энергозатрат, измеряют температуру в греющих и испарительных камерах и вычисляют разность температур между этими камерами, измеряют концентрацию сухих веществ в растворе после второй ступени и на выходе установки, а также температуру барометрической воды после подогревателя, регулируют температуру барометрической воды путем изменения отбора пара из последней.ступени в подогреватель, а регулирование расхода ретурного пара в греющую камеру первой ступени осуществляют в зависимости от расхода исходного раствора, концентрации сухих веществ в нем и в растворе после второй ступени, измеренного значения температуры в испарительной камере первой ступени и вычисленного значения разности температур в первой и второй ступенях, при этом регулирование давления в испарительной камере последней ступени осуществляют в зависимости от расхода исходного раствора и концентрации сухих веществ в нем в растворе после второй ступени и на выходе установки, измеренного значения температуры барометрической воды после подогревателя и вычисленного значения разности температур в последующих, начиная с третьей, ступенях выпаривания.

Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности к производству сахара. Цель изобретения - повышение точности .получения упаренного ряствора заданной концентрации и снижение энергозатрат. Датчиками 10-17 измеряют температуру в греющих и испарительных камерах соответственно ступеней 1-4 выпаривания, затем в блоках- 18-21 вычитания вычисляют разности температур между камерами каждой ступени. Датчиками 22 и 23 определяют концентрацию сухих веществ после второй ступени и на выходе установки, а датчиком 27 измеряют температуру барометрической воды, которую регулируют изменением отбора пара через клапан 29, при этом регулирование расхода ретур- ного пара через клапан 9 осуществляют в зависимости от сигналов от датчиков 7, 11, 22. 36, 37 и блоков 18 и 19 вычитания, а регулирование давления в испарительной камере последней ступени осуществляют изменением отбора пара из нее на конденсатор 5 через клапан 26 в зависимости от сигналов с датчиков 22, 23, 27, 36 и 37 и блоков 20 и 21 вычитания. 1 ил. (Л с