ES2269310T3 - Aparato para volver a licuar vapor comprimido. - Google Patents

Aparato para volver a licuar vapor comprimido. Download PDF

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Abstract

¿ Aparato para volver a licuar un vapor comprimido que, cuando está monta- do, comprende un circuito de refrigeración esencialmente cerrado que comprende al menos un compresor (22, 24, 26) para comprimir un fluido de trabajo, un primer inter- cambiador de calor (40) para enfriar el fluido de trabajo comprimido mediante inter- cambio indirecto de calor, al menos una turbina de expansión (28) para expandir el fluido de trabajo comprimido, un segundo intercambiador de calor (46) para calentar el fluido de trabajo expandido mediante intercambio indirecto de calor, y un camino de retorno a través del primer intercambiador de calor (40) a dicho compresor (22, 24, 26) para el fluido de trabajo expandido y calentado, en el que el segundo intercambiador de calor (46) es un condensador para condensar al menos parcialmente el vapor com- primido, caracterizado porque el aparato comprende además una primera plataforma de soporte (70) sobre la que se dispone un primer conjunto pre-ensamblado (72) que incluye el segundo intercambiador de calor (46), y una segunda plataforma de soporte (80) sobre la que se dispone un segundo conjunto pre-ensamblado (82), y en el que dicho compresor (22, 24, 26), dicha turbina de expansión (28) y el primer intercambia- dor de calor (40) están todos incluidos en el segundo conjunto pre-ensamblado (82).

Description

Aparato para volver a licuar vapor comprimido.
Esta invención se refiere a aparatos para volver a licuar un vapor comprimido que comprenden las características del preámbulo de la reivindicación 1. Un aparato de este tipo se conoce por la patente WO-A-98/43029. Preferentemente, el aparato funciona a bordo de un barco para volver a licuar vapor de gas natural.
El gas natural se transporta a largas distancias normalmente en estado licuado. Por ejemplo, se utilizan buques de navegación de altura para transportar gas natural licuado desde una primera ubicación en la que se licua el gas natural hasta una segunda ubicación en la que se vaporiza y se envía a un sistema de distribución de gas. Puesto que el gas natural licua a temperaturas criogénicas, es decir a temperaturas inferiores a -100ºC, en la práctica existirá siempre una evaporación continua del gas natural licuado en cualquier sistema de almacenaje. Por consiguiente, es necesario proveer aparatos para volver a licuar el vapor evaporado. En un aparato de este tipo se lleva a cabo un ciclo de refrigeración que comprende: comprimir un fluido de trabajo en una pluralidad de compresores; enfriar el fluido de trabajo comprimido mediante intercambio indirecto de calor; expandir el fluido de trabajo; calentar el fluido de trabajo expandido mediante intercambio indirecto de calor; y retornar el fluido de trabajo calentado a uno de los compresores. El vapor de gas natural, al final de una etapa de compresión, está al menos parcialmente condensado por intercambio indirecto de calor, calentándose el fluido de trabajo. Un ejemplo de un aparato para llevar a cabo tal método de refrigeración se describe en la patente de Estados Unidos número 3.857.245.
De acuerdo con la patente de Estados Unidos 3.857.245, el fluido de trabajo se obtiene del propio gas natural y, por consiguiente, funciona un ciclo de refrigeración abierto. La expansión del fluido de trabajo se realiza mediante una válvula. Se obtiene gas natural parcialmente condensado. El gas natural parcialmente condensado se separa en una fase líquida que se retorna al tanque de almacenamiento y en una fase gaseosa que se mezcla con gas natural y que se envía a un quemador para su combustión. El fluido de trabajo es tanto calentado como enfriado en el mismo intercambiador de calor, de forma que sólo se requiere un intercambiador de calor. El intercambiador de calor está situado sobre una primera plataforma montada sobre patines y los compresores del fluido de trabajo sobre una segunda plataforma montada sobre patines.
Actualmente, se prefiere emplear un gas no combustible como fluido de trabajo. Además, con el fin de reducir el trabajo de compresión que debe suministrarse externamente, se prefiere emplear una turbina de expansión en lugar de una válvula para expandir el fluido de trabajo.
Un ejemplo de un aparato que incorpora ambas mejoras se muestra en la patente WO-A-98/43029. En ella se utilizan dos intercambiadores de calor, uno para calentar el fluido de trabajo en intercambio de calor con el vapor de gas natural comprimido que se va a condensar parcialmente, y el otro para enfriar el fluido de trabajo comprimido. Además, el fluido de trabajo se comprime en dos compresores separados, estando uno de ellos unido a la turbina de expansión. Aunque no se describe en la patente WO-A-98/43029 este aparato convencional se instala a bordo de un barco de tal manera que los intercambiadores de calor y el compresor que está unido a la turbina de expansión están ubicados en la sala de máquinas para la carga del barco y el otro compresor está ubicado dentro de la sala de máquinas. Surge la necesidad de simplificar la disposición de maquinaria de un aparato de este tipo.
