DE2225882B2 - Verfahren zum Seetransport von Flüssiggas und Schiff zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Seetransport von Flüssiggas und Schiff zur Durchführung des Verfahrens

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DE2225882B2
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Description

nungsvorgang zugeführt wird. Ein solches Verfahren ist z. B. aus der Zeitschrift »Ship building and shipping record« vom 14. Jan. 1972, S. 22,23 bekannt
Nach der Erfindung ist bei einem solchen Verfahren vorgesehen, daß von dem aufgefangenen Gas ein Teilstrom abgeleitet, verdichtet, durch Wärmeabgabe an den dem Verbrennungsvorgang zuzuführenden Reststrom des Gases verflüssigt, und nach Entspannung in den Behälter zurückgeführt wird.
Die NL-PS 96 502 beschäftigt sich zwar bereits mit dem Probiere der Verwendung des durch Verdampfung in den Flüssiggastankräumen eines Flüssiggastransportschiffes anfallenden Gases. Während des Füllens der Tankräume im Hafen wird dort das Gas entweder rückverflüssigt mittels Kaskade-Kältemaschinen oder dann als Brennstoff verwendet Eine Teilrückverflüssigung und Teilverbrennung findet hier jedoch nicht statt Auch eine Verwendung der Kälte des Gases für die Rückverflüssigung ist nicht vorgesehen. Das Gas, das nach dem Füllen der Tankräume anfällt geht ausschließlieh zur AntriebsqueHe, es sei denn, daß ein Obermaß anfällt, in welchem Falle das überschüssige Gas mit einem inerten Gas unbrennbar gemacht und abgeblasen wird. Im Bestimmungshafen wird das Gas einem Kessel an Land zugeführt Eine betriebsmäßige Aufteilung des Gases in zwei Teilströme ist hier somit nicht vorgesehen. Entweder fließt das Gas zur Antriebsmaschine oder es geht an Land.
Auch die US-PS 29 40 268 lehrt nicht diese Aufteilung des verdampften Flüssiggases für einerseits die Ver- jo brennungsanlage und anderseits die Rückverflüssigung während der Fahrt des Flüssiggas-Transportschiffes, denn dort wird alles verdampfte Gas als Brennstoff gebraucht Es ist dort nur eine Aufteilung des Gases in der Verflüssigungsanlage an Land vorgesehen. Und zwar wird dort der gasförmige Anteil des aus einer Expansionsturbine abströmenden Gemisches von Gas und Flüssiggas in Rezirkulation in der Turbine verflüssigt Und dieses Gas dient nicht dem Antrieb des Transportschiffes, sondern dem Antrieb der Verflüssigungsanlage.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung geschieht die Aufteilung des aufgefangenen Gases in Teilstrom und Reststrom in einem in Abhängigkeit der Rückverflüssigungsrate geregelten Verhältnis. Die Erfindung sieht ferner eine im wesentlichen adiabatische Verdichtung des zu verflüssigenden Teilstromes unter Verwendung von aus dem Schiffsantrieb abgeleiteter Energie vor.
Weiter ist vorgesehen, daß der der Maschine zuzuführende Reststrom nach dem Wärmeaustausch verdichtet wird.
Im Gegensatz zu bekannten Verfahren, bei denen das durch Verdampfung entstehende, dem Kessel zuzuführende Gas zuerst verdichtet und dann erwärmt wird, wobei für beide Vorgänge zusätzliche Energie benötigt wird, wird nach der Erfindung der für den Schiffsantrieb zu verwendende Teilstrom zunächst durch die Energie erwärmt die zur Komprimierung in den wieder zu verflüssigenden Teilstrom eingeführt worden ist, und ω danach für die weitere Verwendung komprimiert. Es ergibt sich dadurch eine besonders günstige Energieausnutzung, wobei gleichzeitig die effektiven Verdampfungsverluste beträchtlich verringert werden.
