蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)起源于十九世紀(jì)30年代，經(jīng)過研究實(shí)踐，到二十世紀(jì)初瑞士制造出第一個(gè)簡單的MVR蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)。MVR是蒸汽機(jī)械再壓縮技術(shù)的簡稱，是一種通過壓縮機(jī)做功重新利用系統(tǒng)自身產(chǎn)生的二次蒸汽的能量，從而無須再使用生蒸汽的一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)。目前該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于化工、食品、造紙、醫(yī)藥、海水淡化及污水處理等領(lǐng)域。

    MVR的工作過程是將低溫位的蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)壓縮，提高其溫度、壓力，增加其熱焓，然后進(jìn)入換熱器，從而充分利用蒸汽的潛熱。與其它蒸發(fā)技術(shù)相比，MVR系統(tǒng)還具有占地面積小、自動(dòng)化程度高、運(yùn)行成本低等其它優(yōu)勢，壓縮機(jī)作為核心設(shè)備是實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)勢的關(guān)鍵。

    機(jī)械蒸汽壓縮機(jī)是指用于蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)，與蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)結(jié)合，循環(huán)利用蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)的二次蒸汽，以達(dá)到節(jié)約能源目的的以機(jī)械能作為推動(dòng)力的壓縮機(jī)系統(tǒng)。壓縮機(jī)的分類有多種方法，可按照工作原理、溫升/壓升、材質(zhì)、級(jí)數(shù)、流量、產(chǎn)地等。

    一、蒸汽壓縮機(jī)分類與工作范圍

    按蒸汽壓縮機(jī)工作原理可分為容積式和透平式兩大類。透平式又分為離心式、軸流式、混流式；容積式又分為羅茨式、葉氏式、滑片式、螺桿式、活塞式、柱塞式、隔膜式等幾種。上面各種類型的壓縮機(jī)在世界范圍內(nèi)都有研究和生產(chǎn)。但截止目前，結(jié)合工作范圍、效率、成本等多種因素，工程上實(shí)際大規(guī)模應(yīng)用的只有羅茨式和離心式兩種類型，另外螺桿式壓縮機(jī)也有少量的應(yīng)用，因此，本文中對(duì)壓縮機(jī)選型的研究只針對(duì)羅茨式和離心式兩種。不同類型蒸汽壓縮機(jī)適應(yīng)的工作范圍也不同，常用蒸汽壓縮機(jī)的工作范圍如圖1所示。

    二、常用機(jī)械蒸汽壓縮機(jī)的原理及系統(tǒng)特點(diǎn)

    2.1羅茨式機(jī)組

    羅茨機(jī)組工作原理是利用兩個(gè)葉形轉(zhuǎn)子在氣缸內(nèi)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)來壓縮和輸送氣體的回轉(zhuǎn)容積式增壓設(shè)備。這種壓縮機(jī)靠轉(zhuǎn)子軸端的同步齒輪使兩轉(zhuǎn)子保持嚙合。轉(zhuǎn)子上每一凹入的曲面部分與氣缸內(nèi)壁組成工作容積，在轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)過程中從吸氣口帶走氣體，當(dāng)移到排氣口附近與排氣口相連通的瞬時(shí)，因有較高壓力的氣體回流，這時(shí)工作容積中的壓力突然升高，然后將氣體輸送到排氣通道，兩轉(zhuǎn)子依次交替工作。羅茨機(jī)組的適用情況一般為壓比1.2～2范圍內(nèi)，該范圍內(nèi)體積流量較大。負(fù)載對(duì)流量恒定要求嚴(yán)格時(shí)，宜優(yōu)先選用羅茨鼓風(fēng)機(jī)。因?yàn)榱_茨鼓風(fēng)機(jī)屬于恒流量風(fēng)機(jī)，工作的主參數(shù)是風(fēng)量，輸出的壓力隨管道和負(fù)載的變化而變化，風(fēng)量變化很小。

