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煮糖自动化系统的开发及实施

发布时间:2008/04/02        作者:林兴盛        发表刊物:
 

 

煮糖是制糖企业生产工艺过程中关键的一环,国内一直以来都是依靠人工经验进行手动操作,人为因素对白砂糖的质量影响十分明显,相同条件下不同熟练程度的操作人员所煮出来糖的质量亦有差别;其次由于煮糖水平的差异,常常不能实现以较低的能耗获得较高的煮糖效率及最好的白砂糖质量。再加上国内传统设计制造的结晶罐内无强制循环装置,罐内糖膏循环不良导致煮糖时间长,能耗高,成品糖色值增加。
国外的大多数糖厂已普遍采用自动化煮糖多年,技术成熟可靠。煮糖自动化系统通过对影响煮糖各参数的曲线优化和控制,达到节约能耗,减少劳动力,降低生产成本,提高效率,提高白砂糖的产量和质量目的,有效地提升了企业的核心竞争力。
煮糖自动化系统的基本原理是总结糖的结晶过程原理、建立数学模型,根据经验预先设置好煮糖相关参数的工艺曲线,根据各相关参数采集点反馈回来的信息按设定曲线自动调节相关物料,自动控制强制循环装置、液位、真空度、蒸汽压力、和糖浆锤度等,以达到结晶颗粒均匀可控,以较低的能耗获得较高的煮糖效率及白砂糖质量的效果。
国内糖厂未能实现煮糖自动化的原因是多方面的,比如资金、员工素质、技术及设备供应商的售后服务水平等原因,其中很重要的原因是关键技术的不完全掌握。实施煮糖自动化系统需要解决的关键技术有:
1、结晶罐内物料浓度充分均匀,以保证所测点的数据能真实表征物料状态。
2、采集信号的检测仪器仪表要安装在恰当位置,并准确、可靠、耐用。
3、要有一个人机对话友好,可实现开环与闭环控制、实现整个煮糖过程手动和自动无干扰切换、成熟可靠的控制软件。
广西机械工业研究院从90年代末就一直关注于广西制糖业的发展,并致力于为制糖企业提供新技术和新装备,近年来尤其关注自动化煮糖领域,20062007年分别到英国、南非、美国考察煮糖自动化系统。并于2007/2008榨季在广西华盛集团廖平糖厂实施自动化煮糖项目,成功的解决了以上关键技术。
一、关于结晶罐强制循环系统
传统的结晶罐没有强制循环装置,其内部糖膏的循环是由温度差提供动力的自然循环型式。自然循环型式传热速度低,从而导致糖膏结晶时晶粒大小不均匀、色泽深、结晶率低、结晶时间长;罐内各处物料浓度不均匀。为了解决上述问题,可在罐内加装强制循环装置。用机械搅拌方式来推动糖膏,使其在结晶罐中得到良好的循环,从而提高晶粒质量和生产率。
下图为广西机械工业研究院吸收英国技术开发出的“滤宝”牌结晶罐强制循环装置结构示意图。 
 
