ORC熱水發(fā)電技術(shù)在芳烴聯(lián)合裝置中的應(yīng)用

秦 文 戈

（海南煉化芳烴部， 海南 洋浦 578101）

ORC熱水發(fā)電技術(shù)在芳烴聯(lián)合裝置中的應(yīng)用

秦 文 戈

（海南煉化芳烴部， 海南 洋浦 578101）

在傳統(tǒng)的芳烴聯(lián)合裝置中存在大量的低溫余熱，這些低溫余熱絕大部分采用空冷或水冷的方式冷卻，不僅浪費(fèi)大量的低溫?zé)崃?，而且也額外消耗電能及循環(huán)水。海南煉油化工有限公司（簡(jiǎn)稱海南煉化）芳烴聯(lián)合裝置采用中國(guó)石化自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工藝包技術(shù)，在節(jié)能降耗方面有很大突破。以除鹽水為循環(huán)熱載體，利用低溫?zé)嵩磳⒊}水加熱至120 ℃，換熱后的熱水再進(jìn)入ORC熱水發(fā)電機(jī)組發(fā)電。通過熱水發(fā)電的應(yīng)用降低了裝置能耗，提高了競(jìng)爭(zhēng)力，也為煉化企業(yè)低品位熱源利用，開辟了一條新途徑。

低溫余熱；熱水發(fā)電；ORC；節(jié)能

綠色低碳、節(jié)能環(huán)保已成為當(dāng)今社會(huì)的主題，降低消耗、挖潛增效、提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力是每個(gè)煉化企業(yè)都面臨的重要問題[1,2]。在煉化企業(yè)中存在大量的低溫余熱，這些熱源的溫位較低，很難再找到合適的工藝物流與其直接換熱回收，但這部分低溫?zé)嵊终紦?jù)著大量的燃料成本，因此，如何充分回收利用這些低溫余熱顯然已成為節(jié)能降耗、提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要舉措[3-5]。

1 芳烴聯(lián)合裝置熱水換熱工藝流程

為盡可能的回收裝置內(nèi)的低溫余熱，海南煉化芳烴聯(lián)合裝置在脫庚烷塔頂物料、成品塔頂物料、低壓工藝凝結(jié)水、歧化反應(yīng)產(chǎn)物物料以及歧化汽提塔頂物料設(shè)置熱水換熱器，產(chǎn)生120 ℃的熱水，進(jìn)行熱水發(fā)電。熱水循環(huán)系統(tǒng)以除鹽水為介質(zhì)，通過熱水循環(huán)泵增壓至各工藝位置的熱水換熱器，為安全考慮每個(gè)精餾塔頂工藝位置的熱水換熱器都設(shè)置100%備用空冷，每臺(tái)熱水換熱器都可以單獨(dú)切除檢修，設(shè)置發(fā)電機(jī)組旁路備用水冷器，一旦熱水發(fā)電機(jī)組故障停機(jī)，可以將熱水切備用水冷器冷卻，以盡可能減少工藝物料溫度波動(dòng)，在熱水循環(huán)泵入口設(shè)置補(bǔ)充除鹽水調(diào)節(jié)閥和3個(gè)蓄能器，通過系統(tǒng)壓力自動(dòng)控制除鹽水的補(bǔ)充量，以穩(wěn)定熱水系統(tǒng)的壓力和流量。圖1為低溫?zé)崴l(fā)電工藝流程簡(jiǎn)圖。

本裝置設(shè)計(jì)有產(chǎn)鄰二甲苯工況和不產(chǎn)鄰二甲苯兩種工況，目前裝置一直在產(chǎn)鄰二甲苯工況運(yùn)行，表1為裝置在此工況下100%負(fù)荷時(shí)設(shè)計(jì)的低溫?zé)嶝?fù)荷及對(duì)應(yīng)熱水產(chǎn)量。

2 海南煉化ORC熱水發(fā)電機(jī)組簡(jiǎn)介

海南煉化ORC熱水發(fā)電機(jī)組采用浙江開山集團(tuán)的串級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電站，有機(jī)工質(zhì)為R245fa。

圖1 低溫?zé)崴l(fā)電工藝流程簡(jiǎn)圖Fig.1 Low temperature hot water power generation process flow chart

表1 低溫?zé)嶝?fù)荷及熱水產(chǎn)量Table 1 Low temperature heat load and hot water production

