NL9000690A - Gasverwarmingssysteem. - Google Patents

Description

Gasverwarmingssysteem.

De uitvinding heeft betrekking op een verwarmingssysteem voor de verwarming van een onder druk staand gas, in het bijzonder aardgas, dat in een expansiemachine wordt geëxpandeerd, omvattende een verbrandingsmotor, in het bijzonder een gasmotor, en een eerste koelcircuit voor het af voeren van door de motor ontwikkelde warmte, in welk eerste koelcircuit een eerste warmtewisselaar voor het afgeven van bij de motorkoe-ling verkregen warmte aan het gas is opgenomen.

Een dergelijk verwarmingssysteem, maar dan verwarmd door water, verhit in een gasgestookte ketel, wordt bijvoorbeeld gebruikt bij meet-en regelstations en gasontvangststations die o.a. zijn opgenomen in het Nederlandse aardgasnet. In deze meet- en regelstations en gasontvangststations vindt drukreductie door smoren plaats, waardoor energie verloren gaat. Het ten behoeve van het transport tot een druk van ongeveer 64 bar gecomprimeerde aardgas wordt in de meet- en regelstations, waarvan er zo'n 60 stuks staan in Nederland, geëxpandeerd tot 40 bar. Op plaatsen die vervolgens dichterbij de eindgebruikers zijn gelegen wordt in de ontvangststations, waarvan er ongeveer 1.000 in Nederland zijn, de gasdruk verlaagd van 40 bar tot 8 bar of lager. De expansie in een turbine vindt de laatste tijd in de omringende landen van Nederland meer ingang, zodat de energie die vrijkomt bij het expanderen kan worden gebruikt om bijvoorbeeld stroom op te wekken. Tijdens het expanderen kan de temperatuur van het aardgas, dat gewoonlijk de grondtemperatuur heeft van ongeveer 10°C, sterk afnemen. Temperatuurdalingen van 80-100eC bij expanderen van het gas zijn daarbij niet ongewoon. Een al te grote daling van de temperatuur van het aardgas tot onder de gemiddelde grondtemperatuur van ongeveer 10°C is echter zeer ongewenst. Om dit te voorkomen wordt het aardgas verwarmd. Meestal vindt deze verwarming vlak vóór het expanderen plaats, en wel zodanig dat de temperatuur van het aardgas na het expanderen ongeveer 10°C bedraagt. De eenvoudigste manier om deze verwarming tot stand te brengen geschiedt met behulp van het verbranden van een brandstof, waarvan de verbrandingswarmte rechtstreeks wordt gebruikt. Het is ook mogelijk, maar in Nederland nauwelijks toegepast, om met de brandstof een verbrandingsmotor aan te drijven, terwijl de door de motor ontwikkelde warmte in bijvoorbeeld de hete uitlaatgassen en de motorkoeling wordt gebruikt om het aardgas op te warmen. Hierdoor wordt het rendement op de brandstof vergroot.

Dergelijke verbrandingsmotoren worden zodanig ontworpen, dat zij ten behoeve van bijzondere omstandigheden een hoger vermogen kunnen afgeven gedurende kortere of langere tijd. Indien een dergelijke motor wordt gebruikt voor het opwekken van stroom, dan kunnen op deze manier de belastingpieken van het elektriciteitsnet worden opgevangen. Deze mogelijkheid om tijdelijk een groter vermogen te kunnen leveren maakt een dergelijke verbrandingsmotor economisch gezien bijzonder rendabel. Het is echter gebleken, dat een dergelijke verbrandingsmotor niet onder alle weersomstandigheden het gewenste piekvermogen kan leveren. Vooral de temperatuur van de inlaatlucht voor de verbrandingsmotor is hiervan de oorzaak. Deze temperatuur kan nl. behoorlijk variëren afhankelijk van het jaargetijde. Zonder bijzondere en veelal dure maatregelen kan hierdoor vooral in de zomer het extra vermogen dat de motor kan leveren te gering blijken te zijn. Vooral de modernere verbrandingsmotoren die werken met drukvulling waarbij de verbrandingslucht eerst wordt gecomprimeerd, vervolgens wordt gekoeld en daarna in de verbrandingsmotor komt, vertonen dit euvel.

