ES2897734T3 - Regasificación de ciclo Brayton de gas natural licuado - Google Patents

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Abstract

Una planta de energía que incluye un aparato (500) para la regasificación de gas natural licuado (GNL), comprendiendo la planta de energía: dos ciclos Brayton en cascada que comprenden un ciclo (Brayton abierto superior (510) y un ciclo Brayton cerrado inferior (532), en donde el ciclo Brayton cerrado inferior (532) comprende: un compresor (516) configurado para presurizar un fluido de trabajo; un sistema (512) de recuperación de calor configurado para recuperar calor del ciclo Brayton abierto superior (510) y suministrarlo al fluido de trabajo; una turbina (514) configurada para generar trabajo utilizando el fluido de trabajo; y un intercambiador (518) de calor de 4 corrientes configurado para transferir calor desde el fluido de trabajo a un gas natural licuado de primera etapa a una primera presión, un gas natural licuado de segunda etapa a una segunda presión y el fluido de trabajo comprimido.

Description

DESCRIPCIÓN
Regasificación de ciclo Brayton de gas natural licuado
Antecedentes
El objeto descrito en la presente memoria se refiere de forma general a la regasificación de Gas Natural Licuado (GNL), y más específicamente a métodos y sistemas que utilizan ciclos Brayton para la regasificación de GNL. La patente US-3.992.891 A describe un proceso para recuperar la energía de un gas licuado mediante evaporación en intercambio de calor con un medio de ciclo.
Convencionalmente, el gas natural se transporta en forma licuada, es decir, como GNL, que posteriormente se regasifica para su distribución como gas natural en gasoducto, o para su combustión. El GNL es transportado, de forma típica, a una temperatura de aproximadamente 160 grados Celsius bajo cero, a una presión de aproximadamente 1 a 2 bar, y necesita ser regasificado antes del consumo o distribución a una temperatura entre aproximadamente 10 grados Celsius y aproximadamente 30 grados Celsius y una presión entre aproximadamente 30 bar y aproximadamente 250 bar.
Ciertas técnicas convencionales utilizan agua de mar como fuente de calor para la regasificación de GNL, cuyo uso puede, bajo ciertas circunstancias, tener un impacto negativo en el medio ambiente. Por ejemplo, el enfriamiento del agua de mar utilizando un proceso de regasificación de GNL que utiliza el agua de mar como fuente de calor puede producir efectos imprevistos en la vida marina y en el ecosistema en la proximidad inmediata de la instalación de regasificación de GNL. Entre otras técnicas convencionales, el gas natural puede quemarse para producir el calor necesario para la regasificación del GNL, lo que aumenta la huella de carbono del uso de GNL, por ejemplo, para la generación de energía.
Por lo tanto, existe la necesidad de un método y aparato mejorados para la regasificación de GNL que superen al menos algunos de los problemas mencionados anteriormente asociados a las técnicas convencionales de regasificación de GNL. Breve descripción
La invención se define en las reivindicaciones adjuntas.
Según una realización de la presente invención, en la reivindicación 1 se describe una planta de energía que incluye un aparato para la regasificación de gas natural licuado (GNL).
Según otra realización de la presente invención, en la reivindicación 4 se describe un método para la regasificación de gas natural licuado en una planta de generación de energía de GNL.
Según otra realización de la presente invención, en la reivindicación 8 se describe un método para modernizar un aparato para la regasificación de gas natural licuado en una planta de generación de energía de GNL.
Dibujos
Estas y otras características, aspectos y ventajas de la presente invención se entenderán mejor cuando se lea la siguiente descripción detallada en referencia a los dibujos adjuntos, en los que caracteres similares representan partes similares en todos los dibujos, en donde:
La Fig. 1 es un diagrama esquemático que ilustra un ciclo Brayton superior e inferior con gasificación de GNL de dos etapas.
La Fig. 2 es un gráfico de temperatura/entropía que ilustra un ciclo Brayton de nitrógeno en cascada integrado con dos niveles de presión de regasificación de g Nl , según una realización de la invención.
La Fig. 3 es un diagrama esquemático que ilustra un ciclo Brayton superior e inferior con gasificación de GNL de dos etapas.
La Fig. 4 es un diagrama esquemático que ilustra un ciclo Brayton superior e inferior recuperado con gasificación de GNL de una sola etapa.
La Fig. 5 es un diagrama esquemático que ilustra un ciclo Brayton superior e inferior recuperado híbrido con gasificación de GNL de dos etapas según otra realización de la presente invención.
Descripción detallada
Tal como se utiliza en la presente memoria, un elemento o función enumerada en singular y precedida con la palabra “un” o “una” debe entenderse que no excluye el plural de los elementos o funciones, a menos que se indique explícitamente tal exclusión. Además, referencias a “una realización” de la invención reivindicada no deben interpretarse como excluyendo la existencia de realizaciones adicionales que también incorporan las características mencionadas.
Como se ha mencionado en una realización, la presente invención proporciona una planta de energía que incluye un aparato para la regasificación de gas natural licuado (GNL), comprendiendo el aparato (a) un compresor configurado para presurizar un fluido de trabajo; (b) un sistema de recuperación de calor configurado para suministrar calor al fluido de trabajo; (c) una turbina configurada para generar trabajo mediante el uso del fluido de trabajo; y (d) uno o más intercambiadores de calor configurados para transferir calor desde el fluido de trabajo a un gas natural licuado de primera etapa a una primera presión, y al menos un gas natural licuado de segunda etapa a una segunda presión o un fluido de trabajo comprimido.
