ORC熱水發(fā)電技術(shù)在芳烴裝置的優(yōu)化應(yīng)用

尹志煒

（中國石化海南煉油化工有限公司，海南洋浦 578101）

目前，在石油化工裝置上推進(jìn)綠色低碳生產(chǎn)應(yīng)用、同時注重節(jié)能降耗是發(fā)展大趨勢。芳烴聯(lián)合裝置的余熱在整個煉化企業(yè)中最多，該裝置節(jié)能降耗成為提高競爭力的必然發(fā)展方向[1-2]。ORC熱水發(fā)電技術(shù)在首套國產(chǎn)化芳烴聯(lián)合裝置的成功應(yīng)用，使大量低溫余熱有效回收利用，為芳烴裝置在綠色低碳方向的探索做出了貢獻(xiàn)。第二套ORC熱水發(fā)電系統(tǒng)在首套基礎(chǔ)上做了大量優(yōu)化，可操作性、安全性和穩(wěn)定性大幅提高。這充分滿足了國產(chǎn)化大型芳烴裝置對ORC熱水發(fā)電系統(tǒng)安穩(wěn)長滿優(yōu)運行的要求，使國產(chǎn)化芳烴裝置的能耗進(jìn)一步降低，同時進(jìn)一步提高了芳烴裝置競爭力。

1 系統(tǒng)簡介

ORC采用串級有機朗肯循環(huán)技術(shù)，其工質(zhì)為氟利昂，工作原理為熱水加熱氟利昂使其汽化，氟利昂進(jìn)入汽輪機做功，從而帶動發(fā)電機發(fā)電，完成熱能到電能的轉(zhuǎn)化，回收低溫?zé)嶙儚U為寶[5]。ORC熱水發(fā)電機組為兩套串級控制，分為高溫級和低溫級，熱水先進(jìn)入的機組為高溫級，經(jīng)過高溫級換熱后的熱水再進(jìn)入的機組為低溫級，經(jīng)過低溫級充分取熱后的熱水返回?zé)崴彌_罐。現(xiàn)從工質(zhì)側(cè)和熱水側(cè)分別對ORC熱水發(fā)電流程進(jìn)行介紹。

工質(zhì)側(cè)：儲液器內(nèi)的工質(zhì)氟利昂，經(jīng)工質(zhì)泵加壓后進(jìn)入預(yù)熱器預(yù)熱，后進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)過熱，使工質(zhì)充分汽化進(jìn)入膨脹機做功，驅(qū)動膨脹機高速旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機發(fā)電。經(jīng)做功后的工質(zhì)進(jìn)入油分離器將潤滑油和工質(zhì)分離。工質(zhì)在油分離器頂部進(jìn)入蒸發(fā)式冷凝器冷凝后回到儲液器；油分離器底部的潤滑油則經(jīng)過加壓循環(huán)回膨脹機進(jìn)行潤滑；而發(fā)電機組側(cè)則是由專門的稀油站提供潤滑。蒸發(fā)器底部有一根排油線至回油換熱器內(nèi)，經(jīng)熱水加熱后使工質(zhì)和潤滑油返回油分離器內(nèi)，從而將被帶進(jìn)蒸發(fā)器的潤滑油有效排除，使蒸發(fā)器運行更穩(wěn)定。

熱水側(cè)：熱水在進(jìn)入ORC機組前分為三路：第一路為主路流程，熱水先進(jìn)入高溫級蒸發(fā)器，經(jīng)換熱后進(jìn)入高溫級預(yù)熱器和低溫級蒸發(fā)器，換熱后返回?zé)崴芫W(wǎng)。第二路熱水分別對高溫級回油換熱器和低溫級回油換熱器進(jìn)行加熱，后返回?zé)崴芫W(wǎng)。第三路熱水專門對高溫級油分離器和低溫級油分離器進(jìn)行加熱，最后和其余兩路匯合一起返回?zé)崴芫W(wǎng)。ORC熱水發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)詳見表1，工作流程詳見圖1。

圖1 ORC熱水發(fā)電系統(tǒng)

表1 ORC熱水發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

2 系統(tǒng)運行評價

2.1 運行情況分析

2019年12月28日第二套ORC系統(tǒng)進(jìn)行了8個小時的標(biāo)定。各關(guān)鍵參數(shù)符合設(shè)計要求，標(biāo)定結(jié)果為合格。現(xiàn)針對標(biāo)定情況下ORC系統(tǒng)的運行情況進(jìn)行評價。其標(biāo)定參數(shù)見表2。

