NL8201397A - Inrichting voor het benutten van afvalwarmte met lage energie van een compressorstation in een gaspijpleiding. - Google Patents

Description

^ r ______ ________ vo 3271 * 1 %

Inrichting voor het benutten van afvalwarmte met lage energie van een campressorstation in een gaspijpleiding.

De uitvinding heeft hetrekking op een inrichting voor het benutten van de afvalwarmte met lage energie van een ccmpressorsta-tion in een gaspijpleiding, in een warmteverbruiker buiten de gascompres- . siekringloop, waarbij een compressor wordt gebruikt, aangedreven door 5 een gasmotor of een gasturbine. Het compressorstation bevindt zich tussen, een gaspijpleiding met hoge druk en een met lage druk.

De aard- en andere gassen worden vanaf de produktie*-plaatsen onder hoge druk naar de verbruikers gestuurd via pijpleidingen met een grote diameter. In de pijpleiding bevinden zich op onderlinge 10 afstand van. 100 tot 200 km. compressorstations voor het handhaven van de hoge druk van het gas en dus de transportsnelheid.

In deze. stations wordt de drukval van. het gas als gevolg; van de wrijvingsverliezen, aangezuiverd met behulp van zuigercompresso-ren of turbocompressoren. Dienovereenkomstig is het mogelijk de gassen 15 met een betrekkelijk klein soortelijk volume door de pijpleiding te sturen. De compressoren van het station worden gewoonlijk aangedreven door gasmotoren of gasturbines, bediend met gas, dat uit de pijpleiding wordt genomen.

Recentelijk hebben de pijpleidingen, die gas transporte-20 ren, een grote lengte van enkele duizenden km. Derhalve is een groot aantal compressorstations nodig, welke stations een vrij aanzienlijke hoeveelheid energie verbruiken. Het op deze wijze verspilde gas is een betrekkelijk hoog percentage van het in de pijpleiding getransporteerde gasvolume.

25 Voor het vergroten van de doelmatigheid van het gas transport, zijn stelsels ontwikkeld, waarbij de uitlaatgassen met een hoge temperatuur, die uit de turbines komen, die de compressoren van het station aandrijven, worden gebruikt voor het produceren van stoom in warmte benuttende stoomketels. Met deze stoom worden stoomturbines be-30 diend, die op hun beurt compressoren aandrijven. Met deze stelsels kan de hoeveelheid gas, gebruikt in compressorstations, met 20 tot 30% worden verminderd.

De thermo-dynamische doelmatigheid van compresorstations * 8201397 v 2 4 9 kan vertier -worden verbeterd indien niet alleen de hete uitlaatgassen van de turbines worden benut, maar ook de warmte, die in het gas wordt gebracht tijdens het comprimeren daarvan. Het is nl. algemeen bekend, dat bij het comprimeren, ook de temperatuur van het gas hoger is. Hoe 5 hoger echter de temperatuur is in de pijpleiding, hoe groter het volume is en hoe groter de transportverliezen. Derhalve is het aan te bevelen het gas na compressie weer te koelen tot zijn oorspronkelijke temperatuur.

Voor dit doel worden lucht-gaswarmtewisselaars gebruikt. 10 Deze warmtewisselaars, pijpen en leidingen moeten zeer verfijnd zijn en zijn kostbaar op grond van de hoge druk van het te koelen gas. Teneinde op- de kosten van de pijpen te besparen, worden de gaskoelers gewoonlijk nabij de compressor geplaatst, hetgeen op zijn beurt echter het gebruik nodig maakt van met lucht bediende koelers met een geforceerde 15 trek onder gebruikmaking van ventilatozmiddelen en der gelijke.

De hoeveelheid warmte-energie, onttrokken aan het gas dat de compressor verlaat, is gelijk aan de door de compressor verbruikte energie. In de voorheen gebruikte stelsels kan slechts een klein percentage van deze warmte worden benut. De doelmatigheid van de compressie-20 kringloop wordt namelijk vergroot door het voorverwarmen van het voe-dingswater van de stoomturbine met compressorstations,. die een stoomturbine gebruiken.

