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向心式ORC发电设备在石油炼化的应用

摘要：我国工业余热资源巨大，其中54%属于中低温余热。由于缺乏适合的技术及装备，这部分中低温余热没有得到很好的利用。向心式有机朗肯循环发电设备，为石油炼化领域的中低温余热的回收和利用，提供了有效和可靠的手段。（作者：北京华航盛世能源技术有限公司）

一、  概述（前言）

我国工业领域能源消耗量约占全国总量的70%，主要工业产品单位能耗平均比国际先进水平高出30%左右。除了生产工艺相对落后、产业结构不合理的因素外，工业余热利用率低，能源（能量）未得到充分综合利用是造成高能耗的重要原因。我国能源利用率仅40%左右，比发达国家低约10～20%，至少50%的工业耗能以各种形式的余热被直接废弃。

数据显示，中国是世界上最大的能源消耗国，2013年能源消耗高达37.6亿吨标煤。如果从发电装机来看，发达国家人均装机在两千瓦以上，而我国现在仅为0.7千瓦。据工信部统计，我国七大高耗能行业的余热资源总量约为3.5亿吨标准煤。其中46%属于高温余热，54%属于中低温余热。如何解决我国能源发展中所遇到的瓶颈问题，直接关系到节能减排目标的实现。

截止到2010年，我国主要耗能行业余热资源已开发利用约8800万吨标准煤，占总资源的1/4。利用方式主要是利用高温余热产生蒸汽，通过蒸汽透平进行余热发电及供暖。其中钢铁行业余热发电1000万KW，形成5000万吨标准煤节能能力，建材行业推广水泥窑炉余热发电，玻璃窑炉余热发电，陶瓷隧道窑余热发电，其中水泥余热发电已装机400万KW。有色金属、石油及化工行业、轻工等行业也实行相关工业余热利用，取得了一定成果。但对于占余热总量54%的中低品位余热（200ºC以下），因为缺乏适合的技术及装备，没有得到很好的利用。

石化行业能源消耗量占工业总能耗的16%左右。中石化每年的燃料消耗约为4000万吨标油，其中很大一部分是以余热的形式散失掉了。根据中石化集团公司能源环保部2013年5月调研数据，14家炼化企业80℃以上可利用工艺物流余热约2332MW。中石化集团范围全部炼化企业80℃～150℃的中低温位余热资源量为约4000～5000MW。

向心式有机朗肯循环发电设备，为石油炼化领域的中低温余热的回收和利用，提供了有效和可靠的手段。

二、  向心式ORC发电技术

迄今为止，低温余热发电领域已经形成了多项相关技术，主要包括有机朗肯循环（ORC）、斯特林（Stirling）循环、氨-水混合工质Kalina循环、半导体热电材料温差发电以及热声发电技术等。其中，半导体热电材料温差发电效率低，造价高昂，且受材料性能制约；理论上Kalina循环具有较高的效率，但其构成复杂，对系统密封性要求极高，操作维护复杂，实际效率远达不到理论值。有机朗肯循环技术则具有系统简单、发电效率高、运维费用低、操作容易等特点，成为目前低温余热发电的研究热点及发展趋势。

图1、有机朗肯循环发电技术系统原理图

 

图1是向心式有机朗肯循环发电技术的设备系统原理图。有机朗肯循环运行原理与火力发电的朗肯循环类似，只不过二者的工质不同。朗肯循环的工质为水，ORC的工质为有机工质。该系统包括三个回路：热水回路（红色管道）、工质回路（绿色管道）、冷却水回路（蓝色管道）。

1) 热源水在图示红色管道内流动，进入机组的蒸发器，将热量传递给机组内的工质，热源水温度降低并离开蒸发器，送入后续工艺。

2) 工质在图示绿色管道内封闭循环流动。液态工质进入蒸发器，吸收热源的热量，成为饱和或过热蒸汽，进入涡轮机，热能转化为机械能，带动发电机向外输出电力。过热工质蒸汽随后进入冷凝器，被冷却水冷却成为液体，进入工质泵。工质泵驱动工质循环流动。

3) 冷却水在图示蓝色管道内流动。冷却水在水泵驱动下，进入机组的冷凝器，对工质流体进行冷却。冷却水温度升高并离开冷凝器，送入冷却塔将热量散至大气环境。

由于采用了低沸点有机工质，可以在较低温度下产生较高压力的工质蒸汽，有机朗肯循环技术特别适用于中低温余热发电。

膨胀机是ORC系统的核心设备，代表性的设备形式包括螺杆膨胀机和透平膨胀机。一般而言，螺杆膨胀机成本低，但是效率较低，且受单机容量限制。透平膨胀机则具有高效的特点，单机容量大。

目前，国际上绝大部分ORC系统采用的是透平膨胀机。透平形式包括轴流式和向心式，分别适用于不同的功率范围。一般而言，轴流式透平适用于5MW以上的发电机组。

 

三、 国内技术现状

相比国外，我国的ORC技术研发开展得较晚。ORC的关键核心技术对中国的技术封锁，比如涡轮膨胀等技术，一直掌握在国际少数叶轮机械企业手中。导致我国透平式ORC设备成本昂贵，每kW设备造价15000-20000元人民币。

我国的向心式ORC研究最初只停留在理论分析阶段。随着国际上ORC技术的发展，我国本世纪初逐步开始了对向心式ORC设备的研发工作。但是由于技术水平的限制，国内还长期停留在实验室研究阶段。

