DE2402043A1 - Verfahren und anlage zur verdampfung und erwaermung von verfluessigtem erdgas - Google Patents

Verfahren und anlage zur verdampfung und erwaermung von verfluessigtem erdgas

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Description

P. 4755
Gebrüder Sulzer, Aktiengesellschaft. Winterthur/Schweiz
Verfahren und Anlage zur Verdampfung und Erwärmung von verflüssigtem Erdgas.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verdampfung und Erwärmung von verflüssigtem Erdgas und eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Bekanntlich braucht man einen energetischen Aufwand, wenn man Gas verflüssigen will. Es ist ausserdem bekannt, dass man Erdgas am Gewinnungsort für den Transport verflüssigt. Am Verwendungsort wird dieses Gas dann in die dampfförmige Phase übergeführt und weiteren Verbrauchern zugeleitet. Normalerweise wird dieses verflüssigte Gas am Bestimmungsort in einem Wärmeaustauscher durch Zuführung von Wärme verdampft und erwärmt auf nahezu Umgebungstemperatur. Als Heizmittel dient hierbei üblicherweise z.B. Meerwasser, Flusswasser oder Luft. Hierbei wird von der Energie, die in der Kälteanlage
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zur Verflüssigung des Erdgases am Gewinnungsort erforderlich ist, nichts zurückgewonnen.
Demgegenüber hat es sich die Erfindung zum Ziel gesetzt, die für die Verflüssigung des Erdgases erforderliche Energie zurückzugewinnen, selbstverständlich abzüglich der unvermeidlichen Verluste und zwar soll hierzu der Verdampfungs- und Erwärmungsprozess mit einer offenen Gasturbinenanlage derart kombiniert werden, dass die Eintrittstemperatur der Luft am Verdichter der Gasturbinenanlage wesentlich herabgesetzt wird, so dass der Wirkungsgrad der Gasturbinenanlage und damit die Nutzleistung bei gleichem Brennstoffverbrauch wesentlich erhöht werden kann gegenüber offenen Gasturbinenanlagen, bei welchen die Luft mit Umgebungstemperatur angesaugt, wird.
Schliesslich besteht eine wesentliche Aufgabe der Erfindung darin, dass mit Sicherheit verhindert wird, dass die in der Ansaugluft enthaltene Luftfeuchtigkeit in dem Abkühlprozess ausfrieren kann, so dass auf den Oberflächen des oder der in dem Prozess vorhandenen Wärmeaustauscher keine Eisbildung entstehen kann.
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2Ä02D43
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die zur Verdampfung und Erwärmung benötigte thermische Energie dem einer offenen Gasturbinenanlage zugeführten Luftstrom durch Wärmeaustausch in einem Abkühlprozess entzogen wird, und dass das Gefrieren des während des Wärmeaustauschvorganges aus dem zugeführten Luftstrom ausgeschiedenen Wassers dadurch verhindert' wird, dass dem Luftstrom ein Medium mit einem tieferen Gefrierpunkt als demjenigen des Wassers zugemischt wird, welches bewirkt, dass der Gefrierpunkt der aus ausgeschiedenem Wasser und Medium bestehenden Lösung während des Abkühlprozesses unterhalb der jeweiligen Temperatur der luftseitigen Oberfläche eines für den Wärmeaustausch dienenden Wärmeaustauschers liegt.
Eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine offene Gasturbinenanlage und mindestens ein Wärmeaustauschsystem zur Kühlung des Luftstromes unter Aufnahme von Wärme, die zur Verdampfung und Erwärmung des verflüssigten Erdgases an dieses abgegeben wird, sowie durch eine Vorrichtung zur Beimischung eines den Gefrierpunkt des ausgeschiedenen Wassers erniedrigenden Mediums vor dem Wärmeaustauschsystem in den Luftstrom.
Die Erfindung ermöglicht, dass im Abkühlprozess der Ansaugluft keine parallel geschaltete, umschaltbare Wärmeaustauscher bzw.
