/
Author: Колесников В.А. Нечаев Ю.Г.
Tags: сахарное производство машиностроение теплотехника пищевая промышленность сахарная промышленность
Year: 1980
Text
В.А.Колесников
Ю.Г. Нечаев
ТЕПЛОСИЛОВОЕ
хозяйство
САХАРНЫХ ЗАВОДОВ
Допущено Министерством высшего и среднего специ-
ального образования СССР в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений, обучающихся
по специальностям «Технология сахаристых веществ» и
«Машины и аппараты пищевых производств»
МОСКВА
«ПИЩЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ»
1980
ОТ АВТОРОВ
Имеющиеся пособия для студентов технологических вузов
пищевой промышленности по специальности «Технология сахарис-
тых веществ» в основном освещают работу силового хозяйства
ТЭЦ, а вопросы теплотехники сахарного производства рассматри-
ваются в отрыве от технологических.
В настоящей книге сделана попытка увязать теплотехнику и
технологию сахарного производства, обобщив материал по этим
вопросам, изложенный в отечественной и зарубежной литературе.
В книге освещены вопросы выбора рациональных тепловых
схем сахарного и сахарорафинадного производств; рассмотрены
типовая тепловая схема и ее режимные параметры, работа вы-
парной станции как потребителя и источника пара; приведены
методики расчетов теплоиспользующей аппаратуры и тепловой
схемы завода в целом. Подробно рассмотрены тепловой баланс
завода и пути уменьшения расхода тепла-в сахарном производст-
ве.
Значительное место в книге отведено выявлению влияния кон-
центрации сиропа на показатели работы сахарного завода, воз-
можностей внедрения в промышленность высокотемпературного
сгущения термически устойчивых соков на выпарной установке.
Подробно описана конденсатная схема сахарного завода, виды
конденсатных устройств, системы энергоснабжения, типовая схема
.ТЭЦ. В книге даны рекомендации по выбору основного оборудова-
ния ТЭЦ — паро- и турбогенераторов, приведены технические ха-
рактеристики и даны основы их расчета.
Для лучшего усвоения расчеты пояснены конкретными приме-
рами. Большое внимание уделено вопросам водоподготовки, топ-
ливоснабжения, вопросам повышения эффективности работы
энергетических установок.
Изучение курса «Теплосиловое хозяйство сахарных заводов»
учебным планом предусмотрено после изучения студентами кур-
сов «Процессы и аппараты пищевых производств», «Общая теп-
лотехника», «Общая электротехника». Поэтому разделы по дан-
ным курсам представлены в книге кратко, в виде отдельных обоб-
щений. *
Студенты, изучив особенности теплосилового хозяйства сахар-
ных заводов, смогут не только уверенно управлять им, но и участ-
вовать в разработке рациональных режимов работы этого слож-
ного комплекса машин и аппаратов, от слаженной бесперебойной
3
ББК 36.84
К60
658.264:664.1
В. А. Колесников, Ю. Г. Нечаев
К60 Теплосиловое хозяйство сахарных заводов. — М.: Пищевая
пром-сть, 1980. — 392 с.
В пер 1 р 20 к
Материал учебника базируется на законах гидравлики, теплотехники н физико-
хнмнн и является специальной дисциплиной, завершающей подготовку специалистов^
для сахарной промышленности
Книга написана с увязкой теплотехники и технологии сахарного производства.
Рассмотрены вопросы выбора рациональных тепловых схем сахарного н сахарорафи-
надного производства, описана типовая тепловая схема, работа' выпарной станции-
выявлено влияние свойств сиропа на работу сахарного завода, даны методики расчета
теплонспользующей аппаратуры и тепловой схемы завода в целом Приведены схемы
энергоснабжения и ТЭЦ, рассмотрены вопросы выбора основного и вспомог afельного
оборудования ТЭЦ, пути повышения экономичности энергетических установок
Книга предназначена для студентов вузов пищевой промышленности по специаль-
ности «Технология сахаристых веществ» и «Машины и аппараты пищевых произ-
водств»
31707—004
К ---------------4—80 2907000000
044(01)—80
36.84
6П8.4
Рецензенты: проф., д-р техн, наук Б. И. ЛЕОНЧИК (кафедра теплотехники
МТИППа) и канд. техн, наук В. В. МАЙОРОВ (кафедра промтеплотехники Воро-
нежского политехнического института).
© Издательство «Пищевая промыш-
ленность», 1980 г
работы которого в конечном итоге зависит не только расход топ-
лива и электрической энергии на сахарном заводе, но и выход/
качество сахара, успешная работа завода в целом.
Книга может быть также рекомендована инженерно-техниче-
ским работникам других отраслей пищевой промышленности, для
'которых теплосиловое хозяйство сахарных заводов является в
значительной степени образцом рационального использования
тепла; работникам проектных и научно-исследовательских органи-
заций, занимающимся вопросами проектирования и рационализа-
ции работы теплоиспользующих аппаратов; она может быть' ис-
пользована и в качестве учебного пособия на курсах повышения
квалификации инженерно-технических работников сахарной про-
мышленности.
Введение, главы I—VII написаны канд. техн, наук, доцентом
В. А. Колесниковым, а главы VIII—XI канд. техн, наук, доцентом
Ю. Г. Нечаевым.
Вопросы математического моделирования и применения ЭВМ
изложены канд. техн, наук, доцентом В. П. Стрельченко.
Авторы благодарят рецензентов за ценные указания при ре-
цензировании данного учебника и будут признательны всем
читателям, которые сообщат свои критические замечания по книге
по адресу: 113035, Москва, М-35, 1-Кадашевский пер., д. 12, изда-
тельство «Пищевая промышленность».
ВВЕДЕНИЕ
Среди многообразия производств пищевой промышленности
трудно найти второе такое производство, где тепловые процессы
применялись бы так широко и имели бы такое же большое зна-
чение в технике и экономике, как в сахарном. По своей энергоем-
кости, по сложности и стоимости теплоэнергетического комплекса,
по неразрывности связей между технологическими и теплоэнерге-
тическими процессами сахарное производство занимает одно из
первых мест среди отраслей пищевой индустрии. Энергетическая
схема сахарного завода по сравнению с предприятиями других
отраслей пищевой промышленности весьма совершенна. За сезон
производства на свеклосахарных заводах выпаривают до
100 млн. м3 воды (100% к массе перерабатываемой свеклы, или
700% к массе получаемого белого сахара). При этом затрачива-
ется до 168-109 кДж тепловой энергии, 9,8-109 кДж электрической
и 10 млн. т условного топлива, включая расходы на производство
сахара-рафинада, переработку сахара-сырца, обжиг известняка,
сушку жома.
В общем топливно-энергетическом балансе предприятий Мини-
стерства пищевой промышленности СССР на долю сахарной про-
мышленности приходится 45% тепла, 34% электроэнергии, до
40% топлива.
Средний удельный расход условного топлива в сахарной про-
мышленности СССР составляет в настоящее время 6,5—6,7% к
массе перерабатываемой свеклы, причем топливно-энергетические
затраты в общей себестоимости сахара-песка достигают 5—6%,"
а в стоимости технической переработки свеклы 26—28%. При та-
ких масштабах топливно-энергетических затрат работа по их
экономии приобретает исключительное значение. Снижение удель-
ного расхода топлива только на 1% к массе перерабатываемой
свеклы обеспечивает экономию условного топлива по планируемо-
му объему производства на 1980 г. около 1 млн. т.
Экономия топлива может быть достигнута иа каждом сахарном
заводе путем рациональной организации теплосилового хозяйства,
четкого его обслуживания. Поэтому задачей курса «Теплосиловое
хозяйство сахарных заводов» и является изучение студентами
особенностей тепловой схемы сахарного завода, возможных
вариантов работы выпарной станции — «сердца» сахарного завода,
основных путей рационализации теплосилового хозяйства с целью
снижения расхода топлива, повышения производительности тепло-
5
вой аппаратуры; изучение тепловой схемы ТЭЦ как источника
тепла и электроэнергии, ее технического оснащения, путей даль-
нейшего совершенствования.
Теплосиловым хозяйством сахарного завода принято называть
весь комплекс машин и аппаратов, вырабатывающих электричес-
кую энергию и пар различных параметров с возвратом конденсата
минимально возможной температуры, оборудование многоступен-
чатой выпарной станции со всеми аппаратами-подогревателями,
вакуум-аппаратами и другими теплоиспользующими машинами
продуктового, сокоочистительного и свеклоперерабатывающего от-
делений. Сюда же относятся и различные вспомогательные кол-
лекторы, например для отвода конденсата (автоматоотводчики),
гидравлические колонки, конденсатные насосы.
Обычно принято делить теплосиловое хозяйство на силовое
оборудование парогенераторного и турбогенераторного залов и
тепловое оборудование выпарной станции вместе с теплоисполь-
зующими аппаратами. Однако элементы теплосилового хозяйства
настолько тесно увязаны между собой и так сильно влияют на
технологический процесс, что при анализе неполадок в работе
производства часто трудно отделить технологию от тепло-
техники.
В начальный период развития сахарного производства приме-
нялось огневое нагревание жидких продуктов и выпаривание из
них воды в глубоких котлах. Затем котлы стали устанавливаться
на плите огневого нагрева в виде трех — пяти ступеней, чтобы мож-
но было из котлов верхней ступени выливать сгущаемый сок в
котлы соседней нижней ступени. Такой способ нагревания и выпа-
ривания сопровождался значительным распадом сахарозы, повы-
шением цветности продуктов, снижением их доброкачественности,
вызывал затруднения при последующей кристаллизации и пробе-
.ливании.
Впервые пар для нагревания и сгущения применил П. И. Ер-
молаев в 1809—1810 гг. Н. Н. Бахметьев улучшил технику паро-
вого нагрева — предложил котлы оборудовать змеевиками —
«серпантинами», в которые пар подавался непосредственно из
паровых котлов. Русским сахаротехникам принадлежит и ряд
оригинальных конструкций выпарных аппаратов. Самым ранним
изобретением подобного рода является непрерывная выпарка —
«прокат», одновременно разработанная в 1830 г. Д. А. Давыдовым
и П. Скирмундом. Это первая в мировой сахаротехнике установка
для непрерывного выпаривания. «Прокат» представлял собой
наклонную металлическую плоскость, по которой стекал тонким
слоем сок, нагреваемый снизу паром.
Применение разрежения для понижения температуры кипения
было следующим шагом на пути прогресса техники выпаривания
и уваривания. В 1825 г. А. И. Берду была выдана привелегия на
«сахароварительную машину», работающую под разреже-
нием.
Выпарка под вакуумом вначале была одноступенчатой и лишь
6
позже с целью экономии пара и топлива стали применять выпар-
ные установки из двух и более ступеней. Появилось большое число
конструкций выпарных аппаратов. Вначале использовались аппа-
раты с паровой рубашкой, на смену им пришли змеевиковые и
горизонтальные трубчатые аппараты, где кипение происходило в
большом объеме снаружи кипятильных труб. По мере совершенст-
вования техники появились более компактные конструкции вер-
тикальных выпарных аппаратов с естественной циркуляцией
внутри кипятильных труб.
Начало 40-х годов XIX в. в сахаротехнике характеризовалось
применением комплектов выпарных аппаратов, состоявших из
двух-трех последовательно соединенных корпусов, позволивших
осуществлять сгущение под разрежением при сравнительно малой
затрате тепла.
С 1892 г. начали сгущать сахарный сироп в аппаратах под
давлением с более рациональным использованием вторичных па-
ров. Одними из первых работ, посвященных расчету выпарной
станции, были работы инженера-технолога М. Н. Школянского
(1885 г.), затем инженера В. А. Витковича.
Много было сделано русскими теплотехниками для рационали-
зации тепловой схемы, рационального использования вторичных
энергоресурсов. Еще в 1875 г. М. А. Толпыгин в работе «Потери
тепла при выпаривании» изложил принципы использования вто-
ричного пара для уваривания сиропа, подогрева соков. Им также
впервые было предложено использовать утфельный пар вакуум-
аппаратов для подогрева воды.
Большой вклад в развитие теории выпаривания и расчета мно-
гоступенчатых выпарных аппаратов внесли советские ученые.
Впервые общий метод расчета выпарных станций разработал в
20-х годах проф. И. А. Тищенко. В дальнейшем его сложный ме-
тод подвергся некоторому упрощению. Метод И. А. Тищенко явля-
ется основой уточненных расчетов выпарных установок.
Проф. П. М. Силин в 1927 г. опубликовал свою работу по во-
просу регулирования трехступенчатой выпарки, работающей под
давлением. В 1939 г. Г. Н. Крстенко предложил доступный в
заводской практике весьма точный и несложный расчет выпарной
станции.
Оригинальную методику по определению производительности
выпарной станции в 1940 г. разработал проф. М. А. Кичигин, а в
1949 г. проф П. И. Волков опубликовал методику определения
расчетным путем коэффициентов теплопередачи в выпарных ап-
паратах сахарных заводов.
В 1947—1949 гг. на основе работ И. И. Дохленко, П. И. Волко-
ва, Л. М. Розума, проф. Г. Н. Костенко создал методику анализа
и расчета выпарных установок, работающих в условиях накипеоб-
разования. Она позволила установить понятие об оптимальных
напряжениях поверхности нагрева корпусов, обосновать перемен-
ные значения коэффициентов использования поверхности нагрева,
7.
выявить режимы работы корпусов при Постоянном температурном
перепаде.
В 50-е годы в статьях М. Л. Вайсмана подробно были рассмот-
рены вопросы применения пароструйных компрессоров в сахарной
промышленности, а вопросы рационализации теплоиспользования,
совершенствования теплообменных аппаратов нашли отражение
в работах А. Ф. Якимова, М. Л. Вайсмана, М. А. Гейштовта,
И. Г. Чугунова, В. Д. Попова, Н. В. Горох, С. И. Либова,
В. В. Зворыкина, И. И. Сагань, В. Т. Гаряжа и др.
Качественное изменение претерпела теплоэнергетика сахарной
промышленности с переводом ТЭЦ и котельных на сжигание жид-
кого и газообразного топлива вместо твердого — возникли условия
для полной механизации и автоматизации производственных про-
цессов на ТЭЦ.
В условиях коренного технического перевооружения теплоэнер-
гетического хозяйства сахарных заводов возник вопрос о выборе
схемы энергоснабжения. В работах П. Я. Иванова было показано
преимущество комбинированной схемы энергоснабжения от при-
заводских ТЭЦ.
О важности и том значении, которое придается в нашей стране
экономии топлива за счет рационализации теплосилового хозяй-
ства промышленных предприятий, наглядно свидетельствует по-
становление Совета Министров СССР от 28 ноября 1964 г. «Об
экономном расходовании в народном хозяйстве электрической и
тепловой энергии и топлива», а также систематическое проведение
тематических выставок на ВДНХ СССР, посвященных рациональ-
ному использованию тепла и топлива на промышленных пред-
приятиях и, в частности, в сахарной промышленности.
Ученые и специалисты сахарной промышленности направляют
свои усилия на разработку и осуществление прогрессивных тепло-
вых и технологических схем, а также энерготехнологического обо-
рудования, позволяющих полнее использовать вторичные энерго-
ресурсы или уменьшить их выход.
Комплексный удельный расход условного топлива на выра-
ботку сахара-песка из сахарной свеклы из года в год снижается.
Если этот расход в среднем по промышленности за II полугодие
1965 г.составил 8,41%, то за этот же период 1975 г. он снизился
до 6,8% к массе свеклы. Такое снижение удельного расхода топ-
лива достигнуто благодаря осуществлению ряда организационно-
технических мероприятий.
Котельные большинства сахарных заводов подвергнуты корен-
ной реконструкции: модернизировано оборудование, автоматизиро-
ваны процессы питания и горения топлива, построены новые ТЭЦ
с парогенераторами современных конструкций, осуществлены ме-
роприятия по уменьшению расхода пара на собственные нужды
ТЭЦ и промышленных котельных.
Большая работа проведена по переводу парогенераторов, рабо-
тавших на твердом топливе со слоевыми, механическими и осо-
бенно ручными топками, на топочный мазут и природный газ.
8
К 1975 г. на топочном мазуте работало 69 %’заводов, на природ-
ном газе 19% и твердом топливе 12%. В результате средний по
промышленности к. п. д.-брутто парогенераторов ТЭЦ возрос с
71% в 1960 г. до 87,5% в 1975 г. (к. п. д. парогенераторов, рабо-
тающих на газе, повысился до 90—92%, на мазуте до 87—88%).
Повышение к. п. д. парогенераторной установки на 10—12% обус-
ловливает в условиях работы сахарного завода экономию
условного топлива до 0,6^0,8% к массе перерабатываемой
свеклы.
На сахарных заводах в настоящее время тепловые схемы вклю-
чают в основном четырехступенчатые выпарные станции с кон-
центратором, причем в схему распределения греющих паров внесе-
ны существенные изменения. Такое переоборудование стало воз-
можным благодаря замене на многих заводах паровых машин,
работавших с пониженным противодавлением, турбогенераторами.
В сахарной промышленности к 1975 г. лишь около 3% заводов от
общего числа осталось с низкоэкономичными выпарными установ-
ками с 0-корпусом.
Широко внедряется безавтоматная схема отвода конденсата из
теплоиспользующих аппаратов, в результате питание парогенера-
торов обеспечивается горячими конденсатами и уменьшается необ-
ходимость их продувки. Значительные работы проведены по сни-
жению потерь тепла в окружающую среду оборудованием и тру-
бопроводами.
В настоящее время все сахарные заводы электрифицированы.
Энерговооруженность труда в среднем в 1975 г. составила 19,7
кВт установленной мощности на одного рабочего, а удельный рас-
ход электроэнергии — 10,8 кВт на 1 т перерабатываемой свеклы.
ТЭЦ сахарных заводов СССР в 1975 г. выработали электроэнергии
в 1,6 раза больше, чем в 1913 г. все электростанции дореволюцион-
ной России.
В десятой пятилетке в сахарной промышленности намечено
ускорить темпы внедрения комплексной механизации и автомати-
зации производственных процессов, усовершенствовать структуру
топливно-энергетического баланса, улучшить использование топ-
лива, полнее вовлечь вторичные топливно-энергетические ресурсы,
усовершенствовать систему нормирования и учета расхода топли-
ва, тепловой и электрической энергии, внедрить наиболее прогрес-
сивные технологические, тепловые и электрические схемы, повысить
к. п. д. топливно-потребляющих агрегатов, максимально использо-
вать пары низкого потенциала и тепло конденсатов.
Расход условного топлива на сахарных заводах во II полуго-
дии 1980 г. планируется довести до 6,3% к массе перерабатывае-
мой свеклы, т. е. снизить его против уровня 1975 г. не менее чем
на 7% (0,5% к массе перерабатываемой свеклы).
Хотя отечественные сахарные заводы достигли определенных
успехов в снижении удельного расхода условного топлива, на
предприятиях отрасли имеются еще значительные резервы улучше-
ния использования топливных ресурсов и повышения на этой
9
основе экономической эффективности сахарного производства. Об
этом свидетельствует опыт работы ряда отечественных и зарубеж-
ных сахарных заводов, достигших уже в настоящее время расхода
условного топлива на уровне 4—4,5% к массе перерабатываемой
свеклы.
Глава I. ТЕПЛОВЫЕ СХЕМЫ СВЕКЛОСАХАРНОГО
И САХАРОРАФИНАДНОГО
ПРОИЗВОДСТВА
ПОНЯТИЕ О ТЕПЛОВОЙ СХЕМЕ
Тепловой схемой сахарного завода называется схема
распределения отдельных видов теплоносителей между различ-
ными потребителями тепла с указанием генераторов тепловой
энергии. Тепловая схема промышленного предприятия отличается
от тепловой схемы ТЭЦ меньшей детализацией генераторов тепла.
Поэтому в тепловую схему сахарного завода не включаются обыч-
но тепловые машины, в которых тепло преобразуется в механиче-
скую энергию. В ней отсутствуют также и вспомогательные уст-
ройства теплосиловой установки, непосредственно связанные с
работой парогенератора и турбогенератора.
Основными элементами тепловой схемы сахарного завода яв-
ляются различные теплоиспользующие аппараты и установки.
Кроме того, в тепловую схему входят соответствующие коллекто-
ры-сборники, автоматоотводчики, гидравлические колонки — обо-
рудование, предназначенное для отвода конденсата из теплоис-
пользующих аппаратов.
Таким образом, тепловая схема сахарного завода, включая в
себя схему распределения отдельных первичных теплоносителей
и тепловых отходов (вторичных теплоносителей) между техноло-
гическими потребителями со всеми относящимися к ним вспомо-
гательными устройствами, служит основой для целесообразного
выбора и контроля эксплуатации всего оборудования. Тепловая
схема сахарного завода тем совершеннее, чем в большей степени
соответствует экономическому критерию оптимальности, учиты-
вающему наиболее существенные показатели работы технологи-
ческого и теплоэнергетического комплексов сахарного завода,
чем в большей степени предусматривает использование вторичных
энергетических ресурсов (тепловых отходов). При этом предель-
ное сокращение таких отходов более выгодно, чем поиск путей их
рационального использования.
КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ. ВИДЫ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ
Тепловые схемы промышленных предприятий обычно подраз-
деляются:
по потенциалу теплоносителей на схемы с тепло-
выми потребителями высокого потенциала (с температурой тепло-
10
носителя свыше 200°С), схемы с тепловыми потребителями низко-
го потенциала (с температурой теплоносителя менее 200° С) и схе-
мы смешанные.
Тепловая схема сахарного завода с температурой парового
теплоносителя. 135—145° С по этому признаку относится ко второ-
му виду;
по типу теплового хозяйства на схемы с обособ-
ленным использованием тепла (без максимального применения
тепловых отходов) и схемы с комбинированным тепловым хозяй-
ством. Первые схемы — старого типа и практически не характерны
для отечественных сахарных заводов. Второй тип тепловых схем
в том или ином виде присущ отечественным сахарным заводам.
Комбинирование в данном случае следует понимать как макси-
мальное использование различных тепловых отходов: тепла кон-
денсатов и вторичных паров вакуум-аппаратов, тепла барометри-
ческой воды. Следует иметь в виду, что в настоящее время эконо-
-мий топливно-энергетических ресурсов в сахарном производстве
за счет совершенствования парогенераторных установок практи-
чески исчерпана. Поэтому особое внимание в сахарном производ-
стве уделяется рациональному использованию вторичных энерге-
тических ресурсов — важному источнику дальнейшего снижения
расхода топлива. Так, по данным Всесоюзного научно-исследова-
тельского института сахарной промышленности (ВНИИСП), за
счет использования вторичных энергетических ресурсов экономии
условного топлива в 1980 г. составит не менее 450 тыс., т;:
по характеру потребителей на тепловые схемы от-
дельного теплоиспользующего агрегата, цеха, завода и схемы ком-
бината.
Основным теплоносителем на сахарном заводе является водя-
ной пар. Источником пара служат обычно ТЭЦ. Широкое распро-
странение водяного насыщенного пара на сахарных заводах объяс-
няется существенными достоинствами его как теплоносителям
Прежде всего при конденсации его выделяется большое количество
тепла «— при давлении, равном 10Б Па, скрытая удельная теплота
парообразования составляет 2258 кДж/кг. Вследствие высоких
значений коэффициентов теплоотдачи от конденсирующегося пара
к стенке сопротивление переносу тепла со стороны пара мало, что
позволяет проводить процесс при сравнительно небольшой по-
верхности теплообмена.
Важное достоинство насыщенного водяного пара — постоянства
его температуры конденсации (при данном давлении). Это позво-
ляет точно поддерживать температуру нагрева, а также регулиро-
вать ее, изменяя давление греющего пара. Насыщенный водяной
пар удовлетворяет и другим требованиям, предъявляемым к тепло-
носителям: доступность, пожаробезопасность, возможность тран-
спортировки на значительные расстояния по паропроводам.
Основной недостаток водяного пара заключается в значитель-
ном возрастании давления с повышением температуры. Поэтому
температура, до которой можно производить нагрев насыщенным
Я
водяным паром, обычно не превышает 185° С. При больших тем-
пературах требуется слишком громоздкая и дорогостоящая тепло-
обменная аппаратура.
Получаемый в парогенераторах ТЭЦ сахарных заводов пере-
гретый пар (перегрев осуществляется для повышения эффективно-
сти термодинамического цикла преобразования тепла в работу)
из-за высокой температуры (до 440° С) не может быть непосред-
ственно использован для производственных технологических нужд
сахарного завода. Для снижения температуры (до 140—145° С) и
давления его направляют на турбогенератор (в этом случае одно-
временно вырабатывается электроэнергия), а часть его, минуя
турбогенератор, подают на вспомогательный элемент . тепловой
схемы ТЭЦ — редукционно-охладительную установку (РОУ),
которая резервирует, хотя и неоправданным с термодинамической
точки зрения способом, подачу пара на производство. В результате
на технологические нужды сахарного завода поступает смесь на-
сыщенных паров требуемого потенциала после турбогенератора—
так называемый ретурный пар и после РОУ — редуцированный
(количество последнего определяется дефицитом в заводе ретур-
ного пара). Ретурный пар является перегретым. Тепло перегрева
пара мало по сравнению с его теплотой конденсации, а объем пара
на единицу отдаваемого тепла значительно больше, чем для на-
сыщенного. Это приводит к неизбежному увеличению диаметра
паропроводов. Поэтому перегретый пар турбогенератора увлаж-
няют, впрыскивая в него горячую воду.
Значительно меньше в сахарном производстве в качестве теп-
лоносителя используются горячие конденсаты. Как нагревающий
агент они обладают некоторыми недостатками по сравнению с
насыщенным водяным паром: коэффициенты теплоотдачи ниже,
чем от конденсирующегося пара, и кроме того, температура горя-
чего конденсата снижается вдоль поверхности теплообмена,
ухудшая равномерность нагрева и затрудняя его регулирование.
Однако в настоящее время в условиях непрерывного сахарного
производства при значительном количестве горячих конденсатов
вопрос их- рационального использования в борьбе за экономию
топлива приобретает первостепенное значение.
ТРЕБОВАНИЯ К РАЦИОНАЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЕ
Рациональной тепловой схемой сахарного завода
является схема с максимальным использованием тепловых отходов
и с максимально возможным применением как технологического,
так и энергетического комбинирования.
К рациональной тепловой схеме сахарного завода предъявля-
ются следующие основные требования:
правильная и тесная увязка ее с технологической схемой сахар-
ного завода. Тепловая схема должна базироваться на типовой
технологической схеме и рассчитываться на нагрев, сгущение и
12
варку продуктов, количество и концентрацию которых определяют
для нормального технологического режима;
сгущений сатурационного сока до установленной концентрации
сухих вещестр (СВ) при плановой производительности аавода. В
качестве нормируемой концентрации сиропа с выпарной станции
в свеклосахарном производстве принято 65% СВ. Получение си-
ропа менее концентрированного связано с перерасходом пара на
уваривание его в вакуум-аппаратах (снижение содержания СВ в
сиропе на 5% против нормируемых обусловливает перерасход
2,3 кг пара на 100 кг перерабатываемой свеклы). Кроме того, уве-
личивается длительность уваривания утфеля I продукта, возра-
стают потери сахарозы, прирост цветности, ухудшается качество
белого сахара;
нагрев продуктов с наименьшей затратой тепла и топлива до
заданных температур, отвечающих нормальному технологическому
режиму; —
снабжение парогенераторной конденсатом для питания пароге-
нераторов и удовлетворение технологических нужд завода в горя-
чей воде. Как правило, в ТЭЦ полностью направляется конденсат
смеси ретурного и редуцированного паров и частично конденсат
вторичного пара I ступени выпарной установки, не содержащий
сахара; и '
. снабжение всей тепловой аппаратуры завода паром, обеспечив
вающим поддержание на требуемом уровне как температурного
режима выпарной установки, так и нормальной эксплуатации от-
дельных отделений завода;
производительность выпарной установки при нормируемой
концентрации сиропа максимальная, а выход пара с вы-
парки на конденсатор минимальный, т. е. следует использовать
для обогрева технологических потребителей весь вторичный пар
последней активной ступени выпарной установки. Если выпарная
станция оборудована концентратором, то работа его должна осу-
ществляться только за счет самоиспарения раствора и на кон-
денсатор может быть направлен только пар самоиспарения;
возможность управления работой выпарной станции при пере-
менных режимах. Последние возникают в производственных усло-
виях при отклонениях действительных показателей работы тепло-
вого хозяйства завода от тех, которые были положены в основу
расчетов, а именно: превышении откачки диффузионного сока,
чрезмерном разбавлении соков при очистке и фильтровании, ис-
пользовании на вакуум-аппаратах жидких сиропов и воды для
растворения мелких кристаллов, нарушении схемы уваривания
оттеков в продуктовом отделении, отклонении их количества и
доброкачественности от среднерасчетных величин, нарушении
схемы пароотбора; *
минимально возможный расход пара и топлива, применение
теплоиспользующей аппаратуры с малой поверхностью нагрева,
проведение тепловой обработки сока и сиропа без существенного
разложения сахарозы и при минимуме прироста цветности;
13
, надежность в работе при возможной простоте схемы? С этой
точки зрения необходима соответствующая надежная убхема тру-
бопроводов, обеспечивающая безаварийную работу, наличие
резервных элементов вспомогательного оборудования/
удобство расположения отдельных элементов тепловых аппа-
ратов, их монтажа, обслуживания и контроля работы. Эти вопро-
сы в каждом частном случае требуют соответствующего анализа.
Так, при многоступенчатой выпарной установке с отбором вторич-
ных паров на технологические нужды, машины и аппараты, пот-
ребляющие вторичный пар, могут быть расположены либо по
технологическому движению продуктов, либо ближе к генератору
пара, т. е. к выпарной станции (удобство подвода теплоносителя).
В большинстве случаев вопрос решается рациональным комбини-
рованием обоих способов компоновки на основе технико-экономи-
ческих расчетов;
обеспечение иаилучших экономических показателей, возмож-
ность использования теплового, энергетического и технологическо-
го комбинирования разных производств, при этом должна быть
предусмотрена возможность расширения тепловых установок в
связи с ростом промышленного предприятия в целом. Определяю-
щим условием рационализации тепловой схемы сахарного завода
следует признать организацию многоступенчатых процессов теп-
Лоиспользования при наличии потоков теплоносителей различного
потенциала — расход первичных энергетических ресурсов (топли-
ва), по существу, предопределяется уровнем использования вто-
ричных тепловых отходов.
Все перечисленные требования к рациональной тепловой схеме
сахарного завода сами по себе еще не могут дать нужного эко-
номического эффекта. Все рекомендованные мероприятия для
этого должны быть тесно увязаны воедино методами технико-
экономической оптимизации, для чего потребуется поставить их
на соответствующую основу математического моделирования.
ПОРЯДОК ПОСТРОЕНИЯ И РАСЧЕТА РАЦИОНАЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ
Тепловая схема сахарного завода составляется на основе типо-
вой технологической схемы в ориентировке на максимальное ис-
пользование тепловых отходов. Для построения и расчета ее не-
обходимо:
построить технологическую схему движения продуктов с указа-
нием на ней всех потребителей тепла;
'рассчитать количество продуктов той части, какая требуется
для теплового расчета. В частности, необходимо знать величину
откачки диффузионного сока, количество соков I и II сатурации,
количество сиропа и клеровки;
составить схему распределения первичных теплоносителей по
Отдельным теплоиспользующим аппаратам;
рассчитать количество тепла по отдельным машинам и аппара-
14
там с учетом вторичных теплоносителей и составить для них теп-
ловые балансы, а затем общий тепловой баланс т'епла по заводу;
общую тепловую схему сахарного завода.
Для составления рационального теплового баланса и тепловой
схемы необходимо рассмотреть несколько вариантов, сравнить их
по технико-эрономическим показателям и выбрать наивыгодней-
ший, на основе которого построить графическую часть тепловой
схемы. Расчетная методика при составлении тепловой схемы при
достаточной точности должна быть простой, следует ограничить
пределы необходимой точности расчетов не только для предвари-
тельных, но и для'окончательного варианта.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА —ОСНОВА ДЛЯ РАЗРАБОТКИ
ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ
Типовая тепловая схема свеклосахарного производства
При поступлении на производство сахарная свекла гидравли-
ческим способом подается в мойку и далее элеватором через весы
на резку. Полученная свекловичная стружка транспортером на-
правляется в диффузионный аппарат шнекового или колонного
типа. Шнековые диффузионные аппараты имеют паровые камеры
и не требуют предварительного ошпаривания стружки горячим
соком, колонные работают с ошпариванием, и сок для этого на-
гревается в циркуляционных подогревателях до 82—83° С. Теп-
ловым отходом диффузионного аппарата является жом темпера-
турой 55—65° С. Диффузионный сок температурой при откачке
45—55° С подвергается нагреву до 85—90° С в подогревателях и
направляется на горячую преддефекацию. Следующие далее по
схеме процессы дефекации и I сатурации проводятся без дополни-
тельного подогрева соков. При очистке диффузионного сока по
способу комбинированной холодно-горячей дефекации (принят в
настоящее время в качестве типового) подогрев холоднодефеко-
ванного сбка осуществляется перед котлом горячей дефекации.
Очищенный нефильтрованный сок ‘I сатурации, предварительно
подогретый до 85—90° С, направляется на отстаивание, а декан-
тат — на контрольное фильтрование. Технологическим тепловым
отходом фильтров, главным образом вакуум-фильтров, будет
отделенный осадок карбоната кальция и несахаров температурой
65—75° С. После нагрева до 102° С сок проходит II сатурацию,
-фильтрование и сульфитацию и через подогреватели поступает на
выпарную станцию. В подогревателях температура сока, как пра-
вило, повышается до температуры кипения в I ступени выпарной
станции (до 126°С). Выпарная станция — основное звено тепло-
силового хозяйства сахарного завода — проводит сгущение сока
до 65% СВ. Сироп в смеси с клеровкой желтого сахара сульфи-
тируется, нагревается, фильтруется и подается на вакуум-аппара-
ты I продукта, обогреваемые обычно вторичными парами выпар-
ной установки. Утфель I продукта центрифугируется с получением
15
кристаллического сахара и оттеков. Последние в свою/ очередь
направляют на дополнительное истощение в вакуум-аппараты II
и III продуктов с получением из соответствующих утфелей желтых
сахаров, клеровка из которых нагревается, сульфитируется вместе
с сиропом и фильтруется. 7
С учетом типовой технологической схемы, принятых тепловых
технологических процессов для свеклосахарных /аводов разра-
ботана типовая тепловая схема с четырехступенчатой выпарной
установкой, представленная на рис. 1. /
Рис. 1. Типовая тепловая схема сахаропесочного завода:
1 — коллектор отработанного пара; 2 — корпус 1-А выпарной установки; 3 — корпус 1-Б;
выпаркой III группы; 9 — подогреватель сока перед выпаркой II группы; 10 — подогреватель
подогреватель сока перед II сатурацией I группы; 13 — подогреватель сока перед I филь
телЬ диффузионного сока; 16 — подогреватель диффузионного сока II группы; 17 — теплооб
поперечного потока; 20 — диффузионный аппарат; 21 — отстойник жомопрессовой воды, 22 —
25 — сборник аммиачной воды; 26 — гидравлическая колонка I ступени выпарной станции;
вакуум-аппарата, 29 — гидравлическая колонка III ступени выпаривания; 30 — гидравлике
ные насосы; 33 — сборник барометрической воды, 34 — подогреватель сиропа; 35 — теплооб
(прЦцконденсатор); 38— барометрический конденсатор (основной); 40 — сборник для сиропа;
III продукта, 44, 50 — сборники оттеков; 45 — калориферы для сушки сахара, 46 — сборник
49 — клеровочные котлы; 51 — испаритель дренируемых конденсатов.
16
Эта схема предназначена как для действующих, так и для
строящихся^ и реконструируемых свеклосахарных заводов, она
решает в комплексе все вопросы по повышению эффективности
производства v потребления пара, по организации использования
вторичного теп^а, по снижению непроизводительных потерь пара
и топлива по всем заводским отделениям.
Количество продуктов, пределы нагрева их в отдельных отделе-
ниях, а также распределение греющих паров, отвечающие сгуще-
нию сока до концентрации 65% СВ в сиропе при минимальном
4 — П корпус; 5 — III корпус; 6 — IV корпус; 7 — концентратор; 8 — подогреватель сока перед
сока перед выпаркой I группы; 11 — подогреватель сока перед II сатурацией II группы; 12—
трованием, 14 — подогреватель диффузионного сока III группы; 15 — резервный подогрева-
меиник диффузионного сока; 18 — подогреватель башенного сока, 19 — подогреватель сока
подогреватель жомопрессовой воды; 23 — сульфитатор; 24 — центробежная ^свеклорезка;
27— гидравлическая колонка II ступени выпарной станции; 28 — гидравлическая колонка
ская колонка IV ступени выпарки; 31 — сборник концентратора, 32, 39 — ротационно воздуш-
менник системы отопления, 36 — запасной подогреватель; 37 — барометрический конденсатор
41— вакуум аппараты I продукта; 42— вакуум-аппараты II продукта; 43— вакуум-аппараты
воды для пробелки, 47 — центрифуги I продукта; 48 — центрифуги II и III продуктов,
17
расходе пара, приведены в табл. 1. Таблица составлена при со-
держании сахара в свекле 17,5%, доброкачественности диффузи-
онного, сока 88 ед., откачке сока 120% к массе свеыиы, снижении
температуры сока на участке от подогревателей ^диффузионного
сока до выпарной установки вследствие потерь те/ла во внешнюю
Т аблица 1
Продукты Количество продукта, % к массе свеклы при варке утфелей по схеме Пжделы наг- рева, °C Вид теплоноси- теля
двухпродук- товой трехпродук- товой ё &
Свекловичная стружка 100 100 10
Питательная вода для всех непрерывно действующих установок (конденсат) . 60 «0 —. 65 —.
Жомопрессовая вода 40 40 59 83 Пар III ступени
Диффузионная установка колонного типа
(средний температура 72° С)
Башенный сок 425 425 75 78 То же
Сок поперечного потока 360 360 71,5 78 »
Диффузионный сок в подогревателях I группы . ... 120 120 47 58 Конденсат
II группы 120 120 58 70 Пар IV ступени
Диффузионная установка шнекового типа
Диффузионный сок в подогревателях I I I
I группы ........................ 120 120 29 1 55
II труппы.......................I 120 I 120 55 I 70
Конденсат
Пар IV ступени
Все типы диффузионных установок
Сок перед первым фильтрованием . .
Сок перед II сатурацией в подогрева-
телях
I группы......................
II группы.....................
Сок перед выпаркой в подогревателях
I группы.....................
II группы . • ................
III группы....................
Густой сироп с клеровкой .
Сироп в сборниках . . . .
120 , 133 120 133 70 84 90 90
132,5 132,5 83 90
132,5 132,5 90 102
129,3 125,5 93 105
129,3 125,5 105 115
129.3 125,5 115 126
34,4 43,3 58 85
34,4 43,3 75 85
Пар III ступени
То же
>
>
Пар II ступени
Пар I ступени
Отработанный
пар (ретурный)
Пар III ступени*
Отработанный
пар (ретурный)
J8
среду 22°(ХддЯ четырехступенчатой выпарной станции с концент-
ратором поАразрежением.
Основные особенности типовой тепловой схемы свекло-
сахарного завода следующие: конденсат из теплоиспользующих
аппаратов отводится на гидравлические колонки, где группируется
по принципу родных температур; паровые оттяжки из колонок
присоединены к греющий камерам выпарных аппаратов или к
паропроводам вторичного пара с более низким давлением; кон-
дейсДт из вакуум-аппаратов отводится через коллектор на отдель-
ную колонку, а конденсат отработанного пара и вторичного пара
I ступени выпарной станции без снижения температуры полностью
направляется в деаэраторы ТЭЦ для питания парогенераторов.
Избыток конденсата вторичного пара I ступени сверх требуемого
для питания парогенераторов возвращается, из ТЭЦ в коллектор
колонки конденсата III- ступени выпарной установки. Конденсат
вторичного пара II, III и IV ступеней выпарки поступает последо-
вательно по гидравлическим колонкам соответствующих ступеней
в сборник конденсата концентратора и .из него при температуре
85° С насосом перекачивается через теплообменник диффузионного
Сока в сборник аммиачной воды (сборник конденсата вторичного
лара), а затем используется как горячая вода для различных тех-
нологических нужд завода.
В типовой тепловой схеме в делах повышения устойчивого ре-
жима* работы и экономии тепла в выпарной станции н во всей
схеме в Целом предусматривается применение парокомпрессорной
установки для сжатия вторичного пара I ступени. Схемой приняты
следующие нормируемые расходы пара (в % к массе свеклы): на
клеровку 0,3%; на пропарку вакуум-аппаратов при двухпродукто-
вой схеме 1%; при трехпродукТОвой 1,5%; иа пропарку центрифуг
0,2%; на сушку сахара при хранении в мешках 0,5%; при бестар-
ном хранении 1%; на подогрев воздушных душей 0,2%; на продувку
свеклорезок 1%. Потери' пара из концентратора на конденсатор
должны быть не белее 1% к массе перерабатываемой свеклы.
Расчетный удельный расход тепла (на 1 т свеклы) на технологи-
ческие нужды при двухпродуктовой схеме варки утфелей состав-
ляет 1,03-108 кДж, при трехпродуктовой—1,15-10® кДж.
Тепловая схема сахарорафинадного производства
Расход тепловой энергии на производство сахара-рафинадз
составляет примерно 4,1-10® кДж на 1 т вырабатываемого рафи-
нада.
Сахарорафинадные заводы снабжаются электрической энергией
и паром от городской ТЭЦ или по кооперированию от других
промышленных предприятий; рафинадные же цехи — от заводской
ТЭЦ. Для технологических процессов применяется насыщенный
водяной пар с давлением до 0,45 МПа.
Основные способы Использования пара следующие:
19
йри помощи барботеров (без возврата конденсатовдля на-
грева сиропов (рафинадных и продуктовых} в клеророчных ме-
шалках; /
через поверхность нагрева (с возвратом конденсата) —для
создания требуемой температуры в вакуум-аппар/гах О, I и II
/ Та блица 2
Температура нагрева, °C
Продукты
7 or До
Сахар-песок........................................
Клеровка сиропа
О рафинада....................................
I рафинада и клока ....................
Ц рафинада.....................................
I продукта ... ...............................
it продукта................................ .
рафинадной патоки . .............................
Первые порции фильтрованного «фопа («отбор») . . .
Густой промой из адсорберов
рафинадной группы .............................
продуктовой группы......................... . .
Жидкий промой из адсорберов
рафйнадной группы..................................
продуктовой группы.............................
Промой из адсорберов рафинадной патоки.............
Возвраты утфеля
I рафинада ............................
П рафинада.....................................
I продукта....................................
II продукта....................................
Й1 продукта ...................................
IV продукта ... .....................
I оттек утфеля I рафинада .... .........
II оттек утфеля I рафинада......................./ .
I оттек утфеля II рафинада.......................
II оттек утфеля II рафинада........................
Возвраты рафинадной кашки
от прессования................•................
от высушивания ................................
Возвраты рафинада от разделки................. .
I оттек утфеля I продукта..........,........ .
II оттек утфеля I продукта.................... . .
_ I оттек утфеля II продукта.......................
II оттек утфеля II продукта .......................
Оттек утфеля
Щ продукта ...................................
IV продукта.............. ....................
Сахар
I продукта...................................
II продукта ..................................
III продукта..................................
IV продукта .... .................
Горячая вода . . ... ................
Конденсат с поверхностного конденсатора............
5
70„
70,0
70,0
70,0
70,0
70,0
70,0
70,0
70,0
70,0
00,0
50,0
60,0
50,0
35,0
35,0
25,0
40,0
40,0
40,0
40,0
40,0
40,0
36,0
35,0
35,0
30,0
85,0
60,0
85
80
75
68
65
70
20
Рис. 2. Принципиальная тепловая схема сахарорафинадного завода:
1 ^сборник сиропов перед вакуум-аппаратами; 1 — вакуум-аппараты рафинадных утфелей, 3 — вакуум-аппараты продуктовых утфелей; 4 —
туннельная сушилка для сахара-фафииада; 5— сушильная камера линии «Шамбой»; ( — сушилка ПСА; 7—адсорбер, 8 — пропарник для
АГС и костяной крупки, 9 — клеровочные котлы рафинадных сиропов; 10 —‘клеровочные котлы продуктовых сиропов; // — насос водяного
Обогревателя; 19 — сборник конденсата для обогревания, 13 — сборник конденсата; 14 — автомат-водоотводчик; /(-сборник-испаритель; 16 —
насосы для откачки конденсата, содержащего следы сахара; П — сборник горячей воды; 18 — насос горячей воды; 19 — сборник пара с водо-
отводчяком.
для непосредственного нагрева и отгонки пр<
рафинада, I—IV продуктов, сушилках, воздушных калориферах
фазных назначений; , . »
для непосредственного нагрева и отгонки промывной воды
(пропаривание адсорбентов в пропарниках и адсорберах, деталей
оборудования). У
Температурный режим работы аппаратов представлен в
табл. 2.
В зависимости от технологической схемы и конструкции аппа-
ратов возможный возврат конденсата в котельную составляет
65—75% от общего количества конденсата. До возвращения в
ТЭЦ тепло конденсата может быть использовано для обогрева
производственных помещений. Отвод конденсата в сборники про-
изводится отдельными трубопроводами без применения водоотвод-
чиков. Пар, образующийся в сборнике конденсата, часто отводят
в барботеры клеровочных котлов и сборники продуктовых сиро-
пов.
На рис. 2 показана принципиальная тепловая схема сахаро-
рафинадного завода.
Ориентировочный расход пара на технологические нужды со-
ставляет в среднем 125—150% к массе сахара-рафинада и распре-
' деляется по процессам следующим образом:
Клерование Периодического действия •.........................12—15
Уваривание утфелей...........................................70—90
Сушка сахара-рафинаДа
в туннельной сушилке .......................................8—15
в сушилках ПСА и Шамбой...................................18—24
Нагрев воды.....................................'.............6—12
Фильтрование сахарных продуктов в костокальне ....... 6—10
Обогрев производственных помещений..........................3—8
Прочие нужды (включая потери пара)..........................6—10
Общий расход условного топлива составляет 18—22% к массе
выработанного сахара-рафинада. При строгом соблюдении техно-
логических параметров по концентрации сиропов и утфелей сни-
жение расхода тепловой энергии на сахарорафинадном заводе
может достигать 9-10* кДж на 1 т сахара-рафинада, а при замене
сушилок туннельного типа и вакуумных на ПСА—дополнительно
до 13-104 кДж.
Тепловая схема при переработке сахара-сырца
При переработке сахара-сырца по типовой технологической
схеме, принятой в 1972 г. на семинаре работников сахарной про-
мышленности в г. Риге для Свеклосахарных заводов на межсезон-
ный период, расход тепловой энергии составляет 7-106 кДж на
1 т готовой продукции.
Как и при выработке сахара-рафинада, сна0жСние энергией и
паром завода, перерабатывающего сахар-сырец по трехпродукто-
вой схеме с очисткой части зеленой патоки, осуществляется от за-
водской ТЭЦ или по кооперированию от ТЭЦ соседнего промыш-
12
ленного Предприятия. Вследствие отсутствия выпарнрй установки в
технологической схеме при переработке сахара-сырца применяет-
ся насыщейцый греющий пар одного потенциала (температура его,
как правило* не выше 130° С). Способы использования пара мало
отличаются применяющихся в условиях сахарорафинадного
завода, а поэтому и тепловые схемы имеют много общего (рис. 3).
Рис 3. Принципиальная тепловая схема при переработке сахара-сырца на
«свеклосахарном заводе в межсезонный период:
7 — охладитель пара. 2 — коллектор паровое. 3 — автомат-водоотводчик, 4 — вакуум-аппара
ТЫ 1—Ш продуктов, 5 — конденсатор. 6 — сборник барометрической воды. 7 — насос. 8 —
клеровка аффинированного сахара; 9— клеровка сахара II продукта, W — клеровка сахара
ЛИ продукта. It — подогреватель клеровки, 11—подогреватель сульфитированной клеровки
сборник клеровки сахара-сырца; 14 —сборник I зеленого оттека, 1S — сборник I белого
оттека; 16 — сборник II зеленого оттека; 17 —сборник II белого оттека; 18 — центрифуги
19 — калориферы сушка сахара; 30 — сборник чистого конденсата, 21 — сборник сладкого
конденсата; 72 — сборник горячей воды.
Отработанный пар после турбогенератора и пар от редукцион-
но-охладительной установки (РОУ), прошедшие увлажнитель,
используются для технологических целей. РОУ предусмотрена для.
устранения перегрева греющего пара и доведения его до насыще-
ния (или до незначительного перегрева на 2—3°С). Конденсаты
от вакуум-аппаратов, подогревателей, калориферов и других ап-
паратов отводятся непосредственно в два сборника для чистого и
сладкого конденсата. Чистый конденсат практически весь направ-
ляют в ТЭЦ, сладкий (загрязненный) собирают в отдельном сбор-
23
нике и используют для технологических нужд. Общее количество
собираемого конденсата составляет 80—85% к расходу пара.
СИтяжки из паровых камер, подогревателей, калориферов и
сборников горячей воды отводятся в атмосферу, а из сборников
конденсата — в паровые камеры греющей аппаратуры (уравнове-
шивающая оттяжка) при наличии также и продувочных оттяжек
в атмосферу.
Ориентировочный расход пара на технологические нужды в
среднем с учетом теплопотерь составляет 175—190% к массе саха-
ра-сырца и распределяется по процессам следующим образом:
Клерование сахара-сырца (барботажный обогрев)................12—15
Нагрев клеровки
сатурированной....................................... . . . 5—6
сульфитированной..........................................6—7
Уваривание утфелей
I продукта...................................................120—
125
II и III продукта . ......................................7—10
Пропарка вакуум-аппаратов.................................... 10
Сушка сахара.................................................3—4
Нагрев воды (барботажный обогрев)............................8—10
Данная тепловая схема отличается простотой (отсутствуют
гидравлические колонки, водоотводчики для конденсата) и в то
же время практически полным использованием конденсата.
Пути снижения расхода тепловой энергии следует искать в по-
вышении концентрации клеровки и утфелей при переработке
сахара-сырца и упорядочении тепловой схемы.
НОРМАЛЬНЫЙ РЕЖИМ ТЕПЛОИСПОЛЬЗУЮЩИХ УСТАНОВОК
На практике не всегда удается соблюсти нормальный режим
работы как отдельных теплоиспользующнх аппаратов, так и тепло-
силового хозяйства в целом. Это вызывает перерасход топлива.
Под нормальным тепловым режимом теплоиС-
пользующих установок следует понимать такую работу, при кото-
рой полностью выполняется технологический режим, а расход
тепла на данную установку минимальный. Тесная увязка техно-
логии И теплотехники является необходимым условием нормаль-
ного режима. Нередко бывает, что теплоиспользующая установка
удовлетворяет технологическому процессу, однако работает с
перерасходом пара, тепла, что экономически невыгодно. Поэтому
на сахарных заводах постоянно ведется надлежащий теплотехни-
ческий контроль. Основные требования, предъявляемые к тепло-
техническому контролю:
правильность показаний приборов, которая обусловливается
точностью контрольно-измерительных приборов и правильностью
методики наблюдений;
24
оперативность наблюдений при текущем контроле, т. е. обна-
руженные ненормальности в работе теплоиспользующей установки
должны немедленно устраняться;
простота текущего контроля, т. е. фиксироваться должны лишь
те показания приборов, которые определяют сущность теплового
режима, контроль не должен быть громоздким; '
наглядность — основные приборы теплового контроля должны
устанавливаться так, чтобы их показаниями мог систематически
руководствоваться в работе обслуживающий персонал.
Установление нормального режима осуществляют на базе спе-
циальных наблюдений, т. е. испытаний, которые чаще выполняют-
ся специализированными организациями и реже персоналом заво-
да. В этом случае к приборам текущего контроля добавляются
специальные устройства, показания которых должны быть между
собой увязаиы.
Правильная эксплуатация теплоиспользующих аппаратов яв-
ляется важнейшим условием при установлении и соблюдении
нормального теплового режима и внедрении передовых методов
работы. Правильную эксплуатацию установок можно организо-
вать лишь при надлежащей квалификацийГобслуживающего персо-
нала и использовании передовых методов работы, позволяющих
увеличить производительность установки, улучшить качество про-
дукции, сократить расход топлива, электроэнергии. Важнейшие
элементы такой работы — комплексный подход к работе данного
теплоиспользующего аппарата, тщательная подготовка рабочего
места, обмен передовым опытом.
Нормальный режим работы строго индивидуален для каждого
теплойспользуюшего аппарата. Так, суть нормального режи-
ма подогревателя заключается в достижении требуемого
технологическим процессом подогрева при минимальной затрате
тепла, чего можно достичь уменьшением количества проходящего
через аппарат продукта, например, за счет устранения излишнего
разбавления сока промоями, поддержанием максимально возмож-
ной температуры поступающего продукта или исключением излиш-
него,нагрева продукта.
Для осуществления нормального режима подогревателя систе-
матически контролируют температуру продукта при входе в аппа-
рат и на выходе из него; температуру и давление греющего пара,
а нередко также и количество продукта, проходящего через подо-
греватель.
Нормальный режим выпарного аппарата за-
ключается в поддержании оптимального уровня кипящей жидко-
сти, своевременном отводе неконденсирующихся газов из греющей
камеры, надлежащем отводе конденсата, соблюдении качества
поступающего в аппарат сока для уменьшения накипеобразования.
При поддержании нормального режима необходимо своевременно
и тщательно очищать поверхности нагрева аппарата от накипи.
Уменьшение расхода пара при этом достигается устранением на
предшествующих станциях излишнего разбавления и охлаждения
25
сока. Немаловажным является также нагрев очищенного сока пе-
ред выпарным аппаратом до температуры кипения.
Нормальный режим многоступенчатой вы-
парной установки включает выполнение всех ее технологи-
ческих функций при требуемой производительности, в частности,
достижение требуемой конечной концентрации сиропа й получе-
ние необходимого количества вторичных паров требуемых пара-
метров для нужд тепловой аппаратуры при минимальном расходе
греющего пара. Это осуществимо при соблюдении заданной крат-
ности испарения и правильном отборе вторичных паров из от-
дельных ступеней выпарной установки. Производительность вы-
парных станций сахарных заводов зависит также от поддержания
нормального давления пара, поступающего на I ступень, а также
надлежащего вакуума в последнем выпарном аппарате. ~
\ Таким образом, нормальный режим теплосилового. хозяйства
сахарного завода в целом характеризуется соблюдением режима
его составляющих элементов, в частности, парогенераторной, дви-
гателей, технологических теплопотребляющих отделений при ми-
нимальном удельном расходе топлива, т. е. максимальном энерге-
тическом коэффициенте предприятия. Очень важную роль в
установлении и сохранений нормального теплового режима игра-
ет соблюдение надлежащего ритма в работе отдельных станций и
предприятия в целом. Наилучщнм ббразом это осуществляется
при автоматизации.отдельных станций. - .
Нормальный тепловой режим не является стабильным в тече-
ние производственного цикла. Его продолжительность устанавли-
вается в отдельные отрезки производственного цикла в зависимо-
сти от качества перерабатываемой свеклы:'
НОРМАЛЬНЫЙ тепловой РЕЖИМ НА СТАДИЯХ САХАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Получение диффузионного сока
: Нормальный режим при получении диффузионного сока опре-
деляется прежде всего нормативной величиной откачки диффу-
зионного сока —ие более 120% к массе свеклы. Увеличение от-
качки сока сверх нормативной только на 5%, которое сопровож-
дается разжижением, приводит при неизменной схеме пароотбора
^перерасходу 1,5—2% пара к массе свеклы (0,15—0,20% условно-
го топлива.) только на подогрев излишнего количества сока до
выпарной станции. На выпарке прн неизменной схеме отбора па-
ров излишнее количество сока вызовет снижение концентрации
сиропа и дополнительный перерасход пара на уваривание такого
сиропа в вакуум-аппаратах.
Нормативная величина откачки диффузионного сока может
быть достигнута лишь при высоком качестве свекловичной струж-
ки— минимальном количестве брака и оптимальной для данного
диффузионного аппарата длийе 100 г стружки при соблюдении
требуемого температурного режима на диффузии; при наличии
26
" возврата в диффузионный аппарат всей надлежащим образом очн-
щейной жомопрессовой воды.. Возврат жомопрессовой воды дает
снижение потерь сахара в жоме в среднем на 31% или при тех
же потерях сахара в жоме позволяет значительно уменьшить от-
качку диффузионного сока.
Следуем иметь в виду, что экономически целесообразный пре-
дел извлечения сахара из свекловичной стружки должен устанав*
ливаться в первую очередь исходя из расхода топлива и дополни-
тельно получаемого, сахара. Так, например, для диффузионных
аппаратов колонного, типа с повышением откачки сока на 10%—
от 110 до 120%—потери сахара в жоме снижаются на 0,22%, а при
увеличении от 120 до 130% — лишь на 0,08%. Аналогично и для
диффузионных аппаратов шнекового типа.
Уменьшить расход пара на диффузионный аппарат можно, 'по-
давая барометрическую и жомопрессовую воду с более высокой;
температурой: для шнековых диффузионных аппаратов до 65® С,
для колонных аппаратов до 70° С. Причем с экономической точки
зрения разность температур жома и питательной воды не
доджна превышать 2—3°С. Увеличение ее лишь на ГС обуслов-
ливает повышенный иа 0,3—0,4% к массе свеклы расход пара на
диффузию.
Нормальный тепловой режим диффузионного аппарата заклю-
чается и в поддержании более высокой температуры стружки —
в пределах,, допускаемых технологическим процессом. Так, повы-
шение температуры стружки, поступающей в диффузионный аппа-
рат, лишь на ГС уменьшает расход греющего пара на 0,2%. к
массе свеклы. Необходимо также строго выдерживать установ-
ленный способ обогрева диффузионного аппарата вторичным па-
рОМ выпарной установки, не допуская использования паров более
высокого потенциала, систематически контролировать своевремен-
ность и правильность отвода конденсата-из паровых камер диф-
фузионного аппарата шнекового типа й паровых камер циркуля-
ционных подогревателей, оттяжку неконденсирующихся газов.
Очистка сока
/ Нормальный тепловой режим при очистке диффузионного сока
определяется поддержанием требуемого технологического режима
на этой станции при возможно меньшем снижении температуры
продуктов. При дефекосатурационной очистке диффузионного со-
ка снижение температуры продуктов наблюдается в результате
использования известкового молока, потерь тепла за счет испаре-
ния (на сатурациях,, при фильтровании и сульфитации), а также
потерь тепла в окружающую среду поверхностью аппаратов и
трубопроводов. Снижение температуры продуктов от диффузии до
выпаривания в настоящее время на сахарных заводах составляет
22° С —потери уменьшились по сравнению с 1960 г . на 10° С за
счет установки нового фильтрационного оборудования закрытого
типам улучшения качества тепловой изоляции. На участке от по-.
• ' • . - ’ X. -
догревателей диффузионного сона до подогревателей перед I
фильтрованием снижение температуры равно 6° С; от подогрева-
телей перед I фильтрованием до подогревателей перед II сатура-
цией— 7° С; от подогревателей перед II сатурацией-до подогрева-
телей перед выпарной установкой 9° С.
Указанное снижение температуры в отделении очистки диффу-
зионного сока возможно при соблюдении следующих условий:
поддержании плотности известкового молока не ниже 1,19—
1,20 г/см3, так как уменьшение его плотности, например, с 1,19
до 1,16 г/см3 обусловливает перерасход 1,5% пара к массе свеклы
при подогреве и сгущении излишнего количества разжиженного
сока. Температура известкового молока при подаче на дефекацию
должна быть не менее 68—75° С. В настоящее время проводятся
исследования по использованию на дефекации известковой
пасты;
использовании в процессе получения известкового молока про-
моев с вакуум-фильтров, для чего конструкция неподвижной го-
ловки аппаратов должна обеспечить получение промоя с плотно-
стью, исключающей интенсивное вспенивание в процессе гашения
извести;
поддержании содержания СО2 в сатурационном газе не ниже
30—32% за счет соответствующего регулирования работы газовых
печей и насосов: пониженное содержание СО2 в газе, малый коэф-
фициент использования СО2 в сатураторе и излишний расход из-
вести на очистку вызывают интенсивное испарение на сатурациях,
сопровождающееся снижением температуры и потерей тепла. По-
тери тепла на испарение при сатурациях, фильтровании и сульфи-
тации могут достигать 10% от всего количества тепла, введенного
в завод, а на сатурациях — до 60% от общих потерь на испаре-
ние;
полном исключении нагрева соков сверх установленного нор-
йатйвным технологическим режимом;
использовании прогрессивных схем очистки диффузионного со-
ка, нового технологического и теплового оборудования, исклю-,
чающего повышенные теплопотери при качественной изоляции
оборудования и трубопроводов.
Текущий тепловой контроль в отделении очистки диффузион-
ного сока заключается в основном в наблюдении за температура-
ми соков и греющих паров на соответствующих подогревателях.
Контролируется также количество соков и степень их разбавле-
ния.
Последняя величина может быть найдена по формуле.
^Р“а(“Св”сС — Q • <0
где TFp — степень разбавления диффузионного сока на очист-
ке, %;
а — откачка диффузионного сока, %;
СВД с, СВцс — соответственно концентрации диффузионного сока и сока
II сатурации, %.
28
Нормативная величина степени разбавления составляет 6—8%.
Одновременно, кроме того, проверяется температура и плотность
известкового молока, содержание СОг в сатурационном газе, пе-
риодически определяется коэффициент использования СОз в сату-
раторах.
Сгущение сатурационного сока
Суть нормального режима выпарной установки, _ее эффектив-
ность работы заключается в том, что выпарная установка должна
четко и надежно работать, давая должную производительность по
испаряемой воде и количеству вторичных паров при возможно
меньшем расходе греющего пара по заводу, при наименьших из-
менениях в качестве исходного сока.
Нормальный режим выпарной установки выполняется при соб-
людении следующих условий:
поддержании расчетных значений коэффициентов теплопере-
дачи;
установлении и поддержании нормального для выпарной уста-
новки температурного режима на отдельных ступенях выпари-
вания;
равномерном и непрерывном поступлении сока и отводе сиропа,
а также устранении излишнего разбавления сока перед выпаркой
промоями и за счет увеличенной Откачки диффузирнного сока;
поддержании связи и согласованной работы с предыдущими и
последующими технологическими станциями и ТЭЦ.
Максимально возможные значения коэффициентов теплопере-
дачи достигаются при поддержании нормативного уровня кипящей
жидкости по ступеням. Этот уровень колеблется от 30 до 70% в
зависимости ' от концентрации раствора, увеличиваясь с повыше-
нием содержания СВ в соке-сиропе от ступени к ступени. Как
чрезмерное понижение, так и повышение уровня против норматив-
нрго снижают величину коэффициента теплопередачи, а при ого-
лении поверхности нагрева наблюдается также карамелизаций
сахарозы. Немаловажным является и своевременный отвод воз-
духа и неконденсирующихся» газов из паровых камер выпарных
аппаратов, полный отвод конденсата при минимальных потерях
сахара в нем, соблюдение требуемого технологического режима в
отношении качества поступающего исходного сока в целях умень-
шения иакипеобразования.
Нормальный тепловой режим выпарной установки невозможен
без строгого соблюдения установленного тепловым расчетом отбора
вторичных паров для обогрева технологических потребителей, так
как при его нарушении резко уменьшается производительность
выпарной установки, увеличивается расход пара и топлива, сни-
жается кратность испарения. Обычно минимальный расход грею-
щего пара наблюдается при максимально возможном в данных
условиях отборе вторичных паров из ступеней, находящихся бли-
же к концу выпарной станции.
29
Тепловой контроль выпариой, старик заключается в наблюде-
нии За соответствующими давлениями и температурами греющих
и вторичных паров, а также в контроле за соблюдением уровня
сока в аппаратах, работы оттяжек и отвода конденсата, проверке
плотности и количества сока и сиропа.
Уваривание сиропов и клеровок
Нормальный тепловой режим при уваривании сиропов и клеро-
вок в вакуум-аппаратах характеризуется соблюдением должной
их производительности, связанной с соседними станциями, и тре-
буемого качества продукта при наименьшем расходе греющего
лара. Нормальный режим работы вакуум-аппаратов определяется
постоянной нормируемой концентрацией продуктов, поступающих
на уваривание, и соблюдением оптимального варианта в отноше-
нии параметров греющего пара, отвода конденсата и неконденси-
рующихся газов. Совершенно исключается при этом перевод обо-
грева вакуум-аппаратов на вторичный пар более высокого по
сравнению с расчетом потенциала или на отработанный пар после
турбогенератора, а также применение водных и соковых подкачек
дЛя растворения мелких кристаллов.
Разница в потреблении пара между отдельными периодами
варки достигает у вакуум-аппарата 400—500%, а неравномерность
потребления пара отрицательно влияет на работу парогенератор-
ной, выпарной станции И всего завода. Чтобы уменьшить это
вредное влияние, обычно устанавливают несколько вакуум-аппара-
тов. Вместе с тем стараются выровнять их работу, в Частности
сведением к минимуму простоя аппаратов во время набора сиропа,
спуска утфеля, пропарки, строгим соблюдением порядка включе-
ния каждого вакуум-аппарата по выработанному графику в режим
варки.
Таким образом, работа теплосилового хозяйства сахарных за-
водов характеризуется работой отдельных его станций, потребля-
ющих пар. Только при согласованной работе возможно установле-
ние и поддержание нормального теплотехнического режима в
отделениях сахарного завода.
ОПТИМАЛЬНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ САХАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Оптимизация любого процесса, в том числе и теплового, заклю-
чается в нахождении оптимума рассматриваемой функции или
соответственно оптимальных условий проведения данного процесса.
Для оценки оптимума необходимо прежде всего выбрать критерий
оптимизации. Оценку лучшего варианта теплосилового хозяйства
сахарного завода необходимо осуществлять по единому показате-
лю— экономическому критерию оптимальности, охватывающему
Наиболее существенные показатели работы вновь проектируемых,
реконструируемых и действующих комплексов.
В качестве критерия оптимальности при проектировании вы-
зо
парных станине чаще всего выбирается стоимость капитальных и
эксплуатационных (энергетических) затрат. Однако при этом не
учитывается" влияние распределения температур кипения раствора,
по ступеням выпаривания на качество продукта и потери тепла а
окружающую среду. Чтобы учесть это влияние, предложено объе-
динить в общий критерий соотношение капитальных затрат и стои-
мости греющего пара в зависимости от соотношения температур
кипения раствора в ступенях выпарной установки. Правда, при
этом не учитывается связь выпарной станции с другими технологи-
ческими отделениями и влияние температуры на качество про-
дукта.
В качестве критериев оптимальности при оптимизации режима
работы действующих установок в Зависимости от их назначения и
условий эксплуатации применяются производительность по выпа-
риваемой воде, удельная стоимость выпариваний, качество продук-
та и прибыль производства с учетом длительности непрерывной
работы к остановки на чистку поверхности нагрева.
Наиболее обобщающим критерием оптимальности режима ра-
боты различных вариантов' выпарной станции является часовая:
прибыль производства, однако в условиях работы сахарного заво-
да применять данный' критерий оптимальности затруднительно в
связи с тем, что выпарная станция,' работая в контакте с другими
участками теплосилового хозяйства, не может произвольно, изме-
нять производительность но выпариваемой воде. .
Основными экономйческими показателями теплосилового хо-
зяйства сахарного завода являются: расход греющего пара, потери
сахара в корпусах, выпарной станции и на кагатном поле и капи-
тальные затраты, на основное оборудование. Минимизация каж-
дого из этих показателей способствует увеличению' прибыли за-
вода. Анализ показывает,, что одновременная минимизация этих
показателей, как правило,' невозможна. Поэтому'При конструктив-
ной и режимной оптимизации теплосилового хозяйства сахарных
заводов необходимо найти такое соотношение параметров (дли-
тельности непрерывной. работы завода, Температур раствора в
корпусах выпарной станции, конструктивных параметров осиовцо-
ГО оборудования), при котором суммарная стоимость основного
' вб6рудфМ||^< >,отнесенная к сезону переработки свеклы, будет
минимальней. При этом капитальные затраты на основное тепло-
обменное оборудование (корпуса выпарной станции, подогревате-
ли, вакуум-аппараты) входят в критерий .в виде амортизационных
отчислений и затрат на ремонт этого Оборудования.
Обобщенный критерий режимной и конструктивной оптимиза-
ции учитывает основные экономические показатели работы тепло-
силового хозяйства сахарного завода и является объективным
показателем эффективности работы того или иного варианта теп-
ловой схемы при одних и тех же условиях.
На' основе выбранного критерия оптимальности составляется
целевая функция, или функция выгоды, представляющая собой
зависимость критерия оптимальности от параметров, влияющих на
3»
его значение. Задача оптимизации сводится к нахождению эк-
стремума (минимума или максимума) целевой функции.
Оптимизация теплового процесса, например, в теплообменни-
ке-подогревателе ставит своей задачей обеспечить минимальные за-
траты (капитальные и эксплуатационные) на его проведение.
Критерием оптимальности при этом является величина
зк
П = ——4-Рэ-=тш, - (2)
1 в
где П —критерий (показатель) оптимальности, руб;
Зк - капитальные затраты, руб;
Гн —нормативный срок окупаемости, годы,
Р9 —эксплуатационные расходы, руб /г.
Для заданной конструкции теплообменного аппарата выделя-
ются независимые переменные параметры, оптимальные значения
которых должны быть найдены в процессе расчета (например,
температура на выходе из теплообменника, диаметр труб и т. д).
Через независимые переменные параметры выражаются следую-
щие характеристики: площадь поверхности нагрева, гидравличе-
ское сопротивление, масса аппарата, необходимая мощность насо-
сов. Далее решают задачу в два этапа: выявляют зависимость кри-
терия оптимизации от независимых параметров и находят опти-
мальные значения независимых переменных.
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОДУКТОВ САХАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Для удобства расчета курсовых и дипломных проектов ниже приводятся
основные теплофизические параметры продуктов сахарного производства
Удельная массовая теплоемкость. Величина удельной массовой теплоемкости
ср [в кДж/(кг-К)] определяется для жидких сахарных продуктов формулой
В В Яновского и П А Архангельского
. СВ
ср« 4,19—[2,51 — 0,00754/+ 0,00461-(100 —Дб)}—— , (3)
IvU
где t — температура продукта, °C;
Дб — доброкачественность продукта, ед;
СВ — содержание в продукте сухих веществ, %
Теплоемкость кристаллического сахара ссх (в кДж/кг-К)
с„ = (0,2775+ 0,00085/) 4,19. (4)
Теплоемкость чистого сиропа се может быть определена в зависимости от тем-
пературы по данным рис 4
Теплоемкость рафинадного утфеля (при пересыщении межкристального оттека
1,1) по правилу аддитивности определяется по формуле
, 100-Кр
Су“Ссх-10б’+Сс 100 (5)
где су, со — удельные теплоемкости рафинадного утфеля и сиропа,.
кДж/(кг-К),
Кр — массовое содержание кристаллов сахара в утфеле, %
По данным рис 4 видно, что зависимости массовой теплоемкости растворов
и утфелей от влияющих факторов линейны
Теплопроводность. Характер изменения коэффициента теплопроводности
сахарных продуктов в зависимости от температуры и концентрации представлен
на рис 5, на котором дано семейство изоконцентрат коэффициента теплопро-
32
‘‘водности (вря постоянном содержании сухих веществ) в широком диапазоне
изменений температуры (30—130“ С).
Температуропроводность. Температуропроводность, являющаяся комплексной
характеристикой физических свойств вещества, можно определить по данным
рнс 6, составленным для диапазона концентраций раствора от 0 до 90% СВ и
температуры—от 30 до 130° С Экстраполирование и интерполирование отмече-
но на рисунке Пунктиром
Рис 4 Удельная массовая тепло-
емкость чистого сахарного сиропа
в зависимости от концентрации саха-
ра и температуры
Рис. 5 Теплопроводность чистых сахарных растворов
в зависимости от концентрации сухих веществ и темпе-
ратуры
'* КромЪ того, температуропроводность кристаллического сахара можно опре-
делить по эмпирической формуле
асх = 2,85-10-» — 1,336- 10~Ч, (6)
где Нот — температуропроводность, м2/с
Вязкость. Вязкость сахарных растворов в аначнтельной степени зависит
от температуры и состава иесахаров, особенно в высококонцентрированных и
пересыщенных растворах В табл 3 и 4 приведены значения динамической
низкости воды, жидких н высококонцентрированных чистых сахарных растворов
В зависимости от содержания сахарозы н температуры
2 Зак 660 33
Вопрос р способе учета влиянии иесахаров на вязкость сахарных растворов
довольно сложен. Так, при одинаковом содержании СВ вязкость нечистых
сахарных растворов всегда ниже вязкости чистых растворов. Расхождение
между вязкостью нечистых и чистых сахарных растворов возрастает с пониже-
нием температуры и с увеличением содержания СВ в растворе.
Рис. 6 Температуропроводность чистых сахарных раство-
ров в зависимости от концентрации сухих веществ и темпе-
ратуры
Таблица 3
Темпера- тура, °C Динамическая вязкость жидких чистых сахарных растворе содержаншцсахарозы. % в (в 10' ~3 Па-с) при
0 20 30 40 60 60 66 70
30 0.8Q 1,50 2,50 4,60 10,0 34,4 98,0 230
40 0,65 1,20 1,90 3,40 7,0 20,4 53,2 ИЗ
50 0,55 0,95 1,50 2,50 4,94 14,40 34,0 ‘ 64
60 0,47 0,80 1,20 1,90 3,73 9,00 21,00 37,4
70 0,40 0,67 0,95 1,50 2,89 6,80 24,00 26,4
80 0,36 0,59 0,85 1,25 2,30 5,22 10,5 16,0
90 0,32 0,50 0,70 1,05 1,95 4,00 7,8 12,3
100 0,28 0,43 0,62 0,90 1,51 3,28 6,0 9,0
110 0,25 0,37 0,54 0,78 1,37 2,70 4,83 7,0
120 0,23 0,33 0,47 0,68 1,17 2,20 3,75 5,4
130 0,20 0 29 0,42 0,60 0,96 1,85 3,17 4,4
Влияние несахаров на вязкость нечистых сахарных растворов учитывается
поправочной функцией KB=f (СВ; Дб; /), значения которой принимаются для
различных продуктов по следующим эмпирическим формулам:
34
Таблица 4
Темпера- тура, *С Динамическая вязкость высококонцентрированных сахарных растворов (в 10 3 Па-с) при содержании Сахарозы, %
7Б 76 76 80 82 84 86 86 88 90
30 840 1250 2500 6000 16000 —
40 380 538 10 2300 5400 20000 35000 50000 — —-
50 190 260 439 900 2000 6400 10000 20000 —-
60 103 140 219 420 800 2150 3f) -6000 25000 —*
70 60 80 120 210 J 386 830 1220 2150 7000 35000
80 37 47,5 70 118 200 380 560 840 2400 8600
90 25 32 45 70 110 215 290; 420 900 3000
100 18 22,3 30 45 70 124 152 238 450 1400
НО 14 17,5 20 30 41 76 100 142 243 620
120 10 П.4 15 21 50 62 86 145 350
130 7.8 8,3 10,5 16 22,5 34 40 54 94 200
для густого сиропа (при Дб=89ч-93; СВ=584-68%_; t=50~90° С)
Кн = 3,5 —0.025Д6;
для белой патоки (при Дб=78-е-86; СВ=74-ь78%; /=504-90°С)
Дв = (56 — О.ОЙДб) (1,4 — 0,001/);
для зеленой патоки (при Дб=724-78, СВ=7б4-86%; /=504-80° С)
Кв = (897 — 11,4Дб) (10.3 — 0,1/).
Число Прандтля. Число Прандтля (Рг) является безразмерной характерис-
тикой свойств жидких сред, позволяющей обобщить данные о теплофизических
параметрах сахарных растворов
ч Таблица 5
Темпера- тура, вС Числа Прандтля чистых сахарных растворов при содержании сахарозы, %
0 30 40 60 70 75 80 82 86 86
30 5,4 10,4 31,3 240 173Q 6380 46300 124400 .
40 4,2 8,0 22,3 140 840 2880 17590 41600 269000 520000
50 3,5 6,3 16,6 90 450 1420 6840 15280 76700 15! 00
60 2,9 5,2 12,5 63 275 773 3170 6130 26900 46300
70 2,5 4,3 9,8 48 178 452 1600 2980 9515 16750
80 2,2 3,8 8,1 36 125 284 932 1569 4440 6680
90 2,0 3,2 6,9 28 93 197 556 885 2845 3430
100 1,7 2,8 5,9 23 69 142 368 578 1265 1990
110 1.5 2,4 5,1 19 55 106 252 391 820 1193
120 1,4 2,1 4,6 16 44 83 182 282 559 774
130 1,3 1,9 4.0 14 37 66 144 208 378 438
2* 35
Pr = -у- , (7)
Л
где г) — динамическая вязкость, Па-с;
с — удельная массовая теплоемкость продукта, Дж/(кг-К);
X — теплопроводность продукта, Вт/(м-К).
В табл. б. приведены данные по величине чисел Прандтля для чистых сахар-
ных растворов в зависимости от концентрации и температуры.
температурная депрессия. Общее повышение температуры кипения раствора
по сравиеивю с температурой кипения воды Д при одинаковом давлении скла-
дывается из величины температурной депрессии Д<р, вызванной влиянием раст-
воренного вещества, и величины гидростатической депрессии Дг, обусловленной
давлением столба парожндкостной эмульсии в рассматриваемом горизонтальном
сечении аппарата.
Величина температурной депрессии Дф строго индивидуальна для каждого
растворенного вещества. Присутствие несахаров изменяет депрессию по сравне-
нию с депрессией в чистом сахарном растворе (обычно в присутствии несахаров
депрессия увеличивается).
В табл. 6 представлены данные по величине температурной депрессии при
, выпаривании чистых сахарных растворов в зависимости от содержания в про-
дукте СВ и температуры в надсоковом пространстве выпарного аппарата.
Видно, что величина температурной депрессии понижается с уменьшением
•абсолютного давления в выпарном аппарате и повышается с ростом концентра-
ции СВ.
Температурная депрессия при СВ раствора сахара 5—37% может быть оп-
ределена по формуле
2,33 СВ
ф 109.7.1.9СВ ' ( *
Величина температурной депрессии сахарных растворов в интервале СВ от
40 До 85% рассчитывается по формуле
Дф = О,534е0,283840,28 СВ.
" (9)
Энтальпия сахарных растворов и утфелей. Энтальпия характеризует коли-
чество тепла, необходимое для нагревания вещества при постоянном давлении
от 0° С до заданной температуры. Удельная энтальпия сахарного раствора
(Дж/кг) может быть найдена ро формуле
iB = [4187 — 4,187СВ (7,1-0,009/—0,011Дб)[ t. (10)
Для чистых сахарных растворов формула упрощается
ц = [4187 — 4,187СВ (6,0 — 0,009/)! t- (И)
Энтальпия кристаллического сахара
icx = (1150 + 2/)/. (12)
Энтальпия сахарных утфелей может быть определена по правилу аддитивности
,у_<“ 100 + ° 100
(13)
Значения энтальпии чистых сахарных растворов и кристаллического сахара
увеличиваются с повышением температуры. Повышение концентрации раствора
приводит к снижению энтальпии чистрго сахарного раствора. Ухудшение доб-
рокачественности раствора обусловливает ее снижение.
36
Таблица 6
Концент- рация раствора Температурная депрессия в процессе выпаривания чистых сахарных растворов (в °C) при Температуре в надсоковом пространстве , аппарата, ®С
60 *65 70 75 80 85 90 95 100 105 ПО 115 120 125 130
10 0,07 0,07 0,08 0,09 0,09 0,09 0,09 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 о,1 0,1 0,1
15 - 0,15 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3
20 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 о,з 0,3 0,3 0,3 0,3 0,4 0,4* 0,4 0,4 0,4
25 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,6 0,6 0,6
30 О', 5 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,7 0,7 4О,7 0,7 0,7 0,8 0,8 0,8 0,8
35 0,7 0,7 0,7 0,8 0,-8 0,8 0,9 0,9 0,9 0,9 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0
40 0,9 1,0 1,0 1,0 1,0 1,1 1,1 1,2 1,2 1,2 1,3 1,3 1.3 1,4 *
45 1.3 1,3 1,3 1,4 1,4 1,5 1,5 1,6 1,6 1,7 1.7 1,8 1,9 — —
50 1,6 1,6 1,7 1,7 1,8 1,9 1,9 2,0 2,0 2,1 2,2 2,2 2,3 — —
55 2,0 2,1 2,2 2,2 2,3 2,4 2,5 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 — — —
60 2,6 2,7 2,7 2,8 2,9 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,6 3>,7 — — МЬЙ
65 3,3 3,4 3,5 3,6 3,8 3,9 4,0 4,1 4,3 4,4 4,6 — — — —й
70 4,2 4,3 4,4 4,5 4,8 4,9 5,1 5,3 5,4 5,6 5,8
Глава II. ВЫПАРНАЯ СТАНЦИЯ
КАК ПОТРЕБИТЕЛЬ И ИСТОЧНИК ПАРА
ПРИНЦИП ВЫПАРИВАНИЯ САХАРНЫХ РАСТВОРОВ
Выпарная станция — наиболее крупный потребитель пара, ос-
новное звено теплосилового хозяйства сахарного завода. Одновре-
менно она является преобразователем пара более высокого потен-
циала в пары пониженного давления и температуры, которые и
отводятся полностью из соответствующих ступеней для обогрева
технологических потребителей. В этом отношении выпарная стан-
ция по важности выполняемых функций, сложности и стоимости
оборудования занимает центральное место в технологической и
теплотехнической схемах сахарного завода. Снижение производи-
тельности выпарной станции против нормальной или нарушение
установленного для нее нормального теплового или температур-
ного режимов чревато для производства снижением производи-
тельности завода, перерасходом топлива, увеличением потерь
сахара, ухудшением его качества.
При выпаривании сахарных растворов применяется принцип
многократного сгущения, заключающийся в последовательном
соединении нескольких выпарных аппаратов, причем вторичный
пар каждой ступени (Еп) используется в качестве греющего пара
(Dn+l) для последующей ступени. Давление р последовательно
соединенных (по ходу выпариваемого раствора) ступенях снижа-
ется таким образом,чтобы обеспечить разность температур между
вторичным паром из предыдущей ступени и раствором, кипящим
в данном корпусе, т. е. создать необходимую движущую силу
процесса выпаривания. В виду более низкого давления во II сту-
пени раствор, упаренный в I ступени, самотеком перемещается во
вторую; аналогично упаренный раствор из II ступени перемеша-
ется самотеком в третью и т. д.|При большой производительности
сахарного завода отдельные ступени выпарной станции комплек-
туются из двух и более выпарных аппаратов. В этом случае по
подводу греющего пара они соединяются параллельно, а по соку
последовательно. [^Ггобы
Рис. 7. Принцип работы многоступенчатой
выпарной станции с отбором вторичных па-
ров для обогрева технологических потреби-
телей-
I, II, III, IV — ступени выпарной станции.
сок самотеком поступал
из корпуса в корпус, пер-
вый аппарат относитель-
но второго устанавли-
вается на 250—300 мм
выше^
На рис. 7 представ-
лена принципиальная
схема работы четырех-
ступенчатой выпарной
станции с отбором вто-
ричных паров для обо-
зе
грева технологических потребителей. Сок поступает в I ступень
и отсюда последовательно проходит все ступени, сгущаясь в каж-
дой до определенной концентрации СВ (выпаривается №п коли-
чество воды). Греющий пар подается в паровую камеру I ступени,
а каждая последующая ступень обогревается вторичным паром
предшествующей.
Принцип многократного использования теплоты пара в выпар-
ной станции прямоточного типа с выпарными аппаратами с
естественной циркуляцией осуществим лишь при условии, что тем-
пература кипения снижается от первой ступени к последней. Толь-
ко в этом случае будет наблюдаться разность температур между
вторичным паром данной ступени и температурой кипения в
последующей, что необходимо для передачи тепла от пара п-й
ступени к кипящему раствору в (п+1) ступени. Это достигается
установлением определенной температуры кипения в первой сту-
пени типовой выпарной установки — 126° С, а в последней 89° С.
С этой целью последняя ступень через концентратор соединяется с
барометрическим конденсатором, снабженным вакуумным насосом
для отсасывания воздуха и неконденсирующихся газов.
С некоторым приближением можно считать, что 1 кг насыщен-
ного пара, поступивший в паровую камеру корпуса, выпаривает
1 кг воды из сока, т. е. Dt = Wt; D2=W2...Dn = Wn. Это объясняется
тем, что каждый килограмм греющего пара превращается в па-
ровой камере в конденсат, т. е. отдает при обогреве скрытую теп-
лоту парообразования. Фактически же расход пара на испарение
1 кг воды несколько больше за счет имеющейся разницы в значе-
ниях скрытой теплоты парообразования греющего и вторичного
пара, что в дальнейшем будет учтено коэффициентом испарения.
При отсутствии принципа многократного выпаривания — при
однократном использовании пара и при условии испарения на вы-
парке 100 кг воды к массе свеклы в заводе потребовалось бы
100 кг пара, а с учетом обогрева прочих технологических потреби-
телей—до 150 кг пара на 100 кг свеклы; при двукратном выпари-
вании количество пара на испарение 100 кг воды в два раза
меньше (50 кг); при трехкратном — 33 кг; при четырехкратном —
25, а при пятикратном — 20 кг. Следовательно, переходя от одно-
кратного к двукратному выпариванию, экономим 100—50 = 50 кг
пара. Однако, переходя от четырехкратного к пятикратному выпа-
риванию, имеем экономию пара лишь 25—20 = 5 кг, т. е. в 10 раз
меньше.
КЛАССИФИКАЦИЯ ВЫПАРНЫХ СТАНЦИЙ И ТРЕБОВАНИЯ
К РАЦИОНАЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ
По технологическим признакам промышленные выпарные уста-
новки можно разделить на несколько групп:
по числу ступеней: одноступенчатые и многоступенчатые,
причем в одной ступени может быть один, два и более параллель-
но включенных корпусов;
39
по давлению вторичного пара в последней
ступени:
выпарные установки с разрежением в последней ступени, близ-
ком к разрежению в барометрическом конденсаторе. При этом
наблюдается повышенный перепад температуры между греющим
I ступень теплоносителем и вторичным паром, поступающим в ба-
рометрический конденсатор из последнего выпарного аппарата.
Повышение перепада температуры на выпарной станции способ-
ствует снижению ее общей суммарной площади поверхности на-
грева, что сокращает капитальные затраты на изготовление уста-
новки, улучшает качество продукции; однако выпарные установки
подобного типа требуют громоздкой конденсаторной установки с
трубопроводами большого диаметра, насосами и постоянным рас-
ходом электроэнергии на привод вспомогательных механизмов;
выпарные установки с давлением в последней ступени. Такая
схема выбирается в том случае, если вторичный пар последней
ступени в расчетном режиме может быть полностью реализован
в теплоиспользующих установках;
выпарные установки с ухудшенным вакуумом. При этом уста-
новка может работать и на барометрический конденсатор, и на
потребителей низкопотенциального вторичного пара со сбросом в
условиях работы завода излишков пара в конденсатор.
По подводу греющего пара:
выпарные установки, в которых греющий пар подается'в пер-
вую по движению раствора ступень, а вторичный пар используется
последовательно в качестве греющего для остальных корпусов;
выпарные станции с нуль-корпусом, в которых используется
греющий пар двух давлений — пар с большим давлением поступа-
ет в нуль-корпус, а с меньшим — направляется в следующую сту-
пень — I корпус.
По технологии обработки раствора:
одностадийные—без отвода раствора из промежуточных ступе-
ней;
многостадийные — используется отвод раствора из какой-то про-
межуточной ступени для фильтрования, осветления. Обработанный
раствор поступает далее в следующую ступень.
По относительному движению греющего пара
и выпариваемого раствора:
прямоточные установки для растворов с повышенной температур-
ной депрессией;
противоточные — для растворов с быстро возрастающей при по-
вышении концентрации сухих веществ вязкостью;
выпарные установки с параллельным питанием ступеней раство-
ром при склонности его к кристаллизации;
установки со смешанным питанием для растворов с повышенной
вязкостью.
Многоступенчатая выпарная установка проектируется таким
образом, чтобы обеспечить оптимальный режим всего теплосилово-
го комплекса сахарного завода по выбранному экономическому
40
критерию оптимизации; при этом она должна удовлетворять сле-
дующим основным требованиям:
иметь достаточную производительность в условиях накипеобра-
зования без снижения концентрации густого сиропа;
обладать высокой экономичностью, обеспечивающей снижение
тепловых потерь с вторичным паром, направляемым на баромет-
рический конденсатор;
проектироваться таким образом, чтобы при любых условиях,
складывающихся в производстве, и максимальном использовании
тепла вторичных (побочных) эиергоресурсов, обеспечивать сгуще-
ние сока до требуемой концентрации СВ без выхода пара на кон-
денсатор.
ТИПЫ ВЫПАРНЫХ УСТАНОВОК САХАРНЫХ .ЗАВОДОВ
На сахарных заводах получили распространение выпарные
станции пятиступенчатые под разрежением, трехступенчатые под
давлением с концентратором или без него и четырехступенчатые
под разрежением с концентратором.
При колебаниях в отборе вторичных паров концентратор трех-
и четырехступенчатых выпарных станций работает как активный
корпус и тогда эти выпарные станции превращаются соответствен-
но в четырехступенчатые без концентратора и в пятиступенчатые.
Пятиступенчатая выпарная станция под разрежением — харак-
теризуется повышенной кратностью испарения, может применяться
при высоких откачках диффузионного сока. Основной недостаток
пятиступенчатой выпарки — громоздкость вследствие большого
числа аппаратов и трудности в использовании вторичных паров
последних ступеней из-за их низкой температуры (вторичный пар
V ступени имеет температуру 60—65° С и, как правило, направ-
ляется на барометрический конденсатор)..
Трехступенчатая выпарка под давлением — имеет ряд преиму-
ществ перед пятиступенчатой: небольшое чйсло ступеней выпар-
ных аппаратов; большая простота и компактность; отпадает необ-
ходимость в конденсаторе, так как вторичные пары III ступени
с повышенной температурой (1014-103° С) могут полностью ис-
пользоваться для обогрева технологических потребителей. Однако
такая выпарная станция имеет сравнительно небольшую крат-
ность испарения, обладает высокой чувствительностью и малой
устойчивостью к изменению производственного режима, трудно
регулируется процесс при переменных пароотборах. Вследствие
высокой чувствительности к количеству и концентрации поступаю-
щего сока такая выпарка может работать при сравнительно не-
больших откачках диффузионного сока, малом количестве про-
моев, поступающих в сок, и небольшом разбавлении соков. Для
повышения устойчивости ее работы трехступенчатую выпарку
стали дооборудовать концентратором, который из-за неравномер-
ного отбора вторичных паров выпарки на технологические нужды
часто работает как активный корпус с выходом вторичного пара
41
на конденсатор. При этом для полной ликвидации в такой выпар-
ке потерь пара на конденсатор требуется, чтобы откачка диффу-
зионного сока не превышала 1054-110%, количество выпаривае-
мой воды — 88—91 %' к массе свеклы.
Таблица 7
Показатели Ступени выпарки Концентра- тор
I п III
Температура греющего пара, °C 132 124,5 115 101
Полезная разность температур, °C 6 7,3 8,7 12,4
Температура кипения, °C 126 117,2 106,3 88,6
Температурная депрессия, °C 0,5 1,2 4,3 3,6
Температура вторичного пара, °C 125,5 116 102 85
Температура конденсата, °C 130 122,5 113 99
Температурный режим трехступенчатой выпарки с концентра-
тором приведен в табл. 7, а примерное распределение вторичных
паров по технологическим потребителям (% к массе свеклы) —
в табл 8.
Таблица 8
Потребителя Вторичный пар ступеней
I II III
— 4,0
Подогреватели диффузионного сока — — 12,0
Подогреватели перед I и II фильтрацией — 8,5 —
Подогреватели перед выпаркой 6,0 — —
Вакуум-аппараты I и II продуктов 11.0 3,5 —
Сборники сиропа и оттеков ...» 2,0 — —
Итого пароотбор 19,0 12,0 16,0
Четырехступенчатая выпарная станция с концентратором под
разрежением — наиболее распространенный тип выпарной станции
на отечественных сахарных заводах — принята в качестве типо-
вой. Преимущество четырехступенчатой выпарной станции — уве-
личенная испарительная способность — особенно сказывается при
работе завода с повышенной откачкой диффузионного сока.
К преимуществам ее перед трехступенчатой выпаркой следует от-
нести и больший полезный температурный перепад, повышенную
устойчивость при колебаниях в отборе паров. Выход пара на кон-
денсатор с четырехступенчатой выпарки меньше, чем с трехсту-
пенчатой за счет большей 1кратности испарения. Сравнительные
расчеты трех- и четырехступенчатой вЪшарки, проведенные
42
М. Л. Вайсманом, показывают, что потребная суммарная площадь
поверхности нагрева четырехступенчатой выпарки на 15% меньше
за счет большего полезного температурного перепада — 36° С вме-
сто 22° С при трехступенчатой выпарке.
Температурный режим типовой четырехступенчатой выпарной
установки представлен в табл. 9, а количество продуктов, преде-
лы нагрева и распределение паров были приведены ранее (см.
табл. 1).
Таблица 9
Показатели Ступени выпарки Концен- тратор
I II Ш IV
Температура греющего пара, °C 132 124,5 115 101 84
Давление греющего пара, 10s Па 2,92 2,33 1,72 1,07 0,57
Полезная разность температур, °C 6 7,5 10,5 12 15,6
Температура кипения, °C 126 117 104,5 89 68,4
Температурная депрессия, °C 0,5 1,0 2,5 4,0 3,4
Температура вторичного пара, °C Давление вторичного пара, 10е Па 125,5 116 102 85 65
2,41 1,78 1.11 0,59 0,255
Потери температуры в паропроводах, °C . 1 1 1 1 —
Температура конденсата, °C 130 122,5 113 99 82
Типовая четырехступенчатая выпарная станция предусматри-
вает испарение 98% воды к массе свеклы, причем по ступеням
выпарной установки выпаривается: №1=41,86; №г=37,87; ^3=
= 14,59, №4 = 3,72% воды. При этом расход греющего пара со-
ставляет 45—48% к массе перерабатываемой свеклы при макси-
мально возможном использовании паров самоиспарения конденса-
тов.
ВЛИЯНИЕ СХЕМЫ ПАРООТБОРА НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ
ВЫПАРНОЙ СТАНЦИИ
Если в первую по порядку ступень выпарной станции напра-
вить 1 кг греющего пара, то он выпарит 1 кг воды. При этом обра-
зуется 1 кг вторичного пара, который, будучи направлен во вто-
рую ступень, выпарит еще 1 кг воды и даст в свою очередь 1 кг
вторичного пара и т. д. Таким образом, в четырехступенчатой вы-
парной установке без отбора вторичных паров за счет тепла 1 кг
греющего первую ступень пара можно выпарить соответственно
числу ступеней около 4 кг воды.
На рис. 8,а представлена схема четырехступенчатой выпарки
без отбора вторичных паров с часовым расходом пара на первую
ступень £>i=50 кг. Видно, что при этом на выпарной станции
можно выпарить S№i-iv= №i + №2+№34-№4=50-4=200 кг воды и
направить на конденсатор Ек=50 кг вторичного пара. Кратность
43
испарения Кис, т. е. количество воды, испаряемой в ступенях вы-
парной станции 1 кг греющего пара, составит
SIT, IV 200 кг воды
Д’" , - 1 1 V _ __ __ Л ---------------- ,
'ис — 50 кг греющего пара
При наличии отбора вторичных паров для обогрева технологи-
ческих потребителей кратность испарения на выпарке снижается,
и несмотря на это в условиях сахарного завода отбор этот всегда
экономически выгоден.
Рис. 8. Четырехступенчатая вы-
парная станция без отбора (а) и с
отбором (б) вторичных паров на
технологические потребители.
На рис. 8, б представлена схема выпарной установки с отбо-
ром вторичных паров соответственно по ступеням: £1=30 кг; Е2=
= 10 кг; £3=5 кг; Et=5 кг при расходе греющего пара £>i = 50 кг.
При этом по ступеням выпарной станции выпаривается воды в
количестве:
U74 = E4 = 5;
Г3 = И74 + Е8 = £4 + Е8=5 + 5=10;
U7a = U73 +- Еа = Г4 4-Е3 + Еа = Е4 + Е3 + Е2 = 5 + 5+ 10 = 20;
»71 = U72 + E1 = U+ + E2 + E1 = U74 + E, + E2 + E1 = 5 4-5+ 10 + 30 = 50;
Итого = Wi + Ws + W3 + U?4 = 4Et + ЗЕ3 + 2Ea + Ег =
= 4-5 + 3.5 + 2.10 + 30 = 85.
SH+rv 85 кг воды
ТУ" ____* 1 * ._ _ _ 1 у _______________ f
'ис ~ ~ 50 — 1 кг греющего пара
или в 2,35 раза меньше, чем на выпарной станции без отбора
вторичных паров.
На рис. 9 показаны четыре разных схемы работы четырехсту-
пенчатой выпарной станции свеклосахарного завода. Любую из
первых трех можно использовать на заводе, когда для различ-
ных технологических потребителей тепла выпарная станция долж-
на дать вторичных паров из расчета 50 кг -на 100 кг свеклы.
44
Вариант а—выпарная станция с часовым расходом греющего
пара на I ступень £>1=50 кг и при отборе вторичных паров £\ =
= 19 кг; £2=16 кг; £3= 13 кг; £4=2 кг. При таком распределении
паров в ступенях выпарки ис-
паряется воды: SWj-iv =
=50+314-15+2=98 кг и крат-
ность испарения составляет
SWi_IV 98
Кис— — 50 —
кг воды
Вариант б — при том же
расходе греющего пара часть
технологических потребите-
лей (с расходом вторичного
пара 5 кг) переведена с обо-
грева вторичным паром
I ступени выпарной станции
на вторичный пар II ступени.
При этом новые пароотборы
из I и II ступеней составят:
£1=19—5=14 кг; £2=16+5=
= 21 кг; отбор вторичных па-
ров и количество выпаривае-
мой ВОДЫ в III и IV ступенях Рис 9- Влияние схемы отбора вто-
остается боч изменения Как и Ричных паРов на производительность
остается оез изменения (как и ВЬ1ПарНОй станции.
в варианте а). В ступенях вы-
парной станции при этом испарится воды2№'г_1У = 50 + 36+15 + 2=
= 103 кг (вместо 98 в варианте а при том же расходе греющего
пара £>i = 50 кг).
кг воды
Кратность испарения
103
Кис = — = 2,06
50 кг греющего пара
вместо 1,96 в варианте а.
Вариант в — при расходе греющего пара £>i = 50 кг переведем
еще часть технологических потребителей (с расходом вторичного
пара 4 кг) с пара I ступени на вторичный пар II ступени. Отборы
вторичных паров при этом £1 = 14—4 = 10 кг; £2=21-)-4—25 кг.
Отбор вторичных паров и нагрузку III и IV ступеней оставим без
изменения. Тогда в четырех ступенях выпарится воды: SW'i-iv—
= 50+40+15+2=107 кг (вместо соответственно 98 и 103 кг в ва-
риантах а и б); кратность испарения составит Кис = 2,14.
Вариант г — при расходе греющего пара на I ступень £>i =
= 45 кг, т. е. на 5 кг меньше, чем в вариантах а, б, в, приводимая
схема работы выпарки позволяет выпаривать воды столько же, '
сколько и в варианте в при расходе греющего пара £?1=50 кг —
за счет дальнейшей загрузки II ступени (пароотборы и нагрузка
III и IV ступеней, как и в вариантах а, б, в). Количество выпари-
45
ваемой воды 2Wj-iv=454-45 +15+2= 107 кг, а кратности испа-
- 107 кг воды
рения выше, чем в вариантах а, б, в и равна /сиС = — == 2,40---.
45 кг пара
Так как в условиях работы завода вторичный пар I ступени
выпарки приходится использовать для подогрева сока перед вы-
паркой (2—3 кг к массе свеклы), то это же количество выпаривае-
мой воды (107 кг в варианте е) можно получить при перенесе-
нии части пароотбора со II ступени на III или с III на IV ступень
(оставив пароотбор из I ступени 2—3 кг).
Таким образом, правильно организовав работу выпарной стан-
ции, т. е. обеспечив более высокую кратность использования па-
ров, можно при определенных условиях повысить количество вы-
париваемой воды, следовательно, увеличить концентрацию сиропа
без увеличения количества греющего пара, потребляемого I сту-
пенью.
Если, например, на выпарную станцию сахарного завода по-
ступает 131,4% очищенного сока (к массе свеклы) с концентра-
цией 14% СВ, то при выпаривании из него 98% воды (схема а)
получаем сиропа
131,4-14
131,4 - 98 = 33,4о/о с —~= 55о/о СВ;
131,4 — Уо
при выпаривании 103% воды (схема б) количество сиропа соста-
вит
131,4-103 = 28,40/0 с = 65% СВ,
131,4 — ЮЗ
а при выпаривании 107% воды (схема в) имеем соответственно
сиропа 24,4% с 75% СВ.
Приведенные примеры позволяют сделать следующие выводы:
1. В условиях сахарного завода расход греющего пара на мно-
гоступенчатую выпарную станцию с отбором вторичных паров
практически не зависит от количества выпариваемой в ней воды
из сатурационного сока. В вариантах а, б, в при одном и том же
расходе греющего пара £>i = 50 кг выпаривалось разное количе-
ство воды, соответственно 98, 103 и 107 кг, а в варианте г даже
при меньшем расходе греющего пара Z?i=45 кг выпаривалось во-
ды, как и в варианте в — 107 кг (при расходе греющего пара на
I ступень выпарки 50 кг).
Увеличение общего количества испаряемой воды достигается
не за счет дополнительной затраты пара, а за счет более высокой
кратности выпаривания.
Однако не следует считать, что количество воды, подлежащее
удалению из сока на выпарной станции, не влияет на расход пара.
Так, высокая откачка диффузионного сока приводит к значитель-
ному его разбавлению и резко усложняет работу выпарной стан-
ции. Кроме того, концентрация сиропа становится ниже расчет-
ной и расход пара возрастает. Увеличение количества сока повы-
шает расход вторичного пара на его подогрев до необходимых
46
температур перед отделением очистки, в процессе очистки и пе-
ред поступлением на выпарную станцию.
И наконец, необходимость в увеличении количества выпари-
ваемой воды при неизменной схеме пароотбора приводит к сни-
жению производительности выпарной станции, а изменение схе-
мы затрудняет рациональное использование полученных паров.
Если количество выпариваемой воды превысит определенную ве-
личину, то может заметно возрасти количество паров, которое не-
обходимо было бы отбирать из последних ступеней выпарной
станции с их более низкой температурой.
2. Производительность многоступенчатой выпарной станции в
условиях сахарного завода определяется в основном схемой рас-
пределения вторичных паров по технологическим потребителям.
Изменение пароотбора существенно влияет на работу выпарки,
причем наибольшее влияние оказывает увеличение пароотбора
именно с последних ступеней. Перераспределение пароотбора поз-
воляет полнее использовать имеющееся оборудование, иногда да-
же при некотором уменьшении общей суммарной поверхности
нагрева выпарной станции. Всемерное повышение пароотбора и в
первую очередь с последних ступеней выпарки — основное направ-
ление в рационализации работы выпарной установки и теплового
хозяйства в целом.
3. Расход пара DB на многоступенчатую выпарную станцию с
отбором вторичных паров (при условии работы концентратора
только за счет самоиспарения Wn=En) равен сумме вторичных
паров, отбирающихся из активных ступеней для обогрева техно-
Л
логических потребителей: DB=£1+Е2+...-}-Еп = V Еп.
п=1
Так, для варианта а
Dt = DB = + Ег + Е3 4- Et = 19 + 16 + 13 + 2 = 50 кг,
для варианта б
D1 = DB= 14-1-21 -|- 13-f-2=50 кг;
для варианта в
Di=DB= 10-1-25+ 12 + 2 = 50 кг;
для варианта г
D, = DB = 0 + 30 + 13 + 2 = 45 кг.
При работе концентратора в качестве активной ступени, т. е.
при Wn>En, к этому количеству паров прибавляется потеря пара
из концентратора на конденсатор.
4. Сокращение количества отбираемых с выпарной станции
вторичных паров для какого-либо технологического потребителя
приводит к уменьшению расхода греющего пара на выпарку, а
следовательно, и по заводу. Однако при этом для стабилизации
количества выпариваемой воды необходимо повысить кратность ис-
парения за счет перераспределения пароотбора и усиления на-
грузки на последующие ступени выпарной установки.
5. При данной производительности и постоянном отборе вто-
47
ричных паров меньший расход греющего пара получаемся, если
выпарная установка состоит из большего числа ступеней; Однако
увеличение кратности выпаривания целесообразно лишь до неко-
торого предела, который определяется температурным/перепадом
между ступенями, увеличением размеров поверхности нагрева и
стоимостью аппаратов при малых температурных перепадах.
ВЫПАРНЫЕ АППАРАТЫ САХАРНЫХ ЗАВОДОВ
Классификация и требования к конструкции
Современные типы выпарных аппаратов классифицируются в
зависимости от расположения поверхности нагрева — вертикаль-
ные, горизонтальные; конфигурации поверхности теплообмена —
трубчатые, ребристые, змеевиковые, кольцевые; взаимного распо-
ложения рабочих сред — паротрубные и жидкостно-трубные; ком-
поновки поверхности нагрева — с выносными и внутренними па-
ровыми камерами; режима циркуляции — с принудительной, есте-
ственной; кратности циркуляции — с одно- и многократной; рода
теплоносителей — жидкость, пар, газ, электроэнергия. Аппараты
с многократной циркуляцией делятся в свою очередь на циркуля-
ционные аппараты с короткими и удлиненными трубками, на сек-
ционные аппараты и выпарные аппараты с выносной циркуляцией.
К выпарным аппаратам независимо от их конструкции предъ-
являются следующие требования:
простота, безопасность, компактность, надежность технологиче-
ских конструкций с точки зрения удобства, дешевизны изготовле-
ния и стоимости 1 м2 поверхнрсти нагрева, удобства монтажа,
ремонта;
максимальная интенсивность теплообмена, высокая удельная
производительность поверхности нагрева аппарата;
минимальный удельный расход металла на единицу поверхно-
сти нагрева аппарата;
возможность размещения максимальной поверхности нагрева
в одном аппарате при оптимальном его диаметре;
равномерное распределение греющего пара в межтрубном про-
странстве паровой камеры;
минимальное нарастание цветности и потерь сахарозы при сгу-
щении данного продукта до требуемой концентрации сухих ве-
ществ с учетом его термической устойчивости, температуры кипе-
ния и длительности сгущения;
устойчивость в работе при неизбежных колебаниях в отборе
вторичных паров;
непрерывное и надежное удаление конденсата из паровых ка-
мер, аммиачных и неконденсирующихся газов;
по возможности более длительная работа аппарата между оста-
новками на очистку при минимальном отложении осадков на по-
верхности нагрева;
удобство очистки аппарата от накипи;
48
надёжное сепарирование вторичного пара;
отсутствие «мертвых» зон и интенсивная циркуляция выпари-
ваемого раствора.
Весьма затруднительно спроектировать выпарной аппарат и
всю установку, одновременно удовлетворяющие всем перечислен-
ным условиям. Чаще всего достижение одного высокого показа-
теля возможно за счет частичного снижения другого. Например,
компактность и удельная теплопроизводительность аппарата всег-
да находятся в противоречии с гидравлическим сопротивлением
движению раствора; долговечность и коррозионная стойкость — с
дефицитностью и стоимостью конструкционных материалов; про-
стота схемы установки — с параметрами и расходом греющего па-
ра. Однако новейшие методы проектирования как отдельного вы-
парного аппарата, так и в целом многоступенчатой выпарной уста-
новки на базе математических моделей с применением ЭВМ поз-
воляют на основе экономического критерия оптимизации рацио-
нально решить данный вопрос.
Конструкции выпарных аппаратов
Для выпаривания соков на сахарных заводах широко приме-
няются паровые вертикальные трубчатые выпарные аппараты с
внутренней паровой камерой и многократной циркуляцией сока
(в основном с естественной).
Естественная циркуляция возникает в системе с циркуляцион-
ными и кипятильными трубами. Если жидкость в кипятильных
трубах нагрета до кипения, то в результате испарения части жид-
кости в трубах образуется парожидкостная смесь, плотность ко-
торой меньше плотности самой жидкости. Таким образом, вес
столба жидкости в циркуляционной трубе больше, чем в кипя-
тильной, вследствие чего происходит упорядоченное движение ки-
пящей жидкости. Для естественной циркуляции требуется доста-
точная высота уровня жидкости в циркуляционных трубах (чтобы
уравновесить столб парожидкостной смеси в кипятильных трубах
и сообщить ей необходимую скорость) и достаточная интенсив-
ность парообразования в кипятильных трубах.
Поверхность нагрева выпарных аппаратов состоит из трубок
с наружным диаметром 33 мм и толщиной стенки 1,5 мм различ-
ной длины (в зависимости от конструкции аппарата). Материал
трубок — различный, в основном из латуни или углеродистой ста-
ли марки 20-А, отожженной в нейтральной среде. Лучшим мате-
риалом для трубок является нержавеющая сталь марки Х18Н10Т,
так как трубки именно из этого материала меньше всего подвер-
жены коррозии.
В последнее время установлено, что термохромированные и
безникелевые трубы по коррозионной стойкости соответствуют
трубам из стали Х18Н10Т.
Требуемая производительность трубчатых выпарных аппаратов
49’
может быть достигнута благодаря выполнению следующий меро-
приятий:
работы с возможно более высокими коэффициентами теплопе-
редачи при оптимальных с технологической и теплотехнической
точек зрения уровнях сока в корпусах;
поддержания оптимальной удельной нагрузки по выпаривае-
мой воде на поверхности нагрева корпуса;
равномерного, непрерывного, строго расчетного поступления
сока на выпарку и отвода сиропа из концентратора;
поддержания оптимальной потребной полезной разности темпе-
ратур.
Видимый уровень кипящей жидкости существенно влияет на
скорость циркуляции и интенсивность теплообмена в выпарных ап-
паратах. Вертикальные выпарные аппараты с естественной цир-
куляцией работают при оптимальных пьезометрических уровнях
кипящей жидкости, причем каждой ступени выпаривания соответ-
ствует свой строго определенный оптимальный с теплотехнической
и технологической точек зрения уровень сока.
