DE2633713C2

DE2633713C2 - Verfahren zur Erwärmung von verflüssigtem Erdgas

Info

Publication number: DE2633713C2
Application number: DE19762633713
Authority: DE
Inventors: Anton Dipl.-Ing. 8000 München Pocrnja
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1976-07-27
Filing date: 1976-07-27
Publication date: 1983-10-20
Also published as: DE2633713A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erwärmung von verflüssigtem Erdgas durch Wärmetausch mit mindestens einem Kreislaufmedium, bei dem das bzw. jedes Kreislaufmedium gekühlt und verflüssigt, mit Pumpen verdichtet, wieder erwärmt, verdampft und arbeitsleistend entspannt wird, und bei dem das Kreislaufmedium bzw. wenigstens eines der Kreislaufmedien in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus der US-PS 3068659 bekannt. Nach diesem bekannten Verfahren wird auf Hochdruck verdichtetes Erdgas durch Wärmetausch mit zwei kondensierenden Krejslaufmitteln angewärmt. Als erstes Kreislaufmittel wird Äthan und als zweites Propan verwendet. Da Wärme folglich nur auf zwei festgelegten Temperaturniveaus dem anzuwärmenden Erdgas zugeführt wird, ergeben sich große Temperaturdifferenzen zwischen anzuwärmendem Erdgas und dem jeweiligen Kreislaufmittel. Insbesondere kann die Kälte auf tiefstem Temperaturniveau nicht befriedigend ausgenützt werden. Dieser Anteil der Kälte, der die größte Arbeitsfähigkeit aufweist, wird vielmehr lediglich dazu verwendet, Äthan bei ca. 200 K zu kondensieren. Aufgrund dieser mangelhaften Ausnutzung der Tiefsttemperaturkälte und wegen der großen Temperaturdifferenzen zwischen anzuwärmendem Erdgas und kondensierenden Kältemitteln ist der Wirkungsgrad der Energieerzeugung bei diesem Verfahren gering.

Durch die DE-AS 1214 256 ist ein Verfahren zum Verdampfen von verflüssigtem Erdgas bekannt, bei dem das Erdgas in Wärmetausch mit zwei Kreislaufmedien gebracht wird. Eines der Kreislaufmedien.,ist dabei ein Teil des Erdgases selbst, das jedoch nicht in"einem geschlossenen, sondern in einem offenen Kreislauf geführt wird.

Schließlich ist durch di^DE-OS 19 22 779 ein Verfahren zum Verdampfen von Erdgas bekannt Dabei wird das Erdgas-ia Wärmelausch'ipit dem Kreislaufmedium eines geschlossenen Kreislaufsystems gebracht Dabei wird das

ίο Kreislaufmediuirr nach Öem Wärrnejtausch mit dem verflüssigten Erdgas und vor einer arbeitsleistenden Entspannungsstufe in zwei Teilströme aufgeteilt

Bei den beiden zuletzt genannten Verfahren bestehen große Temperaturdifferenzen zwischen dem anzuwärmenden Erdgas und dem Kreislaufmedium, so daß der Wirkungsgrad verglejchsweise gering'ist. /^;

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, das sich durch einen großen Wirkungsgrad bei der Energiegewinnung aus flüssigem Erdgas auszeichnet Dabei soll der apparative, zur Durchführung des Verfahrens notwendige Aufwand klein gehalten werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eines der in einem geschlossenen Kreislaufsystem geführten Kreislaufmedien nach einer ersten arbeitsleistenden Entspannungsstufe und vor dem Wärmetausch mit dem verflüssigten Erdgas in zwei Teilströme aufgeteilt wird, von denen der eine einer weiteren arbeitsleistenden Entspannungsstufe zugeführt wird, und daß das anzuwärmende Erdgas mit den Teilströmen in der Richtung zunehmenden Druckes dieser Teilströme in Wärmetausch gebracht wird.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme gelingt es, dem anzuwärmenden Erdgas Wärme auf mehreren Temperaturniveaus zuzuführen. Dies ist möglich, da erfindungsgemäß vorgesehen ist, eines der Kältemittel auf mindestens zwei verschiedene Drücke zu entspannen und im Wärmetausch mit anzuwärmendem Erdgas zu kondensieren. Bedingt durch die unterschiedlichen Drücke der Teilströme des Kältemittels sind die Kondensationstemperaturen der Teilströme unterschiedlich hoch, wodurch erreicht wird, daß Wärme an das Erdgas durch ein einziges Kältemittel auf mehreren Temperaturstufen zugeführt werden kann. Der apparative Aufwand zu Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nicht wesentlich größer als bei dem zum Stand der Technik gehörenden Verfahren, da gegenüber dem zum Stand der Technik gehörenden Verfahren keine weiteren Kreislaufmittel und somit auch keine weiteren Pumpen und Entspannungsturbinen vorgesehen werden müssen. Dadurch, daß ein Kreislaufmittel unter mehreren Druckstufen kondensiert und folglich Wärme an das Erdgas bei mehreren Temperaturstufen zugeführt wird, können die Temperaturdifferenzen zwischen anzuwärmenden und abzukühlenden Strömen bei dem Wärmetauschprozeß verkleinert werden. Hieraus resultiert der hohe Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verfahrens. Insbesondere kann auch die wertvolle, im flüssigen Erdgas enthaltene Spitzenkälte infolge der abgestuften erfindungsgemäßen Wärmezuführung in befriedigender Weise ausgenützt werden.

