基于核能綜合利用的吸收式制冷方案研究

孫蘭飛 續玥榕 趙 曉 劉占盛

(中國核電工程有限公司,北京)

0 引言

2020年9月,我國在聯合國大會上提出“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和”[1]的目標。2021年3月15日,中央財經委員會第九次會議指出“要把碳達峰、碳中和納入生態文明建設整體布局,拿出抓鐵有痕的勁頭,確保如期實現目標”[2]。碳達峰、碳中和已經成為我國社會經濟高質量發展的核心關鍵詞,也成為各地“十四五”加快綠色發展的核心工作。

2021年3月,在《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》[3]中提出開展核能綜合利用示范項目;2021年10月,國務院印發《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》[4],意見中明確指出,積極穩妥推進核電余熱供暖。而冬季供暖的管網和余熱在夏季可以充分用于發展制冷。2021年11月,能源局、科技部印發《“十四五”能源領域科技創新規劃》[5],提出開展各種能源廠站和區域智慧能源系統集成試點示范。區域集中制冷站的發展正是對這一規劃的響應。中核集團也在發展規劃中提出探索“核能+”多用途發展模式,充分對接核電周邊市場需求,探索開展以核電為主、多種能源形式并存的綜合智慧能源服務業務,開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,并通過一套過濾裝置和熱水泵,在非供暖季節利用這種低溫熱水通過雙級溴化鋰吸收式制冷機組制冷,于1981年設計了1臺樣機,在北京冷凍廠試驗臺上試驗確定了機組的流程。工業機組于1983年在首鋼順利投產,為1個擁有1 600多個座位的劇場空調提供冷量,性能穩定[6]。

目前,各種堆型核電廠采用的制冷方式大多為電驅動的蒸汽壓縮式制冷,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用創造了有利條件。在抽汽制冷應用方面,20世紀80年代建造的秦山一期核電廠就已采用汽輪機抽汽溴化鋰機組實現為核島供冷;清華大學核能技術研究所也提出過以核能供熱堆為熱源,用溴化鋰吸收式制冷機組制備冷水;上海電力設計院的研究成果表明,熱電廠抽汽驅動蒸汽溴化鋰吸收式制冷機組制冷具有節電效益等。上述資料表明,從汽輪機抽取蒸汽作為吸收式制冷機組的熱源,這種制冷方案具有可行性。將熱電聯產與吸收式制冷相結合,利用熱電廠在發電循環過程中產生的低品位余熱來驅動吸收式制冷機組運行進行制冷,實現冷熱電三聯供,從而進一步提高經濟效益、環境效益和社會效益。

吸收式制冷機組是一種在高真空下運行的制冷設備,機組的性能十分依賴工作介質的物理、化學性質,最基本的要求是工作介質在機組工作溫度范圍內保持一定的混溶性。溶液還要具備穩定的化學性能、無毒、不存在爆炸風險等。目前只有氨-水溶液、溴化鋰-水溶液2種工質對在吸收式制冷領域中獲得了廣泛應用。氨-水溶液型吸收式制冷機組需要在發生器出口安裝蒸餾裝置以分離制冷劑與吸收劑,機組結構相對復雜,且氨本身具有一定的危險性。溴化鋰吸收式制冷機組的性能要高于氨-水溶液型,溴化鋰-水溶液無毒、無味,滿足環保要求;缺點是溴化鋰溶液在有氧環境下對金屬腐蝕強烈,故對所用材料有較高的抗腐蝕性要求,還存在結晶風險。本文主要討論吸收式溴化鋰制冷。

根據熱源介質的不同,分為蒸汽型吸收式溴化鋰機組、熱水型吸收式溴化鋰機組和直燃型吸收式溴化鋰機組,根據核電站的熱源特點,本文僅考慮蒸汽型吸收式溴化鋰機組和熱水型吸收式溴化鋰機組。