De onderhavige uitvinding draagt ertoe bij om het hierboven geschetste probleem adequat op te lossen.

Hiertoe wordt de onderhavige uitvinding gekenmerkt door een tweede koelcircuit voor het koelen van naar de motor toe te voeren verbrandingslucht, in welk tweede koelcircuit een tweede warmtewisselaar voor het afgeven van bij de koeling van de verbrandingslucht verkregen warmte aan het gas is opgenomen.

Door deze maatregel wordt de inlaatlucht voor de verbrandingsmotor gekoeld met behulp van het aardgas, hetgeen resulteert in een verbran-dingsluchttemperatuur die vrijwel onafhankelijk is van de weersomstandigheden.

Een dergelijk verwarmingssysteem kan voorts zijn gekenmerkt, doordat in het eerste koelcircuit een afzonderlijke warmtewisselaar voor het koelen van de rookgassen van de verbrandingsmotor en het verwarmen van het gas is opgenomen.

Een dergelijk verwarmingssysteem zal zich in het bijzonder lenen bij gebruik van een verbrandingsmotor met drukvulling, waarbij het verwarmingssysteem wordt gekenmerkt door een intercooler voor het koelen van de naar de motor te voeren samengeperste lucht, welke intercooler is opgenomen in het tweede koelcircuit.

Zoals hierboven reeds is vermeld, verdient het de voorkeur het gas vóór de expansie te verwarmen, om condensatieproblemen te voorkomen. In een dergelijk geval kan de tweede warmtewisselaar die is aangesloten op het tweede koelcircuit ten behoeve van het koelen van de verbrandingslucht voor de verbrandingsmotor vóór de eerste warmtewisselaar worden geplaatst. Zodoende zal het relatief koele gas met bij benadering de grondtemperatuur eerst in geringe mate worden opgewarmd door de inlaatlucht van de motor en vervolgens tot de gewenste temperatuur worden verwarmd door de door de motor ontwikkelde warmte, waarna de expansie plaatsvindt.

In een dergelijke opstelling waarbij beide koelcircuits hun warmte af geven aan het gas voordat dit expandeert, is het natuurlijk mogelijk om gebruik te maken van één warmtewisselaar voor de overdracht van de warmte aan het gas, waarin beide koelcircuits zijn geïntegreerd.

Het verwarmen van het gas kan echter ook gedeeltelijk vóór en gedeeltelijk na het expanderen plaatsvinden. Een dergelijke uitvoeringsvorm van het verwarmingssysteem kan zijn gekenmerkt, doordat de eerste warmtewisselaar zich stroomopwaarts van de expansiemachine bevindt en de tweede warmtewisselaar stroomafwaarts hiervan.

Het systeem kan hierbij bijvoorbeeld zodanig zijn afgeregeld, dat de temperatuur van het gas na het expanderen ongeveer 0°C bedraagt. Met behulp van het tweede koelcircuit wordt dan vervolgens de gewenste gastemperatuur ingesteld. Hierbij kan de temperatuur van de verbrandingslucht voor de verbrandingsmotor worden afgekoeld tot bij benadering de gastemperatuur aan de uitlaat van de expansiemachine.

Een dergelijke wijze van uitvoering van de onderhavige uitvinding biedt tevens het voordeel, dat de gastemperatuur aan de uitlaat van een dergelijk verwarmingssysteem onafhankelijk van de heersende omstandigheden kan worden geregeld. Het is nl. gebleken, dat vooral door onoverkomelijke drukwisselingen in het gasnet het slechts verwarmen van het gas vóórdat dit expandeert leidt tot temperatuurvariaties aan de uitlaat van de expansiemachine. Door het naverwarmen met behulp van de verbrandingslucht is dit probleem op te lossen.

De bij het verwarmingssysteem gebruikte expansiemachine zal veelal worden gevormd door een turbine. Zowel de verbrandingsmotor als de turbine kunnen dan een generator aandrijven om bijvoorbeeld stroom op te wekken. Het verdient daarbij de voorkeur, om in navolging van het tegelijkertijd ingediende Nederlandse octrooischrift (N.0.36320) het verwarmingssysteem zodanig te ontwerpen, dat de uitgaande as van de verbrandingsmotor en de uitgaande as van de expansiemachine één en dezelfde generator, in het bijzonder stroomgenerator, kunnen aandrijven.

