NO334873B1

NO334873B1 - Modifisert organisk Rankine-syklus (ORC)-prosess

Info

Publication number: NO334873B1
Application number: NO20121329A
Authority: NO
Inventors: Jørn Magnus Jonas
Original assignee: Rondane Lng As
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2014-06-23
Also published as: EP2923044A1; NO20121329A1; WO2014073975A1; EP2923044A4

Abstract

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en modifisert organisk Rankine-syklus (ORC)-prosess, for å redusere eller forhindre pumpekavitasjon, hvori en ORC-arbeidsmediumstrøm blir trykksatt i en pumpe, varmet i en varmeveksler ved anvendelsen av en spillvarmestrøm, og ekspandert i en ekspansjonsmaskin. Arbeidsmediumstrømmen fra ekspansjonsmaskinen blir splittet i en splitteanordning til to parallelle arbeidsmediumstrømmer, arbeidsmediumstrømmen blir kondensert i en kondensator ved anvendelsen av en kjølemediumstrøm, arbeidsmediumstrømmen blir kjølt i en varmeveksler til en temperatur lavere enn temperaturen av arbeidsmediumstrømmen fra kondensatoren ved varmeveksling med en LNG-strøm som strømmer fra en LNG-brensellagertank gjennom varmeveksleren og til et LNG-drevet maskineri, og den kondenserte arbeidsmediumstrømmen fra kondensatoren og den kjølte arbeidsmediumstrømmen fra varmeveksleren blir kombinert i en blandeanordning posisjonert oppstrøms for pumpen.

Description

OPPFINNELSENS OMRÅDE

Foreliggende oppfinnelse omhandler en modifisert organisk Rankine-syklus (ORC) prosess. Prosessen ifølge foreliggende oppfinnelse reduserer eller forhindrer ORC pumpekavitasjon forårsaket av dampbobler i ORC arbeidsmediet som entrer ORC-pumpen.

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

Naturgass blir mye anvendt som brensel og blir levert i gassformig form men blir ofte lagret som flytende naturgass, LNG. LNG trenger å bli lagret svært kaldt.

Eksosgassen fra naturgassdrevne motorer er ren. Varmegjenvinning fra

gassmotoreksosgass er egnet siden en varmeveksler i eksosgasstrømmen vil for-bli ren. Høytemperatureksos og kjølevann i maskineri blir anvendt for kraftgenere-ring ved ekspandermaskin. Et eksempel på kraftsyklus med ekspandermaskin anvendt for dette formålet er organisk Rankine-syklus (ORC).

ORC anvender arbeidsmedium med lavt kokepunkt for å utnytte varmekil-der med relativt lave temperaturer.

En ORC er en termodynamisk prosess hvor et arbeidsmedium blir sirkulert i en lukket sløyfe. Flytende arbeidsmedium blir pumpet opp til et visst trykk. Så blir det varmet. Varmekilden er ofte spillvarme fra forbrenningsmaskineri.

Del av energien tatt opp ved arbeidsmediet i løpet av oppvarming blir over-ført til en ekspansjonsmaskin og blir utnyttet som akseleffekt fra ekspansjonsmaskinen.

Arbeidsmediumutstrømningen fra ekspansjonsmaskinen blir kondensert i en kondensator ved et kjølemedium. Kondensatorkjølemediet er normalt kjølevann fra sjø eller luftkjøler. Kondensatoren overfører arbeidsmediumdamp til flytende tilstand og arbeidsmediet ut fra kondensatoren er i mettet tilstand.

Det kondenserte arbeidsmediet strømmer fra kondensatoren og i retur til pumpen. I arbeidsmediumstrømmen fra kondensatoren til pumpen er det en risiko for dampbobler i væsken siden væsken er i mettet tilstand i kondensatoren og har et lavt kokepunkt.

