智能蒸汽控制系統(tǒng)在乳化炸藥生產(chǎn)線的應(yīng)用

唐子涵

(重慶順安爆破器材有限公司,重慶400700)

0 引言

在乳化炸藥生產(chǎn)過程中,需要將水相儲(chǔ)罐溫度保持在110 ℃左右。 傳統(tǒng)溫度控制是通過燃煤鍋爐實(shí)現(xiàn),設(shè)備成本高,后期運(yùn)行維護(hù)投入較大,且對(duì)自然環(huán)境和工人健康造成不良影響。 通過空氣能對(duì)冷水加熱,將熱水泵入電磁蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生所需蒸汽,不但滿足生產(chǎn)需要和環(huán)保要求,而且整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能化控制,符合行業(yè)技術(shù)進(jìn)步要求,具有很好的推廣價(jià)值。

1 系統(tǒng)原理

1.1 空氣能熱泵原理

空氣能熱泵采用逆卡諾原理,利用制冷劑作為媒介,通過吸收空氣中的熱量,使冷媒氣化,通過壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮,變成高溫高壓氣體,再經(jīng)過熱交換器與水交換熱量后,經(jīng)膨脹閥釋放壓力,回到低溫低壓的液化狀態(tài),再吸收熱量氣化,循環(huán)工作[1-4]。工作原理如圖1 所示。

圖1 空氣能熱泵運(yùn)行原理

1.2 蒸汽機(jī)系統(tǒng)原理

蒸汽機(jī)又叫蒸汽發(fā)生器,是利用燃料或其他能源的熱能把水加熱成為熱水或蒸汽的機(jī)械設(shè)備,其運(yùn)行原理如圖2 所示。 由于空氣能熱泵出來的熱水溫度達(dá)不到乳化炸藥水相加熱(保溫)所需的溫度,需對(duì)空氣能熱泵制備的熱水進(jìn)行二次加熱,確保由熱水變?yōu)樗魵?得以給水相進(jìn)行加熱[5-10]。首先通過水泵(M)將空氣能加熱后的熱水打入蒸汽機(jī)里的水箱1,再將水箱1 與水箱2 連接,兩水箱中的液位計(jì)檢測(cè)水箱的液位,水箱2 比水箱1 更小,水位變化更加明顯,當(dāng)水箱中的水不足時(shí)水泵會(huì)自動(dòng)補(bǔ)水,保證液位在額定范圍以內(nèi)。 水箱2 與鍋爐相連接,電磁加熱器不斷地對(duì)鍋爐加熱,產(chǎn)生大量的蒸汽,溫度可達(dá)到165 ℃。 水箱2 在鍋爐制造蒸汽流失水分時(shí),不斷地替鍋爐補(bǔ)充水分,避免干鍋。 鍋爐生產(chǎn)的蒸汽連接至蒸汽管道,經(jīng)過引導(dǎo),為水相儲(chǔ)罐進(jìn)行加熱、保溫,保證生產(chǎn)工藝的需求。

圖2 蒸汽機(jī)運(yùn)行原理

2 使用效果

系統(tǒng)投入使用后,為了測(cè)定智能蒸汽系統(tǒng)的加熱效果,分別測(cè)量出水相儲(chǔ)罐與加熱效率可能相關(guān)的數(shù)據(jù)(水相液位、初始溫度、結(jié)束溫度、所開蒸汽機(jī)臺(tái)數(shù)、主管道壓力值、主管道溫度值、加熱時(shí)間),其中根據(jù)罐體設(shè)計(jì)公式可知,儲(chǔ)罐的儲(chǔ)存量Mw=64hW+560,采集的樣本數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)采集

2.1 加熱過程分析

為了探索出影響智能蒸汽系統(tǒng)的加熱效果的相關(guān)因素,需要對(duì)采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,根據(jù)比熱容公式ΔE=cMwΔT,其中水相溶液的比熱c=2.09kJ/(K·℃),可以得出將水相溶液升溫到響應(yīng)溫度所需要吸收的能量,在投入運(yùn)行的機(jī)組一致的情況下,通過MATLAB 對(duì)吸收能量和加熱時(shí)間之間的關(guān)系進(jìn)行分析,為了得到準(zhǔn)確的關(guān)系,先對(duì)系統(tǒng)的安裝和運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行驗(yàn)證,對(duì)采集到的數(shù)據(jù),采用CFTOOL 工具箱對(duì)能量和溫度上升之間的關(guān)系進(jìn)行分析,因?yàn)橄到y(tǒng)采用的是密閉的管道和罐體,故采用線性函數(shù),分別進(jìn)行1、2、3、4 次進(jìn)行擬合,得出圖3 所示的函數(shù)關(guān)系式。

圖3 基于CFTOOL 工具箱的吸收能量和溫差之間的關(guān)系

通過分析,溫度變化ΔT 和吸收能量ΔE 之間呈線性關(guān)系,所以整個(gè)系統(tǒng)受外界因素影響很小,可以作為封閉系統(tǒng)進(jìn)行分析,選取溫度變化和吸收能量之間的任意一個(gè)變量與加熱時(shí)間進(jìn)行分析即可。 根據(jù)擬合的結(jié)果,選取誤差最小的一次擬合函數(shù)作為系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)公式,得到關(guān)系式為:ΔE=24 660ΔT+4 458。

