一種機械蒸汽再壓縮系統及控制方法與流程

本發明涉及一種機械蒸汽再壓縮系統及控制方法，屬于工業蒸餾濃縮與供熱工程中低溫蒸汽余熱回收利用領域。

背景技術：

全球能源問題日益突出，我國能源消耗高但能源利用率低，迫切需要對能源密集型工業領域進行節能改造。機械蒸汽再壓縮技術是利用熱泵原理，回收低溫蒸汽余熱，利用機械壓縮機壓縮蒸汽，能提供可替代鍋爐蒸汽的熱源蒸汽，并能廣泛應用于印染、污水處理、海水淡化、化工精餾等工業領域。研究表明，用壓縮機提高蒸汽壓力的能耗只有用鍋爐產生等量蒸汽能耗的5-10％。

雖然機械蒸汽再壓縮系統具有較高的節能潛力，但其應用與推廣受限于機械蒸汽壓縮機技術。首先由于水蒸氣具有較高的比容，系統實際應用時的原料液處理能力受限于壓縮機所能實現的容積流量。其次由于水蒸氣的絕熱指數較高，當系統運行要求較高的壓縮蒸汽飽和溫升時，壓縮機運行壓比較高，因而壓縮機需要克服較高排汽溫度的問題。

此外，目前的機械蒸汽再壓縮系統啟動時都需要提供額外的熱源蒸汽，必須先蒸發原料液，產生蒸汽進入壓縮機，當系統穩定運行時，再完全用壓縮蒸汽作為熱源蒸汽進入系統。一般開機啟動時用的熱源蒸汽都為鍋爐蒸汽，能源消耗較高，導致系統的成本增加。

通常離心壓縮機能實現較大的容積流量，但因其對液滴的敏感性和小流量的喘振問題，適應性交較差，運行壓比不宜太高。而螺桿壓縮機因其耐液特性，能通過工作容積噴水冷卻的方式，實現蒸汽壓縮的高壓比和低排汽溫度，但其只適用于中低容積流量。

因此機械蒸汽再壓縮系統的應用推廣和成本降低，可通過解決系統開機啟動熱源蒸汽問題、提供大流量和高壓比的機械蒸汽壓縮形式這兩種主要途徑出發，進而能一定程度上緩解工業生產能源消耗的壓力。

技術實現要素：

本發明能很好解決上述問題，提供一種開機無需額外熱源蒸汽，結合離心壓縮機與螺桿壓縮機各自特點，實現大流量、高壓比機械蒸汽壓縮的機械蒸汽再壓縮系統，以及系統的控制方法。

為解決上述問題，本發明提供一種機械蒸汽再壓縮系統，包括蒸發冷凝器、離心壓縮機、螺桿壓縮機、電熱水器、汽液分離器和淡水箱，所述蒸發冷凝器的頂部設置有濾網、所述濾網的下方設置有噴淋管、所述噴淋管的下方設置有集水箱和與所述集水箱連通的冷凝管，所述集水箱的出氣口設置有排氣閥和真空泵，所述噴淋管的進口通過設有第一水泵的管路連通所述電熱水器的出口，所述蒸發冷凝器通過其頂部的出汽口連通所述離心壓縮機的進口和所述螺桿壓縮機的進口，所述蒸發冷凝器與所述離心壓縮機之間的管路上還設置有第一閥門和泄水分離器，所述蒸發冷凝器與所述螺桿壓縮機之間的管路上設置有第二閥門，所述離心壓縮機的出口通過設置有原料液預熱換熱器和第三閥門的管路連通所述螺桿壓縮機的進口，所述螺桿壓縮機的出口通過設置有第四閥門的管路連通所述螺桿壓縮機的進口，所述螺桿壓縮機的出口還連通所述汽液分離器的進口，所述汽液分離器的出口連通所述蒸發冷凝器的所述冷凝管的進口，所述原料液預熱換熱器的原料液進口和所述原料液預熱換熱器的原料液出口之間設置有第一調節閥，所述原料液預熱換熱器的原料液出口還分別通過設有第五閥門的管路和設有第二調節閥的管路連通第二換熱器的原料液出口和第二換熱器的原料液進口，所述第二換熱器的淡水進口通過設有第三調節閥管路連通所述汽液分離器的出水口，所述第二換熱器的淡水進口還通過設有第四調節閥的管路連通第二水泵，所述第二水泵的進口還通過設有第六閥門的管路連通所述淡水箱的出水口，所述第二水泵的出口連通所述螺桿壓縮機的噴水冷卻口，所述第二換熱器的淡水出口通過設有第七閥門管路連通所述淡水箱的進水口，所述第二換熱器的原料液出口通過并聯設置有第三換熱器和第四換熱器的管路連通第三水泵的進口，所述第三水泵的的出口連通所述蒸發冷凝器的所述噴淋管的進口，所述蒸發冷凝器的所述集水箱的出水口通過設有第四水泵的管路連通所述第三換熱器的淡水進口并通過所述第三換熱器的淡水出口連通所述淡水箱，所述蒸發冷凝器底部的濃縮液出口設置有第五水泵，所述第五水泵的出口一方面通過設有第八閥門的管路連通所述第三水泵的進口，另一方面通過設有第九閥門的管路連通所述第四換熱器的濃縮液進口并通過所述第四換熱器的濃縮液出口排出。

