Die Erfindung betrifft eine Station zum Reduzieren von Arbeitsfluiddruck eines Arbeitsfluids in Form von Erdgas, die einen Schraubenexpander zum Erzeugen von mechanischer Energie aufweist.

Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen von mechanischer Energie durch Expandierenlassen eines Arbeitsfluids in wenigstens einer derartigen Station.

Trotz der bedeutenden Fortschritte, die in vielen nichtthermischen Wärmeerzeugungstechnologien bereits erzielt wurden, stützt sich die weltweite Energiegewinnung immer noch auf die Nutzung von Wärme zur Umwandlung von Wasser in Dampf. Der hauptsächliche Brennstoff zur Wärmeerzeugung ist Kohle. Es werden aber auch Atomenergie, verschiedene Formen von Biomasse, Müll und konzentrierte Infrarotstrahlung der Sonne verwendet. Abwärme von Heißluft wird ebenfalls oft zur Dampferzeugung in Dampfkesseln verwendet.

Auf globaler Ebene wird der Großteil der Energie aktuell mit Trockendampfturbinen erzeugt, die elektrische Generatoren antreiben. Trockener Dampf kann durch Kernreaktoren oder durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe, wie Kohle und Erdgas, erzeugt werden. Dieser Prozess ist zwar relativ wirksam geworden, dieser Prozess hat aber noch einige Nachteile. Die Turbinenschaufeln rotieren mit einer sehr hohen Geschwindigkeit und sind infolgedessen sehr empfindlich. Der verwendete trockene Dampf muss äußerst sauber sein, um eine Beschädigung der Turbinenschaufeln zu verhüten. Aus ähnlichen Gründen können auch weder nasser Dampf noch Wasser verwendet werden. In vielen Fällen behindern derartige Beschränkungen die Verwendung dieser Turbinen. Geothermische Anwendungen sind hinsichtlich der Elektrizitätserzeugung besonders problematisch. Zurzeit werden Wärmetauscher verwendet, um sauberes Wasser aus geothermischem Wasser zu erhitzen, bevor das Wasser in trockenen Dampf umgewandelt werden kann. Dieser Prozess ist ineffizient und es ist schwierig, diese Technologie effektiv auf kleinere Maschinen anzuwenden.

Dokument DE 203 13 411 U1 offenbart eine Einrichtung zum Entspannen von Wasserdampf in einem Schraubenexpander.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Station zum Reduzieren von Arbeitsfluiddruck und ein Verfahren jeweils wie eingangs beschrieben bereitzustellen, die/das die Erzeugung mechanischer Energie unter direkter Verwendung eines Arbeitsfluids in Form von Erdgas ohne Verwenden einer Trockendampfturbine ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Station mit den technischen Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.

Diese Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst.

Der Schraubenexpander stellt mechanische Energie bereit, die dann durch Antreiben eines Stromerzeugers in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die vom Expander erzeugte mechanische Energie kann auch zum Antreiben anderer Maschinen verwendet werden. Die Expansion kann in mehreren Stufen oder nur in einer Stufe stattfinden. Schraubenexpander verwenden zwei schneckenförmige Schrauben, auch Rotoren genannt, die miteinander in Eingriff sind, eine Eingriffs- und eine Aufnahmeschraube, zum Expandierenlassen des Arbeitsfluids. Daher können nur komprimierbare Fluide Arbeitsfluide im Sinne der Erfindung sein. Ferner können Steuerzahnräder gewährleisten, dass die Eingriffs- und Aufnahmeschrauben ihre genaue Ausrichtung behalten. In einem ölgefluteten Schraubenexpander wird der Zwischenraum zwischen den Schrauben von Schmieröl überbrückt, das sowohl für eine hydraulische Abdichtung als auch für die Übertragung mechanischer Energie zwischen den Schrauben sorgt. Arbeitsfluid tritt an der Hochdruckseite ein und bewegt sich beim Drehen der Schrauben durch die Schraubengewinde. Das Arbeitsfluid erzwingt sich aufgrund seines hohen Drucks den Weg an den Schrauben, die miteinander in Eingriff sind, entlang, wodurch die Schrauben zum Drehen gezwungen werden. Aufgrund der Drehung der Schrauben bewegt sich bzw. wird das Arbeitsfluid von der Einlassseite zur Auslassseite am Schraubenexpander entlang befördert, während das Volumen der Expansionskammern zwischen den Schrauben zunimmt, sodass das Arbeitsfluid expandiert, während es sich seinen Weg entlang des Schraubenexpanders erzwingt. Die Wirksamkeit dieses Mechanismus hängt von genauen Einbauspielräumen zwischen den Schrauben einerseits und zwischen den Schrauben und dem die Schrauben umschließenden Gehäuse andererseits ab.

