Влияние распределения теплопотребителей и эффекта самоиспарения на расход пара многокорпусной выпарной установки сахарного завода Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Оригинальная статья/Original article_

УДК 664.1:66.048.54

DOI: http://doi.org/10.20914/2310-1202-2016-2-233-237_

Влияние распределения теплопотребителей и эффекта самоиспарения на расход пара многокорпусной выпарной _установки сахарного завода_

_Андрей А. Громковский 1 [email protected]_

1 кафедра информационных технологий моделирования и управления, Воронеж. гос. ун-т. инж. техн., пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394066, Россия

Реферат. В статье рассмотрено влияние распределения теплопотребителей и эффекта самоиспарения сока для многокорпусной выпарной установки сахарного завода на расход основного производственного теплоносителя - водяного пара. Задача рационального распределения теплопотребителей по корпусам выпарной установки является актуальной с точки зрения энергосбережения и экономии тепловых энергоресурсов сахаропроизводящего предприятия. Решение этой задачи целесообразно проводить на основе количественного математического описания распределения паров по корпусам выпарной установки. Распределение теплопотребителей должно основываться на результатах технико-экономического расчёта. Для решения этой задачи целесообразно использовать единое уравнение, определяющее зависимость расхода пара на первый корпус от количества выпариваемой воды и от способа распределения теплопотребителей по корпусам. Выпарная установка сахарного завода выполняет две функции - технологическую и теплотехническую, каждая из которых описывается своим уравнением. На основании уравнений материального и теплового баланса для реализации основных функций выпарной установки записана система уравнений многокорпусной выпарной установки. Решение системы позволяет получить уравнение расхода пара и количества выпаренной воды с учётом эффекта самоиспарения сока. Решение системы должно осуществляться с учётом принятых норм проектирования сахарных заводов. В результате решения системы получено уравнение, которое позволяет организовывать и оптимизировать распределение теплопотребителей по корпусам выпарной установки. Уравнение может быть использовано для любого количества корпусов выпарной установки. Полученное уравнение позволяет проводить оценку эффективности функционирования выпарной установки сахарного завода. Это имеет

большое практическое значение при модернизации тепловых схем сахарных заводов._

Ключевые слова: производство сахара, выпарная установка, моделирование, тепловая схема сахарного завода, распределе-

ние^еплопотребигелей^о^орпусам^ыиирииЙииаииик^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^

Influence of heat consumers distribution and flashing vapours effect on steam consumption of evaporation plant of sugar factory

_Andrey A. Gromkovskii 1 [email protected]_

1 information technology, modeling and management department, Voronezh state university of engineering technologies,

Revolution Av., 19 Voronezh, 394066, Russia_

Summary. The article considered the influence of the heat consumers distribution and the flashing vapours effect juice for multiple-evaporator sugar factory on the consumption the main production flow of heat transfer agent - water vapor. The problem of rational distribution of heat transfer agent for of the corps multiple-evaporator is relevant from point of view of energy saving and energy-saving heat of the sugar factory. The solution to this problem is advantageously carried out on the basis of quantitative mathematical description of the distribution of vapor on the corps of the evaporation plant. The heat consumers distribution should be based on technical and economic calculation. To solve this problem it is advisable to use a single equation that determines the dependence of the steam flow in the first unit evaporator on the amount of evaporated water and the method of heat consumers distribution for housing. Evaporators sugar factory has two functions - technology and heat, each of which is described by its equation. On the basis of the material and heat balance equations for the realization of the basic functions of the system evaporator written multiple-evaporator equations. The solution of this system allows you to obtain the equation of the steam flow and the amount of evaporated water, taking into account the flashing vapours effect. Solution of the system should take into account the accepted design standards of sugar factories. As a result of solving the system of equation is obtained, which allows you to organize and optimize the heat consumers distribution of the corps evaporator. The equation can be used for any number of units evaporator. This equation allows you to assess the efficiency of the evaporation plant of a sugar factory. This is of great practical importance in the modernization

of thermal schemes of sugar factories._

Keywords: sugar production, evaporation plant, modeling, thermal scheme of sugar factory, heat consumers distribution on the evaporation plant corps

Для цитирования Громковский А. А. Влияние распределения теплопотребителей и эффекта самоиспарения на расход пара многокорпусной выпарной установки сахарного завода // Вестник ВГУИТ. 2016. № 2. С. 233-237. ао1:10.20914/2310-1202-2016-2-233-237

