Способ автоматического управления процессом выпаривания в многоступенчатой выпарной установке с развитым пароотбором

(51)5 С 13 6 1/06 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Ист 3 иьираапдор /ай) Ада К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Авторское свидетельство СССР М 740831, кл, С 13 6 1/06. 1980.Авторское свидетельство СССР М 382418 кл. С 13 6 1/06, 1973,(54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ВЫПАРИВАНИЯ В МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКЕ С РАЗВИТЫМ ПАРООТБОРОМ (57) Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности к производству сахара. Цель изобретения - повышени точности получения упаренного Гчствора заданной концентрации и снижение.Ы 2, 1730159 А 1 энергозатрат. Датчиками 10-17 измеряют температуру в греющих и испарительных камерах соответственно ступеней 1-4 выпаривания, затем в блоках 18-21 вычитания вь 1 числяют разности температур между камерами каждой ступени, Датчиками 22 и 23 определяют концентрацию сухих веществ после второй ступени и на выходе установки, а датчиком 27 измеряют температуру барометрической воды, которую регулируют изменением отбора пара через клапан 29, при этом регулирование расхода ретурного пара через клапан 9 осуществляют в зависимости от сигналов от датчиков 7, 11, 22. 36, 37 и блоков 18 и 19.вычитания, а регулирование давления в испарительной камере последней ступени. осуществляют изменением отбора пара из нее на конденсатор 5 через клапан 26 в зависимости от сигналов с датчиков 22, 23, 27. 36 и 37 и блоков 20 и 21 вычитания. 1 ил.Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности к производству сахара.Известен способ автоматического управления многокорпусной выпарной установкой, предусматривающий стабилизацию давления вторичного пара первого корпуса, производительности первого корпуса в зависимости от рассогласования фактической и требуемой концентрации раствора после первого корпуса с учетом заданной суммарной производительности установки и заданной концентрации конечного раствора,Недостатком известного способа является то, что он не учитывает тепловой баланс установки, а стабилизация давления вторичного пара приводит к колебаниям концентрации раствора и перерасходу ретурного пара при колебаниях концентрации и расхода сока в выпарную установку.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ автоматического управления процессом выпаривания в многокорпусной выпарной установке с промежуточным пароотбором путем регулирования расхода греющего пара в первый корпус, определяемого в зависимости от величины расхода пара. поступающего на внешнее потребление от каждого корпуса с учетом самоиспарения его в последнем корпусе и количества пара, необходимого для выпаривания продукта. при этом одновременно регулируют количество пара, поступающего на испарение продукта в последний корпус и на подпитку в первый корпус в зависимости от количества пара, необходимого для выпаривания продукта, и количества пара, отбираемого на внешние потребители.Недостатками способа являются следующие недостатки.Замер пара на внешние потребители практически неосуществим с необходимой точностью. Расходы пара на внешние потребители составляют для крупнотоннажных производств значительные величины на трубопроводах свыше 300 мм диаметром, Приемлемую точность замера больших паровых потоков можно получить при применении сужающих устройств, в первую очередь диафрагм, однако гарантированную точность замеров можно достичь лишь для трубопроводов не свыше 300 мм.Кроме того, пар находится в насыщенном состоянии, в связи с этим при незначительном снижении температуры и давления пара происходит его постепенное превращение в жидкую фазу, что также являешься источником неконтролируемых ошибок. Замена замеров пара замерами конденсата в данном случае неосуществима в связи с наличием значительного количества приемников пара и также со значительными 5 запаздываниями в показаниях.