应用低温热循环技术实现节能降碳

吕菊，李桂军，范宜俊

（中国石化安庆分公司，安徽安庆 246000）

某炼油厂有大量低温余热，一直未得到充分利用。外厂已采用热泵技术、低沸点发电技术、半导体温差发电技术等进行低温余热回收利用。为此，该炼厂采用低沸点发热技术中的有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC）技术回收未被利用的低温余热，取得了良好的效果。

该炼厂余热发电项目原流程为污水汽提装置处理加氢型酸性水，经处理所得温度为120℃的净化水与进塔原料水换热（E-3004），再经净化水空冷器（3001/A~F）冷却至60℃回注。改造后的流程为净化水换热后温度为120℃，进新增ORC发电机组，发电机组利用净化水余热进行发电，净化水出发电机组的温度为70℃，再经原有净化水空冷器冷却至50℃出装置，原有净化水空冷器可部分或全部停用，余热发电改造前后净化水温度变化见表1。

表1 余热发电改造前后净化水温度变化

对比改造前后流程可知，原流程导致大量的热量损失（经计算为10 332 kW），而且增加了循环冷却水的消耗。对该装置实施ORC技术，增设净化水余热发电机组后，不仅能够停用部分空冷器，还可向管网送电，达到了节能减排的目的。

1 ORC技术分析

1.1 ORC技术原理

ORC系统热力学原理与水蒸气朗肯循环相似，其热力学循环过程见图1。主要包含四个过程：有机工质在膨胀机中的实际膨胀与绝热膨胀（1-2、1-2s过程）、有机工质在空冷器中恒压放热（2-4过程）和工质泵中的实际压缩与绝热压缩（4-5、4-5s过程）、有机工质在蒸发器中恒压吸热（5-1过程）[1-2]。

图1 ORC温－熵（T-S）关系

1.2 ORC工作流程

ORC透平膨胀机发电机组是利用低品位热源实现热—电转换的核心设备，主要设备包括预热器、蒸发器、空冷器、透平膨胀机发电机组、工质泵等，工作原理是利用热力学的正向循环将“热”转化为“功”[3]。如图2所示，有机工质在蒸发器中经历恒压吸热过程后蒸发，进入膨胀机经绝热膨胀做功发电，从膨胀机流出的低压工质蒸汽在蒸发式空冷器中完成恒压放热后，再经工质泵、绝热压缩升压后进入预热器完成一个封闭循环；热水向封闭循环有机工质提供蒸发所需热量；蒸发式空冷器将有机工质由汽态冷凝为液态。

图2 ORC过程

1.3 工艺流程

ORC余热发电机组工艺流程主要包括净化水流程、有机工质循环回路流程及配套取热三部分。

1.3.1 有机工质回路流程

蒸发式空冷器出口被冷凝下来的有机工质由工质泵升压至1.5 MPa后，依次进入预热器、蒸发器，被加热成1.5 MPa、90℃的有机工质过热蒸汽。有机工质过热蒸汽进入透平膨胀机膨胀做功，带动发电机发电，做完功的有机工质乏汽压力为0.27 MPa、 温度48.6℃（经循环水冷却后）。有机工质乏汽进入到蒸发式冷凝器中被冷凝下来，形成22℃的液态有机工质。液态有机工质重新进入工质泵，形成工质循环回路。开工时注入有机工质，正常连续运行时无工质消耗。

1.3.2 有机工质的选择

在ORC低温余热发电系统中，有机工质的选择对循环性能具有较大的影响[2]，一般需要考虑实际运行工况、热力性能、安全性、环保性等因素[3-4]。但仅考虑单一指标很难做到优选，因此在选择工质时需综合考虑各方面因素。

对比分析几种常见的有机工质的热力参数，如表2所示。

表2 几种常见有机工质的热力参数

由表2分析知，CO2的临界压力值较大，在相同的条件下，总体热效率低于其他工质；而R11破坏臭氧层，有违安全环保。由于ORC系统回收的是低温余热，为了使工作介质在较低温度下汽化，该装置选择沸点远低于水的有机物质R600a（又称异丁烷）作为余热发电的工质，因为其具有任何工况下不会凝固、输出功率大、导热系数高等优点。此外，采用R600a可有效防止换热器泄漏时有机工质对净化水品质的影响；机组检修期间，废弃的R600a处理较方便，可直接排火炬焚烧处理；而且其对人体健康无损害、无毒性、无刺激作用。因此，综合考虑，选择R600a作为有机工质是最佳选择。

2 运行效果分析

2.1 主要运行参数

污水汽提装置采用ORC技术，减少了空冷的运行台数，大幅降低了原系统的自耗电；该机组最大发电功率 1 100 kW，装机功率 1 200 kW，运行时消耗少部分电量，其他公用工程的消耗也随之减少，节能降耗效果显著。选取该装置运行一周的数据，对其进行分析，主要操作参数如表3所示。

