一种基于糖厂制炼系统的节能生产方法

摘要

本发明公开了一种基于糖厂制炼系统的节能生产方法，包括采集糖厂制炼系统中各用汽设备的用汽参数、物料数据和生产状态参数；建立各用汽设备用汽关联数学式；对各种生产状态变量、设备状态变量和过程状态变量的相关关系及对系统所起影响作用进行分析和归类；确定起支配作用的决策变量，建立系统用汽和有效能损失的数学模型；通过系统用汽和有效能损失的数学模型可行域中寻找一个满足约束条件的决策，使得系统用汽和有效能损失取得最小值；建立基础算法，根据基础算法进行编程，完成决策软件；决策软件运行，得到一个系统用汽和有效能损失取得最小值操作运行方案；建立控制网络，根据系统用汽和有效能损失取得最小值操作运行方案对各用汽设备实行控制。

说明书

技术领域

本发明涉及节能生产方法，尤其是一种基于糖厂制炼系统的节能生产方法，属于糖厂制炼生产领域。

背景技术

我国的食糖是人民生活的必需品，也是食品工业、饮料、制药等重要的原料。人口的增长及生活水平提高，食糖消费将出现明显增长趋势，制糖工业是我国废水和废弃物排放量较大的食品产业，制糖产业也是我国每万元工业产值能耗、水耗最高的产业之一，目前国内糖厂的节能水平与国外先进水平相比有着较大差距，平均煤耗6吨/100吨甘蔗以上，是国际平均水平的1.5倍，是国际先进企业的2倍；吨蔗耗电量31.5千瓦时，是国际平均水平的1.6倍；根据国家的“十一五”发展规划目标，要求将我国产业的能耗降低20％，其中要求甘蔗糖标准煤耗低于5吨/100吨蔗，甜菜糖标准煤耗低于6吨/100吨甜菜。我国耗能排污措施方面虽然逐年加大力度，但效果并不明显，随着产量的增加，我国制糖产业的能耗排污量不断增加。目前我国的节能减排水平与国外先进水平相比有着较大差距，我国制糖产业迫切需要开展制糖过程中节能减排，这不仅是制糖企业自身发展的迫切要求，也是实现产业技术和整体水平与国际接轨及我国经济持续发展总体要求的需要。

目前，国内糖厂都地处老少边穷地区，生产规模小，技术装备不配套，生产过程自动化、信息化管理程度低等均是导致能耗高、污染重的重要原因。近10年伴随国内糖产量的大幅提高，制糖工业技术也有较大发展，一些节能减排的技术装备相继应用到生产中，对降低行业能耗发挥了积极作用。制糖是个工艺流程较长的生产过程，各单元对生产能耗都有一定影响，由于前后工序在物料、能量等方面相互制约和影响，糖厂节能实际上是个系统工程，单元设备的低能耗不完全等同于整个生产的低能耗。因此，如何从制炼生产角度出发统一规划能量，使糖厂制炼各环节的设备系统均以最小的能量消耗完成生产任务，从而保证整个生产过程运行于低能耗状态，是当前研究的重要课题。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种基于糖厂制炼系统的节能生产方法，该方法通过糖厂制炼生产中各用汽设备各种参数收集，分析对比，利用计算机网络技术运行控制，对糖厂制炼生产中各用汽设备进行调控，可以产生较好的节能效果。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于糖厂制炼系统的节能生产方法，其特征在于包括以下步骤：。

1)采集糖厂制炼系统中各用汽设备的用汽参数、物料数据和生产状态参数，并进行存储；

2)根据糖厂制炼生产工艺过程，对步骤1)采集的参数进行分析，建立各用汽设备用汽关联数学式，以描述有效能损失相关物理量及物性参数，根据不同状态下的物性参数值和相关物理量对系统用汽和有效能损失关系的影响，进行相关数据分析和判断；

