WO2013170964A1 - Vorrichtung zur lieferung von gas - Google Patents

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Annette Kalsbach
Thomas KLICK
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Abstract

Vorrichtung zur Lieferung von verdampften Gas aus einem Vorratstank (1) für tiefkaltes Flüssiggas mit geregeltem Druck an einen Verbraucher (8), dessen Anforderungen an den Druck und den Massestrom des Gases stark variieren, mit einer motorbetriebenen Hochdruckpumpe (3) für das Flüssiggas, deren Antriebs-Drehzahl den Massestrom des geförderten Flüssiggases bestimmt, mit einem auf die Hochdruckpumpe (3) folgenden Verdampfer (6) für das Flüssiggas, mit einem auf den Verdampfer (6) folgenden Druckregelventil (10) für das verdampfte Gas, an dessen Ausgang der Verbraucher (8) angeschlossen wird, mit einem ersten Regler (11), dessen Regelgröße der Druck des verdampften Gases hinter dem Druckregelventil (10) ist und dessen Stellgröße das Druckregelventil (10) beaufschlagt, mit einem zweiten Regler (15), dessen Regelgröße der Druck des Gases zwischen der Hochdruckpumpe (3) und dem Druckregelventil (10) ist und dessen Stellgröße einen Drehzahlsteller (19) für die Hochdruckpumpe (3) beaufschlagt und mit Mitteln (17) zur Kombination der Stellgrößen der beiden Regler (11; 15) derart, daß die Stellgröße des ersten Reglers (11) zusätzlich den Drehzahlsteller (19) beaufschlagt.

Description

Vorrichtung zur Lieferung von Gas
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Belieferung eines Verbrauchers mit Gas aus einem Vorrat an tiefkaltem Flüssiggas, insbesondere flüssigem Erdgas (LNG). Es handelt sich in erster Linie um Verbraucher, die Brenngas verwenden, z. B. Motoren. Es kommen aber auch andere Verbraucher in Betracht, z. B. solche, die Spülgas benötigen. In jedem Fall erwarten die Verbraucher, daß ihnen das Gas mit einem vom Verbraucher vorgegebenen und genau einzuhaltenden Druck zugeführt wird, der zeitlich, abhängig vom Arbeitszustand des Verbrauchers, variiert und dabei auch plötzliche Änderungen erfahren kann. Ebenso ist die zeitliche Menge des verlangten Gases, d. h. der Massestrom des Gases, normalerweise nicht konstant, sondern von der Belastung des Verbrauchers abhängig.
Typische Verbraucher, für welche die Erfindung in Frage kommt, sind Dieselmotoren für Schiffsantriebe oder kleinere, Elektrizität produzierende Kraftwerke, die wahlweise mit Gas betrieben werden, und zwar in der Weise, daß bei jedem Arbeitstakt in den Zylinder zusätzlich zu dem Dieselöl, dem sogenannten Pilotöl, eine bestimmte Menge Gas unter hohem Druck eingeleitet wird. Der Gasbedarf dieser Motoren ändert sich unter Umständen rasch. Der verlangte Druck ist von der jeweiligen Leistung des Motors abhängig und liegt für LNG typischerweise zwischen 150 und 300 bar. Besonders ausgeprägt und sprunghaft sind die Änderungen beim Druck und Massestrom, wenn in einer Gruppe von Verbrauchern, z. B. in einer Kraftwerks-Gruppe, ein Verbraucher bzw. Motor plötzlich, z. B. aufgrund einer Notabschaltung, ganz ausfällt. Die Vorrichtung, welche solche Verbraucher mit Gas versorgt, muß solchen Änderungen nachkommen können.
Ein Ansatz zur Lösung dieses Problems besteht darin, daß eine große Menge verdampften, also gasförmigen Gases unter hohem, am Maximaldruck des Verbrauchers orientierten Druck ständig bereitgehalten wird, um die Verbrauchsschwankungen ausgleichen zu können. Dieses Vorgehen ist jedoch sicherheitstechnisch sehr aufwändig, weil eine größere Menge von Gas, das unter hohem Druck steht, grundsätzlich gefährlich ist.
Ein anderer Lösungsansatz besteht darin, daß man das Gas noch im flüssigen Zustand mittels einer Pumpe unter Druck setzt, dabei, bezogen auf den tatsächlich benötigten Massestrom, im Überschuß dem Vorratstank entnimmt und die jeweils nicht benötigte Teilmenge wieder in den Vorratstank zurückführt. Da sich das flüssige Gas hierbei aufgrund der Druckerhöhung auch erwärmt, wird ständig Wärme in den Vorrat tiefkalten Flüssiggases eingeleitet mit der Folge, daß sich die unerwünschte Bildung von Abdampfgas, des sogenannten Boil-Off-Gases, im Vorratstank verstärkt. Wegen des damit verbundenen Druckanstiegs im Vorratstank, der nicht für hohen Druck ausgelegt ist, stellt dies insbesondere an Bord eines Schiffes eine problematische Gefahrenquelle dar.
