有机郎肯循环发电技术在聚酯中的应用.pdf

设备电PDF下载2023,52(7)49潘鑫，张德强，机郎肯循环发电技术在聚酯中的应用有机郎肯循环发电技术在聚酯中的应用潘鑫，张德强，杨金良，朱美（浙江恒优化纤有限公司，浙江嘉兴314201)摘要：对有机郎肯循环的发电原理及特点做了简要介绍，同时分析了酯化余热特点和当前利用的现状，对运行中的余热发电机组的优化及提高其余热发电机组发电功率的方式进行了探讨。从经济角度分析企业目前运行状况，在聚酯装置1 0 0 0 Vd负荷下，本套余热装置的年总发电量可达5 0 0 万kWh，净发电量可达45 0 万kWh，净发电的效益为2 0 0 万元，投资回收期为4a。关键词：有机郎肯循环；余热发电；聚酯中图分类号：TQ340.9文献标志码：B文章编号：1 0 0 1-7 0 5 4(2 0 2 3）0 7-49-0 3有机郎肯循环(ORC)发电系统由预热器、蒸发器、冷凝器、工质泵、膨胀发电机组等组成。ORC发电原理是系统内有机工质在蒸发器中吸收低温热源热量并蒸发变成有一定压力的有机工质蒸气，然后在膨胀机内做功并推动膨胀机运行，带动发电机发电；膨胀做功后，有机工质的低压蒸气经冷凝器冷凝呈液态，通过工质泵加压送回蒸发系统，供其蒸发并循环使用ORC主要适用于低品位热能发电领域，在工业低温余热利用和新能源领域应用有大量的应用实例。1聚酯酯化余热特点及利用分析聚酯装置是将原料精对苯二甲酸(PTA)、乙二醇(EG)通过酯化、缩聚逐步反应生成PET熔体或切片的过程。在酯化反应过程中，酯化釜会有酯化蒸汽产生，介质主要是H,O、E G 及乙醛等其他反应副产物，其温度在1 0 3 左右，压力约1 0 6 kPa。传统的聚酯酯化蒸汽主要通过风冷或水冷的方式降温，酯化过程的蒸汽潜热大多没有被回收利用，同时冷却过程会伴随更多电能和循环水的消耗。公司直纺全拉伸丝(FDY)聚合装置年产量3 0 万t，在未进行蒸汽余热利用时，使用空冷器冷却酯化蒸汽，收稿日期：2 0 2 2-0 9-2 2作者简介：潘鑫，男，汉族，毕业于浙江理工大学材料科学与工程专业，助理工程师，现从事聚酯生产中控日常管理工作。每日电耗约1 6 0 0 kWh。酯化蒸汽的余热利用方式主要有：浆料和原料升温；制冷机的制冷；冬季采暖；工业空调的热源。之前公司FDY装置酯化蒸汽的利用方式主要是前两种。其中用于原料升温预热的酯化蒸汽可一直使用，只是使用量较小。其他使用方式则会受到季节和用户需求等限制，如制冷机一般在夏季较热的时间开启，冬季基本不会使用。总体来讲，仍有一半以上的酯化蒸汽余热不能被利用。由于聚酯酯化反应产生的是温度、压力较低的饱和蒸汽，属于低品位热能，结合ORC低品位热能的发电特点和应用领域，聚酯酯化过程的余热可有效通过ORC发电技术充分利用。FDY车间聚合装置新建一套PureCycle系列ORC余热发电装置，采用ORC发电技术将酯化蒸汽的热能转化为电能，直供厂区使用。2运行的优化与维护2.1选择合适的有机工质有机工质的选择应当符合以下几个基本要求：(1)有机工质自身的凝固点温度应当低于其在工作中的最低温度，三相点温度要低于工作环境的最低温度，在任何状态下都不应当凝固(2)温图、饱和蒸汽曲线应当尽可能接近垂直，避免在工作中因焰损失而降低运行效率。(3)有机工质黏度要小，需要有良好的传热性50合成纤维SyntheticFiberinChina2023年第5 2 卷第7 期能，较高的导热系数，工作状态膨胀比、绝热烩要大，这有助于降低设备尺寸。(4)工质液态时要有较高的热容，能吸收更多热量，有更高的输出功率。(5)工作状态化学性质应当稳定，不易分解，对设备材料应相互兼容。为了更能适应企业自身余热发电的工作条件，比较了相关类型的有机工质，选择了五氟丙烷作为有机工质，其除了满足基本的要求以外，还有以下几个特点：密度大且容积流量小，降低工质泵运行过程的损耗；具有干性特质，膨胀做功时不会液化，减少工作时对设备的损害；对人体的健康无刺激，具有安全性；环境方面，对臭氧破坏和气候变暖的影响小。2.2优化余热发电的控制方式车间聚酯装置在使用酯化蒸汽余热发电装置后，可通过阀门XV11、X V 1 2、X V 2 1、X V 2 2 调节余热蒸汽流向：调节阀XV11、X V 1 2 控制进入空冷风机的蒸汽量，冷却后的蒸汽凝液至汽提塔；调节阀XV21、X V 2 2 分别调节到余热发电装置1 和2 的酯化蒸汽量在运行初期，自动调节以上四个阀门的开度，结果发现这种控制方式导致工艺塔波动范围过大，塔顶压力会在1 1 1 7 kPa范围内波动，塔顶压力正常为1 3 kPa，导致余热发电装置的波动也较大，不利于装置的稳定运行。在运行一定时间后，改变运行方式，手动控制阀门XV21、X V 2 2，使发电装置的蒸汽压力控制在10kPa左右；手动控制阀门XV11，阀门XV12通过塔顶压力自动控制。相比之下这种控制方式提升了系统稳定性，塔顶压力波动范围在1 2 1 4kPa，波动明显减小，同时发电机组波动也明显减小，实际运行总功率5 5 0 kW左右。2.3优化余热发电的运行方式车间余热发电装置采用了ORC技术，其工艺包括有机工质内循环、酯化蒸汽凝结和循环冷却水三大流程。有机工质内循环过程：从冷凝器出口端被冷凝下来的工质通过工质泵升压后，先后进入预热器、蒸发器升温，后被加热生成0.9MPa、90 的有机过热蒸气。有机过热蒸气随后进入膨胀机膨胀做功，经齿轮箱减速并带动发电机发电，而做完功的工质压力降至0.2 3 MPa左右，温度6 5，随后有机工质进入冷凝器中冷凝，形成温度42 的液态工质，液态工质重新进入工质泵加压输送，形成循环。酯化蒸汽凝结过程：工艺塔产生的1 0 2 左右低压饱和蒸汽分别经过蒸发器和预热器，将液态的有机工质加热成较高压力的过热蒸气后，冷凝并将温度降低到7 5 左右，随后流出发电机组。