ES2559835T3 - Dispositivo para el suministro de gas - Google Patents

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ES2559835T3 ES13728108.5T ES13728108T ES2559835T3 ES 2559835 T3 ES2559835 T3 ES 2559835T3 ES 13728108 T ES13728108 T ES 13728108T ES 2559835 T3 ES2559835 T3 ES 2559835T3
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Thomas KLICK
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Rainer SCHEURING
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Abstract

Dispositivo para el suministro de gas desde un tanque de almacenamiento (1), que contiene el gas como gas licuado criogénico en forma evaporada, con presión regulada a al menos un consumidor (8) cuyos requisitos en cuanto a la presión y la corriente de masa del gas varían considerablemente, con una bomba de alta presión (3) conectada al tanque de almacenamiento (1) para el gas licuado, la cual extrae gas licuado desde el tanque de almacenamiento (1) y aumenta la presión del gas licuado, con una instalación de ajuste (19) para el ajuste de la corriente de masa del gas licuado transportado por la bomba de alta presión (3), con un evaporador (6) que sigue a la bomba de alta presión (3) para el gas licuado de presión aumentada, con una válvula reguladora de presión (10) que sigue al evaporador (6) para el gas evaporado, en cuya salida puede conectarse el consumidor (8), caracterizado por un primer regulador (11), cuya magnitud de regulación es la presión del gas evaporado detrás de la válvula reguladora de presión (10) y cuya magnitud de ajuste actúa sobre la válvula reguladora de presión (10), por un segundo regulador (15), cuya magnitud de regulación es la presión del gas entre la bomba de alta presión (3) y la válvula reguladora de presión (10) y cuya magnitud de ajuste actúa sobre la instalación de ajuste (19) para la corriente de masa y por medios (17) para la combinación de las magnitudes de ajuste de los dos reguladores (11; 15), de tal manera que la magnitud de ajuste del primer regulador (11) actúa adicionalmente sobre la instalación de ajuste (19) para la corriente de masa.

Description

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DESCRIPCION
Dispositivo para el suministro de gas
La invencion se refiere a un dispositivo para el abastecimiento a un consumidor de gas desde un almacenamiento de gas licuado criogenico, especialmente gas natural liquido (GNL). Se trata, principalmente, de consumidores que utilizan gas combustible, por ejemplo, motores. Sin embargo, tambien se consideran otros consumidores, por ejemplo, aquellos que necesitan gas de barrido. En cualquier caso, los consumidores esperan que se les conduzca el gas con una presion que va a mantenerse de manera exacta y fijada por el consumidor, la cual varia temporalmente, dependiendo del estado de funcionamiento del consumidor, y, a este respecto, tambien puede experimentar modificaciones repentinas. Del mismo modo, la cantidad temporal del gas requerido, es decir, la corriente de masa del gas, normalmente no es constante, sino que depende de la carga del consumidor.
Consumidores tipicos para los que se tiene en cuenta la invencion son motores diesel para propulsiones de buques o mas pequenos, centrales energeticas que producen electricidad que se accionan alternativamente con gas, y en la manera en que en cada ciclo de trabajo en el cilindro, adicionalmente al gasoleo, al denominado aceite piloto, se introduce una cantidad determinada de gas a alta presion. La demanda de gas de estos motores cambia rapidamente en determinadas circunstancias. La presion requerida depende del respectivo rendimiento del motor y para el GNL esta normalmente entre 15 y 30 MPa. Resultan especialmente pronunciadas e inesperadas las modificaciones en la presion y corriente de masa cuando en un grupo de consumidores, por ejemplo, en un grupo de centrales energeticas, un consumidor o motor falla completamente de manera repentina, por ejemplo, por una desconexion de emergencia. El dispositivo, el cual provee de gas a tales consumidores, debe poder cumplir con tales modificaciones.
Un planteamiento para la solucion de este problema consiste en que una gran cantidad de gas evaporado, es decir, gaseoso, a alta presion orientada en la presion maxima del consumidor este a disposicion permanentemente para poder compensar las fluctuaciones de consumo. No obstante, esta manera de proceder es muy costosa en razon de la seguridad, porque, por principio, una gran cantidad de gas que se encuentra a alta presion resulta peligrosa.
