摘要：針對(duì)某企業(yè)的硫酸鹽溶液蒸發(fā)結(jié)晶項(xiàng)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(shí)對(duì)ＭＶＲ技術(shù)的自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)及硬件設(shè)計(jì)。控制系統(tǒng)通過ＰＬＣ與變頻器相結(jié)合的控制方式，對(duì)機(jī)械式蒸汽壓縮機(jī)、進(jìn)料泵、出料泵、強(qiáng)制循環(huán)泵等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，同時(shí)可對(duì)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(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。

 

０引言

２０世紀(jì)７０年代隨著人們對(duì)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(guó)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(guó)ＧＥＡ公司針對(duì)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(guó)于２０世紀(jì)９０年代初引進(jìn)了ＭＶＲ技術(shù)，應(yīng)用實(shí)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(gè)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(jiǎn)介及原理

機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)（ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＶａｐｏｒＲｅ－ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）簡(jiǎn)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(jī)等組成，ＭＶＲ技術(shù)的核心設(shè)備是機(jī)械蒸汽壓縮機(jī)。在強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)室里對(duì)預(yù)熱處理過的硫酸鹽溶液蒸發(fā)濃縮的過程中會(huì)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(jī)械蒸汽壓縮機(jī)，機(jī)械蒸汽壓縮機(jī)對(duì)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(dá)到再次利用的標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)械蒸汽壓縮機(jī)壓縮后的蒸汽經(jīng)由強(qiáng)制循環(huán)換熱器再進(jìn)入強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)室的加熱室對(duì)料液再次進(jìn)行加熱蒸發(fā)，以此達(dá)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(jìn)料泵泵入凝水預(yù)熱器，再經(jīng)凝水預(yù)熱器進(jìn)入蒸汽預(yù)熱器預(yù)熱后進(jìn)入強(qiáng)制循環(huán)換熱器Ａ管程內(nèi)，由強(qiáng)制循環(huán)泵泵入強(qiáng)制循環(huán)換熱器Ｂ后送入強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)室，在蒸發(fā)室蒸發(fā)后達(dá)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(jī)進(jìn)行分離，將離心得到的濕鹽外運(yùn)，離心出的濾液流入母液存儲(chǔ)罐可再由母液泵泵入結(jié)晶罐進(jìn)行二次結(jié)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(tǒng)運(yùn)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(yù)熱器對(duì)來自凝水預(yù)熱器的原液進(jìn)行預(yù)熱，另一部分蒸汽輸送入強(qiáng)制循環(huán)換熱器Ａ經(jīng)由管道進(jìn)入強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)室對(duì)蒸發(fā)室內(nèi)的料液進(jìn)行蒸發(fā)。在料液蒸發(fā)的過程中也會(huì)產(chǎn)生蒸汽，產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)強(qiáng)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(jī)械蒸汽壓縮機(jī)，機(jī)械蒸汽壓縮機(jī)對(duì)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(qiáng)制循環(huán)換熱器對(duì)強(qiáng)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(jié)晶的工藝流程如圖１所示。

 

３過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)蒸發(fā)系統(tǒng)中的核心設(shè)備———機(jī)械蒸汽壓縮機(jī)主要由壓縮系統(tǒng)、蒸汽降溫器和潤(rùn)滑系統(tǒng)三部分組成。整個(gè)蒸發(fā)系統(tǒng)開機(jī)運(yùn)行前需shou先檢測(cè)各個(gè)手動(dòng)閥門的開閉狀況，確保各手動(dòng)閥門處于正確的狀態(tài)，確保各傳動(dòng)設(shè)備的潤(rùn)滑正常。檢測(cè)自動(dòng)閥門處于正確的自控狀態(tài)。通過壓力傳感器檢測(cè)泵密封水管道內(nèi)的壓力，確保密封水正常方可開機(jī)，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(jìn)料過程控制