Het hoofddoel van de uitvinding is het opheffen van de voomoemde tekortkomingen van de bekende stelsels, en de thermo-dynami-25 sche doelmatigheid van de compressorstations in gaspijpleidingen te verbeteren. Voor dit doel wordt een inrichting verschaft, waarmee niet allen het te sturen gas weer kan worden gekoeld, maar ook de onttrokken warmte-energie kan worden benut, bijvoorbeeld in een warmte verbruiker buiten de compressorkringloop. Een dergelijke inrichting onderscheidt 30 zich van de hiervoor beschreven bekende stelsels, doordat een oppervlak-tevarmtewisselaar, gekoeld met een vloeistof, bij voorkeur met water, is aangebracht voor het weer koelen van het gas, na het verlaten van de compressor, waarin het gas bij het comprimeren wordt verwarmd. Deze warmtewisselaar is verbonden met de warmteverbruiker, die zich buiten 35 het compressiestation bevindt, dat wil zeggen de compressiekringloop, via een vloeistofleiding, waarin een onafhankelijke circulatiepomp is 8201397 « > , ' l 3 aangebracht.

Er zijn echter twee "beperkingen aan dit stelsel. Het in de pijpleiding te sturen gas moet altijd na compressie weer worden gekoeld,, zelfs indien. de warmteverbruiker geen warmfce-energie nodig heeft.

5 Aan de andere kant is het zeer wenselijk de warmte aan de warmteverbruiker te kunnen leveren zelfs indien de hoeveelheid warmte, geleverd door het gas, dat de compressor verlaat, niet voldoende is of de compressor niet werkt.

Met betrekking tot het eerste vraagstuk kan een geslo-10 ten, met lucht werkende koeltoren zijn verbonden met de vloeistof leiding van de warmtewisselaar, en kunnen in de koeltoren jaloezievormige schar-nierklappen zijn aangebracht voor het regelen van de luchttrek in de koeltoren.

Met het oog op de tweede beperking kan een tweede 15 warmtewisselaar, verwarmd door de uitlaatgassen, die de gasmotor of gasturbine verlaten, in serie zijn geschakeld met de hoofdwarmtewisselaar.

Verder kan een ketel, verwarmd door het gas, dat uit de gaspijpleiding komt, zijn aangebracht, van welke ketel de vloeistofkringloop in serie kan. zijn geschakeld met de hoofdwarmtewisselaar. In een andere uitvoe— 20 ringsvorm kan de ketel een warmte benuttende stoomketel zijn, die door de uitlaatgassen van- de gasmotor of gasturbine en/of met gas, genomen uit de gaspijpleiding, wordt verwarmd. Met de stoom kan een derde warmtewisselaar worden verwarmd, die in serie is geschakeld met de vloeistof-kringloop van de hoofdwarmtewisselaar.

25 Verder kan de in de stoomketel geproduceerde stoom worden gebruikt in een stoomturbine voor het aandrijven van een tweede gascompressor, die parallel is geschakeld met de hoofdcompressor.

Voor het condenseren van de uitlaatstoom van de stoomturbine, kunnen een condensor en een tweede gesloten, met lucht werkende 30 koeltoren zijn aangebracht. De koelers van deze tweede koeltoren kunnen zijn gemonteerd in de hoofdkoeltoren, en dus kan slechts een koeltoren voldoende zijn. Het is een de doelmatigheid vergrotende oplossing, waarbij alle warmtewisselaars van het stelsel in serie zijn geschakeld met de hoofdwarmtewisselaar.

35 De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van de tekening, waarin: - * 8201397 J · k

De fig. 1 - Ub de verbindingsschema's tonen van verschillende uitvoeringsvoimen van de inrichting.