En varias realizaciones, la planta de energía comprende una bomba de GNL de primera etapa que puede utilizarse para suministrar un gas natural licuado de primera etapa a la primera presión, o una bomba de GNL de segunda etapa para suministrar el gas natural licuado de segunda etapa a la segunda presión.
Se utiliza un fluido de trabajo para capturar el calor generado por la planta de energía y transferirlo en etapas al GNL que se está regasificando. En varias realizaciones, el fluido de trabajo se calienta en un sistema de recuperación de calor configurado para suministrar calor al fluido de trabajo. En una realización, el fluido de trabajo se calienta en el sistema de recuperación de calor hasta una temperatura entre aproximadamente 300 0C y aproximadamente 700 °C. En una realización, el sistema de recuperación de calor está configurado para extraer calor de los gases de escape calientes producidos por una turbina de generación de energía. En una realización alternativa, el sistema de recuperación de calor está configurado para extraer calor de un ciclo térmico externo. En una realización, el ciclo térmico externo es un ciclo superior de una planta de generación de energía de GNL.
En varias realizaciones, la transferencia de calor del fluido de trabajo al GNL se realiza en un intercambiador de calor. En una realización, el intercambiador de calor está configurado para suministrar un gas natural licuado de primera etapa calentado a una temperatura entre aproximadamente -140 0C y aproximadamente -110 0C.
En una realización, el intercambiador de calor está configurado para recibir un gas natural licuado de segunda etapa a una temperatura entre aproximadamente -130 °C y aproximadamente -100 °C y una presión entre aproximadamente 50 bar y aproximadamente 700 bar. En una realización, el intercambiador de calor está configurado para suministrar un gas natural licuado de segunda etapa calentado a una temperatura entre aproximadamente 0 °C y aproximadamente 40 °C.
En un ejemplo que no forma parte de la invención, hay presentes al menos dos intercambiadores de calor, un primer intercambiador de calor y un segundo intercambiador de calor. En una realización de este tipo, el primer intercambiador de calor está configurado para suministrar un gas natural licuado de primera etapa calentado, y el segundo intercambiador de calor está configurado para suministrar un gas natural licuado de segunda etapa calentado.
En una realización, el intercambiador de calor está configurado para transferir calor al gas natural licuado de segunda etapa y al fluido de trabajo comprimido. En una realización, el fluido de trabajo comprimido se suministra al intercambiador de calor a una temperatura entre aproximadamente -30 0C y aproximadamente 50 0C y una presión entre aproximadamente 100 bar y aproximadamente 200 bar. En tales circunstancias, puede decirse que el intercambiador de calor está configurado para recibir el fluido de trabajo comprimido a una temperatura entre aproximadamente -30 °C y aproximadamente 50 °C y una presión entre aproximadamente 100 bar y aproximadamente 200 bar.
En una realización, la presente invención proporciona un método para la regasificación de gas natural licuado en una planta de generación de energía de GNL, comprendiendo el método: (a) recuperar calor de un ciclo superior de la planta de generación de energía y calentar un fluido de trabajo de un ciclo inferior de la planta de generación de energía para suministrar un fluido de trabajo calentado; (b) liberar al menos una parte de la energía contenida en el fluido de trabajo calentado para generar trabajo; y (c) transferir calor desde el fluido de trabajo después de generar trabajo a un gas natural licuado de primera etapa a una primera presión, y al menos un gas natural licuado de segunda etapa a una segunda presión o un fluido de trabajo comprimido.
En una realización, el método utiliza un fluido de trabajo seleccionado del grupo que consiste en argón, helio, dióxido de carbono y nitrógeno. En una realización alternativa, el método utiliza un fluido de trabajo comprende al menos argón, helio, dióxido de carbono o nitrógeno. En una realización, el fluido de trabajo es nitrógeno.
En una realización, el fluido de trabajo se calienta en un sistema de recuperación de calor asociado al ciclo superior de la planta de generación de energía a una temperatura en un intervalo de aproximadamente 300 0C a aproximadamente 700 0C. En una realización alternativa, el fluido de trabajo se calienta en un sistema de recuperación de calor asociado al ciclo superior de la planta de generación de energía a una temperatura en un intervalo de aproximadamente 350 0C a aproximadamente 650 0C. En otra realización adicional, el fluido de trabajo se calienta en un sistema de recuperación de calor asociado al ciclo superior de la planta de generación de energía a una temperatura en un intervalo de aproximadamente 400 0C a aproximadamente 600 0C.
En una realización del método de la presente invención, el gas natural licuado de primera etapa tiene una temperatura entre aproximadamente -160 0C y aproximadamente -140 0C y una presión de aproximadamente 1 bar a aproximadamente 50 bar. En una realización alternativa, el gas natural licuado de primera etapa tiene una temperatura entre aproximadamente -160 0C y aproximadamente -140 0C y una presión de aproximadamente 2 bar a aproximadamente 15 bar.
