一种机械蒸汽再压缩系统及控制方法与流程

本发明涉及一种机械蒸汽再压缩系统及控制方法，属于工业蒸馏浓缩与供热工程中低温蒸汽余热回收利用领域。

背景技术：

全球能源问题日益突出，我国能源消耗高但能源利用率低，迫切需要对能源密集型工业领域进行节能改造。机械蒸汽再压缩技术是利用热泵原理，回收低温蒸汽余热，利用机械压缩机压缩蒸汽，能提供可替代锅炉蒸汽的热源蒸汽，并能广泛应用于印染、污水处理、海水淡化、化工精馏等工业领域。研究表明，用压缩机提高蒸汽压力的能耗只有用锅炉产生等量蒸汽能耗的5-10％。

虽然机械蒸汽再压缩系统具有较高的节能潜力，但其应用与推广受限于机械蒸汽压缩机技术。首先由于水蒸气具有较高的比容，系统实际应用时的原料液处理能力受限于压缩机所能实现的容积流量。其次由于水蒸气的绝热指数较高，当系统运行要求较高的压缩蒸汽饱和温升时，压缩机运行压比较高，因而压缩机需要克服较高排汽温度的问题。

此外，目前的机械蒸汽再压缩系统启动时都需要提供额外的热源蒸汽，必须先蒸发原料液，产生蒸汽进入压缩机，当系统稳定运行时，再完全用压缩蒸汽作为热源蒸汽进入系统。一般开机启动时用的热源蒸汽都为锅炉蒸汽，能源消耗较高，导致系统的成本增加。

通常离心压缩机能实现较大的容积流量，但因其对液滴的敏感性和小流量的喘振问题，适应性交较差，运行压比不宜太高。而螺杆压缩机因其耐液特性，能通过工作容积喷水冷却的方式，实现蒸汽压缩的高压比和低排汽温度，但其只适用于中低容积流量。

因此机械蒸汽再压缩系统的应用推广和成本降低，可通过解决系统开机启动热源蒸汽问题、提供大流量和高压比的机械蒸汽压缩形式这两种主要途径出发，进而能一定程度上缓解工业生产能源消耗的压力。

技术实现要素：

本发明能很好解决上述问题，提供一种开机无需额外热源蒸汽，结合离心压缩机与螺杆压缩机各自特点，实现大流量、高压比机械蒸汽压缩的机械蒸汽再压缩系统，以及系统的控制方法。

为解决上述问题，本发明提供一种机械蒸汽再压缩系统，包括蒸发冷凝器、离心压缩机、螺杆压缩机、电热水器、汽液分离器和淡水箱，所述蒸发冷凝器的顶部设置有滤网、所述滤网的下方设置有喷淋管、所述喷淋管的下方设置有集水箱和与所述集水箱连通的冷凝管，所述集水箱的出气口设置有排气阀和真空泵，所述喷淋管的进口通过设有第一水泵的管路连通所述电热水器的出口，所述蒸发冷凝器通过其顶部的出汽口连通所述离心压缩机的进口和所述螺杆压缩机的进口，所述蒸发冷凝器与所述离心压缩机之间的管路上还设置有第一阀门和泄水分离器，所述蒸发冷凝器与所述螺杆压缩机之间的管路上设置有第二阀门，所述离心压缩机的出口通过设置有原料液预热换热器和第三阀门的管路连通所述螺杆压缩机的进口，所述螺杆压缩机的出口通过设置有第四阀门的管路连通所述螺杆压缩机的进口，所述螺杆压缩机的出口还连通所述汽液分离器的进口，所述汽液分离器的出口连通所述蒸发冷凝器的所述冷凝管的进口，所述原料液预热换热器的原料液进口和所述原料液预热换热器的原料液出口之间设置有第一调节阀，所述原料液预热换热器的原料液出口还分别通过设有第五阀门的管路和设有第二调节阀的管路连通第二换热器的原料液出口和第二换热器的原料液进口，所述第二换热器的淡水进口通过设有第三调节阀管路连通所述汽液分离器的出水口，所述第二换热器的淡水进口还通过设有第四调节阀的管路连通第二水泵，所述第二水泵的进口还通过设有第六阀门的管路连通所述淡水箱的出水口，所述第二水泵的出口连通所述螺杆压缩机的喷水冷却口，所述第二换热器的淡水出口通过设有第七阀门管路连通所述淡水箱的进水口，所述第二换热器的原料液出口通过并联设置有第三换热器和第四换热器的管路连通第三水泵的进口，所述第三水泵的的出口连通所述蒸发冷凝器的所述喷淋管的进口，所述蒸发冷凝器的所述集水箱的出水口通过设有第四水泵的管路连通所述第三换热器的淡水进口并通过所述第三换热器的淡水出口连通所述淡水箱，所述蒸发冷凝器底部的浓缩液出口设置有第五水泵，所述第五水泵的出口一方面通过设有第八阀门的管路连通所述第三水泵的进口，另一方面通过设有第九阀门的管路连通所述第四换热器的浓缩液进口并通过所述第四换热器的浓缩液出口排出。

