炼油厂利用低温余热进行有机朗肯循环发电及其效益分析

张美琼，何 军，马蕊燕，张 静，罗庆华

(中石油克拉玛依石化有限责任公司，新疆 克拉玛依 834000)

我国工业领域的能源消耗量约占全国能源消耗总量的70%[1]。除了生产工艺相对落后、产业结构不合理的因素外，工业余热利用率低、能源没有得到充分综合利用是造成能耗高的重要原因。随着能源危机的压力不断加大和人们追求循环经济、可持续性发展的要求越来越高，如何合理高效地利用工业废热，成为节能减排工作的重要内容[2]。

我国能源利用率仅约33%，大部分的能源是以热量的形式排放到大气中。随着生产工艺的进步以及科技水平的逐步提升，我国利用中温或高温余热的技术已经成熟，并且已经走向工业化。低温余热量虽大，但其利用技术尚不成熟，尤其是在实际工业生产过程中，85～150 ℃的低品质废热大量被废弃，例如炼油厂分馏塔侧线、加热炉烟气、凝结水、富余蒸汽、富余干气等含有的低温余热被大量浪费[3]。如何充分利用这部分低温余热，是设计炼油厂装置时的难题之一，也是各炼油厂降低能耗、节能挖潜的重要课题。

近年来，我国炼油厂在低温余热利用方面做了很多研究，并通过引进国外技术、设备以及学习回收利用低温余热经验，开始将低温余热应用于需要的工艺环节和其他用户，并取得了不错的成效，降低了低温余热的直接排放量[4-5]。

低温余热的回收有同级利用和升级利用两种方式。同级利用就是利用低温余热直接或间接代替高、中位热源满足适宜的用户需求，可以避免使用高、中位热源所造成的过大温差带来的能量传递损失，达到节能降耗的目的。同级利用主要有两种用途，一是加热装置低温物流，另一种是加热生活用水。同级利用是低温余热利用中最具有吸引力的方案。升级利用主要包括低温余热发电、低温余热制冷和低温余热海水淡化等。大多数低温余热的升级利用技术都是用来发电，低温余热发电技术将企业在生产环节产生的废弃的热能转换为高级能源——电能，是一项变废为宝的节能技术[6]，回收投资费用的时间短，经济效益显著[2，7]。

有机朗肯循环(ORC)发电就是为利用低温余热而开发的发电技术，该技术可以将85～150 ℃的热水、蒸汽或其他介质所携带的热量加以利用来产生电能。以下介绍某石化公司利用凝结水、蒸汽、乏汽中的低温余热进行ORC发电的过程，并进行投资效益分析，旨在为炼油厂的低温余热利用方式提供参考建议。

1 公司低温余热资源现状

该石化公司在工艺生产过程中存在大量凝结水和低压蒸汽，具体为：①温度为110～115 ℃、压力为0.25～0.35 MPa的装置凝结水，其量约为140 th；②温度为120～125 ℃、压力为0.25～0.35 MPa的系统乏汽，其量约为25 th；③每年夏季都有富余的温度为220～240 ℃、压力为0.62～1.03 MPa的低压蒸汽直接对空排放，导致蒸汽严重浪费，而且存在白烟污染，既不环保也不节能。该公司2018年5—9月低压蒸汽放空量统计数据如表1所示。

表1 某石化公司2018年5—9月低压蒸汽日平均放空量 td

表1 某石化公司2018年5—9月低压蒸汽日平均放空量 td

时 间数 据2018-053312018-063752018-071 2462018-085672018-09300

以前以上3种低温余热都没有被利用，不仅造成了热量的浪费，也存在噪音和环境污染。为了对这3部分低温余热加以利用，同时改善厂区工作环境，该公司决定采用ORC和汽轮机回收利用这些低温余热发电，以提高全厂能效，创建节约型企业。

