EP3460179B1 - Station und verfahren zum erzeugen von mechanischer energie durch expandieren von erdgas - Google Patents

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EP3460179B1
EP3460179B1 EP18193100.7A EP18193100A EP3460179B1 EP 3460179 B1 EP3460179 B1 EP 3460179B1 EP 18193100 A EP18193100 A EP 18193100A EP 3460179 B1 EP3460179 B1 EP 3460179B1
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EP
European Patent Office
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screws
working fluid
screw
expansion chamber
outlet
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EP18193100.7A
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EP3460179A1 (de
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Martin Filip
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GasNet sro
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GasNet sro
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Publication date
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    • 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
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C1/00—Rotary-piston machines or engines
    • F01C1/08—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing
    • F01C1/12—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type
    • F01C1/14—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons
    • F01C1/16—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons with helical teeth, e.g. chevron-shaped, screw type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C18/00—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C18/08—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C18/12—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type
    • F04C18/14—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons
    • F04C18/16—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons with helical teeth, e.g. chevron-shaped, screw type

Definitions

  • the invention relates to a station for reducing working fluid pressure of a working fluid in the form of natural gas, which station has a screw expander for generating mechanical energy.
  • the invention also relates to a method for generating mechanical energy by allowing a working fluid to expand in at least one such station.
  • Dry steam can be generated by nuclear reactors or by burning fossil fuels such as coal and natural gas. While this process has become relatively effective, this process still has some disadvantages.
  • the turbine blades rotate at a very high speed and are consequently very sensitive.
  • the dry steam used must be extremely clean to prevent damage to the turbine blades. Neither wet steam nor water can be used for similar reasons. In many cases, such restrictions impede use these turbines.
  • Geothermal applications are particularly problematic in terms of electricity generation. Heat exchangers are currently used to heat clean water from geothermal water before the water can be turned into dry steam. This process is inefficient and it is difficult to apply this technology effectively to smaller machines.
  • the screw expander provides mechanical energy, which can then be converted into electrical energy by driving a power generator.
  • the mechanical energy generated by the expander can also be used to power other machines.
  • the expansion can take place in several stages or only in one stage.
  • Screw expanders use two helical screws, also called rotors, that mesh with each other, a male and a female screw, to expand the working fluid. Therefore, only compressible fluids can be working fluids within the meaning of the invention.
  • timing gears can ensure that the male and female screws maintain their proper alignment.
  • the gap between the screws is bridged by lubricating oil, which provides both hydraulic sealing and the transmission of mechanical energy between the screws.
  • Working fluid enters the high pressure side and moves through the screw threads as the screws are turned.
  • the working fluid due to its high pressure, forces its way along the mating screws, forcing the screws to rotate. Due to the rotation of the screws, the working fluid moves along the screw expander from the inlet side to the outlet side conveyed while the volume of the expansion chambers between the screws increases, so that the working fluid expands as it forces its way along the screw expander.
  • the effectiveness of this mechanism depends on precise installation clearances between the screws on the one hand and between the screws and the housing enclosing the screws on the other.
  • the male and female screws have different profiles.
  • the engaging screw has convex helixes which engage the concave spaces between the helices of the receiving screws.
  • the space between any two consecutive helices of each screw and its surrounding housing forms a separate expansion chamber.
  • the volume of the expansion chamber increases as the rotation progresses due to the shifting of the contact line between the two screws. The rotation is caused by the working fluid expanding as the expansion chamber becomes larger.
  • the volume of the expansion chamber is at a minimum at approximately full meshing contact with the screws on the inlet end side and at a maximum when approximately the entire length between the coils is unobstructed by meshing contact with the other screw.
  • the expansion chamber is in fluid communication with the working fluid inlet when its volume is at a minimum and in fluid communication with the working fluid outlet when the volume is at a maximum. It is also preferred that the expansion chamber is at least substantially closed by a helix of the engagement screw at one end and by an end face of the housing at the opposite end of the expansion chamber.
  • the working fluid steadily increases its volume in the screw expander. Furthermore, in operation, multiple expansion chambers are provided between the screws and the housing. Preferably, the expansion chambers each have different volumes. Consequently, the screw expander releases expanded working fluid at least substantially continuously. The pressure drop depends on the increase in the volume of the expansion chambers.
  • An efficient screw compressor requires a screw profile that has a large flow area and a short seal line.
  • the larger the cross section the higher the flow for the same screw sizes and screw speeds. Shorter seal lines reduce leaks.
  • the engaging screw has fewer turns than the receiving screw so that it rotates faster.
  • the screws are constructed asymmetrically.
  • the screw expander may have a four-turn male screw and a six-turn female screw, both screws having the same outer diameter.
  • other configurations, such as five/six and five/seven and four/five and three/five helices, are also possible.
  • different outer diameters can be provided. The selection of the turn ratio may depend on the pressure of the working fluid in the working fluid inlet and the desired pressure of the working fluid in the working fluid outlet.
  • An advantage of the invention is that the pressure of a working fluid taken from a gas line is used directly. Therefore, this invention can be effectively used at pressure reducing stations under various pressure, temperature and flow conditions. This is of particular interest because billions of cubic meters of natural gas flow through millions of gas pressure reduction stations around the world. Natural gas is transported under high pressure over long distances through pipelines. High gas pressure is reduced to a lower pressure using gas pressure reducing stations. At normal stations, the pressure is usually reduced from 16 to 40 bar to below 5 bar. Currently, natural gas pressure is reduced by throttling valves, whereby isenthalpic expansion takes place without using energy but dissipating a large amount of energy, but dissipating a large amount of energy.
