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DE69937127T2 - Station und Verfahren zur Verteilung von Gas - Google Patents

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DE69937127T2 DE69937127T DE69937127T DE69937127T2 DE 69937127 T2 DE69937127 T2 DE 69937127T2 DE 69937127 T DE69937127 T DE 69937127T DE 69937127 T DE69937127 T DE 69937127T DE 69937127 T2 DE69937127 T2 DE 69937127T2
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Station zur Verteilung von Gas unter einem Verteilerdruck, des Typs, der Folgendes umfasst:
    • – eine Leitung zum Einlassen von Gas unter einem hohen Vordruck;
    • – eine Leitung zum Verteilen von Gas unter einem Verteilerdruck, der niedriger als der hohe Vordruck ist; und
    • – Mittel zum Entspannen des zu verteilenden Gases von dem hohen Vordruck auf den Verteilerdruck.
  • Derartige Verteilerstationen werden an verschiedenen Verteilerpunkten eines gemeinschaftlichen Netzes zur Versorgung mit einem Gas, beispielsweise Stickstoff, verwendet.
  • In den Rohrleitungen des gemeinschaftlichen Verteilungsnetzes wird das Gas unter einem Hochdruck, im Fall von Stickstoff im Allgemeinen von 40 bar, transportiert.
  • Zahlreiche Abnehmer möchten gerne Gas zur Verfügung haben, das beim Austritt aus der Verteilerstation unter einem Verteilerdruck steht, der niedriger als der Transportdruck ist, der dem Vordruck bei der Verteilerstation entspricht. Dieser gewünschte Verteilerdruck beim Austritt aus der Verteilerstation ist beispielsweise im Fall von Stickstoff gleich 10 bar.
  • Um die Forderungen des Abnehmers zu erfüllen, umfasst folglich die Verteilerstation Mittel zum Entspannen des Gases von dem Vordruck (40 bar) auf den Verteilerdruck (10 bar).
  • Diese Entspannungsmittel sind im Allgemeinen aus einem Expansionsventil und/oder einem Druckminderer gebildet. Ein solches Entspannen führt zu einem erheblichen Energieverlust, da der Druckunterschied ungenutzte potenzielle Energie darstellt.
  • In GB-A-2 103 354 , als nächstliegender Stand der Technik angesehen, wird das Hochdruckgas in einer Turbine entspannt und auf diese Art Flüssigkeit erzeugt. Das entspannte Gas wird wieder komprimiert und zum Kunden geschickt.
  • Die Erfindung hat zur Aufgabe, den energetischen Wirkungsgrad derartiger Verteilerstationen zu verbessern, indem sie die Energieverluste verringert.
  • Dazu hat die Erfindung eine Gasverteilerstation des vorerwähnten Typs zum Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungsmittel eine Maschine zum Entspannen bei Leistung von äußerer Arbeit umfassen, und dadurch, dass die Station Folgendes umfasst:
    • – den Entspannungsmitteln vorgeschaltete Mittel zum Teilen des eingelassenen Gases in eine zu verteilende Fraktion und eine komplementäre Fraktion;
    • – den Teilungsmitteln nachgeschaltete Mittel zum Verflüssigen, zumindest teilweise, der komplementären Fraktion des eingelassenen Gases, die Mittel zum Wärmeaustausch mit der entspannten Fraktion des eingelassenen Gases umfassen; und
    • – Mittel zum Auffangen der verflüssigten komplementären Fraktion.
  • Gemäß besonderen Ausführungsformen weist die Verteilerstation eines oder mehrere der folgenden Merkmale auf:
    • – Die Maschine zum Entspannen bei Leistung von äußerer Arbeit umfasst eine Turbine.
    • – Sie umfasst einen Kompressor, der stromaufwärts der Teilungsmittel angeordnet ist, wobei der Kompressor für seinen Antrieb mit der Entspannungsmaschine gekoppelt ist.
    • – Die Wärmeaustauschmittel umfassen einen Gegenstrom-Wärmetauscher, der Folgendes umfasst: • Abkühlungsdurchlässe, deren warmes Ende mit der Zuleitung verbunden ist und deren kaltes Ende mit einem Tank zum Speichern der verflüssigten komplementären Fraktion verbunden ist, • Erwärmungsdurchlässe, deren kaltes Ende mit dem Auslass der Entspannungsmaschine verbunden ist und deren warmes Ende mit der Verteilungsleitung verbunden ist; und • eine Rohrabzweigung, die einen Zwischenpunkt der Abkühlungsdurchlässe mit dem Einlass der Entspannungsmaschine verbindet.