Zur Nutzbarmachung der Spitzenkälte ist es besonders vorteilhaft, wenn als leichtestes Kreislaufrncdiurn Methan oder Erdgas vorgesehen ist. Zur weiteren Anwärmung des Erdgases wird als weiteres Kreislaufmittel in diesem Fall Äthan verwendet. Das Äthan wird dabei erfindungsgemäß auf zwei verschiedenen Druckstufen zur Anwärmung des Erdgases verwendet.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird als leichtestes Kreislaufmedium ein Teil des Erdgases verwendet, das mit dem Erdgasstrom in einem offenen Kreislauf geführt wird. Ein derartiger offener Kreislauf weist den Vorteil auf, daß das Kreislaufmittel keinen Veränderungen durch chemische Umsetzungen unterworfen ist. Eventuelle Leckverluste werden permanent kompensiert Ein derartiger offener Kreislauf zeichnet sich folglich durch geringen Wartungsaufwand aus.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Erdgas vor seiner Anwärmung auf den Druck des Versorgungsnetzes (ca. 686,5 X 10⁴ N/m²) gepumpt, in welches es nach seiner Anwärmung eingespeist werden soll. Auf diese Weise wird eine teure Gasverdichtung des Erdgases nach seiner Anwärmung vermieden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schema einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens

Fig. 2 ein-Verfahrensdiagramm

Eine Anlage zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht nach Fig. 1 aus Flüssigkeitspumpen

I bis 4, aus Wärmetauschern 5 bis 8 und aus Entspannungsturbinen 9 bis U.

10⁶ m³ Normvolumen flüssiges Erdgas, das unter Normaldruck von einem Speicherbehälter kommt, wird pro Stunde in der Pumpe 1 auf den Druck des Versorgungsnetzes von ca. 686,5 X10⁴ N/m² verdichtet. Es wird in den Wärmetauschern 5 bis 8 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und bei Punkt 12 in ein Versorgungsnetz eingespeist. Ein Teil des angewärmten Erdgases (350 000 m³ Normvolumen pro Stunde) wird über Leitung 13 in Turbine 9 eingeführt und dort auf 15 X10⁵ N/m² arbeitsleistend entspannt. An der Turbine 9 kann infolge des Entspannungsprozesses eine Leistung von 9,5MW gewonnen werden. Bedingt durch die näherungsweise isentrope Entspannung (n=0,85) kühlt sich das Erdgas auf ca. 196 K ab. Es wird im Wärmetauscher 5 durch Wärmetausch mit anzuwärmendem Erdgas weiter gekühlt, bei 158 K verflüssigt und bis auf 121K unterkühlt. Nach seiner Druckerhöhung auf 686,5 X10" N/m² in der Pumpe 2 wird es bei Punkt 14 dem anzuwärmenden Erdgas wieder zugemischt. Der auf diese Weise in einem offenen Kreislauf geführte Teil des Erdgases nützt vorwiegend die im Erdgas enthaltene Spitzenkälte zur Energieerzeugung aus, wobei das Erdgas im Wärmetauscher 5 auf 163 K angewärmt wird. Zur weiteren Anwärmung des Erdgases in Wärmetauschern 6 und 7 ist ein geschlossener Äthankreislauf vorgesehen: 426000 m³ Normvolumen Äthan mit einem Druck von 29,4 X10⁴ N/m² und einer Temperatur in der Nähe des Kondensationspunktes werden pro Stunde über Leitung 15 in den Wärmetauscher eingeführt und im Wärmetausch mit anzuwärmendem Erdgas Kondensiert. Das kondensierte Äthan wird mit dei Pumpe 3 auf 235,4 X10⁴ N/m² gepumpt, im Wärmetauscher 7 angewärmt und im Wärmetauscher 8 durch Wärmekontakt mit einem Wärmeträger, wie etwa Meerwasser oder Umgebungslufi, verdampft und weiter auf etwa 283 K angewärmt. Das auf diese Weise angewärmte Äthan wird in der Turbine 10 arbeitsleistend aufll7,7 X10⁴ N/m² entspannt. Ein Teil davon wird in Turbine 11 weiter auf 29,4 X10⁴ N/m² entspannt und erneut in den Wärmetauscher 6 eingeführt, wodurch der Kreislauf geschlossen ist. Durch die arbeitsleistende Entspannung in den Turbinen

II und 10 wird eine Leistung von 12,4 MW bzw. 9,7 MW gewonnen.

