DE102019001817A1 - Regasification of cryogenic fluids through supercritical expansion with increased recirculation for power generation - Google Patents

Regasification of cryogenic fluids through supercritical expansion with increased recirculation for power generation Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Stromerzeugung bei Regasifizierung umfassend einen Tank (2), eine über eine erste Leitung (3) mit dem Tank (2) verbundene erste Pumpe (4), eine mit der ersten Pumpe (4) über eine zweite Leitung (5) verbundene zweite Pumpe (6), einen der zweiten Pumpe (6) nachgeschalteten ersten Wärmeübertrager (7), einen dem ersten Wärmeübertrager (7) nachgeschalteten zweiten Wärmeübertrager (8), sowie eine dem zweiten Wärmeübertrager (8) nachgeschaltete erste Turbine (9) mit erstem Generator (14), dadurch gekennzeichnet, dass vom Austritt der ersten Turbine (9) eine dritte Leitung (10) abzweigt und in den ersten Wärmeübertrager (7) mündet und von diesem ersten Wärmeübertrager (7) eine vierte Leitung (11) abzweigt und zwischen erster Pumpe (4) und zweiter Pumpe (6) in die zweite Leitung (5) mündet. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Stromerzeugung.The invention relates to a device (1) for generating electricity during regasification, comprising a tank (2), a first pump (4) connected to the tank (2) via a first line (3), one to the first pump (4) via a second line (5) connected second pump (6), a first heat exchanger (7) connected downstream of the second pump (6), a second heat exchanger (8) connected downstream of the first heat exchanger (7), and a first heat exchanger (8) connected downstream of the second heat exchanger (8) Turbine (9) with first generator (14), characterized in that a third line (10) branches off from the outlet of the first turbine (9) and opens into the first heat exchanger (7) and from this first heat exchanger (7) a fourth line (11) branches off and opens into the second line (5) between the first pump (4) and the second pump (6). The invention also relates to a method for generating electricity.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stromerzeugung bei Regasifizierung kryogener Fluide sowie ein entsprechendes Verfahren zur Stromerzeugung.The invention relates to a device for generating electricity during regasification of cryogenic fluids and a corresponding method for generating electricity.

Die Verflüssigung von Gasen wie z.B. Erdgas, Sauerstoff, Stickstoff oder Luft zu Transport- oder Lagerzwecken ist mit hohem Energieaufwand verbunden.The liquefaction of gases such as Natural gas, oxygen, nitrogen or air for transport or storage purposes is associated with high energy consumption.

Erdgas wird zu Transportzwecken verflüssigt, wofür viel Energie aufgewendet werden muss. In LNG- Terminals wird flüssiges Erdgas (Liquid Natural Gas = LNG) auf Druck gebracht, verdampft und in eine Pipeline eingespeist. Auf Grund des hohen Aufwands und des geringen Wirkungsgrads wird die Regasifizierung von LNG nur in Ausnahmefällen dazu genutzt, elektrischen Strom zu produzieren. In vielen Fällen wird sogar ein Teil des Erdgases dazu verwendet, um die für die Verdampfung notwendige Wärme bereitzustellen.Natural gas is liquefied for transport purposes, which requires a lot of energy. In LNG terminals, liquid natural gas (LNG) is pressurized, vaporized and fed into a pipeline. Due to the high cost and the low level of efficiency, the regasification of LNG is only used in exceptional cases to produce electricity. In many cases, part of the natural gas is even used to provide the heat required for evaporation.

Flüssigluftspeicher speichern Energie in Form flüssiger Luft in großen Tanks. Um die Energie im Bedarfsfall abzurufen, wird die flüssige Luft auf Druck gebracht, verdampft und in einer Turbine unter Abgabe elektrischer Leistung entspannt. Um den Gesamtwirkungsgrad des Speichers anzuheben kann das Kältepotential der flüssigen Luft dazu genutzt werden, um während des Ausspeicherns Kältespeicher abzukühlen, die während des Verflüssigungsbetriebs dazu genutzt werden, die Verflüssigungsleistung beim Auffüllen der Tanks mit flüssiger Luft abzusenken. Dies ist wiederum mit hohem apparativem Aufwand verbunden und limitiert die Flexibilität des Anlagenbetriebs.Liquid air storage systems store energy in the form of liquid air in large tanks. In order to call up the energy when required, the liquid air is pressurized, evaporated and expanded in a turbine with the output of electrical power. In order to increase the overall efficiency of the storage unit, the cold potential of the liquid air can be used to cool down cold storage units during the withdrawal, which during the liquefaction operation are used to lower the condensing capacity when the tanks are filled with liquid air. This in turn is associated with a high outlay in terms of equipment and limits the flexibility of the plant operation.

In der deutschen Patentanmeldung, amtliches Aktenzeichen 17203813.5 , wird ein „verbessertes Verfahren zur Stromerzeugung bei der Regasifizierung eines Fluids durch überkritische Entspannung“ beschrieben. Dieses Verfahren senkt den apparativen Aufwand dadurch, dass das Kältepotential des kryogenen Fluids genutzt wird, um die elektrische Leistung zu erhöhen. Im Falle einer Verwendung für einen Flüssigluftspeicher entfällt daher die Notwendigkeit für einen Kältespeicher, der die Verflüssigungsleistung während des Auffüllens des Tanks absenkt.In the German patent application, official file number 17203813.5 , describes an “improved method for generating electricity during the regasification of a fluid through supercritical expansion”. This method reduces the outlay on equipment by using the cold potential of the cryogenic fluid to increase the electrical power. If it is used for a liquid air store, there is therefore no need for a cold store, which lowers the liquefaction capacity while the tank is being filled.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur effizienten Wiedervergasung kryogener Fluide bereitzustellen, das die für die Verflüssigung eingesetzte Energie soweit möglich zurückgewinnt und dabei kostengünstig, einfach und zuverlässig ist.The object of the invention is to provide a device and a method for the efficient regasification of cryogenic fluids, which recovers the energy used for the liquefaction as far as possible and is inexpensive, simple and reliable.