Risikoen for kavitasjon i en pumpe er relatert til dampbobler transportert i væskestrømmen inn til en pumpe. Med økende trykk i pumpen kollapser dampboblene i pumpen og kan skade pumpen. For en pumpe anvendt i en ORC syklus er tilstrekkelig netto positivt sugehode (NPSH) viktig for å unngå bobler inn til pumpen. NPSH gir en verdi for hvor nær væsken inn til pumpen er fra sitt kokepunkt (bobledannelse) og NPSH skulle være så høy som mulig for å unngå pumpekavitasjon. Pumpeprodusentene spesifiserer et minimum NPSH for å unngå kavitasjon og noen pumper er konstruert for lavere NPSH enn andre pumper.

Jo lavere pumpen er plassert i forhold til kondensatoren i en ORC jo høyere er NPSH. Jo mer underkjøling av væske i pumpen jo høyere er NPSH. Der det er begrenset rom tilgjengelig og ORC-kondensatoren er plassert nær den samme høyden som ORC-pumpen, f.eks. ombord i et skip er det nødvendig med en pumpe med lavt NPSH krav. Midler kan også være krevet for å unngå at bobler fra kondensatoren blir ført inn i pumpen.

US2011/0048012 beskriver et energigjenvinningssystem og fremgangsmåte hvor ORC arbeidsmediet blir kondensert og underkjølt i en enkelt strømning ved et kjølemedium. US2011/0048012 er derved et temperaturstyringssystem for under-kjøling av arbeidsmedium for å redusere risikoen for pumpekavitasjon.

WO 2011/057724 beskriver at en ikke-kondenserbar gass blir levert over væsken nedstrøms for en ORC-arbeidsmediumkondensator. Ved å introdusere et partialtrykk fra en ikke-kondenserbar gass i løpet av kondensasjon av arbeidsmediet vil arbeidsmediumvæsken som strømmer til pumpen være underkjølt siden det ikke er noen ikke-kondenserbar gass i væsken som strømmer til pumpen. WO 2011/057724 er derved et trykkstyringssystem for å redusere risikoen for pumpekavitasjon.

US 2012/0042656 beskriver at varmen i en standard, enkeltstrøm ORC syklus blir utnyttet for å fordampe LNG og den utnytter også den begrensede kjøleeffekten av LNG-en i ORC-arbeidsmediet.

Formålet ved foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en alternativ løs-ning for å redusere eller forhindre pumpekavitasjon i en organisk Rankine-syklus (ORC) prosess.

OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

Foreliggende oppfinnelse omhandler en organisk Rankine-syklus (ORC) prosess, som er modifisert for å redusere eller forhindre kavitasjon av pumpen i ORC-syklusen. I denne prosessen, blir strømmen fra ORC-ekspansjonsmaskinen splittet i to strømmer, av hvilke én strømmer gjennom en kondensator og den andre strømmer gjennom en kjøler og blir kjølt til en temperatur som foretrukket er signifikant under dens kondensasjonstemperatur ved varmeveksling med LNG. De to strømmene blir forbundet med hverandre på ny i en blandeanordning slik at dampbobler i strømmen fra kondensatoren blir separert fra væsken og blandet med den kalde strømmen fra LNG-varmeveksleren og derved kondenserer boblene ved selektiv kjøling og derved reduserer eller forhindrer kavitasjon av ORC-pumpen. Prosessen utnytter foretrukket spillvarme fra LNG-drevet maskineri.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en modifisert organisk Rankine-syklus (ORC) prosess, for å redusere eller forhindre pumpekavitasjon, hvori en ORC-arbeidsmediumstrøm blir trykksatt i en pumpe, varmet i en varmeveksler ved anvendelsen av en spillvarmestrøm, og ekspandert i en ekspansjonsmaskin,karakterisert vedat

arbeidsmediumstrømmen fra ekspansjonsmaskinen blir splittet i en splitteanordning til to parallelle arbeidsmediumstrømmer, arbeidsmediumstrømmen blir kondensert i en kondensator ved anvendelsen av en kjølemediumstrøm, arbeids-mediumstrømmen blir kjølt i en varmeveksler til en temperatur lavere enn temperaturen av arbeidsmediumstrømmen fra kondensatoren ved varmeveksling med en LNG-strøm som strømmer fra en LNG-brensellagertank gjennom varmeveksleren og til et LNG-drevet maskineri, og den kondenserte arbeidsmediumstrøm-men fra kondensatoren og den kjølte arbeidsmediumstrømmen fra varmeveksleren blir kombinert i en blandeanordning posisjonert oppstrøms for pumpen.

