由综合芳族化合物、原油蒸馏、和石脑油区块设备中的废热
发电
[0002] 本申请要求2016年3月31日提交的美国
专利申请号15/087,512；2015年8月24日提交的美国临时专利申请号62/209,217；2015年8月24日提交的美国临时专利申请号62/209,147；2015年8月24日提交的美国临时专利申请号62/209,188；和2015年8月24日提交的美国临时专利申请号62/209,223的优先权。前述申请中的每一个的整个内容以它们各自的整体通过引用结合在本文中。
技术领域
[0003] 本
说明书涉及在工业设备(工业设施，industrial facility)中的发电。
[0004] 背景
[0005] 石油精炼过程(工艺，process)是在石油精炼厂(refinery)中用于将原油转化为产物，例如，
液化石油气(LPG)、
汽油、
煤油、喷气
燃料、柴油、
燃料油和其他产物的化工过程和其他设备。石油精炼厂是涉及许多不同加工单元和辅助设备例如公用工程单元(utility unit)、储罐和其他辅助设备的大型工业联合装置(industrial complex)。各个精炼厂可以具有例如通过精炼厂
位置、所需产物、经济考虑或其他因素决定的其自身独特的精炼过程的布置和组合。被实施(执行，implement)以将原油转化为产物如先前列举的那些的石油精炼过程可以产生可能不被再利用的热量，和可能污染大气的副产物，例如
温室气体(GHG)。据信，世界环境已经受部分由于GHG释放到大气中造成的
全球变暖的负面影响。
[0006] 概述
[0007] 本说明书描述了与由工业设备中的废弃
能量(waste energy)发电相关的技术。如在表1中所示，本公开内容包括以下度量单位中的一种或多种以及它们的相应缩写：
[0008]度量单位 缩写
摄氏度 ℃
兆瓦 MW
一百万 MM
英热单位 Btu
小时 h
磅/平方英寸(压
力) psi
千克(
质量) Kg
秒 S
[0009] 表1
[0010] 本说明书中描述的主题的一种或多种实施方式的细节在
附图和之后的描述中提出。所述主题的其他特征、方面和优点根据该描述、附图和
权利要求书将变得明显。
[0011] 附图简述
[0012] 图1A-1K是使用来自在石化精炼装置中的一个或多个热源的废热的发电系统的示意图。
[0013] 图1L-1N是说明在图1K中所示的发电系统中的
热交换器的热交换器性能的图。
[0014] 详述
[0015] 工业废热是在许多工业设备，例如原油精炼厂、石化和化学联合装置以及其他工业设备中用于可能的无
碳发电的来源。例如，对于沿原油和芳
烃位置延伸的空气冷却器的网络，具有多达4000MM Btu/h的芳烃的中等尺寸综合原油精炼厂可能是浪费的。浪费的热量中的一些可以用于为有机物兰金循环(Organic Rankine Cycle，ORC)机器提供动力，其使用有机
流体如制冷剂或烃(或两者)代替
水来发电。与低温热源(例如，大约232℃以下)组合的ORC机器正作为发电系统而实施。例如，通过优化由ORC机器实施的发电循环(即兰金循环)或有机流体(或两者)来优化ORC机器可以改善由回收的废热发电。
[0016] 工业设备如石油精炼厂包括多种废热来源。一个或多个ORC机器可以从这样的来源中的一个或多个或全部接收废热。在一些实施方式中，两种以上低级热量来源可以通过将热量从每个来源转移至公用中间
传热介质(例如，水或其他流体)而合并。然后可以使用中间传热介质将ORC机器的
工作流体蒸发来发电，例如以使
涡轮机或其他发
电机运行。这样的低级热量来源的合并可以允许将ORC机器尺寸设置为实现更大的效率和规模经济。此外，这样的合并运行可以改善石油精炼厂设计和
地块空间规划的灵活性，因为每个热源不需要与发电机紧密靠近。尤其是在大型场地如包括芳烃联合装置并且是生态工业园规模的全场地炼油厂中，所提出的热源的合并可能会带来改善回收废热来发电的过程的问题的过度简化。
[0017] 本公开内容描述了通过利用部分基于多种考虑，例如资金成本、操作容易程度、规模发电的经济性、要运行的ORC机器的数量、每个ORC机器的运行条件、它们的组合或其他考虑选择的所有可用热源流股(流或物流，stream)的子组，优化在大型工业设备(例如，具有多个、有时多于50个热源流股的石油精炼厂或其他大型工业精炼厂)中由废热、例如在处于或小于160℃的
温度下的低级热量发电。认识到可以从大型石油精炼厂中的可用热源中确定热源的多个子组，本公开内容描述了选择优化的热源的子组以向一个或多个ORC机器提供废热用于发电。此外，认识到来自在大型场地如石油精炼厂和芳烃联合装置中的所有可用热源的废热的利用并非必须或并非总是最佳选择，本公开内容确定了在石油精炼厂中的热源单元，来自其的废热可以被合并以为一个或多个ORC机器提供动力。
[0018] 本公开内容还描述了改进中级原油精炼半转化设备和综合中级原油精炼半转化和芳烃设备装置的设计以改善它们相对于它们当前设计的能量效率。为此，可以设计新的设备或者可以重新设计(例如，用装备改造)现有设备以从热源回收废热，例如低级废热，从而为ORC机器提供动力。尤其是，不需要明显改变装置的现有设计以适应在这里描述的发电技术。所产生的电力可以部分用于为设备提供动力或者输送至
电网以传递至其他地方(或两者)。
[0019] 通过回收由工业设备的一个或多个过程或设备(或两者)产生的所有或部分废热并且将回收的废热转化为电力，可以产生无碳电力(例如，电的形式)用于社区的使用。在废热回收过程中使用的最小接近温度可以低至3℃并且所产生的电力可以高达80MW。在一些实施方式中，在初始阶段以较少的废弃热量/能量回收为代价，可以使用较高的最小接近温度，而在后续阶段在使用对于特定热源使用的最小接近温度时实现相对较好的发电(例如，在规模设计的经济性和效率方面)。在这样的情况中，可以在后续阶段实现更多的发电，而不需要改变初始阶段的设计拓扑学或在初始阶段中使用的低级废热源的子组(或两者)。
