EP0470532B1 - Verfahren zum Verdampfen von flüssigem Erdgas - Google Patents

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EP0470532B1
EP0470532B1 EP91113073A EP91113073A EP0470532B1 EP 0470532 B1 EP0470532 B1 EP 0470532B1 EP 91113073 A EP91113073 A EP 91113073A EP 91113073 A EP91113073 A EP 91113073A EP 0470532 B1 EP0470532 B1 EP 0470532B1
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EP
European Patent Office
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natural gas
fluid
cycle
stage
heated
Prior art date
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EP91113073A
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English (en)
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EP0470532A1 (de
Inventor
Hans Dr.-Ing. Schmidt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C9/00—Methods or apparatus for discharging liquefied or solidified gases from vessels not under pressure
    • F17C9/02—Methods or apparatus for discharging liquefied or solidified gases from vessels not under pressure with change of state, e.g. vaporisation
    • F17C9/04—Recovery of thermal energy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C9/00—Methods or apparatus for discharging liquefied or solidified gases from vessels not under pressure
    • F17C9/02—Methods or apparatus for discharging liquefied or solidified gases from vessels not under pressure with change of state, e.g. vaporisation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2265/00—Effects achieved by gas storage or gas handling
    • F17C2265/05—Regasification

Definitions

  • the invention relates to a method for vaporizing liquid, pressurized natural gas with energy generation by heating and vaporizing the liquid natural gas in a multi-stage heat exchange with fluids conducted in separate circuits, with part of the natural gas warmed to ambient temperature being used as the fluid for a first circuit branched off, relieved of work, condensed in the heat exchange with liquid natural gas, pumped to the pressure level of the liquid natural gas and admixed with the natural gas to be heated before the first heat exchange stage.
  • the present invention was therefore based on the object of developing the method of the type mentioned at the outset in such a way that a lower investment cost, combined with an equally good or even better energy recovery, is ensured.
  • the fluid of the first circuit is divided into two partial flows after the work-related relaxation and condensation, one of which is compressed to the pressure of the natural gas to be evaporated and mixed with it and the second parallel to the natural gas to be evaporated, but separately from this through all heat exchange stages, evaporated, warmed and then released as a natural gas low-pressure product.
  • the fluid of the first circuit that is to say natural gas warmed to ambient temperature
  • the fluid of the first circuit is expanded to the desired delivery pressure in the process according to the invention and then condensed against liquid natural gas to be heated.
  • a partial stream of the fluid is compressed to the pressure of the liquid natural gas stream and mixed again.
  • the other partial flow is evaporated and warmed up again parallel to the path of the natural gas flow and drawn off as a separate product gas flow.
  • the partial flow is expediently drawn off after the condensation of the fluid, since the composition of the product stream is only equal to the composition of the liquid natural gas fed into the system in the event of strongly fluctuating operating conditions.
  • the amount of fluid diverted from the vaporized natural gas flow depends on the desired amount of product gas that is to be delivered at a lower pressure level than the liquid natural gas feed stream.
  • the process according to the invention can also be used to process liquid natural gas flows of different inlet pressures by bringing them to a common high pressure and evaporating the total flow in the heat exchange with fluids from several circuits.
  • product streams of different pressures can advantageously be generated in a system without increasing the number of system components involved in the method compared to the prior art.
  • a plurality of product streams can also be generated at different pressure levels, for which the fluid of the first circuit is expanded in a multi-stage, work-performing manner.
  • the multi-stage work-relieving relaxation can be carried out by expansion machines connected in series as well as with units operated in parallel. If the expansion machines are connected in series, at least part of the already reduced pressure fluid is further expanded. If the expansion machines are connected in parallel, the fluid is distributed to branch flows, each of which is expanded to different pressure levels.
  • parallel and serial modes of operation of the expansion machines can also be combined with one another.
  • the multi-stage relaxation work is carried out by distributing the fluid of the first circuit to branch streams before it releases the work is, each of which is relieved of work and condensed in different condensation stages, whereupon a partial flow is branched off and heated and drawn off parallel to the path of the natural gas to be heated.
  • the fluid of the first circuit is expanded in a one-stage work-performing manner.
  • this procedure contains an advantageous aspect.
  • the further treatment of the work-relieved relaxed fluid of the first circuit can be chosen such that branch streams branched on partial streams are omitted, while only the branch stream to be completely mixed again with the natural gas to be evaporated is retained after its condensation.
  • the described procedure represents only a particularly preferred special case of the possibilities of multi-stage relaxation.
  • the branch streams generated in serial mode of operation can be used, since the invention can be applied to all multi-stage fluid streams relaxed .
  • a fluid is conducted in a second circuit, which is relaxed in a one-stage work-performing manner after heating to ambient temperature in order to obtain energy.
  • This embodiment of the method according to the invention can also be modified in that a fluid is conducted in a second circuit which, after heating to ambient temperature, is broken down into partial streams which are expanded in a work-producing manner in order to obtain energy.
  • mixture circuits are particularly favorable. It is proposed to use a C1 / C2 / C3 hydrocarbon mixture or a C1 / C2 hydrocarbon mixture or a C2 / C3 hydrocarbon mixture as the fluid of the second circuit.