Erfindungsgemäß wird nach der Entspannung in der Turbine 10 ein Teilstrom 16 abgezweigt (550 000 m³ Norm* volumen pro Stunde), der in den Wärmetauscher 7 eingeführt und dort im Wärmekontakt mit anzuwärmendem Erdgas verflüssigt wird. Nach seiner Druckerhöhung auf 235,4 X IG⁴ N/m² in der Pumpe 4 wird dieser Teilstrom 16 bei Punkt 17 dem Hauptkreislauf wieder zugeführt.

Zur weiteren Veranschaulichuiig der Erfindung sind typische Leistungsdaten des oben beschriebenen Ausfühningsbeispiels in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt.

Tabelle 1

Leistungsdaten eines Verfahrens nach Fig. 1 zur Energierückgewinnung aus 10⁶m³ Normalvolumen Flüssig-Erdgas.

	Wärmeumsätze	in Wärmetauscher 8	658,16
20	(GJ)	in Wärmetauscher 7	277,17
		in Wärmetauscher 6	239,9
		in Wärmetauscher 5	157,8
	Turbinen-	Turbine 9 Pein/Paus:	686,5/147,1
	Ein- und Austritts	Turbine 10 Pein/Paus:	235,4/117,7
25	drücke (10⁴ N/m²)	Turbine 11 Pein/Paus:	117,7/ 29,4
	Turbinendurchsätze	Turbine 9	350000
	m³ Normalvolumen	Turbine 10	976000
	pro Std.	Turbine 11	426000
30	Turbinenleistungen	Turbine 9	9,5
	mit η=0,85	Turbine 10	12,4
		Turbine 11	9,7
	(MW)	gesamt	31,6
	Pumpenleistungen	Pumpe 2	1,2
35	mit η = 0,75	Pumpe 4	0,8
		Pumpe 3	1,2
	(MW)	gesamt	3,2
	effektive Leistung		28,4

(MW)

Fig. 2 zeigt anhand eines Verfahrensdiagramms den Verlauf der Wärmeinhalte der in den Wärmetauschern 5 bis 8 anzuwärmenden und abzukühlenden Ströme als Funktion ihrer Temperatur. An der Abszisse ist die Temperatur in Kelvin, an der Ordinate der Wärmeinhalt der Ströme in GJIh aufgetragen.

Die waagrechten Querlinien 18 bis 20 deuten die Grenzen zwischen den Wärmetauschern 5 bis 8 der Kurve 1 an. Kurve 21 gibt den Verlauf der Summe der Wärmeinhalte der anzuwärmenden Ströme wieder. Wegen des überkritischen Erdgasdruckes von 686,5 X10⁴ N/m² weist die Kurve 21 in ihrem Tieftemperaturteil keine für einen Zweiphasenübergang charakteristischen Sprünge auf. Lediglich bei 7*= 274 K ist ein derartiger Sprung erkennbar, der durch die Verdampfung des Kreislaufäthans im Wärmetauscher 8 (Fig. 1) hervorgerufen wird.

Die abzukühlenden Ströme sind durch die Kurven 22 bis 25 dargestellt. Die Kurve 22 gibt den Wärmeinhalt eines Fremdwärmeträgers, wie etwa Meerwasser wieder, das in Wärmetauscher 8 der Fig. 1 von 288 K auf 283 K abgekühlt wird. Die Kurve 23 gibt den Wärmeinhalt des bei 248 K kondensierenden Äthans wieder. Entsprechend gibt Kurve 24 den Wärmeinhalt des im Wärmetauscher 6 kondensierenden Äthans wieder. Schließlich zeigt Kurve 25, wie das Kreislaufmethan im Wärmetauscher 5 gekühlt, verflüssigt und unterkühlt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erwärmung von verflüssigtem Erdgas durch Wärmetausch mit mindestens einem Kreislaufmedium, bei dem das bzw. jedes Kreislaufmedium gekühlt und verflüssigt, mit Pumpen verdichtet, wieder erwärmt, verdampft und arbeitsleistend entspannt wird und bei dem das Kreislaufmedium bzw. wenigstens eines der Kreislaufmedien in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eines der in einem geschlossenen Kreislaufsystem geführten Kreislaufmedien nach einer ersten arbeitsleistenden Entspannungsstufe (10) und vor dem Wärmetausch mit dem verflüssigten Erdgas in zwei Teilströme aufgeteilt wird, von denen der eine einer weiteren arbeitsleistenden Entspannungsstufe (11) zugeführt wird, und daß das anzuwärmende Erdgas mit den Teilströmen (15,16) in der Richtung zunehmenden Druckes dieser Teilströme in Wärmetausch (6, 7) gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres Kreislaufmedium, das ein Teil des Erdgases selbst ist, in einem offenen Kreislauf (13, 9,5,2) mit dem anzuwärmenden Erdgas geführt wird.