基于引射流技術與壓縮閃蒸汽的節能裝置

孫秀光，馮貴墨，趙 旭，張華慶

（中國船舶集團有限公司第七0三研究所，黑龍江哈爾濱 150078）

1 概述

工廠生產過程中生產裝備在使用飽和蒸汽加熱溶媒或物料后，蒸汽換熱后相變為飽和冷凝水，飽和冷凝水經疏水裝置排入凝結水系統管路時由于飽和冷凝水壓力釋放到近大氣壓力值，冷凝管路系統內產生大量閃蒸汽。

閃蒸汽依舊含有很高的熱焓值，冷凝水壓力、溫度越高，凝結水具有熱能就越多。隨著能源日益緊張，國家、企業對節能減排要求更加嚴格，回收高溫凝結水并加以有效利用，對生產、環境與企業效益均有大益。

長期以來，我國很多企業對生產過程中產生的閃蒸汽和高溫凝結水回收不夠重視，有部分企業做了回收，但由于條件限制，回收率不是很高，其中相當部分企業生產過程中閃蒸汽會直排大氣中，未回收利用，帶來以下問題。

1）閃蒸汽不加管理排放時會釋放大量熱能，對周邊生產環境溫度有所提升；其排放產生噪聲對生產、生活有很大影響。

2）目前閃蒸汽多為開式直排，造成熱能和水資源浪費；即使回收但不完整，仍有低壓連續小流量閃蒸汽直接排掉。

由于閃蒸汽壓力較低（≦0.02 MPa）[1]，目前尚未有系統完備的裝置對其進行多維度利用。

本文針對閃蒸汽攜帶的汽化潛熱如何得到有效利用，通過熱力計算安裝調試，為系統裝置設計提供了理論和經驗支撐。提出一種解決方法，設計出一套引射流與壓縮閃蒸汽聯合節能控制的系統裝置，以達到設備有序管理、能源最大有效利用目的。

2 閃蒸汽量計算與熱焓應用分析

2.1 閃蒸汽量計算

某中藥廠過程裝備及能源參數設計如表1所示。

表1 生產車間能源動力設計參數表

表1 設備在生產過程中產生蒸汽冷凝水經各分支管路匯入車間一層兩路冷凝水系統DN250 主管內，再匯至DN300總管后自流到廠區鍋爐房回收水箱。

由于生產負荷波動變化，0.03 MPa 飽和蒸汽在設備加熱器殼程內是一個等容換熱過程，疏水閥前、后壓力差動態波動，工作范圍多在0.15~0.25 MPa，取平均值0.02 MPa 定量測算。

0.02 MPa（表壓）飽和冷凝水汽化潛熱值為2 163.7 kJ/kg，顯熱值為561.58 kJ/kg，飽和溫度為133.556℃。經過疏水閥排放到表壓力≈0 MPa 的冷凝水主支管中，該壓力下冷凝水的顯熱值為417.52 kJ/kg，溫度近100℃，降壓冷凝水部分閃蒸成蒸汽，在0 MPa（表壓）下，產生1 kg 的蒸汽需要2 257.6 kJ 的熱量，冷凝水排放常壓狀態時熱能差值產生閃蒸汽量計算式[3]如下。

式中：Gs為冷凝水閃蒸汽量（t/h）；h′前為降壓閃蒸前凝結水熱焓（kJ/kg）；h′后為降壓閃蒸后凝結水熱焓（kJ/kg）；r為閃蒸后的常壓水蒸發潛熱（kJ/kg）；G為閃蒸前動態生產負荷凝結水總量（t/h）。

其中：Q=(h′前-h′后)/r×100%

Q為冷凝水閃蒸率%。

代入數據得：

按工況生產負荷系數0.65~0.75計算生產過程冷凝水系統管路中產生閃蒸汽量：

2.2 閃蒸汽熱焓應用分析

生產工況中除降壓閃蒸外還因選用的浮球、倒置桶式、熱動力式或是熱靜力式疏水裝置時，疏水裝置蒸汽無相變泄漏排入冷凝水系統管路情況，因此冷凝水管路內汽空間閃蒸汽與泄漏蒸汽共存。

工藝設計中蒸汽冷凝水采用開式或閉式凝水回收器輸送至水箱內；閃蒸汽選用閃蒸罐收集，其飽和蒸汽壓較低，汽量波動大，難以直接利用，因此依生產特點設計一套基于引射流技術與壓縮閃蒸汽聯合節能控制系統裝置對其進行熱能綜合再利用。

