BR112020010611B1 - Aparelho para a geração de energia elétrica e processo para a geração de energia elétrica - Google Patents

Abstract

A presente invenção refere-se a um aparelho (1) para a geração de energia elétrica e para a vaporização de um gás criogenicamente liquefeito, o dito dispositivo compreendendo um conduto (2) para o gás criogenicamente liquefeito, uma bomba (3) disposta no conduto (2), um motor térmico (4), e um sistema de recuperação de calor residual (5) a jusante do motor térmico (4), sendo que um conduto de ramificação (18) se ramifica a partir do conduto (2) e o conduto de ramificação (18) se conduz para dentro do motor térmico (4), e sendo que o aparelho (1) tem ainda um circuito de fluido (6) no qual os seguintes componentes são sucessivamente dispostos na direção de fluxo do fluido: - um primeiro trocador de calor (7) que é também conectado na direção de fluxo do gás criogenicamente liquefeito pela bomba (3) para ao conduto (2); - um compressor (8); - um segundo trocador de calor (9); - em paralelo um ao outro, um terceiro trocador de calor (10) com um primeiro lado (11), o sistema de recuperação de calor residual (5); - uma máquina de despressurização (13) com um gerador acoplado (14); e - o terceiro trocador de calor (10) com um segundo lado (12). A presente invenção também se refere a um correspondente método para a geração da energia elétrica e para a vaporização de um gás criogenicamente liquefeito.

Description

[0001] A presente invenção refere-se a um aparelho para a geração não onerosa de energia elétrica e para a vaporização de um gás liquefeito de baixa temperatura, por exemplo, um gás natural (LNG = gás natural liquefeito), como também a um processo correspondente.

[0002] Depois de ser extraído, um gás natural é normalmente transportado através de tubulações para apropriados terminais de um orifício. Nesse caso, o gás é armazenado, tratado e finalmente liquefeito por alta compressão e refrigeração (abaixo de -162° C) para transporte por distâncias mais longas em apropriados navios de especialidades. Após o transporte, o gás natural liquefeito é regaseificado antes da sua introdução em uma rede de gás. O gás natural líquido, nesse caso, é tipicamente vaporizado pelo calor ambiente (ar / água do mar) ou pelo calor químico. A Publicação de Patente dos Estados Unidos No 2009/0211263 A1 apresenta, por exemplo, um aparelho e um processo no qual uma corrente de gás natural líquido é vaporizada.

[0003] Como uma alternativa, foram desenvolvidos conceitos que tinham o objetivo de utilizar a energia do gás de baixa temperatura por meio de ciclos Rankine orgânicos (ORC) em cascata.

[0004] Vem a ser um objeto da presente invenção prover um processo de vaporização que seja energeticamente favorável e comparativamente barato para um gás liquefeito de baixa temperatura. Um outro objeto da presente invenção é prover um aparelho correspondentemente aperfeiçoado.

[0005] A presente invenção chega ao objeto relacionado a um aparelho por meio da provisão de um aparelho do tipo acima mencionado para a geração de energia elétrica e para a vaporização de um gás liquefeito de baixa temperatura compreendendo um conduto para o gás liquefeito de baixa temperatura, uma bomba disposta no conduto, um motor térmico e um sistema de utilização de calor residual localizado a jusante do motor térmico, para um conduto ramificado de modo a se ramificar a partir do conduto e para o conduto de ramificação de modo a se abrir para dentro do motor térmico, sendo que o aparelho compreende ainda um circuito de fluido no qual os seguintes componentes são dispostos em sucessão na direção de fluxo do fluido:

[0006] - um primeiro trocador de calor que é instalado no conduto ainda mais na direção de fluxo do gás liquefeito de baixa temperatura a jusante da bomba,

[0007] - um compressor,

[0008] - um segundo trocador de calor,

[0009] - em paralelo, um primeiro lado de um terceiro trocador de calor e o sistema de utilização de calor residual,

[0010] - uma máquina de expansão com um gerador acoplado, e

[0011] - um segundo lado do terceiro trocador de calor.

[0012] Um gás liquefeito de baixa temperatura significa que o gás foi liquefeito por meio de resfriamento. As temperaturas no caso dos gases relevantes para a presente invenção são da ordem de -140°C ou abaixo. O acoplamento do meio de vaporização do gás liquefeito de baixa temperatura a outros processes e, em particular, a integração de um calor otimizado do sistema como um todo fazem com que se torne possível a obtenção de uma utilização máxima do gás de baixa temperatura para a geração de energia elétrica com altos níveis de eficiência.

