摘要:針對某企業(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,同時對MVR技術(shù)的自動控制系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計及硬件設(shè)計?刂葡到y(tǒng)通過PLC與變頻器相結(jié)合的控制方式,對機(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)自動控制,同時可對硫酸鹽溶液的濃縮、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)測控制。
0引言
20世紀(jì)70年代隨著人們對能源需求的日漸增加以及能源價格的飛速上漲,MVR技術(shù)逐漸引起各國研究者的關(guān)注和研究,并成功地應(yīng)用于蒸發(fā)系統(tǒng)中[1]。而德國GEA公司針對蒸發(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)簡介及原理
機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)(MechanicalVaporRe-compression)簡稱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)室里對預(yù)熱處理過的硫酸鹽溶液蒸發(fā)濃縮的過程中會產(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
整個蒸發(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)、蒸汽降溫器和潤滑系統(tǒng)三部分組成。整個蒸發(fā)系統(tǒng)開機(jī)運(yùn)行前需shou先檢測各個手動閥門的開閉狀況,確保各手動閥門處于正確的狀態(tài),確保各傳動設(shè)備的潤滑正常。檢測自動閥門處于正確的自控狀態(tài)。通過壓力傳感器檢測泵密封水管道內(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)前的檢測之后,開啟壓縮機(jī)輔助油泵及強(qiáng)制循環(huán)換熱器A對機(jī)械蒸汽壓縮機(jī)潤滑油進(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,由溫度傳感器檢測預(yù)熱后的進(jìn)料溫度,將溫度值的信號反饋給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,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,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。開啟蒸汽手動閥門,對硫酸鹽溶液進(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)啟動條件(潤滑油壓力≥0.07MPa;潤滑油溫度≥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)閥投入自動等)都正常的時候就可以啟動機(jī)械蒸汽壓縮機(jī)。要注意開啟壓縮機(jī)輔助油泵時,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)啟動頻率可以由變頻器設(shè)定,建議啟動頻率在15Hz;然后逐漸提高頻率,當(dāng)頻率到達(dá)30Hz時逐漸關(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對出口蒸汽溫度進(jìn)行檢測,超過設(shè)定溫度過熱時,機(jī)械蒸汽壓縮機(jī)內(nèi)的蒸汽降溫器啟動,自動閥開啟,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,進(jìn)料泵打開,進(jìn)料流量大小按設(shè)計流量,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,冷凝水會流到冷凝水罐中收集。冷凝水罐上裝有磁翻板液位計LI,顯示水罐中的液位并將信號反饋給PLC,當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定液位時,凝水輸出泵啟動,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。冷凝水的瞬時流量及積累流量通過電磁流量計FI進(jìn)行測量及反饋。注意冷凝水輸出泵出口手動閥不要開的過大,應(yīng)處在一個合適的開度,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罐,母液存儲罐上裝有靜壓液位計(如圖1所示),對罐內(nèi)的液位進(jìn)行顯示和反饋,液位達(dá)到設(shè)定液位時,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)喘振時打開,對其進(jìn)行調(diào)節(jié)。壓縮機(jī)上的液位計用于檢測壓縮機(jī)進(jìn)口集水管中的液位,當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時,切斷閥開啟,水由排水泵排出。液位低于設(shè)定值時,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)束時要進(jìn)行停車操作。對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
硫酸鹽溶液蒸發(fā)結(jié)晶的整個控制系統(tǒng)包括三個部分:監(jiān)控層、控制層、現(xiàn)場。控制系統(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)場的實(shí)時數(shù)據(jù),并根據(jù)顯示的數(shù)據(jù)做出遠(yuǎn)程控制?刂茖影ǎ校蹋弥骺刂破鳌ⅲ桑夏K、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等,主要是對現(xiàn)場的溫度、流量、壓力、液位等工藝參數(shù)信號進(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)算法計算,F(xiàn)場通過儀表變送器對過程對象的一些信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換,使系統(tǒng)可以進(jìn)行識別。
5控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
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)控制各個電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。PLC作為控制器來調(diào)控整個MVR系統(tǒng)中的各個被控對象,包括二次蒸汽的溫度、料液的密度、管道的壓力等。這些測量量會經(jīng)過各個儀表變送與模數(shù)轉(zhuǎn)換反饋給PLC[7],由PLC調(diào)節(jié)。對于溫度控制,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)場采集的實(shí)時數(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校瑢?shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)的實(shí)時監(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,并對整個系統(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。結(jié)合系統(tǒng)的工藝流程和控制要求對整個控制系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計,#后說明了控制系統(tǒng)需要的硬件,并對整個系統(tǒng)#核心的部分MVR蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行了控制方式的說明。
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