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Trockner erforderlich sind, welche abwechselnd in gewissen Zeitabständen regeneriert werden müssten. Derartige Vorrichtungen sind nämlich einerseits mit unter Umständen grossen thermodynamischen Verlusten behaftet und würden andererseits einen aufwendigen Regelmechanismus erfordern, damit stets gleiche Eintrittsbedingungen hinsichtlich Temperatur, Druck und Durchsatzmengen am Verdichter der Gasturbinenanlage garantiert werden können.
Als Beimischmedium kann vorteilhaft Methanol (CHo OH) verwendet werden, und zwar in flüssiger Form, da Methanol einen wesentlich höheren Partialdruck als Wasserdampf aufweist, so dass Methanol nach der Beimischung zum grossten Teil verdampft, wobei gleichzeitig der Wasserdampf zum überwiegenden Teil kondensiert.
Es entsteht somit eine weitgehend homogene Durchmischung von Methanoldampf und kondensiertem Wasserdampf, so dass bei weiterer Abkühlung des Gemisches und der Ansaugluft eine gleichmässige Temperatur- und Stoffverteilung entsteht.
Aethanol (CpHf-OH) stellt ebenfalls ein vorteilhaftes Beimischmedium dar. Die erforderlichen Mengen des beigemischten Mediums zur Erzielung einer gewünschten Gefrierpunktserniedrigung der
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Lösung kann mit Hilfe der bekannten Dampf- Flüsslgkeits- Gleichgewichtskurven für wässrige Lösungen bestimmt v/erden.
Es kann unter Umständen auch zweckmässig. sein, das Medium nicht in flüssiger, sondern in dampfförmiger Form beizumischen. In diesem Fall kann man die Betriebsbedingungen so wählen, dass während der Beimischung keine Temperatursenkung und damit auch keine Kondensation und somit keine Nebelbildung entsteht. Dieses erleichtert die nachträgliche Abscheidung der Losging nach der nachfolgenden Kühlung.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass in Strömungsrichtung des Luftstromes hinter der Zuführung des Mediums eine Kühlung durch Wärmeaustausch erfolgt, und dass aus der bei dem Wärmeaustausch als Flüssigkeit anfallenden Lösung Medium durch Rektifikation zurückgewonnen wird.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, den Wärmeaustausch mit Hilfe von mindestens einem im Kreislauf geführten Zwischenträgermedium, z.B. mittels eines Freons, wie CF2 Cl2 oder CH F2 Cl herbeizuführen.
Die Verwendung eines Zwischenträgermediums ermöglicht es, dieses auf einem tieferen Druck zu halten als der Druck des Erdgases, der vom Erdgasnetz vorgeschrieben wird. Dieser niedrigere Druck
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erlaubt eine wirtschaftlichere konstruktive Ausbildung des bzw. der im Luftstrom angeordneten Wärmeaustauscher. Andererseits ist es möglich, die Temperatur der Ansaugluft im Kühlprozess durch entsprechende Mengenregulierung der Zwischenträgermedien genauer zu kontrollieren.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich anhand von einem in der Zeichnung dargestellten und im folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel.
Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellungsweise eine Anlage zur Durchführung des erfindmigsgemässen Verfahrens, wobei als Beirriischmedium flüssiges Methanol verwendet werden soll.
Die offene Gasturbinenanlage besteht im vorliegenden Fall aus einer Gasturbine 1, die einen Generator 2 antreibt, aus einem Verdichter 3, einem Wärmeaustauscher 4 und einer Brennkammer
Der Anlagenteil, der vom Erdgas durchströmt wird, weist eine Leitung 7 auf, durch die aus einer nichts dargestellten Verflüssigungsvorrichtung flüssiges Erdgas mittels einer Pumpe 8 durch Wärmeaustauscher 9, 10 und 11 gefördert wird.
