DE10028863B4 - Verfahren und Anordnung zum Erzeugen eines Hochdruckfluids - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Erzeugen eines Hochdruckfluids (6), wobei ein erster Fluidteilstrom (2), der aus einer Niederdruck Fluidleitung (1) stammt, in einer Fördereinrichtung (3) in das Hochdruckfluid (6) umgewandelt wird, und wobei ein zweiter Fluidteilstrom (8) stromab einer Niederdruck-Fördereinrichtung (9), die in der Niederdruck-Fluidleitung (1) arbeitet aus letzterer entnommen, zum Antrieb der Hochdruck-Fördereinrichtung (4) genutzt und sodann stromauf der Niederdruck-Fördereinrichtung (9) in die Niederdruck-Fluidleitung (1) eingespeist wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Erzeugen eines Hochdruckfluids.
  • Transport- und Fördereinrichtungen für Fluide sind in vielfältigen Bauformen bekannt. Die Versorgungsnetzwerke von Gas- und Wasserversorgern beispielsweise sind mit zahlreichen solcher Einrichtungen ausgestattet, deren Zweck es ist, die benötigten Druckverhältnisse an den jeweiligen Übergabestellen einzustellen und für den Transport des benötigen Massenstroms zu sorgen sowie die in einem solchen Netzwerk auftretenden Verluste zu kompensieren.
  • Die hierzu verwendeten Pumpen und Verdichter werden durch Fremdantriebe, wie beispielsweise Elektromotoren oder Gasturbinen, angetrieben, die an den jeweiligen Pump- bzw. Verdichtereinheiten bereitzuhalten sind. Hierdurch entstehen nicht unerhebliche Anlagenkosten.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den zur Erzeugung eines Hochdruckfluids benötigten anlagentechnischen Aufwand zu verringern und somit die Wirtschaftlichkeit der Hochdruckfluid-Erzeugung zu verbessern.
  • Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren, bei dem ein erster Fluidteilstrom, der aus einer Niederdruck-Fluidleitung stammt, in einer Fördereinrichtung in das Hochdruckfluid umgewandelt wird, und bei dem ein zweiter Fluidteilstrom stromab einer Niederdruck-Fördereinrichtung, die in der Niederdruck-Fluidleitung arbeitet, aus letzterer entnommen, zum Antrieb der Hochdruck-Fördereinrichtung genutzt und sodann stromauf der Niederdruck-Fördereinrichtung in die Niederdruck-Fluidleitung eingespeist wird.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung ist zur Lösung der gestellten Aufgabe versehen mit einer Niederdruck-Fluidleitung, in der eine Niederdruck-Fördereinrichtung arbeitet, und mit einer Hochdruck-Fördereinrichtung, die eine Antriebseinheit und eine von dieser angetriebene Fördereinheit aufweist, wobei die Antriebseinheit einlassseitig stromab der Niederdruck-Fördereinrichtung und auslassseitig stromauf der Niederdruck-Fördereinrichtung an die Niederdruck-Fluidleitung angeschlossen ist, während die Fördereinheit einlassseitig ebenfalls an die Niederdruck-Fluidleitung angeschlossen ist und auslassseitig das Hochdruckfluid liefert.
  • Das energiereiche Fluid aus einer Niederdruck-Fluidleitung wird zum Antrieb einer Hochdruck-Fördereinrichtung genutzt, mittels der ein ebenfalls aus der Niederdruck-Fluidleitung entnommener zweiter Teilstrom in ein Hochdruckfluid umgewandelt wird.
  • Die Erfindung schafft damit die Voraussetzung dafür, dass die zur Erzeugung eines Hochdruck-Fluids benötigte Hochdruck-Fördereinrichtung einfach gestaltet werden kann, indem die zum Antrieb genutzte Energie aus dem zu transportierenden Fluid entnommen wird. Die Energie wird dabei dem Fluid mittels der Niederdruck-Fördereinrichtung zugeführt, wobei letztere mit einem besseren energetischen Wirkungsgrad arbeitet, als die zum Antrieb der Hochdruck-Fördereinrichtung sonst benötigte kleinere Antriebseinheit.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu zahlreichen Vorteilen und ermöglicht es, auf zusätzliche Antriebseinrichtungen und den damit im Zusammenhang stehenden anlagentechnischen Aufwand zu verzichten.
  • Der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens hat ferner den Vorteil einer deutlichen Einsparung von Energie. Bei bekannten Transportleitungen für gasförmige Fluide, wie etwa Gas-Fernleitungen, werden Verdichterstationen zwischengeschaltet, um die in den Rohrleitungen durch Reibung und ähnliches auftretenden Verluste zu kompensieren. Solche Anlagen weisen große Leistungen auf und arbeiten mit gutem energetischen Wirkungsgrad.
