蒸發(fā)結晶技術(shù)起源于十九世紀30年代，經(jīng)過(guò)研究實(shí)踐，到二十世紀初瑞士制造出第一個(gè)簡(jiǎn)單的MVR蒸發(fā)結晶系統。MVR是蒸汽機械再壓縮技術(shù)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種通過(guò)壓縮機做功重新利用系統自身產(chǎn)生的二次蒸汽的能量，從而無(wú)須再使用生蒸汽的一項節能技術(shù)。目前該技術(shù)已廣泛應用于化工、食品、造紙、醫藥、海水淡化及污水處理等領(lǐng)域。

    MVR的工作過(guò)程是將低溫位的蒸汽經(jīng)壓縮機壓縮，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系統還具有占地面積小、自動(dòng)化程度高、運行成本低等其它優(yōu)勢，壓縮機作為核心設備是實(shí)現這些優(yōu)勢的關(guān)鍵。

    機械蒸汽壓縮機是指用于蒸發(fā)濃縮系統，與蒸發(fā)濃縮系統結合，循環(huán)利用蒸發(fā)濃縮系統的二次蒸汽，以達到節約能源目的的以機械能作為推動(dòng)力的壓縮機系統。壓縮機的分類(lèi)有多種方法，可按照工作原理、溫升/壓升、材質(zhì)、級數、流量、產(chǎn)地等。

    一、蒸汽壓縮機分類(lèi)與工作范圍

    按蒸汽壓縮機工作原理可分為容積式和透平式兩大類(lèi)。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(lèi)型的壓縮機在世界范圍內都有研究和生產(chǎn)。但截止目前，結合工作范圍、效率、成本等多種因素，工程上實(shí)際大規模應用的只有羅茨式和離心式兩種類(lèi)型，另外螺桿式壓縮機也有少量的應用，因此，本文中對壓縮機選型的研究只針對羅茨式和離心式兩種。不同類(lèi)型蒸汽壓縮機適應的工作范圍也不同，常用蒸汽壓縮機的工作范圍如圖1所示。

    二、常用機械蒸汽壓縮機的原理及系統特點(diǎn)

    2.1羅茨式機組

    羅茨機組工作原理是利用兩個(gè)葉形轉子在氣缸內作相對運動(dòng)來(lái)壓縮和輸送氣體的回轉容積式增壓設備。這種壓縮機靠轉子軸端的同步齒輪使兩轉子保持嚙合。轉子上每一凹入的曲面部分與氣缸內壁組成工作容積，在轉子回轉過(guò)程中從吸氣口帶走氣體，當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，兩轉子依次交替工作。羅茨機組的適用情況一般為壓比1.2～2范圍內，該范圍內體積流量較大。負載對流量恒定要求嚴格時(shí)，宜優(yōu)先選用羅茨鼓風(fēng)機。因為羅茨鼓風(fēng)機屬于恒流量風(fēng)機，工作的主參數是風(fēng)量，輸出的壓力隨管道和負載的變化而變化，風(fēng)量變化很小。

    羅茨機組優(yōu)點(diǎn)表現為兩轉子互不接觸，它們之間靠嚴密控制的間隙實(shí)現密封，無(wú)摩擦，排出的氣體無(wú)油污染；結構簡(jiǎn)單，制造方便；壓力變化對風(fēng)量影響小，基本屬于定容增壓設備；無(wú)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；轉速低，運行穩定可靠，維護方便，耐用；機組成本較低。

    羅茨機組缺陷表現為由于周期性的吸、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(xiàn)脹系數不一致，涂層有脫落風(fēng)險，不銹鋼制葉輪，因線(xiàn)脹系數大，有抱死風(fēng)險；大容量羅茨壓縮機的成本偏高；單級壓比不大，通常小于1.7，最高可達2.1，可以多級串聯(lián)使用。單級溫升一般可到15℃左右；機組絕熱效率較低。

    2.2離心式機組

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

    離心機組優(yōu)點(diǎn)為氣缸容積大，葉輪可高速旋轉，故可實(shí)現大流量，大功率的應用；透平機械介質(zhì)連續不斷，所以進(jìn)排汽均勻平穩，無(wú)脈沖現象；屬于恒壓壓縮機，輸出的流量隨負載變化而變化，輸出壓力基本不變，利于在工藝參數穩定的情況下調節負荷；結構緊湊，尺寸小，占地少；密封效果好，泄露率低；壓縮過(guò)程機內無(wú)需潤滑，可以做到絕對無(wú)油；運轉平穩，操作可靠，性能曲線(xiàn)平穩，操作范圍較廣，維護費用及人員少；離心式壓縮機組中的單級高速機組效率高，單級壓比大。

    離心機組缺陷為機組存在喘振邊界和阻塞邊界，不適用于流量太小或壓比過(guò)高的場(chǎng)合；穩定工作區較窄，汽量調節方便但經(jīng)濟性較差；葉輪轉速高，有可能產(chǎn)生機械振動(dòng)；且運行中要防止喘振工況的發(fā)生；操作相對復雜，設備技術(shù)含量高，維護費用較大；存在汽蝕情況；機組價(jià)格相對偏高。

