二类溴化锂吸收式热泵运行波动原因分析

蒋锋 董喜恩（中国石油化工股份有限公司金陵分公司烷基苯厂）

1 概述

金陵石化烷基苯厂的0.35 MPa 低压蒸汽由购置的10 MPa 高压蒸汽减压制得，蒸汽购置成本高。经调研厂内工艺装置中脱烷烃塔顶循环烷烃需要进行冷却，烷烃流量约390 t/h、温度约127 ℃，经过第二类升温型热泵[1]可制取0.35 MPa 蒸汽，既减少该厂外购蒸汽量，同时实现烷烃的冷却，满足工艺装置生产要求。

二类升温型吸收式热泵运行时不消耗高品位能源，耗电量低，可以利用装置产生的废热，用能成本极低，运行经济性好[2-4]。在保证工艺装置安全平稳运行的前提下，取自脱烷烃塔顶循环烷烃的余热，送至升温型吸收式热泵，烷烃可降温到86 ℃后回原冷却系统，热泵制取0.35 MPa（G）流量8.0 t/h 的饱和蒸汽进蒸汽管网，热泵热量转送示意图见图1。

2 运行情况

第二类溴化锂吸收式热泵是一种升温型热泵[5-7]，以低温热源为驱动力而用于提高其他物料温位的设备，其性能系数COP总是小于1，一般为0.47～0.5[8-9]，该热泵主要包括发生器、吸收器、蒸发器、冷凝器、热交换器、溶液泵、溶剂泵、热水泵等主要部件[10-11]。其中，蒸发器和吸收器液位使用探针型液位计，为保持热泵运行平稳，其液位分别与溶剂泵和溶液泵变频串级使用。

热泵于2012 年2 月投运，投运后，发现瞬时蒸汽量和热烷烃出热泵温度大幅波动，严重影响蒸汽用户及工艺装置操作。运行数据趋势烷烃出口温度及蒸汽产量变化如图2。

图1 热泵热量转送示意图

由图2 可知，在烷烃入口温度稳定情况下，蒸汽产量大幅波动，最大值为7.4 t/h，最小值为2.1 t/h，蒸汽产量累计均值小于5.54 t/h，远低于设计值（8.0 t/h）。烷烃出热泵温度大幅波动，最大值为86.2 ℃，最小值为82.1 ℃，波动较大，为消除此影响，对该泵进行跟踪分析，查找波动的原因。

图2 烷烃出口温度及蒸汽产量变化

3 原因分析

对热泵参数展开跟踪，发现在蒸汽量波动时，热泵溶剂泵和溶液泵的变频也相应发生大幅变化，具体如下：

1）溶剂泵变频变化幅度较大，瞬间由70 Hz 降至50 Hz，造成冷却器液位变化较大，跟踪分析，主要原因是蒸发器内液控箱探针间距过大，蒸发器内溶剂从低位A 区到高位B 区变化，溶剂实际液位变化很大，反馈给变频泵后，溶剂泵变频跟随一起大幅变化，导致蒸发器内液位大幅波动，使蒸发器内溶剂吸收烷烃热量大幅波动，进而引起热泵内吸收热量不稳定，造成烷烃出口温度大幅波动。

2）溶液泵变频变化幅度同样较大，瞬间由30 Hz升至50 Hz，造成发生器液位变化较大，主要是因为吸收器内液控箱探针间距过大，吸收器内溶剂从低位A 区到高位B 区变化，溶液实际液位变化很大，反馈给变频泵后，变频泵变频大幅波动，导致浓溶液流量大幅波动，喷洒至吸收器内，放热量不稳定，造成蒸汽流量大幅波动。

3）由于溶剂泵和溶液泵变频程序设定幅度较大，变频输出值在30～90 Hz，且由70 Hz 直接降至50 Hz，变频幅度达20 Hz，大幅度变化后，使吸收器底部出口溶液浓度大幅变化，导致在发生器内稀溶液吸收烷烃热量不稳定，致使烷烃出热泵温度的不稳定。

