ROHRLEITUNG FÜR EINE ANLAGE

Abstract

 Rohrleitung (1), wobei die Rohrleitung (1) zur Förderung eines Strömungsmediums von einem ersten Ort (2) zu einem zweiten Ort (3) ausgebildet ist, umfassend ein erstes Rohr (4) mit einem ersten Rohrdurchmesser, das in einem zweiten Rohr (5) mit einem zweiten Rohrdurchmesser angeordnet ist, wobei der zweite Rohrdurchmesser größer ist als der erste Rohrdurchmesser, wobei das erste Rohr (4) und zweite Rohr (5) derart ausgebildet sind, dass im Betrieb das Strömungsmedium vom ersten Ort (2) zum zweiten Ort (3) strömt und an einem Übergang (8) vom ersten Rohr (4) zum zweiten Rohr (5) der Strömungsquerschnitt vergrößert ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Rohrleitung, wobei die Rohrleitung zur Förderung eines Strömungsmediums von einem ersten Ort zu einem zweiten Ort ausgebildet ist, umfassend ein erstes Rohr mit einem ersten Rohrdurchmesser, das in einem zweiten Rohr mit einem zweiten Rohrdurchmesser angeordnet ist, wobei der zweite Rohrdurchmesser größer ist als der erste Rohrdurchmesser.

[0002] Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Förderung eines Strömungsmediums von einem ersten Ort zu einem Ort, wobei ein erstes Rohr mit einem ersten Rohrdurchmesser in einem zweiten Rohr mit einem zweiten Rohrdurchmesser angeordnet wird, wobei der zweite Rohrdurchmesser größer ist als der erste Rohrdurchmesser.

[0003] Rohrleitungen werden in verschiedenen technischen Gebieten benötigt und eingesetzt. Generell werden Rohrleitungen dazu eingesetzt, ein Medium von einem ersten Ort betriebssicher und verlustfrei zu einem zweiten Ort zu transportieren. Solche Rohrleitungen werden unter anderem in Geothermikraftwerken eingesetzt.

[0004] In Geothermiekraftwerken auf der Basis eines Geothermie-Kreislaufs mit überkritischem Kohlenstoffdioxid (sCO₂) werden große Tiefen benötigt, um ein überkritisches Kohlenstoffdioxid (sCO₂) bis in den überkritischen Bereich zu erwärmen. Um das zu erreichen, werden alte Erdöl- und Erdgaslagerstätten oder Saline Aquifere verwendet, die mehrere Kilometer unter der Erdoberfläche liegen, wobei Tiefen von ca. 5 km vorkommen können. In einem Geothermiekraftwerk wird (einfach beschrieben) das überkritische Kohlenstoffdioxid (sCO₂) durch eine Injektionsbohrung in ein Reservoir eingeströmt, dort erwärmt und durch eine oder mehrere Produktionsbohrungen wieder an die Erdoberfläche befördert. Die thermische Energie des überkritischen Kohlenstoffdioxids (sCO₂) wird anschließend mittels Expander oder vergleichbaren Strömungsmaschinen in mechanische Energie umgewandelt.

[0005] Auf Grund der großen Tiefe werden lange Rohrleitungen verwendet. Nachteilig ist hierbei, dass dies zu einer erhöhten Dissipation durch Rohrwandreibung führt. Des Weiteren hängt die Dissipation vom Strömungsdurchmesser und den thermodynamischen Eigenschaften des Strömungsmediums ab. So steigt die Dissipation bei Verwendung von kleineren Strömungsdurchmessern sowie bei hochviskosen Medien.

[0006] Die Dissipation ist darüber hinaus in den oberflächennahen Abschnitten der Rohrleitungen höher, da dort, aufgrund des niedrigen geodätischen Drucks des Mediums und einer damit verbundenen geringeren Dichte, die Strömungsgeschwindigkeit deutlich höher ist als in größeren Tiefen.

[0007] Die Bohrungsdurchmesser der Rohrleitungen werden nach der Tiefe eines Reservoirs ausgelegt. Als Startpunkt der Auslegung wird demnach der Grund der Bohrung angenommen. Da große Durchmesser in große Tiefen mit sehr hohem Aufwand und Kosten verbunden sind. Demnach gilt, je tiefer das Reservoir liegt, desto kleiner fällt der Bohrungsdurchmesser und damit der Strömungsdurchmesser aus.

