鐘國堅(jiān) 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(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（11902135） 福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目（JAT210910）

作者簡介：鐘國堅(jiān)（1982—），男，副教授，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化，E-mail：zgj1425san@163.com.

*通訊作者：鐘國堅(jiān)，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(shù)與基于吸收式熱交換的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供應(yīng)技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一個溴化鋰吸收式余熱回收機(jī)組。該機(jī)組主要由蒸發(fā)器、吸收器、發(fā)生器、冷凝器、溶液熱交換器、節(jié)流裝置、溶液泵、冷劑泵等組成。驗(yàn)證分析表明：該機(jī)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(jì)算，全年海水的余熱回收量約280 000 GJ，全年淡水產(chǎn)量約2 160 000 t，減少了對生態(tài)環(huán)境的影響，大大提高了經(jīng)濟(jì)效益。因此該機(jī)組可為溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供良好參考。

關(guān)鍵詞：溴化鋰吸收式；余熱回收；海水淡化；節(jié)能環(huán)保

中圖分類號：TM623;TU83;TK115

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

工業(yè)余熱再利用是企業(yè)減少環(huán)境污染，提高經(jīng)濟(jì)效益的重要方式。目前工業(yè)余熱再利用的主要方法有熱交換、熱工轉(zhuǎn)換和熱泵回收余熱，其中溴化鋰吸收式余熱回收機(jī)組是根據(jù)熱泵回收余熱設(shè)計(jì)的。它是以溴化鋰溶液為介質(zhì)，以高溫?zé)嵩礊轵?qū)動源，將熱量從低溫?zé)嵩磦鬟f給高溫?zé)嵩矗⑴c驅(qū)動熱源一起作為高溫?zé)嵩摧敵龅难h(huán)裝置［1-3］。這種方法具有結(jié)構(gòu)簡單、無噪聲、無污染等優(yōu)點(diǎn)，因此用于低熱量余熱回收和熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。近年來，一些學(xué)者對余熱回收做了進(jìn)一步研究。例如：李玉海等［4］描述了吸收式熱泵機(jī)組在直接空冷熱電廠的應(yīng)用；劉剛［5］研究了吸收式熱泵在供熱機(jī)組中適用性及經(jīng)濟(jì)性；徐志勇等［6］研究了大型串聯(lián)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(fù)荷的吸收式熱泵供熱機(jī)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(jìn)行余熱供暖技術(shù)；杜亞威等［10］優(yōu)化分析了低溫多效海水淡化混流效組系統(tǒng)；安美燕等［11］研究了工業(yè)余熱回收的耦合壓縮-吸收式高溫?zé)岜醚h(huán)；王虹雅等［12］研究了數(shù)值模擬雙效溴化鋰吸收式熱泵余熱回收系統(tǒng)；張抖等[13］分析了吸收式熱泵對熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組調(diào)峰能力影響；馬世財?shù)龋?4］分析了基于吸收-壓縮新型熱泵循環(huán)變工況性能；邰傳民［15］研究了基于核電余熱利用的水熱聯(lián)供系統(tǒng)。由以上文獻(xiàn)可以看出，目前基于核電余熱利用的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的研究仍較少，并且該研究僅集中于余熱回收。為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于吸收式熱交換的海水淡化技術(shù)與熱電聯(lián)產(chǎn)集中供應(yīng)技術(shù)相結(jié)合的溴化鋰吸收式余熱回收機(jī)組，并通過福建某核電站的實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了該機(jī)組節(jié)能減排的可行性。

1? 工藝設(shè)計(jì)思路

本文以福建某核電站海水冷卻工程為例設(shè)計(jì)的溴化鋰吸收式余熱回收機(jī)組見圖1，即通過將MED（multiple effect distillation，多效蒸發(fā)結(jié)晶）海水淡化技術(shù)與基于吸收式熱交換的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供應(yīng)技術(shù)有機(jī)結(jié)合和集成，構(gòu)建了一種基于核電余熱利用的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。該機(jī)組主要由蒸發(fā)器、吸收器、發(fā)生器、冷凝器、溶液熱交換器、節(jié)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(jī)組的熱力系數(shù)；溶液泵、制冷劑泵以及相應(yīng)的連接管道、閥門等使機(jī)組連續(xù)工作，并使工作介質(zhì)在各設(shè)備中循環(huán)。溴化鋰吸收式余熱回收機(jī)組工作過程主要體現(xiàn)在：

