DE10246170B4 - Device for preheating a gas in a gas pressure regulating and measuring system - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vorwärmung eines Gases vor dessen Expansion in einer Gasdruckregel- und Messanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The The invention relates to a device for preheating a gas before its Expansion in a gas pressure regulating and measuring system with the features of the preamble of claim 1.
Erdgas für die öffentliche Gasversorgung wird unter hohem Druck zwischen ca. 40 und 80 bar über große Entfernungen zu regionalen oder kommunalen Verteilungsnetzen geleitet. Unter hohem Druck wird Gas auch in Speichern regionaler oder kommunaler Verteilungsnetze zwischengelagert. Bevor es zum Endabnehmer gelangt, muss das Gas in Gasdruckregel- und Messanlage auf den niedrigeren Versorgungsdruck von ca. 20 – 50 bar in den regionalen oder kommunalen Verteilungsnetzen, auf 3 – 12 bar in Hauptverteilungsschienen und auf 20 – 1000 mbar bis zum Endverbraucher reduziert oder entspannt werden. Diese Entspannung führt zum Joule-Thomson-Effekt, nämlich zur Abkühlung des Gases. Treten dabei in den Gasdruckregel- und Messanlagen Temperaturen auf, bei denen damit zu rechnen ist, dass entweder die im Gas enthaltenen Gashydrate im Innern der Bauteile der Gasdruckregel- und Messanlage gefrieren oder dass Anlagenteile, Apparate oder Geräte durch Kondensate an der äußeren Seite einfrieren, ist mit Störungen oder Ausfällen von Anlagenteilen oder der gesamten Gasdruckregel- und Messanlage zu rechnen. Um eine unzulässige Unterkühlung des Gases bei hohen Druckdifferenzen zu vermeiden, ist es bekannt, das Gas vor der Entspannung zu erwärmen. Unzulässige Temperaturen können besonders dann auftreten, wenn Störungen in der Wärmeversorgung der Wärmetauscher auftreten.natural gas for the public Gas supply is under high pressure between about 40 and 80 bar over long distances directed to regional or local distribution networks. Under high pressure also becomes gas in stores regional or municipal Interposed distribution networks. Before it reaches the end user, the gas in gas pressure regulating and measuring system must be at the lower Supply pressure of approx. 20 - 50 cash in regional or municipal distribution networks, at 3 - 12 bar in Main distribution rails and to 20 - 1000 mbar to the end user be reduced or relaxed. This relaxation leads to Joule-Thomson effect, namely to cool down of the gas. In doing so, temperatures occur in the gas pressure regulating and measuring systems where it is likely that either the gas contained in the Gas hydrates inside the components of the gas pressure regulating and measuring system freeze or that parts of equipment, apparatus or equipment Condensates on the outside freeze is with glitches or failures of plant components or the entire gas pressure regulating and measuring system expected. To an invalid Hypothermia of the To avoid gases at high pressure differences, it is known that To heat gas before relaxing. Unacceptable Temperatures can especially occur when disturbances in the heat supply the heat exchanger occur.
Aus der WO 94/11626 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt zum Expandieren von in einer Leitung unter hohem Druck stehenden Gas, bei dem als Druckreduziervorrichtung ein Turbogenerator benutzt wird, dem ein Wärmetauscher vorgeschaltet ist. Die Wärmeversorgung des Wärmetauschers erfolgt durch mindestens ein Blockheizkraftwerk (BHKW), das einen Gas-Verbrennungsmotor und einen Generator enthält. Das BHKW wird mit dem Gas nach dem Turbogenerator betrieben. Der Wärmetauscher wärmt das Gas vor, bevor es dem Turbogenerator zur Expansion zugeführt wird. Sowohl das BHKW als auch der Turbogenerator erzeugen elektrische Energie, die einem Stromnetz zugeführt wird.Out WO 94/11626 A1 discloses a method and a device for expanding in a line under high pressure Gas in which a turbo-generator is used as pressure-reducing device which is a heat exchanger upstream. The heat supply of the heat exchanger done by at least one cogeneration unit (CHP), the one Gas combustion engine and a generator contains. The CHP will be with the gas operated after the turbogenerator. The heat exchanger warms that Gas before it is fed to the turbo generator for expansion. Both the CHP and the turbo generator generate electrical Energy that is supplied to a power grid.
