DE102006027902A1

DE102006027902A1 - Schiffe für Flüssiggastransport

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Publication number: DE102006027902A1
Application number: DE200610027902
Authority: DE
Original assignee: Dallach Gert Dr Ing; GUENTHER HANS JOCHEN; VIW VER DER INGENIEURE und WIR; VIW VEREIN DER INGENIEURE und WIRTSCHAFTLER und MECKLENBURG-VORPOMMERN EV
Current assignee: Dallach Gert Dr Ing; GUENTHER HANS JOCHEN; VIW VER DER INGENIEURE und WIR; VIW VEREIN DER INGENIEURE und WIRTSCHAFTLER und MECKLENBURG-VORPOMMERN EV
Priority date: 2006-07-19
Filing date: 2006-07-19
Publication date: 2008-01-31
Also published as: DE202006020562U1

Abstract

Transportsystem für flüssiges Erdgas in Schiffen für den Betriebszustand im Bereich von 1 bar, -160°C bis 10 bar, -124°C, bestehend aus horizontal gelagerten Transportbehältern in Röhrenform verschiedenen Querschnitts, um eine dichte Packung zu erreichen. Die Transportröhren werden einzeln und unabhängig voneinander durch Behälterstützen getragen und sind durch Rohrleitungen miteinander verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft Schiffe für den Transport von Erdgas (LNG) im flüssigen Zustand. Erdgas besteht im wesentlichen aus Methan, sein Anteil liegt über 80% und ist abhängig von dem Fördergebiet.
Erdgas wird von Gastankschiffen in flüssiger Form transportiert. Dazu muß es für den Transport in einen Zustand gebracht werden, der nach entsprechender Reinigung durch den Bereich des flüssigen Zustands im Druck-Temperatur-Diagramm für Methan gegeben ist. Das für reines Methan zutreffende Diagramm weicht in der Praxis für das Erdgas etwas ab, kann aber im wesentlichen als Grundlage für die Entwicklung genutzt werden. Die Abweichung im Erdgas besteht nach der Reinigung in einem Anteil von Kohlenwasserstoffen der homologen Reihe der Grenzkohlenwasserstoffe, zu denen das Methan gehört. Das sind beispielsweise Äthan, Propan, Butan, Pentan im abnehmenden Anteil.
Das Druck-Temperatur-Diagramm von reinem Methan trennt durch die Dampfdruckkurve den flüssigen Zustand des Methans vom gasförmigen. Diese Linie trennt gleichzeitig hohe Dichte von geringer Dichte. Die Sprunggröße der Dichte für den flüssigen und den gasförmigen Zustand entlang der Dampfdruckkurve ist bei niedrigen Temperaturen hoch und nimmt entlang der Dampfdruckkurve zu höheren Temperaturen ab. Bei einem Druck von 1 bar und bei einer Temperatur von etwa –162°C im flüssigen Zustand beträgt beispielsweise die Dichte 0,425 kg/dm³, im gasförmigen Zustand, bei etwa –158°C und gleichem Druck 0,0017 kg/dm³. Der Dichtesprung beträgt an dieser Stelle das 250-fache. Im Flüssigkeitsfeld des Diagramms wird die Dichte durch steigenden Druck bei gleicher Temperatur fast nicht verändert. Die Dichte verringert sich jedoch bei gleichem Druck mit steigender Temperatur bis zur Dampfdruckkurve. Bei einem Druck beispielsweise von 10 bar betragen die Dichtewerte zu beiden Seiten des Dampfdruckpunktes auf der Kurve für den flüssigen Zustand 0,368 kg/dm³ und für den gasförmigen Zustand 0,0155 kg/dm³, der Unterschied ist ein 24-facher Wert. Mit höheren Drücken und höheren Temperaturen, entlang der Dampfdruckkurve, wird der Unterschied zwischen den beiden Aggregatzuständen immer geringer, bis zum kritischen Punkt der Dampfdruckkurve.
