溴化鋰吸收式熱泵及其在電站冷卻水余熱回收中的應用

趙 陽, 梁 磊, 馬青川, 孟昱言, 王 斌, 王春生

(1.上海電力學院, 上海 200090; 2.煙臺恒輝銅業(yè)有限公司, 山東 煙臺 264003)

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溴化鋰吸收式熱泵及其在電站冷卻水余熱回收中的應用

趙 陽1, 梁 磊1, 馬青川2, 孟昱言2, 王 斌2, 王春生2

(1.上海電力學院, 上海 200090; 2.煙臺恒輝銅業(yè)有限公司, 山東 煙臺 264003)

利用熱泵技術回收利用電站凝汽器冷卻水余熱資源是節(jié)能減排的一項重要措施.調查和研究了溴化鋰吸收式熱泵在電站冷卻水余熱回收中的應用、存在的主要問題和解決措施.研究表明:熱泵回收的余熱可用于加熱供暖用的熱網水、進除氧器的補水和凝汽器凝結水等;污垢和腐蝕是影響電站溴化鋰熱泵安全經濟運行的主要問題;添加阻垢緩蝕劑、殺菌劑和清洗可防治污垢;合理選材、添加緩蝕劑和保持換熱管清潔可防治腐蝕.

熱泵; 余熱利用; 污垢; 腐蝕

能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要物質基礎,是推動國民經濟發(fā)展的強大動力.我國能源利用率僅有30%左右,即便是歐美等工業(yè)發(fā)達國家,尚有43%～60%的工業(yè)余熱被白白浪費[1].因此,深入開展工業(yè)節(jié)能,回收工業(yè)余熱資源是節(jié)能減排的一項重要措施[2].熱力發(fā)電廠是能源大戶,回收電廠余熱資源也是其節(jié)能減排的一項重要措施.

1 冷卻水余熱回收應用的意義與方法

一般大型火電廠實際能源利用率僅為40%左右,近60%的熱量絕大部分通過煙囪和凝汽器的冷卻水疏散到環(huán)境中,既浪費了大量的能源,又對周邊環(huán)境造成了很大的熱污染[3].表1列舉了火電廠的各項損失[4].由表1可知,在火電廠的全部能量損失中,汽輪機冷源損失占了絕大部分,約為83%以上,汽輪機冷源損失基本就是冷卻水帶走的熱量.

表1 火力發(fā)電廠的各項損失 %

對1 000 MW火電機組而言,凝汽器冷卻水流量為35～45 m3/s,所蘊含的熱流量為1.5～1.9 GJ/s,排水溫升(即超過環(huán)境水域的溫度)為8～13 ℃(視季節(jié)而變),該溫升所賦存的熱量約1.2×106～1.9×106kJ/s;按年運行5 000 h計,其熱量折合標準煤約7×105～1.14×106t/a[3].因此,合理利用火電廠冷卻水的余熱具有十分重要的意義.

電廠冷卻水溫度在50 ℃以下,屬于低品位熱能,難以直接利用.熱泵是一種使熱量從低溫物體轉移到高溫物體的能量利用裝置.利用熱泵可以回收低溫余熱,利用環(huán)境介質(工業(yè)冷卻水、地下水、地表水、土壤和室外空氣等)中儲存的能量,從而提高能源的有效利用率.電廠循環(huán)冷卻水流量穩(wěn)定,溫度高于環(huán)境溫度約10 ℃,通常在熱泵系統要求的溫度范圍之內.近年來,熱泵技術在電廠冷卻水余熱回收利用方面的發(fā)展十分迅速,多家火電廠已經實施或正在實施電廠循環(huán)水余熱利用改造工程.

利用熱泵技術回收冷卻水余熱的用途主要有3種:一是用于加熱供暖用的熱網水;二是加熱進除氧器的除鹽補水;三是加熱凝汽器凝結水.第1種應用案例較多,一般熱電聯產的熱電廠均可采用.對北方城市供熱的電廠,由于每年供暖期只有幾個月,故靜態(tài)投資回收期較長,一般在3～5年.第2種用于補水量特別大的化工企業(yè)的自備電廠和工業(yè)園區(qū)生產蒸汽的電廠,靜態(tài)投資回收期較短,一般為2～3年.與特大量補水直接加入凝汽器的技術路線相比,熱泵加熱補水方案具有溶解氧指標易達標、凝汽器至除氧器之間的設備不易腐蝕的優(yōu)點.熱泵加熱補水的案例不多,已見文獻報道的有安徽一家自備電廠[5].東北電力大學周振起對熱泵回收電廠循環(huán)水余熱加熱凝汽器凝結水進行了可行性與經濟性分析,認為是可行的,且具有環(huán)保、節(jié)能的雙重功效[6].

