應(yīng)用低溫?zé)嵫h(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳

呂菊，李桂軍，范宜俊

（中國(guó)石化安慶分公司，安徽安慶 246000）

某煉油廠有大量低溫余熱，一直未得到充分利用。外廠已采用熱泵技術(shù)、低沸點(diǎn)發(fā)電技術(shù)、半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)等進(jìn)行低溫余熱回收利用。為此，該煉廠采用低沸點(diǎn)發(fā)熱技術(shù)中的有機(jī)朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle，ORC）技術(shù)回收未被利用的低溫余熱，取得了良好的效果。

該煉廠余熱發(fā)電項(xiàng)目原流程為污水汽提裝置處理加氫型酸性水，經(jīng)處理所得溫度為120℃的凈化水與進(jìn)塔原料水換熱（E-3004），再經(jīng)凈化水空冷器（3001/A~F）冷卻至60℃回注。改造后的流程為凈化水換熱后溫度為120℃，進(jìn)新增ORC發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)組利用凈化水余熱進(jìn)行發(fā)電，凈化水出發(fā)電機(jī)組的溫度為70℃，再經(jīng)原有凈化水空冷器冷卻至50℃出裝置，原有凈化水空冷器可部分或全部停用，余熱發(fā)電改造前后凈化水溫度變化見(jiàn)表1。

表1 余熱發(fā)電改造前后凈化水溫度變化

對(duì)比改造前后流程可知，原流程導(dǎo)致大量的熱量損失（經(jīng)計(jì)算為10 332 kW），而且增加了循環(huán)冷卻水的消耗。對(duì)該裝置實(shí)施ORC技術(shù)，增設(shè)凈化水余熱發(fā)電機(jī)組后，不僅能夠停用部分空冷器，還可向管網(wǎng)送電，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

1 ORC技術(shù)分析

1.1 ORC技術(shù)原理

ORC系統(tǒng)熱力學(xué)原理與水蒸氣朗肯循環(huán)相似，其熱力學(xué)循環(huán)過(guò)程見(jiàn)圖1。主要包含四個(gè)過(guò)程：有機(jī)工質(zhì)在膨脹機(jī)中的實(shí)際膨脹與絕熱膨脹（1-2、1-2s過(guò)程）、有機(jī)工質(zhì)在空冷器中恒壓放熱（2-4過(guò)程）和工質(zhì)泵中的實(shí)際壓縮與絕熱壓縮（4-5、4-5s過(guò)程）、有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器中恒壓吸熱（5-1過(guò)程）[1-2]。

圖1 ORC溫－熵（T-S）關(guān)系

1.2 ORC工作流程

ORC透平膨脹機(jī)發(fā)電機(jī)組是利用低品位熱源實(shí)現(xiàn)熱—電轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備，主要設(shè)備包括預(yù)熱器、蒸發(fā)器、空冷器、透平膨脹機(jī)發(fā)電機(jī)組、工質(zhì)泵等，工作原理是利用熱力學(xué)的正向循環(huán)將“熱”轉(zhuǎn)化為“功”[3]。如圖2所示，有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器中經(jīng)歷恒壓吸熱過(guò)程后蒸發(fā)，進(jìn)入膨脹機(jī)經(jīng)絕熱膨脹做功發(fā)電，從膨脹機(jī)流出的低壓工質(zhì)蒸汽在蒸發(fā)式空冷器中完成恒壓放熱后，再經(jīng)工質(zhì)泵、絕熱壓縮升壓后進(jìn)入預(yù)熱器完成一個(gè)封閉循環(huán)；熱水向封閉循環(huán)有機(jī)工質(zhì)提供蒸發(fā)所需熱量；蒸發(fā)式空冷器將有機(jī)工質(zhì)由汽態(tài)冷凝為液態(tài)。

