溴化鋰吸收式熱泵結(jié)晶原因處理及預(yù)防

朱明磊，李長(zhǎng)松

（1.滄州華潤(rùn)熱電有限公司，河北滄州 061000；2.河北建投承德熱電有限責(zé)任公司，河北承德 067000）

1 概述

滄州華潤(rùn)熱電有限公司位于滄州市中心北偏西方向約6.5km 處，一期工程建設(shè)2×330MW 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，建成投產(chǎn)時(shí)間為2007年。單臺(tái)機(jī)組額定抽汽量550t/h，最大抽汽量625t/h，設(shè)計(jì)供熱循環(huán)水流量10500t/h，供回水溫度70/130℃。

2013 年，我司#2 機(jī)組進(jìn)行了循環(huán)水余熱回收利用的供熱改造項(xiàng)目，提取余熱水103.7MW 的熱量用于供熱，增加約200萬平方米的供熱面積。

2 熱泵設(shè)計(jì)原理和邊界

吸收式熱泵是一種利用溴化鋰溶液濃度改變，使熱量從低溫介質(zhì)轉(zhuǎn)換成高溫介質(zhì)的能量利用裝置（圖1）。利用吸收式熱泵可以把那些不能直接利用的低溫乏汽或溫度較熱能變?yōu)橛杏玫母邷責(zé)崮埽瑥亩岣邿崮芾寐剩?jié)約大量燃料。吸收式熱泵是以犧牲一少部分高品位熱能為代價(jià)，從低品位熱源吸取大量熱量供給熱用戶。

圖1 吸收式熱泵機(jī)組工作原理圖

溴化鋰溶于水以后，就改變了水在飽和狀態(tài)下溫度和壓力的關(guān)系，而且在相同壓力下溴化鋰溶液的飽和溫度隨其濃度的變化而變化。也就是說，溴化鋰水溶液在飽和狀態(tài)下，溫度與壓力和濃度有關(guān)。在等壓條件下加熱，隨著溫度的升高，溶液中的水分被蒸發(fā)，溶液溫度會(huì)隨之增大。本循環(huán)水余熱回收利用項(xiàng)目采用吸收式熱泵機(jī)組，提取回收利用2號(hào)發(fā)電機(jī)組循環(huán)冷卻水余熱進(jìn)行城市冬季采暖供熱。

（1）熱源水：設(shè)計(jì)溫度34℃，溫度范圍28～36℃，設(shè)計(jì)工況溫降≥7℃；設(shè)計(jì)流量12000m3/h。

（2）熱網(wǎng)水：設(shè)計(jì)溫度55℃，溫度范圍45～60℃，設(shè)計(jì)流量10500m3/h。

（3）驅(qū)動(dòng)蒸汽：設(shè)計(jì)壓力0.30MPa（a）（減溫器前），壓力范圍0.26～0.36MPa（a）。

（4）熱泵疏水設(shè)計(jì)溫度：驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力對(duì)應(yīng)的飽和水溫度。

3 熱泵結(jié)晶原因分析

溶液結(jié)晶是熱泵結(jié)晶的一種常見現(xiàn)象，也是造成溴化鋰吸收式機(jī)組發(fā)生故障的原因之一。在吸收式熱泵機(jī)組停運(yùn)、啟動(dòng)、運(yùn)行過程中仍會(huì)受各種因素影響而產(chǎn)生溶液結(jié)晶。例如加熱能源壓力過高、冷卻水溫度偏低、機(jī)組內(nèi)存在不凝性氣體等。圖2為溴化鋰溶液的溶解-結(jié)晶特性曲線。

圖2 溴化鋰溶液的結(jié)晶曲線圖

溶液結(jié)晶與溶液自身的濃度及溫度有關(guān)。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，一定濃度的溴化鋰溶液，當(dāng)溫度不斷下降至某一數(shù)值時(shí)，就會(huì)發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象。或者一定溫度的溴化鋰溶液，如果溶液的濃度不斷升高至某一數(shù)值時(shí)，也會(huì)引起結(jié)晶現(xiàn)象。無論是哪一種原因，無論是在運(yùn)行中或是在停機(jī)時(shí)，一旦機(jī)組產(chǎn)生結(jié)晶，溶晶處理都不是一件容易的事情。因?yàn)闄C(jī)組溶晶時(shí)，冷媒水會(huì)大幅減少，此時(shí)機(jī)組性能會(huì)明顯降低，甚至動(dòng)力會(huì)變?yōu)榱恪Ｒ虼藨?yīng)加強(qiáng)監(jiān)督維護(hù)，避免機(jī)組在任意時(shí)期發(fā)生結(jié)晶，如果發(fā)現(xiàn)機(jī)組出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象應(yīng)立即處理。

