三種常用機(jī)械壓縮式熱泵(MVR)的特點(diǎn)

黃 成，董曉銘

(中鹽工程技術(shù)研究院有限公司 成都分公司，四川 成都 643000)

1 前言

熱泵(Heat Pump)是一種將低位熱源的熱能轉(zhuǎn)移到高位熱源的裝置。熱泵充分利用低位熱能，節(jié)能性高，因此熱泵在耗能較多的蒸發(fā)單元應(yīng)用較多。主要有蒸汽噴射式熱泵和機(jī)械壓縮式熱泵。近些年機(jī)械壓縮式熱泵應(yīng)用廣泛，種類(lèi)較多。應(yīng)用普遍的主要有三種：羅茨式蒸汽壓縮機(jī)、離心式蒸汽壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)式蒸汽壓縮機(jī)。

羅茨式蒸汽壓縮機(jī)在小型和中低沸點(diǎn)升物料蒸發(fā)應(yīng)用廣泛。因結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用壽命較短，通過(guò)近些年的工藝和材料的創(chuàng)新，使用壽命得到提高。羅茨式分為兩葉和三葉，三葉性能優(yōu)于兩葉。

離心式蒸汽壓縮機(jī)在大中型及較高沸點(diǎn)升物料蒸發(fā)單元應(yīng)用較多。進(jìn)口壓縮機(jī)主要應(yīng)用于大型蒸發(fā)單元，國(guó)產(chǎn)壓縮機(jī)在大中小型蒸發(fā)單元中均有應(yīng)用,并不斷向中小型下沉和大型延伸。因?yàn)檗D(zhuǎn)速因素和造價(jià)限制其在小型蒸發(fā)單元上的應(yīng)用，目前也在不斷突破技術(shù)難點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性。

風(fēng)機(jī)式蒸汽壓縮機(jī)在大中型蒸發(fā)單元及低沸點(diǎn)升物料蒸發(fā)應(yīng)用較多,中高沸點(diǎn)升物料通過(guò)兩級(jí)或三級(jí)串聯(lián)使用。

小型應(yīng)用開(kāi)發(fā)了處理量為200 kg/h～5 000 kg/h風(fēng)機(jī)式壓縮機(jī)，采用高速電機(jī)直驅(qū)，轉(zhuǎn)速達(dá)11 000 r/min～13 500 mg/kg。單級(jí)最大溫升達(dá)10 ℃。兩級(jí)串聯(lián)溫升可達(dá)21 ℃。體積小，重量輕。

風(fēng)機(jī)式蒸汽壓縮機(jī)因單級(jí)壓縮比較小，串級(jí)使用設(shè)備復(fù)雜，控制點(diǎn)多，占地面積大，對(duì)其應(yīng)用也有限制。

2 單級(jí)離心式壓縮機(jī)

單級(jí)離心式壓縮機(jī)是速度型壓縮機(jī)。通過(guò)氣體流動(dòng)速度提高，即增加氣體分子的動(dòng)能；然后使氣流速度有序降低，使動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，氣體容積也相應(yīng)減小。其特點(diǎn)是壓縮機(jī)具有驅(qū)使氣體獲得流動(dòng)速度的葉輪。

壓縮機(jī)主要特征是懸臂葉輪和壓縮機(jī)以及變速箱的緊湊布置。電機(jī)、變速箱和壓縮機(jī)通常安裝在同一底座上。壓縮機(jī)殼體采用鑄材或焊接材料組合。由于大于400 m/s的高葉端速度，葉輪是高度受力的，故由高質(zhì)量材料例如鉻鎳鋼或鈦合金制成。

2.1 離心式壓縮機(jī)的特點(diǎn)

