DE2402043B2

DE2402043B2 -

Info

Publication number: DE2402043B2
Application number: DE2402043A
Authority: DE
Inventors: Mehmet Sahabettin Dipl.-Ing. Zollikerberg Ergenc; Charles Dipl.-Ing. Dr. Winterthur Mandrin
Original assignee: Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1974-01-11
Filing date: 1974-01-17
Publication date: 1978-11-16
Also published as: CA1010733A; NL168029C; FR2257854B1; CH573571A5; JPS50102577A; IT1028278B; NL7401372A; DE2402043A1; NL168029B; FR2257854A1; US3978663A; BE824189A; DE2402043C3; GB1489259A

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Verdampfung und Erwärmung von verflüssigtem Erdgas mit einer offenen Gasturbinen-Anordnung und Wärmeaustauschersystemen zur Kühlung des Ansaugluftstromes und gleichzeitiger Wärmezufuhr zum Erdgas, wobei einem ersten Wärmeaustauschersystem ein Wasserabscheider zugeordnet ist, der zur Abtrennung von auskondensiertem Wasser aus dem gekühlten Luftstrom dient, und wobei weiterhin eine Beimischvorrichtung angeordnet ist, zur Beimischung eines den Gefrierpunkt des auszuscheidenden Wassers ernied-ϊ rigendes Medium, und wobei ein zweites Wärmeaustauschersystem vorgesehen ist, welches zur Kühlung des Luftstromes bei gleichzeitiger Verdampfung und Erwärmung des verflüssigten Erdgases dient.

Eine derartige Anlage ist aus der FR-OS 2 164434

i« bekannt.

Bei einer solchen Anlage kann jedoch der Ansaugluftstrom der Gasturbinenanlage nicht wesentlich durch Wärmeaustausch mit zu verdampfendem und zu erwärmendem Erdgas gekühlt werden.

ι' In einer ersten und in einer zweiten Stufe soll die Ansaugluft mit Hilfe eines Wasserstromes, dem ein Frostschutzmittel beigegeben ist, bis auf eine Temperatur zwischen -2° C und +2⁰C gekühlt werden. Das Wasser ist durch Wärmeaustausch mit einem Käl-

-'· temittel, das z. B. Erdgas sein kann, auf eine Temperatur zwischen -5° C und -10° C gekühlt.

Bei diesem Waschprozeß muß der Wärmeinhalt des Waschflüssigkeitsstromes etwa gleich groß wie der Wärmeinhalt des Luftstromes sein. Dieses führt zu

2ϊ sehr großen Flüssigkeitsströmen, die rektifiziert werden müßten, wenn das Frostschutzmittel wiedergewonnen werden sollte, wobei darauf hingewiesen sei, daß in der FR-OS nichts von einer Wiedergewinnung des Frostschutzmittels erwähnt ist.

i<> Im zweiten Wärmeaustauschersystem, welches zur Kühlung des Luftstromes bei gleichzeitiger Verdampfung und Erwärmung des verflüssigten Erdgases dient, ist dem Wärmeaustauscher kein Wasserabscheider nachgeschaltet. Hieraus kann nur gefolgert werden,

i"> daß im Waschprozeß Frostschutzmittel mit einem niedrigeren Partialdruck als Wasser, z. B. Glykol oder ein Salz verwendet werden soll. Würde nämlich ein Frostschutzmittel mit einem höheren Partialdruck als Wasser bei der bekannten Anlage verwendet, so wäre

w es unvermeidlich, daß dieses Frostschutzmittel in kondensierter Form vom Luftstrom in den Wärmeaustauscher mitgeführt würde und diesen mit der Zeit überschwemmen würde, so daß ein kontinuierlicher Betrieb der Gesamtanlage nicht möglich wäre.

4^r> Bei dem bekannten System sind einerseits keine Mittel für die Rückgewinnung des Frostschutzmittels vorgesehen, was auch wie vorstehend erläutert, energetisch und apparatemäßig einen unwirtschaftlichen großen Aufwand in bezug auf eine Rektifizierkolonne

■>o bedeuten würde. Andererseits kann keine wesentliche Abkühlung der Ansaugluft erreicht werden. Letzteres ist aber bekanntlich maßgebend für die Wirtschaftlichkeit einer Gasturbinen-Anordnung.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu-

