CC BY
37
ВестникВГУИТ, №1, 2016_
УДК 636.085.002.2
DOI: http://dx.doi.org/10.20914/2310-1202-2016-1-16-20
Профессор Л.И. Лыткина, профессор А.А. Шевцов, магистрант М.К. Курманахынова
(Воронеж. гос. ун-т. инж. технол.) кафедра технологии хлебопекарного, кондитерского, макаронного и зерноперерабатывающего производств, тел. (473)255-38-51 E-mail: [email protected]
Докторант Е.З. Матеев
(Воронеж. гос. ун-т. инж. технол.) кафедра машин и аппаратов пищевых производсти, тел. (473) 255-38-96
Professor L.I. Lytkina, Professor A.A. Shevtsov, Master's degree student M.K. Kurmanahynova
(Voronezh. State. Univ. Ing. Tehnol.) Department of Technology of bakery, confectionery, pasta and grain processing industries, tel. (473) 255-38-51 E-mail: [email protected]
Doctor's degree student E.Z. Mateev
(Voronezh. State. Univ. Ing. Tehnol.) Department of food machines and equipment Tel. (473) 255-38-96
Снижение теплоэнергетических затрат энергоемких процессов в технологии комбикормов
Reducing of thermal power energy-intensive pro-cesses costs in the mixed fodders technology
Реферат. Сформирован методологический подход к созданию энергосберегающих процессов с непосредственным вовлечением в процесс производства теплонасосных технологий для подготовки энергоносителей при получении комбикормов заданного гранулометрического состава. Выполненные экспериментальные и аналитические исследования подготовили условия для разработки энергоэффективных технологий комбикормов с подключением парокомпрессионного (ПКТН) и пароэжекторного (ПЭТН) тепловых насосов по замкнутым термодинамическим схемам. Показано, что стратегия оперативного управления технологическими параметрами в области допустимых технологических свойств получаемой комбикормовой продукции не позволяет найти компромисс между конфликтующими технико-экономическими показателями и разрешить основное техническое противоречие между производительностью и энергозатратами. Задача управления существенно усложняется при отсутствии практической возможности подробного описания тепловых процессов, протекающих в замкнутых термодинамических рециклах на основе законов феноменологической термодинамики с учетом сбалансированности материальных и энергетических потоков в технологической системе. Возникает необходимость в адаптивных системах управления на основе экстремальных характеристик управляемого объекта. Эффект адаптации достигается за счет получения информации о протекающих процессах в условиях эксплуатации технологической линии производства комбикормов выровненного гранулометрического состава, которая позволяет сформировать сигнал управления по экстремальному значению функции цели. Предложена схема автоматической оптимизации, обеспечивающая непрерывное наблюдение за минимальным значением удельных теплоэнергетических затрат, устанавливающая оптимальный расход исходного рассыпного комбикорма и рациональную нагрузку на оборудование линии.
Summary: Methodological approach to the creation of energy-efficient processes with direct involvement in the produc-tion process of heat pump technology for the preparation of of energy resources in obtaining of mixed fodders of the given particle size distribution was formed. Completed experimental and analytical studies paved the way for the development of energy efficient technolo-gies of mixed fodders with a vapor compression connection (VCHP) and steam ejector (SEHP) heat pumps on the closed thermody-namic schemes. It was shown that the strategy of the operational management of process parameters in the allowable technological properties of the resulting mixed fodder production does not allow a compromise between the conflicting technical and economic param-eters and let the main technical contradiction between productivity and power consumption. The control problem becomes much more complicated when there is no practical possibility of a detailed description of thermal processes occurring in the closed thermodynamic recycles based on the phenomenological laws of thermodynamics considering a balance of material and energy flows in the technologi-cal system. There is a need for adaptive control systems based on the extreme characteristics of the controlled object. The adaptation effect is achieved by obtaining information about the processes occurring in the conditions of technological line of mixed fodders pro-duction equalized particle size distribution, which allows to generate a control signal for the extreme value of the objective function. The scheme of automatic optimization ensuring continuous monitoring of the minimum value of the specific heat energy costs is proposed. It provides optimal consumption of the starting loose mixed fodder and rational strain on the line equipment.
Ключевые слова: оптимизация, теплоэнергетические затраты, стоимость, экстремум, тепловой насос, управление.
Keywords: optimization, heat and energy costs, cost, extremum, heat pump, control.
© Лыткина Л.И., Шевцов А.А., Курманахынова М.К., Матеев Е.З., 2016
Для цитирования
Лыткина Л.И., Шевцов А.А., Курманахынова М.К., Матеев Е.З. Снижение теплоэнергетических затрат энергоемких процессов в технологии комбикормов // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2016. №1. C. 16-20. doi: 10.20914/2310-1202-2016-1-16-20.
