微正壓條件下板式降膜MVR蒸發裝置的工藝設計與應用

賈夢陽 童玉寶 閆海龍 殷鵬 孫磊 楊莉莉

1中國石油新疆油田公司風城油田作業區

2克拉瑪依九工環保技術有限公司

近年來，由于板式降膜蒸發器與其他類型蒸發器相比具有傳熱系數高、氣耗低、回水比大、二次汽冷凝水純度高、板面不易結垢等優點[1]，從而得到了大面積的推廣和應用。常規多效蒸發等在設計過程中為實現增大效數、增大有效換熱溫差的目的，多采用負壓蒸發技術，其蒸發器中的負壓（真空度）主要是由二次蒸汽冷凝所致[2]。負壓蒸發在設計時需配備真空系統來維持真空（負壓）體系，用以抽吸蒸發系統泄漏的空氣、不凝氣體以及冷卻水飽和溫度下的水蒸氣等。負壓蒸發增大效數即是增大單位蒸汽（能耗）下的產水量，增大有效換熱溫差即可減少換熱面積、減少投資[3]。負壓蒸發亦存在一些普遍性缺點，主要有沸點降低使蒸發傳熱效率降低；真空蒸發器需按壓力容器類別進行設計，制造成本高、管理難度大；二次蒸汽體積流速大幅增高易攜帶霧沫影響冷凝水水質；真空（負壓）穩定性不易控制；最終乏氣與外界熱熱交換時需要冷源量大、成本高。以板式降膜MVR 蒸發工藝為研究對象，深入研究微正壓蒸發的理論依據及應用條件，提出了熱能平衡因子Δqz是控制微正壓蒸發系統穩定運行的關鍵因素，并利用微正壓蒸發控制思路對某油田一套3 500 m3/d 的微負壓板式降膜MVR 蒸發系統進行改造，使其在微正壓條件下穩定運行。

1 板式降膜MVR蒸發技術

MVR 蒸發技術即機械蒸汽再壓縮（Mechanical Vapor Recompression）技術（簡稱MVR），凡是利用機械壓縮式熱泵對二次蒸汽進行再壓縮來提高蒸汽壓力、溫度，以使得二次蒸汽加壓后可以作為熱源再次利用的蒸發技術均可稱為MVR 蒸發技術。板式降膜MVR蒸發技術即MVR蒸發技術和板式降膜蒸發器的完美結合，主要是通過MVR 蒸發器的機械蒸汽壓縮做功；所采用的蒸發工藝是板式降膜工藝，將MVR 蒸發器的加熱室做成降膜式，而后利用機械蒸汽壓縮機壓縮做功。

板式降膜MVR 蒸發過程中，冷凝室與蒸發室之間通過壓縮機連接，兩室間壓力差即是壓縮機進出口蒸汽飽和壓力的差值（圖1），其工作狀態可以是負壓到正壓中的任何一點[4]。MVR在負壓狀態下運行，既不能像多效蒸發一樣提高單位能耗產水量，也不能提高蒸發板兩側的有效換熱溫差，負壓蒸發應用在MVR 蒸發工藝中不但沒有具備負壓多效蒸發的優點，還帶來了諸多不利因素，例如負壓蒸發條件下壓縮機的選型尺寸會顯著增大，從而造成能耗增加、系統設備投資增大[5]。

圖1 MVR蒸發工藝原理圖Fig.1 Principle diagram of MVR evaporation process

2 微正壓蒸發優勢

針對某油田高含鹽污水深度處理工程一套3 500 m3/d 的微負壓（95 ℃、-15 kPa）板式降膜MVR 蒸發系統進行了若干項改造，使其在微正壓（104 ℃、15 kPa）條件下穩定運行，改造后裝置產水量可達4 200 m3/d。通過實踐數據對比證明了相對于微負壓蒸發，在微正壓條件下運行MVR 蒸發，具有產水水質更優、換熱系數更大、投資更省、能耗更低、減少藥劑用量等明顯優勢，經濟效益顯著提升。