采用同樣的方式,選取吸收能量ΔE 與加熱時(shí)間ΔT 進(jìn)行分析。 根據(jù)圖形來看,吸收的能量和加熱時(shí)間基本上呈現(xiàn)線性關(guān)系,但由于受到管道走向、管道周邊環(huán)境溫度、壓縮機(jī)效率、管道壓力等因素的影響,系統(tǒng)函數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)線性方程上存在一些偏差,綜合考慮,取誤差最小的一次擬合函數(shù)作為系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)公式,得到關(guān)系式為ΔE =196.7ΔT+1 311。

由于在使用CFTOOL 進(jìn)行擬合時(shí)未考慮系統(tǒng)運(yùn)行效率,導(dǎo)致得到的兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出來的數(shù)值之間會(huì)存在一個(gè)實(shí)際運(yùn)行效率比例的偏差,在實(shí)際使用時(shí)根據(jù)不同設(shè)備和不同的使用環(huán)境進(jìn)行一個(gè)常數(shù)參數(shù)修正即可。

2.2 加熱效率計(jì)算

根據(jù)熱力學(xué)第一定律,在受外界影響較小的封閉系統(tǒng)中,智能蒸汽系統(tǒng)的加熱效率η 就是智能蒸汽系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換率,η=ΔE/ΔQ×100%。 其中ΔE 為加熱過程中吸收的能量,ΔQ 為水蒸氣釋放的能量。 利用ΔE=cMwΔT,H1=T1×4.2×1,ΔQ=(HH1)×m,η=ΔE/ΔQ 進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表2所示。

2.3 加熱時(shí)間的計(jì)算

由于系統(tǒng)屬于無人值守的全自動(dòng)化系統(tǒng),通過關(guān)系式可以計(jì)算得到罐體液位、加熱溫度和加熱時(shí)間之間的關(guān)系,便于每天開班前在合理的時(shí)間段開始進(jìn)行加熱,在保證正常生產(chǎn)需要的同時(shí)減少保溫狀態(tài)持續(xù)時(shí)間,提高整體效率。

根據(jù)系統(tǒng)熱轉(zhuǎn)換過程所產(chǎn)生的數(shù)據(jù),通過MATLAB 的CFTOOL 工具進(jìn)行擬合,選取加熱時(shí)間作為目標(biāo)值,液位高度和加熱溫差作為自變量,通過線性方式進(jìn)行1、2 次函數(shù)擬合,擬合結(jié)果見圖4所示。

表2 系統(tǒng)熱轉(zhuǎn)換相關(guān)數(shù)據(jù)表

圖4 基于CFTOOL 工具箱的罐體液位、加熱溫度和加熱時(shí)間之間的關(guān)系

通過擬合情況綜合分析,我們選用誤差范圍最小的函數(shù)作為系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)公式供以后參考使用,加熱時(shí)間t=0.073 53hw2+0.381 5hwΔT-27.66hw-2.69×5ΔT+2 616

2.4 系統(tǒng)運(yùn)行分析

通過采集到的數(shù)據(jù),分析其中出現(xiàn)誤差的原因主要集中在同時(shí)投入使用的機(jī)組數(shù)量、管道的壓力、主管道安裝位置、管道環(huán)境溫度、熱水循環(huán)速度等方面。 通過經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行驗(yàn)證,誤差在1%范圍內(nèi),可以用于對(duì)系統(tǒng)使用的指導(dǎo),后期可以進(jìn)一步應(yīng)用到自動(dòng)控制系統(tǒng)中。

3 結(jié)論

科技進(jìn)步是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的推動(dòng)力,一個(gè)行業(yè)的現(xiàn)代化水平高低體現(xiàn)于該行業(yè)設(shè)備技術(shù)先進(jìn)程度的高低。 在乳化炸藥生產(chǎn)線中使用智能蒸汽系統(tǒng)代替鍋爐對(duì)水相儲(chǔ)罐進(jìn)行加熱,在節(jié)能環(huán)保的同時(shí)還有效地提高了設(shè)備使用壽命,減少了設(shè)備運(yùn)行的故障率,控制了安全事故發(fā)生的可能性。 并且能夠通過液位以及水相溶液升高溫度直接計(jì)算出大致加熱時(shí)間,使得生產(chǎn)工人有條不紊地完成生產(chǎn)前的準(zhǔn)備工作,生產(chǎn)更有秩序,達(dá)到了設(shè)備改造的預(yù)期效果。 項(xiàng)目工藝和設(shè)備成熟、穩(wěn)定,具有超前性、創(chuàng)新性,減員增效、節(jié)能降耗作用明顯,符合工業(yè)和信息化部辦公廳印發(fā)的《民用爆炸物品行業(yè)技術(shù)發(fā)展方向及目標(biāo)(2018 年版)》的規(guī)劃內(nèi)容,更好地實(shí)現(xiàn)了民用爆炸物品行業(yè)安全發(fā)展、高質(zhì)量發(fā)展,促進(jìn)了生產(chǎn)工藝及裝備向安全可靠、綠色環(huán)保、智能制造方向前進(jìn)。