DE4416359C2

DE4416359C2 - Mehrstufige Hochtemperatur-Gas-Expansionsanlage in einem Gasleitungssystem mit nutzbarem Druckgefälle

Info

Publication number: DE4416359C2
Application number: DE19944416359
Authority: DE
Inventors: Martin Prof Dr Ing Dehli
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-05-09
Filing date: 1994-05-09
Publication date: 1998-10-08
Anticipated expiration: 2014-05-10
Also published as: DE4416359A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochtemperatur-Gas-Expansionsanlage, bei der eine oder mehrere Gas-Expansionsmaschinen nicht mit einer einzigen, sondern mit einer beliebigen Zahl von z (z größer eins) in Reihe geschalteten Entspannungsstufen zur Gas-Expansion einge setzt werden, wobei die Entspannungsmaschinen das Druckgefälle zwischen der ein Gas mit höherem Druck führenden Leitung und der ein Gas mit niedrigerem Druck führenden Leitung eines Leitungssy stems - etwa eines Erdgasversorgungssystems - verbrennungsfrei in einem Bereich hoher Temperaturen des Gases zur Erzeugung mechani scher Energie bzw. elektrischer Energie nutzen.

Als Entspannungsmaschinen können beispielsweise Hubkolbenmotoren, Axial- oder Radialturbinen oder auch Schrauben-Expander einge setzt werden. Diese Maschinen werden bei Gas-Expansionsanlagen, die in einem Bereich niederer Temperaturen des Gases arbeiten, seit einiger Zeit eingesetzt bzw. können hierfür modifiziert wer den; ihr Einsatzfeld kann auch auf einen Bereich hoher Temperatu ren erweitert werden.

Der Übergang von einer - zur Zeit gebräuchlichen - Gas-Expansion in einem Bereich niederer Temperaturen auf eine - bisher in Gas versorgungssystemen noch nicht durchgeführte - Gas-Expansion in einem Bereich hoher Temperaturen sowie der Einsatz einer größeren Zahl von z in Reihe geschalteten Entspannungsstufen erlaubt es, im Vergleich zu bisherigen Prozessen ein Mehrfaches an Arbeitsge winn zu verwirklichen. Dies wird in der Untersuchung "Prozesse zur Verbesserung der Wirksamkeit von Gas-Expansionsanlagen unter thermodynamischen Gesichtspunkten" des Patentanmelders nachgewie sen.

Bisherige Gas-Expansionsanlagen werden in der Gasversorgung als einstufige oder auch zweistufige Anlagen im Bereich niederer Tem peraturen betrieben. Dabei wird bei einstufigen Anlagen, die im allgemeinen gemäß Bild 1 ausgeführt sind, das - etwa dem Fernlei tungsnetz entnommene - Gas mit höherem Eingangsdruck p₂ und Umge bungstemperatur über einen Erhitzer EH, der seine Wärme in der Regel aus einem Wärmeerzeuger WE erhält, nur auf Temperaturen von etwa 80 bis 90°C vorgewärmt; diese begrenzte Vorwärmung wird le diglich deshalb durchgeführt, um zu vermeiden, daß das Gas bei der folgenden Entspannung in der Gas-Expansionsanlage GEA nicht unter 0°C abkühlt. Die Gas-Expansionsanlage GEA ist zur Erzeu gung elektrischer Energie mit einem elektrischen Generator G ge koppelt. Das entspannte Gas verläßt die Gas-Expansionsanlage mit niedrigerem Ausgangsdruck p₁ und wird wieder dem Gasversorgungs system - etwa dem nachgeordneten Verteilungsnetz - zugeführt.

Der reversible Vergleichsprozeß für eine einstufige Gas-Expansi onsanlage, die in einem Bereich niederer Temperaturen arbeitet, ist in Bild 2 im Temperatur, Entropie-Diagramm (T,s-Diagramm) dar gestellt.

Soweit Gas-Expansionsanlagen als zweistufige Anlagen in einem Be reich niederer Temperaturen betrieben werden, ist im allgemeinen eine Schaltung gemäß Bild 3 verwirklicht. Auch hier wird das Gas mit höherem Druck p₂ und Umgebungstemperatur über einen Erhitzer EH, der seine Wärme in der Regel aus einem Wärmeerzeuger WE er hält, nur auf Temperaturen von 70 bis 80°C vorgewärmt. Nach der Entspannung in der ersten Stufe der Gas-Expansionsanlage GEA1 von einem höheren Eingangsdruck p₂ auf einen mittleren Druck ist eine zweite Vorwärmung in einem zusätzlichen Erhitzer ZEH (hier Zwi schenerhitzer genannt) auf ein Temperaturniveau von wiederum le diglich 70 bis 80°C üblich; der Zwischenerhitzer ZEH erhält sei ne Wärme in der Regel ebenfalls aus einem Wärmeerzeuger WE. In der zweiten Stufe der Gas-Expansionsanlage GEA2 wird das Gas von mittlerem Druck auf einen niedrigeren Ausgangsdruck p₁ entspannt und wieder dem Gasversorgungssystem - etwa dem Verteilungsnetz - zugeführt.

