有機朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電在氮肥行業(yè)中的應用

龔普勤，張文千，張寶珠，夏蓓蕾

（河南心連心化肥有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453731）

近年來，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國逐步成為全球能源消耗大國。有關資料表明，由于我國工業(yè)領域余熱利用技術水平發(fā)展相對落后，導致至少有50%的工業(yè)耗能以各種形式的余熱被直接廢棄，不僅造成環(huán)境污染，而且造成巨大的能源浪費。目前，我國是全球最大的氮肥生產(chǎn)國，而在傳統(tǒng)氮肥工業(yè)裝置中存在大量的低品位余熱，由于氮肥生產(chǎn)系統(tǒng)余熱資源分布分散和傳熱溫差小，加之受制于余熱回收技術，這些低品位余熱絕大部分采用空冷或水冷的方式移出，導致氮肥生產(chǎn)系統(tǒng)余熱回收率僅41.9%。因此，有效利用氮肥生產(chǎn)系統(tǒng)的低品位余熱，在節(jié)能減排、保護環(huán)境等方面均具有深遠的意義。

自上世紀70年代石油危機爆發(fā)以來，發(fā)達國家對低品位余熱回收利用技術的研究就已開始并走在前列，特別是以色列、日本、美國等發(fā)達國家，開發(fā)出了有機朗肯循環(huán)的余熱發(fā)電機組等先進技術。近年來，國內清華大學、浙江大學、鄭州大學等相繼開展了低品位余熱回收利用技術的研究工作，一些創(chuàng)新型企業(yè)如浙江開山等也進行了部分工業(yè)試驗應用，取得了一些工業(yè)應用成果和數(shù)據(jù)等。以下對河南心連心化肥有限公司與江蘇某企業(yè)共同開發(fā)的有機朗肯余熱發(fā)電系統(tǒng)的應用情況作一介紹和總結。

1 有機朗肯循環(huán)發(fā)電原理

有機朗肯循環(huán)（簡稱ORC）是以低沸點有機物為工質的朗肯循環(huán)，主要包括蒸發(fā)器、膨脹機、冷凝器、工質泵等設備及部件。低品位工業(yè)余熱進入工質蒸發(fā)器，通過熱量交換將其熱量轉移給低沸點有機工質；低沸點工質經(jīng)過蒸發(fā)器后，產(chǎn)生飽和高壓工質蒸氣，蒸氣進入膨脹機，通過與膨脹機連接的發(fā)電機發(fā)電并送入電網(wǎng)系統(tǒng)，經(jīng)膨脹后的蒸氣進入冷凝器形成低溫液體工質，然后由工質泵加壓送回蒸發(fā)器，如此循環(huán)。

2 ORC發(fā)電在氮肥生產(chǎn)系統(tǒng)的應用實踐

河南心連心化肥有限公司是一家合成氨、尿素等化肥化工產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)系統(tǒng)中存在大量的如鍋爐煙氣、低壓蒸汽、調溫水、高溫甲醇蒸氣、合成氨水冷等低品位余熱。通過系統(tǒng)分析，我們認為尿素調溫水工況平穩(wěn)、回收價值較高，且改造對原生產(chǎn)裝置影響較小，故選取尿素調溫水為熱源進行ORC余熱發(fā)電的實踐。

尿素調溫水流量在300m3／h，其上水溫度120℃，回水溫度145℃，壓力1.1MPa，之前尿素調溫水熱量通過循環(huán)水換熱移出，將尿素調溫水作為熱源進行ORC余熱發(fā)電后，其工藝流程為：尿素調溫水引入ORC發(fā)電裝置蒸發(fā)器，有機工質吸收尿素調溫水的熱量后蒸發(fā)變成飽和高壓工質蒸氣，驅動透平膨脹機組，透平機組通過聯(lián)軸器帶動發(fā)電機發(fā)電，做完功后的低壓有機蒸氣進入ORC系統(tǒng)的冷凝器，被循環(huán)水換熱冷凝成低溫工質后進入儲液罐，之后通過工質泵循環(huán)加壓重新送回蒸發(fā)器，如此循環(huán)。我公司以尿素調溫水為熱源的ORC發(fā)電裝置于2017年10月份開車成功，12月份基本運行正常。ORC發(fā)電機組的設計值與運行值對比見表1。

表1 ORC發(fā)電機組設計值與運行值的對比

由表1可以看出：由于蒸發(fā)器調溫水進口流量低于設計值，系統(tǒng)進口熱負荷低于設計值，致蒸發(fā)器有機工質蒸氣壓偏低；同時，由于冷凝器冷凝溫度高于設計值，冷凝器端差低于設計值，造成透平膨脹機端壓差和有機工質蒸氣量減少，進而造成ORC發(fā)電機組凈發(fā)電量小于設計值。

3 存在的問題及解決

（1）尿素調溫水ORC余熱發(fā)電項目有機工質選擇的是R245Fa，其物性為等熵流體，飽和狀態(tài)下應該不存在液體。但實際應用過程中，由于開車前期設備、管道均為冷態(tài)，熱傳導造成部分有機工質蒸氣因溫度降低而冷凝，繼而造成有機工質蒸氣帶液，影響膨脹機的運行。后通過在蒸發(fā)器出口增設1臺過熱器解決了此問題。

（2）ORC余熱發(fā)電機組原始設計為露天布置，實際運行中由于高壓有機工質蒸氣流速較高，膨脹機高速運轉，現(xiàn)場噪音較大且擴散范圍較廣，超出國家相關標準要求，不利于工作人員的身心健康。后經(jīng)論證將發(fā)電機組改為了封閉布置，由此不僅加強了對現(xiàn)場機組的防護，而且降低了現(xiàn)場噪音，滿足了國家相關標準的要求。

（3）ORC余熱發(fā)電裝置原始設計為PLC單獨控制，PLC控制柜設置在機組現(xiàn)場。但實際生產(chǎn)后，由于機組的運行工況和尿素裝置聯(lián)系密切，而機組工藝參數(shù)的設置和調整只能在機組現(xiàn)場PLC控制柜中進行，加之現(xiàn)場噪音較大，使得其操作調整與監(jiān)控非常不便。下一步計劃利用停車機會將ORC發(fā)電機組PLC信號全部引入全廠DCS監(jiān)控系統(tǒng)中，以利于操作調整與監(jiān)控。

4 ORC余熱發(fā)電項目經(jīng)濟性分析

從尿素調溫水為熱源的ORC發(fā)電項目的運行實踐來看，機組開車后雖未達到設計技術經(jīng)濟指標要求，但將ORC發(fā)電機組的實際運行數(shù)據(jù)與原循環(huán)水冷卻方式的運行數(shù)據(jù)進行對比（見表2），論證證明本項目仍具有很好的經(jīng)濟性。

表2 尿素調溫水2種移熱方案的經(jīng)濟性對比

由表2可以看出：尿素調溫水ORC發(fā)電項目不但每小時能發(fā)電833kW·h，而且每小時還能節(jié)約冷卻塔以及循環(huán)水泵電耗95kW·h，合計年增效益可達460.288萬元，項目投資回收期約為1.74a（不含建設期）。簡言之，ORC余熱發(fā)電具有很好的經(jīng)濟效益。

5 結束語

河南心連心化肥有限公司尿素調溫水ORC發(fā)電的應用實踐表明，ORC低溫余熱發(fā)電技術應用于氮肥工業(yè)裝置，可有效降低裝置的能耗，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益與市場競爭力，值得在氮肥行業(yè)乃至熱電、冶金等行業(yè)大力推廣和應用。