[0020] 不仅可以降低与发电相关的污染，而且还可以降低与发电相关的成本。另外，与从所有可用的热源回收废热相比，从定制的热源组回收废热以为一个或多个ORC机器提供动力更佳。代替优化ORC机器或者除了优化ORC机器之外，在定制组中选择热源可以改善或优化(或两者)由回收的废热发电的过程。如果少量热源用于发电，则可以使用流体，例如热油或高压热水系统或两者的混合物将热源合并为少量(例如，一个或两个)缓冲流股。
[0021] 总而言之，本公开内容描述了用于使用在规定条件下运行的
基础ORC机器高效发电的多个全石油精炼厂分离/蒸馏网络、配置和加工方案。通过得到所有或部分废热、例如由多个散布的低级能量品质过程流股携带的低级废热来促进发电。在一些实施方式中，ORC机器使用单独的有机物质以将交换器和
蒸发器预热并且在特定运行条件下使用其他有机流体，例如异
丁烷。
[0022] 石油精炼厂装置的实例
[0023] 工业废热是在许多工业设备，例如原油精炼厂、石化和化学联合装置以及其他工业设备中用于可能的无碳发电的来源。例如，对于沿原油和芳烃位置延伸的空气冷却器的网络，具有多达4000MM Btu/h的芳烃的中等尺寸的综合原油精炼厂可能是浪费的。浪费的热量中的一些可以用于为有机物兰金循环(ORC)机器提供动力，其使用有机流体如制冷剂或烃(或两者)代替水来发电。与低温热源(例如，大约或小于232℃)组合的ORC机器正作为发电系统而实施。例如，通过优化由ORC机器实施的发电循环(即兰金循环)或有机流体(或两者)来优化ORC机器可以改善由回收的废热发电。
[0024] 工业设备如石油精炼厂包括多种废热来源。一个或多个ORC机器可以从这样的来源中的一个或多个或全部接收废热。在一些实施方式中，两种以上低级热量来源可以通过将热量从每个来源转移至公用中间传热介质(例如，水或其他流体)而合并。然后可以使用中间传热介质将ORC机器的工作流体蒸发来发电，例如以使
涡轮机或其他发电机运行。这样的低级热量来源的合并可以允许将ORC机器尺寸设置为实现更大的效率和规模经济。此外，这样的合并运行可以改善石油精炼厂设计和地块空间规划的灵活性，因为每个热源不需要与发电机紧密靠近。尤其是在大型场地如包括芳烃联合装置并且是生态工业园规模的全场地炼油厂中，所提出的热源的合并可能会带来改善回收废热来发电的过程的问题的过度简化。
[0025] 本公开内容描述了通过利用部分基于多种考虑、例如资金成本、操作容易程度、规模发电的经济性、要运行的ORC机器的数量、每个ORC机器的运行条件、它们的组合或其他考虑选择的所有可用热源流股的子组，优化在大型工业设备(例如，具有多个、有时多于50个热源流股的石油精炼厂或其他大型工业精炼厂)中由废热、例如在处于或小于160℃的温度下的低级热量发电。认识到可以从大型石油精炼厂中的可用热源中确定热源的多个子组，本公开内容描述了选择优化的热源的子组以向一个或多个ORC机器提供废热用于发电。此外，认识到来自在大型场地如石油精炼厂和芳烃联合装置中的所有可用热源的废热的利用并非必须或并非总是最佳选择，本公开内容确定了在石油精炼厂中的热源单元，来自其的废热可以被合并以为一个或多个ORC机器提供动力。
[0026] 本公开内容还描述了改进中级原油精炼半转化设备和综合中级原油精炼半转化和芳烃设备装置的设计以改善它们相对于它们当前设计的能量效率。为此，可以设计新的设备或者可以重新设计(例如，用装备改造)现有设备以从热源回收废热，例如低级废热，从而为ORC机器提供动力。尤其是，不需要明显改变装置的现有设计以适应在这里描述的发电技术。所产生的电力可以部分用于为设备提供动力或者输送至电网以传递至其他地方(或两者)。
[0027] 通过回收由工业设备的一个或多个过程或设备(或两者)产生的所有或部分废热并且将回收的废热转化为电力，可以产生无碳电力(例如，电的形式)用于社区的使用。在废热回收过程中使用的最小接近温度可以低至3℃并且所产生的电力可以高达80MW。在一些实施方式中，在初始阶段以较少的废弃热量/能量回收为代价，可以使用较高的最小接近温度，而在后续阶段在使用对于特定热源使用的最小接近温度时实现相对较好的发电(例如，在规模设计的经济性和效率方面)。在这样的情况中，可以在后续阶段实现更多的发电，而不需要改变初始阶段的设计拓扑学或在初始阶段中使用的低级废热源的子组(或两者)。
[0028] 不仅可以降低与发电相关的污染，而且还可以降低与发电相关的成本。另外，从资金成本观点来看，与从所有可用的热源回收废热相比，从定制的热源组回收废热以为一个或多个ORC机器提供动力更有成本效益。代替优化ORC机器或者除了优化ORC机器之外，在定制组中选择热源可以改善或优化由回收的废热发电的过程(或两者)。如果少量热源用于发电，则可以使用流体，例如热油或高压热水系统(或两者)将热源合并为少量(例如，一个或两个)缓冲流股。
[0029] 总而言之，本公开内容描述了用于使用在规定条件下运行的基础ORC机器高效发电的多个全石油精炼厂分离/蒸馏网络、配置和加工方案。通过得到所有或部分废热、例如由多个散布的低级能量品质过程流股携带的低级废热来促进发电。在一些实施方式中，ORC机器使用单独的有机物质以将交换器和蒸发器预热并且在特定运行条件下使用其他有机流体，例如异丁烷。
[0030] 石油精炼厂装置的实例
[0031] 1.加氢裂化装置
