摘要：針對某企業(yè)的硫酸鹽溶液蒸發(fā)結晶項目，介紹了ＭＶＲ技術(shù)的應用及原理，并根據ＭＶＲ技術(shù)原理，提出了將ＭＶＲ技術(shù)應用于硫酸鹽溶液蒸發(fā)結晶的工藝流程，同時(shí)對ＭＶＲ技術(shù)的自動(dòng)控制系統進(jìn)行整體設計及硬件設計�？刂葡到y通過(guò)ＰＬＣ與變頻器相結合的控制方式，對機械式蒸汽壓縮機、進(jìn)料泵、出料泵、強制循環(huán)泵等實(shí)現自動(dòng)控制，同時(shí)可對硫酸鹽溶液的濃縮、蒸發(fā)、結晶過(guò)程中的液位、溫度及流量等工藝參數進(jìn)行監測控制。

 

０引言

２０世紀７０年代隨著(zhù)人們對能源需求的日漸增加以及能源價(jià)格的飛速上漲，ＭＶＲ技術(shù)逐漸引起各國研究者的關(guān)注和研究，并成功地應用于蒸發(fā)系統中［１］。而德國ＧＥＡ公司針對蒸發(fā)分離操作過(guò)程耗能高的問(wèn)題，于１９５７年就開(kāi)發(fā)出了商業(yè)化的ＭＶＲ蒸發(fā)系統［２］。我國于２０世紀９０年代初引進(jìn)了ＭＶＲ技術(shù)，應用實(shí)踐表明，采用ＭＶＲ技術(shù)大大降低了蒸發(fā)系統能耗，提高了能源利用率，因此ＭＶＲ技術(shù)在石油化工、工業(yè)廢水處理、海水淡化、制鹽等各個(gè)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域及食品制造行業(yè)得到廣泛應用。

 

１ＭＶＲ技術(shù)簡(jiǎn)介及原理

機械蒸汽再壓縮技術(shù)（ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＶａｐｏｒＲｅ－ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）簡(jiǎn)稱(chēng)ＭＶＲ。ＭＶＲ技術(shù)起源于歐洲，是為了減少濃縮過(guò)程中冷凝水的巨大能耗和二次蒸汽的重復利用而發(fā)展起來(lái)的技術(shù)。ＭＶＲ蒸發(fā)系統主要由蒸發(fā)室、氣液分離器、蒸汽壓縮機等組成，ＭＶＲ技術(shù)的核心設備是機械蒸汽壓縮機。在強制循環(huán)蒸發(fā)室里對預熱處理過(guò)的硫酸鹽溶液蒸發(fā)濃縮的過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生二次蒸汽，產(chǎn)生的二次蒸汽通過(guò)蒸發(fā)室上部的氣液分離器，在氣液分離器的分離作用下將二次蒸汽送入機械蒸汽壓縮機，機械蒸汽壓縮機對這種二次蒸汽進(jìn)行加壓壓縮，從而使蒸汽壓力加大，溫度升高［３］，達到再次利用的標準。機械蒸汽壓縮機壓縮后的蒸汽經(jīng)由強制循環(huán)換熱器再進(jìn)入強制循環(huán)蒸發(fā)室的加熱室對料液再次進(jìn)行加熱蒸發(fā)，以此達到重復利用的目的。

 

２硫酸鹽蒸發(fā)結晶的工藝流程

來(lái)自上工段的硫酸鹽溶液經(jīng)進(jìn)料泵泵入凝水預熱器，再經(jīng)凝水預熱器進(jìn)入蒸汽預熱器預熱后進(jìn)入強制循環(huán)換熱器Ａ管程內，由強制循環(huán)泵泵入強制循環(huán)換熱器Ｂ后送入強制循環(huán)蒸發(fā)室，在蒸發(fā)室蒸發(fā)后達到一定濃度的溶液通過(guò)蒸發(fā)室的出料口經(jīng)出料泵泵入結晶罐，然后經(jīng)離心機進(jìn)行分離，將離心得到的濕鹽外運，離心出的濾液流入母液存儲罐可再由母液泵泵入結晶罐進(jìn)行二次結晶，也可由母液泵泵入蒸發(fā)室進(jìn)行再次蒸發(fā)。

