微正压条件下板式降膜MVR蒸发装置的工艺设计与应用.pdf

水处理与注水工程贾梦阳等：微正压条件下板式降膜 MVR蒸发装置的工艺设计与应用油气田地面工程 https:/微正压条件下板式降膜 MVR蒸发装置的工艺设计与应用贾梦阳1童玉宝1闫海龙2殷鹏1孙磊2杨莉莉21中国石油新疆油田公司风城油田作业区2克拉玛依九工环保技术有限公司摘要：传统负压蒸发技术存在传热效率低、设备投资大、真空稳定性差、水质不稳定、最终乏汽冷凝成本高等问题。深入研究微正压蒸发理论依据及应用条件，提出热能平衡因子qz是控制微正压蒸发系统稳定运行的关键因素，不凝气外排所携蒸汽热能及冷凝水、外排浓水热能的回收是保障微正压工况下 MVR 系统平稳运行的重要措施。MVR 板式降膜蒸发工艺在微正压条件下运行，装置产水矿化度小于等于 30 mg/L，降膜蒸发板换热系数相较于微负压蒸发提高 10%以上，总体设备投资减少约 6%8%，消泡剂、pH 调节剂加药量大幅减少。通过对比微负压与微正压两种工况下的运行数据表明：微正压控制蒸发工艺参数具有产水水质更优、换热系数更大、投资更省、能耗更低、降低药剂耗量等优势。关键词：MVR蒸发；微正压蒸发；板式降膜蒸发器；微正压控制技术；不凝气排放Process Design and Application of Plate Falling Film MVR Evaporation Device under Micro-positive Pressure ConditionsJIA Mengyang1，TONG Yubao1，YAN Hailong2，YIN Peng1，SUN Lei2，YANG Lili21Fengcheng Operation Area of Xinjiang Oilfield Company，CNPC2Karamay Jiugong Environmental Protection Technology Co.，Ltd.Abstract：Traditional negative pressure evaporation technology has problems such as low heat transferefficiency，large equipment investment，poor vacuum stability，unstable water quality，and high costof final exhaust steam condensation.An in-depth research on the theoretical basis and application condi-tions of micro-positive pressure evaporation has been conducted，and it has been proposed that thethermal energy balance factorqzis a key factor in controlling the stable operation of micro-positivepressure evaporation systems.The recovery of steam thermal energy carried by non-condensable gas dis-charge，as well as the thermal energy of condensed water and discharged concentrated water，is an im-portant measure to maintain the stable operation of MVR systems under micro-positive pressure condi-tions.The MVR plate falling film evaporation process operates under micro-positive pressure condi-tions，with a water mineralization degree 30 mg/L.The heat transfer coefficient of the falling filmevaporation plate is increased by more than 10%compared to micro-negative pressure evaporation，andthe overall equipment