Die Versorgung des Gasvorwärmers mit thermischer Energie erfolgt dabei mit konventionellen Heizungsanlagen, d. h. mit brenngasbefeuerten Kesseln, wie sie auch – je nach Leistungsanforderung – im industriellen, gewerblichen oder privaten Bereich Verwendung finden. Die WO 94/11626 A1 gibt keinen Hinweis für die Versorgung von Gasdruckregel- und Messanlagen mit elektrischer Energie.The Supply of the gas preheater with thermal energy takes place with conventional heating systems, d. H. with gas-fired boilers, as they do - depending on Performance requirement - im industrial, commercial or residential use. WO 94/11626 A1 gives no indication for the supply of gas pressure regulating and measuring systems with electrical energy.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Vorwärmung eines Gases vor dessen Expansion in einer Gasdruckregel- und Messanlage vorzuschlagen, mit der die Energieversorgung der Anlage verbessert wird. task The present invention is a device for preheating a Gas before its expansion in a gas pressure regulating and measuring system to propose, which improves the energy supply of the plant becomes.
Die Lösung erfolgt mit einer Vorrichtung zur Vorwärmung eines Gases vor dessen Expansion in einer Gasdruckregel- und Messanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The solution takes place with a device for preheating a gas before its Expansion in a gas pressure regulating and measuring system with the features of claim 1.
Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erwärmung eines in einer Leitung zu einer Gasdruckregel- und Messanlage unter hohem Druck stehenden Gas mit einem Wärmetauscher, einer anschließenden Druckreduziervorrichtung zu einer weiterführenden Leitung und einer vom Gas aus der Leitung betriebenen Heizvorrichtung für den Wärmetauscher versehen. Die Heizvorrichtung ist als gasbetriebene Brennstoffzelle ausgebildet, deren zusätzlich zur thermischen Energie bereitgestellte elektrische Energie besonders vorteilhaft angepasst ist an den Bedarf von Gasdruckregel- und Messanlagen und macht diese insbesondere unabhängig von anderen elektrischen Versorgungseinrichtungen. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich im Vergleich zu konventionellen Heizungsanlagen ohne Stromerzeugung vorteilhaft Primärenergie sparen. Dies führt zu einer Verringerung der Emission von CO2. Ein solches Ergebnis ist besonders dann erreichbar, wenn bei wärmegeführtem, modulierendem Betrieb abwechselnd hohe und niedrige Gasmengen durch die Gasdruckregel- und Messanlage fließen, für die variable thermische Energiezufuhr benötigt wird, um das Gas, welches beim Expansionsvorgang eine Temperaturerniedrigung durch den sogenannten Joule-Thomson-Effekt, d. h. Temperaturerniedrigung bei Expansion, erfährt, auf höheres Temperaturniveau anzuheben, so dass die Gastemperatur hinter nach Möglichkeit der vor der Druckreduziervorrichtung entspricht.According to the invention, there is provided a device for heating a gas under high pressure in a line to a gas pressure regulating and measuring system with a heat exchanger, a subsequent pressure reducing device to a continuing line and a heater for the heat exchanger operated by the gas from the line. The heating device is designed as a gas-fueled fuel cell whose additional energy provided in addition to the thermal energy is particularly advantageous adapted to the needs of gas pressure regulating and measuring systems and makes them in particular independent of other electrical supply facilities. By means of the device according to the invention, primary energy can advantageously be saved in comparison to conventional heating systems without power generation. This leads to a reduction in the emission of CO 2 . Such a result is particularly achievable when in heat-controlled, modulating operation alternately high and low gas flows through the Gasdruckregel- and measuring system is needed for the variable thermal energy supply to the gas, which during the expansion process, a temperature decrease by the so-called Joule-Thomson -Effekt, ie temperature reduction during expansion, learns to raise to a higher temperature level, so that the gas temperature behind as far as possible before the pressure reduction device.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind geschlossene Rohrsysteme vorgesehen für die thermische Energiezufuhr von der Brennstoffzelle an den Wärmetauscher. Die Wärme der Brennstoffzelle wird über ein geschlossenes Rohrsystem einem Wärmekreislauf zugeführt, der einen Gasvorwärmer mit thermischer Energie versorgt. Das leitungsgebundene Wärmeträgerrohrnetz besteht aus Rohren, Armaturen, Formstücken und weiteren Komponenten, wie sie auch in der konventionellen Heiztechnik Verwendung finden. Weitere thermische Komponenten sind u. a. Regelungs- und Steuerungseinrichtungen und Eigenschutzsicherungen. Eventuell überschüssige thermische Energie kann anderweitig genutzt werden und beispielsweise in ein Fernwärmesystem eingespeist werden.According to an advantageous embodiment of the invention closed pipe systems are provided for the thermal energy supply from the fuel cell to the heat exchanger. The heat of the fuel cell is fed via a closed pipe system to a heat cycle, which supplies a gas preheater with thermal energy. The line-bound heat transfer pipe network consists of pipes, fittings, fittings and other components, as they are also used in conventional heating technology. Other thermal components include control and protection devices and intrinsic safety devices. Any excess thermal energy can be used elsewhere and, for example be fed into a district heating system.