Ein nach der Erfindung vorgesehenes Schiff geht von einem bekannten Schiff zum Seetransport von verflüssigtem Erdgas, Methan oder ähnlichem Material aus, das mit mindestens einem Isolierbehälter ausgestattet ist, der das verflüssigte Gas bei entsprechend tiefer Temperatur und im wesentlichen normalen Druck enthält und von dem zur Ableitung des durch Verdampfung entstehenden Gases eine Leitung über Vorrichtungen zum Verdichten und und nach Bedarf Erwärmen des Gases zu einer zum Schiffsantrieb gehörenden Verbrennungsanlage führt Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß von der zur Verbrennungsanlage führende Leitung eine Zweigleitung über einen Verdichter zu einem Kondensator mit Sammler für kondensiertes verdichtetes Gas führt, welcher Kondensator durch eine Rückleitung mit Entspannungsventil mit dem Isolierbehälter verbunden ist und mit einem Teil der zur Verbrennungsanlage führenden Leitung einen Wärmeaustauscher zur Wärmeabgabe an das in dieser Leitung strömende Gas bildet Dabei ist vorzugsweise der Sammler als Nachkühler ausgebildet
Nach der Erfindung geht die Leitung, die das zur Verbrennung vorgesehene Gas führt, vom Wärmeaustauscher über einen Kompressor zur Schiffsantriebsanlage.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich verhältnismäßig leicht und einfach steuern. Das Verhältnis der Teilströme zueinander schwankt bei normalem Betrieb nur in geringen Grenzen.
In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert und dargestellt. Es zeigt
F i g. 1 vereinfacht ein erfindungsgemäßes Schiff,
F i g. 2 ein Schema einer bekannten Einrichtung,
F i g. 3 ein Schema einer erfindungsgemäßen Einrichtung und
F i g. 4 eine graphische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
F i g. 1 zeigt zunächst vereinfacht ein erfindungsgemäß ausgeführtes Schiff 10. In dem Schiff sind eine Mehrzahl von Isolierbehältern 12, 14 usw. angeordnet, die z. B. Kugelform haben können. Die Isolierung der Isolierbehälter wird in bekannter Weise so ausgeführt daß mit einem wirtschaftlich vertretbaren Aufwand der Verdampfungsverlust, der durch Einwirkung der Wärme des Wassers und der Luft auf den Behälter entsteht, so klein wie möglich bleibt. Das trotzdem durch Verdampfung des Flüssiggases entstehende Gas wird mit einer Leitung 18, die über Anschlüsse 18a, 186 usw. mit den Isolierbehältern 12, 14 usw. verbunden ist, aufgefangen und der Schiffsantriebseinrichtung 16 zugeführt Es ist eine Rückverflüssigungseinrichtung 20 vorgesehen, in die die Leitung 18 einmündet und von der einerseits eine Leitung 24 zur Schiffsantriebseinrichtung 16, genauer zu einer Einrichtung führt in der das Gas zur Gewinnung von Wärmeenergie verbrannt wird. Andererseits geht eine Leitung 22 von der Einrichtung 20 zu den Behältern 12,14 zurück, um über Anschlüsse 22a, 22£> das wieder verflüssigte Gas in die Behälter zurückzuführen. Bei einer Mehrzahl von Behältern ist es nicht erforderlich, sämtliche Behälter an die Rückführleitung 22 anzuschließen. Es genügt, da nur ein Teil des durch Verdampfung entstehenden Gases wieder verflüssigt wird, für einen entsprechenden, maximalen Rückverflüssigungsstrom Anschlüsse vorzusehen.
Zur Verdeutlichung des Unterschieds gegenüber dem Anmeldungsgegenstand ist in F i g. 2 eine zum Stand der Technik (Zeitschrift »Ship building and shipping record«, 14. Jan. 1972, S. 22) gehörende Einrichtung dargestellt, mit der bislang das durch Verdampfung von Flüssiggas entstehende Gas einer Verwertung durch Verbrennung zugeführt worden ist. Bei dieser bekann-
ten Einrichtung wird das aufgefangene Gas mit einer Leitung 100 vom Behälter einem Kompressor 102 zugeführt, dessen Ausgang durch eine Leitung 104 mit einem Wärmeaustauscher 106 verbunden ist. Das aus dem Wärmeaustauscher kommende Gas wird mit einer Leitung 108 in eine Verbrennungseinrichtung eingespeist. Am Eingang des Kompressors 102 hat das Gas eine Temperatur t von etwa minus 150° Celsius und einen Druck p= 1 ata. Am Ausgang des Kompressors 102 ist r=minus 125°C, p=1,7 ata. Nach Verlassen des Wärmeaustauschers ist t = plus 2O0Cp= 1,7 ata.
