CC BY
18УДК: 66.013.5; 621.22
мм« МАКРОМЕР4
XSälr им. B.C. ЛЕБЕДЕВА
Эксплуатация подогревателей сахарного завода в аспекте энергетического менеджмента
В.Н. ФИЛОНЕНКО, канд. техн. наук,
Национальный университет пищевых технологий (е-mail: [email protected]) Д.Н. ЦЫГАНКОВ, ООО «Техпроект» (е-mail: [email protected])
А.А. ШВЕЦОВ, ООО «Балашовский сахарный комбинат» (е-mail: [email protected])
Введение
К реальным инструментам энергетического менеджмента сахарного производства, т. е. управления потреблением тепловой энергии сахарным заводом, следует отнести, наравне с прочими элементами тепловой схемы завода, систему подогревателей. Сопоставить свои представления об энергоменеджменте сахарного завода с общепринятыми его положениями можно, ознакомившись с содержанием работы [2].
Теплотехнология сахарного производства предполагает выполнение системой подогревателей двух производственных функций:
— теплотехнологической, предусматривающей обеспечение регламентных температур нагреваемых потоков перед технологическими станциями;
— теплотехнической, которая состоит в обеспечении испарительной способности системы пароотбо-ров выпарной установки (ВУ) и служит инструментом управления потреблением сахарным заводом тепловой энергии [7].
Задачей службы энергоменеджмента сахарного завода является поддержание тепловой мощности всех подогревателей завода на уровне проектной в течение всего производства всеми имеющимися в её распоряжении средствами. Соблюдение указанного соответствия гарантирует стабильность работы системы пароотборов ВУ и сохранение на проектном уровне показателей энергопотребления производства.
Несоблюдение этого требования приводит:
— к снижению регламентных температур нагреваемых продуктов с негативными последствиями для технологии производства;
— снижению тепловой мощности подогревателей с негативными последствиями для теплотехники производства, а именно: уменьшению отборов вторичных паров из ВУ, снижению испарительной способности ВУ и концентрации сиропа, увеличению расхода вторичного пара на уваривание утфеля 1-го продукта и технологического пара на ВУ, а в конечном итоге — к повышению расхода топлива в ТЭЦ на производство.
1. Научно-практическая база проблемы
Сахарный завод располагает системой подогревателей с определёнными площадями поверхностей теплообмена, величина которых установлена на этапе их проектирования в соответствии с комплексом взаимно согласованных проектно-расчётных эксплуатационных параметров (см. формулы (1 — 11)) согласно методикам, изложенным, в частности, в работах [3, 4, 6]. По общему правилу для расчёта необходимой площади поверхности теплообмена подогревателя используют два уравнения:
— балансовое уравнение, устанавливающее величину востребованной технологией производства его проектной тепловой мощности — Q пр, кВт:
Q пр = X х (G /3,6) х с х (t пр - t пр);
^техн /ч/пот 4 вх ' 4 вых вх '
(1)
— теплотехническое уравнение, устанавливающее числовое значение его проектной площади поверхности теплообмена — Fпр, м2, которая в производственных условиях гарантирует поддержание фактической тепловой мощности подогревателя на уровне проектной при соблюдении эксплуатационным персоналом равенства фактических эксплуатационных параметров их проектным значениям:
FÜP = (Q^ /Хпот ) / (КфпР X Л^Пр),
(2)
где Хц0т - коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду от корпуса подогревателя и трубопроводов, транспортирующих нагреваемый поток, греющий пар и конденсат, ед. Для подогревателя с изолированными поверхностями корпуса и трубопроводов принимается от 1,03 до 1,05;
Свхпр — расход нагреваемого продукта на входе в подогреватель, т/ч. Устанавливается в зависимости от режима его эксплуатации — либо с рециркуляцией, либо без рециркуляции нагреваемого потока: — для режима без рециркуляции — по формуле
G ПР = GPel
(3)
За то, что наша жизнь не блёкла,
мы говорим: спасибо, свёкла!
28 САХАР № з. 2018
#
FLDRIMOND
DESPREZ
где G регл — регламентное количество продукта, поступающего в подогреватель от предыдущей технологической станции для нагревания, т/ч;
— для режима с рециркуляцией (обязательной для подогревателей паток в продуктовом отделении) — по формуле
G пр = GРегл + AGРец
(4)
где ^G рец — расход продукта в рециркуляционном трубопроводе, т/ч. Устанавливается проектом исходя из эксплуатационной целесообразности, например, при использовании насоса сверх регламентной производительности, или из технологической необходимости;
с — удельная теплоёмкость нагреваемого продукта, кДж/(кг х К);
?выхпр — проектная температура нагреваемого продукта, оС. Устанавливается технологическим регламентом производства;
?вхпр — проектная температура нагреваемого продукта на входе в подогреватель, оС. Устанавливается проектом с учётом возможной рециркуляции нагреваемого продукта. Рассчитывается по формулам: — при отсутствии рециркуляции:
t пр = ^ регл
вх вх '
(5)
t пр= (t регл + к х t пр) / (1 + K ),
вх v вх рец вых ; ' v рец7'
(6)
где Крец — коэффициент рециркуляции, ед. Рассчитывается по формуле
K = AG рец / G регл.
