SE519559C2 - Sätt och system för återvinning av värme från gaskomprimering - Google Patents

Description

...- 519 559 2 För att maximera kompressorns verkningsgrad måste mellan- kylningen åstadkommas med ett så kallt kylmedium som möjligt.

Vanligtvis används sjö- eller åvatten som kylmedium. Detta har en temperatur av mellan 10 och 25°C före kylning av gasen och temperaturen ökas med 6-10°C i mellankylarna. Då tillgång till kylvatten är begränsad används ibland kyltorn. Uppbyggnaden och underhållet av sådana torn representerar naturligtvis en kost- nad som ej kan försummas.

Ett vanligt antagande är att en fyragradig ökning av den in- kommande kylvattentemperaturen resulterar i en ökad energi- förbrukning på 1%. Vid en anläggning av normal storlek innebär detta en årlig förbrukningsökning på cirka 0,5 GWh.

I fig. 1 visas en känd luftseparationsanläggning med värmeåter- vinningskylare. I fig. 1 är en kompressorenhet 10 försedd med värmeåtervinningskylare (ej visade). Vid 12 tillförs inluft till kompressorerna och vid 14 släpps utluft vid högre tryck än inluften ut från kompressorenheten 10. Ett kylvattensystem, allmänt betecknat 20, är anordnat för att förse kompressorn med kylvatten. Kylvatten vid en låg temperatur Tl, cirka 30°C, tillförs kompressorerna och används i dessa för att kyla luften. Utgående kylvatten lämnar kompressorerna vid en tempe- ratur T2 på cirka 70-80°C. Detta utgående kylvatten tillförs en värmeväxlare 22, i vilken en del av värmeenergin återvinns i en sekundär krets 24. Det vatten som lämnar värmeväxlaren 22 har dock en temperatur T3 som är alltför hög för att tillföras direkt till kompressorerna som kylvatten. Av denna anledning är en säkerhetskylare/värmeväxlare 26 anordnad för att ytterligare kyla kylvattnet. Denna säkerhetskylare använder vatten som kyl- medium och måste konstrueras för det värsta fallet, dvs för maximal värmebelastning. Det vatten som lämnar säkerhetskylaren har temperaturen Tl, dvs cirka 30°C.

Anledningen till att man anordnar värmeväxlare i kylvatten- systemet är att kyla kylvattnet så mycket som möjligt. Fack- mannen inom teknikområdet kompressorer har lärt sig att komp- ressorn bör arbeta vid så låg temperatur som möjligt eftersom verkningsgraden minskar med högre temperaturer. 51.9 559 3 Ett annat känt sätt att återvinna värme är medelst värmepumpar och värmeväxlare.

Den ovan beskrivna kända tekniken involverar extrautrustning, såsom värmeväxlare etc. Detta leder till en ökad totalkostnad för anläggningen.

U É Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett sätt och ett system för återvinning av kompressionsvärme i en luftseparationsanläggning i samband med fjärrvärme, som är effektivare är vid dagens anläggningar.

SAMMANFAT N N V UP NG N Uppfinningen baseras på en anpassning av mellankylningen till temperaturkraven på kylvattnet för att öka värmeåtervinning för fjärrvärme.

Det har oväntat upptäckts, att fjärrvärmevatten är ett utom- ordentligt kylmedium för kompressorerna i luftseparations- anläggningar då denna anpassning önskas. På detta sätt kan en mycket högre grad av energi återvinnas jämfört med kända installationer. Dessutom krävs ingen extrautrustning, såsom värmepumpar och värmeväxlare.

Genom att bringa kompressorn att arbeta vid högre temperaturer ökas den totala verkningsgraden hos kompressorn i kombination med fjärrvärmesystemet, även om verkningsgraden vid gaskompri- mering för luftseparationsanläggningen minskas betydligt.