Die Eingriffs- und Aufnahmeschraube haben verschiedene Profile. Die Eingriffsschraube hat konvexe Wendel, die mit den konkaven Hohlräumen zwischen den Wendeln der Aufnahmeschrauben in Eingriff sind. Der Zwischenraum zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Wendeln jeder Schraube und ihres sie umgebenden Gehäuses bildet eine separate Expansionskammer. Das Volumen der Expansionskammer nimmt mit fortschreitender Drehung aufgrund der Verlagerung der Kontaktlinie zwischen den zwei Schrauben zu. Die Drehung wird von dem Arbeitsfluid bewirkt, das mit der größer werdenden Expansionskammer expandiert. Das Volumen der Expansionskammer ist bei ungefährem Volleingriffskontakt mit den Schrauben auf der Seite des Einlassendes auf einem Minimum und auf einem Maximum, wenn ungefähr die gesamte Länge zwischen den Wendeln nicht durch Eingriffskontakt mit der anderen Schraube versperrt ist. Vorzugsweise ist die Expansionskammer in Fluidverbindung mit dem Arbeitsfluideinlass, wenn ihr Volumen auf einem Minimum ist, und in Fluidverbindung mit dem Arbeitsfluidauslass, wenn das Volumen auf einem Maximum ist. Es wird auch bevorzugt, dass die Expansionskammer durch einen Wendel der Eingriffsschraube an einem Ende und durch eine Endseite des Gehäuses am entgegengesetzten Ende der Expansionskammer wenigstens im Wesentlichen geschlossen wird.

Das Arbeitsfluid vergrößert sein Volumen im Schraubenexpander stetig. Ferner werden im Betrieb mehrere Expansionskammern zwischen den Schrauben und dem Gehäuse bereitgestellt. Vorzugsweise haben die Expansionskammern jeweils verschiedene Volumen. Folglich gibt der Schraubenexpander expandiertes Arbeitsfluid wenigstens im Wesentlichen kontinuierlich frei. Der Druckabfall hängt von der Vergrößerung des Volumens der Expansionskammern ab.

Ein effizienter Schraubenverdichter benötigt ein Schraubenprofil, das einen großen Strömungsquerschnitt und eine kurze Abdichtlinie hat. Je größer der Querschnitt, desto höher ist der Durchfluss für die gleichen Schraubengrößen und Schraubengeschwindigkeiten. Kürzere Abdichtlinien reduzieren Leckagen. Vorzugsweise hat die Eingriffsschraube weniger Wendel als die Aufnahmeschraube, sodass sie sich schneller dreht. Ferner wird bevorzugt, dass die Schrauben asymmetrisch konstruiert sind. Der Schraubenexpander kann eine Eingriffsschraube mit vier Wendeln und eine Aufnahmeschraube mit sechs Wendeln haben, wobei beide Schrauben denselben Außendurchmesser haben. Andere Ausgestaltungen, wie fünf/sechs und fünf/sieben und vier/fünf und drei/fünf Wendeln, sind aber auch möglich. Außerdem können verschiedene Außendurchmesser vorgesehen werden. Die Auswahl des Wendelverhältnisses kann vom Druck des Arbeitsfluids im Arbeitsfluideinlass und dem Solldruck des Arbeitsfluids im Arbeitsfluidauslass abhängen.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Druck eines von einer Gasleitung entnommenen Arbeitsfluids direkt verwendet wird. Daher kann diese Erfindung an Druckreduzierungsstationen unter verschiedenen Druck-, Temperatur- und Durchflussbedingungen effektiv verwendet werden. Das ist von besonderem Interesse, weil Milliarden Kubikmeter Erdgas durch Millionen von Gasdruckreduzierungsstationen weltweit fließen. Erdgas wird unter hohem Druck über große Entfernungen durch Rohrleitungen transportiert. Hoher Gasdruck wird mittels Gasdruckreduzierungsstationen auf einen niedrigeren Druck reduziert. An normalen Stationen wird der Druck gewöhnlich von 16 bis 40 bar auf unter 5 bar reduziert. Gegenwärtig wird Erdgasdruck durch Drosselventile reduziert, wodurch eine isenthalpe Expansion ohne Verwenden von Energie aber unter Dissipation einer großen Energiemenge stattfindet, aber eine große Energiemenge abgebaut wird.