进一步，所述电热水器的进口设有第十阀门。

进一步，所述蒸发冷凝器顶部的出汽口还设有第十一阀门。

进一步，所述集水箱的出水口与所述第四水泵之间还设有第十二阀门。

进一步，所述第三换热器的原料液进口和所述第四换热器的原料液进口分别设有第十三阀门和第十四阀门。

进一步，所述第三水泵的进口设有第十五阀门，所述第一水泵的出口设有第十六阀门。

此外本发明还提供上述机械蒸汽再压缩系统的控制方法，包括：

步骤一：首先启动所述真空泵对系统进行抽真空，并开启所述电热水器，当系统真空度和所述电热水器内的热水达到要求后，启动所述第一水泵，所述电热水器中的热水经过加压后由所述喷淋管喷入所述蒸发冷凝器；

步骤二：关闭所述第一阀门，打开所述第二阀门和所述第四阀门，启动所述螺杆压缩机，由于所述蒸发冷凝器中位负压，喷入的热水会吸收自身热量产生低温闪蒸汽，闪蒸汽经过所述滤网滤除原料液滴后被所述螺杆压缩机初步压缩后再经所述第四阀门进入所述螺杆压缩机再次压缩，如此循环，提高压缩蒸汽的品质(流量与温度)；

步骤三：关闭所述第四阀门，此时高品质的蒸汽经管路进入所述汽液分离器，然后进入所述蒸发冷凝器的所述冷凝管；

步骤四：关闭所述真空泵，打开所述第一阀门，关闭所述第二阀门，启动所述离心压缩机，高品质的蒸汽进入所述冷凝管后自身冷凝并释放热量，使得由所述喷淋管喷入的热水产生蒸汽，所述蒸汽由所述离心压缩机吸入进行一级压缩，再经所述螺杆压缩机进行二级压缩后，经所述汽液分离器进入所述冷凝蒸发器的所述冷凝管，如此循环，经过所述冷凝管冷凝产生的水进入所述集水箱，而没有凝结的气则经过所述排气阀排出系统；

步骤五：关闭所述电热水器、所述第一水泵，启动所述第三水泵，此时原料液经过所述原料液预热换热器、所述第二换热器以及所述第三换热器和所述第四换热器进行预热后，由所述第三水泵加压通过所述喷淋管喷入所述蒸发冷凝器，吸收热量产生蒸汽；

步骤六：喷入所述蒸发冷凝器内但未蒸发的原料液浓度因水的蒸发而增加，称为浓缩液，根据不同工艺要求，需要对其浓度进行控制，通过水泵抽出浓缩液，依据其浓度，调节第八阀门，控制进入第三水泵而继续参与系统循环的浓缩液流量；剩余的浓缩液经第九阀门进入第四换热器预热原料液，之后排出或作为产品收集。