  • C1 to C6 hydrocarbons are also particularly favorable to use a mixture of C1 to C6 hydrocarbons as the fluid of the second circuit, the C2 content being less than 90 mol%.
  • the designations C1 to C6 denote hydrocarbons with one to six carbon atoms.
  • the selection of the heat-exchanging fluid of the second circuit depends on the composition of the natural gas stream to be evaporated in order to make the thermal contact of the streams with one another particularly efficient and to provide the greatest possible energy for work-related relaxation.
  • Pure substances can also be used as fluids of the second circuit.
  • ammonia, propane or chlorofluorocarbons can be used favorably. In the latter case, there is also the possibility of mixing different chlorofluorocarbons for the fluid.
  • the fluid of the further circuit is advantageously expanded in a single stage or, with particular preference, also in a multi-stage work-performing manner.
  • Every process for the vaporization of liquid natural gas with simultaneous energy generation is based on the principle, a heating medium that is at the highest temperature level participates in the heat exchange to withdraw the required energy in the form of heat. It is particularly favorable for the invention if the circulation fluids are heated to ambient temperature in the last heat exchange stage by heat exchange with a glycol-water solution.
  • the number of separate circuits is limited to the first fluid circuit and the circuit of the heating medium.
  • a further embodiment of the method according to the invention provides that the fluids of the second and / or third circular run after their condensation against natural gas to be heated and pumps at elevated pressure in whole or in part in order to conduct the condensation level corresponding to the pressure level and to participate in the heat transfer only at the next higher heat exchange level.
  • the device used to carry out the method consists of heat exchange / condensation stages, at different temperature levels for the heat exchange of the circulating fluids with the natural gas to be evaporated, at least one heating stage in which the natural gas and the circulating fluids are heated to the highest process temperature against a heating medium, expansion machines for work relaxation and pumps for the recompression of the fluids condensed during heat exchange.
  • the heat exchange / condensation stages it is particularly favorable to design the heat exchange / condensation stages as straight tube heat exchangers with multiple tube paths or bundles, or as wound tube heat exchangers with multiple tube paths.
  • Another option is to use straight tube heat exchangers with only one tube path. In this case, several of these heat exchangers are connected in parallel for each heat exchange / condensation stage.
  • FIG. 1 shows the execution of the method according to the invention, in which a second fluid circuit is used in addition to the heating circuit and the first circuit.
  • a liquid, pressurized natural gas stream 1 is heated in a heat exchanger E1 against condensing natural gas from line 2b.
  • this liquid natural gas stream can be composed of individual streams which are brought to a common high pressure.
  • heat exchanger E2 the natural gas stream to be evaporated is further heated against the fluid of a second circuit which is conducted in the circuit of lines 3a, 3b and 3c.
  • the final heating of the natural gas is carried out in heat exchanger H3A in countercurrent to the heating medium to be cooled from line 4.
  • part of the gaseous natural gas stream 1 warmed to ambient temperature is drawn off via a branch line 2a, expanded in a work-performing manner in expansion machine X1, and condensed in heat exchanger / condensation stage E1.
  • a partial stream 2c intended for delivery is separated off and heated and evaporated in the heat exchangers E1, E2 and H3B parallel to the natural gas path.
  • This partial flow forms the natural gas low-pressure product.
  • the Residual condensed natural gas of line 2b is, as in the known method, compressed by pump P1 and mixed with the liquid natural gas stream 1 to be evaporated.
  • the fluid of the second circuit draws its energy for work performance and natural gas heating from the heating medium provided in line 4.
  • the fluid of the second circuit After passing through heat exchanger H3C, the fluid of the second circuit has evaporated and is fed through line 3a to the expansion turbine X2 and expanded in a work-performing manner.
  • the resulting pressure-reduced stream 3b is then condensed in heat exchanger E2 against condensed pressure-increased fluid of the second circuit, the natural gas stream to be heated in line 1 and the natural gas low-pressure product stream to be heated in parallel and brought to increased pressure again by means of pump P2.
  • the medium used to heat the fluids to the highest process temperature is fed via line 4, and through the parallel heat exchangers H3A (in thermal contact with the natural gas to be evaporated under high pressure), H3B (in thermal contact with the low-pressure product to be heated) and heat exchanger H3C (in thermal contact with fluid to be evaporated from the second circuit) and drawn off after the heat removal via line 5.
  • H3A in thermal contact with the natural gas to be evaporated under high pressure
  • H3B in thermal contact with the low-pressure product to be heated
  • heat exchanger H3C in thermal contact with fluid to be evaporated from the second circuit
  • the method according to the invention provides significant advantages compared to the simplest method variant of DE-A 38 36 061. While the method according to the invention manages with only one evaporation system, in a method according to the state of the art Technology two separate systems can be used. The mechanical effort is halved accordingly by using the invention.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the method according to the invention, in which two circulating fluids are expanded in a multi-stage, work-performing manner.
  • natural gas streams which have different admission pressure, are brought to a common increased pressure and fed to the natural gas evaporation plant in the common line 1.
  • This common stream is heated and evaporated in gradual thermal contact with the heat exchange fluids of the individual circuits.
