引言低温热节能是石油化工厂热工系统节能的两个方面之一。低温热的利用分为热利用和动力利用。低温热优先用于热需求，当低温热满足热需求后，成为多余资源时，再考虑低温热的动力利用。为进一步提高低温热动力利用效率，需要深入细化且讨论动力利用的回收过程。低温热动力回收基于蒸汽的朗肯循环[1]，即低温热水降压产生饱和蒸汽，推动汽轮机做功，做功后的乏汽在冷凝器中冷凝成液体，由凝结水泵加压，和闪蒸后剩余的升压后的热水一起送入装置取热。低温热的动力一般采用两种利用方式：（1）直接利用，即以水为工质，获得低温热后闪蒸产生蒸汽，以蒸汽为工质拖动汽轮机做功；（2）间接利用，以水为工质，获得的热量传递给低沸点的有机工质，以有机工质朗肯循环拖动汽轮机做功[2]。石油化工厂的低温热特点包括：（1）数量较大、热源温度各异；（2）热源资源不可控，多数需要接受和平衡；（3）建立的低温热系统，基本以热水为工质，热水回水温度为90~120 ℃，给水温度为70~75 ℃；（4）全厂为单一温度的热水系统。为提高低温热资源动力利用的效率，尽可能得到最大化的节能效果，对蒸汽的朗肯循环热力系统展开讨论，并从热源特征、低温热回收工质状态、闪蒸压力及换热器的有效能损失等方面展开技术优化讨论。1热源特征石油化工厂低温热热源分为两种：（1）油气冷凝过程对纯组分和榨组分产生的热油气，这类热源的热工质在冷凝过程中温度变化很小，可看作恒温热源；（2）油气热工质在冷却过程中无相变，或宽组分相变冷凝，温度不断降低，这类热源属于变温热源。假设两种热源的温度为T1，比热为cp。对于变温热源，单位有效能值为：ex=cpT1-T0-T0lnT1T0 (1)式中：ex——单位质量物质的有效能，即变温热源所获得的有效能最大值，kJ/kg；T1——低温热水初始温度，K；T0——冷源温度，K。变温热源所获得的热量为：q1=cpT1-T0=h1-h0 (2)式中：cp——定压比热，kJ/(kg·K)；q1——热量，kJ；h1——热源初态比焓，kJ/kg；h0——热源终态比焓，kJ/kg。变温热源动力回收的最大热效率为：ηt,max=exq1=1-T0T1-T0lnT1T0 (3)式中：ηt,max——变温热源最大有效能，%。对恒温热源而言，热效率为：ηC=exq1=1-T0T1 (4)式中：ηC——恒温热源最大有效能，%。为比较变温热源和恒温热源的效率，以恒温热源的热效率为变量对变温热源热效率公式进行变换，假定X0=T1-T0T0=ηc1-ηc为变量，将变温热源最大热效率表示式按照泰勒级数展开，得到变温热源以幂函数表示形式为：ηt,max=1-1X0X0X0+1+12X0X0+12+13X0X0+13+… (5)=1-1-ηCηCηC+12ηc2+13ηc3+…=12ηc+16ηc2+112ηc3+…简化后得到：ηt,maxηc=12+16ηc1+112ηc2+… (6)低温热回水温度为124 ℃时，以热水扩容发电为工程实例，其循环净效率为5.84%，即变温热源的动力回收效率是恒温热源的50%。试验表明，热源温度相同情况下，需要区分恒温热源和变温热源，以达到提高低温热动力回收效率的目的。现行炼油厂，单一温度的热水系统回收低温热时，将这些热源视为同一性质热源。采用相同的进水和回水温度，增大恒温热源热回收的有效能损失。建议根据热源温度和热源是否发生相变，结合热源规模，设置至少2个热水系统，逐级回收热源能量，有效减少有效能损失。2低温热回收工质状态的选择为取得最大化的低温热节能效果，同条件温差下最大数量的回收低温热是关键点。水仍是优先考虑的工质，以水为工质包括两种取热方式：（1）水在热源中汽化取走热量；（2）水在热源中升温取走热量。低温热回收对比如图1所示[3]。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.007.F001图1低温热回收对比由图1可知，300 ℃油品需要冷却到30 ℃，总放出热量视为100%，以水的汽化和温升两种运行工况取走热量。产生蒸汽和热水时，油品和水的传热温差为50 ℃。对于水汽化运行方式，水在汽化阶段温度恒定，以潜热吸热为主，潜热远大于温升表示显热，与热流体的最小温差点为汽化点A，此点与油品的温差为50 ℃，产生的蒸汽温度为140 ℃，对应的饱和蒸汽压为0.36 MPa。水预热需约25%的总吸热量，以35 ℃解析除氧水为给水（热力除氧时给水温度高，回收热量少），能够将油品温度降低到170 ℃，热回收率为48%。若用来加热中压水，水的压力为4.0 MPa，可将80 ℃水加热到250 ℃，热回收率达到63%。试验中存在差异的原因可能为：产生100~150 ℃的饱和蒸汽，水预热所吸收的热量占总热量的13%~20%，恒温蒸发与热流体的最小温差成为进一步吸热的瓶颈。实例说明，单相工质回收的热能更多，低温热回收系统宜用单相介质取热循环，因此现行低温热回收系统，以水为工质进行单相温升取热实现余热回收的最大化。