CN110372052A - 一种孤岛式微型燃气轮机蒸汽再压缩系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于污水处理领域，涉及一种孤岛式微型燃气轮机蒸汽再压缩系统及控制方法。本发明通过微型燃气轮机以天然气为燃料，驱动发电机为蒸汽压缩系统供电，蒸汽压缩系统采用离心压缩机，降低蒸发器内的压力，从而降低水的沸点温度，提高蒸发效率。微型燃气轮机蒸汽再压缩系统利用高温尾气加热污水，实现污水蒸发。预热器实现污水与蒸汽换热，加热器实现预热后的污水高温尾气换热。孤岛式微型燃气轮机蒸汽再压缩系统，不需要外部供电，所有用电设备均由微型燃气轮机所驱动的发电机供电，设备运行仅仅需要天然气单一的能源，故称孤岛式微型燃气轮机蒸汽再压缩系统。提供了一种所述的孤岛式微型燃气轮机蒸汽再压缩系统的控制实现方法。
Description
技术领域：
本发明属于污水处理领域，涉及一种蒸汽压缩系统，尤其是一种孤岛式微型燃气轮机蒸汽再压缩系统及控制方法。
背景技术
污水净化分为化学方法和物理方法，化学方法污染环境，物理方法包括沉淀和蒸发，目前常采用的燃煤蒸发效率低、污染环境，机械式再压缩系统耗电量大，能源利用率不高。
发明内容
本发明的目的：把微型燃气轮机技术与污水加热蒸发处理技术有机结合起来，构建一种新型的节能环保的污水处理装置。
本发明技术方案：一种孤岛式微型燃气轮机蒸汽再压缩系统，包括微型燃气轮机17、污水处理系统；其特征在于，在微型燃气轮机17上连接发电机18，微型燃气轮机17的排气段与污水处理系统的1#加热器28连接，1#加热器28与2#加热器33连接，污水处理系统的预热器与蒸发器23之间增加蒸汽压缩机13、蒸汽压缩机电机14，微型燃气轮机17，以天然气为燃料驱动发电机18发电，经输电线路11分别给所有用电设备或装置供电。
所述1#加热器28与2#加热器33采用600℃以上耐高温材料。
一种孤岛式微型燃气轮机蒸汽再压缩系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1微型燃气轮机控制
微型燃气轮机17采用“以电定热”的恒转速控制方式；
2蒸发器真空度控制
蒸汽压缩机13的驱动电机采用变频闭环控制，保证蒸发器23内真空度恒定；
3蒸发器液位控制
污水注水泵20采用变频闭环控制，调节注水流量，保证蒸发器23下部液位基本稳定；
4排气温度控制
污水循环泵37采用变频闭环控制，通过调节污水循环流量，保证排气温度基本恒定；
5稠厚器控制
稠厚器45内安装液位检测器，当液位大于50％时，每隔30分钟起动稠厚器搅拌电机44，每次运行5分钟，当液位大于90％时，自动打开稠厚器排放阀41，使浓缩液流入离心分离器46；
6离心分离器控制
稠厚器排放阀41打开，有浓缩液流入离心分离器46时，自动起动离心分离器电机42，使浓缩液中的工业盐析出，离心分离器工业盐排放口48排出，分离出的液体母液通过离心分离器母液排放口47流入母液罐49，从稠厚器排放阀41关闭开始计时，5分钟后停止离心分离器电机42；
7母液罐控制
母液罐49内安装液位检测器，当液位大于20％时，自动起动母液输送泵40，将母液罐49中的母液输送到污水循环泵入口管道36。
所述用电设备包括蒸汽压缩机电机14、污水注水泵20、污水循环泵37、浓缩液输送泵39、母液输送泵40、母液罐搅拌电机43、离心分离器电机42、稠厚器搅拌电机44。
所述微型燃气轮机17的发电效率约15％，天然气在燃烧室中燃烧产生的能量有15％转化为电能，约75％通过微型燃气轮机排气管道16以热能的形式释放。
所述微型燃气轮机17的尾气经微型燃气轮机排气管道16进入1#加热器28和2#加热器33，在所述的两个加热器中与污水换热后，从排气口29排出。
所述微型燃气轮机17正常运行时，尾气温度范围是600℃～680℃。
所述微型燃气轮机17排出的高温尾气进入所述的1#加热器28和2#加热器33。
所述1#加热器28和2#加热器33的设计与污水循环泵37流量及微型燃气轮机尾气流量匹配。
所述污水循环泵37可采用变频控制与调节。