[0032] 加氢裂化是将催化裂化和氢化进行组合的两阶段过程。在该过程中，重质原料(进料，feedstock)在氢的存在下裂化而产生更理想的产物。该过程采用高压、高温、催化剂和氢。加氢裂化用于难以通过催化裂化或重整进行加工的原料，因为这些原料的特征通常在于高的多环芳烃含量或高浓度的两种主要催化剂毒物，即硫和氮化合物(或两者)。
[0033] 加氢裂化过程依赖于原料的性质和两种竞争性反应(氢化和裂化)的相对速率。重质芳烃原料在宽范围的高压力和高温度下在氢和特殊催化剂的存在下转化为为较轻的产物。当原料具有高的烷烃含量时，氢防止多环芳烃化合物的形成。氢还减少焦油形成并且阻止
焦炭在催化剂上的积聚。氢化另外将在原料中存在的硫和氮化合物转化为
硫化氢和
氨。加氢裂化产生用于烷基化原料的异丁烷，以及进行异构化以用于
倾点控制和烟点控制，它们两者在高品质喷气燃料中都是重要的。
[0034] 2.柴油加氢处理装置
[0035] 加氢处理是用于减少硫、氮和芳烃同时提高
十六烷值、
密度和烟点的精炼过程。加氢处理帮助精炼工业的工作以符合严格的清洁燃料规格的全球趋势、运输燃料的增长需求和朝向柴油的转变。在该过程中，将新鲜的进料加热并与氢混合。反应器流出物与合并的进料交换热量并且加热再循环气体和
汽提塔装填物。然后将硫化物(例如，二硫化铵和硫化氢)从进料中去除。
[0036] 3.芳烃联合装置
[0037] 典型的芳烃联合装置包括用于使用利用连续催化剂再生(CCR)技术的石脑油的催化重整来制备苯、
甲苯和二甲苯(BTX)的基础石化中间体的过程单元的组合。
[0038] 4.石脑油加氢处理装置和连续催化
重整器装置
[0039] 石脑油加氢处理装置(NHT)产生101研究法
辛烷值(RON)重整油，其具有最大4.0psi的里德蒸气压(Reid Vapor Pressure)(RVP)，作为汽油总合中的调合料。其通常具有用于加工来自原油单元(Crude Unit)、气体冷凝物分离塔(Gas Condensate Splitter)、加氢裂化装置(Hydrocracker)、轻质直馏石脑油(Light Straight-Run Naphtha)(LSRN)和减粘裂化装置(Visbreaker Plant)的石脑油的共混物的灵活性。NHT加工石脑油以产生用于连续催化剂再生(CCR)铂重整装置(platformer)和汽油共混的
脱硫进料。
[0040] 5.原油蒸馏装置
[0041] 通常，两阶段蒸馏装置将被
分馏的各种原油加工成不同产物，所述产物在下游设备中被进一步加工以产生液化石油气(LPG)、石脑油、动力汽油、
煤油、喷气燃料、柴油、燃料油和
沥青。原油蒸馏装置通常可以加工大体积，例如每天数十万桶原油。在夏季月份期间，最佳加工能力可能降低。装置可以加工原油的混合物。装置还可以具有沥青生产设备。来自原油蒸馏装置的产物是LPG、稳定的全馏分石脑油、煤油、柴油、重质柴油和减压渣油(vacuum residuum)。常压塔接收原油装料并且将其分离为塔顶产物、煤油、柴油和蒸馏后的原油(reduced crude)。石脑油稳定器可以接收常压塔顶流股并且将其分离为LPG和稳定的石脑油。将蒸馏后的原油装填至
真空塔中，在那里其被进一步分离为重质柴油、减压
瓦斯油(vacuum gas oil)和减压渣油。
[0042] 6.酸性污水汽提公用工程装置(SWSUP)
[0043] SWSUP接收来自
酸性气体去除、硫回收和燃烧单元(放空单元，flare unit)的酸性污水流股，以及经汽提且由烟
灰水闪蒸容器释放的酸性气体(sour gas)。SWSUP汽提来自酸性污水流股的酸性组分，主要为二
氧化碳(CO2)、硫化氢(H2S)和氨(NH3)。
[0044] 先前描述的精炼装置中的多种中的一种可以向具有合理规模经济、例如数十兆瓦电力的ORC机器提供例如低级废热形式的热量。研究已经显示，特定的精炼装置，例如加氢裂化装置，充当良好的废热源来发电。然而，在仅使用来自石脑油加氢处理(NHT)装置的热源(例如，在约111℃下)的研究中，以约6.2％的低效率由约27.6MW的可用废热产生了1.7MW的电力。低效率表明，由于高资金和规模经济，对于废热产生不推荐仅来自NHT装置的热源。在使用来自原油蒸馏装置的在约97℃下的一个低级热源的另一个研究中，以5.3％的低效率由约64.4MW的可用废热产生了3.5MW的电力。在使用来自酸性污水汽提装置的在约120℃下的一个低级热源的另外的研究中，以6.7％的低效率由约32.7MW的可用废热产生了2.2MW的电力。这些研究显示，如果确定从特定精炼装置回收废热来发电是有益的，并不一定推断从任何精炼装置回收废热也将会是有益的。
[0045] 在另一个研究中，收集可从芳烃联合装置中的所有热源(总计11个热源流股)获得的所有废热以由约241MW的可用废热产生约13MW的电力。此研究显示，使用所有可用热源尽管理论上高效，但是实际上并非必然意味着由可用废热高效发电。此外，考虑到所涉及的热交换器、
泵和基于有机物的涡轮机(以及组件和内部连接器等)的数量，组装可以使用所有可用热源的电力装置可能是非常困难的。不仅将会难以改造现有精炼厂以适应这样的电力装置，而且还将会难以从
基层(grass roots)阶段建造这样的电力装置。在以下部分中，本公开内容描述了选自不同精炼装置的热源的组合，其可以产生在由可用废热发电中的高效率。
[0046] 即使在确定要用于大型场地中发电的特定热源之后，也可以存在可以整合用于使用在特定条件下运行的特定ORC机器的最佳发电的热源的多种组合。以下部分中的每个描述了热源的特定组合和用于可以与该特定组合一起实施从而以尽可能最低的资金最佳地由废热发电的缓冲系统的配置。此外，以下部分描述了在用于废热回收的单缓冲系统不适用的情况下的用于低级废热回收的双缓冲系统。各部分描述了组成热源的特定组合的不同装置之间的相互连接和相关加工方案，该配置包括在特定装置中、在特
