PL233185B1 - Układ do magazynowania gazu ziemnego w postaci skroplonej z instalacją do odzysku energii - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do magazynowania gazu ziemnego w postaci skroplonej z instalacją do odzysku energii, przeznaczony dla dużych odbiorców gazu o nierównomiernym poborze paliwa.

Zapotrzebowanie na energię elektryczną jest zmienną dynamiczną zależną od wielu czynników. Prawo energetyczne w Polsce nakazuje pierwokup energii z odnawialnych źródeł, które cechują się dużą niestabilnością i nieprzewidywalnością. W Polsce jest to głównie energia wiatrowa. Aby zapewnić prawidłową pracę krajowego systemu elektroenergetycznego konieczne je st utrzymanie rezerw w źródłach centralnie sterowalnych. Bloki parowe, obecnie pracujące w Polsce, cechują się niewielkimi możliwościami zmiany mocy przy zachowaniu wysokiej sprawności oraz powolnym rozruchem spowodowanym głównie występowaniem dużych naprężeń w kotłach. Dużo lepszym rozwiązaniem są bloki gazowe. Przyłącza doprowadzające gaz do bloków gazowych muszą być projektowane z uwzględnieniem maksymalnych potrzeb, które często nie występują przez cały czas pracy bloków gazowych, a jedynie w wybranych, krótkich okresach. Spowodowane jest to faktem, iż pracują one często jako źródła szczytowe lub podszczytowe. Zbadanie charakterystyki pracy danego bloku powinno określić ten czas oraz średnie zapotrzebowanie na paliwo, co w połączeniu z technologią magazynowania gazu na okresy większego zapotrzebowania umożliwiłoby zmniejsz enie przyłącza i ograniczenie kosztów.

Zgłoszenie patentowe US2008302103 opisuje instalację do regazyfikacji skroplonego gazu ziemnego, w której występuje osobny obieg czynnika roboczego, który krąży pomiędzy wymiennikiem ogrzewającym skroplony gaz ziemny, a drugim wymiennikiem dostarczającym do czynnika pośredniczącego energię niezbędną do odparowania i podgrzania gazu ziemnego. W tym rozwiązaniu energia zimnego czynnika pośredniczącego jest potencjalnie tracona lub wymaga stosowania dodatkowych, zewnętrznych instalacji.

W opisie patentowym GB2450667 ujawniono sposób odzyskiwania energii skroplonego czynnika gazowego, jakim może być gaz ziemny. Wykorzystuje się w nim obieg drugiego czynnika roboczego, który schładza się i skrapla, ogrzewając odparowywany gaz ziemny, a następnie jest sprężany i odparowywany, wykorzystując energię ciepłej lub gorącej wody technologicznej, by następnie zostać rozprężonym na turbinie i ponownie trafić do wymiennika, gdzie zostaje schłodzony. Dzięki wykorzystaniu takiej instalacji można wykorzystać część energii chłodu gazu ziemnego, podczas jego poboru ze zbiornika gazu skroplonego, by wyprodukować energię elektryczną. Rozwiązanie to dotyczy wykorzystania gazu ziemnego już przechowywanego w zbiorniku w postaci skroplonej, ale nie porusza problematyki efektywnego magazynowania gazu ziemnego.

W zgłoszeniu patentowym US4437312 opisano układ do regazyfikacji skroplonego gazu ziemnego, w którym występuje kolejno wiele wymienników ciepła. Dzięki temu można przeprowadzić proces regazyfikacji stopniowo, co umożliwia zastosowanie dwóch dodatkowych obiegów z odpowiednio dobranymi czynnikami. Rozwiązanie to przedstawia bardziej skomplikowany obieg niż w dokumencie GB2450667, ale dotyczy tylko wykorzystania chłodu gazu ziemnego do produkcji energii elektrycznej, nie poruszając problematyki magazynowania gazu ziemnego.

