機械蒸汽再壓縮系統(tǒng)的性能分析

趙遠揚，劉廣彬，李連生，楊啟超，王 樂，唐 斌，肖 軍

1 前言

機械蒸汽再壓縮（MVR）系統(tǒng)是一種基于循環(huán)工質(zhì)自身熱量回收的熱力系統(tǒng)，可用于蒸發(fā)、精餾、提純和濃縮等多種工藝過程。

近年來，隨著我國環(huán)保壓力的逐漸增加，各種廢水處理技術(shù)被開發(fā)并逐漸推廣應(yīng)用，如基于化學(xué)原理的各種污水處理技術(shù)、基于膜技術(shù)的超濾、納濾、反滲透等技術(shù)。MVR系統(tǒng)作為基于物理蒸發(fā)過程的水處理方法，在高含鹽廢水的處理過程中具有技術(shù)優(yōu)勢，可用于油田污水脫鹽系統(tǒng)等工業(yè)污水處理過程［1］。MVR系統(tǒng)也可用于制鹽工業(yè)［2］、堿回收系統(tǒng)［3］和海水淡化系統(tǒng)［4，5］等。

同時，MVR系統(tǒng)作為一種節(jié)能蒸發(fā)裝置，與傳統(tǒng)多效蒸發(fā)系統(tǒng)比較，其節(jié)能效果顯著。近年作為多效蒸發(fā)系統(tǒng)的替代技術(shù)被逐步應(yīng)用。文獻［6］研究表明在氨基酸溶液蒸發(fā)濃縮生產(chǎn)過程中，MVR蒸發(fā)技術(shù)比傳統(tǒng)的三效蒸發(fā)技術(shù)每年可節(jié)省85.7%的標準煤。

MVR作為一種兼具環(huán)保和節(jié)能的技術(shù)，正逐漸被重視并應(yīng)用于我國廢水處理、物料濃縮結(jié)晶、低溫干燥等多個應(yīng)用領(lǐng)域。本文從MVR基本原理出發(fā)，介紹系統(tǒng)構(gòu)成及其熱力過程，研究系統(tǒng)各主要參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，分析MVR系統(tǒng)設(shè)計時運行參數(shù)確定、機型選擇和工藝優(yōu)化等。

2 系統(tǒng)構(gòu)成及熱力學(xué)原理

MVR系統(tǒng)的基本熱力過程如圖1所示。MVR系統(tǒng)不是一個完整的熱力循環(huán)，但其基本過程與制冷循環(huán)（即逆向卡諾循環(huán)）類似，特別是與蒸汽壓縮式制冷循環(huán)相似。圖1（a）給出了MVR的基本熱力過程，其中0-1過程與制冷循環(huán)中蒸發(fā)器的熱力過程相同，1-2過程與制冷循環(huán)中壓縮機的熱力過程相同，2-3過程與制冷循環(huán)中冷凝器的熱力過程相同。與制冷循環(huán)相比，MVR系統(tǒng)中缺少了3-0的降壓過程。

圖1 MVR系統(tǒng)基本熱力過程

MVR的系統(tǒng)構(gòu)成也與制冷循環(huán)類似，圖1（b）給出了系統(tǒng)的基本構(gòu)成。原料液首先進入蒸發(fā)器的蒸發(fā)側(cè)吸收來自冷凝側(cè)的熱量Q進行蒸發(fā)，蒸發(fā)后剩余的濃縮液排出系統(tǒng)。蒸發(fā)出的二次蒸汽經(jīng)壓縮機輸入功W壓縮后，蒸汽壓力升高（即氣體的飽和溫度升高）。然后，高壓蒸汽進入蒸發(fā)器的冷凝側(cè)進行放熱冷凝，冷凝后的潔凈水排出系統(tǒng)。冷凝側(cè)和蒸發(fā)側(cè)的傳熱溫差由壓縮機提供的壓差（即飽和溫度提高）提供。系統(tǒng)換熱溫差（即壓縮機提供壓比）根據(jù)具體物料特性和系統(tǒng)配置綜合確定，通常工業(yè)應(yīng)用為5～10 ℃。

在實際的MVR系統(tǒng)中，系統(tǒng)運行溫度往往高于原料液溫度，為了降低系統(tǒng)能耗，通常在系統(tǒng)中配置預(yù)熱器，利用高溫潔凈水對原料液進行加熱。即在預(yù)熱器中完成圖2中的3-4和5-0過程。

