KR101644211B1 - 효율적인 유체 감압 시스템 - Google Patents

효율적인 유체 감압 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR101644211B1
KR101644211B1 KR1020127000405A KR20127000405A KR101644211B1 KR 101644211 B1 KR101644211 B1 KR 101644211B1 KR 1020127000405 A KR1020127000405 A KR 1020127000405A KR 20127000405 A KR20127000405 A KR 20127000405A KR 101644211 B1 KR101644211 B1 KR 101644211B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
heat
pressurized fluid
fluid
conduit
energy
Prior art date
Application number
KR1020127000405A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20120038959A (ko
Inventor
폴 시코라
Original Assignee
설모네틱스 리미티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 설모네틱스 리미티드 filed Critical 설모네틱스 리미티드
Publication of KR20120038959A publication Critical patent/KR20120038959A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101644211B1 publication Critical patent/KR101644211B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/14—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours using industrial or other waste gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/02—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being an unheated pressurised gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K27/00—Plants for converting heat or fluid energy into mechanical energy, not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17D—PIPE-LINE SYSTEMS; PIPE-LINES
    • F17D1/00—Pipe-line systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17D—PIPE-LINE SYSTEMS; PIPE-LINES
    • F17D1/00—Pipe-line systems
    • F17D1/02—Pipe-line systems for gases or vapours
    • F17D1/065—Arrangements for producing propulsion of gases or vapours
    • F17D1/07—Arrangements for producing propulsion of gases or vapours by compression
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17D—PIPE-LINE SYSTEMS; PIPE-LINES
    • F17D1/00—Pipe-line systems
    • F17D1/02—Pipe-line systems for gases or vapours
    • F17D1/065—Arrangements for producing propulsion of gases or vapours
    • F17D1/075—Arrangements for producing propulsion of gases or vapours by mere expansion from an initial pressure level, e.g. by arrangement of a flow-control valve

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Pipeline Systems (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
  • Lubricants (AREA)
  • Gas Separation By Absorption (AREA)

Abstract

본 발명은 고압 관로 유체의 효율적인 감압을 제공하는 시스템에 관한 것이다. 본 시스템은 주울-톰슨 효과로 인한 유체 액화, 고화 또는 허용될 수 없는 온도 강하를 발생시키지 않고 정미(net) 발전을 제공할 수 있다. 본 시스템은 특히 정미 발전이 가능하면서도 에너지 효율적 방식의 고압 천연가스 관로 감압과 관련된다. 관로에 있는 가압 유체 감압 시스템은, 관로에 있는 가압 유체를 더 낮은 압력으로 팽창시키는 최소한 하나의 감압기; 및 초임계 유체 (냉매) 순환을 위한 초월임계 (transcritical) 열펌프로 구성되며, 상기 가압 유체의 최소한 하나의 팽창 전에 관로에 있는 가압 유체로 전달되는 열을 방출하기 위하여 초임계 유체가 냉각된다.

