PL184607B1

PL184607B1 - Sposób i urządzenie do podgrzewania znajdującego się pod wysokim ciśnieniem gazu palnego przed jego rozprężeniem

Info

Publication number: PL184607B1
Application number: PL97331631A
Authority: PL
Inventors: Reimert@Rainer
Original assignee: Hein Gas Hamburger Gaswerke Gm
Priority date: 1996-08-21
Filing date: 1997-07-26
Publication date: 2002-11-29
Also published as: DE19633674A1; DE59710582D1; RU2191907C2; US6730272B2; CA2273159C; US20020187088A1; WO1998007970A1; CA2273159A1; EP0920578B1; ES2205250T3; DE19633674C2; EP0920578A1; PL331631A1; ATE247225T1

Abstract

1. Sposób podgrzewania znajdujacego sie pod wysokim cisnieniem gazu palnego przed jego rozprezeniem, znamienny tym, ze czesc gazu podgrzewa sie poprzez spala- nie bezposrednio w zbiorniku zawierajacym gaz. 12. Urzadzenie do podgrzewania gazu palnego pod wysokim cisnieniem przed jego rozprezeniem, z przewodem rurowym dla gazu i urzadzeniem podgrzewajacym dla gazu, znamienne tym, ze urzadzenie podgrzewajace znajduje sie w przewodzie rurowym (1) przed urzadzeniem rozpreza- jacym (9) i zawiera koncentrycznie usytu- owana centralna rure (2, 20). Fig. 2 PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób podgrzewania znajdującego się pod wysokim ciśnieniem gazu palnego przed jego rozprężeniem.

Przedmiotem wynalazku jest także urządzenie do podgrzewania znajdującego się pod wysokim ciśnieniem gazu palnego przed jego rozprężeniem.

Wiele gazów palnych magazynuje się w sposób naturalny lub uwarunkowany technicznie pod wysokim ciśnieniem. Tak na przykład gaz ziemny, który czerpie się ze złóż podziemnych, występuje pod wysokim ciśnieniem, podobnie jak gazy w podziemnych zasobnikach lub dużych zbiornikach ciśnieniowych. Gazy, których ciśnienie jest redukowane do niskiego poziomu, na przykład podczas transportu, czerpania ze zbiorników lub w turbinie gazowej, ulegają dużemu ochłodzeniu wskutek rozprężania. Wywołuje to pewne problemy techniczne, ponieważ może dochodzić do oblodzenia przewodów, zmieniają się właściwości fizyczne gazów lub obniża się ich zapalność. Żeby wyeliminować te problemy techniczne i skompensować ochładzanie, podgrzewa się gaz przed lub po rozprężaniu. Zwykle takie podgrzewanie odbywa się przed rozprężaniem, a więc przy wysokim ciśnieniu gazu.

Jako konwencjonalne systemy podgrzewania, w szczególności w przypadku podziemnych magazynów gazu ziemnego, wykorzystuje się w zasadzie dwa różne układy: instalacje do podgrzewania gazu i nagrzewnice gazu (heater). Zwykle oba te typy urządzeń można podzielić na trzy elementy składowe: generator ciepła, wymiennik ciepła i układ przenoszenia ciepła. Różnią się one tylko odmianą wykonania albo też sposobem rozmieszczenia. W przypadku instalacji do podgrzewania, sprężony gaz przeprowadza się przez wymiennik ciepła. Następuje tam podgrzanie gazu i odpowiedni nośnik ciepła, na przykład mieszanka woda/glikol, ochładza w przeciwprądzie równoległe przewody rurowe. Nośnik ciepła jest znów podgrzewany w zamkniętym obiegu i ponownie dopływa do wymiennika ciepła. Temperaturę gazu reguluje się najczęściej poprzez wielkość przepływu nośnika przez wymiennik ciepła, przy czym ilość nośnika ciepła dostosowuje się do temperatury gazu po rozprężeniu. Ale można też kontrolować temperaturę gazu poprzez regulację strumienia gazu sprężonego. Na koszt instalacji podgrzewającej, oprócz aparatury do generowania, wymiany i przenoszenia ciepła, składa się też koszt kotłowni do wytwarzania ciepła oraz urządzenia zabezpieczające i regulacyjne niezbędne przy kotle jak i w układzie przenoszenia ciepła. Ciepło można doprowadzać dzięki spalaniu płynnych lub gazowych paliw, stosując energię elektryczną albo wykorzystując gazowe pompy cieplne.