4 熱泵結(jié)晶與處理

4.1 停運(yùn)過程中的結(jié)晶與處理

停運(yùn)過程中，溶液會(huì)發(fā)生稀釋而出現(xiàn)分層現(xiàn)象，如果停機(jī)時(shí)熱泵房的環(huán)境溫度不夠高就容易導(dǎo)致溴化鋰溶液濃度冷卻到平衡圖的下方，此時(shí)就會(huì)發(fā)生結(jié)晶，最常見的結(jié)晶位置是在管道彎頭處或換熱器處。如果此處發(fā)生結(jié)晶最常見的后果就是會(huì)導(dǎo)致溶液泵受損，一般對(duì)溶液泵進(jìn)行溶晶處理的步驟如下：

控制爐內(nèi)空氣過剩系數(shù)α=0.6～0.7，90%～95%鎳和40%～50%的鐵被還原形成鎳鐵合金，其與雜質(zhì)和脈石造渣形成爐渣，控制爐渣含鎳小于0.1%。如爐渣含鎳較高，則停止加料，加大還原煤量進(jìn)行貧化處理，達(dá)標(biāo)后排放。爐內(nèi)渣層達(dá)到一定厚度后，(渣含Ni<0.1%)從位于側(cè)吹爐一端的渣虹吸口半連續(xù)地排出，放渣溫度為1 500 ℃。爐渣經(jīng)過水淬后由汽車運(yùn)至渣堆場(chǎng)外售。

（1）使用電機(jī)給溶液泵加熱，即在溶液泵入口熱井、板換、進(jìn)出口管彎頭部進(jìn)行加熱，至熱泵可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)停止加熱。在加熱的過程中需注意電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量溫度應(yīng)控制在50℃以內(nèi)；

（2）使用物體敲擊溶液泵出口管道彎頭處，使其管道內(nèi)溶液產(chǎn)生振動(dòng)加速溶晶；

（3）溶液泵是否運(yùn)行不能直接觀察，可通過熱泵上的儀表進(jìn)行判斷。一般在溶液泵出口處應(yīng)安裝真空壓力表，若未安裝可在取樣閥處補(bǔ)裝。之后在觀察真空壓力表時(shí)，如表上顯示為0即為一個(gè)大氣壓，則表明泵內(nèi)及出口處的結(jié)晶還未消除；在泵運(yùn)行時(shí)，若真空壓力表上指示的壓力高于大氣壓，則結(jié)晶已溶解。此外，通過聽取溢流管浮球的聲音也可判斷結(jié)晶是否溶解。

4.2 運(yùn)行過程中的結(jié)晶與處理

在機(jī)組運(yùn)行過程中，熱交換器部位是最常出現(xiàn)結(jié)晶的位置。一般在熱交換器的濃溶液側(cè)及濃溶液出口管道彎頭處的溶液濃度是最高的，而且這些部位溶液流速偏低，濃溶液溫度偏低，一旦外界環(huán)境或熱泵本身因素導(dǎo)致溶液溫度低于正常濃度下的結(jié)晶溫度時(shí)，就會(huì)慢慢發(fā)生結(jié)晶。當(dāng)機(jī)組處于全負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)中，溢流管溫度無升高至濃溶液溫度，且溢流管無浮球振動(dòng)聲音，表示機(jī)組運(yùn)行正常。如已發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象，濃溶液出口管道會(huì)被溴化鋰結(jié)晶體堵塞，溶液流速降低，發(fā)生器中液位升高，當(dāng)液位升高至溢流口時(shí)，濃溶液會(huì)通過溢流管回到吸收器。因此，可總結(jié)出結(jié)晶的顯著特征：①溢流管溫度快速升高至濃溶液溫度；②溢流管有浮球振動(dòng)聲音。這也是用來判斷運(yùn)行中的熱泵是否發(fā)生結(jié)晶的常見方法，對(duì)于不同的結(jié)晶狀況一般應(yīng)采取：

（1）若結(jié)晶程度較輕，機(jī)組自動(dòng)熔晶啟動(dòng)程序即可解決。在機(jī)組無法自動(dòng)熔晶的情況下，可采取以下措施。

①調(diào)整蒸汽閥閥開度，減少蒸汽量，讓發(fā)生器內(nèi)濃溶液溫度降低，濃溶液濃度也降低。

②為降低溴化鋰溶液濃度，可打開冷媒泵再生閥門，使部分冷媒水旁經(jīng)再生閥流至吸收器，防止稀溶液濃度過高。

（2）若熱泵機(jī)組在結(jié)晶初期沒有被發(fā)現(xiàn)，造成了結(jié)晶嚴(yán)重的后果，那么上述方法就很難奏效了，此時(shí)需要通過電加熱的方式進(jìn)行溶晶：

