Full Text

Анализ структур современных водооборотных систем промышленных и энергетических предприятий. Широко применяемые в промышленности водооборотные системы предназначены для подачи воды с определенными параметрами на производство в требуемых количествах и соответствующего качества [1-3]. В целом они состоят из комплекса взаимосвязанных гидротехнических сооружений - водозаборных устройств, насосных станций, водоводов, установок очистки, охладителей воды, регулирующих емкостей и разводящей сети трубопроводов [3-6]. При этом окончательное снижение температуры воды с 50 до 25-30 °С производится при помощи системы оборотной воды с вентиляторными градирнями (ВГ) [2-4]. Это обусловлено тем, что на сегодняшний день отвод низкопотенциального тепла от промышленных аппаратов с помощью ВГ - самый дешевый способ, позволяющий сэкономить более 95 % свежей воды. По данным государственного учета использования воды [1-3] промышленностью Российской Федерации расходуется в год примерно 40 км3 свежей воды, что составляет половину всего водозабора из источников водоснабжения или 20 % потребности предприятий в воде. Остальной объем воды (160 км3) обеспечивается повторным использованием её после охлаждения и очистки (оборотная или циркуляционная вода). В табл. 1 [2, 3] приведены данные об использовании оборотной воды в промышленности, требования к её температуре в летний период и наличие загрязнений. Средний водооборот в промышленности Российской Федерации на рубеже XXI века составил 78 %, причем наибольшее значение этот показатель достигает в нефтеперерабатывающей промышленности, на предприятиях черной и цветной металлургии и в нефтехимии. Таблица 1 Данные об использовании промоборотной воды Отрасль Расход % воды на охлаждение Водо-оборот, % Подача наибольш, м3/ч Температура воды,°С Вид загрязнений горячая охлажденная Теплоэнер-гетика 96 60 1000 35-45 25-30 - Нефтепере-работка 95 94 100 40-45 25-28 Нефтепродукты мех. примеси Химичес-кая 74-95 64-96 100 40-45 25-30 Органические, минеральные Черная металлургия 75 93 300 35-45 30-35 Нефтепродукты мех. примеси Цветная металлургия 20 91 5 35-40 25-30 То же Целлюл.-бумажная 7 65 1 32-35 25-27 - Легкая - - 6 35-36 27-28 - Охлаждающие системы промышленного водоснабжения могут быть прямоточными, с повторным использованием воды, оборотными и комбинированными. В соответствии со СНиП 2.04.02-84 [1] выбор системы и схемы водоснабжения следует производить на основании сопоставления возможных вариантов их осуществления с учетом особенностей объекта или группы объектов, требуемых расходов воды на различных этапах, источников водоснабжения, требований к напорам, температуре, качеству воды и обеспеченности ее подачи. СНиП 2.04.02-84 [1] предписывает проектировать новые системы промышленного водоснабжения с оборотом воды (рис. 1). Производство потребитель Производство потребитель Производство потребитель Градирня Насосная станция Насосная станция Насосная станция Градирня Водоисточник Свежая вода до 5 % Продувочная вода до 5 % Потери в виде пара Рис. 1. Система промышленного водоснабжения с оборотом воды По составу сооружений система оборотного водоснабжения более сложная, чем прямоточная, и с последовательным использованием воды, дороже в строительстве и эксплуатации, но позволяет резко (в 25-50 раз) снизить потребность предприятия в свежей воде и уменьшить не менее чем в 80 раз сброс тепла в водоисточник (табл. 2). При оборотных системах тепло выбрасывается в основном в атмосферу, безвозвратный расход воды из водоисточника становится больше за счет испарения в градирнях, а её восполнение обеспечивается природными или производственными очищенными водами. Таблица 2 Сравнительные показатели прямоточной и оборотной систем Показатель Система водоснабжения прямоточная оборотная Тепловая нагрузка, ГДж/ч 2000 2000 Расход охлаждающей воды, м3/ч 50 000 50 000 Подача воды на промплощадку из источника, м3/ч 50 000 1500 Сброс воды в источник, м3/ч 49500 620 Среднегодовая температура охлаждающей воды, °С 8-14 20-25 Среднегодовая температура горячей воды, °С 18-24 30-35 Безвозвратные потери воды, м3/ч, в том числе на - испарение в градирнях - капельный унос - - - 1500 855 25 Сброс тепла, ГДж/ч в том числе - в водоисточник - в атмосферу - на почву 2000 2000 - - 2000 25 1975 0,1 Относительные капиталовложения, % 100 140-175 Относительные эксплуатационные затраты, % 100 200-280 Кроме того, потребление свежей воды в промышленности может быть значительно уменьшено за счет перехода на