EP0331627A1 - Anlage und Verfahren für die periodische Be- und Entladung eines Gasspeichers - Google Patents

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EP0331627A1
EP0331627A1 EP89810035A EP89810035A EP0331627A1 EP 0331627 A1 EP0331627 A1 EP 0331627A1 EP 89810035 A EP89810035 A EP 89810035A EP 89810035 A EP89810035 A EP 89810035A EP 0331627 A1 EP0331627 A1 EP 0331627A1
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EP
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gas
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heat exchanger
heat
compressor
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Sulzer AG
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    • F17C2270/0142—Applications for fluid transport or storage placed underground
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Definitions

  • the invention relates to a system for the periodic loading and unloading of a gas storage and a method for storing gas at a higher pressure and a lower temperature than the pressure and temperature of a gas source and a method for the discharge of cold, under pressure in a gas storage gas for the purpose of supply to at least one consumer, the gas supplied having an ambient temperature and a lower pressure than the storage pressure.
  • the second method namely the discharge of a gas storage device, mainly takes place in times when there is a high gas requirement that no longer goes from Available gas source can be covered.
  • the invention is directed to areas in which large amounts of gas are stored in natural or artificial caverns, containers or the like.
  • One is to store the natural gas under high pressure of approx. 150 bar and at a low temperature of approx. -70 ° C, which corresponds to a density of the natural gas of approx. 280 kg / m3 under these conditions.
  • the second option is to store natural gas in liquid form.
  • the natural gas has a density of approx. 450 to 500 kg / m3 and is not very dependent on the pressure. That is why liquid gas storage tanks are usually designed for a pressure of 1 to approx. 1.5 bar.
  • the invention has for its object to treat both the gas for storage and for delivery to consumers in an economical way, the system should be as compact as possible and should also allow the use of standardized units.
  • Claims 2 to 6 relate to advantageous embodiments or developments of a system defined in claim 1, while claims 9 to 14 specify advantageous embodiments for the methods described in claims 7 and 8.
  • FIG. 1 shows a system in a flow diagram, which has a gas circuit 1, in which a compressor 2 and a heat exchanger 3 are arranged.
  • a line 4 is connected, through which gas is supplied from a gas source in the direction of arrow z during the loading of the gas store (not shown) and through which the gas in the direction of arrow a is discharged to a consumer during the discharge of the gas store, is fed to a pipeline.
  • compressed gas cooled in the heat exchanger 3 is supplied to the gas storage device through a line 5 in the direction of arrow b.
  • gas from the gas storage is fed into the gas circuit through a line 6 in the direction of arrow e.
  • the gas is cooled in the heat exchanger 3, a special heat or coolant liquid, which will also be discussed in more detail later, fed through a line 7 and led away from the heat exchanger 3 through a line 8, whereby A feed pump 9 is arranged in line 8.
  • a standardized refrigeration machine 10 can be used to cool the heat or coolant liquid. So-called UNITOP (registered trademark) or UNITURBO (registered trademark) can be used, for example.
  • Such chillers mostly consist of a water-cooled condenser, an expansion valve, an evaporator that cools cold water (with or without antifreeze) or another liquid, and a one- or two-stage compressor with gear and electric motor drive.
  • Liquids which have a partial pressure of less than 2 bar at 200 ° C, a viscosity of less than 10 cP at -30 ° C and no significant corrosion of stainless steel at 100 ° C and no significant decomposition are suitable as heat or coolant fluids at 150 ° C.
  • Liquids which have the stated properties are, for example, Dowtherm J (registered trademark of DOW), Paracryol (registered trademark of Sulzer) or a methanol-water mixture or a glycol-water mixture.
  • a standardized refrigeration machine 10 can serve to cool the heat or coolant liquid.
  • a heat-transferring liquid advantageously the same one that is used for cooling, is heated to the required temperature in a heating device 11 and supplied to the heat exchanger 3.
  • the heating device 11 can be designed, for example, as a fired heater, as an electrical heating device or also as a countercurrent heat exchanger in which the liquid is heated with hot water. It is also possible to design the heating device 11 as a steam condenser, the liquid to be heated flowing through pipes and the steam condensing on the outer surfaces of the pipes.
  • Figs. 2 to 7 The elements corresponding to the plant elements of Fig. 1, e.g. Refrigerator, heater, heat exchanger, compressor, lines and the like are shown in Figs. 2 to 7 with the same reference numerals.
  • the invention consists in a system in which both loading and unloading of the gas storage device can be carried out, a system designed according to the invention naturally has all the system elements required for loading and unloading.
  • the gas storage is loaded with natural gas in the following manner: natural gas is fed into the system through line 4 and the water contained in the natural gas is separated from it in a dryer 2 of a known type and through a line 13 led away. Without this measure, traces of water still contained in natural gas could freeze and clog the downstream system elements.
  • the natural gas is then introduced into a heat exchanger 15 through a line 14.
  • the natural gas is pre-cooled with the help of heat or coolant liquid cooled in the refrigerator 10. This liquid is introduced into the precooler 15 through a line 16, which is connected to the line 7, and leaves it through a line 17, which is connected to the line 8.
  • the achievable pre-cooling temperature is essentially determined by the performance of the refrigeration machine 10 and the properties of the heat-coolant liquid.