>^r> gründe, die für die Verflüssigung des Erdgases erforderliche Energie dadurch zurückzugewinnen, selbstverständlich abzüglich der unvermeidlichen Verluste, daß die Eintrittstemperatur der Luft am Verdichter der Gasturbinenanlage wesentlich herabgesetzt wird,

ho so daß der Wirkungsgrad der Gasturbinenanlage und damit die Nutzleistung bei gleichem Brennstoffverbrauch wesentlich erhöht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit Hilfe einer Anlage gelöst, bei der der im Ansaugluftstrom

h5 angeordnete Wärmeaustauscher des ersten Wärmeaustauschersystems vor den Wasserabscheider geschaltet ist und daß sodann die Beimischvorrichtung angeordnet ist, wobei das durch die Beimischvorrich-

tung zugeführte, den Gefrierpunkt der aus dem Luftstrom auszuscheidenden Wasser-Restmenge erniedrigende Medium einen höheren Partialdruck als Wasser bei der gleichen Temperatur aufweist, und daß weiterhin nach der Beimischvorrichtung der Wärmeaustauscher des zweiten Wärmeaustauschersystems mit einer diesem System nachgeschalteten Abscheidevorrichtung vorgesehen ist zur Abtrennung der bei der Luftkühlung entstandenen, aus dam Medium und Wasser bestehenden Lösung, und daß mindestens eine Rektifizierkolonne angeordnet ist, die zur Rückgewinnung des Mediums dient und die an den Wärmeaustauscher sowie an die Abscheidevorrichtung angeschlossen ist, und daß zur Verdampfung einer Teilmenge des in der Rektifizierkolonne gewonnenen Bodenproduktes dieser ein Verdampfer zugeordnet ist, der von den Abgasen der Gasturbine durchströmt ist.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Temperatur der Ansaugluft des Verdichters der Gasturbinen-Anordnung in bezug auf die Temperatur der Ansaugluft wesentlich gesenkt werden kann, so daß der Wirkungsgrad der Gasturbine erheblich größer wird und daß mit Hilfe einer nur relativ geringen Beimischmenge eines Mediums mit einem höheren Partialdruck als Wasser eine Vereisung der Kühlflächen des Wärmeaustausch-Systems verhindert wird, wobei außerdem nach dem Abkühlprozeß der bei dem Wärmeaustausch als Flüssigkeit anfallenden Lösung Medium durch Rektifikation zurückgewonnen und im Prozeß wieder verwendet wird.

Als Beimischmedium kann vorteilhaft Methanol (CH₃OH) verwendet werden, insbesondere in flüssiger Form, da Methanol einen wesentlich höheren Partialdruck als Wasserdampf aufweist, so daß Methanol nach der Beimischung zum größten Teil verdampft, wobei gleichzeitig der Wasserdampf zum überwiegenden Teil kondensiert.

Es entsteht somit eine weitgehend homogene Durchmischung von Methanoldampf und kondensiertem Wasserdampf, so daß bei weiterer Abkühlung des Gemisches und der Ansaugluft eine gleichmäßige Temperatur- und Stoffverteilung entsteht.

Aethanol (C₂H₅OH) stellt ebenfalls ein vorteilhaftes Beimischmedium dar. Die erforderlichen Mengen des beigemischten Mediums zur Erzielung einer gewünschten Gefrierpunkterniedrigung der Lösung kann mit Hilfe der bekannten Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtskurven für wäßrige Lösungen bestimmt werden.

Es kann unter Umständen auch zweckmäßig sein, das Medium nicht in flüssiger, sondern in dampfförmiger Form beizumischen. In diesem Fall kann man die Betriebsbedingungen so wählen, daß während der Beimischung keine Temperatur-Senkung und damit auch keine Kondensation und somit keine Nebelbildung entsteht. Dieses erleichtert die nachträgliche Abscheidung der Lösung nach der nachfolgenden Kühlung.

Es ist zwar allgemein bekannt -z.B.ausUllmanns Encyklopädie der technischen Chemie, 12. Band (1960 - Methanol als Gefrierschutzmittel zu verwenden, und zwar speziell, um eine Eisabscheidung aus feuchten Gasen in Gasleitungen zu verhindern. Derartige Gasleitungen dienen jedoch bekanntlich üblicherweise dazu, im Gegensatz zu Luft teure Gase wie z. B. Stadtgas zu fördern. Bei dem bekannten Prozeß wird man versuchen zu verhindern, daß außer einer festen Eisabscheidung auch keine flüssige Abscheidung einer aus Wasser und Methanol bestehenden Lösung stattfindet, da auch bei flüssiger Abschei-"· dung die Gasleitungen mit der Zeit sich verstopfen können.