Een dergelijke maatregel zal kostenbesparend werken. Voorts zal hierdoor het inbouwen van het gehele verwarmingssysteem in een container eenvoudiger zijn. Het inbouwen van een dergelijk systeem in een container is overigens bijzonder aantrekkelijk.

In het hierna volgende zal de onderhavige uitvinding aan de hand van de bijgevoegde tekeningen nader worden verduidelijkt.

Hierbij toont

Fig. 1 in een schematisch aanzicht een eerste uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding,

Fig. 2 in schematisch aanzicht een tweede uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding,

Fig. 3 de toestandsverandering van het gas in een verwarmingssys-teem volgens een intropie-inthalpie-diagram.

In fig. 1 treedt gecomprimeerd gas binnen in de inlaat 2 van het schematisch weergegeven verwarmingssysteem 1, passeert de eerste warmtewisselaar 3» stroomt door hogedrukleiding 4 naar de expansiemachine 5 alwaar het expandeert en vervolgens via de lagedrukleiding 6 en de tweede warmtewisselaar 7 aan de uitlaat 8 het verwarmingssysteem 1 verlaat. In de eerste warmtewisselaar 3 wordt het gas verwarmd door het medium dat stroomt door het koelcircuit 11, desgewenst voorzien van één of meer terugslagkleppen 12 die slechts de stroming in één richting toestaan. Het medium van het koelcircuit 11 stroomt in fig. 1 achtereenvolgens door een oliekoeler 13, door de motor 14 en door een warmtewisselaar 15 voor de motorverbrandingsgassen 16, waarna de opgenomen warmte wordt afgestaan in de eerste warmtewisselaar 3· Natuurlijk kunnen de oliekoeler 13, de verbrandingsmotor l4 en de warmtewisselaar 15 ook worden doorstroomd door media van afzonderlijke circuits die alle samenkomen in de eerste warmtewisselaar 3 of in afzonderlijke, achter elkaar geplaatste warmtewisselaars die dezelfde funktie hebben als de eerste warmtewisselaar 3· Ook zal het mogelijk kunnen zijn de warmte van de verbrandingsgassen 16 zonder tussenkomst van een koelcircuit 11 over te brengen op het gas in de hogedrukleiding 4. Voor het verkrijgen van de gewenste temperatuur van het gas in de hogedrukleiding 4 kan gebruik worden gemaakt van hier niet weergegeven meet- en regelmiddelen, waarvan het ontwerp voor de vakspecialist voor de hand liggend zal zijn. Voor de duidelijkheid is aangegeven, dat het medium in het koelcircuit 11 geheel of gedeeltelijk aan de omgeving kan worden gekoeld in een aditionele warmtewisselaar 17. Nadat het gas is geëxpandeerd over de expansiemachine 5* zal de temperatuur ervan aanmerkelijk zijn gedaald. Deze temperatuur kan door een juiste regeling van de mate van warmteoverdracht in de eerste warmtewisselaar 3 vrijwel constant worden gehouden. In de tweede warmtewisselaar 7 vindt vervolgens de naverwarming van het gas plaats tot de gewenste temperatuur aan de uitlaat 8. Hiertoe draagt het medium in het koelcircuit 20 in de tweede warmtewisselaar 7 zijn warmte over aan het gas. Het medium in het koelcircuit 20 wordt hiertoe opgewarmd door de inlaatlucht van de verbrandingsmotor 14. Dit kan bijvoorbeeld geschieden in een warmtewisselaar 21, die in het geval van een verbrandingsmotor met drukvulling aangeduid wordt met "intercooler". Op deze manier is het mogelijk de inlaatlucht te koelen tot bij benadering de temperatuur van het gas in de lagedrukleiding 6. Hierdoor wordt een inlaatluchttemperatuur verzekerd die vrijwel onafhankelijk is van de weersinvloeden. Dientengevolge kan de verbrandingsmotor 14 onder alle omstandigheden eenzelfde maximale vermogen leveren. In fig. 1 drijven verbrandingsmotor 14 en expansiemachine 5» hier een turbine, gezamenlijk een stroomgenerator 30 aan. Voorts is het mogelijk, dat de brandstof voor de verbrandingsmotor 14 wordt onttrokken aan het gasnet waarop het verwarmingssysteem wordt aangesloten, indien dit gas brandbaar is.