Description

효율적인 유체 감압 시스템{System for Efficient Fluid Depressurisation}
본 발명은 고압 관로 유체의 효율적인 감압을 제공하는 시스템에 관한 것이다. 본 시스템은 주울-톰슨 효과로 인한 유체 액화, 고화 또는 허용될 수 없는 온도 강하를 발생시키지 않고 정미(net) 발전을 제공할 수 있다. 본 시스템은 특히 정미 발전이 가능하면서도 에너지 효율적 방식의 고압 천연가스 관로 감압과 관련된다.
천연가스는 고압 관로들을 통하여 이송되고 상당히 감압되어 최종 소비자에게 배송된다. 일반적으로, 정압관리소에서 천연가스를 가압하고 장거리 이송 과정에서 이를 유지한다. 상이한 지역적 설정에 따라 상이한 압력이 이송라인들에 적용되고, 최종 소비자 또는 시스템 분배 장치 (subdistribution node) 규모 및 특성에 따라 달라지는 가변적 단계들에서 망 설계 요건들과 부합되도록 감압이 이루어져야 한다.
감압 과정은 통상 작은 오리피스 또는 교축 밸브에 의해 이루어지고 이 결과 가스의 상당한 온도 강하로 이어진다. 당연히, 온도 하강 정도는 감압 정도에 직접 비례한다.
주울-톰슨 효과로 인한 온도 강하는 여러 이유로 바람직하지 않고 방지되어야 하거나 최소한 제한되어야 한다. 과도한 냉각으로 파이프 및 보조 장치에 바람직하지 않은 응력을 유발할 수 있고; 소정 파이프 피복재 및 파이프 재료를 열화시킬 수 있고; 또한 관로 주변 지면 (earth)을 냉각시켜 연관된 동상 (frost heave)의 위험을 유발할 수 있다. 또한, 온도 강하에 따라 액화 또는 고화되어 하류 망에 문제들을 일으킬 수 있는 응축 성분들이 가스 자체에 포함될 수 있다.
이러한 문제들을 회피하기 위한 가장 직접적인 방법은 감압 전에 가스 기류 (stream)를 가열하는 것이다. 압력 방출에 따른 저온 문제들을 회피할 수 있을 정도로 팽창-후 가스 온도가 높게 유지되도록 열량 공급이 조절된다.
천연가스 감압소에서 활용될 수 있는 논리적인 열원은 가스 일부를 연소시키는 것이다. 감압소에서 활용할 수 있는 다른 계속적인 신뢰적 원천이 없다면, 통상 일군의 고효율 가스 연소 보일러들이 배치되어 필요한 열량을 공급한다. 이러한 해결책은 효과적이고 구현되기에 대체로 간단하지만, 배송 가능한 일부 가스 에너지를 소모하여야 하는 비용이 발생한다. 보일러를 대신 연료전지 또는 발전과 동시에 열을 공급하는 열병합발전 (CHP) 유닛들을 사용하는 제안들이 있었으나, 가스 소모적 관점에 에너지 손실은 여전하다.
천연가스 감압 과정에서 에너지 소모를 줄이거나 없애는 선행 방법들이 하기된다.
미국특허번호 제4,677,827호는 감압 가스 상류에 억제제 첨가를 기술한다. 억제제 용도는 냉각 가스에서 응축을 방지하는 것이다. 억제제가 첨가된 후 예열 과정 없이 감압이 이루어질 수 있다.
팽창 가스는 일반적으로 주변보다 낮은 온도이므로 감압 후 재가열은 주변과의 열접촉으로 달성될 수 있다. 이는 여러 방법으로 진행될 수 있다. 예를들면: 활용 가능한 부하에 (이러한 부하가 있다면) 무료 냉동 제공; 가스 및 주변과의 직간접적 열교환 연결 또는 열펌프에 의해 제공되는 열을 피동 열교환기로 제공. 이러한 방법들로 재가열의 전부는 아니지만 많은 부분은 주변으로부터 제공받을 수 있고, 결과적으로 가스 연소로 생성되는 열을 절감할 수 있다.
이러한 방법의 난점은 추가적인 소모성, 즉 억제제를 각각의 지역 (site)에 제공하고 가스 기류에 계량 주입하여야 할 필요가 있다는 것이다. 또한 가스가 최종 소비자에게 공급되기 전에 억제제를 회수할 필요가 있다. 억제제 회수에 따른 추가적인 장치가 따르고 이에 따라 실질적으로 감압소 및 운전 복잡성이 더해진다.
Pozivil (Acta Montanistica Slovaca, Rocnik 9 (2004), cislo 3, 258-260)은 가스 팽창 과정에서 방출되는 운동에너지를 팽창 터빈에서 기계에너지, 대부분은 결국 전력 변환하는 것을 보고하고 있다. 이러한 전력은 다양한 방식으로 사용될 수 있다: 전력망으로 역공급; 지역에 필요한 일부 또는 모든 전력 충족에 사용 및 팽창 가스에 열을 공급하기 위한 열펌프를 가동시키는 데 있어 잠재적 사용.
이러한 임의의 발전 방법들을 고려할 때 해결되어야 할 많은 문제점들이 존재한다. 먼저, 발전을 위한 팽창을 수반하는 가스 온도 하강은 동일한 최종 압력에 이르는 교축 팽창 수반의 경우보다 몇 배는 더 크다. 이러한 냉각이 팽창기의 가스 상류를 연소하여 대응되지 않는다면, 가장 효율적인 팽창기-발전기 유닛으로 발전될 수 있는 것보다 재가열 과정에서 더 많은 에너지가 소모될 것이다. 또한 감압소에 활용될 수 있는 전임 (full-time) 전기 부하가 있고 생성 전력을 이용할 수 있어야 한다. 실제로 이것은 전기를 전력망으로 역 공급할 수 있는 망 연결을 의미한다. 어떠한 경우든, 발생된 전기의 전임적 사용이 있다고 하더라도 사용 가능한 에너지의 순손실이 발생한다. 이러한 배치에 대한 비용 정당성은 에너지 절약 이외의 요소들로부터 찾아야 한다.
이러한 접근법의 변형은 팽창기-발전기 유닛 외에 CHP 유닛을 활용하는 것이다. CHP 규모는 CHP의 열 출력이 팽창 가스 냉각에 대응하는 재가열에 필요한 정도에 따라 결정된다. 팽창기-발전기 전기 출력이 CHP 유닛에 더해져 망에 제공된다. 두 전기 출력들로 경제적 이득이 발생하지만 이러한 접근법의 1차 에너지 및 CO2 이점들은 설정에 덜 수월하다. CHP 유닛 설치의 주요 이유는 열 출력을 이용하는 것이고, 따라서 연소에너지의 이러한 부분은 전체 과정에서 훼손되는 것으로 보인다. CHP 역할은 연료전지로 대체될 수 있고 전체적인 방법은 동일하게 될 것이다.
팽창-후에 열이 더해진다면, 가스 기류에 응축 억제제를 첨가할 필요가 있다. 매우 큰 온도 강하로 인하여 효과적이기 위하여는 억제제 첨가량을 높여야 할 필요가 있다. 또한 단일 팽창 단계에서조차 발생할 수 있는 -80도까지의 온도 하강으로 인한 관련 냉각 장치를 평가할 필요가 있다. 이러한 방법은 상당한 일차에너지를 절약할 수 있지만, 억제제 첨가 방법과 관련된 상기 모든 난점들의 더욱 극단적인 형태로 제시된다.
미국특허번호 제5,628,191호는 예비-팽창 가스를 가열하는 열펌프로 구성되는 시스템을 기술한다. 예비-팽창 열펌프 방법을 적용하면, 상기 냉각 문제들을 회피하기 위하여 전형적으로 입구 온도 5-10도에서 80-90도까지 가스를 가열하여야 하는 문제에 직면한다. 이러한 매우 높은 최종 온도를 달성하는 것은 임의의 통상적인 열펌프로서는 엄청나게 힘든 과제이다. 또한, 단일 패스에서 이러한 온도 상승을 달성할 필요성은 열펌프 효율에 매우 불리한 영향을 줄 것이다. 열펌프 효율이 최소 임계 효율 수준을 달성하지 못하면, 이러한 방법은 여전히 보충적 (연소) 가열이 필요하다.
미국특허출원공개번호 제2003/0172661호는 다중 소-비율 팽창 단계들을 적용하여 온도 하강을 열펌프가 처리할 수 있는 범위로 제한한다. 이러한 방법은 임의의 추가적인 혜택 없이 더 많은 장치 비용 및 복잡성을 유발할 것이다. 동반되는 상기 응축들로 인하여 통상의 열펌프들은 이러한 특정 분야에서 임의의 유의한 기능을 하지 못할 것이다.
본 기술분야에서 유체 감압에 따른 냉각 문제들을 극복할 수 있는 정도로 가압 유체를 예비-가열할 수 있는 시스템에 대한 필요성은 여전하다. 에너지 효율적인 시스템이 바람직하다. 또한 정미 발전이 가능한 시스템이 바람직하다.
본 발명은 연속 또는 거의 연속 과정으로 유체 감압에 수반되는 팽창 냉각 영향을 최소화할 수 있는 시스템을 제공한다. 본 시스템은 유체 팽창에 의해 방출되는 에너지를 회수하도록 적용된다.
특히, 본 발명은 천연가스 관로 감압 과정에서 팽창 냉각을 완화하기 위한 시스템은 제공한다. 바람직하기에는, 본 시스템은 천연가스 팽창 냉각 과정에서 에너지를 회수하기 위하여 제공될 수 있다.