[0008] Zur Stabilisierung der Bohrung werden sogenannte Casings verwendet, die stets bis zur Oberfläche ragen. Casings werden auch als Futterrohre bezeichnet. Dabei strömt das überkritischem Kohlenstoffdioxid (sCO₂) nicht direkt im Casing, sondern, ebenso wie in der Öl- und Gasindustrie, durch ein Produktionsrohr, das auch als Tubing bezeichnet wird.

[0009] Das Produktionsrohr wird in das Casing gehangen und dient als doppelte Barriere, so dass ein möglicher Gasaustritt durch Leckage verhindert wird. Dadurch verringert sich der Strömungsdurchmesser deutlich, was die Dissipation erhöht.

[0010] Zur Leistungssteigerung von Geothermie-Kreisläufen wurden bisher, verbunden mit großen zusätzlichen Kosten, die Bohrungsdurchmesser vergrößert, um die Dissipation durch Rohrwandreibung zu verringern. Eine verringerte Rohrwandreibung in den Bohrungen erlaubt es durch Vergrößerung des Massenstroms im Geothermie-Kreislauf, die erzeugte Leistung zu vergrößern.

[0011] Die Erfindung hat es sich ausgehend von den bekannten Problemen und Nachteilen des Standes der Technik zur Aufgabe gemacht eine Anlage und ein Verfahren anzugeben, mit der ein Kostenvorteil erzielt werden kann.

[0012] Die auf die Vorrichtung hin gerichtete Aufgabe wird durch eine Rohrleitung gelöst, wobei die Rohrleitung zur Förderung eines Strömungsmediums von einem ersten Ort zu einem zweiten Ort ausgebildet ist, umfassend ein erstes Rohr mit einem ersten Rohrdurchmesser, das in einem zweiten Rohr mit einem zweiten Rohrdurchmesser angeordnet ist, wobei der zweite Rohrdurchmesser größer ist als der erste Rohrdurchmesser, wobei das erste Rohr und zweite Rohr derart ausgebildet sind, dass im Betrieb das Strömungsmedium vom ersten Ort zum zweiten Ort strömt und an einem Übergang vom ersten Rohr zum zweiten Rohr der Strömungsquerschnitt vergrößert ist.

[0013] Die vom Patentanspruch 1 abhängigen und rückbezogenen Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

[0014] Die auf das Verfahren hin gerichtete Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Förderung eines Strömungsmediums von einem ersten Ort zu einem zweiten Ort gelöst, wobei ein erstes Rohr mit einem ersten Rohrdurchmesser in einem zweiten Rohr mit einem zweiten Rohrdurchmesser angeordnet wird, wobei der zweite Rohrdurchmesser größer ist als der erste Rohrdurchmesser, wobei das erste Rohr und zweite Rohr derart ausgebildet werden, dass im Betrieb das Strömungsmedium vom ersten Ort zum zweiten Ort strömt und an einem Übergang vom ersten Rohr zum zweiten Rohr der Strömungsquerschnitt vergrößert wird.

[0015] Die vom Patentanspruch 9 abhängigen und rückbezogenen Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

[0016] Anstatt einer ausschließlichen Verwendung von Casings, können ebenso sogenannte Liner eingesetzt werden. Die Liner werden auch als Hänger bezeichnet. Hänger oder Liner sind mehr oder weniger lange Rohrabschnitte (200-1200m), die in das nächstgrößere Casing oder Liner gehängt werden. Der Unterschied zwischen den Casings und den Linern besteht dadurch, dass die Liner nicht mehr bis zur Oberfläche ragen, sondern teleskopartig miteinander verbunden sind.

[0017] So kann nach jedem Liner ein vergrößertes oder erweitertes Turbing verwendet werden, wodurch eine Strömungsdurchmesservergrößerung realisiert wird.

[0018] Ein erfindungsgemäßer Vorteil liegt darin, dass durch den Einsatz von Linern die Dissipation verringert wird bei gleichbleibenden Fördermassenstrom. Bei verringerter Dissipation entsteht dann wiederum im Geothermie-Kreislauf die Möglichkeit, durch eine Vergrößerung des Fördermassenstroms die abgegebene Leistung zu vergrößern.

[0019] Eine Beispielrechnung ergibt, dass bei einer Verwendung von einem Liner die Nettoleistung um ca. 50 % steigt. Bei der Verwendung von zwei Linern kann sogar eine Leistungssteigerung von über 100% erreicht werden.

[0020] Die Kosten für einen Liner sind im Vergleich zu einem Casing in etwa um 10 % geringer, da die Materialkosten deutlich niedriger sind. Es wird deutlich weniger Material benötigt, da die Liner jeweils nur für den Teilabschnitt der Bohrung benötigt werden, wohingegen die Casings immer bis zur Erdoberfläche geführt werden müssen.

