DE2224826A1

DE2224826A1 - Verfahren zum Verdampfen und Überhitzen eines kryogenen Mediums

Info

Publication number: DE2224826A1
Application number: DE19722224826
Authority: DE
Inventors: Edwin M. El Reno OkIa. Arenson (V .StA.) (verstorben)
Original assignee: Black, Sivalls & Bryson Inc., Kansas City, Mo. (V.StA.)
Priority date: 1971-05-20
Filing date: 1972-05-20
Publication date: 1972-12-07
Also published as: FR2138762A1; JPS578360B1; IT955555B; CA948983A; GB1348736A; FR2138762B1; US3726101A

Description

PATENTANWÄLTE Dr. ret. na«. DtETER LOUIS Dlpt-Phys. CLAUS PÖHLAU Dtpl.-Ing. FRANZ LOHRENTZ
böOO NÜRNBERG
KCSSLERPLATZ 1

angegangen mJJLl. JA ^{2 4 8 2 6}

Sij~ iß

BLACK, SIVA.LLS & BRYSON, INC. Kansas City, Missouri 64126 , USA

Verfahren zum Verdampfen und Überhitzen eines kryogenen

Mediums

Die Brfindung befaßt sich allgemein mit einem Verfahren zum Verdampfen und Überhitzen eines verflüssigten kryogenen Mediums und insbesondere mit einem derartigen Verfahren, bei dem ein Strom des Mediums im Wärmeaustausch mit den Abgasen einer Gasturbine geführt wird.

Es sind zahlreiche Verfahren und Anlagen entwickelt worden, um kryogene Medien zu verdampfen und zu überhitzen. Der Begriff "kryogenes Medium" soll im vorliegenden Fall derartige Flüssigkeiten oder Medien bezeichnen, die bei einer Temperatur von unter etwa -loo°C und bei Drücken bis hinauf zu 7o ata

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BAPORlGlNAt

in flüssigem Zustand vorliegen. Dies gilt beispielsweise für verflüssigtes Erdgas.

In den letzten Jahren hat der Bedarf an verflüssigtem Erdgas als Brennstoffzelle in solchen Regionen, in denen Erdgas normalerweise nicht zur Verfügung steht, merklich zugcnomraon. An derartigen Stellen wird ein kontinuierlicher Strom de« verflüssigten Erdgases verdampft, überhitzt, und anschließend mittels Pipeline an die Verwendungsorte verteilt. Für diese Art des Verdampfens und Überhitzens sind zahlreiche Verfahren und Einrichtungen entwickelt und vorgeschlagen worden. Im allgemeinen erfordern die bekannten Verfahren und Systeme eine aufwendige Heizeinrichtung mit entsprechend hohen Betriebskosten. Um die Wirtschaftlichkeit derartiger Anlagen zu verbessern, ist in jüngerer Zeit vorgeschlagen worden, Wasser aus der Umgebung als Heizmedium zum Verdampfen und Überhitzen des verflüssigten Erdgases heranzuziehen. Unter dem Begriff "Wasser aus der Umgebung" wird hierbei Wasser verstanden, das als große 7/asserkörper in Ozeanen, Seen, Flüssen usw. vorliegt. Um einen Strom eines verflüssigten kryogenen Mediums unter Zuhilfenahme von derartigem '-.Yasser aus der Umgebung zu verdampfen und zu überhitzen, ohne dabei einen schädlichen Temperaturabfall in diesem Wasser zu verursachen, und um weiterhin Pumnleistung zur Förderung des verflüssigten kryogenei Mediums sowie des Wassers zu erzeugen, ist auch bereits ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem Wasser aus der Umgebung zur Verdampfung des Stromes an verflüssigtem kryogenen Medium herangezogen wird, wMirend Abgase einer Gasturbine zur überhitzung des bereits verdampften kryogenen Mediums auf ein bestimmtes Überhitzungsniveau dienen. Derartige Verfahren und Anlagen, bei denen Wasser aus der Umgebung und Turbinenabgase im Wärmeaustausch zur Verdampfung und Überhitzung des verflüssigten kryogenen Mediums herangezogen werden, haben sich zwar in wirtschaftlicher Hinsicht als höchst vorteilhaft erwiesen. Bei bestimmten Anwendungsfällen kann man jedoch die Erfahrung

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raaclion, daß die Tomneraturötcuerbjrkeit dea überhitzten kryogonon Mediums nicht recht befriedigt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, bei dem dieser Nachteil vermieden wird, Erfindung sr; cm.' iß wird dies dadurch erreicht, daß das verdampfte kryogene Medium zum Zwecke der Überhitzung im V/dnaeaustausch mit den Abgasen einer Gasturbine durch in Reihe hintereinandergeschaltete Wärmetauscherstufen geführt wird und daß eine bestimmte Menge an verflüssigtem Medium mit dem jede der V/urmetauschorstufen durchströmenden, schon verdampften Medium zusammengeführt wird, so daß diese Menge verdampft und der resultierende Dampf vor dem Eintritt in die Wärmetauscherstufe gekühlt wird.

•.'/eitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung 'ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, anhand der beiliegenden Zeichnungen sowie aus weiteren Unteransprüchen.

Es zeigt:.

Fig.l ein Blockschaltbild einer Anlage zur Durchführung, des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2 ein Schaltbild einer bevorzugten Anordnung des Wärmetauschers und der Gasturbine, bei deren Anwendung in der Anlage gem".ß Figur 1.

