直燃型溴化锂吸收式冷热水机组的应用与节能

工作原理：图 1 所示为直燃型溴化锂吸收式制冷机组的结构图，由图可以看出，其工作过程可以分为溶液循环和制冷剂 - 水循环两个部分。

溶液循环过程为：从吸收器内出来的稀溶液经溶液泵加压，先后进入低温热交换器和高温热交换器，再进入高压发生器。在高压发生器内，稀溶液被天然气燃烧加热浓缩成中间浓度的溶液，中间浓度的溶液从高压发生器内出来流经高温热交换器与稀溶液进行热量交换，之后进入低压发生器；在低压发生器内经过进一步的加热浓缩成浓溶液；浓溶液从低压发生器内流出进入低温热交换器与稀溶液进行热量交换之后进入吸收器内进行稀释，再经溶液泵进入高压发生器，如此反复运行。

制冷剂 - 水循环过程：在高压发生器内，稀溶液经天然气燃烧加热之后解析出高温水蒸气，变成中间浓度的溶液；高压发生器产生的冷剂蒸汽进入低压发生器内加热中间浓度的溶液，使其进一步浓缩成为浓溶液，产生的冷剂蒸汽进人冷凝器，同时，起加热作用的冷剂蒸汽凝结成液体水进入冷凝器 ; 冷剂水进入蒸发器内蒸发，产生的水蒸气进入吸收器内被吸收器内的浓溶液吸收，从而使得浓溶液稀释为稀溶液。

直燃机房的设计和施工：    

GB50736-2012 《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》要求：

8.4.1 采用溴化锂吸收式冷（温）水机组时，其使用的能源种类应根据当地的资源情况合理确定；在具有多种可使用能源时，宜按照以下优先顺序确定：

1 废热或工业余热；

2 利用可再生能源产生的热源；

3 矿物质能源优先顺序为天然气、人工煤气、液化石油气、燃油等。

8.4.2 溴化锂吸收式机组的机型应根据热源参数确定。除第 8.4.1 条第 1 款、第 2 款和利用区域或市政集中热水为热源外，矿物质能源直接燃烧和提供热源的溴化锂吸收式机组均不应采用单效型机组。

8.4.3 选用直燃式机组时，应符合下列规定：

1 机组应考虑冷、热负荷与机组供冷、供热量的匹配，宜按满足夏季冷负荷和冬季热负荷的需求中的机型较小者选择；

2 当机组供热能力不足时，可加大高压发生器和燃烧器以增加供热量，但其高压发生器和燃烧器的最大供热能力不宜大于所选直燃式机组型号额定热量的 50 ％；

3 当机组供冷能力不足时，宜采用辅助电制冷等措施。

8.4.4 吸收式机组的性能参数应符合现行国家标准《公共建筑节能设计标准》 GB50189 的有关规定。采用供冷（温）及生活热水三用型直燃机时，尚应满足下列要求：

1 完全满足冷（温）水及生活热水日负荷变化和季节负荷变化的要求；

2 应能按冷（温）水及生活热水的负荷需求进行调节；

3 当生活热水负荷大、波动大或使用要求高时，应设置储水装置，如容积式换热器、水箱等。若仍不能满足要求的，则应另设专用热水机组供应生活热水。

8.10.4 直燃吸收式机组机房的设计应符合下列规定：

1 应符合国家现行有关防火及燃气设计规范的相关规定；

2 宜单独设置机房；不能单独设置机房时，机房应靠建筑物的外墙，并采用耐火极限大于 2h 防爆墙和耐火极限大于 1.5h 现浇楼板与相邻部位隔开；当与相邻部位必须设门时，应设甲级防火门；

3 不应与人员密集场所和主要疏散口贴邻设置；

4 燃气直燃型制冷机组机房单层面积大于 200m ² 时，机房应设直接对外的安全出口；

5 应设置泄压口，泄压口面积不应小于机房占地面积的 10 ％（当通风管道或通风井直通室外时，其面积可计入机房的泄压面积）；泄压口应避开人员密集场所和主要安全出口；

