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第一类溴化锂吸收式热泵机组的现场应用研究

时间:2017-06-28 12:51:40; 来源:荏原冷热系统(中国)有限公司,山东 烟台 264000 作者:黄国华 林乐晖 于忠森

摘  要介绍了第一类吸收式热泵在工业余热回收领域的工作原理和特点,阐述了第一类溴化锂吸收式热泵的分类、工质、原理以及内部循环流程,并以某项目现场应用吸收式热泵为例,描述了该热泵的实际运行情况以及投资收益。

关键词:第一类溴化锂吸收式热泵;特点;余热回收;高浓度

0  引言

第一类吸收式热泵是一种利用低品位热源,将热量从低温热源向高温热源泵送的循环系统,其是回收利用低品位热能的有效装置,具有节约能源、保护环境的双重作用。第一类吸收式热泵,也称增热型热泵。

近年来,第一类吸收式热泵在热电厂的余热回收利用领域发挥了重要作用,其通过回收蒸汽轮机发电机组的乏汽冷凝热,提供集中供暖热水。这不但增加了供热面积,而且节约了煤耗,减少了粉尘、CO2NOxSO2的排放,如图1所示。第一类吸收式热泵具有显著的经济效益和社会效益,受到了社会各界的广泛认可。

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1  第一类吸收式热泵的应用

1  第一类吸收式热泵的特点

第一类吸收式热泵可以回收利用工业余热、废热等低品位热量,从而实现制热的目的。整套装置除了泵和阀件,绝大部分是换热器,运转安静,振动小,吸收式热泵在真空状态下运行,结构简单,安全可靠,安装方便。其特点主要包括:

1)直接使用热原理,机组无振动,少噪音,能安装于任何地点;

2)以水为制冷剂,容易制取,安全性高;

3)可直接利用低压蒸汽、热水,甚至废汽、废热,耗电极少,只相当于同容量离心机组的2%9%

4)变负荷容易,调节范围广(调节范围10%100%);

5)结构简单,运行方便。

2  第一类溴化锂吸收式热泵介绍

2.1  分类

第一类溴化锂吸收式热泵,是一种以高温热源(蒸汽、高温热水、燃气、燃油等)为驱动热源,溴化锂为吸收剂,水为制冷剂,回收利用低温热源(废热水、乏汽)的热量,制取所需的工艺或采暖用高温热水,实现从低温向高温输送热能的设备。热电厂集中供暖系统流程图如图2所示

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2  热电厂集中供暖系统流程图

第一类溴化锂吸收式热泵根据不同的驱动热源,可分为蒸汽型第一类溴化锂吸收式热泵、直燃型第一类溴化锂吸收式热泵、烟气型第一类溴化锂吸收式热泵和温水型第一类溴化锂吸收式热泵等。

2.2  工质

溴化锂-水工质是固体溴化锂溶解于水而成,浓度48%,其性质与食盐(NaCl)相似,在大气中不变质,不分解,不挥发,是一种稳定的物质。溴化锂-水溶液是无色透明液体,无毒入口有咸味。其臭氧破坏指数ODP和温室效应指数GWP均为零,是一种对环境友好型的绿色工质。

烟台荏原在缓蚀剂的使用方面也独具优势,采用的是环保型缓蚀剂Li2MoO4,对环境无害,对人体无毒无害,不使用易对钢板点蚀且对环境有害的Li2CrO4,如3示。溶液一次性添加,终身无需更换或再生。

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3  缓蚀剂的腐蚀性对比

2.3  原理

蒸汽型第一类溴化锂吸收式热泵由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器和热交换器等主要部件及抽气装置、屏蔽泵(溶液泵和冷剂泵)等辅助部件组成。