  • Die Auslegung der Maximalleistung solcher Verdichterstationen erfolgt im Hinblick auf den maximal zu erwartenden Förderbedarf. Das heißt, ein solcher maximaler Leistungsbedarf liegt normalerweise nur selten vor, während in der übrigen Zeit des Jahres diese Fördereinrichtungen Leistungsreserven besitzen, die bei guten energetischen Wirkungsgraden verfügbar sind. Kleine Verdichter- bzw. Pumpeinheiten weisen oftmals bauartbedingt schlechtere Wirkungsgrade auf. Dies führt dazu, dass die zum Antrieb einer kleineren Verdichter- bzw. Pumpeinrichtung benötigte Energie mit einem schlechten Wirkungsgrad erzeugt wird. Wird der zum Antrieb der Hochdruck-Fördereinrichtung benötigte Teilstrom aber erfindungsgemäß aus der Nieder-Fluidleitung entnommen, so kann die benötigte Energie in der Niederdruck-Fördereinrichtung erzeugt werden, die mit einem wesentlich besseren energetischen Wirkungsgrad arbeitet.
  • Ferner erlaubt es die Erfindung, einen Teilstrom des Niederdruck-Fluids ohne Energiezufuhr von außen auf ein höherliegendes Druckniveau zu fördern, wobei das erreichbare Druckniveau und die mögliche Fördermenge unter anderem von der Energiemenge begrenzt sind, die über den Teilstrom zum Antrieb der Hochdruck-Fördereinrichtung aus dem Niederdruck-Fluid entnommen wird.
  • Der zweite Teilstrom, der aus der Niederdruck-Fluidleitung stromab der Niederdruck-Fördereinrichtung entnommen wird, wird in der Antriebseinheit der Hochdruck-Fördereinrichtung auf ein Druckniveau entspannt, das geringfügig über dem Druck liegt, der stromauf der Niederdruck-Fördereinrichtung herrscht, so dass eine problemlose Rückführung des zweiten Teilstroms in die Niederdruck-Fluidleitung stromauf der Niederdruck-Fördereinrichtung möglich ist. Auf diese Weise wird dem Niederdruck-Fluidstrom effektiv nur der erste Teilstrom entnommen, und der zweite Teilstrom kann, nach dem Einspeisen in die Niederdruck-Fluidleitung, weitergefördert werden. Würde der zweite Teilstrom auf ein Druckniveau entspannt werden, das unter dem der Einlassseite der Niederdruck-Fördereinrichtung liegt, so könnte die Wiedereinspeisung nur durch die Verwendung zusätzlicher Fördereinrichtungen erfolgen. Durch die oben beschriebene Rückführung des zweiten Teilstroms bleibt dessen uneingeschränkte Nutzbarkeit im Rahmen des Förderprozesses folglich erhalten und es entfällt die Notwendigkeit eine gesonderte Verwendung für diesen Teilstrom zu finden.
  • Wird die Erfindung auf ein gasförmiges Fluid angewendet, so ergibt sich bei der Expansion des zweiten Fluidteilstroms in der Antriebeinheit der Hochdruck-Fördereinrichtung eine Abkühlung, die bei der späteren Einspeisung dieses Fluidteilstroms stromauf der Niederdruck-Fördereinrichtung eine unzulässige Erwärmung des Systems verhindert.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der erste Teilstrom, genau wie der zweite Teilstrom, stromab der Niederdruck-Fördereinrichtung aus der Niederdruck-Fluidleitung entnommen. Der Vorteil dieser Weiterbildung liegt darin, dass das Fluid mit einem günstigen energetischen Wirkungsgrad in der Niederdruck-Fördereinrichtung bereits auf ein höheres Druckniveau vorverdichtet worden ist. Hierdurch kann entweder ein insgesamt höheres Druckniveau auf der Ausgangsseite der Hochdruck-Fördereinrichtung erreicht werden, oder es kann bei gleicher Druckhöhe die Förderung unter einem insgesamt geringeren Energieeinsatz erfolgen, da ein Teil der Förderhöhe unter einem günstigeren energetischen Wirkungsgrad erbracht worden ist als dies bei einer Förderung der Fall wäre, die ausschließlich in der Hochdruck-Fördereinrichtung stattfinden würde.