Der reversible Vergleichsprozeß für eine zweistufige Gas-Expansi onsanlage, die in einem Bereich niederer Temperaturen arbeitet, ist in Bild 4 im T,s-Diagramm dargestellt.

Die Patentansprüche beziehen sich auf eine z-stufige Hochtempera tur-Gas-Expansionsanlage (z größer eins), bei der die Gas-Expan sion in einem Bereich hoher Temperaturen durchgeführt wird. Die Schaltung für eine Hochtemperatur-Gas-Expansionsanlage, soweit sie einstufig (z = 1) ausgeführt ist, stellt Bild 5 dar. Dabei wird das - etwa dem Fernleitungsnetz entnommene - Gas mit höherem Eingangsdruck p₂ und Umgebungstemperatur zunächst durch einen - oder mehrere hintereinandergeschaltete - Wärmeübertrager GWÜ, der bzw. die zweckmäßig als Gegenstrom-Wärmeübertrager ausgeführt werden, ohne Wärmezufuhr von außen erhitzt; gleichzeitig wird das in einem Bereich hoher Temperaturen entspannte Gas mit dem nied rigeren Druck p₁ durch denselben - bzw. dieselben - Wärmeübertra ger GWÜ wieder abgekühlt.

Das erhitzte Gas mit dem Eingangsdruck p₂ wird in einem zusätzli chen Erhitzer EH, der seine Wärme etwa aus dem Wärmeerzeuger WE bekommt, noch weiter erhitzt, bevor es in der Gas-Expansionsanla ge GEA mit angekoppeltem elektrischem Generator G in einem Be reich hoher Temperaturen auf den Ausgangsdruck p₁ entspannt wird und danach - nach Durchströmen und Abkühlen in GWÜ - mit annä hernd Umgebungstemperatur wieder dem Gasversorgungssystem zuge führt wird.

Der reversible Vergleichsprozeß für eine einstufige Gas-Expansi onsanlage, die in einem Bereich hoher Temperaturen arbeitet, ist in Bild 6 im T,s-Diagramm dargestellt. Ein Vergleich von Bild 4 mit Bild 6 zeigt, daß der spezifische Arbeitsgewinn zwischen den Zuständen 4 und 5, der im Falle eines idealen Gases mit konstan ter spezifischer isobarer Wärmekapazität durch die Länge der senkrechten Strecke 45 wiedergegeben werden kann, in einer Gas- Expansionsanlage gemäß Bild 3 wesentlich größer ist als in einer Gas-Expansionsanlage gemäß Bild 1.

Die Schaltung für eine zweistufige Gas-Expansionsanlage (z = 2) ist in Bild 7 wiedergegeben. Dabei wird das - etwa dem Fernlei tungsnetz entnommene - Gas mit höherem Druck p₂ und Umgebungstem peratur zunächst durch einen - oder mehrere hintereinanderge schaltete - Wärmeübertrager GWÜ, der bzw. die zweckmäßig als Ge genstrom-Wärmeübertrager ausgeführt werden, ohne Wärmezufuhr von außen erhitzt; gleichzeitig wird das in einem Bereich hoher Tem peraturen entspannte Gas mit dem niedrigeren Druck p₁ durch den selben- bzw. dieselben - Wärmeübertrager GWÜ wieder abgekühlt.

Das erhitzte Gas mit dem Eingangsdruck p₂ wird in einem zusätzli chen Erhitzer EH, der seine Wärme etwa aus einem Wärmeerzeuger WE bekommt, noch weiter erhitzt; danach wird es in der ersten Stufe der Gas-Expansionsanlage GEA1 vom höheren Eingangsdruck p₂ auf einen mittleren Druck entspannt. Hiernach folgt eine zweite Er hitzung in einem zusätzlichen Erhitzer ZEH (hier Zwischenerhitzer genannt); der Zwischenerhitzer ZEH kann seine Wärme etwa aus dem selben Wärmeerzeuger WE erhalten, wobei sich hierzu zweckmäßig eine Parallelschaltung von EH und ZEH, wie sie in Bild 7 darge stellt ist, anbietet. In der zweiten Stufe der Gas-Expansionsan lage GEA2 wird das Gas von mittlerem Druck auf den niedrigeren Ausgangsdruck p₁ entspannt und danach - nach Durchströmen und Ab kühlen in GWÜ - mit annähernd Umgebungstemperatur wieder dem Gas versorgungssystem zugeführt. Wahlweise können statt eines einzi gen elektrischen Generators G, der gemäß Bild 7 mit beiden Ent spannungsstufen GEA1 und GEA2 gekoppelt ist, den jeweiligen Ent spannungsstufen GEA1 und GEA2 auch zwei elektrische Generatoren G1 und G2 zugeordnet sein.