Zagadnienie magazynowania czynnika gazowego w postaci skroplonej, z odzyskiem energii chłodu przy późniejszym rozprężaniu, jest rozważane w amerykańskim zgłoszeniu patentowym US20160178129, gdzie jest przedstawiona instalacja do magazynowania energii elektrycznej w skraplanym powietrzu. Czynnik, na początku gazowy, poddaje się procesom prowadzącym do skroplenia, a w przypadku zapotrzebowania na energię elektryczną jest możliwa regazyfika cja powietrza, podczas której część chłodu ciekłego powietrza wykorzystuje się do schłodzenia innych czynników roboczych, na przykład na cele chłodnicze, a odparowane i podgrzane powietrze trafia na turbinę, produkując energię elektryczną. Jednakże, w tym układzie magazynowany czynnik jest pobierany z otoczenia i oddawany do otoczenia po przejściu przez całą instalację, stanowiąc magazyn energii, który może oddać mniej energii niż zostało do niego wprowadzone. Poza tym, składniki powietrza nie stwarzają wprost zagrożenia wybuchem, przez co instalacja musi spełnić mniej restrykcyjne wymogi bezpieczeństwa.

Z opisu patentowego US3760597 znany jest także układ do magazynowania gazu ziemn ego w postaci skroplonej z instalacją do odzysku energii, wyposażony w instalację upłynniania gazu ze zbiornikiem magazynującym fazy ciekłej i obwodem recyrkulacji fazy gazowej, oraz zespół regazyfikacji ciekłego gazu z obwodem regazyfikacji łączącym zbiornik magazynujący z odbiorcą gazu.

PL 233 185 B1

W skład instalacji wchodzi wielostrumieniowy wymiennik ciepła z oddzielnym obiegiem chłodniczym, połączonym szeregowo z zaworem dławiącym i separatorem faz do rozdzielania fazy ciekłej i gazowej. Do obwodu regazyfikacji jest włączony wymiennik ciepła z oddzielnym obiegiem chłodniczym, w którym wielostrumieniowy wymiennik ma obieg chłodniczy połączony z wymiennikiem ciepła. Do obiegu chłodniczego jest dołączony zbiornik czynnika chłodniczego zimnego i zbiornik czynnika chłodniczego ciepłego.

W świetle znanych rozwiązań brak jest obecnie technologii, która umożliwiłaby wysokosprawne przeprowadzenie procesów skraplania gazu ziemnego, przechowywania i jego późniejszej regazyfikacji, podczas których możliwe byłoby wykorzystanie niskotemperaturowego chłodu skroplonego gazu ziemnego, w tylko jednej instalacji. Ponadto zbliżone rozwiązania, związane z procesami skraplania powietrza, wykorzystują w obiegach pomocniczych powietrze lub wodę, co jest niekorzystne w przypadku próby wykorzystania takiej instalacji do skraplania gazu ziemnego, z uwagi na przecieki występujące w wymiennikach cieplnych.

Celem wynalazku jest opracowanie instalacji do magazynowania i regazyfikacji czynnika gazowego, zwłaszcza gazu ziemnego, która umożliwi odzysk niskotemperaturowego chłodu przechowywanego skroplonego czynnika, a ponadto możliwe będzie obsługiwanie instalacji do magazynowania czynnika gazowego o wysokim ciśnieniu początkowym, gdzie przy późniejszym wykorzystaniu potencjału chłodu bilans energetyczny obiektu będzie bliski bądź równy zeru, czyli będzie wykorzystywany cały lub prawie cały potencjał sprężonego czynnika, dostarczanego do instalacji.

Układ do magazynowania gazu ziemnego w postaci skroplonej z instalacją do odzysku energii, wyposażony w instalację upłynniania gazu ze zbiornikiem magazynującym fazy ciekłej, oraz zespół regazyfikacji ciekłego gazu z obwodem regazyfikacji łączącym zbiornik magazynujący z ekspanderem podgrzanego gazu, przy czym w skład instalacji upłynniania gazu wchodzi pierwsza sprężarka, pierwszy wymiennik ciepła, oraz co najmniej dwa wielostrumieniowe wymienniki ciepła tworzące wielostopniowy układ wymiany ciepła z obwodem roboczym i obwodem recyrkulacji fazy gazowej, przy czym wylot obwodu roboczego jest połączony szeregowo z zaworem dławiącym i separatorem faz do rozdzielania fazy ciekłej i gazowej, do separatora faz jest przyłączony zbiornik magazynujący i obwód recyrkulacji, a każdy wielostrumieniowy wymiennik ciepła ma oddzielny obieg chłodniczy z co najmniej jednym zbiornikiem czynnika chłodniczego zimnego i co najmniej jednym zbiornikiem czynnika chłodniczego ciepłego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że do obwodu regazyfikacji są włączone co najmniej dwa kolejne wymienniki ciepła, trzeci i czwarty, przy czym drugi wielostrumieniowy wymiennik ma drugi obieg chłodniczy połączony z trzecim wymiennikiem ciepła, a pierwszy wielostrumieniowy wymiennik ma pierwszy obieg chłodniczy połączony z czwartym wymiennikiem ciepła, a ponadto czwarty wymiennik ciepła jest połączony szeregowa w obwodzie regazyfikacji z piątym wymiennikiem ciepła, którego obieg chłodniczy jest połączony z obiegiem chłodniczym drugiego wymiennika ciepła włączonego do obwodu recyrkulacji fazy gazowej pomiędzy drugą sprężarką a mikserem.