  • the compression of the natural gas to the pressure required for storage takes place in the compressor 2, which is referred to below as the main compressor. If the natural gas is stored in gaseous form in the gas storage, this compressor is the only one that is mandatory for carrying out the loading and unloading.
  • the compressed natural gas is cooled further in the heat exchanger 3 and part of it is introduced through a line 18 of the gas circuit into a counterflow heat exchanger 19.
  • the remaining amount of the cooled and compressed gas is branched out of the gas circuit through a line 20, relaxed in a throttle valve 21 using the Joule-Thompson effect and introduced into the heat exchanger 19.
  • the natural gas, cooled to the storage temperature by heat exchange in the heat exchanger 19, is introduced into the gas store through a line 22 in the direction of arrow b.
  • the system shown in FIG. 3 differs from FIG. 2 only in that the compressed gas branched off from the gas circuit through line 20 is not expanded in a throttle valve but in an expansion turbine 23 and is cooled in the process.
  • the expansion turbine 23 drives a compressor 24. This compressor sucks the gas that is heated during the heat exchange from the heat exchanger 19 and compresses it to the suction pressure of the main compressor 2.
  • FIG. 4 differs from FIGS. 2 and 3 essentially in that the natural gas is to be stored in liquid form in a liquid gas storage device.
  • the gas to be stored is introduced into a separator 25 for separating off carbon dioxide.
  • separators are known. For example, they can be designed as a chemical carbon dioxide washing system or as a molecular sieve system.
  • the carbon dioxide is led out of the system through a line 26. This measure is taken to avoid clogging of the downstream system elements with solid carbon dioxide.
  • the compressed gas After the compressed gas has cooled in the heat exchanger 19, it is cooled further in a countercurrent heat exchanger 27 and then expanded in a throttle valve 28 (Joule-Thompson effect), the gas partially liquefying.
  • the mixture consisting of liquid and gas is then introduced into a container 29.
  • the liquefied natural gas is fed into a liquid gas storage device through a line 30 in the direction of arrow b.
  • the non-liquefied natural gas and any other inert gases present are introduced through a line 31 into the heat exchanger 27, in which they heat up.
  • the gas is then sucked in by a compressor 32 through a line 33 and compressed to the suction pressure of the main compressor 2 and introduced through a line 34 into the gas circuit on the suction side of the main compressor 2.
  • the natural gas is stored in liquid form, analogous to FIG. 4. 4, the natural gas cooled in the heat exchanger 27 is expanded in a turbine 35, the gas partially liquefying and then being introduced into the container 29.
  • the non-liquefied natural gas and any inert gases that may still be present are then also introduced from the container 29 through a line 31 into the heat exchanger 27 and heated there.
  • the heated natural gas is then drawn in and compressed by a compressor 37 through a line 36.
  • This compressor 37 is driven by the expansion turbine 35.
  • a further compressor 38 is connected in series with the compressor 37, in which the natural gas is compressed to the suction pressure of the main compressor 2 of the gas circuit 1 and is introduced into the gas circuit 1 through a line 39.
  • the liquid is pumped to the outlet pressure of the main compressor 2 by a pump group (not shown) and fed through line 6 into the system.
  • a portion of the cold gas or the cold liquid is introduced through a line 40 into a mixing element 41, which can be, for example, a static mixer, together with compressed, warm circulating gas.
  • the cycle gas is heated by the heat of compression of the main compressor 2.
  • the temperature of the gas mixture emerging from the mixing element 41 must not be lower than the lowest temperature of the temperature that can be generated with the refrigeration machine 10, since otherwise the heat or coolant liquid in the heat exchanger 3 could become too viscous or even freeze.
  • the heat exchanger 3 works as a heating element for the gas mixture.
  • the heating device 11 is switched on, in which the heating or
  • Heat transfer fluid is heated to the required temperature and introduced through the lines 7 and 7 'into the heat exchanger 3 and after heat exchange through the lines 8' and 8 is recirculated back into the heating device 11.
  • the remaining part of the cold gas or liquid gas is removed from line 6 through a line 42 and mixed with heated circulating gas in a second mixing element 43.
  • the gas mixture which has the lowest temperature in the gas circuit, is then heated in a heat exchanger 44 through which heated heat or coolant liquid flows, and then expanded in a valve 45 to the suction pressure of the main compressor 2.
  • This suction pressure is identical to the consumer pressure, for example of a pipeline system.
  • the amount of gas to be supplied to a consumer is withdrawn from the circuit 1 and heated in the heat exchanger 15, which in this case acts as a heating element, to the consumer temperature, for example ambient temperature, and fed to the consumer through the line 4 in the direction of arrow a.
  • FIG. 7 the system shown in FIG. 7 relates to the discharge of a cold gas or liquid gas storage device.
  • the main compressor 2 is driven by a gas turbine 46 in the present case.
  • a washing column 47 of known type is used for the recovery of the gas turbine waste heat.
  • the gas turbine 46 is powered with air through port 48 and with fuel, e.g. Natural gas fed through connection 49.
  • fuel e.g. Natural gas fed through connection 49.
  • the gas turbine 46 supplies exhaust gases which are fed into the scrubbing column 47 through a line 50.
  • These exhaust gases e.g. have a temperature of approx. 450 to 550 ° C, contain oxygen, nitrogen, carbon dioxide and a substantial proportion of water vapor, which is produced during the combustion of the fuel.
