173-纯碱多效蒸发结晶器二次蒸汽热泵压缩机MVR断轴原因分析及专用羽叶分离器解决方案

       本帖主要针对纯碱装置多效蒸发结晶器二次蒸汽热泵压缩机MVR发生断轴原因分析以及采用羽叶分离器解决方案进行分析讨论。

     在纯碱溶液蒸发浓缩结晶、食盐真空蒸发浓缩结晶、海水淡化、废水处理、中药材提取及其它食品药品浓缩中，多效蒸发结晶器应用非常广泛。蒸发过程能量消耗特别大，为了降低能耗，如何回收二次蒸汽的余热对于减少企业生产成本意义重大  。
      正如大家所知，如果采用直接蒸发，则能耗巨大。节约了能源，则需要利用从物料蒸产生的二次蒸汽热能，也即把上一效蒸发产生的二次蒸汽不做直接冷凝排放，而是作为下一效的加热热源，以此类推。直到最后一效产生的二次蒸汽由于其温度和压力利用价值相对低而技术经济价值不大才做直接冷凝排放。

      为了高效回用二次蒸汽热能于下一效蒸发同时又不至于影响下一效蒸发装置，最近几年对蒸发器二次蒸汽加压、升温回用技术得到重视和应用。这类对蒸发器二次蒸汽加压、升温回用技术，如果采用电驱动以机械能方式对二次蒸汽实施压缩升温，称作MVR技术；如果采用蒸汽热能驱动以换热方式对二次蒸汽实施压缩升温，称作TVR技术。由于MVR技术可以直接采用电驱动而便捷，且蒸发器效数可以达到更高效数，其应用相对于TVR更加普遍。

      采用MVR技术对含盐碱溶液多效蒸发结晶器二次蒸汽加压和升温核心运转设备，就是二次蒸汽热泵压缩机。国内外不少企业在采用MVR技术对含盐碱溶液多效蒸发结晶器二次蒸汽加压和升温核心运转设备二次蒸汽热泵压缩机，几乎都存在热泵压缩机短期运行就发生叶轮腐蚀、设备振颤、啸叫、轴承磨损、密封损坏甚至轴弯曲变形、断轴问题。毫无疑问，这些热泵压缩机无一例外，加装有完备的防喘振保护装置，但仍然发生了严重的断轴问题，而且是国外著名品牌的热泵压缩机。请大家一起来分析探讨盐碱液多效蒸发结晶器二次蒸汽热泵压缩机发生最严重的断轴问题的主要原因。我们就率先采用羽叶分离技术为这些国外著名品牌发生断轴问题的含盐碱溶液多效蒸发结晶器二次蒸汽热泵压缩机，有效解决长期稳定运行难题。

      下图即为某多效蒸发浓缩结晶装置图片。该装置所采用的碱溶液多效蒸发结晶器二次蒸汽热泵压缩机所设置的保护措施可以说很完善，包括自动防喘振装置、增设补气压缩机备机、二次蒸汽分离器以及系统温度补偿等措施。

      下图即为某多效蒸发浓缩结晶装置图片。该装置所采用的碱溶液多效蒸发结晶器二次蒸汽热泵压缩机所设置的保护措施可以说很完善，包括自动防喘振装置、增设补气压缩机备机、二次蒸汽分离器以及系统温度补偿等措施。

      下图为某多效蒸发浓缩结晶装置图片。该装置所采用的碱溶液多效蒸发结晶器二次蒸汽热泵压缩机所设置的保护措施可以说很完善，包括自动防喘振装置、增设补气压缩机备机、二次蒸汽分离器以及系统温度补偿等措施。

       对多效蒸发结晶器二次蒸汽热泵压缩机所设置的保护措施很完善固然很好，但如果保护措施不能够对症下药，一些保护设施反倒对装置顺畅运行造成羁跘烦恼。比如，不少业主的多效蒸发结晶器二次蒸汽热泵压缩机所设置的各类看似完善的保护措施中，热泵压缩机二次蒸汽入口分离器采用传统的丝网除沫器等简易分离器就是常例。虽然丝网分离器结构简单、造价低，但是其对实际复杂多变工况适应性低、操作弹性小、运行压降高，且很容易被二次蒸汽中析出的盐碱结晶所堵塞，导致热泵压缩机进气不足，引发防喘振保护装置频繁开启，不仅使二次蒸汽跑损浪费量很大，装置很难连续顺畅运行，装置运行效率很低，难以为继。

