DE102004054674A1 - 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 drei Kältemittelgemischkreisläufen bestehende Kältemittelgemischkreislaufkaskade erfolgt, wobei der erste der drei Kältemittelgemischkreisläufe der Vorkühlung, der zweite Kältemittelgemischkreislauf der Verflüssigung und der dritte Kältemittelgemischkreislauf der Unterkühlung des verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dient, beschrieben. DOLLAR A Erfindungsgemäß erfolgt die Verdichtung des Kältemittelgemisches (2c) des dritten Kältemittelgemischkreislaufes mittels zweier im Wesentlichen leistungsgleicher Verdichter (V2, V2') und die Verdichtung des Kältemittelgemisches (3c, 3e, 4c, 4e) des ersten und des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes jeweils mittels eines zu den Verdichtern (V2, V2') des dritten Kältemittelgemischkreislaufes im Wesentlichen leistungsgleichen Verdichters (V4, V3). DOLLAR A Hierbei werden die Verdichter (V4, V3) des ersten und zweiten Kältemittelgemischkreislaufes und die Verdichter (V2, V2') des dritten Kältemittelgemischkreislaufes vorzugsweise mittels zweier im Wesentlichen identischer und/oder leistungsgleicher Antriebe angetrieben.

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 drei Kältemittelgemischkreisläufen bestehende Kältemittelgemischkreislaufkaskade erfolgt, wobei der erste der drei Kältemittelgemischkreisläufe der Vorkühlung, der zweite Kältemittelgemischkreislauf der Verflüssigung und der dritte Kältemittelgemischkreislauf der Unterkühlung des verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dient.
  • Nachfolgend sei unter dem Begriff "erster Kältemittelgemischkreislauf" immer auch ein Kohlendioxid-Kältemittelkreislauf zu verstehen.
  • Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 197 16 415 bekannt. Mit der Zitierung der deutschen Offenlegungsschrift 197 16 415 sei deren Offenbarungsgehalt in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung aufgenommen.
  • Erdgasverflüssigungsanlagen werden entweder als so genannte LNG-Baseload-Plants – also Anlagen zur Verflüssigung von Erdgas zur Versorgung mit Erdgas als Primärenergie – oder als so genannte Peak-Shaving-Plants – also Anlagen zur Verflüssigung von Erdgas zur Deckung des Spitzenbedarfs – ausgelegt.
  • LNG-Baseload-Plants werden im Regelfall mit Kältekreisläufen betrieben, die aus Kohlenwasserstoffgemischen bestehen. Diese Gemischkreisläufe sind energetisch effizienter als Expander-Kreisläufe und ermöglichen bei den großen Verflüssigungsleistungen der Baseload-Plants entsprechend relativ niedrige Energieverbräuche.
  • Bei gattungsgemäßen Verflüssigungsverfahren dient grundsätzlich der erste Gemischkreislauf der Vorkühlung, der zweite Gemischkreislauf der Verflüssigung und der dritte Gemischkreislauf der Unterkühlung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes bzw. Erdgases.
  • Zwischen der Vorkühlung und der Verflüssigung findet – sofern erforderlich – die Abtrennung von höhersiedenden Kohlenwasserstoffen statt. Das sind mindestens diejenigen Komponenten des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes bzw. Erdgases, die bei der nachfolgenden Abkühlung 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.
  • Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 103 44 030 ist ebenfalls ein gattungsgemäßes Verflüssigungsverfahren bekannt; bei diesem wird zumindest ein Teilstrom des Kältemittelgemisches des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes für die Vorkühlung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes verwendet. Das in der deutschen Patentanmeldung 103 44 030 beschriebene Verflüssigungsverfahren ermöglicht eine wirtschaftlichere Ausnutzung der verfügbaren Verdichter und Antriebe, da die (Kreislauf)Verdichter der drei Gemischkreisläufe in etwa die gleiche Antriebsleistung, also jeweils ca. 33,33 % der Gesamtantriebsleistung, erhalten. Somit können insbesondere große Verflüssigungsanlagen mit einer Verflüssigungsleistung größer 5 Millionen Tonnen LNG pro Jahr wirtschaftlicher betrieben werden, da durch eine Vereinheitlichung der Antriebe und Verdichter der drei Kältekreisläufe die mit erprobten Antrieben bzw. Verdichtern erreichbare Verflüssigungsleistung des Verflüssigungsprozesses maximiert werden kann.