Otro planteamiento de solucion consiste en que el gas todavia en estado liquido se presione mediante una bomba, a este respecto, con respecto a la corriente de masa realmente necesitada, se tome el excedente del tanque de almacenamiento y el subconjunto no necesitado respectivamente se vuelva a llevar de nuevo al tanque de almacenamiento. Puesto que el gas liquido tambien se calienta, en este caso, por el aumento de presion, el calor se introduce permanentemente en el almacenamiento de gas licuado criogenico con la consecuencia de que se intensifica la formacion indeseada de gas de vapor de escape, el denominado gas evaporado, en el tanque de almacenamiento. Debido al ascenso de presion unida a ello en el tanque de almacenamiento, que no esta disenado para alta presion, esto representa una fuente de peligro problematica especialmente en la borda de un barco.
Si se prescinde de tener a disposicion cantidades de tampon de gas que se encuentra a presion, y se intenta cumplir los requisitos del consumidor de presion y corriente de masa del gas suministrado solamente con los medios habituales de tecnica de regulacion, se llega rapidamente a sus limites. La regulacion es o demasiado lenta para poder imitar un ascenso de presion o descenso de presion que transcurre en poco tiempo, es decir, en pocos segundos, o tiende a oscilaciones de regulacion incontroladas de la presion del gas.
Por el documento US-A-4 887 857 se conoce un sistema de llenado para fluidos criogenicos en la que se minimiza la perdida de medio. Esto se consigue por medio de un controlador dirigido por ordenador que controla dependiendo de los valores de temperatura y de presion medidos las valvulas y los compresores.
Con el dispositivo de acuerdo con la invencion, que esta definido en la reivindicacion 1, se logra mantener de manera precisa la presion del gas depositado en el consumidor de manera correspondiente al perfil de requisitos del consumidor, incluso en consumidores complicados, por ejemplo, motores diesel/gas, con requisitos muy elevados de precision estatica y dinamica de la presion del gas.
En el dispositivo de acuerdo con la invencion, se lleva al principio, de una manera conocida en si, el gas todavia liquido a alta presion y despues, en el estado de alta presion, por ejemplo, por aporte de calor por un intercambiador de calor, se evapora, es decir, se convierte al estado gaseoso. Estan previstos dos reguladores, de los cuales un primer regulador regula la presion del gas depositado en el consumidor por una valvula reguladora de presion en direccion de corriente detras del evaporador, mientras que un segundo regulador regula la presion del gas delante de la valvula reguladora de presion y detras de la bomba de alta presion aprovechada para el aumento de presion al ajustar la corriente de masa del gas transportado por la bomba de alta presion. En el dispositivo de acuerdo con la invencion, esta corriente de masa esta ahora influida no solo por la magnitud de ajuste del segundo regulador, sino tambien adicionalmente por la magnitud de ajuste del primer regulador que actua sobre la valvula reguladora de presion despues del evaporador.
Con el ajuste de la corriente de masa del gas es equivalente un ajuste de la corriente de volumen del gas, porque las dos magnitudes son proporcionales entre si a la densidad, mas precisa que la densidad aparente de la masa del
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gas, en el lugar del ajuste como factor de proporcionalidad.
Medios preferentes para la combinacion de las magnitudes de ajuste de los dos reguladores estan caracterizados en las reivindicaciones 2, 3 y 4. La corriente de masa depende preferentemente, asi, de una suma de las dos magnitudes de ajuste, opcionalmente con una limitacion de la suma correspondiente al margen de senal admisible de la instalacion de ajuste para la corriente de masa, y opcionalmente ademas con una influencia individual de la magnitud de ajuste del primer regulador de acuerdo con una funcion de transmision determinada, preferentemente dinamica, por lo que se emplea conjuntamente la magnitud de ajuste para el ajuste de la corriente de masa.
El ajuste de la corriente de masa se realiza de acuerdo con la reivindicacion 6 preferentemente por el numero de revoluciones que determina la corriente de masa de la bomba de alta presion, al prever para el accionamiento de la bomba de alta presion un motor electrico junto con un regulador del numero de revoluciones asignado comercial que utiliza la combinacion de las dos magnitudes de ajuste para el ajuste del numero de revoluciones.
La ampliacion del dispositivo de acuerdo con la invencion de acuerdo con la reivindicacion 7 no tiene la finalidad de posibilitar un funcionamiento "excedente" permanente del dispositivo. Mas bien, este perfeccionamiento tiene en cuenta la circunstancia de que las bombas de alta presion habituales tienen un limite de corriente de masa inferior, por debajo del cual ya no funcionan de manera satisfactoria. Asi, hay una corriente de masa mas pequena del gas a la que la bomba no puede descender. El tercer regulador entra en accion normalmente solo al empezar a abrir la segunda valvula reguladora de presion asignada a el y, con ello, posibilitar un retorno del gas liquido en el tanque de almacenamiento cuando el consumidor demanda una corriente de masa que es tan escasa que esta por debajo del valor minimo de la bomba de alta presion.