进一步，所述螺杆压缩机在运行过程中，所述第二水泵从所述汽液分离器的出水口和所述淡水箱的出水口抽水，加压后通过所述螺杆压缩机的喷水冷却口进入为其冷却。

进一步，所述第一调节阀的开度与所述原料液预热换热器出口蒸汽的过热度正相关。

进一步，所述第二调节阀的开度与所述汽液分离器的出水口的温度正相关，第四调节阀的开度与所述第二水泵进口的温度负相关，所述第三调节阀的开度与所述汽液分离器内部的液位正相关。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明提供的机械蒸汽再压缩系统及控制方法，系统启动时，通过将系统抽真空使电热水器加热产生的高温水喷入蒸发冷凝器后闪蒸产生低温蒸汽，并利用螺杆压缩机压缩低温蒸汽提供热源蒸汽；当蒸发冷凝器内的蒸汽产量增加到一定值时，开启离心压缩机，作为一级蒸汽压缩，此时螺杆压缩机的吸汽为从离心压缩机出来的压缩蒸汽，对蒸汽进行二级压缩，提供进入蒸发冷凝器的具有较高温度和压力的热源蒸汽，然后实现系统的稳定运行；同时利用换热器吸收离心压缩机出来的过热蒸汽的热量，对原料液进行预热，并对螺杆压缩机吸汽过热度进行控制；通过对螺杆压缩机工作容积内喷水冷却，来降低高压比时的压缩蒸汽过热度，同时水的冷却作用能使压缩过程接近等温过程，液体水还能起到密封的作用，从而提高螺杆压缩机的性能。本发明为一种无须启动热源蒸汽、能实现高蒸汽压比(压缩蒸汽饱和温升)和高蒸汽流量的、具有较高能源效率的机械蒸汽再压缩系统，能起到扩充机械蒸汽再压缩系统应用范围，实现工业节能的作用。

附图说明

图1是本发明实施例的系统示意图；

图中：1为蒸发冷凝器、2为离心压缩机、3为螺杆压缩机、4为电热水器、5为汽液分离器、6为淡水箱、7为原料液预热换热器、8为第二换热器、9为第三换热器、10为第四换热器、11为泄水分离器、12为真空泵、13为第一水泵、14为第三水泵、15为第五水泵、16为第四水泵、17为第二水泵、18为排气阀、19为第十阀门、20为第十六阀门、21为第十一阀门、22为第一阀门、23为第二阀门、24为第四阀门、25为第三阀门、26为第一调节阀、27为第五阀门、28为第二调节阀、29为第三调节阀、30为第七阀门、31为第十三阀门、32为第十四阀门、33为第九阀门、34为第八阀门、35为第十五阀门、36为第十二阀门、37为第四调节阀、38为第六阀门、1a为滤网、1b为喷淋管、1c为集水箱、1d为冷凝管。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

系统实施例

如图1所示：一种机械蒸汽再压缩系统,包括蒸发冷凝器1、离心压缩机2、螺杆压缩机3、电热水器4、汽液分离器5和淡水箱6，所述蒸发冷凝器1的顶部设置有滤网1a、所述滤网1a的下方设置有喷淋管1b、所述喷淋管1b的下方设置有集水箱1c和与所述集水箱1c连通的冷凝管1d，所述集水箱1c的出气口设置有排气阀18和真空泵12，所述喷淋管1b的进口通过设有第一水泵13的管路连通所述电热水器4的出口，所述蒸发冷凝器1通过其顶部的出汽口连通所述离心压缩机2的进口和所述螺杆压缩机3的进口，所述蒸发冷凝器1与所述离心压缩机2之间的管路上还依次设置有第一阀门22和泄水分离器11，所述蒸发冷凝器1与所述螺杆压缩机3之间的管路上设置有第二阀门23，所述离心压缩机2的出口通过设置有原料液预热换热器7和第三阀门25的管路连通所述螺杆压缩机3的进口，所述螺杆压缩机3的出口通过设置有第四阀门24的管路连通所述螺杆压缩机3的进口，所述螺杆压缩机3的出口还连通所述汽液分离器5的进口，所述汽液分离器5的出口连通所述蒸发冷凝器1的所述冷凝管1d的进口，所述原料液预热换热器7的原料液进口和所述原料液预热换热器7的原料液出口之间设置有第一调节阀26，所述原料液预热换热器7的原料液出口还分别通过设有第五阀门27的管路和设有第二调节阀28的管路连通第二换热器8的原料液出口和第二换热器8的原料液进口，所述第二换热器8的淡水进口通过设有第三调节阀29管路连通所述汽液分离器5的出水口，所述第二换热器8的淡水进口还通过设有第四调节阀37的管路连通第二水泵17，所述第二水泵17的进口还通过设有第六阀门38的管路连通所述淡水箱6的出水口，所述第二水泵17的出口连通所述螺杆压缩机3的喷水冷却口，所述第二换热器8的淡水出口通过设有第七阀门30管路连通所述淡水箱6的进水口，所述第二换热器8的原料液出口通过并联设置有第三换热器9和第四换热器10的管路连通第三水泵14的进口，所述第三水泵14的出口连通所述蒸发冷凝器1的所述喷淋管1b的进口，所述蒸发冷凝器1的所述集水箱1c的出水口通过设有第四水泵16的管路连通所述第三换热器9的淡水进口并通过所述第三换热器9的淡水出口连通所述淡水箱6，所述蒸发冷凝器1底部的浓缩液出口设置有第五水泵15，所述第五水泵15的出口一方面通过设有第八阀门34的管路连通所述第三水泵14的进口，另一方面通过设有第九阀门33的管路连通所述第四换热器10的浓缩液进口并通过所述第四换热器10的浓缩液出口排出。