  • Grundsätzlich gilt, dass Verdichterantriebe und hierbei insbesondere Gasturbinen nur in diskreten Stufen verfügbar sind. Für eine beabsichtigte Anlagengröße bzw. Verflüssigungsleistung ist daher die Verwendung von drei im Wesentlichen identischen bzw. identischen Antrieben oftmals nicht passend.
  • Insbesondere bei kühlen Umgebungsbedingungen – gemeint sind Bedingungen, bei denen die Luft bzw. das Kühlwasser unter einer Temperatur von weniger als 15 bis 20 °C vorliegen – reduziert sich der Anteil des für die Vorkühlung erforderlichen Energiebedarfs soweit, dass eine wie in der vorgenannten deutschen Patentanmeldung 103 44 030 beschriebene Verfahrensführung als nicht mehr optimal angesehen werden kann.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben, das auch unter den vorgenannten Bedingungen eine im Hinblick auf den erforderlichen Energiebedarf optimierte Verfahrensführung ermöglicht.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, dass die Verdichtung des Kältemittelgemisches des dritten Kältemittelgemisch kreislaufes mittels zweier im Wesentlichen leistungsgleicher Verdichter und die Verdichtung des Kältemittelgemisches des ersten und des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes jeweils mittels eines zu den Verdichtern des dritten Kältemittelgemischkreislaufes im Wesentlichen leistungsgleichen Verdichters erfolgt.
  • Mittels der erfindungsgemäßen Verfahrensweise wird nunmehr erreicht, dass die Verdichter- und damit Antriebesleistungen dergestalt aufgeteilt sind, dass weniger Kälteleistung für die Vorkühlung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen bzw. Erdgas-Stromes zur Verfügung steht. Die erforderliche Gesamtantriebsleistung der drei Kältemittelgemischkreisläufe kann nunmehr auf vier Verdichterantriebe verteilt werden.
  • Die erfindungsgemäße Verfahrensführung ist insbesondere für einsträngige Verflüssigungsanlagen großer Kapazität von Vorteil.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes weiterbildend wird vorgeschlagen, dass die Verdichter des ersten und zweiten Kältemittelgemischkreislaufes und die Verdichter des dritten Kältemittelgemischkreislaufes mittels zweier im Wesentlichen identischer und/oder leistungsgleicher Antriebe angetrieben werden.
  • Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens macht insbesondere dann Sinn, wenn Verdichterantriebe zur Verfügung stehen, die 50 % der erforderlichen Gesamtleistung abgeben können. In diesem Fall lässt sich ein Zusammenfassen der Verdichter des Vorkühl- sowie Verflüssigungskreislaufes und der Verdichter des Unterkühlungskreislaufes zu zwei Antriebssträngen gleicher bzw. im Wesentlichen gleicher Leistung realisieren.
  • Unter den verwendeten Begriffsfolgen "im Wesentlichen leistungsgleiche Verdichter" bzw. "im Wesentlichen identische und/oder leistungsgleiche Antriebe" seien Verdichter bzw. Antriebe zu verstehen, deren Leistungen sich um nicht mehr als +/– 2 % voneinander unterscheiden.
    •
  • 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.
  • Bei der anhand der Figur beschriebenen Verfahrensweise erfolgt die Abkühlung und Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, der über Leitung 1 dem Wärmetauscher E1 zugeführt wird, gegen eine Kältemittelgemischkreislaufkaskade, bestehend aus drei Kältemittelgemischkreisläufen. Diese weisen im Regelfall unterschiedliche Zusammensetzungen auf, wie sie bspw. in der vorerwähnten deutschen Offenlegungsschrift 197 16 415 beschrieben sind.
  • Der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom wird im Wärmetauscher E1 gegen die beiden verdampfenden Kältemittelgemischteilströme 4b und 4d des ersten Gemischkreislaufes 4a bis 4e und den verdampfenden Kältemittelteilstrom 3d des zweiten Gemischkreislaufes 3a bis 3e abgekühlt und anschließend über Leitung 1a einer lediglich als Black-Box dargestellten Trenneinheit S zugeführt.
  • Sofern alternativ zu dem ersten Kältemittelgemischkreislauf ein (Kohlendioxid)- Kältemittelkreislauf zur Anwendung kommt, entfällt der über die Leitungen 4d und 4e abgezogene Teilstrom. Des Weiteren weist der Verdichter V4 in diesem Falle keine Seiteneinspeisung – wie sie in der Figur dargestellt ist – auf.
