ES2205250T3 - Precalentamiento de gas en una conduccion. - Google Patents

Abstract

LA INVENCION SE REFIERE, SEGUN SE PUEDE VER EN LA FIGURA 2, A UN DISPOSITIVO Y A UN PROCEDIMIENTO PARA CALENTAMIENTO DE GAS COMBUSTIBLE A ALTA PRESION ANTES DE QUE SEA EXPANDIDO. EL GAS ES CALENTADO DIRECTAMENTE MEDIANTE COMBUSTION DE UNA PARTE DE GAS EN EL RECIPIENTE (1) QUE CONTIENE GAS.

Description

Precalentamiento de gas en una conducción.

La invención trata de un procedimiento y un dispositivo para el acondicionamiento de gas antes y después de la relajación de la alta presión.

Muchos gases combustibles se almacenan en la naturaleza o en medios técnicos a alta presión. Por ejemplo, tanto el gas natural, que se extrae de yacimientos subterráneos, como los gases en depósitos subterráneos o en grandes recipientes a presión están sometidos a una alta presión. Los gases, que se relajan de una alta a una baja presión, por ejemplo, durante la extracción, almacenamiento o en una turbina de gas, se enfrían mucho debido a la expansión. Esto provoca algunos problemas desde el punto de vista técnico, pues, por ejemplo, se pueden congelar las tuberías, pueden cambiar las propiedades de los gases o puede disminuir la inflamabilidad. Con el fin de evitar estas desventajas técnicas y compensar el enfriamiento, el gas se calienta antes o después de la relajación. Normalmente, este calentamiento se realiza, sin embargo, antes de la relajación, es decir, a una alta presión del gas.

Principalmente se usan dos sistemas distintos como unidades de precalentamiento convencionales: instalaciones de precalentamiento de gas y calentadores de gas. Normalmente, ambos tipos de instalaciones se pueden dividir en tres componentes: generación de calor, intercambiador de calor y sistema de portador de calor. Estos se diferencian sólo en la forma de realización o en el tipo de su disposición espacial. En la instalación de precalentamiento de gas, el gas, que se encuentra bajo la presión de almacenamiento, se conduce a través de un intercambiador de calor. Allí el gas de depósito se calienta y el medio portador correspondiente, por ejemplo, una mezcla de agua y glicol, se enfría en contracorriente a través de tuberías paralelas. El medio portador de calor se vuelve a calentar en un circuito cerrado y se reconduce de nuevo al intercambiador de calor. La regulación de la temperatura del gas se realiza casi siempre mediante el caudal del portador de calor a través del intercambiador de calor, orientándose la cantidad de medio portador de calor por la disminución de la temperatura del gas después de la relajación. También es posible controlar la temperatura del gas mediante una regulación del caudal del gas de depósito. El gasto por concepto de aparatos para la instalación de precalentamiento comprende, además de los componentes de la generación de calor, el intercambiador de calor y el sistema de portador de calor, también una sala de calderas para el intercambiador de calor y la instalación de seguridad y regulación tanto para la sala de calderas como para el sistema de portador de calor. El suministro de calor se puede realizar mediante la combustión de combustibles líquidos o gaseosos, energía eléctrica o usando bombas de calor de gas.

Los calentadores de gas son dispositivos de precalentamiento, en los que la generación del calor y la transmisión del calor a la corriente de gas de depósito, que fluye, se efectúan en un paso. Los calentadores son recipientes horizontales que están equipados con tubos de fuego en la parte inferior y con haces tubulares en la parte superior, llenándose los espacios intermedios con el medio portador de calor. El gas de depósito y el gas natural, necesario para el calentamiento del baño de agua, atraviesan el calentador de gas con un movimiento contrario, calentando los tubos de fuego el medio portador de calor. Aquí, la regulación de la temperatura del gas se realiza directamente en el generador de calor mediante el ajuste de la corriente de combustible en correspondencia con la demanda de calor que se necesita. Los calentadores de gas se montan por completo al aire libre, a diferencia de las instalaciones de precalentamiento, y el gasto por concepto de aparatos comprende, además de los tres componentes ya mencionados, también las instalaciones de seguridad y regulación tanto para el gas combustible como para el gas de depósito.