    羅茨機(jī)組優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為兩轉(zhuǎn)子互不接觸，它們之間靠嚴(yán)密控制的間隙實(shí)現(xiàn)密封，無摩擦，排出的氣體無油污染；結(jié)構(gòu)簡單，制造方便；壓力變化對(duì)風(fēng)量影響小，基本屬于定容增壓設(shè)備；無喘振工況，變工況性能良好；汽蝕情況較少；占地面積小，便于布置和安裝；轉(zhuǎn)速低，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，維護(hù)方便，耐用；機(jī)組成本較低。

    羅茨機(jī)組缺陷表現(xiàn)為由于周期性的吸、排氣和瞬時(shí)等容壓縮造成氣流速度和壓力的脈動(dòng)，因而會(huì)產(chǎn)生較大的氣體動(dòng)力噪聲，進(jìn)出口需裝設(shè)消聲器；流體輸送量偏小，100℃的蒸汽，一般限于10t/h；輸送高溫升蒸汽時(shí)，碳鋼涂層的葉輪，由于線脹系數(shù)不一致，涂層有脫落風(fēng)險(xiǎn)，不銹鋼制葉輪，因線脹系數(shù)大，有抱死風(fēng)險(xiǎn)；大容量羅茨壓縮機(jī)的成本偏高；單級(jí)壓比不大，通常小于1.7，最高可達(dá)2.1，可以多級(jí)串聯(lián)使用。單級(jí)溫升一般可到15℃左右；機(jī)組絕熱效率較低。

    2.2離心式機(jī)組

    離心式機(jī)組是一種動(dòng)力式機(jī)組，在其中有一個(gè)或多個(gè)旋轉(zhuǎn)葉輪使氣體加速，主氣流是徑向的。離心式機(jī)組屬于透平式壓縮機(jī)組。其工作原理為離心式機(jī)組是由葉輪帶動(dòng)氣體做高速旋轉(zhuǎn)，使氣體產(chǎn)生離心力，由于氣體在葉輪里的擴(kuò)壓流動(dòng)，從而使氣體通過葉輪后的流速和壓力得到提高，連續(xù)的生產(chǎn)出壓縮空氣。

    離心機(jī)組優(yōu)點(diǎn)為氣缸容積大，葉輪可高速旋轉(zhuǎn)，故可實(shí)現(xiàn)大流量，大功率的應(yīng)用；透平機(jī)械介質(zhì)連續(xù)不斷，所以進(jìn)排汽均勻平穩(wěn)，無脈沖現(xiàn)象；屬于恒壓壓縮機(jī)，輸出的流量隨負(fù)載變化而變化，輸出壓力基本不變，利于在工藝參數(shù)穩(wěn)定的情況下調(diào)節(jié)負(fù)荷；結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，占地少；密封效果好，泄露率低；壓縮過程機(jī)內(nèi)無需潤滑，可以做到絕對(duì)無油；運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，操作可靠，性能曲線平穩(wěn)，操作范圍較廣，維護(hù)費(fèi)用及人員少；離心式壓縮機(jī)組中的單級(jí)高速機(jī)組效率高，單級(jí)壓比大。

    離心機(jī)組缺陷為機(jī)組存在喘振邊界和阻塞邊界，不適用于流量太小或壓比過高的場合；穩(wěn)定工作區(qū)較窄，汽量調(diào)節(jié)方便但經(jīng)濟(jì)性較差；葉輪轉(zhuǎn)速高，有可能產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)；且運(yùn)行中要防止喘振工況的發(fā)生；操作相對(duì)復(fù)雜，設(shè)備技術(shù)含量高，維護(hù)費(fèi)用較大；存在汽蝕情況；機(jī)組價(jià)格相對(duì)偏高。

    三、壓縮機(jī)選用方法

    壓縮機(jī)的選用應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目工藝參數(shù)、蒸汽成分及特點(diǎn)、項(xiàng)目預(yù)算等綜合進(jìn)行評(píng)判，從而選定最優(yōu)的壓縮機(jī)組型式、型號(hào)、材質(zhì)、能耗等，以得到最優(yōu)的安全性能和經(jīng)濟(jì)性能。蒸汽壓縮機(jī)是MVR蒸發(fā)濃縮結(jié)晶系統(tǒng)最大的耗能設(shè)備，合理的選擇壓縮機(jī)的型式和型號(hào)對(duì)全系統(tǒng)的能耗起著決定性的作用；同時(shí)，蒸汽壓縮機(jī)又是全系統(tǒng)價(jià)格最高的外購件，合理選型利于系統(tǒng)初始投資的降低，提高系統(tǒng)的競爭力。