Fig. 2 toont een alternatief ontwerp voor het verwarmingssysteem 1 dat daar schematisch wordt weergegeven. In dit geval bevinden de eerste warmtewisselaar 3 evenals de tweede warmtewisselaar 7 zich vóór de expansiemachine 5· Het gas treedt via de inlaat 2 het verwarmingssysteem 1 binnen, stroomt door de tweede warmtewisselaar 7» vervolgens via de hogedrukleiding 9 door de eerste warmtewisselaar 3 en door de hoge-drukleiding 4 naar de expansiemachine 5. alwaar het gas expandeert en vervolgens via de lagedrukleiding 6 aan de uitlaat 8 het verwarmingssysteem 1 verlaat. Bij dit ontwerp zijn de op de eerste warmtewisselaar 3 en de tweede warmtewisselaar 7 aangesloten koelcircuits 11 respektie-velijk 20 alsmede alle andere componenten hetzelfde als in fig. 1. Bij het ontwerp volgens fig. 2 zal de verbrandingslucht voor de verbrandingsmotor 14 kunnen worden gekoeld tot een temperatuur die bij benadering gelijk is aan de temperatuur van het gas bij de inlaat 2. In het geval van het aardgasnet, waarbij het gas door leidingen in de bodem stroomt, is deze temperatuur ook vrijwel onafhankelijk van de weersinvloeden.

Aan de hand van fig. 3 wordt verduidelijkt welke temperatuur- en drukveranderingen het gas ondervindt dat wordt geleid door een verwarmingssysteem volgens de onderhavige uitvinding. Het gas zal het verwarmingssysteem 1 aan de inlaat 2 binnentreden met een druk P£, zoals bijvoorbeeld 40 bar bij een gasontvangstsstation. Daarbij heeft het gas een temperatuur van T^, in het geval van aardgas ongeveer 10°C. Het gas dient nu te worden geëxpandeerd naar een druk P^, terwijl het om verschillende redenen gewenst kan zijn dat de temperatuur van het gas aan de uitlaat 8 van het verwarmingssysteem 1 niet veel verschilt van de temperatuur aan de inlaat 2. Omdat meestal het verschil tussen de druk ken P2 en P-^ groot is, terwijl de temperatuur van het gas aan de inlaat 2 ten gevolge van het transport en/of de opslag een temperatuur heeft van om en nabij de 10°C, zal het bijvoorbeeld om condensatieproblemen te voorkomen, noodzakelijk zijn het gas vóór het expanderen te verwarmen. Hier zullen twee manieren worden besproken om dit te realiseren, beide met gebruikmaking van het verwarmingssysteem volgens de onderhavige uitvinding.

Zoals gebruikelijk is volgens de stand der techniek en hetgeen plaats vindt bij een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding waarbij de eerste warmtewisselaar 3 en de tweede warmtewisselaar 7 stroomopwaarts van de expansieturbine 5 zijn geplaatst (bijvoorbeeld volgens fig. 2), wordt het traject dat is aangeduid met B doorlopen. Hierbij wordt de temperatuur vanaf T^, in fig. 3 bet punt 100, verhoogd tot een temperatuur T2, punt 101, zonder dat de druk toeneemt. Vervolgens wordt geëxpandeerd langs de lijn 102, waarvan de helling een maat is voor het rendement van de expansiemachine 5· Na de expansie heeft het gas een druk P^ en een temperatuur T^, het punt 103.

Het traject dat is aangeduid met A in fig. 3 kan worden doorlopen indien het gas vóór en na het expanderen wordt verwarmd. Vanaf het punt 100 zal het gas bijvoorbeeld in de eerste warmtewisselaar 3 worden verwarmd tot een temperatuur T2~x, het punt 104. Vervolgens vindt expansie plaats langs de lijn 105 en komt men bij de einddruk P^ op een temperatuur van T^-x, in het punt 106. Vervolgens vindt opnieuw verwarming van het gas plaats, bijvoorbeeld met behulp van de tweede warmtewisselaar 7» tot een temperatuur in het punt 103, waarbij de druk constant blijft.