国家2012年1月17日公布的《重大技术装备自主创新指导目录》中，将有机工质朗肯循环（ORC）透平技术、有机工质泵技术等作为超低温余热回收利用设备的关键技术。2014年11月7日在发改委及工信部的国家最新的重大节能技术与装备产业化工程实施文件中，也将“中低品位余能有机朗肯循环（ORC）发电”列入国家需突破的重大关键节能技术。

北京华航盛世能源技术有限公司是北航资产公司所属高新技术企业，积极响应国家能源政策，针对我国节能减排规划，以及企业节能降耗节约成本的迫切需求，与北航密切合作，共建了新能源余热发电工程应用中心。结合北航技术成果以及国外先进技术，借鉴航空器制冷涡轮技术，大力研发向心式涡轮技术、优化循环系统、研制高效换热器等，形成一套低温发电总体技术解决方案，研发出了具有自主知识产权的有机朗肯低温余热发电系统，研制出国内首台向心式ORC低温发电机组，产品特点包括：

1）采用航空技术的高效向心式透平，等熵效率大于85%，能量转换能力强，可靠性高；

2）针对R245fa专门设计的透平机；

3） 吨水发电量高，余热回收量多；

4）自主知识产权的ORC半封闭异步发电机，解决了泄漏难题；

5） 独特的油路系统设计，减小系统内部功耗；

6）机组自耗电少，仅为总发电量的6～8%；

7）系统易磨损部件采用航空材料，机组寿命长，设计年限达25年；

8） 系统稳定性高，维护需求低（<200人工时/年）；

9）结构紧凑，重量轻。

 

四、 石化解决方案

石油炼化企业的余热资源主要包括冷媒水、工艺物流、乏汽、锅炉和加热炉烟气等等，这些低温热资源具有连续稳定的特点，利用潜力巨大。

针对石化企业具体的不同余热资源，可形成相应的向心式有机朗肯循环发电解决方案。

4.1凝结水余热发电

某石化厂有一股凝结水，需经空冷器进行冷却，送入后续工艺。凝结水温度约为130℃，流量约为90t/h。

可将凝结水的部分余热进行回收，用于发电，将原先白白向环境排放的热量转化为高品质的电能，同时降低冷却能耗（空冷器耗电）。

图2、凝结水余热发电解决方案

如图2所示，90t/h、130℃的凝结水，先后进入向心式ORC发电机组的蒸发器和预热器，降温至73℃后送回空冷器。向心式ORC发电机组向外供电630kW。

 

4.2冷媒水余热发电

某石化厂将厂区的冷媒水集中处理，经空冷器进行冷却，送入后续工艺。冷媒水温度约为100℃，流量约为596t/h。

可将冷媒水的部分余热进行回收，用于发电，将原先白白向环境排放的热量转化为高品质的电能，同时降低冷却能耗（空冷器耗电）。

如图3所示，596t/h、100℃的冷媒水，先后进入向心式ORC发电系统的蒸发器和预热器，降温至70℃后送回空冷器。向心式ORC发电机组向外供电2000kW。

图3、冷媒水余热发电解决方案

 

4.3 汽油脱硫S-zorb装置余热发电

某石化厂汽油脱硫S-zorb装置稳定塔底油须经冷却器进行冷却，送入后续工艺。汽油温度约为130℃，流量约为120t/h。

可将汽油的部分余热进行回收，用于发电，将原先白白向环境排放的热量转化为高品质的电能。

如图4所示，120t/h、130℃的稳定塔底油，先后进入向心式ORC发电机组的蒸发器和预热器，降温至63℃后送回冷却器。向心式ORC发电机组向外供电600kW。

图4、S-zorb装置余热发电解决方案

 

4.4 柴油加氢装置余热发电

某石化厂柴油加氢装置生产的精制柴油，须经空冷器进行冷却，送入后续工艺。精制柴油温度约为140℃，流量约为330t/h。

将精制柴油的部分余热进行回收，用于发电，将原先白白向环境排放的热量转化为高品质的电能。

如图5所示，330t/h、140℃的稳定塔底油，先后进入向心式ORC发电系统的蒸发器和预热器，降温至62℃后送回冷却器。向心式ORC发电机组向外供电1780kW。

图5、柴油加氢装置余热发电解决方案

 

五、 应用前景

低温余热发电技术应用领域十分广阔，可在所有高耗能行业内进行推广，包括钢铁、有色、化工、水泥、建材、石油与石化、轻工、煤炭等支柱性行业。此外，低温余热发电技术也可应用于新能源的开发，包括太阳能、地热等领域。

据分析，我国在钢铁、冶金、化工等行业的余热发电市场容量为1100亿元；国内水泥行业的余热发电市场容量450亿；玻璃行业的余热发电市场容量85亿；有色冶金余热发电市场容量150亿，化工行业余热发电市场容量60亿，造纸行业余热发电市场容量60亿。

据此推断，按照现有工业领域低温余热的现状，到2025年全球低温余热发电市场的年产值将达近千亿元。而我国作为全球重要工业化区域，按照现有工业余热情况及发展，预计2025年余热发电的产值将近百亿元，带动相关产业产值近千亿，市场空间十分可观。

按照国家十二五节能规划的指示，国家计划在“十二五”期间新增2000万KW的余热发电能力，保守估计其中低于150度的低温余热利用占10%即200万KW。按照现在全部设备进口的系统预算为RMB15000-20000/KW，进一步优化吸收后预计可以做到RMBRMB10000-12000/KW左右，则低于150度的低温余热发电市场五年内系统投资为80亿-200亿。发展前景十分可观。同时该系统为可再生能源利用项目，符合国家相关扶植政策，无污染、零能耗，为国家的节能减排可以做出重大贡献。技术咨询：010-62308088（石化缘整理，转载请注明）

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