三种常用机械压缩式热泵(MVR)的特点

黄 成，董晓铭

(中盐工程技术研究院有限公司 成都分公司，四川 成都 643000)

1 前言

热泵(Heat Pump)是一种将低位热源的热能转移到高位热源的装置。热泵充分利用低位热能，节能性高，因此热泵在耗能较多的蒸发单元应用较多。主要有蒸汽喷射式热泵和机械压缩式热泵。近些年机械压缩式热泵应用广泛，种类较多。应用普遍的主要有三种：罗茨式蒸汽压缩机、离心式蒸汽压缩机、风机式蒸汽压缩机。

罗茨式蒸汽压缩机在小型和中低沸点升物料蒸发应用广泛。因结构特点，使用寿命较短，通过近些年的工艺和材料的创新，使用寿命得到提高。罗茨式分为两叶和三叶，三叶性能优于两叶。

离心式蒸汽压缩机在大中型及较高沸点升物料蒸发单元应用较多。进口压缩机主要应用于大型蒸发单元，国产压缩机在大中小型蒸发单元中均有应用,并不断向中小型下沉和大型延伸。因为转速因素和造价限制其在小型蒸发单元上的应用，目前也在不断突破技术难点和经济性。

风机式蒸汽压缩机在大中型蒸发单元及低沸点升物料蒸发应用较多,中高沸点升物料通过两级或三级串联使用。

小型应用开发了处理量为200 kg/h～5 000 kg/h风机式压缩机，采用高速电机直驱，转速达11 000 r/min～13 500 mg/kg。单级最大温升达10 ℃。两级串联温升可达21 ℃。体积小，重量轻。

风机式蒸汽压缩机因单级压缩比较小，串级使用设备复杂，控制点多，占地面积大，对其应用也有限制。

2 单级离心式压缩机

单级离心式压缩机是速度型压缩机。通过气体流动速度提高，即增加气体分子的动能；然后使气流速度有序降低，使动能转化为压力能，气体容积也相应减小。其特点是压缩机具有驱使气体获得流动速度的叶轮。

压缩机主要特征是悬臂叶轮和压缩机以及变速箱的紧凑布置。电机、变速箱和压缩机通常安装在同一底座上。压缩机壳体采用铸材或焊接材料组合。由于大于400 m/s的高叶端速度，叶轮是高度受力的，故由高质量材料例如铬镍钢或钛合金制成。

2.1 离心式压缩机的特点

(1)流量覆盖范围大，单机能力通常为2.5 t/h～250 t/h。最大达48 000 m3/h。(2)压缩比高，有效温差大。有效温差通常为16 ℃～22 ℃，最大有效温升可达30 ℃。压缩比一般为1.6～2.2，压缩比最大可达2.5以上。(3)转速高，质量流量越低，压缩比越高，叶轮转速就越高。转速高达8 000 r/min～40 000 r/min。(4)动平衡特性好，振动小，基础要求简单，通常油箱与主机一体化，并置于下部，可起到减震作用。(5)易损部件少，故障少、工作可靠、寿命长。(6)机组单位功的重量、体积及安装面积小。(7)机组自动化程度高，调节范围广，可连续无级调节。(8)单机容量不能太小，否则会使气流流道太窄，影响流动效率，压缩机转速也特别高。(9)特别情况下，机器会发生喘振而不能正常工作。

2.2 离心压缩机安全保护系统

为了保证离心压缩机的安全稳定运行，必须设置一套完整的安全保护系统。(1)温度保护 (观察、控制压缩机气体、冷却系统、润滑油温、主电机定子温度及各轴承温度，达到规定值则发出声光讯号报警和联锁停机)。(2)压力保护 (蒸汽、冷却介质、油压的报警和联锁停机)。(3)流量保护 (冷却系统水量报警)。(4)机械保护 (轴向位移和机械振动保护)

2.3 防喘振保护系统

喘振是指当离心式压缩机的入口流量低于一特定值时，压缩机的能量头不足以克服背压而在气道内形成一种周期性往复振荡现象。对于离心式压缩机有着很严重的危害。造成压缩机性能恶化，工艺参数大幅波动、对轴承产生冲击、机组静动件碰撞破坏、密封破坏。目前大型压缩机组都设有手动和自动防喘振保护控制系统。

2.4 离心式蒸汽压缩机用于蒸发的常用工艺配置(如图1)

(1)蒸发装置(含蒸发室、盐脚及淘洗装置、母液排放装置)，加热室(列管换热器) ，循环泵(轴流式)，循环管；(2)除沫器；(3)洗汽装置(洗汽塔)；(4)蒸汽压缩装置(离心式)，变频控制；(5)过热消除装置；(6)预热装置；(7)冷凝水装置；(8)自动控制系统(DCS)；(9)辅助系统。

图1 单级离心式蒸汽压缩机用于蒸发的工艺配置Fig.1 Process configuration of single stage centrifugal steam compressor for evaporation

单级离心式蒸汽压缩机由于有效温升较大，转速高，叶轮线速度高，对进汽质量要求高。除沫装置和洗汽装置均要求严格,否则会极大影响压缩机的安全运行和使用寿命，同时压缩机的喘振现象更容易发生，因此防喘系统更加完善。较高压缩比和有效温升，常用于沸点升高不大于14 ℃的饱和盐类蒸发。对于初始沸点升低，沸点升浓缩变化大的稀盐料液，通常采用组合方式。如常用的两级降膜蒸发串联(逆流更节能)再与结晶器或终级浓缩并联使用，提高热经济性。

3 罗茨式蒸汽压缩机

罗茨式蒸汽压缩机为容积式风机，输送的风量与转数成比例，叶轮端面和风机前后端盖之间及风机叶轮之间者始终保持微小的间隙，在同步齿轮带动下风从风机进风口沿壳体内壁输送到排出的一侧。

3.1 罗茨式蒸汽压缩机的特点

(1)容积式压缩机的工作原理决定了其转速相比离心压缩机较低。在MVR工况下可达到980 r/min～1 450 r/min的额定转速，降温工况下可达到1 980 r/min的超高转速。(2)适用的流量范围相对较小，通常处理量为0.15 t/h～10 t/h，最小可达0.02 t/h。最大可达30 t/h左右。按照有关厂家资料处理量范围5 m3/h～72 000 m3/h。(3)可达到较高的单级压比，最大可达2.5。有效温升超过20 ℃，最大可达25 ℃。(4)可靠性高，操作维护方便，动力平衡性好，适应性强。(5)对成分复杂的物料、变化范围较大的工况都具有良好的适应性。(6)温升越高，压差越大运行稳定性越差； 转子之间的间隙很容易堵塞。

3.2 罗茨式蒸汽压缩机材料及特点

罗茨式蒸汽压缩机主要材质有：双相不锈钢、碳钢镀镍、非金属镀层材料、304不锈钢和碳钢等。

碳钢机械强度、硬度、耐磨性均较好，但抗腐蚀较差。不锈钢抗腐蚀较好，但硬度不如碳钢，滚子形变较大。为达到较高工作效率和较小漏气量，压缩机滚子间隙往往设计的非常小。运行一段时间后，由于形变造成滚子之间的间隙逐渐缩小，最终出现摩擦咬合现象，造成损坏。

另外在压缩蒸汽过程中，如压差越大，压缩后蒸汽的过热度则越大，压缩后的过热蒸汽有较多被重新吸入压缩，排气温度继续变高，压缩机转子温度变得很高，且与压缩机泵体、端盖温度变大，容易造成转子膨胀过大而互相撞击损坏或卡死现象。因此通常采用从压缩机入口喷雾的办法。这种方式虽解决转子过热膨胀问题，但在向转子表面喷液的过程中，因转子高速旋转，易造成转子表面被液体击破，转子及泵体表面容易出现类似于汽蚀的损坏现象，从而大大影响罗茨压缩机使用寿命。

有厂家通过将饱和蒸汽引回至压缩机，从而完成了对压缩机的过热冷却过程,使罗茨压缩机的压缩过热问题得到解决，避免出现过热卡死、烧坏密封件等现象，且无需在压缩机前喷水冷却，也避免了压缩机类似汽蚀的损坏。

近年来，通过技术研发和不断实验，总结出碳钢镀镍和双相不锈钢材质使用效果较好,整体寿命提升较多，镀层非金属材料主要是ITO使用较多。

3.3 罗茨式蒸汽压缩机用于蒸发的常用工艺配置(如图2)