圖2 實際MVR系統(tǒng)熱力過程

由于原料液中鹽等其他物質(zhì)的存在，其沸點往往高于純水的沸點，因此壓縮機入口蒸汽往往是過熱蒸汽，其過熱度與原料的種類、濃度等參數(shù)相關(guān)。

在壓縮機的入口噴水，可使壓縮機吸氣接近飽和狀態(tài)，在降低壓縮機的功耗的同時，也可以降低壓縮機的排氣溫度，從而降低進入冷凝側(cè)蒸汽的過熱度，降低蒸發(fā)器負荷。對于容積式壓縮機，如羅茨機、螺桿機，可在壓縮機入口適當加大噴水量，使壓縮機排氣接近飽和狀態(tài)，即在壓縮機入口氣體完成圖2中的1-1*過程，壓縮機中完成1*-2*過程。如果采用離心壓縮機，為了保證壓縮機的可靠性，需控制噴水量，使壓縮機進氣接近飽和蒸汽（1-1′）。由于噴水量的減小會導(dǎo)致壓縮機排氣過熱度加大，此時可以采用在壓縮機排氣中進行噴水，使進入蒸發(fā)器的蒸汽接近飽和，避免蒸發(fā)器內(nèi)的非相變換熱，降低換熱面積。

利用熱力學(xué)理論，根據(jù)上述分析，可知各個過程的計算方程。

壓縮機的功耗：

預(yù)熱器的熱負荷：

蒸發(fā)器冷凝側(cè)放熱量：

蒸發(fā)器蒸發(fā)側(cè)吸熱量：

如果利用冷卻后4點狀態(tài)（圖2）的潔凈水進行噴水，則1-1*過程的噴水量為：

如果利用冷卻后4點狀態(tài)（圖2）的潔凈水進行噴水冷卻，則2-2*過程的噴水量為：

雖然MVR系統(tǒng)的熱力過程不是閉式循環(huán)，但可借用制冷循環(huán)的理論定義MVR的能效水平，引入性能系數(shù)COP。由于MVR的核心用途是將原料液蒸發(fā)，因此COP可簡單定義為原料液蒸發(fā)吸收的熱量與壓縮機耗功之比，即：

通常蒸發(fā)器兩側(cè)的熱量能夠維持熱量平衡。在冷凝熱小于吸熱量時，可通過從外界補充少量蒸汽的辦法維持系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

圖3為典型的MVR系統(tǒng)工藝流程。

圖3 MVR典型工藝流程

3 系統(tǒng)運行特性分析

實際MVR系統(tǒng)運行性能受到很多參數(shù)的影響，如系統(tǒng)運行溫度、原料液的沸點升高值、換熱溫差等。為了深入了解各參數(shù)對MVR系統(tǒng)性能及配置的影響，確定系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)選取原則，以下針對各主要參數(shù)進行分析。

3.1 蒸發(fā)溫度（運行溫度）的影響

理論上MVR系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度可任意設(shè)定，該溫度與原料液溫度沒有直接關(guān)系。但運行溫度的大小影響著系統(tǒng)的能量平衡、容積配置、控制方式等，因此在確定蒸發(fā)溫度時需綜合考慮各方面的因素，目前工業(yè)領(lǐng)域針對水蒸發(fā)的MVR系統(tǒng)常用的運行范圍為70～120℃左右。

蒸發(fā)溫度的選擇對系統(tǒng)設(shè)計具有重要影響：

（1）隨著蒸發(fā)溫度的升高，系統(tǒng)向外界的漏熱量逐步增大，因此當選擇溫度較高時，為了維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行，需要向MVR系統(tǒng)額外輸入的熱量增大。

（2）由于蒸汽的密度與其壓力和溫度密切相關(guān)，壓縮機吸氣壓力與蒸發(fā)溫度對應(yīng)，因此隨著蒸發(fā)溫度的上升，蒸發(fā)壓力上升，蒸汽密度增大，壓縮機的容積流量減小。因此，蒸發(fā)溫度對壓縮機選型具有很大影響。

（3）蒸發(fā)溫度的大小對系統(tǒng)控制方式的影響。針對水蒸發(fā)系統(tǒng)，當蒸發(fā)溫度低于100℃（即系統(tǒng)運行壓力低于常壓）時，需在系統(tǒng)中配置真空泵，通過排出系統(tǒng)中的不凝性氣體；當蒸發(fā)溫度高于100℃時，由于系統(tǒng)壓力高于大氣壓，可通過調(diào)節(jié)閥控制不凝性氣體的排出。此外，負壓運行會使外界空氣漏入系統(tǒng)，但針對熱敏性物料（如維生素），負壓低溫蒸發(fā)有利于保證其產(chǎn)品質(zhì)量。

