DE102010056581A1

DE102010056581A1 - Anordnung zur Verdampfung von flüssigem Erdgas

Info

Publication number: DE102010056581A1
Application number: DE102010056581A
Authority: DE
Inventors: Dr. Mosemann Dieter
Original assignee: GEA Batignolles Technologies Thermiques
Current assignee: Kelvion Thermal Solutions SAS
Priority date: 2010-12-30
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2012-07-05
Anticipated expiration: 2030-12-31
Also published as: DE102010056581B4; WO2012089978A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit Wärmeübertragern zur Verdampfung großer Massenströme verflüssigten Erdgases, das auch als LNG (Liquified Natural Gas) bezeichnet wird, und zum Zwecke des Transportes und der Zwischenlagerung verflüssigt wurde und bei Atmosphärendruck je nach Methananteil in flüssigem Zustand eine Temperatur von ca. –161°C aufweist. Zur Vereinfachung eines Systems zur mehrstufigen Erwärmung werden der rechtsläufige Kreislauf nach dem Prinzip des Wärmerohres, der als Pumpenkreislauf bezeichnet wird, und ein linksläufiger Kältekreislauf, der durch seine Nutzung eine Wärmepumpe ist, in ein System integriert, gemeinsam genutzte Komponenten aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit Wärmeübertragern zur Verdampfung großer Massenströme verflüssigten Erdgases, das auch als LNG (Liquified Natural Gas) bezeichnet wird, und zum Zwecke des Transportes und der Zwischenlagerung verflüssigt wurde und bei Atmosphärendruck je nach Methananteil in flüssigem Zustand eine Temperatur von ca. –161°C aufweist.
Das Erdgas wird nach der Verdampfung in Wärmeübertragern, die zumindest einen Teil der Vorrichtung darstellen, als überhitzter Dampf in eine Pipeline mit Netzdruck eingespeist.
Das flüssige Erdgas (LNG) wird mittels Pumpen auf hohen Druck gebracht und danach durch Zufuhr von Wärme verdampft.
In einer Anordnung gemäß DE 000000000000 A1 vom gleichen Anmeldungstag werden Verdampfung und Überhitzung des LNG in Teilsystemen realisiert, die jede für sich unterschiedliche Technologien verwenden.
Die Teilsysteme dieser Anordnung sind auf der LNG-Seite kommunizierend verbunden und werden vom LNG nacheinander durchströmt.
Im ersten Teilschritt wird die Temperaturdifferenz zwischen Umgebungstemperatur und extrem tiefer Temperatur des flüssigen Erdgases zur Erzeugung von mechanischer Energie mit Hilfe eines Kraftwerksprozesses genutzt. Die mechanische Energie wird zur Stromerzeugung genutzt. Das niedrige Temperaturniveau des flüssigen Erdgases LNG ist dabei die Wärmesenke gegenüber der Umgebungstemperatur.
Diese Anordnung nutzt in einem zweiten Teilschritt Umgebungswärme aus der Luft als Wärmequelle zur Verdampfung und zur Überhitzung des LNG, wobei die Wärme von der Umgebung zur Heizfluidseite in einer vorteilhaften Ausgestaltung mittels eines volatilen Wärmeträgerfluids, z. B. Propan, mit den Zustandsänderungen Kondensation an der Heizfluidseite des LNG-Wärmeübertragers und Verdampfung an der Wärmequelle des Luft-Wärmeübertragers nach dem Prinzip eines Wärmerohres transportiert wird, so dass die Druckunterschiede zum Transport des volatilen Wärmeträgerfluids nur der Überwindung von Strömungswiderständen und geodätischen Drücken innerhalb dieses Teilabschnittes dienen.
Dieser Teil soll hier als Pumpenkreislauf bezeichnet werden.
Die Anordnung benutzt in einem dritten Teilschritt eine Wärmepumpe, die als linksläufiger Kreisprozess ausgeführt ist, bestehend zumindest aus Verdampfer, Verdichter, Kondensator und Expansionseinrichtung, wobei der Verdampfer Umgebungswärme aus der Luft bezieht und der Kondensator Wärme an die Heizfluidseite des LNG-Wärmeübertragers liefert.
Nachteilig sind der große Aufwand für drei separate Fluidkreisläufe mit Behältern, Rohrverbindungen, Sicherheitseinrichtungen und Wärmeübertragern.
Die Erfindung hat das Ziel, diese Nachteile durch eine neue Anordnung des zweiten und dritten Teilsystems zu beseitigen die Kosten für eine solche Anlage zu senken.
