热媒水系统低温热能的夏季利用研究

陈继珍 李江伟 周武君 张国胤

（中海石油葫芦岛精细化工有限责任公司 辽宁葫芦岛 125000）

引言

常减压装置是石化行业能源消耗大户，公司凝析油常压蒸馏装置大部分热量通过塔顶气相冷却和产品出装冷却被循环水带走[1]，排放到大气中，造成了很大浪费。为解决此问题，公司对整个换热系统进行优化改造，采用了“窄点”技术，并增加一套热媒水系统，用热媒水获取初馏塔和常压塔顶120℃低温热，用于厂区及办公生活区冬季取暖，提高了整套装置的能源利用率。而到了夏季供暖结束后，这部分热量又通过循环水排向大气。为此，本文通过研究低温热的应用，从低温热发电和低温热热泵技术两方面，进行技术分析对比研究，提出一套热媒水系统低温热夏季利用方案，解决我公司热媒水夏季利用问题。

1 公司热媒水低温热现状

公司有一套以JZ20-2 天然气陆地分离厂的低硫石蜡基凝析油为原料常压蒸馏装置，加工规模为22 万吨/年。为提高能源利用率，2013 年对常压凝析油装置进行技术改造，新增一套热媒水余热利用系统。

图1 热媒水现场图

热媒水系统包括1 台热媒水罐，2 台循环水泵，5 台换热器及DCS 控制系统。冬季通过热媒水和塔顶油气换热回收塔顶油气的低温位热量，低温位热量用于生产区和生活办公区采暖，停用了原700 KW 采暖锅炉。从而降低了装置的公用工程消耗量，减少了天然气消耗量。一个供暖季节约天然气12 万Nm3，按葫芦岛地区天然气价格3 元/ Nm3计算，大约节约36 万元。

1.1 工艺设备参数

表1 热媒水采暖换热器

1.2 设计热负荷

设计热负荷取热端E-120A/B 和E-126 热负荷分别是779KW、174KW，合计953KW。根据热媒水系统流量30m3/h，来水、回水温度分别为101℃和73℃，进行计算：

通过计算结果可得供热段E-127A/B 热负荷980KW。

2 低温热发电技术

2.1 低温热发电系统介绍

有机工质[2]主要是有R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷等，其在较低的温度下就能气化产生较高的压力，推动涡轮机（透平机）做功，故其循环发电系统可以在水温在80℃左右实现有利用价值的发电。

有机工质循环发电系统在发达国家就是比较先进的应用技术，近年来在我国应用成功的案例比较多，而且对于余热温度的需求范围比较广泛。2009 年天津大学承担国家“九七三”计划研究的双循环全流发电技术[3]，更是将可利用余热的温度降低到了60～90℃的范围，与公司的热媒水系统（换热温度为73～101℃）的温度刚好匹配。而根据我们查询到的资料，现有的斯特林热气机循环发电系统和超临界二氧化碳循环发电系统要求的余热温度几乎都在100℃以上，而且不仅技术难度更高，应用到工业余热发电的成功案例较少，这就导致其投资成本更高。所以，综合各方面因素，我们优先选择了现有的，比较成熟的和我们公司现有余热资源更匹配的技术作为我公司余热发电的研究目标。

2.2 目前国内有机工质循环发电系统技术情况

2009 年天津大学成功研究出双循环全流发电技术，主要用于60～90℃的自然能、工业余热能实施发电。适用于工业冷却水、工业排放蒸汽等余热资源。图2 为10KW 低温热水发电机组检测运行照片。

图2 10KW低温热水发电机组运行图

本系统与国内外同类系统相比，有以下优势：（1）采用双螺杆膨胀机代替传统的汽轮机，膨胀效率高，适用于各种相态的流体。（2）新型的发电工质TD-2#：完成了55-65℃低温热源发电运行测试，能更有效的利用工业余热。（3）利用天津大学所设计的组合式蒸发器，可稳定的产生有机工质饱和蒸汽，使系统运行更加稳定可靠。（4）机组采用了内润滑技术，是设备的自耗电量减少，结构形式简单，运行管理简单，维修方便。

2012 年8 月份天津大学与山西易通环能科技集团有限公司合作，不断优化低温余热发电机组，使其更加适应工业应用，目前低温发电装备的单机容量已经达到300 KWh。

2.3 我公司余热发电经济效益估算

根据对现有市场有机工质循环发电系统余热发电项目的调研情况，多数机组发电的热效率均为10%左右，就发电效率而言，目前技术比较先进的螺杆式膨胀机的发电效率最高能到75%左右，因此，我们可以估算出我公司热媒水系统余热的发电功率为：