Aparato para volver a licuar un vapor comprimido que, cuando está montado, comprende un circuito de refrigeración esencialmente cerrado que comprende al menos un compresor para comprimir un fluido de trabajo, un primer intercambiador de calor para enfriar el fluido de trabajo comprimido mediante intercambio indirecto de calor, al menos una turbina de expansión para expandir el fluido de trabajo comprimido, un segundo intercambiador de calor para calentar el fluido de trabajo expandido mediante intercambio indirecto de calor, y un camino de retorno a través del primer intercambiador de calor a dicho compresor para el fluido de trabajo expandido y calentado, en el que el segundo intercambiador de calor es un condensador para condensar al menos parcialmente el vapor comprimido, caracterizado porque el aparato comprende además una primera plataforma de soporte sobre la que se dispone un primer conjunto pre-ensamblado que incluye el segundo intercambiador de calor, y una segunda plataforma de soporte sobre la que se dispone un segundo conjunto pre-ensamblado, y en el que dicho compresor, dicha turbina de expansión y el primer intercambiador de calor están todos incluidos en el segundo conjunto pre-ensamblado.
Al montar dicho compresor y dicha turbina de expansión en la misma plataforma, ambos pueden situarse en la sala de máquinas, o en una sala de motores para la carga especialmente ventilada en la cubierta, de una embarcación de altura en donde se utilizará el aparato. En estas ubicaciones los requisitos de seguridad que deben cumplir el compresor y la turbina de expansión no son tan elevados como en otras partes del barco, por ejemplo una sala de máquinas para la carga sin ventilación. De este modo, se proporciona una simplificación útil del aparato. Además, al situar el compresor y la turbina de expansión en la misma plataforma, pueden incorporarse en una única máquina. Si se desea, dicho compresor y dicha turbina de expansión pueden montarse en el mismo eje o, alternativamente, pueden estar ambos asociados de forma operativa a la misma caja de cambios. El empleo de una única máquina de compresión/expansión no solamente simplifica el aparato, sino que también facilita la prueba de la maquinaria con anterioridad al montaje del aparato de acuerdo con la invención a bordo del barco.
Preferentemente, todos los refrigeradores intermedios y los refrigeradores de salida asociados con dicho compresor se sitúan en la segunda plataforma. Esto proporciona una mayor simplificación con respecto a los aparatos conocidos en los que los compresores están situados en lugares distintos del barco que requieren el suministro de agua para enfriar a los dos lugares.
La máquina de compresión/expansión incluye, preferentemente, no más de tres etapas de compresión.
Preferentemente, dicho compresor y dicha turbina de expansión emplean juntas de un tipo que minimizan las fugas del fluido de trabajo del ciclo del fluido de trabajo. Por consiguiente, en lugar de utilizar juntas laberínticas convencionales se utilizan juntas secas estancas al gas o juntas tóricas de grafito flotantes. Aún así, es deseable que el aparato incluya una fuente del fluido de trabajo de relleno. Al minimizar las pérdidas del fluido de trabajo, la cantidad de fluido de trabajo de relleno que se necesita se minimiza de un modo parecido. Puesto que el fluido de trabajo se necesita, típicamente, a una presión en el margen de 10 a 20 barias (1.000 a 2.000 kPa) en el lado de baja presión del ciclo, esto ayuda a mantener pequeño el tamaño de cualquier compresor del fluido de trabajo de relleno que pueda necesitarse. Si se elige nitrógeno como fluido de trabajo, puede ser posible, alternativamente, emplear una fuente de nitrógeno que esté ya a la presión necesaria y con ello obviar la necesidad del compresor del fluido de trabajo de relleno. Por ejemplo, la fuente de nitrógeno de relleno puede ser un banco de cilindros de nitrógeno comprimido o, si el barco está provisto de una fuente de nitrógeno líquido, un evaporador de nitrógeno líquido de un tipo que sea capaz de proporcionar nitrógeno gaseoso a una presión elegida en el margen de 10 a 20 barias. Tales evaporadores de nitrógeno líquido son bien conocidos.
Preferentemente, existe un tercer conjunto pre-ensamblado que comprende los medios de suministro del fluido de trabajo de relleno dispuestos sobre una tercera plataforma.
Preferentemente, las plataformas utilizadas en el aparato de acuerdo con la invención están montadas sobre patines.