Gemäß der Erfindung bilden Pumpenkreislauf und Wärmepumpe, die nacheinander zur LNG-Erwärmung benutzt werden, ein integriertes System, dessen Komponenten des gemeinsam benutzt werden.
Das integrierte System beinhaltet damit Pumpenkreislauf und Wärmepumpe Pumpenkreislauf und Wärmepumpe benutzen damit das gleiche Arbeits- oder Kreislauffluid.
Das System ist durch einen einzigen Flüssigkeitsbehälter für das Arbeitsfluid und einen einzigen Luftwärmeübertrager, gekennzeichnet. Vom unterem Sumpfteil des Flüssigkeitsbehälters wird flüssiges Kältemittel mittels Umlaufpumpe zum Luft-Wärmeübertrager gefördert wird, um es dort zu verdampfen.
Der Dampf gelangt zurück in den Kopfteil des Flüssigkeitsbehälters. Der Kopfteil des Flüssigkeitsbehälters ist einerseits mittels Rohrleitung mit dem Zwischenwärmeübertrager verbunden, wo das Kreislauffluid kondensiert und über den Flüssigkeitsrücklauf wieder in den Flüssigkeitsbehälter gelangt. Der Kopfteil des Flüssigkeitsbehälters ist andererseits mit der Saugleitung des Verdichters verbunden, der das Arbeitsfluid ansaugt und auf einen höheren Druck verdichtet, so dass die Kondensationstemperatur im Nach-Wärmeübertrager hoch genug ist, um das Erdgas wunschgemäß, z. B. auf +2°C zu erhitzen.
Das Arbeitsfluid wird durch diese Wärmeabgabe verflüssigt. Es läuft über eine Flüssigkeitsleitung und eine geregelte Drosselstelle, zum Beispiel ein Schwimmerventil, auch Hochdruckschwimmer, zurück in den Flüssigkeitsbehälter.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung benutzt zur Wiederverdampfung des LNG ausschließlich Umgebungswärme aus der Luft.
Die Anordnung gemäß der Erfindung reduziert die Kreisläufe auf ein System, benötigt weniger Behälterl, Rohrverbindungen, Sicherheitseinrichtungen und Wärmeübertrager.
Pumpenkreislauf und Wärmepumpe, die nacheinander zur LNG-Erwärmung benutzt werden, bilden ein integriertes System, dessen Komponenten gemeinsam benutzt werden.
Durch die neue Anordnung werden die Kosten für eine solche Anlage gesenkt.
Die Erfindung wird an den Beispielen näher erläutert.
Bild 1 zeigt eine Anordnung gemäß DE 000000000 A1 vom gleichen Anmeldungstag zur Verdampfung und Überhitzung des LNG in drei Teilschritten.
In Bild 2 ist ein vereinfachtes Schaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung des integrierten Teilsystems aus Wärmerohr und Wärmepumpe dargestellt.
Verdampfung und Überhitzung des flüssigen Erdgases, LNG, werden gemäß Bild 1 in drei Teilschritten, im dem rechtsläufigen Dampfkraftprozess 1, dem Pumpenkreislauf 2, dem Wärmepumpenkreislauf 3 realisiert, die jede für sich unterschiedliche Technologien verwenden.
Die drei Teilsysteme der Vorrichtung sind auf der LNG-Seite durch die LNG-Rohrstrecke 13 kommunizierend verbunden und werden vom LNG nacheinander durchströmt.
Das erste Teilsystem nutzt die Temperaturdifferenz zwischen Umgebungstemperatur und Temperatur des flüssigen Erdgases zur Erzeugung von mechanischer Energie mit Hilfe eines Kraftwerksprozesses.
Das erste Teilsystem, der rechtsläufige Dampfkraftprozess 1, hat einen Verdampfer 4, der durch die Wärme aus der Umgebung beaufschlagt wird, wodurch das Arbeitsfluid verdampft wird, eine Turbine 7, in der das Arbeitsfluid vom Verdampferdruck auf Kondensatordruck entspannt wird. Die Kondensationswärme im Kondensator 9 zur Abkühlung und Kondensation des entspannten Arbeitsfluids wird an das kalte flüssige Erdgas auf der LNG-Seite abgeführt. Der Dampf wird in Flüssigkeit umwandelt, und die Speisepumpe 8 fördert das Arbeitsfluid mit Verdampfungsdruck zum Verdampfer 4, wo das Arbeitsfluid erneut verdampft.
