CC BY
37УДК 330.34
Кратное снижение энергопотребления систем активной вентиляции кагатов сахарной свёклы
С.М. КОЛЬЦОВ (e-mail: smkoltsov@yandex.ru)
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»
К.С. ВАСИЛЕВСКИЙ
С.С. ТОЛСТОШЕИН, канд. техн. наук
ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет» Р.А. МАМОНТОВ, инженер-электронщик К.Ю. ИРЖАВЦЕВ, инженер-программист ООО «АгроХолод»
Введение
Одним из факторов, сдерживающих внедрение вентилируемого хранения сахарной свёклы, является значительное энергопотребление системами активной вентиляции кагатов [1]. Одновременное включение нескольких сотен вентиляторов (каждый по 7,5—11 кВт) требует доступную электромощность на уровне 2—3 МВт и более. Для обеспечения единовременной подачи на кагатное поле такой мощности заводской ТЭЦ нужно произвести дополнительное количество электроэнергии. При этом пар от дополнительного производства утилизировать зачастую некуда. Стоимость невостребованного пара приходится закладывать в стоимость электроэнергии, что приводит к значительному её удорожанию — до 10—12 р. за 1 кВт/час.
Альтернативное решение — покупать электроэнергию на рынке, что тоже недёшево. Помимо стоимости киловатта приходится оплачивать подключение и платить штрафы за недобор и перебор электроэнергии.
Для единовременной подачи на кагатное поле электромощности 2—3 МВт необходимо построить сетевую инфраструктуру: трансформаторные подстанции, кабельные линии соответствующего сечения.
Перечисленные затраты можно уменьшить, если отказаться от непрерывной вентиляции и единовременного включения всего парка вентиляторов, перейдя к режиму дискретной вентиляции, предполагающему периодическое включение вентиляторов отдельных кагатов или (для дополнительного снижения энергопотребления) участков кагатов. В этом случае вентиляторы включаются не сразу на всём кагате, а по секциям. К примеру, сначала вентилируется первая треть кагата, затем последовательно вторая и третья. Таким образом, единовременное энергопотребление кагатного поля можно снизить в 2,5—3 раза.
Помимо снижения энергопотребления дискретная схема работы имеет ряд технологических преимуществ, в основе которых лежит повышение эффективности тепломассообмена при охлаждении сахарной свёклы, уменьшение выноса влаги с поверхности корнеплода.
Тепломассообмен при вентиляции кагатов
Непрерывное интенсивное вентилирование способствует увеличению количества испаряемой влаги с поверхности корнеплода. Гипервентиляция влечёт за собой потерю свекломассы.
Процесс переноса влаги от свёклы в окружающую среду путём испарения описывается уравнением Дальтона:
У = Ъгк^-т, (1)
Р
где V — скорость испарения, мм; k — коэффициент пропорциональности; Ез — максимальная упругость водяного пара при температуре испаряющей поверхности; е — фактическая упругость водяного пара; р — атмосферное давление; f (г) — функция воздушного потока. Коэффициент еР отражает способность корнеплода удерживать влагу и защитные свойства покрывных структур. Значения коэффициента массо-обменной характеристики приводятся в [2, 3].
В процессе вентилирования температура в корнеплоде распределяется неравномерно: в его центре она выше, чем у наружного слоя [4]. Избыточную теплоту воздух забирает только от внешнего слоя свёклы. Передача теплоты от центра к внешнему слою корнеплода занимает некоторое время. На рис. 1 изображены графики, которые описывают суть процесса.
На рисунке применены следующие обозначения:
А-г -т „
--параметр, характеризующий процесс охлаждения; 5 — толщина, мм; %т— температуропроводность;
т — время, сек; Тс — температура корнеплода, °С; Токр— температура окружающей среды, оС.
Поскольку изменение температуры внутри корнеплода запаздывает по сравнению с её поверхностью, то во время вентилирования разница между температурой наружного слоя сырья и окружающей средой уменьшается [5].
Эффективность процесса охлаждения зависит от разности между температурой наружного слоя сырья и окружающей средой ЛТ=Токр— Т.. Из уравнения (2) следует, что чем больше разность ЛТ, тем большее количество теплоты воздух может принять от свёклы [5]. Количество теплоты, отдаваемое корнеплодами воздуху, в процессе вентилирования снижается из-за охлаждения наружного слоя:
Q = С т • (Токр- Т. ).
(2)
Отсюда следует, что если вентиляторы эксплуатировать в непрерывном режиме, то воздух как рабочий агент будет расходоваться неэффективно. Разница температур между рабочим агентом и наружным слоем корнеплода будет невелика, и это приведёт к снижению ожидаемого положительного эффекта охлаждения сырья. В то же время вынос влаги из корнеплода увеличится.
