基于核能綜合利用的吸收式制冷方案研究

孫蘭飛 續(xù)玥榕 趙 曉 劉占盛

(中國(guó)核電工程有限公司,北京)

0 引言

2020年9月,我國(guó)在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值,努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”[1]的目標(biāo)。2021年3月15日,中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議指出“要把碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局,拿出抓鐵有痕的勁頭,確保如期實(shí)現(xiàn)目標(biāo)”[2]。碳達(dá)峰、碳中和已經(jīng)成為我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的核心關(guān)鍵詞,也成為各地“十四五”加快綠色發(fā)展的核心工作。

2021年3月,在《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》[3]中提出開(kāi)展核能綜合利用示范項(xiàng)目;2021年10月,國(guó)務(wù)院印發(fā)《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見(jiàn)》[4],意見(jiàn)中明確指出,積極穩(wěn)妥推進(jìn)核電余熱供暖。而冬季供暖的管網(wǎng)和余熱在夏季可以充分用于發(fā)展制冷。2021年11月,能源局、科技部印發(fā)《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》[5],提出開(kāi)展各種能源廠站和區(qū)域智慧能源系統(tǒng)集成試點(diǎn)示范。區(qū)域集中制冷站的發(fā)展正是對(duì)這一規(guī)劃的響應(yīng)。中核集團(tuán)也在發(fā)展規(guī)劃中提出探索“核能+”多用途發(fā)展模式,充分對(duì)接核電周邊市場(chǎng)需求,探索開(kāi)展以核電為主、多種能源形式并存的綜合智慧能源服務(wù)業(yè)務(wù),開(kāi)展核能多用途綜合利用?；诖?本文研究了基于核能綜合利用的吸收式制冷方案。

1 吸收式制冷技術(shù)概述

吸收式制冷在利用低品位熱源和回收余熱方面有比較廣泛的應(yīng)用。例如,首都鋼鐵公司利用高爐廢渣的顯熱加熱廢渣池的水,并通過(guò)一套過(guò)濾裝置和熱水泵,在非供暖季節(jié)利用這種低溫?zé)崴ㄟ^(guò)雙級(jí)溴化鋰吸收式制冷機(jī)組制冷,于1981年設(shè)計(jì)了1臺(tái)樣機(jī),在北京冷凍廠試驗(yàn)臺(tái)上試驗(yàn)確定了機(jī)組的流程。工業(yè)機(jī)組于1983年在首鋼順利投產(chǎn),為1個(gè)擁有1 600多個(gè)座位的劇場(chǎng)空調(diào)提供冷量,性能穩(wěn)定[6]。

目前,各種堆型核電廠采用的制冷方式大多為電驅(qū)動(dòng)的蒸汽壓縮式制冷,大部分研究多集中于此,且核電站具有大量可利用的蒸汽,這為吸收式制冷的應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。在抽汽制冷應(yīng)用方面,20世紀(jì)80年代建造的秦山一期核電廠就已采用汽輪機(jī)抽汽溴化鋰機(jī)組實(shí)現(xiàn)為核島供冷;清華大學(xué)核能技術(shù)研究所也提出過(guò)以核能供熱堆為熱源,用溴化鋰吸收式制冷機(jī)組制備冷水;上海電力設(shè)計(jì)院的研究成果表明,熱電廠抽汽驅(qū)動(dòng)蒸汽溴化鋰吸收式制冷機(jī)組制冷具有節(jié)電效益等。上述資料表明,從汽輪機(jī)抽取蒸汽作為吸收式制冷機(jī)組的熱源,這種制冷方案具有可行性。將熱電聯(lián)產(chǎn)與吸收式制冷相結(jié)合,利用熱電廠在發(fā)電循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的低品位余熱來(lái)驅(qū)動(dòng)吸收式制冷機(jī)組運(yùn)行進(jìn)行制冷,實(shí)現(xiàn)冷熱電三聯(lián)供,從而進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。

吸收式制冷機(jī)組是一種在高真空下運(yùn)行的制冷設(shè)備,機(jī)組的性能十分依賴工作介質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì),最基本的要求是工作介質(zhì)在機(jī)組工作溫度范圍內(nèi)保持一定的混溶性。溶液還要具備穩(wěn)定的化學(xué)性能、無(wú)毒、不存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)等。目前只有氨-水溶液、溴化鋰-水溶液2種工質(zhì)對(duì)在吸收式制冷領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用。氨-水溶液型吸收式制冷機(jī)組需要在發(fā)生器出口安裝蒸餾裝置以分離制冷劑與吸收劑,機(jī)組結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,且氨本身具有一定的危險(xiǎn)性。溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的性能要高于氨-水溶液型,溴化鋰-水溶液無(wú)毒、無(wú)味,滿足環(huán)保要求;缺點(diǎn)是溴化鋰溶液在有氧環(huán)境下對(duì)金屬腐蝕強(qiáng)烈,故對(duì)所用材料有較高的抗腐蝕性要求,還存在結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)。本文主要討論吸收式溴化鋰制冷。