      业主为其不能连续运转的多效蒸发浓缩结晶器烦恼不已，各方面人士的心理和精神压力很大，病急乱投医。于是，国内外不少供应商便纷纷上门推荐各自的分离器除沫器，比如，旋流板除沫器、叶片分离器、雪佛龙折流板分离器、旋流管除沫器等等，供应商还拍着胸脯说一定药到病除。结果，便出现本帖标题事故。      
      下面与大家一起来看看这些除沫器除沫器到底是什么东西，运行效果如何。毕竟，气液分离，属于纯粹的精准动力学分离技术，必须依靠专业动力学分离技术精准计算和组态系统平台获得准确技术方案才能可靠实现，不是如国内外非专业动力学分离技术公司凭经验、靠“大概+估计”、甚至拍脑门、拍胸脯就可以解决的。

       下图就是不少国内外多效蒸发结晶器二次蒸汽热泵压缩机MVR入口二次蒸汽分离器壳体内安装的“旋流板除沫器”。
       旋流板除沫器，国外最早在上世纪中叶开始用于对气流中携带的大尺寸颗粒物、液团初级分离，其分离尺寸通常在80-100微米以上当量直径。国内在2005年前后有一位某设计院的工程师在欧洲作短期访问学者期间引入国内推广。但该工程师并没有获得对旋流板除沫器的动力学分离计算设计模型平台，对旋流板除沫器实际应用局限性也没有全面把握，在凭经验、大概+估计情形下向不少企业进行推广，是不严谨也不负责的，更侧重经济导向性。
       旋流板除沫器，本质上是叶片分离器、雪佛龙折流板除沫器的变形产品，即把平面布置的叶片、折流板沿着一定螺旋仰角斜向布置而成。由于螺旋斜向布置，气流通过旋流板会产生轻微的低速大直径螺旋运动，略有一点离心分离效果，但离心分离效果不太明显。旋流板除沫器的优点是，能有效避免丝网除沫器堵塞和高压降造成的MVR进气不足问题。

      下图是国内外一些企业的压缩机分离罐中安装的叶片分离器，照搬到多效蒸发结晶器二次蒸汽热泵压缩机MVR入口二次蒸汽分离器壳体内安装。
       叶片分离器，国外最早在上世纪中上叶用于对含有颗粒物、液滴、凝胶质等携带质的气流分离场合。其优点与旋流板除沫器一样，能有效避免丝网除沫器堵塞和高压降造成的MVR进气不足问题。国内在本世纪初才规模性应用国外引进的叶片分离器。但叶片分离器也是纯粹动力学分离器，必须针对特定工况气流组成、工况温度、工况压力、气体压缩偏心因子、气流粘度、气流密度、气流动能动量，以及液滴组成、液滴表观密度、液滴粘度、液滴表面张力、液滴携带量等完整参数，通过精准动力学分离技术计算和组态设计系统平台完成准确可靠技术方案，才能确保叶片分离器在特定工况应用中有效发挥分离效率。非专业动力学分离技术公司，不具有精准动力学分离技术计算和组态设计系统平台，无法准确获得不同真实工况下对应气流压缩偏心因子、气流粘度、气流密度、气流动能动量，以及液滴表观密度、液滴粘度、液滴表面张力等基础物系物化特性参数，因此，其不可能完成准确可靠技术方案以确保叶片分离器在特定工况应用中可靠有效发挥分离效率。

     11楼所附图片，是美国一家公司在中国国内的公司向客户提供的叶片分离器短暂运行后业主提供的照片。从照片中可以看到多处内件分层、崩边的质量问题。二次蒸汽携带的盐碱液滴及其析出结晶，必然会在这些分层、崩边的地方加速破坏内件，造成叶片分离器流道变形甚至穿透、二次蒸汽短路通过的问题，进一步为后续MVR压缩机运行造成如本帖标题所述严重问题。而供货商往往会找一堆业主实际运行工况偏离设计工况问题，为其叶片分离器运行问题进行开脱。因此，未在多套同类含盐碱液多效蒸发浓缩结晶装置二次蒸汽热泵压缩机净化装置上长期可靠、高效、连续、稳定运行验证的分离器，是不应直接选用在大工程项目装置上埋下运行风险隐患。否则，其运行造成的事故影响是难以估量的。

