低溫余熱發電技術在煤化工項目上的應用①

蔡力宏 車銀平 許賢文 鐘志平

(神華寧夏煤業集團煤制油項目建設指揮部 銀川 750411)

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低溫余熱發電技術在煤化工項目上的應用①

蔡力宏 車銀平 許賢文 鐘志平

(神華寧夏煤業集團煤制油項目建設指揮部 銀川 750411)

研究了采用有機朗肯循環(ORC)的低溫余熱發電技術。為了有效利用煤化工項目的低溫凝液余熱資源，在計算工藝凝液余熱容量的基礎上確定了合理的ORC余熱利用方案，利用ORC余熱發電機組代替原有的循環水冷卻器，以便在完成對工藝凝液冷卻的同時實現余熱資源發電收益。分析結果表明：該余熱發電項目的凈發電功率為516kW，節約原有冷卻塔循環水泵消耗的功率為110kW，年收益電量達500.8萬度，年節約標準煤1812.4噸。

煤化工項目， 低溫凝液， 有機朗肯循環(ORC)， 余熱發電

0 引 言

隨著經濟高速增長，中國的能源消費量與日俱增，現已成為世界上僅次于美國的能源消費大國，其中工業能源消費量占總消費量的70%以上[1]。目前，中國能源利用率僅為約33%，比發達國家低10%，至少50%的工業能耗以各種形式的余熱被直接廢棄[2-4]，而這部分排向外界環境的熱量包含有大量可發電的熱資源，將其直接向外界排放會造成冷卻水泵、冷卻塔或空冷器的能耗這無疑是一種資源的極大浪費。因此，將工業余熱作為一種“新能源”回收利用，是我國節能減排工作的一項重要內容，而且利用潛力巨大。

為了合理地利用余熱資源，一方面要進一步推進余熱利用技術與工藝節能的結合，從整個工藝系統分析能源的供給需求，優化工藝系統及其相應的余熱利用技術；另一方面，從技術發展看，要推進經濟有效的低溫工業余熱利用技術——有機朗肯循環(organic Rankine cycle, ORC)余熱發電技術[5,6]，這對提高低品位余熱利用率會起到重要作用。

本文針對某煤化工項目的低溫凝液開展了余熱發電研究，在計算工藝凝液余熱容量的基礎上，確定了合理的ORC余熱利用方案，對機組工藝流程、機組控制、電氣系統等進行了分析，計算了余熱發電的效益。

1 低溫余熱發電的原理

1.1 低溫余熱發電的理論

從工程熱力學的角度，能量有品質的差別[7]。電能與機械能屬于高品質能量，而熱能的品質則根據其做功或發電能力的大小反映出來。承載熱能的工質與環境的溫度差值越大，其做功或發電的能力也相應越大，此時熱能的品質越高。

理論上，只要熱源溫度高于環境溫度，即可利用其做功或發電，其做功或發電量由余熱資源的可利用能量決定，余熱資源的可利用能量為

(1)

式中，Q為余熱資源的可利用能量，kW；m為余熱工質的質量流量，kg/s；h為余熱資源的焓，kJ/kg；h0為環境溫度下余熱工質的焓，kJ/kg。

1.2 有機朗肯循環(ORC)的發電流程及技術裝備

ORC發電系統主要由蒸發器、冷凝器、有機泵、膨脹機、發電機等組成，其發電原理及工質熱力過程如圖1所示。有機工質吸收低溫熱源的熱量，成為有機蒸汽，膨脹做功，將熱能轉換成電能。做功后的有機乏汽冷凝成有機溶液，經泵送入蒸發器進入下一循環。

ORC發電系統可以替代原有耗電冷卻工藝，使用時只需將較高溫度的余熱資源送至蒸發器進行換熱，在發電的過程中，實現余熱資源的冷卻，不會對原生產工藝產生影響。

圖1 低溫余熱ORC發電原理

2 煤化工項目余熱資源發電分析

2.1 煤化工項目余熱的基本來源及種類

新型煤化工項目在建設期間已最大程度考慮項目能級的優化利用，但在能量平衡中，低品質熱能存在量仍較大，其中，最大的低品質熱能體現在低低壓工藝凝液中，本文以某煤化工項目為例，分析余熱發電在煤化工項目上的應用情況。