由表2可知，在環(huán)境濕球溫度17.8℃的條件下，裝置毛發(fā)電2 255 kW，換算到設(shè)計工況為3 536 kW；實測凈熱電效率為7.17%，換算后為8.02%；實測噸水凈發(fā)電量3.35度，換算后為4.54度，均高于設(shè)計值，符合設(shè)計要求。

表2 ORC熱水發(fā)電系統(tǒng)標(biāo)定數(shù)據(jù)

在標(biāo)定的8個小時內(nèi)取每小時運行參數(shù)的平均值，計算出熱電效率和噸水發(fā)電量，如圖2所示。

圖2 ORC熱水發(fā)電系統(tǒng)熱電效率與噸水發(fā)電量

由圖2可知，ORC系統(tǒng)的熱電效率和噸水發(fā)電量未達(dá)設(shè)計值，這是因為進(jìn)水溫度和進(jìn)水量均未達(dá)到設(shè)計值，且ORC系統(tǒng)的參數(shù)仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，將其換算至設(shè)計工況后其熱電效率和噸水發(fā)電量均超過了設(shè)計值。維持目前工況不變年凈發(fā)電量可達(dá)13 112 MWh（按8 000小時/年計算）；考慮折舊和維修費用（設(shè)計使用壽命按15年計算），年創(chuàng)造效益可達(dá)596.72萬元（按0.6元/度計算）。進(jìn)一步優(yōu)化進(jìn)水溫度、進(jìn)水量和系統(tǒng)參數(shù)后，發(fā)電量和效益非常可觀。

2.2 對比分析

為更好的說明第二套ORC系統(tǒng)的優(yōu)化效果，現(xiàn)將首套與二套的標(biāo)定值與設(shè)計值進(jìn)行對比分析，分別如表3和表4所示。

表4 兩套ORC熱水發(fā)電系統(tǒng)水耗與能耗對比

由表3可知，首套的設(shè)計噸水凈發(fā)電量和實測噸水凈發(fā)電量均比二套高，這是因為首套的熱水溫度更高，溫位更高。而二套的設(shè)計凈熱電效率和實測凈熱電效率均比首套高，這是因為二套在首套的基礎(chǔ)上做了大量優(yōu)化，使熱水的利用率更高、系統(tǒng)更穩(wěn)定、操作更便捷。第二套的裝機容量和設(shè)計規(guī)模要大很多，其設(shè)計凈發(fā)電功率是首套的2.7倍。

表3 兩套ORC熱水發(fā)電系統(tǒng)標(biāo)定數(shù)據(jù)對比

由表4可知，二套水耗遠(yuǎn)低于設(shè)計值，而首套的水耗僅略低于設(shè)計值。這是由于二套改用了大循環(huán)水泵，使噴淋水更易回收；同時降低了維護(hù)成本。而二套的能耗遠(yuǎn)低于首套，主要是因為熱水發(fā)電系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化，使系統(tǒng)集成度更高、物耗更低、效率更高。

3 ORC熱水發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化分析

3.1 熱水循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化分析

（1）熱水循環(huán)系統(tǒng)增設(shè)了熱水緩沖罐，其主要作用是緩沖熱水系統(tǒng)壓力波動，保證各路換熱流量的穩(wěn)定，同時罐頂通入氮氣汽提熱水中的溶解氧，減少系統(tǒng)腐蝕。首套的熱水循環(huán)系統(tǒng)壓力主要靠三個穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)，但效果并不理想。當(dāng)精餾塔波動時容易造成熱水系統(tǒng)壓力波動，導(dǎo)致熱水系統(tǒng)憋壓，使系統(tǒng)板式換熱器因憋壓泄漏。二套在熱水循環(huán)系統(tǒng)中增設(shè)了緩沖罐，并在罐頂設(shè)有壓力分程控制，有效的解決了這個問題。

（2）將ORC系統(tǒng)的旁路由板式換熱器變更為空冷器，大量減少循環(huán)水消耗，而且避免了當(dāng)系統(tǒng)壓力波動時板式換熱器泄漏。當(dāng)首套ORC機組跳停時，需要快速開啟板式換熱器的進(jìn)口閥門并開大循環(huán)水冷卻，不僅操作繁瑣，且易因操作不當(dāng)造成板式換熱器憋漏。將ORC系統(tǒng)的旁路由板式換熱器優(yōu)化為空冷，有效的解決了以上問題。

（3）進(jìn)一步優(yōu)化熱水換熱流程，新增PX產(chǎn)品換熱器，將PX產(chǎn)品余熱進(jìn)一步回收利用，同時取消鄰二甲苯塔的空冷器，塔頂物料全部進(jìn)熱水換熱器換熱，使整個裝置低溫余熱更加合理的回收利用。

