Конкурентоспособный зерновой терминал – энергоэффективность на первом месте

02.12.2015 Статьи

Конкурентоспособный зерновой терминал – энергоэффективность на первом месте

Авторы:

   Гапонюк О.И. проф., д.т.н., зав. каф. Технологического оборудования и аспирации зерновых производства ОНАПТ, ГК "Зерновая Столица".

   Гапонюк И.О., коммерческий директор ГК "Зерновая Столица".

   Зерновая отрасль Украины за последние десятилетия увеличила экспорт зерна на 77 %. В 2013/2014 он составил более 30 млн. тонн, что позволило превзойти Канаду, Бразилию, Аргентину и войти в тройку мировых экспортеров зерна. Зерновая логистика - одна из ключевых составляющих развития зернового рынка нашей страны, - предопределила строительство значительного числа морских зерновых терминалов.

   В существующей конкурентной среде основные зерновые потоки нацелены на морские терминалы высокой производительности, технологичности, надежности, безопасности с оптимальной ценой перевалки.

   Одесской национальной академией пищевых технологий совместно с ГК "Зерновая Столица" успешно проведён системный анализ всей сети технологических процессов приемки, обработки, хранения и отгрузки зерна с целью обеспечения максимального качества зерновых материалов при минимально возможных энергетических затратах. Также решены вопросы уменьшения уровня загрязнения окружающей среды и экологической безопасности.

Товарное качество зерна

   Многоплановые исследования, опыт создания основных транспортно-технологических линий позволил выявить приоритетные факторы, определяющие ухудшение качества зерновых материалопотоков. Среди важных вопросов предупреждения потерь качества зерна следует выделить его травмирование.

   Особенно актуальным является вопрос боя зерна - кукурузы.

   По данным анализа работы украинских предприятий зерновой отрасли, прирост дробления кукурузы составляет:

  • 4,0...6,5% для жёстких режимов работы транспортно-технологических линий (ТТЛ) 80х-90х годов выпуска
  • 2,0...4,0% для перевалочных элеваторов с ТТЛ, использующих современное высокопроизводительное оборудование 500-1500 т/ч

   Такая картина зачастую объясняется элементарным пренебрежением к вопросам соблюдения правил технологических процессов, среди которых следует отметить:

  • дробление зерна тяговыми органами, проблемы эффективной плотности укладки (порозности) частиц зернового потока;
  • отсутствие синхронизации скоростных режимов загрузки, выгрузки и перемещения зерновых потоков (дифференциал от 0,5 до 3), импульсный характер пиковых нагрузок тягового органа и приводных механизмов;

   По результатам наших исследований процессов дробления частиц, бой зерновок определяется скоростью взаимодействия зернового потока и преграды торможения, В связи с этим, место расположения тормозных устройств определено областью пересечения диапазона предельно допустимых скоростей транспортирования и эффективного гашения эжекционного давления (рис.1).

   Снижение прироста битых зерен в зерновой массе достигается при комплексном подходе в решении вопросов:

  • сушка зерна с оптимальной интенсивностью (не более 5 % за один проход),
  • сокращение длин транспортных маршрутов,
  • применение технических средств, снижающих скорость соударения зерна и рабочих органов транспортных устройств:
  • минимизация использования цепных конвейеров, норий ТТЛ;
  • использование гасителей предельной скорости движения зерна в самотеках и силосах;
  • мягкие скоростные режимы движения лент, цепей, ковшей;
  • оптимальная геометрия загрузочных и разгрузочных узлов норий, насыпных лотков, сбрасывающих коробок конвейеров.

   Специалистами группы предприятий Зерновая столица совместно с Одесской национальной академией пищевых технологий разработаны щадящие режимы, конструктивные параметры оборудования высокопроизводительных ТТЛ, которые рекомендованы к использованию в линиях приёмки, хранения, обработки и отгрузки зерна.

   Практический опыт применения технологических и технических решений при строительстве, реконструкции ряда морских зерновых терминалов (МЗТ) подтверждает возможность уменьшения боя зерна в 2,0-3,0 раза.

Табл. 1 Опыт выполнения мероприятий по снижению боя зерна

Энергоэффективность

   Определение приоритетов при уменьшении энергоемкости морских зерновых терминалов (оценка энергоемкости процессов, технологий и основных образцов современной техники) потребовало полномасштабного энергетического аудита ряда терминалов Одесского, Ильичевского и Николаевского морских портов. Энергетическая экспертиза выявила основные проблемы нерационального расходования энергии. По удельным энергозатратам предприятия разделились на 3 группы:

Е3- высокий уровень энергоэффективности ниже 1,5 кВт.ч/т
Е2- средний уровень энергоэффективности 1,5 - 4,5 кВт.ч/т
Е1- низкий уровень энергоэффективности больше 4,5 кВт.ч/т

   Достижение энергоэффективности класса Е3 осуществляется в 2 этапа, в рамках проектирования МЗТ и эксплуатации. Проектирование предполагает эффективные компоновочные решения, минимизацию маршрутов, количества оборудования, использование энергоэффективного оборудования и механизмов. Минимизация энергоёмкости МЗТ на этапе эксплуатации напрямую связана с качеством, эффективностью работы системы автоматизации СДАУ. Создание СДАУ требует тесного взаимодействия специалистов АСУ и технологов.

