黃 成，董曉銘

(中鹽工程技術研究院有限公司 成都分公司，四川 成都 643000)

1 前言

熱泵(Heat Pump)是一種將低位熱源的熱能轉移到高位熱源的裝置。熱泵充分利用低位熱能，節(jié)能性高，因此熱泵在耗能較多的蒸發(fā)單元應用較多。主要有蒸汽噴射式熱泵和機械壓縮式熱泵。近些年機械壓縮式熱泵應用廣泛，種類較多。應用普遍的主要有三種：羅茨式蒸汽壓縮機、離心式蒸汽壓縮機、風機式蒸汽壓縮機。

羅茨式蒸汽壓縮機在小型和中低沸點升物料蒸發(fā)應用廣泛。因結構特點，使用壽命較短，通過近些年的工藝和材料的創(chuàng)新，使用壽命得到提高。羅茨式分為兩葉和三葉，三葉性能優(yōu)于兩葉。

離心式蒸汽壓縮機在大中型及較高沸點升物料蒸發(fā)單元應用較多。進口壓縮機主要應用于大型蒸發(fā)單元，國產(chǎn)壓縮機在大中小型蒸發(fā)單元中均有應用,并不斷向中小型下沉和大型延伸。因為轉速因素和造價限制其在小型蒸發(fā)單元上的應用，目前也在不斷突破技術難點和經(jīng)濟性。

風機式蒸汽壓縮機在大中型蒸發(fā)單元及低沸點升物料蒸發(fā)應用較多,中高沸點升物料通過兩級或三級串聯(lián)使用。

小型應用開發(fā)了處理量為200 kg/h～5 000 kg/h風機式壓縮機，采用高速電機直驅，轉速達11 000 r/min～13 500 mg/kg。單級最大溫升達10 ℃。兩級串聯(lián)溫升可達21 ℃。體積小，重量輕。

風機式蒸汽壓縮機因單級壓縮比較小，串級使用設備復雜，控制點多，占地面積大，對其應用也有限制。

2 單級離心式壓縮機

單級離心式壓縮機是速度型壓縮機。通過氣體流動速度提高，即增加氣體分子的動能；然后使氣流速度有序降低，使動能轉化為壓力能，氣體容積也相應減小。其特點是壓縮機具有驅使氣體獲得流動速度的葉輪。

壓縮機主要特征是懸臂葉輪和壓縮機以及變速箱的緊湊布置。電機、變速箱和壓縮機通常安裝在同一底座上。壓縮機殼體采用鑄材或焊接材料組合。由于大于400 m/s的高葉端速度，葉輪是高度受力的，故由高質量材料例如鉻鎳鋼或鈦合金制成。

2.1 離心式壓縮機的特點

(1)流量覆蓋范圍大，單機能力通常為2.5 t/h～250 t/h。最大達48 000 m3/h。(2)壓縮比高，有效溫差大。有效溫差通常為16 ℃～22 ℃，最大有效溫升可達30 ℃。壓縮比一般為1.6～2.2，壓縮比最大可達2.5以上。(3)轉速高，質量流量越低，壓縮比越高，葉輪轉速就越高。轉速高達8 000 r/min～40 000 r/min。(4)動平衡特性好，振動小，基礎要求簡單，通常油箱與主機一體化，并置于下部，可起到減震作用。(5)易損部件少，故障少、工作可靠、壽命長。(6)機組單位功的重量、體積及安裝面積小。(7)機組自動化程度高，調節(jié)范圍廣，可連續(xù)無級調節(jié)。(8)單機容量不能太小，否則會使氣流流道太窄，影響流動效率，壓縮機轉速也特別高。(9)特別情況下，機器會發(fā)生喘振而不能正常工作。

2.2 離心壓縮機安全保護系統(tǒng)

為了保證離心壓縮機的安全穩(wěn)定運行，必須設置一套完整的安全保護系統(tǒng)。(1)溫度保護 (觀察、控制壓縮機氣體、冷卻系統(tǒng)、潤滑油溫、主電機定子溫度及各軸承溫度，達到規(guī)定值則發(fā)出聲光訊號報警和聯(lián)鎖停機)。(2)壓力保護 (蒸汽、冷卻介質、油壓的報警和聯(lián)鎖停機)。(3)流量保護 (冷卻系統(tǒng)水量報警)。(4)機械保護 (軸向位移和機械振動保護)

2.3 防喘振保護系統(tǒng)

喘振是指當離心式壓縮機的入口流量低于一特定值時，壓縮機的能量頭不足以克服背壓而在氣道內形成一種周期性往復振蕩現(xiàn)象。對于離心式壓縮機有著很嚴重的危害。造成壓縮機性能惡化，工藝參數(shù)大幅波動、對軸承產(chǎn)生沖擊、機組靜動件碰撞破壞、密封破壞。目前大型壓縮機組都設有手動和自動防喘振保護控制系統(tǒng)。