  • Gases are cooled during gas expansion (Joule-Thomson effect).
  • the natural gas temperature drop is about 0.5°C per 1 bar, depending on the composition of the gas and its properties.
  • Replacing the gas pressure regulation process with screw expanders, which allow natural gas pressure to be converted into mechanical energy that can be transferred to a load-bearing device, such as an electrical generator, and thus produce electricity from a previously unused source, is of particular interest for the invention.
  • the screw expander can preferably be externally heated and/or designed for operation as a turbomachine operated with compressed gas. Because of its design, the machine is relatively immune to dirt and debris that could erode the metal blades of conventional turbines. Furthermore, the screw expander requires a much lower capital cost than a conventional multi-bladed turbine designed to operate on low-pressure gas.
  • multi-screw expanders may be connected in series and/or parallel for flow of working fluid.
  • multi-screw expanders can be connected to each other and to a common output shaft such that respective screw expanders drive the common output shaft in unison. In this way, higher speeds and/or torques can be applied to the output shaft.
  • the output shaft may drive a power generator or other device based on the difference in potential energy of the working fluid between the working fluid inlet and the working fluid outlet.
  • the at least one expansion chamber is designed such that the pressure exerted by the working fluid against the screws, which together with the housing enclose the expansion chamber, leads to a resultant force that moves the screws.
  • the screws therefore rotate in such a way that the expansion chamber is moved from the inlet end and along the screws towards the outlet end. Consequently, mechanical energy can be provided very easily and reliably.
  • the at least two screws or the at least one pair of screws can have different numbers of interlocking spirals.
  • one screw, in particular an engagement screw has four helical turns and another screw, in particular a receiving screw, has six helical turns which engage with one another. A very efficient process can thereby be provided.
  • a connecting and/or synchronizing means in particular a chain, a belt and/or intermeshing pinions of the shafts of the screws that are engaged with each other in engagement are which the connecting waves.
  • the chain or belt is engaged with sprockets of the shafts of the screws which mesh with each other, which is preferred in many cases.
  • At least one heating means for heating the working gas in the at least one expansion chamber due to indirect heat transfer can be provided.
  • said heating means it is preferred to incorporate said heating means into the housing.
  • means for heating the working fluid prior to entering the expansion chamber may be provided, which would be a very simple and reliable method of heating the working fluid.
  • the output shaft is connected to a power generator. If this connection is provided via a gearbox, the speed can be varied and/or regulated.
  • the screw expander is designed as a single-stage screw expander that expands the working fluid in a single stage between the working fluid inlet and the working fluid outlet of the screw expander.
  • the screw expander can then be designed to be less complex.
  • the working fluid is in the form of natural gas, preferably at least essentially free of steam and/or free of water. This enables the method to be used very efficiently and advantageously.
  • the advantages can be achieved in particular if it is provided that the working fluid is expanded from a pressure of more than 16 bar, in particular more than 23 bar, especially more than 30 bar, and/or if it is provided that the working fluid is pressurized to a pressure under 10 bar, in particular under 7 bar, especially under 3 bar is expanded.
  • the advantages can be used in an efficient and preferred manner if the expansion of the working fluid is carried out in a station for reducing the working fluid pressure according to claim 8.
  • the electricity generation system which is a station for reducing natural gas pressure, comprises a feed pipe 1, which supplies compressed working fluid through a filter 2, an obturator 3 and a check valve 4, if fitted, to a working fluid inlet 5 a screw expander 6 feeds.
  • the screw expander 6 drives an output shaft 7 which drives a power generator 8 .
  • the check valve 4, if present, enables the mass flow of the working fluid through the screw expander 6 to be regulated.
  • at least one heat exchanger or heat transfer unit can be provided in the feed pipe 1 and/or be installed in the screw expander 6.
  • the working fluid expanded in the screw expander 6 leaves the screw expander 6 through a working fluid outlet 9 into a low-pressure pipe.
  • the working fluid is preferably filtered at a higher pressure level and fed to the screw expander 6, in which the expansion of the working fluid is carried out, and discharged at a lower pressure level into the low-pressure pipe.
  • In 2 is a detail of the device according to 1 shown.
  • the screw expander 6 is mechanically connected to a transmission 11 via the output shaft 7 for controlling the speed of the power generator 8 .
  • the transmission 11 is mechanically connected to the power generator 8 to generate electricity.
  • the screw expander 6 has a housing 12 in which a pair of screws 13, 14 engaged with each other are disposed.
  • One of the screws 13 forms the output shaft 7 as an extension of the respective screw shaft 15.
  • the shafts 15, 16 of the screws 13, 14 are mounted in the housing 12 using respective bearings 17.
  • the engaged pair of screws 13, 14 is shown in different cross-sectional views.
  • One screw 13 is designed as an engaging screw 13 with four turns 18, while the other screw 14 is designed as a receiving screw 14 with six turns 19.
  • the helix 18, 19 of the engagement screw 13 and the receiving screw 14 engage in one another such that the cavities between two adjacent helixes of the receiving screw 14 each on at least one of the two opposite ends are closed by the helix 18 of the engaging screw 13. Consequently, a plurality of cavities are provided along the receiving screw 14 which are separated from one another by helixes 18 of the engagement screw 13 engaging in the receiving screw 14 .