I en utførelsesform av fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse, blir den kondenserte arbeidsmediumstrømmen fra kondensatoren introdusert under den kjølte arbeidsmediumstrømmen fra varmeveksleren i blandeanordningen.

I en ytterligere utførelsesform av fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse, blir arbeidsmediumstrømmen kjølt i varmeveksleren til omkring temperaturen av LNG-strømmen.

I en ytterligere utførelsesform av fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse, kommer spillvarmestrømmen fra det LNG-drevne maskineriet.

I en ytterligere utførelsesform av fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse, er kjølemediumstrømmen for kondensatoren kjølevann fra sjø eller luftkjøler.

I en ytterligere utførelsesform av fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse, blir LNG-strømmen fordampet ved varmeveksling med OCR arbeidsmediumstrømmen i varmeveksleren og levert som brensel til det LNG-drevne maskineriet med en temperatur høyere enn ORC-arbeidsmediumets kondensasjonstemperatur.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGEN

Fig. 1 illustrerer skjematisk den modifiserte organisk Rankine-syklusprosessen ifølge foreliggende oppfinnelse.

DETALJERT BESKRIVELSE AV FORELIGGENDE OPPFINNELSE

Modifisert organisk Rankine-syklusprosessen ifølge foreliggende oppfinnelse er illustrert i figur 1.

En ORC-arbeidsmediumstrøm 6 i den modifiserte organisk Rankine-syklusen blir trykksatt i en pumpe 4. Den trykksatte arbeidsmediumstrømmen 6 fra pumpen 4 blir varmet i en varmeveksler 3 ved anvendelsen av en spillvarmestrøm 7, og den varmede arbeidsmediumstrømmen 6 blir så ekspandert i en ekspansjonsmaskin 5.

Arbeidsmediumstrømmen 6 fra ekspansjonsmaskinen 5 blir splittet i en splitteanordning 13 til to parallelle arbeidsmediumstrømmer 6a, 6b. Så blir arbeids-mediumstrømmen 6a fra splitteanordningen 13 kondensert i en kondensator 2 ved anvendelsen av en kjølemediumstrøm 8, og arbeidsmediumstrømmen 6b fra splitteanordningen 13 blir kjølt i en varmeveksler 9 til en temperatur lavere enn temperaturen av arbeidsmediumstrømmen 6a fra kondensatoren 2 ved varmeveksling med en LNG-strøm 10 som strømmer fra en LNG-brensellagertank 2 gjennom varmeveksleren 9 og til et LNG-drevet maskineri 1.

Den kondenserte arbeidsmediumstrømmen 6a fra kondensatoren 2 og den kjølte arbeidsmediumstrømmen 6b fra varmeveksleren 9 blir kombinert i en blandeanordning 11 som er posisjonert oppstrøms for pumpen 4, slik at den kjølte ar-beidsmediumstrømmen 6b kondenserer dampbobler separert fra væsken i arbeidsmediumstrømmen 6a.

Den kondenserte arbeidsmediumstrømmen 6a fra kondensatoren 2 kan bli introdusert under den kjølte arbeidsmediumstrømmen 6b fra varmeveksleren 9 i blandeanordningen 11.

Arbeidsmediumstrømmen 6b kan bli kjølt i varmeveksleren 9 til omkring temperaturen av LNG-strømmen 10.

