溴化锂吸收式热泵及其在电站冷却水余热回收中的应用

赵 阳, 梁 磊, 马青川, 孟昱言, 王 斌, 王春生

(1.上海电力学院, 上海 200090; 2.烟台恒辉铜业有限公司, 山东 烟台 264003)



溴化锂吸收式热泵及其在电站冷却水余热回收中的应用

赵 阳1, 梁 磊1, 马青川2, 孟昱言2, 王 斌2, 王春生2

(1.上海电力学院, 上海 200090; 2.烟台恒辉铜业有限公司, 山东 烟台 264003)

利用热泵技术回收利用电站凝汽器冷却水余热资源是节能减排的一项重要措施.调查和研究了溴化锂吸收式热泵在电站冷却水余热回收中的应用、存在的主要问题和解决措施.研究表明:热泵回收的余热可用于加热供暖用的热网水、进除氧器的补水和凝汽器凝结水等;污垢和腐蚀是影响电站溴化锂热泵安全经济运行的主要问题;添加阻垢缓蚀剂、杀菌剂和清洗可防治污垢;合理选材、添加缓蚀剂和保持换热管清洁可防治腐蚀.

热泵; 余热利用; 污垢; 腐蚀

能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础,是推动国民经济发展的强大动力.我国能源利用率仅有30%左右,即便是欧美等工业发达国家,尚有43%～60%的工业余热被白白浪费[1].因此,深入开展工业节能,回收工业余热资源是节能减排的一项重要措施[2].热力发电厂是能源大户,回收电厂余热资源也是其节能减排的一项重要措施.

1 冷却水余热回收应用的意义与方法

一般大型火电厂实际能源利用率仅为40%左右,近60%的热量绝大部分通过烟囱和凝汽器的冷却水疏散到环境中,既浪费了大量的能源,又对周边环境造成了很大的热污染[3].表1列举了火电厂的各项损失[4].由表1可知,在火电厂的全部能量损失中,汽轮机冷源损失占了绝大部分,约为83%以上,汽轮机冷源损失基本就是冷却水带走的热量.

表1 火力发电厂的各项损失 %

对1 000 MW火电机组而言,凝汽器冷却水流量为35～45 m3/s,所蕴含的热流量为1.5～1.9 GJ/s,排水温升(即超过环境水域的温度)为8～13 ℃(视季节而变),该温升所赋存的热量约1.2×106～1.9×106kJ/s;按年运行5 000 h计,其热量折合标准煤约7×105～1.14×106t/a[3].因此,合理利用火电厂冷却水的余热具有十分重要的意义.

电厂冷却水温度在50 ℃以下,属于低品位热能,难以直接利用.热泵是一种使热量从低温物体转移到高温物体的能量利用装置.利用热泵可以回收低温余热,利用环境介质(工业冷却水、地下水、地表水、土壤和室外空气等)中储存的能量,从而提高能源的有效利用率.电厂循环冷却水流量稳定,温度高于环境温度约10 ℃,通常在热泵系统要求的温度范围之内.近年来,热泵技术在电厂冷却水余热回收利用方面的发展十分迅速,多家火电厂已经实施或正在实施电厂循环水余热利用改造工程.

利用热泵技术回收冷却水余热的用途主要有3种:一是用于加热供暖用的热网水;二是加热进除氧器的除盐补水;三是加热凝汽器凝结水.第1种应用案例较多,一般热电联产的热电厂均可采用.对北方城市供热的电厂,由于每年供暖期只有几个月,故静态投资回收期较长,一般在3～5年.第2种用于补水量特别大的化工企业的自备电厂和工业园区生产蒸汽的电厂,静态投资回收期较短,一般为2～3年.与特大量补水直接加入凝汽器的技术路线相比,热泵加热补水方案具有溶解氧指标易达标、凝汽器至除氧器之间的设备不易腐蚀的优点.热泵加热补水的案例不多,已见文献报道的有安徽一家自备电厂[5].东北电力大学周振起对热泵回收电厂循环水余热加热凝汽器凝结水进行了可行性与经济性分析,认为是可行的,且具有环保、节能的双重功效[6].

