EP3517742A1 - Erzeugung elektrischer energie und verdampfung eines tiefkalt verflüssigten gases - Google Patents
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Definitions
- natural gas is transported via lines to corresponding terminals in a port. There it is stored, processed and finally liquefied for transport with appropriate special vessels over long distances by strong compression and cooling (down to -162 ° C). After transport, the liquefied natural gas is regasified before being discharged into a gas network.
- the liquid natural gas is typically evaporated with ambient heat (air / seawater) or chemical heat.
- concepts were developed that aimed to use low temperature cold energy via cascading ORC cycles.
- the object of the invention is to provide an energetically and economically optimal evaporation process for a cryogenic liquefied gas. Furthermore, it is an object of the invention to provide a correspondingly improved device.
- the invention solves the object directed to a device by providing that in such a device for generating electrical energy and for the evaporation of a cryogenic liquefied gas, comprising a heat engine and a heat engine downstream Abhitze sandwichungssystem, which is connected in a fluid circuit, said Device further comprises a conduit for the cryogenic liquefied gas, in which a first heat exchanger is connected, wherein the first heat exchanger is also connected in the fluid circuit, in the line, a pump in the flow direction of the cryogenic liquefied gas is connected in front of the first heat exchanger and behind the first heat exchanger, an expansion turbine and a second heat exchanger are connected in the line, the second heat exchanger also connected in the fluid circuit is.
- Refrigerated liquefied gas means that the gas was liquefied by cooling.
- the temperatures are in the relevant to the invention gases in the order of -140 ° C and below.
- a heat engine is typically a gas turbine used. But even the use of a gas engine, for example, is conceivable.
- a branch line branches off from the line and the branch line opens into the heat engine.
- gases such as hydrogen
- the branch line branches off after the second heat exchanger from the line.
- the regasified gas is cooled down so far that it is expedient if a third heat exchanger is connected in the branch line and in the fluid circuit in order to preheat the fuel for combustion in the thermal power plant.
- a compressor is arranged in the fluid circuit between the first and the second heat exchanger.
- the fluid circuit should be operated as a 1-pressure process to optimize the efficiency of the device. For this purpose, in addition to a certain temperature and a corresponding pressure is required.
- waste heat recovery system follows the second heat exchanger in the fluid circuit.
- residual heat from the process of the heat engine is utilized.
- a turbine with a coupled generator follows in the fluid circuit on the waste heat utilization system so that the fluid heated in the waste heat recovery system can be released to work in the turbine.
- the third heat exchanger for fuel preheating is arranged in the fluid circuit between the turbine and the first heat exchanger. With the fuel preheating the sensible heat of the fuel is increased and the required amount of fuel is reduced.
- a fourth heat exchanger in the fluid circuit between the compressor and the second heat exchanger is arranged.
- a fifth heat exchanger is connected with both sides in the fluid circuit and on the one hand between the third heat exchanger and the first heat exchanger and on the other parallel to Abhitze contractsssystem.
- the fluid that is after the first heat exchange in which the cryogenic liquefied gas is regasified and also after the compressor typically still temperatures well below the freezing point (of water) has been heated by ambient heat.
- the gas turbine intake air cooling which results in a power increase of the gas turbine.
- other heat sources can be used, such as heated cooling water, seawater, ambient air is also in question.
- the thus heated fluid is then further heated in the second heat exchanger, wherein the previously cryogenic liquefied gas, which has been pressurized, heated and thereby regasified and was expanded in a turbine, but still has a temperature above a common temperature in a gas network , is cooled further.
- a portion (approximately of the order of 10 to 30%) of the fluid can be diverted from the main stream to the waste heat recovery system and further heated in heat exchange with the fluid, which has been somewhat cooled after expansion in the turbine and fuel preheating. This portion of the fluid is mixed again with the main stream after it has been heated in the waste heat recovery system.
- the claimed device can be used for various cryogenic liquefied gases.
- the cryogenic liquefied gas is natural gas, alone with regard to its usability in the heat engine and Abhitze dividedungssystem, but also with regard to the choice of fluid in the fluid circuit and the efficiency of the entire system.
- An alternative to natural gas is, for example, hydrogen.
- the fluid circuit is a nitrogen cycle. Not least because of its inert properties, the use of nitrogen is advantageous. However, it is essential that nitrogen with a critical point of -147 ° C / 34 bara is excellently suited for supercritical heat exchange with the LNG.
- the supercritical state prevents the formation of an isothermal condensation plateau. This minimizes the exergetic heat transfer losses. Furthermore, the solidification temperature of -210 ° C is well below the LNG temperature of -162 ° C, so that a freezing of the fluid is not possible.
- the fluid circuit is a supercritically operated circuit.
- the heat of vaporization no longer plays a role, which has a positive effect on efficient heat transfer.
- the single phase of the fluid should improve its transport in the lines.
- the object directed to a method is achieved by a method for generating electrical energy and for evaporating a cryogenic liquefied gas, in which a fluid flow is circulated and is heated at least partially in a heat exchange with exhaust gases of a heat engine and a cryogenic liquefied gas in a first heat exchange with the fluid flow is heated and evaporated, wherein the cryogenic liquefied gas is compressed before the first heat exchange with the fluid flow and is relaxed after the first heat exchange with the fluid flow in an expansion turbine and is further cooled in a second heat exchange with the fluid flow.
