DE102017007009A1 - Kälteversorgungsanlage, gekoppelt an die Regasifizierungseinrichtung eines Liquified Natural Gas Terminals - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Kälteversorgung, die an die LNG (Liquified Natural Gas)- Regasifizierungseinrichtung eines LNG- Terminals gekoppelt ist und die hier umfangreich zur Verfügung stehende hochwertige Kälteleistung versorgungssicher, energieeinsparend und kostengünstig an sowohl naheliegende als auch fernliegende Bedarfsstellen überträgt. Als Kälteträger wird flüssiges CO₂ vorgeschlagen, das gefördert von einer Kälteträgerpumpe im geschlossenen Kreislauf bis zum Mindestwert -50°C abkühlt und dann in unterkühltem Zustand an die Kältebedarfsstelle gelangt. Zur Abwendung der Gefahr des Erstarrens des CO₂ dient Propan als Zwischenmedium, das in einem geschlossenen Kreislauf per Naturumlauf auf einem sicheren mittleren Temperaturniveau verdampfend und kondensierend die Wärme aus dem Kälteträger übernimmt und an das LNG überträgt. Hierfür werden zwei übereinander angeordnete, horizontal ausgerichtete Rohrbündelwärmeaustauscher benutzt, zwischen denen die Phasen, gasförmiges und flüssiges Propan, getrennt und in großzügig dimensionierten Leitungen mit minimalen Druckverlusten transportiert werden. Drei Maßnahmen dienen zur Erlangung von Versorgungssicherheit:
1. Dass die Kälteträgertemperatur den minimal zulässigen Wert nicht unterschreitet, wird direkt durch deren Erfassung an der Stelle der tiefsten Abkühlung und zusätzlich indirekt durch die Erfassung des Druckes und der damit korrelierenden Temperatur des Zwischenmediums regelungstechnisch gesichert.
2. Die Erfassung des Druckes des Zwischenmediums dient ferner auch der Absicherung einer eventuellen Undichtigkeit im Wärmeübertragungssystem Kälteträger - Zwischenmedium Propan - LNG.
3. Eine an den Kälteträgersammler und -abscheider per Naturumlauf des Kälteträgers gekoppelte Ersatzkälteanlage verhindert schließlich, dass bei einer Unterbrechung des LNG- Durchflusses und/oder bei einer die vorgesehenen Grenzen überschreitenden Wärmezufuhr in der Kältebedarfsstelle der Druck im Kälteträgerkreislauf unzulässig steigt. Figur 1!