根據(jù)熱源介質(zhì)的不同,分為蒸汽型吸收式溴化鋰機(jī)組、熱水型吸收式溴化鋰機(jī)組和直燃型吸收式溴化鋰機(jī)組,根據(jù)核電站的熱源特點(diǎn),本文僅考慮蒸汽型吸收式溴化鋰機(jī)組和熱水型吸收式溴化鋰機(jī)組。

1.1 蒸汽型吸收式溴化鋰機(jī)組

蒸汽型吸收式溴化鋰機(jī)組的主要部件包括高壓發(fā)生器、低壓發(fā)生器、吸收器、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流裝置。蒸汽型吸收式溴化鋰制冷機(jī)組的工作原理見(jiàn)圖1。

圖1 蒸汽型吸收式溴化鋰機(jī)組工作原理

蒸汽作為驅(qū)動(dòng)熱源進(jìn)入高壓發(fā)生器,高壓發(fā)生器中稀溶液中的制冷劑水不斷蒸發(fā)出來(lái)與低壓發(fā)生器中蒸發(fā)出來(lái)的制冷劑水在冷凝器中冷凝,經(jīng)U形管進(jìn)入蒸發(fā)器,在低壓下蒸發(fā),產(chǎn)生制冷效應(yīng)。發(fā)生器中流出的濃溶液降壓后進(jìn)入吸收器,吸收由蒸發(fā)器產(chǎn)生的制冷劑蒸汽,形成稀溶液,用泵將其輸送到發(fā)生器重新加熱,形成濃溶液。

單效吸收式溴化鋰制冷機(jī)組一般采用0.10～0.25 MPa的蒸汽,性能系數(shù)一般為0.65～0.75;雙效吸收式溴化鋰制冷機(jī)組一般采用0.70～1.00 MPa的蒸汽,性能系數(shù)可提高到1.00以上[7]。根據(jù)華龍一號(hào)機(jī)組的蒸汽品質(zhì),本文主要討論雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)組。

1.2 熱水型吸收式溴化鋰機(jī)組

熱水型吸收式溴化鋰機(jī)組的工作原理與蒸汽型機(jī)組相同,驅(qū)動(dòng)熱源改為熱水,如二級(jí)熱水型吸收式溴化鋰制冷機(jī)組可使用75 ℃左右的熱水作為驅(qū)動(dòng)熱源;兩段式熱水型吸收式溴化鋰制冷機(jī)組以120 ℃左右的熱水作為驅(qū)動(dòng)熱源,熱水的進(jìn)出口溫差可達(dá)到50 ℃,可以充分利用熱水的能量。熱水型吸收式溴化鋰制冷機(jī)組的工作原理見(jiàn)圖2。

圖2 熱水型吸收式溴化鋰機(jī)組工作原理

熱水型吸收式溴化鋰制冷機(jī)組一般采用75～140 ℃的熱水,單效機(jī)組性能系數(shù)一般為0.65～0.75,雙效機(jī)組性能系數(shù)可提高到1.00以上。

2 核電廠吸收式制冷技術(shù)應(yīng)用研究

區(qū)域供冷是由一個(gè)或多個(gè)集中設(shè)置的大型制冷站制取冷水,由連接制冷站與各建筑的管網(wǎng)向該區(qū)域內(nèi)各類建筑輸送空調(diào)冷水的制冷系統(tǒng)。核電站冷水系統(tǒng)分為核島冷水和BOP(電廠配套設(shè)施)各冷水系統(tǒng),考慮到核島冷水系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行安全性的要求,本文以BOP區(qū)域各子項(xiàng)的用冷量為參考開(kāi)展區(qū)域供冷的研究。以華龍一號(hào)為例,BOP區(qū)域各子項(xiàng)的用冷需求見(jiàn)表1。

表1 華龍一號(hào)BOP各子項(xiàng)用冷需求統(tǒng)計(jì) kW

以華龍一號(hào)為例的核能綜合利用研究中,采用兩回路抽汽實(shí)現(xiàn)熱電汽冷聯(lián)供,以某項(xiàng)目汽輪機(jī)的熱平衡圖為例,可提供抽汽的各個(gè)位置的蒸汽參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 華龍一號(hào)可用蒸汽統(tǒng)計(jì)