  • the maximum length of the cavities is therefore less than the length of a circumference of a helix 19 of the accommodating screw 14.
  • the separate cavities have a different length because at least some of the cavities end at end surfaces 20, 21 of the housing of the accommodating screw 14, which end at the working fluid inlet 5 adjoin or adjoin the working fluid outlet 9 .
  • the screws 13, 14 are suitably arranged in the housing 12, the cavities together with the housing 12 form expansion chambers 22 which become larger from the working inlet 5 to the working outlet 9.
  • the expansion chambers 22 are conveyed further along the screw expander 6 due to the rotation of the screws 13,14.
  • the volume of the expansion chambers 22 increases. Due to the working fluid pressure, the screws 13, 14 are driven by working fluid expanding therein and thereby.
  • the potential energy of the working fluid is converted into mechanical energy, which drives the shafts 15,16 of the screws 13,14.
  • the total mechanical energy depends on the enthalpy difference of the working fluid at the working fluid inlet 5 and at the working fluid outlet 9, the mass flow of the working fluid through the screw expander 6 and the thermodynamic efficiency of the screw expander.
  • Sprockets can be connected to the shafts 15,16 of the screws 13,14 to synchronize the speed of the screws 13,14.
  • other means of synchronization are also possible. Due to the synchronization of the shafts 15, 16 of the screws 13, 14, the coils 18, 19 of the screws 13, 14 do not touch each other, but are separated from each other by a very small gap. Furthermore, the spirals 18, 19 of the screws 13, 14 do not touch the housing 12, but are separated from the inner wall of the housing 12 by very thin gaps.
  • the screw expander 6 shown is a one-stage screw expander 6 because the expansion in only one stage takes place. However, the screw expander 6 could also be designed as a multi-stage screw expander 6 .
  • the temperature and/or pressure of the working fluid be measured prior to entering the expansion chambers 22 and/or after exiting the expansion chambers 22 .
  • a control unit can check whether the working fluid should be heated and determine the required heat. The control unit can thus provide the appropriate heating on the basis of the measured temperature and/or pressure values. If appropriate, the mass flow of the working fluid can also be measured to increase the efficiency of the control process.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Station zum Reduzieren von Arbeitsfluiddruck eines Arbeitsfluids in Form von Erdgas, die einen Schraubenexpander zum Erzeugen von mechanischer Energie aufweist.
  • Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen von mechanischer Energie durch Expandierenlassen eines Arbeitsfluids in wenigstens einer derartigen Station.
  • Trotz der bedeutenden Fortschritte, die in vielen nichtthermischen Wärmeerzeugungstechnologien bereits erzielt wurden, stützt sich die weltweite Energiegewinnung immer noch auf die Nutzung von Wärme zur Umwandlung von Wasser in Dampf. Der hauptsächliche Brennstoff zur Wärmeerzeugung ist Kohle. Es werden aber auch Atomenergie, verschiedene Formen von Biomasse, Müll und konzentrierte Infrarotstrahlung der Sonne verwendet. Abwärme von Heißluft wird ebenfalls oft zur Dampferzeugung in Dampfkesseln verwendet.
  • Auf globaler Ebene wird der Großteil der Energie aktuell mit Trockendampfturbinen erzeugt, die elektrische Generatoren antreiben. Trockener Dampf kann durch Kernreaktoren oder durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe, wie Kohle und Erdgas, erzeugt werden. Dieser Prozess ist zwar relativ wirksam geworden, dieser Prozess hat aber noch einige Nachteile. Die Turbinenschaufeln rotieren mit einer sehr hohen Geschwindigkeit und sind infolgedessen sehr empfindlich. Der verwendete trockene Dampf muss äußerst sauber sein, um eine Beschädigung der Turbinenschaufeln zu verhüten. Aus ähnlichen Gründen können auch weder nasser Dampf noch Wasser verwendet werden. In vielen Fällen behindern derartige Beschränkungen die Verwendung dieser Turbinen. Geothermische Anwendungen sind hinsichtlich der Elektrizitätserzeugung besonders problematisch. Zurzeit werden Wärmetauscher verwendet, um sauberes Wasser aus geothermischem Wasser zu erhitzen, bevor das Wasser in trockenen Dampf umgewandelt werden kann. Dieser Prozess ist ineffizient und es ist schwierig, diese Technologie effektiv auf kleinere Maschinen anzuwenden.
  • Dokument DE 203 13 411 U1 offenbart eine Einrichtung zum Entspannen von Wasserdampf in einem Schraubenexpander.
  • Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Station zum Reduzieren von Arbeitsfluiddruck und ein Verfahren jeweils wie eingangs beschrieben bereitzustellen, die/das die Erzeugung mechanischer Energie unter direkter Verwendung eines Arbeitsfluids in Form von Erdgas ohne Verwenden einer Trockendampfturbine ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Station mit den technischen Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
  • Diese Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst.