  • a liquid / gas contact device 51 is arranged, which can consist, for example, of a static mixer or a column packing of a known type.
  • the heater 11 ' is designed in this case as a heat exchanger. Water from this heat exchanger, for example at 20 ° C., is sprayed onto the contact device 51 in the washing column 47 through a distributor 52. Direct heat exchange with the exhaust gases results in a slightly warmed-up water of, for example, approximately 30 ° C. in the sump of the washing column 47, which is conveyed by a pump 53 into the heat exchanger 11 '. The water is then countercurrent to the heat or coolant liquid eg cooled to approx. 20 ° C. The heated heat or coolant liquid is fed into line 7.
  • the exhaust gas leaving wash column 47 through line 54 is at the same temperature as the bottom of wash column 47, e.g. 30 ° C.
  • an absorption refrigeration system can also be used instead of a refrigeration machine which cools the heat or coolant liquid.
  • the exhaust gas heat from the gas turbine can advantageously be used as a heat source for this absorption refrigeration system.

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Abstract

Die Anlage für die periodische Be- und Entladung eines Gasspeichers weist einen Gaskreislauf (1) auf, in welchem ein Kompressor (2) und ein Wärmetauscher (3) angeordnet sind. An den Gaskreislauf (1) ist eine Leitung (4) für die Zuführung von zu speicherndem Gas und für die Wegführung von gespeichertem Gas zu einem Verbraucher angeschlossen. Das Gas wird bei tiefer Temperatur und erhöhtem Druck als Gas bzw. bei etwa Umgebungsdruck als Flüssiggas gespeichert. Der im Gaskreislauf (1) angeordnete Wärmetauscher (3) wird je nachdem, ob Gas gespeichert oder entladen werden soll, als Kühler oder Erhitzer betrieben. Die den Wärmetauscher (3) durchströmende Wärme- bzw. Kälteträgerflüssigkeit wird entweder in einer Kältemaschine (10) gekühlt oder in einer Heizvorrichtung (11) erwärmt. In ein und derselben Anlage kann je nach Bedarf ein Gas, z.B. Erdgas für die Beladung eines Speichers oder für die Entladung dieses Speichers aufbereitet werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anlage für die periodische Be- und Entladung eines Gasspeichers sowie ein Verfahren zum Speichern von Gas unter einem höheren Druck und einer tieferen Temperatur als der Druck und die Temperatur einer Gasquelle als auch ein Verfahren für die Entladung von kaltem, unter Druck in einem Gasspeicher gelagerten Gas zwecks Zuführung zu mindestens einem Verbraucher, wobei das gelieferte Gas Umgebungstemperatur und einen tieferen Druck als der Speicherdruck aufweist.
  • Während das erstgenannte Verfahren während der Zeiten ausgeführt wird, in denen kein oder nur ein geringer Gasbedarf von Verbrauchern besteht, erfolgt das zweite Verfahren, nämlich die Entladung eines Gasspeichers hauptsächlich in den Zeiten, in welchen ein hoher Gasbe­darf besteht, der nicht mehr von der zur Verfügung stehenden Gasquelle gedeckt werden kann.
  • Die Erfindung ist auf solche Gebiete gerichtet, in welchen grosse Gasmengen in natürlichen oder künstlichen Kavernen, Behältern oder dergleichen gespeichert werden.
  • Zwar ist ein wesentliches Anwendungsgebiet die Be- und Entladung von Erdgasspeichern, weshalb die Erfindung speziell für diese Anwendung erläutert wird. Jedoch kann die Erfindung mit dem gleichen Erfolg auch auf die Speicherung von grossen Mengen anderer industrieller Gase, wie z.B. Ammoniak, Stickstoff oder Chlor Anwendung finden.
  • Aus Wirtschaftlichen Ueberlegungen heraus, ist es sinn­voll, das Gas, im besonderen Fall Erdgas, mit einer grossen Dichte zu speichern.
  • Hierfür gibt es zwei Möglichkeiten.
  • Die eine besteht darin, das Erdgas unter hohem Druck von ca. 150 bar und bei tiefer Temperatur von ca. -70°C zu speichern, was unter diesen Bedingungen einer Dichte des Erdgases von ca. 280 kg/m³ entspricht.
  • Die zweite Möglichkeit besteht darin, Erdgas in flüssiger Form zu speichern. In diesem Fall weist das Erdgas eine Dichte von ca. 450 bis 500 kg/m³ auf und ist vom Druck wenig abhängig. Deshalb werden Flüssiggasspeicher mei­stens für einen Druck von 1 bis ca. 1,5 bar ausgelegt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf wirtschaft­liche Weise in einer einzigen Anlage sowohl das Gas für die Speicherung als auch für die Auslieferung an Verbrau­cher zu behandeln, wobei die Anlage möglichst kompakt ausgebildet sein soll und ausserdem die Verwendung von standartisierten Aggregaten ermöglichen soll.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit Hilfe einer Anlage gelöst, deren Merkmale im Kennzeichen des An­spruchs 1 angegeben sind.
  • Erfindungsgemässe Verfahren zum Be- und Entladen von Gasspeichern sind im Kennzeichen der Ansprüche 7 und 8 beschrieben.
