溴化锂吸收式余热回收机组的设计

钟国坚 谢庆亮 陈木凤

文章编号  1000-5269（2024）01-0078-05

DOI：10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2024.01.12

收稿日期：2023-03-24

基金项目：国家自然科学基金青年项目（11902135） 福建省中青年教师教育科研项目（JAT210910）

作者简介：钟国坚（1982—），男，副教授，硕士，研究方向：机械设计制造及自动化，E-mail：zgj1425san@163.com.

*通讯作者：钟国坚，E-mail：zgj1425san@163.com.

摘  要：针对核电站低温余热回收利用的问题，将海水淡化技术与基于吸收式热交换的热电联产集中供应技术相结合，设计了一个溴化锂吸收式余热回收机组。该机组主要由蒸发器、吸收器、发生器、冷凝器、溶液热交换器、节流装置、溶液泵、冷剂泵等组成。验证分析表明：该机组可有效回收高温海水的余热，并用于淡化海水，在所需制热量为28 784 kW的前提下，按年利用7 200 h计算，全年海水的余热回收量约280 000 GJ，全年淡水产量约2 160 000 t，减少了对生态环境的影响，大大提高了经济效益。因此该机组可为溴化锂吸收式热泵机组的优化设计提供良好参考。

关键词：溴化锂吸收式；余热回收；海水淡化；节能环保

中图分类号：TM623;TU83;TK115

文献标志码：A

工业余热再利用是企业减少环境污染，提高经济效益的重要方式。目前工业余热再利用的主要方法有热交换、热工转换和热泵回收余热，其中溴化锂吸收式余热回收机组是根据热泵回收余热设计的。它是以溴化锂溶液为介质，以高温热源为驱动源，将热量从低温热源传递给高温热源，并与驱动热源一起作为高温热源输出的循环装置［1-3］。这种方法具有结构简单、无噪声、无污染等优点，因此用于低热量余热回收和热电联产系统。近年来，一些学者对余热回收做了进一步研究。例如：李玉海等［4］描述了吸收式热泵机组在直接空冷热电厂的应用；刘刚［5］研究了吸收式热泵在供热机组中适用性及经济性；徐志勇等［6］研究了大型串联吸收式热泵电厂余热回收；蒋奎振［7］研究了利用热泵回收电厂余热的方法；胡乔良等［8］分析了基于供熱负荷的吸收式热泵供热机组变工况性能；冶永福［9］分析研究了热电厂利用“吸收式热泵”进行余热供暖技术；杜亚威等［10］优化分析了低温多效海水淡化混流效组系统；安美燕等［11］研究了工业余热回收的耦合压缩-吸收式高温热泵循环；王虹雅等［12］研究了数值模拟双效溴化锂吸收式热泵余热回收系统；张抖等[13］分析了吸收式热泵对热电联产机组调峰能力影响；马世财等［14］分析了基于吸收-压缩新型热泵循环变工况性能；邰传民［15］研究了基于核电余热利用的水热联供系统。由以上文献可以看出，目前基于核电余热利用的热电联产系统的研究仍较少，并且该研究仅集中于余热回收。为此，本文设计了一种基于吸收式热交换的海水淡化技术与热电联产集中供应技术相结合的溴化锂吸收式余热回收机组，并通过福建某核电站的实际应用，验证了该机组节能减排的可行性。

1  工艺设计思路

本文以福建某核电站海水冷却工程为例设计的溴化锂吸收式余热回收机组见图1，即通过将MED（multiple effect distillation，多效蒸发结晶）海水淡化技术与基于吸收式热交换的热电联产集中供应技术有机结合和集成，构建了一种基于核电余热利用的热电联产系统。该机组主要由蒸发器、吸收器、发生器、冷凝器、溶液热交换器、节流装置、溶液泵、冷剂泵等组成。其中，溶液热交换器可以提高机组的热力系数；溶液泵、制冷剂泵以及相应的连接管道、阀门等使机组连续工作，并使工作介质在各设备中循环。溴化锂吸收式余热回收机组工作过程主要体现在：

1）在蒸发器中，保持真空状态下利用水在负压状态下低沸点的原理，高温海水与传热管表面接触会低温沸腾，吸收管内流动的高温海水热量，降低海水的温度，并产生蒸汽进入吸收器，完成热量的回收过程。

2）在吸收器中，溴化锂浓溶液利用其强吸水性吸收蒸发器中的水蒸气，从而提高溶液的温度。当溶液与传热管接触时，加热工艺热水，从而实现传热。同时，溴化锂溶液由浓变稀，不再有吸水性。

3）在发生器中，高温蒸汽产生的热量用于浓缩通过溶液泵从吸收器进入发生器的稀溴化锂溶液。产生的浓溶液吸水性强，通过溶液热交换器继续进入吸收器吸收水蒸气，而产生的水蒸气进入冷凝器。