El segundo y el tercer regulador pueden tener respectivamente un captador de presion propio, pero preferentemente estan conectados a un mismo captador de presion. En principio, no es determinante si este esta dispuesto en direccion de corriente delante o detras del evaporador. En el ejemplo de realizacion preferente, el captador de presion registra la presion del gas liquido antes del evaporador.
Los valores teoricos caracterizados en las reivindicaciones 6 y 8 son validos para el funcionamiento regular del dispositivo de acuerdo con la invencion. Sin embargo, tambien se tienen en cuenta otras interpretaciones, que sea duradero o para casos excepcionales determinados, por ejemplo, en una desconexion de emergencia del consumidor, una desconexion de gas rapida o una modificacion muy rapida de la presion del gas en la salida del dispositivo.
El dispositivo de acuerdo con la invencion se utiliza preferentemente en la borda de barcos para el abastecimiento de la propulsion del barco de gas natural (GNL), y especialmente cuando la propulsion del barco comprende denominados motores MEGI, que se accionan en la manera ya descrita con gasoleo y gas. Estos motores requieren que se les ponga a disposicion el GNL en la entrada a una presion fijada con elevada precision. Estos valores de presion pueden variar considerablemente en un amplio rango de presion; son, normalmente, de 15 a 30 MPa. El dispositivo de acuerdo con la invencion esta, a este respecto, en condiciones de seguir exactamente tambien gradientes de rampas de presion rapidos. Esto se logra en el dispositivo de acuerdo con la invencion, aunque las corrientes de masa exigidas por el motor de barco pueden ser completamente distintas independientemente del requisito de presion.
Mas recientemente, se discute ademas sobre propulsiones de barco con motores que queman el GLP (gas licuado clasico con los componentes principales propano, propeno, butano, buteno, isobutano y/o isobuteno). En ese medio el nivel de presion necesario es aun considerablemente mas elevado que en el GNL; se eleva hasta 60 MPa. Para esto, las temperaturas mas bajas no son tan bajas como en el GNL, de manera que la problematica del gas evaporado es menos pronunciada. Aun asi, tambien en este caso se prefiere el dispositivo de acuerdo con la invencion a los dispositivos conocidos para el abastecimiento del motor de barco correspondiente de gas.
A continuacion esta explicada con mas detalle la invencion mediante un ejemplo de realizacion preferente. La unica Figura muestra un diagrama de flujo del proceso de un dispositivo segun la invencion.
En un tanque de almacenamiento 1 se encuentra gas natural liquido (GNL). Al tanque de almacenamiento 1 esta conectada por una tuberia de extraccion 2 una bomba de alta presion 3, la cual se acciona por un motor electrico 4. Una tuberia de conexion 5 conduce desde la salida de la bomba de alta presion a un evaporador 6. Desde el evaporador 6 conduce una tuberia de salida 7 a un consumidor 8, en este caso, en forma de un motor diesel, que puede accionarse adicionalmente con gas a alta presion. En la salida de la bomba de alta presion esta conectado ademas un amortiguador 9.
La bomba de alta presion 3 accionada por el motor electrico 4 toma gas licuado criogenico del tanque de almacenamiento 1 y lo somete a alta presion. El amortiguador 9, un deposito lleno parcialmente de gas liquido y parcialmente de gas evaporado espontaneamente, amortigua las oscilaciones de presion que se producen, a este respecto, en el gas licuado. Desde la bomba de alta presion 3, el gas licuado llega por la tuberia 5 al evaporador 6. Este comprende de manera no mostrada en detalle un intercambiador de calor, por medio del cual el gas licuado se
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calienta y, a este respecto, se evapora. El gas evaporado que es, asi, gaseoso y, a este respecto, tiene presion generada por la bomba de alta presion 3, llega por la tuberia de salida 7 al motor diesel/gas 8.
En la tuberia de salida 7 esta insertada una valvula reguladora de presion 10, que se ajusta por un primer regulador 11. El regulador 11 registra mediante un captador de presion 12 como magnitud de regulacion la presion del gas en direccion de corriente detras de la valvula reguladora de presion 10 y forma de esto asi como de un valor teorico SP1 fijado de manera externa la magnitud de ajuste para la valvula reguladora de presion 10.
