内燃机缸套水的余热利用—ORC有机朗肯发电

内燃机缸套水的余热利用ORC 有机朗肯发电随着经济的发展，人口增加和人们生活水平不断提高，能源消耗量也持续增长，节能与环保是我国能源领域中研究的重要课题。分布式能源系统兼顾节能和环保两个因素，提高能源利用率，减少污染物的排放，打破传统单一供电、供热或供冷的方式，提高能源系统经济性，具有广阔市场应用前景，其中冷热电联供系统是分布式能源系统最有发展前景之一，而内燃机是冷热电联供系统主要采用的动力设备之一。内燃机可回收的余热主要包括排气和缸套水，排气温度一般在 400550，可加装热管式余热锅炉产生过热蒸汽用于二次发电；而缸套水出口温度一般低于 100，这部分能量品味低，但数量较大，占输入燃料的 30%40%。针对这一低品位热源，我公司和发电机组厂家合作，利用低品位余热通过 ORC 发电机组来发电，提高了能源利用率，减少了对环境的污染，减轻了电网的负荷。本文通过案例针对内燃机冷热电联供系统缸套水低品位余热驱动 ORC 发电机组进行发电进行详细说明。1、项目背景某公司有 8 台 C3520C 燃气发电机组，其中缸套水是 50%的乙二醇溶液，96出水，86 进水。热量 1322kW/台。如果能在不影响企业生产的前提下，将该余热资源回收利用，不仅能够降低冷却系统的热损失和电耗率，还能够整体提高企业的能源利用，具有良好的经济效益和示范意义。现拟采用低温余热发电向心涡轮透平有机朗肯循环发电，将这部分烟气热量通过电能形式输出，供厂区内使用。该项目采用 ORC 主机成套设备，配以辅机以及辅助控制系统。2 、ORC-发电技术简介（1 ） 、ORC（有机朗肯循环）发电机组简介ORC 是针对 85-200的余热利用而设计生产的发电装置。（2 ） 、ORC 发电装置的适用范围200以下烟气余热发电；0.1MPa 以下，100-120 饱和蒸汽、泛汽和各种工业气体发电；85 以上流体（如热水、化工行业的热物液等）发电。（3 ） 、ORC 发电装置的工作原理工作原理和汽轮机发电机组相同，只是常规的汽轮机发电机组使用的介质是水，而ORC 发电机组使用的是有机物质。有机介质的选定是由余热的温度水平决定的，不同的温度选用不同的介质，常用的介质有 R134、R245fa 等。是目前国际通用的制冷剂，安全可靠、无毒不易燃，物理化学特性稳定。利用有机介质低沸点特性（35-65蒸发） ，当余热温度大于介质蒸发温度时，有机介质在蒸发器内汽化，相变为具有一定压力的气体，推动螺杆膨胀机做功，螺杆机拖动发电机发电。做功后气体的温度和压力降到效率最低点，为气液两相，经冷凝器冷凝为全液相，进入储液槽，工质泵将液态工质泵入蒸发器，完成一个做功循环。（4 ） 、工艺流程如下图整个 ORC 发电系统包括四部分：热水回路(红色管路) 、有机工质回路(绿色管路) 、冷却水回路( 蓝色管路)、电网( 黄色部分) ，如上图所示。热水(余热资源)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，热源水温度江都并离开蒸发器，送入后续工艺；工质在图示品绿色管道内往复循环流动。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，进入涡轮透平机，热能转化为机械能，同时带动发电机向外输出电力。过热蒸汽工质随后进入冷凝器，被冷却水冷却成为液体，进入工质泵。工质泵驱动工质周而复始流动。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。发电机发出电能，并入电网使用（5 ） 、ORC 发电装置效率ORC 发电装置效率比中、高温水平的汽轮机发电要低很多，ORC 发电效率一般在 10-15左右，目前世界各国的技术水平都是这样，这是 ORC 发电机组的自身特性决定的。ORC 发电装置对环境温度敏感，相同的余热和机组，在不同的地区使用，因为环境温度的高低，决定了介质的冷凝温度。当冷凝温度降低 10-15 时，发电量成倍增长，南方和北方发电量相差近一倍。北方平均环境温度低，发电量大。南方则发电量明显减小。