investment is reduced by about 6%to 8%.The dosage of defoamers and pH regu-lators is also significantly reduced.By comparing the operating data of micro-negative pressure and mi-cro-positive pressure，it is found that micro-positive pressure control of evaporation process parametershas advantages such as better water quality，larger heat transfer coefficient，lower investment，lowerenergy consumption，and reduced chemical consumption.Keywords：MVR evaporation；micro-positive pressure evaporation；plate falling film evaporator；micro-positive pressure control technology；non-condensable gas discharge近年来，由于板式降膜蒸发器与其他类型蒸发器相比具有传热系数高、气耗低、回水比大、二次汽冷凝水纯度高、板面不易结垢等优点1，从而得到了大面积的推广和应用。常规多效蒸发等在设计DOI:10.3969/j.issn.1006-6896.2024.03.00742第 43卷第 3期（2024-03）油气田地面工程 https:/水处理与注水工程过程中为实现增大效数、增大有效换热温差的目的，多采用负压蒸发技术，其蒸发器中的负压（真空度）主要是由二次蒸汽冷凝所致2。负压蒸发在设计时需配备真空系统来维持真空（负压）体系，用以抽吸蒸发系统泄漏的空气、不凝气体以及冷却水饱和温度下的水蒸气等。负压蒸发增大效数即是增大单位蒸汽（能耗）下的产水量，增大有效换热温差即可减少换热面积、减少投资3。负压蒸发亦存在一些普遍性缺点，主要有沸点降低使蒸发传热效率降低；真空蒸发器需按压力容器类别进行设计，制造成本高、管理难度大；二次蒸汽体积流速大幅增高易携带雾沫影响冷凝水水质；真空（负压）稳定性不易控制；最终乏气与外界热热交换时需要冷源量大、成本高。以板式降膜 MVR 蒸发工艺为研究对象，深入研究微正压蒸发的理论依据及应用条件，提出了热能平衡因子qz是控制微正压蒸发系统稳定运行的关键因素，并利用微正压蒸发控制思路对某油田一套 3 500 m3/d 的微负压板式降膜 MVR 蒸发系统进行改造，使其在微正压条件下稳定运行。1板式降膜 MVR蒸发技术MVR 蒸发技术即机械蒸汽再压缩（MechanicalVapor Recompression）技术（简称 MVR），凡是利用机械压缩式热泵对二次蒸汽进行再压缩来提高蒸汽压力、温度，以使得二次蒸汽加压后可以作为热源再次利用的蒸发技术均可称为 MVR 蒸发技术。板式降膜 MVR 蒸发技术即 MVR 蒸发技术和板式降膜蒸发器的完美结合，主要是通过 MVR 蒸发器的机械蒸汽压缩做功；所采用的蒸发工艺是板式降膜工艺，将 MVR 蒸发器的加热室做成降膜式，而后利用机械蒸汽压缩机压缩做功。板式降膜 MVR 蒸发过程中，冷凝室与蒸发室之间通过压缩机连接，两室间压力差即是压缩机进出口蒸汽饱和压力的差值（图 1），其工作状态可以是负压到正压中的任何一点4。MVR 在负压状态下运行，既不能像多效蒸发一样提高单位能耗产水量，也不能提高蒸发板两侧的有效换热温差，负压蒸发应用在 MVR 蒸发工艺中不但没有具备负压多效蒸发的优点，还带来了诸多不利因素，例如负压蒸发条件下压缩机的选型尺寸会显著增大，从而造成能耗增加、系统设备投资增大5。图 1MVR蒸发工艺原理图Fig.1 Principle diagram of MVR evaporation process2微正压蒸发优势针 对 某 油 田 高 含 盐 污 水 深 度 处 理 工 程 一 套3 500 m3/d 的微负压（95、-15 kPa）板式降膜MVR 蒸发系统进行了若干项改造，使其在微正压（104、15 kPa）条件下稳定运行，改造后装置产水量可达 4 200 m3/d。通过实践数据对比证明了相对于微负压蒸发，在微正压条件下运行 MVR 蒸发，具有产水水质更优、换热系数更大、投资更省、能耗更低、减少药剂用量等明显优势，经济效益显著提升。