 

在整個(gè)ＭＶＲ系統運行前，先由蒸汽管道從外部輸入中低壓蒸汽，一部分蒸汽進(jìn)入蒸汽預熱器對來(lái)自凝水預熱器的原液進(jìn)行預熱，另一部分蒸汽輸送入強制循環(huán)換熱器Ａ經(jīng)由管道進(jìn)入強制循環(huán)蒸發(fā)室對蒸發(fā)室內的料液進(jìn)行蒸發(fā)。在料液蒸發(fā)的過(guò)程中也會(huì )產(chǎn)生蒸汽，產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)強制循環(huán)蒸發(fā)室上部的出氣口進(jìn)入氣液分離器，進(jìn)行氣液分離后的蒸汽進(jìn)入機械蒸汽壓縮機，機械蒸汽壓縮機對二次蒸汽進(jìn)行壓縮，使其壓力增大、溫度升高。壓縮升溫后的二次蒸汽再次經(jīng)強制循環(huán)換熱器對強制循環(huán)蒸發(fā)室的料液進(jìn)行加熱蒸發(fā)。硫酸鹽溶液蒸發(fā)結晶的工藝流程如圖１所示。

 

３過(guò)程控制系統設計

整個(gè)蒸發(fā)系統中的核心設備———機械蒸汽壓縮機主要由壓縮系統、蒸汽降溫器和潤滑系統三部分組成。整個(gè)蒸發(fā)系統開(kāi)機運行前需shou先檢測各個(gè)手動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)閉狀況，確保各手動(dòng)閥門(mén)處于正確的狀態(tài)，確保各傳動(dòng)設備的潤滑正常。檢測自動(dòng)閥門(mén)處于正確的自控狀態(tài)。通過(guò)壓力傳感器檢測泵密封水管道內的壓力，確保密封水正常方可開(kāi)機，防止各密封缺水而損壞。ＭＶＲ蒸發(fā)系統示意圖如圖２所示。

３．１進(jìn)料過(guò)程控制

在完成開(kāi)機前的檢測之后，開(kāi)啟壓縮機輔助油泵及強制循環(huán)換熱器Ａ對機械蒸汽壓縮機潤滑油進(jìn)行升溫，使其溫度上升到４０℃～４８℃之間。由進(jìn)料泵向系統中進(jìn)料，物料經(jīng)過(guò)各預熱器后進(jìn)入到強制循環(huán)蒸發(fā)室，由溫度傳感器檢測預熱后的進(jìn)料溫度，將溫度值的信號反饋給ＰＬＣ來(lái)控制預熱蒸汽閥門(mén)的開(kāi)度以保證料溫［４］。進(jìn)料過(guò)程中用流量計進(jìn)行流量顯示和流量積累值顯示，通過(guò)調節閥的開(kāi)度控制流量大小。在強制循環(huán)蒸發(fā)室上裝有如圖２中所示的差壓液位計，以此來(lái)顯示液位情況，此液位高低可以設定，到達設定液位時(shí)，停止進(jìn)料。

 

３．２加熱過(guò)程溫度控制

蒸發(fā)系統中地衣次使用的蒸汽是來(lái)自于外部的中低壓蒸汽。開(kāi)啟蒸汽手動(dòng)閥門(mén)，對硫酸鹽溶液進(jìn)行加熱。在加熱過(guò)程中通過(guò)溫度傳感器檢測強制循環(huán)蒸發(fā)室內的物料溫度，使物料的溫度都達到設定溫度［５］。開(kāi)啟真空泵，系統抽真空，１０ｍｉｎ后開(kāi)壓縮機。

 

