DE102004011483A1 - Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, wobei die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes gegen eine aus zwei Kältemittelgemischkreisläufen bestehende Kältemittelgemischkreislaufkaskade erfolgt, wobei der erste Kältemittelgemischkreislauf der Vorkühlung und der zweite Kältemittelgemischkreislauf der Verflüssigung und Unterkühlung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dient und wobei jeder Kältemittelgemischkreislauf wenigstens einen ein- oder mehrstufigen, von wenigstens einer Gasturbine angetriebenen Verdichter aufweist, wobei den Gasturbinen Starter, die während des normalen Betriebes zur Unterstützung der Gasturbinen verwendet werden, zugeordnet sind, beschrieben. DOLLAR A Erfindungsgemäß weist der zweite Kältemittelgemischkreislauf einen kaltansaugenden Verdichter (V2) mit einem Druckverhältnis von wenigstens 10 auf und der erste Kältemittelgemischkreislauf wird zumindest teilweise für die Zwischenkühlung (E1) wenigstens eines Teilstromes des teilverdichteten Kältemittelgemischstromes (36, 39) des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes herangezogen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, wobei die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes gegen eine aus zwei Kältemittelgemischkreisläufen bestehende Kältemittelgemischkreislaufkaskade erfolgt, wobei der erste Kältemittelgemischkreislauf der Vorkühlung und der zweite Kältemittelgemischkreislauf der Verflüssigung und Unterkühlung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dient, und wobei jeder Kältemittelgemischkreislauf wenigstens einen ein- oder mehrstufigen, von wenigstens einer Gasturbine angetriebenen Verdichter aufweist, wobei den Gasturbinen Starter, die während des normalen Betriebes zur Unterstützung der Gasturbinen verwendet werden können, zugeordnet sind.
  • Unter dem Begriff "Vorkühlung" sei nachfolgend die Abkühlung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes bis zu einer Temperatur, bei der die Abtrennung schwerer bzw. höhersiedender Kohlenwasserstoffe erfolgt, zu verstehen. Die sich daran anschließende, weitere Abkühlung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoffreichen Stromes fällt nachfolgend unter den Begriff "Verflüssigung".
  • Gattungsgemäße Erdgasverflüssigungsverfahren – im allgemeinen als Dual-Flow-LNG-Prozess bezeichnet – sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt; beispielhaft genannt sei das US-Patent 6,105,389.
  • Sofern schwere Kohlenwasserstoffe in dem zu verflüssigenden Erdgasstrom enthalten sind, werden diese zwischen der Vorkühlung und Verflüssigung abgetrennt und als so genannte NGL(Natural Gas Liquids)-Fraktion abgezogen und ggf. einer Weiterverarbeitung zugeführt. Als schwere oder höhersiedende Kohlenwasserstoffe werden diejenigen Komponenten des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes bzw. Erdgases bezeichnet, die bei der nachfolgenden Abkühlung und Verflüssigung ausfrieren würden – also C5+-Kohlenwasserstoffe und Aromate. Oftmals werden zudem diejenigen Kohlenwasserstoffe – gemeint sind hierbei insbesondere Propan und Butan -, die den Heizwert des verflüssigten Erdgases unerwünscht erhöhen würden, vor der Verflüssigung abgetrennt.
  • Dieses Abtrennen von höhersiedenden Kohlenwasserstoffen geschieht üblicherweise dadurch, dass eine so genannte HHC(Heavy Hydrocarbon)-Kolonne bzw. Scrub-Column, die der Abtrennung der schweren Kohlenwasserstoffe sowie von Benzol aus dem zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom dient, vorgesehen wird. Eine derartige Verfahrensführung wird beispielsweise in der DE-OS 197 16 415 beschrieben.
  • Bei Dual-Flow-LNG-Anlagen werden die Kreislaufverdichter üblicherweise von Gasturbinen angetrieben. Diese wiederum werden üblicherweise von elektrischen oder dampfgetriebenen Startern in Betrieb genommen. Da derartige Starter oftmals eine nennenswerte Leistung – 20 bis 40 % der Gasturbinenleistung – aufbringen müssen, werden sie während des normalen Betriebes als so genannte Helper zur Unterstützung der Gasturbinen herangezogen. Größere Gasturbinen sind nur in diskreten Leistungsstufen bei vergleichsweise großen Leistungssprüngen auf dem Markt verfügbar. Die Leistung der Starter bzw. Helper ist in Bezug auf die Gasturbinenleistung begrenzt, um Synchronisationsprobleme zu vermeiden.