  • Die Ansprüche 2 bis 6 beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen einer im An­spruch 1 definierten Anlage, während in den Ansprüchen 9 bis 14 vorteilhafte Ausführungen für die in den Ansprü­chen 7 und 8 beschriebenen Verfahren angegeben sind.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Fig. 1 bis 7 in Fliessschemen dargestellten Ausführungsbeispie­len erläutert.
  • Fig. 1 zeigt eine Anlage in einem Fliessschema, welche einen Gaskreislauf 1 aufweist, in welchem ein Kompressor 2 und ein Wärmetauscher 3 angeordnet sind.
  • Auf der Saugseite des Kompressors 2 ist eine Leitung 4 angeschlossen, durch die während der Beladung des nicht dargestellten Gasspeichers Gas in Pfeilrichtung z aus einer Gasquelle zugeführt und durch die während der Entladung des Gasspeichers das Gas in Pfeilrichtung a einem Verbraucher, im Falle von Erdgas z.B. einer Pipe­line zugeführt wird.
  • Während der Beladung des Gasspeichers wird komprimiertes und im Wärmetauscher 3 gekühltes Gas durch eine Leitung 5 in Pfeilrichtung b dem Gasspeicher zugeführt.
  • Während der Entladung des Gasspeichers wird Gas aus dem Gasspeicher durch eine Leitung 6 in Pfeilrichtung e in den Gaskreislauf eingespeist.
  • Während der Speicherung wird das Gas im Wärmetauscher 3 gekühlt, wobei eine spezielle Wärme- bzw. Kälteträger­flüssigkeit, auf die auch an späterer Stelle noch im einzelnen eingegangen wird, durch eine Leitung 7 zuge­führt und aus dem Wärmetauscher 3 durch eine Leitung 8 weggeführt wird, wobei in der Leitung 8 eine Förderpumpe 9 angeordnet ist.
  • Zur Kühlung der Wärme- bzw. Kälteträgerflüssigkeit kann eine standartisierte Kältemaschine 10 dienen. Es können beispielsweise sogenannte UNITOP (eingetragenes Warenzei­chen) oder UNITURBO (eingetragenes Warenzeichen) einge­setzt werden.
  • Derartige Kältemaschinen bestehen meistens aus einem wassergekühlten Kondensator, einem Entspannungsventil, einem Verdampfer, welcher Kaltwasser (mit oder ohne Frostschutzmittel) oder eine andere Flüssigkeit kühlt, und einen ein- oder zweistufigen Kompressor mit Getriebe- und Elektromotorantrieb. Als Wärme- bzw. Kälteträgerflüs­sigkeit sind Flüssigkeiten geeignet, die einen Partial­druck von weniger als 2 bar bei 200°C, eine Viskosität von weniger als 10 cP bei -30°C und keine wesentliche Korrosion von rostfreiem Stahl bei 100°C sowie keine wesentliche Zersetzung bei 150°C aufweisen. Flüssigkei­ten, die die genannten Eigenschaften aufweisen, sind z.B. Dowtherm J (eingetragenes Warenzeichen der Firma DOW), Paracryol (eingetragenes Warenzeichen der Firma Sulzer) oder eine Methanol-Wasser-Mischung bzw. eine Glykol-­Wasser-Mischung. Zur Kühlung der Wärme- bzw. Kälteträger­flüssigkeit kann - wie vorstehend erwähnt - eine standartisierte Kältemaschine 10 dienen.
  • Während bei der Speicherung von Gas der Wärmetauscher 3 von in der Kältemaschine 10 gekühlter Wärme- bzw. Kälte­trägerflüssigkeit durchströmt wird, muss während der Entladung des Gasspeichers das ausgespeicherte Gas im Wärmetauscher 3 erwärmt Werden.
  • Zu diesem Zweck wird in einer Heizvorrichtung 11 eine wärmeübertragende Flüssigkeit, vorteilhaft die gleiche, die für die Kühlung verwendet wird, auf die erforderliche Temperatur aufgeheizt und dem Wärmetauscher 3 zugeführt.
  • Die Heizvorrichtung 11 kann beispielsweise als befeuerter Erhitzer, als elektrische Heizvorrichtung oder auch als Gegenstrom-Wärmetauscher ausgebildet sein, in welchem die Flüssigkeit mit Warmwasser erwärmt wird. Es ist auch möglich, die Heizvorrichtung 11 als Dampfkondensator auszubilden, wobei die zu erwärmende Flüssigkeit Rohre durchströmt und der Dampf auf den Aussenflächen der Rohre kondensiert.
  • Die den Anlagenelementen von Fig. 1 entsprechenden Elemente, wie z.B. Kältemaschine, Heizvorrichtung, Wärmetauscher, Kompressor, Leitungen und dergleichen sind in den Fig. 2 bis 7 sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
  • Der Uebersicht halber sind in denjenigen Ausführungsbei­spielen, in welchen nur die Beladung des Gasspeichers erläutert wird, nur die hierfür massgebenden Anlagenele­mente gezeigt (Fig. 2 bis 5), und in den Ausführungsbei­spielen, in welchen die Entladung des Gasspeichers erläutert wird, nur die hierfür massgebenden Anlagenele­mente dargestellt.