безотходные технологии, где на первый план выступают охлаждающие системы оборотного водоснабжения с градирнями различных типов и конструкций. Для достижения еще более низкой температуры продукта применяют компрессионные или пароэжекционные установки. Однако из-за большого потребления электроэнергии такими установками эта технология отвода тепла становится в 10-15 раз дороже, чем с помощью оборотной воды. Например, для отвода 4 млн кДж/ч тепла компрессионным способом затраты электроэнергии составляют 250-300 кВт·ч, а для отвода этого же тепла с помощью вентиляторных градирен затрачивается 10-15 кВт·ч. Оборудование и теплотехнические процессы охлаждения оборотной воды в вентиляторных градирнях. Градирня - это устройство испарительного и теплообменного охлаждения воды атмосферным воздухом, которое проектируется и применяется почти во всех отраслях промышленности, но особенно велико использование градирен в энергетике, химии, нефтепереработке, металлургии, производстве полезных ископаемых и минеральных удобрений [3, 6-10]. При этом они являются центральным звеном в водооборотных системах отвода низкопотенциального тепла от промышленных аппаратов. Это обусловлено тем, что, во-первых, от технических характеристик градирен зависят возможности всей водооборотной системы предприятия и оптимизации производственного процесса [6, 11-14]. Во-вторых, конструктивные параметры градирен (вентиляторы, жалюзи и т.п.) являются фактически единственным каналом воздействия на охлаждающую способность градирни в условиях многопараметрического случайного изменения условий охлаждения от природных и технологических возмущений [3, 14]. Исторически развитие градирен связано с совершенствованием технологий охлаждения и применением новых конструкционных материалов. Сравнительные технико-экономические и экологические показатели градирен по данным [2, 3] приведены в табл. 3. Таблица 3 Показатели градирен при охлаждении оборотной воды с t2 ≤ 45 °C Показатели Тип градирни вентиляторные башенные открытые эжекционные радиаторные Технические 1. Удельная тепловая нагрузка, кВт/м2 93-175 70-120 35-60 80-150 0,25-2 2. Температурный перепад воды, °С 3-20 5-15 5-10 5-15 5-10 3. Температура охлаждения воды, °С 16-18 21-23 26-28 18-21 30-32 4. Глубина охлаждения t2 - θ, °С 4-5 8-10 10-12 6-8 20-35 Экономические Базовые затраты в млн руб/м2: - капитальные - эксплуатационные 0,3-0,8 0,2-0,9 0,7-1,1 0,1-0,2 0,3-0,7 0,1-0,2 0,7-1,1 0,1-0,3 2-3,3 0,26-1,0 Окончание табл. 3 Показатели Тип градирни вентиляторные башенные открытые эжекционные радиаторные Экологические Выбросы в окруж. среду к 1 м3 воды: - тепла с паровым факелом, МДж/ч - воды с капельным уносом, м3/ч - загрязнений солями, кг/ч 12-80 0,035 0,3 20-60 0,03 0,2 20-40 0,02 0,17 60-100 0,05 0,4 20-40 - - Потребление свежей воды к 1 м3 охлажденной воды, м3/ч (не более) 0,05 0,04 0,03 0,07 0,02 Самыми простыми, надежными и экономичными охладительными системами являются открытые (атмосферные) градирни или брызгальные бассейны со стационарными водораспределительными устройствами [3, 5, 6]. Они рассчитаны на давление ветра до 0,27 кПа, частичную естественную конвекцию и низкую температуру воздуха (климатические районы I-IV). Однако эффективность этого типа градирен в теплотехническом отношении очень низка, так как отсутствует охлаждение воды с подветренной стороны, имеется большая зависимость от погодных условий, метеофакторов и технологических изменений. Кроме того, данные охладители занимают большие площади с зонами экологического отчуждения и трудно подвергаются комплексной автоматизации в рамках предприятия. Наиболее экологичными в настоящее время являются системы радиаторных (сухих) градирен, которые за рубежом применяются достаточно давно [15-18]. Однако в нашей стране такие градирни еще не нашли широкого применения из-за высокой стоимости, металлоемкости воздушных теплообменников и недооценки их преимуществ в природоохранном аспекте [19-21]. Секционные вентиляторные градирни [3, 4, 14] (рис. 2) являются наиболее распространенным типом охладительных водооборотных систем промышленных предприятий различных отраслей промышленности. Они разработаны для регионов с расчетной температурой воздуха не ниже -40 °С, расчетным давлением ветра до 0,54 кПа, нормативной снеговой нагрузкой до 1,47 кПа. При этом нагретая до температуры t1 = 40…50 °С оборотная вода поступает в градирню через водораспределительную (оросительную) систему 3 с соплами и охлаждается в оросителях 4 до t2 = 25…30 °C с помощью вентилятора 1 с электроприводом. Каплеуловители 2 служат для снижения потерь от капельного уноса воды в окружающую среду. Охлаждение воды в градирнях осуществляется путем передачи тепла атмосферному воздуху за счет поверхностного испарения воды и теплоотдачи соприкосновением, т.