ES2902937T3 - Regasificación de gas natural licuado - Google Patents

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Abstract

Dispositivo (1) para la generación de energía eléctrica y de evaporación de un gas licuado criogénico, que comprende una línea (2) para el gas licuado criogénico, una bomba (3) dispuesta en la línea (2), un motor térmico (4) y un sistema de aprovechamiento del calor residual dispuesto aguas abajo (5) del motor térmico (4), caracterizado porque de la línea (2) se deriva un ramal (18) y el ramal (18) desemboca en el motor térmico (4) y el dispositivo (1) también comprende un circuito de fluido (6), en el cual están dispuestos uno detrás de otro en la dirección del flujo del fluido los siguientes componentes: - un primer intercambiador de calor (7), que también está conectado en la línea (2) detrás de la bomba (3) en la dirección del flujo del gas licuado criogénico; - un compresor (8); - un segundo intercambiador de calor (9); - en paralelo entre sí, un tercer intercambiador de calor (10) con un primer lado (11) y el sistema de aprovechamiento del calor residual (5); - una máquina de expansión (13) con generador acoplado (14), así como, - el tercer intercambiador de calor (10) con un segundo lado (12).

Description

DESCRIPCIÓN
Regasificación de gas natural licuado
La presente invención hace referencia a un dispositivo para la generación económica de energía eléctrica y para la evaporación de un gas licuado criogénico, por ejemplo, gas natural (GNL = gas natural licuado) y a un correspondiente procedimiento.
Por lo general, después de su extracción, el gas natural se transporta a través de líneas a las correspondientes terminales en un puerto. Allí se almacena, procesa y finalmente se licúa para su transporte en correspondientes barcos especiales a largas distancias mediante una fuerte compresión y enfriamiento (hasta -162° C). Después del transporte, el gas natural licuado se regasifica antes de ser introducido a una red de gas. El gas natural líquido se evapora por lo general con calor ambiental (aire/ agua de mar) o con calor químico. La solicitud US 2009/0211263 A1 revela, por ejemplo, un dispositivo y un procedimiento en el que se evapora una corriente de gas natural líquido. Alternativamente, se han desarrollado conceptos que tenían como objetivo un uso enérgico del frío a baja temperatura a través de circuitos ORC (siglas de ciclos Rankine orgánicos) en cascada.
El objeto de la presente invención consiste en proporcionar un procedimiento de evaporación energéticamente y comparativamente económico para un gas licuado criogénico. Por otro lado, un objeto de la presente invención consiste en proporcionar un dispositivo mejorado correspondientemente.
La presente invención resuelve el objeto en referencia a un dispositivo al proponer que en dicho dispositivo para la generación de energía eléctrica y para la evaporación de un gas licuado criogénico, que comprende una línea para el gas licuado criogénico, una bomba dispuesta en la línea, un motor térmico, así como, un sistema de aprovechamiento del calor residual aguas abajo del motor térmico, un ramal se derive de la línea y el ramal desemboque en el motor térmico y el dispositivo comprenda además un circuito de fluido en el cual estén dispuestos uno detrás del otro en el dirección de flujo del fluido los siguientes componentes:
- un primer intercambiador de calor, que también está conectado en la línea en la dirección del flujo del gas licuado criogénico detrás de la bomba;
- un compresor
- un segundo intercambiador de calor;
- en paralelo entre sí, un tercer intercambiador de calor con un primer lado y el sistema de aprovechamiento del calor residual;
- una máquina de expansión con un generador acoplado; así como,
- el tercer intercambiador de calor con un segundo lado.
Gas licuado criogénico significa que el gas se ha licuado por enfriamiento. Para los gases relevantes para la invención, las temperaturas son del orden de magnitud de -140° C e inferiores. Al acoplar la evaporación del gas licuado criogénico a otros procesos y, en particular, a través de una integración térmica optimizada del sistema general, es posible lograr el máximo aprovechamiento del frío criogénico para la generación de energía con el mayor nivel de eficiencia.