  • Aufgrund einer Vielzahl von verfahrenstechnischen Rangbedingungen, wie beispielsweise Zusammensetzung und Druck des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, Umgebungstemperatur, etc., und der Anforderungen an die ggf. vorzusehende Abtrennung schwerer Kohlenwasserstoffe ist eine optimale Leistungsaufteilung zwischen den Verdichterantrieben der beiden Kältemittelgemischkreisläufe nicht oder nur zufälligerweise zu erreichen. Typischerweise benötigt der erste bzw. Vorkühlkreislauf etwa 40 bis 55 % der Gesamtenergie. Der Leistungsbedarf des Vorkühlkreislaufes ist zudem oftmals kleiner als derjenige des zweiten bzw. Verflüssigungskreislaufes.
  • Diese Asymmetrie kann durch eine unterschiedliche Nutzung der Helper ausgeglichen werden. Beträgt beispielsweise die Leistungsverteilung zwischen dem ersten und dem zweiten Kältemittelgemischkreislauf 45 % zu 55 % und weisen beide Kältemittelgemischkreisläufe jeweils eine Gasturbine mit einer Leistung von 70 MW sowie einen Helper mit einer Leistung von 20 MW auf, so wird der Helper des ersten Kältekreislaufes nur mit 4 anstatt der möglichen 20 MW betrieben. Ein Großteil der Investition dieses Helpers bleibt somit während des normalen Verflüssigungsbetriebes ungenutzt.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßen Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes anzugeben, bei dem die installierte Leistung der Gasturbinen sowie Starter/Helper im Normalbetrieb zur Gänze ausgenutzt werden kann. Des Weiteren sollen die Investitions- und Betriebskosten der verwendeten Gasturbinen sowie Starter/Helper verringert bzw. optimiert werden, insbesondere soll die Verwendung identischer Gasturbinen sowie Starter/Helper ermöglicht werden.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, dass
    • a) der zweite Kältemittelgemischkreislauf einen kaltansaugenden Verdichter mit einem Druckverhältnis von wenigstens 10 aufweist, und
    • b) der erste Kältemittelgemischkreislauf zumindest teilweise für die Zwischenkühlung wenigstens eines Teilstromes des teilverdichteten Kältemittelgemischstromes des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes herangezogen wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sowie weitere Ausgestaltungen desselben, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, seien im Folgenden anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Wie in der Figur dargestellt, wird der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom über Leitung a einem Wärmetauscher E1 zugeführt. In diesem wird der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom soweit abgekühlt, dass die in ihm enthaltenen schweren bzw. höhersiedenden Kohlenwasserstoffe kondensieren und in der Abtrenneinheit H, der der abgekühlte Verfahrensstrom über Leitung b zugeführt wird, aus dem Kohlenwasserstoff-reichen Strom abgetrennt werden können. Die abgetrennten Kohlenwasserstoffe werden über Leitung c abgezogen und ggf. einer weiteren Verwendung zugeführt.
  • Es sei betont, dass das erfindungsgemäße Verfahren mit allen bekannten, zum Stand der Technik zählenden Abtrennmethoden für höhersiedende Kohlenwasserstoffe kombiniert werden kann.
  • Über Leitung d wird der nunmehr von höhersiedenden Kohlenwasserstoffen befreite Kohlenwasserstoff-reiche Strom einem zweiten Wärmetauscher E2 zugeführt und in diesem gegen das Kältemittelgemisch des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes verflüssigt und unterkühlt. Der verflüssigte und unterkühlte Kohlenwasserstoff-reiche Strom wird aus dem Wärmetauscher E2 über Leitung e abgezogen, optional in einer Entspannungsturbine T1 entspannt und anschließend über Ventil f und Leitung g unmittelbar einer weiteren Verwendung oder (Zwischen)Speicherung zugeführt.
  • Bei der in der Figur dargestellten Verfahrensweise wird das im Verdichter V1 verdichtete Kältemittelgemisch über Leitung 10 einem Kondensator E3 und anschließend über Leitung 11 dem Wärmetauscher E1 zugeführt und in diesem unterkühlt. Im Wärmetauscher E1 erfolgt eine Auftrennung in drei Kältemittelgemischteilströme 12,15 und 18. In den Ventilen 13, 16 und 19 werden diese auf unterschiedliche Druckniveaus entspannt und nach erneutem Durchgang und Verdampfung im Wärmetauscher E1 über die Leitungen 14, 17 und 20 dem Verdichter V1 auf unterschiedlichen Druckniveaus zugeführt.
