ORC 發電機組在柴油加氫余熱回收中的應用

陳廣鋒

（茂名瑞派石化工程有限公司，廣東 茂名 525011）

經濟效益是企業發展的主要目標。除原料外，能源消耗費用是石油化工企業生產成本的第二大組成部分，能耗費用已超過石化企業生產成本的30%[1]。能耗是生產裝置最大的單項操作費用，直接關系到石化企業的整體運行水平和經濟效益。因此，采用節能新技術進一步降低能耗是企業降低成本和提高競爭力、提高經濟效益的重要手段，節能降耗也是企業持續發展的重要保證。目前，降低裝置能耗，尋找節能的切入點，已成為石化企業關注的熱點和追求的目標。

合理利用低溫余熱資源，做好低溫熱的回收利用，是節能重要手段之一。某煉油企業柴油加氫裝置的流程中，從分餾塔底出來330 t/h 的精制柴油依次經脫硫化氫汽提塔重沸器換熱、脫硫化氫汽提塔進料換熱、與裝置原料進料換熱后溫度130～165 ℃直接進空氣冷卻器冷卻到50 ℃后再經電脫水出裝置。該裝置精制柴油直接加熱其它物料后仍有大量余熱剩余，不得不進行空氣冷卻，不僅低溫余熱未得到充分利用，還增加了空冷的用電耗能，仍有進一步改進空間。

1 余熱回收技術路線選擇

熱源和熱阱的優化匹配是按照科學用能原理——“溫位匹配，梯級利用”的原則[2]。低溫余熱熱利用途徑和方法很多，主要有同級利用與升級利用2 種主要方式。同級利用，即作為直接加熱用熱源。升級利用，即可以采用諸如熱泵、低溫朗肯循環發電、低溫制冷等技術，使低溫熱轉變為工藝可用的動力、冷量或較高溫位的熱。根據郭文豪等人[3]提出的低溫熱利用措施折能系數概念和計算方法，折能系數越高，節能水平越高，同級利用的節能效果最好，至少是升級利用的2 倍。因此，在考慮余熱回收時優先采用同級利用。

本項目同級利用途徑有：1）冷熱介質直接換熱。裝置原設計已充分考慮需加熱物料的換熱，已無低溫位需要升溫的物流進行直接換熱。2）利用余熱產蒸汽，精制柴油進空冷前是130～165 ℃，溫位不足，不能產低壓蒸汽（1.0 MPa，184 ℃），只能考慮產低低壓蒸汽（0.35 MPa，148 ℃），但該企業無低低壓蒸汽管網，且按照熱源溫度波動范圍生產低低壓蒸汽的量不穩定，溫度低時甚至不能產蒸汽。

加氫裝置因加氫反應的工藝過程放出大量熱量而得不到全部利用才產生了低溫余熱，優先考慮同級利用后，在考慮過剩部分的的升級利用時，熱泵技術和低溫制冷技術的升級利用途徑不適合本項目。因為，熱泵技術就是就是逆向卡諾循環，柴油加氫裝置本身熱量有富余，生產溫位稍高熱源不好利用。而制冷技術生產低溫冷源加氫裝置不需要，所以，低溫朗肯循環發電是該裝置目前比較適宜的低溫余熱利用方案。

2016 年，該企業采用某公司的余熱發電系統專利技術，將精制柴油低溫余熱回收發電，同時節約原工藝中的空冷器耗電。

2 余熱發電原理

余熱回收發電采用先進的向心式ORC 低溫發電機組，利用朗肯循環原理，以丁烷、氟利昂、五氟丙烷等為工質，在循環系統設備中不斷進行加壓加熱、絕熱膨脹、等效放熱和絕熱壓縮過程。發電系統設備包括渦輪發電機、工質泵、蒸發器、蒸發式冷凝器，發電系統工作流程見圖1。發電系統包括兩個回路：熱源回路和工質回路。