6 不应设置吊顶；

7 烟道布置不应影响机组的燃烧效率及制冷效率。

GB50016-2014 （ 2018 年版）《建筑设计防火规范》要求：

5.4.12 燃油或燃气锅炉、油浸变压器、充有可燃油的高压电容器和多油开关等，宜设置在建筑外的专用房间内；确需贴邻民用建筑布置时，应采用防火墙与所贴邻的建筑分隔，且不应贴邻人员密集场所，该专用房间的耐火等级不应低于二级；确需布置在民用建筑内时，不应布置在人员密集场所的上一层、下一层或贴邻，并应符合下列规定：

1 燃油或燃气锅炉房、变压器室应设置在首层或地下一层的靠外墙部位，但常 ( 负 ) 压燃油或燃气锅炉可设置在地下二层或屋顶上。设置在屋顶上的常 ( 负 ) 压燃气锅炉，距离通向屋面的安全出口不应小于 6m 。

采用相对密度 ( 与空气密度的比值 ) 不小于 0.75 的可燃气体为燃料的锅炉，不得设置在地下或半地下。

2 锅炉房、变压器室的疏散门均应直通室外或安全出口。

3 锅炉房、变压器室等与其他部位之间应采用耐火极限不低于 2.00h 的防火隔墙和 1.50h 的不燃性楼板分隔。在隔墙和楼板上不应开设洞口，确需在隔墙上设置门、窗时，应采用甲级防火门、窗。

4 锅炉房内设置储油间时，其总储存量不应大于 1m ³ ，且储油间应采用耐火极限不低于 3.00h 的防火隔墙与锅炉间分隔；确需在防火隔墙上设置门时，应采用甲级防火门。

9.3.16 燃油或燃气锅炉房应设置自然通风或机械通风设施。燃气锅炉房应选用防爆型的事故排风机。当采取机械通风时，机械通风设施应设置导除静电的接地装置，通风量应符合下列规定：

1 燃油锅炉房的正常通风量应按换气次数不少于 3 次／ h 确定，事故排风量应按换气次数不少于 6 次／ h 确定；

2 燃气锅炉房的正常通风量应按换气次数不少于 6 次／ h 确定，事故排风量应按换气次数不少于 12 次／ h 确定。

直燃机燃油系统 ( 直燃机采用燃油型时 ) 的设计施工：    

直燃机采用燃油型时 ( 图 2) ，机组的燃油系统在设计施工时应注意以下几点：

⑴过滤器选型和设置位置至关重要。如果碴物流入燃烧机，将导致燃烧恶化、爆燃、熄火，会在短时间内损坏燃烧机油泵、电磁阀。务必至少设置二级过滤器：油箱出口处设“中燃油过滤器”，燃烧机入口处设“细燃油过滤器”。如果设置双级油箱，则还应在储备油箱与日用油箱之间设置“中燃油过滤器”；

⑵燃油输送管路宜用无缝钢管焊接，并进行 0.8MPa 水压试验，确保不漏。管径大小应按油料流速≤ 03m ／ s 考虑。施工前要彻底清除管内锈碴；

⑶应避免管道形成集气弯和积污弯，在管道最低处应设排污阀；

⑷油位应高于燃烧机 0.1-1.5m ／ s ；

⑸储备油箱可埋于地下 ( 地面用来绿化 ) 。

⑹油箱要有检查孔通向地面，还应设呼吸阀和油位探针。油泵设置场所应有良好通风且应避免日晒和雨淋；

⑺油箱周围应通风良好，油箱房应配备灭火器。

直燃机燃气系统 ( 直燃机采用燃气型时 ) 的设计施工：    

直燃机采用燃气型时 ( 图 3) ，机组的燃气系统在设计施工时应注意以下几点：

⑴燃气分为天然气、城市煤气、液化石油气和油制气等类型。燃气在运用上的突出要点 是安全、热值、压力和流量。

⑵安全：直燃机所选配的燃烧机具有多可靠安全装置。安装管路、阀门、仪表时须严格按照燃烧机说明书进行。机房内务必安装燃气泄漏检测报警器，并与机房强力排风扇联动。所有联接管路应进行气密性试验，充入≥ 04MPa 气压实施皂液检漏。热值：热值愈高，设备成本及运转成本愈低。低于 1.256 × 107J/Nm 3 的燃气 不宜使用。压力：燃气进入机房的压力不宜低于 2.94KPa 。但高于 14.7KPa 时应设立减压装置。流量：流量与燃气压力和输送管道的口径有关。应通过严密计算确定流量，以确保机组所需燃气量。