Description

• Anwendungsgebiet
• Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Kälteversorgung, die an die LNG (Liquified Natural Gas)- Regasifizierungseinrichtung eines LNG Terminals gekoppelt ist und die hier zur Verfügung stehende hochwertige, niedrigtemperierte Kälteleistung nutzt.
• Die Bereitstellung entsprechend großer Kälteleistungen an sowohl nahliegende als auch fern- und verzweigt liegende Bedarfsstellen erfolgt energieeinsparend, kostensparend und versorgungssicher.
• Stand der Technik
• Erdgas lässt sich unter atmosphärischem Druck nach Abkühlung auf -162°C und anschließender Abfuhr der Kondensationswärme aus der gasförmigen in die flüssige Phase überführen. Damit ist die Reduktion des Volumens auf das Sechshundertstel des bei 1,013 bar und 15°C gegebenen Wertes verbunden. Verflüssigtes Erdgas ist somit auf attraktive Weise lagerbar und über große Strecken transportierbar. Die zu realisierende, gleichermaßen kostenaufwändige wie wertschöpfende Prozesskette reicht von der Förderung und Aufbereitung über die Verflüssigung, die Lagerung, den Ferntransport mit Tankschiffen, die erneute Lagerung in Großtanks und den nochmaligen Transport zum Verwender.
• Den Abschluss bildet die Regasifizierung, die im Bereich der Großtanks in sogenannten Terminals, oder auch beim Verwender in sogenannten Satellitenanlagen erfolgt.
• Die bei der Regasifizierung des LNG auf tiefem Temperaturniveau zuzuführende Wärme besitzt ein hohes, als Kälteleistung nutzbares exergetisches Potential, das jedoch weltweit nahezu vollständig ungenutzt bleibt.
• Die für die Regasifizierung benötigte Wärme in den Sattelitenanlagen, die relativ kleine LNG- Mengen lagern, wird aus der Umgebungsluft bezogen und große Terminals nutzen Meerwasser als Wärmequelle, oft sogar fügen sie mit Hilfe eingetauchter Brenner eine Energie verschwendende Erdgasverbrennung zur Unterstützung hinzu. Zwei Gründe sind für diesen, das Kältepotential unbeachtet lassenden Stand der Technik anzuführen.
• Erstens: Angesichts der gewaltigen, mit dem LNG verfügbaren Brennstoffenergie findet die zusätzlich verfügbare Kälteleistung, deren energetischer Umfang deutlich kleiner ist, keine Beachtung. Diese Relativierung ist jedoch zu verwerfen, denn absolut gesehen ist offensichtlich weltweit ein großer Bedarf an hochwertiger Kälteleistung vorhanden, deren bisherige, mit Hilfe elektrischer Energie umwelt- und ressourcenbelastend erfolgende Erzeugung bei deutlich geringeren Kosten substituiert werden kann.
• Zweitens: Eine bei der LNG- Regasifizierung vom Temperaturniveau -162°C ausgehende Auskoppelung von Kälteleistung stellt hohe Anforderungen an den Kälteträger, der einerseits hohe Kälteleistungen über meist große Distanzen übertragen muss und der andererseits den tiefen Temperaturen standhalten muss, ohne vom flüssigen in den festen Aggregatzustand überzugehen.
• Die Überwindung dieser Restriktionen ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, welche zurückgreifend auf verfügbare Detaillösungen eine Kälteversorgungsanlage betrifft, die gekoppelt an die Regasifizierung eines großen LNG Terminals in innovativer Weise hochwertige Kälteleistung energieeinsparend, kostensparend und versorgungssicher bereitstellt.
• Die Gefahr, dass in den LNG- Regasifizierungseinrichtungen großer Terminals der wärmeabgebende Stoffstrom im Kontakt mit dem LNG bis zu Erstarrung abkühlt, hat zur Verwendung eines Zwischenmediums geführt, das heißt zu einem sogenannten „Intermediate Fluid Type Vaporizer“, in dem die Wärme kaskadenartig zunächst an ein Fluid übertragen wird, welches einerseits niedriger temperiert ist als die Wärmequelle und andererseits bei der Abkühlung in die Nähe der LNG- Temperatur weit entfernt ist von der Bildung einer festen Phase.
• Dies ist der Stand der Technik, der in zahlreichen Patentpublikationen dokumentiert ist, beispielsweise in der EP 0048316A „Verfahren und Anlage zur Rückverdampfung von flüssigem Erdgas“ und in der US 6367429 „Intermediate fluid type vaporizer“, wobei als Zwischenmedium Propan empfohlen wird, das im Naturumlauf die Regasifizierungswärme überträgt. Die dargestellte Technik bezieht sich in allen publizierten Erfindungen auf eine mehr als 40 Jahre zurückliegende und unter US 4170115A „Apparatus and process for vaporizing liquefied natural gas“ veröffentlichte Entwicklung.
• Ferner ist allen Publikationen gemeinsam, dass sie sich auf die Regasifizierung unter Verwendung von Meerwasser als Wärmequelle beschränken, während die mögliche Nutzung der verfügbaren Kälteleistung unbeachtet bleibt.