일 양태에서 본 발명은 다음과 같은 구성의 관로에 있는 가압 유체 감압 시스템을 제공한다: 관로에 있는 가압 유체를 더 낮은 압력으로 팽창시키는 최소한 하나의 감압기; 및 초임계 유체 (냉매) 순환을 위한 초월임계 (transcritical) 열펌프로 구성되며, 상기 가압 유체의 최소한 하나의 팽창 전에 관로에 있는 가압 유체로 전달되는 열을 방출하기 위하여 초임계 유체가 냉각된다.
본 분야의 숙련가가 이해하듯, 초임계 냉매가 냉각될 때 냉매의 온도 및 압력은 냉매의 임계 온도 및 임계 압력 이하로 떨어질 수 있다. 따라서 초월임계 열펌프 역시 냉매의 임계온도 및 임계압력 아래의 온도 및 압력에서 냉매를 순환시키기 위한 저압, 저온 측을 가질 수 있다. 초월임계 열펌프는: 냉매의 임계온도 및 임계압력 이상의 온도 및 압력에서 냉매를 순환시키기 위한 고온, 고압 측; 및 냉매의 임계온도 및 임계압력 이하의 온도 및 압력에서 냉매를 순환시키기 위한 저온, 저압 측을 가질 수 있다. 또한 초월임계 열펌프는 냉매의 임계온도 및 임계압력 이상의 온도 및 압력에서 냉매로부터 열을 전달하기 위한 방열상 (heat rejection phase)을 가지는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명의 시스템은 관로에 있는 가압 유체로 열을 전달하기 위한 최소한 하나의 열교환기를 더욱 포함한다.
냉각되는 초임계 유체에 의해 방출되는 열은 상기 가압 유체의 최소한 하나의 평창 전에 관로에 있는 가압 유체로 직접 전달될 수 있다. 예를들면, 냉매는 열펌프에서 초임계 상태로 가열 및 압축되고 관로에 있는 가압 유체를 가열하기 위하여 최소한 하나의 열교환기로 직접 안내된다. 초임계 유체는 열교환기에서 관로에 있는 가압 유체를 가열시키고 냉각될 수 있다.
반대로, 냉각되는 초임계 유체에 의해 방출되는 열은 상기 가압 유체의 최소한 하나의 평창 전에 관로에 있는 가압 유체로 간접 전달될 수 있다. 예를들면, 이러한 시스템은 관로에 있는 가압 유체를 가열하기 위한 최소한 하나의 열교환기와 연결되는 제2의 열교환 회로를 포함한다. 가열된 초임계 유체는 열교환기에서 냉각되어 제2의 열교환 회로로 열을 전달하며, 이에 따라 제2의 열교환회로에 있는 유체 (예를들면 물)를 가열한다. 제2의 열교환 회로에 있는 가열 유체는 관로에 있는 가압 유체를 가열하기 위하여 최소한 하나의 열교환기로 안내된다.
본 발명의 시스템은 초임계 유체에 의한 관로 내 가압 유체의 간접 가열을 제공한다. 바람직하게는, 초임계 유체에 의한 관로 내 가압 유체의 간접 가열을 위한 구성은 표준 열펌프 패키지 (package)로 구성될 수 있다. 연결된 열교환기들을 포함한 초월임계 열펌프 장착은 초월임계 냉동 기술보다는 단지 배관작업 기술이 필요할 뿐이다.
본 발명의 시스템은 열교환기에 의한 가압 유체 가열 전에 감압 단계를 배제하지 않는다. 유입 가스 온도가 소량의 감압이 허용될 정도로 높다면, 및/또는 감압 정도가 충분히 작다면, 냉각과 연관된 액화 또는 고화와 같은 문제들을 피할 수 있다.
가열된 초임계 유체는 열교환기에서 냉각되어 상기 가압 유체 팽창 전에 관로 내 가압 유체를 가열시킨다.
본원에서 사용되는 '초월임계 열펌프'는 냉매가 초월임계 사이클을 수행하는, 즉 냉매가 초임계 및 아임계 상태 사이에서 변환되는 열펌프와 관련된다. 본 발명의 시스템에서 초임계 유체는 초월임계 사이클의 일부로 냉각되어 관로 내 가압 유체로 열을 방출한다.
바람직하기에는, 본 발명의 시스템은 감압소에서 여타 소모재 예를들면 응축 억제제 요건 없이 작동된다. 이를 통하여 가압 유체 관로로 억제제를 계량 주입하고 최종 소비자에게 공급되기 전에 유체로부터 억제제를 회수하는 것과 관련된 여타 비용을 절감할 수 있다.
본 발명의 시스템은 (통상적인 역 랭킨 사이클에서 응축에 따른 거의 등온 열전달 특성과 반대로) 냉각 초임계 유체의 연속적인 긴 하강 온도 기울기에 걸쳐 열을 전달하는 초월임계 열펌프 성능으로 고효율 가열을 제공한다.
본 발명의 시스템에서, (초월임계 열펌프의 열교환기에서) 방열 과정은 초임계 유체의 임계 압력 이상의 압력에서 일어난다. 따라서, 초임계 유체는 상당히 더 높은 온도에 도달할 수 있다. 추가로, 초월임계 열펌프에서의 방열 과정은 단일 응축 온도가 아닌 넓은 온도 폭에 걸쳐 진행된다. 이에 따라 관로 내 가압 유체의 매우 효율적인 가열이 가능하고 따라서 가압 유체 팽창 냉각과 관련된 온도 하강을 완화시킬 수 있기에 충분하게 가압 유체 온도가 상승될 수 있다.
본 발명의 시스템은 지역에 (즉, 다시 시스템으로) 전기 에너지를 공급할 수 있다. 유체 팽창 (감압) 단계에서 방출되는 에너지가 이용될 수 있다. 이용되는 에너지는 에너지원으로 다시 본 발명의 시스템으로 공급될 수 있다. 예를들면, 본 발명의 시스템의 초월임계 열펌프는 에너지 발생기에 의해 가동될 수 있다. 에너지 발생기는 유체 팽창 단계에서 방출되는 에너지에 의해 구동될 수 있다.
가스 감압에 의해 방출되는 에너지는 초월임계 열펌프 압축기로 직접 전달될 수 있다. 이러한 배치에 따라 전기 발생기 및 관련 장치가 불필요하여 비용을 줄일 수 있다.
달리, 본 발명의 시스템은 시스템 외부로 에너지를 공급하도록, 예를들면 연결망에 전기에너지를 공급하도록 구성될 수 있다. 본 발명의 시스템은 연결망으로 전기에너지를 공급하면서 본 발명의 시스템으로 다시 전기에너지를 공급하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 초월임계 열펌프는 주변 열원과 (열교환기를 통하여) 열적으로 연결된다. 주변으로부터 열은 (상기와 유사하게) 직간접적으로 냉매로 전달될 수 있다. 주변(ambient)에 의한 직접 가열은 냉매 및 주변 열원 연결 열교환기 사이 직접적 열교환으로 구성된다. 주변과의 간접 연결은 제2 열교환 회로를 통하여 달성될 수 있고, 이는 주변 열원 열교환기와 연결되고, 주변에서 열을 취하여 다시 냉매를 가열한다. 주변 열원은 공기, 지면, 지하수, 지표수 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 이를 통하여 열펌프에 의한 저온 열에너지 유입이 가능하다. 주변은 냉매가 아임계 상태일 때 냉매에 열을 제공할 수 있다.
관로 내 가압 유체와 연통되는 열교환기는 관로 내 가압 유체에 역류 방향으로 배치될 수 있다. 이는 더욱 효율적인 방열을 제공한다.
초월임계 사이클을 위한 냉매는 약 20-25도까지 비등하여 증발될 수 있기에 충분히 높고 표준 냉동 방열 온도 40-80도보다 충분히 낮은 임계온도를 가지는 유체일 수 있다. 유체는 큰 증발열을 가져야 한다. 바람직하게는 충분한 윤활성을 제공하도록 유체는 오일과 혼용될 수 있다. 숙련가가 인지할 수 있는, 임의의 적합한 유체가 사용될 수 있다. 예를들면, 초월임계 냉매는 CO2, C2H6, N2O, B2H6, C2H4에서 선택될 수 있다. 또한 본 발명은 이들의 조합을 포함한다. 초월임계 냉각을 수행하는 유체는 CO2일 수 있다. 바람직하게는, CO2는 비-발화성 및 비-독성 유체이다. 더욱 바람직하게는, CO2는 오존파괴지수 (ODP)가 0이며 지구온난화지수 (GWP)가 1이므로, 가장 이상적인 초월임계 유체의 하나이다.
본 발명 시스템의 감압기는 교축 밸브를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 시스템은 가압 유체 가열 과정에서 상기 가압 유체를 연소시키지 않고 가압 유체 가열에 필요한 모든 에너지를 생성하도록 구성된다. 예를들면, 가압 유체가 천연가스일 때, 천연가스의 연소가 필요하지 않다. 이러한 시스템은 에너지 효율적이다.
본 시스템은 팽창 유체에 의해 방출되는 에너지를 전기에너지로 변환하기 위한 에너지 발생기를 더욱 포함한다. 바람직하게는, 팽창 유체에 의해 방출되는 에너지를 전기에너지로 변환하기 전에 관로 내 가압 유체가 열교환기에 의해 가열된다. 바람직하게는, 가압 유체를 충분히 고온으로 가열함으로써 본 발명의 시스템은 감압으로 인한 원치 않는 냉각에 대응하기 위한 예를들면 연소를 통한 가압 유체의 소모를 생략할 수 있다.
