ES2579056B2 - Sistema de aporte de energía a la planta de relicuación para buques de transporte de gas natural utlizando energía térmica residual del sistema de propulsión. - Google Patents

Sistema de aporte de energía a la planta de relicuación para buques de transporte de gas natural utlizando energía térmica residual del sistema de propulsión. Download PDF

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Abstract

La presente invención denominada “sistema de aporte de engría térmica a la planta de relicuación para buques de transporte de gas natural utilizando energía térmica residual del sistema de propulsión” tiene como objetivo la relicuación del gas natural contenido dentro en los tanques de carga del buque de transporte de gas natural licuado, mediante la asociación dos ciclos termodinámicos:#a) un ciclo motriz termo-actuador que opera con la energía térmica residual procedente del sistema de propulsión del buque, el cual proporciona energía mecánica al sistema de compresión del ciclo frigorífico y,#b) un ciclo frigorífico accionado por un cilindro termo-actuador del ciclo térmico actuador responsable de la relicuación del gas natural.

Description

SISTEMA DE APORTE DE ENERGIA A LA PLANTA DE RELICUACIÓN PARA BUQUES DE TRANSPORTE DE GAS NATURAL UTILIZANDO ENERGIA TÉRMICA RESIDUAL DEL SISTEMA DE PROPULSiÓN
la presente invención pertenece al campo técnico de la refrigeración industrial por compresión mecánica de vapor de gas refrigerante, utilizando energía térmica procedente de fuentes térmicas de media y baja temperatura tal como la energla residual de la evacuación de motoras de combustión inlerna de propulsión marina, turbinas de gas de propulsión marina y generadores de vapor de las plantas de propulsión marina con turbinas de vapor.
OBJETIVO DE LA INVENCiÓN El objetivo de la presente invención denominada sistema de aporte de energía a la planta de relicuación para buques de transporte de gas natural utilizando energía térmica residual del sistema de propulsión es la relicuación del gas procedente de la evaporación ~boi l off gasquot; (BOG) del gas natural licuado contenido en los tanques de caga del buque, mediante la asociación dos ciclos termodinámicos: a) un ciclo térmico actuador que opera con la energía térmica residual procedente del sistema de propulsión del buque, el cual convierte energía térmica a energfa mecánica para aportar el trabajo de compresión a un ciclo frigorífico por compresión mecánica encargado de la relicuaci6n del BOG y, b) un ciclo frigorífico formado por ciclos en cascada de compresión de vapor, el cual es accionado por el ciclo térmico actuador, donde este ciclo frigorífico es responsable del enfriamiento y relicuación del BOG
ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN las plantas convencionales de relicuación por compresión de vapor, utilizan la energla eléctrica para la realización de la fase de compresión de vapor mediante uno o más compresores accionados por motores eléctricos. El invenlo denominado sistema de aporte de energía a la planta de relicuación para buques de transporte de gas natural utilizando energía térmica residual del sistema de propulsión se diferencia del citado ciclo termodinámico de compresión de vapor en que la energía mecánica de compresión es obtenida de un ciclo térmico de conversión de energía que está alimentado con energia térmica residual procedente del sistema de propulsión del buque.
En el estado actual de la tecnología no se conocen plantas de relicuación de BOG por compresión de vapor que operen según este principio, es decir con energía residual procedente del sistema de propulsión.
BREVE DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN El sistema de aporte de calor a la planta de relicuación para buques de transporte de gas natural utilizando energía térmica residual del sistema de propulsión, está constituida por dos módulos termo-mecánicos acoplados entre si: -El módulo motriz que consiste en un grupo de cuatro máquinas térmicas alternativas (tantas como compresores frigoríficos del módulo de refrigeración) que operan con la energía térmica residual procedente del escape del sistema de propulsión donde cada máquina térmica alternativa obedece a un ciclo térmico actuador no convencional, los cuales proporcionan energía mecánica a los compresores del ciclo frigorífico. -El módulo de refrigeración convencional que opera por compresión mecánica según un ciclo frigorífico de Rankine en cascada, donde cada compresor es accionado por una máquina térmica alternativa que opera con la energía térmica residual procedente del escape de del sistema de propulsión.
