CC BY
8
УДК 614.84 Б01 10.18635/2071-2219-2016-5-5-8
Схема автоматического управления для повышения взрывопожаробезопасности и энергоэффективности элеваторов
С. А. Шевцов,
Воронежский институт государственной противопожарной службы МЧС России,
доктор технических наук
А. В. Дранников,
Воронежский государственный университет инженерных технологий,
доктор технических наук
А. Н. Шуткин,
Воронежский институт государственной противопожарной службы МЧС России,
кандидат физико-математических наук, доцент
Д. В. Каргашилов,
Воронежский институт государственной противопожарной службы МЧС России,
кандидат технических наук
Предлагается схема управления, которая позволит существенно повысить взрывопожаробезопас-ность элеваторов за счет внедрения систем автоматизации, позволяющих одновременно вести процессы сушки и хранения сырья. Стабилизация термовлажностных характеристик зерновых культур исключает возможность образования взрывопожароопасной среды, снижает затраты энергии на процессы сушки и хранения за счет использования пароэжекторного теплового насоса. Удельные энергозатраты уменьшаются также путем утилизации и рекуперации вторичных ресурсов.
Ключевые слова: взрывопожароопасность, автоматическое управление, рекуперация, вторичные ресурсы, растительное сырье.
Предприятия по хранению и переработке зерна входят в число наиболее опасных промышленных объектов. Увеличение валового урожая зерновых культур приводит к росту загруженности производственных мощностей предприятий зерноперерабатывающей отрасли [1], что увеличивает и их взрывоопасность при постоянном наличии пылевоздушной смеси. Несмотря на многочисленные системы мер предупреждения пожаров и взрывов, статистика числа пожаров на объектах хранения растительного сырья остается весьма высокой [2]. Наибольшее количество первичных взрывов на элеваторах происходит на оборудовании (около 50 %) и в силосных корпусах (более 45 %) в основном из-за нарушений технологического процесса, связанных с правилами эксплуатации оборудования, в частности зерносушилок, и с возникновением очагов самосогревания растительного сырья и продуктов его переработки в процессе хранения [3, 4].
Согласно [5], одним из способов исключения условий образования горючей среды является механизация и автоматизация технологических процессов, связанных с обращением горючих веществ, к которым относятся зернопродукты, склонные к образованию очагов самосогревания при хранении. Внедрение систем автоматизации на предприятиях элеваторной промышленности с использованием энергоэффективного оборудования
для реализации основных и вспомогательных технологических операций, направленных на стабилизацию термовлажностных характеристик сырья, является одним из основных инструментов по снижению рисков возникновения взрывопожарных ситуаций на элеваторах [6, 7]. Этот перспективный путь имеет существенные резервы с точки зрения решения актуальных задач взрывопожаробезопасности.
Предлагается рассмотреть технологию автоматического управления процессами сушки и хранения растительного сырья [8], обеспечивающего не только его высокое качество и сохранность, но и условия снижения пожарной опасности (рис. 1).
Схема (рис. 1) содержит шахтную сушилку 1 с чередующимися зонами нагрева 2 и охлаждения растительного сырья 3; шнековые смесители 4; устройства для ввода и вывода растительного сырья 5; теплообменник 6; калориферы 7; вентиляторы для подачи горячего воздуха 8 в зоны нагрева; вентиляторы для подачи кондиционированного воздуха 9 в зоны охлаждения; вентилятор для отвода отработанного воздуха на очистку 10; вентилятор для подачи воздуха на активное вентилирование растительного сырья 11; силосы 12; циклон 13; норию 14; парогенератор с электронагревательными элементами 15; предохранительный клапан 16; насос для подачи конденсата в парогенератор 17; циркуляционный насос 18; сборник конденсата 19; эжектор 20;
энЕРштатзшшАшнтвтвшшшхРАНАШРУДА
входные каналы управления ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^
выходные каналы управления
Рис. 1. Схема управления процессами сушки и хранения растительного сырья
испаритель 21; холодоприемник 22; конденсатор 23; теплообменник-рекуператор 24; терморегулирующий вентиль 25; распределитель потока воздуха 26; распределитель потока пара 27; микропроцессор 28; потоки: 0.2 - влажное растительное сырье; 0.2.1 - высушенное растительное сырье; 0.2.2 - взвешенные частицы; 1.0 -хладагент; 1.1 - пары хладагента; 1.2 - конденсат; 2.1 -рабочий пар; 2.2 - смесь паров хладагента и рабочего пара; 3.0 - воздух из атмосферы; 3.1 - отработанный воздух после зон нагрева; 3.2 - отработанный воздух после зон охлаждения; 3.3 - смесь отработанного воздуха после сушилки; 3.4 - отработанный воздух после силосов; 3.5 - смесь отработанного воздуха после сушилки и силосов; 3.6 - кондиционированный воздух; 3.7 - нагретый воздух; 4.0 - антиоксидант; датчики: ТЕ - температуры; МЕ - влажности; FE - расхода; РЕ - давления; НЕ - уровня; И - исполнительные механизмы; 0 - входные каналы управления; Т - выходные каналы управления.