• Eine Ausnahme, nämlich eine effektive Lösung zur Rückgewinnung von Kälte bei der Regasifizierung tiefkalter Flüssigkeiten, wie verflüssigtes Erdgas (LNG), verflüssigter Stickstoff (LN2) oder verflüssigter Sauerstoff (LO2), ist im deutschen Gebrauchsmuster DE 20 2015 008 836 und gleichzeitig in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2016 006 121 „Verfahren und Wärmeaustauscher zur Rückgewinnung von Kälte bei der Regasifizierung tiefkalter Flüssigkeiten“ angegeben. Sie betrifft allerdings nur kleine Leistungen bis 100 kW, wie sie beispielsweise in Satellitenanlagen zur Verfügung stehen. Es wird vorgeschlagen, die Kälte der tiefkalten Flüssigkeit zunächst auf ein Zwischenmedium, nämlich Propan, und anschließend von diesem auf einen flüssigen Kälteträger zu übertragen. Der eingesetzte Kälteträger bleibt dabei bis hinab zu einem Temperaturniveau von - 60°C ohne Phasenwechsel. Er ist somit sicher pumpbar. Die Wärmeübertragung erfolgt durch Verdampfen und Kondensieren ohne Pumpeneinsatz im Naturumlauf in einem Wärmeaustauscher mit speziellen Konstruktionsmerkmalen.
• Die Temperatur des vorgeschlagenen Zwischenmediums Propan ist im Bereich von -20°C bis -100°C durch die Konzipierung der Wärmeübertragung und der sie treibenden Temperaturdifferenzen frei wählbar. Der Wärmeaustauscher weist folgende technische Merkmale auf:
• - Verwendung eines Behälters in Vertikalausrichtung, bestehend aus einem Zylinder mit einem oberen und einem unteren Klöpperboden, der ganzheitlich mit einer Isolierung ummantelt ist,
• - Anordnung einer Rohrwendel im Bereich des oberen Klöpperbodens und einer Rohrwendel im Bereich des unteren Klöpperbodens bei Einhaltung eines Abstandes zwischen den Rohrwendeln,
• - Befüllung des hermetisch geschlossenen Behälters mit dem dadurch gekapseltem Zwischenmedium zum Zweck des Wärmetransports innerhalb des Behälters mit einem Füllstand zwischen der oberen Rohrwendel und der unteren Rohrwendel, wobei die untere Rohrwendel bei jedem Betriebszustand mit flüssigem Zwischenmedium im Siedezustand geflutet ist, während die obere Rohrwendel von Sattdampf umgeben ist, der im Betrieb bei Wärmeabgabe an der Rohrwendel kondensiert,
• - Realisierung des Wärmetransports vom kondensierenden Zwischenmedium an die zu regasifizierende tiefkalte Flüssigkeit durch Zu- und Abfluss der Selben über die obere Rohrwendel,
• - Realisierung des Wärmetransports vom zu kühlenden Kälteträger an das flüssige Zwischenmedium durch Zu- und Abfluss des Kälteträgers über die untere Rohrwendel.
• Unbefriedigend im Hinblick auf die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegenden Aufgabe, nämlich die in großen Terminals verfügbare Kälteleistung zurückzugewinnen, sind die auf kleine Anlagen zugeschnittene Technik der Wärmeübertragung mit Kälteleistungen unterhalb 100 kW und der verwendete kostenaufwändige Kälteträger, der für die Kälteversorgung mit großen Übertragungsleistungen und über große Übertragungsstrecken ungeeignet ist.
• Der vorbeschriebene Stand der Technik ist als naheliegend für die erfinderische Zielstellung zu betrachten, nämlich die kostengünstige und energieeinsparende Bereitstellung großer Kälteleistungen aus der LNG- Regasifizierungseinrichtung großer Liquified Natural Gas Terminals bei hoher Versorgungssicherheit.
• Aufgabenstellung
• Die erfinderische Aufgabenstellung ist in der Entwicklung von apparativen Merkmalen in Bezug auf eine Anlage zur sicheren Kälteversorgung sowohl naheliegender als auch fernliegender Bedarfsstellen zu sehen, die an die LNG- Regasifizierungseinrichtung eines großen, beispielsweise eines LNG importierenden Terminals, gekoppelt ist und auf diese Weise die sonst erforderliche, ressourcen- und umweltbelastend elektrische Energie verbrauchende Kälteerzeugung kostengünstig substituiert.
• Lösung der Aufgabenstellung
• Die Lösung der Aufgabenstellung ist im Patentanspruch 1 angegeben.
• Die untergeordneten Ansprüche enthalten zweckmäßige Ausgestaltungen.
• Das Ziel der Erfindung ist es, die in LNG- Terminals für die Regasifizierung des LNG benötigte Wärme aus verfügbaren Kältebedarfsstellen abzuführen und so als wertvolle Kälteleistung zu nutzen. Voraussetzung hierfür ist die Lösung zwei gewichtiger Probleme.
• Erstens, es sind große Kälteleistungen, beispielsweise 1 MW, versorgungssicher und kostengünstig an nahliegende, an fernliegende und an weit verzweigt liegende Kältebedarfsstellen zu transportieren.
• Zweitens stellt das tiefe Temperaturniveau des LNG, das bis hinab zu -162°C betragen kann, hohe Anforderungen an die Kaltzähigkeit der Werkstoffe, an die Beherrschung großer örtlicher und zeitlicher Temperaturdifferenzen in den Anlagenbauteilen und an die Fließfähigkeit des als Kälteträger dienenden Wärmeübertragungsfluids, welches allerdings, berücksichtigt man den einem LNG- Terminal praktischerweise zuzuordnenden Kältebedarf, beispielsweise den eines Kühlhauses, nicht tiefer als -50°C temperiert werden muss.
• Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, als Kälteträger CO₂ zu verwenden, und zwar, was dessen Abkühlung durch die Wärmeabgabe an das LNG und dessen Wärmeaufnahme an der Kältebedarfsstelle betrifft, ausschließlich im Zustand einer unterkühlten Flüssigkeit. Dies hat im Vergleich zu den bisher bekannten, mit Phasenwechseln betriebenen CO₂- Anwendungen den Vorteil der wesentlich einfacheren Realisierung langer Kälteträgertransportwege und damit auch den Vorteil der kostengünstigeren Anlagentechnik.