      下图是国内外一些企业的压缩机分离罐中安装的雪佛龙折流板除沫器，也被照搬到多效蒸发结晶器二次蒸汽热泵压缩机MVR入口二次蒸汽分离器壳体内安装。
       雪佛龙折流板除沫器，与叶片分离器技术同根同源，其优点与旋流板除沫器一样，能有效避免丝网除沫器堵塞和高压降造成的MVR进气不足问题。
       但国内技术应用则更加粗糙，根本不管特定工况气流组成、工况温度、工况压力、气体压缩偏心因子、气流粘度、气流密度、气流动能动量，以及液滴组成、液滴表观密度、液滴粘度、液滴表面张力、液滴携带量等物系物化特性参数，也不通过精准动力学分离技术计算和组态设计系统平台完成准确可靠技术方案，往往由非专业动力学分离技术公司或容器制造厂，凭经验在容器内横截面上平铺一层雪佛龙折流板了事，至于在这横截面不同直径的同心圆上哪些内件处于非正常运行状态、甚至根本没有运行并不关心，答曰“反正业主也不懂”。因此，大多数雪佛龙折流板除沫器在特定工况应用中不能有效发挥分离效率。

       下图便是国内外一些企业在热电厂烟道气分离塔中安装的旋流管除沫器，也被照搬到多效蒸发结晶器二次蒸汽热泵压缩机MVR入口二次蒸汽分离器壳体内安装。
       仔细查看图片可以看到，旋流管除沫器实际上是把旋流板设置在旋流管，再把旋流管布置在塔内形成的气液分离除沫器。从10楼分析讨论可知，旋流板除沫器属于一种初级分离设备，因此，旋流管除沫器也属于此类。
       但在材质上可选用价格低廉的PP或改性PP材料，这类PP塑料材质的旋流管除沫器往往用于火力发电企业的烟气脱硫洗涤塔排气烟囱初级分离场合，也不乏有不少火电企业人员反馈其烟囱跑水飘雨问题。虽然，火电企业烟气洗涤塔有温控保护系统，一旦烟气飞温就自启旁路排放，但毕竟是PP塑料材质易于老化破碎，因此每隔3-5年就需要整体更换新的旋流管除沫器。
       最近，有的企业采用了钢制旋流管除沫器，耐温和寿命问题得到提升，但其毕竟属于初级分离设备，企业分离效率低且不稳定，其排气管线烟囱出现“落雨”、“挂冰”的现象是常见问题。

      国内外不少企业的含盐碱溶液多效蒸发结晶器二次蒸汽热泵压缩机MVR进口二次蒸汽分离室，采用传统阻挡拦截式除沫分离器，如丝网除沫器、填料除沫器、滤网除沫器、滤料除沫器，都会存在操作弹性小、对复杂多变工况适应性差、易于被结晶堵塞、运行压降高导致MVR进气不足而造成MVR压缩机发生损坏。而采用上述旋流板除沫器、叶片分离器、雪弗龙折流板除沫器、旋流管除沫器取代丝网除沫器，虽然解决了结晶堵塞造成MVR进气不足的问题，但是，旋流板除沫器、叶片分离器、雪弗龙折流板除沫器、旋流管除沫器对含盐碱溶液多效蒸发结晶器二次蒸汽的净化分离效率不稳定、不够高的问题又冒出来，二次蒸汽携带这这些含有盐碱等易结晶、易结垢液滴液沫进入MVR压缩机，含盐碱易结晶、易结垢液滴液沫在气流加速风化效应下在动静部件上结晶、结垢。
       以本帖题目所提及的发生断轴的MVR离心压缩机影响为例，进行讨论。

