ORC 發(fā)電機(jī)組在柴油加氫余熱回收中的應(yīng)用

陳廣鋒

（茂名瑞派石化工程有限公司，廣東 茂名 525011）

經(jīng)濟(jì)效益是企業(yè)發(fā)展的主要目標(biāo)。除原料外，能源消耗費(fèi)用是石油化工企業(yè)生產(chǎn)成本的第二大組成部分，能耗費(fèi)用已超過石化企業(yè)生產(chǎn)成本的30%[1]。能耗是生產(chǎn)裝置最大的單項(xiàng)操作費(fèi)用，直接關(guān)系到石化企業(yè)的整體運(yùn)行水平和經(jīng)濟(jì)效益。因此，采用節(jié)能新技術(shù)進(jìn)一步降低能耗是企業(yè)降低成本和提高競(jìng)爭力、提高經(jīng)濟(jì)效益的重要手段，節(jié)能降耗也是企業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要保證。目前，降低裝置能耗，尋找節(jié)能的切入點(diǎn)，已成為石化企業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)和追求的目標(biāo)。

合理利用低溫余熱資源，做好低溫?zé)岬幕厥绽?，是?jié)能重要手段之一。某煉油企業(yè)柴油加氫裝置的流程中，從分餾塔底出來330 t/h 的精制柴油依次經(jīng)脫硫化氫汽提塔重沸器換熱、脫硫化氫汽提塔進(jìn)料換熱、與裝置原料進(jìn)料換熱后溫度130～165 ℃直接進(jìn)空氣冷卻器冷卻到50 ℃后再經(jīng)電脫水出裝置。該裝置精制柴油直接加熱其它物料后仍有大量余熱剩余，不得不進(jìn)行空氣冷卻，不僅低溫余熱未得到充分利用，還增加了空冷的用電耗能，仍有進(jìn)一步改進(jìn)空間。

1 余熱回收技術(shù)路線選擇

熱源和熱阱的優(yōu)化匹配是按照科學(xué)用能原理——“溫位匹配，梯級(jí)利用”的原則[2]。低溫余熱熱利用途徑和方法很多，主要有同級(jí)利用與升級(jí)利用2 種主要方式。同級(jí)利用，即作為直接加熱用熱源。升級(jí)利用，即可以采用諸如熱泵、低溫朗肯循環(huán)發(fā)電、低溫制冷等技術(shù)，使低溫?zé)徂D(zhuǎn)變?yōu)楣に嚳捎玫膭?dòng)力、冷量或較高溫位的熱。根據(jù)郭文豪等人[3]提出的低溫?zé)崂么胧┱勰芟禂?shù)概念和計(jì)算方法，折能系數(shù)越高，節(jié)能水平越高，同級(jí)利用的節(jié)能效果最好，至少是升級(jí)利用的2 倍。因此，在考慮余熱回收時(shí)優(yōu)先采用同級(jí)利用。

本項(xiàng)目同級(jí)利用途徑有：1）冷熱介質(zhì)直接換熱。裝置原設(shè)計(jì)已充分考慮需加熱物料的換熱，已無低溫位需要升溫的物流進(jìn)行直接換熱。2）利用余熱產(chǎn)蒸汽，精制柴油進(jìn)空冷前是130～165 ℃，溫位不足，不能產(chǎn)低壓蒸汽（1.0 MPa，184 ℃），只能考慮產(chǎn)低低壓蒸汽（0.35 MPa，148 ℃），但該企業(yè)無低低壓蒸汽管網(wǎng)，且按照熱源溫度波動(dòng)范圍生產(chǎn)低低壓蒸汽的量不穩(wěn)定，溫度低時(shí)甚至不能產(chǎn)蒸汽。

加氫裝置因加氫反應(yīng)的工藝過程放出大量熱量而得不到全部利用才產(chǎn)生了低溫余熱，優(yōu)先考慮同級(jí)利用后，在考慮過剩部分的的升級(jí)利用時(shí)，熱泵技術(shù)和低溫制冷技術(shù)的升級(jí)利用途徑不適合本項(xiàng)目。因?yàn)?，熱泵技術(shù)就是就是逆向卡諾循環(huán)，柴油加氫裝置本身熱量有富余，生產(chǎn)溫位稍高熱源不好利用。而制冷技術(shù)生產(chǎn)低溫冷源加氫裝置不需要，所以，低溫朗肯循環(huán)發(fā)電是該裝置目前比較適宜的低溫余熱利用方案。

2016 年，該企業(yè)采用某公司的余熱發(fā)電系統(tǒng)專利技術(shù)，將精制柴油低溫余熱回收發(fā)電，同時(shí)節(jié)約原工藝中的空冷器耗電。

2 余熱發(fā)電原理

余熱回收發(fā)電采用先進(jìn)的向心式ORC 低溫發(fā)電機(jī)組，利用朗肯循環(huán)原理，以丁烷、氟利昂、五氟丙烷等為工質(zhì)，在循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備中不斷進(jìn)行加壓加熱、絕熱膨脹、等效放熱和絕熱壓縮過程。發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備包括渦輪發(fā)電機(jī)、工質(zhì)泵、蒸發(fā)器、蒸發(fā)式冷凝器，發(fā)電系統(tǒng)工作流程見圖1。發(fā)電系統(tǒng)包括兩個(gè)回路：熱源回路和工質(zhì)回路。

圖1 ORC 低溫發(fā)電機(jī)組工作流程圖Fig.1 ORC generator set work flowchart in low temperature

熱回路是熱源從外部引進(jìn)機(jī)組的蒸發(fā)器，將熱量傳遞給機(jī)組內(nèi)的工質(zhì)，換熱后的熱源從蒸發(fā)器出來返回到原有的工藝流程中去。