3)根据关联数学式中相关数据，对各种生产状态变量、设备状态变量和过程状态变量的相关关系及对系统所起影响作用进行分析和归类；

4)确定起支配作用的决策变量，利用有效能损失相关物理量及物性参数的关联数学式，建立相应的数学模型方程，对任一组决策变量所决定的操作运行方案，建立系统用汽和有效能能损失的数学模型，从该模型得到一个系统总有效能损失值与其对应；

5)通过系统用汽和有效能损失的数学模型在全体集合的决策可行域中寻找一个满足约束条件的决策，使得系统用汽和有效能损失取得最小值；

6)建立基础算法，对用汽参数、物料数据和生产状态参数进行分析和对比，决策变量在约束条件下选取一定值，进行运算，基础算法在经过多次比较判断后确定出下一轮合理的搜索方向，向合理的搜索方向不断进行运算判断，得到较合理决策方案；

7)根据基础算法进行编程，完成决策软件；

8)决策软件运行，输入用汽设备参数、生产状态参数和生产的一个任意决策，运行基础算法，得到一个系统用汽和有效能损失取得最小值操作运行方案；

9)建立控制网络，根据系统用汽和有效能损失取得最小值操作运行方案对各用汽设备实行控制。

作为一种优选方案，步骤2)所述系统用汽和有效能损失关系，包括蒸发罐传热面上的有效能损失、管道中的有效能损失、冷凝造成的有效能损失和汽凝水造成的有效能损失。蒸发系统总有效能损失E_x的计算可表示为：

E_x＝E_t+E_p+E_c+E_s

式中，E_x为蒸发系统单位时间内总有效能损失，kj/h；E_t为系统单位时间中蒸发罐传热有效能损失，单位为kj/h；E_p为系统单位时间的管道有效能损失，单位为kj/h；E_c为系统单位时间内总的冷凝有效能损失，单位为kj/h；E_s为系统冷凝水造成的有效能损失，单位为kJ/h。

作为一种优选方案，步骤3)所述生产状态变量包括清汁流量、清汁浓度、糖浆流量、糖浆浓度，糖品质量和糖品数量；所述设备状态变量包括加热器、蒸发罐和煮糖罐传热面积；所述过程状态变量包括饱和水蒸汽温度、汽凝水的温度、各加热器加热温度、各蒸发罐糖汁锤度、各蒸发罐加热蒸汽温度、各蒸发罐加热蒸汽流量、各蒸发罐汽凝水流量、各煮糖罐加热蒸汽温度、各煮糖罐加热蒸汽流量和各煮糖罐汽凝水流量。

4、根据权利要求2所述的一种基于糖厂制炼系统的节能生产方法，其特征在于：步骤4)所述用汽和有效能损失数学模型方程如下式所示：

$>\left(\begin{array}{c}{E}_x=\underset{i=1}{\overset{5}{\Sigma }}{Q}_i{T}_0\left(\frac{T_{\mathrm{di}}-T_{\mathrm{gi}}}{T_{\mathrm{di}}{T}_{\mathrm{gi}}}\right)\\ +\underset{i=1}{\overset{4}{\Sigma }}{W}_{(i+1)}[(2.2217+0.01273\times T_0)(T_{\mathrm{gi}}-T_{d(i+1)})-2.8748\times {10}^{-3}(T_{\mathrm{gi}}^2-T_{d(i+1)}^2)]\\ +q_{E,5}[h_5-h_0-T_0(s_5-s_0)]\\ +q_{D,1}[h_0^{\text{'}}-h_0-T_0(s_0^{\text{'}}-s_0)+q_{D,5}[h_5^{\text{'}}-h_0-T_0(s_5^{\text{'}}-s_0)]\end{array}\right)$>

