ORC热水发电技术在芳烃联合装置中的应用

秦 文 戈

（海南炼化芳烃部， 海南 洋浦 578101）

ORC热水发电技术在芳烃联合装置中的应用

秦 文 戈

（海南炼化芳烃部， 海南 洋浦 578101）

在传统的芳烃联合装置中存在大量的低温余热，这些低温余热绝大部分采用空冷或水冷的方式冷却，不仅浪费大量的低温热量，而且也额外消耗电能及循环水。海南炼油化工有限公司（简称海南炼化）芳烃联合装置采用中国石化自主知识产权的工艺包技术，在节能降耗方面有很大突破。以除盐水为循环热载体，利用低温热源将除盐水加热至120 ℃，换热后的热水再进入ORC热水发电机组发电。通过热水发电的应用降低了装置能耗，提高了竞争力，也为炼化企业低品位热源利用，开辟了一条新途径。

低温余热；热水发电；ORC；节能

绿色低碳、节能环保已成为当今社会的主题，降低消耗、挖潜增效、提高企业竞争力是每个炼化企业都面临的重要问题[1,2]。在炼化企业中存在大量的低温余热，这些热源的温位较低，很难再找到合适的工艺物流与其直接换热回收，但这部分低温热又占据着大量的燃料成本，因此，如何充分回收利用这些低温余热显然已成为节能降耗、提高企业竞争力的重要举措[3-5]。

1 芳烃联合装置热水换热工艺流程

为尽可能的回收装置内的低温余热，海南炼化芳烃联合装置在脱庚烷塔顶物料、成品塔顶物料、低压工艺凝结水、歧化反应产物物料以及歧化汽提塔顶物料设置热水换热器，产生120 ℃的热水，进行热水发电。热水循环系统以除盐水为介质，通过热水循环泵增压至各工艺位置的热水换热器，为安全考虑每个精馏塔顶工艺位置的热水换热器都设置100%备用空冷，每台热水换热器都可以单独切除检修，设置发电机组旁路备用水冷器，一旦热水发电机组故障停机，可以将热水切备用水冷器冷却，以尽可能减少工艺物料温度波动，在热水循环泵入口设置补充除盐水调节阀和3个蓄能器，通过系统压力自动控制除盐水的补充量，以稳定热水系统的压力和流量。图1为低温热水发电工艺流程简图。

本装置设计有产邻二甲苯工况和不产邻二甲苯两种工况，目前装置一直在产邻二甲苯工况运行，表1为装置在此工况下100%负荷时设计的低温热负荷及对应热水产量。

2 海南炼化ORC热水发电机组简介

海南炼化ORC热水发电机组采用浙江开山集团的串级有机朗肯循环发电站，有机工质为R245fa。

图1 低温热水发电工艺流程简图Fig.1 Low temperature hot water power generation process flow chart

表1 低温热负荷及热水产量Table 1 Low temperature heat load and hot water production

如图2所示，ORC#1为上游机组，ORC#2为下游机组，产品型号分别为KE710-101W-1-50和KE630-81W-1-50，设计主要参数如表2。热源水先流过ORC#1的蒸发器，然后分为两路，其中小路热水流过ORC#1的预热器，而其余大路热水按顺序流过ORC#2的蒸发器和预热器，最后两路热水再混合返回热源水系统，液相循环工质经过预热器和蒸发器后被加热为汽相，汽相工质再进入膨胀机做功发电，从膨胀机出来的工质被冷凝器冷却变为液相，液相工质通过工质泵升压后循环至预热器和蒸发器，图2为ORC机组工艺简图。

图2 热水发电ORC串级流程图Fig.2 The flow chart of the ORC system

另外，ORC串级应用较传统单级或串联机组的热效率有明显的提高。ORC发电站是将热能转化为电能的装置，热源的温度越高净发电量越大，热效率越高[7]。图3是ORC#1机组KE710在不同蒸发器进水温度下的性能模拟，反映了蒸发器进水温度对ORC净发电量和热效率的影响。

表2 ORC机组设计主要参数Table 2 Main parameters of the ORC unit design

图3 不同的进水温度下的发电机组性能模拟Fig.3 Turbine performance simulation under different water temperature

3 ORC热水发电工业应用评价

本装置有两台热水发电机组，一台热水发电机组因施工进度影响未投入运行，目前装置内仅有一台热水流量为200 t/h的ORC热水发电机组投入运行，因此装置内的热水换热器均没有达到满负荷的投用状态，而是通过启动热水换热器的备用空冷来冷却部分低温热，以满足工艺控制要求，目前热水循环系统的循环流量为420 t/h，温度为120 ℃左右， 其中200 t/h左右的热水进入ORC热水发电机组发电，热水与ORC机组的运行工质换热后的回水温度为72 ℃，剩余热水则进入发电机组旁路的备用板式水冷器冷却，冷却后的热水与ORC热水发电机组的回水一起进入热水循环泵，经过泵提升后送至装置内各工艺位置换热。