Verzichtet man auf die Bereithaltung von Puffermengen an Gas, das unter Druck steht, und versucht, die Anforderungen des Verbrauchers an Druck und Massestrom des gelieferten Gases allein mit den üblichen regelungstechnischen Mitteln zu erfüllen, stößt man rasch an Grenzen. Die Regelung ist entweder zu träge, um einen kurzfristigen, d. h. innerhalb weniger Sekunden ablaufenden Druckanstieg oder Druckabfall nachbilden zu können, oder sie neigt zu unkontrollierten Regelschwingungen des Gasdruckes.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die in Anspruch 1 definiert ist, gelingt es, den Druck des an den Verbraucher abgegebenen Gases entsprechend dem Anforderungsprofil des Verbrauchers genau einzuhalten, auch bei schwierigen Verbrauchern, z. B. Diesel-Gas- Motoren, mit sehr hohen Anforderungen an die statische und dynamische Genauigkeit des Gasdruckes.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in an sich bekannter Weise zunächst das noch flüssige Gas auf hohen Druck gebracht und dann, im Zustand hohen Druckes, z. B. durch Wärmezufuhr über einen Wärmetauscher, verdampft, d. h. in den gasförmigen Zustand überführt. Es sind zwei Regler vorhanden, von denen ein erster Regler über ein Druckregelventil in Strömungsrichtung hinter dem Verdampfer den Druck des an den Verbraucher abgegebenen Gases regelt, während ein zweiter Regler den Druck des Gases vor dem Druckregelventil und hinter der zur Druckerhöhung genutzten Hochdruckpumpe regelt, indem er den Massestrom des von der Hochdruckpumpe geförderten Gases verstellt. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nun dieser Massestrom nicht nur von der Stellgröße des zweiten Reglers beeinflußt, sondern zusätzlich auch von der Stellgröße des ersten, auf das Druckregelventil hinter dem Verdampfer einwirkenden Reglers.
Mit der Einstellung des Massestroms des Gases ist gleichbedeutend eine Einstellung des Volumenstroms des Gases, weil beide Größen einander proportional sind mit der Dichte, genauer der Raumdichte der Masse des Gases, am Ort der Einstellung als Proportionalitätsfaktor.
Bevorzugte Mittel zur Kombination der Stellgrößen der beiden Regler sind in den Ansprüchen 2, 3 und 4 gekennzeichnet. Der Massestrom hängt bevorzugt also von einer Summe der bei- den Stellgrößen ab, gegebenenfalls mit einer Begrenzung der Summe entsprechend dem zulässigen Signalbereich der Stelleinrichtung für den Massestrom, und gegebenenfalls weiter mit einer individuellen Beeinflussung der Stellgröße des ersten Reglers gemäß einer bestimmten, vorzugsweise dynamischen Übertragungsfunktion, soweit die Stellgröße zur Massestrom- Einstellung mitbenutzt wird.
Die Massestrom-Einstellung wird gemäß Anspruch 6 bevorzugt über die den Massestrom bestimmende Drehzahl der Hochdruckpumpe realisiert, indem man zum Antrieb der Hochdruckpumpe einen Elektromotor zusammen mit einem zugeordneten, handelsüblichen Drehzahlsteller vorsieht, der die Kombination der beiden Stellgrößen zur Drehzahleinstellung verwendet.
Die Erweiterung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Anspruch 7 hat nicht den Zweck, einen ständigen„Überschuß'-Betrieb der Vorrichtung zu ermöglichen. Vielmehr berücksichtigt diese Weiterbildung den Umstand, daß übliche Hochdruckpumpen eine untere Massestromgrenze haben, unterhalb derer sie nicht mehr zufriedenstellend arbeiten. Es gibt also einen kleinsten Massestrom des Gases, den die Pumpe nicht unterschreiten kann. Der dritte Regler tritt im Normalfall nur dann in Aktion, indem er das ihm zugeordnete zweite Druckregelventil zu öffnen beginnt und damit eine Rückführung von flüssigem Gas in den Vorratstank ermöglicht, wenn der Verbraucher einen Massestrom nachfragt, der so gering ist, daß er unter dem Mindestwert der Hochdruckpumpe liegt.