如圖2所示，ORC#1為上游機(jī)組，ORC#2為下游機(jī)組，產(chǎn)品型號(hào)分別為KE710-101W-1-50和KE630-81W-1-50，設(shè)計(jì)主要參數(shù)如表2。熱源水先流過ORC#1的蒸發(fā)器，然后分為兩路，其中小路熱水流過ORC#1的預(yù)熱器，而其余大路熱水按順序流過ORC#2的蒸發(fā)器和預(yù)熱器，最后兩路熱水再混合返回?zé)嵩此到y(tǒng)，液相循環(huán)工質(zhì)經(jīng)過預(yù)熱器和蒸發(fā)器后被加熱為汽相，汽相工質(zhì)再進(jìn)入膨脹機(jī)做功發(fā)電，從膨脹機(jī)出來的工質(zhì)被冷凝器冷卻變?yōu)橐合?，液相工質(zhì)通過工質(zhì)泵升壓后循環(huán)至預(yù)熱器和蒸發(fā)器，圖2為ORC機(jī)組工藝簡(jiǎn)圖。

圖2 熱水發(fā)電ORC串級(jí)流程圖Fig.2 The flow chart of the ORC system

另外，ORC串級(jí)應(yīng)用較傳統(tǒng)單級(jí)或串聯(lián)機(jī)組的熱效率有明顯的提高。ORC發(fā)電站是將熱能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，熱源的溫度越高凈發(fā)電量越大，熱效率越高[7]。圖3是ORC#1機(jī)組KE710在不同蒸發(fā)器進(jìn)水溫度下的性能模擬，反映了蒸發(fā)器進(jìn)水溫度對(duì)ORC凈發(fā)電量和熱效率的影響。

表2 ORC機(jī)組設(shè)計(jì)主要參數(shù)Table 2 Main parameters of the ORC unit design

圖3 不同的進(jìn)水溫度下的發(fā)電機(jī)組性能模擬Fig.3 Turbine performance simulation under different water temperature

3 ORC熱水發(fā)電工業(yè)應(yīng)用評(píng)價(jià)

本裝置有兩臺(tái)熱水發(fā)電機(jī)組，一臺(tái)熱水發(fā)電機(jī)組因施工進(jìn)度影響未投入運(yùn)行，目前裝置內(nèi)僅有一臺(tái)熱水流量為200 t/h的ORC熱水發(fā)電機(jī)組投入運(yùn)行，因此裝置內(nèi)的熱水換熱器均沒有達(dá)到滿負(fù)荷的投用狀態(tài)，而是通過啟動(dòng)熱水換熱器的備用空冷來冷卻部分低溫?zé)?，以滿足工藝控制要求，目前熱水循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)流量為420 t/h，溫度為120 ℃左右， 其中200 t/h左右的熱水進(jìn)入ORC熱水發(fā)電機(jī)組發(fā)電，熱水與ORC機(jī)組的運(yùn)行工質(zhì)換熱后的回水溫度為72 ℃，剩余熱水則進(jìn)入發(fā)電機(jī)組旁路的備用板式水冷器冷卻，冷卻后的熱水與ORC熱水發(fā)電機(jī)組的回水一起進(jìn)入熱水循環(huán)泵，經(jīng)過泵提升后送至裝置內(nèi)各工藝位置換熱。

因?yàn)榄h(huán)境溫度影響熱水發(fā)電機(jī)組乏汽空冷的溫度，而膨脹機(jī)的乏汽壓力隨著乏汽空冷溫度的升高而升高，在同等條件下，乏汽壓力越高熱水對(duì)膨脹機(jī)的有效做功越低，為了準(zhǔn)確分析熱水發(fā)電機(jī)的熱效率，分別在一天中的04:00、10:00、16:00、22:00時(shí)采集了ORC熱水發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并按照熱效率=100%×3 600×(K710凈發(fā)電量+K630凈發(fā)電量)/(水的比熱×熱水進(jìn)水總量×(進(jìn)水溫度-出水溫度))的方法，對(duì)熱水發(fā)電的熱效率進(jìn)行計(jì)算，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 ORC熱水發(fā)電運(yùn)行數(shù)據(jù)Table 3 ORC hot water generator operating data

目前在運(yùn)行的ORC發(fā)電機(jī)組每小時(shí)消耗200 t熱水，在夏季工況下平均凈發(fā)電量790 kW·h（若在冬季工況發(fā)電量將進(jìn)一步提升），裝置設(shè)計(jì)熱水產(chǎn)量為815 t/h，按照每200 t熱水發(fā)790 kw.h電計(jì)算，共發(fā)電量為3 219 kW·h，以一年8 400 h、每度電0.61元計(jì)算，熱水發(fā)電機(jī)組直接創(chuàng)效1 649.5萬元，若考慮常規(guī)精餾塔頂空冷風(fēng)機(jī)的電量消耗，熱水發(fā)電系統(tǒng)成功應(yīng)用每年創(chuàng)效1 700萬元以上。

4 熱水發(fā)電系統(tǒng)需完善和改進(jìn)的地方

通過熱水循環(huán)系統(tǒng)和ORC機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行，整個(gè)熱水發(fā)電系統(tǒng)有以下幾點(diǎn)需完善和改進(jìn)的地方。