式中，Q_i为第i效蒸发罐单位时间传热量，kJ/h；T_di为第i效蒸发罐加热汽温度，单位为℃；T_gi为第i效蒸发罐汁汽温度，单位为℃；W_i为第i蒸发罐中单位时间的蒸发水量，单位为kg/h；q_E，5为单位时间内从第5效蒸发罐抽出的汁汽量，单位为kg/h；q_D，1为单位时间内的回炉水量，单位为kg/h；q_D，5为单位时间内排出的汽凝水量，单位为kg/h；h₅为第5效蒸发罐汁汽的比焓，单位为kj/kg；s₅为第5效蒸发罐汁汽的比熵，单位为kj/kg.k；h₅’为第5效蒸发罐加热汽汽凝水的比焓，单位为kj/kg；s₅’为第5效蒸发罐加热汽汽凝水的比熵，单位为kj/kg.k；T₀为环境温度，单位为K；h0为水在基态下的比焓，单位为kj/kg；s₀为水在基态下的比熵，单位为kj/kg·k。

作为一种优选方案，所述T₀取值为298K；所述h₀取值为104.77kjkg；所述s₀取值为0.367kj/kg·k。

作为一种优选方案，步骤4)所述决策变量为q_E，1、q_E，2、q_E，3、q_E，4和q_E，5，其约束条件包括生产工艺条件、生产能力和控制指标；q_E，1、q_E，2、q_E，3、q_E，4和q_E，5分别为单位时间内从第1效至第5效蒸发罐抽出的汁汽量。

作为一种优选方案，步骤6)所述用汽和有效能损失数学模型，其约束条件既有等式约束，又有非等式约束，通过构造处罚函数将原问题转化为一系列无约束问题来解。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的节能生产方法采用自动控制技术和计算机网络技术，使糖厂摆脱单一设备的局限，对糖厂制炼生产工艺过程中用汽情况实现集中优化和控制，节约制炼生产过程的汽耗。

2、本发明的节能生产方法的用汽分析评判方法先进，采用有效能损失最小，即有效能利用效率进行分析糖厂制炼用汽情况，对用汽热源的品位和数量进行评判，较传统能量守恒仅通过热源数量多少进行评判准确；

3、本发明的节能生产方法通过建立制炼生产过程耗汽数学模型，可以构建出有效能集中优化控制程序，可以根据生产实时状况，快速得到制炼用汽优化参数，指导生产用汽操作，从而实现糖厂节能降耗的目的。

附图说明

图1是糖厂制炼系统的结构原理图。

图2是本发明的节能生产方法流程示意图。

图3是本发明的物料、汽及冷凝水工艺流程图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，本实施例的糖厂制炼系统包括中央服务器、远程控制模块、制炼管理模块、有效能优化管理模块、通讯器A、通讯器B、控制器A、控制器B、制炼蒸发子站、制炼煮糖子站，所述控制器A通过通讯器A分别与中央服务器、制炼管理模块、有效能优化管理模块相连，控制制炼蒸发子站工作；所述控制器B通过通讯器B与中央服务器、制炼管理模块、有效能优化管理模块相连，控制制炼煮糖子站工作。

如图1-图3所示，本实施例的节能生产方法包括以下步骤：

1)采集制炼蒸发子站和制炼煮糖子站中各用汽设备的用汽参数、物料数据和生产状态参数，并进行存储；

2)根据糖厂制炼生产工艺过程，对步骤1)采集的参数进行分析，建立各用汽设备用汽关联数学式以描述有效能损失相关物理量及物性参数，根据不同状态下的物性参数值和相关物理量对系统用汽和有效能损失关系的影响，进行相关数据分析和判断；所述系统用汽和有效能损失关系，包括蒸发罐传热面上的有效能损失、管道中的有效能损失、冷凝造成的有效能损失和汽凝水造成的有效能损失。蒸发系统总有效能损失E_x的计算可表示为：

