ORC熱水發電技術在芳烴聯合裝置中的應用

秦 文 戈

（海南煉化芳烴部， 海南 洋浦 578101）

ORC熱水發電技術在芳烴聯合裝置中的應用

秦 文 戈

（海南煉化芳烴部， 海南 洋浦 578101）

在傳統的芳烴聯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，不僅浪費大量的低溫熱量，而且也額外消耗電能及循環水。海南煉油化工有限公司（簡稱海南煉化）芳烴聯合裝置采用中國石化自主知識產權的工藝包技術，在節能降耗方面有很大突破。以除鹽水為循環熱載體，利用低溫熱源將除鹽水加熱至120 ℃，換熱后的熱水再進入ORC熱水發電機組發電。通過熱水發電的應用降低了裝置能耗，提高了競爭力，也為煉化企業低品位熱源利用，開辟了一條新途徑。

低溫余熱；熱水發電；ORC；節能

綠色低碳、節能環保已成為當今社會的主題，降低消耗、挖潛增效、提高企業競爭力是每個煉化企業都面臨的重要問題[1,2]。在煉化企業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，但這部分低溫熱又占據著大量的燃料成本，因此，如何充分回收利用這些低溫余熱顯然已成為節能降耗、提高企業競爭力的重要舉措[3-5]。

1 芳烴聯合裝置熱水換熱工藝流程

為盡可能的回收裝置內的低溫余熱，海南煉化芳烴聯合裝置在脫庚烷塔頂物料、成品塔頂物料、低壓工藝凝結水、歧化反應產物物料以及歧化汽提塔頂物料設置熱水換熱器，產生120 ℃的熱水，進行熱水發電。熱水循環系統以除鹽水為介質，通過熱水循環泵增壓至各工藝位置的熱水換熱器，為安全考慮每個精餾塔頂工藝位置的熱水換熱器都設置100%備用空冷，每臺熱水換熱器都可以單獨切除檢修，設置發電機組旁路備用水冷器，一旦熱水發電機組故障停機，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，在熱水循環泵入口設置補充除鹽水調節閥和3個蓄能器，通過系統壓力自動控制除鹽水的補充量，以穩定熱水系統的壓力和流量。圖1為低溫熱水發電工藝流程簡圖。

本裝置設計有產鄰二甲苯工況和不產鄰二甲苯兩種工況，目前裝置一直在產鄰二甲苯工況運行，表1為裝置在此工況下100%負荷時設計的低溫熱負荷及對應熱水產量。

2 海南煉化ORC熱水發電機組簡介

海南煉化ORC熱水發電機組采用浙江開山集團的串級有機朗肯循環發電站，有機工質為R245fa。

圖1 低溫熱水發電工藝流程簡圖Fig.1 Low temperature hot water power generation process flow chart

表1 低溫熱負荷及熱水產量Table 1 Low temperature heat load and hot water production

如圖2所示，ORC#1為上游機組，ORC#2為下游機組，產品型號分別為KE710-101W-1-50和KE630-81W-1-50，設計主要參數如表2。熱源水先流過ORC#1的蒸發器，然后分為兩路，其中小路熱水流過ORC#1的預熱器，而其余大路熱水按順序流過ORC#2的蒸發器和預熱器，最后兩路熱水再混合返回熱源水系統，液相循環工質經過預熱器和蒸發器后被加熱為汽相，汽相工質再進入膨脹機做功發電，從膨脹機出來的工質被冷凝器冷卻變為液相，液相工質通過工質泵升壓后循環至預熱器和蒸發器，圖2為ORC機組工藝簡圖。

圖2 熱水發電ORC串級流程圖Fig.2 The flow chart of the ORC system

另外，ORC串級應用較傳統單級或串聯機組的熱效率有明顯的提高。ORC發電站是將熱能轉化為電能的裝置，熱源的溫度越高凈發電量越大，熱效率越高[7]。圖3是ORC#1機組KE710在不同蒸發器進水溫度下的性能模擬，反映了蒸發器進水溫度對ORC凈發電量和熱效率的影響。

表2 ORC機組設計主要參數Table 2 Main parameters of the ORC unit design

圖3 不同的進水溫度下的發電機組性能模擬Fig.3 Turbine performance simulation under different water temperature

3 ORC熱水發電工業應用評價

本裝置有兩臺熱水發電機組，一臺熱水發電機組因施工進度影響未投入運行，目前裝置內僅有一臺熱水流量為200 t/h的ORC熱水發電機組投入運行，因此裝置內的熱水換熱器均沒有達到滿負荷的投用狀態，而是通過啟動熱水換熱器的備用空冷來冷卻部分低溫熱，以滿足工藝控制要求，目前熱水循環系統的循環流量為420 t/h，溫度為120 ℃左右， 其中200 t/h左右的熱水進入ORC熱水發電機組發電，熱水與ORC機組的運行工質換熱后的回水溫度為72 ℃，剩余熱水則進入發電機組旁路的備用板式水冷器冷卻，冷卻后的熱水與ORC熱水發電機組的回水一起進入熱水循環泵，經過泵提升后送至裝置內各工藝位置換熱。