Korzystnym jest, jeżeli czynniki chłodnicze w obiegu chłodniczym pierwszym i drugim są substancjami o innym zakresie temperatury, w którym są cieczą.

W rozwiązaniu według wynalazku w jednej instalacji następuje skraplanie i regazyfikacja gazu ziemnego, z odzyskiem energii z tych procesów zgodnie z założonym celem wynalazku.

Wynalazek jest objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat technologiczny instalacji, a fig. 2 przedstawia schemat blokowy układu do magazynowania i regazyfikacji.

Jak przedstawiono na fig. 1, faza gazowa procesu technologicznego instalacji obejmuje wlot gazu, sprężanie, chłodzenie, dławienie i podział faz, gdzie faza gazowa jest zawracana do etapu sprężania obwodem recyrkulacji, a faza ciekła jest poddawana magazynowaniu i regazyfikacji. Pierwszym etapem regazyfikacji jest ogrzewanie z wykorzystaniem obiegu czynników chłodniczych, w połączeniu z etapem chłodzenia fazy gazowej. Faza ciekła po etapie ogrzewania podlega ekspansji i skierowaniu do wylotu instalacji, skąd jest przesyłana do odbiorców. Chłodzenie gazu za sprężaniem jest realizowane poprzez czynnik chłodniczy, który jest chłodzony w wyniku oddawania ciepła do magazynowanego skroplonego gazu ziemnego, co poprzedza proces rozprężania.

Jak przedstawiono na fig. 2, strumień wlotowy 1 gazu dzielony jest na dwa strumienie. Pierwszy strumień gazu kierowany jest rurociągiem 2 bezpośrednio do odbiorcy, zaś drugi strumień gazu, występujący w przypadku nadwyżki mocy zamówionej w gazie nad aktualną potrzebą bloku, k ierowany jest odgałęzieniem 3 poprzez mikser 4 do przewodu wlotowego 5 pierwszej sprężarki 6. Faza

PL 233 185 B1 gazowa procesu technologicznego rozpoczyna się od sprężania gazu w pierwszej sprężarce 6. Sprężony gaz doprowadzany jest do pierwszego wymiennika ciepła 7, g dzie następuje chłodzenie wstępne. Kolejnym etapem jest dalsze chłodzenie sprężonego gazu w obwodzie roboczym A wielostrumieniowych wymienników 8, 9, pierwszego i drugiego, z zastosowaniem różnych czynników chłodniczych w ich obiegach chłodniczych E, D, pi erwszym i drugim. Wielostrumieniowe wymienniki 8, 9, tworzą wielostopniowy układ wymiany ciepła z obwodem roboczym A i obwodem recyrkulacji B fazy gazowej. Schłodzony strumień gazu z obiegu obwodu roboczego A jest kierowany za drugim wielostrumieniowym wymiennikiem 9 na zawór dławiący 10, gdzie w wyniku efektu Joule’a -Thomsona i dalszego spadku temperatury następuje wykroplenie części strumienia gazu. Wynika to z tzw. ujemnego efektu Joule'a-Thomsona, powodującego spadek temperatury czynnika w wyniku jego rozprężania izentalpowego. Dwufazowy strumień gazu jest doprowadzany do separatora faz 11, gdzie następuje jego rozdzielenie na frakcję gazową i frakcję ciekłą. Frakcja gazowa jest zawracana obwodem recyrkulacji B do miksera 4. W skład obwodu recyrkulacji B fazy gazowej wchodzą przewody powrotne wielostrumieniowych wymienników 9, 8, druga sprężarka 23 i drugi wymiennik ciepła 24.