  • Vorteilhafterweise werden der erste und der zweite Teilstrom über eine gemeinsame Leitung stromab der Niederdruck-Fördereinrichtung aus der Niederdruck-Fluidleitung entnommen. Die gemeinsame Leitung teilt sich erst unmittelbar vor der Hochdruck-Fördereinrichtung in den ersten und zweiten Teilstrom auf. Hierdurch kann auf eine parallele Leitungsführung bis kurz vor die Hochdruck-Fördereinrichtung verzichtet werden, wodurch sich eine vereinfachte Anordnung ergibt.
  • Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Hochdruck-Fördereinrichtung als Turbo-Expander ausgebildet. Der Turbo-Expander liegt in den Anschaffungs- und Unterhaltskosten deutlich unter denen anderer Antriebs- und Verdichter-Kombinationen mit vergleichbarer Funktion.
  • Vorzugsweise ist die Niederdruck-Fluidleitung eine Erdgas-Fernleitung. Hierbei entsteht oftmals die Notwendigkeit, einen Teilstrom abzuzweigen und unter einem höheren Druck an eine Verbraucherstelle weiterzuleiten. Dabei sind in der Regel große Massenströme zu fördern, bei denen sich Energieeinsparungen von wenigen Prozenten bereits deutlich auf die Wirtschaftlichkeit einer Anlage auswirken.
  • Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 ein schematisches Schaltbild eines ersten Ausbildungsbeispiels;
  • 2 ein schematisches Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels;
  • 3 ein schematisches Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels;
  • 1 zeigt eine Niederdruck-Fluidleitung 1, die ein Niederdruck-Fluid führt, im vorliegenden Fall Erdgas.
  • Aus der Niederdruck-Fluidleitung 1 wird über eine erste Leitung 2 ein erster Teilstrom entnommen, der einlassseitig einer Fördereinheit 3 einer Hochdruck-Fördereinrichtung 4 zugeführt wird. Die Fördereinheit 3 wird über eine Antriebswelle 5 angetrieben und liefert auslassseitig ein Hochdruckfluid 6. Die Antriebswelle 5 wird ihrerseits von einer Antriebseinheit 7 der Hochdruck-Fördereinrichtung 4 angetrieben, der einlassseitig über eine zweite Leitung 8 ein ebenfalls aus der Niederdruck-Fluidleitung 1 stammender zweiter Teilstrom zugeleitet wird.
  • In die Niederdruck-Fluidleitung 1 ist eine Niederdruck-Fördereinrichtung 9 eingebaut. Diese ist unmittelbar vor der Entnahmestelle des zweiten Teilstroms angeordnet. Zudem wird der zweite Teilstrom nach dem Durchströmen der Antriebseinheit 7 und der damit verbundenen Verrichtung von Arbeit auf einem energetisch niedrigeren Niveau stromauf der Niederdruck-Fördereinrichtung 9 wieder in die Niederdruck-Fluidleitung 1 eingespeist. Hierdurch entfällt die Notwendigkeit, den zweiten Teilstrom einem Verbraucher oder einer sonstigen Verwendung zuzuführen. Dieser Teilstrom kann vielmehr bis auf einen Druck entspannt werden, der geringfügig über dem Druck liegt, der stromauf der Niederdruck-Fördereinrichtung 9 in der Niederdruck-Fluidleitung 1 herrscht. Der geringfügige Druckunterschied reicht dann aus, um den zweiten Teilstrom wieder in die Niederdruck-Fluidleitung 1 einzuspeisen. Zudem kann die aus der Niederdruck-Fördereinrichtung 9 entnehmbare Überschussleistung, die als Druckgefälle zwischen der stromauf und der stromab gelegenen Seite der Niederdruck-Fördereinrichtung 9 zur Verfügung steht, durch die vorliegende Anordnung direkt genutzt werden.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 werden sowohl der erste als auch der zweite Teilstrom stromab der Niederdruck-Fördereinrichtung 9 entnommen und den jeweiligen Einlassseiten der Fördereinheit 3 und der Antriebseinheit 7 der Hochdruck-Fördereinrichtung 4 über die Leitung 2 bzw. 8 zugeführt. Gegenüber dem vorherigen Ausführungsbeispiel besitzt diese Anordnung den Vorteil, dass der zu fördernde erste Teilstrom bereits durch die Niederdruck-Fördereinrichtung 9 vorverdichtet ist, wodurch entweder ein absolut höheres Druckniveau des Hochdruck-Fluids 6 erreicht werden kann oder bei gleichem Druck weniger Leistung für die Hochdruck-Fördereinrichtung benötigt wird.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 werden gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach 2 der ersten Teilstrom und der zweite Teilstrom stromab der Niederdruck-Fördereinrichtung 9 mittels einer gemeinsamen Leitung 10 aus der Hochdruck-Fluidleitung 1 entnommen. Diese Leitung 10 wird erst kurz vor der Hochdruck-Fördereinrichtung 4 auf die jeweiligen Einlassseiten verzweigt. Mit dieser Ausführungsform kann der anlagentechnische Aufwand durch die späte Trennung der Leitungen 2 und 8 weiter vereinfacht werden.
  • Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Weiterbildungen möglich. Die Art der Hochdruck-Fördereinrichtung kann variiert werden. So ist neben Turbo-Expandern auch der Einsatz von Kol benmaschinen möglich. Des Weiteren können mehrere Förder- bzw. Antriebsstufen in Reihe oder parallel geschaltet werden, um entsprechende Antriebs- bzw. Förderleistungen zu erzielen. Insbesondere bei Turbomaschinen sind ein- und mehrstufige Bauweisen möglich. Weiterhin ist es denkbar, innerhalb der vorliegenden Anordnung, und hierbei insbesondere auslassseitig der Antriebseinheit der Hochdruck-Fördereinrichtung, eine Kondensator-Einrichtung anzuordnen, die bei einer Taupunktunterschreitung des Fluids bestimmte Bestandteile abscheidet. Auf diese Weise kann eine Teilreinigung des Fluids erreicht werden. Ebenso sind Steuereinrichtungen einsetzbar, die die von der Niederdruck-Fördereinrichtung produzierte Leistung und die von der Hochdruck-Fördereinrichtung verbrauchte Leistung in Abhängigkeit vom insgesamt benötigten Leistungsbedarf aufeinander abstimmen.
    • 1
    Niederdruck-Fluidleitung
    2
    Erste Leitung
    3
    Hochdruck-Fördereinheit
    4
    Hochdruck-Fördereinrichtung
    5
    Antriebswelle
    6
    Hochdruckfluid
    7
    Hochdruck-Antriebseinheit
    8
    Zweite Leitung
    9
    Niederdruck-Fördereinrichtung
    10
    Gemeinsame Leitung

Claims (8)

  1. Verfahren zum Erzeugen eines Hochdruckfluids (6), wobei ein erster Fluidteilstrom (2), der aus einer Niederdruck Fluidleitung (1) stammt, in einer Fördereinrichtung (3) in das Hochdruckfluid (6) umgewandelt wird, und wobei ein zweiter Fluidteilstrom (8) stromab einer Niederdruck-Fördereinrichtung (9), die in der Niederdruck-Fluidleitung (1) arbeitet aus letzterer entnommen, zum Antrieb der Hochdruck-Fördereinrichtung (4) genutzt und sodann stromauf der Niederdruck-Fördereinrichtung (9) in die Niederdruck-Fluidleitung (1) eingespeist wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Fluidteilstrom (2) stromab der Niederdruck-Fördereinrichtung (9) aus der Niederdruck-Fluidleitung (1) entnommen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Fluidteilstrom (2) aus dem zweiten Fluidteilstrom (10) abgezweigt wird.
  4. Anordnung zum Erzeugen eines Hochdruckfluids (6), mit einer Niederdruck-Fluidleitung (1), in der eine Niederdruck-Fördereinrichtung (9) arbeitet, und mit einer Hochdruck-Fördereinrichtung (4), die eine Antriebseinheit (7) und eine von dieser angetriebene Fördereinheit (3) aufweist, wobei die Antriebseinheit (7) einlassseitig stromab der Niederdruck-Fördereinrichtung (9) und auslassseitig stromauf der Niederdruck-Fördereinrichtung (9) an die Niederdruck-Fluidleitung (1) angeschlossen ist, während die Fördereinheit (3) einlassseitig ebenfalls an die Niederdruck-Fluidleitung (1) angeschlossen ist und auslassseitig das Hochdruckfluid (6) liefert.
  5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinheit (3) der Hochdruck-Fördereinrichtung (4) einlassseitig stromab der Niederdruck-Fördereinrichtung (9) an die Niederdruck-Fluidleitung (1) angeschlossen ist.
  6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (7) und die Fördereinheit (3) der Hochdruck-Fördereinrichtung (4) über eine gemeinsame Leitung (10) an die Niederdruck-Fluidleitung (1) angeschlossen sind.
  7. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruck-Fördereinrichtung (4) als Turbo-Expander ausgeführt ist.
  8. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruck-Fluidleitung (1) eine Erdgas-Ferntransportleitung ist.
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