摘要：針對某企業(yè)的硫酸鹽溶液蒸發(fā)結(jié)晶項目，介紹了ＭＶＲ技術(shù)的應(yīng)用及原理，并根據(jù)ＭＶＲ技術(shù)原理，提出了將ＭＶＲ技術(shù)應(yīng)用于硫酸鹽溶液蒸發(fā)結(jié)晶的工藝流程，同時對ＭＶＲ技術(shù)的自動控制系統(tǒng)進行整體設(shè)計及硬件設(shè)計�？刂葡到y(tǒng)通過ＰＬＣ與變頻器相結(jié)合的控制方式，對機械式蒸汽壓縮機、進料泵、出料泵、強制循環(huán)泵等實現(xiàn)自動控制，同時可對硫酸鹽溶液的濃縮、蒸發(fā)、結(jié)晶過程中的液位、溫度及流量等工藝參數(shù)進行監(jiān)測控制。

 

０引言

２０世紀７０年代隨著人們對能源需求的日漸增加以及能源價格的飛速上漲，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(yīng)用于蒸發(fā)系統(tǒng)中［１］。而德國ＧＥＡ公司針對蒸發(fā)分離操作過程耗能高的問題，于１９５７年就開發(fā)出了商業(yè)化的ＭＶＲ蒸發(fā)系統(tǒng)［２］。我國于２０世紀９０年代初引進了ＭＶＲ技術(shù)，應(yīng)用實踐表明，采用ＭＶＲ技術(shù)大大降低了蒸發(fā)系統(tǒng)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、制鹽等各個工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域及食品制造行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

 

１ＭＶＲ技術(shù)簡介及原理

機械蒸汽再壓縮技術(shù)（ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＶａｐｏｒＲｅ－ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）簡稱ＭＶＲ。ＭＶＲ技術(shù)起源于歐洲，是為了減少濃縮過程中冷凝水的巨大能耗和二次蒸汽的重復(fù)利用而發(fā)展起來的技術(shù)。ＭＶＲ蒸發(fā)系統(tǒng)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(shè)備是機械蒸汽壓縮機。在強制循環(huán)蒸發(fā)室里對預(yù)熱處理過的硫酸鹽溶液蒸發(fā)濃縮的過程中會產(chǎn)生二次蒸汽，產(chǎn)生的二次蒸汽通過蒸發(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)換熱器再進入強制循環(huán)蒸發(fā)室的加熱室對料液再次進行加熱蒸發(fā)，以此達到重復(fù)利用的目的。

 

２硫酸鹽蒸發(fā)結(jié)晶的工藝流程

來自上工段的硫酸鹽溶液經(jīng)進料泵泵入凝水預(yù)熱器，再經(jīng)凝水預(yù)熱器進入蒸汽預(yù)熱器預(yù)熱后進入強制循環(huán)換熱器Ａ管程內(nèi)，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蒸發(fā)室的出料口經(jīng)出料泵泵入結(jié)晶罐，然后經(jīng)離心機進行分離，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(jié)晶罐進行二次結(jié)晶，也可由母液泵泵入蒸發(fā)室進行再次蒸發(fā)。

 

在整個ＭＶＲ系統(tǒng)運行前，先由蒸汽管道從外部輸入中低壓蒸汽，一部分蒸汽進入蒸汽預(yù)熱器對來自凝水預(yù)熱器的原液進行預(yù)熱，另一部分蒸汽輸送入強制循環(huán)換熱器Ａ經(jīng)由管道進入強制循環(huán)蒸發(fā)室對蒸發(fā)室內(nèi)的料液進行蒸發(fā)。在料液蒸發(fā)的過程中也會產(chǎn)生蒸汽，產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)強制循環(huán)蒸發(fā)室上部的出氣口進入氣液分離器，進行氣液分離后的蒸汽進入機械蒸汽壓縮機，機械蒸汽壓縮機對二次蒸汽進行壓縮，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)室的料液進行加熱蒸發(fā)。硫酸鹽溶液蒸發(fā)結(jié)晶的工藝流程如圖１所示。

