DE102007046268A1 - Verfahren und Einrichtung zur Befüllung und Entleerung von Kavernen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Befüllung und Entleerung von Kavernenspeichern, insbesondere zur Restbefüllung von Gaskavernen. Eine volle Ausnutzung des verfügbaren Speichervolumens war bisher bei der Restbefüllung und Entleerung einer Speicherkaverne kaum oder nur auf unwirtschaftliche Weise möglich. Die Erfindung behebt diesen Mangel, indem während des Ein- und Ausspeiseprozesses die statische Druckgrenzwertüberwachung durch eine dynamische Druckgrenzwertüberwachung ergänzt und der höchstzulässige sowie niedrigstzulässige Druckgrenzwert unter Beachtung der Bergsicherheit und der Strömungsgeschwindigkeit in der Sondenleitung temporär stufenweise so erhöht bzw. reduziert werden, dass im Ruhezustand der Kaverne, d. h. bei v = 0, der am Kavernenkopf gemessene Ruhedruck den höchstzulässigen und den minimal zulässigen statischen Druckgrenzwert nicht unterschreitet. Für die dynamische Druckgrenzwertüberwachung ist am Kavernenkopf 3 ein zusätzlicher fail-safe Drucktransmitter 4 und eine fail-safe Sicherheitssteuerung 9 vorgesehen, die die permanent erfassten Druckwerte des Drucktransmitters 4 und den in der Kavernensteuerung 11 berechneten Kavereninnendruck pSp. verarbeitet und überwacht und die ihrerseits mit den Absperrventilen 5; 6 verbunden ist - Blockschaltbild.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein weiter verbessertes Verfahren und eine Einrichtung zur Befüllung und Entleerung von Kavernenspeichern mit fließfähigen Medien, insbesondere zur optimalen Restbefüllung von Gaskavernen.
  • Neben oberirdischen Tanks und Behältern mit einem relativ großen Fassungsvermögen werden fließfähige, gasförmige und flüssige Medien, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe oder Erdgas, für die strategische Bevorratung in Kavernen zwischengespeichert, um Störungen im Produktions-, Liefer- und Fortleitungsprozess zu überbrücken und den Bedarf an Primärenergie in Spitzenlastzeiten sicher decken zu können. Kavernen, die mit dem Speichermedium Erdgas betrieben werden, können ein Speichervolumen von mehreren Hunderttausend m3 besitzen. Diese werden vorrangig durch Solverfahren in geeigneten geologischen Steinsalzstrukturen errichtet und erfordern einen hohen Investitionsaufwand. Die bestmögliche Ausnutzung des verfügbaren Speichervolumens ist daher eine grundlegende Anforderung für den effektiven und wirtschaftlichen Betrieb von Kavernenspeichern.
  • Aus DE 196 53 725 C1 ist beispielsweise ein Verfahren und eine Einrichtung zur Überwachung und Steuerung von Ein- und Ausspeicherprozessen an unterirdischen Kavernen-Speichern auf der Grundlage des gemessenen Bohrlochkopfdruckes und der daraus abgeleiteten Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Volumenstromes des Speichermediums bekannt, wobei die Strömungsgeschwindigkeit in der Sondenleitung, der momentane Strömungszustand des Speichermediums, der Volumenstrom und das Gesamtvolumen an Speichermedium im Speicher auf der Grundlage des anhand bekannter Größen errechneten Kaverneninnendruckes, des Druckabfalls im Förderstrang und der Temperatur des Mediums in der Sondenleitung bestimmt und für die Prozessführung eingesetzt werden. Das dort vorgeschlagene Verfahren zur Steuerung und Überwachung der Ein- und Ausspeicherprozesse beinhaltet somit letztlich ein statisches System, das heißt, die Grenzwerte werden einmal entsprechend der festgelegten Sicherheits-Parameter eingestellt und bleiben dann unabhängig von der Betriebsart – Einspeisung, Ausspeisung, Ruhezustand – erhalten. Im Ereignisfall, d. h. nach Erreichen von pmax bzw. pmin, werden von den Grenzwertmanometern die entsprechenden Absperrarmaturen angesteuert und geschlossen. Zusätzlich zu diesem System ist ein manuell zu betätigendes Not-Aus installiert.