рец
(7)
мальному значению, ожидаемому в производственных условиях, Вт / (м2 х К). Определяется по апробированным производством адекватным расчётным формулам теплопередачи, находящимся в распоряжении проектной организации.
AtОI¡p — проектный располагаемый температурный напор между греющим паром и соковым потоком, ожидаемый в производственных условиях, оС. Определяется в соответствии с теорией теплообмена [9] по формуле
At°p = е„ х Шпр - дучо / Ln ^пр/ дучо,
(8)
где гР — поправка на отличие реальной конфигурации течения нагреваемого продукта в подогревателе относительно греющего теплоносителя от чисто про-тивоточного течения, ед. Для подогревателей, обогреваемых паром, составляет 1,0;
Д?Бпр — большая разница температур теплоносителей в подогревателе, оС. Определяется из температурного графика подогревателя (рис. 1) по формуле
Д4пр= t пр - t пр,
Б гр.п вх '
(9)
Д?Мпр — меньшая разница температур теплоносителей в подогревателе, оС. Определяется из температурного графика подогревателя (см. рис. 1) по формуле
где ?вхрегл — регламентная температура продукта, поступающего из предшествующей технологической станции для нагревания в подогреватель, оС: — при наличии рециркуляции:
д. пр= t пр - t пр, М гр.п вых '
(10)
Следует отметить, что осуществление рециркуляции нагреваемого потока, увеличивая его скорость, приводит к снижению проектной поверхности теплообмена подогревателя за счёт увеличения коэффициента теплопередачи, несмотря на вызываемое ею снижение температурного напора в подогревателе. Вместе с тем рециркуляция, повышая гидравлическое сопротивление подогревателя, существенно увеличивает затрачиваемую электрическую мощность на прокачку через него нагреваемого продукта. Так, осуществление рециркуляции до уровня Крец = 2,0 в трубчатом подогревателе сиропа снижает на 35 % его площадь поверхности теплообмена, однако на 300 % повышает затраты энергии на прокачку сиропа.
Кфпр — проектное значение коэффициента теплопередачи в подогревателе. Принимается равным мини-
где ^ ппр — проектная температура греющего пара в подогревателе, оС. Принимается равной минимальной эксплуатационной, среднечасовой температуре конденсации (насыщения) пара в греющей камере подогревателя ?гркам, оС;
?вхпр, ?выхпр — проектные температуры соответственно нагреваемого потока на входе и на выходе подогревателя, оС. Устанавливаются проектным регламентом подогревателя.
На рис. 1 приведён общепринятый [9] характер изменения температур конденсирующегося пара и нагреваемого сокового потока вдоль поверхности теплообмена в подогревателе, обогреваемом паром.
№ 3* 2018
САХАР
29
т
flqrimond за то, что наша жизнь не блёкла,
DESPREZ мы говорим: спасибо, свёкла!
МАКРОМЕР
им. В.С. ЛЕБЕДЕВА
Анализ уравнений (1) и (2) свидетельствует о влиянии на тепловую мощность подогревателя и на его площадь поверхности теплообмена как расходных параметров, так и параметров теплопередачи. Поэтому уже на этапе проектирования в значениях параметров, входящих в структуру формул (1) и (2), должно быть учтено максимальное количество эксплуатационных факторов, которые в течение сезона могут «сработать» на снижение тепловой мощности подогревателя.
При соблюдении указанного условия проектная поверхность теплообмена подогревателя получит увеличенную площадь теплообмена с так называемым внутренним резервом поверхности. Последний станет гарантией сохранения проектной тепловой мощности подогревателя в случае эксплуатационного отклонения параметров теплообмена от проектного уровня.
На величину содержащихся в формулах (1) и (2) параметров в производственных условиях оказывают влияние следующие эксплуатационные факторы:
— периодическое снижение и увеличение температур вторичных паров ВУ (греющих паров подогревателей), вызванное неравномерностью и периодичностью потребления пара вакуум-аппаратами периодического действия;
— накипеобразование на поверхностях теплообмена подогревателей;
— санкционированные отклонения от проектного регламента режимов эксплуатации технологического оборудования;
— нарушения регламента эксплуатации оборудования.
По нашей оценке, подогреватели с паровым обогревом формируют от 60 до 70 % производительности ВУ сахарных заводов. От их способности сохранить на протяжении всего периода эксплуатации проектную тепловую мощность и количество потребляемого пара существенным образом зависит концентрация сиропа из ВУ, и в конечном итоге — уровень энергоёмкости производства.
Акцентируем внимание на двух аспектах энергоменеджмента в работе с системой подогревателей сахарного завода:
— формирование службой энергоменеджмента завода проектных температурных напоров в подогревателях и температур греющего пара, адекватных эксплуатационным условиям с последующей передачей их организации, избранной для проектирования и изготовления оборудования;
— поддержание равенства между эксплуатационными и проектно-расчётными, использованными проектной организацией в расчёте поверхности теплообмена подогревателей, значениями температурных напоров и коэффициентов теплопередачи, в течение всего периода их эксплуатации.
В деле формирования адекватных температурных напоров и температур греющего пара в подогревателях считаем целесообразным выделить два фактора:
— фактор гидравлического сопротивления паропровода, транспортирующего греющий пар от выпарного аппарата к подогревателю;
— фактор неравномерного во времени и переменного по величине потребления пара вакуум-аппаратами продуктового отделения завода.