 

３過程控制系統(tǒng)設(shè)計

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

３．１進料過程控制

在完成開機前的檢測之后，開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行升溫，使其溫度上升到４０℃～４８℃之間。由進料泵向系統(tǒng)中進料，物料經(jīng)過各預(yù)熱器后進入到強制循環(huán)蒸發(fā)室，由溫度傳感器檢測預(yù)熱后的進料溫度，將溫度值的信號反饋給ＰＬＣ來控制預(yù)熱蒸汽閥門的開度以保證料溫［４］。進料過程中用流量計進行流量顯示和流量積累值顯示，通過調(diào)節(jié)閥的開度控制流量大小。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，以此來顯示液位情況，此液位高低可以設(shè)定，到達設(shè)定液位時，停止進料。

 

３．２加熱過程溫度控制

蒸發(fā)系統(tǒng)中地衣次使用的蒸汽是來自于外部的中低壓蒸汽。開啟蒸汽手動閥門，對硫酸鹽溶液進行加熱。在加熱過程中通過溫度傳感器檢測強制循環(huán)蒸發(fā)室內(nèi)的物料溫度，使物料的溫度都達到設(shè)定溫度［５］。開啟真空泵，系統(tǒng)抽真空，１０ｍｉｎ后開壓縮機。

 

３．３壓縮機過程控制

當(dāng)溫度達到設(shè)定數(shù)值并且機械蒸汽壓縮機系統(tǒng)本身的各項啟動條件（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；輔助油泵運行１０ｍｉｎ；變頻電機風(fēng)扇運行＞２ｍｉｎ；噴水調(diào)節(jié)閥投入自動等）都正常的時候就可以啟動機械蒸汽壓縮機。要注意開啟壓縮機輔助油泵時，控制變速箱進口油壓在正常范圍內(nèi)，一般為０．１ＭＰａ～０．２ＭＰａ，開啟壓縮機油冷卻水正常。啟動前如果油溫低于４０℃則應(yīng)開啟強制循環(huán)換熱器Ａ提高油溫，運行時需通過操作冷卻水或強制循環(huán)換熱器Ａ將油溫控制在４０℃～４８℃。壓縮機啟動頻率可以由變頻器設(shè)定，建議啟動頻率在１５Ｈｚ；然后逐漸提高頻率，當(dāng)頻率到達３０Ｈｚ時逐漸關(guān)閉旁通閥，直至正常工作的設(shè)定頻率。在運行過程中應(yīng)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(shù)［６］，系統(tǒng)正常工作后旁通閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

３．４液位過程控制

機械蒸汽壓縮機工作過程中，裝在壓縮機出口管道上的溫度傳感器會對出口蒸汽溫度進行檢測，超過設(shè)定溫度過熱時，機械蒸汽壓縮機內(nèi)的蒸汽降溫器啟動，自動閥開啟，進行噴淋降溫，自控閥的開度根據(jù)出口溫度情況進行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)開始蒸發(fā)，結(jié)晶罐液位下降，待液位低于設(shè)定液位時，進料泵打開，進料流量大小按設(shè)計流量，系統(tǒng)達到一定平衡。開機正常后關(guān)閉強制循環(huán)換熱器Ａ上的蒸汽補給閥門。隨著水分的不斷蒸發(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(dāng)液位到達設(shè)定液位時，凝水輸出泵啟動，凝水輸出泵變頻控制，將冷凝水排出，使液位穩(wěn)定在一定的范圍。冷凝水的瞬時流量及積累流量通過電磁流量計ＦＩ進行測量及反饋。注意冷凝水輸出泵出口手動閥不要開的過大，應(yīng)處在一個合適的開度，保持出水連續(xù)。物料逐漸濃縮，當(dāng)強制循環(huán)蒸發(fā)室下視鏡有鹽析出時切換出料泵口閥門，將晶漿打到結(jié)晶罐。結(jié)晶罐內(nèi)液位到達半罐后，開始準備離心。開啟離心機，放料進離心機進行分離操作。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(nèi)的液位進行顯示和反饋，液位達到設(shè)定液位時，開啟母液泵閥門，將母液打入蒸發(fā)系統(tǒng)繼續(xù)蒸發(fā)，母液泵采用變頻控制。自控閥在壓縮機喘振時打開，對其進行調(diào)節(jié)。壓縮機上的液位計用于檢測壓縮機進口集水管中的液位，當(dāng)液位達到設(shè)定值時，切斷閥開啟，水由排水泵排出。液位低于設(shè)定值時，排水泵停，切斷閥關(guān)閉。