  • Der Verdichter V1 wird von einer Gasturbine G1 angetrieben. In der Figur nicht dargestellt sind die für den Betrieb der Gastrubinen G1 und G2 erforderlichen Starter, wie sie eingangs bereits erläutert wurden.
  • Analog zu der anhand des ersten Kältemittelgemischkreislaufes beschriebenen Verfahrensweise wird das verdichtete Kältemittelgemisch des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes über Leitung 30 zunächst einem Nachkühler E4und anschließend über Leitung 31 dem Wärmetauscher E1 zugeführt und in diesem abgekühlt und kondensiert. Anschließend wird der verflüssigte Kältemittelgemischstrom über Leitung 32 dem Wärmetauscher E2 zugeführt, in diesem weiter unterkühlt, nach Durchgang durch den Wärmetauscher E2 in der optionalen Entspannungsturbine T2 entspannt sowie anschließend über Leitung 33 einem Entspannungsventil 34 zugeführt und in diesem entspannt. Anschließend wird der zweite Kältemittelgemischteilstrom nach Verdampfung im Wärmetauscher E2 über Leitung 35 der Eingangsstufe des Kreislaufverdichters V2 zugeführt.
  • Der Wärmetauscher E2 kann als ein gewickelter Wärmetauscher oder ein Plattenaustauscher ausgebildet sein. Erfolgt die Verflüssigung und Unterkühlung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes in einem Plattenaustauscher, kann – entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens – das Kältemittelgemisch 28 des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes steigend oder fallend verdampft werden.
  • Der vorerwähnte Kreislaufverdichter V2, bei dem es sich erfindungsgemäß um einen kaltansaugenden Verdichter, der ein Druckverhältnis von wenigstens 10 aufweist, handelt, wird ebenfalls von einer Gasturbine G2, der ein in der Figur nicht dargestellter Starter/Helper zugeordnet ist, angetrieben.
  • Erfindungsgemäß wird nunmehr ein teilverdichteter Kältemittelgemischstrom über Leitung 36 aus einer Zwischenstufe des Kreislaufverdichters V2 abgezogen, einer Nachkühlung E5 unterworfen und anschließend zumindest teilweise über Leitung 39 dem Wärmetauscher E1 zugeführt und in diesem gegen den ersten Kältekreislauf zwischengekühlt. Der zwischengekühlte, teilverdichtete Kältemittelgemischstrom wird anschließend über Leitung 40 wieder einer geeigneten Zwischendruckstufe des Verdichters V2 zugeführt und auf den gewünschten Enddruck verdichtet.
  • Das Heranziehen des ersten Kältekreislaufes für die Zwischenkühlung des zweiten Kältekreislaufes entlastet Letzteren auf Kosten des ersten Kältekreislaufes, da die Verdichterleistung des Verdichters V2 in seinem Hochdruckteil proportional zu der nunmehr erniedrigten Ansaugtemperatur des zwischengekühlten Kältemittelstromes in Leitung 40 fällt. Erfindungsgemäß lässt sich nunmehr eine Verschiebung der Verdichterleistungen bis hin zur Leistungsgleichheit zwischen den beiden Verdichtern V1 und V2 sowie deren zugeordneten Startern/Helpern realisieren.
  • Die optimale Wahl der vorbeschriebenen Zwischenkühlung wird von dem Taupunkt des für den zweiten Kältekreislauf gewählten Kältemittelgemisches bei dem gewählten Zwischendruck, bei dem der Abzug des Kältemittelgemisches erfolgt, bestimmt. Idealerweise wird das gesamte Kältemittelgemisch des zweiten Kältekreislaufs mittels des ersten Kältekreislaufes soweit abgekühlt bis eine Leistungsgleichheit beider Kreislaufantriebe V1 und V2 erreicht ist.
  • Dadurch, dass nunmehr der erste Kältemittelgemischkreislauf zur Zwischenkühlung des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes genutzt wird, kann die installierte Leistung von identischen Gasturbinen und Startern/Helpern zur Gänze genutzt werden.