  • Part of the high-pressure product formed is drawn off in line 2c, while the remaining part is relaxed in the expansion machine X4 while performing work.
  • the pressure-reduced product formed in line 2b is then heated in heat exchanger H3E against heating fluid to ambient temperature. Part of this product is drawn off via line 2b ', while the part which is discharged via line 2a forms the fluid of the first circuit.
  • the fluid stream 2a is divided into the branch streams 3a and 3b for energy generation, and these streams are expanded in the expansion machines X1B and X1A to different pressure levels while performing work.
  • the relaxed branch flow 3a is condensed in heat exchanger E1A against liquid natural gas to be heated in line 1. After the condensation, a partial stream at reduced pressure is drawn off and heated and evaporated parallel to the remaining natural gas path and drawn off as product in line 4. The rest of the condensed portion is compressed to the natural gas pressure by means of pump P1A and mixed with the liquid natural gas before it passes through the first heat exchanger.
  • the relaxed branch flow 3b is carried out in an analogous manner, with the heat exchange or condensation in heat exchanger E1B of the flows taking place at a higher temperature / heat exchange level.
  • each pressure level corresponds to a heat exchange / condensation level of the fluid assigned to it.
  • the heat exchange stage at the lowest temperature level must be used, while the condensation / heat exchange stages at the higher temperature level can be charged with increasing pressure.
  • the fluid of the second circuit is also expanded in a two-stage work-performing manner by distributing the evaporated fluid stream 6 leaving the heating stage H3D to branch streams 6a and 6b. These are brought to different pressures by means of expansion machines X2A and X2B, condensed against natural gas and fluid to be heated in condensation stages E2A and E2B according to their pressure level and mixed again after compression to a common pressure in pumps P2A and P2B.
  • the fluid of the third circuit 7 is expanded in a one-stage work-performing manner by means of expansion machine X3 and is condensed in condensation stage E3 against natural gas of different pressures. After compression in P3 to the outlet pressure and passage through heat exchange stages E3 and H3F, the cycle closes. Analogous to the first two circuit fluids, the fluid of the third circuit can be expanded in several stages.
  • the heat required for energy production and vaporization of natural gas comes from a heating circuit, which is indicated by lines 8 and 9.
  • the warm heating medium 8 is distributed to the heating stages H3A to H3F and releases its heat there to the vaporized natural gas product streams of different pressures and the fluids of the first to third circuits.
  • the cooled heating medium is drawn off via line 9.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdampfen von flüssigem, unter Druck stehendem Erdgas mit Energiegewinnung, indem das flüssige Erdgas in mehrstufigem Wärmetausch mit in voneinander getrennten Kreisläufen geführten Fluiden angewärmt und verdampft wird, wobei als Fluid für einen ersten Kreislauf ein Teil des auf Umgebungstemperatur angewärmten Erdgases abgezweigt, arbeitsleistend entspannt, im Wärmetausch mit flüssigem Erdgas kondensiert, auf das Druckniveau des flüssigen Erdgases gepumpt und dem anzuwärmenden Erdgas vor der ersten Wärmetauschstufe wieder zugemischt wird.
  • Aus der deutschen Anmeldung DE-A 38 36 061 ist ein Verfahren zum Verdampfen von flüssigem Erdgas bekannt. Dort wird als Fluid des ersten Kreislaufes verdampftes und auf Umgebungstemperatur angewärmtes Erdgas verwendet. Dazu wird ein Teilstrom des Erdgases arbeitsleistend entspannt, im Wärmetausch mit flüssigem Erdgas kondensiert und nach Verdichtung auf den Druck des Erdgasstromes dem flüssigen Erdgas zur erneuten Verdampfung wieder zugespeist. In zumindest einem weiteren, getrennten Kreislauf wird ein Fluid geführt, welches im Wärmetausch mit einem Heizmedium verdampft, arbeitsleistend entspannt, gegen anzuwärmendes Erdgas kondensiert und vor seiner erneuten Verdampfung auf erhöhten Druck komprimiert wird.
  • Sollen beim bekannten Verfahren jedoch Erdgasströme unterschiedlichen Druckes bearbeitet und abgegeben werden, so ist notwendig für jedes gewünschte Druckniveau eine getrennte Anlage zur Verfügung zu stellen. Dadurch erhöht sich die Gesamtzahl der einzusetzenden Anlagenbauteile, was eine Erhöhung des Investitionskostenaufwandes mit sich bringt.
  • Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß ein geringerer Investitionskostenaufwand, verbunden mit einer gleich guten oder sogar besseren Energierückgewinnung gewährleistet ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Fluid des ersten Kreislaufes nach der arbeitsleistenden Entspannung und Kondensation in zwei Teilströme aufgeteilt wird, wovon der eine auf den Druck des zu verdampfenden Erdgases komprimiert und mit diesem vermischt wird und der zweite parallel zum zu verdampfenden Erdgas, aber getrennt von diesem durch sämtllche Wärmetauschstufen geführt, dabei verdampft, angewärmt und danach als Erdgas-Niederdruckprodukt abgegeben wird.