1）在蒸發(fā)器中，保持真空狀態(tài)下利用水在負(fù)壓狀態(tài)下低沸點(diǎn)的原理，高溫海水與傳熱管表面接觸會低溫沸騰，吸收管內(nèi)流動的高溫海水熱量，降低海水的溫度，并產(chǎn)生蒸汽進(jìn)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(qiáng)吸水性吸收蒸發(fā)器中的水蒸氣，從而提高溶液的溫度。當(dāng)溶液與傳熱管接觸時，加熱工藝熱水，從而實(shí)現(xiàn)傳熱。同時，溴化鋰溶液由濃變稀，不再有吸水性。

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

4）在冷凝器中，來自發(fā)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(jié)約了能源。蒸汽冷凝后產(chǎn)生的水通過管道進(jìn)入蒸發(fā)器，循環(huán)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(qū)動熱源）Q2在余熱回收機(jī)組中釋放的熱量之和。余熱回收機(jī)組的性能系數(shù)（COP）用COP=（Q1+Q2）/Q2確定。例如：吸收式余熱回收機(jī)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(jī)組提供的熱量始終大于驅(qū)動熱源的熱量。

2? 工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)

目前，該核電站余熱回收低溫?zé)嵩粗饕?臺機(jī)組，每臺機(jī)組需要2臺水泵降溫，每臺水泵的流量為6萬t/a，每臺機(jī)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(shù)為0.8 MPa和170.5 ℃，工藝熱水設(shè)計(jì)供水溫度為85 ℃，工藝熱水設(shè)計(jì)回水溫度為70 ℃，工藝熱水流量為1 650 t/h，年利用小時數(shù)為7 200 h。余熱回收方案單臺機(jī)組的參數(shù)如表1所示。

2.1? 余熱回收及蒸汽系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的余熱回收及蒸汽系統(tǒng)裝置和流程見圖2。余熱回收系統(tǒng)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(qū)動熱源采用0.8 MPa微過熱蒸汽，

在余熱回收機(jī)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(jī)組的工藝補(bǔ)充水或循環(huán)至裝置的冷凝系統(tǒng)。

2.2? 工藝熱水系統(tǒng)

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(jī)組，經(jīng)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(tǒng)，形成封閉水循環(huán)。利用原有工藝熱水加熱設(shè)備作為輔助加熱系統(tǒng)，保證工藝熱水滿足海水淡化工藝要求。余熱回收系統(tǒng)熱平衡圖見圖3。

2.3? 海水淡化系統(tǒng)

配置海水增壓泵，從機(jī)組外排海水母管中引部分40 ℃海水進(jìn)入余熱回收機(jī)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(shù)，主要工藝流程見圖4。海水淡化裝置采用9效蒸發(fā)器，最后一效蒸發(fā)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(lián)送入6～9效蒸發(fā)器，一部分海水自上而下流動時吸熱蒸發(fā)。6～9效蒸發(fā)后的濃縮海水并聯(lián)輸送到3～5效蒸發(fā)器進(jìn)行降膜蒸發(fā)。3～5效蒸發(fā)濃縮后的濃縮海水并聯(lián)輸送至1～2效蒸發(fā)器，進(jìn)行反復(fù)降膜蒸發(fā)。在效間壓差的作用下，1～2效蒸發(fā)剩余的濃海水逐漸流入第2效蒸發(fā)器進(jìn)行閃蒸，而從第2效蒸發(fā)器流入3～9效蒸發(fā)器濃水閃蒸罐進(jìn)一步閃蒸，以回收濃海水余熱，提高系統(tǒng)的產(chǎn)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(fā)器的蒸發(fā)管。供熱管道外的海水蒸發(fā)，在管道內(nèi)自行凝結(jié)，凝結(jié)的水由凝結(jié)水泵抽出。1效蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)過液滴分離器后，進(jìn)入2效蒸發(fā)器的傳熱管，加熱管外的海水蒸發(fā)，并在管內(nèi)冷凝形成成品水。以此類推重復(fù)此過程，各效蒸發(fā)器產(chǎn)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(chǎn)品水泵抽出。閃蒸后的淡水蒸汽進(jìn)入每一效對應(yīng)的蒸發(fā)器，與二次蒸汽一起作為下一效的加熱蒸汽，進(jìn)一步回收淡水余熱，提高產(chǎn)水率。

