有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電在氮肥行業(yè)中的應(yīng)用

龔普勤，張文千，張寶珠，夏蓓蕾

（河南心連心化肥有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453731）

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)逐步成為全球能源消耗大國(guó)。有關(guān)資料表明，由于我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域余熱利用技術(shù)水平發(fā)展相對(duì)落后，導(dǎo)致至少有50%的工業(yè)耗能以各種形式的余熱被直接廢棄，不僅造成環(huán)境污染，而且造成巨大的能源浪費(fèi)。目前，我國(guó)是全球最大的氮肥生產(chǎn)國(guó)，而在傳統(tǒng)氮肥工業(yè)裝置中存在大量的低品位余熱，由于氮肥生產(chǎn)系統(tǒng)余熱資源分布分散和傳熱溫差小，加之受制于余熱回收技術(shù)，這些低品位余熱絕大部分采用空冷或水冷的方式移出，導(dǎo)致氮肥生產(chǎn)系統(tǒng)余熱回收率僅41.9%。因此，有效利用氮肥生產(chǎn)系統(tǒng)的低品位余熱，在節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境等方面均具有深遠(yuǎn)的意義。

自上世紀(jì)70年代石油危機(jī)爆發(fā)以來，發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)低品位余熱回收利用技術(shù)的研究就已開始并走在前列，特別是以色列、日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，開發(fā)出了有機(jī)朗肯循環(huán)的余熱發(fā)電機(jī)組等先進(jìn)技術(shù)。近年來，國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、浙江大學(xué)、鄭州大學(xué)等相繼開展了低品位余熱回收利用技術(shù)的研究工作，一些創(chuàng)新型企業(yè)如浙江開山等也進(jìn)行了部分工業(yè)試驗(yàn)應(yīng)用，取得了一些工業(yè)應(yīng)用成果和數(shù)據(jù)等。以下對(duì)河南心連心化肥有限公司與江蘇某企業(yè)共同開發(fā)的有機(jī)朗肯余熱發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用情況作一介紹和總結(jié)。

1 有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電原理

有機(jī)朗肯循環(huán)（簡(jiǎn)稱ORC）是以低沸點(diǎn)有機(jī)物為工質(zhì)的朗肯循環(huán)，主要包括蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、冷凝器、工質(zhì)泵等設(shè)備及部件。低品位工業(yè)余熱進(jìn)入工質(zhì)蒸發(fā)器，通過熱量交換將其熱量轉(zhuǎn)移給低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)；低沸點(diǎn)工質(zhì)經(jīng)過蒸發(fā)器后，產(chǎn)生飽和高壓工質(zhì)蒸氣，蒸氣進(jìn)入膨脹機(jī)，通過與膨脹機(jī)連接的發(fā)電機(jī)發(fā)電并送入電網(wǎng)系統(tǒng)，經(jīng)膨脹后的蒸氣進(jìn)入冷凝器形成低溫液體工質(zhì)，然后由工質(zhì)泵加壓送回蒸發(fā)器，如此循環(huán)。

2 ORC發(fā)電在氮肥生產(chǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐

河南心連心化肥有限公司是一家合成氨、尿素等化肥化工產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)系統(tǒng)中存在大量的如鍋爐煙氣、低壓蒸汽、調(diào)溫水、高溫甲醇蒸氣、合成氨水冷等低品位余熱。通過系統(tǒng)分析，我們認(rèn)為尿素調(diào)溫水工況平穩(wěn)、回收價(jià)值較高，且改造對(duì)原生產(chǎn)裝置影響較小，故選取尿素調(diào)溫水為熱源進(jìn)行ORC余熱發(fā)電的實(shí)踐。

尿素調(diào)溫水流量在300m3／h，其上水溫度120℃，回水溫度145℃，壓力1.1MPa，之前尿素調(diào)溫水熱量通過循環(huán)水換熱移出，將尿素調(diào)溫水作為熱源進(jìn)行ORC余熱發(fā)電后，其工藝流程為：尿素調(diào)溫水引入ORC發(fā)電裝置蒸發(fā)器，有機(jī)工質(zhì)吸收尿素調(diào)溫水的熱量后蒸發(fā)變成飽和高壓工質(zhì)蒸氣，驅(qū)動(dòng)透平膨脹機(jī)組，透平機(jī)組通過聯(lián)軸器帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，做完功后的低壓有機(jī)蒸氣進(jìn)入ORC系統(tǒng)的冷凝器，被循環(huán)水換熱冷凝成低溫工質(zhì)后進(jìn)入儲(chǔ)液罐，之后通過工質(zhì)泵循環(huán)加壓重新送回蒸發(fā)器，如此循環(huán)。我公司以尿素調(diào)溫水為熱源的ORC發(fā)電裝置于2017年10月份開車成功，12月份基本運(yùn)行正常。ORC發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)值與運(yùn)行值對(duì)比見表1。