Frakcja gazowa odprowadzana z separatora faz 11 przepływa przez drugi wielostrumieniowy wymiennik 9 i połączony z nim szeregowo pierwszy wielostrumieniowy wymiennik 8. Podczas przepływu przez te wymienniki odbiera ciepło od strumienia gazu roboczego w obwodzie roboczym A, a następnie jest odprowadzana do drugiej sprężarki 23 połączonej z drugim wymiennikiem ciepła 24. Sprężony i schłodzony strumień gazu jest doprowadzany do miksera 4, gdzie łączy się z drugim strumieniem gazu.

Frakcja ciekła w układzie magazynowania C kierowana jest z separatora faz 11 do zbiornika magazynującego 12. Gdy zapotrzebowanie na paliwo wzrasta, ciekły czynnik roboczy ze zbiornika magazynującego 12 jest podgrzewany i regazyfikowany w obiegu regazyfikacji F, a następnie kierowany na ekspander 17 w celu odzyskania części energii włożonej w proces. W obiegu regazyfikacji F ciekły czynnik roboczy jest pompowany pompą 13 do kolejnych wymienników ciepła 14, 15, trzeciego i czwartego, gdzie zachodzi proces regazyfikacji i ogrzewania. Jednocześnie następuje odebranie ciepła od czynników chłodniczych płynących w ich obiegach chłodniczych, drugim D i pierwszym E. Kolejny etap podgrzewania czynnika roboczego w obiegu regazyfikacji F zachodzi w piątym wymienniku ciepła 16, z którego kierowany jest na ekspander 17. Za ekspanderem 17 obieg regazyfikacji F łączy się z pierwszym strumieniem gazu 2 w strumień wylotowy 18, który jest kierowany do odbiorcy gazu. Piąty wymiennik ciepła 16 może być połączony kolejnym obiegiem chłodniczym z drugim wymiennikiem ciepła 24 włączonym do obwodu recyrkulacji B fazy gazowej pomiędzy drugą sprężarką 23 a mikserem 4.

Drugi obieg chłodniczy D, należący do trzeciego wymiennika ciepła 14 jest połączony poprzez pierwszy zbiornik czynnika chłodniczego zimnego 20 z drugim wielostrumieniowym wymiennikiem 9. Czynnik chłodniczy, będący medium roboczym w drugim obiegu chłodniczym D, jest podgrzewany w drugim wielostrumieniowym wymienniku 9, a następnie magazynowany w drugim zbiorniku czynnika chłodniczego ciepłego 19.

Pierwszy obieg chłodniczy E, należący do czwartego wymiennika ciepła 15, jest połączony poprzez drugi zbiornik czynnika chłodniczego zimnego 22 z pierwszym wielostrumieniowym wymiennikiem 8. Czynnik chłodniczy, będący medium roboczym w pierwszym obiegu chłodniczym E jest podgrzewany w pierwszym wielostrumieniowym wymienniku 8, a następnie magazynowany w pierwszym zbiorniku czynnika chłodniczego ciepłego 21.

Szczególnie ważny jest dobór czynników chłodniczych w obiegach chłodniczych E, D, pierwszym i drugim. Mogą to być w szczególności substancje organiczne, powszechnie stosowane w chłodnictwie, które pozostają ciekłe w odpowiednich zakresach temperatur, odpowiednio od ok. -50°C do -140°C w pierwszym obiegu chłodniczym E oraz od -60°C do 20°C w drugim obiegu chłodniczym F. Przykłady takich substancji przedstawiają tabele poniżej:

PL233 185 Β1

substancja możliwa do wykorzystania w drugim obiegu chłodniczym (D)	zakres temperatur, w których jest ona cieczą [°C]
dichlorodifluorometan (R-l 2)	od-158 do-130
dichlorofluorometan (R-21)	od -135 do 9
monochlorodifluorometan (R-22)	od-160 do -41
chloroetan (R-160)	od-139do-ll
propan	od-190 do -42
izobutan (R-600a)	od-12 do-145
propylen	od -48 do -185

substancja możliwa do wykorzystania w pierwszym obiegu chłodniczym (E)	zakres temperatur, w których jest ona cieczą [°C]
dichlorotrifluoroetan (R-123)	od-107 do 28
mrówczan metylu	od -99 do 32
metanol	od -98 do 65