定位置处加入至过程中的特定流股以优化废热回收和发电的组件如热交换器。如之后描述的，可以实施不同的配置，而不改变通过不同装置实施的当前布局或过程。在之后的部分中描述的新的配置可以由废热产生约34MW至约80MW的电力，使得在石油精炼厂中的GHG排放成比例降低。在之后的部分中描述的配置证明了用于使用缓冲系统实现所需能量回收的多于一种的方式。这些配置和相关加工方案不影响未来可能的装置内能量节约主动权(例如低压
蒸汽产生)，并且可以与其整合。对于由进入ORC机器中的低级废热发电来说，这些配置和加工方案可以提供大于10％的第一定律效率。
[0047] 热交换器(换热器，heat exchanger)
[0048] 在本公开内容中描述的配置中，热交换器用于将热量从一种介质(例如，流过原油精炼设备中的装置的流股、缓冲流体或其他介质)传递至另一种介质(例如，缓冲流体或流过原油设备中的装置的不同流股)。热交换器是典型地将热量从较热的流体流股转移(交换)至相对较不热的流体流股的装置。热交换器可以用于加热和冷却应用，例如用于
冰箱、
空调或其他冷却应用。热交换器可以基于其中液体流动的方向区分彼此。例如，热交换器可以是并流、错流或逆流。在并流热交换器中，所涉及的两种流体在相同方向上移动，并排地进入和离开热交换器。在错流热交换器中，流体路径彼此垂直地行进。在逆流热交换器中，流体路径以相反方向流动，其中一种流体离开而另一种流体进入。逆流热交换器有时比其他类型的热交换器更有效。
[0049] 除了基于流体方向分类热交换器之外，热交换器还可以基于它们的构造分类。一些热交换器由多个管构成。一些热交换器包括具有用于流体在其间流动的空间的板。一些热交换器能够实现液体至液体的热交换，而一些热交换器能够实现使用其他介质的热交换。
[0050] 在原油精炼和石化设备中的热交换器通常是包括液体流过的多个管的壳管型热交换器。管分为两组-第一组容纳待加热或冷却的液体；第二组容纳负责激发热交换的液体，即通过将热量吸收和传送离开而从第一组管移出热量或者通过将其自身的热量传送至内部的液体而使第一组升温的流体。当设计此类型的交换器时，必须注意确定适当的管壁厚度以及管径，以允许最佳的热交换。就流动而言，壳管热交换器可以采取三种流路方式中的任一种。
[0051] 在原油精炼和石化设备中的热交换器还可以是板框型热交换器。板式热交换器包括其间具有通常通过
橡胶衬垫保持的少量空间的结合在一起的薄板。表面积大，并且各个矩形板的
角落以流体可以在板之间流动通过的开口为特征，随着其流动从板提取热量。流体通道本身使热和冷的液体交替，意味着热交换器可以有效地冷却以及加热流体。因为板式热交换器具有大的表面积，所以它们有时可以比壳管式热交换器更有效。
[0052] 其他类型的热交换器可以包括再生热交换器(回热式热交换器，regenerative heat exchanger)和绝热轮式热交换器。在再生热交换器中，相同的流体沿着交换器的两侧通过，所述交换器可以是板式热交换器或壳管式热交换器。因为流体可以变得非常热，所以离开的流体被用于使进入的流体升温，保持接近恒温。在再生热交换器中节省能量，因为该过程是循环的，其中几乎所有相关的热量从离开的流体转移至进入的流体。为了保持恒温，需要少量的额外能量以升高和降低整体流体温度。在绝热轮式热交换器中，中间液体被用于储存热量，该热量然后转移至热交换器的相对侧。绝热轮由旋转穿过液体(热和冷的两者)以提取或转移热量的具有
螺纹(threats)的大轮组成。本公开内容中描述的热交换器可以包括先前描述的热交换器中、其他热交换器或它们的组合中的任一种。
[0053] 在每种配置中的各个热交换器都可以与相应的热负荷(或热力负荷)相关联。热交换器的热负荷可以定义为可以由热交换器从热流股转移至冷流股的热量的量。热量的量可以由热和冷流股两者的条件和热性质计算。从热流股的角度看，热交换器的热负荷是热流股流速、热流股
比热和在至热交换器的热流股入口温度与来自热交换器的热流股出口温度之间的温度差的乘积。从冷流股的角度看，热交换器的热负荷是冷流股流速、冷流股比热和在来自热交换器的冷流股出口温度与来自热交换器的冷流股入口温度之间的温度差的乘积。在多种应用中，假定对于这些单元没有至环境的热量损失，特别地，在这些单元良好绝热的情况下，可以认为这两个量相等。可以以瓦(W)、兆瓦(MW)、百万英热单位/小时(Btu/h)或百万千卡/小时(Kcal/h)测量热交换器的热负荷。在此处描述的配置中，热交换器的热负荷作为“约X MW”提供，其中“X”表示数字热负荷值。数字热负荷值不是绝对的。即，热交换器的实际热负荷可以大致等于X、大于X或小于X。
[0054] 流动控制系统
[0055] 在之后描述的配置的每一种中，过程流股(也称作“流股”)在原油精炼设备中的各个装置内以及在原油精炼设备中的装置之间流动。可以使用在整个原油精炼设备中实施的一个或多个流动控制系统使过程流股流动。流动控制系统可以包括一个或多个用于泵送过程流股的流动泵，一个或多个过程流股流过的流动管道和一个或多个用于调节流股穿过管的流动的
阀门。
[0056] 在一些实施方式中，流动控制系统可以手动操作。例如，操作人员可以设定各个泵的流速(流率，flow rate)并且设定阀门打开或关闭位置以调节过程流股穿过流动控制系统中的管的流动。一旦操作人员已经设定分布在原油精炼设备上的所有流动控制系统的流速和阀门打开或关闭位置，流动控制系统就可以使流股在装置内或在装置之间在恒流条件如恒定体积速率或其他流动条件下流动。为了改变流动条件，操作人员可以例如通过改变泵流速或阀门打开或关闭位置来手动地操作流动控制系统，。
[0057] 在一些实施方式中，流动控制系统可以自动操作。例如，流动控制系统可以连接至