1.1 蒸汽型吸收式溴化鋰機組

蒸汽型吸收式溴化鋰機組的主要部件包括高壓發生器、低壓發生器、吸收器、蒸發器、冷凝器、節流裝置。蒸汽型吸收式溴化鋰制冷機組的工作原理見圖1。

圖1 蒸汽型吸收式溴化鋰機組工作原理

蒸汽作為驅動熱源進入高壓發生器,高壓發生器中稀溶液中的制冷劑水不斷蒸發出來與低壓發生器中蒸發出來的制冷劑水在冷凝器中冷凝,經U形管進入蒸發器,在低壓下蒸發,產生制冷效應。發生器中流出的濃溶液降壓后進入吸收器,吸收由蒸發器產生的制冷劑蒸汽,形成稀溶液,用泵將其輸送到發生器重新加熱,形成濃溶液。

單效吸收式溴化鋰制冷機組一般采用0.10～0.25 MPa的蒸汽,性能系數一般為0.65～0.75;雙效吸收式溴化鋰制冷機組一般采用0.70～1.00 MPa的蒸汽,性能系數可提高到1.00以上[7]。根據華龍一號機組的蒸汽品質,本文主要討論雙效溴化鋰吸收式制冷機組。

1.2 熱水型吸收式溴化鋰機組

熱水型吸收式溴化鋰機組的工作原理與蒸汽型機組相同,驅動熱源改為熱水,如二級熱水型吸收式溴化鋰制冷機組可使用75 ℃左右的熱水作為驅動熱源;兩段式熱水型吸收式溴化鋰制冷機組以120 ℃左右的熱水作為驅動熱源,熱水的進出口溫差可達到50 ℃,可以充分利用熱水的能量。熱水型吸收式溴化鋰制冷機組的工作原理見圖2。

圖2 熱水型吸收式溴化鋰機組工作原理

熱水型吸收式溴化鋰制冷機組一般采用75～140 ℃的熱水,單效機組性能系數一般為0.65～0.75,雙效機組性能系數可提高到1.00以上。

2 核電廠吸收式制冷技術應用研究

區域供冷是由一個或多個集中設置的大型制冷站制取冷水,由連接制冷站與各建筑的管網向該區域內各類建筑輸送空調冷水的制冷系統。核電站冷水系統分為核島冷水和BOP(電廠配套設施)各冷水系統,考慮到核島冷水系統對運行安全性的要求,本文以BOP區域各子項的用冷量為參考開展區域供冷的研究。以華龍一號為例,BOP區域各子項的用冷需求見表1。

表1 華龍一號BOP各子項用冷需求統計 kW

以華龍一號為例的核能綜合利用研究中,采用兩回路抽汽實現熱電汽冷聯供,以某項目汽輪機的熱平衡圖為例,可提供抽汽的各個位置的蒸汽參數見表2。

表2 華龍一號可用蒸汽統計

以泳池反應堆為例,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組的熱源。

2.1 蒸汽型吸收式制冷機組應用方案

根據前文描述,選擇A3蒸汽作為蒸汽源,選擇雙效吸收式溴化鋰制冷機組,系統流程見圖3。

圖3 蒸汽型吸收式制冷機組應用方案流程圖

根據表1的需求可以看出,用冷量在2 050～8 190 kW范圍內,為了更好地匹配用冷量的變化,同時考慮到制冷機組長時間運行在比較高效的工況點,選擇3臺單臺制冷量為2 700 kW的制冷機組,所需蒸汽量為9 000 kg/h。該機組的性能系數可達到1.33。系統設計參數見表3。

表3 蒸汽型吸收式制冷機組應用方案系統設計參數

2.2 熱水型吸收式制冷機組應用方案

根據前文描述,選擇90 ℃的熱水作為熱源,選擇雙效吸收式溴化鋰制冷機組作為冷源。系統流程見圖4。

圖4 熱水型吸收式制冷機組應用方案流程圖

根據表1的需求,選擇3臺單臺制冷量為2 700 kW的制冷機組。該機組的熱力系數可達到1.33。系統設計參數見表4。

表4 熱水型吸收式制冷機組應用方案系統設計參數

3 經濟性分析

3.1 技術經濟性分析

3.1.1熱水型吸收式制冷機組技術經濟性分析

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

(1)

(2)

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

相對于電制冷來說,熱水型吸收式制冷的效率較低,采用90 ℃的低溫熱水作為熱源時制冷效率取0.7,電制冷的效率取5.0。根據式(1)、(2)計算,Ce=32.6元/GJ,Cw=48.4元/GJ,即制取相同冷量時,電制冷費用低于熱水型吸收式制冷。