Die Erfindung löst die auf eine Vorrichtung gerichtete Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einer derartigen Vorrichtung zur Stromerzeugung bei Regasifizierung, umfassend einen Tank, eine über eine erste Leitung mit dem Tank verbundene erste Pumpe, eine mit der ersten Pumpe über eine zweite Leitung verbundene zweite Pumpe, einen der zweiten Pumpe nachgeschalteten ersten Wärmeübertrager, einen dem ersten Wärmeübertrager nachgeschalteten zweiten Wärmeübertrager, sowie eine dem zweiten Wärmeübertrager nachgeschaltete erste Turbine mit erstem Generator, vom Austritt der ersten Turbine eine dritte Leitung abzweigt und in den ersten Wärmeübertrager mündet, und von diesem ersten Wärmeübertrager eine vierte Leitung abzweigt und zwischen erster und zweiter Pumpe in die zweite Leitung mündet.The invention achieves the object directed to a device by providing that in such a device for generating electricity during regasification, comprising a tank, a first pump connected to the tank via a first line, and a first pump connected to the first pump via a second line second pump, a first heat exchanger downstream of the second pump, a second heat exchanger downstream of the first heat exchanger, and a first turbine with a first generator downstream of the second heat exchanger, a third line branches off from the outlet of the first turbine and opens into the first heat exchanger, and from this A fourth line branches off from the first heat exchanger and opens into the second line between the first and second pumps.

Es ist zweckmäßig, wenn eine fünfte Leitung vom Austritt der ersten Turbine abzweigt und in eine Pipeline mündet. Alternativ und abhängig vom verwendeten Medium ist aber auch eine Gasturbinenbrennkammer, ein Wärmeübertrager zur Vorwärmung (Rekuperator) vor Eintritt in eine Gasturbinenbrennkammer oder eine Abblasung in die Atmosphäre nach weiterer Entspannung in einer zweiten Turbine denkbar.It is useful if a fifth line branches off from the outlet of the first turbine and opens into a pipeline. Alternatively, and depending on the medium used, a gas turbine combustion chamber, a heat exchanger for preheating (recuperator) before entering a gas turbine combustion chamber or a blow-off into the atmosphere after further expansion in a second turbine is also conceivable.

Es ist ferner zweckmäßig, wenn in die fünfte Leitung ein dritter Wärmeübertrager geschaltet ist.It is also useful if a third heat exchanger is connected in the fifth line.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein vierter Wärmeübertrager in die zweite Leitung und in die dritte Leitung stromaufwärts des ersten Wärmeübertragers geschaltet. Mit Hilfe dieses vierten Wärmeübertragers können Teilströme abgezweigt werden, deren Temperatur zwischen der Austrittstemperatur der zweiten Pumpe und der Austrittstemperatur am warmen Ende des vierten Wärmeübertragers liegen. Außerdem können hierdurch thermische Spannungen reduziert werden.In an advantageous embodiment, a fourth heat exchanger is connected in the second line and in the third line upstream of the first heat exchanger. With the help of this fourth heat exchanger, partial flows can be branched off, the temperature of which lies between the outlet temperature of the second pump and the outlet temperature at the warm end of the fourth heat exchanger. In addition, this can reduce thermal stresses.

In einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform zweigt von der dritten Leitung zwischen dem dritten und dem ersten Wärmeübertrager eine sechste Leitung ab und mündet stromaufwärts des zweiten Wärmeübertragers in die zweite Leitung. In diese sechste Leitung ist ein Verdichter geschaltet, der einen Teilstrom ansaugt und auf das Druckniveau stromaufwärts der ersten Turbine verdichtet. Die Verdichtung des Teilstromes steigert die erzielbare Leistung der ersten Turbine und damit die erzielbare elektrische Gesamtleistung der Vorrichtung, ist aber nicht zwingend notwendig, so dass die sechste Leitung und der Verdichter auch weggelassen werden können, um Investitionskosten zu sparen. Die erzielbare elektrische Gesamtleistung der Vorrichtung sinkt beim Weglassen der sechsten Leitung und des Verdichters um ca. 10%.In an alternative advantageous embodiment, a sixth line branches off from the third line between the third and the first heat exchanger and opens into the second line upstream of the second heat exchanger. A compressor is connected into this sixth line, which sucks in a partial flow and compresses it to the pressure level upstream of the first turbine. The compression of the partial flow increases the achievable output of the first turbine and thus the achievable total electrical output of the device, but is not absolutely necessary, so that the sixth line and the compressor can also be omitted in order to save investment costs. If the sixth line and the compressor are omitted, the achievable total electrical output of the device drops by approx. 10%.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in die zweite Leitung zwischen erstem und viertem Wärmeübertrager ein fünfter Wärmeübertrager geschaltet. Mit Hilfe dieses fünften Wärmeübertragers können thermische Spannungen im ersten und vierten Wärmeübertrager reduziert werden, wenn das Fluid im zweiten Wärmeübertrager auf eine Temperatur deutlich über Umgebungstemperatur aufgewärmt wird. In diesem Fall wird die Temperatur des Fluids im fünften Wärmeübertrager durch Wärmeabgabe an die Umgebung oder Wärmeaufnahme aus der Umgebung der Umgebungstemperatur angeglichen. Es ist offensichtlich, dass der fünfte Wärmeübertrager auch in die dritte Leitung zwischen viertem und erstem Wärmeübertrager geschaltet werden kann. In a further advantageous embodiment, a fifth heat exchanger is connected in the second line between the first and fourth heat exchangers. With the help of this fifth heat exchanger, thermal stresses in the first and fourth heat exchanger can be reduced if the fluid in the second heat exchanger is heated to a temperature well above the ambient temperature. In this case, the temperature of the fluid in the fifth heat exchanger is adjusted to the ambient temperature by releasing heat to the surroundings or absorbing heat from the surroundings. It is obvious that the fifth heat exchanger can also be switched into the third line between the fourth and first heat exchanger.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind erster Wärmeübertrager, vierter Wärmeübertrager und die Abzweigungsstelle der sechsten Leitung von der dritten Leitung in einer Komponente, d.h. einem integrierten Wärmeübertrager, integriert.In a further advantageous embodiment, the first heat exchanger, fourth heat exchanger and the branch point of the sixth line from the third line are in one component, i.e. an integrated heat exchanger, integrated.

