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压气机常温启动变工况运行控制提高热泵浓缩设备安全节能效益的研究
作者:曹锦康  来源:本站  发表时间:2014-05-13 10:55:07  点击:2073

导引

压气机技术又称为MVR技术,MVR是蒸汽机械再压缩技术(mechanical vapor recompression )的简称。MVR是重新利用它自身产生的二次蒸汽的能量,从而减少对外界能源的需求的一项节能技术。早在60年代,德国和法国已成功的将该技术用于化工、食品、造纸、医药、海水淡化及污水处理等领域。蒸发器其工作过程是将低温位的蒸汽经压缩机压缩,温度、压力提高,热焓增加,然后进入换热器冷凝,以充分利用蒸汽的潜热。除开车启动外,整个蒸发过程中无需生蒸汽。

bob足彩是国内首家将MVR技术应用到生产过程中的企业,从八十年代起,一直致力于MVR技术的创新应用研究,先后在医药、蒸馏水、化工高盐废水处理、海水淡化等领域取得了重大科研成果,被国家授予了节能大奖,目前生产的热压型节能蒸馏水机,节能效果显著,性价比高,已逐步替代了多效蒸馏水和国外进口同类bob足彩,并有国外客户有意向订购;针对国家出台的环保产业政策,又研发出了化工高盐废水处理的新工艺和设备,完全达到循环利用零排放的目的。在海水淡化方面,利用MVR技术开发研制的淡化设备,具有产量大、功耗低、运行稳定、结构紧凑的特点,先后用于了国防、船舶、海上石油等行业。

压气机技术又称为MVR技术,MVR是蒸汽机械再压缩技术(mechanical vapor recompression )的简称。MVR是重新利用它自身产生的二次蒸汽的能量,从而减少对外界能源的需求的一项节能技术。早在60年代,德国和法国已成功的将该技术用于化工、食品、造纸、医药、海水淡化及污水处理等领域。蒸发器其工作过程是将低温位的蒸汽经压缩机压缩,温度、压力提高,热焓增加,然后进入换热器冷凝,以充分利用蒸汽的潜热。除开车启动外,整个蒸发过程中无需生蒸汽。

bob足彩是国内首家将MVR技术应用到生产过程中的企业,从八十年代起,一直致力于MVR技术的创新应用研究,先后在医药、蒸馏水、化工高盐废水处理、海水淡化等领域取得了重大科研成果,被国家授予了节能大奖,目前生产的热压型节能蒸馏水机,节能效果显著,性价比高,已逐步替代了多效蒸馏水和国外进口同类bob足彩,并有国外客户有意向订购;针对国家出台的环保产业政策,又研发出了化工高盐废水处理的新工艺和设备,完全达到循环利用零排放的目的。在海水淡化方面,利用MVR技术开发研制的淡化设备,具有产量大、功耗低、运行稳定、结构紧凑的特点,先后用于了国防、船舶、海上石油等行业。下面就是我公司曹锦康工程师有关压气机方面的研究,现予以发表,与同行

 

正文

 

摘要

目的

改进热泵浓缩设备,满足其安全可靠、充分节能两方面的市场需求。

方法

通过将浓缩用热泵压气机预热启动、负压恒工况运行控制,改进为不预热常温启动负压变工况运行控制;解决其安全可靠、充分节能两方面的问题。

结果与结论

热泵压气机常温启动控制、工质浓度升高变工况运行控制,两者在安全性和经济性两方面有重要意义。其改进确实可行且效益显著

关键词

热泵的工况,即压气机工质蒸汽进出口压力所对应的饱和温度区间。

一、热泵浓缩设备节能和安全改进的市场需求

随着国内清洁能源的开发利用,动力电与蒸汽的价格比下降,受此影响,电驱动压气机热泵浓缩设备,成为了环境能源政策支持下优先发展的节能选项,也成为了商家关注的投资热点;进口加国内研发,相继出现了许多热泵节能机组投入使用。但对于企业来说,压气机是电驱动压气机热泵浓缩设备连续运转设备的心脏,压气机能否随时安全启动,压气机能否可靠地长期稳定运行,成为商家主要顾虑的投资风险。