根據上述假設,按照因素分析法對計算中涉及的因素進行分析,分別得到費用隨熱價和機組能效的變化曲線,見圖5、6。得到臨界熱價為22.82元/GJ,即熱價低于臨界熱價時,采用熱水型吸收式制冷更加經濟;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,采用熱水型吸收式制冷更加經濟。

圖5 單位費用隨熱價的變化

圖6 單位費用隨冷水機組能效的變化

考慮0.7的同時運行系數,對熱水型吸收式制冷機組應用方案的投資及運行成本進行分析,并與同工況下的電制冷方案進行比較,結果見表5。由表5可以看出,在非供暖季,充分利用核能產生的熱水進行區域制冷有顯著的節能效益。

表5 熱水型吸收式制冷機組應用方案分析

綜上所述:1) 采用核能供暖的地區,在非供暖季可以采用熱水型吸收式制冷機組進行區域制冷,即實現冷熱聯產,節能效益顯著;2) 有充足余熱的地區,采用熱水型吸收式制冷機組進行區域制冷,節能效益顯著;3) 需要購買熱源的地區,滿足臨界熱價或臨界效率的情況下,采用熱水型吸收式制冷更加經濟。因此,在決策中需要綜合考慮當地的情況,再決定采用什么類型的制冷方式。

3.1.2蒸汽型吸收式制冷機組技術經濟性分析

蒸汽價格受各個地區的政策影響比較大,以山東省幾個城市為例,棗莊市供行政事業單位夏季制冷用熱的價格為63.8元/GJ,供工商企業夏季制冷用熱的價格為69.3元/GJ;青島市居民用蒸汽的價格為36.25元/GJ,非居民用戶為69.72元/GJ。按照式(2)進行計算,得到單位費用隨蒸汽熱價的變化如圖7所示,可以看出,根據目前蒸汽的市場價格進行判斷,采用電制冷方式更加經濟。

圖7 單位費用隨蒸汽熱價的變化

對蒸汽型吸收式制冷機組應用方案的投資及運行成本進行分析,并與同工況下的電制冷方案進行比較,結果見表6。由表6可以看出,在非供暖季充分利用核能產生的蒸汽進行區域制冷有顯著的節能效益。

表6 蒸汽型吸收式制冷機組應用方案分析

3.2 社會經濟性分析

電驅動冷水機組中,由于使用制冷劑會產生溫室氣體排放,而采用吸收式制冷方案代替電制冷方案就可以相應減少溫室氣體排放量。以R134a工質為例,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 結論

吸收式制冷技術方案在熱電廠中已經有較多應用,可以節約常規能源、減少溫室氣體排放、提升能源綜合利用率。但該技術在核電廠中的應用還比較少,一方面是由核電廠獨有的安全性要求決定的,另一方面是從業人員缺乏深入的研究。本文闡述了吸收式制冷的原理,基于華龍一號核電堆型和泳池反應堆分別提出了蒸汽型吸收式制冷機組應用方案和熱水型吸收式制冷機組應用方案,并對方案的經濟性進行了分析,得到以下結論。

1) 基于華龍一號核電堆型和泳池反應堆的設計參數,可以應用吸收式制冷方案。

2) 基于華龍一號堆型的蒸汽型吸收式制冷機組應用方案,具有顯著的技術經濟性和社會經濟性。

3) 基于泳池反應堆的熱水型吸收式制冷機組應用方案,可以實現冷熱聯產,具有顯著的技術經濟性和社會經濟性。

4) 對于需要購買熱水作為吸收式制冷機組熱源的地區,存在臨界熱價或臨界熱力系數的限制,但因為吸收式制冷相對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經濟性。

5) 對于購買蒸汽的地區,吸收式制冷方案技術經濟性差,但具備顯著的社會經濟性。

后續將針對基于核能綜合利用的吸收式制冷方案進行更進一步的研究,繼續挖掘核電廠的用冷需求,并對需求側用戶的運行工況進行深入分析,以更好地匹配吸收式制冷機組;繼續挖掘核電廠的可用余熱,綜合可用熱源以進一步提高核能利用率;根據核電廠廠址情況,制定為周邊區域供冷的方案。