⑶管路进入机房后，在距机组 2-3m 处应设置放散管、压力计、球阀、过滤器和流量计。管路最低处应设泄水阀。

烟道、烟囱的截面尺寸：    

(1) 机组排气压： 9.8~98Pa( 随负荷变化 ) 。

(2) 机组排气量：由输入燃料的热量决定。每输入 4.19 × 107J 的热量排出 18Nm 3 的气体。

(3) 建议烟道、烟囱内烟气流速 3~5m/s 。

(4) 有经验的设计人员可按上述数据自行决定烟道和烟囱的截面尺寸。

(5) 为简化计算，可直接将排气孔尺寸定为烟道、烟囱尺寸，但这仅限于横向长度为 8m 以内的烟道。通常每延长 1m 就应将截面增大 5% ，最大至 2 倍即可。

共用烟道：    

(1) 可以与同种燃料的直燃机、锅炉共用烟道，不能与非同种燃料或其他类型的设备 ( 如发电机 ) 共用烟道；

(2) 共用烟道的截面，取“各烟道之和乘以 1.2 ”以上；

(3) 共用烟道的连接必须采取插入式。

材料：    

(1) 烟道材料应按耐用 20 年设计。宜采用≥δ 4 普通钢板 ( 用不锈钢板则可减薄 ) 。烟囱最好采用砖、混凝土制作，在其内侧施以耐火混凝土。采用钢制烟囱的话，其厚度应不小于δ 4 ；

(2) 钢制烟道、烟囱应予保温，室外部分应予防水。

附件：    

(1) 烟囱口应设置放风罩、防雨帽及避雷针；

(2) 烟道的排水管宜采取水封，以连续排除凝水。管径 DN20 即可；

(3) 在立式烟囱的底部应设除尘门，在横向烟道适当部位应设置检查门。在所有检查门及法兰处均须以石棉带密封；

(4) 穿越屋顶的烟囱应在囱壁焊接挡水罩；

(5) 穿越屋顶或墙壁的烟道、烟囱应包石棉带或保温棉，以免影响建筑物；

(6) 烟道重量应由支架或吊钩承受，绝不允许由机组承受。

排气口设置方位：    

除特种重油型机组应进行环保控制外，其他机组的排气均符合一类地区环保要求，因而排气口方位的选择较为灵活。但在居住区应考虑二氧化碳及热量对周围环境的影响，排气口方位的选择要注意下述几个方面：

(1) 距冷却塔 12m 以上或是高于塔顶 2m 以上；

(2) 尽量不暴露于商业、文化区，以免影响市容；

(3) 尽量让机房人员察看方便，以便及时发现冒烟事故；

(4) 务必高于周围 1m 范围内的建筑物 0.6m 以上。

消防：    

直燃机组机房的安全问题，自然首当其冲，其核心是防止可燃性气体泄漏，其原则是以预防为主，防患于未然，使爆炸不致发生，为避免万一，保护好主体结构，减少损失，就要从机组内部的结构设施和外部条件上采取综合措施，才能收到良好的效果。

机组额定排气温度是 210 ℃± 10% 。为符合消防规范，务必按照 400 ℃的要求选择保温材料，并按 400 ℃设计周围防火隔离区。在烟道周围 0.5m 以内不允许有可燃物；烟道绝不允许从油库房或存放易燃、易爆物质的房屋内穿过；排气口水平距离 6m 以内不许堆放易燃品。