4 整改措施

查找设计图纸，蒸发器、吸收器的液位由4 根探针分成5 个区域（A、B、C、D、E），目标主控制区在B、C 区。为缩短热泵停工时间，计划对探针间距和变频控制系统进行整改，在8 月份将热泵切出、停运，对探针长度进行了整改，具体方法如下：

1）蒸发器液控箱每个区域液位高约5 cm，缩短蒸发器内部液位控制箱探针长度至2 cm，缩小控制区B、C 的液位差，使液位控制更精细，蒸发器探针长度调整见图3。

图3 蒸发器探针长度调整

调整后，探针控制区B、C 的液位差由近10 cm缩短至4 cm，溶剂泵可及时改变频率输出值，使蒸发器液位在微小区域内波动，吸收烷烃热量相对稳定，保持烷烃出口温度波动变小，同时蒸发器内产生的冷剂汽量恒定。

2）吸收器液控箱每个区域液位高约8 cm，调整内部液位控制箱探针长度至4 cm，缩短控制区B、C 的液位差，使液位控制更精细，吸收器探针长度调整见图4。

图4 吸收器探针长度调整

调整后，探针控制区B、C 的液位差由16 cm 缩短至8 cm，吸收器液位在微小区域内变化，使溶液泵变频值波动幅度减弱，减少了浓溶液流量的波动，在冷剂汽稳定的同时，保持了浓溶液量/冷剂汽量比值稳定，从而稳定了放热量，使吸收器内产生热量恒定。同时由于浓溶液量/冷剂汽量比值稳定，吸收器底部出口稀溶液浓度稳定，满足了在蒸发器内吸收烷烃热量的稳定和烷烃出热泵温度的平稳。

3） 对溶液泵、溶剂泵变频程序重新进行设置，将控制区设置在B、C 区域，变频输出值由 30～90 Hz 更改为 40～80 Hz，变频幅度每次 20 Hz更改为5 Hz，更加快速、精准的满足液位对变频的需要，达到溶液和溶剂在各个容器内的液位稳定，即稳定了浓溶液及冷剂的流量。

5 效果分析

5.1 蒸汽产量变化情况

8 月份对热泵进行调整后，同样调取一天的运行趋势，由整改前、后蒸汽产量变化趋势图（图5）可知，在烷烃入口温度平稳的情况下，出热泵温度和蒸汽产量变化幅度趋于平稳，蒸汽产量已达8.6 t/h，远超过调整前。

图5 整改前、后蒸汽产量变化趋势图

对比分析整改前、后蒸汽产量，从图中明显看出，整改后蒸汽产量不仅趋于平稳，且明显高于整改前，达到了预期的效果。

5.2 烷烃出口温度变化情况

同样，对烷烃出口温度进行了统计，整改前、后烷烃出口温度变化趋势见图6。

图6 整改前、后烷烃出口温度变化趋势

对比整改前、后烷烃出口温度变化趋势图，从中发现，整改后出热泵温度趋于平稳，波动范围明显小于改造前，达到了工艺装置生产的需要。

5.3 效益情况

根据以上数据，并与本装置技术规定的额定工况进行对比分析，在烷烃流量低于设计值的情况下，蒸汽产量平均值为8.6 t/h，超过额定指标8 t/h，烷烃出口温度也达到了设计规定的技术要求。整改前后运行参数见表1。

表1 整改前后运行参数

整改前蒸汽产量平均值为5.54 t/h，整改后蒸汽产量平均值为8.6 t/h，蒸汽价格按200 元/t 计算，多产生效益612 元/h，每年开车时间按350 天计算，则每年多收效益为514.08 万元，达到了初始节能降耗的目的。

6 结论

热泵运行不稳定的原因是吸收器和蒸发器内液位探针间距过大，泵变频输出值变化过大造成；经过对探针长度的调整，热泵运行平稳，烷烃出口温度稳定，满足了工艺装置操作的要求；蒸汽产量达到并超过了设计要求，充分回收了低位热能，减少了外购蒸汽量，提高了经济效益，达到了节能降耗的目的。