在完成開機(jī)前的檢測(cè)之后，開啟壓縮機(jī)輔助油泵及強(qiáng)制循環(huán)換熱器Ａ對(duì)機(jī)械蒸汽壓縮機(jī)潤(rùn)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(tǒng)中進(jìn)料，物料經(jīng)過各預(yù)熱器后進(jìn)入到強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)室，由溫度傳感器檢測(cè)預(yù)熱后的進(jìn)料溫度，將溫度值的信號(hào)反饋給ＰＬＣ來控制預(yù)熱蒸汽閥門的開度以保證料溫［４］。進(jìn)料過程中用流量計(jì)進(jìn)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(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)室上裝有如圖２中所示的差壓液位計(jì)，以此來顯示液位情況，此液位高低可以設(shè)定，到達(dá)設(shè)定液位時(shí)，停止進(jìn)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(dòng)閥門，對(duì)硫酸鹽溶液進(jìn)行加熱。在加熱過程中通過溫度傳感器檢測(cè)強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)室內(nèi)的物料溫度，使物料的溫度都達(dá)到設(shè)定溫度［５］。開啟真空泵，系統(tǒng)抽真空，１０ｍｉｎ后開壓縮機(jī)。

 

３．３壓縮機(jī)過程控制

當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定數(shù)值并且機(jī)械蒸汽壓縮機(jī)系統(tǒng)本身的各項(xiàng)啟動(dòng)條件（潤(rùn)滑油壓力≥０．０７ＭＰａ；潤(rùn)滑油溫度≥４０℃；位于壓縮機(jī)排氣端的旁通閥全開；輔助油泵運(yùn)行１０ｍｉｎ；變頻電機(jī)風(fēng)扇運(yùn)行＞２ｍｉｎ；噴水調(diào)節(jié)閥投入自動(dòng)等）都正常的時(shí)候就可以啟動(dòng)機(jī)械蒸汽壓縮機(jī)。要注意開啟壓縮機(jī)輔助油泵時(shí)，控制變速箱進(jìn)口油壓在正常范圍內(nèi)，一般為０．１ＭＰａ～０．２ＭＰａ，開啟壓縮機(jī)油冷卻水正常。啟動(dòng)前如果油溫低于４０℃則應(yīng)開啟強(qiáng)制循環(huán)換熱器Ａ提高油溫，運(yùn)行時(shí)需通過操作冷卻水或強(qiáng)制循環(huán)換熱器Ａ將油溫控制在４０℃～４８℃。壓縮機(jī)啟動(dòng)頻率可以由變頻器設(shè)定，建議啟動(dòng)頻率在１５Ｈｚ；然后逐漸提高頻率，當(dāng)頻率到達(dá)３０Ｈｚ時(shí)逐漸關(guān)閉旁通閥，直至正常工作的設(shè)定頻率。在運(yùn)行過程中應(yīng)檢測(cè)壓縮機(jī)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(jī)供油溫度、壓縮機(jī)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(jī)械蒸汽壓縮機(jī)工作過程中，裝在壓縮機(jī)出口管道上的溫度傳感器會(huì)對(duì)出口蒸汽溫度進(jìn)行檢測(cè)，超過設(shè)定溫度過熱時(shí)，機(jī)械蒸汽壓縮機(jī)內(nèi)的蒸汽降溫器啟動(dòng)，自動(dòng)閥開啟，進(jìn)行噴淋降溫，自控閥的開度根據(jù)出口溫度情況進(jìn)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(shí)，進(jìn)料泵打開，進(jìn)料流量大小按設(shè)計(jì)流量，系統(tǒng)達(dá)到一定平衡。開機(jī)正常后關(guān)閉強(qiáng)制循環(huán)換熱器Ａ上的蒸汽補(bǔ)給閥門。隨著水分的不斷蒸發(fā)，強(qiáng)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(jì)ＬＩ，顯示水罐中的液位并將信號(hào)反饋給ＰＬＣ，當(dāng)液位到達(dá)設(shè)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(wěn)定在一定的范圍。冷凝水的瞬時(shí)流量及積累流量通過電磁流量計(jì)ＦＩ進(jìn)行測(cè)量及反饋。注意冷凝水輸出泵出口手動(dòng)閥不要開的過大，應(yīng)處在一個(gè)合適的開度，保持出水連續(xù)。物料逐漸濃縮，當(dāng)強(qiáng)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，將晶漿打到結(jié)晶罐。結(jié)晶罐內(nèi)液位到達(dá)半罐后，開始準(zhǔn)備離心。開啟離心機(jī)，放料進(jìn)離心機(jī)進(jìn)行分離操作。分離后的母液流入母液存儲(chǔ)罐，母液存儲(chǔ)罐上裝有靜壓液位計(jì)（如圖１所示），對(duì)罐內(nèi)的液位進(jìn)行顯示和反饋，液位達(dá)到設(shè)定液位時(shí)，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(jī)喘振時(shí)打開，對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。壓縮機(jī)上的液位計(jì)用于檢測(cè)壓縮機(jī)進(jìn)口集水管中的液位，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，切斷閥開啟，水由排水泵排出。液位低于設(shè)定值時(shí)，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(shí)要進(jìn)行停車操作。對(duì)于停車過程的控制如下：關(guān)閉蒸汽閥門，打開壓縮機(jī)旁通閥，逐漸降低頻率，關(guān)閉壓縮機(jī)，輔助油泵繼續(xù)運(yùn)行１０ｍｉｎ；關(guān)閉真空泵，開啟閥門破除真空；關(guān)閉進(jìn)料泵及進(jìn)料閥門，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(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(jì)