In de tekening vertegenwoordigt fig. 1 een uitvoerings-voorbeeld van de inrichting voor het benutten van afvalwarmte met lage 5 energie van compressorstations in een gaspijpleiding, in welke figuur het verwijzingscijfer 1 een lage-druk-gaspijpleiding aanduidt, die het campressorstation binnenkomt, en het verwijzingscijfer 9 een hogedruk-gaspijpleiding, die het station verlaat. Tussen de pijpleidingen 1 en 9 wordt het compreimeren uitgevoerd met een compressor 2, die wordt 10 aangedreven door een gasturbine 3. Het gas voor het bedienen van de gasmotor of gasturbine 3 wordt verkregen uit de gaspijpleiding 1 via de pijp k. De uitlaatgassen van de gasturbine 3 stromen weg door een uitlaatpijp ?*

Het gas, dat de compressor 2 verlaat en een hoge druk 15 heeft., wordt, naar de gaspijpleiding 9 gestuurd door een uitlaatpijp 6, voorzien van een eerste of hoofdwamrfcewisselaar 7· De warmtewisselaar 7 wordt niet met lucht, zoals bij de bekende oplossingen,, maar met een vloeistof gekoeld, bij voorkeur met water, bijvoorbeeld met een anti-vriesoplossing. In de vloeistofkringloop van de warmtewisselaar 7 komt 20 de koelvloeistof binnen door een leiding 8, en gaat deze vloeistof naar buiten door een andere leiding 10. Met deze leidingen 8 en 10 is een warmteverbruiker 12 verbonden, die in de tekening als een vierkant is afgebeeld. In de vloeistofkringloop van de warmtewisselaar 7 is een circulatiepomp 11 aangebracht.

25 Met 4e koelkringloop van de warmtewisselaar 7 is een ge sloten, met lucht werkende koeltoren 1^ verbonden, voorzien van gesloten warmtewisselaars 15, gekoeld door lucht, en van scharaierklapjaloezieën 17. De te koelen vloeistof komt de koeltoren 1U binnen door een leiding 13 en verlaat de toren door een andere leiding 16.

30 De koeltorens worden volgens de tekening met natuur lijke trek bedreven. Het is duidelijk, dat koeltorens met een geforceerde trek met ventilatoren en dergelijke, eveneens toepassing kunnen vinden.

Tijdens bedrijf wordt het gas met de lage druk, dat 35 uit de pijpleiding 1 kcmt, toegevoerd in de compressor 2, aangedreven door de gasturbine 3, gevoed met gas door de pijp waar het gas wordt 8201397 - v - 5 ( gecomprimeerd. Omdat de compressie in de compressor 2 een nagenoeg adiabatis che toestandsverandering is, gaat bet gas de uitlaatpijp 6 binnen met een verhoogde temperatuur en druk. Als gevolg van de hogere temperatuur is ook het volume van het gas- in de uitlaatpijp 6 groter. Teneinde 5 te ontkomen aan de noodzaak van een grotere energiebehoefte bij het transporteren van het gas,, moet het veer worden gekoeld voordat het de pijpleiding 9 binnengaat. Dit wordt uitgevoerd met de warmtewisselaar 7*. gekoeld met water of een andere vloeistof, zoals een antivriesoplossing, die binnenkomt door de leiding 8 en na te zijn opgewarmd de warmtewisse-10 laar verlaat door de leiding 10. Daarna wordt de warme vloeistof verder gevoerd door de pomp 11 naar de warmteverbruiker 12, die zich niet in de nabijheid van het compressorstation behoeft te bevinden maar een op afstand liggend verwarmingsstelsel kan zijn voor openbare, industriële of agrarische doeleinden. Met een passende bemeting van de varmtewisse- -15 laar 7 wordt het gas met een temperatuur van 90 tot 100°C weer gekoeld, tot bQ tot 50°C, en wordt aan de andere kant de vloeistof ia de warmte— . wisselaar 7 opgevarmd tot 6θ tot 80°C. Het weer gekoelde- gas, dat uit de warmtewisselaar 7 komt, stroomt in de pijpleiding 9· De koelvloeistof van de warmtewisselaar 7 wordt doorgezonden door de circulatiepomp 20 11.

Het is duidelijk, dat de warme koelvloeistof door de leiding 13 ook in de warmtewisselaars 15 van de koeltoren 1k kan stromen. Dit is nodig wanneer de warmteverbruiker 12 een lage warmtebehoefte heeft, die niet groot genoeg is voor het weer koelen van het gas, zoals 25 vereist. De stromingssnelheid van de vloeistof kan worden geregeld door stromingsregelmiddelen, die zich in de leidingen 8, 13 en 16 bevinden.

