автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Разработка оборудования для учета расхода волокнистых суспензий в целлюлозно-бумажном производстве

На правах рукописи

ФРОЛОВ АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ УЧЕТА РАСХОДА ВОЛОКНИСТЫХ СУСПЕНЗИЙ В ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОМ

ПРОИЗВОДСТВЕ

05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 7 МАЙ 2072

Красноярск - 2012

005043651

005043651

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» на кафедрах «Машины и аппараты промышленных технологий» и «Электротехники», г. Красноярск

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Лурье Михаил Семенович

Официальные оппоненты:

Чистова Наталья Геральдовна, доктор технических наук, доцент, профессор Лесосибирского филиала Сибирского государственного технологического университета, профессор

Каверзин Сергей Викторович, доктор технических наук, профессор, Политехнический институт Сибирского федерального университета, кафедра «Технологические машины и оборудование», профессор

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»

Защита диссертации состоится «31» мая 2012 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.253.01 в Сибирском государственном технологическом университете по адресу 660049, г. Красноярск, пр. Мира,82. ауд. Ц-110. E-mail: dissovetsibgtuO 1 @mail.ru.

Отзывы (в двух экземплярах с заверенными подписями) просим направлять ученому секретарю диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Сибирского государственного технологического университета.

Автореферат разослан <^¿4» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Особенностью целлюлозно-бумажного производства (ЦБП) является значительное потребление воды, которое может достигать 150-300 м3 на тонну выпускаемой продукции.

Большие объемы в технологических потоках ЦБП циркулируют в виде холодной, горячей воды, волокнистых суспензий различной концентрации и т.д. Для регулирования всего технологического процесса производства следует использовать расходоизмерительное оборудование для учета расхода и объема данной жидкости диаметром до 800 мм.

Одним из образцов такого оборудования являются погружные вихревые кондуктометрические расходомеры (ПВР) с приемником-преобразователем вихревых колебаний (ППВК) и счетчики количества жидкости. Являясь частью технологического трубопровода, то есть оборудованием, они одновременно выполняют функцию измерения расхода воды или волокнистой суспензии. Простота изготовления и монтажа, дешевизна, высокая точность, достаточная как для технологических, так и коммерческих целей, позволяет считать данное оборудование весьма перспективным для применения в ЦБП. Такие приборы могут выпускаться на различные условные проходы, от 50 - 80 мм, вплоть до 1000 - 1500 мм. Анализу работы данного оборудования в ЦБП посвящены труды М.С. Лурье.

В данной работе рассматривалось оборудование, рассчитанное на работу в чистой воде, либо на волокнистой суспензии с концентрацией 1,52 %. Было показано, что при данных концентрациях кондуктометрические расходомеры могут одинаково успешно использоваться как для измерения расхода холодной и горячей воды, так и суспензий без каких-либо принципиальных отличий в измерительном тракте прибора. Это объяснялось тем, что относительно низкая концентрация суспензии не приводит к существенному изменению гидродинамики работы прибора и его метрологических характеристик.

Современные процессы производства различных видов бумаги все чаще используют суспензии с более высокой концентрацией волокон (3 -6 %), зависящей от стадии производства и применяемого оборудования. При данной концентрации у ПВР резко снижается достоверность измерения, что сужает область применения данного оборудования.

Таким образом, для расширения области использования данного оборудования путем повышения достоверности его показаний необходимо исследовать работу ПВР на реальных рабочих жидкостях и выработать меры конструктивного и технологического порядка допускающие использование данного оборудования в широком диапазоне концентрации волокон и других технологических параметров жидкости.

Цель работы. Разработка технологического оборудования для учета расхода волокнистых суспензий в целлюлозно-бумажном производстве с

учетом их технологических параметров: концентрация волокон; степень помола и температура.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

1 Обзор технологических процессов в целлюлозно-бумажном производстве с целью выявления использования расходоизмерительного оборудования для учета волокнистых суспензий с заданными параметрами (концентрация, степень помола, температура).

2 Проведение сравнительного анализа существующих методов испытаний погружных вихревых расходомеров для целлюлозно-бумажного производства и определение возможности разработки имитационного оборудования.

3 Разработка конструкции оборудования для имитационных испытаний кондуктометрических ПВР, которое позволит учитывать как гидродинамику работающего в трубопроводе расходомера, так и свойства реальной рабочей среды (концентрация, степень помола, температура).

4 Проведение анализа гидродинамики потока в канале обратной связи (КОС) ПВР в реальном трубопроводе и на имитационном оборудовании.

5 Разработка математической модели оборудования для учета расхода волокнистой суспензии в условиях работы на имитационной установке и создание на ее основе имитационной модели в пакете БшшИпк программы Ма11аЬ.

6 Исследование имитационной модели для оптимизации параметров испытательной установки при работе ее во всем диапазоне изменения расхода волокнистой суспензии.

7 Разработка методов формирования тестовых сигналов установки и методики технологических испытаний на ней погружных вихревых расходомеров с учетом параметров реальной технологической жидкости (концентрация, степень помола, температура).

8 Исследование работы погружного вихревого расходомера на волокнистой суспензии с различной концентрацией степенью помола и температурой.

9 Анализ способов снижения погрешности технологического оборудования для учета расхода волокнистых суспензий (погружных вихревых расходомеров).

10 Оценка экономической эффективности использования оборудования для учета расхода волокнистых суспензий.

Научная новизна работы. Разработан новый имитационный метод испытаний, позволяющий учитывать, как гидродинамику работающего в трубопроводе расходомера, так и свойства реальной технологической рабочей жидкости (волокнистой суспензии).

Выполнено исследование взаимодействия вихревой формации потока волокнистой суспензии с чувствительным элементом расходомера, ра-

ботающего совместно с испытательной установкой, с помощью численного моделирования, методом конечных элементов.

Разработана математическая и имитационная модель испытательного оборудования, позволившая провести его подробный анализ с целью оптимизации его параметров и отработки методики испытаний погружных вихревых расходомеров волокнистых суспензий.

Практическая значимость. Разработано оборудование для имитационных испытаний погружных вихревых расходомеров с возможностью применения его на волокнистых суспензиях, применяемых при производстве древесной массы, газетной бумаги и т.д.

Возможность внедрения автоматического управления расходам волокнистых суспензий в технологическом процессе производства готовой продукции.

Разработанная методика технологических испытаний погружных вихревых расходомеров на имитационном оборудовании позволит испытывать ПВР не только на реальной технологической жидкости, но и на трубопроводы различного диаметра.

Исследована достоверность измерений расхода и объема волокнистой суспензии ПВР в зависимости от параметров волокнистой суспензии (концентрация, степень помола, температура).

Объектом исследования является оборудование для измерения расхода волокнистых суспензий в целлюлозно-бумажном производстве.

