NO820105L - Tilveiebringelse av energi fra kryogene fluider - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for tilveiebringelse av brukbar elektrisk energi fra et kryogen-fluid. Oppfinnelsen innbefatter også et anlegg som anvender denne fremgangsmåten.

Ved behandling av store volumer med naturgass er det ofte nødvendig å flytendegjøre gass for transportformål eller

for lagring. Dette nødvendiggjør sammenpressing og avkjøling av gassen til ekstremt lave temperaturer, f.eks. til -60°C

i tilfelle av kondensat (NGL), som inneholder hovedsakelig propan og butan eller -160°C i tilfelle av kondensert naturgass (LNG), som inneholder hovedsakelig metan. En stor energi-mengde er nødvendig for" å drive kjøleanlegg benyttet for å frembringe slik flytende gass. I tilfelle av LNG er f.eks. energien nødvendig for denne omformingen til flytende tilstand omkring 17% av energiinnholdet til væsken.

Før slik flytendegjøring av gasser kan bli brukbart benyttet

må den passere gjennom fordampere og et trykksenkningssystem for å bringe den tilbake til gassform ved tilnærmet omgivelsestemperatur og et trykk ikke langt fra atmosfærisk trykk. Ved de fleste anleggene for behandling av flytendegjorte gasser på denne måten er det ikke blitt gjort noe forsøk på å tilveiebringe noe nyttig energi fra prosessen ved omformingen av flytende gass til gassform. I Japan finnes det noen anlegg hvor som en del av omformingsprosessen blir den flytendegjorte gassen benyttet for å kjøle dypfryserkammere for matvarelagring, men dette medfører ikke en spesielt effektiv gjenvinning av trykkenergiinnholdet til den flytendegjorte gassen.

Foreliggende oppfinnelse har til hensikt å tilveiebringe en forbedret fremgangsmåte for å tilveiebringe energi fra et kryogen-fluid og til et anlegg som benytter fremgangsmåten.

Ifølge et trekk ved oppfinnelsen innbefatter en fremgangsmåte for tilveiebringelse av energi fra et kryogen-fluid lagret i en beholder ved overatmosfærisk trykk og ved temperatur under null innbefattende trinnene med å føre fluidet gjennom et for dampningsanlegg for å frembringe en gasstrøm ved overatmosfærisk trykk, tilførsel av gasstrømmen til innløpet av en gassekspanderer hvor gasstrømmen blir anvendt for å drive en rotor som har en utgangsaksel, som anvender rotasjonen til utgangsakselen til gassekspandereren for å drive en veksel-strømgenerator og som leverer generatorens elektriske effekt., til inngangssiden av en spennings- og frekvensomformer, som innenfor forutbestemte grenser av generatorens rotasjonshastighet leverer fra sin utgangsside en elektrisk effekt til elektriske forsyningsnett ved en spenning av frekvens som hele tiden tilpasses spenningen og frekvensen til nettet.

Ifølge- et ytterligere trekk ved oppfinnelsen innbefatter et anlegg for omforming av et kryogen-fluid til gass en beholder for kryogen-fluidet, innretning for tilførsel av fluid fra beholderen til et fordampningsanlegg for omforming av kryogen-fluid til en gasstrøm ved overatmosfærisk trykk, innretning for tilførsel av gasstrømmen til en gassekspanderers innløp som innbefatter en rotor drivbar av gasstrømmen, idet rotoren innbefatter en utgangsdrivaksel, en vekselsstrømgenerator anordnet for å bli drevet av utgangsdrivakselen, og en spennings-og frekvensomformer hvis inngangsside er forbundet med generatorens elektriske utgang og hvis utgangsside er forbundet med et elektrisk kraftforsyningsnett, idet omformeren er av den typen som over et forutbestemt område av generatorens rotasjonshastighet leverer ved sin utgangsside elektrisk effekt ved en spenning og frekvens som hele tiden tilpasses spenningen og frekvensen til nettet.

Ved bruken av fremgangsmåten eller anlegget ifølge foreliggende oppfinnelse kan noe tilbakeflytendegjøring av gass forekomme ved utgangssiden til gassekspandereren... Denne tilbakeflytende-gjorte gassen kan bli returnert til fordampningsanlegget eller den kan bli ført til en holdetank hvor den får fordampe før tilførselen til en forbruker med hovedgasstrømmen fra utløps-siden av gassekspandereren.