以泳池反應(yīng)堆為例,三回路能提供的熱水溫度為90 ℃,該溫度的熱水作為熱水型吸收式溴化鋰機(jī)組的熱源。

2.1 蒸汽型吸收式制冷機(jī)組應(yīng)用方案

根據(jù)前文描述,選擇A3蒸汽作為蒸汽源,選擇雙效吸收式溴化鋰制冷機(jī)組,系統(tǒng)流程見(jiàn)圖3。

圖3 蒸汽型吸收式制冷機(jī)組應(yīng)用方案流程圖

根據(jù)表1的需求可以看出,用冷量在2 050～8 190 kW范圍內(nèi),為了更好地匹配用冷量的變化,同時(shí)考慮到制冷機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在比較高效的工況點(diǎn),選擇3臺(tái)單臺(tái)制冷量為2 700 kW的制冷機(jī)組,所需蒸汽量為9 000 kg/h。該機(jī)組的性能系數(shù)可達(dá)到1.33。系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 蒸汽型吸收式制冷機(jī)組應(yīng)用方案系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 熱水型吸收式制冷機(jī)組應(yīng)用方案

根據(jù)前文描述,選擇90 ℃的熱水作為熱源,選擇雙效吸收式溴化鋰制冷機(jī)組作為冷源。系統(tǒng)流程見(jiàn)圖4。

圖4 熱水型吸收式制冷機(jī)組應(yīng)用方案流程圖

根據(jù)表1的需求,選擇3臺(tái)單臺(tái)制冷量為2 700 kW的制冷機(jī)組。該機(jī)組的熱力系數(shù)可達(dá)到1.33。系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 熱水型吸收式制冷機(jī)組應(yīng)用方案系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

3.1.1熱水型吸收式制冷機(jī)組技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

考慮泳池反應(yīng)堆的檢修等問(wèn)題,按照假想廠址每年有180 d為非供暖期,在此期間泳池反應(yīng)堆的熱水產(chǎn)品可以用來(lái)制冷。工業(yè)用電價(jià)格為0.586 6 元/(kW·h),以能量單位表示為163元/GJ;90 ℃熱水的價(jià)格為33.87元/GJ。

(1)

(2)

式(1)、(2)中Ce為電制冷方式制取1 GJ冷量時(shí)所需的費(fèi)用,元/GJ;ηe為電制冷機(jī)組的性能系數(shù);Ee為參考電價(jià),元/GJ;Cw為熱水型吸收式制冷方式制取1 GJ冷量時(shí)所需的費(fèi)用,元/GJ;ηw為熱制冷機(jī)組的性能系數(shù);Ew為參考熱價(jià),元/GJ。

相對(duì)于電制冷來(lái)說(shuō),熱水型吸收式制冷的效率較低,采用90 ℃的低溫?zé)崴鳛闊嵩磿r(shí)制冷效率取0.7,電制冷的效率取5.0。根據(jù)式(1)、(2)計(jì)算,Ce=32.6元/GJ,Cw=48.4元/GJ,即制取相同冷量時(shí),電制冷費(fèi)用低于熱水型吸收式制冷。

根據(jù)上述假設(shè),按照因素分析法對(duì)計(jì)算中涉及的因素進(jìn)行分析,分別得到費(fèi)用隨熱價(jià)和機(jī)組能效的變化曲線,見(jiàn)圖5、6。得到臨界熱價(jià)為22.82元/GJ,即熱價(jià)低于臨界熱價(jià)時(shí),采用熱水型吸收式制冷更加經(jīng)濟(jì);得到臨界效率為1.04,即熱水型吸收式制冷的效率大于1.04時(shí),采用熱水型吸收式制冷更加經(jīng)濟(jì)。

圖5 單位費(fèi)用隨熱價(jià)的變化

圖6 單位費(fèi)用隨冷水機(jī)組能效的變化

考慮0.7的同時(shí)運(yùn)行系數(shù),對(duì)熱水型吸收式制冷機(jī)組應(yīng)用方案的投資及運(yùn)行成本進(jìn)行分析,并與同工況下的電制冷方案進(jìn)行比較,結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可以看出,在非供暖季,充分利用核能產(chǎn)生的熱水進(jìn)行區(qū)域制冷有顯著的節(jié)能效益。

