MVR系統(tǒng)中離心式蒸汽壓縮機(jī)與蒸發(fā)器的匹配特性研究

2/2MVR系統(tǒng)中離心式蒸汽壓縮機(jī)與蒸發(fā)器的匹配特性研究針對(duì)蒸發(fā)器換熱系數(shù)在新投、工作和結(jié)垢工況下的變化，提出了蒸發(fā)器運(yùn)行溫阻特性線的概念，并將其與離心式蒸汽壓縮機(jī)的溫升特性線疊加，從而開展離心式蒸汽壓縮機(jī)與蒸發(fā)器的匹配分析。通過分析發(fā)現(xiàn)，離心式蒸汽壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)流量偏大或蒸發(fā)器的換熱面積過小會(huì)導(dǎo)致匹配不足，易發(fā)生喘振，從而影響MVR系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。而離心式蒸汽壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)流量偏小或蒸發(fā)器的換熱面積過大會(huì)導(dǎo)致匹配過度，致使MVR系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差，甚至可能造成MVR系統(tǒng)無法建立熱力自循環(huán)。結(jié)果表明，離心式蒸汽壓縮機(jī)在MVR系統(tǒng)啟動(dòng)過程中會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的喘振現(xiàn)象，可以通過系統(tǒng)參數(shù)的臨時(shí)調(diào)節(jié)或采取輔助措施來避開不穩(wěn)定區(qū)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證離心式蒸汽壓縮機(jī)的喘振裕度大于20%，蒸發(fā)器換熱面積的設(shè)計(jì)裕度為30%;MVR系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)實(shí)際蒸發(fā)溫度與設(shè)計(jì)溫度的偏差應(yīng)控制在±5℃以內(nèi)。研究結(jié)果可為MVR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試提供參考。蒸汽是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的常用介質(zhì)，其高效的生產(chǎn)和應(yīng)用方式有助于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。機(jī)械式蒸汽再壓縮（mechanicalvaporrecompression,MVR）蒸發(fā)技術(shù)具有節(jié)能效果明顯、運(yùn)行成本低、系統(tǒng)公用工程配套少和設(shè)備投資小等特點(diǎn)[1]，是蒸汽應(yīng)用技術(shù)未來發(fā)展的主要方向之一。國內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)MVR蒸發(fā)技術(shù)的工程化應(yīng)用開展了大量研究。例如：趙遠(yuǎn)揚(yáng)等[2]介紹了MVR系統(tǒng)的基本構(gòu)成和熱力過程，研究了其主要參數(shù)對(duì)蒸汽壓縮機(jī)容積流量、蒸發(fā)器熱負(fù)荷和系統(tǒng)能耗的影響。高麗麗等[3]針對(duì)MVR蒸發(fā)技術(shù)與多效蒸發(fā)技術(shù)的能效開展了對(duì)比分析。Hu等[4]指出MVR系統(tǒng)是蒸汽壓縮機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，并對(duì)包括離心式蒸汽壓縮機(jī)在內(nèi)的3種不同類型的蒸汽壓縮機(jī)進(jìn)行了性能對(duì)比分析。針對(duì)MVR系統(tǒng)中的核心設(shè)備——蒸汽壓縮機(jī)，部分學(xué)者[5,6,7]針對(duì)離心式蒸汽壓縮機(jī)的性能設(shè)計(jì)和優(yōu)化開展了研究；Yin等[8]采用數(shù)值仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了前噴水對(duì)離心式蒸汽壓縮機(jī)性能和運(yùn)行穩(wěn)定性的影響；Labib等[9]利用數(shù)值仿真方法研究了流道進(jìn)口預(yù)旋角對(duì)離心式蒸汽壓縮機(jī)性能的影響；Alexander等和Kim等[10,11]從離心式蒸汽壓縮機(jī)在MVR系統(tǒng)中應(yīng)用的可靠性方面開展了研究，并給出了相應(yīng)的指導(dǎo)意見。張建軍等[12]指出，MVR蒸發(fā)技術(shù)的應(yīng)用在我國尚處于初級(jí)階段，但其節(jié)能效果已得到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)可，目前已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水處理、食品加工、藥品濃縮以及海水淡化等行業(yè)[13,14]，應(yīng)用前景十分廣闊。然而，針對(duì)MVR系統(tǒng)中離心式蒸汽壓縮機(jī)與蒸發(fā)器匹配特性的研究尚未報(bào)道。若不能充分了解離心式蒸汽壓縮機(jī)與蒸發(fā)器的匹配特性，則可能會(huì)導(dǎo)致MVR系統(tǒng)的運(yùn)行點(diǎn)偏離最佳點(diǎn)，甚至造成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備調(diào)試運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)問題。為此，筆者擬從離心式蒸汽壓縮機(jī)的性能和蒸發(fā)器熱力學(xué)原理出發(fā)，研究這兩大核心設(shè)備的匹配特性，旨在為MVR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試提供指導(dǎo)。