Falls die fünfte Leitung zur weiteren Entspannung zu einer zweiten Turbine mit zweitem Generator führt, ist es zweckmäßig, wenn vom Austritt dieser zweiten Turbine eine siebte Leitung abzweigt und in den integrierten Wärmeübertrager mündet. Hierdurch kann der über die sechste Leitung geführte Teilstrom angehoben und damit die erzielbare Leistung der ersten Turbine und damit die erzielbare elektrische Gesamtleistung der Vorrichtung weiter gesteigert werden.If the fifth line leads to a second turbine with a second generator for further expansion, it is expedient if a seventh line branches off from the outlet of this second turbine and opens into the integrated heat exchanger. As a result, the partial flow conducted via the sixth line can be increased and thus the achievable output of the first turbine and thus the achievable total electrical output of the device can be increased further.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält der Tank flüssige Luft. Aber auch Flüssigerdas (LNG), flüssiger Stickstoff, flüssiger Sauerstoff oder flüssiges Argon sind in Frage kommende Fluide.In a preferred embodiment of the invention, the tank contains liquid air. But also liquid gas (LNG), liquid nitrogen, liquid oxygen or liquid argon are fluids in question.

Die Grundidee der Erfindung ist, dass beispielsweise flüssige Luft als Arbeitsmedium in der ersten Turbine auf einen überkritischen Druck entspannt wird. Dadurch kann ein großer Teilstrom wieder zurückgeführt werden, auf Druck gepumpt werden und vor der Entspannung in der Turbine Wärme aus der Umgebung und/oder anderen Prozessen aufnehmen. Somit kann mit geringstem Aufwand die elektrische Leistung erhöht werden. Die Rückführung des Teilstroms zu einer Pumpe, die mit ausreichend niedriger Leistungsaufnahme arbeitet, ist nur durch eine überkritische Entspannung möglich, weil dadurch in dem Luft-Luft-Wärmeübertrager die beiden Stoffströme einen ähnlichen Temperaturverlauf zeigen, kleine Grädigkeiten entstehen und damit ein guter Wärmetransfer erzielt werden kann. Die Pumpeneintrittstemperatur ist dadurch ausreichend niedrig und die Pumpenleistung entsprechend klein. Im Gegensatz zum oben erwähnten „verbesserten Verfahren zur Stromerzeugung bei der Regasifizierung eines Fluids durch überkritische Entspannung“, welches als deutsche Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 17203813.5 eingereicht worden ist, wird durch die veränderte Anordnung der zweiten Pumpe eine deutlich niedrigere Pumpeneintrittstemperatur und damit ein besserer Wirkungsgrad erreicht. Anstatt nur den von der ersten Turbine über den ersten Wärmeübertrager zurückgeführten Teilstrom auf Druck zu pumpen, pumpt in der vorliegenden Erfindung die zweite Pumpe nun den rezirkulierten Teilstrom zuzüglich des aus dem Tank mittels der ersten Pumpe abgezogenen Fluidstrom auf Druck. Diese neue Anordnung der zweiten Pumpe bietet zusätzlich den Vorteil, dass die Förderhöhe der ersten Pumpe deutlich niedriger als beim „verbesserten Verfahren zur Stromerzeugung bei der Regasifizierung eines Fluids durch überkritische Entspannung“ ist.The basic idea of the invention is that, for example, liquid air as the working medium is expanded to a supercritical pressure in the first turbine. As a result, a large partial flow can be returned, pumped under pressure and absorb heat from the environment and / or other processes before the expansion in the turbine. The electrical power can thus be increased with very little effort. The return of the partial flow to a pump that works with sufficiently low power consumption is only possible through supercritical relaxation, because the two material flows in the air-to-air heat exchanger show a similar temperature profile, small gradients are created and thus good heat transfer is achieved can. The pump inlet temperature is therefore sufficiently low and the pump output is correspondingly small. In contrast to the above-mentioned "improved process for generating electricity in the regasification of a fluid by supercritical expansion", which is called German patent application with the official file number 17203813.5 has been submitted, the changed arrangement of the second pump achieves a significantly lower pump inlet temperature and thus better efficiency. Instead of only pumping the partial flow returned from the first turbine via the first heat exchanger to pressure, in the present invention the second pump now pumps the recirculated partial flow plus the fluid flow withdrawn from the tank by means of the first pump. This new arrangement of the second pump also offers the advantage that the delivery head of the first pump is significantly lower than in the "improved method for generating electricity when regasifying a fluid through supercritical expansion".

Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird daher gelöst durch ein Verfahren zur Stromerzeugung bei dem ein Fluid auf einen ersten Druck gebracht wird und somit ein erster Fluidstrom mit überkritischem Druck erzeugt wird, dieser erste Fluidstrom mit einem zweiten Fluidstrom, der größer als der erste Fluidstrom ist, zusammengeführt wird, der entstehende Gesamtfluidstrom auf einen zweiten Druck gebracht wird und somit ein Hochdruckstrom erzeugt wird, der zu einem ersten Wärmeübertrager geführt wird, in dem der Hochdruckstrom durch den zweiten Fluidstrom erwärmt wird, wobei anschließend der erwärmte Hochdruckstrom in einem zweiten Wärmeübertrager durch Eintragung von Umgebungswärme und/oder Abfallwärme aus anderen Prozessen weiter angewärmt wird und der weiter angewärmte Hochdruckstrom in einer ersten Turbine unter Abgabe elektrischer Leistung auf einen niedrigeren, aber überkritischen Druck entspannt wird, wobei der aus der ersten Turbine austretende Gesamtfluidstrom sich in den zweiten Fluidstrom und in einen kleineren dritten Fluidstrom aufteilt und der zweite Fluidstrom, nachdem er seine Wärme an den Hochdruckstrom abgegeben hat, mit dem ersten Fluidstrom zusammengeführt wird.The object directed to a method is therefore achieved by a method for power generation in which a fluid is brought to a first pressure and thus a first fluid flow with supercritical pressure is generated, this first fluid flow with a second fluid flow that is greater than the first fluid flow , is brought together, the resulting total fluid flow is brought to a second pressure and thus a high pressure flow is generated, which is led to a first heat exchanger, in which the high pressure flow is heated by the second fluid flow, the heated high pressure flow then in a second heat exchanger by entry is further heated by ambient heat and / or waste heat from other processes and the further heated high-pressure flow is expanded in a first turbine with the output of electrical power to a lower, but supercritical pressure, the total fluid flow emerging from the first turbine being in the second n fluid flow and divided into a smaller third fluid flow and the second fluid flow, after it has given its heat to the high pressure flow, is merged with the first fluid flow.

Zweckmäßiger Weise wird das Fluid aus einem Tank entnommen. Das Verfahren bezieht sich schließlich auf die Regasifizierung flüssiger Medien, die in Tanks gespeichert werden.The fluid is expediently taken from a tank. The process ultimately relates to the regasification of liquid media that are stored in tanks.

Es ist vorteilhaft, wenn mittels einer zweiten Pumpe der rezirkulierte Fluidstrom zuzüglich des aus dem Tank entnommenen Fluidstroms auf einen Druck von über 160 bara gebracht wird.It is advantageous if the recirculated fluid flow plus the fluid flow withdrawn from the tank is brought to a pressure of over 160 bara by means of a second pump.

Es ist von Vorteil, wenn die weitere Anwärmung zu einer möglichst hohen Turbineneintrittstemperatur führt. Wenn nur Umgebungswärme zur Verfügung steht, ist es vorteilhaft, wenn die weitere Anwärmung so dicht wie möglich an die Umgebungstemperatur heranreicht, mindestens aber bis auf 5°C unterhalb der Umgebungstemperatur erfolgt. Es ist vorteilhaft, wenn die Umgebungswärme Luft oder Meerwasser entnommen wird.It is advantageous if the further heating leads to the highest possible turbine inlet temperature. If only ambient heat is available, it is advantageous if the further heating comes as close as possible to the ambient temperature, but at least to 5 ° C takes place below ambient temperature. It is advantageous if the ambient heat is taken from air or sea water.

Es ist ferner vorteilhaft, wenn der niedrigere, aber überkritische Druck bei über 50 bara liegt. Die Vorteile der überkritischen Entspannung wurden bereits oben ausgeführt.It is also advantageous if the lower, but supercritical pressure is above 50 bara. The advantages of supercritical relaxation have already been mentioned above.

Eine mögliche sinnvolle Nutzung des dritten Fluidstroms ist seine weitere Entspannung in einer zweiten Turbine mit zweitem Generator unter Abgabe elektrischer Leistung zur Erhöhung der erzielbaren elektrischen Gesamtleistung beispielsweise, wenn das dem Tank entnommene Fluid flüssige Luft ist.A possible sensible use of the third fluid flow is its further expansion in a second turbine with a second generator with delivery of electrical power to increase the achievable total electrical power, for example if the fluid taken from the tank is liquid air.

Eine weitere mögliche sinnvolle Nutzung des dritten Fluidstroms ist seine Einspeisung in eine Pipeline zur weiteren Verwendung, beispielsweise, wenn das dem Tank entnommene Fluid Flüssigerdgas ist. Aber auch andere Fluide können im erfinderischen Verfahren zum Einsatz kommen, wie z.B. flüssiger Stickstoff, flüssiger Sauerstoff oder flüssiges Argon.Another possible sensible use of the third fluid flow is to feed it into a pipeline for further use, for example if the fluid removed from the tank is liquefied natural gas. But other fluids can also be used in the inventive method, e.g. liquid nitrogen, liquid oxygen, or liquid argon.

Eine weitere mögliche sinnvolle Nutzung des dritten Fluidstroms ist seine Einspeisung in eine Gasturbinenbrennkammer, wenn das dem Tank entnommene Fluid beispielsweise flüssige Luft ist. Um den Wirkungsgrad anzuheben ist es hierfür sinnvoll, die Luft vor Eintritt in die Brennkammer mit Hilfe heißen Abgases aus der Gasturbine in einem Wärmeübertrager vorzuwärmen. Außerdem kann bei ausreichend niedrigem Brennkammerdruck vor Eintritt in die Brennkammer eine Entspannungsturbine für die heiße Luft vorgeschaltet werden.Another possible sensible use of the third fluid flow is to feed it into a gas turbine combustion chamber when the fluid withdrawn from the tank is, for example, liquid air. In order to increase the efficiency, it makes sense to preheat the air in a heat exchanger before it enters the combustion chamber with the aid of hot exhaust gas from the gas turbine. In addition, if the combustion chamber pressure is sufficiently low, an expansion turbine for the hot air can be connected upstream before entering the combustion chamber.

Zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrads kann es vorteilhaft sein, wenn in der ersten Turbine mehrstufig entspannt und zwischenerwärmt wird.To further improve the efficiency, it can be advantageous if the first turbine is relieved and temporarily heated in multiple stages.