Door deze maatregel is het compressorstation zelfs werkzaam indien de warmte van het gas, dat de compressor 2 verlaat, niet door de warmteverbruiker 12 wordt gebruikt.

30 Het andere aspect van de ongestoorde werking van de warmte benuttende inrichting ligt in de mogelijkheid van het leveren van warmte, die de hoeveelheid, geleverd door het doorgezonden gas, overschrijdt. Hiervoor is een voorbeeld getoond in fig. 2, waarbij een tweede warmtewisselaar 20 in serie is geschakeld met de warmtewisselaar 7, 35 en waarvan een inlaat 21 is verbonden met de uitlaat van de warmtewisselaar 7, en een uitlaat 22 naar de leiding 10 de verwarmde vloeistof naar 8201397 6 de warmteverbruiker 12 voert. Met deze tweede warmtewisselaar 20 worden de hete uitlaatgassen van de gasturbine 3 gekoeld.

Tijdens bedrijf wordt de koelvloeistof van de hoofdwarmtewisselaar T geleverd aan de tweede warmtewisselaar 20, van welke 5 vloeistof' de hoeveelheid wordt geregeld met regelkleppen in de inlaat 21 en de uitlaat 22. Hierdoor wordt het ontbrekende gedeelte van de warmtebehoefte van de warmteverbruiker 12 verzekerd.

In fig. 3 is een ander voorbeeld van een hulpwarmte-produktie getoond, waarbij een ketel 30 is aangebracht, waarvan de 10 vloeistofkringloop in serie is geschakeld met de hoofdwarmtewisselaar 7. De ketel. 30 wordt gestookt met gas, dat uit de pijpleiding 1 komt door een omloop 31· De uitlaatgassen van de ketel 30 worden uitgelaten door een uitlaat 32.

Tijdens bedrijf wordt de in de ketel 30 door het ver-15 branden van het gas geproduceerde warmte, geleid naar de warmteverbruiker 12 samen met de warmte, gewonnen uit het gas in de hoofdwarmtewisselaar T. Indien de warmteafgifte van de warmtewisselaar 7 stabiel is, wordt de warmtebehoefte van de warmteverbruiker aangevuld door het veranderen van de warmteuitgang van de ketel 30 door het veranderen van de hoeveel-20 heid daarin verbrand gas. Aan de warmteverbruiker 12 wordt dus zelfs warmte geleverd indien de gasturbine 3 tot stilstand kcmt.

In fig. if· is een warmte benuttende stookketel 40 getoond, die met de uitlaatpijp van de gasturbine 3 is verbonden en door een omloop 49 met de pijpleiding 1. In deze stoomketel 40 wordt de warm-2? te van de uitlaatgassen, van de gasturbine 3 benut, en wordt aanvullend gas verbrand. De stoom wordt enerzijds gevoerd naar een derde warmtewisselaar 44, die in serie is geschakeld met de vloeistofkringloop van de hoofdwarmtewisselaar T, en anderzijds in een gasturbine 42 geleid, waarmee een tweede compressor if-3, die parallel is geschakeld met de com-30 pressor 2, wordt aangedreven. De uitlaatstoom van de stoomturbine 42 wordt gecondenseerd in een condensor 47, waarvan het koelmiddel weer wordt gekoeld in. een tweede koeltoren 48. Het condensaat van de derde warmtewisselaar 44 wordt naar de condensor 47 geleid, vanwaar al het condensaat als voedingswater naar de stoomketel 40 wordt geleid na te 35 zijn voorverwarmd in de warmtewisselaar 7-

Tijdens bedrijf wordt het gas van de pijpleiding 1 pa- _______— 8201397 7 \ u' rallel gecomprimeerd met beide compressoren 2 en 113» waarvan de eerste wordt aangedreven door de gasturbine 3, en de tweede door de stoomturbine k2. Aanvullende warmte wordt bier teruggewonnen uit bet gecomprimeerde gas, dat de compressor k3 verlaat, en in de derde warmtewisselaar kk, 5 die zich- in de vloeistofkringl'oop bevindt tussen de hoofdwarmtewisselaar 7"en. de warmteverbruiker 121 De benodigde hoeveelheid stoom wordt gele-, verd door de stoomketel kO» voorzien van een hulpbranderstelsel, gestookt met gas. In de stilstandtijden van de compressoren 2 en k3, wordt, de warmte voor de warmteverbruiker 12 alleen geleverd door de warmte-10 wisselaar kk.