A diferencia de los conceptos básicos presentados aquí, en el documento WO94/11626 de Kück et al. se propone calentar el gas en un intercambiador de calor antes de la expansión, como se describió en las dos instalaciones mencionadas antes. Sin embargo, aquí el calentamiento se debe efectuar mediante el gas de escape de pequeñas plantas de cogeneración, usándose un motor de combustión interna de gas y un generador. El gas de escape del motor de combustión calienta el gas de depósito en un intercambiador de calor antes de la expansión. La planta de cogeneración acciona el generador que produce energía eléctrica que se alimenta a la red.

La patente EP0453007 de Verweil es una variante original del sistema mencionado antes. Aquí también se usa un motor de combustión interna, casi siempre un motor de gas, aprovechándose, además de los gases de escape, también el calor de escape del motor y el aire necesario para la combustión para calentar el gas. Este último se enfría antes de su uso en el motor mediante una contracorriente en el intercambiador de calor. De forma correspondiente se usan varios intercambiadores de calor, proponiéndose aplicar uno antes y otro, posiblemente, después de la expansión del gas de depósito. En este caso también el motor de combustión acciona un generador que produce energía eléctrica.

La patente estadounidense US125168 de Norton et. al. trata de una instalación para el calentamiento de una corriente de líquido. Aquí, corrientes separadas de gas natural y aire se transportan, comprimidas de manera controlada, a una zona de inyección y mezcla bajo expansión de uno de los gases y compresión del otro, se conducen después a una instalación de combustión y se aprovechan los gases de escape mediante un intercambiador de calor para calentar el líquido. Este sistema se puede usar para el calentamiento de gases de depósito.

Todos los métodos descritos antes concuerdan en que éstos calientan la corriente del gas de depósito sólo directamente mediante intercambiadores de calor o medios portadores. Básicamente se calienta primero el gas antes del relajamiento, es decir, todavía a una presión elevada en el intercambiador de calor. Es una desventaja que los dispositivos propuestos con las instalaciones de combustión requieren un permiso y que exigen un alto grado de técnica de seguridad. La energía se obtiene a partir del gas de combustión o de una caldera de gas calentada con gas natural. El inconveniente más evidente de las instalaciones descritas radica, no obstante, en un déficit ecológico, dado que ninguna de las instalaciones descritas puede aprovechar al 100%, según el estado de la técnica, el calor de combustión del valor calorífico quemado. La eficiencia de las instalaciones usadas hasta ahora es correspondientemente baja, es decir, el consumo de energía, requerido para lograr el efecto deseado, es correspondientemente alto.

Por este motivo se necesitaba un dispositivo o un procedimiento que prescindiera de una instalación de combustión vinculada a un permiso y que por razones de la técnica ecológica lograra un aprovechamiento elevado del calor de combustión de la energía consumida. En correspondencia con esto, la instalación debería cumplir las exigencias de un suministro de energía ecológico y económico.

La invención propone el uso de un dispositivo según la reivindicación principal.

Sorprendentemente se ha comprobado en una serie de ensayos que resulta posible quemar de forma controlada una parte de la corriente de un gas combustible a alta presión en un recipiente cerrado, calentando así el gas de manera continua.

El gas combustible abandona a alta presión un depósito. Fluye a través de una tubería hasta un punto, en el que se añade oxígeno en forma pura o diluida. La adición se puede realizar a través de un distribuidor de gas, que se une a un dispositivo de encendido y a una vigilancia de la llama, o mediante un quemador. Allí ocurre una combustión controlada, donde la cantidad de oxígeno o de gas rico en oxígeno, que hay que añadir, se controla a través de una medición de la temperatura. Durante el calentamiento del gas mediante combustión directa en la tubería se produce, entre otras sustancias, agua que se puede presentar en parte en forma líquida y que se recoge en un separador antes de la relajación del gas. El gas caliente, saturado con vapor de agua, se relaja a otra presión menor en un dispositivo conveniente, como, por ejemplo, una válvula de estrangulación o una turbina de gas. A continuación está el sensor de temperatura y, casi siempre, otro separador, al que le sigue, como es usual en el estado de la técnica, una instalación de secado, por ejemplo, en forma de un lavado de glicol.

En la presente invención ha demostrado ser ventajoso, en algunos casos, realizar la combustión con oxígeno puro o una mezcla cualquiera de oxígeno y aire, en vez de con aire puro. Con el fin de evitar temperaturas demasiados altas, se puede apoyar la combustión con la aplicación de un catalizador adecuado.