圖4示出不同蒸發(fā)溫度時壓縮機的入口容積流量（1000 kg/h蒸發(fā)量，沸點升高值為3℃）。

圖4 蒸發(fā)溫度對壓縮機吸氣容積流量的影響

從圖可以看出，當蒸發(fā)溫度從70℃上升到150℃，蒸汽體積流量大幅下降，從84.8 m3/min降低到6.6 m3/min，體積流量減小到原來的8%。體積流量直接影響到所有蒸汽相關(guān)設(shè)備的選型，如壓縮機、蒸汽管道、蒸汽閥門等。從壓縮機角度考慮，系統(tǒng)水處理量較大時宜選用高蒸發(fā)溫度，這樣可以大幅降低壓縮機的體積流量，降低壓縮機費用，同時給壓縮機設(shè)計帶來很多有利條件。當系統(tǒng)水處理量較小且需要的換熱溫差較大時，宜采用較低的蒸發(fā)溫度，這樣更有利于離心壓縮機設(shè)計，否則需要進行小流量高壓比的壓縮機設(shè)計，從而增加壓縮機設(shè)計制造難度，降低壓縮機效率。

圖5是不同蒸發(fā)溫度下溶液相變蒸發(fā)過程的熱負荷（1000 kg/h蒸發(fā)量），從圖可以看出，在較寬的蒸發(fā)范圍內(nèi)，該熱負荷的變化不大。如果考慮過冷液體的溫升，則該熱負荷變化更小。由此可見，蒸發(fā)溫度對換熱器的影響較小。

圖5 蒸發(fā)溫度對蒸發(fā)器熱負荷的影響

圖6 為蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)COP和壓縮機功耗的影響（壓縮機提供的飽和溫升10℃，1000 kg/h蒸發(fā)量，壓縮過程為等熵壓縮過程）。從圖可以看出，隨著系統(tǒng)蒸發(fā)溫度的上升，達到相同的飽和溫升所需的壓縮機功耗逐漸降低，系統(tǒng)COP逐漸增大。當蒸發(fā)溫度從70℃上升到140℃時，壓縮機理論功耗從19.3 kW下降到14.5 kW，下降幅度為24.9%。

圖6 蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)COP及壓縮機功耗的影響

3.2 沸點升高值及換熱溫差的影響

沸點變化是溶液的固有屬性，其變化值隨溶液成分、濃度等參數(shù)變化。針對MVR系統(tǒng)，壓縮機提供的溫差（吸排氣壓力對應(yīng)的水蒸氣飽和溫度差，即飽和溫升）等于由于沸點升高值與蒸發(fā)器有效換熱溫差之和。如針對氯化鈉溶液，因此溶液沸點升高現(xiàn)象的存在會導(dǎo)致系統(tǒng)運行能耗的增加。圖7為在100 ℃蒸發(fā)1000 kg/h水時，有效換熱溫差5 ℃時，隨著沸點升高值增大時壓縮機功耗的變化規(guī)律。

圖7 沸點升高的影響

有效換熱溫差對系統(tǒng)能耗也具有較大影響。圖8為不同換熱溫差時在100℃蒸發(fā)1000 kg/h水時的壓縮機功耗（沸點升高值為3 ℃）。從圖可以看出，壓縮機功耗與有效換熱溫差之間的關(guān)系與沸點升高值類似，都是線性增大關(guān)系。因此系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)盡量減小有效換熱溫差，以便達較小系統(tǒng)運行費用。

圖8 有效換熱溫差對壓縮機功耗的影響

3.3 噴水的影響

噴水可以降低壓縮機的壓縮功耗，同時可以減小蒸發(fā)器蒸汽側(cè)入口氣體的過熱度，從而減小蒸發(fā)器換熱面積。因此，在溶液沸點升高較大或有效換熱溫差較高時，建議在系統(tǒng)設(shè)計時考慮噴水方案。

針對容積式壓縮機，如羅茨、螺桿等結(jié)構(gòu)型式的壓縮機，由于該類結(jié)構(gòu)壓縮機對濕壓縮不敏感，并且噴水還可以降低壓縮機的泄漏率，提高壓縮機的效率，因此建議針對該類壓縮機的噴水量按壓縮機出口蒸汽為飽和蒸汽設(shè)計計算。