2.4 離心式蒸汽壓縮機用于蒸發(fā)的常用工藝配置(如圖1)

(1)蒸發(fā)裝置(含蒸發(fā)室、鹽腳及淘洗裝置、母液排放裝置)，加熱室(列管換熱器) ，循環(huán)泵(軸流式)，循環(huán)管；(2)除沫器；(3)洗汽裝置(洗汽塔)；(4)蒸汽壓縮裝置(離心式)，變頻控制；(5)過熱消除裝置；(6)預熱裝置；(7)冷凝水裝置；(8)自動控制系統(tǒng)(DCS)；(9)輔助系統(tǒng)。

圖1 單級離心式蒸汽壓縮機用于蒸發(fā)的工藝配置Fig.1 Process configuration of single stage centrifugal steam compressor for evaporation

單級離心式蒸汽壓縮機由于有效溫升較大，轉速高，葉輪線速度高，對進汽質量要求高。除沫裝置和洗汽裝置均要求嚴格,否則會極大影響壓縮機的安全運行和使用壽命，同時壓縮機的喘振現(xiàn)象更容易發(fā)生，因此防喘系統(tǒng)更加完善。較高壓縮比和有效溫升，常用于沸點升高不大于14 ℃的飽和鹽類蒸發(fā)。對于初始沸點升低，沸點升濃縮變化大的稀鹽料液，通常采用組合方式。如常用的兩級降膜蒸發(fā)串聯(lián)(逆流更節(jié)能)再與結晶器或終級濃縮并聯(lián)使用，提高熱經(jīng)濟性。

3 羅茨式蒸汽壓縮機

羅茨式蒸汽壓縮機為容積式風機，輸送的風量與轉數(shù)成比例，葉輪端面和風機前后端蓋之間及風機葉輪之間者始終保持微小的間隙，在同步齒輪帶動下風從風機進風口沿殼體內壁輸送到排出的一側。

3.1 羅茨式蒸汽壓縮機的特點

(1)容積式壓縮機的工作原理決定了其轉速相比離心壓縮機較低。在MVR工況下可達到980 r/min～1 450 r/min的額定轉速，降溫工況下可達到1 980 r/min的超高轉速。(2)適用的流量范圍相對較小，通常處理量為0.15 t/h～10 t/h，最小可達0.02 t/h。最大可達30 t/h左右。按照有關廠家資料處理量范圍5 m3/h～72 000 m3/h。(3)可達到較高的單級壓比，最大可達2.5。有效溫升超過20 ℃，最大可達25 ℃。(4)可靠性高，操作維護方便，動力平衡性好，適應性強。(5)對成分復雜的物料、變化范圍較大的工況都具有良好的適應性。(6)溫升越高，壓差越大運行穩(wěn)定性越差； 轉子之間的間隙很容易堵塞。

3.2 羅茨式蒸汽壓縮機材料及特點

羅茨式蒸汽壓縮機主要材質有：雙相不銹鋼、碳鋼鍍鎳、非金屬鍍層材料、304不銹鋼和碳鋼等。

碳鋼機械強度、硬度、耐磨性均較好，但抗腐蝕較差。不銹鋼抗腐蝕較好，但硬度不如碳鋼，滾子形變較大。為達到較高工作效率和較小漏氣量，壓縮機滾子間隙往往設計的非常小。運行一段時間后，由于形變造成滾子之間的間隙逐漸縮小，最終出現(xiàn)摩擦咬合現(xiàn)象，造成損壞。

另外在壓縮蒸汽過程中，如壓差越大，壓縮后蒸汽的過熱度則越大，壓縮后的過熱蒸汽有較多被重新吸入壓縮，排氣溫度繼續(xù)變高，壓縮機轉子溫度變得很高，且與壓縮機泵體、端蓋溫度變大，容易造成轉子膨脹過大而互相撞擊損壞或卡死現(xiàn)象。因此通常采用從壓縮機入口噴霧的辦法。這種方式雖解決轉子過熱膨脹問題，但在向轉子表面噴液的過程中，因轉子高速旋轉，易造成轉子表面被液體擊破，轉子及泵體表面容易出現(xiàn)類似于汽蝕的損壞現(xiàn)象，從而大大影響羅茨壓縮機使用壽命。

有廠家通過將飽和蒸汽引回至壓縮機，從而完成了對壓縮機的過熱冷卻過程,使羅茨壓縮機的壓縮過熱問題得到解決，避免出現(xiàn)過熱卡死、燒壞密封件等現(xiàn)象，且無需在壓縮機前噴水冷卻，也避免了壓縮機類似汽蝕的損壞。

近年來，通過技術研發(fā)和不斷實驗，總結出碳鋼鍍鎳和雙相不銹鋼材質使用效果較好,整體壽命提升較多，鍍層非金屬材料主要是ITO使用較多。

3.3 羅茨式蒸汽壓縮機用于蒸發(fā)的常用工藝配置(如圖2)