    三、壓縮機選用方法

    壓縮機的選用應根據項目工藝參數、蒸汽成分及特點(diǎn)、項目預算等綜合進(jìn)行評判，從而選定最優(yōu)的壓縮機組型式、型號、材質(zhì)、能耗等，以得到最優(yōu)的安全性能和經(jīng)濟性能。蒸汽壓縮機是MVR蒸發(fā)濃縮結晶系統最大的耗能設備，合理的選擇壓縮機的型式和型號對全系統的能耗起著(zhù)決定性的作用；同時(shí)，蒸汽壓縮機又是全系統價(jià)格最高的外購件，合理選型利于系統初始投資的降低，提高系統的競爭力。

    3.1選型原則

    所謂合理選型，就是要綜合考慮壓縮機組和壓縮機站的投資和運行費用等綜合性的技術(shù)經(jīng)濟指標，使之符合經(jīng)濟、安全、適用的原則。具體來(lái)說(shuō)，有以下幾個(gè)方面：一是必須滿(mǎn)足使用流量和有效溫升(飽和溫升)的要求，即要求壓縮機的運行工況點(diǎn)(裝置特性曲線(xiàn)與壓縮機的性能曲線(xiàn)的交點(diǎn))經(jīng)常保持在高效區間運行，這樣既節省動(dòng)力又不易損壞機件；二是所選擇的壓縮機既要體積小、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，運行平穩、壽命長(cháng)；四是具有良好的抗腐蝕性能，在滿(mǎn)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(cháng)的設備使用壽命；五是結構簡(jiǎn)單、操作方便，配件易于購置。

    3.2選型步驟

    一是列出基本數據。蒸汽壓縮機進(jìn)、出口壓力，即為考慮管道系統中的壓力損失后的數據；蒸汽進(jìn)出壓縮機的溫度(℃)是指對應壓力下的飽和溫度；蒸汽流量(t/h、m3/h、L/min)流量在MVR系統中一般指質(zhì)量流量，在壓縮機中又常指體積流量，指體積流量時(shí)是指蒸汽壓縮機單位時(shí)間內排出的蒸汽統計折算到進(jìn)汽狀態(tài)的量。

    蒸汽中雜質(zhì)氣體的特性包括名稱(chēng)、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%)。

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

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

    四是確定壓縮機型式。確定壓縮機型式時(shí)，須遵循如下原則：盡量在壓縮機的流量、溫升覆蓋范圍內選取，避免出現超參數定制情況，這將大大增加壓縮機的成本；盡量避免在壓縮機的流量、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，以下則盡量選擇羅茨式壓縮機；能選擇單級壓縮機的，盡量選擇單級，級數越多，則效率越低；溫升不高(10℃以下)，且客戶(hù)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；壓比或溫升非常高時(shí)，可選擇螺桿壓縮機；對流量要求嚴格時(shí)，優(yōu)先選用羅茨機組，對壓力波動(dòng)要求嚴格時(shí)，優(yōu)先選用離心機組。同等情況下，推薦選擇順序為：?jiǎn)渭壐咚匐x心>單級羅茨>單級焊接離心風(fēng)機>多級離心。

    五是確定材質(zhì)。壓縮機材質(zhì)的選擇應根據介質(zhì)的成分及性質(zhì)、工作溫度、工作壓力進(jìn)行初選，并最終由壓縮機供應商對壓縮機強度進(jìn)行復核。當介質(zhì)為純水蒸氣或含有無(wú)腐蝕性的雜質(zhì)氣體時(shí)，壓縮機材質(zhì)可選用普通碳鋼、碳鋼涂層或304不銹鋼；當介質(zhì)為含有腐蝕性雜質(zhì)的水蒸氣時(shí)，壓縮機材質(zhì)可選用碳鋼涂層、316L、雙相不銹鋼、鈦及鈦合金等。常見(jiàn)推薦材質(zhì)見(jiàn)附錄B；材質(zhì)初定后，須交由壓縮機供應商對壓縮機進(jìn)行材質(zhì)的強度復核，以確定是否滿(mǎn)足工作溫度、工作壓力下對轉速、膨脹系數、強度、振動(dòng)等的要求，如不滿(mǎn)足要求，須由高一等級的材質(zhì)替代。

    六是確定壓縮機能耗。壓縮機能耗可根據附錄A初步確定，以作為系統初步方案使用。最終能耗數據以供貨商提供的正式文件為準。

    四、壓縮機參數初步核算

    4.1壓縮機參數核算符號說(shuō)明

    4.2已知參數

    根據MVR工藝系統熱質(zhì)平衡計算得到如下已知輸入參數：

    4.3求解參數

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

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

    壓縮機功率及電耗如下：

    工程系統設計除了考慮系統參數的要求，也要結合設備的特點(diǎn)，二者有機的結合才能確保整個(gè)系統的可靠性、穩定性和經(jīng)濟性。

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