E_x＝E_t+E_p+E_c+E_s

式中，E_x为蒸发系统单位时间内总有效能损失，kJ/h；E_t为系统单位时间中蒸发罐传热有效能损失，单位为kj/h；E_p为系统单位时间的管道有效能损失，单位为kj/h；E_c为系统单位时间内总的冷凝有效能损失，单位为kj/h；E_s为系统冷凝水造成的有效能损失，单位为kj/h；

3)根据关联数学式中相关数据，对各种生产状态变量、设备状态变量和过程状态变量的相关关系及对系统所起影响作用进行分析和归类，所述生产状态变量包括清汁流量、清汁浓度、糖浆流量、糖浆浓度，糖品质量和糖品数量；所述设备状态变量包括加热器、蒸发罐和煮糖罐传热面积；所述过程状态变量包括饱和水蒸汽温度、汽凝水的温度、各加热器加热温度、各蒸发罐糖汁锤度、各蒸发罐加热蒸汽温度、各蒸发罐加热蒸汽流量、各蒸发罐汽凝水流量、各煮糖罐加热蒸汽温度、各煮糖罐加热蒸汽流量和各煮糖罐汽凝水流量；

4)在糖厂制炼用汽与生产操作密切相关的变量中，起支配作用的是决策变量，决策变量一旦确定，过程状态变量也随之而确定；确定决策变量，利用有效能损失相关物理量及物性参数的关联数学式，建立相应的数学模型方程，对任一组决策变量所决定的操作运行方案，建立系统用汽和有效能损失的数学模型，从该模型得到一个系统总有效能损失值与值对应；所述用汽和有效能损失数学模型方程如下式所示：

$>\left(\begin{array}{c}{E}_x=\underset{i=1}{\overset{5}{\Sigma }}{Q}_i{T}_0\left(\frac{T_{\mathrm{di}}-T_{\mathrm{gi}}}{T_{\mathrm{di}}{T}_{\mathrm{gi}}}\right)\\ +\underset{i=1}{\overset{4}{\Sigma }}{W}_{(i+1)}[(2.2217+0.01273\times T_0)(T_{\mathrm{gi}}-T_{d(i+1)})-2.8748\times {10}^{-3}(T_{\mathrm{gi}}^2-T_{d(i+1)}^2)]\\ +q_{E,5}[h_5-h_0-T_0(s_5-s_0)]\\ +q_{D,1}[h_0^{\text{'}}-h_0-T_0(s_0^{\text{'}}-s_0)+q_{D,5}[h_5^{\text{'}}-h_0-T_0(s_5^{\text{'}}-s_0)]\end{array}\right)$>

式中，Q_i为第i效蒸发罐单位时间传热量，kJ/h；T_di为第i效蒸发罐加热汽温度，单位为℃；T_gi为第i效蒸发罐汁汽温度，单位为℃；W_i为第i蒸发罐中单位时间的蒸发水量，单位为kg/h；q_E，5为单位时间内从第5效蒸发罐抽出的汁汽量，单位为kg/h；q_D，1为单位时间内的回炉水量，单位为kg/h；q_D，5为单位时间内排出的汽凝水量，单位为kg/h；h₅为第5效蒸发罐汁汽的比焓，单位为kj/kg；s₅为第5效蒸发罐汁汽的比熵，单位为kj/kg.k；h₅’为第5效蒸发罐加热汽汽凝水的比焓，单位为kj/kg；s₅’为第5效蒸发罐加热汽汽凝水的比熵，单位为kj/kg.k；T₀为环境温度，单位为K，取值为298K；h₀为水在基态下的比焓，单位为kj/kg，取值为104.77kj/kg；s₀为水在基态下的比熵，单位为kj/kg·k，取值为0.367kj/kg·k；