Der zweite und der dritte Regler können jeweils einen eigenen Druckaufnehmer haben, sind aber bevorzugt an einen gemeinsamen Druckaufnehmer angeschlossen. Grundsätzlich ist es nicht entscheidend, ob dieser in Strömungsrichtung vor oder hinter dem Verdampfer angeordnet ist. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel erfaßt der Druckaufnehmer den Druck des flüssigen Gases vor dem Verdampfer.
Die in den Ansprüchen 6 und 8 gekennzeichneten Sollwerte gelten für den regelmäßigen Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Es kommen jedoch auch andere Auslegungen in Frage, sei es dauerhaft oder für bestimmte Ausnahmefälle z. B. bei einer Notabschaltung eines Verbrauchers, einer schnellen Gasabschaltung oder einer sehr schnellen Änderung des Gasdruckes am Ausgang der Vorrichtung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird bevorzugt an Bord von Schiffen verwendet zur Belieferung des Schiffsantriebs mit Erdgas (LNG), und zwar insbesondere dann, wenn der Schiffsantrieb sogenannte MEGI-Motoren umfaßt, die in der eingangs beschriebenen Weise mit Dieselöl und Gas betrieben werden. Diese Motoren verlangen, daß ihnen das LNG am Eingang zu einem vorgegebenen Druck mit hoher Genauigkeit zur Verfügung gestellt wird. Die Druckwerte können in einem weiten Druckbereich stark variieren; typisch sind 150 bis 300 bar. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dabei in der Lage, auch schnellen Druckrampenverläufen exakt zu folgen. Dies gelingt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, obwohl die vom Schiffsmotor geforderten Masseströme unabhängig von der Druckanforderung völlig unterschiedlich sein können.
In jüngerer Zeit wird außerdem über Schiffsantriebe mit Motoren diskutiert, die LPG (klassisches Flüssiggas mit den Hauptbestandteilen Propan, Propen, Butan, Buten, Isobutan und/oder Isobuten) verbrennen. Bei diesem Medium ist das erforderliche Druckniveau noch erheblich höher als bei LNG; es reicht bis zu 600 bar. Dafür sind die tiefsten Temperaturen nicht so tief wie bei LNG, so daß die Problematik des Boil-Off-Gases weniger ausgeprägt ist. Trotzdem ist auch hier die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Belieferung des entsprechenden Schiffsmotors mit Gas den bekannten Vorrichtungen vorzuziehen.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Prozeßfließbild einer Vorrichtung nach der Erfindung.
In einem Vorratstank 1 befindet sich flüssiges Erdgas (LNG). An den Vorratstank 1 ist über eine Entnahmeleitung 2 eine Hochdruckpumpe 3 angeschlossen, die von einem Elektromotor 4 angetrieben wird. Eine Verbindungsleitung 5 führt vom Ausgang der Hochdruckpumpe zu einem Verdampfer 6. Vom Verdampfer 6 führt eine Ausgangsleitung 7 zu einem Verbraucher 8, hier in Form eines Dieselmotors, der zusätzlich mit Hochdruck-Gas betreibbar ist. An den Ausgang der Hochdruckpumpe ist außerdem ein Dämpfer 9 angeschlossen.
Die von dem Elektromotor 4 angetriebene Hochdruckpumpe 3 entnimmt tiefkaltes Flüssiggas dem Vorratstank 1 und setzt es unter hohen Druck. Der Dämpfer 9, ein teilweise mit flüssigem Gas und teilweise mit selbstverdampftem Gas gefüllter Behälter, dämpft die dabei entstehenden Druckschwingungen im Flüssiggas. Von der Hochdruckpumpe 3 gelangt das Flüssiggas über die Leitung 5 zum Verdampfer 6. Dieser umfaßt in nicht näher gezeigter Weise einen Wärmetauscher, mittels dessen das Flüssiggas erwärmt wird und dabei verdampft. Das verdampfte Gas, das also gasförmig ist und dabei den hohen, von der Hochdruckpumpe 3 erzeugten Druck hat, gelangt über die Ausgangsleitung 7 zum Diesel-Gas-Motor 8.
In die Ausgangsleitung 7 ist ein Druckregelventil 10 eingefügt, das von einem ersten Regler 11 verstellt wird. Der Regler 11 erfaßt mittels eines Druckaufnehmers 12 als Regelgröße den Druck des Gases in Strömungsrichtung hinter dem Druckregel entil 10 und bildet daraus sowie aus einem extern vorgegebenen Sollwert SP1 die Stellgröße für das Druckregelventil 10.