Enligt föreliggande uppfinning åstadkommes sålunda ett sätt att återvinna värme från gaskomprimering i en luftseparations- anläggning som används för fjärrvärme, inkluderande följande steg: a) att man komprimerar gasen i åtminstone två steg; b) att man kyler gasen efter varje steg medelst ett kylmedium; c) att man återvinner värmen från kylmediet i ett fjärrvärme- system, kännetecknat av att gasen kyls till en temperatur på 50-80°C och att kylmediet uppvärms till en temperatur på 70-ll0°C. Kylningen i steg b) utförs medelst returvatten från 519 559 4 ett fjärrvärmesystem med en temperatur av mellan 40-70°C och ännu hellre 45-70°C.

Det åstadkommes även ett system för att återvinna värme från gaskomprimering i en luftseparationsanläggning för användning för fjärrvärme, innefattande åtminstone två gaskompressorsteg; kylare anordnade efter varje kompressorsteg, vilka kylare inne- fattar ett gasinlopp anslutet till utgången på föregående kompressorsteg, ett gasutlopp anslutet till ingången på nästa kompressorsteg, ett inlopp för kylmedium anslutet till en källa för kylmedium och ett utlopp för kylmedium; kännetecknat av att det inmatade kylmediet är returvatten från ett fjärrvärme- system; och utloppet för kylmediet är anslutet till ett fjärr- värmesystem, varvid kylmediet lämnar nämnda utlopp för kyl- medium vid en temperatur av 70-110°C och inloppskylmediet har en temperatur av cirka 40-70°C.

Ytterligare föredragna utföringsformer definieras i de under- ordnade patentkraven.

KOR FAT SK V ING AV R TN NGAR A Uppfinningen kommer nu att beskrivas, såsom exempel, under hänvisning till bifogade ritningar, på vilka: Fig. 1 är en översikt över en kompressorenhet vid en luftsepa- rationsanläggning enligt känd teknik; Fig. 2 är en översikt över en kompressorenhet vid en luftsepa- rationsanläggning enligt uppfinningen; och Fig. 3 är ett detaljerat schema över en kompressorenhet vid en luftseparationsanläggning enligt uppfinningen.

J D S R V V U NI G Fig. l har beskrivits i samband med känd teknik och kommer ej att beskrivas ytterligare.

Fig. 2 visar kompressorenheten vid en luftseparationsanläggning enligt uppfinningen. Kompressorenheten är identisk med enheten 519 559 visad i fig. 1 och kommer att ytterligare förklaras nedan under hänvisning till fig. 3. Inluft 32 tillförs kompressorerna och utluft 34 vid ett högre tryck än inluften släpps ut från enheten 30. För att kyla mellanprodukterna mellan kompressor- stegen i kompressorenheten tillförs inloppskylvatten vid en temperatur T4. Efter kylning av produkterna i enheten 30 lämnar utloppskylvattnet enheten vid en temperatur T5, som är högre än temperaturen T4.

Vid den beskrivna utföringsformen är inloppskylvattnet retur- vatten från ett fjärrvärmesystem. Detta vatten har en tempera- tur T4 i området 40-70°C, ibland 45-70° eller till och med 50-70°C, dvs mycket över de temperaturer som vanligtvis används för kylvatten. Vid denna tillämpning är detta dock ej en nack- del.

Efter kylning av produkterna i kompressorenheten 30 har ut- loppskylvattnet en temperatur T5 av cirka 70-80°C och upp till 110°C, dvs idealt för användning som vatten i ett fjärrvärme- system. Av denna anledning tillförs detta utloppskylvatten direkt till fjärrvärmesystemet för användning i detta.

Det föreligger en grundläggande skillnad mellan kompressor- enheten enligt uppfinningen och känd teknik. Enligt uppfin- ningen är ingen extra kylning av kylvattnet nödvändig. Av denna anledning kan värmeväxlarna sammanhörande med känd teknik ute- lämnas, vilket sparas kostnader och ökar värmeåtervinningen.