圖1 ORC 低溫發電機組工作流程圖Fig.1 ORC generator set work flowchart in low temperature

熱回路是熱源從外部引進機組的蒸發器，將熱量傳遞給機組內的工質，換熱后的熱源從蒸發器出來返回到原有的工藝流程中去。

工質回路是工質在發電系統內封閉循環流動，液態工質進入蒸發器，吸收熱源的熱量，成為過熱蒸汽，進入向心渦輪機，將熱能轉化為機械能，帶動發電機向外輸出電力。從發電機出來的工質蒸汽隨后進入蒸發式冷凝器，冷卻成為液態工質，經工質泵提壓重新進入蒸發器取熱的不斷循環過程。

3 技術方案

針對該企業柴油加氫裝置加工特點及發電機組所需占地面積，配置一套HSRT 余熱發電系統，包括3 臺并聯向心式ORC 低溫發電機組，總裝機容量1950 kW（6kV）。圖2 為柴油加氫精制柴油余熱回發電流程圖。

圖2 精制柴油余熱回收發電流程圖Fig.2 The refined diesel flowchart of waste heat recovery power generation

精制柴油330 t/h 進入空冷前（130～165℃）將其引到新增發電機組各蒸發器，再經過預熱器出來62 ℃再返回到空冷器再冷卻。發電系統液態工質在預熱器和蒸發器中被精制柴油加熱成過熱蒸汽，推動渦輪機做功，帶動發電機向外輸出電力。從渦輪機出來工質乏氣進入蒸發式冷凝器被冷凝成液態工質，經工質泵驅動，重新進入預熱器和蒸發器，完成熱力循環。

在流程上，每臺發電機組設置精制柴油管道旁路，當其中一臺發電機組故障或檢修時，該機組的進油閥門自動關閉，該部分柴油將通過旁路直接送往后續工藝，其他兩臺發電機組正常工作。發電系統可進行單臺或者多臺停工維護。項目各管路采用自動控制閥，保留原柴油空冷工藝流程，并確保新舊流程可以相互平穩切換，無人工值守。發電系統分為兩層布置在框架上，蒸發式冷凝器布置在框架頂層，發電機、蒸發器等其他部件位于正下方地面，布置緊湊合理。

發電機組與裝置同步，按年運行時間8400 h進行設計，具體的設計參數見表1。

表1 余熱發電機組設計參數Tab.1 Residual heat generating system design parameters

4 節能效果

本項目于2018 年5 月投用，運行情況良好，各工藝參數指標正常，系統運行平穩。正常運行時精制柴油空冷器不需開啟，精制柴油產品合格。2018 年11 月對發電系統實際運行情況進行標定（標定期為48 h），實際測得數據見表2。

表2 余熱發電機組實際發電性能參數Tab.2 Residual heat generating system actual power generation performance parameters

根據表2 的數據計算可得到表3 的實際節能效果數據。

從表3 中看出，精制柴油余熱發電能每年產生效益780 萬元，精制柴油空氣冷卻器停止使用，可節省電量240 kWh，年減少電費131 萬元，年節能增效911 萬元，節能效果明顯；根據實際標定的數據計算能量利用率只有7.8%比設計9.6%要低，低溫余熱發電系統能量利用仍有待提高。

5 結論

1）ORC 發電機組是國內柴油加氫裝置中精制柴油低溫余熱發電的首次應用，發電系統運行平穩，精制柴油工藝指標正常，產品合格。熱源精制柴油是在密閉系統中運行，發電工質是在密閉系統中循環使用，無三廢排放，環保節能，年節能增效911 萬元，具有較好的經濟收益。

表3 余熱發電機系統實際節能核算表Tab.3 Residual heat generating system actual energy saving calculation

2）采用余熱發電的熱能利用不足10%，能效利用低，能量利用率仍有很大提升空間。對于熱源余熱溫位較低且受條件限制不能同級利用時，可采用低溫余熱發電的節能途徑。余熱發電在煉油裝置中具有一定推廣價值。

3）本項目只是針對裝置內部的節能改造，在余熱回收利用時建議企業進行全廠能量系統優化統籌安排和規劃，優先考慮同級利用，再考慮升級利用。