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                      壓氣機常溫啟動變工況運行控制提高熱泵濃縮設備安全節能效益的研究
                      作者:曹錦康  來源:本站  發表時間:2014-05-13 10:55:07  點擊:2612

                      導引

                      壓氣機技術又稱為MVR技術,MVR是蒸汽機械再壓縮技術(mechanical vapor recompression )的簡稱。MVR是重新利用它自身產生的二次蒸汽的能量,從而減少對外界能源的需求的一項節能技術。早在60年代,德國和法國已成功的將該技術用于化工、食品、造紙、醫藥、海水淡化及污水處理等領域。蒸發器其工作過程是將低溫位的蒸汽經壓縮機壓縮,溫度、壓力提高,熱焓增加,然后進入換熱器冷凝,以充分利用蒸汽的潛熱。除開車啟動外,整個蒸發過程中無需生蒸汽。

                      寶雞忠誠制藥機械有限責任公司是國內首家將MVR技術應用到生產過程中的企業,從八十年代起,一直致力于MVR技術的創新應用研究,先后在醫藥、蒸餾水、化工高鹽廢水處理、海水淡化等領域取得了重大科研成果,被國家授予了節能大獎,目前生產的熱壓型節能蒸餾水機,節能效果顯著,性價比高,已逐步替代了多效蒸餾水和國外進口同類產品,并有國外客戶有意向訂購;針對國家出臺的環保產業政策,又研發出了化工高鹽廢水處理的新工藝和設備,完全達到循環利用零排放的目的。在海水淡化方面,利用MVR技術開發研制的淡化設備,具有產量大、功耗低、運行穩定、結構緊湊的特點,先后用于了國防、船舶、海上石油等行業。

                      壓氣機技術又稱為MVR技術,MVR是蒸汽機械再壓縮技術(mechanical vapor recompression )的簡稱。MVR是重新利用它自身產生的二次蒸汽的能量,從而減少對外界能源的需求的一項節能技術。早在60年代,德國和法國已成功的將該技術用于化工、食品、造紙、醫藥、海水淡化及污水處理等領域。蒸發器其工作過程是將低溫位的蒸汽經壓縮機壓縮,溫度、壓力提高,熱焓增加,然后進入換熱器冷凝,以充分利用蒸汽的潛熱。除開車啟動外,整個蒸發過程中無需生蒸汽。

                      寶雞忠誠制藥機械有限責任公司是國內首家將MVR技術應用到生產過程中的企業,從八十年代起,一直致力于MVR技術的創新應用研究,先后在醫藥、蒸餾水、化工高鹽廢水處理、海水淡化等領域取得了重大科研成果,被國家授予了節能大獎,目前生產的熱壓型節能蒸餾水機,節能效果顯著,性價比高,已逐步替代了多效蒸餾水和國外進口同類產品,并有國外客戶有意向訂購;針對國家出臺的環保產業政策,又研發出了化工高鹽廢水處理的新工藝和設備,完全達到循環利用零排放的目的。在海水淡化方面,利用MVR技術開發研制的淡化設備,具有產量大、功耗低、運行穩定、結構緊湊的特點,先后用于了國防、船舶、海上石油等行業。下面就是我公司曹錦康工程師有關壓氣機方面的研究,現予以發表,與同行

                       

                      正文

                       

                      摘要

                      目的

                      改進熱泵濃縮設備,滿足其安全可靠、充分節能兩方面的市場需求。

                      方法

                      通過將濃縮用熱泵壓氣機預熱啟動、負壓恒工況運行控制,改進為不預熱常溫啟動、負壓變工況運行控制;解決其安全可靠、充分節能兩方面的問題。

                      結果與結論

                      熱泵壓氣機常溫啟動控制、工質濃度升高變工況運行控制,兩者在安全性和經濟性兩方面有重要意義。其改進確實可行且效益顯著

                      關鍵詞

                      熱泵的工況,即壓氣機工質蒸汽進出口壓力所對應的飽和溫度區間。

                      一、熱泵濃縮設備節能和安全改進的市場需求

                      隨著國內清潔能源的開發利用,動力電與蒸汽的價格比下降,受此影響,電驅動壓氣機熱泵濃縮設備,成為了環境能源政策支持下優先發展的節能選項,也成為了商家關注的投資熱點;進口加國內研發,相繼出現了許多熱泵節能機組投入使用。但對于企業來說,壓氣機是電驅動壓氣機熱泵濃縮設備連續運轉設備的心臟,壓氣機能否隨時安全啟動,壓氣機能否可靠地長期穩定運行,成為商家主要顧慮的投資風險。