Während der Gasexpansion werden Gase gekühlt (Joule-Thomson-Effekt). Der Erdgastemperaturabfall ist etwa 0,5°C pro 1 bar, je nach der Zusammensetzung des Gases und seiner Eigenschaften. Das Ersetzen des Prozesses zur Gasdruckregelung durch Schraubenexpander, die es ermöglichen, dass der Erdgasdruck in mechanische Energie umgewandelt wird, die auf eine Last-aufnehmende Vorrichtung, zum Beispiel einen elektrischen Generator, übertragen werden kann, und somit Elektrizität aus einer zuvor unbenutzten Quelle erzeugt, ist für die Erfindung von besonderem Interesse.

Der Schraubenexpander kann vorzugsweise außen beheizt und/oder für den Betrieb als eine mit verdichtetem Gas betriebene Strömungsmaschine ausgelegt sein. Aufgrund ihrer Konstruktion ist die Maschine gegenüber Schmutz und Teilchen, die an Metallschaufeln herkömmlicher Turbinen Erosion verursachen könnten, relativ immun. Ferner erfordert der Schraubenexpander viel niedrigere Investitionskosten als eine herkömmliche Turbine mit vielen Schaufeln, die für den Betrieb mit Gas unter niedrigem Druck bestimmt ist.

Falls geeignet, können Mehrschraubenexpander bezüglich des Durchflusses von Arbeitsfluid in Reihe und/oder parallel geschaltet werden. Alternativ oder zusätzlich können Mehrschraubenexpander miteinander und mit einer gemeinsamen Abtriebswelle verbunden werden, sodass jeweilige Schraubenexpander die gemeinsame Abtriebswelle gemeinsam antreiben. Auf diese Weise können höhere Drehzahlen und/oder Drehmomente an die Abtriebswelle angelegt werden. Die Abtriebswelle kann einen Stromerzeuger oder eine andere Vorrichtung auf Basis der Differenz der potenziellen Energie des Arbeitsfluids zwischen dem Arbeitsfluideinlass und dem Arbeitsfluidauslass antreiben.

Dampf wurde schon in Expandern zum Erzeugen mechanischer Energie eingesetzt. Dies gilt nicht für verdichtetes Gas, speziell für verdichtetes Erdgas, als Arbeitsfluid zum Antreiben von z. B. einem Stromerzeuger. Vorzugsweise wird der Schraubenexpander mit verdichtetem Gas angetrieben. Ferner ist es erwünscht, Elektrizität durch Antreiben eines Stromerzeugers mit der Abtriebswelle des Schraubenexpanders zu erzeugen. Weltweit bilden Gasdruckreduzierungsstationen eine riesige Energiequelle für die Elektrizitätserzeugung oder zum Antreiben bestimmter Vorrichtungen.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Schraubenexpanders ist die wenigstens eine Expansionskammer so ausgelegt, dass der vom Arbeitsfluid gegen die Schrauben, die zusammen mit dem Gehäuse die Expansionskammer umschließen, ausgeübte Druck zu einer resultierenden Kraft führt, die die Schrauben bewegt. Die Schrauben drehen sich daher so, dass die Expansionskammer vom Einlassende und an den Schrauben entlang zum Auslassende hin bewegt wird. Folglich kann mechanische Energie sehr einfach und zuverlässig bereitgestellt werden.

