低温余热发电技术在柴油加氢的应用

杨楚彬

（中国石油化工股份有限公司茂名分公司，广东茂名 525011）

石油炼化行业是国民经济重要的基础原材料工业，也是高耗能行业，炼制过程中成品汽油、柴油的温度普遍高达100℃～200℃，出装置前需要使用空冷器、水冷却器等高能耗方式将成品油冷却至50℃才能装罐，造成能源的极大浪费。装置节能降耗工作不断深入的今天，欲降低装置能耗，低温热的回收利用是必不可少的，但温度普遍偏低，客观上存在着回收技术难度大、经济效益不高等问题，国内炼化企业纷纷寻求采用先进技术解决这一难题。

茂名石化4#柴油加氢装置精制柴油需经空冷A503从140℃冷却到50℃再送出装置，装置低温热的回收利用也存在极大的困难，公司采用了先进的向心式ORC（有机朗肯循环）低温发电技术，为装置低温余热发电应用提供了可能。通过利用低温精制柴油将工质五氟丙烷加热成高压蒸气在向心式膨胀机内进行发电，实现低温余热的充分利用。

1 低温余热发电原理介绍

有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，简称ORC）是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，采用有机循环工质（ORC）作为循环工质拖动涡轮机做功[1]。ORC由于沸点低，在低温条件下可以获得较高的蒸汽压力，推动涡轮机做功，适用于低温位热源做功发电，100℃左右的热源就可以维持其正常运行[2]。

向心式ORC低温发电机组结构简单，包括涡轮发电机、工质泵、蒸发器、蒸发式冷凝器为一体化机组。其工作原理（见图1）。低温余热发电采用的工质为沸点15℃的五氟丙烷，冷凝系统采用蒸发式空冷，精制柴油作为热源进入机组蒸发器加热工质五氟丙烷，加热后精制柴油温度下降再返回装置产品空冷器A503入口。液态工质五氟丙烷进入蒸发器加热为过热蒸汽后进入向心涡轮机，热能转化为机械能带动发电机产生电力。过热工质蒸汽通过蒸发式冷凝器冷却成为液体，冷却液体送入工质泵增压后送回蒸发器，重复循环。

2 装置余热发电应用前状况及分析

4#柴油加氢装置增设低温余热发电项目前，装置的精制柴油温度140℃～165℃，精制柴油流量200 t/h～360 t/h，经过空冷器A503冷却后才能送至罐区，大量的低温余热无法回收，按照精制柴油温度140℃，流量330 t/h，柴油比热2.74 kJ/kg计算，精制柴油这部分低温余热为（140-62）×330×2.74×1 000=70 520 000 kJ/h，精制柴油这部分低温余热难以利用，长期需要启动空冷风机冷却后才能外送，造成装置能耗居高不下，迫切需要改变现状回收低温余热以降低装置能耗。

如利用4#柴油加氢装置精制柴油作热源，增设一套ORC余热发电系统，从装置引精制柴油到发电机组换热，换热后将精制柴油返回装置空冷A503前入口，发电机组本体发电并网，这样既可以利用低温热用于发电，又可以降低空冷A503的负荷，节省装置电耗。

图1 低温余热发电技术示意图

3 改造内容

3.1 改造相关流程

在4#柴油加氢装置现场采用并联连接方式布置3台向心式ORC发电机组，改造相关流程显示（见图2），高温精制柴油（330 t/h、140℃）先后进入余热发电系统的机组蒸发器和预热器，降温至62℃后返回空冷入口。液态工质在预热器和蒸发器内被高温柴油加热成为工质蒸汽，推动涡轮机做功，发电通过机组并网柜输出至电网，发电电压为6 000 V。工质蒸汽随后进入蒸发式冷凝器，冷凝成液态工质，经工质泵驱动，压力升高，送入预热器，完成热力循环。工质五氟丙烷在管道内由工质泵驱动封闭循环流动，蒸发式冷凝器中散热量主要由水分的蒸发随空气散至大气环境。

图2 发电机组流程示意图

3.2 发电机组设备

3台并联的向心式ORC发电机组主要部件包括涡轮发电机、蒸发器、预热器、工质泵、油泵、控制柜、并网柜、蒸发式冷凝器。每台机组自带1套就地PLC，作为单台机组的核心控制系统，控制系统对工艺参数进行采集、监视和控制，各支路的温度、压力及流量实时显示。当任意1台发电机组发生故障时，联锁关断故障机组的电动阀，同时开启旁路电动调节阀开度至30%，保证系统管网压力及整套系统稳定运行；其他两台发电机组正常工作。