16 БД Agris
For cite
Lytkina L.I., Shevtsov A.A., Kurmanakhynova M.K., Mateev E.Z. Reducing of thermal power energy-intensive pro-cesses costs in the mixed fodders technology Vestnik voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernyh tekhnologj [Proceedings of the Voronezh state university of engineering technologies]. 2016, no. 1, pp. 16-20. (In Russ.). doi: 10.20914/ 2310-1202-2016-1-16-20.
ВестникВВГУИТ, №1, 2016_
В работах [1, 2] сформирован методологический подход к созданию энергосберегающих процессов с непосредственным вовлечением в процесс производства теплонасосных технологий для подготовки энергоносителей при получении комбикормов заданного гранулометрического состава.
Выполненные экспериментальные и аналитические исследования подготовили условия для разработки энергоэффективных технологий комбикормов с подключением парокомпресси-онного (ПКТН) и пароэжекторного (ПЭТН) тепловых насосов по замкнутым термодинамическим схемам (рисунки 1, 2).
Рисунок 1. Функциональная схема производства комбикормов с использованием парокомпрессионного теплового насоса
Однако стратегия оперативного управления технологическими параметрами в области допустимых технологических свойств получаемой комбикормовой продукции не позволяет найти компромисс между конфликтующими технико-экономическими показателями и разрешить основное техническое противоречие между производительностью и энергозатратами.
Задача управления существенно усложняется при отсутствии практической возможности подробного описания тепловых процессов, протекающих в замкнутых термо-
динамических рециклах на основе законов феноменологической термодинамики с учетом сбалансированности материальных и энергетических потоков в технологической системе. Возникает необходимость в адаптивных системах управления на основе экстремальных характеристик управляемого объекта [3].
Жир
Готовый комбикорм
Рисунок 2. Функциональная схема производства комбикормов с использованием пароэжекторного теплового насоса
Эффект адаптации достигается за счет того, что получение информации о протекающих процессах выполняется в условиях эксплуатации технологической линии производства комбикормов заданной крупности (выровненного гранулометрического состава), а использование информации о протекающих процессах позволяет сформировать сигнал управления по экстремальному значению функции цели [4, 5]. Не исключено, что экстремальные точки объекта управления технологией комбикормов являются «плавающими».
Цель работы - построение оптимизационной модели, обеспечивающей поиск оптимального значения расхода рассыпного комбикорма по минимальному значению удельных энергозатрат, на основе критерия оптимизации в виде
ВестнмкВВТУМТ, №1, 2016_
функции R = f(G), график зависимости которого
имеет ярко выраженный экстремум:
I
R = -
G„
-» min,
(1)
где - затраты электроэнергии (р/ч) на приводы:
31 -вентилятора для охлаждении смеси исходного рассыпного комбикорма и горячих гранул;
32 - валков измельчителя; 3s - просеивателя; З4 - затраты тепловой энергии на процесс гранулирования мелкой фракции; З5 - пресса-грануля-тора; Зб - транспортного оборудования для перемещения продукта; З7 - компрессора теплового насоса при использовании парокомпрессион-ного теплового насоса или тепловой энергии в парогенераторе при использовании паро-эжекторного теплового насоса; GKK - расход комбикорма выровненного гранулометрического состава (средняя фракция)
Первое слагаемое в числителе критерия (1):
3i = Цэ Ni = k3 Цэ A P F 1
(2)
где Цэ - стоимость электроэнергии, р/кВт-ч; N1 - мощность вентилятора, кВт; kэ - коэффициент перевода механической энергии потока охлаждающего воздуха в электрическую энергию электропривода вентилятора; F - площадь сечения охладительной камеры, м2; V - скорость охлаждающего воздуха, м/с.
Перепад давления воздуха в слое смеси рассыпного комбикорма и горячих гранул:
A P = kiv2,
(3)
где kl - коэффициент, определяемый экспериментально.
Подставим (3) в (2) и обозначим через А затраты электроэнергии в единицу времени на привод вентилятора при охлаждении смеси исходного рассыпного комбикорма и горячих гранул в камере охлаждения:
А = Цэ N1 = kэkl Цэ F V3 (4)
Слагаемое З2 в числителе критерия (1) выразим через пропускную способность валкового измельчителя, установленного после пресса-гранулятора:
где
= Цэ N2 = Цэ ß2G2CM2 + с), (5)
gcm2 = gcm1 + gкф, (б)
GCM1 = G + Gгг ., (7)
где N2 - мощность валкового измельчителя, кВт; G - расход рассыпного комбикорма, поступающего на линию гранулирования, кг/ч; Gгг - расход горячих гранул из мелкой фракции рассыпного комбикорма, кг/ч;
Gсмl - расход смеси исходного комбикорма и горячих гранул из мелкой фракции рассыпного комбикорма, кг/ч; Gкф - расход крупной фракции комбикорма, кг/ч; Gсм2 - расход смеси комбикорма на выходе из смесителя и крупной фракции с просеивающей машины, поступающей на валковый измельчитель, кг/ч; k2, с - эмпирические коэффициенты. С использованием кратности рециркуляции имеем:
GcMi = G (1 + 0) , G.Кф = G у (1 + 0),
(8) (9)
где а = Gгг/G - кратность рециркуляции мелкой фракции комбикорма из горячих гранул, поступающей в смеситель; у = Gкф / ^(1 + а)] - кратность рециркуляции крупной фракции, направляемой на измельчение в валковый измельчитель.