Przykładowy model instalacji wykonano przy założeniach, że ciśnienie strumienia wlotowego 1 wynosi 56 bar a ciśnienie wylotowe na wylocie ekspandera 17 do 37 bar. Przyjęto dwukrotnie dłuższy czas ładowania zbiornika magazynującego 12 w stosunku do czasu rozładowania. Przykładowe parametry instalacji przedstawiono w tabeli poniżej:

ciśnienie za pierwszą sprężarką [kPa]	7500
ciśnienie za pompą [kPa]	6500
temp, przed zaworem dławiącym [°C]	-130
moc el. do skroplenia [kWe] (dostarczona)	600
moc el. z regazyfikacji [kWe] (oddana)	400
bilans energii elektrycznej [kJ/kg]	175
ciepło odbierane z układu [kW]	700
ciepło dostarczane [kW]	1000

Moc elektryczną z regazyfikacji stanowi podwojona różnica mocy ekspandera 17 i mocy pompy 13.

Zaprezentowany układ do magazynowania gazu ziemnego w postaci skroplonej z instalacją do odzysku energii pozwala wprowadzić oszczędności dla dużych odbiorców gazu o nierównomiernym poborze poprzez jego magazynowanie w postaci skroplonej. Podstawową zaletą tego typu rozwiązania jest dużo mniejszy i prawie bezciśnieniowy zbiornik do magazynowania gazu w postaci skroplin,

PL 233 185 B1 w porównaniu ze zbiornikami na paliwo w postaci gazowej, które magazynuje się w dużych zbiornikach, utrzymywanych pod znacząco podwyższonym ciśnieniem w stosunku do ciśnienia atmosferycznego i często wymagają już istniejących formacji geologicznych do magazynowania większych ilości czynnika. Przedstawione rozwiązanie dotyczy magazynowania gazu po jego uprzednim skropleniu, a następnie jego regazyfikacji. Technologia ta jest także dedykowana innym dużym odbiorcom gazu o zmiennym zapotrzebowaniu na paliwo.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ do magazynowania gazu ziemnego w postaci skroplonej z instalacją do odzysku energii, wyposażony w instalację upłynniania gazu ze zbiornikiem magazynującym fazy ciekłej, oraz zespół regazyfikacji ciekłego gazu z obwodem regazyfikacji łączącym zbiornik magazynujący z ekspanderem podgrzanego gazu, przy czym w skład instalacji upłynniania gazu wchodzi pierwsza sprężarka, pierwszy wymiennik ciepła, oraz co najmniej dwa wielostrumieniowe wymienniki ciepła tworzące wielostopniowy układ wymiany ciepła z obwodem roboczym i obwodem recyrkulacji fazy gazowej, przy czym wylot obwodu roboczego jest połączony szeregowo z zaworem dławiącym i separatorem faz do rozdzielania fazy ciekłej i gazowej, do separatora faz jest przyłączony zbiornik magazynujący i obwód recyrkulacji, a każdy wielostrumieniowy wymiennik ciepła ma oddzielny obieg chłodniczy z co najmniej jednym zbiornikiem czynnika chłodniczego zimnego i co najmniej jednym zbiornikiem czynnika chłodniczego ciepłego, znamienny tym, że do obwodu regazyfikacji (F) są włączone co najmniej dwa kolejne wymienniki ciepła (14, 15), trzeci i czwarty, przy czym drugi wielostrumieniowy wymiennik (9) ma drugi obieg chłodniczy (D) połączony z trzecim wymiennikiem ciepła (14), a pierwszy wielostrumieniowy wymiennik (8) ma pierwszy obieg chłodniczy (E) połączony z czwartym wymiennikiem ciepła (15), a ponadto czwarty wymiennik ciepła (15) jest połączony szeregowo w obwodzie regazyfikacji (F) z piątym wymiennikiem ciepła (16), którego obieg chłodniczy jest połączony z obiegiem chłodniczym drugiego wymiennika ciepła (24) włączonego do obwodu recyrkulacji (B) fazy gazowej pomiędzy drugą sprężarką (23) a mikserem (4).
2. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że czynniki chłodnicze w obiegach chłodniczych (E, D), pierwszym i drugim, są substancjami o innym zakresie temperatury, w którym są cieczą.