DE102014017802A1

DE102014017802A1 - More effective work recovery when heating cryogenic liquids

Info

Publication number: DE102014017802A1
Application number: DE102014017802.1A
Authority: DE
Inventors: Alexander Alekseev; Christoph HERTEL; Philipp Lückerath
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2014-12-02
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2016-06-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Energie bei der Erwärmung eines kryogenen Mediums (M) auf eine Abgabetemperatur, wobei das flüssige kryogene Medium (M) durch einen ersten Wärmeübertrager geleitet wird und in dem ersten Wärmeübertrager gegen eine Arbeitsfluid erwärmt wird, wobei das Arbeitsfluid abgekühlt wird, und wobei hiernach das Medium (M) mit einer Abgabetemperatur (TA) für eine weitere Verwendung bereitgestellt wird, und wobei das Arbeitsfluid (A) stromab des ersten Wärmeübertragers (E1) unter Erzeugung von Energie in einem Expander (EX1) entspannt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das kryogene Medium (M) in dem ersten Wärmeübertrager (E1) lediglich auf eine erste Temperatur (T1) erwärmt wird, die niedriger ist als die Abgabetemperatur (TA), und wobei das Medium (M) stromab des ersten Wärmeübertragers (E2), in einem zweiten Wärmeübertrager (E5) auf die Abgabetemperatur erwärmt wird.The invention relates to a method for generating energy in the heating of a cryogenic medium (M) to a discharge temperature, wherein the liquid cryogenic medium (M) is passed through a first heat exchanger and is heated in the first heat exchanger against a working fluid, wherein the working fluid after which the medium (M) is provided with a discharge temperature (TA) for further use, and the working fluid (A) is depressurized downstream of the first heat exchanger (E1) to produce energy in an expander (EX1) , According to the invention, it is provided that the cryogenic medium (M) in the first heat exchanger (E1) is heated only to a first temperature (T1) which is lower than the discharge temperature (TA), and wherein the medium (M) downstream of the first heat exchanger (E2), in a second heat exchanger (E5) is heated to the discharge temperature.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Energie bei der Erwärmung eines kryogenen Mediums auf eine Abgabetemperatur. Ein kryogenes Medium bzw. eine kryogene Flüssigkeit ist vorliegend als ein tiefkalt verflüssigtes Gas zu verstehen, das an einer Abgabestelle, auf eine Abgabetemperatur erwärmt, bereitgestellt werden soll. Bei der Abgabetemperatur ist das Medium bevorzugt gasförmig.The invention relates to a method for generating energy when heating a cryogenic medium to a discharge temperature. A cryogenic medium or a cryogenic liquid is to be understood in the present case as a cryogenic liquefied gas which is to be provided at a delivery point, heated to a discharge temperature. At the discharge temperature, the medium is preferably gaseous.

Bei der Verdampfung von verflüssigtem Erdgas (kurz LNG für Liquid Natural Gas) an LNG Import-Terminals wird mit der Wärmezufuhr Arbeitsfähigkeit des LNG vernichtet. Je nach Abgabedruck des LNG können mit einem entsprechenden Arbeitsprozess zwischen 10% und 20% der Verflüssigungsenergie zurückgewonnen werden. Als Arbeitsprozesse stehen direkte und indirekte Rankine- und Joule-Kreisläufe zur Verfügung.In the liquefaction of liquefied natural gas (LNG for liquid natural gas) at LNG import terminals, the heat input destroys the LNG's ability to work. Depending on the delivery pressure of the LNG, between 10% and 20% of the liquefaction energy can be recovered with a corresponding work process. As working processes direct and indirect Rankine and Joule cycles are available.

Bei einem indirekten, aus dem Stand der Technik bekannten Rankine-Prozess (sogenannter MORC für Mixed Organic Rankine Cycle) mit einem Kohlenwasserstoffgemisch als Arbeitsfluid, das auch als MR bezeichnet wird (MR für Mixed Refrigerant), wird das Arbeitsfluid in einem ersten Wärmeübertrager (auch als Hauptwärmeübertrager bezeichnet) gegen das verdampfende LNG kondensiert. Das kondensierte/unterkühlte Arbeitsfluid wird in einer ersten Pumpe stromab des ersten Wärmeübertragers auf einen höheren Druck gebracht, meist überkritisch, und anschließend im ersten Wärmeübertrager erhitzt, insbesondere verdampft. In einem weiteren Wärmeübertrager stromab des ersten Wärmeübertragers wird das Arbeitsfluid weiter erwärmt, bevor es in einem Expander (z. B. ein- oder mehrstufig) mit eventueller Zwischenüberhitzung unter Gewinnung elektrischer Energie entspannt wird. Ein derartiger Prozess ist z. B. aus der EP 2557 279 A2 , US 8,132,411 B2 sowie US6,751,959 bekannt. Ein weiterer MORC ist aus „Smith and Mak, LNG Regasification and Utilization, FLUOR, 5rd Annual Atlantic Canada Oil and Gas, 2005” bekannt.In an indirect, known from the prior art Rankine process (so-called MORC for Mixed Organic Rankine Cycle) with a hydrocarbon mixture as the working fluid, which is also referred to as MR (MR for mixed refrigerant), the working fluid in a first heat exchanger (also called main heat exchanger) condenses against the evaporating LNG. The condensed / supercooled working fluid is brought in a first pump downstream of the first heat exchanger to a higher pressure, usually supercritical, and then heated in the first heat exchanger, in particular evaporated. In a further heat exchanger downstream of the first heat exchanger, the working fluid is further heated before it is expanded in an expander (for example in one or more stages) with possible reheating to obtain electrical energy. Such a process is z. B. from the EP 2557 279 A2 . US 8,132,411 B2 such as US6,751,959 known. Another MORC is known from "Smith and Mak, LNG Regasification and Utilization, FLUOR, 5rd Annual Atlantic Canada Oil and Gas, 2005".

Wie weit das Arbeitsfluid in dem weiteren Wärmeübertrager erhitzt wird, ist abhängig von der Art der externen Wärme, die zur Verfügung steht. Bei Verfahren in denen nur Umgebungswärme (z. B. von Luft oder Seewasser) eingesetzt wird, liegt die Wirtschaftlichkeit in weiter Ferne, da die erzeugte elektrische Leitung zu gering ist. Um ein wirtschaftliches Verfahren zu ermöglichen, muss eine höherwertige Wärmequelle, wie etwa Niederdruckdampf oder Rauchgas, zur Verfügung stehen. Je höher die Temperatur der Wärmequelle, umso effizienter ist der Rankine-Kreislauf. Die maximale Temperatur ergibt sich aus der thermischen Stabilität des eingesetzten Arbeitsfluids. Gemäß Stand der Technik erfolgt eine möglichst vollständige Erwärmung des LNG auf die finale Abgabetemperatur (z. B. 15°C), um die maximale elektrische Leistung zu erzeugen. Um das Temperaturprofil des LNG und des MR auch am warmen Ende des ersten Wärmeübertragers gut anzupassen, werden „längerkettige” Kohlenwasserstoffe, in der Regel C3- bis C5-Kohlenwasserstoffe, eingesetzt (ein CN-Kohlenwasserstoff, wobei N eine natürliche Zahl ist, ist ein Kohlenwasserstoff mit N Kohlenstoffatomen).How far the working fluid in the further heat exchanger is heated depends on the type of external heat that is available. In processes in which only ambient heat (eg from air or seawater) is used, the efficiency is far away, since the electrical power generated is too low. To enable an economical process, a higher quality heat source, such as low pressure steam or flue gas, must be available. The higher the temperature of the heat source, the more efficient the Rankine cycle. The maximum temperature results from the thermal stability of the working fluid used. According to the state of the art, the LNG is heated as completely as possible to the final delivery temperature (eg 15 ° C.) in order to generate the maximum electrical power. To well accommodate the temperature profile of the LNG and MR also at the warm end of the first heat exchanger, "longer chain" hydrocarbons, typically C3 to C5 hydrocarbons, are used (a CN hydrocarbon, where N is a natural number) Hydrocarbon with N carbon atoms).

Im Hinblick auf das eingangs erwähnte, aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren, sind folgende Problemkreise bekannt.In view of the above-mentioned, known from the prior art method, the following problem areas are known.

