DE102005032556B4 - Anlage und Verfahren zur Nutzung eines Gases - Google Patents

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Abstract

Anlage zur Verdichtung eines kryogenen Gases (4), insbesondere eines Kohlenwasserstoff-Gases, welches in einem Vorratstank (2) verdampft, mit
einem Verdichter (7) zur Verdichtung des verdampften Gases (4) und
einer Leitungsanordnung (5), welche das verdampfte Gas (4) der Saugseite (6) des Verdichters (7) zuführt und das verdampfte und verdichtete Gas (4) einer nachgeschalteten Einrichtung zur Nutzung zuführt,
wobei die Leitungsanordnung (5) einen Bypass (9) aufweist, durch den das verdampfte und verdichtete Gas (4) in die Leitungsanordnung (5) der Saugseite (6) des Verdichters (7) zurückführbar ist, und wobei
im Bypass (9) ein Expander (12) zur Rückkühlung des durch den Bypass (9) strömenden Gases (4) angeordnet ist, wobei der Verdichter (7) und der Expander (12) miteinander mechanisch mit einem Getriebe (13) oder einer Antriebswelle gekoppelt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Verdichtung eines kryogenen Gases, insbesondere eines Kohlenwasserstoff-Gases, welches in einem Vorratstank verdampft, mit einem Verdichter zur Verdichtung des verdampften Gases und einer Leitungsanordnung, welche das Gas der Saugseile des Verdichters zuführt und das verdichtete Gas einer nachgeschalteten Einrichtung zur Nutzung zuführt. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verdichtung eines verdampften kryogenen Gases. Das Gas fällt beispielsweise bei der Lagerung einer kryogenen Flüssigkeit in einem Vorratstank an.
  • Eine Anlage mit den beschriebenen Merkmalen ist aus EP 0 069 717 B1 bekannt. In einem Tankschiff zum Transport von flüssigem Erdgas (LNG) wird das gekühlte flüssige Erdgas in einem Vorratstank etwa bei Atmosphärendruck gelagert. Das in dem Vorratstank verdampfende Erdgas wird über eine Gasleitung einem elektrisch betriebenen Verdichter zugeführt, nachfolgend gekühlt und zur Zwischenlagerung in einen Gastank geleitet. Das bis auf etwa 200 bar komprimierte Gas wird von dem Gastank einer Zweistoff-Dieselmaschine zugeführt, die für die Verbrennung von Gas und Öl ausgelegt ist und das Tankschiff antreibt. Da sowohl die Last an der Zweistoff-Dieselmaschine und die Menge des in dem Vorratstank verdampfenden Gases starken Schwankungen unterliegen können, sind Druckbehälter für die Zwischenlagerung des komprimierten Gases notwendig.
  • Aus der Druckschrift DE 26 30 010 A1 ist eine Speicheranlage für Flüssiggas mit einem Vorratsbehälter und einem Kompressor bekannt, an dessen Druckseite eine Bypassleitung mit einem Druckbehälter angeschlossen ist. Das durch die Bypassleitung in den Vorratsbehälter zurückgeführte Gas wird mittels einer Drossel entspannt.
  • Aus FR 2 781 868 B1 ist ferner eine Anlage zum Speichern von flüssigem Helium bekannt, die ebenfalls mit einem Verdichter sowie einem einen Druckbehälter aufweisenden Bypassleitung ausgestattet ist.
  • Die Druckschrift DE 100 21 681 A1 zeigt ein Energiespeichersystem zum Speichern von Wasserstoff, bei der aus einem Vorratstank entweichender Wasserstoff mittels eines Kompressors verdichtet und einem zweiten Vorratstank zugeführt wird.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Anlage und ein Verfahren zur Verdichtung eines kryogenen Gases, anzugeben, mit der den auf einfache Weise und mit einem akzeptablen energetischen Wirkungsgrad die einer nachgeschalteten Einrichtung zugeführte Gasmenge flexibel geregelt werden kann.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anlage zur Verdichtung eines kryogenen Gases, insbesondere eines Kohlenwasserstoff-Gases, welches in einem Vorratstank verdampft, mit
    einem Verdichter zur Verdichtung des verdampften Gases und
    einer Leitungsanordnung, welche das verdampfte Gas der Saugseite des Verdichters zuführt und das verdampfte und verdichtete Gas einer nachgeschalteten Einrichtung zur Nutzung zuführt,
    wobei die Leitungsanordnung einen Bypass aufweist, durch den das verdampfte und verdichtete Gas in die Leitungsanordnung der Saugseite des Verdichters zurückführbar ist,
    und wobei im Bypass ein Expander zur Rückkühlung des durch den Bypass strömenden Gases angeordnet ist, wobei der Verdichter und der Expander miteinander mechanisch mit einem Getriebe oder einer Antriebswelle gekoppelt werden.
