基于核能综合利用的吸收式制冷方案研究

孙兰飞 续玥榕 赵 晓 刘占盛

(中国核电工程有限公司,北京)

0 引言

2020年9月,我国在联合国大会上提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”[1]的目标。2021年3月15日,中央财经委员会第九次会议指出“要把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局,拿出抓铁有痕的劲头,确保如期实现目标”[2]。碳达峰、碳中和已经成为我国社会经济高质量发展的核心关键词,也成为各地“十四五”加快绿色发展的核心工作。

2021年3月,在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》[3]中提出开展核能综合利用示范项目;2021年10月,国务院印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》[4],意见中明确指出,积极稳妥推进核电余热供暖。而冬季供暖的管网和余热在夏季可以充分用于发展制冷。2021年11月,能源局、科技部印发《“十四五”能源领域科技创新规划》[5],提出开展各种能源厂站和区域智慧能源系统集成试点示范。区域集中制冷站的发展正是对这一规划的响应。中核集团也在发展规划中提出探索“核能+”多用途发展模式,充分对接核电周边市场需求,探索开展以核电为主、多种能源形式并存的综合智慧能源服务业务,开展核能多用途综合利用。基于此,本文研究了基于核能综合利用的吸收式制冷方案。

1 吸收式制冷技术概述

吸收式制冷在利用低品位热源和回收余热方面有比较广泛的应用。例如,首都钢铁公司利用高炉废渣的显热加热废渣池的水,并通过一套过滤装置和热水泵,在非供暖季节利用这种低温热水通过双级溴化锂吸收式制冷机组制冷,于1981年设计了1台样机,在北京冷冻厂试验台上试验确定了机组的流程。工业机组于1983年在首钢顺利投产,为1个拥有1 600多个座位的剧场空调提供冷量,性能稳定[6]。

目前,各种堆型核电厂采用的制冷方式大多为电驱动的蒸汽压缩式制冷,大部分研究多集中于此,且核电站具有大量可利用的蒸汽,这为吸收式制冷的应用创造了有利条件。在抽汽制冷应用方面,20世纪80年代建造的秦山一期核电厂就已采用汽轮机抽汽溴化锂机组实现为核岛供冷;清华大学核能技术研究所也提出过以核能供热堆为热源,用溴化锂吸收式制冷机组制备冷水;上海电力设计院的研究成果表明,热电厂抽汽驱动蒸汽溴化锂吸收式制冷机组制冷具有节电效益等。上述资料表明,从汽轮机抽取蒸汽作为吸收式制冷机组的热源,这种制冷方案具有可行性。将热电联产与吸收式制冷相结合,利用热电厂在发电循环过程中产生的低品位余热来驱动吸收式制冷机组运行进行制冷,实现冷热电三联供,从而进一步提高经济效益、环境效益和社会效益。

吸收式制冷机组是一种在高真空下运行的制冷设备,机组的性能十分依赖工作介质的物理、化学性质,最基本的要求是工作介质在机组工作温度范围内保持一定的混溶性。溶液还要具备稳定的化学性能、无毒、不存在爆炸风险等。目前只有氨-水溶液、溴化锂-水溶液2种工质对在吸收式制冷领域中获得了广泛应用。氨-水溶液型吸收式制冷机组需要在发生器出口安装蒸馏装置以分离制冷剂与吸收剂,机组结构相对复杂,且氨本身具有一定的危险性。溴化锂吸收式制冷机组的性能要高于氨-水溶液型,溴化锂-水溶液无毒、无味,满足环保要求;缺点是溴化锂溶液在有氧环境下对金属腐蚀强烈,故对所用材料有较高的抗腐蚀性要求,还存在结晶风险。本文主要讨论吸收式溴化锂制冷。

根据热源介质的不同,分为蒸汽型吸收式溴化锂机组、热水型吸收式溴化锂机组和直燃型吸收式溴化锂机组,根据核电站的热源特点,本文仅考虑蒸汽型吸收式溴化锂机组和热水型吸收式溴化锂机组。

1.1 蒸汽型吸收式溴化锂机组

蒸汽型吸收式溴化锂机组的主要部件包括高压发生器、低压发生器、吸收器、蒸发器、冷凝器、节流装置。蒸汽型吸收式溴化锂制冷机组的工作原理见图1。

图1 蒸汽型吸收式溴化锂机组工作原理

蒸汽作为驱动热源进入高压发生器,高压发生器中稀溶液中的制冷剂水不断蒸发出来与低压发生器中蒸发出来的制冷剂水在冷凝器中冷凝,经U形管进入蒸发器,在低压下蒸发,产生制冷效应。发生器中流出的浓溶液降压后进入吸收器,吸收由蒸发器产生的制冷剂蒸汽,形成稀溶液,用泵将其输送到发生器重新加热,形成浓溶液。