01MVR系統(tǒng)簡(jiǎn)介根據(jù)具體工藝的不同，MVR系統(tǒng)所含的設(shè)備會(huì)有所差異，但主要設(shè)備基本一致，包括預(yù)熱器、蒸發(fā)器、蒸汽壓縮機(jī)、分離器和循環(huán)泵等，如圖1所示。圖1MVR系統(tǒng)主要設(shè)備構(gòu)成示意MVR系統(tǒng)的熱力過程如圖2所示[2]。原液經(jīng)蒸發(fā)（圖中1—2）后產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)分離器去除夾帶液滴后進(jìn)入蒸汽壓縮機(jī)，經(jīng)壓縮（圖中2—3'）后其焓值增大、溫度升高，而后作為加熱蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)器殼程，以對(duì)原液進(jìn)行加熱，即冷凝過程（圖中3—4），二次蒸汽冷凝后作為潔凈水排放。如此循環(huán)反復(fù)，可將原液中的水蒸發(fā)去除，達(dá)到原液濃縮或結(jié)晶的目的。02蒸汽壓縮機(jī)與蒸發(fā)器設(shè)計(jì)2.1MVR系統(tǒng)主要參數(shù)MVR系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括原液流量、蒸發(fā)量、蒸發(fā)溫度和蒸汽壓縮機(jī)溫升等參數(shù)。某蒸發(fā)濃縮工藝所用MVR系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。2.2蒸汽壓縮機(jī)設(shè)計(jì)根據(jù)表1所示MVR系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，確定蒸汽壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)：進(jìn)口溫度（即蒸發(fā)溫度）Te=80℃，飽和溫升ΔTc=12℃；質(zhì)量流量（即二次蒸汽質(zhì)量流量）mc=3000kg/h，通過計(jì)算得到流量系數(shù)為0.08，載荷系數(shù)為0.71。根據(jù)文獻(xiàn)[15]的壓縮機(jī)選型圖譜推薦，選擇離心式蒸汽壓縮機(jī)。圖2MVR系統(tǒng)熱力過程示意表1某MVR系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)在MVR系統(tǒng)中，離心式蒸汽壓縮機(jī)通常采用變頻（變轉(zhuǎn)速）控制，設(shè)計(jì)時(shí)為保證一定的余量，設(shè)定電機(jī)頻率為48Hz（滿頻率為50Hz）時(shí)齒輪箱增速后的高速軸轉(zhuǎn)速作為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，為17107r/min?；趦蓞^(qū)模型結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)離心式蒸汽壓縮機(jī)進(jìn)行一維設(shè)計(jì)[15]，確定其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括進(jìn)、出口葉高，輪徑，后彎角和葉片數(shù)等。同時(shí)，在一維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，基于流線曲率法開展葉片三維造型設(shè)計(jì)，并采用等環(huán)量法設(shè)計(jì)蝸殼的通流截面型線。最后，運(yùn)用CFD(computationalfluiddynamics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）仿真方法計(jì)算離心式蒸汽壓縮機(jī)的性能，并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化。最終得到離心式蒸汽壓縮機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。2.3蒸發(fā)器設(shè)計(jì)2.3.1蒸發(fā)器熱量衡算如圖3所示，當(dāng)MVR系統(tǒng)穩(wěn)定傳熱時(shí)，根據(jù)能量守恒，可得式中：m2為加熱蒸汽消耗量，kg/h;H2為加熱蒸汽的焓值，kJ/kg;m0為進(jìn)入蒸發(fā)器的原液質(zhì)量流量，kg/h;H0為原液的焓值，kJ/kg;mc為從原液中蒸發(fā)的二次蒸汽的質(zhì)量流量，即進(jìn)入蒸汽壓縮機(jī)的蒸汽質(zhì)量流量，kg/h;H′為二次蒸汽的焓值，kJ/kg;m1為濃縮液質(zhì)量流量，kg/h;H1為濃縮液的焓值，kJ/kg;m3為冷凝水質(zhì)量流量，kg/h;H3為冷凝水的焓值，kJ/kg;QL為蒸發(fā)器的熱耗散量，kJ/h。其中，加熱蒸汽在蒸發(fā)器中轉(zhuǎn)化為冷凝水后流量和溫度幾乎不發(fā)生變化，即m2=m3,T2=T3。表2離心式蒸汽壓縮機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)圖3蒸發(fā)器的物料衡算和熱量衡算示意2.3.2蒸發(fā)器換熱面積計(jì)算在設(shè)計(jì)蒸發(fā)器時(shí)，首先要確定其熱負(fù)荷Q和換熱面積S:其中：式中：k為傳熱系數(shù)，W/（m2·℃），蒸發(fā)器不同部位的傳熱系數(shù)不同，但差異較小，在傳熱分析中可以看成常數(shù)[17]；ΔTe為蒸發(fā)器的整體有效平均傳熱溫差[18]，℃；T2為加熱蒸汽的飽和溫度，℃；T1為蒸發(fā)器中濃縮液的溫度，℃；ho、hi為蒸發(fā)器殼程和管程的對(duì)流傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；Rfo、Rfi為蒸發(fā)器殼程和管程的污垢熱阻，m2·℃/W;Ao、Ai、Alm為蒸發(fā)器換熱管外表面積、內(nèi)表面積和內(nèi)外表面積的對(duì)數(shù)平均值，m2；Δx為蒸發(fā)器換熱管壁厚，m；λ為蒸發(fā)器換熱管管壁金屬的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m2·℃）。