En una realización del método de la presente invención, el gas natural licuado de primera etapa se introduce en un intercambiador de calor, en donde absorbe calor del fluido de trabajo para suministrar, al emerger del intercambiador de calor, un gas natural licuado de primera etapa calentado que tiene una temperatura entre aproximadamente -140 0C y aproximadamente -110 0C.
En una realización del método de la presente invención, el gas natural licuado de segunda etapa se introduce en un intercambiador de calor a una temperatura entre aproximadamente -130 0C y aproximadamente -100 0C y una presión entre aproximadamente 50 bar y aproximadamente 700 bar. El gas natural licuado de segunda etapa absorbe calor del fluido de trabajo que se introduce en el intercambiador de calor para suministrar, al emerger del intercambiador de calor, un gas natural licuado de segunda etapa calentado que tiene una temperatura entre aproximadamente 0 0C y aproximadamente 40 0C.
En un ejemplo de un método que no forma parte de la invención, el calor se transfiere desde el fluido de trabajo al gas natural licuado de primera etapa en un primer intercambiador de calor, y del fluido de trabajo al gas natural licuado de segunda etapa en un segundo intercambiador de calor, para suministrar un gas natural licuado de primera etapa calentado y un gas natural licuado de segunda etapa calentado.
Según la presente invención, se utiliza un solo intercambiador de calor para transferir calor del fluido de trabajo al gas natural licuado de primera etapa y al gas natural licuado de segunda etapa. Por lo tanto, el calor se transfiere del fluido de trabajo al gas natural licuado de primera etapa en un primer intercambiador de calor, y del fluido de trabajo al gas natural licuado de segunda etapa en el mismo primer intercambiador de calor para suministrar un gas natural licuado de primera etapa calentado y un gas natural licuado de segunda etapa calentado.
Como se ha señalado, en una realización del método de la presente invención, el calor se recupera de un ciclo superior de una planta de generación de energía y se utiliza para calentar un fluido de trabajo de un ciclo inferior de la planta de generación de energía para suministrar un fluido de trabajo calentado. El fluido de trabajo puede calentarse en un sistema de recuperación de calor integrado en la planta de generación de energía. De forma típica, el fluido de trabajo se introduce en un intercambiador de calor en un punto dispuesto corriente abajo con respecto a un dispositivo de extracción de energía, tal como una turbina que utiliza una parte de la energía contenida en el fluido de trabajo calentado para generar trabajo. En una realización, el fluido de trabajo se introduce en un intercambiador de calor en un punto dispuesto corriente abajo con respecto a un dispositivo de extracción de energía y transfiere calor al gas natural licuado de primera etapa para suministrar un gas natural licuado de primera etapa calentado. Posteriormente, el fluido de trabajo que emerge del intercambiador de calor puede someterse a una etapa de compresión para suministrar un fluido de trabajo comprimido. Puede extraerse calor adicional de este fluido de trabajo comprimido haciendo pasar el fluido de trabajo comprimido a través de uno o más intercambiadores de calor en contacto con el gas natural licuado de primera etapa o el gas natural licuado de segunda etapa o en contacto con ambos. En una realización, la temperatura del fluido de trabajo comprimido es suficientemente baja, de modo que el calor se transfiere al fluido de trabajo comprimido a medida que pasa a través del intercambiador de calor. En tales circunstancias, se dice que el intercambiador de calor está configurado para transferir calor al fluido de trabajo comprimido. En una realización, el fluido de trabajo comprimido se introduce en el intercambiador de calor a una temperatura entre aproximadamente -30 0C y aproximadamente 50 0C y una presión entre aproximadamente 100 bar y aproximadamente 200 bar.
La Fig. 1 ilustra una planta de generación de energía, o un sistema 100, que incluye un aparato para la regasificación de gas natural licuado (GNL). El sistema 100 comprende un ciclo superior 110, que utiliza combustible (p. ej., GNL regasificado) para quemar con un oxidante (p. ej., aire ambiental) para generar energía y gases de escape calientes, entre otros. Según varias realizaciones de la invención mencionadas en la presente memoria, el ciclo superior 110 es un ciclo Brayton abierto. Los gases de escape calientes del ciclo superior 110 se canalizan a través de un sistema 112 de recuperación de calor configurado para absorber calor de los gases de escape calientes, y suministrarlo a un fluido de trabajo de un ciclo Brayton inferior 132. El sistema 100 permite tanto la generación de energía eléctrica como la regasificación eficaz de gas natural licuado a dos niveles de presión.
El sistema 100 comprende dos ciclos de Brayton en cascada, es decir, el ciclo Brayton superior 110 y el ciclo Brayton cerrado inferior 132. El experto en la técnica apreciará que el ciclo superior 100 se muestra como un ciclo Brayton a título meramente ilustrativo y no de modo limitativo. En la realización de la presente invención ilustrada en la Fig. 1, el ciclo Brayton superior 110 se basa en un ciclo de turbina de gas simple abierto, y el ciclo inferior 132 se basa en un ciclo Brayton simple cerrado que funciona con un fluido de trabajo adecuado. En la realización ilustrada en la Fig. 1, el ciclo Brayton inferior 132 permite una regasificación de GNL de dos etapas.
