ORC熱水發電技術在芳烴裝置的優化應用

尹志煒

（中國石化海南煉油化工有限公司，海南洋浦 578101）

目前，在石油化工裝置上推進綠色低碳生產應用、同時注重節能降耗是發展大趨勢。芳烴聯合裝置的余熱在整個煉化企業中最多，該裝置節能降耗成為提高競爭力的必然發展方向[1-2]。ORC熱水發電技術在首套國產化芳烴聯合裝置的成功應用，使大量低溫余熱有效回收利用，為芳烴裝置在綠色低碳方向的探索做出了貢獻。第二套ORC熱水發電系統在首套基礎上做了大量優化，可操作性、安全性和穩定性大幅提高。這充分滿足了國產化大型芳烴裝置對ORC熱水發電系統安穩長滿優運行的要求，使國產化芳烴裝置的能耗進一步降低，同時進一步提高了芳烴裝置競爭力。

1 系統簡介

ORC采用串級有機朗肯循環技術，其工質為氟利昂，工作原理為熱水加熱氟利昂使其汽化，氟利昂進入汽輪機做功，從而帶動發電機發電，完成熱能到電能的轉化，回收低溫熱變廢為寶[5]。ORC熱水發電機組為兩套串級控制，分為高溫級和低溫級，熱水先進入的機組為高溫級，經過高溫級換熱后的熱水再進入的機組為低溫級，經過低溫級充分取熱后的熱水返回熱水緩沖罐。現從工質側和熱水側分別對ORC熱水發電流程進行介紹。

工質側：儲液器內的工質氟利昂，經工質泵加壓后進入預熱器預熱，后進入蒸發器蒸發過熱，使工質充分汽化進入膨脹機做功，驅動膨脹機高速旋轉帶動發電機發電。經做功后的工質進入油分離器將潤滑油和工質分離。工質在油分離器頂部進入蒸發式冷凝器冷凝后回到儲液器；油分離器底部的潤滑油則經過加壓循環回膨脹機進行潤滑；而發電機組側則是由專門的稀油站提供潤滑。蒸發器底部有一根排油線至回油換熱器內，經熱水加熱后使工質和潤滑油返回油分離器內，從而將被帶進蒸發器的潤滑油有效排除，使蒸發器運行更穩定。

熱水側：熱水在進入ORC機組前分為三路：第一路為主路流程，熱水先進入高溫級蒸發器，經換熱后進入高溫級預熱器和低溫級蒸發器，換熱后返回熱水管網。第二路熱水分別對高溫級回油換熱器和低溫級回油換熱器進行加熱，后返回熱水管網。第三路熱水專門對高溫級油分離器和低溫級油分離器進行加熱，最后和其余兩路匯合一起返回熱水管網。ORC熱水發電系統設計參數詳見表1，工作流程詳見圖1。

圖1 ORC熱水發電系統

表1 ORC熱水發電系統設計參數

2 系統運行評價

2.1 運行情況分析

2019年12月28日第二套ORC系統進行了8個小時的標定。各關鍵參數符合設計要求，標定結果為合格。現針對標定情況下ORC系統的運行情況進行評價。其標定參數見表2。

由表2可知，在環境濕球溫度17.8℃的條件下，裝置毛發電2 255 kW，換算到設計工況為3 536 kW；實測凈熱電效率為7.17%，換算后為8.02%；實測噸水凈發電量3.35度，換算后為4.54度，均高于設計值，符合設計要求。

表2 ORC熱水發電系統標定數據

在標定的8個小時內取每小時運行參數的平均值，計算出熱電效率和噸水發電量，如圖2所示。

圖2 ORC熱水發電系統熱電效率與噸水發電量

由圖2可知，ORC系統的熱電效率和噸水發電量未達設計值，這是因為進水溫度和進水量均未達到設計值，且ORC系統的參數仍有進一步優化的空間，將其換算至設計工況后其熱電效率和噸水發電量均超過了設計值。維持目前工況不變年凈發電量可達13 112 MWh（按8 000小時/年計算）；考慮折舊和維修費用（設計使用壽命按15年計算），年創造效益可達596.72萬元（按0.6元/度計算）。進一步優化進水溫度、進水量和系統參數后，發電量和效益非常可觀。

2.2 對比分析

為更好的說明第二套ORC系統的優化效果，現將首套與二套的標定值與設計值進行對比分析，分別如表3和表4所示。

表4 兩套ORC熱水發電系統水耗與能耗對比

由表3可知，首套的設計噸水凈發電量和實測噸水凈發電量均比二套高，這是因為首套的熱水溫度更高，溫位更高。而二套的設計凈熱電效率和實測凈熱電效率均比首套高，這是因為二套在首套的基礎上做了大量優化，使熱水的利用率更高、系統更穩定、操作更便捷。第二套的裝機容量和設計規模要大很多，其設計凈發電功率是首套的2.7倍。