[0021] Dadurch wird die Leistung gesteigert bei gleichzeitiger Senkung der Kosten.

[0022] Ein weiterer Aspekt sind die Druckverluste in dem Tubing, die sich aus der Rohrwandreibung ergeben, die zur Dissipation führt. Der Druckverluste ist abhängig von der Dichte des Strömungsmediums, der Strömungsgeschwindigkeit und dem Druckverlustbeiwert. Der Druckverlustbeiwert berechnet sich aus der Rohrreibungszahl, der Länge des betrachteten Rohrabschnitts sowie dem Strömungsdurchmesser.

[0023] Bei Verwendung von Linern bleiben die Rohrreibungszahl sowie die Länge des betrachteten Rohrabschnitts konstant. Die Dichte des Mediums ergibt sich im Wesentlichen durch den hydrostatischen Druck bei entsprechender Tiefe und bleibt daher auch quasi konstant. Durch eine erfindungsgemäße Steigerung des Massenstroms bleibt auch die Strömungsgeschwindigkeit nahezu konstant. Die Verringerung der Druckverluste hängt also vom Kehrwert des Durchmessers des Tubings ab. Bei einer Vergrößerung des Durchmessers des Tubings bzw. Strömungsdurchmessers um 25 %, wie in einer Beispielrechnung gezeigt, verkleinern sich die Druckverluste um 20 %.

[0024] Da der Tubingdurchmesser nahe der Oberfläche durch die Verwendung von Linern deutlich vergrößert wird, wird dem negativem Effekt der großen Dissipation aufgrund des kleinen Drucks und Dichte sowie der großen Strömungsgeschwindigkeit noch stärker entgegengewirkt.

[0025] Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.

[0026] Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

[0027] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese sollen die Ausführungsbeispiele nicht maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der in der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.

[0028] Es zeigen:

Figur 1

eine Rohrleitung gemäß dem Stand der Technik

Figur 2

eine erfindungsgemäße Rohrleitung

Figur 3

eine erfindungsgemäße Rohrleitung in einer alternativen Ausführungsform.

[0029] Die Figur 1 zeigt eine Rohrleitung 1 gemäß dem Stand der Technik. Die Rohrleitung 1 ist zur Förderung eines Mediums wie zum Beispiel überkritischem oder superkritischem Kohlenstoffdioxid (sCO₂) von einem ersten Ort 2 zu einem zweiten Ort 3 ausgebildet. Der erste Ort 2 und der zweite Ort 3 sind geodätisch übereinander angeordnet.

[0030] Die Rohrleitung 1 umfasst ein erstes Rohr 4 mit einem ersten Rohrdurchmesser (nicht dargestellt). In dem ersten Rohr 4 wird das Medium vom ersten Ort 2 zum zweiten Ort 3 befördert, was durch die etwas dunklere Farbmarkierung innerhalb des ersten Rohres 4 kenntlich gemacht ist.

[0031] Der erste Ort 2 liegt beispielsweise in einer Tiefe von 5000m und der zweite Ort 3 liegt bei 0m wie die Grafik am linken Rand der Figur 1 darstellt.

[0032] Ab ca. 4000m Tiefe ist um das erste Rohr 4 nach oben ein zweites Rohr 5 mit einem zweiten Rohrdurchmesser (nicht dargestellt) angeordnet, das auch als Casing bezeichnet werden kann. Der zweite Rohrdurchmesser ist größer als der erste Rohrdurchmesser.

[0033] Ab ca. 3000m Tiefe ist um das zweite Rohr 5 nach oben ein drittes Rohr 6 mit einem dritten Rohrdurchmesser (nicht dargestellt) angeordnet, das auch als Casing bezeichnet werden kann. Der dritte Rohrdurchmesser ist größer als der zweite Rohrdurchmesser.

[0034] Ab ca. 2000m Tiefe ist um das dritte Rohr 5 nach oben ein viertes Rohr 6 mit einem vierten Rohrdurchmesser (nicht dargestellt) angeordnet, das auch als Casing bezeichnet werden kann. Der vierte Rohrdurchmesser ist größer als der dritte Rohrdurchmesser.

[0035] Ab ca. 1000m Tiefe ist um das vierte Rohr 6 nach oben ein fünftes Rohr 7 mit einem fünften Rohrdurchmesser (nicht dargestellt) angeordnet, das auch als Casing bezeichnet werden kann. Der fünfte Rohrdurchmesser ist größer als der vierte Rohrdurchmesser.