2.1产水水质更优蒸汽在不同压力下的饱和温度、对应密度、焓值数据由物性手册查得，按照某油田高含盐污水深度处理工程中一套 3 500 m3/d 处理规模的板式降膜MVR 蒸发系统产水量（75 t/h）及设备尺寸，计算出不同压力体系下二次蒸汽流速，其结果如表 1所示。通过对比微负压状态（95、-15 kPa）与微正压（104、15 kPa）运行条件下，在蒸发器筒体内上升的二次蒸汽密度可知6，微正压条件下运行，水蒸气比容更小，二次蒸汽在蒸发器筒体内上升流速是微负压状态下流速的 72%，有效地降低了汽水分离负荷，其夹带物沫更少，产水矿化度更低。与此同时，在微正压状态下，对物料因强制循环产生的泡沫具有一定压制作用，微正压工艺应用于高含盐水的处理时，此优点更为突出。通过对蒸汽补充量及不凝气排放量的控制，将系统运行压力分别控制在微负压、常压和微正压条件下运行，通过对产水水质监测得到监测数据结果也对此进行了印证。2.2换热系数更大理论与实践证明，板的换热效率不仅与材质、厚度、形状、流体状态等有关外，还受热流密度影43水处理与注水工程贾梦阳等：微正压条件下板式降膜 MVR蒸发装置的工艺设计与应用油气田地面工程 https:/响7。微正压条件下，饱和蒸汽比焓更高，单位体积携带的能量也更大，蒸发板单位面积下蒸汽的凝结放热量增加、热流密度增大，从而提高了蒸发换热板换热效率。2.3投资更省相较于 MVR 负压蒸发，微正压 MVR 蒸发工艺投资更省体现在以下几个方面：（1）对于高腐蚀性料液的处理，因换热板选材等级高，蒸发换热板的投资为 MVR 整个系统中投资最大的部分，根据该油田高含盐污水深度处理工程前期设备选型报价文件，不同选材条件下，蒸发板投资约占总投资的 40%66%。微正压条件下，因换热系数增大，减少了换热面积，蒸发板部分投资可降低 10%15%。（2）为减少蒸汽携带液滴、保障产水质量，蒸发塔最小直径受所允许的最大二次蒸汽上升流速限制。微正压蒸发可有效减小二次蒸汽流速从而减小蒸发塔直径。微正压蒸发条件下蒸发器不属于压力容器，制造和管理成本进一步降低。同理，系统蒸汽配管也相应减少了尺寸和投资。（3）虽然压缩机所匹配的功率仅与质量流量和压差有关，但压缩机选型则是以体积流量为主8。因此微正压蒸发可降低压缩机尺寸，减少压缩机投资。（4）由于系统是在微正压条件下完成蒸发，因此无需投资抽真空装置用以排放不凝气。2.4能耗更低根据不同压力下蒸汽焓值数据，以及该油田高含污水深度处理工程中一套 3 500 m3/d 处理规模的板式降膜 MVR 蒸发系统中压缩机厂家提供的压缩机运行效率计算方法，测算得到表 2中压缩机的理论轴功率及电机富余量。MVR 微正压条件下运行相较于负压状态下运行能耗大幅降低，主要表现为以下几点：微正压状态下压缩机效率要高于微负压状态运行效率约 2%4%；设定压缩机效率相同的条件下，冷凝水单位能耗有所下降；微负压状态下，不凝气外排时的携带蒸汽量远高于微正压蒸发；没有负压蒸发条件下维持真空所需的能耗，亦没有产水因矿化度超标进行二次处理所需耗能；因蒸发塔直径与换热板面积的减少，强制循环泵流量可以按比例减少，节约循环泵电耗。通过蒸汽补充量及不凝气排放量的控制，将系统运行压力分别稳定控制在微负压、常压和微正压条件下运行，通过对压缩机正常运行时的电流进行监测，得到的监测数据结果也同样对此进行了验证。表 1蒸发器不同压力体系下二次蒸汽参数Tab.1 Parameters of secondary steam in evaporators under different pressure systems运行压力/kPa-15-10-505101520饱和温度/9596.7198.1799.63100.98102.32103.57104.81蒸汽密度/(kgm-3)0.5070.5350.5630.5900.6180.6450.6730.700蒸汽比容/(m3kg-1)1.978 61.869 81.782 11.694 31.622 11.549 81.489 31.428 7蒸汽比焓/(kJkg-1)2 667.952 670.532 672.862 675.182 677.302 679.422 681.372 683.31蒸发量/(th-1)7575757575757575二次蒸汽流速/(ms-1)1.3661.2911.2301.1701.1201.0701.0280.986表 2压缩机在不同进口压力下运行参数Tab.2 Operating parameters of the compressor