DE102012203973A1 - Verfahren zur Wiederverdampfung von Flüssigerdgas - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Wiederverdampfung von Flüssigerdgas (liquified natural gas, LNG) durch Erwärmen des Flüssigerdgases mittels eines Wärme abgebenden Wärmeträgermediums in einem Wärmetauscher, wobei das bei dem Erwärmen des Flüssigerdgases abgekühlte Wärmeträgermedium in einem Gasturbinenprozess genutzt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wiederverdampfung von Flüssigerdgas (liquified natural gas, LNG) durch Erwärmen des Flüssigerdgases mittels eines Wärme abgebenden Wärmeträgermediums in einem Wärmeübertrager.
  • Der Begriff Flüssigerdgas wird für verflüssigtes Erdgas verwendet, das auf eine Temperatur von ca. –161°C abgekühlt ist. In diesem verflüssigten Aggregatzustand beträgt sein Volumen lediglich 1/600 des Volumens im gasförmigen Zustand.
  • Der Transport von Flüssigerdgas von einer Förderstätte zu einem Bestimmungs- oder Verarbeitungsort erfolgt hauptsächlich mit großen Schiffen, indem das Flüssigerdgas in gekühlten Tanks gelagert wird. Am Bestimmungsort wird das Flüssigerdgas durch Wärmezufuhr wieder in den gasförmigen Zustand gebracht und z. B. über Pipelines weitertransportiert.
  • Für die Wiederverdampfung von Flüssigerdgas ist allerdings ein beträchtlicher energetischer Aufwand erforderlich, wodurch der Wirkungsgrad der Transportkette verschlechtert wird.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Wiederverdampfung von Flüssigerdgas anzugeben, bei dem geringere Energieverluste auftreten.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das bei dem Erwärmen des Flüssigerdgases abgekühlte Wärmeträgermedium in einem Gasturbinenprozess genutzt wird.
  • Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Energie in Form von Kälte, die bei der herkömmlichen Wiederverdampfung zumeist ungenutzt in die Umgebung abgegeben wird, vorteilhaft in einem Gasturbinenprozess genutzt werden kann. Dadurch kann der Gasturbinenprozess höhere Leistung erbringen oder gar mit höherem Wirkungsgrad durchgeführt werden.
  • Anders als bei herkömmlichen Verfahren, bei denen entweder Energie aus der Umgebung bezogen wird oder bei denen Umgebungsluft abgekühlt wird, wird erfindungsgemäß das abgekühlte Medium in einem weiteren technischen Prozess, nämlich in einem Gasturbinenprozess, genutzt.
  • Eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass Luft als Wärmeträgermedium verwendet wird und die abgekühlte Luft einem Kompressor oder einer Kompressorstufe einer Gasturbine als Ansaugluft zugeführt wird. Dieses Verfahren bietet sich für einen Gasturbinenprozess an, bei dem das wiederverdampfte Flüssigerdgas in der Gasturbine verbrannt wird. Die Gasturbine ist typischerweise mit einem Generator gekoppelt, um Strom zu erzeugen. Bei diesem Verfahren wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, dass sich der Wirkungsgrad einer Gasturbine erhöht, wenn die Lufteintrittstemperatur in den Kompressor abgesenkt wird. Dementsprechend wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dem Kompressor der Gasturbine ein abgekühltes Wärmeträgermedium, vorzugsweise Luft, zugeführt, die durch das Erwärmen des Flüssigerdgases bei der Wiederverdampfung abgekühlt wurde.
  • Eine weitere Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann erzielt werden, indem die abgekühlte Luft mit durch LNG vorgekühltem Wasser versetzt wird. Dabei wird Ansaugluft der Gasturbine bzw. des Kompressors durch Eindüsen von Wasser gekühlt. Beim Verdunsten des in Tröpfchenform eingedüsten Wassers wird die Ansaugluft weiter abgekühlt, wodurch die Lufteintrittstemperatur in den Kompressor abgesenkt wird.
  • Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass mit Hilfe der Wiederverdampfungskälte des LNG Wasser in einen festen Aggregatzustand – vorzugsweise Schnee – versetzt wird. Dieser Schnee wird dem Kompressor der Gasturbine zugeführt. Der Schnee erfährt im Ansaugteil der Gasturbine einen ersten Phasenübergang von fest zu flüssig und einen zweiten Phasenübergang von flüssig zu gasförmig, wodurch sich eine beträchtliche Abkühlung der Ansaugluft ergibt, die der Lufterwärmung im Kompressor entgegenwirkt. Ein separater oder zusätzlicher Wärmeübertrager im Ansaugteil der Gasturbine kann vorteilhaft entfallen, zumal ein derartiger Wärmeübertrager immer mit einem Druckverlust verbunden ist.
  • Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass bei dem Gasturbinenprozess wenigstens zwei Kompressorstufen mit einer Zwischenkühlung vorgesehen sind und die Zwischenkühlung mittels des abgekühlten Wärmeträgermediums, insbesondere mittels abgekühlter Luft, erfolgt.