  • Der Schraubenexpander stellt mechanische Energie bereit, die dann durch Antreiben eines Stromerzeugers in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die vom Expander erzeugte mechanische Energie kann auch zum Antreiben anderer Maschinen verwendet werden. Die Expansion kann in mehreren Stufen oder nur in einer Stufe stattfinden. Schraubenexpander verwenden zwei schneckenförmige Schrauben, auch Rotoren genannt, die miteinander in Eingriff sind, eine Eingriffs- und eine Aufnahmeschraube, zum Expandierenlassen des Arbeitsfluids. Daher können nur komprimierbare Fluide Arbeitsfluide im Sinne der Erfindung sein. Ferner können Steuerzahnräder gewährleisten, dass die Eingriffs- und Aufnahmeschrauben ihre genaue Ausrichtung behalten. In einem ölgefluteten Schraubenexpander wird der Zwischenraum zwischen den Schrauben von Schmieröl überbrückt, das sowohl für eine hydraulische Abdichtung als auch für die Übertragung mechanischer Energie zwischen den Schrauben sorgt. Arbeitsfluid tritt an der Hochdruckseite ein und bewegt sich beim Drehen der Schrauben durch die Schraubengewinde. Das Arbeitsfluid erzwingt sich aufgrund seines hohen Drucks den Weg an den Schrauben, die miteinander in Eingriff sind, entlang, wodurch die Schrauben zum Drehen gezwungen werden. Aufgrund der Drehung der Schrauben bewegt sich bzw. wird das Arbeitsfluid von der Einlassseite zur Auslassseite am Schraubenexpander entlang befördert, während das Volumen der Expansionskammern zwischen den Schrauben zunimmt, sodass das Arbeitsfluid expandiert, während es sich seinen Weg entlang des Schraubenexpanders erzwingt. Die Wirksamkeit dieses Mechanismus hängt von genauen Einbauspielräumen zwischen den Schrauben einerseits und zwischen den Schrauben und dem die Schrauben umschließenden Gehäuse andererseits ab.
  • Die Eingriffs- und Aufnahmeschraube haben verschiedene Profile. Die Eingriffsschraube hat konvexe Wendel, die mit den konkaven Hohlräumen zwischen den Wendeln der Aufnahmeschrauben in Eingriff sind. Der Zwischenraum zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Wendeln jeder Schraube und ihres sie umgebenden Gehäuses bildet eine separate Expansionskammer. Das Volumen der Expansionskammer nimmt mit fortschreitender Drehung aufgrund der Verlagerung der Kontaktlinie zwischen den zwei Schrauben zu. Die Drehung wird von dem Arbeitsfluid bewirkt, das mit der größer werdenden Expansionskammer expandiert. Das Volumen der Expansionskammer ist bei ungefährem Volleingriffskontakt mit den Schrauben auf der Seite des Einlassendes auf einem Minimum und auf einem Maximum, wenn ungefähr die gesamte Länge zwischen den Wendeln nicht durch Eingriffskontakt mit der anderen Schraube versperrt ist. Vorzugsweise ist die Expansionskammer in Fluidverbindung mit dem Arbeitsfluideinlass, wenn ihr Volumen auf einem Minimum ist, und in Fluidverbindung mit dem Arbeitsfluidauslass, wenn das Volumen auf einem Maximum ist. Es wird auch bevorzugt, dass die Expansionskammer durch einen Wendel der Eingriffsschraube an einem Ende und durch eine Endseite des Gehäuses am entgegengesetzten Ende der Expansionskammer wenigstens im Wesentlichen geschlossen wird.
  • Das Arbeitsfluid vergrößert sein Volumen im Schraubenexpander stetig. Ferner werden im Betrieb mehrere Expansionskammern zwischen den Schrauben und dem Gehäuse bereitgestellt. Vorzugsweise haben die Expansionskammern jeweils verschiedene Volumen. Folglich gibt der Schraubenexpander expandiertes Arbeitsfluid wenigstens im Wesentlichen kontinuierlich frei. Der Druckabfall hängt von der Vergrößerung des Volumens der Expansionskammern ab.
  • Ein effizienter Schraubenverdichter benötigt ein Schraubenprofil, das einen großen Strömungsquerschnitt und eine kurze Abdichtlinie hat. Je größer der Querschnitt, desto höher ist der Durchfluss für die gleichen Schraubengrößen und Schraubengeschwindigkeiten. Kürzere Abdichtlinien reduzieren Leckagen. Vorzugsweise hat die Eingriffsschraube weniger Wendel als die Aufnahmeschraube, sodass sie sich schneller dreht. Ferner wird bevorzugt, dass die Schrauben asymmetrisch konstruiert sind. Der Schraubenexpander kann eine Eingriffsschraube mit vier Wendeln und eine Aufnahmeschraube mit sechs Wendeln haben, wobei beide Schrauben denselben Außendurchmesser haben. Andere Ausgestaltungen, wie fünf/sechs und fünf/sieben und vier/fünf und drei/fünf Wendeln, sind aber auch möglich. Außerdem können verschiedene Außendurchmesser vorgesehen werden. Die Auswahl des Wendelverhältnisses kann vom Druck des Arbeitsfluids im Arbeitsfluideinlass und dem Solldruck des Arbeitsfluids im Arbeitsfluidauslass abhängen.
  • Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Druck eines von einer Gasleitung entnommenen Arbeitsfluids direkt verwendet wird. Daher kann diese Erfindung an Druckreduzierungsstationen unter verschiedenen Druck-, Temperatur- und Durchflussbedingungen effektiv verwendet werden. Das ist von besonderem Interesse, weil Milliarden Kubikmeter Erdgas durch Millionen von Gasdruckreduzierungsstationen weltweit fließen. Erdgas wird unter hohem Druck über große Entfernungen durch Rohrleitungen transportiert. Hoher Gasdruck wird mittels Gasdruckreduzierungsstationen auf einen niedrigeren Druck reduziert. An normalen Stationen wird der Druck gewöhnlich von 16 bis 40 bar auf unter 5 bar reduziert. Gegenwärtig wird Erdgasdruck durch Drosselventile reduziert, wodurch eine isenthalpe Expansion ohne Verwenden von Energie aber unter Dissipation einer großen Energiemenge stattfindet, aber eine große Energiemenge abgebaut wird.