Управление процессами сушки и хранения растительного сырья осуществляется следующим образом. Влажное растительное сырье по линии 0.2 подается сначала в теплообменник 6 для предварительного нагрева, а затем в зону нагрева 2 шахтной сушилки 1, где продувается нагретым воздухом. Далее растительное сырье направляется в шнековые смесители 4, где осуществляют его смешивание с антиоксидантом. Ввод антиоксиданта непосредственно после каждой зоны
нагрева позволяет предотвратить процессы окисления в сырье с повышенным содержанием жирных кислот и достичь равномерного его смешивания с исходным продуктом [9].
После смешивания с антиоксидантом растительное сырье попадает в зону охлаждения 3 шахтной сушилки 1, где охлаждается кондиционированным воздухом. Последующее чередование нагревания, смешивания и охлаждения продукта позволяет обеспечить осциллирующие режимы сушки, при которых снижается скорость внутреннего теп-лопереноса по сравнению со скоростью влагопере-носа [10]. При этом температура растительного сырья не превышает области допустимых значений, что исключает условия образования воспламенения, а снижение влажности до конечной достигается благодаря тепловому воздействию в зонах нагрева.
Режимы нагрева, смешивания и охлаждения, а также количество вносимого антиоксиданта и его вид зависят от исходного растительного сырья.
Высушенное и смешанное с антиоксидантом растительное сырье с помощью нории 14 подается по линии 0.2.1 на хранение в силосы 12.
Отработанный воздух после секций нагрева 2 шахтной сушилки 1 по линии 3.1 направляется в теплообменник 6 для подогрева влажного растительного сырья и далее вместе с отработанным воздухом, отво-
6
димым по линии 3.2 из секций охлаждения 3 шахтной сушилки 1 вентилятором 10, подается по линии 3.3 в циклон 13 для очистки от взвешенных твердых частиц. В циклон 13 также на очистку от взвешенных твердых частиц по линии 3.4 направляется отработанный воздух после активного вентилирования растительного сырья в силосах 12.
Очищенная паровоздушная смесь отработанного воздуха по линии 3.5 поступает на кондиционирование в пароэжекторный тепловой насос, включающий парогенератор с электронагревательными элементами 15 и предохранительным клапаном 16, эжектор 20, испаритель 21, холодоприемник 22, теплообменник-рекуператор 24, конденсатор 23, терморегулирующий вентиль 25, сборник конденсата 19, работающие по замкнутому термодинамическому циклу [11-13].
В холодоприемнике 22 паровоздушная смесь охлаждается до температуры точки росы и осуществляется ее осушение путем конденсации содержащейся в ней влаги на охлаждающей поверхности холодопри-емника в виде капельной жидкости. Полученный кондиционированный воздух из холодоприемника 22 выводят по линии 3.6 и с помощью распределителя потока воздуха 26 разделяют на три потока, один из которых направляют вентиляторами 9 в зоны охлаждения 3 сушилки 1, второй - вентилятором 11 на активное вентилирование в силосы 12, а третий -последовательно в теплообменник-рекуператор 24, конденсатор пароэжекторного теплового насоса 23, калориферы 7 и далее вентиляторами 8 в зоны нагрева 2 сушилки 1.