Die Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 1 im Ganzen mit Bezugszeichen Io bezeichnet. Aus einem herkömmlichen Spei'chertank 12 oder einer sonstigen Quelle wird ein fjtroni von verflüssigtem kryogenen Medium mittels einer' Pumpe l^l· in einen oder mehrere Wärmetauscher 18 über eine Leitung 16 eingepumpt. Der Wärmeaustausch in den Wärmetauschern erfolgt zwischen dem kryogenen Medium und Wasser aus der Um-

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BADORIGINAt

gobung. Dio Wärmetauscher 18 können eine Anzahl herkömmlicher offener Hippen-Wasserwürmetauscher oder sonstige übliche Wärmetauscher «ein, bei denen große Volumina an Wasser aus der Umgebung zum Einsatz lcommon können, line Leitung 2o, deren eines finde unterhalb des Spiegels der Quelle für das Umgobun; swasser angeordnet ist, ist an eine oder mehrere gev/öhnliclic "Vasserpumpen 22 angeschlossen. Die Auslaßneite der Pumpen 22 steht über eine Leitung 2J\- mit dem '.7assereinlaß der Wärmetauscher 18 in Verbindung. Nach dem Durchlauf durch die Wärmetauscher 18 wird das Wasser über eine Leitung 26 zur Entnahmestelle wieder zurückgeleitet. Wenn das verflüssigte kryogene Medium die Wärmetauscher 18 durchströmt, erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen "dem Medium und dem ebenfall hindurchströmenden Wasser, durch den das kryogene Medium erwärmt und verdampft wird. Das die Wärmetauscher 18 durchströmende Viasservolumen wird so eingesteuert, daß das Temperaturgefalle im Wasser auf einem Wert gehalten wird, der den Vorschriften gegen thermische Umweltbeeinträchtigung entspricht, z.B. o,5 bis I⁰G.

Es ist weiterhin ein Paar gewöhnlicher Gasturbinen 28 und 3o vorgesehen, von denen oede aufgrund der Verbrennung von Brennstoff und Luft große Volumina heißer Abgase erzeugt. Es sind .zwei Gasturbinen vorgesehen, um zu gewährleisten, daß ständig eine der Turbinen in Betrieb sein kann und ein kontinuierlicher Strom an verdampftem und überhitztem Erdgas erzeugt wird. Wie nachfolgend jedoch noch näher erläutert wird, stehen beide Gasturbinen 28 und 3o kontinuierlich in Betrieb.

Die von der Gasturbine 28 erzeugten Abgase werden über einen Kanul 32 zu einem Wärmetauscher 34 geleitet. Das in den Wärmetauschern 18 erwärmte und verdampfte kryogene Medium tritt aus diesen über eine Leitung 36 aus. Diese steht mit einem Paar von Leitungen 38 und 4o in Verbindung, in denen herkömmliche Steuermittel (nicht dargestellt) vorgesehen sind, um den Dampfstrom des kryogenen Mediums in zwei Teilströrae aufzuspalten. Der erste Teilstrom davon durchströmt die Leitung

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_ It _

und der zweite 'i'eilobrom die Leitung 4o. Der er.-sto Teilctroia gelangt über die Leitung 3^ zu einem weiteren Puar von Leitungen 42 und -Vl-, in denen wiederum nicht dargestellte Steuermittel vorgesehen sind, die den ersten Teilstrom des verdampften kryogonen Mediums in zwei weitere Ströme aufteilen. Der Strom des verdamnfton kryogcnen Mediums, der die Leitung 42 durchströmt, wird zu Heizrohren geleitet, die innerhalb des Wärmetauschers 34 angeordnet sind. Beim Durchströmen dieser Heizrohre erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen den Turbinenabgasen und dem Strom an verdampftem kryogenen Medium, so daß letzterer auf ein vorbestimmtes Temperaturniveau erhitzt wird. Zusätzlich wird mit dem Strom an verdampftem kryogenen Medium, der den Wärmetauscher 34 durchströmt, eine bestimmte Menge an verflüssigtem kryogenen Medium "kombiniert, so daß die Wärme- . kapazität der Turbinenabgase maximal ausgenützt wird. Der überhitzte kryogene Dampf, der aus dem Wärmetauscher 34 austritt, gelangt in eine daran angeschlossene Leitung 48.

Die von der Gasturbine 3o erzeugten Abgase werden über einen Kanal 5o zu einem Wärmetauscher 52 geleitet. Das die Leitung durchströmende verdampfte kryogene Medium wird zu./Heizrohren geleitet, die innerhalb des Y/ärmetauschers 52 angeordnet sind. Beim Durchströmen des Wärmetauschers 52 erfolgt ein Wärmeaustausch zv/ischen den Turbinenabgasen und dem verdampften kryogene η Medium, so daß der Strom des kryogenen Mediums auf ein vorbestimmtes Überhitaungsniveau erwärmt wird. Wie auch bei dem v'/ürmetauscher 34 wird hier mit dem den Wärmetauscher. 52 durchströmenden kryogenen Dampf noch verflüssigtes kryogenes Medium kombiniert. Das daraus resultierende überhitzte kryogene Medium verlaßt den Wärmetauscher 52 über eine Leitung 56. Die verbrauchten Turbinenabgase treten aus den Wärmetauschern 34 und 52 über Ableitungen 58 und 6o aus, von denen aus sie in die Atmosphäre freigelassen werden.

Der zweite Teilstroia des verdampften kryogenen Mediums aus den ifrrmotauschern 18 durchströmt die Leitung 4o und gelangt von dort zu einem Paar von Leitungen 62 und 64.