工質(zhì)回路是工質(zhì)在發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)封閉循環(huán)流動(dòng)，液態(tài)工質(zhì)進(jìn)入蒸發(fā)器，吸收熱源的熱量，成為過熱蒸汽，進(jìn)入向心渦輪機(jī)，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)向外輸出電力。從發(fā)電機(jī)出來的工質(zhì)蒸汽隨后進(jìn)入蒸發(fā)式冷凝器，冷卻成為液態(tài)工質(zhì)，經(jīng)工質(zhì)泵提壓重新進(jìn)入蒸發(fā)器取熱的不斷循環(huán)過程。

3 技術(shù)方案

針對(duì)該企業(yè)柴油加氫裝置加工特點(diǎn)及發(fā)電機(jī)組所需占地面積，配置一套HSRT 余熱發(fā)電系統(tǒng)，包括3 臺(tái)并聯(lián)向心式ORC 低溫發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1950 kW（6kV）。圖2 為柴油加氫精制柴油余熱回發(fā)電流程圖。

圖2 精制柴油余熱回收發(fā)電流程圖Fig.2 The refined diesel flowchart of waste heat recovery power generation

精制柴油330 t/h 進(jìn)入空冷前（130～165℃）將其引到新增發(fā)電機(jī)組各蒸發(fā)器，再經(jīng)過預(yù)熱器出來62 ℃再返回到空冷器再冷卻。發(fā)電系統(tǒng)液態(tài)工質(zhì)在預(yù)熱器和蒸發(fā)器中被精制柴油加熱成過熱蒸汽，推動(dòng)渦輪機(jī)做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)向外輸出電力。從渦輪機(jī)出來工質(zhì)乏氣進(jìn)入蒸發(fā)式冷凝器被冷凝成液態(tài)工質(zhì)，經(jīng)工質(zhì)泵驅(qū)動(dòng)，重新進(jìn)入預(yù)熱器和蒸發(fā)器，完成熱力循環(huán)。

在流程上，每臺(tái)發(fā)電機(jī)組設(shè)置精制柴油管道旁路，當(dāng)其中一臺(tái)發(fā)電機(jī)組故障或檢修時(shí)，該機(jī)組的進(jìn)油閥門自動(dòng)關(guān)閉，該部分柴油將通過旁路直接送往后續(xù)工藝，其他兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組正常工作。發(fā)電系統(tǒng)可進(jìn)行單臺(tái)或者多臺(tái)停工維護(hù)。項(xiàng)目各管路采用自動(dòng)控制閥，保留原柴油空冷工藝流程，并確保新舊流程可以相互平穩(wěn)切換，無人工值守。發(fā)電系統(tǒng)分為兩層布置在框架上，蒸發(fā)式冷凝器布置在框架頂層，發(fā)電機(jī)、蒸發(fā)器等其他部件位于正下方地面，布置緊湊合理。

發(fā)電機(jī)組與裝置同步，按年運(yùn)行時(shí)間8400 h進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 余熱發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Residual heat generating system design parameters

4 節(jié)能效果

本項(xiàng)目于2018 年5 月投用，運(yùn)行情況良好，各工藝參數(shù)指標(biāo)正常，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。正常運(yùn)行時(shí)精制柴油空冷器不需開啟，精制柴油產(chǎn)品合格。2018 年11 月對(duì)發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行標(biāo)定（標(biāo)定期為48 h），實(shí)際測(cè)得數(shù)據(jù)見表2。

表2 余熱發(fā)電機(jī)組實(shí)際發(fā)電性能參數(shù)Tab.2 Residual heat generating system actual power generation performance parameters

根據(jù)表2 的數(shù)據(jù)計(jì)算可得到表3 的實(shí)際節(jié)能效果數(shù)據(jù)。

從表3 中看出，精制柴油余熱發(fā)電能每年產(chǎn)生效益780 萬元，精制柴油空氣冷卻器停止使用，可節(jié)省電量240 kWh，年減少電費(fèi)131 萬元，年節(jié)能增效911 萬元，節(jié)能效果明顯；根據(jù)實(shí)際標(biāo)定的數(shù)據(jù)計(jì)算能量利用率只有7.8%比設(shè)計(jì)9.6%要低，低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)能量利用仍有待提高。

5 結(jié)論

1）ORC 發(fā)電機(jī)組是國內(nèi)柴油加氫裝置中精制柴油低溫余熱發(fā)電的首次應(yīng)用，發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，精制柴油工藝指標(biāo)正常，產(chǎn)品合格。熱源精制柴油是在密閉系統(tǒng)中運(yùn)行，發(fā)電工質(zhì)是在密閉系統(tǒng)中循環(huán)使用，無三廢排放，環(huán)保節(jié)能，年節(jié)能增效911 萬元，具有較好的經(jīng)濟(jì)收益。

表3 余熱發(fā)電機(jī)系統(tǒng)實(shí)際節(jié)能核算表Tab.3 Residual heat generating system actual energy saving calculation

2）采用余熱發(fā)電的熱能利用不足10%，能效利用低，能量利用率仍有很大提升空間。對(duì)于熱源余熱溫位較低且受條件限制不能同級(jí)利用時(shí)，可采用低溫余熱發(fā)電的節(jié)能途徑。余熱發(fā)電在煉油裝置中具有一定推廣價(jià)值。

3）本項(xiàng)目只是針對(duì)裝置內(nèi)部的節(jié)能改造，在余熱回收利用時(shí)建議企業(yè)進(jìn)行全廠能量系統(tǒng)優(yōu)化統(tǒng)籌安排和規(guī)劃，優(yōu)先考慮同級(jí)利用，再考慮升級(jí)利用。