发电功率P=热媒水系统余热功率×系统热效率×发电功率

=953×10%×75%=71.48（KW）

按照当前葫芦岛地区工业电价0.5 元/度，一年8000 小时计算，可节省电费约为：P=71.48×8000×0.5=28.59（万元）

可见，我公司热媒水系统的余热如果用来发电的话，一年可节约电费将近29 万元，经济效益相当可观。

3 热泵技术的发展及应用

3.1 热泵技术简介

热泵是一种制热装置[4]，该装置以少量电能或燃料能为代价，能将大量无用的低温热能变为有用的高温热能，如同泵送 “热量”的“泵”一样。热泵消耗的电能和燃料能W，环境中大量的免费热能或者生产过程中的无用低温废热Q2，满足用户要求的高温热能Q1。满足如下关系：Q1=Q2+W

利用工业余热的热泵主要包括压缩式热泵、吸收/吸附式热泵、化学热泵[5]。不同类型的热泵所适合的温区不同，以热量输出为例，压缩式热泵利用工质蒸发过程回收低品位热能，利用工质冷凝过程输出所需要的热量，输出温度一般在55-100℃。吸收式热泵分为第一类和第二类，第一类吸收式热泵以80-150℃热源驱动，通过工质的蒸发吸收低温热源热量，通过释放冷凝热和吸收热实现低温热能品位的提升和量的倍增[6]，输出温度为70-95℃。第二类吸收式热泵以70-100℃热源驱动，通过向低温热源排热而实现部分热能品位的提升，输出温度为100-150℃。化学热泵本质上属于增温型热泵，反应物系在吸热反应器发生分解反应吸收低品位余热（如80℃），在放热反应器发生合成反应，释放出高品位热能，输出温度可达150-200 ℃。其中第二类吸收式热泵无需驱动热源可以将低温热量提升到高温热量的特性，使得凡是具有温度在70℃～120℃之间的低温余热而又需要90℃～160℃的中温热进行加热的场合，都可应用这种装置。

表2 几类热泵参数

我公司热媒水系统温位刚好对应此区间，将第二类热泵应用到热媒水系统产出低压饱和蒸汽，蒸汽用以系统伴热、分馏塔汽提蒸汽或罐区重油罐加热等，从而可以减少0.8MPa 饱和蒸汽用量，减少天然气用量。

3.2 第二类热泵应用的可行性

我公司热媒水系统从装置取的温度73-101℃，热负荷953KW 的热量，采用第二类吸收热泵就可以将这部分废热的热量升温至系统所需低压饱和蒸汽，性能系数COP 按0.45 计算可获得429KW 的热量，完全满足要求。

（1）参数确定

利用73-101℃的热媒水为中温热源驱动第二类热泵，考虑夏季运行，低温热源温度最高为40℃，考虑热损失，要求热泵装置产生输出温度150℃热源300KW。热泵循环流程如图3，P-T图中有关参数如表3。

表3 P-T图参数

图3 第二类吸收式循环图

（2）质量衡算

m1=m2=m3；m4=m5=m6；m7=m8=m9=m10

（3）能量衡算

再生器Qg=m7H7+m6H6-m1H1；吸收器Qa=m4H4+m10H10-m3H3

冷凝器Qc=m7H7-m8H8；蒸发器Qe=m10H10-m9H9

（4）循环倍率

a=Xs/（Xs-Xw）=0.64/（0.64-0.61）=21.3

（5）性能系数

根据公司现有装置规模，热媒水系统使用第二类热泵制取低压饱和蒸汽，为了能满足高温输出，制热系数取0.34，制取热功率300KW，热损失3%，天然气热值9000 kcal/m3,蒸汽锅炉热效率0.91 进行计算。

300KW=25.81×104kcal/h

使用第二类热泵技术制取低压饱和蒸汽，一年将节约天然气24.5 万Nm3，将节约人民币73.4 万元。

结语

根据对公司热媒水系统的分析研究，可采用两种低温热利用方案。方案一有机朗肯低温热发电技术，利用国内先进的螺杆膨胀机，可有效的将低温热能转化成电能。电能利用途径多，使用方便，便于切换，投资少等特点。方案二是利用第二类热泵技术，制取150℃低压饱和蒸汽，第二类热泵无需额外热源，初期投资较大，运行成本低，后期回收快等特点。