Un segundo regulador 15 registra por un captador de presion 16 como magnitud de regulacion la presion del gas liquido en la tuberia de conexion 5 y forma de esto asi como de un valor teorico SP2 fijado de manera externa una magnitud de ajuste a la que llega una entrada de un sumador 17. La magnitud de ajuste del primer regulador 11 llega a la otra entrada del sumador 17 por un elemento de transmision 13. El elemento de transmision 13 modifica esta magnitud de ajuste, por lo que se le conduce al sumador 17 conforme a una funcion de transmision dinamica realizada en el elemento de transmision, la cual puede adaptarse a las proporciones individuales del dispositivo.
A la salida del sumador 17 esta conectado por un limitador 18 un regulador del numero de revoluciones 19 para el motor electrico 4. El limitador 18 limita la suma de las dos magnitudes de ajuste formada en el sumador 17 al margen de senal admisible del regulador del numero de revoluciones 19. El regulador del numero de revoluciones 19 esta formado, por ejemplo, como convertidor de frecuencia que ajusta por la frecuencia de la corriente de alimentacion conducida al motor electrico 4 el numero de revoluciones del motor electrico conforme a la suma limitada de las dos magnitudes de ajuste por los reguladores 11 y 15 y, con ello, tambien la corriente de masa del gas licuado extraida por la bomba de alta presion 3.
A la tuberia de conexion 5 esta conectada, por ultimo, otra segunda valvula reguladora de presion 20, cuya salida esta en contacto con el tanque de almacenamiento 1 por una tuberia de retorno 22. Cuando se abre la valvula reguladora de presion 20, el gas licuado puede fluir por la tuberia de retorno 22 de vuelta al tanque de almacenamiento 1. La valvula reguladora de presion 20 se pone en funcionamiento por la magnitud de ajuste de un tercer regulador 21, que conserva como magnitud de regulacion por el captador de presion 16 como el regulador 15 la presion del gas licuado detras de la bomba de alta presion 3 y de ello, asi como de un valor teorico SP3 fijado de manera externa, forma la magnitud de ajuste para la valvula reguladora de presion 20.
Normalmente, el valor teorico SP2 del segundo regulador 15 es mayor que el valor teorico SP1 del primer regulador 11 y el valor teorico SP3 del tercer regulador 21 es de nuevo mayor que el valor teorico SP2 del segundo regulador 15.
Los reguladores 11 y 15 ajustan conjuntamente la presion del gas evaporado, que llega al motor diesel/gas 8. El tercer regulador 21 se ocupa de una reduccion de la presion del gas en la salida de la bomba de alta presion 3 cuando se ha conseguido el numero de revoluciones limite inferior de la bomba de alta presion 3 y, por eso, por influencia solo de la bomba la presion no puede descender mas.
El primer regulador 11 esta realizado como regulador PI habitual en el sector, ajustado para parametrizacion rapida, elevado factor de amplificacion y pequena constante de tiempo de integracion.
El segundo regulador 15 esta efectuado como regulador PID industrial con las funciones adicionales habituales y funciona como regulador P. Lo mismo vale para el tercer regulador 21.
Los siguientes son valores tipicos para presion, temperatura y corriente de masa del gas asi como el numero de revoluciones de la bomba de alta presion para dos casos de carga.
1) Caso de carga 25 %:
Presion:
0,54 MPa antes de la bomba de alta presion
20.3 MPa despues de la bomba de alta presion 20,2 MPa despues del evaporador
17.4 MPa antes del motor diesel/gas
Temperatura:
-157 0C antes de la bomba de alta presion -145 0C despues de la bomba de alta presion 50 0C despues del evaporador
Corriente de masa:
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650 kg/h tuberia de retorno 22 1140 kg/h tuberia de salida 7
Numero de revoluciones:
150 m-1
2) Caso de carga 85 %:
Presion:
0,54 MPa antes de la bomba de alta presion 29,1 MPa despues de la bomba de alta presion 28,9 MPa despues del evaporador 27,8 MPa antes del motor diesel/gas
Temperatura:
-157 0C antes de la bomba de alta presion -141 0C despues de la bomba de alta presion 50 0C despues del evaporador
Corriente de masa:
3580 kg/h tuberia de salida 7
Numero de revoluciones:
300 m-1
3. Calidad de reglaje
En un dispositivo de acuerdo con el ejemplo de realizacion, las desviaciones maximas de la presion y de la corriente de masa del gas de los valores teoricos exigidos ascendieron a menos del 1 % de manera estacionaria y a menos del 5 % de manera dinamica.
