DE102020123406A1

DE102020123406A1 - Gasentspannungsanlage

Info

Publication number: DE102020123406A1
Application number: DE102020123406.6A
Authority: DE
Inventors: Steffen Päßler; Karsten Skorzus; Holger Sprung
Original assignee: Ontras Gastransport GmbH
Current assignee: Ontras Gastransport GmbH
Priority date: 2020-09-08
Filing date: 2020-09-08
Publication date: 2022-03-10
Also published as: EP3964780A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gasentspannungsanlage (100, 200) zur Entspannung und Mengensteuerung von Gas zum Einsatz zwischen einer ersten, gastromaufwärts gelegenen Gasquelle (Q), wie ein Gastank, ein Gasmitteldrucknetz oder Gashochdrucknetz oder ein Kavernenspeicher und mindestens einer zweiten, gastromabwärts gelegenen Gassenke (S1), wie ein Verbraucher, ein Gasniederdrucknetz oder eine Gasversorgungsleitung, aufweisend mindestens ein erstes Wirbelrohr (10), das über einen Eingang in Strömungsverbindung mit der ersten, gastromaufwärts gelegenen Gasquelle (Q) steht, wobei das Gas aus der Gasquelle (Q) in das mindestens eine erste Wirbelrohr (10) in einen tangentialen Einlass (11) einströmt, und aus zwei Auslässen in Form eines ersten Auslasses (12) für eine erste Kaltfraktion (KF) des Gases und in Form eines zweiten Auslasses (13) für eine zweite Warmfraktion (WF) des Gases ausströmt.Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in einer ersten Stufe (I) mindestens eine Gasentspannungsvorrichtung, wie eine Drossel, ein Wirbelrohr (10) oder eine Entspannungsturbine (D0) und mindestens ein erster Wärmetauscher (WTO, WT1), vorhanden sind, wobei das zu entspannende Gas über je eine Gasleitung sowohl in die mindestens eine Gasentspannungsvorrichtung als auch in den mindestens einen Wärmetauscher (WTO, WT1) strömt, wobei das aus der mindestens einen Gasentspannungsvorrichtung ausströmende, entspannte Gas auch in den mindestens einen Wärmetauscher (WTO, WT1) strömt, und wobei

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasentspannungsanlage zur Entspannung und Mengensteuerung von Gas zum Einsatz zwischen einer ersten, gastromaufwärts gelegenen Gasquelle, wie ein Gastank, ein Gasmitteldrucknetz oder Gashochdrucknetz oder ein Kavernenspeicher und einer zweiten, gastromabwärts gelegenen Gassenke, wie ein Verbraucher, ein Gasniederdrucknetz oder eine Gasversorgungsleitung, aufweisend mindestens ein erstes Wirbelrohr, das in Strömungsverbindung mit der ersten, gastromaufwärts gelegenen Gasquelle steht, wobei das Gas aus der Gasquelle in das mindestens eine erste Wirbelrohr in einen tangentialen Einlass einströmt, und aus zwei Auslässen in Form eines ersten Auslasses für eine erste Kaltfraktion des Gases und in Form eines zweiten Auslasses für eine zweite Warmfraktion des Gases ausströmt.
Bei der Verteilung von Gasen, beispielsweise aus einem Gasmittel- oder Gashochdrucknetz in ein Verteilungsnetz mit geringerem Druck, oder bei der Abnahme von Gasen aus einem Druckspeicher, wie ein Aquiferspeicher, einem Kavernenspeicher oder einem Gastank in ein Leitungsnetz, ist es notwendig, das unter Druck stehende Gas zu entspannen, um den Druck für den Leitungstransport anzupassen. Im Unterschied zu idealen Gasen zeigen reale Gase beim Übergang über eine Drossel den bekannten Joule-Thomson-Effekt. Der Joule-Thomson-Effekt zeichnet sich durch eine beobachtbare Temperaturänderung eines Gases bei einer isenthalpen Druckminderung aus, dabei wird die Richtung (Abkühlung oder gar Erwärmung) und Stärke des Effekts durch die Stärke der anziehenden und abstoßenden Kräfte (van der Waals-Kräfte) zwischen den Gasmolekülen bestimmt. Unter Normalbedingungen zeigen die meisten geläufigen Gase und Gasgemische, z. B. auch Luft, eine Temperaturverringerung bei der Entspannung, also bei einer Druckminderung beim Fluss durch eine Drossel. In Leitungsnetzen, die hohe Volumenströme leiten, wie zum Beispiel kommunale Gasversorgungsleitungen, regionale Gasversorgungsleitungen oder längere Gaspipelines, ist es notwendig, dass sowohl der Druck in der Versorgungsleitung als auch die Temperatur des strömenden Gases in bestimmten Grenzen liegt. Die in den Versorgungsleitungen vorhandenen Aggregate, wie Druckregler, Ventile, Wärmetauscher und Verdichter haben häufig schmale Intervalle, in denen die Zustandsgrößen des transportierten Gases vorliegen können, um sicher und in vorbestimmter Weise zu funktionieren.
Nasses Erdgas, also Methan (CH₄) mit Beimengungen von Stickstoff (N₂), ggf. sauren Gasen wie Schwefelwasserstoff (H₂S) und Kohlendioxid (CO₂) sowie Feuchtigkeit in Form von Wasserdampf (H₂O) und geringe Mengen Ethan (C₂H₆, 1% bis 15 %), Propan (C₃H₈, 1% bis 10%), Butan (C₄H₁₀), Ethen (C₂H₄) und Pentanen (C₅H₁₂), neigt bei einer starken Abkühlung durch den Joule-Thomson-Effekt zum Vereisen. Beim Vereisen fällt aus nassem Erdgas insbesondere Methanhydrat (CH₄ • 5,75 H₂O) aus. Methanhydrat ist eine Klathratverbindung, in dem Wasser und Methan eine Käfigverbindung bilden. Methanhydrat hat äußerlich die Erscheinung wie Schnee oder Raureif und kann, wenn es einmal in der Kälte entstanden ist, bis zu Temperaturen von 20°C vorliegen. Bei Raumtemperatur, also etwa bei 20°C, ist Methanhydrat zwar thermodynamisch instabil; die Klathratverbindung neigt aber dazu, im überhitzten Zustand zu verweilen, bevor sie wieder in die Gasbestandteile zerfällt. Bildet sich Methanhydrat, Eis oder ein anderes Gashydrat, so kann das Hydrat die Gasleitung verstopfen, den Gasleitungsquerschnitt verengen, Ventile oder Druckregelventile verstopfen oder unbeweglich machen, den mechanischen Regelweg von Membranen von Druckreglern versperren und Durchflussmessern den Zugang zum Gasstrom versperren. Die Bildung von Eis, Methanhydrat oder anderen Gashydraten in einer Gasversorgungsleitung kann damit schnell zu einer gefährlichen Havarie der Leitung führen, die gefährlich ist für Leib und Leben.
