Влияние распределения теплопотребителей и эффекта самоиспарения на расход пара многокорпусной выпарной установки сахарного завода

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:

D i = W i - D^, (1)

где i – номер корпуса МВУ; D i – расход греющего пара в i -м корпусе МВУ; W i – количество воды, выпаренной в i -м корпусе МВУ; D СИi – расход пара самоиспарения конденсата в i -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 W i после выхода из каждого корпуса выпарной установки расходуются на обогревание теплопотребителей ( D ТП ) и нагревание следующего корпуса в соответствии с уравнением:

W i = У D m + D i + 1 .         (2)

i

Выполнение второй, технологической функции МВУ определяется уравнением материального баланса:

• -n,(

• У W = m0 1°- I,(3)

i °I i=1         V    СВс )

n где УWi = W1 +... + Wn - суммарное количество i=1

воды, выпариваемой во всех корпусах МВУ; m о – выход очищенного сока; СВ о – концентрация сухих веществ в соке; СВ с – в сиропе.

При проектировании МВУ определяется расход пара на I корпус D 1 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]:

' D 5 = W 5 = У D Tn 5 - D_C И 5

D 4 = W 4 - D_C И 4 = У D Tn 4 + D 5 - D cи 4 =

= У D Tn 4 ⁺ У D Tn 5 - ^DСИ 4 - ^DСИ 5

D 3 = W 3 - D cи 3 = У D Tn 3 + D 4 - D cи 3 =

= У DTn 3 + У DTn 4 + У DTn 5 - У DG№ i=3

D 2 = W ₂ - D cи 2 = У D Tn 2 + D 3 - D cи 2 =

1                                                     (4)

= У D Tn 2 ⁺ У ^DTn 3 ⁺ У ^DTn 4 ⁺

+ У D Tn 5 ^- У ^DСИi

¹ = 2

D 1 = W - D_C и 1 = У D Tn 1 + D 2 - D_C и 1 =

= У D Tn 1 + У D Tn 2 + У D Tn 3 + У D Tn 4 +

+У DTn 5 - У DСИi i=1

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:

D 1 = Z D Tn 1 ⁺ Z D Tn 2 ⁺ Z D Tn 3

+ Z DTn 5-Z Dcиi i=1

⁺ Z D Tn 4 ⁺

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

Z Wi=Z DTn 1 + 2Z D™ 2 + 3Z D™ 3 + i=1

^{+ 4} Z D Tn 4 ^{+ 5} Z D Tn 5 D CH 1 ² D CH 2    (6)

³ D CH 3   ⁴ D CH 4   ⁵ D CH 5

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

Расход пара из ТЭЦ на выпаривание в количестве D 1 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, должны использоваться эффективные современные технологии и прогрессивное технологическое и тепловое оборудование.

Распределение теплопотребителей должно обосновываться результатами техникоэкономического 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 D 1 :

D 1 = Z D Tn 1 ⁺ Z D Tn 2 ⁺ Z D Tn 3 ⁺

⁺ Z D Tn 4 ⁺ Z D Tn 5

- Z D CH.

i = 1

n

Z Wi=Z DTn 1 + 2Z DTn 2 + 3Z DTn 3 + i=1

^{+ 4} Z D ТП 4 ^{+ 5} Z D Tn 5 D CH 1

^{- 2} D CH 2 ^- .

³ D CH 3   ⁴ D CH 4   ⁵ D CH 5

После преобразований получим соотношение для общего количеств выпаренной воды: n

Z W = 5(Z DTn 1 + Z DTn 2 + Z DTn 3 + i=1

Z D Tn 4 ⁺ Z D Tn 5 ^- Z D CHi ) — ⁴ Z D Tn 1 ^- i = 1

³ Z D Tn 2 ² Z D Tn 3 Z D Tn 4 ⁰ Z D Tn 5 ⁺

+ 4 Z D CH 1 + 3 Z D CH 2 + ² Z D CH 3 + Z D CH 4 = (7)

= ⁵ D 1 ^{- 4} Z D Tn 1 ^{- 3} Z D Tn 2 — ² Z D Tn 3 ^-

^- Z D Tn 4 ⁺ 4 Z D CH 1 ^{+ 3} Z D CH 2 ⁺ 2 Z D CH 3 ⁺

+ Z D CH 4

Решая уравнение (7) относительно рас- хода пара, выпариваемого в первом корпусе МВУ D1, получим:

Z W 4 5

D 1 =      +T Z D Tⁿ 1 ⁺T Z D Tn 2 ⁺

5        5 i=1

25           154

+ ~Z DTn 3 +tZ DTn 4 — "7DCH1 -

5 i=1            5 i=1

D СИ 2

5 D СИ 3   5 D СИ 4

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

W

D 1 -   +

n

n - 1

n

n

Z Din I i -1

+

n - 2

n

n

Z D in ²

i - 1

+

+

n - 3

n

n

Z D in 3

i - 1

+ ... +

n - n

n

n

Z Dinn i-1

-

. (9)

n - ¹ D

D СИ 1 n

n - 2

n

D СИ 2

-

n _3 d

D СИ 3 n

-

nZn. D

D СИn n

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 пятикорпусной 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 D 1 необходимо использовать максимальное самоиспарение конденсатов с понижением

температуры до 105 °C. При этом доля тепла паров самоиспарения конденсатов составит свыше 20% от расхода пара на I корпус. Влияние использования паров самоиспарения на D 1 в соответствии с уравнениями (8) и (9) показывает, что наибольшее снижение расхода пара происходит за счёт использования паров самоиспаре-ния 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 самоиспа-рения 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, работаю-

щая под повышенным давлением.

Пар конденсата вторичного пара последнего корпуса МВУ влияет на расход пара D 1 через общее количество выпаренной воды Z W i .

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.