(1)蒸发装置，加热室(列管换热器/板式换热器)，循环泵(轴流式/离心式)，循环管；(2)除沫器；(3)蒸汽压缩装置(罗茨式)；(4)预热装置；(5)自动控制系统(DCS/PLC)；(6)冷凝水装置；(7)辅助系统。

罗茨式蒸汽压缩机由于转速低，对进汽质量要求低。只需蒸发室设置除沫装置即可。压缩机无喘振。旁路调节，通常只在开机时用。调节风量主要通过调节变频器等方式调节电机转速，也可调整旁路阀门，但需要增加辅助措施。

图2 罗茨式蒸汽压缩机用于蒸发的工艺配置Fig.2 Common process configuration of roots steam compressor for evaporation

罗茨压缩机虽然有较高压缩比和有效温。但温升越高，运行稳定性越差；压缩比越大，过热度越高，容易造成压缩机破坏。工艺上通常会保守选择有效温升，增加面积补偿。另外罗茨压缩机主要应用在小型蒸发装置中，便于集成，降安装高度，加热室通常为卧式布置，但对传热性能有影响，需要增加换热面积来补偿。同时损失热推动力，循环泵扬程更高。罗茨压缩机常用于温度低于120 ℃的蒸汽压缩，高效运行的区间是微负压，通常会配置真空系统。

4 风机式压缩机

单级风机式压缩机用于低压缩比工况。与离心压缩机相同，气体沿轴向进入叶轮入口，在离心力作用下从径向流出。风机叶轮和壳体为焊接板结构，需要时用加强肋补强。由于转速较低，通常不需要齿轮变速箱， 故压缩机每级的压力比不大，在压力比较高时，需采用多级压缩，最高可达四级。

离心风机压缩机主要组成有入口导叶、叶轮、壳体、电机、联轴器、轴密封件、轴承、供油设备等。入口导叶涡旋调节器通过改变流量来调节鼓风机的运行。叶轮使用焊接与涂层工艺。外壳完全采用稳定的焊接结构，为矩形框架螺旋结构形状。轴承常使用挤压油膜减震轴承。

4.1 风机式蒸汽压缩机的特点

(1)流量覆盖范围大，单机能力可达0.2 t/h～400 t/h。(2)压缩比低，有效温差小。有效温差8 ℃～10 ℃。两级压缩，有效温升14 ℃～21 ℃。三级压缩，有效温升最高可达27 ℃。单级压缩比通常小于1.25。(3)转速较低。转速通常为3 000 r/min～12 500 r/min。(4)动平衡特性好，振动小，基础要求简单，通常减振箱与主机一体化，并置于下部。(5)易损部件少，故障少、工作可靠、寿命长。(6)机组单位功的重量、体积及安装面积大。(7)机组自动化程度高。(8)机器基本不会发生喘振。

4.2 风机式蒸汽压缩机用于蒸发的常用工艺配置(如图3)

(1)蒸发装置含蒸发室、盐脚及淘洗装置、母液排放装置)，加热室(换热器) ，循环泵(轴流式/离心式)，循环管。(2)除沫器。(3)洗汽器.(4)蒸汽压缩装置(风机式)，变频控制。(5)预热装置。(6)自动控制系统(DCS)。(7)冷凝水装置。(8)辅助系统。

风机式蒸汽压缩机由于有效温升低，转速较低，叶轮线速度较低，对进汽质量要求有要求，除沫装置和洗汽装置均需设置。淡盐水类、高含硝类蒸发通常用两级或三级压缩机串联运行，最高可达四级串联。对于初始沸点升低，沸点升浓缩变化大的稀盐料液，通常采用组合方式，如常用的两级降膜蒸发串联(逆流更节能)，提高热经济性。

图3 风机式蒸汽压缩机用于蒸发的常用工艺配置Fig.3 Common process configuration of fan type steam compressor for evaporation

5 结论

机械压缩式热泵将低位热能通过机械做功变为高位热能循环利用，节能效果明显，主要耗能为电力，对环境保护效果极好。加之技术进步，机械压缩式热泵在高耗能的蒸发浓缩结晶中广泛使用。压缩机作为核心部件，种类较多，特点各有不同，在工艺中的配置也不同。认识越深入，才能更好地发挥压缩机效能和延长安全使用寿命。