Es ist ferner vorteilhaft, vom zweiten Fluidstrom einen teilweise abgekühlten Teilstrom abzuzweigen, zu verdichten und stromaufwärts des zweiten Wärmeübertragers mit dem Hochdruckstrom zusammenzuführen. Hierdurch wird das Kältepotential des Hochdruckstroms, welcher eine höhere spezifische Wärmekapazität als der zweite Fluidstrom aufweist, vollständig genutzt, um den Fluidstrom über die erste Turbine und damit die elektrische Gesamtleistung zu steigern.It is also advantageous to branch off a partially cooled partial flow from the second fluid flow, to compress it and to merge it with the high pressure flow upstream of the second heat exchanger. As a result, the cold potential of the high-pressure flow, which has a higher specific heat capacity than the second fluid flow, is fully used in order to increase the fluid flow via the first turbine and thus the total electrical output.

Mit der Erfindung ergeben sich folgende Vorteile:

  • - Der Wirkungsgrad ist vergleichsweise hoch.
  • - Es ist ein sehr einfaches Konzept. Mit wenig Aufwand können eine robuste Regelung und Automatisierung erstellt werden.
  • - Durch die geringe Anzahl von Komponenten und Maschinen ist eine große betriebliche Flexibilität möglich. Schnelle Lastwechsel stellen ebenfalls kein großes Problem dar.
  • - Außer dem Fluid selber ist kein weiteres Arbeitsmedium erforderlich..
  • - Auf Grund der geringen Komplexität bietet das neue Verfahren eine geringe Fehleranfälligkeit und demzufolge eine hohe Verfügbarkeit, was für die Kundenakzeptanz sehr wichtig ist.
  • - Es ist im Gegensatz zu anderen in der Literatur theoretisch behandelten Verfahren kein Aufwand für die Neuentwicklung von Komponenten erforderlich.
  • - Durch die große übertragene Wärme zwischen den (beispielsweise) Luftströmen ist die Temperatur der Luft, welche noch durch Umgebungswärme angewärmt werden muss, schon recht hoch. Dadurch ergeben sich kostengünstigere Wärmeübertrager, da nun das Einfrieren von Meerwasser bzw. Ausfrieren von Luftfeuchtigkeit deutlich weniger Probleme bereitet.
  • - Das neue Verfahren kann vorteilhaft mit anderen Prozessen wie z.B. Kälteauskopplung kombiniert werden.
The invention has the following advantages:
  • - The efficiency is comparatively high.
  • - It's a very simple concept. Robust control and automation can be created with little effort.
  • - The small number of components and machines enables great operational flexibility. Rapid load changes are also not a major problem.
  • - Apart from the fluid itself, no further working medium is required.
  • - Due to the low complexity, the new method offers a low susceptibility to errors and consequently high availability, which is very important for customer acceptance.
  • - In contrast to other processes treated theoretically in the literature, no expenditure is required for the new development of components.
  • - Due to the large amount of heat transferred between the (for example) air streams, the temperature of the air, which still has to be warmed by ambient heat, is already quite high. This results in more cost-effective heat exchangers, since the freezing of sea water or freezing out of air humidity now causes significantly fewer problems.
  • - The new process can be combined with other processes such as cold extraction.

Es können die Kosten für Energiespeicher, die mit flüssiger Luft arbeiten, auf Grund des Wegfalls der Kältespeicher deutlich gesenkt werden. Zudem sinkt die Komplexität und der Verflüssigungszyklus wird vom Ausspeicherzyklus entkoppelt, was die betriebliche Flexibilität steigert. Die Integration von Schwarzstartfähigkeit ist mit Hilfe eines Druckbehälters für flüssige Luft mit geringem Aufwand möglich.The costs for energy storage systems that work with liquid air can be reduced significantly due to the elimination of the cold storage system. In addition, the complexity is reduced and the liquefaction cycle is decoupled from the withdrawal cycle, which increases operational flexibility. The integration of black start capability is possible with little effort with the help of a pressure vessel for liquid air.

Es können sowohl für geplante LNG- Terminals wie auch für bestehende Terminals als Nachrüstung komplette Lösungen für die Stromerzeugung bei der Regasifizierung angeboten werden. Aus Kundensicht ergibt sich die Möglichkeit, bei überschaubaren Investitionskosten die Betriebskosten deutlich zu reduzieren, da mit der neuen Lösung der Eigenbedarf erzeugt werden kann und überschüssiger Strom ins Netz gespeist werden kann. Zudem können gut bezahlte Regelreserven wie z.B. Primärfrequenzstützung erbracht werden.Complete solutions for power generation during regasification can be offered as retrofitting for planned LNG terminals as well as for existing terminals. From the customer's point of view, there is the possibility of significantly reducing the operating costs with manageable investment costs, since the new solution can be used to generate internal requirements and excess electricity can be fed into the grid. In addition, well-paid control reserves such as Primary frequency support can be provided.

Im Vergleich zu gängigen Regasifizierungslösungen, bei denen ein Teil des Erdgases für die Verdampfung verbrannt wird, erhöht sich die Wirtschaftlichkeit deutlich, da nun der Gesamtstrom in die Pipeline eingespeist werden kann und zudem Strom produziert wird.Compared to conventional regasification solutions, in which part of the natural gas is burned for evaporation, the profitability increases significantly, since the entire electricity can now be fed into the pipeline and electricity is also produced.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:

  • 1 eine Grundschaltung zum Prozess für Stromerzeugung nach der Erfindung,
  • 2 eine Schaltung zur Reduzierung der thermischen Spannungen in den Wärmeübertragern,
  • 3 eine Schaltung zur Verbesserung des Wirkungsgrads,
  • 4 eine Ausführung mit integriertem Wärmeübertrager und
  • 5 eine Schaltung mit Entspannung eines Teilstroms auf atmosphärischen Druck.
The invention is explained in more detail by way of example with reference to the drawings. They show schematically and not to scale:
  • 1 a basic circuit for the process for power generation according to the invention,
  • 2 a circuit to reduce the thermal stresses in the heat exchangers,
  • 3 a circuit to improve the efficiency,
  • 4th a version with an integrated heat exchanger and
  • 5 a circuit with expansion of a partial flow to atmospheric pressure.