El circuito de fluido debe funcionar como un proceso de presión 1 para optimizar el nivel de eficiencia del dispositivo. Para ello, además de una determinada temperatura, se requiere una correspondiente presión proporcionada por el compresor.
Con el segundo intercambiador de calor, el fluido se calienta mediante calor ambiental. Cuando se utiliza una turbina de gas como motor térmico, una posible aplicación podría ser la refrigeración del aire de admisión de la turbina de gas, lo que da como resultado un aumento de la potencia de la turbina de gas. Sin embargo, también se pueden utilizar otras fuentes de calor, como, por ejemplo, agua de refrigeración calentada, agua de mar y aire ambiente. Con el tercer intercambiador de calor, el calor se desplaza dentro del circuito de fluido.
En la máquina de expansión, por ejemplo, de una turbina el fluido calentado en el sistema de recuperación de calor residual se puede expandir para realizar el trabajo. Eventualmente, a la máquina de expansión se acopla un generador.
En una forma de ejecución ventajosa de la presente invención, en paralelo al primer lado del tercer intercambiador de calor y en la dirección de flujo del fluido aguas arriba del sistema de aprovechamiento del calor residual está dispuesto un cuarto intercambiador de calor con un primer lado en el circuito de fluido. Este cuarto intercambiador de calor también está dispuesto con un segundo lado en la dirección de flujo del fluido aguas abajo del segundo lado del tercer intercambiador de calor en el circuito de fluido. Para evitar problemas de corrosión en el extremo frío del sistema de aprovechamiento del calor residual, el fluido suministrado al sistema de aprovechamiento del calor residual no debe caer por debajo de una determinada temperatura. Un precalentamiento mediante el cuarto intercambiador de calor aseguraría esto. Por otro lado, prescindir del cuarto intercambiador de calor y asumir una reparación comparativamente temprana de la parte fría del sistema de aprovechamiento del calor residual también podría significar un mejor aprovechamiento del calor residual en el sistema de aprovechamiento del calor residual. En otra forma de ejecución ventajosa de la invención, un quinto intercambiador de calor está dispuesto en el ramal y en el circuito de fluido aguas arriba del segundo lado del tercer intercambiador de calor para precalentar el combustible para la combustión en el motor térmico. Con el precalentamiento del combustible, aumenta el calor perceptible del combustible y se reduce la cantidad de combustible necesaria.
Resulta ventajoso cuando un sexto intercambiador de calor está dispuesto en la línea aguas arriba de un desvío del ramal. Con este sexto intercambiador de calor, el calor del ambiente se aprovechará para calentar aún más el gas regasificado. En tal caso, resulta conveniente que ello no suceda después de la derivación, sino antes, de modo que, en el propio precalentamiento del gas combustible en el quinto intercambiador de calor, se tenga que extraer menos calor del sistema, es decir, del circuito de fluido, para lograr el nivel deseado de temperatura.
El dispositivo reivindicado se puede utilizar para diferentes gases licuados criogénicos. Sin embargo, resulta ventajoso cuando el gas licuado criogénico es gas natural, aunque sólo sea en lo que respecta a su utilidad en el motor térmico, aunque también en referencia a la selección del fluido en el circuito de fluido y la eficiencia del sistema general. Una alternativa al gas natural es, por ejemplo, el hidrógeno.
En este contexto resulta particularmente ventajoso, cuando el circuito de fluido es un circuito de nitrógeno. El uso de nitrógeno resulta ventajoso sobre todo por sus propiedades inertes. Sin embargo, es esencial que el nitrógeno con un punto crítico de -147° C/ 34 bar sea adecuado para el intercambio de calor supercrítico con el GNL. El estado supercrítico evita la conformación de una meseta de condensación isotérmica. De esta manera se minimizan las pérdidas exegéticas durante la transferencia de calor. Además, la temperatura de solidificación de -210° C está muy por debajo de la temperatura del GNL de -162° C, por lo cual el fluido no se puede congelar.