Der erste Wärmeübertrager benötigt durch das bei kryogenen Prozessen typische, sehr enge Temperaturprofil und große zu übertragende Wärmemengen sehr viel Wärmeübertragungsfläche und ist daher vergleichsweise teuer.The first heat exchanger requires by the cryogenic processes typical, very narrow temperature profile and large amounts of heat to be transferred very much heat transfer surface and is therefore relatively expensive.

Der Einsatz längerer Kohlenwasserstoffe C3 bis C5 zur Anpassung des Temperaturprofils am warmen Ende des ersten Wärmeübertragers begrenzt die maximale Temperatur des MR auf ca. 150°C bis 200°C aufgrund der thermischen Stabilität der Kohlenwasserstoffe.The use of longer hydrocarbons C3 to C5 to adjust the temperature profile at the warm end of the first heat exchanger limits the maximum temperature of the MR to about 150 ° C to 200 ° C due to the thermal stability of the hydrocarbons.

Die komplette Ausnutzung einer externen Wärmequelle, insbesondere eines Gases (z. B. Rauchgas), d. h., Abkühlen bis nahe der Umgebungstemperatur, ist nur mit langen und somit teuren Gegenstromwärmetauschern möglich. Der Ausnutzung der Wärmequellen sind somit starke wirtschaftliche Grenzen gesetzt.The complete utilization of an external heat source, in particular a gas (eg flue gas), d. h., Cooling to near ambient temperature, is only possible with long and therefore expensive countercurrent heat exchangers. The exploitation of heat sources are thus set strong economic limits.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art im Hinblick auf die Gesamtwirtschaftlichkeit zu verbessern.On this basis, the present invention therefore has the object to improve a method of the type mentioned in terms of overall economy.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben.This object is achieved by a method having the features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims and are described below.

Gemäß Anspruch 1 sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass das flüssige kryogene Medium (z. B. LNG) durch einen ersten Wärmeübertrager geleitet wird und in dem ersten Wärmeübertrager gegen eine Arbeitsfluid erwärmt wird, wobei das Arbeitsfluid abgekühlt (insbesondere kondensiert) wird, und wobei hiernach das (dann insbesondere gasförmige) Medium mit einer Abgabetemperatur für eine weitere Verwendung bereitgestellt wird (und hierfür z. B. in eine Transportleitung (Pipeline) gegeben wird), und wobei das Arbeitsfluid stromab des ersten Wärmeübertragers unter Erzeugung von Energie in einem Expander entspannt wird. Dieser Expander ist also bevorzugt dazu ausgebildet, das gasförmige Arbeitsfluid unter Abführung von Arbeit zu expandieren. Der Expander weist hierzu insbesondere eine Turbine auf, die insbesondere ein- oder mehrstufig, axialer oder radialer Bauart sein kann. Die abgeführte Arbeit wird bevorzugt zum Antrieb eines mit dem Expander bzw. der Turbine gekoppelten Generators verwendet, der die Arbeit in elektrische Energie umsetzt. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass das kryogene Medium in dem ersten Wärmeübertrager lediglich auf eine erste Temperatur T₁ erwärmt wird, die niedriger ist als die Abgabetemperatur T_A, wobei das Medium stromab des ersten Wärmeübertragers in einem zweiten Wärmeübertrager auf die Abgabetemperatur T_A erwärmt wird. Insbesondere kann der zweite Wärmeübertrager dem ersten Wärmeübertrager (direkt) nachgeschaltet sein, wobei sich insbesondere im Strömungspfad zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmeübertrager – bis auf eine etwaige Leitungsverbindung zur Herstellung einer Strömungsverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmeübertrager – kein weiterer Wärmeübertrager befindet. Es kann jedoch auch noch ein weiterer Wärmeübertrager zwischen den ersten und den zweiten Wärmeübertrager geschaltet sein, der der Erwärmung des Mediums dient.According to claim 1, the inventive method provides that the liquid cryogenic medium (eg LNG) is passed through a first heat exchanger and is heated in the first heat exchanger against a working fluid, the working fluid is cooled (in particular condensed), and wherein Thereafter, the (then particularly gaseous) medium is provided at a dispensing temperature for further use (for example, placed in a pipeline) and wherein the working fluid downstream of the first heat exchanger relaxes to generate energy in an expander becomes. This expander is therefore preferably designed to expand the gaseous working fluid while discharging work. For this purpose, the expander has, in particular, a turbine, which in particular may be single-stage or multi-stage, axial or radial design. The dissipated work is preferably used to drive a coupled with the expander or the turbine generator, which converts the work into electrical energy. According to the invention it is now provided that the cryogenic medium is heated in the first heat exchanger only to a first temperature T ₁ , which is lower than the discharge temperature T _A , wherein the medium is heated downstream of the first heat exchanger in a second heat exchanger to the discharge temperature T _A. , In particular, the second heat exchanger can be connected downstream of the first heat exchanger, with no further heat exchanger, in particular in the flow path between the first and the second heat exchanger, except for a possible line connection for establishing a flow connection between the first and the second heat exchanger. However, it may also be connected another heat exchanger between the first and the second heat exchanger, which serves to heat the medium.

Die Abgabetemperatur liegt im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt in einem Bereich von –30°C bis 50°C, bevorzugt im Bereich von 0°C bis 30°C, bevorzugt im Bereich von 10°C bis 20°C, insbesondere bei 15°C. Bei der Abgabetemperatur kann es sich des Weiteren um die Temperatur der die Anlage unmittelbar umgebenden Atmosphäre handeln (sogenannte Umgebungstemperatur).The discharge temperature is within the meaning of the present invention preferably in a range of -30 ° C to 50 ° C, preferably in the range of 0 ° C to 30 ° C, preferably in the range of 10 ° C to 20 ° C, in particular 15 ° C. The discharge temperature may also be the temperature of the atmosphere directly surrounding the system (so-called ambient temperature).

Mit anderen Worten besteht die Idee der vorliegenden Erfindung insbesondere darin, nicht die gesamte Kälte des (kryogenen) Mediums (z. B. LNG) zu nutzen, sondern nur den exergetisch höherwertigen tiefkalten Teil. Das Medium verlässt damit den ersten Wärmeübertrager nicht mit Abgabetemperatur, sondern mit einer ersten Temperatur T₁, die insbesondere deutlich unterhalb der Umgebungstemperatur liegt (z. B. bei –70°C oder darunter). Das Medium muss daher entsprechend in einem zusätzlichen zweiten Wärmetauscher auf die Abgabetemperatur erwärmt werden.In other words, the idea of the present invention is, in particular, not to use the entire cold of the (cryogenic) medium (eg LNG), but only the exergetic higher-order cryogenic part. The medium thus leaves the first heat exchanger not at the discharge temperature, but at a first temperature T ₁ , which is in particular well below the ambient temperature (eg at -70 ° C. or below). The medium must therefore be heated accordingly in an additional second heat exchanger to the discharge temperature.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das kryogene Medium Erdgas ist, das auf die Abgabetemperatur erwärmt werden soll.According to a preferred embodiment of the invention it is provided that the cryogenic medium is natural gas, which is to be heated to the discharge temperature.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Temperatur des Mediums (z. B. Erdgas) im Bereich von –110°C bis –50°C liegt.According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the first temperature of the medium (eg natural gas) is in the range of -110 ° C to -50 ° C.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Arbeitsfluid lediglich Kohlenwasserstoffe aufweist, die ein oder zwei Kohlenstoffe aufweisen. Weiterhin kann das Arbeitsfluid Stickstoff aufweisen. Bevorzugt besteht das Arbeitsfluid aus Methan, Ethan und/oder Ethylen sowie Stickstoff.According to a further preferred embodiment of the invention it is provided that the working fluid comprises only hydrocarbons having one or two carbons. Furthermore, the working fluid may comprise nitrogen. Preferably, the working fluid consists of methane, ethane and / or ethylene and nitrogen.