某廠設置高壓蒸汽(11.5MPaG,520℃)、中壓蒸汽(4.0MPaG,390℃)、低壓蒸汽(1.4MPaG,260℃)、低低壓蒸汽(0.45MPaG,180℃)4個蒸汽等級，根據用戶蒸汽平衡及能級利用，最終送出低低壓凝液至凝液精制單元精制。低低壓蒸汽凝液溫度較高，需要冷卻到較低溫度后方可送入精制單元處理，目前采用的是大量冷卻水通過冷卻塔冷卻降溫，該種方式不僅沒有充分利用較高品質的熱量，造成能源的浪費，而且需要消耗冷卻水泵、冷卻塔的能耗。

2.2 煤化工項目凝液的基本參數

工藝凝液基本參數見表1。目前，該凝液原工藝方案為冷卻塔循環水冷卻，冷卻耗水量約為600～750 m3/h，耗電110kW。采用工藝凝液基本參數的平均值進行計算，其余熱容量為7048.9 kW。

表1 工藝凝液基本參數

2.3 凝液余熱發電的典型技術及配置方案

2.3.1 基本技術方案

本余熱發電擬采用ORC發電方案。有機工質與膨脹機是影響ORC余熱發電的重要因素[8]，本文根據該廠工藝凝液的熱源特點，選取合理的膨脹機和工質，在此基礎上，對ORC余熱發電在煤制烯烴工藝凝液中的應用方案進行優化研究。

(1)有機工質

有機工質的優選對ORC系統的熱力性能具有重要影響[9]，綜合考慮循環效率和安全，本文選取R245fa作為工藝凝液余熱發電機組的工質。R245fa具有良好的導熱性、低毒性、不含氯、不可燃，其臭氧層破壞指數(ozone depletion potential, ODP)為0，對臭氧層沒有破壞作用，溫室效應指數(global warming potential, GWP)為950，遠小于其他同類工質。

(2)膨脹機

膨脹機是ORC系統的核心部件[10]，目前，余熱發電工程上廣泛應用透平膨脹機和螺桿膨脹機。本余熱發電項目所處地域的全年溫度波動范圍約為-14℃～30℃，晝夜溫差大，而且冬、夏季熱源流量和溫度的變化幅度也較大，即ORC余熱發電機組全年在變工況狀態下運行，因此，本項目選取變工況運行性能好的螺桿式膨脹機。

(3)機組方案及技術參數

為了提高ORC余熱發電機組的運行效率，本文根據煤制烯烴工藝凝液的熱源特點，采用帶預熱器的高低溫多相串級雙出軸ORC機組，機組冷凝器為蒸發式冷凝方式，其主要技術參數見表2。

表2 機組主要技術參數

2.3.2 機組工藝流程及控制

(1)工藝流程

工藝凝液余熱發電機組工藝流程如圖2所示，工藝系統主要包括工藝凝液系統、ORC冷媒系統和ORC潤滑油系統三部分。其中，工藝凝液系統的凝液量變化時會對機組的發電量產生影響，當凝液量低于額定流量的20%或高于110%時，機組自動停機。ORC冷媒系統及ORC潤滑油系統會自動根據工藝凝液系統的變化而自動調整。

圖2 工藝流程圖

(i) 工藝凝液系統

工藝凝液系統的工藝流程為：①219.6 m3/h、87.6℃的凝液通過高溫級的蒸發器加熱高溫級的冷媒；②高溫級蒸發器出口的部分凝液進入低溫級的蒸發器和預熱器加熱低溫級的冷媒，另一部分進入高溫級的預熱器對高溫級冷媒進行預熱；③高溫級和低溫級預熱器出口的兩路凝液混合成為60℃的凝液返回到用戶指定管路，完成對工藝凝液的冷卻。