Предметом исследования являются особенности гидродинамических процессов, протекающих в кондуктометрических погружных вихревых расходомерах при их работе на волокнистых суспензиях, и поиск методов для повышения достоверности их измерения.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на международных научно-практических конференциях «Наука и производство -2009» (Брянск, 2009 г.); VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых «Математическое моделирование и программное обеспечение» (Санкт-Петербург, 2009 г.); XVII Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и студентов «Инновации. Интеллект. Культура» (Тобольск, 2009 г.); «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» (Красноярск, 2009 г.) и др.

Публикации работы. По материалам диссертации опубликовано 16 (из них автора 1,735 п.л) печатных работ, из них: 4 статьи в рецензируемых журналах и 1 патент РФ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка из 131 источника. Объем работы изложен на 174 страницах машинописного текста, содержит 93 рисунка и 7 таблиц.

На защиту выносятся следующие основные положения работы:

1 Результаты исследования погрешности погружных вихревых расходомеров от параметров технологической жидкости (концентрация, степень помола, температура).

2 Обоснование полученного математического выражения, описывающего движение волокнистой суспензии в КОС расходомера, установленного в испытательной камере установки (оборудования), с учетом различных гидродинамических сопротивлений.

3 Результаты разработки конструкции оборудования для технологических испытаний с учетом имитационного моделирования.

4 Разработка методов снижения погрешности погружных вихревых расходомеров волокнистых суспензий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, цель работы и предполагаемые методы исследований.

Известно, что в целлюлозно-бумажном производстве многие технологические процессы происходят с потреблением значительного количества воды. Вода используется как в чистом виде, так и вместе с волокнами -волокнистая суспензия. Данные процессы требуют применения расходо-измерительного оборудования, способного измерять объем, как чистой и оборотной воды, так и волокнистой суспензии различной концентрации.

На рисунке 1 представлена схема производства древесной массы с использованием дефибрера и показаны необходимые узлы учета расхода технологических жидкостей.

Щепа

мельница

Бассейн под молотковой мельницей

Пресс сгуститель

10%

Дисковая

мельница

Бассейн размолотых отходов

Рисунок 1 - Структурная схема древесно-массного производства

Обзор технологических процессов показал, что в большинстве случаев для составления композиции бумаги необходимо измерять расходы древесной массы, бисульфитной волокнистой суспензии, полуцеллюлозы и оборотного брака с концентрацией от 3 до 6 % со степенью помола от 20 до 70 °ШР и температурой от 20 до 90 "С.

На рисунке 2 показана схема производства газетной бумаги, на которой обозначены точки расположения расходоизмерительных приборов.

небеленой целлюлозы; 5 - дисковая мельница; 6 - бассейн небеленой целлюлозы; 7 - буферный бассейн; 8 - сгуститель брака; 9 - бассейн сгущенного брака; 10 - гидрофайнер; 11 - бассейн размолотого брака; 12 - композиционный бассейн; 13 - машинный бассейн; 14 - бак постоянного напора; 15 - смесительный насос; 16 - узлоловитель; 17 - установки вихревых очистителей; 18 - бак отходов.

Рисунок 2 - Схема производства газетной бумаги

Заметная доля применяемого оборудования на узлах учета рассчитана на средние и большие диаметры трубопровода, что соответствует специфике ЦБП.

Для исследования и испытания ПВР существует специальное оборудование - проливные установки. Их анализ показал, что в России на диаметры трубопровода более 200 - 300 мм таких установок всего несколько десятков. При этом все существующие проливные установки работают только на чистой воде. Их использование на реальной технологической

жидкости (волокнистой суспензии с заданной концентрацией и т.д) невозможно.

Альтернативным методом испытаний на проливных установках может выступать имитационный метод. Но существующие в настоящее время имитационные установки не позволяют охватить испытаниями все узлы расходоизмерительного прибора. Поэтому необходима разработка такого имитационного оборудования, который сможет преодолеть все недостатки метода путем имитирования реальных гидродинамических явлений в расходомере во время его работы на измеряемой среде (волокнистой суспензии).

Такое имитационное оборудование нами было разработано, оно показано на рисунке 3. На его конструкцию получен патент Российской Федерации. В основе работы оборудования лежит допущение о том, что для получения электрического сигнала определенной формы и величины на выходе ГПТВК необходимо воздействовать на него перепадом давления также строго определенной формы. Если на выходе ППВК будет формироваться сигнал близкий к реально действующему сигналу в приборе на заданном расходе, то и гидродинамический режим работы прибора будет близок к реально существующему во всем диапазоне расходов и рабочих температур.

Данное оборудование представляет собой две одинаковые цилиндрические камеры 1 и 2, торцевые стенки которых представляют собой мембраны 3, 4 с жестким центром и мембраны 5, 6 без жесткого центра. Камеры могут заполнятся водой или волокнистой суспензией различной концентрации через патрубки 7 и 8. Через пробки 9, 10 из них выпускается остаточный воздух. Поперек камер устанавливаются перегородки 11, 12 в которые через уплотнения вставляются тела обтекания (ТО) образцового и испытуемого расходомера. Боковые стенки ТО с отверстиями КОС долж-

ны быть направлены параллельно перегородке. С жесткими центрами мембран 3 и 4 соединен электродинамический привод (ЭДП) 15, приводящий мембраны в колебательное движение. Привод оборудования охвачен обратной связью по выходному сигналу расходомера, через пропорционально - интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор и усилитель мощности привода.

Входным эталонным сигналом для оборудования является электрический сигнал с выхода образцового расходомера на заданном расходе, предварительно записанный на проливной установке. В силу действия цепи обратной связи, при работе оборудования на мембранах обоих камер создаются одинаковые механические колебания, параметры которых определяются эталонным сигналом. В обеих камерах на срезах КОС создаются знакопеременные перепады давления, возникают знакопеременные перетоки волокнистой суспензии через чувствительные элементы образцового и испытуемого расходомеров. Таким образом, при одинаковой геометрии камер оборудования в них протекают одинаковые гидродинамические явления. Это позволяет считать, что подавая сигналы, предварительно записанные на реальной проливной установке для различных поверяемых расходов, мы будем имитировать на оборудовании работу расходомера в условиях различных расходов волокнистой суспензии с различной концентрацией, степенью помола и т.д.

Преимуществом данного метода испытаний является более широкий охват моделируемых процессов, чем в других имитационных методах, что показано на рисунке 4.

Вихреобразо-

Расход жидкости (суспензии)

Перепад давления на

то

Переток жидкости в КОС!

Колебания

гибкого электрода

Разработанный метод испытаний

Механический метод испытаний

н

Электрический метод испытаний |—__

Изменение сопротивления межэлектродного промежутка

Преобразование в частоту выходных импульсов

Счетчик импульсов і

Рисунок 4 - Структурная схема процессов, протекающих в погружном вихревом расходомере с телом обтекания

Принцип измерения расхода жидкости в погружном вихревом расходомере основан на том, что частота вихреобразования / в широком диапазоне чисел Рейнольдса (1000 - 100000) пропорциональна скорости движения потока в области вихреобразования. Под действием возникающего перепада давлений АР на ТО вследствие вихреобразования формируется знакопеременный переток суспензии в КОС ТО. Он преобразуется в электрический сигнал ППВК, меняющийся с частотой следования вихрей.