For citation

Gromkovskii A. A.Influence of heat consumers distribution and flashing vapours effect on steam consumption of evaporation plant of sugar factory. Vestnik VSUET [Proceedings of VSUET]. 2016. no. 2 pp. 233-237 (in Russ.). doi:10.20914/2310-1202-2016-2-233-237

Введение

Многокорпусная выпарная установка (МВУ) сахарного завода является основным элементом тепловой схемы, который определяет показатели расхода энергоресурсов при производстве сахара. Рациональное использование энергоресурсов влияет на эффективность производства, на уровень энергосбережения и позволяет снизить затраты, которые могут достигать до 30% общих затрат на производство [1, 2, 6, 9-10].

Уровень энергосбережения тепловой схемы предприятия зависит от эффективности использования тепловых отходов, распределения теплопотребителей по корпусам МВУ и эффективности используемой технологии [3, 4, 7-10].

При организации производства сахара актуальной является задача рационального распределения теплопотребителей по корпусам выпарной установки. Правильное решение этой задачи позволяет снизить расход энергоресурсов в производстве сахара и повысить энергосбережение. Решение этой задачи целесообразно осуществлять на основе построения количественного описания распределения теплопотребителей для выпарной установки.

При выпаривании очищенного сока в многокорпусной выпарной установке сахарного завода одновременно происходит несколько процессов, оказывающих влияние на расход греющего пара:

— потери тепла в окружающую среду;

— самоиспарение сока при поступлении в корпус с меньшим давлением;

— выделение теплоты концентрирования;

— использование второго теплоносителя, -паров самоиспарения конденсатов.

При проектировании МВУ условно принимают положение о том, что тепловые потери компенсируются самоиспарением сока, теплотой концентрирования пренебрегают. При таком условии можно считать, что в каждом корпусе МВУ 1 кг греющего пара, включая пары самоиспарения конденсатов, выпаривает 1 кг воды. Это условие можно записать в виде:

В = Ж — В,

сж ■

(1)

где 1 - номер корпуса МВУ; Вг - расход греющего пара в 1-м корпусе МВУ; Ж - количество воды, выпаренной в г-м корпусе МВУ; Всж, - расход пара самоиспарения конденсата в г-м корпусе МВУ.

Следует отметить, что в дальнейшем изложении при количественном описании все массовые расходы продуктов и количества паров, выражаются в кг/т свёклы.

МВУ сахаропроизводящего предприятия предназначена для осуществления двух

функций - теплотехнической, для обеспечения вторичным соковым экстрапаром всех технологических станций завода и технологической, для проведения предварительного выпаривания очищенного сока от начальной концентрации СВо до заданной концентрации СВс перед поступлением сиропа в вакуум-аппараты I продукта.

С целью реализации первой функции вторичные пары Жг после выхода из каждого корпуса выпарной установки расходуются на обогревание теплопотребителей (Втп) и нагревание следующего корпуса в соответствии с уравнением:

Ж =Х ВТШ+ Вг+1.

(2)

Выполнение второй, технологической функции МВУ определяется уравнением материального баланса:

(

= шг

1 -

СВо

СВ„

\

(3)

где X Ж = Ж +... + Жп - суммарное количество

г=1

воды, выпариваемой во всех корпусах МВУ; то - выход очищенного сока; СВо - концентрация сухих веществ в соке; СВс - в сиропе.

При проектировании МВУ определяется расход пара на I корпус Вг при заданных расходах на технологические потребители при соблюдении равенства (3). Для этого решается система уравнений (1)-(2), записанных для каждого корпуса выпарной установки.

Для тепловой схемы с пятикорпусной выпарной установкой такая система может быть представлена в виде [2]:

В5 = Ж =Х Втп 5 - ВСЖ 5

В4 = Ж4 — ВСИ 4 = X ВТП 4 + В5 — ВСИ 4 = = X ВТП 4 + X ВТП 5 — ВСИ 4 — ВСИ 5

В3 = Ж3 — ВСИ 3 = X ВТП 3 + В4 — ВСИ 3 =

5

= X ВТП3 +Х ВТП4 + X ВТП5 — X ВСИ,

г=3

В2 = Ж2 — ВСИ 2 = X ВТП 2 + В3 — ВСИ 2 =

= X ВТП 2 + X ВТП 3 + X ВТП 4 +

5

+Х ВТП 5 —Е ВСИ,

г=2

Л= Ж— ВСЖ1 = Х ВТП1 + В2 — ВСЖ1 =

= X ВТП1 + X ВТП 2 + X ВТП 3 + X ВТП 4 + 5

+Х ВТП 5 — X ВСЖ,

(4)

Решение системы уравнений (4) позволяет получить уравнение расхода пара и количества выпаренной воды с учётом эффекта самоиспарения.