Nagrzewnice gazu (heater) są urządzeniami podgrzewającymi, w których wytwarzanie i przenoszenie ciepła na przepływający strumień gazu sprężonego odbywa się w jednym stadium. Nagrzewnice są zbiornikami leżącymi, które są wyposażone w dolnej części w rury płomieniowe i w górnej części we wiązki rur, przy czym przestrzeń między nimi jest napełniona nośnikiem ciepła. Gaz sprężony i gaz ziemny potrzebny do podgrzewania kąpieli wodnej przepływają przeciwnie przez nagrzewnicę, przy czym nośnik ciepła jest podgrzewany przez rury płomieniowe. Temperaturę gazu reguluje się tu bezpośrednio na wytwornicy ciepła nastawiając strumień paliwa stosownie do zapotrzebowania na ciepło. Nagrzewnice na gaz ziemny, w przeciwieństwie do urządzeń podgrzewających, ustawia się całkowicie na wolnym powietrzu, a na koszt aparatury, oprócz wspomnianych już trzech elementów składowych, składa się też koszt urządzeń zabezpieczających i regulacyjnych zarówno dla gazu palnego jak i dla gazu sprężonego czerpanego z zasobnika.

Inaczej niż w przedstawionej tu koncepcji, zaproponowano w międzynarodowej publikacji WO 94/11626 Kuck'a i in., aby gaz przed rozprężeniem, jak opisano w obu wspomnianych instalacjach, podgrzewać w wymienniku ciepła. Podgrzewanie ma tu odbywać się za

184 607 pomocą gazów odlotowych z małych elektrociepłowni blokowych, przy czym wykorzystuje się wewnętrzny gazowy silnik spalinowy i generator. Gaz odlotowy z silnika spalinowego podgrzewa gaz sprężony w wymienniku ciepła przed rozprężeniem. Napędzany generator wytwarza energię elektryczną którą można zasilać sieć.

Patent EP 0 453 007 Verweij'a jest pierwotnym wariantem wspomnianego systemu. Również tu wykorzystuje się wewnętrzny silnik spalinowy, najczęściej silnik gazowy, przy czym do podgrzewania gazu wykorzystuje się, oprócz gazów odlotowych, także ciepło odlotowe silnika i potrzebne do spalania powietrze. To ostatnie, przed wykorzystaniem w silniku, chłodzi się w przeciwprądzie w wymienniku ciepłą. Wykorzystuje się kilka wymienników ciepła, przy czym proponuje się zastosowanie jednego wymiennika przed rozprężeniem gazu i następnych możliwie po rozprężeniu gazu. Również i tu silnik spalinowy napędza prądnicę wytwarzającą energię elektryczną

Patent USA nr 125 168 Nortona i in. dotyczy urządzenia do podgrzewania strumienia cieczy. Przeprowadza się tu w kontrolowany sposób oddzielne strumienie gazu ziemnego i powietrza przez strefę wstrzykiwania i mieszania, rozprężając jeden i sprężając drugi gaz, po czym doprowadza się mieszankę do instalacji spalania i gazy odlotowe wykorzystuje się za pośrednictwem wymiennika ciepła do podgrzewania cieczy. System ten można także zastosować do podgrzewania sprężonych gazów czerpanych z ich zasobników.