2 热泵简介

根据工作原理,热泵的种类主要有压缩式、吸收式、化学式和热电式等[7].工业用大型热泵主要是压缩式和吸收式.吸收式热泵的特性如下:

(1) 运动部件少,噪声低,运转磨损小,但制造费用比压缩式热泵高;

(2) 用废热或低成本燃料驱动时比压缩式热泵更合适;

(3) 操作弹性好,在冷凝温度和蒸发温度之差增大时,热力系数的变化幅度比压缩式热泵小;

(4) 不用氟氯烃,不会破坏大气臭氧层;

(5) 容量比压缩式热泵大得多,已经商业化的溴化锂吸收式热泵单机容量已超过70 MW,压缩式热泵一般只有几兆瓦.

吸收式热泵按制热目的可以分为以下两大类.

第一类吸收式热泵也称增热型热泵,是利用少量的高温热源(如蒸汽、高温热水、可燃性气体燃烧热等)为驱动热源,产生大量有价值的中温热能.即利用高温热能驱动,将低温热源的热能提高到中温,从而达到提高热能利用率的目的.第一类吸收式热泵的性能系数大于1,一般为1.5～2.5.电厂回收循环冷却水余热用热泵基本都是第一类.

第二类吸收式热泵也称升温型热泵,是利用大量的中温热源产生少量有价值的高温热能.即利用中低温热能驱动,用大量中温热源和低温热源的热势差,制取热量少于中温热源但温度高于中温热源的热量,将部分中低热能转移到更高温位,从而达到提高热能利用率的目的.第二类吸收式热泵性能系数总是小于1,一般为0.4～0.5.该类热泵较多用于化工企业.

吸收式热泵的工质对主要有H2O-LiBr和NH3-H2O两大类.由于氨工质易发生重大人身安全事故,因此电厂回收冷却水余热用热泵一般都采用溴化锂溶液,其基本构成和工作原理[7]为:吸收式热泵由发生器、吸收器、冷凝器、蒸发器、节流阀、溶液泵、溶液阀、溶液热交换器等8个主要部件组成,H2O-LiBr工质对在这8个主要部件组成的系统内封闭循环.其基本构成如图1所示[7].

图1 吸收式热泵的基本构成

(1) 发生器 利用热水、蒸汽或燃料火焰加热发生器里的工质对溶液(H2O-LiBr工质对的浓溶液),使其中的低沸点循环工质变为蒸汽,而高沸点吸收剂仍然保持为液态.

(2) 吸收器 利用工质对溶液(H2O-LiBr工质对稀溶液)对循环工质较强的吸收能力,将蒸发器中产生的循环工质蒸汽抽吸到吸收器里.

(3) 冷凝器 由发生器进来的循环工质蒸汽在冷凝器中冷凝为液体,同时放出热量.

(4) 节流阀 节流阀前压力、温度较高的循环工质液体经节流阀后变为压力、温度较低的循环工质饱和汽、饱和液混合物,也就是湿蒸汽.

(5) 蒸发器 由节流阀来的低压、低温循环工质湿蒸汽在蒸发器中吸收低温热源的热量,变为饱和汽.

(6) 溶液泵 不断地将吸收器中的工质对稀溶液送入发生器,保持吸收器、发生器中溶液量、溶液浓度的稳定.

(7) 溶液阀 其作用是调节由发生器中流入吸收器的溶液量.

(8) 溶液热交换器 是流出吸收器的稀溶液与流出发生器的浓溶液进行热交换的部件,使进入吸收器中的稀溶液温度降低,提高吸收器中溶液的吸收能力;使进入发生器的稀溶液温度升高,节省发生器中的高温热能消耗.

电厂汽轮机凝汽器出来的冷却水作为余热水进入热泵蒸发器管内放出热量后再回到凝汽器冷却水系统.被加热介质(热网水回水、或进除氧器的除盐补水或凝结水)先进入热泵吸收器管内,再进入冷凝器管内吸收热量后流出热泵.

3 溴化锂吸收式热泵换热元件与材料

溴化锂吸收式热泵内有溶液热交换器、发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器5大热交换器.溶液热交换器换热元件通常采用板式,发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器通常采用管式.发生器换热管浸没在溴化锂溶液中,管内走蒸汽,用于加热管外溴化锂溶液,使其沸腾.冷凝器管外是蒸汽冷凝,管内是被加热的热网水或除盐补水、凝结水.发生器和冷凝器大多采用光管.蒸发器管内走余热水,即电厂凝汽器冷却水,管外是溴化锂溶液.为增加有效蒸发面积和传热效果,溴化锂溶液应在蒸发器管外充分铺展,因此蒸发器管外通常是麻面或者毛面.麻面管又称低翅片高效传热管,是通过机械滚切加工,形成一个个凹凸麻点,如图2所示.