2. Фактор гидравлического сопротивления
паропровода, транспортирующего греющий
пар к подогревателю
Греющим паром подогревателей в тепловой схеме сахарного завода является вторичный пар того или иного корпуса ВУ, т. е. водяной пар, находящийся в состоянии насыщения. Как известно из термодинамики паровых потоков [8], температура конденсации (насыщения) водяного пара однозначно определяется давлением, при котором он конденсируется, и наоборот — требуемое давление конденсирующегося пара однозначно определяется его температурой конденсации. Точные соотношения между ними содержатся в таблицах насыщенного водяного пара, опубликованных в [10], или могут быть получены из диаграмм состояния «й-у» и «Т-у» водяного пара.
Соответствие между температурой конденсации (насыщения) водяного пара ^ ,, оС), с которой он будет конденсироваться в греющей камере подогревателя, и его абсолютным давлением (р, бар) можно установить также формулой
р5 = 1,33 х 10- 3 х ехр [18,3 - 3186 / (^ + 227)], (11)
которая определяет термодинамическую взаимосвязь между давлением насыщения водяного пара р, бар (оно же его абсолютное давление р , бар) и его температурой конденсации I, 0С. Рассчитанное именно по этой формуле давление должен иметь греющий пар в греющей камере подогревателя, чтобы сформировать предусмотренную его проектом требуемую температуру греющего пара ?грп пр, оС (она же является температурой насыщения или конденсации t ,, оС). Так, если для подогревателя проектом планируется создание температурного напора Д^пр, предполагающего температуру конденсации пара в его греющей камере 122 оС, то абсолютное давление греющего пара в его греющей камере должно быть 2,1 бар.
Из гидравлики газовых потоков известно [1], что паропровод, транспортирующий греющий пар от выпарного аппарата к подогревателю, обладает определённым гидравлическим сопротивлением Арсопр, бар, величину которого можно рассчитать по формуле Дарси-Вейсбаха [1]. Наличие этого фактора, существенно зависящего от внутреннего диаметра
За то, что наша жизнь не блёкла,
мы говорим: спасибо, свёкла!
30 САХАР № з. 2018
#
FLDRIMOND
DESPREZ
паропровода, приводит к снижению давления пара и температуры его конденсации в греющей камере подогревателя относительно давления и температуры пара на выходе из соответствующего выпарного аппарата.
Необходимо, чтобы внутренний диаметр паропровода, подводящего греющий пар к подогревателю, — ^вн, м, обеспечивал допустимый уровень снижения давления пара и, соответственно, гарантировал бы проектно-допустимое снижение температуры его конденсации А?доп. Для его расчёта предлагаем использовать факт взаимного соответствия гидравлического параметра Арсопр — снижения абсолютного давления в паровом потоке и термодинамического параметра Ар, — снижения давления конденсации потока пара, т. е. использовать равенство
Ap = Ар
1 s 1 со
(12)
Снижение давления конденсации водяного пара Ар,, бар, в зависимости от снижения температуры его конденсации Аt, оС предлагаем рассчитать по формуле
APs = Ats /(dt/dp),
(13)
d доп = [6,4 x 10-7 x i x
вн L ' труб
x (dt/dp) S/(At«on x p")]0,2,
(L б + L ) x D
^ труб экв' п:
(16)
где (dt/dp)s — градиент температуры конденсации водяного пара по его давлению, оС/бар. Определяется в зависимости от выбора аргумента:
— если известна температура конденсации водяного пара в греющей камере подогревателя t, 0С, градиент следует рассчитать по формуле
где 6,4 х 10-7 — коэффициент, коррелирующий соотношение единиц измерения параметров в формуле, ед.;
Чруб — коэффициент гидравлического трения для внутренней поверхности паропровода, ед. Рекомендуемое значение для промышленных паропроводов от 0,02 до 0,03;
— массовый расход транспортируемого к подогревателю пара, т/ч. Устанавливается расчётом тепловой схемы сахарного завода;
(dt/dp)s — градиент температуры насыщения (конденсации) водяного пара по давлению, оС/бар. Определяется по формулам (14), (15) или по рис. 3.
At"on — проектно-допустимое снижение температуры конденсации (насыщения) греющего пара в паропроводе, оС, не выше 0,5 оС.
р" — удельная плотность транспортируемого водяного пара, кг/м3. Определяется по таблице параметров водяного пара в состоянии насыщения, по среднему давлению пара в паропроводе;
L ^ — длина паропровода, м. Устанавливается проектом тепловой схемы завода;
L^ — эквивалентная длина местных гидравлических сопротивлений паропровода, м. Рассчитывается по известным из справочной литературы коэффициентам местных сопротивлений с «привязкой» их к предполагаемому диаметру паропровода по формуле
(dt/dp) s = 1,75 x 107x ts - 2-9,
(14)
L = Et x d мин Л
экв ^^м.с вн ' труб'
(17)
— если известно абсолютное давление водяного пара в греющей камере подогревателя р,, бар, градиент надлежит рассчитать по формуле
(dt/dp) s = 28,3 x p s
(15)
где Х^м с — суммарное значение имеющихся в паропроводе коэффициентов местных сопротивлений (задвижек, отводов, регулирущих клапанов, расширений, сужений, и т. п.), ед. Устанавливается по справочным таблицам.
Графическое изображение указанной зависимости представлено на рис. 2.