針對高速離心式壓縮機，由于其對濕壓縮較敏感，如果大量噴水會造成壓縮機葉輪損害，影響其可靠性，因此需對壓縮機入口噴水量嚴格控制。噴水方案可采用在壓縮機的入口和出口分別噴水，從而達到蒸發(fā)器入口蒸汽飽和的目的。

圖9為不同飽和溫升時，使蒸發(fā)器入口蒸汽達到飽和態(tài)時的噴水量（系統(tǒng)處理量1000 kg/h，100 ℃蒸發(fā)，壓縮過程為等熵壓縮）。從圖可以看出，隨著飽和溫升的增加，理論噴水量線性增加。針對容積式壓縮機，實際噴水量可以此為參考值進一步加大噴水量。針對高速離心壓縮機，由于其入口蒸汽是過熱蒸汽，可在壓縮機入口適當噴入部分水，使壓縮機在飽和點附近吸氣，其它水量可以在蒸汽壓縮后噴入。需要指出的是，離心壓縮機入口噴水還可對葉輪進行清洗，有助于葉輪上結(jié)垢的清除。

圖9 不同飽和溫升下噴水量的變化

3.4 其他

（1）壓縮機選型。壓縮機是機械蒸汽再壓縮系統(tǒng)的核心部件之一，常用于MVR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式有離心壓縮機、羅茨風(fēng)機和螺桿壓縮機等。

離心壓縮機適合于大流量場合，當處理量小且飽和溫升較高時，會給離心壓縮機的設(shè)計制造帶來較大難度。因此建議5000 kg/h以上處理量的系統(tǒng)采用離心壓縮機，處理量較小而溫升較大時若選用離心壓縮機，則可適當降低系統(tǒng)蒸發(fā)溫度，以提高壓縮機的體積流量。

羅茨風(fēng)機和螺桿壓縮機都屬于容積式壓縮機，其體積流量可從1～1200 m3/min，可提供很高的飽和溫升。由于工作原理與離心壓縮機完全不同，大流量下的螺桿/羅茨機的體積很大，設(shè)計制造成本較高，因此它們適合處理量較小、飽和溫升較高的場合。此外，螺桿壓縮機的效率和噪聲優(yōu)于羅茨風(fēng)機，但其技術(shù)難度和制造成本較高。

（2）換熱器選型。常用于MVR系統(tǒng)的換熱器有強制循環(huán)蒸發(fā)器、升膜蒸發(fā)器和降膜式蒸發(fā)器等。其中降膜式蒸發(fā)器又可分為管內(nèi)豎管降膜和管外水平管降膜。降膜式蒸發(fā)器適用于粘性低、不易結(jié)垢和析出的物料，強制循環(huán)蒸發(fā)器適用于粘性高、易結(jié)垢物料。此外，選用強制循環(huán)蒸發(fā)器的MVR系統(tǒng)運行能耗較高。

（3）運行維護。MVR系統(tǒng)運行過程中應(yīng)考慮離心壓縮機的安全運行工況。同時需監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)垢情況和分離器的分離效果，對于易結(jié)垢物料應(yīng)采用預(yù)處理、晶種法和加阻垢劑等阻垢工藝和設(shè)備清洗工藝。

4 試驗研究

針對MVR系統(tǒng)在煤化工廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用，研發(fā)了1000 kg/h MVR系統(tǒng)并進行了試驗研究。該系統(tǒng)采用離心式壓縮機和管內(nèi)豎管降膜蒸發(fā)器，配備離心壓縮機狀態(tài)監(jiān)測與防喘振系統(tǒng)、MVR系統(tǒng)在線自動調(diào)控系統(tǒng)和遠程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)在不同工況下進行了試驗研究，部分試驗研究結(jié)果如表1所示。

表1 煤化工廢水MVR系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

機械蒸汽再壓縮系統(tǒng)可用于節(jié)能環(huán)保等多個應(yīng)用領(lǐng)域。本文分析了MVR系統(tǒng)的熱力過程和主要參數(shù)對性能的影響。結(jié)果表明，蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)蒸發(fā)器熱負荷影響較小，但隨著蒸發(fā)溫度的升高，蒸汽的體積流量大幅降低，壓縮機功耗有所下降，系統(tǒng)能效小幅上升；沸點升高值和換熱溫差的升高會使系統(tǒng)能耗線性增大；噴水有助于降低系統(tǒng)能耗和換熱器面積，文中給出了不同飽和溫升下的理論噴水量；離心壓縮機適合溫升小、處理量大的應(yīng)用場合，容積式壓縮機（螺桿、羅茨）適合于溫升高、處理量小的應(yīng)用場合。

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