ORC與卡琳娜熱水發電技術對比分析

尹志煒

（中國石化海南煉化公司，海南洋浦 578101）

在以美國UOP、法國IFP為代表的傳統芳烴裝置上，由于低溫余熱自身溫位低的限制很難被回收利用，所以通常采用空冷冷卻的方式，不僅造成能量浪費而且造成環境熱污染。在全球變暖的大環境下，石油化工行業綠色低碳發展成為必然趨勢，所以如何利用好低溫余熱是重要的研究課題。某廠芳烴聯合裝置，在低溫余熱回收利用上，首創采用了ORC熱水發電技術和卡琳娜熱水發電技術，將低溫余熱有效回收利用，降低裝置能耗的同時提高了經濟效益，為芳烴裝置低溫余熱回收利用提供了探索方向。

1 低溫余熱回收系統工藝流程

為充分利用芳烴聯合裝置的余熱，將二甲苯裝置與歧化裝置綜合考慮，使可利用的低溫余熱通過熱聯合流程串聯起來，最大限度地回收低溫余熱。低溫余熱回收系統的熱媒水以除鹽水為介質，通過熱水循環泵的加壓，分兩路進行換熱，一路分別與脫庚烷塔頂、成品塔頂、鄰二甲苯塔頂物料換熱將熱媒水加熱至126℃；另一路分別與歧化產物、歧化汽提塔頂、凝結水換熱將熱媒水加熱至122℃。兩路熱媒水匯合后分別進入卡琳娜系統和ORC系統換熱，冷卻后的熱媒水經過濾器除去循環過程中產生的雜質，循環回熱水循環泵入口。在熱水循環泵入口補入除鹽水，以保證整個熱水循環系統的循環量，蓄能器穩定系統壓力。低溫余熱回收系統工藝流程見圖1。

低溫余熱回收系統熱水循環量設計值為815 t/h，因熱水循環泵出口壓力高易造成熱水循環系統旁路板式熱水冷凝器泄漏，同時考慮各精餾塔的熱量平衡，現低溫余熱回收系統的熱水循環量為450 t/h左右，可根據工藝需要進行適當調整。

2 ORC熱水發電技術

ORC熱水發電系統采用串級有機郎肯循環發電技術，循環工質為R245fa[1]，工作原理是利用120℃的熱水將工質加熱至飽和蒸氣，再利用飽和蒸氣驅動膨脹機做功，膨脹機帶動發電機發電，從而將熱能轉化為電能。

圖1 低溫余熱回收系統工藝流程

ORC發電系統為2套發電系統串聯運行，1#機組為上游機組，2#機組為下游機組，這樣的設計可以提高2#機組的進水溫度[2]。冷凝器內的工質經工質泵增壓至預熱器，經預熱升溫后再進入蒸發器。工質經蒸發器加熱，產出飽和蒸氣進入膨脹機做功，并帶動發電機做功發電。而經膨脹機做功后的凝氣則進入油分離器，工質經空冷冷卻后回到冷凝器，完成整個循環。ORC熱水發電系統流程見圖2，主要設計參數見表1。

圖2 ORC熱水發電系統流程

表1 ORC系統主要設計參數

ORC熱水發電機組共裝設兩臺，其中1#機組總裝機容量為710 kW，2#機組總裝機容量為630 kW，共1 340 kW。兩臺機組的總名義發電量為1 087 kW，凈發電量為900 kW。機組正常運行時的凈發電量為750 kW左右，與設計值有一定差距，這主要受工質加注量、受環境溫度影響的空冷冷后溫度、蒸發器在高負荷運行時易出現假液位三方面的影響。

3 卡琳娜熱水發電技術

在傳統的郎肯循環中，工質普遍采用水蒸氣，水蒸氣易造成熱能損失。卡琳娜循環采用氨水作為工質，熱能損失小，與水蒸氣相比低溫熱利用效率更高[3]。即利用低溫熱水將氨水加熱，使氨氣與水分離，并產生過熱氨蒸氣。氨蒸氣驅動膨脹機帶動發電機發電，將余熱回收的熱能轉化為電能。

做功后的氨氣與分離器底部的低濃度氨水經換熱后混合，重新冷凝形成氨水混合物，進入熱井。熱井內的氨水進入回熱器初步加熱后再進入蒸發器，再次被熱水加熱成氨蒸氣，從而完成整個循環過程[4]。卡琳娜熱水發電系統流程見圖3，主要設計參數見表2。

卡琳娜熱水發電系統在水溫122℃、水量752 t/h的設計工況下，凈發電量為3 183 kW。卡琳娜熱水發電系統因受限于工程進度，其實際運行情況尚需進一步討論。

4 ORC熱水發電與卡琳娜熱水發電能效分析

ORC熱水發電系統與卡琳娜熱水發電系統原理相似，同為熱水加熱工質氣化利用氣化工質驅動膨脹機做功發電。現將ORC發電系統與卡琳娜發電系統在熱水量為784 t/h工況下的設計參數進行比較，見表3。

圖3 卡琳娜熱水發電系統流程

表2 卡琳娜系統主要設計參數

由于工程進度問題，卡琳娜未與主體工程同時施工，一直未投用，直到2017年11月才首次試車成功，卡琳娜運行參數尚需優化，故卡琳娜系統實際運行參數還不具備實際參考意義。

表3 ORC與卡琳娜系統設計比較

由表3可知，ORC熱電效率略高，主要因為ORC串級循環工藝的設計，熱能利用率更高，而且ORC采用了蒸發式冷凝器，減少了循環水的消耗。

5 ORC熱水發電與卡琳娜熱水發電綜合對比分析

1）效益對比

ORC系統的投資為1 200余萬元，年效益約為380萬元，三年左右可收回成本，投資回報較快。卡琳娜系統的投資回報尚需進一步探討。

2）控制系統對比

ORC的控制系統是獨立的PLC系統，只能在現場的控制柜進行操作，無法引至中控室DCS系統操作，DCS畫面只能顯示。卡琳娜的控制系統納入DCS統一操作畫面，在中控室可以操作。

3）穩定性對比

ORC在運行初期穩定性不足，開停機頻繁，經優化后穩定性有所提高。目前ORC已可長周期運行。卡琳娜目前未進行長周期運轉，穩定性尚待論證。

6 結論

ORC相比于卡琳娜系統熱能利用率略高，控制系統仍需改進優化，力爭實現DSC統一操作，減少現場操作帶來的不便。

卡琳娜系統僅試運行半月余，未進行長周期運轉，實際運行情況尚待進一步討論。但無論ORC熱水發電系統還是卡琳娜熱水發電系統都為芳烴裝置低溫余熱回收利用提供了探索方向，為石油化工行業綠色低碳環保作出了貢獻。