  • Da die Erfindung jedoch in einer Anlage besteht, in welcher sowohl eine Be- als auch Entladung des Gasspei­chers ausgeführt werden kann, weist eine erfindungsgemäss ausgebildete Anlage selbstverständlich alle für eine Be- und Entladung erforderlichen Anlagenelemente auf.
  • In einer in Fig. 2 dargestellten Anlage erfolgt die Beladung des Gasspeichers mit Erdgas in der folgenden Weise: Durch die Leitung 4 wird Erdgas in die Anlage eingespeist und aus ihm in einem Trockner 2 bekannter Bauart das im Erdgas enthaltene Wasser abgeschieden und durch eine Leitung 13 weggeführt. Ohne diese Massnahme könnten noch im Erdgas enthaltene Wasserspuren die nachgeschalteten Anlagenelemente vereisen und verstopfen. Durch eine Leitung 14 wird sodann das Erdgas in einen Wärmetauscher 15 eingeleitet. Hierin wird das Erdgas mit Hilfe von in der Kältemaschine 10 gekühlter Wärme- bzw. Kälteträgerflüssigkeit vorgekühlt. Diese Flüssigkeit wird durch eine Leitung 16, die an die Leitung 7 angeschlossen ist, in den Vorkühler 15 eingeleitet und verlässt diesen durch eine Leitung 17, welche mit der Leitung 8 verbunden ist. Die erreichbare Vorkühlungstemperatur ist durch die Leistung der Kältemaschine 10 und die Eigenschaften der Wärme-Kälteträgerflüssigkeit im wesentlichen bestimmt. Die Kompression des Erdgases auf den für die Lagerung erforderlichen Druck erfolgt im Kompressor 2, der im folgenden mit Hauptkompressor bezeichnet wird. Bei Lagerung des Erdgases im Gasspeicher in gasförmiger Form ist dieser Kompressor der einzige, der für die Durchfüh­rung der Be- und Entladung zwingend ist. Das komprimierte Erdgas wird im Wärmetauscher 3 weiter gekühlt und eine Teilmenge hiervon durch eine Leitung 18 des Gaskreislau­fes in einen Gegenstromwärmetauscher 19 eingeleitet. Die übrige Menge des gekühlten und komprimierten Gases wird aus dem Gaskreislauf durch eine Leitung 20 abgezweigt, in einem Drosselventil 21 unter Ausnutzung des Joule-­Thompson-Effektes entspannt und in den Wärmetauscher 19 eingeleitet. Das sich durch Wärmetausch im Wärmetauscher 19 auf die Lagertemperatur abgekühlte Erdgas wird durch eine Leitung 22 in Pfeilrichtung b in den Gasspeicher eingeleitet.
  • Die in Fig. 3 dargestellte Anlage unterscheidet sich von Fig. 2 nur darin, dass das durch Leitung 20 aus dem Gas­kreislauf abgezweigte Druckgas nicht in einem Drossel­ventil sondern in einer Expansionsturbine 23 entspannt und hierbei gekühlt wird. Die Expansionsturbine 23 treibt einen Kompressor 24 an. Dieser Kompressor saugt das sich während des Wärmetausches erwärmte Gas aus dem Wärme­tauscher 19 an und komprimiert es auf den Ansaugdruck des Hauptkompressors 2.
  • Die in der Fig. 4 dargestellte Anlage unterscheidet sich von den Fig. 2 und 3 im wesentlichen dadurch, dass das Erdgas in flüssiger Form in einem Flüssiggasspeicher gelagert werden soll.
  • Das zu speichernde Gas wird, nachdem im Trockner 12 das in ihm enthaltene Wasser abgetrennt worden ist, in einen Abscheider 25 zur Abtrennung von Kohlendioxid eingelei­tet. Derartige Abscheider sind bekannt. Sie können beispielsweise als eine chemische Kohlendioxid-Wasch­anlage oder als eine Molekularsiebanlage ausgebildet sein. Das Kohlendioxid wird durch eine Leitung 26 aus der Anlage weggeführt. Diese Massnahme wird getroffen, um eine Verstopfung der nachgeschalteten Anlagenelemente mit festem Kohlendioxid zu vermeiden.
  • Nach der Abkühlung des Druckgases im Wärmetauscher 19 wird es in einem Gegenstromwärmetauscher 27 weiter gekühlt und sodann in einem Drosselventil 28 (Joule-­Thompson-Effekt) entspannt, wobei sich das Gas teilweise verflüssigt. Das aus Flüssigkeit und Gas bestehende Gemisch wird sodann in einen Behälter 29 eingeleitet. Das verflüssigte Erdgas wird durch eine Leitung 30 in Pfeil­richtung b in einen Flüssiggasspeicher eingespeist.
  • Das unverflüssigte Erdgas und eventuell weitere vorhande­ne Inertgase werden durch eine Leitung 31 in den Wärme­tauscher 27 eingeleitet, worin sie sich erwärmen. Sodann wird das Gas von einem Kompressor 32 durch eine Leitung 33 angesaugt und auf den Ansaugdruck des Hauptkompressors 2 verdichtet und durch eine Leitung 34 in den Gaskreis­lauf auf der Saugseite des Hauptkompressors 2 eingelei­tet.