В результате при реализации способавозникают значительные отклонения концентрации упаренного продукта от. его расчетного значения. Так как при отклонениях 10 концентрации в большую сторону из-за загустения продукта могут возникать аварийные ситуации, то зто вынуждает снижать среднее значение концентрации продукта.В сахарном производстве, где довыпарива ние продукта производят в одноступенчатых вакуум-аппаратах,. это приводит к значительному суммарному перерасходу грЕющего (ретурного) пара.Отсутствие обратной связи в системе 20 управления по качеству упаривания (режимвыпаривания в известном способе устанавливается и поддерживается вне зависимости от фактической концентрации упаренного продукта) и отсутствие коррек ции усугубляет ошибки расчетов режима управления и снижает точность поддержания заданной концентрации на выходе,Не учтены ограничения на процесс. вчастности термодинамические условия (тем пература. либо давление) в испарительнойкамере первой ступени выпаривания, обусловливающие качество упариваемого продукта. Недостатком является также отсутствие системы стабилизации концент рации промежуточного продукта после второй ступени выпаривания, дающей возможность снижения колебаний концентрации продукта на выходе установки,Цель изобретения - повышение точно сти получения продукта заданной концентрации и снижение энергозатрат.Поставленная цельдостигается тем, чтов способе автоматического управления процессом выпаривания в многокорпусной вы парной установке с развитым пароотбором,включающей конденсатор и подогреватель, предусматривающем измерение расхода исходного раствора и концентрации сухих веществ в нем. регулирование расхода ре турного пара в греющую камеру первойступени изменением его подачи, регулирование давления в испарительной камере последней ступени измерением отбора пара иэ нее на конденсатор. измеряют темпера туру в греющих и испарительных камерахкаждой ступени и вычисляют разность температур между этими камерами, измеряют концентрацию сухих веществ в растворе после второй ступени и на выходе установки, а также температуру барометрической воды(7) 35 40 50 55 после подогревателя, регулируют темпера- туру барометрической воды путем изменения отбора пара из последней ступени в подогреватель, а регулирование расхода ретурного пара в греющую камеру первой сту- пени осуществляют в зависимости от расхода исходного раствора, концентрации сухих веществ в нем и в растворе после второй ступени, измеренного значения температуры в испарительной камере первой ступени и вычисленного значения разности температур в первой и второй ступенях, при этом регулирование давления в испарительной камере последней ступени осуществляют в зависимости от расхода исходного раствора, концентрации сухих веществ, в нем, в растворе после второй ступени и на выходе установки, измеренного значения температуры рарометрической воды после подогревателя и вычисленного значения разности температур в последующих, начиная с третьей, ступенях выпаривания,Предлагаемый способ обеспечивает поддержание необходимой концентрации упаренного раствора (сиропа) на выходе установки путем определения теплового режима на основе комбинированной системы управления, когда возмущения процесса, связанные с отбором пара сторонними потребителями, учитывают при помощи косвенных показателей - разниц температур в греющих и испарительных камерах; влияние прочих возмущений нейтрализуется посредством обратной связи, осуществляемой через стабилизацию концентрации раствора после второй и после конечной ступеней выпаривания, Кроме того; управление по , данному способу обеспечивает поддержание температуры нагрева барометрической воды не ниже заданной, требуемой по технологическим условиям. Процесс выпаривания в выпарных аппаратах с теплопередающей поверхностью. может быть описан выражением 0= К Е Лт, (1) где 0 - тепловой поток от греющей к испарительной камере;К - коэффициент теплопередачи;. Е - поверхность теплопередачи; д - разность температур в греющей ииспарительной камерах, При этом для сухого насыщенного парасправедлива зависимость 0=СИг (2)где.