呂菊,李桂軍,范宜俊
(中國(guó)石化安慶分公司,安徽安慶 246000)
某煉油廠有大量低溫余熱,一直未得到充分利用。外廠已采用熱泵技術(shù)、低沸點(diǎn)發(fā)電技術(shù)、半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)等進(jìn)行低溫余熱回收利用。為此,該煉廠采用低沸點(diǎn)發(fā)熱技術(shù)中的有機(jī)朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle,ORC)技術(shù)回收未被利用的低溫余熱,取得了良好的效果。
該煉廠余熱發(fā)電項(xiàng)目原流程為污水汽提裝置處理加氫型酸性水,經(jīng)處理所得溫度為120℃的凈化水與進(jìn)塔原料水換熱(E-3004),再經(jīng)凈化水空冷器(3001/A~F)冷卻至60℃回注。改造后的流程為凈化水換熱后溫度為120℃,進(jìn)新增ORC發(fā)電機(jī)組,發(fā)電機(jī)組利用凈化水余熱進(jìn)行發(fā)電,凈化水出發(fā)電機(jī)組的溫度為70℃,再經(jīng)原有凈化水空冷器冷卻至50℃出裝置,原有凈化水空冷器可部分或全部停用,余熱發(fā)電改造前后凈化水溫度變化見(jiàn)表1。
表1 余熱發(fā)電改造前后凈化水溫度變化
對(duì)比改造前后流程可知,原流程導(dǎo)致大量的熱量損失(經(jīng)計(jì)算為10 332 kW),而且增加了循環(huán)冷卻水的消耗。對(duì)該裝置實(shí)施ORC技術(shù),增設(shè)凈化水余熱發(fā)電機(jī)組后,不僅能夠停用部分空冷器,還可向管網(wǎng)送電,達(dá)到了節(jié)能減排的目的。
ORC系統(tǒng)熱力學(xué)原理與水蒸氣朗肯循環(huán)相似,其熱力學(xué)循環(huán)過(guò)程見(jiàn)圖1。主要包含四個(gè)過(guò)程:有機(jī)工質(zhì)在膨脹機(jī)中的實(shí)際膨脹與絕熱膨脹(1-2、1-2s過(guò)程)、有機(jī)工質(zhì)在空冷器中恒壓放熱(2-4過(guò)程)和工質(zhì)泵中的實(shí)際壓縮與絕熱壓縮(4-5、4-5s過(guò)程)、有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器中恒壓吸熱(5-1過(guò)程)[1-2]。
圖1 ORC溫-熵(T-S)關(guān)系
ORC透平膨脹機(jī)發(fā)電機(jī)組是利用低品位熱源實(shí)現(xiàn)熱—電轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備,主要設(shè)備包括預(yù)熱器、蒸發(fā)器、空冷器、透平膨脹機(jī)發(fā)電機(jī)組、工質(zhì)泵等,工作原理是利用熱力學(xué)的正向循環(huán)將“熱”轉(zhuǎn)化為“功”[3]。如圖2所示,有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器中經(jīng)歷恒壓吸熱過(guò)程后蒸發(fā),進(jìn)入膨脹機(jī)經(jīng)絕熱膨脹做功發(fā)電,從膨脹機(jī)流出的低壓工質(zhì)蒸汽在蒸發(fā)式空冷器中完成恒壓放熱后,再經(jīng)工質(zhì)泵、絕熱壓縮升壓后進(jìn)入預(yù)熱器完成一個(gè)封閉循環(huán);熱水向封閉循環(huán)有機(jī)工質(zhì)提供蒸發(fā)所需熱量;蒸發(fā)式空冷器將有機(jī)工質(zhì)由汽態(tài)冷凝為液態(tài)。
圖2 ORC過(guò)程