因为环境温度影响热水发电机组乏汽空冷的温度，而膨胀机的乏汽压力随着乏汽空冷温度的升高而升高，在同等条件下，乏汽压力越高热水对膨胀机的有效做功越低，为了准确分析热水发电机的热效率，分别在一天中的04:00、10:00、16:00、22:00时采集了ORC热水发电机组的运行数据，并按照热效率=100%×3 600×(K710净发电量+K630净发电量)/(水的比热×热水进水总量×(进水温度-出水温度))的方法，对热水发电的热效率进行计算，具体数据见表3。

表3 ORC热水发电运行数据Table 3 ORC hot water generator operating data

目前在运行的ORC发电机组每小时消耗200 t热水，在夏季工况下平均净发电量790 kW·h（若在冬季工况发电量将进一步提升），装置设计热水产量为815 t/h，按照每200 t热水发790 kw.h电计算，共发电量为3 219 kW·h，以一年8 400 h、每度电0.61元计算，热水发电机组直接创效1 649.5万元，若考虑常规精馏塔顶空冷风机的电量消耗，热水发电系统成功应用每年创效1 700万元以上。

4 热水发电系统需完善和改进的地方

通过热水循环系统和ORC机组的实际运行，整个热水发电系统有以下几点需完善和改进的地方。

（1）热水循环系统的备用水冷器，热水进口采用手阀控制，进入ORC机组的流量调节不方便，且一旦ORC热水发电机跳停，需要外操人员现场手动开阀。因此，热水进备用水冷器手阀应改为压控调节阀，精确调节进备用水冷器的热水量，保持热水管路的压力平稳，实现机组稳定运行[6]。

（2）本装置内热水循环系统在热水循环泵入口管线上设置三台蓄能器，以实现整个热水系统压力稳定，但是通过实际运行发现，由于蓄能器的设置使冷却后的热水管路压力偏高，且当系统调整操作参数时管路压力波动较大，造成去各工艺位置的热水流量变化，进而影响装置内塔顶冷后温度，影响装置的稳定运行。应取消蓄能器设置热水缓冲罐，并在缓冲罐顶设置压控调节阀控制压力，确保去各工艺换热位置的流量稳定[7]。

（3）ORC热水发电机组PLC控制柜及电气控制柜放置在现场，受环境温度的影响，易造成控制柜内温度过高，影响硬件寿命或造成硬件故障，应统一布置在装置的现场机柜间内。

（3）ORC热水发电控制系统为一套独立的PLC控制系统，发电机组的参数设置以及工艺调整，只能在现场控制柜进行，不利于操作及监控，应将ORC控制系统整合在全装置的DCS系统内，便于监控和操作。

（4）根据实际运行效果看，ORC机组的噪音偏大，应增加降噪措施，满足职业卫生标准要求。

5 结 论

通过低温热水发电技术的应用，降低了装置能耗、提高了竞争力。对于一个企业，应全厂统一布局，集中设置低温余热发电总站，以最大限度的降低低温余热回收设施中某个单台设备故障而对工艺操作和发电机运行的关联度和影响，增加装置和发电机组平稳运行度，总之，在大力提倡节能降耗的今天，低温余热回收技术必将在石油化工行业乃至热电、冶金等行业中得到大力推广和引用。

［1］冯惠生,徐菲菲,刘叶凤,单纯.工业过程余热回收利用技术研究进展[J].化学工业与工程，2012,29(1):58-59.

［2］冉凯平，潘盛山.二甲苯联合装置低温热资源利用及节能措施分析[J].石油石化节能与减排，2011,1(9):10-11.

［3］曹坚.芳烃联合装置低温热利用分析[C]．芳烃装置节能降耗专题研讨会论文集,2008.

［4］施俊林.炼厂低温热回收与利用的途径［J］．宁波节能，2007(5):13-16

［5］蒋敏．炼油装置低温热的优化利用及案例分析［J］．炼油技术与工程，2010，40( 2):55-58.

［6］刘国瑞，岳勇.炼化企业低温余热回收利用探讨［J］.中国石油和化工标准与质量,2012,32（2）:287.

［7］李平阳．溴化锂制冷技术在低温热回收利用中的应用［J］．中外能源，2010，15(2):96-99．

Application of ORC Hot Water Power Generation Technology in Aromatic Complex Unit

QIN Wen-ge
(Sinopec Hainan Petrochemical Company，Hainan Yangpu 578101, China)

There is a great amount of waste heat in aromatic combination plant, most of the low temperature waste heat is always removed by the air cooling or water cooling way, which not only can waste a lot of low temperature heat, but also need consume additional electric energy and circulating water. The aromatic complex unit in Hainan refinery has used the process package technology with Sinopec independent intellectual property rights, there is a great breakthrough in energy saving. The desalted water is used as thermal cyclic carrier, it can be heated to 120 ℃ by the low temperature heat source, and then enter the ORC hot water generator. The application of hot water power generation technology can reduce the energy consumption of the device, improve competitiveness, open up a new way for the petrochemical enterprises in low grade heat energy utilization。

Low temperature waste heat ; Hot water power generation; ORC; Energy saving

TQ 241

： A

： 1671-0460（2015）02-0307-03

2015-01-07

秦文戈(1982-)，男，海南海口人，工程师，2005年毕业于中国石油大学（华东），研究方向：石油化工。E-mail：qinwenge@163.com。