In den Wärmeaustauschern verdampft und erwärmt sich das Erdgas auf etwa Umgebungstemperatur und wird sodann durch ein nicht
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dargestelltes Verteilnetz den Verbrauchern zugeführt.
Derjenige Anlagenteil, der direkt im Strömungsweg der Ansaugluft angeordnet ist, besteht aus einem Filter 12, einem Vorkühler 13, einem Tropfenabscheider 14 üblicher Bauart, einer Einspritzdüsen und eine Pumpe aufweisenden Beimischeinrichtung 15, einer Mischkammer 16, einem Hauptkühler 17 und einem Tropfenabscheider 18.
Die Wärmeaustauscher 9 und 17 bzw. 10 und 13 sind in Kreisläufen angeordnet, in welchen jeweils ein Zwischenträgermedium, z.B. CF9 Cl9 oder CH F9 Cl zirkuliert.
Die Förderung der Zwischenträgermedien erfolgt mit Hilfe von Pumpen 19 bzw. 20. Vorratsbehälter 21 bzw. 22 dienen zur Einstellung der gewünschten Durchsatzmengen und damit der Temperaturregulierung des Luftstromes. Die zugehörigen Mengenregulierungen in den Kreisläufen sind einfachheitshalber in der Zeichnung weggelassen.
Derjenige Teil der Gesamtanlage, welcher vom Beimischmedium durchströmt wird und zur Aufbereitung des Beimischmediums, im Ausführungsbeispiel Methanol, dient, weist die folgenden Konstruktionselemente auf:
Ausser der Einspritzeinrichtung 15 eine Rektifizierkolonne 23, in welche die aus Methanol und Wasser bestehende Lösung aus
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dem Kühlraum des Wärmeaustauschers 17 und dem Tropfenabscheider 18 mittels einer Pumpe 24 eingeleitet wird, ein mit dem Bodenteil der Kolonne verbundener Verdampfer 6, der mit den Abgasen der Gasturbinenanlage beheizt wird, ein mit der Kolonne über eine Niveauregeleinrichtung 25b verbundener Vorratsbehälter 2 5a für Methanol zur Ergänzung der Methanolverluste und ein mit dem Wärmeaustauscher 11 verbundenes Leitungssystem.
In diesem Leitungssystem ist als Fördereinrichtung eine Pumpe 26 angeordnet. Das Leitungssystem 27a, 27b, 27c, 27d verbindet den Kopfteil der Kolonne 23 mit dem Wärmeaustauscher 11, der als Kondensator für Methanol dient, weiterhin flüssigkeitsseitig den Wärmeaustauscher einerseits mit der Einspritzeinrichtung 15 und andererseits mit der Kolonne 23 zur Einspeisung der Rücklaufmenge.
Im folgenden wird die Betriebsweise der Anlage erläutert.
Die aus der Atmosphäre von dem Verdichter 3 angesaugte, Wasserdampf enthaltende Luft durchsetzt den Filter 12 zur Abscheidung von festen Verunreinigungen und wird sodann im Wärmeaustauscher 13 vorgekühlt durch Wärmeaustausch mit dem im Wärmeaustauscher gekühlten Zwischenträgermedium.
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Die bei der Vorkühlung auskondensierten Wassertropfen werden im Tropfenabscheider 14 aus dem Luftstrom abgetrennt. Sodann wird in den Luftstrom flüssiges Methanol durch die Düsen der Einrichtung 15 eingespritzt.
Wie bereits an vorstehender Stelle erläutert wurde, entsteht eine Mischung von Luft, Methanol und Wasserdampf.
Aufgrund des höheren Partialdruckes des Methanols verdampft dieses in der Mischkammer 16 zum grössten Teil, wobei gleichzeitig Wasserdampf kondensiert, und ausserdem eine weitere Kühlung dieser Mischung·erfolgt.