ORC余熱發(fā)電機(jī)組工藝流程主要包括凈化水流程、有機(jī)工質(zhì)循環(huán)回路流程及配套取熱三部分。
1.3.1 有機(jī)工質(zhì)回路流程
蒸發(fā)式空冷器出口被冷凝下來(lái)的有機(jī)工質(zhì)由工質(zhì)泵升壓至1.5 MPa后,依次進(jìn)入預(yù)熱器、蒸發(fā)器,被加熱成1.5 MPa、90℃的有機(jī)工質(zhì)過(guò)熱蒸汽。有機(jī)工質(zhì)過(guò)熱蒸汽進(jìn)入透平膨脹機(jī)膨脹做功,帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,做完功的有機(jī)工質(zhì)乏汽壓力為0.27 MPa、 溫度48.6℃(經(jīng)循環(huán)水冷卻后)。有機(jī)工質(zhì)乏汽進(jìn)入到蒸發(fā)式冷凝器中被冷凝下來(lái),形成22℃的液態(tài)有機(jī)工質(zhì)。液態(tài)有機(jī)工質(zhì)重新進(jìn)入工質(zhì)泵,形成工質(zhì)循環(huán)回路。開(kāi)工時(shí)注入有機(jī)工質(zhì),正常連續(xù)運(yùn)行時(shí)無(wú)工質(zhì)消耗。
1.3.2 有機(jī)工質(zhì)的選擇
在ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)中,有機(jī)工質(zhì)的選擇對(duì)循環(huán)性能具有較大的影響[2],一般需要考慮實(shí)際運(yùn)行工況、熱力性能、安全性、環(huán)保性等因素[3-4]。但僅考慮單一指標(biāo)很難做到優(yōu)選,因此在選擇工質(zhì)時(shí)需綜合考慮各方面因素。
對(duì)比分析幾種常見(jiàn)的有機(jī)工質(zhì)的熱力參數(shù),如表2所示。
表2 幾種常見(jiàn)有機(jī)工質(zhì)的熱力參數(shù)
由表2分析知,CO2的臨界壓力值較大,在相同的條件下,總體熱效率低于其他工質(zhì);而R11破壞臭氧層,有違安全環(huán)保。由于ORC系統(tǒng)回收的是低溫余熱,為了使工作介質(zhì)在較低溫度下汽化,該裝置選擇沸點(diǎn)遠(yuǎn)低于水的有機(jī)物質(zhì)R600a(又稱異丁烷)作為余熱發(fā)電的工質(zhì),因?yàn)槠渚哂腥魏喂r下不會(huì)凝固、輸出功率大、導(dǎo)熱系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。此外,采用R600a可有效防止換熱器泄漏時(shí)有機(jī)工質(zhì)對(duì)凈化水品質(zhì)的影響;機(jī)組檢修期間,廢棄的R600a處理較方便,可直接排火炬焚燒處理;而且其對(duì)人體健康無(wú)損害、無(wú)毒性、無(wú)刺激作用。因此,綜合考慮,選擇R600a作為有機(jī)工質(zhì)是最佳選擇。
污水汽提裝置采用ORC技術(shù),減少了空冷的運(yùn)行臺(tái)數(shù),大幅降低了原系統(tǒng)的自耗電;該機(jī)組最大發(fā)電功率 1 100 kW,裝機(jī)功率 1 200 kW,運(yùn)行時(shí)消耗少部分電量,其他公用工程的消耗也隨之減少,節(jié)能降耗效果顯著。選取該裝置運(yùn)行一周的數(shù)據(jù),對(duì)其進(jìn)行分析,主要操作參數(shù)如表3所示。
表3 運(yùn)行期間裝置主要操作參數(shù) (2020年10月25日—10月31日)
2.2.1 發(fā)電效率