Demgegenüber handelt es sich bei der Erfindung um vergleichsweise größere zeitliche Durchsatzmengen von Luft, die bei Umgebungstemperatur, beispielsweise 20° C und mehr aus der Atmosphäre angesaugt wird. Diese Luft wird kontinuierlich bis zum Verdichtereintritt in der erfindungsgemäßen Weise bis weit unter den Gefrierpunkt des Wassers gekühlt.

ι '> Im Vergleich zu Luft ist Methanol oder Aethanol ein kostspieliges Mittel, das deshalb erfindungsgemäß durch Rektifikation der Lösung ständig zurückgewonnen und in der Anlage wieder verwendet wird.

Weiterhin ist es vorteilhaft, in der Anlage einen -'u Wärmeaustauscher anzuordnen, der einerseits von Erdgas durchströmt ist und andererseits im Strömungsweg des in der Rektifizierkolonne zurückgewonnenen Mediums liegt, und in welchem das Medium verflüssigt wird zu einer teilweisen Verwendung >> in der Beimischvorrichtung und zu einer teilweisen Verwendung als Rücklauf in der Rektifizierkolonne.

Schließlich ist es zweckmäßig, den Wärmeaustausch

zwischen Erdgas und dem Ansaugluftstrom mit Hilfe von mindestens einem im Kreislauf geführten Zwi-

i» schenträgermedium, z. B. mittels eines Freons, wie CF₂Cl₂ oder CHF₂Cl herbeizuführen.

Die Verwendung eines Zwischenträgermediums ermöglicht es, dieses auf einem tieferen Druck zu halten als der Druck des Erdgases, der vom Erdgasnetz r> vorgeschrieben wird. Dieser niedrigere Druck erlaubt eine wirtschaftlichere konstruktive Ausbildung des bzw. der im Luftstrom angeordneten Wärmeaustauscher.

Andererseits ist es möglich, die Temperatui der Ansaugluft im Kühlprozeß durch entsprechende Mengenregulierung der Zwischenlrägermedien genauer zu kontrollieren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausfüh-4") rungsbeispiels erläutert.

Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellungsweise eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei als Beimischmedium flüssiges Methanol verwendet werden soll.
>« Die offene Gasturbinenanlage besteht im vorliegenden Fall aus einer Gasturbine 1, die einen Generator 2 antreibt, aus einem Verdichter 3, einem Wärmeaustauscher 4 und einer Brennkammer 5.

Der Anlagenteil, der vom Erdgas durchströmt wird, weist eine Leitung 7 auf, durch die aus einer nicht dargestellten Verflüssigungsvorrichtung flüssiges Erdgas mittels einer Pumpe 8 durch Wärmeaustauscher 9,10 und 11 gefördert wird.

In den Wärmeaustauschern verdampft und erwärmt ω) sich das Erdgas auf etwa Umgebungstemperatur und wird sodann durch ein nicht dargestelltes Verteilnetz den Verbrauchern zugeführt.

Derjenige Anlagenteil, der direkt im Strömungsweg der Ansaugluft angeordnet ist, besteht aus einem b5 Filter 12, einem Vorkühler 13, einem Tropfenabscheider 14 üblicher Bauart, einer Einspritzdüsen und eine Pumpe aufweisenden Beimischeinrichtung 15. einer Mischkammer 16, einem Hauptkühler 17 und

einem Tropfenabscheider 18.

Die Wärmeaustauscher 9 und 17 bzw. 10 und 13 sind in Kreisläufen angeordnet, in welchen jeweils ein Zwischenträgermedium, z. B. CF₂Cl₂ oder CHF₂CI zirkuliert.

Die Förderung der Zwischenträgermedien erfolgt mit Hilfe von Pumpen 19 bzw. 20. Vorratsbehälter 21 bzw. 22 dienen zur Einstellung der gewünschten Durchsatzmengen und damit der Temperaturregulierung des Luftstromes. Die zugehörigen Mengenregulierungen in den Kreisläufen sind einfachheitshalber in der Zeichnung weggelassen.

Derjenige Teil der Gesamtanlage, welcher vom Beimischmedium durchströmt wird und zur Aufbereitung des Beimischmediums, im Ausführungsbeispiel Methanol, dient, weist die folgenden Konstruktionselemente auf:

Außer der Einspritzeinrichtung 15 eine Rektifizierkolonne 23, in weiche die aus Methanol und Wasser bestehende Lösung aus dem Kühlraum des Wärmeaustauschers 17 und dem Tropfenabscheider 18 mittels einer Pumpe 24 eingeleitet wird, einen mit dem Bodenteil der Kolonne verbundenen Verdampfer 6, der mit den Abgasen der Gasturbinenanlage beheizt wird, einen mit der Kolonne über eine Niveauregeleinrichtung 25ft verbundenen Vorratsbehälter 25a für Methanol zur Ergänzung der Methanolverluste und ein mit dem Wärmeaustauscher 11 verbundenes Leitungssystem.

