СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОКОРПУСНОЙ ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКОЙ С ПЕРВЫМ КОРПУСОМ С ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ
METHOD OF CONTROL OF MULTIPLE-EFFECT EVAPORATOR WITH NATURAL CIRCULATION HEAD EVAPORATOR

Изобретение относится к области систем управления. Оно может быть использовано в химической, металлургической, энергетической и других отраслях промышленности, в которых применяются выпарные установки.
При выпаривании растворов, имеющих в своем составе кристаллизующиеся и накипеобразующие компоненты, важной проблемой является обеспечение длительной и надежной работы выпарной установки с высокой производительностью. Эти компоненты при выпаривании выделяются на теплообменных трубках, вследствие чего производительность установки снижается. Особенно сильно происходит выделение указанных компонентов, если раствор кипит в трубках, для исключения чего в выпарных аппаратах стремятся вынести зону кипения раствора из трубок.
В выпарных аппаратах с естественной циркуляцией гарантированному выносу зоны кипения из теплообменных трубок служит применение обращенной циркуляции. В таких аппаратах раствор по трубкам движется сверху вниз, нагреваясь при этом, а вскипает в подъемной трубе, где и происходит основное выделение солей. Однако рассматриваемые аппараты очень чувствительны к резким изменениям режима работы, особенно к снижению давления греющего пара, которое часто имеет место при эксплуатации. В результате, как показывает опыт, нормальная работа аппарата нарушается: циркуляция раствора «переворачивается», и он начинает двигаться по теплообменным трубкам в противоположном направлении. При этом раствор кипит в трубках, а производительность как аппарата, так и всей установки резко падает.
Для исправления описанной ситуации приходится останавливать выпарную установку, прекращая подачу греющего пара на нее. Остановка длится обычно до полного прекращения циркуляции раствора. После этого установка вновь включается в работу таким образом, чтобы раствор в трубках аппарата с естественной циркуляцией двигался в нормальном - «обращенном» направлении, т.е. сверху вниз.
Предотвратить «переворачивание» циркуляции в аппарате с обращенной естественной циркуляцией можно путем подачи пара в его растворное пространство. Этот пар облегчает столб раствора в подъемной трубе и не дает раствору изменить требуемое направление движения несмотря на снижение давления греющего пара. Однако нет необходимости подавать пар в растворное пространство постоянно, т.к. это приводит к его перерасходу и к снижению производительности. Пар необходимо подавать лишь тогда, когда возникает опасность «переворачивания» циркуляции в аппарате. Для этого необходимо использовать систему управления, которая обеспечит стабильную эксплуатацию аппарата, благодаря чему будет повышена производительность выпарной установки и снижен расход пара.
Известно устройство для автоматического регулирования процесса выпаривания в выпарном аппарате с естественной циркуляцией (см. А.с. СССР №1256758, кл. B01D 1/30, G05D 27/00,1985), содержащее датчики расходов исходного и упаренного растворов, соединенные через регулятор соотношения с исполнительным механизмом, датчик давления пара в греющей камере, датчик скорости циркуляции, установленный на циркуляционной трубе выпарного аппарата и соединенный с регулятором, регуляторы расхода исходного раствора и пара, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит блок определения знака изменения сигналов, переключатель расхода пара, первый и второй дифференцирующие блоки, при этом датчики давления пара и скорости циркуляции подключены к входам соответствующих дифференцирующих блоков, выходы которых соединены с блоком определения знака изменения сигналов, выходы которого связаны с камерой задания регулятора скорости циркуляции и с одним из входов переключателя, другой вход которого соединен с выходом регулятора скорости циркуляции, а выходы переключателя связаны с камерами задания регулятора расхода исходного раствора и регулятора расхода пара, соединенного с датчиками расхода пара.
Целью известного решения является увеличение производительности выпарного аппарата, а также продолжительности цикла работы установки, в которую он входит. Для этого осуществляется стабилизация расхода пара на аппарат и стабилизация расхода исходного раствора с корректировкой в зависимости от скорости циркуляции раствора. Причем регулирование расхода упаренного раствора проводится по заданному соотношению расходов исходного и упаренного растворов.
Недостаток известного решения состоит в том, что регулирование работы выпарного аппарата производится с изменением уровня и скорости циркуляции в нем. В результате понижения уровня и скорости циркуляции раствора зона кипения будет заходить в теплообменные трубки, что приведет к усиленному выделению накипеобразующих и кристаллизующихся солей в них. Вследствие этого производительность установки снизится, а также уменьшится период ее работы.