4）在冷凝器中，来自发生器的高温蒸汽冷凝热量被用于海水淡化的工艺热水再次加热，节约了能源。蒸汽冷凝后产生的水通过管道进入蒸发器，循环上述过程（1）～（4）。

图1中工艺热水在吸收器和冷凝器中吸收的总热量等于海水余热（低位热源）Q1和蒸汽热量（驱动热源）Q2在余热回收机组中释放的热量之和。余热回收机组的性能系数（COP）用COP=（Q1+Q2）/Q2确定。例如：吸收式余热回收机组的COP为1.65～1.84，即消耗1份蒸汽热量Q2，可以回收0.65～0.84份海水余热Q1，同时可为工艺热水提供1.65～1.84份热量（Q1+Q2），而吸收式余热回收机组提供的热量始终大于驱动热源的热量。

2  工艺设计系统

目前，该核电站余热回收低温热源主要有6台机组，每台机组需要2台水泵降温，每台水泵的流量为6万t/a，每台机组总流量为12万t/a，排出的海水温度常年约为40 ℃。蒸汽参数为0.8 MPa和170.5 ℃，工艺热水设计供水温度为85 ℃，工艺热水设计回水温度为70 ℃，工艺热水流量为1 650 t/h，年利用小时数为7 200 h。余热回收方案单台机组的参数如表1所示。

2.1  余热回收及蒸汽系统

本文设计的余热回收及蒸汽系统装置和流程见图2。余热回收系统以3 131 t/h的海水流量将40 ℃的高温排放海水降温至37 ℃，同时将70 ℃的工艺热水加热至85 ℃，总流量为1 650 t/h，并用于海水淡化。驱动热源采用0.8 MPa微过热蒸汽，

在余热回收机组中放热后冷凝，冷凝液温度为90 ℃。冷凝的蒸汽由冷凝水箱收集，由排水泵排出，可用作机组的工艺补充水或循环至装置的冷凝系统。

2.2  工艺热水系统

配制工艺水增压泵，将海水淡化的70 ℃工艺热回水输入余热回收机组，经蒸汽热源和高温海水加热至85 ℃后，回用于海水淡化工艺系统，形成封闭水循环。利用原有工艺热水加热设备作为辅助加热系统，保证工艺热水满足海水淡化工艺要求。余热回收系统热平衡图见图3。

2.3  海水淡化系统

配置海水增压泵，从机组外排海水母管中引部分40 ℃海水进入余热回收机组，回收高温海水中余热后将37 ℃海水排出。海水淡化采用MED技术，主要工艺流程见图4。海水淡化装置采用9效蒸发器，最后一效蒸发器接冷凝器。料液海水首先加入阻垢剂和消泡剂，然后在冷凝器中加热到45 ℃，再并联送入6～9效蒸发器，一部分海水自上而下流动时吸热蒸发。6～9效蒸发后的浓缩海水并联输送到3～5效蒸发器进行降膜蒸发。3～5效蒸发浓缩后的浓缩海水并联输送至1～2效蒸发器，进行反复降膜蒸发。在效间压差的作用下，1～2效蒸发剩余的浓海水逐渐流入第2效蒸发器进行闪蒸，而从第2效蒸发器流入3～9效蒸发器浓水闪蒸罐进一步闪蒸，以回收浓海水余热，提高系统的产水率。85 ℃的热水通过闪蒸装置冷却到70 ℃，得到的70 ℃饱和蒸汽直接输入1效蒸发器的蒸发管。供热管道外的海水蒸发，在管道内自行凝结，凝结的水由凝结水泵抽出。1效蒸发器产生的二次蒸汽经过液滴分离器后，进入2效蒸发器的传热管，加热管外的海水蒸发，并在管内冷凝形成成品水。以此类推重复此过程，各效蒸发器产生的蒸馏水由前至后汇合，在效间压差的作用下逐渐闪蒸，由冷凝器中的产品水泵抽出。闪蒸后的淡水蒸汽进入每一效对应的蒸发器，与二次蒸汽一起作为下一效的加热蒸汽，进一步回收淡水余热，提高产水率。

2.4  维护保障系统

海水对余热回收机组运行的影响主要是腐蝕和结垢。鉴于海水的腐蚀性，余热回收机组与海水接触的部分由钛制成，耐海水腐蚀。余热回收机组入口处配置加药装置，可杀死残留的微生物，防止堵塞换热管。此外，大流量的海水通过分流装置在余热回收机组中进行热交换。本方案热量约为28 MW，单台热泵工程最大供热能力约100 MW，可满足要求。设计采用单台流量不超过2 500 t/h的热泵，高流量时配置运行2台以上热泵。机组首次安装验收合格并投入运行时，先进行设备调试，将所有测试仪表、海水循环系统、工艺热水循环系统和蒸汽系统投入运行；而后启动机组，检查是否正常。日常停机维护并检查机组的气密性，禁止热泵长期侵入大气。机组内的溶液为防止结晶应充分稀释。当机房温度降至5 ℃以下时，打开溶液泵出口的冷却水取样阀和充液阀，运行溶液泵，停止冷剂泵，使溶液进入冷剂泵，防止冷剂泵中的冷却水结冰。