Um die Vereisung von Gasen bei der Entspannung zu verhindern, ist es bekannt, das Gas vor der Drossel stark zu erwärmen, wobei das Gas bei der Passage der Drossel wieder abkühlt. Auch ist es bekannt, das zu drosselnde Gas durch eisfreie Drosseln zu leiten und das erkaltete Gas wieder zu erwärmen. Die Erwärmung findet statt durch elektrische Heizungen oder durch Gasheizung, denn Gas als Heizgas ist in der Umgebung einer Gasversorgungsleitung zu genüge vorhanden.
Mit zunehmendem Bewusstsein der möglichen Energieeinsparung, aber auch mit zunehmendem Bewusstsein der Schädlichkeit von größeren Mengen Kohlendioxid in der freien Atmosphäre für das Weltklima, das beim Verbrennen von Heizgas entsteht, besteht das Bedürfnis, die Entspannung von Gasen, insbesondere in kommunalen oder regionalen Versorgungsleitungen aber auch in Pipelines klimaneutral durchzuführen. Ein weiteres Bedürfnis ist es, die Entspannung von Gas in Abwesenheit von Zündquellen, wie elektrische Heizungen oder Gasheizungen durchzuführen, um die kommunalen oder regionalen Versorgungsleitungen vor einer Havarie zu sichern.
In der ostdeutschen Patentschrift DD 108 146 wird eine Einrichtung zur Verflüssigung oder Kälteerzeugung offenbart. Nach dem Leitgedanken in DD 108 146 ist vorgesehen, Gas aus einer Hochdruckquelle durch ein Wirbelrohr zu leiten. Die Warmfraktion, die aus dem Wirbelrohr strömt, wird entweder einem weiteren Prozess zugeführt oder aber über einen Wärmetauscher und Rückverdichter wieder der Hochdruckseite zugeleitet. Der Kaltgasstrom hingegen wird der weiteren Verflüssigung zugeleitet. Zwar eignet sich dieses Verfahren zur Verflüssigung von Gas, ist aber recht energieineffizient.
Nach der Lehre in der deutschen Patentschrift DE 101 51 321 B4 ist vorgesehen, dass die Disproportionierung, damit ist eine Aufteilung eines Gasstroms durch ein Wirbelrohr in eine wärmere und in eine kältere Fraktion gemeint, dazu genutzt wird, das Gasentspannungselement selbst vor Vereisung zu schützen. In der Patentschrift DE 101 51 321 B4 wird ausdrücklich gelehrt, dass die Warmfraktion die Kaltfraktion abschirmen solle. Nach der Lehre in der Patentschrift DE 101 51 321 B4 ist es vorgesehen, die Kaltfraktion und die Warmfraktion nach der Entspannung wieder zu vereinen, und gegebenenfalls über einen Wärmetauscher zunächst die Wärme übergehen zu lassen, bevor die Gasfraktionen wieder vereint werden.
In der nachveröffentlichten Patentanmeldung 10 2019 120 358.9 wird der Einsatz eines Wirbelrohres als Teil einer Wärmepumpe in einer Gasentspannungsanlage gelehrt. Das durch ein Wirbelrohr in zwei unterschiedliche Fraktionen disproportionierte Gas wird als Warmfraktion unmittelbar in die Gassenke geleitet, hingegen wird das stark abgekühlte Gas aus dem Wirbelrohr über einen atmosphärischen Wärmetauscher geleitet, der das stark abgekühlte Gas auf atmosphärische Temperaturen aufwärmt. Die vereinte Warmfraktion mit der atmosphärisch erwärmten Katfraktion trägt genug Wärme in sich, um in einem erwünschten Temperaturbereich von mehr als 15°C in ein Gasmitteldruck oder Gasniederdrucknetz transportiert zu werden. Der Einsatz des atmosphärischen Wärmetauschers ist begrenzt auf Regionen, in denen die jahreszeitlichen Temperaturen nicht zu stark schwanken. In Wintern mit sehr geringen Temperaturen kann eine so konzipierte Gasentspannungsanlage unter Umständen nicht mehr ohne zusätzliche Erwärmung verlässlich arbeiten.
In der nachveröffentlichten Patentanmeldung 10 2019 121 925.6 wird zur Gasentspannung eine Kaskade von Wirbelrohren gelehrt, die auf der Kaltstromseite in Serie geschaltet sind. Im Weg der Kaltfraktionen kühlt sich das zu entspannenden Gas sehr stark ab, bis es schließlich flüssig wird. Der Einsatz der Wirbelrohkaskade macht den Einsatz einer Heizung zum Erwärmen des bei der Entspannung sich abkühlende Gas entbehrlich. Dabei wird die Wärme aus einer Wärmedisproportion des zu entspannenden Gases selbst entzogen. Bei der Wärmedisproportion erwärmt sich ein erster Teil des Gases und ein anderer Teil des Gases kühlt sich ab. Die Menge des dabei entstehenden Flüssiggases ist vergleichsweise gering. Es entsteht auch ein nicht unerheblicher Anteil eines kalten Mitteldruckgases.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein weiteres energieeffizientes und gleichzeitig robustes und daher vor allem jahreszeitenunempfindliches Verfahren zur Gasentspannung zur Verfügung zu stellen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch eine Gasentspannungsanlage mit den Merkmalen von Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen zu Anspruch 1 angegeben.