[0013] O circuito de fluido deve ser operado como um processo de pressão única a fim de otimizar a eficiência do aparelho. Isso irá requerer não apenas que uma temperatura em particular, mas também uma correspondente pressão seja provida pelo compressor.

[0014] No segundo trocador de calor, o fluido é aquecido por meio do calor ambiente. Quando uma turbina a gás é usada como um motor térmico, uma possível aplicação será a refrigeração do ar de admissão da turbina a gás, o que resultará em um aumento da potência da turbina a gás. No entanto, outras fontes de calor poderão também ser usadas, tais como, por exemplo, uma água de refrigeração aquecida, a água do mar ou o ar ambiente.

[0015] O calor é habilmente movimentado no interior do circuito de fluido por meio do terceiro trocador de calor.

[0016] Na máquina de expansão, por exemplo, uma turbina, o fluido que é aquecido no sistema de utilização de calor residual poderá ser expandido de modo a prover trabalho. Um gerador é opcionalmente acoplado à máquina de expansão.

[0017] De acordo com uma modalidade vantajosa da presente invenção, um primeiro lado de um quarto trocador de calor é disposto em paralelo ao primeiro lado do terceiro trocador de calor e a montante na direção de fluxo do fluido do sistema de utilização de calor residual no circuito de fluido. Um segundo lado desse quarto trocador de calor é ainda disposto a jusante na direção de fluxo do fluido do segundo lado do terceiro trocador de calor no circuito de fluido. A fim de evitar problemas de corrosão na extremidade fria do sistema de utilização de calor residual, o fluido alimentado para o sistema de utilização de calor residual deve apresentar uma temperatura não abaixo de um valor em particular. Isso será garantido por meio de um pré-aquecimento por parte do quarto trocador de calor. De outra maneira, a omissão do quarto trocador de calor e a realização de um reparo comparativamente precoce da parte fria do sistema de utilização de calor residual poderão também trazer uma melhor utilização do calor residual no sistema de utilização de calor residual.

[0018] De acordo com uma outra modalidade vantajosa da presente invenção, um quinto trocador de calor é disposto no conduto ramificado e no circuito de fluido a montante do segundo lado do terceiro trocador de calor a fim de pré-aquecer o combustível para combustão dentro do motor térmico. O pré-aquecimento do combustível aumenta o calor sensível do combustível e reduz a quantidade de combustível requerido.

[0019] Vem a ser vantajoso que um sexto trocador de calor seja disposto no conduto antes de um ponto de ramificação do conduto de ramificação. Esse sexto trocador de calor é concebido no sentido de utilizar o calor do ambiente a fim de aquecer o gás regaseificado mais ainda. Nesse caso, é útil que isso não ocorra a jusante da ramificação, mas sim a montante, de modo que menos calor tenha de ser tomada do sistema, ou seja, o circuito de fluido, a fim de chegar a um desejado nível de temperatura no presente pré-aquecimento de um gás combustível no quinto trocador de calor.

[0020] O aparelho reivindicado é capaz de ser utilizado com relação a vários gases liquefeitos de baixa temperatura. No entanto, vem a ser vantajoso que o gás liquefeito de baixa temperatura seja um gás natural, não somente por causa da sua utilidade no motor térmico, mas também com relação à escolha do fluido do circuito de fluido e à eficiência de uma planta de gás como um todo. Uma alternativa ao gás natural é, por exemplo, hidrogênio.

[0021] Nesse contexto, vem a ser particularmente vantajoso que o circuito de fluido seja um circuito de nitrogênio. O uso de nitrogênio é vantajoso pelo menos em função de suas propriedades inertes. No entanto, é de importância que o nitrogênio, que tem um ponto crítico de -147° C / 34,68 kgf/cm2 (34 bares), se torne notavelmente adequado para uma troca de calor supercrítica com o gás LNG. O estado supercrítico impede a formação de um platô de condensação isotérmica. As perdas de energia na transferência de calor são, portanto, minimizadas. Além disso, a temperatura de solidificação de -210° C fica significativamente abaixo da temperatura de gás LNG de -162° C, de modo que o congelamento do fluido não seja possível.