Wspólną cechą opisanych wyżej metod jest to, że strumień gazu sprężonego jest podgrzewany tylko pośrednio przez wymienniki lub też nośniki ciepła. Z zasady najpierw podgrzewa się gaz przed rozprężeniem, a więc przy jeszcze wysokim ciśnieniu, w wymienniku ciepła. Wadą proponowanych urządzeń z instalacjami spalania jest konieczność ich urzędowej legalizacji i wymagają one zastosowania w szerokim zakresie urządzeń zabezpieczających. Energię uzyskuje się z gazów spalinowych albo z kotła opalanego gazem ziemnym. Jednak zasadniczą wadą opisanych instalacji jest ich niedoskonałość ekologiczna, ponieważ żadna z tych instalacji nie może wykorzystywać w 100% wartości opałowej według stanu techniki. Niska jest też sprawność stosowanych dotychczas urządzeń, to znaczy trzeba zużyć dużo energii dla osiągnięcia wymaganego efektu.

Istniało więc zapotrzebowanie na urządzenie i sposób metodę, które pozwalałyby zrezygnować z objętej urzędowym nadzorem instalacji spalania i wykorzystać w wysokim stopniu ciepło spalania z korzyścią dla środowiska naturalnego. Taka instalacja energetyczna powinna spełniać wymagania ekologiczne i ekonomiczne.

Zaproponowany zgodnie z wynalazkiem sposób podgrzewania znajdującego się pod wysokim ciśnieniem gazu palnego charakteryzuje się tym, że część gazu podgrzewa się poprzez spalanie bezpośrednio w zbiorniku zawierającym gaz, korzystnie, w postaci przewodu rurowego gazu palnego.

Spalanie prowadzi się z pomocą gazu zawierającego tlen, przy czym korzystnie zawierającym tlen jest czysty tlen.

Tlen albo gaz zawierający tlen wprowadza się następnym przewodem rurowym do przewodu rurowego gazu palnego pod wysokim ciśnieniem, po czym gaz zawierający tlen miesza się z innym gazem i mieszankę doprowadza się do reakcji.

Gazem palnym znajdującym się pod wysokim ciśnieniem jest gaz ziemny.

Spalanie prowadzi się z wykorzystaniem katalizatora.

Korzystnie, spalanie prowadzi się za pomocą rozdzielacza gazu z urządzeniem zapłonowym i korzystnie, katalizatora.

Korzystnie, zarówno przed jak i po rozprężaniu, gaz osusza się i odprowadza powstającą przy spalaniu wodę, w oddzielaczach.

Korzystnie, spalanie prowadzi się za pomocą palnika, w którym doprowadza się gaz palny i gaz zawierający tlen zamienionymi przewodami.

W przewodzie rurowym utrzymuje się dostateczny przepływ gazu za pomocą oporu przepływu.

W szeregu prób okazało się nadspodziewanie, że istnieje możliwość kontrolowanego spalania części sprężonego gazu palnego w zamkniętym zbiorniku, żeby podgrzewać gaz w sposób ciągły.

184 607

Gaz palny uchodzi pod wysokim ciśnieniem ze zbiornika i płynie przewodem rurowym do miejsca, w którym dodaje się tlen w czystej albo rozrzedzonej postaci. Doprowadzanie może odbywać się przez rozdzielacz gazu, który jest połączony z urządzeniem zapłonowym i układem kontroli płomienia, albo przez palnik. Następuje tam kontrolowane spalanie, przy czym ilość dodawanego tlenu albo gazu zawierającego tlen jest kontrolowana przez układ pomiarowy temperatury. Podczas podgrzewania gazu przez bezpośrednie spalanie w przewodzie rurowym powstaje m.in. woda, która może występować częściowo w stanie płynnym i która, przed rozprężaniem gazu, zbiera się w odwadniaczu. Podgrzany gaz nasycony parą wodnąjest następnie rozprężany na niższe ciśnienie w odpowiednim urządzeniu, jak na przykład zawór dławiący lub turbina gazowa. Dalej występuje czujnik temperatury i najczęściej następny wodo oddzielacz, z którym łączy się - jak zwykle według stanu techniki - urządzenie osuszające, na przykład w postaci płuczki glikolowej.