El procedimiento se describe a continuación mediante un diagrama de circulación en la representación 1 (figura 1):

Un gas combustible, denominado aquí metano, se extrae de un depósito a una presión de, por ejemplo, 180 bares. Eventuales sustancias acompañantes sólidas o líquidas se separan en el separador (6). El gas tiene casi siempre una temperatura entre 10ºC y 30ºC, en dependencia de las condiciones de almacenamiento. El gas alcanza en este estado el punto en la tubería, en que se añade (11) el oxígeno en forma pura o diluida (3). La adición se realiza mediante un distribuidor de gas, que se une a un dispositivo de encendido y a una vigilancia de llama, así como, dado el caso, a un catalizador de oxidación, o mediante un quemador, en el que la conducción del flujo del gas natural y del gas con contenido de oxígeno se han intercambiado respecto a los quemadores convencionales. La cantidad de oxígeno, que hay que añadir, se controla mediante una medición (8) de temperatura. La medición (8) de temperatura se sitúa en la tubería (1) detrás del punto, en que se efectúa la relajación (9), antes o después del tercer separador (6b) de agua. Durante el calentamiento del gas por combustión directa en la tubería, se produce, entre otras sustancias, agua que se puede presentar en parte en forma líquida y que se recoge en un separador (6a) antes de la relajación del gas. El gas caliente así obtenido, saturado con vapor de agua, se relaja de, por ejemplo, 180ºC a otra presión menor en un dispositivo conveniente, como, por ejemplo, una turbina de gas. Después de la distensión se dispone, en una secuencia opcional, un sensor (8) de temperatura y otro separador (6b), al que sigue generalmente una instalación (12) de secado.

El procedimiento se explica detalladamente mediante el siguiente ejemplo numérico, suponiéndose que el gas combustible es gas natural:

Un gas natural, que se debe extraer de un depósito subterráneo, se debe calentar antes de la distensión de modo que la temperatura del gas natural sea de 5ºC después de la relajación a 40 bares.

Datos de partida

Gas extraído de depósito	Composición	Metano, saturado con agua
	Presión	180 bares
	Temperatura	20ºC
	Caudal (CH_{4})	100.000 m^{3}/h (en estado normal)
Oxidante:	Composición	Oxígeno, 100%
	Presión	180 bares
	Temperatura	20ºC

El análisis termodinámico muestra que el gas natural se tiene que calentar de 20ºC a 46ºC antes de la relajación. Con este fin hay que añadir a cada kilogramo de gas natural 0,0067 kg de oxígeno que reacciona entonces con el gas natural formando H_{2}O y CO_{2}. En otras condiciones se tendrían que alcanzar, en correspondencia, otras temperaturas y habría que añadir cantidades específicas de oxígeno.

La invención se describe más detalladamente a continuación mediante otros dibujos y realizaciones preferidas de los aparatos:

La representación 2 (figura 2) muestra una forma de realización con combustión producida catalíticamente.

La representación 3 (figura 3) muestra una forma de realización, en la que la combustión del gas se realiza en un quemador.

En la realización según la figura 2, una parte del gas, casi siempre gas natural, que fluye por la tubería (1), se conduce a través de un tubo (2) central. Al inicio del tubo (2) central se añade oxígeno a través de otra tubería (3). En una sección (4) de mezcla se mezclan oxígeno y gas. Con este fin, la sección (4) de mezcla puede contener partes montadas ulteriormente que apoyen el proceso de mezcla. La combustión del gas ocurre en el catalizador (5). Puede resultar conveniente diseñar la parte (5) con el catalizador de modo que allí no se queme todo el gas o que el gas no se queme por completo. En este caso se debería disponer otra sección de mezcla a continuación, así como otro catalizador. Esto se da a entender en la figura 2 mediante las partes (4, 5). Con el fin de permitir que el gas fluya en una medida suficiente a través del tubo (2) central que opone a su flujo una elevada resistencia mediante las partes (4, 5) montadas ulteriormente, se monta en la sección transversal libre de la tubería (1) en la zona, en la que se encuentra el tubo (2) central, una resistencia (60) al flujo que es un aro de chapa en el caso más sencillo.