因為環境溫度影響熱水發電機組乏汽空冷的溫度，而膨脹機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膨脹機的有效做功越低，為了準確分析熱水發電機的熱效率，分別在一天中的04:00、10:00、16:00、22:00時采集了ORC熱水發電機組的運行數據，并按照熱效率=100%×3 600×(K710凈發電量+K630凈發電量)/(水的比熱×熱水進水總量×(進水溫度-出水溫度))的方法，對熱水發電的熱效率進行計算，具體數據見表3。

表3 ORC熱水發電運行數據Table 3 ORC hot water generator operating data

目前在運行的ORC發電機組每小時消耗200 t熱水，在夏季工況下平均凈發電量790 kW·h（若在冬季工況發電量將進一步提升），裝置設計熱水產量為815 t/h，按照每200 t熱水發790 kw.h電計算，共發電量為3 219 kW·h，以一年8 400 h、每度電0.61元計算，熱水發電機組直接創效1 649.5萬元，若考慮常規精餾塔頂空冷風機的電量消耗，熱水發電系統成功應用每年創效1 700萬元以上。

4 熱水發電系統需完善和改進的地方

通過熱水循環系統和ORC機組的實際運行，整個熱水發電系統有以下幾點需完善和改進的地方。

（1）熱水循環系統的備用水冷器，熱水進口采用手閥控制，進入ORC機組的流量調節不方便，且一旦ORC熱水發電機跳停，需要外操人員現場手動開閥。因此，熱水進備用水冷器手閥應改為壓控調節閥，精確調節進備用水冷器的熱水量，保持熱水管路的壓力平穩，實現機組穩定運行[6]。

（2）本裝置內熱水循環系統在熱水循環泵入口管線上設置三臺蓄能器，以實現整個熱水系統壓力穩定，但是通過實際運行發現，由于蓄能器的設置使冷卻后的熱水管路壓力偏高，且當系統調整操作參數時管路壓力波動較大，造成去各工藝位置的熱水流量變化，進而影響裝置內塔頂冷后溫度，影響裝置的穩定運行。應取消蓄能器設置熱水緩沖罐，并在緩沖罐頂設置壓控調節閥控制壓力，確保去各工藝換熱位置的流量穩定[7]。

（3）ORC熱水發電機組PLC控制柜及電氣控制柜放置在現場，受環境溫度的影響，易造成控制柜內溫度過高，影響硬件壽命或造成硬件故障，應統一布置在裝置的現場機柜間內。

（3）ORC熱水發電控制系統為一套獨立的PLC控制系統，發電機組的參數設置以及工藝調整，只能在現場控制柜進行，不利于操作及監控，應將ORC控制系統整合在全裝置的DCS系統內，便于監控和操作。

（4）根據實際運行效果看，ORC機組的噪音偏大，應增加降噪措施，滿足職業衛生標準要求。

5 結 論

通過低溫熱水發電技術的應用，降低了裝置能耗、提高了競爭力。對于一個企業，應全廠統一布局，集中設置低溫余熱發電總站，以最大限度的降低低溫余熱回收設施中某個單臺設備故障而對工藝操作和發電機運行的關聯度和影響，增加裝置和發電機組平穩運行度，總之，在大力提倡節能降耗的今天，低溫余熱回收技術必將在石油化工行業乃至熱電、冶金等行業中得到大力推廣和引用。

［1］馮惠生,徐菲菲,劉葉鳳,單純.工業過程余熱回收利用技術研究進展[J].化學工業與工程，2012,29(1):58-59.

［2］冉凱平，潘盛山.二甲苯聯合裝置低溫熱資源利用及節能措施分析[J].石油石化節能與減排，2011,1(9):10-11.

［3］曹堅.芳烴聯合裝置低溫熱利用分析[C]．芳烴裝置節能降耗專題研討會論文集,2008.

［4］施俊林.煉廠低溫熱回收與利用的途徑［J］．寧波節能，2007(5):13-16

［5］蔣敏．煉油裝置低溫熱的優化利用及案例分析［J］．煉油技術與工程，2010，40( 2):55-58.

［6］劉國瑞，岳勇.煉化企業低溫余熱回收利用探討［J］.中國石油和化工標準與質量,2012,32（2）:287.

［7］李平陽．溴化鋰制冷技術在低溫熱回收利用中的應用［J］．中外能源，2010，15(2):96-99．

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年畢業于中國石油大學（華東），研究方向：石油化工。E-mail：qinwenge@163.com。