                      人們習慣常用于解決水蒸氣熱泵壓氣機啟動的安全措施,是將壓氣機同整個熱泵機組、都預先加熱到運行工況時的工作溫度。但隨著熱泵規模的大型化,其預熱功率隨轉動功率相應增長,對于電動壓氣機熱泵而言,增加投資上百千瓦的電熱器和輔助換熱面積是不合算的,以往采用蒸汽預熱,雖然還算比較經濟,但是隨著社會發展變化,小藥廠和小化工廠多是冬天隨所在城市集中供熱,其它季節使用蒸汽預熱已不太可能,在熱帶地區尤其是這樣,以往壓氣機非蒸汽預熱不能啟動的缺點,確實很不方便使用,這使得熱泵濃縮設備推廣受到一定限制。

                      中藥的濃縮往往是分批量間斷進行的,一個處方的中藥飲片入鍋后,大多要求一個班次提取濃縮完成為流浸膏,如果熱泵濃縮器啟動前預熱過程時間太長,必然不受用戶歡迎。另外在濃縮過程中,中藥液的沸點隨濃度的增加而升高,致使蒸發冷凝器有效傳熱溫度差減小、有效換熱面傳熱量減小、藥液蒸發量減小,當某種壓氣機特性較硬,即轉速恒定、流量不變時,造成蒸發冷凝器蒸發側壓力下降、冷凝側壓力升高,從而換熱面兩側的壓差、溫差相應增大,迫使機器處在變工況下運行,在這種新工況下,壓氣機可能因壓差增大、阻力矩增加,會使渦輪葉片有超載折斷的危險;另外,壓氣機轉速有隨之下降趨勢,堵轉電流增加,電機容量不夠時超載停車,也浪費了部分電能。

                      由以上兩種需求可以看出:‘熱泵常溫啟動、負壓運行工況變動控制’改進的意義所在。

                      二、解決濃縮用熱泵壓氣機常溫啟動安全問題的思路

                      大約1988年,某制藥廠由某制藥機械廠籌建時,由于水射真空泵選型太小,真空濃縮罐的真空度達不到要求,當時有關方面人士都急不可耐;就把一臺仿意大利的旋渦壓氣機拿到該藥廠去當真空泵用了。但是很可惜,開車一會功夫,壓氣機渦輪葉片就壞了。筆者那時是多效蒸餾水機設計人,出于對同行的關心好奇,也經常關注熱泵蒸餾水機由用戶反饋來的壓氣機故障信息,唯有這事故是親眼所見,引起了筆者良久的深思。這是否就是電動熱泵風險的關鍵所在呢?

                      仿意大利的旋渦壓氣機原設計工況是:預熱到100常壓啟動,純水常壓蒸發成100飽和蒸氣后,壓氣機常壓吸入,絕熱壓縮,增焓排出,到溫度103冷凝,這所對應的飽和水蒸氣表壓為1m水柱,即表明壓氣機在進出口1m水柱壓差運行;而這次損壞的工況是:壓氣機常壓常溫啟動,水蒸氣60負壓吸入,壓縮到大氣壓下排出,即壓氣機在進出口壓差8m水柱下運行。

                      一般認為,壓氣機在進出口壓差超壓到8倍,葉片彎曲斷裂而破壞的可能性很大。但有人辯解說:仿意大利的旋渦壓氣機即使在原設計工況下操作,幾家用戶也發生過壓氣機渦輪葉片斷裂事故。這便使問題復雜化了。

                      由本次事故與其它多次壓氣機渦輪葉片斷裂事故聯想,一起觀察分析可知,壓氣機渦輪葉片有一小前傾角,這是一種理想化的設計,葉片轉動時受氣體壓力反向彎曲會使其徑向伸長,如果葉片前傾角為零,徑向伸長量對間隙的影響就會減小,實際并不影響使用效果,這可以從進口焊接直板式葉片葉輪運行結果得到證明;不過無論葉片形狀怎樣,它在受離心力作用時都會徑向伸長;葉片受氣體加熱時徑向和軸向都會伸長。葉片由這兩種原因變形與機殼變形不同步,葉片機殼間隙變小,使其同鑄造帶來的沙塵發生碰撞,可能是葉片損壞的常見原因;合理設計和調整葉輪與機殼的間隙誤差,可以作為防止碰撞的有效措施;預熱機殼與渦輪能同步受熱,會使機殼與葉輪的徑向或軸向間隙相對不變,預熱啟動雖然耗時耗能,在當時確實是明智的做法之一,確保預熱充分均勻到位,曾經是維護其安全的有效手段。如果旋渦式壓氣機在不預熱情況下,常壓常溫啟動,變工況運行時,機殼與渦輪間隙不可能再人為調整,葉輪能逐步緩慢啟動并控制轉速,就成為唯一可行的改進思路,從而保證葉片受力受熱的變形量,都不會超過原工況允許的合理區間。