2.4? 維護(hù)保障系統(tǒng)

海水對余熱回收機(jī)組運(yùn)行的影響主要是腐蝕和結(jié)垢。鑒于海水的腐蝕性，余熱回收機(jī)組與海水接觸的部分由鈦制成，耐海水腐蝕。余熱回收機(jī)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(jī)組中進(jìn)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(shè)計(jì)采用單臺流量不超過2 500 t/h的熱泵，高流量時配置運(yùn)行2臺以上熱泵。機(jī)組首次安裝驗(yàn)收合格并投入運(yùn)行時，先進(jìn)行設(shè)備調(diào)試，將所有測試儀表、海水循環(huán)系統(tǒng)、工藝熱水循環(huán)系統(tǒng)和蒸汽系統(tǒng)投入運(yùn)行；而后啟動機(jī)組，檢查是否正常。日常停機(jī)維護(hù)并檢查機(jī)組的氣密性，禁止熱泵長期侵入大氣。機(jī)組內(nèi)的溶液為防止結(jié)晶應(yīng)充分稀釋。當(dāng)機(jī)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(yùn)行溶液泵，停止冷劑泵，使溶液進(jìn)入冷劑泵，防止冷劑泵中的冷卻水結(jié)冰。

3? 實(shí)踐結(jié)果與分析

3.1? 系統(tǒng)性能分析

與其他余熱回收機(jī)組相比，本文設(shè)計(jì)并投入企業(yè)使用的機(jī)組在系統(tǒng)性能上有了很大提高，如材質(zhì)可靠性高、系統(tǒng)安全性高、操作系統(tǒng)自動化程度高、控制系統(tǒng)完善等，并將海水淡化技術(shù)與基于吸收式換熱的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱技術(shù)有效地結(jié)合起來。

材質(zhì)可靠性高。板材選用專用鋼板，由鋼鐵廠家生成Fe3O4保護(hù)膜，更加致密，有效保護(hù)鋼板；溴化鋰溶液采用最合理濃度配置，品質(zhì)純正，在正常條件下使用無需更換儲液罐；管材采用材質(zhì)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(yùn)行穩(wěn)定；密封采用優(yōu)質(zhì)密封防孔蝕材料；緩蝕劑采用環(huán)保型緩蝕劑鉬酸鋰，綠色環(huán)保，在鋼板表面形成光滑的保護(hù)膜。

系統(tǒng)安全性高。吸收式余熱回收機(jī)組不僅性能可靠穩(wěn)定，而且適應(yīng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的能力強(qiáng)。機(jī)組大量采用折彎板，減少了焊縫數(shù)量，降低了結(jié)構(gòu)滲漏的可能性；管孔采用密封槽設(shè)計(jì)，使管子與板的伸縮縫更緊密，避免滲漏；整機(jī)及零件外表面分別進(jìn)行拋丸處理，可有效去除鋼板內(nèi)焊接造成的內(nèi)外平衡熱應(yīng)力，保證機(jī)器使用壽命；焊縫采用氬弧焊等焊接方式，確保機(jī)組內(nèi)部的潔凈度。當(dāng)停機(jī)過程中，由于系統(tǒng)輔機(jī)（熱水循環(huán)泵、余熱水循環(huán)泵等）的電耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于吸收式余熱回收機(jī)組，本機(jī)組可通過濃度計(jì)算得出最佳稀釋時間，縮短了稀釋周期時間，降低了系統(tǒng)運(yùn)行的整體能耗。