(1)流量覆蓋范圍大，單機(jī)能力通常為2.5 t/h～250 t/h。最大達(dá)48 000 m3/h。(2)壓縮比高，有效溫差大。有效溫差通常為16 ℃～22 ℃，最大有效溫升可達(dá)30 ℃。壓縮比一般為1.6～2.2，壓縮比最大可達(dá)2.5以上。(3)轉(zhuǎn)速高，質(zhì)量流量越低，壓縮比越高，葉輪轉(zhuǎn)速就越高。轉(zhuǎn)速高達(dá)8 000 r/min～40 000 r/min。(4)動(dòng)平衡特性好，振動(dòng)小，基礎(chǔ)要求簡(jiǎn)單，通常油箱與主機(jī)一體化，并置于下部，可起到減震作用。(5)易損部件少，故障少、工作可靠、壽命長(zhǎng)。(6)機(jī)組單位功的重量、體積及安裝面積小。(7)機(jī)組自動(dòng)化程度高，調(diào)節(jié)范圍廣，可連續(xù)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。(8)單機(jī)容量不能太小，否則會(huì)使氣流流道太窄，影響流動(dòng)效率，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速也特別高。(9)特別情況下，機(jī)器會(huì)發(fā)生喘振而不能正常工作。

2.2 離心壓縮機(jī)安全保護(hù)系統(tǒng)

為了保證離心壓縮機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須設(shè)置一套完整的安全保護(hù)系統(tǒng)。(1)溫度保護(hù) (觀察、控制壓縮機(jī)氣體、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑油溫、主電機(jī)定子溫度及各軸承溫度，達(dá)到規(guī)定值則發(fā)出聲光訊號(hào)報(bào)警和聯(lián)鎖停機(jī))。(2)壓力保護(hù) (蒸汽、冷卻介質(zhì)、油壓的報(bào)警和聯(lián)鎖停機(jī))。(3)流量保護(hù) (冷卻系統(tǒng)水量報(bào)警)。(4)機(jī)械保護(hù) (軸向位移和機(jī)械振動(dòng)保護(hù))

2.3 防喘振保護(hù)系統(tǒng)

喘振是指當(dāng)離心式壓縮機(jī)的入口流量低于一特定值時(shí)，壓縮機(jī)的能量頭不足以克服背壓而在氣道內(nèi)形成一種周期性往復(fù)振蕩現(xiàn)象。對(duì)于離心式壓縮機(jī)有著很?chē)?yán)重的危害。造成壓縮機(jī)性能惡化，工藝參數(shù)大幅波動(dòng)、對(duì)軸承產(chǎn)生沖擊、機(jī)組靜動(dòng)件碰撞破壞、密封破壞。目前大型壓縮機(jī)組都設(shè)有手動(dòng)和自動(dòng)防喘振保護(hù)控制系統(tǒng)。

2.4 離心式蒸汽壓縮機(jī)用于蒸發(fā)的常用工藝配置(如圖1)

(1)蒸發(fā)裝置(含蒸發(fā)室、鹽腳及淘洗裝置、母液排放裝置)，加熱室(列管換熱器) ，循環(huán)泵(軸流式)，循環(huán)管；(2)除沫器；(3)洗汽裝置(洗汽塔)；(4)蒸汽壓縮裝置(離心式)，變頻控制；(5)過(guò)熱消除裝置；(6)預(yù)熱裝置；(7)冷凝水裝置；(8)自動(dòng)控制系統(tǒng)(DCS)；(9)輔助系統(tǒng)。

圖1 單級(jí)離心式蒸汽壓縮機(jī)用于蒸發(fā)的工藝配置Fig.1 Process configuration of single stage centrifugal steam compressor for evaporation