DESCRIPCiÓN DE LAS FIGURAS En esta sección se describen a modo ilustrativo y no limitativo, los componentes que constituyen el sistema de aporte de energia a planta de relicuación para buques de transporte de gas natural utilizando energía térmica residual del sistema de propulsión para facilitar la comprensión de la invención en donde se hace referencia a las siguientes figuras: Figura 1. Esquema del módulo que comprende el ciclo térmico actuador del sistema de aporte de energía la planta de relicuación para buques de transporte de gas natural utilizando energía térmica residual del sistema de propulsión, el cual está constituido por:
6.
Condensador del ciclo térmico actuador.
7.
Bomba de alimentación.
8.
Regenerador de calor.
9.
Intercambiador de la fuente externa de calor residual.
10.
Cilindro termo-actuador.
12.
Válvula de admisión de fluido de trabajo de dos posiciones-tres vías.
13.
Válvula de descarga de fluido de trabajo de dos posiciones-tres vías.
Figura 2. Esquema del módulo de refrigeración del sistema de aporte de energía a la planta de relicuaci6n para buques de transporte de gas natural utilizando energía térmica residual del sistema de propulsión constituida por tres ciclos de refrigeración en cascada, mostrando el ciclo de propileno, el ciclo de etileno y el ciclo de BOG, cuyos componentes fundamentales son:
20. Compresor del ciclo de refrigeración con propileno.
30. Compresores del ciclo de refrigeración con etileno (2 unidades).
40. Compresor del ciclo de relicuación de BOG.
50. Tanque de carga de gas natural licuado.
Figura 3. Esquema de acoplamiento entre cada módulo motriz dotado del ciclo térmico actuador y cada compresor del módulo frigorífico por compresión que consta de.
6.
Condensador del ciclo térmico actuador.
7.
Bomba de alimentación.
8.
Regenerador de calor.
9.
Intercambiador de la fuente externa de calor residual.
10.
Cilindro termo-actuador.
12.
Válvula de admisión de fluido de trabajo de dos posiciones-tres vías.
13.
Válvula de descarga de fluido de trabajo de dos posiciones-tres vías.
16.
Captura de calor residual procedente de la evacuación del sistema de propulsión.
17.
Captura de calor procedente de un combustible fósil incluido el gas natural. 20 Compresor del ciclo de refrigeración con propileno. 30 Compresores del ciclo de refrigeración en cascada con etileno. 40 Compresor del ciclo de relicuación de BOG.
DESCRIPCiÓN DETALLADA DE LA INVENCiÓN El sistema de aporte de energia a la planta de relicuación para buques de transporte de gas natural utilizando energia térmica residual del sistema de propulsión, está constituido por dos módulos ténnicos, según se muestra en las figuras 1, 2 Y 3: -módulo motriz que opera con un ciclo ténnico actuador no convencional formado por un grupo de cuatro máquinas térmicas alternativas, es decir, tantas máquinas térmicas alternativas como compresores frigoríficos del módulo de refrigeración, el cual convierte la energía térmica de los gases de escape del sistema de propulsión a energía mecánica mediante los cilindros termo-actuadores (10), que consisten en máquinas alternativas que proporcionan energia mecánica a los compresores (20), (30 Y (40) -módulo de refrigeración convencional que opera según el ciclo frigorífico por compresión cuyos compresores (20), (30) Y (40) son accionado por las máquinas térmicas alternativas formadas por los cilindros termo-actuadores (10), donde el conjunto de ambos módulos tiene como objetivo la relicuación del BOG de cada tanque (50) de carga del buque durante su travesía. Cada unidad del grupo de cuatro máquinas térmicas alternativas del módulo motriz que opera con un ciclo ténnico actuador no convencional consta de: -Condensador del ciclo térmico actuador (6) del fluido térmico enfriado por agua de mar o río a temperatura ambiente el cual recibe el fluido térmico de trabajo procedente del regenerador de calor (8) en estado gaseoso, lo condensa y lo envía en estado líquido a la aspiración de la bomba de alimentación (7). -Bomba de