基于熱力學(xué)定律,對(duì)余熱發(fā)電系統(tǒng)各過(guò)程進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算。由于整個(gè)過(guò)程中是利用熱力學(xué)將“熱”轉(zhuǎn)化為“電”,因此忽略中間的傳熱過(guò)程,只計(jì)算系統(tǒng)熱量的交換和能量轉(zhuǎn)換的效率,進(jìn)一步求解出該系統(tǒng)的總效率。
1)過(guò)程中蒸發(fā)器內(nèi)熱量效率的計(jì)算
在蒸發(fā)器內(nèi)完成水和有機(jī)工質(zhì)的熱量交換,Q水=Q放=m水×(h進(jìn)-h出),QR600a=mR600a×(h出-h(huán)進(jìn)),其中Q為熱量,m為質(zhì)量流量,h為比焓值。經(jīng)查熱力學(xué)數(shù)據(jù),如表4所示。
表4 介質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)
代入數(shù)據(jù),計(jì)算得:Q放為9 116.21 kW;Q吸為4 087.90 kW;
則換熱效率為:η熱=Q吸/Q放×100%=44.84%
2)熱電轉(zhuǎn)換過(guò)程的效率計(jì)算
由于新鮮水和循環(huán)冷卻水的量較小,所消耗的熱量忽略不計(jì),則整個(gè)過(guò)程外界提供的能量即為整個(gè)項(xiàng)目的自用電。
項(xiàng)目實(shí)施后新增ORC余熱發(fā)電機(jī)組自耗電計(jì)算:
E耗=∑(用電設(shè)備+用能設(shè)備)
項(xiàng)目中用電設(shè)備包括:工質(zhì)泵、空冷水泵、空冷風(fēng)機(jī)、機(jī)組自用電。公用工程中氮?dú)?、壓縮空氣均僅為開(kāi)停工及檢修時(shí)使用,正常運(yùn)行時(shí)無(wú)能耗量;儀表風(fēng)耗量較小,可以不計(jì)能耗。項(xiàng)目實(shí)施后能耗明細(xì)如表5所示。
表5 實(shí)際運(yùn)行能耗明細(xì)
計(jì)算整個(gè)項(xiàng)目的年自用電量為 173.88萬(wàn)kW·h,能源折算為581.38噸標(biāo)煤。即每小時(shí)耗電207 kW·h;發(fā)電量798 kW·h,則該過(guò)程發(fā)電效率為:
代入數(shù)據(jù)得,η電為18.58%。
3)該系統(tǒng)總效率為:η總=η熱×η電=44.84%× 18.58%=8.33%。
通過(guò)計(jì)算可知該低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)效率為8.33%。
2.2.2 經(jīng)濟(jì)分析
機(jī)組2020年9月17日開(kāi)始運(yùn)行,以2020年10月1日至12月31日發(fā)電量均值為年平均每小時(shí)的發(fā)電量,即786 kW·h。
該項(xiàng)目投用后,可停止運(yùn)行現(xiàn)有空冷?,F(xiàn)有空冷的軸功率17.6 kW,全年按五臺(tái)空冷、運(yùn)行8 400小時(shí)計(jì)算,節(jié)約電能73.92萬(wàn)kW·h,折合能耗236.54噸標(biāo)煤。根據(jù)2020年國(guó)家發(fā)改委發(fā)布的數(shù)據(jù):
每節(jié)約1度電相當(dāng)于減少0.32千克標(biāo)煤消耗,相當(dāng)于降低0.785單位CO2排放量;則減少1kg標(biāo)煤燃燒,可以降低2.453單位CO2排放量。
E節(jié)=∑(實(shí)施前空冷電機(jī)軸功率×負(fù)荷率×運(yùn)行時(shí)間)
經(jīng)濟(jì)節(jié)能情況如表6所示。
由表6可知,全年可發(fā)電660.24萬(wàn)kW·h,年節(jié)能效益369.71萬(wàn)元/年。
