低溫余熱發(fā)電 探索能源梯級利用新路

“低溫?zé)岚l(fā)電裝置投運后，我們已經(jīng)停掉了10臺用來冷卻熱水的空冷器?？鄢龣C(jī)組自耗電和循環(huán)水耗電，初步估算，目前每天差不多可節(jié)電1000度左右”。8月15日下午，九江石化煉油運行五部主管生產(chǎn)的副部長鄧靜耿向記者介紹說。

此時，他身后的低溫余熱有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC，Organic Rankine Cycle)發(fā)電裝置已經(jīng)安全平穩(wěn)運行了將近300個小時。

低溫余熱主要為溫位在90～150度的余熱資源，包括熱媒水、煙氣、低壓放散蒸汽、待冷卻的工藝物流等。在化工、水泥、冶金等眾多行業(yè)，低溫余熱資源豐富，但由于缺乏相應(yīng)的技術(shù)，長期以來，除少量用于制冷、供熱外，大量低溫余熱白白浪費，在有些工藝中，需要采用空冷、水冷等耗能的方式處理低溫?zé)?。在此過程中，不但沒有節(jié)能，反而損耗了大量的其他能源。

“低溫余熱數(shù)量大，品位低，如何有效充分利用一直是煉化企業(yè)研究的課題。”九江石化生產(chǎn)經(jīng)營部節(jié)能辦主任王瑞群介紹說，本世紀(jì)初，九江石化低溫?zé)崴饕糜跉夥盅b置、生水換熱、鍋爐除鹽水換熱、生活水換熱和冬季采暖，但熱源利用有限;原有低溫?zé)峋W(wǎng)絡(luò)存在熱阱不足，熱量過剩;熱阱季節(jié)性較強使系統(tǒng)的綜合調(diào)控較為困難等問題。

2009年，九江石化針對煉油裝置大量低溫?zé)崮苜|(zhì)低、位置分散的現(xiàn)狀，按照“溫度對口、梯級利用”的原則，通過節(jié)能技術(shù)改造，在煉油裝置中建立起一大一小兩個系統(tǒng)，初步解決了老裝置系統(tǒng)低溫?zé)醿?yōu)化匹配的問題。

王瑞群說：“在500萬噸/年規(guī)模時，我們圍繞低溫?zé)岬睦米隽嗽S多改造優(yōu)化工作，但現(xiàn)在裝置規(guī)模提升到800萬噸/年以后，原有的一些節(jié)能利用措施，難以充分消化這些增長的低溫?zé)嵩矗玫蜏責(zé)岚l(fā)電，應(yīng)該說是為有效地解決這個問題探索出了一條新路。”

為深度挖掘節(jié)能潛力、降低單位能耗，2014年，中國石化科技部將“煉廠低溫余熱有機(jī)工質(zhì)發(fā)電技術(shù)開發(fā)”列入股份公司科技開發(fā)項目和“能效倍增計劃”立項開發(fā)，委托九江石化、洛陽工程公司、中船重工第七一一研究所結(jié)合九江石化油品質(zhì)量升級工程富余低溫?zé)豳Y源，開展技術(shù)路線論證、發(fā)電裝置研究及工業(yè)應(yīng)用等研究工作。2014年6月總部科技部組織完成方案評審。2015年2月出版可研報告。

2015年，三方遵循“技術(shù)上先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)上合理”的原則，進(jìn)行了多次技術(shù)方案論證，充分考慮煉廠低溫余熱資源數(shù)量大、溫位低的特點，結(jié)合透平膨脹機(jī)效率高、單機(jī)功率大，烷烴類有機(jī)工質(zhì)廉價易得的優(yōu)點，最終確定采用透平膨脹機(jī)有機(jī)朗肯循環(huán)低溫發(fā)電技術(shù)路線，有機(jī)工質(zhì)采用異丁烷(R600a)。裝置主要包括一套裝機(jī)功率1600千瓦的透平膨脹機(jī)發(fā)電機(jī)組，兩臺預(yù)熱器，四臺蒸發(fā)器，一臺過熱器，四臺冷凝器，三臺工質(zhì)泵及配套控制配電系統(tǒng)。