在實(shí)際工程應(yīng)用中，ΔTe不能簡(jiǎn)單地計(jì)算為T2-T1，應(yīng)考慮管路流體阻力、溶液靜壓力等因素的影響[16]。2.3.3蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)蒸發(fā)器采用列管式結(jié)構(gòu)，首先利用式（1）和式（2）求得蒸發(fā)器的熱負(fù)荷，并根據(jù)原液的沸點(diǎn)升確定傳熱溫差；然后計(jì)算蒸發(fā)器的換熱面積，并結(jié)合蒸發(fā)器形式確定換熱管的尺寸、數(shù)量和管束布置形式等。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮蒸發(fā)器換熱面積的設(shè)計(jì)裕度，同時(shí)考慮新投與結(jié)垢狀態(tài)下污垢系數(shù)改變所造成的傳熱系數(shù)變化對(duì)換熱面積的影響，污垢系數(shù)可參考文獻(xiàn)[19]中的取值。蒸發(fā)器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。表3蒸發(fā)器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)03離心式蒸汽壓縮機(jī)器與蒸發(fā)器的匹配分析3.1離心式蒸汽壓縮機(jī)的主要特性根據(jù)2.2節(jié)中的CFD仿真分析，獲得離心式蒸汽壓縮機(jī)的流量—壓比特性線，并利用式（5）計(jì)算其等熵效率：式中：ηtt,c為離心式蒸汽壓縮機(jī)的等熵效率；H02s、H02分別為離心式蒸汽壓縮機(jī)等熵壓縮過程（即理想壓縮過程）、實(shí)際壓縮過程的出口總焓，kJ/kg;H01為離心式蒸汽壓縮機(jī)進(jìn)口總焓，kJ/kg。離心式蒸汽壓縮機(jī)在不同轉(zhuǎn)速Nc（額定轉(zhuǎn)速為Ne，即電機(jī)運(yùn)行頻率為50Hz時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速）下的運(yùn)行工況有所不同，即對(duì)應(yīng)不同的流量—壓比特性線。其中，壓比可根據(jù)蒸汽飽和壓力與飽和溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)化為飽和溫升。通常情況下，電機(jī)的運(yùn)行頻率為25～50Hz，則對(duì)應(yīng)的離心式蒸汽壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速Nc=0.5Ne～Ne。圖4所示為不同轉(zhuǎn)速下離心式蒸汽壓縮機(jī)的溫升特性線。圖4離心式蒸汽壓縮機(jī)的溫升特性線從圖4中可以看出，離心式蒸汽壓縮機(jī)具有喘振特性和堵塞特性，且高效區(qū)有一定的范圍。在堵塞區(qū)附近，離心式蒸汽壓縮機(jī)的效率很低，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差；而在喘振區(qū)附近，離心式蒸汽壓縮機(jī)無法穩(wěn)定運(yùn)行。因此，運(yùn)行時(shí)應(yīng)盡量使離心式蒸汽壓縮機(jī)運(yùn)行點(diǎn)位于高效區(qū)附近，與大流量堵塞區(qū)和小流量喘振區(qū)均保持一定的安全距離，這樣既有利于離心式蒸汽壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，又有利于MVR系統(tǒng)節(jié)能。3.2蒸發(fā)器的主要特性對(duì)于所設(shè)計(jì)的蒸發(fā)器，考慮到因液柱壓力、管道損失等[16]而造成的能量傳遞損失會(huì)使離心式蒸汽壓縮機(jī)的飽和溫升與蒸發(fā)器的傳熱溫差存在一定偏差，且蒸發(fā)器的工作特性線略低于離心式蒸汽壓縮機(jī)的溫升特性線，由此得到蒸發(fā)器的工作特性線Se，如圖5所示。參照傳統(tǒng)管網(wǎng)阻力曲線的定義[20]，將蒸發(fā)器中溶液蒸發(fā)所需的傳熱溫差視為阻力特性，以離心式蒸汽壓縮機(jī)在不同轉(zhuǎn)速、不同流量工況下的熱負(fù)荷作為蒸發(fā)器熱端熱負(fù)荷，利用式（3）和式（4）計(jì)算得到蒸發(fā)器在新投和結(jié)垢狀態(tài)下的傳熱溫差ΔTe，繪制流量—傳熱溫差特性線，并將其定義為溫阻特性線。如圖5所示，Sec和Sef分別為蒸發(fā)器在新投和結(jié)垢狀態(tài)下的溫阻特性線，為蒸發(fā)器可運(yùn)行的邊界。當(dāng)蒸發(fā)器的熱負(fù)荷和換熱面積確定后，所需傳熱溫差隨蒸發(fā)器傳熱系數(shù)變化而變化，當(dāng)傳熱系數(shù)減小時(shí)，需要通過提高傳熱溫差來達(dá)到同等換熱能力，反之需要降低傳熱溫差。此外，由于溶液的自身特性，蒸發(fā)器的工作特性線Se對(duì)應(yīng)溶液起泡特性線Seb，該特性線決定了蒸發(fā)器是處于自然對(duì)流換熱模式還是核態(tài)沸騰換熱模式[21]，這會(huì)直接影響其傳熱效率和MVR系統(tǒng)自循環(huán)的建立。只有蒸發(fā)器的工作特性線Se高于溶液起泡特性線Seb時(shí)，MVR系統(tǒng)才能正常建立循環(huán)。圖5蒸發(fā)器的特性線3.3離心式蒸汽壓縮機(jī)與蒸發(fā)器特性匹配分析傳統(tǒng)的匹配分析方法采用流量—壓力特性匹配分析，主要考慮的是離心式蒸汽壓縮機(jī)增壓能力與系統(tǒng)管路阻力的匹配。將離心式蒸汽壓縮機(jī)的流量—壓力特性線與系統(tǒng)管路的壓力阻力特性線（定義為壓阻線或管阻線[20]）繪制于同一圖中，這2條特性線的交點(diǎn)即為匹配運(yùn)行點(diǎn)。類似地，將蒸發(fā)器的工作特性線與溫阻特性線疊加，其交點(diǎn)即為蒸發(fā)器的匹配運(yùn)行點(diǎn)。