圖2 ORC過(guò)程

1.3 工藝流程

ORC余熱發(fā)電機(jī)組工藝流程主要包括凈化水流程、有機(jī)工質(zhì)循環(huán)回路流程及配套取熱三部分。

1.3.1 有機(jī)工質(zhì)回路流程

蒸發(fā)式空冷器出口被冷凝下來(lái)的有機(jī)工質(zhì)由工質(zhì)泵升壓至1.5 MPa后，依次進(jìn)入預(yù)熱器、蒸發(fā)器，被加熱成1.5 MPa、90℃的有機(jī)工質(zhì)過(guò)熱蒸汽。有機(jī)工質(zhì)過(guò)熱蒸汽進(jìn)入透平膨脹機(jī)膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，做完功的有機(jī)工質(zhì)乏汽壓力為0.27 MPa、 溫度48.6℃（經(jīng)循環(huán)水冷卻后）。有機(jī)工質(zhì)乏汽進(jìn)入到蒸發(fā)式冷凝器中被冷凝下來(lái)，形成22℃的液態(tài)有機(jī)工質(zhì)。液態(tài)有機(jī)工質(zhì)重新進(jìn)入工質(zhì)泵，形成工質(zhì)循環(huán)回路。開(kāi)工時(shí)注入有機(jī)工質(zhì)，正常連續(xù)運(yùn)行時(shí)無(wú)工質(zhì)消耗。

1.3.2 有機(jī)工質(zhì)的選擇

在ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)中，有機(jī)工質(zhì)的選擇對(duì)循環(huán)性能具有較大的影響[2]，一般需要考慮實(shí)際運(yùn)行工況、熱力性能、安全性、環(huán)保性等因素[3-4]。但僅考慮單一指標(biāo)很難做到優(yōu)選，因此在選擇工質(zhì)時(shí)需綜合考慮各方面因素。

對(duì)比分析幾種常見(jiàn)的有機(jī)工質(zhì)的熱力參數(shù)，如表2所示。

表2 幾種常見(jiàn)有機(jī)工質(zhì)的熱力參數(shù)

由表2分析知，CO2的臨界壓力值較大，在相同的條件下，總體熱效率低于其他工質(zhì)；而R11破壞臭氧層，有違安全環(huán)保。由于ORC系統(tǒng)回收的是低溫余熱，為了使工作介質(zhì)在較低溫度下汽化，該裝置選擇沸點(diǎn)遠(yuǎn)低于水的有機(jī)物質(zhì)R600a（又稱異丁烷）作為余熱發(fā)電的工質(zhì)，因?yàn)槠渚哂腥魏喂r下不會(huì)凝固、輸出功率大、導(dǎo)熱系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。此外，采用R600a可有效防止換熱器泄漏時(shí)有機(jī)工質(zhì)對(duì)凈化水品質(zhì)的影響；機(jī)組檢修期間，廢棄的R600a處理較方便，可直接排火炬焚燒處理；而且其對(duì)人體健康無(wú)損害、無(wú)毒性、無(wú)刺激作用。因此，綜合考慮，選擇R600a作為有機(jī)工質(zhì)是最佳選擇。

2 運(yùn)行效果分析

2.1 主要運(yùn)行參數(shù)

污水汽提裝置采用ORC技術(shù)，減少了空冷的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，大幅降低了原系統(tǒng)的自耗電；該機(jī)組最大發(fā)電功率 1 100 kW，裝機(jī)功率 1 200 kW，運(yùn)行時(shí)消耗少部分電量，其他公用工程的消耗也隨之減少，節(jié)能降耗效果顯著。選取該裝置運(yùn)行一周的數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行分析，主要操作參數(shù)如表3所示。

表3 運(yùn)行期間裝置主要操作參數(shù) （2020年10月25日—10月31日）

2.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

2.2.1 發(fā)電效率

基于熱力學(xué)定律，對(duì)余熱發(fā)電系統(tǒng)各過(guò)程進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算。由于整個(gè)過(guò)程中是利用熱力學(xué)將“熱”轉(zhuǎn)化為“電”，因此忽略中間的傳熱過(guò)程，只計(jì)算系統(tǒng)熱量的交換和能量轉(zhuǎn)換的效率，進(jìn)一步求解出該系統(tǒng)的總效率。