• Die tiefste zulässige Temperatur des in einem geschlossenen Kreislauf geführten Kälteträgers CO2 wird angesichts seiner Tripelpunktkoordinaten 5,19 bar und -56,6°C mit -50°C festgelegt, was einerseits ausreichende Sicherheit gegen die Bildung einer festen Phase, und andererseits bezüglich der Kälteversorgung ein ausreichend tiefes Temperaturniveau bietet. Die notwendige Einhaltung dieses Temperaturwertes wird durch diversitär redundante anlagentechnische und regelungstechnische Maßnahmen sichergestellt.
• Flüssiges CO₂, beispielsweise im Zustand -50°C und 10,0 bar, verfügt über sehr gute Stoffwerte Dichte, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und Viskosität, so dass sich entsprechend effektive Wärmeübergänge ergeben und die Umwälzung im Kälteträgerkreislauf eine nur geringe Pumpleistung erfordert. Weitere wichtige Vorteile des CO₂ sind: Es ist chemisch inaktiv, nicht korrosiv, nicht brennbar und insgesamt umweltverträglich. Dies begründet, dass die an die Regasifizierungseinrichtung des LNG- Terminals gekoppelte Kälteversorgung die Kälte wesentlich kostengünstiger bereitstellen kann als die konventionelle elektrisch angetriebene Verdichterkältemaschine.
• Erfindungsgemäß werden mehrere Maßnahmen zur Sicherstellung einer die vorgegebenen Betriebsdaten einhaltenden, störungsfreien Kälteversorgung vorgeschlagen.
• Zur Abwendung der Gefahr, dass das CO₂ in die feste Phase übergeht und nicht mehr pumpbar ist, dient vorrangig die Verwendung des Zwischenmediums Propan, das in einem geschlossenen Kreislauf per Naturumlauf auf einem sicheren mittleren Temperaturniveau in einem Zwischenmediumverdampfer verdampfend die Wärme aus dem Kälteträger übernimmt, um sie dann in einem Zwischenmediumkondensator an das LNG zu übertragen. Hierfür werden zwei übereinander angeordnete, horizontal ausgerichtete tieftemperaturtaugliche Rohrbündelwärmeaustauscher benutzt, in deren Rohren der Kälteträger seine Wärme abgibt, bzw. das LNG die Wärme aufnimmt, und zwischen denen zur Sicherstellung des Naturumlaufes die im Gleichgewicht befindlichen Phasen, Propan als Sattdampf und Propan im Siedezustand, getrennt und in großzügig dimensionierten Leitungen mit minimalen Druckverlusten transportiert werden.
• Zur Konstanthaltung der Temperatur im siedenden und kondensierenden Propan auf einem sicheren mittleren Niveau, dient eine Drucküberwachung des Zwischenmediums. Dessen Druck wird mit Hilfe einer computergestützten Anlagensteuerung und einem LNG- Drosselventil, das als Stellglied den LNG- Fluss und damit die Wärmeübertragung im Zwischenmediumkondensator bestimmt, auf den Sollwert 0,611 bar geregelt, was gemäß der Propan-Dampfdruckkurve mit der Temperatur -55°C korreliert.
• Dass sich der Kälteträger durch die Wärmeabgabe an das Zwischenmedium möglichst tief, aber nicht unter den minimal zulässigen Wert -50°C abkühlt, wird regelungstechnisch zusätzlich, und zwar diversitär redundant, durch die Erfassung der Temperatur an der Stelle der tiefsten Abkühlung, das heißt am Ausgang des Zwischenmediumverdampfers erreicht. Auch hier erfolgt die Regelung mit Hilfe der Anlagensteuerung und dem LNG- Drosselventil, das als Stellglied den LNG-Durchfluss und damit die aus dem Wärmeübergang an das LNG resultierende Abkühlung des Kälteträgers bestimmt.
• Die Erfassung des Druckes des Zwischenmediums dient ferner auch der Absicherung einer eventuellen Undichtigkeit im Wärmeübertragungssystem Kälteträger - Zwischenmediumverdampfer - Propanverbindungsleitungen - Zwischenmediumkondensator - LNG. Mit den Komponenten Drucküberwachung, computergestützte Anlagensteuerung und LNG- Drosselventil steht eine sicherheitstechnische Einrichtung zur Verfügung, die eine eventuelle Leckage aus den LNG oder CO₂ transportierenden Rohren in die das Zwischenmedium Propan enthaltenen Räume detektiert, nämlich in die Mantelräume der beiden Rohrbündelwärmeaustauscher und in die Propanverbindungsleitungen.
• Als Gegenmaßnahme wird die LNG- Zufuhr und der Betrieb der Kälteträgerpumpe unterbrochen. Eine zusätzliche Funktion der Drucküberwachung ist es schließlich, aus der Höhe des festgestellten Druckanstiegs zu identifizieren, ob die Leckage eindringendes LNG betrifft, welches üblicherweise vor der Regasifizierung auf den für die Erdgasnutzung erforderlichen hohen, meist überkritischen Druck gepumpt wird, oder eindringendes CO₂, dessen Druck trotz des Zustandes einer unterkühlten Flüssigkeit deutlich geringer ist.
• Eine weitere Drucküberwachung betrifft schließlich die typisch hohe Drucklage des CO₂ im gesamten Kälteträgerkreislauf, der zunächst zu erläutern ist.
• Das unterkühlte CO₂ wird mittels einer Kälteträgerpumpe in einem geschlossenen aus gut isolierten Rohrleitungen bestehenden Kreislauf umgewälzt, wobei es im Zwischenmediumverdampfer unter Wärmeabgabe an das Zwischenmedium bis -50°C abkühlt, dann in unterkühltem Zustand bis an die zu versorgende, gegebenenfalls fernliegende Kältebedarfsstelle gelangt, um sich hier durch Wärmeaufnahme, was der Kälteleistung entspricht, bis in die Nähe des Siedezustandes zu erwärmen und dann einem Kälteträgersammler und -abscheider zugeführt zu werden. In diesem Sammler und Abscheider wird schließlich Phasengleichgewicht zwischen Kälteträgerkondensat und Kälteträgersattdampf erreicht, beispielsweise bei -40°C und 10,0 bar.