其他要求：    

烟道焊接及法兰连接务必密封，经过密封检验后方能施以保温。烟道上所有的螺栓均应涂上石墨粉后装配，以便日后拆卸。

以上部分内容节选自杨秀峰《浅谈直燃型溴化锂吸收式冷热水机组燃油、燃气系统和排气系统的设计与施工》。

节能策略：    

在保证机组满足所需负荷要求的条件下，为保证机组节能运行，节约能源的消耗，这就需要控制软件具有合理优化的控制逻辑。这不仅能够满足用户对冷量的需要，而且能够降低运行费用。由此可知，节能控制策略的优越与否直接关系到用户的运行费用。溴化锂吸收式制冷机组的运行节能控制策略主要包括以下三个控制逻辑：容量阀门开度控制，溶液泵变频驱动控制以及低负荷运行节能控制。通过三者的结合运行，确保机组达到节能的目的。

1. 容量阀门开度控制

对于直燃型溴化锂吸收式冷水机组，通过调节发生器入口处阀门的开度来控制热量的输入。因此，对热源输入量的调节主要是通过控制阀门的开度来实现的。随着机组负荷的不断变化，在 0-100% 范围之内调节阀门的开度，从而控制热量的输入。阀门开度的调节不仅可以防止机组的结晶，还可以节省能源的消耗，降低机组运行费用。本控制软件采用 PID 调节对热源输入量进行控制。输入量为冷水出口温度以及高发浓溶液温度，输出量为容量阀门开度。热源输入量控制的流程图如图 5 所示。

通过 PID 控制以及限位限速控制来共同调节阀门的位置，从而达到更加优化合理的控制，更好的控制热源的输入以及热量的消耗，达到最佳的制冷与节能的目的。

2. 溶液泵变频驱动

双效溴化锂吸收式制冷机溶液泵的功能主要是将吸收器内被稀释的稀溶液送入到高压发生器内。根据负荷的不同，单位时间内的输送量也不同，如果采用单一的溶液泵驱动速度必将造成能量的浪费，因此，采用变频驱动溶液泵以实现节能的目的。

变频速度的计算方法如下：只要溶液泵处于运行状态，则需要计算变频驱动速度（ VFD ）。当机组处于开机状态时， VFD 速度为最小变频速度，当机组处于运行状态时，通过低压发生器冷凝温度以及出吸收器稀溶液温度来计算 VFD 的速度。

图 6 所示为溶液泵变频驱动 (VFD 速度 ) 控制流程图，如果在运行过程中，高压发生器发生高液位现象，则必须要关闭溶液泵以防止溶液倒流回换热器内。关闭溶液泵的同时 VFD 速度为 0 。

3. 低负荷运行节能控制

当溴化锂机组用于办公楼或者酒店等非连续用冷场合时，如果机组负荷很低，机组会自动进入节能运行状态。

图 7 所示为低负荷运行控制逻辑流程图，如果冷水出口温度低于设定点温度以下某一温度，则机组进行稀释循环 ( 溶液泵及冷剂泵等全部关闭只有冷水泵打开 ) ，直到冷水出口温度高于设定点温度以上某一温度时，机组再次开机。

“节能策略”节选自石巧慧，张华《直燃型溴化锂吸收式制冷机组的节能控制策略分析》。

机组运行和常见故障分析：    

1. 冷剂水溢出现象

冷剂水溢出现象是指蒸发器里的水盘 ( 液囊 ) 冷剂水未经喷淋蒸发就直接溢人吸收器中。这样会造成冷剂水损失，消耗了大量的热能但只产生很少的制冷量，导致机组效率十分低下。一般来说，产生冷剂水溢出现象的原因有以下几点：

(1) 吸收器喷淋不良。主要原因是机组内部腐蚀产生的锈渣堵塞喷嘴，影响溶液的喷淋量，吸收速度减慢，造成蒸发器中的冷剂水增多，溢出蒸发器。

(2) 吸收器中存在不凝性气体。由于这些气体不能被吸收，在蒸发压力不变的情况下，冷剂蒸汽的分压力降低了，影响了吸收器的吸收速度。另一方面，由于不凝性气体的存在，冷剂蒸汽与溶液的接触面积减小影响吸收速度。这样，造成冷剂水偏多。

(3) 冷剂水被污染。溴化锂机组在运行中常常发生溴化锂溶液进人冷剂水的现象。同一温度下，溴化锂溶液的饱和蒸气压力低于纯水的蒸气压力，由于溶液周围冷剂蒸气压力下降，使传质推动力减小、吸收减弱，冷剂水偏多、制冷量下降。

