DE2523672C3

DE2523672C3 - Einrichtung zur Verdampfung von verflüssigtem Erdgas mit Hilfe einer Gasturbinenanlage mit geschlossenem Kreislauf

Info

Publication number: DE2523672C3
Application number: DE2523672A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dr. 4200 Oberhausen Griepentrog
Original assignee: Gutehoffnungshutte Sterkrade AG
Current assignee: Gutehoffnungshutte Sterkrade AG
Priority date: 1975-05-28
Filing date: 1975-05-28
Publication date: 1980-03-20
Also published as: FR2312724A1; BR7601892A; DE2523672A1; DE2523672B2; US4231226A; FR2312724B1; JPS52802A; CH606901A5

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verdampfung von verflüssigtem Erdgas mit Hilfe einer Gasturbinenanlage mit geschlossenem Kreislauf, die einen befeuerten Erhitzer für das Kreislaufmedium, eine diesem nachgeschaltete Gasturbine und einen Verdichter aufweist, wobei im Kreislauf zwischen Gasturbinen-Austritt und Verdichter-Eintritt ein vom Kreislaufmedium beheizter Wärmetauscher zur Verdampfung bzw. Verdampfung und Überhitzung des in ein Rohrleitungsnetz einzuspeisenden Erdgases vorgesehen ist.

Aus der US-PS 32 93 850 ist eine Einrichtung der bezeichneten Art bekannt. Bei der bekannten Einrichtung enthält eine Gasturbinenanlage mit geschlossenem Kreislauf einen Wärmetauscher, der vor dem Verdichter angeordnet ist. Der Wärmetauscher wird vom flüssigen Erdgas durchströmt, das das Kreislaufmedium, vorzugsweise Helium, vor Eintritt in den Verdichter abkühlt. Nach Durchlauf des Wärmetauschers wird ein Teil des Erdgases in der Brennkammer der Gasturbinenanlage verbrannt, ein anderer Teil wird anderen Gasverbrauchern zugeführt.

Bei der Einrichtung gemäß dem Smnd der Technik steht offensichtlich die Zuführung des Erdgases an die Verbrennungskammer der Turbinenanlage im Vordergrund, nicht jedoch die Einspeisung in ein Rohrleitungsnetz. Gemäß den Vorschriften der Gasverteilungsgesellschaften ist es jedoch erforderlich, das verdampfte Erdgas mit einer Temperatur von etwa +15⁰C in das Rohrleitungsnetz einzuspeisen. Die Beschreibung der US-PS 32 93 850 geht auf diese Problematik nicht ein.

Untersuchungen an Anlagen gemäß dem Stand der Technik zeigen, daß je nach Druckverhältnissen, Turbinentetnperatur und Grädigkeit des Wärmetauschers im Kreislauf (Bezugszahl 6 in der Figur der US-PS 32 93 850) der Kupplungswirkungsgrad

E =

Qy-Qv

P_G: Leistung an der Kupplung
Q_F: Gesamte Brennstoffwärme
Qi-: Verdampfungswärme.

maximal auf 0,55 gesteigert werden kann, wenn das aus dem einzigen Wärmetauscher kommende Erdgas wenigstens eine Temperatur von + 10⁰C haben soll (vgl.

nachveröffentlichten Aufsatz Griebentrog, LNG-Verdampfung mit einer Gasturbine im geschlossenen Kreislauf, Zeitschrift »Das Gas- und Wasserfach«, Nr. 8/77). Erst wenn eine wesentlich tiefere Temperatur am Ausgang des Wärmetauschers eingehalten wird, läßt sich der Kupplungswirkungsgrad steigern.

Es stellt sich damit die Aufgabe, bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art den Wirkungsgrad der Gasturbinenanlage zu erhöhen, wobei gleichzeitig die Vorschriften für die Einspeisung des verdampften Erdgases in die Gasleitungen beachtet werden können. Außerdem soll der konstruktive und apparative Aufwand möglichst gering gehalten werden, damit erhöhte Energieeinsparungen durch konstruktive Aufwendungen nicht wieder zunichte gemacht worden.

Diese Aufgaben werden gemäß Erfindung durch eine Einrichtung zur Verdampfung von verflüssigtem Erdgas mit Hilfe einer Gasturbinenanlage mit geschlossenem Kreislauf gelöst, bei der die Gasturbinenanlage auf maximalen Kupplungswirkungsgrad ausgelegt ist und die restliche Erwärmung des verdampften Erdgases auf die erforderliche Temperatur zur Abgabe an das Rohrleitungsnetz durch einen durch weitere Abwärme aus dem Gasturbinen-Kreislauf beheizten, zusätzlichen Wärmetauscher aufgebracht ist.