[0022] O objeto relacionado a um processo é obtido por meio de um processo para a geração de energia elétrica e para a vaporização de um gás liquefeito de baixa temperatura, no qual um gás liquefeito de baixa temperatura é comprimido e aquecido e vaporizado por meio de uma corrente de fluido em um primeiro trocador de calor, a corrente de fluido sendo circulante, sendo que a mesma é comprimida a jusante do primeiro trocador de calor, absorvendo calor em um segundo trocador de calor, a mesma sendo dividida em uma primeira corrente parcial e em uma segunda corrente parcial, sendo que a primeira corrente parcial é aquecida pelo menos em um sistema de utilização de calor residual por meio dos gases de exaustão de um motor térmico, e que a segunda corrente parcial é aquecida em um terceiro trocador de calor, e que a primeira corrente parcial e a segunda corrente parcial são mais uma vez combinadas, sendo que o fluido combinado é despressurizado, em seguida, aquecendo a segunda corrente parcial no terceiro trocador de calor antes de o mesmo aquecer o gás liquefeito de baixa temperatura no primeiro trocador de calor.

[0023] Vem a ser vantajoso que a primeira corrente parcial, antes de a mesma ser aquecida no sistema de utilização de calor residual, seja aquecida pelo fluido em um quarto trocador de calor depois de o fluido ter aquecido a segunda corrente parcial no terceiro trocador de calor. A disposição em série dos segundos lados do terceiro e quarto trocadores de calor é vantajosa em comparação com o pré-aquecimento em conjunto da corrente de fluido como um todo, uma vez que a primeira corrente parcial será, em qualquer caso, submetida a um aquecimento comparativamente forte no sistema de utilização de calor residual e um “pré-aquecimento” excessivo do fluido terá um efeito adverso geral sobre a eficiência de uma planta de gás como um todo, quando uma quantidade comparativamente grande de calor teria de ser liberada não utilizada para o ambiente em função de uma temperatura de entrada comparativamente alta do fluido na região de entrada no sistema de utilização de calor residual.

[0024] Vem a ser ainda vantajoso que o gás liquefeito de baixa temperatura anteriormente citado seja alimentado pelo menos parcialmente para uma rede de gás e parcialmente para o motor térmico.

[0025] Vem a ser também vantajoso que o gás liquefeito de baixa temperatura anteriormente citado que é alimentado para o motor térmico seja pré-aquecido pelo fluido de um quinto trocador de calor para combustão antes de o mesmo aquecer a segunda corrente parcial no terceiro trocador de calor.

[0026] Vem a ser vantajoso que o nitrogênio seja usado como fluido no circuito de fluido.

[0027] Nesse caso, vem a ser particularmente vantajoso que o circuito de fluido seja um circuito a ser operado em condições supercríticas. De acordo com o estado supercrítico, o calor da vaporização não mais desempenhe nenhuma função, o que terá um efeito positivo no que diz respeito a uma eficiente transferência de calor.

[0028] Um gás natural liquefeito será, com vantagem, usado como um gás liquefeito de baixa temperatura.

[0029] De acordo com a presente invenção, o processo de regaseificação (de preferência de um gás LNG) como também o processo de circulação (de preferência do nitrogênio) são operados como um processo de pressão única, em cada caso, por toda uma faixa de pressão supercrítica para uma ótima troca de calor. Isso fará com que seja possível deixar todo o calor dos gases de exaustão introduzido no processo pelo gás de exaustão da turbina a gás no sistema, desta maneira otimizando a eficiência do processo.

[0030] Além disso, o conceito da presente invenção permite, de uma maneira preferida, que o gás LNG seja ajustado a um desejado nível de pressão e temperatura no ponto terminal da rede de gás.

[0031] Além disso, o desenho do circuito de fluido é otimizado no que diz respeito aos requisitos dos subsistemas (por exemplo, tanto uma temperatura final do gás LNG como também uma temperatura mínima de nitrogênio na entrada do sistema de utilização de calor residual a jusante da turbina a gás se tornam possíveis em função da troca de calor interna).

[0032] A combinação ideal dos sistemas e a ótima seleção dos parâmetros de processo fazem com que se torne possível, por exemplo, obter eficiências de conversão de gás LNG para eletricidade de 61 a 64 %. Desta maneira, um nível considerado não previsível dentro dos cincos anos seguintes com o uso de uma tecnologia GUD convencional é obtido.