• Das Kälteträgerkondensat fließt dann als Rücklauf über eine Kavitation verhindernde angemessene Zulaufhöhe zur Kälteträgerpumpe, die es zum Zwischenmediumverdampfer fördert, in welchem die Wärme vom hier verdampfenden Zwischenmedium aufgenommen wird, welches im Naturumlauf zum Zwischenmediumkondensator gelangt und dort kondensierend die Wärme an das zu regasifizierende LNG überträgt.
• An das beschriebene Kälteträgersystem ist zum Zweck der Drucküberwachung oberhalb des Kälteträgersammlers und -abscheiders, diesen als Kupplung nutzend, eine konventionelle Verdichterkältemaschine als Ersatzkälteanlage angeschlossen. Die Verbindung ergibt sich durch einen Naturumlauf, in welchem in freier Konvektion aus dem Kälteträgersammler und -abscheider zuströmender Kälteträgersattdampf an dem wie üblich als Oberflächenwärmeaustauscher gestalteten Verdampfer der Verdichterkältemaschine kondensiert und flüssig zurückfließt, und zwar in Verbindungsleitungen, die strömungstechnisch so gestaltet sind, dass keine Umwälzpumpe benötigt wird. Mit Hilfe der Kälteleistung der Ersatzkälteanlage erzielt man eine zweifache Wirkung. Einerseits kann entstandener Kälteträgersattdampf rückverflüssigt und im Kälteträgersammler und -abscheider gespeichert werden und andererseits kann der Druck im Kälteträgerkreislauf gesenkt werden.
• Die Ersatzkältemaschine, die Druckerfassung im Kälteträgersammler und -abscheider, die computergestützte Anlagensteuerung, die abschaltbare Kälteträgerpumpe und das LNG- Drosselventil bilden dabei ein Sicherheitssystem, das verhindert, dass der Druck im Kälteträgerkreislauf bei einer eventuellen Unterbrechung des LNG- Flusses und/oder bei einer die vorgesehenen Grenzen überschreitenden Wärmezufuhr in der Kältebedarfsstelle über ein festgelegtes Limit hinaus ansteigt, zum Beispiel 25 bar, der Dampfdruck bei -12°C, und deshalb ein Sicherheitsventil betätigt werden muss.
• Ausführungsbeispiel
• Die erfindungsgemäße Anlage mit ihren apparativen anlagentechnischen Merkmalen wird nachfolgend an Hand einer Zeichnung, 1, näher erläutert. Die Zeichnung zeigt ein Beispiel der Anlagenausführung.
• Die an die Regasifizierungseinrichtung eines LNG- Terminals gekoppelte Kälteversorgungsanlage nutzt die für die Regasifizierung des LNG benötigte Wärme als Kälteleistung. Diese wird mit Hilfe eines Kälteträgers (1), der mit einer Kälteträgerpumpe (7) in einem geschlossenen, aus gut isolierten Rohrleitungen (8) bestehenden Kreislauf umgewälzt wird, an die gegebenenfalls fernliegende Kältebedarfsstelle (2) übertragen. Der Kälteträger (1) ist flüssiges CO₂, das in den Rohren eines Rohrbündelwärmeaustauschers, des sogenannten Zwischenmediumverdampfers (4) bis zum zulässigen Minimalwert -50°C abgekühlt wird, dann in unterkühltem Zustand an die zu versorgende Kältebedarfsstelle (2) gelangt, um sich dort durch Wärmeaufnahme, was der Kälteleistung entspricht, bis in die Nähe des Siedezustandes zu erwärmen.
• Die nächste Station im Kreislauf ist der Kälteträgersammler und -abscheider (9), in welchem schließlich das den Druck im Kreislaufsystem bestimmende Phasengleichgewicht zwischen Kälteträgerkondensat (10) und Kälteträgersattdampf (11) erreicht wird. Das Kälteträgerkondensat (10) fließt dann über eine Kavitation verhindernde angemessene Zulaufhöhe der Kälteträgerpumpe (7) zu, die es als Rücklauf zum Zwischenmediumverdampfer (4) fördert.
• Im Zwischenmediumverdampfer (4) wird vom im Mantelraum siedenden Zwischenmedium (12) Propan die vom in den Rohren strömenden Kälteträger (1) abgegebene Wärme aufgenommen. Das verdampfte Zwischenmedium (12) verlässt dann über eine Zwischenmediumsattdampfleitung (13) den oberen Bereich des Mantelraumes des Zwischenmediumverdampfers (4) und gelangt in den oberen Mantelraumbereich eines weiteren Rohrbündelwärmeaustauschers, den sogenannten Zwischenmediumkondensator (5), der oberhalb des Zwischenmediumverdampfers (4) angeordnet und wie dieser horizontal ausgerichtet ist.
• Das im Mantelraum des Zwischenmediumkondensators (5) kondensierende Zwischenmedium liefert schließlich die Wärme, die für die Regasifizierung des in den Rohren strömenden LNG benötigt wird, und fließt dann aus dem unteren Mantelraumbereich des Zwischenmediumkondensators (5) über die Zwischenmediumkondensatleitung (14) abwärts zum unteren Mantelraumbereich des Zwischenmediumverdampfers (4). Der mit dem Zwischenmedium (12) gestaltete Wärmetransport vom Kälteträger (1) zum LNG erfolgt im Naturumlauf, das heißt, in freier Konvektion ohne Umwälzpumpe, und auf einem sicheren mittleren Temperaturniveau, welches die Gefahr des Erstarrens des Kälteträgers (1) ausschließt. Der Naturumlauf des verdampfenden und kondensierenden Zwischenmediums (12) Propan zwischen den beiden Rohrbündelwärmeaustauschern, dem Zwischenmediumverdampfer (4) und dem Zwischenmediumkondensator (5) wird durch die großzügig dimensionierten minimale Druckverluste aufweisenden Zwischenmediumsattdampfleitung (13) und Zwischenmediumkondensatleitung (14) erreicht, die die Phasen Sattdampf und Kondensat getrennt und zudem bei Bedarf auch in mehreren parallelen Leitungen fördern.