Уменьшение уровня ниже оптимального вызывает резкое сни-
жение коэффициентов теплопередачи, образование эмульсионных
режимов течения и нарушение
омывания поверхности нагрева в
верхней части кипятильных труб.
Иногда при этом прекращается
циркуляция сока, а в кипятиль-
ных трубах образуется свобод-
ный уровень. Оголение верхней
части трубной решетки при ма-
лых скоростях циркуляции и
образование свободного уровня
может вызвать перегрев раство-
ра, разложение сахарозы, значи-
тельное нарастание цветности.
При этом наблюдается также
усиленное отложение накипи на
поверхности нагрева. При неиз-
менном тепловом потоке лучшее
орошение трубной решетки про-
изводится жидкостью с меньшей
Рис 10 Зависимость коэффи-
циента теплопередачи от вели-
чины относительного уровня сока
в выпарном аппарате
1, 2 — соответственно I, II ступени вы-
парной установки
вязкостью (с пониженным содер-
жанием сухих веществ), а поэтому оптимальный уровень растет
с повышением концентрации выпариваемого раствора.
На рис. 10 представлена зависимость коэффициента теплопе-
редачи от величины относительного уровня сока в выпарном ап-
парате (под относительным уровнем понимается отношение пьезо-
метрического уровня сока к длине кипятильной трубы). Видно,
что оптимальный уровень сока в I ступени выпарной установки
с точки зрения максимального коэффициента теплопередачи нахо-
дится в пределах 25—35%; во II ступени этот уровень несколько
выше.
50
На цветность сока влияет величина его относительного уровня
в ступенях выпарной установки. На рис. 11 показана такая зави-
симость для четырехступенчатой типовой установки.
Для каждой ступени выпарки имеется свой оптимальный с
точки зрения минимального нарастания цветности уровень сока.
Влияние повышенного уровня сока в выпарном аппарате на до-
полнительный прирост цветности сока можно объяснить ухудше-
нием теплообмена, увеличением ра-
бочего объема сока и времени его
пребывания в аппарате. Вместе
с тем, с повышением относитель-
ного уровня сока возрастает коли-
чество кипятильных труб, работаю-
щих с обращенной циркуляцией
при значительно перегретом соке
на нижнем участке труб (вследст-
вие роста гидродинамического со-
противления). Приведенные данные
показывают, что оптимальный в от-
ношении повышения цветности
уровень сока при работе выпарного
аппарата совпадает с уровнем сока,
при котором достигается наиболь-
ший коэффициент теплопередачи
на том же корпусе.
Оптимальными с теплотехниче-
ской и технологической точек зре-
ния (в отношении коэффициента
теплопередачи, нарастания цвет-
ности сока) являются следующие
уровни по ступеням типовой вы-
парной установки, оборудованной
вертикальными трубчатыми выпар-
ными аппаратами с естественной
циркуляцией: для I ступени выпа-
ривания— 30, для II — 40, для
III — 50, для IV — 60 и для кон-
Рис. 11. Зависимость при-
роста цветности от относи-
тельного уровня сока в выпар-
ном аппарате:
lt 2, 3 — соответственно I, II, III
степени выпарной установки
центратора 60—70% от общей
длины кипятильных труб.
Выпарные аппараты с многократной естественной циркуляцией
ЦИНС и типа ВЦ. Данные конструкции выпарных аппаратов в
настоящее время нашли на сахарных заводах наибольшее рас-
пространение.
Аппарат ЦИНС-I (рис. 12) —циркуляционный, с удлиненными
трубами, состоит из греющей камеры, надсокового пространства,
сепарирующего устройства, трубных решеток. Длина кипятильных
труб 3 м. Сепаратор вторичного пара состоит из двух цилиндри-
ческих сит разного диаметра, кольцевое пространство между ко-
торыми заполнено кольцами Рашига. Аммиачные газы удаляются
51
из паровой камеры по разветвленной системе отводящий труб.
Однако недостаточная степень циркуляции сока в такрм аппа-
рате, особенно при работе его в качестве последних ступеней
выпарной станции, снижает интенсивность теплопередачи, обу-
Рис. 12 Выпарной аппарат
ВА-ЦИНС-1:
1 — штуцер; 2 — верхняя крышка; 3 — сепа-
ратор; 4 — надсоковое пространство; 5 —
труба для отвода капель; 6 — смотровое
стекло; 7 — аммиачные оттяжки; 8 н 22 —
трубиые решетки; 9 — циркуляционная тру-
ба; 10— опора; 11— кипятильные трубки;
12 — греющая камера; 13 — штуцер для от-
вода конденсата; 14 — нижнее днище; 15 —
штуцер для отвода сиропа, 16—подвод
сока; 17 — указатель уровня сока; 18— ма-
нометр; 19 — термометр; 20 — распредели-
тельный цилиндр; 21 — цилиндр; 23 — шту-
цер для подвода пара.
словливает значительную по-
верхность нагрева.
Выпарной аппарат с вы-
носными циркуляционными
трубами типа ВЦ (рис. 13)
отличается от аппарата
ЦИНС-1 тем, что нижняя и
верхняя трубные решетки
плоские, двускатные, с накло-
ном 1 : 20 к наружным стен-
кам корпуса аппарата. Наклон
нижней решетки обеспечивает
хороший отвод конденсата из
греющей камеры, а верхней —
быстрый сток циркулирую-
щего сока. Две циркуляцион-
ные трубы выведены наружу
для улучшения условий цир-
куляции и увеличения поверх-
ности нагрева аппарата. Для
I ступени нижнее днище де-
лается съемным, вогнутым
внутрь аппарата (для умень-
шения объема сока и времени
пребывания его в аппарате)1:
Подвод пара осуществляется
через несколько патрубков по
высоте паровой камеры,
а аммиачные и неконденси-
рующиеся газы отводятся из
паровой камеры со стороны,
противоположной вводу пара
в аппарат. Трубные решетки
для образования наибольшей
поверхности нагрева мак-
симально заполнены труб-
ками.
В ходе эксплуатации аппарата типа ВЦ-58 были выявлены от-
дельные недостатки. В новый аппарат ВЦ-62 внесены некоторые
конструктивные изменения. В них предусмотрен кольцевой слив
сока с верхней трубной решетки, уменьшена емкость под нижней
трубной решеткой за счет изменения формы днища. Днище сде-
лано из двух частей и крепится к корпусу болтами.
Выпарные аппараты этого типа изготовлялись с поверхностью
нагрева 1500, 1800, 2100, 2400 м2. Эти аппараты обладают весьма
52
высоким коэффициентом теплопередачи за счет повышенной сте-
пени естественной циркуляции сока, более низким по сравнению
с другими аппаратами удельным расходом металла.
Рис. 13. Выпарной аппарат с выносными циркуляционными трубами:
а — типа ВЦ-58; б — типа ВЦ-62: 1 — корпус; 2 — трубные решетки; 3 — трубки; 4 — вынос-
ные циркуляционные трубы; 5 — вход сока в аппарат; 6— отвод конденсата; 7— верхний
перелив; 8 — нижнее днище; S-лаз; 10 — ввод пара; 11 — отвод сока; 12 — отвод вторичного
пара; 13 — поступление сока нз сепаратора; 14 — спуск окончательный.
В настоящее время начат выпуск модернизированных выпар-
ных аппаратов взамен ВЦ-62 аналогичных типоразмеров. Модер-
низированный выпарной аппарат (рис. 14) имеет вертикально
расположенную по центру греющей камеры циркуляционную тру-
бу и горизонтальные трубные решетки. Такое решение облегчает
изготовление и ремонт аппарата. Благодаря эллипсовидной форме
днища внедрена автоматическая сварка стыковых швов и умень-
шено время нахождения сока в аппарате.
Смелянский машиностроительный завод выпускает выпарные
унифицированные аппараты РЗ-ПВА с различной площадью по-
верхности нагрева: 1000, 1180, 1500, 1800, 2120, 2300 м2. Это
позволяет оснастить выпарные станции сахарных заводов одно-
типными аппаратами любой мощности, работающими с интенсив-
ной естественной циркуляцией при .повышенных значениях
коэффициента теплопередачи.
53
Р н с. 14. Модернизированный
выпарной аппарат типа ВЦ:
1 — корпус; 2 — сепаратор; 3 — отвод
вторичного пара; 4— смотровые стекла;
5 — центральная циркуляционная тру-
ба; 6 — опора; 7 — подвод греющего
пара; 8 — отвод конденсата; 9 — под-
вод сока.
Особенностями конструкции
аппаратов этого типа являются
сферическое днище и встроенное
внутрь сепарационное устрой-
ство. В сферическом днище нет
люков или лазов, только в цент-
ре приварена сокоподводящая
труба, входящая в циркуляцион-
ную трубу, что обеспечивает
подвод сока в падающий по
циркуляционной трубе поток
сока.
Размещение внутри корпуса
сепарационного устройства по-
высило общую высоту аппарата,
но резко уменьшило производст-
венную площадь, необходимую
для его установки в здании
сахарного завода. Конструкция
сепарационного устройства до-
статочно надежна в эксплуата-
ции, его детали доступны при
осмотре и ремонте.
Для выпарных аппаратов
РЗ-ПВА ВНИИСПом разрабо-
тана схема автоматического ре-
гулирования уровня сока и
система приборов для его осу-
ществления. При этом возможно
и ручное регулирование про-
Техническая характеристика
Диаметр корпуса, мм.................
Высота, мм
общая...............................
нижней части.....................
верхней части....................
Длина трубок (полная), мм...........
Площадь поверхности нагрева, м2 . .
Число трубок (033x1,5 мм)
Объем надсокового пространства, м3
Диаметр циркуляционной трубы, мм .
Масса, кг
аппарата с трубками.................
нижней части.....................
верхней части ...................
выпарных аппаратов РЗ-ПВА
О О о с5 О о
о со о о сч о
о ю СО СО
*—< »—< сч еч
са са СО СО са СО
Е Е Е Е Е Е
со со со со со со
д. в. в. в. а. Л
3200 3200 3200 3600 3600 3600
10480 10480 11550 11691 13280 13280
4090 4090 4650 4753 5553 5553
6380 6380 6930 6850 7630 7630
3000 3000 3560 3560 4360 4360
1000 1180 1500 1800 2120 2300
3306 3902 4154 4978 4770 5310
3,68 3,68 3,68 5,13 5,13 5,13
750 750 750 850 850 850
29350 31150 35800 43081 49680 52400
18022 19822 24063 29345 33035 35765
9416 9416 . 9967 10966 11816 11816
54
цесса. Предусмотрено автоматиче-
ское отключение аппарата при сниже-
нии уровня сока ниже минимально
допустимого.
Основные технические параметры
унифицированных выпарных аппара-
тов РЗ-ПВА, изготовляемых Смелян-
ским машиностроительным заводом,
приведены на с. 54.
Начат выпуск для сахарной про-
мышленности вертикальных выпар-
ных аппаратов с увеличенной до
3000 м2 площадью поверхности на-
грева— аппараты ВАГ-3000 с длиной
кипятильных труб 4,3 м. Наличие та-
.ких аппаратов позволяет устанавли-
вать выпарные станции для сахарных
заводов повышенной мощности (5; 6;
8 тыс. т перерабатываемой свеклы
в сутки) без дублирования корпусов,
что значительно удешевляет всю уста-
новку.
v Выпарной аппарат ВАГ-3000 пред-
ставляет собой вертикальный цилин-
дрический корпус диаметром 4000,
высотой 13 900 мм. Оп состоит из двух
частей с сепарационным устройством.
Характерная особенность данной кон-
струкции — установка в центре труб-
ной решетки циркуляционной трубы
с воронкой, внутри которой размещена
сливная труба с расширенной на-
садкой.
Такая конструкция увеличивает
интенсивность циркуляции сока, улуч-
шает условия теплопередачи (в 1,2—
1,3 раза), интенсифицирует процесс
сгущения сока. Днище в аппарате
сферически-выпуклое. Использова-
ние центральной циркуляционной тру-
бы с вставной воронкой обеспечивает
постоянное заполнение соком поверх-
ности нагрева, что обусловливает вы-
сокий коэффициент теплопередачи и
хорошие показатели работы аппарата.
Прямоточные выпарные аппараты.
Широко исследуется в настоящее вре-
мя возможность применения в сахар-
ной промышленности прямоточных
Рис. 15. Прямоточный вы-
парной аппарат системы
Кестнера:
/ — корпус; 2 — трубные решет-
ки; 3 — сепаратор; 4 — отража-
тельный зонт; 5 — перегородки
в сепараторе; 6 — отвод сока из
сепаратора; 7— отвод сгущенно-
го сока из аппарата; 8 — отвод
вторичного пара; 9 — отвод не-
конденсирующихся газов; 10 —
подвод греющего пара; 11 — под-
вод сока; 12 — окончательный
спуск из аппарата; 13 — патру-
бок.
55
выпарных аппаратов. Одна из конструкций такого аппарата с вос-
ходящим потоком сока представлена на рис. 15. Как видно из
рисунка, длиннотрубный аппарат состоит из корпуса с двумя
трубными решетками, в которых развальцованы трубки дли-
ной 7,2 м. В верхней части аппарата имеется сепаратор.
Раствор на выпаривание (через патрубок 12) поступает снизу
в трубу нагревательной камеры, межтрубное пространство кото-
рой обогревается греющим паром. На уровне, соответствующем
обычно 20—25% высоты труб, наступает интенсивное кипение.
Пузырьки вторичного пара сливаются и пар, быстро поднимаясь
по трубам, за счет поверхностного трения увлекает за собой рас-
твор. При этом жидкость перемещается в виде пленки, «всполза-
ющей» по внутренней поверхности труб.
Процесс выпаривания в таком аппарате без смешения порций
сока, поступающего и уходящего из аппарата, идет с высокой ско-
ростью при малом гидростатическом эффекте, а поэтому и коэф-
фициент теплопередачи в нем выше, чем в аппаратах других
систем. Установлено, что при одинаковых поверхностях нагрева
длительность пребывания соков в таких аппаратах в несколько
раз меньше, чем в циркуляционных, а поэтому и прирост в содер-
жании редуцирующих веществ сока из такого аппарата на 20—
40% и цветности на 30—35% меньше, чем у аппарата циркуляци-
онного типа. Поэтому такие аппараты чаще всего устанавлива-
ются в качестве первых корпусов выпарных станций. Однако
значительная высота трубок в таком аппарате затрудняет очистку
его от накипи, требует увеличенной высоты помещений, а высокая
скорость процесса затрудняет поддержание оптимальных условий
выпаривания. Весьма чувствительны такие аппараты к неравно-
мерной подаче раствора, затруднительно в них обеспечить и рав-
номерную толщину пленки выпариваемого раствора.
В зарубежной практике широко применяются прямоточные
выпарные аппараты типа «Полу-Кестнер» с меньшей длиной тру-
бок (до 4—5 м) и поверхностью нагрева до 2000 м2. Данная кон-
струкция позволяет в 5,5 раза сократить время выпаривания по
сравнению с аппаратами циркуляционного типа.
Прямоточные выпарные аппараты чувствительны к изменению
режима и требуют для эффективного выпаривания поддержания
некоторого оптимального «кажущегося» уровня раствора в кипя-
тильных трубах. «Кажущийся» уровень соответствует высоте стол-
ба некипящего раствора, которым может быть уравновешен столб
парожидкостной смеси в трубах. При «кажущемся» уровне ниже
оптимального верхняя часть поверхности труб не омывается жид-
костью и практически не участвует в теплообмене; «оголенная»
часть поверхности труб при испарении на ней брызг жидкости
покрывается накипью. При «кажущемся» уровне выше оптималь-
ного на большей части поверхности труб раствор только нагре-
вается; соответственно уменьшается высота зоны кипения, где
теплопередача интенсивнее; это приводит к снижению средней
величины коэффициента теплопередачи. Область применения ап-
56
паратов с поднимающейся пленкой — выпаривание маловязких
растворов (при повышенной вязкости продукта ухудшается тепло-
передача из-за неравномерности «всползающей» пленки).
Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией. Уменьше-
ние потерь сахарозы в процессе выпаривания может быть достиг-
нуто и при использовании выпарных аппаратов с принудительной
циркуляцией, создаваемой специальными насосами или водоструй-
ными эжекторами. За счет увеличения скорости циркуляции по-
вышается коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей жид-
кости а2, уменьшается отложение накипи, что позволяет значи-
тельно сократить поверхность нагрева ступеней выпарки и, таким
образом, уменьшить длительность пребывания соков при высоких
температурах, позволяет получать высококонцентрированные си-
ропы.
Некоторое увеличение годовых затрат для многоступенчатой
выпарной станции с принудительной циркуляцией многократно
компенсируется экономией топлива и сокращением потерь сахара
в процессе выпаривания. При этом необходимо иметь в виду, что
поскольку вся циркуляционная система в таком аппарате почти
полностью заполнена жидкостью, работа насоса затрачивается не
на подъем жидкости, а лишь на преодоление гидравлических со-
противлений. Скорость циркуляции сока в кипятильных трубках
принимается до 3 м/с, определяется производительностью насоса
и не зависит от уровня жидкости и парообразования в кипятиль-
ных трубах. Поэтому выпарные аппараты с принудительной цир-
куляцией особенно эффективны при работе с малыми разностями
температур между греющим паром и сахарным раствором (3—
5° С) и при выпаривании сахарных растворов с большой вязко-
стью, естественная циркуляция которых затруднена.
Машиностроительный завод фирмы «Буккау-Вольф» изготав-
ливает двухсекционные аппараты с принудительной циркуляцией
сока. Их характерная особенность — кратковременное пребыва-
ние диффузионного .сока при малой удельной поверхности нагре-
ва, достигаемое за счет более высоких (в 1,5—2 раза) коэффици-
ентов теплопередачи в сравнении с выпарными аппаратами с
естественной многократной циркуляцией. В аппаратах с принуди-
тельной циркуляцией сока условия гидродинамики и теплообмена
не зависят от величины полезной разности температур на ступень,
а поэтому число ступеней многоступенчатой выпарной установки
можно выбирать только на основании одного технико-экономиче-
ского расчета. Сравнительно небольшой полезный температурный
перепад можно разделить на большее число ступеней выпарива-
ния, причем уменьшение разности температур на каждую ступень
не повлечет за собой снижения интенсивности теплообмена.
Прямоточно-пленочные выпарные аппараты. В последнее вре-
мя начаты широкие исследования по разработке рациональной
конструкции пленочного выпарного аппарата. Аппарат подобного
типа позволяет устранить перепад температуры из-за гидроста-
тической депрессии и значительно сократить время пребывания
57
Рис. 16. Схема прямо-
точно-пленочного вы?
парного аппарата
ВАПП-250:
1 — греющая камера; 2 —
пленочная часть аппарата;
3 — верхний сепаратор; 4 —
нижний сепаратор; 5 — при-
емная камера.
раствора при высокой температуре. Процесс выпаривания в нем
протекает в тонкой пленке, движущейся сверху вниз при малой
разности температур, в меньшем объеме, причем длительность
выпаривания не более 1—2 мин. За это время практически исклю-
чается прирост цветности и потери сахарозы в выпарном аппара-
те, наблюдается снижение отложения накипи на поверхности на-
грева, увеличивается коэффициент теплопередачи.
Однако создание такой тонкой, устойчивой и равномерной
пленки на поверхности теплообмена вызывает необходимость при-
менения' специальных устройств, боль-
шой точности изготовления и монтажа
отдельных узлов аппарата, предъявляет
более жесткие требования к поддержа-
нию оптимальных параметров (плот-
ности орошения, теплового потока), тре-
бует более квалифицированного обслу-
живания.
Разработана отечественная конст-
рукция прямоточно-пленочного выпар-
ного аппарата ВАПП-250 и ВАПП-1250.
Аппарат ВАПП-250 (рис. 16) представ-
ляет собой вертикальную емкость, со-
стоящую из греющей камеры 1, верхнего
3 и нижнего 4 сепараторов. В греющей
камере размещена двухступенчатая по-
верхность нагрева, состоящая из заваль-
цованных в общую нижнюю трубную
решетку пучков вертикальных трубок,
уменьшающихся по длине от центра
решетки к ее периферии. В приемную
камеру, установленную под пучком бо-
лее длинных трубок, непрерывно посту-
пает выпариваемый раствор и далее по
трубкам направляется в верхнюю часть
аппарата.
Выходящий из трубок центрального
пучка раствор, сгущенный до промежу-
точной концентрации сухих веществ,
стекает на периферийную часть верхней
трубной решетки. Здесь он переливается в трубки периферийного
пучка, в которых сгущается в виде нисходящей пленки.
Для равномерного распределения раствора по трубкам пленоч-
ной части 2 выпарного аппарата имеется специальное устройство.
Выпарной прямоточно-пленочный аппарат ВАПП-1250 уста-
навливается в качестве I ступени выпарной установки.
Аппарат состоит из сепаратора, паровой камеры и приемника-
сепаратора. Паровая камера — вертикальный цилиндрический
сосуд с верхней и нижней трубными решетками. Сверху на труб-
ную решетку установлен цилиндр, делящий ее на две секции —
58
центральную и периферийную (прямоточную и пленочную).
В цилиндре имеются прямоугольные отверстия, с помощью кото-
рых центральная прямоточная секция соединяется с периферийной
пленочной.
Над цилиндром установлен отражательный зонт с вертикаль-
ными стойками по форме лопастей центробежного насоса. К ниж-
ней части паровой камеры приварен сепаратор инерционно-пово-
ротного типа для приема и разделения смеси раствора и пара
пленочной части аппарата.
Поступающий в аппарат сок попадает в низ прямоточной каме-
ры, интенсивно нагревается и «всползает» по кипятильным тру-
бам, отражается от верхнего сепаратора и по его стойкам падает
на трубную решетку, переливается через прямоугольные отверстия
на распределительные сетки и по кипятильным- трубам стекает
вниз. Отводится сок через нижний патрубок. Пар из центробеж-
ной прямоточной секции отводится через верхний сепаратор.
Техническая характеристика выпарного аппарата ВАПП-1250
Площадь поверхности нагрева, м2................................ 1250
Соотношение площадей поверхности нагрева прямоточной и пленоч-
ной частей...................................................... 1:1
Полная длина трубок поверхности нагрева, мм:
прямоточной части........................................... 7000
пленочной части ............................................ 7000
Число труб поверхности нагрева (033x1,5 мм).................... 1831
По сравнению с показателями выпарного аппарата циркуля-
ционного типа прямоточно-пленочный аппарат отличается высокой
удельной теплопроизводительностью и лучшими технологическими
показателями процесса выпаривания: коэффициент теплопередачи
в 1,5—2 раза выше, нарастание цветности и потери сахара ниже
в 2,5 раза, длительность выпаривания составляет всего лишь
40—60 с. Кроме того, прямоточно-пленочный выпарной аппарат
характеризуется относительно малой гидравлической неравномер-
ностью орошения поверхности нагрева, низким расходом электро-
энергии, малой удельной площадью поверхности нагрева. Однако
большая высота аппарата служит препятствием для установки его
на сахарных заводах старой постройки. Довольно трудно выпол-
няется и ремонт такого аппарата, особенно замена трубок поверх-
ности нагрева, которая связана с необходимостью снятия верхнего
зонта. Особенно перспективны такие аппараты для вновь строя-
щихся сахарных заводов.
НАКИПЕОБРАЗОВАНИЕ В ВЫПАРНЫХ АППАРАТАХ САХАРНЫХ ЗАВОДОВ
Закономерности процесса накипеобразования
В процессе нагрева, сгущения и уваривания продуктов сахар-
ного производства часть содержащихся в них минеральных и
органических веществ откладывается на поверхности нагрева в
виде накипи, ухудшающей теплопередачу и резко снижающей
59
производительность тепловой аппаратуры. Подсчитано, что только
за один сезон переработки сахарной свеклы вследствие накипе-
образования отечественные сахарные заводы перерасходуют до
100 тыс. т топлива, до 3,5 тыс. т кислоты и 7 тыс. т соды, а потеря
производственного времени достигает 1000 сут. Кроме того, за
счет снижения концентрации сиропа с выпарки удлиняется период
его уваривания в вакуум-аппаратах, что связано с дополнитель-
ным перерасходом топлива, приростом цветности, потерями са-
харозы, ухудшением качества белого сахара. Дело в том, что
коэффициент теплопередачи вследствие накипеобразования не
является постоянной величиной — для реальных условий работы
выпарной станции он непрерывно снижается во времени, причем
термическое сопротивление накипи для отдельных корпусов вы-
парки уже после 50 сут работы нередко достигает 50—60% от
общего термического сопротивления теплопередаче.
В процессе накипеобразования при снижении коэффициента
теплопередачи растет потребный температурный перепад на вы-
парном аппарате (и на выпарной станции), что приводит к сни-
жению температур кипения, а следовательно, и температуры вто-
ричных паров по ступеням. Последнее обусловливает недогрев
продуктов на заводском верстате и сопровождается неполным
(при пониженной температуре) распадом редуцирующих сахаров,
амидов на дефекации; образованием бикарбонатов на II сатура-
ции; частичной работой I ступени выпарки в качестве подогрева-
теля с менее интенсивной циркуляцией и пониженным коэффици-
ентом теплопередачи. В результате ухудшается качество сока,
сиропа и белого сахара.
Работа выпарной станции в условиях накипеобразования мо-
жет быть разделена на два периода: первый определяется ростом
общей полезной разности температур между температурой грею-
щего пара и температурой кипения сока (за счет некоторого ре-
зерва повышения потенциала греющего первую ступень пара и
величины вакуума в последней ступени). В этот период (40—
60 сут) среднее напряжение поверхности нагрева аппарата по
испаряемой воде (и) постоянно, т. е. с 1 м2 поверхности нагрева в
единицу времени испаряется одно и то же количество воды. Ког-
да производительность выпарных аппаратов и всей установки
во времени не изменяется,
п
У == const; U"j = const; №2 — const и т. д.
1
При этом режиме напряжение поверхности нагрева во всех
ступенях постоянно
их = const; w2 = const и т. д.
Этот режим желателен для производства, так как обеспечи-
вает постоянство концентрации сгущенного раствора.
Второй период наступает тогда, когда возможности повышения
общей полезной разности температур исчерпаны — эта разность
60
остается постоянной, возрастает термическое сопротивление, па-
дает напряжение поверхности нагрева и производительность вы-
парки. При этом начало второго периода связано с падением
СВ сиропа и свидетельствует о необходимости выварки выпарки.
Период работы с постоянной полезной разностью температур
(15—12 сут) связан таким образом с уменьшением производитель-
ности выпарной установки и во избежание перерасхода топлива,
ухудшения качественных показателей продуктов должен быть со-
кращен до минимума.
Количество накипи на выпарной станции в условиях работы
сахарного завода составляет 1—4 г на 1 т перерабатываемой
свеклы, причем при хорошей работе завода накипи не более 2,5 г,
или 0,0025%; при этом оно сильно зависит от качества свеклы и
воды, способа очистки, скорости циркуляции, удельного напряже-
ния поверхности нагрева и ее конфигурации, длительности рабо-
ты аппарата без очистки, физико-химических свойств кипящей
жидкости, характеристики накипи — ее теплопроводности, плот*
ности. Например, при сгущении сока выпадает 200 мг осадка на
1 кг несахаров очищенного сока II сатурации, причем 80% его
осаждается на поверхности нагрева корпусов, а 20% находится в
растворе во взвешенном состоянии — шлам. Распределение наки-
пи по ступеням выпарной станции (в % от общего количества
примесей, осаждающихся на поверхности нагрева выпарных аппа-
ратов) следующее: на поверхности нагрева I ступени до 15; II —
25—30; III — 40—50 и IV ступени выпаривания до 10.
Тепловые аппараты менее интенсивного действия в меньшей
мере чувствительны к накипеобразованню, чем аппараты интен-
сивного действия — при одном и том же нарастании толщины
слоя накипи снижение коэффициента теплопередачи в I ступени
более значительно, чем в IV сту-
пени, что видно из данных
рис. 17. Поэтому в условиях са-
харного завода выпарные аппа-
раты очищают, когда слой
накипи в I ступени достигает
0,1—0,5 мм, а в последних сту-
пенях 2—3 мм.
Для снижения количества
накипи в 1,5—2 раза в выпар-
ных аппаратах сахарных заво-
дов с естественной циркуляцией
необходимо иметь скорости цир-
куляции значительно выше тех,
которые имеются фактически
при работе аппаратов с опти-
мальным пьезометрическим уров-
нем. Это наглядно демонстри-
руется на рис. 18 — распределе-
ние толщины накипи (бнак) по
Рис. 17. Снижение коэффициен-
та теплопередачи в зависимости
оТ толщины слоя накипи в I (?)
и в IV (2) ступенях выпарной
станции.
61
длине кипятильной трубы (/тр) при различных скоростях цирку-
ляции (№0). Видно, что при сравнительно небольшом увеличении
скорости циркуляции (до 1,1 м/с) количество отлагающейся на-
кипи на поверхности нагрева уменьшается в 2 раза. Дальнейшее
повышение скорости циркуляции до 3 м/с мало сказывается на
ее количестве.
Рис 18 Распределение толщины накипи по длине кипятильной трубы при
различных скоростях циркуляции сока
Определенно установлено, что накипь по длине кипятильных
труб откладывается неравномерно — на экономайзерном нагрева-
тельном участке ее в 2—3 раза меньше, чем на испарительном
(рис. 19). Увеличение скорости циркуляции до 0,4—1 м/с возмож-
но при полном вынесении всей зоны кипения за пределы кипя-
тильных труб. При этом уровень сока в выпарном аппарате дол-
жен быть увеличен до 115—120% от длины кипятильной трубы.
В результате продолжительность стабильной работы выпарной
Рис. 19. Распределение накипи по длине кипятильной трубы при
естественной циркуляции сока.
62
станции может быть продлена по сравнению с работой при опти-
мальных условиях на 50—60%- Однако экономайзерный участок
(с меньшим количеством накипи, чем испарительный) увеличива-
ется почти в 6 раз и составляет 60—65% длины кипятильной
трубы (вместо 10—12% при работе выпарного аппарата на оп-
тимальном уровне). Для поддержания экономайзерного участка в
выпарном аппарате, равным 65—70% длины кипятильной трубы,
кроме работы при повышенном уровне необходимо соблюдать оп-
тимальные значения нагрузки поверхности нагрева иопт- В недо-
груженных корпусах при и<иОпт происходит резкое уменьшение
скорости циркуляции 1Го и, следовательно, уменьшение экономай-
зерного участка 1дк.
Следовательно, при повышенной скорости испарения за счет
усиленной циркуляции и турбулизации сокового потока умень-
шается количество накипи на поверхности теплообмена, что спо-
собствует поддержанию коэффициента теплопередачи на расчет-
ном уровне в более длительные сроки.
Темп роста термического сопротивления накипи неодинаков
для аппаратов, работающих при
различных уровнях сока. При уров-
не 90% темп роста термического
сопротивления накипи на 30—35%
меньше, чем темп роста сопротив-
ления при оптимальном уровне.
На рис. 20 показана зависимость
коэффициента теплопередачи k от
времени работы выпарного аппа-
рата на оптимальном и повышен-
ном уровнях. Видно, что при ра-
боте аппарата на оптимальном
уровне k уменьшается за 45 сут на
730 Вт/(м2-К) или на 40% больше,
чем при работе на повышенном
уровне. Однако начальные значе-
ния k ниже при повышенном уров-
не из-за уменьшения интенсивности
теплоотдачи от стенки к кипящей
жидкости на экономайзерном участке.
Таким образом, при повышении пьезометрического уровня до
90—100% и увеличении сечения опускных труб скорость циркуля-
ции в промышленном выпарном аппарате может быть увеличена
в 8—10 раз. При этих значениях скорости циркуляции величина
экономайзерного участка увеличивается в среднем в 6 раз, а от-
ложение накипи уменьшается на 30—35%. В результате продол-
жительность работы выпарного аппарата до очистки поверхности
нагрева может быть значительно увеличена.
Влияние скорости циркуляции различно для накипеобразова-
телей с отрицательным и положительным значением коэффици-
ента растворимости.
Рис 20. Зависимость коэффи-
циента теплопередачи от продол-
жительности работы выпарного
аппарата:
/ — уровень 35—40%; 2 — уровень 90%.
63
При различных температурах на выпарной установке сахар-
ного завода основные накипеобразователи имеют следующие зна-
ки коэффициента растворимости: СаС2О4 — отрицательный,
CaSiO3 — отрицательный, СаСО3 — положительный.
Накипеобразователи с отрицательным коэффициентом раство-
римости выпадают на поверхности нагрева и требуются значи-
тельные скорости циркуляции, обеспечивающие их вынос за
пределы кипятильной трубы. Накипеобразователи с положитель-
ным коэффициентом растворимости выпадают в толще жидкости,
и поэтому уже сравнительно небольшие скорости потока могут
предотвратить их пригорание к поверхности нагрева.
По современным представлениям, процесс накипеобразования
подчиняется общим законам кристаллизации из многокомпонент-
ных растворов и описывается следующим образом: на поверхно-
сти нагрева идет кристаллизация вещества с образованием на-
кипи — первичный процесс; вторичный процесс состоит в прики-
пании к поверхности нагрева образовавшегося в растворе шлама
(взвешенных веществ).
Выпадение осадков на выпарной станции является следствием
нескольких причин:
концентрация всех примесей, имеющихся в соке и растворимых
при данных условиях, увеличивается; поэтому в соке уже не мо-
жет удержаться прежнее количество некоторых, слабо раствори-
мых органических и неорганических солей кальция;
плотность раствора увеличивается, а в более концентрирован-
ных средах растворимость большинства солей значительно мень-
ше, чем в разбавленных;
температура среды уменьшается, а это обусловливает сниже-
ние растворимости большинства кальциевых солей (вследствие
сравнительно небольшого изменения температуры на выпарной
станции сахарного завода влияние этого фактора на раствори-
мость солей является второстепенным);
щелочность раствора, как правило, уменьшается, а это вызы-
вает, в частности, снижение растворимости CaSiO3, Fe2O3, А12О3;
на выпарке продолжаются реакции разложения глиоксиловой
кислоты, оксаминовой и аллантоина с образованием осадка щаве-
левокислой кальциевой соли
C0NH2 СООН
+ НОН = + NH3
СООН СООН
СООН СОО
+ СаО -> Са 4- Н2О
СООН СОО^
оксаминовая
кислота
щавелевая
кислота
нерастворимый оксалат кальция
при пересатурировании сока II сатурации в ступенях выпарки
наблюдается разложение бикарбонатов с выделением на поверх-
ности нагрева СаСО3:
Са (НСО3)2 СаСО3 + H2Q+ СО2|
<64
(осадок СаСОз выпадает на поверхности нагрева I ступени, так-
же выделяясь из пересыщенного состояния);
вследствие коррозионных процессов с образованием окислов
железа, выпадающих в виде Ре(ОН)г и FeSiOs.
В зависимости от вида и рода примесей они могут выпадать
в осадок на различных ступенях выпарки. Поэтому состав накипи
даже на одном и том же заводе в разные годы и в различные
периоды производства может резко различаться.
Основное отличие накипи из выпарных аппаратов сахарного
завода от накипи парогенераторов состоит в содержании значи-
тельного количества (до 60%) кальциевых солей органических
кислот и в первую очередь солей щавелевой кислоты.
Кроме того, накипь содержит кальциевые соли кремниевой
кислоты, карбонаты кальция и магния, полуторные окислы, не-
большое количество фосфатов и сульфатов.
' Наиболее вредны с точки зрения воздействия на теплопередачу
кальциевые соли кремниевой кислоты [наиболее низкий коэффи-
циент теплопроводности 0,3—0,8 Вт/ (м • К), наиболее плотная и
твердая накипь]. Соли кремниевой кислоты отлагаются равномер-
но по всем ступеням, а в отдельных случаях содержание их в
накипи несколько увеличивается к последней ступени.
Содержание полуторных окислов (РегОз+АЬОз), обнаружи-
вается главным образом в накипи первых ступеней (рис. 21). Рас-
творимость полуторных окислов зависит от щелочности среды и
для сахарных растворов выражается следующими величинами
(мг/л):
Щелочность сока, % СаО Растворимость окислов, мг/л
0,076 42,0
0,037 24,0
0,0 12,2
Карбонат кальция содержится также в основном в накипи
первых ступеней выпарной станции (рис. 22). Растворимость
карбоната кальция ниже, чем у других солей, составляющих на-
кипи, поэтому образующийся вследствие разложения бикарбона-
тов при кипячении в I ступени СаСО3 сразу же выпадает из рас-
твора.
Влияние концентрации сухих веществ раствора (при 17,5° С)
на растворимость СаСО3 видно из следующих данных:
Концентрация растворов, %СВ . . 0 5 10 15 30
Растворимость (в 100 г раствора) .0,002685 0,003565 0,002759 0,002355 0,000845
Влияние температуры на растворимость СаСО3 значительно.
Так, при 50°С растворимость СаСО3 — 0,0008%, а при 100°С —
0,0010%. Теплопроводность накипи карбоната кальция 0,3-?
-?6,0 Вт/(м-К) и зависит от характера осадка — аморфный
(0,3—2,0), кристаллический [2-^6,0 Вт/ (м • К) ].
Более сложные закономерности наблюдаются в содержании
щавелевокислого кальция в накипи отдельных ступеней выпарки.
3 Зак 660 65
Содержание этой соли резко увеличивается со II ступени по на-
правлению к последним ступеням, а в ряде случаев достигает
40% к общей массе накипи. При СВ сиропа 50% растворимость,
щавелевокальциевой соли близка к нулю (рис. 23), причем темпе-
ратура не оказывает заметного влияния на ее растворимость.
Рис. 21. Содержание Fe2O3+
+А12О3 в накипи ступеней вы-
парной станции по данным.
1 — М. Д. Зуева; 2 — Г. А. Авраменко;
3 — И. А. Рабиновича.
Рис. 22. Содержание СаО в на-
кипи ступеней выпарной станции
по данным:
1 — М Д. Зуева; 2— И. А. Рабиновича7,
3 — Г. А. Авраменко
Соли щавелевой кислоты, вероятно, образуются на выпарной
станции в основном при разложении амидов, распад которых
недостаточно полно был осуществлен на дефекации.
В небольшом количестве (0,05—3%) в накипях обнаружено
содержание CaSO3, CaSO4 [теплопроводность гипсовой накипи
0,6—3,0 Вт/(м-К)], причем количество этих солей уменьшается по-
направлению к последним ступеням выпарки. Это закономерно,
так как основным фактором, определяющим выпадение этих со-
лей в виде накипи, является концентрация сахарного раствора.
Так, при увеличении концентрации сухих веществ в сахарном
растворе от 10 до 55% (при температуре процесса, например,.
80° С) растворимость CaSO4 уменьшается практически в 5 раз.
В настоящее время при исследовании изменения термического-
сопротивления накипи /?вак в зависимости от длительности работы
выпарного аппарата т (в сут) получены данные по термическому
и массовому коэффициентам накипеобразовання, причем
^нак г бгак
ф =—-------•—О =-------------, (14>
dx q иг
где ф — термический коэффициент иакипеобразования, зависящий в ос-
новном от концентрации сухих веществ раствора (рис. 24) и от
содержания в соке солей кальция;
г — скрытая удельная теплота парообразования, Дж/кг;
q — удельная тепловая нагрузка аппарата, Вт/м2;
<т — массовый коэффициент накипеобразовання, кг накипи на 1 кг
выпариваемой воды;
бЕак — масса накипи, кг.
66
Термический коэффициент накипеобразования, как видно, яв-
ляется функцией прироста термического сопротивления накипи в
единицу времени, отнесенного к 1 кг воды, испаренной с 1 м2 по-
верхности нагрева.
Рис. 23. Растворимость щавеле-
вокальциевой соли в зависимости
от концентрации сухих веществ
сиропа.
Рис. 24. Значения термиче-
ского коэффициента накипе-
образования для сахарных
растворов в зависимости от
концентрации сухих веществ.
Предполагая, что количество отлагающейся накипи на по-
верхности нагрева выпарного аппарата пропорционально количе-
ству выпариваемой воды, можно записать
1
7?нак = 'Ф f «4т.
О
(15)
Интегрируя данное уравнение в пределах периода устойчивой
работы выпарки тСуТ, когда концентрация сгущенного сахарного
раствора (сиропа) практически не изменяется и величина и—
= const, получим зависимость термического сопротивления накипи
для любого периода между выварками выпарки 7?нак=ф«т.
Аппроксимация зависимости ф от СВ раствора, представленной
на рис. 24, позволяет определить термический коэффициент на-
кипеобразования по уравнению
ф = 4,52- 10-!2СВ3'275. (16)
С учетом изменения в зависимости от общей длительности
производства рекомендованы наиболее целесообразные значения
периода работы выпарной станции до выварки — 70—75 сут при
длительности производства 130—150 сут и 85—90 сут при дли-
тельности до 100 сут. При проверочном расчете выпарной станции
определяется продолжительность (то) ее работы (в сут) до вы-
варки каждой ступени
Ri
То = ’
(17)
3* 67
где Rnp — предельное значение термического сопротивления теплопере-
даче, м2-К/Вт;
Rt — термическое сопротивление при чистой поверхности па'рева кор-
пуса, м2-К/Вт;
ipgr-1 — ежесуточный прирост термического сопротивления накипи.
При осуществлении тепловых процессов важным свойством
накипи является ее теплопроводность. Установлено, что она, как
и структура накипи, характеризуется плотностью. Плотность ко-
тельной накипи составляет 2—2,9, а для накипи выпарных аппа-
ратов сахарных заводов — в среднем 2,2 кг/м3. Считается, что
самый низкий • коэффициент теплопроводности имеет накипь с
маслом и накипь силикатная — 0,1—0,5, наибольшую накипь
из кристаллического карбоната кальция — 2—5,0 Вт/(м-К), при-
чем чем меньше плотность накипи, тем меньше и ее коэффициент
теплопроводности, т. е. аморфные отложения накипи с точки зре-
ния воздействия на теплопередачу опаснее кристаллических. Так,
компактная гипсовая накипь имеет теплопроводность 1,5—2, а
пористая — не выше 0,5—0,8 Вт/(м-К).
Методы предупреждения выпадения накипеобразователей
Очистка диффузионного сока. Совершенно устранить образо-
вание накипи в тепловой аппаратуре сахарного завода при ис-
пользовании только известково-газовой очистки сока нельзя. Од-
нако при строгом соблюдении нормального технологического и
теплотехнического режимов можно в значительной степени умень-
шить количество накипеобразователей в соках, снизив этим и
количество накипи в тепловой аппаратуре. Лучшим средством по-
этому для своевременного (до выпарки) выделения накипеобра-
зователей до сих пор остается тщательное проведение процессов
очистки диффузионного сока. С этой точки зрения заслуживает
внимания такой эффективный способ очистки, как отделение пред-
дефекованного и предсатурационного осадков. В этом случае
устраняется блокировка коллоидами и высокомолекулярными
соединениями частиц карбоната на I сатурации, что увеличивает
его активную поверхность и повышает адсорбционную способ-
ность. В результате на 1—1,5 ед. повышается чистота очищенного
сока, что свидетельствует и о меньшем содержании в соках наки-
пеобразователей.
Однако и при работе по типовой схеме очистки сока имеется
реальная возможность снизить до минимума концентрацию в соке
кальциевых и магниевых накипеобразователей.
Повышенная щелочность на I сатурации. Внедрение в про-
мышленность таких приемов работы, как прогрессивная предва-
рительная дефекация, возврат сока I сатурации на преддефека-
цию позволяет ослабить интенсивность накипеобразования в вы-
парных аппаратах сахарных заводов. При переходе на работу с
повышенной щелочностью на I сатурации (0,11—0,12% СаО
68
вместо фактической на заводах 0,08—0,09%) из известняка, осо-
бенно с повышенным содержанием карбоната магния, прекраща-
ется выпадение не только магния, но и других накипеобразовате-
лей, что позволяет заводам работать без выварки в течение
100 сут и более. Благодаря удалению из сока магния появляется
возможность работать на известковом молоке из доломитистого
известняка; при этом осаждаются даже все слаборастворимые
соли кальция. Анионы, не дающие слаборастворимых соединений
с кальцием, и сам по себе ион кальция (например, молочно-каль-
циевая соль) не вызывают накипеобразования.
Повышенная щелочность при сатурации полезна не только с
точки зрения снижения накипеобразовательной способности сока,
но и повышения адсорбционной способности СаСО3 на II сатура-
ции, что способствует большему эффекту очистки сока *.
Поддержание оптимальной щелочности сока II сатурации.
Основное влияние в процессе очистки соков на содержание в них
накипеобразователей оказывает щелочность сока II сатурации,
причем оптимальная щелочность этого сока соответствует мини-
мальному содержанию в нем кальциевых солей. При несоблюде-
нии оптимальной щелочности наблюдается их повышенное со-
держание в очищенном соке и, кроме того, в процессе дальнейшей
сульфитации образуется CaSO3, растворимость которого в 10 раз
выше, чем карбоната кальция — при повышении концентрации
сока CaSO3 отлагается на поверхности нагрева первых ступеней
выпарной станции.
Чтобы избежать образования бикарбонатов на II сатурации,
по типовому технологическому режиму рекомендуется поддержи-
вать на II сатурации высокую (до 102° С) температуру в сатура-
ционном котле. Но постоянно поддерживать в котле такую тем-
пературу, учитывая быстрое загорание подогревателей и охлаж-
дение сока в котле при 10-минутном процессе сатурационным
газом (температура 30—35° С), практически невозможно. Более
целесообразным является проведение процесса II сатурации при
пониженной температуре, но с систематическим текущим опреде-
лением оптимальной щелочности сока II сатурации по упрощен-
ному методу П. М. Силина (пересатурирование на холоду с по-
следующим разложением бикарбонатов). При этом с помощью
приборов автоматического регулирования и контроля устанавли-
вается также и оптимальное значение pH сока.
Есть предложения осуществлять контроль работы II сатурации
по изменению электропроводности сока, так как оказалось, что
минимальной электропроводности сока соответствует снижение
концентрации ионов кальция до минимального значения. На этом
основании авторами разработана функциональная схема оптими-
зации процесса II сатурации с применением датчика электропро-
водности.
* При работе с известью с высоким содержанием магния добавление извест-
кового молока на II сатурацию нецелесообразно.
69
Количество накипи в виде кальциевого карбоната и сульфата
на поверхности нагрева ступеней выпарной станции можно умень-
шить, если проводить самую тщательную фильтрацию сока после
II сатурации. На большинстве сахарных заводов в настоящее вре-
мя сок II сатурации отфильтровывают на дисковых фильтрах без
использования наполнителей (кизельгура, перлита). Последую-
щая контрольная фильтрация такого сока обычно не проводится,
несмотря на то что в нем содержится некоторое количество кар-
боната кальция, проскочившее через тканевую фильтрующую
перегородку при включении фильтра в работу. В результате оса-
док СаСОз поступает на сульфитацию, что обусловливает образо-
вание CaSO3. Смесь этих двух осадков направляется далее на
выпарку и при концентрировании сока отлагается на поверхности
нагрева. С этой точки зрения заводы, не использующие при филь-
тровании сока II сатурации предварительно намытый фильтрую-
щий слой наполнителя, должны проводить контрольную фильтра-
цию сока II сатурации на фильтрах при небольшом давлении.
Добавление к очищенному соку кальцинированной соды и три-
натрийфосфата. Для уменьшения содержания кальциевых солей
в соке II сатурации рекомендуется добавлять к соку соду. При
этом надо иметь в виду, что вводимый с содой натрий является
основным патокообразователем и что добавление соды часто при-
водит к еще большему накипеобразованию. Дело в том, что при
малом количестве прибавленной соды получается лишь более пе-
ресыщенный раствор СаСОз, из которого карбонат кальция в
большом количестве выпадает на выпарке. Поэтому приходится
вводить в сок соду в значительном избытке, что связано с увели-
чением расхода ее и повышенным выходом мелассы. Гораздо бы-
стрее и полнее выпадает Са3(РО4)2 при добавлении к соку
Na3PO4. Тринатрийфосфат можно добавлять также и на выпарку,
так как осадок Са3(РО4)2 практически не пристает к поверхности
нагрева и не образует накипи.
Вероятно, положительное влияние тринатрийфосфата на сни-
жение интенсивности накипеобразовання можно объяснить реак-
цией разрушения кальциевых солей карбаминовых кислот, кото-
рые образуются в процессе II сатурации при повышенном содер-
жании в соках аминокислот.
Умягчение сока II сатурации. Почти полное удаление из сока
основных накипеобразователей — кальциевых солей — достигается
умягчением сока катионитом в натриевом цикле. При этом соли
кальция заменяются солями натрия практически без изменения
pH сока. При умягчении сока перед выпаркой, например, катио-
нитом КУ-2 отпадает необходимость в выварке выпарки в течение
производственного цикла, увеличивается коэффициент теплопере-
дачи, улучшается работа продуктового отделения — исключаются
случаи «трудных» варок, выпадение накипи на поверхности на-
грева вакуум-аппаратов.
В Венгрии разработан оригинальный способ регенерации ка-
тионита, умягчающего сок II сатурации, с -помощью умягченного
70
сиропа после выпарки. Концентрация солей калия в сиропе до-
статочна для замены в соке кальция.
В Польше нашел применение способ удаления ионов кальция
из сока II сатурации с помощью NH3 и кальцинированной соды.
Нефильтрованный сок вначале обрабатывают небольшим количе-
ством NH3 с одновременной добавкой карбоната аммония. Каль-
ций из сока выпадает в виде СаСО3. Для поддержания требуемой
щелочности вводят соду (100 кг на 240 м3 сока). Эффект декаль-
цинации составляет в среднем 82—84%.
Стоимость умягчения можно значительно снизить, если сок
предварительно перед катионированием прокипятить, разложив
бикарбонаты и снизив пересыщение СаСО3 в растворе, а затем
отфильтровать выпавший осадок СаСО3.
При этом на долю катионита будет оставаться только Са, кото-
рый не был удален более простым и экономичным способом —
кипячением.
Умягчение сока II сатурации проводят с целью удалить каль-
ций и магний в таком количестве, чтобы оставшаяся часть этих
солей не способствовала выпадению накипи на поверхности нагре-
ва выпарной установки. Следовательно, на ионитной установке
можно умягчить только определенную, заранее установленную
часть сока, (например, 50%), которую затем следует смешивать
с неумягченным соком. Это обусловливает снижение расхода ре-
генерирующих веществ и количества катионита, примерно в таком
соотношении, как и часть умягченного сока к общему количеству
неумягченного.
Другой способ снижения затрат на умягчение — периодическое
умягчение всего сока II сатурации. Умягченный сок растворяет
образующуюся накипь, причем лучше в первых ступенях выпар-
ной установки.
Процесс умягчения сока перед выпаркой практически не влия-
ет на количество сахара в мелассе, и стоимость умягчения оку-
пается хорошей работой выпарной станции и связанной с этим
экономией топлива. Кроме того, ионитная обработка сока делает
производственный процесс более гибким, позволяет обеспечить
нормальную работу тепловой аппаратуры даже при переработке
свеклы пониженного качества с повышенным количеством накипе-
образователей.
Умягчение сока перед выпаркой катионитом экономически
целесообразно при содержании в нем солей кальция не более
0,025% к массе свеклы. Повышенное содержание в соке основных
накипеобразователей (сверх 0,025%) обусловливает увеличенный
расход NaCl на регенерацию и снижение производительности
ионитных реакторов. При этом экономически более эффективно
осуществлять выварку выпарных аппаратов «на ходу».
Повышение скорости циркуляции сока. Один из способов
уменьшения количества отлагающейся накипи в ступенях выпар-
ной станции — повышение скорости циркуляции. При сравнитель-
но небольшом увеличении ее растет экономайзерный участок ки-
71
пятильных труб, а зона кипения переносится в верхнюю их часть
или выносится за пределы. С ростом скорости циркуляции умень-
шается длина участка интенсивного кипения сока и сокращается
зона интенсивного отложения накипи. Когда скорость циркуляции
достигает величины, при которой зона кипения выносится за пре-
делы кипятильных труб, характер накипеобразования на поверх-
ности нагрева соответствует характеру отложения накипи на эко-
с
Электромагниты
Рис 25. Принцип действия и схема подключе
ння аппарата для электромагнитной обработки
очищенного сока перед выпарной стан
цией СЕПИ
а — подключение СЕПИ, б—аппарат СЕПИ
Сок оВроВотанныи
номайзерном участке при оптимальной скорости циркуляции.
В выпарных аппаратах сахарных заводов достижение скоростей
циркуляции, обеспечивающих вынесение зоны кипения за пределы
кипятильных труб, возможно при использовании принудительной
циркуляции сока (с помощью насоса), а также при увеличении
уровня кипящей жидкости сверх оптимального.
Электромагнитная обработка сока перед выпаркой. В послед-
нее время на ряде сахарных заводов с целью снижения накипе-
образования испытана электромагнитная обработка соков в аппа-
ратах СЕПИ (рис. 25). При этом сок со скоростью 1,8—2 м/с
пропускается в вертикальном направлении через магнитное поле
(частота от 5 до 20 Гц). В результате такой обработки (в течение
0,4—0,5 с) молекулы жидкости и растворенных в ней солей ориен-
72
тируют свои магнитные моменты вдоль силовых линий поля и
приобретают электрофизические свойства, благодаря которым
сопи кальция, магния, кремния не образуют сцементированных
между собой кристаллов, а осаждаются в виде мелкого шлама,
который увлекается постоянным потоком жидкости. Молекулы
жидкости, пропущенной через СЕПИ, соприкасаясь с ранее обра-
зовавшейся накипью, отдают часть своего электрического заряда
кристаллам этой накипц, освобождая кристаллизационную воду и
разрушая кристаллические решетки. При этом накипь превраща-
ется в безвредный, легко удаляемый шлам и отпадает необходи-
мость в выварке выпарки с применением кислоты и соды.
Обработка сока в аппарате СЕПИ предотвращает и образова-
ние коррозии, вызываемой гальваническими и электролитическими
токами.
Двойная электромагнитная обработка сока перед выпаркой и
сиропа после III ступени позволяет вывести в виде шлама до
30% солей кальция от общего количества их, осаждающихся в
виде накипи, что в конечном итоге улучшает теплопередачу, по-
вышает производительность теплового оборудования, сокращает
расход топлива.
Ультразвуковая обработка сока. В качестве одного из эффек-
тивных средств борьбы с образованием накипи в теплообменной
аппаратуре следует считать ультразвук. Его действие сводится к
непрерывному нарушению процесса спокойной кристаллизации
солей накипи, особенно в месте осаждения кристаллов на поверх-
ность нагрева. В ультразвуковой волне, проходящей в жидкости,
возникает попеременное давление сжатия и растяжения. Встречая
препятствие в виде растущих кристаллов или слоя накипи, звуко-
вые волны отдают им часть своей энергии. Под воздействием
ультразвукового поля отдельные растущие кристаллы накипи и
ее слой будут колебаться в такт звуковым волнам. Разрушение
накипи интенсифицируется при возникновении резонанса, т. е. при
совпадении частот колебаний частиц и ультразвуковых. Помимо
этого, благодаря возникающему в звуковой волне разрежению
образуются пузырьки газа (явление кавитации). Мелкие кавита-
ционные пузырьки объединяются в более крупные и беспрерывно
пульсируют в такт колебаниям среды, поднимаясь к поверхности.
При их сжатии возникают большие местные давления и электро-
разряды. Когда эти пузырьки достигают некоторой высоты, на-
ступают их резонансные колебания. Все это вызывает дополни-
тельные механические разрушения накипи, а также интенсивное
перемешивание раствора.
В результате воздействия ультразвука наблюдается либо пре-
кращение образования накипи (за счет нарушения условий ее
кристаллизации), либо разрыхление и отслаивание ранее образо-
вавшейся накипи в зависимости от местных условий.
Испытание ультразвуковых установок типа АУР для предот-
вращения накипеобразовання показало, что, если ранее, до ис-
пользования ультразвука, подогреватели сока перед II сатурацией
73
подвергались очистке 2—3 раза в сезон, то при использовании
АУР ни разу. Аналогично и у подогревателей барометрической
воды, не очищали поверхности нагрева ПО сут (вместо 50—60 сут
без ультразвуковой обработки). Благодаря ультразвуковой обра-
ботке сока в выпарном аппарате стабильная его работа до вы-
варки может быть увеличена на 80%. При воздействии на сок в
выпарном аппарате акустических колебаний частотой от 500 до
3000 Гц коэффициент теплопередачи за счет снижения интенсив-
ности накипеобразования увеличивается в 1,3—1,5 раза.
Улучшение качества известнякового камня и воды для диффу-
зии. Немаловажное значение в процессах накипеобразования при-
надлежит качеству известнякового камня. Получаемая из него
при обжиге известь в виде известкового молока вводится непо-
средственно в сок на дефекации и на II сатурации. Примеси из-
вести, такие, как SiO2, MgO, AI2O34-Fe2O3, CaSO4 являются
составляющими накипи тепловой аппаратуры. Поэтому некачест-
венный камень, не соответствующий требованиям ГОСТов в от-
ношении содержания вредных с точки зрения накипеобразования
примесей, не должен использоваться в процессах очистки на са-
харных заводах. В групповых или заводских лабораториях дол-
жен проводиться систематический тщательный анализ известня-
кового камня, чтобы сахарный завод в любой момент производ-
ства имел сведения — с каким качеством извести ему придется
работать, и уже в соответствий с этим видоизменять или допол-
нять технологический режим, чтобы уменьшить накипеобразова-
ние в теплообменной аппаратуре. При работе известняково-обжи-
гательных печей на твердом топливе следует также уделять вни-
мание качественному его составу, потому что примеси топлива
при обжиге могут переходить в известь и попадать в сок с извест-
ковым молоком, отлагаясь впоследствии в виде накипи на по-
верхности нагрева аппаратов.
Не всегда учитывают влияние на процесс накипеобразования
состава барометрической воды, используемой на диффузии. В на-
стоящее время установлено, что с такой водой в очищенный сок
вводится определенное количество примесей в виде солей магния,
сульфатов, сульфитов, хлоридов и силикатов, образующих накипь
в подогревателях и в выпарных аппаратах. О наличии этих сое-
динений, а также целого ряда других накипеобразователей в
воде свидетельствует, как правило, быстрое отложение накипи на
поверхности нагрева подогревателя барометрической воды. Такую
воду нельзя подавать в диффузионные аппараты, ее необходимо
предварительно обработать катионитом (до pH 6,0—6,2) или под-
кислить. Подкисление воды менее рационально, так как не исклю-
чает возможности образования в процессе обработки ее сернистой
кислотой сульфитов Са и Mg с последующим их окислением до
сульфатов, в значительной степени растворимых в соках.
Влияние солей, содержащихся в воде, поступающей на диффу-
зию, настолько велико, что теряются те преимущества, которые
имеет свекла с меньшим содержанием золы.' Примерно 30% солей,
74
содержащихся в воде, переходит в диффузионный сок, отлагаясь
в дальнейшем в тепловой аппаратуре в виде накипи. Использова-
ние на диффузии деминерализованной воды повышает чистоту
сиропа на 1,8 ед. по сравнению с обычной речной водой, снижая
таким образом содержание в соках накипеобразователей. Поэто-
му необходимо проводить анализ воды с тем, чтобы определить ее
временную и постоянную жесткость, содержание Са и Mg, а так-
же анионов, особенно сульфат ионов. Это позволит предваритель-
но оценить интенсивность накипеобразования в тепловых аппа-
ратах сахарного завода.
Очистка поверхности нагрева выпарных аппаратов от накипи
О степени отложения накипи на поверхности нагрева тепловой
аппаратуры в заводских условиях судят обычно по изменению
температурного режима выпарной станции, ухудшению ее тепло-
технических показателей и резкому снижению производитель-
ности по выпариваемой воде. Поэтому поверхность нагрева вы-
парки 1—2 раза в сезон очищают от накипи.
Наиболее распространены химические способы удаления наки-
пи, несколько уступающие механическим по качеству, но более
экономичные и менее трудоемкие.
Наибольшее распространение получил с о д о в о-к ислотный
способ, заключающийся в последовательном кипячении в аппа-
ратах кальцинированной (или каустической) соды и соляной кис-
лоты. Под действием содовых растворов вначале идет превраще-
ние плохо растворимых солей кальция в легкорастворимые в НС1
карбонаты:
CaSO4 + Na2CO3 = СаСО3 + Na2SO4;
CaSOs + + NaaCO3 = CaCO3 + NaaSOs;
CaC2O4 + NaaCOs = CaCO3 + Na2C2O4.
Следующая после этого выварка с НС1 удаляет и карбонат
СаСО3 + 2НС1 = СаС12 + Н2О + CO2f.
Оптимальным вариантом очистки поверхности нагрева выпарных
аппаратов является кипячение в них раствора соды в течение
10—12 ч и кислоты 3—4 ч.
Рекомендуемые концентрации растворов соды и кислоты сле-
дующие:
Ступень выпарки
I
II
III
IV
Концентратор
Раствор соды, %
2
2,5
3,0
3,5
4,0
Раствор НО, %
0,8
1,0
1,5
1,8
2,0
К недостаткам содово-кислотного способа очистки выпарных
аппаратов от накипи относятся: длительный простой технологи-
75
ческого оборудования, значительные потери металла вследствие
коррозионного разрушения, большой расход соды (до 2,5 кг на
1 м2 поверхности нагрева).
При наличии в накипи более 50% солей СаСОз и MgCO3
предварительная содовая обработка нецелесообразна В этом
случае накипь следует обрабатывать ингибированным раствором
НС1 повышенной концентрации.
Особо следует отметить длительность простоя технологического
оборудования завода в связи с вываркой выпарки, составляющей
за производственный сезон не менее 4—5 сут. Потери от
простоя даже без учета возникающих при этом дополнительных
потерь сахарозы могут быть оценены для завода с производитель-
ностью 2 тыс. т перерабатываемой свеклы в сутки около
100 тыс. руб. Поэтому оправданы даже значительные капитальные
вложения на дополнительные устройства, обеспечивающие по-
стоянное поддержание выпарки в состоянии максимальной про-
изводительности без остановки ее для снятия накипи.
Для оценки экономической целесообразности применения та-
ких устройств имеется формула
(Сприс) Е
где Зк — капитальные вложения на установку резервного оборудова-
ния, руб.;
Спр — стоимость одних суток простоя завода, руб.;
ис — количество суток простоя;
Эв — эксплуатационные затраты на содержание резервного обору-
дования, руб.;
Е — нормативный коэффициент экономической эффективности капи-
тальных вложений.
Вот почему в настоящее время снятие накипи с выпарки по
содово-кислотному способу на большинстве заводов осущест-
вляется без остановки завода, для чего при каждой ступени
выпарки имеются обходные соковые коммуникации и дополни-
тельные коммуникации для подачи содового и кислотного рас-
творов. Корпус, в котором должны снимать накипь, выключается
лишь из соковой схемы выпарки, но работает по вторичному
пару. Выпарка, таким образом, работает, хотя и при меньшей
производительности. Для повышения ее производительности в
этот период рекомендуется выключать вывариваемый корпус и
из паровой схемы. При этом, хотя и уменьшается суммарная
поверхность нагрева корпусов, но зато возрастает полезный пере-
пад температуры, и поэтому количество выпариваемой воды из-
меняется мало.
Щелочной и фосфатный способы предусматривают
использование растворов кальцинированной соды и смеси ее с
каустической или тринатрийфосфатом. При этом органические
вещества накипи выщелачиваются, а плотная сульфатная и си-
ликатная накипи разрыхляются. Щелочные способы рекоменду-
ются для предварительной обработки накипи в целях разрыхле-
ния ее перед последующей кислотной или механической очисткой.
76
Коллоидно-химический способ удаления накипи
заключается в обработке ее водными растворами органических
веществ. Для этой цели можно использовать и кислую жомо-
прессовую воду. При температуре 40—50° С и времени выдержки
воды в теплообменнике 12—15 сут накипь полностью раство-
ряется. Недостаток способа — длительность процесса.
При кислотном способе накипь снимают растворами
кислот НС1 или H2SO4. Накипь, образующаяся на поверхности
выпарных аппаратов, состоит из карбонатных отложений и хо-
рошо растворяется в 1—2%-ных растворах НС1 с образованием
хлоридов Са и Mg (очистка при 70—100°С в течение 4—5 ч).
Однако при этом резко увеличивается скорость коррозии и тре-
буется использование ингибиторов.
По механизму действия ингибиторы делятся на две группы:
к первой относятся соединения, действия которых направлены
на связывание коррозионноактивных веществ; ко второй — соеди-
нения, изменяющие состояние поверхности металла. Все они
тормозят анодные и катодные процессы и образуют адсорбцион-
ную или фазовую защитную пленку. Из большого числа этих
соединений в сахарной промышленности нашли применение БА-6,
БА-12, ПБ-5, И-1-А и др.
Бессодовый способ предусматривает использование кис-
лотных растворов повышенной концентрации (до 10%) с приме-
нением ингибиторных добавок типа ПБ-5. Преимущества этого
способа — значительное сокращение длительности выварки, малое
коррозионное разрушение аппаратов, отсутствие расхода соды.
Концентрация раствора НС1 по ступеням указана в табл. 10.
Таблица 10
Материал трубок выпарного аппарата Концентрация раствора НС1 (в %) по ступеням вы- парной станции
I II Ш IV V
Ст. 10, Ст. 20 3 5 6 8 8
К18Н10Т, Латунь Л-62 3—5 4—6 6—8 8—10 8—10
Концентрация ингибитора составляет при этом 0,5—1,0% к
массе раствора HCL
В последнее время установлено, что добавка бифтористого
аммония из расчета 20—40 г на 1м2 поверхности нагрева зна-
чительно ускоряет удаление накипи, особенно из аппаратов
последних ступеней выпарки с высоким содержанием кремние-
вой кислоты. Эта соль в кислом растворе (pH 2—3,5) взаимо-
действует с кремниевой кислотой с образованием тетрафторида
кремния, который в водном растворе превращается в легкорас-
творимую соль кремнефтористой кислоты. Обработку выпарных
77
аппаратов кислотой в сочетании с фторидами целесообразно про-
водить через 3—4 вываривания, что значительно ул/чшает вос-
становление теплопередачи ступеней выпарной станции.
Заслуживает внимания и способ очистки поверхности нагрева
теплообменных устройств, предложенный С. М. Константиновым.
При удалении накипи рекомендуется периодически прекращать
подачу теплоносителя и после выдержки, не доводя до полного
охлаждения аппарата, резко включать подачу теплоносителя, ре-
гулируя расход его так, чтобы происходило быстрое вскипание и
интенсивное парообразование под слоем накипи.
ВЫПАРНАЯ СТАНЦИЯ КАК ОБЪЕКТ РЕГУЛИРОВАНИЯ
Поскольку тепловые процессы на всех стадиях непрерывной
технологической схемы сахарного завода тесно связаны между
собой и составляют единую систему, нормальное функциониро-
вание выпарной станции обусловливается не только ее состоя-
нием в целом, но и каждого звена в отдельности.
Существующая методика расчета теплосилового хозяйства са-
харного завода не учитывает ряда факторов, возникающих в про-
изводственных условиях. К их числу относится отклонение режима
работы теплосилового хозяйства завода от того, который был
положен в основу расчетов. При эксплуатации наблюдается пре-
вышение количества откачиваемого диффузионного сока по срав-
нению с расчетным; разбавление соков промоями; поступление в.
вакуум-аппараты жидких сиропов; использование водных подка-
чек при уваривании в вакуум-аппаратах; нарушение схемы ува-
ривания оттеков, отклонение их количества, доброкачественности
от среднерасчетных величин. Некоторые из этих отклонений при-
обретают значение постоянно действующих факторов.
Рациональная система автоматического регулирования много-
ступенчатой выпарной станции должна компенсировать неблаго-
приятное воздействие перечисленных факторов на показатели
работы выпарной установки и непрерывно поддерживать устой-
чивый режим ее работы.
Основные требования, предъявляемые к работе при автомати-
зации выпарной установки — длительное поддержание заданной
конечной концентрации сиропа, устойчивое снабжение вторичными
парами технологических потребителей, минимально возможный
расход пара.
Схема автоматического регулирования выпарной станции
ВНИИСПа (рис. 26), получившая наибольшее распространение на
сахарных заводах, предусматривает регулирование температуры
сока, поступающего на выпарную станцию; подачу пара и ам-
миачной воды; поддержание оптимальных уровней сока в аппа-
ратах; разрежения в концентраторе; регулирование концентрации
сиропа и сокового потока; контроль расхода конденсата.
Подача аммиачной воды начинается автоматически, как только-
увеличится против заданного значения разность давления между
78
ОтроОотонныи паб
турбогенератора
)1оловноб
ваоа _________
сирт
'—2
2C19
16
2221,
18
25262728 2530
23 25 252627 28 233031
2523
1320 2122
концент-
ратор
T№llK
Пиропа
123 15 55 6137 9101112 16 8 150 18
123 5 567 8 910111213 15 15
„ Блок „
Й инвертирова-
ния сигнала
блок селен-
ЕЗтировотш,
швольшого леев-
мосигнола
тд/териоЗииес-
gy кое звено
Рис. 26. Функциональная схема автоматического регулирования выпарной установки.
греющим и вторичным паром I ступени, например при оголении
поверхности нагрева давление греющего пара резко возрастает,
а вторичного пара падает. Регулирование концентрйции сиропа
основано на использовании концентратора в качестве активной
ступени. В схеме предусмотрен контроль расхода конденсата из
ступеней выпарки. Для этого на конденсатных трубопроводах
установлены расходомеры конденсата конструкции ВНИИСПа со
щелевыми диафрагмами пропорционального с/ива, снабженные
водомерными стеклами и штуцерами для подключения дифмано-
метров.
Научно-производственным объединением «Сахар» и опытным
заводом «Сахавтомат» разработана автоматическая система управ-
ления работой выпарной установки с использованием пароструй-
ных компрессоров, которая по сравнению с существующими систе-
мами управления позволяет снизить расход пара, стабилизировать
концентрацию сиропа, улучшить его технологические качества.
Данная система автоматизации выпарной установки включает:
регулирование тепловой производительности I ступени выпар-
ной установки путем автоматического изменения количества грею-
щего пара, поступающего в надсоковое пространство, в зави-
симости от количества сока и выпариваемой воды;
стабилизацию давления и температуры греющего пара в кол-
лекторе с помощью автоматического управления работой редук-
ционно-охладительной и охладительной установок (осуществляется
в ТЭЦ);
стабилизацию давления в надсоковом пространстве I ступени
выпарной установки путем автоматического регулирования общего
количества пара, поступающего в греющую камеру и в надсо-
ковое пространство;
стабилизацию разрежения в концентраторе путем изменения
количества пара, направляемого в конденсатор из концентратора;
регулирование поступления сока на выпарную установку с
помощью каскадной системы (по уровню сока в сборнике перед
выпарной установкой — при нормальном и низком его уровне в
I ступени и по уровню в I ступени — при высоком уровне);
регулирование сокового потока на выпарной установке с воз-
действием на сток и приток сока в аппараты;
регулирование подачи аммиачной воды на установку при недо-
статочном поступлении сока (по разности давлений греющего и
сокового пара в I ступени с учетом величины его тепловой про-
изводительности) ;
регулирование концентрации сиропа двумя способами: изме-
нением степени активной работы концентратора при недостаточной
концентрации сиропа и разжижением сиропа повышенной кон-
центрации сульфитированным соком;
автоматическое управление работой пароструйных компрессо-
ров по давлению пара в коллекторе перед выпарной установкой
и Охлаждением сжатого пара по его температуре.
В результате внедрения этой автоматической системы сни-
80
жается расход пара на 3,8% к массе свеклы и повышается кон-
центрация 'спропа на 8,3%.
Опытны^ заводом «Сахавтомат» с учетом разработок
ВНИИСПа й, НПО «Пищепромавтоматика» изготовляется система
автоматизации, выпарной установки ПВС-2. Она предназначена
для стабилизации теплового режима I ступени выпарной уста-
новки, регулирования уровней продукта в ней, контроля и сигна-
лизации основных технологических параметров.
Глава III. ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ ВЫПАРНОЙ
СТАНЦИИ САХАРНОГО ЗАВОДА
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ВЫПАРНОГО АППАРАТА
Под тепловым балансом теплоиспользующего аппарата под-
разумевается равенство уходящего от него и приходящего к нему
тепла. Для выпарного аппарата характерны следующие статьи
прихода и расхода тепла.
Приход тепла, Дж:
с паром, обогревающим I ступень, £)грггр;
с раствором, поступающим в I ступень, Sccctc.
Общий приход тепла
Qnp = б*грЧ'р +
Расход тепла, Дж:
с вторичным паром I ступени II ступени E2i2- « ступени Enin~
Итого расход тепла с вторичным паром
<2в.П = ^1*1 4" ^2*2 4“ • • • 4“ь^Л*Л« '
с конденсатом I ступени £>1й; II ступени D2t2- «-ступени Dntn.
Итого расход тепла с конденсатом
Сконд — 4- ®2^2 4- • • • 4-
со сгущенным раствором
Qp = [ScQ/c -(^14-^+. . . + ТГл.,)] /с;
потери тепла в окружающую среду Qn.
Уравнение теплового баланса выпарного аппарата имеет вид
<2пр = Св.п 4- Оконд 4- Qp 4- Qn>
а общий к. п. д. выпарного аппарата равен
11 ~ <2пр
Принятые обозначения:
Огр, A, Dz, Dn —количество соответственно греющего пара и конден-
сата по ступеням, %;
So — количество сока перед выпарной станцией, %;
Со —удельная теплоемкость сока, Дж/(кг-К);
tc — температура сока, °C;
81
irp, i’i,- 4, .... in ~ удельная энтальпия греющего и вторичного паров по
ступеням, Дж/кг;
Ei, Ег, .... Еп — расход вторичного пара по ступеням, %;
W'i, W2, Wn—количество испаренной воды в корпусе, %.’
Для увеличения к. п. д. выпарного аппарата необходима
прежде всего правильная, четкая работа конденсатоотводчикоВ,
исключающая проскок пара через аппарат. Немаловажным яв-
ляется также соблюдение нормального режима работы аппарата.
Не следует допускать превышения расчетного количества про-
.дукта, разжижения его, необходимо стремиться снижать по воз-
можности потери тепла при переходе продукта из предыдущих
‘станций и особенно при широком использовании вторичных энер-
гетических ресурсов (тепла конденсатов, утфельных паров). Сни-
.жения потерь тепла в окружающую среду QB можно достигнуть
да счет более качественной теплоизоляции аппаратов и трубопро-
водов.
-МЕТОД И ПОРЯДОК РАСЧЕТА ВЫПАРНОЙ СТАНЦИИ
Общим методом расчета многоступенчатой выпарной установки
.сахарного завода является метод, предложенный И. А. Тищенко.
Метод учитывает испарение и самоиспарение раствора в ступенях
:выпарки, отличается надежностью и математической строгостью.
Юднако следует отметить, что в расчетах не учтены потери тепла
в окружающую среду, хотя они и в значительной степени ком-
пенсируются, например, использованием тепла еамоиспарения кон-
денсатов. В уточненной методике Г. Н. Костенко по расчету
выпарной станции сахарного завода методом последовательного
приближения учтен и этот фактор.
- Метод Г. Н. «Костенко основывается на допущении, что тепло-
емкость раствора рассчитывается по правилу аддитивности рас-
творенного вещества в растворителе, теплота растворенйя веще-
ства в растворителе равна нулю. Эти допущения почти не сказы-
ваются на точности расчетов выпарной станции.
Для выполнения уточненного расчета выпарной станции са-
харного завода методом последовательного приближения необхо-
димо:
построить схему движения продуктов с указанием всех потре-
-бнтелей тепла, количества и пределов нагрева продуктбв;
предварительно установить температурный режим и распреде-
лить суммарный полезный температурный перепад по ступеням
выпаривания;
подсчитать расходы тепла и пара по технологическим потреби-
телям и определить требуемое для выпаривания количество воды;
составить предварительную схему распределения вторичных
ларов и ретурного пара по технологическим потребителям;
определить количество воды, выпариваемой по ступеням;
уточнить нагрузки ступеней по испаряемой воде с учетом по-
правочных коэффициентов (на испарение, самоиспарение, потери
В2
тепла в окружающую среду, и пары самоиспарения конденсатов);
составить уточненную схему распределения ретурного и вто-
ричных паров по технологическим потребителям;
определить коэффициенты теплоотдачи, теплопередачи по сту-
пеням и размеры поверхностей нагрева выпарных аппаратов;
уточнить температурный режим, напряжения поверхностей на-
грева ступеней и потери тепла в окружающую среду;
определить длительность пребывания сока в каждой ступени:
выпаривания, суммарное время нахождения сока-сиропа на вы-
парной установке, оценить возможные потери сахарозы в процессе
сгущения сока.
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ПЕРЕПАД. ВИДЫ ДЕПРЕССИИ
Температурный перепад между аппаратами выпарной станций
является важнейшей характеристикой ее теплового режима. Основу
расчета температурного режима выпарной установки составляет1
прежде^ всего оценка температурных потерь при выпаривании.
Полным располагаемым температурным пере-
падом многоступенчатой выпарной установки называется раз-
ность температур греющего дара, поступающего в паровую камеру
t ступени (Ti, °C), и вторичного пара последней активной ступени
(0П, °C), т. е. А/р=7'1 —0„. Однако из-за теплопотерь иа выпарной
установке этот температурный перепад полностью не используется.
Температура кипения сока при одном и том же давлений
всегда выше температуры кипения воды. Разность между темпе-
ратурой кипения раствора в данной ступени п температурой
вторичного пара этой же ступени 0П называется температур-
ной (физико-химической) депрессией данного кор-
пуса Аф=^™п— 0П. Величина температурной депрессии увеличи-
вается с повышением концентрации сухих веществ (СВ) сока, а
при одной и той же концентрации раствора повышается с увели-
чением температуры в иадсоковом пространстве выпарного аппа-
рата (см. табл. 6).
Некоторая разница температуры возникает вследствие того»
что нижние слои кипящего раствора испытывают гидростатическое
давление верхних слоев. Поэтому температура кипения в средних
слоях выше, чем в верхних. Это и обусловливает гидростати-
ческую температурную депрессию (Да).
Для учета гидростатической депрессии рекомендуется опреде-
лять температуру кипения жидкости на середине высоты слоя ее
в аппарате. При этом определяется давление на середине высоты
слоя раствора, которое равно сумме давления вторичного пара
в аппарате и гидростатического давления слоя жидкости на се-
редине вфоты трубки. При малых скоростях циркулирующего
раствора и достаточно интенсивном теплообмене температура рас-
твора в середине трубы превышает его температуру в других
слоях не более чем на 1—1,5° С. При повышенных скоростях цир-
куляции это увеличение температуры значительно меньше.
83
Величина гидростатической депрессии может быть определена,
если известны скорость движения по трубкам раствора и пара,
истинное паросодержание двухфазного слоя, коэффициенты сопро-
тивления при движении раствора. Значения этих показателей для
аппарата с естественной циркуляцией кипящего раствора можно
найти, совместно решая системы уравнений для процессов тепло-
передачи и гидродинамики двухфазных потоков. Для выпарных
аппаратов сахарных заводов с их многократной естественной цир-
куляцией и высокими коэффициентами теплопередачи величина
этой депрессии невелика и практически ее трудно учесть.
Кроме температурной физико-химической и гидростатической
депрессий при переходе вторичного пара по паропроводам из
предшествующей ступени в паровую камеру последующей за счет
г-идравлических сопротивлений в паропроводах, в сепарирующих
устройствах также наблюдается гидравлическая депрес-
сия, которая выражается в падении температуры и давления.
Считается, что величина ее на ступень выпаривания не превышает
ГС и зависит в основном от длины паропроводов, наличия арма-
туры и качества изоляции.
Таким образом, при л-ступенях выпарной станции общий (сум-
марный) полезный температурный перепад составит
Д/п == А/р - (Аф + Дг), - (п -1) = (7\ - Q„) - Jg (Д£ + Аг)< - (п - 1).
Так, для типовой четырехступенчатой выпарной станции пол-
ный располагаемый температурный перепад (см. табл. 9) равен
Д/р = — 04 = 132 — 85 = 47° С,
а полезно используемый
А/„ = (7\- 04) (А0 + Дг)4- (4- 1)
= (132 — 85) — (0,5 + 1,0 + 2,5 + 4) — (4 — 1) = 36° С,
т. е. на каждую ступень выпарной станции при условии равно-
мерного распределения приходится полезно используемых 9° С.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ РАЗНОСТИ ТЕМПЕРАТУР ПО СТУПЕНЯМ
Главной задачей при проектировании температурного режима
выпарной станции является распределение суммарной полезной
разности температуросновной движущей силы процесса тепло-
обмена — между ступенями и оценка соответствующих значений
температур кипения и вторичного пара.
Общая полезная разность температур должна быть распреде-
лена между ступенями выпарной установки с учетом условий их
работы, так как поверхность нагрева корпуса при заданных тепло-
вой нагрузке и коэффициенте теплопередачи определяется именно
величиной полезного температурного перепада.
84
' Уменьшейие коэффициента теплопередачи по ступеням, обуслов-
ленное, например, увеличением вязкости выпариваемого раствора,
можно компенсировать увеличением полезного температурного пе-
репада;
На практике при проектирований выпарных станций сахарных
заводов общий полезный температурный перепад между ступе-
нями выпаривания распределяют, исходя из температуры вторич-
ного пара, используемого для обогрева технологических потреби-
телей. Обычно этой температурой задаются и по известным темпе-
ратурам пара, греющего I ступень, и вторичного пара, удаляю-
щегося из последней ступени в конденсатор, находят с учетом
температурных потерь по ступеням, температуры кипения раствора
в них. Температуру пара, греющего данную ступень, вычисляют
как разность температуры вторичного пара предыдущей ступени й
гидравлической депрессии. Полезную разность темпе-
ратур на ступень выпаривания определяют как разность между
температурой греющего данную ступень пара и температурой
кипения раствора.
При проектировании выпарной установки для устойчивой ее
работы полезный температурный перепад на каждой из двух пер-
вых ступеней принимается не менее- 6—7° С, а на каждой из
последующих 10—12° С. Увеличение полезного температурного пе-
репада на последних ступенях выпарки вызвано повышенной
концентрацией, вязкостью выпариваемого раствора и меньшими
вследствие этого значениями коэффициентов теплопередачи. При
увеличении теплового перепада между греющим паром и кипящим
раствором (в аппаратах с естественной циркуляцией), как пра-
вило, повышается скорость циркуляции сока, увеличивается коэф-
фициент теплопередачи, уменьшается накипеобразование на
поверхности нагрева выпарных аппаратов. Снижение полезного
температурного перепада по сравнению с рекомендуемыми значе-
ниями вызывает необходимость в увеличении поверхности нагрева
ступеней (с длительным пребыванием в них соков при относи-
тельно высокой температуре и,
как. Следствие, с более высо-
ким повышением цветности
сока и потерями сахарозы).
Кроме тог©, при этом услож-
няется обслуживание выпарки
И понижается ее тепловая
устойчивость.
Несмотря на кажущуюся
выгодность увеличения числа
ступеней выпарной станции,
на практике в условиях рабо-
ты сахарного завода оно огра-
Рис 27. К расчету величины депрессий
в ступенях выпарной станции:
а — четыоехступенчатая: б — пятиступенчатая.
ничено пятью, так как с
увеличением числа ступеней
возрастает суммарная темпе-
85
ратурная депрессия, повышаются потери температуры в паропро-
водах, падает полезный Температурный перепад, растет суммарная
площадь поверхности нагрева и продолжительность пребывания
сока в ступенях выпарки.
На рис. 27 это показано на примере четырех- и пятиступенча-
тых 'выпарных станций. Как было сказано, для тировой четырех-
ступенчатой выпарной установки общий полезный- температурный
перепад 36° С, а на каждой ступени при равномерном распреде-
лении 9° С. При пятиступенчатой выпарке общий полезный темпе-
ратурный перепад меньше 32° С (за счет больших потерь тем-
пературы на депрессию и в паропроводах), на каждой ступени
выпарки 6,4° С. Если учесть, что суммарный полезный перепад
на IV и V ступенях выпарки (вариант б) должен быть не менее
18° С, то на первые три ступени пятиступенчатой выпарной стан-
ции при условии равномерного распределения температурного
32—18 ,
перепада придется лишь ------~---= 4,6°С, что вызовет значитель-
ное увеличение поверхности этих ступеней
Температура вторичного пара, используемого для обогрева тех-
йологических потребителей, должна превышать конечную темпера-
туру продукта не менее чем на 6—7° С для обеспечения устойчи-
вого теплообмена с учетом отложения накипи на новерхности
нагрева.
КОЛИЧЕСТВО ВЫПАРИВАЕМОЙ ВОДЫ. РАСХОД ПАРА
НА КОНДЕНСАТОР
Как известно, количество воды потребное для выпарива-
ния из сока для получения сиропа (% к массе свеклы), опреде-
ляется по формуле
Гтр = Яс(1 —gs-), (19)
где Sc — количество очищенного сока перед выпарной станцией, % к
массе свеклы (без учета сока, пошедшего на приготовление
клеровок желтых сахаров);
СВЯ, СВк — концентрация сухих веществ соответственно в соке и в си-
ропе, %.
Так, например, для получения сиропа нормируемой концентра-
ции (СВК=65%) из сока в количестве 130% к массе свеклы с
СВн=14%, требуется испарить воды (с учетом самоиспарения
в концентраторе):
( 14 \
Ц/тр = 130 ( 1 — —— ) <=: 102% к массе свеклы.
\ 65 у
При этом количество сиропа составит
14
8сир = 130— 102 = 130—— = 28% к массе свеклы.
65
В концентраторе за счет самоиспарения выпаривается воды WK
(в % к массе свеклы)
86
H7K =
5сире(^кл_1—zk)
lK------ *сир
(20)
где с —удельная теплоемкость сиропа, Дж/(кг-К);
/кд—1 —температура кипения сиропа в ступени выпаривания, предшест-
вующей концентратору, °C;
tK— температура кипения сиропа в концентраторе, °C;
iK — энтальпия вторичного пара в концентраторе (по температуре
65°С для типовой выпарной станции), Дж/кг;
«сир — энтальпия сиропа в концентраторе (по температуре кипения си-
ропа— для типовой выпарки 68,4® С), Дж/кг.
Для условий работы типовой выпарной станции в концентра-
торе за счет самоиспарения может быть выпарено 0,6% воды (к
массе свеклы).
С учетом экономичности работы типовой четырехступенчатой
выпарки концентратор должен работать только за счет самоиспа-
рения при соблюдении равенства №4=Е4, т. е. весь образующийся
вторичный пар последней активной ступени должен быть направ-
лен для обогрева технологических потребителей. При этом иа
конденсатор пойдет не более 1% пара самоиспарения раствора
в концентраторе. Практически же вследствие неравномерности
в отборе вторичных паров выпарки на технологические нужды из-
быточный вторичный пар последней активной ступени направ-
ляется на концентратор (W4>E4), и тогда концентратор вклю-
чается в активную работу с отводом вторичного пара на конден-
сатор. При этом типовая четырехступенчатая выпарка с концен-
тратором под разрежением фактически превращается в пятисту-
пенчатую, и расход пара на выпарку увеличивается.
Основная причина изменяющегося во времени отбора вторичных
паров выпарки — в неравномерном поступлении сатурационного
сока на выпарку и в переменном расходе вторичного пара на
тепловые аппараты, особенно на вакуум-выпарные, за счет непо-
стоянной откачки диффузионного сока, разбавления Соков про-
моями, колеблющейся плотности известкового молока.
В условиях работы сахарного завода количество пара DK (в %
к массе свеклы), направляемое с выпарки на .конденсатор, можно
определить по изменению содержания СВ в сиропе в концентрато-
ре, зная количества н концентрацию сока, поступающего на вы-
парную установку,
DK — ScCBh
СВ,-СВ*
СВн-СВ,
(21)
где СВН' — концентрация сухих веществ в соке в ступени, предшествующей
концентратору, %.
КОЭФФИЦИЕНТЫ ИСПАРЕНИЯ И САМОИСПАРЕНИЯ. ПОТЕРИ ТЕПЛА
В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
Греющий пар, поступая в паровую камеру выпарного аппарата
в количестве 1 кг, испаряет из сока, нагретого до температуры
кипения, не 1 кг воды, что должно бы быть теоретически, а не-
87
сколько меньше. Это учитывается коэффициент ом испа-
рения ап, показывающий, какое количество вторичного пара
испаряется в л-м корпусе при введении в него 1 кг греющего пара.
Значение коэффициента испарения определяется по формуле
;гр__,-ковд
п п
ап =---------------
i=n — I*
п п
(22>
где — энтальпия греющего пара в л-м корпусе, Дж/кг;
{-ковд — ЭНТальпия конденсата данного корпуса л, Дж/кг;
|®’п —энтальпия вторичного пара n-го корпуса, Дж/кг;
— энтальпия кипящего в n-м корпусе раствора, Дж/кг.
Так, для II ступени типовой выпарной станции с учетом данных
табл. 9 коэффициент испарения составит
а» =
,гр____,-конд
*2 12
;В.П
*2
iK
’2
10» (2712 — 512)
10» (2701—491)
= 0,994 кг,
т. е. 1 кг греющего II ступень пара испаряет в ней 0,994 кг воды.
Кроме того, сок при переходе из ступени предыдущей в ступень
последующую каждый раз попадает в пространство с меньшими
давлением и температурой кипения. При таком перепаде давле-
ния он оказывается перегретым и кипит без получения через
поверхность нагрева тепла до тех пор, пока на образование пара
не израсходуется вся теплота перегрева при данном давлении, и
температура сока не снизится до нормальной температуры кипе-
ния в данной ступени выпарной станции. Количественно это явле-
ние характеризуется коэффициентом самоиспарения
рп, показывающем, какое количество пара образуется при пере-
ходе 1 кг раствора (сока) из предшествующей ступени с большим
давлением и температурой в ступень с меньшим давлением и тем-
пературой, для которой сок оказывается перегретым. Значение
коэффициента самоиспарения можно определить по формуле
₽п
(23)
где *„_]«>— энтальпия кипящего раствора в (п—1) корпусе, Дж/кг;
—энтальпия кипящего раствора в n-м корпусе, Дж/кг;
/„п—энтальпия вторичного пара n-го корпуса, Дж/кг.
Для II ступени типовой выпарной станции коэффициент само-
испарения (с учетом данных табл. 9) составит
и 10» (529,2 — 491) _
Р® 10» (2701 —491) ’ ‘
88
Для I ступени выпарки pi = O, так как сок поступает в нее
с температурой, равной температуре кипения в этой ступени, т. е.
при 126° С.
Однако тепло, выделяющееся при самоиспарении сока при
переходе нз ступени в ступень выпарки, в значительной степени
компенсируется тепловыми потерями в окружающую среду'и через
газовые аммиачные оттяжки.
Потеря пара £>п (в кг на 1 т свеклы) в окружающую среду
корпусом выпарной станции, зависящая от величины его площади
поверхности нагрева, может быть определена по формуле
D
п ЮЛ ’
где FB — площадь поверхности нагрева корпуса, м2;
Л — производительность завода по'свекле, т/сут.
Например, для четырехступенчатой выпарной станции с сум-
марной площадью поверхности нагрева корпусов £F=6500 м2
(Д=2500 т/сут) общие потери пара на 1 т свеклы в окружающую
среду корпусами выпарки составят:
2,64-6500 „ „
п~~ 10-2500 — ’ кг'
(24)
Величину потерь тепла в окружающую среду i-м корпусом вы-
парной станции Qn.i (в Вт) можно рассчитать по формуле
Qn.f — 1 (^из » /В) 36^0» (И5)
где 1,3 —коэффициент неучтенных потерь тепла;
астм — общий средний коэффициент теплоотдачи от наружной по-
верхности корпуса к окружающему воздуху, Вт/(м2-К);
Гн, — наружная площадь поверхности i-ro корпуса, м2;
(/из,—/в) — разность температур наружной поверхности изолированной
стенки корпуса и окружающего воздуха, °C.
По правилам технической эксплуатации теплообменного обору-
дования температура на поверхности изоляции не должна превы-
шать 50°С. Тогда при условии, что /В=25°С, 0^=43 Вт/(м2-К)
И приняв F„s~0,1 Fi, получим Qni=» 1,44-10s Ff.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ТЕПЛА И ПАРА
НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОТРЕБИТЕЛИ
Диффузионный аппарат непрерывного действия
Расчет расхода тепла на непрерывно действующий диффу-
зионный аппарат проводится на основании его теплового баланса.
Из системы на преддефекацию (типовая схема очистки) уходит
диффузионный сок в количестве Сд с при температуре Гд <- и жом
Сж при Гж; поступает тепло с барометрической водой G6 в при /б в
и с жомопрессовой Сж в при t ж в, а также со стружкой GCTP
при 1!стр [при удельной теплоемкости продуктов? с с соответствую-
щим индексом, Дж/(кг-К)].
8Р
Расход тепла, Дж:
С СОКОМ Qg. с = Од. с^д. с^д. Ci
С 'ЖОМОМ Сж=бжСж^я<;
потери тепла на лучеиспускание Qn.
При этом расход тепла на систему диффузия — преддефекация
(без учета тепла на нагрев барометрической и Жомопрессовой
воды) составит Ср=Рд.с+Сж+Сп-
Приход тепла, Дж:
со стружкой QcTp=GCTPcCTpfCTI);
с барометрической водой Qr. b=G6. вСб. вАб. в!
с жомопрессовой водой Q>K. b=G>k. всж. вА>к. в-
Итого приход тепла Qnp в систему
Qnp = Остр + Об.в + Ож.в-
Расход тепла (в Дж) в диффузионном аппарате превышает его
приход на величину Q—Qp— Qnp, что в переводе на расчетное
количество пара D (скрытая теплота парообразования г=
=2262-103 Дж/кг*) составит (в % к массе свеклы) D=
Из этого количества пара на нагрев диффузионного сока до
температуры преддефекации Ал с расходуется пара
Од. ССД.С (Ад.с-Ан) аП
Од С== - .
где tB — начальная температура диффузионного сока при откачке, ®С;
ап — коэффициент, учитывающий потери тепла в окружающую среду,
обычно ап=1,03-т-1,05.
Таким образом, на обогрев диффузионного аппарата (подогре-
вателей циркуляционного сока при использовании аппаратов КДА,
Олье или паровых камер шнекового,диффузионного аппарата) по-
требуется пара Дд.а (в % мае.)
®д.а = ® — ®д.С"
Требуемая конечная температура нагрева циркуляционного
сока А* е при принятом количестве его Сц с определяется по фор-
муле
гОД.а
Ац.с — ~п с "I" Ав-
Оц.с'-’ц.с
Задаваясь значениями Ац. с или 6Ц.С, можно получать различные
режимы работы подогревателей циркуляционного сока.
Необходимое количество циркуляционного сока 6Ц.С (% к массе
свеклы) может быть найдено и по значениям температуры соко-
стружечной смеси и циркуляционного сока
(Асм — АСтр) 100
^ц’с АЦев—Асм
(27>
где Асм—температура сокостружечной смеси, выходящей нз отпарива-
теля, °C;
* Вместо величины г можно пользоваться выражением разности
[где i^; iKOBa—соответственно энтальпии греющего пара и конденсата (в Дж/кг) I-
90
/стр—температура стружки после свеклорезки. °C.
При замене одного типа диффузионного аппарата другим В
процессе реконструкции свеклоперерабатывающего отделения не-
обходимо проводить также и перерасчет всей тепловой схемы, так
как производительность выпарной станции При этом может, изме-
ниться.
Подогреватели соков, сиропа, патоки
Расчет тепла на подогрев соков, сиропов и патоки произ-
водится по формуле
Q = GC(ZK-4)an, (28)
где G — количество нагреваемого продукта, % к массе свеклы;
tH, tK — температура продукта соответственно до н’ после нагрева, °C.
Расход пара на нагрев продукта (в % к массе свеклы)
D =______9___= «-
£ГР_£КОВД г
Определить энтальпию конденсата гкон« можно по его темпера-
туре на выходе из паровой камеры соответствующего выпарного
аппарата. Между конденсатом и паром в подогревателе идет ин-
тенсивный- теплообмен, и поэтому температура конденсата при его
регулярном и полном удалении из подогревателя равна или
«близка к температуре насыщенного пара.
Однако конденсация пара происходив на одной стороне трубы,
другая ее сторона соприкасается с холодной жидкостью. Поэтому
конденсат, стекая вдоль трубы, сам отдает часть своего тепла
и температура его несколько понижается. Охлаждение учиты-
вается формулой
. ^конд — Т — 0,4(7 — tj), (29)
где /ковд —температура конденсата на выходе нз подогревателя, °C;
Т — температура греющего насыщенного пара, °C;
tj — температура выходящего нз подогревателя продукта, °C.
При расчете выпарных станций сахарных заводов температуру
конденсата обычно принимают на 2—3°С ниже температуры
греющего данную ступень пара.
Сакуум-выпарные аппараты
При определении расхода пара на вакуум-аппараты периоди-
ческого действия учитывается количество воды W, выпариваемой
из каждого отдельного продукта, поступающего на уваривание,
исходя из его количества S, содержания в нем сухих веществ СВ
и концентрации утфеля. Так, при двухпродуктовой схеме варки
утфелей, когда на уваривание I продукта обычно поступает сироп,
клеровка (неаффинированного или аффинированного желтого са-
хара II продукта) и белая патока, а утфель II продукта варится
из зеленой патоки (при наличии аффинации к ней присоединяется
Я
аффинационный оттек), расход пара (% к массе свеклы) на
вакуум-аппараты вычисляется следующим образом:
на вакуум-аппараты I продукта
( СВсир \ ( СВкл \ / свб.„ \
D, =1,1117,;
— San
на вакуум-аппараты II продукта
С^В.п \
СВут.П /
где 5сяр, 5„л, Sc.n, S3.p — соответственно количество сиропа, клеровки,
белой и зеленой паток,% к массе свеклы;
СВсир, СВкл, СВс.п, — соответственно концентрации сухих веществ
СВЗП, СВут /, CByj.li в сиропе, в клеровке, в белой и зеленой пато-
ках, в утфелях I и II продукта, %.
Пропарники в сахарорафинадном производстве
Расход пара (% к массе сахара-рафинада) на пропаривание
гранулированного угля находится по формуле
Gycy (100 — tK) 4- WKcB (100 — /в) 4- Wr
i„—100 ' 1,°5’ (3°)
где Gy —количество регенерируемого активного гранулированного угля
(1,5% к массе сахара-рафинада);
Су, св—соответственно удельнаи теплоемкость угля [су=830-? 840
Дж/(кг-К)] и воды, Дж/(кг-К);
/,< — температура угля перед пропаркой, принимается равной тем-
пературе промывной воды;
W,, — количество воды в гранулированном угле после промывки, при-
нимается равной массе угля, % к массе сахара-рафинада;
— температура воды, °C;
W — количество воды, испаряемой при пропаривании фильтров (при-
нимается равным 0,2% к массе сахара-рафинада);
г — скрытая теплота парообразования, г=2262-103 Дж/(кг-К);
tn — энтальпия пара, используемого при пропаривании, Дж/кг;
1,05 — коэффициент, учитывающий теплопотерн в окружающую среду..
Сушилка сахара-песка
Тепло (в Дж), необходимое для сушки сахара-песка, можно
найти по формуле
q= (31)
lUUv
где 1050—удельная теплоемкость сахара-песка, Дж/(кг-К);
б, h—температура воздуха соответственно после калорифера и
после сушилки, принимается 6=100= 125° С; 6=75=85° С;
d — влагосодержаиие воздуха перед сушилкой, принимается d=
= 10-? 15 г/кг;
92
L— количество сухого воздуха; .необходимое для сушки сахара»
кг/ч, причем
L в .1000Се(Д>1-..«>») 432)
(d2 — <У(100 — coj '
Где Ge —количество сахара, высушиваемого в 1 ч, кг;
©I — влажность сахара до сушки (принимается 1,50—1,75%)-;
б>2 — влажность сахара после сушилки (принимается 0,05—0,14%);'
di, dt — влагосодержаиие воздуха соответственно до и'после сушилки
(принимается <^==104-15.кг/кг и <1г=304-50 кг/кг).
Величину влагосодержания воздуха рационально определять по
диаграмме Г—d, зная температуру воздуха и его относительную-
влажность.
Небольшой абсолютный расход пара на сушку сахара.свя-
зан с малым количеством воды, которую приходится удалять при
этом процессе. Например, для двухбарабанной сушилки расход,
нормального пара 180—200 кг/ч, для сушилок других конструкций
200—210 кг/ч. Поэтому при сравнительной оценке сушильных ап-
паратов расход пара как величину, незначительно влияющую на-
себестоимость сахара, практически можно не учитывать.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
ПО СТУПЕНЯМ ВЫПАРНОЙ СТАНЦИИ
Производительность теплообменного аппарата с паровым обо-
гревом зависит от коэффициента теплопередачи, полезной разно-
сти температур и размеров площади его поверхности нагрева
Q = kF&tn, (33>
где Q — количество тепла, передаваемое в 1 с от греющего пара к обо-
греваемой жидкости через поверхность нагрева, Вт;
k— коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-К);
F —поверхность нагрева теплообменного аппарата, м2;
Д/п—полезная разность температур между греющим паром-и кипя-
щим раствором, °C.
Требуемая величина поверхности нагрева выпарного аппарата;
может быть определена только при известном значении k, причем
для чистой поверхности нагрева (без накипи) величина коэффи-
циента теплопередачи вычисляется по формуле
1 . 1 . вст + 1?СТ
----- 4-—- +т—
«1 , «2 Л-СТ
тде СС1 — коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенке аппарата».
Вт/(м2-К)> причем 1/в|=/?|.— термическое сопротивление тепло-
передаче от пара к стенке, м2-К/Вт;
а2 — коэффициент теплоотдачи от стенки аппарата к кипящей жид-
кости, Вт/(м2-К), причем 1/в2=/?2 — термическое сопротивле-
ние теплопередаче от стенки кипящей жидкости, м2-К/Вт;
бет —толщина стенки трубки выпарного аппарата, м;
Хст— коэффициент теплопроводности' материала трубки аппарата».
93
Вт/(м-К), причем ~—=ЯС»— термическое
лст
лопередаче, оказываемое материалом трубки
сопротивление теп-
выпарного аппа-
рата.
Анализ основного уравнения теплопередачи показывает, что
при F=const повышение производительности выпарного аппарата
может быть достигнуто при увеличении Д(п и k.
Возможности увеличения Д/п при выпаривании сахарных рас-
творов ограничены сравнительно высокой кратностью выпарива-
ния, максимально допустимой температурой кипения сока в I сту-
пени и вакуумом в последнем выпарном аппарате. Следовательно,
основной путь повышения производительности многоступенчатой
выпарной станции — увеличение коэффициентов теплопередачи по
ступеням, причем нормальный режим всей установки заключается
именно в установлении и поддержании величины k на возможно
более высоком уровне.
П р и м е р. Рассчитать величину коэффициента теплопередачи при чистой
поверхности нагрева выпарного аппарата и определить удельный вес составля-
ющих общее термическое сопротивление теплопередаче. Пусть ai=
=8000 Вт/(м2-К); а2=4550 Вт/(м2-К); бст=О0015 м; ХСт=50 Вт/(м К).
По формуле (34) значение коэффициента теплопередачи составит
------i—г- = ---------------г—=2670 Вт/(мг-к).
1 1 ®ст 1 1 0,0015
~аГ + 'а7+’^7 8000 + 4550 + 50
причем
0,000125 м^К/Вт,
Ctj oOvv
или 33,3% от общего термического сопротивления теплопередаче,
R. = — = = 0,000220 м’-К/Вт,
а2 4550
или 58,7% от общего термического сопротивлении теплопередаче;
РсТ f= 0,000030 м’-К/Вт,
или 8% от общего термического сопротивления теплопередаче
Видно, что основное термическое сопротивление теплопередаче — это сопро-
тивление от стенки к кипящей жидкости (58,7% от общего сопротивления) и
сопротивление теплопередаче от пара к стенке (33,3% от общего сопротивле-
ния). Сопротивление стенки незначительно (8% от общего сопротивления).
Однако поверхность нагрева теплообменных аппаратов в усло-
виях работы сахарных заводов покрывается слоем осадка (на-
кипью), в значительной степени понижающего коэффициент
теплопередачи. При накипеобразовании в формулу коэффициента
теплопередачи для чистой поверхности нагрева вводится дополни-
тельный член — сопротивление теплопередаче, оказываемое
•слоем накипи RBax---^- > причем величина эта является функ-
^нак
цией продолжительности (т) работы теплообменного аппарата, т. е.
Янак = =^f(r) и трудно поддается определению вследствие
^нак
-94
Равномерного распределения накипи по длине кипятильной^
Трубы и непостоянства ее коэффициента теплопроводности, изме-
няющегося от 0,1 до 6 Вт/(м-К).
Поэтому в расчетах выпарных аппаратов сахарных заводов-
влияние накипи учитывается коэффициентом использования по-
верхности нагрева ф<1, представляющем собой отношение зна-
чения коэффициента теплопередачи с учетом накипеобразовання?
(среднеэксплуатационный коэффициент kc.B) к коэффициенту теп-
лопередачи при чистой поверхности нагрева Ат, т. е.
Ас.в
Значение коэффициента <р зависит от ряда факторов, в част-
ности физико-химических свойств кипящей жидкости, продолжи-
тельности работы выпарного аппарату без выварки, удельной;
интенсивности испарения воды, характера и степени отклонения
действительных, фактических условий от теоретических, типа вы-
парной станции.
Следовательно, это величина переменная и на ее числовые?
значения влияют конкретные условия работы отдельных ступеней
выпарной станции.
Для расчета величины коэффициента использования поверхно-
сти нагрева <р была предложена следующая формула
т Ко + Янак ’ . Г
*0
де ф — коэффициент накипеобразовання;
и—напряжение поверхности нагрева, кг/(м2-ч);
Т — продолжительность работы выпарного аппарата, сут;
Яо— термическое сопротивление теплопередаче при чистой поверхности на-
грева.
Значение коэффициента, ф для т=45 сут и средних значений
концентрации по отдельным ступеням выпарной установки в функ-
ции напряжения поверхности нагрева обычно представляются &
виде Номограмм для различных типов выпарных установок.
Пример. Определить влияние накипеобразовання на изменение коэффи-
циента теплопередачи (исходные данные аналогичны данным предыдущего-
примера) при толщине накипи на трубках выпарного аппарата 6яак=0,5 мм и
коэффициенте теплопроводности Х.нак=1,0 Вт/(м-К).
Значение коэффициента теплопередачи в этом случае вычислим по формуле
с‘э 1 1 6ОТ бнак 1 1 0,0015 0,0005
---- г----- - I --- I—!----- --------
«1 «2 ^ст ^иак 8000 ~ 4550~ 50 1,0
150 Вт/(м2-К), или в 2,3 раза ниже, чем при чистой поверхности нагрева.
При этом
*1 = ^-----0,000125 м2-К/Вт,
95
жли 14,3% от общего термического сопротивления теплопередаче,
R, = —5— = —Ц = 0,000220 м’-К/Вт, или 25,1%;
аг 4550
в = 0,00030ма«К/Вт, или 3,4%;
50
/?как = Vй5-= = 0,0005 ма-К/Вт, или 57,2% от
*яак 1;®
общего термического сопротивления теплопередаче
Видно, что термическое сопротивление накипи толщиной 0,5 мм составило
«более 50% от общего термического сопротивлении теплопередаче.
Коэффициенты теплоотдачи от конденсирующегося пара к стен-
ке «I и от стенки к кипящей жидкости аз вычисляются с помощью
эмпирических уравнений.
Как известно, режим стекания пленки конденсата определяется
по значению числа Рейнольдса, причем при конденсации водяного
пара на вертикальной стейке переход течения пленки конденсата
от ламинарного к вихревому характеризуется значением Кекр = 180.
Поскольку для выпарных аппаратов сахарных заводов характерен
ламинарный режим стекания пленки конденсата, для нахождения
коэффициента теплоотдачи от конденсирующего чистого пара к
стенке ^зависит от характера конденсации, режима стекания
пленки, физических свойств конденсата) можно воспользоваться
критериальным уравнением-С. С. Кутателадзе
Nu = 1 .ЗйГЧа'» Pr~‘'«, (36)
яде Nu — критерий Нуссельта,
Ga — критерий Галилея,
Рг — критерий Прандтля
Расчетная формула для определения коэффициента теплоот-
дачи от пара к стенке (Вт/м2-К), полученная М. А Кичигиным и
Г. Н. Костенко из уравнения С. С. Кутателадзе, имеет вид
al==“wj^~’ (37)
«где Л1 — расчетный коэффициент, зависящий от средней температуры кон-
денсата (от физических свойств пленки конденсата и конденси-
рующегося пара); значения коэффициента At приведены на рис 28,
q— удельная тепловая нагрузка (тепловое напряжение поверхности
^агрева), Вт/м2; причем q~ru (где г — скрытая теплота парооб-
разования, Дж/кг; и — напряжение поверхности нагрева по испа-
ряемой воде, кг/(м2-с),
I — высота трубки, м.
Это уравнение позволило построить номограмму (рис. 29) для
•определения аь как функцию напряжения поверхности нагрева,
длины трубки выпарного аппарата и средней температуры конден-
•сата, принимаемой на 2—3°С ниже температуры греющего пара.
Для случаев конденсации в области значений (1ЮВД=80ч-120°С
можно пользоваться вспомогательным соотношением
= 1000 (141 + 1,85/конд- О,0053/2овд). (38)
В аппаратах с естественной циркуляцией коэффициент тепло-
-96
отдачи от стенки к кипящему в трубках продукту аг зависит от
целого ряда факторов: теплофизических свойств раствора, удель-
ного теплового потока, уровня раствора, давления в аппарате.
Рис 29. Номограмма для опреде-
ления величины коэффициента тепло-
отдачи от конденсирующегося пара
к стенке.
Рис 28 Величина рас-
четного коэффициента Ai
для водяного пара в зави-
симости от температуры
конденсата
Для вычисления коэффициента теплоотдачи щ целесообразно
воспользоваться критериальным уравнением, полученным М. А. Ки-
чигиным и Н. Ю. Тобилевичем на основании теоретических и
экспериментальных исследований
Nu = 3,25.10-*Pe®-6Ga0U26 К°>7, (39)
где Рео — критерий Пекле для процесса испарения;
Кр—критерий давления.
Расчетная формула для определения аг (Вт/м2-К) имеет вид
(Q \0.6 _ -
-yj (40)
где Аг — расчетный коэффициент, зависящий от физических параметров раст-
вора и вторичного пара, значения которых определяются конструк-
цией, температурой раствора и давлением в аппарате. Значения коэф-
фициента А2 приведены иа рис. 30.