  • Während der Gasexpansion werden Gase gekühlt (Joule-Thomson-Effekt). Der Erdgastemperaturabfall ist etwa 0,5°C pro 1 bar, je nach der Zusammensetzung des Gases und seiner Eigenschaften. Das Ersetzen des Prozesses zur Gasdruckregelung durch Schraubenexpander, die es ermöglichen, dass der Erdgasdruck in mechanische Energie umgewandelt wird, die auf eine Last-aufnehmende Vorrichtung, zum Beispiel einen elektrischen Generator, übertragen werden kann, und somit Elektrizität aus einer zuvor unbenutzten Quelle erzeugt, ist für die Erfindung von besonderem Interesse.
  • Der Schraubenexpander kann vorzugsweise außen beheizt und/oder für den Betrieb als eine mit verdichtetem Gas betriebene Strömungsmaschine ausgelegt sein. Aufgrund ihrer Konstruktion ist die Maschine gegenüber Schmutz und Teilchen, die an Metallschaufeln herkömmlicher Turbinen Erosion verursachen könnten, relativ immun. Ferner erfordert der Schraubenexpander viel niedrigere Investitionskosten als eine herkömmliche Turbine mit vielen Schaufeln, die für den Betrieb mit Gas unter niedrigem Druck bestimmt ist.
  • Falls geeignet, können Mehrschraubenexpander bezüglich des Durchflusses von Arbeitsfluid in Reihe und/oder parallel geschaltet werden. Alternativ oder zusätzlich können Mehrschraubenexpander miteinander und mit einer gemeinsamen Abtriebswelle verbunden werden, sodass jeweilige Schraubenexpander die gemeinsame Abtriebswelle gemeinsam antreiben. Auf diese Weise können höhere Drehzahlen und/oder Drehmomente an die Abtriebswelle angelegt werden. Die Abtriebswelle kann einen Stromerzeuger oder eine andere Vorrichtung auf Basis der Differenz der potenziellen Energie des Arbeitsfluids zwischen dem Arbeitsfluideinlass und dem Arbeitsfluidauslass antreiben.
  • Dampf wurde schon in Expandern zum Erzeugen mechanischer Energie eingesetzt. Dies gilt nicht für verdichtetes Gas, speziell für verdichtetes Erdgas, als Arbeitsfluid zum Antreiben von z. B. einem Stromerzeuger. Vorzugsweise wird der Schraubenexpander mit verdichtetem Gas angetrieben. Ferner ist es erwünscht, Elektrizität durch Antreiben eines Stromerzeugers mit der Abtriebswelle des Schraubenexpanders zu erzeugen. Weltweit bilden Gasdruckreduzierungsstationen eine riesige Energiequelle für die Elektrizitätserzeugung oder zum Antreiben bestimmter Vorrichtungen.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Schraubenexpanders ist die wenigstens eine Expansionskammer so ausgelegt, dass der vom Arbeitsfluid gegen die Schrauben, die zusammen mit dem Gehäuse die Expansionskammer umschließen, ausgeübte Druck zu einer resultierenden Kraft führt, die die Schrauben bewegt. Die Schrauben drehen sich daher so, dass die Expansionskammer vom Einlassende und an den Schrauben entlang zum Auslassende hin bewegt wird. Folglich kann mechanische Energie sehr einfach und zuverlässig bereitgestellt werden.
  • Alternativ oder zusätzlich können die wenigstens zwei Schrauben oder das wenigstens eine Schraubenpaar verschiedene Zahlen von ineinander eingreifenden Schraubenwendelungen haben. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung hat eine Schraube, insbesondere eine Eingriffsschraube, vier Schraubenwendelungen und eine andere Schraube, insbesondere eine Aufnahmeschraube, hat sechs Schraubenwendelungen, die miteinander in Eingriff sind. Dadurch kann ein sehr effizienter Prozess bereitgestellt werden.
  • Wenn wenigstens zwei Schrauben, die miteinander in Eingriff sind, synchronisiert sind, sodass die Schrauben einander nicht berühren, während sie die wenigstens eine Expansionskammer von einem Einlassende zu einem Auslassende der Schrauben bewegen, kann ein sehr zuverlässiger Prozess bereitgestellt werden. Außerdem kann gewährleistet werden, dass zwischen den Schrauben und/oder zwischen den Schrauben und der Innenwand des Gehäuses nur sehr dünne Spalten bestehen. Folglich kann nur eine sehr kleine Menge Arbeitsfluid durch diese Spalten dringen, ohne die Schrauben anzutreiben.
  • Es ist effizient und zuverlässig, wenn wenigstens zwei Schrauben, die miteinander in Eingriff sind, durch ein Verbindungs- und/oder Synchronisationsmittel synchronisiert werden, insbesondere eine Kette, einen Riemen und/oder miteinander in Eingriff befindliche Ritzel der Wellen der Schrauben, die miteinander in Eingriff sind, welche die Wellen verbinden. Alternativ oder zusätzlich ist die Kette oder der Riemen mit Ritzeln der Wellen der Schrauben, die miteinander in Eingriff sind, in Eingriff, was in vielen Fällen bevorzugt wird.