單級(jí)離心式蒸汽壓縮機(jī)由于有效溫升較大，轉(zhuǎn)速高，葉輪線速度高，對(duì)進(jìn)汽質(zhì)量要求高。除沫裝置和洗汽裝置均要求嚴(yán)格,否則會(huì)極大影響壓縮機(jī)的安全運(yùn)行和使用壽命，同時(shí)壓縮機(jī)的喘振現(xiàn)象更容易發(fā)生，因此防喘系統(tǒng)更加完善。較高壓縮比和有效溫升，常用于沸點(diǎn)升高不大于14 ℃的飽和鹽類(lèi)蒸發(fā)。對(duì)于初始沸點(diǎn)升低，沸點(diǎn)升濃縮變化大的稀鹽料液，通常采用組合方式。如常用的兩級(jí)降膜蒸發(fā)串聯(lián)(逆流更節(jié)能)再與結(jié)晶器或終級(jí)濃縮并聯(lián)使用，提高熱經(jīng)濟(jì)性。

3 羅茨式蒸汽壓縮機(jī)

羅茨式蒸汽壓縮機(jī)為容積式風(fēng)機(jī)，輸送的風(fēng)量與轉(zhuǎn)數(shù)成比例，葉輪端面和風(fēng)機(jī)前后端蓋之間及風(fēng)機(jī)葉輪之間者始終保持微小的間隙，在同步齒輪帶動(dòng)下風(fēng)從風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口沿殼體內(nèi)壁輸送到排出的一側(cè)。

3.1 羅茨式蒸汽壓縮機(jī)的特點(diǎn)

(1)容積式壓縮機(jī)的工作原理決定了其轉(zhuǎn)速相比離心壓縮機(jī)較低。在MVR工況下可達(dá)到980 r/min～1 450 r/min的額定轉(zhuǎn)速，降溫工況下可達(dá)到1 980 r/min的超高轉(zhuǎn)速。(2)適用的流量范圍相對(duì)較小，通常處理量為0.15 t/h～10 t/h，最小可達(dá)0.02 t/h。最大可達(dá)30 t/h左右。按照有關(guān)廠家資料處理量范圍5 m3/h～72 000 m3/h。(3)可達(dá)到較高的單級(jí)壓比，最大可達(dá)2.5。有效溫升超過(guò)20 ℃，最大可達(dá)25 ℃。(4)可靠性高，操作維護(hù)方便，動(dòng)力平衡性好，適應(yīng)性強(qiáng)。(5)對(duì)成分復(fù)雜的物料、變化范圍較大的工況都具有良好的適應(yīng)性。(6)溫升越高，壓差越大運(yùn)行穩(wěn)定性越差； 轉(zhuǎn)子之間的間隙很容易堵塞。

3.2 羅茨式蒸汽壓縮機(jī)材料及特點(diǎn)

羅茨式蒸汽壓縮機(jī)主要材質(zhì)有：雙相不銹鋼、碳鋼鍍鎳、非金屬鍍層材料、304不銹鋼和碳鋼等。

碳鋼機(jī)械強(qiáng)度、硬度、耐磨性均較好，但抗腐蝕較差。不銹鋼抗腐蝕較好，但硬度不如碳鋼，滾子形變較大。為達(dá)到較高工作效率和較小漏氣量，壓縮機(jī)滾子間隙往往設(shè)計(jì)的非常小。運(yùn)行一段時(shí)間后，由于形變?cè)斐蓾L子之間的間隙逐漸縮小，最終出現(xiàn)摩擦咬合現(xiàn)象，造成損壞。

另外在壓縮蒸汽過(guò)程中，如壓差越大，壓縮后蒸汽的過(guò)熱度則越大，壓縮后的過(guò)熱蒸汽有較多被重新吸入壓縮，排氣溫度繼續(xù)變高，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子溫度變得很高，且與壓縮機(jī)泵體、端蓋溫度變大，容易造成轉(zhuǎn)子膨脹過(guò)大而互相撞擊損壞或卡死現(xiàn)象。因此通常采用從壓縮機(jī)入口噴霧的辦法。這種方式雖解決轉(zhuǎn)子過(guò)熱膨脹問(wèn)題，但在向轉(zhuǎn)子表面噴液的過(guò)程中，因轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，易造成轉(zhuǎn)子表面被液體擊破，轉(zhuǎn)子及泵體表面容易出現(xiàn)類(lèi)似于汽蝕的損壞現(xiàn)象，從而大大影響羅茨壓縮機(jī)使用壽命。