Alternativ oder zusätzlich können die wenigstens zwei Schrauben oder das wenigstens eine Schraubenpaar verschiedene Zahlen von ineinander eingreifenden Schraubenwendelungen haben. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung hat eine Schraube, insbesondere eine Eingriffsschraube, vier Schraubenwendelungen und eine andere Schraube, insbesondere eine Aufnahmeschraube, hat sechs Schraubenwendelungen, die miteinander in Eingriff sind. Dadurch kann ein sehr effizienter Prozess bereitgestellt werden.

Wenn wenigstens zwei Schrauben, die miteinander in Eingriff sind, synchronisiert sind, sodass die Schrauben einander nicht berühren, während sie die wenigstens eine Expansionskammer von einem Einlassende zu einem Auslassende der Schrauben bewegen, kann ein sehr zuverlässiger Prozess bereitgestellt werden. Außerdem kann gewährleistet werden, dass zwischen den Schrauben und/oder zwischen den Schrauben und der Innenwand des Gehäuses nur sehr dünne Spalten bestehen. Folglich kann nur eine sehr kleine Menge Arbeitsfluid durch diese Spalten dringen, ohne die Schrauben anzutreiben.

Es ist effizient und zuverlässig, wenn wenigstens zwei Schrauben, die miteinander in Eingriff sind, durch ein Verbindungs- und/oder Synchronisationsmittel synchronisiert werden, insbesondere eine Kette, einen Riemen und/oder miteinander in Eingriff befindliche Ritzel der Wellen der Schrauben, die miteinander in Eingriff sind, welche die Wellen verbinden. Alternativ oder zusätzlich ist die Kette oder der Riemen mit Ritzeln der Wellen der Schrauben, die miteinander in Eingriff sind, in Eingriff, was in vielen Fällen bevorzugt wird.

Zum Ausgleichen des Temperaturabfalls des Arbeitsfluids aufgrund der Volumenzunahme des Arbeitsfluids kann wenigstens ein Heizmittel zum Erhitzen des Arbeitsgases in der wenigstens einen Expansionskammer aufgrund einer indirekten Wärmeübertragung bereitgestellt sein. Diesbezüglich wird bevorzugt, das genannte Heizmittel in das Gehäuse einzubauen. Alternativ oder zusätzlich können Mittel zum Erhitzen des Arbeitsfluids vor dem Eintritt in die Expansionskammer bereitgestellt werden, was eine sehr einfache und zuverlässige Methode zur Erhitzung des Arbeitsfluids wäre.

Zur Elektrizitätserzeugung wird bevorzugt, dass die Abtriebswelle mit einem Stromerzeuger verbunden ist. Falls diese Verbindung über ein Getriebe bereitgestellt wird, kann die Drehzahl variiert und/oder geregelt werden.

Es wird auch bevorzugt, dass der Schraubenexpander als ein Ein-Stufen-Schraubenexpander ausgelegt ist, der das Arbeitsfluid in einer einzelnen Stufe zwischen dem Arbeitsfluideinlass und dem Arbeitsfluidauslass des Schraubenexpanders expandieren lässt. Der Schraubenexpander kann dann weniger komplex ausgelegt sein.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist das Arbeitsfluid in Form von Erdgas, vorzugsweise wenigstens im Wesentlichen frei von Dampf und/oder frei von Wasser. Dies ermöglicht eine sehr effiziente und vorteilhafte Nutzung des Verfahrens.

Wenn die Expansion des Arbeitsfluids in einer einzelnen Stufe durchgeführt wird, während das Gas am Schraubenexpander entlang vom Arbeitsfluideinlass zum Arbeitsfluidauslass transportiert wird, ist der Prozess sehr einfach und zuverlässig.

Die Vorteile können speziell erzielt werden, wenn vorgesehen ist, dass das Arbeitsfluid von einem Druck von mehr als 16 bar, insbesondere mehr als 23 bar, speziell mehr als 30 bar expandiert wird, und/oder wenn vorgesehen ist, dass das Arbeitsfluid auf einen Druck unter 10 bar, insbesondere unter 7 bar, speziell unter 3 bar expandiert wird.