操作系統(tǒng)自動化程度高。采用結(jié)晶檢測系統(tǒng)自動計(jì)算結(jié)晶剩余量，并全程實(shí)時監(jiān)控溶液濃度和溫度，以防止結(jié)晶；采用先進(jìn)的超低壓噴嘴噴霧技術(shù)，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(zhì)譜分析儀，檢測精度達(dá)10～12 Pa·m3/s，在吸收式余熱回收機(jī)組生產(chǎn)過程中，對機(jī)組從每道焊縫到整機(jī)進(jìn)行氦質(zhì)譜檢漏，確保機(jī)組真空度，避免外部氧氣進(jìn)入機(jī)組造成腐蝕。此外，通過設(shè)置在余熱回收機(jī)組吸收器底部的噴射器，在溶液循環(huán)過程中，將機(jī)組中的不凝性氣體充分注入余熱回收機(jī)組頂部的集氣箱，然后根據(jù)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(jī)組的高效長周期運(yùn)行。同時，在抽氣管路設(shè)置多級保護(hù)，實(shí)現(xiàn)抽氣自檢漏和斷電自關(guān)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(tǒng)完善。配備先進(jìn)有效的自動檢測記錄系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、自動聯(lián)鎖報警系統(tǒng)、自動保護(hù)系統(tǒng)。吸收式熱泵的狀態(tài)參數(shù)通過通信數(shù)據(jù)接口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的遠(yuǎn)程監(jiān)控。電廠集控室監(jiān)控?zé)岜眠\(yùn)行參數(shù)與機(jī)組DCS（distributed control system）連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟停。操作模式可在本地和遠(yuǎn)程操作之間靈活切換，同時為防止誤操作或重復(fù)操作，設(shè)置了本地和遠(yuǎn)程操作相互關(guān)閉功能。

3.2? 環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益分析

該核電站采用本機(jī)組后，每年所需制熱量約為28 784 kW，年運(yùn)行費(fèi)約為20萬元，年回收海水余熱約為280 000 GJ，節(jié)約蒸汽量（0.8 MPa）約118 800 t/a。如果折算標(biāo)準(zhǔn)煤，按鍋爐效率85%折算，可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤消耗11 232 t，每年可節(jié)約475.2萬元。工藝熱水用于海水淡化，海水蒸餾的淡水水質(zhì)純凈，淡水產(chǎn)量300 t/h，全年淡水產(chǎn)量約2 160 000 t，每年可節(jié)約水費(fèi)864萬元。余熱回收機(jī)組電功率約35 kW，工藝熱水循環(huán)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(yùn)行功率約60 kW，冷卻水泵運(yùn)行功率約110 kW，年總運(yùn)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(jì)余熱回收新增年收益約1 177萬元，投入產(chǎn)出比達(dá)到8.28，遠(yuǎn)高于同行。本機(jī)組的成功實(shí)施不僅提高了余熱利用率，而且取得了良好的節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。

4? 結(jié)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(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。利用核電站余熱供熱，不僅可以提高核電機(jī)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(nèi)優(yōu)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(shè)計(jì)的溴化鋰吸收式余熱回收機(jī)組，將海水淡化技術(shù)和吸收式熱交換的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供應(yīng)技術(shù)有機(jī)結(jié)合和集成，構(gòu)建了核電余熱利用的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)淡化海水，減少對生態(tài)環(huán)境的影響，節(jié)約蒸汽，提高經(jīng)濟(jì)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(jī)組的設(shè)計(jì)提供參考。在今后的研究中，我們將繼續(xù)探索溴化鋰吸收式余熱回收機(jī)組的高效性，以進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)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