该装置有以下优点:
(1)运转平稳,密封良好,无真空泄露,罐内的糖膏循环良好,浓度均匀,保证锤度计测出的数值有代表性。
(2)该装置采用顶部安装形式,有利于底部加装自动化煮糖检测及控制元器件。
(3)、该装置采用电机加皮带加减速机的安装形势,有效的降低了整个装置的安装高度,尤其适用于厂房高度偏低的糖厂。因为大部分糖厂厂房都是旧厂房,设计时没有考虑到加装强制循环罐的高度。安装高度的降低意味着重心低,运转稳定,电机容易维护。
(4)、皮带传动可有效避免过负荷产生电机烧毁事故。皮带经过精确计算超过额定负荷时会打滑保护。
(5)、经过严格计算并参考国外同类设备设计双速搅拌,在开始糖膏稀时开高速循环有利于加快换热,使晶粒均匀并节省煮糖时间,糖膏浓时开低速减少晶粒磨损。
(6)、本装置底部增加了一个辅助支点,有效增加长轴运行的稳定性。
(7)、特有的安装技术及密封技术确保一年内免维护。
(8)、桨叶经过动平衡校验,保证转动的平稳性。
(9)、经过有限元分析设计的桨叶,角度充分优化,产生最大的轴向推力利于对流换热,产生最小的周向旋转力避免产生紊流(乱流),避免循环受阻,避免糖的晶粒磨损,减少功率消耗。。
(10)、通过监测强制循环装置的电流给自动化系统提供一个信号,判断罐内糖膏是否已达到放糖锤度而执行后续放糖操作。此功能可达到放糖双保险作用,特别在锤度计失灵时提供另一重保护。(系统主要是通过锤度信号来判断是否结束煮制并放糖)。
该装置已有二十余套在广西云南等多家糖厂使用,最长的达三个榨季,效果优良,质量稳定。
二、关于自动控制系统
1、测量仪器仪表及阀门
所有的硬件产品如液位计、真空计、压力计等我们均采用西门子品牌,锤度的检测仪表还采用德国先进的锤度计,产品性能稳定可靠。(该锤度计通过发射信号穿过糖膏,根据信号的衰减度来在线测量糖膏锤度,可有效消除结垢对其精度的影响)阀门大部分选用进口全气动自动调节阀和开关阀,安全可靠。其中蒸汽阀、真空阀、热水阀、物料阀选用气动自动调节阀。糖浆阀、甲洗阀、种子阀、真空解除阀、放糖阀、气洗阀采用气动开关阀。
2、PLC控制柜
PLC控制柜提供完整的煮糖自动化控制系统及操作面板。系统预留有相关的数据接口,可方便加入过程自动控制方案或者企业的DCS系统当中。操作面板采用西门子的SIMATIC MULTI PANEL,界面友好,操作简单直观。一个PLC柜最多可同时控制三个结晶罐。在廖平糖厂采用一个PLC柜控制两个55立方结晶罐。
3、控制软件采用广西机械工业研究院技术合作伙伴西门子的NAHMAT煮糖自动化软件,该软件经过数十年煮糖经验基础上总结而来,已在全球成功应用了一千多个结晶罐。该软件在本项目的实施表明它是先进、成熟和可靠的。系统提供方便快捷的人机界面,可以通过操作面板轻松对所有阀门和仪器仪表进行操作和设置,可以在手动和自动模式下进行无扰动切换,系统界面直观易操作,普通的操作人员经过简单培训即可熟练的使用。

煮糖自动化系统示意图

 
   
系统操作主画面图
上述系统在广西机械工业研究院和西门子相关工程技术人员的通力合作并在该厂的大力配合下,完成了施工、安装、调试和操作人员培训。于2008年元月初投入运行至今,系统运行稳定正常,取得良好的煮糖效果。
三、        测试与分析
为了客观的反映自动化煮糖与手动煮糖的差异,二月底我们连续进行了一周的跟踪采样对比测试。
1、测试工况
廖平糖厂是一家中型糖厂,近年来投入大量资金采用新工艺及新设备,在整个生产线上采用了许多先进设备,如无滤布真空吸滤机、滤汁快速沉降器、糖浆上浮器、BROADBENT全自动变频调速离心机等。
由于廖平糖厂2007/2008榨季只扩建了制炼部分到5000吨/日,压榨及动力部分要到下榨季才进行,本榨季未进行技改,能力为3500吨/日,但该厂本榨季甘蔗量多,甘蔗受冻灾影响大,因此从二月起每日下达任务量为4000吨。因此该厂锅炉超负荷运行,但供汽不足,蒸汽压力不稳,故煮糖多用一效汽煮糖。
2、测试条件
在两个同样装有自动化系统的55立方的甲糖罐测试。1#罐采用全自动煮糖,系统控制煮糖全过程。2#罐用手动控制并在整个煮糖过程中停开强制循环装置。由该厂生产科下达对比测试通知,煮糖岗位工操作,化验室进行各项常规化验。
3、测试数据
煮糖自动化系统对比测试(一)
时间:2008年2月23日

项目
用汽级别
成品编号
成品糖色值
成品糖颗粒度
开煮时间
结束时间
煮糖耗时
甲原纯度
甲原锤度
糖浆锤度
甲膏锤度
1#自动
一效
1258
147
89.6
8:40
11:10
2:30
69.78
84.30
64.08
96.78
2#手动
一效
1260
171
75.8
14:00
17:10
3:10
68.28
81.78
59.12
95.46

煮糖自动化系统对比测试(二)
时间:2008年2月24日

项目
用汽级别
成品编号
成品糖色值
成品糖颗粒度
开煮时间
结束时间
煮糖耗时
甲原纯度
甲原锤度
糖浆锤度
甲膏锤度
1#自动
一效
1269
135
79.2
6:30
9:20
2:50
66.87
81
60.6
93.68
2#手动
一效
1272
147
76
12:00
15:00
3:00
69.79
79.98
56.96
94.56