- a gas turbine is typically used as the heat engine.
- a gas engine can be used.
- the previously cryogenic liquefied gas is supplied at least in part to a gas network and in part to a heat engine.
- the gas supplied to the heat engine which has previously been supplied with cryogenic liquefied gas, is preheated by the fluid flow in a third heat exchange for combustion.
- the fluid in which ambient heat is used, the fluid is heated before its heating in the second heat exchange in a fourth heat exchange (by ambient heat, for example Gasurbinenansaug Kunststoff, seawater) and after heating in the second heat exchange, a first partial flow of the fluid alternatively for heat exchange with exhaust gases of the gas turbine further heated in a fifth heat exchange with relaxed in the turbine fluid and then mixed with a heated in heat exchange with exhaust gases of the heat engine second partial stream before a from the first and second partial flow existing total flow of the fluid is expanded in the turbine ,
- ambient heat for example Gasurbinenansaug Kunststoff, seawater
- the fluid flow is compressed between the first heat exchange and the second heat exchange.
- cryogenic liquefied gas is used as the cryogenic liquefied gas.
- the regasification preferably LNG
- the recycle process preferably nitrogen
- the LNG at the terminal point to the gas network can be set to the desired pressure and temperature level.
- the design of the fluid circuit is optimally tailored to the requirements of the subsystems (e.g., internal heat displacement allows both the final LNG temperature and a minimum nitrogen temperature at the entrance to the waste heat recovery system downstream of the heat engine).
- FIG. 1 shows schematically and by way of example a device 1 according to the invention. It comprises a heat engine 2 (in the example of FIG. 1 a gas turbine 2) and a gas turbine 2 downstream Abhitze termedungssystem 3, similar to a heat recovery steam generator in gas and steam turbine plants. However, the invention does not provide a water vapor cycle.
- the fluid circuit 4 which is connected in the Abhitze dividedungssystem 3, a nitrogen cycle.
- the device 1 further comprises a line 5, in the present case a natural gas line, in which a first heat exchanger 6 is connected, wherein the first heat exchanger 6 is also connected in the fluid circuit 4.
- a pump 7 is connected in the natural gas line 5 in the flow direction of the natural gas in front of the first heat exchanger 6 and in the fluid circuit 4, a compressor 12.
- the expansion turbine 8 is coupled to a generator 23.
- the amount of heat in the regasified and expanded natural gas, which is above that which makes sense for the gas network 17, is returned to the nitrogen cycle 4 via the second heat exchanger 9.
- Part of the expanded natural gas is in the embodiment of FIG. 1 supplied to the gas turbine 2.
- the branch line 10 opens into the gas turbine 2.
- the embodiment of FIG. 1 shows both options for the branch of the branch line: once in front of the second heat exchanger 9 and once behind the second heat exchanger. 9
- the third heat exchanger 11 for the fuel preheating is arranged in the fluid circuit 4 between the turbine 13 and the first heat exchanger 6.
- FIG. 1 indicated that a necessarily incurred leakage current 15 of natural gas to the expansion turbine 8 an additional firing 16 in Abhitze mineralsssystem 3 can be fed.
- the leakage can be sealed at the expansion turbine 8 via the shaft seal with nitrogen and fed, for example, as a natural gas-nitrogen mixture of supplementary firing 16 in Abhitze contractsssystem 3.
- the turbine 13, in the embodiment of the FIG. 1 Nitrogen is released has leaks. These can be sucked off at least in part 18 and then returned to the fluid circuit 4. In general, a feed 19 of nitrogen into the fluid circuit 4 is provided.
- FIG. 1 a not necessarily necessary but interesting use of so-called residual heat for the inventive device.
- a fourth heat exchanger 20 is arranged in the fluid circuit 4 between the compressor 12 and the second heat exchanger 9.
- the nitrogen after the regasification of the natural gas in the first heat exchanger 6 and the compression in the compressor 12 has a temperature approximately between -50 and -60 ° C and is thus comparatively well below ambient temperature, so that a heating means offers free available ambient heat.
- Conceivable heat sources are ambient air, seawater, heated cooling water. It is particularly interesting if this heat exchange still another advantage is connected, such as in Gasurbinenansaug Kunststoffkühlung.
- the fifth heat exchanger 21 is in fact connected with both sides in the fluid circuit 4 and on the one hand between the third heat exchanger 11 and the first heat exchanger 6 (heat-emitting side) and the other parallel to Abhitze stressesssystem. 3
- FIGS. 2 and 3 show alternative string concepts.
- the compressor 12 requires a drive and the embodiment of the device 1 of FIG. 1 has two generators 14 and 23. By arranging the compressor 12 and a single generator 14 on a common axis 22 with the turbine 13 components can be saved.