Ein zweiter Regler 15 erfaßt über einen Druckaufnehmer 16 als Regelgröße den Druck des flüssigen Gases in der Verbindungsleitung 5 und bildet daraus sowie aus einem extern vorgegebenen Sollwert SP2 eine Stellgröße, die an den einen Eingang eines Addiergliedes 17 gelangt. An den anderen Eingang des Addiergliedes 17 gelangt über ein Übertragungsglied 13 die Stellgröße des ersten Reglers 11. Das Übertragungsglied 13 modifiziert diese Stellgröße, soweit sie dem Addierglied 17 zugeführt wird, nach Maßgabe einer im Übertragungsglied verwirklichten, dynamischen Übertragungsfunktion, die den individuellen Verhältnissen der Vorrichtung angepaßt werden kann.
An den Ausgang des Addiergliedes 17 ist über einen Begrenzer 18 ein Drehzahlsteller 19 für den Elektromotor 4 angeschlossen. Der Begrenzer 18 begrenzt die im Addierglied 17 gebildete Summe der beiden Stellgrößen auf den zulässigen Signalbereich des Drehzahlstellers 19. Der Drehzahlsteller 19 ist beispielsweise als Frequenzumrichter ausgebildet, der über die Frequenz des dem Elektromotor 4 zugeführten Speisestroms die Drehzahl des Elektromotor nach Maßgabe der begrenzten Summe der beiden Stellgrößen von den Reglern 11 und 15 einstellt und damit auch den von der Hochdruckpumpe 3 geförderten Massestrom des Flüssiggases.
An die Verbindungsleitung 5 ist schließlich noch ein zweites Druckregelventil 20 angeschlossen, dessen Ausgang über eine Rückleitung 22 mit dem Vorratstank 1 in Verbindung steht. Wenn das Druckregelventil 20 öffnet, kann Flüssiggas über die Rückleitung 22 zurück zum Vorratstank 1 fließen. Das Druckregelventil 20 wird durch die Stellgröße eines dritten Reglers 21 betätigt, der als Regelgröße über den Druckaufnehmer 16 wie der Regler 15 den Druck des Flüssiggases hinter der Hochdruckpumpe 3 erhält und daraus sowie aus einem extern vorgegebenen Sollwert SP3 die Stellgröße für das Druckregelventil 20 bildet.
Im Normalfall ist der Sollwert SP2 des zweiten Reglers 15 höher als der Sollwert SP1 des ersten Reglers 11 und der Sollwert SP3 des dritten Reglers 21 wiederum höher als der Sollwert SP2 des zweiten Reglers 15.
Die Regler 11 und 15 stellen gemeinsam den Druck des verdampften Gases ein, das zum Diesel-Gas-Motor 8 gelangt. Der dritte Regler 21 sorgt für eine Herabsetzung des Gasdruckes am Ausgang der Hochdruckpumpe 3, wenn die untere Grenzdrehzahl der Hochdruckpumpe 3 erreicht ist und deshalb durch Beeinflussung nur der Pumpe der Druck nicht weiter abgesenkt werden kann.
Der erste Regler 11 ist als industrieüblicher Pl-Regler verwirklicht, eingestellt für schnelle Parametrierung, hohen Verstärkungsfaktor und kleine Integrationszeitkonstante.
Der zweite Regler 15 ist als industrieller PID-Regler mit den üblichen Zusatzfunktionen ausgeführt und arbeitet als P-Regler. Das gleiche gilt für den dritten Regler 21.
Das folgende sind typische Werte für Druck, Temperatur und Massestrom des Gases sowie die Drehzahl der Hochdruckpumpe für zwei Lastfälle.
1) Lastfall 25 %: Druck:
5,4 bar vor Hochdruckpumpe
203 bar nach Hochdruckpumpe
202 bar nach Verdampfer
174 bar vor Diesel-Gas-Motor
Temperatur:
-157°C vor Hochdruckpumpe
-145°C nach Hochdruckpumpe
50°C nach Verdampfer
Massestrom:
650 kg/h Rückleitung 22
1140 kg/h Ausgangsleitung 7
Drehzahl:
150 m"1
2) Lastfall 85%: Druck:
5,4 bar vor Hochdruckpumpe
291 bar nach Hochdruckpumpe 289 bar nach Verdampfer
278 bar vor Diesel-Gas-Motor
Temperatur:
-157°C vor Hochdruckpumpe
-141 °C nach Hochdruckpumpe
50°C nach Verdampfer
Massestrom:
3580 kg/h Ausgangsleitung 7
Drehzahl:
300 m"1
3. Regelgüte
Bei einer Vorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel betrugen die maximalen Abweichungen des Druckes und des Massestromes des Gases von den angeforderten Sollwerten weniger als 1% stationär und weniger als 5% dynamisch.