Установленная зависимость свидетельствует: чем ниже давление транспортируемого пара,
— тем выше градиент температуры его конденсации, т. е. тем больше снижение температуры конденсации пара на единицу потери его давления;
— тем меньшие гидравлические потери давления пара в паропроводе можно допустить;
— тем больший диаметр паропровода следует использовать.
Минимально допустимый внутренний диаметр паропровода к подогревателю dвнмин, м, соответствующий принятому проектно-допустимому снижению в нём температуры конденсации греющего пара А^ д°п, ос, предлагаем рассчитывать по формуле
(dt/dp) , "С/бар
Ps * баР
W \-Vv4.1\?\V\?\-4VwV
Рис. 2. Зависимость градиента температуры конденсации водяного пара от его давления (dt/dp), оС/бар, в диапазоне давлений вторичных паров ВУ сахарных заводов
2
X
№ 3* 2018
САХАР
31
Ф
flqrimond за то, что наша жизнь не блёкла,
DESPREZ мы говорим: спасибо, свёкла!
МАКРОМЕР
им. В.С. ЛЕБЕДЕВА
Минимально допустимый внутренний диаметр паропровода, транспортирующего греющий пар к подогревателю, ^внмин, м, следует рассчитывать по принятому на этапе проектирования допустимому снижению температуры конденсации пара в транспортирующем паропроводе — Л?доп, 0С. А проектная температура греющего пара, используемая для расчёта проектной поверхности теплообмена подогревателя в формуле (2), tр ппр, должна быть ниже температуры вторичного пара, отбираемого от соответствующего корпуса ВУ — , и может определяться по формуле
t ву
вт.п
t пр = t ву - Atдоп.
гр.П вт.П 5
(18)
t
DBAA' т/Ч
Рис. 3. Характерное паропотребление двух (А и Б) вакуум-аппаратов периодического действия
На рис. 4 приведена картина реального (в течение суток) потребления пара группой из 6 вакуум-аппаратов 1-го (2 апп.), 2-го (2 апп.) и 3-го (2 апп.) продуктов периодического действия ТВА-40, оснащённых механическими циркуляторами, на сахарном заводе производственной мощностью 3 тыс. т свёклы в сутки.
По результатам нашего исследования установлено, что показатели неравномерности паропотребления продуктового отделения — отношение максимума потребления пара к его минимуму Кмаксмин, ед., и отношение максимума потребления пара к его среднему
значению Км
, ед., существенно зависят от числа
Службе энергоменеджмента завода следует контролировать, используя формулу (17), соответствие диаметров паропроводов к подогревателям условию допустимого снижения температуры конденсации пара и не допускать их уменьшения во избежание снижения тепловой мощности подогревателя и производительности системы пароотборов ВУ.
3. Фактор переменного паропотребления вакуум-аппаратов
Формирование заводскими специалистами адекватной проектной температуры греющего пара
для подогревателей сахарного завода следует
рассматривать как неотъемлемый этап их энергоменеджмента.
Как отражено в экспериментальном исследовании [5], характер потребления во времени греющего пара единичными вакуум-аппаратами периодического действия ВВАА, т/ч, представляет собой функцию гиперболического вида с максимумом ^ВААмакс в начальный период и минимумом ^ВААмин на завершающих этапах уваривания (рис. 3).
Потребление пара группой из нескольких вакуум-аппаратов также неравномерно и во времени, и по величине, с явно выраженными максимумами и минимумами паропотребления.
вакуум-аппаратов 1-го продукта, находящихся в эксплуатации (рис. 5).
Чем больше количество вакуум-аппаратов 1-го продукта ^ВАА_1, ед., тем равномернее по величине поток вторичного пара, отбираемого из выпарного аппарата, тепловой нагрузкой которого является продуктовое отделение завода.
Следствием чередования большего и меньшего отбора на вакуум-аппараты вторичного пара из того или иного выпарного аппарата (ВА) является его периодическая, большая или меньшая, тепловая нагрузка.
Изменение нагрузки в соответствии с уравнением теплопередачи периодически увеличивает и уменьшает на этом корпусе температурный напор и температуру его вторичного пара, что приводит к периодическому повышению и снижению температуры греющего пара и температурного напора у подогревателей, обогреваемых этим паром. Вследствие этого происходит периодическое снижение и повышение их тепловой мощности, что влечёт за собой соответственно недогрев или перегрев сокового потока.
Существующая на заводе система автоматического поддержания давления отработанного пара в первом корпусе ВУ поддерживает баланс между отбором пара из ВУ и поступлением пара в ВУ из ТЭЦ,
т/ч
301 т/ч
D среди ВАА
17,4 т/ч
,<5 О»
V -J о <у
<5 А
V3 ^ N<¿ г4 ^ г^
Рис. 4. Суточное (интервал 0,5 ч) паропотребление 6 вакуум-аппаратов ТВА-40 с циркуляторами 1-3-го продуктов сахарного завода мощностью 3 тыс. т свёклы в сутки
Пр
D макс ВАА
за то, что наша жизнь не блёкла,
мы говорим: спасибо, свёкла!
32 САХАР № з. 2018
#
FLDRIMOND
DESPREZ
но температуры вторичных паров всех корпусов ВУ периодически увеличиваются и уменьшаются в соответствии с изменением тепловой нагрузки. Периодическое снижение температуры вторичных паров корпусов ВУ ниже среднесуточного уровня в максимумы паропотребления продуктовым отделением может достигать 3—5 оС.