Уравнение (40) позволило построить номограмму (рис. 31) для
определения аг как функции температуры кипения раствора в кор-
пусе, содержания сухих веществ сока-сиропа в данном выпарном
аппарате и напряжения поверхности нагрева.
Содержание сухих веществ (СВ, %) в выпариваемом продукте
для каждого выпарного аппарата можно вычислить по фор-
муле
СВЛ =-------------, (41)
Sc-ДВ7/
где СВс—концентрация сока, %;
п
2W1 — количество выпариваемой воды, включая л-й корпус, %.
4 Зак 660 97
Определив по номограммам значения си и аг, расчетом на-
ходят значение коэффициента теплопередачи для чистой поверх-
ности нагрева (&т), а затем значение среднеэксплуатациониого
коэффициента теплопередачи (kc я) теплообменного аппарата
(р
' | _*_ц_ 0<УГ
«1 о»
Коэффициент использования поверхности нагрева ф помимо
расчета по формуле (35) можно найти по экспериментальному
графику для данного типа выпарной станции (и для данного вы-
парного аппарата) в зависимости от напряжения поверхности
нагрева по испаряемой воде и в кг/(м2-ч) (рис. 32).
Й I, I
, ю й к so т т т tjc
Рис. 30. Величина расчетного
коэффициента As для сахарных
растворов в зависимости от
концентрации сухих веществ
(СВ) н температурь! кипения.
Рис 31 Номограмма для определения
величины коэффициента теплоотдачи от
стенки к кипящей жидкости.
Располагая значениями kc.g и принятыми величинами напря-
жения поверхности нагрева, определяют потребный полезный
температурный перепад на данной ступени выпарной станции по
формуле
М
п_ г“
П ^с.в
(42)
Если значение ДЙ отличается от располагаемого полезного
температурного перепада Д(5, полученного при распределении об-
щего перепада по ступеням выпарной станции, то расчет следует
98
уточнить, приняв при этом необходимое напряжение поверхности
нагрева и,Р
**Ч>— уцд •fc®»
где «яр—принятое в первоначальном расчёте значение напряжения по-
верхности яагрева, кг/(м*-ч).
Рис. 32. Зависимость коэффициента использо-
вания поверхности нагрева от величины напря-
жения корпуса выпарного аппарата:
а — четырехступеячатая выпарная станция под разреже-
нием с концентратором; б — трехступенчатая выпарная
станция; в — четырехступенчатая выпарная станция под
разрежением с 0-корпусом.
Нормальный режим работы проектируемой выпарной станции
осуществим, если соблюдено равенство 2ДЙ=2ДГР, при котором
запас производительности выпарной станции равен единице.
НАПРЯЖЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВА СТУПЕНЕЙ
ВЫПАРНОЙ СТАНЦИИ
При определении коэффициентов теплоотдачи си и as, а также
коэффициента использования поверхности нагрева <р требуется
предварительно оценить возможную величину и напряжения по-
верхности нагрева по испаряемой воде, т. е. количество воды,
выпариваемой с 1 м2 поверхности иагрева выпарного аппарата
в единицу времени. Величина и при известной поверхности нагрева
п-й ступени выпарной станции Fn
10AWn
24Fn
где А — производительность завода, т перерабатываемой свеклы в сутки;
Wn — количество воды, выпариваемой в данной ступени, % к массе
свеклы.
(43)
—
Л
4* 99-
Прй'р'асчете выпарной станции величина и зарайее неизвестна,
поэтому определение коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи
ведут обычно методом последовательного лриближения, ориенти-
руясь на рекомендуемые нормальные значения напряжений по-
верхности нагрева отдельных ступеней.
Нормальным напряжением поверхности на-
грева ступени выпарной установки называется напряжение,
соответствующее заданным значениям располагаемой полезной
разности температур для данной ступени при определенной про-
должительности ее устойчивой работы. Превышение величины нор-
мального напряжения часто вызывает снижение коэффициента
теплопередачи, что объясняется неблагоприятным влиянием интен-
. сивного накипеобразоваиия.
Напряжение- поверхности нагрева непосредственно связано со
всеми основными характеристиками тепловой работы выпарной
станции и является важнейшим обобщающим показателем режима
ее работы. Соблюдение нормального напряжения ступеней выпар-
ной станции следует рассматривать какосновной признак дости-
жения устойчивой производительности всей установки.
В качестве нормальных значений напряжений поверхности на-
грева ступеней типовой выпарной станции можно взять за основу
следующие величины:
Ступени выпарной станции T II III IV
и, кг/(ма-ч) 20—30 16—20 10—15' 6—9
С увеличением напряжения поверхности нагрева выпарных ап-
паратов повышается интенсивность накипеобразоваиия, а следо-
вательно, уменьшается значение среднеэксплуатационного коэф-
фициента теплопередачи. Одиако в аппаратах с естественной
многократной циркуляцией'при данной толщине слоя накипи повы-
шенное значение напряжения поверхности нагрева усиливает цир-
куляцию раствора, что в свою очередь может увеличивать коэф-
фициент теплопередачи, а интенсивность накипеобразоваиия
снижать. - ' -
Следовательно, напряжение поверхности нагрева одновременно
интенсифицирует и тормозит теплообмен, и задача заключается
в нахождении именно такого значения напряжения поверхности
нагрева, при котором среднеэксплуатационный коэффициент тепло-
передачи достигал бы максимальной величины.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВА ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ
И РАСХОДА ПАРА ПО ЗАВОДУ
Площадь поверхности нагрева любой активной ступени много-
ступенчатой выпарной установки (в м2) может быть вычислена
по формуле
° 100.24.60.60йс.в А/”
где А — производительность завода по переработке свеклы, т/сут;
1С0
~W„ — количество воды, выпариваемой в данной гй-й ступени* % к
массе свеклы;, •
г —скрытая теплота парообразования [2262*1О3 Дж/(кг*К)];
ДЯц—полезный потребный температурный перепад, на ступень выпари-
вания, °C,
При определении поверхности нагрева активных ступеней вы-
парки предполагается, что в концентраторе идет лишь самоиспа-
рение сиропа, поступающего из предшествующей ступени. В Дей-
ствительности > же, концентратору в условиях работы сахарного
завода приходится часто принимать на себя Весь излишний вто-.
ричный пар предшествующей активной ступени, который может
оказаться в ней в результате неравномерности отбора паров на
технологические,нужды. Поэтому при расчёте концентратора типе*"
вой четырехступенчатой выиарки под разрежением принимается
нагрузка на него по испаряемой Воде W'K='4%к массе свеклы,
причем она обусловлена в основном отклонениями производствен-
ного режима от расчетного вследствие увеличения, откачки диф-
фузионного сока, изменения количества и концентрации, промоя/а
также уменьшения пароотбора из выпарки (например, при высо-
кой температуре свекловичной стружки в начальный период про-
изводства, выключении из работы отдельных вакуум-аппаратов).
При температуре греющего концентратор' пара 84° С (см,
табл. 9) и кипении при 68,4°С полезный. температурный перепад
иа концентраторе А/н= 15,6°С, среднеэксплуатациониый коэффи-
циент теплопередачи в этих условиях составляет 348 Вт/(м2-К),
а удельная площадь Поверхности иагрева (на 100 т перерабаты-
ваемой свеклы)
р _ А1ОТГкг_____________100-10».4*2262.10» _
к ~ 100*24*6б*60Ао аД/к “ 100*24.60*60.348* 15,6~
Расход пара (в т/ч) на осуществление технологического про-
цесса £>т состоит из расхода ретурногб пара на I ступень выпар-
ной станции Z>B и расхода на прочие теплоисИользующйе аппа-'
раты Dv.
ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ПРЕБЫВАНИЯ РАСТВОРА В СТУПЕНЯХ
ВЫПАРНОЙ СТАНЦИИ
Важнейшим показателем работы выпарной установки сахарного
завода наряду со степенью сгущения сока, интенсивностью накипе*
образования и теплообмена является длительность пребывания
сгущаемого раствора в ступенях выпаривания
Под длительностью пребывания сок.а в выпар-
ном аппарате.слёдует понимать время, в течение которого исходный
сок, находящийся в данной ступени выпаривания, будет практи-
чески полностью замещен-сокоМ, поступившим в аппарат.
Чем меньше время пребывания сока в выпарных аппаратах
при повышенной температуре, тем ниже нарастание его цветности
н меньше разложение сахарозы.
ЕЙ
Средняя длительность пребывания раствора в I ступени вы-
парной станции зависит от конструктивных размеров аппарата,
уровня раствора и от производительности данного выпарного
аппарата по выпариваемой воде и описывается зависимостью
(V, + O.TSSd‘n, + и,) h , СВ,_, X
----------г,---------\'—аГ)-№- <45>
где и — длительность пребывания сока в выпарном аппарате, мни;
Vi — объем раствора в подтрубном пространстве i-ro выпарного
аппарата, м3;
dt — диаметр трубок греющей камеры i-ro аппарата, м;
— число трубок греющей камеры i-ro аппарата;
Н( — уровень раствора (от нижней трубной решетки греющей ка-
меры) , м;
—плотность раствора, кг/м3;
> U7, — производительность аппарата по выпариваемой воде, кг/ч;
'СВ,_|, СВ< — концентрация раствора, начальная и конечная, % СВ.
На сокращение длительности выпаривания положительно
плияют следующие факторы:
увеличение числа ступеней выпаривания, так как при этом
происходит уменьшение разности концентраций на каждую сту-
пень, что особенно важно для головных ступеней выпарной уста-
новки, где. процесс кипения идет при повышенных температурах;
повышение интенсивности процесса теплопередачи в выпарных
аппаратах. Для этого наиболее эффективно применение принуди-
тельной циркуляции выпариваемого сахарного раствора;
увеличение средней разности температур на каждую ступень
выпаривания. При весьма ограниченных возможностях снижения
температуры в последних ступенях выпарной установки единствен-
ным способом роста температурного перепада является повышение
температуры кипения сахарных растворов в головных ступенях,
т. е. применение высокотемпературного режима выпаривания
сока;
недопущение диспропорций в размерах отдельных ступеней вы-
парной станции, автоматизация ее работы, организация устойчи-
вых однонаправленных гидродинамических режимов движения
раствора при минимальной кратности циркуляции, строго соот-
ветствующей оптимальным уровням сока, создание аппаратов с
минимальным объемом раствора под нижней трубной решеткой.
ПРИМЕР ПРОЕКТНОГО РАСЧЕТА ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ САХАРНОГО ЗАВОДА
Основная задача проектного расчета тепловой схемы сахарного завода со-
стоит в определении количества тепла, требующегося для технологических потре-
"бнтелей; в составлении схемы распределения вторичных паров выпарной стан-
ции и конденсатов по гидравлическим колонкам; в определении расхода пара
.на выпарку и на теплонспользующне аппараты; в определении величины по-
верхности нагрева теплонспользующнх аппаратов и уточнении температурного
режима выпарной установки.
В качестве примера приведен расчет тепловой схемы сахарного завода
производительностью 2,5 тыс. т перерабатываемой свеклы в сутки с четырех-
ступенчатой выпарной станцией с концентратором; схема очистки сока — типо-
102
вая, а варка утфелей — двухпродуктовая, диффузионный аппарат С-17 шнеко-
вого типа.
Количество продуктов (по продуктовому расчету) и температурный режим
нагрева их приведен в табл. 11, а предварительный режим температур по сту-
пеням выпарных аппаратов был указан в табл. 9 (типовой).
Таблица 11
Продукты Количест- во, % к массе свеклы св, % Пределы на- грева, °C Возможный греющий агент
'н 'к
Свекловичная стружка 100 -— .— 10 .—
Жомопрессовая вода 40 (по расчету) — 50 85 Пар III ступени вы- парной станции
Барометрическая вода 60 (по расчету) — 55 65 Пар III ступени
Жом • Диффузионный сок в подогрева- телях: 80 7/14 •— 60 -—
I группы 120 — 30 41 Конденсат
II группы 120 — 41 70 Пар IV ступени
III группы Сок I сатурации перед фильтро- 120 — 70 60 Пар III ступени
ванием Сок I сатурации, возвращаемый 133 — 80 90 Пар III ступени
на преддефекацию Сок перед II сатурацией в подо- гревателях: 130 80 90 Пар III ступени
I группы 132,5 — 83 90 Пар III ступени
II группы Сок перед выпаркой в подогре- вателях 132,5 — 90 102 Пар II ступени
I группы 129,3 12,5 93 105 Пар II ступени
11 группы ......... 129,3 12,5 105 115 Пар I ступени
111 группы 129,3 12,5 115 126 Ретурный пар
Сироп с клеровкой .... • . В том числе 34,4 65,0 58 85 Пар III ступени
сиропа 129,ЗХ 12,5 Х 65 ~ =25 65,0
клеровки 9,4 65,0 — — —
Сироп в сборниках Вакуум-аппараты 34,4 65,0 75 85 Пар I ступени
I продукта — 92,0 — — Пар II ступени
II продукта — 93,0 — — Пар II ступени
Белая патока 4,0 76,0 55 85 Пар I ступени
Зеленая патока 9,3 80,0 55 85 Пар I ступени
Определение расхода тепла и пара для технологических потребите-
лей. Подогреватели барометрической и жомопрессовой
воды. Количество жомопрессовой воды 6ЖВ определяется по количеству жома
Ож и содержанию в ием сухих веществ до (СВН) и после (СВК) прессования
Ожв =сж 1 ~~СВ~) = 8°’ ( 1 — ьГ) ~ 40^ к массе свеклы-
103
Расход тепла на нагрев жомойрессовой воды
<2ж» = бжвСж, (1К — fB) «а- 40-4190.(85 — 50)-1,03 == 6,б4-10» Дж,
что соответствует расколу расчетного пара
Л ОЖв 6,04.10»
Акв =-------= ООЙО ,п, = 2,66% к массе свеклы.
г 2262.10s
Количество барометрической воды Сц* находим по материальному балансу
аппарата (свекловичная стружка, барометрическая и жомопрессовая вода —
на входе в диффузионный аппарат; диффузионный сок и жом — на выходе из
аппарата):
Атр 4" + Gjgg — бдС 4-6ж,
откуда
Обв = Одв +Gjk—Gcrp — Сжв = 120 + Й0—100 — 40 = 60% к массе свеклы.
Расход тепла на нагрев этой воды
<2бв = 60.4190.(65 — 55). 1,03 = 2,59-10» Дж
а расход пара
2,59.10»
Рбв ~ = 1.14% к массе свеклы.
2262.10s
Диффузионный аппарат и подогреватели диффузион-
ного сока перед очисткой. Расход пара на непрерывно действующий
диффузионный аппарат шнекового типа определяется по тепловому балансу.
При этом нз системы диффузия— преддефекация на преддефекацию уходит
120% диффузионного рока (откачка) с температурой 90° С (температура перед
котлом преддефекацни по типовой схеме очистки) и 80% жома при 60° С.
Поступает тепло с 60% барометрической воды с <вв=65°С и 40% жомо-
прессовой с 1h,b=65°C, а также со 100 кг стружки при /Стр=10°С.
Расход тепла:
с соком Qc= 120.3750*90=40,5-10® Дж;
с жомом Q1K=80.4190.60=20,1.10e Дж;
потери на лучеиспускание для данного типа диффузионного аппарата
0п =1,26-10® Дж.
Итого, расход тепла на систему составит
Qp=10® (40,5+20,1 + 1,26) =61,8-10® Дж.
Поступление тепла-
со стружкой QstP=100.3750-10=3,7-10® Дж;
с барометрической водой $6B=60-4190»65=il6,3-10® Дж;
с жомойрессовой водой Q*B=40-4190-65=10,9-10® Дж
Итого, приход тепла в систему: Qnp=10®(3,7+16,3+10,9) =30,9- 10s Дж.
Превышение расхода тепла над приходом Q=QP— <2пр=Ю»(61,8—30,9) =
«=30,9-10® Дж, что в пересчете на расчетное количества пара составляет
30,9-10»
D == -rrzTTTT — 13,59 % к массе свеклы.
2262-10»
Из этого количества пара на Подогрев диффузионного сока в подогревате-
лях П н III групп (паровой обогрев) расходуется тепла: Q=120X
Х3750 (90—41) 1,03=22,7-10’ Дж, или расчетного пара
„ 22,7-10» ,
ДдсД~22б2.1(Я 10,09% * “““ СВвКЛЫ’
Расход пара на подогреватели диффузионного бока II группы (подогрев
оТ 41 до 70° С) составит:
„ 120-3750(70—41)1,03 ₽
D„ = ---------1------5,94% к массе свеклы,
" 2262-10»
404
а иа подогреватели диффузионного сока Ш группы (подогрев-от 70 до Й0° С)
расход пара находится йо развести '
£>ш = Dsc — Du = 10,09 — 5,94 = 4,15% к'массе свеклы.
В подогревателях 1 группы диффузионный сок нагревается от 30 до 4ГС
конденсатом с расходом тепла конденсата в количестве:
Q ч= 120*3750 (41 — 30)* 1,1 = 5,45* 10е Дж, что в пересчете на пар
составляет 2,41% к массе свеклы.
Расход расчетного пара на диффузионный'- аппарат шнекового типа (иа
паровые камеры) составит:
Рда — D—Рдс = 13,59 —10,09 = 3,50% к массе свеклы.
Таким образом, расход'пара по теплоиспользующим аппаратам свеклопере-
рабатывающего отделения сахарного завода распределится следующим образом
(в % к массе свеклы):
Диффузионный аппарат С-17 (паровые каппрп)............. 3,5
Подогреватели диффузионного сока
I группы . .... *..................................... 2,41
II 1руппы............................................ 5,94
1Й группы....................... Л.................... 4,15
Подогреватели
барометрической вод ы................................. 1,14
жомопрессовой вода .................................2,66
Расход тепла Q в подогревателях:
подогреватель возврата сока I сатурации на преддефекацию
<2=130-3750(90—80)1,03=5,02-10’ Дж, или пара 2,22% к массе свеклы;
подогреватель сока I сатураций перед фильтрованием (или перед отстаиванием)
<2=133-3750(90—80)Е03=5,14-10" Дж, или пара 2,27% к массе свеклы;
подогреватели сока перед II сатурацией:
I группы
<2-=132,5-3750(90—83)1,03=3,58-’ Дж, или пара 1,58% к массе свеклы,
II группы
Q—132,5-3750(102—90)1,03=6,15-10’ Дж, или пара 2,72% к массе'свеклы;
подогреватели сока перед выпарной станцией:
I группы *
<2=129,3-3750(105—93)1,03=6,0-10’ Дж, или 2,64% Пара,
II группы
<2=129,3*3750(115—105)1,03=5,0-10" Дж, или 2,21% пара,
Ш группы " • ,
Q“= 129,3-3750(126—115) 1,03=5,50-10’ Дж, или 2,43% пара;
подогреватель сиропа с клеровкой
<2=34,4-2500(85—58)1,03=2,39-10" Дж, или 1,06% пара; змеевиковый подо-
греватель сиропа с клрровкой в сборниках на вакуум-аппаратах
<2=34,4-2560(85-75)1,10=0,95*10» Дж, или 0,42% пара.
Змеевиковый подогреватель для патоки. Расход тепла
<2=13,3-2000(85—55) 1,10= 0,88*ГО» Дж, или 0,39% пара.
Вакуум- аппараты I продукта.
На уваривание поступает сироп, клеровка желтого сахара утфелй II про-
дукта и белая патока I продукта. Количество выпариваемой воды на вакуум-
аппаратах' I Продукта:
™ Г 65 \ / 76 \
Wj = 34,41 1——— ) + 4 ( 1— ——1 =10,8% к массе свеклы.
\ 92,0/ \ 92,0/
Расход греющего пара <?i= 1,1-Wi= 1,1-10,8= 11,9%-к массе свеклы.
Вакуум-аппараты II продукта. На варку поступает зеленая
патока утфеля II продукта. Количество выпариваемой воды на вакуум-аппара-
тах II продукта составит:
.405
= 9,3 I 1—тт-т ) = 1,22% к массе свеклы.
\ 5rO,v/
Расход греющего пара £>н=1,Ы7ц=1,1-1,22=1,34% к массе свеклы
Нормативные расходы пара (в % к массе свеклы): на клеровку желтого
сахара— 0,30, на пропарку вакуум-аппаратов —1,0*, на пропарку центрифуг —
0,2, На сушку сахара (хранение в силосах) —1,00**, воздушные души — 0,2
Всего расход нормативного пара составляет 2,7% к массе свеклы
В концентраторе за спет самоиспарения выпаривается воды
Всего для получении сиропа с СВ 65% из очищенного сока на выпарной
станции потребуется испарить воды
/ СВН \ _ / 12,5\
17— = ( 1 — —т~— ) = 129,3( 1 ——— ) = 104,5% к массе свеклы.
г \ Cog / X 65,0/
С учетом самоиспарения в концентраторе в четырех активных ступенях
выпарной станции потребуется испарить воды
*ri-iv = W,»p —Wk =404,5—0,5=104% к массе свеклы
Для, повышения надежности работы проектируемой выпарной станции все
дальнейшие расчеты ведем по уточненному методу, разработанному проф
И А. Тищенко с поправками на теплопотери
Предварительно оцениваем (в % к массе свеклы) количество паров само-
исиарения конденсатов и суммарные поправки к нагрузкам корпусов
Х.я, связанные
с потерей пара в окружающую среду — 17";
с различием между теплотой конденсации греющего пара и теплотой испа-
рения вторичного пара — Wrn (учитываем с помощью коэффициентов испаре-
ния),
< с самояспарением раствора при переходе из корпуса в корпус — 17^.
Предварительно принимаем
W*K = 0,50; 17^= 1,0, 17^= 1,5, W“ = 1,5%;
Xt = —0,4; Хъ = 0,9; Хя = 0,5; Х4 = 0,3,
В табл 12 приведено предварительное распределение ретурного и вторичных
паров по технологическим потребителям.
Количество выпариваемой воды по ступеням выпарной станции при условии
£t, т е в концентраторе происходит только самоиспарение и весь вторич-
ный Пар IV ступени используется для обогрева технологических потребителей
я составит (% к массе свеклы).
Га = £а—=5,94-= 1,50 = 4,44;
17, = £з + 17а— Ха = 17.52 + 4.44 — 1,5 — 0,3 = 20,16;
W, = £, +17, —17^ — Х3 = 19,66 4-20,16—1,0 — 0,5 = 38,32;
V, = Ei 4- Г, — 17“ — X, = 4,32 4- 38,32 — 0,5 — 0,9 =₽ 41,24.
Итого по данной схеме пароотбора (табл 12) в четырех ступенях выпарной
станции выпаривается воды SI7i-iv = 104,16% к массе свеклы, что практически
совпадает с требуемым для выпаривания количеством воды для получения си-
ропа нормируемой концентрации
* При трехнродуктовой схеме варки утфелей —1,5%
** При хранении сахара в мешках — 0,5%.
106
Таблица 12
Вторичный пар ступеней
выпарки
пар
Потребители
Тепл»
КОНДЕВ*'
сатов
Диффузионный аппарат С-17 (паро-
вые камеры) — — — <,50 —
Подогреватели
диффузионного сока
I группы •— —— " • —— 2,4»
II группы —— —— — — 5,94 —»
III группы —— XII — 4,15 — "
барометрической вод ы ..... — — — 1,14 < •’
жомопрессовой воды — — — 2,66 —
возврата сока I сатурации ... — •— — 2,22 — —
сока I сатурации перед фильтре-
ванием „ — " • — 2,27 —— я
сока перед II сатурацией
I группы. . . . * i - — — 1,58 —» ——-
II труппы —— 2,72 ——- —-'
-сока перед выпаркой
I группы — — 2,€4 — —
II группы • — 2,21 — " 1 1 —
III группы . 2,43 •—• — — —-
сиропа с клеровкой — — 1,06 — —— ——-
сиропа с клеровкой в сборниках
на вакуум-аппаратах .... . . 0,42 — — — —--
Сборники патоки — 0,39 —— —— — |—
Вакуум-аппараты
I продукта —— — 11,90 —— —— —**
II щюдукта — •—• 1,34 — — ——
На клеровку желтого сахара . . . — 0,30 — ——
На пропарку вакуум-аппаратов . . — 1,00 — —— — —
Прочие « 1,40 — — — — —
Итого по данному потенциалу . . . 3,83 4,32 19,66 ! 17,52 5,94 2,41
Определение истинных значений поправочных коэффициентов. Значения
поправочных коэффициентов уточняют в следующей последовательности
1 Поправки, связанные с потерей пара в окружающую среду можно
оценить по формуле (24).
С достаточной точностью предварительно принимаем поправки по отдель-
ным ступеням*
«^=0,2; = 0,2; «^ = 0,2; ^ = 0,1.
В дальнейшем, после нахождения требуемой поверхности нагрева выпарных
аппаратов, эти поправки будут дополнительно уточнены. —
2 Поправки, связанные с коэффициентом испарения V7' (в % к массе свис-
лы), можно определить по формуле
— Wn («л — 1)•
где Wn — количество воды, испаряемой в ступени выпаривания, % к массе
свеклы,
ап —- коэффициент испарения (определяется по формуле 22).
107
По ступеням-выпарной станции:
' i[p—|у°нд \ Г108 (2723 — 546) 1 11 41 941 - — 1 1 n 906-
"4 ~~ **41 .•В.п ,« , *1 h J ’L10* (2713 — 529) J
№£ = 38,32 [-108 (2712-512) _ J _ _n JQ
1108 (2701—491) J ’ ’
№£ = 20,16 1 -0,20;
[108 (2679—438) J
№I=4,44| Г10»<2СТ-415)_
108 (2652 — 373) J
3. Поправки, связанные с самонспарением раствора (% к массе свек-
лк), определяются по формуле
U^=(Sc-X№n)₽„,
где Sc — количество сока перед вынаркой, % к массе свеклы;
№„— количество испаренной воды данной ступени, % к массе свеклы;
коэффициент самоиспарения раствора определяется по формуле (23).
Значение IF® «а 0, так как pi=»0 — сок в I ступень выпарной станции
поступает с температурой, соответствующей кипению в этом выпарном аппарате.
Для последующих выпарных аппаратов поправка составит (% к мас-
се свеклы):
__ 10s (529,2 — 491)
L„ IJSI;
Wl = (129,3 — 41,24 — 38,32). = 1,18;
3 v ' 108(2679 — 438)
__ 108 (438 — 372,7)
№? =(129,3 — 41,24 — 38,32 — 20,16)»——————=0,85.
4 ' ’ ' 108(2652 — 372,7)
Суммарные поправки к нагрузкам корпусов Xi, Хг, Х8 и Х< (% к массе
свеклы) будут равны:
Xi = + №j—«7 = — 0,206 + О — 0,20 = — 0,40;
Xt = Wr2 + = — 0,19 -J- 1,51 — 0,20 = 1,12;
xt = Wr3 + №£—№J = — 0,20 4- 1,18 — 0,20 = 0,78;
xt = rj + — W™ = —0,04 + 0,85 — 0,10 = 0,71
4. Поправки, связанные с самонспарением конденсатов. Предварительно
составляем схему отвода конденсата от теплообменных аппаратов (рис. 33).
Принимаем, что отвод конденсатов осуществляется через гидравлические колон-
ки, причем конденсат ретурного пара и вторичного пара I ступени при темпера-
туре 119—120° С в количестве 86,41% к массе свеклы направляется в ТЭЦ в
деаэраторы среднего давления; конденсат с вакуум-аппаратов с наиболее ве-
роятным содержанием сахара собирается в колонку конденсата вторичного пара
II ступени и оттуда вместе с остальным конденсатом перетекает по колонкам,
самоиспаряется и направляется в сборник конденсатов, откуда насосом перека-
чивается на диффузию через отопительную систему и подогреватели днффузи-
108
ониого сока I группы. В табл^ 13 приведено распределение конденсатных вод
по гидравлическим ^колонкам в соответствии со схемой, предвйрительноуо рас;
'пределения вторичных паров и ретуррого пара по технологическим потребите^
лям. \
(trlFC. tx^lT)
Рис 33. Схема отвода конденсата н распределения коиденСагных вод по гидрав-
лическим колонкам (к расчету тепловой схемы завода).
Определение коэффициентов самоиспарения конденсатов проводят по фор*
муле • w п П ;ВП ЮТ * •от *“**л
где —энтальпия конденсата «-ступени, Дж/кг;
— энтальпия оттяжки «-ступени, Дж/кг;
— энтальпия вторичного пара оттяжки, Дж/кг.
Используя данные табл. 9, найдем значения коэффициентов самоиспарения
конденсатов:
10* (546,3-523) ч " 103 (2713 — 523) ' 103 (514-482,5) _ ~ п 103 (2699 — 482,5) 103 (474 _ 423,3) /, = 1 — 0,0223; " 10»(2677,9 — 423,3) 103 (419 — 351,7) /. L-i- = 0,0290. и 10»(2630 — 351,7) ’
Средняя температура конденсата в колонке /Ср—100° С.
109
Т абдима 13
Потребители
Греющий
пар
Количест-
во кон-
денсата,
%
Общее
количест-
во конден-
сата, %
Темпе-
ратура
оттяж-
ки.' ®С
Колонка конденсата ретурного hapa
(конденсат направляется на питание парогенераторов)
Паровая камера 1 ступени . . . Подогреватель сока перед вы- паркой Ш группы ...... Прочие ........... Ретурный » > 41,24 2,43 1,40 130 130 130 45,07 124,5 124,5 124,5
Колонка конденсата вторичного пара I ступени ' (часть конденсата направляется иа питание парогенераторов)
Паровая камера П ступени . . . I ступени 38,32 122,5 — 115
Подогреватель сока перед вы- паркой П группы То же 2,21 122,5 115
Сборники сиропа с клеровкой ...... ж 0,42 122,5 41,34 115
патоки > 0,39 122,5 —* 115
Колонка конде Паровая камера П1 ступени- . .- чсата вторичн II ступени ого пара 20,16 1 ступени 113 101
Подогреватели сока •? ' перёд 11, сатурацией II груп- пы . . . . То же 2,72 113 101
перед выпаркой!!! группы . > 2,64 113 39,82 101
Подргревательсгфопа с .клеров- кой". . . . . Г > 1,06 пз- 401
вакуум-аппараты - I продукта 11: ступени 11,90 ИЗ 101
II продукта 1,34 113 *— 101
Колонка конденсата вторичного пара III ступени
(конденсат вторичного- пара IV ступени и конденсат с концентратора направляются
:в сборник конденсата)
Паровая камера IV ступени . . Ill ступени 4,44 99 — 84
Кецденсат с колонки II ступени Диффузия С-17 (паровые каме- > 39,82 101 84
PjO Подогреватели' диффузионного сока III груп- > 3,50 99 -— 84
пы) > 4,15 99 61,78 84
' барометрической воды ... » 1,14 99 — 84
жомопрессовой воды .... сока I сатурации, возвращае- мого на преддефекацию... сока I сатурации перед фильт- » 2,66 99 84
» 2,22 99 — 84
рованием . ....... . сока перед II сатурацией » 2,27 99 —- 84
I группы > 1,58 99 84
НО
Количество пг^ов ^самоиспарения конденсатов при общем количестве кон-
денсата в колонке (Gjj®**- и коэффициенте самоиспарения j„ вычисляют по
формуле (в % к массЧ свеклы)
ЙТ=С^/„;
- 45,07-0,0105 = 0,47;
= 41,34.0,0142 = 0,58;
17“ =39,82-0,0223,= 0,89;
= 61,78-0,0290 = 1,78.
Таким образом, уточненные .значения поправочных коэффициентов к нагруз-
кам ступеней следующие:.
Хх =—0,40% мае.; Х3=0,78% мае.; =0,47% мае.; В7“=О,89% мае.;
X» ='1,12% мае.; Х«=0,71% мае.; =0,58% мае.; V^L.78% мае...
г С учетом найденных значений поправочных коэффициентов в табл. 14 приве-
дена уточненная схема распределения ретурного и вторичного паров.по техно-.
Логическим потребителям. '
Таблица .14
Pjetyp- Вторичный пар ступеней выпарки • '
Тепло
Потребителя ный кондет-
пар- I 41 - ш I V сато*
Диффузионные аппараты С-|7 . . . — — и -- . ". 3,50 —. —
Подогреватели .диффузионного сока » Г 2,41
I группы . . . -. . — •—
,, II группы ... . . . —. 5,94 »-!Л—
' Ш группы . — —-Д — .4,15
барометрической воды Т“ — 1,14 —
жомопрессовой воды . . . , . 2,66
возврата сока I сатурации . . , -- • —i 2,22 ——
сока I сатурации перед фильтров 2,27
ванием . - . , . ,,. > ... *. —— — —
сока перед П. сатурацией .г - - 1.58 ..
I группы . , . . —— — мм Ч—
II ipynmi ............. —— . 2,72 — —*
сока перед выпаркой 2,64
s I группы . ... > и— — —
П группы. .2,21 —— •" — —
III группы. . . . ... . . . 2,43 — к*
сиропа с клеровкой ...... haw 1,06 «мы
Сборники сиропа с клеровкой на 0,42
вакуум-аппаратах . — •*— —•
Сборники патоки — 0,39 — —• — —
Вакуум-аппараты 11,90 -
I продукта —— —• —
II продукта ......... — 1,34 -
На клеровку желтого сахара . -. . —— 0,30 — —
Вакуум-аппараты при пропаже . . — 1,00
Прочие 1,00 0,40 и-
Итого по данному потенциалу - . , 3,43 | 4,72 | 19,66 | 17,52 | 5,94 "2*41
По данной схеме распределения паров по технологическ/м потребителям с
учетом уточненных значений поправочных коэффициентов к/нагрузкам ступеней
выпаривается воды (% к массе свеклы): /
= 5,94 — 1,78 = 4,16(
1Г, = Es + Wt — Wf — Xt = 17,52 + 4,16 — 0,8»+- 0,71 = 20,08;
= Et + Г3 — W™ — X3 = 19,66 + 20,08.— 0j58 — 0,78 = 38,38;
+ IFj — №“ — X, = 4,72 + 38,38 — (/,47 —1,12 = 41,51.
Всего в четырех активных ступенях выпарной" станции выпаривается воды
SW'i~iv = 104,13% к массе свеклы, что практически соответствует потребному
ее количеству для получения сиропа нормируемой концентрации
В уточненной схеме распределения паров по потребителям по сравнению с
предварительной схемой потребовалось перевести лишь часть «прочих» потре-
бителей с обогрева ретурным паром на вторичный пар I ступени выпарной стан-
ции (0,4% к массе свеклы).
Расход пара на выпарную станцию с учетом поправки Xt составит £>„=
=1Г1+Х1=41,51+0,40=41,91 % к массе свеклы (поправка Xt считается при
этом положительной, так как характеризует перерасход пара с учетом испаре-
ния и потерь тепла в окружающую среду).
Общий расход пара для технологических потребителей составит
Dt=Db+£>p=41,91+3,43=45,34% к массе свеклы или часовой расход рас-
четного пара на технологические нужды
D’ =
ЛРТ 2500-45,34
24.100 “ 24.100
= 47,2 т/ч.
Кратность испарения на выпарной станции при этом
v SB7I-IV 104,13 кг воды
^о “ 25“ ®= 41,91 = 2*^8 кг греющего пара
Определение крнцентрацйи раствора по ступеням выпарной станции прово-
дится по формулу (41):
129,3-12,5
св‘=
129,3-12,5 - "
2 129,3— 41,51—38,38 ’
129,3-12,5
3 129,3— 41,51 — 38,38 — 20,08
_________129,3-12,5___________________
*“129,3 —41,51 — 38,38-+ 20,08 — 4,16“ М’
_______________129,3.12,5 _______
Ик“ 129,3 - 41,51 — 38,88^—20,08 —4,16 —0,5“°^’
что практически соответствует нормируемой концентрации сиропа е выпарной
станции.
Определение коэффициентов теплопередачи, и площадей поверхности нагрева
ступеней выпарной станции. Расчеты проводим отдельно для каждой ступени
выпарки.
I ступень выпарной станцри^ IJo номограмме (рис 29) в за-
висимости от температуры конденсата из.паровой камеры I ступени (130° С),
ориентировочной длины трубки выпарного аппарата (4,1 м) и величины опти-
мального" для данной cTjJneHn »»?т4ай|яжения поверхности нагрева (Ui =
=23,7 кг/(м+ч)—принятое] наймем коэффициент теплоотдачи <11=9000Вт/(м2-К).
‘112
По номограмм (рис. 31) в зависимости от температуры кипения сока в
I ступени выпарной станции (126° С), концентрации СВ сока в аппарате
(18,5%) и величины оптимального напряжения поверхности нагрева («1=
=23,7 кг/(м2-ч)] определим коэффициент теплоотдачи аг=4650 Вт/(м2-К).
Коэффициент использования поверхности нагрева ср в зависимости от вели-
чины принятого оптимального значения и=23,7 кг/(м2-ч), по данным рис. 32_
составит <р1=0,86 (для\ четырехступенчатой выпарной станции под разреже-
нием). \
Среднеэксплуатацнонн^й коэффициент теплопередачи при толщине стейк»
трубки выпарного аппарата бСт=0,0015 м и коэффициенте теплопроводности
материала трубки Х=50 Вт/(м-К) составят
‘“-уТ-----*’* 0.0004 ~иа)
\9000^ 4650 + 50 )
Потребная полезная разность тёмре^атур^для I Ступени выпарной станции
(формула 42) при этом —— = 6,0° С, что совпадает с рас-
3600-2460
Полагаемым полезным температурным перепадом (при температуре греющего
пара 132° С и кипении в I ступени при 126° С)
Потребная расчетная площадь поверхности Нагрева для I ступени выпарной
станции
,__________A*WWtr______________2500-103-41,51-2262» 10»
W“ 100.24.60.60^ Д/’ “ 100.24.60.60.2460.6,0 = 1
К установке принимаем выпарной аппарат с площадью поверхности нагрева
jFn=1800 м2 и полезной длиной трубок 4,1 м.
II ступень выпарной станции. По номограммам в зависимости
от температуры конденсата (122,5° С), ориентировочной длины трубки выпар-
ного аппарата (4,3 м), оптимального напряжения поверхности нагрева II ступе-
ни (19,8 кг/м2'Ч), температуры кипения сока (117° С) й содержания в не»
СВ (31,7%) определим а1=9270 Вт/(м2-К) и аг=3250 Вт/(м2-К).
Величина <р2 при принятом напряжении поверхности нагрева составит 0,73,
Тогда
«
0,73
*<”-7i J^'o.ooisx ",6“
\9270 + 3250 50 )
При2^»тоМфПотребный полезный температурный перепад на ступени II
Д/щ = ....—=7,5° С, что полностью совпадает с располагаемым
aSpUU* lOvU
температурным перепадом.
Потребная площадь поверхности нагрева II ступени выпарной станции сосг
тавит;
„ 2500* 10».38,38*2262.10» _ ,
К, —-----------------------•—' = 2020 м2.
Р2 100.24.60.60.1660.7,5
К установке принимаем выпарной аппарат с площадью поверхности нагрева
Fy2=2100 м2 и полезной длиной трубок 4,3 м
III ступень выпарной Станции- По номограммам в зависимост»
от температуры конденсата (113°С), ориентировочной длины трубки выпарного
аппарата (3,4 м), оптимального напряжения поверхности нагрева III ступени
(14 кг/м2-ч), температуры кипения сока (104,5° С) и содержаний в нем СВ
(55%) определим €^=10900 Вт/(м2-К) и 02=1626 Вт/(м2*К).
113,
Величина .фз при принятом значении напряжения поверхнбстн нагрева со-
ставляет 0,62. Тогда 7
0,62 /
*- - 7*Т--------. I. ' 0.0М5Х -850 в"Ак>-
\ 10 900 + 1625 + 50 )
Прн этом на ступени выпаривания потребный полезный температурный
перепад - . /
2262-103- и ' /
Д/пз~—— 10,5 С, что полностью совпадает с располагаемым
3600-850
перепадом температуры.
Потребная площадь поверхности нагрева Ш ступени д выпарной станции
составит
250QU03 20,08-2262-10» 2
. Р3-' 100 24.60.60.850.10,5 ~ 14 М‘
К установке, принимаем выпарной аппарат с'площадью поверхности нагрева
Куз =1500 м2 и полезной’ длиной трубок 3,4 м.
IV ступень выпарной станции. По номограммам в зависимости:
от температуры конденсата (99°С), ориентировочной. длины трубки (3,0 я),
оптимального напряжения (8,8 кг/м2-ч), температуры кипения, сока (89° С) и
содержания в нем СВ (64,2%) определим at=13500 Вт/(м2-К) и aj=
=767 Вт/(м2-К).
Величина коэффициента ф4 при этом составляет 0,68.
Тогда ............... . . . , 1
. ------°f 0,0015 "
13500 + 765 + 50 ‘
На ступени полезный потребный температурный перепад составит
* 2252.10*-8,8 ,, „
= — ' „ ’—= 11,7° С, что мало отличается От располагаемого
* 3600*475 . * . '
полезного перепада (12° С).
Потребнаи площадь поверхности нагрева IV ступени выпарной станции
составит
12500-10». 4.16.2262-1Q2 •
Fp<“ 100.24*60*60*475.11.7 - 490**-
К установке принимаем выпарной аппарат с площадью поверхности нагрева
FT4=600 м2 при полезной длине трубок 3 м.
Концентр.а'тор. При расчете концентратора для типовой четырехсту-
пеичатой выпарной станции под разрежением .Принимается’ нагрузка по испа-
ряемой воде ТГк=4% к массе свеклы^ полезный температурный перепад 15,6° С
К.Коэффициент теплопередачи 348 Вт/(м2-град). Прн этом удельная поверхность
нагрева этого аппарата (на 100 т перерабатываемой свеклы) составляет 19 м2.
Следовательно, для завода производительностью 2500 т перерабатываемой
свеклы в сутки потребуется концентратор, с поверхностью нагрева 19-25=
=475 м2. К установке можно принять аппарат с поверхностью 400 м2 с полез-
ной длиной трубок'1,5 м.
Величина расчетной суммарной удельной поверхности нагрева четырех ак-
тивных ступеней выпарной станции составит:
(^pi ~1~Ррг pa 4-Fp^.lOO
*Р= А =
(1810 + 2020 +- 1495 + 490) 100 л
= -—-л;-------2——-1 !---------=233 м» на 100 т свеклы.
2500
114
Установочная\суммарная удельная поверхность нагрева активных ступеней
(1804-210)+ 1500 -г 600) 100 - , '
/у —'---J——-——--------------= 240 м2 на 100 т свеклы.
,у 2500
Запас производительности ступеней выпарной станции рассчитывается но
формуле
Д/рп
а~ А/™ ’
где Д/р» — располагаемый полезный температурный перепад иа п- ступени, ’ Ср
Д1пп — потребный полезный температурный перепад, ° С.
Дли отдельных ступеней выпарной станции имеем
0,0 Л 7,5 10,5 12,0
С1 = -=1,о; = *з=^ = 1.0; «4 = — =
Общий запас производительности выпарной станции составит
6,0+7,5+10,5+12,0 =
6,0+ 7,5 +10,5+11,7 ’
Используя формулу (43), проверим напряжение поверхностей иагрева ступе-
ней выпарной станции, так как величины установочной поверхности в ряде слу-
чаев отличаются от потребной расчётной поверхности нагрева.
ЮЛУ, ~ 40.^00-41,51
24Fy 24-4800
16-2500-38,38
i4.2100
10.2КЮ. 20,08
“1 =
24,1 кг/м2-ч;
я.иоо -11
10-25ОМ.16 „„ , ,
г4.«ю 2
что для всех активных ступеней практически совпадает с принятыми значениями
напряжений поверхностей ,иагрева н не выходит за рамки их нормальных зна-
чений. '
В связи с тем, что установленная поверхность нагрева ступеней 'выпарной
станции несколько отличается от- расчетной, уточним и температурный режим
установки. С этой целью- определим фактический потребный полезный перепад
тёмнературы на ступенях по формуле
А-Шпг
Ain*n~ 100^24-бО.бО^Гув '
Для I и III ступеней выпарной станции расчетная поверхность нагрева прак-
тически полностью совпадает с установленной, а поэтому
Л^пфп =
' Для II ступени выпарной станции установленная поверхность нагрева
(2100 м2) больше расчетной (2020 м2), а поэтому и потребный полезный пере-
пад на ступени уменьшится н составит
гбоо.кр.зв.зв.ггбг.юз шпо_
Д/пЛ« =-----------------—----а= 7.2° С вместо 7,5° С.
пф® 100-24-60-60-1660-2100 .
!пл-
Для IV ётупени выпарной установки установленная поверхность нагрева
600 м2, а расчетная 490 м2. Поэтому
2560.KF.4,16-2262*10*
Д/пф« - iqo.24.60.60.475.600 = 9-7°С вместо Р^^/лагаемого полезного
температурного перепада 12° С.
Уточненный температурный режим выпарной станции с учетом фактически
установленной поверхности нагрева ступеней представлен в табл 15.
Таблица 15
Показатели Ступени вЫпариой станции Кон- цент- ратор
I И ш IV
Температура греющего пара, °C . . 132 124,5 115,3 101,3 86,6
Полезная разность температур, °C . 6,0 7,2 10,5 9,7 18,2
Температура кипения раствора, °C . Температурная депрессия, °C . . . 126 117,3 104,8 91,6 68,4
0,5 1,0 2,5 4,0 3,4
Температура вторичного пара, °C . 125,5 116,3 102,3 87,6 65
Потери температуры н паропрово- дах, °C 1 1 1 1 - —
Температура конденсата, °C . . . . 130 122,5 113,3 99,3 84,6
Уточнение принятых поправок к нагрузкам ступеней, связанных с потерей
лара в окружающую среду Wan, проводим по формуле (24):
™ »800
1ГП1 = 2,64. -v = 0,19% к массе свеклы;
10 «2500
2100
1500 -
г- = 2’64*-ю^о' = б’16%;
ГП4 = 2,64.
600
10-2500
= 0,07%
что практически мало отличается от принятых значений поправочныхскоэффвди-.
ентов, учитывающих потери пара в окружающую среду.
ПРОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ ВЫПАРНОЙ СТАНЦИИ ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ
Задача проверочного расчета — установление производительно-
сти существующей выпарной установки при наблюдаемом режиме
работы; определение влияния отдельных факторов на работу вы-
парки; выявление условий, при которых обеспечивается нормаль-
ный режим ее работы.
Увеличения производительности выпарной установки в боль-
шинстве случаев можно достигнуть за счет:
уменьшения общего количества выпариваемой воды путем
рационализации технологического процесса до выпарки;
перераспределения вторичных паров, причем более целесооб-
разно увеличивать пароотбор с последних ступеней выпарной уста-
новки;
116
перестановки корпусов для приближений напряжений поверх-
ности нагревак формальным значениям;
добавления отдельных аппаратов для увеличения суммарной
поверхности нагрева выпарки и доведения поверхности нагрева
ступеней До требуемых размеров; одйако данное мероприятие мо-
жет рассматриваться только после осуществления всех возможных
операций по интенсификации процесса теплообмена;
частичного изменения схемы выпарной станции (изменения
типа выпарки и числа ступеней), однако после проведения пол-
ного комплекса расчетов по выбору оптимальной тепловой схемы
всего теплосилового хозяйства завода.
Проверочные расчеты выпарной установки проводят по не-
скольким предполагаемым вариантам и выбирают рациональный
режим работы выпарки при данных условиях.
Порядок проверочного расчета выпарной станции состоит в
следующем:
подсчитывается расход тепла и пара на технологические потре-
бители и определяется требуемое для выпаривания количество
воды;
составляется схема распределения ретурного н вторичных па-
ров по технологическим потребителям и устанавливается количе-
ство воды, фактически выпариваемое по ступеням установки;
проводится проверка ступеней выпарки по величине напряже-
ний поверхности нагрева, устанавливается степень загрузки от-
дельных выпарных аппаратов;
по величине нормальных напряжений поверхности нагрева для
каждой ступени выпарной установки определяется требуемая при
данной производительности расчетная поверхность нагревд,
В соответствии с которой устанавливается поверхность и соответ-
ствующие ей напряжения ступеней выпарки по испаряемой воде;
используя полученные величины напряжений поверхности на-
грева аппаратов, известный температурный режим на выпарке и
характеристику имеющихся корпусов определяют значения коэф-
фициентов теплопередачи и потребного полезного температурного
перейада. При значительном расхождении (более 0,3е С) в значе-
ниях потребного и располагаемого температурных перепадов
можно, не изменяя температурного режима выпарки, увеличить
поверхность нагрева данной ступени или, оставив ту же поверх-
ность, повысить располагаемый температурный перепад;
составляется сводная таблица уточненного температурного ре-
жима по ступеням выпарки в новых условиях ее работы, опре-
деляется запас производительности каждой ступени и выпарной
станции в целом.
Приведенная методика проектного и проверочного расчетов
выпарной станции обнаруживает некоторое несоответствие теории
и практики, так как не учитывает ряда факторов, возникающих в
производственных условиях. К таким факторам относится откло-
нение практических показателей работы теплосилового хозяйства
сахарного завода от тех, которые были положены в основу
117
расчета, а именно: превышение откачки сока на диффузии по
сравнению с расчетной; чрезмерное разбавление соков промоями;
использование водных и соковых подкачек в вакуум-аппараты;
нарушение схемы уваривания оттеков; отклонение их количества
и доброкачественности от среднерасчетных величин; нарушение
схемы отбора вторичных паров для технологических потребителей.
Изложенная методика расчета выпарной станции сахарного
завода тем не менее позволяет провести при данных конкретных
условиях пересчет тепловой схемы и выбрать рациональный ва-
риант распределения ретурного и вторичных паров по технологи-
ческим потребителям.
Глава IV. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
НА ЭВМ ТЕПЛОВОГО КОМПЛЕКСА
СВЕКЛОСАХАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
ТЕПЛОВОГО КОМПЛЕКСА
В настоящее время разработан метод анализа и расчета теплового комплек-
са (ТК) свеклосахарного производства с применением математического модели-
рования иа ЭВМ. К основным преимуществам данного метода по сравнению
с существующими методами трудоемкого ручного и машинного расчета отно-
сится миоговариаитный расчет конструктивных и режимных параметров, а так-
же экономических показателей в целом с учетом ряда дополнительных, ранее
не учитываемых факторов и изменяющихся условий производства в течение
одного или нескольких сезонов переработки свеклы. Экономичность метода
достигается в основном за счет перехода от раздельного к совместному и одно-
временному расчету выпарки, вакуум-аппаратов, подогревателей, технологически
связанных, по продукту и пару; за счет перехода к расчету работы за весь
производственный сезон с учетом изменения термического сопротивления накипи;
расчета ТК с учетом влияния на теплопередачу изменяющегося в процессе рабо-
ты температурного режима и тепло-физических свойств продуктов; механизации
расчетов, позволяющей проводить с большой точностью и скоростью миоговари-'
антиое исследование для осуществления режимной и конструктивной оптимиза-
ции теплового комплекса по частному или обобщениому критерию оптимизации.
Данный метод математического моделирования рекомендовано использовать при
разработке новых прогрессивных схем теплового комплекса, при определении их
оптимальных конструктивных параметров. Этот метод также рекомендуется для
применения при выполнении ряда проектных расчетов тепловых схем для вновь
строящихся и реконструируемых заводов, а также для контрольной проверки
тепловых продуктовых расчетов, выполняемых вручную.
Общая погрешность моделирования ТК сахарного завода иа ЭВМ опреде-
ляется путем сравнения расчетных и экспериментальных значений критерия
оптимальности и оценивается величиной, не превышающей ±3,5%.
Для построения схем оптимального управления многоступенчатой выпарной
станцией по любому из принятых критериев оптимальности необходимо получить
зависимости, связывающие параметры работы выпарной установки с принятым
критерием оптимальности. Для этого проводят физическое или математическое
(теоретическое и статистическое) моделирование выпарной станции. Наибольшее-
применение получило математическое моделирование с использованием ЭВМ,
являющееся методом описания процессов с количественной и качественной сто-
роны с помощью математических моделей. При построении ее реальное явление?
118
упрощается, схематизируется и полученная схема описывается в зависимости от
сложности явления с помощью математического аппарата.
Математическая модель теплового комплекса представляет собой систему
алгебраических трансцендентных и интегральных уравнений, описывающих мате-
риальный и тепловой баланс, процессы теплопередачи при подогреве и сгуще-
нии растворов и другие процессы, протекающие в корпусах многоступенчатой
выпарной установки, вакуум-аппаратах и в подогревателях с учетом взаимной
связи параметров процессов, изменения термических сопротивлений в корпусах
выпарной станции и в подогревателях из-за образования накипи.
Алгоритм решения полученной системы уравнений и расчета теплового комп-
лекса с помощью вычислительных электронных машин построен на основе ком-
бинированного метода половинного деления (для решения отдельных подсистем
уравнений) и метода итераций — для решения системы в целом.
В модели должны быть учтены все наиболее существенные факторы, влия-
ющие на процесс, и вместе с тем она не должна быть загромождена множеством
мелких, второстепенных факторов, учет которых только усложняет математи-
ческий анализ и сделает исследование труднообозримым.
Необходимо, чтобы модель достаточно верно описывала качественно и ко-,
личественно свойства моделируемого процесса, т. е. она должна быть адекватна
моделируемому процессу. Для проверки адекватности математической модели
реальному процессу нужно сравнить результаты измерения в ходе процесса с
результатами предсказания модели в идентичных условиях (при определенных
значениях параметров).
Таким образом, модель, отражающая соответствующий физико-химический
процесс, представляется в виде определенной математической записи, объединя-
ет опытные факты и устанавливает взаимосвязь между параметрами исследуе-
мого процесса. При этом используются теоретические методы и необходимые
экспериментальные данные. Конечной целью разработки математических моде-
лей является прогноз результатов проведения процесса и выработка рекомен-
даций по возможным воздействиям иа его ход.
Методы математического моделирования в сочетании с современными вы-
числительными средстами позволяют при относительно небольших материальных
затратах исследовать различные варианты аппаратурного оформления процесса,
изучить его основные особенности и вскрыть резервы усовершенствования. При
этом в рамках используемой модели всегда гарантируется отыскание оптималь-
ных решений.
Из изложенного выше следует, что при математическом моделировании
тепловых комплексов сахарных заводов можно достичь следующих целей: опти-
мального проектирования ТК новых и реконструируемых заводов; исследования
и разработки новых тепловых схем и нового оборудования ТК; . определения
возможности применения серийно выпускаемых заводов для конкретных усло-
вий производства; расчета оптимальных режимов работы ТК действующих
заводов и разработки систем автоматизированного управления технологическими
процессами ТК и завода в целом.
Математическая модель комплекса в соответствии с ее назначением и
поставленными задачами должна отвечать следующим требованиям:
а) с достаточной полнотой н точностью отражать взаимосвязанные процес-
сы отдельных технологических участков и включать зависимости, учитывающие
рост термического сопротивления ступеней выпарной станции и технологических
подогревателей, изменение внешних пароотборов с учетом влияния температур-
ного режима работы выпарной станции и роста термических сопротивлений,
влияние основных конструктивных размеров теплообменного оборудования на
показатели работы ТК;
б) быть достаточно гибкой и оперативной, чтобы обеспечить переход от
одного варианта ТК к другому без .изменения структуры уравнений путем
изменения только коэффициентов, входящих в иих;
в) предусматривать возможность варьирования исходных параметров (про-
изводительности завода, сахаристости, температуры стружки, откачки сока на
производство и др.), которые характеризуют условия производства и влияют иа
режим работы ТК и его экономические показатели;
г) включать технологические и конструктивные ограничения, накладываемые
119
на режим работы ТК либо на отдельные его показатели, в том числе на такие
параметры, как концентрация сиропа после выпарной станции, температура гре-
ющего пара в коллекторе перед выпаркой, температура кипения раствора в пер-
вой ступени выпарной установки и в концентраторе, а также значения темпера-
тур растворов иа выходе из последних ступеней подогрева;
д) предусмотреть возможность расчета режимов работы ТК в течение
сезона переработки свеклы;
е) входящие в модель подсистемы уравнения для отдельных процессов
технологических участков ТК должны описывать эти процессы только в том
объеме, какой нужен для решения поставленной задачи математического моде-
лирования комплекса с целью выбрать наилучший вариант ТК по принятому
критерию оптимальности.
МЕТОДИКА СОСТАВЛЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
ТЕПЛОВОГО КОМПЛЕКСА
Математическая модель, составленная на базе уравнений, описывающих
процессы технологических участков Т-К и экономические показатели, может
быть выражена в виде общей системы уравнений.
Данная модель представляет собой полную, замкнутую, совместную сис-
тему уравнений. При переходе от отдельных зависимостей к общей системе
уравнений осуществлена подстановка значений -промежуточных параметров в
основные уравнения, а интегрирование заменяется суммированием с подекадным
усреднением изменяющихся в течение сезона исходных и расчетных параметров.
Подекадное усреднение расчетов соответствует принятой на сахарных заводах
периодичности сбора и составления отчетных данных технико-экономических по-
казателей и позволяет уменьшить объем и машинное время моделирования ТК
иа ЭВМ.
К условиям применения отдельных уравнений относятся диапазоны измене-
ния переменных, в пределах которых данные уравнения справедливы; значения
индексов параметров; значения отдельных коэффициентов — признаков, измене-
ние которых приводит к замене одних уравнений другими, исключению отдель-
ных уравнений или подсистем уравнений, связанных с добавлением или заменой
оборудования и процессов (например, наличием в технологической схеме кон-
тактных теплообменников, процесса III кристаллизации и аффинации сахара).
Рассмотрим отдельные подсистемы уравнений математической модели ТК,
их назначение и связь между ними (табл. 16).
Обобщенный экономический критерий оптимальности и отдельные показатели
режима работы различных вариантов ТК определяются из подсистемы (1) —
(7)*-
Отделение диффузии и сокоочистки в математической модели представлены
подсистемой уравнений (24) — (42). Эта подсистема уравнений описывает про-
цессы в диффузионном отделении и отделении сокоочистки: зависимость расхода
и параметров подогреваемых растворов (диффузионного сока, сока перед
I фильтрацией и II сатурацией, сульфитироваиного сока, жомопрессовой и
барометрической воды), влияющих иа величину отбора пара подогревателями
и на режим работы выпарной станции.
С помощью подсистемы уравнений (27) — (35) можно моделировать сле-
дующие варианты диффузионного отделения: схемы с предошпаривателем и
без него, с возвратом и без возврата жомопрессовой воды при различных типах
диффузионного аппарата. Такая возможность достигается в результате ввода
в исходные данные температуры отбираемого на производство диффузионного
сока -1дс, средней температуры в диффузионном аппарате tn, длительности
процесса диффундирования То, температуры барометрической 1с в и жомопрессо-
вой /жв воды на входе в диффузионный аппарат, величины относительного рас-
хода диффузионного сока на производство а, а также ввода коэффициента-
признака использования жомопрессовой воды п№.
* В этом разделе даются ссылки иа уравнения, приведенные только в
табл. 16.
120
Таблица 16
Уравнения математической модели ТК
Условия применения
уравнений
1
2
3
4
9 — ЦтО® + Чех iPcst + ®схк) 4“ Лам
0,24.10-2i]CH
ЧуслЧк-
Gcxf= 1,44.10-3
OvOv
2 ^oJ’Ov^Ov X
Лк /
X 2 KivPiv I 1
blv /
vc,+0,785^^ ‘
X
GCXK = 24-10- *2
^iv
"а Г
V
Пкт> 2 ^Knz —
2=0
5
"об
^ам = 10 2 OaMjHj (1 + яремуЮ—2)
6
7
3
9
ftl---tlYFl (f /Av
--------------I- пп10 ^КПЮ ГКП9/ A
D° ~ Ял
v ^cco
r°
, nC0^CCC (^KC--^нс) . . Т т ГЛ
4----------------4- ПоА — UT/Dp
Го
Kl=l0^i-‘
1,44-ЮТ,
Го
3600„ ..
ti =---7--
+ I so — j I с/—А—1
Q-, + 3600^-
i = 1,2
Nk
— Гл —1,44-ЮТ*
D Cn(i-I)—, 4,52-10—u
“i = ., + Z
Am*#?*
V
2=1
^CTf .
>-ст<
к°-6
А/ Сп(/—i) ^)°’6
12t
Продолжение табл. 16
№
п. п.
10
Па
116
12
13
14
15а
16а
156
166
17
18
19
Уравнения математической модели ТК Условия применения уравнений
= 1,724.10» + 2,26.103 _ При
- 6.4в(Г„(1_|)— Л/к£)2
М- — А1к, <140
Аг1 = 0,2651, — 3,25-10-36,-1,- + 0,286, — 15,4 При
bi < 43% СВ
или При
Л2, = 0,261,— 2,8-10—36,1, +0,146,— 10,9 bt > 43% СВ
Ini —ti — AtBt г, = 2512 — 2,5541п, А1п,- = 38,71 -10» -Mi-(273,16 + 1п,)2 + А1Гс/+^гд/ 4ri
Ji = 109.7— 1,96,- 1 При
¥, =2,827 — 8,25-I0~«6, — 18,05- 10-3D6o J 17% СВ < 6, < < 37% СВ
или При 37%СВ<6,-<
/, = 62.655 — 0,6956, 1
¥, = 2,864 — 17,5.10—*6,— 18,05.10-з£)бо J < 65% СВ
с, = 4190 — bt [2514 — 75,4- 10“ 31, +
+ 45,1 • Ю-з (100—£>(5о)]
1 и NK
Wi = nKWKE<rt + 1,44-10» — 2 F] -
ri r* »=i ri j=i
/=» *
122
Продолжение табл. 16
Уравнения математической модели ТК
Условия применения
уравнений
20
21
22
23
2VK = N + пк
При пк= 1
При лк = 1
Nn
гНш^пщ^шгЛт (^кпт—^Кп(т—1)+®пт) +
+ rBA ("il1*7! + ”/11^11 + + п1пат^пат ~Ь
+ nic^ccc (^кс ^нс) + п{д0д + ni4Ti^ti ^р
х Сп(/—I) *п/ A^Ki)
24
25
So — гНсульфИ — Sjf{c
^жс ^кл
^кл
1>о — I Д? Пц П ^сх1 тсх2 тса +
тсульф L
+ 10“2Нс0 (100 Ад анс1 — Снег) + £цс (тПс “Ь
0,73т2р \
Р-1 )
123
Продолжение табл. 16
л»
п. п.
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
124
Уравнения математической модели ТК
Условия применения
уравнений
Да — Пд — 77д — mcxi — incxz ~‘ тсхз
[1 —Я1^\в - 1Де(“-₽о)
_ L________(ижв ~Г тгк1 Ро J -_________
(к пжтжвРо) е^° Ро 4- яжтжвРо
12<рР/Т0*д(а —Ро)
И° — 2
^0°^дн
тм ~Ь Пд + СдНгр-10~3
_ тм — Пд + адНс0-10—2 . . .
тжв — , (ож — ож )
^яАк
102 f
НСа = (100 —вд)Дбдс №~п*~10°-Дб * * *до)
Чд = Л [С1СдС/дС -}- (И1жв 4~ тж) сяАк сстр^стр
Л1бвсбв^бв Яж^ЬквСжв^жв]
тбв--- а + тж 4~ (1 Яж) тЖВ-----1
СдС = 4190 - &дС [25,1- 75,4- 10-s^c +
+ 45.Ы0-3 poo -Дбдс)]
Де — Пд— Л'
Ьдс---------------------—-ГО2
0,73/njp
ffllc = a+ р-1 +0-79
1 —
P^lc \ 1
-7,3.10-3 —rJ -10-2а(СдС-С1с) ] X
6Ic = -4- f&-nA~K+ 0 -«Д-»О-2)^о
Ic L
(СдС+ Clc)K + °-73CIc p2_Pj
Дг—Пд — П'
дб1а=-----—-------- • 10*
JQ
fcIc™Ic
Продолжение табл. 16
№
Уравнения математической модели ТК
Условия применения
уравнений
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50а
тПс = «1С + Ь -1.79 [/п, (1-7,3-10-зс1с
10 2а (СдС + Cjc)l 1® 4°нс17/с0 —10—2пгси—/пв1
т1с^1с Ю 2<2hcI^co mcxi —
0,73/njP
р— 1
тсульф—| mi 1с
Дг Ид Т7д mcx.i
fcIIcmIIc
0,73т,р г
—’----— — 0.79&,
Р-1 L
Г „ 7,3-10-Зр
X [(Сдс + С1с) Ю-2а - - р~ (т1С1с +
4* ^2^пс) Ю 2СцсягПс "Ь ^2 j + Вг 10*Снс27Лч)
„ 1 / ^Пс "Ь ^сульф \
—ю тсх2—-----------------------------)- ю 2тсхз
5дС = аА
SIc = mIcA
SIIc = т11сА
S^b тбвЛ
«с
—
Sjkb —
Sffto . О ^0
2 . Т-^ЖС . .
®к ®кл ®0
Vo + Vc fciKC~fc9 5КЛ
_____________^КЛ _________
Sc
^КП1 --
, f Snlcnl
гвдс I e r
\ °кондьконд
SnlCnl
^кондсконд
н.конд
П1
> ____/
1И н.конд
При «„J = 1
ЯКОИД ‘ ЯЛ1
Sni = sflc
СП1 — сдс
125
Продолжение табл. 16
Уравнения математической модели ТК
Условия применения
уравнений
или
506
50в
-50г
-51а
516
52
53
54
55
56
57
58
59
60а
^КП1 — ^и.дс 4* (^и.конд ^н.дс)
^кондсконд
^nicni
или
Кт
ЗбООТСщГп1
______^п1сш
^ковдсконд
При ПаХ ж= I
и
ПК0ИД = 1
. __ . _____^ппт — ^нпт
КПП1 ’ *ГГПт гл- £7 ОСЛА
Кцт** пт оЬШ
ехр---------------
Зптспт
^кпт ^ппт ®конт.пт
1
d0-2 6_____d0,2
ЦЭКВ_____ д °СТ.П1 ] ап1
Аганд^котщ ^ст.п! А«п®п1'8
^nm— t.
(*nm<7nm) '*
^inm4nm
».... ...................
т- . тКнптТ п _
Аст.пт Aswnw^
^н.ковд — ^п»к
л^*п1 (^НП1 4* ^П1) ^П1 — 2^ИП1^П1
(л + пконд) Dm (dHnl 4* ^nl) ^ni 2dHnlFnl
__ 1,1-10 в5к0Нд (dHni 4~ ^ni) ^П1пконд
nD2 (dHnl + dnl) /П1 2d2[n|FП1
Рщ = ехр
1
^КОНДСКОНД
_ Зптспт Ркпт ^нпт)
?дга —
Рит
1,1-10 35пт1П1Пппт
<°пт — а к
Рптаптгпт
Аяпт = 2900 - 46,82-10«^73 (/кпт + ^)~2-Ю7
Рент — 0,86-10 вСпт
$птг
с „2.2 ,.2,2
Рит^пт г—1 ®птг
При tn > 1
и
якпт = 0
При Лкпл, = 1
При «„, = 1
При tn > 1
и
якпт ~ 0
п₽и «П1 = 1
р = 1000 кг/м3
При = 1
р = 1000 кг/м3
При Пщзт — J
126
Продолжение табл. 16
К» п. и. Уравнения математической модели ТК Условия применения уравнений
606 61 62 63 64 65 66 67 или Runrn = (20 5,93conm) Ю 4 спт = 4190 — Ьрщ [ 25,14 — 37,7-10 3 (/нпт 4* ^кпт) Н~ 4-45,1-10-3(100—Дб^)] Рпт= Ю204*Б.ЗвЗбдп» — 0,564(ZHnm4" ^кпт) <ипт = ^кп(т—1) ®пт / ьР \ — Sc { 1 , ) + n6nIm6nISyl X \ \l J х (1 ——4- \ *у! ) W 1 9 /1 1Л—21^*1 \ n Q ^cxz ^Уа "| При Пвпт = ® При 1 < т < 10
“п — p'ylO 10 АР,)—«аф^схг fcya —Лзп1 /, fcsnl \ , _ / fyjnll \ , Х 1 1 ) + "эпП"*бп1Г-’уП 1 1 • 1 + \ fcyii J \ *УП ) , • „ /, fc6nl \ + Ябп11тбп15у1 1 1 . ) + \ *уП / + яаЫ1^ап ( 1 , + ти^ \ fcyH J wni - [Syli (1 - J0-2Kp„) (1 —^2- 4- L \ fcyin) , „ f ^бпШ \ + ^СпШ^бпПруШ 1 1 , 1 + \ »yIH J , • „ / fc6nll \ T* ибпШя1бпИ1Лу11 ( 1 . I + \ ®yIII J + ”anIII^an Г1 + , ^4* тщА 1 \ ^ylH J J SA + S»<c^—9~fco ^КЛ Pp yI byl ~~ Пбп1тбп1Ьбп1 При 1] = III
127
Продолжение табл. 16
№
п. п.
68
59
70
71
72
73
74
75
128
Уравнения математической модели ТК
Дбу1 =
+ ^жс^кл . . Д^кл
___________________Ркл t’o______
fcylSyI
, Ябп1тбп1^бп1^бп1
fcyl
________(ЮО-будВД.Ю*
(100 - fcyl) НлПг + fcyI (1 - Дбу1.10-*
КР! = ьу1 (Дбу1.10-* + //,/?,) - VPHJh
byi-^Px
81,1 “ 100 —КР1 '’°2
#бзп1 ~
Sy2 -
» Q benz----------Ьул 1
Wexz feya-fe3nI J*
^ут] Ябпт] ^бт/’бпт]
'sn(T)-l)
ябпт)тбп(Т1—1)^У(Ч—1)^бп(т)—1) ~Ь яапт)^ап^ап
^ут) ИбШ]тбпт/'бШ1
Условия применения
уравнений
При двухпродукто-
вой схеме
T] = II, 2=П
При трехпродукто-
вой схеме
Т]=П, III, 2 = III
-Ябут)
[5у(ч-1)(,-10-2^1)^
е ^Cxz а ~|
"We» fcya-fc3rll J
fcyT)SyT)
’зп(т)—1)Дбзп(Т]—I)
ябпт)тбп(ч—l)Sy(T)-l)fc6n(T)-l)^66n(4-l) +
"Ь «апч^ап^апД^ап
Ьугруп
n6mfn6nr}>f>nrflbfyrt^
Ьуп
КРч = *УЧ (^уп-10-2 +
(lOO-^/^-lO*
’8ПП (M-byjHJ^ + by^l -Дбуч.1О-)
Продолжение табл. 16
№
п. п.
76
77
78
'79
80
81
82
83
'84
85
86
Уравнения математической модели ТК
_ fcyr) KPt)
100 -KPri
^aa] ~ Sy^ (^Pt) «гбт/’бт])'Ю
^СхгДбсх2 + CXZ Уа feani^anj
77« «Уа —«an!
ДОуа — Z Z
&CXZ fcsn! .
. . «ya
Oya «an!
КРа = буа (Дбуа-10“2 + HJla) — НаПа-1№
(100-буа)77аПа
Дбяп = ---------------5-------Уа/ - --------------- . 102
(100 — fcya)//a/7a 4-fcya (1 -Дбуа-10-2)
fcan== ^Уа-КРа,. 1№
100 — Kpa
San = Scxz (1 - Kpa- IO'2)
Ьуа b^
S«c = (1 - «аф) • io-2 V SyI] (Kp4 “
T)=II
— ^бпт|Дб6пп '-10—) + «аф X
X |scxz ^c”~fc3nI KPa-io~2+KrscxII
L °ya р3п1
JS6C = Sy! (Крг - ^nl^nl^Hi-lO-^.lO-2
Спат = [SyI (1 Крг IO2) 4- m6nlSyI +
+ m6niiSyii + m6ninSyin + Syii X
X (1 -Kpu-10-2)] . (<кп — M cn
*n<CX. G<fJ”aX. <2>^,П. 'kXk1"
nmax f - pnax
к к • ^P ^p . 1кпт < 1кпт
Условия применения
уравнений
При «аф = 1
5
129
С помощью подсистемы уравнений (36)—(42) и (24)—(26) можно опре-
делить расход и концентрацию подогреваемых растворов в типовой схеме отде-
ления сокоочистки в зависимости от режима его работы: плотности р и расхода
и mz (по СаО) известкового молока; содержания СО2 в сатурационном газе
Ci; коэффициентов использования СО2 в сатураторах <р2; количества воды,
унесенной с сатурационным газом 62 и испаренной на вакуум-фильтрах лгВ1 и
wB2 количества проемов 1ц и 1-2, требуемого значения кислотности и щелочности
раствора на различных этапах очистки сока сдс, Ос, сне, СсульФ-
Параметры, определяемые из подсистемы уравнений (24)—(42) — расход,
концентрация, доброкачественность и теплоемкость растворов, а также расход
тепла в диффузионном отделении — влияют на режим работы соответствующих
подогревателей и выпарной станции.
Обратная связь подсистемы (24) — (42) с остальными уравнениями прояв-
ляется только через расход сока Sc, зависящий от количества желтого сахара
S„< в продуктовом отделении.
Подсистема уравнений (8)—(22) описывает процесс теплопередачи и темпе-
ратурный режим при кипении растворов и конденсации паров, изменение теп-
лофизических параметров и расхода этих потоков в ступенях выпарной станции и
в концентраторе. В ней учтено влияние температурного режима выпарной
станции на процесс теплопередачи и на потенциалы вторичных паров, влияние
конструктивных размеров и длительности непрерывной работы ТК на темпе-
ратурный режим и на процесс теплопередачи в ступенях выпарной установки.
С помощью подсистемы уравнений (8)—(22) можно моделировать варианты
четырехступенчатой выпарной станции с концентратором и без него, с учетом
паров самоиспарения раствора и конденсатов. При наличии термокомпрессора
в тепловой схеме комплекса уравнением (21) определяется требуемый расход
острого (рабочего) пара на термокомпрессор при условии максимальной раз-
грузки концентратора и с учетом возможности подключения термокомпрессора
к любому i-му корпусу выпарной станции и возврата сжатого пара в коллектор
ретурного пара.
Влияние режимных параметров работы выпарной станции на другие техно-
логические участки в математическом описании учитываются через температуру
вторичных паров, которые являются греющим агентом в теплообменном обору-
довании этих участков, и через расход и концентрацию сиропа, поступающего
в вакуум-аппараты I продукта.
Влияние режима процесса на этих участках на работу выпарной станции
выражается через расход пара на их обогрев, описываемый отдельным уравне-
нием (23). Кроме того, расход и концентрация сока, поступающего в I ступень
выпарной станции, зависят от режимов работы отделений диффузии, сокоочистки
и продуктового.
Подсистема уравнений (48), (49), (64)—(85) описывает процессы в вакуум-
аппаратах продуктового отделения.
Введенные в подсистему уравнений (64)—(85) коэффициенты-признаки иаф,
ябп> иблтр ябпч' яапт)« nvf ИП ПРИ Ч — И. Hl дают возможность моделировать
варианты схем двух- и трехпродуктового отделений, с аффинацией сахара
последнего продукта и без нее, с использованием белой патоки в данной или
следующей ступени кристаллизации.
Влияние показателей работы продуктового отделения на режим работы вы-
парной станции в модели учитывается расходом выпариваемой воды Wj, и, ш
через уравнение (23) и расходом желтого сахара, от которого зависит расход
сока S® в I ступень выпарной станции через уравнение (24).
Влияние режима работы выпарной станции на показатели продуктового
отделения учитывается через значения концентрации, доброкачественности и
расход сиропа после выпарной станции, определяемые по уравнениям (48), (49),
(68).
Подсистемой уравнений (50)—(63) описываются процессы теплопередачи с
учетом роста термического сопротивления накипи и температурный режим
m-го технологического подогревателя. Расход подогреваемых растворов и
воды описывается зависимостями (43)—(47). Уравнения (50а), (506), (51а),
(52)—(56), (58), (59), (606), (61), (62) составляют систему, из которой опре-
130
деляется температура раствора на выходе из теплообменника «коиденсат-сок»;
из уравнений (50в), (516), (57)—(60а), (61)—(63) определяется температура
раствора на выходе из медленно загорающего кожухотрубного подогревателя;
из уравнений (50), (516), (57)—(59), (606), (61)—(63)—на выходе из быстро
загорающего кожухотрубного подогревателя. Температура раствора (воды) на
выходе из контактного теплообменника определяется по уравнению (50г).
Греющим паром для большинства подогревателей является вторичный пар
i-ro корпуса выпарной станции, температура которого определяется соотноше-
нием (12) и введена в уравнения (50в) и (50г). Этим самым учитывается влияние
температурного режима выпарной станции на показатели работы подогревателей.
Влияние режима работы tn-ro подогревателя (температура раствора на выходе
из подогревателей) на работу выпарной станции выражается в модели через
уравнение (23).
Подсистемой неравенств (24) в математической модели ТК описываются
ограничения для технологических параметров.
Значения ограничений зависят от схемы распределения потребителей вторич-
ных паров, типа турбогенератора и от других конкретных условий работы
завода.
Ряд режимных параметров ТК зависит от значений коэффициентов терми-
ческих сопротивлений в ступенях н концентраторе выпарной станции и в мед-
ленно загорающих подогревателях, а эти коэффициенты в свою очередь из-за
накипеобразования изменяются во времени, что учтено в уравнениях (9), (51)
и (60). Следовательно большинство режимных параметров ТК также изменяется
во времени в зависимости от изменения термических сопротивлений и knm.
Эти изменения и учитываются подекадными расчетами параметров и показателей
режимов работы комплекса, оценкой того или иного варианта ТК по значению
критерия оптимальности за сезон переработки свеклы.
По заданным значениям исходных параметров, принятым вариантам схемы
ТК и значениям оптимизируемых параметров (К,, Fnm, in), можно определить
все режимные параметры, экономические показатели и критерии оптимальности.
Полученные таким образом зависимости критерия оптимальности от искомых
параметров позволяют определить их оптимальные значения.
Классификация параметров системы уравнений (табл. 17, 18), описывающая
ТК в общем виде, дает возможность видеть, что все параметры разделены на
три группы: исходные, искомые и расчетные.
К исходным данным отнесены:
коэффициенты-признаки, с помощью которых в модели компонуются схемы
диффузионного и продуктового отделений; _
конструктивные параметры ступеней выпарной станции и подогревателей,
принятые постоянными;
режимные (технологические) параметры, которые в свою очередь разделены
на постоянные для условий работы данного завода и переменные в течение
сезона работы завода. К режимным заданным параметрам отнесены также
технологические ограничения некоторых расчетных параметров; цены условного
топлива, сахара и коэффициенты амортизационных отчислений.
К искомым (оптимизируемым) параметрам отнесены:
коэффициенты-признаки, с помощью которых в модели компонуются схемы
выпарной станции, а также распределение по ступеням потребителей вторичных
паров, использование паров самоиспарения конденсатов;
основные конструктивные параметры ступеней выпарной станции и техн®;
логических подогревателей;
режимные параметры, непосредственно влияющие на экономические пока-
затели работы ТК.
Следует отметить, что при поиске оптимального режима работы заданного
варианта ТК искомые, схемные и конструктивные параметры должны быть
перенесены к искомым данным, а при простом проверочном расчете все искомые
параметры переносятся к исходным данным.
Обширный объем исходных данных обеспечивает гибкость и оперативность
математической модели при расчете вариантов тепловых схем свеклосахарного
производства без корректировок машинной программы при моделировании, дает
возможность максимально Приближаться к условиям работы завода.
5* 131
Таблица 17
132
Исходные данные
экономические схемные конструктивные режимные
постоянные переменные
Пж> Пбп1> ^ст i । Т)к. тк, /™х, ро> тм, р0, ^КП> ^СТр»
^сх пбп I ’ пбп1р dit Сстр> da, <дН, Df, сбв, «, То> ф, /д,
пбпП- пбп ПР ^ст 1 > СЖВ> СЖ« ^Ж« ^ж’ аИ’ ^Ж> (дС1 ^ндс>
пбп IIP П1Р ®стп т, ЯНС1> °НС2> mCxl> mCX2i ОТСХЗ> ДбдС) Пд, р,
П3пп’ папт)’ djt т । Ф1> Фй» ?1 1 ?2i mBl< тВ2> ^1» ^2» £дС»
^аф ^стп т D™\ Hit HiT, MKi, Мгс{, ^1 с> Сцг Ссульф. 61,
&trp,i, сконд, Лм Линь ^2» ®2» ^КЛ
пвпт, 6пт, Спт, СС, /нс, Дбкл. тбп1’ тбп III >
• <кс, гва. *У1, \п> \пр тбп III > т1< тП<
Ьуа, &бпр ^бп II ’ &бпШ > ^бпр тш, &[ у, Ьу п
^ббпП> ^ббп III > йр ^П> ^Цр fry HI’ m0- №
^Р ^1Р ^ПР ^а’ 6cxz> &жс> сп>
л л лгпах *нп» *кп, *Кпт
Исходные данные -
схемные конструктивные режимные вспомогательные
'N, пк, Ft, ^n> ^0 > тж >
^п> ппт> Vci ^max ^бв » £дс
л/ п т, п,- ], n{, jmin r2 , тжв> т1с’
ni II > ni III ’ h jmln гк ’ тПс’ тсульф>
rtf д , ni с > Fn m> 6”ax, NKi Ki, t
И^пат, nco ^пм> ^Дост A2i, Pi, Ci,
ni КОНД Пцт > ft, ra,
niD0< nif dh Ц, Qnm,
«кп m dn m ^2П m, Cn m,
^экв > Fnl>
Pn m
Таблица 18
Расчетные данные
режимные экономические
77д, /7с0, 6дС, SgB, э,
$жв. Сд. с, с, $0 ^схт
61с 6П с’ 6о> Лб1с’ ^Пс'
Дб0, Et, Wh И7П, bi, ^0,
fit tn Ь Мп it Rb Elatut
^КОНД' ^Н. КОНД1 ®конд> шп m > ^нпт, 7Кпт> $(., ЬС< Syl> Sy Г)> ^yl- Дбу , Дбуа, Кр\, КРт), ^бс
t^Pat Sam Scxz, 5ЖС, Qnar' ^зпт' ^Зпт)’ ^ап’
^Зпр ^Зпт)’
Дбап
К расчетным данным отнесены:
экономические показатели — критерий оптимальности и его составляющие, а
также выход белого сахара;
режимные параметры — расход растворов, воды, вторичных паров, концент-
рация и температура кипения растворов по ступеням выпарной станции, пока-
затели работы продуктового отделения, температура растворов иа выходе из
подогревателей;
вспомогательные параметры, необходимые для расчета режимных парамет-
ров и экономических показателей.
ВЫБОР КРИТЕРИЯ ОПТИМАЛЬНОСТИ ТЕПЛОВОГО КОМПЛЕКСА
Математическое моделирование различных вариантов теплового комплекса
свеклосахарного производства дает возможность анализировать как различные
режимы работы данного варианта ТК, так и различные (по схеме и конструк-
тивным параметрам) варианты комплексов. Выбор лучшего варианта ТК и
режима его работы необходимо осуществлять по единому показателю — эконо-
мическому критерию оптимальности, охватывающему наиболее существенные
показатели работы вновь проектируемых, реконструируемых или действующих
комплексов.
Основными экономическими показателями ТК являются: расход греющего
пара, химические и механические потери сахарозы в корпусах выпарной станции
и на кагатном поле и капитальные затраты на основное оборудование.
Так как одновременнан минимизация этих показателей с целью увеличить
прибыли невозможна, необходимо найти такое соотношение параметров, при
котором суммарная стоимость расхода греющего пара, потерь сахара и основно-
го оборудования, отнесенная к сезону переработки сахарной свеклы, была бы
минимальной. При конструктивной оптимизации предполагается оптимизация
режима работы каждого варианта ТК, последующее сравнение значений крите-
риев оптимальности и выбор варианта ТК с лучшим значением критерия.
Из, уравнений (1)—(7) видно, что для данного конструктивного варианта
ТК показатели, входящие в обобщенный критерий оптимальности, зависит от
текущих значений режимных параметров работы комплекса ТК (расхода грею-
щего пара иа ТК, распределения нагрузок по выпаренной воде, концентраций и
температур кипения растворов по корпусам выпарной станции), а для различных
вариантов ТК — и от схемы конструктивных параметров оборудования (числа
ступеней выпарной станции и подогревателей, величины поверхности нагрева).
Многомерные зависимости критерия оптимальности и его составляющих от ре-
жимных н конструктивных параметров определяются с помощью математической
модели ТК-
АЛГОРИТМ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО КОМПЛЕКСА
Для решения на ЭВМ системы уравнений, образующих математическую мо-
дель ТК, чаще всего выбирается блочный принцип комбинированного примене-
ния метода простых итераций и одной из его модификаций — метода Зейделя с
ускоренным процессом сходимости. Суть этого принципа заключается в том,
что вся система уравнений разбивается на две группы подсистем — с независи-
мым и взаимосвязанным решением.
К подсистемам с независимым решением относятся те подсистемы уравне-
ний, которые имеют лишь прямые связи с другими подсистемами. Подсистемы
уравнений этой группы решаются относительно своих искомых переменных,
найденные значения которых передаютси в соответствующие подсистемы урав-
нений второй группы.
Подсистемы уравнений с взаимосвязанным решением (с прямыми и обрат-
ными связями) в свою очередь разбиваются на две группы: подсистемы с пред-
варительно принимаемыми (в первом цикле итераций) ориентировочными значе-
ниями корней уравнений и подсистемы уравнений, корни которых рассчитываются
с учетом принятых значений корней подсистем первой подгруппы. Рассчитанные
134
методом простых итераций значения корней уравнений второй подгруппы пере-
даются в подсистему первой подгруппы для уточнения ее корней, рассчитывае-
мых методом Зейделя, и такой процесс последовательного приближения повто-
ряется несколько раз до принятой точности общего решения всей системы.
В качестве критерия точности решения всей системы уравнений принима-
ется точность расчета искомых величин (корней уравнений).
В соответствии с принятым принципом построения алгоритма расчета ТК
на ЭВМ система уравнений (1)—(86) разделена на подсистемы, которые в
основном описывают экономические показатели и процессы отдельных техноло-
гических участков комплекса. Исключение составляют только уравнения (23)
и (24). Уравнение (24), определяющее расход сока в I ступени выпарной стан-
ции, отнесено к подсистеме уравнений, описывающей продуктовое отделение, так
как So зависит от выхода желтого сахара 5жС- Перенос уравнения (24) в под-
систему, описывающую продуктовое отделение, позволяет устранить обратную
связь между подсистемой, описывающей отделение диффузии и сокоочистки, и
подсистемой, описывающей выпарную станцию и продуктовое отделение. Рас-
ход вторичных паров на обогрев внешних потребителей зависит от режимных
параметров всех технологических участков, поэтому уравнение (23) должно ре-
шаться после расчета всех параметров ТК.
К подсистемам с независимым решением относятся подсистемы уравнений
(1)—(5) для расчета экономических показателей и подсистема уравнений
(24)—(42) для расчета отделений диффузии и сокоочистки. К подсистемам с
первоначально принимаемыми значениями искомых величии относится подсис-
тема, получаемая из уравнения (23) после подстановки в него значений 1=1, 2,
3, ..., N. Остальные три подсистемы модели ТК: (24), (64)—(85), описывающая
продуктовое отделение; (6), (8)—(22), описывающая выпарную станцию; (43)—
(63), описывающая подогреватели, — относятся ко второй подгруппе уравнений
с решениями, последовательно зависимыми от значений Ei (для первой подсис-
темы) и от значений искомых величин каждой предыдущей подсистемы (для
второй и третьей подсистем).
Рассмотрим более подробно общую схему алгоритма моделирования ТК и
схемы алгоритмов отдельных участков ТК: отделения диффузии и сокоочистки
(ОДС), продуктового отделении (ПО), выпарной станции (ВС) и подогрева-
телей (П).
ОБЩАЯ СХЕМА АЛГОРИТМА МОДЕЛИРОВАНИЯ
ТЕПЛОВОГО КОМПЛЕКСА
Назначение основных символов заключается в следующем (рис. 34).
Символы 1 и 30 — начало и конец выполнения алгоритма.
Символы 2—6, 9 — ввод и подготовка исходных данных (ИД) для расчета
режима работы теплового комплекса в очередную декаду.
Символ 7 — подпрограмма расчета режимных параметров работы отделений
диффузии и сокоочистки, не зависящих от режима работы ТК, по уравнениям
(25)—(42).
Символ 8 — подпрограмма расчета режимных параметров работы продук-
тового отделения по системе уравнений (24), (48), (49), (64)—(85).
Символ tO — подпрограмма расчета режимных параметров выпарной стан-
ции по уравнениям (8)—(22).
Символ It — подпрограмма расчета режимных параметров работы техно-
логических подогревателей по уравнениям (43)—(63).
Символ 12 — расчет значений теплоты парообразования первичного пара по
уравнению (13).
Символ 13— расчет расхода первичного пара на ТК по уравнению (6) и
вторичного пара i-ro корпуса на обогрев внешних потребителей по уравнению
Символ 14 и 15 — перерасчет Ei при наличии подпиток пара на выпарную
станцию дли обеспечения допустимых технологией значений некоторых расчет-
ных параметров (концентрации сиропа после выпарной станции, температуры
кипения раствора во II ступени). РУ1 и Ру2— число дискретных изменений Ei
135
при наличии подпиток потребителей вторичных паров ступеней выпарной стан-
ции.
Символ 16— проверка точности решения всей системы уравнений по каж-
дому Et.
Символ 17-—-уточнение значений пароотборов для следующей итерации,
причем для ускорения сходимости в решениях применен метод Зейделя путем
ввода коэффициента 0,3.
Рис. 34. Общая блок-схема
комплекса сахарного завода.
алгоритма моделирования теплового
Символ 18— расчет Ki по уравнению (7) и приращения за одну декаду
составляющих критерия оптимальности AQT, AGcxt AGcxk по уравнениям, ана-
логичным (2), (3), (4), только без суммирования за декад.
Символ 19 — накопительный расчет GT, GCIt, GCXK за -v декад.
Символ' 21 — расчет приращения термического сопротивления накипи в
ступенях выпарной станции за одну декаду работы ТК по формуле
АЯН, = 4,52.10-MZ>f’275 .
Символ 22, 23, 25—27 — подготовка и переход к расчету показателей рабо-
ты ТК в следующей декаде.
Символ 28— расчет Пак и Э по уравнениям (5) и (1).
-Символ 20, 24, 29 — печать результатов расчета.
136
СХЕМА АЛГОРИТМА РАСЧЕТА ОТДЕЛЕНИЯ ДИФФУЗИИ И СОКООЧИСТКИ
Система уравнений (27)—(31) реша-
ется методом итераций по /7Д.
Назначение.каждого символа схемы
алгоритма ОДС заключается в следую-
щем (рис. 35).
Символ 1 и 13— начало и конец вы-
полнения алгоритма ОДС.
Символ 2 — ввод ИД.
Символ 3 — вычисление ho по урав-
нению (28).
Символ 4 — ввод предварительного
значения Лд.
Символ 5 — вычисление Яс0>
/Пжв, Пп по уравнениям (31), (29), (30),
(27).
Символ 6 — проверка достижения
заданной точности решения системы
уравнений (27), (29)—(31).
Символ 7 — уточнение значения Пп
для следующей итерации.
Символ 8 — вычисление твв, «lie,
Ице, ^сульф по уравнениям (33), (36),
(39), (42).
Символ 9—вычисление bnc, btc, Ьпс,
Ьо по уравнениям (35), (37), (40), (25).
Символ 10—вычисление R6ic, Дбцс,
Дбо по уравнениям (38), (41), (26).
Символ 11 — вычисление сдс, <2Д по
уравнениям (34) и (32).
Символ 12 — печать результатов.
СХЕМА АЛГОРИТМА РАСЧЕТА РАБОТЫ
Рис. 35. Блок-схема алго-
ритма расчета отделений диф-
фузии и сокоочистки (ОДС).
ПРОДУКТОВОГО ОТДЕЛЕНИЯ
Системы уравнений (24), (48), (49), (67)—(83) решаются методом итера-
ций по Хжс! внутренняя подсистема уравнений (72)—(77)—по Scxii и Scxin-
Назначение каждого символа схемы алгоритма продуктового отделения
заключаются в следующем (рис. 36).
Символы 1 и 29— начало и конец выполнения алгоритма продуктового
отделения.
Символы 2, 7, 9 и 28 — ввод ИД и вывод результатов.
Символ 2 — вычисление So, Syi, Дбуг, Др1г Дб„л, bSIIl по уравнениям
(24), (67)—(71).
Символы 4, 8, 15 — выбор направления дальнейшего расчета, обусловленный
наличием либо отсутствием процесса аффинации в схеме продуктового отделе-
ния.
Символ 5 — вычисление Дбул, Крл, Дбы, baa, Sna по уравнениям (78)—
(82) соответственно.
Символы 6—12 — выбор направления дальнейшего расчета, обусловленный
двух- либо трехпродуктовой схемой.
Символ 11— вычисление SyT], Дбуц, Крп, Дбвап, Ьзпц, SCxT] по уравне-
ниям (72)—(77).
Символы 13, 16, 19, 22 — проверка достижения заданной точности при вы-
числении Sexi], S„.
Символы 14, 17, 20, 23 — уточнение значений SCxn и S»c для следующей
Символ 18 — вычисление SKC при двухпродуктовой схеме.
Символ 21 — вычисление’Хжс по уравнению (83).
137
Символ 24— вычисление Sb с, И^и, Й7П, <2пат по уравнениям (84), (65),
(66), (85).
Символ 25— ввод начального значения bK=by.
Символы 26, 27 — вычисление Sc, bc, Wi по уравнениям (48), (49) и (64).
СХЕМА АЛГОРИТМА РАСЧЕТА РАБОТЫ ВЫПАРНОЙ СТАНЦИИ
Система уравнений (7)—(17) решается методом итераций относительно
Назначение каждого символа схемы алгоритма выпарной станции заключа-
ется в следующем (рис. 37).
Символы / и 55— начало и конец выполнения алгоритма выпарной стан-
ции.
Символ 2 — ввод ИД и программы.
Символы 3 и 44 — выбор направления дальнейшего расчета, обусловленный
наличием либо отсутствием концентратора в схеме выпарной станции ТК-
Символ 4 — вычисление производительности концентратора Й7К по уравне-
нию (20).
Символы 5 и 6— проверка наличия перевыпаривания и «отключения» кон-
центратора.
Символ 7 — подпрограмма расчета требуемой производительности термо-
компрессора.
Символ 8 — вычисление Й74 и bi по уравнениям (18) и (19).
Символы 9 и 11 — проверка наличия перевыпаривания или иедовыпарива-
иия при отключенном концентраторе.
13В
Рис. 37. Блок-схема алгоритма расчета выпарной станции (ВС).
Символы 12,, 14, 16 — перерасчет Ек, En-i, Е2, Ег для устранения перевы-
паривания и недовыпаривания.
Символы 15, 17, 20, 41 — вычисление количества циклов при перерасчете
Символ 22 — выбор зависимостей для расчета lt, Ч7,, обусловленный вели-
чиной bi.
Символ 23— вычисление /4 и Ч7, при £>,-<37 по уравнениям (15а) и (16а).
Символ 24 — вычисление /4 и Чг£ при £>4>37 по уравнениям (156) и (166).
Символы 26 и 29— ввод исходных данных для расчета температурного ре-
жима I ступени выпарной станции.
Символ 27 — вычисление Ci-i по уравнению (17).
Символ 28— вычисление Лн по уравнению (10).
Символ 30— вычисление t, по уравнению (8).
Символ 31 — вычисление Л24 и /?4 по уравнениям (22а) или (226) и (9).
Символы 32 и 50 — проверка достижения заданной точности вычисления
Ri и Ra.
Символы 33 и 51 — уточнение значения Ri для следующей итерации.
Символы 34, 36, 37, 38 — проверка достижения граничных значений пара-
метров £i, ts, tn.
Символы 35 и 39— изменение исходного значения £п Для обеспечения тре-
буемых значений и /2.
Символ 40 — перераспределение пароотборов между I и II ступенями для
обеспечения требуемого значения t2.
Символ 42 — вычисление Л£п4, /4, г4 по уравнениям (14), (12) и (13) для
каждой ступени выпарной станции.
Символ 43 — вычисление Л4к по уравнению (10) при /ц(4-1)=/цк и Д/к4=
— tnlf-
Символ 45 — вычисление Ск по уравнению (17).
Символ 47—-вычисление tK по уравнению (8).
Символ 48 — проверка значения полезной разности температур в концентра-
торе для определения необходимости его дальнейшего расчета.
Символ 49 — вычисление Л2к и RK по уравнениям (116) и (9).
Символ 53 — проверка достижения граничного значения £к.
• Символ 54 — уменьшение Ьк и переход к следующей итерации;
Символы 10, 13, 14, 18, 21, 25, 41 — выполнение действий, указанных на
схеме алгоритма (см. рис. 37).
СХЕМА АЛГОРИТМА РАСЧЕТА ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ
Назначение каждого символа схемы алгоритма заключается в следующем
(рис. 38).
Символы 1 и 35 — начало и конец выполнения алгоритма расчета подогре-
вателя.
Символы 2 и 34 — ввод ИД и вывод результатов соответственно.
Символ 3 —вычисление S„c, Sic, Snc, SCB, S»B по уравнениям (43)—(47).
Символ 4 — выбор направления расчета в зависимости от наличия либо
отсутствия в схеме подогревателя «конденсат-сок».
Символ 5 — вычисление 5Коид, £н.конд, daKB, Юконд по уравнениям (52)—(55).
Символ 6 — ввод предварительного значения К^ .
Символ 7 — выбор уравнения для расчета конечной температуры сока в
зависимости от количества ходов в подогревателе со стороны конденсата.
Символы 8 и 9 — вычисление £кд1 по уравнению (50а) или (506).
Символ 10—вычисление pni, <0ni, cni, Tl2ni, Real для диффузионного сока
по уравнениям (62), (58), (61), (59), (606).
Символ 11 — вычисление Kai по уравнению (51а).
Символ 12 — проверка достижения заданной точности вычисления Kai-
Символ 13 — уточнение значения Кщ для следующей итерации при расчете
режимных параметров работы подогревателя «конденсат-сок».
Символ 14 — выбор направления дальнейшего расчета в зависимости от
наличия либо отсутствия т-го подогревателя в схеме
140
Символ 15 — выбор зависимостей для расчета параметров т-го подогрева-
теля, обусловленный тиром подогревателя.
Символ 16 — ввод предварительного значения k®m, вычисление tBBm, Snm,
СОптп, Сптп, по уравнениям (50в), (62), (58), (61), (57), (59).
Символ 17 — выбор зависимости для расчета /?Н1П, обусловленный скоростью
роста коэффициента термического сопротивления накипи.
Символы 18 и 19— вычисление RBm по уравнению (60а) или (606).
Символ 20 — вычисление kBm по уравнению (516).
Рис. 38. Блок-схема* алгоритма расчета подогревателей (П).
141
Символ 21 — проверка достижения заданной точности вычисления fcnm.
Символ 22— уточнение значения кПт для ^последующей итерации при рас-
чете m-го подогреватели.
Символ 23—проверка достижения параметром tynm своего наибольшего
допустимого значения.
Символы 24 и 26 — выбор значения для расчета
Символ 26— подготовка к расчету показателе^ работы (т-Ц)-го подогре-
вателя.
Символ 27 — вычисление Лпт для контактного подогревателя.
Символ 28 — вычисление tKnm для контактного подогревателя по уравнению
(50г).
Символ 29 — выбор направления дальнейшего расчета, обусловленный
иомером подогревателя, следующего за расчетным.
Символы 30 и 3/— ввод значений knm и tKILm при отсутствии т-го подогре-
вателя.
Символ 32 — вычисление ^нпт для подогревателя, порядковый номер
которого т<11, по уравнению (63).
Символ 33 — проверка номера рассчитанного подогревателя на предмет
окончания расчета показателей работы всех подогревателей.
ПОДГОТОВКА ИСХОДНЫХ ДАННЫХ И СОСТАВЛЕНИЕ ПРОГРАММЫ
ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТК НА ЭВМ
Для удобства сбора большего числа исходных данных и их ввода в машин-
ную программу моделирования ТК иа ЭВМ предлагаются формы, по которым
эти даияые разбиты на отдельные массивы, соответствующие в основном техно-
логическим участкам комплекса.
При составлении машинной программы расчета ТК целесообразно заменить
условные обозначения, принятые в математическом описании, новыми, соответ-
ствующими массивам исходных данных. Такая замена упрощает учет в машин-
ной программе сложных индексов и позволяет расширить объем констант и
переменных при использовании конкретных устройств вычислительной техники.
Например, массив СД (9) содержит максимальное количество элементов 9,
в состав которого входят следующие элементы (см. ниже): СД1 соответствует
числу декад в сезоне NK; СД2 — числу декад непрерывной работы ТК до
остановки завода для очистки поверхностей теплообменников от накипи УУ°СТ;
СДЗ — числу ступеней выпарной станции N; СД4 — числу технологических
подогревателей в схеме Мп; СД5 — числу параметров, изменяющихся подекадно
Апу; СД6— коэффициенту — признаку наличия в схеме концентратора пк-
СД7 и СД8 — коэффициентам-признакам наличия в схеме термокомпрессора и
процесса аффинации nT, пв$; СД9 — количеству ступеней термокомпрессора
Ист-
Массив СД (9)
Номер элемента........ 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Параметры.............Nn 7V°CT N NB 77пу ик пст
Значения .............
Аналогичным образом составляются массивы переменных и констант для
основных технологических участков ТК.
Расчет и моделирование теплового комплекса свеклосахарного производства
по составленной модели и алгоритму может производиться на широко распро-
страненных в настоящее время универсальных ЭВМ 2-го и 3-го поколений.
Программы можно составлять на проблемно-ориентированных языках (на-
пример, на языке АКИ-Т для ЭВМ «Мииск-23 М» и «Мииск-32», на языке АП
для ЭВМ серии «Наири») и иа универсальных алгоритмических языках типа
ФОРТРАН или АЛГОЛ-60 в зависимости от наличия соответствующего транс-
метора в ЭВМ.
142
В разделе приняты следующие условные обозиачеиия:
Отделение диффузии и сокоочистки
А — расход стружки свеклы в диффузионный ап-
парат (производительность завода), кг/ч;
Дг — содержание сахара в свекле (дигестия),
% к массе свеклы;
Рв» ро> р — плотность воды, свеклы и известкового
молока, кг/м3;
ро — относительное объемное содержание сока в
свекле;
тк —содержание мякоти в свекле, % к массе
свеклы;
Hcq — содержание растворимых несахаров в свек-
ле, % к массе свеклы;
/стр — температура стружки на входе в диффузи-
онное отделение, ° С;
Сото —удельная теплоемкость стружки, Дж/(кг-К);
ав — эквивалентная толщина свекловичной струж-
ки, приведенная к пластине, см;
/Дн — температура, при которой определялся ко-
эффициент диффузии Dt, °C;
Dt — коэффициент диффузии сахара из свеклы
при температуре 4ДН, см2/мин;
То — продолжительность пребывания стружки в
диффузионном аппарате, мин;
<р — коэффициент использования потока в диф-
фузионном аппарате;
4Д — средняя температура в диффузионном ап-
парате, °C;
/ж — температура неотжатого жома на выходе
из диффузионного аппарата, °C;
/би, <жв—температура барометрической и жомопрес-
совой воды на входе в диффузионный ап-
парат, ° С;
fде, <ндс — температура диффузионного сока на выхо-
» де из диффузионного отделения и на входе
в подогреватель I ступени его подогрева,
°C;
Ьж, Ьж—содержание сухих веществ в неотжатом и
отжатом жоме, %;
Сж, Сжв, Свв, Сдс — удельная теплоемкость неотжатого жома,
жомопрессовой воды, барометрической во-
ды и диффузионного сока, Дж/(кг-К);
Пд, Пд—учтенные и неучтенные потери сахара в
диффузионном аппарате, % к массе свеклы;
Дбдс, Дб1с, ДбПс, Дб0, Дб< — доброкачественность (чистота) диффузи-
онного сока, сока после I и перед 11 сату-
рацией, сульфитированного сока и раствора
в i-м корпусе ВС, % сахара к массе сухих
веществ;
а—относительный расход диффузионного сока
на производство (коэффициент откачки),
кг/кг свеклы;
Пж — относительный расход отжатого жома,
кг/кг свеклы;
т»в, Щбв — относительный расход жомопрессовой и
барометрической воды в диффузионном
аппарате, кг/кг свеклы;
143
mi, т2 — относительный расход СаО на дефекацию и
сатурацию, кг/кг свекльц
mic, mile. Шсульф—относительный расход/сока после I и перед
II сатурацией и сульфитированного сока,
кг/кг свеклы; /
Шеи, тсхз, тСхз — потери сахара при I, II и III фильтрациях
сока, % к массе/свеклы;
Шин Шва — относительный 'расход воды, испаряющейся
при I и II фильтрациях, кг/кг свеклы;
Од — количество несахаров, оставшихся в жоме,
% к содержанию растворимых несахаров;
Свсь «нс2 — количество несахаров, удаленных из раст-
вора в отделении сокоочистки при I и II
фильтрациях, % к содержанию раствори-
мых несахаров;
61 — содержание СО2 в сатурационном газе,
% к массе газа;
62—'Содержание водяного пара в удаляемом
сатурационном газе, % к массе удаляемого
газа;
ЧР1» Ч>2 — коэффициент использования СО2 в сатура-
торах I и II сатурации, %;
Сдс, С1с, Спс ССуль4>—кислотность диффузионного сока, щелоч-
ность сока после I сатурации, щелочность
сока после II сатурации и сульфитирован-
иого сока, % СаО к массе свеклы;
51» 5г — относительный расход процоев, добавля-
емых в сок при I и II фильтрациях, кг/кг
свеклы;
Ьдс, tic, Ьцс, bo — содержание сухих веществ (концентрация)
в диффузионном соке, соке после I и перед
. II сатурацией и сульфитированном соке, %,
<2д(Яд)— расход тепла (пара) иа подогрев свекло-
• вичной стружки в диффузионном отделе-
нии, Дж/ч;
Sh<, Shib, Sbb, 5дс, SIc, Sjic, So— расход отжатого жома, жомопрессовой и
барометрической воды, диффузионного сока,
сока после I и перед II сатурацией, сока в
I корпус ВС, кг/ч;
«ж — коэффициент — признак возврата жомо-
прессовой воды в диффузионный аппарат.
Выпарная станция
F, — поверхность теплообмена греющей камеры
i-ro корпуса,' м2;
li беи, di—длина и толщина стенки и диаметр трубок
греющей камеры i-ro корпуса ВС, м;
«1 — количество трубок греющей камеры i-ro
корпуса, шт.;
tn — температура первичного пара в греющей
камере I корпуса, °C;
tns — температура вторичного пара в греющей
камере i+l-го корпуса, °C;
ts — температура кипения раствора в i-м корпу-
се, °C;
Д/п» — общая температурная депрессия в i-м
корпусе, °C;
inn, tK— температура вторичного пара и кипения
раствора в концентраторе, °C;
144
/?4 — коэффициент термического сопротивления в
ms-K
i-м корпусе, ——— ;
\ Вт
ftrt, —коэффициент термического сопротивления
' накипи в i-м корпусе и его приращение за
м2-К
одну декаду работы завода, —-— ;
Вт
Хет* — коэффициент теплопроводности стенки гре-
Вт
ющей камеры, ——— ;
м2-К
ф, Чип» — коэффициенты, учитывающие влияние
загазованности греющего пара на коэффи-
циент термического сопротивления в i-м
корпусе и в m-м подогревателе;
г©, г г, гк —удельная теплота парообразования и кон-
денсации первичного пара, вторичного пара
i-ro корпуса и концентратора, Дж/кг;
Со, с4 —удельная теплоемкость сока, поступающего
в i-к корпус ВС, и раствора в i-м корпусе,
Дж/(кг-К);
р4 — плотность раствора в i-м корпусе, кг/м3;
bi, Ьк — концентрация сухих веществ в растворе на
Выходе из i-ro корпуса и концентратора, %;
W,, WK —производительность по выпаренной воде
i-ro корпуса и концентратора, кг/ч;
Ei —расход вторичного пара i-ro корпуса на
обогрев внешних потребителей вторичного
пара ВС, кг/ч;
е4 — расход паров испарения конденсата из
колонки i-ro корпуса, кг/г;
Др4ах—максимальный расход рабочего пара в тер-
мокомпрессор i-ro корпуса, кг/ч;
1/т4 — коэффициент инжекции термокомпрессора
i-ro корпуса, кг/кг;
Т/4—уровень раствора в i-м корпусе (от нижней
трубной доски греющей камеры), м;
Vc4 — объем раствора в подтрубном пространстве
i-ro корпуса, м3;
пк — коэффициент — признак наличия в схеме
ВС концентратора;
«inm, «и, «4и, «нп, «4д, и4с. «inBT—коэффициенты — признаки распределения по
корпусам ВС потребителей вторичного пара
(подогревателей, вакуум-аппаратов I, II и
III продуктов, диффузионного отделения,
сиропных и паточных сборников);
£)о — расход первичного пара, кг/ч;
то — относительный расход первичного пара на
прочие потребители (сушку сахара, кле-
ровку и др.), кг/кг свеклы;
Пц>а , Щконд, и4т — коэффициенты — признаки использования в
i-м корпусе паров самоиспарения конденса-
тов первичного и вторичных паров и нали-
чия термокомпрессора;
К, — константа скорости реакции разложения
сахарозы, 1/мин;
Д1к4 — разность температуры пара и конденсата в
греющей камере i-ro корпуса, ° С;
Aires. А1гд4 — гидростатические и гидродинамические тем-
пературные потери для i-ro корпуса;
145
Ан, А21-— коэффициенты, учитывающие влияние теп-
лофнзических свойства конденсата и раство-
ра на в t-м корпусе;
— вспомогательные Коэффициенты;
7=1, 2, 3, ..., N, NK — номера ступеней/ВС.