2.1 產水水質更優

蒸汽在不同壓力下的飽和溫度、對應密度、焓值數據由物性手冊查得，按照某油田高含鹽污水深度處理工程中一套3 500 m3/d 處理規模的板式降膜MVR 蒸發系統產水量（75 t/h）及設備尺寸，計算出不同壓力體系下二次蒸汽流速，其結果如表1所示。通過對比微負壓狀態（95 ℃、-15 kPa）與微正壓（104 ℃、15 kPa）運行條件下，在蒸發器筒體內上升的二次蒸汽密度可知[6]，微正壓條件下運行，水蒸氣比容更小，二次蒸汽在蒸發器筒體內上升流速是微負壓狀態下流速的72%，有效地降低了汽水分離負荷，其夾帶物沫更少，產水礦化度更低。與此同時，在微正壓狀態下，對物料因強制循環產生的泡沫具有一定壓制作用，微正壓工藝應用于高含鹽水的處理時，此優點更為突出。通過對蒸汽補充量及不凝氣排放量的控制，將系統運行壓力分別控制在微負壓、常壓和微正壓條件下運行，通過對產水水質監測得到監測數據結果也對此進行了印證。

表1 蒸發器不同壓力體系下二次蒸汽參數Tab.1 Parameters of secondary steam in evaporators under different pressure systems

2.2 換熱系數更大

理論與實踐證明，板的換熱效率不僅與材質、厚度、形狀、流體狀態等有關外，還受熱流密度影響[7]。微正壓條件下，飽和蒸汽比焓更高，單位體積攜帶的能量也更大，蒸發板單位面積下蒸汽的凝結放熱量增加、熱流密度增大，從而提高了蒸發換熱板換熱效率。

2.3 投資更省

相較于MVR負壓蒸發，微正壓MVR蒸發工藝投資更省體現在以下幾個方面：

（1）對于高腐蝕性料液的處理，因換熱板選材等級高，蒸發換熱板的投資為MVR 整個系統中投資最大的部分，根據該油田高含鹽污水深度處理工程前期設備選型報價文件，不同選材條件下，蒸發板投資約占總投資的40%～66%。微正壓條件下，因換熱系數增大，減少了換熱面積，蒸發板部分投資可降低10%～15%。

（2）為減少蒸汽攜帶液滴、保障產水質量，蒸發塔最小直徑受所允許的最大二次蒸汽上升流速限制。微正壓蒸發可有效減小二次蒸汽流速從而減小蒸發塔直徑。微正壓蒸發條件下蒸發器不屬于壓力容器，制造和管理成本進一步降低。同理，系統蒸汽配管也相應減少了尺寸和投資。

（3）雖然壓縮機所匹配的功率僅與質量流量和壓差有關，但壓縮機選型則是以體積流量為主[8]。因此微正壓蒸發可降低壓縮機尺寸，減少壓縮機投資。

（4）由于系統是在微正壓條件下完成蒸發，因此無需投資抽真空裝置用以排放不凝氣。

2.4 能耗更低

根據不同壓力下蒸汽焓值數據，以及該油田高含污水深度處理工程中一套3 500 m3/d 處理規模的板式降膜MVR 蒸發系統中壓縮機廠家提供的壓縮機運行效率計算方法，測算得到表2中壓縮機的理論軸功率及電機富余量。MVR 微正壓條件下運行相較于負壓狀態下運行能耗大幅降低，主要表現為以下幾點：①微正壓狀態下壓縮機效率要高于微負壓狀態運行效率約2%～4%；②設定壓縮機效率相同的條件下，冷凝水單位能耗有所下降；③微負壓狀態下，不凝氣外排時的攜帶蒸汽量遠高于微正壓蒸發；④沒有負壓蒸發條件下維持真空所需的能耗，亦沒有產水因礦化度超標進行二次處理所需耗能；⑤因蒸發塔直徑與換熱板面積的減少，強制循環泵流量可以按比例減少，節約循環泵電耗。通過蒸汽補充量及不凝氣排放量的控制，將系統運行壓力分別穩定控制在微負壓、常壓和微正壓條件下運行，通過對壓縮機正常運行時的電流進行監測，得到的監測數據結果也同樣對此進行了驗證。