所述电热水器4的进口设有第十阀门19。

所述蒸发冷凝器1顶部的所述出汽口还设有第十一阀门21。

所述集水箱1c的出水口与所述第四水泵16之间还设有第十二阀门36。

所述第三换热器9的原料液进口和所述第四换热器10的原料液进口分别设有第十三阀门31和第十四阀门32。

所述第三水泵14的进口设有第十五阀门35，所述第一水泵13的出口设有第十六阀门20。

方法实施例

一种机械蒸汽再压缩系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤一：首先启动所述真空泵12对系统进行抽真空，并开启所述电热水器4，当系统真空度和所述电热水器4内的热水达到要求后，启动所述第一水泵13，所述电热水器4中的热水经过加压后由所述喷淋管1b喷入所述蒸发冷凝器1；

步骤二：关闭所述第一阀门22，打开所述第二阀门23和所述第四阀门24，启动所述螺杆压缩机3，由于所述蒸发冷凝器1中位负压，喷入的热水会吸收自身热量产生低温闪蒸汽，闪蒸汽经过所述滤网1a滤除原料液滴后被所述螺杆压缩机3初步压缩后再经所述第四阀门24进入所述螺杆压缩机3再次压缩，如此循环，提高蒸汽的品质；

由于所产生的闪蒸汽量较低，不能直接开启所述离心压缩机2，需关闭所述第一阀门22，同时打开所述第二阀23，开启所述螺杆压缩机3压缩所产生的低温蒸汽，因为闪蒸汽的温度及压力较低，初步压缩后的压力与温度也不会太高，不能满足系统热源蒸汽的要求。此时可先将全部或部分所述螺杆压缩机3的排汽通过第四阀24旁通至所述螺杆压缩机3的进口，与所述蒸发冷凝器1出来的闪蒸汽混合升温升压后，再进入所述螺杆压缩机3继续被压缩，从而不断提高蒸汽压力和温度。

步骤三：关闭所述第四阀门24，此时高品质的蒸汽经管路进入所述汽液分离器5，然后进入所述蒸发冷凝器1的所述冷凝管1d；

所述汽液分离器5还可以启动稳定蒸汽压力的作用。

步骤四：关闭所述真空泵12，打开所述第一阀门22，关闭所述第二阀门23，启动所述离心压缩机2，高品质的蒸汽进入所述冷凝管1d后自身冷凝并释放热量，使得由所述喷淋管1b喷入的热水产生蒸汽，所述蒸汽由所述离心压缩机2吸入进行一级压缩，再经所述螺杆压缩机3进行二级压缩，经所述汽液分离器5进入所述蒸发冷凝器1的所述冷凝管1d，如此循环，经过所述冷凝管1d冷凝产生的水进入所述集水箱1c,而没有凝结的气则经过所述排气阀18排出系统；