    • – Die Verflüssigungsmittel umfassen außerdem ein Ventil zum Entspannen der komplementären Fraktion, das stromabwärts des Wärmetauschers angeordnet ist.
    • – Sie umfasst eine Leitung zum Zurückführen eines nicht verflüssigten Teils der komplementären Gasfraktion, wobei diese Leitung den oberen Teil des Tanks mit dem Auslass der Entspannungsmaschine verbindet.
    • – Der Volumenstrom der komplementären Fraktion des eingelassenen Gases ist im Bereich zwischen 0,01- und 0,5-mal dem Volumenstrom des eingelassenen Gases.
    • – Das Gas ist Stickstoff und der Volumenstrom der komplementären Fraktion des eingelassenen Gases liegt im Bereich zwischen 0,05- und 0,19-mal dem Volumenstrom des eingelassenen Gases.
    • – Die Mittel zum Auffangen der verflüssigten komplementären Fraktion sind über Mittel zum Verdampfen mit der Verteilungsleitung verbunden.
  • Die Erfindung hat außerdem ein Verfahren zum Verteilen eines Gases unter einem Verteilerdruck zum Gegenstand, das die folgenden Schritte umfasst:
    • – Einlassen des Gases unter einem hohen Vordruck;
    • – Entspannen des eingelassenen Gases von dem hohen Vordruck auf den niedrigeren Verteilerdruck; und
    • – Verteilen der Fraktion des Gases unter dem Verteilerdruck; dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem die folgenden Schritte umfasst:
    • – Entnehmen einer komplementären Fraktion des eingelassenen Gases vor dem Entspannen;
    • – Verflüssigen, zumindest teilweise, der komplementären Fraktion, umfassend einen Wärmeaustausch mit der entspannten Fraktion des eingelassenen Gases; und
    • – Auffangen der verflüssigten komplementären Fraktion.
  • Als Variante wird eine nicht verflüssigte, gasförmige Fraktion durch Wärmeaustausch mit der zu verflüssigenden komplementären Fraktion des Gases erwärmt.
  • Der Hochdruck kann superkritisch, vorzugsweise weniger als 70 bar, sein.
  • Die Erfindung wird besser verstanden beim Lesen der folgenden Beschreibung, die lediglich als Beispiel gegeben ist und sich auf die einzige Figur bezieht, die ein Schema einer erfindungsgemäßen Verteilerstation ist.
  • Die in der einzigen Figur dargestellte Verteilerstation umfasst einerseits eine Leitung 10 zum Einlassen von Gas, die an ein gemeinschaftliches Versorgungsnetz 12 unter einem Transport- oder Vordruck angeschlossen ist, und andererseits eine Leitung 14 zum Verteilen einer Fraktion des eingelassenen Gases unter einem Verteilerdruck, der niedriger als der Vordruck ist.
  • Die Verteilerstation umfasst Mittel 16, um die Fraktion des zu verteilenden Gases bis zum Verteilerdruck zu entspannen.
  • Die Station umfasst außerdem Mittel 18 zum Teilen des eingelassenen Gases in eine zu verteilende Fraktion und in eine komplementäre Fraktion. Diese Mittel sind den Entspannungsmitteln 16 vorgeschaltet. In der Verteilerstation sind den Entspannungsmitteln 16 Mittel 20 zum Verflüssigen der komplementären Fraktion des eingelassenen Gases nachgeschaltet.
  • Genauer ist in der beschriebenen Ausführungsform die Leitung 10 mit dem Einlass eines Kompressors 22 verbunden, dessen Druckleitung mit dem warmen Ende 24 des Abkühlungsdurchlasses eines Gegenstrom-Wärmetauschers 26 verbunden ist, der ein Element der Verflüssigungsmittel 20 bildet.
  • Die Teilungsmittel 18 sind im Tauscher 26 angeordnet.
  • Insbesondere ist eine Rohrabzweigung 28 zwischen dem warmen Ende 24 und dem kalten Ende, mit 30 bezeichnet, des Abkühlungsdurchlasses des Tauschers vorgesehen. Die Rohrabzweigung 28 schafft eine Abzweigleitung. Einer der Zweige, mit 28A bezeichnet, der die Fraktion des zu entspannenden Gases transportiert, geht vom Tauscher 26 aus und speist eine Maschine 32 zum Entspannen bei Leistung von äußerer Arbeit, welche die Entspannungsmittel 16 bildet. Der andere der Zweige, mit 28B be zeichnet, der die komplementäre Fraktion des eingelassenen Gases transportiert, setzt sich im Tauscher bis zum kalten Ende 30 des Abkühlungsdurchlasses des Tauschers fort.
  • Die Maschine zum Entspannen bei Leistung von äußerer Arbeit ist beispielsweise von einer Turbine gebildet. Diese ist mittels eines Getriebes 34 an den Kompressor 22 gekoppelt, um den Antrieb dieses Letzteren sicherzustellen.
  • Die Druckleitung der Turbine 16 ist mit dem kalten Ende, mit 36 bezeichnet, des Erwärmungsdurchlasses des Tauschers 26 verbunden. Das warme Ende, mit 38 bezeichnet, des Erwärmungsdurchlasses ist direkt mit der Verteilungsleitung 14 verbunden.
  • Das kalte Ende 30 des Abkühlungsdurchlasses des Tauschers ist über ein Expansionsventil 42 mit einem Tank 40 zum Speichern von flüssigem Stickstoff verbunden.
  • Der Tank ist mit einem Auslass 43 für die Verteilung von flüssigem Stickstoff ausgerüstet. Außerdem ist der Auslass 43 über Verdampfungsmittel 43A mit der Leitung 14 verbunden, um, im Falle einer erhöhten Nachfrage, nach einem Verdampfen den verteilten Gasstrom zu ergänzen.
  • Zwischen dem oberen Teil des Speichertanks 40 und dem kalten Ende 36 des Erwärmungsdurchlasses des Tauschers ist eine Abzweigleitung 44 vorgesehen, um die Ableitung des nicht verflüssigten Teils der komplementären Fraktion des Gases sicherzustellen.
  • Als nicht dargestellte Variante durchquert die Abzweigleitung 44 den Tauscher 26, wobei sie unabhängig vom Erwärmungsdurchlass ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Druck beim Austritt aus der Turbine 32 vom Druck in der Abzweigleitung 44 verschieden ist.
  • Die Bemessung der soeben beschriebenen Anlage entspricht einer Stickstoffverteilerstation, die dafür eingerichtet ist, einen Volumenstrom von 10000 Nm3/h (Kubikmeter im Normalzustand pro Stunde) unter einem Stickstoffdruck von 10 bar bei Raumtemperatur zu erzeugen.
  • In diesem Beispiel liefert das gemeinschaftliche Versorgungsnetz 12 Stickstoff, der bei der Raumtemperatur von 20 °C unter einem Druck von 40 bar ist.
  • Um einen Volumenstrom von 10000 Nm3/h in der Verteilungsleitung 14 sicherzustellen, ist der Volumenstrom in der Zuleitung 10 stärker als der vom Abnehmer gewünschte Volumenstrom gewählt, mit dem Ziel, die Verteilung von gasförmigem Stickstoff unter einem Druck von 10 bar und gleichzeitig ein Auffüllen des Tanks 40 mit verflüssigtem Stickstoff sicherzustellen.
  • Zu diesem Zweck ist der Volumenstrom am Einlass auf 11249 Nm3/h festgesetzt.
  • Der Kompressor 22 ist dafür bemessen, dass er eine Erhöhung des Drucks des Stickstoffstroms bei Austritt aus ihm sicherstellt. Wenn der Kompressor eine beträchtliche Erhöhung der Temperatur des Gasstroms herbeiführt, sind zwischen dem Kompressor 22 und dem warmen Ende 24 des Abkühlungsdurchlasses des Tauschers nicht gezeigte Kühleinrichtungen vorgesehen. Diese Kühleinrichtungen umfassen beispielsweise einen Luftkühler.
  • Folglich hat der Stickstoff am warmen Ende 24 des Abkühlungsdurchlasses des Tauschers einen überkritischen Druck von 55 bar und eine Temperatur von 20 °C.
  • Die Rohrabzweigung 28 ist auf eine Zwischentemperatur von –105 °C gebracht und die Temperatur am kalten Ende 30 des Tauschers beträgt –162 °C.
  • Der Abzweig 18 ist so bemessen, dass der Volumenstrom, der zum kalten Ende 30 strömt, 1374 Nm3/h beträgt, während der Volumenstrom, der zur Turbine 32 geschickt wird, 9875 Nm3/h beträgt.
  • Vorteilhafterweise ist der Volumenstrom der komplementären Fraktion des eingelassenen Gases, die verflüssigt werden soll, zwischen 0,05- und 0,19-mal der Volumenstrom des eingelassenen Gases.