[0033] Outras vantagens são que:

[0034] - todos os parâmetros de processo podem ser realizados usando os componentes que já se encontram disponíveis no presente,

[0035] - a estação de energia não requer nenhuma água para o seu funcionamento,

[0036] - uma estrutura simples de processo permite uma simples regulação (por exemplo, apenas um estágio de pressão no processo de nitrogênio ao invés de uma pluralidade),

[0037] - o processo é amigável ao meio ambiente, uma vez que, em comparação com os anteriores processos de regaseificação, um meio potencialmente danoso ao ambiente, tal como glicol, não se encontra presente,

[0038] - o aparelho e o processo são muito baratos, uma vez que nenhum outro componente adicional se torna necessário além do gás LNG, e

[0039] - o desempenho do projeto é independente da pressão do sistema de gás LNG.

[0040] A presente invenção será ilustrada em mais detalhe, a título de exemplo, com o auxílio do desenho. De acordo com o desenho esquemático não traçado em escala:

[0041] - a Figura 1 mostra um aparelho para a geração de energia elétrica e para a vaporização de um gás natural liquefeito de acordo com a presente invenção.

[0042] A Figura 1 mostra esquematicamente, a título de exemplo, um aparelho 1 de acordo com a presente invenção. O aparelho compreende um conduto 2 para o gás liquefeito de baixa temperatura, por exemplo, um gás natural, e uma bomba 3 disposta no conduto 2. Além disso, o aparelho 1 de acordo com a Figura 1 compreende uma turbina a gás como um motor térmico 4 e também um sistema de utilização de calor residual 5 similar a um gerador de vapor de calor residual, tal como conhecido nas plantas de turbina a gás e vapor, localizado a jusante do motor térmico 4. No entanto, a presente invenção não provê um circuito de vapor de água.

[0043] O circuito de fluido 6 pode ser, por exemplo, um circuito de nitrogênio e, no exemplo de trabalho da Figura 1, compreende os seguintes componentes em sucessão na direção de fluxo do fluido:

[0044] - um primeiro trocador de calor 7 que é instalado no conduto 2 ainda mais na direção de fluxo do gás liquefeito de baixa temperatura a jusante da bomba 3; no primeiro trocador de calor 7, por exemplo, o calor é transferido pelo nitrogênio para o gás natural liquefeito, resultando no aquecimento e vaporização do gás natural liquefeito,

[0045] - um compressor 8 por meio do qual o fluido / o nitrogênio poderá ser colocado em uma faixa de pressão supercrítica para uma ótima troca de calor,

[0046] - um segundo trocador de calor 9 no qual o calor ambiente (por exemplo, de uma unidade de refrigeração de ar de admissão de turbina a gás, de água do mar, de ar ambiente, de água de refrigeração aquecida) é utilizado para o aquecimento do fluido,

[0047] - em paralelo, um primeiro lado 11 de um terceiro trocador de calor 10 em uma segunda corrente parcial 23 e um primeiro lado 16 de um quarto trocador de calor 15 e o sistema de utilização de calor residual 5 em uma primeira corrente parcial 22 do fluido,

[0048] - uma turbina como uma máquina de expansão 13 com um gerador acoplado 14,

[0049] - um quinto trocador de calor 19 para o pré-aquecimento de um combustível,

[0050] - um segundo lado 12 do terceiro trocador de calor 10 e

[0051] - um segundo lado 17 do quarto trocador de calor 15.

[0052] De acordo com o exemplo de trabalho da Figura 1, uma parte do gás natural despressurizado é alimentada para uma rede de gás 24 e uma outra parte é alimentada para a turbina a gás (o motor térmico 4). Para esse fim, um conduto de ramificação 18 se ramifica a partir do conduto 2 no ponto de ramificação 21. O conduto de ramificação 18 se abre para dentro da turbina a gás (o motor térmico 4). A fim de pré- aquecer um combustível, o quinto trocador de calor 19 é, tal como acima indicado, instalado no conduto de ramificação 18 e no circuito de fluido 6 (= circuito de nitrogênio).

[0053] De acordo com o exemplo de trabalho da Figura 1, um sexto trocador de calor 20 é igualmente disposto no conduto 2 a montante de um ponto de ramificação 21 do conduto de ramificação 18.

[0054] A turbina 13 na qual nitrogênio é expandido no exemplo de trabalho da Figura 1 apresenta vazamentos. Esses vazamentos poderão ser pelo menos parcialmente extraídos 25 e, em seguida, recirculados para o circuito de fluido 6. De modo geral, é feita uma introdução 26 de nitrogênio no circuito de fluido 6.