本发明的有益效果：本发明通过微型燃气轮机以天然气为燃料，驱动发电机为蒸汽压缩系统供电，不需要外部电力。蒸汽压缩系统采用离心压缩机，降低蒸发器内的压力，从而降低水的沸点温度，提高蒸发效率。所述的微型燃气轮机蒸汽再压缩系统利用高温尾气加热污水，实现污水蒸发。所述的预热器实现污水与蒸汽换热，所述的加热器实现预热后的污水高温尾气换热。所述的孤岛式微型燃气轮机蒸汽再压缩系统，不需要外部供电，所有用电设备均由微型燃气轮机所驱动的发电机供电，设备运行仅仅需要天然气单一的能源，故称孤岛式微型燃气轮机蒸汽再压缩系统。提供了一种所述的孤岛式微型燃气轮机蒸汽再压缩系统的控制实现方法。
附图说明
图1本发明的原理图
其中：1-预热器高温压力蒸汽入口管道，2-预热器，3-污水入口管道，4-预热器中水出口管道，5-储水罐溢水口，6-储水罐，7-储水罐放水阀，8-中水输送管道，9-预热器污水出口管道，10-已预热污水输送管道，11-输电线路，12-蒸汽压缩机出口管道，13-蒸汽压缩机，14-蒸汽压缩机电机，15-蒸汽压缩机入口管道，16-微型燃气轮机排气管道，17-微型燃气轮机，18-发电机，19-污水注水泵出口管道，20-污水注水泵-21-污水注水泵入口管道，22-蒸发器蒸汽出口管道，23-蒸发器，24-过热汽液输送管道，25-污水补水管道，26-1#加热器过热污水出口，27-低温气排气管道，28-1#加热器，29-1#加热器污水入口，30-1#加热器污水进水管道，31-污水循环泵出口管道，32-2#加热器污水入口，33-2#加热器，34-高温气入口管道，35-2#加热器污水出口，36-污水循环泵入口管道，37-污水循环泵，38-排气管道，39-浓缩液输送泵，40-母液输送泵，41-稠厚器排放阀，42-离心分离器电机，43-母液罐搅拌电机，44-稠厚器搅拌电机，45-稠厚器，46-离心分离器，47-离心分离器母液排放口，48-离心分离器工业盐排放口，49-母液罐。
具体实施方式
参见图1，微型燃气轮机17以天然气为燃料，所述的微型燃气轮机驱动发电机18发电，经输电线路11分别给本发明中的所有用电设备或装置供电，其中包括蒸汽压缩机电机14、污水注水泵20、污水循环泵37、浓缩液输送泵39、母液输送泵40、母液罐搅拌电机43、离心分离器电机42、稠厚器搅拌电机44等。
在本发明中，不需要外部供电，所有用电设备均由微型燃气轮机17所驱动的发电机18供电，设备运行仅仅需要天然气单一的能源，故称孤岛式微型燃气轮机蒸汽再压缩系统。
污水注水泵20抽取待处理的污水，从污水入口管道3、经预热器2、预热器污水出口管道9、已预热污水输送管道10、污水注水泵入口管道21、污水注水泵20、污水注水泵出口管道19、污水补水管道25，进入蒸发器23。
进入蒸发器的污水，在污水循环泵37作用下，经2#加热器污水入口32、2#加热器33、2#加热器污水出口35、污水循环泵入口管道36、污水循环泵37、污水循环泵出口管道31、1#加热器污水进水管道30、1#加热器污水入口29、1#加热器28、1#加热器过热污水出口26、过热汽液输送管道24，回到蒸发器23，在污水循环过程中，先后在2#加热器33和1#加热器28中加热，在蒸发器23中蒸发，蒸汽压缩机13抽取蒸发器23中的蒸汽，使得蒸发器23内形成真空(负压)状态，更有利于蒸发量的增加，从而提高了蒸发效率。
蒸汽压缩机13抽取污水在蒸发器23中蒸发形成的蒸汽，经蒸发器蒸汽出口管道22、蒸汽压缩机入口管道15、蒸汽压缩机13、蒸汽压缩机出口管道12、预热器高温压力蒸汽入口管道1、预热器2、预热器中水出口管道4、储水罐6。
经过以上循环，把污水处理成中水，通过中水输送管道8输送给用户，实现循环利用。
在污水循环处理过程中，蒸发器23下部的污水浓度不断增加，形成高浓度污水，浓缩液输送泵39把高浓度污水从蒸发器23底部的排放口抽入稠厚器45暂存，高浓度污水在稠厚器45积累到一定量的时候，打开稠厚器排放阀41，高浓度污水排入离心分离器46，在离心分离器46里从高浓度污水分离出工业盐，剩余的母液排入母液罐49，母液输送泵40把母液罐49中的母液抽入污水循环泵入口管道36，继续循环处理，
