基于引射流技術(shù)與壓縮閃蒸汽的節(jié)能裝置

孫秀光，馮貴墨，趙 旭，張華慶

（中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七0三研究所，黑龍江哈爾濱 150078）

1 概述

工廠生產(chǎn)過(guò)程中生產(chǎn)裝備在使用飽和蒸汽加熱溶媒或物料后，蒸汽換熱后相變?yōu)轱柡屠淠?，飽和冷凝水?jīng)疏水裝置排入凝結(jié)水系統(tǒng)管路時(shí)由于飽和冷凝水壓力釋放到近大氣壓力值，冷凝管路系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生大量閃蒸汽。

閃蒸汽依舊含有很高的熱焓值，冷凝水壓力、溫度越高，凝結(jié)水具有熱能就越多。隨著能源日益緊張，國(guó)家、企業(yè)對(duì)節(jié)能減排要求更加嚴(yán)格，回收高溫凝結(jié)水并加以有效利用，對(duì)生產(chǎn)、環(huán)境與企業(yè)效益均有大益。

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)很多企業(yè)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的閃蒸汽和高溫凝結(jié)水回收不夠重視，有部分企業(yè)做了回收，但由于條件限制，回收率不是很高，其中相當(dāng)部分企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中閃蒸汽會(huì)直排大氣中，未回收利用，帶來(lái)以下問題。

1）閃蒸汽不加管理排放時(shí)會(huì)釋放大量熱能，對(duì)周邊生產(chǎn)環(huán)境溫度有所提升；其排放產(chǎn)生噪聲對(duì)生產(chǎn)、生活有很大影響。

2）目前閃蒸汽多為開式直排，造成熱能和水資源浪費(fèi)；即使回收但不完整，仍有低壓連續(xù)小流量閃蒸汽直接排掉。

由于閃蒸汽壓力較低（≦0.02 MPa）[1]，目前尚未有系統(tǒng)完備的裝置對(duì)其進(jìn)行多維度利用。

本文針對(duì)閃蒸汽攜帶的汽化潛熱如何得到有效利用，通過(guò)熱力計(jì)算安裝調(diào)試，為系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)提供了理論和經(jīng)驗(yàn)支撐。提出一種解決方法，設(shè)計(jì)出一套引射流與壓縮閃蒸汽聯(lián)合節(jié)能控制的系統(tǒng)裝置，以達(dá)到設(shè)備有序管理、能源最大有效利用目的。

2 閃蒸汽量計(jì)算與熱焓應(yīng)用分析

2.1 閃蒸汽量計(jì)算

某中藥廠過(guò)程裝備及能源參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 生產(chǎn)車間能源動(dòng)力設(shè)計(jì)參數(shù)表

表1 設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生蒸汽冷凝水經(jīng)各分支管路匯入車間一層兩路冷凝水系統(tǒng)DN250 主管內(nèi)，再匯至DN300總管后自流到廠區(qū)鍋爐房回收水箱。

由于生產(chǎn)負(fù)荷波動(dòng)變化，0.03 MPa 飽和蒸汽在設(shè)備加熱器殼程內(nèi)是一個(gè)等容換熱過(guò)程，疏水閥前、后壓力差動(dòng)態(tài)波動(dòng)，工作范圍多在0.15~0.25 MPa，取平均值0.02 MPa 定量測(cè)算。

0.02 MPa（表壓）飽和冷凝水汽化潛熱值為2 163.7 kJ/kg，顯熱值為561.58 kJ/kg，飽和溫度為133.556℃。經(jīng)過(guò)疏水閥排放到表壓力≈0 MPa 的冷凝水主支管中，該壓力下冷凝水的顯熱值為417.52 kJ/kg，溫度近100℃，降壓冷凝水部分閃蒸成蒸汽，在0 MPa（表壓）下，產(chǎn)生1 kg 的蒸汽需要2 257.6 kJ 的熱量，冷凝水排放常壓狀態(tài)時(shí)熱能差值產(chǎn)生閃蒸汽量計(jì)算式[3]如下。

式中：Gs為冷凝水閃蒸汽量（t/h）；h′前為降壓閃蒸前凝結(jié)水熱焓（kJ/kg）；h′后為降壓閃蒸后凝結(jié)水熱焓（kJ/kg）；r為閃蒸后的常壓水蒸發(fā)潛熱（kJ/kg）；G為閃蒸前動(dòng)態(tài)生產(chǎn)負(fù)荷凝結(jié)水總量（t/h）。

