机械蒸汽压缩在炼化装置余热利用中的应用分析

郭振国

(中海油石化工程有限公司，山东 济南 250101)

炼化企业在生产能源的同时，也消耗了大量能源，是能源的主要消耗者。根据相关统计，炼化企业的能耗已经成为全国各行业中的耗能大户。近年来，国家环保法规及相关标准日益严格，油品清洁化要求更高，对炼化企业能耗限制越来越多；于此同时，原油却日益劣质化，炼化装置加工流程向复杂方向变化，消耗能量越来越高，严重影响节能减排的实施。炼化企业现在面临的首要问题是：如何在降低能耗，达到节能减排目标的同时，提高企业的效益和竞争力[1]。

炼化装置中有大量热物流需要进行冷却，这部分热量不仅消耗了大量循环水或电能，其本身携带的热量还被大量浪费，大大增加了整个装置的能耗。工程实际经验证明，对装置内产生的余热进行回收并加以利用，能够有效降低装置能耗，是效果明显的节能措施。经过不断研究，炼化装置余热利用方式已经日渐成熟，常规方式主要有采暖伴热、制冷、发电等[2]。但是，这些方式的使用都有各自的限制。

机械蒸汽压缩(Mechanical Vapor compression，缩写为MVR)技术是一项高效环保的节能技术，主要用在溶液的蒸发工艺过程中。本文对MVR技术进行简要介绍，并对其在炼化装置低温余热利用中的应用进行分析。

1 MVR技术介绍

MVR技术又称为热泵技术，是将低温低压的蒸汽通过压缩，变为高温高压的蒸汽。工作过程为：低温低压蒸汽进入蒸汽压缩机，经过压缩使得低压蒸汽的温度、压力和热焓值都得到很大的提升，得到的高品位的蒸汽送往下游用户。该技术将机械能转变为热能，用机械方法将蒸汽品位提高。MVR技术使原来需要废弃的低品位蒸汽得到了充分的利用，在回收了潜热的同时提高了热效率，并且省去了二次蒸汽处理，可以节约大量的冷却水和动力消耗[3]。

MVR技术最早由国外公司开发，近期由于国家对能耗的要求越来越高，该技术在国内也逐渐得到大量应用。

MVR技术的核心为蒸汽压缩机。压缩机的选择需要根据工艺需要的压缩比和流量来确定。常见的蒸汽压缩机的形式有螺杆式压缩机、罗茨式压缩机和离心式压缩机，分别针对不同的工况。比如罗茨式压缩机和螺杆式压缩机适用于压缩比要求较高但流量较小的工况，离心式压缩机适用于压缩比要求低但流量很大的工况[4]。

目前，MVR技术已经在蒸发工艺过程中得到了大量使用，比如化工、食品、海水淡化、废水处理等行业。但是在炼化装置余热回收领域，尚未见该技术的应用报道。

2 MVR技术在炼化装置余热利用中的应用方案分析

2.1 炼化装置余热利用常规方案

炼化装置中的热物流的冷却通常是采用循环水冷却或空冷器冷却，需要对热物流的热量进行回收时，常根据热物流的温位来确定利用方案，通常有以下几种常规方案可供选择。

2.1.1 装置内物流换热

炼化装置中会产生携带大量热量的高温热物流，为了合理的利用能源，应该首先选择与装置内需要加热的物流进行充分换热，对热量实现逐级利用，避免出现热量的浪费。目前的炼化装置，在工程设计过程中，基本上均遵循了这项原则，这也是保证装置能耗的重要手段。但是，随着加工工艺的日益完善，装置内部的换热流程已经在设计工程中被充分优化，仍然还有一部分温位较低的热量无法被装置内利用。

2.1.2 采暖或装置内伴热

该方案需要设置热媒水循环系统，使用热媒水对装置内的热物流进行取热，被加热后的热媒水送往采暖用户或装置内需要伴热的部位。该方案虽然可以对装置内余热进行利用，但热负荷随着季节昼夜变化较大，容易导致工艺装置的波动。同时，对于我国南方地区的炼化装置，由于常年气温较高，该方案适用性较差。