El ciclo inferior 132 incluye una turbina 114 para generar trabajo a partir del fluido de trabajo, un intercambiador 118 de calor para transferir calor desde el fluido de trabajo al GNL para la regasificación y un compresor 116 para presurizar el fluido de trabajo. En las realizaciones ilustradas, el fluido de trabajo del ciclo inferior es cualquier fluido adecuado que sea relativamente inerte en circunstancias normales, y puede seleccionarse para mitigar incendios, explosiones u otros riesgos de seguridad. Fluidos de trabajo adecuados incluyen, aunque no de forma limitativa, gases generalmente inertes, tales como argón, helio, nitrógeno, dióxido de carbono, entre otros. Si bien en las realizaciones descritas en la presente memoria el nitrógeno es el fluido de trabajo previsto, los expertos en la técnica entenderán fácilmente que es posible utilizar fluidos de trabajo alternativos generalmente conocidos en la técnica dentro del ámbito de la presente invención. El sistema 100 comprende además una bomba de GNL de primera etapa para suministrar un gas natural licuado de primera etapa al intercambiador 118 de calor, y una bomba de GNL de segunda etapa para suministrar un gas natural licuado de segunda etapa al intercambiador 118 de calor. Como se ilustra en la Fig. 1, el intercambiador 118 de calor es un intercambiador de calor de 3 corrientes configurado para intercambiar calor entre el fluido de trabajo y el gas natural licuado de primera y segunda etapa. El intercambiador 118 de calor de 3 corrientes incluye una corriente 140 de fluido de trabajo calentado, una corriente 142 de GNL de primera etapa y una corriente 144 de GNL de segunda etapa.
Aún con referencia al ejemplo ilustrado en la Fig. 1, en funcionamiento, el sistema 112 de recuperación de calor calienta o energiza el fluido de trabajo antes de que el fluido de trabajo entre en la turbina 114. La turbina 114 genera trabajo (utilizado para la generación de energía, por ejemplo) y libera el fluido de trabajo, que ha cedido al menos parte de la energía a la turbina, y el fluido de trabajo entra después en el intercambiador 118 de calor como una corriente 140 de fluido de trabajo calentado. El intercambiador 118 de calor regasifica el gas natural licuado en dos etapas. En el ejemplo ilustrado, el sistema 100, por ejemplo, incluye el ciclo 110 de turbina de gas superior y el ciclo Brayton 132 de nitrógeno inferior, que regasifica el GNL al transferir calor desde el fluido de trabajo al GNL en dos niveles de presión. En este ejemplo, el gas natural licuado se regasifica y el gas natural regasificado puede suministrarse a un gasoducto u otra instalación que requiera gas natural en estado gaseoso. En una realización, el gas natural regasificado se suministra a una presión entre aproximadamente 80 bar y aproximadamente 250 bar. En una realización alternativa, el gas natural regasificado se suministra a una presión entre aproximadamente 50 bar y aproximadamente 700 bar. En una realización, el gas natural regasificado se suministra a una temperatura entre aproximadamente 10 0C y aproximadamente 30 0C. En la primera etapa de regasificación, la bomba de GNL de primera etapa 120 presuriza el gas natural licuado de primera etapa a entre aproximadamente 1 bar y aproximadamente 50 bar a una temperatura entre aproximadamente -160 0C y aproximadamente -140 0C. El GNL presurizado entra en el intercambiador 118 de calor y se muestra en la Fig. 1 como corriente 142 de GNL de primera etapa. El gas natural licuado de primera etapa absorbe calor del fluido de trabajo, y sale del intercambiador 118 de calor en un estado líquido, a una temperatura entre aproximadamente -140 0C y aproximadamente -110 0C. Posteriormente, en la segunda etapa, la bomba de GNL de segunda etapa 122 presuriza el gas natural licuado de segunda etapa a una presión de vaporización entre aproximadamente 50 bar y aproximadamente 700 bar (dependiendo de la presión de suministro deseada), y a una temperatura entre aproximadamente -130 0C y aproximadamente -100 0C. El gas natural licuado de segunda etapa entra en el intercambiador 118 de calor y se muestra en la Fig. 1 como corriente 144 de GNL de segunda etapa. El gas natural licuado de segunda etapa absorbe calor del fluido de trabajo y sale del intercambiador 118 de calor en un estado sustancialmente vaporizado de forma completa, a una presión de forma típica entre aproximadamente 50 bar y aproximadamente 700 bar, y a una temperatura entre aproximadamente 0 0C y 40 0C. Por lo tanto, el gas natural licuado se regasifica utilizando un bombeo de dos etapas, con eficiencias más altas en comparación con un ciclo Brayton en 2 cascadas con regasificación de una sola etapa, por ejemplo.
En resumen, el intercambiador 118 de calor de 3 corrientes funciona bombeando el gas natural licuado de primera etapa hasta una presión intermedia (de forma ventajosa lo más baja posible) y enviándolo a la corriente 142 de GNL de primera etapa a una temperatura muy baja. El gas natural licuado de primera etapa absorbe calor del fluido de trabajo y sale de la corriente 142 de GNL de primera etapa en un estado líquido. Después, este gas natural licuado que emerge del intercambiador de calor se bombea a una presión más alta (segunda etapa), y se introduce nuevamente en el intercambiador 118 de calor como la corriente 144 de GNL de segunda etapa para vaporizarse completamente mediante un segundo contacto térmico con el fluido de trabajo que tiene una temperatura relativamente alta (aproximadamente 50-250 °C a medida que el fluido de trabajo emerge de la turbina) en relación con el gas natural licuado que se trata. Sin embargo, los expertos en la técnica entenderán que los conceptos descritos en la presente memoria con respecto a las diversas ilustraciones no se limitan a un intercambiador de calor de 3 corrientes como 118, e incluyen otras variaciones, tales como las que resultarán evidentes para los expertos en la técnica. Por ejemplo, según un ejemplo que no forma parte de la invención (descrito adicionalmente con respecto a la Fig. 3) es posible utilizar dos intercambiadores de calor separados para regasificar GNL utilizando el método descrito en la presente invención.