LNG-strømmen 10 kan bli fordampet ved varmeveksling med OCR-arbeids-mediumstrømmen 6b i varmeveksleren 9 og levert som brensel til det LNG-drevne maskineriet 1 med en temperatur høyere enn ORC arbeidsmediets kondensasjonstemperatur.

Foreliggende modifiserte organisk Rankine-syklus (ORC) prosess kan ta spillvarme fra LNG-drevet motor, gassturbin eller annet LNG-drevet maskineri 1. Foretrukket kommer spillvarmestrømmen 7 fra det LNG-drevne maskineriet 1. Spillvarmen kan komme fra varm eksos og kjølevann.

ORC-arbeidsmediet blir trykksatt ved pumpe 4 i flytende tilstand, varmet i en varmeveksler 3 med spillvarmestrøm 7, foretrukket fra det LNG-drevne maskineriet 1, og sendt gjennom en ekspansjonsmaskin 5. Generelt er strømningsraten av ORC-arbeidsmediet som utnytter spillvarmen fra LNG-maskineriet mye større enn strømningsraten av LNG-brenselet til maskineriet.

Etter ekspansjon blir det sirkulerende ORC arbeidsmediet splittet i to strømmer 6a, 6b. Strøm 6a blir sendt gjennom kondensator 2 hvor strømmen blir kondensert ved kjølemedium 8. Kjølemediet i kjølemediumstrømmen 8 kan være kjølevann fra sjø eller luftkjøler.

Strøm 6b blir sendt gjennom varmeveksleren 9 hvor den blir kjølt ved LNG som blir levert som brensel fra lagertanken 12 til LNG maskineriet 1. Arbeidsme-diumstrømmen 6b utfra varmeveksleren 9 vil bli kjølt og kan bli kjølt nær LNG-temperatur.

Strømmene 6a og 6b blir forbundet med hverandre på ny til én strøm i blandeanordningen 11. Blandeanordningen 11 er lokalisert oppstrøms for og foretrukket nær pumpe 4. Blandeanordningsstrømutløpet som fører til pumpen 4 er lokalisert ved bunndelen av blandeanordningen 11, strømmen 6b blir introdusert i toppdelen av blandeanordningen 11 og strømmen 6a blir introdusert mellom bun-nen og toppen av blandeanordningen 11. Blandeanordningen 11 håret strøm-ningsareal som er større enn strømningsarealet av strømmen fra 11 til pumpen, og blandeanordningen har derved en lavere strømningshastighet enn hastigheten av strømmen fra blandeanordningen 11 til pumpen 4. Strømningsarealet av blandeanordningen 11 er så stor og strømningshastigheten er så lav at dampbobler i væskestrømmen 6a flyter opp og blir separert fra væsken. De separerte boblene blir kjølt og kondensert ved blanding med den kaldere væskestrømmen 6b og forhindrer derved at bobler blir transportert inn i pumpen.

Foreliggende oppfinnelse er en modifisert ORC syklus for å redusere eller forhindre ORC pumpekavitasjon ved å forhindre at dampbobler strømmer fra ned-strømskondensator til pumpen. Bobler blir separert fra strøm 6a fra kondensatoren 2 og kondensert ved blanding med den kalde strømmen 6b og derved blir bobler forhindret å strømme inn i pumpe 2. Den kalde strømmen 6b blir blandet inn i strømmen til pumpen 4 og kjøler derved strømmen til pumpen 4.

Den kondenserte arbeidsmediumstrømmen 6a fra kondensatoren 2 og den kjølte arbeidsmediumstrømmen 6b fra varmeveksleren 9 blir kombinert i en blandeanordning 11 posisjonert oppstrøms for pumpen 4 slik at dampbobler blir separert fra væsken i arbeidsmediumstrømmen 6a og at den kjølte arbeidsmedium-strømmen 6b blir blandet med og kondenserer dampboblene som har blitt separert fra væsken i arbeidsmediumstrømmen 6a og derved reduserer eller forhindrer ORC pumpekavitasjon forårsaket ved dampbobler.