  • In der in Fig. 5 dargestellten Anlage wird analog zu Fig. 4 das Erdgas flüssig gespeichert. Abweichend von Fig. 4 wird das im Wärmetauscher 27 gekühlte Erdgas in einer Turbine 35 entspannt, wobei das Gas teilweise sich verflüssigt und sodann in den Behälter 29 eingeleitet. Das nicht verflüssigte Erdgas und die eventuell noch vorhandenen Inertgase werden aus dem Behälter 29 sodann ebenfalls durch eine Leitung 31 in den Wärmetauscher 27 eingeleitet und dort erwärmt. Das erwärmte Erdgas wird sodann durch eine Leitung 36 von einem Kompressor 37 angesaugt und verdichtet. Dieser Kompressor 37 ist von der Expansionsturbine 35 angetrieben. In Serie zum Kompressor 37 ist ein weiterer Kompressor 38 geschaltet, in welchem das Erdgas auf den Ansaugdruck des Hauptkom­pressors 2 des Gaskreislaufes 1 verdichtet und durch eine Leitung 39 in den Gaskreislauf 1 eingeleitet wird.
  • Anhand der in den Fig. 6 und 7 dargestellten Anlagen wird die Entladung von gespeichertem Gas, wie Erdgas, anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
  • Die mit den Anlagenelementen der Fig. 1 bis 5 überein­stimmenden Elemente sind auch in Fig. 6 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
  • Hierbei ist es unerheblich, ob das Erdgas im Speicher als Flüssiggas oder gasförmig gespeichert ist.
  • Im Falle das Erdgas flüssig gespeichert ist, wird die Flüssigkeit auf den Austrittsdruck des Hauptkompressors 2 durch eine nicht dargestellte Pumpengruppe gepumpt und durch die Leitung 6 in die Anlage eingespeist.
  • Eine Teilmenge des Kaltgases bzw. der kalten Flüssigkeit wird durch eine Leitung 40 in ein Mischorgan 41, das beispielsweise ein statischer Mischer sein kann, zusammen mit komprimiertem, warmem Kreislaufgas eingeleitet. Das Kreislaufgas wird durch die Kompressionswärme des Haupt­kompressors 2 erwärmt.
  • Die Temperatur des aus dem Mischorgan 41 austretenden Gasgemisches darf nicht tiefer sein, als die tiefste Temperatur der mit der Kältemaschine 10 erzeugbaren Temperatur, da sonst die Wärme- bzw. Kälteträgerflüssig­keit im Wärmetauscher 3 zu zähflüssig werden könnte bzw. sogar einfrieren könnte.
  • Im vorliegenden Fall arbeitet der Wärmetauscher 3 als Heizelement für das Gasgemisch. Zu diesem Zweck wird anstelle der Kältemaschine 10 die Heizvorrichtung 11 eingeschaltet, in welcher die Wärme- bzw.
  • Kälteträgerflüssigkeit auf die erforderliche Temperatur erwärmt wird und durch die Leitungen 7 und 7′ in den Wärmetauscher 3 eingeleitet und nach erfolgtem Wärme­tausch durch die Leitungen 8′ und 8 wieder in die Heiz­vorrichtung 11 rezirkuliert wird.
  • Da in vielen Fällen das auszuspeichernde Kaltgas bzw. das Flüssiggas in dem vorstehend beschriebenen Verfahrens­schritt (Mischorgan 41 und Wärmetauscher 3) wegen der vorstehend erwähnten tiefsten Temperaturgrenze nicht auf die gewünschte Temperaturhöhe gebracht werden kann, muss dieses Verfahren in mehreren Stufen durchgeführt werden.
  • Im Ausführungsbeispiel ist nur eine zweite Stufe darge­stellt. Jedoch können selbstverständlich auch mehrere derartige Stufen zur Anwendung kommen.
  • In Fig. 6 wird die übrige Teilmenge von Kaltgas bzw. Flüssiggas durch eine Leitung 42 von der Leitung 6 entnommen und in einem zweiten Mischorgan 43 mit erwärm­tem Kreislaufgas gemischt. Das Gasgemisch, das die tiefste Temperatur im Gaskreislauf aufweist, wird sodann in einem Wärmetauscher 44, der von erhitzter Wärme- bzw. Kälteträgerflüssigkeit durchströmt wird, erwärmt, sodann in einem Ventil 45 auf den Ansaugdruck des Hauptkompres­sors 2 entspannt. Dieser Ansaugdruck ist identisch mit dem Verbraucherdruck, z.B. eines Pipelinesystems. Die einem Verbraucher zuzuführende Gasmenge wird aus dem Kreislauf 1 entnommen und im Wärmetauscher 15, der in diesem Fall als Heizelement wirkt, auf die Verbraucher­temperatur, z.B. Umgebungstemperatur erwärmt und durch die Leitung 4 in Pfeilrichtung a dem Verbraucher zuge­führt.
  • Die in Fig. 7 dargestellte Anlage bezieht sich wie Fig. 6 auf die Entladung eines Kaltgas- oder Flüssiggasspei­chers.
  • Die Abweichung von Fig. 6 besteht im wesentlichen in einer besonderen Ausbildung der Heizvorrichtung der Wärme- bzw. Kälteträgerflüssigkeit.