  • Auf der Grundlage des oben vorgeschlagenen Verfahrens, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit des Speichermediums in der Sondenleitung als bestimmende Ausgangsgröße für die Überwachung und Steuerung der Betriebsprozesse bestimmt und genutzt wird, besteht die Möglichkeit, die Ein- und Ausspeicherprozesse an den max. zulässigen Grenzwerten auszurichten und ohne zusätzlichen apparativen Aufwand eine bidirektionale Mengen-Messung der Ein- und Ausspeicherprozesse durchzuführen. Eine volle, wirtschaftliche Ausnutzung des verfügbaren Speichervolumens der Gaskavernen ist jedoch mit diesem Verfahren nicht möglich.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung anzugeben, auf deren Grundlage, insbesondere in der Endphase der Ein- und Ausspeicherprozesse, eine Restbefüllung bzw. Entleerung der Speicherkavernen bis zur maximalen Ausnutzung des verfügbaren Speichervolumens vorgenommen werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach den Merkmalen von Anspruch 1 und eine Einrichtung nach den Merkmalen von Anspruch 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Einrichtung ergeben sich aus Unteranspruch 3.
  • Nach der erfindungsgemäßen Lösung wird die bisher im Betrieb von Kavernenspeichern eingesetzte statische Druckgrenzwertüberwachung auf der Basis der vom Bergamt festgelegten Druckgrenzwerte pmax und pmin zusätzlich durch eine dynamische Überwachung der Druckgrenzwerte ergänzt, indem der am Kavernenkopf gemessene, höchstzulässige Druckgrenzwert pmax und der minimal zulässige Druckgrenzwert pmin unter Beachtung der Bergsicherheit in Abhängigkeit von der Betriebsart (Einspeisung bzw. Ausspeisung) und mit Hilfe des aus dem Patent DE 196 53 725 C1 berechneten Kaverneninnendruckes in einem zulässigen Bereich verändert werden.
  • Hierbei wird in der Phase der Restbefüllung der am Kavernenkopf gemessene, bisher höchstzulässige Druckgrenzwert pmax zeitweilig nur soweit geringfügig überschritten, dass nach Erreichen der maximalen Speicherkapazität der Kaverne und Abschluss des Einspeicherprozesses, d. h. wenn der Ruhezustand der Speicherkaverne eintritt und die Strömungsgeschwindigkeit v in der Sondenleitung gleich Null ist, der am Kavernenkopf anstehende Ruhedruck den vom Bergamt vorgegebenen höchstzulässigen statischen Druckgrenzwert pmax letztlich nicht überschreitet.
  • Für den Ausspeiseprozess gilt insbesondere in der Nähe des minimalen Kavernendruckes, dass der am Kavernenkopf gemessene, bisher geringstzulässige Druckgrenzwert pmin zeitweilig geringfügig nur soweit unterschritten wird, dass nach Erreichen der minimalen Speicherkapazität und dem Abschluss des Ausspeiseprozesses, d. h. wenn der Ruhezustand der Speicherkaverne eintritt und die Strömungsgeschwindigkeit v in der Sondenleitung gleich Null ist, der am Kavernenkopf anstehende Ruhedruck den vom Bergamt vorgegebenen geringstzulässigen statischen Druckgrenzwert pmin letztlich nicht unterschreitet.
  • Die erfindungsgemäße Einrichtung für die dynamische Überwachung der Druckgrenzwerte pmax und pmin besteht aus einem zusätzlichen fail-safe Drucktransmitter, mit dem der Druck am Kavernenkopf ständig gemessen und einer fail-safe Sicherheitssteuerung zugeführt wird. Diese fail-safe Steuerung dient zur Bestimmung der dynamischen Druckgrenzwerte pmax dyn sowie pmin dyn unter Nutzung des in der zentralen Kavernensteuerung ermittelten Kaverneninnendruckes des Speichermediums psp. Sie ist sowohl mit dem zusätzlichen fail-safe Drucktransmitter und der zentralen Kavernensteuerung als auch mit dem zentralen Absperrventil im Kavernenkopf schaltungsseitig verbunden.
  • Der in die fail-safe Sicherheitssteuerung eingegebene höchstzulässige dynamische Druckgrenzwert pmax,dyn. ist in Abhängigkeit vom Betriebszustand neu festzulegen, da er aufgrund der Betriebzustände während des Einspeicherprozesses zeitlich begrenzt etwas höher ist als der vom Bergamt zugelassene statische Druckgrenzwert pmax. Im Ruhezustand der Kaverne, der sich bei einer Strömungsgeschwindigkeit in der Sondenleitung von v = 0 einstellt, entspricht der eingegebene höchstzulässige dynamische Druckgrenzwert pmax,dyn jedoch dem vom Bergamt zugelassenen statischen Druckgrenzwert pmax.