е. процессов теплопроводности и конвекции. Испарение воды обусловлено разностью парциальных давлений пара у поверхности воды и в ядре воздушного потока, теплоотдача - разностью температур горячей воды t1 и воздуха θ. Поэтому летом испарением отводится до 90 % тепла, а зимой возрастает теплоотдача до 70 %. Интенсивность охлаждения воды может регулироваться скоростью вращения вентилятора 1 и отслеживаться по показаниям датчиков. Рис. 2. Структура вентиляторной градирни Выбор типа и конструкции ВГ производится на основе технологических расчетов с учетом заданных в проекте: 1) расходов оборотной воды и количества тепла, удаляемого от оборудования; 2) температур охлаждаемой воды и требований к стабильности охладительного эффекта; 3) расчетных метеорологических параметров и условий размещения на площадке завода; 4) химического состава оборотных вод и санитарно-гигиенических требований; 5) технико-экономических и экологических показателей. Анализ стохастических возмущений, действующих на ВГ. Основой определения охлаждающей способности градирен служат данные теплогидравлических расчетов [2-6], которые производятся для наиболее тяжелых технологических и метеорологических условий работы водооборотных систем. Примерами результатов таких расчетов служат данные, представленные в [4, 5]. Как показывает анализ технических характеристик ВГ, наибольшее влияние на их охлаждающую способность и величину мощности электропривода вентилятора (при оптимальных характеристиках оросителей) оказывают две группы факторов: - технологические (производительность, температуры горячей и охлажденной воды, а также гидравлическая нагрузка); - метеорологические (климатические) параметры и особенности эксплуатации водооборотных систем при конкретных погодных условиях (температура, влажность воздуха, атмосферное давление, наличие, характер и направление ветра, осадков и пр.). При этом для обеспечения требуемой температуры охлаждаемой воды номинальная мощность двигателя вентилятора должна рассчитываться, исходя из наибольших возможных значений рассмотренных параметров. Необходимость регулирования скорости вентилятора градирни объясняется требованиями поддержания постоянства температуры охлажденной воды вне зависимости от действующих возмущений параметров технологического и метеорологического характера, так как изменения t2 приводят к ухудшению технико-экономических показателей оборудования. Наибольший эффект регулирования скорости достигается даже при скалярном управлении частотно-регулируемым асинхронным двигателем по схеме ПЧ-АД с сохранением наилучших энергетических характеристик. Наибольшее влияние на процесс охлаждения оказывают 4 фактора: - перепад температур воды Δt = 2…12°С; - температура окружающего воздуха θ = 0…35°С; - влажность воздуха β = 50…100 % и подача насоса Q, м3/ч. Поскольку скорость вращения вентилятора ω задается в условиях одновременного случайного изменения всех параметров, для получения стабильной температуры охлажденной воды необходимы регрессионные многопараметрические алгоритмы линеаризованного вида [22-26]: ωз = f (Δt, θ, β, Q) (1) и нужно скорректировать их по реальной температуре охлажденной воды t2 [27, 28]. Инвариантное задание скорости вращения вентилятора градирни. Для реализации первых двух задач рассмотрены экспериментальные данные ω = f(θ) и ω = f(β) прототипа проектируемой градирни ВГ-70СП, представленные на рис. 3. Рис. 3. Опытные данные градирни ВГ-70СП Очевидный нелинейный и стохастический характер представленных зависимостей и аналогичный вид остальных - ω = f(∆t); ω = f(Q) и т.