其中：Q=(h′前-h′后)/r×100%

Q為冷凝水閃蒸率%。

代入數(shù)據(jù)得：

按工況生產(chǎn)負(fù)荷系數(shù)0.65~0.75計(jì)算生產(chǎn)過(guò)程冷凝水系統(tǒng)管路中產(chǎn)生閃蒸汽量：

2.2 閃蒸汽熱焓應(yīng)用分析

生產(chǎn)工況中除降壓閃蒸外還因選用的浮球、倒置桶式、熱動(dòng)力式或是熱靜力式疏水裝置時(shí)，疏水裝置蒸汽無(wú)相變泄漏排入冷凝水系統(tǒng)管路情況，因此冷凝水管路內(nèi)汽空間閃蒸汽與泄漏蒸汽共存。

工藝設(shè)計(jì)中蒸汽冷凝水采用開式或閉式凝水回收器輸送至水箱內(nèi)；閃蒸汽選用閃蒸罐收集，其飽和蒸汽壓較低，汽量波動(dòng)大，難以直接利用，因此依生產(chǎn)特點(diǎn)設(shè)計(jì)一套基于引射流技術(shù)與壓縮閃蒸汽聯(lián)合節(jié)能控制系統(tǒng)裝置對(duì)其進(jìn)行熱能綜合再利用。

3 系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)模型

3.1 壓縮法

選用小流量蒸汽壓縮機(jī)，處理量為1~2 t/h，具有使用、維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)壓縮機(jī)對(duì)低壓閃蒸汽壓縮，輸送至換熱器加熱低溫溶媒，壓縮閃蒸汽再次冷凝回收，利用熱能同時(shí)又增加了冷凝水回收量，仿真計(jì)算如圖1所示。

圖1 二次蒸汽換熱溶媒仿真計(jì)算圖

變頻控制壓縮機(jī)使出口壓力控制在0.001~0.15 MPa。

由于閃蒸汽壓力較低，換熱效率受一定影響，熱交換效率70% 時(shí)用板式換熱器仿真結(jié)果：壓縮機(jī)出口壓力0.001 MPa，3 098.557×0.7=2 169kg/h 閃蒸汽換熱可以將20℃，18 026 kg/h 生產(chǎn)用水提升至85℃。

真接壓縮閃蒸汽量受生產(chǎn)系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)影響，因此定義這部分蒸汽用于水溶媒循環(huán)加熱。

3.2 引射流法

系統(tǒng)引入“拉伐爾引嘴”原理設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)引射流器[4-5]，將低壓閃蒸汽與系統(tǒng)蒸汽源混合送生產(chǎn)區(qū)≦0.2 MPa 用汽設(shè)備（如夾層鍋、球形濃縮器等），加熱過(guò)程便于控制，同時(shí)可以保護(hù)物料無(wú)過(guò)熱結(jié)焦破壞。

引射流器工作蒸汽來(lái)自系統(tǒng)0.3~0.6 MPa 飽和蒸汽源，引射流器結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包括可調(diào)節(jié)引射噴嘴、環(huán)形吸入段等壓等容混合段和減速增壓擴(kuò)散段。

圖2 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)蒸汽引射流器結(jié)構(gòu)圖

0.3~0.6 MPa 工作蒸汽在引射噴嘴內(nèi)絕熱膨脹，引射噴嘴出口流速瞬時(shí)陡升，達(dá)到超聲速；環(huán)形吸入室出現(xiàn)相對(duì)低壓區(qū)，真空度上升；工作汽流對(duì)閃蒸汽剪切，閃蒸汽被吸入混合段，與工作蒸汽混合。在經(jīng)過(guò)等壓等容混流后，混流汽流速在擴(kuò)散段內(nèi)逐漸降低，混流汽壓力逐漸升高，在引射流器出口處形成相對(duì)穩(wěn)定流態(tài)。

引射流器需手動(dòng)調(diào)節(jié)內(nèi)部頂針，再通過(guò)蒸汽測(cè)試儀表獲取流量、溫度、壓力信號(hào)，并將其傳遞給外部控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

根據(jù)引射流器運(yùn)行時(shí)引射系數(shù)和出口壓力之間關(guān)系，微調(diào)頂針使噴射系數(shù)[6-7]值處于臨界模式下，保證最佳工作狀態(tài)。須控制引射流器回流模式工況出現(xiàn)，將影響冷凝水系統(tǒng)管路正常運(yùn)行。

通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)部頂針穩(wěn)定引射流器工作狀態(tài)后，再經(jīng)過(guò)外部控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥門對(duì)系統(tǒng)壓力流量調(diào)控后，這部分穩(wěn)流穩(wěn)壓蒸汽供給≦0.2 MPa 低壓用汽設(shè)備使用。

