DE102010062230A1

DE102010062230A1 - Verfahren zum Betrieb einer Anlage zum Verflüssigen eines kohlenwasserstoffreichen Stroms

Info

Publication number: DE102010062230A1
Application number: DE201010062230
Authority: DE
Inventors: Dr. Heldt Steffen
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2012-05-31

Abstract

Ein Verfahren zum Betrieb einer Anlage (100) zur Verflüssigung eines kohlenwasserstoffreichen Stroms (1), insbesondere eines Erdgasstroms (1), in der der kohlenwasserstoffreiche Strom (1) durch Wärmetausch gegen jeweils ein Kältemedium in mehreren geregelten Kältekreisläufen (111, 121, 131) mit jeweils zumindest einer Verdichtereinheit (116, 126, 136), einem Entspannungsventil (112, 122, 132) und einem Begrenzerventil (114, 124, 134) schrittweise abgekühlt wird, wobei Regelgrößen vorgegeben und unter Verwendung von Stellgrößen auf Sollwerten gehalten werden, wird vorgeschlagen, bei dem in wenigstens einem der geregelten Kältekreisläufe (111, 121, 131) zumindest eine Last der Verdichtereinheit (116, 126, 136), eine Überhitzung des Kältemediums am Eingang der Verdichtereinheit (116, 126, 136) und die Drücke des Kältemediums vor und nach der Verdichtereinheit (116, 126, 136) als Regelgrößen vorgegeben werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Anlage zum Verflüssigen eines kohlenwasserstoffreichen Stroms, insbesondere eines Erdgasstroms, eine derartige Anlage sowie eine Steuereinrichtung.
Stand der Technik
Erdgas zählt zu den wichtigsten Energiequellen der Welt. Etwa 15% des Weltenergiebedarfs werden durch Erdgas gedeckt. Der Transport von Erdgas erfolgt dabei größtenteils über Gasleitungen. In den vergangenen zwei Jahrzehnten hat jedoch Flüssigerdgas (Liquefied Natural Gas, LNG) auf dem Weltenergiemarkt an Bedeutung gewonnen. In flüssiger Form besitzt Erdgas nur 1/600 seines Ausgangsvolumens und ermöglicht einen wirtschaftlichen Transport über lange Strecken.
Zur Verflüssigung muss Erdgas auf –160°C abgekühlt werden. Zuvor sind Verunreinigungen wie Methan und schwere Kohlenwasserstoffe, Kohlendioxid, Stickstoff, Wasser und eine Reihe weiterer unerwünschter Komponenten zu entfernen, wozu beispielsweise adsorbierende, absorbierende und kryotechnische Verfahren zum Einsatz kommen.
Zur Verflüssigung von Erdgas werden beispielsweise Offshore-Grundlastanlagen mit einer Produktionskapazität von 1.500–5.000 kt LNG pro Jahr eingesetzt, mittels derer das Erdgas aufgereinigt, in Tieftemperatur-Wärmetauschern verflüssigt und in Tanks eingelagert wird.
Zur Optimierung des Betriebs großtechnischer Anlagen werden unterschiedliche Verfahren eingesetzt. Bekannte Online-Optimierungsverfahren beinhalten beispielsweise die Bereitstellung einer Vorrichtung in der zu optimierenden Anlage, welche die Anlage beschreibende Modellgleichungen und ein damit verbundenes Optimierungsproblem löst. Die erzielten Ergebnisse werden zur Bestimmung von Ansteuergrößen für Komponenten der Anlage verwendet. Online-Optimierungsverfahren weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf, von denen nur einige nachfolgend umrissen werden.
Die die Anlage beschreibenden Modellgleichungen bilden naturgemäß die reale Situation nicht vollkommen exakt ab, so dass mitunter beträchtliche Abweichungen zwischen Modell und realer Anlage festzustellen sind. Je enger das Online-Optimierungsverfahren der Anlage angepasst wird, desto aufwendiger gestaltet sich die Implementierung. Ein entsprechend angepasstes Modell kann in der Regel nicht oder nur mit beträchtlichem Mehraufwand auf andere Anlagen übertragen werden. Auch aufgrund dieser Aspekte werden Online-Optimierungsverfahren häufig vom Anwender nicht in ausreichendem Maße akzeptiert. Die genannten Nachteile betreffen insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, die sogenannte modellprädiktive Regelung (Model Predictive Control, MPC) und die Echtzeitoptimierung (Real Time Optimization, RTO).