п. - предполагают применение для их обработки и формализации статистических методов, основанных на приложениях центральной теоремы теории вероятности [22, 29]. Поэтому искомые многопараметрические зависимости (1) были получены в виде нелинейных и линеаризованных регрессионных моделей с использованием матричных способов наименьших квадратов [3, 29]. По графикам данных представляем модель линейной регрессии в матричном виде: , (2) где y - вектор размерности n×1, содержащий n значений выходной величины ω; X - матрица значений независимых переменных m = 4 (Δt, β, θ, Q); а - вектор искомых данных n×1; ξ - вектор отклонений размерностью n×1. Данный метод основан на минимизации среднеквадратичного отклонения значений регрессии от реальных экспериментальных данных. Искомый вектор параметров находится по следующей формуле [3]: . (3) В результате обработки исходных массивов численных данных градирни с электроприводом ПЧ-АД мощностью Рном = 90 кВт, работающего на вентилятор по закону U/f2 = const, с использованием программных средств MatLab и Mathcad, получены управляющие функции в виде линейной 2-факторной и 4-факторной моделей [3, 4, 30]. Сходимость результатов моделирования для 4-факторных регрессионных моделей задания скорости вращения вентилятора градирни свидетельствует [29-34], что обе они обеспечивают достаточную точность инвариантного задания скорости во всем диапазоне изменения возмущений. Поэтому для расчёта скорости целесообразнее использовать более простые для вычислений и реализации линеаризованные уравнения. Стабилизация температуры воды на выходе из градирни. Проведённый выше регрессионный анализ заключался в определении аналитического выражения связи, в котором изменение результативного признака (скорости вентилятора или температуры охлажденной воды) обусловливается влиянием одного или нескольких факторных признаков (основных метеорологических и технологических), а множество всех прочих факторов принимается за постоянные (или усредненные) величины. Поэтому после получения регрессионных уравнений необходимо проверить правильность учёта факторных признаков, установить, имеется ли связь между исследуемыми переменными, и оценить тесноту и структуру этой связи. Этими задачами занимаются соответствующие разделы статистических исследований - корреляционный, факторный, ковариационный и дисперсионный анализ. Проведенный анализ полученных регрессионных уравнений с использованием средств и методов статистической обработки пакета MathCAD показал следующее: - график взаимокорреляционной функции указывает на существенную зависимость выходного сигнала ω от входных стохастических возмущений θ, β, Δt и Q, что соответствует действительности; - незначительное взаимовлияние входных параметров, которые можно принять независимыми переменными и соответствующими нормальному закону распределения; - интервал корреляции, в пределах которого наблюдается статистическая связь между процессами, составляет несколько десятков отсчетов; процессы являются стационарными и эргодичными; - парный коэффициент корреляции Пирсона, например, для двухфакторных регрессионных уравнений вентиляторной градирни составил: corr(w, q) = 0,932, corr(w, b) = -0,147, corr(q, b) = -0,32; - дисперсии уровней для каждого возмущающего фактора, вычисленные по значениям критерия Фишера, свидетельствуют о большей точности линейной модели. Реализация АСУ ТП водооборотных систем с ВГ. На рис. 4 представлена структурная схема одного из семи реализованных проектов компьютеризированной АСУ ТП водооборотной системы с ВГ производительностью Q = 1000 м3/ч и тремя секциями ВГ площадью 144 м2 [3, 4]. Внешние (метеорологические) параметры Интерфейс связи Интерфейс связи Интерфейс связи Комплекс технологического оборудования Интерфейс связи Диспетчерский пункт РГВ РХВ ПЧ ПЧ ПЧ М3 М1 90 кВт М2 М1 500 кВт 90 кВт 90 кВт Градирня М2 250 кВт М1 250 кВт М3 250 кВт Рис. 4. АСУ ТП водооборотной системы с тремя секциями ВГ На рис. 4 обозначено: ДВ, ДТВ - датчики влажности и температуры наружного воздуха; РГВ, РХВ - резервуары горячей и холодной воды; ДТГ, ДТХ - датчики температуры горячей и холодной воды; ДУ, ДД - датчики уровня и давления воды в резервуарах; ПЧ - преобразователи частоты для регулирования скорости вращения электропривода насосов подачи горячей воды (М1-М3, 250 кВт), холодной воды (М1, 500 кВт) и вентиляторов градирни (М1-М3, 90 кВт). Синхронизацию обмена информацией обеспечивают 4 интерфейса связи с диспетчерским пунктом. Рассмотренная секционная градирня относится к классу ВГ с противотоком и предназначена для охлаждения оборотной воды, нагретой технологическими агрегатами в диапазоне температур t1 = 30…40 °С, до стабильной температуры t2° = 28 °С в условиях стохастического воздействия изменений температуры (θ° = 0…35 °С) и влажности (β = 20…100 %) воздуха, подачи циркуляционных насосов (Q = 50…100 %) и температурного перепада горячей/охлажденной воды (Δt = 2…12 °С). В рамках реализованной АСУ ТП водооборота разработаны методика синтеза алгоритмов и аппаратная поддержка для мониторинга и прогнозирования технического состояния в системе с ВГ. Они основаны на представлении