Величина перепада давления в зависимости от частоты вихреобразования / для ТО аппроксимируется выражением

АР = 13,12/2 sin7,1 (2^). (1)

При установке расходомера в трубопровод жидкость в КОС движется под действием перепада давлений, образованного вихревой формацией. На имитационном оборудовании она движется под действием перепада давлений, искусственно созданных перемещением мембранных стенок камеры. Характер движения жидкости в КОС в этих двух случаях может несколько отличаться. Исследования этих случаев проводились с использованием численного моделирования с помощью программы Сотзо1 МиШрЬуБкБ 3.5. На рисунке 5 в качестве примера изображены результаты расчета поля скоростей в КОС вихревого расходомера, установленного в реальном трубопроводе и на оборудовании. В качестве рабочей жидкости были выбраны параметры волокнистой суспензии концентрацией 3 %.

I Ограничивающие струи

0.1 0.105 0.11 0.115 0.12 0.125

Р'Ц! I. 1-Г ^"П

а б

Рисунок 5 - Результаты расчета поля скоростей в КОС при минимальном расходе (Уср= 0,1 м/с): на трубопроводе (а); на оборудовании (б)

При расчете учитывалось, что на боковую стенку камеры (мембрану) действует перепад давления АР, согласно (1).

Поскольку сечение камеры больше сечения КОС, то скорости потока в камере будут значительно меньше скоростей потока в КОС. Поэтому на

рисунке 5 б показана область в окрестности КОС с гибким электродом (чувствительным элементом).

Сравнение результатов моделирования показывает, что симметричность силы, действующей на гибкий электрод (рисунок 5 б), устраняет паразитные колебания последнего вокруг продольной оси и улучшает условия работы прибора при испытаниях его на оборудовании, по отношению к реальным условиям на трубопроводе (рисунок 5 а). Таким образом, условия работы прибора на испытательном оборудовании оказываются лучше, чем в реальном трубопроводе. Возникает проблема несоответствия поля скоростей жидкости в камере и реальном трубопроводе.

Путь решения данной проблемы нашелся в использовании специальной профилированной вставки, которая устанавливается в КОС на время испытания. На рисунке 6 изображено поле скоростей суспензии (концентрацией 3 %) в камере оборудования с профилированной вставкой.

Рисунок б - Гидродинамика в камере оборудования с профилированной вставкой

Данная вставка обеспечивает несимметрию обтекания гибкого электрода ППВК. Ее геометрия подобрана так, что условия работы прибора на оборудовании и в реальном трубопроводе становятся одинаковыми.

Для описания движения волокнистой суспензии в камерах имитационного оборудования был использован «метод контрольного объема», который позволил получить уравнение для средней скорости движения жидкости в КОС Укос. При этом в качестве контрольного объема можно взять объем в КОС.

= . др _ рт _ 2р ) =

сИ аитк аитк V

у2 к Л (2)

~^8п(Укос)^СУМ- 2-й- Укос ■ Л , г ьк

где /<У - силы сопротивления движению волокнистой суспензии, Н; р - плотность волокнистой суспензии, кг/м3;

аи - корректирующий коэффициент, учитывающий, что скорость потока изменяется по сечению. Для ламинарного течения аи = 1,33, а для турбулентного аи= 1,33 - 1,04;

тк - масса жидкости в контрольном объеме, кг;

5кос - площадь поперечного сечения КОС, м2;

Ссум - суммарный коэффициент гидродинамического сопротивления КОС;

/(г) - зависимость перепада давления АР от времени.

Силу Р-р можно определить потерями напора, действующими при движении суспензии по каналу обратной связи, которые складываются из:

а) АРвх - потери давления на входе в канал обратной связи вследствие сжатия струи жидкости;

б) АРвых - потери напора на выходе из канала из-за расширения струи жидкости;

в) АРст - потери напора на трение о стенки канала;

г) ДРэл - потери напора при обтекании потоком жидкости подвижного электрода ППВК;

д) АРвс - потери напора на обтекании профилированной вставки.

Функция позволяет учитывать, что направление сил

гидродинамического сопротивления жидкости всегда противоположно направлению скорости потока.

На оборудовании перепад давления создается с помощью ЭДП. При этом, за счет перетекания суспензии через КОС из одной половины камеры в другую объем жидкости в ней увеличивается, что вызывает натяжение мембраны второй половины камеры, а, соответственно сопротивление потоку жидкости возрастает. Поэтому нужно учесть в выражении (2) силу сопротивления мембран. Поскольку в конструкции камеры две мембраны, сила их сопротивления движению электропривода Г\,{, будет

2-Рм=2-Км-1тр = 2-^-\Укос -Л, (3)

где К м - коэффициент жесткости мембраны, Н/м2;

1пер - путь перемещения центра мембраны, м; - площадь поперечного сечения камеры, м2.

Для уточнения значения коэффициента Ссум > нами было проведено его экспериментальное исследование на волокнистой суспензии (небеленая бисульфитная целлюлоза) с концентрацией от 1,5 до 6 %. В результате исследования была получена экспериментальная зависимость Ссум = с учетом АРвс для КОС с установленным в нем ППВК.

Исследование показало, что гидравлическое сопротивление потока волокнистой суспензии несколько ниже, чем гидравлическое сопротивление чистой воды, в особенности при малых числах Рейнольдса.

Для уточнения данных по величине коэффициента сопротивления гибкого электрода - Сх, а, следовательно и корректировке значения С СУМ было исследован коэффициент Сх на рабочей среде, т.е. волокнистой суспензии с заданной концентрацией.

Результаты исследования коэффициента Сх показаны на рисунке 7.

100

-Вода

- Волокнистая суспензия 1,5 %

• Волокнистая суспензия 3 %

- Волокнистая суспензия 6 %

100 1000 Число Рейнольдса

10000

Рисунок 7 - Зависимость коэффициента гидродинамического сопротивления гибкого электрода от числа Рейнольдса

Из графика, изображенного на рисунке 7, видно, что на малых числах Рейнольдса коэффициент Сх для волокнистой суспензии меньше, чем для чистой воды. При этом следует учесть, что и в данном случае поток суспензии является достаточно диспергированным. При дальнейшем снижении скорости движения потока суспензии в КОС поток становится структурированным, и гидравлические потери растут.

Для выбора наиболее оптимальных конструктивных параметров установки, выяснения особенностей ее работы в различных режимах и отработки методики испытаний была создана ее имитационная модель. В ней учтены соотношения (2) и (3), полученные для математической модели.

Согласно структурной схеме процессов в оборудовании (рисунки 3, 4), модель одной камеры оборудования для имитационных испытаний без регулятора, с установленным в ней расходомером, должна состоять из следующих блоков (рисунок 8):

- блок электродинамического привода (ЭДП);

- блок камеры испытательного оборудования;

- блок кондуктометрического ПГТВК;

- электронный блок.