计算机系统以操作流动控制系统。计算机系统可以包括存储由一个或多个处理器可执行的指令(如流动控制指令和其他指令)的计算机可读介质以进行操作(如流动控制操作)。操作人员可以使用计算机系统来设定分布在原油精炼设备上的所有流动控制系统的流速和阀门打开或关闭位置。在这样的实施方式中，操作人员可以通过经由计算机系统提供输入而手动改变流动条件。另外，在这样的实施方式中，计算机系统可以例如使用在一个或多个装置中实施且连接至计算机系统的反馈系统自动(即，无需手动干预)控制所述流动控制系统中的一个或多个。例如，
传感器(如
压力传感器、温度传感器或其他传感器)可以连接至过程流股流过的管道。传感器可以监测并提供过程流股的流动条件(如压力、温度或其他流动条件)至计算机系统。响应于超过
阈值(如阈值压力值、阈值温度值或其他阈值)的流动条件，计算机系统可以自动进行操作。例如，如果管道中的压力或温度分别超过阈值压力值或阈值温度值，则计算机系统可以向泵提供用于降低流速的
信号，提供用于打开阀门释放压力的信号，提供用于关闭过程流股流的信号，或提供其他信号。
[0058] 图1A-1K示出了使用与原油精炼-石化联合装置石脑油区块(block)装置(石脑油加氢处理装置(NHT)、原油常压蒸馏装置、和芳烃装置)相关联的废热源明显促进无碳发电的用于电力转换网络的示例系统100的示意图。在一些实施方式中，示例系统100可以由整个原油精炼-石化全场地低-低级可用废热源的新的特定部分有效地(例如，12.3％)产生约37.5MW。
[0059] 本公开涉及关注于由工业设备中的低级废弃能量发电的系统100，并且至少涉及还在本公开中描述的用于能量效率优化的基于多联产的
气化装置智能配置以及原油精炼设备和芳烃联合装置先进能量高效配置。尤其是，本公开属于原油蒸馏石脑油加氢处理和芳烃装置的全精炼石化厂分离网络的废热回收网络的新的部分以及用于使用基础有机物兰金循环在特定运行条件下由使用的多个散布的低级能量品质过程流股的子组进行高效发电的相关详细加工方案(注意，并未示出/描述全部全精炼石化厂装置的过程，但是示出/描述了通常涉及有机物兰金循环发电的部分装置)。
[0060] 在一些实施方式中，对于在单个或多个步骤或阶段中实施来说，在各个阶段可以单独实施而不妨碍将来的阶段的情况下，可以考虑关于系统100的所描述的工艺方案。在一些实施方式中，在所描述的废热回收方案中使用的最小接近温度可以低至3℃。然而，可以在开始时以较少废热回收为代价使用较高的最小接近温度，同时使用规模设计的合理的发电经济性(在数十MW的水平上仍然是有吸引力的)并且将来在使用针对在系统设计中使用的特定流股推荐的最小接近温度时实现最佳效率。在这样的将来情况中，可以实现更多的发电，而不改变初始设计拓扑学或来自整个第一阶段研究的原油精炼-石化联合装置的所选择/使用的低级废热流股的子组(或它们的组合)。可以直接地，或者为了安全性和可操作性，通过两个缓冲流股的一个系统，如热油或高压热水系统(或二者)，或直接和间接方式的混合，以及缓冲系统之间的新的连接，实施所描述的微型电力装置配置和一个或多个相关工艺方案。在一些实施方式中，使用基础有机物兰金循环系统(ORC)并且使用异丁烷作为有机流体在特定运行条件下实施低-低级废热到电力的转换(例如，低于由DOE定义的作为232℃的低级废热温度)。
[0061] 关于系统100的描述的一个或多个配置和一个或多个相关工艺方案可以不随着在单独原油精炼-石化联合装置石脑油区块装置(例如，连续催化重整(CCR)和芳烃装置)内部的将来的能量效率改进工作或者随着装置废热回收实践(例如，热集成或装置废热回收实践的其他改进)(或二者)而改变。
[0062] 图1A示出了在原油蒸馏装置和石脑油区块中使用新型废热到电力的转换的用于在基层中级原油半转化精炼和芳烃中的无碳微型电力装置合成的示例系统100的示意图。在这个示例实施方式中，系统100使用从工作流体(例如，通常是热水，但是可以包括热油或其他流体(或它们的组合))接收废热的十个废热回收热交换器，所述工作流体从石脑油加氢处理装置(NHT)反应段、常压蒸馏装置、对二甲苯分离、和对二甲苯分离-二甲苯异构化反应和分离段定位的热交换器移除热量。在示出的示例中，系统100具有两个单独的高压水系统/热量回收回路(102和103)和一个有机物兰金循环(ORC)104。例如，热量回收回路102(第一回路)包括热交换器102a-102g并且热量回收回路103(第二回路)包括热交换器103a-
103c。ORC104包括预热器106、蒸发器108、气体膨胀机110、
冷凝器112、和泵114。
[0063] 在一般操作中，工作(或加热)流体(例如，水、油、或其他流体(或它们的组合))循环通
过热量回收回路(第一回路102和第二回路103)的热交换器。循环到热交换器中的每一个的入口中的工作流体的入口温度相同或基本上相同地受到随着加热流体流过相应入口可能产生的任何温度变化影响，所述加热流体可以从流体加热罐116或118直接循环。每个热交换器将工作流体加热至大于入口温度的相应温度。来自热交换器的经加热的工作流体在其相应热量回收回路中合并(例如，在与每个热量回收回路相关联的主集管中混合)并且循环通过ORC 104的预热器106或蒸发器108中的一个。来自经加热的工作流体的热量加热ORC 104的工作流体，从而升高工作流体压力和温度。与工作流体的热交换引起工作流体的温度的降低。然后将工作流体收集在流体加热罐116或流体加热罐118中，并且可以将其泵送回通过相应热交换器以重启废热回收循环。
[0064] 使工作流体流过系统100的热交换器的工作
流体回路可以包括多个可以手动或自动操作的阀门。例如，调节