Юг - расход сухого насыщенного пара вгреющую камеру;С - скрытая теплота парообразования,Подставив (2) в (1), получим ЧЧг = д- а д 1, К Е С а = - (За)К ЕСРассмотрим материальный баланс сухих веществ в упариваемом растворе, положив, что выносом сухих веществ с вторичным паром можно пренебречь. В таком случае для выпарной уСтановки с поступлениями без концентратораОо Ьо=Ои Ьи, (4) где ОоЬо - расход и концентрация свежего раствора;ОиЬи - расход и концентрация упаренного раствора,Для выпарного аппарата можно принять количество выпаренной влаги равным затраченному количеству греющего пара, так как тепловые потери компенсируются дополнительным количеством пара самоиспарения, возникающего из-за перепада давления: Юг = Щ,где Ю - расход выпаренной влаги;1 - порядковый номер ступени выпаривания.Запишем условие материального баланса упариваемого раствора .Ос=Оп+, В (6)или с учетом (5) и (3) имеемиОо = Ои + , а Д,=1.Из(7) определим Оп, подставим его в(4),и после преобразования получими: ауд=Оо(1- - ) (8)ЬиИз полученного результата (праваячасть равенства - постоянная) можно сделать вывод, что для данного режима выпаривания, характеризуемого конкретнымивеличинами, левая часть выражения (8) должна быть также постоянной: "иа д "сопэт, (9)Согласно (За) коэффициенты а являются функциями коэффициентов теплопередачи Кь которые при незначительныхизменениях режима и на определенных временных интервалах можно принимать за постоянные. В таком случае в (9) переменными являются только д, поэтому можно записатьи и(12) б) хвостовой части выпарной установки:4, а 1 М=О (10) где (1), (2), - индексы вариантов режима;О - числовая величина, определяемая по правой части (8).Отсюда вытекает способ управления тепловым режимом выпаривания - следует изменять подачу ретурного пара, либо отбор пара из последней ступени выпарива ния до восстановления условия (10).Принимая во внимание динамику технологического процесса, обаект управления разделим на две части, при этом режим в. первой из них будет поддерживаться изменением подачи ретурного пара, режим во второй - изменением отбора пара из последней ступени. Для 4-ступенчатой уста- ковки наиболее рациональным является следующее деление 202 4,Я а 1 Л и + а Ь и= О. (11) 1=1 - зПри управлении необходимо также включить ряд ограничений. Для головной части выпарной установки такими ограниче ниями являются максимальная допустимая температура Тг в испарительной камере первой ступени выпаривания, что можно вьразить условием Т 1 - Т О, а также требуемая концентрация сухих веществ Ь 2 в рас творе после 2-й ступени выпаривания:Ь 2 - Ь 2= Ф.Для хвостовой части установки необхоДимо соблюДение огРаничений Тб.в, - Тб.в. (Ф, где Тб.в. и Тб,в, - требуемая и 35 действительная температуры барометрической воды, а также Ь 4 - Ь 4 = Ф, где Ь 4 и Ь 4 - требуемая и действительная концентрации сухих веществ в упаренном растворе.В таком случае с учетом ограничений 40 получим системыа) головной части выпарной установки:2(17 б) К 4 = 0 при Тб.в, - Тб в,ОК 4 при Тб.в. - Тб.в.О. Г. (19)Таким образом, при выполнении условий ограничений по (12) и (13) управлениеведется, используя информацию Ь ю, путемстабилизации выражений2 4а 1 Ь Ъ = 01 иа 1 Ь г = 02,1=3В противном случае согласно (16)-(19) производится дополнительная корректировкаЧЧо и Р 4 в направлении. выводящем технологический процесс из зон действия ограничений.На чертеже представлено устройстводля реализации предлагаемого способа,Рассмотрим способ управления при условии, что в качестве управляющих параметров использованы расход ретурного пара в греющую камеру. первой ступени выпаривания и давление пара в испарительной камере четвертой ступени выпаривания,При отсутствии помех и линейности связей между основнйми параметрами процесса выпаривания можно записать, используя (14) и (15):Ьо ЧЧо = 1 п 16 о(1- - ) = пг 101: (16)Ь 2 , Р 4 = гп 26 о ( -- ) = гтг 2 02, Ьо Ьо Ь 2 Ь 4 где пг 1, гтг 2 - коэффициенты;ЧЧо и Р 4-задаваемые величины Расхода ретурного пара в греющую камеру первой ступени и давления в испарительной камере четвертой ступени выпаривания.