Подогреватели
Fnrn — поверхность -теплообмена греющей камеры в
/п-м подогревателе, м2;
/пт» йст.птп, dyp.nm длина н Толщина стенки и диаметр трубок
греющей камеры m-го подогревателя, м;
nBm — количество ходов (со стороны сока) в т-м
подогревателе, шт.;
«новд — количество ходов (со стороны конденсата)
в подогревателе «конденсат — сок», шт;
tnnm, tunin. tKurn—температура пара в греющей камере и раст-
, вора на входе .и выходе т-го подогревате-
ля, °C;
Спт — коэффициент, учитывающий влияние соста-
ва раствора на скорость роста термического
сопротивления накипи в m-м подогревателе;
Зкопд, Скопд, 7КОПд, (Онопд — расход, удельная теплоемкость, температура
и скорость движения конденсата в подогре-
вателе «конденсат—«сок», кг/ч, Дж/(кг-К),
°C, м/с;
?птп — поверхностная плотность теплового потока
в т-м подогревателе, Вт/м2;
d3KS — эквивалентный диаметр межтрубного прост-
ранства подогревателя, м;
fenm—коэффициент теплопередачи m-го подогре-
вателя, Вт/(м2-К);
Хет.пт — коэффициент теплопроводности стенки т-го
подогревателя, Вт/ (м2 • К);
/?нпт коэффициент термического сопротивления
накипи в подогревателях, м2 °С/Вт;
бпт — температурные потери на отдельных техно-
логических участках между т—1-м и т-м
подогревателями, °C;
бкпт — недогрев раствора до температуры греюще-
го пара в контактном подогревателе, °C;
ипт икчт» Иипт —коэффициенты — признаки наличия т-го
подогревателя в тепловой схеме, контакт-
ного способа подогрева раствора, скорости
роста термического сопротивления накипи;
т—1, 2, .... NB — номер подогревателя.
Продуктовое отделение
Sc — расход сиропа в вакуум-аппараты I про-
дукта, кг/ч;
Ьс, Ькс, Ькл— концентрация сиропа перед ВА-1, желтого
сахара и клеровки, %;
Дбкл, Дбуч, Дбуа — доброкачественность клеровки, утфеля I,
II, III продукта и аффинадного утфеля,
% сахара к массе сухих веществ;
ДбСпт], ДбгпЧ, Дблл — доброкачественность белых, зеленых и аф-
финадной паток, % сахара к массе сухих
веществ;
бут), Ьул — концентрация утфелей (содержание сухих
веществ) продуктового отделения перед’
фуговкой, %;
146
ЬопцХЬзпч b i, — концентрация (содержание сухих веществ)
х белых, зеленых и аффинадной паток про-
дуктового отделения, %;
Щбпч— относительный расход белых паток I, II,
III продуктов соответствующего утфеля,
% к массе утфеля туго продукта;
—концентрация утфелей (содержание сухих
' веществ) перед сливом из вакуум-аппаратов,
%;
ТА], —растворимость сахара при температуре со-
ответствующего утфеля перед фуговкой, кг
сахара/кг воды;
Пт\ > 77а — коэффициент пересыщения межкристаль-
ного раствора соответствующего утфеля
перед фуговкой;
Крт\, Кра — содержание кристаллов в утфелях I, II, III
продуктов и в аффинаднцм утфеле перед
фуговкой, % к массе утфеля;
SyTj — расход утфелей I, II и III продуктов,
кг/ч;
Sec, <5ЖС, SCii] — расход белого и желтого сахара и сахара
II и III продуктов, кг/ч;
San — расход аффинадной патоки, кг/ч;
W ч — производительность вакуум-аппаратов I, II
и III продуктов по выпаренной воде, кг/ч;
тц — относительный расход воды на раскачку
утфелей в вакуум-аппаратах, кг/кг свеклы;
/нс, tan, t«c, 7кп — начальные и конечные температуры сиро-
па в сборниках перед ВА и паток в паточ-
ных сборниках, ОС;
Qnar — расход тепла на подогрев паток, Дж/ч;
гва— средняя удельная теплота парообразования
вторичных паров вакуум-аппаратов, Дж/кг;
св, Gi — удельная теплоемкость енропа перед ВА и
паток, Дж/(кг-К);
иаф — коэффициент — признак наличия в продук-
товом отделении процесса аффинации;
«зпч» «бпч> ябпч« иапч—коэффициенты — признаки, учитывающие
отбор зеленой патоки предыдущей ступени
на аффинацию, возврат белой патоки в ва-
куум-аппараты ц-и т]—1-й ступени, поступ-
ление аффинадной патоки в вакуум-аппа-
раты т] й ступени кристаллизации;
ис о — коэффициент — признак, учитывающий по
догрев сиропа (перед вакуум-аппаратами)
первичным паром;
ин — коэффициент — признак, учитывающий рас-
ход сахара II продукта в общем расходе
желтого сахара;
1)=1, II, III—номер ступени кристаллизации;
z — порядковый номер последней ступени
кристаллизации.
Прочие
Э — обобщенный экономический критерий опти-
мальности ТК, руб./год;
Gt, Geu, Gcxx — расход условного топлива и количество са-
хара, разложившегося от термического воз-
147
действия в корпусах /ВС и при хранении
свеклы, т/сезон; /
?усл—удельная теплота сгорания условного топ-
лива, Дж/кг; /
Чк, Чсв — к. п. д. котельной и коэффициент, учитыва-
ющий расход условного топлива на собст-
венные нужды котельной;
/7аы — амортизационные отчисления по основному
теплообменному оборудованию, руб./год;
тк — относительный расход конденсата вторич-
ного пара I корпуса ВС, возвращаемого в
котельную, кг/кг свеклы;
Чт> Чех — цена условного топлива и сахара, руб./т;
Sun — расход свеклы, поступающей на кагатное
поле, кг/ч;
/7кп — скорость разложения сахара при хранении
свеклы на кагатном поле, % к массе свек-
лы за сутки;
Nn, А°ст— длительность сезона и длительность непре-
рывной работы завода (до его остановки
на очистку поверхностей нагрева), декады;
Оам3- — коэффициент амортизационных отчислений,
% от стоимости /й единицы оборудования;
Срсм) — коэффициент затрат -на ремонт j-й единицы
оборудования, % от амортизационных от-
числений;
Ц] — цена j-й единицы оборудования, руб.;
NO6 — число единиц оборудования;
V—1, 2, ..., /Уд — номер декады работы завода;
в — заданная точность решения системы урав-
нений.
Глава V ПОДОГРЕВАТЕЛИ И ВАКУУМ-
ВЫПАРНЫЕ АППАРАТЫ САХАРНЫХ
ЗАВОДОВ
ПОДОГРЕВАТЕЛИ САХАРНОГО ЗАВОДА
Классификация и требования к конструкции
По способу передачи тепла существуют следующие
типы подогревателей (теплообменных аппаратов):
трубчатые (многоходовые), пластинчатые и спиральные, наи-
более распространенные в сахарной промышленности, в которых
теплоноситель и рабочая среда разделены стенкой, причем тепло
передается через ее поверхность;
регенеративные, в которых процесс передачи тепла от тепло-
носителя к рабочей среде разделяется на два периода и проис-
ходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки тепло-
обменника;
смесительные (контактные, барботажные), в которых тепло-
обмен происходит при непосредственном соприкосновении тепло-
носителя и рабочей среды.
148
В зависимости от агрегатного состояния теп-
лоносителей и вида рабочих сред различают аппараты для
теплообмена: между паром и жидкостью; между газами; между
паром и газом; между газом и жидкостью.
По принципу действия различают теплообменные
аппараты периодического (нестационарный тепловой процесс) и
непрерывного действия (установившийся по времени процесс).
Основные требования, предъявляемые к теплообменным аппа-
ратам, исходят из строгого соблюдения технологических процессов:
поддержание необходимых температурных параметров процес-
са, зависящих от правильного выбора поверхности теплообмена
и теплоносителя, регулирования температур рабочих сред, про-
должительности пребывания продукта в аппарате и скорости
движения продукта;
соответствие материала аппарата химическому характеру ра-
бочих сред и их давлениям;
высокая производительность и экономичность аппарата, опре-
деляемые правильным выбором взаимного направления движения
рабочих сред, обеспечением оптимальных условий для изменения
их агрегатного состояния, отсутствием загрязненности поверхно-
сти теплообмена и легкостью очистки поверхности теплообмена от
накипи, устранением «мертвых» зон и нерабочих объемов, выбо-
ром оптимальных скоростей теплоносителя и требуемых геометри-
ческих характеристик поверхности теплообмена;
простота конструкции и малая стоимость, зависящие от пра-
вильного выбора конфигурации поверхности теплообмена, раз-
мещения трубок, наличия и выбора типа перегородок, применения
стандартных деталей аппарата, материала и рабочего давления;
удобство монтажа и ремонта;
надежность работы и удобство эксплуатации, обеспечивающие
предупреждение химического разрушения материала деталей ап-
парата, свободный доступ для осмотра и очистки поверхности
теплообмена, удобство контроля за работой аппарата в производ-
ственных условиях.
Конструкции подогревателей сахарных заводов
Для нагрева воды, соков, сиропов и паток на сахарных заво-
дах используются многоходовые подогреватели, змеевиковые по-
верхности и барботажные аппараты.
Многоходовый подогреватель (рис. 39) имеет
стальной корпус 1 с крышками 2, соединенными шарнирно со
штангой 3. Внутри корпуса расположены две трубные решетки 4,
в которые ввальцованы трубки 5 диаметром 33X1,5 мм и длиной
3,5 м. Пространства между трубными решетками и крышками
разделены перегородками на ходы, число которых всегда четное.
В таком подогревателе сок несколько раз меняет направление
своего движения (принцип смешанного тока) и последовательно
проходит все пучки труб. Подают сок через двухклапанную рас-
14»
пределйтельную коробку 6, пар — через патрубок 7, неконденси-
рующиеся газы отводят через трубку 8, jf конденсат — через
трубку 9. /
Вследствие меньшей площади суммарного поперечного сече-
ния труб, размещенных в одной секции, ио сравнению с попереч-
скорость жидкости в трубном
ным сечением всего пучка труб,
пространстве многоходового
подогревателя возрастает (по
отношению к скорости в одно-
ходовом теплообменнике) в
число раз, равное числу ходов.
Повышение интенсивности теп-
лообмена и снижение накипе-
образования в многоходовом
теплообменнике сопровожда-
ются возрастанием гидравли-
ческого сопротивления и ус-
ложнением конструкции. Это
диктует выбор экономически
целесообразной скорости.
Для свеклосахарных заво-
дов повышенной мощности
Гипросахар разработал конст-
рукцию подогревателей
ПДС-10-300 и ПСС-10-300. По-
верхность нагрева этих подо-
гревателей составляет 300 м2,
длина трубок 3,56 м, общее
количество труб 800 ШТ.
Очистку подогревателей
сока и сиропа от накипи про-
водят при плановой остановке
завода, а очистку подогрева-
телей диффузионного сока —
ежесуточно. Часто подогрева-
тели диффузионного сока очи-
щают путем прокачки не-
фильтрованного сок I сатура-
ции, частицы которого обла-
той же целью через подогрева-
Рис. 39,- Многоходовый подогрева-
тель:
1 — корпус; 2 — крышки; 3 — штанга; 4 —
трубные решетки; 5 — трубки; 6 — двухкла-
панная распределительна!! коробка; 7— под-
вод греющего пара; в —отвод неконденси-
рующихся газов; 9 — отвод конденсата.
дают шлифующим действием — с
тели сатурационного сока прокачивают кислую жомопрессовую
воду (pH 6—6,2).
В змеевиковом подогревателе продукты нагревают-
ся через поверхность гнутой трубы, в один конец которой посту-
пает пар, с другого конца через водоотводчик отводится конден-
сат. Значения коэффициентов теплопередачи при таком способе
нагрева небольшие, и поэтому он применяется в случаях, когда
конструкция подогревающего устройства имеет второстепенное
значение (для подогрева паток, сиропа в сборниках).
150
В барботажном аппарате нагрев осуществляется с
помощью трубы с отверстиями, один конец которой заглушен, а
в другой подается греющий пар.
Через систему отверстий, направленных вниз, вырывается пар
и, конденсируясь, обогревает жидкость. На подводящей пар трубе
барботера устанавливается обратный клапан для того, чтобы
жидкость не попала в трубу в случае конденсации пара внутри
аппарата. Применять этот способ подогрева следует только там,
где разжижение продукта не связано с перерасходом топлива
при его дальнейшем уваривании, например для подогрева кле-
ровки и воды.
Рис. 40. Пароконтактный подогреватель ПКП-'ЗОО:
1 — корпус; 2 — парораспределительный короб; 3 — водораспределительные тарелки; 4 — пе-
регородки; S — кольцевой щит; 6 — патрубок длн отсоса газов; 7 — штуцер длн подвода 'во-
ды; 8 —труба для подвода пара; 9 — смотровое стекло.
В последнее время для рационального использования низко-
потенциальных паров последних ступеней выпарной станции на
сахарных заводах применяют пароконтактный подогре-
ватель тарельчатого типа ПКП-150 и ПКП-300 со съемным ;
смесителем. Стальной цилиндрический корпус с коническим дни-
щем такого подогревателя (рис. 40) снабжен внутри переливными
тарелками и распределительным устройством для ввода греющего
1Я
> •• . /
пара н нагреваемой жидкости. Жидкость стекает сверху к^скадно
с тарелки на тарелку навстречу движущемуся пару. Подогрева-
тель прост в изготовлении, компактен, легко обслуживается. От-
ложение накипи в нем не препятствует контакту между паром и
водой и не снижает степени использования низкопотенциального
вторичного пара IV ступени выпарки.
Схема установки пароконтактного подогревателя для нагрева
вторичным паром IV ступени выпарки питательной воды на диф-
фузию (до 68—72° С) — практически до температуры насыщения
пара приведена на рис. 41.
Техническая характеристика пароконтактного подогревателя ПКП-150
Производительность по нагреваемой жидкости, т/ч...... 150
Расход пара, т/ч ................................... 7
Температура воды, °C
начальная......................................... 45
конечная.................................... , . . 70
Температура насыщения греющего пара, °C................ 72
Габаритные размеры, мм
диаметр........................................... 1500
высота . . ...................................... 2380
Масса, кг.........................• .......... 1435
Однако подогреватели
От юсо S,
барометричес-
кой ВоВы
Рис. 41. Схема установки парокон-
тактного подогревателя:
I — сульфитатор воды; 2 — за-
твор; 3 — подогреватель; 4 — трубопровод для
слива воды; 5 — сборник нагретой воды; 6 —
дорпус выпарной установки.
ПКП-150 и ПКП-300 нельзя
использовать, когда подобный
подогрев вызывает снижение
содержания сухих в'еществ в
продукте^ последующим уда-
лением воды, на выпарке или
на вакуум-аппаратах (соки,
сиропы, патоки).
На некоторых сахарных за-
водах СССР нашли примене-
ние пластинчатые теп-
лообменники, поверх-
ность нагрева в которых изго-
тавливается из рифленого ли-
стового железа. Благодаря та-
кой конструкции поверхности
нагрева, протекающая между
пластинами жидкость при ско-
рости 1—1,2 м/с приобретает
турбулентное движение, хоро-
шо перемешивается при отсут-
ствии застойных зон. За счет
этого повышается коэффици-
ент теплопередачи и снижает-
ся интенсивность накипеобра-
зования.
В пластинчатых теплооб-
менниках при равных скорр-
152
стях рабочих сред коэффициент теплопередачи в 1,5—2 раза вы-
ше, чем в трубчатых, что позволяет значительно уменьшить по-
верхность нагрева. Они дешевле трубчатых такой же мощности,
к.п.д. их достигает 90%.
- На ряде свеклосахарных заводов Франции пластинчатые теп-
лообменники полностью заменили трубчатые. Установка в них
промежуточных плит позволила осуществлять подогрев не двух,
а четырех сред с различными тепловыми параметрами при коэф-
фициенте теплопередачи, достигающем 3000—4000 Вт/(м2-К).
Широко применяются такие аппараты (производительностью
от 0,05 до 600 т жидкости/ч) на сахарных заводах Швеции для
нагрева жомопрессовой воды. Причем процесс ведется в две сту-
пени: от 60 до 80° С и далее до 90° С; во II ступени теплоносите-
лем является конденсат. В I ступени подогрев проводят обратным
током самой жомопрессовой воды. Обе ступени размещены в од-
ном аппарате. В подобных теплообменниках проводят и подогрев
циркуляционного сока с одновременным охлаждением диффузи-
онного. Важно подчеркнуть, что только в пластинчатом теплооб-
меннике возможна очистка поверхности нагрева с обеих сторон —
со стороны теплоносителя и нагреваемого продукта.
С поверхности нагрева пластинчатого теплообменника накипь
удаляют 2%-ным раствором HNO3 температурой 50° С путем про-
качивания его в течение 30 мин (можно использовать и 4%-ный
раствор HCI с ингибитором). Только в исключительных случаях
прибегают к механической очистке.
Основной недостаток пластинчатых теплообменников — невоз-
можность работы при высоких давлениях и трудность выбора
эластичных химически стойких материалов для прокладок (ча-
сто случающиеся в условиях производства гидроудары приводят
к нарушению герметичности теплообменника вследствие разруше-
ния прокладок). Требуют они
и более тщательной очистки
продуктов от крупных частиц
(во избежание их оседания и
засорения каналов).
В последнее время в са-
харной промышленности на-
шли применение теплооб-
менники трубчатого
типа «конденсат — сок», раз-
работанные научно-производ-
ственным объединением «Са-
хар» и серийно изготавливае-
Р и с. 42. Теплообменник трубчатого
типа «конденсат—сок» для исполь-
зования тепла конденсатов:
а — камера соковая верхняя; б —камера
водяная; в — камера соковая нижняя.
153
мне Смелянским машиностроительным заводом. Теплообменник
данного типа (рис. 42) позволяет эффективно использовать тепло;,
конденсатов из выпарной установки и теплообменных аппаратов.
Теплообменник «конденсат—сок» может использоваться в техно-
логической схеме сахарного производства для нагрева диффузион-
ного и сатурационного соков, подогрева и охлаждения жомопрес-
совой воды и сиропов, а также для нагрева воды, циркулирующей
в системе отопления.
В теплообменниках данного типа в межтрубном пространстве
установлены вертикальные перегородки так, что между ними и
трубными решетками образуются зазоры вверху и внизу попере-.
менно для последовательного движения конденсата по ходам
теплообменника. Количество перегородок равно числу ходов для
сока, причем конденсат движется в противотоке с соком. Скорость -
конденсата в таком теплообменнике в 10 раз больше, чем в обыч-
ных трубчатых подогревателях (в последних скорость конденсата
0,15—0,030 м/с), что и предопределяет их низкую удельную тепло-
производительность.
Например, для завода мощностью 3 тыс. т свеклы в сутки
установлено, что площадь поверхности нагрева такого теплооб-
менника в 160 м2 или 5—6 м2 поверхности на 100 т перерабаты-
ваемой свеклы достаточна. Коэффициент теплопередачи тепло-
обменника для среднеэксплуатационных условий в 1,5—2 раза
превышает коэффициент теплопередачи теплообменников, исполь-
зуемых в настоящее время для нагрева сока конденсатом, и в
1,2—1,4 раза больше коэффициента теплопередачи подогревате-
лей при обогреве их паром. Поверхность нагрева такого теплооб-
менника в течение сезона за счет большей скорости движения
теплоносителя практически не покрывается накипью.
Коррозия труб в теплообменниках сахарных заводов происхо-
дит преимущественно в производственный период со стороны сока,
т. е. с внутренней поверхности труб. В месте раздела «пар—кон-
денсат» коррозия наиболее интенсивна, образуются язвины. С со-
ковой стороны на подогревателях диффузионного сока наблюда-
ется сплошная коррозия из-за влияния его кислотности.
Установлено, что в подогревателях диффузионного сока наи-
более устойчивы к коррозии латунные трубы, а также трубы из
хромистой стали марки 1X13. Вполне удовлетворительную стой-
кость против коррозии имеют трубы из стали марки Х5.
Накипеобразование в подогревателях сахарных
заводов
Основным термическим сопротивлением при теплопередаче в
подогревателях сахарных заводов является сопротивление накипи,.
доля которого в общем термическом сопротивлении составляет
30—80%. По скорости роста термического сопротивления накипи
подогреватели можно разделить на медленнозагорающие (подо-
греватели сока перед I фильтрованием, перед выпарной станцией,
154
а также подогреватели сиропа и барометрической воды) ибыстро-
загорающие. (подогреватели диффузионного сока и жомопрессо-
вой воды). Эти группы подогревателей различаются как длитель-
ностью непрерывной работы, так и характером роста накипи. В
медленноэагорающих подогревателях, которые работают из
вывода на очистку 70—100 сут, накипь, образуется в основном из
неорганических солей, а в быстрозагорающихся, которые выво-
дятся на очистку каждые 5—7 сут, накипь состоит из органиче-
' ских частиц.
Основная часть накипи в подогревателях диффузионного со-
ка — органические вещества: свернувшийся белок, сапонин.
Накипь имеет вид желеобразного налета, при его подсыхании
образуются темные чешуйки, которые легко осыпаются при очист-
ке. Осадок содержит небольшое количество солей кальция (влия-
ние барометрической воды) и сульфатов, образующихся при суль-
фитации воды. Отлагающиеся в накипи силикаты также вносятся
с исходной водой и свеклой, где они находятся в коллоидном
состоянии, а наличие железа в накипи можно объяснить кислой
реакцией сока.
1 Подогреватели нефильтрованного сока I сатурации характери-
зуются незначительной степенью накипеобразовання, что объяс-
няется наличием в соке твердой фазы карбоната кальция, пре-
пятствующего накипеобразованию. В накипи этого подогревателя
значительное содержание солей кальция, что и определяет ее кри-
сталлическую . структуру.
Основной составляющей Накипи в подогревателе сока перед
II сатурацией является карбонат кальция в форме кальцита.
Образование СаСОз отчасти происходит при разложении бикар-
бонатов, а также вследствие
уменьшения растворимости этой
соли йри нагревании сока. *
В накипи подогревателя со-
ка перед выпаркой содержится
Рис. 44. Зависимость коэффи-
циентов теплопередачи и исполь-
зования поверхности нагрева от
длительности работы подогрева-
теля сока перед И сатурацией.
Рис. 43. Зависимость тол-
щины слоя накипи от ско- ~
роста движения диффу-
зионного сока втрубках
подогревателя.
155
значительное количество сернистых соединений и мало силикатов.
Одним из способов уменьшения количества отлагающейся на-
кипи на поверхности нагрева подогревателей может быть повыше-
ние скорости сока.
Так, увеличение скорости движения диффузионного сока с 0,5
до 2 м/с уменьшает термическое сопротивление накипи для подо-
гревателя почти в 8 раз. На рис. 43 показана зависимость тол-
щины слоя накипи от скорости движения сока в трубках подогре-
вателя. Данные химического анализа накипи свидетельствуют о
том, что при этом изменяется состав отложений — растет содержа-
ние солей кальция, сульфатов, снижаются потери при прока-
ливании, уменьшается содержание солей магния, . окислов.
Изменения химического состава накипи вызывают изменение
ее физических свойств — накипь становится более плотной, значи-
тельно возрастает сцепление слоя отложений с поверхностью на-
грева, повышается твердость отложений.
Образование накипи на поверхности нагрева подогревателей
обусловливает с течением времени уменьшение коэффициента
теплопередачи k и коэффициента использования поверхности на-
грева ф (на рис. 44 для подогревателя диффузионного сока перед
II сатурацией). Аналогичная зависимость получена и для подогре-
вателей сока перед выпаркой, перед фильтрованием.
Рекомендованы следующие значения коэффициентов исполь-
зования поверхности нагрева ф для подогревателей: диффузион-
ного сока — I группа аппаратов 0,197, II группа аппаратов 0,182;
для сока перед фильтрованием 0,465; сока перед II сатурацией
0,446 и сока перед выпаркой — I группа аппаратов 0,445, II —
группа аппаратов 0,432 и III группа аппаратов 0,410.
Определение поверхности нагрева подогревателя
при.проектном расчете
Основной задачей проектного теплового расчёта подогревателя
(теплообменного аппарата) является определение площади по-
верхности теплообмена при заданных условиях работы аппарата.
При этом должны быть известны параметры теплоносителей на
входе и выходе и их расход тили теплопроизводительность аппара-
та (расход тепла).
Общую площадь поверхности нагрева находят тепловым рас-
четом после предварительного выбора конструкции аппарата.
Проектный расчет сводится к следующим основным вычисле-
ниям:
определению температурного режима, нахождению средней
разности температур и средней температуры рабочих сред;
определению тепловой нагрузки теплообменного аппарата или
расходов рабочих сред;
определению коэффициентов теплопередачи;
определению требуемой площади поверхности теплообмена.
156
При расчете площади поверхности нагрева1 используется основ-'
. ное уравнение теплопередачи (33), откуда ее требуемая площадь
F = —— ,
ЛД/Ср
где Q — тепло, подведенное к подогревателю, Вт;
k — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-К);
Л/ср — среднелогарифмическая разность температур (располагаемая .
разность температур), °C.
Следовательно, чем больше значение К — коэффициента теп-
лопередачи, тем с меньшей площадью поверхности нагрева может
быть спроектирован теплообменный аппарат, тем меньше его га-
бариты, масса и ниже стоимость. При работе аппарата (с опреде-
ленной поверхностью нагрева) чем больше значение k, тем ин-
тенсивнее происходит процесс теплообмена, т. е. большее количе-
ство тепла передается от горячего теплоносителя к рабочей среде,
а следовательно, быстрее нагревается определенное количество
рабочей среды до заданной температуры.
Коэффициент теплопередачи и среднелогарифмическая раз-
ность температур являются одними из основных величин, характе-
ризующих эффективность работы теплообменного аппарата.
. Замечено, что во всех, подогревателях сахарных растворов на-
блюдается установившийся турбулентный режим движения
(Re> 10000), растворы характеризуются значением Рг>1, а подо-
греватель — значением — >50 • (отношение длины трубки к ее
диаметру). Поэтому для определения коэффициента теплоотдачи
от стенки к раствору во всех подогревателях принято критериаль-
ное уравнение В. Н. Тимофеева
Nu == O,O209Re0,8 Рг0-45. (46)
Теорией теплообмена установлено, что разность температур
между греющим паром и нагреваемой жидкостью изменяется
вдоль поверхности теплообмена (по направлению движения жид-
кости) , как правило, по логарифмическому закону.
Если температуру греющего пара обозначить через Г, началь-
ную и конечную температуру нагреваемой жидкости соответствен-
но через и (2, то среднелогарифмическая разность температур
(в °C) по формуле Грасгофа определится
t2-ts
“ср— т .
Т-<2
^2
2.31g
7 —t, 6 T — t2
(47)
При площади поверхности нагрева подогревателя F (в м2) и •
коэффициенте теплопередачи k (в Вт/м2-К), тепло Q (в Вт), ко-
торое может быть передано за 1 ч через эту поверхность нагрева,
составит
Q = FM/Cp =
Ffe (Z2 — tj)
2,31g
т -ti -
T-t2
157
Если известий суточная переработка свеклы А (в, т), количе-
ство подлежащей нагреванию жидкости аж (в % к массе свек-
лы) и удельная теплоемкость с [в Дж/(кг-К)], то тепло (в Вт),
необходимое для нагрева продукта от температуры h до t2, опре-
делится как ,
1000-ЛажС
24-100-3600
Так как тепло, передаваемое поверхностью подогревателя,
должно быть равно теплу, потребному для нагрева данной жид-
кости, то
1000-Л«жс _
T — ii 24-100-3600 ( 2
--- 2,dig
7 —fs
«Сократив'обе части равенства на- (t2—h), получим
Fk 1000-Лажс
7 —= 24.100-3600 ‘
7—4
Таблица 19
Коэффициент теплопередачи k [в Вт/(№ -К)1 при средней
Скорость разности температур, °C /
сока, м/с
10 20 30 40 50 60
Диффузионный сок
1,6 568,4 539,4 522 498,8 481,4 475,6
1,1 603,2 568,3 556,8 533,6 510,4 498,8.
1,2 638 597,4 591,6 568,4 539,4 522
1,3 678,6 632,2 620,6 597,4 558,4 545,2
1,4 713,4- 661,2 655,4 620,6 591,6 568,4
1,5 754 696 684,4 649,6 614,8 585,8
1,6 788,8 730,8 713,4 678,6 632,2 609
1,7 823,6 759,8 742,4 701,8 655,4 632,2
1,8 864,2 800,4 771,4 725 684,4 649,6
1,9 893,2 835,2 800,4 748,2 707,6 672,8
2,0 928 864,2 823,6 771,4 723,84 684,4
2,5 1044 974,4 .928 852,6 806,2 777,2
Соки I, Г1 сатурации к сульфатированный
1.0 1647,2 1542.8 1473,2 1392 1328,2 1276
1,1 1682 1566 1496,4 1421 1357,2 1299,2
1,2 1705,2 1600,8 1531,2 1450 1380,4 1316,6
1,3 1728,4 1624 1566 1473,2 1415,2 1334
1.4 1751,6 1653 1589,2 1502,2 1438,4 1345,6
1,5 1774,8 1693,6 1612,4 1531,6 1467,4 1374,6
1,6 1815,4 1716,8 1641.4 1554,4 . 1484,8 1392
1,7 1844,4 1740 1670,4 1577,6 1502,2 1409,4
1,8 1879,2 1763,2 1705,2 1595 1519,6 1426,8
1.9 1914 1786,4 1728,4 1612,4 1542,8 1450
2,0 1948,8 1821,2 1751,6 1635,6 1560,2 1467,4
2,5 2059 1914 1832,8. 1699,4 1612,4 1502,2
158
С учетом теплопотерь (обычно 3% от общего расхода тепла^
требуемая площадь поверхности нагрева F (в м2) теплообменного
аппарата составит
т._f
1000- Аажс-1,03-2,31g ‘ (48>
р ‘— G
24-100-3600*
Таблица 20
Скорость движения сиропа, м/с Коэффициент теплопередачи k для густого сиропа с клеровкой [в Вт/(м*-К)] при концентрации сухих веществ, %
60 61 62 63 64 6S
: о,зо 324,8 307,4 290 266,8 255,2 243,6
<0,35 ' 371,2 353,8 336,4 313,2 295,8 278,4
• 0,40 411,8 388,6 365,4 348,0 330,6 313,2
. 0,45 452,4 429,2 406 382,8 359,6 342,2
0,50 493 464 440,8 417,6 394,4 371,2
0,55 522 493 464 535 411,8 378,6
0,60 551 516,2 487,2 458,1 429,-2 406
оД 574,2 545,2 510,2 475,6 446,6 417,6
0,70 • 603,2 568,4 533,6 498,8 469,8 435
0,75 638 597,4 562,6 527,8 493 458,2
0,80 667 632,2 591,6 556,8 522 481,4
0,85 707,6 661,2 620,6 585,8 545,2 510,4
0,90 742,4 701,8 661,2 614,8 , 574,2 539,4
Величина k принимается по данным табл. 19 и 20 в зависи-
мости от скорости движения сока в трубках подогревателя, сред-
нелогарифмической разности'температур, концентрации и харак-
тера данного продукта (при условии ламинарного" режима стека-
ния пленки конденсата). Скорость движения продукта.в трубках
подогревателя принимают равной для сока 1,5—1,9 м/с; для си-
ропа 0,3—0,5 м/с. Фактическая скорость продукта (в м/с) в труб-
ках подогревателя рассчитывается по формуле
10й .
v ==----------------—
68- 10е,- jd^m
(49>
где / — плотность продукта, т/м3;
dBH — внутренний диаметр трубки, м;
ni - число трубок в одном ходу подогревателя.
При параллельном включении нескольких подогревателей
фактическая скорость продукта (в м/с) равна
10Хаж
v =------------------------------------------,
68.103/(^BHm1 + ^BHms+, . - +
где diBH, *?2вн — внутренний диаметр трубок каждого подогревателя, м;
mi, т2 — число трубок в ходу каждого подогревателя.
159
Пример 1. Рассчитать требуемую площадь поверхности нагрева подо-
гревателя для сока перед II сатурацией плотностью 1,07 t/ms в количестве аж =
= 120% к массе свеклы для сахарного завода производительностью 3 тыс. т
перерабатываемой свеклы в сутки. Аппарат обогревается вторичным паром
II -ступени выпарной станции с Т—116° С. Температура сока повышается с
11=83 °C до /2=102о С.
Выбор пароотбора определяется конечной ' температурой продукта-на выходе
из подогревателя. Температура используемого вторичного пара для обеспечения
устойчивого теплообмена с учетом интенсивного накипеобразования в подогре-
вателе сока йеред II сатурацией должна превышать конечную температуру' про-
дукта не менее чем на 8—12° С. Поэтому наиболее рационально использовать
вторичный пар именно II ступени выпарной станции.
Удельная теплоемкость сока с=3780 Дж/(кг-К).
Среднелогарифмическая разность температур при этом
(116 — 83) —(116 —102)
2,31g
T-h
т-ь
2,31g
116 — 83
116—102
22,2° C.
Л^ср
Предварительно к установке принимаем 10-ходовой подогреватель с числом
трубок в одном ходу т=29 шт. (трубки 33X1,5 мм).
При этом фактическая скорость сока в трубках подогревателя составит
10-Ааж___________________________10-3000-120 __
Г= 68-10»/4т = 68-10«-1,07 (0,03)2-29 = 1,88 М/С’
что находится в допустимых пределах для подогревателей соков.
По данным табл. 19, в зависимости от Д<Ср и v определим значение коэф-
фициента теплопередачи для сока II сатурации — £=1740 Вт/(м2-К).
Найдем площадь поверхности нагрева подогревателя
Т t
1000- Асс^с 1,03-2,31g-----
f =-----------------------Т — Ч =
24-100-3600-1740
1000-3000-120-3780-1,03- 2,31g ---—
____________________’ &116—102
24-100-3600-1740
К установке (без учета резервного подогревателя) принимаем подогрева-
тель с площадью поверхности нагрева 100 м2, 10-ходовой, с числом трубок в
одном ходу 29 шт. Площадь поверхности выбрана с небольшим запасом, учи-,
тывая относительно быстрое ее загорание. Однако необходимо учесть, что зна-
чительное увеличение площади поверхности нагрева подогревателя при одновре-
менном уменьшении скорости движения сока по трубкам в условиях длительной
эксплуатации приводит к более интенсивному снижению его теплопроизводитель-
ности и к увеличению’расхода тепла на технологические нужды.
Пример 2. Рассчитать требуемую поверхность иагрева теплообменника
«конденсат—>сок» для подогрева диффузионного сока конденсатом, если откачка
диффузионного сока аж = 120% к массе свеклы, что составляет при суточной
„ 3000-120
производительности завода 3 тыс. т перерабатываемой свеклы Gc = Пп =
= 150т/ч, или 41,7 кг/с; средняя скорость движения сока
температура сока на входе в теплообменник fCi=50°C.
Количество конденсата, используемое
примем 79% к массе свеклы. Тогда GK =
в теплообменнике,
3000-79
24-100
т/ч,
0=14-1,2 м/с, а
ориентировочно
или 27,5 кг/с;
температура конденсата на входе в теплообменник <!t|=82°C, а на выходе из
него <!t2=65° С (соответствует требуемой температуре при использовании в
дальнейшем этих конденсатов для питания диффузионных аппаратов).
160
При этом сок в теплообменнике с учетом 3% потерь тёпла, в' Окружающую
среду нагреется на
А, . Gkck(/k1-/k2)-0,97 27,5-4190.(82-65)-0,97
~ 41,7.3780 = ’ ’1 С’
где сс, ск—удельная теплоемкость соответственно продукта и конденсата,
Дж/(кг-К).
Тогда температура сока иа выходе из теплообменника
tM = 50 + 12,1 = 62,1° С.
Предварительно принимаем поверхность иагрева теплообменника 160 м2’
(как по соку, так и по конденсату аппарат 10-ходовой). Общее количество труб
в теплообменнике т=460 шт., внутренний диаметр корпуса Пвн=1280 мм.
Площадь сечения всех труб (по наружному диаметру 33 мм) составит: .
ndLjn 3,14.(0,033)2
f = —=— = ——y—— -460=°.892
4 4 .. - ....
Площадь сечения корпуса теплообменника
4 4 . . .
Площадь сечения для прохода конденсата - -
f'—f 1,288 — 0,392 -
Ь = ------— = —---------------= 0,0896 м2,
/к 10 10
где 10—число ходов в теплообменнике.
Скорость конденсата составит
._ GKe______________________________99-1,01______„
Рк“рк.3600/к“ 0,98-3600.0,0896 — ’ “'С’
где в — коэффициент, учитывающий сужение прохода для конденсата за
счет перегородок;,
рк — плотность конденсата, т/м3. • .
В подогревателях, обогреваемых горячим конденсатом, коэффициент теп-'
лоотдачи от конденсата к стенке определяется из критериального уравнения
Nu = 0,263.Re°>8.Pr°-35.
Коэффициент теплопередачи при скорости конденсата vK=0,3 м/с по экспе-
риментальным данным составляет £=1100 Вт/(м2-К). С учетом коэффициента
использования поверхности нагрева <р=0,7 (опытный) средиеэксплуатационный
коэффициент теплопередачи составит 1106-0,7=770 Вт/(м2-К).
Среднелогарифмическая разность температур определится
д/б — Д*м 19,9—15,0
А'ор== Д1б
2,31g —~
Д<м
19.9 -17-3°С:
2-31г1Го
где Д<е=<к1—/с2= 82—62,1 = 19,9° С;
Д*м=<к2—/с 1=65—50= 15° С.
Расчетная поверхность нагрева теплообменника составит
= GccK(fK1 —fKg).l,03 = 27,5-4190.(82 - 65)-1,03 =
770.17,3
6 Зак. 660 • 161
Проверочный расчет подогревателя при реконструкции завода
Основной задачей проверочного расчета Подогревателей явля-
ется оценка пригодности предназначенных к установке или рабо-
тающих аппаратов в отношении обеспечения требуемой произво-
дительности.
С этой задачей непосредственно связано установление опти-
мального режима тепловой работы аппарата, а также выбор усло-
вий, обеспечивающих этот режим.
Для такой оценки работы теплообменных аппаратов рекомен-
дуется оперировать понятием запаса производительности , а=
_ Д<ср , где д/ср — среднелогарифмическая разность температур,
Д/ц
которая может быть использована при данной тепловой схеме и
данном режиме работы аппарата, °C; А(п — потребная разность
температур, обеспечивающая заданную производительность аппа-
рата, °C.
При установившемся тепловом режиме должно соблюдаться
условие Д/Ср=Д^п, что соответствует запасу производительности
теплообменного аппарата а=1.
Если по результатам проверочного расчета подогревателя
окажется, что а>1, то следует определить возможность перевода
данного аппарата на обогрев вторичным паром более низкого
потенциала, что, как правило, дает некоторое снижение расхода
пара и топлива по заводу. Если окажется, что а<1, то необходи-
мо прибегнуть к мероприятиям по повышению производительности
аппарата, таким, как рационализация температурного режима на-
грева, связанная со снижением-Температурных потерь на соответ-
ствующих станциях завода, а также с устранением излишнего
перегрева на подогревателях; повышение коэффициента теплопе-
редачи, главным образом за счет повышения скорости движения
сока; увеличение поверхности нагрева; использование греющего
пара более высокого потенциала.
Порядок проверочного расчета теплообменного аппарата со-
стоит в следующем:
определяется среднелогарифмическая разность температур
Д^ср с учетом температуры греющего пара й степени нагрева про-
дуктов по формуле (47);
вычисляется фактическая скорость продукта v в трубках
подогревателя по формуле (49) с учетом производительности за-
вода, количества продукта и его плотности, размера трубок и
количества их в одном ходу;
находится по табл. 19 и 20 значение коэффициента теплопере-
дачи k для данного вида'продукта в зависимости от полученных
значений Д£ср и v;
определяется расход тепла и пара на подогрев продукта с
учетом его количества, удельной теплоемкости и пределов на-
грева;
162
рассчитывается фактическое значение напряжения поверхно-.
сти нагрева теплообменника и потребная полезная разность тем-
ператур.
Оптимальная компоновка теплообменных аппаратов
Проектный расчет теплообменного аппарата обычно произво-
дится в нескольких вариантах, в результате чего находят опти-
мальную форму и компоновку поверхности нагрева при наивыгод-
нейшей скорости движения рабочих сред.
Форма аппарата обычно определяется его назначением, сле-
довательно, при выборе варианта она. стабильна; компоновку же
поверхности и скорость движения жидкости изменяют до получе-
ния желаемого результата^ ?
При увеличении скорости движения жидкости повышается ин-
тенсивность теплообмена и возрастает гидравлическое сопротив-
ление. Таким образом, увеличение скорости движения жидкости
уменьшает начальные затраты на сооружение аппарата с меньшей
площадью поверхности нагрева и. повышает эксплуатационные
расходы на перекачивание жидкости через аппарат.
По методу М. А. Михеева для приближенной оценки целесо-
образности данного варианта сопоставляется два показателя:
удельная площадь поверхности нагрева аппарата F на единицу
р
тепловой нагрузки Q (в м2/Вт) • и удельная мощность насоса
7V (в Вт) на единицу тепловой нагрузки Q (в Вт) .
При равных значениях одного из показателей теплообменника
лучше тот вариант компоновки, для которого-второй показатель
меньше. Для окончательного выбора варианта следует произвести
технико-экономические расчеты.
Для этого сопоставляют капитальные затраты Зк (в руб.) на
сооружение аппарата и годовые эксплуатационные расходы Р9
(в руб.). Если, для двух вариантов Зк1>Зк2; РЭ1<Д>2 ^например,
при малых скоростях рабочих сред и возросшей поверхности на-
грева), то переход на постройку аппарата может быть оправдан
при быстрой окупаемости за счет экономии на эксплуатации
Зка _
Р —Р < н’
где Тп — нормативный срок окупаемости, лет.
Таким образом, первый вариант Целесообразен, если
^~ + Рв1<^ + Р^
1 Н 1 н
(50)
т. е. экономически выгоден вариант с наименьшим значением кри-
терия оптимальности.
Существуют и другие показатели, совершенства данного тепло-
обменника.
6* 163
ВАКУУМ-ВЫПАРНЫЕ АППАРАТЫ САХАРНОГО ЗАВОДА
Классификация и требования к конструкций
Современные типы вакуум-аппаратов сахарного завода клас-
сифицируются следующим образом:
в зависимости от принципа действия — периодические и непре-
рывные;
по характеру увариваемого продукта — I, II, III и т. д.;
по пространственному положению — вертикальные, горизон-
тальные;
по виду поверхности нагрева — змеевиковые, трубчатые с под-
весной камерой, с комбинированной поверхностью;
по виду надутфельного пространства— нормальные, расши-
ренные, сферические, сундучные и др.;
по режиму циркуляции — с естественной и принудительной.
К вакуум-выпарным аппаратам независимо от конструкции
предъявляются следующие требования:
наличие достаточно развитой площади поверхности нагрева и
интенсивного теплообмена для обеспечения минимальной дли-
тельности процесса уваривания при рациональном соответствии
между теплопроизводительностью поверхности нагрева и скоро-
стью кристаллизации;
отсутствие «мертвых», застойных зон и интенсивная равномер-
ная циркуляция увариваемого раствора, надежное сепарирование
вторичного пара при минимальном сопротивлении;
уваривание продуктов до определенного содержания сухих
веществ при строго установленной температуре и нормируемом
времени варки, при минимальном нарастании цветности и потерях
сахара;
непрерывное и надежное удаление конденсата из паровых
камер;
быстрый спуск уваренного утфеля, надежная герметизация
аппарата; минимальное количество увариваемого продукта в ниж-
ней части вакуум-аппарата под греющей камерой;
простота, безопасность, компактность, надежность конструкции
при минимальном удельном расходе металла на единицу площади
поверхности нагрева;
возможность регулирования и контроля теплового, темпера-
турного, технологического режимов работы аппарата; равномер-
ное распределение греющего пара в* межтрубном пространстве;
оптимальное отношение высоты утфельного слоя в аппарате
к его диаметру, обусловливающее минимальную величину гидро-
динамической депрессии и небольшое. снижение полезной разно-
сти температур.
Конструкции вакуум-аппаратов
Аппараты периодического действия. На отечественных сахар-
ных заводах установлены вакуум-аппараты с кониче-
164 ’
с к ой трубной р е ш'е т к ой (рис. 45) периодического дей-
ствия.
Аппарат состоит из ряда царг, соединенных последовательно
между собой. Поступающие на уваривание продукты падают в
коллектор, откуда поступают в нижнюю часть утфельного прост-
ранства. Нагрев утфеля идет в подвесной паровой камере с ко-
ническими трубными решетками.
Рис. 46. Вакуум-аппарат типа ВАА-400
Адмиралтейского машиностроительного
завода:
1 — корпус; 2 — паровая камера; 3 — трубка;
4 — циркуляционная труба; 5— трубные кони-
ческие решетки; 6 — сепаратор; 7 — выход ут-
фельного пара; S—спуск утфеля; 9 —подача
сиропа; 10 — запорный клапан; 11 — гидропри-
вод; 12 — подача греющего пара; 13 — аммиач-
ные оттяжки; 14 — пропарка; 15 — сброс ваку-
ума; 16 — отвод конденсата.
Р и с. 45. Вакуум-аппарат с кониче-
ской трубной решеткой:
1 — корпус; 2 — паровая камера; 3 — труб-
ки; 4 — циркуляционная труба; 5 — труб-
ная решетка; 6 —* днище с клапаном; 7 —
ввод сиропа; 8 — подвод пара; 9— смотро-
вое стекло; 10 — пропарка стекол; 11 — ам-
миачная оттяжка; 12 — ловушка; 13— зонт;
14 — отвод утфельиого пара; 15— сообще-
ние с атмосферой; 16 — отвод уловленной
жидкости; 17 — отвод конденсата; 18 —
край; 19 — вакуумметр; 20 — коллектор;
21 — термометр; 22 — масленка; 23 — гидро-
привод; 24—гильза термометра.
165
- Наклон решеток улучшает условия циркуляции, ускоряет спуск
утфеля .и пропарки, улучшает отвод конденсата. Однако большая
высота утфельной массы над греющей камерой затрудняет цирку-
ляцию в аппарате, ухудшает условия теплообмена, снижает коэф-
фициент теплопередачи, особенно в последние периоды увари-
вания.
Р и с. 47. Модернизированный вакуум- Рис. 48. Вакуум-аппарат
аппарат ВАА-400: ВАЦ-700-800:
1 — съемная крышка; 2 — ловушка-сепаратор; 1 — ловушка-сепаратор; 2 — отбой-
3 — корпус; 4 — аммиачные’ оттяжки; 5 — уст- ный щит; 3 форсунки; 4 — кою-
ройство для подвода-пара; 6 —трубы для от- пус; 5 и 6 — трубные решетки;
вода конденсата; 7— гидропривод клапана; 7— труба; 8— наружная часть гре-
8 — греющая камера; 9 — спускной штуцер; ющей камеры; 9— внутренняя часть
10 — мембрана. “ греющей камеры; 10 — устройство
для спуска утфеля; 11 — патрубок
для отвода конденсата.
Вакуум-аппарат ВАА-400 (рис: 46), периодического дей-
; ствия, имеет расширенное утфельное и надутфельное простран-
ства, что благоприятно сказывается на всем процессе варкй.
Сепаратор утфельного пара встроен в корпус, причем сам корпус
неразъемный, что способствует надежной герметизации аппарата.
, 166
Паровая камера имеет конические трубные решетки с располо-
жениями между ними трубками диаметром 102x3,5 мм и Цен-
тральной циркуляционной трубой диаметром 800 мм. Количество
трубок 509 шт., а началь-
ный набор сиропа 30%.
В модернизированном
вакуум-аппарате ВАА-400
(рис. 47) находятся четыре
греющие камеры, каждая
диаметром 1500 мм и-пло-
щадью поверхности 44 м2.
Общая площадь греющей
поверхности аппарата
176 м2. Подвод греющего
пара и отвод - конденсата
проводятся отдельно для-
каждой секции. Такой аппа-
рат удобно обслуживать и
ремонтировать, а значения
коэффициентов теплопере-
дачи в нем на 15—20% вы-
ше, чем в вакуум-аппарате
с конической трубной , ре-
шеткой.
Вакуум - аппараты
В А Ц, выпускаемые Сме-
лянским машиностроитель-
ным заводом, по конструк-
ции аналогичны вакуум-ап-
паратам ВАА-400, лишь диа-
метр утфельного,. простран-
ства в них меньше, чем диа-*
метр надутфельного. По-
следняя конструкция. этого
типа аппаратов — ВАЦ-
-700-800 (рис. 48) имеет
греющую камеру, которая
состоит из двух частей —
наружной и внутренней.
Верхняя. трубная решетка
паровой камеры выполнена.
двухскатной, что значитель-
но улучшает циркуляцию утфеля. Уклон нижних трубных реше-
ток обеспечивает хороший сток конденсата. В,итоге, вакуум-аппа-
рат ВАЦ характеризуется более высокими значениями коэффици-
ента теплопередачи (в сравнении с аппаратом ВАА-400), повы-
шенной степенью циркуляции увариваемой массы утфеля.
Вакуум-аппараты ЯВА ячейкового типа (рис. 49) отли-
чаются от аппаратов ВАА-400 только устройством греющей ка-
167
Рис. 49. Вакуум-аппарат ЯВА-4'00:
1 -ловушка-сепаратор; У—отбойный щит; 3—
барботер; 4 — угловой - вентиль; 5 смотровое
стекло; 6 — люк; 7 — штуцер для подвода иа^
pa; 3 —труба; 9— карман; 10 — труба для от-
вода Конденсата; 11— устройство для. спуска
утфеля; /2 —опорное кольцо; 13 циркуляции
онная труба; 14 — термометр; 15 — вакуум-
метр.
меры, которая не имеет специальных трубных решеток; Греющие ’
трубы заканчиваются с обоих концов шестигранниками, стороны .•
которых свариваются и образуют верхнюю и нижнюю наклонные
трубные решетки.
Такая конструкция греющей камеры увеличивает поверхность
нагрева, не требует ввальцовки труб в трубные решетки — опера-
ции трудоемкой и не всегда обеспечивающей нужную степень
герметизации аппарата.
По сравнению с аппаратами с трубной решеткой аппарат ЯВА
при той же производительности имеет большую удельную пло-
щадь и поверхности нагрева, меньший удельный расход металла,
позволяет использовать при уваривании пар более низкого по-
тенциала.
Сравнительные испытания вакуум-аппаратов ЯВА-400 и СМ3
показали преимущества первого. Так, скорость уваривания утфе-
ля в нем на 10% больше, легче осуществляется заводка и даль-
нейшее наращивание кристаллов из-за меньшего выпадения до-
полнительных центров кристаллизации, что объясняется лучшими
условиями циркуляции утфельной массы. В таком аппарате на-
растание цветности утфеля происходит менее интенсивно, сахар
получается правильной формы, с высокой степенью однородности
и небольшим содержанием друз.
В настоящее время в отечественной сахарной промышленности
проводится широкое исследование вакуум-аппаратов с усиленной
(принудительной) циркуляцией увариваемой массы. Установлено,
что вакуум-аппараты с естественной циркуляцией, повсеместно
применяемые в сахарной промышленности, не обеспечивают на
протяжении всего процесса уваривания достаточно интенсивной
циркуляции и оптимальных условий кристаллизации (если ско-
рость естественной циркуляции в начале уваривания 0,5 м/с, то в
конце только 0,06—0,07 м/с, т. е. в 5—6 раз меньше).
Именно по этой причине и вследствие высокой вязкости, малой
интенсивности циркуляции снижается теплообмен в конце процес-
са варки, уменьшается скорость кристаллизации, создаются усло-
вия для получения неоднородных кристаллов с наличием друз.
Использование именно в этой стадии варки механической цирку-
ляции, а также ввода воздуха или пара, увеличивающих турбу-
лизацию пограничного слоя, повышает коэффициент теплопереда-
чи на 20—30%, улучшает качество- утфеля из-за меньшего
прироста цветности, лучшей его гранулометрии, уменьшает потери
сахара. Целесообразно в качестве пара использовать пары само-
испарения концентратора. >
Наряду с улучшением технологических показателей товарного
сахара при уваривании утфеля с механическим перемешиванием
существенно можно снизить расход топлива, так как варка утфе-
лей из высококонцентрированных сиропов может быть проведена
с использованием для обогрева вакуум-аппаратов паров низкого
потенциала — II и III ступеней выпарки, добиться соответствия
между скоростью кристаллизации сахарозы и скоростью испаре-
168
ния воды, вести процесс при более высоком пересыщении и, сле-
довательно, с большей скоростью кристаллизации сахарозы.
Механические лопастные циркуляторы, интенсифицируя про-
цесс кристаллизации, сокращают на 20% продолжительность ува-
ривания утфеля.
Р и с. 50. Вакуум-аппарат с механиче-
ским циркулятором:
1 — корпус; 2 — электродвигатель; 3 — спуск-
ной шнбер; 4 — греющая камера; 5 — механи-
ческий циркулятор; 6 — смотровое стекло.
Рис. 51. Вакуум-аппарат многосек-
циоииый ВАМЦ-500 (усовершенство-
ванный) :
1 — корпус; 2 — сепаратор; 3 — греющая каме-
ра; 4— дополнительная поверхность нагрева;
5 — спускной шибер.
На рис. 50 показан отечественный в а к у у м-а п п а р а т с
принудительной циркуляцией утфеля типа В АВ’,
которая осуществляется механическим циркулятором. Механиче-
ский циркулятор с трехскоростным электродвигателем обеспечи-
вает постоянную скорость движения утфеля по трубкам (до
0,4 м/с) с незначительным снижением к концу варки. Стоимость
перемешивания этим способом составляет 15—20% от стоимости
вакуум-аппарата.
' 14»
< Такие аппараты выпускаются производительностью 60 .и 80 т
утфеля с площадью поверхности нагрева 320 и 415 и2 и носят
соответственно марку ВАВ-60 и ВАВ-80; Частота вращения цир-
кулятора 30—60 об/мин, мощность двигателя 50 кВт, трубки диа-
метром 102 и длиной 1300 мм. Начальный набор сиропа в аппарат
27% от расхода на всю варку.
Вакуум-аппарат ВАМЦ вместимостью 50—60 т утфеля
(рис. 51), выпущенный Смелянским машиностроительным заво-
дом, имеет высокую испарительную способность, сочетающуюся
с минимальной величиной первоначального наполнения сиропом
(до 25%); Вакуум-аппарат состоит из цилиндрического корпуса,
спускного шибера и сепаратора. Поверхность нагрева образована
из основной подвесной трубчатой камеры и кольцевых элементов,
которые подключаются последовательно один за другим по мере
повышения уровня утфеля в аппарате. Такой аппарат может быть
с успехом использован при варке утфелей из густых сиропов
(с содержанием, сухих веществ свыше 70%) без водных н соко-
- вых подкачек.
Сравнительные испытания аппаратов ВАМЦ-600 и односекци-
онного ВАА-400 показали, что в первом получается более равно-
мерный сахар — содержание основных двух смежных фракций
кристаллов достигает 84%, это объясняется лучшими условиями
циркуляции утфельной массы и минимальным объемом первона-
чального набора сиропа. Минимальный начальный объем сиропа
обеспечивает также ведение процесса заводки и дальнейшего на-
ращивания кристаллов при более высоком коэффициенте пересы-
щения без угрозы выпадения «муки», следовательно, скорость
- Кристаллизации возрастает. Нарастание цветности от сиропа до
утфеля в аппарате ВАМЦ-600 на 11,5% меньше, чем в ВАА-400.
Возможность постепенного включения дополнительных площа-.
дей поверхности нагрева по мере увеличения объема утфеля обес-
печивает практически постоянную удельную площадь поверхности
нагрева, а следовательно, и более равномерное потребление пара.
Данная конструкция вакуум-аппарата позволяет в процессе ува-
ривания использовать вторичные пары пониженного потенциала,
что рационально решает задачу --'по использованию вторичных
энергетических ресурсов сахарного завода.
Конструкция вакуум-аппарата А-2-ПВУ-40 с гидро-
динамическим усилением циркуляции (системы
КТИПП) разработана на основании известных методов вдувания
газа или пара в продукт с целью интенсификации процесса тепло-
обмена. Газ или пар в увариваемый утфель вдувают для того,
чтобы разрушить снарядно-поршневое течение пароутфельной сме-
си в кипятильных трубках.
Вакуум-аппарат А-2-ПВУ-40 вместимостью 40 т сваренного
утфеля имеет однокамерную, односкатную греющую поверхность
из 514 стальных труб, диаметром 102X3,5 мм, длиной 1100 мм, с
внутренним циркуляционным пространством шириной 180 мм.
Обитая площадь теплоотдающей поверхности составляет 187 м2.
170
Кипятильные трубы расположены в аппарате по эквидистант-
ным окружностям.
Внизу по вертикали основной греющей камеры находится ана?
логичная камера высотой 140 мм, предназначенная для интенси-
фикации гидродинамическим способом тепло- и массообмена при
уваривании утфелей. В кипятильных трубах этой камеры имеются
патрубки с отверстиями диаметром 1 мм, ось которых направлена
под углом 15° к стенке кипятильной трубы. Пар (или газ), подве-
денный к этой камере, направленными струями через отверстия
подается в утфель, создавая Дополнительный движущийся напор,
чем и достигается интенсификация процессов тепло- и массообмена.
В аппарате с гидродинамическим усилением циркуляции мож-
но получить сахар с меньшей цветностью, улучшенного гра-
нулометрического состава и снизить активное время уваривания
утфеля за счет роста коэффициента теплопередачи на 20—30%
даже при использовании в качестве обогревающего агента вторич-
ных паров выпарной станции с пониженным температурным по-
тенциалом.
Расход вдуваемого пара, идущего на интенсификацию процес-
са, 120—150 кг/ч при варке утфелей различных продуктов. При
этом затраты тепловой энергии составляют 9,5 и 35 кВт-ч при
уваривании утфелей соответственно I и IV продуктов.
Аппараты непрерывного действия. Благодаря внедрению Ва-
куум-аппаратов непрерывного действия на станции уваривания
сахарных утфелей стабилизируется работа теплосилового хозяй-
ства, всего завода в целом, уменьшается объем запаса сиропа и
оттеков, повышается производительность труда, появляется воз-
можность автоматического регулирования процесса и перехода в
дальнейшем к заводам-автоматам. При этом ликвидируются по-
тери рабочего времени на вспомогательных операциях, неравно-
мерный отбор вторичных паров выпарки для обогрева вакуум-
аппаратов, а также колебания разрежения в вакуумной системе,
отпадает необходимость в расходе пара на пропарку.
Аппараты непрерывного действия различаются по пространст-
венному расположению —- вертикальные, горизонтальные и на-
клонные; по количеству секций — одно- и многосекционные; по
характеру движения увариваемой массы — циркуляционные, , пря-
моточные с естественной и принудительной циркуляцией; по кон-
струкции корпуса — цилиндрические, прямоугольные, сундучные,
корытные; по конструкции поверхности нагрева и способу переда-
чи тепла — поверхностные, контактные, комбинированные.
Устройство вакуум-аппаратов непрерывного действия весьма
разнообразно, что связано с усиленными поисками наиболее со-
вершенных конструкций, обеспечивающих получение прежде всего
равномерных кристаллов сахара, требуемый эффект истощения
межкристального раствора, минимальные прирост цветности и по-
тери сахара, удовлетворительную фуговочную способность утфе-
лей и возможность применения теплоносителей низкого потен-
циала.
171
В
5
В
3
2
15
ЯГ
17
18
ID
11
/Z
13
w
Среди конструкций вакуум-аппаратов непрерывного действия
можно выделить односекционные — системы М. Д. Зуева, А. И.
Востокова, В. И. Колпакова, Б. А. Бурдакова (рециркуляцион-
ный) и многосекционные — системы Б. А. Бурдакова, В. К. Фео-
филова, фирмы «Werkspoor» (Голландия), П. Б. Головина, И. Мо-
же (ПНР), М. 'Л. Вайсмана, В. Д. По-
пова, Ю. Д. Кота, В. И. Бурякова,
аппарат ВАМНД конструкции
ВНИИСПа и аппарат КВАНД конст-
рукции КТИППа.
В аппарате ВАМНД с и с т е-
м ы ВНИИСПа корпус горизонталь-
ный, разделен поперечными перего-
родками на 21 секцию. Увариваемая
масса передвигается прямоточно из
секции в секцию, а внутри секции на-
блюдается ее циркуляция. В 1 и 2
секциях проводится сгущение сиропа;
! в 3 — заводка кристаллов; в 4 — за-
крепление, а в остальных — наращи-
вание кристаллов сахара. Последняя
секция соединена барометрической
трубкой с утфелемешалкой.
Паровая камера состоит из пла-
стинчатой поверхности нагрева 95 м2;
' объем аппарата 4,5 м3 и производи-
® тельность по свекле 0,5 тыс. т в сутки.
Испытания аппарата показали, что
в нем можно получать утфель с со-
держанием кристаллов до 40%. Со-
вершенствование аппарата продол-
жается.
Вакуум-аппарат КВАНД
конструкции КТИППа (рис. 52),
=й=
22
21
„ „ выполненный в виде вертикальной ем-
прИерывногоадХвиПяПаквТАНд; кости с коническим донцем, состоит
/ —емкость; 2 — нижняя секция; 3 — ИЗ Двух ЧЭСТеи: КОНЦеНТраТОра С КрИ-
перегородка; 4 6, 11, 13, 15. 13, 21, СТЭЛЛОГенераТОрОМ И Камеры рОСТЭ
24, 25 — патрубки; 5, 16 — поверхно- г г
сти нагрева; 7 — верхняя секция; КрИСТЗЛЛОВ, рИЗМеЩвННЫХ Друг НЭД
со7уд°70ш“-цнлГидрХ?иеЧтСрубй другом и имеющих отдельные грею-
ки; 12 — кольцевое пространство; ЩИв КИМврЫ.
14— излучатель колебаний; 19—тер- г
мостатирующая рубашка; 20 — пат- КОНЦвНТратОр И КрИСТаЛЛОГенерЭ-
?^п™к^я^во?«А™н«еисата; 22 ~ ТОР размещены в верхней части аппа-
рата и представляют собой кольце-
вую емкость с греющей камерой вокруг центральной трубы,’ кото-
рая связывает паровые пространства концентратора и камеры
роста кристаллов. Утфельное пространство кристаллогенератора
соединено трубой свободного слива с камерой роста кристаллов.
Греющая подвесная Камера последней имеет циркуляционную
172
трубу. В нижней части камеры роста кристаллов расположена
зона осаждения кристаллов. Выпуск уваренного утфеля произ-
водится через термостатированную барометрическую трубу, на
выходе которой установлен обратный клапан-хлопушка.
В концентратор и камеру роста кристаллов подается сахарный
сироп или патока на уваривание утфеля соответствующего каче-
ства, а в греющие камеры — пар I и II ступеней выпарной стан-
ции; Сироп (или патока), поступающий в верхнюю часть аппара-
та, уваривается в концентраторе до насыщения и поступает' в
кристаллогенератор, где производится непрерывная генерация
мелких кристаллов. Из кристаллогенератора «молодой» утфель,
содержащий необходимое количество зародышей кристаллов
(мелких), по переливной трубе поступает в камеру, где происхо-
дит рост мелких кристаллов за счет сахара, подаваемого с си-
ропом.
Управление аппаратом производится дистанционно или авто-
матически со щита контроля и управления.
В настоящее время в СССР разработана модернизиро-
ванная конструкция вакуум-кристалл из анион-
ной установки непрерывного действия. Установка состоит
из двух вакуум-кристаллизаторов, кристаллогенератора, сборни-
ков оттеков и турникета.
Техническая характеристика установки приведена в табл. 21.-
Таблица 21 —
Характеристика Кристалло- генератор Вакуум- кристаллиза- тор I Вакуум- кристаллиза- тор II Турникет у
Производительность по свек- ле, т/сут * 1500 1500 1500 1500
Полезная вместимость, м® . . 6,9 13 , 27,6 ——
Площадь поверхности нагре- ва, м2 ; . . . 100 150
Давление, 10s Па . . . . . — 0,85 0,85
Число секций 4 12 12 8 <
В данной установке все стадии варки утфеля осуществляются
последовательно. В кристаллогенераторе оттек охлаждается при
интенсивном перемешивании путем продувки через него воздухй;
в нем же генерируются кристаллические зародыши. Кристалло-
масса непрерывно поступает в I сёкцию вакуум-кристаллизатора.
Дальнейшее наращивание кристаллов идет в результате непре-
рывных регулируемых подкачек разогретым оттёком из сборника
перед вакуум-кристаллизаторами.
Фирма .«Five-Lille-Cail» разработала промышленный образец
вакуум-аппарата непрерывного действий, устанойлеиного на са*
харном заводе «Насандр» (рис. 53).
173
Рис. 53. Вакуум-аппарат непрерывного
действия фирмы Five—Lille—Cail
(Франция):
1 *- концентратор; 2 — кристаллогенератор; ’ 3—
Крйсталлнзатор; 4, 5, 6, 7, 8, Р, 16, 17 — кла-
паны; 10—перегородки; 11—регулятор; 12 —
паровая рубашка; 13 — плотномер; 14 — насос;
15, 18 — поверхности нагрева.
Принцип действия аппарата фирмы «Fi ve-L i 11 е-С a i 1».
заключается в том, что в нем осуществлены все последовательные
стадии периодической варки: сироп до пробы сгущается в кон-
центраторе (поверхность нагрева 150 м2) и получает кристалли-
ческую затравку в виде искусственного «молодого утфеля» (маг-
ма), приготовляемую в кри-
сталлогенераторе (смесителе);
затем масса поступает в го-
ловную часть кристаллизато-
ра (горизонтальный семисек-
ционный аппарат слегка
овальной формы объемом
32 м3 из нержавеющей стали).
Здесь проводится третья ста-
дия — рост кристаллов путем
подкачки растворов в каждую
секцию, которая имеет свой
постоянный уровень и питает-
ся, с одной стороны, уваривае-
мой утфельной массой из пре-
дыдущей секции, а с другой,—
свежим подкачиваемым сиро- ‘
пом. Вследствие разности
уровней утфель перемещается
из секции в секцию и из по-
_ следней по трубопроводу удаляется коловратным насосом.
Обогрев кристаллизатора проводится двумя панельными ка-
мерами. Перегородки кристаллизатора имеют внизу отверстия,
через которые масса переходит из камеры в камеру. Объем камер
таков, чтобы продолжительность пребывания массы была посто-
янной. Сироп, уваренный в концентраторе до 80% СВ, смешивают
в смесителе с затравочной пастой, после чего смесь поступает
в первую камеру аппарата. В каждую камеру подводится в не-
обходимом количестве сироп, благодаря поступлению которого
масса постепенно вытесняется из камеры в камеру. Подготовка
суспензии для затравки проводится путем размола на шаровой
мельнице 0,3%. утфеля с разбавлением массы конденсатом.
Аппарат работает под разрежением 0,7-105 Па, а температура
кипения утфеля — 75° С. Достигнутая производительность аппара-
та-— 30 т утфеля в час при содержании кристаллов до 55% и
-выходе белого сахара после центрифуг — 40—41 %.. Время увари-
вания сиропа до утфеля при производительности аппарата ЗОт/'ч
утфеля составляет 125 мин, причем неравномерность кристаллов
сахара из такого аппарата в два раза выше, чем из аппарата
периодического действия. Требует такой аппарат и очистки от'
накипи, а также значительного (до 150 кг/ч) количества кристал-
лической затравки.
.. В настоящее время фирма «Five-Lille-Cail» усовершенствует
данный аппарат и приспосабливает его для работы в тростниково-
V4
сахарном и рафинадном производстве (аппарат типа «Магма»,
11-секционный).
Таким образом, все возрастающие требования к качеству вы-
рабатываемого сахара, определенную долю которых следует от-
нести за счет повышения требований к сах'ару, подлежащему
бестарному хранению, заставляют специалистов совершенствовать
методы и оборудование для уваривания утфелей.
Управление процессом уваривания утфелей
В наиболее распространенных системах управления процессом
уваривания утфелей используются принципы, базирующиеся . на
косвенном измерении пересыщения по электропроводности (элек-
тросопротивлению), реологическим свойствам, повышению темпе-
ратуры кипения утфелей. Нашли также применение комбиниро-
ванные'методы управления, сочетающие одновременное использо-
вание нескольких параметров.
Система автоматического управления, разработанная ВНПО
«Пищепромавтоматика», базируется на принципе автоматического
обеспечения программой зависимости между структурной вязко-'
стью продукта и его количеством в аппарате. Система обеспечи-
вает: -
"’автоматический набор сиропа до заданного уровня и его ста-
билизацию до момента заводки кристаллов; -----
световую и звуковую сигнализацию Заводки кристаллов;
программное управление процессом наращивания кристаллов
путем воздействия на поступление раствора в аппарат с целью
поддержания программного соотношения вязкость—уровень ут-
феля в аппарате;
световую и звуковую сигнализацию о готовности утфеля.
МТИППом совместно *с производственно-техническим пред-
приятием «Сахпромэнергоналадка» разработана система автома-
тического управления процессом уваривания утфелей, базирую-
щаяся на измерении сопротивления раствора и регулирования:,
соотношения сопротивление — уровень ' утфеля за цикл варки.
При этом установленное соотношение может корректироваться
вручную.
Система автоматизации позволяет осуществлять:
дистанционное управление запорными органами греющего па-
ра, раствора, пара для пропаривания, сброса разрежения, выпуска
утфеля и регулирующими органами разрежения, расхода раствора
и пара;
сигнализацию падения разрежения, заводки кристаллов, запол-
нения аппарата, состояния управления, положения запорных ор-
ганов; .....
регулирование соотношения — сопротивление раствора — уро-
вень начального набора аппарата;
блокировку соответствующих регулирующих или запорных
органов при падении разрежения, заполнении аппарата.
175
Комбинированный метод управления процессом уваривания
утфелей основан на, косвенном измерении пересыщения по повы-
шению температуры кипения раствора и теплообмена по расходу
конденсата греющего пара. Для реализации такого метода раз-
работана специализированная аналоговая вычислительная и уп-
равляющая машина (СВМ) «Кристалл» и средства автоматиза-
ции, что позволяет осуществлять:
дистанционное управление запорными органами греющего
пара, раствора, разрежения, пара для пропаривания, сброса раз*
режения, выпуска утфеля, ввода затравки и регулирующими
органами разрежения и раствора;
сигнализацию (световую) отклонения разрежения, уровня,
температуры, превышения температуры кипения от нормы;
гибкое программное управление процессом уваривания ут-
фелей;
регулирование абсолютного давления в аппарате при уварива-
нии утфеля из густых сиропов;
импульсное управление вводом затравки и кристаллообразо-
ванием;
непрерывный и дискретный режим ввода раствора в аппарат;
блокировку по притоку раствора и пара при предельном от-
клонении параметров;
.. - автоматический, полуавтоматический и дистанционный режимы
работы;
управление процессом без стабилизации абсолютного давления
и давления греющего пара;
контроль положения регулирующего органа, времени цикла,
суммарного расхода конденсата и раствора за цикл уваривания
утфеля;
сигнализацию окончания процесса уваривания по нагрузке
электропривода циркулятора или по повышению температуры
кипения.
Комплексная автоматизация вакуум-аппаратов требует полно-
го обеспечения автоматического осуществления цикла уваривания,
что наиболее полно обеспечивается по комбинированному методу
управления процессом уваривания утфелей. Этот метод может
использоваться для любой стадии кристаллизации свеклосахар-
ных и рафинадных утфелей.
Расчет поверхности нагрева вакуум-аппарата
периодического действия
• Вакуум-аппарат периодического действия является теплооб-
менником с нестационарным процессом и для него основным рас-
четным уравнением является
Q i—n
. = . .. <*>
о г=г
176
где F — площадь поверхности нагрева аппарата, м2;
тц=Т1+т2+Тз—продолжительность активнрго времени цикла
варки, ч (Т1 — продолжительность сгущенйж
сиропа до пробы, ч; хг — продолжительность ос-
новного периода варки, ч; Тз — продолжитель-
ность отваривания утфеля для подкачек, ч);
Q — тепловая нагрузка вакуум-аппарата, изменяю-
щаяся во времени, Дж;
k — коэффициент теплопередачи, изменяющийся во •
времени, Вт/(м2-К);
Д<=<пар—ty — тепловой температурный перепад между грею-
щим паром и кипящим утфелем, постоянный ®
течение основного периода варки, °C;
<т=/вт+Д — расчетная средняя температура кипящего ут-
феля, °C; ' . -
<вт — температура насыщенного пара (соответствует
разрежению в надутфельиом пространстве),
Д — общая температурная депрессия, °C (в течение;
первого периода варкн она возрастает вслед за
сгущением раствора до пересыщения и достига-
ет 12—13° С, в дальнейшем она определяется в ’
основном свойствами межкристальной патоки,
величиной паросодержания и содержанием кри-
сталлов в утфеле. К концу варки депрессия сно-
ва несколько повышается, что, главным обра-
зом, вызвано увеличением высоты кипящего ут-
феля;
q—ur=kAi —тепловой поток, Вт/м2.
Уравнение (51) справедливо при работе всей поверхности на-
грева от начала до окончания уваривания утфеля.
При расчете интегрирование целесообразно заменить прибли-
женным суммированием при числе членов суммы п= 104-20. Тогда
уравнение (51) решается в конечных разностях. Каждый член
суммы —— находится для данного i-го отрезка времени Ат»,
п
причем тц=2Атг- (где AQ,— количество тепла, сообщаемое утфе-
лю греющим паром за отрезок времени т, Дж; £г-Д/г-— тепло- :
вой поток, усредненный за время Ат,-, Вт/м2).
Величина AQ< находится по уравнению теплового баланса
AQi = 1ДВ7/ >рД£; -|- AipSi — >ПД5П — гкД^кр Д0п> (52)*
где i, ip, iB — соответственно энтальпии вторичного пара,
увариваемого утфеля и подкачиваемого си-
ропа, Дж/кг;
Д№\ — количество воды, выпариваемой из утфеля за
время Дт,, %;
Sj — масса утфеля в аппарате, усредненная за вре-
мя Дт,-, кг;
ASi, Д1 — приращение соответственно массы утфеля в= .
аппарате и энтальпии за время Ат,;
1рД5,+Д1р5,=Д(1'р5г) — изменение энтальпии увариваемой массы за-
время Дт,-, Дж/кг;
Д5В — количество сиропа (паток), введенных в ап-
парат с подкачками за Atj, кг;
' 177
r8 — скрытая теплота кристаллизации, т. 'е. количе-
- ство тепла, выделяющегося при превращении
в твердую фазу 1 кг сахара, Дж/кг;
Дбкр — количество твердой фазы (кристаллов), об-
разовавшихся за Дт,-, кг;
AQn — тепловые потери вакуум-аппарата, Дж.
Уравнение (52) отражает тот факт, что суммарное тепло грею-
щего пара, а также тепло, введенное с подкачками и выделив-
шееся при кристаллизации, расходуется на выпаривание воды,
на изменение теплосодержания увариваемой массы и на компен-
сацию тепловых потерь.
Для приближенных расчетов вакуум-аппарата допустимы сле-
дующие упрощения:
теплопотери возможно принять в размере 3—5% от общего
расхода тепла;
теплотой кристаллизации сахарозы возможно пренебречь, так
как в заводских условиях влияние данного слагаемого в чистом
виде выделить пока не удалось;
количество выпариваемой Воды тгропбрционально напряжению
поверхности нагрева или тепловому потоку, а преобладающим
слагаемым в расходе тепла на процесс является расход тепла на
испарение воды из утфеля.
Тогда для любого i-ro отрезка времени
LWt = —— ЕГК, (53)
п
где SW'k — общее количество выпариваемой воды за время тц, кг.
Учитывая, что тепло, введенное с подкачками, и тепло кри-
сталлизации сахарозы в значительной степени компенсируется
теплопотерями, можно полагать.
где гя — скрытая теплота испарения воды из утфеля, Дж/кг.
С учетом принятых допущений возможны следующие преобра-
зования уравнения (51)
Ж 4i "
2 ft
1- f 47
«Ц AQf = nr = rHS^K = rHS^K = SQ
4i " ПГ " ftp . ftp ’
? 2Jft Sft
i i
n
где ^cp — среднее значение теплового потока, усредненное за время варки •
тц, Вт/м2;
2Q — общее количество тепла, затраченное' на процесс варки утфеля
в течение рабочего цикла, Дж.
178
В итоге величина поверхности нагрева аппарата (м2)
Тц^Ср •
(55)
Общее количество тепла на процесс варки SQ определяется
из следующих соображений.
Количество выпариваемой воды из утфеля (кг)
[ CBg \ SvCBy / СВи \ f СВу — СВи \
2ГК = 2S0 1 — у = сВн \1 “ "СВ7) = Sy \ сЩ ) ’
где SS0 — общее количество сиропа (паток), поступающих на уваривание
за один цикл варки, кг;
ST — количество сваренного утфеля, кг;
СВи — начальная концентрация СВ в увариваемом продукте, %;
СВу — концентрация СВ в утфеле, %.
Тепло, идущее на выпаривание воды (Дж)
/ СВу — СВ,, \ / СВу —СВн \
Ci7 = sy\ сЩ JrH = Sy(i—св/у) —— J’ .
Тепло, уносимое сваренным утфелем (Дж)
Qy SyCy/y.
Тепло, поступившее с сиропом (Дж)
СВу f
. • ~ Ссир— ESffafn — Sy (^Bj,
Тепло, затраченное на процесс уваривания -(Дж)
। СВу — СВн СВу 1
SQ = (Quz + Qy Ссир) — ^(£ cBfy) СВд + су^у — СВи Сп J’ (56)
где /п — температура подкачиваемого сиропа, °C;
Су, сп, Св — удельные теплоемкости утфеля, продукта, поступающего на
уваривание, и воды, Дж/(кг-К).
Выражение в квадратных скобках в формуле (56) означает
количество тепла, затраченного на 1 кг сваренного утфеля.
п
Среднее значение теплового потока ^Ср= —-—, Вт/м2 опреде-
п
ляется путем расчета значений qi=ki&ti, причем значения Af,
могут быть приняты постоянными, а коэффициент теплопередачи
k рассчитывается для каждого отрезка времени Дтг- в зависимости
от общей концентрации утфеля, разрежения в аппарате, темпера-
турного перепада и т. д.
Следует отметить, что коэффициент теплопередачи при ува-
ривании утфелей зависит от многих факторов: от СВ утфеля и
межкристального оттека; абсолютного давления в надутфельном
пространстве, полезного температурного перепада, теплового по-
тока, весового содержания кристаллов сахара в утфеле, добро-
179
качественности утфеля и межкристального раствора. В общем
случае кривая изменения коэффициента теплопередачи в процессе
варки утфеля идет вниз по мере роста общей концентрации СВ
ускоренно вначале и в конце варки и замедленно в середине
(рис. 54).
Это обусловлено и тем, что вакуум-аппараты периодического
действия отличаются неравномерным потреблением пара в про-
цессе варки, особенно при уваривании сиропов пониженной кон-
центрации. Максимальный расход пара наблюдается в начале
Р и с. 54. Изменение коэф-
фициента теплопередачи
в процессе уваривания ут-
феля 1 продукта.
периода до заводки кристаллов, когда идет выпаривание основ-
ной массы воды из набранного в аппарат сиропа. При варке
утфеля из сиропов повышенной кон-
центрации наблюдается сравнительно
пологий график мгновенного расхода
пара в течение всего цикла уварива-
ния.
Поэтому включение и выключение ,
периодически действующих вакуум-
аппаратов должно производиться по
определенному графику во избежание
резких колебаний в потреблении гре-
ющего пара выпарной установкой.
Колебания в потреблении пара тепло-
вой установкой сахарного завода мо-
гут быть сведены к минимуму при не-
прерывном уваривании утфелей и ав-
томатической работе всех элементов тепловой схемы — выпарной
станции и питаемых ею теплообменных устройств.
Расчет коэффициентов теплопередачи проводится обычно по
. критериальным уравнениям, эмпирическим формулам и диаграм-
мам теплообмена без учета термического сопротивления накипи.
Кристаллы сахарозы «зачищают» поверхность нагрева периодиче-
ски действующих вакуум-аппаратов, и слоя накипи не образуется.
При выборе типовых вакуум-аппаратов для сахарного завода
«определенной производительности следует учитывать периодич-
ность их работы, затраты времени на вспомогательные операции
(набор сиропа, спуск утфеля, пропарку) и необходимость в на-
личии нескольких аппаратов для уваривания одного и того же
продукта.
Пусть одновременно на уваривание данного продукта работает
т одинаковых вакуум-аппаратов. Тогда для уваривания заданно-
го количества сиропа SSo (в кг) потребуется поверхность нагре-
ва (м2)
mF =
Тц?ср
Поверхность нагрева одного вакуум-аппарата при этом соста-
вит (в м2)
180'
Г (СВу CBg) * (* —* СВ^у) CByCjn^n
р 2<? 5у[су<у + СВн
^ц^к/ср
За 1 ч будет сварено среднее количество утфеля (кг/ч)
ЯуА,
где ау — выход утфеля, % к массе свеклы;
А — производительность завода по перерабатываемой' свекле, кг/ч.
Так как вакуум-аппараты работают периодически, то фактиче-
ское количество утфеля, приходящееся на активное время цикла,
должно быть больше на величину Тц т° =Ф> 1, где То — время
тц
вспомогательных операций, мин.
Следовательно, при наличии нескольких вакуум-аппаратов по-
верхность нагрейа одного из них составит (в м2):
Г (СВу — СВН) •(£ — cBZy) —\CByCnfn 3
ОуАФ 1 Cyty + ' J
F —--------------------------------------------,
wt?cp
где <?ср —среднее значение теплового потока, определяется как произведе- '
ние среднего значения коэффициента теплопередачи и распола- “
гаемого полезного перепада температуры.
Кроме того, при расчете вакуум-аппаратов необходимо учесть
еще один коэффициент L>1, отражающий неравномерность ра-
боты, возможные изменения количества и концентрации поступаю-
щих на уваривание продуктов, водные и соковые подкачки, тепло-
потери. Сведя все эти факторы в общий коэффициент ц, оконча-
тельно получим поверхность нагрева вакуум-аппарата (в м2)
1
(57)
,3; для II про- '
(СВу — СВН) • (i св?у) " СВуСп/п
-yfy +> СВН
«»<7ср
-ГДе Г)=ЙФ и по опытным данным составляет для I продукта 1
дукта 1,4.
Требуемый полезный объем вакуум-аппарата {в м3) опреде- f
лится из выражения ' •
avAt
где j — плотность утфеля при температуре спуска, кг/м3.
т—полное время цикла уваривания, мии (т=тц+то). *.
Продолжительность работы вакуум-аппаратов тц и т0 в зави-
симости от схемы уваривания,, вида продукта и его доброкачест-
венности приведена в табл. 22.
При нормальных условиях варки коэффициент теплопередачи
k [в Вт/(м2-К)] можно найти по формулам:
для утфеля I продукта
k = <р(СВу)р°-84Д/;
(59) ;
181 ;•
Таблица 22
Вакуум* аппараты Двухпродуктовая схема Трехпродуктовая схема
доброкачест- венность увариваемых продуктов, % т0, мин тц> мин доброкачест- венность ува- риваемых продуктов, % То, МВД тц» мин
I продукта 92—93 и выше -15 175 94 и выше 15 145
90—91 15 210 92—93 15 160
88—89 15 255 90—91 15 195
II продукта 78—77 45 375 85—87 25 275
76—75 и ниже 45 555 83—84 25 305
III продукта ——• — — 78—77 45 375
76—75 45 555
74 и ниже 45 795
функцию физических параметров можно определить из выра-
жения
/ 100-cCBy V
ф(СВу) = 2,19 118 — СВу )* ' ( )
для утфеля II продукта
й=9>(СВу; Дбм; Пп)р°-8Д/, (61)
где ф (СВу; Лп) = (СВу- 0.0059СВ? -40,7)2 (^У. (62)
Дбя — доброкачественность межкристальной патоки;
Пп — коэффициент пересыщения.
На рис. 55, 56 представлены диаграммы, составленные на ос-
, новании формул (59, 61), используя которые можно вычислить
текущие значения коэффициентов теплопередачи при заданной
концентрации утфеля и температурном перепаде. Диаграммы
построены для определенных значений разрежения (р) О,76Х
Таблицу 23
' Отрезки времени от начала варки л
Показатели
I продукт
74 9,1 81 11,7 84 13,3 86 13,2 87,5 13 88,5 12,8 89,3 12,7 90.2 12,6 90,9 12,8 91,7 13,1
II продукт -
СВу 88 91 91,6 91,8 92,2 92,8 93,2 93,6 93,8 94
А 11 13,1 14,4 15,4 16,1 16,8 17,3 17,7 18,1 18,8
Дбм 75,4 72,4 70,4 69,2 68,2 68 .67 ;7 67,2 66,8 66,4
Пп 1,44 1,37 1,39 1,42 1,45 1,5 1,53 1,57 1,62 1,67
Х105 Па при средних температурах кипения утфеля I продукта —
76° С; И продукта — 80° С. .
Пользование диаграммами не-
сложное: при известных средних
значениях Д/ определяется ряд
(обычно ГО) значений коэффици-
ента теплопередачи k, отвечаю-
щие текущим значениям общей
концентрации утфеля (табл. 23).
Рис. 56. Диаграмма для опреде-
ления- коэффициента теплопере-
дачи при уваривании утфеля
II продукта в вакуум-аппаратах
периодического действия.
Рис. 55. Диаграмма для опреде-
ления коэффициента Теплопере-
дачи • при уваривании утфеля
I продукта' в- вакуум-аппаратах
периодического действия.
• Пример. Рассчитать площадь поверхности нагрева вакуум-аппарата
I продукта. Исходные данные: количество сваренного утфеля ау=33,6%; тем-
пература сиропа и патоки при поступлении в аппарат /п=80°С; средний тем-
пература в' процессе варки — температура. утфеля /у=80°С; температура грею-
щего пара Ti.p==I24’C (вторичный пар I ступени выпарной станции); число
вакуум-аппаратов данного назначения т=3; СВН=65%; СВУ=92,5%; су=
=2000 Дж/(кг:.К); св=4190 Дж/(кг-К); сп =2500 Дж/(кг-К), » — энтальпия
вторичного пара, образующегося в вакуум-аппарате, Дж/кг; доброкачествен-,
ность увариваемых продуктов 92—93 ед. Производительность завода А=
=2,5-106 кг свеклы в сутки. '
Определим’сначала расчетный температурный перепад между греющим па-
ром и кипящим в аппарате утфелем: х
А/ = Ггр — ty = 124 — 80 == 44° С.
183
По диаграмме рис. 55 прй Д1=44°С и по текущим концентрациям- утфеля из данных табл. 23 определим СВх = 74 *х = 930 q = k\t = 930.44 =40920)
СВ, = 81 . *, = 780 9,= 780.44 = 34320'
СВ,= 84 *3 = 690 9з = 690-44 = 30 360
СВ, = 86 *, = 640 9, = 640-44 = 28 160
СВ, = 87,5 Лз = 580 9з = 580-44 = 25 520
СВ, = 88,5 *, = 530 9, = 530-44 = 23 320»
СВ, = 89,3 *, = 480 9, = 480-44 = 21 120
СВ, = 90,2 *, = 410 9, = 410-44= 18040
СВ, = 90,9 *, = 340 - ' 9, = 340-44 = 1496»
СВИ=91,7 *10=290 910= 290-44= 12760
10 2? = 249480 Вт/м3
Средний за период варки утфеля тепловой поток 'составит
Ю
Среднее значение коэффициента теплопередачи за варку
9ср 24948
Аср = “KT = "Т44~ = 567 Вт/(м’-К).
Площадь поверхности нагрева вакуум-аппарата определяется по формуле
(57):
33,6-2,5-10«-1,3 f______ (92,5—65). (2618-10»—419 080) —92,5-2500.80]
F = 24-100.3.24 948 L2000-80 + бВ " ] =
= 143 м3.
Полезная вместимость вакуум-аппарата определяется по формуле (58) из
расчета для данного варианта значения т=тц+то=175+15=19О мин, или 3,17 ч
(Табл. 22):
33,6-2,5-10«-3,17
п— 100-24.3.1450
25,5 м3,
а с учетом 15%-ного запаса емкости аппарата У0Ол=25,5-1,15—30 м’. Расчет
-Поверхности нагрева вакуум-аппаратов II продукта проводится по аналогичной
^методике с выбором текущих значений коэффициентов теплопередачи по дан-
ным рис. 56 и табл. 23 и принятом значении коэффициента 4=1,4.
Г л а в а VI. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС САХАРНОГО
ЗАВОДА И ПУТИ СНИЖЕНИЯ
РАСХОДА ТЁПЛА И ПАРА
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ЗАВОДА И ЕГО АНАЛИЗ
В СССР проводится большая- работа по повышению к. п. д. ис-
пользования топлива. В 1975 г. он достиг 33%, т. е. возрос в 1,2
раза по сравнению с 1940 г., что соответствует среднему к.п.д.
184
использования топлива в передовых по промышленному разви-
тию зарубежных странах.
На ближайшее десятилетие ставится задача доведения его до
45%. При этом основными направлениями повышения эффектив-
ности использования топливно-энергетических ресурсов и сниже-
ния удельных расходов топлива в сахарной промышленности яв-
ляются:
перевод ТЭЦ и промышленных котельных на сжигание топоч-
ного мазута и природного газа;
замена устаревшего маломощного физически и Морально изно-
шенного оборудования новым, более мощным и прогрессивным;,
повышение к.п.д. парогенераторов;
совершенствование технологических и теплотехнических схем
сахарных заводов с установкой прогрессивного нового и модерни-
зированного оборудования, позволяющего использовать вторичные
энергетические ресурсы, либо обеспечивающего уменьшение их
выхода;
автоматизация управления процессами выработки тепла и.
электрической энергии;
совершенствование системы нормирования, учета и контроля
ъ расходовании энергетических ресурсов.
Для того чтобы определить удельный вес отдельных тепловых
потерь в заводе и в соответствии с этим наметить пути их умень-
;? шения за счет рационализации теплоиспользования, необходимо
составить тепловой баланс завода. Данные о величине отдельных
статей расхода тепла покажут, на какие источники потерь надо
обратить внимание в первую очередь и какова может быть эко-
номия от внедрения того или иного мероприятия.
Тепловой баланс сахарного завода на 100 кг свеклы представ-
лен в табл. 24.
• Таблица24
Приход тепла Расход тепла
источник тепла кДж % статья расхода кДж % *
Пар Свекла Реакция CaO-f-CO2 126000 2280 7200 93 1,7 5,3 Механическая энергия Выпарка Сатурация Вакуум-аппараты Конденсаты Фильтрационный осадок Пропарка вакуум-аппара- тов Пробелка сахара Диффузия Потери тепла в окружаю- щую среду 8200 12800 7100 34400 28600 2400 1370 1370 1890 37350 6,1 9,5 5,2 25,4 21,1 1.8 1.0 1.0 1.4 27,5.
Итого: 135480 100,0 135480 100,0
IBS
В приходе: тепло пара, определяемое по показаниям приборов
и параметрам пара; тепло, приносимое со свеклой; тепло рёакции
СаО+СОг, определяемое по расходу окиси кальция на очистку.
Расход тепла составляют следующие слагаемые: на выработку
^механической энергии; с паром последней ступени выпарки на
•конденсатор; с Паром из вакуум-аппаратов на конденсатор; с па-
ром, уходящим из котлов сатурации; в неиспользованных конден-
сатах; в фильтрационном осадке; на пропарку вакуум-аппаратов;
на пробелку сахара в центрифугах; на диффузионную станцию —
избыток тепла, уходящего с отходами, по отношению к теплу по-
ступающей барометрической воды; потери тепла в окружающую
среду.
На основании данных табл. 24 можно сделать ряд выводов,
касающихся теплосилового хозяйства сахарного завода вообще и
использования вторичного пара в частности. Видно, что основны-
ми потерями тепла на сахарном заводе, составляющими в сумме
до 80% от всех потерь, являются потери тепла с вторичным паром
вакуум-аппаратов и выпарки, с неиспользованными конденсатами
и потери тепла в окружающую среду. Поэтому основными на-
правлениями дальнейшей рационализации тепЛоиспользования
на-сахарном заводе и являются широкое использование вторич-
ного пара вакуум-аппаратов для обогрева технологических потре-
бителей, тепла избыточных конденсатов, улучшение качества изо-
ляции аппаратуры, трубопроводов и паропроводов. Тепло конден-
сатов и вторичного пара вакуум-аппаратов (утфельный пар),
которые можно отнести к вторичным энергетическим ресурсам,
служйт важным источником снижения расхода топлива в сахар-
ном производстве.
Под вторичными энергоресурсами понимается энергетический
потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных про-
дуктов, образующихся в технологических агрегатах или процессах,
.который не используется в самом агрегате, но может быть ча-
стично или полностью использован для энергоснабжения других
агрегатов или процессов. При применении вторичных энергоре-
сурсов расход топлива в технологическом агрегате — источнике
этих ресурсов практически не меняется, наблюдается лишь эко-
номия тбплива в энергетических установках.
Подсчитано, что общий выход вторичных энергоресурсов в
свеклосахарном производстве состоит из тепла, содержащегося в
конденсатах (7-10® кДж/т), и тепла утфельных паров (4,ЗХ
X10® кДж/т) или всего 11'3-105 кДж/т.
С учетом мероприятий по лучшему использованию вторичных
энергоресурсов на 1980 г. планируется дополнительно сэкономить
в сахарной промышленности условного топлива 450 тыс. т и
повысить к.п.д.,. использования вторичных энергоресурсов на 5%
(до 86% вместо 81% в 1975 г.).
Правильное использование тепловых отходов дает не только
. экономию топлива, определяет экономичность тепловой схемы,
но и улучшает технологический процесс, повышает производитель-
нее
ность оборудования. Весьма перспективно создание Комбиниро-
ванных производств, где тепловые отходы одного предприятия
используются на других предприятиях.
Эффективное использование вторичных энергетических ресур-
сов возможно лишь при условии, что выпарная станция при этом
обеспечивает получение сиропа нормируемой концентрации без
выхода пара на конденсатор при возможных на практике изме-
нениях производственного ритма завода и колебаниях продукто-
вых и паровых потоков.
Структура расхода топливно-энергетических ресурсов сахар-
ных заводов СССР — теплоэнергетический баланс заводов (%)
приведен ниже:
Топли-
во (%)
Всего израсходовано топлива.....................................100
В том числе:
на выработку пара в ТЭЦ и промышленных парогенераторных 75
на выработку электроэнергии в ТЭЦ......................... 7,0
на производство сушеного жома ............................ 2,9
на производство извести .................................. 5,9
на производство отдельных видов продукции (сушка травы и
т. д.) ....................................... . 0,38
на работу приэаводского транспорта......................... 1,97
на прочие нормируемые нужды............................... 3,6
то же, ненормируемые...................................... 2,2
на коммунально-бытовые нужды............................. 1,0
Тепловая
энергия
(%)
Вссего израсходовано ................................... 100
. В том числе:
на производство сахара-песка................................... 65,05
на производство сахара-рафинада .... •.................... 6,45
на производство сахара из сахара-сырца .......... 10,0
на производство остальной продукции (Дрожжи, лимонная и
!' глютаминовая кислоты и др.) . . .......................... 0,9
|g на прочие нормируемые нужды............................ 12.0
(к? то же, ненормируемые..................................... 3,3
йа коммунально-бытовые нужды.............................. 1,7
Электри-
ческая
энергия
(%) -
100
61,0
3,4
6,35
2,35
13,0
11,0
2,9
Следовательно, основное место в топливно-энергетическом ба-
лансе сахарного завода занимает топливо, расходуемое в ТЭЦ и
в промышленных парогенераторных на выработку тепловой и
электрической энергии — 82% от общего его расхода, а также
тепловая и электрическая энергия, расходуемая в производстве
сахара-песка из свеклы.
Поэтому в настоящее время в работах по повышению эффек-
тивности использования топливно-энергетических ресурсов глав-
ное внимание на сахарных заводах уделяется именно этим потре-
бителям. В последние годы значительно возросли расходы топ-
лива, тепловой и электрической энергии и на других участках: й
производстве сушеного жома, извести, сахара-рафинада и особен-
но на участке прочих производственных нужд. Это подтверждает
187
необходимость изучения вопросов более эффективного использо-
вания топливно-энергетических ресурсов также и на участках не-
основного производства.
В последние годы на сахарных заводах внедряется централи-
зованное горячее водо-и теплоснабжение производственных ра-
бочих поселков. Для обеспечения этих потребителей теплом в
непроизводственный период при заводах сооружаются отопитель-
ные котельные с расходом пара от 7 до 20 т/ч в зависимости от
производственной мощности сахарного завода. Этот участок ста-
новится значительным потребителем тепловой энергии, на всех
сахарных заводах необходимо будет сжечь дополнительно более
1 млн. т условного топлива.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА ВТОРИЧНЫХ
ПАРОВ ВАКУУМ-АППАРАТОВ И ВЫПАРКИ
В процессе сахарного производства получается до 22—27% к
-массе свеклы вторичного пара вакуум-апйаратов (утфельного
пара) и выпарки, который по энтальпии незначительно отличает-
ся от технологического греющего пара. Так, при температуре
греющего ретурного пара 132° С энтальпия его 2723,4 кДж/кг, а
энтальпия утфельного пара (и выпарки) при температуре 65° С
составляет 2618,2 кДж/кг. Однако из-за низкого температурного
потенциала такой пар может быть использован в производстве
лишь для подогрева продуктов до 48—50° С. Частично тепло
, утфельных паров с барометрической водой используют для пи-
тания диффузионных установок. Значительная часть барометриче-
ской воды в холодное время года сбрасывается в гидротранспор-
тер и в мойку свеклы.
В целом на сахарных заводах в настоящее время с барометри-
ческой водой, поступающей на питание диффузионных установок
и на транспортировку и мойку свеклы в холодное время года,
используют 50% от общего количества тепла, содержащегося в
утфельном паре. Однако использование тепла барометрической
воды в диффузионном процессе по мере увеличения использова-
ния для этих целей жомопрессовой воды и избыточных конден-
сатов будет уменьшаться.
Постоянным на протяжении всего производственного сезона
способом непосредственного использования тепла утфельного пара
может быть нагрев диффузионного сока. Температура диффузи-
онного сока при откачке зависит от типа диффузионного аппара-
та— на диффузии колонного типа она равна 48° С, а на шнеко-
_ вом аппарате — 30° С. Вследствие значительного содержания в
утфельном паре неконденсирующихся газов и воздуха, ослабляю-
щих интенсивность теплообмена, подогреватель диффузионного
сока на утфельном паре выбирается для работы при большом
температурном перепаде — 15° С. При этом использование тепла
утфельного пара для начального нагрева диффузионного сока це-
лесообразно. лишь для диффузионной установки шнекового типа.
188
Все другие типы* диффузионных аппаратов для возможности ис-
пользования тепла утфельного пара и выпарки должны быть
снабжены предошпаривателями, назначение которых — снижать
температуру диффузионного сока при откачке до 30° С. На нагрев
диффузионного сока, полученного со шнековых диффузионных
аппаратов, в десятой пятилетке намечено израсходовать около*
20% тепла от общего количества его в утфельном паре.
В условиях сахарного завода при нагреве утфельным паром
120% диффузионного сока от 30 до 50° С можно получить эко-
номию пара в количестве D
_ 120.3780(50 — 30) 1,03 _
~ 2260,4.10s - • %.
где 3780—удельная теплоемкость сока, Дж/(кг-К);
1,03 — коэффициент, учитывающий потери тепла в окружающую1
среду;
2260,4» 10а — скрытая теплота парообразовании, Дж/кг.
Тепло утфельных паров и выпарки с помощью установки пред-
конденсатора частично можно использовать и для подогрева (до>
55° С) барометрической воды, направляемой на диффузию. Так,
если в Конденсаторную установку выпарки и вакуум-аппаратов,
состоящую из предконденсатора и основного конденсатора, посту-
пает 27% пара к массе свеклы при температуре 65° С и энтальпии
2618,2 кДж/кг, то для получения в предконденсаторе барометри-
ческой воды с температурой 55° С в количестве 250% на этот
аппарат необходимо подать холодной воды (10° С) в количестве-
6 = 250.
2618,2 — 55-4,19
---—------------= 232%.
2618,2—10-4,19 /0’
где 2618,2 —удельная энтальпия пара, кДж/кг;
4,19 — удельная теплоемкость воды, кДж/(кг-К).
При этом в предконденсаторе будет сконденсировано 250—
—232=18% утфельного пара, а в основной конденсатор пойдет
27—18=9% паров. Если температура отходящей из основного
конденсатора воды 45° С, то для конденсации 9% утфельного пара
потребуется холодной воды
6 = 9-
2618,2 — 45-4,19
(45— 10).4,19
= 165%.
Таким образом, исключается, примерно, на 10° С подогрев ба-
рометрической воды вторичным паром выпарной станции, что
соответствует экономии пара, Примерно, 1—1,5% к массе свеклы.
Тепло сбросной барометрической воды (избыток с предконден-
сатора и вся вода с основного конденсатора) с температурой
46—47° С может быть использовано путем агрофикации в тепли-
цах, что экономически целесообразно, так как 90% стоимости их
приходится именно на стоимость топлива.
В настоящее время на сахарных заводах нашли применение
струйные смешивающие аппараты, позволяющие эффективно ис-
пользовать пары низкого потенциала. Аппараты эти просты в из-
18У
готовлении, малы по габаритам, компактны, легко обслужива-
ются. На рис. ,57 приведена схема применения струйных смесите-
лей для подогрева воды, используемой на диффузии. По сравне-
нию с применяющимися подогревателями с трубчатой поверхно-
стью нагрева струйные смесители экономически выгоднее, так как
работают интенсивно в безнакипном режиме с повышенным коэф-
фициентом теплоотдачи.
Рис. 57. Схема четырехступенчатой выпарной станции с использованием
струйного смешивающего подогревателя для подогрева воды на диффузию:
1 — выпарные аппараты; 2 — струйный подогреватель; 3— диффузионный аппарат; 4 — сбор-
ник воды.
Пары низкого потенциала можно использовать и в парокон-
тактных подогревателях для нагрева барометрической и жомо-
прессовой вод путем непосредственного контакта пара и жид-
кости.
Обеспечивая надежный нагрев, пароконтактные подогревателе
позволяют повысить температуру нагреваемого продукта практи-
чески до температуры насыщения пара.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛА КОНДЕНСАТОВ
В условиях сахарного производства получается до 150% к
массе свеклы конденсатов. Значительная часть их — 60% от об-
щего количества и 70% содержащегося в них тепла в настоящее
время эффективно используется на питание парогенераторов
(конденсат ретурного пара и частично вторичного пара I ступени
выпарной установки), для нагрева продуктов паром самоиспаре-
ния и на различные технологические и бытовые нужды. Остается
пока еще не использованным на заводах 30% от общего коли-
чества тепла конденсатов, или 2-105 кДж на 1 т перерабатывае-
мой свеклы.
190
Температура избыточных конденсатов в результате снижения
ее при самоиспарении и охлаждении в трубопроводах и в сбор-
никах составляет 80—82°С. По типовой тепловой схеме избыточ-
ные конденсаты в количестве 775 кг на 1 т перерабатываемой
свеклы расходуют на различные технологические и бытовые нуж-
ды, предварительно использовав их на нагрев диффузионного
сока. При нормативных условиях 1200 кг диффузионного сока на
1 т свеклы конденсаты нагреваются в теплообменнике «конден-
сат—сок» на 11—12°С с расходом тепла примерно 5-Ю4 кДж на
1 т свеклы. Такой нагрев определен из условия, что температура
конденсатов при использовании их в качестве воды для питания
диффузионной установки равна 63—65°С.
В настоящее время на каждом, сахарном заводе имеется ре-
альная возможность полностью использовать тепло конденсатов:
на питание парогенераторов ТЭЦ и промышленных котельных; на '
образование паров самоиспарения конденсатов, используемых на
нагрев и уваривание продуктов; на нагрев диффузионного сока;
на' питание диффузионных установок и- на различные технологи-
ческие и бытовые нужды производства; на нагрев воды в системе
отопления с соответствующим уменьшением количества пара
самоиспарения конденсатов.
Использование тепла конденсатов, выделяемого при их охлаж-
дении в теплообменниках при постоянном давлении, значительно
эффективнее, чем использование тепла, получаемого за счет их
самоиспарения, так как при этом возможен подогрев соков выше
выходной температуры горячего конденсата (применение проти-
вотока), т. е. обогрев теплообменников конденсатом можно вести
при более низкой разности температур, чем при обогреве их вто-
ричными парами.
УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА ИЗОЛЯЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ И АППАРАТУРЫ
Анализ теплового баланса сахарного завода показывает, что
основная часть непроизводительных потерь тепла происходит за
счет недостаточно эффективной изоляции трубопроводов и аппа-__
ратуры. Интенсификация технологических и тепловых процессов"
производства требует более эффективной теплозащиты.
При правильном выборе теплоизоляционных материалов и ка-
чественном выполнении теплоизоляционных конструкций непро-
изводительные потери тепла сокращаются на 95% по сравнению
с потерями тепла при свободном его переходе во внешнюю среду.
Недооценка роли тепловой изоляции, эксплуатация технологи-
ческого и энергетического оборудования и трубопроводов с неизо-
лированными фланцевыми соединениями, арматурой, патрубками,
применение низкоэффективных материалов, а также низкое ка-
чество работ по монтажу тепловой изоляции приводят к значи-
тельному увеличению потерь тепла против нормативных и к пе-
рерасходу топлива.
191
Таким образом, тепловая изоляция является одним из решаю-
щих факторов рационализации теплосилового хозяйства сахар-
ных заводов. Нередко применение качественной тепловой изоля-
ции способствует и интенсификации технологических процессов,
повышению производительности тепловых установок и стабильно-
сти параметров теплоносителей.
Основные требования, предъявляемые к тепловой изоляции:
тепловые потери изолируемого объекта не должны превышать
величины, определяемой технико-экономическими соображениями;
иметь низкий коэффициент теплопроводности, так как при за-
данных размерах и температуре изолированного объекта его
тепловые потери определяются, главным образом, толщиной изо-
ляционной конструкции и ее коэффициентом теплопроводности.
Толщина изоляционной конструкции должна обеспечить на по-
верхности изоляции температуру не более 50° С;
изоляционная конструкция должна иметь возможно меньшую
•объемную массу, что характеризует такое положительное качест-
во ее как пористость (в порах заключен воздух, имеющий очень
малый коэффициент теплопроводности);
изоляционный материал должен обладать минимальной гигро-
скопичностью (при поглощении влаги возрастает коэффициент
теплопроводности), максимальной термостойкостью, достаточной
механической прочностью, химической стойкостью;
изоляционный материал должен удовлетворять и технико-
экономическим требованиям — состоять из недорогого и широкого
распространенного материала.
Подсчитано, что в условиях сахарного завода, улучшив теп-
ловую изоляцию, можно сэкономить до 4% пара к массе свеклы,
или 0,4% условного топлива'.
Экономичность тепловой изоляции в условиях сахарного за-
вода видна из данных табл. 25.
Таблица 25
Объект изоляции Потери тепла с 1 м2 поверхности нагрева, т условного топлива
до изоляции после изоляции
Трубопровод < теплоносителем 130° С 1,03 0,15
200° С 2,88 0,33
400° С 11,26 0,56
О потерях тепла неизолированными трубопроводами и плос-
кими стенками тепловых аппаратов позволяют судить данные
табл. 26.
192
Таблица 26
Состояние окружаю- щего воздуха Диаметр трубы, мм Потери тепла (в Вт/ма) при разнице температур наружной , поверхности апйарата н окружающего воздуха, °C
Б0 100 200 300 400
В покое 50/57 110,2 272,6 765,6 1554,4 2755
100/108 203 498,8 1409,4 2865,2 5104 .
150/159 290 719,3 2030 4176 7424
200/216 388,6 962,8 2720,2 5597 10034
300/318 562,6 1386,2 3955,5 9120 14616
400/420 730,8 1809,6 5185,2 10672 19256
500/520 893,2 2214,6 6345,2 13108 23664
При скорости дви- 50/57 429,2 864,2 1821,2 2981,2 4408
жения 5 м/с 100/108 696 1421 3039,2 5046 7598
’200/216 1194,8 2436 5301,2 8932 13804
300/318 1612,4 3317,5 7308 12528 19488
400/420 2006,8 4118 9164 15776 24824
500/520 2401,2 4895,2 10962 18908 30044
Видно, что потери тепла лучеиспусканием значительно повы-
шаются с увеличением разности температур наружной поверхно-
сти и окружающей среды, а также с увеличением скорости дви-
жения окружающего воздуха.
Для условий работы сахарных заводов толщина изоляционно-
го слоя в зависимости от температуры теплоносителя и вида изо-
ляции может быть принята по данным табл. 27.-
' Т а б л и ц а 27
Температура те- плоносителя, °C Толщина изоляционного слоя (в мм) для
минеральной ваты < ньювеля совелита асЬослюды
85 45 - 55 60 100
100 55 65 70 120
115 65 75 80 135
125 70 85 90 150
150 80 95 105 170
Таким образом, надежная теплоизоляция в условиях сахарно-
го завода является одним из факторов сокращения потерь тепла
и экономии топлива.
Порядок расчета тепловой изоляции состоит в следующем.
Вычисляется коэффициент теплоотдачи аг [Вт/(м2-К)] от наруж-
ной поверхности к воздуху для неизолированной поверхности по
формуле
а2 = 8,4 0,06 —^воз), • (63)
где tw —температура на внутренней поверхности изоляции, °C;
/воз— температура окружающего воздуха, °C.
7 Зак. 660
193
Определяются потери тепла неизолированной стенкой qt
(Вт/м2) по формуле
Лг, — ^воз
^=-Т7«;— <64>
Толщина изоляции в большинстве случаев выбирается таким
образом, чтобы снизить потери тепла иа 85% (к. п. д.Пзол = 0,85).
При этом потери тепла изолированного аппарата q? (Вт/м2) вы-
разятся
• 9а ‘ (1 к- в* д-изол) 91-
Коэффициент теплопроводности изоляции определяется при
найденном значении средней температуры изоляции
‘изол — 2 *
где /уу —температура на внешней поверхности изоляции, °C.
Коэффициент теплопроводности изоляции' при этом Лизол-
[Вт/(м-К)] можно найти по формуле
^изол — 0,0775 + 0,000075/и30Л, (65)
Требуемая толщина изоляционного материала рассчитывается
по формуле
^изол = (^IF, — (66)
9г
В конце расчета проверяется значение по формуле
= %- + /воз, (67)
«2
где а2' =8,4+0,06(/Wj —<воз), Вт/(м2-К).
Полученное значение сравнивается с заданной температу-
рой наружной поверхности изоляции.