Nach dem Gedanken der Erfindung ist vorgesehen, wie in den zuvor beschriebenen Anlagen, Gas aus einer Gasquelle, wie einem Kavernenspeicher, in dem Gas zwischen 100 bar und 300 bar vorliegt, zu entspannen. Das abgekühlte und entspannte Gas wird sodann mit einem weiteren Teil des unter Druck stehenden Gas erwärmt. Dabei kühlt sich das unter Druck stehende Gas ab. Je nach Anzahl unterschiedlicher verfügbarer Gasabgabequellen mit unterschiedlichen Druckstufen kann die so dargestellte Gaskühlung mehrfach hintereinander geschehen, bis das unter Druck stehende Gas zu flüssigem Gas (LNG) kondensiert.
In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen das unter Druck stehende Gas über ein Wirbelrohr als Drossel zu entspannen. Dabei entsteht eine Warmfraktion und eine Kaltfraktion. Die Wärme zur Erwärmung wird nicht aus der Atmosphäre entnommen, wie bei der Erwärmung der Kaltfraktion in einem atmosphärischen Wärmetauscher. Die Wärme wird auch nicht über eine Wirbelrohrkaskade geleitet, in der jeweils die Warmfraktionen mit stets geringer werdendem Druck entstehen.
Nach dem Gedanken der Erfindung ist vorgesehen, die notwendige Wärme zur Erwärmung des entspannten Gases aus dem Gas der Hochdruckseite zu entnehmen. Anstelle eines atmosphärischen Wärmetauschers, dessen Effizienz zum Teil abhängig ist von den jeweiligen Jahreszeiten-Temperaturen, wird hier das unter hohem Druck stehende Gas als Wärmequelle zur Erwärmung der Kaltfraktion aus dem eingesetzten Wirbelrohr verwendet. Die Nutzung des Hochdruckgases hat einen besonderen Vorteil. Dadurch, dass das Gas unter hohem Druck steht, ist die Wärmekapazität bezogen durch das einen Wärmetauscher durchströmt habende Volumen, größer ist als Luft bei atmosphärischem Druck. Die Erwärmung des entspannten Gases in einem Wärmetauscher, der durch das unter hohem Druck stehende Gas erwärmt wird, ist ungleich effizienter. Durch die Entnahme der Wärme aus dem unter hohem Druck stehenden Gases zur Erwärmung des entspannten Gases ist die vorliegende Anlage zur Gasentspannung vollkommen unabhängig von atmosphärischen Bedingungen und es ist möglich, auf eine Erwärmung des entspannten Gases durch Heizen mit einer externen Energiequelle zu verzichten.
Das abgekühlte und unter hohem Druck stehende Gas selbst wird nun anderweitig verwendet. Es eignet sich nicht mehr zum Entspannen und Einleiten in ein Mitteldrucknetz oder in ein Niederdrucknetz, wenn es nicht vorher erwärmt würde. Das aber ist nicht das vorliegende Ziel.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann nun vorgesehen sein, dass das abgekühlte und noch unter einem hohen Druck stehende Gas noch weiter abgekühlt wird. Dafür kann in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass ein zweiter Ausgang des ersten Wärmetauschers für das den ersten Wärmetaucher durchströmt habende Gas aus der Gasquelle in zwei Leitungen mündet, wobei a) eine erste Leitung mit einer ersten Drossel in Strömungsverbindung steht, und b) eine zweite Leitung mit einem zweiten Wärmetauscher in Strömungsverbindung steht, wobei die erste Drossel stromabwärts ebenfalls mit dem zweiten Wärmetauscher in Strömungsverbindung steht, wodurch das die erste Drossel durchströmt habende und sich dabei abgekühlt habende Gas Wärme aus dem Gas, das die erste Leitung passiert hat, als Mitteldruckgas aufnimmt, und wobei der Weg des Mitteldruckgases über einen ersten Ausgang mit einer weiteren, gasstromabwärts gelegenen Gassenke verbunden ist. Nach dem Gedanken dieser Ausgestaltung ist es vorgesehen, das abgekühlte und unter Hochdruck stehende Gas über eine Leitungsteilung in zwei Gasströme aufzuteilen. Ein erster Gasstrom verbleibt unter seinem ursprünglichen Druck, der vernachlässigbar durch den ersten Wärmetauscher einen minimalen Druckverlust hat hinnehmen müssen. Ein zweiter Gasstrom wird über eine Drossel geleitet. Das Gas im zweiten Strom ist vorgekühlt und kühlt sich bei der Passage der Drossel um so mehr ab. Das so erkaltete Gas wird sodann durch den ersten Teilstrom des noch unter Hochdruck stehenden Gases in einem zweiten Wärmetauscher wieder erwärmt und das erwärmte, durch die erste Drossel entspannte Gas wird sodann in ein Niederdruck-Netz geleitet.
Das nunmehr bereits zweimal abgekühlte Gas, das immer noch unter Hochdruck steht, kann nun nach weiterer Ausgestaltung der Erfindung nun selbst über eine Drossel geleitet, wo es sich abermals stark abkühlt und Flüssiggas, also flüssiges Erdgas erzeugt.
Nach dieser Ausgestaltung ist also vorgesehen, dass ein zweiter Ausgang des zweiten Wärmetauschers für das Gas, das zuvor die zweite Leitung zum zweiten Wärmetauscher passiert hat, mit einer zweiten Drossel in Strömungsverbindung steht, wobei der stromabwärts gelegene Ausgang der zweiten Drossel mit einem ersten Separator in Strömungsverbindung steht, welcher flüssiges Gas von Siedegas trennt.
Das flüssige Erdgas wird in dem Separator gesammelt. Das vom Separator aufsteigende Siedegas (engl. „boil off gas“) kann mit Hilfe eines Kompressors wieder auf das Niveau des Niederdrucks komprimiert und dem Niederdruck-Netz zugeleitet werden. Nach dieser noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist also vorgesehen, dass das Siedegas über eine Siedegasleitung einem Verdichter zugeführt wird, der das Siedegas auf den Druck der zweiten, gastromabwärts gelegenen Gassenke komprimiert und in diese einleitet.