  • In der Trenneinheit S erfolgt die vorbeschriebene C3+-Abtrennung, wobei die aus dem zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom abgetrennten Komponenten über die Leitung 1b aus der Trenneinheit S abgezogen werden.
  • Zumindest ein Teilstrom eines der beiden Teilströme 3b und 3d des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes 3a bis 3e, auf den im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, wird im Regelfall für die Kältebereitstellung in der Abtrenneinheit S verwendet werden. Hierbei wird die Wahl, von welchem der beiden Teilströme 3b und/oder 3d wiederum zumindest ein Teilstrom für diese Kältebereitstellung herangezogen wird, von dem in der Abtrenneinheit S erforderlichen Temperaturniveaus) bestimmt werden.
  • Der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom wird sodann über Leitung 1c einem zweiten Wärmetauscher E2 zugeführt und in diesem gegen den verdampfenden Kältemittelgemischteilstrom 3b des zweiten Kältekreislaufes 3a bis 3b verflüssigt.
  • Nach erfolgter Verflüssigung wird der Kohlenwasserstoff-reiche Strom über Leitung 1d einem dritten Wärmetauscher E3 zugeführt und in diesem gegen den Kältemittelgemischstrom 2b des dritten Kältekreislaufes 2a bis 2c unterkühlt. Das unterkühlte Flüssigprodukt wird anschließend über Leitung 1e seiner weiteren Verwendung und/oder (Zwischen) Speicherung zugeführt.
  • Im Unterschied zu dem in der vorgenannten deutschen Patentanmeldung 103 44 030 beschriebenen Verfahren weist der Unterkühlungs-Kältekreislauf 2a bis 2c nunmehr erfindungsgemäß zwei hintereinander geschaltete Verdichter V2 und V2' auf. Der Vorkühlungs- sowie der Verflüssigungs-Kältekreislauf weisen lediglich jeweils einen Verdichter V4 bzw. V3 auf. Die verwendeten Verdichter V2, V2', V3 und V4 sind darüber hinaus erfindungsgemäß bezüglich ihrer Leistung identisch bzw. im Wesentlichen identisch ausgebildet. Dies hat zur Folge, dass der Leistungsbedarf jedes Verdichters V2, V2', V3 und V4 durch einen identischen bzw. im Wesentlichen identischen Antrieb A2, A2', A3 und A4 bereitgestellt werden kann.
  • Eine entsprechende Anpassung des Leistungsbedarfes des Vorkühlungs- sowie des Verflüssigungs-Kältekreislaufes an den Leistungsbedarf der beiden Verdichter V2 und V2' des Verflüssigungs-Kältekreislaufes ist erforderlich. Somit muss jeder Verdichter V2, V2', V3 und V4 bzw. Verdichterantrieb A2, A2', A3 und A4 25 %, zumindest zwischen 23 und 27 % der Gesamtleistung bereitstellen.
  • Als Antriebe A2, A2', A3 und A4 für die Verdichter V2, V2', V3 und V4 kommen vorzugsweise Gas-, Dampfturbinen und/oder Elektromotoren zur Anwendung.
  • In der Figur nicht dargestellt sind die den Verdichtern V2, V2', V3 und V4 nachgeschalteten Kühler bzw. Wärmetauscher, in denen das Kältemittelgemisch gegen ein Kühlmedium – bspw. Wasser – abgekühlt und im Falle des ersten Kältemittel(gemisch)kreislaufes 4a bis 4e kondensiert wird.
  • Das im Verdichter V4 verdichtete Kältemittelgemisch des ersten Gemischkreislaufes wird über die Leitung 4a dem Wärmetauscher E1 zugeführt und in diesem nach erfolgter Abkühlung in zwei Teilströme 4b und 4d aufgeteilt. Das Kältemittelgemisch in diesen Teilströmen 4b und 4d wird nach erfolgter Entspannung in den Ventilen d und e bzw. Entspannungsvorrichtungen auf unterschiedlichen Druckniveaus im Wärmetauscher E1 verdampft und anschließend über die Leitung 4c bzw. 4e dem Verdichter V4 vor der ersten Stufe (Teilstrom 4c) bzw. auf einem Zwischendruckniveau (Teilstrom 4e) zugeführt.