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In diesen sind nicht dargestellte herkömmliche Steuereinrichtungen vorgesehen, um diesen zweiten Teilstrom an verdampftem kryogenen Medium in zwei v/eitere Teilströme aufzuspalten, von denen einer die Leitung 64 und der andere die Leitung 62 durchströmt. Der Dampfstrom in der Leitung 64 gelangt zu einer Anzahl von Heizrohren, die innerhalb eines i/ärmetauscher3 68 angeordnet sind. Brennluft für die Gasturbine 28 wird über einen Ansaugkanal ^r/o aus der Atmo3ohüre über den »7 irraetauscher 68 angesaugt und gelangt von diesem über eine Einlaßleitung 72 in die Gasturbine 28. Beim Durchströmen des tfnrmetauschers 68 erfolgt ein 7/nrmeaustausch zwischen dem strömenden verdampften kryogenen Medium lind der Brennluft, durch den die Brennluft abgekühlt wird. Das Abkühlenäev Brennluft vor dem Eintritt in die Gasturbine 28 ist von Vorteil, da hierdurch die Leistungsabgabe der Turbine entsprechend erhöht wird. Nach dem Durchströmen des Wärmetauschers 68 gelangt das verdampfte kryogene Medium über eine Leitung 74 in eine Leitung .76.

Der andere Teilstrom an verdampftem kryogenen Medium, der die Leitung 62 durchströmt, v/ird zu einer Anzahl von Heizrohren in einem Wärmetauscher 8o geleitet. Über einen Ansaugkanal 82 wird auch hier Brennluft aus der Atmosphäre angesaugt, durch den Wärmetauscher 8o gieitet und dann über eine iSintrittsleitung 84 der Gasturbine 3o zugeführt. Das den 'Järmet aus eher 3o verlassende verdampfte kryogene Medium gelangt über eine Leitung 86 in die Leitung 7S, in der es mit dem darin strömenden verdampften kryogenen L'edium aus dem /formetauscher 68 wieder zusammengeführt wird. Die Mengen an verflüssigtem krr/Ogenen Medium v/erden mit den Strömen an verdampftem kryogenen Medium, die durch die Wärmetauscher 68 und 8o strömen, wieder vereinigt, um eine übermäßige Eisbildung in den Y/ärmetauschern zu verhindern. Der vereinigte Strom an verdampftem kryogenen Medium gelangt dann über die Leitung 76 zu einer Leitung 88.

Die an die Wärmetauscher 54 bzw. 52 angeschlossenen Leitungen 48 und 56 stehen auch mit der Leitung 88 in Verbindung.

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BAD ORJG|_NAL

.\uf diene ."/eise worden die überhitzten kryogenen M rmo den «/ärinetousehern 3'I- und 52 in die Leitung 88 mit dem. litroin. an verdampftem kryogenen Medium vereinigt, der über die Leibimf!; 76 dorthin strömt. Aus der Leitung 88 gelangt dann der aus- tniiiGnr;esetzte Strom von verdampftem und überhitztem kryogenen Medium über eine Leitung 9o zu einer Dampf/ Flüssigkeit-Kontakteinrichtung 92. ilin Strom an verflüssigtem kryogenen Medium wird der Kontalrbeinrichtung 92 über eine Leitung 94- zugeleitet, die mit der Leitung 16 in Verbindung steht» Die Menge des der Kontakteinrichtung 92 zugeführten verflüssigten kryogenen Mediums, das die Leituag 94 durchströmt, wird so eingeregelt, daß der. resultierende vereinigte Strom, der die Kontakteinrichtung 92 über eine Leitung 96 verläßt, eine bestimmte erwünschte Temperatur aufweist. Die'Kontakteinrichtung 92 wird somit· dazu verwendet, eine gesteuerte Menge .an flüssigem kryogenen Medium mit dem Strom an überhitzt ein kryogenen Medium, der die Kontakteinrichtung durchströmt, zusammenzuführen, so daß, wie erwähnt, der kombinierte Strom mit der vorbestimmten Temperatur erzeugt wird. Mr den I¹SlII, daß in der Anlage Io Betriebsschwankungen und an den Gasturbinen und 3o Last Schwankungen auftreten, wird die Temperatur des erzeugten Stromes an verdampftem und überhitztem kryogenen i Medium somit auf einem konstanten Ifiveau gehalten»

Aus der Leitung 96 gelangt das verdampfte und überhitzte \ kryogene Medium dann zu einer Verbraucher- oder weiteren Verteilerstelle. Der Brennstoff für die Gasturbinen 28 und 3o kann dem zusammengesetzten Strom an verdampftem und überhitztem fcpyogenen Medium entnommen werden, der die Leitung durchströmt. Hierfür ist eine Leitung 98 an letztere angeschlossen.

Die ELgur 2 zeigt eine bevorzugte Anordnung der Gasturbinen 28 und 3ο sowie der W-irmetauscher 34₅ 52, 68 und 8o.

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"Bin Temper aturateuerco^t loo tastet die Temperatur iia Lufl;-einlaß der Gasturbine 23 ab und öffnet oder schließt doncntsorochcnd ein. ^owölmlichcs Steuerventil Io2, das in der Leitung '7l· angeordnet ist. Die Steuerung erfolgt in der ./oir-.o, daß bei zu hoher Temperatur der dieiSintrittsleitung 72 durchströmenden JiUft durch das TemperaturctGuergerat loo dos oteuerventil Io2 geöffnet wird, so daß mehr dampfförmiges kryogones Medium durch den 'Wärmetauscher 68 hindurchgelassen wird und dadurch eine zusätzliche Kühlung der eintretenden Luft erfolgt» Bei zu niedriger Temperatur wird entsprechend umgekehrt verfahren.

