有机朗肯循环（ORC）发电在氮肥行业中的应用

龚普勤，张文千，张宝珠，夏蓓蕾

（河南心连心化肥有限公司，河南 新乡 453731）

近年来，随着经济的高速发展，我国逐步成为全球能源消耗大国。有关资料表明，由于我国工业领域余热利用技术水平发展相对落后，导致至少有50%的工业耗能以各种形式的余热被直接废弃，不仅造成环境污染，而且造成巨大的能源浪费。目前，我国是全球最大的氮肥生产国，而在传统氮肥工业装置中存在大量的低品位余热，由于氮肥生产系统余热资源分布分散和传热温差小，加之受制于余热回收技术，这些低品位余热绝大部分采用空冷或水冷的方式移出，导致氮肥生产系统余热回收率仅41.9%。因此，有效利用氮肥生产系统的低品位余热，在节能减排、保护环境等方面均具有深远的意义。

自上世纪70年代石油危机爆发以来，发达国家对低品位余热回收利用技术的研究就已开始并走在前列，特别是以色列、日本、美国等发达国家，开发出了有机朗肯循环的余热发电机组等先进技术。近年来，国内清华大学、浙江大学、郑州大学等相继开展了低品位余热回收利用技术的研究工作，一些创新型企业如浙江开山等也进行了部分工业试验应用，取得了一些工业应用成果和数据等。以下对河南心连心化肥有限公司与江苏某企业共同开发的有机朗肯余热发电系统的应用情况作一介绍和总结。

1 有机朗肯循环发电原理

有机朗肯循环（简称ORC）是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，主要包括蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵等设备及部件。低品位工业余热进入工质蒸发器，通过热量交换将其热量转移给低沸点有机工质；低沸点工质经过蒸发器后，产生饱和高压工质蒸气，蒸气进入膨胀机，通过与膨胀机连接的发电机发电并送入电网系统，经膨胀后的蒸气进入冷凝器形成低温液体工质，然后由工质泵加压送回蒸发器，如此循环。

2 ORC发电在氮肥生产系统的应用实践

河南心连心化肥有限公司是一家合成氨、尿素等化肥化工产品生产企业，生产系统中存在大量的如锅炉烟气、低压蒸汽、调温水、高温甲醇蒸气、合成氨水冷等低品位余热。通过系统分析，我们认为尿素调温水工况平稳、回收价值较高，且改造对原生产装置影响较小，故选取尿素调温水为热源进行ORC余热发电的实践。

尿素调温水流量在300m3／h，其上水温度120℃，回水温度145℃，压力1.1MPa，之前尿素调温水热量通过循环水换热移出，将尿素调温水作为热源进行ORC余热发电后，其工艺流程为：尿素调温水引入ORC发电装置蒸发器，有机工质吸收尿素调温水的热量后蒸发变成饱和高压工质蒸气，驱动透平膨胀机组，透平机组通过联轴器带动发电机发电，做完功后的低压有机蒸气进入ORC系统的冷凝器，被循环水换热冷凝成低温工质后进入储液罐，之后通过工质泵循环加压重新送回蒸发器，如此循环。我公司以尿素调温水为热源的ORC发电装置于2017年10月份开车成功，12月份基本运行正常。ORC发电机组的设计值与运行值对比见表1。

表1 ORC发电机组设计值与运行值的对比

由表1可以看出：由于蒸发器调温水进口流量低于设计值，系统进口热负荷低于设计值，致蒸发器有机工质蒸气压偏低；同时，由于冷凝器冷凝温度高于设计值，冷凝器端差低于设计值，造成透平膨胀机端压差和有机工质蒸气量减少，进而造成ORC发电机组净发电量小于设计值。

3 存在的问题及解决

（1）尿素调温水ORC余热发电项目有机工质选择的是R245Fa，其物性为等熵流体，饱和状态下应该不存在液体。但实际应用过程中，由于开车前期设备、管道均为冷态，热传导造成部分有机工质蒸气因温度降低而冷凝，继而造成有机工质蒸气带液，影响膨胀机的运行。后通过在蒸发器出口增设1台过热器解决了此问题。

（2）ORC余热发电机组原始设计为露天布置，实际运行中由于高压有机工质蒸气流速较高，膨胀机高速运转，现场噪音较大且扩散范围较广，超出国家相关标准要求，不利于工作人员的身心健康。后经论证将发电机组改为了封闭布置，由此不仅加强了对现场机组的防护，而且降低了现场噪音，满足了国家相关标准的要求。

（3）ORC余热发电装置原始设计为PLC单独控制，PLC控制柜设置在机组现场。但实际生产后，由于机组的运行工况和尿素装置联系密切，而机组工艺参数的设置和调整只能在机组现场PLC控制柜中进行，加之现场噪音较大，使得其操作调整与监控非常不便。下一步计划利用停车机会将ORC发电机组PLC信号全部引入全厂DCS监控系统中，以利于操作调整与监控。

4 ORC余热发电项目经济性分析

从尿素调温水为热源的ORC发电项目的运行实践来看，机组开车后虽未达到设计技术经济指标要求，但将ORC发电机组的实际运行数据与原循环水冷却方式的运行数据进行对比（见表2），论证证明本项目仍具有很好的经济性。

表2 尿素调温水2种移热方案的经济性对比

由表2可以看出：尿素调温水ORC发电项目不但每小时能发电833kW·h，而且每小时还能节约冷却塔以及循环水泵电耗95kW·h，合计年增效益可达460.288万元，项目投资回收期约为1.74a（不含建设期）。简言之，ORC余热发电具有很好的经济效益。

5 结束语

河南心连心化肥有限公司尿素调温水ORC发电的应用实践表明，ORC低温余热发电技术应用于氮肥工业装置，可有效降低装置的能耗，提高企业的经济效益与市场竞争力，值得在氮肥行业乃至热电、冶金等行业大力推广和应用。