De tweede koeltoren k8 voor de condensor hj kan zijn uitgevoerd als deel van de hoofdkoeltoren 1k, zoals getoond in de fig. ka en kb. Lx fig. ka zijn de warmtewisselaars van de beide koeltorens 1k en k8 onder dezelfde mantel. In fig. kb zijn de koelers van de beide 15 koeltorens 1k en 18 onder dezelfde mantel en hebben zij een gemeenschappelijke koelkringloop.

Het is voor een gemiddelde, deskundige duidelijk, dat de uitvinding niet is beperkt tot de hiervoor beschreven voorbeelden.

De. oplossingen in de tekening kunnen worden samengevoegd, waarvan het 20 gevolg toch binnen, de beschermingsomvang blijft.

- X

8201397

Claims (5)

1. Inrichting voor het benutten van afvalwarmte met een lage energie van een compressorstation in een gaspijpleiding, in een warmteverbruiker buiten de gascompressiekringloop, gekenmerkt door een tussen een lagedruk-gaspijpleiding (1) en een hogedruk-gaspijpleiding 5 (9)'aangebrachte compressor (2), aangedreven door een gasmotor of gas turbine (3), waarbij een oppervlaktewarmtewisselaar (7), gekoeld met vloeistof, bij voorkeur met water, is aangebracht voor het koelen van het gas na het verlaten van de compressor en daarin bij het comprimeren verwarmd, welke warmtewisselaar via een vloeistofleiding (8), die 10 is voorzien van een circulatiepomp (1T) is verbonden met de waimtever-bruiker (12). 2» * Inrichting volgens conclusie T, met het kenmerk, dat een gesloten, met lucht werkende koeltoren (ik) is verbonden met de vloeistofleiding (8) van de warmtewisselaar (T), welke koeltoren schar-15 nierklapjaloezieën (TT) heeft voor het regelen van de luchttrek daarin.

3. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat een tweede warmtewisselaar (20), verwarmd door de uitlaatgassen, die de gasmotor of gasturbine (3) verlaten, in. serie is geschakeld met de warmtewisselaar- (7)· 20 'Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat een ketel (30) met een vloeistoikringloop en verwarmd door gas ,, dat uit de gaspijpleiding (1) komt, is aangebracht, waarbij de vloeistofkringloop daarvan, in serie is geschakeld met de warmtewisselaar (7)*

5. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat 25 een. warmte benuttende stoomketel (Uo), verwarmd door de uitlaatgassen van de gasmotor of gasturbine (3) en/of met gas, komende uit de gaspijpleiding (1), is aangebracht voor het produceren van stoom, evenals een stoomturbine (^2) en een daarmee verbonden compressor (U3), waarbij de stoomturbine wordt aangedreven met de stoom van de stoomketel en de 30 tweede compressor parallel is geschakeld met de eerste compressor (2).

6. Inrichting volgens conclusie 5» met het kenmerk, dat een condensor (1*7) met een koelvloeistof, die weer wordt gekoeld in een gesloten, met lucht werkende koeltoren (½) is verbonden met de stoomturbine (h-2) voor het condenseren van de uitlaat stoom daarvan. 8 2 0 1 3 9 7 Γ'\ “Γ"....................“...... , < f. · Inrichting volgens conclusie 5, met het: kenmerk, dat de stoom van de stoomketel (Uo) wordt geleid in een derde warmtewisselaar (MO, die in serie is geschakeld met de warmtewisselaar (7) ·

8- Inrichting volgens conclusie T, met het kenmerk, dat 5 de koeltoren (tk) en de tweede koeltoren (hS) onder een enkele, mantel . zijn verenigd als een gemeenschappelijke koeltoren, die in serie is c geschakeld met de warmtewisselaar (7)* 9* Inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat • alle warmtewisselaars (20, kb-, 15, bS) in serie zijn geschakeld met de 10. warmtewisselaar (7) - - * 8201397