人们习惯常用于解决水蒸气热泵压气机启动的安全措施,是将压气机同整个热泵机组、都预先加热到运行工况时的工作温度。但随着热泵规模的大型化,其预热功率随转动功率相应增长,对于电动压气机热泵而言,增加投资上百千瓦的电热器和辅助换热面积是不合算的,以往采用蒸汽预热,虽然还算比较经济,但是随着社会发展变化,小药厂和小化工厂多是冬天随所在城市集中供热,其它季节使用蒸汽预热已不太可能,在热带地区尤其是这样,以往压气机非蒸汽预热不能启动的缺点,确实很不方便使用,这使得热泵浓缩设备推广受到一定限制。

中药的浓缩往往是分批量间断进行的,一个处方的中药饮片入锅后,大多要求一个班次提取浓缩完成为流浸膏,如果热泵浓缩器启动前预热过程时间太长,必然不受用户欢迎。另外在浓缩过程中,中药液的沸点随浓度的增加而升高,致使蒸发冷凝器有效传热温度差减小、有效换热面传热量减小、药液蒸发量减小,当某种压气机特性较硬,即转速恒定、流量不变时,造成蒸发冷凝器蒸发侧压力下降、冷凝侧压力升高,从而换热面两侧的压差、温差相应增大,迫使机器处在变工况下运行,在这种新工况下,压气机可能因压差增大、阻力矩增加,会使涡轮叶片有超载折断的危险;另外,压气机转速有随之下降趋势,堵转电流增加,电机容量不够时超载停车,也浪费了部分电能。

由以上两种需求可以看出:‘热泵常温启动、负压运行工况变动控制’改进的意义所在。

二、解决浓缩用热泵压气机常温启动安全问题的思路

大约1988年,某制药厂由某制药机械厂筹建时,由于水射真空泵选型太小,真空浓缩罐的真空度达不到要求,当时有关方面人士都急不可耐;就把一台仿意大利的旋涡压气机拿到该药厂去当真空泵用了。但是很可惜,开车一会功夫,压气机涡轮叶片就坏了。笔者那时是多效蒸馏水机设计人,出于对同行的关心好奇,也经常关注热泵蒸馏水机由用户反馈来的压气机故障信息,唯有这事故是亲眼所见,引起了笔者良久的深思。这是否就是电动热泵风险的关键所在呢?

仿意大利的旋涡压气机原设计工况是:预热到100常压启动,纯水常压蒸发成100饱和蒸气后,压气机常压吸入,绝热压缩,增焓排出,到温度103冷凝,这所对应的饱和水蒸气表压为1m水柱,即表明压气机在进出口1m水柱压差运行;而这次损坏的工况是:压气机常压常温启动,水蒸气60负压吸入,压缩到大气压下排出,即压气机在进出口压差8m水柱下运行。

一般认为,压气机在进出口压差超压到8倍,叶片弯曲断裂而破坏的可能性很大。但有人辩解说:仿意大利的旋涡压气机即使在原设计工况下操作,几家用户也发生过压气机涡轮叶片断裂事故。这便使问题复杂化了。

由本次事故与其它多次压气机涡轮叶片断裂事故联想,一起观察分析可知,压气机涡轮叶片有一小前倾角,这是一种理想化的设计,叶片转动时受气体压力反向弯曲会使其径向伸长,如果叶片前倾角为零,径向伸长量对间隙的影响就会减小,实际并不影响使用效果,这可以从进口焊接直板式叶片叶轮运行结果得到证明;不过无论叶片形状怎样,它在受离心力作用时都会径向伸长;叶片受气体加热时径向和轴向都会伸长。叶片由这两种原因变形与机壳变形不同步,叶片机壳间隙变小,使其同铸造带来的沙尘发生碰撞,可能是叶片损坏的常见原因;合理设计和调整叶轮与机壳的间隙误差,可以作为防止碰撞的有效措施;预热机壳与涡轮能同步受热,会使机壳与叶轮的径向或轴向间隙相对不变,预热启动虽然耗时耗能,在当时确实是明智的做法之一,确保预热充分均匀到位,曾经是维护其安全的有效手段。如果旋涡式压气机在不预热情况下,常压常温启动,变工况运行时,机壳与涡轮间隙不可能再人为调整,叶轮能逐步缓慢启动并控制转速,就成为唯一可行的改进思路,从而保证叶片受力受热的变形量,都不会超过原工况允许的合理区间。