• Die in 1 dargestellte Kälteversorgungsanlage enthält mehrere Maßnahmen zur Sicherstellung einer die vorgegebenen Betriebsdaten einhaltenden störungsfreien Kälteversorgung.
• Zur Konstanthaltung der Temperatur des siedenden und kondensierenden Zwischenmediums (12) Propan im Zwischenmediumverdampfer (4) und im Zwischenmediumkondensator (5) auf einem sicheren mittleren Niveau dient eine Zwischenmediumdruckregelung und -überwachung (17).
• Der gemessene Druck des im Phasengleichgewicht befindlichen Zwischenmediums (12) wird mit Hilfe einer computergestützten Anlagensteuerung (20) und eines LNG- Drosselventils (16), das als Stellglied den LNG- Durchfluss (3) und damit die Wärmeübertragung im Zwischenmediumkondensator (5) bestimmt, auf einen Sollwert geregelt, beispielsweise 0,611 bar, was gemäß der Propan- Dampfdruckkurve mit der Temperatur -55°C korreliert.
• Dass sich der Kälteträger (1) durch die Wärmeabgabe an das Zwischenmedium (12) möglichst tief, aber nicht unter den minimal zulässigen Wert -50°C abkühlt, wird zusätzlich diversitär redundant mit der Kälteträger-Austrittstemperaturegelung (15) erreicht. Die Temperatur des Kälteträgers (1) wird dabei an der Stelle der tiefsten Abkühlung, das heißt am Ausgang des Zwischenmediumverdampfers (4) gemessen. Auch hier erfolgt die Regelung mit Hilfe der Anlagensteuerung (20) und dem LNG- Drosselventil (16), das als Stellglied den LNG- Durchfluss (3) und damit die aus dem Wärmeübergang an das LNG resultierende Abkühlung des Kälteträgers (1) bestimmt.
• Die Erfassung des Druckes des Zwischenmediums (12) dient ferner auch der Absicherung einer eventuellen Undichtigkeit im Wärmeübertragungssystem Kälteträger - Zwischenmediumverdampfer - Propanverbindungsleitungen - Zwischenmediumkondensator - LNG. Mit den Komponenten Zwischenmediumdruckregelung und -überwachung (17), computergestützte Anlagensteuerung (20) und LNG- Drosselventil (16) steht eine sicherheitstechnische Einrichtung zur Verfügung, die eine eventuelle Leckage aus den LNG oder CO₂ transportierenden Rohren in die das Zwischenmedium (12) Propan enthaltenen Räume detektiert, nämlich in die Mantelräume der beiden Rohrbündelwärmeaustauscher, den Zwischenmediumverdampfer (4) und den Zwischenmediumkondensator (5), sowie in die Propanverbindungsleitungen, die Zwischenmediumsattdampfleitung (13) und die Zwischenmediumkondensatleitung (14). Als Gegenmaßnahme wird die LNG-Zufuhr am LNG- Eintritt (3) und der Betrieb der Kälteträgerpumpe (7) unterbrochen.
• Durch die Höhe des festgestellten Druckanstiegs lässt sich zusätzlich identifizieren, ob die Leckage eindringendes LNG betrifft, welches üblicherweise vor der Regasifizierung auf den für die Erdgasnutzung erforderlichen hohen, meist überkritischen Druck gepumpt wird, oder eindringendes CO₂, dessen Druck trotz des Zustandes einer unterkühlten Flüssigkeit deutlich geringer ist.
• Eine weitere Drucküberwachung betrifft schließlich die typisch hohe Drucklage des CO₂ im gesamten Kälteträgerkreislauf. Zu diesem Zweck ist oberhalb des Kälteträgersammlers und -abscheiders (9), diesen als Kupplung nutzend und so in das Kälteträgersystem eingebunden, eine konventionelle Verdichterkältemaschine (VKM) als Ersatzkälteanlage (6) angeordnet. Es ergibt sich ein Naturumlauf, in welchem über eine Kälteträgersattdampfleitung (18) in freier Konvektion zuströmender Kälteträgersattdampf an dem wie üblich als Oberflächenwärmeaustauscher gestalteten Verdampfer der Verdichterkältemaschine (VKM) kondensiert und danach flüssig über die Kälteträgerkondensatleitung (19) zurückgeführt wird, und zwar in Verbindungsleitungen, die strömungstechnisch so gestaltet sind, dass keine Umwälzpumpe benötigt wird. Mit Hilfe der Kälteleistung der Ersatzkälteanlage (6) ergibt sich eine zweifache Wirkung. Einerseits kann so entstandener Kälteträgersattdampf (10) rückverflüssigt und im Kälteträgersammler und -abscheider (9) gespeichert werden, andererseits kann der Druck im Kälteträgerkreislauf gesenkt werden. Die Ersatzkälteanlage (6), die Kälteträger- Abscheiderdruckregelung (21), die computergestützte Anlagensteuerung (20), die abschaltbare Kälteträgerpumpe (7) und das LNG- Drosselventil (16) bilden dabei ein Sicherheitssystem, das verhindert, dass der Druck im Kälteträgerkreislauf bei einer eventuellen Unterbrechung des LNG- Durchflusses (3) und/oder bei einer die vorgesehenen Grenzen überschreitenden Wärmezufuhr in der Kältebedarfsstelle (2) über ein festgelegtes Limit hinaus ansteigt, zum Beispiel 25 bar, der Dampfdruck bei -12°C, und deshalb ein Sicherheitsventil betätigt werden muss.
• Bezugszeichenliste