Preferentemente, el primer intercambiador de calor está situado dentro de una primera carcasa aislada y el segundo intercambiador de calor está situado dentro de una segunda carcasa aislada.
Aunque el aparato de acuerdo con la invención es especialmente adecuado para usarlo para volver a licuar gas natural, puede emplearse para volver a licuar el vapor de otros líquidos o compuestos orgánicos volátiles que se transporten en uno o varios tanques a bordo de un barco, o se almacenen en uno o varios tanques que formen parte de una instalación en tierra o a cierta distancia de la costa.
A continuación se describirá el aparato de acuerdo con la invención, a título de ejemplo, con referencia al dibujo adjunto que es un diagrama esquemático que ilustra los diferentes conjuntos pre-ensamblados que se emplean en el aparato y el flujo del fluido a través de ellos.
El dibujo no está a escala.
Con referencia al dibujo, un barco 2 tiene en su bodega tanques 4 aislados térmicamente para el almacenamiento de gas natural licuado (LNG, liquefied natural gas). El barco 2 posee también una sala de máquinas 6 y una cubierta 8 dividida en una sala de máquinas para la carga 8A que no está especialmente ventilada y una sala de motores para la carga 8B que se mantiene segura mediante ventilación especial.
Como el LNG se evapora a temperaturas criogénicas, no es posible, en la práctica, evitar una evaporación continua de una pequeña proporción del mismo de los tanques de almacenamiento 4. La mayor parte de los vapores resultantes fluyen a un compresor de evaporación 14, situado normalmente en la sala de máquinas para la carga 8A, estando su motor situado en la sala de motores para la carga 8B, existiendo una disposición de sellado del mamparo (no mostrada) asociada con el eje del compresor 14. El compresor 14 eleva la presión del vapor del gas natural evaporado hasta una presión adecuada para su condensación total o parcial mediante intercambio indirecto de calor con un fluido de trabajo. (Convencionalmente, si no existe un aparato de relicuefación del vapor, el gas evaporado se utiliza para calentar una o varias calderas asociadas con un sistema de propulsión de turbina de vapor o se utiliza en un motor de gas o diesel. Normalmente, en el aparato de acuerdo con la invención cualquier vapor sobrante puede utilizarse de esta forma). El fluido de trabajo, normalmente nitrógeno, fluye en un ciclo básicamente cerrado que se describirá a continuación.
El fluido de trabajo formado por nitrógeno a la presión más baja del ciclo se recibe a la entrada de la primera etapa de compresión 22 de una única máquina de compresión/expansión 20 (a veces denominada "compansor") que posee tres etapas de compresión 22, 24 y 26 en serie, y una única turbina de expansión 28 a la salida de la etapa de compresión 26. Las tres etapas de compresión y la turbina de expansión están todas montadas sobre el mismo eje motor 30 que es accionado por un motor eléctrico 32 u otro medio de activación adecuado. En una realización alternativa, las etapas de compresión 22, 24 y 26 y una turbina de expansión 28 pueden estar todas asociadas de forma operativa con una caja de cambios (no mostrada) y tener ejes motores independientes (no mostrados). Sin embargo, cualquiera que sea la disposición, la máquina de compresión/expansión 20 incluyendo el motor 32 está situada ya sea en la sala de máquinas 6 o en la sala de motores para la carga 8B. En funcionamiento, el nitrógeno fluye, secuencialmente, a través de las etapas 22, 24 y 26 de la máquina de compresión/expansión 20. Entre las etapas 22 y 24, se enfría a aproximadamente la temperatura ambiente en un primer refrigerador intermedio 34, y entre las etapas 24 y 26, el nitrógeno comprimido se enfría en un segundo refrigerador intermedio 36. Además, el nitrógeno comprimido que abandona la etapa de compresión final 26 se enfría en un refrigerador de salida 38. El agua para los refrigeradores 34, 36 y 38 puede proporcionarse desde el circuito de agua limpia del barco (no mostrado) y el agua gastada procedente de estos refrigeradores puede retornarse al sistema de purificación de agua (no mostrado) de este circuito a bordo del barco 2.
Después del refrigerador de salida 38, el nitrógeno comprimido fluye a través de un primer intercambiador de calor 40 en el que se enfría aún más mediante intercambio indirecto de calor con una corriente de nitrógeno de retorno. El intercambiador de calor está situado en un contenedor 42 aislado térmicamente que recibe a veces el nombre de "caja fría". El intercambiador de calor 40 y su contenedor 42 aislado térmicamente están situados, al igual que la máquina de compresión/expansión 20, en la sala de máquinas 6 o en la sala de motores para la carga 8B del barco 2.