                      以上分析雖是針對旋渦式壓氣機而言,但對于各種類型的壓氣機,在原工況安全維護與變工況下可靠運行都有參考價值。例如耶式、羅茨式、螺桿式,從啟動到運行過程的安全措施都有一些類似。對于熱泵用多葉輪透平壓氣機和單葉輪離心鼓風機而言,其葉片與機殼的徑向間隙不再是安全的敏感環節,但其軸向間隙的影響仍然不可忽視。并且壓氣機啟動過程,如果角加速度太大、與氣體產生的沖擊震動超過葉片的疲勞強度,可能成為設計中安全考慮的要點。從常識可知,緩慢啟動的動力熱力過程,機器加速和人起跑一樣,緩慢而不等待,是簡單有效的安全措施。

                      以上分析結果,只要壓氣機啟動過程角加速度與氣體產生的沖擊震動不超過葉片的疲勞強度,一般軟啟動過程就可滿足;熱泵機組的啟動過程,是蒸發冷凝壓力差由小緩慢變大的過程,壓氣機并不會超載。但是絕熱壓縮過程,過熱蒸汽溫度相對比較高,容易造成壓氣機部件的迅速受熱變形;應該合理設計結構、加速其熱平衡,只要壓氣機啟動的產熱速率小于其構件材料的導熱平衡速率,壓氣機就可以從常溫常態啟動;減小預熱設施、提前緩慢開車,可以節約許多成本。

                      三、濃縮用熱泵壓氣機負壓變工況運行控制可行性分析

                      非熱敏性物質中水的蒸發,一般100攝氏度、常壓下比較經濟。而保持中藥有效成分熱敏性物質不變質的蒸發溫度應該在60攝氏度,其對應的飽和蒸汽壓力是絕壓2米水柱。眾所周知,熱泵壓氣機的節能效率,隨著氣體進出口的壓差、所對應的飽和蒸汽溫差的變大而降低,一般合理傳熱溫差,不超過20攝氏度,以15攝氏度以下為宜。但是藥液濃度升高、即比重升高、沸點也隨之升高,中藥流浸膏的比重一般要求為1.4,最低比重1.2以上,才允許收膏。在此情況下,扣除藥液沸點升高后,藥液蒸發冷凝的實際傳熱溫差很難達到10攝氏度。

                      因此熱泵蒸發冷凝器的有效傳熱溫差,在收膏前只有攝氏5度左右,按此設計換熱面積,必然造成很大浪費。為了解決矛盾、提高經濟效益,合理的做法常以多室蒸發器、代替單室蒸發器;即物料從提取液開始,由稀到稠,依此在多個蒸發室間串聯進行。這種原理和結構,幾十年前的書籍和進口設備早已指出和采用。但對于中藥液分批次斷續濃縮而言,這還不能完全解決工況波動問題。

                      決工況波動問題的方法,熱泵選型同壓氣機動力匹配特性有關:

                      容積式壓氣機:用于沸點升高10度左右的物料。

                      離心式壓氣機:用于有機等低沸點升高的物料。

                      定容壓氣機的優缺點、主要參數選擇及其安全運行條件的確定:

                      耶式、羅茨式、螺桿式等容積式壓縮機統稱為定容壓氣機,定容壓氣機和旋渦壓氣機相比,特點是壓差大、轉速低、離心力小、不易振動、不易疲勞破壞;缺點是體積大、重量大、耗材成本高,且嚙合形狀精度高、加工難度大、加工成本高。雖然耶式壓縮機,嚙合形狀鑄造表面精度就可以滿足,但是動平衡問題不好解決。由于近十年來,數控機床的大量使用,使其加工難度下降,加工成本降低,形狀精度容易達到,動平衡精度的提高也比較容易實現。但容積式壓氣機所能達到的流量和轉速, 耶式、羅茨式很難超過500m3/分和1000/分,用在無油潤滑的水蒸氣工質條件下的500m3/分鐘體積流量的規格,多為進口機型;螺桿式壓氣機的轉速,可以超過1000/分,但多數用在空氣壓縮時、間隙有油潤滑的場合,屬于中等流量和中等壓力的不防銹壓氣機;所有能防銹、防腐的容積式壓氣機,在2012年時國內好像還達不到500m3/分,即30000m3/小時,且價格昂貴,并聯機組更不現實。