表2 壓縮機在不同進口壓力下運行參數Tab.2 Operating parameters of the compressor under different inlet pressures

2.5 降低藥劑用量

在處理發泡性污水時，微正壓條件下運行對泡沫有壓制作用，減少消泡劑用量。筆者認為，一是因為壓力越高氣泡直徑越小，氣泡比重加大上升困難；二是因為氣泡表面膜中各種離子更加活躍，氣泡膜的黏度也有所降低，使氣泡趨于不穩定狀態。在某些行業蒸發過程中，以加大循環母液濃度壓制起泡，亦是這個道理。

在應用于高含硅污水處理時，由于微正壓蒸發溫度高，二氧化硅溶解度增大，可降低循環母液的目標pH值，減少用于調節pH值的堿液量。

3 理論依據與工程條件

MVR 蒸發器內的壓力受工藝條件限制，運行狀態（溫度、壓力、蒸發量）能否保持平穩只與整個系統內熱能是否平衡有關[9]，而多效蒸發器的壓力則更多地受二次汽冷凝速度影響。其熱能平衡公式可表述為公式（1），這里引進一個名詞熱能平衡因子Δqz，當Δqz＞0時，蒸發塔內壓力呈緩慢上升的態勢；當Δqz＜0時，其蒸發塔內壓力則會不斷下降；而當Δqz=0時，其蒸發塔內壓力會維持在某一壓力狀態，可以是負壓到正壓的任何一點狀態。

式中：Δqz為MVR系統進、出總能量之和，kJ/kg；Wyz為蒸汽壓縮機所做壓縮功，kJ/kg；Wbz為循環泵等各類機泵所做有用功，kJ/kg；Δhs為冷凝水與蒸發器進料的焓值差，kJ/kg；qs為蒸發塔、機泵、管網的散熱損失，kJ/kg；qp為經熱能回收后，排出系統之外的濃水攜熱與濕飽和不凝氣攜熱之和，kJ/kg；hq為外部注入系統的補充熱量，kJ/kg。

實踐生產過程中，在系統蒸發量與蒸汽壓縮機選型一定的條件下，Wyz只與壓縮機進出口溫差成對應關系，此處描述的溫差是指折算為蒸汽飽和狀態下的壓縮機進出口溫度[10]。

Wbz只與進料泵、循環泵、噴淋泵的軸功率有關，與其他外輸、外排類泵無關，循環泵做功占比最大，通常是進料泵的15～20倍，噴淋泵功率相對較小。

qp其攜熱量與濃水排放量和不凝氣對外排放量有關[11]，與熱能回收率也有關。蒸發濃水排放量在蒸發量一定的情況下是相對穩定的。而不凝氣排放較為復雜，當排放閥門開度一定時，隨蒸發塔內壓力變化，排放量并不穩定。不凝氣排放量越大，其排放的蒸汽量就越大，排放的熱能就越多。

在蒸發量及蒸發器濃縮率一定的情況下，濃水攜熱與濕飽和不凝氣的回收率決定了Δhs的大小，回收率越大qp越小，Δhs也越小，此時系統熱能更易平衡。需要指出的是，蒸發器換熱板的換熱效率決定了冷凝水溫度高低，效率越高冷凝水溫度越接近循環水溫度，與蒸發器循環母液的溫度差越小。

蒸發塔、機泵、管網的散熱損失與各類設備保溫條件有直接關系，在現場保溫措施良好的情況下，一般系統的散熱損失≤1%。在工程設計施工中，當保溫方案確定后，qs基本是個定值。

從外部引進的蒸汽熱能過大，會造成噸水能耗增加，過小則不足以使系統穩定運行。

4 微正壓蒸發控制思路

4.1 熱能平衡絕對值確定

Wyz所涉及的壓縮機溫升是設計選型確定的。設計選型過程中，壓縮機溫升的確定應該兼顧投資成本與電耗成本，以當地用戶電價、蒸發換熱器制造材料成本之間的關系來計算，通過計算可以得到最佳經濟效益下的壓縮機溫升。例如，按蒸發換熱器材料為鈦材、電價按0.38 元/kWh 計算，沸點溫升為0.5 ℃的條件下，壓縮機溫升選擇6 ℃為最佳效益點，其中5.5 ℃為有效換熱溫差。