объекта абстрактной динамической системой, функционирование которой состоит в изменении состояния системы под воздействием внешних и внутренних причин. Базирующиеся на таком подходе модели объекта позволяют синтезировать не только инвариантный к глубине диагностирования и структуре аппаратных средств алгоритм диагностической процедуры, но и применить унифицированные первичные датчики с измерением различных физических величин. Предложенный подход позволяет путем разбиения диагностирующего автомата на иерархическую структуру подавтоматов рационально реализовать модели. Устройства верхнего уровня при этом универсальны, а устройства нижнего уровня сравнительно просты для типовых систем ВГ. В них объединены следующие функции: первичный датчик измеряемого параметра и схема анализа с информацией о состоянии параметра в норме [23, 26]. При реализации использован принцип экспертной системы, когда экспертные данные необходимы в качестве эталона для оценки текущего состояния системы. Они упорядочены и хранятся в памяти, составляя базу экспертных и базу реальных данных. Представленный алгоритм реализует одновременно две системы: компенсирующую инвариантную САР и экспертную систему. Работа первой заключается в прогнозировании аварийных режимов и недопущении их путем превентивного изменения (уменьшения, ограничения или даже отключения) соответствующих параметров, а работа экспертной системы заключается в прогнозе неисправностей с оповещением и советом оператору. Для прогноза в режиме реального времени применены алгоритмы нечеткой логики с языковым синтаксисом, использующим лингвистические переменные. При этом использована предварительная фаззификация измеряемых переменных и их скоростей изменения. По полученным лингвистическим величинам текущего значения параметра и скорости его изменения с помощью несложной схемы определяется прогнозируемое значение этого параметра. Система может быть реализована как автономно на специализированных Fuzzi-контроллерах, так и в составе компьютеров. Для реализации всех рассмотренных выше функций мониторинга, управления и регулирования АСУ ТП водооборота с ВГ разработано ПО «GRADIRNY». Программа написана на объектно-ориентированном языке Visual Basic с использованием среды разработки ADAM View фирмы Advantech. Программа функционирует в среде ОС Windows NT и представляет собой человеко-машинный интерфейс (HMI) для работы с данными в реальном времени через ОРС-сервер от КИПиА, входящей в схему управления электроприводом ВГ. Интерфейс программы разработан в виде графических форм (окон) с использованием управляющих элементов (кнопок, индикаторов, «условных» элементов). Главное окно программы представлено на рис. 5. Количество «всплывающих» (подчиненных) окон - 3; количество переменных - 20. Рис. 5. Главное окно программы (управляющий интерфейс) Выводы 1. Технико-экономический эффект внедрения АСУ ТП вентилятора ВГ и быстрая окупаемость обеспечиваются: снижением энергопотребления на 22-60 % за счет регулируемого электропривода с алгоритмами, инвариантными к метео- и технологическим условиям работы; точным соблюдением оптимальных параметров ТП производства, приводящим к максимальной производительности охлаждаемых аппаратов и стабильному качеству выпускаемой продукции; минимальными финансовыми и эксплуатационными затратами на ТО и ремонт вентиляторного оборудования на протяжении всего срока службы. Разработанные водооборотные системы с ВГ внедрены на семи предприятиях нефтеперерабатывающей, горнодобывающей и металлургической промышленности. 2. Положительный опыт реализации проектов АСУ с водооборотными системами с градирнями и представленные методики целесообразно распространить на аналогичные технологические процессы и системы: - аппараты воздушного охлаждения газа после его компримирования в газоперекачивающих агрегатах компрессорных станций; - насосы и компрессоры теплообменников с паронагревателями, работающими в режиме онлайн с идентификацией параметров; - воздуходувки котлоагрегатов, оснащенных топкой «кипящего слоя»; - вентиляторы и транспортеры барабанных и трубных сушилок с необходимостью поддержания параметров продуктов с точностью ±1 %; - системы воздушного отопления промышленных и административных зданий с регулированием подачи теплоносителя через калориферы и т.п.

About the authors

O. V Kryukov

JSC «Giprogazcenter»

Email: o.kryukov@ggc.nnov.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 23

PDF (Russian) - 20

Refbacks

• There are currently no refbacks.