"Die Heizrohre in dem Wärmetauscher 68 sind in Reihe hintereinendergeschalteten Stufen angeordnet. So ist ein erstes Rohrbündel 1q4 mit der Leitung 64 verbunden. Ein zweites Rohrbündel Io6 ist außerhalb <&s Wärmetauschers 68 in Reihe an das Rohrbündel Io4 angeschlossen und ebenfalls ist ein drittes Rohrbündel Io8 außerhalb des Wärmetauschers 68 an das Rohrbündel Io6 angeschlossen. Der den Wärmetauscher 68 verlassende kryogene Dampfstrom gelangt über die Leitung 74 in die Leitung 76, wie zuvor schon erläutert. In den Leitungen 64- und 74- sind Absperrventile Ho und 112 angeordnet.

Eine bestimmte Menge an verflüssigtem kryogenen Medium wird mit dem kryogenen Dapipfstrom, der das Rohrbündel Io6 durchströmt, zusammengeführt. Desgleichen wird eine bestimmte Menge an flüssigem kryogenen Medium mit dem das Rohrbündel Io8 durchströmenden Dampfstrom vereinigt, um die daraus resultierenden vereinigten Ströme vor dem Passieren der Rohrbündel zu kühlen. Diese "stufenweise 3inspa?itzung" von flüssigem kryogenen Medium dient dazu, die Temperatur des den Wärmetauscher 68 passierenden lcryogenen Dampfstromes auf einem relativ konstanten Wert zu halten und auf diese Weise eine übermäßige Eisbildung an den Außenflächen der Heizrohre zu verhindern.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, wird das in dem Wärmetauscher 68 zugeführte flüssige kryogene Medium über eine Leitung 114

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einer Sainmolloitung 116 zugeführt. Die Leitung 114 ist an einen Vorrat des flüssigen hxyogenen Modiuma angeschlossen, beispielsweise an die Leitung Io stromabwärts von der ^umoe 14. /Vn die Sanmellcitung 116 ist -eine weitere Leitung 116 angeschlossen, die auch mit der Auslaßseite des Rohrbündels Io4 des Wärmetauschers 68 in Verbindung steht. In der Leitung; 118 ist eine herkömmliche Temperatur- Steueranordnung IPo vorgesehen, mittels der die Menge an flüssigem kryogenen Medium gesteuert wird, die dort eingespritzt wird. In der Loitunp; 118 ist außerdem ein Sperrventil 122 vorgesehen. .In die Sammelleitung 116 schließt eine Leitung 124 an, die zur Auslaßseite des Rohrbündels Io6 führt. In diese Leitung 124 sind ebenfalls eine Temperatur- Steueranordnung 126 sowie ein Sperrventil 128 angeordnet.

Der der Gasturbine 3o zugeordnete Wärmetauscher 8o ist genauso ausgebildet v/ie der vorstehend erläuterte Wärmetauscher Bin Teilstrom des kryogenen Dampfes aus der Leitung 4-0 strömt über die Leitung 62 zu diesem V/armetauscher 8o. Ein in der Leitung 62 angeordnetes Temperatursteuerventil 152 wird von einer üblichen Temperatur- Steueranordnung 134 betätigt, die in der Luftzuführung 84 liegt. In dem Wärmetauscher 8o sind Rohrbündel 13o, 153 und 14o in Reihe hintereinandergeschaltet und in der Auslaßleitung 86, die an die Leitung 76 anschließt,

ist ein Sperrventil 142 eingeschaltet. Zu der Sammelleitung 116 für das flüssige kryogene Medium führen Leitungen 144 und 146, die mit den Rohrbündeln 13o und 138 in Verbindung stehen. In diesen Leitungen 144 und 146 sind jeweils Temperatur- JJteueranordnungen 148 bzw. 15o sowie Sperrventile 152 bzw. 154 angeordnet.

Der Teils brom des verdampften kryogenen Mediums, der die Leibung 33 durchströmt, wird zwischen den Leitungen 42 und 44, wie vorstehend erläutert, aufgeteilt. Die Leitung 42 ist an die Heizrohre in dem der Turbine 28 zugeordneten V/;^;rmetauscher 34 angeschlossen. Die Leitung 44 steht dagegen mit den

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Heizrohren des der Turbine 3o zugeordneten ^vrrmetauschors 52 in Verbindung, /ie vors behend im Zusammenhang rait den ^;'rmetausohern 68 und 80 schon erläutert worden isb, umfaßt ,jeder der Wärmebauschcr 24 und 52 bündel von Heizrohren, die in hintereinandergeschalteten Stufen angeordnet sind, So beinhalte b der Wärmetauscher y\ drei in Reihe geschaltete Rohrbündel 156, ISO und lbo, während der Wärmetauscher 52 entsprechend geschaltete Rohrbündel 166, 160 und Γ/ο besitzt. Die Leitung 42 sbeht mit dem Einlaß des Rohrbündels 156 des Wärmetauschern 354· in Verbindung und die Auslaßseite des Rohrbündels loo ist an die Leitung 48 und über diese an die Leitung 88 angeschlossen. Die Leitung 44- dagegen ist mit der fiinlaßseite des Rohrbündels 166 des Wärmetauschers 52 verbunden, während die Auslaßseite des Rohrbündels 17o über die Leitung 56 zur Leitung 88 führt. In den kryogenen Dampfstrom, der jede Stufe bzw. jedes Rohrbündel der Wärmetauscher 54- und 52 durchströmt, werden bestimmte Mengen an flüssigem, kryogenen Medium injiziert, so daß die resultierenden zusammengesetzten Dampfströme abgekühlt und die Wärmekapazität der die Wärmetauscher 34- und 52 durchströmenden Abgase maximal ausgenützt werden. Zu diesem Zweck steht ein Paar von Leitungen 16.'-2 und 16-'-I- mit der Sammelleitung 116 sowie mit den Auslassen der Rohrbündel 156 und I58 des Wärmetauschers 34- in Verbindung. Entsprechend sind die Auslaßseiten der Rohrbündel 166 und 168 über Leitunpen 172 und 174- mit der Sammelleitung 116 verbunden. In diesen Leitungen 162, 164- bzw. 172, 174- liegen herkömmliche Temperatur- 3teueranordnungen 176, 178 sowie Sperrventile I80, l'JP bzw. Temperatur- 3t euer anordnungen 184·, 186 sowie Sperrventile 188, 19o. Die Leitungen 4-2, 48, 44 und 56 weisen jeweils Sperr- oder Abschaltventile 192, 194-, 196 und 198 auf.