El objeto de la presente invención se resuelve en referencia a un procedimiento mediante un procedimiento para la generación de energía eléctrica y para la evaporación de un gas licuado criogénico, en el cual un gas licuado criogénico es comprimido y calentado y vaporizado en un primer intercambiador de calor con un flujo de fluido; en donde el flujo de fluido circula por un circuito; en donde el flujo se comprime después del primer intercambiador de calor, en un segundo intercambiador de calor absorbe calor y se divide en un primer y un segundo flujo parcial; en donde el primer flujo parcial se calienta al menos en un sistema de aprovechamiento de calor residual con gases de escape de un motor térmico y el segundo flujo parcial se calienta en un tercer intercambiador de calor y el primer y el segundo flujo parcial se vuelven a juntar, el fluido fusionado se expande y a continuación el segundo flujo parcial se calienta en el tercer intercambiador de calor antes de que caliente el gas licuado criogénico en el primer intercambiador de calor.
Resulta ventajoso cuando el primer flujo parcial, antes de ser calentado en el sistema de aprovechamiento del calor residual, es calentado por el fluido en un cuarto intercambiador de calor después de que éste haya calentado el segundo flujo parcial en el tercer intercambiador de calor. La conexión en serie de los segundos lados del tercer y del cuarto intercambiador de calor resulta conveniente en comparación con un precalentamiento común de todo el flujo de fluido, ya que el primer flujo parcial todavía se suministra a un calentamiento comparativamente fuerte en el sistema de aprovechamiento del calor residual y el "precalentamiento" excesivo del fluido tendría un efecto general negativo en la eficiencia del sistema general, cuando debido a una temperatura de entrada comparativamente elevada del fluido en el área de la entrada al sistema de aprovechamiento del calor residual, una cantidad de calor comparativamente elevada tendría que ser liberada al medio ambiente sin ser utilizada.
También resulta ventajoso cuando el gas licuado previamente criogénico se suministra al menos en parte a una red de gas y en parte al motor térmico.
Además, resulta ventajoso cuando el gas licuado previamente criogénico alimentado al motor térmico se precalienta en un quinto intercambiador de calor para su combustión por el fluido antes de calentar el segundo flujo parcial en el tercer intercambiador de calor.
Resulta conveniente cuando en el circuito de fluido se utiliza nitrógeno como fluido.
En este caso, en particular, resulta ventajoso cuando el circuito de fluido funciona de manera supercrítica. En el estado supercrítico, el calor de evaporación ya no reviste ninguna importancia, lo que tiene un efecto positivo en la transferencia eficiente del calor.
De manera ventajosa, como gas licuado criogénico se utiliza gas natural licuado.
Según la invención, la regasificación (preferentemente de GNL), así como, el proceso de ciclo (preferentemente de nitrógeno) para un intercambio de calor óptimo funcionan como un proceso de presión 1 hasta el rango de presión supercrítica. De esta manera, es posible con una eficiencia óptima mantener todo el calor de los gases de escape introducido en el proceso por los gases de escape de la turbina de gas en el sistema.
Además, con el concepto conforme a la invención, el GNL en el punto terminal de la red de gas se puede ajustar preferentemente al nivel de presión y temperatura deseados.
Además, el diseño del circuito de fluido resulta óptimo en referencia a los requisitos de los subsistemas (por ejemplo, el desplazamiento de calor interno permite tanto la temperatura final del GNL como una temperatura mínima del nitrógeno en la entrada del sistema de aprovechamiento del calor residual aguas abajo de la turbina de gas).
Mediante la combinación óptima de los sistemas y una selección óptima de los parámetros del proceso, es posible, por ejemplo, obtener niveles de eficiencia de conversión de GNL de 61 - 64%. Así se alcanza un nivel que no será factible con la tecnología GUD convencional en los próximos 5 años.
Otras ventajas consisten en:
• todos los parámetros del proceso se pueden representar con componentes que ya están disponibles en la actualidad;
• la central eléctrica no necesita agua para funcionar;
• una estructura de proceso sencilla permite un control simple (por ejemplo, sólo una etapa de presión en el proceso de nitrógeno en lugar de múltiples);
• el procedimiento es respetuoso con el medio ambiente, ya que, en comparación con los enfoques de regasificación precedentes, no existen medios potencialmente dañinos para el medio ambiente como el glicol;
• el dispositivo y el procedimiento son muy rentables, ya que no se requieren componentes activos adicionales del lado del GNL; y
• el rendimiento del concepto es independiente de la presión del sistema de GNL.
