應用低溫熱循環技術實現節能降碳

呂菊，李桂軍，范宜俊

（中國石化安慶分公司，安徽安慶 246000）

某煉油廠有大量低溫余熱，一直未得到充分利用。外廠已采用熱泵技術、低沸點發電技術、半導體溫差發電技術等進行低溫余熱回收利用。為此，該煉廠采用低沸點發熱技術中的有機朗肯循環（Organic Rankine Cycle，ORC）技術回收未被利用的低溫余熱，取得了良好的效果。

該煉廠余熱發電項目原流程為污水汽提裝置處理加氫型酸性水，經處理所得溫度為120℃的凈化水與進塔原料水換熱（E-3004），再經凈化水空冷器（3001/A~F）冷卻至60℃回注。改造后的流程為凈化水換熱后溫度為120℃，進新增ORC發電機組，發電機組利用凈化水余熱進行發電，凈化水出發電機組的溫度為70℃，再經原有凈化水空冷器冷卻至50℃出裝置，原有凈化水空冷器可部分或全部停用，余熱發電改造前后凈化水溫度變化見表1。

表1 余熱發電改造前后凈化水溫度變化

對比改造前后流程可知，原流程導致大量的熱量損失（經計算為10 332 kW），而且增加了循環冷卻水的消耗。對該裝置實施ORC技術，增設凈化水余熱發電機組后，不僅能夠停用部分空冷器，還可向管網送電，達到了節能減排的目的。

1 ORC技術分析

1.1 ORC技術原理

ORC系統熱力學原理與水蒸氣朗肯循環相似，其熱力學循環過程見圖1。主要包含四個過程：有機工質在膨脹機中的實際膨脹與絕熱膨脹（1-2、1-2s過程）、有機工質在空冷器中恒壓放熱（2-4過程）和工質泵中的實際壓縮與絕熱壓縮（4-5、4-5s過程）、有機工質在蒸發器中恒壓吸熱（5-1過程）[1-2]。

圖1 ORC溫－熵（T-S）關系

1.2 ORC工作流程

ORC透平膨脹機發電機組是利用低品位熱源實現熱—電轉換的核心設備，主要設備包括預熱器、蒸發器、空冷器、透平膨脹機發電機組、工質泵等，工作原理是利用熱力學的正向循環將“熱”轉化為“功”[3]。如圖2所示，有機工質在蒸發器中經歷恒壓吸熱過程后蒸發，進入膨脹機經絕熱膨脹做功發電，從膨脹機流出的低壓工質蒸汽在蒸發式空冷器中完成恒壓放熱后，再經工質泵、絕熱壓縮升壓后進入預熱器完成一個封閉循環；熱水向封閉循環有機工質提供蒸發所需熱量；蒸發式空冷器將有機工質由汽態冷凝為液態。

圖2 ORC過程

1.3 工藝流程

ORC余熱發電機組工藝流程主要包括凈化水流程、有機工質循環回路流程及配套取熱三部分。

1.3.1 有機工質回路流程

蒸發式空冷器出口被冷凝下來的有機工質由工質泵升壓至1.5 MPa后，依次進入預熱器、蒸發器，被加熱成1.5 MPa、90℃的有機工質過熱蒸汽。有機工質過熱蒸汽進入透平膨脹機膨脹做功，帶動發電機發電，做完功的有機工質乏汽壓力為0.27 MPa、 溫度48.6℃（經循環水冷卻后）。有機工質乏汽進入到蒸發式冷凝器中被冷凝下來，形成22℃的液態有機工質。液態有機工質重新進入工質泵，形成工質循環回路。開工時注入有機工質，正常連續運行時無工質消耗。

1.3.2 有機工質的選擇

在ORC低溫余熱發電系統中，有機工質的選擇對循環性能具有較大的影響[2]，一般需要考慮實際運行工況、熱力性能、安全性、環保性等因素[3-4]。但僅考慮單一指標很難做到優選，因此在選擇工質時需綜合考慮各方面因素。

對比分析幾種常見的有機工質的熱力參數，如表2所示。

表2 幾種常見有機工質的熱力參數

由表2分析知，CO2的臨界壓力值較大，在相同的條件下，總體熱效率低于其他工質；而R11破壞臭氧層，有違安全環保。由于ORC系統回收的是低溫余熱，為了使工作介質在較低溫度下汽化，該裝置選擇沸點遠低于水的有機物質R600a（又稱異丁烷）作為余熱發電的工質，因為其具有任何工況下不會凝固、輸出功率大、導熱系數高等優點。此外，采用R600a可有效防止換熱器泄漏時有機工質對凈化水品質的影響；機組檢修期間，廢棄的R600a處理較方便，可直接排火炬焚燒處理；而且其對人體健康無損害、無毒性、無刺激作用。因此，綜合考慮，選擇R600a作為有機工質是最佳選擇。

2 運行效果分析

2.1 主要運行參數

污水汽提裝置采用ORC技術，減少了空冷的運行臺數，大幅降低了原系統的自耗電；該機組最大發電功率 1 100 kW，裝機功率 1 200 kW，運行時消耗少部分電量，其他公用工程的消耗也隨之減少，節能降耗效果顯著。選取該裝置運行一周的數據，對其進行分析，主要操作參數如表3所示。