表3 运行期间装置主要操作参数 （2020年10月25日—10月31日）

2.2 技术经济指标

2.2.1 发电效率

基于热力学定律，对余热发电系统各过程进行热力学计算。由于整个过程中是利用热力学将“热”转化为“电”，因此忽略中间的传热过程，只计算系统热量的交换和能量转换的效率，进一步求解出该系统的总效率。

1）过程中蒸发器内热量效率的计算

在蒸发器内完成水和有机工质的热量交换，Q水＝Q放＝m水×（h进-h出），QR600a＝mR600a×（h出－h进），其中Q为热量，m为质量流量，h为比焓值。经查热力学数据，如表4所示。

表4 介质的热力学数据

代入数据，计算得：Q放为9 116.21 kW；Q吸为4 087.90 kW；

则换热效率为：η热＝Q吸/Q放×100%＝44.84%

2）热电转换过程的效率计算

由于新鲜水和循环冷却水的量较小，所消耗的热量忽略不计，则整个过程外界提供的能量即为整个项目的自用电。

项目实施后新增ORC余热发电机组自耗电计算：

E耗＝∑（用电设备＋用能设备）

项目中用电设备包括：工质泵、空冷水泵、空冷风机、机组自用电。公用工程中氮气、压缩空气均仅为开停工及检修时使用，正常运行时无能耗量；仪表风耗量较小，可以不计能耗。项目实施后能耗明细如表5所示。

表5 实际运行能耗明细

计算整个项目的年自用电量为 173.88万kW·h，能源折算为581.38吨标煤。即每小时耗电207 kW·h；发电量798 kW·h，则该过程发电效率为：

代入数据得，η电为18.58%。

3）该系统总效率为：η总＝η热×η电＝44.84%× 18.58%＝8.33%。

通过计算可知该低温余热发电系统效率为8.33%。

2.2.2 经济分析

机组2020年9月17日开始运行，以2020年10月1日至12月31日发电量均值为年平均每小时的发电量，即786 kW·h。

该项目投用后，可停止运行现有空冷。现有空冷的轴功率17.6 kW，全年按五台空冷、运行8 400小时计算，节约电能73.92万kW·h，折合能耗236.54吨标煤。根据2020年国家发改委发布的数据：

每节约1度电相当于减少0.32千克标煤消耗，相当于降低0.785单位CO2排放量；则减少1kg标煤燃烧，可以降低2.453单位CO2排放量。

E节＝∑（实施前空冷电机轴功率×负荷率×运行时间）

经济节能情况如表6所示。

由表6可知，全年可发电660.24万kW·h，年节能效益369.71万元/年。

表6中：E发＝年平均每小时发电量×运行时长

表6 经济节能数据

项目节能量计算公式：ΔE＝E发－E耗＋E节

年CO2减排量＝2.439×ΔE

年节能效益＝项目年节电量×0.6280－循环水用量×0.2－新鲜水用量×1.03

安徽省电网按照峰谷分时电价计算，大工业用电计费情况如表7所示。根据高峰、平段及低谷的分时电价，算出平均电价为0.628元/ kW·h。循环水按0.2元/吨、新鲜水按1.03元/吨计算。

表7 大工业用电计费

3 运行情况

ORC余热发电主要体现在发电和节约空冷器电耗两方面。由以上计算可知，扣除自用能耗和公用工程能耗，每年可节约能量1 767.93吨标煤，实现CO2减排4 311.98吨。按发电系统净发电功率786 kW·h、全年累计运行时间8 400小时计算，则一年可发电量约为660 万kW·h，折合标煤约2 113吨，项目节能净收益370万元/年。但目前系统效率为8.33%，与设计值10.5%之间存在一定差距。主要原因一方面是机组未满负荷运行，最大发电功率为1 100 kW，目前为798 kW，影响了发电效率；另一方面在实际运行中，余热品质不稳定、温度变化较大，也一定程度上影响了热效率。若想进一步提高发电效率，一方面机组需满负荷运行；另一方面应确保热源来源稳定。

4 目前存在的问题

1）尽管运行至今经LADR检测，未发现有机工质泄漏的现象。但有机工质易泄漏，仍存在VOCs污染的风险。

2）电机运行要求较高的稳定性。目前热源来源不足且稳定性不够，导致机组未能满负荷运行。

3）ORC技术后期维护问题。①机组装配较精密，维护难度大。运行期间发现存在膨胀机组密封油脂泄漏的情况，现在的解决方案是每两天人工补一次氮气，每周人工补一次油；②机组轴振动较大；③由于负荷式空冷直接对大气，考虑到换热效果无密封，造成水质较脏，需经常换水，造成资源的浪费。

5 结论

ORC循环发电技术能有效回收余热，且运行平稳。ORC循环发电技术已成功运行，目前机组负荷已达85%，后期可以提高机组运行负荷，增加发电量。该项目投资1 570.23万元，全年发电量660万kW·h，年效益369.71万元，投资回收期为4.25年，投资回报率可观。环保效益显著，实现CO2年减排量4 311.98吨。