单效吸收式溴化锂制冷机组一般采用0.10～0.25 MPa的蒸汽,性能系数一般为0.65～0.75;双效吸收式溴化锂制冷机组一般采用0.70～1.00 MPa的蒸汽,性能系数可提高到1.00以上[7]。根据华龙一号机组的蒸汽品质,本文主要讨论双效溴化锂吸收式制冷机组。

1.2 热水型吸收式溴化锂机组

热水型吸收式溴化锂机组的工作原理与蒸汽型机组相同,驱动热源改为热水,如二级热水型吸收式溴化锂制冷机组可使用75 ℃左右的热水作为驱动热源;两段式热水型吸收式溴化锂制冷机组以120 ℃左右的热水作为驱动热源,热水的进出口温差可达到50 ℃,可以充分利用热水的能量。热水型吸收式溴化锂制冷机组的工作原理见图2。

图2 热水型吸收式溴化锂机组工作原理

热水型吸收式溴化锂制冷机组一般采用75～140 ℃的热水,单效机组性能系数一般为0.65～0.75,双效机组性能系数可提高到1.00以上。

2 核电厂吸收式制冷技术应用研究

区域供冷是由一个或多个集中设置的大型制冷站制取冷水,由连接制冷站与各建筑的管网向该区域内各类建筑输送空调冷水的制冷系统。核电站冷水系统分为核岛冷水和BOP(电厂配套设施)各冷水系统,考虑到核岛冷水系统对运行安全性的要求,本文以BOP区域各子项的用冷量为参考开展区域供冷的研究。以华龙一号为例,BOP区域各子项的用冷需求见表1。

表1 华龙一号BOP各子项用冷需求统计 kW

以华龙一号为例的核能综合利用研究中,采用两回路抽汽实现热电汽冷联供,以某项目汽轮机的热平衡图为例,可提供抽汽的各个位置的蒸汽参数见表2。

表2 华龙一号可用蒸汽统计

以泳池反应堆为例,三回路能提供的热水温度为90 ℃,该温度的热水作为热水型吸收式溴化锂机组的热源。

2.1 蒸汽型吸收式制冷机组应用方案

根据前文描述,选择A3蒸汽作为蒸汽源,选择双效吸收式溴化锂制冷机组,系统流程见图3。

图3 蒸汽型吸收式制冷机组应用方案流程图

根据表1的需求可以看出,用冷量在2 050～8 190 kW范围内,为了更好地匹配用冷量的变化,同时考虑到制冷机组长时间运行在比较高效的工况点,选择3台单台制冷量为2 700 kW的制冷机组,所需蒸汽量为9 000 kg/h。该机组的性能系数可达到1.33。系统设计参数见表3。

表3 蒸汽型吸收式制冷机组应用方案系统设计参数

2.2 热水型吸收式制冷机组应用方案

根据前文描述,选择90 ℃的热水作为热源,选择双效吸收式溴化锂制冷机组作为冷源。系统流程见图4。

图4 热水型吸收式制冷机组应用方案流程图

根据表1的需求,选择3台单台制冷量为2 700 kW的制冷机组。该机组的热力系数可达到1.33。系统设计参数见表4。

表4 热水型吸收式制冷机组应用方案系统设计参数

3 经济性分析

3.1 技术经济性分析

3.1.1热水型吸收式制冷机组技术经济性分析

考虑泳池反应堆的检修等问题,按照假想厂址每年有180 d为非供暖期,在此期间泳池反应堆的热水产品可以用来制冷。工业用电价格为0.586 6 元/(kW·h),以能量单位表示为163元/GJ;90 ℃热水的价格为33.87元/GJ。

(1)

(2)

式(1)、(2)中Ce为电制冷方式制取1 GJ冷量时所需的费用,元/GJ;ηe为电制冷机组的性能系数;Ee为参考电价,元/GJ;Cw为热水型吸收式制冷方式制取1 GJ冷量时所需的费用,元/GJ;ηw为热制冷机组的性能系数;Ew为参考热价,元/GJ。