  • Zum Ausgleichen des Temperaturabfalls des Arbeitsfluids aufgrund der Volumenzunahme des Arbeitsfluids kann wenigstens ein Heizmittel zum Erhitzen des Arbeitsgases in der wenigstens einen Expansionskammer aufgrund einer indirekten Wärmeübertragung bereitgestellt sein. Diesbezüglich wird bevorzugt, das genannte Heizmittel in das Gehäuse einzubauen. Alternativ oder zusätzlich können Mittel zum Erhitzen des Arbeitsfluids vor dem Eintritt in die Expansionskammer bereitgestellt werden, was eine sehr einfache und zuverlässige Methode zur Erhitzung des Arbeitsfluids wäre.
  • Zur Elektrizitätserzeugung wird bevorzugt, dass die Abtriebswelle mit einem Stromerzeuger verbunden ist. Falls diese Verbindung über ein Getriebe bereitgestellt wird, kann die Drehzahl variiert und/oder geregelt werden.
  • Es wird auch bevorzugt, dass der Schraubenexpander als ein Ein-Stufen-Schraubenexpander ausgelegt ist, der das Arbeitsfluid in einer einzelnen Stufe zwischen dem Arbeitsfluideinlass und dem Arbeitsfluidauslass des Schraubenexpanders expandieren lässt. Der Schraubenexpander kann dann weniger komplex ausgelegt sein.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist das Arbeitsfluid in Form von Erdgas, vorzugsweise wenigstens im Wesentlichen frei von Dampf und/oder frei von Wasser. Dies ermöglicht eine sehr effiziente und vorteilhafte Nutzung des Verfahrens.
  • Wenn die Expansion des Arbeitsfluids in einer einzelnen Stufe durchgeführt wird, während das Gas am Schraubenexpander entlang vom Arbeitsfluideinlass zum Arbeitsfluidauslass transportiert wird, ist der Prozess sehr einfach und zuverlässig.
  • Die Vorteile können speziell erzielt werden, wenn vorgesehen ist, dass das Arbeitsfluid von einem Druck von mehr als 16 bar, insbesondere mehr als 23 bar, speziell mehr als 30 bar expandiert wird, und/oder wenn vorgesehen ist, dass das Arbeitsfluid auf einen Druck unter 10 bar, insbesondere unter 7 bar, speziell unter 3 bar expandiert wird.
  • Alternativ oder zusätzlich können die Vorteile auf effiziente und bevorzugte Weise genutzt werden, wenn die Expansion des Arbeitsfluids in einer Station zum Reduzieren des Arbeitsfluiddrucks nach Anspruch 8 durchgeführt wird.
  • Die Erfindung wird auf Basis der beigefügten Zeichnungen, die lediglich eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeigen, ausführlicher beschrieben.
    • Fig. 1
    ist ein Schema eines Elektrizitätserzeugungssystems, das eine Station zum Reduzieren von Arbeitsfluiddruck, jeweils gemäß der Erfindung, aufweist,
    Fig. 2
    ist eine Seitenansicht eines Details des Elektrizitätserzeugungssystems von Fig. 1,
    Fig. 3
    ist der Schraubenexpander von Fig. 2 in einer vertikalen Querschnittsansicht in der Längserstreckung des Schraubenexpanders,
    Fig. 4
    ist der Schraubenexpander von Fig. 2 in einer vertikalen Querschnittsansicht in der Orthogonalen zur Längserstreckung des Schraubenexpanders und
    Fig. 5
    ist der Schraubenexpander von Fig. 2 in einer horizontalen Querschnittsansicht in der Längserstreckung des Schraubenexpanders.
  • Das Elektrizitätserzeugungssystem, das eine Station zum Reduzieren von Erdgasdruck ist, weist ein Speiserohr 1 auf, das verdichtetes Arbeitsfluid durch ein Filter 2, einen Absperrorgan 3 und ein Rückschlagventil 4, falls angebracht, einem Arbeitsfluideinlass 5 eines Schraubenexpanders 6 zuführt. Der Schraubenexpander 6 treibt eine Abtriebswelle 7 an, die einen Stromerzeuger 8 antreibt. Das Rückschlagventil 4, falls vorhanden, ermöglicht das Regeln des Massenstroms des Arbeitsfluids durch den Schraubenexpander 6. Um das durch die Expansion des Arbeitsfluids bedingte Kühlen des Arbeitsfluids wenigstens teilweise auszugleichen, kann wenigstens ein(e) Wärmetauscher oder Wärmeübertragungseinheit im Speiserohr 1 bereitgestellt und/oder im Schraubenexpander 6 eingebaut sein. Das im Schraubenexpander 6 expandierte Arbeitsfluid verlässt den Schraubenexpander 6 durch einen Arbeitsfluidauslass 9 in ein Niederdruckrohr. Das Arbeitsfluid wird vorzugsweise auf einem höheren Druckniveau gefiltert und dem Schraubenexpander 6 zugeführt, in dem die Expansion des Arbeitsfluids durchgeführt wird, und auf einem niedrigeren Druckniveau in das Niederdruckrohr abgelassen.
  • In Fig. 2 wird ein Detail der Vorrichtung gemäß Fig. 1 gezeigt. Der Schraubenexpander 6 ist zum Steuern der Drehzahl des Stromerzeugers 8 über die Abtriebswelle 7 mechanisch mit einem Getriebe 11 verbunden. Das Getriebe 11 ist mechanisch mit dem Stromerzeuger 8 verbunden, um Elektrizität zu erzeugen.
