DE102010056581B4

DE102010056581B4 - Anordnung zur Verdampfung von flüssigem Erdgas

Info

Publication number: DE102010056581B4
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: 2013-04-04
Anticipated expiration: 2030-12-31
Also published as: WO2012089978A1; DE102010056581A1

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 Zwischentagerung 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.
Aus der DE 69402624 T2 ist eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Gas unter hohem Druck bekannt, bei der ein erster isolierter Behälter zur Lagerung des Gases in zumindest teilweise flüssiger Form mit einem oberen und einem unteren Teil und mindestens eine Speiseleitung vorgesehen ist, die einen Verdampfer umfasst und sich zwischen den unteren Teil des Behälters und den Verwendungsort erstreckt. Sie umfasst außerdem einen ersten Flüssigkeitskreis, der vom unteren Teil des Behälters abgeht, ein Druckreglerventil in Serie mit einem ersten Austauscher, der in Wärmeaustausch mit der Flüssigkeit im ersten Behälter steht, und für die Kühlung des ersten Behälters sorgt.
Die US 2008/0302103 A1 offenbart eine Anlage zur Wiedervergasung von Flüssigerdgas umfassend einen Behälter zur Speicherung von Gas in verflüssigter Form, eine Vorrichtung zur Wiedervergasung des LNG, die von einem Wärmeträger durchströmt wird, und einen Kreislauf, in dem das zirkulierende Wärmeträger Methanol, Ethanol oder Propanol ist, wobei die Wiedervergasungsvorrichtung mindestens zwei Tauscher umfasst. Einer der Tauscher ist im Gleichstrom zwischen dem LNG und dem Wärmeträger und der andere Tauscher im Gegenstrom, wobei der Tauscher im Gegenstrom in zwei Teile ausgebildet ist, zwischen denen ein Phasenseparator eingeschoben ist.
Die US 6,945,049 B2 offenbart ein Verfahren und System zur Wiederverdampfung, in dem das Kühlmittel durch einen Verdampfungs- und Kondensationszyklus gezwungen wird, so dass eine Regelung des Kondensationsdrucks des Kühlmittels möglich ist.
Aus der US 5,762,119 A ist ein System zum Transport und zur Abgabe von kryogenem Gas in verflüssigtem Zustand an einen Vorratsbehälter in einem verdampften oder gasförmigem Zustand bekannt. Das System umfasst ein mobiles Chassis, einen Behälter zum Speichern des Gases im verflüssigtem Zustand mit einem Vakuummantel, einen Verdampfer zum Verdampfen des verflüssigten Gases in einen verdampften Zustand und einen Kompressor oder eine Pumpe, um das Gas durch das System zu transportieren, so dass es als komprimiertes Gas an den Vorratsbehälter geliefert werden kann.
Aus der US 3,018,634 A ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verdampfung von verflüssigtem Gas wie Erdgas bekannt, bei dem die Verdampfung des verflüssigten Gases eine schrittweise Erwärmung und Verdampfung in einem Kaskadenverfahren durchgeführt wird, wobei das Gas bei im Wesentlichen konstantem Druck in einer Vielzahl von aufeinander folgenden Schritten erwärmt wird.
In einer Anordnung gemäß DE 10 2010 056 586 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 Pumpenkreistauf 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.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung bilden Pumpenkreislauf und Wärmepumpe, die nacheinander zur LNG-Erwärmung benutzt werden, ein integriertes System, dessen Komponenten gemeinsam benutzt werden, da 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.
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-Wärmeüberträger 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 Zwischenwärmeüberträger 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-Wärmeüberträger 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 Behälter, Rohrverbindungen, Sicherheitseinrichtung, Wärmeüberträger.
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 10 2010 056 586 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, und 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: Zwischenwärmeübertrager
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 Zwischenwärmeübertrager 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 (72) als Wärmequelle für das Wärmerohr und für die Wärmepumpe vorhanden ist, dass ein gemeinsamer Flüssigkeitsbehälter (67) für das Wärmerohr und für die Wärmepumpe vorhanden ist und dass die Umwälzpumpe (73) oder das Thermosyphon-System für das Wärmerohr und für die Wärmepumpe gemeinsam vorhanden ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Flüssigkeitsbehälter (67) mit Mitteln zur Trennung von Dampf und Flüssigkeit der Zwischenwärmeübertrager (69) mit Wärmeübertragerflächen von der Arbeitsfluidseite zur LNG-Seite und der Luftwärmeübertrager (72) mit Wärmeübertragerflächen von der Außenluft zur Arbeitsfluidseite ausgestattet sind.
Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenwärmeübertrager (69) Wärmeübertragerflächen von der Arbeitsfluidseite zur LNG-Seite aufweist und der Luftwärmeübertrager (72) Wärmeübertragerflächen von der Außenluft zur Arbeitsfluidseite aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsbehälter (67) einen Sumpfteil und einen Kopfteil aufweist, wobei der Sumpfteil über Rohrleitungen und die Umlaufpumpe (73) mit dem Luftwärmeübertrager (72) verbunden ist, und der Kopfteil des Flüssigkeitsbehälters (67) erstens mit dem Rücklauf des Luftwärmeübertragers (72), zweitens mit der Saugleitung des Verdichters (61) verbunden ist und drittens mit dem Zwischenwärmeübertrager (69) verbunden ist, der LNG-seitig und arbeitsfluidseitig Einlass- und Auslassstutzen aufweist und dessen Flüssigkeitsrücklauf (71) auf der Arbeitsfluidseite mit dem Sumpfteil des Flüssigkeitsbehälters (67) verbunden ist und der Flüssigkeitsbehälter (67) über eine Rohrleitung und die Drosselstelle mit der Arbeitsfluidseite des Nach-Wärmeübertragers (63) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid Propan ist.