Bevorzugt weist das Arbeitsfluid 35 mol-% bis 70 mol-% C1-Kohlenwasserstoffe, 27 mol-% bis 43 mol-% C2-Kohlenwasserstoffe und 2 mol-% bis 27 mol-% N₂ auf.Preferably, the working fluid 35 mol% to 70 mol% of C1 hydrocarbons, 27 mol% to 43 mol% of C2 hydrocarbons and 2 mol% to 27 mol% of N ₂ .

Insbesondere weist das Arbeitsfluid vorzugsweise 45 mol-% bis 70 mol-% C1-Kohlenwasserstoffe, 27 mol-% bis 41 mol-% C2-Kohlenwasserstoffe und 2 mol-% bis 14 mol-% N₂ auf.In particular, preferably, the working fluid 45 mol% to 70 mol% C1-hydrocarbons, 27 mol% to 41 mol% C2 hydrocarbons, and 2 mol% to 14 mol% of N _2.

Besonders bevorzugt weist das Arbeitsfluid z. B: 53 mol-% C1-Kohlenwasserstoffe, 39 mol-% C2-Kohlenwasserstoffe und 8 mol-% N₂ auf. Längerkettige Kohlenwasserstoffe sind – bis insbesondere auf Spuren – bevorzugt nicht im Arbeitsfluid enthalten.Particularly preferably, the working fluid z. B: 53 mol% of C1 hydrocarbons, 39 mol% of C2 hydrocarbons and 8 mol% of N ₂ . Longer-chain hydrocarbons are preferably not present in the working fluid, especially on tracks.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass nach dem Abkühlen des Arbeitsfluids im ersten Wärmeübertrager der Druck des Arbeitsfluids stromab des ersten Wärmeübertragers mittels einer ersten Pumpe erhöht wird (bevorzugt so hoch wie möglich, insbesondere 95 bar), und sodann das Arbeitsfluid im ersten Wärmeübertrager erwärmt wird, insbesondere verdampft wird. Der Kondensationsdruck des Arbeitsfluids im ersten Wärmeübertrager liegt bevorzugt in einem Bereich von 1 bar bis 10 bar, insbesondere bei 6,5 bar.According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that after cooling the working fluid in the first heat exchanger, the pressure of the working fluid is increased downstream of the first heat exchanger by means of a first pump (preferably as high as possible, in particular 95 bar), and then the working fluid in first heat exchanger is heated, in particular is evaporated. The condensation pressure of the working fluid in the first heat exchanger is preferably in a range from 1 bar to 10 bar, in particular at 6.5 bar.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das im Expander entspannte, warme Arbeitsfluid stromab des Expanders in einem dritten Wärmeübertrager, der hier insbesondere als Regenerator fungiert, herabgekühlt wird, insbesondere auf eine Temperatur nahe der ersten Temperatur, d. h., vorzugsweise auf eine Temperatur, die sich nicht mehr als 20°C, bevorzugt nicht mehr als 10°C, bevorzugt nicht mehr als 5°C, bevorzugt nicht mehr als 1°C von der ersten Temperatur unterscheidet.According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the warm working fluid expanded in the expander is cooled down downstream of the expander in a third heat exchanger, which here acts in particular as a regenerator, in particular to a temperature close to the first one Temperature, ie, preferably to a temperature which is not more than 20 ° C, preferably not more than 10 ° C, preferably not more than 5 ° C, preferably not more than 1 ° C from the first temperature.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das entspannte Arbeitsfluid aus dem Expander im dritten Wärmeübertrager gegen das im ersten Wärmeübertrager erwärmte Arbeitsfluid herabgekühlt wird, wobei das aus dem ersten Wärmeübertrager kommende Arbeitsfluid im dritten Wärmeübertrager erwärmt wird.According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the expanded working fluid from the expander in the third heat exchanger is cooled down against the working fluid heated in the first heat exchanger, the working fluid coming from the first heat exchanger being heated in the third heat exchanger.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das im dritten Wärmeübertrager erwärmte Arbeitsfluid stromab des dritten Wärmeübertragers (sowie stromauf des Expanders) in einem vierten Wärmeübertrager weiter erwärmt wird, und zwar insbesondere auf die Umgebungstemperatur.According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the working fluid heated in the third heat exchanger is further heated downstream of the third heat exchanger (and upstream of the expander) in a fourth heat exchanger, in particular to the ambient temperature.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das im vierten Wärmeübertrager erwärmte Arbeitsfluid stromab des vierten Wärmeübertragers (sowie stromauf des Expanders) in einem fünften Wärmeübertrager weiter erwärmt wird, insbesondere auf eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur.According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the working fluid heated in the fourth heat exchanger is further heated downstream of the fourth heat exchanger (and upstream of the expander) in a fifth heat exchanger, in particular to a temperature above the ambient temperature.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil des vom ersten Wärmeübertrager kommenden Arbeitsfluids am dritten Wärmeübertrager (insbesondere mittels eines Bypasses) vorbeigeführt wird. Hiermit kann dem Umstand Rechnung getragen werden, dass der Niederdruckstrom des Arbeitsfluids aus dem Expander und der Hochdruckstrom des Arbeitsfuids aus der ersten Pumpe bzw. dem ersten Wärmeübertrager je nach Auslegung sehr unterschiedliche Wärmekapazitäten aufweisen können. Ein Bypass des Arbeitsfluids am dritten Wärmeübertrager vorbei ermöglicht ggf. den Aufbau des dritten Wärmeübertragers innerhalb der Auslegungsgrenzen (maximale Temperaturdifferenzen).According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that at least part of the working fluid coming from the first heat exchanger is led past the third heat exchanger (in particular by means of a bypass). This can take into account the fact that the low-pressure stream of the working fluid from the expander and the high-pressure stream of Arbeitsfuids from the first pump and the first heat exchanger can have very different heat capacities depending on the design. A bypass of the working fluid past the third heat exchanger possibly allows the construction of the third heat exchanger within the design limits (maximum temperature differences).

Hierzu kann auch – ergänzend oder alternativ – zumindest ein Teil des aus dem ersten Wärmeübertrager kommenden Mediums (mit der ersten Temperatur) durch den dritten Wärmeübertrager geführt werden und sodann in den zweiten Wärmeübertrager gegeben werden, oder zumindest ein Teil des aus dem ersten Wärmeübertrager kommende Mediums (mit der ersten Temperatur) am dritten Wärmeübertrager vorbei direkt in den zweiten Wärmeübertrager geführt werden, wo die Erwärmung des Mediums auf die Abgabetemperatur vorgenommen wird.For this purpose, additionally or alternatively, at least part of the medium coming from the first heat exchanger (with the first temperature) can be passed through the third heat exchanger and then be introduced into the second heat exchanger, or at least part of the medium coming out of the first heat exchanger (With the first temperature) are passed to the third heat exchanger over directly into the second heat exchanger, where the heating of the medium is made to the discharge temperature.

Grundsätzlich können der erste und/oder der dritte Wärmeübertrager jeweils als einer der folgenden Wärmeübertrager ausgebildet sein: ein Wärmeübertrager der zur indirekten Übertragung von Wärme ausgebildet ist, ein Plattenwärmeübertrager, insbesondere ein Aluminiumplattenwärmeübertrager (z. B. nach der ALPEMA-Klassifikation, wobei ALPEMA für the Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturer's Association steht), ein Rohrbündelwärmeübertrager, insbesondere ein Wärmeübertrager nach der TEMA-Klassifikation (kurz TEMA-Wärmeübertrager oder shell and tube Wärmeübertrager, wobei TEMA für Tubular Exchanger Manufacturers Association steht) oder als ein gewickelter Wärmeübertrager. Bei einem Rohrbündelwärmeübertrager sind mehrere Rohre (sogenanntes Rohrbündel) in einem Mantelraum angeordnet. Eines der am Wärmetausch beteiligten Medien wird dann in den Rohren bzw. im Rohrbündel geführt, das andere Medium im Mantelraum. Bei einem gewickelten Wärmeübertrager sind mehrere Rohre um ein Kernrohr gewickelt und in einem Mantelraum angeordnet. Eines der am Wärmetausch beteiligten Medien wird dann wiederum in den Rohren geführt, das andere Medium im Mantelraum.In principle, the first and / or the third heat exchanger can each be embodied as one of the following heat exchangers: a heat exchanger which is designed for the indirect transfer of heat, a plate heat exchanger, in particular an aluminum plate heat exchanger (eg according to the ALPEMA classification, where ALPEMA for the Brazed Aluminum Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturer's Association), a shell and tube heat exchanger, in particular a heat exchanger according to the TEMA classification (TEMA heat exchanger or shell and tube heat exchanger, where TEMA stands for Tubular Exchanger Manufacturers Association) or as a coiled heat exchanger. In a tube bundle heat exchanger several tubes (so-called tube bundle) are arranged in a jacket space. One of the participating in the heat exchange media is then performed in the tubes or in the tube bundle, the other medium in the shell space. In a wound heat exchanger several tubes are wound around a core tube and arranged in a jacket space. One of the media involved in the heat exchange is then again guided in the tubes, the other medium in the jacket space.