W wynalazku tym, w niektórych przypadkach, okazało się korzystne spalanie z czystym tlenem albo dowolną mieszanką tlenu i powietrza zamiast czystego powietrza. Żeby uniknąć zbyt wysokiej temperatury, można też wspomagać spalanie poprzez zastosowanie odpowiedniego katalizatora.

Zgodne z wynalazkiem urządzenie do podgrzewania znajdującego się pod wysokim ciśnieniem gazu palnego charakteryzuje się tym, że urządzenie podgrzewające znajduje się w przewodzie rurowym przed urządzeniem rozprężającym i zawiera koncentrycznie usytuowaną centralną rurę.

Korzystnie, do przewodzącego gaz palny przewodu rurowego wchodzi, prostopadle do kierunku przepływu w przewodzie rurowym, następny przewód rurowy doprowadzający gaz zawierający tlen, korzystnie tlen, który zakończony jest w przewodzie rurowym gazu palnego odcinkiem załamanym pod kątem prostym, tak, że przekrój poprzeczny jego wylotu jest prostopadły do kierunku przepływu w przewodzie gazowym, uchodzącym do centralnej rury urządzenia podgrzewającego.

Na końcu następnego przewodu rurowego zamocowany jest palnik, który jest osadzony w centralnej rurze urządzenia podgrzewającego i ma zamienione przyłącze doprowadzenia gazu palnego i gazu zawierającego tlen.

Zgodnie z wynalazkiem, w centralnej rurze urządzenia podgrzewającego znajduje się katalizator spalania.

Korzystnie, urządzenie podgrzewające jest wyposażone w rozdzielacz gazu z urządzeniem zapłonowym i katalizator spalania.

W przewodzie rurowym gazu palnego jest umieszczony opór przepływu, a na przewodzie rurowym gazu palnego umieszczone są oddzielacze wody, zarówno przed jak i za stanowiskiem rozprężania.

Wynalazek w przykładach wykonania został objaśniony na podstawie rysunku, na którym fig. 1 przedstawia uproszczony schemat układu do realizacji zgodnego z wynalazkiem sposobu, fig. 2 ukazuje przykład wykonania urządzenia według wynalazku ze spalaniem prowadzonym katalitycznie, fig. 3 przedstawia odmianę wykonania urządzenia, w której spalanie gazu odbywa się w palniku.

Gaz palny, tu metan, jest pobierany z zasobnika pod ciśnieniem na przykład 180 bar i prowadzi przewodem rurowym 1. Ewentualne stałe lub płynne domieszki oddziela się w separatorze 6. Gaz ma najczęściej temperaturę między 10°C i 30°C, zależnie od warunków magazynowania. W tym stanie gaz dochodzi do odcinka przewodu rurowego 11, w którym dodaje się tlen w czystej lub rozrzedzonej postaci następnym przewodem rurowym 3. Dodawanie odbywa się albo przez rozdzielacz gazu, który jest połączony z urządzeniem zapłonowym i układem kontroli płomienia i ewentualnie z katalizatorem utleniającym, albo przez palnik, w którym, inaczej niż w tradycyjnych palnikach, zamienione zostały doprowadzenia strumienia gazu ziemnego i gazu zawierającego tlen. Ilość dodawanego tlenu jest kontrolowana przez układ regulacji temperatury 8, który znajduje się w przewodzie rurowym 1 za miejscem, w którym następuje rozprężanie w urządzeniu rozprężającym 9, przed albo za trzecim oddzielaczem 6b wody. Podczas nagrzewania gazu przez bezpośrednie spalanie w przewodzie rurowym, powstaje między innymi woda, która może występować częściowo w stanie płyn6

184 607 nym i którą oddziela się przed rozprężaniem gazu w oddzielaczu 6a. Nagrzany gaz nasycony parą wodną rozpręża się w odpowiednim urządzeniu, jak na przykład turbina gazowa, od ciśnienia na przykład 180 bar do innego, niższego ciśnienia. Do urządzenia rozprężania dołączony jest w dowolnej kolejności czujnik pomiarowy temperatury układu regulacji temperatury 8 i następny wodo oddzielacz 6b, za którym następuje na ogół urządzenie osuszające 12.