иш

ЭДП Блок камеры испытательного оборудования н Блок ППВК N Электронный блок

щ I Укос=/(ф { т )

V' V

ивш(1)

Рисунок 8 - Общая блок-схема модели имитационного оборудования

Входной величиной модели является напряжение, которое подается на ЭДП, Uwit)- На выходе модели формируется переменное напряжение Ueblx(t), снимаемое с расходомера.

Выходной величиной блока ЭДП должна быть сила F(t), действующая на мембраны соответствующего блока камеры испытательного оборудования.

В блоке камеры испытательного оборудования будет происходить преобразования силы F(t) в давление на срезе КОС испытываемого расходомера, согласно выражению (2). Выходным параметром данного блока будет скорость знакопеременного перетока жидкости в КОС - Укос=/({)-

Скорость Vkoc является входным параметром блока ППВК. Под действием потока, движущегося с этой данной скоростью, будет производиться отклонение гибкого электрода ППВК Y(t), которое является выходной величиной блока ППВК.

В свою очередь величина отклонения гибкого электрода 7(f) является входной величиной для электронного блока. Выходной величиной электронного блока будет напряжение, снимаемое с датчика.

Для сокращения времени и средств на разработку оборудования, а также для оптимизации его параметров разработана имитационная модель в среде Simulink программы Matlab. Имитационная модель испытательного оборудования была создана по выражению (2).

Модели камер и расходомеров, полученные в работе, представляют собой полные имитационные модели, которые учитывают все физические особенности и конструкцию данных устройств. Для снижения вычислительной нагрузки моделирования, они были подвергнуты линеаризации. Это дало возможность показать эти модели в виде передаточных функций (рисунок 9).

РЮ Controller

F(t) V_KOS V_KOS U<0

Kamera_LINEARlZE_ 1 Flowrneter_ 1

F(t) V_KOS V_KQS U(t)

KaiTi8ra_UNeAR!2E_2

Flowmeters?

In1 Oull

CPU Counter

im Outl С Ik Up Cnt

Ш2

Рисунок 9 - Полная имитационная модель испытательного оборудования

Модель имеет входные и выходные величины и параметры, соответствующие реально существующим величинам, для сопоставления между собой результатов моделирования и испытаний разработанного на их основе оборудования.

Модель состоит из следующих блоков:

- блоков камер оборудования, моделирующих процессы протекания жидкости (волокнистой суспензии) через КОС расходомеров под действием знакопеременного перепада давлений. Их два - Kamera_LINEARIZE_1 и Kamera JJNEARIZE_2;

- блока электропривода EDP, моделирующего электродинамический привод, создающий знакопеременную силу на мембранах камеры;

- блоков испытуемых расходомеров, моделирующих работу погружных вихревых кондуктометрических расходомеров Flowmeter_1 И Flow-mete^;

- блока ПИД-регулятора, моделирующего пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор в цепи обратной связи оборудования PID Controller;

- блока входного тестового сигнала, моделирующего аналого-цифровой преобразователь, задающий управляющий сигнал оборудования, Signal;

- блоков CPU, CPU1, Counter, Counter"!, Display и Display"!, предназначенных для съема, обработки и анализа моделируемых параметров.

Входной величиной модели является расход жидкости Q, который задается соответствующим тестовым сигналом. На его выходе импульсы с некоторым удельным весом. Произведение количества импульсов за время испытания на их удельный вес равно объему суспензии, измеренному прибором.

Для тестирования и верификации модели была исследована ее реакция на заданный эталонный сигнал. Сравнивались спектральные показатели сигнала на входе и выходе модели. Пример осциллограммы входного и выходного сигналов приведен на рисунке 10.

Время, с

Рисунок 10 - Осциллограмма сравнения эталонного сигнала с выходным сигналом установки

Данные моделирования показывают, что динамическая погрешность

оборудования не превышает 0,5 % во всех режимах работы.

Для формирования испытательных (эталонных) сигналов предложены два пути.

Первый путь это запись сигнала с аналогового выхода расходомера, на различных расходах установленного на проливной установке. Достоинством данного метода является абсолютное соответствие испытательного сигнала реальным условиям эксплуатации расходомера и получение сигнала, несущего индивидуальные особенности работы конкретной проливной установки.

Второй путь заключается в анализе спектра реальных сигналов, записанных на работающих установках, и синтезе на данной основе искусственных испытательных сигналов. Данный путь является более перспективным потому, что при анализе сигнала можно сразу устранить различные наводки, выбросы, импульсные помехи. Кроме того, можно синтезировать такие сигналы, которые в принципе не могут быть получены на проливной установке. Это соответствует работе расходомеров в составе дозаторов, системах автоматического регулирования, в условиях переменных расходов, в трубопроводах, снабженных клапанной запорной арматурой и т.д.

В работе предложена методика испытаний погружных вихревых расходомеров на разработанном оборудовании, которая заключается в сравнении данных, накопленных счетчиками Counter и Counterl.

Общий вид разработанного оборудования представлен на рисунке 11. Оборудование предназначено для испытаний погружных вихревых расходомеров диаметром от 80 до 1200 мм с диапазоном расходов 1-25600 м3/ч. Габаритные размеры оборудования 1330x200x620 мм. Потребляемая мощность 600 Вт.

"Обр Що,вйї£ ракходомер

ИДДМтЯЯй;

расходомер

Электродинамически^ « ч&ц j

Станина

Рисунок 11 - Общий вид испытательного оборудования

Для снижения усилий, развиваемых электродинамическим приводом, камера имеет минимальный диаметр, достаточный лишь для воздействия на рабочий участок прибора (ТО). Камера оборудования представляет собой цилиндр диаметром 46 мм с межкамерной перегородкой, в которой расположено отверстие для ТО расходомера. Межкамерная перегородка снабжена сверху и снизу фланцами для того, чтобы можно было устанавливать приборы любого типоразмера. В качестве рабочих стенок камер применены не мембраны, а сильфоны, поскольку при малом диаметре камер мембрана должна иметь большое перемещение. В конструкции применены сильфоны марки РВ-М-Ф4, выполненные из фторопласта.

Камеры оборудования снабжены патрубками для залива и слива технологической жидкости и термометрами.

В виду малости объема камеры нагревательные элементы в ней не установлены, а испытание прибора на повышенных температурах обеспечиваются заливом жидкости требуемой температуры.

В результате испытаний ПВР на разработанном оборудовании получены следующие зависимости: погрешности ПВР в зависимости от скорости течения суспензии (расхода) различной концентрации (рисунок 12); погрешность ПВР от степени помола и концентрации суспензии (рисунок 13); погрешность ПВР от температуры для различных концентраций (рисунок 14). В качестве исследуемых жидкостей использовались: бисуль-фитная небеленая целлюлоза - полуфабрикат ООО «Енисейский ЦБК» и вода. Концентрация волокнистой суспензии изменялась от 1,5 до 6 %.