  • In Fig. 3 wird der Schraubenexpander 6 im Detail gezeigt. Der Schraubenexpander 6 weist ein Gehäuse 12 auf, in dem ein Paar Schrauben 13, 14, die miteinander in Eingriff sind, angeordnet ist. Eine der Schrauben 13 bildet die Abtriebswelle 7 als eine Verlängerung der jeweiligen Schraubenwelle 15. Die Wellen 15, 16 der Schrauben 13, 14 sind unter Verwendung jeweiliger Lager 17 in dem Gehäuse 12 montiert.
  • In Fig. 4 und Fig. 5 wird das in Eingriff befindliche Paar Schrauben 13, 14 in verschiedenen Querschnittsansichten gezeigt. Eine Schraube 13 ist als eine Eingriffsschraube 13 mit vier Wendeln 18 gestaltet, während die andere Schraube 14 als eine Aufnahmeschraube 14 mit sechs Wendeln 19 gestaltet ist. Die Wendel 18, 19 der Eingriffsschraube 13 und der Aufnahmeschraube 14 greifen so ineinander ein, dass die Hohlräume zwischen zwei benachbarten Wendeln der Aufnahmeschraube 14 jeweils an wenigstens einem der zwei entgegengesetzten Enden durch die Wendel 18 der Eingriffsschraube 13 geschlossen werden. Folglich sind entlang der Aufnahmeschraube 14 mehrere Hohlräume bereitgestellt, die durch in die Aufnahmeschraube 14 eingreifende Wendel 18 der Eingriffsschraube 13 voneinander getrennt werden.
  • Die maximale Länge der Hohlräume ist daher kleiner als die Länge eines Umfangs einer Wendel 19 der Aufnahmeschraube 14. Ferner haben die separaten Hohlräume eine unterschiedliche Länge, weil wenigstens einige der Hohlräume an Endflächen 20, 21 des Gehäuses der Aufnahmeschraube 14 enden, die an den Arbeitsfluideinlass 5 angrenzen oder an den Arbeitsfluidauslass 9 angrenzen. Weil die Schrauben 13, 14 auf geeignete Weise in dem Gehäuse 12 angeordnet sind, bilden die Hohlräume zusammen mit dem Gehäuse 12 Expansionskammern 22, die vom Arbeitseinlass 5 zum Arbeitsauslass 9 größer werden. Die Expansionskammern 22 werden aufgrund der Umdrehung der Schrauben 13, 14 weiter am Schraubenexpander 6 entlang befördert. Gleichzeitig nimmt das Volumen der Expansionskammern 22 zu. Aufgrund des Arbeitsfluiddrucks werden die Schrauben 13, 14 durch darin wie auch dadurch expandierendes Arbeitsfluid angetrieben. Die potenzielle Energie des Arbeitsfluids wird in mechanische Energie umgewandelt, die die Wellen 15, 16 der Schrauben 13, 14 antreibt. Die gesamte mechanische Energie hängt von der Enthalpiedifferenz des Arbeitsfluids am Arbeitsfluideinlass 5 und am Arbeitsfluidauslass 9, dem Massenstrom des Arbeitsfluids durch den Schraubenexpander 6 und dem thermodynamischen Wirkungsgrad des Schraubenexpanders ab.
  • Kettenzahnräder können mit den Wellen 15, 16 der Schrauben 13, 14 verbunden werden, um die Drehzahl der Schrauben 13, 14 zu synchronisieren. Es sind aber auch andere Synchronisationsmittel möglich. Aufgrund der Synchronisation der Wellen 15, 16 der Schrauben 13, 14 berühren die Wendel 18, 19 der Schrauben 13, 14 sich nicht gegenseitig, sondern sind durch einen sehr dünnen Spalt voneinander getrennt. Ferner berühren die Wendel 18, 19 der Schrauben 13, 14 nicht das Gehäuse 12, sondern sind durch sehr dünne Spalten von der Innenwand des Gehäuses 12 getrennt. Außerdem ist der gezeigte Schraubenexpander 6 ein Ein-Stufen-Schraubenexpander 6, weil die Expansion in nur einer Stufe stattfindet. Der Schraubenexpander 6 könnte aber auch als Mehrstufen-Schraubenexpander 6 ausgelegt sein.
  • Es wird auch bevorzugt, dass die Temperatur und/oder der Druck des Arbeitsfluids vor dem Eintritt in die Expansionskammern 22 und/oder nach dem Auslassen aus den Expansionskammern 22 gemessen wird. Auf Basis der jeweiligen Temperatur- und/oder Druckwerte kann eine Steuereinheit zum Beispiel überprüfen, ob das Arbeitsfluid erhitzt werden sollte, und die erforderliche Wärme bestimmen. So kann die Steuereinheit auf Basis der gemessenen Temperatur- und/oder Druckwerte die geeignete Erhitzung bereitstellen. Falls angebracht, kann außerdem der Massenstrom des Arbeitsfluids gemessen werden, um den Wirkungsgrad des Steuerungsprozesses zu erhöhen.