Weiterhin kann es sich bei dem zweiten, dem vierten und/oder bei dem fünften Wärmeübertrager jeweils um einen (z. B. gefeuerten) Erhitzer handeln, der Wärme dem jeweiligen Strom zuführt. Weiherhin kann es sich bei dem zweiten, dem vierten und/oder bei dem fünften Wärmeübertrager um einen gewickelten Wärmeübertrager oder einen Rohrbündelwärmeübertrager (z. B. TEMA-Wärmeübertrager) handeln (wenn z. B. Wärme von einem warmen Fluid geliefert wird). Der zweite, vierte und/oder fünfte Wärmeübertrager können jeweils auch als Tauchflammenverdampfer ausgeführt sein.Furthermore, the second, the fourth and / or the fifth heat exchanger may each be a heater (for example fired) that supplies heat to the respective current. According to Weiherhin, the second, the fourth and / or the fifth heat exchanger may be a wound heat exchanger or a shell-and-tube heat exchanger (eg TEMA heat exchanger) (if, for example, heat is supplied by a warm fluid). The second, fourth and / or fifth heat exchanger can each also be designed as immersion flame evaporator.

Es ist weiterhin denkbar, den zweiten, vierten und/oder fünften Wärmeübertrager jeweils als dampfbeheizten Wärmeübertrager auszuführen. Eine Kombination verschiedener, oben beschriebener Wärmeübertragertypen ist natürlich auch denkbar.It is also conceivable to carry out the second, fourth and / or fifth heat exchanger in each case as a steam-heated heat exchanger. A combination of different heat exchanger types described above is of course also conceivable.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Wärmeübertrager als ein (erster) Tauchflammenverdampfer ausgebildet ist, wobei das Medium durch eine in einem Wasserbad des ersten Tauchflammenverdampfers befindliche Rohrleitung geleitet wird, wobei Wärme des Wasserbades auf das Medium übertragen wird, um dieses auf Abgabetemperatur zu erwärmen. Weiterhin kann auch der vierte Wärmeübertrager als ein (zweiter) Tauchflammenverdampfer ausgebildet sein, wobei nun das Arbeitsfluid durch eine in einem Wasserbad des (zweiten) Tauchflammenverdampfers befindliche Rohrleitung geleitet wird, wobei Wärme des Wasserbades auf das Arbeitsfluid übertragen wird, um dieses zu erwärmen.According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that the second heat exchanger is designed as a (first) immersion flame evaporator, wherein the medium is passed through a pipeline located in a water bath of the first immersion flame evaporator, wherein heat of Water bath is transferred to the medium to heat this to discharge temperature. Furthermore, the fourth heat exchanger can also be designed as a (second) immersion flame evaporator, the working fluid now being passed through a pipeline located in a water bath of the (second) immersion flame evaporator, with heat of the water bath being transferred to the working fluid in order to heat it.

Derartige Tauchflammenverdampfer beruhen vorzugsweise auf dem Prinzip der Rauchgastauchung. Hierbei werden die Verbrennungsprodukte eines Brenners des jeweiligen Tauchflammenverdampfers und/oder sonstige Abgase in ein Wasserbad des jeweiligen Tauchflammenverdampfers geleitet, das als Wärmeübertragungsmedium zur Erwärmung, insbesondere zur Verdampfung, des Mediums bzw. Arbeitsfluids dient, das in einer Rohrleitung (z. B. Rohrschlange) durch das jeweilige Wasserbad geführt wird. Verbrennung, Wasserbad und Wärmetauscher sind dabei vorzugsweise in einem Behälter vereint. Für den Fall, dass die Wärme des eingeleiteten Abgases nicht ausreicht, kann zusätzlich der Brenner des jeweiligen Tauchflammenverdampfers in Betrieb genommen werden.Such immersion flame evaporators are preferably based on the principle of Rauchgastauchung. In this case, the combustion products of a burner of the respective immersion flame evaporator and / or other exhaust gases are passed into a water bath of the respective immersion flame evaporator which serves as a heat transfer medium for heating, in particular for evaporation, the medium or working fluid which is present in a pipeline (eg tube coil). is guided through the respective water bath. Combustion, water bath and heat exchangers are preferably combined in a container. In the event that the heat of the introduced exhaust gas is insufficient, the burner of the respective immersion flame evaporator can also be put into operation.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der fünfte Wärmeübertrager als gefeuerter Erhitzer ausgebildet ist, der das Arbeitsfluid vor dem Einleiten in den Expander erwärmt. Hierzu ist der Erhitzer dazu ausgebildet, einen Brennstoff zu verbrennen und resultierende Wärme auf das Arbeitsfluid zu übertragen. Bevorzugt wird ein (bei der Verbrennung entstehendes) Abgas des Erhitzers in den ersten und/oder zweiten Tauchflammenverdampfer eingeleitet, nämlich in das jeweilige Wasserbad, um dieses zu erwärmen (z. B. auf 30°C). Die Wärme des Abgases kann somit auf das Medium bzw. Arbeitsfluid übertragen werden.According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the fifth heat exchanger is designed as a fired heater, which heats the working fluid before it is introduced into the expander. For this purpose, the heater is designed to burn a fuel and transfer resulting heat to the working fluid. Preferably, an offgas (resulting from the combustion) of the heater is introduced into the first and / or second immersion flame evaporator, namely into the respective water bath in order to heat it (eg to 30 ° C.). The heat of the exhaust gas can thus be transferred to the medium or working fluid.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der fünfte Wärmeübertrager das Arbeitsfluid mittels eines Abgases einer Gasturbine erwärmt, wobei insbesondere das Abgas anschließend in den ersten und/oder den zweiten Tauchflammenverdampfer eingeleitet wird, nämlich in das jeweilige Wasserbad, um dieses zu erwärmen (z. B. auf 30°C). Die Wärme des Abgases kann somit auf das Medium bzw. Arbeitsfluid übertragen werden.According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the fifth heat exchanger heats the working fluid by means of an exhaust gas of a gas turbine, wherein in particular the exhaust gas is subsequently introduced into the first and / or the second immersion flame evaporator, namely into the respective water bath in order to heat it (eg at 30 ° C). The heat of the exhaust gas can thus be transferred to the medium or working fluid.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend bei der Figurenbeschreibung von Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren erläutert werden. Es zeigen:Further features and advantages of the invention will be explained below in the description of the figures of embodiments of the invention with reference to the figures. Show it:

1: ein Verfahren nach dem Stand der Technik; 1 a method according to the prior art;

2: eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens; 2 a first embodiment of a method according to the invention;

3: eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens; 3 a second embodiment of a method according to the invention;

4: eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und 4 a third embodiment of a method according to the invention; and

5: eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. 5 A fourth embodiment of a method according to the invention.

1 zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren, das auch als MORC (für Mixed Organic Rankine Cycle) bezeichnet wird. Hierbei zirkuliert ein Arbeitsfluid A in Form eines Kohlenwasserstoffgemischs in einem Arbeitskreis. Das Arbeitsfluid A wird in einem ersten Wärmeübertrager E1 gegen das verdampfende LNG (Medium M) kondensiert. Das kondensierte/unterkühlte Arbeitsfluid A wird in einer ersten Pumpe P1 stromab des ersten Wärmeübertragers E1 auf einen höheren Druck gebracht, meist überkritisch, und anschließend im ersten Wärmeübertrager E1 erhitzt/verdampft. Das LNC wird bevorzugt mittels einer zweiten Pumpe P2 durch den ersten Wärmeübertrager E1 gepumpt. 1 shows a known from the prior art method, which is also referred to as MORC (for Mixed Organic Rankine Cycle). Here, a working fluid A circulates in the form of a hydrocarbon mixture in a working group. The working fluid A is condensed in a first heat exchanger E1 against the evaporating LNG (medium M). The condensed / supercooled working fluid A is brought in a first pump P1 downstream of the first heat exchanger E1 to a higher pressure, usually supercritical, and then heated / evaporated in the first heat exchanger E1. The LNC is preferably pumped by means of a second pump P2 through the first heat exchanger E1.