以某一轉(zhuǎn)速Nc2為例，離心式蒸汽壓縮機(jī)在該轉(zhuǎn)速下的溫升特性線Sc2所對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)器的3條特性線分別為：工作特性線Se2、新投和結(jié)垢狀態(tài)下的溫阻特性線Sec2和Sef2，如圖6所示。對(duì)于蒸發(fā)器，其工作特性線Se2是根據(jù)自身性能核算得到的輔助特性線，在換熱設(shè)計(jì)中主要依靠相變能量，即以發(fā)生相變的流量為主，在不考慮損耗的情況下，蒸發(fā)器與離心式蒸汽壓縮機(jī)的流量基本相等。因此，蒸發(fā)器工作特性線Se2的運(yùn)行點(diǎn)沿縱向向上投影在溫升特性線Sc2上的點(diǎn)即為離心式蒸汽壓縮機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行點(diǎn)。由圖6可知，Se2與Sec2和Sef2相交于2個(gè)邊界點(diǎn)，即蒸發(fā)器新投狀態(tài)運(yùn)行點(diǎn)Aec2和蒸發(fā)器結(jié)垢狀態(tài)運(yùn)行點(diǎn)Aef2，則曲線段即為蒸發(fā)器在轉(zhuǎn)速Nc2下的工作區(qū)域，該曲線段所對(duì)應(yīng)范圍向上投影至Sc2的曲線段即為離心式蒸汽壓縮機(jī)在轉(zhuǎn)速Nc2下的工作區(qū)域。蒸發(fā)器與離心式蒸汽壓縮機(jī)的具體運(yùn)行匹配點(diǎn)由蒸發(fā)器當(dāng)前的傳熱系數(shù)決定。例如：對(duì)于剛投入運(yùn)行的蒸發(fā)器，若離心式蒸汽壓縮機(jī)以轉(zhuǎn)速為Nc2運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)器在Aec2點(diǎn)運(yùn)行，則離心式蒸汽壓縮機(jī)在Acc2點(diǎn)運(yùn)行；而當(dāng)運(yùn)行一段時(shí)間后，由于污垢系數(shù)變大，離心式蒸汽壓縮機(jī)和蒸發(fā)器的運(yùn)行點(diǎn)均會(huì)沿各自的特性線向小流量方向移動(dòng)。圖6轉(zhuǎn)速為Nc2時(shí)離心式蒸汽壓縮機(jī)與蒸發(fā)器的特性匹配在MVR系統(tǒng)中，蒸發(fā)器與離心式蒸汽壓縮機(jī)遵循質(zhì)量流量守恒和熱力守恒，在流量維度下對(duì)其溫升特性進(jìn)行對(duì)比分析。在圖6的基礎(chǔ)上，將離心式蒸汽壓縮機(jī)在多轉(zhuǎn)速下的溫升特性線與蒸發(fā)器的工作特性線疊加，得到其完整的特性匹配結(jié)果。圖7所示為蒸發(fā)溫度Te=80℃、二次蒸汽質(zhì)量流量mc=3000kg/h、飽和溫升ΔTc=12℃、換熱面積S=177m2時(shí)MVR系統(tǒng)中離心式蒸汽壓縮機(jī)與蒸發(fā)器的各特性線及各運(yùn)行點(diǎn)。3.3.1離心式蒸汽壓縮機(jī)的匹配工作范圍基于圖7，提取離心式蒸汽壓縮機(jī)的各個(gè)運(yùn)行點(diǎn)，進(jìn)而得到其工作范圍并進(jìn)行匹配特性分析。如圖8所示，運(yùn)行點(diǎn)Acc1、Acc2、Acc3分別為蒸發(fā)器新投入時(shí)，離心式蒸汽壓縮機(jī)在轉(zhuǎn)速Nc1、Nc2、Nc3下工作時(shí)的運(yùn)行點(diǎn)，則連線Scrl為壓縮機(jī)工作范圍的下限，近似為直線；運(yùn)行點(diǎn)Acf1、Acf2、Acf3分別為蒸發(fā)器結(jié)垢后，離心式蒸汽壓縮機(jī)在轉(zhuǎn)速Nc1、Nc2、Nc3下工作時(shí)的運(yùn)行點(diǎn)，則連線Scrh為壓縮機(jī)工作范圍的上限，也近似為直線。由此可得，圖8中陰影部分即為蒸發(fā)器設(shè)計(jì)條件下離心式蒸汽壓縮機(jī)可匹配運(yùn)行的工作范圍。此外，圖8中的Scrb為離心式蒸汽壓縮機(jī)與蒸發(fā)器建立自循環(huán)的最低溫升臨界線，在Scrb以下的范圍內(nèi)，離心式蒸汽壓縮機(jī)所提供的溫升不足以使蒸發(fā)器在溶液起泡點(diǎn)以上運(yùn)行，即無法與蒸發(fā)器建立自循環(huán)。圖7某MVR系統(tǒng)離心式蒸汽壓縮機(jī)與蒸發(fā)器特性匹配圖8某MVR系統(tǒng)中離心式蒸汽壓縮機(jī)的匹配工作范圍3.3.2蒸發(fā)器的匹配工作范圍同樣基于圖7，提取蒸發(fā)器的各個(gè)運(yùn)行點(diǎn)，進(jìn)而得到其工作范圍并進(jìn)行匹配特性分析。如圖9所示，運(yùn)行點(diǎn)Aec1、Aec2、Aec3分別為離心式蒸汽壓縮機(jī)在轉(zhuǎn)速Nc1、Nc2、Nc3下工作時(shí)，蒸發(fā)器新投入時(shí)的運(yùn)行點(diǎn)，則連線Serl為蒸發(fā)器工作范圍的下限，近似為直線；運(yùn)行點(diǎn)Aef1、Aef2、Aef3分別為離心式蒸汽壓縮機(jī)在轉(zhuǎn)速Nc1、Nc2、Nc3下工作時(shí)，蒸發(fā)器結(jié)垢后的運(yùn)行點(diǎn)，則連線Serh為蒸發(fā)器工作范圍的上限，同樣近似為直線。由此可得，圖9中陰影部分即為蒸發(fā)器可匹配運(yùn)行的工作范圍。此外，圖9中的運(yùn)行點(diǎn)Aeb1、Aeb2、Aeb3分別為蒸發(fā)器工作特性線Se1、Se2、Se3與溶液起泡特性線Seb1、Seb2、Seb3的交點(diǎn)，則連線Serb為離心式蒸汽壓縮機(jī)與蒸發(fā)器在匹配運(yùn)行下的溶液起泡特性線，近似為直線，只有在Serb上方范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，MVR系統(tǒng)才能建立自循環(huán)。圖9某MVR系統(tǒng)中蒸發(fā)器的匹配工作范圍3.3.3離心式蒸汽壓縮機(jī)運(yùn)行點(diǎn)變化規(guī)律蒸發(fā)器換熱面積的設(shè)計(jì)裕度選取30%，從圖8中可以看出，當(dāng)蒸發(fā)器新投入使用時(shí)，離心式蒸汽壓縮機(jī)只需以約86%滿轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，此時(shí)電機(jī)頻率約為43Hz，即可滿足額定蒸發(fā)量為3000kg/h，對(duì)應(yīng)圖8中的運(yùn)行點(diǎn)Acdc。