   К классу Е-3 Энергоэффективности относятся терминалы полной синхронизации технологических транспортных и обеспечивающих систем, где система автоматического управления полностью адаптирована под требования технологий приемки, транспортирования, хранения и отгрузки материалопотоков.Автоматизация МЗТ подразумевает комплекс задач:

  • полный контроль и мониторинг маршрутов движения зерна внутри элеватора;
  • синхронизация приема и отгрузки с  автомобильного, железнодорож­ного, морского или речного транспорта;
  • управление конвейерами, задвижками, перекид­ными клапанами и дистрибьюторами, гравитационного транспорта, обеспечение их режимного соответствия;
  • управление сопутствующими системами аспира­ции;
  • контроль и оперативный сбор и обработка данных о состоянии всего оборудования;
  • диагностику аварий и отклонений параметров от технологического процесса с выдачей аварий­ной сигнализации и информации о характере неисправности;
  • действия, предотвращающие не санкционированную блокировку оборудо­вания, остановку маршрутов;
  • контроль токов нагрузок двигателей, регулирование степени сыпи во избежание наступления аварий­ных ситуаций и одновременно обеспечивающее максимальную производительность транспортного оборудования
  • контроль наличия продукта в бункерах и силосах;
  • предотвращение смешивания зерновых культур;
  • отображение технологических параметров в различных логических формах;
  • ведение протоколов работы производства.

   Для сбора данных с удаленного оборудования широко применяются устройства распределенного ввода-вывода «Siemens» или «Phoenex Contact» (Германия). Там, где это оправдано, применяются устройства беспроводной связи «Phoenex Contact» и «Weidmueller». Все это позволяет уменьшить расход кабельно-проводниковой продукции до 30%.

   Связь между устройствами средств автоматизации осуществляется с широким использованием линий воло­конно-оптической связи по протоколу ProfiNet.

   Верхний уровень управления строится по струк­туре сервер - клиент и может работать в режиме горячего резерва, что позволяет повысить надежность системы.

   Архитектура новой системы построена таким образом, что отказ отдельных технических средств, не приводит к потери функции управления всем комплексом.

   Модульный принцип построения, доступный режим редактирования, использование открытых промышленных протоколов OPC, ProfiNet позволяет легко модернизиро­вать систему и, по мере необходимости добавлять в нее новые элементы, постепенно охватывая дополнительные участки производства.

Применяемое программное обе­спечение позволяет довольно быстро, просто и без больших затрат реализовать систему автоматизации. Тщательно разработанные и согласованные друг с другом компоненты системы позволяют эффективно решать задачи горизонтальной и вертикальной интеграции - от полевых установок до систем управления, визуализации и инфор­мационных технологий. Все компоненты характеризуются очень простым применением, поддержкой стандартных интерфейсов.

   Автоматизация технологического процесса элеватора осуществляется на основе аппаратно-технических программных средств ведущих европейских производителей «Siemens», «Weidmuller», «Rittal», «Eldon», «WoHner», что гарантирует высокое качество и надежность.

   Использование разработанных решений позволяет обеспечить энергоэфективность морских зерновых терминалов в пределах 1,5 – 2,5 кВТ ч/т, что соответствует уровню энергоемкости терминалов стран ЕС, США м Канады.

Надежность

   Надежность является важным параметром, который характеризуется следующими характеристиками: безотказность, долговечность, ремонтопригодность.

   Обеспечение надежности МЗТ осуществляется с одной стороны надёжностью использованного проектом оборудования, а с другой применением эффективных методов диагностики состояния транспортно-технологический линий. Выполнение второй задачи реализуется путем использования системы Smart-Elevator.

   Система Smart-Elevator создана для контроля и управления качеством технологического процесса, энергозатратами в режиме «онлайн», а также для самодиагностики технического состояния транспортно-технологической линии.Система Smart-elevator состоит из четырех уровней:

  • Контроль технического состояния наиболее ответственных узлов оборудования, полностью исключающий влияние человеческого фактора на оценку их технического состояния
  • Контроль и управление качеством процесса транспортирования. Система передаёт информацию о техническом состоянии ТТЛ и предупреждает о необходимости вмешательства обслуживающего персонала
  • Оптимизация энергозатрат в зоне целесообразных режимов функционирования при полном соблюдении технологических параметров
  • Создание требований и графика проведения регламент­ных работ по обслуживанию и ремонту оборудования, контроль выполнения регламентных работ.