表1 ORC發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)值與運(yùn)行值的對(duì)比

由表1可以看出：由于蒸發(fā)器調(diào)溫水進(jìn)口流量低于設(shè)計(jì)值，系統(tǒng)進(jìn)口熱負(fù)荷低于設(shè)計(jì)值，致蒸發(fā)器有機(jī)工質(zhì)蒸氣壓偏低；同時(shí)，由于冷凝器冷凝溫度高于設(shè)計(jì)值，冷凝器端差低于設(shè)計(jì)值，造成透平膨脹機(jī)端壓差和有機(jī)工質(zhì)蒸氣量減少，進(jìn)而造成ORC發(fā)電機(jī)組凈發(fā)電量小于設(shè)計(jì)值。

3 存在的問題及解決

（1）尿素調(diào)溫水ORC余熱發(fā)電項(xiàng)目有機(jī)工質(zhì)選擇的是R245Fa，其物性為等熵流體，飽和狀態(tài)下應(yīng)該不存在液體。但實(shí)際應(yīng)用過程中，由于開車前期設(shè)備、管道均為冷態(tài)，熱傳導(dǎo)造成部分有機(jī)工質(zhì)蒸氣因溫度降低而冷凝，繼而造成有機(jī)工質(zhì)蒸氣帶液，影響膨脹機(jī)的運(yùn)行。后通過在蒸發(fā)器出口增設(shè)1臺(tái)過熱器解決了此問題。

（2）ORC余熱發(fā)電機(jī)組原始設(shè)計(jì)為露天布置，實(shí)際運(yùn)行中由于高壓有機(jī)工質(zhì)蒸氣流速較高，膨脹機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)噪音較大且擴(kuò)散范圍較廣，超出國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，不利于工作人員的身心健康。后經(jīng)論證將發(fā)電機(jī)組改為了封閉布置，由此不僅加強(qiáng)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組的防護(hù)，而且降低了現(xiàn)場(chǎng)噪音，滿足了國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（3）ORC余熱發(fā)電裝置原始設(shè)計(jì)為PLC單獨(dú)控制，PLC控制柜設(shè)置在機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)。但實(shí)際生產(chǎn)后，由于機(jī)組的運(yùn)行工況和尿素裝置聯(lián)系密切，而機(jī)組工藝參數(shù)的設(shè)置和調(diào)整只能在機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)PLC控制柜中進(jìn)行，加之現(xiàn)場(chǎng)噪音較大，使得其操作調(diào)整與監(jiān)控非常不便。下一步計(jì)劃利用停車機(jī)會(huì)將ORC發(fā)電機(jī)組PLC信號(hào)全部引入全廠DCS監(jiān)控系統(tǒng)中，以利于操作調(diào)整與監(jiān)控。

4 ORC余熱發(fā)電項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性分析

從尿素調(diào)溫水為熱源的ORC發(fā)電項(xiàng)目的運(yùn)行實(shí)踐來看，機(jī)組開車后雖未達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)要求，但將ORC發(fā)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)與原循環(huán)水冷卻方式的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比（見表2），論證證明本項(xiàng)目仍具有很好的經(jīng)濟(jì)性。

表2 尿素調(diào)溫水2種移熱方案的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

由表2可以看出：尿素調(diào)溫水ORC發(fā)電項(xiàng)目不但每小時(shí)能發(fā)電833kW·h，而且每小時(shí)還能節(jié)約冷卻塔以及循環(huán)水泵電耗95kW·h，合計(jì)年增效益可達(dá)460.288萬元，項(xiàng)目投資回收期約為1.74a（不含建設(shè)期）。簡(jiǎn)言之，ORC余熱發(fā)電具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)束語

河南心連心化肥有限公司尿素調(diào)溫水ORC發(fā)電的應(yīng)用實(shí)踐表明，ORC低溫余熱發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于氮肥工業(yè)裝置，可有效降低裝置的能耗，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，值得在氮肥行業(yè)乃至熱電、冶金等行業(yè)大力推廣和應(yīng)用。