В парогенераторе 15 получают рабочий пар и по линии 2.1 подают в распределитель потока пара 27, с помощью которого разделяют на два потока, один из которых направляют в калориферы 7 для дополнительного нагрева кондиционированного воздуха перед подачей в зоны нагрева 2 сушилки 1, а другой - в сопло эжектора 20, создавая при этом разряжение в испарителе 21 с пониженной температурой кипения хладагента, в качестве которого используют воду. Смесь паров хладагента и рабочего пара после эжектора 20 по линии 2.2 попадает в конденсатор 23 для подогрева кондиционированного воздуха перед калориферами 7. При этом одну часть образовавшегося конденсата направляют по линии 1.2 в испаритель 21 для пополнения убыли воды, а другую его часть - в теплообменник-рекуператор 24 и далее вместе с конденсатом, полученным в холодоприемнике 22 и в калориферах 7, отводят сначала в сборник конденсата 19, а затем с помощью насоса 17 в парогенератор 15 с образованием замкнутого цикла.
По текущей информации о расходе растительного сырья с повышенным содержанием жирных кислот в линии 0.2 микропроцессор 28 в соответствии с заложенным в него алгоритмом устанавливает массовый и тепловой расход воздуха на входе в зоны нагрева 2 шахтной сушилки 1 воздействием на мощность регулируемых приводов вентиляторов 8 и на расход рабочего пара в калориферах 7 посредством исполнительных механизмов. По текущим значениям влажности растительного сырья в зонах нагрева 2 микропроцессор устанав-
ливает расход антиоксиданта на этапах смешивания путем воздействия на исполнительные механизмы шнековых смесителей 4, а по текущей температуре растительного сырья в секциях охлаждения 3 микропроцессор устанавливает расход кондиционированного воздуха на входе в эти секции воздействием на мощность регулируемых приводов вентиляторов 9.
Вид антиоксиданта и его необходимое количество, направляемое в шнековые смесители 4, зависит от вида обрабатываемого растительного сырья и его характеристик после зон нагрева.
По информации датчиков о расходе и влагосодер-жании паровоздушной смеси после сушилки 1 и сило-сов 12 в линии 3.5 микропроцессор 28 определяет количество водяных паров в смеси, в зависимости от которого устанавливает коэффициент эжекции пароэжек-торного теплового насоса воздействием на соотношение расходов рабочего пара, подаваемого по линии 2.1 в сопло эжектора, и эжектируемого пара хладагента по линии 1.1 из испарителя 21 путем изменения расхода рабочего пара. Причем микропроцессор устанавливает производительность парогенератора 15 воздействием на мощность его электронагревательных элементов в зависимости от давления рабочего пара, подаваемого в эжектор 20 по линии 2.1.
Микропроцессор непрерывно контролирует температуру в различных сечениях растительного сырья по высоте силосов. При отклонении текущей температуры сырья в любой из точек измерения от заданного значения микропроцессор устанавливает заданный расход смеси кондиционированного и свежего воздуха в линии 3.6 воздействием на мощность регулируемого привода вентилятора 11 с помощью соответствующего исполнительного механизма. Таким образом, исключаются очаги самосогревания и возможность возникновения взрывопожароопасной среды.
По информации датчика давления микропроцессор осуществляет непрерывную стабилизацию давления рабочего пара в парогенераторе 15 воздействием на мощность электронагревательных элементов посредством исполнительного механизма. При этом достигается заданное значение производительности парогенератора, необходимое для эжектирования паров хладагента из испарителя.
Информация о текущем значении уровня конденсата в парогенераторе с помощью датчика передается в микропроцессор. При изменении уровня конденсата микропроцессор осуществляет двухпозиционное регулирование приводом питающего насоса 17, а именно инициирует включение питающего насоса при достижении уровня конденсата в парогенераторе нижнего заданного значения и отключение его при достижении верхнего заданного значения. В случае технологических и аварийных сбоев в работе парогенератора, связанных с возможным увеличением давления рабочего пара в его рабочем объеме, предусмотрен предохранительный клапан 16.