  • Das Fluid des ersten Kreislaufes, also auf Umgebungstemperatur angewärmtes Erdgas, wird beim erfindungsgemäßen Verfahren auf den gewünschten Abgabedruck entspannt und danach gegen anzuwärmendes flüssiges Erdgas kondensiert. Ein Teilstrom des Fluids wird, wie im bekannten Verfahren, auf den Druck des flüssigen Erdgasstromes komprimiert und diesem wieder zugemischt. Der weitere Teilstrom dagegen wird parallel zum Weg des Erdgasstromes erneut verdampft und angewärmt und als getrennter Produktgasstrom abgezogen. Der Abzug des Teilstromes erfolgt zweckmäßigerweise nach der Kondensation des Fluids, da nur so bei stark schwankenden Betriebsbedingungen die Zusammensetzung des Produktstromes gleich der Zusammensetzung des in die Anlage gespeisten flüssigen Erdgases ist.
  • Die aus dem verdampften Erdgasstrom abgezweigte Fluidmenge richtet sich hierbei nach der gewünschten Produktgasmenge, die auf einem niedrigeren Druckniveau als der flüssige Erdgaseinsatzstrom abgegeben werden soll.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auch flüssige Erdgasströme unterschiedlichen Eingangsdruckes verarbeiten, indem sie auf einen gemeinsamen hohen Druck gebracht werden und der Gesamtstrom im Wärmetausch mit Fluiden mehrerer Kreisläufe verdampft wird.
  • Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens können vorteilhaft in einer Anlage Produktströme unterschiedlichen Druckes erzeugt werden, ohne die Anzahl der am Verfahren beteiligten Anlagenbauteile gegenüber dem Stand der Technik zu erhöhen.
  • In Ausgestaltung der Erfindung können auch mehrere Produktströme auf unterschiedlichem Druckniveau erzeugt werden, wofür das Fluid des ersten Kreislaufes mehrstufig arbeitsleistend entspannt wird. Die mehrstufige arbeitsleistende Entspannung kann dabei sowohl durch in Reihe geschaltete Expansionsmaschinen erfolgen, wie auch mit parallel betriebenen Aggregaten durchgeführt werden. Sind die Expansionsmaschinen in Reihe geschaltet, wird zumindest ein Teil des bereits druckreduzierten Fluides weiter entspannt. Werden die Expansionsmaschinen parallel geschaltet, so wird das Fluid auf Zweigströme verteilt, die jeder für sich auf verschiedene Druckniveaus entspannt werden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren können auch parallele und serielle Betriebsweisen der Expansionsmaschinen miteinander kombiniert werden.
  • In einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante wird die mehrstufige arbeitsleistende Entspannung durchgeführt, indem das Fluid des ersten Kreislaufes vor seiner arbeitsleistenden Entspannung auf Zweigströme verteilt wird, von denen jeder für sich arbeitsleistend entspannt und in unterschiedlichen Kondensationsstufen kondensiert wird, woraufhin jeweils ein Teilstrom abgezweigt und parallel zum Weg des anzuwärmenden Erdgases erwärmt und abgezogen wird.
  • Bei der Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es keineswegs notwendig, daß von allen arbeitsleistend entspannten Zweigströmen Teilströme abgetrennt werden, vielmehr besteht die Möglichkeit, daß nicht nach jeder Kondensationsstufe ein Teilstrom abgezweigt und parallel zum zu verdampfenden Erdgas verdampft, angewärmt und abgegeben wird. Ist beispielsweise vorgesehen, das Fluid des ersten Kreislaufes zweistufig arbeitsleistend zu entspannen, so ist, je nach den Verfahrensvorgaben, die Erzeugung eines oder zweier Teilströme auf niedrigerem Druckniveau möglich. Die Erzeugung nur eines Teilstromes impliziert, daß der zweite Zweigstrom nach seiner Kondensation dem zu verdampfenden Erdgas vollständig wieder zugemischt wird.
  • Diese vorgenannten erfindungsgemäßen Maßnahmen bieten den Vorteil mehrere Erdgasströme unterschiedlichen Druckes in einer Anlage zu erzeugen. Es werden zwar mehr Expansionsturbinen eingesetzt als im einfachsten erfindungsgemäßen Fall, doch es wird die Effizienz des Verfahrens durch feiner abstufbare Wärmeübergänge und vermehrte Energierückgewinnung gesteigert. Gegenüber dem Grundprinzip der Erfindung sieht diese Weiterbildung vor, zunächst Zweigströme des ersten Fluides zu bilden und diese getrennt arbeitsleistend zu entspannen. Die Entspannung erfolgt dabei auf unterschiedliche Druckniveaus, wodurch für die Kondensation der jeweiligen Ströme unterschiedliche Kondensationsstufen, d.h. Wärmetauschstufen, benötigt werden. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, daß der flüssige, zu verdampfende Erdgasstrom durch verfahrensgünstig fein abgestuften indirekten Wärmeaustausch angewärmt und verdampft wird.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird das Fluid des ersten Kreislaufes einstufig arbeitsleistend entspannt.