La corriente resultante de nitrógeno enfriado y comprimido fluye hacia la turbina de expansión 28 en la que se expande con el resultado de un trabajo externo. El trabajo externo proporciona una parte de la energía necesaria que se necesita para comprimir el nitrógeno en las etapas de compresión 22, 24 y 26. Por consiguiente, la turbina de expansión reduce la carga del motor 32. La expansión del fluido de trabajo formado por nitrógeno tiene el efecto de reducir aún más su temperatura. Como resultado, se encuentra a una temperatura adecuada para la condensación parcial o total del vapor de gas natural comprimido. El fluido de trabajo formado por nitrógeno expandido fluye hacia un segundo intercambiador de calor 46, situado en un contenedor ("caja fría") 48 aislado térmicamente y condensa parcial o totalmente el vapor de gas natural comprimido que pasa en sentido contrario a través del mismo procedente del compresor 14. El intercambiador de calor 46 y su contenedor 48 están situados en la sala de máquinas para la carga 8A.
El fluido de trabajo formado por nitrógeno, calentado ahora como resultado de su intercambio de calor con el vapor de gas natural a condensar, fluye de retorno a través del primer intercambiador de calor 40 proporcionando con ello el enfriamiento necesario de este intercambiador de calor, y de aquí hacia la entrada de la primera etapa de compresión 22, completando de este modo el ciclo del fluido de trabajo.
Aunque es posible licuar el flujo completo de gas natural a través del intercambiador de calor 46, solamente parte del gas natural (normalmente entre el 80 y el 99%), como puede deducirse de la figura, se condensa de hecho. De acuerdo con principios de termodinámica bien conocidos y establecidos hace mucho tiempo, el rendimiento del condensador depende de la presión y de la temperatura a las que tiene lugar la condensación. La mezcla de vapor condensado y residual fluye a un separador de fases 50 (situado en la caja fría 48) en el que la fase líquida se separa de la fase gaseosa. El líquido se devuelve desde el separador de fases 50 a los tanques 4. El vapor que queda puede enviarse a cualquier caldera auxiliar o ser expulsado a la atmósfera, dependiendo de su composición.
Durante el funcionamiento del aparato mostrado en la figura, el gas natural evaporado abandona, normalmente, el compresor 14 a una presión del orden de 4,5 barias y una temperatura del orden de -70ºC y abandona, normalmente, el intercambiador de calor 46 a una temperatura en el margen de -140 a -150ºC dependiendo de su composición y dependiendo de la proporción del mismo que se condensa. El fluido de trabajo que circula, formado por nitrógeno, entra, normalmente, a la primera etapa de compresión 22 a una temperatura en el margen de 20 a 40ºC y a una presión en el margen de 12 a 16 barias. El nitrógeno sale del refrigerador de salida 38 normalmente a una temperatura en el margen de 25 a 50ºC y a una presión en el margen de 40 a 50 barias. En el primer intercambiador de calor 40 se enfría, normalmente, a una temperatura en el margen de -110 a -120ºC. En la turbina de expansión 28 se expande a una presión en el margen de 12 a 16 barias y a una temperatura lo suficientemente baja como para llevar a cabo la condensación deseada del gas natural en el segundo intercambiador de calor 46.
Aunque el ciclo del fluido de trabajo formado por nitrógeno es básicamente cerrado, existe, normalmente, una pequeña pérdida de nitrógeno a través de las juntas de las diversas etapas de compresión y expansión de la máquina de compresión/expansión 20. Como se mencionó anteriormente, tales pérdidas pueden minimizarse mediante la adecuada elección de las juntas. Sin embargo, es deseable proporcionar al circuito cerrado nitrógeno de relleno. Esto se hace, preferentemente, a la menor presión de nitrógeno del circuito. Con este fin, el aparato de acuerdo con la invención incluye, preferentemente, un suministro 60 de nitrógeno de relleno. El suministro 60 puede comprender, por ejemplo, un banco de cilindros de nitrógeno. Es también posible, si contiene pocos hidrocarburos, utilizar para este propósito el nitrógeno obtenido en fase gaseosa en el separador de fases 50. Sin embargo, si se hace esto, se necesitará un pequeño compresor del gas de relleno (no mostrado) para elevar el nitrógeno a la presión de entrada de la primera etapa de compresión 22.
