吸收式換熱系統的設計模擬與分析

葛宇 周小三 薄其明

摘要：大溫差吸收式換熱技術可以實現降低長輸供熱管網回水溫度進而提高熱電廠能源利用效率的目的。本文對換熱站采用吸收式換熱技術的供熱系統進行了設計，并使用ASPEN Plus軟件對其進行了技術可行性分析，指導并應用于北方某地實際熱力站改造項目達到了預期效果。

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.

關鍵詞：吸收式換熱;回水溫度;ASPEN Plus;技術可行性

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

中圖分類號：TU995? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）29-0142-03

0? 引言

我國集中供熱熱力網遍布于全國近140個大中型城市，且逐步趨向擴大化[1]。隨著國民經濟不斷發展以及人民生活水平不斷提高，人們對于建筑居住環境的舒適度也有了更高的要求。因此，在我國實現城市現代化的進程中，城市熱網的建設和改造是保障居民生活水平和提升生活質量的重要環節，同時，集中供熱技術（熱源、熱網、熱力站）的改進和發展具有重要戰略意義。

目前城市集中供熱面臨兩方面的問題：一是熱網的熱量輸送能力有限，難以滿足長距離熱能輸送;二是城市熱源普遍不足，無法滿足城市建設日益增長的用熱需求[2]。江億[3]等提出基于大溫差吸收式換熱技術的熱電聯產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設置吸收式熱泵換熱機組，與常規供熱溫差相比有效降低一次側回水溫度，熱源供熱能力和能源利用效率顯著提升[4-7]。其中設置于熱電廠和熱力站內的吸收式熱泵換熱機組是供熱系統的關鍵設備之一，該設備利用熱泵技術原理[8]實現一次網供回水“大溫差”的目的。本文通過ASPEN Plus軟件對基于溴化鋰吸收式熱泵的換熱系統，進行了技術可行性分析，并指導應用于銀川市集中供熱改造項目中取得了良好效果。

1? 換熱站吸收式換熱系統

國內太古（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組供熱技術[9]已實現長距離大溫差的熱電聯產供熱，其系統流程如圖1所示。該系統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組的大溫差熱力站。

本文借鑒太古工程經驗，針對項目中不具備改造條件的多座原小型熱力站，將吸收式換熱機組集中設置于上一級中心熱力站中，其系統流程如圖2所示。對于改造后的熱力站能否在保證用戶用熱需求的前提下實現一次網側“大溫差”的目的，將在下一小結通過模擬進行分析和說明。

換熱站采用吸收式換熱技術是基于溴化鋰吸收式熱泵原理，輔助加裝了混水系統與控流組件以實現對一次熱網驅動熱源和二次網用戶側的供回水的流量調節，系統原理如圖3所示。該系統主要包括有：發生器、吸收器、蒸發器、冷凝器、溶液換熱器、節流閥等裝置。其中，吸收式熱泵機組中的循環工質為溴化鋰溶液（LiBr-H2O）。

機組內部工質流程如下：吸收器中的溴化鋰稀溶液經由溶液泵送至發生器，溴化鋰溶液在發生器中被驅動熱源加熱至飽和并產生冷劑蒸汽，同時溶液濃縮成溴化鋰濃溶液。溴化鋰濃溶液經發生器進入溶液換熱器，與泵送的溴化鋰稀溶液進行熱量交換后進入吸收器，溴化鋰溶液循環以此往復。

機組外部介質流程如下：①一次側驅動熱源按照設定比例被分為兩支路，一支路通過板式換熱器進行換熱;另一支路進入發生器驅動溴化鋰溶液中冷劑蒸發，而后經過蒸發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。②二次用戶側直供循環回水按照設定比例被分為兩支路，一支路通過板式換熱器與一次側熱水進行熱量交換;另外一支路經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? 流程的搭建及數值模擬

2.1 ASPEN Plus介紹

ASPEN Plus[10]（Advanced System for Process Engineering）是麻省理工學院開發的大型通用流程模擬系統，其具有完備的單元操作模型，完備的物料操作系統，先進的擬合方法，以及強大的集成能力。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備元件，例如本文模擬吸收式熱泵換熱系統中，分別使用Columns、Separators、Heat-Exchanger、Valve模塊模擬吸收器、發生器、蒸發器、冷凝器以及節流閥。