  • Sinngemäß gilt das auch für den Ausspeicherprozess, insbesondere im Stadium der Restentleerung. Der in die fail-safe Sicherheitssteuerung eingegebene minimal zulässige dynamische Druckgrenzwert pmin dyn ist auch hier neu festzulegen, da er aufgrund der Betriebszustände während der Ausspeisung zeitlich begrenzt etwas niedriger ist als der vom Bergamt zugelassenen statische Druckgrenzwert pmin. Im Ruhezustand der Kaverne, der sich bei einer Strömungsgeschwindigkeit in der Sondenleitung von v = 0 einstellt, entspricht der eingegebene minimal zulässige dynamische Druckgrenzwert pmin,dyn jedoch dem vom Bergamt zugelassenen statischen Druckgrenzwert pmin.
  • Solange die Strömungsgeschwindigkeit, der berechnete Kaverneninnendruck, der gemessene Kopfdruck und der dynamische Druckgrenzwert pmax;dyn bzw. pmin;dyn mit den zulässigen, in die fail-safe Sicherheitssteuerung eingegebenen Werten übereinstimmen und der Kopfdruck den maximalen statischen Druckgrenzwert pmax nicht überschreitet bzw. den minimalen statischen Druckgrenzwert pmin unterschreitet, befindet sich das gesamte Betriebsregime während der Ein- und Ausspeicherprozesse im Normalzustand. Eine Abschaltung der Ein- und Ausspeicherprozesse erfolgt erst, wenn eine der vorgenannten Bedingungen, d. h. die vorgegebenen Grenzwerte, verletzt werden.
  • Die erfindungsgemäße Lösung besteht letztlich darin, dass der strömungsbedingte Druckverlust entlang der Sondenleitung nach Gleichung (1) berechnet und berücksichtigt wird. Δpsonde = pKopf – pSp (1)
  • Zu beachten ist, dass je nach Betriebsart Einspeisung oder Ausspeisung der Wert Δpsonde ein positives oder negatives Vorzeichen annehmen kann und dass der Kaverneninnendruck pSp auf die geodätische Höhe des Kavernenkopfes bezogen ist.
  • Der nach Gleichung (1) berechnete Differenzdruck ist eine dynamische, vom Strömungszustand abhängige Größe und wird nach Gleichung (2) und (3) zu den vom Bergamt festgelegten statischen Druckgrenzwerten für den maximalen bzw. minimalen Kavernendruck dazu addiert. Diese Operation und die Überwachung der Grenzwerte erfolgt in der fail-safe Steuerung. Pdyn(max) = Pstat(max) + Δpsonde (2) Pdyn(min) = Pstat(min) + Δpsonde (3)
  • Das entscheidende an dieser Lösung besteht nun darin, dass die dynamischen Grenzwerte nach Gleichung (2) und (3) nur solange für die Prozessführung herangezogen werden, bis der berechnete Kaverneninnendruck pSp die vom Bergamt vorgegebenen statischen Grenzwerte während der Einspeisung im oberen Druckbereich nicht überschreitet und während der Ausspeisung in unteren Druckbereich nicht unterschreitet.
  • Eine Über- sowie Unterschreitung der vorgegebenen dynamischen Druckgrenzwerte bzw. der vom Bergamt vorgegebenen und von der Kavernensteuerung berechneten Kaverneninnendrücke führt zum sofortigen Abschalten des Ein- bzw. Ausspeiseprozesses und zum Schließen der Kaverne. Eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit in der Sondenleitung hat zur Folge, dass der dynamische Druckgrenzwert entsprechend den Gleichungen (2) und (3) in der fail-safe Sicherheitssteuerung ebenfalls stufenweise verringert wird.
  • Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist die statische Druckgrenzwertüberwachung und das Betriebs-/Not-Aus-System in die fail-safe Sicherheitssteuerung integriert.
  • Durch die erfindungsgemäße dynamische Druckgrenzwertbildung und Druckgrenzwertüberwachung in einer fail-safe Kavernensteuerung führen prozessbedingte resp. ein- bzw. ausspeisebedingte Drucküber- bzw. Druckunterschreitungen der bisher verwendeten statischen Grenzwerte am Kavernenkopf nicht mehr zwangsläufig zur Abschaltung des Betriebsprozesses. Die Sicherheit der Kaverne wird dadurch jedoch nicht reduziert. Mit Einführung der dynamischen Grenzwertbildung und -überwachung kann insbesondere eine wesentlich einfachere, sicherere und effizientere Restbefüllung sowie Restentleerung einer Kaverne vorgenommen werden.
