Автоматическая оптимизация процесса прессования семян масличных культур по технико-экономическому показателю

Василенко В.Н., Драган И.В., 2014

На протяжении последних лет масложировая отрасль отличается стабильностью производства, что характеризуется увеличением объемов производства, расширением ассортимента и сохранением высокого качества выпускаемой продукции. Это достигнуто благодаря реализации мер государственной поддержки, в том числе технического и таможенно-тарифного регулирования рынка растительных масел и маргариновой продукции, принятых Правительством Российской Федерации и направленных на создание условий устойчивого обеспечения предприятий отрасли масложировым сырьем [1, 6].

Активно развивается выращивание масличных культур, так с 2001 по 2012 год в России количество посевных площадей подсолнечника увеличилось с 3.8 млн. га до 7,6 млн. га. При этом если производство сырого подсолнечного масла в 2001 г. составляло 1,2 млн. тонн, то в 2009 г. оно достигло максимума в 2,8 млн. тонн, а в 2011-2012 сохранялось на уровне 2,5 млн. тонн [5, 7].

Укрепление аграрной экономики в настоящее время справедливо связано с ростом экономической эффективности от производства инновационноальтернативных масличных культур, что в свою очередь определяется качеством продукции и возможностью приносить определенную массу прибыли для обновления производственного процесса.

Одним из резервов экономии теплоэнергетических ресурсов в маслоэкстракционном производстве является совершенствование режимов энергоемкого оборудования, в частности форпресса [2, 3, 4]. В этой связи в работе использовался один из эффективных методов энергосбережения, основанный на оптимизации режимов двухэтапного прессования семян масличных культур, на примере семян рыжика в форпрессе и экспеллера по техникоэкономическому показателю. В качестве критерия оптимизации использовались удельные теплоэнергетические потери:

электроэнергии, руб/кВтч; Ц_п - цена пара, руб/м ³ ; G_n - объемный расход пара, м ³ /ч; G - выход масла первого отжима, кг/ч; оО Г- х . . Ю г т т .

G’„ „    - выход масла второго отжима, кг/ч.

вых . в . от .                                                      ^у

По экспериментальным данным второе слагаемое числителя критерия c достаточной для инженерных расчетов точностью аппроксимируется квадратичной зависимостью:

( N ф + N м.д. + N э ) Ц э = В 1 G ,    (2)

где G_ex - расход исходного продукта, кг/ч;

В 1 , -эмпирический коэффициент.

Расход исходного продукта и выход масла связаны следующим соотношением:

G« „ = В 4 ( AG e. + 1 ) ■       (³)

где В 4 , А - коэффициенты, определяемые экспериментально.

Обозначим:

Ц п G n = В ₂ , 5 З 1 = В 3         (4)

Подставляя (2), (3), (4) в (1), получаем

R = В 1 G 2 + В 2 + В 3 = В 1 (0 2 + (В 2 + В 3 )/В 4 ) ,(5)

В 4 (AG ex + 1 )        В 4 (G ex + 1 / А)

где В 1 , В 2 , В з , В 4 , А > 0,

Приведем формулу (5) к виду, удобному для исследования на  экстремум, при следующих обозначениях:

B 1 /B 4 A = D,   (В 2 +В з )/В 1 = С ,    1/А = Е .

Ст ² + С

Тогда R = D G ^e   С .           (6)

G_ex + Е вх

Необходимое условие экстремума:

dR = D G + 2 G„ E - С = 0    ₍₇₎

^dG ex         ( G ex + Е ¹

Отсюда следует G ² + 2 G_mE - С = 0 вх вх

G _x = =- Е ± \ Е ² + С.

вх ,

Так как значение расхода исходного продукта величина положительная, то этому условию будет удовлетворять единственное решение:

G _вх = - Е + V Е ² + С. (8)

R =

S З 1 + ( N ф + N мд + N э ) Ц э + Ц п G п

G

вых . п . от .

+ G

, (1)

вых . вот .

где 5 З 1 - теплоэнергетические потери на предыдущих технологических операциях, N _ф - потребляемая мощность привода форпресса, кВт; N _мД - потребляемая мощность привода молотковой дробилки, кВт; N _э - потребляемая мощность привода экспеллера, кВт; Ц э - цена

Так как:

ER- = D -Е") >  0 ,  (9)

dGI    (G„ + Е ) ³

вх            вх то найденное решение (8) соответствует минимуму.

Таким образом, критерий (6) позволяет рассматривать процесс двухэтапного прессования семян масличных культур как объект экстремального управления (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема автоматическо оптимизации процесса двухэтапного прессования семян масличных культур по минимальному значению энергетических потерь

Схема включает форпресс 1, молотковую дробилку 2, чанную жаровню 3, экспеллер 4; линии: подачи исходного продукта 5, отвода масла первого отжима после форпресса 6, отвода масла второго отжима после экспеллера 7, отвода экспеллерного жмыха 8, подачи пара в чанную жаровню 9; датчики: масличностей исходного продукта 10 и экспеллерного жмыха 11, потребляемой мощности привода форпрес-са 12, потребляемой мощности привода молотковой дробилки 13, потребляемой мощности привода экспеллера 14, температур исходного продукта 15, температур продукта в чанной жаровне 16, температур продукта после чанной жаровни 17, расхода исходного продукта 18, выхода масла первого отжима после фор-пресса 19, выхода масла второго отжима после экспеллера 20, выхода мезги после форпресса 21, выхода экспеллерного жмыха после экс-пеллера 22, расхода пара 23; исполнительные механизмы 24 – 26; микропроцессор 27, экстремальный регулятор 28.

Исходное масличное сырье, прошедшее обработку, подается на прессование в фор-пресс 1 по линии 5.

По информации датчиков 10 о содержании масличности в мезге и жмыхе регулятор соотношения вырабатывает задание локальному регулятору, который посредством исполнительного механизма 24 устанавливает заданную мощностью регулируемого привода форпресса 1. Одновременно измеряется температура исходного продукта, измеряемая датчиком 15.

С помощью датчиков 12, 18, 19 и 21 через вторичные приборы информация о потребляемой мощности привода форпресса, а также о текущих значениях выхода масла и форпрессового жмыха, идущего на молотковую дробилку 2, расхода исходного продукта непрерывно поступает в вычислительное устройство 27, которое определяет текущи е значения теплоэнергетических потерь, приходящихся на единицу массы получаемого масла первого отжима.

Форпрессовый жмых направляется на молотковую дробилку 2, далее продукт направляется в чанную жаровню 3 и затем продукт поступает в экспеллер 4.

С помощью датчиков 11, 13, 14, 16, 17, 20, 22, 23 информация о потребляемой мощности привода молотковой дробилки, экспеллера, а также о текущих значениях температуры продукта в чанной жаровне и после ее выхода, выхода масла второго отжима, выхода экспел-лерного жмыха и пара непрерывно поступает в вычислительное устройство 27, которое определяет текущие значения теплоэнергетических потерь, приходящихся на единицу массы получаемого масла второго отжима в линии 7. По текущему значению температуры 16 продукта, локальный регулятор с помощью датчика 23 устанавливает необходимый расход пара на охлаждение рабочей камеры чанной жаровни 3. Экстремальный регулятор 28 определяет знак производной удельных теплоэнергетических потерь по расходу исходного продукта и в зависимости от знака производной корректирует задание локальному регулятору на изменение расхода исходного продукта в форпресс 1 посредством исполнительного механизма 24. При положительном знаке производной экстремальный регулятор 28 выдает корректирующий сигнал на уменьшение расхода исходного продукта, при отрицательном - на увеличение расхода исходного продукта в форпресс 1.