In neuerer Zeit ist es geplant, Erdgas gasförmigen Wasserstoff (H₂) beizumischen. Was einst als undenkbar galt, nämlich einem weniger edlen, weil CO₂erzeugenden Brennstoff, der unter anderem mit Stickstoff und weiteren natürlichen Begleitgasen vermischt ist, höherwertigen Wasserstoff als chemischen Grundstoff beizumischen, ist heute aus ganz anderen Gesichtspunkten denkbar geworden. Zum Einen dient Wasserstoff als Energieträger für eine Reihe von erneuerbaren Energiequellen. Zu den erneuerbaren Energiequellen gehört insbesondere die Windkraft, deren elektrische Energie schlecht gespeichert werden kann. Daher wird sonst ungenutzte elektrische Energie durch Wasserelektrolyse in Wasserstoff umgesetzt. Der daraus entstandene Wasserstoff wird Erdgas beigemischt. Das erhöht den Brennwert des Erdgases und verringert den Energieausstoß pro verbrannter Menge Gas. Des Weiteren findet durch die Wasserstoffbeimengung eine Substitution von fossilen Brennstoffen durch erneuerbare Energie statt. In einer Gasentspannungsanlage kann es nun wirtschaftlich sein, das mit dem Erdgas transportierte Gas wieder in seine Bestandteile zu zerlegen. Eine Gaszerlegung findet in der Regel durch ein Linde-Verfahren statt. Der Energieeinsatz für den Kompressions- und Entspannungskreislauf jedoch wäre so hoch, dass eine Auftrennung des Mischgases in Erdgas und Wasserstoff nicht wirtschaftlich interessant macht. Es ist nach einer Ausgestaltung der Erfindung vielmehr vorgesehen, dass das abgekühlte Gas soweit heruntergekühlt wird, dass Erdgas quantitativ als LNG auskondensiert. Dabei verbleibt im Gasraum der beigemengte Wasserstoff, der in einem Separator abgelassen werden kann. Um eine quantitative Kondensierung von Erdgas zu erreichen, kann nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass das Siedegas über eine zweite Siedegasleitung einem dritten Wärmetauscher zugeführt wird, der mit flüssigem Stickstoff durchflossen wird, wobei der flüssige Stickstoff das Siedegas verflüssigt und selbst dabei in den Gasraum als gasförmiger Stickstoff übergeht. Flüssiger Stickstoff ist ein Nebenprodukt bei der Herstellung von flüssigem Sauerstoff und bei der Herstellung von reinem Argon aus der Luftverflüssigung. Es ist wirtschaftlich, den verfügbaren flüssigen Stickstoff zum Auskondensieren des Erdgases zu verwenden, anstelle das Siedegas wieder zu verdichten und dem Niederdruckgas-Netz zuzuleiten.
Hierzu kann vorgesehen sein, dass das verflüssigte Siedegas über eine dritte Siedegasleitung einem zweiten Separator zugeführt wird, welcher verflüssigtes Gas von unverflüssigten Gasbestandteilen trennt, wie zum Beispiel Wasserstoff und/oder Edelgase. Es kann des Weiteren vorgesehen sein, dass das flüssige Gas des ersten Separators mit dem flüssigen Gas des zweiten Separators über eine Flüssiggasleitung, welche die Separatoren auf der Flüssigseite verbindet, vereint wird. Schließlich kann auch vorgesehen sein, dass die unverflüssigten Gasbestandteile (H₂, He, Ar) über eine Leichtsiederleitung (LSL) zwischen dem zweiten Separator (SP2) und einem Gastank (GT) in den Gastank (GT) geführt werden. Aus dem Gastank kann das Gas dann der weiteren Verwendung zugeführt werden.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

1 eine erklärende Skizze zu dem eingesetzten Wirbelrohr nach Ranque-Hilsch,
2 eine erfindungsgemäße Gasentspannungsanlage in einer ersten Ausgestaltung,
3 eine erfindungsgemäße Gasentspannungsanlage in einer zweiten Ausgestaltung,
4 eine erfindungsgemäße Gasentspannungsanlage in einer dritten Ausgestaltung,

In 1 ist eine Schnittzeichnung durch Wirbelrohr 10 nach Ranque-Hilsch mit eingezeichneten Wirbeln W1 und W2 dargestellt, wobei der äußere Wirbel W1 die Warmfraktion führt und der innere Wirbel W2 die Kaltfraktion führt. Die exakte Funktionsweise eines Wirbelrohres nach Ranque-Hilsch ist trotz der Entdeckung dieses Effektes vor etwa 90 Jahren heute noch nicht exakt wissenschaftlich geklärt. Der Effekt nach Ranque-Hilsch ist aber wohl reproduzierbar und lässt sich auch empirisch für verschiedene Volumenströme und mittlere Betriebsdrücke optimieren. Soweit die Funktion des Wirbelrohrs 10 objektiv verstanden ist, strömt unter Druck stehendes Gas GH in einen tangentialen Einlass 11 in das Wirbelrohr 10 ein. Dort bildet das einströmende Gas GH in dem Wirbelrohr verschiedene Wirbel W1 und W2, wobei Gas, das wärmer ist als das in Einlass 11 einströmende Gas, als Warmfraktion WF aus dem Rohrende bei Auslass 13 austritt. Auslass 13 ist an dem Rohrende angeordnet, das dem Rohrende gegenüberliegt, an dem der tangentiale Einlass 11 angeordnet ist. Gas, das deutlich kälter ist, als das in Einlass 11 einströmende Gas, tritt als Kaltfraktion KF bei Auslass 12 aus, der an dem Rohrende angeordnet ist, an dem auch der tangentiale Einlass 11 angeordnet ist. Die Wärmemenge der vereinten Warmfraktion WF und Kaltfraktion KF entspricht etwa der Wärmemenge des eintretenden Gases GH abzüglich der Volumenarbeit V · ΔP als Wärmeäquivalent, die das eintretende unter Druck stehendes Gas GH bei Passage des Wirbelrohres 10 geleistet hat.