■r, Wird eine Einrichtung gemäß Erfindung betrieben, so stellt es sich heraus, daß der Kupplungswirkungsgrad auf 0,58 bis 0,60 gesteigert werden kann (vgl. Artikel Griepentrog, a. a. O.). Dieser erhebliche Vorteil wird durch bessere Ausnutzung der in dem verflüssigten

■io Erdgas steckenden Energie bei energetisch günstigeren Bedingungen für den Betrieb der Gasturbinenanlage ermöglicht Die restliche Erwärmung des Erdgases kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß ein zusätzlicher Wärmetauscher durch die Rauchgase des Erhitzers

Vi beheizt ist.

Es ist auch möglich, daß der zusätzliche Wärmetauscher als Kondensator einer durch die Abwärme des Erhitzers beheizten Dampfturbinenanlage ausgebildet ist.

«,ο Schließlich ist noch eine Leistungssteigerung durch besondere Ausbildung des Verdichters als zweistufigen Verdichter möglich. Hierbei weist der Verdichter gemäß Erfindung einen Zwischenkühler auf, der durch einen Teilstrom des zu verdampfenden Erdgases

ι, wkühlt ist.

Zur Erläuterung der Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend Ausführungsbeispiclc anhand der Zeichnung erläutert. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 eine Einrichtung zur Verdampfung von verflüssigtem Erdgas mit Hilfe einer Gasturbinenanlage in geschlossenem Prozeß, wobei das Erdgas durch Rauchgase aus dem Erhitzer nacherwärmt vrird,

Fig.2 zeigt eine Einrichtung gemäß Fig. 1, bei der die Nacherwärmung direkt im Erhitzer erfolgt,

Fig.3 zeigt eine Einrichtung gemäß Fig. 1, bei der die Nacherwärmung in einem gesonderten Dampfturbinenkreislauf erfolgt,

F i g. 4 zrigt ein Detail der F i g. 1 in geänderter Ausführung, nämlich zwischengeschaltete Sicherheitskreisläufe für den Wärmetauscher.

Die Einrichtung zur Verdampfung von flüssigem Erdgas gemäß F i g. 1 umfaßt neben den eigentlichen Verdampfungswärmetauschern als wesentlichen Bestandteil eine Gasturbinenanlage im geschlossenen Kreislauf. Eine Turbine 1 treibt einen Generator 31. Das im geschlossenen Kreislauf geführte gasförmige Kreislaufmedium, z. B. Luft Helium, Neon, Argo.-, Stickstoff, gelangt aus der Turbine 1 durch ein Rohrleitungsnetz 2 in einen Wärmetauscher 3. Von dort strömt es in den weiteren Wärmetauscher 4, wird zweistufig mit Zwischenkühlung verdichtet, und zwar zunächst in einem Niederdruckverdichter 5 und anschließend in einem Hochdruckverdichter 7 mit zwischengeschaltetem Zwischenkühler 6. Das verdichtete Kreislaufmedium erwärmt sich anschließend bei Durchlauf durch den Wärmetauscher 3, von dem aus es in den Erhitzer 24 gelangt. Letzterer kann, wie an sich bekannt, durch Erdgas oder andere fossile Brennstoffe beheizt werden. Aus dem Erhitzer 24 strömt das Medium in die Turbine 1, leistet mechanische Arbeit und beginnt anschließend den Kreislauf von neuem.

An den Erhitzer 24 schließt sich eine Abgasleitung 32 an, die einen weiteren Wärmetauscher 22 beaufschlagt

Das zu verdampfende Erdgas wird wie folgt geführt: Durch eine Eingangsleitung 11 wird das Gas von einem Vorratsbehälter (nicht dargestellt) herangeführt Der Gesamtstrom wird in zwei Teilströme über die Leitungen 12 bzw. 13 aufgeteilt Die Leitung 12 führt dem Zwischenkühler 6 flüssiges Lrdgas zu, das verdampft wird und diesen etwa mit einer Temperatur von — 96°C verläßt. Der Teilstrom in der Leitung 13 durchfließt den Wärmetauscher 4 und verläßt diesen beispielsweise mit einer Temperatur von etwa -87°C. In dem Vereinigungspunkt 33 vereinen sich die Teilströme wieder und werden in der Leitung 14 weitergeführt. Wie leicht zu erkennen ist, ist die Temperatur des Erdgases immer noch wesentlich zu niedrig für die vorgeschriebene Einspeisungstemperatur in Gasverteilungsanlagen. Der Gesamtstrom wird deshalb durch den Wärmetauscher 22 geführt, der von den Abgasen aus dem Erhitzer 24 beaufschlagt ist. Am Ausgang dieses Wärmetauschers erreicht das Gas eine Temperatur von + 10 bis + 15° C.