Die derzeit als Massenguttransporter fahrenden Gastransportschiffe transportieren das Erdgas als Flüssiggas. Dabei wird fast ausnahmslos der Zustand der Dampfdruckkurve bei einem Druck von 1 bar und der Temperatur von –161,5°C genutzt. Damit ist die transportierte Masse an flüssigem Erdgas infolge der hohen Dichte, die Methan als Hauptbestandteil des Erdgases bei dem Zustand hat (etwa 0,425 kg/dm³) relativ hoch. Alle Zustände des Erdgases bei höheren Temperaturen und auch höheren Drücken führen zu einer wesentlichen Abnahme der Erdgasmasse pro Transporteinheit.
Die Gastankschiffe fahren mit etwas geringeren Temperaturen von –162°C bis –164°C, um das während der Fahrt durch gering steigende Temperaturen eintretende Abgasen zu verringern. Außerdem verschieben die im Erdgas enthaltenen höheren Homologe die Dampfdruckkurve für das Gemisch zu etwas höheren Temperaturen.
Zwei Formen des Transports haben sich international durchgesetzt. Das sind die Kugeltanksysteme von Moss-Rosenberg, bei denen annähernd kugelförmige Behälter aus Edelstahl oder Aluminiumlegierung mit einem Durchmesser von 40 m oder mehr zum Transport des flüssigen Gases genutzt werden oder Membransysteme von Gaztransport und Technigaz. Beide Systeme benutzen den oben erwähnten Betriebszustand mit 1 bar Druck und einer Temperatur von unter –161,5°C und sind patentrechtlich abgesichert.
Die Transportbehälter beider Systeme sind isoliert, um das verflüssigte Erdgas längere Zeit ohne Kühlung an seinem Siedepunkt zu halten.
Der Nachteil dieser Transportsysteme ist, daß die damit ausgerüsteten Schiffe sehr bauaufwändig sind, damit lange Bauzeiten und als Folge hohe Kosten haben und außerdem notwendigen Reparaturen am Transportsystem nur mit sehr hohem Kostenaufwand ausgeführt werden können.
Zur Verbesserung des ökonomischen Problems gibt es eine Reihe von technischen Lösungen, die in Patenten beschrieben sind und die zum größten Teil in Bereiche von höheren Drücken der Dampfdruckkurve arbeiten. Sie konnten sich bisher nicht durchsetzen, da mit den höheren Drücken entlang der Dampfdruckkurve gleichzeitig die Dichte der flüssigen Phase reduziert wird und damit die Transportmasse bei gleichem Transportvolumen.
Zusammenfassend wurde das Problem in der Gebrauchsmusterschrift DE 298 24 939 U1 vom 31.07.2003 dargestellt, verbunden mit einer Lösung für das Transportsystem. Auch dieses System, für das der Arbeitsbereich auf der Dampfdruckkurve von 1035 kPa (ca. 10,35 bar) und –123°C bis etwa 7590 kPa (ca. 75,9 bar) und etwa –62°C abgegrenzt wurde, hat bei dem unteren günstigsten Wert von 10 bar eine geringere Transportmasse bei gleichem Volumen von 15%, im Vergleich zu 1 bar, allein aus der geringeren Flüssigkeitsdichte. Dazu kommt, daß die röhrenförmige Trans portvorrichtung das Volumen auf etwa 80% verringert. Damit ergibt sich gegenüber einer in einem rechteckigen Laderaum transportierten Masse eine gesamte Verringerung um mehr als 39%, im Vergleich zu einem Transport bei 1 bar und –162°C. Wegen dieser ökonomischen Nachteile konnten sich trotz der sehr hohen Kosten für die Herstellung der zur Zeit im Einsatz befindlichen Gastransportschiffe Lösungen für neuartige Transportsysteme bisher nicht durchsetzen.
Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines für Schiffe geeigneten Transportsystems für flüssiges Erdgas, das zu besseren Transportmassen bei gleichem Volumen kommt und in der Herstellung des Schiffes wesentliche Kosten einspart.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, das Erdgas in einem Betriebszustand zu transportieren, der im Bereich der Dampfdruckkurve von 1 bis 10 bar liegt und den Temperaturen von –161°C bis –126°C entspricht. In diesem Bereich tritt nahe der Dampfdruckkurve ein Dichteabfall auf etwa 85% von der niedrigen Temperatur zur höheren Temperatur und vom niedrigen Druck zum höheren Druck auf. Bei einer Temperatur von etwa –135°C und einem zugehörigen Druck von etwa 6 bar tritt gegenüber der Temperatur von –161,5°C und einem Druck von 1 bar ein Dichteabfall von etwa 10% auf.