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ — ОДИН ИЗ ПУТЕЙ
РАЦИОНАЛИЗАЦИИ ТЕПЛОИСПОЛЬЗОВАНИЯ
Совершенствование технологических операций на сахарном за-
воде создает условия для сокращения расхода пара и топлива на
технологические нужды, так как при этом уменьшается количест-
во соков, сокращается потребное количество извести на очистку,
снижается разжижение продуктов при меньшем количестве про-
моев. Важное значение имеет повышение эффекта очистки на де-
фекосатурапии, в результате чего снижается количество утфелей,
сокращается расход вторичных паров на их уваривание; первосте-
пенная роль при этом отводится правильному ведению технологи-
ческих процессов при минимально возможной температуре, со-
кращению потерь тепла на дефекосатурации, фильтрации (за
счет обработки соков в котлах сатурационным газом с повышен-
ным содержанием СОг, замены устаревшего открытого фильтра-
194
ционного оборудования — фильтрпрессов, механических фильт-
ров— новыми фильтрами закрытого типа ФЦВО, ФИЛС, прове-
дению процесса сульфитации соков и сиропов сжиженным сер-
нистым ангидридом.
Особое внимание в вопросах рационализации теплоиспользо-
вания следует уделить сокращению откачки диффузионного сока,
не допуская увеличения ее выше 1184-120% к массе свеклы при
соответствующем соблюдении температурного режима на диффу-
зии, минимальном содержании в стружке брака и мезги, обяза-
тельном возврате после соответствующей обработки всей жомо-
прессовой воды на диффузию *. Следует иметь в виду, что и по-
вышение сахаристости свеклы, например, с 17 до 18% сокращает
расход пара по заводу на 2% к массе свеклы.
Применяемые на сахарных заводах- вакуум-фильтры БОУ-40-3
для сгущенной суспензии сока I сатурации не позволяют эффек-
тивно разделять промой, что связано с введением в сок 8—12%
дополнительной воды к массе свеклы. Более целесообразно в
этом случае применить фильтры БШУ-40-3-2М. В таком фильтре
деление зоны промоя на две части позволяет отбирать отдельно
слабую часть промоя, годного для использования в известковом
отделении завода (концентрация первого промоя, направляемого
в сок, 9,8% СВ, а второго — для приготовления известкового мо-
лока— 44-5%). Внедрение' фильтров БШУ-40-3-2М позволит на
5—6% к массе свеклы уменьшить количество соков и снизить за
этот счет их разжижение. Вакуум-фильтры этого типа введены в
качестве типового оборудования для фильтрации сгущенного
осадка сока I сатурации.
В табл. 28 приведены средние данные о величине потерь саха-
ра в осадке сока I сатурации, количеству промывочной воды при
Таблица 28
Конструкция промывочного устройства ч Содержание сахара в осад- ке, % к массе Ид свеклы Количество промывной воды, % к массе свеклы
Форсунки
системы Краснянского сахарного завода 0,16 10—15
системы Пензенского машиностроительного заво- да 0,16 10-4-15
системы Ждановского сахарного завода 0,105 104-15
конструкции П. С. Максимука Пульверизаторная установка 0,084 7,5
Львовского сахарного завода . . . 0,08 10
системы Зангерхаузена 0,11 15
2-го им. Петровского сахарного завода 0,16 5—7,5
Устройство с тонкой пленкой воды по предложению П. С. Максимука и В. Д. Шумилова 0,076 10
* При отжатии жома даже до СВ 10—11% и возврате всей воды на диффузию
потери сахара в жоме можно снизить на 0,05% к массе свеклы, а при отжиме до
18% — на 0,10% (или при тех же потерях уменьшить откачку).
7* 195
использовании различных конструкций промывочных устройств.
Видно, что промывное устройство конструкции П. С. Макси-
мука даже при расходе промывной воды 7,5% обеспечивает со-
держание сахара в осадке 0,084% к массе свеклы.
Требования к вакуум-фильтрам и промывочным системам воз-
растают в связи с тем, что стало нецелесообразным проводить
водное высолаживание осадка с контрольных дисковых фильтров
сока I, II сатурации и сиропа. Осадок этот необходимо смывать
с поверхности фильтровальной перегородки соком I сатурации и
в виде сокогрязевой суспензии направлять на вакуум-фильтры
сгущенной суспензии сока I сатурации или на преддефекацию.
Это дополнительно уменьшает количество соков на верстате за-
вода и снижает их разжижение.
Сокращение количества соков и снижение расхода пара на их
подогрев и выпаривание достигается и при повышении концентра-
ции известкового молока:
Концентрация известкового молока, г/см3.................. 1,10 1,15 1,20 1,23
Количество известкового молока (расход извести 2%), %
к массе свеклы.......................................... 15,87 10,52 7,84 6,79
То же, %................................................233 155 115 100
В целях экономии топлива следует исключить также паровую
продувку ножевых рам свеклорезок'р заменить ее воздушной.
Это позволит экономить 2—3% пара к массе свеклы (0,2—0,3%
условного топлива), снизить разжижение соков, улучшить сани-
тарно-гигиенические условия на этой станции. Расчеты показыва-
ют, что срок окупаемости воздушных компрессоров при этом за
счет экономии топлива не более 1, 2 года.
В ряде случаев на сахарных заводах используют барботаж-
ный метод нагрева сиропа, паток и других продуктов. Обуслов-
ленное этим разжижение продуктов связано с последующим пе-
рерасходом пара на их уваривание, причем снижение концентра-
ции сухих веществ (ДСВ) продукта при барботаже пара может
быть определено по формуле
где ДСВ —снижение СВ при барботаже пара, %;
СВН — начальная концентрация продукта (до барботирования), %;
D — расход пара на нагрев продукта, % к массе свеклы; _
G — количество нагреваемого продукта, % к массе свеклы.
Пример. Нагреву барботированием пара подвергается патока в коли-
честве 20% к массе свеклы; расход пара на нагрев —1,5%, содержание сухих
веществ в патоке до барботирования пара—80%. При барботаже пара кон-
центрация патоки
снизится на
и составит после
Расход пара
80-1,5
ДСВ = ------Нг = 5,6%
20+1,5
подогрева 74,4%, а количество патоки увеличится до 21,5%.
на уваривание в вакуум-аппаратах паток с концентрацией
196
80 и 74,4% СВ в количестве соответственно 20 и 21,5% до 92% СВ утфеля
составит
или при СВ патоки 80% на 1,7% к массе свеклы меньше, чем при СВ 74,4%; пе-
рерасход условного топлива при этом — 0,17% к массе свеклы.
Экономия пара по заводу возможна также при полном исклю-
чении водных и соковых подкачек в вакуум-аппараты продукто-
вых утфелей. Установлено, что за счет таких подкачек перерасход
пара на вакуум-аппараты может достигать 4% к массе свеклы
(0,4% условного топлива); удлиняется при этом также процесс
уваривания, связанный с дополнительным приростом цветности,
потерями сахарозы при варке, перерасходом воды на конденса-
тор, увеличением загрузки парогенераторной. При этом, однако,
надо иметь в виду, что использование водных и соковых подкачек
при варке зависит не только от недостаточной квалификации an?
паратчиков, но и от конструкции вакуум-аппаратов. Некоторые
виды аппаратов (с конической трубной решеткой) в процессе
работы дают высокие местные пересыщения маточного раствора,
особенно при варке утфелей на густых сиропах.
Применение перегретой воды для промывки сахара в центри-
фугах следует признать рациональным также с точки зрения
улучшения теплоиспользования; такой способ пробеливания дает
возможность уменьшить растворение сахара, а следовательно,
сократить количество оттеков (возвратов) и последующий расход
пара на их уваривание; подсушенный сахар требует меньшего
расхода тепла на досушивание его в сушильных аппаратах.
Значительной экономии пара — 3—4% к. массе свеклы (0,3—
0,4% условного топлива) можно добиться при проведении, про-
цесса II сатурации при пониженной температуре (80—85°С), оп-
ределяемой только возможностью отфильтровывания сатурацион-
ного сока. Такой порядок работы применяется, например, на са-
харных заводах Дании.
. По типовому технологическому режиму процесс II сатурации
должен проводиться до оптимального pH и во избежание обра-
зования бикарбонатов — при температуре сока в котле 101—102° С
(состояние активного кипения). Наличие такой температуры в
котле саморегулирует процесс и позволяет поддерживать опти-
мальное pH, так как реакция насыщения сока СО2 при этом идет
только в сторону образования карбоната. Работники заводов,
кроме того, избавлены от необходимости проведения сложного
систематического анализа по определению оптимальной щелочно-
сти методом последовательного газования.
Однако нагрев сока перед котлом II сатурации до такой высо-
кой температуры повышает расход пара, увеличивает потери тепла
в окружающую среду, понижает коэффициент использования са-
турационного газа (это приводит к дополнительному охлажде-
нию сока в котле). Необходимо учесть, что даже если сок перед
котлом II сатурации нагрет до 101—102° С, то в процессе 10-ми-
197
нутной сатурации он охлаждается до 93—95° С (а раз нет актив-
ного кипения, то, следовательно, имеется возможность образова-
ния бикарбонатов). Кроме того, подогреватели сока перед II
сатурацией быстро покрываются накипью и в производственнБ1Х
условиях, даже при наличии резервного подогревателя, очень
трудно поддерживать требуемую повышенную температуру сока
перед котлом (при использовании вторичного пара II ступени вы-
парной станции).
Для повышения температуры сока перед II сатурацией подо-
греватели переводят на обогрев вторичным паром I ступени или
ретурным. Правда, это приводит к снижению производительности
выпарной станции по выпариваемой воде, уменьшает концентра-
цию сиропа и дополнительно увеличивает расход пара по заводу.
Лабораторными опытами по условиям образования бикарбона-
тов установлено, что основные факторы при этом — степень пере-
сатурации и температура насыщения сока СО2.
Рис. 58. Зависимость количества
кальция, способного к иакипеоб-
разованию, от рН9о — пересату-
рации и температуры процесса:
1 — 8 — соответственно при температуре
процесса 20° С; 30; 40; 50; 60; 70;
80; 90° С.
Рис. 59. Количество кальция
в пересыщенном состоянии в за-
висимости от температуры про-
цесса II сатурации (сок отгазо-
ван до оптимальной щелоч-
ности).
Так, при проведении процесса пересатурации в условиях
низкой температуры (20° С) карбонат кальция выпадает при ки-
пячении сока, pH которого 7,25 незначительно отличается от
оптимального — рН9с° 7,3-4-7,4 (рис. 58). Дальнейшее пересату-
рация на холоду (20° С) этого сока приводит к резкому воз-
растанию способного к накипеобразованию кальция. С повыше-
нием температуры сатурации (пересатурации) увеличение в коли-
честве кальция, способного выпасть в виде накипи на поверхности
нагрева при кипячении, наблюдается уже при более значительном
198
пересатурации. Так, при 80° С карбонат кальция начинает выпа-
дать из сока, пересатурированного лишь до рНэ0° =6,80; при
90° С — до рНэо° = 6,7О, т. е. при таких значениях рН9о°,
которые в производственных условиях даже при ручном
регулировании процесса II сатурации практически не достига-
ются.
На рис. 59 приведены данные по определению количества каль-
ция, способного к выпадению из пересыщенного состояния, при
разной температуре процесса сатурации.
Видно, что количество такого кальция значительно лишь при
низких температурах сатурации — 204-70° С.
При более высоких температурах — 80-^ 100° С количество пере-
сыщенного кальция невелико, причем не замечено большой раз-
ницы в количестве его между температурами сатурирования 80—
100° С.
Таким образом, сахарным заводам можно рекомендовать низ-
котемпературный режим процесса II сатурации (при 80—85° С) i
Опасаться при этом образования бикарбонатов с последующим
разложением их в корпусах выпарной станции, а также выпаде-
ния СаСОз из пересыщенного состояния (при пониженной темпе-
ратуре) нет оснований. Тем более такой температурный режим не-
обходимо внедрить на заводах, работающих при повышенной
щелочности (и pH) на II сатурации при низкой натуральной и,
следовательно, малой оптимальной щелочности сока II сатура-
ции.
Низкотемпературный процесс II сатурации позволит улучшить
качество сока; сократить до минимума затраты труда по очистке
поверхности иагрева быстропокрьдвающихся накипью подогрева-
телей перед II сатурацией; позволит осуществлять обогрев этого
подогревателя исключительно вторичным паром III ступени вы-
парки, что в свою очередь, увеличит ее испарительную способ-
ность, повысит концентрацию сиропа и дополнительно уменьшит
расход пара и топлива.
Таким образом, рационализация теплового хозяйства сахар-
ных заводов,, обусловливающая повышение производительности
теплоиспользующих аппаратов, сокращение расхода топлива,
непосредственно и тесно связана с установлением и поддержани-
ем нормальных режимов на отдельных технологических стан-
циях.
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТИПОВОЙ
ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ САХАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Новое в проектировании тепловых схем для
свеклосахарных заводов
Основное направление рационализации теплоиспользования —•
внедрение рациональных схем использования. тепла вторичных
паров с выпарных аппаратов, которые бы исключили поступление
пара выпарной станции на конденсатор.
199
При новых условиях, сложившихся в свеклосахарном произ-
водстве (новые технологические схемы, определенные количество
и температура продуктов производственного цикла, пониженные
потери тепла во внешнюю среду, использование тепла избыточных
конденсатов), достигнуть предельной тепловой экономичности вы-
парной установки при установившемся распределении греющих
паров невозможно. '
Почти во всех практически возможных вариантах тепловых
схем нормируемая концентрация сиропа достигается при актив-
ной работе концентратора и выходе пара из выпарной станции
на конденсатор. Последнее делает маловыгодным, а в большин-
стве случаев просто нецелесообразным использование внутри за-
вода тепла избыточных конденсатов и исключает возможность
эффективного применения тепла утфельного пара.
Такое положение складывается при работе завода и выпарной
установки в расчетном режиме, т. е. при наиболее благоприятных
условиях. В действительности же вследствие допускаемых в
практике нарушений установленного технологического и теплотех-
нического режимов (отклонение от исходных условий) положение
усложняется.
Выпарные установки на большинстве сахарных заводов
работают не только с выходом пара на конденсатор,' но и в
ряде случаев не обеспечивают нормируемой концентрации сиро-
па. В этих условиях попытка широкого использования тепла из-
быточных конденсатов и утфельного пара (вследствие снижения
количества отбирающихся вторичных паров выпарки) может
привести даже к перерасходу пара и топлива.
Установлено, что предельная по экономичности тепловая схе-
ма с эффективным использованием вторичных энергоресурсов
должна строиться с отрицательным балансом по вторичным парам
выпарки. При этом недостаток паров для нагрева и варки про-
дуктов должен быть настолько большим, чтобы при любых усло-
виях, складывающихся в производстве, и максимально возможном
использовании тепла вторичных энергоресурсов выход пара на
конденсатор был бы полностью исключен. При данных пароотбо-
рах из отдельных ступеней выпарной установки количество воды,
которое может быть выпарено без выхода пара на конденсатор,
должно быть больше требуемого на некоторую величину Д1Г, за-
висящую главным образом от степени неравномерности продук-
товых и паровых потоков в производственном цикле завода.
При такой тепловой схеме обеспечивается нормируемая кон-
центрация сиропа с выпарки без выхода пара на конденсатор,
а также постоянство движения вторичных паров.
Принципиальная тепловая схема с отрицательным балансом
по вторичным парам, с углубленным использованием вторичных
энергоресурсов приведена на рис. 60. Схема эта в сравнении с
типовой имеет следующие основные особенности:
применена четырехступенчатая выпарная станция без концен-
тратора с пароструйным компрессором для сжатия вторичного
200
Р и с. 6&. Принципиальная тепловая схема свеклосахарного завода с отрицательном балансом по вторичным парам:
/ — парогенератор; 2 — турбогенератор; 3—РОУ; 4 — вторичный пар на подогрев сока перед выпарной установкой 4-й группы:
5 —вторичный пар на отопление; в —вторичный пар на прочие потребители; 7 —к пароструйным компрессорам; 3 —к охла-
дительной установке; 9 — к подогревателю сока перед выпарной установкой 3-й группы; 10 — к сборникам оттеков; 11 — на про-
парку вакуум-аппаратов; 12 — к подогревателю сока перед выпарной установкой 2-й группы; 13 — к подогревателю сока
перед II сатурацией 1-й группы; 14— к диффузионной установке; 1S— к подогревателю сока перед выпарной установкой 1-й
группы; 16— к вакуум-аппаратам I, II и III продукта; /7 — к подогревателю жомопрессовой воды; 18 — к подогревателю сока
перед первым фильтрованием; 19 — к подогревателю сока перед II сатурацией 2-й группы; 20 — подогреватель диффузион-
ного сока 3-й группы; 21 — подогреватель диффузионного сока 1-й группы; 22 — теплообменник диффузионного сока; 23 — теп-
лообменник системы отопления; 24 — пиковый бойлер; 25 — нагревательные приборы системы отопления.
пара I ступени и с повышенным температурным режимом на всех
ступенях (табл. 29);
Таблица 29
Показатели, °C Ступени йыпарной установки
I II III IV
Температура греющего пара 138 130,6 122,6 110,7
Полезная разность температур 6,0 6,0 8,0 7,0
Температура кипения сока 132'0 124,6 114,6 103,7
Температурная депрессия 0,4 1,0 2,9 4,3
Температура вторичного пара 131,6 123,6 111,7 99,4
Снижение температуры в паропроводах 1 1 1 1
вакуум-аппараты всех продуктов с механическими циркулято-
рами обогреваются вторичными парами III ступени выпарки с
температурой 109—111° С; на пар более низкого потенциала пере-
водятся и другие технологические потребители завода;
нагрев диффузионного сока осуществляется в трех группах
подогревателей последовательно утфельным паром, избыточными
аммиачными конденсатами (в теплообменнике «конденсат — сок»)
и вторичным паром IV ступени выпарной станции;
нагрев сока перед выпаркой производится в четырех группах
подогревателей вторичными парами III, II, I ступеней выпарки и
ретурным паром; сок на выпарной установке сгущается до сиропа
с 70% СВ;
избыточные конденсаты используются последовательно для
нагрева воды, циркулирующей в системе отопления (в отопитель-
ный период), нагрева диффузионного сока и затем направляются
на питание диффузионных аппаратов;
автоматизация выпарной станции строится по схеме смешанно-
го регулирования с добавлением ретурного пара к вторичному
пару I ступени и вторичных паров следующих ступеней к парам
смежных, причем в качестве импульса для добавления пара мо-
жет служить изменение концентрации сиропа по ступеням и дав-
ление вторичных паров.
Тепловая схема с отрицательным балансом по вторичным па-
рам разработана ВНИИСПом и предназначена в основном для
новых сахарных заводов. Однако отдельные узлы ее могут найти
применение и на действующих реконструируемых сахарных заво-
дах. Для широкого внедрения на сахарных заводах такой тепло-
вой схемы необходимо выявить для соков разных зон свеклосеяния
влияние повышенного температурного режима на распад сахарозы
и нарастание цветности, возможность проведения варки утфелей
на вторичном паре пониженного потенциала. В частности, нали-
чие значительной интенсификации теплообмена в вакуум-аппара-
тах с принудительной циркуляцией дает возможность использо-
вать в качестве греющего вторичный пар III ступени выпарной
202
станции, поскольку уменьшение разности температур в этом случае
будет скомпенсировано увеличением коэффициента теплопереда-
чи. Снижение потенциала греющего пара в свою очередь уменьшит
перегрев пограничного слоя н связанный с этим прирост цветности,
неравномерность кристаллоструктуры.
Внедрение тепловой схемы с отрицательным балансом по вто-
ричным парам обеспечивает расход пара в размере 42% к массе
перерабатываемой свеклы, или на 9% меньше, чем при работе по
типовой схеме. Уменьшение расхода пара получено за счет варки
утфеля из сиропа повышенной концентрации (3,36% к массе
свеклы); использования утфельного пара и тепла аммиачных
конденсатов для нагрева диффузионного сока (3,7% к массе свек-
лы) и применения для обогрева вакуум-аппаратов и подогревате-
лей паров более низкого потенциала.
В настоящее время ВНИИСПом разработана тепловая схема
сахарного завода с V ступенчатой выпарной станцией без концен-
тратора. При этом поверхность нагрева головных ступеней с их
максимальной температурой кипения уменьшилась за счет увели-
чения поверхности последних выпарных аппаратов.
В отличие от типовой схемы схема с V ступенчатой выпарной
станцией характеризуется:
повышенным температурным режимом в ступенях выпарива-
ния;
использованием тепла утфельного пара для нагрева диффузи-
онного сока;
использованием тепла вторичного пара V ступени выпарива-
ния для нагрева диффузионного сока — на 16° С и жомопрессовой
воды;
использованием тепла избыточных конденсатов для нагрева во-
ды, циркулирующей в системе отопления.
Данная тепловая схема, предусматривает установку термо-
компрессора для сжатия вторичного пара I ступени, сгущение
сока до 70% СВ, четыре группы подогревателей для сока перед
выпаркой.
Комплексный расход условного топлива при работе завода по t
данной тепловой схеме 4,7% к массе свеклы, а расход пара на
12% меньше, чем при работе по типовой тепловой схеме.
Передовой опыт отечественных и зарубежных
сахарных заводов
Самые низкие расходы топлива на отечественных сахарных за-
водах получены предприятиями Винницкого сахаротреста.
В табл. 30 приведена схема распределения вторичных паров
выпарной станции по технологическим потребителям, внедренная
на данных заводах, а в табл. 31—температурный режим на вы-
парной станции, отличающийся от типового более высокими тем-
пературами кипения и вторичных паров.
203
Таблица 30
Потребители Вторичный flap ступеней выпарки * Тепло конденсатов
I II III IV
Диффузионные аппараты — — 4,0 — —
Подогреватели диффузионного сока
I группы —— — — ’— от 45 до 60 °C
II группы —- • — 3,7 —
Ill группы — — 1,5 — —
Подогреватели
сока
перед 1 фильтрованием — 2,8 .— —
перед 11 сатурацией — ’— — '— от 85 до 98 °C
I, группы. — —• — —
II группы 2,5 — — —.
перед выпаркой .
1'группы ... * —• —— — ’— от 85 до 100 °C
II группы — 3,3 — -— —
Ill группы 3,3 — -— —
сиропа —. 0,84 —
Вакуум-аппараты *
I продукта — 14,5 —
II продукта — 2,6 —' —* —
Сушилки сахара — 2,6 — —
Вакуум-аппараты при пропарке.... 1,0
Итого по данному потенциалу
4,30 25,40 8,30 4,54
Таблица 31
Ступени выпарной станции
Температура, °C I II III IV Концентра* тор
Греющего пара . . Полезный температурный перепад .... 137 127 118,5 106 93
8,5 6,5 9,0 8,0 13
Кипения раствора 128,5 120,5 109,5 98 80
Температурная депрессия 0,5 1,0 2,5 4,0 —
Вторичного пара 128 119,5 107 94 —
Данная схема распределения вторичных паров по технологиче-
ским потребителям позволяет испарить по ступеням следующее
количество воды (°/о к массе свеклы):
№« = 4,54
Ж, = 4,54 + 8,30 = 12,84
Г2= 12,84 + 25,40 = 38,24
= 38,24 + 4,30 = 42,54
= 98,16%
204
Расход пара на выпарку при этом не превышает 43% к массе
свеклы, а кратность испарения составляет 2,2—2,3 кг воды на
1 кг греющего пара.
Тепловая схема, внедренная на заводах Винницкого сахаро-
треста, по сравнению с типовой характеризуется следующими осо-
бенностями:
подогрев диффузионного сока осуществляется в трех группах
подогревателей, причем I группа обогревается конденсатом,
подогрев сока перед II сатурацией осуществляется в двух
группах подогревателей, причем I группа греется конденсатом;
обогрев I группы подогревателей сока перед выпаркой прово-
дится, конденсатом и исключен отбор ретурного пара на III группу
подогревателей;
обогрев вакуум-аппаратов проводится только вторичным па-
ром II ступени выпарной станции;
охлаждение конденсатов в подогревателях до 95—100° С даёт
возможность полностью ликвидировать пары самоиспарения кон-
денсатов и повысить производительность выпарки по выпаривае-
мой воде на Ю-г-12% к массе свеклы;
повышена нагрузка IV ступени выпарки за счет более высокой
температуры ее вторичного пара.
Потери пара на конденсатор при работе по такой тепловой
схеме, согласно данных К. И. Савчука, равны нулю- вентиль вто-
ричного пара IV ступени на концентратор закрыт, а регулирова-
ние режима выпарки производится поступлением греющего пара
на I ступень.
Тепловая схема заводов Винницкого сахаротреста дает возмож-
ность при количестве сока перед выпаркой 130% к массе свеклы
получать сироп с СВ 65—68% и иметь расход условного топлива
4,8—4,9% к массе перерабатываемой свеклы. На ряде сахарных
заводов этого треста в тепловой схеме использованы пароструй-
ные компрессоры (рис. 61, 62).
Основное назначение парокомпрессорной установки в тепловой
схеме сахарного завода заключается в поддержании концентрации
Р и с 61 Пароструйный компрессор
7 — приемная камера, 2 — рабочее сопло, 3 — камера смешения,
4 — диффузор
205
/, 2 — компрессоры; 3— дроссельный клапан;
4 — вентиль отключения компрессора на линии
рабочего пара; 5 — задвижка иа линии инжек-
тируемого пара; 6 — обратный клапан; 7, 9 —
предохранительные клапаны* 8 — задвижка на
линии сжатого пара, 10 — обратный клапан,
11 — парогенератор; 12 — турбогенератор, 13 —
сборник смеси регурного н сжатого пара; 14—
I ступень выпарной установки.
сйропа на заданном уровне путем сжатия вторичного пара I сту-
пени до давления греющего пара, поступающего на эту ступень.
При этом количество воды, выпариваемой из сока, увеличивается
на величину, равную количеству сжатого вторичного пара. В ре-
зультате повышается концен-
трация сиропа без выхода па-
ра на конденсатор.
ВНИИСПом для сахарных
заводов разработан паро-
струйный компрессор. Прин-
цип его работы следующий:
рабочий пар в сопле и на
входном участке камеры сме-
шения расширяется до некото-
рого давления рк и входит в
камеру смешения с -большой
скоростью и соответствующим
запасом кинетической энергии.
Инжектируемый пар поступа-
ет в приемную камеру и рас-
ширяется на входном участке
камеры смешения до того же
давления рк.
На участке от среза сопла до некоторого сечения камеры сме-
шения происходит подсасывание инжектируемого пара струей ра-
бочего пара. В камере смешения идет перемешивание потоков,
уменьшение их скорости и превращение кинетической энергии
потока в потенциальную с соответствующим повышением дав-
ления.
Дальнейшее уменьшение скорости с ростом давления до ко-
нечного заданного значения происходит в диффузоре. В нем про-
изводится сжатие вторичного пара I ступени до давления грею-
щего пара.
Аппараты эти отличаются простотой конструкции, низкой
установочной стоимостью, малыми затратами на ремонт и эксплуа-
тацию, высокой надежностью в работе. Заменяя дросселирова-
ние процессами расширения, компрессоры позволяют сократить
расходы пара более высокого потенциала за счет паров понижен-
ного давления. Процесс сжатия пара осуществляется в них путем
преобразования внутренней энергии паровых потоков и практиче-
ски без каких-либо заметных потерь тепла в окружающую среду.
Применение пароструйных компрессоров в зависимости от местных
условий может снизить удельный расход пара на 34-5% к массе
свеклы, повысить производительность выпарки на 15—20% за
счет усиленного пароотбора с I ступени выпарной станции. По
данным М. Л. Вайсмана, при включении в работу компрессора на
одном из сахарных заводов концентрация сиропа повысилась с
55,6 до 62,4% СВ.
Пароструйный компрессор является эффективным средством
206
для повышения устойчивости и тепловой экономичности выпарки,
способным сглаживать отрицательные последствия неизбежных* в
настоящее время колебаний в отборе вторичных паров для обо-
грева технологических потребителей, а также неравномерного по-
ступления сатурационного сока на выпарку.
При работе с компрессией вторичного пара I ступени необхо-
димо иметь в виду, что в греющей камере I ступени при этом
конденсируется не только ретурный пар, а смесь его со сжатым
вторичным паром I ступени, причем в последнем не исключено
присутствие сахара. Поэтому тщательный контроль за чистотой
конденсата, направляемого в ТЭЦ на питание парогенераторов,
имеет при этом особое значение.
Большое внимание вопросам рационализации теплоиспользо-
вания уделяется и на зарубежных сахарных заводах и особенно
на датских заводах корпорации DdS. По данным статистического
ежегодника Лихта за 1976 г., датские сахарные заводы имели
самый низкий в мире расход условного топлива—3—3,2% к
массе свеклы при удельной поверхности нагрева выпарной стан-
ции 1,5—2 м2 на 1 т перерабатываемой свеклы.
Датские специалисты объясняют такой низкий расход топлива
прежде всего внедрением рациональной тепловой схемы с макси-
мальным использованием вторичных паров последних ступеней
выпарной станции, широким применением тепла конденсатов и
утфельного пара, повышенной до 70—72% СВ концентрацией сиро-
па с выпарки, высоким к. п. д. парогенераторной, хорошей изоля-
цией аппаратуры, трубо- и паропроводов. Немаловажное значение,
по их мнению, имеет современная конструкция широко применяю-
щихся в Дании прямоточных выпарных аппаратов, обеспечиваю-
щая коэффициенты теплопередачи на 25—35% выше, чем в аппа-
ратах других конструкций; автоматизация работы вакуум-выпар-
ных аппаратов для варки утфелей (программное управление);
непродолжительность сезона сахароварения; сравнительно теп-
лый период работы заводов; низкое содержание кальция в соке;
высокое качество свекЛьт.
На всех сахарных заводах Дании установлены пятикорпусные
выпарные станции, работающие под разрежением. Из общего рас-
хода пара по заводу, который составляет 38—40% к массе свек-
лы, на выпарную станцию приходится 37—38%.
Таблица 32
Ступени выпарки Температура» °C Количество сока, % Количество конденсата, т/ч
греющего пара кипения сока конденсата
I 138—145 134 138 119,8 44,0
II 133 125—127 131 85,0 42,6
III 125 111—115 121 51,3 30,2
IV 108 96—102 105 27,4 2,2
V 92 74—87 88 25,7 1,1
207
Примерный температурный и технологический режимы работы
выпарной станции (завод Сакскебинг, производственная мощность
по свекле 5000 т/сутки) приведены в табл 32. Распределение
ретурного и вторичных паров по технологическим потребителям
на этом заводе дано в табл. 33.
Наименование теплоносителя
Таблица 33
Потребители ретурный пар вторичный пар ступеней выпарки пар вакуум- аппаратов тепло конден- сатов
I П in IV V
Диффузионная установка* ** . . —- — 1.5 .— -1
Подогрев сока основной де- фекации I группа — 2,5
II группа ’. . —- — — *— — 2,8 *•—
111 группа — — — — 1,0 — —-
IV группа — —- —— — 2,1 — —— —-
Подогрев сока перед фильт- рами Подогрев сока перед выпар- — — — 2,7 — *—• — —
I группа — — — 5,1 — — — —
II группа —— —— 3.2 — — — —— —
III группа 1.2 — •—- -- — —’
IV группа 1.6 — I- — —— — —•- —.
Вакуум-аппараты 1 продукта — - 3,8 5,0 1 — — —
II продукта —- 0,9 2,7 — — —• —
III продукта — —- — 1,7 —— — —— —
Подогрев сиропа в сборниках — — — 1,3 —— — —« ——
Подогреватели сиропа . . . —— —— —— 0,3 —г~— —— —
Подогреватели патоки . . . — " 1.5 —. — — — ——
Калориферы сушилки № 1 — 0,1 — — —— — ——
№ 2—3 — —— 0,1 — —— -— —— —
№ 4 — — —— 0,3 —— —— — —-
Пропарка вакуум-аппаратов — —’ — 0,3 -— —’ — —
Итого 1.6 1.2 9,6 20,9 2,1 1,0 2,8 2.5 J
* Возвращаемая на диффузию жомопрессовая вода подогревается аммиачной водой
до 62—65° С.
** На некоторых заводах используется пять групп подогрева сока перед выпар-
кой и перед I сатурацией.
' При таком отборе вторичных паров на выпарной станции вы-
паривается воды (% к массе свеклы):
Wb = E5=I,0
1Г4 = В7Б + Е4= 1+2,1 = 3,1
ITS = + Е3 = 3,1 +20,9=24,0
208
r2 = Wa 4- Et =* 24,0 4- 9,6 = 33,6
4- Ei = 33,6 4- 1,2 = 34,8
Итого 21^1^=96,5%, что при получении сиропа с выпарки с
СВК 72%, концентрации сока СВН 14% соответствует количеству
сока перед выпаркой (% к массе свеклы)
(при общем количестве сока после котла II сатурации 121,8%)-
Расход расчетного пара на технологические нужды при этом:
на выпарку DB =34,8%
на технологические нужды Дтехп=£)в4-£)р=34,84-1,6 = 36,4%.
Кратность испарения на данной выпарной станции
SU7, v 96,5 кг воды
Аис — дв 34,8 ’кг греющего пара
При этом расход условного топлива, соответствующий расходу
пара на технологические нужды (при к. п. д. парогенераторной.
0,91), составляет 3,6% к массе свеклы.
Рис 63 Схема отбора вторичных
паров с выпарной станции для обо-
грева технологических потребителей
(сахарные заводы Дании, Венгрии)
Рис. 64. Схема прямо-
точного выпарного аппа-
рата системы DdS:
1 — корпус, 2 — сепаратор,
3 — выход вторичного пара,
4 — паровая камера с огра-
ниченным числом трубок, 5—
паровая камера основная
Следует отметить, что на сахарных заводах Дании вторичные
пары на обогрев технологических потребителей отводятся с вы-
парки из паровых камер (рис. 63). Так, если надо отобрать вто-
ричный пар из III ступени, то его отводят не из сокового про-
странства этой ступени, как это принято в отечественной сахар-
ной промышленности, а через паровую камеру IV ступени выпар-
209
ки. Это, по мнению датских специалистов, улучшает теплопередачу
за счет более высокой скорости прохождения пара.
Первые ступени выпарных станций на датских сахарных заво-
дах, как правило, смонтированы из выпарных аппаратов прямо-
точных конструкций, одна из которых представлена на рис. 64.
В этих выпарных аппаратах сок вначале проходит вниз через
ограниченное количество трубок При этом скорость сока высокая
и в нем образуется относительно небольшое количество пара За-
тем сок переходит во вторую часть камеры с большим числом
трубок, где свободно кипит. Благодаря высокой скорости про-
хождения сока в трубках интенсифицируется теплопередача.
Как видно, характерной чертой тепловой схемы сахарных
заводов Данни является максимальное использование тепла всех
теплоносителей. Тепловая схема характеризуется следующими
особенностями:
максимальной загрузкой хвостовых выпарных аппаратов
вследствие повышенной температуры их вторичных паров;
использованием тепла горячих конденсатов;
использованием тепла утфельного пара;
обогревом вакуум-аппаратов всех продуктов вторичными па-
рами III и частично II ступеней выпарки;
минимально возможным расходом ретурного пара на техноло-
гические потребители (только на обогрев подогревателя сока пе-
ред выпаркой последней группы);
подразделением подогревателей на большое число групп, что
обеспечивает эффективное использование паров низкого потен-
циала;
повышенной до 134° С температурой кипения сока в I ступени
при малой удельной ее поверхности нагрева — 22—24 м2 на 100 т
перерабатываемой свеклы; кратковременным в связи с этим пре-
быванием сока в I ступени (с максимальной температурой ки-
пения) ;
повышенным до 50—60 кг/(м2-ч) напряжением поверхности
нагрева I ступени, что в значительной степени интенсифицирует
процесс теплопередачи, усиливает циркуляцию, снижает накипе-
образование;
малой удельной площадью поверхности нагрева выпарной
станции (1,5—2,0 м2 на 1 т свеклы) и коротким в связи с этим
временем пребывания сока на выпарке (20-=-25 мин);
малым количеством паров самоиспарения конденсатов — тепло
конденсатов используется в производстве;
высокой концентрацией сиропа с выпарки — 72% СВ и низким
расходом пара на вакуум-аппараты I продукта (8,8%);
отсутствием барботажного обогрева продуктов, связанного -
разбавлением и перерасходом топлива на уваривание;
малым количеством сока II сатурации перед выпаркой (до
120%) и относительно небольшим количеством требуемого для
выпаривания воды (95—97%) даже при получении высококон-
центрированных сиропов;
210
высокой кратностью испарения на выпарной станции.
Следует отметить, что основные особенности датской тепловой:
схемы нашлн свое отражение в тепловой схеме с отрицательным
балансом вторичных паров и в схеме с V-ступенчатой выпарной
станцией, разработанных для отечественных сахарных заводов-
с учетом специфики отрасли, количественного и качественного со-
става несахаров свеклы, климатических условий — использование
тепла конденсатов, утфельных паров, повышенный температурный
режим на выпарной станции, обеспечивающий интенсивную за-
грузку хвостовых выпарных аппаратов, подразделение подогрева-
телей на большое число групп, повышенная до 70% СВ концент-
рация сиропа.
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ СИРОПА НА ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ
САХАРНОГО ЗАВОДА
Показатели работы выпарных станций и возможность
повышения концентрации сиропа
В настоящее время нормируемой концентрацией сиропа, полу-
чаемого с выпарной станции сахарного завода, считается 65%
СВ. Фактически же такая концентрация не достигается — в-
среднем по сахарным заводам СССР — 52—54%.
Между тем в условиях работы сахарного завода низкая кон-
центрация снропа с выпарки обусловливает целый ряд нежела-
тельных с технологической и теплотехнической точек зрения яв-
лений:
увеличенную длительность уваривания утфеля I продукта (до
4—5 ч вместо нормируемых 2,5 ч при СВ сиропа 65);
повышенный при длительном уваривании в вакуум-аппаратах
абсолютный прирост цветности и потери сахарозы (ухудшение
качества белого сахара);
увеличенный расход воды на конденсатор вакуум-аппаратов и
перегрузку конденсационных устройств;
снижение производительности станции вакуум-аппаратов;
снижение производительности завода по перерабатываемой
свекле;
нарушение равномерности отбора вторичных паров выпарки
на вакуум-аппараты вследствие удлинения периода начального
сгущения сиропа до заводки кристаллов, требующего наибольше-
го расхода пара;
перерасход пара и топлива, так как для уваривания менее
концентрированного сиропа требуется большее количество вто-
ричного пара выпарной станции. Так, для получения 100 кг ут-
феля с СВ 92% нужно выпарить воды:
92_55
из сиропа с СВ 55% -------.100 = 67,3 кг,
55
а из сиропа с СВ 65% —41,5 кг.
Влияние концентрации сиропа, поступающего в вакуум-аппа-
211
Рис. 65. Влияние концент-
рации сиропа на расход
пара при уваривании ут-
феля I продукта.
раты I продукта, на расход вторич-
ного пара в процессе уваривания
его до утфеля видно из Данных
рис. 65.
Следовательно, с точки зрения
-экономии топлива, улучшения ка-
чества белого сахара, снижения его
потерь, уменьшения выхода мелас-
сы необходимо, чтобы на варку ут-
феля поступал сироп с максималь-
но возможной концентрацией — на-
сколько это допускается технологи-
ческой схемой и гидромеханически-
ми условиями транспортировки
сгущенного раствора.
Повышение концентрации СВ
сиропа с выпарной станции можно
рассматривать как одно из основ-
ных направлений дальнейшего
улучшения теплеиспользования и
рационализации тепловых схем са-
харных заводов.
Пример возможной реконструкции тепловой схемы
Саха р_н ого завода для повышения концентрации сиропа.
Исходные данные: количество сока перед выпаркой—140% к массе свеклы,
СВ сока—13%, СВ сиропа соответственно 55 и 65% Расход пара на уварива-
ние сиропа в вакуум-аппаратах I продукта примем соответственно, при СВ си-
ропа 55% — 14%; при СВ 65%—9% к массе свеклы Следовательно, расход
пара на выпарную станцию (при прочих равных условиях) при СВ сиропа 65%
должен быть на 14—9=5% меньше, чем при СВ 55%.
Всего на выпарной станции потребуется выпарить воды
/ 13 \
при концентрации сиропа 55% СВ Ж™ = 140 I 1 ——— ) = 107%;
\ 55 у
/ 13 \
при концентрации сиропа 65% СВ Жтр — 140 ( 1 — ——) = 112%;
' \ 65 У
или на 5% больше, чем при СВ сиропа 55%.
Рис. 66 Вариант изменения отбора
вторичных паров с выпарной станции
для повышения концентрации сухих
веществ сиропа"
I, II. Ill, IV — ступени выпарной станции
212
Выпарная станция четырехступеичатая (рис. 66, вариант а) с расходом
греющего пара D{=50 кг и с отбором вторичных паров в количестве (кг):
£1=10; £2=25; £3=13; £<=2. При такой схеме распределения паров в ступе-
нях выпарится воды: SW'i-iv =50+40+15+2= 107 кг, а расход пара на выпар-
107 кг воды
ку — DB=DiasTFi=50Kr. Кратность испарения Кис = —=2,14------------.
50 кг греющего пара
Следовательно, выпарная станция по этому варианту обеспечит испарение
107 кг воды при расходе греющего пара 50 кг. При 140% очищенного сока с
СВ 13% концентрация сиропа с выпарки должна быть 55% СВ
Выпарная станция (рис 66, вариант б) с расходом греющего пара иа I сту-
пень 50—5=45 кг (соответствует уменьшенному расходу вторичного пара на
вакуум-аппараты I продукта при повышении концентрации сиропа до 65% СВ),
Один из возможных вариантов отбора вторичных паров из ступеней (в кг):
£1=2, £2=22; £3=18; £<=3, что соответствует количеству выпаренной воды:
2W'i_iV=45+43+21+3=112 кг, т. е именно тому количеству, которое требу-
ется испарить в ступенях при концентрации сиропа 65% СВ. Расход пара иа
выпарку DB—Dt^W't—45 кг (вместо 50 кг в варианте а при концентрации
112 о гл
сиропа 55% СВ). Кратность испарения на выпарке при этом Кис — —+ =2,50
4о
кг воды~
---------------, вместо 2,14 в варианте а.
кг греющего пара
Таким образом, повышение содержания СВ сиропа, достигае-
мое при рационально построенной тепловой схеме В' результате
увеличения количества выпариваемой по ступеням воды, не
только уменьшает потребность для вакуум-аппаратов во’ вторич-
ном паре, но и сокращает расход пара на' выпарку. Но при этом
необходимо прежде всего строго соблюдать общую схему отбора
паров, намеченную для данной станции. Как видно, схема работы
выпарки по варианту б (СВ сиропа 65%) предусматривает преж-
де всего перевод обогрева вакуум-аппаратов всех продуктов на
пар более низкого потенциала — II ступени вместо пара I ступе-
ни, а также некоторое усиление нагрузки по вторичным парам на
III и IV ступени выпарной станции. В подобных случаях это не
должно вызывать осложнений в работе вакуум-аппаратов —та-
кую возможность подтверждает опыт работы ряда отечественных
и большинства зарубежных сахарных заводов.
Опытами в заводских условиях установлено, что при концент-
рации сиропа 60—65% СВ (по сравнению с концентрацией 50—
55%) общая длительность процесса уваривания утфеля I про-
дукта сокращается на 10% даже при использовании в качестве
греющего пара — пара более низкого потенциала (вторичного
пара II ступени вместо пара I ступени выпарной станции).
Однако установленную в качестве нормы 65% СВ концентра-
цию сиропа с выпарной станции нельзя считать максимально
достижимым рациональным пределом.
В целях снижения расхода топлива на уваривание сиропа в
вакуум-аппаратах, улучшения качества и повышения выхода са-
хара необходимо стремиться выпаривать раствор в выпарной ус-
тановке многократного действия до более высокой концентрации.
Хотя повышение концентрации сиропа увеличивает требуемое
для выпаривания количество воды на выпарной установке,
213
уменьшение потребности вакуум-аппаратов в паре при этом со-
кращает расход пара на выпарку и в общем по заводу.
Закупорки трубопроводов и насосов кристаллизующимся са-
харом из более концентрированного сиропа в условиях нормаль-
ной работы заводов можно не опасаться. Это подтверждается
простыми расчетами, за основу которых следует брать не коли-
чество сахара в растворе, насыщенном при данной температуре»
а содержание в нем сухих веществ. В этом случае сироп при до-
брокачественности 92 и температуре 60° С в состоянии насыщения
100___________________________________________________д2
содержит на 1 г воды 0,25 г несахара, т> е. 2,91. ——— = 0,25
(2,91 —растворимость сахара при 60°С).
Содержание сухих веществ его будет
. 2»91+.°-25 х юо
2,91+0,254-1,0
= 75,98%, или почти на 11 ед. выше
установленной нормы
концентрации сиропа, получаемого с выпарной станции.
Если сироп, концентрация которого равна 75% СВ, при добро-
75.0 92
качественности 92 ед. содержит на 1 г воды --------1— = 2,76 г
25
сахарозы, то кристаллизация ‘сахар из него возможна лишь при
охлаждении больше, чем на 25° С, т. е. ниже 55° С.
Следовательно, даже при 75%-ном содержании СВ в сиропе
нет оснований опасаться того, что трубопроводы будут закристал-
лизовываться, тем более что автоматическое регулирование на
выпарной станции концентрации и температуры гарантирует от
случайностей.
Однако повышение концентрации сиропа затрудняет его филь-
трование, что может привести к снижению производительности
завода. Затруднения при фильтровании с использованием повсе-
местно применяемой на отечественных сахарных заводах ткане-
вой фильтрующей перегородки возникают даже при концентрации
сиропа 62—63% СВ, причем ни повышение температуры, ни уве-
личение разности давлений по сторонам фильтрующей тканевой
перегородки не может разрешить вопроса фильтрационной очист-
ки свеклосахарного сиропа высокой концентрации.
Отфильтровать высококонцентрированный сироп возможно
лишь на новых высокопроизводительных фильтрах с использова-
нием наполнителей — кизельгура или перлита. Отечественная са-
харная промышленность располагает современными фильтрами
типа ФЦВО и требуемыми количествами и необходимым ка-
чеством наполнителями. Однако обработка сиропов концентраци-
ей 70—75% СВ вследствие значительной их вязкости и явно вы-
раженного характера закупорочной фильтрации даже на совре-
менных фильтрах с наполнителем весьма затруднительна, харак-
теризуется сравнительно невысокими скоростями процесса и тре-
бует повышенного расхода наполнителя, значительной поверх-
ности фильтрования.
В связи с этим многие отечественные и зарубежные сахарные
214
заводы применяют фильтрование сиропа предпоследней активной
•ступени выпарки с СВ 53—55% и температурой 95—969 С. Фильт-
рат (смесь сиропа и клеровки) через теплообменник направляют
в IV ступень выпарной станции, концентраторов и далее сгущен-
ный сироп без дополнительного фильтрования подают в сборники
перед вакуум-аппаратами (схема установки приведена на рис. 67).
Рис. 67. Схема межкорпусной фильтрации и
сульфитации сиропа с клеровкой.
Средние скорости фильтрования сиропа с клеровкой при
межкорпусной обработке в 3—4 раза выше, чем сиропа с СВ 65%.
Широкое распространение установок по межкорпусному
фильтрованию сиропа с клеровкой стало возможным благодаря
исследованиям по определению количества осадка, выделяющего-
ся в процессе сгущения сока в режиме работы типовой выпарной
станции.
Исследования показали, что около 90% всего количества
взвешенных частиц, выделяющихся из очищенного свекловичного
сока при повышении в нем содержания СВ от 13 до 73%, прихо-
дится на концентрацию 13—53% СВ, т. е. на долю первых трех
ступеней выпарной станции.
Из сиропа, профильтрованного перед поступлением в послед-
нюю ступень выпарной станции и сгущенного в этой ступени,
больше половины всего осадка остается на поверхности нагрева,
т. е. до подачи сиропа в вакуум-аппараты и, таким образом, не
попадает в готовый продукт.
Количество нерастворенных несахаров во взвешенном состоя-
нии в сиропе, полученном из подвергнутого промежуточному филь-
трованию полусиропа и поступающем в вакуум-аппарат с 73%
СВ в 20 раз меньше допускаемого ГОСТом содержания золы в
готовом продукте.
Следовательно, способ фильтрования не может служить пре-
пятствием к переводу выпарной станции на работу, с системати-
ческим получением сиропа высокой концентрации. Однако при
этом необходимо проводить межкорпусное фильтрование сиропа
215
из предпоследней активной ступени выпарки. Такой способ
фильтрационной обработки сиропа имеет ряд преимущества повы-
шенную скорость фильтрования при удовлетворительном качест-
ве фильтрата, пониженный расход наполнителя, больший эффект
сульфитации сиропа пониженной концентрации по сравнению с
высококонцентрированным, меньшее накипеобразование иа по-
верхности нагрева последней ступени выпарной станции и кон-
центратора, возможность обработки сиропа предпоследней ступе-
ни выпарной станции с пониженной вязкостьШ активированными
гранулированными углями и ионитами.
Повышение концентрации сиропа влияет на режим его увари-
вания в вакуум-аппаратах. Так, чтобы снизить коэффициент пере-
сыщения концентрированного сиропа, сгущенного в аппарате при
принятых методах уваривания, потребуется ввести в аппарат зна-
чительно большее его количество, чем менее густого.
Например, при необходимости 100 кг межкристального оттека
~(Дб 89,1) с коэффициентом пересыщения 1,5 (84,8% СВ) при
70°С разбавить до коэффициента пересыщения 1,1 (80,4% СВ),
Л псп, ^„84,8 — 80,4 _
потребуется ввести в вакуум-аппарат сиропа с 65% СВ———
X ЮО = 28,4 кг, а сиропа с 73% СВ 84,8~8?’4 «100 = 59,5 кг,
г 80,4 — 73,0
т. е. больше в 2,1 раза.
Подача в вакуум-аппарат большого количества концентриро-
ванного раствора не только удлиняет процесс раскачки, но мо-
жет вызвать появление новых центров кристаллизации. Поэтому
на практике, если сироп оказывается сгущенным на выпарной
станции выше предела, чем это принято на данном заводе, при-
меняют водные и соковые раскачки увариваемой массы, увеличи-
вающие расход пара и удлиняющие процесс варки.
Если вместо подачи воды или сока повысить температуру ува-
риваемого утфеля, то для раскачки массы в аппарате потребует-
ся меньше сиропа.
Повышение температуры увариваемого утфеля при заводке
кристаллов целесообразно, так как при этом несколько "возрастает
скорость кристаллизации и уменьшается тепловой поток, вследст-
вие чего этот процесс облегчается.
Способ уваривания утфеля I продукта из высококонцентриро-
ванных сиропов разработан И. Ф. Зеликманом и Ю. Д. Кот, и за-
ключается в следующем.
В вакуум-аппарат набирают минимальное количество сиропа,
так как чем меньше взято сиропа до пробы, тем больше остается
рабочей вместимости аппарата для дальнейшей обработки кри-
сталлов.
Сгущение сиропа до пробы ведется при полностью открытом
воздушном вентиле — максимальном разрежении и минимальной
температуре кипения.
При приближении момента заводки кристаллов воздушный
216
вентиль прикрывают и температуру кипящей массы повышают до
S3—84° С (конечная температура определяется качеством сиро-
па). По достижении момента заводки кристаллов в аппарат вво-
дят сахарную пудру — желательно заводить небольшое количест-
во кристаллов. Дальнейшее образование их прерывают небольшой
подначкой концентрированного сиропа, нагретого на несколько
градусов выше температуры утфеля.
После разделки кристаллов температуру утфеля понижают,
открывая воздушный вентиль. Затем вновь поднимают темпера-
туру кипения и раскачивают его свежим сиропом.
Влияние концентрации сиропа на показатели работы
вакуум-аппаратов I продукта
Длительность процесса варки. Повышение концентрации сиро-
па, поступающего в вакуум-аппараты, уменьшает длительность
его уваривания из-за меньшего количества выпариваемой воды.
Так, при увеличении содержания сухих веществ в сиропе до 73—
75% уменьшается длительность уваривания утфеля I продукта
на 25—30%, даже при использовании в качестве греющего пара
вторичного пара II ступени по сравнению с увариванием сиропа
с СВ 55—60% паром I ступени выпарки.
При уваривании в вакуум-аппаратах сиропа высокой кон-
центрации (70—73% СВ) вторичным паром II ступени выпарной
станции общая длительность процесса сокращается на 25—35%
по сравнению с варкой сиропа концентрации 60—65% СВ вторич-
нымЪаром I ступени выпарки.
Изменение цветности утфеля при уваривании. Д результате
сокращения длительности варки при использовании высококон-
центрированного сиропа, а «также благодаря применению в каче-
стве греющего пара вторичного пара выпарной станции с меньшей
температурой — нарастание цветности утфеля в процессе варки
уменьшается.
Например, при уваривании сиропа с 60—65% СВ вторичным
паром I ступени выпарной станции абсолютный прирост цветности
утфеля составляет 8,4 ед. Шт, а при использовании высококон-
центрированного сиропа и пара II ступени прирост цветности не
превышает 4,2 ед. Шт. »
Это указывает и на несколько меньший распад сахарозы при
ускоренном уваривании высококонцентрированного сиропа с, ис-
пользованием пара пониженного потенциала.
Качество получаемого сахара. При уваривании высококонцен-
трированного сиропа кристаллы, как правило, растут равномерно,
имеют хорошо оформленные грани, без «муки», т. е. получаемый
сахар не содержит мелких кристаллов выше нормы. Это объяс-
няется тем, что во время варки происходит лишь частичное раство-
рение и уменьшение размеров отдельных кристаллов по сравнению
с подкачкой более жидких сйропов. Кроме того,' при переводе
217
вакуум-аппаратов на пар II ступени выпарной станции скорость,
испарения воды приводится в соответствие со скоростью кристал-
лизации сахарозы.
Расход воды на конденсатор. Повышение концентрации сиро-
па, поступающего на вакуум-аппараты, сокращает расход воды
на конденсатор за счет уменьшения конденсируемых паров. При.
получении утфеля из сиропа 55% СВ на конденсатор вакуум-ап-
паратов поступает 13—14% паров к массе свеклы (только за счет
выпаривания воды из сиропа); при 65% СВ —8—9%, а при 73—
75%—5—6%. При конденсации этих паров расход холодной во-
ды соответственно составит 255, 160 и 90% к массе свеклы.
ПОВЫШЕННЫЙ ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ВЫПАРНОЙ СТАНЦИИ —
РЕАЛЬНЫЙ ПУТЬ СОКРАЩЕНИЯ РАСХОДА ТОПЛИВА
Типовой температурный потенциал и целесообразность
его повышения
Температурный режим типовой четырехступенчатой выпарной
станции характеризуется пониженной температурой вторичного,
пара IV ступени (82—83° С) у потребителя при чистой поверхности;
нагрева. В условиях накипеобразовання температура пара сни-
жается еще на 2—3°С. Низкая температура вторичного пара<
затрудняет эффективное его использование. Поэтому фактическая
тепловая нагрузка IV ступени типовой станции оказывается не-
достаточной, что обусловливает малую величину напряжения ее-
поверхности нагрева, заниженную величину коэффициента тепло-
передачи, малую циркуляцию сока и интенсивное накипеобразо-
вание.
В рекомендованном на перспективу типовом тепловом режиме-
выпарной станции (см. табл. 1) вторичный пар IV ступени наме-
чено использовать только для обогрева подогревателей диффузи-
онного сока, причем при установке колонных диффузионных ап-
паратов— для подогрева сока от 59 до 70° С с расходом пара-
2,27 %, шнековых диффузионных аппаратов — для подогрева сока
от 41 до 70° С с расходом пара 5,97% к массе свеклы.
Режим типовой четырехступенчатой выпарной установки с по-
ниженной температурой вторичных паров оправдывал себя при
повышенных пароотборах с выпарки, так как низкая темпера-
тура в IV ступени обеспечивала глубокое (до 85° С) самоиспа-
рение и увеличивала общий температурный перепад выпарной
станции.
Рационализация тепловой схемы в целях снижения расхода-
топлива и улучшения работы теплового оборудования связана
прежде всего с использованием тепла низкого потенциала (кон-
денсатов, утфельного пара). Поэтому при использовании тепловых
отходов производства и снижении тепловых потерь отбор вторич-
ных паров, особенно с последних ступеней выпарной станции,,
уменьшается. Между тем, требуемое для выпаривания количест-
ве
во воды из сока для получения сиропа не имеет тенденции к
уменьшению. Перевод части потребителей паров выпарки на
обогрев, например, конденсатом ведет к резкому сокращению
кратности испарения и уменьшению испарительной способности
выпарной установки в целом. Так, перевод технологического
потребителя с расходом 2% к массе свеклы вторичного пара
III ступени выпарки на обо-
грев конденсатом снижает ко-
личество выпариваемой в сту-
пенях воды на 2-3=6% к мас-
се свеклы, а у потребителя
того же количества вторично-
го пара IV ступени — на 2Х
Х4=8%.
Чтобы сбалансировать по-
требное для выпаривания ко-
личество воды с уменьшенным
количеством отбираемых па-
ров (при переводе части тех-
нологических потребителей на
использование тепла конден-
сата, утфельного пара), необ-
ходимо повысить кратность
испарения за счет соответст-
вующего перевода части тех-
нологических потребителей на
обогрев вторичным паром по-
следующих (хвостовых) ступе-Рис 68 к расчету эффеКТИВНостИ усиле-
неи, т. е. усилить отбор вто- ния отбора вторичных паров с последую-
ричных паров пониженных ших ступеней выпарной станции
потенциалов. Это наглядно
видно из данных рис. 68 на примере четырехступенчатой выпарки.
Вариант а. Выпарная станция характеризуется отбором вто-
ричных паров из ступеней в следующих количествах (кг): £] =
=20; Е2 = 12; £3=16; Е4=2 при расходе греющего пара на пер-
вую ступень 50 кг. При этом в ступенях выпаривается воды:
5IV"i_iv = 50+3Q+18+2= 100 кг, причем £>в=£)1=£1 + £2+£3 +
+ £4=20+12+16+2 = 50 кг. Кратность испарения ^ис = —
ИС
100 кг воды
_ —' _ 2______________.
50 кг греющего пара
Вариант б. В результате рационализации тепловой схемы
представилось возможным перевести один из техноло!ических
потребителей вторичного пара III ступени выпарки (2 кг) на обо-
грев конденсатом. При этом пароотборы из ступеней (кг): £3=
= 16—2=14; £1=20; £2= 12; £4=4, а расход пара на выпарную
станцию £>B=£>i s и/1=£1 + £2+£3+£4=20+12+14 + 2 = 48 кг,
причем в ступенях выпарится воды SIVi„IV = 48+28+16+2 =
= 94 кг, или на 6 кг меньше, чем в варианте а.
219
Вариант в. Сбалансировать потребное для выпаривания коли-
чество воды (100 кг, вариант а) с уменьшенным отбором вторич-
ных паров выпарки (48 кг в варианте б вместо 50 кг в варианте
а) возможно за счет перевода части технологических потребите-
лей вторичного пара III ступени на пар IV (усиление нагрузки
на последнюю активную ступень), оставив тот же, что и в ва-
риантах а, б пароотбор с I и II ступеней выпарной станции
(в кг): £1 = 20; Е2 = 12; £3=8; Е4—8. При этом в ступенях выпа-
рится воды SIVi-iv=48+28+16+8= 100 кг (как в варианте а при
расходе греющего пара 50 кг). Расход пара на выпарку DB =
—Di Wl = El+E2+E3+E4=20+l2 + 8+8 = 48 кг (на 2 кг мень-
ше, чем в варианте а). Увеличилась и кратность испарения
Кис = =2,0 8, вместо 2,0 в варианте а
Сбалансировать количество выпариваемой воды в ступенях
выпарки с уменьшенным количеством отбираемых вторичных па-
ров можно также и путем перевода части технологических потре-
бителей с обогрева паром I ступени на вторичный пар II ступени
выпарки и со II ступени на III ступень выпаривания. При даль-
нейшей рационализации тепловой схемы сахарного завода потре-
буется сокращать пароотбор с выпарки также и за счет перевода
части потребителей на обогрев утфельным паром; при этом для
повышения кратности испарения необходимо дополнительное уси-
ление нагрузки на последние ступени, для чего температуры вто-
ричных паров и кипения раствора по ступеням-выпарной станции
необходимо увеличить. Однако чтобы не уменьшать при этом в
значительной степени полезный располагаемый температурный
перепад выпарки и не увеличивать суммарной поверхности нагре-
ва выпарных аппаратов, требуется повысить температурный ре-
жим кипения сока в I ступени и температуру греющего его пара.
Повышенный температурный режим на выпарной станции при-
меняется в настоящее время на заводах Винницкого сахаротрес-
та и, как отмечает К. И. Савчук, при этом представилось возмож-
ным разгрузить по пароотборам головные ступени и перенести
максимум нагрузки на хвостовые выпарные аппараты. В этом от-
ношении оправдывает себя и тепловая схема с отрицательным
балансом по вторичным парам, предусматривающая температуру
кипения сока в I ступени 130—132° С, температуру вторичного па-
ра III ступени 108—111° С и пара IV ступени — 95—96° С.
Таким образом, повышение температуры кипения соков и вто-
ричных паров по ступеням выпарной станции позволяет баланси-
ровать работу выпарки при уменьшенных пароотборах. Некоторое
сокращение количества паров самоиспарения будет скомпенсиро-
вано широким использованием тепла конденсатов в теплообмен-
никах и вторичного пара вакуум-аппаратов. Кроме того, это да-
ет возможность избежать чрезмерно больших поверхностей нагре-
ва аппаратов (особенно I ступени), иметь выпарную станцию с
эффективным распределением паров (увеличенная загрузка хво-
стовых ступеней), расходовать меньше пара и топлива.
220
Однако с технологической точки зрения при использовании в
качестве греющего пара — пара повышенного потенциала — воз-
никает опасность значительного увеличения цветности сатураци-
онного сока в процессе сгущения, а также термического разло-
жения сахарозы. Поэтому вопрос о .предельной температуре кипе-
ния сатурационного сока — один из важнейших как при проек-
тировании, так и в процессе дальнейшей эксплуатации выпарной
установки свеклосахарного завода, не может рассматриваться без
тесной увязки с термической устойчивостью сока и сиропа.
Термическая устойчивость соков и сиропов
В процессе свеклосахарного производства соки подвергаются
воздействию высоких температур на всем заводском верстате.
Так, общая продолжительность их выпаривания — 40—50 мин, из
них более половины времени соки находятся при температуре
выше 115°С. Естественно, что в этих условиях наблюдаются та-
кие отрицательные явления, как прирост окраски, снижение pH
сиропа и, как следствие, увеличенное содержание в нем редуци-
рующих веществ в результате разложения сахарозы; увеличение
в содержании солей кальция. Потери сахарозы происходят и при
дальнейшем уваривании таких сиропов в вакуум-аппаратах.
Получить белый сахар, отвечающий требованиям ГОСТа в.
отношении цветности, из сильно окрашенного сиропа трудно,,
поэтому часто проводят дополнительную переварку клеровки са-
хара, связанную с Перерасходом топлива, повышенным выходом
патоки, большими потерями сахарозы.
Термоустойчивость характеризуется способностью продуктов,
(соков, сиропов, паток) выдерживать воздействие определенных
температур без существенных глубоких изменений в химическом
составе, разложения составных частей, ухудшающего влияния
распада на ход производстСва. Критериями для оценки термиче-
ской устойчивости продуктов в процессе выпаривания, уварива-
ния могут служить в первую очередь такие показатели, как ин-
тенсивность нарастания окраски, степень снижения pH, измене-
ние в содержании солей кальция, распад редуцирующих веществ
и др. Чем выше нарастание цветности и степень разложения
редуцирующих веществ, чем больше снижение pH, тем меньше
термоустойчивость продукта при данных условиях.
Определенно установлено, что более низкие по доброкачест-
венности продукты являются в то же время и менее термоустой-
чивыми. Так, низкодоброкачественные продукты, полученные при
переработке кубанской свеклы, являются в то же время и менее
термоустойчивыми в сравнении с продуктами других зон свекло-
сеяния (УССР, Молдавии). Низкотермоустойчивые продукты ха-
рактеризуются повышенной цветностью сока II сатурации и
сиропа, значительным абсолютным приростом окраски в процессе
сгущения и в два-три раза большей величиной снижения pH при
выпаривании. Так, нарастание цветности в процессе сгущения
22t
•сока с пониженной доброкачественностью почти в 4 раза больше*
чем сока с повышенной чистотой, а изменение в содержании ре-
дуцирующих веществ в сиропе первого завода в 5 раз выше.
Различия в степени термической устойчивости соков могут
наблюдаться на заводах, расположенных не только в разных свек-
лосеющих районах страны, но и в пределах одной зоны свекло-
сеяния.
При тепловой обработке продуктов сахарного производства
•с точки зрения их термической устойчивости в первую оче-
редь следует иметь в виду щелочное разложение при повышен-
ных температурах редуцирующих веществ и образование красящих
веществ с участием амидной группы NH3, возникающей в щелоч-
ной среде при распаде амидов. На долю распада редуцирующих
веществ и амидов при термообработке соков и сиропов приходит-
ся до 90—95% общего прироста цветности, снижения pH и уве-
личения количества кальциевых солей.
Так, при увеличении содержания редуцирующих веществ в
соке II сатурации от 0,015 до 0,20% абсолютный прирост цветно-
сти при сгущении увеличивается с 20,5 до 57 ед. Шт, причем ос-
новное нарастание окраски (до 50—60% от общего при выпари-
вании) наблюдается в I ступени с максимальной температурой
кипения.
Особо необходимо отметить отрицательное действие на терми-
ческую устойчивость сахаросодержащих продуктов аммиака,
•образующегося при распаде амидов (в основном глютамина).
"Так, А. Р. Сапронов отметил, что даже следы его в сахарном
растворе могут в несколько раз ускорить реакцию образования
красящих веществ, а поэтому, считает он, необходимо разлагать
амиды до выпарной станции и исключать вывод аммиачных от-
тяжек из паровых камер аппаратов в их надсоковые простран-
ства.
Основное влияние на величину термической устойчивости со-
ков оказывает способ их очистки.
На рис. 69 представлено изменение цветности по заводскому
верстату продуктов, полученных с использованием разных спосо-
бов очистки.
Видно, что наименее окрашенные продукты получены из наи-
более термоустойчивого сока комбинированной холодно-горячей
дефекации; сок такого способа очистки показал также и наимень-
шее понижение pH при выпаривании. Повышенная термоустойчи-
вость такого сока понятна при рассмотрении рис. 70 — изменение
в содержании РВ в продуктах разных способов очистки.
Таким образом, именно степенью распада РВ на дефекации и
•определяется дальнейшая термическая устойчивость сатурацион-
ного сока.
При современном уровне технической оснащенности свеклоса-
харного производства не представляется возможным сохранить
неизменными до мелассы РВ диффузионного сока — на верстате
завода они разлагаются, что и обусловливает снижение терми-
222
Рис. 69. Изменение цветности про-
дуктов заводского верстата, полу-
ченных по способу:
1,2 — соответственно холодной н горячей
дефекосатурацнн; 3 — комбинированной де-
фекации; 4 — горячей длительной дефека-
ции, 5 — типовой очистки
Рис. 70. Изменение в содержании
редуцирующих веществ в продуктах
заводского верстата, полученных с ис-
пользованием:
1,2 — соответственно холодной и горячей де-
фекосатурации; 3 — комбинированной дефека-
ции; 4 — горячей длительной дефекации; 5—ти-
повой очистки.
ческой устойчивости про-
дуктов. Целесообразней по-
этому разлагать РВ диффу-
зионного сока на дефека-
ции, максимально использо-
вав для удаления продук-
тов распада адсорбционные
свойства осадка сока I са-
турации.
Необходимо поэтому так
выбрать продолжительность'
и температурный режим на
дефекации, чтобы в соках
после дефекационной обра-
ботки содержалось мини-
мально возможное количе-
ство остаточных РВ (не бо-
лее 0,016—0,022% к массе
свеклы), а распад основной
части РВ прошел бы при
возможно меньшей темпе-
ратуре с малым нарастани-
ем окраски. Только при
этих условиях возможно по-
лучить соки с достаточно
высокой термической устой-
чивостью.
На рис. 71 представлена
Рис. 71. Зависимость содержания ос-
таточных редуцирующих веществ
в дефекованном соке от условий дефе-
кационной обработки диффузионного
сока с различным содержанием реду-
цирующих веществ:
/ — 50° С; т=10 мин; 2— 50° С; т=20 мнн; 3—
50° С, т=30 мин; 4 — 60° С, Т= 10 мин; 5 — 60° С,
т=30 мин; 6— 60° С, Т=30 мнн; 7— 70° С, Т=
= 10 мин; 8—70° С, Т=20 мнн; 9 — 70° С, т=
=20 мин; 10— 80° С, Т=10 мнн; 11 — 80° С,
Т=20 мин; /280° С, Т=30 мнн, 13 — 90° С,
т= 10 мин; 14 — 90° С, Т=20 мин; 15—90° С,
т=30 мин.
22S
зависимость остаточных РВ в дефекованном соке от условий де-
•фекации диффузионного сока с различным исходным содержа-
нием редуцирующих веществ.
Видно, что остаточные РВ не более 0,02% (термически ус-
тойчивый сок) при исходных РВ диффузионного сока, например,
0,05% обеспечивают практически все рассмотренные варианты
дефекации; с увеличением исходных РВ, например, до 0,3% к
массе диффузионного сока можно ориентироваться только на ре-
жимы дефекации при 90° С, длительность т=20 мин; 80° С, т=
=30 мин; 90° С т=30 мин. При РВ диффузионного сока 0,5%
получение термоустойчивого сока обеспечивают только режимы
дефекации при 80° С, т=30 мин и 90° С, т=30 мин.
Для получения термоустойчивого сатурационного сока в зави-
симости от содержания РВ в диффузионном соке сахарным заво-
дам можно рекомендовать следующий оптимальный режим ком-
бинированной дефекационной обработки:
Длительность дефекации, мин
РВ диффузионного сока, % холодной горячей
(50 °C) (80 °C)
до 0,2........................................... 15 3—5
0,2—0,3.......................................... 15 10
0,3—0,4.......................................... 15 15
Термическая устойчивость соков в значительной степени может
быть повышена их сульфитацией. При этом наблюдается обес-
цвечивание и в дальнейшем (при сгущении на выпарной станции)
такие соки характеризуются меньшим абсолютным приростом цвет-
ности.
Термическая устойчивость очищенных сатурационных соков
хотя и определяется в основном качеством самого сока, не может
рассматриваться в отрыве от режима работы выпарной станции
и конструктивных особенностей выпарных аппаратов. По иссле-
дованиям М. Л. Вайсмана и Е. С. Кисленко, при переработке
-свеклы, дающей термоустойчивый сок, конструктивные особенности
выпарных аппаратов и режим сгущения оказывают второстепенное
влияние на нарастание цветности и, наоборот, если сок отличается
пониженной термоустойчивостью, те же факторы оказывают боль-
шое действие на изменение его качества.
Влияние длины кипятильных труб выпарных аппаратов и цир-
куляционного отношения на увеличение цветности сока при выпа-
ривании изучено М. Л. Вайсманом. При этом установлено, что рост
цветности в исследованном пределе (1,5—5 м) практически не за-
висит от длины кипятильных труб. Объясняется это тем, что при
любом одинаковом относительном уровне смачивание внутренней
поверхности кипятильных труб также одинаково и не зависит
от их длины.
Что касается влияния циркуляционного отношения (отношение
•сечения опускных труб к сечению подъемных) на прирост цвет-
ности, то, как установлено, существует определенная оптимальная
величина его, при которой происходит минимальное нарастание
224
цветности сока. Эта величина тем больше; чем выше концентра-
ция выпариваемого раствора. Однако практически из-за слабого
влияния циркуляционного отношения на прирост цветности при
повышенных концентрациях раствора параметр этот принимается
равным 15—25%, причем большие значения относят к последним
ступеням выпарной установки.
Влияние видимого уровня сока в выпарном аппарате на уве-
личение цветности при сгущении исследовано М. Л. Вайсманом,
Н. Ю. Тобилевичем. Оказалось, что каждому режиму работы вы-
парного аппарата соответствует определенный уровень, при кото-
ром происходит минимальное нарастание цветности сока, причем
этот уровень повышается с увеличением концентрации выпаривае-
мого раствора.
Для одного и того же сатурационного сока основное влияние
на изменение его цветности оказывает продолжительность пребы-
вания в аппарате и температура кипения; меньше влияние кон-
центрации выпариваемого раствора (В. В. Майоров, В. В. Гончар).
Компенсировать вредное влияние повышенных температур кипе-
ния в процессе сгущения возможно путем сокращения длитель-
ности процесса за счет повышения интенсивности теплопередачи
и уменьшения суммарной поверхности нагрева выпарной станции.
Использование принудительной циркуляции сока в выпарном ап-
парате позволяет рационально решать данный вопрос—при типо-
вом температурном режиме и применении принудительной цирку-
ляции суммарная поверхность нагрева выпарной станции (и время
пребывания сока на выпарке) сокращается на 30%.
Распад сахарозы при термическом воздействии на сок и сироп
Распад сахарозы в процессе выпаривания соков. Термическая
устойчивость сахарозы является одним из основных условий ра-
ционального проведения технологического процесса сгущения сока
на выпарной станции. При снижении ее не только разлагается
сахароза, но, продукты распада обусловливают падение щелочно-
сти, образование цветных веществ, редуцирующих соединений.
П. М. Силин отмечает, что на выпарной станции под давлением
потери сахарозы не превысят 0,01 % при строгом соблюдении опре-
деленных технологических режимов и установленных условий
(автокаталитическая реакция разложения сахарозы, изученная
С. 3. Ивановым, проходит здесь лишь начальный индукционный
период, так как развитию ее препятствуют буферные вещества
очищенного щелочного сока).
Однако нередко сталкиваются с фактами резкого увеличения
распада сахарозы на выпарной станции. Так, согласно данным
опытов Г. А. Хомчука, Л. С. Твердохлебова, проведенным в про-
изводственных условиях, сравнительно жесткий температурный
режим выпаривания и значительная суммарная поверхность на-
грева выпарки могут явиться причиной повышенных потерь саха-
розы — до 0,8 % к массе свеклы.
8 Зак 660
225
В производственных условиях чрезвычайно важно свести к ми-
нимуму неучтенные потери на выпарной станции за счет химиче-
ского распада сахарозы, при этом гораздо легче предупредить
такой распад, чем в дальнейшем бороться с его последствиями.
Количество разложившейся сахарозы при выпаривании сока
пропорционально длительности его пребывания в ступенях (время
сгущения не более 60 мин). При более длительном выпаривании
проявляется вторичное действие продуктов распада, ускоряющее
ход процесса разложения. К. Вуков считает, что потери сахарозы
от разложения при выпаривании могут достигать 0,08—0,6% к
массе свеклы в зависимости от конструкции выпарных аппаратов,
условий сгущения, качества исходного и очищенного соков.
В табл. 34 представлены данные, характеризующие поведение
при выпаривании очищенного сока, полученного из здоровой и
подпорченной свеклы.
Таблица 34
Сок Доброка- чествен- ность, ед- pH Цветность, ед. Шт РВ, %
к массе продукта на 100% СВ продукта
Сок из здоровой свеклы
Перед выпарной станцией . . . 92,6 9,5 14,5 0,028 0,244
Из IА корпуса 92,6 9',4 17,8 0,044 " 0,238
Из I Б корпуса 92,5 9,4 18,4 0,046 0,234
Из III корпуса 92,4 9,0 39,2 0,113 0,306
Из IV корпуса 92,3 8,9 42,8 0,153 0,310
Из концентратора 92,3 8,8 44,6 0,200 0,312
Сок из подпорченной свеклы
Перед выпарной станцией . . . 88,8 9,1 19,8 0,108 1,019
Из IА корпуса 88,5 8,3 47,9 0,246 1,295
Из I Б корпуса 88,3 8,1 55,1 0,281 1,384
Из III корпуса 86,0 6,3 104,7 1,328 3,103
Из IV корпуса . 85,7 6,1 116,9 1,812 3,331
Из концентратора 85,6 6,0 123,7 2,087 3,410
Видно, что термическая устойчивость сока, а следовательно,
небольшая термостабильность сахарозы, зависят от качества
свеклы — при выпаривании сока из хорошей здоровой свеклы изме-
нение доброкачественности и снижение pH оказались небольшими,
как и прирост РВ сиропа. Гораздо большие изменения при сгу-
щении в качестве сока, полученного из подпорченной свеклы.
Практический интерес представляют данные М. Каролине по
влиянию pH и температуры на распад сахарозы и прирост окраски
чистых сахарных растворов (табл. 35).
Видно, Что увеличение pH исходного чистого сахарного рас-
твора при дальнейшей его термообработке приводит к повышенным
потерям сахарозы и интенсивному приросту цветности.
Потери сахарозы при нагревании буферных очищенных свекло-
вичных соков намного меньше потерь, обнаруженных в аналогич-
226
Таблица 35
Показатели 12о°с 130° С
pH сахарного раствора
9.1 9,8 10,2 9,1 9,8 10,2
Распалось сахарозы, г/100 г сахара/мин . . Прирост окраски, ед. Шт/100 г СВ/мин . . Изменение pH при тер- мообработке 0,0062 0,09 9,1—7,5 0,0062 0,18 9,8—8,6 0,0073 0,21 10,2—9,2 0,0165 0,21 9,1—6,6 0,0182 0,32 9,8—7,2 0,0179 0,40 10,2—7,5
ных условиях обработки щелочных растворов чистой сахарозы,
хотя и достигают значительной величины (при нагревании, на-
пример, в течение 1 ч при 130° С сока II сатурации и раствора
чистой сахарозы с одним и тем же
исходным значением pH потери саха-
розы составили соответственно 8,1 и
13,7 моль/ч).
Расчетные суммарные потери са-
харозы при сгущении сока на выпар-
ной ’ установке составляют 0,014% к
массе свеклы при длительности выпа-
ривания 23,5 мин, причем 57% этих
потерь приходится на первые две сту-
пени выпарной станции с повышенны-
ми температурами кипения.
Наиболее оперативный, доступный
и надежный метод вычисления потерь
сахарозы в условиях термической об-
работки сока предложен С. Е. Хари-
ным и А. Р. Сапроновым.
При расчете по этому методу счи-
тается, что потери сахарозы опреде-
ляются температурой термообработки,
длительностью пребывания продукта
при высокой температуре и фактичес-
ким pH сгущаемого сока. Авторы вы-
разили константу распада сахарозы в
координатах lgAt=f(pH), где Xt-
константа скорости распада сахарозы
(рис. 72).
Видно, что 1g Kt в зависимости от
pH располагается по кривым с мини-
мумом. На основании данных рис. 72
Рис. 72. Зависимость кон
станты скорости распада
сахарозы от темпера-
туры и pH по данным
Р. А. Колчевой; К- Внукова,
П. Хонига, М. Атенштедта;
О. Шпенглера; А Р. Сапронова;
С Е. Харниа
кривые 1—9 соответственно прн
температурах 60° С, 70, 80, 90,
100, 110. 120. 130 и 140° С
227
авторы получили уравнения, определяющие зависимость констан-
ты скорости термического распада сахарозы от фактического зна-
чения pH раствора. Представленные уравнения (68) позволяют
считать, что процесс термического разложения сахарозы подчиня-
ется теории множественного катализа и протекает по кривой с
минимумом (с повышением температуры pH, соответствующее
минимальному распаду сахарозы, уменьшается), причем концен-
трация сахара в растворе не оказывает существенного влияния на
рНмин и константу скорости распада сахарозы при термической
обработке.
Кбо° = 10°’217.10-рн+ 1о-^;7о. io°-^орн
К8о° = 10°-747.10-РН+ 10—11 .55.ю0.57°рн
К100о= Ю1’617.10-РН+ 10-*0.51.100.570рН (68)
#120° = 102’387.10~рН + 10~9>63.10°-570рН
К140° = 103-°87.107рН-}- ю-8’83.1001570рН.
Зная величину константы скорости реакции, количество раз-
ложившейся сахарозы вычисляют по уравнению
Х = Яо(1-е-к*г), (64)
где X — количество разложившейся сахарозы, %;
а0 —г содержание сахарозы в исходном растворе (принимается за
100%);
Xi—константа скорости реакции разложения сахарозы, мин-1;
т — продолжительность термического воздействия, мин
Если в реакции разложилось не больше 10% сахарозы, можно
воспользоваться упрощенным уравнением вида
X = aKtt. (70)
В условиях сахарного производства на выпарной станции (при
чрезмерном перегреве продуктов, частичном оголении поверхности
нагрева, наличии мертвых зон со слабой циркуляцией сока) может
наблюдаться часто недоучитываемый распад сахарозы вследствие
карамелизации.
Однако потери сахарозы в результате карамелизации в усло-
виях выпаривания сахарных соков в основном устранимы при
соответствующем соблюдении температурных и технологических
режимов, оптимальной конструкции выпарных аппаратов, а также
при наличии надежных средств автоматизации, позволяющих под-
держивать в аппарате оптимальный уровень, постоянную темпе-
ратуру греющего пара.
Распад сахарозы при уваривании сахарных утфелей. Распаду
сахарозы в процессе уваривания сахарных утфелей посвящено
сравнительно небольшое количество исследований, причем нена-
дежность многих из полученных результатов обусловлена тем, что
измерение активной кислотности среды выполнялось при темпе-
ратуре 20—25° С, и поляриметрическое определение малых коли-
честв распадающейся сахарозы в присутствие оптически активных
продуктов также приводило к значительным погрешностям; не
2"8
учитывалось при этом и катализирующее влияние несахаров на,
реакцию распада сахарозы.
При одной и той же температуре термообработки с понижением
значения pH патоки количество распадающейся сахарозы увели*
чивается. Так, если при pH патоки 8,6 (температура термообрат
ботки 75° С) среднечасовое количество разложившейся сахарозы
составило 0,014% к исходному содержанию, то при pH 7,0—г
0,042%, причем повышение температуры термообработки с 75 до
95° С увеличивает распад сахарозы почти в 3 раза.
С точки зрения минимально возможных потерь сахарозы в про-
цессе уваривания, особенно в конечный период варки, в вакуум*
аппаратах необходимо поддерживать остаточное давление не более
0,15-105 Па. Увеличение остаточного давления приводит к значи-
тельному повышению температуры кипения утфельной массы и к
повышенным потерям сахарозы. Именно в конце варки наблю*
дается интенсивный рост содержания сухих веществ, что приводи?
к уменьшению полезной разности температур между утфелем и
греющим паром, к увеличению гидравлического сопротивления;
замедляющего циркуляцию утфельной массы; при этом умень4
шается скорость испарения воды, удлиняется период варки, растут
потери сахарозы.
Существенное влияние на распад сахарозы в процессе увари-
вания сиропов оказывает потенциал греющего вакуум-аппараты
пара. Так, при снижении потенциала греющего вакуум-аппараты
пара на 10° С потери сахарозы за счет разложения уменьшаются
на 0,01 % в ч к массе исходного сахара.
Влияние температурного потенциала пара на распад сахарозы
связано с наличием перегрева утфельной массы в контурах есте-
ственной циркуляции вакуум-аппарата, причем перегрев наблю-
дается не только в пристенном слое, но и в ядре потока. К концу
варки на входе в циркуляционную трубу температура утфеля по
ее оси достигает 94—98° С, а в пристенном слое 100—105° С, при-
ближаясь к температуре греющего пара (по данным В. Т. Гаряжа,
при уваривании паток температура пограничного со стенками
поверхности нагрева слоя достигает НО—120°С). С повышением
среднединамического уровня утфельной массы и ее вязкости пере-
грев в нижней части кипятильных труб при опускном движении и
пульсациях потока еще более возрастает.
Вот почему с точки зрения сокращения потерь сахарозы в Про-
цессе уваривания целесообразней проводить обогрев вакуум-аппа-
ратов паром меньшего температурного потенциала (например;
вторичным паром II ступени выпарной станции с t 115—116° С
вместо часто применяемого на отечественных свеклосахарных за-
водах пара I ступени с t 125°С).
Потери сахарозы в процессе уваривания утфеля пропорцио-
нальны длительности варки, а поэтому сокращение цикла на этой
стадии сахарного производства — один из наиболее эффективных
способов снижения распада сахарозы. Повышение, например, кон-
центрации сиропа, поступающего в вакуум-аппараты, уменьшаег
229
длительность его уваривания в результате снижения количества
выпариваемой воды.
На основании уравнения константы скорости реакции распада
сахарозы в нечистых сахарных растворах для различных значений
температур процесса уваривания определены величины pH, при
которых наблюдается минимальный распад сахарозы. Так, для
температуры уваривания 80° С соответствующее минимальному
распаду сахарозы, значение pH составляет 8,10; при 90° С — 8,0,
а при 100° С — 7,8, причем с понижением доброкачественности
ваток, увариваемых в утфель, количество распадающейся саха-
розы увеличивается. Потери сахарозы при уваривании утфеля
последнего продукта с увеличением длительности цикла варки и
уменьшением pH исходной патоки (варка при 80° С) увеличива-
ются. Дополнительные потери сахарозы от разложения при увели-
чении длительности уваривания утфеля можно компенсировать
более высоким значениям pH исходной патоки.
Снижение распада сахара при уваривании утфелей может быть
достигнуто и за счет перехода на непрерывное ведение этого про-
цесса. Установлено, что прирост цветности утфеля (косвенно
характеризующего распад сахарозы), сваренного непрерывным
способом, составляет 15—45%, а в вакуум-аппаратах периодиче-
ского действия 76—80%.
В условиях уваривания утфелей следует уделять максимум
внимания потерям сахарозы в результате карамелизации. Послед-
няя обусловлена значительной вязкостью увариваемых продуктов,
пониженной в связи с этим циркуляцией в аппарате, перегревом
до ПО—120°С пограничного со стенками поверхности нагрева слоя
утфельной массы.
Сокращение потерь сахарозы в результате карамелизации в
условиях уваривания утфелей может быть достигнуто при исполь-
зовании для обогрева вакуум-аппаратов пара пониженного потен-
циала; при уменьшении длительности уваривания и снижении
температуры кипения за счет меньшего остаточного давления; при
оптимальной конструкции аппаратов, исключающей наличие мерт-
вых зон, недостаточную циркуляцию, а также при использовании
непрерывного уваривания и механического перемешивания утфеля
в процессе варки. При использовании перемешивания в процессе
уваривания коэффициент теплопередачи значительно увеличи-
вается в сравнении с увариванием утфеля при этих же условиях
без перемешивания. Это позволяет проводить обогрев вакуум-аппа-
ратов паром пониженного потенциала и в итоге при варке иметь
более низкие потери сахарозы от разложения и карамелизации.
Таким образом, наименьшая степень разложения сахарозы при
уваривании утфелей может быть достигнута при минимально воз-
можных температурах кипения и греющего пара, а также при
наименьшей длительности варки; последняя обусловливается в
основном исходным качеством продукта, подаваемым на варку
(минимум кальциевых солей, отсутствие пенения, повышенная
чистота), а также максимальной скоростью кристаллизации саха-
230
розы из раствора, содержанием сухих веществ в увариваемом про-
дукте, конструкцией вакуум-выпарного аппарата, остаточным дав-
лением, наличием механического перемешивания.
Можно считать, что в нормальных условиях ведения технолс,
гического процесса уваривания утфелей, при быстрых темпах его
осуществления без чрезмерного накопления продуктов на этой
станции потери сахарозы от разложения обычно не являются
одним из основных источников сверхнормативных потерь сахарозы
в производстве. Но чрезмерная мощность установки, частые за-
держки в ее работе, низкая концентрация продуктов, обусловли-
вающая повышенную длительность уваривания, высокое остаточ-
ное давление в аппарате, плохая циркуляция, повышенная темпе-
ратура греющего пара могут привести к заметному увеличению
потерь сахарозы на станции уваривания, к повышенному выходу
мелассы, к ухудшению качества белого сахара.
Влияние способов очистки на потери сахарозы при выпарива-
нии и уваривании. Основное влияние на величину потерь сахарозы
в процессе выпаривания сока и уваривания сиропа оказывает спо-
соб очистки диффузионного сока.
Установлено, что величина химических потерь сахарозы при
выпаривании соков типовой очистки и комбинированной холодно-
горячей дефекации, полученных в период сентября — ноября ме-
сяцев, практически одинакова и составляет соответственно 0,047
и 0,051%, к исходному количеству сахарозы; однако в период де-
кабря— января суммарные химические потери сахарозы при выпа-
ривании сока комбинированной холодно-горячей дефекации в
1,7 раза меньше — соответственно 0,05524 против 0,09537%. Ска-
зывается большая термическая устойчивость сока длительной
холодно-горячей дефекации (В. А. Колесников).
Основной химический распад сахарозы — около 80% от общего
в процессе выпаривания — наблюдается в I и II ступенях выпарной
станции, причем если в сокё типовой очистки в период сентября —
ноября и декабря — января в первых двух ступенях распалось
соответственно 0,03792 и 0,07610% сахарозы (увеличение в 2 раза),
то в соке комбинированной холодно-горячей дефекации прироста
потерь сахарозы в декабре — январе практически не наблюдалось
(распалось в первых двух ступенях 0,04350% сахарозы в сен-
тябре— ноябре и 0,04510% в декабре — январе).
При уваривании утфелей из продуктов типового способа
очистки расчетные химические потери сахарозы значительно пре-
вышают потери при выпаривании — сказывается влияние пони-
женного значения pH и длительности процесса.
При уваривании же продуктов, полученных с использованием
комбинированной холодно-горячей дефекации, потери сахарозы
значительно меньше — в сентябре — ноябре и декабре — январе
соответственно 0,03900 и 0,05964%. В декабре — январе потери
сахарозы при уваривании и выпаривании практически одинаковы
и составляют соответственно 0,05964 и 0,05524%.
Следовательно, при использовании способа очистки диффу-
23»
знойного сока с комбинированной холодно-горячей дефекацией в
сравнении, с типовой очисткой можно снизить величину суммарных
химических потерь сахарозы в процессе выпаривания и уваривания
в сентябре — ноябре и декабре — январе соответственно на 0,04 и
0,23% к количеству исходной сахарозы.
Таким образом, именно количество сока, степень его терми-
ческой устойчивости являются одним из наиболее важных фак-
торов, определяющих его поведение при выпаривании и уварива-
нии в условиях различного Температурного режима, а потери саха-
- розы при проведении этих процессов зависят в основном от тем-
пературы, продолжительности термообработки и фактического pH
среды. Уменьшение потерь сахарозы в результате термического
разложения при выпаривании в условиях сравнительно жесткого
температурного режима в головных ступенях выпарной станции
может быть достигнуто также за счет сокращения времени пребы-
вания в них соков при уменьшении удельной поверхности нагрева
аппаратов.
Высокотемпературное сгущение термически устойчивого
сатурационного сока
Типовая тепловая схема отечественных свеклосахарных заводов
предусматривает кипение в I ступени при 126° С (удельная поверх-
ность нагрева этой ступени 80 м2/100 т перерабатываемой свеклы;
среднее время нахождения в ней сока при этой температуре
10 мин). Указанная максимальная температура кипения (126°С)
установлена, исходя из поляриметрических данных А. Герцфельда
и И. Е. Душского (потери сахарозы при нагревании ее щелочных
растворов), согласно которым в нагреваемом щелочном растворе
чистой сахарозы в течение 1 ч при 110° С разлагается 0,16 части
сахарозы (на 100 ее частей); при 120°С — 0,28; при 125°С — 0,53,
а при 130° С—2,05 части. Поэтому, как считает, например, Р. Вей-
денгаген, А. А. Герасименко, П. В. Головин, А. И. Шапиро,
В. М. Кац температура кипения сатурационного сока ни в одной
ступени выпарной-станции не должна превышать 125° С (в про-
тивном случае потери сахарозы от термического разложения
резко возрастут). Однако данные А. Герцфельда, И. Е. Душского
по щелочному разложению сахарозы в чистых растворах при на-
гревании являются неточными и совершенно непригодны для
практики сгущения буферных сахарных растворов, так как полу-
чены авторами при неустановленных, постоянно убывающих зна-
чениях pH.
Как показал С. 3. Иванов, линейная зависимость между дли-
тельностью нагревания и количеством распадающегося сахара
характерна только для индукционного периода распада, тогда как
внезапное ускорение происходит лишь при завершении индукцион-
ного периода и при переходе реакции во вторую стадию быстрого
распада сахарозы. Между тем, автокаталитическая реакция рас-
пада сахарозы при сгущении буферного, нечистого сахарного рас-
232
твора проходит на выпарной станции лишь начальный; индукцион-
ный период: развитию ее препятствуют буферные вещества
щелочного сока. Непропорционально резкое увеличение потерь
сахарозы при 125—130° С объясняется значительным снижением
pH чистого раствора сахарозы при его нагревании, что в свою
очередь усиливает разложение сахарозы.
Если же нагревать сахарозу в буферных растворах, pH которых
в процессе термообработки не будет заметно Изменяться, то рез-
кого увеличения в количестве распавшейся сахарозы при указан-
ных температурах не наблюдается. При нагревании свекловичного
сока разложение сахарозы и снижение pH в нем идет с гораздо
меньшей скоростью, чем в чистом растворе сахарозы. Так, по
данным М. Атенштедта, нагревание сатурационного сока с pH 8,6
в течение 1 ч при 100, ПО, 120 и 130°С обнаруживает уменьшение
сахарозы соответственно на 1,4; 2,1; 3,9 и' 8,9 ‘ММоЛь/моль. Инте-
ресно, что, по данным М. Атенштедта, для сока (pH18,6) скорость
разложения сахарозы при 130°С увеличивается (в течение 1 ч)
по сравнению со 120° С в 1,9 раза, а в чистом сахарном растворе;
по данным А. Герцфельда и И. Е. Душского, “'в '7,3 раза. Также
по данным А. Р. Сапронова, С. Е. ХаринаДс повышейием темпе-
ратуры на 10° С скорость реакции распада сахарозы увеличивается
(при одинаковых значениях pH) не более, чем в 3 раза, что сви-
детельствует об отсутствии резкого увеличения скорости разло-
жения сахарозы в буферных растворах |три температурах выше
125° С, характерных для режима первых Ступеней выпарной стан-
ции свеклосахарного завода. }
Это позволило А. Р. Сапронову утверждать, что «так как в
интервале температур 120—140° С не обнаружено {Участков, где
скорость распада сахарозы в ^ависимостр от температуры повы-
шалась скачкообразно, поэтому для сокращения потерь сахара в
производстве можно при соблюдении соответствующих, услрвий
рекомендовать увеличение Темйера’гурЬ1',н|ггрёванйя’'сЬка‘ йй’вы-
парной станции, что Позволит ЛучШе йспольЗЬйаЧтДбой'Ьййё'пары,
которые из-за низкого потенциала" В нагИВйЙт'ёё1 Йрёйя' йейользу-
ются не полностью, и сократить за этот счет время выпаривания
сока». И далее... «так как 80% цветных веществ-в свеклосахарном
производстве образуется на продуктовой етаяЕШЩи. т© - основное
влияние на количество цветных веществ .оказывает,.; це жесткий
температурный режим иа выпарке, a tбольшие »бу.фериые.!емкости
продуктовой станции, длительное пребывание-в* Н№СиД°йа..г». г
Конечно, если, например, температуру кипения одного и того
же сатурационного сока в I ступени вьПтй{>Йойдётанции увеличить
со 126 до 130°С (при одной , и той же^ дда^льда₽т^#ах<^еденвд
в ней сока, например, 10 мин), то цветностаг-софад^ также потери
сахарозы возрастут ЭкспойенцйадаЩГ^ПС^Ш^шИУ^тёмйер'атуры.
Одиако необходимо” учесть*, йтбццрйг-уйОй$гй₽йй? температуры
кипения сатурйцйонИсй'о"сока5вЕ'1',ёФ^ШёМ1Р -п<5-
верхностЁ 'ййгрева~‘ее7^ЛеДовйТельй»,‘+И 'ней
сока прй'’боЛВе ‘ВЫё5йойй 'Ге<мпер'йТурё«уШе1йш^1Й^й бЬлВ-
шего полезного температурного перепада на ступени, а также в
результате усиления нагрузки по вторичным парам на хвостовые
выпарные аппараты.
По данным М. А. Гейштовта, при повышении температуры
кипения сока на 20° С время пребывания его в корпусе умень-
шается в 5 раз. Пропорционально сокращаются и потери саха-
розы от термического разложения, так как, по данным К. Вукова,
М. Каролине, количество разложившейся сахарозы и прирост
цветности при выпаривании сатурационного сока в течение не
более 60 мин пропорциональны длительности его пребывания в
корпусах.
Таким образом, потери сахарозы от термического разложе-
ния при 126° С в течение 10 мин будут, примерно, равны потерям
при кипении 130° С в течение 7,5 мин, или при длительности
термической обработки сатурационного сока в 1,3 раза меньшей.
По данным В. Габора, при повышении температуры кипения сока
в I ступени со 120 до 130° С для компенсации увеличивающейся
скорости распада сахарозы поверхность нагрева ступени, а сле-
довательно, и время пребывания сока в ней должны быть умень-
жены в 1,28 раза — табл. 36.
Таблица 36
Температура кипения сока, °C Температура кипения сока, °C
120 130 140 150
но 1,3 1,66 2,13 2,70
120 — 1,22 1,64 2,08
130 — —. 1,28 1,62
140 — — 1,27 1,27
По П. Хонигу, зависимость между временем пребывания сока
в выпарном аппарате (т, мин) и температурой кипения (tKMn, ° С)
характеризуется следующим данными:
2 3 6 12
120 115 ПО 105
в первых ступенях вы-
Предельное время пребывания сока
парной станции, в течение которого количество разложившейся
сахарозы остается на одном уровне, можно определить по урав-
нению (71), полученному М. А. Гейштовтом и сотр.
тп11=[1000— (t— 118,5)2l0,s —10,4, (71)
где Тпр, — предельное время пребывания сока, мин;
t — температура кипения сока, °C.
Таким образом, решающим фактором в реакциях разложения
сахарозы на выпарной станции является не высокая температура,
а продолжительность пребывания сока в аппаратах при высоких
температурах. Известен факт, когда температура кипения сока
в I ступени 142° С ж выше при соответствующем сокращении
234
продолжительности нагревания не оказывала существенного влия-
ния на качество сока и потери сахарозы (В. Прасковец).
На выпарных станциях зарубежных сахарных заводов при-
меняются более высокие температуры. Так, тепловая схем»
фирмы ВМА предусматривает температуру греющего пара до
137° С, кипение сока в I ступени — до 129,5° С, вторичного пара
IV ступени — до 95° С. В тепловой схеме фирмы Баккау-Вольф
эти температуры соответственно равны 137, 128,5 и 100° С. По
схеме датской корпорации DdS температура греющего пара
138° С, а кипения сока в I ступени— 134° С. Однако удельные
поверхности нагрева I ступени на этих заводах меньше, чем на
отечественных — 30—40 м2/100 т перерабатываемой свеклы, а
время пребывания сатурационного сока в этом аппарате не более
4—5 мин. Между тем, как указывает Р. Вейденгаген, А. А. Гера<-
сименко, краткое время пребывания сока при более высокой тем-
пературе менее вредно, чем продолжительное при более низкой.
Конечно, при этом необходимо учитывать качество перерабатывае-
мой свеклы, термическую устойчивость соков и сиропов.
По данным Л. П. Рева, Н. Ю. Тобилевича, В. Т. Гаряжа, сгу-
щение сока, содержащего на 100 ч СВ 0,1% редуцирующих
веществ, не сопровождается заметным увеличением содержание
редуцирующих и значительным приростом цветности при темпера-
турах кипения 115—130° С. И только при температуре 135° С каче-
ственные изменения сока становятся заметными. Поэтому при
сгущении сока, полученного из свеклы хорошего качества (мини-
мум редуцирующих веществ — 0,06—0,10% к ее массе), темпе-
ратуру кипения сока типовой очистки в I ступени можно повышать
до 130° С без заметного нарастания цветности. При сгущении же
сока, содержащего 0,7% РВ (на 100 ч СВ), резкое повышение
цветности отмечено уже при температуре кипения выше 125° С,
Таким образом, именно качество сока — один из важнейших фак-
торов, определяющих предельную температуру нагрева.
Сравнительные расчеты выпарной станции, предназначенной
для сгущения соков малотермоустойчивых (типовая очистка) и
с повышенной степенью термостойкости (очистка с комбинирован1-
ной холодно-горячей дефекацией) в режимах выпаривания соот-
ветственно типовом и высокотемпературном показывают, что приг
повышенной температуре за счет большего температурного пере-
пада возможно в 1,5 раза сократить поверхность нагрева I сту-
пени. Пропорционально сокращается и время нахождения сока
в этой ступени. Между тем, именно здесь при максимальной тем-
пературе кипения и наблюдается основное ухудшение сока.
До 30—35% от общих потерь сахарозы при выпаривании
приходится именно на I ступень выпарки в процессе сгущения
сока. Аналогично и в отношении прироста цветности—35—45 %*
его в процессе сгущения наблюдается в I выпарном аппарате-
Опытное выпаривание соков различной степени термоустойчивости
в режимах работы выпарной станции типовом и высокотемпера-
турном показывает, что прн высокотемпературном сгущении соки
235
повышенной термостойкости (получен с использованием комбини-
рованной холодно-горячей дефекации) качество сиропа в отно-
шении цветности, pH, содержания солей кальция выше, чем си-
ропа, полученного в условиях типового сгущения из малотермо-
стойкого сока типовой очистки.
Что касается величины потерь сахарозы, то суммарные потери
<Je при выпаривании и уваривании сока повышенной термоустой-
чйвосТи в условиях высокотемпературного сгущения в 1,8 раза
меньше, .'чем .сока .типовой очистки и типовом температурного
режима сгущения — соответственно 0,19 и 0,35% к исхрдной саха-
розе:-Таким образом,] сгущение на выпарной станции термически
устойчивых глубокосульфитированных сатурационных соков ком-
бинированной холодно-горячей дефекации можно проводить в
условиях Высокотемпературного режима.
-м Перевод свеклосахарного завода на высокотемпературное вы-
паривание сатурационных соков позволит сэкономить до 5—6%
топлива к массе расходуемого, повысить кратность испарения за
счет перевода ряда технологических потребителей на обогрев
вторичными парами более низкого потенциала; повысить за счет
этого концентрацию сиройа; сократить длительность варки утфеля
^продукта, а следовательно, уменьшить прирост цветности и по-
тери сахарозы при варке; сократить расход воды на конденсатор,
повысить производительность станции уваривания.
Я' . Однако для ‘сгущения на выпарной станции с повышенной
температурой кипенияь'нужен термически устойчивый сок, содер-
жащий Минимально>®ормйжное- количество редуцирующих веществ
нт амидов, распад который в условиях «щелочного высокотемпе-
ратурного выпаривания- привел бы к значительному приросту
цветности, к•иитенс^йному йонижёникУ' pH, к увеличению потерь
сахарЬзы. ’ч.я - '•><./
->> Повышение температуры кипения и температуры греющего
пара должно, сопровождаться также дальнейшим совершенствова-
йием конструкции выпарных аппаратов, в частности, использова-
нием принципа прямотбчности, особенно для «головных выпарных
сягуненей, введением «принудительной циркуляции сока и других
мероприятий, сокращающих время пребывания сока на выпарной
удгановке:'и в/ первую очередь Ъ головных аппаратах с макси-
марзьной температурой кипения.
Г ла в a VH. КОНДЕНСАТНОЕ ХОЗЯЙСТВО
САХАРНЫХ ЗАВОДОВ " J .
•&ЕЙОВАНИЯ К КОНДЕНСАТНЫМ СХЕМАМ
Организация рационального конденсатного хозяйства может
быть «достигнута осуществлением' ряда весьма Несложных и срав-
нительно легко выполнимых’решений; К ним относятся:
236
правильное устройство конденсатных систем, обеспечивающее
своевременное и полное удаление конденсата из теплообменных
аппаратов, нагревательных приборов и паропроводов;
установка отводчиков конденсата, препятствующих поступле-
нию в конденсатопроводы неконденсирующнхся газов;
устранение потерь конденсата через неплотности конденсато-
ироводов;
устройство рациональной тепловой изоляции на конденсато-
Йроводах;
максимально возможное использование конденсатов для пита*
Ния парогенераторов;
оснащение конденсатных схем контрольно-измерительными
приборами, автоматизация удаления конденсата и регулирование
работы конденсатной схемы;
организация планово-предупредительного ремонта всех Эле-
ментов конденсатного хозяйства и повседневного надзора за их
работой.
Конденсатное хозяйство сахарного завода должно гарантиро-
вать надежный отвод конденсатов из теплообменной аппаратуры,
полностью обеспечивать потребности ТЭЦ в качественных пита-
тельных конденсатах требуемых параметров и снабжать горячей
водой основное производство. Прн этом конденсатное хозяйство
завода должно быть высокоэкономичным, простым и. надежным
в эксплуатации.
Основные виды конденсатных схем. Баланс конденсата
Системы сбора и возврата конденсата весьма разнообразны.
Среди них основными являются:
система, работающая за счет давления пара;
самоточная система, работающая за счет разности высот в
начале и в конце конденсатопроводов;
насосная система, предусматривающая перекачку конденсата
с помощью насосов;
смешанная система, включающая элементы вышеуказанных
систем. , . • ;
Кроме того, различают открытые, закрытые и комбинирован-
ные системы в зависимости от того, сообщаются ли они е.^жмот
сферой. В случае открытой системы наблюдается соприкосновение
конденсата с кислородом воздуха (температура конденсату,.щри
этом ниже 100° С) и как следствие — коррозия конденсатопрово-
дов. Закрытая система отвода конденсата в этом отношении
имеет преимущества — практически исключен контакт конденсата
с кислородом и максимально снижены потери пара самоиспарения.
Каждая конденсатная схема состоит из трех основных узлов:
узла сбора конденсата; снижения температуры аммиачных конден-
сатов и узла дренажной системы.
В настоящее время в сахарной промышленности применяются
Ш основном два типа конденсатных схем; со сборниками и с гид-
237
равлическими колонками (типовое решение) Кроме того, встре-
чаются различные смешанные решения.
Схема со сборниками может быть применена практически на
любом сахарном заводе при различной компоновке по высоте
теплообменного оборудования. Однако узел сбора и снижения
температуры питательных конденсатов в этой схеме громоздкий,
так как включает в себя два испарителя для конденсатов ретур-
ного пара и минимум один испаритель для конденсата вторичного
пара I ступени выпарной установки. Снижение температуры ам-
миачных конденсатов здесь обеспечивается с помощью переточной
системы, в которой последующий сборник является испарителем
для предыдущего. Переток конденсата из сборника в сборник (или
в испаритель) осуществляется через автоматы-конденсатоотвод-
чики или иные автоматические регулирующие устройства.
Наибольшее распространение на сахарных заводах получила
конденсатная схема с использованием для отвода конденсата гид-
равлических колонок системы Нисснера и ВНИИСПа. Такая схема
отвода конденсата имеет ряд преимуществ перед схемой со сбор-
никами (с индивидуальным отводом конденсата из теплоисполь-
Зутощих аппаратов), а именно
з^резко сокращается количество ' конденсатоотводчиков (на
W?«0%);
tz’Повышается надежность работы теплового оборудования,
Снижаются эксплуатационные расходы на обслуживание и
ремонт конденсатоотводчиков и на изоляционные работы по кон-
денсатной схеме;
сокращается длийа конденсатопроводов (на 30—40%);
снижаются потери тепла с пролетным паром и конденсатами,
а также потери во внешнюю среду (благодаря сокращению длины
конденсатопроводов и числа конденсатоотводчиков).
Кроме того, упрощаются узел сбора н снижения температуры
питательных конденсатов и сама переточная система. Оборудо-
вание конденсатной схемы с гидравлическими колонками зани-
мают и меньшую производственную площадь. Гидравлическая
колонка включает в себя сборник и испаритель, а поэтому не тре-
бует дополнительных автоматических парозапирающих устройств.
Гидравлическая конденсационная колонка системы Нисснера
с внутренним циркуляционным контуром представлена на рис. 73.
Конденсат по патрубкам 4 поступает во внутреннюю трубку 2
В прорезями 3 для прохождения конденсата в трубу при его цир-
куляции из кольцевого пространства между колонкой 1 и тру-
бой 2. Из трубы 2 через перелив 8 конденсат направляется в рас-
ширенную часть колонки — сепаратор 5. Часть конденсата по
кольцевому пространству возвращается в трубу 2, а часть отво-
дится по патрубку 6 в сборник конденсатов. Пар самоиспарения
отводится через паровую оттяжку. Конденсат кольцевого про-
странства своим давлением уравновешивает давление пара, обра-
зующегося во внутренней трубе. Пар же вызывает циркуляцию
конденсата в колонке таким образом, что во внутренней трубе
238
ФЮОО
ч
Рис. 73 Гидравличе-
ская конденсатная ко-
лонка системы Ниссера:
1 — корпус колонки, 1 —-
внутренняя труба, 3 — про-
рези для конденсата, 4—вход
конденсата в колонку, 5 —
сепаратор, 6 — отвод конден-
сата в сборник, 7 — во-
домерное стекло, 8 — пере-
ливная труба
он движется снизу вверх, а в кольцевом пространстве — вниз,
проникая через щели во внутреннюю трубу 2. Конденсат, выхо-
дящий из колонки, имеет повышенную температуру, и для его
охлаждения может быть использован сборник, который устанав-
ливается обычно для каждой колонки..
В настоящее время в сахарной
промышленности установлены в ос-
новном гидравлические колонки
ВНИИСПа с наружным циркуляцион-
ным контуром (рис. 74). Через пат-
рубки на коллекторе 2 и суживающе-
еся сопло конденсат направляется в
циркуляционную трубу /2, по которой
движется вверх. Из сепаратора 5
часть конденсата отводится по пат-
рубку 13 из колонки, а часть попадает
во вторую циркуляционную трубу 11.
Пар самоиспарения конденсата ухо-
дит через паровую оттяжку. Колонка
снабжена манометрами, термометром
и водомерными стеклами Паровую
оттяжку из колонки направляют на
одну ступень ниже по давлению и
тем самым автоматически снижают
температуру конденсатов
Гидравлическая колонка ВНИИ-
СПа в сравнении с колонкой системы
Нисснера обеспечивает более надеж-
ный отвод конденсата, значительно
меньший прорыв пара и унос конден-
сата.
Схема отвода конденсата из тепло-
использующей аппаратуры сахарного
завода гидроколонками представлена
на рис. 75.
Схема имеет следующие особен-
ности.
конденсаты отдельных выпарных
аппаратов группируются по гидравли-
ческим колонкам по принципу при-
мерно равных температур;
паровые оттяжки из колонок и
конденсатных сборников направляют-
ся по принципу — на ступень ниже
по давлению греющего пара
Конденсаты ретурного пара и части вторичного пара I сту-
пени выпарки (с колонок 5 и б) направляются в ТЭЦ для питания
парогенераторов. Это позволяет уменьшить загрязнение их по-
верхности нагрева, повысить надежность эксплуатации, снизить
239
расходы на очистку и повысить паропроизводительность и к. п. д.