Другим недостатком известного устройства является то, что регулирование его работы проводится изменением давления пара в греющей камере аппарата. При этом увеличение давления приводит к повышению температуры раствора в аппарате, в результате чего происходит увеличение выделения накипеобразующих солей на трубках, имеющих, как правило, обратную растворимость. Вследствие этого производительность снижается.
Наиболее близким к заявленному по технической сущности является способ управления многокорпусной выпарной установкой с естественной циркуляцией в первом корпусе и с принудительной - в остальных корпусах по А.с. СССР №1455413, кл. B01D 1/00, G05D 27/00, 1986, заключающийся в изменении расхода пара, подаваемого в растворное пространство первого корпуса в зависимости от расхода исходного раствора, его концентрации и концентрации целевого компонента в выпариваемом растворе, и в измерении концентрации целевого компонента в упаренном растворе, отличающийся тем, что измеряют: в исходном растворе концентрацию нецелевого компонента, в первом корпусе - температуру кипения выпариваемого раствора, а концентрацию целевого компонента в упаренном растворе поддерживают изменением расхода исходного раствора, при этом расход пара в растворное пространство первого корпуса поддерживают в соответствии с заданным выражением.
Основной задачей применения данного способа управления является повышение экономичности выпаривания многокомпонентных растворов путем предотвращения кристаллизации нецелевого компонента в первом корпусе.
Данный способ принят в качестве прототипа.
Известный способ управления обеспечивает надежную работу первого корпуса выпарной установки выпарного аппарата с естественной циркуляцией в условиях исключения выделения из раствора кристаллизующегося компонента. При этом в растворное пространство этого аппарата, наряду с греющей камерой, подается пар ТЭЦ. Подача пара осуществляется таким образом, чтобы концентрация кристаллизующегося компонента не превышала его растворимость в растворе при температуре раствора в аппарате. Благодаря этому повышается стабильность и надежность работы выпарной установки.
Недостаток известного способа состоит в частой подаче пара в растворное пространство первого корпуса многокорпусной выпарной установки. В результате происходит разбавление упариваемого раствора, что ведет к снижению производительности установки.
Другим недостатком известного способа является то, что при постоянной подаче пара для поддержания постоянной производительности установки происходит увеличение расхода пара на выпаривание. При этом пар, подаваемый в растворное пространство первого корпуса, попадает сразу в греющую камеру второго корпуса. Тем самым снижается на один кратность использования пара на выпарной установке.
Кроме того, недостаток известного способа состоит в отсутствии теплотехнических критериев нормальной работы выпарного аппарата с естественной циркуляцией, на которые должна реагировать система управления. В известном способе задано действие системы управления в зависимости лишь от условий концентрационного режима работы выпарной установки с целью исключения выделения из раствора кристаллизующегося компонента. В то же время, как показывает опыт работы подобного оборудования, теплотехнических параметров режима гораздо больше, чем концентрационных, каждый из них способен оказывать не меньшее влияние на действие аппарата с естественной циркуляцией, и, в целом, проявляются они значительно чаще. При этом вероятность изменения теплотехнических параметров работы выпарного аппарата существенно выше.
Также недостатком известного способа является то, что в нем не предусмотрены действия системы управления в случае падения давления пара, поступающего в первый корпус установки. Именно этот фактор, имеющий место при эксплуатации достаточно часто, представляет наибольшую опасность для сохранения нормальной работы как аппарата с естественной циркуляцией, так и всей выпарной установки. При падении давления пара снижается интенсивность работы первого корпуса и количество выпаренной в нем воды. При этом обращенная циркуляция в аппарате может «перевернуться». В результате установку приходится останавливать и через некоторое время запускать вновь. Вследствие изложенного общая производительность выпарной установки будет снижена.
Отмеченные недостатки известного способа связаны с почти постоянной подачей пара в растворное пространство первого корпуса выпарной установки и с отсутствием теплотехнических критериев нормальной работы выпарного аппарата с естественной циркуляцией. Таким образом обеспечивается надежность работы выпарного аппарата с естественной циркуляцией раствора лишь при изменении концентрационного режима работы выпарной установки. Однако такой аппарат, работая первым корпусом выпарной установки, может действовать без постоянной подачи пара в растворное пространство и в случаях изменения теплотехнических параметров режима. Необходимость же в подаче пара возникает лишь в некоторых случаях - при критических условиях для обеспечения стабильности работы.
