二類溴化鋰吸收式熱泵運(yùn)行波動(dòng)原因分析

蔣鋒 董喜恩（中國(guó)石油化工股份有限公司金陵分公司烷基苯廠）

1 概述

金陵石化烷基苯廠的0.35 MPa 低壓蒸汽由購(gòu)置的10 MPa 高壓蒸汽減壓制得，蒸汽購(gòu)置成本高。經(jīng)調(diào)研廠內(nèi)工藝裝置中脫烷烴塔頂循環(huán)烷烴需要進(jìn)行冷卻，烷烴流量約390 t/h、溫度約127 ℃，經(jīng)過(guò)第二類升溫型熱泵[1]可制取0.35 MPa 蒸汽，既減少該廠外購(gòu)蒸汽量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)烷烴的冷卻，滿足工藝裝置生產(chǎn)要求。

二類升溫型吸收式熱泵運(yùn)行時(shí)不消耗高品位能源，耗電量低，可以利用裝置產(chǎn)生的廢熱，用能成本極低，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性好[2-4]。在保證工藝裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行的前提下，取自脫烷烴塔頂循環(huán)烷烴的余熱，送至升溫型吸收式熱泵，烷烴可降溫到86 ℃后回原冷卻系統(tǒng)，熱泵制取0.35 MPa（G）流量8.0 t/h 的飽和蒸汽進(jìn)蒸汽管網(wǎng)，熱泵熱量轉(zhuǎn)送示意圖見(jiàn)圖1。

2 運(yùn)行情況

第二類溴化鋰吸收式熱泵是一種升溫型熱泵[5-7]，以低溫?zé)嵩礊轵?qū)動(dòng)力而用于提高其他物料溫位的設(shè)備，其性能系數(shù)COP總是小于1，一般為0.47～0.5[8-9]，該熱泵主要包括發(fā)生器、吸收器、蒸發(fā)器、冷凝器、熱交換器、溶液泵、溶劑泵、熱水泵等主要部件[10-11]。其中，蒸發(fā)器和吸收器液位使用探針型液位計(jì)，為保持熱泵運(yùn)行平穩(wěn)，其液位分別與溶劑泵和溶液泵變頻串級(jí)使用。

熱泵于2012 年2 月投運(yùn)，投運(yùn)后，發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)蒸汽量和熱烷烴出熱泵溫度大幅波動(dòng)，嚴(yán)重影響蒸汽用戶及工藝裝置操作。運(yùn)行數(shù)據(jù)趨勢(shì)烷烴出口溫度及蒸汽產(chǎn)量變化如圖2。

圖1 熱泵熱量轉(zhuǎn)送示意圖

由圖2 可知，在烷烴入口溫度穩(wěn)定情況下，蒸汽產(chǎn)量大幅波動(dòng)，最大值為7.4 t/h，最小值為2.1 t/h，蒸汽產(chǎn)量累計(jì)均值小于5.54 t/h，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值（8.0 t/h）。烷烴出熱泵溫度大幅波動(dòng)，最大值為86.2 ℃，最小值為82.1 ℃，波動(dòng)較大，為消除此影響，對(duì)該泵進(jìn)行跟蹤分析，查找波動(dòng)的原因。

圖2 烷烴出口溫度及蒸汽產(chǎn)量變化

3 原因分析

對(duì)熱泵參數(shù)展開(kāi)跟蹤，發(fā)現(xiàn)在蒸汽量波動(dòng)時(shí)，熱泵溶劑泵和溶液泵的變頻也相應(yīng)發(fā)生大幅變化，具體如下：

