MVR原理及蒸汽压缩机选型与设计

2024-12-23 15:05 宁夏

在工业废水零排放领域，普遍采用“多级化学软化+多级膜浓缩分质+蒸发结晶”工艺。蒸发结晶又分为多效蒸发工艺（MED）、蒸汽热力再压缩工艺（TVR）、蒸汽机械再压缩工艺（MVR）等。其中，MED工艺需要大量的一次蒸汽，蒸发产品的停留时间长，处理效率不高，三效蒸发的一次蒸汽消耗量为0.40~0.50 kg/kgH2O。TVR工艺利用了蒸发时产生的二次蒸汽，但蒸发时消耗的仍然是高温蒸汽，一次蒸汽消耗量为0.10~0.30 kg/kgH2O，节能效果有限。MVR工艺与TVR工艺一样，都是充分利用蒸发结晶时产生的二次蒸汽，提高经济性，但与之不同的是，MVR工艺蒸发消耗的是电能，所以，在缺少一次蒸汽供应或一次蒸汽价格价高的场景下应用广泛。

MVR工艺的核心设备是蒸汽压缩机，其是保证MVR处理能力的关键，但在很多项目中，设计单位或EPC单位对蒸汽压缩机的选型未经论证、对蒸汽压缩机的主要参数计算不准确，导致运行过程中MVR处理能力达不到期望值，本文从MVR原理出发，给出蒸汽压缩机分类选型和简捷的设计计算方法，供水处理人士参考。

一、MVR原理

MVR装置通常由预热器、加热器、蒸发器、冷凝器、强制循环泵、蒸汽压缩机、稠厚器、离心机等组成。高浓度盐水经进料泵进入预热器升温（与蒸汽冷凝水换热），达到一定温度后，进入加热器（与压缩后的二次蒸汽换热），加热至沸点后，进入蒸发器，强制循环泵使物料在蒸发器和加热器之间持续循环，蒸发器产生的二次蒸汽进入蒸汽压缩机，温度压力均升高后，进入加热器往复使用，如此往复，实现高效节能目的，如下图所示。

二、蒸汽压缩机分类及选型

在工业上，压缩机种类很多，按工作原理分类如下图所示。

对于MVR，普遍采用的蒸汽压缩机有两种，一种是回转式中的罗茨式蒸汽压缩机、另一种是透平式中的离心式蒸汽压缩机。两种压缩机适用工况不同，主要表现在排气量、排气压力、绝热效率等，如下表所示。

从上表可见，罗茨式蒸汽压缩机适用于中小气量的情况下，否则设备过大，导致占地面积和投资增加；离心式蒸汽压缩机适用于大中气量的情况下，所以，MVR蒸发结晶的二次蒸汽量多少是选择蒸汽压缩机的关键依据。

例如某废水零排放项目，MVR蒸发结晶装置进料量为10 t/h，二次蒸汽压力为0.08 MPa、温度为93.51 ℃，查得二次蒸汽密度为0.48 kg/m³，视10 t/h进料全部蒸发，则压缩机进气量为20833.33 m³/h（347.22 m³/min），蒸汽压缩机排气温度为105 ℃，排气压力为0.15 MPa，则压缩机排气量为207.94 m³/min，此时应该选择离心式蒸汽压缩机，计算过程如下。

（1）计算进入压缩机的蒸汽体积流量

式中：Vi为进入压缩机的蒸汽体积流量，m³/h；mi为进入压缩机的蒸汽质量流量，kg/h；ρi为进入压缩机的蒸汽密度，kg/m³。

（2）计算蒸汽压缩机排气体积流量

式中：Pi为蒸汽进入压缩机的压力，MPa；Po为蒸汽出压缩机的压力，MPa；Vi为蒸汽进入压缩机的体积流量，m³/min；Vo为蒸汽出压缩机的体积流量，m³/min；Ti为蒸汽进入压缩机的温度，℃；Ti为蒸汽出压缩机的温度，℃。

由于罗茨式蒸汽压缩机适用排气量为3~150m³/min、而离心式蒸汽压缩机适用排气量为25~3000m³/min，所以选择离心式蒸汽压缩机。

三、压缩机主要参数设计

从上文可知，MVR是通过电能驱动蒸汽压缩机将二次蒸汽温度和压力提高的工艺，所以，蒸汽压缩机的电机功率是保证压缩机能力的基础。仍以MVR蒸发结晶装置进料量为10 t/h，二次蒸汽压力为0.08 MPa、温度为93.51 ℃，蒸汽压缩机排气温度为105 ℃，排气压力为0.15 MPa为例，电机功率可按以下步骤进行计算。

（1）计算蒸汽的绝热指数

式中：k为蒸汽的绝热指数；CP为蒸汽在0.08MPa、93.51℃时的定压比热容，kJ/(kg·℃);CV为蒸汽在0.08MPa、93.51℃时的定容比热容，kJ/(kg·℃)。

（2）计算蒸汽压缩机多变指数

式中：m为蒸汽压缩机的多变指数；ηp为压缩机的多变效率，可根据下图查得。

（3）计算压缩机压力比

式中：ε为压缩机压力比。

压力比＜3.5的蒸汽压缩机均采用一段压缩即可。

（4）计算蒸汽压缩机的理论功率

式中，N为蒸汽压缩机的理论功率，kW。

部分设计单位或EPC单位以理论功率为依据来确定压缩机电机功率，导致压缩机出力偏小。

（5）计算蒸汽压缩机轴功率

式中：Na为蒸汽压缩机的轴功率，kW；压缩机因摩擦等原因其效率不可能达到100%，ηm称为机械效率，理论功率N＜1000 kW时，可取0.94~0.96、1000≤N＜2000 kW时，可取0.96~0.98；ηt称为传动效率，对于电机与压缩机采用联轴器或一根轴直接连接的，取1，对于采用齿轮传动的，ηt在0.93~0.98之间，精确计算时，可查齿轮手册选取齿轮副的传动效率。

部分设计单位或EPC单位以轴功率为依据来确定压缩机电机功率，但由于电机负载的原因，会导致电机不可能实现100%的输出，所以这样仍会导致压缩机出力不足。

（6）计算蒸汽压缩机电机功率

上式表示蒸汽压缩机电机功率是轴功率的1.1~1.2倍，根据计算结果，可以取电机功率标准系列值280 kW。

总结

蒸汽压缩机是保证MVR达到设计处理能力的核心设备，准确计算压缩机驱动功率是保证压缩机性能的基础。如果按照理论计算功率选取驱动功率，将比实际应有的驱动功率低20%~30%；如果按照轴功率选取驱动功率，将比实际应有的驱动功率低10~20%。

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