under different inlet pressures压缩机进口温度/9596979899100101102103进口压力/MPa0.084 60.087 80.091 00.094 40.097 90.101 40.105 10.108 90.112 8压缩温升/888888888压缩机出口温度/103104105106107108109110111出口压力/MPa0.112 80.116 80.120 90.125 10.129 50.134 00.138 60.143 40.148 3整机效率/%74.474.474.474.474.474.474.474.474.4理论轴功率/kW1 4101 4051 4001 3941 3881 3831 3771 3721 267电机富余量/%13.4813.8814.2914.7815.2715.6916.1916.6226.2844第 43卷第 3期（2024-03）油气田地面工程 https:/水处理与注水工程2.5降低药剂用量在处理发泡性污水时，微正压条件下运行对泡沫有压制作用，减少消泡剂用量。笔者认为，一是因为压力越高气泡直径越小，气泡比重加大上升困难；二是因为气泡表面膜中各种离子更加活跃，气泡膜的黏度也有所降低，使气泡趋于不稳定状态。在某些行业蒸发过程中，以加大循环母液浓度压制起泡，亦是这个道理。在应用于高含硅污水处理时，由于微正压蒸发温度高，二氧化硅溶解度增大，可降低循环母液的目标 pH值，减少用于调节 pH值的碱液量。3理论依据与工程条件MVR 蒸发器内的压力受工艺条件限制，运行状态（温度、压力、蒸发量）能否保持平稳只与整个系统内热能是否平衡有关9，而多效蒸发器的压力则更多地受二次汽冷凝速度影响。其热能平衡公式可表述为公式（1），这里引进一个名词热能平衡因子qz，当qz0时，蒸发塔内压力呈缓慢上升的态势；当qz0时，其蒸发塔内压力则会不断下降；而当qz=0时，其蒸发塔内压力会维持在某一压力状态，可以是负压到正压的任何一点状态。qz=Wyz+Wbz-hs-qs-qp+hq=0（1）式中：qz为 MVR 系统进、出总能量之和，kJ/kg；Wyz为蒸汽压缩机所做压缩功，kJ/kg；Wbz为循环泵等各类机泵所做有用功，kJ/kg；hs为冷凝水与蒸发器进料的焓值差，kJ/kg；qs为蒸发塔、机泵、管网的散热损失，kJ/kg；qp为经热能回收后，排出系统之外的浓水携热与湿饱和不凝气携热之和，kJ/kg；hq为外部注入系统的补充热量，kJ/kg。实践生产过程中，在系统蒸发量与蒸汽压缩机选型一定的条件下，Wyz只与压缩机进出口温差成对应关系，此处描述的温差是指折算为蒸汽饱和状态下的压缩机进出口温度10。Wbz只与进料泵、循环泵、喷淋泵的轴功率有关，与其他外输、外排类泵无关，循环泵做功占比最大，通常是进料泵的 1520倍，喷淋泵功率相对较小。qp其携热量与浓水排放量和不凝气对外排放量有关11，与热能回收率也有关。蒸发浓水排放量在蒸发量一定的情况下是相对稳定的。而不凝气排放较为复杂，当排放阀门开度一定时，随蒸发塔内压力变化，排放量并不稳定。不凝气排放量越大，其排放的蒸汽量就越大，排放的热能就越多。在蒸发量及蒸发器浓缩率一定的情况下，浓水携热与湿饱和不凝气的回收率决定了hs的大小，回收率越大qp越小，hs也越小，此时系统热能更易平衡。需要指出的是，蒸发器换热板的换热效率决定了冷凝水温度高低，效率越高冷凝水温度越接近循环水温度，与蒸发器循环母液的温度差越小。蒸发塔、机泵、管网的散热损失与各类设备保温条件有直接关系，在现场保温措施良好的情况下，一般系统的散热损失1%。在工程设计施工中，当保温方案确定后，qs基本是个定值。从外部引进的蒸汽热能过大，会造成吨水能耗增加，过小则不足以使系统稳定运行。4微正压蒸发控制思路4.1热能平衡绝对值确定Wyz所涉及的压缩机温升是设计选型确定的。设计选型过程中，压缩机温升的确定应该兼顾投资成本与电耗成本，以当地用户电价、蒸发换热器制造材料成本之间的关系来计算，通过计算可以得到最佳经济效益下的压缩机温升。例如，按蒸发换热器材料为钛材、电价按 0.38 元/kWh 计算，沸点温升为 0.5 的条件下，压缩机温升选择 6 为最佳效益点，其中 5.5 为有效换热温差。Wbz与处理量、布水型式及板面结构有关，通常 MVR 系统设计过程中，Wyz仅为Wbz的 1/151/20。对整体热能平衡影响相对较小。在保温效果一定的情况下，qs基本可视为定值，通常 MVR 系统设计过程中，根据当地的环境条件取值 1%2%。