蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)起源于十九世紀(jì)30年代，經(jīng)過研究實踐，到二十世紀(jì)初瑞士制造出第一個簡單的MVR蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)。MVR是蒸汽機械再壓縮技術(shù)的簡稱，是一種通過壓縮機做功重新利用系統(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、自動化程度高、運行成本低等其它優(yōu)勢，壓縮機作為核心設(shè)備是實現(xiàn)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(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)約能源目的的以機械能作為推動力的壓縮機系統(tǒng)。壓縮機的分類有多種方法，可按照工作原理、溫升/壓升、材質(zhì)、級數(shù)、流量、產(chǎn)地等。

    一、蒸汽壓縮機分類與工作范圍

    按蒸汽壓縮機工作原理可分為容積式和透平式兩大類。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，另外螺桿式壓縮機也有少量的應(yīng)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。不同類型蒸汽壓縮機適應(yīng)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(tǒng)特點

    2.1羅茨式機組

    羅茨機組工作原理是利用兩個葉形轉(zhuǎn)子在氣缸內(nèi)作相對運動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，因有較高壓力的氣體回流，這時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)載對流量恒定要求嚴(yán)格時，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(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。

    羅茨機組優(yōu)點表現(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，運行穩(wěn)定可靠，維護方便，耐用；機組成本較低。

    羅茨機組缺陷表現(xiàn)為由于周期性的吸、排氣和瞬時等容壓縮造成氣流速度和壓力的脈動，因而會產(chǎn)生較大的氣體動力噪聲，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，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，不銹鋼制葉輪，因線脹系數(shù)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(dá)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力式機組，在其中有一個或多個旋轉(zhuǎn)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壓流動，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。

    離心機組優(yōu)點為氣缸容積大，葉輪可高速旋轉(zhuǎn)，故可實現(xiàn)大流量，大功率的應(yīng)用；透平機械介質(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，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；壓縮過程機內(nèi)無需潤滑，可以做到絕對無油；運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，操作可靠，性能曲線平穩(wěn)，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)濟性較差；葉輪轉(zhuǎn)速高，有可能產(chǎn)生機械振動；且運行中要防止喘振工況的發(fā)生；操作相對復(fù)雜，設(shè)備技術(shù)含量高，維護費用較大；存在汽蝕情況；機組價格相對偏高。

    三、壓縮機選用方法

    壓縮機的選用應(yīng)根據(jù)項目工藝參數(shù)、蒸汽成分及特點、項目預(yù)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(jié)晶系統(tǒng)最大的耗能設(shè)備，合理的選擇壓縮機的型式和型號對全系統(tǒng)的能耗起著決定性的作用；同時，蒸汽壓縮機又是全系統(tǒng)價格最高的外購件，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(biāo)，使之符合經(jīng)濟、安全、適用的原則。具體來說，有以下幾個方面：一是必須滿足使用流量和有效溫升(飽和溫升)的要求，即要求壓縮機的運行工況點(裝置特性曲線與壓縮機的性能曲線的交點)經(jīng)常保持在高效區(qū)間運行，這樣既節(jié)省動力又不易損壞機件；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(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)出壓縮機的溫度(℃)是指對應(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，在壓縮機中又常指體積流量，指體積流量時是指蒸汽壓縮機單位時間內(nèi)排出的蒸汽統(tǒng)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、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最先要考慮的參數(shù)，一般額定流量在工藝計算時即已確定。如果工藝計算中已經(jīng)給出最小、正常、最大流量時，應(yīng)按最大流量考慮；如果工藝計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。在選擇壓縮機流量時，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(tǒng)中的泄漏量，但必須考慮工藝變化時對流量的影響。

    三是確定壓縮機溫升。在壓縮機的流量確定之后，需根據(jù)工藝系統(tǒng)的要求確定蒸汽壓縮機的溫升。壓縮機的溫升應(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，須遵循如下原則：盡量在壓縮機的流量、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(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，可選擇焊接葉片的離心風(fēng)機；壓比或溫升非常高時，可選擇螺桿壓縮機；對流量要求嚴(yán)格時，優(yōu)先選用羅茨機組，對壓力波動要求嚴(yán)格時，優(yōu)先選用離心機組。同等情況下，推薦選擇順序為：單級高速離心>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(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，并最終由壓縮機供應(yīng)商對壓縮機強度進(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，壓縮機材質(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，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。常見推薦材質(zhì)見附錄B；材質(zhì)初定后，須交由壓縮機供應(yīng)商對壓縮機進(jìn)行材質(zhì)的強度復(fù)核，以確定是否滿足工作溫度、工作壓力下對轉(zhuǎn)速、膨脹系數(shù)、強度、振動等的要求，如不滿足要求，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(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、壓縮機參數(shù)初步核算

    4.1壓縮機參數(shù)核算符號說明

    4.2已知參數(shù)

    根據(jù)MVR工藝系統(tǒng)熱質(zhì)平衡計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(jù)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(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(jù)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(tǒng)設(shè)計除了考慮系統(tǒng)參數(shù)的要求，也要結(jié)合設(shè)備的特點，二者有機的結(jié)合才能確保整個系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。

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