Исходя из изложенного и на основании анализа недостатков известных технических решений, авторами предложен способ управления многокорпусной выпарной установкой с первым корпусом с естественной циркуляцией, позволяющий подавать пар в растворное пространство аппарата не постоянно, а только при необходимости. Благодаря этому будет стабилизирована работа аппарата, повышена производительность установки и снижен расход пара на выпаривание.
1
2
1
2
2
Для решения указанной технической задачи заявляется способ управления многокорпусной выпарной установкой с первым корпусом с естественной циркуляцией, включающий измерение и регулирование расходов исходного раствора и пара в греющую камеру и в растворное пространство первого корпуса и температуры кипения раствора. Новым в способе является то, что в нем измеряют давление греющего пара и температуру раствора на выходе из греющей камеры первого корпуса, по давлению греющего пара вычисляют температуру его насыщения и разность между ней и температурой раствора на выходе из греющей камеры (Δt), а также разность между температурами раствора на выходе из греющей камеры и кипения раствора (Δt), при этом если Δt снижается до заданной величины, например до 5°C, то в растворное пространство подают пар с расходом, соответствующим количеству пара, проходящему через 0,3 сечения трубы паропровода в течение 1-2 минут, если же Δt снижается до величины менее заданной, например до 3°C, то пар в растворное пространство подают с расходом, соответствующим полному сечению трубы, а после достижения значения Δt заданной величины, например, 5°C подачу пара в растворное пространство прекращают.
Заявляемое изобретение отвечает всем критериям патентоспособности.
Заявленный способ управления многокорпусной выпарной установкой с первым корпусом с естественной циркуляцией является новым, т.к. из уровня техники не известны решения с такой же совокупностью существенных признаков, о чем свидетельствует приведенный выше анализ аналогов.
Способ управления многокорпусной выпарной установкой с первым корпусом с естественной циркуляцией имеет изобретательский уровень, т.к. для специалиста его технические отличия явным образом не следуют из известного уровня техники. Данное утверждение основано на результатах проведенных заявителями патентных исследований. Ни одно из выявленных технических решений не имеет признаков, совпадающих с отличительными признаками заявляемого способа.
Изобретение промышленно применимо и может быть использовано в указанных выше отраслях промышленности. Все признаки изобретения выполнимы и воспроизводимы. Они используются для достижения ожидаемого технического результата в полном объеме.
Подтверждением изложенного служит представленное ниже описание конкретного выполнения заявленного способа управления многокорпусной выпарной установкой с первым корпусом с естественной циркуляцией, показанное на чертеже - см. фиг.1. На ней в качестве примера показана схема четырехкорпусной противоточной выпарной установки, первым корпусом которой является выпарной аппарат с естественной циркуляцией. На данной схеме показано, как реализуется заявленный способ управления.
Выпарная установка является четырехкорпусной противоточной и состоит из первого корпуса 1 - выпарного аппарата с естественной циркуляцией, второго - 2, третьего - 3 и четвертого - 4 корпусов, соединенных последовательно по пару. Исходный раствор 5 подается в четвертый корпус 4 и проходит последовательно все корпуса противоточно пару. Упаренный раствор 6 отводится из первого корпуса - 1. Греющая камера 7 первого корпуса обогревается паром ТЭЦ 8. Этот пар подведен также в растворное пространство этого корпуса по трубопроводу 9.
Система управления установки включает расходомеры исходного раствора 10, пара в греющую камеру первого корпуса 11 и в его растворное пространство 12. В ее состав входят регулирующие клапаны 13, 14 и 15 для регулирования соответственно расходов исходного раствора, пара в греющую камеру и в растворное пространство первого корпуса 1. В составе системы управления имеются датчики измерения температуры кипения раствора в первом корпусе 16 и температуры раствора 17 на выходе из греющей камеры 7 этого корпуса, давления греющего пара 18, а также блоки вычисления и управления 19 и 20.
Заявленный способ управления осуществляется при работе описанной установки следующим образом. При действии выпарной установки в установившемся режиме исходный раствор 5 подается в четвертый корпус 4. Расход этого раствора измеряется расходомером 10 и регулируется регулирующим клапаном 13 при помощи блока вычисления и управления 20. Пар в греющую камеру 7 первого корпуса 1 подается по трубопроводу 8, его расход измеряется расходомером 11 и регулируется регулирующим клапаном 14 при помощи блока вычисления и управления 20. Регулирование и измерение расходов исходного раствора и пара на установку выполняется в соответствии с заданным алгоритмом ее управления.