парогенераторов, обеспечив экономию топлива. При этом, если
ТЭЦ оборудована деаэраторами среднего и повышенного давле-
ния, то температура конденсатов по^ле колонок не снижается
(средняя температура смеси конденсата ретурного и вторичного
пара I ступени 120°С); если же установлены деаэраторы атмо-
сферного типа, то температура смеси конденсатов перед поступле-
нием в ТЭЦ снижается до 101—102° С за счет установки после
колонок 5 и 6 дополнительных конденсатных сборников с паровой
оттяжкой в соковое пространство III ступени (с температурой
102°С), т. е. пар самоиспарения используется в составе вторичного
пара. В настоящее время принимаются меры к поставке сахарным
Рис. 74 Гидравлическая .конденсатная колонка системы ВНИИСПа:
1 — приемная камера 2 — коллектор конденсата, 3 н 6 — краны указателя уровня, 4 — тер-
мометр прямой'в металлической оИраве, 5— сепаратор колонки, 7 — манометр; в — контроль-
ный жын, — сопло, 10 ->задвцжкд, 11,J2 ^.циркуляционные трубы, 13 — патрубок отвода
конденсата
-240
заводам деаэраторов среднего и повышенного давления и пита-
тельных наСосов для перекачки конденсата с температурой до
150° С и полным напором ф20 м вод. ст. Контроль за качеством
питательных конденсатов осуществляется периодически в деаэра-
Рис 75 Принцип отвода конденсата гидравличе-
скими колонками
I, II, III, IV — ступени выпарной станции, V, VI, VII,
VIII—конденсатные гидравлические колонки соответственно
ретурного и вторичного паров I, II н III ступеней выпарки,
IX — сборник конденсата
торном отделении ТЭЦ. При обнаружении сахара в конденсате
до принятия мер в конденсатном хозяйстве завода весь конденсат
сбрасывается в дренажную систему. Поэтому внедрение эффек-
тивного автоматического,
контроля на этом участке
позволяет улучшить качест-
во конденсата.
Отвод конденсатов из'
вакуум-аппаратов, незави-
симо от вида греющего па*
ра, необходимо производить
в колонку конденсата вто-
ричного пара II ступени
(или установить отдельную
гидравлическую колонку).
Такое направление конден- Рис 76 к расчету количества конденсата
сата принимается с целью на сахарном заводе
исключить поступление в парогенераторы конденсатов, чаще всего
содержащих сахар, а также из-за неравномерного поступления
конденсата с вакуум-аппаратов.
Избыточные конденсаты регурного и вторичного пара I сту-
пени, а также конденсаты 11$ III ступеней выпарки направляются
24Г
последовательно по гидравлическим колонкам соответствующих
ступеней в сборник конденсата 9 (куда подводится конденсат
вторичного пара IV ступени выпарки) и из последнего (сбор-
ника 9) при 85° С насосом откачиваются в сборник конденсата на
башне (на технологические нужды завода). Причем в этом случае
такой конденсат может быть использован и в системе отопления,
а также для нагрева диффузионного сока в подогревателях
I группы.
Подсчет количества конденсата на сахарном заводе наглядней
всего провести на конкретном примере. Пусть завод оборудован
четырехступенчатой выпарной станцией с концентратором, а рас-
ход греющего пара на I ступень выпарки — 50 кг; количество
отбираемых вторичных паров на технологические потребители со-
ставляет, кг: Е!=25; £2=10; £3= 13; £4=2 (при условии, что кон-
центратор работает только за счет самоиспарения).
Количество конденсата из паровых камер ступеней выпарной
станции (рис. 76):
GKB = Ох + 1)2 4- D3 4- Dt = 50 + 25 + 15 4- 2 — 92% к массе свеклы.
Количество конденсата ретурного пара и вторичных паров,
поступающих на обогрев технологических потребителей:
GKT = £р 4~ £1 Ч~ £3 ± — 5 4~ 25 4-13 4-2 = 55%.
Итого конденсата с выпарки и с технологических потребителей:
GK = GKB 4- GKT = 92 4- 55 = 147% к массе свеклы.
Из этого количества до 80% конденсата ретурного и вторичного
пара I ступени направляется в ТЭЦ для питания паровых котлов.
В этом случае на заводе остается конденсата 147 — 80=67%.
причем до 50% этого количества может быть использовано на
диффузии, а остальной — для промывки осадка на вакуум-фильт-
рах и на другие нужды.
УСТАНОВКА И РАСЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ КОЛОНОК
Устойчивая работа гидравлических колонок ВНИИСПа зависит
не только от установленных производственных режимов, но и от
правильного расчета рабочей производительности конструкций
колонки и установки ее в конденсатной схеме в соответствии с
учетом законов гидравлики и термодинамики.
При установке колонки системы ВНИИСПа расстояние между
штуцером отвода конденсата из теплообменного аппарата и осью
приемного коллектора колонки должно быть не менее 3 м, т. е.
Я1^3 м (рис. 77). Эта высота необходима для компенсации
быстро изменяющихся перепадов давления поступающего конден-
сата и пара в сепараторе колонки [Др= ±0,015 МПа (0,15 атм)].
Существует и второе условие установки гидроколонки, ограничи-
вающее ее общую высоту:
£» (Р1 Р«) Рем»
242
где pi — давление поступающего на гидроколонку конденсата, МПа,
р2 — давление пара в сепараторе колонки, МПа;
рем —средняя плотность пароконденсатной смеси в подъемном кон-
туре колонки, кг/м3.
Принцип работы гидравли-
ческой колонки циркуляцион-
ного типа заключается в соз-
дании гидравлического затво-
ра, равного высоте столба
жидкости в гидравлической
колонке и сумме гидравличе-
ских сопротивлений между
смежными ступенями давле-
ния, к которым подключена
колонка.
При расчете гидроколонки
величина гидравлического за-
твора (м), представляю-
щая столб конденсата расчет-
ной высоты размером от оси
трубы входа его в колонку до
перелива из расширенной ча-
сти подъемной трубы, опреде-
ляется (без учета сопротивле-
ния) по формуле
Рис 77 Схема установки гидравли-
ческой конденсатной колонки систе-
мы ВНИИСПа
(72>
(Р1 — Ра) <р
9,81
2/7 =
где Уср' —удельный объем парожидкостной смеси в подъемной трубе
колонки, м3/кг,
pi, р2 — соответственно давление поступающего иа колонку конден-
сата н вторичного пара, Па.
При течении конденсата в контуре гидравлической колонки
часть напора расходуется на создание скорости и на преодоление
силы трения. Поэтому давление отводимого конденсата постепенно
снижается и в нем образуется пар самоиспарения.
ОТВОД НЕКОИДЕНСИРУЮЩИХСЯ ГАЗОВ
Существенное влияние на величину коэффициента теплоотдачи
от пара к стенке си оказывает наличие в паре иеконденсирую-
щихся газов — воздуха, углекислоты, аммиака, которые создавая
дополнительное сопротивление притоку пара к поверхности на-
грева, ухудшают теплопередачу. Наличие в паре вСетб лишь 1%
некоиденсирующихся газов (воздуха) снижает ведцдцру коэффи-
циента теплопередачи вдвое.
Если пар содержит воздух, то для получения фактической
величины коэффициента теплопередачи значение его, вычисленное
для чистого пара (без примесей некоиденсирующихся газов),
умножают на поправочный коэффициент, величина которого зави-
сит от процентного содержания газа (рис. 78). Считается, что сред-
243
нее содержание неконденсирующихся газов в греющих камерах
выпарных аппаратов сахарных заводов/составляет 0,2% к массе
пара и колеблется в пределах 0,05—0,5 °Х.
Определенно установлено, что содержание неконденсирую-
щихся газов увеличивается от первой к последней ступеням вы-
парной станции, однако закономерного сосредоточения неконден-
сирующихся газов в какой-либо части объема греющей камеры
не наблюдается. Среднее содержание неконденсирующихся газов
в паре, отобранном из оттяжки и из любой точки объема греющей
камеры практически одинаково. Это свидетельствует о том, что
яеконденсирующиеся газы как более легкие пары скапливаются
Не только в верхней части греющей камеры аппарата, а имеются
во всем объеме ее. Поэтому отвод неконденсирующихся газов
следует производить не только из нескольких точек по высоте и
с противоположной стороны от места ввода пара
Обычно аммиачные оттяжки из верхней части паровых камер
направляются в надсоковое пространство корпусов на ступень
ниже по давлению греющего пара. Отвод их осуществляется из
нескольких точек, наиболее удаленных от места ввода греющего
пара При отводе в соковое пространство корпуса пар, отводимый
с газами, не теряется и вследствие разности давлений создается
движение газа, способствующее
чистоте
нако
вода
зов ими загрязняется греющий
пар, поступающий на последую-
щие корпуса, что снижает коэф-
фициент теплопередачи. Кроме
того, при таком отводе газа (в
соковое пространство корпуса на
ступень ниже по давлению), со-
держащийся в них аммиак всту-
пает в контакт с соком,
водит к значительному
нию последнего (по
паровой камеры. Од-
при таком способе от-
неконденсирующихся га-
Содержание ОазВцхо D паре, %
Р н с 7$ Зависимость вели-
чины цоправочного коэффи
цнента с от содержания воз-
духа в греющем паре
что при-
потем не-
да иным
А. Р Сапронова, В. А. Колесни-
кова, 3. Д. Одинцовой). Очевид-
но, в данном случае идет процесс
образования красящих веществ
в результате взаимодействия ре-
дуцирующих сахаров (или про-
дуктов их распада) с аммиаком.
Поэтому и с технологической
точки зрения такой способ отвода неконденсирующихся газов сле-
дует признать малоцелесообразным.
Аммиачные газы из всех греющих камер аппаратов, работаю-
щих под давлением, допускается выпускать непосредственно в
атмосферу, а из аппаратов, работающих под разрежением, отво-
244
дить непосредственно на конденсатор. Этот способ отвода некон-
денсирующихся газов способствует повышению коэффициента
теплопередачи, разгрузке конденсатора и воздушного насоса,
исключает контакт аммиака с соком, что в общем компенсирует
несколько увеличенный расход пара, хотя и не совсем отвечает
санитарным требованиям. При нормальных условиях работы вы-
парки аммиачные оттяжки должны быть приоткрыты на столько,
чтобы отводящая газы труба была не слишком горяча (50°С).
При этом через нее будут удаляться газы при незначительной
потере пара. Более высокая температура свидетельствует о том,
что вместе с газами отводится пар, пониженная — о том, что газы
заполнили паровую камеру, ограничив поступление пара.
КОНДЕНСАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА ВЫПАРНЫХ УСТАНОВОК
Конденсаторы смешения. Методика расчета
Основная задача вакуум-конденсаторной установки, являю-
щейся одним из основных элементов тепловой схемы сахарного
завода, заключается в обеспечении оптимального значения рас-
полагаемой полезной разности температур в вакуум-аппаратах и
на выпарной установке. Кроме этого, барометрический конденса-
тор в технологической схеме завода служит источником горячей
воды.
Особые требования к вакуум-конденсаторной установке сахар-
ного завода предъявляются в настоящее время в связи с пере-
водом обогрева вакуум-аппаратов на вторичный пар II и даже
III ступеней выпарной установки и необходимостью в связи с этим
иметь достаточно глубокий вакуум в процессе варки утфелей.
Вакуум-конденсаторная установка сахарного завода должна
удовлетворять следующим ^требованиям: иметь малое гидравли-
ческое сопротивление; обеспечивать нагрев охлаждающей воды
до температуры насыщения конденсируемого пара (только при
этом обеспечивается минимальное потребление воды); иметь ма-
лые габариты, универсальность применения, простое устройство
и быть надежной в эксплуатации.
Для конденсации вторичного пара из последней ступени вы-
парной установки и вакуум-аппаратов (суммарный нормативный
выход пара на конденсатор принят 22% к массе свеклы) на
свеклосахарных заводах в настоящее время применяются баро-
метрические конденсаторы смешения, в которых пар конденси-
руется при его непосредственном контакте с охлаждающей водой.
Разрежение в конденсаторе достигается за счет конденсации во-
дяного пара, объем которого при этом значительно уменьшается.
В паре, поступающем на конденсатор, содержится значительное
(от 0,5 до 6,0% по массе смеси) количество неконденсирующихся
газов, причем, чем выше концентрации их, тем больше парциаль-
ное давление и меньше разрежение в конденсаторе при данной
24S
температуре. Количество некоиденсирующихся газов в паре и
производительность вакуум-насоса зависят от качества свеклы и
технологической схемы завода, методов работы на отдельных
станциях, газонасыщенности охлаждающей воды, плотности со-
единения арматуры и трубопроводов и ряда других факторов.
Приближенно количество некоиденсирующихся газов, отсасы-
ваемых вакуум-насосом из конденсаторной установки.
0,6880 (273 + /0)
' 760 — р0
(73>
где gB — количество некоиденсирующихся газов, м3/100 кг свеклы;
D — количество пара, поступающего в конденсатор, % к массе
свеклы;
ро—разрежение во всасывающем патрубке вакуум-насоса, 0,85-105 Па;
/о — температура отсасываемой смесн, °C (25° С).
Процесс образования разрежения в вакуум-аппарате при по-
мощи центральной конденсаторной установки, повсеместно
применяемый на отечественных сахарных заводах, связан с ухуд-
шением качества сахара, вызывает необходимость в соковых и
водных подкачках.
Для устранения этих недостатков рекомендуется применять
пусковой насос. В этом случае вакуум-аппарат присоединяется
к вакуумной системе завода только после образования в нем
заданного разрежения.
Совершенствование и оптимизация работы вакуум-конденса-
торной установки сахарного завода идет в направлении раздель-
ной конденсации паров выпарной установки и вакуум-аппаратов.
На рис. 79 конденсатор выпарки и конденсатор вакуум-аппаратов
соединены по пару последовательно через вентиль, посредством
которого парожидкостная смесь после конденсатора выпарной
пар из выпарной
установки
парага
р-о,О5МЛо
tn--5M
-0,085
МПа
зионную
установку
парил вакуум-
-М --------
Рис. 79. Схема вакуум-кондеисаторной
установки при последовательном соедине-
нии конденсаторов выпарной станции и
вакуум-аппаратов:
1 — воздухоотделитель; 2 — конденсатор выпарной
станции; 3 — регулирующее устройство, 4 — кон-
денсатор вакуум-аппаратов; 5 — ловушка-сепара-
тор; 6 — бан барометрической воды.
установки редуцируется
до давления пара ваку-
ум-аппаратов, а на рис. 80
каждый конденсатор под-
ключен к своим вакуум-
насосам.
При раздельном под-
ключении представляется
возможным повысить тем-
пературу барометриче-
ской воды, уменьшить
расход охлаждающей во-
ды, улучшить разрежение
в воздушной системе ва-
куум-аппаратов. Извес-
тен и опыт американских
свеклосахарных заводов,
применяющих схему кон-
денсации, особенностью
которой является уста-
246
новка для каждого ваку-
ум-аппарата отдельного
конденсатора. При этом
отпадает необходимость
в громоздких воздушных
вентилях, длина паропро-
водов сокращается до
минимума, во время
включения аппарата в
работу разрежение повы-
шается постепенно и нет
необходимости для полу-
чения предварительного
разрежения, создавать
специальную линию. Кро-
ме того, что является ос-
новополагающим, коле-
бание разрежения в од-
пар из
на*Пшрт- - - -т-
знойную —~
уаптМаЛ-------
пар из
Р н с 80. Схема вакуум-конденсаторной
установки при раздельном подключении
конденсаторов выпарной станции и ва-
куум-аппаратов:
1 — воздухоотделитель; 2— конденсатор выпарной
станции, 3 — ловушка-сепаратор; 4 — конденсатор
вакуум-аппаратов; 5 — бак барометрической воды
ном вакуум-аппарате практически не влияет на работу
аппаратов.
Тепловой баланс конденсатора смешения выражается
нием
других
уравне-
D (i — t<A
D (i — /2) = W (t2 — /х), откуда W = —-------------—- , (74)
V2---- *1)
где D — количество пара, поступающего в конденсатор, % к массе свеклы;
i — энтальпия конденсируемого пара, Дж/кг;
ti — температура холодной охлаждающей воды, °C;
t2 —температура барометрической воды, °C;
U7 — расход холодной воды, % к массе свеклы.
Размеры конденсатора определяют по следующим соображе-
ниям. Диаметр конденсатора d находят из скорости движения
пара о=55 м/с в горизонтальном сечении конденсатора, причем
свободную площадь для прохода пара (учитывая загромождение
сечения конденсатора полками) принимают 0,37 от всей площади
сечения.
Таким образом, диаметр конденсатора (м)
AD
25-1О3/о
(73)
где /— плотность пара, кг/м3.
Объем активной части конденсатора (м3) может быть опре-
делен по формуле
где а — удельная нагрузка активного объема конденсатора, кг/м3-ч;
по исследованиям И. А. Труба,
а= 1200 — 2000 кг/м3-ч.
247
Полная высота цилиндрической части конденсатора (м)
Конденсаторы поверхностного типа. Методы расчета
Несмотря на простоту конструкции, небольшие габариты обо-
рудования, невысокую стоимость, повышенную интенсивность теп-
лообмена конденсаторы смешения имеют существенный недоста-
ток — барометрическая вода загрязняется аммиаком и другими
содержащимися в паре газами. Кроме того, в нее может попадать
сахар при перебросах из вакуум-аппаратов и последней ступени
выпарной установки. В связи с повышенными требованиями по
охране окружающей среды сброс таких вод в природные водоемы
должен быть исключен. На всех новостроящихся свеклосахарных
заводах применяют оборотную систему водоснабжения — баромет-
рическая вода при 40—50° С поступает в вентиляторные градирни,
охлаждается и вновь поступает в конденсаторы.
Применение оборотной схемы водоснабжения лишает конден-
саторы смешения всех их преимуществ — при сравнительно недо-
рогих конденсаторах смешения приходится применять дорого-
стоящие градирни и хлораторные, увеличивать затраты на очист-
ные сооружения. В этом случае более выгодным является при-
менение поверхностных конденсаторов.
Применение поверхностных конденсаторов вместо конденсато-
ров смешения исключает соприкосновение охлаждающей воды и
конденсируемого пара и тем самым устраняет загрязнение вод
I категории, позволяет получить конденсат, ранее теряемый в ба-
рометрической воде. Однако при этом увеличивается количество
охлаждающей воды и снижается ее температура после конденса-
тора, что ухудшает условия использования ее для нужд свекло-
сахарного производства. Вследствие пониженных коэффициентов
теплопередачи поверхностные конденсаторы должны иметь боль-
шие площади поверхности теплообмена; не исключено попадание
утфеля в межтрубное пространство поверхностного конденсатора,
а это связано со значительными трудностями в его очистке. Вот
почему в настоящее время в сахарной промышленности поверх-
ностные конденсаторы работают только на сахарорафинадных
заводах. Однако опытный образец поверхностного конденсатора
(поверхность теплообмена 200 м2) разработан и для, свеклосахар-
ного производства. Установлено, что такие горизонтальные кожу-
хотрубные конденсаторы с успехом могут работать ₽ условиях
свеклосахарного производства, обеспечивая достаточно полную
конденсацию пара из парогазовой смеси при повышенном содер-
жании неконденсирующихся гаЗов. Среднеэксплуатационные зна-
чения коэффициентов теплопередачи в поверхностных конденсато-
рах подобного типа в условиях свеклосахарного производства до-
стигают 500—700 Вт/(м2-К).
Площадь поверхности охлаждения конденсатора F (в м2)
248
(78)
М/ср ’
где Q — количество тепла, отдаваемое паром в конденсаторе, кДж/ч;
k—коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-К);
Д/СР — средняя логарифмическая разность температур, °C;
1,1 —коэффициент, учитывающий наличие неконденснрующихся газов.
Количество тепла, отдаваемое паром в конденсаторе, опреде-
ляется по формуле
Q=D(i-tK),
(79)
где D — количество пара, поступающего в конденсатор, кг/ч,
i — энтальпия конденсируемого пара, кДж/кг;
tK — температура конденсата из конденсатора, °C.
Средняя логарифмическая разность температур определяется по
формуле
где Д/i — разность между температурой выходящего пара и температу-
рой входящей воды, °C;
Д/2 — разность между температурой входящего пара и температурой
выходящей воды, °C.
Коэффициент теплопередачи (в Вт/м2-К) определяют по фор-
муле Л. Д. Бермана
(1, Ito \ г о 42 Т/вГ 1
) 1 -' '' 1000 ..<35 ~Г)2 ф*фб- (81)
У /
где dB — внутренний диаметр трубок, мм (по конструктивным черте-
жам),
t' — температура охлаждающей воды при входе в конденсатор, °C;
Фг — коэффициент, учитывающий число ходов в конденсаторе, опреде-
ляемый по формуле
2 —2 / f \
Ф‘ = 1+— 0-3^) • <82>
где z—число ходов воды в конденсаторе (по конструктивным черте-
жам);
Фо — коэффициент, учитывающий влияние паровой нагрузки конден-
сатора, равный 1;
<о — скорость воды в трубках, м/с (должна быть в пределах 1,5—
2,5 м/с);
Рз — коэффициент чистоты, учитывающий влияние загрязнения поверх-
ности охлаждения; величина его принимается в зависимости от
типа водоснабжения и характеристики воды
Тип водоснабжения и характеристика воды
Чистая вода, проточное водоснабжение................. 0,8—0,85
Оборотное водоснабжение с достаточной продувкой системы
или химической обработкой воды.......................0,75—0,8
Грязная вода с возможностью образования минеральных или
органических отложений............................... 0,6—0,75
249
Глава VIII. ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ
И ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ САХАРНЫХ
ЗАВОДОВ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Источником тепловой и электрической энергии сахарных заво-
дов являются ТЭЦ и промышленные котельные, располагаемые на
их территориях. Более 90% сахарных заводов имеют свои ТЭЦ,
7,6%—промышленные котельные с полным обеспечением электро-
энергией и только около 2% заводов снабжаются паром и элек-
троэнергией от электростанций Минэнерго СССР. Работают сахар-
ные заводы сезонно, причем сезон работы заводов совпадает с
периодом максимальной нагрузки энергосистемы, когда вводятся
в действие резервные, менее экономичные электростанции. Целе-
сообразно, чтобы в этот период сахарные заводы не пользовались
электроэнергией из систем, а наоборот, отдавали избыточную
электроэнергию в систему. При этом необходимая пропускная
способность линий электропередачи будет меньше, снизятся по-
тери энергии при трансформации и передаче снизится и стоимость
энергии, отпускаемой потребителям.
Сахарные заводы являются сравнительно крупными круглосу-
точными равномерными потребителями технологического пара
низких параметров (0,35 МПа, 140° С). Для заводов, перераба-
тывающих 1,5, 3,0 и 5,0 тыс. т свеклы в сутки рабочая паропроиз-
водительность парогенераторов ТЭЦ с учетом собственных нужд
составляет 50, 100 и 150 т в час. При минимальном расходе
топлива на базе паропотребления сахарного завода может быть
выработана электроэнергия в количестве 80 и 140 кВт-ч на 1 т
перерабатываемой свеклы соответственно при начальных пара-
метрах пара перед турбогенераторами 3,5 МПа и 435° С и 9,0 МПа
и 535° С.
Общая выработка электрической мощности на базе паропо-
требления сахарного завода, потребление ее сахарным заводом и
ТЭЦ (собственные нужды, а также отдача избыточной мощности
в энергосистему) при указанных параметрах пара перед турбо-
генераторами приведены в табл. 37.
Из приведенных данных видно, что энергия, вырабатываемая
на базе теплопотребления, не только покрывает нужды сахарного
завода, но и может быть отдана в таком же или большем коли-
честве потребителям прилегающего района или в энергосистему.
Мощность ТЭЦ современных сахарных заводов при средних пара-
метрах у турбогенераторов (3,5 МПа и 435° С) в 1975 г. достигла
1,57 млн. кВт, а выработка электроэнергии на теплопотреблении
за сезон сахароварения достигла 3;364 млн. кВт-ч.
Приведенные цифры свидетельствуют о большой роли энерге-
тики сахарных заводов в глубинных районах, которые смогут
250
получать дешевую электроэнергию в период максимальных нагру-
зок, что расширит возможность их электрификации.
Таблица 37
Показатели Электроэнергия (в кВт)при мощности сахар- ного завода, тыс. т свеклы в сутки
1 ,5 3.0 5,0
Выработка электрической мощности на ба- зе теплопотребления сахарного завода . . Общий расход электрической мощности по заводу и на собственные нужды ТЭЦ . . Отдача избыточной электрической энергии в систему 5000—8000 2500 2500—5500 10000—16000 5000 5000—11000 17000—27000 8300 8700—18000
Удельный расход электроэнергии с учетом собственных нужд
ТЭЦ составляет примерно 30 кВт-ч на 1 т свеклы и соответствую-
щий расход тепла на выработку такого количества электроэнергии
12,6-104 кДж/т. Расход тепла на отопление и вентиляцию произ-
водственных помещений в пределах главного корпуса завода
(отделения — известковое, моечное, свеклоперерабатывающее, со-
коочистительное, продуктовое, сушки сахара с упаковочной, лабо
раторные помещения и др.) —6,3-104 кДж/т.
СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ САХАРНЫХ ЗАВОДОВ
Снабжение теплом технологических потребителей, как правило,
осуществляется паром низкого давления (до 0,4 МПа) и пере-
гретой водой (до 150°С). Пар низкого давления получают из
отборов или противодавления турбогенераторов, в которых сраба-
тывается пар более высокого давления, вырабатывая при этом
электроэнергию и из редукционно-охладительных установок. Зна-
чительно реже пар низких параметров получают непосредственно
от парогенераторов низкого давления в промышленных котельных.
Горячую (перегретую) воду получают путем подогрева ее в бой-
лерах паром низкого давления.
Существует два способа снабжения предприятий теплом и
электроэнергией: комбинированный и раздельный.
Способ получения одновременно пара низкого давления через
отборы турбогенераторов и электроэнергии называется комбини-
рованным способом получения тепловой и электрической энергии.
Установки с комбинированной выработкой тепловой и электри-
ческой энергии называются тепловыми электрическими станциями
(ТЭЦ).
Раздельный способ выработки тепла и электроэнергии преду-
сматривает снабжение промпредприятий теплом от котельной
низкого давления, а электроэнергией от самостоятельной конден-
сационной электростанции или энергосистемы (рис. 81).
251
Комбинированный способ выработки тепла н электроэнергии
(рис. 82), осуществляемый с помощью конденсационных турбо-
генераторов с промежуточным отбором пара и турбогенераторов
с противодавлением, обладает весьма существенным преимущест-
вом по сравнению с раздельным способом производства тепла и
электроэнергии. Он позволяет полезно использовать почти все
тепло пара, поступающего в турбогенератор и до минимума со-
Рис. 81. Схема раздельного про-
изводства электрической и тепло-
вой энергии:
а — КЭС; б — теплоснабжающая уста-
новка; 1 — парогенератор; 2 — турбоге-
нератор; 3 — питающий насос, 4 — кон-
денсатор.
Рис. 82. Схема ком-
бинированного про-
изводства электри-
ческой и тепловой
энергии:
1 — парогенератор; 2 —
турбогенератор с проти-
водавлением; 3 — питаю-
щий насос; 4 — теплооб-
менный аппарат.
кратить потери тепла с охлаждающей водой. В то время как при
раздельном способе выработка электроэнергии обычно произво-
дится в чисто конденсационных турбогенераторах и 50% тепла,
подведенного к турбогенератору, теряется в ’конденсаторах, турбо-
генераторы с промежуточными отборами пара при полной их за-
грузке теряют в конденсаторах всего лишь 2—5% подведенного
тепла. В настоящее время все ТЭЦ сахарных заводов укомплек-
тованы турбогенераторами с противодавлением, которые являются
в производственный период основными генерирующими источни-
ками. Для обеспечения отдельных сахарных заводов, а также и
предприятий по кооперированию электроэнергией в непроизводст-
венный период на ТЭЦ этих заводов дополнительно установлены
турбогенераторы мощностью 2,5—4 тыс. кВт конденсационного
типа с промышленным отбором пара. По мере развития электри-
фикации районов, в которых размещены сахарные заводы, в бли-
жайшие годы планируется подключение к энергосистемам и этих
заводов с выводом из эксплуатации всех турбогенераторов кон-
денсационного типа. Системы энергоснабжения с раздельной или
комбинированной выработкой электроэнергии могут в равной сте-
пени обеспечить сахарный завод теплом и электроэнергией. Однако
экономичность этих систем неодинакова. Выбор того или иного
252
варианта энергоснабжения предприятия в первую очередь зависит
от технических возможностей ТЭЦ, от суммарной присоединенной
тепловой нагрузки и вида применяемого топлива. Для ТЭЦ са-
харных заводов принято оборудование, работающее на средних
начальных параметрах пара 4 МПа и 450° С из парогенераторов
и 3,5 МПа и 435° С перед турбогенераторами (в перспективе
9,0 МПа, 535°С).
Турбогенераторы мощностью до 6000 кВт устанавливают на
ТЭЦ сахарных заводов, перерабатывающих 3,0 и 5,0 тыс. т свеклы
в сутки, соответственно в количестве 2 и 3 агрегатов и мощностью
до 12 000 кВт — на ТЭЦ заводов мощностью 6,0 тыс. т свеклы
в сутки.
В настоящее время в основном строятся сахарные заводы с
суточной производительностью 6,0 тыс. т свеклы в сутки. Согласна
перспективным планам развития отрасли на 15—20 лет Мощность
сахарных заводов должна возрасти до 12 тыс, т переработки
свеклы в сутки, поэтому ТЭЦ должны оборудоваться парогене-
раторами производительностью по пару 75—120 т/ч и турбогене-
раторами мощностью до 12 тыс. кВт.
Наиболее экономично комбинированное снабжение сахарных
заводов паром и электроэнергией от призаводских ТЭЦ. Благо-
даря такому комбинированию снижаются капиталовложения и
эксплуатационные расходы сахарных заводов, электроэнергия по-
требителям обходится дешевле и повышается надежность электро-
снабжения сахарного завода при связи ТЭЦ с энергосистемой.
Электрическую мощность ТЭЦ сахарных заводов, присоединен-
ных к энергосистеме, рекомендуется рассчитывать по максималь-
ному тепловому потреблению с тем, чтобы вся избыточная электро-
энергия направлялась в энергосистему или к близрасположенным
потребителям. На таких ТЭЦ следует устанавливать только турбо-
генераторы с противодавлением. ТЭЦ сахарных заводов, не при-
соединенных к энергосистеме, но имеющих потребителей районного
значения, необходимо оборудовать в производственный период
турбогенераторами с противодавлением, а в летний период — тур-
богенераторами с отбором и конденсацией. Мощность турбогене-
раторов должна соответствовать электропотреблению завода и
района.
Независимо от схемы энергоснабжения паропотребление сахар-
ных заводов требует сооружения мощной собственной парогенера-
торной с соответствующим топливным хозяйством. Расход топлива
на парогенераторную на 10—15% меньше, чем на ТЭЦ. Расход
топлива для выработки электроэнергии на ТЭЦ при сахарном!
заводе, работающей по тепловому графику, в 1,5—2 раза меньше,
чем на наиболее экономичных конденсационных станциях энерго-
систем.
Раздельное энергоснабжение сахарного завода при наличии
связи с энергосистемой целесообразнее в том случае, если побли-
зости от завода (1—3 км) расположена ТЭЦ другого промышлен-
ного предприятия, так как капиталовложений на строительства
25Э
теплотрассы для подачи пара и расширение существующей ТЭЦ
требуется гораздо меньше, чем на строительство новой ТЭЦ на
самом сахарном ’заводе. Кроме того, сокращаются эксплуата-
ционные расходы.
Однако пока раздельное энергоснабжение не получило рас-
пространения.
Так, например, в 1978 г. структура приходной и расходной
части энергетического баланса сахарных заводов была следующая
(в % к общему итогу):
Электроэнергия Теплоэнергия
Поступление
от собственных ТЭЦ................................. 70,65 90,3
от промышленных котельных и ТЭЦ, работающих в
межсезонный период в режиме котельных со стороны . 29,35 2,7
Потребление
на сахарных заводах.................................... 85,4 91,8
отпущено на сторону................................. 14,6 8,2
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ
Энергетические"коэффициенты потребления и комбинированного
производства энергии применяются при выборе схемы энерго-
снабжения промышленного предприятия, т. е. при определении
производства электрической энергии на тепловое потребление на
местных энергоснабжающих установках предприятия и на внеш-
них (районных) установках.
Энергетическим коэффициентом потребления называется отно-
шение теплового потребления QT к расходу электроэнергии W за
соответствующий промежуток времени
*эн.п=Ст/^. (83)
В качестве основных промежутков времени для определения
энергетического коэффициента потребления принимаются: годовой
(т=8760 ч), зимний и летний периоды. Энергетический коэффи-
циент потребления дает возможность обосновать выбор варианта
энергоснабжения с раздельным или комбинированным энергопро-
лзводством, так как сопоставление энергопотребления и теплового
потребления позволяет определить возможную выработку электро-
энергии путем комбинированного энергопроизводства.
Энергетическим коэффициентом комбинированного производ-
ства энергии называется отношение количества тепла, отпущен-
ного ТЭЦ Q-г.тэц к количеству электроэнергии, выработанной в
теплофикационном цикле и отпущенному за тот же промежуток
времени
К к пр = ^т.тэц/^т- (84)
Следует иметь в виду, что чем меньше величина Лк.пр, тем
больше теплофикационной электроэнергии вырабатывается на
ТЭЦ.
254
В зависимости от соотношения размеров и режимов электри-
ческого и теплового потребления, а также качественных парамет-
ров тепловых нагрузок и начальных параметров пара на ТЭЦГ
возможны следующие варианты основных соотношений между зна-
чениями Кэн.п и Кк.тв>:
Кэн.п = ^к.пр>
Кдн.п < ^к.пр>
Кэн.п > Кк.Пр.
Такие соотношения могут сохраняться неизменными в течение
всего года или же изменяться для отдельных его частей. При
этом для большинства современных промышленных предприятий
числители обоих коэффициентов (Кэн п и Кк пр) могут быть при-
няты одинаковыми.
Количество теплофикационной электроэнергии, определяющее
энергетический коэффициент комбинированного производства
энергии принимается равным:
«7т = ^т.выр-^с.н, (85)
где W't.beip — количество теплофикационной электроэнергии, вырабатывае-
мое на базе тепловой, нагрузки, кВт-ч;
VTC н — расход электроэнергии на собственные нужды ТЭЦ, кВт-ч.
Первый вариант (Кэн п=Кк. пр) возможен только в отдельных
Случаях, когда все тепловое потребление покрывается отпуском
тепла от ТЭЦ при любых режимах энергопотребления и вся
потребная электроэнергия вырабатывается как теплофикационная:
Ст=Ст.ТЭЦ. =
Следовательно, первый вариант обусловливает наиболее ра-
циональное электроснабжение предприятий от тепловых электро-
станций.
Второй вариант (Кэн. п<Кк. пр) характеризуется тем, что
потребности предприятия в электроэнергии превышают количест-
во энергии, вырабатываемое на базе теплового потребления,
покрываемое централизованным путем с ТЭЦ, т. е.
w>wT.
Поэтому для полного покрытия потребности в энергии необ-
ходимо выработать недостающее количество энергии на местной
электростанции при конденсационном режиме:
WK=^W — WT (86)
или же получить его от энергосистемы.
Третий вариант (КЭн.пЖк.пр) характеризуется тем, что по-
требность предприятия в электроэнергии меньше, чем ее выраба-
тывается на базе теплового потребления, что является характер-
ным для сахарных заводов. В этом случае W<WT.
Для возможности использования такой избыточной электро-
энергии необходима связь с районной энергоснабжающей систе-
мой или с другими промышленными предприятиями. При невоз-
255
«ложности рационального использования теплофикационной энер-
гии необходимо путем непосредственного покрытия соответствую-
щей части тепловой нагрузки ТЭЦ паром из парогенераторов
снизить отпуск IV'j до размера Я7Т=№.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТЭЦ
На теплоэлектростанциях подводимое к турбогенераторной
установке тепло включает в себя не только энергию, необходи-
мую для выработки электроэнергии, но и тепло, отдаваемое
тепловому потребителю. Поэтому тепловая экономичность ТЭЦ
характеризуется одновременно показателями по производству
электроэнергии и показателями по производству тепла.
Для определения этих показателей необходимо общий расход
тепла по электростанции разделить на доли, затрачиваемые на
производство отдельных видов энергии. Принято на долю тепло-
вого потребителя относить отпускаемое ему тепло с учетом потерь
при производстве и транспорте пара, а на долю электрического
потребителя — все остальное тепло, т. е. разность между полным
расходом тепла и теплом, выработанным для потребителя.
В итоге к. п. д. электростанции по производст-
ву электроэнергии в целом равен:
Ng
^.T3u=Q()_QT n/tkntjnoT . (87)
где Afs — электрическая мощность станции, кВт;
Qo — количество тепла, подведенного с паром к турбогенерато-
рам, кДж/с;
QT п — количество тепла, отведенное тепловому потребителю с от-
работавшим в турбогенераторах паром, кДж/с;
т]т п — коэффициент, учитывающий потери тепла в теплообменных
аппаратах и трубопроводах на линиях от турбогенераторов
до тепловых потребителей;
Чпот — коэффициент, учитывающий потерн тепла в аппаратах н
трубопроводах станции до турбогенераторов.
Для станций, работающих с турбогенераторами чисто конден-
сационного типа, Цэ.тэц определяется по формуле
______________А^э______ /явч
^.T3U-Q0_QTnA1TiitllIOT . (»»)
где Q-r.n — количество тепла, переданное тепловому потребителю со средой,
отводящей тепло непосредственно от теплоносителя, кДж/с.
Для станций, работающих с турбогенераторами с противодав-
лением, количество тепла, затраченное на выработку электроэнер-
гии в единицу времени, равно внутренней мощности /V, и, следо-
вательно, к. п. д. производству электрической
энергии равен:
Ni
Пэ ТЭЦ = ёо'-Отп/Чт.п ЧмЧг’ <89)
где 1]м — механический к. п. д. турбогенератора, в среднем т]м=0,96—0,99;
Чг — к. п. д. электрического генератора, в среднем i>=0,98—0,99.
256
Анализ уравнений (88) и (89) показывает, что к. п. д. по про-
изводству электроэнергии не дает достаточно полной характери-
стики термического совершенства процесса производства электри-
ческой энергии. Если сравнить установки, различающиеся по
техническому совершенству процесса производства электроэнер-
гии, то может оказаться, что далеко ре всегда более совершенной
установке будет соответствовать большее значение цатэц- Так,
если значение QT. п на технически менее совершенной установке
(например, работающей на меньших начальных параметрах) зна-
чительно выше, чем на установке более совершенной, ц0тэц для
нее также может оказаться выше.
Поэтому наряду с этим показателем на ТЭЦ применяется и
другой показатель—'удельная выработка электро-
энергии на тепловом потреблении
N
(9°>
где Э — удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении,
кВт-ч/кДж;
Имл — количество электроэнергии, которое вырабатывается в единицу
времени паром, поступающим из противодавления илн отборов
тепловому потребителю или на регенеративный подогрев воды,
кВт.
Удельная выработка электроэнергии' на тепловом потреблении
зависит от начальных и конечных параметров пара и технического
совершенства турбогенератора. Чем выше величина Э, тем целе-
сообразнее (при прочих равных условиях) комбинированная
выработка тепла и электроэнергии.
Для ТЭЦ, где тепло отводится тепловому потреблению с от-
работавшим в турбогенераторе, паром, к. п. д. по производ-
ству тепла определяется по формуле:
Ят.тэц = 'Пт.п'Ппот- (91)
Одним из важнейших показателей работы ТЭЦ является
удельный расход топлива на производство тепла:
Вт =-----?----, (92)
О? 'Пт.тэц
где Вт — удельный расход натурального топлива, кг/кДж;
Qp —теплота сгораиня натурального топлива, кДж/кг.
Общий расход топлива на производство тепла для ТЭЦ равен:
3600QTn
вт = ,
Qp Дг.тэц
где Вт — расход натурального топлива, кг/ч.
Полный расход топлива на ТЭЦ равен:
D (*п.п *п.в)
Q^nr
где В — расход топлива, кг/ч;
D — суммарная паропроизводительность парогенераторов, кг/с;
[(93)
(94)
9 Зак. 660
257
in.n, «п.в—энтальпии перегретого пара и питательной воды, кДж/кг;
Чпг —к. п. д. парогенератора.
Тогда расход топлива на производство электроэнергии равен:
Вэ = В — Вт. (95)
В настоящее время эффективность сравниваемых вариантов
энергоснабжения принято оценивать по величине экономии топ-
лива (натурального или условного).
Для обеспечения расхода условного топлива 4,7—4,8% к массе
свеклы удельный расход электроэнергии на сахарном заводе сле-
дует выбирать таким, чтобы выход отработавшего пара от турбо-
генераторов не превышал 30—35% массы перерабатываемой
свеклы и был на 8—10% ниже общего расхода пара по заводу на
технологические нужды. Снижение выхода отработавшего пара
на сахарном заводе достигается главным образом за счет умень-
шения удельных электрических нагрузок и расхода пара на вы-
работку 1 кВт-ч электроэнергии, а также абсолютного тепла и
топлива на выработку 1 кВт-ч. Для этого необходимо снижать
удельные электрические нагрузки на переработку свеклы за счет
их перерасчета и приведения к расчетно-нормативным значениям,
а также повышать производительность сахарных заводов при
существующих электрических нагрузках.
Экономия топлива- является важнейшим компонентом, обус-
ловливающим уровень рентабельности действующих ТЭЦ и эко-
номическую эффективность капитальных вложений в сооружение
новых ТЭЦ. В соответствии с исследованиями С. Е. Щицмана
экономия топлива, даваемая ТЭЦ по сравнению с раздельной
выработкой электро- и теплоэнергии, определяется по следующей
формуле:
Д-Вэк = 2ВраВд 2ВКомб = [^кэс (1 -^дэс) ^КЭС Т (СтЭЦ С™т) ^кот]
— [("^тэц ®тац + ^тэц) (1 — ^тэц) + Стэц -®тэц1 • (96)
где 2Вравд и ХВкомб—суммарные расходы топлива на электро- и теп-
лоэнергию при раздельной и комбинированной выра-
ботке;
^ТЭЦ и "' ТЭЦ—выработка электроэнергии на ТЭЦ комбинирован-
ным (т. е. по теплофикационному циклу) и конден-
сационным путем;
1^кэс—выработка электроэнергии на замещающей кон-
денсационной электростанции (КЭС);
•^Кэс и ^тэц — полные расходы электроэнергии на собственные
нужды КЭС н ТЭЦ, в долях всей выработки, вклю-
чая дополнительные потерн в ВЛ от КЭС;
Стэц — отпуск тепла с ТЭЦ (включая районные котельные
при использовании их для дополнительного нагрева
сетевой воды ТЭЦ при низких температурах на-
ружного воздуха);
С™т — Дополнительные потери тепла в тепловых магистра-
лях и в теплофикационной установке ТЭЦ по срав-
258
нению с отпуском тепла котельными в раздельной
схеме;
^ТЭЦ — удельный расход топлива на отпущенный киловатт-
час комбинированной и конденсационной выработ-
ки на ТЭЦ;
®КЭС — удельный расход топлива на отпущенный киловатт-
час замещающей КЭС;
^ТЭЦ и ^кот — удельный расход топлива на отпущенный гига-
джоуль с ТЭЦ н из котельных при раздельной схе-
ме (в обоих случаях с учетом расхода электроэнер-
гии на производство и отпуск тепла).
Для обеспечения сопоставимости результатов расчетов схем
комбинированной и раздельной выработки электро- и теплоэнер-
гии должно соблюдаться равенство
«"КЭС (1 -^эс- 3“т) = ) (1 -^ц) . (97)
где 5"qT — расход электроэнергии на производство и транспорт тепла котель-
ных, в долях выработки КЭС.
При сравнительных расчетах тепловой экономичности комби-
нированной и раздельной выработки электро- и теплоэнергии
рационально принимать в обеих схемах одинаковый вид топлива
для выработки электро- и теплоэнергии независимо от того, какие
виды топлива будут реально выделяться для КЭС, для ТЭЦ
и для котельных.
Наиболее существенное влияние на размер экономии топлива,
даваемой ТЭЦ, оказывает величина комбинированной выработки
электроэнергии на ТЭЦ ^эц .
Величину комбинированной выработки электроэнергии на кон-
кретной ТЭЦ за любой период времени, в частности за год, мож-
но выразить формулой
^эц = ₽<2тац“- <98)
где р — доля отработавшего тепла турбин в общем отпуске тепла с ТЭЦ, т. е.
лотр /лотп •
^ТЭЦ/^ТЭЦ»
<0 — удельная комбинированная выработка электроэнергии на единицу
отпущенного отработавшего тепла, кВт-ч/кДж.
Обозначив суммарную тепловую мощность установленных на
ТЭЦ турбин через QT; расчетную тепловую нагрузку, присоеди-
ненную к ТЭЦ, через Qnp’, коэффициент теплофикации ТЭЦ,
представляющий собой отношение QT/Qnp, через а; число часов
использования расчетной присоединенной тепловой нагрузки
через 7пр, можно написать равенство
^тэц= ОпрТПр = ОгТпр» (99)
ОС
Подставляя значение <2^пц по формуле (99) в формулу (98),
получаем окончательную формулу, выражающую зависимость
величины комбинированной выработки электроэнергии от комп-
лекса факторов
9* 259
^тец= —ОгТщШ. (100)
tt
Факторы, входящие в эту формулу, отражают структуру и
режим работы производственной системы ТЭЦ — тепловые сети —
тепловые потребители и взаимосвязь проектных и эксплуатацион-
ных технико-экономических показателей этой системы. Формула
(100) универсальна и применима для ТЭЦ, отпускающей тепло
как в виде горячей воды, так и в виде пара
ГРАФИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ
Основой исходных данных для проектирования энергоснаб-
жающих установок являются тепловые нагрузки по всем видам
выдаваемых теплоносителей и электрические нагрузки. Рацио-
нальные технические решения, высокая экономичность установки,
минимальные капитальные затраты на сооружение ее могут быть
найдены только при наличии достаточно полных данных по на-
грузкам, учитывающих все возможные изменения их как в тече-
ние производственного цикла, так и в течение года Последнее
имеет особо важное значение, так как данные по годовым нагруз-
кам учитывают простои производства в ремонте, перерывы в ра-
боте, несовпадение максимумов расхода энергии группой потре-
бителей и другие особенности технологических процессов, которых
не видно в часовых и суточных графиках нагрузок. По характеру
нагрузки графики могут быть электрические и тепловые. В зави-
симости от промежутков времени, охватываемых графиком, раз-
личают графики часовые, суточные, месячные, сезонные и годовые.
Потребители расходуют тепло и электроэнергию неравно-
мерно. Неравномерность потребления энергии на технологию
обычно характеризуется суточными графиками, представляющими
собой графическое изображение изменения потребления энергии
за данный промежуток времени. На рис 83 (в левой части)
в качестве примеров представлены суточные графики электриче-
Рис 83 График нагрузок
а — суточный; б — годовой.
260
ской и тепловой нагрузок промпредприятия для зимнего и лет-
него периодов. Если разрезать суточный график на 24 полосы
и расположить их в порядке убывающих нагрузок, начиная с мак-
симальной, то получается суточный график длительности нагру-
зок. Такой график дает возможность быстро определить, в тече-
ние скольких часов нагрузка превышает определенную величину.
На рис. 84 слева изображен суточный график нагрузки, а справа
этот же график представлен в виде графика длительности на-
грузки. Из этого графика видно, что нагрузка в пределах
90—100% от максимальной продолжается в течение суток всего
1 ч, а в пределах 754-100 — в течение 4 ч. Такое построение помо-
гает в выборе основного оборудования. Из графика наглядно
видно, в течение какого времени будут загружены все двигатели
станции, когда и на сколько часов можно остановить часть дви-
гателей и целесообразнее выбрать их мощность.
Рис 84 Построение графика длительности нагрузки
На основании одного лишь суточного графика нельзя делать
выводов о нагрузке оборудования станции или о правильности
выбора оборудования. Это объясняется тем, что в течение года
характер суточных графиков станции меняется. Суточный график
расхода электроэнергии отдельным потребителям строится на ос-
новании показаний регистрирующих приборов. Изменение расхода
электроэнергии обычно протекает непрерывно и при регистрации
его самопишущими регистрирующими приборами изображается
некоторой кривой. Практически для удобства пользования графи-
ком и подсчета по нему расходов энергии кривая линия обычно
заменяется ломаной, как это показано на рис. 83, каждый отрезок
которой соответствует среднему за данный час расходу энергии.
Для выбора оборудования электростанции, а также для под-
счета годового расхода энергии очень важно знать продолжитель-
ность той или иной величины нагрузки в течение года Представ-
ление о ней дает годовой график нагрузки, изображенный на
рис. 83 в правой части. По оси абсцисс годового графика отло-
жены часы года, по оси ординат — величины нагрузки. Каждая
точка кривой годового графика представляет собой сумму часов
с данной нагрузкой в году. Пример построения годового графика
соответствует потребителю, работающему непрерывно 365 дней
261
в году с одним суточным графиком потребления энергии в тече-
ние всех дней зимы и другим суточным графиком в течение всех
дней лета. Если потребление энергии в продолжение года харак-
теризуется не двумя суточными графиками, а большим числом
их, то в левой части рис. 83 будут расположены не два графика,
а соответственно большее число их. Площадь, ограниченная кри-
вой годового графика в соответствующем масштабе, представ-
ляет собой годовой расход энергии потребителем.
Проведенные в последнее время исследования показали, что
тепловые (паровые) нагрузки не только на сахарных заводах,
но и во всех отраслях промышленности неравномерны в течение
года — тепловые нагрузки зимой значительно больше, чем летом,
причем имеются кратковременные максимумы и минимумы. Годо-
вые графики тепловых нагрузок отдельных предприятий даже
одной отрасли промышленности могут значительно различаться.
В результате исследований Г. В. Иванова был разработан метод,
позволяющий получить аналитическое выражение любого графика,
построенного по имеющимся конкретным данным. Графики описы-
ваются следующими аналитическими выражениями:
QT=l-(l-<p)^-(tfA“, (101)
Or = QT/Q“a кс; К = Лт/Л“акс;
f = «кс - <э"линЖакс; ф=(<?тлкс - СЖГ - <?Т) •
где Qt, <2”акс , ~ тепловые (паровые, технологические) нагрузки: теку-
щая, максимальная зимняя и минимальная летняя;
<2“лкс — значения QT при относительном годовом времени 0,25
и 0,75 (рис. 85);
/гт, § /г“акс—текущая координата графика по продолжительности
(8760 ч).
Значения показателей сте-
Рис 85 График для расчета тепловых
нагрузок
262
пени С и а определяется с
помощью простой программы,
на ЭЦВМ по значениям рас-
ходов в четырех точках I, II,
III, IV (рис. 85).
Полученные аналитиче-
ские зависимости годового
графика паровой нагрузки по-
зволяют установить матема-
тические связи между режи-
мами работы турбогенерато-
ров, присоединенной нагруз-
кой, анализировать показатели
ТЭЦ с турбогенераторами раз-
личных типов и выбирать оп-
тимальное сочетание турбо-
генераторов.
ОСНОВНЫЕ РЕЖИМНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Существует много показателей, характеризующих режим ра-
боты как электростанций в целом, так и отдельных их частей.
Ниже рассматриваются лишь основные показатели, имеющие
наиболее важное значение для характеристики установленной
мощности и условий ее работы.
Коэффициент резерва. Характеристикой для выявления резер-
ва станции является коэффициент резерва /Ср:
Ар = W’yci/^'MaKCi (Ю2)
где №уст — установленная мощность станции, равная сумме мощностей
всех турбогенераторов;
№макс — максимальная нагрузка станции.
Коэффициент /Ср должен быть больше единицы (/Ср>1). Это
необходимо для того, чтобы в момент пика нагрузки был в на-
личии резерв мощности в случае выхода из строя вследствие ава-
рии одного из агрегатов станции. Наибольшая надежность в ра-
боте станции создается в том случае, когда ее резерв не меньше
мощности самого крупного агрегата станции. Необязательно,
чтобы резервные агрегаты станции находились в неподвижном
состоянии. Часты случаи, когда выгодно делить нагрузку поровну
между агрегатами, в том числе и резервными. При выходе из
строя одного агрегата остальные принимают на себя его на-
грузку.
Коэффициент использования установленной мощности. Коэф-
фициент использования установленной мощности электростанции
равен:
^сп = <Sp/3E03M = 5™Др/^уст-8760, (103)
где 3™®, Зв03м — фактическая и возможная выработка энергии за опре-
деленный период времени.
Годовой коэффициент использования установленной тепловой
мощности ТЭЦ:
А^сп = СМп.возм = C?/2Q™-8760, (104)
где <2вп — количество тепла, фактически отпущенное в течение года внеш-
ним потребителям,
2<2тм — суммарная тепловая мощность установленных агрегатов.
В случае турбогенераторов SQTM равна максимально возмож-
ному отпуску тепла внешним потребителям за счет тепла отбор-
ного пара или пара из противодавления. Как QBn, так QBn ВОзм
определяется с учетом возврата тепла внешним потребителям.
Число часов использования установленной мощности. Это то
число часов, в течение которых электростанция, работающая
с полной установленной мощностью, выработала бы количество
энергии, равное фактически выработанной за год:
^п=3™д/^усТ. (105)
то же по теплу
(106)
263
Сопоставляя формулы (105—106), находим:
-4п = ^п-8760; 8760.
Коэффициент рабочего времени. Годовой коэффициент рабо-
чего времени агрегата равен:
Св = гФакт/8760, (107)
где Тфакт—число часов за год, в течение которых агрегат находился в ра-
боте независимо от степени его загрузки по мощности в рабочие
часы.
Соответственно всегда Кр вЖисп-
, Коэффициент готовности. Коэффициент готовности агрегата
зависит от времени нахождения его в ремонте и аварийном
(нерабочем) состоянии за какой-то период времени:
8760—(2трем ХТав) лгмп
=--------8760-------- (108)
где Итреы — суммарная продолжительность плановых ремонтов н ревизий
в году, ч;
2тав —суммарный простой агрегата в нерабочем состоянии, включая
время ликвидации последствий аварии, ч
Коэффициент надежности. Коэффициент надежности
равен
8760 — Етав
Лн “ 8760
Иногда в числитель формулы для определения Кн
также время плановых ремонтов
8760 — (St ав Ч- ^Трем)
Кн = 8760
Введение коэффициента мотивируется тем, что
мость плановых ремонтов, их объем и продолжительность зависят
от надежности (совершенства) конструкции агрегата. Есть агре-
гаты, которые могут работать без плановых ремонтов и ревизий
по нескольку лет. Для некоторых агрегатов заводы-изготовители
требуют проведения ревизии через несколько тысяч часов'работы.
агрегата
(Ю9)
включают
(ИО)
необходи-
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК
Тепловое потребление. В соответствии с существующими теп-
ловыми схемами свеклосахарных заводов водяной пар из отборов
или противодавления турбин и РОУ поступает в сборник ретур-
ного пара, откуда с давлением ~0,35 МПа и температурой 140° С
подается к технологическим потребителям: выпарной станции,
в жомосушильное и брикетное отделение, на клеровку желтого
сахара, сушку сахара, пропарку центрифуг, продувку свеклорезок.
Для остальных технологических потребителей используются
экстрапары. Методика расчета расхода тепла на технологические
нужды по сахарному заводу дана ранее, в главе III.
264
Полная тепловая нагрузка ТЭЦ слагается из расхода тепла
технологическими потребителями, отопительно-вентиляционной
нагрузки, расхода тепла на горячее водоснабжение и собственные
нужды электростанции:
ОтЭЦ = Отех Ч" Сот + Свент Ч~ Сгв + Ссн> (111)
где Qтеъ, QoTf фвент> Сгв, Сев — соответственно расход тепла на техноло-
гические нужды, отопление, вентиляцию,
горячее" водоснабжение, собственные нуж-
ды электростанции, Дж/ч.
Перечисленные потребители снабжаются отработанным паром
низких параметров (0,35 МПа) или паром из редукционно-охла-
дительных установок. Если снабжение отопительно-вентиляцион-
ных потребителей осуществляется вторичным паром или горячей
водой (например, барометрической), то в уравнении (111) эта
статья расхода не учитывается.
Электростанции затрачивают тепло на следующие собствен-
ные нужды: паровые приводы вспомогательного оборудования,
очистку поверхностей нагрева парогенераторов, мазутное хозяй-
ство, потери тепла с продувочной водой парогенераторов. В целом
расход тепла на собственные нужды электростанций составляет
1—2% от тепла, производимого парогенераторами, в редких слу-
чаях достигая 4—6%. Следовательно, уравнение (111) можно
записать в виде
Отэц = (1 "* 1 «06) ЭД- (112)
Тогда общий расход пара низкого давления на ТЭЦ (после
РОУ и турбогенераторов) равен:
Q
Отэц = (1,02 -=- 1,06) 2 . . , (113)
*п *к
Q
где — — расход пара каждым из перечисленных потребителей,
*п 1к
кг/ч,
in, i'k — начальные и конечные параметры пара, Дж/кг
В последнее время на сахарных заводах ускоренными тем-
пами внедряется централизованное теплоснабжение призаводских
рабочих поселков, культурно-бытовых и производственных поме-
щений, развивается горячее водоснабжение. Для обеспечения
этих потребителей теплом в непроизводственный период при за-
водах сооружаются отопительные котельные. Согласно проектам
новых сахарных заводов, расход пара на эти цели в зависимости
от производственной мощности сахарного завода находится в пре-
делах от 7 до 25 т/ч. Этот участок становится значительным
потребителем тепловой энергии, при производстве которой при
полном развитии теплофикации на всех сахарных заводах потре-
буется более 1 млн. т условного топлива в год.
Наиболее выгодным является максимальное использование
для этих целей тепла конденсатов производства.
Отопительно-вентиляционное потребление. Отопительными ус-
тановками (отоплением) называют устройства, предназначенные
265
для возмещения теплопотерь помещений в холодное время года,
когда температура наружного воздуха ниже, чем нормально не-
обходимая температура воздуха в помещении. Практически сезон
отопления наступает тогда, когда среднесуточная температура
наружного воздуха опускается ниже 10—5° С. При действии отоп-
ления в помещении поддерживается постоянная температура
независимо от колебаний температуры наружного воздуха.
Нормальные значения температуры воздуха внутри помещений
устанавливаются по СН и П в зависимости от характера помеще-
ний. Так, для жилых и конторских помещений, где люди не вы-
полняют физической работы, рекомендуется температура
18—21° С. Для производственных помещений, в зависимости от
интенсивности выполняемой людьми мускульной работы, реко-
мендуются значения 14—18° С. Температура наружного воздуха
принимается по климатологическим таблицам.
В производственных помещениях главного корпуса в связи с
большим тепловыделением технологическим оборудованием отоп-
ления не требуется. Для дежурного отопления используются при-
точно-вытяжные вентиляционные установки, в дополнение к ним
на первом этаже устанавливают отопительно-рециркуляционные
агрегаты. В диффузионном отделении также предусматривается
установка отопительно-рециркуляционных агрегатов.
В помещении сушки сахара и упаковочной проектируют водя-
ное отопление с расчетным перепадом температур 130—70° С.
В качестве нагревательных приборов в помещении сушки сахара
могут быть использованы регистры из гладких труб, в помеще-
ниях упаковки сахара, мешкотары и санузлах — чугунные радиа-
торы типа М-140. В жомосушильном отделении в связи с нали-
чием больших тепловыделений от топок сушильных установок
обычно проектируют только дежурное отопление.
В известняково-моечном отделении предусматривается водяное
отопление (130—70°С). В качестве нагревательных приборов ис-
пользуются регистры из гладких труб в пыльных помещениях и
чугунные радиаторы типа М-140 в остальных помещениях.
В складе сахара применяется воздушное отопление с рецир-
куляцией воздуха.
В бытовых помещениях и механической мастерской рекомен-
дуется водяное отопление с температурой теплоносителя 130—
70° С и установкой в качестве отопительных приборов чугунных
радиаторов типа М-140.
Максимальный часовой расход тепла на отопление здания QOT
(в Дж/ч) при приближенных расчетах определяется по формуле
Qot = 7o^h Овн бю)> (44)
где q0 — отопительная характеристика здания, Дж/(м3-ч-К);
VH — объем здания по наружному обмеру, м3;
/вн, tH0 — температура воздуха внутри помещения н расчетная тем-
пература наружного воздуха, °C.
Для жилых, общественных и промышленных зданий значение
отопительной характеристики до колеблется обычно в зависимости
266
от назначения зданий и величины наружной кубатуры в преде-
лах 1,15—2,7 Дж/(м3-К-ч). Годовой расход тепла на отопление
здания
Сд = ‘7оунаВн-^ср)т, (П5)
где tB op — средняя температура наружного воздуха за отопительный пе-
риод, °C;
-г — продолжительность отопительного периода, ч/год (/н<10оС).
Вентиляционными установками называются устройства, слу-
жащие для поддержания в помещениях требуемой степени влаж-
ности и чистоты воздуха, а также для отведения из помещения
избытков тепла, если тепловыделения в сумме с поступающим
теплом солнечной радиации превышают теплопотери при макси-
мально допустимой и температуре воздуха в помещении. В холод-
ное время года приточный воздух должен быть нагрет от темпе-
ратуры /Нв окружающей среды до температуры в помещении /п-
Если для нагревания приточного воздуха недостаточны (или не
могут быть использованы) тепловыделения внутри помещения, то
приточный воздух должен быть подогрет в калорифере с затратой
тепла. При таких условиях (наиболее частых) в холодное время
года вентиляционные установки являются потребителем тепла.
Для создания нормального температурно-влажностного ре-
жима в рабочей зоне помещений предусматривают два вида вен-
тиляции: общеобменную (приточно-вытяжную) и местную.
Приточно-вытяжная вентиляция используется в жомосушиль-
ном отделении (из расчета ассимиляции избытков тепла), в из-
вестковом отделении (из расчета компенсации воздуха, идущего
для аспирации пылящего технологического оборудования), в по-
мещении мойки свеклы (из условий поглощения влаги), в складе
сахара-сырца, в механических мастерских (с местными отсосами).
Местная приточная вентиляция с сосредоточенной подачей
воздуха предусматривается на свеклосахарных заводах для сле-
дующих технологических установок:
выпарки—с температурой приточного воздуха /пр=16°С;
вакуум-аппаратов—с £пр=16°С;
центрифуг и утфелемешалок—с /пр=16°С;
дефекосатурации — с /пр=16°С;
диффузионного отделения—с £пр=20 °C.
В помещении сушки сахара необходимы две приточные систе-
мы: для компенсации воздуха, поступающего на технологические
нужды (сушильно-охладительный барабан), и аспирационной
установки (4ip= 16°С). Расчетный расход тепла на вентиляцию
определяется количеством подогреваемого воздуха и температу-
рой его до и после подогрева:
Овент — ^^впТв^в (^п ^нв ). (116)
где tn — кратность воздухообмена: для жилых и общественных зда-
ний т=1—1,5, для промышленных зданий (без вредных вы-
делений) т=\—2;
Увп — внутренний объем вентилируемого помещения, м3;
267
Y> — удельный вес воздуха, кг/м3;
св —средняя весовая теплоемкость воздуха, Дж/(кг-К);
tn — температура воздуха до и после подогрева, °C.
Расход тепла на вентиляцию общественных зданий может быть
определен также по удельным характеристикам их:
Свент = 7в^вп (tn Лш)» (И7)
где ?в — удельная вентиляционная характеристика здания, Дж/(м3-ч-К).
Годовой расход тепла на вентиляцию равен
Свеит = я11/вп‘Увсв (tn — <н.ср) (11®)
где in.ср — средняя температура наружного воздуха за отопительный пе-
риод, °C;
ф — коэффициент, учитывающий неполное время работы вентиля-
ционной установки за отопительный период т и недоотпуск тепла
при низких температурах наружного воздуха. Для жилых н про-
мышленных зданий ф=0,55—0,75, для общественных ф=0,4—
0,65.
Горячее водоснабжение. Расход тепла на бытовое горячее
водоснабжение определяется исходя из норм потребления горя-
чей воды в жилых зданиях, предприятиях коммунально-бытового
назначения и производственных зданий, утвержденных Госстроем
СССР. Вода, доставляемая устройствами горячего водоснабже-
ния, должна иметь температуру от 25—30 до 70—75° С. Для пре-
дупреждения накипеотложений и интенсивной коррозии труб не
следует нагревать воду без особой необходимости выше 60—65° С.
Расход горячей воды очень неравномерен как в течение суток,
так и в течение недели. Расходы тепла для систем горячего водо-
снабжения характеризуются следующими величинами:
максимальной часовой Q“BaKC
среднечасовой за неделю QjP н
среднечасовой наибольшего водопотребления за сутки
Для бытового горячего водоснабжения рабочих поселков со-
отношения между указанными величинами могут приниматься
следующими:
<2“aKC = (l,7^2)Q=PH и ^=1,20^.
Теплопотребление систем горячего водоснабжения промпред-
приятий имеет лишь суточную неравномерность.
Расход тепла на горячее водоснабжение определяется по фор-
муле
(1ге>
где а — норма расхода горячей воды (л) при температуре 65° С на еди-
ницу потребления; '
т — количество единиц потребления, отнесенное к суткам (количество
потребителей горячей воды, кг белья и т. п.);
/1В— температура холодной воды, в зимний период /хв=5°С;
268
Г—число часов работы системы горячего водоснабжения в течение
суток; для жилых домов и общественно-бытовых помещений реко-
мендуется принимать 7=24 ч, для промышленных предприятий рав-
ным числу часов зарядки баков-аккумуляторов.
Летняя тепловая нагрузка бытового горячего водоснабжения
жилых и общественных зданий снижалась на 20% за счет сокра-
щения водопотребления и на 18% за счет повышения темпера-
туры холодной воды с 5 до 15° С:
= <?в-0,8-0,82 = 0,655Q’B. (120)
Для производственного горячего водоснабжения расход тепла
летом уменьшается только за счет повышения температуры холод-
ной воды. Годовой расход тепла на горячее водоснабжение под-
считывается по формуле
во____ I
Сд- <?S-HnOT + 0>8Q£b‘h (8400- (121)
DU • *хВ
где /хл — температура водопроводной воды в летний период, °C;
Лот — продолжительность отопительного периода, ч;
0,8 — коэффициент, учитывающий снижение потребления горячей во-
ды жилыми и общественными зданиями летом; для бытового
горячего водоснабжения производственных зданий его вводить
не надо.
Формула учитывает простой системы горячего водоснабжения
летом в ремонте в течение 10 дней.
Потребление электроэнергии. Электрическая нагрузка элек-
тростанции в любой час суток определяется расходом электро-
энергии внешними потребителями, потерями в линии электро-
передач, и расходом электроэнергии на собственные нужды элек-
тростанции — электродвигатели вспомогательных механизмов
(дымососов, вентиляторов, питательных и перекачивающих насо-
сов). Суммарная максимальная нагрузка на шинах электроснаб-
жающей установки составит
W = Кс (Я^сил + Я^осв + ^тэц) —— . (122)
Чсег
где Кс — коэффициент спроса: для производственного периода Кс=
=0,55—0,60, для непроизводственного периода Кс=
=0,35—ОД;
2ИГСЖл — суммарная силовая мощность электродвигателей технологи-
ческого и энергетического оборудования, кВт;
2ГОСВ —суммарная осветительная нагрузка завода, кВт;
И^ТЭЦ — Расх°Д электроэнергии на собственные нужды ТЭЦ; равен
7—8,5% от всей выработки, кВт;
Т]сет — коэффициент, учитывающий потери электроэнергии в лини-
ях электропередачи.
Потери электроэнергии в линиях электропередачи складыва-
ются из потерь электроэнергии в железе трансформаторов, не за-
висящих от передаваемой мощности и потерь электроэнергии в
меди трансформаторов и линий, пропорциональных квадрату пол-
ного тока. Для небольших городских и промышленных сетей поте-
ри электроэнергии в железе принимают равными 2%, переменные
269
потери электроэнергии для меди трансформаторов—1,5—2%,
а для линий 6—8% максимальной передаваемой мощности
W (U — напряжение, В; I — сила тока, А)
«7 = 1/3 I//cos ср, (123)
где cos <р — коэффициент мощности, принимаемый по нормативам или опыт-
ным данным (по опытным данным <р=0,65).
С помощью коэффициента мощности costp можно определить
потребную мощность в кВА:
«7
W' =-----. (124)
cos<p
При проектировании завода на основе расчета потребной мощ-
ности определяют мощность генераторов, работающих на напря-
жении 6300 В, а затем выбирают схему электроснабжения.
Примерные величины потребной электрической мощности для
подлостью электрифицированных заводов различной производи-
тельности и разной технической оснащенности приведены
в табл. 38.
Таблица 38
Потребители Потребная мощность (в кВт) на 100 т суточной производительности по свекле для заводов производственной мощностью
1,5—2,0 тыс. т свеклы в сутки 3,5—5,0
2,0—2,5 2,5—3,5
Завод средней технической оснащенности: технологические нужды, освещение и промводокачка 88 83 79 71
собственные нужды ТЭЦ (слоевое сжигание углей, при давлении пара до 2,5 МПа) 22 21 20 19
сепарационный цех с одной фильтраци- ей холодного сахарата 14 13 13 12
жомосушильный цех ........ 9 9 8 8
Всего . . . 133 126 120 110
Завод высокой технической оснащенности: технологические нужды, освещение и промводокачка 88 83 79 71
собственные нужды ТЭЦ (камерное сжигание каменных углей с давлением пара до 3,9 МПа) 38 36 35 33
сепарационный цех с двойной фильтра- цией холодного сахарата ... ... 18 17 — 15
жомосушильный цех 9 9 8 8
повышение технической оснащенности . 21 20 19 18
Всего . . . 174 165 157 145
Завод высокой технической оснащенности, ТЭЦ работает на природном газе .... 158 150 142 132
270
Глава IX. ВЫБОР И КОМПОНОВКА ОСНОВНОГО
ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
САХАРНЫХ ЗАВОДОВ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПАРОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
В настоящее время сахарные заводы, как правило, снабжаются
теплом и электроэнергией от паровых электростанций. Энерго-
снабжение предприятий осуществляется по определенным энерге-
тическим схемам. К энергетическим схемам электростанций отно-
сятся тепловые и электрические схемы.
Тепловые схемы. По способу изображения тепловые схемы
подразделяются на принципиальные и развернутые.
Принципиальная тепловая схема характеризует термодинами-
ческий цикл работы станции и процессы использования тепла
водяного пара на ней. В состав принципиальной тепловой схемы
входят парогенераторы и турбогенераторы, регенеративный подо-
грев и деаэрация питательной воды, питательные насосы и отпуск
тепла (пара и горячей воды) со станции соответствующими теп-
лоснабжающими установками. На принципиальной тепловой
схеме группы одинаковых агрегатов изображаются каждая только
в виде одного соответствующего агрегата с относящимся к нему
вспомогательным оборудованием. На схеме показываются только
основные коммуникации без запорной арматуры и параметры
рабочих тел. В развернутой схеме показываются не только
основные, но и вспомогательные агрегаты и трубопроводы с запор-
ной, регулирующей арматурой и встроенными в трубопроводы
измерительными приборами. На рис. 86 изображена характерная
принципиальная тепловая схема промышленной ТЭЦ небольшой
мощности с тепловыми нагрузками в основном переменной величи-
ны в течение года, что является характерным для срхарных заводов.
На небольших ТЭЦ (с турбогенераторами, имеющими номиналь-
ную мощность не более 6000 кВт) применяют повышенные началь-
ные параметры пара (Р = 3,5 МПа, 6ш=435°С) и регенеративный
цикл работы станции.
В начале девятой пятилетки стал актуальным вопрос о необ-
ходимости принятия практических мер к использованию бездейст-
вующих турбогенераторов конденсационного типа, поскольку
в настоящее время все предприятия присоединены к энергосисте-
мам. В результате принятых решений все конденсационные тур-
богенераторы переведены на противодавление и работают На
номинальных режимах и мощностях.
Парогенераторы, установленные на ТЭЦ, изображаются в виде
одного агрегата 1 с указанием числа (т) и номинальной произ-
водительности агрегатов. Аналогично изображаются и турбогене-
раторы 2 ТЭЦ. Регенеративный подогрев осуществляется в двух
поверхностных подогревателях 3 и 4, первый из которых назы-
вается подогревателем высокого давления, а второй — между
271
конденсатором и деаэратором 5—подогревателем низкого дав-
ления. Помимо регенеративных подогревателей, на ТЭЦ приме-
няются также эжекторные подогреватели ЭП. Добавочная хими-
чески очищенная питательная вода по трубопроводу 7 подается
в деаэратор. Парогенераторы на данной схеме приняты барабан-
ного типа с непрерывной продувкой котловой воды, использование
тепла которой осуществляется в расширительной одноступенчатой
Рис 86 Принципиальная тепловая схема промышлен-
ной ТЭЦ небольшой мощности с турбогенераторами
с конденсацией и промежуточным отбором.
установке в виде сепаратора пара (расширителя непрерывной
продувки) 8 для питания регенеративного подогревателя 3 и по-
верхностного подогревателя 9 химически очищенной добавочной
воды. После расширительной установки продувочная вода сли-
вается в канализацию. На схеме показана также теплоснабжаю-
щая установка ТЭЦ с сетевыми подогревателями ПП и ОП,
питаемыми соответственно свежими парами из РОУ 10 и паром
из регулируемого отбора турбогенераторов. Цифрой 11 обозна-
чены отопительно-вентиляционные и бытовые потребители, после
которых сетевая вода подается обратно в сетевые подогреватели
сетевыми насосами 12. Деаэратор 5 атмосферного типа питается
паром из регулируемого отбора турбогенератора через редук-
тор 14. В случае значительных потерь пара на производстве для
уменьшения величины продувки (до 5—7%) на ТЭЦ применяются
Также испарители термического обессоливания добавочной пита-
тельной воды.
На рис. 87 показана принципиальная типовая схема мощной
промышленной ТЭЦ, целесообразная при наличии длительных
тепловых нагрузок, в основном производственных, имеющих по-
стоянную величину в течение года.
На' таких ТЭЦ с высокими начальными параметрами пара
(Р=9,0 МПа, ^пп=535° С) и регенеративным циклом рациональна
установка теплофикационных турбогенераторов 1 с противодав-
лениями и регулируемым отбором пара. В парогенераторах ведут
непрерывную продувку котловой водой, тепло которой исполь-
272
зуется в двухступенчатой расширительной установке в виде двух
ступеней или сепараторов пара 3 и 4 и поверхностного подогре-
вателя 5, в котором происходит подогрев химически очищенной
добавочной питательной воды продувочной водой, поступающей
из второго сепаратора 4 .и затем сливаемой в канализацию. Пар,
получаемый в сепараторах
расширительной установки,
направляется в регенера-
тивные подогреватели 6 и
7. Ввиду отсутствия конден-
саторов у турбогенератора
и наличия потоков обратно-
го конденсата производст-
венного пара 8 и конденса-
та греющего пара сетевых
подогревателей 9 с темпе-
ратурой порядка 100° С
эжекторные и регенератив-
ные подогреватели низкого
давления отсутствуют. Деаэ-
ратор питательной воды 10
применен на повышенное
давление порядка 0,5—0,6
МПа и питается паром из
регулируемого отбора после
Рис 87 Принципиальная тепловая схема
промышленной ТЭЦ большой мощности
с турбогенераторами с противодавлением
и промежуточным отбором
ступени высокого давления через ре-
дуктор И.
Промышленная ТЭЦ, выполненная по такой тепловой схеме,
по сравнению с ТЭЦ, оборудованной теплофикационными турбо-
генераторами с регулируемым отбором пара и конденсацией, тре-
бует меньших капитальных затрат и работает более экономично.
Развернутая тепловая схема показывает не только все уста-
новленные на станции рабочие и резервные парогенераторы, но
и все трубопроводы пара и воды с арматурой, соединяющей это
оборудование. В отличие от принципиальной развернутая схема
показывает не только последовательное соединение теплового обо-
рудования в соответствии с тепловым циклом станции, но и
параллельные соединения однотипных агрегатов. Развернутая теп-
ловая схема электростанции составляется после расчета принци-
пиальной тепловой схемы и выбора основного и вспомогательного
оборудования станции. Такая схема дает возможность выбора
трубопроводов станции и соответствующей арматуры.
На рис. 88 изображена развернутая тепловая схема ТЭЦ
сахарного завода с турбогенератором с противодавлением Числа
при трубопроводах обозначают величину их условных внутрен-
них диаметров в мм.
Электрические схемы. Электрическая схема электрических со-
единений представляет собой условное графическое изображение
основного оборудования (генераторов, трансформаторов, преоб-
разователей, электроприемников) арматуры распределительных
273
100
--------Дренаж
--------Периодическая продувка
--------ОтсепарироВанная Вада
-------- Непрерывная праОуВка
--------Паровоздушная смесь
--------Пар (овщее обозначение)
--------Пар свежий
--------Вода сырая
------Пар на технологические нужды
------Конденсат
------Вова питательная
-х—х-хтически очищенная воВа
—@—Сужающийся орган расходомера,Виашрог-
------г Заглушка торцевая на,сопло
—1|—Фланцевое соединение
Рис. 88. Развернутая тепловая схема ТЭЦ сахарного завода с турбогенерато
I — парогенератор БГ-35; 2 — турбогенератор АР-6-5; 3 — генератор; 4 — рсдукционно-охла
донкой 0=75; 6 — питательный бак; 7 — питательный центробежный насос; 8 — питательный
уплотненный;' 12 — воздухоохладитель; 13 — сепаратор непрерывной продувки; 14 — охлади
лнчсской продувки; 17 — распределитель дренажей паропроводов; 13 — бак чистых дренажей;
высокого давления; 21 — бойлер; 22 — сетевые центробежные насосы; 23 — бак грязных
перехоВ
Слой через Воронку
Слаб в канализацию
Выхлоп, соединение с атмосферой
Соединение труБппроОоВоВ
Соединение отсутствует
Направление движения среды
Тройник пряной
Штуцер Вля Впрыскивания
КанВенсштттШшк.
=^*- вентиль игольчатый
клапан предохранительный с грузом -^м- вентиль реашшую-
Регулятор уровня паяния с поплавком ишй проходной
Стопорный клапан —вентиль запорный
Sh ° редукционный ~ЗаОВижка опорная
ром с противодавлением:
днтельная установка производительностью 20 т/ч; 5 — питательный бак с деаэрационной ко-
центробежный турбонасос; 9 — маслотурбонасос; 10 — маслоохладитель; 11 — охладитель пара
тель выпара деаэратора; 15 — перекачивающий центробежный насос; 16 — сепаратор перио-
ду _редукционно-охладительная установка производительностью 10 т/ч; 20 — подогреватель
дренажей.
устройств и приборов данной электрической установки в их взаим-
ной электрической связи с токоведущими частями (голыми токо-
проводами, шинами-и кабелями). Ниже рассматриваются специ-
фические особенности составления и применения принципиальных
электрических схем ТЭЦ. Электрические схемы промышленных
электростанций зависят от номинальной мощности и числа гене-
раторных агрегатов станций, напряжения, принятого для распре-
деления электроэнергии по предприятию, степени ответственности
электроснабжения и наличия или отсутствия связи с энергетиче-
ской системой при генераторном или повышенном напряжении.
Для соответствующих параметров и условий рекомендуются
схемы:
Рис. 89. Принципиальная электри-
ческая схема электростанции неболь-
шой мощности с одной системой
главных шин
Рис 90 Принципиальная схема элек-
трической связи промышленной ТЭЦ
с главной понизительной подстанцией
предприятия.
при наличии генераторов высокого напряжения (6,3 кВ) не-
большой мощности (не более 6000—12 000 кВт) применяется
схема, изображенная на рис. 89, если электрическая связь с энер-
гетической системой отсутствует или осуществляется при напря-
жении, равном напряжению генераторов станции. Для обеспече-
ния большей бесперебойности электроснабжения потребителей
главные шины секционируются по числу агрегатов при помощи
выключателей и разъединителей. В менее мощных и менее от-
ветственных цепях, отходящих от шин станции, можно установить
вместо выключателей высокого напряжения 1 и разъединителей 2
выключатели нагрузки 3 с плавкими предохранителями 4.
Во всех отходящих со станции цепях высокого напряжения уста-
навливаются линейные разъединители 5 с заземляющими ножами,
необходимые для устранения опасности подачи напряжения с шин
станции или со стороны сети в отключенную цепь при ее ремонте
выключателей 1.
ТЭЦ сахарных заводов должны вырабатывать по возможности
электроэнергию только в теплофикационном цикле, т. е. тепло-
фикационные генераторные агрегаты такой станции должны рабо-
тать по вынужденному электрическому и свободному тепловому
276
графикам нагрузки. В подобном случае графики суммарной элек-
трической нагрузки предприятия в остальной части должны по-
крываться от районной электроснабжающей системы. ТЭЦ сахар-
ных заводов небольшой мощности могут непосредственно соеди-
няться с энергоснабжающей системой при генераторном или
повышенном напряжении (не менее 3,5 кВ). ТЭЦ сахарных заво-
дов большой мощности связываются с районной энергоснабжаю-
щей системой через центральную или главную подстанцию пред-
приятия, причем ТЭЦ и такая подстанция территориально
рассредоточены. Наиболее целесообразно осуществлять электро-
связь местной ТЭЦ с главной подстанцией предприятия при по-
мощи двух кабельных линий (перемычек) 1 и 2 или шинопрово-
дов при напряжении 6—10 кВ, из которых каждая цепь в случае
необходимости может передать всю соответствующую мощность.
На рис. 90 в качестве примера показана местная ТЭЦ А с одиноч-
ной системой главных шин, секционированной по числу генера-
торов на две секции посредством выключателя и»разъединителей.
Главная подстанция сахарного завода Б показана частично в
виде двоичной системы шин вторичного напряжения с шиносоеди-
нительным выключателем. В зависимости от взаимного террито-
риального расположения местной ТЭЦ, главной подстанции и
цеховых подстанций предприятия питание последних может про-
изводиться частично или полностью от ТЭЦ или главной пони-
зительной подстанции.
Расчет тепловой схемы. Расчет тепловой схемы ТЭЦ выпол-
няется для составления баланса пара и воды и определения теп-
ловой экономичности установки.
Обычно расчет принципиальной тепловой схемы промышлен-
ной ТЭЦ достаточно выполнить для максимальной тепловой на-
грузки, имеющей место в зимний период, и для пониженной тепло-
вой нагрузки в летний период.
Для каждого расчетного режима определяют:
расход пара на турбогенераторы;
расход пара помимо турбогенераторов (на редукционно-охла-
дительные установки);
потребную мощность парогенераторов;
необходимую производительность каждого из вспомогатель-
ных элементов схемы (бойлеры, подогреватели и т. д.);
необходимое количество агрегатов и элементов схемы, участ-
вующих в работе при заданном режиме.
Для удобства расчета тепловой схемы следует разделить его
на три части.
Первую часть составляет расчет расходов пара внешними по-
требителями, к которым относятся: производственные потребители
пара и горячей воды, теплофикационные, отопительно-вентиля-
ционные, установки бытового горячего водоснабжения.
Вторая часть состоит из расчета расходов пара на собствен-
ные нужды ТЭЦ (деаэраторы питательной воды парогенераторов,
пароводяные подогреватели низкого давления, пароводяные подо-
277
греватели питательной воды высокого давления) и расчета по-
требной выработки пара парогенераторами.
В третьей части расчета составляется пароводяной баланс
ТЭЦ, характеризующий тепловую работу станции в течение всего-
года. Расчет тепловой схемы заканчивается определением пока-
зателей тепловой экономичности ТЭЦ.
При заданной электрической мощности теплофикационного
турбогенератора расход пара (кг/с) определяется по формуле
Дт = аД^ном ~Т [Дпвд + 1^2 Дро + ^з^пнд. (125)
где Dt —удельный расход пара, проходящего через всю
проточную часть турбогенератора (табл. 42, 43),
кг/(кВт-ч);
Whom —номинальная мощность турбогенератора, принятая
на основании максимальной нагрузки по суточному
графику, кВт;
И, Уз, Уз — так называемые коэффициенты недовыработки;
Дпвд, Dpo, Опнд — отборы пара — нерегулируемые на подогреватели
высокого давления и низкого давления и регулируе-
мые на производство и собственные нужды, кг/с.
Коэффициент недовыработки мощности паром из отборов равен
im6 iK , (126>
1о 1к
где i’ot б — энтальпия пара любого отбора, Дж/кг;
»о, »к — энтальпия пара до и после турбогенераторов, Дж/кг.
Расход пара турбогенератором (кг/с) при выключенных регу-
лируемых и регенеративных отборах пара (турбогенератор с про-
тиводавлением или конденсацией) определяется по формуле:
3600WHOM____
(i01 iK) ЧовЧмЧг
(127>
Расход свежего пара (кг/с) на редукционно-охладительные
установки (РОУ):
СРОУ — °ред
1ред *пв
^св'Проу — 1пв
(128>
где Дред — количество редуцированного пара, кг/с;
«св, »ред —энтальпия свежего и редуцированного пара, Дж/кг;
1Пв —энтальпия питательной воды парогенераторов, используемой
для охлаждения пара впрыском, Дж/кг;
Т) роу — коэффициент, учитывающий потерю тепла установкой в ок-
ружающую среду, обычно принимается равным 0,98.
Сумма расходов пара на турбогенераторы и РОУ, увеличен-
ная на 2—3% (запас на неучтенные потери тепла в цикле стан-
ции), дает необходимую паропроизводительность парогенераторов,
обеспечивающих работу станции на всех ее режимах:
Дт + Дроу
Дцг — 1 _ V *
1 А пот
где Квот — коэффициент, учитывающий потери в тепловом цикле
(определяется при расчете расхода пара на деаэратор добавочной
воды по методике, изложенной в работах Б. В. Сазанова, В. Н. Юре-
нева).
(129)
станции
278
ВЫБОР ТИПА И МОЩНОСТИ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ
Для комбинированного производства электрической энергии и
тепла применяются турбогенераторы: с противодавлением и отбо-
ром пара для производственных или отопительных потребителей
типа Р; с регулируемым производственным отбором пара и про-
тиводавлением' типа ПР; конденсационные турбогенераторы с од-
ним или двумя регулируемыми отборами пара типа Т и П;
конденсационные турбогенераторы с двумя или тремя регулируе-
мыми отборами пара — производственным и отопительным
типа ПТ. Турбогенераторы указанных типов изготавливаются раз-
личной мощности и на различные начальные и конечные пара-
метры пара.
Конденсационные турбогенераторы предназначены для выра-
ботки только электроэнергии.
Теплофикационные турбогенераторы предназначены для ком-
бинированной выработки тепла и электроэнергии. При открытых
отборах пара они могут работать как конденсационные.
В соответствии с рекомендациями ВНИИСПа (1977 г.) пред-
лагается для всех реконструируемых и проектируемых сахарных
заводов применение турбогенераторов с противодавлением.
Турбогенераторы с противодавлением не имеют конденсато-
ров, весь пар из их выхлопа направляется потребителям тепла.
Турбогенераторы с противодавлением типа Р обеспечивают вы-
работку электрической энергии с минимальным удельным расхо-
дом тепла. ТЭЦ, оборудованные такими агрегатами, наиболее
дешевы и просты в эксплуатации. Однако выработка электриче-
ской энергии турбогенераторами с противодавлением непосредст-
венно зависит от режима теплового потребления, который оказы-
вает решающее влияние на экономику ТЭЦ.
Свеклосахарные заводы получают электроэнергию в основном
от призаводских ТЭЦ, в большинстве связанных с энергосистемой.
ТЭЦ работают по тепловому графику. Единичная мощность и
число устанавливаемых на ТЭЦ турбогенераторов определяется
количеством пара, необходимого для технологического процесса,
режимом работы и перспективами дальнейшего развития ТЭЦ.
В последнее время Г. В. Ивановым разработана более точная
и обоснованная методика выбора единичной мощности, числа и
типа турбогенераторов на ТЭЦ. Согласно этой методике турбо-
генераторы выбираются по максимуму годовой экономии топлива
на ТЭЦ на 1 кДж тепловой нагрузки, присоединенной к ТЭЦ,
при удовлетворении заданной тепловой и электрической нагрузки.
Методика такого выбора основана на использовании полиномов
второй степени, по которым можно с минимальной затратой вре-
мени и труда определять и анализировать показатели ТЭЦ с тур-
богенераторами различных типов и выбирать оптимальное соче-
тание турбогенераторов.
Как правило, электроэнергии вырабатывается больше, чем
необходимо заводу, и ее избыток в производственный период
279
отдается в энергосистему. Во внепроизводсТвенный период ТЭЦ
питается электроэнергией от энергосистемы. В ТЭЦ, если она свя-
зана с энергосистемой, устанавливаются турбогенераторы с про-
тиводавлением. В ТЭЦ свеклосахарных заводов, не связанных
с энергосистемой и питающих током некоторые районные потре-
бители, устанавливают для работы в производственный период
турбогенераторы с противодавлением, а для работы во внепроиз-
водственный период — турбогенераторы с промежуточным отбо-
ром пара и конденсацией. Мощность устанавливаемых турбогене-
раторов определяется потребностью в электроэнергии сахарного
завода и районных объектов Потребная мощность в производст-
венный период составляет 150—175 кВт на переработку 100 т
свеклы и зависит от специфических условий завода. В настоящее
время вследствие роста уровня механизации трудоемких про-
цессов, потребность в электроэнергии в производственный период
возрастает.
При выборе основного оборудования заводской ТЭЦ большое
значение имеет создание необходимых резервов. Требования
к резервированию по электроэнергии и теплу различны. Так как
большинство заводских ТЭЦ имеют полноценную связь с энерго-
системой и покрывают полностью электронагрузки завода, как
правило, нецелесообразно иметь на ТЭЦ резервный источник
электроэнергии. Резервных турбогенераторов с промышленным
отбором типа ПТ или ПР не предусматривают, так как при вы-
ходе турбогенератора из строя пар потребителям может быть
подан через РОУ даже в несколько большем количестве.
На существующих изолированных от энергосистемы промыш-
ленных ТЭЦ и вновь проектируемых, резервирования турбогене-
раторов также, как правило, не предусматривается. Турбогенера-
тор является надежным агрегатом, вынужденные остановки
которого при нормальной эксплуатации редки и сравнительно не-
продолжительны.
Абсолютный к. п. д. ТЭЦ зависит в основном от выбора опти-
мальных параметров пара. Выбор оптимальных параметров пара
представляет собой весьма сложную задачу, при решении кото-
рой приходится учитывать много технических и экономических
факторов, а также необходимость стандартизации как начальных
параметров пара турбин и парогенераторов, изготавливаемых
в стране, так и давлений регулируемых отборов. В табл. 39 при-
Таблица 39
Условное наименование начальных параметров Номинальные значения Предельные допустимые отклонения от номинальных значений
Давление, МПа Температура, °C Давление, МПа Температура, °C
Повышенные Высокие 3,5 9,0 435 535 3,2—3,7 8,5—9,5 420—445 525—540
280
ведены данные о начальных параметрах пара для ТЭЦ сахарных
заводов и допустимых их отклонениях.
В табл. 40 приведены данные о давлении пара в регулируемых
отборах и противодавлениях и допустимые отклонения.
Таблица 40
Номинальное давление, МПа Предельное отклонение давления, МПа
в регулируемом отборе противодавлении в регулируемом отборе противодавлении
0,09 0,05-0,2 . —
0,12 —. 0,07—0,25 —
— 0,3 — 0,2—0,4
0,5 0,5 0,4—0,7 0,4—0,7
1,0 1,0 0,8—1,3 0,8—1,3
1,3 1,3 1,0—1,6 1,0—1,6
Основные характеристики турбогенераторов Калужского тур-
бинного завода, являющегося основным поставщиком турбогене-
раторов для сахарных заводов, приведены в табл. 41 и 42.
В основу выбора производительности парогенераторов и мощ-
ности турбогенераторов ТЭЦ должны быть положены суточные
графики потребления электроэнергии и пара (по параметрам).
Расчет расхода пара на турбогенератор в зависимости от ре-
жима работы может быть выполнен по формулам (125) и (127).
Также можно принять в качестве исходных данных к выбору
турбогенератора расход пара, определенный по формуле (ИЗ).
Тип и мощность турбогенератора выбираются по таблицам 41
и 42 в соответствии с рассчитанной по формуле (122) нагрузкой
генератора. Если расчетная мощность (или определенная по
суточным графикам) занимает промежуточное значение между
мощностями турбогенераторов, приведенными в таблицах, то не-
обходимо выбирать турбогенератор большей мощности Тогда не-
обходимый расход свежего пара на турбогенератор определяется
в кг/с по формуле
(д^расч \
0,83+ 0,17 , (130J
'•ном /
где £>яом — расход пара через турбогенератор, выбираемый по таблицам 42
или 43, кг/с
Теперь можно определить выход пара Е)ред из редукционно-охла-
дительной установки:
£>ред = £)ТЭЦ—Dy (131)
где Dy — выход пара из турбогенератора.
В настоящее время энергетическое оборудование для промыш-
ленных электростанций с турбогенераторами до 6000 кВт изго-
тавливается на параметры пара у парогенераторов Р=4 МПа
и Дщг=450°С и у турбогенераторов Р=3,5 МПа и £пп=435°С.
Применение в ТЭЦ сахарных заводов высоких параметров пара —
281
ПТ-25/30-90/10 м
ПТ-12/15-35/10 м
25000 9,0 535 3000 215 1,0/0,12 70/50
12000 3,5 435 3000 150 1/0/0,12 50/40
Турбины конденсационные, с произведет
6000 I 3,5 I 435 I 3000 I 150 I 0,5 I 40 I
П-6-35/5 м
у парогенераторов Р=10 МПа, /пп=540°С и у турбогенераторов
соответственно Р=9 МПа, /Пп=535°С дает большую экономию
топлива, поэтому повышение параметров ТЭЦ является одной из
важных и перспективных задач.
В настоящее время при наблюдающейся тенденции сокраще-
ния расхода технологического пара ощущается нехватка электро-
энергии на сахарных заводах, поэтому для увеличения выработки
электроэнергии на том же тепловом потреблении необходимо по-
вышать начальные параметры пара на ТЭЦ.
Внедрение повышенных параметров пара позволяет резко по-
высить экономичность работы теплоэнергетического хозяйства
завода, снизить расход топлива на переработку свеклы за счет
уменьшения выхода отработанного пара, повысить производитель-
ность действующих выпарных станций, удлинить период между
выварками выпарки за счет повышения параметров технологиче-
ского пара, а на ряде заводов создать такие условия работы,
чтобы вообще отпала необходимость в выварке.
Научно-исследовательские работы и анализ конструктивных
особенностей турбогенераторов выявили возможность повышения
давления пара до 3,5 МПа и температуры перегрева до 420° С
для турбогенераторов типа ОР без дополнительных изменений их
конструкции. Это приближает их по экономичности к турбогене-
раторам типа АР.
Следовательно, электрические нагрузки на сахарных заводах
можно снизить за счет реализации следующих мероприятий:
разработки и внедрения менее энергоемкого и технологиче-
ского и энергетического оборудования;
282
Таблица 41
Номинальные расходы пара и тепла при режимах
с отбором
конденсационном с регенерацией
Соответствие ГОСТу
регулируемыми отборами пара
теплофикационным
157,5
108,3
16300 101,5
24100 58,2
4,06 10000 ГОСТ 3618—69
4,85 13000 ГОСТ 3618—69
венным регулируемым отбором пара
55,8 I 9,3 I 25000 I 28,2
4,77 I 12700 I ГОСТ 3618—69
совершенствования и интенсификации технологических и теп-
ловых процессов;
перерасчета и приведения к нормативным нагрузкам двигате-
лей на действующем технологическом и энергетическом обору-
довании;
освоения и повышения производственных мощностей при суще-
ствующих электрических нагрузках.
Выбор числа и паропроизводительности парогенераторов
Промышленные котельные и ТЭЦ сахарных заводов оборудо'
ваны водотрубными парогенераторами с естественной циркуля-
цией паропроизводительностью от 6 до 75 т/ч. Около 85% всех
парогенераторов современных конструкций изготовлены на Белго-
родском, Бийском и Таганрогском заводах, небольшая часть по-
ступает по импорту (фирмы «Бруон», «Бабкок — Вилькокс», «Ин-
веста», «Штейнмюллер»).
Большая энергоемкость свеклосахарного производства делает
актуальным вопрос использования топливно-энергетических ресур-
сов. Благодаря значительному развитию топливной базы страны,
сахарные заводы на протяжении уже 20 лет снабжаются прогрес-
сивными видами топлива — мазутом и природным газом.
Распределение ТЭЦ и промышленных котельных (в %) по
основным видам топлива следующее:
„. Промышленные
котельные
Природный газ........................... 21 9
Топочный мазут.......................... 74 91
Твердое топливо.......................... 5 —
283
Т а б лица 42
Параметры острого пара Противодавление Регулиру- емый отбор Номинальные расходы пара при режимах
S' о 1 при номинальном про- 1 типппао rrntir/u т» и й° Л без отбора с отбором
Тип турбогенератора Мощность, кВт давление, МПа температура, °C Частота вращения. номинальное давление на выхлопе и пределы регулиро- вания, МПа j калькой мощности, номинальное давление и пределы регулирования, МПа при номинальном давлении, °C номинальный про- изводственный отб( т/ч С к iS ё н f Б Соответствие ГОСТу
Турбины с противодавлением, с производственным регулируемым отбором пара
ПР-12-90/15/7 м 12000 9,0 535 3000 0,7(0,54-0,9) 268 1,5(1,24-1,8) 325 75,0 101,0 8,4 117,0 9,75 ГОСТ 3618-69
ПР-6-35/15/5 м 6000 3,5 435 3000 0,5(1,34-1,7) 235 1,5(1,34-1,7) 300 35,0 63,0 10,5 85,0 14,2 ГОСТ 3618—69
ПР-6-35/10/5 м 6000 3,5 435 3000 0,12(0,44-0,7) 243 1,0(0,84-1,3) 298 50,0 64,0 10,6 81,0 13,5 ГОСТ 3618—69
ПР-6-35/10—1,2 м 6000 3,5 435 3000 0,12(0,074-0,25) 135 1,3(0,84-1,3) 299 50,0 41,5 6,9 68,8 11,5 ГОСТ 3618—69
ПР-6-35/5/1,2 м 6000 3,5 435 3000 0,12(0,074-0,25) 132 0,5(0,44-0,7) 237 40,0 41,5 6,9 55,2 9,2 ГОСТ 3618—69
5ины противодавлением без п ромежуточного от бора гара
(Р-12-90/31 'м) 12000 9,0 535 3000 3,1 (2,94-3,3) 401 — — — 189 15,7 — ГОСТ 3618-69
(Р-12-90/18 м) 12000 9,0 535 3000 1,8(1,64-2,1) 350 —> — 137 11,4 — — ГОСТ 3618—69
(Р-12-35/5 м) 12000 3,5 435 3000 0,5(0,44-0,7) 222 —— — 114,7 9,52 — — ГОСТ 3618—69
Р-12/35/5 м 8400 3,5 435 3000 1,0(0,84-1,3) 222 — — — 125,0 14,9 — —• ГОСТ 3618—69
Р-6-35/10 м 6000 3,5 435 3000 1,0(0,84-1,3) 293 — — 87,7 14,6 — —. ГОСТ 3618—69
Р-6-35/5 м 6000 3,5 435 3000 0,5(0,44-0,7) 226 — ~~~ 60,0 10,0 — ГОСТ 3618—69
Р-6-35/3 м 6000 3,5 435 3000 0,3(0,24-0,4) 186 — —* 50,5 8,42 — ГОСТ 3618—69
Р-4-35/15 м 4000 3,5 435 3000 1,5(1,34-1,7) 338 — — — 85,4 21,35 —. — ГОСТ 3618—69
Р-4-35/5 м 4000 3,5 435 3000 0,5(0,44-0,7) 231 —— — — 41,5 10,36 — — ГОСТ 3618-69
(Р-2,5-35/Зм) 2500 3,5 435 3000 0,3(0,24-0,4) 200 — — 22,6 9,05 — — ГОСТ 3618—69
Р-2,5-15/6 м 2500 1,5 350 3000 0,6(0,44-0,7) 257 —- — 63,0 25,2 — — ГОСТ 3618-69
Р-2,5-15/3 м 2500 1,5 350 3000 0,3(0,24-0,4) 193 — — — 34,3 13,7 —. — —
Примечание: типоразмеры турбин, указанные в_скобках, ГОСТ 3618—69 не^рекомендуется применять.
На ТЭЦ сахарных заводов, как правило, устанавливаются
барабанные парогенераторы с естественной циркуляцией. Конст-
рукция и их компоновка определяется видом топлива, способом
его сжигания, параметрами пара и собственной мощностью.
Парогенераторы средней мощности в основном имеют камер-
ные факельные топки. Слоевое сжигание в топках с цепными
решетками применяется при использовании сортированных антра-
цитов и неспекающихся каменных углей в парогенераторах про-
изводительностью до 35 т/ч. Иногда для несортированных камен-
ных и бурых углей применяют факельные слоевые топки. Куско-
вой торф сжигается в слое в шахтно-цепных топках парогенера-
торов производительностью до 120 т/ч.
Во всех остальных случаях газообразное, жидкое и твердое
топливо сжигают факельно в камерных топках, а также твердое
топливо — в циклонных топках.
Единичная производительность и количество парогенераторов,
устанавливаемых на ТЭЦ, выбираются исходя из условий бес-
перебойного снабжения паром турбогенераторов и других потре-
бителей, минимальных затрат на парогенераторы и применения
их преимущественно одинаковой производительности, а также
высокой экономичности работы парогенераторов при принятой
технологической схеме электростанции.
Для бесперебойного электроснабжения предприятия с изоли-
рованных собственных ТЭЦ общая производительность парогене-
раторов при выходе из работы одного парогенератора наиболь-
шей производительности должна обеспечивать выработку макси-
мального (по графику) количества электрической энергии, макси-
мальный отпуск пара на производство и среднюю за наиболее
холодный месяц отдачу тепла на отопление, вентиляцию и горя-
чее водоснабжение.
На ТЭЦ, связанных с энергосистемой, при таком же харак-
тере покрытия тепловой нагрузки допускается снижение выра-
ботки электроэнергии до величины, определяемой тепловой
нагрузкой турбогенератора. Поэтому на таких ТЭЦ должно быть
установлено не менее двух парогенераторов единичной произво-
дительностью, обеспечивающей отпуск всего требуемого количе-
ства пара. Расход пара на парогенераторы определяется по фор-
муле (129).
При выборе производительности и числа парогенераторов не-
обходимо предусматривать объединение оборудования в блоки
или секции. При этом парогенераторов на ТЭЦ должно быть не
меньше турбогенераторов. Номинальная производительность паро-
генераторов секции или блока должна быть равна максималь-
ному расходу пара на турбогенератор и связанное с ним вспомо-
гательное оборудование или несколько превышать его. Резервный
парогенератор можно подключить вместо вышедшего из строя
парогенератора в секции.
Парогенераторы характеризуются номинальной производитель-
ностью, номинальным давлением и температурой. Наибольшая
285
паропроизводительность, которую парогенератор должен обеспе-
чить в длительной эксплуатации при номинальных параметрах
пара и питательной воды (или некоторых допустимых ид откло-
нениях) называется номинальной.
Номинальное давление пара это наибольшее рабочее допусти-
мое давление непосредственно за пароперегревателем.
Номинальная температура острого пара и номинальная тем-
пература пара промежуточного перегрева—'температуры пара,
которые должны обеспечиваться непосредственно за пароперегре-
вателем при номинальных значениях давления пара, температуры
питательной воды и паропроизводительности.
Допустимые пределы отклонений от номинальных значений
температуры пара в парогенераторах следующие:
Температура пара, °C Предельное отклонение, °C
225 +25
—15
250 . +25
—15
440 +10
—15
540—570 +5
—10
На ТЭЦ современных сахарных заводов устанавливаются
парогенераторы производительностью 35, 50 и 75 т/ч при давле-
нии пара 3,9 МПа и температуре 440° С.
В обозначении марок парогенераторов, например БКЗ-75-39БФ
или БГМ-35М, сочетание БКЗ и БГМ указывает завод-изготови-
тель — Белгородский котельный завод; первые цифры — произво-
дительность в т/ч; буква Б после цифр — бурый уголь или ма-
зут (М), Ф— вид топки — факельная. В других марках, например
ГМ-50-1, Б-35-40, Т-35-М, первая буква обозначает вид исполь-
зуемого топлива — соответственно газ и мазут, бурый уголь, торф,
первые цифры указывают производительность в т/ч.
Парогенератор Б Г М-35М Белгородского котельного
завода (рис. 91, 92) производительностью 35 т/ч предназначен для
сжигания мазута и природного газа. Топочная камера объемом
147 м3 полностью экранирована трубами 060X3 мм. Под топки
выполнен «горячим» и охлаждается воздухом. Парогенератор обо-
рудован двумя рядами мазутных или газовых горелок, из которых
три ни^кних являются основными, а две верхних — дополнитель-
ными для регулирования температуры перегретого пара. Задний
экран в верхней слоевой части разведен в трехрядный фестон
с шагами 220 и 240 мм.
В горизонтальном газоходе размещен двухступенчатый паро-
перегреватель. Первая ступень его по ходу газов выполнена из
труб 040X3,5 мм, а вторая — из труб 038X3,5 мм. В конвектив-
ной шахте расположен водяной экономайзер из. труб 032X3 мм
и трубчатый воздухоподогреватель из труб 040X1,5 мм. Такое
размещение воздухоподогревателя в отдельном газоходе, смещен-
ном к задней стенке топки, вызвано стремлением облегчить
286
очистку труб воздухоподогревателя от летучей золы. Испарение
в парогенераторе двухступенчатое и рассчитано на питательную»
воду с содержанием соли до 250 мг/кг. Паропроизводительность
парогенератора может
быть доведена до 45 т/ч.
Расчетный к.п.д. т]пг=
= 88,6%, аэродинамиче-
ское сопротивление газо-
вого тракта 750 Па.
В энергосистеме Со-
ветского Союза наряду с
газом и мазутом широко
используются низкосорт-
ные дешевые топлива —
высоковлажные и много-
зольные бурые угли, фре-
зерный торф, горючие
сланцы, отходы древеси-
ны и т. п. С 1959 г. выпу-
скается серия блочных
однобарабанных пароге-
нераторов с естественной
циркуляцией производи-
тельностью 50 т/ч для
камерного сжигания бу-
рых углей — Б-50-40, ка-
менных углей — К-50-40
и фрезерного торфа —
Т-50-40.
Топки, как парогене-
ратора Б-50-40 (рис. 93),
так и К-50-40 и Т-50-40,
выполняются квадратны-
ми или близкими к квад-
рату, с сухим шлакоуда-
лением. В зависимости от
Рис. 91. Общий вид парогенератора БГ-35
с газомазутной топкой:
1 — газомазутная горелка; 2 — боковой экран; 3 —
фронтовой экран; 4 — подвод газа; 5 — воздухо-
провод; 6 — спускные трубы; 7 — каркас; 8 — вы-
носной циклон; 9—барабан парогенератора; 10—
подвод воды; И — коллектор пароперегревателя;
12 — трубопровод для выхода пара; 13 — поверх-
ностный охладитель пара; 14 — пароперегрева-
тель; 15 — змеевиковый экономайзер; 16 — трубо-
провод для выхода дымовых газов; 17 — трубча-
тый воздухоподогреватель; 18 — задний экран;
19 — топочная камера.
сорта сжигаемого топлива изменяется тип топочного устройства.
Для сжигания каменных и тощих углей, антрацитового штыба
установлены верхние мельницы; для бурых углей,- фрезерного тор-
фа и сланцев — две молотковые мельницы.
Растопка парогенераторов указанных марок предусмотрена на
мазуте. Для повышения температуры в зоне воспламенения пыли
антрацитового штыба, некоторых сортов трудновоспламеняю-
щихся тощих углей, высоковлажного фрезерного торфа и бурых
углей участки экранов выполняют ошипованными, закрытыми
высокоогнеупорной хромитовой массой с низкой теплопровод-
ностью. В парогенераторах применена трехслойная монолитная
облегченная обмуровка, закрепленная на каркасе. Унифицирован-
ные блочные парогенераторы Б-50-40 и Т-50-40 отличаются пло-
287
щадью поверхности нагрева пароперегревателя и водяного
экономайзера. К. п. д. парогенераторов Цщ.: Т-50-40 — 88,1%;
Б-50-40 — 88,5 %; К-50-40 — 91,2 %.
Рис. 92. Продольный разрез парогенератора БГ-35 с газомазутной топкой.
В блочном парогенераторе Г М-50-1 (рис. 94)
мощностью 50 т/ч используют в качестве топлива газ и мазут.
Расчетный расход природного газа составляет 1,2 м3/с, мазута —
1,08 кг/с. В парогенераторе применена схема двухступенчатого
испарения, рассчитанная на воду с содержанием солей до
250 мг/кг. Пар из барабана парогенератора поступает в камеру 8,
а затем по трубам 9 направляется в промежуточные камеры 11, 15
и далее в поверхностный пароохладитель. Схема блочного паро-
перегревателя предусматривает перемещение потоков пара из
288
левой части пароохладителя в правую половину нижней ка-
меры 15, а из правой части пароохладителя — в левую половину
камеры. В верхней кипящей части гладкотрубного экономайзера
процент кипения составляет 11,4. Расчетный к. п. д. парогенера-
тора т)пг=91,42, аэродинамическое сопротивление газового тракта
2300 Па (природный газ) и 1950 Па (мазут).
Рис. 93. Парогенератор Б-50-40 Белгородского котельного завода:
1— газомазутные гореЛкн; 2— топка; 3— ширмовый пароперегреватель; 4 — барабан; 5 —
выносные циклоны, 6 — дробеструйная установка; 7 — фестон; 8 — конвективный паропере-
греватель; 9 — водяной экономайзер; 10 — трубчатый воздухоподогреватель.
10 Зак. 660
289
Многотопливный блочный парогенератор
КМ-75-40 (рис. 95) производительностью 75 т/ч предназначен
для раздельного или комбинированного сжигания коры и древес-
ных отходов, угольной пыли, мазута и природного газа. Топка
двухкамерная объемом 680 м3. Предтопок оборудован наклонной
неподвижной решеткой и_ чешуйчатой цепной решеткой. Древес-
ные отходы и кора, сползая по наклонной решетке, подсушива-
ются и догорают на цепной решетке. Предтопок снабжен мазут-
ными подсвечивающими горелками. В основной топочной камере
для сжигания угольной пыли, мазута и газа объемом 434 м3 раз-
мещены комбинированные горелки.
