DE3836061A1

DE3836061A1 - Verfahren zum verdampfen von fluessigem erdgas

Info

Publication number: DE3836061A1
Application number: DE3836061A
Authority: DE
Inventors: Hans Dr Ing Schmidt
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1987-12-21
Filing date: 1988-10-22
Publication date: 1989-06-29

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdampfen von flüssigem Erdgas unter Energiegewinnung, wobei das flüssige Erdgas im Wärmetausch mit in voneinander getrennten Kreisläufen geführten Fluiden, welche arbeitsleistend entspannt, kondensiert und wieder verdampft werden, auf Umgebungstemperatur angewärmt wird.

Die zur Verdampfung von flüssigem Erdgas notwendige Wärme wird generell von einem Wärmeträger wie Luft, Meer- oder Flußwasser geliefert. Wird nun zusätzlich über Hilfskreisläufe mit Expansionsturbinen die LNG-Kälte genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen, so erniedrigt sich die vom Wärmeträger Wasser benötigte Energie um den gleichen Betrag. Damit reduzieren sich die benötigte Wassermenge bzw. die Betriebskosten für die Wasserversorgung. Je mehr Hilfskreisläufe aber installiert werden, um so höher werden die Investitonskosten für Wärmetauschflächen und Maschinen. Das wirtschaftliche Optimum liegt deshalb bei zwei (drei) Hilfskreisläufen.

Ein Verfahren, welches mit zwei im Kreislauf geführten Fluiden als Wärmetauschmittel arbeitet, ist in der DE-OS 26 33 713 beschrieben. Dort wird ein flüssiger Erdgasstrom in mehreren Wärmetauschstufen zunächst erwärmt und dann verdampft. Einen ersten Fluidkreislauf bildet ein Teil des verdampften Erdgases selbst. Ein Teil des verdampften Erdgases wird vom Erdgasstrom abgezweigt, arbeitsleistend entspannt, gegen anzuwärmendes flüssiges Erdgas kondensiert, auf Flüssig- Erdgas-Druck komprimiert und dem flüssigen Erdgasstrom wieder zugemischt.

Als Fluid des zweiten Kreislaufs wird bei dem bekannten Verfahren Ethan verwendet. Dabei wird ein gegen Flußwasser, Meerwasser oder Luft verdampfter Ethanstrom arbeitsleistens entspannt. Der entspannte Strom wird geteilt, wobei ein erster Teil weiterer arbeitsleistender Entspannung, anschließender Kondensation im Gegenstrom zum Erdgas, erneuter Erwärmung und, vereinigt mit dem zweiten Teil des Ethanstromes, einer Wiederverdampfung zugeführt wird. Der zweite Teil des Ethanstromes wird gegen anzuwärmendes Erdgas kondensiert und dem ersten Ethanstrom wieder zugemischt. Bedingt durch die zweimalige Entspannung des Wärmetauschmittels sowie zur Aufrechterhaltung des arbeitsleistenden Entspannungsprozesses werden beide Ethanströme, nach ihrer Kondensation im Wärmetausch mit anzuwärmendem Erdgas, auf einen gemeinsamen Druck gepumpt.

Die Energieausbeute dieses Verfahrens ist gut, doch wird die gute Energieausbeute nur durch einen zweistufigen Ethankreislauf erreicht.

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß ein geringerer Investitionskosten aufwand und/oder eine bessere Energierückgewinnung gewährleistet sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Fluid eines ersten Kreislaufs Erdgas ist, welches von dem auf Umgebungstemperatur angewärmten Erdgas abgezweigt, arbeitsleistend entspannt, im Wärmetausch mit flüssigem Erdgas kondensiert und dem flüssigen Erdgas wieder zugemischt wird, und daß in einem zweiten Kreislauf ein Fluid geführt wird, welches einstufig arbeitsleistend entspannt wird.

Um zu einer guten Energieausbeute zu gelangen, ist es beim Verfahren der vorliegenden Erfindung nicht nötig, das Fluid des zweiten, geschlossenen Kreislaufs zweistufig arbeitsleistend zu entspannen. Das Fluid wird einstufig entspannt, woraus sich eine Kostenersparnis aufgrund geringerer Anzahl an Expansionsturbinen und Pumpen ergibt, bei vergleichbar guter Energierückgewinnung gegenüber dem Stand der Technik.

Erfindungsgemäß ist die Verwendung von Gemischkreisläufen günstig. So wird das Fluid des zweiten Kreislaufs eine Mischung aus C₁- bis C₆- Kohlenwasserstoffen, insbesondere eine C₁/C₂- Mischung oder ein C₂/C₃-Mischung, verwendet, wobei der C₂-Anteil weniger als 90 Mol-% beträgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren weiterbildend wird als Fluid des zweiten Kreislaufs Propan verwendet.