ORC 有机朗肯发电机组3、项目设计原则（1 ）严格执行国家环境保护政策及相关法规、规范及标准；（2 ）采用高效节能，先进的处理工艺，并降低运行成本；（3 ）在保证余热利用效果的前提下，减少占地面积，节省工程投资；（4 ）选用可靠设备和材料，确保设施长期、安全、稳定运行；（5 ）不影响主体装置运行；4、项目设计依据中华人民共和国大气污染物防治法 ；大气污染物综合排放标准 （GB16297-1996） ；石油化工企业设计防火规范 （GB50160-2015）工业企业噪声测量规范 （GBJ122-88） ；火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量 （GB/T12145-2008 ）建筑物防雷设计规范 （GB50057-94） ；低压配电设计规范 （GB5005495）工业与民用电装置的接地设计规范 （GBJ65-83）通用用电设备配电设计规范(GB50055-95)5、设计方案（1 ） 根据项目设计条件：8 台 C3520C 缸套水余热利用（SAJ196-B）缸套水是 50%乙二醇溶液，96出水，86进水；采用板式换热器将缸套水置换成 91的水，供 ORC 发电，利用后回水温度 75。8 台供产生热水 900t/h。为了对该部分热水加以利用，采用 ORC 低温发电机组回收该部分余热进行发电，创造收益，节能减排。（2 ）换热计算流量 900t/h，温度 91热水换热量计算表格如下：温度 1 蒸汽/热水压力 热水流量 热水焓值 平均焓值 总热量 MPaA t/h kJ/kg kJ/kg MJ/h91 0.07 900 381 381 343058温度 2 热水压力 热水流量 热水焓值 热量 MPaA t/h kJ/kg MJ/h78 0.07 900 326.6 293941（3 ）通过计算 900t/h，温度 91热水余热回收发电，则总发电量为 1105kW。6、效益分析（1 ）社会及环境效益分析我国工业用能中近 60-65%的能源转化为余热资源，其中温度低于 350以下的低温余热，约占余热总量的 60%，由于传统发电技术的工作参数大多为高参数、大容量，无法利用这部分较为分散但总量巨大的能源。余热余压利用工程是我国节能中长期发展专项规划中的十大重点节能工程之一。根据“十三五”节能减排综合性工作方案 ，我国将加快推进工业节能，重点推进电力、煤炭、钢铁、有色金属、石油化工、化工、纺织、印染等行业节能减排，加快节能减排技术推广应用，加大对工业余热的综合梯级利用。本项目热水余热利用 ORC 发电工程属于国家节能减排重点技术推广工程，本项目装机发电量 1120kW，自耗电 187.5kW（含全套冷却水系统自耗电） ，净发电量 833kW，年净发电量 666.4 万度，每年可节约标煤约 2692t，减排二氧化碳 6644t。具有良好的社会及环境效益。（2 ）经济效益分析余热资源 ORC 发电项目体现了良好的社会及环境效益的同时，更重要的是其具有显著的经济效益。热水余热利用 ORC 发电不会对原工艺系统产生影响，积极响应国家号召，促进节能减排，能够减轻自身耗电需求，利用无法利用的废热，创造可观的经济效益。依据工业试验及工程计算结果，热水余热利用 ORC 发电项目建设投资估算表及经济效益综合指标汇总表如下所示：项目建设投资估算表序号 项目名称 投资(万元) 备注1 设备购置费 1100 ORC 发电机组2 主要材料费 403 安装工程费 20造价估算4 建筑工程费 0基础应满足厚度约 13mm，长度大于 7m，钢筋混凝土建造，机组用地脚螺栓固定甲方负责5 其它费用 15 造价估算6 项目总投资 1175 注：项目投资估算仅用于投资回报分析计算，具体造价以最终工程及设备合同价为准。余热资源发电项目在体现一定的社会及环境效益的同时，更重要的是其具有显著的经济效益。采用先进的余热发电技术，生产企业所需要的电能，项目收益如下：采用低温 ORC 余热发电机组，每年净发电量约 666.4 万度，为工厂创造年净收益 352万元。余热发电技术经济综合指标见下表：经济效益综合指标汇总表序 号 项 目 单 位 数 量 备 注1 装机容量 kW 1120 2 净发电量 kW 833 3 运行时间 h 8000 4 年总发电量 万 kWh 896 5 年净发电量 万 kWh 666.4 6 发电收益 万元 399.8 电价按 0.6 元/kWh 计算7 运行费用 万元/年 47.72 7.1 仪表风 万元 1.92 以 0.2 元/Nm3 计7.2 补充循环水 万元 28.8 单价以 2.4 元/吨计；循环水泵电耗已在折算净发电量时考虑7.4 运行人员工资 万元 9 兼职,1 人 1 岗,3 班巡查7.5 设备维护检修 万元 8 8 净利润 万元/年 352.0 9 项目总投资 万元 1175 10 投资回收期 年 3.34 7、项目工期计算工期 按不利环境因素考虑：接到甲方通知，具备进场条件，130 天完成。其中：设备制造和材料采购：90 天系统安装：25 天电仪安装：10 天系统吹扫、调试：5 天8、总结综上结合技术和经济性因