ORC與卡琳娜熱水發(fā)電技術(shù)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(tǒng)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(huán)境熱污染。在全球變暖的大環(huán)境下，石油化工行業(yè)綠色低碳發(fā)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(lián)合裝置，在低溫余熱回收利用上，首創(chuàng)采用了ORC熱水發(fā)電技術(shù)和卡琳娜熱水發(fā)電技術(shù)，將低溫余熱有效回收利用，降低裝置能耗的同時提高了經(jīng)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(tǒng)工藝流程

為充分利用芳烴聯(lián)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(lián)合流程串聯(lián)起來，最大限度地回收低溫余熱。低溫余熱回收系統(tǒng)的熱媒水以除鹽水為介質(zhì)，通過熱水循環(huán)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(chǎn)物、歧化汽提塔頂、凝結(jié)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(tǒng)和ORC系統(tǒng)換熱，冷卻后的熱媒水經(jīng)過濾器除去循環(huán)過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)，循環(huán)回熱水循環(huán)泵入口。在熱水循環(huán)泵入口補入除鹽水，以保證整個熱水循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)量，蓄能器穩(wěn)定系統(tǒng)壓力。低溫余熱回收系統(tǒng)工藝流程見圖1。

低溫余熱回收系統(tǒng)熱水循環(huán)量設(shè)計值為815 t/h，因熱水循環(huán)泵出口壓力高易造成熱水循環(huán)系統(tǒng)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(xiàn)低溫余熱回收系統(tǒng)的熱水循環(huán)量為450 t/h左右，可根據(jù)工藝需要進行適當調(diào)整。

2 ORC熱水發(fā)電技術(shù)

ORC熱水發(fā)電系統(tǒng)采用串級有機郎肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)，循環(huán)工質(zhì)為R245fa[1]，工作原理是利用120℃的熱水將工質(zhì)加熱至飽和蒸氣，再利用飽和蒸氣驅(qū)動膨脹機做功，膨脹機帶動發(fā)電機發(fā)電，從而將熱能轉(zhuǎn)化為電能。

圖1 低溫余熱回收系統(tǒng)工藝流程

ORC發(fā)電系統(tǒng)為2套發(fā)電系統(tǒng)串聯(lián)運行，1#機組為上游機組，2#機組為下游機組，這樣的設(shè)計可以提高2#機組的進水溫度[2]。冷凝器內(nèi)的工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵增壓至預(yù)熱器，經(jīng)預(yù)熱升溫后再進入蒸發(fā)器。工質(zhì)經(jīng)蒸發(fā)器加熱，產(chǎn)出飽和蒸氣進入膨脹機做功，并帶動發(fā)電機做功發(fā)電。而經(jīng)膨脹機做功后的凝氣則進入油分離器，工質(zhì)經(jīng)空冷冷卻后回到冷凝器，完成整個循環(huán)。ORC熱水發(fā)電系統(tǒng)流程見圖2，主要設(shè)計參數(shù)見表1。

圖2 ORC熱水發(fā)電系統(tǒng)流程

表1 ORC系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)

ORC熱水發(fā)電機組共裝設(shè)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(fā)電量為1 087 kW，凈發(fā)電量為900 kW。機組正常運行時的凈發(fā)電量為750 kW左右，與設(shè)計值有一定差距，這主要受工質(zhì)加注量、受環(huán)境溫度影響的空冷冷后溫度、蒸發(fā)器在高負荷運行時易出現(xiàn)假液位三方面的影響。

3 卡琳娜熱水發(fā)電技術(shù)

在傳統(tǒng)的郎肯循環(huán)中，工質(zhì)普遍采用水蒸氣，水蒸氣易造成熱能損失。卡琳娜循環(huán)采用氨水作為工質(zhì)，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(chǎn)生過熱氨蒸氣。氨蒸氣驅(qū)動膨脹機帶動發(fā)電機發(fā)電，將余熱回收的熱能轉(zhuǎn)化為電能。

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

卡琳娜熱水發(fā)電系統(tǒng)在水溫122℃、水量752 t/h的設(shè)計工況下，凈發(fā)電量為3 183 kW。卡琳娜熱水發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電與卡琳娜熱水發(fā)電能效分析

ORC熱水發(fā)電系統(tǒng)與卡琳娜熱水發(fā)電系統(tǒng)原理相似，同為熱水加熱工質(zhì)氣化利用氣化工質(zhì)驅(qū)動膨脹機做功發(fā)電。現(xiàn)將ORC發(fā)電系統(tǒng)與卡琳娜發(fā)電系統(tǒng)在熱水量為784 t/h工況下的設(shè)計參數(shù)進行比較，見表3。

圖3 卡琳娜熱水發(fā)電系統(tǒng)流程

表2 卡琳娜系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)

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(shù)尚需優(yōu)化，故卡琳娜系統(tǒng)實際運行參數(shù)還不具備實際參考意義。

表3 ORC與卡琳娜系統(tǒng)設(shè)計比較

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

5 ORC熱水發(fā)電與卡琳娜熱水發(fā)電綜合對比分析

1）效益對比

ORC系統(tǒng)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(tǒng)的投資回報尚需進一步探討。

2）控制系統(tǒng)對比

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

3）穩(wěn)定性對比

ORC在運行初期穩(wěn)定性不足，開停機頻繁，經(jīng)優(yōu)化后穩(wěn)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(zhuǎn)，穩(wěn)定性尚待論證。

6 結(jié)論

ORC相比于卡琳娜系統(tǒng)熱能利用率略高，控制系統(tǒng)仍需改進優(yōu)化，力爭實現(xiàn)DSC統(tǒng)一操作，減少現(xiàn)場操作帶來的不便。

卡琳娜系統(tǒng)僅試運行半月余，未進行長周期運轉(zhuǎn)，實際運行情況尚待進一步討論。但無論ORC熱水發(fā)電系統(tǒng)還是卡琳娜熱水發(fā)電系統(tǒng)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(yè)綠色低碳環(huán)保作出了貢獻。