(ii) 冷媒系統

冷媒系統的工藝流程為：①冷媒在蒸發器內吸熱變成高溫高壓的過熱蒸汽，進入螺桿膨脹機做功發電；②膨脹機出口的低溫低壓過熱蒸汽通過油分離器進行油分離，然后進入蒸發式冷凝器冷凝成低壓狀態下的飽和液體；③儲液罐收集的液態冷媒被工質泵加壓送入預熱器，并被加熱成高壓狀態下的飽和液體，然后進入蒸發器完成一個循環。

(iii) 潤滑油系統

潤滑油系統主要包括膨脹機主機供油系統和工質泵供油系統，二者聯通確保系統的油平衡，其工藝流程為：①油分離器分離出來的潤滑油存儲在儲油器中；②主油泵將潤滑油輸送到膨脹機各個進油口進行潤滑；③副油泵將油箱內的潤滑油送到工質泵各個進油口進行潤滑。

(2)機組控制

在凝液管道和系統管道上安裝各類閥門和建立旁通，用于控制系統的穩定開機、運行以及停機。

發電機組的主要控制過程為：①ORC系統維護或緊急停機時，系統快切閥門關閉，凝液通過旁通回路進入原冷卻系統，保證用戶工藝正常生產；②根據蒸發器內液位變化，控制工質泵流量；③監視油分離器和儲液器液位，防止低液位停機；④根據上游機組熱水用量變化，調節旁通閥開度，保證下游機組正常運行。

2.3.3 電氣系統

(1) 用電系統

余熱發電機組自用電設備的電壓等級均為0.4kV，可以從發電站附近的變電所10kV母線引入，經設在余熱發電站界區內的10/0.4kV，1250kVA變壓器降為0.4kV，由0.4kV側出線作為機組的啟動電源。

(2) 發電系統

余熱發電機組發出電為0.4kV，50Hz的電源，在發電系統內部0.4kV母線段與市電完成并網，供發電系統內部用電負荷使用，同時通過界區內的10/0.4kV，1250kVA變壓器升壓至10kV電壓，輸出至發電站附近的變電所10kV母線。

凝液量發生變化時，發電量會相應地發生變化，但其它參數保持不變，不會影響并網，確保了余熱發電電能質量穩定；當余熱減小引起的發電量等于或小于發電裝置自用電時，發電自控系統可以延遲或及時停機；如果發電系統出現嚴重故障，通過發電自控系統連鎖控制，確保發電機自動斷開。

(3) 電氣系統的控制

余熱發電機組采用可編程邏輯控制器(PLC)現場控制，實現ORC螺桿膨脹發電機組的操作、運行、監控、安全保護自動化，實現無人值守。其核心功能包括：參數采集及傳輸；發電機組運行控制；系統安全保護；停機控制等?？刂葡到y圖見圖3，工藝數據主界面見圖4。

圖3 余熱發電機組控制系統圖

圖4 余熱發電機組工藝數據界面

余熱發電機組的可編程邏輯控制器(PLC)與分布式控制系統(DCS)之間采用MODBUS TCP/IP協議通訊。采用光纖通訊，通訊結構圖如圖5所示。圖中，S7-300 PLC實時采集現場傳感器及各種智能儀表的數據，通過MPI轉以太網(MODBUS TCP/IP)模塊將采集的數據通過光纖傳給DCS，實現對整個機組的集中監控。

圖5 余熱發電機組PLC與DCS通訊結構圖

2.4 技術可靠性

螺桿膨脹發電站目前技術已經十分成熟，國內有幾家企業也完全掌握了該技術。隨著國家節能減排等政策的實施，近幾年螺桿式膨脹發電站在國內也得到了廣泛的應用，如：燕山石化S Zorb工藝熱汽油余熱回收、中國石化海南煉化60萬噸/年聚酯原料項目ORC熱水發電項目等。

從以上配套余熱發電裝置利用化工裝置的低溫蒸汽凝液余熱進行發電，屬于低位能廢熱利用設施，除增加螺桿膨脹發電機組外，其它均利用現有的公用工程進行配套，不增加電、蒸汽、循環水的用量，在增加發電量的同時減少了冷卻凝液所需的循環水量，具有節水效益。由于采用了凝液余熱發電，所發的電量不需要額外消耗燃料，節約了燃料煤，同時具有環保效益。從技術上是完全可行的。同時，利用余熱發電過程對現有裝置的工藝完全不產生影響，具有相應的優勢。