Alternativ oder zusätzlich können die Vorteile auf effiziente und bevorzugte Weise genutzt werden, wenn die Expansion des Arbeitsfluids in einer Station zum Reduzieren des Arbeitsfluiddrucks nach Anspruch 8 durchgeführt wird.

Die Erfindung wird auf Basis der beigefügten Zeichnungen, die lediglich eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeigen, ausführlicher beschrieben.

Fig. 1

ist ein Schema eines Elektrizitätserzeugungssystems, das eine Station zum Reduzieren von Arbeitsfluiddruck, jeweils gemäß der Erfindung, aufweist,

Fig. 2

ist eine Seitenansicht eines Details des Elektrizitätserzeugungssystems von Fig. 1,

Fig. 3

ist der Schraubenexpander von Fig. 2 in einer vertikalen Querschnittsansicht in der Längserstreckung des Schraubenexpanders,

Fig. 4

ist der Schraubenexpander von Fig. 2 in einer vertikalen Querschnittsansicht in der Orthogonalen zur Längserstreckung des Schraubenexpanders und

Fig. 5

ist der Schraubenexpander von Fig. 2 in einer horizontalen Querschnittsansicht in der Längserstreckung des Schraubenexpanders.

Das Elektrizitätserzeugungssystem, das eine Station zum Reduzieren von Erdgasdruck ist, weist ein Speiserohr 1 auf, das verdichtetes Arbeitsfluid durch ein Filter 2, einen Absperrorgan 3 und ein Rückschlagventil 4, falls angebracht, einem Arbeitsfluideinlass 5 eines Schraubenexpanders 6 zuführt. Der Schraubenexpander 6 treibt eine Abtriebswelle 7 an, die einen Stromerzeuger 8 antreibt. Das Rückschlagventil 4, falls vorhanden, ermöglicht das Regeln des Massenstroms des Arbeitsfluids durch den Schraubenexpander 6. Um das durch die Expansion des Arbeitsfluids bedingte Kühlen des Arbeitsfluids wenigstens teilweise auszugleichen, kann wenigstens ein(e) Wärmetauscher oder Wärmeübertragungseinheit im Speiserohr 1 bereitgestellt und/oder im Schraubenexpander 6 eingebaut sein. Das im Schraubenexpander 6 expandierte Arbeitsfluid verlässt den Schraubenexpander 6 durch einen Arbeitsfluidauslass 9 in ein Niederdruckrohr. Das Arbeitsfluid wird vorzugsweise auf einem höheren Druckniveau gefiltert und dem Schraubenexpander 6 zugeführt, in dem die Expansion des Arbeitsfluids durchgeführt wird, und auf einem niedrigeren Druckniveau in das Niederdruckrohr abgelassen.

In Fig. 2 wird ein Detail der Vorrichtung gemäß Fig. 1 gezeigt. Der Schraubenexpander 6 ist zum Steuern der Drehzahl des Stromerzeugers 8 über die Abtriebswelle 7 mechanisch mit einem Getriebe 11 verbunden. Das Getriebe 11 ist mechanisch mit dem Stromerzeuger 8 verbunden, um Elektrizität zu erzeugen.

In Fig. 3 wird der Schraubenexpander 6 im Detail gezeigt. Der Schraubenexpander 6 weist ein Gehäuse 12 auf, in dem ein Paar Schrauben 13, 14, die miteinander in Eingriff sind, angeordnet ist. Eine der Schrauben 13 bildet die Abtriebswelle 7 als eine Verlängerung der jeweiligen Schraubenwelle 15. Die Wellen 15, 16 der Schrauben 13, 14 sind unter Verwendung jeweiliger Lager 17 in dem Gehäuse 12 montiert.