En la realización según la figura 3, la combustión del gas natural ocurre en un quemador (7). El quemador (7) se introduce en un tubo (20) central que se encuentra dentro del tubo (10) que transporta el gas, casi siempre gas natural. El quemador (7) se puede realizar como quemador de difusión puro o como quemador de mezcla previa. En el último caso se montan en éste dispositivos no mostrados, pero conocidos, por ejemplo, a partir del quemador Bunsen, que permiten una mezcla previa del gas y el oxígeno. El oxígeno se conduce a través de una tubería (30). Con el fin de corregir imperfecciones eventuales de la combustión, puede resultar conveniente disponer otro catalizador (50') de combustión en el tubo (20) central. La resistencia (60) al flujo se usa para permitir que el gas fluya en una corriente suficiente a través del tubo (20) central.

Claims (21)

1. Dispositivo para el calentamiento de gas combustible, sometido a alta presión, antes de la relajación, que comprende un recipiente (1) que contiene el gas, caracterizado porque una parte del gas se quema directamente en el recipiente (1), que contiene el gas, después o en un punto (11) de adición, situado en el recipiente, mediante un gas que contiene oxígeno.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el recipiente (1), que contiene el gas, es una tubería.

3. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el gas, que contiene oxígeno, es oxígeno.

4. Dispositivo según las reivindicaciones 1 a 3, que comprende una tubería (3) que conduce oxígeno, una tubería (1) que conduce un gas combustible y un punto (11) de adición situado en ésta, caracterizado porque el gas, que contiene oxígeno, se introduce a través de una tubería (3) en otra tubería (1) que conduce el gas combustible, porque la tubería (3), que conduce el oxígeno, se coloca de manera que atraviesa la tubería (1) que conduce gas, porque mediante un acodado de la tubería (3) la sección transversal del orificio se sitúa en el punto (11) de adición perpendicularmente respecto a la dirección de flujo de la tubería (1) que conduce el gas y porque el gas, que contiene oxígeno, se mezcla con el gas combustible y se quema.

5. Dispositivo según las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el gas combustible, sometido a alta presión, es gas natural.

6. Dispositivo según las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque para la combustión se prevé un catalizador (5, 50').

7. Dispositivo según las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque para el secado del gas y para la extracción del agua, que se produce durante la combustión, se prevén separadores (1, 6, 6a) de agua tanto antes como después de la relajación.

8. Dispositivo según las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque para la combustión se prevé un distribuidor de gas con un dispositivo de encendido y, dado el caso, un catalizador (5).

9. Dispositivo según las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque para la combustión se prevé un quemador, en el que se ha intercambiado la alimentación del gas combustible y del gas que contiene oxígeno.

10. Dispositivo según las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque está montada una resistencia (60) al flujo en la tubería (1).

11. Procedimiento para el calentamiento de gas combustible, sometido a alta presión, antes de la relajación, caracterizado porque el calentamiento mediante combustión de una parte del gas se realiza directamente en un recipiente (1) que contiene el gas.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque el recipiente, que contiene el gas, es una tubería (1).

13. Procedimiento según la reivindicación 11 ó 12, caracterizado porque la combustión se realiza mediante un gas que contiene oxígeno.

14. Procedimiento según la reivindicación 13, caracterizado porque el gas, que contiene oxígeno, es oxígeno puro.

15. Procedimiento según las reivindicaciones 11 a 14, caracterizado porque el oxígeno o el gas, que contiene oxígeno, se introduce a través de una tubería (3) en otra tubería (1) que conduce el gas combustible y porque el gas, que contiene oxígeno, se mezcla (4) con otro gas y se hace reaccionar la mezcla.

16. Procedimiento según las reivindicaciones 11 a 15, caracterizado porque el gas combustible, sometido a alta presión, es gas natural.

17. Procedimiento según las reivindicaciones 11 a 16, caracterizado porque para la combustión se usa un catalizador (5, 50').

18. Procedimiento según las reivindicaciones 11 a 17, caracterizado porque para el secado del gas y para la extracción del agua, que se produce durante la combustión, se usan separadores (6, 6a, 6b) de agua tanto antes como después de la relajación.

19. Procedimiento según las reivindicaciones 11 a 18, caracterizado porque para la combustión se usa un distribuidor de gas con un dispositivo de encendido y, dado el caso, un catalizador (5).

20. Procedimiento según las reivindicaciones 11 a 19, caracterizado porque para la combustión se usa un quemador, en el que se ha intercambiado la alimentación del gas combustible y del gas que contiene oxígeno.

21. Procedimiento según las reivindicaciones 11 a 20, caracterizado porque se usa una resistencia (6) al flujo en la tubería (1).