Der Wärmeaustauscher 106 wird mit Glycol-Wasser betrieben, das entsprechend vorgewärmt werden muß. Hierzu dient ein Wärmeaustauscher 112, der Dampf über eine Leitung 1119 zugeführt erhält. Der Abdampf aus dem Wärmeaustauscher 112 wird über eine Leitung 114 abgeleitet Vom Wärmeaustauscher 112 geht das durch den Dampf aufgeheizte Glycol-Wasser über eine Leitung 116 zum Wärmeaustauscher 106. Zur Umwälzung reicht in diesem Fall die Konvektion nicht aus, weshalb eine Pumpe 120 vorgesehen ist, die den Glycol-Wasser-KreisJauf betreibt. Vom Wärmeaustauscher 106 geht das teilweise verdampfte Glycol-Wasser über eine Leitung 119 in einen Glycol-Wasser-Aufbereitungstank 118. Zwischen der Leitung 116 und der Leitung 119 ist eine Überströmverbindung 117 vorgesehen. Eine Leitung 121 verbindet den Aufbereitungstank 118 mit dem Eingang der Pumpe 120. Die Einrichtung weist zur Regelung Ventile auf, die durch mit TC bezeichnete Einrichtungen in Abhängigkeit von in den einzelnen Bereichen vorliegenden Temperaturen gesteuert werden.
Für den Kompressor 102 ist eine Drucksteuerung 103 vorgesehen. Ferner ist zur Überwachung am Tank 118 ein Füllstandanzeiger LI angeordnet, der bei Erreichen eines Höchst- bzw. Mindestfülistandes jeweils ein für die Steuerung der Einrichtung erforderliches Signal abgibt.
Die vorstehende Erläuterung der bekannten Einrichtung zeigt, daß diese einerseits einen erheblichen technischen Aufwand erfordert, andererseits das durch Verdampfung entstehende Gas praktisch nur zur Verbrennung aufbereitet, wofür noch zusätzliche beträchtliche Energien benötigt werden.
Eine erfindungsgemäße Einrichtung 20 ist in F i g. 3 näher dargestellt. Danach geht die Leitung 18 zu einem Dreiwegeventil 26, in dem die gesamte ankommende Gasmenge in zwei Teilströme aufgeteilt wird. Diese Aufteilung erfolgt in einem bestimmten, gesteuerten Verhältnis. Ein Teilstrom wird vom Ventil 26 mittels einer Leitung 28 in den Eingang eines Kompressors 30 eingespeist. Der Ausgang des Kompressors ist mit einer Leitung 32 an einen Kondensator 34 angeschlossen, der mit einem Sammler und Nachkühler 36 zusammen eine
"ι bauliche Einheit bildet. In der Einrichtung 34, 36 verflüssigt sich das durch den Kompressor 30 verdichtete und erwärmte Gas bei gleichzeitiger Wärmeabgabe und Entspannung, so daß das im Sammler aufgefangene Flüssiggas nach Unterkühlung
K) über eine Leitung 22 und ein Entspannungsventil 62 zu den Behältern 12, 14 zurückgeführt werden kann. Ein zweiter, größerer Teilstrom fließt vom Ventil 26 durch eine Leitung 40 zu der hier vereinfacht als Kühlschlange dargestellten Gasführung des Sammlers und Nachkühlers 36. Durch eine Leitung 44, mit der die Leitung 40 durch eine ein Ventil enthaltende Überströmleitung 46 verbunden ist, wird das Gas vt'eiter der Kühlschlange 48 des Kondensators 34 zugeführt. Von dort aus geht das erheblich angewärmte Gas über eine Leitung 50 zum Eingang des Kompressors 52 und wird in diesem für die Verbrennung entsprechend verdichtet An den Ausgang des Kompressors 52 schließt die Leitung 24 an. Die Kompressoren 30, 52 dienen auch zur Absaugung des Gases aus den Behältern 12,14.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ist mit entsprechenden Mitteln zur Steuerung und Regelung des Verfahrensablaufes in den einzelnen Abschnitten ausgestattet. In der Fig.3 sind druckabhängige Regeleinrichtungen mit PC, vom Füllstand abhängige
W Regeleinrichtungen mit LC bezeichnet Eine Druckregeleinrichtung 54 liegt zwischen der Leitung 18 und dem Kompressor 52 und sorgt dafür, daß der Druck in den Behältern 12,14 konstant bleibt Für den Kompressor 30 ist eine druckabhängige Drehzahlregelung 56 vorgese-
Jr> hen. Ferner wird das Ventil 2!6 zur Aufteilung des über die Leitung 18 kommenden Gases in Teilströme durch den Kondensationsdruck (= Verdichtungsdruck) in der Leitung 32 mit der Vorrichtung 58 gesteuert Für den Sammler 36 ist es wichtig, daß der Füllstand stets eine
•ίο Mindesthöhe hat und einen Höchststand nicht überschreitet. Zur Regelung dieses Zustandes ist die Füllstandsregelung 60 vorgesehen, die ein Entspannungsventil 62 in der Rückführleitung 22 steuert
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dient das in Fig.4 gezeigte Diagramm. Auf der Abszisse ist die Enthalpie / abgetragen, auf der Ordinate log p. Bei Betrachtung des Diagramms sind die folgenden Beziehungen zu beachten:
nutzbare f. Verflüssigung
Es muß sein:
Q = m2 ■ \i2 = mz{i2a- ;,) m2 · I /2 = wi, ■ I i,
Damit ist:
Reine Flüssigkeitsmenge
m,
Ii,
m, + To2 m gesamt
TnxJm2 = Wi1-(I- x)
Ii, + /Ii2
Die für die Verflüssigung dieser Teilmenge kosten- Wirkungsgrades für die Erwärmung des zur Verbrenwirksam zuzuführende Energie ist minimal, da die nung geführten Gases benutzt wird, aufzuwendende Kompressionsenergie im Rahmen des
22
Mit Bezug auf die F i g. 3 und 4 und die vorstehenden Formeln werden nachfolgend Zahlenbeispiele gegeben. Die Punktbezeichnungen beziehen sich auf entsprechend bezeichnete Punkte in F i g. 3 und 4.