En detaljerad beskrivning av den föredragna utföringsformen av uppfinningen kommer nu att ges under hänvisning till fig. 3, i vilken en trestegs kompressorenhet visas. Inluft 32 tillförs ett första luftkompressorsteg 36a. De häri beskrivna kompresso- rerna är av en konventionell turbotyp som är välkänd för fack- mannen inom teknikområdet och som ej kommer att beskrivas ytterligare. Inluften har egenskaperna sammanhörande med atmos- färluft, dvs en temperatur T6 av cirka 20°C och ett tryck på 1,0 bar. Efter att ha passerat det första kompressorsteget 36a har luften ett högre tryck och en mindre volym men temperaturen har ökat till cirka 90-100°C. ...a 519 559 6 En första mellankylare 38a är ansluten till det första kompres- sorsteget 36a. Liksom de andra mellankylarna 38b och 38c som beskrives häri, se nedan, innefattar kylaren 38a ett gasinlopp anslutet till utgången på det föregående kompressorsteget, ett gasutlopp anslutet till ingången på nästa kompressorsteg, ett inlopp för kylmedium anslutet till en källa för kylmedium 37 och ett utlopp för kylmedium anslutet till en gemensam anslut- ningspunkt 40 som leder till kylvattenutloppet 39 anslutet till ett fjärrvärmesystem.

Luften kyls i denna första mellankylare 38a medelst kylvatten som tillförs vid temperaturen T4 för returvatten från fjärr- värmesystemet 37, dvs cirka 50°C. Kylaren 38a är så dimensione- rad och bringas arbeta på så sätt, att det kylvatten som lämnar den har en temperatur T5l som är lämplig för fjärrvärmesyste- met, dvs vanligtvis cirka 70-80°C men ibland upp till 110°C.

Luften vidarebefordras därefter till ett andra kompressorsteg 36b, i vilket trycket och temperaturen hos luften ytterligare ökas. Temperaturen T9 hos den luft som lämnar det andra komp- ressorsteget 36b är cirka 130-140°C. Denna luft avkyls därefter i en andra mellankylare 38b medelst kylvatten som tillförs vid temperaturen T4 hos returvatten från fjärrvärmesystemet 37, dvs cirka 50°C. Den andra kylaren 38b är så dimensionerad och bringas arbeta på så sätt, att det kylvatten som lämnar den har en temperatur T52 som är lämplig för fjärrvärmesystemet. Detta vatten leds därefter till anslutningspunkten 40 och vidare till fjärrvärmesystemet 39.

Den luft som lämnar den andra mellankylaren 38b har en tempera- tur på cirka 60°C. Denna luft passerar därefter ett ytterligare kompressorsteg 36c med sammanhörande mellankylare 38c. I detta tredje steg kyls den luft som lämnar kompressorsteget så att man uppnår den önskade temperaturen för fjärrvärmesystemet på samma sätt som i de första och andra stegen. Tl2 är sålunda cirka 60°C.

En slutkylare 42 är anordnad för kylning av luften till en önskad sluttemperatur Tl3, vilken för luftseparationstillämp- 519 559 7 ningar är cirka 10-15°C. För detta används kylvatten 44 med en temperatur på cirka 10°C som kylmedium i slutkylaren 42.

I det följande kommer energiaspekterna av luftseparerings- anläggningen enligt uppfinningen att diskuteras. Varje kompres- sorsteg förbrukar energi och denna förbrukning utgör en större del av driftkostnaderna för en luftseparationsanläggning. För att sänka denna energiförbrukning har man önskat köra komp- ressorerna vid en låg temperatur. Vid föreliggande utförings- form har dock inloppskylvattnet 37 en temperatur av cirka 50°C jämfört med konventionellt kylvatten, som har en temperatur av cirka 15-30°C. Med ett inloppsluftflöde på cirka 21500 mi per timme förbrukar de tre kompressorstegen 36a-c tillsammans cirka 1,98 MW. Detta är högre än vid en konventionell anläggning, vid vilken motsvarande effektförbrukning vid drift med konventio- nella kylningstemperaturer skulle ha varit cirka 1,85 MW. Det föreligger sålunda en ökad effektförbrukning på 1,98 - 1,85 = 0,13 MW till följd av den mindre effektiva driften av komp- reSSOrerTla .

Den energi som erhålles genom fjärrvärmesystemets upphettade vatten mer än kompenserar denna ökade effektförbrukning hos kompressorn. Vid föreliggande exempel erhålles cirka 1,48 MW vid upphettningen av vattnet vilket resulterar i en total för- brukning på 1,98 - 1,48 = 0,4 MW. Med föreliggande uppfinningen kan upp till 70-80% av kompressorernas effektförbrukning om- vandlas direkt till fjärrvärme.