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie und zur Verdampfung eines tiefkalt verflüssigten Gases, umfassend eine Wärmekraftmaschine (2) sowie ein der Wärmekraftmaschine (2) nachgeschaltetes Abhitzenutzungssystem (3), das in einen Fluidkreislauf (4) geschaltet ist, wobei die Vorrichtung (1) ferner eine Leitung (5) für das tiefkalt verflüssigte Gas umfasst, in die ein erster Wärmeübertrager (6) geschaltet ist, wobei der erste Wärmeübertrager (6) auch in den Fluidkreislauf (4) geschaltet ist, wobei in die Leitung (5) eine Pumpe (7) in Strömungsrichtung des tiefkalt verflüssigten Gases vor den ersten Wärmeübertrager (6) geschaltet ist und hinter den ersten Wärmeübertrager (6) eine Entspannungsturbine (8) sowie ein zweiter Wärmeübertrager (9) in die Leitung (5) geschaltet sind, wobei der zweite Wärmeübertrager (9) auch in den Fluidkreislauf (4) geschaltet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie und zur Verdampfung eines tiefkalt verflüssigten Gases.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie und zur Verdampfung eines tiefkalt verflüssigten Gases, beispielsweise Erdgas (LNG = liquefied natural gas) sowie ein entsprechendes Verfahren.
- Üblicherweise wird Erdgas nach seiner Förderung über Leitungen zu entsprechenden Terminals in einem Hafen transportiert. Dort wird es gelagert, aufbereitet und schließlich für den Transport mit entsprechenden Spezialschiffen über längere Strecken durch starkes Verdichten und Abkühlen (bis auf -162°C) verflüssigt. Nach dem Transport wird das verflüssigte Erdgas vor der Einleitung in ein Gasnetz regasifiziert. Dabei wird typischer Weise das flüssige Erdgas mit Umgebungswärme (Luft / Meerwasser) oder chemischer Wärme verdampft. Alternativ wurden Konzepte entwickelt, die über kaskadierende ORC-Kreisläufe eine energetische Nutzung der Tieftemperaturkälte zum Ziel hatten.
- Aufgabe der Erfindung ist es, ein energetisch und wirtschaftlich optimales Verdampfungsverfahren für ein tiefkalt verflüssigtes Gas anzugeben. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine entsprechend verbesserte Vorrichtung bereitzustellen.
- Die Erfindung löst die auf eine Vorrichtung gerichtete Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einer derartigen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie und zur Verdampfung eines tiefkalt verflüssigten Gases, umfassend eine Wärmekraftmaschine sowie ein der Wärmekraftmaschine nachgeschaltetes Abhitzenutzungssystem, das in einen Fluidkreislauf geschaltet ist, wobei die Vorrichtung ferner eine Leitung für das tiefkalt verflüssigte Gas umfasst, in die ein erster Wärmeübertrager geschaltet ist, wobei der erste Wärmeübertrager auch in den Fluidkreislauf geschaltet ist, in die Leitung eine Pumpe in Strömungsrichtung des tiefkalt verflüssigten Gases vor den ersten Wärmeübertrager geschaltet ist und hinter den ersten Wärmeübertrager eine Entspannungsturbine sowie ein zweiter Wärmeübertrager in die Leitung geschaltet sind, wobei der zweite Wärmeübertrager auch in den Fluidkreislauf geschaltet ist.
- Durch Kopplung der Verdampfung an weitere Prozesse und insbesondere durch eine optimierte Wärmeintegration des Gesamtsystems wird es möglich, eine maximale Nutzung der Tieftemperaturkälte zur Stromerzeugung mit höchsten Wirkungsgraden zu erreichen. Dies wird erfindungsgemäß kombiniert mit einer Druckerhöhung auf der Seite des tiefkalt verflüssigten Gases (Beispiel für LNG: 100 - 300 bar). Tiefkalt verflüssigtes Gas bedeutet, dass das Gas durch Abkühlung verflüssigt wurde. Die Temperaturen liegen bei den für die Erfindung relevanten Gasen in der Größenordnung von -140°C und darunter. Als Wärmekraftmaschine kommt typischerweise eine Gasturbine zum Einsatz. Aber auch die Verwendung beispielsweise eines Gasmotors ist denkbar.
- Dabei ist es zweckmäßig, wenn nach der Entspannungsturbine eine Zweigleitung von der Leitung abzweigt und die Zweigleitung in die Wärmekraftmaschine mündet. Insbesondere bei der Verdampfung von LNG, aber auch bei anderen Gasen, wie Wasserstoff, ergeben sich bei einer derartigen Konstellation Vorteile aufgrund der "kurzen Wege".
- In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zweigt die Zweigleitung erst nach dem zweiten Wärmeübertrager von der Leitung ab. Das regasifizierte Gas ist hier soweit abgekühlt, dass es zweckmäßig ist, wenn ein dritter Wärmeübertrager in die Zweigleitung und in den Fluidkreislauf geschaltet ist, um den Brennstoff für die Verbrennung in der Wärmekraftmschine vorzuwärmen.
- In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist im Fluidkreislauf zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmeübertrager ein Verdichter angeordnet. Der Fluidkreislauf soll als 1-Druckprozess betrieben werden, um den Wirkungsgrad der Vorrichtung zu optimieren. Hierzu wird neben einer bestimmten Temperatur auch ein entsprechender Druck benötigt.