1
2
1
2
В ходе работы установки в первом корпусе 1 - выпарном аппарате с естественной циркуляцией измеряются следующие температуры при помощи датчиков измерения: температура кипения раствора - датчиком 16 и температура раствора на выходе из греющей камеры 7 - датчиком 17, а также давление греющего пара - датчиком 18. Сигналы от этих приборов поступают в блок вычисления и управления 19. В блоке 19 по величине давления греющего пара вычисляется температура его насыщения и разность между ней и температурой раствора на выходе из греющей камеры 7 (Δt), а также разность между температурами раствора на выходе из греющей камеры 7 и кипения раствора (Δt). При нормальном технологическом режиме работы выпарной установки, когда разности температур Δt и Δt находятся в допустимых пределах, блок вычисления и управления 19 держит регулирующий клапан 15 на трубопроводе 9 закрытым. То есть пар в растворное пространство первого корпуса не подается.
1
В случае отклонения параметров режима работы выпарной установкой от нормальных, особенно при резком снижении давления греющего пара, когда разность температур Δt (вычисленная блоком 19) снижается относительно текущего значения до заданной величины, например до 5°C, и когда возникает опасность нарушения стабильности работы первого корпуса, то по сигналу блока вычисления и управления 19 регулирующий клапан 15 открывается. При этом пар ТЭЦ по паропроводу 9 поступает в растворное пространство первого корпуса 1 установки. Расход этого пара измеряется расходомером 12 и регулируется регулирующим клапаном 15 при помощи блока 19 таким образом, чтобы он был равен количеству пара, проходящему через 0,3 сечения трубы 9 паропровода в течение 1-2 минут. То есть по сигналам блока 19 регулирующий клапан 15 открывается вначале на 0,3 сечения трубы 9 и выдерживается в таком положении (1-2) минуты. После этого клапан 15 открывается еще на 0,3 сечения трубы 9, а через (1-2) минуты открывается полностью. Такой режим подачи пара обусловлен необходимостью исключения гидравлических ударов.
2
Если же отклонение параметров режима работы установки от нормальных происходит быстрее, чем осуществляется подача пара в растворное пространство первого корпуса 1, то разность температур Δt снижается до величины, меньшей, чем заданная, например до 3°C. В этом случае пар в растворное пространство первого корпуса 1 необходимо подавать полным сечением трубы 9, т.е. с максимальным расходом.
2
Подача пара ТЭЦ в растворное пространство первого корпуса 1 осуществляется до тех пор, пока не восстановится нормальный технологический режим работы выпарной установки. Отключение подачи пара производится в случае, когда величина разности температур Δt повышается и достигает заданного значения, например 5°C. При этом по сигналу блока вычисления и управления 19 регулирующий клапан 15 закрывается.
Далее рассмотрим подробнее необходимость и достаточность как каждого из отличительных признаков заявляемого технического решения, так и всей совокупности.
Заявленная совокупность признаков предложенного способа управления позволяет поддерживать основные теплотехнические параметры работы первого корпуса выпарной установки - аппарата с естественной циркуляцией, характеризующие стабильность режима его работы. Именно стабильность и устойчивость работы первого корпуса определяет эффективность действия выпарной установки. В заявленном способе управления помимо основных параметров режима аппарата с естественной циркуляцией отмечены также границы их изменения, при которых возможна устойчивая работа данного аппарата. Кроме того, приведены условия возврата аппарата к нормальному режиму работы. Отмеченные параметры и условия работы аппарата с естественной циркуляцией раствора в качестве первого корпуса выпарной установки были предложены на основании опыта эксплуатации.
1
2
Измерение давления греющего пара и температуры раствора на выходе из греющей камеры первого корпуса и вычисление температуры насыщения пара и разности между ней и температурой раствора на выходе из греющей камеры Δt, а также разности между температурами раствора на выходе из греющей камеры и кипения раствора Δt позволяют определить важнейшие параметры работы аппарата с естественной циркуляцией раствора. Об этом свидетельствует опыт эксплуатации подобных аппаратов, на основании которого был определен также диапазон их устойчивой работы.
1
2
2
2
Разность температур Δt характеризует, по сути, движущую силу процесса выпаривания в аппарате. От ее величины зависит расход выпаренной в аппарате воды, т.е. интенсивность его работы. Разность температур Δt также определяется количеством выпаренной воды. Величина Δt характеризует скорость циркуляции раствора в аппарате, которая, в свою очередь, зависит от расхода выпаренной воды. Причем именно значение Δt указывает на текущую величину скорости циркуляции раствора в аппарате и на интенсивность его работы.