                      計算實驗知道,定容壓氣機進出口氣體工質的體積流量,正比于葉片間的容積和其轉速;恒速定容壓氣機在開口情況下流量恒定,無阻力、無壓差,在閉口情況下有阻力、有壓差、流量也基本恒定,定容壓氣機進出口閉合在熱泵工況下運行,進出口氣體工質的壓差和容積效率,除受到蒸發冷凝器換熱能力大小的影響外,還受到蒸發冷凝器中不凝性氣體能否及時排除的影響。這具有較硬的動力匹配特性。

                      旋渦壓氣機的優缺點、主要參數設計及其安全運行條件的確定:

                      旋渦壓氣機和容積式壓氣機相比,特點是壓差小、轉速高、離心力大、易振動、易疲勞破壞,優點是體積小、重量輕、耗材成本低,缺點是動平衡精度高、加工精度高、加工成本高,但由于數控銑床的大量使用,其加工難度下降,加工成本降低,動平衡精度容易實現,所能達到的轉速,已由原來的3500/分,提高到7000/分,甚至10000多轉/分。所能實現的體積流量,由原來的3500m3/小時,可能提高到15000m3/小時,并聯運行也經濟可行,甚至達到30000m3/小時以上。

                      計算實驗知道,旋渦壓氣機開口情況下,進出口氣體工質的壓差和流量,都正比于葉片轉速和其間的容積;旋渦壓氣機進出口閉合在熱泵工況下運行,進出口氣體工質的壓差和流量,受到蒸發冷凝器換熱能力的影響較大;受到蒸發冷凝器中不凝性氣體能否及時排除的影響也不小。這具有軟硬適中的動力匹配特性。

                      由于信息化數字化帶來的加工革命,使航空、電力、化工常用的透平壓縮機,離心風機,也反過來成為熱泵壓氣機的首選。

                      計算實驗知道,離心式壓氣機開口情況下,進出口氣體工質的壓差和流量,近似正比于葉片轉速和流道大;離心式壓氣機進出口閉合在熱泵工況下運行,具有較軟的動力匹配特性。進出口氣體工質的流量、受到蒸發冷凝器換熱能力限制、受不凝性氣體積聚的影響較大時,其壓差變化不大。更能自適應變工況運行。當工質液的沸點隨濃度的增加而升高,致使有效傳熱溫度差驅于減小、蒸發冷凝器有效換熱面傳熱量減小、工質蒸發量減小,這時離心式壓氣機轉速恒定,但流量可以隨阻力增大而減小,蒸發側與冷凝側壓力差增加趨勢對于離心式壓氣機的進出口壓差實際影響不大,從而換熱面兩側的溫差相應升高不大,使機器工況改變不顯著,壓氣機阻力矩增加不明顯,渦輪葉片超載危險不大;只是浪費了動力。

                      上述各項討論可知,在熱泵變工況運行過程中,較軟動力匹配特性的壓氣機,從節能方面應該優先考慮;較硬動力匹配特性的壓氣機,從安全和節能兩方面都應該統一考慮。為了適應熱泵的變工況安全運行,壓氣機轉速應該隨工質沸點升高而減低,從而保正安全、減小功耗;其自動控制方案,需要選擇合適的信號參數、反饋運算放大后,驅動壓氣機隨沸點升高而減速運行。壓氣機這樣變功況控制、同不預熱啟動加速過程的適應性控制、統籌解決可能比較經濟。

                      四、濃縮用熱泵常溫啟動負壓變工況運行舉例

                      作者曾在大連理工大學林載祁教授指導下,1984年進行多效蒸餾水機設計,

                      1994年進行熱泵蒸餾水機設計,下面的舉例,是作者改進熱泵濃縮的設計資料。

                          換熱器結構方面:作者在中藥廠考察發現,人們習慣于使用外加熱升膜蒸發、離心消泡蒸發器,其優點是,設備高度低、蒸發面結垢便于浸泡、清洗觀察方便;所以,熱泵濃縮器設計應該吸取其優點,加以改進,才能使其更具有市場競爭優勢。比如采用橫管內壁加熱外壁蒸發濃縮器,設備高度自然更低,需要解決蒸發面結垢便于浸泡、清洗、觀察方便等問題,較好的做法是采用橫管排的快裝結構。

                          壓氣機動力方面:在熱泵變工況運行過程中,選擇合適動力匹配特性的壓氣機,作常溫啟動、負壓運行工況變動控制等改進;都是實用有效的。

                      例一:余熱啟動小型熱泵單室蒸發濃縮機組

                      熱泵濃縮機組標稱工作能力:濃縮1000L/h水溶中藥提取液;