表3 兩套ORC熱水發電系統標定數據對比

由表4可知，二套水耗遠低于設計值，而首套的水耗僅略低于設計值。這是由于二套改用了大循環水泵，使噴淋水更易回收；同時降低了維護成本。而二套的能耗遠低于首套，主要是因為熱水發電系統的進一步優化，使系統集成度更高、物耗更低、效率更高。

3 ORC熱水發電系統優化分析

3.1 熱水循環系統的優化分析

（1）熱水循環系統增設了熱水緩沖罐，其主要作用是緩沖熱水系統壓力波動，保證各路換熱流量的穩定，同時罐頂通入氮氣汽提熱水中的溶解氧，減少系統腐蝕。首套的熱水循環系統壓力主要靠三個穩壓器調節，但效果并不理想。當精餾塔波動時容易造成熱水系統壓力波動，導致熱水系統憋壓，使系統板式換熱器因憋壓泄漏。二套在熱水循環系統中增設了緩沖罐，并在罐頂設有壓力分程控制，有效的解決了這個問題。

（2）將ORC系統的旁路由板式換熱器變更為空冷器，大量減少循環水消耗，而且避免了當系統壓力波動時板式換熱器泄漏。當首套ORC機組跳停時，需要快速開啟板式換熱器的進口閥門并開大循環水冷卻，不僅操作繁瑣，且易因操作不當造成板式換熱器憋漏。將ORC系統的旁路由板式換熱器優化為空冷，有效的解決了以上問題。

（3）進一步優化熱水換熱流程，新增PX產品換熱器，將PX產品余熱進一步回收利用，同時取消鄰二甲苯塔的空冷器，塔頂物料全部進熱水換熱器換熱，使整個裝置低溫余熱更加合理的回收利用。

3.2 ORC熱水發電系統的優化分析

（1）將ORC系統的現場PLC控制柜優化為中控室的DCS集中控制。原ORC系統的控制方案為現場PLC控制柜控制，中控室只有顯示無法操作；又因現場噪音較大操作環境不佳，整個ORC系統開車非常不便。開車過程中現場PLC無法對水量控制，只能通過中控室調整，而中控室又不清楚現場開車進度，造成長時間頻繁溝通占用公共資源，開車進程緩慢。改為DCS集中控制后整個ORC系統開車進程由中控室人員控制，不僅大幅減少現場人員操作量，且能更好的監控整個開車過程。

（2）增加ORC聯鎖系統的旁路功能，大幅提高了系統儀表的容錯率。在首套的聯鎖控制中聯鎖儀表無法旁路，一旦儀表出現故障將造成整個系統聯鎖停車。增加ORC系統聯鎖儀表的旁路功能，有效避免了此類故障停車。

（3）增加油分離器專用加熱盤管，使開車過程中工質和潤滑油分離更快，減少了開車時間。在首套ORC系統的蒸發器出口管線上有一條升溫線與油分離器底部聯通，通過蒸發器出口熱工質給油分離罐內部的潤滑油和工質加熱使其分離。這樣不僅加熱慢，而且也容易造成潤滑油因帶工質使潤滑油泵出口壓力低，從而導致ORC系統因系統油壓差低停機。

（4）ORC系統蒸發式冷凝器的補水泵由多臺小泵變為一臺大泵（設計一開一備），由此降低水泵的維護成本。在首套ORC系統中多臺水泵同時運行，不僅設備過多維護不便，且水泵偏小流量不足；改為大泵后不僅降低了維護成本和電能消耗，空冷的冷卻效果也進一步提升。

4 優化建議

ORC系統運行噪音依然較大。在首套中針對噪音較大的問題，采用隔離墻來降低噪聲，但二套噪聲依然較大，不符合職業健康要求，需要帶防護耳罩。建議改進機械設計和工藝來降低噪音，以適應職業衛生要求[6]。

ORC系統的蒸發式冷凝器為濕式空冷器，其空冷器的補水為新鮮水。首套運行中發現空冷器水箱水質較差，風扇扇葉及水箱周圍設施腐蝕非常嚴重，維護成本較高。建議將空冷器的補水變更為除鹽水，以減少對設備及空冷平臺的腐蝕，同時空冷水箱的排水閥門應處于常開狀態，以加強對水箱內水的置換。

補水泵安裝位置不當。蒸發式冷凝器的補水泵進出口管線將補水泵包圍在中間，這樣使切泵操作、機泵維護等十分不便，尤其是當機泵需要檢修時，很難將其運出。故建議在大檢修期間重新優化補水泵進出口管線布置。

在ORC熱水循環系統中，ORC熱水發電系統與其并聯的空冷器在相互切換時現場為5個大的閘閥，操作十分不便。當ORC系統跳停時需要切出時，現場操作慢且吃力。建議將其改為電動閥以加快ORC系統切出進程，同時增加操作的便利性。

5 結論

第二套ORC熱水發電系統在經過大量優化后，不僅進一步降低了物耗能耗，且大幅提高了系統效率、工藝穩定性、便利性和設備可靠性。ORC熱水發電技術在芳烴裝置的優化應用，有效的回收利用了裝置的大量低溫余熱并變廢為寶，為整個石油化工行業在低溫余熱的回收利用上提供了探索方向。