3.3 发电机组故障保护系统

（1）过负荷保护：当单台发电机功率超过设定值630 kW时，机组旁通阀联锁打开30%的开度，当单台发电机功率超过设定值650 kW时，系统会自动发出报警；当发电功率高于680 kW时，发电机系统会自动停机。

（2）高温保护：发电机组入口温度为178℃时报警，180℃是设计温度，185℃发电机组联锁跳停。

（3）高压预保护：发电机组控制系统按照蒸发器内工质压力来调节蒸发器气动阀开度，当工质五氟丙烷蒸发压力达到1 350 kPa时，机组旁通阀联锁打开30%的开度，当蒸发压力达到1 500 kPa时，机组热气旁通阀就会自动打开以减小高温柴油进入，以避免对机组造成损坏。

（4）旁通阀联动：低温余热发电机组配置了高温柴油气动阀和旁通阀，在紧急情况下（如发电机超速、电机出现短路过负荷等），控制系统会第一时间快速的切断高温柴油的供给，通过旁通管路切断高温柴油进入发电机组，以保护人员和机组的安全。

（5）发电并网采用高压并网技术，能够有效降低发电机并网时对电网产生的冲击电流，避免对电网中其他负载的干扰。为了确保发电机组更加稳定、可靠地运行，除以上功能外，低温发电机组并网柜还具有以下功能：电压、电流、频率、功率、功率因素等指示、检测；过流、过压、过载、短路等保护。

3.4 相关技术参数

发电机组相关技术参数（见表1）。

表1 发电机组相关技术参数

4 结论

4#柴油加氢装置余热发电技术是装置进一步深化节能的一个重要方面，余热发电机组运行正常后，装置每年电量输出1 452×104kW·h，装置能耗降低443.03 MJ/t，装置节能效果显著，回收低温余热意义重大，余热回收技术市场前景广阔，目前已从用于局部生产装置用能优化扩大到用于全厂用能优化，使原来废弃不用且花费代价冷却的能量发挥了作用，具有良好的经济效益及社会效益。

一体化光驱动水分解的研究

鉴于全球气候变化，迫切需要开发从可再生能源获取和储存电力的有效方法。在这种情况下，光催化将水分解生成氢燃料和氧气成为特别有吸引力的方法。然而，有效实施模仿生物学光合作用过程在技术上极具挑战性，因为它涉及到可相互干扰的诸过程的组合。现在，Jacek Stolarczyk博士和Jochen Feldmann教授领导的慕尼黑大学（LMU）物理学家与Frank Wurthner教授领导的维尔茨堡大学化学家合作，首次成功地借助一体化催化体系的水完全分解进行了示范。新研究论文发表在《自然能源》杂志。

水分子光催化分裂的技术方法采用合成组分来模拟在自然光合作用期间发生的复杂过程。在这样的系统中，吸收光量子（光子）的半导体纳米粒子原则上可以用作光催化剂。光子的吸收产生带负电荷的粒子（电子）和被称为“空穴”的带正电荷的物质，两者必须在空间上分开，这样水分子可被电子还原成氢，并被空穴氧化成氧气。Stolarczyk说，“如果只想用水产生氢气，通常会通过添加牺牲性化学试剂快速去除空穴。但为了实现完全水分解，空穴必须保留在系统中，以驱动缓慢水氧化的过程。”问题在于要使两个半反应同时发生在单个粒子上，同时确保带相反电荷的物质不重新组合。此外，许多半导体本身可能被氧化并被带正电荷的空穴破坏。

Stolarczyk称，“通过使用由半导体材料硫酸镉制成的纳米棒解决了这个问题，并在空间上分离了在这些纳米晶体上发生氧化和还原反应的区域。”研究人员用微小的铂颗粒装饰在纳米棒的尖端，这些铂颗粒充当了光吸收激发的电子受体。这种配置提供了一个有效的光催化剂，用于将水还原为氢气。另一方面，氧化反应发生在纳米棒侧面。为此，LMU研究人员在侧面附上Wurthner团队开发的钌基氧化催化剂。该化合物的官能团可将其固定在纳米棒上。这些基团为催化剂提供了极快的空穴传输，这样有利于有效产生氧气，并最大限度减少对纳米棒的损害。该研究是巴伐利亚州资助的“太阳能技术产生混合动力”（SolTech）跨学科项目的一部分。新光催化系统的开发是SolTech把不同学科和不同地区已有专业知识汇集起来的一个很好的例子。如果没有两个体系的化学家和物理学家之间的跨学科合作，该项目就不可能取得成功。

（摘自中外能源2019年第3期）