  • Als Sonderfall der mehrstufigen Entspannung beinhaltet dieses Vorgehen einen vorteilhaften Aspekt. Die weitere Behandlung des arbeitsleistend entspannten Fluids des ersten Kreislaufes kann dahingehend gewählt werden, daß auf Teilsträme verzweigte Zweigströme entfallen, während nurmehr der nach seiner Kondensation vollständig dem zu verdampfenden Erdgas wieder zuzumischende Zweigstrom erhalten bleibt.
  • Das geschilderte Vorgehen stellt nur einen besonders bevorzugten Spezialfall der Möglichkeiten der mehrstufigen Entspannung dar. In gleicher Weise wie mit den in paralleler arbeitsleistender Entspannung gewonnenen Zweigströmen kann mit den in serieller Betriebsweise erzeugten Zweigströmen verfahren werden, da die Erfindung auf alle mehrstufig arbeitsleistend entspannten Fluidströme anwendbar ist.
  • Parallel zum ersten Fluidkreislauf wird, in einem zweiten Kreislauf, ein Fluid geführt, welches nach Anwärmung auf Umgebungstemperatur zur Gewinnung von Energie einstufig arbeitsleistend entspannt wird. Auch diese erfindungsgemäße Ausführung des Verfahrens kann dadurch abgewandelt werden, daß in einem zweiten Kreislauf ein Fluid geführt wird, welches nach Anwärmung auf Umgebungstemperatur in Teilströme zerlegt wird, welche zur Gewinnung von Energie arbeitsleistend entspannt werden.
  • Besonders günstig ist die Verwendung von Gemischkreisläufen. So wird vorgeschlagen, als Fluid des zweiten Kreislaufes eine C₁/C₂/C₃-Kohlenwasserstoff-Mischung oder eine C₁/C₂-Kohlenwasserstoff-Mischung bzw. eine C₂/C₃-Kohlenwasserstoff-Mischung zu verwenden.
  • Besonders günstig ist weiterhin als Fluid des zweiten Kreislaufes eine Mischung aus C₁- bis C₆-Kohlenwasserstoffen zu verwenden, wobei der C₂-Anteil weniger als 90 Mol% beträgt. Die Bezeichnungen C₁ bis C₆ kennzeichnen Kohlenwasserstoffe mit einem bis sechs Kohlenstoffatomen.
  • Die Auswahl des wärmetauschenden Fluids des zweiten Kreislaufes richtet sich dabei nach der Zusammensetzung des zu verdampfenden Erdgasstromes, um den Wärmekontakt der Ströme untereinander besonders effizient zu gestalten und die größtmögliche Energie für die arbeitsleistende Entspannung zur Verfügung zu stellen.
  • Als Fluide des zweiten Kreislaufes können weiterhin auch Reinstoffe verwendet werden. So ist erfindungsgemäß günstig Ammoniak, Propan oder Fluorchlorkohlenwasserstoffe einzusetzen. Bei letzteren besteht darüberhinaus die Möglichkeit, für das Fluid verschiedene Fluorchlorkohlenwasserstoffe zu mischen.
  • Wie bereits erwähnt, gilt der Grundsatz, daß, je besser gestaffelt der Wärmeübergang betrieben werden kann, um so günstiger ist die Effizienz des Verfahrens. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, zwischen dem ersten und dem zweiten Kreislauf einen weiteren Kreislauf einzusetzen, wobei als Fluid dieses Kreislaufes Ethan oder ein anderer Stoff mit ähnlicher Dampfdruckkurve verwendet wird.
  • Das Fluid des weiteren Kreislaufes wird mit Vorteil einstufig oder mit besonderem Vorzug ebenfalls mehrstufig arbeitsleistend entspannt.
  • Jedem Verfahren zur Verdampfung von flüssigem Erdgas unter gleichzeitiger Energiegewinnung liegt das Prinzip zugrunde, einem Heizmedium, welches auf höchstem Temperaturniveau am Wärmetausch teilnimmt, die benötigte Energie in Form von Wärme zu entziehen. Besonders günstig für die Erfindung ist, wenn die Erwärmung der Kreislauffluide auf Umgebungstemperatur in der letzten Wärmetauschstufe durch Wärmetausch mit einer Glykol-Wasser-Lösung erfolgt.
  • Im einfachsten Fall des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Zahl der voneinander getrennten Kreisläufe auf den ersten Fluidkreislauf und den Kreislauf des Heizmediums beschränkt.
  • Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, die Fluide des zweiten und/oder dritten Kreis-
    laufes nach ihrer Kondensation gegen anzuwärmendes Erdgas und Pumpen auf erhöhten Druck ganz oder teilweise um die, dem Druckniveau entsprechende Kondensationsstufe zu führen und erst bei der nächsthöheren Wärmetauschstufe am Wärmeübergang zu beteiligen.
  • Um den Energieinhalt des auf Umgebungstemperatur angewärmten Erdgases optimal zu nutzen, wird weiterhin vorgeschlagen, wenigstens einen Teil dieses angewärmten Erdgases vor seiner Abgabe arbeitsleistend zu entspannen und erneut auf Umgebungstemperatur anzuwärmen.