相对于电制冷来说,热水型吸收式制冷的效率较低,采用90 ℃的低温热水作为热源时制冷效率取0.7,电制冷的效率取5.0。根据式(1)、(2)计算,Ce=32.6元/GJ,Cw=48.4元/GJ,即制取相同冷量时,电制冷费用低于热水型吸收式制冷。

根据上述假设,按照因素分析法对计算中涉及的因素进行分析,分别得到费用随热价和机组能效的变化曲线,见图5、6。得到临界热价为22.82元/GJ,即热价低于临界热价时,采用热水型吸收式制冷更加经济;得到临界效率为1.04,即热水型吸收式制冷的效率大于1.04时,采用热水型吸收式制冷更加经济。

图5 单位费用随热价的变化

图6 单位费用随冷水机组能效的变化

考虑0.7的同时运行系数,对热水型吸收式制冷机组应用方案的投资及运行成本进行分析,并与同工况下的电制冷方案进行比较,结果见表5。由表5可以看出,在非供暖季,充分利用核能产生的热水进行区域制冷有显著的节能效益。

表5 热水型吸收式制冷机组应用方案分析

综上所述:1) 采用核能供暖的地区,在非供暖季可以采用热水型吸收式制冷机组进行区域制冷,即实现冷热联产,节能效益显著;2) 有充足余热的地区,采用热水型吸收式制冷机组进行区域制冷,节能效益显著;3) 需要购买热源的地区,满足临界热价或临界效率的情况下,采用热水型吸收式制冷更加经济。因此,在决策中需要综合考虑当地的情况,再决定采用什么类型的制冷方式。

3.1.2蒸汽型吸收式制冷机组技术经济性分析

蒸汽价格受各个地区的政策影响比较大,以山东省几个城市为例,枣庄市供行政事业单位夏季制冷用热的价格为63.8元/GJ,供工商企业夏季制冷用热的价格为69.3元/GJ;青岛市居民用蒸汽的价格为36.25元/GJ,非居民用户为69.72元/GJ。按照式(2)进行计算,得到单位费用随蒸汽热价的变化如图7所示,可以看出,根据目前蒸汽的市场价格进行判断,采用电制冷方式更加经济。

图7 单位费用随蒸汽热价的变化

对蒸汽型吸收式制冷机组应用方案的投资及运行成本进行分析,并与同工况下的电制冷方案进行比较,结果见表6。由表6可以看出,在非供暖季充分利用核能产生的蒸汽进行区域制冷有显著的节能效益。

表6 蒸汽型吸收式制冷机组应用方案分析

3.2 社会经济性分析

电驱动冷水机组中,由于使用制冷剂会产生温室气体排放,而采用吸收式制冷方案代替电制冷方案就可以相应减少温室气体排放量。以R134a工质为例,以吸收式制冷方案代替电制冷方案可减少温室气体(CO2)排放约44.1 t,每年可减排470 kg CO2[8]。

4 结论

吸收式制冷技术方案在热电厂中已经有较多应用,可以节约常规能源、减少温室气体排放、提升能源综合利用率。但该技术在核电厂中的应用还比较少,一方面是由核电厂独有的安全性要求决定的,另一方面是从业人员缺乏深入的研究。本文阐述了吸收式制冷的原理,基于华龙一号核电堆型和泳池反应堆分别提出了蒸汽型吸收式制冷机组应用方案和热水型吸收式制冷机组应用方案,并对方案的经济性进行了分析,得到以下结论。

1) 基于华龙一号核电堆型和泳池反应堆的设计参数,可以应用吸收式制冷方案。

2) 基于华龙一号堆型的蒸汽型吸收式制冷机组应用方案,具有显著的技术经济性和社会经济性。

3) 基于泳池反应堆的热水型吸收式制冷机组应用方案,可以实现冷热联产,具有显著的技术经济性和社会经济性。

4) 对于需要购买热水作为吸收式制冷机组热源的地区,存在临界热价或临界热力系数的限制,但因为吸收式制冷相对于电制冷可减少一定的温室气体排放,因此具备显著的社会经济性。

5) 对于购买蒸汽的地区,吸收式制冷方案技术经济性差,但具备显著的社会经济性。

后续将针对基于核能综合利用的吸收式制冷方案进行更进一步的研究,继续挖掘核电厂的用冷需求,并对需求侧用户的运行工况进行深入分析,以更好地匹配吸收式制冷机组;继续挖掘核电厂的可用余热,综合可用热源以进一步提高核能利用率;根据核电厂厂址情况,制定为周边区域供冷的方案。