alimentación (7), la cual impulsa el fluido térmico de trabajo hacia el regenerador de calor (8), en donde adquiere calor y temperatura. -Regenerador de calor (8), el cual absorbe el calor residual procedente de la evacuación del cilindro tenno-actuador (t O). -Fuente externa de calor (9) residual destinada a proporcionar energía térmica al ciclo térmico actuador, la cual procede de los gases calientes de evacuación del sistema de propulsión (16), ayudada por una fuente de calor adicional de origen fósil en caso de demanda de calor (17). -Cilindro termo-actuador (10) responsable de convertir la energía térmica en trabajo mecánico para accionar el compresor frigorífico (20), (30) Y (40) por medio del vástago el cual está rígidamente articulado al vástago del compresor frigorífico (20), (30) Y (40) para transmitir el movimiento de desplazamiento alternativo. El cilindro termo-actuador
(10) admite el fluido térmico de trabajo por la válvula de admisión de dos posiciones tres vías (12) y lo descarga por la válvula de descarga de dos posiciones-tres vías (13) hacia el regenerador de calor (8). -Válvula de admisión de fluido de trabajo de dos posiciones-tres vías (12) que admite el gas procedente de la fuente externa (9). -Válvula de descarga de fluido de trabajo de dos posiciones-tres vías (13) que permite la descarga de los gases hacia el regenerador de calor (S). Línea de captura de calor residual (16) procedente de la evacuación del sistema de propUlsión que transfiere calor a la Intercambiador de la fuente externa de calor residual (9).
Unea de captura de calor (17) procedente de un combustible fósil incluido el gas natural que transfiere calor a la Intercambiador de la fuente externa de calor residual (9). y donde el módulo de refrigeración el cual opera por compresión mecánica según un ciclo frigorifico de Rankine en cascada consta de tres bucles de refrigeración en cascada constituidos por. -Un compresor del ciclo de refrigeración del bucle con propileno (20), el cual tiene la misión de aportar el trabajo necesario para enfriar y condensar el fluido (etileno) del ciclo de refrigeración de etileno. -Dos compresores del ciclo de refrigeración del bucle con etileno (30), los cuales tienen la misión de aportar el trabajo necesario para enfriar y relicuar el BOG -Un compresor del ciclo de relicuación del BOG (40) del bucle de la carga (gas natural licuado) el cual tiene la misión extraer el gas natural en estado gaseoso del tanque (50), para su posterior condensación y retorno al tanque (50) en estado liquido.
El procedimiento de operación de ambos módulos, el módulo motriz y el módulo de refrigeración, que estan asociados entre si mediante conexión termo-mecánica por medio del vástago del cilindro termo-actuador (10) y los respectivos compresores (20),
(30) Y (40) se lleva a cabo del siguiente modo: La bomba de alimentación (7) aspira el fluido térmico de trabajo (dióxidO de carbono) en estado liquido procedente del condensador del ciclo térmico actuador (6) a temperatura ambiente, lo comprime y lo impulsa hacia el regenerador de calor (8), donde captura parte del calor del fluido de trabajo evacuado por el cilindro termoactuador (10). Pasa por la Intercambiador de la fuente externa de calor residual (9) donde adquiere mas calor elevando su temperatura a presión constante y vaporizando. Entra en el lado activo del cilindro termo-actuador (10) por la válvula de admisión de fluido de trabajo de dos posiciones-tres vías (12), causando la realización de trabajo mecánico, el cual es transmitido por medio de sus respectivos vástagos a los compresores de los ciclos frigoríficos (20), (30) Y (40). El lado pasivo del cilindro termo-actuador (10) evacua el fluido térmico a la temperatura de trabajo por la válvula de descarga de fluido de trabajo de dos posiciones-tres vías (13) pasando al regenerador de calor (8) donde cede parte del calor y de ahí pasa al condensador del fluido de trabajo del ciclo térmico actuador (6), completando el ciclo térmico.