Die Turbinen 23 und po treiben gewöhnliche Elektrogeneratoren 2oo und 2o2 an. Die Anlage Io beinhaltet zwei gewöhnliche Gasturbinen 23 und 3o, die die Antriebsleistung für die beiden Elektrogeneratoren 2oo und 2o2 liefern. Der Hauptzweck der

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Vnordnung zweier Gasturbinen und Elektrogeneratoren "besteht darin, eine -Hilfsturbine zur Erzeugung der heißen Abgas.e und der elektrischen Leistung für den Fall zur Verfügung zu haben, daß eine der Turbinen ausfällt. Auf- diese Weise ist die Erzeugung eines kontinuierlichen Stromes, an verdampftem und überhitztem kryogenen Medium gewährleistet. Im Betrieb der Anlage Io werden jedoch beide Gasturbinen 28 und 2o kontinuierlich eingesetzt. Die elektrische Ausgangsleistung eines der Elektrogeneratoren -ioo und 2o2 wird vorteilhafterweise zum Betrieb der Pumpen 14 für das flüssige kryogene Medium sowie für die tfasserpumpen 22 verwendet. Die elelcbrische Leistung des anderen Elektrogenerators kann an eine Kraftwerksgesellschaft oder einen sonstigen Verbraucher für elektrische Energie verkauft werden.

Die Anlage Io ist so ausgelegt, daß die erforderliche Mindestmenge an verdampftem und überhitztem kryogenen Medium unter Anwendung der Abgase einer der Gasturbinen 28 und 3o erzeugt werden kann. FIlIt also eine der Gasturbinen aus, oder wird sie außer Betrieb genommen, so dienen die Abgase der anderen Gasturbine zur Verdampfung und Überhitzung der erforderlichen Mindestmenge an kryogenem Medium, während die Ausgangsleistung des zugeordneten Elektrogenerators zum Betrieb der Pumpen 14 und 22 herangezogen wird.

Boi normalem Betrieb der Anlage Io wird ein Strom an flüssigem kryogenen Medium durch die Pumpe 14 durch die Leitung 16 und die 7"»riaetauscher 18 gepumpt. Bei der Durchströmung der Wärmetauscher 18 wird das kryogeiie Medium ervnrmt und verdampft. .7Ig vorstehend erläutert, wird der Dampf strom in zwei Teilntröme aufgespalten, von denen der größere Teilstrom über die Leitung 58 in die Leitungen 42 und 44 gelangt, in denen er zu weiteren Teilströmen aufgespalten wird. Einer dieser weiteren Toilströme gelangt über die Leitung 42 in den Wärmetauscher 5^;!-, während der andere weitere Teilstrom über die Leitung 44 in den .7.irmetauscher 52 fließt. Beim Durchströmen

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dieser Wärmetauscher 3*1- bzw. 52 werden die Ströme des verdampften kryogenen Mediums r:iit bestimmten Mengen an flüssigem kryogenen Medium verse uzt und die vereinigton Ströme anschliessend auf bestimmte Temperaturwerte überhitzt. Die überhitzten Ströme gelangen danii über die Leitungen 48 und 56 in die Leitung 88. Die einzelnen Mengen an flüssigem kryogenen Medium, die in die Wärmetauscher '$^lv und 52 eingespritzt werden, werden anhand der Temperatur- Steueranordnungen 176, 178, 184· und überwacht und gesteuert. Dabei werden die Temperatur- Steueranordnungen 176 und 178, die dem Wärmetauscher 34 zugeordnet sind, so eingestellt, daß die Temperatur des diesen Wärmetauscher über die Leitung 48 verlassenden kombinierten Stromes einen bestimmten Wert annimmt. Entsprechend werden die Temperatur- Steueranordnungen 184 und 186 an dem Wärmetauscher 52 eingeregelt. Dies hat zur Folge, daß bei normaler Betriebsweise der Anlage Io die' Wärmetauscher 34 und 52 Jeweils eine Hälfte des in den Wärmetauschern 18 erwärmten und verdampften Mediumstromes verarbeiten. Um die volle Wärmekapazität der von den Turbinen 28 und 3o erzeugten Abgasen auszunützen, wird flüssiges kryogenes Medium in die Wärmetauscher 34 und 52 eingespritzt.