Sposób ten objaśniony został jeszcze na poniższym przykładzie liczbowym, przy czym jako gaz palny przyjmuje się gaz ziemny:

Gaz ziemny czerpany z podziemnego magazynu należy przed rozprężeniem podgrzać tak, żeby jego temperatura po rozprężeniu do 40 bar wynosiła 5°C.

Dane wyjściowe

Gaz czerpany	Skład chemiczny: Ciśnienie: Temperatura: Strumień objętościowy (CH4)	metan, nasycony wodą 180 bar 20°C 100.000 m³/h (norm.)
Środek utleniający	Skład chemiczny:	tlen, 100%
	Ciśnienie:	180 bar
	Temperatura:	20°C

Analiza termodynamiczna wykazuje, że gaz ziemny przed rozprężeniem trzeba podgrzać od 20°C do 46°C. Dlatego, do każdego kg gazu ziemnego należy dodać 0,0067 kg tlenu, który następnie reaguje z gazem ziemnym w H₂O i CO₂. W innych warunkach należałoby uzyskać odpowiednio inne temperatury i dodać specyficzne ilości tlenu.

Wynalazek w zakresie urządzenia opisany został dokładniej na podstawie fig. 2 i 3 rysunku.

W przykładzie wykonania według fig. 2, część gazu płynącego przewodem rurowym 1, najczęściej gazu ziemnego, jest prowadzona centralną rurą 2. Na początku tej centralnej rury 2 dodaje się tlen doprowadzany następnym przewodem rurowym 3. Na odcinku mieszania 4 miesza się ze sobą tlen i gaz. W tym celu na odcinku mieszania 4 są zamontowane elementy wspomagające proces mieszania. Spalanie gazu odbywa się na katalizatorze 5. Celowe jest takie zaprojektowanie części z katalizatorem 5, żeby nie było tam całkowitego spalania gazu. _ W takim przypadku podłącza się następny odcinek mieszania 4', jak też następny katalizator 5'. Pokazuje to fig. 2. Zeby zachować dostateczny przepływ gazu centralną rurą 2, w której występuje zwiększony opór powodowany zamontowanymi elementami 4, 5, wstawia się w wolny przekrój przewodu rurowego 1 opór przepływu 16 w strefie centralnej rury 2, przy czym oporem takim w najprostszym przypadku jest pierścień blaszany.

W przykładzie wykonania według fig. 3, gaz ziemny spala się w palniku 7 wstawionym w centralną, rurę 20, która znajduje się w przewodzie rurowym 10 gazu palnego pod wysokim ciśnieniem, najczęściej gazu ziemnego. Palnik 7 może być wykonany jako czysty palnik dyfuzyjny albo jako palnik ze wstępnym mieszaniem. W tym ostatnim przypadku posiada on nie pokazane tu na rysunku, ale znane np. z palnika Bunsena urządzenia, które umożliwiają wstępne mieszanie gazu i tlenu. Nie pokazano również na rysunku urządzeń zabezpieczających i regulacyjnych, jakie są zwykle potrzebne przy pracy palnika. Tlen doprowadza się przewodem 30. Żeby korygować ewentualne niedoskonałości w spalaniu, celowe jest umieszczenie w centralnej rurze 20 jeszcze jednego katalizatora spalania 50'. Opór przepływu 6 służy do wymuszenia dostatecznego strumienia gazu w centralnej rurze 20.