Se ha descubierto que reducir la temperatura mínima del fluido de trabajo utilizado tiene un efecto ventajoso sobre la eficiencia general del proceso de licuefacción de GNL y aumenta la eficiencia eléctrica del ciclo inferior. En una realización de la presente invención configurada como se ilustra en la Fig. 1, la temperatura del gas natural licuado de primera etapa que entra en el intercambiador 118 de calor se mantiene lo más baja posible y evita un aumento brusco en la presión (y temperatura) del GNL, característico de los sistemas de regasificación de una sola etapa. De forma ventajosa, el gas natural licuado se regasifica (y bombea) en dos etapas en vez de en una. El bombeo (y, por lo tanto, la presurización) del gas natural licuado en múltiples etapas permite mejor control de la temperatura del gas natural licuado presentado al intercambiador 118 de calor (lo más baja posible) a través de múltiples etapas, y permite obtener de forma ventajosa un aumento en la eficiencia general del ciclo inferior y del proceso de licuefacción en su conjunto.
La Fig. 2 es un gráfico 200 de temperatura/entropía para un ciclo Brayton de nitrógeno en cascada (simulado) en donde la regasificación del GNL se lleva a cabo a través de dos etapas de presión, por ejemplo, como en el sistema 100 representado en la Fig. 1. En los resultados de la simulación representados en el gráfico 200, se hicieron varias suposiciones para los fines de la simulación. Por lo tanto, se asumió que la eficacia de la eficiencia del ciclo superior era del 42 %, se asumió que la temperatura del gas de escape era de 460 °C, se asumió que la temperatura del GNL era de -162 0C y se asumió que el GNL regasificado estaba a 10-15 °C y 200 bar. Se determinó como resultado de la simulación, y se infiere del gráfico 200, que la eficiencia total aumenta del 53,8 % al 55 % y un aumento neto de generación de energía de aproximadamente el 2 %, por ejemplo, utilizando el método de la presente invención. La eficiencia obtenida se debe, al menos en parte, a la transferencia de calor eficiente desde el nitrógeno (fluido de trabajo) al gas natural licuado. Según un ejemplo, dado que el calor disponible contenido en el gas de escape del ciclo superior no varía, y las características del fluido de trabajo que entra y sale del sistema 112 de recuperación de calor permanecen iguales que con la configuración convencional que regasifica el GNL en un nivel de presión, el flujo másico del fluido de trabajo del ciclo inferior puede permanecer invariable junto con el diseño y las características del sistema 112 de recuperación de calor. Por lo tanto, las diversas realizaciones de la presente invención pueden configurarse o modernizarse fácilmente en plantas de energía existentes y mejorar de este modo la eficiencia asociada de las plantas de energía.
La Fig. 3 ilustra una planta de generación de energía, o un sistema 300, que incluye un aparato para la regasificación de gas natural licuado (GNL), similar al sistema 100. El sistema 300 comprende un ciclo superior 310, un sistema 312 de recuperación de calor para recuperar calor del ciclo superior 310 y suministrarlo a un fluido de trabajo de un ciclo inferior 332, una turbina 314, un compresor 316, un primer intercambiador 318 de calor que tiene una corriente 340 de fluido de trabajo calentado y una corriente 342 de GNL de primera etapa, un segundo intercambiador 320 de calor que tiene una corriente 341 de fluido de trabajo calentado y una corriente 344 de GNL de segunda etapa, una bomba 322 de GNL de primera etapa y una bomba 324 de GNL de segunda etapa. El primer y el segundo intercambiadores 318, 320 de calor son, cada uno, intercambiadores de calor de 2 corrientes. El gas natural licuado en una primera etapa se bombea a la corriente 342 de GNL de primera etapa utilizando la bomba de GNL de primera etapa 322, a una presión entre aproximadamente 1 bar y aproximadamente 50 bar y a una temperatura entre aproximadamente -160 °C y aproximadamente -140 °C. El gas natural licuado de primera etapa sale del primer intercambiador 318 de calor a una temperatura entre aproximadamente -140 °C y aproximadamente -110 °C. A continuación, en la segunda etapa, el gas natural licuado se bombea a la corriente 344 de GNL de segunda etapa utilizando la bomba 324 de GNL de segunda etapa al segundo intercambiador 320 de calor, a una presión de entre aproximadamente 50 bar y aproximadamente 700 bar (dependiendo de la presión de suministro requerida) y a una temperatura entre aproximadamente -130 °C y aproximadamente -100 °C. El gas natural licuado de segunda etapa sale del segundo intercambiador 320 de calor a una presión de entre aproximadamente 50 bar y aproximadamente 700 bar, en una realización, entre aproximadamente 80 bar y aproximadamente 250 bar. La temperatura del gas natural que sale del segundo intercambiador 320 de calor está de forma típica entre aproximadamente 0 0C y aproximadamente 40 0C.