在本发明中，微型燃气轮机17的发电效率约15％，从能量转换角度来说，天然气在燃烧室中燃烧产生的能量有15％转化为电能，约75％通过微型燃气轮机排气管道16以热能的形式释放，通过本发明所述的装置，至少可回收排气热能的65％，从而使天然气能源综合利用率达到80％以上。微型燃气轮机17的尾气经微型燃气轮机排气管道16进入1#加热器28和2#加热器33，在所述的两个加热器中与污水换热后，从排气口29排出。1#加热器28的进气口和2#加热器33的进气口通过高温气入口管道34直接连接，1#加热器28的排气口和2#加热器33的排气口通过低温气排气管道27直接连接，
所述的预热器2与污水注水泵20、蒸汽压缩机13具有良好的匹配关系，蒸汽压缩机13采用变频调速技术，根据不同的工况，当污水入口管道3中的污水温度为30摄氏度时，从预热器高温压力蒸汽入口管道1输送到预热器2的高温压力蒸汽与从污水入口管道3输送到预热器2的污水进行热交换之后，经预热器的中水出口管道4流入储水罐的中水温度不高于50℃。
蒸汽压缩机13根据蒸发量大小采用变频调速控制，保持蒸发器23内的压力相对稳定。例如，当蒸发器23内的压力为85千帕斯卡(kPa)时(标准大气压是101.3kPa，此时水的沸点是100摄氏度)，水的沸点是95℃。
污水注水泵20注入蒸发器23的污水量近似等于蒸发量，从而使蒸发器23下部的污水水位保持相对稳定，在污水循环泵37的作用下，待处理的污水通过管道依次在蒸发器23、2#加热器33、污水循环泵37、1#加热器28、蒸发器23循环往复流动，在此过程中，不断在所述的两个加热器中被加热，在蒸发器23中蒸发，污水注水泵20补充待处理的污水，这就是本发明进行污水处理的主要过程。
蒸汽压缩机13采用单级离心式压缩机，用于降低蒸发器23中的压力，从而降低水的沸点，提高蒸发效率；同时，水蒸气被压缩后，内能增加，温度升高，在预热器2中与从污水入口管道3输送的低温污水进行热交换，实现能量回收利用。
在污水循环处理过程中，随着水被不断蒸发，蒸发器23下部的污水浓度不断增加，当浓度达到设定值时(称为浓缩液)，起动浓缩液输送泵39，把高浓度污水从蒸发器23底部的排放口抽入稠厚器暂存，高浓度污水在稠厚器45积累到一定量的时候(达到设定水位)，打开稠厚器排放阀41，高浓度污水排入离心分离器46，在离心分离器46里从高浓度污水分离出工业盐，剩余的母液排入母液罐49，母液罐49中的液位达到设定值时，起动母液输送泵40，把母液罐49中的母液抽入污水循环泵入口管道36，继续循环处理。
正常运行时，微型燃气轮机尾气温度范围是600℃～680℃，微型燃气轮机排出的高温尾气进入所述的两个加热器，用于对污水循环加热、蒸发，所述的两个加热器的设计与污水循环泵37流量及微型燃气轮机尾气流量匹配，使得在正常运行状态，从排气管道38排出的尾气温度不高于110℃。为了实现最佳匹配，污水循环泵37可采用变频控制与调节。
控制系统实现方法：
(1)微型燃气轮机控制
微型燃气轮机17采用“以电定热”的恒转速控制方式，根据用电设备(包括蒸汽压缩机电机14、污水注水泵20、污水循环泵37、浓缩液输送泵39、母液输送泵40、母液罐搅拌电机43、离心分离器电机42、稠厚器搅拌电机44等)的动态用电量对燃气轮机的燃料(天然气)进行恒转速闭环控制，本发明中所有用电设备的最大总用电量不大于微型燃气轮机的额定发电量。
(2)蒸发器真空度控制
蒸汽压缩机13的驱动电机(蒸汽压缩机电机14)采用变频闭环控制，变频控制目标是保证蒸发器23内真空度(压力)恒定。
(3)蒸发器液位控制
污水注水泵20采用变频闭环控制，调节注水流量，变频控制目标是保证蒸发器23下部液位基本稳定。
(4)排气温度控制
污水循环泵37采用变频闭环控制，通过调节污水循环流量，变频控制目标是保证排气温度基本恒定，使排气预热充分利用。
(5)稠厚器控制
稠厚器45内安装液位检测器，当液位大于50％时，每隔30分钟起动稠厚器搅拌电机44，每次运行5分钟，以防止浓缩液沉淀，当液位大于90％时，自动打开稠厚器排放阀41，使浓缩液流入离心分离器46。
(6)离心分离器控制
稠厚器排放阀41打开、有浓缩液流入时离心分离器46时，自动起动离心分离器电机42，使浓缩液中的工业盐析出，离心分离器工业盐排放口48排出，分离出的液体(母液)通过离心分离器母液排放口47流入母液罐49。从稠厚器排放阀41关闭开始计时，5分钟后停止离心分离器电机42。
