吸收式換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模擬與分析

葛宇 周小三 薄其明

摘要：大溫差吸收式換熱技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)降低長(zhǎng)輸供熱管網(wǎng)回水溫度進(jìn)而提高熱電廠能源利用效率的目的。本文對(duì)換熱站采用吸收式換熱技術(shù)的供熱系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并使用ASPEN Plus軟件對(duì)其進(jìn)行了技術(shù)可行性分析，指導(dǎo)并應(yīng)用于北方某地實(shí)際熱力站改造項(xiàng)目達(dá)到了預(yù)期效果。

Abstract： The absorption heat exchange technology with large temperature difference can achieve the purpose of reducing the return water temperature of the long-distance heat supply pipe network， thereby improving the energy utilization efficiency of thermal power plants. In this paper， the design of the heat exchange station using the absorption heat exchange system is designed， and the technical feasibility of it is analyzed using ASPEN Plus software. In addition， it was guided to apply to the actual thermal station renovation project in a certain place in the north to achieve the expected results.

關(guān)鍵詞：吸收式換熱;回水溫度;ASPEN Plus;技術(shù)可行性

Key words： absorption heat transfer;return water temperature;ASPEN Plus;technical feasibility

中圖分類號(hào)：TU995? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）29-0142-03

0? 引言

我國(guó)集中供熱熱力網(wǎng)遍布于全國(guó)近140個(gè)大中型城市，且逐步趨向擴(kuò)大化[1]。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展以及人民生活水平不斷提高，人們對(duì)于建筑居住環(huán)境的舒適度也有了更高的要求。因此，在我國(guó)實(shí)現(xiàn)城市現(xiàn)代化的進(jìn)程中，城市熱網(wǎng)的建設(shè)和改造是保障居民生活水平和提升生活質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)，集中供熱技術(shù)（熱源、熱網(wǎng)、熱力站）的改進(jìn)和發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。

目前城市集中供熱面臨兩方面的問題：一是熱網(wǎng)的熱量輸送能力有限，難以滿足長(zhǎng)距離熱能輸送;二是城市熱源普遍不足，無法滿足城市建設(shè)日益增長(zhǎng)的用熱需求[2]。江億[3]等提出基于大溫差吸收式換熱技術(shù)的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱方法可有效解決以上問題。通過在熱電廠以及熱力站內(nèi)設(shè)置吸收式熱泵換熱機(jī)組，與常規(guī)供熱溫差相比有效降低一次側(cè)回水溫度，熱源供熱能力和能源利用效率顯著提升[4-7]。其中設(shè)置于熱電廠和熱力站內(nèi)的吸收式熱泵換熱機(jī)組是供熱系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，該設(shè)備利用熱泵技術(shù)原理[8]實(shí)現(xiàn)一次網(wǎng)供回水“大溫差”的目的。本文通過ASPEN Plus軟件對(duì)基于溴化鋰吸收式熱泵的換熱系統(tǒng)，進(jìn)行了技術(shù)可行性分析，并指導(dǎo)應(yīng)用于銀川市集中供熱改造項(xiàng)目中取得了良好效果。

1? 換熱站吸收式換熱系統(tǒng)

國(guó)內(nèi)太古（古交興能電廠至太原市）集中供熱工程采用熱力站改造為吸收式換熱機(jī)組供熱技術(shù)[9]已實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離大溫差的熱電聯(lián)產(chǎn)供熱，其系統(tǒng)流程如圖1所示。該系統(tǒng)是通過將太原市原有熱力站改造為配有板式換熱器與吸收式熱泵機(jī)組的大溫差熱力站。

本文借鑒太古工程經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)項(xiàng)目中不具備改造條件的多座原小型熱力站，將吸收式換熱機(jī)組集中設(shè)置于上一級(jí)中心熱力站中，其系統(tǒng)流程如圖2所示。對(duì)于改造后的熱力站能否在保證用戶用熱需求的前提下實(shí)現(xiàn)一次網(wǎng)側(cè)“大溫差”的目的，將在下一小結(jié)通過模擬進(jìn)行分析和說明。