Поскольку все группы подогревателей сокового потока оснащены системой поддержания регламентной температуры нагревания, то:
— периодическое эксплуатационное повышение температуры вторичного пара корпусов ВУ ограничивается соответствующими регулирующими заслонками, снижающими его давление и температуру конденсации в греющей камере подогревателя;
— периодическое снижение температуры вторичного пара корпусов ВУ, не имеющее средств его температурной компенсации, приводит к периодическому недогреванию сокового потока до регламентной температуры.
В условиях эксплуатационного периодического понижения температуры греющего пара каждый подогреватель для обеспечения своей регламентной тепловой мощности должен иметь запас поверхности теплообмена в соответствии с уравнением теплопередачи, компенсирующий периодическое снижение температурного напора. Приобрести этот запас он может только на этапе проектирования, когда в формулах расчёта его поверхности (2), (8), (10), (11), «закладывается» величина проектного значения температуры греющего пара. Поэтому в качестве проектной температуры греющего пара для определения проектной площади поверхности теплообмена подогревателей сокового потока 7 пр, по нашему мнению, следует принимать минимальное эксплуатационное значение температуры вторичного пара соответствующего корпуса ВУ. Числовое значение этой температуры должно устанавливаться на этапе проектирования совместным расчётом тепловой
Рис. 5. Влияние числа вакуум-аппаратов 1-го продукта (-^вм.) на показатели равномерности паропотребления продуктового отделения Кмакс и Кмакс продуктового
1 сред мин 1
отделения сахарного завода_
схемы сахарного завода и суточного паропотребления вакуум-аппаратов, имеющихся в распоряжении организаций, которые занимаются проектированием сахарных заводов.
Предлагаемое решение приведёт к некоторому повышению площадей поверхности теплообмена подогревателей против рассчитанных по среднесуточной температуре вторичных паров корпусов ВУ, однако гарантированно обеспечит теплотехнологический регламент производства по температуре нагревания соковых потоков в течение всего эксплуатационного периода.
4. Эксплуатационные решения
Уравнение теплопередачи (2), определяющее тепловую мощность подогревателя, содержит эксплуатационный параметр — коэффициент теплопередачи — Кф, «работающий» в течение периода эксплуатации на снижение его тепловой мощности. Компенсация этого снижения является задачей службы энергоменеджмента завода, для которой можно использовать четыре технических решения, а именно:
1) увеличить поверхность теплообмена подогревателя, включив в эксплуатацию дополнительно на последовательную или параллельную работу подогреватель, находящийся в резерве;
2) временно вывести из эксплуатации для механической (или химической) очистки от накипи эксплуатируемый подогреватель и ввести в эксплуатацию резервный подогреватель;
3) повысить давление конденсирующегося пара в греющей камере подогревателя, сохранив существующую подачу греющего пара, уменьшив степень его дросселирования в регулирующей заслонке на подающем паропроводе. Решение возможно при наличии у подогревателя запаса поверхности теплообмена, сформированного на этапе проектирования;
4) увеличить располагаемый температурный напор в подогревателе на величину 0С, повысив температуру греющего пара на величину А/ т, оС, одним из двух методов:
— сместить отбор греющего пара на подогреватель по принципу «на одну или две ступени выше»;
— повысить давление отработанного пара, подаваемого в первую ступень выпаривания ВУ, вследствие чего произойдёт повышение температур вторичных паров всех корпусов ВУ.
При повышении температурного напора необходимо иметь в виду, что ожидаемый прирост температурного напора будет существенно меньше, чем организованный прирост температуры греющего пара А/ т. К тому же произведённое оперативным персоналом повышение температуры греющего пара приведет к повышению температурного напора в подогревателе, существенно зависящему от его эксплу-
№ 3* 2018
САХАР
33
т
flqrimond за то, что наша жизнь не блёкла,
DESPREZ мы говорим: спасибо, свёкла!
МАКРОМЕР
им. В.С. ЛЕБЕДЕВА
атационного коэффициента теплопередачи. Дело в том, что формула (3) не содержит в своей структуре коэффициента теплопередачи, также участвующего в формировании температурного напора в подогревателе. Это обстоятельство следует учитывать при определении требуемого изменения температурных параметров при эксплуатации подогревателей.
На рис. 6 приведена зависимость М0Г= / (А/грпт) для подогревателя сокового потока с высокими и низкими коэффициентами теплопередачи.
С целью оперативного повышения тепловой мощности подогревателя, формируя больший прирост температурного напора — М0\ для подогревателей с высокими коэффициентами теплопередачи следует использовать греющий пар с более высокой температурой, чем для низкоэффективных подогревателей.
Таким образом, службе энергоменеджмента завода следует иметь в виду, что с целью повышения тепловой мощности подогревателя потребуется создать:
— для эффективных подогревателей с высокими коэффициентами теплопередачи — более высокий прирост температуры греющего пара;
— для низкоэффективных подогревателей с низкими коэффициентами теплопередачи — относительно меньший прирост температуры греющего пара.
