DE4416359A1

DE4416359A1 - Z-stufige Hochtemperatur-Gas-Expansionsanlage in einem Gasleitungssystem mit nutzbarem Druckgefälle

Info

Publication number: DE4416359A1
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: 1995-11-16
Anticipated expiration: 2014-05-10
Also published as: DE4416359C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochtemperatur-Gas-Expansionsanlage, bei der eine oder mehrere Gas-Expansionsmaschinen mit einer be liebigen Zahl von z in Reihe geschalteten Entspannungsstufen zur Gas-Expansion eingesetzt 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 Leitungssystems - etwa eines Erdgasversorgungssystems - verbrennungsfrei in einem Bereich hoher Temperaturen des Gases zur Erzeugung mechanischer Energie bzw. elektrischer Energie nut zen.

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, bei der die Gas-Expansion in einem Be reich hoher Temperaturen durchgeführt wird. Die Schaltung für ei ne solche Anlage, soweit sie einstufig (z = 1) ausgeführt ist, stellt Bild 5 dar. Dabei wird das - etwa dem Fernleitungsnetz entnommene - Gas mit höherem Eingangsdruck p₂ und Umgebungstempe ratur zunächst durch einen - oder mehrere hintereinandergeschal tete - Wärmeübertrager GWÜ, der bzw. die zweckmäßig als Gegen strom-Wärmeübertrager ausgeführt werden, ohne Wärmezufuhr von au ßen erhitzt; gleichzeitig wird das in einem Bereich hoher Tempe raturen entspannte Gas mit dem niedrigeren Druck p₁ durch densel ben - 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 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 Fernleitungsnetz 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 aus einer vorgeschalteten thermischen Anlage - insbesondere aus einer Gasturbine, aus einem heißgekühlten Blockheizkraftwerk oder aus einer Prozeßwärme nut zenden 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 einstu fig ausgeführt ist (z = 1). Die technischen Komponenten der Hochtemperatur-Gas-Expansionsanlage (Wärmeübertrager GWÜ, Erhit zer EH, Gas-Expansionsanlage GEA, elektrischer Generator G) sind im Vergleich zur Schaltung gemäß Bild 5 grundsätzlich gleichar tig.

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 einstufig aus geführt ist (z = 1). Die technischen Komponenten der Hochtempera tur-Gas-Expansionsanlage (Wärmeübertrager GWÜ, Erhitzer EH, Gas- Expansionsanlage GEA, elektrischer Generator G) sind im Vergleich zu den Schaltungen gemäß Bild 5 und Bild 10 grundsätzlich gleich artig.

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 in Frage. Die Gasart kann ebenfalls verschieden gewählt werden: Ein wichtiges Anwendungsge biet für z-stufige Gas-Expansionsanlagen eröffnet sich insbeson dere in Erdgasversorgungssystemen, aber auch in anderen Versor gungssystemen für technische Gase wie beispielsweise Kokereigas, Stadtgas oder Wasserstoff.

Claims

1. z-stufige Hochtemperatur-Gas-Expansionsanlage, bei der eine oder mehrere Gas-Entspannungsmaschinen - insbesondere Hubkol benmotoren, Axial- oder Radialturbinen oder Schrauben-Expander - mit einer beliebigen Zahl von z in Reihe geschalteten Ent spannungsstufen zur Gas-Expansion eingesetzt werden, wobei die Entspannungsmaschinen das Druckgefälle zwischen der ein Gas mit höherem Druck führenden Leitung und der ein Gas mit nied rigerem Druck führenden Leitung eines Leitungssystems - etwa eines Erdgasversorgungssystems - verbrennungsfrei in einem Be reich hoher Temperaturen des Gases zur Erzeugung mechanischer Arbeit bzw. elektrischer Energie nutzen, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas mit höherem Druck und Um gebungstemperatur durch einen - oder mehrere hintereinanderge schaltete - Wärmeübertrager ohne Wärmezufuhr von außen erhitzt wird und dabei gleichzeitig das in einem Bereich hoher Tempe raturen z-stufig entspannte Gas mit niedrigerem Druck durch denselben - bzw. dieselben - Wärmeübertrager wieder abgekühlt wird, und außerdem das Gas vor jeder der z in Reihe geschalte ten Entspannungsstufen durch einen der jeweiligen Entspan nungsstufe zugeordneten, zusätzlichen Erhitzer - also durch insgesamt z zusätzliche Erhitzer - in einem Bereich hoher Tem peraturen über Wärmezufuhr von außen noch weiter erhitzt wird.

2. z-stufige Hochtemperatur-Gas-Expansionsanlage nach Patentan spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die z zusätzlichen Er hitzer (Erhitzer bzw. Zwischenerhitzer genannt) über einen oder mehrere brennstoffbefeuerte Wärmeerzeuger - etwa als Thermoölkessel mit Thermoöl als Wärmeträger oder als Hochtem peratur-Röhrenofen ausgeführt - mit Wärme von hohen Temperatu ren versorgt werden.

3. z-stufige Hochtemperatur-Gas-Expansionsanlage nach Patentan spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die z zusätzlichen Er hitzer (Erhitzer bzw. Zwischenerhitzer genannt) nicht über ei nen oder mehrere brennstoffbefeuerte Wärmeerzeuger, sondern

- direkt oder
- indirekt über einen oder mehrere Abhitzekessel

mit Abhitze aus einer vorgeschalteten thermischen Anlage - insbesondere aus einer Gasturbine, aus einem heißgekühlten Blockheizkraftwerk oder aus einer Prozeßwärme nutzenden Indu strieanlage - versorgt werden.