換熱站采用吸收式換熱技術(shù)是基于溴化鋰吸收式熱泵原理，輔助加裝了混水系統(tǒng)與控流組件以實(shí)現(xiàn)對(duì)一次熱網(wǎng)驅(qū)動(dòng)熱源和二次網(wǎng)用戶側(cè)的供回水的流量調(diào)節(jié)，系統(tǒng)原理如圖3所示。該系統(tǒng)主要包括有：發(fā)生器、吸收器、蒸發(fā)器、冷凝器、溶液換熱器、節(jié)流閥等裝置。其中，吸收式熱泵機(jī)組中的循環(huán)工質(zhì)為溴化鋰溶液（LiBr-H2O）。

機(jī)組內(nèi)部工質(zhì)流程如下：吸收器中的溴化鋰稀溶液經(jīng)由溶液泵送至發(fā)生器，溴化鋰溶液在發(fā)生器中被驅(qū)動(dòng)熱源加熱至飽和并產(chǎn)生冷劑蒸汽，同時(shí)溶液濃縮成溴化鋰濃溶液。溴化鋰濃溶液經(jīng)發(fā)生器進(jìn)入溶液換熱器，與泵送的溴化鋰稀溶液進(jìn)行熱量交換后進(jìn)入吸收器，溴化鋰溶液循環(huán)以此往復(fù)。

機(jī)組外部介質(zhì)流程如下：①一次側(cè)驅(qū)動(dòng)熱源按照設(shè)定比例被分為兩支路，一支路通過板式換熱器進(jìn)行換熱;另一支路進(jìn)入發(fā)生器驅(qū)動(dòng)溴化鋰溶液中冷劑蒸發(fā)，而后經(jīng)過蒸發(fā)器通過釋放熱量加熱低壓冷劑蒸汽后與第一支路混合后返回。②二次用戶側(cè)直供循環(huán)回水按照設(shè)定比例被分為兩支路，一支路通過板式換熱器與一次側(cè)熱水進(jìn)行熱量交換;另外一支路經(jīng)過吸收器和冷凝器完成吸熱后與第一支路混合后供給熱用戶使用。

2? 流程的搭建及數(shù)值模擬

2.1 ASPEN Plus介紹

ASPEN Plus[10]（Advanced System for Process Engineering）是麻省理工學(xué)院開發(fā)的大型通用流程模擬系統(tǒng)，其具有完備的單元操作模型，完備的物料操作系統(tǒng)，先進(jìn)的擬合方法，以及強(qiáng)大的集成能力。ASPEN Plus軟件中具有50多種單元操作模塊來模擬不同類型的設(shè)備元件，例如本文模擬吸收式熱泵換熱系統(tǒng)中，分別使用Columns、Separators、Heat-Exchanger、Valve模塊模擬吸收器、發(fā)生器、蒸發(fā)器、冷凝器以及節(jié)流閥。

2.2 模擬條件的假設(shè)

為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，本文模擬做出如下假設(shè)條件：

①整個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，工質(zhì)處于穩(wěn)定流動(dòng)

狀態(tài)。

②高壓側(cè)：發(fā)生器的工作壓力等于冷凝器中工質(zhì)的冷凝壓力;低壓側(cè)：吸收器的工作壓力等于蒸發(fā)器中工質(zhì)的蒸發(fā)壓力。

③離開蒸發(fā)器、冷凝器的工質(zhì)為飽和狀態(tài)，離開發(fā)生器、吸收器的溴化鋰溶液為飽和溶液。

④忽略連接管件及設(shè)備單元中循環(huán)工質(zhì)的流動(dòng)阻力、壓降損失以及熱流損失。

⑤節(jié)流過程前后工質(zhì)的比焓值不變。

2.3 模擬流程的建立

利用ASPEN Plus軟件中FLASH、HEATER、PUMP、VALUE等模塊對(duì)溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組進(jìn)行模擬，單效的換熱站吸收式換熱系統(tǒng)如圖4所示。模型中的模塊說明見表1，系統(tǒng)模型中實(shí)線表示為物質(zhì)流，虛線表示為工質(zhì)熱流。