  • Die Erfindung dient somit zur Optimierung der Kavernenrestbefüllung bzw. Restentleerung bei gleichzeitiger Erhöhung der Prozesssicherheit durch die Integration einer fail-safe-Steuerung mit verbessertem Not-Aus-System in die Betriebsführung der Kaverne.
  • Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel verdeutlicht werden. Die dazugehörigen Zeichnung zeigt das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Prozesssteuerung auf der Grundlage einer dynamischen Druckgrenzwertbildung und Druckgrenzwertüberwachung mit Integration des Not-Aus-Systems in die fail-safe Steuerung.
  • Der Druck des in der Kaverne 1 gespeicherten Gases darf aus Gründen der Bergsicherheit einen festgelegten maximalen und minimalen Druckwert nicht über- bzw. unterschreiten. Da dieser Druck im allgemeinen nicht direkt in der Kaverne selbst gemessen werden kann, erfolgt die Druckentnahme praxisgerecht am Kavernenkopf 3.
  • Im Ruhezustand widerspiegelt der messbare Kopfdruck 4 den in der Kaverne 1 selbst herrschenden Druck hinreichend gut. Zu beachten ist jedoch, dass der Kaverneninnendruck pSp um den Druckanteil, hervorgerufen durch die geodätische Höhe der Gassäule, in der Sondenleitung 2 höher ist. Dieser Effekt wird bei der Festlegung der messbaren statischen Druckgrenzwerte pmax und pmin im Überwachungssystem 8 berücksichtigt. Damit ist der statische Zustand hinreichend abgesichert.
  • Im Fall der Gaseinspeisung bzw. -ausspeisung, also dem dynamischen Zustand der Kaverne 1, erhöht bzw. reduziert sich in Abhängigkeit von der Einspeisemenge der gemessene Kavernenkopfdruck 4, da über die Länge der Sondenleitung 2 infolge der Reibung des Gases der Differenzdruck Δpsonde aufgebaut wird. Der wirkliche Druck in der Kaverne pSp ändert sich jedoch nur sehr langsam und zwar in Abhängigkeit von der tatsächlich ein- bzw. ausgespeisten Gasmenge.
  • Insbesondere im oberen Druckbereich, d. h. bei fasst vollständig befüllter Kaverne, kann nun im dynamischen Zustand der Kaverne 1, der während der Einspeisung gemessene Kopfdruck 4 aufgrund der Wirkung von Δpsonde bereits den vom Bergamt festgelegten und im Überwachungssystem 8 hinterlegten statischen Druckgrenzwert pmax überschreiten, ohne dass aber der Kaverneninnendruck pSp selbst, welcher letztlich für die vollständige Befüllung der Kaverne 1 und für volle Ausnutzung des verfügbaren Speicherkapazität entscheidend ist, den kritischen Bereich erreicht hat. Folglich schließt das Überwachungssystem 8 über die Armaturen 5 und 6 die Kaverne 1, obwohl diese noch gar nicht vollständig gefüllt ist.
  • Im Rahmen der Ausspeisung einer fast leeren Kaverne sinkt unmittelbar der gemessene Kopfdruck pKopf und die Kaverne 1 wird letztlich vorzeitig von der statischen Überwachungseinrichtung 8 mittels der Armaturen 5 und 6 geschlossen.
  • Die Lösung der o. g. Probleme erfolgt dahingehend, dass die Grenzwerte des statischen Überwachungssystems 8 in Abstimmung mit dem Bergamt, z. B. bezüglich des Maximalwertes, um 3% angehoben sowie bezüglich des Minimalwertes entsprechend reduziert werden und gleichzeitig das dynamische Überwachungssystem 9 als übergeordnetes bzw. ersetzendes fail-safe-System eingeführt wird.
  • Mit Hilfe des neu eingeführten fail-safe-Überwachungssystems 9 wird nun die betriebsmäßige, dynamischen Kavernenabschaltung realisiert.
  • Die Kavernensteuerung 11 übergibt dem Überwachungssystem 9 die erforderlichen Informationen bezüglich des Kavernenzustandes, wie z. B. Kaverne 1 geöffnet, da die Absperrarmaturen 5, 6, 12 auf bzw. Kaverne 1 geschlossen, da die Armaturen 5, 6 oder 12 zu sind und die berechnete Größe des Kaverneninnendruckes psp, bezogen auf die geodätische Höhe des Kavernenkopfes 3. Diese Informationen werden zusammen mit dem vom fail-safe Transmitter 4 gemessenen Kopfdruck pKopf und den vorgegebenen Grenzwerten in der Überwachungseinheit 9 entsprechend verarbeitet.