（1）熱水循環(huán)系統(tǒng)的備用水冷器，熱水進(jìn)口采用手閥控制，進(jìn)入ORC機(jī)組的流量調(diào)節(jié)不方便，且一旦ORC熱水發(fā)電機(jī)跳停，需要外操人員現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)開閥。因此，熱水進(jìn)備用水冷器手閥應(yīng)改為壓控調(diào)節(jié)閥，精確調(diào)節(jié)進(jìn)備用水冷器的熱水量，保持熱水管路的壓力平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行[6]。

（2）本裝置內(nèi)熱水循環(huán)系統(tǒng)在熱水循環(huán)泵入口管線上設(shè)置三臺(tái)蓄能器，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)熱水系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，但是通過實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，由于蓄能器的設(shè)置使冷卻后的熱水管路壓力偏高，且當(dāng)系統(tǒng)調(diào)整操作參數(shù)時(shí)管路壓力波動(dòng)較大，造成去各工藝位置的熱水流量變化，進(jìn)而影響裝置內(nèi)塔頂冷后溫度，影響裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。應(yīng)取消蓄能器設(shè)置熱水緩沖罐，并在緩沖罐頂設(shè)置壓控調(diào)節(jié)閥控制壓力，確保去各工藝換熱位置的流量穩(wěn)定[7]。

（3）ORC熱水發(fā)電機(jī)組PLC控制柜及電氣控制柜放置在現(xiàn)場(chǎng)，受環(huán)境溫度的影響，易造成控制柜內(nèi)溫度過高，影響硬件壽命或造成硬件故障，應(yīng)統(tǒng)一布置在裝置的現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間內(nèi)。

（3）ORC熱水發(fā)電控制系統(tǒng)為一套獨(dú)立的PLC控制系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)組的參數(shù)設(shè)置以及工藝調(diào)整，只能在現(xiàn)場(chǎng)控制柜進(jìn)行，不利于操作及監(jiān)控，應(yīng)將ORC控制系統(tǒng)整合在全裝置的DCS系統(tǒng)內(nèi)，便于監(jiān)控和操作。

（4）根據(jù)實(shí)際運(yùn)行效果看，ORC機(jī)組的噪音偏大，應(yīng)增加降噪措施，滿足職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié) 論

通過低溫?zé)崴l(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，降低了裝置能耗、提高了競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)于一個(gè)企業(yè)，應(yīng)全廠統(tǒng)一布局，集中設(shè)置低溫余熱發(fā)電總站，以最大限度的降低低溫余熱回收設(shè)施中某個(gè)單臺(tái)設(shè)備故障而對(duì)工藝操作和發(fā)電機(jī)運(yùn)行的關(guān)聯(lián)度和影響，增加裝置和發(fā)電機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行度，總之，在大力提倡節(jié)能降耗的今天，低溫余熱回收技術(shù)必將在石油化工行業(yè)乃至熱電、冶金等行業(yè)中得到大力推廣和引用。

［1］馮惠生,徐菲菲,劉葉鳳,單純.工業(yè)過程余熱回收利用技術(shù)研究進(jìn)展[J].化學(xué)工業(yè)與工程，2012,29(1):58-59.

［2］冉凱平，潘盛山.二甲苯聯(lián)合裝置低溫?zé)豳Y源利用及節(jié)能措施分析[J].石油石化節(jié)能與減排，2011,1(9):10-11.

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［6］劉國(guó)瑞，岳勇.煉化企業(yè)低溫余熱回收利用探討［J］.中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2012,32（2）:287.

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Application of ORC Hot Water Power Generation Technology in Aromatic Complex Unit

QIN Wen-ge
(Sinopec Hainan Petrochemical Company，Hainan Yangpu 578101, China)

There is a great amount of waste heat in aromatic combination plant, most of the low temperature waste heat is always removed by the air cooling or water cooling way, which not only can waste a lot of low temperature heat, but also need consume additional electric energy and circulating water. The aromatic complex unit in Hainan refinery has used the process package technology with Sinopec independent intellectual property rights, there is a great breakthrough in energy saving. The desalted water is used as thermal cyclic carrier, it can be heated to 120 ℃ by the low temperature heat source, and then enter the ORC hot water generator. The application of hot water power generation technology can reduce the energy consumption of the device, improve competitiveness, open up a new way for the petrochemical enterprises in low grade heat energy utilization。

Low temperature waste heat ; Hot water power generation; ORC; Energy saving

TQ 241

： A

： 1671-0460（2015）02-0307-03

2015-01-07

秦文戈(1982-)，男，海南海口人，工程師，2005年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東），研究方向：石油化工。E-mail：qinwenge@163.com。