2 ORC发电原理

ORC发电的原理是以沸点远低于水的有机物质(如丁烷、氯乙烷或氟利昂等[8])为工质，有机工质在热力设备中不断进行等压加热、绝热膨胀、等压放热和绝热压缩4个过程，使热能不断转化为机械能，带动发电机产生电能，发电装置的循环系统由换热器、汽轮机、冷凝器和给水泵组成[9]。ORC的具体过程为：机泵送来的有机工质在换热器中经低温余热加热后成为过热蒸汽，过热蒸汽进入汽轮机，将热能转化为机械能，过热蒸汽释放出热能后温度、压力均降低，成为乏汽，由冷凝器冷凝为液态，再经机泵升压，完成一个循环。因为有机工质的常压沸点远低于水的常压沸点(100 ℃)，使得该有机工质在较低温度下就可以汽化，因此可以充分利用低温余热作为热源进行发电。ORC的原理如图1所示。公司发电项目所采用的有机工质为五氟丙烷(R245fa)，是目前用于ORC效率最佳的首选工质[10]。

图1 ORC的原理 —低温热源; —有机工质; —冷却介质。图2同

3 低温余热发电的主要工艺流程

3.1 凝结水余热发电

ORC透平机组利用凝结水(热源1)低温余热发电的工作流程如图2所示。

图2 ORC机组将凝结水热能转化为电能的工作流程

有机工质在换热器中被凝结水加热后，由液体变成气体完成升压，进入透平发电机做功，做功后的有机工质气体压力下降，温度降低，进入蒸发式冷凝器的壳层，经冷却介质冷凝成液体，液体由工质泵送入换热器循环使用。换热器中有机工质的液位由工质泵自动控制，保持系统热量平衡。

3.2 乏汽余热发电

采用ORC机组将系统乏汽和余热回收发电装置中汽水分离器产生的二次汽的混合汽热源(热源2)转化为电能，ORC原理与凝结水一样，发电后相变为45 ℃凝结水直接送至除油除铁装置使用，乏汽量约为25 th，温度由120～125 ℃变为45 ℃。

3.3 低压蒸汽余热发电

低压蒸汽余热(热源3)发电是根据低压蒸汽流量的不同采用不同的余热发电方式：当低压蒸汽流量小时，进入乏汽的ORC系统发电；当低压蒸汽流量大时，直接进入汽轮机做功发电(纯凝式发电)，在此不详述。

热源1、热源2、热源3在ORC发电前后的物理参数如表2所示。

表2 各类热源发电前后的物理参数

4 低温余热发电投资效益分析

4.1 经济效益分析

低温余热资源发电项目的经济效益汇总如表3所示。

表3 低温余热发电项目的经济效益汇总

从表3可以看出：该项目工程建设投产实施后，每年共可以发电1.474×107kW·h，每年的发电净收益为869.8万元；每年回收软化水的收益为819万元；每年项目的总收益为1 688.8万元；该发电项目投资为2 577.4万元，因此回收投资需要的时间为 1.5年，即一年半就可回收全部投资；工程每年节约的能耗为169 354 GJ。由此可见，低温余热资源发电技术具有显著的经济效益。

4.2 环境效益分析

该公司在低温余热发电项目投用之前，每年都有大量的凝结水、乏汽和低压蒸汽向外排放，造成了热源的浪费，也存在噪音和环境污染。本项目对这三部分低温余热加以利用，改善了厂区工作环境，既环保又节能。

传统的火力发电采用化石能源作为燃料，燃烧后向空气中排放出大量SO2、CO2和烟尘，污染大气，造成了大面积的雾霾天气，危害动、植物生长及人类健康，形成的酸雨还会腐蚀金属设备。

本项目利用炼油厂的低温余热替代天然气或化石能源燃烧取得的热量，可减少化石能源的消耗以及其燃烧带来的环境污染。本项目的低温余热发电与采用煤作为燃料的火力发电相比，在同样发电量情况下，每年可降低能耗169 354 GJ，减排CO2的量约为12.9 kt。

因此，本项目可帮助解决炼油厂余热利用的难题，同时也减少了化石能源的消耗，在取得经济效益的同时降低了对环境的污染。

5 结 论

选用国际先进成熟的ORC发电技术对炼油装置产生的凝结水、乏汽、低压蒸汽中的低温余热进行回收发电，创造了经济效益，降低了工厂运行成本和企业能耗。同时，降低了对煤炭的消耗，减少了CO2、粉尘、SO2以及氮氧化物的排放，进一步改善了当地生态环境。