2.2 模擬條件的假設

為了簡化計算模型，本文模擬做出如下假設條件：

①整個系統處于熱平衡狀態，工質處于穩定流動

狀態。

②高壓側：發生器的工作壓力等于冷凝器中工質的冷凝壓力;低壓側：吸收器的工作壓力等于蒸發器中工質的蒸發壓力。

③離開蒸發器、冷凝器的工質為飽和狀態，離開發生器、吸收器的溴化鋰溶液為飽和溶液。

④忽略連接管件及設備單元中循環工質的流動阻力、壓降損失以及熱流損失。

⑤節流過程前后工質的比焓值不變。

2.3 模擬流程的建立

利用ASPEN Plus軟件中FLASH、HEATER、PUMP、VALUE等模塊對溴化鋰吸收式熱泵機組進行模擬，單效的換熱站吸收式換熱系統如圖4所示。模型中的模塊說明見表1，系統模型中實線表示為物質流，虛線表示為工質熱流。

整個換熱流程分別由吸收式熱泵換熱與常規板式換熱器換熱兩部分組成。其中一次側驅動熱源熱水進入吸收式熱泵，以90-130℃高溫熱水作為驅動熱源提取出45-55℃的低溫段熱水，另一部分直供網回水通過板式換熱器與驅動熱源進行換熱制取70-80℃的高溫段熱水，兩部分熱水流量按照設定比例混合制取60-65℃的中溫段的熱水供給熱用戶使用。

2.4 模擬結果

本文通過ASPLEN Plus軟件對熱力站大溫差換熱機組進行了模擬，一次側驅動熱源熱水溫度為130℃，二次用戶側的供/回水溫度分別為60℃/40℃。為提高供熱能力、管網熱量輸送能力以及熱電聯產中鍋爐的使用效率，采用LiBr-H20吸收式熱泵機組將驅動熱源的回水溫度降低至20℃。模擬的結果參數如表2所示。

通過數值模擬計算結果得到的吸收式熱泵機組各部件的熱負荷如表3所示。在不計整個裝置運行時工質循環泵，以及風機等的能耗時，該吸收式熱泵機組的性能系數可用下式進行計算：

將表3中數據代入上式可得，該系統的COP值約為1.753。需注意的是，此計算未全面考慮吸收式熱泵中各設備部件的散熱損失以及工質泵和溶液泵等的電耗，實際熱泵效率應低于該值。

2.5 運行數據對比

本文選取實際工程中典型狀態點與模擬數據值進行對比，根據模擬結果指導的實際工程換熱站采用吸收式熱泵換熱系統二次側的供回水溫度基本符合設計值要求，即供水溫度60℃，回水溫度40℃，可以滿足用戶的用熱需求。實際運行數據中驅動熱源溫度、一次網回水溫度、二次側供水溫度、二次側回水溫度與通過ASPEN Plus模型模擬的數據值較為相近。其中實際運行過程中，一次側驅動熱源的供水溫度較模擬值偏低，直接或間接導致其余循環水供回水溫度值較模擬值產生不同幅度的偏差。

3? 結論

本文通過設置中心熱力站，在不拆除原有小型熱力站二次側的熱網管道前提下，在滿足用戶的用熱需求的同時，實現一次網側“大溫差”的目的。運用ASPEN Plus軟件對其系統循環工質的物性參數以及各設備部件模塊的熱負荷進行了模擬計算。基于溴化鋰吸收式換熱系統的數值模擬與工程實踐的應用，為城市集中供熱項目中的既有小型鍋爐房和小型區域換熱站改造大溫差熱力站提供實用借鑒意義，并為我國長輸管道集中供熱工程提供參考。

參考文獻：

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[5]付國棟，謝爭先，肖常磊，趙然.大溫差吸收式換熱技術換熱站應用案例分析[J].建筑熱能通風與空調，2019，38（2）：70-72.

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[10]孫蘭義.化工過程模擬實訓-ASPEN Plus教程[M].二版.化學工業出版社，2017.