In einem weiteren Wärmeübertrager E4 stromab des ersten Wärmeübertragers E1 wird das Arbeitsfluid A weiter erwärmt, bevor es in einem Expander EX1 (z. B. ein- oder mehrstufig) mit eventueller Zwischenüberhitzung unter Gewinnung elektrischer Energie (mittels des Generators G) entspannt wird. Gemäß Stand der Technik wird das Medium M (hier LNG) im ersten Wärmeübertrager direkt auf die Abgabetemperatur T_NG gebracht und steht entsprechend als (insbesondere gasförmiges) Erdgas (NG) mit Abgabetemperatur T_NG zur Verfügung.In a further heat exchanger E4 downstream of the first heat exchanger E1, the working fluid A is further heated before it is expanded in an expander EX1 (for example in one or more stages) with possible reheating to obtain electrical energy (by means of the generator G). According to the prior art, the medium M (here LNG) in the first heat exchanger is brought directly to the discharge temperature T _NG and is accordingly available as (in particular gaseous) natural gas (NG) with discharge temperature T _NG .

Um den eingangs beschriebenen Nachteilen entgegen zu wirken, zielt die vorliegende Erfindung, deren Ausführungsbeispiele in den 2 bis 5 dargestellt sind, darauf ab, bevorzugt nicht die gesamte Kälte eines kryogenen Mediums M, hier LNG, zu nutzen, sondern nur den exergetisch höherwertigen tiefkalten Teil.To counteract the disadvantages described above, the present invention, whose embodiments in the 2 to 5 are shown, it is preferable not to use the entire cold of a cryogenic medium M, here LNG, but only the exergetic high-grade cryogenic part.

Gemäß 2 verlässt damit das LNC bzw. Medium M den ersten Wärmeübertrager E1 nicht mit der späteren Abgabetemperatur T_A bzw. T_NG, sondern mit einer ersten Temperatur T₁ die deutlich unterhalb der Umgebungstemperatur liegt (z. B. –70°C). According to 2 Thus, the LNC or medium M does not leave the first heat exchanger E1 with the subsequent discharge temperature T _A or T _NG , but with a first temperature T ₁ which is significantly below the ambient temperature (eg -70 ° C.).

Das Erdgas M wird nun in einem zusätzlichen, zweiten Wärmetauscher E5 auf Abgabetemperatur T_A erwärmt.The natural gas M is now heated in an additional, second heat exchanger E5 to discharge temperature T _A.

Im Folgenden werden zum besseren Verständnis der Erfindung exemplarisch Betriebsparameter eines erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben. Je nach Auslegung des erfindungsgemäßen Verfahrens können diese Parameter jedoch auch variieren.In the following, operating parameters of a method according to the invention are given by way of example for a better understanding of the invention. Depending on the design of the method according to the invention, however, these parameters may also vary.

Das im ersten Wärmeübertrager E1 gegen das Medium M bzw. das LNG abgekühlte/kondensierte Arbeitsfluid A erfährt mittels einer ersten Pumpe P1 eine Druckerhöhung und wird erneut durch den ersten Wärmeübertrager E1 gegeben, in dem es erwärmt wird.The cooled / condensed in the first heat exchanger E1 against the medium M and the LNG / working fluid A undergoes a pressure increase by means of a first pump P1 and is again given by the first heat exchanger E1, in which it is heated.

Weiterhin ist stromab des ersten Wärmeübertragers E1 ein weiterer, dritter Wärmeübertrager E2 vorgesehen, der mit dem ersten Wärmeübertrager E1 in Strömungsverbindung steht, so dass das Arbeitsfluid A aus dem ersten Wärmeübertrager E1 in den dritten Wärmeübertrager E2 gelangen kann (und umgekehrt).Furthermore, downstream of the first heat exchanger E1, a further, third heat exchanger E2 is provided, which is in flow communication with the first heat exchanger E1, so that the working fluid A can pass from the first heat exchanger E1 in the third heat exchanger E2 (and vice versa).

Der dritte Wärmeübertrager E2 fungiert hier als Regenerator, in dem das warme, entspannte Arbeitsfluid A (aus dem Expander EX1 kommend, siehe unten) auf eine Temperatur nahe der ersten Temperatur T₁ herabgekühlt wird, und zwar gegen das aus dem ersten Wärmeübertrager E1 kommende (druckerhöhte) Arbeitsfluid A.The third heat exchanger E2 acts here as a regenerator, in which the warm, relaxed working fluid A (coming from the expander EX1, see below) is cooled down to a temperature close to the first temperature T ₁ , namely against the one coming from the first heat exchanger E1 ( pressure increased) working fluid A.

In einem stromab des dritten Wärmeübertragers E2 vorgesehenen vierten Wärmeübertrager E3, der mit dem dritten Wärmeübertrager E2 in Strömungsverbindung steht, so dass das Arbeitsfluid A aus dem dritten Wärmeübertrager E2 in den vierten Wärmeübertrager E3 gelangen kann, wird das Arbeitsfluid A bis auf ca. Umgebungstemperatur erwärmt. In einem stromab des vierten Wärmeübertrager E3 vorgesehenen fünften Wärmeübertrager E4, der mit dem vierten Wärmeübertrager E3 in Strömungsverbindung steht, so dass das Arbeitsfluid A aus dem vierten Wärmeübertrager E3 in den fünften Wärmeübertrager E4 gelangen kann, findet die Wärmeübertragung auf das Arbeitsfluid A oberhalb Umgebungstemperatur statt (siehe unten). Hiernach wird das Arbeitsfluid in einem Expander EX1 unter Erzeugung von elektrischer Energie entspannt. Zur Erzeugung der elektrischen Energie ist der Expander EX1 mit einem Generator G gekoppelt und treibt diesen mit Hilfe der bei der Entspannung des Arbeitsfluids A frei werdenden Energie an.In a forth provided downstream of the third heat exchanger E2 fourth heat exchanger E3, which is in flow communication with the third heat exchanger E2, so that the working fluid A can pass from the third heat exchanger E2 in the fourth heat exchanger E3, the working fluid A is heated to about ambient temperature , In a fifth heat exchanger E4 provided downstream of the fourth heat exchanger E3, which is in flow communication with the fourth heat exchanger E3 so that the working fluid A can pass from the fourth heat exchanger E3 to the fifth heat exchanger E4, the heat transfer to the working fluid A takes place above ambient temperature (see below). Thereafter, the working fluid is expanded in an expander EX1 to generate electrical energy. To generate the electrical energy of the expander EX1 is coupled to a generator G and drives it with the help of the released during the relaxation of the working fluid A energy.

Das entspannte Arbeitsfluid A wird daraufhin, wie bereits erwähnt, im dritten Wärmeübertrager E2 gegen den Hochdruckarbeitsfluidstrom A aus dem ersten Wärmeübertrager E1 herabgekühlt und zurück in den ersten Wärmeübertrager E1 gegeben, wo es erneut das kryogene Medium M bzw. LNG erwärmt. Hiernach wird der Druck des Arbeitsfluids A mit der ersten Pumpe P1 erhöht.The relaxed working fluid A is then, as already mentioned, cooled down in the third heat exchanger E2 against the high-pressure working fluid flow A from the first heat exchanger E1 and returned to the first heat exchanger E1, where it again heats the cryogenic medium M or LNG. After that, the pressure of the working fluid A is increased with the first pump P1.