Claims (13)

1. Aparelho (1) para a geração de energia elétrica e para a vaporização de um gás liquefeito de baixa temperatura, compreendendo um conduto (2) para o gás liquefeito de baixa temperatura, uma bomba (3) disposta no conduto (2), um motor térmico (4) e também um sistema de utilização de calor residual (5) localizado a jusante do motor térmico (4), o aparelho sendo caracterizado pelo fato de que um conduto de ramificação (18) se ramifica a partir do conduto (2) e o conduto de ramificação (18) se abre para dentro do motor térmico (4) e o aparelho (1) compreende ainda um circuito de fluido (6) no qual os seguintes componentes são dispostos em sucessão na direção de fluxo do fluido: - um primeiro trocador de calor (7) que é instalado no conduto (2) ainda mais longe na direção de fluxo do gás liquefeito de baixa temperatura a jusante da bomba (3), - um compressor (8), - um segundo trocador de calor (9), - em paralelo, um primeiro lado (11) de um terceiro trocador de calor (10) e o sistema de utilização de calor residual (5), - uma máquina de expansão (13) com gerador acoplado (14) e - um segundo lado (12) do terceiro trocador de calor (10).

2. Aparelho (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um primeiro lado (16) de um quarto trocador de calor (15) é disposto em paralelo ao primeiro lado (11) do terceiro trocador de calor (10) e a montante na direção de fluxo do fluido do sistema de utilização de calor residual (5) no circuito de fluido (6), e pelo fato de que um segundo lado (17) do quarto trocador de calor (15) é disposto a jusante na direção de fluxo do fluido do segundo lado (12) do terceiro trocador de calor (10) no circuito de fluido (6).

3. Aparelho (1), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que um quinto trocador de calor (19) é disposto no conduto de ramificação (18) e no circuito de fluido (6) a montante do segundo lado (12) do terceiro trocador de calor (10).

4. Aparelho (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que um sexto trocador de calor (20) é disposto no conduto (2) a montante de um ponto de ramificação (21) do conduto de ramificação (18).

5. Aparelho (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o gás liquefeito de baixa temperatura é um gás natural.

6. Aparelho (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o circuito de fluido (6) é um circuito de nitrogênio.

7. Processo para a geração de energia elétrica e para a vaporização de um gás liquefeito de baixa temperatura, no qual um gás liquefeito de baixa temperatura é comprimido e, em um primeiro trocador de calor (7), é aquecido e vaporizado com uma corrente de fluido, o processo sendo caracterizado pelo fato de que a corrente de fluido é conduzida no circuito, sendo que ela é comprimida a jusante do primeiro trocador de calor (7), absorve calor em um segundo trocador de calor (9), é dividida em uma primeira corrente parcial (22) e em uma segunda corrente parcial (23), sendo que a primeira corrente parcial (22) é aquecida pelo menos em um sistema de utilização de calor residual (5) com gases de exaustão de um motor térmico (4) e a segunda corrente parcial (23) é aquecida em um terceiro trocador de calor (10) e a primeira corrente parcial (22) e a segunda corrente parcial (23) são combinadas novamente, o fluido combinado é despressurizado e, em seguida, aquece a segunda corrente parcial (23) no terceiro trocador de calor (10) antes de o mesmo aquecer o gás liquefeito de baixa temperatura no primeiro trocador de calor (7).

8. Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a primeira corrente parcial (22), antes de a mesma ser aquecida no sistema de utilização de calor residual (5), é aquecida pelo fluido em um quarto trocador de calor (15) depois de o fluido ter aquecido a segunda corrente parcial (23) no terceiro trocador de calor (10).

9. Processo, de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que o gás liquefeito de baixa temperatura anteriormente citado é alimentado pelo menos parcialmente para uma rede de gás (24) e parcialmente para o motor térmico (4).

10. Processo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o gás liquefeito de baixa temperatura anteriormente citado alimentado para o motor térmico (4) é pré-aquecido pelo fluido de um quinto trocador de calor (19) para combustão antes de o mesmo aquecer a segunda corrente parcial (23) no terceiro trocador de calor (10).

11. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 10, caracterizado pelo fato de que nitrogênio é usado como fluido no circuito de fluido (6).

12. Processo, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o circuito de fluido (6) é operado em condições supercríticas.

13. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 12, caracterizado pelo fato de que um gás natural liquefeito é usado como um gás liquefeito de baixa temperatura.