•
DESCRIPCiÓN DE LA REALIZACiÓN PREFERENTE DE LA INVENCiÓN La realización preferente del sistema de aporte de energía a planta de relicuación para buques de transporte de gas natural utilizando energía térmica residual del sistema de propulsión se muestra en la figura 3, se caracteriza por: -módulo motriz que opera con un cido ténnico actuador no convencional el cual convierte la energía térmica de los gases de escape del sistema de propulsión a energía mecánica mediante el cilindro termo-actuador (10), que consiste en una máquina alternativa que proporciona energía mecánica a los compresores (20), (30 Y
(40)
-módulo de refrigeración convencional que opera según el cido frigorífico por compresión cuyos compresores (20), (30) Y (40) son accionado por la máquina alternativa formada por el cilindro termo-actuador (10), de cada módulo motriz. El conjunto de ambos módulos tiene como objetivo la relicuadón del BOG de cada tanque (50) de carga del buque durante su transporte según se muestra en la figura 2. El módulo motriz mostrado en la figura 3 que opera con un ciclo ténnico actuador no convencional consta de: Condensador del ciclo térmico actuador (6) del Huido térmico enlriado por agua de mar
o río a temperatura ambiente el cual recibe el fluido térmico de trabajo procedente del regenerador de calor (8) en estado gaseoso, lo condensa y lo envía en estado liquido a la aspiración de la bomba de alimentación (7). Bomba de alimentación (7), la cual impulsa el fluido térmico de trabajo hacia el regenerador de calor (8), en donde adquiere calor y temperatura. Regenerador de calor (8), el cual absorbe el calor residual procedente de la evacuación del cilindro termo-actuador (10). Fuente externa de calor (9) residual encargada de proporcionar energía térmica al ciclo térmico actuador, la cual procede de los gases calientes de evacuación del sistema de propulsión (16), ayudada por una fuente de calor adicional de origen fósil en caso de demanda de calor (17). Cilindro termo-actuador (10) responsable de convertir la energía térmica en trabajo mecánico para accionar el compresor frigorffico (20), (30) Y (40) por medio del vástago el cual está rigidamente articulado al vástago del compresor Irigorifico (20), (30) Y (40) para transmitir el movimiento de deSplazamiento alternativo. El cilindro termo-acluador
(10)
admite el fluido térmico de trabajo por la válvula de admisión de dos posicionestres vias (12) y lo descarga por la válvula de descarga de dos posiciones-tres vias (13) hacia el regenerador de calor (8).
Válvula de admisión de fluido de trabajo de dos posiciones-tres vías (12) que admite el gas procedente de la fuente externa (9) . Válvula de descarga de fluido de trabajo de dos posiciones-tres vfas (13) que permite la descarga de los gases hacia el regenerador de calor (8). Captura de calor residual (16) procedente de la evacuación del sistema de propulsión que transfiere calor a la Intercambiador de la fuente externa de calor residual (9). Captura de calor (17) procedente de un combustible fósil incluido el gas natural que transfiere calor a la Intercambiador de la fuente extema de calor residual (9).
El módulo de refrigeración el cual opera por compresión mecánica según un ciclo frigorífico de Rankine mostrado en la figura 2 consta de: Compresor del ciclo de refrigeración con propileno (20), el cual tiene la misión de aportar el trabajo necesario para enfriar y condensar el fluido (etileno) del ciclo de refrigeración de etileno. Compresores del ciclo de refrigeración con etileno (30), el cual tiene la misión de aportar el trabajo necesario para enfriar y relicuar el BOG Compresor del ciclo de relicuación del BOG (40) de la carga el cual tiene la misión extraer el gas natural en estado gaseoso del tanque (50), para su posterior condensación y retomo al tanque (SO) en estado liquido.