1）過(guò)程中蒸發(fā)器內(nèi)熱量效率的計(jì)算

在蒸發(fā)器內(nèi)完成水和有機(jī)工質(zhì)的熱量交換，Q水＝Q放＝m水×（h進(jìn)-h出），QR600a＝mR600a×（h出－h(huán)進(jìn)），其中Q為熱量，m為質(zhì)量流量，h為比焓值。經(jīng)查熱力學(xué)數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4 介質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)

代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得：Q放為9 116.21 kW；Q吸為4 087.90 kW；

則換熱效率為：η熱＝Q吸/Q放×100%＝44.84%

2）熱電轉(zhuǎn)換過(guò)程的效率計(jì)算

由于新鮮水和循環(huán)冷卻水的量較小，所消耗的熱量忽略不計(jì)，則整個(gè)過(guò)程外界提供的能量即為整個(gè)項(xiàng)目的自用電。

項(xiàng)目實(shí)施后新增ORC余熱發(fā)電機(jī)組自耗電計(jì)算：

E耗＝∑（用電設(shè)備＋用能設(shè)備）

項(xiàng)目中用電設(shè)備包括：工質(zhì)泵、空冷水泵、空冷風(fēng)機(jī)、機(jī)組自用電。公用工程中氮?dú)?、壓縮空氣均僅為開(kāi)停工及檢修時(shí)使用，正常運(yùn)行時(shí)無(wú)能耗量；儀表風(fēng)耗量較小，可以不計(jì)能耗。項(xiàng)目實(shí)施后能耗明細(xì)如表5所示。

表5 實(shí)際運(yùn)行能耗明細(xì)

計(jì)算整個(gè)項(xiàng)目的年自用電量為 173.88萬(wàn)kW·h，能源折算為581.38噸標(biāo)煤。即每小時(shí)耗電207 kW·h；發(fā)電量798 kW·h，則該過(guò)程發(fā)電效率為：

代入數(shù)據(jù)得，η電為18.58%。

3）該系統(tǒng)總效率為：η總＝η熱×η電＝44.84%× 18.58%＝8.33%。

通過(guò)計(jì)算可知該低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)效率為8.33%。

2.2.2 經(jīng)濟(jì)分析

機(jī)組2020年9月17日開(kāi)始運(yùn)行，以2020年10月1日至12月31日發(fā)電量均值為年平均每小時(shí)的發(fā)電量，即786 kW·h。

該項(xiàng)目投用后，可停止運(yùn)行現(xiàn)有空冷?，F(xiàn)有空冷的軸功率17.6 kW，全年按五臺(tái)空冷、運(yùn)行8 400小時(shí)計(jì)算，節(jié)約電能73.92萬(wàn)kW·h，折合能耗236.54噸標(biāo)煤。根據(jù)2020年國(guó)家發(fā)改委發(fā)布的數(shù)據(jù)：

每節(jié)約1度電相當(dāng)于減少0.32千克標(biāo)煤消耗，相當(dāng)于降低0.785單位CO2排放量；則減少1kg標(biāo)煤燃燒，可以降低2.453單位CO2排放量。

E節(jié)＝∑（實(shí)施前空冷電機(jī)軸功率×負(fù)荷率×運(yùn)行時(shí)間）

經(jīng)濟(jì)節(jié)能情況如表6所示。

由表6可知，全年可發(fā)電660.24萬(wàn)kW·h，年節(jié)能效益369.71萬(wàn)元/年。

表6中：E發(fā)＝年平均每小時(shí)發(fā)電量×運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)

表6 經(jīng)濟(jì)節(jié)能數(shù)據(jù)