- Es ist vorteilhaft, wenn im Fluidkreislauf auf den zweiten Wärmeübertrager das Abhitzenutzungssystem folgt. Im Abhitzenutzungssystem wird Restwärme aus dem Prozess der Wärmekraftmaschine verwertet. Es ist zweckmäßig, wenn im Fluidkreislauf auf das Abhitzenutzungssystem eine Turbine mit angekoppeltem Generator folgt, so dass das im Abhitzenutzungssystem erwärmte Fluid in der Turbine arbeitsleistend entspannt werden kann.
- Weiter kann es zweckmäßig sein, wenn im Fluidkreislauf zwischen Turbine und erstem Wärmeübertrager der dritte Wärmeübertrager für eine Brennstoffvorwärmung angeordnet ist. Mit der Brennstoffvorwärmung wird die fühlbare Wärme des Brennstoffs erhöht und die benötigte Brennstoffmenge verringert.
- In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein vierter Wärmeübertrager im Fluidkreislauf zwischen Verdichter und zweitem Wärmeübertrager angeordnet. Ferner ist ein fünfter Wärmeübertrager mit beiden Seiten in den Fluidkreislauf geschaltet und zwar zum einen zwischen den dritten Wärmeübertrager und den ersten Wärmeübertrager und zum anderen parallel zum Abhitzenutzungssystem. Über den vierten Wärmeübertrager kann das Fluid, das nach dem ersten Wärmetausch, bei dem das tiefkalt verflüssigte Gas regasifiziert wird und auch nach dem Verdichter typischerweise noch Temperaturen deutlich unter dem Gefrierpunkt (von Wasser) aufweist mittels Umgebungswärme erwärmt werden. Eine mögliche Anwendung ist die Gasturbinenansaugluftkühlung, wodurch sich ein Leistungszuwachs der Gasturbine ergibt. Aber auch andere Wärmequellen können verwendet werden, wie beispielsweise aufgewärmtes Kühlwasser, Meerwasser, auch Umgebungsluft kommt in Frage. Das derart erwärmte Fluid wird dann im zweiten Wärmeübertrager weiter erwärmt, wobei das vormals tiefkalt verflüssigte Gas, welches inzwischen auf Druck gebracht, erwärmt und dadurch regasifiziert wurde und in einer Turbine entspannt wurde, aber immer noch eine Temperatur über einer üblichen Temperatur in einem Gasnetz aufweist, weiter abgekühlt wird. Gemäß der Erfindung kann nun ein Anteil (ungefähr der Größenordnung 10 bis 30 %) des Fluids vom Hauptstrom zum Abhitzenutzungssystem abgezweigt werden und im Wärmetausch mit dem Fluid, welches nach der Entspannung in der Turbine und der Brennstoffvorwärmung zwar etwas abgekühlt ist, weiter erwärmt werden. Dieser Anteil des Fluids wird mit dem Hauptstrom nach dessen Erwärmung im Abhitzenutzungssystem wieder gemischt.
- Leckagen an der Entspannungsturbine im Pfad des tiefkalt verflüssigten Gases lassen sich nicht vermeiden. Sofern das regasifizierte Gas brennbar ist, ist es daher vorteilhaft, wenn ein Leckagestrom an der Entspannungsturbine einer Zusatzfeuerung im Abhitzenutzungssystem zuführbar ist.
- Die beanspruchte Vorrichtung ist für verschiedene tiefkalt verflüssigte Gase nutzbar. Es ist aber vorteilhaft, wenn das tiefkalt verflüssigte Gas Erdgas ist, alleine schon im Hinblick auf seine Verwendbarkeit in der Wärmekraftmaschine und im Abhitzenutzungssystem, aber auch im Hinblick auf die Wahl des Fluids im Fluidkreislauf und den Wirkungsgrad der Gesamtanlage. Eine Alternative zu Erdgas ist beispielsweise Wasserstoff.
- In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn der Fluidkreislauf ein Stickstoffkreislauf ist. Nicht zuletzt wegen seiner Inert-Eigenschaften ist die Verwendung von Stickstoff vorteilhaft. Wesentlich ist aber, dass sich Stickstoff mit einem kritischen Punkt von -147°C / 34 bara hervorragend für einen überkritischen Wärmeaustausch mit dem LNG eignet.
- Durch den überkritischen Zustand wird das Ausbilden eines isothermen Kondensationsplateaus verhindert. Dadurch werden die exergetischen Verluste bei der Wärmeübertragung minimiert. Weiterhin liegt die Erstarrungstemperatur mit -210°C deutlich unterhalb der LNG-Temperatur von -162°C, so dass ein Ausfrieren des Fluids nicht möglich ist.
- Zweckmäßig ist hierbei insbesondere, wenn der Fluidkreislauf ein überkritisch betriebener Kreislauf ist. Im überkritischen Zustand spielt die Verdampfungswärme keine Rolle mehr, was sich positiv auf eine effiziente Wärmeübertragung auswirkt. Außerdem sollte die Einphasigkeit des Fluids dessen Transport in den Leitungen verbessern.
- Schließlich ist es insbesondere für kleinere Anlagen vorteilhaft, wenn Verdichter, Turbine und Generator auf einer Achse angeordnet sind. Somit lassen sich Einsparungen auf der Materialseite erzielen, weil beispielsweise für den Verdichter kein separater Antrieb benötigt wird, oder weil nur noch ein Generator in der Anlage zur Verfügung gestellt werden muss.
- Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie und zur Verdampfung eines tiefkalt verflüssigten Gases, bei dem ein Fluidstrom im Kreis geführt wird und zumindest zum Teil in einem Wärmetausch mit Abgasen einer Wärmekraftmaschine erwärmt wird sowie ein tiefkalt verflüssigtes Gas in einem ersten Wärmetausch mit dem Fluidstrom erwärmt und verdampft wird, wobei das tiefkalt verflüssigte Gas vor dem ersten Wärmetausch mit dem Fluidstrom verdichtet wird und nach dem ersten Wärmetausch mit dem Fluidstrom in einer Entspannungsturbine entspannt wird und in einem zweiten Wärmetausch mit dem Fluidstrom weiter abgekühlt wird.
- Auch beim Verfahren wird als Wärmekraftmaschine typischerweise eine Gasturbine eingesetzt. Alternativ kann aber beispielsweise auch ein Gasmotor verwendet werden.
- Vorteilhafter Weise wird das vormals tiefkalt verflüssigte Gas zumindest zu Teil einem Gasnetz und zum Teil einer Wärmekraftmaschine zugeführt.
- Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn das der Wärmekraftmaschine zugeführte, vormals tiefkalt verflüssigte Gas durch den Fluidstrom in einem dritten Wärmetausch für eine Verbrennung vorgewärmt wird.
- Es ist zweckmäßig, wenn der im Wärmetausch mit Abgasen der Wärmekraftmaschine erwärmte Fluidstrom in einer Turbine entspannt wird, bevor er zur Brennstoffvorwärmung im dritten Wärmetausch verwendet wird.
- In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, bei der Umgebungswärme genutzt wird, wird das Fluid vor seiner Erwärmung im zweiten Wärmetausch in einem vierten Wärmetausch (durch Umgebungswärme, beispielsweise Gasturbinenansaugluft, Meerwasser) erwärmt und nach der Erwärmung im zweiten Wärmetausch ein erster Teilstrom des Fluids alternativ zum Wärmetausch mit Abgasen der Gasturbine in einem fünften Wärmetausch mit in der Turbine entspanntem Fluid weiter erwärmt und anschließend mit einem im Wärmetausch mit Abgasen der Wärmekraftmaschine erwärmtem zweiten Teilstrom gemischt, bevor ein aus dem ersten und zweiten Teilstrom bestehender Gesamtstrom des Fluids in der Turbine entspannt wird.
- Vorteilhafter Weise wird der Fluidstrom zwischen dem ersten Wärmetausch und dem zweiten Wärmetausch verdichtet.
- Es ist ebenfalls vorteilhaft, wenn als Fluidstrom ein Stickstoffstrom verwendet wird.
- Ferner ist es vorteilhaft, wenn als tiefkalt verflüssigtes Gas verflüssigtes Erdgas verwendet wird.
- Schließlich ist es vorteilhaft, wenn ein Leckagestrom an der Entspannungsturbine einem der Wärmekraftmaschine nachgeschalteten Abhitzenutzungssystem zugeführt und dort in einer Zusatzfeuerung verbrannt wird.
- Gemäß der Erfindung werden der Regasifizierungs- (bevorzugt LNG) wie auch der Kreislaufprozess (bevorzugt Stickstoff) zum optimalen Wärmeaustausch jeweils bis in den überkritischen Druckbereich als 1-Druckprozess betrieben. Damit gelingt es wirkungsgradoptimal die komplette durch das Abgas der Wärmekraftmaschine in den Prozess eingetragene Wärme im System zu belassen.
- Weiterhin kann mit dem erfindungsgemäßen Konzept in bevorzugter Weise das LNG am Terminal Point zum Gasnetz auf das gewünschte Druck- und Temperaturniveau eingestellt werden.
- Zusätzlich erfolgt die Auslegung des Fluidkreislaufs optimal bezüglich der Anforderungen der Teilsysteme (z.B. wird durch den internen Wärmeverschub sowohl die finale LNG-Temperatur wie auch eine Stickstoffmindesttemperatur am Eintritt in das der Wärmekraftmaschine nachgeschaltete Abhitzenutzungssystem ermöglicht).
- Durch die optimale Kombination der Systeme und eine optimale Wahl der Prozessparameter gelingt es beispielsweise, LNG-Verstromungswirkungsgrade von 63 - 67% zu erreichen. Damit wird ein Niveau erreicht, dass mit konventioneller GUD-Technik in den nächsten 10 Jahren nicht darstellbar sein wird.
- Weitere Vorteile sind:
- alle Prozessparameter sind mit bereits heute verfügbaren Komponenten darstellbar,
- das Kraftwerk benötigt für seinen Betrieb kein Wasser,
- eine einfache Prozessstruktur ermöglicht einfache Regelung (z.B. nur eine Druckstufe im Stickstoffprozess statt mehrere) und
- das Verfahren ist umweltfreundlich, da gegenüber bisherigen Wiedervergasungsansätzen potentiell umweltschädliche Medien wie Glykol nicht vorhanden sind.
- Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
- Figur 1
- eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie und zur Verdampfung von verflüssigtem Erdgas nach der Erfindung,
- Figur 2
- ein Ausschnitt der Vorrichtung nach der Erfindung mit alternativem Strangkonzept und
- Figur 3
- ein Ausschnitt der Vorrichtung nach der Erfindung mit einem weiteren alternativen Strangkonzept.
- Die
Figur 1 zeigt schematisch und beispielhaft eine Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung. Sie umfasst eine Wärmekraftmaschine 2 (im Beispiel derFigur 1 eine Gasturbine 2) sowie ein der Gasturbine 2 nachgeschaltetes Abhitzenutzungssystem 3, ähnlich einem Abhitzedampferzeuger bei Gas- und Dampfturbinenanlagen. Allerdings sieht die Erfindung keinen WasserDampf-Kreislauf vor. Im Ausführungsbeispiel derFigur 1 ist der Fluidkreislauf 4, der in das Abhitzenutzungssystem 3 geschaltet ist, ein Stickstoffkreislauf. Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Leitung 5, im vorliegenden Fall eine Erdgasleitung, in die ein erster Wärmeübertrager 6 geschaltet ist, wobei der erste Wärmeübertrager 6 auch in den Fluidkreislauf 4 geschaltet ist. Im ersten Wärmeübertrager 6 wird Wärme vom Stickstoff auf das verflüssigte Erdgas übertragen, wobei sich das verflüssigte Erdgas erwärmt und verdampft. Damit für einen optimalen Wärmeaustausch die beteiligten Fluide jeweils bis in den überkritischen Druckbereich gebracht werden können, ist in die Erdgasleitung 5 eine Pumpe 7 in Strömungsrichtung des Erdgases vor den ersten Wärmeübertrager 6 und in den Fluidkreislauf 4 ein Verdichter 12 geschaltet. - Druck und Wärme des Erdgases werden hinter dem ersten Wärmeübertrager 6 in einer Entspannungsturbine 8 sowie in einem zweiten Wärmeübertrager 9, der auch in den Fluidkreislauf 4 (= Stickstoffkreislauf) geschaltet ist, vorteilhaft genutzt. Im Ausführungsbeispiel der
Figur 1 ist die Entspannungsturbine 8 mit einem Generator 23 gekoppelt. Die Wärmemenge im regasifizierten und entspannten Erdgas, die oberhalb dessen liegt, was für das Gasnetz 17 sinnvoll ist, wird über den zweiten Wärmetauscher 9 wieder in den Stickstoffkreislauf 4 zurückgeführt. - Ein Teil des entspannten Erdgases wird im Ausführungsbeispiel der
Figur 1 der Gasturbine 2 zugeführt. Zu diesem Zweck zweigt nach der Entspannungsturbine 8 und dem zweitem Wärmeübertrager 9 eine Zweigleitung 10 von der Leitung 5 ab. Die Zweigleitung 10 mündet in die Gasturbine 2. Das Ausführungsbeispiel derFigur 1 zeigt beide Optionen für den Abzweig der Zweigleitung: einmal vor dem zweiten Wärmeübertrager 9 und einmal hinter dem zweiten Wärmeübertrager 9. - Zur Brennstoffvorwärmung ist ein dritter Wärmeübertrager 11 in die Zweigleitung 10 und in den Fluidkreislauf 4 (= Stickstoffkreislauf) geschaltet. Zweigt die Zweigleitung 10 vor dem zweiten Wärmeübertrager 9 von der Leitung 5 ab, kann auf den dritten Wärmeübertrager 11 zur Brennstoffvorwärmung eher verzichtet werden, als bei einem Abzweig nach dem zweiten Wärmeübertrager 9. Grundsätzlich funktioniert das Konzept in beiden Schaltungsvarianten ohne dritten Wärmeübertrager 11. Vorteilhafter ist aber in beiden Varianten der Einsatz eines solchen dritten Wärmeübertragers 11.
- Im Fluidkreislauf 4 (= Stickstoffkreislauf) ist im Ausführungsbeispiel der
Figur 1 zwischen dem ersten 6 und dem zweiten Wärmeübertrager 9 ein Verdichter 12 angeordnet. Ferner folgt auf den zweiten Wärmeübertrager 9 das Abhitzenutzungssystem 3, sowie eine Turbine 13 mit angekoppeltem Generator 14. - Der dritte Wärmeübertrager 11 für die Brennstoffvorwärmung ist im Fluidkreislauf 4 zwischen Turbine 13 und erstem Wärmeübertrager 6 angeordnet.