3 系統裝置設計模型

3.1 壓縮法

選用小流量蒸汽壓縮機，處理量為1~2 t/h，具有使用、維護方便等優勢。

通過壓縮機對低壓閃蒸汽壓縮，輸送至換熱器加熱低溫溶媒，壓縮閃蒸汽再次冷凝回收，利用熱能同時又增加了冷凝水回收量，仿真計算如圖1所示。

圖1 二次蒸汽換熱溶媒仿真計算圖

變頻控制壓縮機使出口壓力控制在0.001~0.15 MPa。

由于閃蒸汽壓力較低，換熱效率受一定影響，熱交換效率70% 時用板式換熱器仿真結果：壓縮機出口壓力0.001 MPa，3 098.557×0.7=2 169kg/h 閃蒸汽換熱可以將20℃，18 026 kg/h 生產用水提升至85℃。

真接壓縮閃蒸汽量受生產系統負荷波動影響，因此定義這部分蒸汽用于水溶媒循環加熱。

3.2 引射流法

系統引入“拉伐爾引嘴”原理設計的動態調節引射流器[4-5]，將低壓閃蒸汽與系統蒸汽源混合送生產區≦0.2 MPa 用汽設備（如夾層鍋、球形濃縮器等），加熱過程便于控制，同時可以保護物料無過熱結焦破壞。

引射流器工作蒸汽來自系統0.3~0.6 MPa 飽和蒸汽源，引射流器結構如圖2所示。主要包括可調節引射噴嘴、環形吸入段等壓等容混合段和減速增壓擴散段。

圖2 動態調節蒸汽引射流器結構圖

0.3~0.6 MPa 工作蒸汽在引射噴嘴內絕熱膨脹，引射噴嘴出口流速瞬時陡升，達到超聲速；環形吸入室出現相對低壓區，真空度上升；工作汽流對閃蒸汽剪切，閃蒸汽被吸入混合段，與工作蒸汽混合。在經過等壓等容混流后，混流汽流速在擴散段內逐漸降低，混流汽壓力逐漸升高，在引射流器出口處形成相對穩定流態。

引射流器需手動調節內部頂針，再通過蒸汽測試儀表獲取流量、溫度、壓力信號，并將其傳遞給外部控制系統進行調節。

根據引射流器運行時引射系數和出口壓力之間關系，微調頂針使噴射系數[6-7]值處于臨界模式下，保證最佳工作狀態。須控制引射流器回流模式工況出現，將影響冷凝水系統管路正常運行。

通過調節內部頂針穩定引射流器工作狀態后，再經過外部控制系統調節閥門對系統壓力流量調控后，這部分穩流穩壓蒸汽供給≦0.2 MPa 低壓用汽設備使用。

混流汽壓力與溫度均有一定程度降低并可控，有利于熱敏性藥液等物料濃縮。

3.3 基于閃蒸汽量受生產負荷波動影響

將兩種模型聯合設計成一套裝置，整體調節閃蒸汽平衡使用，生產系數大于一定值時，兩種模型節能裝置均可用，生產系數小于一定值時，循環加熱水溶媒可有效回收小流量不穩定閃蒸汽。

4 裝置工藝實現

裝置主要組成部分：凝水回收器、閃蒸罐、壓縮機、噴射流器、換熱器及用熱設備。具體裝置組成如圖3所示。

圖3 裝置工藝流程圖

系統蒸汽冷凝水由車間內各層用汽設備疏水閥組配管背壓輸送至各層支管，各層支管經主立管路匯集至主冷凝水管路中，接入凝水回收器時由渦接流量計累加總冷凝水量，并監控凝水回收器液位。凝水回收器設置壓力計及高液位泄放接口，裝置設系統保護排放接口經氣動閥門切斷與大氣的相通，當系統非正常運行達到凝水回收器系統壓力設定值時，打開系統保護氣動閥保證系統穩定運行。閃蒸罐冷凝水排入口位于設備最低端，匯集全部閃蒸汽冷凝水后排至凝水回收器統一處理。閃蒸罐設置安全閥保護，當閃蒸汽罐內壓力過大時，安全閥啟動排放以保護系統安全。

閃蒸汽匯入閃蒸罐后，閃蒸罐出口設置引射流器與蒸汽壓縮機兩種工藝設計模式，分別獨立切換運行。

閃蒸汽經過換熱器或者低壓設備換熱后，冷凝水重新匯流至凝水回收器進行收集。

5 控制系統搭建

5.1 系統框架

控制系統選用西門子1500 系列控制器，型號1515-1PN 配12 MB 程序存儲卡。系統控制通信采用Profibus-Net 網絡協議，配西門子155 系列現場工業總線模塊，現場工藝設備上安裝的儀表及執行機構，通過信號線纜連接至位于控制室的控制系統I/O 模塊上。在中控室設有操作員站，可以遠程監控運行參數和操作設備運行，操作員站使用商用計算機，操作系統WindowsWin10SP1版本；在現場同時設有西門子TP1200系列觸摸屏，可以在現場對設備進行操作。軟件平臺選用西門子工業控制軟件包，下位機與觸摸屏編程軟件博圖V16、人機界面編程軟件包Wincc7.4，運行界面如圖4所示。