控制阀门(作为一个示例)可以与在工作流体和热源侧上的每个热交换器的入口或出口流体连通放置。在一些方面中，调节控制阀门可以是
截止阀门或者额外的截止阀门还可以与热交换器流体连通放置。操作人员可以手动地打开在回路中的各个阀门以使工作流体流过回路。为了停止废热回收，例如，以进行修理或维护或由于其他原因，操作人员可以手动地关闭在回路中的各个阀门。备选地，可以将控制系统(例如计算机控制的控制系统)连接至在回路中的各个阀门。控制系统可以基于例如来自在回路中不同位置处安装的传感器(例如，温度、压力或其他传感器)的反馈自动地控制阀门。控制系统也可以由操作人员操作。
[0065] 以先前描述的方式，可以使工作流体环流(loop)通过热交换器，以回收否则将会在多个所描述的装置(例如，石脑油加氢处理装置、常压蒸馏装置、和其他装置)中浪费的热量，并且使用回收的废热运行发电系统。通过这样做，可以在从发电系统得到相同或基本上相似的功率输出的同时降低运行发电系统所需的能量的量。例如，来自实施废热回收网络的发电系统的功率输出可以高于或低于来自不实施废热回收网络的发电系统的功率输出。在功率输出较少的情况下，差异可以不是统计学上显著的。因此，可以提供石化精炼系统的发电效率。
[0066] 更具体地，在示出的示例中，热交换器促进从特定工业单元中的热源到工作流体的热量回收。例如，热交换器102a-102c从在对二甲苯分离单元中的热源回收热量。热交换器102d-102e从在一个或多个对二甲苯异构化反应和分离单元中的热源回收热量。热交换器102f从在石脑油加氢处理装置反应段中的一个或多个热源回收热量。热交换器102g从在常压蒸馏装置中的热源回收热量。总之，在第一回路102中的热交换器从在“石脑油区块”中的特定流股回收低级废热，以使用工作流体将热量传递至ORC104。在这个示例中，向ORC 104的集管/预热器106提供来自第一回路102的热量。
[0067] 通常，第一回路102接收(例如，从将流体加热罐116与热交换器102a-102g流体连接的入口集管)在例如约40℃至60℃之间的高压工作流体(例如，热水、热油、或其他流体(或它们的组合))，并且供给为或约为100-115℃的经加热的工作流体(例如，在与热交换器102a-102g流体连接的出口集管处)。工作流体在热交换器102a-102g中升温。热交换器
102a-102g可以沿着精炼-石化联合装置分布并且与在精炼-石化联合装置中的低级废热源流体连接。在第一热水回路102中，可以使用对二甲苯产物分离单元/装置流股，以及其他装置(例如，石脑油加氢处理装置、常压蒸馏装置、和其他装置)。
[0068] 热交换器103a-103c从在含有对二甲苯分离单元的精炼-石油化学品联合装置部分中的热源回收热量。总之，在第二回路103中的热交换器回收低级废热以使用工作流体将热量传递至ORC 104。在这个示例中，向ORC 104的蒸发器108提供来自第二回路103的热量。
[0069] 第二回路103还可以使用对二甲苯产物分离单元/装置流股。在一些实施方式中，第二回路103还可以使用其他装置(例如，石脑油加氢处理装置、常压蒸馏装置、和其他装置)。第二回路103通常接收(例如，从将流体加热罐118与热交换器103a-103c流体连接的入口集管)在例如约100℃至110℃之间的高压工作流体(例如，热水、热油、或其他流体(或它们的组合))，并且供给为或约为120-160℃的经加热的流体(例如，在与热交换器103a-103c流体连接的出口集管处)。工作流体在热交换器103a-103c中升温。热交换器103a-103c可以沿着精炼-石化联合装置分布并且与在仅使用对二甲苯产物分离单元/装置流股的精炼-石化联合装置中的低级废热源流体连接。
[0070] 在系统100的示例实施方式中，ORC 104包括与热量回收回路102和103热连接以加热工作流体的工作流体。在一些实施方式中，工作流体可以是异丁烷(未示出异丁烷储罐)。ORC 104还可以包括被配置成由经加热的工作流体产生电力的气体膨胀机110(例如，汽轮发电机)。如在图1A中所示，ORC 104可以另外包括预热器106、蒸发器108、泵114、和冷凝器
112。在这个示例实施方式中，第一回路102向预热器106供给加热(heated)流体、加热(heating)流体或工作流体，而第二回路103向蒸发器108供给加热(heated)流体、加热(heating)流体或工作流体。
[0071] 在典型的实施方式中，ORC 104使用两组热交换器以首先将ORC液体预热并且其次将工作流体(例如，高压异丁烷液体)蒸发，之后与ORC 104系统的气体涡轮机(例如，气体膨胀机110)的入口流体连接。使用由七个热交换器(102a-102g)组成的第一回路102(较低温度回路)将工作流体预热，而使用由三个热交换器(103a-103c)组成的第二回路(较高温度回路)将工作流体蒸发。
[0072] 在示出的示例中，在第一回路102中，七个示出的热交换器102a-102g位于由石脑油加氢处理(NHT)装置、CCR装置、和芳烃装置组成的在精炼-石化行业中被称为“石脑油区块”的那些中。热交换器102a-102c位于对二甲苯分离单元中。这些热交换器通常分别具有约13.97MW；5.16MW；和7.32MW的热负荷。热交换器102d和102e位于对二甲苯异构化反应和分离单元中。这两个热交换器分别具有约15.63MW和21.02MW的热负荷。热交换器102f位于石脑油加氢处理装置中并且其具有约27.12MW的热负荷。热交换器102g位于原油蒸馏装置中并且具有约56.8MW的热负荷。七个热交换器位于由石脑油加氢处理(NHT)装置和芳烃装置组成的在精炼-石化行业中被称为“石脑油区块”的那些中。在一些实施方式中，仅在热交换器102g位于通常接近石脑油加氢处理装置的原油蒸馏装置中时在芳烃联合装置和石脑油加氢处理装置中考虑石脑油区块的部分。