Der Prüfung der dynamischen Regelgüte wurden zwei Fälle zugrundegelegt, nämlich eine Leistungszunahme beim Verbraucher von 0 auf 100 % innerhalb von zwei Minuten und eine Leistungsabnahme beim Verbraucher - als Simulation einer Notabschaltung - von 100 % auf 0 % innerhalb von zehn Sekunden.

Claims

Patentansprüche
1.
Vorrichtung zur Lieferung von Gas aus einem Vorratstank (1), der das Gas als tiefkaltes Flüssiggas enthält, in verdampfter Form mit geregeltem Druck an mindestens einen Verbraucher (8), dessen Anforderungen an den Druck und den Massestrom des Gases stark variieren, mit einer an den Vorratstank (1) angeschlossenen Hochdruckpumpe (3) für das Flüssiggas, welche Flüssiggas aus dem Vorratstank (1) fördert und den Druck des Flüssiggases erhöht, mit einer Stelleinrichtung (19) zur Einstellung des Massestroms des von der Hochdruckpumpe (3) geförderten Flüssiggases,
mit einem auf die Hochdruckpumpe (3) folgenden Verdampfer (6) für das im Druck erhöhte Flüssiggas,
mit einem auf den Verdampfer (6) folgenden Druckregelventil (10) für das verdampfte Gas, an dessen Ausgang der Verbraucher (8) anschließbar ist,
mit einem ersten Regler (11), dessen Regelgröße der Druck des verdampften Gases hinter dem Druckregelventil (10) ist und dessen Stellgröße das Druckregelventil (10) beaufschlagt, mit einem zweiten Regler (15), dessen Regelgröße der Druck des Gases zwischen der Hochdruckpumpe (3) und dem Druckregelventil (10) ist und dessen Stellgröße die Stelleinrichtung (19) für den Massestrom beaufschlagt und
mit Mitteln (17) zur Kombination der Stellgrößen der beiden Regler (11 ; 15) derart, daß die Stellgröße des ersten Reglers (11) zusätzlich die Stelleinrichtung (19) für den Massestrom beaufschlagt.
2.
Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
mit einem der Stelleinrichtung (19) für den Massestrom vorgeschalteten Addierglied (17) für die Stellgröße des ersten Reglers (11) und die Stellgröße des zweiten Reglers (15).
3.
Vorrichtung nach Anspruch 2,
mit einem Signalbegrenzer (18) für die beiden Stellgrößen, der ihre Summe im zulässigen Signalbereich der Stelleinrichtung (19) für den Massestrom hält.
4.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2 oder 3,
mit einem Übertragungsglied (13), dessen Übertragungsfunktion die Stellgröße des ersten Reglers (11) modifiziert, soweit sie die Stelleinrichtung (19) für den Massestrom beaufschlagt.
5.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2, 3 oder 4,
bei welcher der Sollwert (SP2) des zweiten Reglers (15) höher als der Sollwert (SP1) des ersten Reglers (11) ist.
6.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2, 3, 4 oder 5,
mit einem Motor (4) zum Antrieb der Hochdruckpumpe (3), dessen Drehzahl den Massestrom des von der Hochdruckpumpe (3) geförderten Flüssiggases bestimmt, und mit einem Drehzahlsteller (19) für den Motor als Stelleinrichtung für den Massestrom.
7.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2, 3, 4, 5 oder 6,
mit einem auf die Hochdruckpumpe (3) folgenden zweiten Druckregelventil (20), an dessen Ausgang eine zum Vorratstank (1) führende Rückleitung (22) für das Flüssiggas angeschlossen ist, und
mit einem dritten Regler (21), dessen Regelgröße der Druck des Flüssiggases vor dem zweiten Druckregelventil (20) ist und dessen Stellgröße das zweite Druckregelventil (20) beaufschlagt.
8.
Vorrichtung nach Anspruch 7,
bei welcher der Sollwert (SP3) des dritten Reglers (21) höher als der Sollwert (SP2) des zweiten Reglers (15) ist.
9.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8,
bei welcher der zweite Regler (15) und der dritte Regler (21) an einen gemeinsamen Druckaufnehmer (16) für die Regelgröße angeschlossen sind.
10.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
zur Lieferung von Gas als zweitem oder alternativem Brennstoff an einen Schiffsdieselmotor oder eine Gruppe von Schiffsdieselmotoren.
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