3 余熱資源的利用效益

為了合理利用工業生產過程中的余熱資源，在認識其資源特性的前提下，還必須從經濟、節能環保等方面評估其能源利用的效益。

3.1 經濟效益

本煤制烯烴工藝凝液余熱發電工程可直接帶來發電收益，凈發電功率為516kW，而且，余熱發電機組代替了原有的冷卻塔，在發電過程中實現對工藝凝液進行冷卻，可以同時節約原有冷卻塔循環水泵消耗的功率，約110kW。因此，本余熱發電工程的收益總電功率為626kW，年運行時間按8000小時計，經計算，年收益的總電量為500.8萬度。本煤制烯烴工藝凝液余熱發電工程的經濟效益見表3。

表3 余熱發電的經濟效益

3.2 節能及環保效益

利用工業生產過程中的余熱資源發電，除了有良好的節能效益之外，還具有巨大的環境效益。由于我國的能源結構以煤為主，節能產生的效益可以通過節約標準煤以及對應的污染物削減量來評價，計算式如下：

Mc=10·K·E

(2)

式中，Mc為節約標準煤量或對應的污染物年減排量，噸；K為標準煤折算系數或污染物排放定額，其中標準煤折算系數取為0.3619(污染物排放定額見表4)；E為余熱發電量，萬度。

表4 燃煤發電污染物排放定額

根據本煤制烯烴工藝凝液余熱發電的熱源情況，計算了有機朗肯循環(ORC)余熱發電工程的環境效益，見表5。

表5 余熱發電的環境效益

3.3 能量優化綜合利用的示范效應

目前化工領域中大量的工藝凝液一般經過循環冷卻水冷卻后直接送入凝液精制單元制取脫鹽水及軟化水，造成熱量的損失及冷卻水的消耗，本項目將凝液熱量回收進行發電，對熱能進行梯級利用。項目運行成功及積累運行經驗后，可在煤化工領域中大面積推廣應用，節能環保潛力巨大。

4 結 論

為了有效利用某煤化工項目的低溫凝液余熱資源，可應用ORC余熱發電機組代替原有的循環水冷卻器，在完成對工藝凝液冷卻的同時，實現余熱資源發電收益。該余熱發電項目的凈發電功率為516kW，節約原有冷卻塔循環水泵消耗的功率為110kW，年收益電量達500.8萬度，年節約標準煤1812.4噸，同時減少了燃煤發電的污染物排放，具有良好的經濟和節能環保效益。ORC余熱發電機組可以將煤化工工廠低品質的熱能轉化成電能，不僅節省了水耗、電耗，而且可以產生電能，這種技術工藝在煤化工工廠具有一定的應用前景。

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[ 4] 余斌. 我國工業余熱回收利用空間廣闊. 中國建材資訊, 2015, 4: 6-7

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Application of the power generation technology using low temperature waste heat to coal chemical industry project

Cai Lihong, Che Yinping, Xu Xianwen, Zhong Zhiping

(The Construction Headquarter of Coal to liquids Project, Shenhua Ningxia Coal Group, Yinchuan 750411)

The power generation using low temperature waste heat based on organic Rankine cycle (ORC) was studied. To effectively use the low temperature waste heat of a coal chemical project, a scheme for correct use of ORC waste heat was determined after computing the heat capacity of the low temperature condensation liquid, and the ORC generating unit was used to replace the original water-cooling tower so as to achieve the generation of electricity while cooling the condensation liquid. The analysis of the generation shows that the net generation power of this project is 516kW， the saved energy-consumption power of the circulating pump of the cooling tower is 110kW， and the annual electricity production is 5.008 million kilowatt-hours， which means 1812.4 tons of standard coal a year.

coal chemical project, low temperature condensation liquid, organic Rankine cycle (ORC), waste heat power generation

①男，1969年生，高級工程師；研究方向：煤化工技術及工程建設管理；聯系人，E-mail: cai.lihong@sngcc.com (

2016-05-26)

10.3772/j.issn.1002-0470.2016.07.011