In diesem Leitungssystem ist als Fördereinrichtung eine Pumpe 26 angeordnet. Das Leitungssystem 27a, 27/), 27c, Hd verbindet den Kopfteil der Kolonne 23 mit dem Wärmeaustauscher 11, der als Kondensator für Methanol dient, weiterhin flüssigkeitsseitig den Wärmeaustauscher einerseits mit der Einspritzeinrichtung 15 und andererseits mit der Kolonne 23 zur Einspeisung der Rücklaufmenge.

Im folgenden wird die Betriebsweise der Anlage erörtert.

Die aus der Atmosphäre von dem Verdichter 3 angesaugte, Wasserdampf enthaltende Luft durchsetzt den Filter 12 zur Abscheidung von festen Verunreinigungen und wird sodann im Wärmeaustauscher 13 vorgekühlt durch Wärmeaustausch mit dem im Wärmeaustauscher 10 gekühlten Zwischenträgermedium.

Die bei der Vorkühlung auskondensierten Wassertropfen werden im Tropfenabscheider 14 aus dem Luftstrom abgetrennt. Sodann wird in den Luftstrom flüssiges Methanol durch die Düsen der Einrichtung 15 eingespritzt.

Wie bereits an vorstehender Stelle erläutert wurde, entsteht eine Mischung von Luft, Methanol und Wasserdampf.

Aufgrund des höheren Partialdruckes des Methanols verdampft dieses in der Mischkammer 16 zum größten Teil, wobei gleichzeitig Wasserdampf kondensiert und außerdem eine weitere Kühlung dieser Mischung erfolgt.

Die Mischung wird nun in dem Hauptkühler 17 durch Wärmeübertragung von dem den Wärmeaustauscher 9 durchsetzenden und hierbei sich abkühlenden Zwischenträgermedium weiter bis auf die Eintrittstemperatur der Luft am Verdichter 3 gekühlt. Das in der Mischung auskondensierte Wasser enthält Methanol und weist einen tieferen Gefrierpunkt als die luftseitige Oberflächcntemperatur des Hauptkühlers 17 auf. Damit kann das in der Lösung enthaltene

Wasser nicht auf den Oberflächen des Hauptkühlers 17 gefrieren, so daß einerseits der Wärmeaustausch zwischen dem Luftstrom und dem Zwischenträgermedium nicht verschlechtert wird und andererseits der Wärmeaustauscher durch Vereisung nicht verstopft werden kann, so daß ein kontinuierlicher Betrieb dei Gasturbinenanlage sowie ein kontinuierlicher Betrieb der Erwärmung und Verdampfung des Erdgases gewährleistet ist.

Aus dem Hauptkühler 17 und dem Tropfenabscheider 18 wird die aus Wasser und Methanol bestehende Lösung in die Rektifizierkolonne 23 eingeleitel und dort Methanol vom Wasser getrennt. Das Wasser wird aus dem Bodenteil der Kolonne entnommen und verworfen, während Methanol dampfförmig aus dem Kopfteil der Kolonne durch Leitung 27a herausgeführt und in den Kondensator 11 eingeleitel wird.

Ein Teil des Kondensats wird durch die Einspritzeinrichtung 15 in den Kühlprozeß für die Luft zurückgeführt, während die restliche Teilmenge als Rücklauf in die Kolonne durch Leitung 27a¹ eingespeist wird.

Zahlenbeispiel

Durchsatzmenge des der Verdampfung und Erwärmung zugeführten flüssigen Erdgases:

Eintrittstemperatur:
Eintrittsdruck:

Temperatur des Erdgases am Ausgang des Wärmeaustauschers 9:
Temperatur des Erdgases am Ausgang des Wärmeaustauschers 10:
Temperatur des Erdgases am Ausgang des Wärmeaustauschers 11:
Druck des verdampften Erdgases am Ausgang des Wärmeaustauschers 11: Durchsatzmenge des Zwischenträgermediums CF₂Cl, durch Wärmeaustauscher 9 und Hauptkühler 17:
Eintrittstemperatur des Zwischenträgermediums in den Hauptkühler 17: Austrittstemperatur des Zwischenträgermediums aus dem Hauptkühler 17: Durchsatzmenge des Zwischenträgermediums CF₂Cl₂ durch Wärmeaustauscher 10 und Vorkühler 13:
Eintriitstemperatur des Zwischenträgermediums in den Vorkühler 13: Austrittstemperatur des Zwischenträgermediums aus dem Vorkühler 13: Menge der Ansaugluft:
mit Wasserdampfgehalt:
Eintrittstemperatur der Ansaugluft: Eintrittsdruck der Ansaugluft:
Temperatur der Ansaugluft nach dem Vorkühler 13:

Aus dem Tropfenabscheider abgeführte Wassermenge:
Durch die Einspritzeinrichtung 15 eingeführte Menge an flüssigem Methanol:

Noch vorhandene
Wasserdampfmenge:
Temperatur in der Mischkammer 16: Temperatur der Mischung am Ausgang des Hauptkühlers 17 und am Eintritt in

88 kg/sec -159° C 1 bar

-68° C -42° C 24° C 67 bar

155 kg/sec -98° C -30° C

1180 kg/sec 0° C

3° C

367 kg/sec 5,7 kg/sec 20° C 1 bar

6° C

3,33 kg/sec

7,73 kg/sec

2,37 kg/sec -3° C

7 8

den Verdichter 3: —73° C Ausgang der Brennkammer: 945° C Partialdruck des Methanols am Eintritt Temperatur der Abgase am Turbinendes Verdichters 3: 5-10~⁵ bar ausgang: 485 ° C Austrittstemperatur der Luft aus dem Ausgangstemperatur der Abgase am Verdichter 3: 158,5° C ₅ Verdampfer 6: 164,5° C Austrittsdruck der Luft am Verdich- Elektrische Leistung des Generators 2 112MW ter3: 10,2 bar
Austrittstemperatur der Brenngase am Betriebsdruck der Rektifizierkolonne 2 bar

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anlage zur Verdampfung und Erwärmung von verflüssigtem Erdgas mit einer offenen Gasturbinen-Anordnung und Wärmeaustauschersystemen zur Kühlung des Ansaugluftstromes und gleichzeitiger Wärmezufuhr zum Erdgas, wobei einem ersten Wärmeaustauschersystem ein Wasserabscheider zugeordnet ist, der zur Abtrennung von auskondensiertem Wasser aus dem gekühlten Luftstrom dient, und wobei weiterhin eine Beimischvorrichtung angeordnet ist, zur Beimischung eines den Gefrierpunkt des auszuscheidenden Wassers erniedrigendes Medium, und wobei ein zweites Wärmeaustauschersystem vorgesehen ist, welches zur Kühlung des Luftstromes bei gleichzeitiger Verdampfung und Erwärmung des verflüssigten Erdgases dient, dadurch gekennzeichnet, daß der im Ansaugluftstrom angeordnete Wärmeaustauscher (13) des ersten Wärmeaustauschersystems vor den Wasserabscheider (14) geschaltet ist und daß sodann die Beimischvorrichtung (15) angeordnet ist, wobei das durch die Beimischvorrichtung zugeführte, den Gefrierpunkt der aus dem Luftstrom auszuscheidenden Wasser-Restmenge erniedrigende Medium einen höheren Partialdruck als Wasser bei der gleichen Temperatur aufweist, und daß weiterhin nach der Beimischvorrichtung der Wärmeaustauscher (17) des zweiten Wärmeaustauschersystems mit einer diesem Systen nachgeschalteten Abscheidevorrichtung (18) vorgesehen ist zur Abtrennung der bei der Luftkühlung entstandenen, aus dem Medium und Wasser bestehenden Lösung, und daß mindestens eine Rektifizierkolonne (23) angeordnet ist, die zur Rückgewinnung des Mediums dient und die an den Wärmeaustauscher (17) sowie an die Abscheidevorrichtung (18) angeschlossen ist, und daß zur Verdampfung einer Teilmenge des in der Rektifizierkolonne (23) gewonnenen Bodenproduktes dieser ein Verdampfer (6) zugeordnet ist, der von den Abgasen der Gasturbine (1) durchströmt ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Wärmeaustauscher (11), der einerseits von Erdgas durchströmt ist und andererseits im Strömungsweg des in der Rektifizierkolonne (23) zurückgewonnenen Mediums liegt, und in welchem das Medium verflüssigt wird zu einer teilweisen Verwendung in der Beimischvorrichtung (15) und zu einer teilweisen Verwendung als Rücklauf in der Rektifizierkolonne (23).