溴化鋰吸收式余熱回收機組的設計

鐘國堅 謝慶亮 陳木鳳

文章編號? 1000-5269（2024）01-0078-05

DOI：10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2024.01.12

收稿日期：2023-03-24

基金項目：國家自然科學基金青年項目（11902135） 福建省中青年教師教育科研項目（JAT210910）

作者簡介：鐘國堅（1982—），男，副教授，碩士，研究方向：機械設計制造及自動化，E-mail：zgj1425san@163.com.

*通訊作者：鐘國堅，E-mail：zgj1425san@163.com.

摘? 要：針對核電站低溫余熱回收利用的問題，將海水淡化技術與基于吸收式熱交換的熱電聯產集中供應技術相結合，設計了一個溴化鋰吸收式余熱回收機組。該機組主要由蒸發器、吸收器、發生器、冷凝器、溶液熱交換器、節流裝置、溶液泵、冷劑泵等組成。驗證分析表明：該機組可有效回收高溫海水的余熱，并用于淡化海水，在所需制熱量為28 784 kW的前提下，按年利用7 200 h計算，全年海水的余熱回收量約280 000 GJ，全年淡水產量約2 160 000 t，減少了對生態環境的影響，大大提高了經濟效益。因此該機組可為溴化鋰吸收式熱泵機組的優化設計提供良好參考。

關鍵詞：溴化鋰吸收式；余熱回收；海水淡化；節能環保

中圖分類號：TM623;TU83;TK115

文獻標志碼：A

工業余熱再利用是企業減少環境污染，提高經濟效益的重要方式。目前工業余熱再利用的主要方法有熱交換、熱工轉換和熱泵回收余熱，其中溴化鋰吸收式余熱回收機組是根據熱泵回收余熱設計的。它是以溴化鋰溶液為介質，以高溫熱源為驅動源，將熱量從低溫熱源傳遞給高溫熱源，并與驅動熱源一起作為高溫熱源輸出的循環裝置［1-3］。這種方法具有結構簡單、無噪聲、無污染等優點，因此用于低熱量余熱回收和熱電聯產系統。近年來，一些學者對余熱回收做了進一步研究。例如：李玉海等［4］描述了吸收式熱泵機組在直接空冷熱電廠的應用；劉剛［5］研究了吸收式熱泵在供熱機組中適用性及經濟性；徐志勇等［6］研究了大型串聯吸收式熱泵電廠余熱回收；蔣奎振［7］研究了利用熱泵回收電廠余熱的方法；胡喬良等［8］分析了基于供熱負荷的吸收式熱泵供熱機組變工況性能；冶永福［9］分析研究了熱電廠利用“吸收式熱泵”進行余熱供暖技術；杜亞威等［10］優化分析了低溫多效海水淡化混流效組系統；安美燕等［11］研究了工業余熱回收的耦合壓縮-吸收式高溫熱泵循環；王虹雅等［12］研究了數值模擬雙效溴化鋰吸收式熱泵余熱回收系統；張抖等[13］分析了吸收式熱泵對熱電聯產機組調峰能力影響；馬世財等［14］分析了基于吸收-壓縮新型熱泵循環變工況性能；邰傳民［15］研究了基于核電余熱利用的水熱聯供系統。由以上文獻可以看出，目前基于核電余熱利用的熱電聯產系統的研究仍較少，并且該研究僅集中于余熱回收。為此，本文設計了一種基于吸收式熱交換的海水淡化技術與熱電聯產集中供應技術相結合的溴化鋰吸收式余熱回收機組，并通過福建某核電站的實際應用，驗證了該機組節能減排的可行性。

1? 工藝設計思路

本文以福建某核電站海水冷卻工程為例設計的溴化鋰吸收式余熱回收機組見圖1，即通過將MED（multiple effect distillation，多效蒸發結晶）海水淡化技術與基于吸收式熱交換的熱電聯產集中供應技術有機結合和集成，構建了一種基于核電余熱利用的熱電聯產系統。該機組主要由蒸發器、吸收器、發生器、冷凝器、溶液熱交換器、節流裝置、溶液泵、冷劑泵等組成。其中，溶液熱交換器可以提高機組的熱力系數；溶液泵、制冷劑泵以及相應的連接管道、閥門等使機組連續工作，并使工作介質在各設備中循環。溴化鋰吸收式余熱回收機組工作過程主要體現在：