  • Bezogen auf das Verfahren wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 5.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung und in der Unteransprüchen genannt.
  • Als Expander ist im besonderen Maße ein als Strömungsmaschine ausgebildeter Turboexpander geeignet. Obwohl das Gas bei der Verdichtung erwärmt wird, kann der Verdichter aufgrund der Rückkühlung des durch den Bypass strömenden Gases für niedrige Ansaugtemperaturen ausgelegt werden, was sich günstig auf den Leistungsbedarf, das Gewicht und den Platzbedarf des Verdichters auswirkt. Die erfindungsgemäße Anlage kann sowohl stationär als auch mobil, beispielsweise auf einem Tankschiff, welches flüssige Kohlenwasserstoffe wie zum Beispiel flüssiges Erdgas (LNG) transportiert, eingesetzt werden. Die mechanische Kopplung ist besonders dann leicht zu realisieren, wenn der Expander als Turboexpander ausgebildet ist. Durch die mechanische Kopplung kann die für die Kompression notwenige Energie durch die an dem Expander frei werdende Energie, zumindest teilweise, kompensiert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist die Leitungsanordnung auf der Druckseite des Verdichters einen Kühler auf, in dem das verdichtete Gas auf eine Temperatur abkühlbar ist, die höher ist als die Temperatur des der Saugseite des Verdichters zugeführten Gases, wobei der Bypass in Strömungsrichtung hinter dem Kühler an die Leitungsanordnung angeschlossen ist. Die Temperaturdifferenz, die bei der Expansion des Gases in dem Expander erreicht wird, ist im Wesentlichen von der Druckdifferenz zwischen Druckseite und Saugseite abhängig. Durch die Reduzierung der Gastemperatur auf der Druckseite durch den Kühler kann somit auch die Temperatur nach der Expansion des durch den Bypass strömenden Gases verringert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung erfolgt in dem Expander eine Abkühlung des Gasstromes auf eine Temperatur von weniger als –30 °C, vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen –140 °C und –80 °C. Bei einer solchen Ausgestaltung kann ein großer Anteil des Gases oder auch das gesamte Gas in einem geschlossenen Kreislauf durch den Bypass geleitet werden, ohne dass der Bereich niedriger Temperaturen, für den der Verdichter ausgelegt ist, verlassen wird.
  • Vorzugsweise beträgt der Druck in der Leitungsanordnung auf der Druckseite des Verdichters zwischen 6 und 50 bar.
  • Das kryogene Gas kann beispielsweise durch Verdampfung einer in einem Vorratstank gelagerten Flüssigkeit anfallen. In diesem Fall liegt die kryogene Flüssigkeit vorzugsweise etwa mit Atmosphärendruck im Vorratstank vor. Bei einer solchen Ausführung muss der Vorratstank, welcher aus mehreren Tankbatterien aufgebaut sein kann, nicht als Druckbehälter ausgelegt sein und kann so kostengünstig gefertigt werden.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Verdichtung eines verdampften, kryogenen Gases gemäß Anspruch 5.