表5 熱水型吸收式制冷機(jī)組應(yīng)用方案分析

綜上所述:1) 采用核能供暖的地區(qū),在非供暖季可以采用熱水型吸收式制冷機(jī)組進(jìn)行區(qū)域制冷,即實(shí)現(xiàn)冷熱聯(lián)產(chǎn),節(jié)能效益顯著;2) 有充足余熱的地區(qū),采用熱水型吸收式制冷機(jī)組進(jìn)行區(qū)域制冷,節(jié)能效益顯著;3) 需要購(gòu)買熱源的地區(qū),滿足臨界熱價(jià)或臨界效率的情況下,采用熱水型吸收式制冷更加經(jīng)濟(jì)。因此,在決策中需要綜合考慮當(dāng)?shù)氐那闆r,再?zèng)Q定采用什么類型的制冷方式。

3.1.2蒸汽型吸收式制冷機(jī)組技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

蒸汽價(jià)格受各個(gè)地區(qū)的政策影響比較大,以山東省幾個(gè)城市為例,棗莊市供行政事業(yè)單位夏季制冷用熱的價(jià)格為63.8元/GJ,供工商企業(yè)夏季制冷用熱的價(jià)格為69.3元/GJ;青島市居民用蒸汽的價(jià)格為36.25元/GJ,非居民用戶為69.72元/GJ。按照式(2)進(jìn)行計(jì)算,得到單位費(fèi)用隨蒸汽熱價(jià)的變化如圖7所示,可以看出,根據(jù)目前蒸汽的市場(chǎng)價(jià)格進(jìn)行判斷,采用電制冷方式更加經(jīng)濟(jì)。

圖7 單位費(fèi)用隨蒸汽熱價(jià)的變化

對(duì)蒸汽型吸收式制冷機(jī)組應(yīng)用方案的投資及運(yùn)行成本進(jìn)行分析,并與同工況下的電制冷方案進(jìn)行比較,結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可以看出,在非供暖季充分利用核能產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)行區(qū)域制冷有顯著的節(jié)能效益。

表6 蒸汽型吸收式制冷機(jī)組應(yīng)用方案分析

3.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)性分析

電驅(qū)動(dòng)冷水機(jī)組中,由于使用制冷劑會(huì)產(chǎn)生溫室氣體排放,而采用吸收式制冷方案代替電制冷方案就可以相應(yīng)減少溫室氣體排放量。以R134a工質(zhì)為例,以吸收式制冷方案代替電制冷方案可減少溫室氣體(CO2)排放約44.1 t,每年可減排470 kg CO2[8]。

4 結(jié)論

吸收式制冷技術(shù)方案在熱電廠中已經(jīng)有較多應(yīng)用,可以節(jié)約常規(guī)能源、減少溫室氣體排放、提升能源綜合利用率。但該技術(shù)在核電廠中的應(yīng)用還比較少,一方面是由核電廠獨(dú)有的安全性要求決定的,另一方面是從業(yè)人員缺乏深入的研究。本文闡述了吸收式制冷的原理,基于華龍一號(hào)核電堆型和泳池反應(yīng)堆分別提出了蒸汽型吸收式制冷機(jī)組應(yīng)用方案和熱水型吸收式制冷機(jī)組應(yīng)用方案,并對(duì)方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析,得到以下結(jié)論。

1) 基于華龍一號(hào)核電堆型和泳池反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)參數(shù),可以應(yīng)用吸收式制冷方案。

2) 基于華龍一號(hào)堆型的蒸汽型吸收式制冷機(jī)組應(yīng)用方案,具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)性。

3) 基于泳池反應(yīng)堆的熱水型吸收式制冷機(jī)組應(yīng)用方案,可以實(shí)現(xiàn)冷熱聯(lián)產(chǎn),具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)性。

4) 對(duì)于需要購(gòu)買熱水作為吸收式制冷機(jī)組熱源的地區(qū),存在臨界熱價(jià)或臨界熱力系數(shù)的限制,但因?yàn)槲帐街评湎鄬?duì)于電制冷可減少一定的溫室氣體排放,因此具備顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)性。

5) 對(duì)于購(gòu)買蒸汽的地區(qū),吸收式制冷方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性差,但具備顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)性。

后續(xù)將針對(duì)基于核能綜合利用的吸收式制冷方案進(jìn)行更進(jìn)一步的研究,繼續(xù)挖掘核電廠的用冷需求,并對(duì)需求側(cè)用戶的運(yùn)行工況進(jìn)行深入分析,以更好地匹配吸收式制冷機(jī)組;繼續(xù)挖掘核電廠的可用余熱,綜合可用熱源以進(jìn)一步提高核能利用率;根據(jù)核電廠廠址情況,制定為周邊區(qū)域供冷的方案。