2 熱泵簡介

根據工作原理,熱泵的種類主要有壓縮式、吸收式、化學式和熱電式等[7].工業(yè)用大型熱泵主要是壓縮式和吸收式.吸收式熱泵的特性如下:

(1) 運動部件少,噪聲低,運轉磨損小,但制造費用比壓縮式熱泵高;

(2) 用廢熱或低成本燃料驅動時比壓縮式熱泵更合適;

(3) 操作彈性好,在冷凝溫度和蒸發(fā)溫度之差增大時,熱力系數的變化幅度比壓縮式熱泵小;

(4) 不用氟氯烴,不會破壞大氣臭氧層;

(5) 容量比壓縮式熱泵大得多,已經商業(yè)化的溴化鋰吸收式熱泵單機容量已超過70 MW,壓縮式熱泵一般只有幾兆瓦.

吸收式熱泵按制熱目的可以分為以下兩大類.

第一類吸收式熱泵也稱增熱型熱泵,是利用少量的高溫熱源(如蒸汽、高溫熱水、可燃性氣體燃燒熱等)為驅動熱源,產生大量有價值的中溫熱能.即利用高溫熱能驅動,將低溫熱源的熱能提高到中溫,從而達到提高熱能利用率的目的.第一類吸收式熱泵的性能系數大于1,一般為1.5～2.5.電廠回收循環(huán)冷卻水余熱用熱泵基本都是第一類.

第二類吸收式熱泵也稱升溫型熱泵,是利用大量的中溫熱源產生少量有價值的高溫熱能.即利用中低溫熱能驅動,用大量中溫熱源和低溫熱源的熱勢差,制取熱量少于中溫熱源但溫度高于中溫熱源的熱量,將部分中低熱能轉移到更高溫位,從而達到提高熱能利用率的目的.第二類吸收式熱泵性能系數總是小于1,一般為0.4～0.5.該類熱泵較多用于化工企業(yè).

吸收式熱泵的工質對主要有H2O-LiBr和NH3-H2O兩大類.由于氨工質易發(fā)生重大人身安全事故,因此電廠回收冷卻水余熱用熱泵一般都采用溴化鋰溶液,其基本構成和工作原理[7]為:吸收式熱泵由發(fā)生器、吸收器、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流閥、溶液泵、溶液閥、溶液熱交換器等8個主要部件組成,H2O-LiBr工質對在這8個主要部件組成的系統內封閉循環(huán).其基本構成如圖1所示[7].

圖1 吸收式熱泵的基本構成

(1) 發(fā)生器 利用熱水、蒸汽或燃料火焰加熱發(fā)生器里的工質對溶液(H2O-LiBr工質對的濃溶液),使其中的低沸點循環(huán)工質變?yōu)檎羝?而高沸點吸收劑仍然保持為液態(tài).

(2) 吸收器 利用工質對溶液(H2O-LiBr工質對稀溶液)對循環(huán)工質較強的吸收能力,將蒸發(fā)器中產生的循環(huán)工質蒸汽抽吸到吸收器里.

(3) 冷凝器 由發(fā)生器進來的循環(huán)工質蒸汽在冷凝器中冷凝為液體,同時放出熱量.

(4) 節(jié)流閥 節(jié)流閥前壓力、溫度較高的循環(huán)工質液體經節(jié)流閥后變?yōu)閴毫?、溫度較低的循環(huán)工質飽和汽、飽和液混合物,也就是濕蒸汽.

(5) 蒸發(fā)器 由節(jié)流閥來的低壓、低溫循環(huán)工質濕蒸汽在蒸發(fā)器中吸收低溫熱源的熱量,變?yōu)轱柡推?

(6) 溶液泵 不斷地將吸收器中的工質對稀溶液送入發(fā)生器,保持吸收器、發(fā)生器中溶液量、溶液濃度的穩(wěn)定.

(7) 溶液閥 其作用是調節(jié)由發(fā)生器中流入吸收器的溶液量.

(8) 溶液熱交換器 是流出吸收器的稀溶液與流出發(fā)生器的濃溶液進行熱交換的部件,使進入吸收器中的稀溶液溫度降低,提高吸收器中溶液的吸收能力;使進入發(fā)生器的稀溶液溫度升高,節(jié)省發(fā)生器中的高溫熱能消耗.