(7)母液罐控制
母液罐49内安装液位检测器，当液位大于20％时，自动起动母液输送泵40，将母液罐49中的母液输送到污水循环泵入口管道36。
微型燃气轮机燃烧效率高，污染物排放低，通过本发明，与污水加热蒸发处理技术有机结合起来，构建了一种新型的节能环保的污水处理装置。
Claims (10)
1.一种孤岛式微型燃气轮机蒸汽再压缩系统，包括微型燃气轮机(17)、污水处理系统；其特征在于，在微型燃气轮机(17)上连接发电机(18)，微型燃气轮机(17)的排气段与污水处理系统的1#加热器(28)连接，1#加热器(28)与2#加热器(33)连接，污水处理系统的预热器与蒸发器(23)之间增加蒸汽压缩机(13)、蒸汽压缩机电机(14)，微型燃气轮机(17)，以天然气为燃料驱动发电机(18)发电，经输电线路(11)分别给所有用电设备或装置供电。
2.一种孤岛式微型燃气轮机蒸汽再压缩系统，其特征在于，所述1#加热器(28)与2#加热器(33)采用600℃以上耐高温材料。
3.一种孤岛式微型燃气轮机蒸汽再压缩系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)微型燃气轮机控制
微型燃气轮机(17)采用“以电定热”的恒转速控制方式；
2)蒸发器真空度控制
蒸汽压缩机(13)的驱动电机采用变频闭环控制，保证蒸发器23内真空度恒定；
3)蒸发器液位控制
污水注水泵(20)采用变频闭环控制，调节注水流量，保证蒸发器(23)下部液位基本稳定；
4)排气温度控制
污水循环泵(37)采用变频闭环控制，通过调节污水循环流量，保证排气温度基本恒定；
5)稠厚器控制
稠厚器(45)内安装液位检测器，当液位大于50％时，每隔30分钟起动稠厚器搅拌电机(44)，每次运行5分钟，当液位大于90％时，自动打开稠厚器排放阀(41)，使浓缩液流入离心分离器(46)；
6)离心分离器控制
稠厚器排放阀(41)打开，有浓缩液流入离心分离器(46)时，自动起动离心分离器电机(42)，使浓缩液中的工业盐析出，离心分离器工业盐排放口(48)排出，分离出的液体(母液)通过离心分离器母液排放口(47)流入母液罐(49)，从稠厚器排放阀(41)关闭开始计时，5分钟后停止离心分离器电机(42)；
7)母液罐控制
母液罐(49)内安装液位检测器，当液位大于20％时，自动起动母液输送泵(40)，将母液罐(49)中的母液输送到污水循环泵入口管道(36)。
4.如权利要求3所述的一种孤岛式微型燃气轮机蒸汽再压缩系统的控制方法，其特征在于，所述用电设备包括蒸汽压缩机电机(14)、污水注水泵(20)、污水循环泵(37)、浓缩液输送泵(39)、母液输送泵(40)、母液罐搅拌电机(43)、离心分离器电机(42)、稠厚器搅拌电机(44)。
5.如权利要求3所述的一种孤岛式微型燃气轮机蒸汽再压缩系统的控制方法，其特征在于，所述微型燃气轮机(17)的发电效率约15％，天然气在燃烧室中燃烧产生的能量有15％转化为电能，约75％通过微型燃气轮机排气管道(16)以热能的形式释放。
6.如权利要求3所述的一种孤岛式微型燃气轮机蒸汽再压缩系统的控制方法，其特征在于，所述微型燃气轮机(17)的尾气经微型燃气轮机排气管道(16)进入1#加热器(28)和2#加热器(33)，在所述的两个加热器中与污水换热后，从排气口(29)排出。
7.如权利要求3所述的一种孤岛式微型燃气轮机蒸汽再压缩系统的控制方法，其特征在于，所述微型燃气轮机(17)正常运行时，尾气温度范围是600℃～680℃。
8.如权利要求3所述的一种孤岛式微型燃气轮机蒸汽再压缩系统的控制方法，其特征在于，所述微型燃气轮机(17)排出的高温尾气进入所述的1#加热器(28)和2#加热器(33)。
9.如权利要求3所述的一种孤岛式微型燃气轮机蒸汽再压缩系统的控制方法，其特征在于，所述1#加热器(28)和2#加热器(33)的设计与污水循环泵(37)流量及微型燃气轮机尾气流量匹配。
10.如权利要求9所述的一种孤岛式微型燃气轮机蒸汽再压缩系统的控制方法，其特征在于，所述污水循环泵(37)可采用变频控制与调节。
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