[0073] 在典型的实施方式中，热交换器102a-102g从在“石脑油区块”中的特定流股回收约147MW的低级废热，以将其传递回到工作流体(例如，异丁烷液体)以将其在ORC 104系统中预热，在一些实施方式中从约31℃预热至其在20巴下的约100℃的蒸发温度。
[0074] 在示出的示例中，在第二回路103中，三个示出的热交换器103a-103c位于含有具有低级废热的特定对二甲苯分离单元流股的被称为“石脑油区块”部分的那些中。在典型的实施方式中，热交换器103a-103c分别具有约33MW；91.1MW和32.46MW的热负荷。
[0075] 在一些实施方式中，假定效率是约85％，在气体涡轮机(例如，气体膨胀机110)中产生的电力是约37.5MW，并且使用约75％的假定的效率，在泵114中消耗的电力是约2.9MW。在涡轮机的入口处的ORC 104高压是约20巴并且在出口处是约4.3巴。
冷却水供应温度据推测是20℃并且返回温度据推测是30℃。蒸发器108热负荷是约157MW以蒸发约745Kg/s的异丁烷。ORC 104异丁烷预热器106热负荷是约147MW以将异丁烷从约31℃加热至99℃。冷凝器
112冷却负荷是269MW以将相同流量的异丁烷从约52℃冷却并且冷凝至30℃。
[0076] 图1B是示出石脑油加氢处理(NHT)装置废热回收网络热交换器102f的示意图。热交换器102f使用在50℃的高压第一回路102工作流体流股将在分离器之前的加氢处理装置/反应器产物出口从111℃冷却至59℃，以将工作流体流股温度升高至106℃。热交换器102f的热负荷是约27.1MW。在106℃的工作流体流股被送到第一回路集管106。
[0077] 图1C是示出常压蒸馏装置废热回收网络热交换器102g的示意图。热交换器102g使用在50℃的高压第一回路102工作流体流股将常压原油塔塔顶流股从97℃冷却至60℃，以将工作流体流股温度升高至92℃。热交换器102g的热负荷是约56.8MW。在92℃的工作流体流股被送到第一回路集管106。
[0078] 图1D是示出热交换器102d在对二甲苯分离装置中的示例放置的示意图。在示例实施方式中，热交换器102d使用在50℃的第一回路102的工作流体流股将在分离器罐之前的二甲苯异构化反应器出口流股从114℃冷却至60℃，以将工作流体流股温度升高至109℃。热交换器102d的热负荷是约15.6MW。在109℃的工作流体被送到第一回路102的集管。
[0079] 图1E是示出热交换器102e在对二甲苯分离装置的二甲苯异构化脱庚烷器中的示例放置的示意图。在示例实施方式中，热交换器102e使用在50℃的第一回路102的工作流体流股将脱庚烷器塔顶流股从112℃冷却至60℃，以将工作流体流股温度升高至107℃。热交换器102e的热负荷是约21MW。在107℃的工作流体被送到第一回路102的集管。
[0080] 图1F是示出热交换器103a在对二甲苯分离装置中的示例放置的示意图。在示例实施方式中，热交换器103a使用在105℃的第二回路103的工作流体流股将提取塔塔顶流股从156℃冷却至133℃，以将工作流体流股温度升高至151℃。热交换器103a的热负荷是约
33MW。在151℃的工作流体被送到第二回路103的集管。
[0081] 图1G是示出热交换器102b在对二甲苯分离装置中的示例放置的示意图。在示例实施方式中，热交换器102b使用在50℃的第一回路102的工作流体流股将PX纯化塔塔底产物流股从155℃冷却至60℃，以将工作流体流股温度升高至150℃。热交换器102b的热负荷是约5.16MW。在150℃的工作流体被送到第一回路102的集管。
[0082] 图1H是示出热交换器102a在对二甲苯分离装置中的示例放置的示意图。在示例实施方式中，热交换器102a使用在50℃的第一回路102的工作流体流股将PX纯化塔塔顶流股从127℃冷却至84℃，以将工作流体流股温度升高至122℃。这个热交换器102a的热负荷是约13.97MW。在122℃的工作流体被送到第一回路102的集管。
[0083] 图1I是示出热交换器103b在对二甲苯分离装置中的示例放置的示意图。在示例实施方式中，热交换器103b使用在105℃的第二回路103的工作流体流股将提余液塔塔顶流股从162℃冷却至130℃，以将工作流体流股温度升高至157℃。热交换器103b的热负荷是约91.1MW。在157℃的工作流体被送到第二回路103的集管。
[0084] 图1J是示出热交换器102c和103c在对二甲苯分离装置中的示例放置的示意图。在示例实施方式中，热交换器102c和103c分别具有7.23MW和32.46MW的热负荷。热交换器102c使用在50℃的第一回路102的工作流体流股将在储罐之前的C9+芳烃从169℃冷却至60℃，以将所述工作流体温度升高至164℃。在164℃的工作流体流股被送到在约103℃的第一回路102的集管，以使ORC 104异丁烷预热器106从约30℃到约99℃。热交换器103c使用在105℃的第二回路103的工作流体流股将重质提余液分离塔塔顶流股从126℃冷却至113℃，以将所述工作流体温度升高至121℃。在121℃的工作流体流股被送到第二回路103的集管。
[0085] 如先前描述的，图1K示出了系统100的具体示例，包括示例温度、热负荷、效率、功率输入、和功率输出。例如，如在图1K中示出的，芳烃模块产生约37.5MW的功率输出(利用使用85％的效率的气体涡轮机110)并且在使用75％的效率的泵中消耗的电力是约2.9MW。在涡轮机的入口处的ORC 104高压是约20巴并且在出口处是约4.3巴。冷凝器112水供应温度据推测是20℃并且返回温度据推测是30℃。蒸发器108热负荷是约157MW以蒸发约745Kg/s的异丁烷。ORC 104异丁烷预热器106热负荷是约147MW以将异丁烷从约31℃加热至99℃。冷凝器112冷却负荷是269MW以将相同流量的异丁烷从约52℃冷却并且冷凝至30℃。