 

３．５停車過程控制

當(dāng)生產(chǎn)結(jié)束時要進行停車操作。對于停車過程的控制如下：關(guān)閉蒸汽閥門，打開壓縮機旁通閥，逐漸降低頻率，關(guān)閉壓縮機，輔助油泵繼續(xù)運行１０ｍｉｎ；關(guān)閉真空泵，開啟閥門破除真空；關(guān)閉進料泵及進料閥門，關(guān)閉降溫泵；延時３０ｍｉｎ后關(guān)閉軸流泵，關(guān)閉出料泵，將系統(tǒng)中的物料排出；關(guān)掉工藝水，關(guān)掉電源。

 

４控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

硫酸鹽溶液蒸發(fā)結(jié)晶的整個控制系統(tǒng)包括三個部分：監(jiān)控層、控制層、現(xiàn)場。控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖３所示。

監(jiān)控層是利用上位機人機界面監(jiān)控現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)，并根據(jù)顯示的數(shù)據(jù)做出遠程控制�？刂茖影�括ＰＬＣ主控制器、Ｉ／Ｏ模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等，主要是對現(xiàn)場的溫度、流量、壓力、液位等工藝參數(shù)信號進行采集并反饋給ＰＬＣ進行處理�？刂茖舆�負責(zé)通信及進行自我故障診斷，還可以實現(xiàn)算法計算�，F(xiàn)場通過儀表變送器對過程對象的一些信號進行轉(zhuǎn)換，使系統(tǒng)可以進行識別。

 

５控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

本項目研究的硫酸鹽溶液蒸發(fā)結(jié)晶的ＭＶＲ控制系統(tǒng)中硬件主要采用了西門子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(shù)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ＰＬＣ加變頻器的控制方式來調(diào)節(jié)控制各個電動機的運轉(zhuǎn)。ＰＬＣ作為控制器來調(diào)控整個ＭＶＲ系統(tǒng)中的各個被控對象，包括二次蒸汽的溫度、料液的密度、管道的壓力等。這些測量量會經(jīng)過各個儀表變送與模數(shù)轉(zhuǎn)換反饋給ＰＬＣ［７］，由ＰＬＣ調(diào)節(jié)。對于溫度控制，根據(jù)項目提出的溫度控制要求進行ＰＬＣ梯形圖編程，然后通過控制變頻器來調(diào)控機械式蒸汽壓縮機的轉(zhuǎn)速進而改變二次蒸汽的溫度�，F(xiàn)場采集的實時數(shù)據(jù)通過電纜通信傳輸?shù)接桑祝椋睿茫镁帉懙目刂泼姘逯校瑢崿F(xiàn)過程數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控［８］。ＭＶＲ蒸發(fā)系統(tǒng)控制框圖如圖４所示。

６結(jié)語

本文針對某企業(yè)的硫酸鹽溶液蒸發(fā)結(jié)晶項目，介紹了利用ＭＶＲ技術(shù)的蒸發(fā)結(jié)晶工藝流程，并對整個系統(tǒng)需要控制的進料、壓縮機、液位、溫度、停車過程進行了過程控制設(shè)計。結(jié)合系統(tǒng)的工藝流程和控制要求對整個控制系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，#后說明了控制系統(tǒng)需要的硬件，并對整個系統(tǒng)#核心的部分ＭＶＲ蒸發(fā)系統(tǒng)進行了控制方式的說明。