ORC與卡琳娜熱水發(fā)電技術(shù)對(duì)比分析

尹志煒

（中國(guó)石化海南煉化公司，海南洋浦 578101）

在以美國(guó)UOP、法國(guó)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(fèi)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(shì)，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(shí)提高了經(jīng)濟(jì)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(guò)熱聯(lián)合流程串聯(lián)起來(lái)，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(guò)熱水循環(huán)泵的加壓，分兩路進(jìn)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(jìn)入卡琳娜系統(tǒng)和ORC系統(tǒng)換熱，冷卻后的熱媒水經(jīng)過(guò)濾器除去循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的雜質(zhì)，循環(huán)回?zé)崴h(huán)泵入口。在熱水循環(huán)泵入口補(bǔ)入除鹽水，以保證整個(gè)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(jiàn)圖1。

低溫余熱回收系統(tǒng)熱水循環(huán)量設(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)行適當(dāng)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(jí)有機(jī)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(dòng)膨脹機(jī)做功，膨脹機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)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(yùn)行，1#機(jī)組為上游機(jī)組，2#機(jī)組為下游機(jī)組，這樣的設(shè)計(jì)可以提高2#機(jī)組的進(jìn)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(jìn)入蒸發(fā)器。工質(zhì)經(jīng)蒸發(fā)器加熱，產(chǎn)出飽和蒸氣進(jìn)入膨脹機(jī)做功，并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)做功發(fā)電。而經(jīng)膨脹機(jī)做功后的凝氣則進(jìn)入油分離器，工質(zhì)經(jīng)空冷冷卻后回到冷凝器，完成整個(gè)循環(huán)。ORC熱水發(fā)電系統(tǒng)流程見(jiàn)圖2，主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)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(jì)參數(shù)

ORC熱水發(fā)電機(jī)組共裝設(shè)兩臺(tái)，其中1#機(jī)組總裝機(jī)容量為710 kW，2#機(jī)組總裝機(jī)容量為630 kW，共1 340 kW。兩臺(tái)機(jī)組的總名義發(fā)電量為1 087 kW，凈發(fā)電量為900 kW。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的凈發(fā)電量為750 kW左右，與設(shè)計(jì)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(fù)荷運(yùn)行時(shí)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?zé)崂眯矢遊3]。即利用低溫?zé)崴畬彼訜幔拱睔馀c水分離，并產(chǎn)生過(guò)熱氨蒸氣。氨蒸氣驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)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(jìn)入熱井。熱井內(nèi)的氨水進(jìn)入回?zé)崞鞒醪郊訜岷笤龠M(jìn)入蒸發(fā)器，再次被熱水加熱成氨蒸氣，從而完成整個(gè)循環(huán)過(guò)程[4]。卡琳娜熱水發(fā)電系統(tǒng)流程見(jiàn)圖3，主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)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(jì)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(jìn)度，其實(shí)際運(yùn)行情況尚需進(jìn)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(dòng)膨脹機(jī)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(jì)參數(shù)進(jìn)行比較，見(jiàn)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(jì)參數(shù)

由于工程進(jìn)度問(wèn)題，卡琳娜未與主體工程同時(shí)施工，一直未投用，直到2017年11月才首次試車(chē)成功，卡琳娜運(yùn)行參數(shù)尚需優(yōu)化，故卡琳娜系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)還不具備實(shí)際參考意義。

表3 ORC與卡琳娜系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較

由表3可知，ORC熱電效率略高，主要因?yàn)镺RC串級(jí)循環(huán)工藝的設(shè)計(jì)，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(duì)比分析

1）效益對(duì)比

ORC系統(tǒng)的投資為1 200余萬(wàn)元，年效益約為380萬(wàn)元，三年左右可收回成本，投資回報(bào)較快。卡琳娜系統(tǒng)的投資回報(bào)尚需進(jìn)一步探討。

2）控制系統(tǒng)對(duì)比

ORC的控制系統(tǒng)是獨(dú)立的PLC系統(tǒng)，只能在現(xiàn)場(chǎng)的控制柜進(jìn)行操作，無(wú)法引至中控室DCS系統(tǒng)操作，DCS畫(huà)面只能顯示。卡琳娜的控制系統(tǒng)納入DCS統(tǒng)一操作畫(huà)面，在中控室可以操作。

3）穩(wěn)定性對(duì)比

ORC在運(yùn)行初期穩(wěn)定性不足，開(kāi)停機(jī)頻繁，經(jīng)優(yōu)化后穩(wěn)定性有所提高。目前ORC已可長(zhǎng)周期運(yùn)行。卡琳娜目前未進(jìn)行長(zhǎng)周期運(yùn)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(jìn)優(yōu)化，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)DSC統(tǒng)一操作，減少現(xiàn)場(chǎng)操作帶來(lái)的不便。

卡琳娜系統(tǒng)僅試運(yùn)行半月余，未進(jìn)行長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)際運(yùn)行情況尚待進(jìn)一步討論。但無(wú)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(xiàn)。