Die Mischung wird nun in dem Hauptkühler 17 durch Wärmeübertragung von dem den Wärmeaustauscher 9 durchsetzenden und hierbei sich abkühlenden Zwischenträgermedium weiter bis auf die * Eintrittstemperatur der Luft am Verdichter 3 gekühlt. Das in der Mischung auskondensierte V/asser enthält Methanol und weist einen tieferen Gefrierpunkt als die luftseitige Oberflächentemperatur des Hauptkühlers 17 auf. Damit kann das in der Lösung enthaltene Wasser nicht auf den Oberflächen des Hauptkühlers 17 gefrieren, so dass einerseits der Wärmeaustausch zwischen dem Luftstrom .und dem Zwischenträgermedium nicht verschlechtert wird, und andererseits der Wärmeaustauscher durch
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- ίο -
Vereisung nicht verstopft werden kann, so dass ein kontinuierlicher Betrieb der Gasturbinenanlage sowie ein kontinuierlicher Betrieb der Erwärmung und Verdampfung des Erdgases gewährleistet ist.
Aus dem Hauptkühler 17 und dem Tropfenabscheider 18 wird die aus V/asser und Methanol bestehende Lösung in die Rektifizierkolonne 23 eingeleitet und dort Methanol vom V/asser getrennt. Das Wasser wird aus dem Bodenteil der Kolonne entnommen und verworfen, während Methanol dampfförmig aus dem Kopfteil der Kolonne durch Leitung 27a herausgeführt und in den Kondensator 11 eingeleitet wird.
Ein Teil des Kondensats wird durch die Einspritzeinrichtung in den Kühlprozess für die Luft zurückgeführt, während die restliche Teilmenge als Rücklauf in die Kolonne durch Leitung 27d eingespeist wird.
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• - 11 -
Zahlenbeispiel
Durchsatzmenge des der Verdampfung und Erwärmung zugeführten flüssigen Erdgases;
Eintrittstemperatur: Eintrittsdruck:
Temperatur des Erdgases am Ausgang des Wärmeaustauschers 9:
Temperatur des Erdgases am Ausgang des Wärmeaustauschers 10:
Temperatur des Erdgases am Ausgang des Wärmeaustauschers 11:
Druck des verdampften Erdgases am Ausgang des Wärmeaustauschers 11:
88 kg/sec. lbar 0C
159 0C 68 0C
42 0C
24 bar
67
Durchsatzmenge des Zwischenträgermediums
g g
durch Wärmeaustauscher 9 und
Hauptkuhler 17:
Eintrittstemperatur des Zwischentragerniediums in den Hauptkuhler 17:
Austrittstemperatur des Zwischenträgermediums aus dem Hauptkiihler 17:
Durchsatzmenge des Zwischenträgermediums ■ CF? CIp durch Wärmeaustauscher 10 und Vorkühler 13:
Eintrittstemperatur des Zwischenträgermediums in den Vorkühler 13:
Austrittstemperatur des Zwischenträgermediums aus dem Vorkühler 13:
155 kg/sec.
- 98 0C
- 30 0C
1180 kg/sec. 0 0C 3 0C
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Menge der Ansaugluft: 367 kg/sec,
mit Wasserdampfgehalt: 5,7 kg/sec.
Eintrittstemperatur der Ansaugluft: 20 0C
Eintrittsdruck der Ansaugluft: 1 bar
Temperatur der Ansaugluft nach dem Vorkühler 13: 6 0C
Aus dem Tropfenabscheider abgeführte Wassermenge: 3,33 kg/sec.
Durch die Einspritzeinrichtung 15 eingeführte Menge an flüssigem Methanol: 7,73 kg/sec.
Noch vorhandene Wasserdampfmenge: 2,37 kg/sec.