В случае возникновения возмущений происходит нарушение первых равенств в (12) и (13), что количественно можно описать с помощью разниц(0 - ,Я а 1 Л 11).Вводя в (16) эти составляющие, а также ограничения на процесс из (12) и (13), получим2 ЧЧо 1 тгг 201, а 1 Ь 11 + К 1(Ь 2 Ь 2) +1=1 + К 2(Т 1 - Тг: (17 а)4 Р 4 = гтг 2202 - ),1 Кз (Ь 4 - Ь 4) ++ К 4(Тб.в. Тб в где К 1, К 2, Кз, К 4 - коэффициенты;,т- время сдвига сигнала управления по отношению к информационному сигналу Ьгз из третьей ступени выпаривания. При.этом К 2 = О при Т - Т0 К 2= К 2 при Т 1 Т 10; (18)Устройство включает выпарные ступени 1-4, конденсатор 5, подогреватель б, датчик 7, соединенный через регулятор 8 расхода ретурного пара в греющую камеру первой ступени выпаривания с клапаном 9 подачи ретурного пара в греющую камеру первой ступени выпаривания, датчики 10 - 17 температуры в греющих и испарительных камерах ступеней 1 - 4 выпаривания, блоки 18 - 21 вычитания, используемые для вычисления разниц температур соответственно в ступенях 1-4 выпаривания, датчики 22 и 23 концентрации сухих веществ в растворе соответственно после второй ступени и на выходе установки, датчик 24 деления. соединенный через регулятор 25 давления в испарительной камере четвертой ступени выпаривания с клапаном 26 на паропроводе отвода вторичного пара из четвертой ступени на конденсатор 5, датчик 27 и регулятор 28 температуры барометрической воды, клапан 29 на паропроводе вторичного пара из четвертой ступени выпаривания барометрической воды, эадатчики 30 и 31 подогреватель б концентрации сухих веществ в растворе после второй и четвертой ступеней выпаривания. задатчики 32 и 33 температуры в испаритепьной камере первой ступени выпаривания и температуры подогрева барометрической воды в подогревателе 6. вычислительные устройства 34 и 35 определения задаваемого соответственно расхода в греющую камеру первой ступени и давления в испарительной камере последней ступени выпаривания, расходомер 36 и датчик 37 концентрации сухих веществ в потоке раствора на входе выпарной установки, Входы вычислительною устройства 34 соединены с датчиками 11, 22, 36 и 37 и блоками вычитания 18 и 19, а выход через регулятор 8 - с клапаном 9 подачи ретурного пара, Входы вычислительного устройства 35 соединены с датчиками 22, 23, 27, 36 и 37 и блоками вычитания 20 и 21, а выход через регулятор 25 - с клапаном 26, В качестве вычислительных устройств 34 и 35 может быть использован микропроцессорный комплекс ГРАСмикро.Устройство работает следующим образом.Сигналы от датчиков 11. 22, 36 и 37 и блоков вычитания 18 и 19, а также от задатчиков 30 и 32 поступают на вычислительное . устройство 34, где происходит переработка информации согласно формулам (17 а) и 18) и выработка управляющего воздействия, В данном случае управляющим воздействием является заданное значение расхода ретурного пара Юо в греющую камеру первой ступени выпаривания. Соответствующий сигнал поступает на вход установки регулятора 8, который вырабатывает сигнал на регулирующий клапан 9 на паропроводе ретурного пара в греющую камеру первой 5 ступени выпаривания.Аналогично функционирует вычислительное устройство 35, на которое поступают сигналы от датчиков 22,23, 27,36 и 37, от блоков вычитания 20 и 21, а также от задат чиков 31 и 33, На устройстве 35 происходитпереработка информации согласно формулам (17 б) и (19).В качестве управляющего воздействиявырабатывается заданное значение давле ния Р 4 (т) в испарительной камере четвертой ступени выпаривания, его сигнал поступает на вход установки регулятора 25, выходом которого является сигнал на регулирующий клапан 26 на линии пара из испэ рительной камеры четвертой ступенивыпаривания в барометрический конденсатор 6.