Die 1 zeigt schematisch und beispielhaft die Grundschaltung für die Vorrichtung 1 zur Stromerzeugung bei Regasifizierung gemäß der Erfindung. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Tank 2 für ein kryogenes Fluid, vorzugsweise flüssige Luft, aber auch flüssiges Erdgas (LNG), flüssiger Stickstoff, flüssiger Sauerstoff oder flüssiges Argon sind möglich. Eine erste Pumpe 4 ist über eine erste Leitung 3 mit dem Tank 2 verbunden. Eine zweite Leitung 5 verbindet die erste Pumpe 4 mit der zweiten Pumpe 6, der ein erster Wärmeübertrager 7 und ein zweiter Wärmeübertrager 8 nachgeschaltet ist, dem wiederum eine erste Turbine 9 mit erstem Generator 14 nachgeschaltet ist. Gemäß der Erfindung zweigt von der ersten Turbine 9 eine dritte Leitung 10 ab und mündet in den ersten Wärmeübertrager 7, von dem wiederum eine vierte Leitung 11 abzweigt und in die zweite Leitung 5 mündet. Im Ausführungsbeispiel der 1 zweigt eine fünfte Leitung 12 von der dritten Leitung 10 ab. Die fünfte Leitung 12 kann beispielsweise in eine Pipeline münden. Ferner ist in die fünfte Leitung 12 ein dritter Wärmeübertrager 13 geschaltet.The 1 shows schematically and by way of example the basic circuit for the device 1 for power generation with regasification according to the invention. The device 1 includes a tank 2 for a cryogenic fluid, preferably liquid air, but also liquid natural gas (LNG), liquid nitrogen, liquid oxygen or liquid argon are possible. A first pump 4th is via a first line 3 with the tank 2 connected. A second line 5 connects the first pump 4th with the second pump 6th , which is a first heat exchanger 7th and a second heat exchanger 8th downstream is a first turbine 9 with the first generator 14th is downstream. According to the invention branches from the first turbine 9 a third line 10 and flows into the first heat exchanger 7th , of which in turn a fourth line 11 branches off and into the second line 5 flows out. In the embodiment of 1 branches a fifth line 12 from the third line 10 from. The fifth line 12 can flow into a pipeline, for example. Also in the fifth line 12 a third heat exchanger 13 switched.

Die Schaltung der 2 ist für die Minimierung der thermischen Spannungen optimiert. Hierbei ist ein vierter Wärmeübertrager 15 in die zweite Leitung 5 und in die dritte Leitung 10 stromaufwärts des ersten Wärmeübertragers 7 geschaltet. Beispielhaft für den Fall, dass die Eintrittstemperatur in die erste Turbine deutlich über der Umgebungstemperatur liegt, wird zwischen den ersten Wärmeübertrager 7 und den vierten Wärmeübertrager 15 in die zweite Leitung 5 ein fünfter Wärmeübertrager 16 geschaltet, über den Wärme an die Umgebung abgegeben oder von der Umgebung aufgenommen werden kann.The circuit of the 2 is optimized to minimize thermal stresses. Here is a fourth heat exchanger 15th into the second line 5 and into the third line 10 upstream of the first heat exchanger 7th switched. As an example for the case that the inlet temperature into the first turbine is significantly above the ambient temperature, between the first heat exchanger 7th and the fourth heat exchanger 15th into the second line 5 a fifth heat exchanger 16 switched, via which heat can be given off to the environment or absorbed by the environment.

Das Ausführungsbeispiel der 3 dient der Verbesserung des Wirkungsgrads. Von der dritten Leitung 10 zweigt zwischen dem vierten Wärmeübertrager 15 und dem ersten Wärmeübertrager 7 eine sechste Leitung 17 ab und mündet stromaufwärts des zweiten Wärmeübertragers 8 in die zweite Leitung 5. In diese sechste Leitung 17 ist ein Verdichter 18 geschaltet. Durch die Verdichtung des Teilstromes wird der Fluidmassenstroms über die erste Turbine 9 weiter angehoben, damit die erzielbare Leistung der ersten Turbine 9 gesteigert und die Grädigkeit am warmen Ende des vierten Wärmeübertragers 15 minimiert.The embodiment of 3 serves to improve the efficiency. From the third line 10 branches between the fourth heat exchanger 15th and the first heat exchanger 7th a sixth line 17th from and opens upstream of the second heat exchanger 8th into the second line 5 . In this sixth line 17th is a compressor 18th switched. The compression of the partial flow causes the fluid mass flow to flow through the first turbine 9 further increased so that the achievable output of the first turbine 9 increased and the gradient at the warm end of the fourth heat exchanger 15th minimized.

4 zeigt schließlich eine Ausführung mit integriertem Wärmeübertrager 19, d.h. erster Wärmeübertrager 7, vierter Wärmeübertrager 15 und die Abzweigungsstelle der sechsten Leitung 17 von der dritten Leitung 10 sind in einer Komponente integriert. 4th finally shows a version with an integrated heat exchanger 19th , ie first heat exchanger 7th , fourth heat exchanger 15th and the junction of the sixth line 17th from the third line 10 are integrated in one component.