Wbz與處理量、布水型式及板面結構有關，通常MVR 系統設計過程中，Wyz僅為Wbz的1/15～1/20。對整體熱能平衡影響相對較小。

在保溫效果一定的情況下，qs基本可視為定值，通常MVR 系統設計過程中，根據當地的環境條件取值1%～2%。

對于板式降膜MVR 微正壓蒸發來說，確保蒸發器進液溫度最大程度接近于外排冷凝水溫度，是保證熱能平衡的首要關鍵因素。為保證此點，需要對冷凝水、外排濃水以及不凝氣所攜蒸汽等熱能進行充分回收，并把此部分回收熱能用于進塔母液升溫，其熱能回收率應達到90%以上。冷凝水與濃水溫度回收多采用換熱器換熱為主工藝，不凝氣所攜蒸汽熱能回收可用不凝氣熱能回收裝置。

需要指出兩點：①換熱器在設計選型時，端面溫差盡可能小，但太小會造成換熱器投資成本過高，建議將端面溫差控制在3～4 ℃；②考慮不凝氣隨著溫度變化攜濕量的變化，不凝氣熱能回收裝置應置于冷凝水與濃水換熱器之前更為合理。這里需要補充說明的是，降膜管、板的結構有利用于冷凝水充分將其顯熱部分傳遞給蒸發母液，此舉有效降低了Δhs。以色列專家在為某油田負壓三效橫管MVR 的項目設計中，有效換熱溫差只有2.2 ℃左右。設計之初就是考慮蒸發過程中橫膜管在回收的顯熱熱能方面難度較大，為了能效犧牲投資，最終加大了冷凝水噸水生產成本。

在微正壓MVR 蒸發工藝設計時，應根據現場用戶需求，結合工況條件計算在沒有外部蒸汽補充下Δqz的數值。當Δqz≤0 時，需要根據所缺能量，向蒸發塔內補充焓值與hq相當的蒸汽熱能；當Δqz>0時，則無需考慮補充蒸汽。

4.2 微正壓穩定性控制

由蒸發系統熱能平衡因子Δqz的確定公式可知，控制微正壓MVR 蒸發系統平穩運行，需要確保恒定Δqz=0。但在現實操作中，Δqz受來水水質（水溫、礦化度、含氣量）等內部因素變化影響，受電壓穩定性、蒸汽可降熱度噴淋水壓力等外部因素影響，甚至受外部環境影響，其數值都會隨之變化。

微正壓MVR 蒸發系統運行過程中，為確保Δqz=0，可通過改變換熱量、補充蒸汽、調節不凝氣外排，改變進水水量、濃縮率或改變電機頻率（或調節風門）等方法實現。最常用的措施有改變蒸汽補充量、調節壓縮機電機頻率（或調節風門）、改變進水量和調節不凝氣排放。其中，調節不凝氣排放最易實現自動化運行，也是保障蒸發量不變的有效措施。以調節不凝氣排放為控制措施時需要滿足兩個前提條件：一是Δqz≥0；二是有熱能回收裝置。只要控制邏輯正確、源信號采集點設置正確，即使外部工況存在一定范圍內變化的可能，微正壓MVR 運行依然可以穩定在某一具體工況點運行，并能夠實現無人職守全自動運行。

另外，微正壓MVR 控制系統設計時，還可以根據用戶需求實現一鍵啟動功能，實現該功能需要在控制軟件中植入微正壓MVR 人工智能狀態分析判斷系統，并相應設置幾個電控閥。該系統同樣可以用于無人職守全自動運行，此時微正壓MVR 系統對外部工況條件，例如水量、水溫、水質的適應范圍更廣，并可以自動處于最佳工況點運行。