  • Bei dieser Variante des Verfahrens weist die Gasturbine wenigstens zwei Kompressorstufen auf, dazwischen ist eine Zwischenkühlung mittels eines Wärmetauschers vorgesehen, als „Kältequelle“ dient dabei das für die Wiederverdampfung von Flüssigerdgas verwendete Wärmeträgermedium.
  • Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das abgekühlte Wärmeträgermedium zur Kühlung von nach dem Auslass eines Kompressors abgezweigter Luft benutzt wird, die anschließend zur Brennkammerkühlung und/oder zur Schaufelkühlung verwendet wird.
  • Bei modernen Gasturbinen wird am Kompressorauslass Kühlluft abgezweigt, um die Brennkammer und/oder Schaufeln zu kühlen. Allerdings verringert diese abgezweigte Kühlluft die Leistung und den Wirkungsgrad der Gasturbine. Erfindungsgemäß kann die Menge der abgezweigten Kühlluft reduziert werden, wenn die Temperatur der Kühlluft reduziert wird. Daher wird für diesen Zweck das abgekühlte Wärmeträgermedium benutzt, wodurch die abgezweigte Kühlluft weiter gekühlt wird. Durch die Abkühlung der Kühlluft kann die Menge der benötigten abgezweigten Kühlluft verringert werden.
  • Daneben betrifft die Erfindung eine Gasturbine, die erfindungsgemäße Gasturbine ist zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens ausgebildet.
  • Es wird besonders bevorzugt, dass die erfindungsgemäße Gasturbine mit einem Wärmetauscher gekoppelt ist, dessen Wärmeträgermedium durch Erwärmen von Flüssigerdgas abkühlbar ist, wobei das abgekühlte Wärmeträgermedium der Gasturbine zuführbar ist.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Luftvorkühlung;
  • 2 eine Variante des in 1 gezeigten Verfahrens, bei der Wasser und/oder Schnee eingedüst wird;
  • 3 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Zwischenkühlung der Luft in einem Kompressor; und
  • 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem Kühlluft am Kompressorauslass gekühlt wird.
  • 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung mit einer Gasturbine, die zur Durchführung des Verfahrens zur Wiederverdampfung von Flüssigerdgas geeignet ist.
  • Flüssigerdgas (LNG) wird im flüssigen Aggregatzustand über eine Leitung 1 einem Wärmeübertrager 2 zugeführt. Der Wärmeübertrager 2 kann als Rohrbündel-Wärmeübertrager oder als Platten-Wärmeübertrager oder als ein anderer geeigneter Wärmeübertrager ausgebildet sein. Durch den Wärmeübertrager 2 wird Ansaugluft 3 geführt, wodurch das Flüssigerdgas bis zum Verdampfen erwärmt wird. Dementsprechend kühlt sich die Ansaugluft 3 ab, die einem Kompressor 4 zugeführt wird. Über eine Leitung 5 wird die benötigte Menge an Flüssigerdgas einer Brennkammer 6 zugeführt und verbrannt. Da dem Kompressor 4 Ansaugluft zugeführt wird, die in dem Wärmeübertrager 2 abgekühlt wurde, erhöht sich die Leistung und gegebenenfalls auch der Wirkungsgrad der Gasturbine. In 1 ist schematisch gezeigt, dass durch das in der Brennkammer 6 verbrannte Flüssigerdgas eine Turbine 7 angetrieben wird, die wiederum einen Generator 8 zur Stromerzeugung antreibt. Die mechanische Kopplung in Form einer Antriebswelle zwischen Kompressor 4, Turbine 7 und Generator 8 wird durch eine gestrichelte Linie 9 dargestellt.
  • 2 zeigt eine Weiterentwicklung des in 1 gezeigten Verfahrens zur Wiederverdampfung von Flüssigerdgas. In Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel gelangt Flüssigerdgas (LNG) über eine Leitung 1 zu einem Wärmeübertrager 10. In dem Wärmetauscher 10 wird Wasser 11 eingedüst, das entgegen dem bekannten Inlet Fogging über einen weiteren Wärmeübertrager durch das verdampfende LNG vorgekühlt wird. In dem Wärmetauscher 10 kühlt sich das Wasser 11 ab, die Wärmeenergie wird an das im flüssigen Aggregatzustand zugeführte Flüssigerdgas abgegeben, das dadurch erwärmt wird und verdampft. Durch die Abkühlung, die das Wasser 11 in dem Wärmetauscher 10 erfährt, entsteht bei sehr starker Abkühlung Schnee 12, der mit Ansaugluft 13 vermischt wird und vom Kompressor 4 angesaugt wird. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass ein Wärmeübertrager im Ansaugteil der Gasturbine entfallen kann, der normalerweise mit einem Druckverlust verbunden ist. Da die Ansaugluft 13, die in den Kompressor 4 gelangt, auch Schnee enthält, findet ein erster Phasenübergang vom festen in den flüssigen Aggregatzustand und ein zweiter Phasenübergang vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand der Ansaugluft statt, wodurch sich eine besonders gute Kühlung der Ansaugluft ergibt. Dementsprechend ist die Lufteintrittstemperatur in den Kompressor 4 verringert, wodurch sich die Leistung der Gasturbine erhöht. Durch den geringeren Luftvolumenstrom kann gegebenenfalls der Wirkungsgrad der Gasturbine ebenfalls erhöht werden.