Tab3lle 1
7ΊηΚ
ρ in bar
/in J/g
123 1,01
339 39,23
186,5 39,23
133 39,23
112,5 1,04
330 0,93
350 1,67
im Kondensat
x = 0.155
l-.v = 0.845
534,65
973,01
332,85
82,9
82,9
982,22
111 = ι, -Z4 = 973.01 - 82.9 = 980,11.1/g
112 = /2« -/ι = 982,22-534.65 = 447.57 .l/g
ι» siesamt
457.57
890,11 + 457.57
882 8 7 in K ρ in bar / in J/g
123 1,01 534,65
Tabelle 2 327 35,3 943,29
Punkt 183 35,3 305,64
1 133 35,3 82,9
2 112,5 1,03 82,9
3 317 0,93 948,31
4 340 1,67 -
5 im Kondensat
2a .v = 0.155
3a l-.v = 0,845
Gasanteil
11, = /, - /4 = 943,29 - 82,9 = 860,39 J/g
1/2 = /2„ -/ι = 948.31 -534,65 = 413,66 J/g
= 0,325 = 32,5%
413,66
860,39+413,66
= 0.34 = 34% m gesamt
Die Zahlenbeispiele bestätigen, daß mit einem Aufwand an Vorrichtungen, der in der gleichen Größenordnung wie bisher liegt, etwa 1I3 des durch Verdampfung anfallenden Gases rückvcrflüssigt werden kann.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Beförderung von verflüssigtem Erdgas, Methan oder einem ähnlichen Material mit mindestens einem auf einem Schiff angeordneten Isolierbehälter, der das verflüssigte Gas bei einer entsprechend tiefen Temperatur und im wesentlichen normalen Druck enthält, wobei durch Verdampfung entstehendes Gas aufgefangen, verdichtet, nach Bedarf erwärmt und als Energiequelle für den Schiffsantrieb einem Verbrennungsvorgang zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß von dem aufgefangenen Gas ein Teilstrom abgeleitet, verdichtet, durch Wärmeabgabe an den dem Verbrennungsvorgang zuzuführenden Reststrom des Gases verflüssigt, und nach Entspannung in den Behälter zurückgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung des aufgefangenen Gases in Teilstrom und Reststrom in einem in Abhängigkeit von der RückverfJüssigungsrate geregelten Verhältnis geschieht
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch im wesentlichen adiabatische Verdichtung des zu verflüssigenden Teilstromes unter Verwendung von aus dem Schiffsantrieb abgeleiteter Energie.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Reststrom nach dem Wärmeaustausch verdichtet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilstrom im Wärmeaustausch mit dem Reststrom unter seinen Siedepunkt gekühlt wird.
6. Schiff zum Transport von verflüssigtem Erdgas, Methan oder ähnlichem Material mit mindestens einem Isolierbehälter, der das verflüssigte Gas bei entsprechend tiefer Temperatur und im wesentlichen normalem Druck enthält und von dem zur Ableitung des durch Verdampfung entstehenden Gases eine Leitung über Vorrichtungen zum Verdichten und nach Bedarf Erwärmen des Gases zu einer zum Schiffsantrieb gehörenden Verbrennungsanlage führt, dadurch gekennzeichnet, daß von der zur Verbrennungsanlage führenden Leitung (18, 40, 50) eine Zweigleitung (28) über einen Verdichter (30) zu einem Kondensator (34) mit Sammler (36) für kondensiertes verdichtetes Gas führt, welcher Kondensator durch eine Rückleitung (22) mit Entspannungsventil (62) mit dem Isolierbehälter (12, 14) verbunden ist und mit einem Teil (48) der zur Verbrennungsanlage führenden Leitung einen Wärmeaustauscher zur Wärmeabgabe an das in dieser Leitung strömende Gas bildet.