                      中藥液比重:濃縮開始為1,濃縮終了到1.2;

                      壓氣機吸入蒸汽溫度:(℃)6;比容:(m3/ kg7.678;
                        

                      總蒸發水量:900 kg/h的體積流量:

                      7.678m3×900kg/3600s=[7.678m3]/4s=2m3/s;

                      壓氣機進出口壓力差:3m水柱=0.03×106n/m2;

                      估算壓氣機軸功率:[2m3/s]0.03×106n/m2=60kW;

                      熱泵在60℃、絕壓2m水柱下,利用藥液余熱,不加熱啟動;

                      逐步提高壓氣機轉速,去適應壓氣機的熱平衡過程;

                      熱泵換熱器原來一小時預熱600L藥液20℃到100℃能耗量為;

                      600kcal[100-20]J/0.24 cal =200000kJ=55 kWh;

                      熱泵壓氣機原來用二次蒸汽預熱約半小時能耗量:0.5×55 kWh=27.5 kWh;

                      改為利用藥液提取后60熱,壓氣機在60啟動,大約節約能量:

                      55 kWh+27.5 kWh=82.5 kWh;

                      熱泵在60℃、絕壓2m水柱下,單室蒸發;

                      熱泵在81[熱損失后按80度計]、絕壓5m水柱下,單室冷凝;

                      沸點最終升高10℃,傳熱溫差由20℃時下降到10℃,全過程平均傳熱溫差15℃,總傳熱量減少1/4;以8小時為斷續周期,班前準備1小時,啟動1小時,班后停機及清理2小時,在運行4小時,沸點升高10度過程中,只有逐步降低壓氣機轉速,才能使這1/4能量不致浪費,故可以節約能量: 60kW×4h/4=60kWh;

                      每天兩班節約能量:2[82.5 kWh+60 kWh]=285 kWh;

                      電價按0.6/ kWh,每天節約0.6×285 =171,

                      每年按270天計算,每年節約270×171=46170。

                      例二:不預熱工質轉移啟動大型熱泵多室蒸發濃縮機組:

                      含鹽量10%無機鹽水溶液;密 度:1500kg/m3;
                        

                      蒸發水速率:5000 kg/h;
                         換熱面積:(m2300; 

                      壓氣機吸入蒸汽溫度:(℃)75;比容:(m3/ kg4.133;     

                      蒸汽全體積流量:4., 133m3×5000kg/3600s=[4.133m3]/4s=5.74m3/s;

                      蒸發冷凝壓力差:[8.6m -3.9m] 水柱=0.0467×106n/m2;

                      估算壓氣機軸功率:[5.75m3/s]0.0467×10^6n/m2=268kW;

                      熱泵換熱器原來用蒸汽預熱一小時,1800L藥液20℃到100℃能耗量為;

                      1800kcal[100-20]J/0.24 cal =600000kJ=166 kWh;

                      熱泵壓氣機原來用二次蒸汽預熱約半小時能耗為;0.5h×220 kW=110kWh;

                      改為壓氣機在20啟動,工質轉移法逐漸加熱,大約節約能量:

                      166kWh+110 kWh=276 kWh;

                      每年大約按停車開車25計算,電價按0.6/ kWh,

                      每年不預熱啟動方面節約費用:0.6×25×276 kWh =4140。

                      熱泵在75℃、絕壓3.93m水柱下,多室蒸發;

                      熱泵在95℃、絕壓8.619m水柱下,多室冷凝;

                      只討論沸點最終升高10度,傳熱溫差由20℃時下降到10℃,多室平均傳熱溫差15℃,總傳熱溫差與熱量比開車時減少1/4;如果壓氣機轉速不變,會造成巨大浪費;以兩周14天為斷續周期,停機一天半,班前準備1小時,啟動1小時,班后及清理2小時,都忽略不計,在沸點開始升高到最終10℃后,連續運行12晝夜,只有從開車逐步降低壓氣機轉速,控制其適應高沸點變工況穩定運行,才能使這1/4能量不致浪費,這樣每次開車后可以節約能量:

                      12×24h×268kW/4=19296kWh;

                      每年大約斷續運行25計算,電價按0.6/ kWh,

                      每年變工況運行控制節約費用:25×0.6×19296=289440。

                      五、研究結果與結論

                      熱泵壓氣機常溫啟動控制、工質濃度升高變工況運行控制,兩方面改進,在安全性和經濟性等方面,確實可行且效益顯著。

                       
                       
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