整個(gè)換熱流程分別由吸收式熱泵換熱與常規(guī)板式換熱器換熱兩部分組成。其中一次側(cè)驅(qū)動(dòng)熱源熱水進(jìn)入吸收式熱泵，以90-130℃高溫?zé)崴鳛轵?qū)動(dòng)熱源提取出45-55℃的低溫段熱水，另一部分直供網(wǎng)回水通過板式換熱器與驅(qū)動(dòng)熱源進(jìn)行換熱制取70-80℃的高溫段熱水，兩部分熱水流量按照設(shè)定比例混合制取60-65℃的中溫段的熱水供給熱用戶使用。

2.4 模擬結(jié)果

本文通過ASPLEN Plus軟件對(duì)熱力站大溫差換熱機(jī)組進(jìn)行了模擬，一次側(cè)驅(qū)動(dòng)熱源熱水溫度為130℃，二次用戶側(cè)的供/回水溫度分別為60℃/40℃。為提高供熱能力、管網(wǎng)熱量輸送能力以及熱電聯(lián)產(chǎn)中鍋爐的使用效率，采用LiBr-H20吸收式熱泵機(jī)組將驅(qū)動(dòng)熱源的回水溫度降低至20℃。模擬的結(jié)果參數(shù)如表2所示。

通過數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果得到的吸收式熱泵機(jī)組各部件的熱負(fù)荷如表3所示。在不計(jì)整個(gè)裝置運(yùn)行時(shí)工質(zhì)循環(huán)泵，以及風(fēng)機(jī)等的能耗時(shí)，該吸收式熱泵機(jī)組的性能系數(shù)可用下式進(jìn)行計(jì)算：

將表3中數(shù)據(jù)代入上式可得，該系統(tǒng)的COP值約為1.753。需注意的是，此計(jì)算未全面考慮吸收式熱泵中各設(shè)備部件的散熱損失以及工質(zhì)泵和溶液泵等的電耗，實(shí)際熱泵效率應(yīng)低于該值。

2.5 運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比

本文選取實(shí)際工程中典型狀態(tài)點(diǎn)與模擬數(shù)據(jù)值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)模擬結(jié)果指導(dǎo)的實(shí)際工程換熱站采用吸收式熱泵換熱系統(tǒng)二次側(cè)的供回水溫度基本符合設(shè)計(jì)值要求，即供水溫度60℃，回水溫度40℃，可以滿足用戶的用熱需求。實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)中驅(qū)動(dòng)熱源溫度、一次網(wǎng)回水溫度、二次側(cè)供水溫度、二次側(cè)回水溫度與通過ASPEN Plus模型模擬的數(shù)據(jù)值較為相近。其中實(shí)際運(yùn)行過程中，一次側(cè)驅(qū)動(dòng)熱源的供水溫度較模擬值偏低，直接或間接導(dǎo)致其余循環(huán)水供回水溫度值較模擬值產(chǎn)生不同幅度的偏差。

3? 結(jié)論

本文通過設(shè)置中心熱力站，在不拆除原有小型熱力站二次側(cè)的熱網(wǎng)管道前提下，在滿足用戶的用熱需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)一次網(wǎng)側(cè)“大溫差”的目的。運(yùn)用ASPEN Plus軟件對(duì)其系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)的物性參數(shù)以及各設(shè)備部件模塊的熱負(fù)荷進(jìn)行了模擬計(jì)算。基于溴化鋰吸收式換熱系統(tǒng)的數(shù)值模擬與工程實(shí)踐的應(yīng)用，為城市集中供熱項(xiàng)目中的既有小型鍋爐房和小型區(qū)域換熱站改造大溫差熱力站提供實(shí)用借鑒意義，并為我國(guó)長(zhǎng)輸管道集中供熱工程提供參考。

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