吸收式换热系统的设计模拟与分析

葛宇 周小三 薄其明

摘要：大温差吸收式换热技术可以实现降低长输供热管网回水温度进而提高热电厂能源利用效率的目的。本文对换热站采用吸收式换热技术的供热系统进行了设计，并使用ASPEN Plus软件对其进行了技术可行性分析，指导并应用于北方某地实际热力站改造项目达到了预期效果。

Abstract： The absorption heat exchange technology with large temperature difference can achieve the purpose of reducing the return water temperature of the long-distance heat supply pipe network， thereby improving the energy utilization efficiency of thermal power plants. In this paper， the design of the heat exchange station using the absorption heat exchange system is designed， and the technical feasibility of it is analyzed using ASPEN Plus software. In addition， it was guided to apply to the actual thermal station renovation project in a certain place in the north to achieve the expected results.

关键词：吸收式换热;回水温度;ASPEN Plus;技术可行性

Key words： absorption heat transfer;return water temperature;ASPEN Plus;technical feasibility

中图分类号：TU995                                    文献标识码：A                                  文章編号：1006-4311（2020）29-0142-03

0  引言

我国集中供热热力网遍布于全国近140个大中型城市，且逐步趋向扩大化[1]。随着国民经济不断发展以及人民生活水平不断提高，人们对于建筑居住环境的舒适度也有了更高的要求。因此，在我国实现城市现代化的进程中，城市热网的建设和改造是保障居民生活水平和提升生活质量的重要环节，同时，集中供热技术（热源、热网、热力站）的改进和发展具有重要战略意义。

目前城市集中供热面临两方面的问题：一是热网的热量输送能力有限，难以满足长距离热能输送;二是城市热源普遍不足，无法满足城市建设日益增长的用热需求[2]。江亿[3]等提出基于大温差吸收式换热技术的热电联产集中供热方法可有效解决以上问题。通过在热电厂以及热力站内设置吸收式热泵换热机组，与常规供热温差相比有效降低一次侧回水温度，热源供热能力和能源利用效率显著提升[4-7]。其中设置于热电厂和热力站内的吸收式热泵换热机组是供热系统的关键设备之一，该设备利用热泵技术原理[8]实现一次网供回水“大温差”的目的。本文通过ASPEN Plus软件对基于溴化锂吸收式热泵的换热系统，进行了技术可行性分析，并指导应用于银川市集中供热改造项目中取得了良好效果。

1  换热站吸收式换热系统

国内太古（古交兴能电厂至太原市）集中供热工程采用热力站改造为吸收式换热机组供热技术[9]已实现长距离大温差的热电联产供热，其系统流程如图1所示。该系统是通过将太原市原有热力站改造为配有板式换热器与吸收式热泵机组的大温差热力站。

本文借鉴太古工程经验，针对项目中不具备改造条件的多座原小型热力站，将吸收式换热机组集中设置于上一级中心热力站中，其系统流程如图2所示。对于改造后的热力站能否在保证用户用热需求的前提下实现一次网侧“大温差”的目的，将在下一小结通过模拟进行分析和说明。

换热站采用吸收式换热技术是基于溴化锂吸收式热泵原理，辅助加装了混水系统与控流组件以实现对一次热网驱动热源和二次网用户侧的供回水的流量调节，系统原理如图3所示。该系统主要包括有：发生器、吸收器、蒸发器、冷凝器、溶液换热器、节流阀等装置。其中，吸收式热泵机组中的循环工质为溴化锂溶液（LiBr-H2O）。

机组内部工质流程如下：吸收器中的溴化锂稀溶液经由溶液泵送至发生器，溴化锂溶液在发生器中被驱动热源加热至饱和并产生冷剂蒸汽，同时溶液浓缩成溴化锂浓溶液。溴化锂浓溶液经发生器进入溶液换热器，与泵送的溴化锂稀溶液进行热量交换后进入吸收器，溴化锂溶液循环以此往复。

机组外部介质流程如下：①一次侧驱动热源按照设定比例被分为两支路，一支路通过板式换热器进行换热;另一支路进入发生器驱动溴化锂溶液中冷剂蒸发，而后经过蒸发器通过释放热量加热低压冷剂蒸汽后与第一支路混合后返回。②二次用户侧直供循环回水按照设定比例被分为两支路，一支路通过板式换热器与一次侧热水进行热量交换;另外一支路经过吸收器和冷凝器完成吸热后与第一支路混合后供给热用户使用。

2  流程的搭建及数值模拟

2.1 ASPEN Plus介绍

ASPEN Plus[10]（Advanced System for Process Engineering）是麻省理工学院开发的大型通用流程模拟系统，其具有完备的单元操作模型，完备的物料操作系统，先进的拟合方法，以及强大的集成能力。ASPEN Plus软件中具有50多种单元操作模块来模拟不同类型的设备元件，例如本文模拟吸收式热泵换热系统中，分别使用Columns、Separators、Heat-Exchanger、Valve模块模拟吸收器、发生器、蒸发器、冷凝器以及节流阀。