Обращаем внимание на тот факт, что структура уравнения теплопередачи, определяющего тепловую мощность любого подогревателя на базе его теплотехнических параметров, известного из работы [9],
Q = Кф X мо x F
(19)
Q = Vk X Кфпр X w X Д/°р X VfX Fnp,
(20)
где Qтехнпр — проектная тепловая мощность подогревателя, необходимость поддержания которой на неизменном уровне является задачей энергетического менеджмента, кВт;
Кфпр — проектное значение коэффициента теплопередачи подогревателя, установленное на этапе проектирования, кВт/(м2 х К);
¥пр — проектное (фактическое) значение площади поверхности теплообмена подогревателя, м2;
ук — коэффициент эксплуатационного снижения фактического коэффициента теплопередачи Кффакт, относительно его проектного значения Кфпр, ед. Рассчитывается (ежедекадно/ежемесячно) по формуле
Vk = КФ
факт / к ПР*
(21)
уА1 — коэффициент эксплуатационного повышения располагаемого температурного напора относительно проектного А?0пр, необходимого для оперативного поддержания тепловой мощности подогревателя на проектно-регламентном уровне, ед. Рассчитывается (ежедекадно/ежемесячно) по формуле
VAL = 1 / V,
K'
(22)
^ - коэффициент повышения площади поверхности теплообмена подогревателя — относительно проектно-регламентного ^пр, необходимого для оперативного поддержания тепловой мощности подогревателя на проектно-регламентном уровне, ед. Рассчитывается по формуле
Vf = 1/Vk.
(23)
предполагает для сохранения неизменной ^ = сошО тепловой мощности подогревателя наличие гиперболической (вида у = 1/х) взаимосвязи между аргументами. В частности, между его температурным напором М0 и коэффициентом теплопередачи (Кф) — М0 = 1/Кф и температурным напором и площадью поверхности теплообмена (¥ ) — М0 = 1/¥.
В качестве математической основы управления теплопотреблением любого подогревателя сахарного завода считаем возможным представить формулу для расчёта его проектной тепловой мощности в виде формулы (19), дополненной коэффициентами ук, у, , учитывающими эксплуатационное снижение коэффициента теплопередачи в течение сезона эксплуатации подогревателя:
Повышенное значение температурного напора в подогревателе, компенсирующее уменьшение коэффициента теплопередачи и повышающее до проектного уровня тепловую мощность подогревателя, определяется (ежедекадно/ежемесячно) по формуле
Atn* = Уд
О т д/о
X Д?ОпР.
(24)
Следует отметить, что аналогичным влиянием в соответствии с уравнением (22) на компенсацию снижения тепловой мощности подогревателя обладает и
С 10 g , °с 1
8
7 <------------------
£..............
5 Í-------- ---------1 \ х3
4 ; ч2
3 i
2 ir 1 * t \ "C гр.п '
5 10 15
Рис. 6. Характерное соотношение между М * и Мп* для г г * грп 0 парового подогревателя при различных коэффициентах теплопередачи — Кф, Вт / (м2 х К): 1 — 1008; 2 — 2 307; 3 - 3 138
За то, что наша жизнь не блёкла,
мы говорим: спасибо, свёкла!
34 САХАР № з. 2018
#
FLDRIMOND
DESPREZ
увеличение его поверхности теплообмена до F\ м2, по формуле
F = f F х FT
(25)
напор в подогревателе, для чего потребуется увеличить температуру греющего пара, повышенное значение которого можно рассчитать по формуле
Естественно, что в начале производства, в отсутствие накипеобразования, значения уК у, уА(о равны 1,0. '
На рис. 7 приведён графический вид взаимосвязи между коэффициентами ^А(о ^ и подогревателя.
Использование предложенных соотношений помогает оперативно оценить тот факт, что при эксплуатационном снижении коэффициента теплопередачи на 35 % относительно проектного уровня, т. е. при уменьшении от 1,0 до 0,65 для сохранения регламентной тепловой мощности подогревателя и регламентного повышения температуры сокового потока оперативному персоналу завода потребуется увеличить температурный напор в подогревателе до уровня АtOt, °С, а именно на 54 % (в 1,54 раза), больше проектного температурного напора АtO,. Расчёт показывает, что располагаемый температурный напор в подогревателе нужно будет увеличить от проектных 9,8 оС до необходимых 15,1 оС путём повышения температуры греющего пара на 5,2 оС — от проектных 103 оС до необходимых 108,3 оС. Это потребует смещения паро-отбора на подогреватель с проектного 3-го корпуса (103 оС) на 2-й корпус (114 оС) с небольшим его дросселированием для снижения температуры конденсации со 114 до 108,3 оС.
В случае невозможности повысить температуру греющего пара на подогреватель следует увеличить его поверхность теплообмена на те же 54 %.
5. Методология управления тепловой мощностью подогревателя
В целях сохранения регламентной тепловой мощности подогревателя в условиях эксплуатационного снижения коэффициента теплопередачи необходимо оперативно повысить располагаемый температурный
^прод хехР
'гр.тт
í т
^прод
Ail
-t
щхвд
ехр
í f ^прод
(26)
At
.т
где - повышенная температура пара в греющей камере подогревателя, необходимая для компенсации снижения коэффициента теплопередачи, оС;
/продвых — регламентная температура сокового потока на выходе из подогревателя, оС;
А^прсд1— фактическое повышение температуры сокового потока в подогревателе, оС;
At01 — повышенный температурный напор в подогревателе, требуемый для компенсации снижения коэффициента теплопередачи, оС;
^родвх — фактическая температура сокового потока на входе в подогреватель, оС;
или по формуле с использованием числа единиц переноса теплоты — ЫТи
t f= t + At f / NTU,
г.п вх прод
где NTU, ед., определяется по формуле NTU = K х F/(G х c).