表3 運行期間裝置主要操作參數 （2020年10月25日—10月31日）

2.2 技術經濟指標

2.2.1 發電效率

基于熱力學定律，對余熱發電系統各過程進行熱力學計算。由于整個過程中是利用熱力學將“熱”轉化為“電”，因此忽略中間的傳熱過程，只計算系統熱量的交換和能量轉換的效率，進一步求解出該系統的總效率。

1）過程中蒸發器內熱量效率的計算

在蒸發器內完成水和有機工質的熱量交換，Q水＝Q放＝m水×（h進-h出），QR600a＝mR600a×（h出－h進），其中Q為熱量，m為質量流量，h為比焓值。經查熱力學數據，如表4所示。

表4 介質的熱力學數據

代入數據，計算得：Q放為9 116.21 kW；Q吸為4 087.90 kW；

則換熱效率為：η熱＝Q吸/Q放×100%＝44.84%

2）熱電轉換過程的效率計算

由于新鮮水和循環冷卻水的量較小，所消耗的熱量忽略不計，則整個過程外界提供的能量即為整個項目的自用電。

項目實施后新增ORC余熱發電機組自耗電計算：

E耗＝∑（用電設備＋用能設備）

項目中用電設備包括：工質泵、空冷水泵、空冷風機、機組自用電。公用工程中氮氣、壓縮空氣均僅為開停工及檢修時使用，正常運行時無能耗量；儀表風耗量較小，可以不計能耗。項目實施后能耗明細如表5所示。

表5 實際運行能耗明細

計算整個項目的年自用電量為 173.88萬kW·h，能源折算為581.38噸標煤。即每小時耗電207 kW·h；發電量798 kW·h，則該過程發電效率為：

代入數據得，η電為18.58%。

3）該系統總效率為：η總＝η熱×η電＝44.84%× 18.58%＝8.33%。

通過計算可知該低溫余熱發電系統效率為8.33%。

2.2.2 經濟分析

機組2020年9月17日開始運行，以2020年10月1日至12月31日發電量均值為年平均每小時的發電量，即786 kW·h。

該項目投用后，可停止運行現有空冷。現有空冷的軸功率17.6 kW，全年按五臺空冷、運行8 400小時計算，節約電能73.92萬kW·h，折合能耗236.54噸標煤。根據2020年國家發改委發布的數據：

每節約1度電相當于減少0.32千克標煤消耗，相當于降低0.785單位CO2排放量；則減少1kg標煤燃燒，可以降低2.453單位CO2排放量。

E節＝∑（實施前空冷電機軸功率×負荷率×運行時間）

經濟節能情況如表6所示。

由表6可知，全年可發電660.24萬kW·h，年節能效益369.71萬元/年。

表6中：E發＝年平均每小時發電量×運行時長

表6 經濟節能數據

項目節能量計算公式：ΔE＝E發－E耗＋E節

年CO2減排量＝2.439×ΔE

年節能效益＝項目年節電量×0.6280－循環水用量×0.2－新鮮水用量×1.03

安徽省電網按照峰谷分時電價計算，大工業用電計費情況如表7所示。根據高峰、平段及低谷的分時電價，算出平均電價為0.628元/ kW·h。循環水按0.2元/噸、新鮮水按1.03元/噸計算。

表7 大工業用電計費

3 運行情況

ORC余熱發電主要體現在發電和節約空冷器電耗兩方面。由以上計算可知，扣除自用能耗和公用工程能耗，每年可節約能量1 767.93噸標煤，實現CO2減排4 311.98噸。按發電系統凈發電功率786 kW·h、全年累計運行時間8 400小時計算，則一年可發電量約為660 萬kW·h，折合標煤約2 113噸，項目節能凈收益370萬元/年。但目前系統效率為8.33%，與設計值10.5%之間存在一定差距。主要原因一方面是機組未滿負荷運行，最大發電功率為1 100 kW，目前為798 kW，影響了發電效率；另一方面在實際運行中，余熱品質不穩定、溫度變化較大，也一定程度上影響了熱效率。若想進一步提高發電效率，一方面機組需滿負荷運行；另一方面應確保熱源來源穩定。

4 目前存在的問題

1）盡管運行至今經LADR檢測，未發現有機工質泄漏的現象。但有機工質易泄漏，仍存在VOCs污染的風險。

2）電機運行要求較高的穩定性。目前熱源來源不足且穩定性不夠，導致機組未能滿負荷運行。

3）ORC技術后期維護問題。①機組裝配較精密，維護難度大。運行期間發現存在膨脹機組密封油脂泄漏的情況，現在的解決方案是每兩天人工補一次氮氣，每周人工補一次油；②機組軸振動較大；③由于負荷式空冷直接對大氣，考慮到換熱效果無密封，造成水質較臟，需經常換水，造成資源的浪費。

5 結論

ORC循環發電技術能有效回收余熱，且運行平穩。ORC循環發電技術已成功運行，目前機組負荷已達85%，后期可以提高機組運行負荷，增加發電量。該項目投資1 570.23萬元，全年發電量660萬kW·h，年效益369.71萬元，投資回收期為4.25年，投資回報率可觀。環保效益顯著，實現CO2年減排量4 311.98噸。