5)起支配作用的决策变量必须符合糖厂制炼的工艺要求，它受生产工艺条件、生产能力以及控制指标的约束条件制约，决策变量在一定范围之间变化，它们要满足约束条件的决策，是全体集合的决策可行域；通过系统用汽和有效能损失的数学模型在可行域中寻找一个满足约束条件的决策，使得系统用汽和有效能损失取得最小值；所述决策变量为q_E，1、q_E，2、q_E，3、q_E，4和q_E，5，q_E，1、q_E，2、q_E，3、q_E，4和q_E，5分别为单位时间内从第1效至第5效蒸发罐抽出的汁汽量；

6)建立基础算法，对用汽参数、物料数据和生产状态参数进行分析和对比，决策变量在生产工艺条件、生产能力和控制指标的约束条件下选取一定值，进行运算，基础算法在经过多次比较判断后确定出下一轮合理的搜索方向，向合理的搜索方向不断进行运算判断，得到较合理决策方案；所述约束条件既有等式约束，又有非等式约束，通过构造处罚函数将原问题转化为一系列无约束问题来解；

7)根据基础算法进行编程，完成决策软件；

8)决策软件运行，输入用汽设备参数、生产状态参数和生产的一个任意决策，运行基础算法，得到一个系统用汽和有效能损失取得最小值操作运行方案，即优化节能方案；

9)建立控制网络，根据系统用汽和有效能损失取得最小值操作运行方案对各用汽设备实行控制，达到糖厂制炼进一步节能的目的。

通过对糖厂甘蔗糖厂制炼车间进行物料和能量衡算，得到基本的制炼用汽方案，结果如下表1所示。

项目第1效第2效第3效第4效第5效汽鼓温度/℃12912011110084汽室温度/℃1211121018565糖汁锤度/°Bx25.3640.3351.1461.4665.00有效温差/℃6.485.506.158.699.96抽汁汽量/％C对蔗比14.4115.713.274.001.48(进冷凝器)

表1甘蔗糖厂制炼系统用汽分配计算表

其中，计算中的清汁锤度为16°Bx，其温度为120℃；糖浆锤度65°Bx，其温度为65℃，1效进汽量为38.87％C。

通过系统用汽和有效能损失关系分析，包括蒸发罐传热面上的有效能损失、管道中的有效能损失、冷凝造成的有效能损失和汽凝水造成的有效能损失。

以日榨3000吨甘蔗糖厂制炼车间用汽情况分析及优化方法作进一步说明：

将上述公式及决策变量q_E，1、q_E，2、q_E，3、q_E，4、q_E，5进行编程，本实施例的基础算法采用powell算法，经分析筛选出的有效能分配如下表2所示。

表2蒸发工段操作控制优化方案表

从上表1和表2结果可以看出，经有效能集中优化并采用powell算法后，5效蒸发系统进汽温度由129℃降为127℃，系统总进汽量由38.87％C降为37.21％C，末效汁汽温度即进入冷凝器汁汽温度由65℃升高为71.4℃，汁汽量由1.48％C升高为2.64％C，总有效能损失由16277108.53kj/h升高为18882524 kj/h，但是有效能中转效率由80.69％提高到80.83％。其中有效能损失升高与实际蒸发罐传热系数、管路散热、进入冷凝器有效能等的损失增大有关，但是对于整个多效蒸发系统，有效能的中转效率提高，使得总的进汽量有所降低，约降低1.66％C，折合每天节约标煤耗132.8吨。

本实施例的节能生产方法采用自动控制技术和计算机网络技术，使糖厂摆脱单一设备的局限，从糖厂制炼生产系统来综合考虑能量分配和能量消耗变得可能，糖厂制炼主要热力工段通过工业以太网联系在一起，实现各主要热力工段的网络化控制；各工段能耗相关数据共享，通过建立制炼热力系统模型对热力方案进行调优，网络控制系统根据调优的热力方案对各单元实行优化控制，从而保证糖厂制炼在既有设备完成生产任务的前提下，运行于最小的能量消耗状态，使制炼热力系统高效稳定运行，达到进一步节能的目的。

以上所述，仅为本发明专利优选的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。