In diesem Zustandsbereich sind die vorgesehenen Transportbehälter ökonomisch im Einsatz. Dabei läßt sich ein optimierter Bereich ermitteln. Voraussetzung ist, daß das flüssige Erdgas in Transportbehältern mit minimierter Masse transportiert wird. Die minimierte Masse ergibt sich bei Transportbehältern, bei denen im Zustand des Innendrucks in der Behälterwand hauptsächlich Zug- und Druckspannungen auftreten und nur geringste Biegebelastungen. Das ist der Fall bei röhrenförmigen Behältern mit Kreisquerschnitt und gewölbten Endböden. Außerdem ist die Behälterwand im gefüllten Zustand Massenkräfte von der Eigenmasse und der Transportmasse ausgesetzt. Die hierfür notwendige Wanddicke soll ebenfalls für die Druckbelastung genutzt werden, um so eine minimale Masse für den Transportbehälter zu erreichen. Damit wird eine minimale Druckhöhe für den Transport angestrebt. Für die Gesamtoptimierung, die zu einer Maximierung der zu transportierenden Masse an flüssigem Erdgas führt, ist die Temperatur des zu transportierenden Erdgases zu beachten, die möglichst hoch sein soll, um die Wärmeisolierung zu minimieren, wobei gleichzeitig zu beachten ist, daß mit höherer Temperatur die Dichte des Erdgases abnimmt.
Dazu wird erfindungsgemäß vorgesehen, das flüssige Erdgas in röhrenförmigen Transportbehältern an Bord der Schiffe zu lagern und zu transportieren. Die röhren förmigen Transportbehälter können verschiedene Querschnittsformen haben, bevorzugt jedoch quadratische oder kreisförmige. Die Behälter sind in horizontaler oder auch vertikaler Form in den Laderäumen eines Schiffes zu lagern. Die Querschnittsabmessungen der Röhren sollten nach der Kostenminimierung in der Herstellung festgelegt werden. Die sich bei verschiedenen Querschnittsgrößen, z.B. Durchmessern der Röhren, für einen bestimmten Raum ergebenden Behältermassen sind vom Durchmesser für druckbelastete Röhren fast unabhängig. Bevorzugt wird ein Querschnittswert von 15–20 m².
Zwischen den Röhren mit Kreisquerschnitt ergibt sich ein Leerraum, der unabhängig von Behälterdurchmesser ist und etwa 25% des gesamten Raumvolumens beträgt. Dieser Leerraum zwischen den Behältern kann durch Zwischenbehälter kleinerer Querschnittsabmessungen, die ebenfalls kreisförmig sein können, ausgefüllt werden, um so eine dichtere Packung zu erreichen und den Leerraum zu minimieren. Bei einem Behälterdurchmesser von beispielsweise 5 m sind in einem Laderaum mit dem Querschnitt von 40 × 25 m² für die Innenabmessungen 40 Behälter untergebracht. In den Leerräumen können noch 21 Zwischenbehälter mit einem Durchmesser von 2,2 m angeordnet werden. Dadurch verringert sich der Transportleerraum um ca. 10%. Der Leerraum kann auch durch röhrenartige Zwischenbehälter mit anderen Querschnittsformen ausgefüllt werden. Wird dabei der gleiche Betriebszustand angenommen, der bei den derzeit in großer Mehrzahl im Betrieb befindlichen Flüssiggastransporter vorhanden ist, Temperatur Flüssiggas < 161,5°C, Druck: 1 bar, dann kann damit fast das gleiche Transportvolumen erreicht werden, wie bei den herkömmlichen Flüssiggastransportschiffen. Die Baukosten des Schiffes mit derartigen serienmäßig produzierbaren Behältern würden aber wesentlich geringer sein. Als günstige Variante ergibt sich, den Transport des Gases mit derartigen Behältern in einem günstigeren Betriebszustand durchzuführen. Das bedeutet, daß entlang der Dampfdrucklinie von Methan, speziell im annähernd parallelen Bereich zur Temperaturachse, der von niedrigen Temperaturen bis etwa –124°C reicht, das flüssige Erdgas bei zu den Temperaturen gehörigen Drücken transportiert wird. Bei –124°C liegt der Druck im Flüssigkeitszustand von Methan bei etwa 10 bar. Hier hat die Dichte um etwa 12% abgenommen, was zu einer entsprechenden Minderung der Transportmasse um die gleiche Größe bei gleichem Transportvolumen führt. Allerdings kann für den gleichen Wärmefluß die Isolierung des Laderaums entsprechend verrin gert werden. Das soll zeigen, daß in dem beanspruchten Betriebszustandsbereich spezielle Optimierungen der Gesamtkosten möglich sind.