以上分析虽是针对旋涡式压气机而言,但对于各种类型的压气机,在原工况安全维护与变工况下可靠运行都有参考价值。例如耶式、罗茨式、螺杆式,从启动到运行过程的安全措施都有一些类似。对于热泵用多叶轮透平压气机和单叶轮离心鼓风机而言,其叶片与机壳的径向间隙不再是安全的敏感环节,但其轴向间隙的影响仍然不可忽视。并且压气机启动过程,如果角加速度太大、与气体产生的冲击震动超过叶片的疲劳强度,可能成为设计中安全考虑的要点。从常识可知,缓慢启动的动力热力过程,机器加速和人起跑一样,缓慢而不等待,是简单有效的安全措施。

以上分析结果,只要压气机启动过程角加速度与气体产生的冲击震动不超过叶片的疲劳强度,一般软启动过程就可满足;热泵机组的启动过程,是蒸发冷凝压力差由小缓慢变大的过程,压气机并不会超载。但是绝热压缩过程,过热蒸汽温度相对比较高,容易造成压气机部件的迅速受热变形;应该合理设计结构、加速其热平衡,只要压气机启动的产热速率小于其构件材料的导热平衡速率,压气机就可以从常温常态启动;减小预热设施、提前缓慢开车,可以节约许多成本。

三、浓缩用热泵压气机负压变工况运行控制可行性分析

非热敏性物质中水的蒸发,一般100摄氏度、常压下比较经济。而保持中药有效成分热敏性物质不变质的蒸发温度应该在60摄氏度,其对应的饱和蒸汽压力是绝压2米水柱。众所周知,热泵压气机的节能效率,随着气体进出口的压差、所对应的饱和蒸汽温差的变大而降低,一般合理传热温差,不超过20摄氏度,以15摄氏度以下为宜。但是药液浓度升高、即比重升高、沸点也随之升高,中药流浸膏的比重一般要求为1.4,最低比重1.2以上,才允许收膏。在此情况下,扣除药液沸点升高后,药液蒸发冷凝的实际传热温差很难达到10摄氏度。

因此热泵蒸发冷凝器的有效传热温差,在收膏前只有摄氏5度左右,按此设计换热面积,必然造成很大浪费。为了解决矛盾、提高经济效益,合理的做法常以多室蒸发器、代替单室蒸发器;即物料从提取液开始,由稀到稠,依此在多个蒸发室间串联进行。这种原理和结构,几十年前的书籍和进口设备早已指出和采用。但对于中药液分批次断续浓缩而言,这还不能完全解决工况波动问题。

决工况波动问题的方法,热泵选型同压气机动力匹配特性有关:

容积式压气机:用于沸点升高10度左右的物料。

离心式压气机:用于有机等低沸点升高的物料。

定容压气机的优缺点、主要参数选择及其安全运行条件的确定:

耶式、罗茨式、螺杆式等容积式压缩机统称为定容压气机,定容压气机和旋涡压气机相比,特点是压差大、转速低、离心力小、不易振动、不易疲劳破坏;缺点是体积大、重量大、耗材成本高,且啮合形状精度高、加工难度大、加工成本高。虽然耶式压缩机,啮合形状铸造表面精度就可以满足,但是动平衡问题不好解决。由于近十年来,数控机床的大量使用,使其加工难度下降,加工成本降低,形状精度容易达到,动平衡精度的提高也比较容易实现。但容积式压气机所能达到的流量和转速, 耶式、罗茨式很难超过500m3/分和1000/分,用在无油润滑的水蒸气工质条件下的500m3/分钟体积流量的规格,多为进口机型;螺杆式压气机的转速,可以超过1000/分,但多数用在空气压缩时、间隙有油润滑的场合,属于中等流量和中等压力的不防锈压气机;所有能防锈、防腐的容积式压气机,在2012年时国内好像还达不到500m3/分,即30000m3/小时,且价格昂贵,并联机组更不现实。