La prueba de la calidad de reglaje dinamica se baso en dos casos, a saber, un incremento de potencia al consumidor del 0 al 100 % en el plazo de dos minutos y una disminucion de potencia al consumidor (como simulacion de una desconexion de emergencia) del 100 % al 0 % en el plazo de diez segundos.

Claims (10)

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    REIVINDICACIONES
    1. Dispositivo para el suministro de gas desde un tanque de almacenamiento (1), que contiene el gas como gas licuado criogenico en forma evaporada, con presion regulada a al menos un consumidor (8) cuyos requisitos en cuanto a la presion y la corriente de masa del gas varian considerablemente, con una bomba de alta presion (3) conectada al tanque de almacenamiento (1) para el gas licuado, la cual extrae gas licuado desde el tanque de almacenamiento (1) y aumenta la presion del gas licuado, con una instalacion de ajuste (19) para el ajuste de la corriente de masa del gas licuado transportado por la bomba de alta presion (3),
    con un evaporador (6) que sigue a la bomba de alta presion (3) para el gas licuado de presion aumentada, con una valvula reguladora de presion (10) que sigue al evaporador (6) para el gas evaporado, en cuya salida puede conectarse el consumidor (8), caracterizado por un primer regulador (11), cuya magnitud de regulacion es la presion del gas evaporado detras de la valvula reguladora de presion (10) y cuya magnitud de ajuste actua sobre la valvula reguladora de presion (10), por un segundo regulador (15), cuya magnitud de regulacion es la presion del gas entre la bomba de alta presion (3) y la valvula reguladora de presion (10) y cuya magnitud de ajuste actua sobre la instalacion de ajuste (19) para la corriente de masa y
    por medios (17) para la combinacion de las magnitudes de ajuste de los dos reguladores (11; 15), de tal manera que la magnitud de ajuste del primer regulador (11) actua adicionalmente sobre la instalacion de ajuste (19) para la corriente de masa.
  2. 2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 1,
    con un sumador (17) antepuesto a la instalacion de ajuste (19) para la corriente de masa para la magnitud de ajuste del primer regulador (11) y la magnitud de ajuste del segundo regulador (15).
  3. 3. Dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 2,
    con un limitador de senal (18) para las dos magnitudes de ajuste que mantiene su suma en el margen de senal admisible de la instalacion de ajuste (19) para la corriente de masa.
  4. 4. Dispositivo de acuerdo con las reivindicaciones 1,2 o 3,
    con un elemento de transmision (13) cuya funcion de transmision modifica la magnitud de ajuste del primer regulador (11), en la medida en que actua sobre la instalacion de ajuste (19) para la corriente de masa.
  5. 5. Dispositivo de acuerdo con las reivindicaciones 1,2, 3 o 4,
    en el cual el valor teorico (SP2) del segundo regulador (15) es mayor que el valor teorico (SP1) del primer regulador (11).
  6. 6. Dispositivo de acuerdo con las reivindicaciones 1,2, 3, 4 o 5,
    con un motor (4) para el accionamiento de la bomba de alta presion (3), cuyo numero de revoluciones determina la corriente de masa del gas licuado transportado por la bomba de alta presion (3), y con un regulador del numero de revoluciones (19) para el motor como instalacion de ajuste para la corriente de masa.
  7. 7. Dispositivo de acuerdo con las reivindicaciones 1,2, 3, 4, 5 o 6,
    con una segunda valvula reguladora de presion (20) que sigue a la bomba de alta presion (3), en cuya salida esta conectada una tuberia de retorno (22) que lleva al tanque de almacenamiento (1) para el gas licuado, y con un tercer regulador (21), cuya magnitud de regulacion es la presion del gas licuado antes de la segunda valvula reguladora de presion (20) y cuya magnitud de ajuste actua sobre la segunda valvula reguladora de presion (20).
  8. 8. Dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 7,
    en el cual el valor teorico (SP3) del tercer regulador (21) es mayor que el valor teorico (SP2) del segundo regulador (15).
  9. 9. Dispositivo de acuerdo con las reivindicaciones 7 u 8,
    en el cual el segundo regulador (15) y el tercer regulador (21) estan conectados a un captador de presion (16) comun para la magnitud de regulacion.
  10. 10. Uso del dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 9,
    para el suministro de gas como segundo combustible o combustible alternativo a un motor diesel marino o a un grupo de motores diesel marinos.
ES13728108.5T 2012-05-16 2013-05-16 Dispositivo para el suministro de gas Active ES2559835T3 (es)

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