Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verdampfung und Erwärmung von verflüssigtem Erdgas.
Bekanntlich braucht man einen energetischen Aufwand, wenn man Gas verflüssigen will. Es ist ausserdem bekannt, dass man Erdgas am Gewinnungsort für den Transport verflüssigt. Am Verwendungsort wird dieses Gas bekanntlich in die dampfförmige Phase übergeführt und weiteren Verbrauchern zugeleitet. Normalerweise wird dieses verflüssigte Gas am Bestimmungsort in einem Wärmeaustauscher durch Zuführung von Wärme verdampft und erwärmt auf nahezu Umgebungstemperatur. Als Heizmittel dient hierbei üblicherweise z.B.
Meerwasser, Flusswasser oder Luft. Hierbei wird von der Energie, die in der Kälteanlage zur Verflüssigung des Erdgases erforderlich ist, nichts zurückgewonnen. Demgegenüber hat es sich die Erfindung zum Ziel gesetzt, die für die Verflüssigung des Erdgases erforderliche Energie zurückzugewinnen, selbstverständlich abzüglich der unvermeidlichen Verluste.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung darin, dass die zur Verdampfung und Erwärmung benötigte thermische Energie dem expandierten Arbeitsmittel einer geschlossenen Gasturbinenanlage durch Wärmeaustausch entzogen wird.
Aufgrund der Erfindung ist es möglich, den Kälteinhalt des verflüssigten Erdgases bei seiner Verdampfung und Erwärmung nutzbringend einzusetzen. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die bei der Verflüssigung des Erdgases aufgebrachte Energie teilweise zurückgewonnen wird, womit erreicht wird, dass der Wirkungsgrad einer üblicherweise ausgebildeten und eingesetzten Gasturbinenanlage wesentlich gesteigert wird. Üblicherweise arbeitet eine Gasturbinenanlage zwischen zwei extremen Temperaturen.
Die obere extreme Temperatur ist die Eintrittstemperatur in die Turbine und die untere extreme Temperatur ist die Eintrittstemperatur des Arbeitsmittels in den bzw. die Verdichter der Gasturbinenanlage. Diese untere Temperatur ist bei den üblicherweise eingesetzten Gasturbinenanlagen gegeben durch die Temperaturen der vorhandenen Kühlmittel, z.B. Umgebungsluft, Meer- bzw. Flusswasser.
Bekanntlich beträgt die Temperatur dieser Kühlmittel ca.
1s30oC, d.h. der Wirkungsgrad einer solchen Gasturbinenanlage ist relativ niedrig. Bekanntlich ist die von dem bzw. den Verdichtern aufgenommene Leistung bei sonst gleichbleibenden Bedingungen um so geringer, je tiefer die Temperatur des Arbeitsmittels vor dem oder den Verdichtern sinkt.
Mit anderen Worten heisst das, dass der Wirkungsgrad der genannten Anlage steigt, je tiefer die Eintrittstemperatur des Arbeitsmittels in den Verdichter ist. Die Erfindung ermöglicht - ohne Aufwendung einer zusätzlichen Kälteanlage, die einen zusätzlichen erheblichen Energieaufwand benötigen würde, der grösser wäre, als der Zuwachs der Nutzleistung der Gasturbine -, die Nutzleistung und damit den Wirkungsgrad der Gasturbinenanlage wesentlich zu verbessern und zwar dadurch, dass der Kälteinhalt des bis auf etwa nahezu Umgebungstemperatur zu erwärmenden Erdgases dazu ausgenutzt wird, die Eintrittstemperatur in dem bzw. den Verdichtern der Gasturbinenanlage wesentlich herabzusetzen.
Beispielsweise beträgt die Temperatur des verflüssigten Erdgases ca. -148oC. Dieses verflüssigte Erdgas, insbesondere hauptsächlich Methan, wird mit dem Arbeitsmittel der Gasturbinenanlage vor seinem Eintritt in den bzw. die Verdichter in indirekten Wärmeaustausch gebracht, wobei sich dieses Arbeitsmittel beispielsweise auf etwa -13( > C abkühlt, im Gegensatz zu Kühlmitteln, wie Luft oder Wasser, durch die eine Abkühlung des Arbeitsmittels nur auf etwa 30-60oC erreicht werden kann.
Dadurch, dass man den Wirkungsgrad bzw. die Nutzleistung der Gasturbine bezogen auf eine vorgegebene Brennstoffmenge oder Heizleistung wesentlich erhöht, erhält man eine wesentliche Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Gasturbinenanlage.
Anschliessend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.
Die Zeichnung zeigt in schematischer Weise eine Anlage zur Verdampfung und Erwärmung von Erdgas in Kombination mit einer Gasturbinenanlage.
Die Gasturbinenanlage besteht im vorliegenden Fall aus einer Expansionsturbine 1, die einen Generator 2 antreibt, einem Verdichter 3, einem Rekuperator 4 und einem Arbeitsmittelerhitzer 5, in welchem das Arbeitsmittel von einer fremden Heizquelle in bekannter Weise erhitzt wird, bevor es in der Gasturbine 1 entspannt wird. Ausserdem weist der Arbeitsmittelkreislauf im dargestellten Ausführungsbeispiel noch einen Gegenstromwärmeaustauscher 6 auf. Letzterer wird von verflüssigtem Naturgas durchströmt, das dabei durch indirekten Wärmeaustausch mit dem entspannten Arbeitsmittel verdampft und sich erwärmt, während sich das Arbeitsmittel abkühlt.
Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellungsweise das Wesentliche der Erfindung.
So kann beispielsweise als Arbeitsmittel Stickstoff, Argon oder Helium im Kreislauf zirkulieren. Es ist auch möglich, z.B.
trockene Luft als Arbeitsmittel zu verwenden.
Der Arbeitsmittelerhitzer 5 kann in bekannter Weise als Brennkammer ausgebildet sein.
Dagegen sind in der Zeichnung die Verflüssigungsanlage sowie ein dem Wärmeaustauscher 6 nachgeschaltetes Verteilernetz für das Erdgas nicht dargestellt.
Zahlenbeispiel
Die Austrittstemperatur des Arbeitsmittels nach dem Verdichter 3 kann beispielsweise ca. -390C und der Druck 51 Bar betragen, während im Rekuperator 4 das verdichtete Arbeitsmittel sich auf ca. 4000C erwärmt und das Arbeitsmittel im Erhitzer 5 weiter auf ca. 720C aufgeheizt wird. Der Eintrittsdruck des Arbeitsmittels in die Gasturbine 1 kann z.B. ca.
50 Bar betragen. Das in der Gasturbine 1 entspannte Arbeitsmittel hat z.B. einen Druck von 15 Bar und eine Temperatur von ca. 4600C, während das den Rekuperator 4 verlassende Arbeitsmittel z.B. eine Temperatur von ca. -200C aufweist und im Gegenstrom zu dem verflüssigten Erdgas durch den Wärmeaustauscher 6 strömt und hierbei sich beispielsweise auf ca.
-130oC abkühlt. Der Eintrittsdruck in den Verdichter 3 kann ca. 14 Bar betragen.
Das verflüssigte Erdgas, welches durch eine Leitung 7 in den Wärmeaustauscher 6, z.B. mit einer Temperatur von ca.
-1480C, einströmt, wird in dem Wärmeaustauscher verdampft und ausserdem auf beispielsweise ca. -40oC erwärmt und durch eine Leitung 8 aus der Gasturbinenanlage weggeführt.
PATENTANSPRUCH
Verfahren zur Verdampfung und Erwärmung von verflüssigtem Erdgas, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Verdampfung und Erwärmung benötigte thermische Energie dem expandierten Arbeitsmittel einer geschlossenen Gasturbinenanlage durch Wärmeaustausch entzogen wird.
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The invention relates to a method for evaporating and heating liquefied natural gas.
As is well known, one needs energy expenditure if one wants to liquefy gas. It is also known that natural gas is liquefied for transport at the extraction point. As is well known, this gas is converted into the vapor phase at the point of use and passed on to other consumers. Normally this liquefied gas is evaporated at the destination in a heat exchanger by adding heat and heated to almost ambient temperature. The heating means used here is usually e.g.
Sea water, river water or air. Nothing is recovered from the energy that is required in the refrigeration system to liquefy the natural gas. In contrast, the invention has set itself the goal of recovering the energy required for liquefying the natural gas, of course minus the inevitable losses.
According to the invention, this object is achieved in that the thermal energy required for evaporation and heating is withdrawn from the expanded working medium of a closed gas turbine system by heat exchange.
Due to the invention, it is possible to use the cold content of the liquefied natural gas in a beneficial way during its evaporation and heating. An essential advantage of the invention is that the energy applied during the liquefaction of the natural gas is partially recovered, which means that the efficiency of a gas turbine system which is usually designed and used is significantly increased. A gas turbine system usually operates between two extreme temperatures.
The upper extreme temperature is the inlet temperature into the turbine and the lower extreme temperature is the inlet temperature of the working medium into the compressor (s) of the gas turbine system. This lower temperature is given in the gas turbine systems that are usually used by the temperatures of the coolants present, e.g. Ambient air, sea or river water.
As is known, the temperature of these coolants is approx.
1s30oC, i.e. the efficiency of such a gas turbine system is relatively low. It is known that the power consumed by the compressor or compressors is the lower, the lower the temperature of the working medium in front of the compressor or compressors, the lower the temperature of the working medium decreases.
In other words, this means that the efficiency of the above-mentioned system increases the lower the inlet temperature of the working medium in the compressor. The invention makes it possible - without the use of an additional refrigeration system, which would require an additional considerable amount of energy that would be greater than the increase in the useful power of the gas turbine - to improve the useful power and thus the efficiency of the gas turbine system significantly, namely that the cold content of the except for the natural gas to be heated to approximately almost ambient temperature, the inlet temperature in the compressor or compressors of the gas turbine plant is significantly reduced.
For example, the temperature of the liquefied natural gas is around -148oC. This liquefied natural gas, in particular mainly methane, is brought into indirect heat exchange with the working fluid of the gas turbine system before it enters the compressor (s), this working fluid cooling down to about -13 (> C, for example, in contrast to coolants such as air or Water, through which the working fluid can only be cooled to around 30-60oC.
By significantly increasing the efficiency or the useful power of the gas turbine in relation to a predetermined amount of fuel or heating power, a significant improvement in the economy of the gas turbine system is obtained.
The invention is then explained, for example, with reference to the drawing.
The drawing shows a system for the evaporation and heating of natural gas in combination with a gas turbine system.
In the present case, the gas turbine system consists of an expansion turbine 1 that drives a generator 2, a compressor 3, a recuperator 4 and a working fluid heater 5, in which the working fluid is heated in a known manner by an external heating source before it is expanded in the gas turbine 1 becomes. In addition, in the exemplary embodiment shown, the working medium circuit also has a counterflow heat exchanger 6. Liquefied natural gas flows through the latter, which evaporates through indirect heat exchange with the relaxed working fluid and warms up while the working fluid cools down.
The drawing shows the essence of the invention in a schematic representation.
For example, nitrogen, argon or helium can circulate as a working medium. It is also possible e.g.
to use dry air as a working medium.
The working medium heater 5 can be designed as a combustion chamber in a known manner.
In contrast, the liquefaction plant and a distribution network for the natural gas connected downstream of the heat exchanger 6 are not shown in the drawing.
Numerical example
The outlet temperature of the working medium after the compressor 3 can for example be approx. -390C and the pressure 51 bar, while in the recuperator 4 the compressed working medium is heated to approx. 4000C and the working medium in the heater 5 is further heated to approx. 720C. The inlet pressure of the working medium into the gas turbine 1 can e.g. approx.
50 bar. The working fluid expanded in the gas turbine 1 has e.g. a pressure of 15 bar and a temperature of approx. 4600C, while the working medium leaving the recuperator 4 e.g. has a temperature of approx. -200C and flows in countercurrent to the liquefied natural gas through the heat exchanger 6 and hereby increases to approx.
-130oC cools down. The inlet pressure into the compressor 3 can be approx. 14 bar.
The liquefied natural gas, which through a line 7 into the heat exchanger 6, e.g. with a temperature of approx.
-1480C, which flows in, is evaporated in the heat exchanger and also heated to, for example, about -40oC and carried away from the gas turbine system through a line 8.
PATENT CLAIM
Method for evaporation and heating of liquefied natural gas, characterized in that the thermal energy required for evaporation and heating is withdrawn from the expanded working medium of a closed gas turbine system by heat exchange.
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