隨著蒸發(fā)器逐漸結(jié)垢，其傳熱系數(shù)不斷下降，為了保持同等蒸發(fā)量，通過提升離心式蒸汽壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到新的平衡點(diǎn)，對(duì)應(yīng)圖8中的運(yùn)行點(diǎn)Acdf，此處電機(jī)頻率接近滿頻50Hz。若離心式蒸汽壓縮機(jī)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，則MVR系統(tǒng)的蒸發(fā)量會(huì)隨著蒸發(fā)器傳熱系數(shù)的下降而向小流量方向移動(dòng)。以滿轉(zhuǎn)速為例，壓縮機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)會(huì)從Acc1沿Sc1向Acf1移動(dòng)。若蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)一定，變頻操作會(huì)導(dǎo)致MVR系統(tǒng)蒸發(fā)量改變。例如，當(dāng)蒸發(fā)器新投入時(shí)，離心式蒸汽壓縮機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速從Nc3升到Nc1，使得流量增大，則壓縮機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)從Acc3沿Scrl向Acc1移動(dòng)，反之亦然。當(dāng)離心式蒸汽壓縮機(jī)采用變頻方式調(diào)節(jié)工作轉(zhuǎn)速時(shí)，在效率、輪徑和密度不變的前提下，其氣動(dòng)功率與轉(zhuǎn)速近似呈三次方關(guān)系，即Pc∝Ω3[22]。變頻電機(jī)控制方式通常采用恒定磁通控制方法[23]，故在電機(jī)常用工作范圍內(nèi)，其最大輸出功率與轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系，即P∝Ω。因此，當(dāng)降頻調(diào)節(jié)離心式蒸汽壓縮機(jī)時(shí)，即使考慮壓縮機(jī)等熵效率和電機(jī)電磁效率變化的影響，壓縮機(jī)功耗的下降速度仍高于電機(jī)輸出功率的下降速度，即不會(huì)發(fā)生電機(jī)超功率現(xiàn)象，但升頻會(huì)導(dǎo)致超功率現(xiàn)象發(fā)生。圖10所示為離心式蒸汽壓縮機(jī)與蒸發(fā)器特性匹配情況下MVR系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)。運(yùn)行實(shí)踐表明，在定期清洗維保運(yùn)行7年后，該MVR系統(tǒng)仍運(yùn)行良好，能夠滿足設(shè)計(jì)蒸發(fā)量的要求。圖10某MVR系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于該MVR系統(tǒng)，額定蒸發(fā)量下離心式蒸汽壓縮機(jī)的運(yùn)行參數(shù)如表4所示。當(dāng)MVR系統(tǒng)新投入使用時(shí)，壓縮機(jī)在頻率為43Hz下運(yùn)行，此時(shí)其效率能夠達(dá)到83%；運(yùn)行7年后，壓縮機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速上升，對(duì)應(yīng)頻率為44Hz左右，但其效率仍能夠達(dá)到83%，均在高效區(qū)范圍內(nèi)。圖11所示為離心式蒸汽壓縮機(jī)運(yùn)行點(diǎn)變化情況。從新投入使用到7年后，壓縮機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)Acdc和Acdx均位于高效區(qū)范圍內(nèi)，仍具有很大的工作裕度。3.4蒸發(fā)器換熱面積對(duì)MVR系統(tǒng)運(yùn)行影響分析在正常匹配情況下，離心式蒸汽壓縮機(jī)可以穩(wěn)定地在高效區(qū)工作，且有一定的喘振裕度和堵塞裕度。但當(dāng)蒸發(fā)器換熱面積設(shè)計(jì)不合理時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生匹配不足和過度匹配的情況。不同匹配狀態(tài)下蒸發(fā)器的換熱面積如表5所示。3.4.1匹配不足對(duì)MVR系統(tǒng)運(yùn)行影響分析圖12所示為蒸發(fā)溫度Te=80°C、換熱面積S=120m2時(shí)MVR系統(tǒng)中離心式蒸汽壓縮機(jī)與蒸發(fā)器的匹配情況。當(dāng)蒸發(fā)器的換熱面積較小，即換熱能力相對(duì)較弱時(shí)，蒸發(fā)器的特性線整體左移，位于離心式蒸汽壓縮機(jī)喘振區(qū)附近。此時(shí)，MVR系統(tǒng)易發(fā)生喘振現(xiàn)象。離心式蒸汽壓縮機(jī)的工作范圍下限為Scrl，在蒸發(fā)器剛投入使用時(shí)，由于傳熱系數(shù)較大，可通過變頻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速至0.95Ne，使壓縮機(jī)在Acdx處運(yùn)行，對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)量為3000kg/h，能夠滿足設(shè)計(jì)需求。隨著使用時(shí)間的增加，蒸發(fā)器開始結(jié)垢，其傳熱系數(shù)下降，則離心式蒸汽壓縮機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)由Acdx沿轉(zhuǎn)速為0.95Ne所對(duì)應(yīng)溫升特性線向左移動(dòng)，此時(shí)運(yùn)行點(diǎn)可能進(jìn)入喘振區(qū)，使得MVR系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行。此外，這種匹配狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致離心式蒸汽壓縮機(jī)在啟動(dòng)升速（升頻）過程中跨越大范圍的喘振區(qū)。如圖12所示，離心式蒸汽壓縮機(jī)工作范圍下限Scrl與溫升特性線Sc3剛好相交于喘振線附近，使得MVR系統(tǒng)難以穩(wěn)定運(yùn)行。此外，當(dāng)蒸發(fā)器換熱面積一定，離心式蒸汽壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)流量相對(duì)較大時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)匹配不足問題。3.4.2過度匹配對(duì)MVR系統(tǒng)運(yùn)行影響分析圖13所示為蒸發(fā)溫度Te=80°C、換熱面積S=289m2時(shí)MVR系統(tǒng)中離心式蒸汽壓縮機(jī)與蒸發(fā)器的匹配情況。當(dāng)蒸發(fā)器的換熱面積較大，即換熱能力相對(duì)較強(qiáng)時(shí)，蒸發(fā)器特性線整體右移，匹配在離心式蒸汽壓縮機(jī)堵塞區(qū)附近，該區(qū)域內(nèi)流量大且效率低，電機(jī)易發(fā)生超功率運(yùn)行的情況。在蒸發(fā)器剛投入使用時(shí)，由于其換熱面積較大，離心式蒸汽壓縮機(jī)與蒸發(fā)器可能匹配在大流量堵塞區(qū)域，此時(shí)溫升較低，甚至可能低于蒸發(fā)器溶液起泡點(diǎn)。如圖13所示，離心式蒸汽壓縮機(jī)的工作范圍下限Scrl所對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)器工作范圍下限Serl在流量小于3700kg/h（運(yùn)行點(diǎn)Aecx）時(shí)，蒸發(fā)器的傳熱溫差低于溶液起泡特性線Serb，此時(shí)蒸發(fā)器未進(jìn)入核態(tài)沸騰區(qū)，這會(huì)導(dǎo)致MVR系統(tǒng)不能建立熱力循環(huán)。由圖13可知，雖然可以通過變頻提高離心式蒸汽壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，以提升蒸發(fā)器傳熱溫差并超過溶液起泡點(diǎn)，使得壓縮機(jī)在運(yùn)行點(diǎn)Accx以上、蒸發(fā)器在運(yùn)行點(diǎn)Aecx以上區(qū)域工作，從而使蒸發(fā)器進(jìn)入核態(tài)沸騰區(qū)以建立熱力循環(huán)，但位于運(yùn)行點(diǎn)Accx時(shí)壓縮機(jī)的等熵效率為65%，其氣動(dòng)功率達(dá)到了82kW，此時(shí)電機(jī)頻率為45.5Hz左右，根據(jù)上文所述的電機(jī)輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比的關(guān)系原則，折算到48Hz所對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下的氣動(dòng)功率為86kW，超過表4中設(shè)計(jì)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)功率，可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)超功率現(xiàn)象，這是現(xiàn)場(chǎng)無法調(diào)試的狀態(tài)。因此，嚴(yán)重的匹配過度會(huì)導(dǎo)致MVR系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。此外，當(dāng)蒸發(fā)器換熱面積一定，離心式蒸汽壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)流量相對(duì)偏小時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)匹配過度問題。在離心式蒸汽壓縮機(jī)的溫升特性滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，蒸發(fā)器換熱面積適當(dāng)偏大是允許的，只要過度匹配的程度未導(dǎo)致蒸發(fā)器傳熱溫差低于溶液起泡點(diǎn)，就能夠建立熱力循環(huán)。圖14所示為蒸發(fā)溫度Te=80°C、換熱面積S=235m2時(shí)MVR系統(tǒng)中離心式蒸汽壓縮機(jī)與蒸發(fā)器的匹配情況。當(dāng)蒸發(fā)器剛投入使用時(shí)，額定流量3000kg/h所對(duì)應(yīng)的離心式蒸汽壓縮機(jī)運(yùn)行點(diǎn)為Accx，處于降頻運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)的做功能力下降，不再是額定功率。運(yùn)行點(diǎn)Aecx對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)器傳熱溫差約為6.7°C，略高于溶液起泡點(diǎn)Aebx,MVR系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。離心式蒸汽壓縮機(jī)運(yùn)行點(diǎn)Accx所對(duì)應(yīng)的等熵效率約為78%，低于設(shè)計(jì)點(diǎn)Acd所對(duì)應(yīng)的等熵效率84%，但由于換熱面積偏大，使得所需傳熱溫差下降，即壓比下降，因此運(yùn)行點(diǎn)Accx所對(duì)應(yīng)功率為55kW，折算到設(shè)計(jì)點(diǎn)轉(zhuǎn)速下的氣動(dòng)功率為65kW，仍低于設(shè)計(jì)點(diǎn)的氣動(dòng)功率80kW，表明MVR系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行。