吸收式热泵循环中,工质在发生器从高温热源获得热量,即发生器热负荷Qg;在蒸发器中从余热水获得热量,即蒸发器热负荷Qe;在吸收器和冷凝器中向外界环境放出热量,分别是吸收器热负荷Qa、冷凝器热负荷Qc而溶液泵只是提供输送溶液时克服管路阻力和重力所需的动力,消耗的机械能很小。在理想情况下,忽略热损失和泵功率,第一类吸收式热泵的热平衡关系为:

Qg+Qe=Qa+Qc

由能效比的概念可知,第一类吸收式热泵循环的热力系COP为:

COP=Qa+Qc/Qg=1+Qe/Qg

第一类溴化锂吸收式热泵的性能系数一般为1.61.8

2.4  内部循环流程

蒸汽型溴化锂吸收式热泵主要由蒸发器、吸收器、发生器和冷凝器四部分组成。在蒸发器内喷淋循环的冷剂,吸收低温热源的热量后蒸发,蒸发了的冷剂被吸收器内喷淋的溶液所吸收,吸收了冷剂蒸汽而变稀的溶液(稀溶液)由溶液泵输送,经过热交换器进入发生器,稀溶液在发生器内被蒸汽加热变为浓溶液,浓溶液经过热交换器进入吸收器,同时,发生器中蒸发出来的冷剂蒸汽进入冷凝器,被冷却水冷却成液体,回到蒸发器。

热泵又分为单段式和两段式。两段式,机组区分高压侧和低压侧。蒸发器和吸收器均采用两段式构造,使其分别在不同的压力下工作,使得溶液浓度差得以扩大,从而可大幅削减溶液循环量,减少热损失,实现换热器的高效化。两段式蒸汽型第一类溴化锂吸收式热泵原理图如图4所示。

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4  两段式蒸汽型第一类溴化锂吸收式热泵原理图 

3  客户现场应用

2016年,长春某热电厂使用了33.2 MW的蒸汽型第一类吸收式热泵机组,运行效果良好,获得了客户的一致好评。该热电厂装机总容量86 MW,年发电量4亿kWh,供热面积1 400多万m2,如图5所示。

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5  长春某热电厂机房(33.2 MW×2

长春该热电厂采用第一类蒸汽型溴化锂吸收式热泵,应用于电厂循环水余热供热利用项目,如6示。余热水为汽轮机的循环冷却水,驱动蒸汽为汽轮机抽汽,制取的热网水对小区居民供暖。

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6  准备运输的单体

该热电厂的吸收式热泵的余热回收项目于20165月招标,项目从中标、施工、调试到稳定运行,历时6个月,如图7所示。需要重点强调的是该第一类溴化锂吸收式热泵,分体运输,下部筒体重量73.5 t,宽度为5 m,热泵在设计评审时,研发部门进行了工艺、生产、组装喷涂、吊装、运输等多方面的可行性论证。

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7  机房内正在运行的吸收式热泵

从客户初期的选型条件来看,该客户的运行条件比较恶劣,热泵在设计条件下,热泵机组溶液循环在迪林线图上的状态点如图8所示(实线为高压侧,虚线为低压侧)。从迪林线图上可非常明显的看出,此热泵机组低压侧的浓度线与结晶线相距很近,结晶余量较小。该客户的设计工况参数条件如表1所示。

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8  客户设计工况下的迪林线图

1  该客户的设计工况参数条件

制热量

MW

66.4

 

热水

进口温度

50

出口温度

60

流量

t/h

3 800

回收余热量

MW

27.3

热源水

进口温度

21

出口温度

15.5

流量

t/h

4 250

蒸汽

压力

MPa G

0.4

流量

t/h

59.4

COP

-

1.67

如果热泵运行参数有比较大的偏离,则热泵很容易出现结晶停机的危险。这也是此热泵最有代表性的特点之一,在客户外部工况不断变化的前提下,如何保证热泵的稳定运转成为关键性的问题。 