Der reversible Vergleichsprozeß für eine zweistufige Gas-Expansi onsanlage, die im Bereich hoher Temperaturen arbeitet, ist in Bild 8 im T,s-Diagramm dargestellt.

Hochtemperatur-Gas-Expansionsanlagen können mit einer beliebigen Zahl von z Entspannungsstufen verwirklicht werden. Dabei wird wiederum das Gas mit dem höheren Eingangsdruck p₂ und Umgebungs temperatur durch einen - oder mehrere hintereinandergeschaltete - Wärmeübertrager GWÜ, der bzw. die zweckmäßig als Gegenstrom-Wär meübertrager ausgeführt werden, ohne Wärmezufuhr von außen er hitzt und dabei gleichzeitig das in einem Bereich hoher Tempera turen z-stufig entspannte Gas mit niedrigerem Ausgangsdruck p₁ durch denselben - bzw. durch dieselben - Wärmeübertrager GWÜ wie der abgekühlt.

Außerdem wird das Gas vor jeder der z in Reihe geschalteten Ent spannungsstufen durch einen der jeweiligen Entspannungsstufe zu geordneten, zusätzlichen Erhitzer (Erhitzer EH bzw. Zwischener hitzer ZEH genannt) - also insgesamt z zusätzlichen Erhitzern - noch weiter erhitzt. Dieser Erhitzer EH bzw. die Zwischenerhitzer ZEH erhalten ihre Wärme etwa aus einem oder mehreren Wärmeerzeu gern WE; wird nur ein einziger Wärmeerzeuger WE eingesetzt, bie tet sich hierzu zweckmäßig eine Parallelschaltung aller zusätzli cher Erhitzer EH und ZEH an.

Der reversible Vergleichsprozeß für eine z-stufige Gas-Expansi onsanlage, die in einem Bereich hoher Temperaturen arbeitet, ist in Bild 9 für den Fall von z = 3 Stufen im T,s-Diagramm darge stellt.

Bei z-stufigen Hochtemperatur-Gas-Expansionsanlagen mit einer be liebigen Zahl von z Entspannungsstufen können die z zusätzlichen Erhitzer EH bzw. ZEH über einen oder mehrere brennstoffbefeuerte Wärmeerzeuger, der bzw. die etwa als Thermoölkessel mit Thermoöl als Wärmeträger oder als Hochtemperatur-Röhrenofen ausgeführt sind, mit Wärme versorgt werden.

Alternativ hierzu kann für die Wärmeversorgung der z zusätzlichen Erhitzer EH bzw. ZEH auch die Abhitze von hohen Temperaturen aus einer vorgeschalteten thermischen Anlage - insbesondere aus einer Gasturbine, aus einem heißgekühlten Blockheizkraftwerk oder aus einer Prozeßwärme nutzenden Industrieanlage - verwendet werden. Diese Abhitze kann entweder

- direkt oder
- indirekt über einen bzw. mehrere Abhitzekessel

eingebracht werden.

Bild 10 zeigt eine Schaltung zur direkten Nutzung der Abhitze aus einer Gasturbine GT (der ein Luftverdichter V, eine Brennkammer BK und ein elektrischer Generator G zugeordnet sind); dabei wird die Abhitze des Gasturbinen-Abgases über einen Erhitzer EH in die Hochtemperatur-Gas-Expansionsanlage eingebracht, die hier der Einfachheit halber einstufig ausgeführt ist (z = 1), die aber grundsätzlich auch mit einer beliebigen Zahl von z (z größer eins) in Reihe geschalteten Stufen ausgeführt werden kann. Die technischen Komponenten der Hochtemperatur-Gas-Expansionsanlage (Wärmeübertrager GWÜ, Erhitzer EH, Gas-Expansionsanlage GEA, elektrischer Generator G) sind im Vergleich zur Schaltung gemäß Bild 5 grundsätzlich gleichartig.