綜上可知，MVR系統(tǒng)中離心式蒸汽壓縮機(jī)與蒸發(fā)器的匹配運(yùn)行范圍較大，工程適應(yīng)性較強(qiáng)，穩(wěn)定性較好。在離心式蒸汽壓縮機(jī)自身特性基本滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，蒸發(fā)器換熱面積適度偏大或偏小都是允許的。考慮到蒸發(fā)器換熱面積偏小時(shí)，離心式蒸汽壓縮機(jī)的工作范圍向喘振區(qū)靠攏，故在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增大換熱面積，這樣既能遠(yuǎn)離喘振區(qū)，又能增大MVR系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行工作范圍。將蒸發(fā)器換熱面積放大量視作其換熱面積的設(shè)計(jì)裕度，當(dāng)換熱面積過大（即設(shè)計(jì)裕度過大）時(shí)，如圖13所示，MVR系統(tǒng)將不能正常運(yùn)行。3.5蒸發(fā)溫度對(duì)匹配特性的影響分析在MVR系統(tǒng)調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)，可能會(huì)因某些因素而導(dǎo)致實(shí)際蒸發(fā)溫度并非原先設(shè)計(jì)的蒸發(fā)溫度，例如：真空度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求或臨時(shí)調(diào)整了工藝參數(shù)。離心式蒸汽壓縮機(jī)在制造定型后，當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，其體積流量是不會(huì)發(fā)生變化的，由于MVR系統(tǒng)中壓縮機(jī)與蒸發(fā)器均遵守質(zhì)量守恒原則，則當(dāng)蒸發(fā)溫度改變后，壓縮機(jī)的流量會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致匹配運(yùn)行點(diǎn)隨之改變。3.5.1蒸發(fā)溫度過高時(shí)的匹配分析如圖15所示，當(dāng)設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度為80°C，而實(shí)際蒸發(fā)溫度為90°C，換熱面積S=177m2時(shí)，離心式蒸汽壓縮機(jī)的進(jìn)氣密度增大，使得流量增大，其溫升特性線右移，造成匹配不足。從圖15中可以看出，離心式蒸汽壓縮機(jī)的工作范圍上限Scrh靠近喘振區(qū)，在蒸發(fā)器結(jié)垢嚴(yán)重的情況下，壓縮機(jī)在喘振區(qū)附近工作，容易導(dǎo)致MVR系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。在這種情況下，若要維持流量不變，則離心式蒸汽壓縮機(jī)須降頻使用，圖15中的運(yùn)行點(diǎn)Accx為蒸發(fā)器新投入使用時(shí)的降頻運(yùn)行點(diǎn)；否則離心式蒸汽壓縮機(jī)會(huì)在大流量區(qū)運(yùn)行，導(dǎo)致電機(jī)超功率運(yùn)行。若電機(jī)裕度大，則可實(shí)現(xiàn)MVR系統(tǒng)達(dá)到處理量甚至超過預(yù)期值。3.5.2蒸發(fā)溫度過低時(shí)的匹配分析如圖16所示，當(dāng)設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度為80°C，而實(shí)際蒸發(fā)溫度為70°C，換熱面積S=177m2時(shí)，離心式蒸汽壓縮機(jī)進(jìn)氣密度下降，使得流量減小，其溫升特性線左移，導(dǎo)致匹配過度。在這種情況下，由于流量減小，若要達(dá)到設(shè)計(jì)處理量，則離心式蒸汽壓縮機(jī)須升頻調(diào)節(jié)，但若蒸發(fā)溫度過低，即使調(diào)節(jié)至最高轉(zhuǎn)速也無法達(dá)到設(shè)計(jì)流量的要求。圖16中的運(yùn)行點(diǎn)Acc1為蒸發(fā)器新投入使用時(shí)，即使壓縮機(jī)滿轉(zhuǎn)速運(yùn)行，蒸發(fā)量也不能達(dá)到3000kg/h。同時(shí)，離心式蒸汽壓縮機(jī)在低效區(qū)運(yùn)行，運(yùn)行點(diǎn)Accl附近的等熵效率約為68%，此時(shí)MVR系統(tǒng)的單位處理量能耗增加。此外，蒸發(fā)溫度下降會(huì)導(dǎo)致溶液起泡點(diǎn)溫度升高，蒸發(fā)器新投狀態(tài)下的運(yùn)行點(diǎn)Accl位于溶液起泡點(diǎn)之下，離心式蒸汽壓縮機(jī)所提供的加熱蒸汽飽和溫升并不能使MVR系統(tǒng)建立自循環(huán)狀態(tài)。因此，過分降低蒸發(fā)溫度不僅會(huì)使MVR系統(tǒng)的處理量下降，而且會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無法運(yùn)行。綜上，在實(shí)際MVR系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)保持離心式蒸汽壓縮機(jī)進(jìn)口狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)基本一致。若有偏差，考慮到離心式蒸汽壓縮機(jī)需要保證一定的喘振裕度和堵塞裕度，建議蒸發(fā)溫度的偏差控制在±5°C以內(nèi)。3.6匹配設(shè)計(jì)中的成本分析根據(jù)上文所述，能夠成功匹配離心式蒸汽壓縮機(jī)并使MVR系統(tǒng)正常運(yùn)行的蒸發(fā)器有2種方案：一種是換熱面積為177m2，另一種是換熱面積為235m2。不考慮換熱面積裕度，按照設(shè)計(jì)點(diǎn)12°C的溫升需求，換熱面積僅為136m2即可滿足額定工況要求，而177m2的方案是考慮了30%的裕度。