4  热泵运行参数

热泵机组在调试之后,经过了72 h的稳定运转期,热泵能力达97%以上,性能系数为1.72,实际运行结果达到了设计条件。截止目前,热泵仍然稳定高效运行,如图9所示

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9  热泵运行画面

实际运行时,浓溶液浓度与设计浓度相当。热泵在运行时的浓溶液浓度很容易出现结晶的危险,热泵外部参数有时波动会过大,很容易造成热泵的高浓度停机。为了缓解该情况,现场采用了两个措施:(1)通过控制系统,自动限制蒸汽调节阀开度,降低蒸汽压力波动对热泵浓度的影响;2通过溶液泵的变频,改变溶液循环量,从而降低热泵的浓溶液浓度。从现场运行情况来看,以上两种办法切实有效。该客户的实际运行工况的平均值如表2所示。

2  该客户的实际运行工况平均值

制热量

MW

64.7

热水

进口温度

50.2

出口温度

61.1

流量

t/h

3 400

回收余热量

MW

26.6

热源水

进口温度

22.4

出口温度

15.9

流量

t/h

3 500

蒸汽

压力

MPa G

0.35

流量

t/h

53.8

COP

-

1.72

5  收益分析

电厂的设计参数为:回收循环水余热为26.6 MW,循环水进出口温度为21 ℃/15.5 ℃,循环水流量为3 500 t/h;供热量为66.4 MW,热水进出热泵温度50 ℃/60 ℃,热水总流量为3 400 t/h;蒸汽压力为0.4 MPa G,蒸汽耗量为59.4 t/h,凝水出口温度不超过80 ℃

5.1  节能经济效益

假设该系统运行过程中,锅炉效率92%,热泵热负荷80%。在一个采暖期即165天内,回收余热可增大采暖面积53.2m2,回收余热收益971万元

吸收式热泵闭式系统回收循环水的余热,这部分水不需要通过冷却塔散热,减少了循环水的蒸发损失,冷却塔补水按照2%计算,一个采暖期内节水收益269万元

吸收式热泵利用蒸汽作为驱动热源,回收余热如换算为消耗蒸汽,且凝水可回收作为锅炉补水,一个采暖期内回收蒸汽凝水的收193万元

该电厂采用吸收式热泵后,合计每年共产生的经济效益为1 433万元。

5.2  社会效益

该热电厂使用吸收式热泵后,在不增加锅炉和供热机组的情况下,共增加供暖面积53.2m2,合计每年节约标煤11 253 t,减少粉尘排放7 652 t,减少CO2排放28 048 t,减少SO2排放844 t,减少NOx排放422 t,节水168 400 t

6  结语

该蒸汽型第一类溴化锂吸收式热泵仅仅是余热回收领域的应用代表之一,在国家节能减排的大背景之下,溴化锂吸收式热泵的应用会越来越多。

如此高浓度的溴化锂吸收式热泵机组,也是其极具代表性的特点。此热泵虽然在设计上濒临高危浓度区域,但此机组的运行结果良好,对今后设计和运行高浓度的第一类吸收式溴化锂热泵也起到了指导意义。

最重要的是,第一类吸收式热泵对电厂余热回收发挥了重要的作用,降低了煤耗,减少了污染气体的排放,具有明显的经济效益和社会效益。

 

[参考文献]

[1] 高田秋一.吸收式制冷机[M].耿惠彬,戴永庆,郑玉清,译.北京:机械工业出版社,1987.

[2] 戴永庆,郑玉清.溴化锂吸收式制冷机[M].北京:国防工业出版社,1980.

[3] 戴永庆.溴化锂吸收式制冷技术及应用[M].北京:机械工业出版社,1996.

[4] 陈东.热泵设计计算及应用技术手册[M].北京:化学工业出版社,2012.

 

收稿日期:2017-04-25

作者简介:黄国华(1984—),男,山东聊城人,硕士,工程师,主要从事吸收式制冷机/热泵非标产品及要素的研发设计。


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