  • Am kalten Ende 30 des Abkühlungsdurchlasses des Tauschers ist der Stickstoff in einem überkritischen Zustand, sodass sich nach dem Durchgang durch das Expansionsventil 42 90 bis 95 % des Stickstoffs in der flüssigen Phase, auf einer Temperatur gleich –166 °C und unter einem Druck, der im Wesentlichen gleich 11 bar ist, befinden. Folglich wird ein Volumenstrom in der Größenordnung von 1249 Nm3/h verflüssigt und sammelt sich im Tank 40 an.
  • Bei seinem Austritt aus der Turbine 16 strömt der Stickstoff mit einer Temperatur von –165 °C und unter einem Druck von 10 bar. Der Stickstoff wird dann mit dieser Temperatur in das kalte Ende 36 des Erwärmungsdurchlasses des Tauschers 26 eingebracht. Am warmen Ende 38 des Erwärmungsdurchlasses kommt der Stickstoff mit einer Temperatur in der Größenordnung von 18 °C und unter einem Druck von 10 bar heraus.
  • Während er den Tauscher durchströmt, wird der Stickstoff durch Übertragen der Wärme, die von dem nicht entspannten Stickstoff stammt, der vom Kompressor 22 kommt und zwischen dem warmen Ende 24 und dem kalten Ende 30 des Abkühlungsdurchlasses strömt, von –165 °C auf 18 °C erwärmt.
  • Außerdem wird der restliche Stickstoff, der nicht verflüssigt und in den Tank 40 eingebracht wurde, durch die Abzweigleitung 44 zum kalten Ende 36 des Erwärmungsdurchlasses des Tauschers zurückgeschickt. Der Volumenstrom des auf diese Weise zurückgeschickten gasförmigen Stickstoffs ist im Wesentlichen gleich 125 Nm3/h.
  • Es ist folglich nachzuvollziehen, dass am kalten Ende 36 des Tauschers 10000 Nm3/h Stickstoff eingebracht werden, die entweder direkt von der Turbine 16 mit einem Volumenstrom von 9875 Nm3/h oder aber aus dem Tank 40 mit einem Volumenstrom von 125 Nm3/h kommen.
  • Der Kompressor 22 ist wahlfrei. Jedoch ist bei seinem Vorhandensein die Produktivität der Verteilungsstation höher.
  • Wenn kein Kompressor vorhanden ist, wird die Turbine 16 durch eine beliebige geeignete Einrichtung, wie etwa ein elektrischer Generator oder eine Ölbremse, ge bremst.
  • Mit einer solchen Verteilerstation verfügt der Abnehmer über einen Stickstoffverteilerpunkt mit dem gewünschten Volumenstrom unter dem gewünschten Druck. Außerdem kommt er ohne zusätzlichen Energiebeitrag in den Genuss einer Speicherung von flüssigem Stickstoff im Tank 40, wobei der flüssige Stickstoff bei einer Temperatur von –166 °C und unter einem Druck von 11 bar zur Verfügung steht.
  • Die Produktivität einer solchen Verteilerstation ist hinsichtlich der Produktion von verflüssigtem Gas sehr gut im Vergleich zu bekannten Verflüssigungsanlagen.
  • Bei einem Verflüssiger des Standes der Technik, der einen herkömmlichen Verflüssigungszyklus anwendet, beträgt die Leistung, die für Stickstoff erreicht wird, bestenfalls 0,55 kWh/Nm3.
  • Bei einer Verteilerstation wie hier beschrieben beträgt die spezifische Energie für das Verflüssigen, d.h. die Energie, die erforderlich ist, um ein vorgegebenes Flüssigkeitsvolumen zu erhalten, 0,18 kWh/Nm3.
  • Sie ist den mittleren Energiekosten der Einspeisung der verflüssigten Menge in das Netz 12 gleich.
  • Die Verteilerstation erbringt folglich einen Produktivitätszuwachs in der Größenordnung von (0,55 – 0,18)/0,18 = 206 %.
  • Die erfindungsgemäße Verteilerstation und das verwendete Verfahren verschaffen die folgenden Vorteile:
    • – Verflüssigen von Gas bei einer sehr geringen spezifischen Energie;
    • – Verwerten der Verdichtungsarbeit, um flüssigen Stickstoff zu produzieren;
    • – Liefern von Gas in flüssiger Form ohne Verlust beim Ein- oder Ausbringen;
    • – Liefern von Gas in flüssiger Form bei verminderten Transportkosten;
    • – Liefern von Gas in flüssiger Form, ohne die Flüssigkeit umzufüllen.
  • Eine solche Verteilerstation wäre auch für andere Gase zweckmäßig, insbesondere für Luft, Sauerstoff, Erdgas, Wasserstoff, Wasserdampf, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid oder auch Gemische dieser Gase.