Durch die starke Temperaturerniedrigung des Kreislaufmediums am Ausgang der Wärmetauscher 4 bzw. 6 ist es möglich, den Kupplungswirkungsgrad wesentlich zu erhöhen und die gesamte Anlage mit einer besseren Energieausbeute zu beireiben. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß die Abwärme des Erhitzers auf das zu vergasende Erdgas übertragen wird, wobei es durch einen Energieaufwand vergast wird, der nicht gesondert zu Buche schlägt Dieses Abfangen der Abwärme steigert den Wirkungsgrad der Gasturbinenanlage, die im geschlossenen Prozeß betrieben wird. Da das

ίο verflüssigte Erdgas eine Temperatur von etwa — 150⁰C besitzt, kann man innerhalb des technisch üblichen Bereiches geradezu von einer Optimierung des Arbeitsprozesses sprechen, denn bekanntlich ist der Wirkungsgrad thermischer Kraftmaschinen vom Verhältnis der maximalen zur minimalen Temperatur des Arbeitsprozesses abhängig. Man kommt dabei zu sog. thermischen Wirkungsgraden von etwa 70%. Dabei muß das Kreislaufmedium natürlich die leicht einhaltbaren Bedingungen erfüllen, im Tieftemperaturbereich noch

gasförmig oder mindestens noch flüssig zu sein und im Hochtemperaturbereich nicht zu dissoziieren.

Wenn auch bei der Auslegung der Gasturbinenanlage ohne Zwischenkühler 6 theoretisch gefahren werden kann, so ist zur Steigerung des Wirkungsgrades eine Zwischenkühlung vorteilhaft.

Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung zeigt die Fig.2. Während sich die Einzelheiten der Gasturbinenanlage im wesentlichen entsprechen und daher auch mit gleichen Bezugszahlen

ίο bezeichnet sind, ist der Strom des zu verdampfenden Erdgases etwas anders geführt. Nach Vereinigung der Teilströme im Vereinigungspunkt 33 und Weiterführung in der Leitung 14, wird diese direkt in einen etwas anders gestalteten Erhitzer 24' eingeleitet, wo eine

r> direkte Erwärmung erfolgt. Die sich nach Verlassen des Erhitzers 24' ergebende Temperatur des Erdgases liegt ebenfalls bei 10-15⁰C.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, die ebenfalls in den meisten Einzelheiten den

■to Figuren 1 und 2 entspricht. In diesem Falle ist der zusätzliche Wärmetauscher 22' als Kondensator einer durch die Abwärme des Erhitzers 24" beheizten Dampfturbinenar.lage 34 ausgebildet. Die Dampfturbinenanlage besitzt eine Rohrleitung 35, die Wärme aus dem Erhitzer 24" entnimmt. Turbine 1 und zum Kreis 34 gehörende Turbine 36 sind auf einer gemeinsamen Welle zusammen mit den Verdichtern 5,7 geschaltet.

In Fig.4 ist ein Detail der Mediumsführung für die Wärmetauscher 4, 6 gezeichnet. In diesem Falle ist ein

-,ο Zwischenkreislauf 15 bzw. 16 vorgesehen, der mit einem inerten Medium betrieben wird und einen Wärmeaustausch zwischen dem eigentlichen Wärmetauscher 4 und einem Hilfsaustauscher 17 bzw. 6 und 18 besorgt. Der Hilfskreis kann entweder mit Gas oder einer Flüssigkeit

γ-, betrieben werden. Die Teile 30 stellen daher entweder Verdichter oder Pumpen dar.

llicivu 4 HIaII Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Verdampfung von verflüssigtem Erdgas mit Hilfe einer Gasturbinenanlage mit geschlossenem Kreislauf, die einen befeuerten Erhitzer für das Kreislaufmedium, eine diesem nachgeschaltete Gasturbine und einen Verdichter aufweist, wobei im Kreislauf zwischen Gasturbinen-Austritt und Verdichter-Eintritt ein vom Kreislaufmedium beheizter Wärmeaustauscher zur Verdampfung bzw. Verdampfung und Überhitzung des in ein Rohrleitungsnetz einzuspeisenden Erdgases vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasturbinenanlage auf maximalen Kupplungswirkungsgrad ausgelegt ist und die restliche Erwärmung des verdampften Erdgases auf die erforderliche Temperatur zur Abgabe an das Rohrleitungsnetz durch einen durch weitere Abwärme aus dem Gasturbinen-Kreislauf beheizten, zusätzlichen Wärmetauscher (22, 22') aufgebracht ist

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Wärmetauscher (22) durch die Rauchgase des Erhitzers (24) beheizt ist (Fig.1).

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Wärmetauscher (22') als Kondensator einer durch die Abwärme des Erhitzers (24") beheizten Dampfturbinenanlage (34) ausgebildet ist (F i g. 3).

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (5, 7) einen Zwischenkühler (6) aufweist, der durch einen Teilstrom des zu verdampfenden Erdgases gekühlt ist.