184 607

Fig. 2

Fig. 3

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób podgrzewania znajdującego się pod wysokim ciśnieniem gazu palnego przed jego rozprężeniem, znamienny tym, że część gazu podgrzewa się poprzez spalanie bezpośrednio w zbiorniku zawierającym gaz.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że spalanie prowadzi się w zbiorniku zawierającym gaz w postaci przewodu rurowego (1) gazu palnego.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że spalanie prowadzi się z pomocą gazu zawierającego tlen.
4. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że gazem zawierającym tlen jest czysty tlen.
5. Sposób według zastrz. 3 albo 4, znamienny tym, że tlen albo gaz zawierający tlen wprowadza się następnym przewodem rurowym (3) do przewodu rurowego (1) gazu palnego pod wysokim ciśnieniem, po czym gaz zawierający tlen miesza się z innym gazem i mieszankę doprowadza się do reakcji.
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że gazem palnym znajdującym się pod wysokim ciśnieniem jest gaz ziemny.
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że spalanie prowadzi się z wykorzystaniem katalizatora (5,50').
8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zarówno przed jak i po rozprężaniu, gaz osusza się i odprowadza powstającą przy spalaniu wodę, w oddzielaczach (6,6a, 6b).
9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że spalanie prowadzi się za pomocą rozdzielacza gazu z urządzeniem zapłonowym i, korzystnie, katalizatora (5).
10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że spalanie prowadzi się za pomocą palnika (7), w którym doprowadza się gaz palny i gaz zawierający tlen zamienionymi przewodami.
11. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że w przewodzie rurowym (1) utrzymuje się dostateczny przepływ gazu za pomocą oporu przepływu (16).
12. Urządzenie do podgrzewania gazu palnego pod wysokim ciśnieniem przed jego rozprężeniem, z przewodem rurowym dla gazu i urządzeniem podgrzewającym dla gazu, znamienne tym, że urządzenie podgrzewające znajduje się w przewodzie rurowym (1) przed urządzeniem rozprężającym (9) i zawiera koncentrycznie usytuowaną centralną rurę (2, 20).
13. Urządzenie według zastrz. 12, znamienne tym, że do przewodzącego gaz palny przewodu rurowego (1) wprowadzony jest, prostopadle do kierunku przepływu w przewodzie rurowym (1), następny przewód rurowy (3, 30) doprowadzający gaz zawierający tlen, korzystnie tlen.
14. Urządzenie według zastrz. 12, znamienne tym, że następny przewód rurowy (3, 30) zakończony jest w przewodzie rurowym (1) gazu palnego odcinkiem załamanym pod kątem prostym, tak, że przekrój poprzeczny jego wylotu jest prostopadły do kierunku przepływu w przewodzie gazowym (1), uchodzącym do centralnej rury (2,20), urządzenia podgrzewającego.
15. Urządzenie według zastrz. 13, znamienne tym, że na końcu następnego przewodu rurowego (30) zamocowany jest palnik (7), który jest osadzony w centralnej rurze (20) urządzenia podgrzewającego i ma zamienione przyłącze doprowadzenia gazu palnego i gazu zawierającego tlen.
16. Urządzenie według zastrz. 12, znamienne tym, że w centralnej rurze (2, 20) urządzenia podgrzewającego znajduje się katalizator (5, 50') spalania.
17. Urządzenie według zastrz. 12, znamienne tym, że urządzenie podgrzewające jest wyposażone w rozdzielacz gazu z urządzeniem zapłonowym i katalizator (5) spalania.
18. Urządzenie według zastrz. 12, znamienne tym, że w przewodzie rurowym (1) gazu palnego jest umieszczony opór przepływu (16).

184 607
19. Urządzenie według zastrz. 12, znamienne tym, że na przewodzie rurowym (1) gazu palnego umieszczone są oddzielacze wody, zarówno przed jak i za stanowiskiem rozprężania.
20. Urządzenie według zastrz. 12, znamienne tym, że gazem palnym znajdującym się pod wysokim ciśnieniem jest gaz ziemny.