有廠家通過(guò)將飽和蒸汽引回至壓縮機(jī)，從而完成了對(duì)壓縮機(jī)的過(guò)熱冷卻過(guò)程,使羅茨壓縮機(jī)的壓縮過(guò)熱問(wèn)題得到解決，避免出現(xiàn)過(guò)熱卡死、燒壞密封件等現(xiàn)象，且無(wú)需在壓縮機(jī)前噴水冷卻，也避免了壓縮機(jī)類(lèi)似汽蝕的損壞。

近年來(lái)，通過(guò)技術(shù)研發(fā)和不斷實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出碳鋼鍍鎳和雙相不銹鋼材質(zhì)使用效果較好,整體壽命提升較多，鍍層非金屬材料主要是ITO使用較多。

3.3 羅茨式蒸汽壓縮機(jī)用于蒸發(fā)的常用工藝配置(如圖2)

(1)蒸發(fā)裝置，加熱室(列管換熱器/板式換熱器)，循環(huán)泵(軸流式/離心式)，循環(huán)管；(2)除沫器；(3)蒸汽壓縮裝置(羅茨式)；(4)預(yù)熱裝置；(5)自動(dòng)控制系統(tǒng)(DCS/PLC)；(6)冷凝水裝置；(7)輔助系統(tǒng)。

羅茨式蒸汽壓縮機(jī)由于轉(zhuǎn)速低，對(duì)進(jìn)汽質(zhì)量要求低。只需蒸發(fā)室設(shè)置除沫裝置即可。壓縮機(jī)無(wú)喘振。旁路調(diào)節(jié)，通常只在開(kāi)機(jī)時(shí)用。調(diào)節(jié)風(fēng)量主要通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器等方式調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，也可調(diào)整旁路閥門(mén)，但需要增加輔助措施。

圖2 羅茨式蒸汽壓縮機(jī)用于蒸發(fā)的工藝配置Fig.2 Common process configuration of roots steam compressor for evaporation

羅茨壓縮機(jī)雖然有較高壓縮比和有效溫。但溫升越高，運(yùn)行穩(wěn)定性越差；壓縮比越大，過(guò)熱度越高，容易造成壓縮機(jī)破壞。工藝上通常會(huì)保守選擇有效溫升，增加面積補(bǔ)償。另外羅茨壓縮機(jī)主要應(yīng)用在小型蒸發(fā)裝置中，便于集成，降安裝高度，加熱室通常為臥式布置，但對(duì)傳熱性能有影響，需要增加換熱面積來(lái)補(bǔ)償。同時(shí)損失熱推動(dòng)力，循環(huán)泵揚(yáng)程更高。羅茨壓縮機(jī)常用于溫度低于120 ℃的蒸汽壓縮，高效運(yùn)行的區(qū)間是微負(fù)壓，通常會(huì)配置真空系統(tǒng)。

4 風(fēng)機(jī)式壓縮機(jī)

單級(jí)風(fēng)機(jī)式壓縮機(jī)用于低壓縮比工況。與離心壓縮機(jī)相同，氣體沿軸向進(jìn)入葉輪入口，在離心力作用下從徑向流出。風(fēng)機(jī)葉輪和殼體為焊接板結(jié)構(gòu)，需要時(shí)用加強(qiáng)肋補(bǔ)強(qiáng)。由于轉(zhuǎn)速較低，通常不需要齒輪變速箱， 故壓縮機(jī)每級(jí)的壓力比不大，在壓力比較高時(shí)，需采用多級(jí)壓縮，最高可達(dá)四級(jí)。