煮糖自动化系统对比测试(三)
时间:2008年2月24日

项目
用汽级别
成品编号
成品糖色值
成品糖颗粒度
开煮时间
结束时间
煮糖耗时
甲原纯度
甲原锤度
糖浆锤度
甲膏锤度
1#自动
二效
1278
131
91.8
20:10
24:20
4:10
68.68
81.66
58.84
96.02
2#手动
二效
1282
143
86.6
1:40
7:50
6:10
68.74
81
58.72
95.88

煮糖自动化系统对比测试(四)
时间:2008年2月25日

项目
用汽级别
成品编号
成品糖色值
成品糖颗粒度
开煮时间
结束时间
煮糖耗时
甲原纯度
甲原锤度
糖浆锤度
甲膏锤度
1#自动
一效
1288
150
78
16:30
19:20
2:50
64.56
82.24
57.64
95.46
2#手动
一效
1291
150
92.6
19:40
23:40
4:00
67.12
82.08
55.32
96.06

4、数据分析
从以上四组数据可计算出以下结果:
用一效气三组平均省时: (190+180+240)-(150+170+170)〕/3=40(分钟)
用一效气三组平均省时率:
〔(190+180+240)-(150+170+170)〕/(190+180+240)x100%=19.67%
 
用二效气省时:370-250=120(分钟)
用二效气省时率:120/370x100%=32.43%
自动煮糖甲原四组平均纯度:(69.78+66.87+68.68+64.56)/4=67.47(AP)
手动煮糖甲原四组平均纯度:(68.28+69.79+68.74+67.12)/4=68.48(AP)
手动和自动甲原平均纯度差:68.48-67.47=1.01(AP)
自动煮糖平均色值:(147+135+131+150)/4=140.75(IU)
手动煮糖平均色值:(171+147+143+150)/4=152.75(IU)
自动比手动色值降低值:152.75-140.75=12(IU)
自动比手动色值降低率:12/152.75x100%=7.86%
从以上数据可以看出, 用一效气煮糖自动化能平均省时40分钟,省时率19.67%,二效气煮糖自动化能平均省时120分钟,省时率32.43%;平均甲原纯度差为1.01;自动比手动色值降低值为12,自动比手动色值降低率为7.86%。
为了进一步考证自动化煮糖对色值的影响,我们抽取了连续的15个编号手动和自动煮糖的色值进行对比,算出平均值,如下表:

自动煮糖
编号
1248
1249
1251
1254
1258
1264
1268
1269
1275
1278
成品糖色值
135
134
158
150
147
186
141
135
150
131
编号
1279
1283
1286
1287
1288
平均值
成品糖色值
150
134
143
147
150
146.07
手动煮糖
编号
1250
1252
1253
1255
1256
1257
1259
1260
1261
1262
成品糖色值
158
137
135
150
148
150
168
171
204
136
编号
1263
1265
1266
1267
1270
平均值
成品糖色值
146
158
197
133
139
155.33

平均色值降低率:(155.33-146.07)/155.33x100%=5.96%
自动煮糖有如此良好的对比效果主要原因为:
(1)充分的搅拌提高了热传递速度,缩短了煮糖时间,因此蒸汽用量减少,节能效果显著,晶体在罐内停留时间缩短,从而减少了煮糖过程产生的色素。
(2)自动控制使得锤度-液位曲线按设定平稳上升,保证了糖的结晶在一个良好稳定的环境中,吸收好,基本不需加水整理,母液中的糖分被吸收多使得甲原纯度降低;而
 
人工操作则会出现较大幅度波动,经常加水整理,浪费蒸汽,甲原纯度高。
(3)自动控制大大减少了操作人员的劳动强度,不需操作人员经常抽拉取样棒和控制阀门,免除操作人员水平参差对煮糖的影响。
四、结论:
综上所述,自动化煮糖具有以下显著的特点:
1、能缩短煮糖时间20–30 %,即节能20–30 %
2、提高糖的品质(色值稳定、颗粒均匀);
3、糖结晶体和糖浆混合物质量的提高,改善了离心机的运行;
4、减少工人劳动强度。操作极其简便,经过简单培训的操作人员即可操作;
5、可在煮糖过程中任何时候切换为手工操作进行人工手动干预,可应变突发事件,确保糖厂生产安全。
该系统在糖厂的推广使用将给企业带来良好的经济效益和社会效益,广西机械工业研究院雄厚的技术力量及优良的技术服务队伍将会给予糖厂坚实的技术支持。

 

 

 

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