(4) 冷剂水泵的石墨轴承损坏。石墨轴承损坏将严重影响冷剂水泵的流量，蒸发器水盘的水慢慢地多起来。测量冷剂水泵电流，如果发现电流在增大，说明石墨轴承损坏，需停机检修。

通过上面的分析可以看出冷剂水管理是个综合性的问题，包括吸收器中存在不凝性气体、冷剂水污染、冷却水温度等，都会造成冷剂水相对过多，降低溴化锂吸收式机组的吸收效果，这些影响最终又反映在热力系数这一能效指标上。

经粗略计算，如果将机组的热力系数提高到 1.0 ，那么在机组产生同样的制冷量的条件下将至少能节省天然气 20m ³ ／ h ，按每天运行 1Oh 计算，能节省 200m ³ 的天然气；若能提高到 1.1 ，每天可至少节省 450m ³ 的天然气。若机组的性能能达到最高值 1.36 ，则每天能至少节省天然气 1140m ³ 。面对如此大的节能潜力，我们应当有意识地在机组的日常运行过程中，加强科学管理，提高效率。结合实际经验，溴化锂吸收式机组的冷剂水管理可以从下面三方面来讨论。

冷却水温的控制：    

冷却水温时时影响着溴化锂吸收式机组的吸收效果，对机组的制冷效率影响较大。冷却水温过高会使机组吸收器内稀溶液温度上升，影响吸收过程中的传热传质效果，使冷剂水相对过多，机组制冷量下降。另一方面，在制冷工况下，机组冷却水温度过低，又会使冷凝器内温度过低，引起吸收器内稀溶液质量分数过低，发生器内溶液剧烈沸腾造成冷剂水污染而降低制冷效果。因此在日常的操作中要将冷却水温度控制在一个合理的范围内 (28 ～ 32~ ℃ ) ，这对机组的节能运行是非常必要的。控制的方法，现在使用比较有效的有：

(1) 温度控制。可在冷却塔出水管上设温度调节器，该调节器与热敏电阻连接，控制冷却塔风机的启停。热负荷变化时，通过热敏电阻的检测，发信号给调温器，控制风机的启停。此种方法既能控制机组的冷却水温度，又能节约冷却塔能耗，从而达到节能的目的，目前应用最普遍。过渡季节的使用应防止冷却水温度过低，可以在冷却水供回水管路问设置电动三通或两通调节阀使一部分冷却水不经过冷却塔降温而直接流入机组，从而使冷却水温度上升，保证机组正常运行。

(2) 风机台数的控制。对并联配置的冷却塔而言，风量的调节可以通过控制风机台数来实现，根据实际需要来确定风机开启的台数。

(3) 电机变频控制。冷却水温度还可以通过冷却水泵变频技术来控制。由于水泵在选型时大都留有余量，较大的余量会给机组的运行和节能带来一些问题。我国标准规定实际运行中冷却水量不超过名义值的 120 ％，否则过分提高传热管内流速后，将引起水侧的冲刷腐蚀，影响机组的使用寿命。在部分负荷时，可通过减少冷却水量的方法来调节机组的运行工况。因此在外界气温较低时可以通过水泵变频调速的方式来控制进水温度，这是一种既可控制水温又可节约能源的技术。正确利用变频技术对冷却水泵作出合理运行的策略，则可大大减少空调能耗。

机组内不凝性气体的控制：

不凝性气体是溴化锂吸收式机组工作时既不能被冷凝，也无法被溴化锂溶液吸收的气体。不凝性气体的存在会影响溴化锂溶液的吸收效果，使冷剂水过多，影响机组的运行效率。同时，机组内存在不凝性气体还会影响到机组的使用寿命。由于在整个机组中吸收器的压力最低，因此不凝性气体最容易聚集在吸收器中，影响吸收效果。