  • Die Zufuhr des gasförmigen Flüssigerdgases über die Leitung 5 in die Brennkammer 6 sowie die Kopplung des Kompressors 4 mit der Brennkammer 6 und der Turbine 7 sowie dem Generator 8 ist identisch zu dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel.
  • 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Wiederverdampfung von Flüssigerdgas und eine entsprechende Gasturbine.
  • Über eine Leitung 14 gelangt Flüssigerdgas im flüssigen Aggregatzustand in einen Wärmeübertrager 15. An einem Kompressor 4 wird Luft 16 angesaugt und verdichtet. Die verdichtete Luft durchströmt den Wärmeübertrager 15 und wird dabei abgekühlt, andererseits erwärmt sich das Flüssigerdgas und wird verdampft. Die abgekühlte komprimierte Luft gelangt über eine Leitung 17 in einen zweiten Kompressor 18 bzw. einen zweiten Abschnitt von Kompressorstufen. Der Kompressor 4 und der Kompressor 18 können somit als Abschnitte mehrerer Kompressorstufen eines einzigen Kompressors ausgebildet sein. Von dem Kompressor 18 gelangt die abgekühlte Ansaugluft zur Brennkammer 6, in der das verdampfte Flüssigerdgas, das über die Leitung 5 zugeführt wird, verbrannt wird. Die Turbine 7 und der Generator 8 sind in Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel der Brennkammer 6 nachgeschaltet. Bei dem in 3 gezeigten Verfahren dient somit die für die Wiederverdampfung des Flüssigerdgases entstehende Kälte als Kältequelle einer Zwischenkühlung der Ansaugluft.
  • 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Wiederverdampfung von Flüssigerdgas sowie eine entsprechende Gasturbine.
  • Flüssigerdgas wird über eine Leitung 1 einem Wärmeübertrager 19 zugeführt, in dem es verdampft wird. Das verdampfte Flüssigerdgas gelangt über eine Leitung 20 in eine Brennkammer 21, in der es verbrannt wird. Von einem Kompressor 4 wird Luft 22 angesaugt, anschließend wird die komprimierte Luft über eine Leitung 23 dem Wärmeübertrager 19 zugeführt. Beim Passieren des Wärmeübertrager 19 wird die Luft weiter abgekühlt, die gekühlte Luft wird über eine Leitung 24 der Brennkammer 21 zugeführt. Ein Teil der vom Kompressor 4 verdichteten Luft gelangt direkt über eine Leitung 25 zur Brennkammer 21. Von der Brennkammer 21 gelangt das Gas über die Leitung 26 zur Turbine 7, wodurch die Turbine 7 angetrieben wird. Ein Teil des Gases strömt durch eine Leitung 27 zur Turbine 7 und wird dort für die Schaufelkühlung abgezweigt. Durch die mechanische Verbindung der Turbine 7 mit dem Generator 8 wird Strom durch den Generator 8 erzeugt. Da die Temperatur der Ansaugluft in dem Wärmeübertrager 19 reduziert wird, kann die Menge der für die Kühlung der Brennkammer 21 und der Schaufeln abgezweigten Luft im Vergleich zu herkömmlichen Gasturbinen reduziert werden.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Wiederverdampfung von Flüssigerdgas (liquified natural gas, LNG) durch Erwärmen des Flüssigerdgases mittels eines Wärme abgebenden Wärmeträgermediums in einem Wärmeübertrager, dadurch gekennzeichnet, dass das bei dem Erwärmen des Flüssigerdgases abgekühlte Wärmeträgermedium in einem Gasturbinenprozess genutzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Luft als Wärmeträgermedium verwendet wird und die abgekühlte Luft einem Kompressor einer Gasturbine als Ansaugluft zugeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die abgekühlte Luft mit vorgekühltem Wasser versetzt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zugesetztes Wasser mittels der Wiederverdampfungskälte des Flüssigerdgases in einen festen Aggregatzustand gebracht und dem Kompressor der Gasturbine vorzugsweise als Schnee zugeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Gasturbinenprozess wenigstens zwei Kompressorstufen mit einer Zwischenkühlung vorgesehen sind und die Zwischenkühlung mittels des abgekühlten Wärmeträgermediums, insbesondere mittels abgekühlter Luft, erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das abgekühlte Wärmeträgermedium zur Kühlung von nach dem Auslass eines Kompressors abgezweigter Luft benutzt wird, die anschließend zur Brennkammerkühlung und/oder zur Schaufelkühlung verwendet wird.
  7. Gasturbine, die zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.
  8. Gasturbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem Wärmeübertrager gekoppelt ist, dessen Wärmeträgermedium durch Erwärmen von Flüssigerdgas abkühlbar ist, wobei das abgekühlte Wärmeträgermedium der Gasturbine zuführbar ist.
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