П р и м е р. Положим, что уменьшаетсяотбор экстрапара Е 1 после первой ступени 25 выпаривания на 5 т/ч. ТаМ как расход ретурного пара на первую ступень выпаривания поддерживается стабильным при помощи регулятора 8, то излишки зкстрапара будут поступать на вторую и следующие ступени 30 выпаривания, В результате этого согласно(3) возрастут перепады температур вначале на второй ступени Ьс 2, а затем через время переходного процесса на последующих ступенях выпаривания, причем прираще ния в установившемся состоянии составятд (Л и) = 0,8 С, д (Ь тз) = 1,2 С, д (Ь 14) = =1,6 С.Система автоматического управленияпо предлагаемому способу управления от реагирует на изменение 612 и согласно(17 а)задаваемое значение расхода ретурного пара изменится от 98 до 96,5 т/ч. Снижение расхода ретурного пара приведет к снижению отпаривания влаги из раствора и тем 45 самым частично компенсирует избыток теплового потока в связи с уменьшением отбора экстрапара ЕьЧерез время переходного процесса возрастает перепад температуры Ь сэ н а 50. третьей ступени выпаривания и согласно(17 б) будет изменено заданное значениедавления Р 4 в испарительной камере четвертой ступени от 0,39 до 0,45 ата, причем новое значение будет выдано на регулятор55 25 через время запаздывания т. Аналогичносистема отреагирует при изменении перепада температуры 614.В результате концентрация раствора навыходе составила 61,8 О, как и до возник12 1730159 Составитель В,МартыноваТехред М.Моргентал Корректор В.Гирняк Редактор А,Лежнина Заказ 1489 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 новения возмущения. В случае отсутствиятаких корректирующих воздействий предлагаемого способа управления концентрация на выходе равнялась бы аварийнойвеличине в 78,7%. 5Также при увеличении отбора экстрапара Е 1 на 5 т/ч при использовании предлагаемого способа управления концентрация навыходе осталась бы практически неизменной, в то время как без его применения 10концентрация снизилась бы до 51%.Таким образом, применение предлагаемого способа обеспечивает повышениеточности поддержания требуемой концентрации сиропа на выходе, а также снижение 15энергозатрат. Последнее вытекает из того,что .в способе-прототипе из-за значительных колебаний концентрации с.целью исключения завышенных. ее значенийнамеренно занижают ее заданное .значение. Вследствие этого на вакуум-аппаратыкристаллизационного отделения поступаетсироп с повышенным содержанием влаги ив результате этого кратность использованияретурного пара снижается - его затраты 25возрастают,ф о р мул а изо бр ете н и яСпособ автоматического управления процессом выпаривания в многоступенча той выпарной установке с развитым пароот. бором, включающей конденсатор и подогреватель, и редусматривающий измерение расхода исходного раствора и концентрации сухих веществ в нем, 35 регулирования расхода ретурного пара в греющую камеру первой ступени путем изменения его подачи и регулирование давления в испарительной камере последней ступени изменением отбора пара из нее на конденсатор, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что с целью повышения точности получения упаренного раствора заданной концентрации и снижения энергозатрат, измеряют температуру в греющих и испарительных ка-мерах и вычисляют разность температур между этими камерами, измеряют концентрацию сухих веществ в растворе после второй ступени и на выходе установки, а также температуру барометрической воды после подогревателя, регулируют температуру барометрической воды путем изменения отбора пара из последней . ступени в подогреватель, а регулирование расхода ретурного пара в греющую камеру первой ступени осуществляют в зависимости от расхода исходного раствора, концентрации сухих веществ в нем и в растворе после второй ступени, измеренного значения температуры в испарительной камере первой ступени и вычисленного значения разности температур в первой и второй ступенях, при этом регулирование давления в испарительной камере. последней ступени осуществляют в зависимости от расхода исходного раствора и концентрации сухих веществ в нем в растворе после второй ступени и на выходе установки, измеренного значения температуры барометрической воды после подогревателя и вычисленного значения разности температур в последующих; начиная с третьей, ступенях выпаривания.