计算实验知道,定容压气机进出口气体工质的体积流量,正比于叶片间的容积和其转速;恒速定容压气机在开口情况下流量恒定,无阻力、无压差,在闭口情况下有阻力、有压差、流量也基本恒定,定容压气机进出口闭合在热泵工况下运行,进出口气体工质的压差和容积效率,除受到蒸发冷凝器换热能力大小的影响外,还受到蒸发冷凝器中不凝性气体能否及时排除的影响。这具有较硬的动力匹配特性。

旋涡压气机的优缺点、主要参数设计及其安全运行条件的确定:

旋涡压气机和容积式压气机相比,特点是压差小、转速高、离心力大、易振动、易疲劳破坏,优点是体积小、重量轻、耗材成本低,缺点是动平衡精度高、加工精度高、加工成本高,但由于数控铣床的大量使用,其加工难度下降,加工成本降低,动平衡精度容易实现,所能达到的转速,已由原来的3500/分,提高到7000/分,甚至10000多转/分。所能实现的体积流量,由原来的3500m3/小时,可能提高到15000m3/小时,并联运行也经济可行,甚至达到30000m3/小时以上。

计算实验知道,旋涡压气机开口情况下,进出口气体工质的压差和流量,都正比于叶片转速和其间的容积;旋涡压气机进出口闭合在热泵工况下运行,进出口气体工质的压差和流量,受到蒸发冷凝器换热能力的影响较大;受到蒸发冷凝器中不凝性气体能否及时排除的影响也不小。这具有软硬适中的动力匹配特性。

由于信息化数字化带来的加工革命,使航空、电力、化工常用的透平压缩机,离心风机,也反过来成为热泵压气机的首选。

计算实验知道,离心式压气机开口情况下,进出口气体工质的压差和流量,近似正比于叶片转速和流道大小;离心式压气机进出口闭合在热泵工况下运行,具有较软的动力匹配特性。进出口气体工质的流量、受到蒸发冷凝器换热能力限制、受不凝性气体积聚的影响较大时,其压差变化不大。更能自适应变工况运行。当工质液的沸点随浓度的增加而升高,致使有效传热温度差驱于减小、蒸发冷凝器有效换热面传热量减小、工质蒸发量减小,这时离心式压气机转速恒定,但流量可以随阻力增大而减小,蒸发侧与冷凝侧压力差增加趋势对于离心式压气机的进出口压差实际影响不大,从而换热面两侧的温差相应升高不大,使机器工况改变不显著,压气机阻力矩增加不明显,涡轮叶片超载危险不大;只是浪费了动力。

上述各项讨论可知,在热泵变工况运行过程中,较软动力匹配特性的压气机,从节能方面应该优先考虑;较硬动力匹配特性的压气机,从安全和节能两方面都应该统一考虑。为了适应热泵的变工况安全运行,压气机转速应该随工质沸点升高而减低,从而保正安全、减小功耗;其自动控制方案,需要选择合适的信号参数、反馈运算放大后,驱动压气机随沸点升高而减速运行。压气机这样变功况控制、同不预热启动加速过程的适应性控制、统筹解决可能比较经济。

四、浓缩用热泵常温启动负压变工况运行举例

作者曾在大连理工大学林载祁教授指导下1984年进行多效蒸馏水机设计,

1994年进行热泵蒸馏水机设计,下面的举例,是作者改进热泵浓缩的设计资料。

    换热器结构方面:作者在中药厂考察发现,人们习惯于使用外加热升膜蒸发、离心消泡蒸发器,其优点是,设备高度低、蒸发面结垢便于浸泡、清洗观察方便;所以,热泵浓缩器设计应该吸取其优点,加以改进,才能使其更具有市场竞争优势。比如采用横管内壁加热外壁蒸发浓缩器,设备高度自然更低,需要解决蒸发面结垢便于浸泡、清洗、观察方便等问题,较好的做法是采用横管排的快装结构。