De acuerdo con la invención, el aparato que incorpora el ciclo del fluido de trabajo formado por nitrógeno se monta en dos conjuntos pre-ensamblados que se disponen sobre respectivas plataformas montadas sobre patines. Así, el segundo intercambiador de calor 46, su contenedor 48 aislado térmicamente y el separador de fases 50, que está dispuesto preferentemente en el mismo contenedor aislado térmicamente que el intercambiador de calor 46, y todas las tuberías necesarias se montan en taller para formar un primer conjunto pre-ensamblado 72. El primer conjunto pre-ensamblado se monta sobre una primera plataforma 70 montada sobre patines. La máquina de compresión/expansión 20 y el intercambiador de calor 40 y su contenedor 42 aislado térmicamente, así como todas las tuberías necesarias se montan en taller para formar un segundo conjunto pre-ensamblado 82 sobre una segunda plataforma 80 montada sobre patines. Si se desea, los medios 60 de suministro de nitrógeno de relleno pueden situarse sobre una tercera plataforma 90 montada sobre patines. También es posible situar el compresor de evaporación sobre una cuarta plataforma 100 montada sobre patines y situada en la sala de máquinas para la carga 8A. Los conjuntos pre-ensamblados se prueban, preferentemente, en el lugar de montaje, se transportan al barco en el que se van a ubicar y después se conectan entre si de una manera apropiada utilizando tuberías o conductos aislados térmicamente para permitir que el aparato funcione de acuerdo con la invención.
Sobre el aparato de acuerdo con la invención pueden realizarse diversos cambios y añadidos. Por ejemplo, como ya se mencionó anteriormente, puede condensarse todo el vapor de gas natural que entra al segundo intercambiador de calor 44, permitiendo con ello eliminar el separador de fases 50. Además, si se desea, el ciclo del fluido de trabajo puede emplearse para generar un exceso de refrigeración sobre el requerido para la condensación total o parcial del vapor de gas natural. En este caso, dicha refrigeración adicional puede utilizarse en otro servicio de enfriamiento y puede proporcionarse otro intercambiador de calor para llevar a cabo dicha función.

Claims (10)

1. Aparato para volver a licuar un vapor comprimido que, cuando está montado, comprende un circuito de refrigeración esencialmente cerrado que comprende al menos un compresor (22, 24, 26) para comprimir un fluido de trabajo, un primer intercambiador de calor (40) para enfriar el fluido de trabajo comprimido mediante intercambio indirecto de calor, al menos una turbina de expansión (28) para expandir el fluido de trabajo comprimido, un segundo intercambiador de calor (46) para calentar el fluido de trabajo expandido mediante intercambio indirecto de calor, y un camino de retorno a través del primer intercambiador de calor (40) a dicho compresor (22, 24, 26) para el fluido de trabajo expandido y calentado, en el que el segundo intercambiador de calor (46) es un condensador para condensar al menos parcialmente el vapor comprimido, caracterizado porque el aparato comprende además una primera plataforma de soporte (70) sobre la que se dispone un primer conjunto pre-ensamblado (72) que incluye el segundo intercambiador de calor (46), y una segunda plataforma de soporte (80) sobre la que se dispone un segundo conjunto pre-ensamblado (82), y en el que dicho compresor (22, 24, 26), dicha turbina de expansión (28) y el primer intercambiador de calor (40) están todos incluidos en el segundo conjunto pre-ensamblado (82).
2. Aparato como el reivindicado en la reivindicación 1, en el que dicho compresor (22, 24, 26) y dicha turbina de expansión (28) se incorporan en una única máquina (20).
3. Aparato como el reivindicado en la reivindicación 1 o en la reivindicación 2, en el que todos los refrigeradores intermedios y de salida (34, 36, 38) asociados con dicho compresor (22, 24, 26) están situados en la segunda plataforma (80).
4. Aparato como el reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho compresor (22, 24, 26) y dicha turbina de expansión (28) emplean juntas secas estancas al gas o juntas tóricas de grafito flotantes para minimizar, en funcionamiento, la fuga del fluido de trabajo del ciclo del fluido de trabajo.
5. Aparato como el reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye adicionalmente una fuente del fluido de trabajo de relleno (60).
6. Aparato como el reivindicado en la reivindicación 5, que incluye adicionalmente un tercer conjunto pre-ensamblado dispuesto sobre una tercera plataforma (90) que comprende medios para el suministro del fluido de trabajo de relleno (60).
7. Aparato como el reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la primera y la segunda plataformas (70, 80) están montadas sobre patines.
8. Aparato como el reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye adicionalmente medios para retornar el vapor licuado a un tanque de almacenamiento (4) de donde procede el vapor a licuar de nuevo.
9. Aparato como el reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye adicionalmente medios para pasar el vapor sin licuar al punto de succión de una turbina de gas o de un motor diesel.
10. Un barco o embarcación de altura que incorpora un aparato como el reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
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