In Fig. 4 und Fig. 5 wird das in Eingriff befindliche Paar Schrauben 13, 14 in verschiedenen Querschnittsansichten gezeigt. Eine Schraube 13 ist als eine Eingriffsschraube 13 mit vier Wendeln 18 gestaltet, während die andere Schraube 14 als eine Aufnahmeschraube 14 mit sechs Wendeln 19 gestaltet ist. Die Wendel 18, 19 der Eingriffsschraube 13 und der Aufnahmeschraube 14 greifen so ineinander ein, dass die Hohlräume zwischen zwei benachbarten Wendeln der Aufnahmeschraube 14 jeweils an wenigstens einem der zwei entgegengesetzten Enden durch die Wendel 18 der Eingriffsschraube 13 geschlossen werden. Folglich sind entlang der Aufnahmeschraube 14 mehrere Hohlräume bereitgestellt, die durch in die Aufnahmeschraube 14 eingreifende Wendel 18 der Eingriffsschraube 13 voneinander getrennt werden.

Die maximale Länge der Hohlräume ist daher kleiner als die Länge eines Umfangs einer Wendel 19 der Aufnahmeschraube 14. Ferner haben die separaten Hohlräume eine unterschiedliche Länge, weil wenigstens einige der Hohlräume an Endflächen 20, 21 des Gehäuses der Aufnahmeschraube 14 enden, die an den Arbeitsfluideinlass 5 angrenzen oder an den Arbeitsfluidauslass 9 angrenzen. Weil die Schrauben 13, 14 auf geeignete Weise in dem Gehäuse 12 angeordnet sind, bilden die Hohlräume zusammen mit dem Gehäuse 12 Expansionskammern 22, die vom Arbeitseinlass 5 zum Arbeitsauslass 9 größer werden. Die Expansionskammern 22 werden aufgrund der Umdrehung der Schrauben 13, 14 weiter am Schraubenexpander 6 entlang befördert. Gleichzeitig nimmt das Volumen der Expansionskammern 22 zu. Aufgrund des Arbeitsfluiddrucks werden die Schrauben 13, 14 durch darin wie auch dadurch expandierendes Arbeitsfluid angetrieben. Die potenzielle Energie des Arbeitsfluids wird in mechanische Energie umgewandelt, die die Wellen 15, 16 der Schrauben 13, 14 antreibt. Die gesamte mechanische Energie hängt von der Enthalpiedifferenz des Arbeitsfluids am Arbeitsfluideinlass 5 und am Arbeitsfluidauslass 9, dem Massenstrom des Arbeitsfluids durch den Schraubenexpander 6 und dem thermodynamischen Wirkungsgrad des Schraubenexpanders ab.

Kettenzahnräder können mit den Wellen 15, 16 der Schrauben 13, 14 verbunden werden, um die Drehzahl der Schrauben 13, 14 zu synchronisieren. Es sind aber auch andere Synchronisationsmittel möglich. Aufgrund der Synchronisation der Wellen 15, 16 der Schrauben 13, 14 berühren die Wendel 18, 19 der Schrauben 13, 14 sich nicht gegenseitig, sondern sind durch einen sehr dünnen Spalt voneinander getrennt. Ferner berühren die Wendel 18, 19 der Schrauben 13, 14 nicht das Gehäuse 12, sondern sind durch sehr dünne Spalten von der Innenwand des Gehäuses 12 getrennt. Außerdem ist der gezeigte Schraubenexpander 6 ein Ein-Stufen-Schraubenexpander 6, weil die Expansion in nur einer Stufe stattfindet. Der Schraubenexpander 6 könnte aber auch als Mehrstufen-Schraubenexpander 6 ausgelegt sein.

Es wird auch bevorzugt, dass die Temperatur und/oder der Druck des Arbeitsfluids vor dem Eintritt in die Expansionskammern 22 und/oder nach dem Auslassen aus den Expansionskammern 22 gemessen wird. Auf Basis der jeweiligen Temperatur- und/oder Druckwerte kann eine Steuereinheit zum Beispiel überprüfen, ob das Arbeitsfluid erhitzt werden sollte, und die erforderliche Wärme bestimmen. So kann die Steuereinheit auf Basis der gemessenen Temperatur- und/oder Druckwerte die geeignete Erhitzung bereitstellen. Falls angebracht, kann außerdem der Massenstrom des Arbeitsfluids gemessen werden, um den Wirkungsgrad des Steuerungsprozesses zu erhöhen.