La presente invención se explica en detalle a modo de ejemplo mediante el dibujo. Se muestra de manera esquemática y no a escala:
Figura 1: un dispositivo para generar energía eléctrica y para evaporar gas natural licuado conforme a la invención. La figura 1 muestra esquemáticamente un ejemplo de un dispositivo 1 conforme a la presente invención. El dispositivo comprende una línea 2 para el gas licuado criogénico, por ejemplo, gas natural, y una bomba 3 dispuesta en la línea 2. Además, el dispositivo 1 de la figura 1 comprende una turbina de gas como motor térmico 4, así como, un sistema de aprovechamiento del calor residual 5 conectado aguas abajo del motor térmico 4, similar a un generador de vapor de calor residual en sistemas de turbina de gas y vapor. Sin embargo, la presente invención no prevé un ciclo de agua-vapor.
El circuito de fluido 6 podría consistir, por ejemplo, en un circuito de nitrógeno y en el ejemplo de ejecución de la figura 1 comprende los siguientes componentes uno detrás del otro en la dirección del flujo del fluido:
- un primer intercambiador de calor 7, que también está conectado en la dirección de flujo del gas licuado criogénico aguas abajo de la bomba 3 en la línea 2; en el primer intercambiador de calor 7, el calor, por ejemplo, del nitrógeno, se transfiere al gas natural licuado, el gas natural licuado se calienta y se evapora;
- un compresor 8 con el cual el fluido/ nitrógeno se puede llevar al rango de presión supercrítica para un intercambio óptimo de calor;
- un segundo intercambiador de calor 9, en el cual se utiliza calor ambiental (por ejemplo, del enfriamiento del aire de admisión de una turbina de gas, agua de mar, aire ambiente, agua de refrigeración calentada) para calentar el fluido; - paralelos entre sí, un tercer intercambiador de calor 10 con un primer lado 11 en un segundo flujo parcial 23 y un cuarto intercambiador de calor 15 con su primer lado 16 y el sistema de aprovechamiento de calor residual 5 en un primer flujo parcial 22 del fluido;
- una turbina como máquina de expansión 13 con un generador acoplado 14;
- un quinto intercambiador de calor 19 para precalentar el combustible;
- el tercer intercambiador de calor 10 con un segundo lado 12 y
- el cuarto intercambiador de calor 15 con un segundo lado 17.
En el ejemplo de ejecución de la figura 1, parte del gas natural expandido se suministra a una red de gas 24 y otra parte se suministra a la turbina de gas (motor térmico 4). Para ello, un ramal 18 se deriva de la línea 2 en el desvío 21. El ramal 18 desemboca en la turbina de gas (motor térmico 4). Como ya se ha mencionado, el quinto intercambiador de calor 19 está conectado al ramal 18 y al circuito de fluido 6 (= circuito de nitrógeno) para precalentar el combustible.
En el ejemplo de ejecución de la figura 1, también está dispuesto un sexto intercambiador de calor 20 en la línea 2 aguas arriba de un desvío 21 del ramal 18.
La turbina 13, en la cual se expande nitrógeno en el ejemplo de ejecución de la figura 1, presenta fugas. Al menos algunas de dichas fugas se pueden aspirar 25 y ser conducidas después de regreso al circuito de fluido 6. En general, se proporciona una alimentación 26 de nitrógeno al circuito de fluido 6.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo (1) para la generación de energía eléctrica y de evaporación de un gas licuado criogénico, que comprende una línea (2) para el gas licuado criogénico, una bomba (3) dispuesta en la línea (2), un motor térmico (4) y un sistema de aprovechamiento del calor residual dispuesto aguas abajo (5) del motor térmico (4), caracterizado porque de la línea (2) se deriva un ramal (18) y el ramal (18) desemboca en el motor térmico (4) y el dispositivo (1) también comprende un circuito de fluido (6), en el cual están dispuestos uno detrás de otro en la dirección del flujo del fluido los siguientes componentes:
- un primer intercambiador de calor (7), que también está conectado en la línea (2) detrás de la bomba (3) en la dirección del flujo del gas licuado criogénico;
- un compresor (8);
- un segundo intercambiador de calor (9);
- en paralelo entre sí, un tercer intercambiador de calor (10) con un primer lado (11) y el sistema de aprovechamiento del calor residual (5);
- una máquina de expansión (13) con generador acoplado (14), así como,
- el tercer intercambiador de calor (10) con un segundo lado (12).