進一步，所述電熱水器的進口設有第十閥門。

進一步，所述蒸發冷凝器頂部的出汽口還設有第十一閥門。

進一步，所述集水箱的出水口與所述第四水泵之間還設有第十二閥門。

進一步，所述第三換熱器的原料液進口和所述第四換熱器的原料液進口分別設有第十三閥門和第十四閥門。

進一步，所述第三水泵的進口設有第十五閥門，所述第一水泵的出口設有第十六閥門。

此外本發明還提供上述機械蒸汽再壓縮系統的控制方法，包括：

步驟一：首先啟動所述真空泵對系統進行抽真空，并開啟所述電熱水器，當系統真空度和所述電熱水器內的熱水達到要求后，啟動所述第一水泵，所述電熱水器中的熱水經過加壓后由所述噴淋管噴入所述蒸發冷凝器；

步驟二：關閉所述第一閥門，打開所述第二閥門和所述第四閥門，啟動所述螺桿壓縮機，由于所述蒸發冷凝器中位負壓，噴入的熱水會吸收自身熱量產生低溫閃蒸汽，閃蒸汽經過所述濾網濾除原料液滴后被所述螺桿壓縮機初步壓縮后再經所述第四閥門進入所述螺桿壓縮機再次壓縮，如此循環，提高壓縮蒸汽的品質(流量與溫度)；

步驟三：關閉所述第四閥門，此時高品質的蒸汽經管路進入所述汽液分離器，然后進入所述蒸發冷凝器的所述冷凝管；

步驟四：關閉所述真空泵，打開所述第一閥門，關閉所述第二閥門，啟動所述離心壓縮機，高品質的蒸汽進入所述冷凝管后自身冷凝并釋放熱量，使得由所述噴淋管噴入的熱水產生蒸汽，所述蒸汽由所述離心壓縮機吸入進行一級壓縮，再經所述螺桿壓縮機進行二級壓縮后，經所述汽液分離器進入所述冷凝蒸發器的所述冷凝管，如此循環，經過所述冷凝管冷凝產生的水進入所述集水箱，而沒有凝結的氣則經過所述排氣閥排出系統；

步驟五：關閉所述電熱水器、所述第一水泵，啟動所述第三水泵，此時原料液經過所述原料液預熱換熱器、所述第二換熱器以及所述第三換熱器和所述第四換熱器進行預熱后，由所述第三水泵加壓通過所述噴淋管噴入所述蒸發冷凝器，吸收熱量產生蒸汽；

步驟六：噴入所述蒸發冷凝器內但未蒸發的原料液濃度因水的蒸發而增加，稱為濃縮液，根據不同工藝要求，需要對其濃度進行控制，通過水泵抽出濃縮液，依據其濃度，調節第八閥門，控制進入第三水泵而繼續參與系統循環的濃縮液流量；剩余的濃縮液經第九閥門進入第四換熱器預熱原料液，之后排出或作為產品收集。

進一步，所述螺桿壓縮機在運行過程中，所述第二水泵從所述汽液分離器的出水口和所述淡水箱的出水口抽水，加壓后通過所述螺桿壓縮機的噴水冷卻口進入為其冷卻。

進一步，所述第一調節閥的開度與所述原料液預熱換熱器出口蒸汽的過熱度正相關。

進一步，所述第二調節閥的開度與所述汽液分離器的出水口的溫度正相關，第四調節閥的開度與所述第二水泵進口的溫度負相關，所述第三調節閥的開度與所述汽液分離器內部的液位正相關。

與現有技術相比，本發明的技術方案具有以下優點：

本發明提供的機械蒸汽再壓縮系統及控制方法，系統啟動時，通過將系統抽真空使電熱水器加熱產生的高溫水噴入蒸發冷凝器后閃蒸產生低溫蒸汽，并利用螺桿壓縮機壓縮低溫蒸汽提供熱源蒸汽；當蒸發冷凝器內的蒸汽產量增加到一定值時，開啟離心壓縮機，作為一級蒸汽壓縮，此時螺桿壓縮機的吸汽為從離心壓縮機出來的壓縮蒸汽，對蒸汽進行二級壓縮，提供進入蒸發冷凝器的具有較高溫度和壓力的熱源蒸汽，然后實現系統的穩定運行；同時利用換熱器吸收離心壓縮機出來的過熱蒸汽的熱量，對原料液進行預熱，并對螺桿壓縮機吸汽過熱度進行控制；通過對螺桿壓縮機工作容積內噴水冷卻，來降低高壓比時的壓縮蒸汽過熱度，同時水的冷卻作用能使壓縮過程接近等溫過程，液體水還能起到密封的作用，從而提高螺桿壓縮機的性能。本發明為一種無須啟動熱源蒸汽、能實現高蒸汽壓比(壓縮蒸汽飽和溫升)和高蒸汽流量的、具有較高能源效率的機械蒸汽再壓縮系統，能起到擴充機械蒸汽再壓縮系統應用范圍，實現工業節能的作用。

附圖說明

圖1是本發明實施例的系統示意圖；

圖中：1為蒸發冷凝器、2為離心壓縮機、3為螺桿壓縮機、4為電熱水器、5為汽液分離器、6為淡水箱、7為原料液預熱換熱器、8為第二換熱器、9為第三換熱器、10為第四換熱器、11為泄水分離器、12為真空泵、13為第一水泵、14為第三水泵、15為第五水泵、16為第四水泵、17為第二水泵、18為排氣閥、19為第十閥門、20為第十六閥門、21為第十一閥門、22為第一閥門、23為第二閥門、24為第四閥門、25為第三閥門、26為第一調節閥、27為第五閥門、28為第二調節閥、29為第三調節閥、30為第七閥門、31為第十三閥門、32為第十四閥門、33為第九閥門、34為第八閥門、35為第十五閥門、36為第十二閥門、37為第四調節閥、38為第六閥門、1a為濾網、1b為噴淋管、1c為集水箱、1d為冷凝管。

具體實施方式

為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施例做詳細的說明。

系統實施例

如圖1所示：一種機械蒸汽再壓縮系統,包括蒸發冷凝器1、離心壓縮機2、螺桿壓縮機3、電熱水器4、汽液分離器5和淡水箱6，所述蒸發冷凝器1的頂部設置有濾網1a、所述濾網1a的下方設置有噴淋管1b、所述噴淋管1b的下方設置有集水箱1c和與所述集水箱1c連通的冷凝管1d，所述集水箱1c的出氣口設置有排氣閥18和真空泵12，所述噴淋管1b的進口通過設有第一水泵13的管路連通所述電熱水器4的出口，所述蒸發冷凝器1通過其頂部的出汽口連通所述離心壓縮機2的進口和所述螺桿壓縮機3的進口，所述蒸發冷凝器1與所述離心壓縮機2之間的管路上還依次設置有第一閥門22和泄水分離器11，所述蒸發冷凝器1與所述螺桿壓縮機3之間的管路上設置有第二閥門23，所述離心壓縮機2的出口通過設置有原料液預熱換熱器7和第三閥門25的管路連通所述螺桿壓縮機3的進口，所述螺桿壓縮機3的出口通過設置有第四閥門24的管路連通所述螺桿壓縮機3的進口，所述螺桿壓縮機3的出口還連通所述汽液分離器5的進口，所述汽液分離器5的出口連通所述蒸發冷凝器1的所述冷凝管1d的進口，所述原料液預熱換熱器7的原料液進口和所述原料液預熱換熱器7的原料液出口之間設置有第一調節閥26，所述原料液預熱換熱器7的原料液出口還分別通過設有第五閥門27的管路和設有第二調節閥28的管路連通第二換熱器8的原料液出口和第二換熱器8的原料液進口，所述第二換熱器8的淡水進口通過設有第三調節閥29管路連通所述汽液分離器5的出水口，所述第二換熱器8的淡水進口還通過設有第四調節閥37的管路連通第二水泵17，所述第二水泵17的進口還通過設有第六閥門38的管路連通所述淡水箱6的出水口，所述第二水泵17的出口連通所述螺桿壓縮機3的噴水冷卻口，所述第二換熱器8的淡水出口通過設有第七閥門30管路連通所述淡水箱6的進水口，所述第二換熱器8的原料液出口通過并聯設置有第三換熱器9和第四換熱器10的管路連通第三水泵14的進口，所述第三水泵14的出口連通所述蒸發冷凝器1的所述噴淋管1b的進口，所述蒸發冷凝器1的所述集水箱1c的出水口通過設有第四水泵16的管路連通所述第三換熱器9的淡水進口并通過所述第三換熱器9的淡水出口連通所述淡水箱6，所述蒸發冷凝器1底部的濃縮液出口設置有第五水泵15，所述第五水泵15的出口一方面通過設有第八閥門34的管路連通所述第三水泵14的進口，另一方面通過設有第九閥門33的管路連通所述第四換熱器10的濃縮液進口并通過所述第四換熱器10的濃縮液出口排出。