圖4 人機交互界面圖

5.2 現場控制設備

根據前面的裝置整體設計，結合控制的要求，控制系統現場設備清單配置如表2所示。

表2 現場控制設備清單

5.3 工藝控制流程

控制程序主流程圖如圖5所示，系統啟動后實時判斷凝水回收器的壓力是否超壓，一旦超壓，立即開啟AS01緊急排空，關斷系統蒸汽回路的所有閥門。當凝水回收器在可控范圍之內時，系統自動判斷廠區的低壓供汽設備是否工作。當廠區低壓供汽設備工作時，閃蒸汽通過AS19進入引射流器Y506，同時廠區管網蒸汽通過AS18與閃蒸汽混合后，經過TCV01向低壓設備供汽。TCV01根據PT05的壓力測量值進行模糊調節，保證低壓設備供汽壓力在0.2 MPa。當廠區低壓供汽設備不工作時，閃蒸汽通過AS17進入閃蒸汽增壓泵P505，P505根據PT02的壓力測量值反饋調節，保證換熱器的供汽壓力在0.08 MPa。

圖5 控制程序主流程圖

6 低壓設備Fuzzy模糊控制

廠區低壓設備供汽壓力要求≦0.2 MPa，閃蒸汽混合后經過調節閥調節，要求壓力控制區間為±0.006 MPa。傳統的PID 控制無法做到快速響應，裝置采用Fuzzy 模糊控制。系統觀測得到調節閥TCV01 后壓力PT05，系統設定的控制壓力為SpPT05，兩者差值為e，e=PT05-SpPT05，則有-0.006 MPa ≤e≤0.006 MPa。當e＜-0.006 MPa 時，達到最小壓力；當e＞0.006 MPa 時，達到最大壓力。壓力變化率e'為每秒采樣后e的變化值，單位MPa/s，模糊控制的流量變化率范圍為-0.02 MPa/s≤e'≤0.02 MPa/s。TCV01開度u，單位%，模糊控制的流量范圍為50%≤u≤72%，50%表示最小流量開度，72%表示最大流量開度[8-10]。

壓力差e模糊語言集合取為｛正大PB，正中PM，正小PS，零 ZE，負小NS，負中NM，負大NB｝。分別代表｛極快，很快，稍快，適中，稍慢，很慢，極慢｝7種感覺，均勻量化e的模糊集合隸屬度函數采用三角形函數。壓力差變化率e'模糊語言集合取為｛正大 PB，正小PS，零ZE，負小NS，負大NB｝，分別代表5種流量差變化率｛正變化迅速，正變化，無變化，負變化，負變化迅速｝，均勻量化e'的模糊集合隸屬度函數采用三角形函數。TCV01開度大小相對變化定義為調節比u，調節比u模糊語言集合取為｛PB，PM，PS，NS，NM｝，分別代表從最大流量到最小流量5種開度，流量調節閥開度u的模糊集合隸屬度函數采用三角形函數。

Fuzzy 模糊控制使用“IF-THEN”型的模糊條件句構成的控制規則，通過經驗分析和現場測試摸索，針對TCV01 制訂模糊控制規則寫成如下形式：IF e是 Ai and e'是 Bj，THEN u 是 Cij，其中，i=1，2，…7；j=1，2，…5，一共有35條控制規則，列于控制規則表3模糊控制輸出規則Cij中，如表3所示。

表3 模糊控制輸出規則Cij

模糊輸入和輸出對應的控制規則推論結果見圖6，采用Fuzzy 模糊控制后系統低壓蒸汽壓力基本控制在0.2 MPa 上下穩定運行，如圖6所示。

圖6 模糊控制輸出推論圖

7 結論

裝置調試運行后工作穩定，解決了車間閃蒸汽損失，保障了系統安全，同時降噪。尤其經過對閃蒸汽回收和再利用，為50臺6T 提取罐提供熱溶媒、8臺500型的球形濃縮器、6臺夾層鍋等提供≦0.2 MPa 低壓蒸汽，1兩個月間累計節省0.3 MPa 飽和蒸汽量近2 000 t，冷凝水回收量增加8 000 余噸，節約成本近90萬元。本裝置投產后證明運行安全可靠，對閃蒸汽可以做到回收再利用。