Energieeffizienzverhältnis und Energiemanagement im Design von LNG-Kühlsystemen

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Im Folgenden finden Sie einen von mir selbst verfassten Artikel. Ich heiße alle herzlich willkommen, um ihn zu diskutieren und Kritik sowie Anregungen zu geben. Einleitung: Angesichts der Anforderungen im Bereich Umweltschutz sowie Energieeinsparung und -reduzierung ist der Stromverbrauch der Kühlsysteme der wichtigste Indikator. Für den Betrieb von LNG-Anlagen ist es, bei festen Anlagenkosten, die Wahl energieeffizienter Prozesslösungen der wichtigste Weg, um Verbrauch zu senken und Einnahmen zu steigern. Für Klimageräte ist die Energieeffizienzklasse eine Methode zur Kennzeichnung der Unterschiede in der Energieeffizienz dieser Geräte. Der Energieeffizienzfaktor bezeichnet das Verhältnis zwischen der Nennkühlleistung und der Nennleistung (Stromverbrauch). Gemäß den **gültigen Vorschriften wird die Energieeffizienz von Klimaanlagen in fünf Klassen eingeteilt: 1, 2, 3, 4 und 5. Den jeweiligen Klassen entsprechen Energieeffizienzwerte von über 3,4, 3,2–3,4, 3,0–3,2, 2,8–3,0 sowie 2,6–2,8. Gemäß den Vorschriften darf ein Produkt, das nicht mindestens den Energieeffizienzstandard Stufe 5 für den Marktzugang erreicht, nicht auf dem Markt verkauft werden. Die Hintergrundfarbe des Energieeffizienzzeichens ist blau, oben befinden sich Angaben wie „Name des Herstellers“ und „Modellnummer“ ； Am auffälligsten ist der mittlere Teil des Symbols, in dem Markierungen für die Stufen 1 bis 5 zu sehen sind – von grün bis rot. Auf der linken Seite finden sich Angaben dazu, ob der Energieverbrauch niedrig oder hoch ist. In der oberen rechten Ecke wird außerdem die Energieeffizienzkategorie des jeweiligen Produkts angegeben. Im unteren Bereich des Schildes sind die genauen Werte für den Energieverbrauch, die Eingangsleistung sowie die Kühlleistung angegeben. 1. Definition des Energieeffizienzverhältnisses von LNG-Kühlsystemen: Ein Kühlsystem für flüssiges LNG setzt sich aus mehreren Hauptkomponenten zusammen, darunter ein Kühlmittelkompressor, ein Kondensator, ein J-T-Ventil sowie eine Kühlkammer. Das Kühlsystem im Prozess der LNG-Verflüssigung ist außerdem ein geschlossener Kreislaufsystem. Wie im folgenden Diagramm dargestellt: Das Kältemittel wird durch die Arbeit des Kältemittelkompressors in einen Zustand hoher Temperatur und hohem Drucks versetzt. Anschließend wird es im Kondensator abgekühlt, wodurch die in ihm gespeicherte Wärme abgegeben wird. Danach gelangt das Kältemittel in den Kühltank, wo es erneut mit dem gereinigten Rohgas Wärmetausch betreibt. Dabei nimmt das Kältemittel die Wärme aus dem Gas auf. Danach kehrt es wieder zum Kältemittelkompressor zurück, um erneut komprimiert zu werden. Dadurch kehrt der Zustand des Kältemittels wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Energieeffizienz = Wärmeenergie des aufgenommenen Erdgases Q_absorbiert / Arbeitsleistung des Kompressors W. Die Wärme Q_absorbiert des aufgenommenen Erdgases ist die sensible Wärme, die bei der Kühlung im Prozess der Erdgasverflüssigung freigesetzt wird, sowie die latente Wärme, die im Phasenwechselprozess freigesetzt wird – also die effektive Wärmelast des Kühlfachs. Die von dem Kompressor erbrachte Leistung W ist die aktive Leistung des Kältemittelkompressors. Wenn man davon ausgeht, dass bei einer LNG-Anlage mit einer Verarbeitungskapazität von 300.000 Kubikmetern pro Tag die Wärmelast des Kühlsystems 3171 KW beträgt und die Leistung des Kompressors 1000 KW ist, dann liegt der Energieeffizienzfaktor des LNG-Kühlsystems bei 3,171. Wenn die Leistung des Kompressors 2000 KW beträgt, dann liegt der Energieeffizienzfaktor bei 1,58. Wenn der Energieeffizienzwert unter dem minimalen Standard von 2,6 liegt, der für den Verkauf auf dem Markt erforderlich ist, dann darf das Produkt nicht auf dem Markt verkauft werden. 2. Berechnung der Belastung des Kühlfachs im LNG-Kühlungssystem: Das Kühlfach ist eines der Schlüsselelemente des LNG-Kühlungssystems, und seine Kühlkapazität ist die wichtigste Garantie für eine großtechnische LNG-Produktion. In der oben gezeigten Diagrammvorlage entspricht die Menge an Wärme, die das Kühlfach pro Zeitminute aus dem Erdgas aufnimmt, der Leistungsfähigkeit des Kühlfachs. Diese kann in KW ausgedrückt werden. Die Menge an Wärme, die pro Zeitraum vom Kühlfach aufgenommen wird, kann anhand der festgelegten täglichen Menge an verarbeitetem Erdgas berechnet werden. Dazu gehrt die sichtbare Wärme, die bei der Abkühlung im Kühlfach während des Verdampfungsprozesses des Erdgases entsteht – also die spezifische Wärme Q_s – sowie die latente Wärme Q_l, die bei der Phasenwandlung vom gasförmigen in den flüssigen Zustand freigesetzt wird. Zum Beispiel: In einer LNG-Anlage, die täglich 300.000 Standardkubikmeter Erdgas verarbeiten kann, beträgt aufgrund des Dichtewerts von Erdgas von 0,72 kg/nm³, der Wärmekapazität von 2156 J/(kg•K) sowie der Kältemitteltemperaturdifferenz von 260 Grad der Wert für die spezifische Wärmeleistung: Qspez = 30x10000x0,72x2,156x260/(24x3600) = 1401 KW. Der latente Wärmewert beim Verdampfen von Erdgas beträgt 510,25 kJ/m³. Somit ergibt sich für 300.000 Standardkubikmeter Erdgas der Wert für den latenten Wärmewert bei der Verflüssigung: Qlatent = 30x10000x510,25/(24*3600) = 1771,7 KW. Die gesamte effektive Wärmebelastung des Kühlsystems in einer solchen Anlage beträgt somit 3171,7 KW.

3. Energieauslegung des LNG-Kühlsystems: Aus dem oben beschriebenen Kreislauf des Kühlmittels geht hervor, dass die vom Kühlfach aufgenommene effektive Energie Qauf zusammen mit der von der Pumpe zugeführten Leistung W letztendlich durch den Kondensator abgekühlt werden muss. Dadurch wird die in dem Kühlmittel enthaltene Energie Qab entfernt, sodass das Kühlmittel wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt und der nächste Kühlschritt beginnen kann. Daher sollte die Energiemenge Q_ab, die beim Kondensator des Kühlmittels freigesetzt wird, gleich der effektiven Wärmelast Q_auf des Kühlfachs plus der Leistung W des Kompressors sein: Q_ab = Q_auf + W. Wenn die Leistung des Kondensators unzureichend ist, führt das dazu, dass die Kühlleistung des Systems nicht ausreicht – dadurch kann die gewünschte Menge an flüssigem Produkt nicht hergestellt werden.