1）在蒸發器中，保持真空狀態下利用水在負壓狀態下低沸點的原理，高溫海水與傳熱管表面接觸會低溫沸騰，吸收管內流動的高溫海水熱量，降低海水的溫度，并產生蒸汽進入吸收器，完成熱量的回收過程。

2）在吸收器中，溴化鋰濃溶液利用其強吸水性吸收蒸發器中的水蒸氣，從而提高溶液的溫度。當溶液與傳熱管接觸時，加熱工藝熱水，從而實現傳熱。同時，溴化鋰溶液由濃變稀，不再有吸水性。

3）在發生器中，高溫蒸汽產生的熱量用于濃縮通過溶液泵從吸收器進入發生器的稀溴化鋰溶液。產生的濃溶液吸水性強，通過溶液熱交換器繼續進入吸收器吸收水蒸氣，而產生的水蒸氣進入冷凝器。

4）在冷凝器中，來自發生器的高溫蒸汽冷凝熱量被用于海水淡化的工藝熱水再次加熱，節約了能源。蒸汽冷凝后產生的水通過管道進入蒸發器，循環上述過程（1）～（4）。

圖1中工藝熱水在吸收器和冷凝器中吸收的總熱量等于海水余熱（低位熱源）Q1和蒸汽熱量（驅動熱源）Q2在余熱回收機組中釋放的熱量之和。余熱回收機組的性能系數（COP）用COP=（Q1+Q2）/Q2確定。例如：吸收式余熱回收機組的COP為1.65～1.84，即消耗1份蒸汽熱量Q2，可以回收0.65～0.84份海水余熱Q1，同時可為工藝熱水提供1.65～1.84份熱量（Q1+Q2），而吸收式余熱回收機組提供的熱量始終大于驅動熱源的熱量。

2? 工藝設計系統

目前，該核電站余熱回收低溫熱源主要有6臺機組，每臺機組需要2臺水泵降溫，每臺水泵的流量為6萬t/a，每臺機組總流量為12萬t/a，排出的海水溫度常年約為40 ℃。蒸汽參數為0.8 MPa和170.5 ℃，工藝熱水設計供水溫度為85 ℃，工藝熱水設計回水溫度為70 ℃，工藝熱水流量為1 650 t/h，年利用小時數為7 200 h。余熱回收方案單臺機組的參數如表1所示。

2.1? 余熱回收及蒸汽系統

本文設計的余熱回收及蒸汽系統裝置和流程見圖2。余熱回收系統以3 131 t/h的海水流量將40 ℃的高溫排放海水降溫至37 ℃，同時將70 ℃的工藝熱水加熱至85 ℃，總流量為1 650 t/h，并用于海水淡化。驅動熱源采用0.8 MPa微過熱蒸汽，

在余熱回收機組中放熱后冷凝，冷凝液溫度為90 ℃。冷凝的蒸汽由冷凝水箱收集，由排水泵排出，可用作機組的工藝補充水或循環至裝置的冷凝系統。

2.2? 工藝熱水系統

配制工藝水增壓泵，將海水淡化的70 ℃工藝熱回水輸入余熱回收機組，經蒸汽熱源和高溫海水加熱至85 ℃后，回用于海水淡化工藝系統，形成封閉水循環。利用原有工藝熱水加熱設備作為輔助加熱系統，保證工藝熱水滿足海水淡化工藝要求。余熱回收系統熱平衡圖見圖3。