随着不凝性气体的积聚，机组还将会出现结晶，甚至无法运转的现象。可见，在机组的日常维护和操作中要时刻注意对机组内的不凝性气体的控制。这也是提高溴化锂吸收式机组运行效率的一项重要措施。溴化锂吸收式机组内存在不凝性气体，一般可以在日常操作中观察出，在几天不抽真空情况下，若稀溶液、冷凝温度、或高压发生器压力均发生变化，制冷量不断衰减，则可认为机组内存在不凝性气体，冷量衰减越大不凝性气体越多。溴化锂吸收式机组内的不凝性气体主要是通过两种途径产生： 1) 源于机组处于负压状态工作，机外泄人的空气 (0 ₂ ， N ₂ ) ； 2) 产生不凝性气体的途径是溴化锂溶液本身对钢、铜等金属材料有腐蚀而产生的氢气。这两种情况的产生对冷剂水管理工作来说都是十分不利的。

若机组腐蚀较严重的话，会堵住喷淋喷口以及造成冷剂泵或溶液泵吸入口堵塞，引起冷剂水溢出。日常维护应注意溶液的 pH 值须保持在 9.0 ～ 10.5 之间。必要时可抽取溶液，观察其颜色和沉积物以判断内部腐蚀情况。针对这两种不同途径所产生的不凝性气体，可以通过提高机组的密闭性，防止空气漏人机组以及排除积聚在机组内气体的手段来加以预防。

对于有泄漏点的机组，通常要通过找漏和堵漏的方法来加以控制，这是项比较复杂的工作。找漏的方式主要是压力找漏。对于已加入溶液的机组，往机组内充人一定压力的纯 N ₂ ，在焊缝、阀门、法兰密封面等可能泄漏的部位涂以肥皂水，如有泡沫产生并逐渐扩大的部位就有泄漏。找出泄漏点后，将机组内的 N ₂ 放尽，进行补修。

一般情况下，为了保持机组良好的真空状态，机组设有抽气装置，包括自动抽气和用真空泵抽气。自动抽气是利用溶液泵将稀溶液泵射人引射器，利用形成的低压来抽取机内不凝性气体，再排人机组的集气室集中排放。具体操作时，先关闭回液管上的回流阀，然后打开排气的隔膜阀，将气体排至溶液瓶中，待排出的溶液中已不带气泡时将隔膜阀关闭，排气结束。排放之后，抽回溶液瓶中多余溶液的方式与之相同。需要指出的是在排放气体和收回溶液的过程中隔膜阀的开度控制要恰当。特别是在吸回溶液瓶中多余溶液时隔膜阀开得过大来不及关闭会使溶液瓶吸空继而吸入空气。

案例：某机组隔膜阀开得过大后，空气被吸入，溶液立即结晶，机组无法工作，待溶晶后通过真空泵来抽取机内的不凝性气体，此类事故才得以解决。教训是深刻的，在日常工作中应避免此类操作失误。对于采用真空泵排除机内不凝性气体，常在真空度下降或维护检修时使用。真空泵类型有旋片式、转子式等。利用真空泵抽真空与自动抽气相比，真空泵具有抽气量大，效果好的优点，但其操作的技术性要比前者高。

防止冷剂水污染：    

机组中的冷剂水在运行中污染的原因一般是在吸收过程中溶液温度过高或溶液质量分数过稀，导致发生器内溶液剧烈沸腾，使一部分溴化锂溶液液滴带入冷剂水中。在日常的操作中为避免这种情况的发生，应在机组运行的过程中注意发生器的液位信号和冷却水温度 ( 控制冷却水进水温度在 28 ～ 32 ℃范围内 ) ，并在冷剂水污染时及时进行冷剂水再生处理，提高机组运行效率。具体操作中，可以通过测量冷剂水的密度来判断其污染程度。判断标准如下所示：

(1) 当密度ρ＜ 1.002 视为合格，无须进行再生。

(2)1.002 ≤ρ＜ 1.004 时，视为冷剂水受轻度污染，此时应将冷剂水旁通阀打开一定角度，即边制冷边再生。

(3) ρ≥ 1 ． 004 时，视为冷剂水受到严重污染，此时应将冷剂水旁通阀全开，直至冷剂水再生合格。

本段节选蔡翔，王长庆《直燃型溴化锂吸收式机组运行和故障分析》。