所述電熱水器4的進口設有第十閥門19。

所述蒸發冷凝器1頂部的所述出汽口還設有第十一閥門21。

所述集水箱1c的出水口與所述第四水泵16之間還設有第十二閥門36。

所述第三換熱器9的原料液進口和所述第四換熱器10的原料液進口分別設有第十三閥門31和第十四閥門32。

所述第三水泵14的進口設有第十五閥門35，所述第一水泵13的出口設有第十六閥門20。

方法實施例

一種機械蒸汽再壓縮系統的控制方法，包括如下步驟：

步驟一：首先啟動所述真空泵12對系統進行抽真空，并開啟所述電熱水器4，當系統真空度和所述電熱水器4內的熱水達到要求后，啟動所述第一水泵13，所述電熱水器4中的熱水經過加壓后由所述噴淋管1b噴入所述蒸發冷凝器1；

步驟二：關閉所述第一閥門22，打開所述第二閥門23和所述第四閥門24，啟動所述螺桿壓縮機3，由于所述蒸發冷凝器1中位負壓，噴入的熱水會吸收自身熱量產生低溫閃蒸汽，閃蒸汽經過所述濾網1a濾除原料液滴后被所述螺桿壓縮機3初步壓縮后再經所述第四閥門24進入所述螺桿壓縮機3再次壓縮，如此循環，提高蒸汽的品質；

由于所產生的閃蒸汽量較低，不能直接開啟所述離心壓縮機2，需關閉所述第一閥門22，同時打開所述第二閥23，開啟所述螺桿壓縮機3壓縮所產生的低溫蒸汽，因為閃蒸汽的溫度及壓力較低，初步壓縮后的壓力與溫度也不會太高，不能滿足系統熱源蒸汽的要求。此時可先將全部或部分所述螺桿壓縮機3的排汽通過第四閥24旁通至所述螺桿壓縮機3的進口，與所述蒸發冷凝器1出來的閃蒸汽混合升溫升壓后，再進入所述螺桿壓縮機3繼續被壓縮，從而不斷提高蒸汽壓力和溫度。

步驟三：關閉所述第四閥門24，此時高品質的蒸汽經管路進入所述汽液分離器5，然后進入所述蒸發冷凝器1的所述冷凝管1d；

所述汽液分離器5還可以啟動穩定蒸汽壓力的作用。

步驟四：關閉所述真空泵12，打開所述第一閥門22，關閉所述第二閥門23，啟動所述離心壓縮機2，高品質的蒸汽進入所述冷凝管1d后自身冷凝并釋放熱量，使得由所述噴淋管1b噴入的熱水產生蒸汽，所述蒸汽由所述離心壓縮機2吸入進行一級壓縮，再經所述螺桿壓縮機3進行二級壓縮，經所述汽液分離器5進入所述蒸發冷凝器1的所述冷凝管1d，如此循環，經過所述冷凝管1d冷凝產生的水進入所述集水箱1c,而沒有凝結的氣則經過所述排氣閥18排出系統；