Uit fig. 3 is duidelijk te lezen, dat het volgen van traject A of B hetzelfde resultaat oplevert. Echter, indien het gas wordt gebruikt om de verbrandingslucht voor de verbrandingsmotor te koelen, zoals wordt voorgesteld door de onderhavige uitvinding, dan kan slechts gekoeld worden tot een temperatuur bij traject B, terwijl in het geval van traject A gekoeld kan worden tot een temperatuur van T^-x. Door de variëerende inlaatdruk van de expansieturbine is de uittredetemperatuur 106 niet nauwkeurig vast te leggen. Met de tweede verwarmingsstap en de bijbehorende regelkring is de eindtemperatuur 103 zeer nauwkeurig te regelen. Zoals duidelijk mag zijn, wordt met x een zekere enthalpie-waarde bedoeld, die bij hogere temperaturen een groter temperatuurverschil zal opleveren. Indien het verwarmingssysteem volgens de onderhavige uitvinding is aangesloten op het aardgasnet, dan kunnen bijvoorbeeld de volgende drukken en temperaturen worden verwacht: P2 40 bar P^ 8 bar

Ti 10eC

T2 90°C

T^-x ca. 0°C T2-x ca. 78°C

Natuurlijk strekt het bovenstaande slechts tot voorbeeld van de onderhavige uitvinding. Ook andere uitvoeringsvormen behoren tot het raamwerk van de onderhavige uitvinding, indien zij worden gekenmerkt doordat de verbrandingslucht voor de in het verwarmingssysteem opgenomen verbrandingsmotor wordt gekoeld met behulp van het gas dat in dit systeem wordt geëxpandeerd, hetzij vóór, hetzij na dit expanderen. Door deze maatregel is het mogelijk de verbrandingslucht voor de verbrandingsmotor te koelen naar een temperatuur die niet wordt beïvloed door de weersomstandigheden, zonder dat ingrijpende maatregelen dienen te worden genomen.

Claims (6)

1. Verwarmingssysteem voor de verwarming van een onder druk staand gas, in het bijzonder aardgas, dat in een expansiemachine wordt geëxpandeerd, omvattende een verbrandingsmotor, in het bijzonder een gasmotor, en een eerste koelcircuit voor het afvoeren van door de motor ontwikkelde warmte, in welk eerste koelcircuit een eerste warmtewisselaar voor het afgeven van bij de motorkoeling verkregen warmte aan het gas is opgenomen, ge- kenmerkt door een tweede koelcircuit voor het koelen van naar de motor toe te voeren verbrandingslucht, in welk tweede koelcircuit een tweede warmtewisselaar voor het afgeven van bij de koeling van de verbrandingslucht verkregen warmte aan het gas is opgenomen.

2. Verwarmingssysteem volgens conclusie l,met het kenm e r k, dat in het eerste koelcircuit een afzonderlijke warmtewisselaar voor het koelen van de rookgassen van de verbrandingsmotor en het verwarmen van het gas is opgenomen.

3· Verwarmingssysteem volgens conclusie 1 of 2, gekenmerkt door een intercooler voor het koelen van de naar de motor te voeren samengeperste lucht welke intercooler is opgenomen in het tweede koelcircuit.

4. Verwarmingssysteem volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat de eerste warmtewisselaar zich stroomopwaarts van de expansiemachine bevindt en de tweede warmtewisselaar stroomafwaarts hiervan.

5. Verwarmingssysteem volgens één of meer der conclusies 1-3, m e t het kenmerk, dat de tweede warmtewisselaar zich vóór de eerste warmtewisselaar bevindt, die zich stroomopwaarts van de expansiemachine bevindt.

6. Verwarmingssysteem volgens één of meer der conclusies 1-5, m e t het kenmerk, dat de uitgaande as van de verbrandingsmotor en de uitgaande as van de expansiemachine één en dezelfde generator, in het bijzonder stroomgenerator, kunnen aandrijven.