1）溶劑泵變頻變化幅度較大，瞬間由70 Hz 降至50 Hz，造成冷卻器液位變化較大，跟蹤分析，主要原因是蒸發(fā)器內(nèi)液控箱探針間距過(guò)大，蒸發(fā)器內(nèi)溶劑從低位A 區(qū)到高位B 區(qū)變化，溶劑實(shí)際液位變化很大，反饋給變頻泵后，溶劑泵變頻跟隨一起大幅變化，導(dǎo)致蒸發(fā)器內(nèi)液位大幅波動(dòng)，使蒸發(fā)器內(nèi)溶劑吸收烷烴熱量大幅波動(dòng)，進(jìn)而引起熱泵內(nèi)吸收熱量不穩(wěn)定，造成烷烴出口溫度大幅波動(dòng)。

2）溶液泵變頻變化幅度同樣較大，瞬間由30 Hz升至50 Hz，造成發(fā)生器液位變化較大，主要是因?yàn)槲掌鲀?nèi)液控箱探針間距過(guò)大，吸收器內(nèi)溶劑從低位A 區(qū)到高位B 區(qū)變化，溶液實(shí)際液位變化很大，反饋給變頻泵后，變頻泵變頻大幅波動(dòng)，導(dǎo)致濃溶液流量大幅波動(dòng)，噴灑至吸收器內(nèi)，放熱量不穩(wěn)定，造成蒸汽流量大幅波動(dòng)。

3）由于溶劑泵和溶液泵變頻程序設(shè)定幅度較大，變頻輸出值在30～90 Hz，且由70 Hz 直接降至50 Hz，變頻幅度達(dá)20 Hz，大幅度變化后，使吸收器底部出口溶液濃度大幅變化，導(dǎo)致在發(fā)生器內(nèi)稀溶液吸收烷烴熱量不穩(wěn)定，致使烷烴出熱泵溫度的不穩(wěn)定。

4 整改措施

查找設(shè)計(jì)圖紙，蒸發(fā)器、吸收器的液位由4 根探針?lè)殖? 個(gè)區(qū)域（A、B、C、D、E），目標(biāo)主控制區(qū)在B、C 區(qū)。為縮短熱泵停工時(shí)間，計(jì)劃對(duì)探針間距和變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行整改，在8 月份將熱泵切出、停運(yùn)，對(duì)探針長(zhǎng)度進(jìn)行了整改，具體方法如下：

1）蒸發(fā)器液控箱每個(gè)區(qū)域液位高約5 cm，縮短蒸發(fā)器內(nèi)部液位控制箱探針長(zhǎng)度至2 cm，縮小控制區(qū)B、C 的液位差，使液位控制更精細(xì)，蒸發(fā)器探針長(zhǎng)度調(diào)整見(jiàn)圖3。

圖3 蒸發(fā)器探針長(zhǎng)度調(diào)整

調(diào)整后，探針控制區(qū)B、C 的液位差由近10 cm縮短至4 cm，溶劑泵可及時(shí)改變頻率輸出值，使蒸發(fā)器液位在微小區(qū)域內(nèi)波動(dòng)，吸收烷烴熱量相對(duì)穩(wěn)定，保持烷烴出口溫度波動(dòng)變小，同時(shí)蒸發(fā)器內(nèi)產(chǎn)生的冷劑汽量恒定。

2）吸收器液控箱每個(gè)區(qū)域液位高約8 cm，調(diào)整內(nèi)部液位控制箱探針長(zhǎng)度至4 cm，縮短控制區(qū)B、C 的液位差，使液位控制更精細(xì)，吸收器探針長(zhǎng)度調(diào)整見(jiàn)圖4。

圖4 吸收器探針長(zhǎng)度調(diào)整

調(diào)整后，探針控制區(qū)B、C 的液位差由16 cm 縮短至8 cm，吸收器液位在微小區(qū)域內(nèi)變化，使溶液泵變頻值波動(dòng)幅度減弱，減少了濃溶液流量的波動(dòng)，在冷劑汽穩(wěn)定的同時(shí)，保持了濃溶液量/冷劑汽量比值穩(wěn)定，從而穩(wěn)定了放熱量，使吸收器內(nèi)產(chǎn)生熱量恒定。同時(shí)由于濃溶液量/冷劑汽量比值穩(wěn)定，吸收器底部出口稀溶液濃度穩(wěn)定，滿足了在蒸發(fā)器內(nèi)吸收烷烴熱量的穩(wěn)定和烷烴出熱泵溫度的平穩(wěn)。