  • Das im Verdichter V3 verdichtete Kältemittelgemisch des zweiten Kältekreislaufes 3a bis 3e wird über Leitung 3a durch die Wärmetauscher E1 und E2 geführt und in diesen abgekühlt. Derjenige Teilstrom 3b dieses Kältemittelgemischstromes, der durch den Wärmetauscher E2 geführt wird, wird nach erfolgter Entspannung im Ventil b im Wärmetauscher E2 gegen abzukühlende Verfahrensströme verdampft und anschließend über Leitung 3c der Eingangsstufe des Verdichters V3 zugeführt.
  • Ein Teilstrom 3d des Kältemittelgemisches des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes 3a bis 3e wird nach dem Wärmetauscher E1 abgezogen, im Ventil c entspannt und anschließend im Wärmetauscher E1 gegen abzukühlende Verfahrensströme verdampft, bevor dieser Kältemittelgemischteilstrom über Leitung 3e auf einem Zwischendruckniveau dem Kreislaufverdichter V3 zugeführt wird. Somit trägt der erwähnte Kältemittelgemischteilstrom 3d zu der Vorkühlung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes im Wärmetauscher E1 bei.
  • Damit dies erreicht werden kann, muss der für die Vorkühlung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes verwendete Teilstrom 3d des Kältemittelgemisches des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes 3a bis 3e auf einem Druck, der höher ist als der Verdampfungsdruck des Kältemittelgemischteilstromes 3b des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes 3a bis 3e, verdampft werden.
  • Durch die Wahl des Zwischendruckes, auf dem der Kältemittelgemischteilstrom 3e verdampft und dem Verdichter V3 zugeführt wird, und durch die Regelung der Mengenverteilung der beiden Kältemittelgemischteilströme 3b und 3d kann die Aufteilung der Kälteleistung des zweiten Gemischkreislaufes auf die Wärmetauscher E1 und E2 und damit auf die Vorkühlung und Verflüssigung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes nahezu beliebig eingestellt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes weiterbildend wird vorgeschlagen, dass die Verdichter V4 und V3 des ersten und zweiten Kältemittelgemischkreislaufes und die Verdichter V2 und V2' des dritten Kältemittelgemischkreislaufes mittels zweier im Wesentlichen identischer bzw. leistungsgleicher Antriebe angetrieben werden.
  • Diese in der Figur nicht dargestellte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Gesamtleistung der Verdichter V2, V2', V3 und V4 durch zwei hinreichend leistungsstarke Antriebe bereitgestellt werden kann. Die Anlagenverfügbarkeit ist in der Regel höher, wenn die zum Betrieb erforderliche Anzahl von Antrieben minimiert wird, was der Fall ist, wenn statt vier nur zwei Antriebe verwendet werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, ermöglicht somit eine noch wirtschaftlichere Ausnutzung der verfügbaren Verdichter und Antriebe als dies bei den bekannten Verflüssigungsprozessen möglich ist. Insbesondere große, einsträngige Verflüssigungsanlagen mit einer Verflüssigungsleistung größer 5 Millionen Tonnen LNG pro Jahr profitieren von der erfindungsgemäßen Verfahrensweise.

Claims (3)

  1. Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, wobei die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes gegen eine aus drei Kältemittelgemischkreisläufen bestehende Kältemittelgemischkreislaufkaskade erfolgt, wobei der erste der drei Kältemittelgemischkreisläufe der Vorkühlung, der zweite Kältemittelgemischkreislauf der Verflüssigung und der dritte Kältemittelgemischkreislauf der Unterkühlung des verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dient, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung des Kältemittelgemisches (2c) des dritten Kältemittelgemischkreislaufes mittels zweier im Wesentlichen leistungsgleicher Verdichter (V2, V2') und die Verdichtung des Kältemittelgemisches (3c, 3e, 4c, 4e) des ersten und des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes jeweils mittels eines zu den Verdichtern (V2, V2') des dritten Kältemittelgemischkreislaufes im Wesentlichen leistungsgleichen Verdichters (V4, V3) erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichter (V4, V3) des ersten und zweiten Kältemittelgemischkreislaufes und die Verdichter (V2, V2') des dritten Kältemittelgemischkreislaufes mittels zweier im Wesentlichen identischer und/oder leistungsgleicher Antriebe angetrieben werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Antriebe (A2, A2', A3, A4) für die Verdichter (V2, V2', V4, V3) Gas-, Dampfturbinen und/oder Elektromotoren zur Anwendung kommen.
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