Kjente gassekspanderere av en type egnet for bruk ved denne metoden og anlegget ifølge foreliggende oppfinnelse har en sikker maksimal rotasjonshastighet på omkring 4.200 omdreininger pr. minutt. Ved drift av denne metoden ifølge foreliggende oppfinnelse kan den mekaniske og elektriske tregheten til systemet som innbefatter generatoren, omformeren og det elektriske forsyningsnettet sikre at rotoren til gassekspandereren ikke overskrider en hastighet på f.eks. 4.000 omdreininger pr. minutt, som er tilfredsstillende sikkerhet i løpet av normal drift. I tilfelle av en elektrisk feil i det ovenfor nevnte systemet er det imidlertid mulig at på grunn av påfølgende redusert treghet av systemet kan rotasjonshastig-heten til gassekspandererens rotor bli bygt opp til et farlig nivå. For å beskytte mot denne muligheten kan anlegget innbefatte ventilorganer som er forbundet med systemets omformer slik at en elektrisk feil blir umiddelbart detektert ved omformeren, og ventilorganet er påvirket for å dele høytrykks-gasstrømmen som forlater fordampningsanlegget til et vanlig trykksenkningssystem. Omformeren kan innbefatte organ som muliggjør den i å opprettholde forbindelse mellom generatoren og kraftforsyningsnettet for en kort tid.f.eks. opptil 4 sekunder etter at det forekommer elektrisk feil i systemet slik at i det minste begynnelsen av påvirkning av ventilorganet for å avlede gasstrømmen til trykksenkningssystemet har begynt før frakoblingen av generatoren fra kraftnettet. I tilfelle av en gjennomgående feil i omformeren kan en motstandsbelastning med kort tidskonstant bli koblet over generatorterminalene for å forhindre løsrivelse fra gassekspander/generatorsystemet.

Kjente gassekspanderere av en art egnet for bruk ved fremgangsmåten og anlegget ifølge foreliggende oppfinnelse er ikke konstruert for å være selvstartende og den foretrukne fremgangsmåten for starting er å sette rotoren til gassekspandereren i rotasjon før innføringen av gasstrømmen. Dét er naturligvis en enkel sak å tilveiebringe hjelpeinnretninger for å bevirke denne begynnelsesrotasjonen til gassekspandererens rotor, men en spesielt fordelaktig måte å gjøre dette på er å anvende vekselstrømsgeneratoren som en motor for å drive rotoren.

For dette formål innbefatter omformeren organ som muliggjør den å tilføre effekt (tilnærmet 10% av den vurderte belastnin- . gen) fra det elektriske forsyningsnettet til generatoren ved. en spenning og frekvens som medfører at generatoren virker i førstningen som en motor og driver gassekspandererens rotor.

Oppfinnelsen skal nå bli beskrevet nærmere ved hjelp av eksempel med henvisning til medfølgende tegning, hvor figuren viser et skjematisk diagram av et anlegg i samsvar med foreliggende oppfinnelse.

Tegningen viser et anlegg for omforming av LNG til en gass

ved omgivelsestemperatur og et trykk tett mot atmosfærisk trykk. Anlegget innbefatter en lagringsbeholder 1 for LNG, som er forbundet via en rørledning 2 innbefattende en pumpe 3 og en stoppeventil 4 med et anlegg 5 for fordampning av LNG til en høytrykksgasstrøm som går ut av anlegget 5 via

en rørledning 6. Rørledningen 6 fører via en stoppeventil 7 til et vanlig trykksenkningssystem 8 hvis utløpsside er forbundet via en stoppeventil 9 med en rørledning 10 som fører gass til en gassforbrukerkrets (ikke vist).

En grenrørledning 12 fra rørledningen.6 fører via en stoppeventil 14 til innløpet med en kryogen-gassekspander 16. Sistnevnte innbefatter en rotor 18 som kan bli drevet av gasstrømmen fra anlegget 5. Etter passering gjennom gassekspandereren 16 og avgivelse av største delen av dens trykk-energiinnhold til rotoren 18 blir gassen som kommer fra eks-panderen 16 ført via en rørledning 19 innbefattende en stoppeventil 20 og en trykkstyreventil 21 til rørledningen 10.