(С?мин) (Опер)

Скорость V, м/с

(^-расход (С>ном) (С>макс)

Рисунок 12 - Зависимость погрешности ПВР от расхода и концентрации суспензии при степени помола 20° (при 1=20 СС)

На рисунке 12 видно, что наибольшая погрешность ПВР на минимальном расходе (Омин)- Минимальный расход является определяющим всего диапазона измерения, поэтому в дальнейшем исследуем зависимости погрешности на этом расходе.

12 10,59 7,5-

4,5 3 1,5 0 -

20 40 60

Степень помола, °ШР

с=1,5 %-ш— с= з %—т— с=6 %

80

Рисунок 13 - Зависимость погрешность ПВР от концентрации суспензии со степенью помола 20°-70° ШР (при 1=20 °С)

Из рисунка 13 видно, что степень помола волокна мало влияет на погрешность ПВР, это обуславливается тем, что при повышении градуса помола вязкость суспензии несколько снижается. Существенное влияние на результат измерения оказывает концентрация. Такое влияние связано с попаданием флокул в измерительный канал ПВР.

Из рисунка 14 видно, что повышение температуры суспензии с 20 до 90 °С приводит к снижению погрешности в 4 раза во всем диапазоне исследуемых концентраций. Данное яв-

3 4 5 6 7 ление связанно с тем, Концентрация, % что £ ростом температу_

Рисунок 14 - Погрешность ПВР в зависимости от Ры ВЯЗКОСТЬ суспензии

температуры и концентрации суспензии со степенью уменьшается, помола 70 °ШР

При работе прибора на волокнистой суспензии с повышенной концентрацией наблюдается существенная неравномерность погрешности в зависимости от расхода (см. рисунок 12). Резкое увеличение погрешности на малых расходах объясняется, по-видимому, некоторым снижением коэффициента гидравлического сопротивления гибкого электрода контактно-кондуктометрического преобразователя. В области малых расходов, на границе чувствительности прибора, даже небольшое снижение данного коэффициента, обуславливающего силовое воздействие потока жидкости на электрод, приводит к значительному возрастанию погрешности. Это приводит к появлению отрицательной по знаку погрешности, что хорошо видно на графике.

К = К011 + -

(4)

Поскольку вариация погрешности превышает допустимый диапазон (-2 % до 2 %), то устранить ее изменением общего коэффициента деления в измерительном тракте прибора невозможно. Для коррекции данной погрешности предложены: метод непрерывного изменения коэффициента деления и метод ступенчатой аппроксимации.

Принцип коррекции показаний прибора основан на изменении коэффициента деления частоты в измерительном тракте прибора в соответствии с выражением

ш 100

где Ко - коэффициент деления на минимальном расходе равный 64;

А (2) - зависимость погрешности преобразователя от расхода, причем погрешность выражена в процентах.

Достоинством данного вида коррекции является возможность выпускать приборы повышенной точности.

Недостатком данного способа является неудобство, вызванное перепрограммированием микропроцессора по результатам испытаний и удвоенными затратами средств и времени на испытания прибора.

В простейшем случае значение функции Д(<2) может оставаться постоянным на каждом из нескольких участков, т.е. осуществляться ступенчатая аппроксимация данной функции. Тогда для сокращения количества участков следует выбирать их в зависимости от величины допустимой погрешности (рисунок 15).

Ось погрешностей разбивается на участки величиной 2 А (где А - допускаемая погрешность аппроксимации). Точки пересечения заданной кривой и этих участков дадут координаты точек на оси расходов ()тЫ, а, £)2,

• • • > О-тах '

а, е,

(Утах

~ а

Экспериментальная кривая погрешности

~ Аппроксимация кривой

Рисунок 15 - Ступенчатая аппроксимация кривой погрешности

Средние значения погрешности на каждом из участков будут значениями аппроксимирующей ступенчатой функции А], Д2, ..., Д3.

При использовании метода ступенчатой коррекции нельзя довести погрешность до нулевого значения. Но в целом, при выборе достаточного числа ступеней, погрешность измерений снижается до заданных пределов.

При этом на рабочем участке шкалы расходов она не превышает 0,8 %, что с запасом удовлетворяет требованиям технических условий.

Рассчитан экономический эффект для ООО «Енисейский ЦБК», который складывается из возможной экономии сырья при внедрении расхо-дометрического оборудования и снижения затрат на метрологическое обеспечение на производстве составляющий более 11 млн. рублей в год.

Выводы

1 Разработано оборудование для испытаний погружных вихревых расходомеров, позволяющее испытывать приборы, рассчитанные на условный диаметр от 80 - 1200 мм на волокнистой суспензии с концентрацией до 6 % любой степени помола и температурой до 95 °С. Конструкция данной установки подтверждена патентом РФ.

2 Выявлено, что расходоизмерительное оборудование, применяемое в различных технологических процессах ЦБП, должно проектироваться на волокнистую суспензию концентрацией 3 - 6 % со степенью помола от 20 - 70 °ШР и температурой 20-90 °С.

3 Сравнительный анализ гидродинамики канала обратной связи вихревого расходомера в реальном трубопроводе и на испытательном оборудовании показал несимметричность скоростей потока в зазоре между гибким электродом и стенками канала обратной связи, достигающий 10 % по сравнению с реальным трубопроводом. Данное обстоятельство приводит к искажению выходного сигнала расходомера. Предложено вводить в канал обратной связи расходомера при его испытаниях на оборудовании специальную профилированную вставку, исключающую искажение выходного сигнала.

4 Выполнено теоретическое и экспериментальное исследование работы погружного вихревого расходомера, на основе которого разработана математическая модель оборудования.

5 Разработана имитационная модель оборудования на основе созданной математической модели в программе БтиПпк пакета МаЙаЬ, позволившая оптимизировать ее параметры и исследовать работу в режимах, соответствующих скоростям движения жидкости от 0,1 до 4 м/с. Данная модель включает в себя испытательные камеры, канал обратной связи с установленным в нем приемником-преобразователем вихревых колебаний, электропривод и систему управления. Произведена оценка погрешности работы разработанного испытательного оборудования, которая составляет 0,5 %.

6 Предложены 2 метода формирования испытательных сигналов для разработанного оборудования. Сравнительный их анализ показал преимущество использования синтезированного сигнала на основе спектрального анализа сигналов, полученных на реальных проливных установках.

7 Разработана методика испытаний погружных вихревых расходомеров на предложенном оборудовании.

8 Экспериментальное исследование работы расходомеров на волокнистых суспензиях показало, что наибольшая погрешность работы наблюдается на минимальном расходе и в большой степени зависит от концентрации волокна в суспензии, доходя до 10 - 12 % при концентрации 6%. Степень помола волокна слабо влияет на достоверность показаний ПВР. Увеличение степени помола с 20 до 70 °ШР приводит к снижению погрешности измерения ПВР до 10% в зависимости от концентрации. Повышение температуры суспензии от 20 до 90 °С в виду уменьшении вязкости суспензии приводит к снижению погрешности в 4 раза.