- Schließlich ist in
Figur 1 angedeutet, dass ein zwangsläufig anfallender Leckagestrom 15 von Erdgas an der Entspannungsturbine 8 einer Zusatzfeuerung 16 im Abhitzenutzungssystem 3 zuführbar ist. Im vorliegenden Fall des Ausführungsbeispiels derFigur 1 mit einem Stickstoffkreislauf als Fluidkreislauf 4 kann die Leckage an der Entspannungsturbine 8 über die Wellendichtung mit Stickstoff abgedichtet werden und beispielsweise als Erdgas-Stickstoffgemisch der Zusatzfeuerung 16 im Abhitzenutzungssystem 3 zugeführt werden. - Auch die Turbine 13, in der im Ausführungsbeispiel der
Figur 1 Stickstoff entspannt wird, weist Leckagen auf. Diese können zumindest zum Teil abgesaugt werden 18 und dann in den Fluidkreislauf 4 rückgeführt werden. Allgemein ist eine Zuspeisung 19 von Stickstoff in den Fluidkreislauf 4 vorgesehen. - Schließlich zeigt die
Figur 1 eine nicht zwingend notwendige aber interessante Nutzung von sogenannter Restwärme für die erfinderische Vorrichtung. Dabei ist vorgesehen, dass ein vierter Wärmeübertrager 20 im Fluidkreislauf 4 zwischen Verdichter 12 und zweitem Wärmeübertrager 9 angeordnet ist. In der Ausführungsform mit Erdgas und Stickstoff hat der Stickstoff nach der Regasifizierung des Erdgases im ersten Wärmetauscher 6 und der Verdichtung im Verdichter 12 eine Temperatur ungefähr zwischen -50 und -60 °C und liegt somit vergleichsweise deutlich unter Umgebungstemperatur, so dass sich eine Erwärmung mittels gratis verfügbarer Umgebungswärme anbietet. Denkbare Wärmequellen sind Umgebungsluft, Meerwasser, aufgewärmtes Kühlwasser. Besonders interessant ist es, wenn mit diesem Wärmetausch noch ein weiterer Vorteil verbunden ist, wie z.B. bei der Gasturbinenansaugluftkühlung. - Eine weitere Erwärmung des Stickstoffs erfolgt im zweiten Wärmeübertrager 9 im Wärmetausch mit dem regasifizierten Erdgas bevor dann der Stickstoffstrom aufgeteilt wird und typischerweise ein größerer Teil im Abhitzenutzungssystem 3 weiter erwärmt wird und ein kleinerer Teil in einem fünften Wärmeübertrager 21 weiter erwärmt wird, wobei im fünften Wärmeübertrager 21 Wärme innerhalb des Fluidkreislaufs 4 verschoben wird.
- Der fünfte Wärmeübertrager 21 ist nämlich mit beiden Seiten in den Fluidkreislauf 4 geschaltet und zwar zum einen zwischen den dritten Wärmeübertrager 11 und den ersten Wärmeübertrager 6 (Wärme abgebende Seite) und zum anderen parallel zum Abhitzenutzungssystem 3.
- Nach der Erwärmung im Abhitzenutzungssystem 3 bzw. im fünften Wärmeübertrager 21 werden die beiden Anteile des Stickstoffstroms wieder zusammen- und der Turbine 13 zugeführt.
- Die
Figuren 2 und 3 zeigen alternative Strangkonzepte. Der Verdichter 12 benötigt einen Antrieb und die Ausführungsform der Vorrichtung 1 derFigur 1 weist zwei Generatoren 14 und 23 auf. Durch Anordnung des Verdichters 12 und eines einzigen Generators 14 auf einer gemeinsamen Achse 22 mit der Turbine 13 können Komponenten eingespart werden.
Claims (23)
- Vorrichtung (1) zur Erzeugung elektrischer Energie und zur Verdampfung eines tiefkalt verflüssigten Gases, umfassend eine Wärmekraftmaschine (2) sowie ein der Wärmekraftmaschine (2) nachgeschaltetes Abhitzenutzungssystem (3), das in einen Fluidkreislauf (4) geschaltet ist, wobei die Vorrichtung (1) ferner eine Leitung (5) für das tiefkalt verflüssigte Gas umfasst, in die ein erster Wärmeübertrager (6) geschaltet ist, wobei der erste Wärmeübertrager (6) auch in den Fluidkreislauf (4) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in die Leitung (5) eine Pumpe (7) in Strömungsrichtung des tiefkalt verflüssigten Gases vor den ersten Wärmeübertrager (6) geschaltet ist und hinter den ersten Wärmeübertrager (6) eine Entspannungsturbine (8) sowie ein zweiter Wärmeübertrager (9) in die Leitung (5) geschaltet sind, wobei der zweite Wärmeübertrager (9) auch in den Fluidkreislauf (4) geschaltet ist.
- Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei nach der Entspannungsturbine (8) eine Zweigleitung (10) von der Leitung (5) abzweigt und die Zweigleitung (10) in die Wärmekraftmaschine (2) mündet.
- Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei die Zweigleitung (10) erst nach dem zweiten Wärmeübertrager (9) von der Leitung (5) abzweigt.
- Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei ein dritter Wärmeübertrager (11) in die Zweigleitung (10) und in den Fluidkreislauf (4) geschaltet ist.
- Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Fluidkreislauf (4) zwischen dem ersten (6) und dem zweiten Wärmeübertrager (9) ein Verdichter (12) angeordnet ist.
- Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Fluidkreislauf (4) auf den zweiten Wärmeübertrager (9) das Abhitzenutzungssystem (3) folgt.
- Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Fluidkreislauf (4) auf das Abhitzenutzungssystem (3) eine Turbine (13) mit angekoppeltem Generator (14) folgt.
- Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Fluidkreislauf (4) zwischen Turbine (13) und erstem Wärmeübertrager (6) der dritte Wärmeübertrager (11) angeordnet ist.