2015年11月發(fā)電裝置土建施工;2016年5月實現(xiàn)中交;2016年7月25日首次并網(wǎng);在進(jìn)一步完善和調(diào)試之后，8月3日，機(jī)組實現(xiàn)滿負(fù)荷并網(wǎng)運行，所有運行參數(shù)達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。

中船重工第七一一研究所九江項目經(jīng)理、高級工程師黃浩博士表示，工業(yè)余熱利用是推進(jìn)節(jié)能減排的重要環(huán)節(jié)，有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)技術(shù)作為低溫余熱發(fā)電利用的有效途徑之一，已廣受關(guān)注。

“在國內(nèi)采用向心式透平膨脹機(jī)，以烷烴類工質(zhì)為循環(huán)工質(zhì)的有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)，并實現(xiàn)兆瓦級ORC發(fā)電裝置工業(yè)應(yīng)用的，九江石化是第一套。”黃浩博士介紹說，和其他有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)相比，九江石化ORC系統(tǒng)的低溫余熱發(fā)電裝置具有明顯的優(yōu)勢。一是循環(huán)工質(zhì)采用的是煉化裝置自產(chǎn)的異丁烷，具有原料易得，成本較低的優(yōu)勢，而且更加綠色環(huán)保，價格僅為氟利昂類工質(zhì)的十分之一。二是原動機(jī)采用的是透平膨脹機(jī)。相對于其他類型原動機(jī)，透平膨脹機(jī)具有單機(jī)功率大、效率高的優(yōu)勢，非常適合煉化企業(yè)這類低溫余熱資源量大的應(yīng)用場合。七一一研究所在多年技術(shù)積累的基礎(chǔ)上開發(fā)了目前國內(nèi)最大、單機(jī)功率達(dá)到1600千瓦的透平膨脹機(jī)組應(yīng)用于九江項目中。三是換熱器采用高效緊湊型全焊接板式換熱器。該型設(shè)備的采用有助于提高換熱效率、降低有機(jī)工質(zhì)填充量、減少設(shè)備占地。四是該項目所有核心設(shè)備全部實現(xiàn)了國產(chǎn)化。

黃浩博士稱，九江石化有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電裝置節(jié)能降耗主要體現(xiàn)發(fā)電和節(jié)省空冷電耗兩個方面。雖然對本項目的后評價還有待時日，但從目前運行情況看，本項目無疑是成功的。初步統(tǒng)計，扣除機(jī)組自耗電和循環(huán)水耗電，按照全年冬夏季節(jié)平均節(jié)電1250kW計算，本項目每年節(jié)電1050萬度，節(jié)約標(biāo)煤1400多噸，實現(xiàn)二氧化碳減排3300多噸。

當(dāng)前，我國能源供給形勢嚴(yán)峻、環(huán)保壓力增大，深入開展節(jié)能減排工作尤為迫切。據(jù)相關(guān)資料顯示，現(xiàn)階段我國工業(yè)余熱的回收效率只有發(fā)達(dá)國家的80%左右，提高能源利用效率是目前我國節(jié)能減排的工作重點。對余熱資源巨大的煉化企業(yè)而言，有機(jī)朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電技術(shù)的大型工業(yè)應(yīng)用，可以充分實現(xiàn)能源的梯級利用，并形成擁有自主知識產(chǎn)權(quán)和核心競爭力的節(jié)能產(chǎn)品。在這種背景下，九江石化有機(jī)朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電裝置的投用，無疑可為煉化企業(yè)低溫?zé)豳Y源的回收利用、減少碳排放、節(jié)能降耗提供良好的借鑒和示范。