对于板式降膜 MVR 微正压蒸发来说，确保蒸发器进液温度最大程度接近于外排冷凝水温度，是保证热能平衡的首要关键因素。为保证此点，需要对冷凝水、外排浓水以及不凝气所携蒸汽等热能进行充分回收，并把此部分回收热能用于进塔母液升温，其热能回收率应达到 90%以上。冷凝水与浓水温度回收多采用换热器换热为主工艺，不凝气所携蒸汽热能回收可用不凝气热能回收装置。需要指出两点：换热器在设计选型时，端面温差尽可能小，但太小会造成换热器投资成本过高，建议将端面温差控制在 34；考虑不凝气随着温度变化携湿量的变化，不凝气热能回收装置应置于冷凝水与浓水换热器之前更为合理。这里需45水处理与注水工程贾梦阳等：微正压条件下板式降膜 MVR蒸发装置的工艺设计与应用油气田地面工程 https:/要补充说明的是，降膜管、板的结构有利用于冷凝水充分将其显热部分传递给蒸发母液，此举有效降低了hs。以色列专家在为某油田负压三效横管MVR 的项目设计中，有效换热温差只有 2.2 左右。设计之初就是考虑蒸发过程中横膜管在回收的显热热能方面难度较大，为了能效牺牲投资，最终加大了冷凝水吨水生产成本。在微正压 MVR 蒸发工艺设计时，应根据现场用户需求，结合工况条件计算在没有外部蒸汽补充下qz的数值。当qz0 时，需要根据所缺能量，向蒸发塔内补充焓值与hq相当的蒸汽热能；当qz0时，则无需考虑补充蒸汽。4.2微正压稳定性控制由蒸发系统热能平衡因子qz的确定公式可知，控制微正压 MVR 蒸发系统平稳运行，需要确保恒定qz=0。但在现实操作中，qz受来水水质（水温、矿化度、含气量）等内部因素变化影响，受电压稳定性、蒸汽可降热度喷淋水压力等外部因素影响，甚至受外部环境影响，其数值都会随之变化。微正压 MVR 蒸发系统运行过程中，为确保qz=0，可通过改变换热量、补充蒸汽、调节不凝气外排，改变进水水量、浓缩率或改变电机频率（或调节风门）等方法实现。最常用的措施有改变蒸汽补充量、调节压缩机电机频率（或调节风门）、改变进水量和调节不凝气排放。其中，调节不凝气排放最易实现自动化运行，也是保障蒸发量不变的有效措施。以调节不凝气排放为控制措施时需要满足两个前提条件：一是qz0；二是有热能回收装置。只要控制逻辑正确、源信号采集点设置正确，即使外部工况存在一定范围内变化的可能，微正压 MVR 运行依然可以稳定在某一具体工况点运行，并能够实现无人职守全自动运行。另外，微正压 MVR 控制系统设计时，还可以根据用户需求实现一键启动功能，实现该功能需要在控制软件中植入微正压 MVR 人工智能状态分析判断系统，并相应设置几个电控阀。该系统同样可以用于无人职守全自动运行，此时微正压 MVR 系统对外部工况条件，例如水量、水温、水质的适应范围更广，并可以自动处于最佳工况点运行。5工程应用及数据分析5.1应用背景2020 年 某 油 田 设 计 建 设 了 一 套 处 理 能 力3 500 m3/d 蒸发装置，主蒸发设备采用板式降膜蒸发器，蒸发工艺为微负压 MVR 蒸发工艺，主工艺流程见图 2。图 2MVR板式降膜蒸发除盐工艺流程图Fig.2 Flow chart of MVR plate falling film evaporationdemineralization process蒸汽压缩机进口设计温度为 95 （即蒸发器微负压运行，压力-15 kPa），压缩温升 8 （即压缩机出口温度 103），设计进出水指标详见表 3。装置建成投运过程中，由于系统原水包含多股水源，蒸发系统进水水质极不稳定，导致蒸发系统经常产生紊乱，出现物料起沫严重、不凝气排放不表 3MVR板式降膜蒸发系统设计进出水水质Tab.3 Design inlet and outlet water quality of MVR plate falling film evaporation system检测项目MVR进水MVR产水水温/7590约95pH值7878碳酸根/(mgL-1)0500-碳酸氢根/(mgL-1)3001 000-氢氧根/(mgL-1)0-钙离子/(mgL-1)0.53-镁离子/(mgL-1)0.53-氯离子/(mgL-1)2 00010 000-硫酸根离子/(mgL-1)100500-钠钾离子/(mgL-1)2 0007 000-矿化度/(mgL-1)20 00050总硬度/(mgL-1)0.5200.1含油量/(mgL-1)250.1悬浮物/(mgL-1)250.1二氧化硅/(mgL-1)4000.1表 4微正压运行参数对比Tab.4 Comparison of micro-positive pressure operating parameters对比项设计值运行值差值蒸发量/(th-1)739017蒸发压力/kPa(G)95104.79.7压缩机温升/8(3.5)4.2(0.5)-3.8热交换系数/(W-1m-2)2 0002 32216.1%吨水耗能/(kWht-1)19.0816.45-2.63吨水汽耗/(tt-1)0.014 70.012-0.002 7产水矿化度/(mgL-1)50 30-40%46第 43卷第 3期（2024-03）油气田地面工程 https:/水处理与注水工程畅、产水水质不达标等情况。