Учитывая (7)-(9), уравнение (6) принимает вид:
Gсм2=G(1 + а)(1 + у ). (10)
Значение Gсм2 можно определить через размеры [4]:
Gcm2 =pL v b ks ,
(11)
где р - плотность измельчаемой смеси, кг/м3; Ь - длина вальца, м; Ь - зазор между вальцами измельчителя, м; Vсм- скорость смеси при измельчении, м/с; к3 - коэффициент объемного использования зоны измельчения ^з<1).
Получим:
где
Gcm2 = BG,
В = pL Vcm b k2 ks.
(12)
(13)
При этом формула (5) с учетом формулы (12) записывается в виде:
З2 = Цэ ^2 В2 G2 + с]. (14)
Следующее слагаемое Зз числителя критерия оптимизации (1) определили по формуле [9]:
Зз = Цэ N3 = Цэпа>3Л&пр/13800 ц, (15)
где N3 - мощность привода просеивающей машины, кВт; Qпр = h■z■р VII- производительность
ВестнмкВВТУМТ, №1, 2016_
просеивающей машины, кг/ч; h -высота слоя просеиваемого продукта, м; z - ширина просеивающей поверхности, м; Vм - скорость продукта, м/с; р - плотность продукта, кг/м3; Ас = е k4 - амплитуда колебаний сит просеивающей машины, м; е - эксцентриситет эксцентрика сита просеивающей машины; k4 - коэффициент, учитывающий колебания рамы просеивающей машины;
ПП 1
о= _ - частота вращения кривошипа, с ; 30
г/ - коэффициент полезного действия передаточного механизма. Выразим:
пю4 А2/1380 щ = Б,
(16)
при этом формула (15) будет иметь вид:
Зз = Цэ D G. (17)
Составляющую З4 критерия (1) рассчитывали по формуле:
З4 Цп Qп Сп Т,
(18)
где Qп - расход пара, кг/ч; Сп - теплоемкость пара, кДж/кгК; Т - температура пара, К; Цп -стоимость тепловой энергии, р/кДж.
Слагаемое Зз критерия оптимизации (1) определяли по уравнению:
Зз =Цэ N5=Цэ (О +£)=Цэ (4оО +е), (19)
где N3 - мощность привода пресса-гранулятора выражается уравнениями с экспериментальными коэффициентами 4 и е.
Затраты Зб критерия (1) представим в
виде:
Зб = Цэ ^р, (20)
где Nmр - номинальная мощность приводов транспортирующего оборудования.
Затраты энергии на привод компрессора теплового насоса при использовании ПКТН:
З7компр Цэ Nкомпр, (21)
где Nомпр,- мощность компрессора, кВт.
Затраты тепловой энергии в парогенераторе при использовании пароэжекторного теплового насоса (З7эжект):
З
7эжект
ОпЦп
пара •
(22)
Знаменатель критерия (1) выразим через коэффициент извлечения, показывающего, какую часть средней фракции - комбикорма выровненного гранулометрического состава, высеяли из исходной смеси рассыпного комбикорма и измельченных гранул при просеивании:
Т7=Окк/ (Осм2 - Окф )
(23)
где (Осм2 - Окф)- расход проходовой фракции комбикорма, кг/ч.
Формула (23), учитывая (7) и (8):
п = Ок/[О(1 + О-)(1 + у) - Оу (1 + а)] = (24)
= Окк/О (1 + а ),
тогда:
Окк = / О (1 + о).
(25)
Подставив (4), (14), (17), (18), (19), (20), (21) и (25) в критерий (1) при использовании ПКТН получим:
К = А + ЦЭКВ2О2 + Цэ с + Ц^О +
пО(1 + а) ; (26)
+Ц„ д^сТ + Ц£аО + Цэе + ЦэЫтР пО (1 + а)
и при использовании ПЭТН получим:
К_А + ЦЭ^В2О2 + Цэс + ЦэDО +
пО (1 + а) (27)
+ЦпО сТ + Цэ^аО + Цэ в + ЦпОп
пО (1 + а) Упростим (26):
R = (аО2 + в О + 3)/0, (28)
где
а -
= Цэ - к2 - В2/[п-(1 + а)], (29)
в = (ЦЭБ + Цэ - ¿О)/[п -(1 + а)] (30)
3 = (А+ЦС + Цд СпТ + Цэе+ЦэМтр) . (31) - [п (1 + О)]
Определяется экстремальное значение О*: йК/йО = (аО2 - 3)/О2 ^ О* = 43/~а. (32)
Таким образом, в условиях реальных возмущений экстремум критерия оптимизации (1) обеспечивает минимальное значение критерия (1).
