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 磁悬浮一体化ORC发电设备在石油炼化的应用

2016-07-27 陕西博尔 态度人生之石化缘

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磁悬浮一体化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。博尔一体化OTG设备，以其安全性、可靠性、零泄漏，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。

 

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*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。

 

OTG磁悬浮一体化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、  OTG磁悬浮一体化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。透平膨胀机又分为采用滑动轴承或磁悬浮轴承或空气轴承几种形式，叶轮形式包括轴流式和向心式，分别适用于不同的功率范围。

 

 

 

 

 

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。

 

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*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。

 

陕西博尔能源科技有限公司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，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，研制出国内首台磁悬浮一体化ORC低温发电机组。

产品特点包括：

1) 采用磁悬浮轴承，无润滑油系统，省去了润滑系统的耗电，避免了传统机组因漏油带来的污染。

2) 采用涡轮机与高速永磁发电机一体化的结构，避免了有机工质的外泄漏。

3) 磁悬浮轴承、涡轮与高速永磁发电机一体化的结构，*大限度地降低了摩擦与传动损失，保证了机组较传统机组（油润滑的透平机和螺杆机）有更高的内效率。

      

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。

 

 

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）。

 

凝结水余热发电解决方案

 

 

4.2 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。

 

 

柴油余热解决方案

 

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：029-81378898