  • Die zur Durchführung des Verfahrens eingesetzte Vorrichtung besteht aus Wärmetausch-/Kondensationsstufen, auf unterschiedlichem Temperaturniveau für den Wärmetausch der Kreislauffluide mit dem zu verdampfenden Erdgas, wenigstens einer Heizstufe, in welcher das Erdgas und die Kreislauffluide gegen ein Heizmedium auf die höchste Prozeßtemperatur angewärmt werden, Expansionsmaschinen für die arbeitsleistende Entspannung sowie Pumpen für die erneute Kompression der im Wärmetausch kondensierten Fluide. Je nach den Einsatzmöglichkeiten und abgestimmt auf die Verfahrensbedingung ist es besonders günstig, die Wärmetausch-/Kondensationsstufen als Geradrohrwärmetauscher mit mehreren Rohrwegen bzw. Bündeln, oder als gewickelte Rohrwärmetauscher mit mehreren Rohrwegen auszubilden. Eine weitere Option besteht darin, Geradrohrwärmetauscher mit nur einem Rohrweg einzusetzen. In diesem Fall werden für jede Wärmetausch-/Kondensationsstufe mehrere dieser Wärmetauscher parallel geschaltet.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sei im weiteren anhand der Figuren 1 und 2 beispielhaft beschrieben.
  • Figur 1 stellt die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar, bei welcher neben dem Heizkreislauf und dem ersten Kreislauf ein zweiter Fluidkreislauf eingesetzt wird. Ein flüssiger, unter Druck stehender Erdgasstrom 1 wird in einem Wärmetauscher E1 gegen kondensierendes Erdgas aus der Leitung 2b angewärmt. Dieser flüssige Erdgasstrom kann, wie hier dargestellt, aus Einzelströmen zusammengesetzt werden, die auf einen gemeinsamen hohen Druck gebracht werden. In Wärmetauscher E2 erfolgt eine weitere Erwärmung des zu verdampfenden Erdgasstroms gegen das im Kreislauf der Leitungen 3a, 3b und 3c geführten Fluids eines zweiten Kreislaufes. Die endgültige Anwärmung des Erdgasstomes wird in Wärmetauscher H3A im Gegenstrom zu abzukühlendem Heizmedium aus Leitung 4 vorgenommen. Aus dem gasförmigen, auf Umgebungstemperatur angewärmten Erdgasstrom 1 wird vor seiner Abgabe ein Teil über eine Stichleitung 2a abgezogen, in Expansionsmaschine X1 arbeitsleistend entspannt und im Wärmetauscher/Kondensationsstufe E1 kondensiert. Nach der Kondensation wird ein zur Abgabe bestimmter Teilstrom 2c abgetrennt und parallel zum Erdgasweg in den Wärmetauschern E1, E2 und H3B angewärmt und verdampft. Dieser Teilstrom bildet das Erdgas-Niederdruckprodukt. Das restliche kondensierte Erdgas der Leitung 2b wird, wie beim bekannten Verfahren, mittels Pumpe P1 komprimiert und dem zu verdampfenden flüssigen Erdgasstrom 1 zugemischt. Das Fluid des zweiten Kreislaufs bezieht seine Energie zur Arbeitsleistung und Erdgaserwärmung aus dem in Leitung 4 bereitgestellten Heizmedium. Nach Passieren von Wärmetauscher H3C ist das Fluid des zweiten Kreislaufes verdampft und wird durch die Leitung 3a der Expansionsturbine X2 zugeführt und arbeitsleistend entspannt. Der resultierende druckverminderte Strom 3b wird daraufhin in Wärmetauscher E2 gegen kondensiertes druckerhöhtes Fluid des zweiten Kreislaufes, den zu erwärmenden Erdgasstrom in Leitung 1 und den parallel anzuwärmenden Erdgas-Niederdruckproduktstrom kondensiert und mittels Pumpe P2 wieder auf erhöhten Druck gebracht. Das zur Anwärmung der Fluide auf höchste Prozeßtemperatur herangezogene Medium wird über Leitung 4 herangeführt, und durch die parallel geschalteten Wärmetauscher H3A (im Wärmekontakt zum zu verdampfenden Erdgas unter hohem Druck), H3B (im Wärmekontakt zum anzuwärmenden Niederdruckprodukt) und Wärmetauscher H3C (im Wärmekontakt zum zu verdampfenden Fluid des zweiten Kreislaufs) geleitet und nach dem Wärmeentzug über Leitung 5 abgezogen.
  • Unter der Vorgabe, daß zwei Erdgasströme unterschiedlichen Druckes abgegeben werden sollen, erbringt das erfindungsgemäße Verfahren wesentliche Vorteile verglichen mit der einfachsten Verfahrensvariante der DE-A 38 36 061. Während das erfindungsgemäße Verfahren mit nur einer Verdampfungsanlage auskommt, müssen bei einem Verfahren gemäß dem Stand der Technik zwei getrennte Anlagen eingesetzt werden. Der maschinelle Aufwand wird durch den Einsatz der Erfindung entsprechend halbiert.