3.2 ORC熱水發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化分析

（1）將ORC系統(tǒng)的現(xiàn)場PLC控制柜優(yōu)化為中控室的DCS集中控制。原ORC系統(tǒng)的控制方案為現(xiàn)場PLC控制柜控制，中控室只有顯示無法操作；又因現(xiàn)場噪音較大操作環(huán)境不佳，整個ORC系統(tǒng)開車非常不便。開車過程中現(xiàn)場PLC無法對水量控制，只能通過中控室調(diào)整，而中控室又不清楚現(xiàn)場開車進(jìn)度，造成長時間頻繁溝通占用公共資源，開車進(jìn)程緩慢。改為DCS集中控制后整個ORC系統(tǒng)開車進(jìn)程由中控室人員控制，不僅大幅減少現(xiàn)場人員操作量，且能更好的監(jiān)控整個開車過程。

（2）增加ORC聯(lián)鎖系統(tǒng)的旁路功能，大幅提高了系統(tǒng)儀表的容錯率。在首套的聯(lián)鎖控制中聯(lián)鎖儀表無法旁路，一旦儀表出現(xiàn)故障將造成整個系統(tǒng)聯(lián)鎖停車。增加ORC系統(tǒng)聯(lián)鎖儀表的旁路功能，有效避免了此類故障停車。

（3）增加油分離器專用加熱盤管，使開車過程中工質(zhì)和潤滑油分離更快，減少了開車時間。在首套ORC系統(tǒng)的蒸發(fā)器出口管線上有一條升溫線與油分離器底部聯(lián)通，通過蒸發(fā)器出口熱工質(zhì)給油分離罐內(nèi)部的潤滑油和工質(zhì)加熱使其分離。這樣不僅加熱慢，而且也容易造成潤滑油因帶工質(zhì)使?jié)櫥捅贸隹趬毫Φ?，從而?dǎo)致ORC系統(tǒng)因系統(tǒng)油壓差低停機。

（4）ORC系統(tǒng)蒸發(fā)式冷凝器的補水泵由多臺小泵變?yōu)橐慌_大泵（設(shè)計一開一備），由此降低水泵的維護(hù)成本。在首套ORC系統(tǒng)中多臺水泵同時運行，不僅設(shè)備過多維護(hù)不便，且水泵偏小流量不足；改為大泵后不僅降低了維護(hù)成本和電能消耗，空冷的冷卻效果也進(jìn)一步提升。

4 優(yōu)化建議

ORC系統(tǒng)運行噪音依然較大。在首套中針對噪音較大的問題，采用隔離墻來降低噪聲，但二套噪聲依然較大，不符合職業(yè)健康要求，需要帶防護(hù)耳罩。建議改進(jìn)機械設(shè)計和工藝來降低噪音，以適應(yīng)職業(yè)衛(wèi)生要求[6]。

ORC系統(tǒng)的蒸發(fā)式冷凝器為濕式空冷器，其空冷器的補水為新鮮水。首套運行中發(fā)現(xiàn)空冷器水箱水質(zhì)較差，風(fēng)扇扇葉及水箱周圍設(shè)施腐蝕非常嚴(yán)重，維護(hù)成本較高。建議將空冷器的補水變更為除鹽水，以減少對設(shè)備及空冷平臺的腐蝕，同時空冷水箱的排水閥門應(yīng)處于常開狀態(tài)，以加強對水箱內(nèi)水的置換。

補水泵安裝位置不當(dāng)。蒸發(fā)式冷凝器的補水泵進(jìn)出口管線將補水泵包圍在中間，這樣使切泵操作、機泵維護(hù)等十分不便，尤其是當(dāng)機泵需要檢修時，很難將其運出。故建議在大檢修期間重新優(yōu)化補水泵進(jìn)出口管線布置。

在ORC熱水循環(huán)系統(tǒng)中，ORC熱水發(fā)電系統(tǒng)與其并聯(lián)的空冷器在相互切換時現(xiàn)場為5個大的閘閥，操作十分不便。當(dāng)ORC系統(tǒng)跳停時需要切出時，現(xiàn)場操作慢且吃力。建議將其改為電動閥以加快ORC系統(tǒng)切出進(jìn)程，同時增加操作的便利性。

5 結(jié)論

第二套ORC熱水發(fā)電系統(tǒng)在經(jīng)過大量優(yōu)化后，不僅進(jìn)一步降低了物耗能耗，且大幅提高了系統(tǒng)效率、工藝穩(wěn)定性、便利性和設(shè)備可靠性。ORC熱水發(fā)電技術(shù)在芳烴裝置的優(yōu)化應(yīng)用，有效的回收利用了裝置的大量低溫余熱并變廢為寶，為整個石油化工行業(yè)在低溫余熱的回收利用上提供了探索方向。