2. Dispositivo (1) según la reivindicación 1, en donde en paralelo al primer lado (11) del tercer intercambiador de calor (10) y en la dirección de flujo del fluido aguas arriba del sistema de aprovechamiento del calor residual (5) está dispuesto un cuarto intercambiador de calor (15) con un primer lado (16) en el circuito de fluido (6) y en donde el cuarto intercambiador de calor (15) está dispuesto con un segundo lado (17) en la dirección de flujo del fluido aguas abajo del segundo lado (12) del tercer intercambiador de calor (10) en el circuito de fluido (6).
3. Dispositivo (1) según una de las reivindicaciones 1 ó 2, en donde un quinto intercambiador de calor (19) está dispuesto en el ramal (18) y en el circuito de fluido (6) aguas arriba del segundo lado (12) del tercer intercambiador de calor (10).
4. Dispositivo (1) según una de las reivindicaciones precedentes, en donde un sexto intercambiador de calor (20) está dispuesto en la línea (2) aguas arriba de un desvío (21) del ramal (18).
5. Dispositivo (1) según una de las reivindicaciones precedente, en donde el gas licuado criogénico es gas natural.
6. Dispositivo (1) según una de las reivindicaciones precedente, en donde el circuito de fluido (6) consiste en un circuito de nitrógeno.
7. Procedimiento para la generación de energía eléctrica y para la evaporación de un gas licuado criogénico, en el cual un gas licuado criogénico es comprimido y calentado y vaporizado en un primer intercambiador de calor (7) con un flujo de fluido, caracterizado porque el flujo de fluido circula por un circuito; en donde el flujo se comprime después del primer intercambiador de calor (7), en un segundo intercambiador de calor (9) absorbe calor y se divide en un primer (22) y un segundo flujo parcial (23); en donde el primer flujo parcial (22) se calienta al menos en un sistema de aprovechamiento de calor residual (5) con gases de escape de un motor térmico (4) y el segundo flujo parcial (23) se calienta en un tercer intercambiador de calor (10) y el primer (22) y el segundo flujo parcial (23) se vuelven a juntar, el fluido fusionado se expande y a continuación el segundo flujo parcial (23) se calienta en el tercer intercambiador de calor (10) antes de que caliente el gas licuado criogénico en el primer intercambiador de calor (7).
8. Procedimiento según la reivindicación 7, en donde el primer flujo parcial (22), antes de ser calentado en el sistema de aprovechamiento del calor residual (5), es calentado por el fluido en un cuarto intercambiador de calor (15) después de que éste haya calentado el segundo flujo parcial (23) en el tercer intercambiador de calor (10).
9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 7 ó 8, en donde el gas licuado previamente criogénico se suministra al menos en parte a una red de gas (24) y en parte al motor térmico (4).
10. Procedimiento según la reivindicación 9, en donde el gas licuado previamente criogénico alimentado al motor térmico (4) se precalienta en un quinto intercambiador de calor (19) para su combustión por el fluido antes de calentar el segundo flujo parcial (23) en el tercer intercambiador de calor (10).
11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 7 a 10, en donde como fluido en el circuito de fluido (6) se utiliza nitrógeno.
12. Procedimiento según la reivindicación 11, en donde el circuito de fluido (6) funciona de manera supercrítica.
13. Procedimiento según una de las reivindicaciones 7 a 12, en donde como gas licuado criogénico se utiliza gas natural licuado.
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