  • Vorzugsweise wird das Gas mit einer Temperatur zwischen –140 °C und –80 °C auf der Saugseite in die Leitungsanordnung eingeleitet, wobei der durch den Expander, welcher vorzugsweise als Turboexpander ausgebildet ist, geführte Gasstrom auf eine Temperatur von weniger als –50 °C abgekühlt wird. Dabei kann besonders auch das den Expander durchströmende Gas auf eine Temperatur abgekühlt werden, die der Temperatur des auf der Saugseite in die Leitungsanordnung eingeleiteten Gases im Wesentlichen entspricht oder kleiner ist.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird das verdichtete Gas zur weiteren Nutzung auf eine Temperatur zwischen 10 °C und 80 °C abgekühlt, wobei ein Teil des verdichteten und gekühlten Gases als Bypassstrom zur Saugseite des Verdichters zurückgeführt und mittels des Expanders weiter abgekühlt wird.
  • Das verdichtete Gas kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens für den Betrieb einer Gasturbine oder eines Verbrennungsmotors verwendet werden, wobei in Abhängigkeit des für den Betrieb der Gasturbine bzw. des Verbrennungsmotors benötigten Gasbedarfs ein mehr oder weniger großer Bypassstrom zur Saugseite des Verdichters zurückgeführt und dabei mittels des Expanders gekühlt wird.
  • Der in dem Expander abgekühlte Gasstrom kann zur Kühlung der Saugseite der Anlage genutzt werden. Wird beispielsweise die Umgebung des Vorratstanks in dem das Gas durch Verdampfung einer kryogenen Flüssigkeit entsteht durch den abgekühlten Gasstrom vorgekühlt, kann die Leistungsaufnahme einer für die Kühlung des Vorratstanks vorgesehenen Kühlanlage reduziert werden.
    •
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert.
  • Die einzige Figur zeigt eine erfindungsgemäße Anlage zur Nutzung von Erdgas, welches bei der Lagerung von gekühltem, flüssigen Erdgas (LNG) durch Verdampfung anfällt, als Brennstoff für einen Gasmotor oder zur Nutzung in einer Turbine.
  • Flüssiges, gekühltes Erdgas wird als kryogene Flüssigkeit 1 bei einer Temperatur von –163 °C in einem Vorratstank 2 etwa bei Atmosphärendruck gelagert. In dem Gasraum 3 des Vorratstanks sammelt sich verdampftes Gas 4 mit einer Temperatur von –140 °C, welches kontinuierlich aus dem Vorratstank 2 durch eine Leitungsanordnung 5 der Saugseite 6 eines Verdichters 7 zugeführt wird. In dem Verdichter 7, der als ein- oder mehrstufiger Turboverdichter ausgebildet ist, wird das Gas 4 auf einen Druck von 26 bar komprimiert, wobei die Gastemperatur auf über +100 °C steigt. Nach der Verdichtung wird das Gas 4 einem Kühler 8 zugeführt, in dem das Gas 4 auf eine Temperatur von ca. +35 °C gekühlt wird. Hinter dem Kühler 8 ist ein Bypass 9 an die Leitungsanordnung 5 angeschlossen. Ein Teil des verdichteten Gases 4 wird von der Druckseite 10 durch den Bypass 9 zur Saugseite 6 des Verdichters 7 zurückgeführt, wobei der andere Teil des Gases 4 zu einer Einrichtung 11 zur Energienutzung, beispielsweise einem Gasmotor oder einer Gasturbine, geleitet wird. In dem Bypass 9 ist ein Expander 12, der als Turboexpander ausgebildet ist, zur Rückkühlung des durch den Bypass 9 strömenden Gases 4 angeordnet. Der Expander 12 ist mechanisch über ein Getriebe 13 mit dem Verdichter 7 gekoppelt, wodurch ein Teil der für die Verdichtung notwendigen Energie von der bei der Expansion freigesetzten Energie kompensiert wird. Die Temperatur des in dem Expander 12 abgekühlten Gases 4 entspricht mit einer Temperatur von weniger als –100 °C etwa der Temperatur, mit der das Gas 4 aus dem Vorratstank 2 abgezogen wird. Der in dem Expander 12 abgekühlte Gasstrom kann auch zur Vorkühlung des Vorratstanks 2 genutzt werden. In Abhängigkeit des für den Betrieb der Gasturbine 11 benötigten Gasbedarfs wird ein mehr oder weniger großer Bypassstrom zur Saugseite 6 des Verdichters 7 zurückgeführt und dabei mittels des Expanders 12 gekühlt, wobei auch das gesamte Gas 4 von der Druckseite 10 durch den Bypass 9 über den Expander 12 zu der Saugseite 6 zurückgeführt werden kann.

