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)的應用及原理，并根據(jù)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(jié)晶的工藝流程，同時對ＭＶＲ技術(shù)的自動控制系統(tǒng)進行整體設計及硬件設計�？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注和研究，并成功地應用于蒸發(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)領域及食品制造行業(yè)得到廣泛應用。

 

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)進料泵泵入凝水預熱器，再經(jīng)凝水預熱器進入蒸汽預熱器預熱后進入強制循環(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熱器對來自凝水預熱器的原液進行預熱，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)設計

整個蒸發(fā)系統(tǒng)中的核心設備———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)過各預熱器后進入到強制循環(huán)蒸發(fā)室，由溫度傳感器檢測預熱后的進料溫度，將溫度值的信號反饋給ＰＬＣ來控制預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，此液位高低可以設定，到達設定液位時，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

當溫度達到設定數(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定，建議啟動頻率在１５Ｈｚ；然后逐漸提高頻率，當頻率到達３０Ｈｚ時逐漸關閉旁通閥，直至正常工作的設定頻率。在運行過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(shù)［６］，系統(tǒng)正常工作后旁通閥處于關閉狀態(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，待液位低于設定液位時，進料泵打開，進料流量大小按設計流量，系統(tǒng)達到一定平衡。開機正常后關閉強制循環(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，當液位到達設定液位時，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，應處在一個合適的開度，保持出水連續(xù)。物料逐漸濃縮，當強制循環(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，當液位達到設定值時，切斷閥開啟，水由排水泵排出。液位低于設定值時，排水泵停，切斷閥關閉。

 

３．５停車過程控制

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

 

４控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

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�？刂葡到y(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�負責通信及進行自我故障診斷，還可以實現(xiàn)算法計算。現(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。現(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�，實現(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。