毛面管是通过喷砂或喷丸处理,使表面粗糙变毛,具有较好的亲水性.吸收器管内走余热水,管外是溴化锂溶液,通常也采用麻面管或毛面管.

目前发生器管较多采用低碳钢管.无缓蚀剂的溴化锂溶液对碳钢的腐蚀性很强,添加缓蚀剂可大幅降低腐蚀速率.为提高耐蚀性能,现在少数发生器也开始采用中铬现代铁素体不锈钢,如436 L.

图2 麻面管表面形貌

冷凝器、蒸发器和吸收器换热管所用材料的种类较多,有铜管、不锈钢管和钛管3大类.铜管以工业纯铜为主(紫铜管),常用牌号是TP2(Cu≥99.98,P0.013～0.015),溴化锂热泵和制冷机使用铜管较普遍.不锈钢管又分为奥氏体、铁素体和双相不锈钢3类,不锈钢管具有较好的技术经济性能,在电站凝汽器上已替代了绝大部分铜合金管[8-9],目前热泵上也有不锈钢管替代铜管的发展趋势.现代铁素体不锈钢和双相不锈钢管不含镍或少含镍,具有较高的性价比,有替代奥氏体不锈钢管的趋势.钛管对氯和溴离子具有很强的耐蚀性能,但是价格较贵,现在热泵上使用较少.

4 溴化锂吸收式热泵在电站冷却水余热回收中的应用

内蒙古CF电厂2#机135 MW,用4台RB0.17-30-40/34-55/80型溴化锂吸收式热泵回收循环冷却水余热,主要性能参数见表2.

表2 CF电厂RB0.17-30-40/34-55/80型热泵主要性能参数

据该厂热泵性能实测报告,热泵余热回收系数COP值为1.72,4台热泵总制热功率117 MW,回收循环水余热49 MW.该热泵系统一个供暖期就可节约标煤28 684 t,节约循环水5.724×105t.

据不完全统计,截止2014 年初,推向市场的吸收式热泵项目已超过60个,其中电力供暖行业接近50%,其他还有石油、化工、钢铁、纺织、印染、机械制造等行业.利用溴化锂吸收式热泵回收冷却水余热用于城市供暖的部分大型热电厂简况见表3,其总容量已经超过2 500 MW.

表3 用溴化锂吸收式热泵回收冷却水余热的部分大型热电厂

5 影响溴化锂热泵安全经济运行的主要问题及防治措施

影响电站溴化锂热泵安全经济运行的主要问题是污垢和腐蚀.

5.1 热泵污垢与防治

热泵污垢种类主要有泥沙沉积物、生物污泥、腐蚀产物和化学结晶垢等.供暖热泵吸收器和冷凝器管内是热网水,易产生铁锈垢.热泵蒸发器管内是电站凝汽器冷却水,而电站冷却水成分复杂,有淡水、微咸水、咸水和海水,有地表水也有地下水.北方供热电厂通常在缺水的地区,冷却水浓缩倍数高,容易产生化学结晶垢,如碳酸钙.还有一些北方供热电厂采用经过处理的城市污水(称为再生水或中水),氨氮和COD很高,容易产生生物污泥.如内蒙古CF电厂余热水就是再生水,打开时有厚厚一层黑色的生物污泥,并有较重的臭味.

污垢严重影响传热,在凝汽器条件下,即使是0.015 mm厚的碳酸钙垢,也会使总传热系数降低50%左右,其热阻约占总热阻的50%以上,是控制热阻[10].污垢还容易产生严重的垢下腐蚀,因此必须采取各种措施防止或尽量减少污垢的产生.

对热网水防治铁锈垢的主要措施是适当提高pH值,加缓蚀剂;防治化学结晶垢的主要措施是减少硬度,如采用软化水,或者加入阻垢剂;防治余热水化学结晶垢的主要措施是加入阻垢剂;防治生物污泥的主要措施是加入杀菌剂和粘泥剥离剂.另外停机时,应进行清洗,如高压水冲、通刷等.而在线机械清洗装置亟待开发.