Der kleinere Teilstrom des aus den Wärmetauschern 18 austretenden verdampften kryogenen Mediums wird über die Leitung 4o zu den Leitungen 62 und 64 geleitet, in denen er ebenfalls in zwei weitere Teilströme aufgespalten wird. Der eine dieser weiteren Teilströme durchströmt den Wärmetauscher 68, der andere weitere Teilstrom den Wärmetauscher 8o. Wie vorstehend erläutert, kühlendie Wärmetauscher 68 und 8o die den Turbinen 28 und 3o zugeführte Brennluft. Die aus den Wärmetauschern 68 und 8o austretenden erwärmten und kombinierten Dampfströme werden in der Leitung 76 vereinigt und zur Leitung 88 geführt, in der sie mit den überhitzten Zuströmen aus den Wärmetauschern 34 und 52 zusammenfließen. Der zusammengesetzte Strom gelangt dann über die Leitung 9o in die Kontaktvorrichtung 92, in welcher eine kleine zusätzliche Menge an flüssigem kryogenen Medium zugeführt wird, um die Temperatur des resultierenden Stromee

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Genau einzustallen. Aus der Kontaktvorricht mg 92 wird dann der Damnfstrom einem Verbrauchor oder einer Verteilorstelle zugeführt.

Wie aus l?ig. 2 hervorgeht, wird der Teilstrom des verdampften kryogenen Mediums aus den Wärmet auscheim 18, der den Brennluftlcühlern 68 und 8o zuströmt, durch die Temperatur- Steuoranordnungen loo und 134 sowie die Steuerventile Io2 und 132 gesteuert. Das bedeutet, daß die den Wärmetauschern 68 und 8o. (die als die Brennluft-Kühler wirken) zugeführten Mengen an · verdampftem lcryogenen Medium durch die Temperatur- Steueranordnungen loo und Io2 in Abhängigkeit der Brennlufttemperaturen erhöht oder erniedrigt werden·. Der verbleibende Teil des lcryogenen Dampfstromes wird weitgehend zu gleichen Teilen zwischen den Leitungen 42 und -'-W- aufgeteilt. Die Aufteilung kann durch Anwendung herkömmlicher Strömungsregler 43 und 45 in den Leitungen 42 und 44 erfolgen. Es versteht sich, daß zahlreiche unterschiedliche Steuereinrichtungen zur Aufteilung des Dampfstromes, der aus den Wärmetauschern 18 austritt, in die verschiedenen erforderlichen Teilströme eingesetzt werden können.

Für den Fall, daß eine der Turbinen 28 und 3o ausfällt oder aus sonstigen Gründen abgeschaltet werden muß, wird durch die Anlage Io die erforderliche minimale Menge an verdampftem und überhitztem kryogeiien Medium erzeugt. So sei z.B. angenommen, daß die Turbine 28 abgeschaltet wird. Nach dem Abschalten werden die Sperrventile in den Leitungen von und zu den Wärmetauschern 68 und 34 geschlossen. Das sind im einzelnen die Ventile Ho, 112, 122 und 128, die dem Wärmetauscher 68 zugeordnet sind, sowie die Ventile 18o, 182, 192 und 194, die zu dem Wärmetauscher 34 gehören. Zusätzlich wird der Zustrom von flüssigem kryogenen Medium zum Wärmetauscher 52 über die Leitungen172 und 174 reduziert oder ganz unterbrochen. Beim Betrieb der Anlage mit abgeschalteter Turbine 28 und entsprechend ausgeschalteten zugehörigen Wärmetauschern gelangt also

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der Strom des verdampften kryogeaen Mediums aus den ,/ '.V^;;rmetauschern 13 über die Leitung 36 in die Leitungen 28 und 4o. T5in kleinerer Teilstrom des verdampften kryogenen Mediums fließt über die Leitung 4o zum ^rmetauscher So, indem er zur Kühlung der in die Turbine Jo eintretenden urennluft herangezogen wird. Der größere Teilstrom des verdampften kryogenen Mediums strömt über die Leitung 38 in den v/;Jrmetauscher 52. Bei der Durchströmung dieses V/ärmetauschers wird das Medium auf eine höchstmögliche Temperatur ohne Zugabe von flüssigem kryogenen Medium überhitzt. Normalerweise sind die Anlage Io und speziell die Wärmetauscher 34 und so ausgelegt, daß der Strom des kryogenen I/iediums auf eine nur geringfügig über der gewünschten Temperatur liegende Temperatur erhitzt wird, wenn die ganze Überhitzungsbelastung auf einem der \7^:irmetauscher 34 oder 52 liegt. Um die Temperrtur genau einzuregeln, d.h. die Temperatur des kryogenen Mediums auf das erwünschte Niveau zu reduzieren, und dabei Bebriebs- und LastSchwankungen zu berücksichtigen, wird äer Strom der Kontaktvorrichtung 92 (Fig. 1) zugeleitet, in der, wie vorstehend erläutert,eine bestimmte Menge an flüssigem kryogenen Medium zugeführt wird. Diese Menge wird durch herkömmliche, nicht im einzelnen gezeigte Temperatursteuergeräte geregelt, so daß der aus der Kontaktvorrichtung 92 über die Leitung 96 austretende resultierende Gesamtstrom die erwünschte Temperatur aufweist.

Aus dem Vorstehenden a?gibt sich somit, daß beide Turbinen 2d und 3o kontinuierlich betrieben werden und die Järmekanazität der Turbinenabgase zum Zwecke der Verdampfung und Überhitzung des kryogenen Mediums maximal ausgenützt wird. Darüber hinaus wird die elektrische Leistung der von den Turbinen angetriebenen Generatoren zum Betrieb der verschiedenen Pumpen der Anlage Io verwendet, wobei ein Teil dieser Leistung an Fremdabnehmer verkauft oder sonstwie verwertet wird. Für den Fall, daß eine Turbine abgeschaltet wird, wird durch die Anlage Io die erforderliche Menge an verdampftem und überhitztem kryogenen Medium erzeugt.