Bild 11 zeigt eine Schaltung zur indirekten Nutzung der Abhitze aus einer Gasturbine GT (der ein Luftverdichter V, eine Brennkam mer BK und ein elektrischer Generator G zugeordnet sind); dabei wird die Abhitze des Gasturbinen-Abgases über einen Abhitzekessel AHK und einen Zwischenkreislauf, bei dem etwa ein Thermoöl als Wärmeträger dienen kann, sowie einen Erhitzer EH in die Hochtem peratur-Gas-Expansionsanlage eingebracht, die hier der Einfach heit halber einstufig ausgeführt ist (z = 1), die aber grundsätz lich auch mit einer beliebigen Zahl von z (z größer eins) in Rei he geschalteten Stufen ausgeführt werden kann. Die technischen Komponenten der Hochtemperatur-Gas-Expansionsanlage (Wärmeüber trager GWÜ, Erhitzer EH, Gas-Expansionsanlage GEA, elektrischer Generator G) sind im Vergleich zu den Schaltungen gemäß Bild 5 und Bild 10 grundsätzlich gleichartig.

Die Höhe der Temperatur des Gases auf der Eingangsseite der z Entspannungsstufen kann entsprechend den technischen Vorausset zungen der Gas-Entspannungsmaschinen sowie entsprechend der ge nutzten Gasart veränderlich gewählt werden. Die Art der Gas-Ent spannungsmaschinen kann - wie bereits erwähnt - verschieden ge wählt werden; so kommen für eine z-stufige Hochtemperatur-Ent spannungsanlage insbesondere Hubkolbenmotoren, Axial- oder Radi alturbinen oder auch Schrauben-Expander infrage. Die Gasart kann ebenfalls verschieden gewählt werden: Ein wichtiges Anwendungsge biet für z-stufige Hochtemperatur-Gas-Expansionsanlagen eröffnet sich insbesondere in Erdgasversorgungssystemen, aber auch in an deren Versorgungssystemen für technische Gase wie beispielsweise Kokereigas, Stadtgas oder Wasserstoff.

Claims

1. Verfahren zur Verbesserung des Arbeitsgewinns von Hochtempera tur-Gas-Expansionsanlagen in einem Gasleitungssystem mit nutz barem Druckgefälle, insbesondere in Gasfernleitungsnetzen, mit einem Gegenstrom-Wärmeübertrager, einem nachfolgenden fremdbe heizten Erhitzer und einer Gasentspannungsmaschine zwischen der Gasfernleitung und einer Verteilerleitung, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Entspannung in der ersten Stufe einer Gasentspan nungsmaschine im Bereich hoher Temperaturen das Gas in minde stens einer weiteren Stufe in einem Zwischenerhitzer wieder zumindest annähernd auf die hohe Temperatur vor der ersten Entspannungsstufe erhitzt und in einer zweiten Stufe der Gas entspannungsmaschine im Bereich hoher Temperaturen entspannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung in 2 ... 9 weiteren Entspannungsstufen nach je weils vorhergegangener Zwischenerhitzung im Bereich hoher Tem peraturen erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr für die Zwischenerhitzung in allen Stufen aus mindestens einem Thermalöl-Heizkessel oder mit mindestens ei nem Hochtemperatur-Röhrenofen erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr für die Zwischenerhitzung in mindestens einer der Stufen direkt oder indirekt über mindestens einen Abhitze kessel mit Abhitze aus einer vorgeschalteten thermischen Kraftmaschine erfolgt.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der von der Gasleitung (1) mit Gas höheren Druckes (Gasfernleitung) abge zweigten, letztlich zu einer Verteilerleitung (2) niederen Druckes führenden Leitung (3) ein Gegenstrom-Wärmeübertrager (4) angeordnet ist mit Anschlüssen (5) für das Gas höheren Druckes der Gasleitung (1) und Anschlüssen (6) für das der Verteilerleitung (2) zuzuführende Gas niederen Druckes, daß nachfolgend ein Erhitzer (7) mit Anschlüssen (8) für das Gas aus dem Gegenstrom-Wärmeübertrager (4) und Anschlüssen (9) für das Heizmedium aus einem Wärmeerzeuger (10), daß nachfolgend die erste Stufe einer Gasentspannungsmaschine (11) mit nach folgendem Zwischenerhitzer (12) und einer zweiten Stufe einer Gasentspannungsmaschine (13) angeordnet ist, wobei das ent spannte Gas dem Gegenstrom-Wärmeübertrager (4) und sodann der Leitung (2) zugeführt wird.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Zwischenerhitzer (12) und der zweiten Stufe der Gasent spannungsmaschine (13) mindestens ein weiterer Zwischenerhit zer und eine weitere Stufe einer Gasentspannungsmaschine an geordnet ist.