Rotoren 18 har en utgangsaksel 22 forbundet via en kobling-

24 med drivakselen 26 til en 3-faset vekselstrømsgenerator

28 med et eksitasjonssystem 30. Generatorens 28 elektriske utgang blir tilkoblet via en kretsbryter 29 med inngangssiden til en frekvensomformer 32, hvis utgangsside er forbundet via en kretsbryter 34 med et 3-faset forsyningsnett 15. En transformator 3 6 kan være nødvendig mellom omformeren 32 og for-

syningsnettet 15 anhengig av nettets spenning.

Omformeren 32 blir styrt på kjent måte ved hjelp av signaler sendt til det fra nettet 15 via en ledning 33 slik at dens spenning og frekvens hele tiden stemmer overens med spenningen og frekvensen til nettet 15 (eller transformatorens 36 inngangsside når en slik er benyttet) uavhengig av rotasjons-hastigheten til generatoren 28 innenfor et stort område av sistnevntes rotasjonshastighet. Dersom generatoren 28 f.eks. er en 2-polet maskin som har en synkron hastighet på 3.000 omdreininger pr. minutt skulle omformeren 32 være i stand til å tilveiebringe en hovedsakelig konstant utgangsspenning ved en hovedsakelig konstant frekvens innenfor et rotasjonshastighetsområde for generatoren 28 som passer med operasjonshastig-hetsområdet til rotoren 18 som i tilfelle av at det benyttes en kommersielt tilgjengelig kryogen-gassekspanderer kan være fra 2.000 til 4.000 omdreininger pr. minutt. For høyere has-tigheter vil det være nødvendig å innføre et reduksjonsgir mellom gassekspandereren oggeneratoren, som f.eks. kan erstatte koblingen 24.

Ved drift av ovenfor nevnte beskrevne anlegg er ventilene

4, 7 og 9 åpne og ventilene 14 og 20 er lukket og pumpen 3 blir satt i drift for å pumpe LNG fra beholderen 1 til fordampningsanlegget 5. Høytrykksgasstrømen som føres ut fra anlegget 5 via rørledningen 6 får dens trykk redusert ved trykksenkningssystemet 8 og gassen som føres ut for sistnevnte blir ført bort via rørledningen 10. Når gasstrømmen fra fordampningsanlegget 5 har bygt opp en kraftstrømtilstand blir kretsbryteren 34 lukket og styresystemet til omformeren 32 blir justert slik at kraften blir tilført generatoren 28 fra nettet 15 for å drive generatoren 28 som en motor og for å sette gassekspandererens rotor 18 i rotasjon. Når basishastig-heten til gassekspandereren er nådd (f.eks. 2.000 omdreininger pr. minutt) blir ventilene 7 og 9 lukket og ventilene 14 og 20 åpnet slik at høytrykksgasstrømmen fra anlegget 5 strømmer via grenrøret 12 til gassekspandereren 16. Etter en kort periode frembringer gassekspandererens 16 rotor 18 et torsjons-

moment over torsjonsmomentet frembrakt av synkrondriftssyste-met. Når dette torsjonsmomentet er etablert blir et signal sendt til omformerens 3 2 styresystem for å reversere omformerens kraftstrøm og kraftfrembringelse blir opprettet. Gassekspandereren 16, nå drevet kun av høytrykksgasstrømmen fra anlegget 5 øker generatorens hastighet opptil dens maksimale lastebetingelser.

Gassen som går ut fra gassekspandereren 16 ved et betraktelig lavt trykk sammenlignet med gassen tilført gassekspandereren passerer rørledningen 10. Enhver gass som igjen flytendegjø-res ved nedstrømssiden av rotoren 18 blir ført til en holdetank 23. Denne flytende gassen kan bli returnert til fordampningsanlegget 15 eller den kan bli tillatt å fordampe i holde-tanken etter hvilken den blir tilført rørlednigen 10.