   Smart-elevator состоит из набора контрольно-измери­тельных приборов и логического модуля.На первом уровне Smart-elevator проводит постоянный сбор данных о техническом состоянии основных узлов ТТЛ, а именно:

  • Состояние рабочих органов.
  • Состояние шарнирных соединений.
  • Состояние приводных механизмов.
  • Концентрация пылевоздушной смеси в корпусе оборудования и за его пределами.
  • Производительность транспортно-технологической линии.

   Применение разработанной системы позволило обеспечить стабильную надёжную работу при полном устранении аварийных ситуаций основных технологических линий. В табл. 2 приведены результаты её использования.

Табл. 2 Результаты внедрения системы самодиагностики SMART-elevator

Безопасность

   Ужесточение требований экологических служб, про­блемы взрывоопасности пылевоздушных смесей, участие украинских организаций в глобальных мировых проектах "Green construction" и "Green Buildings" предопределяют необходимость создания принципиально новых систем обеспыливания.

   Многоплановые исследования,проведенные сотрудниками ГП «Зерновая столица» причин высокой запыленности комплексов перевалки сыпучих грузов, построенных за последние десятилетия в мире,- позволили установить основные проблемы недостаточной эффек­тивности систем обеспыливания морских зерновых терминалов, среди которых особо следует отметить:

  • разнородность, значительные колебание интен­сивности источников пылевыделения (изменение объема пылевоздушной смеси и избыточного дав­ления от 2 до 5 раз);
  • отсутствие средств управления как отдельной уста­новки, так и целостной системы пылеподавления предприятия.

   Перечисленные выше проблемы устранены в рам­ках создания принципиально новой системы, нацеленной на устранение причин пылеобразования, а не следствий, - в противоположность традиционным системам аспирации. Решение задач гарантированной экологической безо­пасности, в отличие от существующих ныне подходов, осуществлено применением трех уровней экологической защиты:

  • первый уровень - подавление эжекционных источ­ников пылеобразования;
  • второй уровень - герметизация, направленная на перемещение пылевоздушных потоков в демпфер­ные укрытия, стабилизация параметров источников пылевыделения;
  • третий уровень - создание эффективных систем управления обеспыливающих установок нового образца - локально-распределенного типа.

   Применение нового типа встроенного в укрытие оборудования локальной аспирации, в отличие от существующих локальных обеспыливающих установок, импортируемых в Украину, позволяет обеспечить заданную мощность воздушных завес источников пылеобразования полного маршрута перемещения зерна, где каждый аспирационный узел воздействует не на отдельный очаг пылевыделения, а на всю их совокупность.

   Именно слаженная работа аспирационных узлов как единого механизма, разработанного для зернового терминала, решает задачу гарантированного пылеподавления. В свою очередь, существующие локальные установки современных зерновых терминалов при эффективном обеспыливании отдельных очагов пылевыделения не способны обеспечить полную экологическую защиту из-за отсутствия возможности воздействия на аэродинамически связанные группы источников пылевыделения.

   Комплекс обеспыливания зернового терминала компа­нии представляет собой SMART-систему «умных» аспирационных узлов, основанную на моделировании аэромеханики пылевоздушной среды с использованием моделей источников пылевыделения обеспыливаемых узлов.Синхронизация работы аспирационных узлов, как единого механизма позволила:

  • повысить КПД пылеподавления с 60% до 99%;
  • уменьшить энергозатраты в 1,5-3 раза;
  • устранить  залегание пыли в воздуховодах;

   К преимуществам аспирационных узлов модульного типа следует отнести равномерные, выровненные, линейные эпюры давлений в плоскости очага пылеобразования с коэф­фициентом ф=0,7-0,85, что не могут обеспечить обычные аспирационные приемники, коэффициенты выравненности эпюр которых не превышают ф 0,4. Такая ситуация напрямую определяет качество обеспыливания, надеж­ность пылеподавления.

   Результатом работы системы обеспыливания являются новые функции системы управления: грузочувствительный режим, системное ограничение распространения выбросов в окружающую среду - «экологически чистый элеватор», стабилизация параметров среды рабочих помещений предприятия по предельно допустимым нормам, система диагностики с функцией накопления и передачи данных.Данная система управления значительно упростила контроль и предупреждение сбоев, увеличила срок службы как локальных аспирационных узлов, так и обеспыливающего оборудования в целом.

Выводы

   В заключение еще раз следует отметить необходимость рационального баланса при проектировании и строительстве МЗТ следующих параметров:

  • пропускная способность технологических линий;
  • соответствие качества экспортным стандартам, мягкие режимы обработки зерна;
  • энергоэффективность на тонну зерна;
  • требования экологической безопасности, стандарты взрывозащиты;
  • надежность технологического оборудования; минимизация износа

   Оптимальный баланс вышеназванных параметров способствует сокращению срока окупаемости инвестиций и определяет реальные перспективы амбициозных планов ряда известных компаний строительства и эксплуатации морских зерновых терминалов Украины.