팽창 유체에 의해 방출된 에너지는 에너지 발생기로 전달될 수 있다. 에너지 발생기는 팽창 유체에 의해 구동되는 기계 요소를 포함하여 에너지를 발생시킨다. 예를들면, 가압 유체는 터빈을 통하여 팽창될 수 있다. 바람직한 구성에 있어서, 팽창 가압 유체에 의해 방출되는 에너지는 터보 팽창기에 의해 이용될 수 있다. 바람직하게는, 관로 내 가압 유체는, 에너지 발생기를 통하여 가압 유체를 팽창하기 전에, (열교환기에서) 가열된다.
유체 팽창 방법을 이용하는 에너지 발생기를 포함한 본 발명의 시스템은 정미 발전을 제공할 수 있다. 발전 팽창기 (예를들면 터보 팽창기)는 초월임계 열펌프 작동에 필요한 것보다 훨씬 더 많은 에너지를 생성할 수 있다. 따라서, 본 발명의 시스템은 잉여 에너지, (관로 내 가압 유체로 공급되는) 잉여 열 또는 이들의 조합을 생성하도록 구성된다.
가압 유체 팽창은 하나 이상의 감압기 예를들면 터보 팽창기 및 하나 이상의 주울-톰슨 교축 밸브들에서 분할될 수 있다. 팽창기-발전기 유닛들은 주울-톰슨 교축 밸브들보다 고가이며 팽창 과정을 팽창기-발전기 유닛 및 다수의 주울-톰슨 교축 밸브들로 분할하는 것이 더욱 경제적이다.
본 발명의 시스템은 직렬로 배치된 다수의 감압기들을 제공한다. 이러한 구성은 가압 유체의 단계적 팽창을 가능하게 한다. 각각의 감압기는 에너지 발생기를 통하여 가압 유체를 팽창하여 각각의 팽창으로 에너지를 발생시킬 수 있다. 달리, 복수의 감압기들 중 하나가 에너지 발생기를 통하여 가압 유체를 팽창시킬 수 있다. 나머지 감압기들은 교축밸브일 수 있다.
본 발명의 시스템은 열교환기에 의한 가압 유체 가열 전에 가압 유체를 팽창하기 위한 최소한 하나의 감압기; 가열된 가압 유체 사전 팽창에 이은 가압 유체 팽창을 위한 최소한 하나의 감압기; 및 이들의 조합 중 최소한 하나를 더욱 포함한다.
열교환기에 의한 가압 유체 가열 전에 가압 유체 팽창을 위한 감압기를 본 발명의 시스템에 포함시키는 것은 전체 공정에 유리할 수 있다. 가압 유체를 약간 사전 냉각하면 가스 라인에 있는 열교환기로 더 낮은 입구 온도의 가스가 유입된다. 이것은 열펌프 성능 계수에 긍정적인 영향을 주어 열펌프 효율을 증가시킬 수 있다.
가압 유체의 사전-팽창은 단일 단계로 달성될 수 있는 총 압력강하를 증가시킬 수 있다. 따라서 팽창기-발전기 단독 작동 입구/출구 최대 압력 비율에 의해 부여되는 한계 이상으로 본 발명의 시스템의 총 감압 성능을 증가시킬 수 있다. 유입 가스 온도가 소량의 감압이 허용될 정도로 높다면, 냉각과 연관된 액화 또는 고화와 같은 문제들을 피할 수 있다.
가열된 가압 유체의 사전 평창에 이어 가압 유체 팽창을 위한 감압기를 본 발명의 시스템에 포함시키는 것은 에너지-생성 가스 팽창 단계 결과인 냉각에 대응할 필요가 있는 것보다 더 많은 열을 생성하여야 하는 열펌프 능력을 경감시킨다. 따라서 추가적인 감압으로 추가적인 냉각이 제공될 수 있다.
본 발명의 시스템은 선택적으로 병렬 배치되는 다수의 감압 라인들을 제공한다. 각각의 감압라인들은 최소한 하나의 열교환기를 포함한다. 달리, 하나의 열교환기가 각각의 감압라인으로 연속하여 배분되도록 가압 유체를 가열할 수 있다. 각각의 감압라인은 감압기를 포함할 수 있다. 각각의 감압라인은 최소한 하나의 감압기를 포함할 수 있다.
각각의 감압라인은 에너지 발생기 (팽창기-발전기)를 통하여 가압 유체를 팽창하도록 구성되는 최소한 하나의 감압기를 포함할 수 있다. 바람직한 구성에서, 하나의 감압라인은 각각의 감압라인에 있는 유체를 가열할 에너지를 제공하는 에너지 발생기를 포함할 수 있다. 예를들면, 단일 에너지 발생기가 단일 열펌프 또는 복수의 열펌프를 가동시키는 에너지를 제공할 수 있다. 열펌프와 연결된 열교환기들은 동일 감압라인 또는 분리된 감압라인들에 배치될 수 있다. 달리, 단일 에너지 발생기는, 가압 유체를 각각의 감압라인으로 배분하기 전에 가압 유체를 가열하는 열교환기 요소인 단일 열펌프를 가동할 수 있는 에너지를 제공할 수 있다.
각각의 감압라인은 가압유체를 상이한 압력으로 팽창하도록 구성될 수 있다. 이는 가압 유체 예를들면 천연가스를 상이한 감압 라인들을 통하여 서로 다른 최종 소비자들에게 배분할 때 특히 유리하다. 바람직하게는, 본 발명의 시스템은 서로 병렬로 배치되는 2 내지 5개의 감압라인들을 제공한다.
본 발명의 시스템에서 관로 내 가압유체는 기체일 수 있다. 가압유체는 천연가스일 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 가압 유체 감압 전에 관로 내 가압유체로 열을 전달하기 위하여 열펌프에서 초임계 유체를 사용한다. 초임계 유체는 열교환기 방열상에서 냉각된다. 초임계 유체는 초월임계 사이클 일부로 냉각되어 열을 관로 내 가압 유체로 방출한다. 초임계 유체 냉각에 의해 제공된 열은 직간접적으로 관로 내 가압 유체로 전달될 수 있다. 직접 가열은 초임계 유체 및 관로 내 가압 유체 사이 직접 열교환으로 이루어진다. 간접 열 전달은 관로에 있는 가압 유체를 가열하기 위한 열교환기와 연결되는 유체 (예를들면 물)를 포함하는 제2의 열교환 회로를 통하여 달성될 수 있고, 유체는 초임계 유체 냉각으로 가열되고 이는 다시 관로 내 가압 유체를 가열시킨다. 관로에 있는 가압 유체는 천연가스일 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 관로 내 가압 유체를 가열하기 위한 방법을 제공하며, 이는 초월임계 열펌프 제공단계, 및 관로 내 가압 유체에 전달되는 열을 방출하기 위한 초임계 유체 냉각단계로 구성된다.
초임계 유체는 초월임계 사이클 일부로 냉각되어 열을 관로 내 가압 유체로 방출한다. 초임계 유체 냉각에 의해 제공된 열은 직간접적으로 관로 내 가압 유체로 전달될 수 있다. 직접 가열은 냉각 초임계 유체 및 관로 내 가압 유체와 연통하는 열교환기로부터 직접 열전달로 이루어진다. 초월임계 열펌프는 가열된 초임계 유체를 열교환기로 직접 안내할 수 있다.
간접 열 전달은 관로에 있는 가압 유체를 가열하기 위한 열교환기와 연결되는 유체 (예를들면 물)를 포함하는 제2의 열교환 회로를 통하여 달성될 수 있고, 유체는 초월임계 냉각을 수행하는 초임계유체로 가열되고 이는 다시 관로 내 가압 유체를 가열시킨다. 관로에 있는 가압 유체는 천연가스일 수 있다.
가능하다면, 본 발명의 일 실시예의 모든 선택적 및/또는 추가적 특징부는 본 발명의 다른/기타 실시예(들)의 선택적 및/또는 추가적 특징부와 조합될 수 있다는 것을 이해할 수 있다.
본 발명 시스템의 간단한 특성으로 인하여 이러한 작동은 현존 사용 및 유지 구성으로부터 임의적 변경을 거의 수반하지 않는다. 본 시스템에 대하여 예상되는 장기적 사용 연한 및 최소 사용/조정 요건으로 우수한 비용-효율적 효과가 가능하다.
본 발명의 추가적인 특징 및 이점들이 본 발명의 상세한 설명에 기재되고 이와 함께 도면들로부터 명백하여질 것이다.
도 1은 에너지 발생기를 포함한 본 발명에 의한 시스템을 도시한 것이다;
도 2는 가열 전에 가압 유체 감압을 위한 교축 밸브를 포함한 본 발명에 의한 시스템을 도시한 것이다;
도 3은 제1 에너지 발생 팽창에 이어 가압유체가 추가적인 팽창을 수행하는 본 발명에 의한 시스템을 도시한 것이다;
도 4는 다수의 위치들에서 가압 유체가 감압되는 본 발명에 의한 시스템을 도시환 것이다;
도 5는 병렬 배치되는 두 감압라인들을 가지는 본 발명에 의한 시스템을 도시한 것이다;
도 6은 초월임계 열펌프와 직접 연결되는 기계적 커플링을 가지는 본 발명에 의한 시스템을 도시한 것이다; 및
도 7은 제2 열교환 회로를 포함한 본 발명에 의한 시스템을 도시한 것이다.
하기 개시된 실시예들은 포괄적인 예들만을 나타낸 것이고 본 발명을 구현할 수 있는 기타 구성들 및 방법들이 가능하고 본 발명에 의해 포함된다는 것은 본 분야의 숙련가에게 명백하다.
본 발명의 시스템은 유체 팽창 에너지 변환 기구 (전형적으로는 전기 발생기에 연결되는 내향 반경류 팽창 터빈) 및 주변 열원 초월임계 열펌프를 제공한다. 주변 열은 물, 공기, 또는 지면 중 최소한 하나로부터 공급될 수 있다. 고압 천연가스 라인에서 감압을 위한 요소들 구성이 도 1에 도시된다.