Если рассматривать воздух как агент, с помощью которого выполняется работа по снижению температуры насыпи сахарной свёклы, то дискретный режим вентилирования более эффективен, чем непрерывный. При дискретном вентилировании уменьшается наработка часов электродвигателей вентилятора и снижается потребление электроэнергии. Воздух как рабочий агент системы вентиляции имеет стоимость. Он бесплатен до тех пор, пока на него не потрачены моторесурс вентиляторов и электроэнергия. После совершения вентилятором работы воздух переходит
Рис. 1. Температура слоёв в корнеплоде: 1 — наружного, 2 — промежуточного, 3 — центрального
в категорию материальных ресурсов, которые подлежат экономии.
В качестве оптимального принят режим работы вентиляции «1 час непрерывной вентиляции / 40 минут простоя». Часа непрерывной работы вентиляции достаточно, чтобы удалить избыток теплоты, поменять воздух в межкорневом пространстве, насыщенный углекислым газом. 40 минут простоя требуется для выравнивания температуры между воздухом в межкорневом пространстве, центральным и наружным слоями свёклы.
Программно-аппаратный комплекс
В целях реализации дискретного режима авторы статьи (при поддержке компании «АгроХолод») разработали программно-аппаратный комплекс для автоматизированного управления системой активной вентиляции кагата, в состав которого входят:
— силовой шкаф 200А на 8 вентиляторов, совмещённый со шкафом автоматики;
— система беспроводной термометрии, позволяющая контролировать значение температуры сырья из расчёта одна термоштанга на каждые 250—500 т сырья. Расстояние передачи радиосигнала составляет более 2 км [6];
— программное обеспечение, объединяющее вентиляторы, силовые шкафы и беспроводную термометрию в единую систему автоматизированного управления активной вентиляцией кагата с дистанционным управлением через сеть Интернет.
Электрические шкафы разработаны в системе автоматизированного проектирования (САПР) с учётом характера протекания процесса вентилирования кагата и условий его эксплуатации.
Математическое и программное обеспечение системы управления активной вентиляцией кагата включает в себя уникальные алгоритмы управления процессом, защит и блокировок, которые обеспечивают надёжность и безопасность эксплуатации системы. Данные обеспечения реализованы в пакете прикладных программ DEP и среде разработки ЗСАОА-система «КРУГ-2000».
В зависимости от решений начальника сырьевой службы завода управление системой осуществляется в следующих режимах:
— местный режим: оператор включает вентиляторы вручную;
— автоматический режим: вентиляторы включаются автоматически, без участия оператора, а управление системой происходит с помощью алгоритма, при этом оператор по своему выбору определяет уставки и контролирует работу системы;
— ручной дистанционный режим: оператор включает вентиляторы удалённо с автоматизированного рабочего места (АРМ);
— импульсный режим является модификацией ручного дистанционного режима. В данном режиме осуществляется кратковременное включение (10 минут в работе, 1 час в простое). Он применяется в случае, когда Токр> Тс, оС, и охлаждение сырья невозможно. В этом режиме выполняется «проветривание» межкорневого пространства с целью замены в кагате воздушной среды, обогащённой С02, на воздух из окружающей среды с достаточным количеством кислорода.
Автоматический режим работает на основе уставок, которые задаются оператором системы. Основными из них являются:
— максимально разрешённое время непрерывной работы вентилятора, ттах, мин;
— минимально разрешённое время простоя вентилятора, ттЬ, мин;
— значение разницы температур Л Т, 0С, между Токр и Тс, при которой вентилятор получает разрешение на включение. Для включения вентилятора необходимо, чтобы температура воздуха была ниже температуры сырья: ЛТ> Тс — Токр.
В системе применяется также ряд других — вспомогательных — уставок.
Управление системой выполняется с помощью панели оператора, представляющей собой мнемосхему на мониторе АРМ оператора. Общий вид мнемосхемы представлен на рис. 2. АРМ оператора удалено от объекта управления (кагатного поля). В связи с этим управление может осуществляться как по сети Ин-транет, так и по сети Интернет [7, 8].
Каждому вентилятору на кагатном поле присвоен индивидуальный номер (см. рис. 2), по которому можно определить его текущий статус. Контроль температуры сегмента кагата, находящегося над вентиляционной ветвью, осуществляет термоштанга, которая также имеет индивидуальный номер. В программе устанавливается связь между вентилятором и термо-
штангой, расположенными в одной секции кагата. Измеряемые термоштангой значения температуры передаются на АРМ оператора.