(27)
(28)
В условиях эксплуатации требуемое увеличение температурного напора в подогревателе At0\ компенсирующее снижение коэффициента теплопередачи, службе энергоменеджмента завода следует периодически рассчитывать по методике, представленной в таблице.
По каждому подогревателю заполняем рабочую таблицу параметрами, характеризующими динамику их работы.
Получив числовое значение требуемой (повышенной) температуры греющего пара в греющей камере ТОА — / т (в примере — 108 оС), службе энергетического менеджмента завода необходимо предпринять апробированные организационно-технические решения по увеличению температуры конденсации греющего пара, подводимого к ТОА.
К таковым относятся:
— перенос соответствующего отбора вторичного пара для подогревателя на одну-две ступени выше в сторону первого корпуса ВУ;
— повышение температуры (давления) отработанного пара, подаваемого в первую ступень выпаривания ВУ, до получения повышенной температуры конденсации соответствующего вторичного пара.
№ 3* 2018
САХАР
35
Ф
flqrimond за то, что наша жизнь не блёкла,
DESPREZ мы говорим: спасибо, свёкла!
ПМАКРОМЕР
MSlf им. В.С. ЛЕБЕДЕВА
Эксплуатационные параметры подогревателя
(Название подогревателя)
Наименование эксплуатационного параметра подогревателя Обозначение Единица измерения Источник информации Контрольный период ( сут)
1 (от до ) 2 3 4
Проектные параметры подогревателя
Проектный расход нагреваемого продукта на входе в подогреватель G пР вх т/ч Технологический регламент завода 175,0
Проектная температура продукта на входе в подогреватель t пр вх оС - // - 87
Проектная температура продукта на выходе из подогревателя t пр вых оС - // - 96о
Удельная теплоёмкость нагреваемого продукта с кДж/ (кг X К) Справочник физических свойств продуктов сахарного производства 3,6
Проектная технологическая тепловая мощность подогревателя Q пР ^техн кВт Формула (1) с проектными параметрами 1 797
Площадь поверхности теплообмена подогревателя F м2 Характеристика тепловой схемы 80
Проектное давление (абс.) пара в греющей камере подогревателя р пр * гр.кам бар(а) Проектный регламент фирмы-производителя подогревателя 1,05
Проектная температура конденсации греющего пара в греющей камере подогревателя t пр гр.п оС - // - 103
Проектный температурный напор в подогревателе AtonP оС Формула (8) 9,8о
Проектный коэффициент теплопередачи в подогревателе Кфпр Вт/ (м2 X К) Проектный регламент фирмы-производителя подогревателя 2 307
Проектная «теплообменная» тепловая мощность подогревателя Q пр кВт Формула (ОГЛ,пр = Кфпр х м0ч х р) 1 797
Фактические параметры подогревателя
Фактическая температура продукта на выходе из подогревателя t факт вых оС Измерение фактического значения 94о
Промежуточный вывод Температура продукта на выходе ниже регламентной. Необходима коррекция температурного напора в подогревателе!
Фактическая температура на входе в подогреватель t факт вх оС Измерение фактического значения 87
Фактический расход продукта на входе в подогреватель G факт вх Т/ч - // - 175
Фактическая технологическая тепловая мощность подогревателя Q факт техн кВт Формула (1) с фактическими параметрами 1 390
Промежуточный вывод Фактическая тепловая мощность подогревателя — 1390кВт меньше проектной — 1 797кВт
Фактическое давление (абс.) греющего пара в греющей камере подогревателя р факт •т гр.кам бар(а) Фактическое измерение текущего значения 1,05
Фактическая температура конденсации греющего пара в подогревателе t факт гр.кам оС Таблица водяного пара в состоянии насыщения К = М) 103
Фактический температурный напор в подогревателе At факт ¿Alo оС Формула (8) 11»
Фактический коэффициент теплопередачи в подогревателе if факт АЧ-ф кДж/ (кг х К) Формула: Кффакт= Оюхнфакт / (Л0™1 х р) 1 557
Коэффициент эксплуатационного снижения коэффициента теплопередачи в подогревателе Vk Ед. Формула (21) 0,675
Коэффициент эксплуатационного повышения температурного напора в подогревателе VAt0 Ед. Формула (22) 1,48
Требуемые (повышенные) параметры подогревателя
Требуемый (повышенный) температурный напор в подогревателе оС Формула (24) 14,5°
Требуемая (повышенная) температура греющего пара в греющей камере подогревателя t Т гр.п оС Формула (26) 108,5°
Требуемое (повышенное) давление (абс.) пара в греющей камере подогревателя р т гр.п бар (абс.) Формула (11) или таблица водяного пара в состоянии насыщения 1,40
за то, что наша жизнь не блёкла,
мы говорим: спасибо, свёкла!
36 САХАР № 3 . 2018
#
FLDRIMOND
DESPREZ
При отсутствии возможностей для таких действий необходимо использовать решения, связанные с применением резервных поверхностей теплообмена подогревателя.