Generell wird bevorzugt bei allen Ausführungsformen das Arbeitsfluid A so gewählt, dass das Temperaturprofil des kondensierenden Arbeitsfluids A möglichst gut zu dem sich erwärmenden/verdampfenden LNG passt. Das bedeutet insbesondere, dass die mittlere Temperaturdifferenz in dem ersten Wärmeübertrager E1 zwischen dem LNG und dem Arbeitsfluid A bevorzugt unter 30 K liegt, bevorzugt unter 20 K, am meisten bevorzugt unter 10 K.In general, the working fluid A is preferably selected in all embodiments such that the temperature profile of the condensing working fluid A fits as well as possible to the heating / evaporating LNG. This means in particular that the average temperature difference in the first heat exchanger E1 between the LNG and the working fluid A is preferably below 30 K, preferably below 20 K, most preferably below 10 K.

Da das warme Ende des ersten Wärmeübertragers E1 nun im Bereich niedrigerer Temperaturen liegt, kann auf die längeren Kohlenwasserstoffe C3 bis C5 im Arbeitsfluid A verzichtet werden. Das erfindungsgemäße Arbeitsfluid besteht bevorzugt aus Methan, Ethan und/oder Ethylen sowie Stickstoff.Since the warm end of the first heat exchanger E1 is now in the range of lower temperatures, the longer hydrocarbons C3 to C5 in the working fluid A can be dispensed with. The working fluid according to the invention preferably consists of methane, ethane and / or ethylene and nitrogen.

Je nach der ersten Temperatur T₁ und dem Kondensationsdruck des Arbeitsfluids A variiert die Zusammensetzung des Arbeitsfluids A bevorzugt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 liegt die erste Temperatur T₁ z. B. bei –73°C und der Kondensationsdruck des Arbeitsfluids A bei 6,5 bar. Die Zusammensetzung des Arbeitsfluids A liegt dann z. B. bei 53 mol-% C1, 39 mol-% C2 und 8 mol-% N₂. Nachdem das Arbeitsfluid A im ersten Wärmeübertrager E1 abgekühlt worden ist (durch Erwärmen des LNG bzw. Mediums M auf die erste Temperatur T₁) wird der Druck des Arbeitsfluids A, wie bereits dargelegt, mittels der ersten Pumpe P1 erhöht, und zwar insbesondere nach wirtschaftlichen und technischen Grenzen so hoch wie möglich. Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 liegt dieser Druck z. B. bei ca. 95 bar.Depending on the first temperature T ₁ and the condensation pressure of the working fluid A, the composition of the working fluid A preferably varies. In the embodiment according to 2 is the first temperature T ₁ z. B. at -73 ° C and the condensation pressure of the working fluid A at 6.5 bar. The composition of the working fluid A is then z. B. 53 mol% of C1, C2 39 mol% and 8 mol% N _2. After the working fluid A has been cooled in the first heat exchanger E1 (by heating the LNG or medium M to the first temperature T ₁ ), the pressure of the working fluid A, as already stated, increased by the first pump P1, and in particular by economic and technical limits as high as possible. In the embodiment according to 2 is this pressure z. B. at about 95 bar.

Der Kondensationsdruck des Arbeitsfluids A liegt bevorzugt ca. zwischen 1 bar bis 10 bar. Die untere Grenze ist bestimmt durch die Temperatur des Mediums M bzw. des LNG nach der zweiten Pumpe P2 und der Bedingung der Unterkühlung des Arbeitsfluids A am Ende des ersten Wärmeübertragers E1. Das Optimum des Kondensationsdruckes verschiebt sich insbesondere mit der ersten Temperatur T₁ und der Ausführung des Expanders EX1 mit oder ohne Zwischenüberhitzung. Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 liegt der Kondensationsdruck z. B. bei 6,5 bar. The condensation pressure of the working fluid A is preferably approximately between 1 bar to 10 bar. The lower limit is determined by the temperature of the medium M or of the LNG after the second pump P2 and the condition of the subcooling of the working fluid A at the end of the first heat exchanger E1. The optimum of the condensation pressure shifts in particular with the first temperature T ₁ and the execution of the expander EX1 with or without reheating. In the embodiment according to 2 is the condensation pressure z. B. at 6.5 bar.

Die Veränderungen gegenüber dem Stand der Technik haben zunächst den Effekt, dass die elektrische Leistung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Verfahren nach 1 (Stand der Technik) sinkt. In Bezug auf den oben beschriebenen Problemkreis ergeben sich jedoch die folgenden signifikanten Vorteile.The changes over the prior art initially have the effect that the electrical performance of the method according to the invention over the method according to 1 (Prior art) decreases. However, with respect to the above-described problems, there are the following significant advantages.

Die Exergie, die mit einer bestimmten Kältemenge an Arbeitsmittelkreislauf des Verfahrens gemäß Stand der Technik übertragen wird, ist umso größer, je kälter die Temperatur des LNG bzw. Mediums M ist. Beispielsweise kann aus LNG bei ca. 60 bar, das von 112 K auf 288 K (Umgebung) erwärmt wird und dabei 1 MW Wärme aufnimmt, theoretisch maximal 0,53 MW elektrische Energie gewonnen werden. Wird das LNG nur auf 212 K erwärmt (also ein insgesamt niedrigeres Temperaturniveau) und werden ebenfalls 1 MW Wärme an des LNG übertragen (was einen größeren Massenstrom verlangt), können theoretisch maximal 0,71 MW elektrische Energie gewonnen werden. Der positive Effekt der Erfindung ist also, dass pro installierter Leistung des ersten Wärmeübertragers E1 mehr elektrische Leistung produziert werden kann.The exergy, which is transmitted with a certain amount of refrigerant to the working medium circuit of the method according to the prior art, the greater, the colder the temperature of the LNG or medium M is. For example, from LNG at about 60 bar, which is heated from 112 K to 288 K (environment) and thereby absorbs 1 MW of heat, theoretically a maximum of 0.53 MW electrical energy can be obtained. If the LNG is only heated to 212 K (ie an overall lower temperature level) and 1 MW of heat is also transferred to the LNG (which requires a larger mass flow), theoretically a maximum of 0.71 MW electrical energy can be obtained. The positive effect of the invention is thus that more electrical power can be produced per installed power of the first heat exchanger E1.

Wie bereits dargelegt, benötigt der erste Wärmeübertrager E1 durch das enge Temperaturprofil eine große Wärmeübertragerfläche und ist somit vergleichsweise teuer. Die Erfindung ermöglicht es hier, die spezifischen Kosten (bezogen auf die gewonnene Arbeit) des ersten Wärmeübertragers E1 zu senken.As already stated, the first heat exchanger E1 requires a large heat exchanger surface due to the narrow temperature profile and is thus comparatively expensive. The invention makes it possible here to reduce the specific costs (based on the work gained) of the first heat exchanger E1.

Durch die nicht mehr benötigten Bestandteile C3 bis C5 des Arbeitsfluids A, kann die maximale Temperatur des Arbeitsmittelfluides A im erfindungsgemäßen Verfahren gemäß 2 deutlich erhöht werden. Mit Ethan/Ethylen als „längsten” Kohlenwasserstoffen ist die thermische Stabilität des Arbeitsfluids A jenseits der 300°C zu sehen. Dies ermöglicht die Integration höherwertiger Wärme und erhöht den Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verfahrens.Due to the no longer required components C3 to C5 of the working fluid A, the maximum temperature of the working fluid A in the inventive method according to 2 be increased significantly. With ethane / ethylene as the "longest" hydrocarbons, the thermal stability of the working fluid A beyond the 300 ° C can be seen. This allows the integration of higher-grade heat and increases the efficiency of the method according to the invention.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine bessere Ausnutzung einer externen Wärmequelle. Im Gegensatz zum Verfahren nach dem Stand der Technik (1), gibt es Wärmesenken unterhalb der Umgebungstemperatur (Wärmeübertrager E3 und E5). Somit kann z. B. ein Rauchgas bis nahe dem Umgebungsniveau abgekühlt werden, wobei ein genügend großer Temperaturunterschied zur Wärmesenke zur Verfügung steht, um eine wirtschaftliche Auslegung eines Wärmeübertragers zu erlauben. Eine besondere Ausführung eines solchen Wärmeübertragers als Tauchflammenverdampfer S1 bzw. S2 wird weiter unten beschrieben.The inventive method allows better use of an external heat source. In contrast to the method according to the prior art ( 1 ), there are heat sinks below the ambient temperature (heat exchanger E3 and E5). Thus, z. B. a flue gas can be cooled to near the ambient level, with a sufficiently large temperature difference is available to the heat sink to allow an economical design of a heat exchanger. A particular embodiment of such a heat exchanger as immersion flame evaporator S1 or S2 will be described below.