Eine weitere Kostenminimierung ist durch eine weitere Verringerung der Isolierung möglich. Wenn die Transportbehälter beim Beladen mit Flüssiggas mit dem Betriebszustand 1 bar und etwa –162°C beladen werden und gleichzeitig ein Leerraum von beispielsweise 10% eingehalten wird, dann kann während des Transports das Flüssiggas sich in der Temperatur auf etwa –130°C erhöhen, wobei der Druck auf etwa 8 bar ansteigt. Damit verringert sich die Dichte um etwa 10% und der Leerraum wird ausgefüllt, ohne das Flüssiggas abgegeben werden muß.
Zur Lagerung der röhrenförmigen Behälter wird erfindungsgemäß der Laderaum mit einer Reihe von Stützen für die Behälter im festgelegten Abstand ausgerüstet, beispielsweise entsprechend der bekannten Containerabstützung. Die Stützen können seitlich von den Behältern angeordnet sein oder auch durch den Behälter hindurchführen. Der Abstand der Stützen richtet sich nach der Behältergröße. Damit wird eine feste Lagerung jedes einzelnen Behälters im Laderaum erreicht, die alle Schiffsbewegungen aufnimmt und gleichzeitig wird die Belastung der einzelnen Behälter aufeinander vermieden. Der Abstand der Stützen ist so festzulegen, daß die auftretenden Dehnungsgrößen der Behälter infolge der unterschiedlichen Temperaturen im Leerzustand und im gefüllten Zustand gesichert sind. Die Stützen erhalten im festgelegten Abstand Auflager für die Behälter, die ebenfalls einen minimalen Abstand der Behälter übereinander gewährleisten und gleichzeitig die Dehnungsgröße für die unterschiedlichen Beladungszustände berücksichtigen. Im Bereich der Behälterauflager sind die Behälter isoliert. Die Außenbehälter sind teilisoliert. Bei vertikaler Lagerung kann eine separate Stützung und Isolierung entfallen. Die Behälter sind an einem Ende des Laderaums gegen Verschiebungen befestigt und untereinander durch Rohrsysteme verbunden. Im Laderaum sind die Behälter von der Schiffsisolierung in einem festgelegten Abstand angeordnet, sowohl an den Seiten als auch oben unter dem Deck und unten über dem Doppelboden, um eine Luftumströmung zu erreichen.
Als Werkstoff für die Behälter kommen mehrere Werkstoffarten infrage, die die Bedingungen der Tieftemperatur mit ausreichender Zähigkeit erfüllen müssen und gleichzeitig dabei eine ausreichende Festigkeit aufweisen. Das kann ein hochfester niedriglegierter Stahl mit einem Nickelanteil von 9% sein, der bei der niedrigen Temperatur von etwa –162°C eine ausreichende Bruchzähigkeit aufweist oder eine hochfeste Aluminiumlegierung, geeignet für die tiefen Temperaturen. Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen, die eine ausreichende Festigkeit aufweisen, für diese niedrigern Temperaturen geeignet sind und die außerdem den Vorteil der geringen Masse besitzen. Auch eine Misch- oder Verbundkonstruktion der erwähnten Werkstoffe ist möglich.