2.3? 海水淡化系統

配置海水增壓泵，從機組外排海水母管中引部分40 ℃海水進入余熱回收機組，回收高溫海水中余熱后將37 ℃海水排出。海水淡化采用MED技術，主要工藝流程見圖4。海水淡化裝置采用9效蒸發器，最后一效蒸發器接冷凝器。料液海水首先加入阻垢劑和消泡劑，然后在冷凝器中加熱到45 ℃，再并聯送入6～9效蒸發器，一部分海水自上而下流動時吸熱蒸發。6～9效蒸發后的濃縮海水并聯輸送到3～5效蒸發器進行降膜蒸發。3～5效蒸發濃縮后的濃縮海水并聯輸送至1～2效蒸發器，進行反復降膜蒸發。在效間壓差的作用下，1～2效蒸發剩余的濃海水逐漸流入第2效蒸發器進行閃蒸，而從第2效蒸發器流入3～9效蒸發器濃水閃蒸罐進一步閃蒸，以回收濃海水余熱，提高系統的產水率。85 ℃的熱水通過閃蒸裝置冷卻到70 ℃，得到的70 ℃飽和蒸汽直接輸入1效蒸發器的蒸發管。供熱管道外的海水蒸發，在管道內自行凝結，凝結的水由凝結水泵抽出。1效蒸發器產生的二次蒸汽經過液滴分離器后，進入2效蒸發器的傳熱管，加熱管外的海水蒸發，并在管內冷凝形成成品水。以此類推重復此過程，各效蒸發器產生的蒸餾水由前至后匯合，在效間壓差的作用下逐漸閃蒸，由冷凝器中的產品水泵抽出。閃蒸后的淡水蒸汽進入每一效對應的蒸發器，與二次蒸汽一起作為下一效的加熱蒸汽，進一步回收淡水余熱，提高產水率。

2.4? 維護保障系統

海水對余熱回收機組運行的影響主要是腐蝕和結垢。鑒于海水的腐蝕性，余熱回收機組與海水接觸的部分由鈦制成，耐海水腐蝕。余熱回收機組入口處配置加藥裝置，可殺死殘留的微生物，防止堵塞換熱管。此外，大流量的海水通過分流裝置在余熱回收機組中進行熱交換。本方案熱量約為28 MW，單臺熱泵工程最大供熱能力約100 MW，可滿足要求。設計采用單臺流量不超過2 500 t/h的熱泵，高流量時配置運行2臺以上熱泵。機組首次安裝驗收合格并投入運行時，先進行設備調試，將所有測試儀表、海水循環系統、工藝熱水循環系統和蒸汽系統投入運行；而后啟動機組，檢查是否正常。日常停機維護并檢查機組的氣密性，禁止熱泵長期侵入大氣。機組內的溶液為防止結晶應充分稀釋。當機房溫度降至5 ℃以下時，打開溶液泵出口的冷卻水取樣閥和充液閥，運行溶液泵，停止冷劑泵，使溶液進入冷劑泵，防止冷劑泵中的冷卻水結冰。

3? 實踐結果與分析

3.1? 系統性能分析

與其他余熱回收機組相比，本文設計并投入企業使用的機組在系統性能上有了很大提高，如材質可靠性高、系統安全性高、操作系統自動化程度高、控制系統完善等，并將海水淡化技術與基于吸收式換熱的熱電聯產集中供熱技術有效地結合起來。

材質可靠性高。板材選用專用鋼板，由鋼鐵廠家生成Fe3O4保護膜，更加致密，有效保護鋼板；溴化鋰溶液采用最合理濃度配置，品質純正，在正常條件下使用無需更換儲液罐；管材采用材質均勻，耐高溫、耐海水腐蝕材料；采用高氣密性隔膜閥門，確保運行穩定；密封采用優質密封防孔蝕材料；緩蝕劑采用環保型緩蝕劑鉬酸鋰，綠色環保，在鋼板表面形成光滑的保護膜。

系統安全性高。吸收式余熱回收機組不僅性能可靠穩定，而且適應和調節系統的能力強。機組大量采用折彎板，減少了焊縫數量，降低了結構滲漏的可能性；管孔采用密封槽設計，使管子與板的伸縮縫更緊密，避免滲漏；整機及零件外表面分別進行拋丸處理，可有效去除鋼板內焊接造成的內外平衡熱應力，保證機器使用壽命；焊縫采用氬弧焊等焊接方式，確保機組內部的潔凈度。當停機過程中，由于系統輔機（熱水循環泵、余熱水循環泵等）的電耗遠遠大于吸收式余熱回收機組，本機組可通過濃度計算得出最佳稀釋時間，縮短了稀釋周期時間，降低了系統運行的整體能耗。