2.1.3 制冷

目前使用较多的为低温热溴化锂吸收制冷，我国南方地区的炼厂中已经普遍使用。溴化锂吸收式制冷的热源为80～250℃的低温余热，吸收剂为溴化锂溶液，制冷剂为水，可以制取温度达到0℃的冷媒水。制冷产生的冷媒水可以用于夏季办公区域的空调制冷，或用于生产过程中工艺介质的冷却。该方案仍然受到季节的限制，而且装置内必须要有需要冷量的用户[1]。

2.1.4 发电

炼化装置内的余热，还可以用于发电，使用余热产生蒸汽，驱动汽轮机运转，将低品位的热能转变为高品位的电能，使低温余热的能级大大提高。低温热能的发电技术主要是基于朗肯循环的热力发电系统。根据循环工质不同，可分为以水为工质的水蒸气扩容循环、以低沸点有机物或有机混合物为工质的ORC(有机朗肯循环)、以氨水混合物为工质的Kalina(卡琳娜)循环等。水蒸气扩容循环主要用于温度较高的余热；有机朗肯循环可回收低温热量的温度范围较大，在低温余热发电技术中研究和应用最为广泛；Kalina循环系统相对复杂，工业应用相对较少。发电方案的热效率通常较低，而且需要考虑发电的并网使用问题，导致余热发电的运行出现波动[2]。

2.2 炼化装置余热利用MVR方案

图1 MVR余热利用方案工艺流程

炼化装置的余热由于温位较低，如果用来产生蒸汽，只能产生低压蒸汽。低压蒸汽由于压力和温度较低，不适合外输，在炼化装置内部又难以得到利用。MVR方案是在产生低压蒸汽的基础上，使用压缩机对低压蒸汽压缩，使蒸汽压力和温度都得到提高，获得高品位蒸汽，方便其他装置或用户的使用。

MVR方案在实施时有两种方案可供选择：

方案1：低压蒸汽全部用于增压。

在本方案中，压缩机采用电动机驱动，装置余热副产的低压蒸汽进入压缩机，增压后送往下游用户。

方案2：低压蒸汽部分用于增压。

在本方案中，采用凝汽式汽轮机驱动蒸汽压缩机，部分装置余热副产的低压蒸汽进入凝汽式汽轮机进行做功，带动蒸汽压缩机对剩余副产蒸汽进行增压，加压后送往下游用户。

整体来看，方案1的收益要高于方案2，但方案2利用自身产生的一部分蒸汽驱动另一部分蒸汽，不消耗额外的电能，没有电网侧的扩容问题。

以方案2为基础，整个MVR的工艺流程如图1所示。

3 MVR技术优势

MVR技术在炼化装置余热回收利用中有以下优势：

(1)MVR技术可以得到高品位蒸汽，并且蒸汽可以外输或在炼化装置内就地使用；可以增加装置的蒸汽来源，减少能量消耗；

(2)MVR技术不受地区和季节限制，热负荷变化小，可以长期稳定运行；

(3)MVR技术可将装置的余热进行回收，减少了用于冷却的循环水、电能消耗；

(4)MVR技术工艺简单，配套设备少，整体投资较低。

但是，MVR技术的优势都是建立在压缩机稳定运行的基础上的。由于蒸汽温度较高，对蒸汽压缩机的密封、运转等都要求较高，选择蒸汽压缩机时必须确保其性能稳定可靠。

4 结语

国家对炼化装置能耗的要求越来越严格，采用先进技术对炼化装置的余热进行回收利用，在降低能源消耗的同时，还能够降低生产成本，提高产品的竞争能力。作为一种先进的余热利用技术，MVR技术还没有在炼化装置的余热回收中使用，如果得到利用，必将发挥更大的作用。

[1]王弘历，龚 燕，郭 彦，等．炼化过程低温余热利用技术的应用及进展[J]．石油规划设计，2017，28(1)：14-17．

[2]沈潺潺，赵东风，李 石，等．炼油企业低温余热回收利用的研究进展[J]．现代化工，2012，32(11)：22-26．

[3]丁秀华．MVR技术的工业应用及发展[J]．广州化工，2015，43(9)：41-43．

[4]庞卫科，林文野，戴群特，等．机械蒸汽再压缩热泵技术研究进展[J]．节能技术，2012，30(174)：312-315．