電廠汽輪機凝汽器出來的冷卻水作為余熱水進入熱泵蒸發(fā)器管內放出熱量后再回到凝汽器冷卻水系統.被加熱介質(熱網水回水、或進除氧器的除鹽補水或凝結水)先進入熱泵吸收器管內,再進入冷凝器管內吸收熱量后流出熱泵.

3 溴化鋰吸收式熱泵換熱元件與材料

溴化鋰吸收式熱泵內有溶液熱交換器、發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器和吸收器5大熱交換器.溶液熱交換器換熱元件通常采用板式,發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器和吸收器通常采用管式.發(fā)生器換熱管浸沒在溴化鋰溶液中,管內走蒸汽,用于加熱管外溴化鋰溶液,使其沸騰.冷凝器管外是蒸汽冷凝,管內是被加熱的熱網水或除鹽補水、凝結水.發(fā)生器和冷凝器大多采用光管.蒸發(fā)器管內走余熱水,即電廠凝汽器冷卻水,管外是溴化鋰溶液.為增加有效蒸發(fā)面積和傳熱效果,溴化鋰溶液應在蒸發(fā)器管外充分鋪展,因此蒸發(fā)器管外通常是麻面或者毛面.麻面管又稱低翅片高效傳熱管,是通過機械滾切加工,形成一個個凹凸麻點,如圖2所示.

毛面管是通過噴砂或噴丸處理,使表面粗糙變毛,具有較好的親水性.吸收器管內走余熱水,管外是溴化鋰溶液,通常也采用麻面管或毛面管.

目前發(fā)生器管較多采用低碳鋼管.無緩蝕劑的溴化鋰溶液對碳鋼的腐蝕性很強,添加緩蝕劑可大幅降低腐蝕速率.為提高耐蝕性能,現在少數發(fā)生器也開始采用中鉻現代鐵素體不銹鋼,如436 L.

圖2 麻面管表面形貌

冷凝器、蒸發(fā)器和吸收器換熱管所用材料的種類較多,有銅管、不銹鋼管和鈦管3大類.銅管以工業(yè)純銅為主(紫銅管),常用牌號是TP2(Cu≥99.98,P0.013～0.015),溴化鋰熱泵和制冷機使用銅管較普遍.不銹鋼管又分為奧氏體、鐵素體和雙相不銹鋼3類,不銹鋼管具有較好的技術經濟性能,在電站凝汽器上已替代了絕大部分銅合金管[8-9],目前熱泵上也有不銹鋼管替代銅管的發(fā)展趨勢.現代鐵素體不銹鋼和雙相不銹鋼管不含鎳或少含鎳,具有較高的性價比,有替代奧氏體不銹鋼管的趨勢.鈦管對氯和溴離子具有很強的耐蝕性能,但是價格較貴,現在熱泵上使用較少.

4 溴化鋰吸收式熱泵在電站冷卻水余熱回收中的應用

內蒙古CF電廠2#機135 MW,用4臺RB0.17-30-40/34-55/80型溴化鋰吸收式熱泵回收循環(huán)冷卻水余熱,主要性能參數見表2.

表2 CF電廠RB0.17-30-40/34-55/80型熱泵主要性能參數

據該廠熱泵性能實測報告,熱泵余熱回收系數COP值為1.72,4臺熱泵總制熱功率117 MW,回收循環(huán)水余熱49 MW.該熱泵系統一個供暖期就可節(jié)約標煤28 684 t,節(jié)約循環(huán)水5.724×105t.

據不完全統計,截止2014 年初,推向市場的吸收式熱泵項目已超過60個,其中電力供暖行業(yè)接近50%,其他還有石油、化工、鋼鐵、紡織、印染、機械制造等行業(yè).利用溴化鋰吸收式熱泵回收冷卻水余熱用于城市供暖的部分大型熱電廠簡況見表3,其總容量已經超過2 500 MW.

表3 用溴化鋰吸收式熱泵回收冷卻水余熱的部分大型熱電廠

5 影響溴化鋰熱泵安全經濟運行的主要問題及防治措施

影響電站溴化鋰熱泵安全經濟運行的主要問題是污垢和腐蝕.