Die Schaltung der 5 ist für die Entspannung des über die fünfte Leitung 12 abgezweigten Teilstroms in einer zweiten Turbine 20 mit zweitem Generator 22 auf Umgebungsdruck optimiert. Vom Austritt der zweiten Turbine 20 zweigt eine siebte Leitung 21 ab und mündet in den integrierten Wärmeübertrager 19 an einer Stelle, die dem Temperaturniveau am Austritt der zweiten Turbine 20 entspricht. Der über die siebte Leitung 21 geführte Niederdruckstrom wird im integrierten Wärmeübertrager 19 angewärmt, bevor er z.B. in die Atmosphäre abgeblasen wird. Hierdurch wird das Kältepotential des Niederdruckstroms ausgenutzt, um den über die sechste Leitung 17 abgezweigten, verdichteten Teilstrom und damit die erzielbare elektrische Gesamtleistung anheben zu können.The circuit of the 5 is for the relaxation of the about the fifth line 12 branched off partial flow in a second turbine 20th with a second generator 22nd optimized for ambient pressure. From the exit of the second turbine 20th branches a seventh line 21st and flows into the integrated heat exchanger 19th at a point that corresponds to the temperature level at the outlet of the second turbine 20th corresponds. The one on the seventh line 21st guided low pressure flow is in the integrated heat exchanger 19th warmed up before it is blown into the atmosphere, for example. As a result, the cold potential of the low-pressure flow is used to reduce the flow via the sixth line 17th to be able to increase the branched, compressed partial flow and thus the achievable total electrical output.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Vorrichtung zur Stromerzeugung bei RegasifizierungDevice for generating electricity during regasification
22
Tanktank
33
Erste LeitungFirst line
44th
Erste PumpeFirst pump
55
Zweite LeitungSecond line
66th
Zweite PumpeSecond pump
77th
Erster WärmeübertragerFirst heat exchanger
88th
Zweiter WärmeübertragerSecond heat exchanger
99
Erste TurbineFirst turbine
1010
Dritte LeitungThird line
1111
Vierte LeitungFourth line
1212
Fünfte LeitungFifth line
1313
Dritter WärmeübertragerThird heat exchanger
1414th
Erster GeneratorFirst generator
1515th
Vierter WärmeübertragerFourth heat exchanger
1616
Fünfter WärmeübertragerFifth heat exchanger
1717th
Sechste LeitungSixth line
1818th
Verdichtercompressor
1919th
Integrierter WärmeübertragerIntegrated heat exchanger
20 20th
Zweite TurbineSecond turbine
2121st
Siebte LeitungSeventh line
2222nd
Zweiter GeneratorSecond generator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 17203813 [0005, 0016]DE 17203813 [0005, 0016]

Claims (20)