Claims (10)

  1. Anlage zur Verdichtung eines kryogenen Gases (4), insbesondere eines Kohlenwasserstoff-Gases, welches in einem Vorratstank (2) verdampft, mit einem Verdichter (7) zur Verdichtung des verdampften Gases (4) und einer Leitungsanordnung (5), welche das verdampfte Gas (4) der Saugseite (6) des Verdichters (7) zuführt und das verdampfte und verdichtete Gas (4) einer nachgeschalteten Einrichtung zur Nutzung zuführt, wobei die Leitungsanordnung (5) einen Bypass (9) aufweist, durch den das verdampfte und verdichtete Gas (4) in die Leitungsanordnung (5) der Saugseite (6) des Verdichters (7) zurückführbar ist, und wobei im Bypass (9) ein Expander (12) zur Rückkühlung des durch den Bypass (9) strömenden Gases (4) angeordnet ist, wobei der Verdichter (7) und der Expander (12) miteinander mechanisch mit einem Getriebe (13) oder einer Antriebswelle gekoppelt werden.
  2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsanordnung (5) auf der Druckseite (10) des Verdichters (7) einen Kühler (8) aufweist, in dem das verdichtete Gas (4) auf eine Temperatur abkühlbar ist, die höher ist als die Temperatur des der Saugseite (6) des Verdichters (7) zugeführten Gases (4), und dass der Bypass (9) in Strömungsrichtung hinter dem Kühler (8) an die Leitungsanordnung (5) angeschlossen ist.
  3. Anlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Expander (12) eine Abkühlung des Gasstromes auf eine Temperatur von weniger als –30 °C, vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen –140 °C und –80 °C, erfolgt.
  4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Leitungsanordnung (5) auf der Druckseite (10) des Verdichters (7) zwischen 6 und 50 bar beträgt.
  5. Verfahren zur Verdichtung eines verdampften kryogenen Gases (4), insbesondere eines bei der Lagerung einer kryogenen Flüssigkeit anfallenden Kohlenwasserstoff-Gases, wobei das verdampfte kryogene Gas (4) mit einer Temperatur von weniger als –30 °C einem Verdichter (7) zugeführt wird und mittels des Verdichters (7) zur weiteren Nutzung auf einen Druck von 6 bar bis 50 bar verdichtet wird, wobei zumindest ein Teil des verdichteten Gases (4) zur Saugseite (6) des Verdichters (7) zurückgeführt und dabei mittels eines Expanders (12) gekühlt wird, wobei der zurückgeführte Teil des verdichteten Gases (4) mengengeregelt wird, und wobei der Verdichter (7) und der Expander (12) miteinander mit einem Getriebe (13) oder einer Antriebswelle gekoppelt werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas (4) mit einer Temperatur zwischen –140 °C und –80 °C auf der Saugseite (6) in die Leitungsanordnung (5) eingeleitet wird und dass der durch den Expander (12) geführte Gasstrom auf eine Temperatur von weniger als –50 °C abgekühlt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das verdichtete Gas (4) zur weiteren Nutzung auf eine Temperatur zwischen 10 °C und 80 °C abgekühlt wird und dass ein Teil des verdichteten und gekühlten Gases (4) als Bypassstrom zur Saugseite (6) des Verdichters (7) zurückgeführt und mittels des Expanders (12) weiter abgekühlt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das kryogene Gas (4) durch Verdampfung einer in einem Vorratstank (2) gelagerten kryogenen Flüssigkeit (1) anfällt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das verdichtete Gas (4) für den Betrieb einer Gasturbine (11) oder eines Verbrennungsmotors verwendet wird und dass in Abhängigkeit des für den Betrieb der Gasturbine (11) oder des Verbrennungsmotors benötigten Gasbedarfs ein mehr oder weniger großer Bypassstrom zur Saugseite (6) des Verdichters (7) zurückgeführt und dabei mittels des Expanders (12) gekühlt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der im Expander (12) abgekühlte Gasstrom zur Kühlung der Saugseite (6) der Anlage genutzt wird.
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