Рис. 94. Парогенератор ГМ-50-1 Белгородского котельного завода-
1—топка, 2— фестон, 3— барабан; 4 — выносные циклоны, 5-камера насыщенного пара;
6 — потолочные трубы пароперегревателя, 7 — дробеструйная установку, 8 — промежуточная
камера; 9— камера перегретого пара, 10 — поверхностный пароохладитель, —горизон-
тальный пароперегреватель, 12— камера пароперегревателя, 13— водяной экономайзер;
14 — горизонтальный трубчатый воздухоподогреватель, 15 — горелкн, 16 — регулировочные
форсунки, 17 — взрывной клапан
290
Цепная решетка усложняет конструкцию парогенератора и его
унификацию, создает дополнительные затраты энергии на ее при-
вод, увеличивает металлоемкость. Значительный запас топлива в
предтопке затрудняет регулирование процесса горения. Расчет-
ный к. п. д. парогенератора т]пг=8О,Зо/о-
Рис 95 Парогенератор КМ-75-40 Белгородского котельного завода:
/ — цепная решетка ЦЧР 5600X3100, 2 — наклонная финская решетка, 3 —дутьевые зоны;
4 — сопла острого дутья; 5 — пароперегреватель, 6 — водяной экономайзер, 7 — трубчатый
воздухоподогреватель; S — дробеструйная установка
При переводе ТЭЦ сахарных заводов на высокое давление
10 МПа и температуру пара 540°С перспективны газомазут-
ные парогенераторы Б КЗ-120-100 ГМ (рис. 96) про-
10* 29»
изводительностью 120 т/ч с ГЬобразной полусовмещенной компо-
новкой поверхности нагрева. Топочная камера призматической
формы объемом 317 м3 экранирована трубами 060X5 мм с шагом
64 мм. В топке установлено в два яруса 8 газомазутных горелок.
Энерговыделение топочного объема 290 кВт/м3. Расчетный расход
мазута 2,36 кг/с. В парогенераторе применена схема двухступен-
чатого испарения и установлены сепарационные устройства —
внутрибарабанные циклоны, барботажно-промывочные элементы,
сепараторы пара. Полностью дренируемый пароперегреватель по
характеру восприятия тепла делится на две части: радиационную
Рис. 96 Парогенератор БКЗ-120-100 ГМ Барнаульского котельного завода:
1 — шахта молотковой мельницы, 2 — топочная камера; 3 — фестон, 4 — пароперегреватель;
5 — поверхностный пароохладитель, 6 — выносной циклон, 7 — водяной экономайзер, 8 — труб-
чатый воздухоподогреватель.
292
и конвективную. К радиационной части относится ширма и труба
потолка топки. Конвективные пакеты пароперегревателя разме-
щены в опускном газоходе парогенератора. Регулирование темпе-
ратуры перегретого пара осуществляется впрыском «собственного»
конденсата.
За пароперегревателем установлены пакеты водяного эконо-
майзера кипящего типа. Воздух до 280° С подогревают в труб-
чатом воздухоподогревателе.
Расчетный к. п. д. парогенератора т]пг=91,7%, аэродинамиче-
ское сопротивление 1700 Па.
В последние годы возрос интерес к парогазовым циклам,
позволяющим поднять на несколько процентов термический к. п. д.
станции по сравнению с чисто паросиловой установкой при тех же
параметрах пара благодаря использованию тепла отработанных
газов газовой турбины в регенеративном цикле паровых турбо-
генераторов. Одним из основных элементов парогазовой установки
является высоконапорный парогенератор.
Высоконапорный парогенератор (рис. 97) произ-
водительностью 50 т/ч — агрегат с многократной принудительной
циркуляцией с топочной камерой, работающей под давлением
~0,5 МПа, является одновременно генератором пара высоких
параметров и камерой сгорания газовой турбины. Парогенератор
выполнен в виде вертикального цилиндра, внутри находятся
кожух, образующий топочную камеру, оборудованную газомазут-
ными горелками, и конвективный газоход. В последнем располо-
жены конвективные испарительные поверхности нагрева и паро-
перегреватель.
Насыщенный пар в пароперегреватель подводится из верхней
части сепаратора, в котором происходит отделение пара из паро-
водяной смеси. Продукты сгорания, пройдя конвективный газоход,
направляются в газовую турбину при давлении 0,36—0,4 МПа
и температуре 700° С. Из турбины продукты сгорания поступают
в установленный вне парогенератора водяной экономайзер и уда-
ляются через дымовую трубу с температурой 145° С. К. п. д. вы-
соконапорного парогенератора 93,3%.
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС И К.П.Д. ПАРОГЕНЕРАТОРОВ
Отношение величины использованного в парогенераторе тепла
к величине располагаемого тепла топлива представляет собой
коэффициент полезного действия парогенератора (к. п. д. брутто).
(132)
Wp
где -к. п. д. брутто, %;
Qi —тепло, полезно использованное в парогенераторе, МДж/кг;
QP—располагаемое тепло от 1 кг твердого и жидкого или 1 им3 га-
зообразного топлива, МДж/кг.
293
Рис 97. Высокоиапориый парогенератор БелКЗ-ЦКТИ производительностью
50 т/ч:
t — мазутные горелки; 2 — наружный кожух; 3 — экран (испарительные поверхности нагре-
ва); 4 — внутренний кожух; 5 — пароперегреватель; 6 — нижняя цилиндрическая часть кор-
пуса; 7 —днище.
Qi в парогенераторе в общем случае может быть определено из
выражения
Q1 — ®1Ш (*ПП *пв) ~Ь ®НП (*ИП *пв) + ®пр (‘пр *пв) > (133)
где £>пп — количество перегретого пара, выработанного парогенерато-
ром, кг/с;
inn, «пв — удельные энтальпии перегретого пара и питательной воды,
МДж/кг;
Двп. inn —расход (в кг/с) и удельная энтальпия (в МДж/кг) насы-
щенного пара, отданного из барабана парогенератора;
ДПр — расход воды на продувку парогенератора, кг/с;
inv — удельная энтальпия продувочной воды, Мдж/кг.
При отсутствии отбора насыщенного пара количество полезно
использованного в парогенераторе тепла Qi (в МВт) подсчитыва-
ется по формуле
Qi = Опп (inn inB) РПр ((др »'пв)- (134)
Если продувка составляет менее 2% от паропроизводительно-
сти парогенератора, то расход тепла на подогрев продувочной во-
ды можно не учитывать. Следовательно,
<21 = £)пп(‘пп^-‘пв)- • (135)
Для большинства современных парогенераторов Qg прирав-
нивается qp для твердого и жидкого топлива и для газооб-
разного топлива. Если полезно используемое в парогенераторе
тепло отнести к 1 кг или 1 нм3 сожженного топлива, то к. п. д.
парогенератора
бр__ ^пп (inn — ‘пв)
г1пг-’ 100« (136)
где В — расход топлива, кг/с или нм3/с.
По уравнению (136) находят действующего парогенера-
тора, когда непосредственными измерениями можно вычислить
статьи прихода и расхода его теплового баланса (прямого).
Если расход топлива В и количество пара £>пп не могут быть
определены непосредственно, то рассчитывают по тепловым
потерям:
^=100-2?, (137)
где 2<? — сумма всех потерь тепла в парогенераторе, %; вычисляется или при-
нимается по справочникам.
Коэффициент полезного действия парогенератора брутто не
учитывает расхода тепла и электроэнергии на его собственные
нужды, поэтому для более точных расчетов пользуются к. п. д.
нетто (в %)
х Ссн+С.
С = nS- - " р * 100- (138>
где — тепло пара, затраченное иа выработку того количества электроэнер-
гии, которое приводит в движение вспомогательные механизмы паро-
генератора, МВт;
295
Q”H — тепло пара, представляющего собой непосредственно собственный
расход тепла парогенератором, МВт.
Действительный расход топлива (в кг/с или м3/с), поступающего
в парогенератор
В = —%- -100.
Значительные колебания теплоты сгорания различных видов
топлива затрудняют проведение сравнительных расчетов удельных
расходов топлива, норм его расхода на единицу промышленной
продукции, на 1 кВт-ч, на 1 т пара. Для упрощения таких расче-
тов введено понятие «условное топливо», низшая теплота сгорания
которого равна 29,3 МДж/кг, т. е. справедливо равенство
Вуг-29,3 =BQP;
Вут-В29,з’
где Вут — расход условного топлива, кг/с или нм3/с.
Зная расход условного топлива для каждого парогенератора,
легко сопоставить удельные расходы топлива на единицу продук-
ции и экономичность парогенераторов.
(139)
(140)
РЕДУКЦИОННО-ОХЛАДИТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И АККУМУЛЯТОРЫ
Редукционно-охладительные установки (РОУ) предназначены
для снижения давления пара редуцированием и снижения его тем-
пературы путем распыления холодной воды.
Установки РОУ применяются на ТЭЦ сахарных заводов
для постоянного покрытия тепловых производственных нагрузок,
которые не могут быть непосредственно обеспечены турбогенера-
торами ТЭЦ.
Когда количество отработанного пара турбогенератора недоста-
точно для обеспечения технологического процесса, приходится до-
бавочно редуцировать пар до давления 0,4 МПа с последователь-
ным увлажнением до 40% от общего потребного количества пара
по заводу.
Такое применение РОУ нерационально. Уменьшение распола-
гаемого теплоперепада при редуцировании пара вместо использо-
вания его в турбогенераторах приводит к уменьшению на ТЭЦ
выработки электроэнергии на тепловом потреблении. Поэтому на
ТЭЦ постоянный отпуск пара через редукционно-охладительные
установки допустим только при небольшой потребности пара с
давлением, большим максимального давления регулируемого от-
бора или же при полном использовании возможной производитель-
ности отбора для других потребителей. Кроме того, РОУ исполь-
зуется на ТЭЦ предприятий как резервные для покрытия тепловых
нагрузок при выходе из работы теплофикационных агрегатов во
время планового ремонта или вследствие аварии.
Более эффективен вариант частичного покрытия тепловых на-
грузок ТЭЦ турбогенератором через тепловые трансформаторы.
296
В некоторых случаях, при наличии больших непродолжитель-
ных пиковых тепловых нагрузок ТЭЦ, редукционно-охладительные
установки совмещают с тепловыми трансформаторами.
Рис. 98. Редуцирование пара в РОУ.
На рис. 98, а на i—s диаграмме показан процесс, происходящий
в РОУ. Линия АВ (i=const) изображает процесс редуцирования
пара в редукторе с давлением pi до давления р2, причем темпе-
ратура пара снижается с Л до t2. Для получения пара с заданной
температурой t2 при давлении р применяется пароохладитель
смешивающего типа, включаемый за редуктором и являющийся
наряду с последним одним из двух основных элементов РОУ.
Пароохладитель снижает температуру пара t2 до заданного зна-
чения t2, автоматически поддерживая эту температуру при коле-
баниях тепловой нагрузки.
Процесс, происходящий в пароохладителе на i—s диаграмме,
изображается линией ВС. Точка С характеризует конечное состо-
яние пара (за пароохладителем), которое должно соответствовать
конечному состоянию пара, отработанного в турбогенераторе ТЭЦ
(по политропе АС). На рис. 98, б показаны основные элементы
РОУ. Редуктор 1 оборудован не показанными на схеме самоза-
порными клапанами на стороне высокого й предохранительным
клапаном на стороне низкого давления, а также автоматическим
регулятором давления, поддерживающим в паропроводе низкого
давления постоянное давление независимо от колебаний расходов
пара. Пароохладитель 2 имеет автоматический регулятор темпера-
туры, воздействующий на подачу в пароохладитель охлаждающей
воды, отбираемой из питательных линий между насосом и подогре-
вателем высокого давления.
В основном на сахарных заводах применяются редукционно-
охладительные установки среднего давления, выпускаемые Бар-
наульским котельным заводом. Их технические характеристики
даны в табл. 43, а на рис. 99 приведена принципиальная схема
РОУ. Редуцирование пара производится редукционным клапаном
поворотного типа 1, а охлаждение до нужной температуры осу-
ществляется в смесительном патрубке 4. РОУ с шумоглушителями
297
Таблица 43
Производительность, т/ч Давление редуциро- ванного пара, МПа з редуци- вра, °C Диаметр трубопро- вода редуцированного пара D , мм Аварийные клапаны Диаметр редукционного клапана (в мм) при начальных давлении р и температуре i
S S сГ ИХ число в установке р=2,3 МПа, <=380° С р=3,15 МПа, <=420° С Я Е О о о ’Ю kJ!
-£ До ёЗ у о - сх
0,12 130 150 100 1 - — —.
2,5 0,3 160 150 80 2 — —- .—-
0,6 190 100 80 2 — — —-
0.12 130 250 150 1 —- -—
, 5 0,3 160 200 100 1 — — —
0,6 190 150 100 1 — — —-
10 0,3 160 250 150 I 100 — 80
0,6 190 200 100 1 100 —- 80
1,1 1 250 150 100 1 100 — 80
0,12 130 500 200 1 150 100 100
20 0,3 160 350 200 1 150 100 100
0,6 190 250 150 1 150 100 100
1,1 250 200 100 1 150 100 100
1,5 300 200 100 1 150 100 100
2,3 350 200 100 1 — — 100
0,12 130 700 250 1 150 150 150
0,3 160 400 200 1 150 150 150
0,6 190 300 150 1 150 150 150
30 1,1 250 250 150 ' 1 150 150 150
1,5 300 200 200 1 150 150 150
2,3 150 200 100 1 — 150 150
0,12 130 700 200 2 200 150 150
0,3 160 500 250 1 200 150 150
0,6 190 350 200 1 200 150 150
40 1,1 250 300 150 1 200 150 150
1,5 300 250 150 1 — 150 150
2,3 150 200 100 1 .—_ ,— 150
0,12 130 900 250 2 250 200 200
0,3 160 600 250 1 250 200 200
0,6 190 500 200 1 250 200 200
60 1,1 250 350 200 1 250 200 200
1,5 300 300 1500 1 250 200 200
2,3 350 250 150 1 — 200
между клапаном 1 и патрубком 4 имеет вставку 2 с дроссельной
успокаивающей решеткой 3.
После дросселирования и увлажнения пар поступает в трубу
большего диаметра 5, где происходит выравнивание температур
пара. От длины и диаметра трубопровода 5 зависит правильная
эксплуатация РОУ, поэтому эти величины корректируются заво-
дом-изготовителем. Давление и температура пара после РОУ ре-
гулируется автоматически с помощью электронной или электро-
механической регулирующей аппаратуры.
298
Расчет РОУ включает определение количеств поступающих в
нее охлаждающей воды и пара. Если до РОУ (см. рис. 98, а) пар
имеет параметры р\ и энтальпию й и требуется получить D2 пара
при давлении р2 и температуре t2, энтальпии 1'2, то при практичес-
ком отсутствии потерь тепла в установке
£»2«2 = 'DiG + ^b. (Ml)
где Dt —количество пара, поступающего в редуктор, кг/с;
ii, i2 — удельные энтальпии пара, МДж/кг;
tB — температура воды, подаваемой в пароохладитель, °C;
W — расход охлаждающей воды, кг/с.
При ЭТОМ
Dz^Dx+W, т. е. Di=D2~W.
вхлаждающая
Ма | ,
2 3 6
Пар(рЛ j
2 — па-
повы-
(4,0—
11 12
13 74
(р„щ
1 22
21
20
Редукционио-охла>
установка
давления
Рис. 99.
дительная
шейного
3,5 МПа):
1 — клапан регулирующий;
трубок; 3 — дроссельная решетка;-
4 — смесительная труба нлн охла*
дитель пара; 5 — трубопровод реду-
цированного пара; 6 — аварийный
клапан; 7 — электронный регулиру-
ющий прибор; 8 —импульсный кла*
пан; У — динамическая связь; 10—
манометр; 11— чувствительный ма-
нометр; 12— электронный регулятор температуры; 13 — термометр, 14— термопара; /5 —кла-
пан регулирующий; 16 — вентиль проходной, 17 — трубки; 13 — вентиль игольчатый; 19—
штанга к редуктору; 20 — электромотор; 21 — редуктор; 22 — колонка дистанционного управ-
ления КДУ-1/П.
После подстановки в формулу (141) получим
1Г = О2
*1--*2
Ч
£>, — D211
(142)
(143)
В действительности, не вся вода испаряется в пароохладителе,
299
часть ее сливается в дренажную систему станции. Следовательно,
фактический расход охлаждающей воды
W = aW,
где 1,24-1,25
Соответственно увеличивается и расход первичного пара D\.
Потребление пара в парогенераторных ТЭЦ сахарных заводов
подвергается частым и резким колебаниям из-за уменьшения плот-
ности сиропа, периодичности работы вакуум-аппаратов, увеличе-
ния или уменьшения откачки сока и ряда других причин.
Частые и резкие колебания тепловой и электрической нагруз-
ки, вызываемые подобными причинами, затрудняют эксплуатацию
теплоэнергетического оборудования сахарных заводов, приводят
к неполному использованию мощности парогенераторов, что резко
снижает их к. п. д., вызывает значительный перерасход топлива и
увеличивает износ хвостовых поверхностей нагрева.
Для сглаживания этих колебаний в парогенераторной может
быть использован аккумулятор пара высокого давления.
Аккумулятор пара одновременно выполняет функцию РОУ,
так как разность между количеством отработанного пара, посту-
пающего от турбогенераторов, и необходимым количеством пара
для технологических целей незначительна (в среднем составляет
6—8% к массе свеклы).
Аккумулятор (рис. 100) представляет собой цилиндриче-
ский сосуд, заполненный на 85% водой, с регулирующими заряд-
ным и разрядным устройствами, обратным клапаном на зарядной
линии для предупреждения обратного тока воды в паровую маги-
страль ТЭЦ и внутренним сепарационным устройством по типу
ВТИ. Внутри аккумулятора имеется распределительный коллек-
тор с прикрепленными к нему мундштуками, в наклонной части
которых в два ряда просверлены отверстия. Мундштуки вмонти-
рованы в циркуляционные трубы, несколько не доходящие до ниж-
него днища аккумулятора.
Пар, идущий на зарядку из главной паровой магистрали ТЭЦ,
попадает сначала в распределительный коллектор, а затем, рав-
номерно распределяясь по мундштукам, через отверстия выходит
в водяной объем и конденсируется. При истечении пара из мунд-
штука в циркуляционной трубе образуется местное разрежение и
вода из нижней части засасывается в нее. При этом происходит
перемешивание воды и пара, а также быстрый перегрев всего
водяного объема аккумулятора.
Принцип работы аккумулятора следующий. При установив-
шемся состоянии равновесия температура воды соответствует
температуре насыщенного пара при давлении в паровом прост-
ранстве. Когда давление пара понизится, равновесие нарушается—
вода оказывается перегретой по отношению к пониженному дав-
лению пара, и за счет разности энтальпий жидкости при начальном
давлении и конечном происходит испарение части воды до тех пор,
пока энтальпия воды не снизится до величины, соответствующей
конечному давлению. Обратный процесс конденсации происходит
300
при повышении давления пара. Это продолжается до тех пор, по-
ка сйова не установится положение равновесия и энтальпия воды
не повысится до той величины, которая соответствует новому
давлению пара. Каждому давлению пара в аккумуляторе соответ-
ствует свое положение уровня воды. Верхнее положение уровня
воды соответствует максимальному, а нижнее — минимальному
давлению пара в аккумуляторе.
Рис. 100. Аккумулятор пара высокого давления:
1 — барабан аккумулятора; 2 — воздушный вентиль; 3 — импульсный предохранитель; 4— раз-
рядное устройство; 5 — подвижные опоры; 6— неподвижная опора, 7 — циркуляционные тру-
бы, 8 — зарядные мундштуки; 9 — продувочное н спускное устройство; 10 — распределитель-
ный коллектор; 11 сепарационное устройство; 12 *— сигнализатор и указатель уровня; 13 —
зарядное устройство; 14— питательное устройство.
Для нормальной работы аккумулятора необходим перепад
между давлением источника пара и давлением пара потребителя,
и чем этот перепад выше, тем больше аккумулирующая способ-
ность аккумулятора.
Схема включения аккумулятора в тепловую схему завода пока-
зана на рис. 101.
Замена РОУ аккумулятором высокого давления позволит:
снизить расход топлива за счет повышения к. п. д. парогенера-
торов на 0,25—0,30% к массе свеклы;
обеспечить стабильность температуры технологического пара;
повысить производительность парогенераторов на 10—15%;
301
уменьшить коррозионный износ и повреждения хвостовых/пос-
ледних секций поверхности нагрева. /
При расчете объема аккумулятора исходят из удельной полез-
ной вместимости, равной 7—8 м3 -на 100 кг перерабатываемой
свеклы.
Рис. 101. Схема включения аккумулятора в тепловую схему завода.
/— турбогенератор ОР-1,5-3,0. 2 — I корпус выпарной установки, 3 — регулирующие клапа-
ны; 4 — парогенераторы, 5 — аккумулятор пара; 6 — главный паропровод.
ТЯГОДУТЬЕВЫЕ И ПИТАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
Эффективная работа ТЭЦ во многом зависит от правильного
расчета и выбора тягодутьевого оборудования.
С наращиванием производительности парогенераторов увели-
чивается количество сжигаемого в них топлива и, следовательно,
возрастает объем продуктов сгорания, что в свою очередь приво-
дит к наращиванию хвостовых поверхностей нагрева, изменению
сечения газоходов, росту производительности дутьевых установок.
В соответствии с существующими нормативами минимальная тем-
пература уходящих газов для парогенераторов мощностью до 50 т
пара в час включительно установлена 160° С, а фактически она
•находится в пределах 180—220° С. На ТЭЦ сахарного завода мож-
но получить температуру уходящих газов 90—100° С и тем самым
повысить к. п. д. парогенераторов на 4%. Снижение температуры
Тазов на 10° С повышает к. п. д. парогенератора на 0,5—0,6%.
302
Этого можно достичь установкой высокоэкономичных хвостовых
поверхностей нагрева.
Тягодутьевые устройства. Чтобы в топке генератора могло про-
исходить горение топлива, в нее необходимо подавать воздух.
Для удаления из топки газообразных продуктов горения to переме-
щения их через систему поверхностей нагрева- парогенератора
должна б^1ть тяга. Подача воздуха в топку и тяга могут быть ес-
тественными, тогда тяга создается дымовой трубой, а воздух пос-
тупает в топку вследствие разрежения, создаваемого в топке тру-
бой, и искусственными, когда воздух в топку подается дутьевыми
вентиляторами, а тяга осуществляется дымососами.
Дымовая труба сохраняется и при искусственной тяге, но основ-
ное назначение ее в этом случае — вывод дымовых газов в более
высокие слои атмосферы с целью улучшить условия рассеяния их
в пространстве. Это особенно важно, когда дымовые газы содер-
жат повышенное количество вредных примесей (летучей золы,
окислов серы и азота). ТЭЦ сахарных заводов работают на искус-
ственной тяге.
Аэродинамический расчет парогенератора выполняется для оп-
ределения суммарного аэродинамического сопротивления газо-
воздушного тракта и правильного выбора тягодутьевой установки
при номинальной нагрузке. Аэродинамическое сопротивление лю-
бого элемента газовоздушного тракта движению дымовых газов
или воздуха складывается из сопротивления трения, определяемо-
го трением газа о твердые поверхности участка и местного сопро-
тивления, вызываемого изменением направления движения пото-
ка. Сопротивление трения пропорционально длине газохода, коэф-
фициенту трения газа о стенки и кинетической энергии газа и
обратно пропорционально поперечным размерам газохода. Мест-
ное сопротивление зависит от кинематических особенностей дви-
жения газа, на которые влияет геометрическая конфигурация
соответствующей части тракта.
Следовательно, общее сопротивление элемента тракта выража-
ется в виде уравнения
о>2р аРр
АЛ = (Вгр + Вм) g = £пол , (144)
где £тр — коэффициент сопротивления трения;
|м — коэффициент местного сопротивления,
р — плотность вещества потока, кг/м3,
w — усредненная скорость потока в газоходе, м/с.
Очевидно, что
’ Впол = Втр + Вм* (145)
Однако в парогенераторных установках почти нет таких эле-
ментов тракта, в которых наряду с большим сопротивлением тре-
ния имелось бы большое местное сопротивление. Поэтому при
аэродинамическом расчете обычно учитывают либо только Втр,
либо Вм-
303
Коэффициент сопротивления трения при движении газа в /ру-
бах и каналах
&гр = , (146)
где X — коэффициент трения;
I — длина трубы, м;
dBKB — эквивалентный диаметр канала, м.
Величину Нм обычно находят по графикам или вычисляют.
Суммарное сопротивление газового тракта ЛЯ при искусствен-
ной тяге слагается из сопротивлений отдельных участков газохо-
дов до дымовой трубы с учетом запыленности потока и действия
самотяги:
0,101р
Д/f = [ХЛЛт—з (1 р) -J- ЕДЛ3_тр] . —ДЛС, (147)
1 f
где Дйт-з — суммарное аэродинамическое сопротивление всех элементов га-
зового тракта от топки до золоуловителя включительно, Па;
ДЛз-тр — то же, на участке между золоуловителем н дымовой трубой
включительно, Па,
he — поправка на действительное барометрическое давление;
р. — доля летучей золы в дымовых газах;
Дйс — величина самотягн, Па.
Величина самотяги любого участка газового или воздушного
тракта выражается формулой
ДЛС = Н (Рв- Рг) 9,81, (148)
где Н — высота рассматриваемого участка газохода по вертикали, м;
рв, рг —плотность наружного воздуха, окружающего парогенератор, и
дымовых газов или воздуха в рассматриваемом элементе тракта,
кг/м3
Запыленность дымовых газов учитывают при слоевом сжига-
нии только для сланцев, а при камерном сжигании только в слу-
чаях, когда 0,419 аун ApIQv >6,0 (где аун— коэффициент уноса;
Л*>—зольность топлива, %; Q₽ —удельная низшая теплота сго-
рания, МДж/кг).
При высоте более чем 200 м над уровнем моря поправка на
действительное барометрическое давление не учитывается, т. е.
йб=0,101 МПа. В приближенных расчетах пренебрегают запылен-
ностью газов, поправкой на барометрическое давление и плотно-
стью газа, поэтому формула (147) примет вид
Д/7П = 2Д//Т_тр — Д/гс, (149)
где АН-г-тя — суммарное аэродинамическое сопротивление всех элементов га-
зового тракта от верха топки до дымовой трубы, Па.
Полное сопротивление воздушного тракта парогенератора с
учетом самотяги равно
0,101
Д//Е = (2 Д/гЕ) —----Д/гс — Дйт — 9,5//т, (150)
Лб
где 2Дйв — суммарное аэродинамическое сопротивление всех элементов
воздушного тракта, Па;
ДЯТ — разрежение в верхней части топки, Па;
304
Hi — расстояние по вертикали между горизонтальным сечением сред-
ней линии выходного окна из топки и местом входа воздуха
в топку, м.
На ТЭЦ сахарных заводов на каждый парогенератор устанав-
ливают по одному дымососу и вентилятору. Расчетная производи-
тельность вентиляторов
<4-273
Qb = PiBpVo (ат— Дат — Лацу + Давп + Ррец) 273 • (151)
Расчетная производительность дымососа
0д = PiBp (Vr + ДогтУ°) д . (152)
Ли
где Pi = 1,05 —коэффициент запаса по производительности;
Вр — расчетный расход топлива, кг/ч или м3/ч;
уо — теоретически необходимый расход воздуха,
м3/кг или м3/м3;
Vt — объем дымовых газов, м3/кг или м3/м3;
ат, Дат, Дапу, ДаВп, ДаГт — соответственно коэффициенты избытка воз-
духа в топке и подсос воздуха в топке, пы-
леприготовнтельной установке, воздухоподогре-
вателе и суммарный подсос по газовому
тракту;
Ррец — коэффициент рециркуляции;
t — температура воздуха перед воздухоподогре-
вателем с учетом рециркуляции, °C;
<д — температура газов перед дымососом,°C.
Расчетное давление на выходе у вентиляторов и дымососов
определяется по формуле
дяр = рг2ДЯ, (153)
где рг=1,1 —коэффициент запаса по напору;
2ДЯ—суммарный перепад давления по газовому или воздушному трак-
ту с учетом самотягн вертикальных участков, Па.
Найденное по формуле (153) давление пересчитывается для
конкретных условий, для которых построены заводские характе-
ристики по формуле
1,293 273+ <р 0,101
/ Д//з = Д//Р-^-'273+^--^-- <154>
где ро — плотность воздуха или газов при нормальных условиях (0°С
и 0,1 МПа), кг/м3;
Гр, ts — температура среды соответственно расчетная н
характеристике, °C;
he — барометрическое давление, МПа.
Все величины, входящие в приведенные формулы,
теплового расчета парогенератора.
В качестве приводов вентиляторов и дымососов
асинхронные и реже синхронные электродвигатели,
электродвигателя N (в кВт) вычисляется по формуле-
м = -₽^,
6- 10вт)
где рз= 1,1 —коэффициент запаса мощности электродвигателя;
V — производительность машины при расчетном режиме,
по заводской
берутся из
используют
Мощность
(155)
305
Водяной
экономайзер
Питательная
магистраль "дтрт!
Регенеративные
подогреватели
высокого давления
Деаэратор
Р,
Пита-
тельный
бак
Всасывающий Л
коллектор X
Нагнетательный
коллектор
Рб
Питательный
насос
Рис. 102 Схема питательной уста-
новки
р — расчетное полное давление машины, Па;
г; — к. п. д. машины при расчетном режиме.
В условиях эксплуатации режим работы вентиляторов и/дымо-
сосов изменяется при каждом колебании нагрузки парогенератора.
Поэтому работу вентиляторов и дымососов регулируют приворотны-
ми лопатками в сочетании с двухскоростными электродвигателя-
ми. В расчетном диапазоне нагрузок к. п. д. вентиляторов и дымо-
сосов не снижался более чем на 10%.
Чем выше дымовая труба,
а также чем выше температу-
ра и скорость газов в ее сече-
нии, тем на большее расстоя-
ние рассеиваются газы и мень-
ше концентрация вредных
примесей на рабочих местах.
Так как дымовая труба явля-
ется дорогостоящим сооруже-
нием, ее обычно выполняют
общей для ТЭЦ сахарного за-
вода. Высота дымовой трубы
должна быть такой, чтобы за-
грязнение приземного слоя
|воздуха выбросами из дымо-
вых труб не превышало пре-
дельной допустимой концен-
трации. На ТЭЦ сахарных за-
водов дымовые трубы соору-
жаются обычно из кирпича.
Питательные установки. Питательная установка предназначена
для подачи воды в парогенераторы и является одним из наиболее
ответственных элементов паротурбинной электростанции. Она
должна быть надежной, располагать резервом на случай выхода
из работы какой-либо ее части и обеспечивать бесперебойную по-
дачу воды в парогенератор при всех режимах его работы, исклю-
чать возможность проникновения в питательную воду кислорода
и диоксида углерода. Расход энергии на работу питательной уста-
новки должен быть минимально возможным.
Схема питательной установки ТЭЦ приведена на рис. 102. Пи-
тательные насосы являются наиболее ответственным оборудова-
нием схемы. Их число и производительность регламентируется
правилами Госгортехнадзора и Нормами технологического проек-
тирования тепловых электростанций и тепловых сетей.
Помимо производительности, основным параметром, по кото-
рому осуществляется выбор питательных насосов, является давле-
ние на нагнетании.
Сумской насосный завод поставляет для ТЭЦ питательные на-
сосы с электроприводом производительностью 65, 100 и 150 м3
питательной воды в час температурой до 160° С для парогенерато-
ров с рабочим давлением 4 МПа.
306
По существующим нормам для ' неблочных электростанций
мощностью 2,5 МВт суммарная производительность питательной
установки должна быть такой, чтобы при остановке одного самого
ЗЗольшогр насоса остальные обеспечивали номинальную произво-
дительность парогенераторной с учетом утечек и потерь воды на
продувку. Привод насосов предусматривается электрический.
Обычно исйользуют центробежные насосы.
Если электростанция не включена в энергосистему, то кроме
насосов с электроприводом устанавливают не менее двух резерв-
ных насосов с турбоприводом. Их производительность должна
составлять 50% производительности парогенераторной. В качестве
основных могут устанавливаться и турбонасосы. В этом случае -в
дополнение к ним предусматривают один электронасос для перво-
начального пуска электростанции.
Для блочных электростанций на каждый блок должно прихо-
диться один или два насоса суммарной производительностью 105—
108%, а также резервный насос производительностью не менее
50% суммарной производительности блока.
На электростанции до 2,5 МВт при наличии одного парогене-
ратора устанавливают один насос с электрическим и один с паро-
вым приводом. Производительность каждого равна 120% номи-
нальной производительности парогенератора. При нескольких
парогенераторах на электростанции устанавливают два насоса с
паровым или электрическим приводом и один резервный паровой
насос. Производительность каждого насоса должна составлять не
менее 120% от номинальной производительности рабочих пароге-
нераторов.
Давление, которое должно быть создано питательным насосом
с учетом подпора во всасывающем патрубке, рассчитывается по
формуле
Рпн= (Рк + Р« + дРпот — Рд — Рн) (!,05-4-1,1), (156)
где рк — избыточное давление в барабане парогенератора, МПа;
pJJ — давление на высоте нагнетания Н” (в м) (от оси насоса до поверх-
ности воды в барабане парогенератора, см. рис 102), МПа;
^ = 0,98.Я».р^.10-\ ' (157)
где р”р—средняя плотность воды в нагнетательном трубопроводе, кг/м3;
Рио» — сумма всех потерь давления в питательном трубопроводе от на-
соса до барабана парогенератора, МПа;
ря — избыточное давление в деаэраторе, МПа;
Рн—давление на высоте осн насоса Я® (в м) (от уровня воды в де-
аэраторе, см рис. 102).
р£ = 0,98Я2р^.10-\ ' (158)
где Рср— средняя плотность воды в трубопроводе на участке от насоса до де-
аэратора, кг/м3.
Давление нагнетания насосов, предназначенных для питания
парогенераторов с давлением 1,4 МПа, выбирается равным 2,0—
307
2,2 МПа, для парогенераторов с давлением 4,0 МПа—/>,5—
6,0 МПа, для парогенераторов с давлением 10,0 МПа-/14,0—
15,5 МПа. /
Минимальную высоту подпора /7® (в м) при входе воды в насос
находят по формуле
Д|0_. <»>
ср
где Арв -потеря давления во всасывающей линии при данной температу-
ре воды, МПа;
Ардов — добавочное давление воды при входе в насос, необходимое для
предотвращения кавитации, МПа, оно определяется по темпера-
туре насыщения при давлении воды на входе в насос, увеличен-
ной на 10—15° С.
Мощность N (в кВт), необходимая для привода насоса,
Юз.О-р
N =-----, (160)
Чн
где Q — подача воды, м3/с;
р — полное давление, МПа;
т]н —к. п. д. насоса (т]н=0,74-0,85).
Необходимая высота размещения бака питательной воды над
насосом с учетом давления всасывания рв определяется по фор-
муле
Нв = (рн + Др+рд + рпот) рср.0>98.10_6 • (I61)
где рв — давление насыщения при данной температуре, МПа;
Др — запас на кавитацию, который выбирают так, чтобы обеспечить
запас по температуре насыщения, равный 10—1|5°С, МПа;
Рпот — сумма потерь давления в трубопроводах и арматуре от деаэра-
тора до насоса, МПа;
Pop — средняя плотность воды, кг/м3.
Деаэраторы выбирают исходя из максимального расхода пита-
тельной воды и рабочего давления пара. На неблочных ТЭЦ
деаэраторов должно быть не менее двух, а объем деаэраторных
баков следует рассчитывать на 15-минутный запас воды.
ТРУБОПРОВОДЫ ТЭЦ
Трубопроводы на ТЭЦ предназначены для транспортировки
лара, воды, воздуха и продуктов сгорания. С их помощью соеди-
няется в единый технологический комплекс все основное и вспомо-
гательное оборудование электростанции. От правильности выбора
схемы, материалов и отдельных элементов трубопроводов зависит
надежность работы ТЭЦ.
Все станционные трубопроводы должны обеспечивать беспере-
бойное перемещение соответствующих веществ и быть безопасны-
ми в эксплуатации, особенно это относится к трубопроводам, ра-
ботающим на высоких давлениях и температурах.
На паротурбинных ТЭЦ различают главные и вспомогательные
паропроводы. К главным относят следующие: для пара от пароге-
308
нер^торов до турбогенераторов, пара промежуточного перегрева,
отборного пара и пара РОУ. К вспомогательным — дренажные,
продувные, выхлопные и различные служебные паропроводы.
Все трубопроводы должны отвечать требованиям ГОСТ и
«Правилам устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов
пара и горячей воды» Госгортехнадзора СССР. Согласно этим
правилам и требованиям к качеству металла и сварки, а также
порядку регистрации, освидетельствования и обслуживания все
трубопроводы подразделяются на 4 категории в зависимости от
параметров транспортируемой среды (табл. 44).
Таблица 44
Кате- гория трубо- прово- да Транспортируемая среда Рабочие параметры среды Металл трубопровода
давле- ние, МПа 3 темпера- тура, °C
I Перегретый пар То же » Не ограни- чивается То же 611—660 571—610 541—560 Легированные стали аусте- нитного класса Легированные стали: при 585° С аустенитного клас- са, свыше 585° С — пер- литного класса Легированные стали пер- литного класса
II Горячая вода, насыщен- ный пар Перегретый пар >18,4 <3,9 120 35—450 Углеродистая сталь Ст. 20 То же
Горячая вода, насыщен- ный пар 5.8,1—18,5 120
III Перегретый пар 2,2 251—350 Углеродистая сталь Ст. 10 и Ст. 20
Горячая вода, насыщен- ный пар 1.7—8,0 120 « Углеродистая сталь Ст. 10
IV Перегретый и насыщен- ный пар 0,1—1,6 120—150
Ко всем трубопроводам ТЭЦ независимо от их назначения и
помимо обеспечения безопасности предъявляются следующие ос-
новные требования:
системы трубопроводов должны быстро переключать оборудо-
вание в случае аварии или изменившихся условий работы;
системы трубопроводов должны быть как можно проще и де-
шевле (стоимость трубопроводов составляет от 8 до 15% стоимо-
сти всего тепло-механического оборудования). Для этого необхо-
димо свести к минимуму по условиям надежности и экономии
количество связей, арматуры и резервных линий между элемента-
ми оборудования электростанции;
потери тепла и давления транспортируемой среды должны на-
ходиться в допустимых пределах, поэтому столь важен выбор оп-
309
тимальных проходных сечений трубопроводов, а также материала
и толщины слоя тепловой изоляции;
удлинение трубопроводов при нагревании не должно нарушать
их прочности или плотности их соединений;
длина трубопроводов должна быть возможно минимальной, так
как при этом снижаются затраты, потери тепла, гидравлическое
сопротивление, уменьшаются объемы зданий.
Важным вопросом при проектировании является компенсация
линейных удлинений горячих трубопроводов. Компенсировать по-
добные удлинения можно за счет перемещения подвижных опор
на оборудовании, к которому подключен трубопровод, установки
компенсаторов и самокомпенсации. Следует стремиться к сокра-
щению числа искусственных компенсирующих устройств и исполь-
зованию возможной естественной гибкости трубопроводов и само-
компенсирующей способности их.
Рис 103 Схема двойного паро
провода электростанции.
1 — парогенератор, 2 — турбогенератор,
3 — паропровод
Рнс 104 Схема паропровода электро-
станции с переключательной пере-
мычкой
1 — парогенератор; 2 — турбогенератор,
3 — переключательная перемычка.
На небольших промышленных ТЭЦ с разнотипным оборудова-
нием применяют схему одинарного и двойного паропровода. При
этих схемах парогенераторы работают параллельно и взаимно
резервируются. Расход пара через отдельные турбогенераторы
может изменяться в широких пределах. При схеме с одной
сборно-распределительной магистралью необходимо устанав-
ливать две расположенные рядом секционирующие задвиж-
ки, чтобы в случае повреждения одной из них не остановилась
вся станция.
Достоинством двойной схемы (рис. 103) является высокая на-
дежность и маневренность, особенно важная при разнотипном
оборудовании. Однако такая схема требует много запорной арма-
туры и большой протяженности трубопроводов.
С повышением параметров пара, вызвавшим усложнение и удо-
рожание запорной арматуры и трубопроводов, а также с установ-
кой в большинстве случаев парогенераторов, соответствующих по
310
паропроизводительности потребности турбогенераторов, преиму-
щественное распространение получила схема паропроводов с пе-
реключательной перемычкой (рис. 104), позволяющей при необ-
ходимости изолировать ава-
рийный участок трубопровода
и ограничить влияние аварии
на технологический процесс
установки. Такая схема сое-
динения характерна для глав-
ных паропроводов и питатель-
ных линий.
Согласно нормам техноло-
гического проектирования
ТЭЦ все паропроводы и пита-
тельные Трубопроводы элек-
тростанций должны выпол-
няться однолинейными
Напорные питательные тру-
бопроводы у парогенераторов
по соображениям надежности
делают большей частью двой-
Р н с 105 Схема питательных трубо-
проводов электростанции
1 — парогенератор, 2 — деаэратор, 3— пита-
тельный насос, 4 — подогреватели высокого
давления, 4 — линия «холодного» питания
ными (рис 105).
Материал и толщина стенок трубопроводов выбираются в за-
висимости от давления и температуры среды, проходящей по тру-
бопроводу, в соответствии с правилами Госгортехнадзора. По рас-
ходу пара, воды и конденсата, найденных расчетом тепловой
схемы и допустимых скоростей их, предварительно определяют
требуемые диаметры трубопроводов d (в м) по формуле
а затем подбирают по нормалям трубопроводы, соответст-
вующие параметрам среды, повторным расчетом по формуле уточ-
няют фактические скорости; они не должны быть больше допу-
стимых:
4Q
w =—Л ,
Jtdj
где di — внутренний диаметр трубопровода, найденный по нормалям, м,
Q — расход среды, протекающей по трубопроводу, м3/с;
w — скорость движения среды в трубопроводе, м/с
Рекомендуются применять следующие скорости пара и воды в
Трубопроводах ТЭЦ:
перегретый пар высоких параметров (10,0—14,0 МПа)—от 40
до 60 м/с;
перегретый пар повышенных средних и низких параметров (до
4,0 МПа) — от 40 до 70 м/с;
насыщенный пар низких параметров — от 20 до 40 м/с;
питательная вода парогенераторов в напорном трубопроводе—
от 2,5 до 4,0 м/с;
ЗИ
питательная вода парогенераторов во всасывающих трубопро-
водах насосов — от 0,6 до 1,5 м/с;
вода в остальных трубопроводах — от 2,0 до 3,0 м/с.
Гидравлический расчет трубопроводов, т. е. определение по-
терь давления на отдельных участках, выполняется лишь в тех
случаях, когда необходимо выбрать вспомогательное оборудова-
ние или проверить давление насосов на нагнетании и т. п.
Таблица 45
Условный диаметр, мм Наружный диаметр, мм Толщина стенок (в мм) при давлении, МПа
4,0 6.4 10,0
50 57 3,5 4 5
70 76 3,5 4 5
80 89 3,5 4 6
100 108 4 5 6
125 133 4 6 8
150 159 5 7 9
200 219 7 10 12
250 273 9 12 16
300 326 10 15 18
350 377 12 16 20
400 426 14 17 22
В табл. 45 приведены значения условных внутренних и наруж-
ных диаметров и толщин бесшовных горячекатаных труб из ста-
ли марок Ст. 10 и Ст. 20 (ГОСТ 8732—70) наиболее часто исполь-
зуемых на ТЭЦ сахарных заводов.
Все трубопроводы и трубопроводы горячей воды температурой
свыше 50° С изолируются специальными материалами, обладаю-
щими низкой теплопроводностью, для уменьшения потерь тепла
в окружающую среду и создания безопасных условий для обслу-
живающего персонала. Выбор изолирующих материалов и тол-
щины покрытия зависит от температуры изолируемых поверхно-
стей. Изоляция должна обеспечивать температуру на поверхности
не выше 48° С при температуре окружающей среды 25° С, а на
открытом воздухе и при канальной прокладке не выше 60° С.
Изолируют трубы, фланцы и арматуру. В местах, где необходим
контроль и периодический доступ для ремонтов и т. п., изоляцию
выполняют из съемных элементов. Для удешевления и ускорения
монтажа изоляцию трубопроводов часто выполняют из заготов-
ленных сегментов, скорлуп н т. п. Примеры теплоизоляции пока-
заны на рис. 106.
312
б
Рис 106 Примеры изоляции горя-
чих трубопроводов:
а — схема теплоизоляционной конструкции
теплопровода диаметром до 273 мм, проло
женного на открытом воздухе, с защит-
ным покрытием из асбестоцементных скор-
луп со швами встык 1 — основной тепло-
изоляционный слои скорлуп илн сегментов,
2— защитное покрытие нз асбестоцемент
иых скорлуп, 3 — подвеска из проволоки,
4 — бандаж из полосовой стали,
б — двухслойная сегментная тепловая изо-
ляция 1 — труба с антикоррозионным по-
крытием, 2 — изоляционные сегменты, 3 —
асбоцементная корка толщиной 10—15 мм,
4 — стяжные кольца из проволоки,
в — изоляция трубопровода прошивными
минераловатными скорлупами 1 — мине
раловатные скорлупы, 2 — стяжные кольца
из проволоки, 4 — сшивка стыков оболочек,
5 — защитное покрытие из асбестоцемент
ных скорлуп 6 — бандаж из кровельной
стали, 7 — проволочная сетка, 8 — кольцо
из проволоки, 9 — асбоцементная штука-
турка, 10 — труба с антикоррозионным по-
крытием
КОМПОНОВКА ТЕПЛОСИЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ СТАНЦИИ
Компоновка теплосилового оборудования ТЭЦ должна
обеспечивать:
соответствие взаимного расположения помещений и оборудова-
ния потоку принятого технологического процесса;
надежность и удобство эксплуатации устанавливаемого обору-
дования;
минимально возможную протяженность трубопроводных ком-
муникаций и кабельных линий;
минимальные затраты на строительные конструкции, здания и
вспомогательные сооружения;
минимальный расход металла на газопроводы, площадки, опор-
ные конструкции под оборудование;
возможность проведения планово-предупредительного и ава-
рийного ремонтов оборудования в условиях действующей стан-
ции;
возможность расширения ТЭЦ, не нарушая эксплуатации дей-
ствующего оборудования;
313
кроме того, компоновка оборудования и помещений ТЭЦ долж-
на удовлетворять требованиям техники безопасности, санитарным
н противопожарным нормам.
Помещения для основного и вспомогательного оборудования
образуют главный корпус электростанции (рис. 107). В состав
главного корпуса паротурбинной электростанции входят следую-
щие помещения: I — помещение для парогенераторов и их вспо-
могательного оборудования; II — машинный зал, в котором уста-
Р и с 107 Схема главного корпуса электростанции
навливают турбогенераторы со вспомогательным оборудованием,
теплофикационную установку, в ряде случаев питательные насо-
сы; III — бункерная этажерка-помещение, в котором размещаются
бункера твердого топлива, оборудование систем пылеприготовле-
ния (на электростанциях, работающих на газе и мазуте, бункерно-
го помещения нет); IV — деаэраторная этажерка-помещение, ко
торое обычно находится между машинным залом и помещением
парогенераторов. В деаэраторной этажерке на первом этаже уста-
навливаются оборудование распределительного устройства и
трансформаторы собственных нужд ТЭЦ. Второй этаж деаэратор-
ной этажерки используется для размещения станционных трубо-
проводов высокого давления, РОУ, щитов КИП и автоматики
и т. д. Верхняя площадка деаэраторной этажерки предназначает-
ся для установки деаэраторов. В помещении располагают главное
распределительное устройство и главный электрический щит уп-
равления. На ТЭЦ средней и большой мощности эти помещения
обычно обособлены.
В современных паротурбинных электростанциях стремятся
располагать парогенераторную и машинный зал параллельно и без
разрыва, причем по длине они должны быть одинаковы. При таком
расположении легко одновременно удлинить оба помещения при
реконструкции. В этом случае магистральные паропроводы нара-
щиваются, а ответвления к парогенераторам и машинам получа-
ются наименьшими. Машинный зал может примыкать к пароге-
нераторной либо со стороны фронта парогенераторов, либо со
стороны тяговой установки. Целесообразнее, когда машинный зал
находится со стороны фронта парогенераторов.
314
Турбогенераторы небольших и средних единичных мощностей
располагают перпендикулярно, а больших мощностей параллельно
оси машинного зала.
Рис 108 Схемы компоновок промышленных ТЭЦ небольшой
мощности.
На рис. 108 показаны три варианта компоновки промышленной
ТЭЦ средней мощности, оборудованной турбогенераторами с про-
тиводавлением и турбогенераторами с конденсацией и одним ре-
гулируемым отбором пара. Производительность парогенераторной
20—100 т пара в час. Давление пара перед турбогенераторов
3,6 МПа и температура 435° С. Пар для технологических нужд от-
бирается из Турбогенераторов с противодавлением, а для отопле-
ния— из турбогенераторов с отбором при давлении 0,12—
0,25 МПа. Топливо — уголь.
I вариант. Бункерная галерея расположена сбоку от парогене-
раторной. Такое решение позволяет осуществить естественное ос-
вещение и естественную вентиляцию со стороны фронта пароге-
нераторов на уровне площадки обслуживания. Недостатком ва-
рианта является большое расстояние между фронтами обслужи-
вания паро- и турбогенераторов, что затрудняет контакты обслу-
живающего персонала. Здесь тягодутьевое устройство, устройство
очистки газов и вентиляторы расположены в главном корпусе,
что увеличивает общие размеры здания и капитальные затраты.
Водоподготовительное хозяйство, деаэраторы, сборные баки воды
и питательные насосы расположены со стороны фронта котлов у
боковой стены. Там же находятся административные и бытовые
помещения для обслуживающего персонала. Увеличить площадь
эксплуатации можно со стороны бытовых помещений.
II вариант. Фронт парогенераторов и бункерная галерея обра-
щены в сторону турбогенераторов. Парогенераторная не отделена
перегородкой от машинного зала. В этом случае искусственное ос-
вещение на площадке обслуживания парогенераторов постоянное.
Преимуществом является близость площадок обслуживания ма-
зи
шинного зала и парогенераторной, позволяющая осуществить не-
посредственную связь и между персоналом. Система газоочист-
ки, дымососы и вентиляторы расположены вне главного корпуса,
что способствует уменьшению его размеров и капитальных затрат.
Дымовая труба вынесена за пределы здания.
III вариант. Парогенераторная и машинный зал размещены
так же, как и во втором варианте. Водоподготовительное хозяйст-
во, деаэраторы, баки горячей воды и питательные насосы распо-
ложены на этажерке у боковой стены парогенераторной. Система
газоочистки, дымососы и дымовая труба находятся в здании паро-
генераторной. При этом варианте размеры здания наибольшие.
На электростанциях, сжигающих газ и мазут, отпадает необ-
ходимость в установке систем пылеприготовления, золоудаления,
золоулавливания, что упрощает компоновку главного корпуса.
Чтобы уменьшить площадь и объем главного корпуса на сов-
ременных электростанциях дымососы, вентиляторы, золоуловите-
ли, циклоны и угольные сепараторы устанавливаются на открытом
воздухе. При благоприятных климатических условиях на откры-
том воздухе монтируют также парогенераторы, деаэраторы и тур-
богенераторы. Такая компоновка электростанции называется
открытой. При этом конденсационное оборудование, щиты управ-
ления, распределительное устройство размещают внутри помеще-
ния.
Когда турбогенераторы устанавливают в помещении, а паро-
генераторы (и Прочее указанное выше оборудование)—на откры-
том воздухе, компоновку электростанции называют полуоткрытой.
Способы компоновки открытой и полуоткрытой снижают капи-
тальные затраты и сроки строительства. Так, например, для ТЭЦ
сахарного завода (производительностью 3,0 тыс. т свеклы в сут-
ки), оборудованной 4 парогенераторами БГ 35-39 и двумя турбо-
генераторами АР-6—5 и работающей на газе, строительство полу-
открытой парогенераторной дает экономию в капитальных затра-
тах 50 тыс. руб., что составляет 25% от стоимости' строительных
работ по сооружению здания ТЭЦ, или 3,7% от стоимости ТЭЦ,
а также сокращает расход дефицитных материалов и сроки стро-
ительства.
При работе на газе и мазуте и при наличии бесподвальных тур-
богенераторов машинный зал может быть невысоким, пристроен-
ным к фронту парогенераторной и к части здания, совмещенной с
главным корпусом завода, где размещаются электрическая часть
ТЭЦ, аппараты водоподготовки и служебно-бытовые помещения.
Во всех климатических поясах рекомендуется применять откры-
тую установку золоуловителей, некоторого оборудования химво-
доочистки: отстойников-осветлителей, промежуточных баков,
декарбонизаторов, баков для крепкой серной кислоты и ще-
лочей.
Целесообразно располагать ТЭЦ впритык к первому корпусу
сахарного завода, а механическую мастерскую с вспомогательны-
ми службами — ко второму, так как при этом значительно сокра-
316
щается длина многих трубопроводов и упрощается поддержание
санитарного состояния промышленной площадки, прилегающей к
первому корпусу сахарного завода.
Глава X. ВОДОПОДГОТОВКА
И ВОДНОХИМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ ТЭЦ
СВЕКЛОСАХАРНЫХ ЗАВОДОВ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Вода природных источников всегда содержит взвешенные и
растворенные твердые вещества, а также растворенные газы. При
наличии в воде твердых минеральных примесей в парогенераторе
быстро образуется накипь, он забивается шламом, а имеющиеся
в воде коррозионноактивные газы (кислород и диоксид углерода)
вызывают коррозию. Поэтому сырая вода для питания парогене-
раторов непригодна.
Для различия водяных потоков, образующихся в рабочем цик-
ле ТЭЦ, принята определенная терминология:
исходная (сырая) вода — вода, взятая из источника водо-
снабжения и используемая в качестве сырья для приготовления
добавочной воды;
добавочная вода — вода, служащая для пополнения по-'
терь пара, конденсата, питательной и котловой воды;
питательная вода — вода, поступающая в парогенератор
для питания, она является смесью конденсатов и добавочной воды;
котловая вода — вода, испаряющаяся в парогенераторе.
Для питания парогенераторов лучше всего использовать кон-
денсат пара, полученный в тепловых установках и конденсаторах
турбогенераторов электростанций.
На свеклосахарном заводе в производственный период потреб-
ность в питательной воде полностью обеспечивается конденсата-
ми вторичных паров выпарной станции. Ца заводах по переработ-
ке сахара-сырца вследствие однократного использования пара в
технологической схеме появляется дефицит конденсата, который
компенсируется умягченной водой.
В условиях работы ТЭЦ и парогенераторных сахарных заводов
неизбежны отдельные периоды питания парогенераторов частично
или полностью умягченной водой. Ее используют в периоды пуска
заводов и их наладки, выварки выпарной установки и в случаях
засахаривания конденсатов соковых паров, окончания сезона пере-
работки свеклы.
В пусковой период сахарного завода конденсаты в значитель-
ной степени загрязнены продуктами коррозии теплоиспользующей
аппаратуры и конденсатопроводов. Установлено, что в этот период
содержание окислов железа в конденсатах перед деаэраторами
превышает 1000 мг/кг. Поэтому для предотвращения попадания в:
317
парогенераторы окислов железа, образующих накипь, в пусковой
период все конденсаты спускаются в дренаж. Следовательно, до
окончательной промывки оборудования и конденсатопроводов пи-
тание парогенераторов должно осуществляться только умягчен-
ной водой. Учитывая, что производительность установки по очистке
и умягчению исходной воды при ТЭЦ и парогенераторных обычно
равна 50% суммарной производительности рабочих парогенерато-
ров, для обеспечения последних питательной водой в пусковой
период работы заводов необходимо иметь запас умягченной воды.
Для этой цели используются резервуары, предназначенные для
хранения запасов конденсатов в период производства.
В заключительный период работы свеклосахарных заводов,
когда выпарная станция — основной поставщик производственных
конденсатов выключается из производственного цикла, ТЭЦ и про-
мышленные котельные переводятся на питание со все возрастаю-
щими добавками умягченной воды. В этот период ряд ТЭЦ и про-
мышленных котельных обеспечивают электрической и тепловой
энергией только дополнительных потребителей.
Некоторые ТЭЦ переводятся в режим работы промышленных
котельных, большинство промышленных котельных и отдельные
ТЭЦ — в режим отопительных котельных. Все дополнительные
потребители тепла не полностью возвращают конденсаты исполь-
зованного пара, и поэтому ТЭЦ и промышленные котельные, снаб-
жающие дополнительных потребителей, после окончания работы
свеклосахарных заводов и до начала сезона переработки свеклы
эксплуатируются с постоянными добавками умягченной воды в
количестве от 10 до 60%.
При всех перебоях в обеспечении ТЭЦ и парогенераторных пи-
тательной водой в первую очередь используются запасы чистого
конденсата и только после их израсходования переключают паро-
генераторы на питание химически очищенной водой. Вода должна
быть качественно подготовленной.
ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ВОДЫ
Основными показателями, характеризующими качество сырой,
питательной и котловой воды, являются:
прозрачность — содержание в воде взвешенных частиц,
легко удаляемых при фильтровании, выраженное в мг/кг;
сухой остаток — содержание минеральных и органиче-
ских примесей в воде после фильтрования, выраженное в мг/кг;
жесткоеть — содержание в воде растворенных солей каль-
ция и магния, выраженное в мг-экв/кг. Различают жесткость об-
щую, характеризующуюся содержанием в воде кальциевых и маг-
ниевых солей; временную (карбонатную), показывающую со-
держание в воде бикарбонатов кальция и магния; постоянную,
характеризующуюся содержанием в воде солей кальция и магния
за исключением бикарбонатов;
31В
щелочность — содержание в воде растворенных гидратов,
карбонатов и бикарбонатов, выражаемое в мг-экв/кг;
общее солесодержание — общее количество минераль-
ных веществ, растворенных в воде, выраженное в мг/кг;
степень кислотност и— концентрация водородных или
гидроксильных ионов, образующихся при диссоциации воды, вы-
ражается символом pH. При pH 7 водяной раствор нейтрален, чем
ближе pH к нулю, тем сильнее кислотность, а чем ближе pH к 14,
тем сильнее щелочность.
ЧИСТОКОНДЕНСАТНЫЙ РЕЖИМ ПИТАНИЯ ПАРОГЕНЕРАТОРОВ
Особенности водного режима ТЭЦ
свеклосахарных заводов
Специфика питания парогенераторов, эксплуатируемых в усло-
виях свеклосахарного производства, вызвана компонентами, вно-
симыми в питательную воду конденсатами вторичного пара вы-
парной установки. Конденсат образуется из паров, получаемых при
выпаривании свекловичного сока, поэтому неизбежно попадание
в него вследствие капельного уноса веществ, содержащихся в со-
ке, а также летучих соединений, образующихся в результате
разложения сахара и несахаров под действием температуры
Содержание сахара в конденсате зависит от режима работы
выпарной станции и конструкции сепарационных устройств вы-
парных аппаратов. Попадая в парогенератор, сахар под действием
высокой температуры разлагается с образованием органических
солей, понижающих pH котловой воды.
Продукты разложения сахара и летучие органические кислоты
оказывают заметное влияние на водный режим парогенераторов
при питании их конденсатами свеклосахарного производства. С од-
ной стороны, в силу своих комплексообразующих свойств они при-
водят к концентрированию в котловой воде в растворенном виде
ряда накипеобразователей, предотвращая отложение их на поверх-
ности нагрева парогенераторов и способствуя растворению ранее
образовавшихся отложений. С другой стороны, понижая pH котло-
вой воды, они могут явиться причиной выпадения на поверхность
нагрева фосфатов и образования железофосфатных отложений
при фосфатировании котловой воды. Кроме того, снижение pH
котловой воды более чем до 7,5 приводит к развитию коррозион-
ных процессов, разрушению металла парогенераторов, и как
следствие, к железокислому накипеобразованию.
Конденсаты вторичных паров содержат в своем составе боль-
шое количество щелочи — летучих соединений аммония, которые
образуются на выпарной станции в результате разложения амидов
и аллантина. Находящийся в пароводяном цикле аммиак связы-
вает свободный диоксид углерода, образуя безвредные в коррози-
онном отношении бикарбонат и карбонат аммония. Следователь-
но, коррозия пароконденсатопроводов уменьшается.
31»
Однако для теплоиспользующей аппаратуры с латунной по-
верхностью нагрева использование пара, содержащего аммиак,
приводит к коррозионному разрушению этой поверхности и обо-
гащению конденсата соединениями меди, что является причиной
образования медистых отложений на экранной поверхности нагре-
ва парогенераторов.
Чтобы уменьшить в накипи содержание меди, фосфатирование
котловой воды желательно проводить гексаметафосфатом натрия
вместо тринатрийфосфата, способного образовывать комплексные
растворимые соединения меди.
Для выявления специфических особенностей водохимического
режима парогенераторов, эксплуатируемых в условиях свеклоса-
харного производства, необходимо знать свойства конденсатов
вторичных паров свеклосахарного производства, чтобы сравнить
их с требованиями, предъявляемыми к питательной воде пароге-
нераторов среднего давления, изучить влияние компонентов, со-
держащихся в конденсатах, на внутрикотловые процессы.
Химический состав и свойства конденсатов
Конденсаты вторичных паров свеклосахарного производства
вследствие несовершенства паросепарационных устройств в вы-
парных аппаратах неизбежно содержат аммиак, незначительное
количество сахара, значительное количество летучих веществ, об-
разующихся при упаривании свекловичного сока, диоксид углеро-
да. Кроме того, в конденсатах образуются такие соединения, как
NH4OH, NH4HCO3, (МН4)2СОз, количество которых зависит от об-
щего содержания аммиака и диоксида углерода, температуры и
значения pH конденсата.
Конденсат вторичных паров имеет ярко выраженную щелочную
реакцию. На величину щелочности и pH конденсатов влияет ка-
чество перерабатываемой свеклы, степень очистки соков, а также
режим работы каждого выпарного аппарата. Изменение качества
конденсата вторичного пара наблюдается также с увеличением
срока хранения свеклы: содержание солей органических кислот
возрастает, а содержание аммиака уменьшается. Величина pH
конденсата колеблется от 8,9 до 10,0. Щелочность конденсата
обусловливается наличием летучих компонентов — гидратов и
карбонатов аммония.
С повышением температуры конденсата pH уменьшается, так
как состав компонентов, обусловливающих щелочность, несколько
изменяется. В основном это карбонаты и бикарбонаты аммония.
Увеличивается также доля неионизированного аммиака.
Конденсат вторичного пара I корпуса выпарной установки яв-
ляется мало минерализованной водой. Сухой остаток конденсата
колеблется в пределах 5—15 мг/кг, содержание солей жесткости в
конденсате не превышает 5 мг-экв/кг, максимальное общее содер-
жание солей натрия и калия — 0,035 мг/кг. Концентрация аммиака
колеблется от 50 до 250 мг/кг. В установившийся период работы
320
завода содержание железа в конденсате не превышает 50 мг/кг.
Наличие диоксида углерода в конденсатах свеклосахарных
заводов определяется количеством содержащегося в них аммиака
и значением pH при соответствующей температуре.
При температуре 130° С диоксид углерода может быть только
при значениях pH ниже 7,0.
В интервале значений pH 8,5—7,2 аммиак находится в виде
гидрата и карбоната аммония, в интервале значений pH 8,6—10—
в свободном виде.
Содержание кислорода в конденсате вторичного iiapa I корпу-
са составляет 5—10 мг/кг и во всех случаях меньше норм, допус-
каемых для парогенераторов среднего давления.
Конденсат вторичного пара I корпуса выпарной установки
соответствует по своему составу и показателям всем нормам для
питательной воды парогенераторов среднего давления. Однако
присутствующие в нем соли органических кислот, летучие органи-
ческие кислоты, следы сахара, соединения аммония, не влияя на
качество питательной воды, в значительной степени влияют иа вод-
ный режим парогенераторов, что следует учитывать при их экс-
плуатации.
Регулирование щелочности котловой воды
Щелочность питательной воды при чистоконденсатном режиме
питания парогенераторов обусловлена гидратами, карбонатами и
гуматами аммония. Гидраты и карбонаты аммония под действием-
высокой температуры разлагаются в пределах поверхности нагре-
ва парогенераторов с образованием аммиака, диоксида углерода
и воды. Образовавшиеся газы уносятся с паром. Величина pH кот-
ловой воды вследствие этого снижается. Входящий в состав кон-
денсатов сахар, не изменяя реакции питательной воды, разлага-
ется в парогенераторе до органических кислот, снижая pH котло-
вой воды. Следовательно, при чистоконденсатном режиме питания
парогенераторов в условиях свеклосахарного производства щелоч-
ность котловой воды ниже щелочности питательной воды.
На практике при ступенчатом испарении котловой воды в бара-
банах парогенераторов отмечено незначительное снижение pH в
чистом отсеке (pH 8—9). В солевых 'отсеках pH может снижаться
и ниже допустимого предела (до 7,5). Это происходит в результа-
те дополнительного испарения растворенных в воде аммиачных
соединений, составляющих щелочность котловой воды. Поэтому
в парогенераторах со ступенчатым испарением котловую воду
обязательно подщелачивают для того, чтобы pH ее в последних
ступенях испарения был не ниже 7,5.
Существуют два способа повышения щелочности котловой во-
ды во II ступени испарения. При первом способе добавляют
умягченную воду к конденсатам, идущим на питание парогенера-
торов. Воду умягчают по схеме натрий-катионирования. Содержа-
щийся в умягченной воде бикарбонат натрия в парогенераторе
11 Зак 660 32^
преобразуется в NaOH — нелетучую щелочь, • концентрирующуюся
во II ступени испарения и, таким образом, повышающую pH кот-
ловой воды.
При втором способе увеличивают размер продувки парогенера-
тора. В процессе непрерывной продувки из последней ступени
испарения постоянно выводится некоторое количество воды с низ-
ким pH, а на ее место поступает вода из I ступени с более высоким
pH. При определенной величине непрерывной продувки достигает-
ся равновесное состояние, при котором pH котловой воды из пос-
ледней ступени испарения будет находиться в пределах 7,5—8,0.
Оба способа повышения щелочности котловой воды связаны с
дополнительными расходами: в первом случае из-за приготовления
умягченной воды, во втором из-за потерь тепла, отводимого с
продувками.
Предпочтительнее первый способ регулирования щелочности
котловой воды. Умягченную* воду при этом необходимо добавлять,
порциями непрерывно на протяжении суток — в противном случае
при низком сухом остатке котловой воды большие разовые добав-
ки умягченной воды приводят к резкому повышению относитель-
ной щелочности котловой воды.
Комплексообразующие свойства котловой воды
Конденсаты вторичных паров свеклосахарного производства со-
держат в своем составе вещества, обладающие комплексообразу-
ющими свойствами: аммиак — по отношению к меди, органические
кислоты — по отношению к солям жесткости и соединениям желе-
за и меди. В котловой воде количество комплексообразующих сое-
динений увеличено за счет разложения сахара.
Продукты разложения сахара снижают pH котловой воды и
придают ей комплексообразующие свойства. Как известно, органи-
ческие кислоты способны с целым рядом металлов образовывать
высокорастворимые комплексные соединения. Органические ве-
щества, присутствующие в котловой воде, связывают не только
железо и соли жесткости, которые поступают с питательной водой»
но и те, которые находятся в ранее образовавшихся отложениях.
С повышением концентрации органических веществ в котловой во-
де резко увеличивается содержание железа и солей жесткости за
счет образования комплексов, так как увеличивается концентрация
аддендов. Так, при попадании в парогенератор сахара, снижаю-
щего pH котловой воды от 8,3 до 7,9, содержание железа в котло-
вой воде в течение 1 ч увеличивается за счет растворения отложе-
ний на поверхности нагрева парогенератора с 400 до 1040 мг/л, а
содержание солей жесткости с 280 до 450 мг-экв/л.
Увеличение соединений железа в котловой воде происходит да
определенной величины, а затем не изменяется до очередной про-
дувки парогенератора. Объясняется это явление термической
нестойкостью комплексных соединений железа. Спустя определен-
ное время наступает равновесие, при котором количество образо-
322
вившихся комплексов уравнивается с количеством разложившихся.
Добавление умягченной воды к конденсатам производства при-
водит к разрушению комплексных соединений, в результате чего
соли жесткости и соединения железа отлагаются на поверхности
нагрева парогенераторов^ Установлено, что комплексообразующие
свойства котловой воды сохраняются только при таких добавках
умягченной воды, которые повышают pH котловой воды не более
чем до 9,3. Дальнейшее повышение pH приводит к разрушении?
комплексов и снижению содержания в котловой воде солей жест-
кости и соединений железа. При достижении pH котловой воды
9,5 соли жесткости полностью осаждаются на поверхность нагрева
парогенераторов.
Влияние добавок умягченной воды на соединения железа в
котловой воде значительно сложнее. При добавках умягченной
воды, повышающих pH котловой воды не более чем до 9,4, про-
исходит снижение содержания железа в котловой воде. При боль-
шем значении pH содержание железа в котловой воде резко воз-
растает, а затем постепенно снижается (в течение 2—3 ч) до
начального содержания. Увеличение содержания железа в котло-
вой воде при достижении ее pH 9,4 связано с разрушением защит-
ной магнетитовой пленки на поверхности нагрева парогенераторов
под действием умягченной воды и переходом ионов железа в
раствор с последующим осаждением его на поверхность нагрева.
Эти процессы протекают одновременно.
При добавках умягченной воды, повышающих pH котловой во-
ды не более чем до 9,4, происходит только разрушение железо-
органических комплексов.
Поэтому для предотвращения выпадения из котловой воды
солей жесткости на поверхности нагрева парогенераторов и во из-
бежание разрушения защитной магнетитовой пленки рекомендует-
ся режим питания парогенераторов в свеклосахарном производстве
без добавок умягченной воды. При регулировании щелочности в
парогенераторах следует добавлять умягченную воду до значения
pH котловой воды не выше 9,3.
При чистоконденсатном режиме питания парогенераторов, не-
смотря на низкую щелочность и незначительный сухой остаток
котловой воды, непрерывная продувка должна функционировать.
Такая необходимость вызвана тем, что железосодержащие комп-
лексы имеют ограниченную термическую стойкость и при закрытой
продувке твердая фаза из разложившихся комплексов, содержа-
щих железо, выпадает на поверхности нагрева парогенераторов.
Следовательно, растворимые комплексы железа требуется посто-
янно выводить из парогенератора, не давая возможности им раз-
ложиться. Размер продувки, обеспечивающий вывод из парогене-
ратора того количества железа, которое вводится с питательной
водой, составляет примерно 1% паропроизводительности пароге-
нератора.
Для условий конкретного сахарного завода необходимый про-
цент продувки по железу рассчитывается по формуле
11* 323
Р = . 100, (162)
^КВ -^пв
где Р — необходимый процент продувки, обеспечивающий вывод
растворенного железа из парогенератора;
Дпв, Ав, Авв — содержание железа соответственно в питательной воде, па-
ре и котловой воде, мг/л.
Величины Дта и Ап определяются методами химического ана-
лиза, Акв принимается равным 2500 мг/л.
ПИТАНИЕ ПАРОГЕНЕРАТОРОВ УМЯГЧЕННОЙ ВОДОЙ
Общие сведения
Добавочной водой для ТЭЦ и промышленных котельных са-
харных заводов любой мощности обычно служит исходная вода
после тщательной химической и термической обработки в специ-
альных установках. В зависимости от свойств воды, давления пара
и паропроизводительности парогенераторов водоподготовительные
установки могут быть относительно простыми или очень сложны-
ми.
Основными источниками получения исходной воды для ТЭЦ и
промышленных котельных сахарных заводов являются поверх-
ностные воды: реки — 40% (к общему числу заводов), одиночные
пруды — 26%, каскады прудов—22%, артезианские скважины —
12%.
Обычно исходную воду обрабатывают в следующей последова-
тельности:
удаляют из воды взвешенные грубодисперсные частицы путем
их осаждений (осветление);
обрабатывают воду (коллоидные частицы) коагулянтами, в
результате чего они превращаются в грубодисперсные, отделяемые
от воды фильтрованием (коагуляция);
пропускают воду со взвешенными грубодисперсными частица-
ми через слой зерненого кварца. Часто процессы осветления и
.фильтрования воды объединяют — основную массу крупнодис-
яерсной примеси отделяют в отстойниках, а затем более глубокое
осветление проводят в фильтрах;
удаляют из воды накипеобразоваТели методом осаждения и
методом катиорнрования (умягчение);
очищают воду от агрессивных газов — кислорода и диоксида
углерода (деаэрация);
понижают щелочность химически очищенной воды путем ее
подкисления (нейтрализация).
Нередко способы обработки воды применяют в различных ком-
бинациях.
Учитывая источники водоснабжения ТЭЦ и промышленных ко-
тельных сахарных заводов, основной схемой обработки исходной
воды на сахарных заводах является умягчение ее по схеме аммо-
ний— натрий катионирования (совместного или параллельного в
324
зависимости от состава исходной воды) с предварительной коагу-
ляцией и осветлением на механических фильтрах.
На рис. 109 показана принципиальная схема водоумягчитель-
ной установки с предварительной коагуляцией и осветлением
обрабатываемой воды сначала в отстойнике, а затем в механиче-
ских фильтрах. Исходная вода
литель 2, где она разделяется
на два потока, один поступает
в подогреватель воды 3, в ко-
торый также подается пар по
трубе 4, а затем в отстойник
6. Другой поток проходит че-
рез вытеснитель коагулянта 5
и вместе с растворенным коа-
гулянтом также направляется
в отстойник 6. Здесь вода от-
по трубе 1 поступает в распреде-
Р и с. 109. Принципиальная схема
водоумягчительной установки с при-
менением катионовых фильтров.
стаивается от значительной
части механических и колло-
идных примесей, а затем сли-
вается в промежуточный бак7,
откуда насосом 8 перекачивается в механические фильтры 9 для
окончательного осветления. Далее в катионитовых фильтрах 10
вода освобождается от солей жесткости, после чего она поступает
в деаэраторную колонку 11, где освобождается от растворенных в
ней газов и стекает в питательный бак, из которого питательными
насосами подается в парогенератор.
На рис. 110 показана схема установки для умягчения и деаэра-
ции воды.
Несмотря на тщательную очистку, готовая добавочная вода со-
держит некоторое допустимое количество примесей.
Коагуляция и осветление воды
Исходная вода, особенно в период паводков, содержит боль-
шое количество мелкодисперсных взвешенных коллоидных частиц.
В поверхностных водах (реки, озера и т. п.) содержится грубая
(размер частиц до 10~3 мм) и тонкая (10-3 и 10-4 мм) взвесь, кол-
лоидные вещества (10~®—10-4 мм). Грубая и тонкая взвесь обыч-
но состоит из песка, глины, животных и растительных остатков,
продуктов коррозии конструктивных материалов. В коллоидном
состоянии могут находиться органические вещества, окислы ме-
таллов, например железа, меди и др., кремнекислые соединения.
Удаление грубодисперсных загрязнений может быть осуществ-
лено осаждением и фильтрованием.
При осаждении частички твердых веществ под действием силы
тяжести оседают на дно резервуара, в котором осветляемая вода
находится в состоянии покоя или медленного движения по гори-
зонтали или снизу вверх. Осаждение требует длительного времени,
больших объемов резервуаров и не может обеспечить полного уда-
325
Рис. 110. Деаэрация и умягчение воды по двухступенчатой схеме Na-катионнрования:
I — насос исходной (сырой) воды; 2 — насос взрыхления катионита; 3 — насос соляного раствора для регенерации катионита; 4 — катионито-
вый фильтр I ступени; 5 — катионитовый фильтр II ступени; 6 — смеситель насыщенного раствора соли с водой; 7 — сборник-дозатор
насыщенного раствора соли; 8 —солерастворнтель; 9 — насос насыщенного раствора соли; 10 — бункер мокрого хранения солн; // — тепло-
обменник для подогрева исходной воды; 12 — бак для сбора промывочной воды; 13 — бак соляного раствора для. регенерации катионита; 14 —
охладитель выпара из деаэратора; 15 — колонка деаэратора; 16 — бак деаэратора; /7 — гндрозатвор; 18 — сепаратор непрерывной продув-
ка; 19 — паровой регулятор давления.
ления грубодисперсных примесей. Поэтому на ТЭЦ осаждение как
самостоятельный способ осветления воды не применяется, а при-
меняется только в комплексе с другими.
Фильтрованием называется процесс осветления воды в фильт-
рах путем пропуска ее через пористое вещество, на поверхности
и в порах которого оседают грубодисперсные примеси. В качестве
фильтрующих материалов применяют дробленый антрацит (раз-
мером частиц 1—2 мм) и кварцевый песок (размером частиц
Ю,5—1 мм). Следует иметь в виду, что кварцевый песок растворя-
ется в щелочной воде, обогащая профильтрованную воду кремни-
евой кислотой. Поэтому в обессоливающих и обескремнивающих
установках кварцевый песок применять нельзя.
На осветлительных установках электростанций применяются
закрытые (напорные) фильтры, рассчитанные на давление р=
=016—0,6 МПа. По конструкции они делятся на горизонтальные
и вертикальные, по количеству фильтрующих слоев — на одно-
слойные и двухслойные, по числу камер — на двухкамерные и
трехкамерные. Камерные фильтры более дешевы, чем двухслой-
ные, имеют высокую производительность и хорошо компонуются
с катионитовыми фильтрами. Общий вид двухкамерного фильтра
приведен на рис. 111.
Рис. 111. Двухкамерный фильтр для осветления воды:
J — подвод обрабатываемой воды; 2 — подвод промывочной воды; 3 — выход обработанной
воды; 4 — подвод воздуха (патрубок врезается при использовании воздуха для взрыхляющей
промывки); 5 —спуск первого фильтрата; 6 — штуцера для гидровыгрузки; 7 — спуск промы-
вочной воды.
327
Фильтр работает периодически. Эксплуатация фильтра в рабо-
чий период состоит в наблюдении за степенью осветления воды,
характеризуемой прозрачностью, нагрузкой фильтра и величиной
потери йапора. Фильтр выводится из работы и ставится на про-
мывку, если потеря давления достигла заданного предела или в
случае ухудшения осветления воды.
Расчет фильтров выполняют исходя из мощности ТЭЦ с учетом
расхода осветленной воды на промывку (собственные нужды)
всех установленных фильтров.
Если производительность фильтра не превышает 100 м3/ч, сле-
дует устанавливать не менее двух фильтров. При промывке одно-
го из фильтров скорость фильтрования может быть увеличена
не более чем на 30%.
Общая площадь фильтрования F (в м2) приближенно опреде-
ляется по формуле
где Q — производительность фильтров по осветленной воде, м3/ч;
а — коэффициент, учитывающий расход осветленной воды иа собст-
венные нужды осветлительных фильтров, а= 1,034-1,1;
а»н — скорость фильтрования при нормальном режиме работы в зависи-
мости от рода материала, обычно а>я=54-7 м/ч.
Площадь фильтрования f (в м2) каждого фильтра определя-
ется путем подбора по формуле
f = ~~т, (164>
а — 1
где а — число фильтров (наименьшее число фильтров равно 2).
Полученное значение площади фильтрования одного фильтра
округляется в сторону увеличения и выбирается из следующих:
значений:
Диаметр фильтра, мм................... 700
Площадь фильтрования, м2.............0,39
1000 1500 2000 2600 3000 3400
0,76 1,72 3,1 5,2 6,95 9,1
Удалить из воды тонкие взвеси и коллоидные вещества можно
только при вводе специальных реагентов.
Коллоидные растворы отличаются высокой устойчивостью. Это
значит, что коллоидные частицы не способны к самопроизвольно-
му соединению в крупные образования и выпадению из раствора,
если отсутствуют побудители такого процесса, так как частицы
несут одноименный электрический заряд, препятствующий их сое-
динению. Наиболее эффективным способом удаления этих заря-
дов является взаимная коагуляция двух коллоидов, частицы кото-
рых несут разноименные заряды. Реагенты, способные при введе-
нии в воду вызывать коагуляцию природных коллоидов, называют
коагулянтами. На ТЭЦ сахарных заводов используют такие коа-
гулянты, как сульфат алюминия AhfSO^s, сульфат железа
FeSO4-7H2O, хлорное железо РеС13-6Н2О.
Процесс коагуляции отличается высокой чувствительностью ю
условиям, в которых он проводится. На него оказывают влияние
328
реакция среды (pH), величина дозы коагулянта, температура во-
ды и др. Особенно существенно pH сказывается при коагуляции
воды сульфатом алюминия, получившим наибольшее распростра-
нение. Процесс может происходить только при pH воды 6,5—7,5.
При достаточно низком pH А1(ОН)3 переходит в раствор и процесс
коагуляции нарушается. Гидроокись алюминия растворяется и.
при достаточно высоком pH с образованием алюминатов:
Al (ОН)3 + NaOH NaAlO2 + 2Н2О.
Поэтому этот коагулятор не следует применять, если обраба-
тываемая вода имеет рН^8, как, например, в установках с из-
весткованием. При проведении в осветлителях процесса коагуля-
ции рекомендуется добавлять флокулянты, способствующие укруп-
нению осадка и ускорению слипания коллоидных и взвешенных
частиц, например полиакриламид (ППА). Флокулянты повышают
эффект осветления воды, а также производительность коагуля-
ционной установки. Обычно доза ППА составляет 0,1—1 мг/л на
1 л обрабатываемой воды.
Дозу коагулянта и других вспомогательных реагентов устанав-
ливают экспериментально для каждого водоисточника в различные
характерные периоды года. Доза сульфата алюминия для коагу-
ляции находится в пределах 0,5—1,2 мг-экв/л, а сульфата закиси
железа — 0,2—0,6 мг-экв/л.
Оптимальная температура коагулируемой воды составляет 30—
40° С. При коагуляции особенно важна стабильность подогрева
обрабатываемой воды. Температура воды должна поддерживаться
автоматически с точностью ± 1° С.
Расход коагулянта gK (в кг/ч) в пересчете на сухое вещества
определяется по формуле
____
Sk~ 1000 ’
где Q — количество поданной на фильтры осветленной воды, кг/ч,
d — доза коагулянта, мг-экв/л;
Эв — мг-эквивалент коагулянта
Количество щелочи (в кг/ч), расходуемой в случае необходимо-
сти на подщелачивание коагулируемой воды
1000
(165>
(166>
где Д2Ц=</+0,4 — Що—умягчение обрабатываемой воды;
Що—щелочность обрабатываемой воды, мг-экв/л.
Умягчение исходной воды на сахарных заводах проводится ме-
тодом ионного обмена. Метод основан на способности некоторых
практически нерастворимых в воде соединений вступать в ионный
обмен с растворенными в воде солями, сорбируя из обрабатывае-
мой воды одни ионы и отдавая в раствор эквивалентное количе-
ство других ионов, которыми ионит периодически насыщается в
период регенерации. В качестве таких нерастворимых фильтрую-
щих материалов используются катиониты и аниониты.
32»
Основной характеристикой умягчающих свойств катионита яв-
ляется его обменная способность, представляющая собой количе-
ство грамм-эквивалентов солей жесткости, которое может погло-
тить между регенерациями 1 м3 катионита. Различают полную и
рабочую обменную способность катионита. Полная обменная спо-
собность катионита представляет собой то количество грамм-экви-
валентов кальция и магния, которое может задержать 1 м3 катио-
нита, заполняющего фильтр до того момента, когда жесткость
умягченной воды сравняется с жесткостью исходной воды. Рабо-
чая обменная способность катионита представляет собой то коли-
чество грамм-эквивалентов кальция и магния, которое задержива-
ет 1 м3 катионита до момента начала увеличения жесткости воды.
Техническая характеристика катионитов приведена в табл. 46.
Таблица 46
Катионит
КУ-1
КУ-2-8
КУ-2-8 чС
КБ-4-П2
Сульфоуголь I сорта
крупный СК-1
мелкий СМ-1
Размер зерен, мм Насыпная плотность Полная обменная способность г г-экв/м*
товарного продукта в набухшем состоянии
0,3—2,0 0,6—0,73 0,33 650
0,315—1,25 0,7—0,88 0,34 1700
0,4—1,5 0,75—0,9 0,33 1700
0,25—1,0 0,68—0,82 0,31—0,33 2800
0,5—1,2 0,67—0,7 500
0,25—0,7 0,69—0,79 — 570
В зависимости от того, какой ион катионита (натрий, водород,
аммоний) обмениваются с ионом воды, различают натрий-катиони-
рование, водород-катионирование и аммоний-катионирование. Эти
процессы проводят в фильтрах, называемых катионитовыми. На
ТЭЦ сахарных заводов чаще всего используется сульфоуголь.
Натрий-катионирование. При Na-катионировании жесткой воды
происходит обмен ионов натрия на ионы кальция и магния, что
может быть представлено следующими реакциями:
Na2R + Са (НСО3)2 -> CaR + 2NaHCO3;
Na2R + Mg (HCO3)2 -> MgR + 2NaHCO3;
Na2R + MgSO4 -> MgR -f- Na2SO4;
Na2R + CaCl2 -> CaR + 2NaCl,
где R— составная часть катионитового материала, участвующего в катионовом
обмене.
Соли жесткости почти полностью удаляются из воды. Остаточ-
ная жесткость умягченной воды может быть доведена до 0,02—
0,01 мг-экв/л. Однако, поскольку соли магния и кальция заменя-
ются в воде эквивалентным количеством аналогичных солей нат-
ззо
рия, суммарное солесодержание катионированной воды по сравне-
нию с солесодержанием исходной воды не уменьшается.
Щелочность катионированной воды заметно увеличивается, так
как при катионном обмене вся карбонатная жесткость исходной
воды преобразуется в бикарбонатную. Поэтому чистое Na-катио-
нирование применяется только при умягчении воды с небольшой
карбонатной жесткостью в тех случаях, когда не требуется сниже-
ние бикарбонатной щелочности, допустимо увеличение солесодер-
жания катионированной воды и когда к качеству пара не предъяв-
ляют особых требований по содержанию диоксида углерода. Так
как повышенная щелочность питательной воды может вызвать
вспенивание котловой воды, избыточную щелочность катиониро-
ванной воды часто нейтрализуют серной или фосфорной кисло-
той.
После замены всех обменных ионов натрия ионами кальция и
магния катионит истощается, т. е. теряет способность умягчать
воду. Для восстановления первоначальной рабочей обменной спо-
собности необходимо удержанные катионитом ионы удалить из
него и заменить обменными ионами натрия. Этот процесс назы-
вается регенерацией катионита. Для этого через слой истощенно-'
го катионита пропускают 5—8%-ный раствор хлорида натрия
(поваренной соли). При этом поглощенные катионитом ионы
кальция и магния переходят в раствор, вытесняясь ионами натрия
по реакциям
CaR + 2NaCl -> Na2R + СаСЦ;
MgR + 2NaCl -> Na2R + MgCl2.
Хлориды СаС12 и MgCl2 хорошо растворимы в воде, и потому
удаляются из фильтра промывочной водой в дренаж.
Существуют одно- и двухступенчатая схемы включения Na-ка-
тионитовых фильтров. При одноступенчатой схеме все фильтры
включают параллельно, так что весь процесс умягченной воды
полностью заканчивается в одном фильтре. Конечная жесткость
умягченной воды после одноступенчатого катионирования 0,03—
0,05 мг-экв/л, она зависит от удельного расхода соли на регенера-
цию.
При наличии более жестких требований к умягченной воде
применяют схему с двухступенчатым катионированием. По этой
схеме вода, умягченная в фильтре первой ступени до жесткости
0,03—0,05 мг-экв/л поступает в фильтр II ступени, в которой жест-
кость воды может быть снижена до 0,01 мг-экв/л.
Скорость фильтрования при одноступенчатом катионировании
не должна превышать: 25 м/ч для воды с жесткостью до 5 мг-
экв/кг, 15 м/ч для воды с жесткостью 5—10 мг-экв/кг и 10 м/ч —
для воды с жесткостью 10—15 мг-экв/кг. В фильтрах II ступени
при двухступенчатом катионировании скорость фильтрования не-
зависимо от начальной жесткости воды принимают равной до
60 м/ч.
331
Основным оборудованием Na-катнонитовой установки являются
катионнтовые фильтры и солерастворителн.
Катнонитовый фильтр (рис. 112) представляет собой стальной
сварной цилиндр диаметром 1000—3000 мм и высотой 3500—
6500 мм, примерно на 2/з высоты заполненный зернистой массой
катионита. Вода, подлежащая умягчению, подается через распре-
делительную систему на слой катионита, проходит сквозь него и
умягчившись, поступает в дренажное устройство—коллектор е
системой ответвлений, на котором приварены штуцера с навер-
нутыми на ннх щелевыми колпачками из пластмассы. (
Рис 112. Na-катионитовый фильтр.
Регенерация катионита осуществляется пропуском через слой
катионита регенерирующего раствора. Регенерирующий раствор
получают в солерастворителях, когда реагент твердый, илн в мер-
никах, когда он жидкий.
Солерастворитель (рнс. 113) также имеет форму цилиндра. Его
диаметр 700—1000 мм н высота около 1000 мм. Солерастворитель
заполнен в несколько слоев кварцем различной крупности. Реге-
нерирующий реагент загружают в солерастворитель через плотно'
закрываемый люк, а воду подают через задвижку и трубу. Реагент
фильтруется через слой кварца, поступает в дренажное устройство
332
и затем по трубе выводится из солерастворителя и направляет-
ся в катионитовый фильтр. Фильтр ставят на регенерацию в мо-
мент окончания стабильного периода его работы. Длительность
регенерации составляет 1,5—2 ч.
Рис 113 Солерастворитель.
Рабочую обменную способность катионита Ер (в мг-экв/кг)
определяют по его полной обменной способности Еа
Ер = аЕп — O,5?oSto, (167)
где а — поправочный коэффициент;
9о — удельный расход воды иа отмывку катионита, составляющий 4—
5 м3/м3 катионита;
Sfea — суммарное количество катионов исходной воды, принимающих
участие в катионном обмене, мг-экв/кг.
Исходными данными для расчета Na-катионнтовых фильтров
являются требуемая производительность, общая жесткость воды,
поступающей на фильтры, и остаточная жесткость ' фильтрата.
Расчетом определяют диаметр фильтра и необходимый объем
катионита.
Прежде всего подбирают диаметр фильтра по скорости фильт-
рования.
333
Нормальная скорость фильтрования wH (в м/ч)
(168)
(169)
Максимальная скорость фильтрования w (в м/ч)
Q
W = -------- ,
/(а-1)
где Q — производительность фильтров, м3/ч;
f—площадь фильтрования, м2 (см с 328),
а — число работающих фильтров, принимается не менее двух (резервный
фильтр в расчете не учитывается).
Количество катионов жесткости, которое поступает на фильтры
в течение суток
A = 24QM0, (170)
где Жо — общая начальная жесткость умягченной воды, мг-экв/кг.
Количество катионов жесткости, которое могут задержать
фильтры до полного истощения катионита за этот же период
A' = nVKEp, (171)
где п — число фильтроциклов в сутки;
VK — общий объем катионита в фильтрах, м3.
Число фильтроциклов рассчитывается по формуле
где ti — полезная продолжительность фильтроцикла, которую обычно принима-
ют равной ГО—22 ч;
<2 — продолжительность операции регенерации, обычно составляющая 1—2 ч.
Приравняв уравнения (170) и (171), определяем общий по-
требный объем катионита в фильтрах
Ук=~^Г- (173>
Л-Ср
По полученному значению Кк и объему катионита в одном
типовом фильтре подбирают число и типоразмер фильтров, подле-
жащих установке.
Затем следует проверить скорость фильтрования воды (в м/ч)
в фильтрах, пользуясь формулой
ШФ=Т^Г. (174>
где D — внутренний диаметр фильтра, м
Расход реагента Gp (в кг) на одну регенерацию фильтра оп-
ределяется по формуле
р 1000
(175)
где а — удельный расход реагента на регенерацию, г/г-экв;
Vk — действительный объем катионита в фильтре, м3.
334
Число регенерации каждого фильтра в сутки
А
п =-----------------------------•
(176>
Расход Gc (в кг) 100%-ного NaCl на одну регенерацию при
Na-катионированин вычисляется по формуле
EpFhqc
С<^ 1000"
(177>
где F — площадь фильтрования натрий-катионитового фильтра, м2;
h — высота слоя сульфоугля, м,
qc — удельный расход соли на регенерацию г/г-экв;
Аммоний-катионирование. МЩ-катионирование применяется
для снижения щелочности и солесодержания котловой воды, ког-
да нежелательно применение Н-катионирования, требующего»
защиты оборудования от коррозии. Прн МН4-катионировании все*
катионы исходной воды обмениваются в слое катионита на ионы
аммония по следующим реакциям:
2NH4R + CaS -> CaR2 + (NH4)2S; 2NH4R + MgS -> MgR2 + (NH4)2S;
2NH4R + Na2S 2NaR + (NH4)2S,
где S означает (НСОз)г, SO4, Ck, S1O3.
Особенностью МН4-катионнрования является разложение в ба-
рабане парогенератора под действием высокой температуры аммо-
ниевых солей по реакциям
NH4HCOs NH3f + CO2f + Н2О; NH4C1 - NH3f + НС1;
(NH4)2SO4 2NH3f + H2SO4.
Следовательно, бикарбонат аммония разлагается на аммиак к
диоксид углерода, которые уносятся с паром, а из аммониевых:
солей сильных кислот образуются кислоты. Поэтому МН4-катио-
нирование применяют только в сочетании с Na-катионированием.
В этом случае НС1 и H2SO4 нейтрализуются внесенными в барабан:
парогенератора 'щелочами, содержащимися в воде, прошедшей
Na-катионирование.
Истощенный после МН4-катионировання катноннт регенериру-
ют 2—3%-ным раствором сульфата аммония.
NH4—N-катионирование. Оно может осуществляться как по*
параллельной схеме, так и по схеме совместного катионирования.
При параллельном NH4—Na-катионировании поток умягченной
воды разделяют на два потока, один нз которых проходит МН4-ка-
тионитовый фильтр, другой Na-катионитовый фильтр.
При совместном NH4—Na-катионировании умягчение воды
происходит в одном и том же фильтре, причем катионит регене-
рируется смесью сульфата аммония н хлорида натрия, растворен-
ных в воде в необходимой пропорции. Рабочая обменная способ-
ность катионита принимается как и прн Na-катнонировании.
Расход реагентов на одну регенерацию фильтра при совмест-
ном NH4—Na-катионнрованин:
335
а) расход сульфата аммония
N*1* “ 1000-100
б) расход хлорида натрия
lZK^P?P°NaCl
tfaC! - I(X)0.100
(178)
(179)
ягде Ер — рабочая обменная способность принимается, как и при иат-
рий-катионировании, г-экв/м3;
9р — удельный расход реагентов, г/г-экв;
aNH • °NaCi — степень обмена катионов жесткости соответственно на аммо-
ний и натрий, %.
Метод NH4—Na-катионирования не следует применять, если
•оборудование изготовлено нз латуни или других медных сплавов,
корродирующих под действием аммиака, если пар по технологии
не должен содержать аммиака и если вода или пар используются
для систем горячего водоснабжения.
.Деаэрация питательной воды
Деаэрация питательной и добавочной воды является одной нз
обязательных стадий процесса водоподготовки. Сущность деаэра-
:ции заключается в снижении и доведении до допустимых преде-
лов содержания в химически очищенной воде кислорода и диок-
сида углерода. Существует несколько способов деаэрации пита-
тельной воды:, термический, десорбционный, химический и др., но
в настоящее время наибольшее распространение получил термн-
-ческий способ. Этот способ основан на том, что растворение в
•воде газов уменьшается по мере повышения ее температуры н
совершенно прекращается при достижении температуры кипения,
когда растворенные газы полностью выделяются из воды.
Кислорода в конденсатах вторичного пара выпарных станций
^свеклосахарных заводов содержитсй от 3 до 10 мг/кг при допусти-
мом содержании кислорода в питательной воде от 20 до 100 мг/кг
(в зависимости от давления в парогенераторах). С этой точки
прения производственные конденсаты йе требуют деаэрации. Но
и при небольшом действительном содержании кислорода в кон-
денсатах оборудование становится непригодным из-за кислород-
но-аммиачной коррозии цветного металла.
В результате одновременного Действия электрохимической кор-
розии и кислородной деполяризации из-за неудовлетворительной
термической деаэрации питательной воды иногда выходят из
строя стальные трубы экономайзеров, наблюдается занос желез-
ным шламом коллекторов парогенераторов. Поэтому в настоящее
время на сахарных заводах введена обязательная деаэрация всей
питательной воды, поступающей в парогенераторы.
Деаэрация воды для парогенераторов среднего давления, экс-
плуатируемых на ТЭЦ сахарных заводов, осуществляется в ос-
336
новном в смешивающих ' деаэраторах (рис. 114). Такой
деаэратор представляет собой вертикальную металлическую
цилиндрическую колонку 4 диаметром 1—2 и высотой 1,5—
2 м, установленную на горизонтальном цилиндрическом баке,
предназначенном для хранения запаса деаэрационной воды. Воду,
подлежащую деаэрации, подают в верхнюю часть колонки, где
она попадает в водораспределительное устройство 2. Перелившись
а
Рис. 114. Смешивающие термические деаэраторы:
а — атмосферного типа; б — вакуумного типа.
через край устройства, вода стекает вниз, проходя через систему
дырчатых тарелок 3 и разбиваясь при этом на тонкие струйки.
Вода контактирует с восходящим потоком, который поступает
в колонку у ее основания и, пройдя парораспределительную ка-
меру, поднимается навстречу падающим струям воды. В резуль-
тате контакта с паром вода нагревается до температуры кипения,
вследствие чего содержащиеся в ней газы выделяются и удаля-
ются с небольшим количеством несконденсировавшегося пара
через штуцер /. Нагретая до температуры кипения деаэрированная
вода стекает в.питательный бак. В атмосферных деаэраторах
вода нагревается до 102—104° С при давлении в них 0,105—
0,15 МПа. Отечественная промышленность выпускает деаэраторы
l/s 12 Зак. 660 ' 337
атмосферного типа ДСА номинальной производительностью 25—
300 т/ч. Деаэраторы устанавливают вместе с баками-аккумуля-
торами следующей полезной вместимости:
Производительность деаэратора, т/ч 25 50 75 100 150 200 300
Полезная вместимость бака-аккумулятора, м3 15, 15, 25, 25, 35, 35, 50, 50, 75, 75, 100
Фактическая производительность деаэратора зависит от тем-
пературы поступающей воды, уменьшаясь с ее понижением. Рас-
ход пара на подогрев воды в деаэраторе до температуры кипения
можно найти по формуле
+ G„ (180)
(i" — 1')Чд
где G — количество воды, поступающей в деаэратор, кг/ч;
1д — усредненная энтальпия воды, поступающей в деаэратор;
i', I" — соответственно энтальпии воды при температуре кипения и насы-
щенного пара при давлении в деаэраторе, Вт/(м2-кг);
т]д — коэффициент, учитывающий потерю тепла деаэратором в окру-
жающую среду, составляющий приблизительно 0,98;
Ов — потеря пара с выпаром, принимаемая равной 10 кг/т деаэриро-
Рис. 115. Схема деаэраторной уста-
новки:
1 — деаэрационная колонка; 2 — охладитель
пара; 3 — бак-аккумулятор; 4, 5 — авторегуля-
торы подачи пара н воды; 6— кислородомер;
7 — холодильник для отбора проб воды; 8, 9,
10 — термометры; 11—13 — манометры^ 14 —
гидрозатвор; 15 — предохранительный клапан;
16 — линия подачи воды к гидрозатвору; 17 —
трубопровод химически обработанной воды;
18 — основной конденсат турбин; 19 — конден-
сат подогревателей; 20 — в дренаж; 21 — в ат-
мосферу.
охладителя выпара.
На рис. 115 приведена
деаэраторная установка, в
которой имеется охлади-
тель выпара.
Для повышения эффек-
тивности использования
топливно-энергетических ре-
сурсов, удлинения сроков
эксплуатации водяных эко-
номайзеров, предупрежде-
ния кислородной коррозии
стальных труб парогенера-
торов и кислородно-амми-
ачной коррозии цветного
металла теплосилового обо-
рудования ТЭЦ на конден-
сатном тракте рационально
устанавливать деаэраторы
среднего давления типа
ДСС (0,35 МПа) и деаэра-
торы повышенного давле-
ния типа ДСП (0,6—0,7
МПа) струйно-барабанной
конструкции ЦКТИ. При
этом конденсаты с произ-
водства направляются для
питания парогенераторов
без их предварительного
охлаждения в гидравличе-
ских колонках.
338
При существующих тепловых схемах сахарных заводов сред-
няя температура конденсатов отработанного пара н вторичного
пара I корпуса выпарной установки перед деаэратором, посту-
пающих на питание парогенераторов без предварительного охлаж-
дения их в гидравлических колонках и с учетом потерь тепла в
конденсатопроводах, будет около 124° С.
Деаэраторы типа ДСС рассчитаны для работы при давлении
пара 0,35 МПа. Однако для свеклосахарных заводов из требова-
ний экономичности давление должно поддерживаться на уровне,
соответствующем температуре насыщения пара, равной средней
температуре конденсатов, поступающих в деаэраторы. При при-
веденной ранее средней температуре потоков конденсата (124° С)
давление в деаэраторе должно быть равно 0,23 МПа.
При всех режимах питания деаэраторы типа ДСС и ДСП дол-
жны подогреваться. Оптимальный режим работы деаэраторов —
при температуре поступающей воды на 10—15° С ниже темпера-
туры кипения воды в них. Химводоочистка по действующим нор-
мативам проектируется на обработку 50% всего требующегося
количества питательной воды в парогенераторы.
В отдельные моменты при попадании сахара в конденсаты или
по другим причинам она работает на полную мощность. В этом
случае следует обеспечить предварительный подогрев питательной
воды и равномерную загрузку деаэраторов.
СНАБЖЕНИЕ ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДОЙ ТЭЦ САХАРНЫХ ЗАВОДОВ
ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ САХАРА-СЫРЦА
Многие свеклосахарные заводы после завершения переработки
свеклы перерабатывают сахар-сырец. Однократное использование
пара в технологической схеме завода, потери его для собственных
нужд ТЭЦ и при нагреве продуктов открытым паром, утечкн пара
и конденсата вызывают дефицит конденсата и рост доли умягчен-
ной роды, составляющей даже при работе в расчетном режиме
18,8%, а на практике 40—50%. Недостатки питания парогенера-
торов умягченной водой особенно проявляются на ТЭЦ тех са-
харных заводов, где исходная вода имеет повышенную жесткость,
а водоподготовительные установки работают по схемам, не учи-
тывающим длительных и больших нагрузок в период переработки
сахара-сырца. Поэтому во время переработки сахара-сырца часто
наблюдается ухудшение водно-химического режима ТЭЦ.
Кроме того, отрицательно сказывается на режиме коррозия
парокондейсатного тракта завода и загрязнение конденсата окис-
лами железа, которые отлагаются затем на наиболее теплонапря-
женных участках Труб поверхности нагрева парогенераторов.
Коррозия пароконденсатного тракта происходит потому, что
вода, умягченная по схеме Na-катионирования, содержит карбо-
нат и бикарбонат натрия, которые разлагаются в парогенераторах
с образованием гидроокиси натрия и диоксида углерода. Накоп-
V, 12* 339
ление гидроокиси натрия в парогенераторах требует увеличения
процента продувки, а выделившийся газ вызывает коррозию паро-
конденсатного тракта. Следует отметить, что при переработке
сахарной свеклы коррозия парокондейсатного тракта незначитель-
на, так как доля умягченной воды в питательной воде намного
меньше и образовавшаяся углекислота связывается аммиаком,
который содержится в производетвенных конденсатах.
Для осуществления чисто конденсатного режима питания паро-
генераторов при переработке сахара-сырца можно использовать
в качестве испарителей бездействующие в этот период выпарные
аппараты.
Рис 116. Принципиальные схемы водоподготовки:
А—обычная, б — с испарительной установкой; в — с цс^^р^тел^цой. установ-
кой, деаэрацией и ЬШ<-катионированием умягченной воды. 1 — осветлительный
фильтр, 2— катиоиитовый фильтр, 3 — деаэратор воды для испарения, 4 — ем-
кость для NH4-k этиолирования, 5 — испарительная установка, 6 — потребители
Пара с возвратом конденсата, 7 — потребители пара без возврата конденсата;
8 — деаэратор питательной воды для парогенераторов; 9 — парогенератор.
Чтобы избежать коррозии пароконденсатного тракта завода,
питание испарителя должно осуществляться деаэрированной во-
дой, умягченной по схеме совместного NH4—Na-катионирования
или Na-катионирования с последующим КН4-катионированием.
Принципиальные схемы водоподготовки на ТЭЦ сахарных за-
водов во время переработки сахара-сырца показаны на рис. 116.
Деаэратор питательной воды для испарения устанавливается с
целью предотвращения коррозии пароконденсатного тракта кис-
лородом и углекислым газом. Для полного связывания диоксида
углерода, выделяющегося в испарителе, применено КН4-катиони-
рование (5—10%-ным раствором нитрата NH4NOS или сульфата
аммония (NH4)2SO4).
В испарителе происходит термический распад соли аммония,
например NH4NO3, с выделением кислоты и аммиака:
NH4NO3 NHS4- HNOj,
340
Кислота расходуется на нейтрализацию щелочи, которая на-
капливается в испарителе:
HNO3 + NaOH -> NaNO3 + Н2О.
Аммиак уносится с паром, прн конденсации которого в тепло-
обменных аппаратах он растворяется, повышая pH конденсата и
связывая диоксид углерода:
NH3 + Н2О - NH4OH NH+ + ОН-;
2NH4OH + СО2 ->- (NH4)2 COg + Н2О.
По этой схеме можно получить конденсат высокого качества
для питания парогенераторов.
----- Сырая вода
—х— Химически очищенная ОоВа
—Л"— Конденсат
о---о Отработанный пар
-----Вторичный пар
Рис. 117. Схема испарительной установки:
/ — осветлительный фильтр; 2 — катионнтовый фильтр; 3 — деаэратор питательной воды для
испарителя, 4 — ящик для раствора соли аммония; 5 — испарительная установка; 6 — вакуум-
аппараты, 7 — гидравлические колонки; 8 —сборник для отбора проб конденсата; 9— деаэ-
ратор воды для парогенераторов; 10 — конденсаторы; 11 — ящик барометрической воды; 12 —
подогреватель воды для производственных нужд; 13 — насос.
При работе испарительной установки (рис, 117) солесодержа-
ние упариваемой воды поддерживают около 3000 мг/кг непрерыв-
ной или периодической продувкой, которую производят из под-
трубного пространства испарителя.
За 1 ч с 1 м2 поверхности нагрева испарителя максимально
испаряется 20 кг воды. При эксплуатации испарителя около
12 Зак. 660
341
.4000 ч в год отложений накипи практически нет, поэтому отпадает
необходимость очистки поверхности нагрева испарителя и паро-
генераторов.
В рабочих режимах pH упариваемой воды поддерживают в
пределах 10—11, а конденсата вторичного пара — 8,5—9,5 дози-
рованием в питательную воду соли аммония.
ПРОДУВКА ПАРОГЕНЕРАТОРА
Обязательной составной операцией как внутрикотловой обра-
ботки воды, так и докотловой является продувка парогенерато-
ра — периодическая или непрерывная.
Величину продувки парогенераторов Р (в %) определяют по
сухому остатку
Р= jo.B«o.gJ00 г (181)
‘-’к. в-‘-’о.В^О.В
где авл — доля обработанной воды в питательной;
Sob — сухой остаток обработанной воды, мг/л;
5к в — сухой остаток котловой воды для принятого типа парогенерато-
ра, мг/л.
Величина продувки определяется по режиму максимальных
потерь пара и конденсата.
При йитании химически очищенной водой расчетная величина
продувки для парогенераторов давлением меньшим или равным
1,4 МПа не должна превышать 10%, для парогенераторов с дав-
лением 2 МПа — 7% и для парогенераторов с давлением до
4,0 МПа — 5% их паропроизводительности. При чисто конденсат-
ном режиме питания максимальная величина продувки 2%.
Периодической продувкой удаляют из парогенератора вместе с
небольшой частью котловой воды осевший шлам. Эта продувка
осуществляется из самых низких точек парогенератора, т. е. мест,
где собирается шлам. Ее проводят один-два раза в сутки в мо-
менты снижения паропроизводительности, когда понижается ско-
рость циркуляции, и, следовательно, создаются наиболее благо-
приятные условия для осаждения шлама. Теплота периодической
продувки не используется из-за неравномерности ее проведения.
Непрерывная продувка обеспечивает равномерное удаление из ба-
рабана парогенератора накопившихся растворенных солей без
Нарушений режима его работыЛ
Принципиальная схема непрерывной продувки приведена на
рис. 118. Вода непрерывной продувки попадает в расширитель
3, где давление ее падает до 0,12 МПа. В результате часть воды
испаряется и образовавшийся пар с давлением 0,12 МПа посту-
пает в деаэратор, где используется его тепло. Оставшуюся проду-
вочную воду направляют в продувочный колодец через теплооб-
менник. Часть тепла продувочной воды теряется, поэтому следует
стремиться, чтобы количество продувочной воды было мини-
мальным.
342
Эффективным методом снижения величины продувки является
ступенчатое испарение. Сущность его состоит в том, что емкости
заполненную водой, и парообразующие циркуляционные контуры
парогенератора разделяют на
пару и разделенных по воде,
в первый отсек. Для второ-
го отсека питательной во-
дой является продувочная
вода первого отсека. Проду-
вочная вода второго отсека
поступает в третий и т. д.
При этом концентрация
примесей в котловой воде
возрастает от отсека к от-
секу. Продувку парогенера-
тора проводят из последне-
го отсека.
Щелочность, содержание
солей и допустимое количе-
ство шлама котловой воды
несколько отсеков, соединенных по
Питательная вода подается только
Рнс. 118. Принципиальная схема Непре-
рывной продувки парогенератора с исполь-
зованием тепла продувочной воды:
1 — верхний барабан парогенератора; 2 — запор-
ные вентили; 3 — расширитель; 4 — дроссельный
регулирующий вентиль; 5 — охладитель для от-
бора проб котловой воды; б — пар в деаэратор
р—0,12 МПа; 7 — предохранительный клапан; 8 —
теплообменник; 9 — химически очищенная вода;
10 — продувочная вода от парогенератора; 11 —
вода от периодической продувки парогеиеоатора;
12 — охлаждающая вода; 13 — дренаж; 14 — про-
дувочная вода от соседнего парогенератора; 15—
устройство для обеспечения перелива из расшири-
теля; 16 — барботер (или продувочный колодец);
17 — в атмосферу.