混流汽壓力與溫度均有一定程度降低并可控，有利于熱敏性藥液等物料濃縮。

3.3 基于閃蒸汽量受生產(chǎn)負(fù)荷波動(dòng)影響

將兩種模型聯(lián)合設(shè)計(jì)成一套裝置，整體調(diào)節(jié)閃蒸汽平衡使用，生產(chǎn)系數(shù)大于一定值時(shí)，兩種模型節(jié)能裝置均可用，生產(chǎn)系數(shù)小于一定值時(shí)，循環(huán)加熱水溶媒可有效回收小流量不穩(wěn)定閃蒸汽。

4 裝置工藝實(shí)現(xiàn)

裝置主要組成部分：凝水回收器、閃蒸罐、壓縮機(jī)、噴射流器、換熱器及用熱設(shè)備。具體裝置組成如圖3所示。

圖3 裝置工藝流程圖

系統(tǒng)蒸汽冷凝水由車間內(nèi)各層用汽設(shè)備疏水閥組配管背壓輸送至各層支管，各層支管經(jīng)主立管路匯集至主冷凝水管路中，接入凝水回收器時(shí)由渦接流量計(jì)累加總冷凝水量，并監(jiān)控凝水回收器液位。凝水回收器設(shè)置壓力計(jì)及高液位泄放接口，裝置設(shè)系統(tǒng)保護(hù)排放接口經(jīng)氣動(dòng)閥門切斷與大氣的相通，當(dāng)系統(tǒng)非正常運(yùn)行達(dá)到凝水回收器系統(tǒng)壓力設(shè)定值時(shí)，打開系統(tǒng)保護(hù)氣動(dòng)閥保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。閃蒸罐冷凝水排入口位于設(shè)備最低端，匯集全部閃蒸汽冷凝水后排至凝水回收器統(tǒng)一處理。閃蒸罐設(shè)置安全閥保護(hù)，當(dāng)閃蒸汽罐內(nèi)壓力過(guò)大時(shí)，安全閥啟動(dòng)排放以保護(hù)系統(tǒng)安全。

閃蒸汽匯入閃蒸罐后，閃蒸罐出口設(shè)置引射流器與蒸汽壓縮機(jī)兩種工藝設(shè)計(jì)模式，分別獨(dú)立切換運(yùn)行。

閃蒸汽經(jīng)過(guò)換熱器或者低壓設(shè)備換熱后，冷凝水重新匯流至凝水回收器進(jìn)行收集。

5 控制系統(tǒng)搭建

5.1 系統(tǒng)框架

控制系統(tǒng)選用西門子1500 系列控制器，型號(hào)1515-1PN 配12 MB 程序存儲(chǔ)卡。系統(tǒng)控制通信采用Profibus-Net 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，配西門子155 系列現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線模塊，現(xiàn)場(chǎng)工藝設(shè)備上安裝的儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)信號(hào)線纜連接至位于控制室的控制系統(tǒng)I/O 模塊上。在中控室設(shè)有操作員站，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控運(yùn)行參數(shù)和操作設(shè)備運(yùn)行，操作員站使用商用計(jì)算機(jī)，操作系統(tǒng)WindowsWin10SP1版本；在現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)設(shè)有西門子TP1200系列觸摸屏，可以在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。軟件平臺(tái)選用西門子工業(yè)控制軟件包，下位機(jī)與觸摸屏編程軟件博圖V16、人機(jī)界面編程軟件包Wincc7.4，運(yùn)行界面如圖4所示。

圖4 人機(jī)交互界面圖

5.2 現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備

根據(jù)前面的裝置整體設(shè)計(jì)，結(jié)合控制的要求，控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備清單配置如表2所示。

表2 現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備清單

5.3 工藝控制流程

控制程序主流程圖如圖5所示，系統(tǒng)啟動(dòng)后實(shí)時(shí)判斷凝水回收器的壓力是否超壓，一旦超壓，立即開啟AS01緊急排空，關(guān)斷系統(tǒng)蒸汽回路的所有閥門。當(dāng)凝水回收器在可控范圍之內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)判斷廠區(qū)的低壓供汽設(shè)備是否工作。當(dāng)廠區(qū)低壓供汽設(shè)備工作時(shí)，閃蒸汽通過(guò)AS19進(jìn)入引射流器Y506，同時(shí)廠區(qū)管網(wǎng)蒸汽通過(guò)AS18與閃蒸汽混合后，經(jīng)過(guò)TCV01向低壓設(shè)備供汽。TCV01根據(jù)PT05的壓力測(cè)量值進(jìn)行模糊調(diào)節(jié)，保證低壓設(shè)備供汽壓力在0.2 MPa。當(dāng)廠區(qū)低壓供汽設(shè)備不工作時(shí)，閃蒸汽通過(guò)AS17進(jìn)入閃蒸汽增壓泵P505，P505根據(jù)PT02的壓力測(cè)量值反饋調(diào)節(jié)，保證換熱器的供汽壓力在0.08 MPa。