1
1
2
1
Снижение значения Δt говорит о понижении давления пара ТЭЦ и об уменьшении движущей силы выпаривания. Вследствие этого резко сокращается интенсивность выпаривания в первом корпусе выпарной установки. В результате в выпарном аппарате с обращенной естественной циркуляцией последняя «переворачивается» и раствор закипает в трубках. Причем именно падение величины Δt, как показал опыт работы, является первым сигналом о предстоящем «переворачивании» циркуляции. Изменение величины Δt запаздывает и происходит только через несколько минут. Если вовремя заметить уменьшение величины Δt и подать пар в растворное пространство аппарата, то «переворачивание» циркуляции можно исключить, сохранив его работоспособность на приемлемом уровне, обеспечивающем стабильность действия выпарной установки.
1
Согласно опыту работы выпарных аппаратов с обращенной естественной циркуляцией снижение величины Δt до заданной величины, например до 5°C, свидетельствует о сокращении движущей силы выпаривания примерно на треть. При этом в аппарате еще сохраняется циркуляция раствора в требуемом направлении, хотя и с меньшей скоростью. Если в этот момент при помощи системы управления подать в растворное пространство пар, то циркуляция не «перевернется», и аппарат продолжит работу. Тем самым будет сохранена стабильность действия выпарной установки.
Подачу пара в растворное пространство аппарата необходимо осуществлять с расходом, соответствующим количеству пара, проходящему через 0,3 сечения трубы паропровода в течение 1-2 минут. Такой расход при подводе пара является оптимальным. Его увеличение приводит к гидравлическим ударам вследствие образования больших пузырей пара и их схлопывания. Уменьшение скорости подачи пара по сравнению с указанной может привести к «переворачиванию» циркуляции в аппарате, т.к. вводимого в растворное пространство пара может не хватить для поддержания циркуляции в требуемом направлении.
2
2
2
2
1
2
В случае если, несмотря на подачу пара в растворное пространство, скорость циркуляции продолжает падать, то в аппарат требуется подать максимально возможное количество пара. О критическом падении скорости циркуляции свидетельствует снижение разности температур Δt. При этом критическим значением Δt, как показал опыт работы, является величина, примерно равная 3°C. При снижении Δt до указанной величины пар в растворное пространство необходимо подавать полным сечением трубы, т.е. регулирующий клапан 14 должен быть полностью открыт. Причем следует отметить, что изменение Δt, как уже отмечалось выше, происходит с запаздыванием в несколько минут, по сравнению с изменением Δt. Поэтому снижение Δt до 3°C происходит после того, как системой управления в растворное пространство аппарата уже подан пар. Вследствие этого полное открытие регулирующего клапана 14 не приведет к гидравлическим ударам.
2
2
Подача пара в растворное пространство аппарата полным сечением трубы при величине Δt более 3°C приведет к перерасходу пара, т.к. вводимого ранее меньшего количества пар пока хватает для поддержания циркуляции. Если же Δt менее 3°C, то подаваемого пара уже не хватит для обеспечения нормальной работы аппарата, и циркуляция «перевернется».
1
2
2
Согласно заявленному способу управления выпарной установкой подача пара в растворное пространство первого корпуса осуществляется при отклонении параметров режима выпарной установки от нормальных. Об этом говорят измеряемые в ходе эксплуатации значения разностей температур Δt и Δt. С течением времени нормальный режим работы аппарата с естественной циркуляцией будет постепенно восстанавливаться. Основным индикатором этого будет увеличение Δt, после достижения величины которой заданного значения, например 5°C, подачу пара в растворное пространство прекращают.
2
Как показал опыт работы, такое значение Δt свидетельствует об устойчивой работе аппарата, и подавать пар в растворное пространство уже нет необходимости.
Таким образом, заявленный способ позволяет подавать пар в растворное пространство первого корпуса для стабилизации его работы только при отклонении параметров режима выпарной установки от нормальных, когда возникают опасения в стабильности работы выпарного аппарата с естественной циркуляцией. В остальное время пар в растворное пространство не подают. Благодаря этому по сравнению с прототипом обеспечивается повышение производительности установки и снижение расхода пара. Отмеченный технический результат достигнут за счет того, что в заявленном способе определены основные теплотехнические параметры действия выпарного аппарата с естественной циркуляцией, обеспечивающие его стабильную работу, а также осуществляется поддержание их в заданных границах.
Применение заявленного способа управления многокорпусной выпарной установкой с первым корпусом с естественной циркуляцией позволило стабилизировать работу установки. За счет этого ее производительность была повышена на 10%, а затраты пара снижены на 5%.