  • Figur 2 zeigt eine Ausgestaltung des erfindunggemäßen Verfahrens, bei dem zwei Kreislauffluide mehrstufig arbeitsleistend entspannt werden. In diesem Beispiel werden Erdgasströme, welche unterschiedlichen Vordruck haben, auf einen gemeinsamen erhöhten Druck gebracht und in der gemeinsamen Leitung 1 der Erdgas-Verdampfungsanlage zugeführt. Dieser gemeinsame Strom wird in stufenweisem Wärmekontakt mit den Wärmetauschfluiden der Einzelkreisläufe erwärmt und verdampft. Ein Teil des gebildeten Hochdruckproduktes wird in Leitung 2c abgezogen, während der übrige Teil in Expansionsmaschine X4 arbeitsleistend entspannt wird. Das gebildete druckreduzierte Produkt der Leitung 2b wird daraufhin in Wärmetauscher H3E gegen Heizfluid auf Umgebungstemperatur angewärmt. Ein Teil dieses Produktes wird mittels Leitung 2b' abgezogen, während der Anteil, welcher über Leitung 2a abgeführt wird, das Fluid des ersten Kreislaufes bildet. Der Fluidstrom 2a wird zur Energiegewinnung in die Zweigströme 3a und 3b aufgeteilt und diese Ströme werden in den Expansionsmaschinen X1B und X1A auf unterschiedliche Druckniveaus arbeitsleistend entspannt. Der entspannte Zweigstrom 3a wird in Wärmetauscher E1A gegen anzuwärmendes flüssiges Erdgas der Leitung 1 kondensiert. Nach der Kondensation wird ein auf vermindertem Druck befindlicher Teilstrom abgezogen und parallel zum übrigen Erdgasweg angewärmt und verdampft und als Produkt in der Leitung 4 abgezogen. Der übrige kondensierte Anteil wird mittels Pumpe P1A auf den Erdgasdruck komprimiert und dem flüssigen Erdgas vor Durchtritt durch den ersten Wärmetauscher wieder zugemischt. Mit dem entspannten Zweigstrom 3b wird in analoger Weise verfahren, wobei der Wärmetausch bzw. die Kondensation in Wärmetauscher E1B der Ströme auf einem höheren Temperatur/Wärmetausch-Niveau stattfindet. Dies ist begründet in der Tatsache, daß jedem Druckniveau eine ihm zugeordnete Wärmetasch/Kondensationsstufe des Fluides entspricht. So muß zur Kondensation des Fluides mit niedrigstem Druck die Wärmetauschstufe auf niedrigstem Temperaturniveau herangezogen werden, während mit steigendem Druck die Kondensations-/Wärmetauschstufen auf höherem Temperaturniveau beschickt werden können.
  • Das Fluid des zweiten Kreislaufes wird ebenfalls zweistufig arbeitsleistend entspannt, indem der die Heizstufe H3D verlassende verdampfte Fluidstrom 6 auf Zweigströme 6a und 6b verteilt wird. Diese werden mittels Expansionsmaschinen X2A und X2B auf unterschiedliche Drücke gebracht, entsprechend ihrem Druckniveau in den Kondensationsstufen E2A und E2B gegen anzuwärmendes Erdgas und Fluid kondensiert und nach Verdichtung auf einen gemeinsamen Druck in den Pumpen P2A und P2B wieder vermischt. Das Fluid des dritten Kreislaufes 7 wird nach Verdampfung in Heizstufe H3F mittels Expansionsmaschine X3 einstufig arbeitsleistend entspannt und in Kondensationsstufe E3 gegen Erdgas unterschiedlichen Druckes kondensiert. Nach Verdichtung in P3 auf den Ausgangsdruck und Durchlaufen der Wärmetauschstufen E3 und H3F schließt sich der Kreislauf. Analog zu den beiden ersten Kreislauffluiden kann auch das Fluid des dritten Kreislaufes mehrstufig entspannt werden.
  • Die zur Energiegewinnung und Verdampfung von Erdgas benötigte Wärme entstammt einem Heizkreislauf, welcher durch die Leitungen 8 und 9 angedeutet ist. Das warme Heizmedium 8 wird auf die Heizstufen H3A bis H3F verteilt und gibt dort seine Wärme an die verdampften Erdgasproduktströme unterschiedlichen Druckes und die Fluide des ersten bis dritten Kreislaufes ab. Das abgekühlte Heizmedium wird mittels Leitung 9 abgezogen.