2.2 模拟条件的假设

为了简化计算模型，本文模拟做出如下假设条件：

①整个系统处于热平衡状态，工质处于稳定流动

状态。

②高压侧：发生器的工作压力等于冷凝器中工质的冷凝压力;低压侧：吸收器的工作压力等于蒸发器中工质的蒸发压力。

③离开蒸发器、冷凝器的工质为饱和状态，离开发生器、吸收器的溴化锂溶液为饱和溶液。

④忽略连接管件及设备单元中循环工质的流动阻力、压降损失以及热流损失。

⑤节流过程前后工质的比焓值不变。

2.3 模拟流程的建立

利用ASPEN Plus软件中FLASH、HEATER、PUMP、VALUE等模块对溴化锂吸收式热泵机组进行模拟，单效的换热站吸收式换热系统如图4所示。模型中的模块说明见表1，系统模型中实线表示为物质流，虚线表示为工质热流。

整个换热流程分别由吸收式热泵换热与常规板式换热器换热两部分组成。其中一次侧驱动热源热水进入吸收式热泵，以90-130℃高温热水作为驱动热源提取出45-55℃的低温段热水，另一部分直供网回水通过板式换热器与驱动热源进行换热制取70-80℃的高温段热水，两部分热水流量按照设定比例混合制取60-65℃的中温段的热水供给热用户使用。

2.4 模拟结果

本文通过ASPLEN Plus软件对热力站大温差换热机组进行了模拟，一次侧驱动热源热水温度为130℃，二次用户侧的供/回水温度分别为60℃/40℃。为提高供热能力、管网热量输送能力以及热电联产中锅炉的使用效率，采用LiBr-H20吸收式热泵机组将驱动热源的回水温度降低至20℃。模拟的结果参数如表2所示。

通过数值模拟计算结果得到的吸收式熱泵机组各部件的热负荷如表3所示。在不计整个装置运行时工质循环泵，以及风机等的能耗时，该吸收式热泵机组的性能系数可用下式进行计算：

将表3中数据代入上式可得，该系统的COP值约为1.753。需注意的是，此计算未全面考虑吸收式热泵中各设备部件的散热损失以及工质泵和溶液泵等的电耗，实际热泵效率应低于该值。

2.5 运行数据对比

本文选取实际工程中典型状态点与模拟数据值进行对比，根据模拟结果指导的实际工程换热站采用吸收式热泵换热系统二次侧的供回水温度基本符合设计值要求，即供水温度60℃，回水温度40℃，可以满足用户的用热需求。实际运行数据中驱动热源温度、一次网回水温度、二次侧供水温度、二次侧回水温度与通过ASPEN Plus模型模拟的数据值较为相近。其中实际运行过程中，一次侧驱动热源的供水温度较模拟值偏低，直接或间接导致其余循环水供回水温度值较模拟值产生不同幅度的偏差。

3  结论

本文通过设置中心热力站，在不拆除原有小型热力站二次侧的热网管道前提下，在满足用户的用热需求的同时，实现一次网侧“大温差”的目的。运用ASPEN Plus软件对其系统循环工质的物性参数以及各设备部件模块的热负荷进行了模拟计算。基于溴化锂吸收式换热系统的数值模拟与工程实践的应用，为城市集中供热项目中的既有小型锅炉房和小型区域换热站改造大温差热力站提供实用借鉴意义，并为我国长输管道集中供热工程提供参考。

参考文献：

[1]徐中堂.我国城市集中供热在创新中发展[J].区域供热，2014（2）：1-8.

[2]赵惠中，赵欣刚.热电厂余热利用技术综述及工程实例[J].煤气与热力，2018，38（7）：A01-A05.

[3]付林，江亿，张世钢.基于CO-ah循环的热电联产集中供热方法[J].清华大学学报，2008，48（9）：1377-1380.

[4]付林，孙健，李岩，等.山西大同一电厂基于吸收式换热的热电联产集中供热系统工程测试[J].区域供热，2013，3（7）：10-16.

[5]付国栋，谢争先，肖常磊，赵然.大温差吸收式换热技术换热站应用案例分析[J].建筑热能通风与空调，2019，38（2）：70-72.

[6]王冠英，赵欣刚，周立彪，等.长输管道大温差供热回水温度的控制方案[J].煤气与热力，2020，40（1）：A1-A4.

[7]孙仲武.热电冷联供系统能效分析[J].价值工程，2012，21（48）：53-54.

[8]陈东，谢继红.热泵技术手册[M].化学工业出版社，2012.

[9]石光辉.太原太古大温差长输供热引发的新探讨[J].区域供热，2019，1：71-76.

[10]孙兰义.化工过程模拟实训-ASPEN Plus教程[M].二版.化学工业出版社，2017.