當(dāng)蒸發(fā)量為3000kg/h時(shí)，3種換熱面積所對(duì)應(yīng)的離心式蒸汽壓縮機(jī)匹配運(yùn)行氣動(dòng)功率和蒸發(fā)器質(zhì)量如表6所示。表中：蒸發(fā)器質(zhì)量變化可視作蒸發(fā)器成本變化。通過匹配分析可知，當(dāng)蒸發(fā)器換熱面積裕度為30%（即S=177m2）時(shí)，離心式蒸汽壓縮機(jī)與蒸發(fā)器仍然匹配在高效區(qū)，如圖11所示的特性線Scrl，離心式蒸汽壓縮機(jī)在新投入使用時(shí)的運(yùn)行點(diǎn)Acdc與設(shè)計(jì)點(diǎn)Acd所對(duì)應(yīng)的等熵效率分別為83%與84%，蒸發(fā)器單位成本的增加所獲得的離心式蒸汽壓縮機(jī)能耗下降比為0.016。而當(dāng)換熱面積為235m2時(shí)，新投入使用的離心式蒸汽壓縮機(jī)與蒸發(fā)器匹配運(yùn)行點(diǎn)的等熵效率為78%，即對(duì)應(yīng)圖14中的運(yùn)行點(diǎn)Accx，相對(duì)于設(shè)計(jì)點(diǎn)（Pc=80kW）而言，蒸發(fā)器單位成本的增加所獲得的離心式蒸汽壓縮機(jī)能耗下降比為0.010,MVR系統(tǒng)為獲得能耗下降所付出的代價(jià)有所升高。因此，蒸發(fā)器換熱面積的裕度設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮離心式蒸汽壓縮機(jī)的匹配運(yùn)行效率和蒸發(fā)器成本，即將匹配工作范圍設(shè)計(jì)在離心式蒸汽壓縮機(jī)的高效運(yùn)行區(qū)內(nèi)，這樣既保證了蒸發(fā)器換熱面積的設(shè)計(jì)裕度且降低了離心式蒸汽壓縮機(jī)能耗，又有效地控制了蒸發(fā)器成本。04

其他因素對(duì)匹配特性的影響4.1溶液起泡點(diǎn)對(duì)匹配特性的影響無論是換熱面積過大或過小，還是蒸發(fā)溫度過高或過低所導(dǎo)致的匹配問題都涉及溶液起泡點(diǎn)，起泡點(diǎn)以下的工作范圍是離心式蒸汽壓縮機(jī)升頻過程中一定會(huì)跨越的區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，蒸發(fā)器未進(jìn)入核態(tài)沸騰區(qū)，自發(fā)熱力循環(huán)難以建立穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。而蒸發(fā)器的工作范圍上限是由污垢系數(shù)決定的，若不能使運(yùn)行點(diǎn)匹配在溶液起泡點(diǎn)以下（在起泡點(diǎn)以下工作的蒸發(fā)器處于自然對(duì)流換熱模式），則會(huì)導(dǎo)致傳熱效率急劇下降，從而造成MVR系統(tǒng)無法建立自循環(huán)。4.2防喘振解決方案通過觀察所有匹配結(jié)果可知，在溶液起泡點(diǎn)以下區(qū)域內(nèi)均沒有蒸發(fā)器工作特性線，說明蒸發(fā)器未進(jìn)入核態(tài)沸騰區(qū)，此時(shí)MVR系統(tǒng)無法建立自穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，需要借助外熱力?？梢圆捎猛夤┱羝姆绞?，即補(bǔ)充生蒸汽。在此期間，需要不斷地提升離心式蒸汽壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得該轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)器工作特性線與溫阻特性線的交點(diǎn)位于溶液起泡點(diǎn)以上，然后逐漸停止外供生蒸汽，MVR系統(tǒng)逐漸建立自穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。MVR系統(tǒng)防喘振解決方案如下：1）調(diào)節(jié)蒸發(fā)溫度防喘。在確保蒸發(fā)器進(jìn)入核態(tài)沸騰區(qū)后，若發(fā)現(xiàn)離心式蒸汽壓縮機(jī)喘振，則可能是蒸發(fā)器換熱面積不足或壓縮機(jī)設(shè)計(jì)流量過大所導(dǎo)致的。此時(shí)，可先通過適當(dāng)降低蒸發(fā)溫度來使MVR系統(tǒng)形成適當(dāng)過度匹配的運(yùn)行狀態(tài)，先避免離心式蒸汽壓縮機(jī)喘振，但會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)處理量相對(duì)較?。蝗缓笾饾u提高壓縮機(jī)運(yùn)行頻率，直至額定頻率后再將蒸發(fā)溫度調(diào)至額定蒸發(fā)溫度，以提高系統(tǒng)的處理量。如此操作是為了在低轉(zhuǎn)速區(qū)避開離心式蒸汽壓縮機(jī)的喘振不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域。在操作過程中，應(yīng)注意蒸發(fā)溫度不宜降低過多，否則可能會(huì)導(dǎo)致溶液起泡點(diǎn)上升而超過運(yùn)行點(diǎn)，出現(xiàn)圖16所示的匹配情況，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無法建立自循環(huán)。2）外供生蒸汽防喘。在離心式蒸汽壓縮機(jī)升頻階段采用外供生蒸汽方式，相當(dāng)于提高了蒸發(fā)器的熱負(fù)荷，使得蒸發(fā)器溫阻特性線向大流量區(qū)移動(dòng)，從而保證經(jīng)過壓縮機(jī)的蒸汽流量增加，MVR系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。但需要注意的是，外供生蒸汽的飽和溫度應(yīng)高于溶液起泡點(diǎn)，且流量不宜過大，否則易導(dǎo)致壓縮機(jī)電機(jī)發(fā)生超功率現(xiàn)象。在實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)，外供生蒸汽均為正壓狀態(tài)，飽和溫度通常高于蒸發(fā)器中溶液的蒸發(fā)溫