파이프 (101)에 있는 유입 고압가스는, 바람직하게는 역류 배치되는, 초월임계 냉각을 수행하는 냉매에 의해 열교환기 (102)를 통하여 가열된다. 열교환기에서 파이프 (103)을 통하여 유출되는 가스 온도는 팽창 단계 이후 임의의 저온 문제들을 회피할 수 있기에 충분히 높은 수준으로 유지된다.
가스는 에너지-발생 가스 팽창 기구 (104), 바람직하게는 고효율 내향 반경류 팽창 터빈으로 진입하고, 여기에서 가스 온도는 다시 유입 고압 가스 수준에 가까운 수준으로 강하된다. 파이프 (105)를 통하여 유출된 가스 압력은 유입 가스 (101)보다 특정 감압소에 대한 설계 감압 비율만큼 더 낮다. 이후 가스는 (하나 이상의 추가 팽창 단계들을 포함할 수 있는) 추가적 처리 단계들 또는 최종 소비자에게 분배하는 분배 시스템을 통과한다. 팽창기 (104)에서 생성된 팽창에너지는, 팽창기 (104)로부터, 기계적 커플링 (106)에 의해 발전기 (107)로 전달되고 여기에서 전기로 변환된다.
생성된 전기의 모두 또는 일부는 초월임계 열펌프 (108)를 가동하기 위하여 사용된다. 에너지 발생기 (107)는 열펌프 (108)와 직접 연결될 수 있다 (미도시). 본 발명은 초월임계 열펌프 (108)를 포함하여 대부분의 열펌프들이 본 분야에서 온도 요건에 불충분하거나 이를 충족할 수 없도록 하는 여러 난제들을 해결한다.
초월임계 사이클에서, 방열 과정은 냉매 임계 압력 이상의 압력에서 진행되어 냉매는 상당히 더 높은 온도에 이를 수 있다. 또한, 초월임계 열펌프에서의 방열 과정은 단일 응축 온도가 아닌 넓은 온도 폭에서 진행되어 본 적용에 더욱 적합하다.
초월임계 과정의 성능계수 (COP)는 평균 열 방출 온도로 결정된다. 이것은, 냉각되는 초월임계 유체의 긴 연속적 하강 온도 기울기와 조합되어 초월임계 열펌프가 필요한 높은 최종 온도를 공급하면서도 매우 호의적인 COP 값들을 달성할 수 있도록 한다.
방열 요소가 상기 열교환기 (102)인 열펌프 (108)는 또한 압축기, 증발기, 내부 열교환기 및 기타 초월임계 열펌프 사이클 작동에 필요한 요소들을 포함한다. 압축기, 열교환기, 유동 제어 기구들 및 내부 냉매 회로 요소들은 초월임계 시스템들을 위한 냉동/열펌프 산업에서 사용되는 임의 유형들일 수 있다. 열펌프 (108)로부터 고온의 고압 냉매는 가열 냉매 공급 파이프 (109)를 통하여 열교환기 (102)로 이송된다. 냉각 고압 냉매는 고온 열교환기 (102)로부터 파이프 (110)를 통하여 열펌프 (108)로 회귀된다. 선택적으로, 열교환기 (102) 및 파이프들 (109, 110)을 포함한 열전달루프는 냉매 자체 대신 물 또는 기타 적합한 유체를 순환시킬 수 있다. 열펌프 (108) 증발기는 국부적 주변과 열적으로 연결된다. 이는 공기, 지면, 지하수 또는 지표수 열원, 폐기 열 기류 또는 이들의 조합과 연결될 수 있다. 주변 연결 열교환회로 (111)는 직접 (예를들면, 집열회로를 통하여 시스템 냉매를 순환) 또는 간접 (예를들면, 주변 집열을 위한 동파 방지 (freeze-protected) 액체를 사용)적일 수 있다. 주변 연결 열교환기 (112)는 각 지역에 가장 적합한 특정 열교환 유형에 따라 다양한 형태를 취할 수 있다.
시스템 장치 예를들면 열펌프의 압축기 및 기타 전기적 주변기기를 작동시키는 에너지는 (팽창 유닛 (104)와 연결된) 발전기 (107)에 의해 제공된다. 열에너지는 주변에서 공급되고 초월임계 열펌프에 의해 온도가 상승되어 팽창 전에 유입 가스를 가열시키는 열을 공급한다. (주변 에너지원을 포함한) 열펌프는 필요한 가스 가열을 제공할 수 있는 규모이며 활용 가능한 가스 팽창 에너지를 완전히 이용할 필요는 없다.
팽창 냉각에 대응하기 위하여 열교환기 (102)에 의해 가스 기류에 전달되어야 하는 열량은 발전기 (107)에 의해 생성되는 전기에너지보다 상당히 클 수 있다. 팽창기 (104), 발전기(107) 및 전력 변환 전자장치들의 효율은 가스 팽창 에너지 회수장치에서 열펌프로 공급될 수 있는 전력을 제한한다. 잘-작용된 최신 장비로도, 전기로서 회수되는 에너지는 활용 가능한 가스 팽창 에너지의 75-80%를 넘지 않는다.
예외없이, 상기 에너지 손실은 가스 가온 작업을 위한 사용 가능한 열로 회복될 수 없다. 따라서 이러한 에너지 손실은 열펌프의 열적 출력으로 공급되어야 한다. 이러한 손실을 보충하는 것 외에, 어떠한 가스 에너지 회수가 없는 경우에도 발생하는 주울-톰슨 냉각에 대응할 수 있는 열을 공급할 필요가 있다. 따라서 임의의 가스 (또는 기타 구입 연료)를 소모하지 않고 유입되는 고온 가스의 완전한 온도 회수를 제공하기 위하여 열펌프 성능은 약 2 정도의 최소 가열 COP를 상회하여야 한다. 초월임계 열펌프는 고온 및 예비 가열에 필요한 고온 상승을 공급하면서도 유일하게 이러한 성능 요건을 충족할 수 있다.
도 2에서 본 시스템은 열교환기 (102) 및 주요 팽창기 (104) 상류에 위치하는 교축 밸브 (213)을 이용하여 선택적 가스 팽창 단계를 포함한다. 유입 가스 온도가 소량의 감압이 허용될 정도로 높다면, 냉각과 연관된 액화 및 고화 문제들을 피할 수 있다. 기계적 커플링 (106)은 팽창기 (104)를 에너지 발생기 (107)와 연결한다. 발생기 (107)에 의해 생성된 에너지는 초월임계 열펌프 (108)을 가동시키도록 사용될 수 있다. 초월임계 열펌프 (108)은 열적으로 회로 (111) 및 열교환기 (112)와 연결된다. 파이프 (109, 110)는 열교환기 (102)를 초월임계 열펌프 (108)로 연결한다. 파이프 (105)를 통하여 유출된 가스 압력은 유입 가스 (101)보다 더 낮다. 이후 가스는 (하나 이상의 추가 팽창 단계들을 포함할 수 있는) 추가적 처리 단계들 또는 최종 소비자에게 분배하는 분배 시스템을 통과한다.
열교환기 (102) 상류에 있는 교축밸브 (213)를 통한 추가적 가스 팽창 단계는 두 가지 다른 방식으로 전체 공정에 유익할 수 있다. 첫째, 가스를 약간 사전 냉각하면 가스 라인 (101)에 있는 열교환기로 더 낮은 입구 온도의 가스가 유입된다. 이것은 열펌프 성능 계수에 긍정적인 영향을 주어 열펌프 효율을 증가시킬 수 있다. 둘째, 가스의 사전-팽창은 단일 단계로 달성될 수 있는 총 압력강하를 증가시킬 수 있고, 따라서 팽창기 단독 작동 입구/출구 최대 압력 비율에 의해 부여되는 한계 이상으로 시스템의 총 감압 성능을 증가시킬 수 있다.
도 3은 에너지-생성 팽창 과정 하류에 위치하는 교축 밸브 (314)를 통한 감압단계가 있는 변형을 도시한다. 기계적 커플링 (106)은 팽창기 (104)를 에너지 발생기 (107)와 연결한다. 발생기 (107)에 의해 생성된 에너지는 초월임계 열펌프 (108)을 가동시키도록 사용될 수 있다. 초월임계 열펌프 (108)은 열적으로 회로 (111) 및 열교환기 (112)와 연결된다. 파이프 (109, 110)는 열교환기 (102)를 초월임계 열펌프 (108)로 연결한다. 파이프 (105)를 통하여 유출된 가스 압력은 유입 가스 (101)보다 더 낮다.
도 3에 도시된 변형은 팽창기 (104)를 통한 에너지-생성 가스 팽창 단계 결과인 냉각에 대응할 필요가 있는 것보다 더 많은 열을 생성하여야 하는 열펌프 능력을 경감시킨다. 하류 감압 단계는 통상적인 교축 장치 (314)에 의해 달성되고 주울-톰슨 냉각이 동반된다. 열펌프에 의해 공급되는 과잉 열에 의해 대응될 수 있는 냉각 관련 제2 감압 규모는 각 개별 지역에서 달성될 수 있는 열펌프 효율에 의해 제한될 것이다. 이후 가스는 (하나 이상의 추가 팽창 단계들을 포함할 수 있는) 추가적 처리 단계들 또는 최종 소비자에게 분배하는 분배 시스템을 통과한다.
바람직한 환경에서, 교축밸브 (314)를 통한 제2 감압 비율은 제1 (에너지-회수) 감압비율 정도로 클 수 있다. 이는 전체적인 재가열 요건이 단일 팽창기-발전기 열펌프 어셈블리에 의해 제공될 수 있는 두-단계적 감압을 제공한다.
