低温余热发电 探索能源梯级利用新路

“低温热发电装置投运后，我们已经停掉了10台用来冷却热水的空冷器。扣除机组自耗电和循环水耗电，初步估算，目前每天差不多可节电1000度左右”。8月15日下午，九江石化炼油运行五部主管生产的副部长邓静耿向记者介绍说。

此时，他身后的低温余热有机朗肯循环(ORC，Organic Rankine Cycle)发电装置已经安全平稳运行了将近300个小时。

低温余热主要为温位在90～150度的余热资源，包括热媒水、烟气、低压放散蒸汽、待冷却的工艺物流等。在化工、水泥、冶金等众多行业，低温余热资源丰富，但由于缺乏相应的技术，长期以来，除少量用于制冷、供热外，大量低温余热白白浪费，在有些工艺中，需要采用空冷、水冷等耗能的方式处理低温热。在此过程中，不但没有节能，反而损耗了大量的其他能源。

“低温余热数量大，品位低，如何有效充分利用一直是炼化企业研究的课题。”九江石化生产经营部节能办主任王瑞群介绍说，本世纪初，九江石化低温热水主要用于气分装置、生水换热、锅炉除盐水换热、生活水换热和冬季采暖，但热源利用有限;原有低温热网络存在热阱不足，热量过剩;热阱季节性较强使系统的综合调控较为困难等问题。

2009年，九江石化针对炼油装置大量低温热能质低、位置分散的现状，按照“温度对口、梯级利用”的原则，通过节能技术改造，在炼油装置中建立起一大一小两个系统，初步解决了老装置系统低温热优化匹配的问题。

王瑞群说：“在500万吨/年规模时，我们围绕低温热的利用做了许多改造优化工作，但现在装置规模提升到800万吨/年以后，原有的一些节能利用措施，难以充分消化这些增长的低温热源，而利用低温热发电，应该说是为有效地解决这个问题探索出了一条新路。”

为深度挖掘节能潜力、降低单位能耗，2014年，中国石化科技部将“炼厂低温余热有机工质发电技术开发”列入股份公司科技开发项目和“能效倍增计划”立项开发，委托九江石化、洛阳工程公司、中船重工第七一一研究所结合九江石化油品质量升级工程富余低温热资源，开展技术路线论证、发电装置研究及工业应用等研究工作。2014年6月总部科技部组织完成方案评审。2015年2月出版可研报告。

2015年，三方遵循“技术上先进，经济上合理”的原则，进行了多次技术方案论证，充分考虑炼厂低温余热资源数量大、温位低的特点，结合透平膨胀机效率高、单机功率大，烷烃类有机工质廉价易得的优点，最终确定采用透平膨胀机有机朗肯循环低温发电技术路线，有机工质采用异丁烷(R600a)。装置主要包括一套装机功率1600千瓦的透平膨胀机发电机组，两台预热器，四台蒸发器，一台过热器，四台冷凝器，三台工质泵及配套控制配电系统。

2015年11月发电装置土建施工;2016年5月实现中交;2016年7月25日首次并网;在进一步完善和调试之后，8月3日，机组实现满负荷并网运行，所有运行参数达到设计指标。

中船重工第七一一研究所九江项目经理、高级工程师黄浩博士表示，工业余热利用是推进节能减排的重要环节，有机朗肯循环(ORC)技术作为低温余热发电利用的有效途径之一，已广受关注。

“在国内采用向心式透平膨胀机，以烷烃类工质为循环工质的有机朗肯循环技术，并实现兆瓦级ORC发电装置工业应用的，九江石化是第一套。”黄浩博士介绍说，和其他有机朗肯循环技术相比，九江石化ORC系统的低温余热发电装置具有明显的优势。一是循环工质采用的是炼化装置自产的异丁烷，具有原料易得，成本较低的优势，而且更加绿色环保，价格仅为氟利昂类工质的十分之一。二是原动机采用的是透平膨胀机。相对于其他类型原动机，透平膨胀机具有单机功率大、效率高的优势，非常适合炼化企业这类低温余热资源量大的应用场合。七一一研究所在多年技术积累的基础上开发了目前国内最大、单机功率达到1600千瓦的透平膨胀机组应用于九江项目中。三是换热器采用高效紧凑型全焊接板式换热器。该型设备的采用有助于提高换热效率、降低有机工质填充量、减少设备占地。四是该项目所有核心设备全部实现了国产化。

黄浩博士称，九江石化有机朗肯循环发电装置节能降耗主要体现发电和节省空冷电耗两个方面。虽然对本项目的后评价还有待时日，但从目前运行情况看，本项目无疑是成功的。初步统计，扣除机组自耗电和循环水耗电，按照全年冬夏季节平均节电1250kW计算，本项目每年节电1050万度，节约标煤1400多吨，实现二氧化碳减排3300多吨。

当前，我国能源供给形势严峻、环保压力增大，深入开展节能减排工作尤为迫切。据相关资料显示，现阶段我国工业余热的回收效率只有发达国家的80%左右，提高能源利用效率是目前我国节能减排的工作重点。对余热资源巨大的炼化企业而言，有机朗肯循环低温余热发电技术的大型工业应用，可以充分实现能源的梯级利用，并形成拥有自主知识产权和核心竞争力的节能产品。在这种背景下，九江石化有机朗肯循环低温余热发电装置的投用，无疑可为炼化企业低温热资源的回收利用、减少碳排放、节能降耗提供良好的借鉴和示范。