Es besteht der Bedarf nach einem effizienteren Betrieb entsprechender Anlagen.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Anlage zum Abkühlen und Verflüssigen eines kohlenwasserstoffreichen Stroms, insbesondere eines Erdgasstroms, eine derartige Anlage sowie eine Steuereinrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Erfindungsgemäß wurde herausgefunden, dass die gezielte Auswahl definierter Regelgrößen gemäß Anspruch 1 einen besonders vorteilhaften Betrieb einer entsprechenden Anlage ermöglicht.
Die Erfindung basiert auf dem ”Self Optimizing Control”-Prinzip. Dieses besagt, dass durch geeignete Regelgrößenauswahl ein Betrieb nahe dem Optimum erfolgen kann, ohne die Notwendigkeit, die Sollgrößen mittels aufwändiger Online-Optimierung an geänderte Störgrößen anzupassen.
Die Grundlagen hierzu sind z. B. in "Self-optimizing control: the missing link between steady-state optimization and control", Computers and Chemical Engineering 24 (2000) 569–575 und "Near-Optimal Operation by Self-Optimizing Control: From Process Control to Marathon Running and Business Systems", Computers and Chemical Engineering 19 (2004) 127–137 von Sigurd Skogestad beschrieben und werden hier der Übersichtlichkeit halber nur kurz zusammengefasst.
Die auf Self Optimizing Control basierenden Regelungsverfahren sind nicht mit herkömmlichen Online-Optimierungsverfahren gleichzusetzen.
Optimierungsverfahren beruhen generell auf einer zu minimierenden skalaren Kostenfunktion. Um eine vollständige Optimierung zu erzielen, wäre, wie erwähnt, ein ideales Modell des zu optimierenden Systems erforderlich, sämtliche auftretenden Störungen müssten kontinuierlich gemessen werden, und das sich ergebende dynamische Optimierungsproblem wäre kontinuierlich – an line – zu lösen.
Wie bereits erwähnt, ist dies in der Praxis unrealistisch oder nicht durchführbar. Daher ist eine einfachere Implementierung wünschenswert, die dennoch zufriedenstellende Ergebnisse (mit noch akzeptablen Verlusten) liefert. Idealerweise beinhaltet dies, gemäß einem Regelungsverfahren basierend auf Self Optimizing Control, die Auswahl bestimmter Regelgrößen und die Vorgabe fester Sollwerte für diese, wodurch ein komplexes Optimierungsproblem zu einem Feedback-Problem vereinfacht wird.
Die ausgewählten Regelgrößen stellen eine Teilmenge oder eine Kombination der jeweils verfügbaren messbaren Prozessvariablen dar. Ein wesentlicher Schritt bei der Implementierung eines entsprechenden Verfahrens besteht in der Auswahl geeigneter Regelgrößen. Geeignete Regelgrößen müssen gegenüber Störungen insensitiv und einfach mess- und regelbar sein, einen ausreichenden Verstärkungsfaktor gegenüber den jeweiligen Stellwerten aufweisen, und dürfen (im Fall von mehreren Regelgrößen) nicht eng miteinander korreliert sein. Die Auswahl der geeigneten Regelgrößen stellt daher die zentrale Herausforderung bei der Implementierung eines entsprechenden Verfahrens dar.
Anlagen zur Erdgasverflüssigung sind auf zwei Betriebsziele ausgerichtet. Zunächst ist, wie erwähnt, ein Erdgasstrom von den jeweiligen Ausgangsbedingungen in einen flüssigen, transportfähigen Zustand (–160°C bei nahezu Atmosphärendruck) zu überführen. Zusätzlich sind schwere Kohlenwasserstoffe abzutrennen. Der Abtrennungsschritt ist optional und findet üblicherweise nach einer Vorkühlung (siehe unten) des Erdgasstroms statt. Ungeachtet des Vorliegens von Störungen, wie beispielsweise schwankenden Umgebungstemperaturen, können diese Betriebsziele durch eine entsprechende Regelung erreicht werden, also, mit anderen Worten, durch Verwendung eines Satzes von Reglern, von denen jeder automatisch eine Stellgröße derart verändert, dass das jeweilige (Teil-)Ziel erreicht wird.
Weil jedoch die hier interessierenden Anlagen zur Erdgasverflüssigung eine größere Anzahl an Stellgrößen aufweisen als Betriebsziele vorliegen, existieren zusätzliche Freiheitsgrade, die vorteilhafterweise dann zur Optimierung einer Ökonomiefunktion, beispielsweise einer Ausbeute einer entsprechenden Anlage, verwendet werden können. Online-Optimierungsverfahren unter Verwendung der zuvor erläuterten Regeltechniken (RTO, MPC), die hierbei generell zum Einsatz kommen könnten, sind in Erdgasverflüssigungsanlagen aufgrund der zuvor genannten Nachteile in der Regel nicht vorgesehen.