- Vorrichtung (1) nach den Ansprüchen 4 und 5, wobei ein vierter Wärmeübertrager (20) im Fluidkreislauf (4) zwischen Verdichter (12) und zweitem Wärmeübertrager (9) angeordnet ist und wobei ein fünfter Wärmeübertrager (21) mit beiden Seiten in den Fluidkreislauf (4) geschaltet ist und zwar zum einen zwischen den dritten Wärmeübertrager (11) und den ersten Wärmeübertrager (6) und zum anderen parallel zum Abhitzenutzungssystem (3).
- Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Leckagestrom (15) an der Entspannungsturbine (8) einer Zusatzfeuerung (16) im Abhitzenutzungssystem (3) zuführbar ist.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das tiefkalt verflüssigte Gas Erdgas ist.
- Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fluidkreislauf (4) ein Stickstoffkreislauf ist.
- Vorrichtung (1) nach Anspruch 12, wobei der Stickstoffkreislauf ein überkritisch betriebener Fluidkreislauf (4) ist.
- Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Verdichter (12), Turbine (13) und Generator (14) auf einer Achse (22) angeordnet sind.
- Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie und zur Verdampfung eines tiefkalt verflüssigten Gases, bei dem ein Fluidstrom im Kreis geführt wird und zumindest zum Teil in einem Wärmetausch mit Abgasen einer Wärmekraftmaschine (2) erwärmt wird sowie ein tiefkalt verflüssigtes Gas in einem ersten Wärmetausch mit dem Fluidstrom erwärmt und verdampft wird, dadurch gekennzeichnet, dass das tiefkalt verflüssigte Gas vor dem ersten Wärmetausch mit dem Fluidstrom verdichtet wird und nach dem ersten Wärmetausch mit dem Fluidstrom in einer Entspannungsturbine (8) entspannt wird und in einem zweiten Wärmetausch mit dem Fluidstrom weiter abgekühlt wird.
- Verfahren nach Anspruch 15, wobei das vormals tiefkalt verflüssigte Gas zumindest zum Teil einem Gasnetz (17) und zum Teil der Wärmekraftmaschine (2) zugeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 16, wobei das der Wärmekraftmaschine (2) zugeführte vormals tiefkalt verflüssigte Gas durch den Fluidstrom in einem dritten Wärmetausch für eine Verbrennung vorgewärmt wird.
- Verfahren nach Anspruch 17, wobei der im Wärmetausch mit Abgasen der Wärmekraftmaschine (2) erwärmte Fluidstrom in einer Turbine (13) entspannt wird, bevor er zur Brennstoffvorwärmung im dritten Wärmetausch verwendet wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, bei dem das Fluid vor seiner Erwärmung im zweiten Wärmetausch in einem vierten Wärmetausch erwärmt wird und nach der Erwärmung im zweiten Wärmetausch ein erster Teilstrom des Fluids alternativ zum Wärmetausch mit Abgasen der Wärmekraftmschine (2) in einem fünften Wärmetausch mit in der Turbine (13) entspanntem Fluid weiter erwärmt wird und anschließend mit einem im Wärmetausch mit Abgasen der Wärmekraftmaschine (2) erwärmtem zweiten Teilstrom gemischt wird, bevor ein aus dem ersten und zweiten Teilstrom bestehender Gesamtstrom des Fluids in der Turbine (13) entspannt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei der Fluidstrom zwischen dem ersten Wärmetausch und dem zweiten Wärmetausch verdichtet wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei als Fluidstrom ein Stickstoffstrom verwendet wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, wobei als tiefkalt verflüssigtes Gas verflüssigtes Erdgas verwendet wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, wobei ein Leckagestrom an der Entspannungsturbine (8) einem der Wärmekraftmaschine (2) nachgeschalteten Abhitzenutzungssystem (3) zugeführt und dort in einer Zusatzfeuerung verbrannt wird.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| EP18153609.5A EP3517742A1 (de) | 2018-01-26 | 2018-01-26 | Erzeugung elektrischer energie und verdampfung eines tiefkalt verflüssigten gases |
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|---|---|---|---|
| EP18153609.5A EP3517742A1 (de) | 2018-01-26 | 2018-01-26 | Erzeugung elektrischer energie und verdampfung eines tiefkalt verflüssigten gases |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EP18153609.5A Withdrawn EP3517742A1 (de) | 2018-01-26 | 2018-01-26 | Erzeugung elektrischer energie und verdampfung eines tiefkalt verflüssigten gases |
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|---|---|
| EP (1) | EP3517742A1 (de) |
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|---|---|---|---|---|
| US3992891A (en) * | 1974-02-16 | 1976-11-23 | Linde Aktiengesellschaft | Process for recovering energy from liquefied gases |
| US20080190106A1 (en) * | 2004-07-14 | 2008-08-14 | Fluor Technologies Corporation | Configurations and Methods for Power Generation with Integrated Lng Regasification |
| EP2390475A2 (de) * | 2010-05-28 | 2011-11-30 | General Electric Company | Brayton-Kreisprozess-Wiedervergasung von verflüssigtem Erdgas |
-
2018
- 2018-01-26 EP EP18153609.5A patent/EP3517742A1/de not_active Withdrawn
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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