       对于多效蒸发结晶器二次蒸汽热泵压缩机而言，尤其是离心式压缩机，其二次蒸汽分离室采用丝网除沫器因结晶堵塞造成进气不足对压缩机会造成损坏。其二次蒸汽分离室采用上述旋流板除沫器、叶片分离器、雪弗龙折流板除沫器、旋流管分离器等因运行不稳定分离低效造成二次蒸汽携带含盐碱液滴液沫进入MVR在动静部件上结晶、结垢同样对MVR压缩机造成损坏如断轴。   
      详细来分析：
      首先，二次蒸汽携带过量含盐液滴液沫进入MVR离心式压缩机，液滴液沫不规则冲击高速旋转的叶轮及转动轴等，对于转速在6000-20000转/分钟高速旋转的MVR压缩机叶轮来说，一股二次蒸汽携带的液滴液沫对其造成的冲击性危害，就如向高速旋转的飞机发动机涡轮投入一块石头，叶轮及转动轴会发生剧烈振颤，MVR压缩机对二次蒸汽升压提速能力显著下降，下游外部管线更高压力的二次蒸汽立即向MVR叶轮反坐，在二次蒸汽进气携带的液滴液沫冲击和下游外部管线更高压力的二次蒸汽反坐相互作用下，叶轮及转动轴振颤加剧，严重后果就是本帖标题中提到的国际著名品牌MVR热泵压缩机短期运行就发生的断轴事故。
      

      其次，就算二次蒸汽携带的含盐碱液滴液沫没有足以达到一次性使MVR压缩机断轴的程度，但是，进入MVR压缩机的含盐碱液滴液沫在更高速、更高温度二次蒸汽风化蒸发作用下在叶轮、转动轴、扩压器等动静部件上结晶、结垢，并不断积聚增长。这些附着生长的结晶体、垢质增加到一定程度，不仅会改变叶轮自身曲线槽结构导致对二次蒸汽加压、升温能力下降，又会使叶轮及转动部件动平衡加速失效而磨损磨蚀加剧、推力轴承加速磨损，导致叶轮与扩压器壁发生碰撞。最终结果或则打气压力不足、打气量不够而重新更换部件，或则叶轮碎裂、断轴事故发生。

      有人会问，二次蒸汽带液对于往复式压缩机影响会小一些吧？      
      对于往复式压缩机而言，一股进气二次蒸汽携带的液滴液沫“多半”也会如高速奔驰的骏马突然撞上一堵铜墙铁壁，压缩机也会发生剧烈振颤，排气压力不足，下游外部管线更高压力的二次蒸汽立即向MVR缸内反坐，尤其是下游外部管线存在积液“液锤”“液击”，严重后果是断轴砸缸事故。
      为什么有“多半”一说呢？这取决于二次蒸汽携带的液滴液沫的物化特性和压缩机特性。大多数的二次蒸汽携带的含盐碱液滴液沫进入压缩机后，其运行阻力曲线呈“反抛物线”性质，会发生如高速奔驰的骏马突然撞上一堵铁壁发生剧烈振颤。只有少数种类的特殊液滴液沫进入压缩机后，其运行阻力曲线呈“正抛物线”或“平行线”性质，其对压缩机危害相对较轻，但必须确保没有影响更大的下游外部管线积液“液锤”“液击”风险。

       根据我们对各类含盐碱溶液多效蒸发浓缩结晶装置二次蒸汽净化提供的羽叶分离器各类技术方案来看，选择何种型号的羽叶分离器及对应组态技术方案，取决于业主装置对净化后的二次蒸汽回用于下一效蒸发器热媒的具体利用方式，尽可能做到最佳技术经济性匹配。
       现分别讨论如下：

       对于业主原有装置在工艺已经确定，把上一效蒸发器二次蒸汽与部分生蒸汽通过蒸汽混合器简单对回用的二次蒸汽升温加热后回用于下一效用作热媒已经能满足现有工艺需要，不打算采用MVR或TVR热泵压缩机。则可以采用分离技术层级相对较低的N27型及PN27型羽叶分离器。但必须强调，无论采用哪种型式的羽叶分离器，都必须通过精准动力学分离技术计算和组态设计系统平台完成准确可靠的技术方案，向业主提供精准动力学分离技术计算和组态设计系统平台输出的《羽叶分离器工程工艺计算书》、《数图汇表》、《分离效率曲线图》和《运行压降曲线图》等四大核心技术支撑和证明文件，作为羽叶分离器设计、制造、运行和验收依据。