经工艺技术研究确定，对整体工艺做若干项改造，改造后将板式降膜蒸发器蒸发压力控制在 15 kPa 左右，即让 MVR 蒸发系统实现微正压蒸发，改造完至今装置已平稳运行 30月有余。5.2效果及数据分析改造后的运行性能参数与设计性能参数对比见表 4，通过对表内部分运行参数指标进行分析可以看出，MVR 在改造成微正压蒸发后，热交换系数增大 16.1%，单位产水电耗降低 13%，产水矿化度降低 40%以上。微正压运行参数数据为装置实际运行参数，其中：表中运行数据为春季运行；数据表中压缩机温升含沸点温升；经跟板蒸制造厂确认后，热交换系数运行值计算时，在原设计蒸发板面积数值上乘以 1.15的系数；产水矿化度为稳定运行期间的最大值；压缩机温升值括号中为沸点温升值，实际工作中由于来水性质发生变化，沸点温升远低于设计值；蒸汽量的节省得益于改造后“来液-冷凝水”换热器换热面积的增大，以及不凝气热能回收。6结论（1）在 MVR 蒸发工艺技术中，负压蒸发在多效蒸发工艺中体现出的增大单位蒸汽（能耗）下产水量，增大有效换热温差或减少换热面积等优势已不存在。实践应用证明，微正压 MVR 蒸发工艺优势更多，例如：产水矿化度30 mg/L，降膜板式换热器换热系数相对提高约 10%以上；总体设备投资降 低 约 6%8%，消 泡 剂、pH 值 调 节 剂 均 大 幅减量。（2）微正压蒸发更适合于高含盐污水、发泡性污水、高温用水端（例如锅炉给水）、来水温度较高等工况场合的污水处理。（3）MVR 蒸发系统运行是否处于正压或负压状态只与系统内热能平衡有关。其运行是否能稳定于某一状态主要受热能排放及回收的差值，即热能平衡因子qz影响。在稳定运行控制中，不凝气外排所携蒸汽热能及冷凝水、外排浓水所携热能的回收控制是关键因素。（4）当受压缩机温升过低等因素制约无法保证qz0时，需要根据所缺能量，向蒸发塔内补充相应焓值量的蒸汽，以确保 MVR 系统能保持微正压运行；当qz0时，则可以不考虑补充蒸汽。（5）保证恒定qz=0有改变蒸汽补充量、调节压缩机电机频率（或调节风门）、改变蒸发量和调节不凝气排放等多种控制措施。其中，调节不凝排放量的控制措施最易实现。（6）在微正压 MVR 控制系统设计中植入人工智能状态分析判断系统，可实现一键启动和无人职守全自动运行。（7）相对于横膜 MVR 蒸发，降膜 MVR 因其结构更有利于蒸汽侧凝结水显热向蒸发侧循环液的传递。参考文献1 周爱徽降膜蒸发器蒸发效率的影响因素分析J石化技术，2020，27（11）：15-16ZHOU Aihui，Analysis of factors influencing the evaporationefficiency of falling film evaporatorsJPetrochemical Tech-nology，2020，27（11）：15-162 陈俊，王海元，陈述梁，等浅谈多效真空蒸发制盐改MVR蒸发制盐技术J中国井矿盐，2022，53（6）：1-2，9CHEN Jun，WANG Haiyuan，CHEN Shuliang，et alBrief discussion on the transformation of multi effect vacuumevaporation salt production to MVR evaporation salt produc-tiontechnologyJChinaWellSalt，2022，53（6）：1-2，93 王飞，杜宣利，卢鑫，等负压蒸发的热平衡计算及其节能途径分析J粮食与食品工业，2015，22（6）：8-12，17WANG Fei，DU Xuanli，LU Xin，et alThermal equilib-rium calculation of negative pressure evaporation and analy-sis 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