機械蒸汽壓縮在煉化裝置余熱利用中的應(yīng)用分析

郭振國

(中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250101)

煉化企業(yè)在生產(chǎn)能源的同時，也消耗了大量能源，是能源的主要消耗者。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，煉化企業(yè)的能耗已經(jīng)成為全國各行業(yè)中的耗能大戶。近年來，國家環(huán)保法規(guī)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，油品清潔化要求更高，對煉化企業(yè)能耗限制越來越多；于此同時，原油卻日益劣質(zhì)化，煉化裝置加工流程向復(fù)雜方向變化，消耗能量越來越高，嚴(yán)重影響節(jié)能減排的實施。煉化企業(yè)現(xiàn)在面臨的首要問題是：如何在降低能耗，達(dá)到節(jié)能減排目標(biāo)的同時，提高企業(yè)的效益和競爭力[1]。

煉化裝置中有大量熱物流需要進行冷卻，這部分熱量不僅消耗了大量循環(huán)水或電能，其本身攜帶的熱量還被大量浪費，大大增加了整個裝置的能耗。工程實際經(jīng)驗證明，對裝置內(nèi)產(chǎn)生的余熱進行回收并加以利用，能夠有效降低裝置能耗，是效果明顯的節(jié)能措施。經(jīng)過不斷研究，煉化裝置余熱利用方式已經(jīng)日漸成熟，常規(guī)方式主要有采暖伴熱、制冷、發(fā)電等[2]。但是，這些方式的使用都有各自的限制。

機械蒸汽壓縮(Mechanical Vapor compression，縮寫為MVR)技術(shù)是一項高效環(huán)保的節(jié)能技術(shù)，主要用在溶液的蒸發(fā)工藝過程中。本文對MVR技術(shù)進行簡要介紹，并對其在煉化裝置低溫余熱利用中的應(yīng)用進行分析。

1 MVR技術(shù)介紹

MVR技術(shù)又稱為熱泵技術(shù)，是將低溫低壓的蒸汽通過壓縮，變?yōu)楦邷馗邏旱恼羝９ぷ鬟^程為：低溫低壓蒸汽進入蒸汽壓縮機，經(jīng)過壓縮使得低壓蒸汽的溫度、壓力和熱焓值都得到很大的提升，得到的高品位的蒸汽送往下游用戶。該技術(shù)將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽脵C械方法將蒸汽品位提高。MVR技術(shù)使原來需要廢棄的低品位蒸汽得到了充分的利用，在回收了潛熱的同時提高了熱效率，并且省去了二次蒸汽處理，可以節(jié)約大量的冷卻水和動力消耗[3]。

MVR技術(shù)最早由國外公司開發(fā)，近期由于國家對能耗的要求越來越高，該技術(shù)在國內(nèi)也逐漸得到大量應(yīng)用。

MVR技術(shù)的核心為蒸汽壓縮機。壓縮機的選擇需要根據(jù)工藝需要的壓縮比和流量來確定。常見的蒸汽壓縮機的形式有螺桿式壓縮機、羅茨式壓縮機和離心式壓縮機，分別針對不同的工況。比如羅茨式壓縮機和螺桿式壓縮機適用于壓縮比要求較高但流量較小的工況，離心式壓縮機適用于壓縮比要求低但流量很大的工況[4]。

目前，MVR技術(shù)已經(jīng)在蒸發(fā)工藝過程中得到了大量使用，比如化工、食品、海水淡化、廢水處理等行業(yè)。但是在煉化裝置余熱回收領(lǐng)域，尚未見該技術(shù)的應(yīng)用報道。

2 MVR技術(shù)在煉化裝置余熱利用中的應(yīng)用方案分析

2.1 煉化裝置余熱利用常規(guī)方案

煉化裝置中的熱物流的冷卻通常是采用循環(huán)水冷卻或空冷器冷卻，需要對熱物流的熱量進行回收時，常根據(jù)熱物流的溫位來確定利用方案，通常有以下幾種常規(guī)方案可供選擇。

2.1.1 裝置內(nèi)物流換熱

煉化裝置中會產(chǎn)生攜帶大量熱量的高溫?zé)嵛锪鳎瑸榱撕侠淼睦媚茉矗瑧?yīng)該首先選擇與裝置內(nèi)需要加熱的物流進行充分換熱，對熱量實現(xiàn)逐級利用，避免出現(xiàn)熱量的浪費。目前的煉化裝置，在工程設(shè)計過程中，基本上均遵循了這項原則，這也是保證裝置能耗的重要手段。但是，隨著加工工藝的日益完善，裝置內(nèi)部的換熱流程已經(jīng)在設(shè)計工程中被充分優(yōu)化，仍然還有一部分溫位較低的熱量無法被裝置內(nèi)利用。

2.1.2 采暖或裝置內(nèi)伴熱

該方案需要設(shè)置熱媒水循環(huán)系統(tǒng)，使用熱媒水對裝置內(nèi)的熱物流進行取熱，被加熱后的熱媒水送往采暖用戶或裝置內(nèi)需要伴熱的部位。該方案雖然可以對裝置內(nèi)余熱進行利用，但熱負(fù)荷隨著季節(jié)晝夜變化較大，容易導(dǎo)致工藝裝置的波動。同時，對于我國南方地區(qū)的煉化裝置，由于常年氣溫較高，該方案適用性較差。