3  实践结果与分析

3.1  系统性能分析

与其他余热回收机组相比，本文设计并投入企业使用的机组在系统性能上有了很大提高，如材质可靠性高、系统安全性高、操作系统自动化程度高、控制系统完善等，并将海水淡化技术与基于吸收式换热的热电联产集中供热技术有效地结合起来。

材质可靠性高。板材选用专用钢板，由钢铁厂家生成Fe3O4保护膜，更加致密，有效保护钢板；溴化锂溶液采用最合理浓度配置，品质纯正，在正常条件下使用无需更换储液罐；管材采用材质均匀，耐高温、耐海水腐蚀材料；采用高气密性隔膜阀门，确保运行稳定；密封采用优质密封防孔蚀材料；缓蚀剂采用环保型缓蚀剂钼酸锂，绿色环保，在钢板表面形成光滑的保护膜。

系统安全性高。吸收式余热回收机组不仅性能可靠稳定，而且适应和调节系统的能力强。机组大量采用折弯板，减少了焊缝数量，降低了结构渗漏的可能性；管孔采用密封槽设计，使管子与板的伸缩缝更紧密，避免渗漏；整机及零件外表面分别进行抛丸处理，可有效去除钢板内焊接造成的内外平衡热应力，保证机器使用寿命；焊缝采用氩弧焊等焊接方式，确保机组内部的洁净度。当停机过程中，由于系统辅机（热水循环泵、余热水循环泵等）的电耗远远大于吸收式余热回收机组，本机组可通过浓度计算得出最佳稀释时间，缩短了稀释周期时间，降低了系统运行的整体能耗。

操作系统自动化程度高。采用结晶检测系统自动计算结晶剩余量，并全程实时监控溶液浓度和温度，以防止结晶；采用先进的超低压喷嘴喷雾技术，将溶液或冷却液从喷嘴喷出时雾化，喷雾均匀、面积大、效果好；采用高精度氦质谱分析仪，检测精度达10～12 Pa·m3/s，在吸收式余热回收机组生产过程中，对机组从每道焊缝到整机进行氦质谱检漏，确保机组真空度，避免外部氧气进入机组造成腐蚀。此外，通过设置在余热回收机组吸收器底部的喷射器，在溶液循环过程中，将机组中的不凝性气体充分注入余热回收机组顶部的集气箱，然后根据集气箱的压力自动启动和停止真空泵，从而减少真空泵的启动时间和频率，维持机组的高效长周期运行。同时，在抽气管路设置多级保护，实现抽气自检漏和断电自关断功能，防止抽气管道泄漏和断电管道开放引起的外部气体倒灌。

控制系统完善。配备先进有效的自动检测记录系统、故障诊断系统、自动联锁报警系统、自动保护系统。吸收式热泵的状态参数通过通信数据接口传输到上位机，实现机组的远程监控。电厂集控室监控热泵运行参数与机组DCS（distributed control system）连接，实现远程启停。操作模式可在本地和远程操作之间灵活切换，同时为防止误操作或重复操作，设置了本地和远程操作相互关闭功能。

3.2  环境经济效益分析

该核电站采用本机组后，每年所需制热量约为28 784 kW，年运行费约为20万元，年回收海水余热约为280 000 GJ，節约蒸汽量（0.8 MPa）约118 800 t/a。如果折算标准煤，按锅炉效率85%折算，可节约标准煤消耗11 232 t，每年可节约475.2万元。工艺热水用于海水淡化，海水蒸馏的淡水水质纯净，淡水产量300 t/h，全年淡水产量约2 160 000 t，每年可节约水费864万元。余热回收机组电功率约35 kW，工艺热水循环泵功率约200 kW，海水泵功率约250 kW，蒸汽冷凝水排放泵功率约3 kW，海水淡化装置新增配套冷却塔运行功率约60 kW，冷却水泵运行功率约110 kW，年总运行功率为4 738 000 kW·h，余热利用每年新增成本约142.2万元，总计余热回收新增年收益约1 177万元，投入产出比达到8.28，远高于同行。本机组的成功实施不仅提高了余热利用率，而且取得了良好的节能环保和经济效益。

4  结论

余热是一种宝贵的资源，中国将在未来二氧化碳排放峰值时实现碳中和的目标。利用核电站余热供热，不仅可以提高核电机组的整体热效率，还可以减少燃料的消耗和二氧化碳的排放，在更大范围内优化热源配置，使核电余热变成零碳供热热源。研究表明，本文设计的溴化锂吸收式余热回收机组，将海水淡化技术和吸收式热交换的热电联产集中供应技术有机结合和集成，构建了核电余热利用的热电联产系统。该设计可有效回收高温海水余热，加热海水淡化工艺热水，降低电厂热排水温度，实现淡化海水，减少对生态环境的影响，节约蒸汽，提高经济效益。因此，本文的研究成果可以为溴化锂吸收式余热回收机组的设计提供参考。在今后的研究中，我们将继续探索溴化锂吸收式余热回收机组的高效性，以进一步提高经济效益和环境效益。参考文献：

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［15］邰传民. 基于核电余热利用的水热联供系统分析［D］. 济南： 山东建筑大学， 2022.

（责任编辑：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