Ved normal bruk av anlegget er den elektriske og mekaniske tregheten til systemet dannet.av generatoren 28, omformeren 32, transformatoren 36 og kraftforsyningsnettet 15 tilstrekke-lig for å forhindre for stor hastighetspåføring for gassekspandererens 16 rotor 18. I tilfelle av en elektrisk feil oppstår i dette systemet er der imidlertid fare for at åpningen av kretsbryteren 34 kan føre til en for stor hastighet for akselene 22, 26. For å forhindre dette er styresystemet til omformeren 32 konstruert for å forsinke kretsbryterens 34 åpning i tilfelle av at en feil oppstår for en kortere periode f.eks. 3 sekunder og samtidig sende elektriske signaler via ledningen 43 og 44 for å bevirke lukking av ventilene 14 og 20 og åpning av ventilene 7 og 9. Dette avleder gasstrømmen fra ekspandereren 16 til trykksenkningssystemet 8 og forhindrer for stor hastighet for akslene 22 og 26. I tilfelle av at en gjennomgående feil forekommer i omformeren 32,. en motstand med kortidsbelastning 4 6 umiddelbart koblet over generatorens utgangsterminaler ved hjelp av en kretsbryter 47. Kretsbryteren 47 er forbundet med kretsbryteren 29 slik at når sistnevnte er lukket er kretsbryteren 47 samtidig åpnet og motsatt. Lukkingen av kretsbryteren 47 og samtidig åpning av krets- . bryteren 29 blir startet av et signal over en ledning 49 fra omformerens 32 styresystem. Ved drift av kretsbryterne 29 og 47 på denne måten starter omformerens 32 styresystem lukkingen av ventilene 14 og 20 og åpningen av ventilene 7

og 9 som beskrevet ovenfor. I tilfelle av et feil på nettet 15 blir et signal sendt via en ledning 35 fra nettet 1.5 til omformerens 32 styresystem for å starte driften av krets-:. bryterne 29 og 47 som beskrevet ovenfor. Samtidig sender omformerens 32.styresystem et signal via en ledning 42 for å lukke ventilen 4 og stenge tilførselen av LNG til fordampningsanlegget 5.

Ved en utførelsesform av anlegget vist på tegningen var kryogen-gassekspanderen 16 i stand til å levere en utgang på 17 MW ved en rotasjonshastighet for akselen 22 på omkring 3.600 omdreininger pr. minutt. Generatoren 28 var en 2-polet turbosynkron maskin, type GTL 1050 CP fremstilt av ASEA AB, Vasteras, Sverige, og beskrevet i ASEA's brosjyre nr. OK 13-104E. Denne generatoren har en utgang på 21250 kVA ved en spenning på 15 kV - 5% og en frekvens på fra 47 til 60 Hz (tilsvarende rotasjonshastigheter fra 2.800 til 3.600 omdreininger pr. minutt). Eksitasjonssystemet 30 besto av en asynkron generator type MDE 500C fremstilt av ASEA AB. som har utgangseffekt på 210 kW, idet eksitasjonen til asynkron generatoren blir styrt av en 3-faset vekselstrømtyristor-omformer type YQND fremstilt av ASEA AB. og beskrevet i ASEA's brosjyre nr. YT 374-001E. Omformeren 32 besto av en tyristorlikeretter/dnverterinnretning innbefattende en likestrømsty-ristorlikeretter forbundet ved hjelp av en likestrømskobling med en vekselstrømstyristorinverter, idet likeretteren og inverteren hver er en sekspulset broenhet av typen YRTC 16-1450-3 fremstilt av ASEA AB. og beskrevet i ASEA's brosjyre nr. YT 272-101E. Denne omformeren har en utgangseffekt på 17 MW, en inngangsspenning på 15 kV og en utgangsspenning for tilpassing av nettets 15 spenning (eller transformator 36 når benyttet) ved en frekvens som automatisk følger nettets frekvens. Ved benyttelse av dette utstyret er det blitt vurdert at opptil 70% av trykkenergien til LNG i lagringsbe-holderen 1 kan bli gjenvunnet som elektrisk energi levert til nettet 15. F.eks. ved en strømningshastighet på 100 tonn LNG pr. time er det mulig å tilføre 7000 kWh med energi til nettet 15.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for tilveiebringelse av energi fra en gasstrøm ved overatmosfærisk trykk som har blitt utledet fra et kryogen-fluid lagret.i en beholder (1) våd overatmosfærisk trykk og temperatur under null ved'å føre fluidet gjennom et fordampningsanlegg (5), karakterisert ved tilførsel av gasstrømmen til en gassekspanderers.(16) innløp, i hvilken gasstrømmen blir anvendt for å drive en rotor (18) som har en utgangsaksel (22), ved anvendesel av rotasjon til gassekspandererens (16) utgangsaksel (22) for å drive en vekselstrø msgenerator (28) , og ved levering av generatorens (28) elektriske effekt til inngangssiden til en spennings- og frekvensomformer (32), som innenfor generatorens (28) forutbestemte rotasjonshastighetsgrenser, leverer fra dens utgangsside en elektrisk effekt til et elektrisk kraftforsyningsnett (15) ved en spenning og frekvens som hele tiden tilpasses nettets (15) spenning og frekvens.