Med föreliggande uppfinning uppnås en förvånansvärt hög verk- ningsgrad. Den användbara fjärrvärmeenergin är 9-11 gånger ökningen i effektförbrukning hos kompressorn. Detta kan jäm- föras med en värmepump, vid vilken motsvarande siffra är cirka 3-4.

En annan fördel med att använda föreliggande uppfinning i processindustrin är att luftseparationsenheten körs under hela året. Detta innebär, att denna billiga värmekälla för ett fjärrvärmesystem kan användas mycket bra som baslast. .eu 519 559 8 En föredragen utföringsform av en kompressor i en luftsepara- tionsenhet enligt uppfinningen har beskrivits. Fackmannen inom teknikområdet inser, att denna kan modifieras på många sätt inom ramen för patentkraven. Temperatur- och effektförbruk- ningsvärden har endast givits som exempel. Vidare kan komp- ressorenheten innefattar två, tre, fyra eller till och med fler än fyra kompressorsteg, beroende på behoven.

Ett system har beskrivits, vid vilket returvatten från ett fjärrvärmesystem används direkt som kylmedium. I vissa fall är det ej önskvärt att använda returvattnet i luftseparations- enheten. Vid en alternativ utföringsform används därför retur- vattnet indirekt medelst en sekundär krets ansluten till fjärr- värmesystemets rörsystem via en värmeväxlare.

Vid den beskrivna utföringsformen kyls gasen till en sluttempe- ratur på cirka 60°C. Denna temperatur kan dock variera med tillämpningen och kan ligga var som helst inom området 50-80°C.

Claims (8)

519 559 PATENTKRAV

1. Sätt att återvinna värme från gaskomprimering i en luftseparationsanläggning, vilket sätt används för fjärrvärme, inkluderande följande steg: a) att man komprimerar gasen i åtminstone två steg, b) att man kyler gasen efter varje steg medelst ett kylmedium, och c) att man återvinner värmen från kylmediet i ett fjärrvärme- system, k ä n n e t e c k n a t a v att gasen kyls till en temperatur av 50-80°C, att kylmediet uppvärms till en temperatur av 70-110°C, och att kylningen i steg b) åstadkommes medelst returvatten från ett fjärrvärmesystem med en temperatur av mellan 40-70°C.

2. Sätt enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t a v a t t kylningen i steg b) åstadkommas medelst returvatten med en temperatur på mellan 45-70°C. nu 519 559 10

3. Sätt enligt något av patentkraven 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t a v a t t returvattnet används direkt som kylmedium.

4. Sätt enligt något av patentkraven 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t a v a t t returvattnet används indirekt som kylmedium med användande av en sekundär krets.

5. Sätt enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t a v a t t komprimeringen i steg a) utförs i åtminstone tre steg.

6. System för att återvinna värme från gaskomprimering i en luftseparationsanläggning för användning för fjärrvärme, innefattande åtminstone två gaskompressorsteg (36a-c); kylare (38a-c) anordnade efter varje kompressorsteg, vilka kylare innefattar ett gasinlopp anslutet till utgången på före- gående kompressorsteg, ett gasutlopp anslutet till ingången på nästa kompressorsteg, ett inlopp för kylmedium anslutet till en källa för kylmedium och ett utlopp för kylmedium; k ä n n e t e c k n a t a v a t t det inmatade kylmediet är returvatten från ett fjärrvärme- system; utloppet för kylmediet är anslutet till ett fjärrvärmesystem, varvid kylmediet lämnar nämnda utlopp för kylmedium vid en temperatur av 70-l10°C och 519 559 ll att inløppskylmediet har en temperatur av cirka 40-70°C.

7. System enligt patentkrav 6, k ä n n e t e c k n a t a v a t t inloppskylmediet har en temperatur av cirka 45-70°C.

8. System enligt patentkravet 6 eller 7, k ä n n e t e c k n a t a v a t t antalet gaskømpressorsteg är åtminstone tre.