도 4에서 에너지-생성 팽창기 (104) 상류에 위치하는 교축 밸브 (413), 및 하류에 위치하는 교축 밸브 (414)를 이용한 교축 팽창 단계들을 가지는 시스템이 제공된다. 기계적 커플링 (106)은 팽창기 (104)를 에너지 발생기 (107)와 연결한다. 발전기 (107)에 의해 생성된 에너지는 초월임계 열펌프 (108)을 가동시키도록 사용될 수 있다. 초월임계 열펌프 (108)은 열적으로 회로 (111) 및 열교환기 (112)와 연결된다. 파이프 (109, 110)는 열교환기 (102)를 초월임계 열펌프 (108)로 연결한다. 파이프 (105)를 통하여 유출된 가스 압력은 유입 가스 (101)보다 더 낮다. 이후 가스는 (하나 이상의 추가 팽창 단계들을 포함할 수 있는) 추가적 처리 단계들 또는 최종 소비자에게 분배하는 분배 시스템을 통과한다.
도 4에 도시된 구성으로 시스템은 최대 열펌프 COP에 대하여 최적화되고 단일 에너지 생성 단계에서 달성될 수 있는 것보다 더 큰 감압을 이룰 수 있다.
도 5에서 두 개의 감압 라인들 (515, 516)이 병렬로 구성된다. 각각의 감압라인 (515, 516)은 열교환기 (517, 518)을 가진다. 가열된 초임계 유체는 초월임계 열펌프 9108)에 의해 파이프 (109, 109a)를 통하여 열교환기 (517, 518)로 안내된다. 냉각된 유체는 파이프 (110, 110a)를 통하여 펌프로 복귀한다. 초월임계 열펌프 (108)은 회로 (111) 및 열교환기 (112)를 통하여 주변과 열적으로 연결된다. 본 시스템은 다수의 병렬적 감압라인들을 포함한다. 각각의 감압라인은 에너지 생성 팽창기를 포함한다. 각각의 감압라인은 교축밸브를 포함한다. 복수의 감압라인들 각각은 (시스템 필요에 따라) 에너지 생성 팽창기 또는 교축 밸브를 포함할 수 있다.
감압라인 (516)은 에너지 생성 팽창기 (104)를 포함하고, 방출된 에너지는 기계적 커플링 (106)에 의해 에너지 발생기 (107)에 이용된다. 파이프 (521)를 통하여 유출된 가스 압력은 파이프 (516)에 있는 가스 압력보다 더 낮다. 이후 가스는 (하나 이상의 추가 팽창 단계들을 포함할 수 있는) 추가적 처리 단계들 또는 최종 소비자에게 분배하는 분배 시스템을 통과한다.
감압라인 (515)은 교축밸브 (519)를 포함한다. 감압 과정에서 방출된 에너지는 에너지 발생기에 의해 이용되지 않는다. 파이프 (520)를 통하여 유출된 가스 압력은 파이프 (515)에 있는 가스 압력보다 더 낮다. 이후 가스는 (하나 이상의 추가 팽창 단계들을 포함할 수 있는) 추가적 처리 단계들 또는 최종 소비자에게 분배하는 분배 시스템을 통과한다. 감압라인들 (515, 516)에 있는 가스를 가열하기 위한 에너지는 초월임계 열펌프 (108)에 의해 제공될 수 있고, 이것은 에너지-생성 팽창기 (104)에 의해 가동될 수 있다.
각각의 감압라인 (515, 516)은 가압 가스를 상이한 압력으로 팽창하도록 구성될 수 있다. 이것은 천연가스가 상이한 감압라인들 (515, 516)을 통하여 다른 망들 또는 최종 소비자들로 분배될 때 특히 유리하다.
상기 도 1 내지 5 각각에 있어서, 초월임계 열펌프 (108)를 작동하기 위한 것 이상의 전기 에너지가 발전기 (107)에 의해 공급될 수 있다. 이러한 상황에서, 1차적 요건은 팽창기 (104)-발전기 (107) 유닛이 회수되는 팽창 에너지를 완전히 이용하도록 선택되면서도 열펌프 (108)는 필요한 최소 재가열 정도만을 전달하고 본 과정에서 최소 입력을 이용하도록 설계되는 것이다. 발전된 전기 에너지를 항상 수용할 수 있는 유용한 부하 (예를들면, 망 연결, 조명, 제어, 기계 및 통신 장치, 배터리 군, 펌프, 및 기타 지역 서비스 주변기기)가 있다면, 이러한 선택은 감압 과정에서 활용 가능한 에너지의 최대량을 회수하는 수단을 제공한다. 이러한 선택을 구현하기 위하여 단지 필요한 것은 발전기로부터의 하나 이상의 추가적 출력이다. 예를들면, 발전기 전기 단자들과의 하나 이상의 추가 연결 및 발전기로부터의 전력 전달 관리를 위한 시스템 제어기 내부 기능이 제공될 수 있다.
도 6에서 가스 감압에 의해 발생되는 기계적 동력은 직접 압축기 (622)로 연결된다. 압축기 (6220는 초월임계 열펌프 (108)와 회로 (623)을 통하여 연결된다. 팽창기 (104)와 연결된 기계적 커플링 (106)은 압축기 (622)를 가동시킨다. 초월임계 열펌프 (108)는 회로 (111) 및 열교환기 (112)와 열적으로 연결된다. 파이프 (109, 110)는 열교환기 (102)를 초월임계 열펌프 (108)로 연결한다. 파이프 (105)를 통하여 유출된 가스 압력은 유입 가스 (101)보다 더 낮다. 이후 가스는 (하나 이상의 추가 팽창 단계들을 포함할 수 있는) 추가적 처리 단계들 또는 최종 소비자에게 분배하는 분배 시스템을 통과한다.
(기계적 커플링 (106)을 통하여) 팽창기 (104)에 직접 연결된 압축기 (622)를 포함하는 도 6에 도시된 구성은 잉여 발전을 배제하지만 더 높은 에너지 효율을 달성하고 전기 발생기, 전력 변환 패키지 및 전기적 압축 구동기 필요성을 생략할 수 있다. 이러한 구성으로 비용 절감이 가능하고 특히 잉여 전기 발전 및 전송이 경제적이지 않은 소규모 적용에 대하여 사전-제작될 수 있는 연결 시스템을 폐쇄시키도록 쉽게 적용될 수 있다.
도 7에서 초임계 유체를 냉각하여 생성되는 열이 열교환기 (102)와 연통하는 제2 열교환 유체 회로 (701)에 의해 관로 (101) 내 가압 유체로 전달된다. 제2 열교환 유체 회로 (701)은 펌프 (702)에 의해 가동되어, 제2 열교환 유체 회로 (701)은 초임계 열펌프 (108)과 분리될 수 있다. 가열된 초임계 유체 및 제1 열교환 유체 회로 (701) 사이 열전달은 열교환기 (703)에서 진행된다. 전형적으로, 회로 (701)에 있는 제2 열교환 유체는 물일 수 있다. 폐쇄되는 경우 시스템을 보호하기 위한 소량의 부동액이 물은 첨가될 수 있다.
추가적인 제2 열교환 회로 (706)이 도 7에 제공된다. 회로 (706)는 열교환기 (704) 및 주변 열원 열교환기 (112) 사이에 구성된다. 제2 열교환 유체 회로 (706)은 펌프 (705)에 의해 가동되어 제2 열교환 유체 회로 (706)은 초임계 열펌프 (108)과 분리될 수 있다. 주변으로부터의 열은 주변 열교환기 (112)에서 제2 열교환 회로 (706)으로 전달된다. 계속하여 열은 열교환기 (704)에서 냉각 냉매로 전달된다. 제2 열교환 회로 (706)에 이용되는 유체는 섭씨 0도 근처 또는 이하에서 작동되므로 상당한 동파 방지가 요구된다.
기계적 커플링 (106)은 팽창기 (104)를 에너지 발생기 (107)로 연결한다. 발전기 (107)에 의해 생성된 에너지는 초월임계 열펌프 (108) 및/또는 펌프들 (702, 705) 가동에 이용될 수 있다. 파이프 (105)로 유출되는 압력은 유입 가스 (101) 압력보다 더 낮다.
바람직하기에는, 도 7에 도시된 구성은 기존의 비-초월임계 열펌프들과 사용될 수 있는 것과 유사한 패키지들로 형성될 수 있다. 관련 열교환기들 (703, 704)과 함께 패키지화되는 초월임계 열펌프 (108)를 설치하는 것은 초월임계 냉동 기술이 아닌 단지 배관작업 기술이 필요할 뿐이다.
상기 도면들에 개시된 실시예들 각각은 다수로 사용될 수 있고, 예를들면 둘 이상의 시스템들이 직렬 또는 직/병렬 구성으로 임의의 단일 지역에서 가스 가열 및 동력 생성 작업을 달성할 수 있다.
"구성하는/구성된" 및 "가지는/포함하는"이라는 단어들이 본 발명에 대하여 본원에 사용될 때, 언급된 특징부들, 정수들, 단계들 또는 요소들의 존재를 특성하고 하나 이상의 다른 특징부들, 정수들, 단계들, 요소들 또는 이들의 군의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것이다. 본 발명의 특징부들은 명확성을 기하기 위하여 별도의 실시예들로 기술되지만 이는 또한 단일 실시예에서 조합될 수 있다. 반대로 간결성을 위하여 단일 실시예에서 기술된 본 발명의 특징부들은 별도 또는 임의의 적합한 부-조합으로 제공될 수 있다.