Vorrichtung (1) zur Stromerzeugung bei Regasifizierung umfassend einen Tank (2), eine über eine erste Leitung (3) mit dem Tank (2) verbundene erste Pumpe (4), eine mit der ersten Pumpe (4) über eine zweite Leitung (5) verbundene zweite Pumpe (6), einen der zweiten Pumpe (6) nachgeschalteten ersten Wärmeübertrager (7), einen dem ersten Wärmeübertrager (7) nachgeschalteten zweiten Wärmeübertrager (8), sowie eine dem zweiten Wärmeübertrager (8) nachgeschaltete erste Turbine (9) mit erstem Generator (14), dadurch gekennzeichnet, dass vom Austritt der ersten Turbine (9) eine dritte Leitung (10) abzweigt und in den ersten Wärmeübertrager (7) mündet und von diesem ersten Wärmeübertrager (7) eine vierte Leitung (11) abzweigt und zwischen erster Pumpe (4) und zweiter Pumpe (6) in die zweite Leitung (5) mündet.Device (1) for generating electricity during regasification comprising a tank (2), a first pump (4) connected to the tank (2) via a first line (3), and one to the first pump (4) via a second line (5 ) connected second pump (6), a first heat exchanger (7) connected downstream of the second pump (6), a second heat exchanger (8) connected downstream of the first heat exchanger (7), and a first turbine (9) connected downstream of the second heat exchanger (8) with a first generator (14), characterized in that a third line (10) branches off from the outlet of the first turbine (9) and opens into the first heat exchanger (7) and a fourth line (11) branches off from this first heat exchanger (7) and opens into the second line (5) between the first pump (4) and the second pump (6). Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei eine fünfte Leitung (12) von der ersten Turbine (9) abzweigt.Device (1) according to Claim 1 , whereby a fifth line (12) branches off from the first turbine (9). Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 und 2, wobei in die fünfte Leitung (12) ein dritter Wärmeübertrager (13) geschaltet ist.Device (1) according to Claim 1 and 2 , wherein a third heat exchanger (13) is connected in the fifth line (12). Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein vierter Wärmeübertrager (15) in die zweite Leitung (5) und in die dritte Leitung (10) stromaufwärts des ersten Wärmeübertragers (7) geschaltet ist.Device (1) according to one of the preceding claims, wherein a fourth heat exchanger (15) is connected in the second line (5) and in the third line (10) upstream of the first heat exchanger (7). Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei von der dritten Leitung (10) zwischen dem vierten (15) und dem ersten Wärmeübertrager (7) eine sechste Leitung (17) abzweigt und stromaufwärts des zweiten Wärmeübertragers (8) in die zweite Leitung (5) einmündet, wobei in die sechste Leitung (17) ein Verdichter (18) geschaltet ist.Device (1) according to Claim 4 , whereby a sixth line (17) branches off from the third line (10) between the fourth (15) and the first heat exchanger (7) and opens into the second line (5) upstream of the second heat exchanger (8), the sixth Line (17) a compressor (18) is connected. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, wobei erster Wärmeübertrager (7), vierter Wärmeübertrager (15) und die Abzweigungsstelle der sechsten Leitung (17) von der dritten Leitung (10) in einem integrierten Wärmeübertrager (19) angeordnet sind.Device (1) according to Claim 5 , the first heat exchanger (7), fourth heat exchanger (15) and the junction of the sixth line (17) from the third line (10) being arranged in an integrated heat exchanger (19). Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei die fünfte Leitung (12) zu einer zweiten Turbine (20) mit zweitem Generator (22) führt, wobei von der zweiten Turbine (20) eine siebte Leitung (21) abzweigt und in den integrierten Wärmeübertrager (19) mündet.Device (1) according to Claim 6 , the fifth line (12) leading to a second turbine (20) with a second generator (22), a seventh line (21) branching off from the second turbine (20) and opening into the integrated heat exchanger (19). Verfahren zur Stromerzeugung bei dem ein Fluid auf einen ersten Druck gebracht wird und somit ein erster Fluidstrom mit überkritischem Druck erzeugt wird, dieser erste Fluidstrom mit einem zweiten Fluidstrom, der größer als der erste Fluidstrom ist, zusammengeführt wird, der entstehende Gesamtfluidstrom auf einen zweiten Druck gebracht wird und somit ein Hochdruckstrom erzeugt wird, der zu einem ersten Wärmeübertrager (7) geführt wird, in dem der Hochdruckstrom durch den zweiten Fluidstrom erwärmt wird, wobei anschließend der erwärmte Hochdruckstrom in einem zweiten Wärmeübertrager (8) durch Eintragung von Umgebungswärme und/oder Abfallwärme aus anderen Prozessen weiter angewärmt wird und der weiter angewärmte Hochdruckstrom in einer ersten Turbine (9) unter Abgabe elektrischer Leistung auf einen niedrigeren, aber überkritischen Druck entspannt wird, wobei der aus der ersten Turbine (9) austretende Gesamtfluidstrom sich in den zweiten Fluidstrom und in einen kleineren dritten Fluidstrom aufteilt und der zweite Fluidstrom, nachdem er seine Wärme an den Hochdruckstrom abgegeben hat, mit dem ersten Fluidstrom zusammengeführt wird.Method for power generation in which a fluid is brought to a first pressure and thus a first fluid flow is generated with supercritical pressure, this first fluid flow is combined with a second fluid flow that is greater than the first fluid flow, the resulting total fluid flow to a second pressure is brought and thus a high pressure flow is generated, which is led to a first heat exchanger (7), in which the high pressure flow is heated by the second fluid flow, the heated high pressure flow then in a second heat exchanger (8) by the introduction of ambient heat and / or Waste heat from other processes is further heated and the further heated high-pressure flow is expanded in a first turbine (9) with delivery of electrical power to a lower but supercritical pressure, the total fluid flow emerging from the first turbine (9) being converted into the second fluid flow and into a smaller third fluid stream m and the second fluid flow, after it has given its heat to the high pressure flow, is merged with the first fluid flow. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Fluid aus einem Tank (2) entnommen wird.Procedure according to Claim 8 , wherein the fluid is taken from a tank (2). Verfahren nach Anspruch 9, wobei mittels einer ersten Pumpe (4) das aus dem Tank (2) entnommene Fluid auf einen überkritischen Druck von über 50 bara gebracht wird.Procedure according to Claim 9 , the fluid removed from the tank (2) being brought to a supercritical pressure of over 50 bara by means of a first pump (4). Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Gesamtstrom, welcher aus dem von der ersten Turbine (9) zurückgeführten zweiten Fluidstrom und dem aus der ersten Pumpe (4) austretenden ersten Fluidstrom besteht, mittels einer zweiten Pumpe (6) auf einen Druck von über 160 bara gebracht wird.Procedure according to Claim 10 , wherein the total flow, which consists of the second fluid flow returned from the first turbine (9) and the first fluid flow exiting from the first pump (4), is brought to a pressure of over 160 bara by means of a second pump (6). Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Umgebungswärme Luft oder Meerwasser entnommen wird.Method according to one of the Claims 8 to 11 where the ambient heat is taken from air or sea water. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die weitere Anwärmung im zweiten Wärmeübertrager (8) auf mindestens 5°C unterhalb der Umgebungstemperatur erfolgt.Method according to one of the Claims 8 to 12 , further heating in the second heat exchanger (8) to at least 5 ° C below the ambient temperature. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei der dritte Fluidstrom in eine Pipeline eingespeist wird.Method according to one of the Claims 8 to 13 , wherein the third fluid stream is fed into a pipeline. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei der dritte Fluidstrom in einem Wärmeübertrager durch Abgas aus einer Gasturbine angewärmt und anschließend in eine Gasturbinenbrennkammer eingespeist wird.Method according to one of the Claims 8 to 13 , the third fluid stream being warmed in a heat exchanger by exhaust gas from a gas turbine and then being fed into a gas turbine combustion chamber. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei der dritte Fluidstrom in einer zweiten Turbine (20) mehrstufig entspannt und zwischenerwärmt wird. Method according to one of the Claims 8 to 13 , the third fluid flow being expanded and temporarily heated in a second turbine (20) in several stages. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, wobei in der ersten Turbine (9) mehrstufig entspannt und zwischenerwärmt wird.Method according to one of the Claims 8 to 16 , with the first turbine (9) being relaxed and intermediate heating in several stages. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 17, wobei vom zweiten Fluidstrom ein teilweise abgekühlter Teilstrom abgezweigt, verdichtet und stromaufwärts des zweiten Wärmeübertragers (8) mit dem Hochdruckstrom zusammengeführt wird.Method according to one of the Claims 8 to 17th , a partially cooled partial flow being branched off from the second fluid flow, compressed and merged with the high pressure flow upstream of the second heat exchanger (8). Verfahren nach Ansprüchen 17 und 18, wobei der vom zweiten Fluidstrom abgezweigte, teilweise abgekühlte Teilstrom, verdichtet und stromabwärts der ersten Stufe der ersten Turbine (9) mit dem in der ersten Turbine (9) teilweise entspannten Fluidstrom zusammengeführt wird.Procedure according to Claims 17 and 18th wherein the partially cooled partial flow branched off from the second fluid flow is compressed and merged downstream of the first stage of the first turbine (9) with the fluid flow partially expanded in the first turbine (9). Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 19, wobei das dem Tank entnommene Fluid flüssige Luft, Flüssigerdgas, flüssiger Stickstoff, flüssiger Sauerstoff oder flüssiges Argon ist.Method according to one of the Claims 8 to 19th wherein the fluid withdrawn from the tank is liquid air, liquid natural gas, liquid nitrogen, liquid oxygen, or liquid argon.
DE102019001817.6A 2019-03-14 2019-03-14 Regasification of cryogenic fluids through supercritical expansion with increased recirculation for power generation Withdrawn DE102019001817A1 (en)

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