La Fig. 4 ilustra una planta de generación de energía, o un sistema 400, que incluye un aparato para la regasificación de gas natural licuado (GNL). El sistema 400 comprende un ciclo superior 410, un sistema 412 de recuperación de calor para recuperar calor del ciclo superior y suministrarlo a un fluido de trabajo de un ciclo inferior 432, una turbina 414, un compresor 416, un intercambiador 418 de calor de 3 corrientes y una bomba 420 de GNL de primera etapa. El intercambiador 418 de calor de 3 corrientes incluye una corriente 440 de fluido de trabajo calentado, una corriente 442 de GNL de primera etapa y una corriente 444 de recuperación de fluido de trabajo. El sistema 400 funciona de modo similar al sistema 100 de la Fig. 1, por ejemplo, y adicionalmente, el sistema 400 incluye una regasificación de GNL de una etapa, y el fluido de trabajo que sale del compresor 416 se comunica con el intercambiador 418 de calor para la recuperación del ciclo 432 de Brayton inferior. En consecuencia, el 432 incluye una regasificación de GNL de 1 etapa y una etapa de recuperación para el fluido de trabajo. El fluido de trabajo entra en el intercambiador 418 de calor en la corriente 444 de recuperación de fluido de trabajo a una presión de aproximadamente 100 a aproximadamente 200 bar y a una temperatura de aproximadamente -50 °C a aproximadamente 50 0C, absorbe calor de la corriente 440 de fluido de trabajo calentado y sale del intercambiador 418 de calor a aproximadamente la misma presión y a una temperatura de aproximadamente 50 0C a aproximadamente 200 0C. El gas natural licuado en una primera etapa se bombea a la corriente 442 de GNL de primera etapa utilizando la bomba 420 de GNL de primera etapa, a una presión de aproximadamente 1 a aproximadamente 50 bar y a una temperatura de aproximadamente -160 0C a aproximadamente -140 0C. En la realización mostrada en la Figura 4, el gas natural licuado de primera etapa sale del primer intercambiador 418 de calor a una temperatura entre aproximadamente 0 0C y aproximadamente 40 0C.
La Fig. 5 ilustra una planta de generación de energía, o un sistema 500, que incluye un aparato para la regasificación de gas natural licuado (GNL) según una realización de la presente invención. El sistema 500 comprende un ciclo superior 510, un sistema 512 de recuperación de calor para recuperar calor del ciclo superior 510 y suministrarlo a un fluido de trabajo de un ciclo inferior 532, una turbina 514, un compresor 516, un intercambiador 518 de calor de 4 corrientes, una bomba 520 de GNL de primera etapa y una bomba 522 de GNL de segunda etapa. El intercambiador 518 de calor de 4 corrientes incluye una corriente 540 de fluido de trabajo calentado, una corriente 542 de GNL de primera etapa, una corriente 544 de GNL de segunda etapa y una corriente 546 de recuperación de fluido de trabajo. El sistema 500 funciona de modo similar al sistema 100 de la Fig. 1, por ejemplo, y adicionalmente, el fluido de trabajo que sale del compresor 516 se comunica con el intercambiador 518 de calor para la recuperación del ciclo Brayton inferior 532. Por lo tanto, el ciclo Brayton inferior 532 incluye regasificación de GNL de 2 etapas y una etapa de recuperación para el fluido de trabajo. El fluido de trabajo entra en el intercambiador 518 de calor en la corriente 546 de recuperación de fluido de trabajo a una presión entre aproximadamente 100 bar y aproximadamente 200 bar y una temperatura entre aproximadamente - 50 0C y 50 0C, absorbe calor de la corriente 540 de fluido de trabajo calentado y sale del intercambiador 518 de calor a una temperatura entre aproximadamente 50 °C y aproximadamente 200 °C. Además, en la primera etapa de regasificación, la bomba 520 de GNL de primera etapa presuriza el gas natural licuado de primera etapa a entre aproximadamente 1 bar y aproximadamente 50 bar, y a una temperatura entre aproximadamente -160 0C y - 140 °C. Después, el gas natural licuado de primera etapa entra en el intercambiador 518 de calor como la corriente 542 de GNL de primera etapa. El gas natural licuado de primera etapa absorbe calor del fluido de trabajo y sale del intercambiador 518 de calor mientras aún está en un estado líquido, a una temperatura entre aproximadamente -140 °C y aproximadamente -110 0C. A continuación, en la segunda etapa, la bomba 522 de GNL de segunda etapa presuriza el gas natural licuado de segunda etapa a una presión de vaporización de entre aproximadamente 50 bar y aproximadamente 700 bar, en una realización, entre aproximadamente 80 bar y aproximadamente 250 bar (dependiendo de la presión de suministro deseada), y una temperatura entre aproximadamente -130 0C y aproximadamente -100 0C. Después, el gas natural licuado de segunda etapa entra en el intercambiador 518 de calor como la corriente 544 de GNL de segunda etapa. El gas natural licuado de segunda etapa absorbe calor del fluido de trabajo y sale del intercambiador 518 de calor en un estado sustancialmente completamente vaporizado, a una presión entre aproximadamente 50 bar y aproximadamente 700 bar y a una temperatura entre aproximadamente 0 0C y aproximadamente 40 0C.