5 工程應用及數據分析

5.1 應用背景

2020 年某油田設計建設了一套處理能力3 500 m3/d蒸發裝置，主蒸發設備采用板式降膜蒸發器，蒸發工藝為微負壓MVR 蒸發工藝，主工藝流程見圖2。

圖2 MVR板式降膜蒸發除鹽工藝流程圖Fig.2 Flow chart of MVR plate falling film evaporation demineralization process

蒸汽壓縮機進口設計溫度為95 ℃（即蒸發器微負壓運行，壓力-15 kPa），壓縮溫升8 ℃（即壓縮機出口溫度103 ℃），設計進出水指標詳見表3。

表3 MVR板式降膜蒸發系統設計進出水水質Tab.3 Design inlet and outlet water quality of MVR plate falling film evaporation system

裝置建成投運過程中，由于系統原水包含多股水源，蒸發系統進水水質極不穩定，導致蒸發系統經常產生紊亂，出現物料起沫嚴重、不凝氣排放不暢、產水水質不達標等情況。經工藝技術研究確定，對整體工藝做若干項改造，改造后將板式降膜蒸發器蒸發壓力控制在15 kPa 左右，即讓MVR 蒸發系統實現微正壓蒸發，改造完至今裝置已平穩運行30月有余。

5.2 效果及數據分析

改造后的運行性能參數與設計性能參數對比見表4，通過對表內部分運行參數指標進行分析可以看出，MVR 在改造成微正壓蒸發后，熱交換系數增大16.1%，單位產水電耗降低13%，產水礦化度降低40%以上。

表4 微正壓運行參數對比Tab.4 Comparison of micro-positive pressure operating parameters

微正壓運行參數數據為裝置實際運行參數，其中：①表中運行數據為春季運行；②數據表中壓縮機溫升含沸點溫升；③經跟板蒸制造廠確認后，熱交換系數運行值計算時，在原設計蒸發板面積數值上乘以1.15的系數；④產水礦化度為穩定運行期間的最大值；⑤壓縮機溫升值括號中為沸點溫升值，實際工作中由于來水性質發生變化，沸點溫升遠低于設計值；⑥蒸汽量的節省得益于改造后“來液-冷凝水”換熱器換熱面積的增大，以及不凝氣熱能回收。

6 結論

（1）在MVR 蒸發工藝技術中，負壓蒸發在多效蒸發工藝中體現出的增大單位蒸汽（能耗）下產水量，增大有效換熱溫差或減少換熱面積等優勢已不存在。實踐應用證明，微正壓MVR 蒸發工藝優勢更多，例如：產水礦化度≤30 mg/L，降膜板式換熱器換熱系數相對提高約10%以上；總體設備投資降低約6%～8%，消泡劑、pH 值調節劑均大幅減量。

（2）微正壓蒸發更適合于高含鹽污水、發泡性污水、高溫用水端（例如鍋爐給水）、來水溫度較高等工況場合的污水處理。

（3）MVR 蒸發系統運行是否處于正壓或負壓狀態只與系統內熱能平衡有關。其運行是否能穩定于某一狀態主要受熱能排放及回收的差值，即熱能平衡因子Δqz影響。在穩定運行控制中，不凝氣外排所攜蒸汽熱能及冷凝水、外排濃水所攜熱能的回收控制是關鍵因素。

（4）當受壓縮機溫升過低等因素制約無法保證Δqz≥0時，需要根據所缺能量，向蒸發塔內補充相應焓值量的蒸汽，以確保MVR 系統能保持微正壓運行；當Δqz＞0時，則可以不考慮補充蒸汽。

（5）保證恒定Δqz=0有改變蒸汽補充量、調節壓縮機電機頻率（或調節風門）、改變蒸發量和調節不凝氣排放等多種控制措施。其中，調節不凝排放量的控制措施最易實現。

（6）在微正壓MVR 控制系統設計中植入人工智能狀態分析判斷系統，可實現一鍵啟動和無人職守全自動運行。

（7）相對于橫膜MVR 蒸發，降膜MVR 因其結構更有利于蒸汽側凝結水顯熱向蒸發側循環液的傳遞。