Claims (15)

  1. 관로 내 가압 유체를 더 낮은 압력으로 팽창시키는 최소한 하나의 감압기; 및 초임계 유체 순환을 위한 초월임계 (transcritical) 열펌프로 구성되며, 상기 가압 유체의 최소한 하나의 팽창 전에 관로 내 가압 유체로 전달되는 열을 방출하기 위하여 초임계 유체가 냉각되는, 관로 내 가압 유체 감압 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 관로 내 가압 유체로 열을 전달하기 위한 최소한 하나의 열교환기를 더욱 포함하는, 관로 내 가압 유체 감압 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 최소한 하나의 제2 열전달 회로가 냉각 초임계 유체로부터 열을 관로 내 가압 유체로 전달하는, 관로 내 가압 유체 감압 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 팽창 유체에 의해 방출되는 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 에너지 발생기를 더욱 포함하는, 관로 내 가압 유체 감압 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 초월임계 열펌프는 에너지 발생기에 의해 가동되는, 관로 내 가압 유체 감압 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 초월임계 열펌프는 주변 열원과 열적으로 연결되는, 관로 내 가압 유체 감압 시스템.
  7. 제2항에 있어서, 열교환기는 관로 내 가압 유체와 역류 방향으로 배치되는, 관로 내 가압 유체 감압 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 냉각 초임계 유체는 CO2, C2H6, N2O, B2H6, C2H4 및 이들의 조합에서 선택되는, 관로 내 가압 유체 감압 시스템.
  9. 제4항에 있어서, 팽창 가스에 의해 방출되는 에너지는 기계적 커플링을 통하여 전기 발생기로 전달되는, 관로 내 가압 유체 감압 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 열교환기에 의한 가압 유체 가열 전에 가압 유체를 팽창하기 위한 최소한 하나의 감압기; 가열된 가압 유체 사전 팽창에 이어 가압 유체 팽창을 위한 최소한 하나의 감압기; 및 이들의 조합 중 최소한 하나를 더욱 포함하는, 관로 내 가압 유체 감압 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 관로 내 가압 유체는 천연가스인, 관로 내 가압 유체 감압 시스템.
  12. 삭제
  13. 초월임계 열펌프 제공단계, 및 관로 내 가압 유체로 전달되는 열을 방출하기 위한 초임계 유체 냉각단계로 구성되는, 관로 내 가압 유체 가열 방법.
  14. 제13항에 있어서, 냉각 초임계 유체로부터 관로 내 가압 유체로 열을 전달하기 위한 최소한 하나의 열전달 회로를 제공하는 단계를 더욱 포함하는, 관로 내 가압 유체 가열 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 관로 내 가압 유체는 천연가스인, 관로 내 가압 유체 가열 방법.
KR1020127000405A 2009-06-11 2010-06-08 효율적인 유체 감압 시스템 KR101644211B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP09162513A EP2264288B1 (en) 2009-06-11 2009-06-11 System for efficient fluid depressurisation
EP09162513.7 2009-06-11

