基于引射流技术与压缩闪蒸汽的节能装置

孙秀光，冯贵墨，赵 旭，张华庆

（中国船舶集团有限公司第七0三研究所，黑龙江哈尔滨 150078）

1 概述

工厂生产过程中生产装备在使用饱和蒸汽加热溶媒或物料后，蒸汽换热后相变为饱和冷凝水，饱和冷凝水经疏水装置排入凝结水系统管路时由于饱和冷凝水压力释放到近大气压力值，冷凝管路系统内产生大量闪蒸汽。

闪蒸汽依旧含有很高的热焓值，冷凝水压力、温度越高，凝结水具有热能就越多。随着能源日益紧张，国家、企业对节能减排要求更加严格，回收高温凝结水并加以有效利用，对生产、环境与企业效益均有大益。

长期以来，我国很多企业对生产过程中产生的闪蒸汽和高温凝结水回收不够重视，有部分企业做了回收，但由于条件限制，回收率不是很高，其中相当部分企业生产过程中闪蒸汽会直排大气中，未回收利用，带来以下问题。

1）闪蒸汽不加管理排放时会释放大量热能，对周边生产环境温度有所提升；其排放产生噪声对生产、生活有很大影响。

2）目前闪蒸汽多为开式直排，造成热能和水资源浪费；即使回收但不完整，仍有低压连续小流量闪蒸汽直接排掉。

由于闪蒸汽压力较低（≦0.02 MPa）[1]，目前尚未有系统完备的装置对其进行多维度利用。

本文针对闪蒸汽携带的汽化潜热如何得到有效利用，通过热力计算安装调试，为系统装置设计提供了理论和经验支撑。提出一种解决方法，设计出一套引射流与压缩闪蒸汽联合节能控制的系统装置，以达到设备有序管理、能源最大有效利用目的。

2 闪蒸汽量计算与热焓应用分析

2.1 闪蒸汽量计算

某中药厂过程装备及能源参数设计如表1所示。

表1 生产车间能源动力设计参数表

表1 设备在生产过程中产生蒸汽冷凝水经各分支管路汇入车间一层两路冷凝水系统DN250 主管内，再汇至DN300总管后自流到厂区锅炉房回收水箱。

由于生产负荷波动变化，0.03 MPa 饱和蒸汽在设备加热器壳程内是一个等容换热过程，疏水阀前、后压力差动态波动，工作范围多在0.15~0.25 MPa，取平均值0.02 MPa 定量测算。

0.02 MPa（表压）饱和冷凝水汽化潜热值为2 163.7 kJ/kg，显热值为561.58 kJ/kg，饱和温度为133.556℃。经过疏水阀排放到表压力≈0 MPa 的冷凝水主支管中，该压力下冷凝水的显热值为417.52 kJ/kg，温度近100℃，降压冷凝水部分闪蒸成蒸汽，在0 MPa（表压）下，产生1 kg 的蒸汽需要2 257.6 kJ 的热量，冷凝水排放常压状态时热能差值产生闪蒸汽量计算式[3]如下。

式中：Gs为冷凝水闪蒸汽量（t/h）；h′前为降压闪蒸前凝结水热焓（kJ/kg）；h′后为降压闪蒸后凝结水热焓（kJ/kg）；r为闪蒸后的常压水蒸发潜热（kJ/kg）；G为闪蒸前动态生产负荷凝结水总量（t/h）。

其中：Q=(h′前-h′后)/r×100%

Q为冷凝水闪蒸率%。

代入数据得：

按工况生产负荷系数0.65~0.75计算生产过程冷凝水系统管路中产生闪蒸汽量：

2.2 闪蒸汽热焓应用分析

生产工况中除降压闪蒸外还因选用的浮球、倒置桶式、热动力式或是热静力式疏水装置时，疏水装置蒸汽无相变泄漏排入冷凝水系统管路情况，因此冷凝水管路内汽空间闪蒸汽与泄漏蒸汽共存。

工艺设计中蒸汽冷凝水采用开式或闭式凝水回收器输送至水箱内；闪蒸汽选用闪蒸罐收集，其饱和蒸汽压较低，汽量波动大，难以直接利用，因此依生产特点设计一套基于引射流技术与压缩闪蒸汽联合节能控制系统装置对其进行热能综合再利用。