①冷媒泵與溶液泵可繼續(xù)運(yùn)行；

②用電加熱對(duì)溶液泵板換、進(jìn)出口管彎頭部加熱，加熱時(shí)要注意電動(dòng)機(jī)加熱時(shí)控制溫度低于50℃。

（3）在一些特殊的情況下，也可以采用溶液泵間歇啟動(dòng)和停止的方式溶解結(jié)晶，一般步驟包括以下幾點(diǎn)：

①為了不使溴化鋰溶液過分濃縮，關(guān)閉結(jié)晶熱泵驅(qū)動(dòng)蒸汽調(diào)整閥。

②開冷媒泵再生閥，把冷媒水旁通過再生閥到達(dá)吸收器，防止稀溶液濃度過高。

③暫時(shí)停止溶液泵的運(yùn)行。

④當(dāng)高溫溶液流過稀溶液管路后再啟動(dòng)溶液泵。在熱泵啟動(dòng)后，高溫溶液會(huì)被繼續(xù)加熱，當(dāng)升高至一定溫度時(shí)，可再次暫停溶液泵的運(yùn)行。如此多次、反復(fù)操作，可快速溶解位于交換器內(nèi)的結(jié)晶體。

（4）間歇投入加熱處理，其具體操作步驟如下：

①保持溶液泵運(yùn)行。

②間斷性少量投入驅(qū)動(dòng)蒸汽，加熱濃溶液溫度至60℃關(guān)閉驅(qū)動(dòng)蒸汽調(diào)整閥。

③反復(fù)投入加熱也可以起到很好的溶晶效果。

4.3 機(jī)組啟動(dòng)時(shí)結(jié)晶與處理

在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)結(jié)晶位置一般是在發(fā)生器濃溶液側(cè)及濃溶液出口管道彎頭或發(fā)生器處。那么在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)熔晶的常用方法如下。

（1）結(jié)晶位置在發(fā)生器時(shí)的熔晶方法：①首先打開驅(qū)動(dòng)蒸汽閥門，使蒸汽熱量傳至機(jī)組，傳熱方式是傳熱管，傳熱管的溫度逐漸升高從而溶解結(jié)晶。②為提升溶晶速度，可通過外力如電機(jī)等全方位加熱發(fā)生器外體。③當(dāng)結(jié)晶逐漸溶解時(shí)，嘗試啟動(dòng)溶液泵，直至機(jī)組內(nèi)的溶液完全混合均勻后方可正式啟動(dòng)機(jī)組。

（2）在熱泵機(jī)組啟動(dòng)前，提前啟動(dòng)溶液泵與真空泵對(duì)熱泵機(jī)組進(jìn)行抽真空工作；

（3）若熱交換器和發(fā)生器同時(shí)結(jié)晶，可應(yīng)用上述方法進(jìn)行溶晶處理，但是需要注意的是，發(fā)生器溶晶處理在前，熱交換器溶晶處理在后。

5 熱泵結(jié)晶的預(yù)防

熱泵結(jié)晶的現(xiàn)象、原因并不十分單一，最好的處理方法是對(duì)其進(jìn)行預(yù)防，而不是已經(jīng)產(chǎn)生結(jié)晶再去溶晶。針對(duì)以上不同情況，可以采取下列相應(yīng)措施，預(yù)防結(jié)晶出現(xiàn)：①保持溶液對(duì)熱量的吸收過程和發(fā)生過程的動(dòng)態(tài)平衡，避免機(jī)組內(nèi)溶液濃度過高。②加強(qiáng)機(jī)組的觀察監(jiān)督，尤其是機(jī)組內(nèi)部的真空情況，若發(fā)現(xiàn)存在不凝性氣體要及時(shí)抽出，從而防止冷媒水大量集聚導(dǎo)致溶液濃度升高，進(jìn)而降低結(jié)晶概率。③控制再生溶液溫度小于120℃，來控制溴化鋰溶液濃度在62%～65%。④根據(jù)外界負(fù)荷變化情況變化，及時(shí)調(diào)整制熱量，使其與外界負(fù)荷相匹配，防止因負(fù)荷減小而引起溶液溫度普遍下降而導(dǎo)致結(jié)晶可能性增大。⑤調(diào)整合適的溶液循環(huán)量，避免熱交換過于劇烈而引起濃溶液溫度發(fā)生較大變化。⑥控制好冷卻水水量和溫度，避免溶液溫度下降過多過快導(dǎo)致結(jié)晶。

6 結(jié)論

綜上所述，溴化鋰吸收式制熱機(jī)組結(jié)晶現(xiàn)象雖然易發(fā)生、危害大，但并不可怕。只要做到精心操作，結(jié)晶大都是可以避免的。即使不慎機(jī)組出現(xiàn)了結(jié)晶，只要能夠做到早發(fā)現(xiàn)、早處理，一般不會(huì)對(duì)機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成重大影響。