Erfindungsgemäß wird damit ein Fluid vorgeschlagen, für dessen Lagerung unter druck keine Fremdkälte notwendig ist. So ist beispielsweise eine Lagerung unter einem Druck von 20 bar bei Umgebungstemperatur problemlos möglich, womit der Nachteil einer energieaufwendigen Kühlung entfällt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann als Fluid des zweiten Kreislaufs Ammoniak verwendet werden. Auch hier ist eine Lagerung unter Druck bei Umgebungstemperatur möglich.

In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zwischen dem ersten und dem zweiten Kreislauf ein weiterer mit einstufiger Entspannung betriebener Kreislauf eingesetzt.

In dieser Ausgestaltung hat sich von Vorteil erwiesen, daß als Fluid des dritten Kreislaufs Ethan verwendet wird. Bei dieser erfindungsgemäßen Variante ist zwar die Zahl der Expansionsturbinen genauso groß wie bei dem eingangs beschriebenen bekannten Verfahren, doch ergibt sich für das erfindungsgemäße Verfahren eine Steigerung der Energieausbeute gegenüber dem bekannten Verfahren.

In einer entsprechenden Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fluid des ersten Kreislaufs zweistufig arbeitsleistend entspannt. In einer ersten Stufe wird dabei angewärmtes Erdgas entspannt und im Wärmekontakt mit Meerwasser gebracht. Dieser erwärmte Strom wird zweigeteilt, wobei ein Teil des verdampften Erdgases abgezogen wird, während der andere Teil nochmals arbeitsleistens entspannt und nach Wärmetausch mit anzuwärmendem Erdgas kondensiert und dem flüssigen Erdgas wieder zugemischt wird. Das Fluid des zweiten Kreislaufs wird weiterhin einstufig arbeitsleistend entspannt. Eine entsprechende Beschreibung dieser Ausgestaltung findet sich im Beispiel zu Fig. 2.

Bei einer nicht dargestellten Variante des Verfahrens wird der angewärmte Erdgasstrom zweigeteilt. Ein Teilstrom bildet den ersten Fluidkreislauf, während der andere Teilstrom vor seinem Abzug nochmals arbeitsleistend entspannt wird.

Die Erfindung sei nunmehr anhand einiger schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Dabei zeigt

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Verfahren mit jeweils einstufiger arbeitsleistender Entspannung der Fluide des ersten und zweiten Kreislaufs,

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Verfahren mit zweistufiger Entspannung der Fluide des ersten Kreislaufs und einstufiger Entspannung des Fluids des zweiten Kreislaufs,

Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Verfahren wie in Fig. 2 dargestellt, erweitert um einen dritten Fluidkreislauf.

Fig. 1 ist die prinzipielle Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein flüssiger Erdgasstrom 1 wird zunächst in einem Wärmetauscher E 1 gegen kondensierendes Erdgas aus Leitung 2 b angewärmt. In Wärmetauscher E 2 folgt eine weitere Erwärmung des Erdgasstroms gegen das im Kreislauf der Leitungen 3 a und 3 b geführte Wärmetauschmittel Propan. Die endgültige Anwärmung des Erdgasstromes wird in Wärmetauscher E 3 B im Gegenstrom zu abzukühlendem Meerwasser aus Leitung 4 vorgenommen. Aus dem gasförmigen Erdgasstrom 1 wird ein Teil über eine Stichleitung 2 a abgezogen, in Expansionsmaschine X 1 arbeitsleistend entspannt, im Wärmetausch zu anzuwärmendem Erdgas kondensiert und, nach Erhöhung des Druckes mittels Pumpe P 1 auf den Druck des flüssigen Erdgasstroms, diesem wieder zugemischt. Das Fluid des zweiten Kreislaufs, Propan, bezieht seine Energie zur Arbeisleistung und Erdgaserwärmung aus dem in Leitung 4 bereitgestellten Meerwasser. Nach Passieren von Wärmetauscher E 3 A ist das Propan in Leitung 3 a vollständig verdampft und wird in Expansionsturbine X 2 arbeitsleistend entspannt. Über Leitung 3 b wird dieser Propanstrom im Gegenstrom zu dem Propanstrom in Leitung 3 a und dem zu erwärmenden Erdgasstrom in Leitung 1 durch Wärmetauscher E 2 geleitet, wobei das Propan kondensiert. Mittels Pumpe P 2 wird der flüssige Propanstrom komprimiert und über Leitung 3 a zur Erwärmung durch Wärmetauscher E 2 geführt. Damit ist der zweite Fluidkreislauf geschlossen. Das zur Energiegewinnung und Erdgasverdampfung herangezogene Meerwasser wird über Leitung 4 herangeführt, durch die parallel geschalteten Wärmetauscher E 3 A (im Wärmekontakt zum zu verdampfendem Fluid des zweiten Kreislaufs) und E 3 B (im Wärmekontakt zum anzuwärmenden Erdgasstrom) geleitet und nach dem Wärmeentzug über Leitung 5 abgezogen.