3 系统装置设计模型

3.1 压缩法

选用小流量蒸汽压缩机，处理量为1~2 t/h，具有使用、维护方便等优势。

通过压缩机对低压闪蒸汽压缩，输送至换热器加热低温溶媒，压缩闪蒸汽再次冷凝回收，利用热能同时又增加了冷凝水回收量，仿真计算如图1所示。

图1 二次蒸汽换热溶媒仿真计算图

变频控制压缩机使出口压力控制在0.001~0.15 MPa。

由于闪蒸汽压力较低，换热效率受一定影响，热交换效率70% 时用板式换热器仿真结果：压缩机出口压力0.001 MPa，3 098.557×0.7=2 169kg/h 闪蒸汽换热可以将20℃，18 026 kg/h 生产用水提升至85℃。

真接压缩闪蒸汽量受生产系统负荷波动影响，因此定义这部分蒸汽用于水溶媒循环加热。

3.2 引射流法

系统引入“拉伐尔引嘴”原理设计的动态调节引射流器[4-5]，将低压闪蒸汽与系统蒸汽源混合送生产区≦0.2 MPa 用汽设备（如夹层锅、球形浓缩器等），加热过程便于控制，同时可以保护物料无过热结焦破坏。

引射流器工作蒸汽来自系统0.3~0.6 MPa 饱和蒸汽源，引射流器结构如图2所示。主要包括可调节引射喷嘴、环形吸入段等压等容混合段和减速增压扩散段。

图2 动态调节蒸汽引射流器结构图

0.3~0.6 MPa 工作蒸汽在引射喷嘴内绝热膨胀，引射喷嘴出口流速瞬时陡升，达到超声速；环形吸入室出现相对低压区，真空度上升；工作汽流对闪蒸汽剪切，闪蒸汽被吸入混合段，与工作蒸汽混合。在经过等压等容混流后，混流汽流速在扩散段内逐渐降低，混流汽压力逐渐升高，在引射流器出口处形成相对稳定流态。

引射流器需手动调节内部顶针，再通过蒸汽测试仪表获取流量、温度、压力信号，并将其传递给外部控制系统进行调节。

根据引射流器运行时引射系数和出口压力之间关系，微调顶针使喷射系数[6-7]值处于临界模式下，保证最佳工作状态。须控制引射流器回流模式工况出现，将影响冷凝水系统管路正常运行。

通过调节内部顶针稳定引射流器工作状态后，再经过外部控制系统调节阀门对系统压力流量调控后，这部分稳流稳压蒸汽供给≦0.2 MPa 低压用汽设备使用。

混流汽压力与温度均有一定程度降低并可控，有利于热敏性药液等物料浓缩。

3.3 基于闪蒸汽量受生产负荷波动影响

将两种模型联合设计成一套装置，整体调节闪蒸汽平衡使用，生产系数大于一定值时，两种模型节能装置均可用，生产系数小于一定值时，循环加热水溶媒可有效回收小流量不稳定闪蒸汽。

4 装置工艺实现

装置主要组成部分：凝水回收器、闪蒸罐、压缩机、喷射流器、换热器及用热设备。具体装置组成如图3所示。

图3 装置工艺流程图

系统蒸汽冷凝水由车间内各层用汽设备疏水阀组配管背压输送至各层支管，各层支管经主立管路汇集至主冷凝水管路中，接入凝水回收器时由涡接流量计累加总冷凝水量，并监控凝水回收器液位。凝水回收器设置压力计及高液位泄放接口，装置设系统保护排放接口经气动阀门切断与大气的相通，当系统非正常运行达到凝水回收器系统压力设定值时，打开系统保护气动阀保证系统稳定运行。闪蒸罐冷凝水排入口位于设备最低端，汇集全部闪蒸汽冷凝水后排至凝水回收器统一处理。闪蒸罐设置安全阀保护，当闪蒸汽罐内压力过大时，安全阀启动排放以保护系统安全。

闪蒸汽汇入闪蒸罐后，闪蒸罐出口设置引射流器与蒸汽压缩机两种工艺设计模式，分别独立切换运行。

闪蒸汽经过换热器或者低压设备换热后，冷凝水重新汇流至凝水回收器进行收集。

5 控制系统搭建

5.1 系统框架

控制系统选用西门子1500 系列控制器，型号1515-1PN 配12 MB 程序存储卡。系统控制通信采用Profibus-Net 网络协议，配西门子155 系列现场工业总线模块，现场工艺设备上安装的仪表及执行机构，通过信号线缆连接至位于控制室的控制系统I/O 模块上。在中控室设有操作员站，可以远程监控运行参数和操作设备运行，操作员站使用商用计算机，操作系统WindowsWin10SP1版本；在现场同时设有西门子TP1200系列触摸屏，可以在现场对设备进行操作。软件平台选用西门子工业控制软件包，下位机与触摸屏编程软件博图V16、人机界面编程软件包Wincc7.4，运行界面如图4所示。