Auch der Verdampfer 4 wird mit Umgebungsluft beheizt. Der Kondensator 9 wird mit flüssigem Erdgas gekühlt, das sich dabei selbst erwärmt. Der Temperaturanstieg ergibt sich aus der Wärmebilanz zwischen zur Verfügung stehender Enthitzungs- und Kondensationswärme des Kreisprozess und der erforderlichen Wärme zur Aufheizung des LNG.
Als Resultat wird die Kondensationswärme im ersten Abschnitt zur Heizfluidseite des LNG-Wärmeübertragers im Kondensator 9 an das LNG geliefert, und außerdem wird mechanische Arbeit an der Turbine 7 ausgekoppelt. Als Arbeitsfluid wird R14 verwendet, dessen kritische Temperatur größer als die Kondensationstemperatur ist. Die Wärmequelltemperatur der Umgebung liegt bei R14 auch unterhalb der kritischen Temperatur.
Das zweite Teilsystem, der Pumpenkreislauf 2, hat Wärmeübertrager 5, 11 und die Umlaufpumpe 10.
Der Wärmeübertrager 5 entzieht der Umgebungsluft Wärme, während das Kreislauffluid verdampft. Die Wärme wird mittels Kreislauffluid zum Wärmeübertrager 11 transportiert, wo es kondensiert. Die Umlaufpumpe 10 drückt die Flüssigkeit erneut zum Wärmeübertrager 5.
Der Kreislauf ist damit geschlossen.
Das dritte Teilsystem, der Wärmepumpenkreislauf 3, hat einen WP-Verdampfer 6, welcher der Umgebungsluft Wärme entzieht, da die Verdampfungstemperatur unterhalb der Umgebungstemperatur gehalten wird, während das Arbeitsfluid verdampft. Das Arbeitsfluid wird im WP-Verdichter 14 auf höheren Druck verdichtet, wodurch die Kondensationstemperatur im WP-Kondensator 12 über Umgebungstemperatur ansteigt. Dadurch kann das Erdgas auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt werden.
Nach Verflüssigung wird das Arbeitsfluid an der WP-Drosselstelle 15 wieder auf Verdampfungsdruck entspannt. Der Kreislauf ist geschlossen.
Die erfindungsgemäße Lösung, Pumpenkreislauf 2, und Wärmepumpenkreislauf 3 in ein System mit gemeinsamen Komponenten zu integrieren, ist in Bild 2 dargestellt.
Das Teilsystem gemäß Bild 2 ist durch einen einzigen Flüssigkeitsbehälter 67 für das Arbeitsfluid Propan und einen einzigen Luftwärmeübertrager 72, gekennzeichnet. Vom unterem Sumpfteil des Flüssigkeitsbehälters 67 wird flüssiges Kältemittel mittels Umlaufpumpe 73 zum Luftwärmeübertrager 72 gefördert wird, um es dort zu verdampfen.
Der Dampf gelangt zurück in den Kopfteil des Flüssigkeitsbehälters 67. Der Kopfteil des Flüssigkeitsbehälters 67 ist einerseits mittels Rohrleitung mit dem Zwischenwärmeübertrager 69 verbunden, wo Propan kondensiert und über den Flüssigkeitsrücklauf 71 wieder in den Flüssigkeitsbehälter 67 gelangt. Die Stauhöhe der Flüssigkeitssäule im Flüssigkeitsrücklauf 71 überwindet dabei den Druckabfall des Propandampfes durch die Dampfleitung 70 und durch den Zwischenwärmeübertrager 69.
Der Kopfteil des Flüssigkeitsbehälters 67 ist andererseits mit der Saugleitung des Verdichters 61 verbunden, der das Arbeitsfluid ansaugt und auf einen höheren Druck verdichtet, so dass die Kondensationstemperatur im Nach-Wärmeübertrager 63 hoch genug ist, um das Erdgas wunschgemäß, z. B. auf +2°C zu erhitzen.
Das Arbeitsfluid wird durch diese Wärmeabgabe verflüssigt. Es läuft über eine Flüssigkeitsleitung 65 und den Hochdruckschwimmer 66, wo sich das Kondensat in den Flüssigkeitsbehälter 67 entspannt, wodurch die Flüssigkeit in Dampf und Flüssigkeit zerfällt.
Dieses flüssige Propan und das Propankondensat aus Zwischenwärmeübertrager 69 sammeln sich im Sumpf des Flüssigkeitsbehälters 67 und werden mittels Umlaufpumpe 73 zum Luftwärmeübertrager 72 gefördert und dort mittels Umgebungswärme verdampft.