硫酸鹽溶液蒸發(fā)結(jié)晶的整個(gè)控制系統(tǒng)包括三個(gè)部分：監(jiān)控層、控制層、現(xiàn)場(chǎng)�？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(jī)人機(jī)界面監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并根據(jù)顯示的數(shù)據(jù)做出遠(yuǎn)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)的溫度、流量、壓力、液位等工藝參數(shù)信號(hào)進(jìn)行采集并反饋給ＰＬＣ進(jìn)行處理�？刂茖舆�負(fù)責(zé)通信及進(jìn)行自我故障診斷，還可以實(shí)現(xiàn)算法計(jì)算�，F(xiàn)場(chǎng)通過儀表變送器對(duì)過程對(duì)象的一些信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使系統(tǒng)可以進(jìn)行識(shí)別。

 

５控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)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(gè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。ＰＬＣ作為控制器來調(diào)控整個(gè)ＭＶＲ系統(tǒng)中的各個(gè)被控對(duì)象，包括二次蒸汽的溫度、料液的密度、管道的壓力等。這些測(cè)量量會(huì)經(jīng)過各個(gè)儀表變送與模數(shù)轉(zhuǎn)換反饋給ＰＬＣ［７］，由ＰＬＣ調(diào)節(jié)。對(duì)于溫度控制，根據(jù)項(xiàng)目提出的溫度控制要求進(jìn)行ＰＬＣ梯形圖編程，然后通過控制變頻器來調(diào)控機(jī)械式蒸汽壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)而改變二次蒸汽的溫度�，F(xiàn)場(chǎng)采集的實(shí)時(shí)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�，�?shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(duì)某企業(yè)的硫酸鹽溶液蒸發(fā)結(jié)晶項(xiàng)目，介紹了利用ＭＶＲ技術(shù)的蒸發(fā)結(jié)晶工藝流程，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)需要控制的進(jìn)料、壓縮機(jī)、液位、溫度、停車過程進(jìn)行了過程控制設(shè)計(jì)。結(jié)合系統(tǒng)的工藝流程和控制要求對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，#后說明了控制系統(tǒng)需要的硬件，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)#核心的部分ＭＶＲ蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行了控制方式的說明。