图4 人机交互界面图

5.2 现场控制设备

根据前面的装置整体设计，结合控制的要求，控制系统现场设备清单配置如表2所示。

表2 现场控制设备清单

5.3 工艺控制流程

控制程序主流程图如图5所示，系统启动后实时判断凝水回收器的压力是否超压，一旦超压，立即开启AS01紧急排空，关断系统蒸汽回路的所有阀门。当凝水回收器在可控范围之内时，系统自动判断厂区的低压供汽设备是否工作。当厂区低压供汽设备工作时，闪蒸汽通过AS19进入引射流器Y506，同时厂区管网蒸汽通过AS18与闪蒸汽混合后，经过TCV01向低压设备供汽。TCV01根据PT05的压力测量值进行模糊调节，保证低压设备供汽压力在0.2 MPa。当厂区低压供汽设备不工作时，闪蒸汽通过AS17进入闪蒸汽增压泵P505，P505根据PT02的压力测量值反馈调节，保证换热器的供汽压力在0.08 MPa。

图5 控制程序主流程图

6 低压设备Fuzzy模糊控制

厂区低压设备供汽压力要求≦0.2 MPa，闪蒸汽混合后经过调节阀调节，要求压力控制区间为±0.006 MPa。传统的PID 控制无法做到快速响应，装置采用Fuzzy 模糊控制。系统观测得到调节阀TCV01 后压力PT05，系统设定的控制压力为SpPT05，两者差值为e，e=PT05-SpPT05，则有-0.006 MPa ≤e≤0.006 MPa。当e＜-0.006 MPa 时，达到最小压力；当e＞0.006 MPa 时，达到最大压力。压力变化率e'为每秒采样后e的变化值，单位MPa/s，模糊控制的流量变化率范围为-0.02 MPa/s≤e'≤0.02 MPa/s。TCV01开度u，单位%，模糊控制的流量范围为50%≤u≤72%，50%表示最小流量开度，72%表示最大流量开度[8-10]。

压力差e模糊语言集合取为｛正大PB，正中PM，正小PS，零 ZE，负小NS，负中NM，负大NB｝。分别代表｛极快，很快，稍快，适中，稍慢，很慢，极慢｝7种感觉，均匀量化e的模糊集合隶属度函数采用三角形函数。压力差变化率e'模糊语言集合取为｛正大 PB，正小PS，零ZE，负小NS，负大NB｝，分别代表5种流量差变化率｛正变化迅速，正变化，无变化，负变化，负变化迅速｝，均匀量化e'的模糊集合隶属度函数采用三角形函数。TCV01开度大小相对变化定义为调节比u，调节比u模糊语言集合取为｛PB，PM，PS，NS，NM｝，分别代表从最大流量到最小流量5种开度，流量调节阀开度u的模糊集合隶属度函数采用三角形函数。

Fuzzy 模糊控制使用“IF-THEN”型的模糊条件句构成的控制规则，通过经验分析和现场测试摸索，针对TCV01 制订模糊控制规则写成如下形式：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条控制规则，列于控制规则表3模糊控制输出规则Cij中，如表3所示。

表3 模糊控制输出规则Cij

模糊输入和输出对应的控制规则推论结果见图6，采用Fuzzy 模糊控制后系统低压蒸汽压力基本控制在0.2 MPa 上下稳定运行，如图6所示。

图6 模糊控制输出推论图

7 结论

装置调试运行后工作稳定，解决了车间闪蒸汽损失，保障了系统安全，同时降噪。尤其经过对闪蒸汽回收和再利用，为50台6T 提取罐提供热溶媒、8台500型的球形浓缩器、6台夹层锅等提供≦0.2 MPa 低压蒸汽，1两个月间累计节省0.3 MPa 饱和蒸汽量近2 000 t，冷凝水回收量增加8 000 余吨，节约成本近90万元。本装置投产后证明运行安全可靠，对闪蒸汽可以做到回收再利用。