項(xiàng)目節(jié)能量計(jì)算公式：ΔE＝E發(fā)－E耗＋E節(jié)

年CO2減排量＝2.439×ΔE

年節(jié)能效益＝項(xiàng)目年節(jié)電量×0.6280－循環(huán)水用量×0.2－新鮮水用量×1.03

安徽省電網(wǎng)按照峰谷分時(shí)電價(jià)計(jì)算，大工業(yè)用電計(jì)費(fèi)情況如表7所示。根據(jù)高峰、平段及低谷的分時(shí)電價(jià)，算出平均電價(jià)為0.628元/ kW·h。循環(huán)水按0.2元/噸、新鮮水按1.03元/噸計(jì)算。

表7 大工業(yè)用電計(jì)費(fèi)

3 運(yùn)行情況

ORC余熱發(fā)電主要體現(xiàn)在發(fā)電和節(jié)約空冷器電耗兩方面。由以上計(jì)算可知，扣除自用能耗和公用工程能耗，每年可節(jié)約能量1 767.93噸標(biāo)煤，實(shí)現(xiàn)CO2減排4 311.98噸。按發(fā)電系統(tǒng)凈發(fā)電功率786 kW·h、全年累計(jì)運(yùn)行時(shí)間8 400小時(shí)計(jì)算，則一年可發(fā)電量約為660 萬(wàn)kW·h，折合標(biāo)煤約2 113噸，項(xiàng)目節(jié)能凈收益370萬(wàn)元/年。但目前系統(tǒng)效率為8.33%，與設(shè)計(jì)值10.5%之間存在一定差距。主要原因一方面是機(jī)組未滿負(fù)荷運(yùn)行，最大發(fā)電功率為1 100 kW，目前為798 kW，影響了發(fā)電效率；另一方面在實(shí)際運(yùn)行中，余熱品質(zhì)不穩(wěn)定、溫度變化較大，也一定程度上影響了熱效率。若想進(jìn)一步提高發(fā)電效率，一方面機(jī)組需滿負(fù)荷運(yùn)行；另一方面應(yīng)確保熱源來(lái)源穩(wěn)定。

4 目前存在的問(wèn)題

1）盡管運(yùn)行至今經(jīng)LADR檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)有機(jī)工質(zhì)泄漏的現(xiàn)象。但有機(jī)工質(zhì)易泄漏，仍存在VOCs污染的風(fēng)險(xiǎn)。

2）電機(jī)運(yùn)行要求較高的穩(wěn)定性。目前熱源來(lái)源不足且穩(wěn)定性不夠，導(dǎo)致機(jī)組未能滿負(fù)荷運(yùn)行。

3）ORC技術(shù)后期維護(hù)問(wèn)題。①機(jī)組裝配較精密，維護(hù)難度大。運(yùn)行期間發(fā)現(xiàn)存在膨脹機(jī)組密封油脂泄漏的情況，現(xiàn)在的解決方案是每?jī)商烊斯ぱa(bǔ)一次氮?dú)?，每周人工補(bǔ)一次油；②機(jī)組軸振動(dòng)較大；③由于負(fù)荷式空冷直接對(duì)大氣，考慮到換熱效果無(wú)密封，造成水質(zhì)較臟，需經(jīng)常換水，造成資源的浪費(fèi)。

5 結(jié)論

ORC循環(huán)發(fā)電技術(shù)能有效回收余熱，且運(yùn)行平穩(wěn)。ORC循環(huán)發(fā)電技術(shù)已成功運(yùn)行，目前機(jī)組負(fù)荷已達(dá)85%，后期可以提高機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷，增加發(fā)電量。該項(xiàng)目投資1 570.23萬(wàn)元，全年發(fā)電量660萬(wàn)kW·h，年效益369.71萬(wàn)元，投資回收期為4.25年，投資回報(bào)率可觀。環(huán)保效益顯著，實(shí)現(xiàn)CO2年減排量4 311.98噸。