ORC与卡琳娜热水发电技术对比分析

尹志炜

（中国石化海南炼化公司，海南洋浦 578101）

在以美国UOP、法国IFP为代表的传统芳烃装置上，由于低温余热自身温位低的限制很难被回收利用，所以通常采用空冷冷却的方式，不仅造成能量浪费而且造成环境热污染。在全球变暖的大环境下，石油化工行业绿色低碳发展成为必然趋势，所以如何利用好低温余热是重要的研究课题。某厂芳烃联合装置，在低温余热回收利用上，首创采用了ORC热水发电技术和卡琳娜热水发电技术，将低温余热有效回收利用，降低装置能耗的同时提高了经济效益，为芳烃装置低温余热回收利用提供了探索方向。

1 低温余热回收系统工艺流程

为充分利用芳烃联合装置的余热，将二甲苯装置与歧化装置综合考虑，使可利用的低温余热通过热联合流程串联起来，最大限度地回收低温余热。低温余热回收系统的热媒水以除盐水为介质，通过热水循环泵的加压，分两路进行换热，一路分别与脱庚烷塔顶、成品塔顶、邻二甲苯塔顶物料换热将热媒水加热至126℃；另一路分别与歧化产物、歧化汽提塔顶、凝结水换热将热媒水加热至122℃。两路热媒水汇合后分别进入卡琳娜系统和ORC系统换热，冷却后的热媒水经过滤器除去循环过程中产生的杂质，循环回热水循环泵入口。在热水循环泵入口补入除盐水，以保证整个热水循环系统的循环量，蓄能器稳定系统压力。低温余热回收系统工艺流程见图1。

低温余热回收系统热水循环量设计值为815 t/h，因热水循环泵出口压力高易造成热水循环系统旁路板式热水冷凝器泄漏，同时考虑各精馏塔的热量平衡，现低温余热回收系统的热水循环量为450 t/h左右，可根据工艺需要进行适当调整。

2 ORC热水发电技术

ORC热水发电系统采用串级有机郎肯循环发电技术，循环工质为R245fa[1]，工作原理是利用120℃的热水将工质加热至饱和蒸气，再利用饱和蒸气驱动膨胀机做功，膨胀机带动发电机发电，从而将热能转化为电能。

图1 低温余热回收系统工艺流程

ORC发电系统为2套发电系统串联运行，1#机组为上游机组，2#机组为下游机组，这样的设计可以提高2#机组的进水温度[2]。冷凝器内的工质经工质泵增压至预热器，经预热升温后再进入蒸发器。工质经蒸发器加热，产出饱和蒸气进入膨胀机做功，并带动发电机做功发电。而经膨胀机做功后的凝气则进入油分离器，工质经空冷冷却后回到冷凝器，完成整个循环。ORC热水发电系统流程见图2，主要设计参数见表1。

图2 ORC热水发电系统流程

表1 ORC系统主要设计参数

ORC热水发电机组共装设两台，其中1#机组总装机容量为710 kW，2#机组总装机容量为630 kW，共1 340 kW。两台机组的总名义发电量为1 087 kW，净发电量为900 kW。机组正常运行时的净发电量为750 kW左右，与设计值有一定差距，这主要受工质加注量、受环境温度影响的空冷冷后温度、蒸发器在高负荷运行时易出现假液位三方面的影响。

3 卡琳娜热水发电技术

在传统的郎肯循环中，工质普遍采用水蒸气，水蒸气易造成热能损失。卡琳娜循环采用氨水作为工质，热能损失小，与水蒸气相比低温热利用效率更高[3]。即利用低温热水将氨水加热，使氨气与水分离，并产生过热氨蒸气。氨蒸气驱动膨胀机带动发电机发电，将余热回收的热能转化为电能。

做功后的氨气与分离器底部的低浓度氨水经换热后混合，重新冷凝形成氨水混合物，进入热井。热井内的氨水进入回热器初步加热后再进入蒸发器，再次被热水加热成氨蒸气，从而完成整个循环过程[4]。卡琳娜热水发电系统流程见图3，主要设计参数见表2。

卡琳娜热水发电系统在水温122℃、水量752 t/h的设计工况下，净发电量为3 183 kW。卡琳娜热水发电系统因受限于工程进度，其实际运行情况尚需进一步讨论。

4 ORC热水发电与卡琳娜热水发电能效分析

ORC热水发电系统与卡琳娜热水发电系统原理相似，同为热水加热工质气化利用气化工质驱动膨胀机做功发电。现将ORC发电系统与卡琳娜发电系统在热水量为784 t/h工况下的设计参数进行比较，见表3。

图3 卡琳娜热水发电系统流程

表2 卡琳娜系统主要设计参数

由于工程进度问题，卡琳娜未与主体工程同时施工，一直未投用，直到2017年11月才首次试车成功，卡琳娜运行参数尚需优化，故卡琳娜系统实际运行参数还不具备实际参考意义。

表3 ORC与卡琳娜系统设计比较

由表3可知，ORC热电效率略高，主要因为ORC串级循环工艺的设计，热能利用率更高，而且ORC采用了蒸发式冷凝器，减少了循环水的消耗。

5 ORC热水发电与卡琳娜热水发电综合对比分析

1）效益对比

ORC系统的投资为1 200余万元，年效益约为380万元，三年左右可收回成本，投资回报较快。卡琳娜系统的投资回报尚需进一步探讨。

2）控制系统对比

ORC的控制系统是独立的PLC系统，只能在现场的控制柜进行操作，无法引至中控室DCS系统操作，DCS画面只能显示。卡琳娜的控制系统纳入DCS统一操作画面，在中控室可以操作。

3）稳定性对比

ORC在运行初期稳定性不足，开停机频繁，经优化后稳定性有所提高。目前ORC已可长周期运行。卡琳娜目前未进行长周期运转，稳定性尚待论证。

6 结论

ORC相比于卡琳娜系统热能利用率略高，控制系统仍需改进优化，力争实现DSC统一操作，减少现场操作带来的不便。

卡琳娜系统仅试运行半月余，未进行长周期运转，实际运行情况尚待进一步讨论。但无论ORC热水发电系统还是卡琳娜热水发电系统都为芳烃装置低温余热回收利用提供了探索方向，为石油化工行业绿色低碳环保作出了贡献。