Weiter wird vorgeschlagen, den Laderaum des Transportschiffes für flüssiges Erdgas als bekannten Kühlladeraum auszubauen, mit einer festgelegten Isolierung und Kühlleistung.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
In 1 ist beispielhaft der Teil eines Schiffsladeraums im Querschnitt mit einem Schnitt durch die Transportbehälter mit kreisförmigem Querschnitt dargestellt. Der Laderaum (1) ist begrenzt durch eine äußere doppelte Tankwand (2), einen Doppelboden (3) und die Kälteisolierung (4). Das Deck mit Isolierung ist nicht gezeigt. Die Transportbehälter sind beispielhaft kreisförmige Röhren (5), die übereinander an äußere Behälterstützen (6) aufgehängt sind. Die Behälter sind mit geringem Spiel, das der erforderlichen Ausdehnung entspricht, übereinander an den Behälterstützen (6) aufgehängt. Die Stützenreihen sichern durch ihren Abstand ebenfalls das notwendigre Spiel für die Ausdehnung der Transportbehälter (5). Die Isolierung (4) im Laderaum schützt das Schiff gegen die abgestrahlte niedrige Temperatur der Transportbehälter (5). Die Außenbehälter haben eine auf der Seite der Laderaumwand angebrachte Isolierung (7).
2 zeigt beispielhaft eine Darstellung wie in 1, jedoch mit Behälterstützen (6), die durch die Transportbehälter hindurchführen.
3 zeigt beispielhaft die Transportvorrichtung nach der Ausführung von 1 und 2 mit Zwischenbehältern (8) mit kreisförmigem Querschnitt.
4 zeigt beispielhaft die Transportvorrichtung nach der Ausführung von 1 und 2 mit Zwischenbehältern mit vier konkaven Seitenflächen, wobei der Radius der konkaven Flächen dem der Transportbehälter (5) entspricht.
5 zeigt beispielhaft die Transportvorrichtung nach der Anordnung von 1 und 2, jedoch mit der quadratischen Form der Transportbehälter.
6 zeigt detaillierter einen Ausschnitt der Transportvorrichtung von 5.
7, 8, 9 und 10 zeigen Details der mögliche Ausführungsformen von Behälterstützen und Transportbehältern.
11 zeigt beispielhaft eine Draufsicht auf die horizontal liegenden Transportbehälter im Laderaum eines Schiffes.

1: Laderaum eines Schiffes
2: Doppelte Außenwand
3: Doppelboden
4: Laderaumisolierung
5: Transportbehälter
6: Behälterstützen
7: Behälterisolierung
8: Zwischenbehälter
9: Zwischenbehälter

Claims

Transportsysteme für die Lagerung und den Transport von flüssigem Erdgas vorzugsweise für den Einbau in Schiffe, bestehend aus röhrenförmigen Behältern, dadurch gekennzeichnet, daß die röhrenförmigen Behälter zum Lagern von flüssigem Erdgas unter Druck und bei niedriger Temperatur entsprechend der Dampfdrucklinie des Flüssiggases für einem Bereich von etwa –160°C bei etwa 1 bar bis etwa –124°C bei etwa 10 bar ausgelegt sind, konstruiert aus serienmäßigem hochfestem kaltzähem Stahl und/oder faserverstärkten Kunststoffen und/oder hochfester kaltzäher Aluminiumlegierung, vorzugsweise mit quadratischem oder kreisförmigem Querschnitt, daß die einzelnen röhrenförmigen Behälter auf Behälterstützen unabhängig voneinander nebeneinander und übereinander gelagert sind und durch Rohrleitungen kommunizierend miteinander verbunden sind.
Transportsystem für Lagerung und Transport von flüssigem Erdgas nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß bei den röhrenförmigen Behältern mit vorzugsweise Kreisquerschnitt die freien Zwischenräume zwischen den röhrenförmigen übereinander und nebeneinander angeordneten Behältern durch angepasste röhrenförmige Zwischenbehälter ausgefüllt sind, deren Querschnittsform kreisförmig oder quadratisch sein kann oder aus vier konkaven Seitenflächen gebildet wird, die aus Kreisabschnitten bestehen, entsprechend der Form der kreisförmigen Behälter und welche röhrenförmigen Zwischenbehälter untereinander und mit den röhrenförmigen Behältern mit Kreisquerschnitt durch Rohrleitungen kommunizierend verbunden sind.
Transportsystem für die Lagerung und den Transport von flüssigem Erdgas nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Behälterstützen für den Einbau in einem isolierten Laderaum eines Schiffes angepasst ist und die Behälterstützen im Laderaum unabhängig von der Schiffsisolierung angeordnet sind und am Doppelboden und am Deck abgestützt sind und daß die Behälterstützen seitlich von den Behältern stehen oder durch die Behälter hindurch laufen.