En el ciclo Brayton recuperado, después de pasar a través del sistema de recuperación de calor, el fluido de trabajo calentado se expande a través de una turbina y posteriormente se comunica con un intercambiador 518 de calor de 4 corrientes que regasifica el gas natural licuado en múltiples etapas y, simultáneamente, funciona como un recuperador para precalentar el fluido de trabajo a alta presión que sale del compresor 516. Dado que el nitrógeno se precalienta, se obtienen temperaturas más bajas en la salida del compresor y, por lo tanto, el compresor funciona con relaciones de presión más bajas en comparación con un ciclo Brayton no recuperado. Por lo tanto, pueden lograrse eficiencias eléctricas más altas para ciclos Brayton recuperados en comparación con realizaciones no recuperadas.
Como se describe en la presente memoria, son posibles numerosas variaciones de la presente invención. Por ejemplo, el bombeo de GNL de primera y segunda etapa puede realizarse mediante una sola bomba que tenga dos etapas de presión. En una realización, cada etapa de presión se monta en un eje de accionamiento común de una bomba de dos etapas. Estas y otras variaciones, permutaciones y combinaciones de las realizaciones descritas en la presente memoria resultarán evidentes para los expertos en la técnica y en posesión de esta descripción.
Además, se aprecia que si bien en la presente memoria se ilustran varias realizaciones con nitrógeno como un fluido de trabajo para el ciclo Brayton inferior, pueden utilizarse también fluidos de trabajo distintos del nitrógeno. Como se ha señalado, puede emplearse en la práctica de la presente invención cualquier fluido de trabajo adecuado. De forma típica, el fluido de trabajo es inerte o no reactivo con respecto al entorno de la planta de energía. Fluidos de trabajo adecuados incluyen, por ejemplo, argón, helio, dióxido de carbono y mezclas de los mismos. Dependiendo del fluido de trabajo específico utilizado, los diversos intervalos de temperatura y presión pueden por lo tanto variar como resultará evidente para los expertos en la técnica y en posesión de esta descripción.
Las realizaciones de la presente invención proporcionan una serie de ventajas respecto a las realizaciones conocidas. Por ejemplo, bombeando el GNL en dos niveles de presión distintos, es posible obtener un aumento asociado muy bajo de la temperatura del GNL en la primera etapa de compresión. Además, se reduce la temperatura mínima útil del fluido de trabajo. Además, la eficiencia eléctrica del ciclo inferior en comparación con una configuración que regasifica GNL en un nivel de presión aumenta significativamente. En varias realizaciones, aumenta la flexibilidad del sistema para satisfacer los requisitos de GNL regasificado para suministro/almacenamiento, dado que pueden obtenerse presiones de vaporización de GNL muy altas. Además, el bombeo puede realizarse utilizando una sola bomba con múltiples etapas de presión. De forma ventajosa, las diversas realizaciones descritas en la presente memoria pueden modernizarse fácilmente en plantas de energía ya existentes. Los componentes específicos de las plantas de energía existentes pueden modificarse o sustituirse de forma adecuada para proporcionar plantas de energía según las diversas realizaciones descritas en la presente memoria. Además, la conversión del GNL de su estado líquido a un estado gaseoso puede lograrse con la misma o mayor fiabilidad que en configuraciones en cascada simples, ya que en algunas realizaciones no se requiere ningún equipo adicional.
Es posible conseguir emisiones más bajas de CO2 por unidad de electricidad generada por unidad de combustible consumido, dado que puede obtenerse una mayor eficiencia eléctrica y una mayor producción de energía (con respecto a sistemas conocidos comparables) utilizando realizaciones de la presente invención.
A menos que se definan de otro modo, los términos técnicos y científicos utilizados en la presente memoria tienen el mismo significado que el comúnmente entendido por un experto en la técnica a la que pertenece esta invención. Los términos “ primero” , “ segundo” y similares utilizados en la presente memoria no indican ningún orden, cantidad o importancia, sino que se utilizan para distinguir un elemento de otro. Además, los términos “ un” y “ una” no indican una limitación de cantidad, sino que indican la presencia de al menos uno de los elementos indicados, y los términos “ parte frontal” , “ parte posterior” , “parte inferior” y/o “ parte superior” , a no ser que se indique otra cosa, se utilizan simplemente por conveniencia de la descripción, y no se limitan a ninguna posición u orientación espacial. Si se describen intervalos, los puntos finales de todos los intervalos referidos al mismo componente o propiedad son inclusivos y combinables de forma independiente (p. ej., intervalos de “ hasta aproximadamente el 25 % en peso o, más específicamente, aproximadamente el 5 % en peso a aproximadamente el 20 % en peso” , incluyen los puntos finales y todos los valores intermedios de los intervalos de “aproximadamente el 5 % en peso a aproximadamente el 25 % en peso” , etc.). Como ejemplo adicional, debe interpretarse que la temperatura indicada por la expresión “entre aproximadamente -130 0C y aproximadamente -100 0C” incluye cada una de las temperaturas mencionadas: -130 0C y -100 0C. El modificador “aproximadamente” utilizado en relación con una cantidad incluye el valor indicado y tiene el significado indicado por el contexto (p. ej., incluye el grado de error asociado a la medición de la cantidad particular).