Для технологической линии производства комбикормов выровненного гранулометрического состава с применением ПКТН производительностью 12,9...16,1 т/ч критерий (1) принимает вид:
R = (0,02О2 + 11б О + 5511200)/О. (33)
ВестпикВТУИТ, №1, 206_
Анализируя (31), делаем вывод, что оптимальное значение расхода исходного рассыпного комбикорма при прочих равных условиях составляет 780 руб/т.
Полученный критерий (33) использован для управления расходом рассыпного комбикорма по минимальной величине теплоэнергетических затрат при двухсторонних ограничениях на режимные параметры основного оборудования, обусловленные получением продукта высокого качества.
По информации датчиков о расходах материальных и тепловых потоков микропроцессор непрерывно вычисляет текущие значения критерия оптимизации Ri, и по уравнению (33) вычисляет оптимальное значение G*, соответствующее минимальным теплоэнергетическим затратам на
ЛИТЕРАТУРА
1 Лыткина ЛИ., Шевцов А.А., Дранников А.В., Клейменов А.И. Техника и технология тепловых и механических процессов в задачах энергосбережения на комбикормовых заводах : монография. Воронеж : ВГТА, 2011. 304 с.
2 Шевцов А.А., Лыткина Л.И. Оптимизация технологии комбикормов с применением парокомпрессионного теплового насоса // Экономика. Инновации. Управление качеством. 2015. № 1 (10). С. 62 - 63.
3 Белоглазов И.И., Фитерман М.Я., Мартынов С.А., Мартынова Е.С.Оперативная оптимизация технологии в области экстремального управления // Промышленные АСУ и контроллеры. 2015. № 3. С. 9-13.
4 Благовещенская М.М. Идентификационный аспект в методологии создания систем управления технологическими объектами с нестационарными параметрами // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2014. № 1. С. 85 - 90.
5 Луценко И.А., Николаенко Н.И., Гна-тюк Ю.И. Технология прямой оценки эффективности процессов управления // Восточно-европейский журнал передовых технологий. 2009. № 3/8(39). С. 8-14.
единицу массы получаемого комбикорма. С микропроцессора сигнал подается в экстремальный регулятор, который вырабатывает сигнал отклонения текущего значения G от оптимального G* и устанавливает расход исходного рассыпного комбикорма с заданной погрешностью G- G*<s.
Таким образом, предлагаемая схема автоматической оптимизации обеспечивает непрерывное наблюдение за минимальным значением удельных теплоэнергетических затрат. При этом устанавливается оптимальный расход исходного рассыпного комбикорма и обеспечивается рациональная нагрузка на оборудование линии в пределах заданной производительности при получении комбикорма выровненного гранулометрического состава в соответствии с требованиями стандарта.
REFERENCES
1 Lytkina L.I., Shevtsov A.A., Drannikov A.V., Kleimenov A.I. Tekhnika i tekhnologiya teplovykh i mekhanicheskikh protsessov v zadachakh energos-berezheniya na kombikormovykh zavodakh [Technique and technology of thermal and mechanical processes in problems of energy-savings in feed mills]. Voronezh, VGTA, 2011. 304 p. (In Russ.).
2 Shevtsov A.A., Lytkina L.I. Optimization of animal feed technology using vapor compression heat pump. Ekonomika. Innovatsii. Upravlenie kachestvom. [Economy. Innovation. Quality management], 2015, no. 1 (10), pp. 62 - 63. (In Russ.).
3 Beloglazov I.I., Fiterman M.Ya, Martynov S.A., Martynova E.S. Operational optimization in the field of extreme control technology. Promyshlennye ASU i kontrollery. [Industrial ACS and controllers], 2015, no. 3, pp. 9-13. (In Russ.).
4 Blagoveshchenskaya M.M. Identification Zion aspect of methodology to creating the technological object control systems with time-varying parameters. Vestnik voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernyh tekhnologij. [Proceedings of the Voronezh state university of engineering technologies], 2014, no. 1, pp 85 - 90. (In Russ.).
5 Lutsenko I.A., Nikolaenko N.I., Gnatyuk Yu.I. Direct assessment of the effectiveness of management processes, technology. Vostochno-evropeiskii zhurnal peredovykh tekhnologii. [Eastern European Journal of advanced technologies], 2009, no. 3/8 (39), pp. 8-14. (In Russ.).