Im Gegensatz zu einer einfachen Drossel in Form einer Lochblende oder einer Stahlfritte in einem Rohr, bei dem eine Temperaturabsenkung durch den beobachtbaren Joule-Thomson-Effekt messbar ist, bildet sich in einem Ranque-Hilsch-Rohr eine Kaltfraktion KF mit einer Temperatur unterhalb der Temperatur, die durch den Joule-Thomson-Effekt beobachtbar wäre und eine Warmfraktion WF mit einer Temperatur, die höher ist, als die Temperatur des einströmenden Gases GH. Die vorliegende Erfindung macht sich zu Nutze, dass mit dem Wirbelrohr 10 nach Ranque-Hilsch eine Kaltfraktion KF erhalten wird, die eine Temperatur unterhalb der Temperatur aufweist, die nach Joule-Thomson erreichbar wäre. Die dabei entzogene Wärme geht der Warmfraktion zu, die im Rahmen dieser Erfindung für die Erwärmung des Gases im Ableitungsnetz genutzt wird.
In der Legende zu 1 sind drei verschiedene Thermometer unter je einem schattierten Quadrat dargestellt, die die je einer Schattierung der Wirbel W1 und W2 zugeordnet werden können. Schwarz (links) bedeutet kalt und entspricht der Temperatur der austretenden Kaltfraktion KF. Eine mitteldunkle Schattierung (Mitte) entspricht etwa der Temperatur des unter Druck stehenden, eintretenden Gases GH und eine hellere Schattierung (rechts) entspricht etwa der Temperatur der austretenden Warmfraktion WF.
In 2 ist eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Gasentspannungsanlage 100 gezeigt. Die Gasentspannungsanlage 100 dient zur Entspannung und Mengensteuerung von Gas. Dabei wird sie eingesetzt zwischen einer ersten, gastromaufwärts gelegenen Gasquelle Q, wie ein Gastank, ein Gasmitteldrucknetz oder Gashochdrucknetz oder ein Kavernenspeicher auf der Hochdruckseite, in Figur dargestellt durch ein Manometersymbol mit einem ganz nach rechts gedrehten Zeiger. Auf der anderen Seite befindet sich eine mindestens eine zweite, gasstromabwärts gelegenen Gassenke S1, wie ein Verbraucher, ein Gasmitteldrucknetz oder eine Gasversorgungsleitung, dargestellt durch ein Manometersymbol mit einem etwa mittig stehenden Zeiger. Je nach Konfiguration der Anlage kann auch eine weitere Gassenke S2 in Form eines Gasmitteldrucknetzes mit geringerem Druck oder ein Gasniederdrucknetzes vorhanden sein, dargestellt durch ein Manometersymbol mit einem auf der linken Seite stehenden Zeiger. In der Gasentspannungsanlage 100 durchströmt das Gas mit hohem Druck aus der Quelle Q mindestens ein erstes Wirbelrohr 10, das über einen Eingang in Strömungsverbindung mit der ersten, gastromaufwärts gelegenen Gasquelle Q steht. Das unter hohem Druck stehende Gas aus der Quelle Q strömt in einen tangentialen Einlass 11 in das mindestens eine erste Wirbelrohr 10 ein. Der tangentiale Einlass 11 ist in 1 gezeigt. Aus dem Wirbelrohr 10 strömt das Gas aus zwei Auslässen in Form eines ersten Auslasses 12 für eine erste Kaltfraktion KF des Gases und in Form eines zweiten Auslasses 13 für eine zweite Warmfraktion WF des Gases aus. Auch die Auslasse 12 und 13 sind in 1 näher gezeigt.
Nach dem Gedanken der Erfindung ist nun folgendes vorgesehen: Die aus dem ersten Auslass 12 des mindestens einen Wirbelrohres 10 strömende Kaltfraktion KF des Gases steht in Strömungsverbindung mit einem ersten Wärmetauscher WT1. Dieser Wärmetauscher WT1 steht selbst des Weiteren in Strömungsverbindung mit der ersten, gastromaufwärts gelegenen Gasquelle Q. Die Kaltfraktion KF des mindestens einen Wirbelrohres 10 nimmt beim Durchströmen des ersten Wärmetauschers WT1 Wärme aus dem Gasstrom aus der Gasquelle Q auf. Dabei erwärmt sich die ursprüngliche Kaltfraktion KF.
Ein erster Ausgang WT1A1 dieses ersten Wärmetauschers WT1 steht in Strömungsverbindung mit dem zweiten Auslass 13 für die zweite Warmfraktion WF des mindestens einen Wirbelrohres 10. Durch diese Verbindung wird die im ersten Wärmetauscher WT1 erwärmte Kaltfraktion KF des mindestens einen Wirbelrohres 10 mit der zweiten Warmfraktion WF des mindestens einen Wirbelrohres 10 vereint. Die vereinten Gasfraktionen haben nun eine Temperatur von deutlich mehr als -15°C, was für den Einsatz in einem Gasverteilungsnetz geeignet ist. Es wurde ohne von außen zusätzliche Wärme zuzuführen, das entspannte und sich beim Entspannen abgekühlt habende Gas mit der Wärme in weiterem Hochdruckgas erwärmt. Dabei hat sich der zurückbleibende Anteil des unter hohem Druck stehenden Gases aus der Gasquelle Q selbst abgekühlt, wodurch es anderen Verwendungen zugänglich ist. Bis hier hin befindet sich die Stufe I der erfindungsgemäßen Anlage mit einer autologen Wärmezufuhr für das entspannte Gas.
In Ausgestaltung der Erfindung kann der Anlage nach Stufe I noch eine weitere Stufe II nachgeschaltet sein. In Stufe II wird das unter hohem Druck stehende und abgekühlte Gas in zwei Teilströme aufgeteilt.