    3.1選型原則

    所謂合理選型，就是要綜合考慮壓縮機(jī)組和壓縮機(jī)站的投資和運(yùn)行費(fèi)用等綜合性的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，使之符合經(jīng)濟(jì)、安全、適用的原則。具體來說，有以下幾個(gè)方面：一是必須滿足使用流量和有效溫升(飽和溫升)的要求，即要求壓縮機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)(裝置特性曲線與壓縮機(jī)的性能曲線的交點(diǎn))經(jīng)常保持在高效區(qū)間運(yùn)行，這樣既節(jié)省動(dòng)力又不易損壞機(jī)件；二是所選擇的壓縮機(jī)既要體積小、重量輕、造價(jià)便宜，又要具有良好的特性和較高的效率；三是具有良好的抗喘振性能，運(yùn)行平穩(wěn)、壽命長；四是具有良好的抗腐蝕性能，在滿足腐蝕要求的情況下盡量選擇便宜的材質(zhì)，以最低的成本取得最長的設(shè)備使用壽命；五是結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，配件易于購置。

    3.2選型步驟

    一是列出基本數(shù)據(jù)。蒸汽壓縮機(jī)進(jìn)、出口壓力，即為考慮管道系統(tǒng)中的壓力損失后的數(shù)據(jù)；蒸汽進(jìn)出壓縮機(jī)的溫度(℃)是指對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度；蒸汽流量(t/h、m3/h、L/min)流量在MVR系統(tǒng)中一般指質(zhì)量流量，在壓縮機(jī)中又常指體積流量，指體積流量時(shí)是指蒸汽壓縮機(jī)單位時(shí)間內(nèi)排出的蒸汽統(tǒng)計(jì)折算到進(jìn)汽狀態(tài)的量。

    蒸汽中雜質(zhì)氣體的特性包括名稱、腐蝕性、毒性等；蒸汽中雜質(zhì)氣體的含量(wt%)；蒸汽中所含固、液體的顆粒直徑(mm)、含量(wt%)。

    二是確定壓縮機(jī)流量。流量是選擇壓縮機(jī)時(shí)最先要考慮的參數(shù)，一般額定流量在工藝計(jì)算時(shí)即已確定。如果工藝計(jì)算中已經(jīng)給出最小、正常、最大流量時(shí)，應(yīng)按最大流量考慮；如果工藝計(jì)算中只給出了正常流量，應(yīng)考慮留有一定的余量，以滿足變工況需求。在選擇壓縮機(jī)流量時(shí)，應(yīng)了解所有用汽設(shè)備的流量，按照正常流量(質(zhì)量流量)總和的1.1倍選擇壓縮機(jī)流量。一般工業(yè)用壓縮機(jī)在工藝流程中可以忽略管道系統(tǒng)中的泄漏量，但必須考慮工藝變化時(shí)對(duì)流量的影響。

    三是確定壓縮機(jī)溫升。在壓縮機(jī)的流量確定之后，需根據(jù)工藝系統(tǒng)的要求確定蒸汽壓縮機(jī)的溫升。壓縮機(jī)的溫升應(yīng)考慮管路的損失。在無特殊要求的情況下，壓縮機(jī)的溫升須留有0.5～1℃的余量。