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120038959A KR20120038959A (ko) 2012-04-24
KR101644211B1 true KR101644211B1 (ko) 2016-07-29

Family

ID=41152174

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020127000405A KR101644211B1 (ko) 2009-06-11 2010-06-08 효율적인 유체 감압 시스템

Country Status (20)

Country Link
US (1) US8028535B2 (ko)
EP (1) EP2264288B1 (ko)
JP (1) JP5647233B2 (ko)
KR (1) KR101644211B1 (ko)
CN (1) CN102482951A (ko)
AT (1) ATE519018T1 (ko)
AU (1) AU2010257551C1 (ko)
BR (1) BRPI1011122B1 (ko)
CA (1) CA2765166C (ko)
DK (1) DK2264288T3 (ko)
ES (1) ES2371204T3 (ko)
MX (1) MX2011013360A (ko)
PL (1) PL2264288T3 (ko)
PT (1) PT2264288E (ko)
RS (1) RS51977B (ko)
RU (1) RU2537118C2 (ko)
SI (1) SI2264288T1 (ko)
UA (1) UA103538C2 (ko)
WO (1) WO2010142698A1 (ko)
ZA (1) ZA201200159B (ko)

Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104620039B (zh) * 2012-09-18 2018-02-13 巴斯夫欧洲公司 用于加热天然气的方法和装置
RU2528230C2 (ru) * 2012-12-26 2014-09-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВПО "КГЭУ") Детандер-генераторный агрегат
US9482195B2 (en) * 2013-03-14 2016-11-01 GM Global Technology Operations LLC Fuel supply system for internal combustion engine and methods of using the same
KR101716751B1 (ko) * 2014-04-19 2017-03-15 마사시 다다 냉열 발전 시스템, 냉열 발전 시스템을 구비하는 에너지 시스템 및 냉열 발전 시스템의 이용 방법
CN104088605B (zh) * 2014-07-01 2017-03-01 北京工业大学 一种基于压力能发电和热泵加热的天然气井口加热节流系统
DE102014014032A1 (de) * 2014-09-26 2016-03-31 Martin Maul Vorrichtung zur Energieerzeugung, insbesondere ORC-Anlage
GB2546423A (en) * 2015-02-03 2017-07-19 Fluid Energy Solutions Int Ltd Energy generation systems
ES2664731T3 (es) * 2015-02-09 2020-01-30 Egpt Ltd Mejora de la eficiencia en centrales energéticas
ITUB20156071A1 (it) * 2015-12-02 2017-06-02 Nuovo Pignone Tecnologie Srl Sistema e metodo di controllo per cabine remi
CN105546265B (zh) * 2015-12-10 2017-09-15 重庆福悦安科技有限公司 输气管道保压泄压装置
WO2017201630A1 (en) * 2016-05-27 2017-11-30 Jl Energy Transportation Inc Integrated multi-functional pipeline system for delivery of chilled mixtures of natural gas and chilled mixtures of natural gas and ngls
US20190257579A9 (en) * 2016-05-27 2019-08-22 Jl Energy Transportation Inc. Integrated multi-functional pipeline system for delivery of chilled mixtures of natural gas and chilled mixtures of natural gas and ngls
US10443586B1 (en) 2018-09-12 2019-10-15 Douglas A Sahm Fluid transfer and depressurization system
RU2693352C1 (ru) * 2018-06-27 2019-07-02 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") Бестопливная тригенерационная установка
IT201900004675A1 (it) * 2019-03-28 2020-09-28 Me Te Ma Srl Impianto e procedimento per la regolazione della pressione del gas metano proveniente dalla rete.
BE1027533B1 (nl) * 2019-08-29 2021-03-30 Atlas Copco Airpower Nv Volumetrische expanderinrichting
FR3104202B1 (fr) * 2019-12-06 2021-12-31 Terega Poste de fluide comprenant un système de détente, notamment pour une installation de gaz comprenant un système de génération d’électricité
FR3105343B1 (fr) * 2019-12-20 2021-11-19 Grtgaz Dispositif de compression de gaz
FR3105344B1 (fr) * 2019-12-20 2021-11-19 Grtgaz Poste de régulation de la circulation d’un gaz entre deux réseaux de gaz
FR3106650B1 (fr) * 2020-01-28 2021-12-31 Grtgaz Dispositif de décompression d’un tronçon de réseau de gaz
US20230323785A1 (en) * 2022-04-08 2023-10-12 Sapphire Technologies, Inc. Producing power with turboexpander generators based on specified output conditions
US11619140B1 (en) * 2022-04-08 2023-04-04 Sapphire Technologies, Inc. Producing power with turboexpander generators based on specified output conditions
CN115638038A (zh) * 2022-09-08 2023-01-24 西南石油大学 一种天然气压力能综合利用系统

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4677827A (en) 1985-02-22 1987-07-07 Air Products And Chemicals, Inc. Natural gas depressurization power recovery and reheat

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2523672C3 (de) * 1975-05-28 1980-03-20 Gutehoffnungshuette Sterkrade Ag, 4200 Oberhausen Einrichtung zur Verdampfung von verflüssigtem Erdgas mit Hilfe einer Gasturbinenanlage mit geschlossenem Kreislauf
US4184325A (en) * 1976-12-10 1980-01-22 Sulzer Brothers Limited Plant and process for recovering waste heat
DE3018450C2 (de) * 1980-05-14 1985-10-03 Bergwerksverband Gmbh, 4300 Essen Verfahren zur Bereitstellung von Prozeßwärme für Hochtemperaturprozesse unter Verwendung einer Wärmepumpe
DE9215695U1 (de) 1992-11-18 1993-10-14 Leverkusen Energieversorgung Erdgas-Expansionsanlage
RU94026102A (ru) * 1993-07-22 1996-06-10 Ормат Индастриз Лтд. (Il) Регенерирующая энергию система уменьшения давления и способ ее применения
DE4416359C2 (de) * 1994-05-09 1998-10-08 Martin Prof Dr Ing Dehli Mehrstufige Hochtemperatur-Gas-Expansionsanlage in einem Gasleitungssystem mit nutzbarem Druckgefälle
JP3026338B2 (ja) * 1994-05-12 2000-03-27 住友金属工業株式会社 ガスパイプラインの減圧設備
JPH08121699A (ja) * 1994-10-18 1996-05-17 Osaka Gas Co Ltd 高圧ガス整圧装置
RU2150641C1 (ru) * 1999-06-15 2000-06-10 Московский энергетический институт (Технический университет) Способ работы детандерной установки и устройство для его осуществления
DE19959439A1 (de) * 1999-12-09 2001-06-21 Bosch Gmbh Robert Klimaanlage für Kraftfahrzeuge und Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage für Kraftfahrzeuge
DE60102313T2 (de) * 2000-04-19 2005-03-17 Denso Corp., Kariya Wassererhitzer mit Wärmepumpe
JP3740380B2 (ja) * 2000-04-19 2006-02-01 株式会社デンソー ヒートポンプ式給湯器
RU2196238C2 (ru) 2000-08-16 2003-01-10 ТУЗОВА Алла Павловна Способ утилизации энергии расширения природного газа
DE10246170B4 (de) * 2002-10-02 2005-08-18 Stadtwerke Homburg Gmbh Vorrichtung zur Vorwärmung eines Gases in einer Gasdruckregel- und Messanlage
US6644062B1 (en) * 2002-10-15 2003-11-11 Energent Corporation Transcritical turbine and method of operation
RU39937U1 (ru) * 2004-04-08 2004-08-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский энергетический институт (технический университет)" Детандер-генераторная установка
DE102006046246A1 (de) * 2006-08-08 2008-02-14 Griepentrog, Hartmut, Prof. Dr.-Ing. Verfahren und Anlage zum Verdampfen von verflüssigtem Erdgas und Entspannen von Erdgas
CA2572932C (en) * 2006-12-14 2015-01-20 Jose Lourenco Method to pre-heat natural gas at gas pressure reduction stations

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4677827A (en) 1985-02-22 1987-07-07 Air Products And Chemicals, Inc. Natural gas depressurization power recovery and reheat

Also Published As

Publication number Publication date
UA103538C2 (ru) 2013-10-25
DK2264288T3 (da) 2011-11-21
RU2012113866A (ru) 2013-10-20
JP2012529594A (ja) 2012-11-22
PT2264288E (pt) 2011-11-21
EP2264288A1 (en) 2010-12-22
CN102482951A (zh) 2012-05-30
CA2765166C (en) 2016-08-09
ATE519018T1 (de) 2011-08-15
ZA201200159B (en) 2013-03-27
WO2010142698A1 (en) 2010-12-16
AU2010257551A1 (en) 2012-01-19
KR20120038959A (ko) 2012-04-24
PL2264288T3 (pl) 2012-01-31
MX2011013360A (es) 2012-06-01
CA2765166A1 (en) 2010-12-16
EP2264288B1 (en) 2011-08-03
RS51977B (en) 2012-02-29
ES2371204T3 (es) 2011-12-28
SI2264288T1 (sl) 2011-12-30
JP5647233B2 (ja) 2014-12-24
BRPI1011122A2 (pt) 2016-03-15
RU2537118C2 (ru) 2014-12-27
BRPI1011122B1 (pt) 2020-10-06
US8028535B2 (en) 2011-10-04
AU2010257551B2 (en) 2015-02-19
AU2010257551C1 (en) 2015-05-14
US20100314074A1 (en) 2010-12-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101644211B1 (ko) 효율적인 유체 감압 시스템
EP2909451B1 (en) Electro-thermal energy storage system and method for storing electro-thermal energy
US7299619B2 (en) Vaporization of liquefied natural gas for increased efficiency in power cycles
JP2014109279A (ja) 統合ボトミングサイクルシステムを備えたガスタービンエンジン
JP5982499B2 (ja) 発電装置、および方法
ZA200301989B (en) Method for recovering the energy of gas expansion and a recovery device for carrying out said method.
US7950214B2 (en) Method of and apparatus for pressurizing gas flowing in a pipeline
CN111556922A (zh) 冷能发电装置
KR20120026569A (ko) 흡기 온도 조절 장치 및 그의 작동 방법
US11773754B2 (en) Cryogenic energy system for cooling and powering an indoor environment
KR20160120471A (ko) 초임계 이산화탄소 발전 시스템
PL202912B1 (pl) Sposób i urządzenie do wytwarzania energii elektrycznej
JP2001241304A (ja) ガス圧力エネルギを利用した複合発電システム
JP2009180101A (ja) エネルギー回収機能を備えた減圧設備
CN112400054A (zh) 具有天然气再气化的扩展的燃气轮机工作过程
CN114483307B (zh) 一种氢燃料燃气轮机的效率提升系统及控制方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant