DE102005032556A1 - Anlage und Verfahren zur Nutzung eines Gases - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Verdichtung eines kryogenen Gases (4), insbesondere eines Kohlenwasserstoffgases, mit einem Verdichter (7) zur Verdichtung des Gases (4) und einer Leitungsanordnung (5), welche das Gas (4) der Saugseite (6) des Verdichters (7) zuführt und das verdichtete Gas (4) einer nachgeschalteten Einrichtung zur Nutzung zuführt. Die Leitungsanordnung (5) weist einen Bypass (9) auf, durch den das verdichtete Gas (4) zur Saugseite (6) des Verdichters (7) zurückführbar ist. In dem Bypass (9) ist ein Expander (12) zur Rückkühlung des durch den Bypass (9) strömenden Gases (4) angeordnet. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Regelung einer Anlage zur Verdichtung eines kryogenen Gases (4), insbesondere eines bei der Lagerung einer kryogenen Flüssigkeit anfallenden Kohlenwasserstoff-Gases.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Verdichtung eines kryogenen Gases, insbesondere eines Kohlenwasserstoff-Gases, mit einem Verdichter zur Verdichtung des Gases und einer Leitungsanordnung, welche das Gas der Saugseite des Verdichters zuführt und das verdichtete Gas einer nachgeschalteten Einrichtung zur Nutzung zuführt. Das Gas fällt beispielsweise bei der Lagerung einer kryogenen Flüssigkeit in einem Vorratstank an.
  • Eine Anlage mit den beschriebenen Merkmalen ist aus EP 0 069 717 B1 bekannt. In einem Tankschiff zum Transport von flüssigem Erdgas (LNG) wird das gekühlte flüssige Erdgas in einem Vorratstank etwa bei Atmosphärendruck gelagert. Das in dem Vorratstank verdampfende Erdgas wird über eine Gasleitung einem elektrisch betriebenen Verdichter zugeführt, nachfolgend gekühlt und zur Zwischenlagerung in einen Gastank geleitet. Das bis auf etwa 200 bar komprimierte Gas wird von dem Gastank einer Zweistoff-Dieselmaschine zugeführt, die für die Verbrennung von Gas und Öl ausgelegt ist und das Tankschiff antreibt. Da sowohl die Last an der Zweistoff-Dieselmaschine und die Menge des in dem Vorratstank verdampfenden Gases starken Schwankungen unterliegen können, sind Druckbehälter für die Zwischenlagerung des komprimierten Gases notwendig.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zur Verdichtung eines kryogenen Gases, anzugeben, mit der auf einfache Weise und mit einem akzeptablen energetischen Wirkungsgrad die einer nachgeschalteten Einrichtung zugeführte Gasmenge flexibel geregelt werden kann.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einer Anlage mit den eingangs beschriebenen Merkmalen die Leitungsanordnung einen Bypass aufweist, durch den das verdichtete Gas zur Saugseite des Verdichters zurück führbar ist, und dass im Bypass ein Expander zur Rückkühlung des durch den Bypass strömenden Gases angeordnet ist. Als Expander ist im besonderen Maße ein als Strömungsmaschine ausgebildeter Turboexpander geeignet. Obwohl das Gas bei der Verdichtung erwärmt wird, kann der Verdichter aufgrund der Rückkühlung des durch den Bypass strömenden Gases für niedrige Ansaugtemperaturen ausgelegt werden, was sich günstig auf den Leistungsbedarf, das Gewicht und den Platzbedarf des Verdichters auswirkt. Die erfindungsgemäße Anlage kann sowohl stationär als auch mobil, beispielsweise auf einem Tankschiff, welches flüssige Kohlenwasserstoffe wie zum Beispiel flüssiges Erdgas (LNG) transportiert, eingesetzt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist die Leitungsanordnung auf der Druckseite des Verdichters einen Kühler auf, in dem das verdichtete Gas auf eine Temperatur abkühlbar ist, die höher ist als die Temperatur des der Saugseite des Verdichters zugeführten Gases, wobei der Bypass in Strömungsrichtung hinter dem Kühler an die Leitungsanordnung angeschlossen ist. Die Temperaturdifferenz, die bei der Expansion des Gases in dem Expander erreicht wird, ist im Wesentlichen von der Druckdifferenz zwischen Druckseite und Saugseite abhängig. Durch die Reduzierung der Gastemperatur auf der Druckseite durch den Kühler kann somit auch die Temperatur nach der Expansion des durch den Bypass strömenden Gases verringert werden.
  • Der Verdichter und der Expander können mechanisch gekoppelt sein. Eine solche mechanische Kopplung, beispielsweise durch ein mechanisches Getriebe oder eine gemeinsame Antriebswelle, ist besonders dann leicht zu realisieren, wenn der Expander als Turboexpander ausgebildet ist. Durch die mechanische Kopplung kann die für die Kompression notwendige Energie durch die an dem Expander freiwerdende Energie, zumindest teilweise, kompensiert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung erfolgt in dem Expander eine Abkühlung des Gasstromes auf eine Temperatur von weniger als –30 °C, vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen –140 °C und –80 °C. Bei einer solchen Ausgestaltung kann ein großer Anteil des Gases oder auch das gesamte Gas in einem geschlossenen Kreislauf durch den Bypass geleitet werden, ohne dass der Bereich niedriger Temperaturen, für den der Verdichter ausgelegt ist, verlassen wird.
  • Vorzugsweise beträgt der Druck in der Leitungsanordnung auf der Druckseite des Verdichters zwischen 6 und 50 bar.
  • Das kryogene Gas kann beispielsweise durch Verdampfung einer in einem Vorratstank gelagerten Flüssigkeit anfallen. In diesem Fall liegt die kryogene Flüssigkeit vorzugsweise etwa mit Atmosphärendruck im Vorratstank vor. Bei einer solchen Ausführung muss der Vorratstank, welcher aus mehreren Tankbatterien aufgebaut sein kann, nicht als Druckbehälter ausgelegt sein und kann so kostengünstig gefertigt werden.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Regelung einer Anlage zur Verdichtung eines kryogenen Gases, insbesondere eines bei der Lagerung einer kryogenen Flüssigkeit anfallenden Kohlenwasserstoff-Gases, wobei das kryogene Gas mit einer Temperatur von weniger als –30 °C einem Verdichter zugeführt wird und mittels des Verdichters zur weiteren Nutzung auf einen Druck von 6 bar bis 50 verdichtet wird und wobei zumindest ein Teil des verdichteten Gases zur Saugseite des Verdichters zurückgeführt und dabei mittels eines Expanders gekühlt wird.
  • Vorzugsweise wird das Gas mit einer Temperatur zwischen –140 °C und –80 °C auf der Saugseite in die Leitungsanordnung eingeleitet, wobei der durch den Expander, welcher vorzugsweise als Turboexpander ausgebildet ist, geführte Gasstrom auf eine Temperatur von weniger als –50 °C abgekühlt wird. Dabei kann besonders auch das den Expander durchströmende Gas auf eine Temperatur abgekühlt werden, die der Temperatur des auf der Saugseite in die Leitungsanordnung eingeleiteten Gases im Wesentlichen entspricht oder kleiner ist.
  • Im Rahmen des Verfahrens können der Expander und der Verdichter mechanisch gekoppelt werden, wobei insbesondere als Strömungsmaschinen ausgeführte Expander und Verdichter für eine einfache mechanische Kopplung mit einem gemeinsamen Getriebe oder einer gemeinsamen Antriebswelle geeignet sind. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird das verdichtete Gas zur weiteren Nutzung auf eine Temperatur zwischen 10 °C und 80 °C abgekühlt, wobei ein Teil des verdichteten und gekühlten Gases als Bypassstrom zur Saugseite des Verdichters zurückgeführt und mittels des Expanders weiter abgekühlt wird.
  • Das verdichtete Gas kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens für den Betrieb einer Gasturbine oder eines Verbrennungsmotors verwendet werden, wobei in Abhängigkeit des für den Betrieb der Gasturbine bzw. des Verbrennungsmotors benötigten Gasbedarfs ein mehr oder weniger großer Bypassstrom zur Saugseite des Verdichters zurückgeführt und dabei mittels des Expanders gekühlt wird.
  • Der in dem Expander abgekühlte Gasstrom kann zur Kühlung der Saugseite der Anlage genutzt werden. Wird beispielsweise die Umgebung des Vorratstanks in dem das Gas durch Verdampfung einer kryogenen Flüssigkeit entsteht durch den abgekühlten Gasstrom vorgekühlt, kann die Leistungsaufnahme einer für die Kühlung des Vorratstanks vorgesehenen Kühlanlage reduziert werden.
    •
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert.
  • Die einzige Figur zeigt eine erfindungsgemäße Anlage zur Nutzung von Erdgas, welches bei der Lagerung von gekühltem, flüssigen Erdgas (LNG) durch Verdampfung anfällt, als Brennstoff für einen Gasmotor oder zur Nutzung in einer Turbine.
  • Flüssiges, gekühltes Erdgas wird als kryogene Flüssigkeit 1 bei einer Temperatur von –163 °C in einem Vorratstank 2 etwa bei Atmosphärendruck gelagert. In dem Gasraum 3 des Vorratstanks sammelt sich verdampftes Gas 4 mit einer Temperatur von –140 °C, welches kontinuierlich aus dem Vorratstank 2 durch eine Leitungsanordnung 5 der Saugseite 6 eines Verdichters 7 zugeführt wird. In dem Verdichter 7, der als ein- oder mehrstufiger Turboverdichter ausgebildet ist, wird das Gas 4 auf einen Druck von 26 bar komprimiert, wobei die Gastemperatur auf über +100 °C steigt. Nach der Verdichtung wird das Gas 4 einem Kühler 8 zugeführt, in dem das Gas 4 auf eine Temperatur von ca. +35 °C gekühlt wird. Hinter dem Kühler 8 ist ein Bypass 9 an die Leitungsanordnung 5 angeschlossen. Ein Teil des verdichteten Gases 4 wird von der Druckseite 10 durch den Bypass 9 zur Saugseite 6 des Verdichters 7 zurückgeführt, wobei der andere Teil des Gases 4 zu einer Einrichtung 11 zur Energienutzung, beispielsweise einem Gasmotor oder einer Gasturbine, geleitet wird. In dem Bypass 9 ist ein Expander 12, der als Turboexpander ausgebildet ist, zur Rückkühlung des durch den Bypass 9 strömenden Gases 4 angeordnet. Der Expander 12 ist mechanisch über ein Getriebe 13 mit dem Verdichter 7 gekoppelt, wodurch ein Teil der für die Verdichtung notwendigen Energie von der bei der Expansion freigesetzten Energie kompensiert wird. Die Temperatur des in dem Expander 12 abgekühlten Gases 4 entspricht mit einer Temperatur von weniger als –100 °C etwa der Temperatur, mit der das Gas 4 aus dem Vorratstank 2 abgezogen wird. Der in dem Expander 12 abgekühlte Gasstrom kann auch zur Vorkühlung des Vorratstanks 2 genutzt werden. In Abhängigkeit des für den Betrieb der Gasturbine 11 benötigten Gasbedarfs wird ein mehr oder weniger großer Bypassstrom zur Saugseite 6 des Verdichters 7 zurückgeführt und dabei mittels des Expanders 12 gekühlt, wobei auch das gesamte Gas 4 von der Druckseite 10 durch den Bypass 9 über den Expander 12 zu der Saugseite 6 zurückgeführt werden kann.

Claims (12)

  1. Anlage zur Verdichtung eines kryogenen Gases (4), insbesondere eines Kohlenwasserstoff-Gases, mit einem Verdichter (7) zur Verdichtung des Gases (4) und einer Leitungsanordnung (5), welche das Gas (4) der Saugseite (6) des Verdichters (7) zuführt und das verdichtete Gas (4) einer nachgeschalteten Einrichtung zur Nutzung zuführt, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsanordnung (5) einen Bypass (9) aufweist, durch den das verdichtete Gas (4) zur Saugseite (6) des Verdichters (7) zurückführbar ist, und dass im Bypass (9) ein Expander (12) zur Rückkühlung des durch den Bypass (9) strömenden Gases (4) angeordnet ist.
  2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsanordnung (5) auf der Druckseite (10) des Verdichters (7) einen Kühler (8) aufweist, in dem das verdichtete Gas (4) auf eine Temperatur abkühlbar ist, die höher ist als die Temperatur des der Saugseite (6) des Verdichters (7) zugeführten Gases (4), und dass der Bypass (9) in Strömungsrichtung hinter dem Kühler (8) an die Leitungsanordnung (5) angeschlossen ist.
  3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (7) und der Expander (12) mechanisch gekoppelt sind.
  4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Expander (12) eine Abkühlung des Gasstromes auf eine Temperatur von weniger als –30 °C, vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen –140 °C und –80 °C, erfolgt.
  5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Leitungsanordnung (5) auf der Druckseite (10) des Verdichters (7) zwischen 6 und 50 bar beträgt.
  6. Verfahren zur Regelung einer Anlage zur Verdichtung eines kryogenen Gases (4), insbesondere eines bei der Lagerung einer kryogenen Flüssigkeit anfallenden Kohlenwasserstoff-Gases, wobei das kryogene Gas (4) mit einer Temperatur von weniger als –30 °C einem Verdichter (7) zugeführt wird und mittels des Verdichters (7) zur weiteren Nutzung auf einen Druck von 6 bar bis 50 bar verdichtet wird und wobei zumindest ein Teil des verdichteten Gases (4) zur Saugseite (6) des Verdichters (7) zurückgeführt und dabei mittels eines Expanders (12) gekühlt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas (4) mit einer Temperatur zwischen –140 °C und –80 °C auf der Saugseite (6) in die Leitungsanordnung (5) eingeleitet wird und dass der durch den Expander (12) geführte Gasstrom auf eine Temperatur von weniger als –50 °C abgekühlt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Expander (12) und der Verdichter (7) mechanisch gekoppelt werden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das verdichtete Gas (4) zur weiteren Nutzung auf eine Temperatur zwischen 10 °C und 80 °C abgekühlt wird und dass ein Teil des verdichteten und gekühlten Gases (4) als Bypassstrom zur Saugseite (6) des Verdichters (7) zurückgeführt und mittels des Expanders (12) weiter abgekühlt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das kryogene Gas (4) durch Verdampfung einer in einem Vorratstank (2) gelagerten kryogenen Flüssigkeit (1) anfällt.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das verdichtete Gas (4) für den Betrieb einer Gasturbine (11) oder eines Verbrennungsmotors verwendet wird und dass in Abhängigkeit des für den Betrieb der Gasturbine (11) bzw. des Verbrennungsmotors benötigten Gasbedarfs ein mehr oder weniger großer Bypassstrom zur Saugseite (6) des Verdichters (7) zurückgeführt und dabei mittels des Expanders (12) gekühlt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der im Expander (12) abgekühlte Gasstrom zur Kühlung der Saugseite (6) der Anlage genutzt wird.
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