Для сохранения проектного уровня энергетической эффективности производства на протяжении всего сезона эксплуатации изложенная выше деятельность службы энергоменеджмента в отношении каждого подогревателя тепловой схемы завода должна стать правилом.
Выводы
Обоснована ответственность службы энергоменеджмента сахарного завода за формирование адекватных исходных данных для проектирования подогревателей тепловой схемы производства.
Методически обеспечено поддержание соответствия между эксплуатационными параметрами подогревателей и их значениями, заложенными проектирующей организацией в проекте расчёта поверхности теплообмена.
Методически обеспечено формирование адекватных ожидаемым при эксплуатации температурных параметров подогревателей.
Предложен метод определения теплотехнически обоснованного (по допустимой потере температуры конденсации) диаметра паропровода, транспортирующего греющий пар к подогревателям.
Предложен метод учёта паропотребления вакуум-аппаратов периодического действия при формировании проектных значений температур греющего пара и температурных напоров для подогревателей тепловой схемы сахарных заводов.
Разработана (в виде таблицы) методика оперативного контроля и принятия решений (т. е. энергоменеджмента) для системы подогревателей сахарного завода.
Список литературы
1. Альтшуль, А.Д. Гидравлика и аэродинамика (Основы механики жидкости) [Текст]: учеб. пособие для вузов / А.Д. Альтшуль, П.Г. Киселёв. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Стройиздат, 1975. — 328 с.
2. Андрижиевский, А.А. Энергосбережение и энергетический менеджмент: учеб. пособие / А.А. Андрижиевский, В.И. Володин. — 2-е изд., испр. — Минск : Высшая школа, 2005. - 294 с.
3. Банных, О.П. Основные конструкции и тепловой расчёт теплообменников: учеб. пособие / О.П. Банных. — СПбНИУ ИТМО, 2012. — 42 с.
4. Барулин, Е.П. Расчёты теплоиспользующего оборудования: учеб. пособие / Е.П. Барулин, В.Н. Исаев, А.И. Сокольский. — Иваново : Иван. гос. хим.-технол. ун-т. — Иваново, 2009. — 100 с.
5. Бойко, В.О. Експериментальне визначення теплотех-шчних показниыв роботи вакуум-апарапв 1-го продукта перюдично! дп з мехашчними циркуля торами /
В.О. Бойко [та iH.]. - Цукор Украши. - 2010. - № 2(58). - С. 45-48.
6. Дытнерский, Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Ю.И. Дытнерский. - М. : Химия, 1983. - 272 с.
7. Колесников, В. А. Теплосиловое хозяйство сахарных заводов / В.А. Колесников, Ю.Г. Нечаев. - М. : Пищевая промышленность, 1980. - 392 с.
8. Кириллин, В.А. Техническая термодинамика: учеб. для теплоэнергетических спец. вузов / В.А. Кириллин, В.В. Сычёв, А.Е. Шейндлин. - 4-е изд., перераб. - М. : Энергоато-миздат, 1983. - 416 с.
9. Михеев, М.А. Основы теплопередачи / М.А. Михеев, И.М. Михеева. - М. : Энергия, 1977. - 344 с.
10. Ривкин, С.Л. Теплофизические свойства воды и водяного пара / С.Л. Ривкин, А.А. Александров. - М. : Энергия, 1980. - 424 с.
Аннотация. В статье обоснована необходимость учёта заводскими специалистами эксплуатационных факторов, определяющих проектные температуры греющего пара и температурные напоры, на этапе проектирования подогревателей с целью формирования адекватной системы исходных данных.
Предложено математическое обеспечение энергоменеджмента системы подогревателей тепловой схемы завода, а именно оперативного поддержания тепловой мощности подогревателей на проектном уровне в течение всего периода их эксплуатации. Приведён метод расчёта диаметра паропровода, транспортирующего греющий пар к подогревателям, допустимой потерей температуры конденсации греющего пара. Предложен метод учёта переменного потребления пара вакуум-аппаратами периодического действия при задании проектных значений температур греющего пара и температурных напоров для подогревателей тепловой схемы сахарных заводов. Разработана методика оперативного контроля и принятия решений (энергоменеджмента) для системы подогревателей сахарного завода.
Ключевые слова: энергетический менеджмент, тепловая схема, сахарный завод, проектные параметры, эксплуатационные параметры, взаимное соответствие. Summary. The article substantiates the necessity to take into account the operational factors determining the design temperatures of the heating steam and temperature headers at the design stage of the heaters in order to form an adequate system of initial data.
The mathematical support of the energy management of the heater system of the thermal scheme of the plant is proposed, namely, the operational maintenance of the heat capacity of the heaters at the design level during the entire period of their operation.
The method of calculating the steam pipe diameter of a transporting heating steam to the heaters, permissible loss of the condensing temperature of the heating steam, is offered. A method is proposed for accounting the variable consumption of steam by periodical vacuum devices when specifying the design values of the temperatures of the heating steam and the temperature head for the heaters of the sugar plant heat circuit. The method of operational control and decision-making (energy management) for the sugar plant heater system was developed. Keywords: energy management, thermal scheme, sugar factory, design parameters, operational parameters, mutual correspondence.
№ 3* 2018
САХАР
37
m
flqrimond за to, что наша жизнь he блёкла,
DESPREZ мы говорим: спасибо, свёкла!