Ambos módulos, el módulo motriz y el módulo de refrigeración, que están asociados entre sí mediante conexión termo-mecánica por medio de los vástagos del cilindro termo-actuador (10) y los respectivos compresores (20), (30) Y (40) operan del siguiente modo: La bomba de alimentación (7) aspira el fluido térmico de trabajo (dióxido de carbono) en estado líquido procedente del condensador del ciclo térmico actuador (6) a temperatura ambiente, lo comprime y lo impulsa hacia el regenerador de calor (8), donde captura parte del calor del fluido de trabajo evacuado por el cilindro termoactuador (10). Pasa por la Intercambiador de la fuente externa de calor residual (9) donde adquiere m~s calor elevando su temperatura a presión constante y vaporizando. Entra en el lado activo del cilindro termo-actuador (10) por la válvula de admisión de fluido de trabajo de dos posiciones-tres vías (12), causando la realización de trabajo mecánico, el cual es transmitido por medio de sus respectivos vástagos a los compresores de los ciclos frigorificos (20), (30) Y (40). El lado pasivo del cilindro termo-actuador (10) evacua el fluido térmico a la temperatura de trabajo por la válvula
•
de descarga de fluido de trabajo de dos posiciones-tres vías (13) pasando al regenerador de calor (8) donde cede parte del calor y de ahi pasa al condensador del fluido de trabajo del ciclo térmico actuador (6), completando el ciclo térmico
5 La procedencia de la energía térmica que alimenta al ciclo térmico actuador consistiendo por: -una línea de captura de calor residual (16) procedente de la evacuación del sistema de propulsión. -una linea de captura de calor procedente de un combustible fósil (17) incluido el gas
10 natural. La instalación de aporte de calor está capacitada para que ambas líneas de aporte de calor al ciclo térmico actuador (16) y (17) puedan operar de modo individual o en tándem.
15 Según se muestra en la figura 4, las bombas de alimentación (7) y los condensadores
(6) de cada módulo motriz de conversión de energía térmica a energía mecánica son sustituidos por una única bomba (70) y un único condensador (60), donde el condensador (60) recibe el fluido de trabajo en estado gaseoso procedente de cada uno de los regeneradores (8), y 10 condensa para ser transferido mediante la bomba
20 de alimentación (70) hacia cada uno de los regeneradores (8) en estado líquido.

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES
    11, Sistema de aporte de energía a la planta de relicuaci6n para buques de transporte de gas natural utilizando energía térmica residual del sistema de propulsión, el cual está constituido por dos módulos térmicos: -módulo motriz que opera con un ciclo térmico actuador no convencional formado por un grupo de cuatro máquinas térmicas alternativas, es decir, tantas máquinas térmicas alternativas como compresores frigorlficos del módulo de refrigeración, el cual convierte la energía térmica de los gases de escape del sistema de propulsión a energía mecánica mediante los cilindros termo-actuadores (10) , que consisten en máquinas alternativas que proporcionan energfa mecánica a los compresores (20), (30 Y (40) -módulo de refrigeración convencional que opera según el ciclo frigorífico por compresión cuyos compresores (20), (30) Y (40) son accionado por las máquinas térmicas alternativas formadas por los cilindros termo-actuadores (10), donde el conjunto de ambos módulos tiene como objetivo la relicuaci6n del BOG de cada tanque (50) de carga del buque durante su travesía. Cada unidad del grupo de cuatro máquinas térmicas alternalivas del módulo motriz que opera con un ciclo térmico actuador no convencional consta de: -Condensador del ciclo térmico actuador (6) del fluido térmico enfriado por agua de mar o río a temperatura ambiente el cual recibe el fluido térmico de trabajo procedente del regenerador de calor (S) en estado gaseoso, lo condensa y lo envía en estado liquido a la aspiración de la bomba de alimentación (7). -Bomba de alimentación (7). la cual impulsa el fluido térmico de trabajo hacia el regenerador de calor (8), en donde adqUiere calor y temperatura. -Regenerador de calor (8), el cual absorbe el calor residual procedente de la evacuación del cilindro termo-actuador (10). -Fuente externa de calor (9) residual destinada a proporcionar energía térmica al ciclo térmico actuador, la cual procede de los gases calientes de evacuación del sistema de propulsión (16), ayudada por una fuente de calor adicional de origen fósil en caso de demanda de calor (17). -Cilindro terrncractuador (10) responsable de convertir la energía térmica en trabajo mecánico para accionar el compresor frigorífico (20), (30) Y (40) por medio del vástago el cual está rlgidamente articulado al vástago del compresor frigorlfico (20), (30) Y (40) para transmitir el movimiento de desplazamiento alternativo. El cilindro termo-actuador
    (10) admite el fluido térmico de trabajo por la válvula de admisión de dos posiciones
    tres vías (12) y lo descarga por la válvula de descarga de dos posiciones-tres vías (13) hacia el regenerador de calor (8). -Válvula de admisión de fluido de trabajo de dos posiciones-tres vras (12) que admite el gas procedente de la fuente externa (9). -Válvula de descarga de fluido de trabajo de dos posidones-tres vías (13) que permite la descarga de los gases hacia el regenerador de calor (8). línea de captura de calor residual (16) procedente de la evacuación del sistema de propulsión que transfiere calor a la Intercambiador de la fuente externa de calor residual (9). Unea de captura de calor (17) procedente de un combustible fósil incluido el gas natural que transfiere calor a la Intercambiador de la fuente externa de calor residual (9). y donde el módulo de refrigeración el cual opera por compresión mecánica según un ciclo frigorífico de Rankine en cascada consta de tres bucles de refrigeración en cascada constituidos por: -Un compresor del ciclo de refrigeración del bucle con propileno (20) , el cual tiene la misión de apol1ar el trabajo necesario para enfriar y condensar el fiuido (etileno) del ciclo de refrigeración de etileno. -Dos compresores del ciclo de refrigeración del bucle con etileno (30), los cuales tienen la misión de aportar el trabajo necesario para enfriar y relicuar el BOG -Un compresor del ciclo de relicuación del BOG (40) del bucle de la carga (gas natural licuado) el cual tiene la misión extraer el gas natural en estado gaseoso del tanque (50), para su posterior condensación y retomo al tanque (50) en estado líquido.
    2a. El procedimiento de operación de sistema de aporte de energía a la planta de relicuación para buques de transporte de gas natural licuado utilizando energía térmica residual del sistema de propulsión, según reivindicación primera, el cual consta de dos módulos, el módulo motriz y el módulo de refrigeración, los cuales se hallan asociados entre si mediante conexión termo-mecánica por medio del vástago del cilindro tennoactuador (10) y los respectivos compresores (20), (30) Y (40) se lleva a cabo del siguiente modo: La bomba de alimentación (7) aspira el fluido térmico de trabajo (dióxido de carbono) en estado liquido procedente del condensador del ciclo térmico actuador (6) a temperatura ambiente, lo comprime y lo impulsa hacia el regenerador de calor (8), donde captura parte del calor del fluido de trabajo evacuado por el cilindro tenno
    actuador (10). Pasa por la Intercambiador de la fuente externa de calor residual (9) donde adquiere más calor elevando su temperatura a presión constante y vaporizando. Entra en el lado activo del cilindro termo-actuador (10) por la válvula de admisión de fluido de trabajo de dos posiciones-tres vías (12), causando la realización 5 de trabajo mecánico, el cual es transmitido por medio de sus respectivos vástagos a los compresores de los ciclos frigorificos (20), (30) Y (40). El lado pasivo del cilindro tenno-actuador (10) evacua el fluido térmico a la temperatura de trabajo por la válvula de descarga de fluido de trabajo de dos posiciones-tres vías (13) pasando al regenerador de calor (8) donde cede parte del calor y de ahí pasa al condensador del
    10 fluido de trabajo del ciclo térmico actuador (6), completando el ciclo térmico.
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