循环冷却水过程：2 8 左右的循环水进入装置的冷凝器和膨胀机油冷装置，吸热后升温到37左右返回并通过空冷机冷却循环。由图1 可知，在保持其他因素不变情况下，随着余热蒸汽流量从4.3 t/h提升至6.0 t/h时，总发电功率从1 95 kW提升至2 7 5 kW。实际运行时，也可以加大余热蒸汽的蒸汽量来提升发电功率。当装置负荷波动导致蒸汽量明显变化时，需要通过改变系统的相关参数，保证余热蒸汽、冷却水和有机工质三系统的缓慢均匀变化，确保装置的稳定运行。2902702502302101901703.84.34.85.35.86.3蒸汽流量/(th)图1 相同工况下蒸汽流量与发电总功率关系由图2 可知，随着冷却水温度降低，发电机的发电功率也得到提升。因此，环境温度的变化也使得发电机的冷却水温度波动，发电机的发电功率也会因此出现一定范围的变化。28027527026526025525024524023525.5 26.026.527.027.528.028.529.029.5冷却水温度/图2 相同蒸汽流量下冷却水温度与发电总功率关系由图3 可知，提高工质泵的工作频率，加大循环流量，也可以提升发电功率。在余热发电正常运行的情况下，可以提高工质泵的频率，来提高发电2023,52(7)51潘鑫，张德强机郎肯循环发电技术在聚酯中的应用功率。功率。280270260250240230220253035404550工质泵频率/Hz图3 相同工况条件下工质泵频率与发电总功率关系2.4对余热发电运行的维护在日常的生产运行工作中，需要密切关注机组，包括蒸发器、冷凝器、工质泵、发电机、油站等工作过程中的重要参数。蒸发器的液位过低，会影响发电机效率，降低发电功率。冷凝器液位过低，会引起工质泵抽空，可通过工质泵的出口阀门开度和运行频率加以调节。密封供油压力应当合理，压力过低会导致连锁停机，而供油温度也不能太高，否则会导致膨胀机密封破坏，出现漏油发电机需要定期加油，检查是否有异响。工质泵的电机温度也不能太高，运转状态指示表在正常工作时应当指在绿色区域，工质泵运行正常无异响。设备长时间停运时，需要关闭气源前保护阀和冷凝排水阀门，同时冷却水需少量持续循环，避免蒸汽泄露导致油蒸发。余热发电装置每运行一段时间，都需检查工质泵压，压力不足时需安排清洗滤网，保证工质循环流量，提高发电机的发电功率。余热蒸汽到达发电机装置前可能伴随凝结，需要定期对余热装置的蒸汽管线进行排水。3结语本套ORC余热发电装置，在聚酯负荷1 0 0 0 t/d时，年总发电量有5 0 0 万kWh，年净发电量可达450万kWh，净发电效益超过2 0 0 万元，投资回收期为4a，具有良好的经济和社会效益，降低了设备本身的能耗，对企业其他类型的余热利用发电具有借鉴意义。目前，在国家重视能源回收利用及其利用效率的背景下，化工行业面临一定的挑战，化工行业在生产时往往会产生大量蒸汽，除少数得到有效利用之外，大多为放空处理，这种方式直接导致了能源的浪费，部分蒸汽甚至需要通过耗能的方式冷却处理，加剧了能源的消耗。本套装置利用ORC余热发电技术对企业酯化蒸汽进行回收利用，提高了能源回收利用率，降低了装置的能耗，符合国家节能减排要求。Application of Organic Rankine Cycle Power Generation Technology in PolyesterPAN Xin,ZHANG De-qiang,YANG Jin-liang,ZHU Mei(Zhejiang Hengyou Chemical Fiber Co.,Ltd.,Jiaxing 314201,Zhejiang,China)Abstract:The power generation principle and characteristics of organic Rankine cycle were briefly intro-duced.At the same time,the characteristics of esterification waste heat and the current situation of utiliza-tion were analyzed.The optimization of waste heat generating units in operation and the ways to improve thegenerating power of other thermal generating units were discussed.From the economic point of view,the cur-rent operation situation of the enterprise was analyzed.Under the 1 000 t/d load of the polyester plant,thetotal annual power generation of this set of waste heat device can reach 5 million kW.h,the net power gen-eration can reach 4.5 million kW h,the benefit of net power generation is 2 million yuan,and the invest-ment payback period is 4 years.Key words:organic Rankine cycle,waste heat power generation,polyester欢迎新老客户订阅2 0 2 3 年合成纤维杂志，每期1 5 元合成纤维征订热线0 2 1-5 5 2 1 6 1 6 5，邮箱：.cr