7. Schiff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung (18, 40, 50) zwischen Kondensator (34) und Verbrennungsanlage ein Verdichter (52) vorgesehen ist.
8. Schiff nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (42) der Leitung (18,40, 50) durch den Sammler (36) führt und mit diesem einen Nachkühler bildet.
9. Schiff nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch ein im Abzweigpunkt der Zweigleitung (28) liegendes, steuerbares Dreiwegventil (26).
Beim Seetransport von verflüssigtem Erdgas, Methan oder einem ähnlichen tiefsiedenden Material kann trotz guter Isolierung der Behälter nicht vermieden werden, daß ständig Wärme von außen in die Transportbehälter eindringt und durch diese Wärme Flüssiggas verdunstet Die Technik bemüht sich, die wirtschaftlichen Verluste, die durch die Verdunstung der Ladung entstehen, so niedrig wie möglich zu halten. Dies gilt insbesondere für den Seetransport von verflüssigtem Erdgas oder
ίο ähnlichem Material. Bei diesem Vorgang wird durch Verdunstung entstehendes Gas aufgefangen und als Energiequelle für den Schiffsantrieb verwendet Aus den nachstehend erläuterten Gründen ist das bisherige Verfahren im Ergebnis jedoch unbefriedigend.
Trotz der aufwendigen Isolierung, mit der üblicherweise die Ladetanks der Flüssiggas-Tankschiffe versehen werden, liegt der Verdampfungsverlust je nach Schiffsgröße etwa in einem Bereich von 0,20 bis 035% der Gesamtlademenge pro Tag. Bei einer heute üblichen Standard-Schiffsgröße, die ein Ladevolumen von 125 000 m3 verflüssigtem Erdgas hat, beträgt der durchschnittliche tägliche Ladungsverlust durch Verdunstung etwa 300 m3 Flüssiggas, entsprechend 178 000 Nm3 pro Tag. Nach einem zur Zeit in der Praxis angewandten Verfahren wird diese Gasmenge, die einen unvermeidlichen Ladungsverlust bildet, der Hauptantriebsanlage des Schiffes als Brennstoff zugeführt Dazu ist es notwendig, dieses Gas aus den Tanks abzusaugen, zu verdichten und auf mindestens Umge-
JO bungstemperatur aufzuheizen. Die in dem vorstehenden Zahlenbeispiel angegebene Verdunstungsmenge entspricht bei Verbrennung des Gases in einer moderen Schiffskesselanlage einer Leistung von 29 700 Wellen-PS. Da nach den Klassifikationsvorschriften Gas allein nicht als Brennstoff benutzt werden und der maximale Anteil nur 85 bis 90% des Kraftstoffes betragen darf, muß ein solches Schiff heute mit einer Antriebsanlage von mindestens 33 000 Wellen-PS ausgerüstet werden.
Die unvermeidlichen Verdampfungsverluste bedeuten ferner eine Verminderung des tatsächlich verfügbaren Transportraumes, da die Verdampfungsverluste während der Fahrt berücksichtigt werden müssen. Hinzu kommt, daß bei Leerfahrten stets noch eine gewisse Menge Flüssiggas in den Ladetanks bleiben muß, um die Tanks ständig auf der vorgesehenen tiefen Temperatur zu halten, wodurch eine weitere Verminderung des Nutzraumes eintritt. Wegen dieser Verringerung des Transportraumes und wegen des hohen Preises des transportierten Flüssiggases ist die bisherige Lösung, die die Verdampfungsverluste zum Heizen der Schiffskessel oder dergleichen verwendet, wirtschaftlich völlig unbefriedigend.
Die Anwendung üblicher Rückverflüssigungsverfahren und -Anlagen ist bisher unterblieben, da derartige bekannte Verfahren und Einrichtungen nur mit sehr hohen Investitionen zu verwirklichen sind und im Betrieb große Energiemengen erfordern.
Zur Lösung der Aufgabe, die Verdampfungsverluste zu verringern, geht die Erfindung von einem Verfahren zur Beförderung von verflüssigtem Erdgas, Methan oder einem ähnlichen Material mit mindestens einem auf einem Schiff angeordneten Li>!ierbehälter aus, der das verflüssigte Gas bei einer entsprechend tiefen
br> Temperatur und im wesentlichen normalen Druck enthält, wobei durch Verdampfung entstehendes Gas aufgefangen, verdichtet, nach Bedarf erwärmt und als Energiequelle für den Schiffsantrieb einem Verbren-
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