  • Der Hauptkompressor 2 wird im vorliegenden Fall von einer Gasturbine 46 angetrieben. Eine Waschkolonne 47 bekannter Bauart dient für die Rückgewinnung der Gasturbinenab­wärme. Die Gasturbine 46 wird mit Luft durch Anschluss 48 und mit Brennstoff, z.B. Erdgas durch Anschluss 49 gespeist. Zusätzlich zu der mechanischen Antriebsenergie für den Hauptkompressor 2 liefert die Gasturbine 46 Abgase, welche durch eine Leitung 50 in die Waschkolonne 47 eingespeist werden. Diese Abgase, die z.B. eine Temperatur von ca. 450 bis 550°C aufweisen, enthalten Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid und einen wesentli­chen Anteil von Wasserdampf, welcher bei der Verbrennung des Brennstoffes entsteht.
  • In der Kolonne 47 ist eine Flüssig/Gas-Kontaktvorrichtung 51 angeordnet, die z.B. aus einem statischen Mischer oder einer Kolonnenpackung bekannter Bauart bestehen kann. Die Heizvorrichtung 11′ ist in diesem Fall als Wärmetauscher ausgebildet. Wasser aus diesem Wärmetauscher von z.B. 20°C wird auf die Kontaktvorrichtung 51 in der Waschko­lonne 47 durch einen Verteiler 52 gesprüht. Durch direk­ten Wärmetausch mit den Abgasen entsteht im Sumpf der Waschkolonne 47 ein schwach aufgewärmtes Wasser von z.B. ca. 30°C, welches mit einer Pumpe 53 in den Wärmetauscher 11′ gefördert wird. Das Wasser wird anschliessend im Gegenstrom zu der Wärme- bzw. Kälteträgerflüssigkeit auf z.B. ca. 20°C gekühlt. Die erwärmte Wärme- bzw. Kälte­trägerflüssigkeit wird in die Leitung 7 eingespeist.
  • Das Abgas, das die Waschkolonne 47 durch eine Leitung 54 verlässt, besitzt die gleiche Temperatur wie der Sumpf der Waschkolonne 47, z.B. 30°C.
  • Bei so tiefen Temperaturen kondensiert der grösste Teil des Verbrennungswassers und erzeugt zusätzliche Wärme, die in den Wärmetauschern 11′, 15, 3 und 44 rekuperiert wird. Die Kondensation des Verbrennungswassers hat einen Ueberschuss an Flüssigkeit in der Kolonne 47 zur Folge. Daher muss periodisch oder kontinuierlich durch eine nicht dargestellte Leitung Flüssigkeit aus der Kolonne entleert werden. Deshalb verbraucht die Waschanlage kein Wasser, und benötigt daher keine Wasseraufbereitung.
  • Abschliessend sei erwähnt, dass anstelle einer Kälte­maschine, welche die Wärme- bzw. Kälteträgerflüssigkeit kühlt, auch eine Absorptionskälteanlage verwendet werden kann. Die Abgaswärme der Gasturbine kann vorteilhaft als Wärmequelle für diese Absorptionskälteanlage eingesetzt werden.
  • Wenn die Aufgabe einer erfindungsgemäss ausgebildeten Anlage in der Kompensation von periodischen und starken Verbraucherschwankungen besteht, was häufig der Fall ist, ist ein vollautomatischer Betrieb der Anlage zweckmässig. Eine vollautomatische Umschaltung von einer Be- zu einer Entladung eines Gases und umgekehrt ist von besonderem wirtschaftlichem Interesse und wird wesentlich erleich­tert, wenn sowohl für die Be- wie die Entladung eines Speichers dieselbe Wärme- bzw. Kälteträgerflüssigkeit verwendet wird, da in diesem Fall zwischen einer Be- und Entladung des Speichers die Flüssigkeitsleitungen nicht entleert werden müssen.

Claims (14)

1. Anlage für die periodische Be- und Entladung eines Gasspeichers, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage einen Gaskreislauf aufweist, in welchem mindestens ein Kompressor und mindestens ein Wärmetauscher angeordnet sind, und dass an dem Gaskreislauf minde­stens eine Leitung angeschlossen ist, die für die Zuführung von zu speicherndem Gas oder für die Entnahme von gespeichertem Gas dient, und dass der Gaskreislauf weiterhin durch mindestens eine Leitung mit dem Gasspeicher verbunden ist, und dass der im Gaskreislauf angeordnete Wärmetauscher eine Zu- und eine Ableitung für eine Wärme- bzw. Kälteträgerflüs­sigkeit aufweist, wobei diese Leitungen an eine Kältemaschine und an eine Heizvorrichtung angeschlos­sen sind.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Gaskreislauf auf der Druckseite des Kompressors mindestens ein statischer Mischer angeordnet ist, an welchen die Verbindungsleitung zum Gasspeicher derart angeschlossen ist, dass der statische Mischer im Gleichstrom vom Kreislaufgas und gespeichertem Gas durchströmt wird.
3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung für die Zuführung von zu speicherndem Gas bzw. für die Entnahme von gespeichertem Gas mindestens ein Wärmetauscher angeordnet ist, welcher eine Zu- bzw. Ableitung für die Wärme- bzw. Kälte­trägerflüssigkeit aufweist, wobei diese Leitungen an die Kältemaschine und an die Heizvorrichtung ange­schlossen sind.
4. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Gaskreislauf ein Gegenstromwärmetauscher ange­schlossen ist, welcher einerseits von einer Teilmenge des Druckgases des Gaskreislaufes durchströmt wird, welche durch die Verbindungsleitung dem Gasspeicher zugeführt wird, während für die übrige Menge des Druckgases an den Gaskreislauf eine Leitung ange­schlossen ist, in welcher ein Entspannungsorgan angeordnet ist, wobei diese Leitung in den Wärme­tauscher mündet und sich nach Durchströmung des Wärmetauschers in der Saugleitung des Kompressors des Gaskreislaufes fortsetzt.
5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass hinter dem Gegenstromwärmetauscher in Strömungsrich­tung des gekühlten Gases ein weiterer Gegenstrom­wärmetauscher angeordnet ist, welcher ausgangsseitig mit einer Leitung verbunden ist, in welcher ein Entspannungsorgan angeordnet ist und diese Leitung hinter dem Entspannungsorgan in einen Behälter für die Aufnahme von verflüssigtem Gas mündet, wobei an den Behälter eine Verbindungsleitung zu einem Flüs­siggasspeicher angeschlossen ist, und wobei weiterhin der Behälter gasseitig durch eine Leitung mit dem Wärmetauscher verbunden ist, und sich diese Leitung nach Durchströmung des Wärmetauschers in einer Ansaugleitung eines Kompressors fortsetzt, wobei dieser Kompressor auf seiner Druckseite eine Verbindungsleitung mit dem Gaskreislauf auf der Saug­seite des darin angeordneten Kompressors aufweist.
6. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor des Gaskreislaufes von einer Gasturbi­ne angetrieben ist, und dass eine Abgasleitung der Gasturbine mit einer Waschkolonne verbunden ist, an welche ein Kamin angeschlossen ist und zwei Verbin­dungsleitungen mit der Heizvorrichtung der Wärme- bzw. Kälteträgerflüssigkeit, wobei die eine Leitung an den Kopf der Waschkolonne und die andere an den Boden der Waschkolonne angeschlossen ist, und in einer der Leitungen eine Förderpumpe angeordnet ist.
7. Verfahren zum Speichern von Gas unter einem höheren Druck und einer tieferen Temperatur als der Druck und die Temperatur einer Gasquelle in einer Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Beladens Gas in den Gaskreislauf eingespeist, kompri­miert und gekühlt und sodann in den Gasspeicher eingeleitet wird, wobei die Kühlung mit Hilfe einer, in einer Kältemaschine gekühlten Wärme- bzw. Kälte­trägerflüssigkeit durch indirekten Wärmetausch erfolgt.
8. Verfahren für die Entladung von kaltem, unter Druck, in einem Gasspeicher gelagerten Gas zwecks Zuführung zu mindestens einem Verbraucher, wobei das gelieferte Gas Umgebungstemperatur und einen tieferen Druck als der Speicherdruck aufweist, in einer Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gespei­cherte Gas zunächst mit warmem, komprimiertem Kreis­laufgas gemischt wird, und dass die entstandene Mischung erwärmt wird, und dass eine Teilmenge des erwärmten Gases dem Verbraucher zugeführt wird, während die übrige Menge des erwärmten Gases im Gaskreislauf zurückströmt und komprimiert wird, und dass dieses Gas durch indirekten Wärmetausch mit, in der Heizvorrichtung erwärmter Wärme- bzw. Kälteträ­gerflüssigkeit erwärmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung des ausgespeicherten Gases mit Kreislaufgas in mehreren, bezüglich des Gaskreislau­fes in Serie geschalteten Stufen erfolgt, und dass die Mischung nach jeder Stufe wieder erwärmt wird, wobei das ausgespeicherte Gas in jede Stufe in einer solchen Menge zugeführt wird, dass nach jedem Misch­vorgang eine vorgewählte, minimale Temperatur nicht unterschritten wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das der Speicherung aus dem Gaskreislauf zuzu­führende Gas durch indirekten Wärmeaustausch mit einer Teilmenge von, in einem Drosselorgan entspann­ten Kreislaufgas nachgekühlt wird, wobei dieses, während des Wärmeaustausches sich erwärmte Gas auf der Saugseite des Kompressors in den Gaskreislauf zurückgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8 in einer Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgas­wärme der Gasturbine als Heizquelle für die Heizvor­richtung der Wärme- bzw. Kälteträgerflüssigkeit verwendet wird, derart, dass die Abgase der Gastur­bine mit Wasser in Kontakt gebracht werden, wobei sich das Wasser erwärmt und das so erwärmte Wasser Wärme am die Wärme- bzw. Kälteträgerflüssigkeit der Heizvorrichtung abgibt.
12. Verfahren nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeich­net, dass als Wärme- bzw. Kälteträgerflüssigkeit sowohl für die Heizung als auch für die Kühlung des Kreislaufgases die gleiche Flüssigkeit verwendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit einen Partialdruck von weniger als 2 bar bei 200°C, eine Viskosität von weniger als 10 cP bei -30°C, und keine wesentliche Korrosion von rostfreiem Stahl bei 100°C sowie keine wesentliche Zersetzung bei 150°C aufweist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit Dowtherm J, Paracryol, eine Methanol-Wasser-Mischung oder eine Glykol-Wasser-­Mischung verwendet wird.
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