Предлагаемая схема автоматического управления позволяет существенно повысить взрывопожа-робезопасность элеваторов за счет внедрения систем
автоматизации для одновременного ведения процессов сушки и хранения. Происходит стабилизация термовлажностных характеристик зерновых культур, что исключает возможность образования взры-вопожароопасной среды. Внедрение этого комплексного решения соответствует направлениям важнейших прикладных задач для предприятий элеваторной промышленности и имеет ряд дополнительных преимуществ:
- обеспечивает стабилизацию качества и увеличения сроков хранения растительного сырья за счет
двухэтапного смешивания антиоксиданта с подсушенным материалом после зон нагрева;
- снижает энергетические затраты на процессы сушки и хранения растительного сырья за счет использования пароэжекторного теплового насоса и энергии вторичных ресурсов;
- повышает экологичность производства за счет утилизации и рекуперации вторичных ресурсов с использованием контуров рециркуляции, обеспечивая значительное снижение объема выбросов в окружающую среду.
Литература
1. Генералов И. Г., Суслов С. А. Производство зерна в России и в мире / / Вестник НГИЭИ. - 2014. - № 9. -С. 3-11.
2. Зернохранилища-2015 / / Комбикорма. - 2015. - № 4. - С. 2-7.
3. Вогман Л. П., Хрюкин А. В. Обеспечение пожаровзрывобезопасности объектов переработки и хранения растительного сырья / / Хлебопродукты. - 2013. - № 1. - С. 61-63.
4. Warrick C. Aerating stored grain: Cooling or drying for quality control. A Grains Industry Guide. -Kingston, 2011.
5. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности: Федеральный закон от 22.8.2008 № 123-ФЗ (в ред. от 10.7.2012 № 117-ФЗ, 02.7.2013-ФЗ) / / Собр. законодательства РФ. - 2008. - № 30 (ч. I). - Ст. 3579.
6. Титов А., Морозов Э. Обновленное законодательство по безопасной эксплуатации зернохранилищ / / Комбикорма. - 2015. - № 4. - С. 28-30.
7. Правила безопасности взрывопожароопасных производственных объектов хранения и переработки растительного сырья / / Бюллетень нормативных актов федеральных органов исполнительной власти. - 2014. - № 2.
8. Шевцов С. А., Дранников А. В. Способ управления процессами сушки и хранения растительного сырья с повышенным содержанием жирных кислот. Патент РФ 2534264. МПК F 26 B 17/04 (2006/01). № 2013126917/13.
9. Шевцов С. А., Остриков А. Н. Техника и технология сушки пищевого растительного сырья. - Воронеж: Воронежский государственный университет инженерных технологий, 2014.
10. Шевцов С. А. Научное обеспечение энергосберегающих процессов сушки и тепловлажностной обработки пищевого растительного сырья при переменном теплоподводе: диссертация доктора технических наук. -Воронеж: Воронежский государственный университет инженерных технологий, 2015.
11. Хакимзянов И. Ф., Кайнов П. А., Хасаншина Р. Т. Перспективы развития процессов сушки материалов и продуктов с использованием теплового насоса / / Вестник Казанского технологического университета. -2015. - Т. 18. - № 2. - С. 253-256.
12. Kudra T., Mujumdar A. S. Heat-Pump Drying / / Advanced Drying Technologies. - New York, 2008.
13. Siew Kian Chin, Chung Lim Law. Product quality and drying characteristics of intermittent heat pump drying of Ganoderma tsugae Murrill / / Drying Technology. - 2010. - Vol. 28. - P. 1457-1465. http://dx.doi.org/10.1080/07373937.2010.482707.
The automated control system for fire and explosion safety and energy efficiency of grain silos S. A. Shevtsov,
Voronezh Institute of the State Fire Service of the Russian Emergencies Ministry, Doctor of Science, senior lecturer
A. V. Drannikov,
Voronezh State University of Engineering Technologies, Doctor of Science A. N. Shutkin,
Voronezh Institute of the State Fire Service of the Russian Emergencies Ministry, PhD, associate professor
D. V. Kargashilov,
Voronezh Institute of the State Fire Service of the Russian Emergencies Ministry, PhD
Our new automated control system for grain storage silos is designed to reduce fire and explosion hazards. It allows simultaneous grain drying and storage that stabilizes thermal and humidity in grain and eliminates fire and explosion triggers and reduces energy consumption during drying and storage using a steam jet heat pump. Secondary energy recovery also makes the system more energy efficient.
Keywords: fire and explosion hazard, automation, energy recovery, secondary energy, plant material.