1

Unterkühlte Kälteträgerflüssigkeit, Kälteträger,

2

Kältebedarfsstelle,

3

LNG- Eintritt, LNG- Durchfluss,

4

Zwischenmediumverdampfer,

5

Zwischenmediumkondensator,

6

Ersatzkälteanlage,

7

Kälteträgerpumpe,

8

Isolierte Rohrleitung,

9

Kälteträgersammler und -abscheider,

10

Kälteträgerkondensat,

11

Kälteträgersattdampf,

12

Zwischenmedium,

13

Zwischenmediumsattdampfleitung,

14

Zwischenmediumkondensatleitung,

15

Kälteträger- Austrittstemperaturregelung,

16

LNG- Drosselventil,

17

Zwischenmediumdruckregelung und -überwachung,

18

Kälteträgersattdampfleitung,

19

Kälteträgerkondensatleitung,

20

Computergestützte Anlagensteuerung,

21

Kälteträger- Abscheiderdruckreglung,

VKM

Verdichterkältemaschine.

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• EP 0048316 A [0011]
• US 6367429 [0011]
• US 4170115 A [0011]
• DE 202015008836 [0013]
• DE 102016006121 [0013]

Claims (7)

1. Kälteversorgungsanlage, die an die Regasifizierungseinrichtung eines Liquified Natural Gas Terminals gekoppelt ist, zur Nutzung der dort bei der LNG- Regasifizierung auf niedrigem Temperaturniveau verfügbaren, hochwertigen Kälteleistung, gekennzeichnet dadurch, dass zwischen einem LNG- Eintritt (3) und einer Kältebedarfsstelle (2) folgende miteinander in Wirkverbindung stehende funktionswesentliche Bauteile angeordnet sind, nämlich ein Zwischenmediumkondensator (5), ein Zwischenmediumverdampfer (4), ein Kälteträgersammler und -abscheider (9) für Kälteträgerkondensat (10) und Kälteträgersattdampf (11), eine Ersatzkälteanlage (6), eine Kälteträgerpumpe (7), ein LNG- Drosselventil (16) und eine computergestützte Anlagensteuerung (20), die unter Nutzung von Propan als Zwischenmedium (12) derart zusammenwirken, dass unterkühlte Kälteträgerflüssigkeit (1) mittels der Kälteträgerpumpe (7) in einem geschlossenen aus gut isolierten Rohrleitungen (8) bestehenden Kreislauf umwälzbar ist, wobei sie im Zwischenmediumverdampfer (4) unter Wärmeabgabe an das Zwischenmedium (12) bis -50°C abkühlt, dann in unterkühltem Zustand bis an die zu versorgende gegebenenfalls fernliegende Kältebedarfsstelle (2) gelangt, um sich hier durch Wärmeaufnahme, was der Kälteleistung entspricht, bis in die Nähe des Siedezustandes zu erwärmen, folgend einem Kälteträgersammler und -abscheider (9) zuführbar ist, in dem schließlich Phasengleichgewicht zwischen Kälteträgerkondensat (10) und Kälteträgersattdampf (11) erreicht wird, wobei das Kälteträgerkondensat (10) als Rücklauf wieder dem Zwischenmediumverdampfer (4) zugeleitet wird, in welchem die Wärme vom hier verdampfenden Zwischenmedium (12) aufgenommen wird, welches dann im Naturumlauf zum Zwischenmediumkondensator (5) gelangt und dort kondensierend die Wärme an das zu regasifizierende LNG überträgt, dass ferner Versorgungssicherheit erreicht wird und zwar mit Hilfe der Regelungstechnik, die die Unterschreitung der minimal zulässigen Kälteträgertemperatur verhindert, und zusätzlich mit Hilfe der an den Kälteträgersammler und -abscheider (9) gekoppelten Ersatzkälteanlage (6), die einen durch die Unterbrechung des LNG- Durchflusses (3) und/oder durch vorgesehene Grenzen überschreitende Wärmezufuhr in der Kältebedarfsstelle (2) verursachten unzulässigen Druckanstieg im Kälteträgerkreislauf verhindert.
2. Kälteversorgungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass CO₂ als Kälteträger (1) verwendet wird, und zwar so, dass dieser ohne Phasenwechsel, flüssig und unterkühlt die Kälteleistung an die zu versorgende Kältebedarfsstelle (2) transportiert, wobei sich auch große Distanzen kostengünstig überbrücken lassen, während die Gefahr des Erstarrens des CO₂, dessen Triplepunkt die Koordinaten 5,19 bar und -56,6°C hat, mit der Beschränkung der Abkühlung auf den Mindestwert -50 °C beherrscht wird, die durch die computerunterstützte Anagensteuerung (20) erfolgt, welche das LNG-Drosselventil (16) als Stellglied und die mittels der Temperaturregelung (15) erfasste Kälteträgertemperatur am Austritt aus dem Zwischenmediumverdampfer (4), wo sie ihren niedrigsten Wert erreicht, als Regelgröße nutzt.
3. Kälteversorgungsanlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abwendung der Gefahr des Erstarrens des Kälteträgers (1) die Wärmeübertragung mit Hilfe des Zwischenmediums (12) Propan erfolgt, das in Naturumlauf ohne Umwälzpumpe den vom Kälteträger (1) abgegebene Wärmestrom zunächst auf einem sicheren mittleren Temperaturniveau aufnimmt, um ihn dann an das LNG zu übertragen, was dadurch erreicht wird, dass ein Zwischenmediumkondensator (5) über einem Zwischenmediumverdampfer (4) angeordnet ist und dass beide horizontal ausgerichtete, für die zu beherrschenden tiefen Temperaturen taugliche Rohrbündelwärmeaustauscher sind, und zwar der Zwischenmediumverdampfer (4), der den Kälteträger (1) in den Rohren führt, während das Zwischenmedium (12) im Mantelraum siedet, und der Zwischenmediumkondensator (5), der das LNG in den Rohren führt, während das Zwischenmedium (12) im Mantelraum kondensiert, wobei die Transporte der gasförmigen und der flüssigen Phasen zur Sicherstellung des Naturumlaufs getrennt und in großzügig dimensionierten Leitungen mit minimalen Druckverlusten realisiert sind, nämlich in der Zwischenmediumsattdampfleitung (13) und in der Zwischenmediumkondensatleitung (14) in jeweils einer oder mehreren parallelen Leitungen, die den Dampf aus dem oberen Mantelraumbereich des Zwischenmediumverdampfers (4) zum oberen Mantelraumbereich des Zwischenmediumkondensators (5) führen und das Kondensat über wenigstens eine Zwischenmediumkondensatleitung (14) aus dem unteren Mantelraumbereich des Zwischenmediumkondensators (5) in den unteren Mantelraumbereich des Zwischenmediumverdampfers (4).
4. Kälteversorgungsanlage nach wenigstens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer Zwischenmediumdruckregelung und -überwachung (17) im Zwischenmedium (12) Propan, einer computergestützten Anlagensteuerung (20) und eines LNG- Drosselventils (16) regelungstechnisch diversitär redundant sichergestellt ist, dass sich der Kälteträger (1), nämlich CO₂, im Zwischenmediumverdampfer (4) möglichst tief, aber nicht unterhalb -50°C abgekühlt und somit nicht in die feste Phase übergeht, wobei als Regelgröße der Propandruck benutzt wird, als dessen Sollwert der minimal zulässige Wert des im Phasengleichgewicht befindlichen siedenden und kondensierenden Propans 0,611 bar gesetzt ist, was gemäß der Propan- Dampfdruckkurve mit der Temperatur - 55 °C korreliert, deren Erreichen vom Wärmeübergang an das LNG, also von dessen Durchfluss abhängt, der mit dem LNG- Drosselventil (16) einstellbar ist.
5. Kälteversorgungsanlage nach wenigstens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus den Komponenten Zwischenmediumdruckregelung und -überwachung (17), computergestützte Anlagensteuerung (20) und LNG- Drosselventil (16) bestehende sicherheitstechnische Einrichtung zur Drucküberwachung und -regelung des Zwischenmediums (12) angeordnet ist, wodurch eine eventuelle Leckage aus den LNG oder CO₂ transportierenden Rohren in den das Zwischenmedium (12) enthaltenen Raum zu erkennen ist und die LNG- Zufuhr und der Betrieb der Kälteträgerpumpe (7) als Gegenmaßnahme unterbrochen werden kann, wobei durch die Höhe des festgestellten Druckanstiegs zusätzlich identifizierbar ist, ob die Leckage eindringendes LNG betrifft, welches üblicherweise vor der Regasifizierung auf den für die Erdgasnutzung erforderlichen hohen, meist überkritischen Druck gepumpt wurde, oder eindringendes CO₂, dessen Druck trotz des Zustandes einer unterkühlten Flüssigkeit deutlich geringer ist.
6. Kälteversorgungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine konventionelle Verdichterkältemaschine (VKM) als Ersatzkälteanlage (6) oberhalb des Kälteträgersammlers und -abscheiders (9) angeordnet und diesen als Kupplung nutzend in das Kälteträgersystem eingebunden ist, wobei in freier Konvektion in Naturumlauf über die Kälteträgersattdampfleitung (18) zuströmender Kälteträgersattdampf (11) an dem wie üblich als Oberflächenwärmeaustauscher gestalteten Verdampfer der Verdichterkältemaschine (VKM) kondensiert und danach über die Kälteträgerkondensatleitung (19) zurückfließt, so dass mit Hilfe der Kälteleistung der Ersatzkälteanlage (6) eine zweifache Wirkung erzielbar ist, nämlich einerseits kann so entstandener Kälteträgersattdampf (10) rückverflüssigt und im Kälteträgersammler und -abscheider (9) gespeichert werden, andererseits kann der Druck im Kälteträgerkreislauf gesenkt werden, was mit Hilfe der aus der Ersatzkälteanlage (6), der Kälteträger- Abscheiderdruckregelung (21), der computergestützten Anlagensteuerung (20), dem LNG- Drosselventil (16) und der abschaltbaren Kälteträgerpumpe (7) bestehenden sicherheitstechnischen Einrichtung ermöglicht, bei einer eventuellen Unterbrechung des LNG- Durchflusses (3) und/oder bei einer die vorgesehenen Grenzen überschreitenden Wärmezufuhr in der Kältebedarfsstelle (2) den unzulässigen Druckanstieg des Kälteträgers zu verhindern.
7. Kälteversorgungsanlage nach wenigstens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältebedarfsstelle (2) außerhalb der übrigen Anlagenkomponenten angeordnet ist.

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