Dazu wird die folgende Verschaltung vorgeschlagen: ein zweiter Ausgang WT1A2 des ersten Wärmetauschers WT1 für das den ersten Wärmetaucher WT1 durchströmt habende Gas aus der Gasquelle Q mündet in zwei Leitungen WT1L1 und WT1L2. Die erste Leitung WT1L1 steht mit einer ersten Drossel D1 oder eine Entspannungsturbine in Strömungsverbindung. Die zweite Leitung WT1L2 steht hingegen mit einem zweiten, folgenden Wärmetauscher WT2 in Strömungsverbindung. Die erste Drossel D1 oder eine Entspannungsturbine steht stromabwärts ebenfalls mit dem zweiten Wärmetauscher WT2 in Strömungsverbindung, jedoch mit einem anderen Eingang. Beim Durchströmen des zweiten Wärmetauschers WT2 der beiden Teilströme durch verschiedene Teile des Wärmetauschers WT2 nimmt das die erste Drossel D1 oder eine Entspannungsturbine durchströmt habende und sich dabei abgekühlt habende Gas Wärme aus dem Gas auf, das die erste Leitung WT1L1 passiert hat. Das erwärmte Gas geht als Mitteldruckgas MDG seinen weiteren Verlauf, der über einen ersten Ausgang WT2A1 mit einer weiteren, gastromabwärts gelegenen Gassenke S2 verbunden ist.
Hingegen strömt das im Wärmetauscher abgekühlte und immer noch unter Hochdruck stehende Gas aus dem Wärmetauscher WT heraus und steht weiteren Verwendungen zur Verfügung. Bis hier hin befindet sich die zweite Stufe II der erfindungsgemäßen Gasentspannungsanlage.
In einer optionalen dritten Stufe II ist nun folgendes mit dem kalten Gas vorgesehen: Ein zweiter Ausgang WT2A2 des zweiten Wärmetauschers WT2 für das Gas, das zuvor die zweite Leitung WT1L2 zum zweiten Wärmetauscher WT2 passiert hat, steht mit einer weiteren, zweiten Drossel D2 oder einer Entspannungsturbine der Stufe III in Strömungsverbindung. Das schon recht kalte und unter Hochdruck stehende Gas aus der Quelle ist stark vorgekühlt und erreicht die Inversionstemperatur von einigen Begleitgasen im Erdgas. Strömt das kalte, unter Hochdruck stehende Gas nun durch die zweite Drossel D2 oder die Entspannungsturbine in Stufe II so kompensiert nicht die beim Entspannen eines Begleitgases einen Teil der Abkühlung des Erdgases. Die starke Vorkühlung entspricht durch diese andere Maßnahme insofern der Variation des Linde-Verfahrens durch Fränkl. Bei der nun in Drossel D2 oder der Entspannungsturbine stattfindenen Entspannung kühlt sich das Gas noch stärker ab, wie es durch die drei Eiskristalle als Symbol für Kälte dargestellt ist. In Stufe III findet schon zumindest eine teilweise Verflüssigung des Erdgases statt, das schon als LNG nutzbar ist.
In einer optionalen vierten Stufe IV ist nun folgendes vorgesehen: Der stromabwärts gelegene Ausgang D2A der zweiten Drossel D2 oder der Entspannungsturbine in Stufe III steht mit einem ersten Separator SP1 in Strömungsverbindung, welcher flüssiges Gas LNG)von Siedegas SG (engl. „boil-off gas“) trennt. Da das LNG noch nicht stark abgekühlt ist, entweicht dem LNG fortwährend ein Teil des Gases. Beim Übergang vom flüssigen Zustand in den Gasraum nimmt das sich verflüchtigenden Gas latente Wärme aus dem flüssigen Gas auf. Durch diese fortwährende Abkühlung wirkt die Verdampfung wie ein Thermostat. Kommt Wärme von außen in den Separator ein, so verdampft ein Teil des LNG, wobei es das zurückbleibende flüssige Gas kühlt. Das Siedegas SG oder engl. „boil-off-gas“ wird sodann durch eine Verdichter V1 auf das Druckniveau des Mitteldrucknetzes komprimiert, das oben als Senke S2 eingeführt wurde. Die Verdichtung des Siedegases SG durch den Verdichter V1 ist ein energiezehrender Prozess. Weil der Prozess energiezehrend und damit kostenzehrend ist, ist es wirtschaftlich, das Siedegas SG (engl. „boil-off gas“) einer weiteren Behandlung zu unterziehen.
In 3 ist eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Gasentspannungsanlage 200 gezeichnet, die sich durch die Verschaltung in Stufe IV von der Gasentspannungsanlage in 2 unterscheidet. Das Siedegas SG wird hier aus dem ersten Separator SP1 zu einem dritten Wärmetauscher WT3 zugeführt. Dieser Wärmetauscher WT3 wird von flüssigem Stickstoff (LN₂) durchströmt und kühlt das bei das Siedegas SG weiter ab. Flüssiger Stickstoff(LN₂) ist ein vergleichsweise günstiges Nebenprodukt bei der Herstellung von flüssigem Sauerstoff aus der Linde-Luftverflüssigung und bei der Herstellung von Argon, beispielsweise als industrielles Schutzgas, ebenfalls aus der Luftverflüssigung. Durch die Stickstoffkühlung, die wirtschaftlich in Konkurrenz zur energiezehrenden Kompression und Vermarktung des komprimierten Erdgases zu CNG steht, kondensiert das Erdgas vollkommen aus. Es verbleiben im Siedegas SG des zweiten Separators SP2 nur noch die Gase, die bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff unter Normaldruck nicht flüssig werden, wie eben Wasserstoff, wenn dieser in nicht mehr unerheblichen Mengen dem Erdgas als Energieträger erneuerbarer Energien dem Erdgas zugemischt worden ist. Die Beimischung von Wasserstoff zu Erdgas wird auch deshalb unternommen, weil ein dem Erdgasnetz ebenbürtiges Wasserstoffnetz nicht existiert. Durch die Beimengung kann der Wasserstoff ebenso verteilt werden. In der Gasentspannungsanlage kann der Wasserstoff ohne besondere wirtschaftliche Belastung wieder vom Erdgas getrennt werden, wenn dies erwünscht ist. Der Wasserstoff wird über eine Leichtsiederleitung LSL zu einem Gastank unter geringem Druck transportiert. Der geringe Druck ist in 3 durch das Manometersymbol dargestellt mit einem stark zur linken Site gedrehten Zeiger.
