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,2006和2007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。