[0036] Die Casings werden, vereinfacht ausgedrückt, mit abnehmender Tiefe kleiner und ein Casing wird in das nächstgrößere eingeführt. Der Durchmesser des Tubings, durch die das Medium strömt und im ersten Rohr 4 erfolgt, bleibt über die gesamte Tiefe konstant. Für die Durchmesserauswahl bzw. deren Abstufung haben sich in der Praxis Erfahrungswerte etabliert.

[0037] Die Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Rohrleitung 1. Die Rohrleitung 1 gemäß Figur 2 ist derart ausgebildet, dass das erste Rohr 4 als Liner ausgebildet ist, was in der Figur 2 durch eine dickere Strichstärke gekennzeichnet ist.

[0038] Im Bereich von 5000 m bis 4000m Tiefe ist der Strömungsdurchmesser der Rohre identisch zur Figur 1. Der Strömungsdurchmesser wird jedoch im Bereich von einer Tiefe von 0 m bis 4000 m durch die Verwendung eines Liners und der Möglichkeit eines größeren Tubings deutlich vergrößert. Mit anderen Worten: das erste Rohr 4 und zweite Rohr 5 sind derart ausgebildet, dass im Betrieb das Strömungsmedium vom ersten Ort 2 zum zweiten Ort 3 strömt und an einem Übergang 8 vom ersten Rohr 4 zum zweiten Rohr 5 der Strömungsquerschnitt vergrößert ist.

[0039] In dem ersten Rohr 4 wird das Medium vom ersten Ort 2 über das zweite Rohr 5 zum zweiten Ort 3 befördert, was durch die etwas dunklere Farbmarkierung innerhalb des ersten Rohres 4 und des zweiten Rohres 5 kenntlich gemacht ist.

[0040] Gemäß der Ausführungsform nach Figur 2 vergrößert sich der Strömungsdurchmesser für den größten Abschnitt der Bohrung um etwa 25 %, das zu einer Verringerung der Dissipation von etwa 20% führen kann.

[0041] Die Figur 3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Rohrleitung 1 in einer alternativen Ausführungsform.

[0042] In der Figur 3 werden zwei Liner verwendet werden, um den Effekt noch weiter zu steigern. Es können aber auch noch weitere Liner verwendet werden, um den Effekt noch weiter zu vergrößern.

[0043] Dabei wird der erste Liner in den zweiten Liner, welcher zum Beispiel von einer Tiefe von 4000m bis 3000m ragt, gehängt und wieder ein größeres Tubing von 3000m-0m verwendet. Dadurch vergrößert sich der Durchmesser um 90 % und verringert die Dissipation um etwa 50%.

[0044] Mit anderen Worten: das erste Rohr 4 und zweite Rohr 5 sind derart ausgebildet, dass im Betrieb das Strömungsmedium vom ersten Ort 2 zum zweiten Ort 3 strömt und an einem Übergang 8 vom ersten Rohr 4 zum zweiten Rohr 5 der Strömungsquerschnitt vergrößert ist, wobei um das zweite Rohr 5 ein drittes Rohr 6 mit einem dritten Rohrdurchmesser angeordnet ist, wobei das zweite Rohr 5 und dritte Rohr 6 derart ausgebildet sind, dass im Betrieb das Strömungsmedium vom zweiten 5 Rohr zum dritten Rohr 6 strömt und an einem zweiten Übergang 9 vom zweiten Rohr 5 zum dritten Rohr 6 der Strömungsquerschnitt vergrößert ist.

[0045] Dies ist in der Figur 3 durch eine größere Strichstärke gekennzeichnet ist.

[0046] In dem ersten Rohr 4 wird das Medium vom ersten Ort 2 über das zweite Rohr 5 und über das dritte Rohr 6 zum zweiten Ort 3 befördert, was durch die etwas dunklere Farbmarkierung innerhalb des ersten Rohres 4, des zweiten Rohres 5 und des dritten Rohres 6 kenntlich gemacht ist.

Ansprüche

1. Rohrleitung (1),

wobei die Rohrleitung (1) zur Förderung eines Strömungsmediums von einem ersten Ort (2) zu einem zweiten Ort (3) ausgebildet ist,

umfassend ein erstes Rohr (4) mit einem ersten Rohrdurchmesser, das in einem zweiten Rohr (5) mit einem zweiten Rohrdurchmesser angeordnet ist,

wobei der zweite Rohrdurchmesser größer ist als der erste Rohrdurchmesser,

wobei das erste Rohr (4) und zweite Rohr (5) derart ausgebildet sind, dass im Betrieb das Strömungsmedium vom ersten Ort (2) zum zweiten Ort (3) strömt und an einem Übergang (8) vom ersten Rohr (4) zum zweiten Rohr (5) der Strömungsquerschnitt vergrößert ist.