操作系統自動化程度高。采用結晶檢測系統自動計算結晶剩余量，并全程實時監控溶液濃度和溫度，以防止結晶；采用先進的超低壓噴嘴噴霧技術，將溶液或冷卻液從噴嘴噴出時霧化，噴霧均勻、面積大、效果好；采用高精度氦質譜分析儀，檢測精度達10～12 Pa·m3/s，在吸收式余熱回收機組生產過程中，對機組從每道焊縫到整機進行氦質譜檢漏，確保機組真空度，避免外部氧氣進入機組造成腐蝕。此外，通過設置在余熱回收機組吸收器底部的噴射器，在溶液循環過程中，將機組中的不凝性氣體充分注入余熱回收機組頂部的集氣箱，然后根據集氣箱的壓力自動啟動和停止真空泵，從而減少真空泵的啟動時間和頻率，維持機組的高效長周期運行。同時，在抽氣管路設置多級保護，實現抽氣自檢漏和斷電自關斷功能，防止抽氣管道泄漏和斷電管道開放引起的外部氣體倒灌。

控制系統完善。配備先進有效的自動檢測記錄系統、故障診斷系統、自動聯鎖報警系統、自動保護系統。吸收式熱泵的狀態參數通過通信數據接口傳輸到上位機，實現機組的遠程監控。電廠集控室監控熱泵運行參數與機組DCS（distributed control system）連接，實現遠程啟停。操作模式可在本地和遠程操作之間靈活切換，同時為防止誤操作或重復操作，設置了本地和遠程操作相互關閉功能。

3.2? 環境經濟效益分析

該核電站采用本機組后，每年所需制熱量約為28 784 kW，年運行費約為20萬元，年回收海水余熱約為280 000 GJ，節約蒸汽量（0.8 MPa）約118 800 t/a。如果折算標準煤，按鍋爐效率85%折算，可節約標準煤消耗11 232 t，每年可節約475.2萬元。工藝熱水用于海水淡化，海水蒸餾的淡水水質純凈，淡水產量300 t/h，全年淡水產量約2 160 000 t，每年可節約水費864萬元。余熱回收機組電功率約35 kW，工藝熱水循環泵功率約200 kW，海水泵功率約250 kW，蒸汽冷凝水排放泵功率約3 kW，海水淡化裝置新增配套冷卻塔運行功率約60 kW，冷卻水泵運行功率約110 kW，年總運行功率為4 738 000 kW·h，余熱利用每年新增成本約142.2萬元，總計余熱回收新增年收益約1 177萬元，投入產出比達到8.28，遠高于同行。本機組的成功實施不僅提高了余熱利用率，而且取得了良好的節能環保和經濟效益。

4? 結論

余熱是一種寶貴的資源，中國將在未來二氧化碳排放峰值時實現碳中和的目標。利用核電站余熱供熱，不僅可以提高核電機組的整體熱效率，還可以減少燃料的消耗和二氧化碳的排放，在更大范圍內優化熱源配置，使核電余熱變成零碳供熱熱源。研究表明，本文設計的溴化鋰吸收式余熱回收機組，將海水淡化技術和吸收式熱交換的熱電聯產集中供應技術有機結合和集成，構建了核電余熱利用的熱電聯產系統。該設計可有效回收高溫海水余熱，加熱海水淡化工藝熱水，降低電廠熱排水溫度，實現淡化海水，減少對生態環境的影響，節約蒸汽，提高經濟效益。因此，本文的研究成果可以為溴化鋰吸收式余熱回收機組的設計提供參考。在今后的研究中，我們將繼續探索溴化鋰吸收式余熱回收機組的高效性，以進一步提高經濟效益和環境效益。參考文獻：

[1]王治國. 熱電廠低溫循環水余熱回收利用工程實踐［J］. 節能， 2021， 40（10）： 42-45.