Insgesamt bewirkt die Erfindung eine Verbesserung der Gesamtwirtschaftlichkeit des bekannten Verfahrens bei der Arbeitsgewinnung aus der Kälte eines kryogenen Mediums bzw. LNG. Durch die Anpassung der ersten Temperatur T₁, mit der das Medium bzw. Erdgas (NG) aus dem ersten Wärmeübertrager E1 austritt, lässt sich der Prozess auch variabler den jeweiligen Projektbedingungen anpassen. Als weiterer Vorteil ist insbesondere die Reduzierung der Komponenten des Arbeitsfluids A auf auf drei Komponenten zu nennen.Overall, the invention causes an improvement in the overall economy of the known method in the work recovery from the cold of a cryogenic medium or LNG. By adapting the first temperature T ₁ , with which the medium or natural gas (NG) emerges from the first heat exchanger E1, the process can also be adapted more variably to the respective project conditions. Another advantage is in particular the reduction of the components of the working fluid A to call on three components.

Der Niederdruck- und der Hochdruckarbeitsfluidstrom A im dritten Wärmeübertrager E2 haben je nach Auslegung sehr unterschiedliche Wärmekapazitäten. Damit der dritte Wärmeübertrager E2 innerhalb der Auslegungsgrenzen (maximale Temperaturdifferenzen) gebaut werden kann, sind gemäß einer Abwandlung des in der 2 dargestellten Verfahrens Bypässe B, B' des Arbeitsfluides A und/oder des Mediums M bzw. des LNG möglich. Dies ist in der 3 dargestellt. Hier besteht einerseits die Möglichkeit, das mittels der ersten Pumpe P1 druckerhöhte, aus dem ersten Wärmeübertrager E1 kommende Arbeitsfluid A am dritten Wärmeübertrager E2 vorbeizuführen, und zwar über den Bypass B, so dass das Arbeitsfluid A bzw. ein Teilstrom des Arbeitsfluides A aus dem ersten Wärmeübertrager E1 direkt in den vierten Wärmeübertrager E3 geführt werden kann. Weiterhin besteht die Möglichkeit, das im ersten Wärmeübertrager E1 auf die erste Temperatur T1 vorgewärmte Medium M bzw. Erdgas bzw. einen Teilstrom dieses Mediums M durch den dritten Wärmeübertrager E2 zu geben und sodann dem zweiten Wärmeübertrager E5 zuzuführen. Das Medium M bzw. Erdgas kann jedoch aus im Bypass B' am dritten Wärmeübertrager E2 vorbeigeführt werden, d. h., aus dem ersten Wärmeübertrager E1 direkt in den zweiten Wärmeübertrager E5 gegeben werden.The low-pressure and high-pressure working fluid flow A in the third heat exchanger E2 have very different heat capacities, depending on the design. Thus, the third heat exchanger E2 can be built within the design limits (maximum temperature differences) are, according to a modification of the in the 2 Bypass B, B 'of the working fluid A and / or the medium M or the LNG possible. This is in the 3 shown. On the one hand, there is the possibility of passing the working fluid A coming from the first heat exchanger E1 by means of the first pump P1 past the third heat exchanger E2, namely via the bypass B, so that the working fluid A or a partial flow of the working fluid A from the first Heat exchanger E1 can be performed directly in the fourth heat exchanger E3. Furthermore, it is possible to give the medium M or natural gas preheated in the first heat exchanger E1 to the first temperature T1 or a partial flow of this medium M through the third heat exchanger E2 and then to feed the second heat exchanger E5. However, the medium M or natural gas can be passed from the bypass B 'on the third heat exchanger E2, ie, be given from the first heat exchanger E1 directly into the second heat exchanger E5.

Weiterhin besteht die Möglichkeit eine Abwärmenutzung in das erfindungsgemäße Verfahren zu integrieren. Dies ist in den 4 und 5 gezeigt, die entsprechende Abwandlungen der in der 2 bzw. 3 gezeigten Ausführungsformen zeigen.Furthermore, it is possible to integrate a waste heat utilization in the inventive method. This is in the 4 and 5 shown the corresponding modifications of the in the 2 respectively. 3 show embodiments shown.

Gemäß 4 kann anstelle des fünften Wärmeübertragers E4 der 2 ein gefeuerter Erhitzer G1 vorgesehen sein, der stromauf des Expanders EX1 das Arbeitsfluid A auf dessen maximale Temperatur erhitzt. Das Abgas, das aus dem Erhitzter G1 austritt, wird danach in einen ersten Tauchflammenverdampfer S1 eingeleitet, der anstelle des zweiten Wärmeübertragers E5 der 2 vorgesehen ist und eine Erwärmung des Erdgases bzw. des Mediums M auf Abgabetemperatur T_A durchführt, sowie in einen zweiten Tauchflammenverdampfer S2, der anstelle des vierten Wärmeübertragers E3 der 2 vorgesehen ist und eine entsprechende Erwärmung des Arbeitsfluids A vornimmt. Das Abgas dient vorzugsweise zur Erhöhung der Temperatur des jeweiligen Wasserbades der Tauchflammenverdampfer S1, S2 (z. B. auf 30°C). Die Flamme der Tauchflammenverdampfer S1, S2 kann bei Bedarf zugeschaltet werden. Je nach Auslegung kann aber auch ganz darauf verzichtet werden. According to 4 may instead of the fifth heat exchanger E4 the 2 a fired heater G1 may be provided which heats the working fluid A to its maximum temperature upstream of the expander EX1. The exhaust gas, which exits from the heated G1, is then introduced into a first immersion flame evaporator S1, which instead of the second heat exchanger E5 of the 2 is provided and a heating of the natural gas or the medium M to discharge temperature T _A performs, as well as in a second immersion flame evaporator S2, instead of the fourth heat exchanger E3 of the 2 is provided and carries out a corresponding heating of the working fluid A. The exhaust gas preferably serves to increase the temperature of the respective water bath of the immersion flame evaporators S1, S2 (eg to 30 ° C.). The flame of the immersion flame evaporator S1, S2 can be switched on if necessary. Depending on the design but can also be completely dispensed with.

Das kalte Erdgas mit der ersten Temperatur T₁ und das Arbeitsfluid A, das aus dem dritten Wärmeübertrager E2 austritt, werden in Rohrbündeln in dem jeweiligen Wasserbad der Tauchflammenverdampfer S1, S2 auf beispielsweise ca. 15°C angewärmt. Das Rauchgas, das danach aus dem jeweiligen Wasserbad austritt, weist eine Temperatur von ca. 30°C auf und das darin enthaltene Wasser ist dementsprechend fast vollständig auskondensiert. Dies ermöglicht eine fast vollständige Nutzung des Brennwertes des Erdgases.The cold natural gas with the first temperature T ₁ and the working fluid A, which emerges from the third heat exchanger E2, are heated in tube bundles in the respective water bath of the immersion flame evaporator S1, S2 to, for example, about 15 ° C. The flue gas, which then emerges from the respective water bath, has a temperature of about 30 ° C and the water contained therein is accordingly almost completely condensed out. This allows almost complete utilization of the calorific value of the natural gas.

Eine ähnliche Schaltung ist in 5 dargestellt. Statt eines Erhitzers G1 wird hier in einer Einrichtung G2 das Abgas einer Gasturbine GT zunächst zur Erhitzung des Arbeitsfluides A genutzt und anschließend wie oben beschrieben in die Tauchflammenverdampfer S1, S2 eingeleitet. Die Gasturbine GT kann mit Erdgas (NG) betrieben werden, dem verdichtete Luft L zugeführt wird.A similar circuit is in 5 shown. Instead of a heater G1, the exhaust gas of a gas turbine GT is first used here in a device G2 for heating the working fluid A and then introduced into the immersion flame evaporator S1, S2 as described above. The gas turbine GT can be operated with natural gas (NG) to which compressed air L is supplied.

