溴化鋰吸收式熱泵結(jié)晶原因處理及預(yù)防

朱明磊，李長松

（1.滄州華潤熱電有限公司，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)機組，建成投產(chǎn)時間為2007年。單臺機組額定抽汽量550t/h，最大抽汽量625t/h，設(shè)計供熱循環(huán)水流量10500t/h，供回水溫度70/130℃。

2013 年，我司#2 機組進行了循環(huán)水余熱回收利用的供熱改造項目，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，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)，溶液溫度會隨之增大。本循環(huán)水余熱回收利用項目采用吸收式熱泵機組，提取回收利用2號發(fā)電機組循環(huán)冷卻水余熱進行城市冬季采暖供熱。

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

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

（3）驅(qū)動蒸汽：設(shè)計壓力0.30MPa（a）（減溫器前），壓力范圍0.26～0.36MPa（a）。

（4）熱泵疏水設(shè)計溫度：驅(qū)動蒸汽壓力對應(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組發(fā)生故障的原因之一。在吸收式熱泵機組停運、啟動、運行過程中仍會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，當溫度不斷下降至某一數(shù)值時，就會發(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，也會引起結(jié)晶現(xiàn)象。無論是哪一種原因，無論是在運行中或是在停機時，一旦機組產(chǎn)生結(jié)晶，溶晶處理都不是一件容易的事情。因為機組溶晶時，冷媒水會大幅減少，此時機組性能會明顯降低，甚至動力會變?yōu)榱恪Ｒ虼藨?yīng)加強監(jiān)督維護，避免機組在任意時期發(fā)生結(jié)晶，如果發(fā)現(xiàn)機組出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象應(yīng)立即處理。

4 熱泵結(jié)晶與處理

4.1 停運過程中的結(jié)晶與處理

停運過程中，溶液會發(fā)生稀釋而出現(xiàn)分層現(xiàn)象，如果停機時熱泵房的環(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，此時就會發(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導(dǎo)致溶液泵受損，一般對溶液泵進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，加大還原煤量進行貧化處理，達標后排放。爐內(nèi)渣層達到一定厚度后，(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)過水淬后由汽車運至渣堆場外售。

（1）使用電機給溶液泵加熱，即在溶液泵入口熱井、板換、進出口管彎頭部進行加熱，至熱泵可以正常運轉(zhuǎn)時停止加熱。在加熱的過程中需注意電動機產(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)生振動加速溶晶；

（3）溶液泵是否運行不能直接觀察，可通過熱泵上的儀表進行判斷。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裝。之后在觀察真空壓力表時，如表上顯示為0即為一個大氣壓，則表明泵內(nèi)及出口處的結(jié)晶還未消除；在泵運行時，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 運行過程中的結(jié)晶與處理

在機組運行過程中，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，就會慢慢發(fā)生結(jié)晶。當機組處于全負荷運行狀態(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聲音，表示機組運行正常。如已發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象，濃溶液出口管道會被溴化鋰結(jié)晶體堵塞，溶液流速降低，發(fā)生器中液位升高，當液位升高至溢流口時，濃溶液會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溢流管有浮球振動聲音。這也是用來判斷運行中的熱泵是否發(fā)生結(jié)晶的常見方法，對于不同的結(jié)晶狀況一般應(yīng)采取：

（1）若結(jié)晶程度較輕，機組自動熔晶啟動程序即可解決。在機組無法自動熔晶的情況下，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）若熱泵機組在結(jié)晶初期沒有被發(fā)現(xiàn)，造成了結(jié)晶嚴重的后果，那么上述方法就很難奏效了，此時需要通過電加熱的方式進行溶晶：

①冷媒泵與溶液泵可繼續(xù)運行；

②用電加熱對溶液泵板換、進出口管彎頭部加熱，加熱時要注意電動機加熱時控制溫度低于50℃。

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

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吸收器，防止稀溶液濃度過高。

③暫時停止溶液泵的運行。

④當高溫溶液流過稀溶液管路后再啟動溶液泵。在熱泵啟動后，高溫溶液會被繼續(xù)加熱，當升高至一定溫度時，可再次暫停溶液泵的運行。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保持溶液泵運行。

②間斷性少量投入驅(qū)動蒸汽，加熱濃溶液溫度至60℃關(guān)閉驅(qū)動蒸汽調(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 機組啟動時結(jié)晶與處理

在機組啟動時結(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。那么在機組啟動時熔晶的常用方法如下。

（1）結(jié)晶位置在發(fā)生器時的熔晶方法：①首先打開驅(qū)動蒸汽閥門，使蒸汽熱量傳至機組，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，可通過外力如電機等全方位加熱發(fā)生器外體。③當結(jié)晶逐漸溶解時，嘗試啟動溶液泵，直至機組內(nèi)的溶液完全混合均勻后方可正式啟動機組。

（2）在熱泵機組啟動前，提前啟動溶液泵與真空泵對熱泵機組進行抽真空工作；

（3）若熱交換器和發(fā)生器同時結(jié)晶，可應(yīng)用上述方法進行溶晶處理，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其進行預(yù)防，而不是已經(jīng)產(chǎn)生結(jié)晶再去溶晶。針對以上不同情況，可以采取下列相應(yīng)措施，預(yù)防結(jié)晶出現(xiàn)：①保持溶液對熱量的吸收過程和發(fā)生過程的動態(tài)平衡，避免機組內(nèi)溶液濃度過高。②加強機組的觀察監(jiān)督，尤其是機組內(nèi)部的真空情況，若發(fā)現(xiàn)存在不凝性氣體要及時抽出，從而防止冷媒水大量集聚導(dǎo)致溶液濃度升高，進而降低結(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)外界負荷變化情況變化，及時調(diào)整制熱量，使其與外界負荷相匹配，防止因負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，一般不會對機組正常運轉(zhuǎn)造成重大影響。