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Bei Anwendung des ev£indunpjs gemäßen Verfahrens läßt sich die -,.'irlcsame Oberfl.Iolie, die für den "'in-irmeaustausch mit den Turbinonabgasen erforderlich ist, aufgrund des höheren er-Ejxolbnren mittleren Temperaturgefälles reduzieren.

Die Erfindung xilra. nachfolgend anhand eines Beispieles näher er 1 aitert.

Beispiel

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Die Anlage Io produziert 26,3 x Io dnr Erdgas pro Tag mit einer Temperatur von 15,6⁰G. Bei normalem Betrieb wird aus dem ooeichertank 12 mittels der Pumpe 14- ein Strom verflüssigten Erdgases (ENG) von 678 811 kg/h mit- einer Temperatur von -162°G den Wärmetauschern 18 zugepumpt. Der Pumpendruck an der Auslaßseite betr Igt dabei 7o atü. Ein Strom von l,8ol χ Io 1/iiiin Wasser aus der Umgebung mit einer Temperatur von 21⁰C wird durch die Pumpen 22 durch die iVirmetauseher 13 geschickt. Zur Erzielung eines Temperaturgefälles von etwa I⁰C im Wasser werden aus dem Wasserstrom an den Erdgasstrom (LlTG) etwa 12ο χ Io kcal/h übertragen, so daß dadurch das Erdgas (LNG) verdampft und auf eine Temperatur von -17,8⁰G erwärmt wird. Der Dampf strom mit dieser Temperatur wird durch die Leitung 36 zu den Leitungen 38 und -4-0 geführt. Ein Teilstrom von 266 97o kg/h des Erdgases wird über die Leitung 4o den Leitungen 62 und 64 zugeleitet. In der Leitung 64 strömt ein Teilstrom von 133 4-84 kg/h und gelangt von dort durch die in dem Yiärmet aus eher 68 angeordneten Heizrohre. Ebenfalls wird den Heizrohren im Wärmetauscher 8o durch die Leitung 62 ein Teilstrom von 133 484 kg/h zugeleitet. Die beiden i/ärmetauscher 68 und 8o werden völlig gleichartig betrieben.

Durch die Ansaugkanäle 7o und 82 wird in die "Wärmetauscher und 8o Brennluft mit einer Temperatur von 26,7, (zu 5o % mit

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',Yasser gesättigt) und mit; einem Durchs-Atζ von 343 274 kg/h gefördert. Beim Durchströmen, der Wärmetauscher 08 und 80 übertragt die Brennluft an die Erdgasströme 3,o7 :c lo⁶ kcal/h V/ rme, wodurch die Brennluft auf eine Temperatur von etwa 4,4⁰C abgekühlt wird. Mit dem die Wärmetauscher 68 und 80 durchströmenden Erdgas v/erden nunmehr 16 083 kg/h flüssiges Erdgas (LITG) vereinigt. Diese Menge an flüssigem Erdgas (16 083 kg/h) wird jewe.ils dem Erdgas zugeführt, das die Rohrbündel Io4, I06 und I08 des Wärmetauschers 68 durchströmt. Dadurch verl"ßt den V/; irinetauscher 68 ein kombinierter Erdgnsstrom von 149 568 kg/h mit einer Temperatur von -16,1 C. Ib 083 kg/h flüssiges Erdgas (LIIG) werden auch dem Erdgasstrom zugeführt, der die Rohrbündel 13o, 133 und 14ο des Wärmetauschers 80 durchströmt, so daß auch dort ein kombinierter Erdgasstrom mit einem Durchsatz von 149 568 kg/h und einer Temperatur von -16,1⁰G austritt. Die Erdgasströme aus den Wärmetauschern 68 und 80 werden zusammengeführt und der vereinigte Erdgasstrom, der immer noch eine Temperatur von -16,1 C aufweist, über die Leitung 76 zur Leitung 88 geleitet.

Ein Teilstrom von 440 4o8 kg/h des aus den V/armetauschern 18 mit einer Temperatur von -17,S⁰G austretenden Erdgases gelangt über die Leitung 38 zu den Leitungen 42 und 44. 2o5 921 kg/h werden über die Leitung 42 dem uHrmetauscher 34 zugefördert, loo 19o kg/h an flüssigem Erdgas (LNG) v/erden mit dem Erdgas im Wärmetauscher 54 vereinigt, so daß das flüssige Erdgas verdampft wird und sich der resultierende kombinierte Strora (3o5 111 kg/h) auf eine Temperatur von 65,6⁰C aufheizt.

2o5 921 kg/h des eine Temperatur von -17,8⁰G aufweisenden Erdgases wird über die Leitung 44 durch den .'/:^:.rmetauscher 52 geschickt. Dem Erdgas in diesem .7"Irmetauscher werden wieder loo 19o kg/h flüssiges Erdgas (LNG) zugegeben, so daß ein resultierender Gesamtstrom von 306 111 kg/h mit einer Temperatur' von 65,6° G den Wärmetauscher 52 verlaßt.