5.2 热泵腐蚀与防治

溴化锂热泵的腐蚀既有全面腐蚀,也有局部腐蚀.碳钢换热管以全面腐蚀为主,伴有局部腐蚀;铜管全面腐蚀和局部腐蚀均有;不锈钢管以局部腐蚀为主.局部腐蚀形态主要是点蚀,另外还可能有缝隙腐蚀、应力腐蚀、生物腐蚀和晶间腐蚀.溴化锂溶液、热网水、余热水均可能造成腐蚀.

防治热泵腐蚀的措施主要有合理选材,添加缓蚀剂,保持换热管清洁等.如何根据热泵的工况条件,合理选用综合技术经济性能优良的材料的研究很少.碳钢和铜管在溴化锂溶液中的腐蚀性能研究较多.不锈钢在溴化锂溶液中腐蚀性能的研究较少.文献[11]至文献[13]研究了奥氏体不锈钢304,316,316L,铁素体不锈钢430,双相不锈钢EN14429,马氏体不锈钢S17400在溴化锂溶液中的腐蚀性能.性价比高且应用前景良好的中、高铬现代铁素体不锈钢在热泵中的应用研究尚未见有关文献报道.

在溴化锂溶液中添加缓蚀剂的研究很多,经模拟发生器腐蚀试验检测,在无缓蚀剂的溴化锂溶液中,低碳钢的腐蚀速率可达0.8 mm/a,铁素体不锈钢436 L约为0.001 2 mm/a;加入缓蚀剂后,碳钢腐蚀速率可降至0.1 mm/a以下,436L可降至0.000 6 mm/a.常用的溴化锂溶液缓蚀剂是钼酸盐,BTA对铜管在溴化锂溶液中的缓蚀作用较显著,对碳钢也有缓蚀作用[14].

6 结 论

(1) 电站凝汽器冷却水中蕴含有大量低温余热,利用溴化锂吸收式热泵回收利用冷却水余热资源是节能减排的一项重要措施,具有十分重要的意义.

(2) 热泵回收的余热可用于加热供暖用的热网水、进除氧器的补水和凝汽器凝结水等.

(3) 影响电站溴化锂热泵安全经济运行的主要问题是污垢和腐蚀.污垢不仅严重影响传热,还会产生严重的垢下腐蚀.防治污垢的主要措施是添加阻垢缓蚀剂和杀菌剂及清洗,热泵在线机械清洗装置亟待开发.防治热泵腐蚀的措施主要有合理选材、添加缓蚀剂和保持换热管清洁等.应用前景良好的中、高铬现代铁素体不锈钢在热泵上的应用研究也亟待开展.

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(编辑 胡小萍)

Application of Lithium Bromide Absorption Heat Pump toRecycle Waste Heat of Cooling Water in Power Plant

ZHAO Yang1, LIANG Lei1, MA Qinchuan2, MEN Yuyan2, WANG Bin2, WANG Chunsheng2

(1.ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China; 2.HenghuiCopperIndustryCo.Ltd.,Yantai264003,China)

Using heat pump technology for recycling cooling water waste heat resources is an important measure of energy saving and emission reduction.The application,main problems and solutions on lithium bromide absorption heat pump for recycling cooling water waste heat in power plants are investigated and studied.The study proves that waste heat recovered by heat pump can be used for heating heat supply network water,water supplement filling in deaerator and condenser water,etc.The major problems include fouling and corrosion which affect the safety and economy of lithium bromide heat pump operated in power plants.The main measures to prevent fouling are adding scale corrosion inhibitor,bactericide and cleaning,and the main measures of anti-corrosion is reasonable material selection,adding corrosion inhibitor and keeping the heat exchange tube clean.

heat pump; waste heat recycling; fouling; corrosion

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.05.009

2015-03-23

简介：梁磊(1955-),男,教授,江苏宝应人.主要研究方向为不锈钢管换热器及热力设备的腐蚀与防护.E-mail:lianglei@shiep.edu.cn.

上海市科学技术委员会资助项目(15DZ1200700,14DZ2261000);山西省科技厅资助项目(20130321016-03).

X706

A

1006-4729(2016)05-0454-05