３．３壓縮機過(guò)程控制

當溫度達到設定數值并且機械蒸汽壓縮機系統本身的各項啟動(dòng)條件（潤滑油壓力≥０．０７ＭＰａ；潤滑油溫度≥４０℃；位于壓縮機排氣端的旁通閥全開(kāi)；輔助油泵運行１０ｍｉｎ；變頻電機風(fēng)扇運行＞２ｍｉｎ；噴水調節閥投入自動(dòng)等）都正常的時(shí)候就可以啟動(dòng)機械蒸汽壓縮機。要注意開(kāi)啟壓縮機輔助油泵時(shí)，控制變速箱進(jìn)口油壓在正常范圍內，一般為０．１ＭＰａ～０．２ＭＰａ，開(kāi)啟壓縮機油冷卻水正常。啟動(dòng)前如果油溫低于４０℃則應開(kāi)啟強制循環(huán)換熱器Ａ提高油溫，運行時(shí)需通過(guò)操作冷卻水或強制循環(huán)換熱器Ａ將油溫控制在４０℃～４８℃。壓縮機啟動(dòng)頻率可以由變頻器設定，建議啟動(dòng)頻率在１５Ｈｚ；然后逐漸提高頻率，當頻率到達３０Ｈｚ時(shí)逐漸關(guān)閉旁通閥，直至正常工作的設定頻率。在運行過(guò)程中應檢測壓縮機各軸承溫度、高速軸位移、主油箱液位、油冷卻器出口溫度、壓縮機供油溫度、壓縮機供油壓力等參數［６］，系統正常工作后旁通閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

３．４液位過(guò)程控制

機械蒸汽壓縮機工作過(guò)程中，裝在壓縮機出口管道上的溫度傳感器會(huì )對出口蒸汽溫度進(jìn)行檢測，超過(guò)設定溫度過(guò)熱時(shí)，機械蒸汽壓縮機內的蒸汽降溫器啟動(dòng)，自動(dòng)閥開(kāi)啟，進(jìn)行噴淋降溫，自控閥的開(kāi)度根據出口溫度情況進(jìn)行調節。系統開(kāi)始蒸發(fā)，結晶罐液位下降，待液位低于設定液位時(shí)，進(jìn)料泵打開(kāi)，進(jìn)料流量大小按設計流量，系統達到一定平衡。開(kāi)機正常后關(guān)閉強制循環(huán)換熱器Ａ上的蒸汽補給閥門(mén)。隨著(zhù)水分的不斷蒸發(fā)，強制循環(huán)換熱器Ａ中產(chǎn)生冷凝水，冷凝水會(huì )流到冷凝水罐中收集。冷凝水罐上裝有磁翻板液位計ＬＩ，顯示水罐中的液位并將信號反饋給ＰＬＣ，當液位到達設定液位時(shí)，凝水輸出泵啟動(dòng)，凝水輸出泵變頻控制，將冷凝水排出，使液位穩定在一定的范圍。冷凝水的瞬時(shí)流量及積累流量通過(guò)電磁流量計ＦＩ進(jìn)行測量及反饋。注意冷凝水輸出泵出口手動(dòng)閥不要開(kāi)的過(guò)大，應處在一個(gè)合適的開(kāi)度，保持出水連續。物料逐漸濃縮，當強制循環(huán)蒸發(fā)室下視鏡有鹽析出時(shí)切換出料泵口閥門(mén)，將晶漿打到結晶罐。結晶罐內液位到達半罐后，開(kāi)始準備離心。開(kāi)啟離心機，放料進(jìn)離心機進(jìn)行分離操作。分離后的母液流入母液存儲罐，母液存儲罐上裝有靜壓液位計（如圖１所示），對罐內的液位進(jìn)行顯示和反饋，液位達到設定液位時(shí)，開(kāi)啟母液泵閥門(mén)，將母液打入蒸發(fā)系統繼續蒸發(fā)，母液泵采用變頻控制。自控閥在壓縮機喘振時(shí)打開(kāi)，對其進(jìn)行調節。壓縮機上的液位計用于檢測壓縮機進(jìn)口集水管中的液位，當液位達到設定值時(shí)，切斷閥開(kāi)啟，水由排水泵排出。液位低于設定值時(shí)，排水泵停，切斷閥關(guān)閉。