2. Anlegg for omforming av et kryogen-fluid til gass, innbefattende en beholder for kryogen-fluidet og organ (2,3) for tilførsel av fluid, fra beholderen (1) til et fordampningsanlegg (5) for omforming av kryogen-fluidet til en gasstrøm ved atmosfærisk trykk, karakterisert ved organ (6,12) for tilførsel av gasstrømmen til en gassekspanderers ' (16) innløp, ..som innbefatter en rotor (18) som kan drives av gasstrømmen, idet rotoren (18) innbefatter en utgangsdrivaksel (22), en vekselstrø msgenerator (28) anordnet for å bli drevet av utgangsdrivakselen (22) og en spennings-og frekvensomformer (32), hvis inngangsside er forbundet med den elektriske utgangen til generatoren (28) og hvis utgangsside er forbundet med et elektrisk kraftforsyningsnett (15) idet omformeren (32) er av den typen som over et for generatorens (28) forutbestemte rotasjonshastighetsområdé leverer ved sin utgangsside elektrisk effekt ved en spenning og frekvens som hele tiden tilpasses nettets (15) spenning og frekvens .

3. Anlegg ifølge krav 2, karakterisert ved at det innbefatter ventiler (7, 14) for retting av gasstrømmen som kommer ut fra fordampningsanlegget (5) enten til gassekspandereren (16) eller til et trykksenkningsaystem (8).

4. Anlegg ifølge krav 3, karakterisert ved at omformeren (32) er forbundet med nettet (15) via en kretsbryter (34) og at omformerens,(32) styresystem innbefatter innretning for starting av åpningen av kretsbryteren (34) itilfelle av at en elektrisk feil utvikler seg i generatoren (28), omformeren (32) eller nettet (15). -

5. Anlegg ifølge krav 4, karakterisert .v ed at omformerens'(32) styresystem innbefatter organ for starting av påvirkningen av ventilene (7, 14) for å avlede .gasstrømmen fra gassekspandereren (16) til trykksenkingssystemet (8) i tilfelle av at en .elektrisk feil utvikler seg i generatoren (28), omformeren (32) eller nettet (15).

6. Anlegg ifølge krav 5, karakterisert ved at omformerens (32) styresystem innbefatter organ 'Som muliggjør den å opprettholde kretsbryteren (34) lukket for en kort tid etter forekomsten av den elektriske feilen hvorved begynnelsen av påvirkningen av ventilene (7,14) for å avlede gasstrømmen til trykksenkingssystemet (8) har begynt før åpningen av kretsbryteren (34).

7. Anlegg ifølge et hvilket som helst av kravene 2-6, karakterisert ved at omformeren (3 2) er en tyristorlikeretter omformerinnretning som innbefatter en likestrømstyristorlikeretter forbundet ved hjelp av en like-strømskobling med en vekselstrømtyristorinverter.

8. Anlegg ifølge et hvilket som helst av kravene 2-7, karakterisert ved at generatoren (28) kan drives som en motor med strøm tilført fra nettet (15) via omformeren (32) hvorved gassekspandereren (16) kan bli satt i rotasjon før den blir drevet av gasstrømmen.

9. Anlegg ifølge et hvilket som helst av kravene 2-8, karakterisert ved at den. innbefatter innretning for å returnere tilbakeflytendegjort gass fra gassekspandererens (16) utløp til fordampingsanlegget (8) eller til en holdetank (23) for påfø lgende fordamping.

10. Anlegg ifølge et hvilket som helst av kravene 2-9, karakterisert ved at den innbefatter en motstandsbelastningsrekke (46) som kan forbindes over termi-nalene til generatoren (28) i tilfelle av at en gjennomgående feil utvikles i omformeren (32).