表6中:E發(fā)=年平均每小時(shí)發(fā)電量×運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)
表6 經(jīng)濟(jì)節(jié)能數(shù)據(jù)
項(xiàng)目節(jié)能量計(jì)算公式:ΔE=E發(fā)-E耗+E節(jié)
年CO2減排量=2.439×ΔE
年節(jié)能效益=項(xiàng)目年節(jié)電量×0.6280-循環(huán)水用量×0.2-新鮮水用量×1.03
安徽省電網(wǎng)按照峰谷分時(shí)電價(jià)計(jì)算,大工業(yè)用電計(jì)費(fèi)情況如表7所示。根據(jù)高峰、平段及低谷的分時(shí)電價(jià),算出平均電價(jià)為0.628元/ kW·h。循環(huán)水按0.2元/噸、新鮮水按1.03元/噸計(jì)算。
表7 大工業(yè)用電計(jì)費(fèi)
ORC余熱發(fā)電主要體現(xiàn)在發(fā)電和節(jié)約空冷器電耗兩方面。由以上計(jì)算可知,扣除自用能耗和公用工程能耗,每年可節(jié)約能量1 767.93噸標(biāo)煤,實(shí)現(xiàn)CO2減排4 311.98噸。按發(fā)電系統(tǒng)凈發(fā)電功率786 kW·h、全年累計(jì)運(yùn)行時(shí)間8 400小時(shí)計(jì)算,則一年可發(fā)電量約為660 萬(wàn)kW·h,折合標(biāo)煤約2 113噸,項(xiàng)目節(jié)能凈收益370萬(wàn)元/年。但目前系統(tǒng)效率為8.33%,與設(shè)計(jì)值10.5%之間存在一定差距。主要原因一方面是機(jī)組未滿負(fù)荷運(yùn)行,最大發(fā)電功率為1 100 kW,目前為798 kW,影響了發(fā)電效率;另一方面在實(shí)際運(yùn)行中,余熱品質(zhì)不穩(wěn)定、溫度變化較大,也一定程度上影響了熱效率。若想進(jìn)一步提高發(fā)電效率,一方面機(jī)組需滿負(fù)荷運(yùn)行;另一方面應(yīng)確保熱源來(lái)源穩(wěn)定。
1)盡管運(yùn)行至今經(jīng)LADR檢測(cè),未發(fā)現(xiàn)有機(jī)工質(zhì)泄漏的現(xiàn)象。但有機(jī)工質(zhì)易泄漏,仍存在VOCs污染的風(fēng)險(xiǎn)。
2)電機(jī)運(yùn)行要求較高的穩(wěn)定性。目前熱源來(lái)源不足且穩(wěn)定性不夠,導(dǎo)致機(jī)組未能滿負(fù)荷運(yùn)行。
3)ORC技術(shù)后期維護(hù)問(wèn)題。①機(jī)組裝配較精密,維護(hù)難度大。運(yùn)行期間發(fā)現(xiàn)存在膨脹機(jī)組密封油脂泄漏的情況,現(xiàn)在的解決方案是每?jī)商烊斯ぱa(bǔ)一次氮?dú)?,每周人工補(bǔ)一次油;②機(jī)組軸振動(dòng)較大;③由于負(fù)荷式空冷直接對(duì)大氣,考慮到換熱效果無(wú)密封,造成水質(zhì)較臟,需經(jīng)常換水,造成資源的浪費(fèi)。
ORC循環(huán)發(fā)電技術(shù)能有效回收余熱,且運(yùn)行平穩(wěn)。ORC循環(huán)發(fā)電技術(shù)已成功運(yùn)行,目前機(jī)組負(fù)荷已達(dá)85%,后期可以提高機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷,增加發(fā)電量。該項(xiàng)目投資1 570.23萬(wàn)元,全年發(fā)電量660萬(wàn)kW·h,年效益369.71萬(wàn)元,投資回收期為4.25年,投資回報(bào)率可觀。環(huán)保效益顯著,實(shí)現(xiàn)CO2年減排量4 311.98噸。