9 Разработанное оборудование и методика работы на нем внедрены в НКПО «ИНТРАС», что подтверждается актом о внедрении.

10 Экономический эффект от внедрения разработанного оборудования на ООО «Енисейский ЦБК» составит более 11 млн. рублей в год.

Основные научные результаты, содержащиеся в диссертации, изложены в следующих работах:

1 Лурье, М. С. Оборудование для технологических испытаний погружных вихревых расходомеров и счетчиков волокнистых суспензий / М. С. Лурье, А. С. Фролов // Целлюлоза. Бумага. Картон. - 2009. - №7. - С. 62-65, автора - 0,09 п.л.

2 Лурье, М. С. Имитационные испытания расходомеров сточных вод для целлюлозно-бумажной промышленности / М. С. Лурье, А. С. Фролов // ЭКиП: Экология и промышленность России. - 2010. - № 3. - С. 9-12, автора - 0,09 п.л.

3 Лурье, М. С. Технологические испытания и поверка погружных вихревых расходомеров для целлюлозно-бумажного производства / М. С. Лурье, Ю. С. Баранов, А. С. Фролов // Датчики и системы. — 2010. — №6. - С. 42 - 45, автора - 0,06 п.л.

4 Лурье, М. С. Повышение безопасности испытаний погружных вихревых расходомеров в целлюлозно-бумажной промышленности / М. С. Лурье, О. М. Лурье, А. С. Фролов // Безопасность труда в промышленности. -2010. - №11. - С. 18 - 21, автора - 0,06 п.л.

5 Пат. № 2379636 Российская Федерация. МПК G 01 F 25/00. Имитационный стенд для поверки вихревых водосчетчиков / М. С. Лурье, С. М. Плотников, Д. А. Ланкин, А. С. Фролов; заявитель и патентообладатель Сибир. госуд. технолог, ун-т. - заявка 2008137439/28; заявл. 18.09.2008; опубл. 20.01.2010, Бюл. № 2. - 7 с., автора - 0,109 п.л.

6 Лурье, М. С. Возможность имитационной поверки вихревых расходомеров / М. С. Лурье, А. С. Фролов // Наука и производство - 2009: материалы междунар. науч.-практ. конф- Брянск: БГТУ, 2009. - 4.2. -С. 247 - 248, автора - 0,03 п.л.

7 Фролов, А. С. Моделирование беспроливной поверки вихревых расходомеров для целлюлозно-бумажной промышленности / А. С. Фролов // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: сб. ст. Всерос. на-уч.-практ. конф. - Красноярск: СибГТУ, 2009. - Т.2. - С. 405 - 410, автора -0,31 п.л.

8 Лурье, М. С. Гидродинамические явления в камере установки для имитационных испытаний погружных вихревых расходомеров / М. С. Лурье, А. С. Фролов // Автоматизация, мехатроника, информационные технологии: материалы первой научно-технической Интернет-конф. молодых ученых. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. - С. 59 - 62, автора - 0,09 п.л.

9 Фролов, A.C. Первичная и периодическая поверка погружных вихревых расходомеров целлюлозно-бумажной промышленности / A.C. Фролов, М.С. Лурье // Материалы X Окр. конф. молодых ученых «Наука и инновации XXI века». Т.1. - Сургут: ИЦ СурГУ, 2010. - С. 61-62, автора - 0,03 п.л.

10 Лурье, М.С. Повешение безопасности поверки вихревых расходомеров для химико-технологических процессов / М.С. Лурье, A.C. Фролов // Материалы Международной научно-практической конференции «Современные проблемы безопасности жизнедеятельности: опыт, проблемы, поиски решения». 4.1 - Казань: ГУ «Научный центр безопасности жизнедеятельности детей», 2010. - С. 901-906, автора - 0,156 п.л.

11 Фролов, А. С. Установка для испытаний и поверки расходомеров волокнистых суспензий / А. С. Фролов // Инновации. Интеллект. Культура: материалы XVII Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых и студентов. -Тюмень: Изд-во «Нефтегазовый университет», 2009. - С. 36 - 38, автора -0,125 п.л.

12 Лурье, М. С. Повышение эффективности испытаний вихревых расходомеров волокнистых суспензий для технологических процессов целлюлозно-бумажной промышленности / М. С. Лурье, А. С. Фролов // Инновационные технологии: производство, экономика, образование: материалы Всерос. науч-практ. конф. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2009. - С. 277 - 280, автора - 0,09 п.л.

13 Лурье, М. С. Вихревые погружные расходомеры для автоматизации технологических процессов целлюлозно-бумажной промышленности / М. С. Лурье, А. С. Фролов // Инновационные технологии: производство, экономика, образование: материалы всерос. науч-практ. конф. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2009. - С. 312 - 315, автора - 0,09 п.л.

14 Фролов, А. С. Испытания и поверка погружных вихревых расходомеров волокнистых суспензий / А. С. Фролов // Приоритетные направления современной Российской науки: материалы Всерос. науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов. - Рязань: Ряз. Гос. ун-т им. С. А. Есенина, 2009. - С. 372 - 376,, автора - 0,25 п.л.

15 Фролов, A.C. Динамические погрешности стенда для имитационной поверки вихревых расходомеров технологических жидкостей ЦБП / A.C. Фролов, М.С. Лурье // Материалы X Окр. конф. молодых ученых «Наука и инновации XXI века». Т.1. - Сургут: ИЦ СурГУ, 2010. - С. 60-61, автора - 0,03 п.л.

16 Фролов, А. С. Анализ динамических погрешностей установки для технологических испытаний расходомеров волокнистых суспензий / А. С. Фролов // Вестник ТИИ: сб. науч. ст. № 2. - Тюмень: ИЦ ТюмГНГУ, 2010. - С. 63 - 65, автора - 0,125 п.л.

Подписано в печать 25.04.2012. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,0. Изд. №2/4. Заказ № 1456. Тираж 120 экз.

Редакционно-издатсльский центр СибГТУ 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82 факс (391) 211-97-25, тел. (391) 227-69-91

61 12-5/3667

Сибирский государственный технологический университет

РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ УЧЕТА РАСХОДА ВОЛОКНИСТЫХ СУСПЕНЗИЙ В ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОМ

ПРОИЗВОДСТВЕ

05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

Диссертация

на соискание учёной степени кандидата технических наук

На правах рукописи

ФРОЛОВ АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧ

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Лурье Михаил Семенович

Красноярск - 2012

Оглавление

Введение....................................................................................................................

Глава 1 Анализ применения расходоизмерительного оборудования в технологических процессах целлюлозно-бумажного производства, цели и задачи исследования..............................................................................................