Сравнение инвестиционных затрат на строительство
электрических сетей
Ниже в расчёте приведено сравнение инвестиционных затрат на трансформаторные подстанции и кабель для подключения к высоковольтной линии электропередач и затрат на прокладку кабеля в грунте.
Экономический эффект от отказа в привлечении сторонней электроэнергии или производстве дополнительной энергии на заводской ТЭЦ не учитывался.
Рассматривается хранение 100 тыс. т сахарной свёклы в 4 кагатах по 25 тыс. т (рис. 3). Ширина нижнего основания кагата составляет 35 м, длина — 270 м, высота — 7 м, расстояние между вентиляторами — 6 м.
Исходные данные для экономического расчёта:
— объём хранимого сырья: 100 тыс. т;
— количество вентиляторов: 192 шт.;
— мощность электродвигателя вентилятора: 11 кВт;
— расстояние от трансформаторной подстанции до силового шкафа: 1 км;
— трансформаторная подстанция (ТП) киоскового типа.
Линия электропередач (ЛЭП) расположена вблизи кагатного поля (рис. 3). Подвод электроэнергии с высоковольтной линии электропередач к полю осуществляется через трансформаторные подстанции киоскового типа, которые следует располагать вблизи источников потребления для снижения электрических потерь на низкой стороне [9]. От трансформаторных подстанций электроэнергия подаётся на распределительные шкафы, а от них — на силовые шкафы управления вентиляторами [10]. Один шкаф управляет восемью вентиляторами.
2 / 7: у-:$ ' :■■■:■" | : ' ■ : | ' ' ' | ИМ ММ ф} |{гм"|......ПГ^1И >|п ПИ МП ||МП.....НИ мм|....... Им|м1
у1,9 + 1,1 ° -1,1 ° + 0,0 ° + 1,1 ° + 1,1 ° + 1,1 ° +2,9 ° -1,4 ° +2,9 ° -1,1 ° + 3,4 ° + 1,6 ° +2,3 ° -0,4 ° + 1,0 °
25/42 26/26 27/27 28/28 29/29 30/30 31/41 32/32 17/17 18/18 19/19 20/20 21/21 22/22 23/23 24/24
Л+0,9 Л+0,1 ° Л-2,1 ° Л-1,0° Л+0,1 ° Л+0,1 ° Л+0,1 ° Л+ 1,9 ° Л-2,4° Л + 1,9 ° Л -2,1 ° Л+2,4 ° Л+0,6 ° Л + 1,3 ° Л-1,4° Л-0,0 °
Авто Авто Авто Авто Авто Авто Авто дист. Авто дист. Авто дист. Авто Авто Авто Авто
Т кагата средняя = +1,0°
ЩиРДЖ Ш^Рд
РД
ШУ4
ШУ3
Рис. 2. Панель управления системой вентиляции кагата: 1 — номер вентилятора; 2 — номер термоштанги; 3 — температура свёклы, измеряемая термоштангой; авто — автоматический режим управления;руч. дист., РД—ручное дистанционное управление; ШУ4 — шкаф управления 4; ШУ3 — шкаф управления 3;
Электропитание силового шкафа 90 кВт, 200 А. Для кагата массой 25 тыс. т принято 48 вентиляционных ветвей. В этом случае суммарная нагрузка на один кагат будет составлять 528 кВт и 1200 А.
Расчёт выполняется в первом случае для непрерывной вентиляции, во втором — для дискретного режима. В первом случае необходима инфраструктура, способная обеспечить потребление 2,2 МВт электроэнергии. Чтобы снизить затраты на кабельную продукцию и её прокладку, предусмотрено расположить по одной ТП вблизи каждого кагата (рис. 3а). Для обеспечения расчётной активной мощности 0,53 МВт предлагается рассмотреть КТП 630 кВА.