Si bien en la presente memoria se han ilustrado y descrito únicamente determinadas características de la invención, los expertos en la técnica podrán idear numerosas modificaciones y cambios. Por lo tanto, debe entenderse que las reivindicaciones adjuntas pretenden abarcar todas estas modificaciones y cambios comprendidos dentro del ámbito de las reivindicaciones.

Claims (8)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Una planta de energía que incluye un aparato (500) para la regasificación de gas natural licuado (GNL), comprendiendo la planta de energía:
    dos ciclos Brayton en cascada que comprenden un ciclo (Brayton abierto superior (510) y un ciclo Brayton cerrado inferior (532), en donde el ciclo Brayton cerrado inferior (532) comprende:
    un compresor (516) configurado para presurizar un fluido de trabajo;
    un sistema (512) de recuperación de calor configurado para recuperar calor del ciclo Brayton abierto superior (510) y suministrarlo al fluido de trabajo;
    una turbina (514) configurada para generar trabajo utilizando el fluido de trabajo; y un intercambiador (518) de calor de 4 corrientes configurado para transferir calor desde el fluido de trabajo a un gas natural licuado de primera etapa a una primera presión, un gas natural licuado de segunda etapa a una segunda presión y el fluido de trabajo comprimido.
  2. 2. La planta de energía de la reivindicación 1, que comprende además:
    al menos una de una bomba (520) de GNL de primera etapa para suministrar el gas natural licuado de primera etapa a la primera presión, o una bomba (522) de GNL de segunda etapa para suministrar el gas natural licuado de segunda etapa a la segunda presión.
  3. 3. La planta de energía de la reivindicación 1 o de la reivindicación 2, en donde el fluido de trabajo comprende al menos uno de argón, helio, dióxido de carbono, y nitrógeno.
  4. 4. Un método para la regasificación de gas natural licuado en una planta de generación de energía de GNL, comprendiendo el método:
    recuperar calor de un ciclo Brayton abierto superior (510) de la planta de generación de energía y calentar un fluido de trabajo de un ciclo Brayton cerrado inferior (532) de la planta de generación de energía para suministrar un fluido de trabajo calentado;
    liberar al menos una parte de la energía contenida en el fluido de trabajo calentado para generar trabajo; y
    transferir calor desde el fluido de trabajo después de generar trabajo a un gas natural licuado de primera etapa a una primera presión, un gas natural licuado de segunda etapa a una segunda presión y el fluido de trabajo comprimido en un intercambiador (518) de calor de 4 corrientes.
  5. 5. El método según la reivindicación 4, en donde el gas natural licuado de primera etapa tiene una temperatura entre aproximadamente -160 0C y aproximadamente -140 0C y una presión de aproximadamente 1 bar a aproximadamente 50 bar.
  6. 6. El método según la reivindicación 4 o la reivindicación 5, que comprende además introducir el gas natural licuado de segunda etapa en el intercambiador (518) de calor de 4 corrientes a una temperatura entre aproximadamente -130 0C y aproximadamente -100 0C y una presión entre aproximadamente 50 bar y aproximadamente 700 bar para suministrar un gas natural licuado de segunda etapa calentado a una temperatura entre aproximadamente 0 0C y aproximadamente 40 0C.
  7. 7. El método según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, que comprende transferir calor del fluido de trabajo al gas natural licuado de primera etapa y al gas natural licuado de segunda etapa, realizándose dicha transferencia en el intercambiador de calor de 4 corrientes, para suministrar un gas natural licuado de primera etapa calentado y un gas natural licuado de segunda etapa calentado, en donde el fluido de trabajo comprimido se introduce en el intercambiador de calor de 4 corrientes a una temperatura entre aproximadamente -30 °C y aproximadamente 50 °C y una presión entre aproximadamente 100 bar y aproximadamente 200 bar.
  8. 8. Un método para modernizar un aparato para la regasificación de gas natural licuado en una planta de generación de energía de GNL que comprende dos ciclos Bryton en cascada que comprenden un ciclo Brayton abierto superior (510) y un ciclo Brayton cerrado inferior (532), en donde el calor se recupera del ciclo Brayton abierto superior (510) y se suministra a un fluido de trabajo del ciclo Brayton cerrado inferior (532); comprendiendo el método:
    proporcionar un intercambiador (518) de calor de 4 corrientes configurado para transferir calor desde el fluido de trabajo a un gas natural licuado de primera etapa a una primera presión, un gas natural licuado de segunda etapa a una segunda presión y el fluido de trabajo comprimido; proporcionar al menos una bomba (520) de GNL de primera etapa configurada para suministrar el gas natural licuado de primera etapa a la primera presión; y
    proporcionar al menos una bomba (522) de GNL de segunda etapa configurada para suministrar el gas natural licuado de segunda etapa a la segunda presión;
    en donde el intercambiador (518) de calor de 4 corrientes, la bomba (520) de GNL de primera etapa y la bomba (522) de GNL de segunda etapa forman parte de un ciclo Brayton inferior modificado (532) de la planta de generación de energía de GNL.
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