[0086] 图1L是示出在系统100运行期间在冷凝器112中的管侧流体温度(例如，冷却或冷凝器流体流)和壳侧流体温度(例如，ORC工作流体流)的图表。此图表示出了相对于在x轴上的流体之间的热流的在y轴上的流体之间的温度差。例如，如此图中所示，随着流体之间的温度差减小，流体之间的热流可以增加。在一些方面中，冷却流体介质可以处于或约为20℃，或甚至更高。在这样的情况中，气体膨胀机出口压力(例如，离开气体膨胀机的ORC工作流体的压力)可以足够高，以允许ORC工作流体在可用的冷却流体温度下冷凝。如在图1L中所示，冷凝器水(进入冷凝器112的管)在约20℃下进入并且在约30℃下离开。ORC工作流体(进入冷凝器的壳侧)在约52℃下作为蒸气进入，然后在30℃下冷凝并且在30℃下作为液体离开冷凝器。
[0087] 图1M是示出在系统100运行期间在预热器106中的管侧流体温度(例如，加热流体流)和壳侧流体温度(例如，ORC工作流体流)的图表。此图表示出了相对于在x轴上的流体之间的热流的在y轴上的流体之间的温度差。例如，如此图中所示，随着流体之间的温度差减小，流体之间的热流可以增加。此图表示出了相对于在x轴上的流体之间的热流的在y轴上的流体之间的温度差。例如，如图1M中所示，随着管侧流体(例如，在加热流体回路102中的热油或水)循环通过预热器106，热量从该流体转移至壳侧流体(例如，ORC工作流体)。因此，管侧流体在约103℃下进入预热器106并且在约50℃下离开预热器106。壳侧流体在约30℃下(例如，作为液体)进入预热器106并且在约99℃下(例如，也作为液体或混合相流体)离开预热器106。
[0088] 图1N是示出在系统100运行期间在蒸发器108中的管侧流体温度(例如，加热流体流)和壳侧流体温度(例如，ORC工作流体流)的图表。此图表示出了相对于在x轴上的流体之间的热流的在y轴上的流体之间的温度差。例如，如此图中所示，随着流体之间的温度差增加，流体之间的热流可以增加。例如，如图1N中所示，随着管侧流体(例如，在加热流体回路103中的热油或水)循环通过蒸发器108循环，热量从该流体转移至壳侧流体(例如，ORC工作流体)。因此，管侧流体在约141℃下进入蒸发器108并且在约105℃下离开蒸发器108。壳侧流体在约99℃下(例如，作为液体或混合相流体)从预热器106进入蒸发器108并且也在约99℃下(例如，作为其中一些过热的蒸气)离开蒸发器108。
[0089] 所公开的主题至少在以下方面有益：其允许中等水平原油半转化精炼-石化联合装置通过将在其“石脑油区块”中的其低-低级废热转换为净发电(例如，约34.55MW)以用于局部应用或输出至全国电网而变得明显更能量高效，同时这样的加工方案由于在方案中包括多于一个装置而以所需的可操作性允许基于发电的GHG排放的降低，加工方案允许在各个阶段中实现发电和基于发电的GHG降低，在不改变“石脑油区块”装置热交换器网络流股的匹配内部的情况下实现发电和基于发电的GHG降低，允许针对通常在原油精炼-石油化学品联合装置中位于一起的“石脑油区块”装置实现发电和基于发电的GHG降低，允许在不考虑在“石脑油区块”的单独装置内部的将来的能量节约的情况下实现发电和基于发电的GHG降低，并且由于在方案中包括多于一个装置而以所需的可操作性允许基于发电的GHG排放的降低，同时保持初始冷却单元。
[0090] 可以在两种示例情况中的至少一种或两者中实施以上描述的回收由石化精炼系统产生的
热能的技术。在第一种情况中，可以在待建造的石化精炼系统中实施所述技术。例如，可以确定用于布置石化精炼系统的多个子单元的地理布局。地理布局可以包括将要放置相应子单元的多个子单元位置。确定地理布局可以包括：基于特定技术数据，例如石油化学品从原油开始穿过子单元并且得到精炼石油的流动，主动确定或计算在石化精炼系统中的各个子单元的位置。确定地理布局可以备选地或另外地包括从多个之前生成的地理布局中选择布局。可以确定石化精炼系统的子单元的第一子组。第一子组可以包括至少两个(或多于两个)可从其中回收热能以产生电力的热产生子单元。在地理布局中，可以确定多个子单元位置的第二子组。第二子组包括将要放置在第一子组中的相应子单元的至少两个子单元位置。确定用于从在第一子组中的子单元回收热能的发电系统。发电系统可以基本上类似于先前描述的发电系统。在地理布局中，可以确定发电系统位置以放置发电系统。在所确定的发电系统位置处，热能回收效率大于在地理布局中的其他位置处的热能回收效率。石化精炼系统规划者和建造者可以进行建模和/或基于计算机的模拟实验来确定发电系统的最佳位置，从而使热能回收效率最大化，例如通过当将从至少两个热产生子单元回收的热能输送至发电系统时使热量损失最小化。石化精炼系统可以根据地理布局通过以下方式建造：将多个子单元放置在多个子单元位置，将发电系统放置在发电系统位置，使多个子单元彼此相互连接以使得相互连接的多个子单元被配置成精炼石油化学品，和使发电系统与在第一子组中的子单元相互连接以使得发电系统被配置成从在第一子组中的子单元回收热能并且向发电系统提供回收的热能。发电系统被配置成使用回收的热能发电。
[0091] 在第二种情况中，可以在运行的石化精炼系统中实施所述技术。换句话说，可以将先前描述的发电系统改造至已经建造并且运行的石化精炼系统。
[0092] 因此，已经描述了所述主题的特定实施方式。其他实施方式在所附权利要求的范围内。