Ein wesentlicher Schritt bei der Implementierung eines Regelungsverfahrens basierend auf Self Optimizing Control besteht, wie erwähnt, in der Auswahl und/oder Kombination der geeigneten messbaren Prozessvariablen zu Regelgrößen, welche mittels der veränderlichen Stellgrößen auf ihren zuvor spezifizierten Sollwerten gehalten werden. Das technische Problem der Regelgrößenauswahl bzw. -kombination weist eine hohe kombinatorische Vielfalt auf und kann nur mit geeigneten Methoden unter Einbeziehung anlagenspezifischer Simulationen und prozesstechnischen Know-Hows gelöst werden.
Erfindungsgemäß lässt sich durch die Definition geeigneter Regelgrößen unter Weglassung aufwendiger Online-Optimierungsschritte und -verfahren ein Betrieb in der Nähe des jeweiligen Optimums erreichen. Das Verfahren ist einfach zu implementieren, an unterschiedliche Anlagen anpassbar und zumindest teilweise mit vorhandenen Reglern entsprechender Anlagen, beispielsweise PID-Reglern, umsetzbar.
Die beste Auswahl von Regelgrößen im Hinblick auf einen Betrieb nahe dem Optimum wird nun beispielhaft für das Erdgasverflüssigungsverfahren MFC^® (Mixed Fluid Cascade) der Anmelderin beschrieben. Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren kann jedoch bei geeigneter Auswahl der Parameter an alle entsprechenden Verflüssigungsverfahren angepasst werden, in denen ein Wärmetausch zwischen einem zu verflüssigenden kohlenwasserstoffreichen Strom und einem oder mehreren Kältemedien in einem oder mehreren gewickelten Wärmetauschern und/oder einem oder mehreren Plattenwärmetauschern erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich bei allen vergleichbaren Prozessen realisierbar und insbesondere nicht auf eine bestimmte Anzahl von Kältekreisläufen oder bestimmte Kältemedien beschränkt. So kann die Erfindung – nur beispielsweise – in Anlagen mit zwei, drei, vier oder mehr Kältekreisläufen zum Einsatz kommen, welche mit reinen Kältemedien oder unterschiedlichen Gemischen betrieben werden.
In der vorliegenden Beschreibung werden alle Kältemittel und Kältemittelgemische, die in entsprechenden Verfahren oder Vorrichtungen zum Einsatz kommen können, unter dem Sammelbegriff ”Kältemedien” zusammengefasst.
Zur Identifizierung der geeigneten Regelgrößen wurde als Betriebsziel das Überführen des Erdgasstroms in den flüssigen, transportfähigen Zustand betrachtet. Die Entfernung schwerer Kohlenwasserstoffe wurde hingegen zunächst außer Acht gelassen. Wie unten weiter erläutert, durchläuft ein Erdgasstrom eine Verflüssigungsanlage unter Restriktion durch wenigstens ein Begrenzerventil. Die Stellgröße für die Temperatur des flüssigen Erdgases (Regelgröße) stellt die Position dieses Begrenzerventils dar. Somit stehen sämtliche übrigen Stellgrößen, nämlich jene des Kühlkreislaufs bzw. der Kühlkreisläufe zur Optimierung zur Verfügung. Der Durchsatz an flüssigem Erdgas wurde als Gewinnfunktion betrachtet, da er, anders als die Prozesseffizienz, im Wesentlichen von Marktbedingungen unabhängig ist.
Damit muss der Satz von Regelgrößen von Interesse ein Optimierungsproblem erfüllen, das beinhaltet, den Durchsatz an flüssigem Erdgas nach Maßgabe einer oberen Belastungsgrenze der Verdichterantriebe, einer Untergrenze des Ansaugdrucks und einer Untergrenze eines Taupunkts der verwendeten Kältemedien (Betriebsgrenzen) zu maximieren.
Der Druck im Kreislaufsystem sollte nach Möglichkeit höher als der atmosphärische Druck sein, so dass ausgeschlossen werden kann, dass Luft durch etwaige Undichtigkeiten in den kohlenwasserstoffhaltigen Kreislauf eindringen kann.