  • In Anbetracht der bereits erwähnten Begrenzung der Starter- bzw. Helpleistung in Bezug auf die Gasturbinenleistung ist es offensichtlich, dass die nunmehr erreichte volle Ausnutzung beider Helper zu einer Maximierung der Anlagenkapazität führt. Dies sei an dem nachfolgenden Beispiel erläutert.
  • Wird aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens nunmehr eine Leistungsverteilung zwischen dem ersten und dem zweiten Kältemittelgemischkreislauf von 50 % zu 50 % erreicht, so können – identische Gasturbinen und Starter/Helper für beide Kältekreisläufe vorausgesetzt – diese bzw. deren Investitionen zur Gänze genutzt werden. Zurückkommend auf das oben angeführte Beispiel kann nunmehr auch der Starter/Helper des zweiten Kältekreislaufes mit einer Leistung von 20 MW betrieben werden. Gegenüber dem eingangs erwähnten Ausgangszustand erhöht sich die nutzbare installierte Leistung durch das erfindungsgemäße Verfahren von 164 MW auf 180 MW. Bei einem gegebenen Antriebskonzept kann die Anlagenleistung damit um ca. 10 % gesteigert werden.
  • Wie bereits erläutert, erfolgt die Vorkühlung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoffreichen Stromes auf drei unterschiedlichen Temperaturniveaus (Kältemittelgemischströme 12/14, 15/17 und 18/20). Die ideale Ansaugtemperatur des Hochdruckteils des Verdichters V2 wird durch diese Diskretisierung der Temperaturniveaus der Vorkühlung jedoch höchstens zufällig getroffen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weiterbildend wird daher vorgeschlagen, dass die Temperatur der Zwischenkühlung E1 wenigstens eines Teilstromes des teilverdichteten Kältemittelgemischstromes 36, 39 des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes dadurch beeinflusst wird, dass der zwischengekühlte Teilstrom auf unterschiedlichen Temperaturniveaus aus der Zwischenkühlung E1 abgezogen – in der Figur dargestellt durch die punktiert gezeichneten Leitung 21 – und/oder der nicht der Zwischenkühlung E1 zugeführte Teilstrom des teilverdichteten Kältemittelgemischstromes 37, der im Ventil 38 auf den Eingangsdruck entspannt wird – der bzw. den nachfolgenden Verdichterstufen zugeführt wird. Mittels dieser Verfahrensweise kann nunmehr die gewünschte Saugtemperatur des Hochdruckteils des Verdichters V2 eingestellt werden.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, wobei die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes gegen eine aus zwei Kältemittelgemischkreisläufen bestehende Kältemittelgemischkreislaufkaskade erfolgt, wobei der erste Kältemittelgemischkreislauf der Vorkühlung und der zweite Kältemittelgemischkreislauf der Verflüssigung und Unterkühlung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dient, und wobei jeder Kältemittelgemischkreislauf wenigstens einen ein- oder mehrstufigen, von wenigstens einer Gasturbine angetriebenen Verdichter aufweist, wobei den Gasturbinen Starter, die während des normalen Betriebes zur Unterstützung der Gasturbinen verwendet werden, zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass a) der zweite Kältemittelgemischkreislauf einen kaltansaugenden Verdichter (V2) mit einem Druckverhältnis von wenigstens 10 aufweist, und b) der erste Kältemittelgemischkreislauf zumindest teilweise für die Zwischenkühlung (E1) wenigstens eines Teilstromes des teilverdichteten Kältemittelgemischstromes (36, 39) des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes herangezogen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Zwischenkühlung (E1) wenigstens eines Teilstromes des teilverdichteten Kältemittelgemischstromes (36, 39) des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes dadurch beeinflusst wird, dass der zwischengekühlte Teilstrom auf unterschiedlichen Temperaturniveaus aus der Zwischenkühlung (E1) abgezogen und/oder der nicht der Zwischenkühlung (E1) zugeführte Teilstrom des teilverdichteten Kältemittelgemischstromes (37) der bzw. den nachfolgenden Verdichterstufen zugeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verflüssigung und Unterkühlung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoffreichen Stromes in einem gewickelten Wärmetauscher (E2) oder in einem Plattenaustauscher (E2) erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Verflüssigung und Unterkühlung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes in einem Plattenaustauscher (E2) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittelgemisch (28) des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes steigend oder fallend verdampft.
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