  • Bei geschlossener Kaverne gelten die vom Bergamt vorgegebenen statischen Druckgrenzwerte. Über- bzw. unterschreitet der mittels fail-safe Transmitter 4 gemessene Kopfdruck pKopf diese statischen Druckgrenzwerte pmax. und pmin., dann erfolgt eine Signalübermittlung an die Anzeigefunktion 10. Dies entspricht dem statischen Fall.
  • Die Dynamisierung wird bei geöffneter Kaverne 1 aktiviert. Die dynamischen Grenzwerte werden nun nach Gleichung (2) und (3) unter Nutzung des Ergebnisses der Gleichung (1) im Überwachungssystem 9 berechnet. Werden die Grenzwerte durch die am fail-safe-Transmitter 4 gemessenen Werte über- bzw. unterschritten erfolgt eine Signalübermittlung an die Anzeigefunktion 10 und die Kaverne 1 wird mittels der Armaturen 5 und 6 geschlossen. Die Schließung der Kaverne und die Signalübermittlung an die Anzeigeeinheit 10 erfolgt zusätzlich und unabhängig vom o. g. Ergebnis der Gleichungen (2) und (3), wenn der in der Kavernensteuerung 11 berechnete Kaverneninnendruck psp den maximalen bzw. minimalen, vom Bergamt vorgegebenen statischen Grenzwert erreicht. Diese Verfahrensweise stellt sicher, dass die vorgegebenen bzw. festgelegten Druckgrenzwerte, die sich im Ruhezustand einstellen, weder über- noch unterschritten werden und gleichzeitig eine maximal zulässige Befüllung bzw. Entleerung der Kaverne erreicht wird.
    • 1
    Kaverne
    2
    Sondenleitung
    3
    Kavernenkopf
    4
    Drucktransmitter (fail-safe)
    5
    Absperrventil
    6
    zentrales Absperrventil
    7
    Impulsleitung
    8
    statische Druckgrenzwertüberwachung
    9
    fail-safe Steuerung
    10
    Messwarte
    11
    Kavernensteuerung
    12
    Feldleitung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19653725 C1 [0003, 0007]

Claims (3)

  1. Verfahren zur Befüllung und Entleerung von Kavernenspeichern mit fließfähigen Medien, insbesondere zur Restbefüllung von Gaskavernen, dadurch gekennzeichnet, dass der am Kavernenkopf anstehende, höchstzulässige statische Druckgrenzwert pmax und der geringstzulässige statische Druckgrenzwert pmin durch eine dynamische Druckgrenzwertüberwachung zusätzlich überwacht werden und in Abhängigkeit von der Betriebsart und unter ständiger Berechnung des Kaverneninnendruckes des Speichermediums der höchstzulässige Druckgrenzwert pmax temporär in zulässiger Weise so geringfügig überschritten und der geringstzulässige Druckgrenzwert pmin temporär in zulässiger Weise so geringfügig unterschritten werden, dass nach Abschluss des Einspeicher- oder Ausspeicherpozesses und Eintreten des Ruhezustand der Speicherkaverne der sich am Kavernenkopf einstellende Ruhedruck den höchstzulässigen bzw. geringstzulässigen statischen Druckgrenzwert pmax bzw. pmin nicht überschreitet.
  2. Einrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Befüllung bzw. Entleerung von Kavernenspeichern mit einem fließfähigen Medium, insbesondere zur Restbefüllung von Gaskavernen nach den Merkmalen von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavernensteuerung (11) zusätzlich durch eine fail-safe Sicherheitssteuerung (9), in der die höchstzulässigen dynamischen Druckgrenzwerte und die von der Kavernensteuerung ständig berechneten Kaverneninnendrücke des Speichermediums (1) verarbeitet werden, ergänzt ist und die ausgangsseitig mit dem zentralen Absperrventil (6) im Kavernenkopf (3) verbunden ist und am Kavernenkopf (3) ein zusätzlicher fail-safe Drucktransmitter (4) vorgesehen ist, der zusammen mit dem Not-Aus Schalter der Kaverne an den Eingang der fail-safe Sicherheitssteuerung (9) angeschlossen ist.
  3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die statische Druckgrenzwertüberwachung (8) zusammen mit der Not-Aus-Schaltung in die fail-safe Sicherheitssteuerung (9) integriert ist.
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