2. Rohrleitung (1) nach Anspruch 1,
wobei um das zweite Rohr (4) ein drittes Rohr (5) mit einem dritten Rohrdurchmesser angeordnet ist, wobei das zweite Rohr (4) und dritte Rohr (5) derart ausgebildet sind, dass im Betrieb das Strömungsmedium vom zweiten Rohr (4) zum dritten Rohr (5) strömt und an einem zweiten Übergang (9) vom zweiten Rohr (4) zum dritten Rohr (5) der Strömungsquerschnitt vergrößert ist.

3. Rohrleitung (1) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Rohrleitung (1) zur Förderung von superkritischem Kohlenstoffdioxid ausgebildet ist.

4. Rohrleitung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der erste Ort (2) und zweiter Ort (3) geodätisch übereinander angeordnet sind.

5. Rohrleitung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der zweite Ort (3) sich im Wesentlichen an der Erdoberfläche befindet.

6. Rohrleitung (1) nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 5,
wobei um das erste Rohr (4) und dem zweiten Rohr (5) zumindest ein weiteres Rohr (6, 7) zur Stabilisierung angeordnet ist.

7. Rohrleitung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
wobei um das erste Rohr (4), dem zweiten Rohr (5) und dem dritten Rohr (6) zumindest ein weiteres Rohr (7) zu Stabilisierung angeordnet ist.

8. Rohrleitung (1) nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 5,
wobei das erste Rohr (4) als Liner ausgebildet ist.

9. Rohrleitung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
wobei das erste Rohr (4) und das zweite Rohr (5) als Liner ausgebildet sind.

10. Rohrleitung (1) nach Anspruch 6 oder 7,
wobei das weitere Rohr (6, 7) als Casing ausgebildet ist.

11. Rohrleitung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Rohrleitung (1) zur Förderung von superkritischem Kohlenstoffdioxid in einem Geothermie-Kraftwerk ausgebildet ist.

12. Verfahren zur Förderung eines Strömungsmediums von einem ersten Ort (2) zu einem zweiten Ort (3), wobei ein erstes Rohr (4) mit einem ersten Rohrdurchmesser in einem zweiten Rohr (5) mit einem zweiten Rohrdurchmesser angeordnet wird, wobei der zweite Rohrdurchmesser größer ist als der erste Rohrdurchmesser,
wobei das erste Rohr (4) und zweite Rohr (5) derart ausgebildet werden, dass im Betrieb das Strömungsmedium vom ersten Ort (2) zum zweiten Ort (3) strömt und an einem Übergang (8) vom ersten Rohr (4) zum zweiten Rohr (5) der Strömungsquerschnitt vergrößert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12
wobei um das zweite Rohr (5) ein drittes Rohr (6) mit einem dritten Rohrdurchmesser angeordnet wird, wobei das zweite Rohr (5) und dritte Rohr (6) derart ausgebildet werden, dass im Betrieb das Strömungsmedium vom zweiten Rohr (5) zum dritten Rohr (6) strömt und an einem zweiten Übergang (9) vom zweiten Rohr (5) zum dritten Rohr (6) der Strömungsquerschnitt vergrößert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13,
wobei die Rohrleitung (1) zur Förderung von superkritischem Kohlenstoffdioxid ausgebildet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 12 oder 14,
wobei um das erste Rohr (4) und dem zweiten Rohr (5) zumindest ein weiteres Rohr (6, 7) zu Stabilisierung angeordnet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14,
wobei um das erste Rohr (4), dem zweiten Rohr (5) und dem dritten Rohr (6) zumindest ein weiteres Rohr (7) zur Stabilisierung angeordnet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 12 oder einem der Ansprüche 14 bis 16,
wobei das erste Rohr (4) als Liner ausgebildet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 13 oder einem der Ansprüche 14 bis 16,
wobei das erste Rohr (4) und das zweite Rohr (5) als Liner ausgebildet sind.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18,
wobei das weitere Rohr (6, 7) als Casing ausgebildet wird.

20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Rohrleitung (1) zur Förderung von superkritischem Kohlenstoffdioxid in einem Geothermie-Kraftwerk ausgebildet wird.

Zeichnung