1.1 Технологические схемы и жидкости, применяемые в целлюлозно-бумажной промышленности.............................................................8

1.2 Гидродинамические явления при течении волокнистых суспензий в технологических трубопроводах.........................................................................14

1.3 Вихревые расходомеры для измерения волокнистых суспензий.....18

1.4 Метрологическое обеспечение и испытания вихревых расходомеров для ЦБП..................................................................................................................22

1.4.1 Обзор существующих проливных установок..................................23

1.4.2 Имитационный метод испытаний.....................................................26

1.5 Применение моделирования при разработке и исследовании испытательного оборудования.............................................................................32

1.6 Выводы...................................................................................................34

1.7 Цели и задачи исследования................................................................35

Глава 2 Теоретические основы работы погружных вихревых расходомеров целлюлозно-бумажного производства...................................37

2.1 Процесс генерации перепада давления на теле обтекания вихревого расходомера............................................................................................................40

2.2 Гидродинамика канала обратной связи вихревого расходомера на испытательном оборудовании..............................................................................45

2.3 Движение жидкости в канале обратной связи вихревого расходомера, установленного в камере оборудования......................................59

2.4 Исследования взаимодействия потока волокнистой суспензии с чувствительным элементом приемника-преобразователя вихревых колебанийбЗ

2.5 Исследования работы электрического тракта вихревого расходомера............................................................................................................72

2.5.1 Проводимость потока воды и волокнистой суспензии целлюлозно-бумажного производства......................................................................................72

2.5.2 Межэлектродная проводимость контактно-кондуктометрического приемника-преобразователя вихревых колебаний............................................74

2.5.3 Схема электронного блока погружного вихревого расходомера.. 77

2.6 Создание перепада давления на ТО вихревого расходомера...........85

2.7 Выводы...................................................................................................90

Глава 3 Математическое моделирование оборудования для технологических испытаний погружных вихревых расходомеров..........92

3.1 Модель электродинамического привода оборудования для имитационных испытаний погружных вихревых расходомеров.....................94

3.2 Модель камеры испытательного оборудования.................................96

3.3 Модель блока контактно-кондуктометрического приемника-преобразователя вихревых колебаний и электронного блока..........................97

3.4 Полная математическая имитационная модель оборудования......101

3.5 Формирование испытательных сигналов..........................................105

3.5.1 Формирование испытательного сигнала на проливной установкеЮб

3.5.2 Формирование синтезированного испытательного сигнала........109

3.6 Моделирование процесса испытаний вихревых расходомеров для ЦБП.......................................................................................................................113

3.7 Выводы.................................................................................................114

Глава 4 Разработка оборудования для технологических испытаний расходомеров ЦБП.............................................................................................116

4.1 Описание и характеристики разработанного оборудования..........116

4.2 Методика проведения испытаний и оценка их результатов...........118

4.3 Способы снижения погрешностей измерений расхода волокнистых суспензий..............................................................................................................127

4.4 Оценка экономической эффективности от внедрения разработанного оборудования............................................................................132

4.4.1 Оценка стоимости испытаний имитационным методом..............135

4.5 Выводы.................................................................................................140

Заключение .........................................................................................................141

Библиографический список............................................................................143

Приложение А Имитационные модели оборудования.........................156

Приложение Б Акт о внедрении разработанного оборудования...........171

Приложение В Прайс тарифов на проведение поверки.............................172

Введение

Актуальность темы. Вода в целлюлозно-бумажной промышленности, наряду с целлюлозным волокном и энергией, является одним из важнейших природных ресурсов, используемых при производстве. Доля ее стоимости является существенной в себестоимости конечного продукта производства.

Сокращения расхода воды добиваются в ее многократном использовании на технологические и энергетические нужды путем создания замкнутых систем водоснабжения. При этом необходимо решить комплекс проблем, включающий создание замкнутых технологических систем водопользования, совершенствование сточных систем, обработку и утилизацию осадков [1]. Разработка и принятие мер по сокращению водопотребления не может быть реализована без должного контроля над расходованием воды.

В решении данной проблемы необходимо создавать автоматические системы контроля и управления технологическими процессами, одной из функций которых является учет потребления воды и волокнистой суспензии с целью управления и повышения качества выпускаемой продукции целлюлозно-бумажного производства.

Элементом таких автоматических систем являются датчики расхода (расходомеры) и количества жидкости (водосчетчики) [2, 3, 4]. На сегодняшнее время разработано большое количество расходометрического оборудования для промышленных нужд, но не все оно подходит для измерения расхода технологической жидкости, применяемой в целлюлозно-бумажном производстве (ЦБП).

Одним из образцов такого оборудования являются погружные вихревые расходомеры (ПВР) и счетчики количества жидкости. Являясь частью технологического трубопровода, они одновременно выполняют функцию измерения расхода воды или волокнистой суспензии. Простота изготовления и монтажа, дешевизна, высокая точность, достаточная как для технологических, так и коммерческих целей, позволяет считать данное оборудование весьма перепек-

тивным для применения в целлюлозно-бумажной промышленности. Такие приборы могут выпускаться на различные условные проходы, от 50 - 80 мм, вплоть до 1000 - 1500 мм. Анализу работы данного оборудования посвящены работы М.С Лурье и др.

В данной работе рассматривалось оборудование, рассчитанное на работу в чистой воде, либо на волокнистой суспензии с концентрацией 1,5-2 %. Было показано, что при данных концентрациях кондуктометрические расходомеры могут одинаково успешно использоваться как для измерения расхода холодной и горячей воды, так и суспензий без каких-либо принципиальных отличий в измерительном тракте прибора. Это объяснялось тем, что относительно низкая концентрация суспензии не приводит к существенному изменению гидродинамики работы прибора и его метрологических характеристик.

Современные процессы производства различных видов бумаги все чаще используют суспензии с более высокой концентрацией волокон (3-6 %) с целью снижения расхода свежей воды на тонну вырабатываемой продукции и т.д. При данной концентрации у ПВР резко снижается достоверность измерения, что сужает область применения данного оборудования.

Таким образом, для расширения области использования данного оборудования путем повышения достоверности его показаний необходимо исследовать работы ПВР на реальных рабочих жидкостях и выработать меры конструктивного и технологического порядка, допускающие использование данного оборудования в широком диапазоне концентрации волокон и других технологических параметров жидкости.

Поэтому целью настоящей работы является разработка технологического оборудования для учета расхода волокнистых суспензий в целлюлозно-бумажном производстве с учетом их технологических параметров: концентрация волокон; степень помола и температура.

Научная новизна работы. Разработан новый имитационный метод испытаний позволяющий учитывать, как гидродинамику работающего в трубо-

проводе расходомера, так и свойства реальной технологической рабочей жидкости (волокнистой суспензии).

Выполнено исследование взаимодействия вихревой формации потока волокнистой суспензии, с чувствительным элементом расходомера, работающего совместно с испытательной установкой с помощью численного моделирования, методом конечных элементов.

Разработана математическая и имитационная модель испытательного оборудования, позволившая провести его подробный анализ с целью оптимизации его параметров и отработки методики испытаний погружных вихревых расходомеров волокнистых суспензий.

Предполагаемые методы исследования

Теоретические методы, основанные на составлении и решении дифференциальных уравнений, описывающих работу узлов оборудования с учетом концентрации волокнистой суспензии; статистические методы обработки результатов экспериментов; методы цифровой обработки сигнала, в частности, исследование спектральных характеристик сигналов; имитационное моделирование на основе пакетов компьютерной математики.