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Von jeder der Gasturbinen 28 und 30 v/ird ein Abgasstroia 353 Bo7 kg/h mit einer Temperatur von 5±o°G erzeugt. Die Abgase worden aus den Turbinen 28 und 3o durch die Kanüle 5?. und 5o zu den Xlrmetauschern 3²I- und 52 geleitet. 35 , 5 x lo°kcal/h //arme worden von den Turbinenabgasen an die Erdgasströme und an das injizierte flüssige .Erdgas (LIiG) übertragen, 'voraufhin die verbrauchten Abgase die '.7''rrnetauscher 34 und '}2. mit einer Temperatur von l'l-9°C verlassen. Die aus den tfärmetauschern 34 und 52 austretenden überhitzten ^rdgasströme gelangen über die Leitungen 48 bzw. 56 in dio Leitung 88, in der sie mit dem "Crdgasstrom, vereinigt -./erden, der aus der Leitung 76 stammt. Der resultierende Gesamtstrom (911 358 kg/h) wird mit einer Temperatur von 37,8⁰G über die Leitung 9o der Kontakteinrichtung 92 zugeführt. 61 243 kg/h flüssiges . lirdgas kommen zu der Kontakteinrichtung 92 über die Leitung 94, so daß ein resultierender Gesamt-Erdgasstrom die

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Anlage Io mit einer Durchsatzmenge von 32,451 x lo^ydnr Qe Tag und mit einer Temperatur von 15,6⁰O durch die Leitung 89 verläßt.

V/ird die Anlage Io so betrieben, daß eine der Turbinen oder 3o abgeschaltet ist, z.B. die Turbine 28, so wird der die tfL'rmetauscher 18 verlassende ICrdgasstrom, der eine Temperatur von -17,8⁰G auf v/eist, in einen größeren und einen kleineren Teilstrom aufgeteilt. Der kleinere Teilstrom (133 484 kg/h) gelangt über die Leitungen 4o und zum ',7-·irmetauscher 80. Aus den "Jürmetauscher 80 tritt über die Leitungen 86 und 76 ein jjJrdgasstrom von 149 568 kg/h mit einer Temperatur von -16,1° G aus. Der größere Teilstrom (545 327 kg/h) gelangt über die Leitungen 53 und 44 mit einer Temperatur von -17,3°G zu dem von den Turbinenabgasen beaufschlagten YPrmetauscher 52, der zur Turbine 3o gehört. Beim Durchströmen des Järmetauschers 52 werden 33,5 x 1ο^δ kcal/h Wrirme von den Turbinenabgasen

5f^— .

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- "IR -

an den !'!rdgasstrom übertragen, -.vodurch das Srdgas auf oino Temperatur von 79°C überhitzt v;ird. Die verbraucht ο η Turbinonabgn.se, die ei no Temperatur von 149⁰C aaf .vcirjon, worden übor den Kanil Go vo:n ⁱ7-:.'.rme tauscher 52 abgeleitet. Der überliitzto Srdgasstrom aus dem Xlrme tauscher 52 strömt über die Leitung 56 zur Leitung 88, in der er mit dem Erdgas vereinigt värd, das über die Leitung 75 dorthin gel.-oigt. üü entsteht dadurch ein .zusammengesetzter Gesamtstrora von 59^ 895 -g/h

mit einer Temperatur von Go⁰C. Der zusammengesetzte otrom vrird aus der Leitung 38 über die Leitung 9o zur Kontakteinrichtung 92 gefördert. Diesa? Kontakteinrichtung 92 -<vird außerdem über die Leitung -)^ ein Strom flüssigen Erdgases (LNG) von 95 4-28 kg/h zugeführt, der sich in der einrichtung innig mit dem Erdgasstrom vermischt. Innerhalb der Kontakteinrichtung 92 v;ird von dem überhitzten Brdgas strom an den Strom flüssigen 3rdgases (LNG) TJrme übertragen, so daß das flüssige Erdgas verdampft wird und sich mit dem Brdgasstrom zu einem

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Gesamtausstoß von 26,3o5 χ Io dnr je Tag mit einer Temperatur von 15,6° C vereinigt.

[BAD

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Claims

~19~ 2224626 Pat nnt ans nrücho

1. Verfahren zum Verdampfen und anschließendem überhitzen eines strömenden verflüssigten kryogenen !.!odiums, insbesondere von Erdgas, dadurch gekennzeichnet;, daß das verdampfte kryogene j.ledium sum Zv/ecke der Überhitzung im ./ Irmeaustausch mit den Ibg-'sen einer Gasturbine durch in Reihe hintereincjiderge schalte te ./ärmotauscherstufen geführt v/ird und daß eine bestimmte Kenge an verflüssigtem Kedium mit dem jede der T^:ri;ietauscherstufen durchströmenden, schon verdampften Medium zusammengeführt v/ird, so daß diese Menge verdampft und d?r resultierende Dampf vor dem Eintritt in die jeweilige "iVürmetauscherstufe gekühlt v/ird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zuführmenge an flüssigem kryogenen Medium in zv/ei Teilströme aufgespalten wird, von denen der eine Teilstrom das zu verdampfende und überhitzende kryogene Medium darstellt, Y7'uireiid der andere Teilstrom als Quelle für die bestimmte !.!enge an verflüssigtem kryogenen Medium dient, die dem schon verdampften kryogenen Medium, das die W.Mrmetauscherstufen durchströmt, zugegeben v/ird.

J. Verfahren nach einem oder beiden der /Lnsp'rüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des schon verdampften kryogenen Mediums hintereinander durch r/eitere Y/.^:irme tau se herstufen im tff.'rme aus tausch mit der. Frischluft für die Gasturbine geführt v/ird und durch Zufuhr von flüssigem kryogenen Medium vor dem "Sintreten in jede der <7;irmetauscherstufen abgekühlb v/ird.

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M-, Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3» dadurch p^elcennzeichnet, daß ein Teil des verdampften und überhitzten kryo^enen Mediums als Brennstoff für die Gasturbine verwendet wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des verdampften und überhitzten Mediums mit einem Strom von noch flüssigem kryogenen Medium zu einem resultierenden Dampfstrom vorbestimmter Temperatur vereinigt wird.

ί BAD ORIGINAL

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