Wie beispielsweise aus der zuvor zuerst zitierten Druckschrift bekannt, ist es vorteilhaft, zunächst solche Regelgrößen für eine Sollwertvorgabe auszuwählen, welche bei einem Sollwert an einer Betriebsgrenze ein Optimum einer entsprechenden Kostenfunktion bewirken. Als vorteilhafte Lösung im Rahmen der Erfindung kommt daher zunächst in Betracht, die Verdichterregelung als Stellgröße zu verwenden, um die jeweiligen Belastungsgrenzen der verwendeten Verdichterantriebe einzuhalten. Da deren Antriebslast als Prozessvariable in Anlagen gemäß Stand der Technik verfügbar ist, kann dies durch eine einfach zu implementierende Regelung realisiert werden. Ferner ist vorteilhaft, die Überhitzung der verwendeten Kältemedien am Verdampferaustritt bzw. am Verdichtereingang an einer jeweiligen sicheren Untergrenze zu halten, die noch eine vollständige Verdampfung der Kältemedien gewährleistet. Da der Taupunkt der Kältemedien nicht direkt als messbare Prozessvariable zur Verfügung steht, ist hierzu vorteilhafterweise ein Softsensorwert zu verwenden, welcher aus der Temperatur, dem Druck und der Zusammensetzung der Kältemedien abgeleitet wird. Die Sollwerte für Verdichterlast und Überhitzung sind damit fest vorgebbar.
Beim MFC^®-Verfahren existieren drei getrennte Kältemedienkreisläufe, in denen jeweils Kältemittelgemische als Kältemedien zum Einsatz kommen, und in denen jeweils drei Stellgrößen zur Verfügung stehen. Hierbei handelt es sich um die Verdichterregelung in dem jeweiligen Kreislauf, eine Position eines Entspannungsventils, welches das Kältemedium in dem jeweiligen Kreislauf kälteleistend entspannt, und eine Position eines Begrenzerventils, welches den Fluss des Kältemediums in dem jeweiligen Kältemedienkreislauf begrenzt. Die Zusammensetzung des Kältemediums, welche theoretisch ebenfalls als Stellgröße zur Verfügung steht, wurde hier außer Acht gelassen, kann jedoch gegebenenfalls zusätzlich einbezogen werden.
Zwei dieser drei Stellgrößen bewirken bei oder in der Nähe einer Betriebsgrenze einen Optimalbetrieb und wurden bereits zuvor betrachtet: In jedem Zyklus regelt die Verdichterregelung die Verdichterlast und die Position der Begrenzerventile die Überhitzung (siehe jeweils oben).
Als vorteilhafte Regelgröße für die Position des Entspannungsventils wurde ein Druckverhältnis der Drücke des Kältemediums nach dem Verdichter und am Ausgang des Verdampfers des jeweiligen Zyklus ermittelt.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden somit durch die genannte Regelgrößenauswahl die erwähnten Vorteile eines Regelungsverfahrens basierend auf Self Optimizing Control erzielt. Insbesondere ist keine aufwendige kontinuierliche Anpassung bestimmter Sollwerte für Regelgrößen erforderlich.
Vorteilhafterweise wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Optimierung ökonomischer Kenngrößen verwendet. Wie erwähnt, beinhalten diese Kenngrößen vorteilhafterweise Durchsatzwerte eines kohlenwasserstoffreichen Stroms durch eine entsprechende Anlage, also mit anderen Worten eine Verflüssigungsleistung.
Wie unten näher erläutert, können die ökonomischen Kenngrößen vorteilhafterweise auch die Vollständigkeit einer Abtrennung von schweren Kohlenwasserstoffen aus dem kohlenwasserstoffreichen Strom beinhalten, wobei zur Sicherstellung einer möglichst vollständigen Abtrennung eine Temperatur des kohlenwasserstoffreichen Stroms nach einem ersten Abkühlschritt eingestellt wird.
Wie erwähnt, kann ein entsprechendes Verfahren nach vorteilhafterweise auch die Veränderung der Zusammensetzung wenigstens eines Kältemediums beinhalten, wodurch dessen Kälteleistung spezifisch angepasst werden kann.
Zu der erfindungsgemäß ebenfalls vorgeschlagenen Anlage zum Abkühlen und Verflüssigen eines kohlenwasserstoffreichen Stroms, insbesondere eines Erdgasstroms, sowie zur erfindungsgemäßen Regeleinrichtung sei auf die zuvor erwähnten Verfahrensmerkmale verwiesen.
Weitere Vorteile der Erfindung sind im Folgenden zusammengefasst und werden nochmals kurz erläutert.
Unter Verwendung des vorgeschlagenen Satzes an Regelgrößen wird ein Flüssigerdgasdurchsatz nahe einem theoretischen Maximum ermöglicht, ohne dass es erforderlich wäre, Sollwerte für Regelgrößen nach Störungen kontinuierlich neu einzustellen. Da beim Bedienungspersonal keine Möglichkeit besteht, ideale Einstellungen für die jeweiligen Variablen auszuwählen und weil stationäre Online-Optimierungsverfahren typischerweise aufgrund der zuvor genannten Probleme in Erdgasverflüssigungsanlagen nicht zur Verfügung stehen, stellen die vorgeschlagenen Variablensätze sicher, dass höhere Erdgasdurchsätze und zusätzlich ein reibungsloserer Betrieb ermöglicht werden.