I foreliggende oppfinnelse blir ORC arbeidsmediet splittet til to strømmer nedstrøms for ekspanderenheten og blir kondensert ved to forskjellige kjøleme-dier. Én av strømmene blir sterkt kjølt med LNG som kjølemedium. Strømmene blir på ny forbundet med hverandre nedstrøms for kondensatorene og den kjølte strømmen blir utnyttet for å kondensere bobler som blir separert fra den andre, varmere strømmen. Fremgangsmåten for å redusere risikoen for pumpekavitasjon er et arrangement av kjølebehov og oppvarmingsbehov på en måte som muliggjør selektiv kjøling av strømmen til pumpen. Den kalde forgreningsstrømmen av ORC-arbeidsmediet blir blandet med den andre forgreningsstrømmen av ORC-arbeidsmediet i en lokalisering hvor bobler blir samlet.

Foreliggende oppfinnelse er ikke et separat styringssystem.

I foreliggende oppfinnelse blir ORC-arbeidsmediet splittet til to strømmer slik at én av strømmene fordamper LNG og varmer opp dampen fra LNG. Ved å arrangere ORC-syklusen til to strømningsrater gjør varmeveksling med LNG det mulig å kjøle én av ORC-mediumstrømmene til temperaturer nær LNG temperatur. Den svært kalde ORC-arbeidsmediumstrømmen blir utnyttet for selektiv kjøling og kondensasjon av bobler i tillegg til kjøling av strømmen til pumpen.

Claims

1. Modifisert organisk Rankine-syklus (ORC) prosess, for å redusere eller forhindre pumpekavitasjon, hvori en ORC-arbeidsmediumstrøm (6) blir trykksatt i en pumpe (4) varmet i en varmeveksler (3) ved anvendelsen av en spillvarmestrøm (7) og ekspandert i en ekspansjonsmaskin (5),karakterisert veda t arbeidsmediumstrømmen (6) fra ekspansjonsmaskinen (5) blir splittet i en splitteanordning (13) til to parallelle arbeidsmediumstrømmer (6a, 6b), arbeidsmedium-strømmen (6a) blir kondensert i en kondensator (2) ved anvendelsen av en kjøle-mediumstrøm (8), arbeidsmediumstrømmen (6b) blir kjølt i en varmeveksler (9) til en temperatur lavere enn temperaturen av arbeidsmediumstrømmen (6a) fra kondensatoren (2) ved varmeveksling med en LNG-strøm (10) som strømmer fra en LNG-brensellagertank (12) gjennom varmeveksleren (9) og til et LNG-drevet maskineri (1), og den kondenserte arbeidsmediumstrømmen (6a) fra kondensatoren (2) og den kjølte arbeidsmediumstrømmen (6b) fra varmeveksleren (9) blir kombinert i en blandeanordning (11) posisjonert oppstrøms for pumpen (4).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori den kondenserte arbeidsmediumstrøm-men (6a) fra kondensatoren (2) blir introdusert under den kjølte arbeidsmedium-strømmen (6b) fra varmeveksleren (9) i blandeanordningen (11).

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, hvori arbeidsmediumstrømmen (6b) blir kjølt i varmeveksleren (9) til omkring temperaturen av LNG-strømmen (10).

4. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 1-3, hvori spillvarmestrømmen (7) kommer fra det LNG-drevne maskineriet (1).

5. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 1-4, hvori kjølemediumstrømmen (8) for kondensatoren (2) er kjølevann fra sjø eller luftkjøler.

6. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 1-5, hvori LNG-strømmen (10) blir fordampet ved varmeveksling med OCR arbeidsmediumstrømmen (6b) i varmeveksleren (9) og levert som brensel til det LNG-drevne maskineriet (1) med en temperatur høyere enn ORC arbeidsmediets kondensasjonstemperatur.