Расход пара на I корпус МВУ определяется заключительным уравнением этой системы:

D1 = X °ТП1 + X °ТП 2 + X °ТП 3 + X D

5

+X D ТП 5 X D СЖ

.(5)

Общее количество выпаренной воды зависит от суммарного расхода пара на технологические потребители за вычетом суммы использованных паров самоиспарения конденсатов (6):

ZW = X Drni + 2Z Dm 2 + 3Z D

ТП 3

+

+ <

DTn4 + 5X DTn5 - Аж1 - 2^Ж 2 - (6)

- 3D - 4D - 5D

З^СЖ 3 ^^СЖ 4 J МСЖ 5

должны использоваться эффективные современные технологии и прогрессивное технологическое и тепловое оборудование.

Распределение теплопотребителей

должно обосновываться результатами технико-экономического расчёта. Для решения этой задачи целесообразно использовать единое уравнение, определяющее зависимость расхода пара на первый корпус от количества выпариваемой воды и от способа распределения теп-лопотребителей по корпусам. Такое уравнение получается при совместном решении уравнений (5) и (6) для пятикорпусной МВУ.

Выделим в правой части уравнения (6) слагаемые, определяющие расход пара Dû

A = X D ТП1 +X D ТП 2 +X D Т

5

+ X Dm 4 + X D,m 5 - X DСЖi

Анализ уравнений (5) и (6), определяющих результаты проектирования МВУ позволяет сделать следующие выводы.

Расход пара из ТЭЦ на выпаривание в количестве Di определяется суммарным расходом пара на все теплопотребители. Недостаток уравнения (5) состоит в том, что оно не определяет влияния распределения вторичных паров на расход пара. При этом каждый теплопотреби-тель влияет в одинаковой мере на расход пара из ТЭЦ. Общее количество выпаренной воды и концентрация сиропа непропорциональны расходу пара на теплопотребители. Количество использованных паров самоиспарения также неодинаково влияет на количество выпаренной воды. Использование паров самоиспарения положительно влияет на снижение расхода пара, но отрицательно отражается на технологической функции выпарной установки, так как приводит к снижению количества выпаренной воды и уменьшению концентрации сиропа. Для нахождения оптимального решения необходимо совместно решить уравнения (5) и (6).

Недостаток рассмотренной методики состоит в том, что она не отвечает на вопрос об оптимальном распределении теплопотребите-лей по корпусам МВУ. Распределение теплопо-требителей задаётся нормами проектирования свеклосахарных заводов [1, 5]. Данные нормы разработаны для состояния техники и технологии производства сахара в 80-90-е годы XX века. В настоящее время при проектировании новых заводов и реконструкции действующих,

XW =X Dmi + 2X Dm2 + 3X Dm3 +

i=1

+ <

4Х ВТП4 + 5Х ВТП5 ВСИ1 2ВСИ 2 .

-3 В -4П -5В

З^СИ 3 ^^СИ 4 ыСИ 5

После преобразований получим соотношение для общего количеств выпаренной воды:

Х^ = 5(Х ° ТП1 ТП 2 + Х °тп 3 +

1 =1

5

Х ВТП 4 +Х ВТП 5 -Х ВСШ ) - 4Х ВТП1 -

1=1

ТП 5

- 3Х о ТП 2 2Х О ТП 3 Х о ТП 4 0Х о

+ 4Х О СИ1 + 3Х о СИ2 + 2Х О СИ3 + Х Оси 4 = (7)

= 5Д - 4Х ОТП1 - 3Х ОТП2 - 2Х 3 -

-Х о ТП 4 + 4Х ОСИ1 + 3Х О СИ2 + 2Х ОСИ 3 + + Х ВСИ 4

Решая уравнение (7) относительно расхода пара, выпариваемого в первом корпусе МВУ Вг, получим:

Xw 4.,

3-

Di = ^^ + 5 X D^i + 5 X Dтп 2 + 5 5 i=i 5 i=i

+ -

2

1

4

5X DTn3 + 5X DTn4 - 5^Ж1 - . (8)

5 1 =1 5 1=1 5

3 2 1

—D — D — D

5 СЖ 2 5 СЖ 3 5 СЖ 4

+

+

Обобщая полученное соотношение, для выпарной установки с любым количеством корпусов п, уравнение (8) можно записать в виде:

Ж п — п — 2.А

В = — +-X Вгт +-X ВТт +

n n n - 3

tl n tl

n - n-"

+-X Ал3 +... +-XВТШ -

n

i=1

n

i=1

. (9)

n — 1 n — 2 n — 3

D _ D - D n n n

n-n

D

Полученное соотношение является математической моделью, определяющей структуру использования пара, поступающего на I корпус МВУ из ТЭЦ. Из уравнений (8) и (9) видно, что пар расходуется на выпаривание воды, получение вторичного пара и на обогревание теплопо-требителей присоединённых к корпусам МВУ. При этом на выпаривание воды расходуется 1/5 часть (20%) от общего количества выпариваемой воды. Использование пара на обогревание теплопотребителей неравнозначное в отличие от уравнений (4) и (6), так как зависит от номера корпуса и определяется величиной эквивалента, который уменьшается от первого корпуса к последнему. Если для теплопотребите-лей, присоединённых к I корпусу, величина эквивалента составляет 0,8, то для IV корпуса пя-тикорпусной МВУ эта величина составляет 0,2.

Использование паров самоиспарения конденсата приводит к снижению расхода пара из ТЭЦ, и как следствие к повышению энергосберегающего эффекта. Для снижения расхода пара Di необходимо использовать максимальное самоиспарение конденсатов с понижением

ЛИТЕРАТУРА

Ведомственные нормы технологического проектирования свеклосахарных заводов ВНТП 03 - 85. М.: Минпищепром СССР, 1985. 208 с.

_ Громковский А.И., Громков-ский А.А. Распределение теплопотребителей по корпусам выпарной установки сахарного за-вода//Сахар. 2015. №8. С. 28-31.

3 Громковский А.И,. A.A. Громковский Оценка работы выпарной установки сахарного завода по удельному расходу пара // Сахар. 2015. №11. С. 36-38.

4 Зелепукин Ю.И., Голыбин В.А., Ткачев А.А. Современные технологии для производства сахара из свеклы // Пищевая промышленность. 2012. № 3. С. 52-53.

температуры до 105 °С. При этом доля тепла паров самоиспарения конденсатов составит свыше 20% от расхода пара на I корпус. Влияние использования паров самоиспарения на Вг в соответствии с уравнениями (8) и (9) показывает, что наибольшее снижение расхода пара происходит за счёт использования паров самоиспарения на первых корпусах, где эквивалент использования паров - наибольший. На IV и V корпусах влияние паров самоиспарения на снижение расхода пара в МВУ - минимальное и, очевидно, стремиться к значительному эффекту самоиспарения на этих корпусах нецелесообразно. Количество паров самоиспарения зависит от величины перепада давлений между корпусами. Чем меньше перепад давления, тем ниже коэффициент самоиспарения. Поэтому для оптимального режима работы МВУ целесообразно поддерживать повышенное давление на V корпусе. Оптимальной является выпарная установка, работающая под повышенным давлением.

Пар конденсата вторичного пара последнего корпуса МВУ влияет на расход пара Вг через общее количество выпаренной воды X Ж .

Заключение

Эффективность полученных выводов подтверждается снижением удельного расхода пара на МВУ [3]. Эти выводы целесообразно использовать при внесении изменений в нормы проектирования и инструкции по нормированию расхода топлива на заводе [1, 5]. Полученное уравнение (9) позволяет проводить оптимальное распределение паров между корпусами МВУ и количественно оценивать любой вариант распределения паров. Это имеет большое практическое значение при модернизации тепловых схем действующих сахарных заводов.

5 Инструкция по нормированию расхода тепловой энергии в производстве сахара-песка из сахарной свеклы (переработка сахарной свеклы, вывод и переработка сахарного сиропа). Киев: ВНИИСП, 1983. 139 с.