3闪蒸压力的确定取得热量后动力回收，相对最简单的方式为工质闪蒸，产生的饱和蒸汽进入汽轮机做功。汽轮机获得的机械能取决于蒸汽量、蒸汽初始压力和温度、排汽压力。排汽压力取决于环境。因饱和蒸汽做功，蒸汽压力和温度对应，因此低温热回收效果优先取决于初蒸汽压力和汽量。依据水的物性数据，压力越高沸点越高[4]。高压热水若降压至对应温度下的饱和压力，需要部分水闪蒸成蒸汽，扩容器压力越低，产生的蒸汽量越多，回收的机械功越多；但蒸汽初始参数较低，初蒸汽的焓也相对较低，汽轮机中的焓降减少，等量蒸汽回收的机械功也相对越少。闪蒸过程中，蒸汽压力和蒸汽在汽轮机中的焓降是两个反向变化的参数，两者均影响动力循环的效果。如果热水量为G，温度为T初的热水进入闪蒸罐，在饱和温度T饱下产生的蒸汽量d为：d=GcpT初-T饱h-cpT饱 (7)热水的蒸发率为：α=dG=cpT初-T饱h-cpT饱 (8)式中：d——热水闪蒸蒸汽量，kg；G——热水量，kg；T初——低温热水出装置温度，K；T饱——蒸汽/热水饱和温度，K；h——焓，kJ/kg；ɑ——热水蒸发率，%。在给定G和T初条件下，产生的蒸汽量d和闪蒸的蒸汽在汽轮机中的焓降Δh反向变化的结果，使得d×Δh的值直接决定低温热动力利用的效果，且仅有一个最大值。借助计算程序，可以很方便地替代人工多次计算工作。d×Δh随T饱变化趋势线如图2所示。由图2可知，在T饱'条件下，d×Δh取得最大值，此时低温热动力回收的效果最大，T饱'对应的压力为相对最佳蒸发压力。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.007.F002图2最佳闪蒸温度减少势差（温差与压力差）为动力回收过程的一个关注点[5]，从而减少有效能损失，即热机的不可逆损失。为闪蒸产生蒸汽，必须降压，产生有效能损失，而减少这种损失的理想状态为多级连续闪蒸。工程上闪蒸级数不可能无限多，根据热水温度适当设置2~3级即可，且要求相应的汽轮机做成补汽式汽轮机。简易做法将温差（T初-T终）平均分配，即各级闪蒸的温差相等。为获得低温热动力回收的最佳效果，闪蒸罐的工作压力应为相对最佳蒸发温度下的饱和压力。在这个饱和压力下，闪蒸产生的蒸汽量和本段焓降的乘积值为最大。建议根据热水温度和环境温度采用2~3级闪蒸，余热回收的蒸汽轮机应为补汽式汽轮机。4换热器的有效能损失低温热动力回收中有效能损失的另一个环节为工艺油品、油气与热水换热的温差，要减少本部分有效能损失需要减少换热温差，基本措施为强化传热。对恒温热源配合，可以达到发生蒸汽的低温热回收方式。但这种方式面临低压蒸汽长距离输送时，形成的压降增加有效能损失；低压蒸汽比容大，管道管径大，若产生的蒸汽量不足一定规模，取热预期的节能效果不稳定。5冷源温度低温热利用的动力循环，工作在高温热源和低温热源之间，降低冷源温度[6]可以有效提高低温热动力利用效果，此冷源温度为环境温度。循环中的冷源温度为循环水温度，由大气温度决定。工程实例表明：热水温度124 ℃时，低温热动力循环的净效率为5.8%[1]，冷源温度每降低5 ℃，在100%汽轮机负荷下，动力循环的效率提高1.2%[7]，相当于把现有循环的效率提高20.7%。随着汽轮机负荷的降低，冷源每降温5 ℃，所取得的节能效果大于1.2%，故降低冷源温度是一个值得考虑的方向。为此，提出一个方案供学者共同研究，该方案以闪蒸蒸发剩余的热水为动力源，以溴化锂制冷机组为工具，当热水温度为60 ℃时，可以制造出20 ℃的冷媒水，以此冷媒水作为低温热动力循环的冷源，相比常规最高35 ℃的冷源，使冷源温度降低15 ℃左右，使得低温热动力循环的效率提高3.6%。以闪蒸前的低温热水作为热源，制取温度更低的热水，以闪蒸前的热水，以一级、二级扩容后的热水作为溴化锂制冷机组的热源，需要进一步做经济比较，以期学者展开讨论。按照这种思路，即使以部分冷水混入循环水，也能够显著提高动力循环效率，实际上为低温热以热的形式再利用，同样能够提高循环的热效率。6结语随着石油化工厂热工系统的节能发展，需要进一步提高低温热动力利用效果，研究低温热循环的各环节，可从高温热源及其内部、低温热源及其内部、循环工质特性和使用等各方面进行，可利用现代计算机编程和模拟手段，建立相应模型，结合经济分析使得低温热动力回收的效果更经济、合理、精准。石油化工厂低温热取热系统，以水为工质，不相变可以使得变温热源所回收的低温热数量达到最大值；根据热源温度和热源是否发生相变，结合热源规模，设置至少2个热水系统，逐级回收热源能量，有效减少低温热源有效能损失。低温热源内部传热时，利用各种换热器的强化传热手段，减少热源内部的有效能损失。闪蒸系统的闪蒸压力存在一个取得最大做功量的值，此压力下，闪蒸蒸汽量和产生的蒸汽焓降乘积为最大值，且推荐采用多级闪蒸系统以提高低温热动力回收的效率。为降低低温热源温度，提出以低温热为动力，以溴化锂制冷机组为工具，人为制造低于环境温度的低温热源，从而提高高温热源和低温热源的温度差，改善低温热动力利用的效率。