Во втором случае включение вентиляторов организованно по секциям. Это позволит объединить два кагата в одну электрическую сеть (рис. 3б). Максимальное количество единовременно включён-
Сравнение инвестиционных затрат на строительство
электрических сетей
Рис. 3. Принципиальная схема электроснабжения кагатного поля: а) для непрерывного режима, б) для дискретного режима; 1 — линия электропередач, 2 — трансформаторная подстанция, 3 — распределительный шкаф, 4 — силовой шкаф, 5 — кагат
Режим работы системы вентиляции Постоянный Дискретный
Общая мощность, МВт 2,2 0,8
Расчётная мощность на одну ТП, МВт 0,53 0,71
Трансформаторная подстанция (ТП) КТП 630 кВА
Количество (с учётом резервных), шт. 8 4
Оптовая цена ТП, тыс. р. 360 360
Стоимость ТП, тыс. р. 2 880 1 440
Тип кабеля. Характеристика ВВГ 3x150
Суммарная длина, м 2 740 1 530
Цена кабеля, р/п.м. 2 595
Стоимость кабеля, тыс. р. 7 110,3 3 970,4
Цена работ с грунтом, тыс. р/п.м. 0,45
Суммарная длина траншеи, м 740 420
Стоимость работ с грунтом, тыс. р. 333 189
Цена работ по прокладке кабеля, тыс. р/п.м. 0,3
Суммарная длина кабеля, м 2 740 1 530
Стоимость работ по прокладке кабеля, тыс. р. 822 459
Итого, тыс. р. 11 145,3 6 058,4
ных вентиляторов ограничено и не превышает 35 % от общего числа. Возможна ситуация, когда на одну ТП будет приходиться 64 одновременно включённых вентилятора (работающих), а на другую — ни одного. В этом случае следует принять в расчётах мощность на одну ТП 0,71 МВт и для её обеспечения потребуется более мощная трансформаторная подстанция. Однако программный комплекс позволяет ограничить количество единовременно включённых вентиляторов на одной линии электроснабжения. Тогда их количество для одной ТП можно ограничить 48 шт., а остальные 26 включать на другой ТП. Данное условие позволяет снизить расчётную мощность до 0,53 МВт и принять в расчётах КТП 630 кВА.
При определении количества трансформаторных подстанций необходимо предусмотреть резервирование на случай выхода из строя рабочей трансформаторной подстанции [11]. В расчёте не учитывается стоимость узлов для переключения между трансформаторами в случае аварии.
Подберём сечение и тип кабеля от ЛЭП до ТП с учётом необходимой мощности и длины [12]. Длины участков указаны на рис. 3 в метрах. Для непрерывного режима вентилирования участков длиной 70 и 150 м возьмём 3 кабеля ВВГ 3х 150 мм2, участков длиной 220 и 300 м — 4 кабеля ВВГ 3x150 мм2. Для дискретного режима: участок длиной 150 м потребует 3 кабеля ВВГ 3x150 мм2, участок 270 м — 4 кабеля ВВГ 3x150 мм2.
В экономическом расчёте учитывается стоимость монтажных работ прокладки кабельных линий в земле. В состав таких работ входит: разработка грунта, устройство песчаной подушки для кабеля, прокладка кабеля в готовых траншеях, маркировка кабеля и концов, обратная засыпка грунта.
По одной траншее прокладывают несколько кабельных линий, поэтому необходимо отделить стоимость работ, связанных с грунтом, от стоимости работ только по прокладке кабеля. Общую стоимость работ с грунтом примем равной 450 р/п.м., а стоимость работ с кабелем — 300 р/п.м.
Результаты расчёта приведены в таблице.
Инвестиционные затраты на обеспечение кагат-ного поля вентилированием в непрерывном режиме превышают затраты на реализацию этого процесса в дискретном режиме на 84 %.
Заключение
По сравнению с непрерывной вентиляцией дискретный режим работы позволяет кратно уменьшить инвестиционные затраты, снизить единовременное энергопотребление кагатного поля и является более щадящим для сырья. Для случаев, когда охлаждение неосуществимо из-за высокой окружающей температуры, возможно проветривание межкорневого
пространства в импульсном режиме. Применение дискретного (импульсного) режима предполагает использование автоматизированной системы управления активной вентиляцией кагата.
Система автоматизированного управления активной вентиляцией кагатов в 2016—2018 гг. была внедрена на двух сахарных заводах — в Тамбовской и Курской областях.
Список литературы
1. Хелемский, М.З. Активное вентилирование свёклы при хранении и меры по усилению его внедрения / М.З. Хелемский // Сб. матер. Всесоюзной научно-технической конференции по вопросам вентилирования свёклы. — 1968. — С. 5—9.
2. Жадан, В.З. Теоретические основы кондиционирования воздуха при хранении сочного растительного сырья / В.З. Жадан. — М. : Пищевая промышленность, 1972. - 154 с.
3. Рубин, Б.А. Физиология сельскохозяйственных растений. Т. VII. Физиология сахарной свёклы / Б.А. Рубин. - М. : Изд-во МГУ , 1968. - 426 с.
4. Михеев, М.А. Основы теплопередачи / М.А. Михеев, И.М. Михеева. - М. : Энергия, 1977. - 336 с.