 

３．５停車(chē)過(guò)程控制

當生產(chǎn)結束時(shí)要進(jìn)行停車(chē)操作。對于停車(chē)過(guò)程的控制如下：關(guān)閉蒸汽閥門(mén)，打開(kāi)壓縮機旁通閥，逐漸降低頻率，關(guān)閉壓縮機，輔助油泵繼續運行１０ｍｉｎ；關(guān)閉真空泵，開(kāi)啟閥門(mén)破除真空；關(guān)閉進(jìn)料泵及進(jìn)料閥門(mén)，關(guān)閉降溫泵；延時(shí)３０ｍｉｎ后關(guān)閉軸流泵，關(guān)閉出料泵，將系統中的物料排出；關(guān)掉工藝水，關(guān)掉電源。

 

４控制系統總體結構設計

硫酸鹽溶液蒸發(fā)結晶的整個(gè)控制系統包括三個(gè)部分：監控層、控制層、現場(chǎng)�？刂葡到y整體結構框圖如圖３所示。

監控層是利用上位機人機界面監控現場(chǎng)的實(shí)時(shí)數據，并根據顯示的數據做出遠程控制�？刂茖影�括ＰＬＣ主控制器、Ｉ／Ｏ模塊、模數轉換器等，主要是對現場(chǎng)的溫度、流量、壓力、液位等工藝參數信號進(jìn)行采集并反饋給ＰＬＣ進(jìn)行處理�？刂茖舆�負責通信及進(jìn)行自我故障診斷，還可以實(shí)現算法計算�，F場(chǎng)通過(guò)儀表變送器對過(guò)程對象的一些信號進(jìn)行轉換，使系統可以進(jìn)行識別。

 

５控制系統硬件設計

本項目研究的硫酸鹽溶液蒸發(fā)結晶的ＭＶＲ控制系統中硬件主要采用了西門(mén)子Ｓ７－１２００ＰＬＣ控制器、變頻器、熱電阻模擬量模塊、模擬量輸入輸出模塊、數字量輸入輸出模塊、中間繼電器及斷路器、指示燈和電源等。通過(guò)ＰＬＣ加變頻器的控制方式來(lái)調節控制各個(gè)電動(dòng)機的運轉。ＰＬＣ作為控制器來(lái)調控整個(gè)ＭＶＲ系統中的各個(gè)被控對象，包括二次蒸汽的溫度、料液的密度、管道的壓力等。這些測量量會(huì )經(jīng)過(guò)各個(gè)儀表變送與模數轉換反饋給ＰＬＣ［７］，由ＰＬＣ調節。對于溫度控制，根據項目提出的溫度控制要求進(jìn)行ＰＬＣ梯形圖編程，然后通過(guò)控制變頻器來(lái)調控機械式蒸汽壓縮機的轉速進(jìn)而改變二次蒸汽的溫度�，F場(chǎng)采集的實(shí)時(shí)數據通過(guò)電纜通信傳輸到由ＷｉｎＣＣ編寫(xiě)的控制面板中，實(shí)現過(guò)程數據的實(shí)時(shí)監控［８］。ＭＶＲ蒸發(fā)系統控制框圖如圖４所示。

６結語(yǔ)

本文針對某企業(yè)的硫酸鹽溶液蒸發(fā)結晶項目，介紹了利用ＭＶＲ技術(shù)的蒸發(fā)結晶工藝流程，并對整個(gè)系統需要控制的進(jìn)料、壓縮機、液位、溫度、停車(chē)過(guò)程進(jìn)行了過(guò)程控制設計。結合系統的工藝流程和控制要求對整個(gè)控制系統的框架結構進(jìn)行了設計，#后說(shuō)明了控制系統需要的硬件，并對整個(gè)系統#核心的部分ＭＶＲ蒸發(fā)系統進(jìn)行了控制方式的說(shuō)明。