Конкурентоспособный зерновой терминал – энергоэффективность на первом месте

2015-12-2 13:09:00

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 SMARTelevator


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.