Claims (17)

  1. Verfahren zum Verdampfen von flüssigem, unter Druck stehendem Erdgas mit Energiegewinnung, indem das flüssige Erdgas in mehrstufigem Wärmetausch mit in voneinander getrennten Kreisläufen geführten Fluiden angewärmt und verdampft wird, wobei als Fluid für einen ersten Kreislauf ein Teil (2a) des auf Umgebungstemperatur angewärmten Erdgases abgezweigt, arbeitsleistend entspannt (X1) im Wärmetausch mit flüssigem Erdgas kondensiert (E1), auf das Druckniveau des flüssigen Erdgases gepumpt (P1) und dem anzuwärmenden Erdgas vor der ersten Wärmetauschstufe wieder zugemischt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid (2a) des ersten Kreislaufes nach der arbeitsleistenden Entspannung (X1) und Kondensation (E1) in zwei Teilströme aufgeteilt wird, wovon der eine auf den Druck des zu verdampfenden Erdgases komprimiert (P1) und mit diesem vermischt wird und der zweite (2c) parallel zum zu verdampfenden Erdgas (1), aber getrennt von diesem durch sämtliche Wärmetauschstufen (E1, E2,..) geführt, dabei verdampft, angewärmt (E1, E2,..) und danach als Erdgas-Niederdruckprodukt abgegeben wird (2c).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid (2a) des ersten Kreislaufes vor seiner arbeitsleistenden Entspannung (X1) auf Zweigströme verteilt wird und nach deren Kondensation in unterschiedlichen Kondensationsstufen aus wenigstens einem arbeitsleistend entspannten Zweigstrom ein Teilstrom abgezweigt und parallel zum Weg des anzuwärmenden Erdgases erwärmt und abgezogen wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nicht nach jeder Kondensationsstufe (E1, E2,..) ein Teilstrom abgezweigt und parallel zum zu verdampfenden Erdgas (1) verdampft und angewärmt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichent, daß das Fluid das ersten Kreislaufes (2a) einstufig arbeitsleistend (X1) entspannt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einem zweiten Kreislauf ein Fluid (3, 6) geführt wird, welches nach Anwärmung auf Umgebungstemperatur (H3C, H3D) zur Gewinnung von Energie einstufig arbeitsleistend entspannt wird (X2, X2A, X2B).
  6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einem zweiten Kreislauf ein Fluid (6) geführt wird, welches nach Anwärmung auf Umgebungstemperatur (H3C, H3D) in Teilströme (6a, 6b) zerlegt wird, welche zur Gewinnung von Energie arbeitsleistend entspannt werden (X2A, X2B).
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluid des zweiten Kreislaufes (3, 6) eine Mischung aus C₁ - bis C₆-Kohlenwasserstoffen verwendet wird, wobei der C₂-Kohlenwasserstoff-Anteil weniger als 90 Mol% beträgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluid des zweiten Kreislaufes (3, 6) eine C₁/C₂/C₃-Kohlenwasserstoff-Mischung oder eine C₁/C₂-Kohlenwasserstoff-Mischung oder eine C₂/C₃-Kohlenwasserstoff-Mischung oder Propan oder Ammoniak oder ein Fluorchlorkohlenwasserstoff oder eine Mischung aus Fluorchlorkohlenwasserstoffen verwendet wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten und dem zweiten Kreislauf ein weiterer Kreislauf (7) eingesetzt wird, wobei als Fluid dieses Kreislaufes Ethan oder ein anderer Stoff mit ähnlicher Dampfdruckkurve verwendet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid des weiteren Kreislaufes (7) einstufig arbeitsleistend entspannt wird (X3).
  11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid des weiteren Kreislaufes (7) mehrstufig arbeitsleistend entspannt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung der Kreislauffluide auf Umgebungstemperatur in der letzten Wärmetauschstufe (H3A, H3B,...) durch Wärmetausch mit einer Glykol-Wasser-Lösung erfolgt.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluide des zweiten und/oder dritten Kreislaufes nach ihrer Kondensation gegen anzuwärmendes Erdgas und Pumpen auf erhöhten Druck ganz oder teilweise um die Kondensationsstufe geführt werden und erst bei der nächsthöheren Wärmetauschstufe am Wärmeübergang beteiligt sind.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des auf Umgebungstemperatur angewärmten Erdgases vor seiner Abgabe arbeitsleistend entspannt und wieder angewärmt wird.
  15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bestehend aus Wärmetausch-/Kondensationsstufen (E1, E2,....) für den Wärmetausch der Fluide der Kreisläufe (2a, 3a, 6,...), wenigstens einer Heizstufe (H3A, H3B,...) für den Wärmetausch der Kreislauffluide mit dem Heizmedium, Expansionsmaschinen (X1, X2,...) und Pumpen (P1, P2,...), dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetausch-/ Kondensationsstufen (E1, E2,....) der Fluide als Geradrohrwärmetauscher mit mehreren Rohrwegen bzw. Bündeln ausgebildet sind.
  16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bestehend aus Warmetausch-/Kondensationsstufen (E1, E2,...) für den Wärmetausch der Fluide der Kreisläufe (2a, 3a, 6,...), wenigstens einer Heizstufe (H3A, H3B,...) für den Wärmetausch der Kreislauffluide mit dem Heizmedium, Expansionsmaschinen (X1, X2,...) und Pumpen (P1, P2,...), dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetausch-/ Kondensationsstufen (E1, E2,....) als gewickelte Rohrwärmetauscher mit mehreren Rohrwegen ausgebildet sind.
  17. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bestehend aus Warmetausch-/Kondensationsstufen (E1, E2,....) für den Wärmetausch der Fluide der Kreisläufe (2a, 3a, 6,...), wenigstens einer Heizstufe (H3A, H3B,...) für den Wärmetausch der Kreislauffluide mit dem Heizmedium, Expansionsmaschinen (X1, X2,...) und Pumpen (P1, P2,...), dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetausch-/ Kondensationsstufen (E1, E2,....) als Geradrohrwärmetauscher mit einem Rohrweg ausgebildet sind und für jede Kondensationsstufe (E1, E2,....) mehrere Wärmetauscher parallel geschaltet sind.
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