離心風(fēng)機(jī)壓縮機(jī)主要組成有入口導(dǎo)葉、葉輪、殼體、電機(jī)、聯(lián)軸器、軸密封件、軸承、供油設(shè)備等。入口導(dǎo)葉渦旋調(diào)節(jié)器通過(guò)改變流量來(lái)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。葉輪使用焊接與涂層工藝。外殼完全采用穩(wěn)定的焊接結(jié)構(gòu)，為矩形框架螺旋結(jié)構(gòu)形狀。軸承常使用擠壓油膜減震軸承。

4.1 風(fēng)機(jī)式蒸汽壓縮機(jī)的特點(diǎn)

(1)流量覆蓋范圍大，單機(jī)能力可達(dá)0.2 t/h～400 t/h。(2)壓縮比低，有效溫差小。有效溫差8 ℃～10 ℃。兩級(jí)壓縮，有效溫升14 ℃～21 ℃。三級(jí)壓縮，有效溫升最高可達(dá)27 ℃。單級(jí)壓縮比通常小于1.25。(3)轉(zhuǎn)速較低。轉(zhuǎn)速通常為3 000 r/min～12 500 r/min。(4)動(dòng)平衡特性好，振動(dòng)小，基礎(chǔ)要求簡(jiǎn)單，通常減振箱與主機(jī)一體化，并置于下部。(5)易損部件少，故障少、工作可靠、壽命長(zhǎng)。(6)機(jī)組單位功的重量、體積及安裝面積大。(7)機(jī)組自動(dòng)化程度高。(8)機(jī)器基本不會(huì)發(fā)生喘振。

4.2 風(fēng)機(jī)式蒸汽壓縮機(jī)用于蒸發(fā)的常用工藝配置(如圖3)

(1)蒸發(fā)裝置含蒸發(fā)室、鹽腳及淘洗裝置、母液排放裝置)，加熱室(換熱器) ，循環(huán)泵(軸流式/離心式)，循環(huán)管。(2)除沫器。(3)洗汽器.(4)蒸汽壓縮裝置(風(fēng)機(jī)式)，變頻控制。(5)預(yù)熱裝置。(6)自動(dòng)控制系統(tǒng)(DCS)。(7)冷凝水裝置。(8)輔助系統(tǒng)。

風(fēng)機(jī)式蒸汽壓縮機(jī)由于有效溫升低，轉(zhuǎn)速較低，葉輪線速度較低，對(duì)進(jìn)汽質(zhì)量要求有要求，除沫裝置和洗汽裝置均需設(shè)置。淡鹽水類(lèi)、高含硝類(lèi)蒸發(fā)通常用兩級(jí)或三級(jí)壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行，最高可達(dá)四級(jí)串聯(lián)。對(duì)于初始沸點(diǎn)升低，沸點(diǎn)升濃縮變化大的稀鹽料液，通常采用組合方式，如常用的兩級(jí)降膜蒸發(fā)串聯(lián)(逆流更節(jié)能)，提高熱經(jīng)濟(jì)性。

圖3 風(fēng)機(jī)式蒸汽壓縮機(jī)用于蒸發(fā)的常用工藝配置Fig.3 Common process configuration of fan type steam compressor for evaporation

5 結(jié)論

機(jī)械壓縮式熱泵將低位熱能通過(guò)機(jī)械做功變?yōu)楦呶粺崮苎h(huán)利用，節(jié)能效果明顯，主要耗能為電力，對(duì)環(huán)境保護(hù)效果極好。加之技術(shù)進(jìn)步，機(jī)械壓縮式熱泵在高耗能的蒸發(fā)濃縮結(jié)晶中廣泛使用。壓縮機(jī)作為核心部件，種類(lèi)較多，特點(diǎn)各有不同，在工藝中的配置也不同。認(rèn)識(shí)越深入，才能更好地發(fā)揮壓縮機(jī)效能和延長(zhǎng)安全使用壽命。