［2］ 彭佳杰， 王樹信， 林睿， 等. 溴化鋰制冷機組回收船用柴油機余熱的經濟性分析［J］. 船舶工程， 2021， 43（S1）： 237-240.

［3］ 何夢淵， 李永生， 潘濤， 等. 基于吸收式熱泵的鍋爐煙氣余熱回收工藝系統性能研究［J］. 石油與天然氣化工， 2019， 48（1）： 115-120.

［4］ 李玉海， 崔鳳葵， 李其奇. 吸收式熱泵機組在直接空冷熱電廠的應用［J］. 區域供熱， 2017， 6： 82-88.

［5］ 劉剛. 吸收式熱泵在供熱機組中適用性及經濟性研究［J］. 汽輪機技術， 2018， 60（3）： 216-220.

［6］ XU Z Y， MAO H C， LIU D S， et al. Waste heat recovery of power plant with large scale serial absorption heat pumps［J］. Energy， 2018， 165： 1097-1105.

［7］ 蔣奎振. 利用熱泵回收電廠余熱綜合研究［D］. 北京： 華北電力大學， 2019.

［8］ 胡喬良， 李偉， 郜寧， 等. 基于供熱負荷的吸收式熱泵供熱機組變工況性能分析［J］. 汽輪機技術， 2019， 61（3）： 217-220， 196.

［9］ 冶永福. 熱電廠利用“吸收式熱泵”進行余熱供暖技術的分析研究［J］. 節能， 2020， 39（6）： 132-134.

［10］杜亞威， 梁學飛， 解利昕， 等. 低溫多效海水淡化混流效組系統優化與分析［J］. 水處理技術， 2020， 46（2）： 37-43.

［11］安美燕， 趙心蕊， 徐震原， 等. 工業余熱回收的耦合壓縮-吸收式高溫熱泵循環［J］. 上海交通大學學報， 2021， 55（4）： 434-443.

［12］王虹雅， 周勃， 黃詩雯， 等. 雙效溴化鋰吸收式熱泵余熱回收系統數值模擬研究［J］. 制冷與空調（四川）， 2021， 35（1）： 32-36.

［13］張抖， 張光明， 牛玉廣， 等. 吸收式熱泵對熱電聯產機組調峰能力影響分析［J］. 熱力發電， 2021， 50（10）： 95-100， 129.

［14］馬世財， 周少祥， 王寅武， 等. 基于吸收-壓縮新型熱泵循環變工況性能分析［J］. 華北電力大學學報（自然科學版）， 2022， 49（4）： 105-112.

［15］邰傳民. 基于核電余熱利用的水熱聯供系統分析［D］. 濟南： 山東建筑大學， 2022.

（責任編輯：曾? 晶）

Design of Waste Heat Recovery Unit with Lithium Bromide Absorption

ZHONG Guojian*1， XIE Qingliang2， CHENG Mufeng3

（1.School of Information and Manufacturing， Minxi Vocational and Technical College， Longyan 364021， China;

2.Fujian Longking Co.， Ltd.， Longyan 364000， China;3.School of Physics and Mechatronics Engineering， Longyan University， Longyan 364000， China）

Abstract：

Aiming at recovery and utilization of low-temperature waste heat in nuclear power plants， a lithium bromide absorption waste heat recovery unit was designed by combining seawater desalination technology with the centralized supply technology of cogeneration based on absorption heat exchange. The unit is mainly composed of evaporator， absorber， generator， condenser， solution heat exchanger， throttling device， solution pump， refrigerant pump and so on. Verification analysis showed that： the unit can effectively recover the waste heat of high temperature seawater， and be used for desalination of seawater; under the premise of the required heat of 28 784 kW， according to the annual use of 7 200 h calculation， the annual waste heat recovery of seawater is about 280 000 GJ， and annual fresh water production is about 2 160 000 t， reducing the impact on the ecological environment and greatly improving the economic benefits. Therefore， the unit can provide a good reference for the optimization design of lithium bromide absorption heat pump unit.

Key words：

lithium bromide absorption; waste heat recovery; seawater desalination; energy conservation and environmental protection