Ein Vergleich des erfindungsgemäßen Verfahrens wie am Beispiel zu Fig. 1 beschrieben, unter Verwendung von Propan als Wärmetauschmittel, mit dem des bekannten Verfahrens aus der DE-OS 26 33 713 erbrachte eine annähernd gleich gute Energieausbeute. Die Berechnungen erfolgten unter Annahme der gleichen Erdgaszusammensetzung sowie der Verwendung gleichwertiger Maschinen. In beiden Fällen wurde mit folgenden Randbedingungen gerechnet: Eingangsdruck des flüssigen Erdgasstromes 82.4 bar, Abgabedruck 80 bar, Durchsatz an Erdgas 130 t/h, Eintrittstemperatur des flüssigen Erdgasstroms 125 K. Unter obigen Voraussetzungen betrug der Gewinn des bekannten Verfahrens 3880 kW, während mit dem erfindungsgemäßen Verfahren 3720 kW erreicht wurden. Damit ist das erfindungsgemäße Verfahren um ca. 4% weniger effizient als das bekannte, doch wird letztlich ein Leistungsgewinn erreicht, und zwar durch geringeren maschinellen Aufwand und dadurch, daß für die Lagerung des Kreislaufmediums keine Fremdkälte benötigt wird.

Fig. 2 zeigt eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens der Fig. 1, bei welcher der auf Umgebungstemperatur angewärmte Erdgasstrom zweistufig arbeitsleistend entspannt wird. Der angewärmte Erdgasstrom wird in Expansionsturbine X 3 erstmalig arbeitsleistend entspannt und durchläuft zur erneuten Anwärmung gegen Meerwasser der Leitung 4 den Wärmetauscher E 3 C, bevor ein Teil zu weiterer Entspannung in X 1 (analog zu Fig. 1) über Leitung 2 a abgenommen wird, während der andere Teil des Erdgases über Leitung 7 abgezogen wird. Der zu erreichende Leistungsgewinn in dieser Ausgestaltung beträgt 5600 kW.

Der Abgabedruck des Erdgases wurde dabei zu 45.2 bar veranschlagt, während die übrigen Randbedingungen mit denen des obigen Vergleichs übereinstimmen.

Fig. 3 stellt eine Abwandlung des Verfahrens der Fig. 2 dar. Dem zweiten Fluidkreislauf ist ein dritter Fluidkreislauf überlagert. Als Fluide können beispielsweise im zweiten Kreislauf Propan und im dritten Kreislauf Ethan Verwendung finden. Zur Übertragung der Kondensationsenergie des Ethankreislaufs wird ein zusätzlicher Wärmetauscher E 4 benötigt. Das Temperaturniveau dieses Tauschers liegt zwischen dem des Erdgaskondensators E 1 und dem des Propankondensators E 2. Zur Übertragung der Verdampfungswärme des komprimierten Ethanstromes in Leitung 2 a gegen Wasser wird ein weiterer Wärmetauscher E 3 D eingesetzt.

Die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Entspannungs sequenz angewärmtes Erdgas - X 3 - Teilung in zwei Ströme - X 2 - kann abgewandelt werden, indem ein Teil des verdampften Erdgases vor der Entspannung in X 3 für den ersten Fluidkreislauf abgezweigt wird. Der andere Teil wird erst nach der Teilung arbeitsleistend entspannt und abgezogen.

Claims

1. Verfahren zum Verdampfen von flüssigem Erdgas unter Energiegewinnung, wobei das flüssige Erdgas im Wärmetausch mit in voneinander getrennten Kreisläufen geführten Fluiden, welche arbeitsleistend entspannt, kondensiert und wieder verdampft werden, auf Umgebungstemperatur angewärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid eines ersten Kreislaufs Erdgas ist, welches von dem auf Umgebungstemperatur angewärmten Erdgas abgezweigt, arbeitsleistend entspannt, im Wärmetausch mit flüssigem Erdgas kondensiert und dem flüssigen Erdgas wieder zugemischt wird, und daß in einem zweiten Kreislauf ein Fluid geführt wird, welches einstufig arbeitsleistend entspannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluid des zweiten Kreislaufs eine Mischung aus C₁- bis C₆-Kohlenwasserstoffen verwendet wird wobei der C₂-Anteil weniger als 90 Mol-% beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluid des zweiten Kreislaufs eine C₁/C₂- Mischung oder eine C₂/C₃-Mischung verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluid des zweiten Kreislaufs Propan verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluid des zweiten Kreislaufs Ammoniak verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten und dem zweiten Kreislauf ein weiterer mit einstufiger Entspannung betriebener Kreislauf eingesetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluid des dritten Kreislaufs Ethan verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid des ersten Kreislaufs zweistufig arbeitsleistend entspannt wird.