6 Колесников В.А., Нечаев Ю.Г. Теплосиловое хозяйство сахарных заводов. М.: Пищевая промышленность, 1980. 392 с.

7 Разладин Ю.С., Разладин С.Ю. Справочное пособие инженера-теплоэнергетика сахарного производства. Киев: «Щек i Хорив», 2006. 407 с.

8 Сапронов А.Р., Сапронова Л.А., Ермолаев С.В. Технология сахара. СПб.: ИД «Профессия», 2013. 296 с.

9 Чернобыльский ИИ. Выпарные установки. Киев: Вища школа, 1970. 240 с.

n

QernHUKßTWHT/Prouedmßs of VSUET, № 2, 20Í6L

!<> Штангеев К.О. Рационализация теп-лоиспользования в свеклосахарной промышленности. М.: 2005. 68 с

REFERENCES

1 Vedomstvennye normy tekhnologicheskogo proektirovaniya sveklosakharnykh zavodov VNTP03-85 [Departmental rules of technological design beet sugar factories VNTP 03 - 85] Moscow, Minpischeprom USSR, 1985. 208 p. (in Russian).

2 Gromkovskii A.I., Gromkovskii A.A. Distribution of the heat consumers buildings evaporator sugar factory. Sakhar [Sugar] 2015, no. 8, pp. 28-31. (in Russian).

3 Gromkovskii A.I., Gromkovskii A.A. Evaluation of the evaporator sugar factory on the specific steam consumption. Sakhar [Sugar] 2015, no. 11, pp. 36-38. (in Russian).

4 Zelepukin Yu.I., Golybin V.A., Tkachev A.A. Modern technologies for the production of beet sugar. Pishchevaya promyshlennost [Food Industry] 2012, no. 3, pp. 52-53. (in Russian).

5 Instruktsiya po normirovaniyu raskhoda teplovoi energii v proizvodstve sakhara-peska iz

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Андрей А Громковский к. т. н., доцент, кафедра информационных технологий моделирования и управления, Воронеж. гос. ун-т. инж. техн., пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия, [email protected]

КРИТЕРИЙ АВТОРСТВА

Андрей А Громковский обзор литературных источников по исследуемой проблеме, выполнил расчёты, написал рукопись, корректировал её до подачи в редакцию и несёт ответственность за плагиат

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Автор заявляют об отсутствии конфликта интересов.

sakharnoi svekly [Instructions on rationing of thermal energy consumption in the production of sugar from sugar beet (sugar beet processing, output and processing of sugar syrup)] Kiev, VNIISP, 1983. 139 p. (in Russian).

6 Kolesnikov V.A., Nechayev Yu.G. Teplosil-ovoe khozyaistvo sakharnykh zavodov [Heat-power economy of sugar factories] Moscow, Pishchvaya promyshlennost', 1980. 392 p. (in Russian).

7 Razladin Yu.S., Razladin S.Yu. Spravochnoe posobie inzhenera-teploenergetika [Handbook heating energy engineer sugar production] Kiev, Shcheki Khoriv, 2006. 407 p. (in Russian).

8 Sapronov A.R., Sapronova L.A., Ermolaev S.V. Tekhnologiya sakhara [Sugar technology] Saint-Petersburg, Professiya, 2013, 296 p. (in Russian).

9 Chernobylskii I.I. Vyparnye ustanovki [Evaporation plants] Kiev, Vishcha shkola, 1970. 240 p. (in Russian).

10 Shtangeev K.O. Ratsionalizatsiya tep-loispol'zovaniya v sveklosakharnoi promyshlen-nosti [Rationalization the use of heat in the sugar beet industry] Moscow, 2005. 68 p. (in Russian).

INFORMATION ABOUT AUTHORS

Andrey A. Gromkovskii Ph D, associate professor, information technology, modeling and management department, Voronezh state university of engineering technologies, Revolution Av., 19 Voronezh, Russia, [email protected]

CONTRIBUTION

Andrey A. Gromkovskii review of the literature on an investigated problem, performed computations, wrote the manuscript, correct it before filing in editing and is responsible for plagiarism

CONFLICT OF INTEREST

The author declare no conflict of interest.

ПОСТУПИЛА 30.03.2016 RECEIVED 3.30.2016

ПРИНЯТА В ПЕЧАТЬ 27.04.2016 ACCEPTED 4.27.2016