Temperatur in der Mischkammer 16: - 30C
Temperatur der Mischung am Ausgang des Hauptkühlers 17 und am Eintritt in den Verdichter 3: -73 0C
Partialdruck des Methanols am Eintritt des Verdichters 3:
Austrittstemperatur der Luft aus dem Verdichter 3:
Austrittsdruck der Luft am Verdichter 3:
Austrittstemperatur der Brenngase am Ausgang der Brennkammer:
Temperatur der Abgase am Turbinenausgang:
Ausgangstemperatur der Abgase am Verdampfer 6:
Elektrische Leistung des Generators 2
5.10"5 ,5° bar
158 2 C
10, 0C bar
945 0C
485
164 ,50C
112 MW
Betriebsdruck der Rektifizierkolonne 2 bar
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Claims (13)

  1. Patentansprüche
    rTTV/erfahren zur Verdampfung und Erwärmung von verflüssigtem Erdgas, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Verdampfung und Erwärmung benötigte thermische Energie dem einer offenen Gasturbinenanlage zugeführten Luftstrom durch Wärmeaustausch in einem Abkühlprozess entzogen wird, und dass das Gefrieren des während des Wärmeaustauschvorganges aus dem zugeführten Luftstrom ausgeschiedenen V/assers dadurch verhindert wird, dass dem Luftstrom ein Medium mit einem tieferen Gefrierpunkt als demjenigen des V/assers zugemischt wird, welches bewirkt, dass der Gefrierpunkt der aus ausgeschiedenem Wasser und Medium bestehenden Lösung während des Abkühlprozesses unterhalb der jeweiligen Temperatur der luftseitigen Oberfläche eines für den Wärmeaustausch dienenden Wärmeaustauschers liegt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium einen höheren Partialdruck als Wasser auf v/eist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Partialdruck des Mediums nach dem Abkühlprozess niedriger als 10~4 bar ist. "
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium in flüssiger Form in den Luftstrom eingespritzt wird.
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  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium aus Methanol besteht.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium aus AethanoL besteht.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch I5 dadurch gekennzeichnet, dass vor der Zuführung des Mediums der Luftstrom vorgekühlt wird auf eine Temperatur oberhalb des Gefrierpunktes des Wassers, und dass das bei der Vorkühlung auskondensierte V/asser aus dem Luftstrom abgeschieden wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Strömungsrichtung des Luftstromes hinter der Zuführung des Mediums eine Kühlung durch V/ärme aus tausch erfolgt, und dass aus der bei dem Vrärmeaustausch als Flüssigkeit anfallenden Lösung Medium durch Rektifikation zurückgewonnen wird.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfung und Erwärmung des Erdgases und die Kühlung des Luftstromes durch mindestens ein in einem Kreislauf geführtes Zwischenträgermedium erfolgt.
  10. 10. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine offene Gasturbinenanlage (1,2,3,4,5) und mindestens ein Wärmeaustauschsystem (17) zur Kühlung des
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    Luftstromes unter Aufnahme von Wärme, die zur Verdampfung und Erwärmung des verflüssigten Erdgases an dieses abgegeben wird sowie durch eine Vorrichtung (15) zur Beimischung eines den Gefrierpunkt des ausgeschiedenen Wassers erniedrigenden Mediums vor dem Wärmeaustauschsystem in den Luftstrom.
  11. 11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Beimischvorrichtung (15) ein Wärmeaustauscher (13) zur Kühlung des Luftstromes angeordnet ist.
  12. 12. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustauschsystem aus einem Wärmeaustauscher (13, 17) zwischen der Luft und einem Zwischentragermediura und aus einem Wärmeaustauscher (10,9) zwischen dem Zwischenträgermedium und dem Erdgas besteht, wobei mittels einer Pumpe (19, 20) das Zwischenträgermedium im Kreislauf durch die beiden Wärmeaustauscher gefördert wird.
  13. 13. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Rückgewinnung des Mediums mindestens eine Rektifizierkolonne (23) an das Wärmeaustauschsystem (17) angeschlossen ist.
    60983 07 0476
    ι Λ
    Leerse ire
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