Claims (11)

  1. Station zur Verteilung von Gas unter einem Verteilerdruck, des Typs, der Folgendes umfasst: – eine Leitung (10) zum Einlassen von Gas unter einem hohen Vordruck; – eine Leitung (14) zum Verteilen von Gas unter einem Verteilerdruck, der niedriger als der hohe Vordruck ist; und – Mittel (16) zum Entspannen des zu verteilenden Gases von dem hohen Vordruck auf den Verteilerdruck, – wobei die Entspannungsmittel (16) eine Maschine (32) zum Entspannen bei Leistung von äußerer Arbeit umfassen, und dadurch gekennzeichnet, dass die Station umfasst: – den Entspannungsmitteln (16) vorgeschaltete Mittel (18) zum Teilen des eingelassenen Gases in eine zu verteilende Fraktion und in eine komplementäre Fraktion; – den Teilungsmitteln (18) nachgeschaltete Mittel (20) zum Verflüssigen, zumindest teilweise, der komplementären Fraktion des eingelassenen Gases, die Mittel (26) zum Wärmeaustausch mit der entspannten Fraktion des eingelassenen Gases umfassen; und – Mittel (40) zum Auffangen der verflüssigten komplementären Fraktion.
  2. Verteilerstation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine zum Entspannen bei Leistung von äußerer Arbeit eine Turbine (32) umfasst.
  3. Verteilerstation nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Kompressor (22) umfasst, der stromaufwärts der Teilungsmittel (18) angeordnet ist, wobei der Kompressor (22) für seinen Antrieb mit der Entspannungsmaschine (16) gekoppelt ist.
  4. Verteilerstation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschmittel einen Gegenstrom-Wärmetauscher (26) umfassen, der Folgendes umfasst: – Abkühlungsdurchlässe, deren warmes Ende (24) mit der Zuleitung (10) verbunden ist und deren kaltes Ende (30) mit einem Tank (40) zum Speichern der verflüssigten komplementären Fraktion verbunden ist; – Erwärmungsdurchlässe, deren kaltes Ende (36) mit dem Auslass der Entspannungsmaschine (32) verbunden ist und deren warmes Ende (38) mit der Verteilungsleitung (14) verbunden ist; und – eine Rohrabzweigung (28), die einen Zwischenpunkt der Abkühlungsdurchlässe mit dem Einlass der Entspannungsmaschine (32) verbindet.
  5. Verteilerstation nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verflüssigungsmittel (20) außerdem ein Ventil (42) zum Entspannen der komplementären Fraktion umfassen, das stromabwärts des Wärmetauschers (26) angeordnet ist.
  6. Verteilerstation nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Leitung (44) zum Zurückführen eines nicht verflüssigten Teils der komplementären Gasfraktion umfasst, wobei diese Leitung (44) den oberen Teil des Tanks (40) mit dem Auslass der Entspannungsmaschine (32) verbindet.
  7. Verteilerstation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volu menstrom der komplementären Fraktion des eingelassenen Gases im Bereich zwischen 0,01- und 0,5-mal dem Volumenstrom des eingelassenen Gases liegt.
  8. Verteilerstation nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas Stickstoff ist und der Volumenstrom der komplementären Fraktion des eingelassenen Gases im Bereich zwischen 0,05- und 0,19-mal dem Volumenstrom des eingelassenen Gases liegt.
  9. Verteilerstation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (40) zum Auffangen der verflüssigten komplementären Fraktion über Mittel (43A) zum Verdampfen mit der Verteilungsleitung (14) verbunden sind.
  10. Verfahren zur Verteilung eines Gases unter einem Verteilerdruck, das die folgenden Schritte umfasst: – Einlassen des Gases unter einem hohen Vordruck; – Entspannen des eingelassenen Gases von dem hohen Vordruck auf den niedrigeren Verteilerdruck; und – Verteilen der Fraktion des Gases unter dem Verteilerdruck; dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem die folgenden Schritte umfasst: – Entnehmen einer komplementären Fraktion des eingelassenen Gases vor dem Entspannen; – Verflüssigen, zumindest teilweise, der komplementären Fraktion, umfassend einen Wärmeaustausch mit der entspannten Fraktion des eingelassenen Gases; und – Auffangen der verflüssigten komplementären Fraktion.
  11. Verteilungsverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine nicht verflüssigte, gas förmige Fraktion durch Wärmeaustausch mit der zu verflüssigenden komplementären Fraktion des Gases erwärmt wird.
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