Die Wärmepumpe besitzt neben Verdichter 61 und Ölabscheider 62, die in einem Verdichteraggregat 60 zusammengefasst sind, das Bypassventil 64, das eine Umgehung des Nach-Wärmeübertragers 63 ermöglicht.
Pumpenkreislauf und Wärmepumpe, die nacheinander zur LNG-Erwärmung benutzt werden, bilden ein integriertes System, dessen Komponenten gemeinsam benutzt werden.
Die Anordnung gemäß der Erfindung reduziert Anzahl der Komponenten, Rohrverbindungen, Sicherheitseinrichtungen und Wärmeübertrager.
Durch die neue Anordnung werden Herstellkosten und Serviceaufwand gesenkt.
Bezugszeichenliste

1: rechtsläufiger Dampfkraftprozess
2: Pumpenkreislauf
3: Wärmepumpenkreislauf
4: Verdampfer
5: Wärmeübertrager
6: WP-Verdampfer
7: Turbine
8: Speisepumpe
9: Kondensator
10: Umlaufpumpe
11: Wärmeübertrager
12: WP-Kondensator
13: LNG-Rohrstrecke
14: WP-Verdichter
60: Verdichteraggregat
61: Verdichter
62: Ölabscheider
63: Nach-Wärmeübertrager
64: Bypassventil
65: Flüssigkeitsleitung
66: Hochdruckschwimmer
67: Flüssigkeitsbehälter
68: LNG-Verbindungsleitung
69: Zwischen-Wärmeübertrager
70: Dampfleitung
71: Flüssigkeitsrücklauf
72: Luft-Wärmeübertrager
73: Umlaufpumpe
74: LNG-Zwischenrohr

Claims

Anordnung mit Wärmeübertragern zur stufenweisen Erwärmung und Verdampfung von flüssigem Erdgas (LNG) durch ein Arbeitsfluid mit einer Phasenänderung des Arbeitsfluids, das zumindest in einem Wärmerohr zirkulierend vorhanden ist, zu dessen Zirkulation entweder eine Umwälzpumpe oder ein Thermosyphon-System angeordnet ist, und mit einem Verdichter, einem Nach-Wärmeübertrager, einem Zwischen-Wärmeübertrager und einer Drosselstelle, die einen linksläufigen Kältekreislauf bilden und durch die Nutzung der warmen Seite am Nach-Wärmeübertrager, an dessen Wärmeübertragerflächen auf der einen Seite das Arbeitsfluid und auf der anderen Seite das Erdgas anliegt, eine Wärmepumpe bilden, dadurch gekennzeichnet dass für das Wärmerohr und für die Wärmepumpe gemeinsame Komponenten vorhanden sind, wobei ein gemeinsamer Luftwärmeübertrager als Wärmequelle für das Wärmerohr und für die Wärmepumpe vorhanden ist, dass ein gemeinsamer Flüssigkeitsbehälter für das Wärmerohr und für die Wärmepumpe vorhanden ist und dass die Umwälzpumpe oder das Thermosyphon-System für das Wärmerohr und für die Wärmepumpe gemeinsam vorhanden ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Flüssigkeitsbehälter mit Mitteln zur Trennung von Dampf und Flüssigkeit, der Zwischenwärmeübertrager mit Wärmeübertragerflächen von der Arbeitsfluidseite zur LNG-Seite und der Luftwärmeübertrager mit Wärmeübertragerflächen von der Außenluft zur Arbeitsfluidseite ausgestattet sind.
Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenwärmeübertrager Wärmeübertragerflächen von der Arbeitsfluidseite zur LNG-Seite aufweist und der Luftwärmeübertrager Wärmeübertragerflächen von der Außenluft zur Arbeitsfluidseite aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsbehälter einen Sumpfteil und einen Kopfteil aufweist, wobei der Sumpfteil über Rohrleitungen und die Umlaufpumpe mit dem Luft-Wärmeübertrager verbunden ist, und der Kopfteil des Flüssigkeitsbehälters erstens mit dem Rücklauf des Luftwärmeübertragers, zweitens mit der Saugleitung des Verdichters verbunden ist und drittens mit dem Zwischenwärmeübertrager verbunden ist, der LNG-seitig und arbeitsfluidseitig Einlass- und Auslassstutzen aufweist und dessen Flüssigkeitsrücklauf auf der Arbeitsfluidseite mit dem Sumpfteil des Flüssigkeitsbehälters verbunden ist und der Flüssigkeitsbehälter über eine Rohrleitung und die Drosselstelle mit der Arbeitsfluidseite des Nach-Wärmeübertragers verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid Propan ist.