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Brennstoffzelle so ausgelegt, dass sie den Wärmetauscher mindestens vollständig mit Wärme versorgt, so dass mindestens der Bedarf der Gasdruckregel- und Messanlage an thermischer Energie vollständig gedeckt ist. Die wärmeseitige Vorrichtung nach der Brennstoffzelle versorgt über einen Primärwärmetauscher, welcher auch als Heat-Pipe-Wärmetauscher ausgeführt sein kann, den Wärmekreislauf des Gasvorwärmers exakt mit der Wärme, welche zum Ausgleich der Entspannungstemperaturerniedrigung nötig ist. Statt oder zusätzlich zum Heat-Pipe-Wärmetauscher ist auch eine Nachverstromung der Abwärme möglich, wozu sich Stirling-Motoren oder Dampfmotoren, -maschinen und -turbinen eignen.According to one Another advantageous embodiment of the invention is the fuel cell designed so that they are the heat exchanger at least completely with heat supplied so that at least the need of the gas pressure regulating and measuring system of thermal energy completely is covered. The heat side Device for the fuel cell powered by a primary heat exchanger, which also as a heat pipe heat exchanger accomplished can be, the heat cycle of the gas preheater exactly with the heat, which is necessary to compensate for the relaxation temperature lowering. Instead or in addition to the heat pipe heat exchanger is also a Nachverstromung the waste heat possible, including Stirling engines or steam engines, machines and turbines are suitable.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Brennstoffzelle so ausgelegt, dass die von ihr erzeugte elektrische Energie zur Eigenversorgung, zum Betrieb der Gasdruckregel- und Messanlage nutzbar und in ein insbesondere öffentliches Stromnetz einspeisbar ist. Unterschiedliche Mengen der von der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellten elektrischen Energie beruhen darauf, dass die Brennstoffzelle im wärmegeführten Betrieb läuft. Die von der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellte thermische Energie variiert mit dem Gasdurchsatz durch die Gasdruckregel- und Messanlage. Mit der von der Brennstoffzelle abgegebenen thermischen Energie korreliert die von der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellte elektrische Energie. Der Strombedarf der Brennstoffzelle, sowie der Gasdruckregel- und Messanlage sind aber zumeist nahezu konstant. Aus der Brennstoffzelle gewonnene elektrische Energie wird erfindungsgemäß zunächst eingesetzt, um den Bedarf der Brennstoffzelle an elektrischer Energie zu befriedigen. Erfindungsgemäß kann die Brennstoffzelle, die eine im Vergleich zur thermischen Energie gleich große oder größere Menge elektrischer Energie erzeugt neben dem Wärmebedarf zusätzlich den Strombedarf einer Gasdruckregel- und Messanlage decken und überschüssige elektrische Energie dem Markt anbieten. Die dazu vorgesehenen elektrischen Komponenten sind beispielsweise Gleichstromkreise, -sicherungen und -schalter, Wechselrichter mit Sicherungen, Wechselstromkreise mit Transformator und Netzanschluss. Die stromseitige Vorrichtung nach der Brennstoffzelle speist einen Gleichstromkreis, welcher mit Gleichstromverbrauchern und dem Wechselrichter verbunden ist.According to one Another advantageous embodiment of the invention is the fuel cell designed so that the electrical energy generated by it to Self-supply, usable for operating the gas pressure regulating and measuring system and in a particular public Power grid can be fed. Different amounts of fuel cell to disposal Asked electrical energy based on the fact that the fuel cell in heat-controlled operation running. The thermal energy provided by the fuel cell varies with the gas flow rate through the gas pressure regulating and measuring system. With the thermal energy emitted by the fuel cell correlates the electrical power provided by the fuel cell Energy. The power consumption of the fuel cell and the gas pressure regulation and measuring system are mostly almost constant. From the fuel cell obtained electrical energy is inventively used first to meet the needs the fuel cell to meet electrical energy. According to the invention, the Fuel cell, the same as compared to the thermal energy size or larger quantity electrical energy generates in addition to the heat demand in addition to the Electricity requirement of a gas pressure regulating and Cover measuring system and excess electrical Offer energy to the market. The intended electrical components are, for example, DC circuits, fuses and switches, Inverters with fuses, AC circuits with transformer and mains connection. The downstream device feeds to the fuel cell a DC circuit, which with DC consumers and connected to the inverter.