圖5 控制程序主流程圖

6 低壓設(shè)備Fuzzy模糊控制

廠區(qū)低壓設(shè)備供汽壓力要求≦0.2 MPa，閃蒸汽混合后經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，要求壓力控制區(qū)間為±0.006 MPa。傳統(tǒng)的PID 控制無(wú)法做到快速響應(yīng)，裝置采用Fuzzy 模糊控制。系統(tǒng)觀測(cè)得到調(diào)節(jié)閥TCV01 后壓力PT05，系統(tǒng)設(shè)定的控制壓力為SpPT05，兩者差值為e，e=PT05-SpPT05，則有-0.006 MPa ≤e≤0.006 MPa。當(dāng)e＜-0.006 MPa 時(shí)，達(dá)到最小壓力；當(dāng)e＞0.006 MPa 時(shí)，達(dá)到最大壓力。壓力變化率e'為每秒采樣后e的變化值，單位MPa/s，模糊控制的流量變化率范圍為-0.02 MPa/s≤e'≤0.02 MPa/s。TCV01開度u，單位%，模糊控制的流量范圍為50%≤u≤72%，50%表示最小流量開度，72%表示最大流量開度[8-10]。

壓力差e模糊語(yǔ)言集合取為｛正大PB，正中PM，正小PS，零 ZE，負(fù)小NS，負(fù)中NM，負(fù)大NB｝。分別代表｛極快，很快，稍快，適中，稍慢，很慢，極慢｝7種感覺，均勻量化e的模糊集合隸屬度函數(shù)采用三角形函數(shù)。壓力差變化率e'模糊語(yǔ)言集合取為｛正大 PB，正小PS，零ZE，負(fù)小NS，負(fù)大NB｝，分別代表5種流量差變化率｛正變化迅速，正變化，無(wú)變化，負(fù)變化，負(fù)變化迅速｝，均勻量化e'的模糊集合隸屬度函數(shù)采用三角形函數(shù)。TCV01開度大小相對(duì)變化定義為調(diào)節(jié)比u，調(diào)節(jié)比u模糊語(yǔ)言集合取為｛PB，PM，PS，NS，NM｝，分別代表從最大流量到最小流量5種開度，流量調(diào)節(jié)閥開度u的模糊集合隸屬度函數(shù)采用三角形函數(shù)。

Fuzzy 模糊控制使用“IF-THEN”型的模糊條件句構(gòu)成的控制規(guī)則，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試摸索，針對(duì)TCV01 制訂模糊控制規(guī)則寫成如下形式：IF e是 Ai and e'是 Bj，THEN u 是 Cij，其中，i=1，2，…7；j=1，2，…5，一共有35條控制規(guī)則，列于控制規(guī)則表3模糊控制輸出規(guī)則Cij中，如表3所示。

表3 模糊控制輸出規(guī)則Cij

模糊輸入和輸出對(duì)應(yīng)的控制規(guī)則推論結(jié)果見圖6，采用Fuzzy 模糊控制后系統(tǒng)低壓蒸汽壓力基本控制在0.2 MPa 上下穩(wěn)定運(yùn)行，如圖6所示。

圖6 模糊控制輸出推論圖

7 結(jié)論

裝置調(diào)試運(yùn)行后工作穩(wěn)定，解決了車間閃蒸汽損失，保障了系統(tǒng)安全，同時(shí)降噪。尤其經(jīng)過(guò)對(duì)閃蒸汽回收和再利用，為50臺(tái)6T 提取罐提供熱溶媒、8臺(tái)500型的球形濃縮器、6臺(tái)夾層鍋等提供≦0.2 MPa 低壓蒸汽，1兩個(gè)月間累計(jì)節(jié)省0.3 MPa 飽和蒸汽量近2 000 t，冷凝水回收量增加8 000 余噸，節(jié)約成本近90萬(wàn)元。本裝置投產(chǎn)后證明運(yùn)行安全可靠，對(duì)閃蒸汽可以做到回收再利用。