在所述螺桿壓縮機3提供的熱源蒸汽作用下，噴淋水的蒸發會增加蒸汽產量。當流出所述蒸發冷凝器1的蒸汽流量高于所述離心壓縮機2最低流量要求時，即可開啟所述離心壓縮機2，對所產生的低溫蒸汽進行壓縮，低溫蒸汽進所述離心壓縮機2之前先經過所述泄水分離器11，可避免液滴進入所述離心壓縮機2。

步驟五：關閉所述電熱水器4、所述第一水泵13，啟動所述第三水泵14，此時原料液經過所述原料液預熱換熱器7、所述第二換熱器8以及所述第三換熱器9和所述第四換熱器10進行預熱后由所述第三水泵14加壓通過所述噴淋管1b噴入所述蒸發冷凝器1，吸收熱量產生蒸汽。經所述離心壓縮機2壓縮后的蒸汽為過熱蒸汽，利用所述液預熱換熱器7回收其熱量，對原料液進行預熱，如此，被升壓和降溫后的蒸汽作為所述螺桿壓縮機3的吸汽。所述液預熱換熱器7回收蒸汽熱量的原則是保障所述螺桿壓縮機3吸汽為飽和蒸汽，這樣可以降低所述螺桿壓縮機3的吸汽比容，進而能與所述離心壓縮機2的容積流量相匹配，保證壓縮蒸汽的質量。

所述螺桿壓縮機3在運行過程中，所述第二水泵17從所述汽液分離器5的出水口和所述淡水箱6的出水口抽水，加壓后通過所述螺桿壓縮機3的冷水口進入為其冷卻。

所述第一調節閥26的開度與所述原料液預熱換熱器7出口蒸汽的過熱度正相關。

所述第二調節閥28的開度與所述汽液分離器5的出水口的溫度正相關，第四調節閥37的開度與所述第二水泵17進口的溫度負相關，所述第三調節閥29的開度與所述汽液分離器5內部的液位正相關。

由于所述螺桿壓縮機3吸汽溫度和壓力都升高，其運行壓比也較高，此時必須噴水冷卻，降低所述螺桿壓縮機3的排汽溫度，噴入水的冷卻作用能使壓縮過程接近等溫過程，同時也會對各泄漏通道有一定的密封作用，從而能提高所述螺桿壓縮機3的性能，進而保障系統的運行效率。

被所述離心壓縮機2排汽預熱后的原料液可繼續進入所述第二換熱器8，與流出所述汽液分離器5的噴入所述螺桿壓縮3內但未蒸發的部分高溫水進行換熱，被進一步預熱；為了保障換熱效率，降低流動損失，可根據所述汽液分離器5中的壓力和液位，調節與高溫水換熱的原料液流量，被預熱后的原料液與主路原料液混合，分兩路分別進入所述第三換熱器9和所述第四換熱器10，并通過回收所述蒸發冷凝器1流出的產品水及濃縮液的余熱，進而進一步提高自身溫度，然后經由所述第三水泵14噴入所述蒸發冷凝器1內閃蒸或吸熱蒸發產生作為所述離心壓縮機2吸汽的低溫蒸汽。

所述蒸發冷凝器1內產生的冷凝水經所述第四水泵16泵出，先進入所述第三換熱器9，回收其余熱對原料液進行預熱，之后進入所述淡水箱6；利用所述第二水泵17將混合所述汽液分離器5的高溫水和所述淡水箱6內的低溫水，噴入所述螺桿壓縮機3的工作腔內，用于壓縮蒸汽的冷卻及工作腔內泄漏通道的密封；在噴水量一定的情況下，可通過所述第四調節閥37和所述第六閥門38對噴水溫度進行調控。

步驟六：所述蒸發冷凝器1底部的處理液濃度因水的蒸發而升高，變為濃縮液，經所述第五水泵15泵出后部分與預熱后的原料液一起，繼續噴入所述蒸發冷凝器1參與系統循環，可根據所述蒸發冷凝器1底部濃縮液濃度，對參與系統循環的濃縮液流量進行控制；被泵出的另一部分濃縮液進入所述第四換熱器10，回收其余熱用于原料液的預熱，之后直接排出或作為產品被收集。

雖然本發明披露如上，但本發明并非限定于此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護范圍應當以權利要求所限定的范圍為準。