2.1.3 制冷

目前使用較多的為低溫?zé)徜寤囄罩评洌覈戏降貐^(qū)的煉廠中已經(jīng)普遍使用。溴化鋰吸收式制冷的熱源為80～250℃的低溫余熱，吸收劑為溴化鋰溶液，制冷劑為水，可以制取溫度達(dá)到0℃的冷媒水。制冷產(chǎn)生的冷媒水可以用于夏季辦公區(qū)域的空調(diào)制冷，或用于生產(chǎn)過程中工藝介質(zhì)的冷卻。該方案仍然受到季節(jié)的限制，而且裝置內(nèi)必須要有需要冷量的用戶[1]。

2.1.4 發(fā)電

煉化裝置內(nèi)的余熱，還可以用于發(fā)電，使用余熱產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動汽輪機運轉(zhuǎn)，將低品位的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺坏碾娔埽沟蜏赜酂岬哪芗壌蟠筇岣摺５蜏責(zé)崮艿陌l(fā)電技術(shù)主要是基于朗肯循環(huán)的熱力發(fā)電系統(tǒng)。根據(jù)循環(huán)工質(zhì)不同，可分為以水為工質(zhì)的水蒸氣擴容循環(huán)、以低沸點有機物或有機混合物為工質(zhì)的ORC(有機朗肯循環(huán))、以氨水混合物為工質(zhì)的Kalina(卡琳娜)循環(huán)等。水蒸氣擴容循環(huán)主要用于溫度較高的余熱；有機朗肯循環(huán)可回收低溫?zé)崃康臏囟确秶^大，在低溫余熱發(fā)電技術(shù)中研究和應(yīng)用最為廣泛；Kalina循環(huán)系統(tǒng)相對復(fù)雜，工業(yè)應(yīng)用相對較少。發(fā)電方案的熱效率通常較低，而且需要考慮發(fā)電的并網(wǎng)使用問題，導(dǎo)致余熱發(fā)電的運行出現(xiàn)波動[2]。

2.2 煉化裝置余熱利用MVR方案

圖1 MVR余熱利用方案工藝流程

煉化裝置的余熱由于溫位較低，如果用來產(chǎn)生蒸汽，只能產(chǎn)生低壓蒸汽。低壓蒸汽由于壓力和溫度較低，不適合外輸，在煉化裝置內(nèi)部又難以得到利用。MVR方案是在產(chǎn)生低壓蒸汽的基礎(chǔ)上，使用壓縮機對低壓蒸汽壓縮，使蒸汽壓力和溫度都得到提高，獲得高品位蒸汽，方便其他裝置或用戶的使用。

MVR方案在實施時有兩種方案可供選擇：

方案1：低壓蒸汽全部用于增壓。

在本方案中，壓縮機采用電動機驅(qū)動，裝置余熱副產(chǎn)的低壓蒸汽進入壓縮機，增壓后送往下游用戶。

方案2：低壓蒸汽部分用于增壓。

在本方案中，采用凝汽式汽輪機驅(qū)動蒸汽壓縮機，部分裝置余熱副產(chǎn)的低壓蒸汽進入凝汽式汽輪機進行做功，帶動蒸汽壓縮機對剩余副產(chǎn)蒸汽進行增壓，加壓后送往下游用戶。

整體來看，方案1的收益要高于方案2，但方案2利用自身產(chǎn)生的一部分蒸汽驅(qū)動另一部分蒸汽，不消耗額外的電能，沒有電網(wǎng)側(cè)的擴容問題。

以方案2為基礎(chǔ)，整個MVR的工藝流程如圖1所示。

3 MVR技術(shù)優(yōu)勢

MVR技術(shù)在煉化裝置余熱回收利用中有以下優(yōu)勢：

(1)MVR技術(shù)可以得到高品位蒸汽，并且蒸汽可以外輸或在煉化裝置內(nèi)就地使用；可以增加裝置的蒸汽來源，減少能量消耗；

(2)MVR技術(shù)不受地區(qū)和季節(jié)限制，熱負(fù)荷變化小，可以長期穩(wěn)定運行；

(3)MVR技術(shù)可將裝置的余熱進行回收，減少了用于冷卻的循環(huán)水、電能消耗；

(4)MVR技術(shù)工藝簡單，配套設(shè)備少，整體投資較低。

但是，MVR技術(shù)的優(yōu)勢都是建立在壓縮機穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上的。由于蒸汽溫度較高，對蒸汽壓縮機的密封、運轉(zhuǎn)等都要求較高，選擇蒸汽壓縮機時必須確保其性能穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)語

國家對煉化裝置能耗的要求越來越嚴(yán)格，采用先進技術(shù)對煉化裝置的余熱進行回收利用，在降低能源消耗的同時，還能夠降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的競爭能力。作為一種先進的余熱利用技術(shù)，MVR技術(shù)還沒有在煉化裝置的余熱回收中使用，如果得到利用，必將發(fā)揮更大的作用。

[1]王弘歷，龔 燕，郭 彥，等．煉化過程低溫余熱利用技術(shù)的應(yīng)用及進展[J]．石油規(guī)劃設(shè)計，2017，28(1)：14-17．

[2]沈潺潺，趙東風(fēng)，李 石，等．煉油企業(yè)低溫余熱回收利用的研究進展[J]．現(xiàn)代化工，2012，32(11)：22-26．

[3]丁秀華．MVR技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用及發(fā)展[J]．廣州化工，2015，43(9)：41-43．

[4]龐衛(wèi)科，林文野，戴群特，等．機械蒸汽再壓縮熱泵技術(shù)研究進展[J]．節(jié)能技術(shù)，2012，30(174)：312-315．