5.1 熱泵污垢與防治

熱泵污垢種類主要有泥沙沉積物、生物污泥、腐蝕產物和化學結晶垢等.供暖熱泵吸收器和冷凝器管內是熱網水,易產生鐵銹垢.熱泵蒸發(fā)器管內是電站凝汽器冷卻水,而電站冷卻水成分復雜,有淡水、微咸水、咸水和海水,有地表水也有地下水.北方供熱電廠通常在缺水的地區(qū),冷卻水濃縮倍數高,容易產生化學結晶垢,如碳酸鈣.還有一些北方供熱電廠采用經過處理的城市污水(稱為再生水或中水),氨氮和COD很高,容易產生生物污泥.如內蒙古CF電廠余熱水就是再生水,打開時有厚厚一層黑色的生物污泥,并有較重的臭味.

污垢嚴重影響傳熱,在凝汽器條件下,即使是0.015 mm厚的碳酸鈣垢,也會使總傳熱系數降低50%左右,其熱阻約占總熱阻的50%以上,是控制熱阻[10].污垢還容易產生嚴重的垢下腐蝕,因此必須采取各種措施防止或盡量減少污垢的產生.

對熱網水防治鐵銹垢的主要措施是適當提高pH值,加緩蝕劑;防治化學結晶垢的主要措施是減少硬度,如采用軟化水,或者加入阻垢劑;防治余熱水化學結晶垢的主要措施是加入阻垢劑;防治生物污泥的主要措施是加入殺菌劑和粘泥剝離劑.另外停機時,應進行清洗,如高壓水沖、通刷等.而在線機械清洗裝置亟待開發(fā).

5.2 熱泵腐蝕與防治

溴化鋰熱泵的腐蝕既有全面腐蝕,也有局部腐蝕.碳鋼換熱管以全面腐蝕為主,伴有局部腐蝕;銅管全面腐蝕和局部腐蝕均有;不銹鋼管以局部腐蝕為主.局部腐蝕形態(tài)主要是點蝕,另外還可能有縫隙腐蝕、應力腐蝕、生物腐蝕和晶間腐蝕.溴化鋰溶液、熱網水、余熱水均可能造成腐蝕.

防治熱泵腐蝕的措施主要有合理選材,添加緩蝕劑,保持換熱管清潔等.如何根據熱泵的工況條件,合理選用綜合技術經濟性能優(yōu)良的材料的研究很少.碳鋼和銅管在溴化鋰溶液中的腐蝕性能研究較多.不銹鋼在溴化鋰溶液中腐蝕性能的研究較少.文獻[11]至文獻[13]研究了奧氏體不銹鋼304,316,316L,鐵素體不銹鋼430,雙相不銹鋼EN14429,馬氏體不銹鋼S17400在溴化鋰溶液中的腐蝕性能.性價比高且應用前景良好的中、高鉻現代鐵素體不銹鋼在熱泵中的應用研究尚未見有關文獻報道.

在溴化鋰溶液中添加緩蝕劑的研究很多,經模擬發(fā)生器腐蝕試驗檢測,在無緩蝕劑的溴化鋰溶液中,低碳鋼的腐蝕速率可達0.8 mm/a,鐵素體不銹鋼436 L約為0.001 2 mm/a;加入緩蝕劑后,碳鋼腐蝕速率可降至0.1 mm/a以下,436L可降至0.000 6 mm/a.常用的溴化鋰溶液緩蝕劑是鉬酸鹽,BTA對銅管在溴化鋰溶液中的緩蝕作用較顯著,對碳鋼也有緩蝕作用[14].

6 結 論

(1) 電站凝汽器冷卻水中蘊含有大量低溫余熱,利用溴化鋰吸收式熱泵回收利用冷卻水余熱資源是節(jié)能減排的一項重要措施,具有十分重要的意義.

(2) 熱泵回收的余熱可用于加熱供暖用的熱網水、進除氧器的補水和凝汽器凝結水等.

(3) 影響電站溴化鋰熱泵安全經濟運行的主要問題是污垢和腐蝕.污垢不僅嚴重影響傳熱,還會產生嚴重的垢下腐蝕.防治污垢的主要措施是添加阻垢緩蝕劑和殺菌劑及清洗,熱泵在線機械清洗裝置亟待開發(fā).防治熱泵腐蝕的措施主要有合理選材、添加緩蝕劑和保持換熱管清潔等.應用前景良好的中、高鉻現代鐵素體不銹鋼在熱泵上的應用研究也亟待開展.

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(編輯 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

簡介：梁磊(1955-),男,教授,江蘇寶應人.主要研究方向為不銹鋼管換熱器及熱力設備的腐蝕與防護.E-mail:lianglei@shiep.edu.cn.

上海市科學技術委員會資助項目(15DZ1200700,14DZ2261000);山西省科技廳資助項目(20130321016-03).

X706

A

1006-4729(2016)05-0454-05