Über den Wechselrichter, der auch bidirektional ausgeführt sein kann, erfolgt die Verbindung zum ggf. nötigen Transformator und zum Netzanschluss.On the Inverter, which can also be bidirectional, the Connection to any necessary Transformer and power connection.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Steuervorrichtung für die Brennstoffzelle vorgesehen. Wärmegeführter Betrieb bedeutet, dass aufgrund der Druckverhältnisse eine voraussichtliche Temperaturerniedrigung über die Zeit aufgrund der Gasentspannung abgeleitet wird. Die Brennstoffzelle ist entsprechend steuerbar, um dem vorhergesehenen Verlauf der Temperaturerniedrigung die Wärmemenge zur Verfügung zu stellen und die Temperaturerniedrigung nach Möglichkeit auszugleichen. Sollte die Temperaturerniedrigung aufgrund der Druckverhältnisse so schnell vonstatten gehen, dass eine exakte Kompensation aufgrund der thermischen Trägheit nicht möglich ist, ist es Ziel der Regelung, die Temperatur möglichst schnell wieder auf das alte Niveau zu bringen.According to one Another advantageous embodiment of the invention is a control device for the Fuel cell provided. Heat-controlled operation means that due to the pressure conditions an expected Lowering the temperature over the Time is derived due to the gas relaxation. The fuel cell is controlled accordingly to the predicted course of the temperature reduction the amount of heat to disposal to make and compensate for the decrease in temperature as far as possible. Should the temperature decrease due to the pressure conditions go so fast that an exact compensation due thermal inertia not possible is, the goal of the scheme, the temperature as soon as possible to bring the old level.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmetauscher als Heat-Pipe für besonders effiziente Wärmeübertragung ausgeführt.According to one Another advantageous embodiment of the invention is the heat exchanger as a heat pipe for executed particularly efficient heat transfer.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist Gas zum Betrieb der Brennstoffzelle der Leitung vor der Odorierung entnehmbar. Die brennstoffseitige Vorrichtung vor der Brennstoffzelle entnimmt entweder auf der Hochdruck- oder Niederdruckseite der Leitung das Gas vor der Odorierung. Dadurch vereinfacht sich der Gasreinigungsschritt vor der Brennstoffzelle erheblich. Erfolgte die Brennstoffentnahme nach der Odorierung, wäre eine aufwändigere Gasaufbereitung notwendig.According to one Another advantageous embodiment of the invention is gas for operation the fuel cell of the pipe before odor removal. The fuel-side device in front of the fuel cell takes either on the high-pressure or low-pressure side of the line before the gas the odorization. This simplifies the gas purification step in front of the fuel cell considerably. Did the fuel take off after the odorization, would be a more elaborate one Gas conditioning necessary.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Gas zum Betrieb der Brennstoffzelle entweder vor oder nach der Druckreduziervorrichtung entnehmbar.According to one Another advantageous embodiment of the invention, the gas for Operation of the fuel cell either before or after the pressure reducing device removable.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind in der Gasdruckregel- und Messanlage gleichzeitig ein Gleichstrom- und ein Wechselstromnetz vorgesehen.According to one Another advantageous embodiment of the invention are in the gas pressure regulating and measuring system at the same time a DC and an AC network intended.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Brennstoffzelle als Nieder-, Mittel- oder Hochtemperatur Brennstoffzelle ausgebildet.According to one Another advantageous embodiment of the invention is the fuel cell designed as a low, medium or high temperature fuel cell.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels dargestellt. Es zeigen:The Invention will be described below with reference to a preferred embodiment shown. Show it:
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