    四是確定壓縮機(jī)型式。確定壓縮機(jī)型式時(shí)，須遵循如下原則：盡量在壓縮機(jī)的流量、溫升覆蓋范圍內(nèi)選取，避免出現(xiàn)超參數(shù)定制情況，這將大大增加壓縮機(jī)的成本；盡量避免在壓縮機(jī)的流量、溫升覆蓋范圍兩端進(jìn)行選擇，極端情形下往往壓縮機(jī)的效率并不高。質(zhì)量流量5t/h以上盡量選擇離心式壓縮機(jī)，以下則盡量選擇羅茨式壓縮機(jī)；能選擇單級(jí)壓縮機(jī)的，盡量選擇單級(jí)，級(jí)數(shù)越多，則效率越低；溫升不高(10℃以下)，且客戶有指定需進(jìn)口產(chǎn)品時(shí)，可選擇焊接葉片的離心風(fēng)機(jī)；壓比或溫升非常高時(shí)，可選擇螺桿壓縮機(jī)；對(duì)流量要求嚴(yán)格時(shí)，優(yōu)先選用羅茨機(jī)組，對(duì)壓力波動(dòng)要求嚴(yán)格時(shí)，優(yōu)先選用離心機(jī)組。同等情況下，推薦選擇順序?yàn)椋簡渭?jí)高速離心>單級(jí)羅茨>單級(jí)焊接離心風(fēng)機(jī)>多級(jí)離心。

    五是確定材質(zhì)。壓縮機(jī)材質(zhì)的選擇應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的成分及性質(zhì)、工作溫度、工作壓力進(jìn)行初選，并最終由壓縮機(jī)供應(yīng)商對(duì)壓縮機(jī)強(qiáng)度進(jìn)行復(fù)核。當(dāng)介質(zhì)為純水蒸氣或含有無腐蝕性的雜質(zhì)氣體時(shí)，壓縮機(jī)材質(zhì)可選用普通碳鋼、碳鋼涂層或304不銹鋼；當(dāng)介質(zhì)為含有腐蝕性雜質(zhì)的水蒸氣時(shí)，壓縮機(jī)材質(zhì)可選用碳鋼涂層、316L、雙相不銹鋼、鈦及鈦合金等。常見推薦材質(zhì)見附錄B；材質(zhì)初定后，須交由壓縮機(jī)供應(yīng)商對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行材質(zhì)的強(qiáng)度復(fù)核，以確定是否滿足工作溫度、工作壓力下對(duì)轉(zhuǎn)速、膨脹系數(shù)、強(qiáng)度、振動(dòng)等的要求，如不滿足要求，須由高一等級(jí)的材質(zhì)替代。

    六是確定壓縮機(jī)能耗。壓縮機(jī)能耗可根據(jù)附錄A初步確定，以作為系統(tǒng)初步方案使用。最終能耗數(shù)據(jù)以供貨商提供的正式文件為準(zhǔn)。

    四、壓縮機(jī)參數(shù)初步核算

    4.1壓縮機(jī)參數(shù)核算符號(hào)說明

    4.2已知參數(shù)

    根據(jù)MVR工藝系統(tǒng)熱質(zhì)平衡計(jì)算得到如下已知輸入?yún)?shù)：

    4.3求解參數(shù)

    進(jìn)口飽和蒸汽參數(shù)：根據(jù)“Tsi”由IAPWS-IF97《水和水蒸氣性質(zhì)公式》分別得到壓縮機(jī)進(jìn)口飽和蒸汽壓力psi；壓縮機(jī)進(jìn)口飽和蒸汽焓值HGsi；壓縮機(jī)進(jìn)口飽和蒸汽比容VGsi。根據(jù)蒸發(fā)“m0”“VGsi”由IAPWS-IF97《水和水蒸氣性質(zhì)公式》得到壓縮機(jī)進(jìn)口蒸汽體積流量Vi。

    出口蒸汽參數(shù)：根據(jù)“ΔT”得到；根據(jù)“Tso”由IAPWS-IF97《水和水蒸氣性質(zhì)公式》分別得到壓縮機(jī)出口飽和蒸汽壓力pso、壓縮機(jī)出口飽和蒸汽焓值HGso、壓縮機(jī)出口飽和蒸汽比容VGso、減溫水流量m1、壓縮機(jī)壓比π。根據(jù)蒸發(fā)“m0”“VGso”由IAPWS-IF97《水和水蒸氣性質(zhì)公式》得到壓縮機(jī)進(jìn)口蒸汽體積流量Vo。

    壓縮機(jī)功率及電耗如下：

    工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)除了考慮系統(tǒng)參數(shù)的要求，也要結(jié)合設(shè)備的特點(diǎn)，二者有機(jī)的結(jié)合才能確保整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

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