5. Волков, М.А. Тепло- и массообменные процессы при хранении пищевых продуктов / М.А. Волков. -М. : Лёгкая и пищевая промышленность, 1982. -272 с.
6. Пупков, К.А. Методы классической и современной теории автоматического управления. Т. 2. Статистическая динамика и идентификация САУ МГТУ им. Н.Э. Баумана / К.А. Пупков, Н.Д. Егупов. -2004. - 640 c.
7. Елизаров, И.А.. Интегрированные системы проектирования и управления: SCADA-системы: Учеб. пособие / И.А. Елизаров [и др.] - Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2015. - 160 с.
8. Мартемьянов, Ю.Ф. Технические средства автоматизации. Программно-технические комплексы и контроллеры: Учеб. пособие / Ю.Ф. Мартемьянов [и др.] - М. : Машиностроение, 2004. - 180 с.
9. Методические рекомендации по расчёту норм расхода электрической энергии в сельскохозяйственном производстве - М. : ВНИЭСХ, 1983. - 51 с.
10. Правила устройства электроустановок: 7-е изд. / Главгосэнергонадзор России. - М. : ЗАО «Энергосервис», 2007. - 610 с.
11. Лещинская, Т.Б. Электроснабжение сельского хозяйства: Учебник и учеб. пособие для студентов высших учебных заведений / Т.Б. Лещинская, И.В. Наумов. - М. : БИБКОМ, ТРАНСЛОГ, 2015. -656 с.
12. Шеховцов, В.П. Расчёт и проектирование схем электроснабжения: Методическое пособие для курсового проектирования / В.П. Шеховцов. - 2-е изд., испр. - М. : Форум; Инфра-М, 2007. - 214 с.
Компания «АгроХолод» производит полный спектр оборудования
для длительного хранения сахарной свеклы:
• воздуховоды с толщиной стенки 9 мм (выдерживают удар ковшом «Амкодор»);
• вентиляционные установки повышенной производительности;
• программно-аппаратный комплекс управления активной вентиляцией кагата, в состав которого входят:
◊ силовые шкафы с возможностью ручного управления;
◊ шкафы автоматики, осуществляющие оперативное управление вентиляционными установками (групповое и индивидуальное);
◊ комплект беспроводной термометрии, состоящий из погружных термоизмерительных приборов - термоштанг и коммуникационного шкафа;
◊ автоматизированное рабочее место оператора для контроля и управления процессом хранения сахарной свёклы через сеть Интернет;
◊ программное обеспечение системы (разработка ООО «АгроХолод»).
Сопутствующие производственные услуги
• Монтаж оборудования на кагатном поле заказчика
• Пусконаладочные работы
• Послегарантийное сервисное обслуживание
• Эксплуатационное сопровождение в течение сезона
• Обучение персонала работе с оборудованием
• Подготовка технического задания на систему вентиляции кагатного поля (бесплатно)
Оборудование компании «АгроХолод» адаптировано для работы с буртоукладочны-ми машинами типа «Комплекс 65М2Б3-К» на старых, неремонтированных кагатных полях, в том числе без твёрдого покрытия на грунте.
Наш сайт: agroxolod.ru Эл. почта: agroxolod@yandex.ru Тел.: 8 (475-2) 26-27-28
Аннотация. Внедрение системы активной вентиляции сахарной свёклы сдерживает значительное энергопотребление кагатного поля. Применение современных технологий автоматизации позволяет кратно снизить текущее энергопотребление. Дискретный режим уменьшает вынос влаги, является более щадящим по сравнению с непрерывным вентилированием. Благодаря применению программно-аппаратного комплекса достигается двукратная экономия на инвестиционных затратах по строительству распределительных сетей электропитания кагатного поля. Данная разработка выполнена коллективом, в который входят специалисты разных профилей: инженер по промышленной вентиляции, инженеры по автоматизированным системам управления технологическими процессами, инженер-электронщик, инженер-программист.
Ключевые слова: сахарная свёкла, система вентиляции, энергосбережение, активная вентиляция. Summarv. The introduction of active ventilation of sugar beet inhibits significant energy consumption sugar beet storage field. The use of modern automation technology allows a multiple to reduce the current energy consumption. Discrete mode reduces the removal of moisture, is more gentle compared to constant ventilation. Thanks to the use of a software and hardware complex, double savings are achieved in investment costs for the construction of distribution networks for power supply of the sugar beet storage on field. This development is made by a team of specialists of different profiles: industrial ventilation engineer, engineer for automated process control systems, electronics engineer, software engineer.
Keywords: sugar beet, ventilation system, energy saving, active ventilation.