Claims (12)

  1. Station zum Reduzieren von Arbeitsfluiddruck eines Arbeitsfluids in Form von Erdgas, die wenigstens einen Schraubenexpander (6) zum Erzeugen von mechanischer Energie durch Expandieren eines Arbeitsfluids aufweist, um den Druck des Arbeitsgases beim Transport vom Arbeitsgaseinlass (5) zum Arbeitsgasauslass (9) des Schraubenexpanders (6) zu reduzieren, wobei der Schraubenexpander (6) wenigstens ein Gehäuse (12), wenigstens zwei Schrauben (13, 14) oder wenigstens ein Schraubenpaar (13, 14), wenigstens teilweise in dem genannten Gehäuse (12), wenigstens eine Abtriebswelle (7), die mit wenigstens einer der Schrauben (13) verbunden ist, sodass die Abtriebswelle (7) durch eine Drehbewegung der wenigstens einen Schraube (13, 14) angetrieben werden kann, wenigstens einen Arbeitsfluideinlass (5) zu dem Gehäuse (12), der an einem Einlassende der Schrauben (13, 14) angeordnet ist, und wenigstens einen Arbeitsfluidauslass (9), der an einem Auslassende der Schrauben (13, 14), das entlang der Schrauben (13, 14) gegenüber dem Einlassende angeordnet ist, aufweist, wobei die zwei Schrauben (13, 14) so miteinander in Eingriff sind, dass die zwei Schrauben (13, 14) und das Gehäuse (12) wenigstens eine Expansionskammer (22), insbesondere mehrere separate Expansionskammern (22), entlang der Schrauben (13, 14) definieren, wobei die Expansionskammer (13, 14) dafür ausgelegt ist, in einer Aufnahmestellung der Schrauben (13, 14) an einem Einlassende der Schrauben (13, 14) Arbeitsfluid vom Arbeitsfluideinlass (5) aufzunehmen, wobei die Expansionskammer (22) dafür ausgelegt ist, in einer Auslassstellung der Schrauben (13, 14) an einem Auslassende der Schrauben (13, 14) Arbeitsfluid zum Arbeitsfluidauslass (9) abzulassen, wobei die Expansionskammer (14) dafür ausgelegt ist, durch Bewegen der Schrauben (13, 14) vom Einlassende zum Auslassende transportiert zu werden, wodurch das Volumen der Expansionskammer (22) zunimmt.
  2. Station nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
    die wenigstens eine Expansionskammer (22) so ausgelegt ist, dass der vom Arbeitsfluid gegen die Schrauben (13, 14), die zusammen mit dem Gehäuse (12) die Expansionskammer (22) definieren, ausgeübte Druck zu einer resultierenden Kraft führt, die die Schrauben (13, 14) so bewegt, dass die Expansionskammer (22) an den Schrauben entlang (13, 14) zum Auslassende hin bewegt wird.
  3. Station nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
    die wenigstens zwei Schrauben (13, 14) oder das wenigstens eine Schraubenpaar (13, 14) verschiedene Zahlen von ineinander eingreifenden Schraubengewinde haben und insbesondere eine Schraube (13) vier Schraubengewinde hat und eine andere Schraube (14) sechs Schraubengewinde hat, die miteinander in Eingriff sind.
  4. Station nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
    die wenigstens zwei Schrauben (13, 14), die miteinander in Eingriff sind, synchronisiert sind, sodass die Schrauben (13, 14) einander nicht berühren, während sie die wenigstens eine Expansionskammer (22) von einem Einlassende zu einem Auslassende der Schrauben (13, 14) bewegen.
  5. Station nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
    die wenigstens zwei Schrauben (13, 14), die miteinander in Eingriff sind, durch ein Verbindungs- und/oder Synchronisationsmittel synchronisiert werden, insbesondere eine Kette, einen Riemen und/oder miteinander in Eingriff befindliche Ritzel der Wellen der Schrauben (13, 14), die miteinander in Eingriff sind, welche die Wellen (15, 16) verbinden, und insbesondere die Kette oder der Riemen mit Ritzeln der Wellen (15, 16) der Schrauben (13, 14), die miteinander in Eingriff sind, in Eingriff sind.
  6. Station nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schraubenexpander Heizmittel zum Erhitzen des Arbeitsgases in der wenigstens einen Expansionskammer (22) aufgrund einer indirekten Wärmeübertragung bereitgestellt sind, insbesondere in das Gehäuse (12) eingebaut sind, und/oder Mittel zum Erhitzen des Arbeitsfluids vor dem Eintritt in die Expansionskammer (22).
  7. Station nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Abtriebswelle (7) mit einem Stromerzeuger (8) verbunden ist, insbesondere über ein Getriebe (11).
  8. Station nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
    der Schraubenexpander (6) als Ein-Stufen-Schraubenexpander (6) ausgelegt ist, der das Arbeitsfluid in einer einzelnen Stufe zwischen dem Arbeitsfluideinlass (5) und dem Arbeitsfluidauslass (9) des Schraubenexpanders expandieren lässt.
  9. Verfahren zum Erzeugen mechanischer Energie durch Expandierenlassen eines Arbeitsfluids in wenigstens einer Station nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    wobei das Arbeitsfluid wenigstens im Wesentlichen frei von Dampf und/oder frei von Wasser ist .
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,
    wobei das Arbeitsfluid in einer einzelnen Stufe expandiert, während das Gas am Schraubenexpander (6) entlang vom Arbeitsfluideinlass (5) zum Arbeitsfluidauslass (9) transportiert wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
    wobei vorgesehen ist, dass das Arbeitsfluid von einem Druck von mehr als 16 bar, insbesondere mehr als 23 bar, speziell mehr als 30 bar expandiert, und/oder wobei vorgesehen ist, dass das Arbeitsfluid auf einen Druck unter 10 bar, insbesondere unter 7 bar, speziell unter 3 bar expandiert.
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