在所述螺杆压缩机3提供的热源蒸汽作用下，喷淋水的蒸发会增加蒸汽产量。当流出所述蒸发冷凝器1的蒸汽流量高于所述离心压缩机2最低流量要求时，即可开启所述离心压缩机2，对所产生的低温蒸汽进行压缩，低温蒸汽进所述离心压缩机2之前先经过所述泄水分离器11，可避免液滴进入所述离心压缩机2。

步骤五：关闭所述电热水器4、所述第一水泵13，启动所述第三水泵14，此时原料液经过所述原料液预热换热器7、所述第二换热器8以及所述第三换热器9和所述第四换热器10进行预热后由所述第三水泵14加压通过所述喷淋管1b喷入所述蒸发冷凝器1，吸收热量产生蒸汽。经所述离心压缩机2压缩后的蒸汽为过热蒸汽，利用所述液预热换热器7回收其热量，对原料液进行预热，如此，被升压和降温后的蒸汽作为所述螺杆压缩机3的吸汽。所述液预热换热器7回收蒸汽热量的原则是保障所述螺杆压缩机3吸汽为饱和蒸汽，这样可以降低所述螺杆压缩机3的吸汽比容，进而能与所述离心压缩机2的容积流量相匹配，保证压缩蒸汽的质量。

所述螺杆压缩机3在运行过程中，所述第二水泵17从所述汽液分离器5的出水口和所述淡水箱6的出水口抽水，加压后通过所述螺杆压缩机3的冷水口进入为其冷却。

所述第一调节阀26的开度与所述原料液预热换热器7出口蒸汽的过热度正相关。

所述第二调节阀28的开度与所述汽液分离器5的出水口的温度正相关，第四调节阀37的开度与所述第二水泵17进口的温度负相关，所述第三调节阀29的开度与所述汽液分离器5内部的液位正相关。

由于所述螺杆压缩机3吸汽温度和压力都升高，其运行压比也较高，此时必须喷水冷却，降低所述螺杆压缩机3的排汽温度，喷入水的冷却作用能使压缩过程接近等温过程，同时也会对各泄漏通道有一定的密封作用，从而能提高所述螺杆压缩机3的性能，进而保障系统的运行效率。

被所述离心压缩机2排汽预热后的原料液可继续进入所述第二换热器8，与流出所述汽液分离器5的喷入所述螺杆压缩3内但未蒸发的部分高温水进行换热，被进一步预热；为了保障换热效率，降低流动损失，可根据所述汽液分离器5中的压力和液位，调节与高温水换热的原料液流量，被预热后的原料液与主路原料液混合，分两路分别进入所述第三换热器9和所述第四换热器10，并通过回收所述蒸发冷凝器1流出的产品水及浓缩液的余热，进而进一步提高自身温度，然后经由所述第三水泵14喷入所述蒸发冷凝器1内闪蒸或吸热蒸发产生作为所述离心压缩机2吸汽的低温蒸汽。

所述蒸发冷凝器1内产生的冷凝水经所述第四水泵16泵出，先进入所述第三换热器9，回收其余热对原料液进行预热，之后进入所述淡水箱6；利用所述第二水泵17将混合所述汽液分离器5的高温水和所述淡水箱6内的低温水，喷入所述螺杆压缩机3的工作腔内，用于压缩蒸汽的冷却及工作腔内泄漏通道的密封；在喷水量一定的情况下，可通过所述第四调节阀37和所述第六阀门38对喷水温度进行调控。

步骤六：所述蒸发冷凝器1底部的处理液浓度因水的蒸发而升高，变为浓缩液，经所述第五水泵15泵出后部分与预热后的原料液一起，继续喷入所述蒸发冷凝器1参与系统循环，可根据所述蒸发冷凝器1底部浓缩液浓度，对参与系统循环的浓缩液流量进行控制；被泵出的另一部分浓缩液进入所述第四换热器10，回收其余热用于原料液的预热，之后直接排出或作为产品被收集。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。