In 4 ist schließlich eine dritte Ausgestaltung der der erfindungsgemäßen Gasentspannungsanlage 300 gezeichnet, die sich durch die Verschaltung in Stufe I von den Gasentspannungsanlagen in 1 und 2 unterscheidet.
In dieser Ausgestaltung der Erfindung ist kein Wirbelrohr vorhanden, sondern anstelle des Wirbelrohres ist eine Drossel D0 vorhanden, die aber auch eine Entspannungsturbine sein kann. Auch die zuvor in den Figuren 1 und 2 dargestellte Drossel D1 der Stufe II kann eine Entspannungsturbine sein.
In der hier gezeigten ersten Stufe I befindet sich mindestens eine Gasentspannungsvorrichtung, wie eben eine Drossel D0, eine Entspannungsturbine oder ein Wirbelrohr 10 und mindestens ein erster Wärmetauscher WT0. Das zu entspannende Gas aus der Quelle Q strömt über je eine Gasleitung sowohl in die mindestens eine Gasentspannungsvorrichtung, also die Drossel D0 oder in die alternative Entspannungsturbine, als auch in den mindestens einen Wärmetauscher WT0. Das aus der mindestens einen Gasentspannungsvorrichtung ausströmende, entspannte Gas strömt auch in den mindestens einen Wärmetauscher WT0, wobei sich das sich das zu entspannende Gas in dem mindestens einen Wärmetauscher WT0 abkühlt. Hingegen erwärmt sich das durch die Entspannung abgekühlt habende Gas in dem mindestens einen Wärmetauscher WT0. Schließlich strömt das das entspannte und sich erwärmt habende Gas über eine erste Gasleitung zur Senke S1. Das zu entspannende und abgekühlte Gas strömt einer weiteren Verwendung zu, nämlich zur Stufe II. An dieser Stelle entspricht die hier dargestellte Stufe II den Stufen II in den Figuren 2 und 3, wobei sich die optionale Verschaltung mit den Stufen Stufe III und Stufe IV, wie sie in den Figuren 2 und 3 erläutert wurden, anschließen.
Der durch die optionalen Entspannungsturbinen erzeugte elektrische Strom (7) kann dazu verwendet werden, den Verdichter V1 zu betrieben.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Gas aus der Quelle Q schon in der Lagerstätte unter hohem Druck steht und von der Lagerstätte bis zur Gasentspannungsanlage keinen nennenswerten Druckverlust erlitten hat. Beim Entspannen in gattungsgemäßen Gasentspannungsanlagen kühlt sich das Gas in unerwünschter Weise sehr stark ab. Nach der hier gezeigten Erfindung stammt die Wärme zur Erwärmen des entspannten Gases aus dem Hochdruckgas selbst. Beim Entspannen treibt das Gas außerdem eine Entspannungsturbine zur Erzeugung von elektrischem Strom an. Die Wärmeenergie und auch die zu elektrischem Strom entnommene Energie ist dem unter Druck stehenden Gas zum Teil entnommen worden, nämlich dem Teil, der zu verflüssigtem Gas LNG wird. Die hier vorgestellte Erfindung zeichnet sich aus durch die Nutzung der in dem unter Druck stehenden Gas vorhandenen Energie. Die hier vorgeschlagene Gasentspannungsanlage arbeitet somit, anders als es im Stand der Technik der Fall ist, ohne Zufuhr von externer Wärmeenergie. Stattdessen erzeugt die hier vorgestellte Gasentspannungsanlage elektrische Energie und auch noch flüssiges Gas (LNG).
Bezugszeichenliste

10: Wirbelrohr
11: Einlass
12: Auslass (KF)
13: Auslass (WF)
100: Gasentspannungsanlage
200: Gasentspannungsanlage
300: Gasentspannungsanlage
CNG: komprimiertes Gas
D0: Drossel
D1: Drossel
D1A: Ausgang
D2: Drossel
D2A: Ausgang
FG1: Flüssiggasleitung
GH: Gas, Hochdruckseite
GT: Gastank
H2: Wasserstoff
KF: Kaltfraktion
LNG: flüssiges Gas
LN2: flüssiger Stickstoff
LSL: Leichtsiederleitung
MDG: Mitteldruckgas
N2: Stickstoff
Q: Gasquelle
RW: Rohrwand
S1: Gassenke
S2: Gassenke
SG: Siedegas
SGL1: Siedegasleitung
SGL2: Siedegasleitung
SGL3: Siedegasleitung
SP1: Separator
SP2: Separator
V1: Verdichter
WT0: Wärmetauscher
WT1: Wärmetauscher
WT2: Wärmetauscher
WT3: Wärmetauscher
W1: Wirbel
W2: Wirbel
WF: Warmfraktion
WTOA1: Ausgang
WT0A2: Ausgang
WT1A1: Ausgang
WT1A2: Ausgang
WT1L1: Leitung
WT1L2: Leitung
I: Stufe
II: Stufe
III: Stufe
IV: Stufe
: Manometer
: Thermometer
: kalt
: elektrischer Strom

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 108146 [0006]
DE 10151321 B4 [0007]
WO 102019120358 [0008]
WO 102019121925 [0009]

Claims

Gasentspannungsanlage (100, 200, 300) zur Entspannung und Mengensteuerung von Gas zum Einsatz zwischen - einer ersten, gastromaufwärts gelegenen Gasquelle (Q), wie ein Gastank, ein Gasmitteldrucknetz oder Gashochdrucknetz oder ein Kavernenspeicher und - mindestens einer zweiten, gastromabwärts gelegenen Gassenke (S1), wie ein Verbraucher, ein Gasmitteldrucknetz mit geringerem Druck oder eine Gasversorgungsleitung, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Stufe (I) - mindestens eine Gasentspannungsvorrichtung, wie eine Drossel, ein Wirbelrohr (10) oder eine Entspannungsturbine (D0) und - mindestens ein erster Wärmetauscher (WTO, WT1), vorhanden sind, wobei das zu entspannende Gas über je eine Gasleitung sowohl in die mindestens eine Gasentspannungsvorrichtung als auch in den mindestens einen Wärmetauscher (WTO, WT1) strömt, wobei das aus der mindestens einen Gasentspannungsvorrichtung ausströmende, entspannte Gas auch in den mindestens einen Wärmetauscher (WTO, WT1) strömt, und wobei das sich das zu entspannende Gas in dem mindestens einen Wärmetauscher (WTO, WT1) abkühlt und das durch die Entspannung abgekühlt habende Gas sich in dem mindestens einen Wärmetauscher (WTO, WT1) erwärmt, wobei das entspannte und sich erwärmt habende Gas über eine erste Gasleitung zur Senke (S1) strömt, und wobei das zu entspannende und abgekühlte Gas einer weiteren Verwendung zuströmt.
Gasentspannungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Gasentspannungsvorrichtung mindestens ein erstes Wirbelrohr (10) aufweist, wobei erste Wirbelrohr (10), über einen Eingang in Strömungsverbindung mit der ersten, gastromaufwärts gelegenen Gasquelle (Q) steht, und wobei das Gas aus der Gasquelle (Q) in das mindestens eine erste Wirbelrohr (10) in einen tangentialen Einlass (11) einströmt, und aus zwei Auslässen in Form eines ersten Auslasses (12) für eine erste Kaltfraktion (KF) des Gases und in Form eines zweiten Auslasses (13) für eine zweite Warmfraktion (WF) des Gases ausströmt, die aus dem ersten Auslass (12) des mindestens einen Wirbelrohres (10) strömende Kaltfraktion (KF) des Gases in Strömungsverbindung mit dem ersten Wärmetauscher (WT1) steht, der in Strömungsverbindung mit der ersten, gastromaufwärts gelegenen Gasquelle (Q) steht, wobei die Kaltfraktion (KF) des mindestens einen Wirbelrohres (10) beim Durchströmen des ersten Wärmetauschers (WT1) Wärme aus dem Gasstrom aus der Gasquelle (Q) aufnimmt, und sich dabei erwärmt, und wobei ein erster Ausgang (WT1 A1) des ersten Wärmetauschers (WT1) in Strömungsverbindung mit dem zweiten Auslass (13) für die zweite Warmfraktion (WF) des mindestens einen Wirbelrohres (10) steht, wodurch die im ersten Wärmetauscher (WT1) erwärmte Kaltfraktion (KF) des mindestens einen Wirbelrohres (10) mit der zweiten Warmfraktion (WF) des mindestens einen Wirbelrohres (10) vereint wird.
Gasentspannungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Ausgang (WT0A2, WT1A2) des ersten Wärmetauschers (WTO, WT1) für das den ersten Wärmetaucher (WTO, WT1) durchströmt habende Gas aus der Gasquelle (Q) in zwei Leitungen (WT1 L1, WT1L2) mündet, wobei a) eine erste Leitung (WT1 L1) mit einer weiteren Drossel (D1) oder einer Entspannungsturbine in Strömungsverbindung steht, und b) eine zweite Leitung (WT1 L2) mit einem zweiten Wärmetauscher (WT2) in Strömungsverbindung steht, wobei die weitere Drossel (D1) oder die Entspannungsturbine stromabwärts ebenfalls mit dem zweiten Wärmetauscher (WT2) in Strömungsverbindung steht, wodurch die weitere Drossel (D1) oder die Entspannungsturbine durchströmt habende und sich dabei abgekühlt habende Gas Wärme aus dem Gas, das die erste Leitung (WT1 L1) passiert hat, als Mitteldruckgas (MDG) aufnimmt, und wobei der Weg des Mitteldruckgases (MDG) über einen ersten Ausgang (WT2A1) mit einer weiteren, gastromabwärts gelegenen Gassenke (S2) verbunden ist.
Gasentspannungsanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Ausgang (WT2A2) des zweiten Wärmetauschers (WT2) für das Gas, das zuvor die zweite Leitung (WT1 L2) zum zweiten Wärmetauscher (WT2) passiert hat, mit einer dritten Drossel (D2) oder einer Entspannungsturbine in Strömungsverbindung steht, wobei der stromabwärts gelegene Ausgang (D2A) der dritten Drossel (D2) oder der Entspannungsturbine mit einem ersten Separator (SP1) in Strömungsverbindung steht, welcher flüssiges Gas (LNG) von Siedegas (SG) trennt.
Gasentspannungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Siedegas (SG) über eine Siedegasleitung (SGL1) einem Verdichter (V1) zugeführt wird, der das Siedegas (SG) auf den Druck der zweiten, gastromabwärts gelegenen Gassenke (S2) komprimiert und in diese einleitet.
Gasentspannungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Siedegas (SG) über eine zweite Siedegasleitung (SGL2) einem dritten Wärmetauscher (WT3) zugeführt wird, der mit flüssigem Stickstoff (LN₂) durchflossen wird, wobei der flüssige Stickstoff (LN₂) das Siedegas (SG) verflüssigt und selbst dabei in den Gasraum als gasförmiger Stickstoff (N₂) übergeht.
Gasentspannungsanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das verflüssigte Siedegas (SG) über eine dritte Siedegasleitung (SGL3) einem zweiten Separator (SP2) zugeführt wird, welcher verflüssigtes Gas (LNG) von unverflüssigten Gasbestandteilen trennt, wie zum Beispiel Wasserstoff (H₂) und/oder Edelgase (He, Ar).
Gasentspannungsanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Gas (LNG) des ersten Separators (SP1) mit dem flüssigen Gas (LNG) des zweiten Separators (SP2) über eine Flüssiggasleitung (FG1), welche die Separatoren (SP1, SP2) auf der Flüssigseite verbindet, vereint wird.
Gasentspannungsanlage nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das unverflüssigten Gasbestandteile (H₂, He, Ar) über eine Leichtsiederleitung (LSL) zwischen dem zweiten Separator (SP2) und einem Gastank (GT) in den Gastank (GT) geführt werden.