выпадающие в осадок при внутри-
контролируют, чтобы они
соответствовали нормам ка-
чества при внутрикотловой
обработке (табл. 47).
Для осаждения солей
жесткости проводят внутри-
котловую обработку воды
путем ввода в парогенера-
тор реагентов, которые при
подогреве воды в парогене-
раторе образуют нераство-
римые соединения СаСОз и
Mg(OH)2. Такие соединения,
котловой обработке воды, называются шламом. Соли некарбонат-
ной жесткости выделяются введением в парогенератор NaOH и
Na2COs, которые также способствуют осаждению карбонатных
накипеобразоват^лей.
Суточное количество NaOH или Na2CO3, вводимое в парогене-
ратор, можно вычислить по формуле
= _R_ -Одоб-Гж .
8щ 1000 100 \Л'нк+ 100
(182)
где R — переводной коэффициент применяемого щелочного реагента в
г/г-экв, численно равный его эквивалентной массе (для NaOH=
=40 г/г-экв; для Na2CO3=53 г/г-экв);
£>доб —добавляемая сырая вода, %;
Жнк — некарбонатная жесткость сырой воды, мг-экв/л;
Щ— норма щелочности котловой воды, мг-экв/л;
Р — величина продувки парогенераторов, %;
D — производительность парогенератора, т/ч.
12* 343
Таблица 47
Тип парогенераторов Содержание солей, мг/кг Содержание кремния, мг/кг Щелочность, мг-экв/кг
Промышленные типа ДКВР, ДКВ, КРШ с механическими барабанными сепарато- рами одноступенчатое испарение 3000
двухступенчатое испарение 6000 —
с выносными циклонами 10000 —— —
Экранные одноступенчатое испарение при нии, МПа до 4 давле- 1200—1500 9—12
4—10 200—600 1—2 2—4
10—14 150—300 0,3—0,5 1—2
двухступенчатое испарение (в отсеке) при давлении, МПа до 4 солевом 3000—5000 14
4—10 3000 10 5—6
10—14 1500 4 3—5
двухступенчатое испарение с барботаж- ной промывкой пара (в солевом отсеке) при давлении, МПа 4—10 4000 50
14 2500 15 —
Внутрикотловую обработку воды рекомендуется применять при
давлении пара в парогенераторе не выше 4 МПа. Чтобы осажде-
ние накипеобразователей было более полным, минимальную ще-
лочность котловой воды при внутрикотловой обработке рекомен-
дуется поддерживать для всех парогенераторов не выше 7—
10 мг-экв/л.
Глава XI. ТОПЛИВНОЕ ХОЗЯЙСТВО
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Топливное хозяйство предназначается для бесперебойного
снабжения электростанции топливом и объединяет механизмы и
устройства, необходимые для его приема, перемещения, подготов-
ки к сжиганию и хранения.
Принципиальная схема и состав топливного хозяйства, а так-
же условия его работы в каждом конкретном случае имеют ряд
особенностей и главным образом определяются видом, свойствами
и способом сжигания топлива, используемого на электростанции
и технологическими потребителями, его расходом, типом и мощ-
344
ностью электростанции, способом доставки топлива. Вне зависи-
мости от индивидуальных особенностей топливное хозяйство
электростанции должно удовлетворять следующим основным тре-
бованиям: все процессы, связанные с подачей, разгрузкой и хра-
нением, подготовкой к сжиганию и транспортом топлива должны
быть полностью механизированы, потери топлива должны быть
минимальными, не должны ухудшаться его химические и физи-
ческие характеристики, первоначальные затраты и эксплуатаци-
онные расходы на топливное хозяйство должны быть минималь-
ными.
Наиболее просто решаются вопросы топливоснабжения при
работе электростанции на природном газе.
ТОПЛИВНОЕ ХОЗЯЙСТВО ТЭЦ, РАБОТАЮЩИХ НА ПРИРОДНОМ ГАЗЕ
Электрические станции сахарных заводов, работающие на при-
родном газе, получают его из магистральных или районных газо-
проводов, давление в которых составляет 0,6—1,0 МПа. В газо-
проводах к парогенераторам давление газа различно — от 0,05
до 0,3 МПа, однако оно не должно превышать верхнего предела,
поэтому при электростанциях строят газорегуляторные пункты
(ГРП), в которых газ автоматически дросселируется до требуе-
мого давления.
Схема газопроводов ТЭЦ должна предусматривать надежное
и безопасное газоснабжение агрегатов. Просачивание газа в не-
работающий парогенератор может привести к образованию в нем
взрывоопасной смеси, поэтому на отводе к парогенераторам ста-
вят обычно последовательно
находится отвод в атмосфе-
ру для удаления случайно
просочившегося через пер-
вую задвижку газа. При-
мерная схема газоснабже-
ния ТЭЦ показана на рис.
119. Схема включает одно-
ниточный газорегуляторный
пункт, в котором входное
давление газа с высокого
(до 1,0 МПа) снижается до
среднего. При необходимо-
сти получения газа двух
давлений — среднего и низ-
кого — типовыми проекта-
ми предусматривается вари-
ант установки двухниточно-
го ГРП. На случай ремон-
та или замены технологиче-
ского оборудования в схеме
имеется запасной газопро-
два запорных органа. Между ними
Рис. 119. Схема газоснабжения электро-
станции:
1 — газовая магистраль; 2, 3, 9, 10 — задвижки с
электроприводом, 4— фильтр, 5—регулятор дав-
ления; 6—предохранительный клапан; 7 — бай-
пасная линия; 8 — расходомер; // — быстродейст-
вующий клапан; 12—заслонка регулятора расхо-
да; 13—задвижка запорная, 14— регулирующая
задвижка; 15—пробковый кран; /6 — свеча; 11 —•
горелки; 18 — линия воздуха для продувки газо-
проводов; 19 — линия к запальнику.
345
вод (байпас), позволяющий не останавливать работающий паро-
генератор.
Основным элементом в схеме ГРП является регулятор давле-
ния, который выбирается исходя из максимального расчетного
расхода газа потребителем и требуемого перепада давления при
редуцировании. Пропускную способность регулятора рекоменду-
ется принимать на 15—20% больше максимального расчетного
расхода газа.
Предохранительно-запорные клапаны устанавливаются перед
регуляторами давления. Они являются полуавтоматическими за-
порными устройствами, предназначенными для герметического
перекрытия потока газа.
Клапаны закрываются при повышении или снижении давления
газа более 20% контролируемого. Открывается клапан только
вручную.
Для очистки газа от механических примесей и пыли перед
предохранительно-запорным клапаном помещают волокнистый
фильтр. Сбросные предохранительные устройства в ГРП добавоч-
но предохраняют газовую сеть от превышения давления.
Расход газа контролируют с помощью диафрагмы и самопи-
шущих дифманометров. Показывающие манометры устанавливают
в местах ввода и вывода газа. В качестве запорной арматуры
применяются краны и задвижки.
Для газопроводов используются стальные бесшовные трубы,
диаметр которых выбирают по расходу газа и его скорости. Ре-
комендуемые значения скоростей в магистральных газопроводах—
60—80 м/с, в отводах к парогенераторам — 40—60 м/с.
Прокладка всех газопроводов на территории ТЭЦ выполняется
надземной на железобетонных или металлических опорах. Подвод
газа от ГРП к магистрали котельной и от магистрали к пароге-
нераторам не дублируется и осуществляется, как правило, по
одному трубопроводу. Трубы в основном должны соединяться
сваркой. Резьбовые и фланцевые соединения допускаются в основ-
ном в местах установки компенсаторов, регуляторов давления
и т. п.
Газорегуляторные установки для снижения давления газа, со-
оружаемые на территории сахарных заводов, при давлении газа
до 1,2 МПа, как правило, должно размещаться в отдельно стоя-
щих помещениях или на открытых, огражденных и покрытых на-
весом площадках.
Понижение избыточного давления газа на ГРП от 0,3 МПа и
выше до низкого давления сопровождается значительным шумом.
Поэтому ГРП рекомендуется располагать в отдельном здании или
открытой площадке на расстоянии не менее 30 м от здания ТЭЦ.
По той же причине рекомендуется участок газопровода длиной
25—30 м от ГРП до ввода в парогенераторную прокладывать в
земле. Все остальные газопроводы на площадке ТЭЦ, а также
внутри парогенераторных прокладываются наземным способом.
346
ТОПЛИВНОЕ ХОЗЯЙСТВО ТЭЦ, РАБОТАЮЩИХ НА ЖИДКОМ ТОПЛИВЕ
В качестве жидкого топлива на электростанциях применяются
главным образом тяжелые продукты переработки нефти — мазу-
ты. Топочные мазуты обладают повышенной вязкостью и большим
содержанием серы — до 3,5%. Мазут на электростанциях исполь-
зуется не только как основное, но и как вспомогательное топливо
для растопки парогенераторов, работающих на угле, торфе и
сланцах. В связи с этим на ТЭЦ сооружается или основное, или
вспомогательное (растопочное) мазутное хозяйство. Основное хо-
зяйство рассчитывается по количеству мазута, необходимого для
работы всех парогенераторов станции с номинальной нагрузкой;
растопочное — только для одновременной растопки не более чем
двух парогенераторов до нагрузки 30% номинальной.
Схема мазутного хозяйства показана на рис. 120. Топливное
хозяйство электростанции, работающей на мазуте, состоит из при-
емного устройства, мазутохранилища, насосов, подогревателей и
системы мазутопроводов. Из приемного устройства мазут посту-
пает в резервуары мазутохранилища, из которых он периодически
перекачивается насосами по мазутопроводу к парогенераторам.
Для придания мазуту большей подвижности его подогревают па-
ром в резервуарах мазутохранилища и в отдельно стоящих мазу-
топодогревателях. Для предотвращения засорения насосов и фор-
сунок содержащимися в мазуте посторонними примесями уста-
навливаются фильтры.
Конструкция приемного устройства зависит от способа достав-
ки мазута. Как правило, на электрические станции мазут транс-
портируется в железнодорожных цистернах. Из прибывающих
цистерн он сливается на параллельно расположенных эстакадах
в межрельсовые желоба и по ним самотеком направляется в под-
земные емкости. Для нормального слива мазут необходимо подо-
гревать.
В зависимости от марки мазута требуемая температура разо-
грева будет разной:
Марка мазута...................... 20 40 ЧГ 60 80 100
Температура разогрева, °C......... 40 55 65 70 75 и выше
Мазут в цистернах разогревают обычно непосредственным
вводом пара давлением 0,8—1,0 МПа. При таком -смешивающем
подогреве мазут обводняется, что вызывает необходимость в по-
следующем длительном его отстое; при этом происходит потеря
конденсата пара. Длительность такого разогрева 4—6 ч летом и
10 ч зимой. В отдельных случаях для разогрева мазута применяют
паровые рубашки, погруженные в мазут змеевики, лучистый обо-
грев и др.
Схема слива мазута показана на рис. 121. По этой схеме
сливные желоба обогреваются трубчатыми подогревателями, рас-
полагаемыми на стенках и по дну желоба. Изготавливаются же-
лоба из железобетона с внутренней металлической обшивкой или
347
Пар из котельной
'41
Подвод
жидких
присадок
Приемная
емкость
х=500м3
Дренажная
емкость
У = 100 г-н
----в---Мазут на
всасывании
----о----мазут из
котельной
Р н с. 120. Схема трубопроводов мазутного хозяйства (теплоноситель для разогрева мазута — пар):
1 — резервуар для мазута; 2 — насос подачн мазута в парогенераторную; 3 — насос рециркуляционный; 4 — насос наружный;
5 —насос конденсатный; 6— подогреватель; 7 —охладитель конденсата; в —фильтр грубой очистки, 9 — фильтр тонкой очистки;
10 — бак конденсатный.
Мазут обратный
из котельной
Сырая вода
Слив мазута
Пар
— — Конденсат
---с — Сырая воде
---н-----Мазут под
давлением
---п-----Мазут при
перекачивании
—р-------Мазут при
рециркуляции
листовой стали толщиной 3—4 мм и уклоном 0,005—0,01 в сто-
рону приемных емкостей.
Резервуары мазутохранилища выполняют подземными, полу-
подземными и наземными, чаще железобетонными, цилиндриче-
ской или прямоугольной формы. Резервуары оборудуют устрой-
ствами для разогрева мазута,
слива отстоявшейся воды, уда-
ления осадков, подачи мазута
к потребителям и др. Резерву-
аров должно быть не менее
двух, а их емкость принима-
ется с учетом назначения ма-
зутного хозяйства и мощности
ТЭЦ. Так, например, суммар-
ная вместимость резервуаров
растопочного мазутного хозяй-
ства принимается обычно рав-
ной 60 м3, в основных мазут-
ных хозяйствах —15% вмести-
мости цистерн, одновременно
устанавливаемых под раз-
грузку.
Суточный расход мазута
определяется исходя из 20 ч
работы всех парогенераторов
с номинальной нагрузкой. По
противопожарным требовани-
ям суммарная вместимость ре-'
зервуаров при ТЭЦ не долж-
на превышать 5000 м3 при на-
земных и полуподземных ре-
зервуарах и 10000 м3 — при
подземных. Если требуются
большие запасы мазута, то
хранилища создаются вне тер-
ритории ТЭЦ с соблюдением
Рис. 121. Схема слива мазута:
1 — железнодорожная цистерна; 2 — паровая
рубашка, 3 — сливной прибор; 4 — сливной же-
лоб, 5 — трубчатый подогреватель; 6 — метал-
лические крышки желоба, 7 — паровой шланг;
8 — паропровод; 9 — запорный вентиль; 10 —
поворотная колонка для присоединения паро-
вого шланга; 11— эстакада; 12—перекидной
мостик.
мер безопасности.
Чтобы уменьшить гидравлические сопротивления при перекач-
ке мазута, облегчить отстой воды и других примесей, применяют
подогрев мазута в резервуарах. Для этого резервуары оборудуют
змеевиками из труб, обогреваемых паром. Кроме того, предусмат-
ривается разогрев за счет рециркуляции горячего мазута из мазу-
тонасосной.
Мазутные насосы обычно размещают в непосредственной бли-
зости от резервуаров. Мазут в насосную поступает из резервуаров
самотеком, поэтому величина заглубления насосной выбирается в
зависимости от заглубления основных резервуаров. Насосы при-
меняют центробежные или шестеренчатые с электрическим при-
водом или скальчатые с электрическим или паровым приводом.
349
Насосов должно быть не менее двух для парогенераторных паро-
производительностью до 85 т/ч и не менее трех для более мощных
парогенераторных, причем один из них должен быть резервным.
Давление, создаваемое насосами, определяется типом форсунки и
•схемой мазутного хозяйства. При механических форсунках давле-
ние может достигать 2—3,5 МПа, если схема не предусматривает
установки дополнительных мазутных насосов высокого давления
в самой парогенераторной. При использовании паровых форсунок
давление мазута значительно ниже.
Оборудование мазутонасосных может устанавливаться по двум
принципиально разным схемам: а) одноступенчатая схема подачи
мазута в парогенераторную: резервуар-фильтр грубой очистки —
насос-подогреватель мазута — фильтр тонкой очистки — форсунки
парогенератора; б) двухступенчатая схема: резервуар — фильтр
трубой очистки — насос первого подъема — подогреватель —
фильтр тонкой очистки — насос второго подъема — форсунки па-
рогенератора.
При двухступенчатой схеме подачи мазута в насосной уста-
навливаются две группы основных насосов, работающие последо-
вательно. Первая группа насосов, фильтры и подогреватели рабо-
тают с давлением примерно 0,5—0,6 МПа. Давление мазута после
насосов второй ступени — до 3,5 МПа.
Фильтры грубой очистки выполняются в виде сетки с ячейками
10—12 мм и устанавливаются до мазутных насосов. Фильтры
тонкой очистки размещают после подогревателей мазута, ячейки
сетки имеют размер 1 мм.
Мазутопроводы на участке от резервуаров к парогенераторам
прокладывают наземно либо в особых траншеях или туннелях.
Во избежание остывания мазута в трубопроводе к парогенерато-
рам, что может привести к образованию пробок, он делается
двойным — прямая и обратная линия — с непрерывной циркуля-
цией мазута по нему. Количество циркулирующего мазута пре-
вышает максимальный расход его парогенераторами, так что
обратная линия всегда загружена. Для компенсации потерь тепла
в насосной устанавливают паровые поверхностные подогреватели.
Кроме того, вдоль основных мазутопроводов в непосредственном
контакте с ними прокладывают обогревающие паровые линии
небольшого диаметра, которые заключают в общую изоляцию с
м азутопроводом.
При больших расходах мазута укладываются две нитки напор-
ных мазутопроводов и один трубопровод циркуляционного мазута.
Каждый подающий мазутопровод рассчитывают на подачу 75%
расчетной производительности с учетом циркуляции. Скорость
движения мазута в зависимости от его вязкости принимают во
всасывающих трубопроводах равной 0,8—1,5 м/с, в нагнетатель-
ных — 1,0—2,5 м/с.
При транспортировке, хранении и перекачке топочный мазут
значительно обводняется, причем определить количество этой воды
350
сложно. Слив обводненного ма-
зута в канализацию запрещен
действующими санитарными пра-
вилами.
В промышленных условиях
обводненный мазут можно сжи-
гать в парогенераторах в виде
водно-мазутной эмульсии. При
сжигании такого мазута, содер-
жащего 5—15% влаги, перерас-
ход топлива, связанный с затра-
той тепла на ее испарение, со-
ставляет 0,3—1%. Для обеспече-
ния эффективного сжигания об-
водненного мазута следует пере-
мешивать его до получения одно-
родной смеси. Чем выше одно-
родность и дисперсность капель
смеси, тем надежнее работа па-
рогенераторов. Получить устой-
чивую водно-мазутную эмульсию
Рис. 122. Схема приготовления
водно-мазутной эмульсии:
1 — емкость эмульсии; 2, 10 — фильтры;
3 — насос; 4 — емкость загрязненной
воды; 5 — топливный насос; 6 — подо-
греватель; 7 — регулирующий вентиль;
8 — гидродинамический излучатель; 9 —
смеситель; 11 — мазутохранилище.
можно с помощью механических
и ультразвуковых устройств и установок.
Топливные эмульсии, полученные на ультразвуковых установках
из обводненных мазутов с содержанием водной фазы даже до
50%, отличаются высокой дисперсностью и стабильностью. При
транспортировке и хранении такие эмульсии не расслаиваются в
течение нескольких дней (7—12 сут) даже при нагреве до 100° С.
Схема установки для приготовления водно-мазутной эмульсии
приведена на рис. 122.
ТОПЛИВНОЕ ХОЗЯЙСТВО ТЭЦ, РАБОТАЮЩИХ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ
Наиболее сложно решаются вопросы топливного хозяйства
электростанций при работе на твердом топливе. Во всех случаях'
выбор рационального типа топливоснабжения определяется необ-
ходимым количеством топлива и его видом, требованием наимень-
ших затрат и надежностью эксплуатации. Топливное хозяйство
состоит из приемного устройства, склада топлива и системы по-
дачи топлива.
На ТЭЦ сахарных заводов, относящихся к энергетическим
установкам средней и малой мощности, используются приемные
разгрузочные устройства со щелевым бункером и скреперные при-
емные устройства.
На электростанциях средней мощности, работающих на камен-
ных углях и расположенных в местностях с наружной темпера-
турой не ниже —22° С, приемно-разгрузочное устройство выпол-
няется в виде эстакады высотой 2,5—3,5 м с приемными бунке-
рами или траншеями по обеим ее сторонам. Приемно-разгрузочное
351
устройство с щелевым бункером (рис. 123) должно иметь длину,
достаточную для одновременной разгрузки около 4/4 состава (по
норме). Из бункера уголь ссыпается на разгрузочный стол, на
котором остается лежать под углом естественного откоса. Для ме-
ханической выдачи топлива из приемных устройств электростан-
ции на склад и в систему подачи применяют скреперные уста-
новки при производительности до 160 т/ч и лопастные питатели
в сочетании с ленточными конвейерами при большей производи-
тельности.
Рис. 123 Приемное устройство со щеле-
вым бункером
1 — щелевой бункер, 2 — разгрузочный стол, 3 —
ленточный конвейер, 4 — лопастной питатель
В местностях с наружной температурой ниже —22° С и при
работе электростанций на бурых углях приемно-разгрузочное
устройство выполняется закрытым.
На электростанциях малой мощности получили распростране-
ние скреперные приемные устройства (рис. 124). В этом случае
приемно-разгрузочное устройство выполняется в виде эстакады
высотой 1,5—2,5 м и площадок, расположенных по обеим его сто-
352
ронам или железнодорожного пути, расположенного на уровне
земли, и траншей по обеим его сторонам. Уголь из траншеи пере-
мещается скреперами к головной части, где расположены дробил-
ки, питатели и приемные устройства ленточных транспортеров,
подающих топливо на ТЭЦ или склад.
Применяются на ТЭЦ и другие типы приемных устройств, на-
пример грейферные.
Из приемного устройства топливо направляется на склад или
непосредственно в парогенераторную. Обычно открытый склад
топлива располагают на территории электростанции. На неболь-
ших электростанциях его оборудуют грейферными кранами, авто-
погрузчиками или скреперами, а на средних и крупных стан-
циях — бульдозерами, колесными скреперами и портальными
кранами, при этом одни и те же механизмы по возможности слу-
жат и для разгрузочно-штабелевочных работ на складе топлива,
и для подачи топлива со склада в парогенераторную.
Топливо из разгрузочной траншеи склада, оборудованного
портальным краном (рис. 125), забирается грейфером и перено-
сится в штабель 8. Тем же грейфером топливо может забираться
из штабеля и подаваться через бункер в питатель 4 на транспор-
тер, по которому оно направляется в парогенераторную.
По подаче топлива различают склады основные и расходные.
Основные склады предназначены для длительного хранения запа-
сов топлива на случай перебоев в снабжении электростанции топ-
ливом или для его периодического обновления. Расходные склады
служат для хранения запасов топлива, необходимого для вырав-
нивания между количествами прибывающего и сжигаемого топ-
лива.
Основной и расходный склады часто объединяют, выделяя
площадки для длительного и кратковременного хранения топлива.
Склады выполняются открытыми на площадках, имеющих орга-
низованный отвод атмосферных и грунтовых вод. Вместимость
основных открытых угольных складов определяется из расчета
двухмесячного запаса топлива при расположении электростанции
на расстоянии более 50 км от места добычи топлива, месячного
запаса при расстоянии менее 50 км и двухнедельного запаса топ-
лива в случае поступления его по местной железнодорожной
ветке. Вместимость склада для кускового фрезерного торфа мак-
симально принимается из расчета месячного запаса и не должна
превышать 60 тыс. т. Расходные склады рассчитывают исходя из
трехсуточного запаса топлива.
В качестве стационарных транспортирующих устройств для
подъема и раздачи угля по бункерам перед парогенераторами
применяются наклонно-горизонтальные ленточные транспортеры,
перемещающие топливо под углом не более 17—18° к горизонта-
ли, поэтому от приемного устройства к ТЭЦ их располагают в
наклонных галереях. На небольших ТЭЦ используют скиповые
подъемники, ковшовые элеваторы и горизонтальные транспортеры.
Для улучшения санитарных условий в парогенераторной транс»
353
портер размещают в надбункерной галерее, проходящей вдоль
фронта парогенераторов. Сброс топлива с транспортеров в нуж-
ном месте'осуществляется передвижными тележками или «плуж-
ками».
Рис. 124. Скреперное приемное устройство:
1 — эстакада; 2 — траншей; 3 — бункера; 4 — канатный скрепер; 5 — скреперная лебедка;
9 — холостой канат; 10 — вспомогательные блоки; 11 — ленточные конвейеры.
На трассе к бункерам парогенераторов устанавливают дробил-
ки, которые измельчают куски угля до размера 25—30 мм. Перед
дробилками монтируют электромагнитные сепараторы для удале-
ния из топлива кусков металла, а также грохоты, через которые,
минуя дробилки, просеивают мелкий уголь. За дробилками раз-
мещают механические пробоотборники и уловители щепы.
Производительность системы подачи топлива определяется
исходя из максимального расхода топлива на электростанции.
При вместимости запасов топлива в бункерах парогенераторной
меньше чем на 8—10 ч необходимо подавать топливо в три смены.
Рис. 125. Склад топлива, оборудованный портальным краном:
портал крана; 2— тележка с грейфером; 3— бункер; 4 — ленточный питатель; 5 — лен-
точный транспортер со склада; 6 — разгрузочная траншея; 7 — железнодорожные вагоны;
в — штабель топлива.
354
При запасе топлива в бункерах более чем на 8—10 ч достаточна
работа системы подачи в две смены, а при запасе более чем на
20—24 ч возможна работа в одну дневную смену. Соответственно>
производительность системы должна составлять 100, 150 и 300%
6 — иостик управления лебедками; 7, 8 — головные и концевые оттяжные блоки канатов;
Рис. 126. Схема топливного хозяйства электростанции средней мощности,,
работающей иа угле:
/ — скреперное приемное устройство; 2 — скрепер; 3 — скреперная лебедка; 4 — приемный
бункер топлнвоподачн; 5 — ленточный конвейер первого подъема; 6 — магнитный сепаратор;
7 — дробилка; 8 — загрузочный бункер; 9 — ленточный конвейер второго подъема; 10 — бун-
кер для приема топлива, направляемого на склад; 11— ленточный конвейер на склад; 12—
бункер парогенераторной; 13 — железнодорожный путь; 14 — приемные емкости топлива;
15 — дробильный блок; 16 — горизонтальный ленточный конвейер для раздачи топлива по-
бункерам.
максимального часового расхода топлива электростанции. Пред-
почтительнее система подачи топлива в одну смену, что должно'
быть учтено при выборе ее, а также вместимости топливных бун-
керов. Одна из возможных схем топливного хозяйства электро-
станции средней мощности приведена на рис. 126.
355
ЗОЛОШЛАКОУДАЛЕНИЕ
При сжигании твердого топлива часть содержащейся в нем
золы, а также несгоревшие частицы выпадают в топке в виде
шлака и мелкой золы, а другая часть — летучая зола — уносится
дымовыми газами. Летучая зола частично оседает в газоходах, а
в основном скапливается в бункерах золоуловителей.
Процесс удаления шлака и золы из парогенераторной разде-
ляется на две операции: очистку шлаковых и зольных бункеров
от содержимого и транспортировку шлака и золы. Последняя
операция разделяется на перемещение шлака и золы от пароге-
нераторов за пределы парогенераторной н доставку их на золоот-
валы или к потребителям. Так же, как и подача твердого топ-
лива, удаление шлака и золы является наиболее трудоемкой
операцией на электростанции. При ее выполнении вручную созда-
ется опасность ожогов и отравлений для обслуживающего пер-
сонала. В связи с этим к системам золоудаления предъявляются
основные требования: безопасность работы и нормальные усло-
вия труда для персонала; в перспективе — полная механизация
всех процессов; минимальные капитальные затраты и эксплуата-
ционные расходы на удаление шлака и золы, в частности на элек-
троэнергию и воду; обеспечение в случае необходимости дальней-
шего использования шлака и золы.
В настоящее время на ТЭЦ применяют следующие способы
золошлакоудаления: гидравлический, пневматический, механиче-
ский, пневмогидравлический. Каждый из этих способов имеет свои
преимущества и недостатки.
Механическое и пневматическое золошлакоудаление применя-
ется на электростанциях малой мощности. При механическом зо-
лошлакоудалении используются преимущественно скреперные
установки, а также винтовые конвейеры для транспортировки зо-
лы из бункеров непосредственно в автомашины, вагоны или в
канал скреперной системы золошлакоудаления. Преимущества
механического золошлакоудаления — простота и малая стоимость
системы, малые удельные затраты электроэнергии и воды, недо-
статки — интенсивный износ механизмов, необходимость примене-
ния колесного транспорта для вывоза шлака и золы на золоотвал.
Пневматическое золошлакоудаление ранее имело сравнительно
ограниченное применение, но из-за резкого повышения требований
к очистке сточных вод интерес к этим системам значительно по-
высился. Достоинствами этого способа являются простота устрой-
ства и хорошие санитарные условия при работе, возможность по-
лучения в сухом виде шлака и золы, что облегчает их использо-
вание для строительных целей, недостатками — транспорт шлака
и золы на небольшие расстояния и необходимость применения
автомашин или вагонов для вывоза их на золоотвал, интенсивный
износ золопроводов.
На рис. 127 показана схема пневматического (вакуумного) зо-
лошлакоудаления. Транспортирующей средой служит воздух, ко-
356
торый отсасывается паровыми эжекторами или вакуум-насосами.
Требующееся разрежение составляет около 0,03 МПа.
Шлак у каждого бункера 1 измельчается в валковых дробил-
ках 2 до кусков размером примерно 35 мм. Для нормальной
транспортировки скорость воздуха в золоироводах должна быть
30—35 м/с при концентрации золы и шлака 4—7 кг на 1 ki* воз-
духа. Диаметр водопроводов обычно 90—120 мм. Отделение золы
и шлака от воздуха происходит в двух последовательно включен-
иых циклонах 10, после которых воздух сбрасывается в дымовую
трубу.
Рис. 127 Схема пневматического (ва-
куумного) золошлакоудаления-
1 — шлаковый бункер парогенератора, 2 — вал-
ковая дробилка шлака, 3—насадка для шла-
ка, 4 — насадка для золы, 5 — телескопиче-
ская насадка, 6 — сварное колено, 7 — пробко-
вый кран, 8 — шлакозолопровод, 9 — осади-
тельная камера, 10 — циклон , 11 — бункер,
12 — вагой.
I
Эолу и шлак пневматическим способом можно транспортиро-
вать на расстояние 150—180 м и высоту до 30 м. Производитель-
ность одной системы составляет до 30 т/ч золы и шлака.
На электростанциях средней мощности наибольшее распро-
странение получили системы гидравлического золошлакоудаления,
которые иногда комбинируют с пневматическим. К основным до-
стоинствам гидравлического золошлакоудаления следует отнести
возможность перемещения большого количества шлака и золы на
значительные расстояния — до 4—6 км. Шлак и зола в пределах
парогенераторной перемещаются самотеком по каналам, обли-
цованным базальтовыми плитами. При этом применяются следу-
ющие системы гидравлической транспортировки:
система совместного перемещения золы и шлака гидроаппа-
ратами Москалькова;
система совместного перемещения золы и шлака багернымй
насосами;
раздельная система перемещения шлака — гидроаппаратами
Москалькова, а золы — шламовыми насосами по самостоятель-
ным золопроводам;
система совместного перемещения шлака и золы с примене-
нием гидропневм этических устройств.
Анализ различных систем гидрозолоудаления позволяет сде-
лать вывод, что наиболее рентабельна система совместной транс-
портировки золы и шлака багерными насосами.
Рис. 128. Схема золошлакоудаления с багериой насосной:
1 — шлаковый бункер; 2 — эоловые бункера; 3 — канал; 4 — шандоры; 5 — решетка; $ — шла-
кодробнлка; 7 — шлакозолопровод; 8 — металлоуловнтелн; 9 — багерный насос.
Схема золошлакоудаления с багерной насосной показана на
рис. 128. Зола и шлак смываются из бункеров парогенераторов с
помощью специальных устройств в самотечный канал, по которо-
му водой их смесь перемещают к устройствам для внешней транс-
портировки. Смыв золы осуществляется, как правило, непрерывно,
а шлака периодически — 1—2 раза в смену. Смесь воды, золы и
шлака из канала направляется в предварительный металлоулови-
тель, а затем на- решетку, через которую мелкий шлак, зола и
вода проходят, а крупные куски шлака задерживаются. Их затем
дробят. Дробленый шлак направляют в общий поток смеси к
багериому насосу, перекачивающему смесь на золоотвал, в кото-
ром зола и шлак оседают на дно, а осветленная вода возвраща-
ется в парогенераторную для повторного использования.
ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И ОЧИСТКА ДЫМОВЫХ ГАЗОВ
При работе электростанций возникает необходимость сброса в
атмосферу различных веществ, часть из которых представляет
опасность для здоровья людей, окружающего животного и рас-
тительного мира. Состав этих веществ зависит от вида используе-
мого топлива. Так, при сжигании твердых и жидких топлив вместе
с диоксидом углерода СОа, парами воды и азотом в атмосферу
выбрасываются окислы серы SO2 и SO3, окислы азота NO2, зола,
сажа, продукты механического и химического недожога (СО).
При сжигании природного газа вредные примеси представлены в
основном окислами азота и в меньшей степени сажей,
358
Всякое сжигание классического топлива сопровождается вы-
бросом в атмосферу диоксида углерода. Систематические наблю-
дения за содержанием СО2 в атмосфере показали, что за послед-
ние годы оно несколько возросло. При сжигании органического
топлива нельзя избежать попадания СО2 в атмосферу, и пока нет
другого способа снижения выбросов СО2 кроме ограничения ис-
пользования этого топлива.
Почти все виды топлива содержат некоторое количество серы,
большая ее часть при сжигании топлива уходит в атмосферу в
виде окислов (главным образом SO2). Образующаяся в атмосфере
серная кислота гораздо вреднее той же концентрации 8Ог- На
образование серной кислоты каталитически действуют суспензии
металлов в воздухе. Поэтому особенно опасны выделения SO2 в
результате сжигания сернистого топлива в районах действия ме-
таллургических предприятий. Соединения серы вместе с запылен-
ностью являются одними из главных видов загрязнения атмосфе-
ры, вызываемого промышленностью. Наличие в воздухе окислов
серы при концентрации более 2 мг/л вызывает у людей воспаление
слизистых оболочек, а при длительном воздействии — катар ды-
хательных путей, торможение роста растений и их гибель, отрав-
ление почвы, коррозию металлов и разрушение строительных кон-
струкций. В Настоящее время разработаны различные методы
очистки дымовых газов от SO2, но все они экономически малоэф-
фективны.
Наиболее токсичны окислы азота, образующиеся в высокотем-
пературных топках. Концентрация окислов азота растет вместе с
температурой продуктов сгорания, длительностью их пребывания
в топке и возрастанием коэффициента избытка воздуха и не за-
висит от вида сжигаемого топлива.
Окислы азота нестабильны в атмосфере, они разлагаются и
переходят в другие соединения. Вместе с другими вредными ча-
стицами, находящимися в воздухе, они могут образовать опасный
для здоровья людей смог.
Высокие темепратуры горения, с одной стороны, повышают
к.п.д. установок, а с другой стороны — вызывают образование
окислов азота. Поэтому нужны такие конструкции топок и такие
эксплуатационные режимы сжигании топлива, которые позволили
бы свести к, минимуму выбросы окислов азота в атмосферу при
сохранении высокого к.п.д. установок.
Кроме газов, выделяющихся при сжигании топлива, источни-
ками загрязнения атмосферы являются пыль и дым. Токсичность
пыли зависит от состава золы сгоревшего топлива. Опасны части-
цы канцерогенных смол, которые либо находятся в топливе, либо
образуются в результате несовершенных процессов горения.
Загрязнение атмосферы вредными выбросами наносит эконо-
мический ущерб народному хозяйству и создает все более нара-
стающую угрозу для здоровья населения нашей планеты.
Для охраны воздушного бассейна от загрязнения в наиболее
развитых странах мира, в том числе и нашей стране, приняты
35»
специальные законодательства, которыми устанавливаются пре-
дельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе, соз-
даны специальные органы надзора, контролирующие количество
выбросов отдельными предприятиями и соблюдение принятых са-
нитарных норм. В CCtP контроль за вредными выбросами воз-
ложен на Госсанинспекцию.
Проблема очистки дымовых газов от окислов азота и серни-
стых fa3OB для парогенераторных установок еще не решена. Основ-
ным мероприятием в направлении уменьшения вредного воздей-
ствия на окружающие районы электростанций, работающих на
серусодержащем топливе, является сооружение высоких дымовых
труб для отвода и рассеяния дымовых газов.
Очистка дымовых газов от вредных частиц производится в
устройствах, называемых золоуловителями. На, ТЭЦ находят
применение следующие типы золоуловителей:
инерционные золоуловители, в которых частицы уноса отделя-
ются от потока дымовых газов под влиянием сил инерции или
вращательным вихревым движением газового потока. Наиболее
распространены циклоны и батарейные циклоны;
мокрые золоуловители, в которых частицы золы удаляются из
газа путем промывки или орошения его водой н осаждения частиц
золы на смачиваемых поверхностях или путем улавливания ча-
стиц на водяной пленке;
электрофильтры, в которых улавливаемые частицы осаждаются
на электродах под действием электрических сил;
комбинированные золоуловители, представляющие собой соче-
тание инерционных золоуловителей и электрофильтров.
Показателем эффективности работы золоуловителя является
коэффициент очистки т]3у (в %)
Чзу = буЛ/Овх • 100, (183)
где буЛ, GBX — соответственно количество уловленной золы и ее количество
в дымовых газах иа входе в золоуловитель.
Для оценки конструкции золоуловителя применяются также
фракционный коэффициент очистки т)*, (в %)
где вуЛ, G*x — соотйётствеино количество уловленной золы заданной 'фрак-
ции и количество данной фракции в дымовых газах на входе
в золоуловитель.
В процессе очистки дымовых газов от золы происходит сниже-
ние концентрации сернистого газа в уносе в результате взаимо-
действия его с золой (в сухих золоуловителях) или растворения
его в воде (в мокрых золоуловителях).
Коэффициент очистки дымовых газов от сернистых окислов
соответственно для сухих и мокрых золоуловителей может быть
подсчитан по формулам
T)SO1= 12,5-
(185)
360
Зак. 660
Тип золоуловителей 1 ' Е по пропуску газа, | тыс. м*/ч Допускаемая запы- ленность газа, г/нм* Сопротивление золо- уловителя, дан/м2 Расход электроэнер- гии, кВт-ч/тыс. м*
Циклоны НИИогаэ 12,5 500-300 400—200 100-60 55—75 0,3—0,4
Батарейные цикло- ны 2,5 7? прн 25 прн 0 0 0 15 100 мм 35 150 мм 75—100 250 мм 55-75 0,3—0,4
Мокрые прутковые золоуловители 7Е >—100 Не ограни- чивается 60-75 0,35—0,4
Электрофильтры 50 Нежелатель- ны крупные частицы уноса 15-20 0,2—0,4
Примечание. В мокрых прутковых золоуловителях 80 2 и SOs п
парциальном давлении в газах 0,1—0,5 соответственно поглощается 0,3—
Таблица 48
Расход ВОДЫ)
м3/тыс. м3
Полный коэффициент
очистки, %
О
Sg
Е т
S,
ея.
СЗ (н
Рекомендуемая область
применения
0,2
Слоевое сжигание
50—66,
факельное
сжигание
40—50
Слоевое сжигание
70—80,
факельное
сжигание
60-75
90-92
90-95
25
20
На электростанциях малой
мощности, расположенных
вдалеке от населенных
пунктов
На электростанциях малой
и средней мощности
12 14 На электростанциях сред- ней мощности при наличии гидроудаления и отсутст- вии необходимости нейтра- лизации воды реактивами
100 100 На электростанциях сред- ней и большой мощности
при карбонатной жесткости воды 4 мг-экв/л при
глощаются водой полностью, а 1.,____г____________________. ______ ___,___,
,6 кг/м* SO,. Расход электроэнергии и воды отнесен к нормальным условиям.
4SO1= G^/G^.lOO, (186)
где Ac -зольность топлива на сухую массу, %;
Щ — щелочность золы, мг-экв/кг;
G^*, G^*—соответственно количество SO2, уловленного и количество SO2,
находящегося в дымовых газах на входе в золоуловитель.
Область применения указанных типов золоуловителей и их
основные характеристики приведены в табл. 48.
Глава XII. ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ
ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЭЦ И
ПРОМЫШЛЕННЫХ КОТЕЛЬНЫХ
САХАРНЫХ ЗАВОДОВ
ОРГАНИЗАЦИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
В настоящее время на сахарных заводах наблюдается тенден-
ция сокращения расхода пара на технологические нужды и в
связи с ростом уровня механизации трудоемких процессов ощу-
щается нехватка электроэнергии, а вследствие строительства око-
ло сахарных заводов благоустроенных поселков и жилых масси-
вов возрастает расход тепла на отопление и горячее водоснаб-
жение.
Анализ расхода топлива на сахарных заводах СССР показы-
вает, что на выработку пара ТЭЦ расходуется 75% топлива, на
выработку Электроэнергии 7%, т. е. всего 82% от общего расхода
топлива по сахарному заводу. Поэтому в настоящее время в
мероприятиях по повышению использования топливно-энергетиче-
ских ресурсов главное внимание сахарные заводы уделяют во-
просам лучшего снабжения тепловых потребителей. Основным
показателем экономичности использования топлива на ТЭЦ явля-
ется удельный расход условного топлива на 1 ГДж отпущенного
тепла. Для парогенераторных установок сахарных заводов при-
мерные величины удельных расходов составляют: при работе на
газе 680—690 кг/ГДж, на мазуте и твердом топливе 710—
735 кг/ГДж. По приближенному подсчету при увеличении годо-
вой выработки тепла парогенераторными установками за десяти-
летие (1971—1980 гг.) в 2 раза (при среднем снижении удельных
расходов за этот период на 15%) общий годовой расход топлива
возрастет к 1980 г. только в 1,7 раза. Для этого необходимо'
осуществить большой комплекс организационных, экономических
и технических мероприятий, направленных на сокращение потерь
топлива в процессе использования его в парогенераторных уста-
новках.
Иными словами, повышения экономичности работы паротур-
бинной ТЭЦ можно достигнуть как путем совершенствования
эксплуатации и повышения эффективности термодинамического
362
цикла ТЭЦ, так и комплексом мероприятий, связанных с сущест-
венным изменением принципиальной схемы ТЭЦ; надстройкой,
применением парогазового цикла, утилизацией тепла и др.
Организация эксплуатации должна быть такой, чтобы электро-
станции работали надежно, бесперебойно и экономично. Надеж-
ность снабжения электроэнергией является основным условием
хорошей работы электростанции. Случаи нарушения подачи энер-
гии потребителям относятся к авариям. Аварии на тепловых элек-
тростанциях не только связаны с повреждением дорогостоящего
оборудования, но и могут повлечь за собой несчастные случаи с
людьми. Кроме того, аварии вызывают перебои в работе потреби-
телей и подачу продукции на промышленных предприятиях, по-
лучающих энергию от электростанции. Обычно этим наносится
гораздо больший ущерб народному хозяйству, чем от аварии на
самой станции.
Для обеспечения бесперебойной, безаварийной работы эксплу-
атация электростанции должна проводиться в точном соответст-
вии с обязательными для всех министерств и ведомств «Правила-
ми устройства и безопасной эксплуатации паровых котлов Госгор-
технадзора», «Правилами технической эксплуатации электрических
станций и сетей» (ПТЭ), «Правилами технической эксплуатации
теплоиспользующих установок и тепловых сетей» и другими офи-
циальными правилами и собственными служебными инструкция-
ми. Все местные инструкции по обслуживанию оборудования каж-
,дой электростанции должны разрабатываться с учетом этих Пра-
вил. Персонал ТЭЦ должен знать ПТЭ, правила Госгортехнад-
зора, местные инструкции по обслуживанию, правила техники
безопасности, относящиеся к его рабочему месту. Знания персо-
нала периодически проверяются. За неправильные действия ра-
ботника, не прошедшего очередной проверки по ПТЭ и производ-
ственным инструкциям, приведшие к аварии на электростанции,
несет ответственность руководящий персонал. Администрация
несет ответственность также за происшедшие на станции несчаст-
ные случаи с людьми.
Электростанции работают, как правило, непрерывно — в три
смены. Работа оборудования ТЭЦ характеризуется тесной орга-
ничной взаимосвязанностью. Несогласованное изменение режи-
мов работы агрегатов может серьезно нарушить работу электро-
станции в целом и даже привести к аварии. Поэтому работа пер-
сонала ТЭЦ организуется обычно следующим образом.
На электростанции имеется сменный дежурный персонал, ве-
дущий обслуживание отдельных агрегатов поочередно в течение
трех смен, и персонал, работающий в одну смену. В одну смену
работают начальники и мастера цехов, ремонтники, в обязанности
которых входит поддержание оборудования в должном состоянии,
организация ремонта, контроль знаний персонала и др.
На тепловой электростанции имеется обычно несколько цехов:
топливно-транспортный, парогенераторный, турбинный, электриче-
ский, водный, тепловой автоматики и измерительных приборов.
13* 363
Всем комплексом цехов электростанции руководит главный ин-
женер. Весь дежурный (сменный) персонал оперативно подчинен
дежурному инженеру электростанции непосредственно или через
начальников смен цехов ТЭЦ, где они имеются. От дежурного
инженера (начальника смены) персонал получает все указания
по режимам работы, остановкам и пускам всех видов оборудова-
ния, переключению коммуникаций и т. п.
Дежурный на каждом рабочем месте по всем оперативным
вопросам подчинен вышестоящему дежурному, вплоть до дежур-
ного инженера электростанции. Дежурный инженер электростан-
ции следит за соответствием электрической нагрузки ТЭЦ графи-
ку и указаниям диспетчера энергосистемы. Тепловую нагрузку
промышленных ТЭЦ обычно устанавливает отдел главного энер-
гетика завода или руководство ТЭЦ согласно порядку, предписан-
ному директором завода. На ТЭЦ, изолированной от энергоси-
стемы, роль диспетчера энергосистемы выполняет дежурный от-
дела главного энергетика.
При эксплуатации необходимо проводить испытания оборудо-
вания. Несложные, кратковременные испытания осуществляет
персонал соответствующих цехов с привлечением работников дру-
гих служб и отделов. Для проведения сложных испытаний основ-
ных агрегатов и разных систем приглашаются специализирован-
ные организации. Эксплуатационные испытания оборудования
проводятся после капитальных ремонтов, внесения конструктив-
ных изменений и при переходе на другой вид топлива.
Надежная, бесперебойная и длительная работа оборудования
электростанции обеспечивается системой планово-предупредитель-
ных ремонтов (ППР), состоящей в том, что оборудование ремон-
тируется в определенной последовательности, задолго до его воз-
можного останова из-за износа или неисправности. Ремонты под-
разделяются на капитальные и текущие; производятся они на
остановленном оборудовании при отключении всех соединитель-
ных линий по пару, воде, электроэнергии и т. д.
АВТОМАТИЗАЦИЯ, КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ
Надежная и экономичная работа современных промышленных
электростанций может быть обеспечена только при достаточном
уровне автоматизации основных и вспомогательных процессов.
Устройства автоматизации на электростанции должны обеспечи-
вать:
контроль за состоянием оборудования и контроль параметров,
характеризующих происходящие процессы;
дистанционное управление агрегатами и их вспомогательным
оборудованием;
автоматическое регулирование непрерывных процессов и уп-
равление периодическими операциями;
защиту оборудования от аварий вследствие выхода из строя
отдельных его элементов или неправильных операций персонала;
364
сигнализацию о нарушениях в работе оборудования и отклоне-
ний параметров от установленных нормальных значений.
Современная техника позволяет осуществить комплексную
автоматизацию тепловых электростанций. Объем автоматизации
определяется в каждом конкретном случае только подготовленно-
стью оборудования и достигаемым при этом экономическим эф-
фектом — экономией топлива и электроэнергии, повышением про-
изводительности труда персонала, улучшением качества отпускае-
мой энергии, повышением надежности работы оборудования.
Практика показала, что автоматизация установок при надле-
жащем ее выполнении значительно повышает среднегодовой к.п.д.
этих установок, а также надежность их работы.
Рекомендуемый в настоящее время примерный объем автома-
тизации основных участков паротурбинных электростанций малой
и средней мощности указан в табл. 49.
В настоящее время управление работой всех основных агре-
гатов и большинства вспомогательного оборудования осуществ-
ляется главным образом централизованно со щитов управления,
которые в зависимости от мощности и числа агрегатов, а также
местных условий бывают поагрегатными, цеховыми, блочными и
общестанционными. На объединенные щиты выносят основные
приборы теплового контроля, устройства автоматизации, сигнали-
зации и дистанционного управления.
На местных щитах, расположенных у самих агрегатов, остав-
ляют приборы, которые необходимы для ориентации персонала,
периодически осматривающего работающее оборудование (обход-
чиков).
Современная техника позволяет разработать и внедрить на
ТЭЦ промпредприятий комплексную автоматизацию с управлени-
ем режимов всех агрегатов и станции в целом при минимальном
участии дежурного персонала. В этом случае все управление тех-
нологическим процессом на ТЭЦ проводится электронной счетно-
решающей машиной с программным управлением, которой зада-
ется извне только тепловая и электрическая нагрузки. Пуск и
остановка агрегатов станции, распределение нагрузки между ни-
ми и поддержание их оптимальных режимов выполняются комп-
лексом автоматов, которые контролируются и корректируются
той же счетно-решающей машиной по разработанным режимным
картам оборудования.
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ЦИКЛА ТЭЦ
Тепловая экономичность паротурбинной электростанции зави-
сит главным образом от начальных и конечных параметров пара
в рабочем процессе турбогенератора. Параметры пара в значи-
тельной мере определяют конструкцию основного оборудования и
его стоимость. Начальная температура пара ограничена свойст-
вами металлов, применяемых в парогенераторе- и турбогенера-
торостроении. Изготавливаемые в настоящее время жаропрочные
365
Наименование участков автоматизации Устройства
автоматическое регулирование автомати- ческое уп- равление дистанционный контроль дистанционное управление
Парогенера- тор \ Турбо- генератор Подогре- вательная установка РОУ Питательная установка 1. Питания 2. Горения 3. Температуры перегрева пара 4 Непрерывной продувки 1. В объеме за- водской по- ставки, кроме того: 2 Уровня воды в конденсаторе 3 Расхода пара через лабирин- товые уплот- нения 1. Температуры подогрева воды 2. Уровня кон- денсата 3 Подпитки сети 1. Давления пара 2. Температуры пара 1. Давления в деаэраторах 2. Уровня воды в деаэраторе 3. Давления в питательных магистралях Обдувки В объеме заводской поставки Параметров и рас- ходов по водяно- му, паровому и газовоздушному трактам, силы тока приводов вспомогательных механизмов Параметров и рас- ходов по водя- ному, паровому и масляному трактам, частоты вращения, мощ- ности силы тока турбогенератора, силы тока при- водов вспомога- тельных меха- низмов Параметров и рас- ходов по паро- вому и водяному трактам, силы тока приводов насосов Параметров и рас- ходов пара, воды Параметров и рас- ходов пара и во- ды, силы тока приводов насосов Вспомогательными механизмами, за- порными и регу- лирующими орга- нами Вспомогательными механизмами и ре- гулирующими органами Насосами, запор- ными и регули- рующими орга- нами Запорными и ре- гулирующими органами Насосами, запор- ными и регули- рующими орга- нами
366
Таблица 49
автоматизации
блокировки защита сигнализация
1. Вспомогательных ме- ханизмов котла, обес- печивающие остановку их при аварийном от- ключении какого-либо элемента или включе- нии резервного обору- дования 2. Мазутных форсунок, обеспечивающие их от- ключение при потуха- нии факела 1. Конденсатных насосов, обеспечивающие при остановке работающе- го включение резерв- ного 2. Включение резервного маслонасоса при сни- жении давления масла 3. Включение резервных циркуляционных и подпиточных насосов при остановке рабо- тающих и снижении давления в сети Включение РОУ прн прекращении подачи пара от турбин 1. Включение резервных питающих насосов при отключении рабо- тающих 2. Включение резервных насосов при падении давления воды Отключение котла при недопустимом сниже- нии или повышении уровня воды в бараба- не, снижении или по- вышении температуры пара, а также при разрыве кипятильных труб 1. В объеме заводской поставки 2. Отключение подогре- вателей при неплот- ности * Отключение подогре- вателей при неплот- ности Отключение подогре- вателей при неплот- ности Выпуск пара в атмос- феру при недопусти- мом повышении давле- ния Выпуск пара в атмос- феру при недопусти- мом повышении давле- ния в деаэраторах 1. Световая и звуковая при недопустимом отклонении уровня воды в барабане и параметров пара 2. Световая о работе или остановке механизмов и крайних положении запор- ных и регулирующих ор- ганов 1. Световая и звуковая при отключении турбины, не- допустимом отклонении параметров пара и масла, снижении вакуума и пре- дельных уровнях воды в конденсаторе и масла в баке 2. Световая о работе и оста- новке подогревателей и насосов, крайних положе- ний запорных и регули- рующих органов Световая о работе и оста- новке насосов, крайних положений запорных и ре- гулирующих органов Световая крайних поло- жений запорных и регу- лирующих органов Световая и звуковая при недопустимом падении дав- ления в питательных ли- ниях Световая о работе и оста- новке насосов, крайних положений запорных и ре- гулирующих органов
367
Наименование участков автоматизации Устройства
автоматическое регулирование автомати- ческие уп- равление дистанционный контроль дистанционное управление
Пылепри- готовление 1. Загрузки мельницы 2. Температуры аэросмеси за мельницей — Температуры, давлении, расхо- да воздуха и аэро- смеси, силы тока приводов меха- низмов Механизмами, запорными и ре- гулирующими органами
Топливо- подача — Включе- ние и отклю- чение системы при уров- не в бун- кере ни- же и вы- ше пре- дельного Силы тока приводов меха- ханизмов Механизмами системы, органами, переключающими поток топлива
стали аустенитного класса могут длительно работать при темпе-
ратуре до 650° С.
Термический к.п.д. паротурбинной установки, работающей по
циклу Ренкина, растет при повышении начальных параметров
пара и постоянном давлении в конденсаторе. Чем выше темпе-
ратура перегретого пара, тем в большей степени повышается
к.п.д. цикла с повышением давления. При постоянной температуре
перегрева пара повышение давления до 10 МПа дает относитель-
но больший прирост термического к.п.д., чем в области более
высокого давления. Например, переход от параметров пара
2,9 МПа и 400° С к 9 МПа и 535° С дает относительное повышение
термического к.п.д. на 12%. При дальнейшем повышении пара-
метров пара положительный эффект снижается.
С увеличением давления при одной и той же температуре ко-
нечная влажность пара возрастает. Поэтому другим фактором,
ограничивающим увеличение начального давления пара при вы-
бранной начальной температуре (для циклов без промежуточного
перегрева), является допустимая влажность пара на выходе из
турбогенератора, которая не должна превышать 14%. Повышение
конечной влажности пара оказывает тормозящее действие на ро-
тор турбогенератора и снижает т)Ов, одновременно вызывая эро-
зию лопаток.
Повышение начальных параметров пара также эффективно на
ТЭЦ, т. е. при комбинированной выработке электроэнергии и
тепла. Тепловая экономичность ТЭЦ тем больше, чем выше на-
368
Продолжение табл. 49
втоматизации
блокировки защита сигнализация
Отключение мельниц
при падении давления
масла и при недопусти-
мой нагрузке
Световая о работе и оста-
новке механизмов, крайних
положений запорных и ре-
гулирующих органов
1. Отключение предыду-
щих по ходу механиз-
мов при остановке од-
ного из последующих
2 Включение резервной
мельницы при останов-
ке работающей
1. Отключение предыду-
щих по ходу механиз-
мов при остановке од-
ного из последующих
2. Включение резервной
системы прн отключе-
нии работающей
Отключение дробилок
прн недопустимой на-
грузке
Световая о работе и оста-
новке механизмов
чальные параметры пара. С повышением параметров пара увели-
чивается к.п.д. установки, а также выработка электроэнергии на
тепловом потреблении и соответственно уменьшается ее относи-
тельная выработка на конденсационном режиме, т. е. пропуск
пара в конденсатор. При установке на ТЭЦ турбогенераторов с
противодавлением и выработке электроэнергии только на тепло-
вом потреблении при снижении начальных параметров пара ока-
зывается необходимой выработка дополнительной части электро-
энергии на других турбогенераторах ТЭЦ.
Эффект от повышения начальных параметров пара в большой
мере сказывается при увеличении давления в отборе или проти-
водавлении турбогенератора, т. е. при технологической тепловой
нагрузке. Повышение начального давления пара при постоянной
его температуре приводит к увеличению его работы в турбогене-
раторе и снижению энтальпии пара, отпускаемого потребителям.
При постоянном давлении и повышении начальной температуры
работа пара в турбогенераторе также возрастает, но одновремен-
но увеличивается энтальпия отпускаемого пара. Таким образом,
повышение начальных параметров пара на ТЭЦ, главным обра-
зом вследствие роста выработки электроэнергии на тепловом по-
треблении, более выгодно, чем на конденсационной электро-
станции.
При повышении начальных параметров пара при одной и
.той же мощности электростанции изменяется в сторону удорожа-
ния ряд элементов оборудования, находящегося под высоким дав-
369
лением (парогенераторы, турбогенераторы, трубопроводы и др.)
и удешевляются элементы электростанции, мощность или произ-
водительность которых уменьшается при сокращении расхода топ-
лива (топливоподача, топливоприготовление, топки и хвостовые
поверхности нагрева парогенератора и др.).
Начальные параметры пара 3,5 МПа и 435° С используются в
установках малой мощности (<6000 кВт), где стремятся избе-
жать применения дорогих легированных сталей. Применение пара
высоких параметров (>9,0 МПа) предусматривается при мощ-
ности турбогенераторов больше 12000 кВт. Начальные параметры
пара 13,0 МПа и 565° С рекомендуются для турбогенераторов
мощностью больше 25000 кВт и являются предельным для пер-
литных сталей. При дальнейшем повышении начальных парамет-
ров пара для изготовления основных элементов силовой установки
необходимы дорогие аустенитные стали.
Конечное давление пара является важнейшим фактором, оп-
ределяющим экономичность паротурбинной установки. С пониже-
нием конечного давления пара увеличивается адиабатический
теплоперепад и соответственно термический к.п.д. установки.
При начальных параметрах пара перед конденсационным тур-
богенератором 9,0 МПа и 490° С понижение конечного давления
с 0,006 до 0,004 МПа повышает термический к.п д. установки при-
мерно на 2,2%.
В турбогенераторах с противодавлением мощностью 6000 кВт
при начальных параметрах пара 9,0 МПа и 500° С понижение ко-
нечного давления с 1,0 до 0,5 МПа дает увеличение выработки
электроэнергии на 22%, а с 0,5 МПа до 0,1 МПа — примерно
на 50%.
НАДСТРОЙКИ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
Одним из мероприятий, позволяющих повысите экономичность
существующих ТЭЦ среднего и низкого давления, является так
называемая надстройка их высоким давлением. Надстройки вы-
сокого давления широко применяются для получения добавочной
мощности и модернизации устаревших установок. Применение
надстройки позволяет увеличить к.п.д. установки на 30%. При
надстройке существующей станции с использованием ее топливо-
подачи и водоснабжения устанавливаются парогенераторы высо-
кого давления и предвключенные турбогенераторы. Пар, отрабо-
тавший в предвключенном турбогенераторе, поступает к существу-
ющим турбогенераторам реконструируемой станции. Парогенера-
торы реконструируемой станции при этом либо не используются
совсем, либо используются частично для питания паром турбоге-
нераторов низкого давления и в качестве резервных или пиковых
для теплоснабжения При начальных параметрах 9,0 МПа и 515—
535° С в надстройке перед существующими турбогенераторами
устанавливается давление 2,5—3,0 МПа и температура 375° С.
Принципиальная схема надстройки приведена на рис. 129.
370
Рис 129 Схема электростанции
с надстройкой высокого давления:
1 —- предвключенный турбогенератор, 2 —
турбогенератор низкого давления, 3 — па-
рогенератор высокого давления, 4 — паро*
генератор низкого давления
Надстройка высокого давления дает возможность не только
повысить мощность станции, но и ее к.п.д. Однако тепловая эко-
номичность «надстроенной» станции, как правило, ниже, чем
экономичность новых станций на такие же начальные параметры,
вследствие более низкой эффек-
тивности старых турбогенерато-
ров низкого давления и ряда до-
полнительных потерь.
Надстройки высокого давле-
ния целесообразно применять в
тех случаях, когда приходится
устанавливать новые парогене-
раторы для питания паром тур-
богенераторов низкого давления.
В этом случае устанавливаются
новые парогенераторы на высо-
кие параметры пара (9,0 МПа и
520—535° С) и между ними и
существующими паротурбогене-
раторами низкого давления
включают предвключенные тур-
богенераторы. На сахарном за-
воде мощностью 3,5 тыс. т свек-
лы установка предвключенного
турбогенератора с начальными
параметрами 8,6 МПа и 500° С
при противодавлении 2,2 МПа
дает возможность получить для
отдачи на сторону 6470 кВт
Полная надстройка на ТЭЦ
дает большую эффективность,
чем на конденсационной электростанции такой же электрической
мощности, так как за счет большого пропуска пара через пред-
включенные турбогенераторы увеличивается энергетический коэф-
фициент надстройки
Экономия топлива на ТЭЦ при надстройке составит
= (Дад Д:ист) *^нд (Дд--- ^СИСт)*^ВД» (187)
Где Вид — удельный расход топлива на станции до надстройки,
кг/(кВт-ч),
Ввд— удельный расход топлива на станции с надстройкой, кг/(кВт X
Хч),
Всист —удельный расход топлива на станции в энергосистеме,
кг/(кВт-ч),
-ЭНд, <ЭВД — годовая выработка электроэнергии на станции до настройки
и на той же станции с надстройкой, кВт-ч/год
Основными недостатками надстройки являются
невозможность использования парогенераторов низкого дав-
ления. Демонтаж их, перевозка и монтаж на новом месте обычно
нерентабельны, так как требуют затрат около 80% всей стоимости
парогенераторов;
371
значительное увеличение требующейся удельной паропроизво-
дительности парогенераторов на единицу мощности предвключен-
ного турбогенератора, что объясняется высоким противодавлением
его (1,8—3,5 МПа). На каждый киловатт предвключенного тур-
богенератора расходуется в 2—4 раза больше пара, чем на кон-
денсационный турбогенератор с такими же начальными парамет-
рами пара.
Следовательно, при надстройке значительно больше затраты
на парогенераторы по сравнению с затратами на парогенераторы
при вводе той же электрической мощности на конденсационной
станции. -
Поэтому сооружение надстройки, несмотря на использование
турбогенераторов низкого давления и значительной части вспомо-
гательного оборудования и устройств станции низкого давления,
требует значительных удельных капитальных затрат.
Технико-экономические расчеты показывают, что капитальные
затраты на надстройку окупаются тем быстрее, чем дороже топ-
ливо.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПАРОГАЗОВОГО ЦИКЛА
Из основного положения термодинамики следует, что тепло в
круговом процессе должно подводиться при возможно более вы-
соких температурах, а отводиться при возможно низких темпера-
турах. Физические свойства водяного пара неблагоприятны для
получения высоких начальных температур в паросиловой уста-
новке. Недостатки водяного пара привели к мысли использовать
в теплосиловых установках одновременно два рабочих тела: пер-
вое должно быть эффективно использовано в области верхних
температурных границ, второе в области низких температурных
границ. Существенного увеличения эффективности использования
тепла можно достичь путем комбинирования газотурбинной уста-
новки с паросиловой. Парогазовый цикл имеет преимущество пе-
ред обычным пароводяным циклом потому, что в газовой турбине,
служащей верхней ступенью, используется более высокая темпе-
ратура рабочего тела, чем в пароводяном цикле. В настоящее
время, исходя из прочности материалов, в газовых турбинах до-
пускается температура до 850° С, а для паросиловых установок —
600—650° С. Преимущество парогазового цикла перед отдельным
газовым состоит в том, что в паровом цикле, служащем низшей
ступенью парогазового цикла, возможно использование более низ-
кой температуры холодного источника. Так, в газотурбинном
цикле температура на выхлопе составляет 150° С, а в паросило-
вом — 25—35° С. Экономия топлива, достигаемая в парогазовых
установках, по сравнению с соответствующими паротурбинными
составляет 8—12%, а экономия капиталовложений — 20—25%.
-Строительство ТЭЦ сахарных заводов вблизи населенных
пунктов с особой остротой ставит проблему предотвращения за-
грязнения атмосферы вредными выбросами при использовании
372
Рис. 130. Схема парогазовой уста-
новки с высоконапорным парогене-
ратором:
1 — воздушный компрессор; 2 — высокона-
порный парогенератор; 3 — газовая турби-
на; 4 — экономайзер; 5 — турбогенератор;
6 — РОУ; 7 — потребители пара; 8 — пита-
тельный насос; 9 — генератор; 10 — линии
подачи воздуха; 11 — линии подачи топли-
ва; 12 — линия отвода газов в атмосферу.
высокосернистых и зольных топлив. Большую перспективу имеет
использование метода газификации топлив в парогазовых уста-
новках, работающих по парогазовому циклу смешения. В этом
случае не только снижаются капитальные затраты на строитель-
ство ТЭЦ и облегчается вы-
бор строительной площадки
из-за резкого сокращения гид-
ротехнических сооружений,
связанных с отводом тепла в
холодный источник, но и до-
стигается дополнительная эко-
номия топлива.
В настоящее время на
ТЭЦ используются парогазо-
вые установки с высоконапор-
ным парогенератором, с обыч-
ным парогенератором, с пол-
ной надстройкой цикла, высо-
котемпературные с охлаждае-
мой газовой турбиной. В слу-
чае замены в парогазовой ус-
тановке конденсационного
турбогенератора на турбогене-
ратор с отбором пара или
противодавлением, парогазо-
вая установка превращается в
теплофикационную. Ниже описаны принципиальные схемы парога-
зовых установок, которые могут быть применены на сахарном
заводе.
Принципиальная схема парогазовой установки с высоконапор-
ным парогенератором приведена на рис. 130. В этой установке
воздух, сжатый в компрессоре, поступает в топку высоконапор-
ного парогенератора, куда также подается топливо. Здесь
часть теплоты сгорания топлива отдается на выработку и перегрев
пара, а остальная часть идет на повышение температуры продук-
тов сгорания до заданного ее значения. Из парогенератора про-
дукты сгорания направляются в газовую турбину, а оттуда в эко-
номайзер. Выработанный в высоконапорном парогенераторе водя-
ной пар поступает в турбогенератор с противодавлением и
частично на РОУ, откуда направляется технологическим потреби-
телям. Получаемый таким образом парогазовый цикл — частично
бинарный, поскольку тепло отработанных газов турбины исполь-
зуется только на подогрев питательной воды. Большая часть теп-
ла, вводимого в паровом цикле, представляет собой тепло топли-
ва, выделившееся при его сгорании в высоконапорном паро-
генераторе. В таких установках основная доля электроэнергии
вырабатывается в паровом цикле и около 20—25% в газовом.
Основным недостатком рассмотренной установки в настоящее вре-
мя является практическая невозможность ее работы на твердом
373
топливе. При параметрах пара в парогазовой установке 3,5 МПа
и 435° С, что является наиболее употребительным на ТЭЦ сахар-
ных заводов, к.п.д. установки может достигать 35%.
Парогазовые установки с обычным парогенератором. Рассмот-
ренный цикл парогазовой установки может быть осуществлен
также в схемах без высоконапорного парогенератора с использо-
ванием обычных парогенераторов, к тому же работающих на
твердом топливе. При этом дополнительное количество жидкого
или газообразного топлива должно расходоваться только в каме-
ре сгорания газовой части никла. Принципиальная схема паро-
газовой установки с обычным парогенератором приведена на
рис. 131. Здесь воздух, сжатый компрессором, подается в камеру
сгорания, откуда продукты
Рис. 131. Схема парогазовой уста-
новки с обычным парогенератором:
i—воздушный компрессор; 2 — камера сгора-
ния; 3 — газовая турбина; 4 — парогенератор;
5 — экономайзер, 6 — турбогенератор; 7— РОУ;
8 — потребители пара, 9 — питательный насос,
10 — генератор; 11, 12 — линии отвода газов в
атмосферу; 13— линия подачи воздуха.
сгорания направляются в
газовую турбину, где совер-
шают работу расширения.
Отработавшие в турбине
газы подаются в топку па-
рогенератора. Поскольку в
уходящих газах газовой
турбины имеется до 16—
18% кислорода, необходи-
мость подачи воздуха в топ-
ку парогенератора отпада-
ет. Поэтому воздухоподогре-
ватель демонтируется и на
его месте устанавливается
водяной экономайзер. В ус-
тановке, изображенной на
рис. 131, не показаны в ча-
стных случаях имеющие
место: регенератор перед
камерой сгорания, регенератор на отходящих газах парогенера-
тора, паровой подогрев питательной воды. В конкретных случаях
при оценке работы паровой установки эти элементы схемы необ-
ходимо учитывать.
Основными достоинствами парогазовых установок с обычным
парогенератором являются:
возможность работы парогенератора на любом топливе, при-
чем в парогенераторе сжигается 70—80% общего расхода топлива
установки;
возможность использования обычных парогенераторов, что об-
легчает создание парогазовых установок на базе серийного обо-
рудования и позволяет осуществлять газовую надстройку дейст-
вующих паротурбинных электростанций с сохранением установ-
ленного оборудования;
возможность как совместной, так и раздельной работы паровой
и газовой частей установок.
374
За' рубежом большинство парогазовых установок строят по
схеме с обычными парогенераторами.
Высокотемпературные ЛГУ с полной надстройкой. Наиболь-
ший эффект от комбинирования газовых и паровых циклов до-
стигается в том случае, когда паровой цикл по отношению к
газовому является полностью утилизированным. В этом случае
работа паровой части установки производится без дополнитель-
ной затраты топлива или осуществляется полная надстройка па-
рового цикла газовым. Одна из возможных схем высокотемпера-
турной установки приведена на
рис. 132. Здесь газотурбинная
часть состоит из компрессора,
камеры сгорания и газовой тур-
бины. Температура поступающих
в турбину газов достигает 1100—(
1200° С, что вынуждает устраи-
вать охлаждение рабочих лопа-
ток водяным паром. Охлаждаю-
щее устройство одновременно
является пароперегревателем
для вырабатываемого в пароге-
нераторе — утилизаторе пара.
Температура выхлопных газов
безрегенераторных газотурбин-
ных установок обычно не превы-
шает 475—500° С, а регенератор-
ных — 270—320° С. Из этого сле-
дует, что давление полученного
в парогенераторе водяного пара
невелико. С целью повышения
Рис. 132. Парогазовая установка
с полной надстройкой:
1— воздушный компрессор; 2— регенератор:
3 — камера сгорания; 4 — газовая турбина;
5 — котел-утилизатор; 6 — экономайзер; 7—
РОУ; 8 — потребители пара; 9 — питатель-
ный насос; 10— линия подачн воздуха;
11 — линия подачи топлива; 12—генератор;
13 — линия отвода газов в атмосферу.
давления пара применяют подтопку парогенераторов. Тепло топ-
лива, расходуемого на подтопку, используется с высоким к.п.д.,
так как практически не возрастает расход уходящих газов.
Расход пара из утилизационного парогенератора обычно в
10—20 раз меньше расхода газа через газовую турбину, поэтому
в большинстве случаев в камеру сгорания может быть подано
значительное количество пара (периодические избытки пара).
РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПОДОГРЕВ ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДЫ
Регенеративным подогревом питательной воды парогенерато-
ров называется подогрев ее паром, отбираемым из промежуточ-
ных ступеней турбогенератора. Регенеративный цикл повышает
экономичность установки, так как при этом часть электроэнергии
вырабатывается на тепловом потреблении без потерь скрытой
теплоты парообразования в конденсаторе. В регенеративном цик-
ле осуществляется комбинированная выработка электроэнергии и
тепла, используемого на самой электростанции. Вследствие не-
полного расширения в турбогенераторе пара, отбираемого для
375
подогрева питательной воды, при регенеративном цикле расход
свежего пара на выработку заданной электрической мощности
увеличивается по сравнению с конденсационным циклом, а рас-
Р и с. 133. Схемы включения регенеративных подогревателей-
а — прн турбогенераторах с противодавлением; 6 — прн турбогенераторах среднего давления
с производственным отбором пара; в —при турбогенераторах высокого давления с производ-
ственным н отопительным отбором пара; 1 — турбогенератор; 2 — конденсатор, 3 — конден-
сатный насос; 4 — эжекторный подогреватель; 5 — подогреватель низкого давления I
ступени; 6 — деаэратор; 7 — питательный насос; 8 — подогреватель высокого давления I
ступени, 9 — подогреватель низкого давления II ступени; 10 — подогреватель высокого дав-
ления II ступени
ход тепла, учитывая тепло, возвращаемое в парогенераторную
ТЭЦ с подогретой водой, сокращается. Благодаря повышению
температуры питательной воды расход тепла на образование 1 кг
пара в парогенераторе уменьшается.
Регенеративный подогрев питательной воды применяется в на-
стоящее время на всех паротурбинных установках и осуществля-
376
ется паром из отборов различных ступеней турбогенератора в
специальных подогревателях (рис. 133). Такой подогрев сущест-
венно повышает тепловую и общую экономичность установок.
В схемах с регенеративным подогревом потоки пара, отводимые
из турбогенератора в регенеративные подогреватели, совершают
работу без потерь в холодном источнике (конденсаторе). При
этом для одной и той же мощности турбогенератора расход пара
в конденсатор уменьшается и к.п.д. установки увеличивается.
Регенерация на ТЭЦ, так же как и на конденсационных элек-
тростанциях, увеличивает выработку электроэнергии на тепловом
потреблении и экономичность ее работы.
Основным показателем, характеризующим эффективность ре-
генерации на ТЭЦ при турбогенераторах с отбором пара, явля-
ется доля выработки электроэнергии на внутреннем тепловом
потреблении
где — выработка электроэнергии на паре, ГДж;
<2П — тепловая нагрузка от внешних потребителей, ГДж.
Выработка электроэнергии на паре регенеративных отборов
определяется по формуле
п
— У 'Пм'Нг
где 1, 2 ... и — порядковые номера потоков пара, идущих на регенерацию;
Др — количество пара, отбираемого на регенерацию из данного от-
бора, кг/с;
io, ip — энтальпия пара перед турбогенератором и в данном отборе,
кДж/кг;
т]и, т]г — к. п. д. механический и генератора паротурбинный установки
ТЭЦ. '
Приближенно расход пара на регенерацию из данного отбора
может быть рассчитан по формуле
D (inn ” 1кп) СС„ .
D V пв кв/ р , (190)
₽ ip
где D — расход пара на турбогенератор, кг/с;
ins, i’kb — соответственно энтальпии питательной воды до и после регенера-
тивного подогрева, кДж/кг;
ар — доля отпуска тепла на регенерацию.
Из приведенных выражений видно, что доля выработки элек-
троэнергии за счет регенерации будет увеличиваться с ростом
расхода пара на турбогенератор, а также со снижением темпера-
туры питательной воды до ее подогрева.
Эффективен также регенеративный подогрев на ТЭЦ при тур-
богенераторах с противодавлением, если они загружены не пол-
ностью и возможна дополнительная выработка электроэнергии за
счет пара, идущего на регенерацию. Количественное увеличение
выработки на тепловом потреблении в этом случае может быть
377
оценено величиной выработки электроэнергии на 1 ГДж свежего
пара
(W'n + W'p) ,1QU
Эр =-----—- 10в, (191)
ч
где W'n, W'p — выработки электроэнергии паром, отпускаемым внешним по-
требителям и для регенерации, на 1 кг пара, поступающего
в турбогенераторы, кВт-ч/кг;
q —количество тепла, отпущенного внешним потребителям на 1 кг
свежего пара, кДж/кг.
При полной загрузке турбогенераторов с противодавлением
внешними тепловыми потребителями отбор пара на регенерацию
не дает увеличения выработки электроэнергии на тепловом по-
треблении.
Возможная доля выработки электроэнергии за счет регенера-
ции на ТЭЦ может быть различной. При малом возврате кон-
денсата от технологических потребителей и низкой температуре
питательной воды до ее подогрева на ТЭЦ вследствие увеличения
удельного расхода пара для выработки электроэнергии за счет
регенеративных отборов больше, чем на конденсационных элек-
тростанциях, и достигает 30%. С увеличением температуры пита-
тельной воды и возврата конденсата от технологических потре-
бителей, доля выработки электроэнергии за счет регенерации
снижается.
На ТЭЦ сахарных заводов, связанных, как правило, с энерго-
системой, имеющих только турбины с противодавлением и рабо-
тающих по тепловому графику, экономия тепла, отпускаемого
внешним потребителям, определяется по формуле
, (192)
ЧпгЦл nQn
где qK— удельный расход тепла пара на выработку электроэнергии на за-
мещаемой электростанции системы, кДж/(кВт-ч);
9т — удельный расход тепла на выработку электроэнергии на тепловом
потреблении, кДж/(кВт-ч),
Т]пг — к. п д. парогенераторной установки;
т]л п — коэффициент, учитывающий потери электроэнергии в линиях пе-
редачи; при передаче электроэнергии от ТЭЦ в энергосистему
т]л п не учитывается,
Qn — количество тепла, отпускаемое внешним потребителям, ГДж.
Использование тепла непрерывной продувки парогенераторов
Потери тепла с водой непрерывной продувки парогенераторов,
особенно при высоком солесодержании химически очищенной во-
ды, достигают ощутимой величины. При избыточном давлении
пара 1,0—1,3 МПа каждый процент продувки, если тепло ее не
используется, увеличивает расход топлива примерно на 0,36%.
При максимально допустимой расчетной величине продувки и
отсутствии использования тепла продувочной воды потери топли-
ва могут превысить 3% общего расхода.
Однако и при обычном использовании тепла продувочной воды
378
теряется тепло более высокого потенциала, чем используется. И»
парогенератора отводится тепло при потенциале, соответствую-
щем процессу получения свежего пара, а используется тепло при
значительно более низком потенциале, соответствующем давле-
нию пара в сепараторе. Используемое тепло пара имеет всегда
меныцую энергетическую ценность, чем тепло котловой воды.
Поэтому в первую очередь целесообразно добиваться мини-
мально возможной продувки путем сокращения потерь пара и
конденсата и улучшения водного режима парогенераторов.
ТЭЦ сахарных заводов часто работают на низких щелочно-
стях котловой воды. На некоторых парогенераторах с одноступен-
чатым испарением перешли на чистоконденсационный режим ра-
боты без подпитки химически очищенной водой. На парогенера-
торах со ступенчатым испарением подпитка воды ведется в раз-
мерах, при которых pH котловой воды чистых отсеков находится
в пределах 9,3, что по последним исследованиям ВНИИСПа
равнозначно ведению чистоконденсационного режима. Это дало
возможность снизить продувки парогенераторов с 3—5 до 1—2%
и тем самым уменьшить расход топлива на производство пара.
На ряде устаревших ТЭЦ сахарных заводов регулирование
общей щелочности котловой воды проводится периодическими
продувками. В этих случаях величина продувки достигает 30—
50%, что приводит к большим потерям тепла с продувочной
водой.
Годовая потеря условного топлива при отсутствии использо-
вания тепла продувочной воды определяется приближенно по
формуле
_ РтРП (tKB 1И)
ЮО^р QPy
(193)
где D — паропроизводительность парогенераторной, т/ч;
т — годовое количество часов использования установленной паро-
производительности парогенераторной, ч;
Ри — величина продувки, %;
«кв, *'и — соответственно энтальпии котловой и исходной воды, кДж/кг;
— среднегодовой к. п. д. парогенераториой установки;
<2„у — теплота сгорания условного топлива, кДж/кг.
СОКРАЩЕНИЕ ПОТЕРЬ КОНДЕНСАТА
Конденсат для парогенераторов является наиболее ценной со-
ставляющей питательной воды. Основные преимущества конден-
сата заключаются в использовании физического тепла и снижении
тепловых потерь с продувкой парогенераторов. Вследствие того,
что в нем содержится относительно мало растворимых веществ,
питание парогенераторов конденсатом уменьшает отложение на-
кипи на внутренних поверхностях нагрева, повышает паропроиз-
водительность и надежность работы парогенератора. Одновре-
менно уменьшается расход регенерирующих веществ в химводо-
379
очистке и снижаются эксплуатационные расходы, связанные с
обслуживанием и химическим контролем. Экономия топлива по-
лучается за счет возврата конденсата и значительно превышает
величину экономии от использования тепла самого конденсата.
Потери конденсата, в том числе в составе котловой воды, про-
исходят из-за несовершенства схем сбора конденсата, неплотности
лючков коллекторов экранов и водяных экономайзеров, чрезмер-
ного слива при пусках и остановках, использования пара на соб-
ственные нужды без возврата конденсата, утечки вследствие
аварий и др. Несмотря на то что расчетный возврат конденсата
на ТЭЦ сахарных заводов, составляет 115—120%, фактически
возврат конденсата для некоторых заводов не превышает
50—60%.
Перерасход условного топлива от использования физического
тепла невозвращенного конденсата и потерь с непрерывной про-
- дувкой парогенераторов рассчитывается по формуле
д в бк) (iK iHB) -f- Gnp (*пр ^ив) (1 Р) ,. q.,
Ору пбр
*41 1ПГ
где D — паропроизводительность парогенераторной, кг/ч;
GK — количество конденсата, возвращаемого в парогенераторную,
кг/ч;
Gnp — количество продувочной воды, кг/ч;
»'к, inp, inn — соответственно энтальпии возвращаемого конденсата, проду-
вочной воды, исходной добавочной воды, кДж/кг;
Р—доля пара, отсепарированного в расширителе непрерывной
продувки.
-ЭКОНОМИЧНАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ ТОПОЧНЫХ УСТРОЙСТВ
Экономичность работы парогенератора в значительной мере
з'ависит от правильной организации топочного процесса. Потери
тепла от химической неполноты сгорания и от механического не-
дожога при данных топливе и конструкции топки зависят целиком
от организации сжигания топлива.
Прирост потери тепла с уходящими газами при" чистых по-
верхностях нагрева и плотных газоходах зависит от коэффици-
ента избытка воздуха сверх оптимального, что также определя-
ется правильностью соблюдения наивыгоднейшего топочного ре-
жима. Известны случаи, когда за счет только регулировки газо-
горелочных устройств и снижения избытка воздуха, удавалось
повысить к.п.д. парогенераторов минимум на 5—6%. Наблюда-
ются значительные потери топлива из-за химической неполноты
сгорания, вызванные недостатком воздуха или неудовлетворитель-
ным смесеобразованием.
Следовательно, для экономичной эксплуатации топочных уст-
ройств необходимо выполнение следующих основных условий:
1. При слоевом сжигании твердого топлива:
механизация топочных процессов;
соответствие топлива топочным устройствам;
380
применение подготовленного дробленого топлива;
поддержание требуемого слоя горящего топлива;
поддержание разрежения в топке в пределах 20—30 Па;
правильное распределение дутьевого воздуха;
организация контроля за избытком воздуха и режимом го-
рения по показаниям газоанализатора.
2. При камерном сжигании твердого, жидкого и газообразного
топлива:
организация смесеобразования, обеспечивающего сжигание
топлива с минимальными избытками воздуха;
поддержание в зоне горения высокой температуры;
организация равномерного заполнения всей топочной ка-
меры факелом, не допуская при этом касания его краев
амбразур, ударного действия факела на экранные трубы
и обмуровку, вылета в трубный пучок;
поддержание разрежения в верхней части топки в преде-
лах 10—20 Па;
поддержание температуры дутьевого воздуха, мазута в со-
ответствии с режимными картами;
организация контроля за режимом горения;
автоматизация режима горения.
Таблица 50
Мероприятия Экономия топлива» % Перерасход топлива, %
Снижение присосов воздуха по газовому тракту парогенератора на 0,1 0,5 —
Увеличение коэффициента избытка воздуха в топке иа 0,1 — 0t7
Увеличение температуры питательной воды на входе в барабан парогенератора на 10° С, р=1,ЗМПа н 1)^=0,8 2,0 —
Увеличение температуры питательной воды на входе в водяной экономайзер на 10° С — 0,23—0,24
Подогрев питательной воды в водяном эко- 1,0 » —
номайзере на 6° С
Уменьшение температуры уходящих газов на 10°С 0,6—0,7 —*
Остановка водяного поверхностного эконо- майзера 4—7 —•
Замена ручной топки на механизированную (для каменных углей) 4 —
Перевод парогенератора с каменного н бу- рого угля на природный газ 6—10 , .—
Отклонение нагрузки парогенератора в сто- рону увеличения от номинальной .— 0,5—0,6
Отложение накипи на внутренних поверх- ностях нагрева парогенератора 1 мм .— 2
Наличие 1 м2 неизолированного паропро- — 0,4 кг/ч условного
вода с давлением пара 0,5 МПа топлива
381
Для повышения к. п. д. парогенератора необходимы:
организация сжигания топлива при минимальном коэффи-
циенте избытка воздуха;
устранение присосов воздуха по газовому тракту;
поддержание номинального давления в парогенераторе;
поддержание экономичной температуры питательной воды;
организация безнакипного режима эксплуатации парогене-
ратора;
снижение потерь тепла с уходящими газами путем поддер-
жания чистоты поверхностей нагрева;
развитие хвостовых поверхностей нагрева.
Ориентировочные данные об эффективности мероприятий по>
повышению экономичности парогенераторов приведены в табл. 50.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОДЕРНИЗАЦИИ
ОБОРУДОВАНИЯ И ВНЕДРЕНИЯ НОВОЙ ТЕХНИКИ
Одним из важнейших путей повышения эффективности произ-
водства является рациональное использование материальных ре-
сурсов, в частности электрической и тепловой энергии и топлива.
Это достигается усовершенствованием технологии, применением
более совершенного оборудования, модернизацией существующе-
го и т. д. Целесообразность осуществления новых технических
решений как на новых, так и на действующих электростанциях
должна проверяться путем сопоставления технико-экономических,
стоимостных показателей — капиталовложений и эксплуатацион-
ных расходов.
Экономическая эффективность может быть определена по
разности приведенных затрат
ЬЗ = ЬИ — РкЬК, (195>
где ДЯ — изменение годовых эксплуатационных расходов;
Д/f — ДЯТ0ПЛ -}- ДЯрем -|- ДЯ8П 4- ДЯпотр — АЯДОП, (196}
ДЯюпл — топливная составляющая экономия;
ДЯрем — экономия затрат иа ремонт в связи с повышением надежно-
сти работы нового оборудования;
ДЯЗП — экономия затрат иа зарплате в связи с ростом производи-
тельности труда;
ДЯпотр — экономия, достигаемая у потребителей энергии в связи с по-
вышением качества энергии и надежности энергоснабжения;
Рн= ——— — нормативный коэффициент сравнительной эффективности,
Ра
1/год, принимается равным 0,12 при строительстве новых ТЭЦ
и 0,15 при реконструкции;
ДК — изменение капитальных затрат;
ДЯдоп — дополнительные затраты, в том числе иа амортизацию, мате-
риалы и т. д.
Изменение капитальных затрат, вызванных внедрением новой
техники (более совершенного оборудования, технологии и т. п.)
с учетом изменений в смежных отраслях промышленности может
быть рассчитано по формуле
382
&К — ЛКтэц — Д^Сзам — ДКтоПЛ» (197)
где ДКтэц — изменение капиталовложений непосредственно в ТЭЦ;
ДКзам—изменение капиталовложений в замещаемую мощность энер-
госистемы;
ДКтопл — изменение капиталовложений в добычу и транспорт сэкономлен-
ного за год топлива.
Эффективность внедрения новой техники может быть оценена
также по величине срока окупаемости дополнительных капитало-
вложений, который должен быть меньше нормативного
Ток = ДК/ДЯ<7н. (198)
Во многих случаях внедрение новой техники на электростан-
циях ведет главным образом к экономии топлива, существенно
йе изменяя другие статьи эксплуатационных расходов. В этом
-случае эффективность приближенно может быть определена по
формуле
ДЗ = ДВ (РнК™тр + Стопл) - АЛ" (Рн + Z), (199)
где ДВ — годовая экономия условного топлива, т/ч;
К$.тр — удельные капиталовложения в добычу и транспорт топлива,
руб /т условного топлива;
Стопл — стоимость топлива, руб /т условного топлива;
I доля отчисления иа амортизацию и текущий ремонт.
Экономия топлива должна окупать перерасход капиталовло-
жении.
Перспективы развития промышленной энергетики
В соответствии с планом развития народного хозяйства СССР
в городах и поселках городского типа развивается промышлен-
ность, растет современное жилищно-коммунальное хозяйство, со-
ответственно появляются условия для централизованного тепло-
снабжения предприятий и коммунально-бытовых потребителей от
ТЭЦ. Все это создает предпосылки для круглогодичной эксплуа-
тации электростанций сахарных заводов.
В связи с развитием теплоэнергетического хозяйства сахарных
заводов успешно решаются сложные научно-технические пробле-
мы перехода в ближайшее время на эксплуатацию парогенера-
торов мощностью 90—120 т/ч с давлением пара 10,0 МПа и темпе-
ратурой 530—540° С, турбогенераторов с противодавлением мощ-
ностью до 12000 кВт, вопросы автоматизации производственных
процессов.
Перспективны для сахарных заводов парогазовые ТЭЦ, кото-
рые значительно экономичнее по приведенным затратам паро-
турбинных станций, экономически оправдывающихся только при
тепловых нагрузках, превышающих 1200—2000 ГДж.
С экономическим эффектом можно использовать для комбини-
рованной выработки тепла и электроэнергии газотурбинные уста-
новки. Они могут давать по сравнению с паротурбинными уста-
383
новками экономию топлива и денежных средств при сравнительно
небольших тепловых нагрузках порядка 400—600 ГДж. Пароге-
нераторы газотурбинных ТЭЦ обеспечивают давление пара 1,2—'
1,8 МПа.
В ближайшие 10—15 лет установившаяся схема энергетиче-
ского хозяйства может оказаться неконкурентноспособной с круп-
ными энергетическими системами, которые с высокой степенью
надежности смогут снабжать сахарные заводы более дешевой
электроэнергией. Пар для технологических целей может быть по-
лучен от производственных парокотельных, оборудованных отопи-
тельными котлами мощностью 50 т/ч и выше. Аграрно-промыш-
ленная интеграция сахарных заводов и свеклосеющих колхозов
зоны потребуют комплексного подхода к решению вопросов энер-
госнабжения с круглогодично работающими ТЭЦ.
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Азрилевич М. Я- Технологическое оборудование сахарных заводов.—М.:
«Пищевая промышленность», 1972. — 310 с.
Александров В. Г. Паровые котлы малой и средней мощности —Л.: «Энер-
гия», 1972.—220 с.
Андрющенко Д. И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических ус-
тановок.— М.: «Высшая школа», 1968.—288 с.
Бакластов Д. М. Проектирование, монтаж и эксплуатация теплоиспользую-
щих установок.—М.: «Энергия», 1970. — 557 с.
Вайсман М. Л., Горох В. И., Шарф И. Л. Рациональное использование
топливо-энергетических ресурсов на свеклосахарных заводах СССР. — М.:
ЦНИИТЭИпищепром, 1973. — 51 с.
Вайсман М. Л., Горох В. Н„ Шарф И. Л. Теплоэнергетика сахарной про-
мышленности к 60-летию Советской власти.—«Сахарная промышленность», № 11,
1977, с. 63
Вихрев В. Ф., Шкроб М. С., Водоподготовка. Изд. 2-е. М.: «Энергия»,
1973,—416 с.
Волковыский Е. Г., Шустер Д. Г. Экономия топлива в котельных установ-
ках.— М.: «Энергия», 1973. — 304 с.
Гребенюк С. М. Технологическое оборудование сахарных заводов. — М.:
«Пищевая промышленность», 1969. — 514 с.
Горох В. И., Вайсман М. Л., Шарф И. Л. Наука и развитие теплоэнергетики
сахарной промышленности. — «Сахарная промышленность», № 5, 1977, с. 65
Гуревич М. С., Федоров П. Д. Теплосиловое хозяйство сахарных заводов. —
Киев: «Техническая литература УССР», 1962. — 372 с.
Дунаев П. Т. О коррозии теплосилового оборудования — «Сахарная про-
мышленность», № 9, 1970, с. 38.
Зеликман И. Ф., Колесников В. Д. Влияние концентрации свекловичного
сиропа на показатели работы сахарного завода. — М.: ЦИНТИпищепром, 1967.—
35 с.
Инструкция по водохимическому режиму паровых котлов ТЭЦ н промыш-
ленных котельных свеклосахарных заводов. Киев: Миипищепром СССР, НПО
«Сахар», ВНИИСП, 1977. — 186 с.
Использование вторичных энергетических ресурсов в сахарной промышлен-
ности — М.: ЦНИИТЭИпищепром, 1977. — 40 с.
Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. —
М.: «Химия», 1973. — 714 с.
Кафаров В. В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. —
М.: «Химия», 1968 —415 с.
4 0 ^°Лач РадУ“ Д- В- Выпарные станции. — М.: Госэнергоиздат, 1963 —
Колесников В. А. Тепловое хозяйство сахарных заводов. — Краснодар,
1974. — 395 с
Колесников В. А. Сгущение очищенных соков свеклосахарного производст-
ва.— М: ЦНИИТЭИпищепром, 1972. — 40 с.
Колесников В. А., Максютов В. А. Термическая устойчивость очищенных
соков свеклосахарного производства. — М.: ЦИНТИпищепром, 1969.— 32 с.
Колесников В. А., Максютов В. А. Распад сахарозы в условиях очистки,
выпаривания и уваривания продуктов сахарного производства. — М,- ЦИНТИ-
пищепром, 1970.—43 с.
385
Колесников В. А., Колесников Б. Ф. Накипеобразование в тепловой аппара-
туре сахарного завода.—М.: ЦНИИТЭИпшцепром, 1973. — 35 с.
Костенко С. С. Вопросы оптимального водного режима ТЭЦ свеклосахар-
ного завода. — «Сахарная промышленность», № 3, 1970, с. 31.
Латушко Т. И., Толстой А. В. Чистокондеисатный режим питания котлов
с двухступенчатым испарением. —• «Сахарная промышленность», № 12, 1974,
с. 40
Лебедев П. Д., Щукин А. А. Теплоиспользующие установки промышленных
предприятий —М.: «Энергия», 1970. — 406 с.
Лифшиц О. В. Справочник по водоподготовке котельных установок. — М.:
«Энергия», 1976. — 288 с
Немировский Л. И. Направления в проектировании сахарных заводов. — «Са-
харная промышленность», № 4, 1975, с. 51.
Попов В Е. Предложения Укргипросахпрома при проектировании новых
сахарных заводов — «Сахарная промышленность», № 5, 1977, с. 57.
Попов В. Д. Основы теории тепло- и массообмена при кристаллизации саха-
розы — М.: «Пищевая промышленность», 1973 —297 с.
Равич М. Б. Топливо и эффективность его использования. — М.: «Наука»,
1971. —334 с.
Роддатис К. Ф. Котельные установки.—М.: «Энергия», 1977. — 414 с.
Савчук К. И. Расход топлива и удельные электрические нагрузки на са-
харных заводах —«Промышленная энергетика», № 10, 1977, с. 7.
Сазанов Б. В., Иванов Г. В. Расчет экономичности паротурбинных отопи-
тельных ТЭЦ — «Теплоэнергетика», № 5, 1973, с. 85.
Сазанов Б. В. Тепловые электрические станции. — М.: «Энергия», 1974.—
224 с
Сапронов А Р, Колчева Р. А. Красящие вещества и их влияние на качест-
во сахара. — М- «Пищевая промышленность», 1975.— 347 с.
Спину л Н. М., Либерман И. Г. Математическое моделирование на ЭВМ
тепловых комплексов свеклосахарного производства.—М.: «Пищевая промыш-
ленность», 1975 — 222 с.
Стабников В. Н. Использование вторичного тепла в пищевой промышлен-
ности.— М: «Пищевая промышленность», 1972. — 147 с.
Стерман Л. С., Шарков А Т., Тевдин С. А. Тепловые и атомные электро-
станции.— М: Атомиздат, 1975. — 496 с
Соловьев Ю. П. Проектирование крупных центральных котельных для
комплекса тепловых потребителей. — М : «Энергия», 1976.-— 192 с.
Теплотехнический справочник. Т. I, II. — М: Энергия, 1975, 1976.
Шляхин П. Н„ Бершадский М. Л. Краткий справочник по паротурбинным
установкам.—М: «Энергия», 1970 —216 с.
Шицман С. Е. Анализ путей увеличения комбинированной выработки элект-
роэнергии на ТЭЦ. — «Электрические станции», № 12, 1977, с. 36.
Хасилев В. Я- и др. Методы и алгоритмы расчета тепловых сетей. — М.:
«Энергия», 1978. — 176 с.
Хоменко А. И., Быльев Л. Ю., Цюкало Ю. Ф. Испарительная установка в
тепловой схеме завода при переработке сахара-сырца. — «Сахарная промышлен-
ность», № 6, 1976, с. 56.
Якадин А. И. Конденсатное хозяйство промышленных предприятий. — М.:
«Энергия», 1973.-—232 с.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
А
Автоматизация 78, 175, 364, 366
Аппараты для очистки газов 361
Арматура
— предохрайительиая 299
—регулирующая 299
Б
Бак-аккумулятор 301
Баланс тепловой 104, 184, 293
Барометрические конденсаторы 245
Барометрическое давление 305
Батарейные цнклоиы 361
Бункера для угля 354
В
Вентиляторы 267, 308
Вода
— оборотная 249
•—исходная 317
—питательная 317, 336
— котловая 317, 321, 322
— продувочная 342
Водяной пар
— греющий 16, 112. 118, 233
— вторичный 15, 85, 89, 108
— острый 12, 86, 233
— перегретый 12, 36, 148
Время
— пребывания жидкости в аппара-
те 101, 234
— фильтрования 328
Выпаривание
— одно- н многоступенчатое 39, 52,
154
— под вакуумом 41, 156
— под давлением 41, 158, 182
— расход греющего пара 100, 112
— полезная разность температур
84
— температура кипения 84, 132
— самоиспарение 87
— материальный баланс 112
— тепловой баланс 86, 104
Выпарные аппараты
— вертикальные 49
— змеевиковые 112
— коэффициент испарения 87
— коэффициент теплопередачи 93
— пленочные 57
— поверхность нагрева 47 ,
— прямоточные 55
— с вынесенной зоной кипения 58
— с естественной циркуляцией 51
— с принудительной циркуляцией
57
Выпарные установки
— многокорпусные 38, 44
— распределение полезной разно-
сти температур 84
— температурные потери 56, 83
— ретурный 12, 145, 233
— редуцированный 297
Д
Депрессия
— гидравлическая 83, 84
— гидростатическая 84
— температурная 36, 84
Ж
Жесткость воды общая 318
3
Золоудаление 356
И
Иониты 70, 330
Ионный обмен 70, 329
Испарители 341
К
Кавитация 73, 308
Коагулянты 329
Коагуляция 325
Конденсат 56, 112, 320
Конденсаторы
— барометрические 245
— поверхностные 248
387
м
Математическое моделирование 118
Многоходовые теплообменники 150
Мощность потребляемая 251, 270
Н
Нагревание
— водой горячей 36, 74, 88
— водяным паром 21, 156
Нагрузки корпусов выпарных аппа-
ратов 99
Накнпеобразование 59, 154
О
Объем
— рабочий аппаратов 54
— воздуха, отсасываемого из ба-
рометрического конденсатора
243, 246
П '
Парогенераторы
— расход пара 265, 281
— расход топлива 296, 371
— к п. д 293
Поверхностные теплообменники
— змеевиковые 149
— пластинчатые 152
— спиральные 154
— трубчатые 149
Потребляемая мощность
— вентиляторами 305
— дымососами 305
— насосами 308
Потребление электроэнергии 267
Р
Размещение источника теплоснабже-
ния 252
Расход
— воды в конденсаторе 246
— греющего пара 100
Т
Термическая устойчивость 221
Топливо
— газообразное 346
— жидкое 347
— твердое 351
— условное 296
Топки
— камерные 290, 292
— слоевые 291
- Топливоподача и склады 352
Транспорт топлива 353
Трубопроводы
— диаметр, расчет 311
— изоляция 191, 313
Турбогенератор
— выбор числа 279
— расход пара 281
Ф
Фильтры
— механические 327
— ионообменные 332
Ц
Цветность 223, 247
Щ
Щелочность воды 319
Э
Электронные вычислительные маши-
ны 118
Экономичность выпарных установок
39, 43, 54, 63
Экономия топлива 6, 18, 24, 36, 55,
102, 184, 192, 202
ОГЛАВЛЕНИЕ
От авторов............................................................. 3
Введение .............................................................. 5
Глава I. Тепловые схемы свеклосахарного и сахарорафинадного про-
изводства .............................................................10
Понятие о тепловой схеме.......................................10
Классификация тепловых схем. Виды теплоносителей...............10
Требования к рациональной тепловой схеме ............................. 12
Порядок построения и расчета рациональной тепловой схемы ... 14
Технологическая схема — основа для разработки тепловой схемы . . 15
Типовая тепловая схема свеклосахарного производства .... 15
Тепловая схема сахарорафинадного производства..............19
Тепловая схема при переработке сахара-сырца ..... 22
Нормальный режим теплоиспользующих установок...................24
Нормальный тепловой режим на стадиях сахарного производства . . 26
Получение диффузионного сока...............................26
Очистка сока .... 27
Сгущение сатурационного сока...............................29
Уваривание сиропов и клеровок .................................... 30
Оптимальный тепловой режим сахарного производства..............30
Теплофизические параметры продуктов сахарного производства ... 32
Глава II. Выпарная станция как потребитель и источник пара . . 38
Принцип выпаривания сахарных растворов.........................38
Классификация выпарных станций и требования к рациональной уста-
новке .................................................................39
Типы выпарных установок сахарных заводов...............................41
Влияние схемы пароотбора на производительность выпарной станции . 43
Выпарные аппараты сахарных заводов.....................................48
Классификация и требования к конструкции...........................48
Конструкции выпарных аппаратов.....................................49
Накипеобразование в выпарных аппаратах сахарных заводов ... 59
Закономерности процесса накипеобразования................. 59
Методы предупреждения выпадения накипеобразователей ... 68
Очистка поверхности нагрева выпарных аппаратов от накипи _ . . 75
Выпарная станция как объект регулирования..............................78
Глава III. Тепловые расчеты выпарной станции сахарного завода 81
Тепловой баланс выпарного аппарата ................................... 81
Метод и порядок расчета выпарной станции...............................82
Температурный перепад. Виды депрессии..................................83
Распределение полезной разности температур по ступеням .... 84
Количество выпариваемой воды. Расход пара на конденсатор ... 86
Коэффициенты испарения и самоиспарения. Потерн тепла в окружающую
среду..................................................................87
Определение расхода тепла и пара на технологические потребители 89
Диффузионный аппарат непрерывного действия......................89
Подогреватели соков, сиропа, патоки................................91
Вакуум-выпарные аппараты.................................... ... 91
Пропарники в сахарорафинадном производстве . . ... 92
Сушилка сахара-песка........................................ ... 92
389
•Определение коэффициентов теплопередачи ио ступеням выпарной
станции .............................................................. 93
Напряжение поверхности нагрева ступеней выпарной станции ... 99
Определение поверхности нагрева выпарных аппаратов и расхода пара
по заводу..............................................................100
Длительность пребывания раствора в ступенях выпарной станции . . 101
Пример проектного расчета тепловой схемы сахарного завода . . . 102
Проверочный расчет выпарной станции при реконструкции . . . . 116
Глава IV. Математическое моделирование на ЭВМ теплового комплек-
са свеклосахарного производства . . . .... 118
Цель и задачи математического моделирования теплового комплекса . 118
Методика составления математической модели теплового комплекса . 120
Выбор критерия оптимальности теплового комплекса.......................134
Алгоритм моделирования теплового комплекса.............................134
Общая схема алгоритма моделирования теплового комплекса . . . 135
Схема алгоритма расчета отделения диффузии и сокоочистки . . . 137
Схема алгоритма расчета работы продуктового отделения .... 137
Схема алгоритма расчета работы выпарной станции ......................138
“Схема алгоритма расчета подогревателей................................140
Подготовка исходных данных и составление программы для моделирова-
ния ТК на ЭВМ..........................................................142
Глава V. Подогреватели и вакуум-выпарные аппараты сахарных за-
водов ................................................................148
Подогреватели сахарного завода ... 148
Классификация и требования к конструкции ... ... 148
Конструкции подогревателей сахарных заводов....................149
Накипеобразование в подогревателях сахарных заводов . . . . 154
Определение поверхности нагрева подогревателя при проектном рас-
чете .................................................. . 156
Проверочный расчет подогревателя при реконструкции завода . 162
Оптимальная компоновка теплообменных аппаратов .................. 163
Вакуум-выпарные аппараты сахарного завода..............................164
Классификация и требования к конструкции..........................164
Конструкции вакуум-аппаратов......................................164
Управление процессом уваривания утфелей...........................175
Расчет поверхности нагрева вакуум-аппарата периодического
действия..........................................................176
Тлава VI. Тепловой баланс сахарного завода и пути снижения рас-
хода тепла и пара.....................................................184
Тепловой баланс завода и его анализ .................................. 184
Использование низкопотенциального тепла вторичных паров вакуум-ап-
паратов и выпарки......................................................188
Использование тепла конденсатов . 190
^Улучшение качества изоляции трубопроводов и аппаратуры .... 191
Совершенствование технологии — один из путей рационализации тепло-
использования .........................................................194
“Основные направления совершенствования типовой тепловой схемы са-
харного производства ................................................. 199
Новое в проектировании тепловых схем для свеклосахарных заводов 199
Передовой опыт отечественных и зарубежных сахарных заводов . 203
Влияние концентрации сиропа на показатели работы сахарного завода 211
Показатели работы выпарных станций и возможность повышения
концентрации сиропа . . ...............................211
Влияние концентрации сиропа на показатели работы вакуум-аппа-
ратов I продукта..................................................217
Повышенный температурный режим выпарной станции — реальный путь
сокращения расхода топлива.............................................218
Типовой температурный потенциал и целесообразность его повышения 218
Термическая устойчивость соков и сиропов..........................221
Распад сахарозы при термическом воздействии на сок и сироп . . 215
390
Высокотемпературное сгущение термически устойчивого сатурацион-
ного сока..............................,.......................
Глав, a VII.. Конденсатное, хозяйство сахарных заводов...............
Требования к конденсатным схемам.....................................
Основные виды конденсатных схем. Баланс конденсата...................
Установка, и расчет гидравлических колонок ..........................
Отвод рекоиденсирующихся газов . . '............................
Конденсационные устройства выпарных установок................
Конденсаторы смешения. Методика расчета........................
Конденсаторы поверхностного типа. Методы расчета...............
Глава VIII. Энергоснабжение и энергопотребление сахарных заводов
Общие сведения.......................................................
Системы энергоснабжения сахарных заводов.............................
Обоснование выбора системы энергоснабжения...........................
Энергетические показатели ТЭЦ....................................
График электрической и тепловой нагрузки ............................
Основные режимные показатели работы электростанций...................
Определение тепловых и электрических нагрузок .......................
Г л а и а IX. Выбор и компоновка основного оборудовании электростан-
ций сахарных заводов ..............................................
Энергетические схемы паровых электростанций..........................
Выбор типа и мощности турбогенераторов...............................
Выбор числа и паропроизводительиости парогенераторов . .
Тепловой баланс и к. п. д. парогенераторов . .................
Редукциоиио-охладительные установки и аккумуляторы...................
Тягодутьевые и питательные устройства................................
Трубопроводы ТЭЦ.................................................' .
Компоновка теплосилового оборудования станции .......................
Глава X. Водоподготовка и воднохимический режим ТЭЦ свеклоса-
харных заводов........................................... ....
Общие сведения.........................................- .
Показатели качества воды.............................................
Чистоконденсатный режим питания парогенераторов . . ...
Особенности водного режима ТЭЦ свеклосахарных заводов . . ,.
Химический состав и свойства конденсатов ......
Регулирование щелочности котловой воды ........................
Комплексообразующие свойства котловой воды ....................
Питание парогенераторов умягченной водой.........................-.
Общие сведения.................................................
Коагуляция и осветление воды...................................
Деаэрация питательной воды.....................................
Снабжение питательной водой ТЭЦ сахарных заводов при переработке
сахара-сырца.........................................................
Продувка парогенератора......................................... .
Глава XI. Топливное хозяйство электростанций.........................
Общие сведения.......................................................
Топливное хозяйство ТЭЦ, работающих на природном газе ....
Топливное хозяйство ТЭЦ, работающих на жидком топливе ....
Топливное хозяйство ТЭЦ, работающих на твердом топливе ....
Золошлакоудалеиие....................................................
Охрана окружающей среды и очистка дымовых газов......................
Глава XII. Основные вопросы эксплуатации ТЭЦ и промышленных
котельных сахарных заводов .........
Организация эксплуатации электростанций . . ..............
Автоматизация, контроль и управление.................................
Повышение эффективности термодинамического цикла ТЭЦ ....
Надстройки высокого давления.........................................
Использование парогазового цикла.....................................
Регенеративный подогрев питательной воды.............................
Использование тепла непрерывной продувки парогенераторов
Сокращение потерь конденсата.........................................
232
236
236
237
242
243
245
245
248
250-
250'
251
254
256.
260
263.
26А
279
283
293
296-
302
303
313
317
317
318
319
319
320
321
322
324
324
325.
336-
339
342
344
344
345
347
351.
356.
358
362
362
364
365
370
372
375
378
379
391
Экономичная эксплуатация топочных устройств
Определение экономической эффективности модернизации
н внедрения новой техники . . ..............
Перспективы развития промышленной энергетики
Список рекомендуемой литературы
Предметный указатель .... ....
оборудования
ВАЛЕРИИ АЛЕКСАНДРОВИЧ КОЛЕСНИКОВ
ЮВЕНАЛИИ ГЕОРГИЕВИЧ НЕЧАЕВ
ТЕПЛОСИЛОВОЕ ХОЗЯЙСТВО САХАРНЫХ ЗАВОДОВ
Редактор Л В Державина
Художник С. Н Орлов
Художественный редактор В А Чуракова
Технический редактор Л И Кувыркина
Корректоры Е А. Постникова, М. А. Шегал
ИБ № 646
Сдано в набор 20 08 79 Подписано в печать 13 02 80
Т-03662 Формат 60X90V16 Бумага типографская № 2
Литературная гарнитура Высокая печать Объем 24,5 печ л
Усл печ л 24,5 Уч -нзд л 28,88 Тираж 3300 экз
Заказ 660 Цена 1 р 20 к
Издательство «Пищевая промышленность», 113035, Москва,
М-35,1-й Кадашевский пер , 12
Московская типография № 6 Союзполнграфпрома
при Государственном комитете СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли
109088, Москва, Ж-88, Южнопортовая уЛ, 24