    压气机动力方面:在热泵变工况运行过程中,选择合适动力匹配特性的压气机,作常温启动、负压运行工况变动控制等改进;都是实用有效的。

例一:余热启动小型热泵单室蒸发浓缩机组

热泵浓缩机组标称工作能力:浓缩1000L/h水溶中药提取液;

中药液比重:浓缩开始为1浓缩终了到1.2

压气机吸入蒸汽温度:(℃)6;比容:(m3/ kg7.678
  

总蒸发水量:900 kg/h的体积流量:

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

压气机进出口压力差:3m水柱=0.03×106n/m2

估算压气机轴功率:[2m3/s]0.03×106n/m2=60kW

热泵在60℃、绝压2m水柱下,利用药液余热,不加热启动;

逐步提高压气机转速,去适应压气机的热平衡过程;

热泵换热器原来一小时预热600L药液20℃到100℃能耗量为;

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

热泵压气机原来用二次蒸汽预热约半小时能耗量:0.5×55 kWh=27.5 kWh

改为利用药液提取后60热,压气机在60启动,大约节约能量:

55 kWh+27.5 kWh=82.5 kWh

热泵在60℃、绝压2m水柱下,单室蒸发;

热泵在81[热损失后按80度计]、绝压5m水柱下,单室冷凝;

沸点最终升高10℃,传热温差由20℃时下降到10℃,全过程平均传热温差15℃,总传热量减少1/4;以8小时为断续周期,班前准备1小时,启动1小时,班后停机及清理2小时,在运行4小时,沸点升高10度过程中,只有逐步降低压气机转速,才能使这1/4能量不致浪费,故可以节约能量: 60kW×4h/4=60kWh

每天两班节约能量:2[82.5 kWh+60 kWh]=285 kWh

电价按0.6/ kWh每天节约0.6×285 =171

每年按270天计算,每年节约270×171=46170

例二:不预热工质转移启动大型热泵多室蒸发浓缩机组:

含盐量10%无机盐水溶液;密 度:1500kg/m3
  

蒸发水速率:5000 kg/h;
   换热面积:(m2300 

压气机吸入蒸汽温度:(℃)75;比容:(m3/ kg4.133     

蒸汽全体积流量:4., 133m3×5000kg/3600s=[4.133m3]/4s=5.74m3/s

蒸发冷凝压力差:[8.6m -3.9m] 水柱=0.0467×106n/m2

估算压气机轴功率:[5.75m3/s]0.0467×10^6n/m2=268kW

热泵换热器原来用蒸汽预热一小时,1800L药液20℃到100℃能耗量为;

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

热泵压气机原来用二次蒸汽预热约半小时能耗为;0.5h×220 kW=110kWh

改为压气机在20启动,工质转移法逐渐加热大约节约能量:

166kWh+110 kWh=276 kWh

每年大约按停车开车25计算,电价按0.6/ kWh

每年不预热启动方面节约费用:0.6×25×276 kWh =4140

热泵在75℃、绝压3.93m水柱下,多室蒸发;

热泵在95℃、绝压8.619m水柱下,多室冷凝;

只讨论沸点最终升高10度,传热温差由20℃时下降到10℃,多室平均传热温差15℃,总传热温差与热量比开车时减少1/4;如果压气机转速不变,会造成巨大浪费;以两周14天为断续周期,停机一天半,班前准备1小时,启动1小时,班后及清理2小时,都忽略不计,在沸点开始升高到最终10℃后,连续运行12昼夜,只有从开车逐步降低压气机转速,控制其适应高沸点变工况稳定运行,才能使这1/4能量不致浪费,这样每次开车后可以节约能量:

12×24h×268kW/4=19296kWh

每年大约断续运行25计算,电价按0.6/ kWh

每年变工况运行控制节约费用:25×0.6×19296=289440

五、研究结果与结论

热泵压气机常温启动控制、工质浓度升高变工况运行控制,两方面改进,在安全性和经济性等方面,确实可行且效益显著。

 
 
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