Экспериментальные методы исследования работы ПВР на специально разработанном оборудовании, имитирующем воздействие на его элементы со стороны волокнистой суспензии, протекающей в гидравлическом канале, и сравнение полученных данных с результатами работы расходомера на проливной установке.

Глава 1 Анализ применения расходоизмерительного оборудования в технологических процессах целлюлозно-бумажного производства, цели и задачи исследования

1.1 Технологические схемы и жидкости, применяемые в целлюлозно-бумажной промышленности

В технологических процессах целлюлозно-бумажного производства, а также при производстве электроэнергии, пара и на других нуждах вода используется как в жидком, так и в газообразном виде [5].

Распространенными способами производства целлюлозы в настоящее время являются сульфатный, сульфитный и бисульфитный. Эти способы основаны на варке древесной щепы с варочным щелоком при повышенных температурах и давлении [6, 7, 8]. При данных способах получения целлюлозы производятся следующие операции: приготовление древесины и сульфатной кислоты, варка в котле древесной щепы с кислотой, промывка и очистка целлюлозной массы, облагораживание и отбелка целлюлозы, обезвоживание и сушка целлюлозы. Во всех перечисленных операциях используются большие объемы воды, которые должны подвергаться учету.

При производстве целлюлозы на российских ЦБК удельное потребление свежей воды составляет от 100 - 300 м на тонну воздушно-сухой целлюлозы, а объем сточных вод обычно ниже на 10 - 15 %. При этом расход воды мало зависит от вида производства, поскольку величины этих показателей, к сожалению, усредняются за счет многих субъективных факторов, которые на нормально работающих предприятиях отсутствуют или не существенны [9].

Потребление воды на ряде предприятий [1, 10] зависит от используемого оборудования в цехе, принятой схемы очистки стоков и породы потребляемой древесины [1]. Только на подготовку древесины к производству целлюлозы в древесно-подготовительных цехах (ДПЦ) требуется 15% общего расхода воды

по предприятию. Удельные расходы воды по предприятию составляют 3-15 м3 на 1м3, поступающей на переработку древесины.

При сульфитном производстве целлюлозу получают из древесной щепы с использованием в качестве варочного реагента кислого бисульфита кальция, натрия, аммония или магния при температуре 125-150°С [6, 7]. Сваренная целлюлоза вымывается или выдувается в специальные резервуары - сцежи, где

о

промывается свежей водой с расходом 40 м /т. В последние годы вместо сцеж промывку осуществляют на вакуум-фильтрах с расходом воды 9-15 м3/т. После промывки целлюлозу сортируют с расходом свежей воды до 90 м3/т, либо отливают и сушат на пресспате (расход свежей воды 40 м /т), либо направляют на переработку в бумагу или картон [6]. Общее потребление воды в отделе сортирования, включая уплотнительную и спрысковую воду, доходит до 150 м3/т и более.

Современное крупное предприятие, производящее целлюлозно-бумажную продукцию, представляет собой большой и сложный комплекс, включающий целлюлозный, древесно-массные заводы, бумажные или картонные фабрики, а также энергетические установки, систему водоснабжения с сооружениями водоподготовки и очистки сточных вод.

В таблице 1.1 приведены отраслевые среднегодовые укрупненные нормы расхода воды на единицу продукции [11].

Таблица 1.1- Отраслевые нормы водопотребления

Наименование и способ производства Среднегодовой расход воды на 1 т. продукции, м3 Среднегодовое количество выпускаемых в водоемы сточных вод на 1 т. 3 продукции,м

Производство товарной белой де-фибрерной древесной массы 265 19,3

Продолжение таблицы 1.1

Производство сульфатной небеленой товарной целлюлозы 425 122,71

Производство сульфитной небеленой товарной целлюлозы 350 123,21

Производство газетной бумаги 215 77

Производство писчей и типографской бумаги 305 43,75

Производства бумаги - основы для гофрирования 285 28,75

Представленные значения норм дают относительное понятие о диапазоне расходов воды в отрасли, так как предприятия в последние годы провели значительную работу по их сокращению путем замены устаревшего оборудования и рационализации систем водопользования при реконструкции технологических систем [12]. Благодаря этому ежегодно снижается потребление свежей воды в отрасли на 3-5 %, а степень оборотного водоснабжения достигает 65 %, хотя на картонно-бумажных предприятиях он выше. Имеются предприятия, где коэффициент оборачиваемости достигает 86 %. Также сокращение объемов воды уменьшается путем локальной очистки сточных вод с повторным использованием их в технологическом цикле [13].

Удельный расход свежей воды является совокупным расходом воды как на основные производственные (для приготовления волокнистых суспензий), так и на вспомогательные нужды, необходимые для выпуска какого-либо вида продукции.

Рассмотрим подробнее технологические процессы в целлюлозно-бумажном производстве. В качестве примера на рисунке 1.1 представлена

схема процесса получения древесной массы для печатных видов бумаги с использованием дефибрера [14].

Рисунок 1.1- Структурная схема древесно-массного производства

На представленной схеме показаны важнейшие узлы при производстве древесной массы. На данной схеме показана концентрация волокна, а также показаны узлы учета свежей, оборотной воды и древесной массы (волокнистая суспензия). Установка приборов учета ведется согласно регламенту, по которому следует измерять не только расход спрысковой воды, но и получаемой древесной массы [15, 16].

В качестве примера выработки массовых видов бумаги приведем схему производства газетной бумаги на ООО «Енисейский ЦБК» [17], показанную на рисунке 1.2. На данном рисунке указано нахождение расходомеров, фиксирующих объем волокнистых масс с заданной концентрацией и степенью помо-

ла, а также красителей, поступающих для составления композиции будущей бумаги.

Древесная

1,2- бассейн древесной массы; 3 - составитель композиции; 4 - приемный бассейн небеленой целлюлозы; 5 - дисковая мельница; 6 - бассейн небеленой целлюлозы; 7 - буферный бассейн; 8 - сгуститель брака; 9 - бассейн сгущенного брака; 10 - гидрофайнер; 11 - бассейн размолотого брака; 12 - композиционный бассейн; 13 - машинный бассейн; 14 - бак постоянного напора; 15 - смесительный насос; 16 - узлоловитель; 17 - установки вихревых очистителей; 18 - бак отходов.

Рисунок 1.2 - Схема производства газетной бумаги

Схема получения бумаги для гофрирования представлена на рисунке 1.3. На данной схеме также показаны расходомеры, фиксирующие объем концентрированных волокнистых суспензий со степенью помола согласно технологическому регламенту [18].

При производстве аналогичных видов продукции на предприятиях, использующих иное оборудование или технологические схемы, концентрация волокнистых суспензий, подлежащих учету, может достигать 5-6 %.

с=3,0 %

1 - буферный бассейн массы; 2 - приемный бассей