3） 對(duì)溶液泵、溶劑泵變頻程序重新進(jìn)行設(shè)置，將控制區(qū)設(shè)置在B、C 區(qū)域，變頻輸出值由 30～90 Hz 更改為 40～80 Hz，變頻幅度每次 20 Hz更改為5 Hz，更加快速、精準(zhǔn)的滿足液位對(duì)變頻的需要，達(dá)到溶液和溶劑在各個(gè)容器內(nèi)的液位穩(wěn)定，即穩(wěn)定了濃溶液及冷劑的流量。

5 效果分析

5.1 蒸汽產(chǎn)量變化情況

8 月份對(duì)熱泵進(jìn)行調(diào)整后，同樣調(diào)取一天的運(yùn)行趨勢(shì)，由整改前、后蒸汽產(chǎn)量變化趨勢(shì)圖（圖5）可知，在烷烴入口溫度平穩(wěn)的情況下，出熱泵溫度和蒸汽產(chǎn)量變化幅度趨于平穩(wěn)，蒸汽產(chǎn)量已達(dá)8.6 t/h，遠(yuǎn)超過(guò)調(diào)整前。

圖5 整改前、后蒸汽產(chǎn)量變化趨勢(shì)圖

對(duì)比分析整改前、后蒸汽產(chǎn)量，從圖中明顯看出，整改后蒸汽產(chǎn)量不僅趨于平穩(wěn)，且明顯高于整改前，達(dá)到了預(yù)期的效果。

5.2 烷烴出口溫度變化情況

同樣，對(duì)烷烴出口溫度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，整改前、后烷烴出口溫度變化趨勢(shì)見(jiàn)圖6。

圖6 整改前、后烷烴出口溫度變化趨勢(shì)

對(duì)比整改前、后烷烴出口溫度變化趨勢(shì)圖，從中發(fā)現(xiàn)，整改后出熱泵溫度趨于平穩(wěn)，波動(dòng)范圍明顯小于改造前，達(dá)到了工藝裝置生產(chǎn)的需要。

5.3 效益情況

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，并與本裝置技術(shù)規(guī)定的額定工況進(jìn)行對(duì)比分析，在烷烴流量低于設(shè)計(jì)值的情況下，蒸汽產(chǎn)量平均值為8.6 t/h，超過(guò)額定指標(biāo)8 t/h，烷烴出口溫度也達(dá)到了設(shè)計(jì)規(guī)定的技術(shù)要求。整改前后運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 整改前后運(yùn)行參數(shù)

整改前蒸汽產(chǎn)量平均值為5.54 t/h，整改后蒸汽產(chǎn)量平均值為8.6 t/h，蒸汽價(jià)格按200 元/t 計(jì)算，多產(chǎn)生效益612 元/h，每年開(kāi)車(chē)時(shí)間按350 天計(jì)算，則每年多收效益為514.08 萬(wàn)元，達(dá)到了初始節(jié)能降耗的目的。

6 結(jié)論

熱泵運(yùn)行不穩(wěn)定的原因是吸收器和蒸發(fā)器內(nèi)液位探針間距過(guò)大，泵變頻輸出值變化過(guò)大造成；經(jīng)過(guò)對(duì)探針長(zhǎng)度的調(diào)整，熱泵運(yùn)行平穩(wěn)，烷烴出口溫度穩(wěn)定，滿足了工藝裝置操作的要求；蒸汽產(chǎn)量達(dá)到并超過(guò)了設(shè)計(jì)要求，充分回收了低位熱能，減少了外購(gòu)蒸汽量，提高了經(jīng)濟(jì)效益，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。