Die nachfolgende Tabelle zeigt einen bespielhaften Vergleich zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren (so genannter coldMORC) und dem Stand der Technik (MORC). Einheit coldMORC MORC Wärmeleistung E1 MW 43 111 Nettoleistung MW 20,1 32,1 Leistung/Wärme MW/MW 0,47 0,29 MR max Temperatur °C 221 150 Wärmezufuhr E3, E4, E5 MW 77 89 Rauchgas Austrittstemperatur °C 30 80 Benötigter Erdgas Brennwert MW 80 109 Wirkungsgrad bez. auf Brennwert 96% 82% The following table shows an exemplary comparison between the method according to the invention (so-called coldMORC) and the prior art (MORC). unit coldMORC MORC Heat output E1 MW 43 111 net power MW 20.1 32.1 Power / heat MW / MW 0.47 0.29 MR max temperature ° C 221 150 Heat input E3, E4, E5 MW 77 89 Flue gas outlet temperature ° C 30 80 Required natural gas fuel value MW 80 109 Efficiency bez. on calorific value 96% 82%

Die Werte beziehen sich auf die exemplarische Verdampfung von 250 t/h Erdgas bei einem Abgabedruck von 60 bar. Das Erdgas wird von ca. 112 K auf 288 K erwärmt. Dabei werden 55,7 MW an das Erdgas übertragen. Im Verfahren nach dem Stand der Technik (vgl. auch 1, sogenannter MORC) werden ca. 480 t/h MR im Kreis gefahren. Das auf ca. 2 bar entspannte MR (Arbeitsfluid A) kondensiert in dem ersten Wärmeübertrager E1 und wird unterkühlt. In der ersten Pumpe P1 wird das MR auf 100 bar gepumpt und anschließend in E1 auf 288 K erwärmt. In dem E4 wird das MR auf 150°C erhitzt und dann im Expander EX1 zweistufig mit Zwischenüberhitzung entspannt. Die erzeugte Nettoleistung beträgt ca. 32 MW. Das MR besteht aus Methan (31 mol-%), Ethan (38 mol-%), Propan (22 mol-%) und Pentan (9 mol-%). Bezugszeichenliste E1, E2, E3, E4, E5 Wärmeübertrager M Medium A Arbeitsfluid P1, P2 Pumpen EX1 Expander G Generator S1, S2 Tauchflammenverdampfer G1 Gefeuerter Erhitzer G2 Einrichtung zur Erwärmung des Arbeitsfluids mittels eines Abgases einer Gasturbine GT Gasturbine The values refer to the exemplary evaporation of 250 t / h of natural gas at a discharge pressure of 60 bar. The natural gas is heated from about 112 K to 288 K. 55.7 MW will be transferred to natural gas. In the method according to the prior art (see also 1 , so-called MORC) are circulated around 480 t / h MR. The relaxed to about 2 bar MR (working fluid A) condenses in the first heat exchanger E1 and is supercooled. In the first pump P1, the MR is pumped to 100 bar and then heated to 288 K in E1. In the E4, the MR is heated to 150 ° C and then expanded in Expander EX1 two stages with reheat. The net power generated is approx. 32 MW. The MR consists of methane (31 mol%), ethane (38 mol%), propane (22 mol%) and pentane (9 mol%). LIST OF REFERENCE NUMBERS E1, E2, E3, E4, E5 Heat exchanger M medium A working fluid P1, P2 pump EX1 expander G generator S1, S2 Diving flame vaporizer G1 Fired heater G2 Device for heating the working fluid by means of an exhaust gas of a gas turbine GT gas turbine

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2557279 A2 [0003]
US 8132411 B2 [0003]
US 6751959 [0003]

Claims

A method for generating energy when heating a cryogenic medium (M) to a discharge temperature (T _A ), wherein the liquid cryogenic medium (M) is passed through a first heat exchanger (E1) and in the first heat exchanger (E1) against a working fluid (A) is heated, wherein the working fluid (A) is cooled, and thereafter the medium (M) with an output temperature (T _A ) is provided for further use, and wherein the working fluid (A) downstream of the first heat exchanger (E1 ) is released while generating energy in an expander (EX1), characterized in that the cryogenic medium (M) in the first heat exchanger (E1) is heated only to a first temperature (T ₁ ) which is lower than the discharge temperature ( T _A ), and wherein the medium (M) downstream of the first heat exchanger (E1), in a second heat exchanger (E5) to the discharge temperature (T _A ) is heated.

A method according to claim 1, characterized in that the cryogenic medium (M) is natural gas.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the first temperature (T ₁ ) in the range of -110 ° C to -50 ° C.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the working fluid (A) comprises hydrocarbons, wherein the hydrocarbons have only one or two carbon atoms.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that after cooling of the working fluid (A) in the first heat exchanger (E1), the pressure of the working fluid (A) is increased downstream of the first heat exchanger (E1) by means of a first pump (P1), and then the working fluid (A) in the first heat exchanger (E1) is heated, in particular evaporated.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the expander (EX1) relaxed working fluid (A) downstream of the expander (EX1) in a third heat exchanger (E2) is cooled down, in particular to a temperature near the first temperature (T ₁ ) ,

Method according to claims 5 and 6, characterized in that the expanded working fluid (A) from the expander (EX1) in the third heat exchanger (E2) is cooled down against the working fluid (A) heated in the first heat exchanger (E1), the output from the first heat exchanger (E1) coming working fluid (A) in the third heat exchanger (E2) is heated.

A method according to claim 5 or 7, characterized in that in the third heat exchanger (E2) heated working fluid (A) downstream of the third heat exchanger (E2) in a fourth heat exchanger (E3) is further heated, in particular to the ambient temperature.

A method according to claim 8, characterized in that in the fourth heat exchanger (E3) heated working fluid (A) downstream of the fourth heat exchanger (E3) in a fifth heat exchanger (E4) is further heated, in particular to a temperature above ambient temperature.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least a part of the first heat exchanger (E1) coming working fluid (A) on the third heat exchanger (E2) is passed.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least part of the medium (M) coming from the first heat exchanger (E1) is passed through the third heat exchanger (E2) and then introduced into the second heat exchanger (E5), and / or that at least part of the medium (M) coming from the first heat exchanger (E1) is passed past the third heat exchanger (E2) directly into the second heat exchanger (E5) for heating to the discharge temperature (T _A ).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first heat exchanger (E1) and / or third heat exchanger (E2) is designed as one of the following heat exchangers: - a heat exchanger for the indirect transfer of heat, - a plate heat exchanger, - a shell and tube heat exchanger . - A coiled heat exchanger, and wherein in particular the second heat exchanger (E5), the fourth heat exchanger (E3), and / or the fifth heat exchanger (E4) is formed as one of the following heat exchanger: - a heater, - a wound heat exchanger, - a Tube bundle heat exchanger, - a submerged flame evaporator, - a steam-heated heat exchanger.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the second heat exchanger (E5) is designed as a first immersion flame evaporator (S1), wherein the medium (M) is passed through a pipe located in a water bath of the first immersion flame evaporator (S1), wherein Heat of the water bath is transferred to the medium (M) to heat it to the discharge temperature (T _A ), and / or that the fourth heat exchanger (E3) as a second immersion flame evaporator (S2) is formed, wherein the working fluid (A) a pipe located in a water bath of the second immersion flame evaporator (S2) is passed, wherein heat of the water bath of the second immersion flame evaporator (S2) is transferred to the working fluid (A) to heat it.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the fifth heat exchanger (E4) is designed as a fired heater (G1), with which the working fluid (A) is heated before being introduced into the expander (EX1), wherein in particular an exhaust gas of the Heater (G1) in the first and / or second immersion flame evaporator (S1, S2) is introduced to heat the water bath of the respective immersion flame evaporator (S1, S2).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the fifth heat exchanger (E4) heats the working fluid (A) by means of an exhaust gas of a gas turbine (GT), wherein in particular the exhaust gas subsequently into the first and / or the second immersion flame evaporator (S1, S2 ) is introduced to heat the water bath of the respective immersion flame evaporator (S1, S2).