(1)蒸發(fā)裝置，加熱室(列管換熱器/板式換熱器)，循環(huán)泵(軸流式/離心式)，循環(huán)管；(2)除沫器；(3)蒸汽壓縮裝置(羅茨式)；(4)預熱裝置；(5)自動控制系統(tǒng)(DCS/PLC)；(6)冷凝水裝置；(7)輔助系統(tǒng)。

羅茨式蒸汽壓縮機由于轉速低，對進汽質量要求低。只需蒸發(fā)室設置除沫裝置即可。壓縮機無喘振。旁路調節(jié)，通常只在開機時用。調節(jié)風量主要通過調節(jié)變頻器等方式調節(jié)電機轉速，也可調整旁路閥門，但需要增加輔助措施。

圖2 羅茨式蒸汽壓縮機用于蒸發(fā)的工藝配置Fig.2 Common process configuration of roots steam compressor for evaporation

羅茨壓縮機雖然有較高壓縮比和有效溫。但溫升越高，運行穩(wěn)定性越差；壓縮比越大，過熱度越高，容易造成壓縮機破壞。工藝上通常會保守選擇有效溫升，增加面積補償。另外羅茨壓縮機主要應用在小型蒸發(fā)裝置中，便于集成，降安裝高度，加熱室通常為臥式布置，但對傳熱性能有影響，需要增加換熱面積來補償。同時損失熱推動力，循環(huán)泵揚程更高。羅茨壓縮機常用于溫度低于120 ℃的蒸汽壓縮，高效運行的區(qū)間是微負壓，通常會配置真空系統(tǒng)。

4 風機式壓縮機

單級風機式壓縮機用于低壓縮比工況。與離心壓縮機相同，氣體沿軸向進入葉輪入口，在離心力作用下從徑向流出。風機葉輪和殼體為焊接板結構，需要時用加強肋補強。由于轉速較低，通常不需要齒輪變速箱， 故壓縮機每級的壓力比不大，在壓力比較高時，需采用多級壓縮，最高可達四級。

離心風機壓縮機主要組成有入口導葉、葉輪、殼體、電機、聯(lián)軸器、軸密封件、軸承、供油設備等。入口導葉渦旋調節(jié)器通過改變流量來調節(jié)鼓風機的運行。葉輪使用焊接與涂層工藝。外殼完全采用穩(wěn)定的焊接結構，為矩形框架螺旋結構形狀。軸承常使用擠壓油膜減震軸承。

4.1 風機式蒸汽壓縮機的特點

(1)流量覆蓋范圍大，單機能力可達0.2 t/h～400 t/h。(2)壓縮比低，有效溫差小。有效溫差8 ℃～10 ℃。兩級壓縮，有效溫升14 ℃～21 ℃。三級壓縮，有效溫升最高可達27 ℃。單級壓縮比通常小于1.25。(3)轉速較低。轉速通常為3 000 r/min～12 500 r/min。(4)動平衡特性好，振動小，基礎要求簡單，通常減振箱與主機一體化，并置于下部。(5)易損部件少，故障少、工作可靠、壽命長。(6)機組單位功的重量、體積及安裝面積大。(7)機組自動化程度高。(8)機器基本不會發(fā)生喘振。

4.2 風機式蒸汽壓縮機用于蒸發(fā)的常用工藝配置(如圖3)

(1)蒸發(fā)裝置含蒸發(fā)室、鹽腳及淘洗裝置、母液排放裝置)，加熱室(換熱器) ，循環(huán)泵(軸流式/離心式)，循環(huán)管。(2)除沫器。(3)洗汽器.(4)蒸汽壓縮裝置(風機式)，變頻控制。(5)預熱裝置。(6)自動控制系統(tǒng)(DCS)。(7)冷凝水裝置。(8)輔助系統(tǒng)。

風機式蒸汽壓縮機由于有效溫升低，轉速較低，葉輪線速度較低，對進汽質量要求有要求，除沫裝置和洗汽裝置均需設置。淡鹽水類、高含硝類蒸發(fā)通常用兩級或三級壓縮機串聯(lián)運行，最高可達四級串聯(lián)。對于初始沸點升低，沸點升濃縮變化大的稀鹽料液，通常采用組合方式，如常用的兩級降膜蒸發(fā)串聯(lián)(逆流更節(jié)能)，提高熱經(jīng)濟性。

圖3 風機式蒸汽壓縮機用于蒸發(fā)的常用工藝配置Fig.3 Common process configuration of fan type steam compressor for evaporation

5 結論

機械壓縮式熱泵將低位熱能通過機械做功變?yōu)楦呶粺崮苎h(huán)利用，節(jié)能效果明顯，主要耗能為電力，對環(huán)境保護效果極好。加之技術進步，機械壓縮式熱泵在高耗能的蒸發(fā)濃縮結晶中廣泛使用。壓縮機作為核心部件，種類較多，特點各有不同，在工藝中的配置也不同。認識越深入，才能更好地發(fā)揮壓縮機效能和延長安全使用壽命。