Der besondere Vorteil besteht dabei darin, dass das Installationspersonal beim Inbetriebsetzen oder nach Wartung einer entsprechenden Anlage lediglich einmal die Sollwerte der Regler manuell einstellen muss. Nach diesem erstmaligen Einstellen kann ein optimaler Betrieb sichergestellt werden, der in Bezug auf Störungen relativ unempfindlich ist. Damit werden entsprechende Ressourcen frei. Leistungstests können einfach und unproblematisch durchgeführt werden.
Darüber hinaus eignet sich die erfindungsgemäße Lösung insbesondere zur Nachrüstung entsprechender Erdgasverflüssigungsanlagen, wodurch sich relativ einfach und kostengünstig eine höhere Flüssigerdgasausbeute realisieren lässt, ohne aufwendige Online-Optimierungstechniken wie MPC oder RTO implementieren zu müssen.
Nachfolgend werden quantitative Ergebnisse dargestellt, welche einen Maximalverlust im Rahmen eines Worst-Case-Szenarios bezüglich eines Flüssiggasdurchsatzes angeben. Der Worst-Case-Verlust stellt dabei die maximale Abweichung zwischen dem besten erreichbaren Ergebnis und dem jeweils erzielten Ergebnis bei einer Störung mit einer bestimmten Größe dar. Hierbei sind die unter Verwendung einer konventionellen Regelstrategie (CONV) erzielten sowie die erfindungsgemäß erhaltenen Werte angegeben. CRC (Compression Ratio Control) bezeichnet die zuvor erläuterte Regelstrategie bei einer Wahl des Kompressionsverhältnisses der Drücke vor und nach einem Kompressor als Regelgröße.

CONV CRC

MFC^® > 5%* 1%

* größer wegen Saugdrucksteuerung
und ggf. Sicherheitsabstand von der Taulinie
(im Fall von HHC-Abscheidung)
Ein weiteres Ergebnis besteht darin, dass die vorgeschlagenen Sätze an Regelgrößen für das MFC^®-Verfahren eine verbesserte Betriebsfähigkeit sicherstellen, weil bei einigen Störwerten die Sollwerte nur durch CRC/FRC, aber nicht durch die CONV-Struktur eingehalten werden können. Auf diesen Umstand wird im Rahmen der Erläuterungen zur 2 nochmals eingegangen werden.
In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Maßnahmen kann als weiteres Betriebsziel, wie erwähnt, die Abtrennung von schweren Kohlenwasserstoffen (Heavy Hydrocarbons, HHC) aus dem Erdgasstrom berücksichtigt werden. Üblicherweise erfolgt die Abtrennung nach der Vorkühlung in einem Gas-Flüssig-Trenner (Abscheider). Damit ist es erforderlich, die Erdgas-Vorkühltemperatur entsprechend einzustellen, um geeignete Abscheidebedingungen zu erhalten.
Jedoch besteht hierbei ein Konflikt mit wünschenswerten Optimalwerten (d. h. geringen Worst-Case-Verlusten), da durch entsprechende Maßnahmen ein Freiheitsgrad verloren geht. In herkömmlichen Anlagen steht die Regelung der Erdgas-Vorkühltemperatur mit der Überhitzungsregelung in der Vorkühlstufe in Konflikt, weshalb eine Override-Konfiguration verwendet wird. Um eine ausreichende Überhitzung des Kältemediums zuverlässig sicherzustellen, ist deshalb der Betrieb mit einem größeren Sicherheits-Offset vom Taupunkt erforderlich, was offensichtlich im Hinblick auf einen Erdgasdurchsatz einer entsprechenden Anlage nicht optimal ist.
Um das zweite Ziel zu erreichen, ohne Freiheitsgrade zur Optimierung zu verlieren, werden daher vorteilhafterweise zusätzliche Maßnahmen getroffen. Diese können entweder einen Erdgas-Bypass um die Vorkühlungseinheit, d. h. die erste Kühlstufe, oder eine Rücklaufleitung um den Verflüssiger oder beides beinhalten. Auch diese Maßnahmen werden im Rahmen der vorgestellten Erfindung erwogen. Diese zusätzlichen Maßnahmen beeinträchtigen kaum die Leistungsfähigkeit der vorgeschlagenen Regelgrößen in Bezug auf Worst-Case-Verluste. Entsprechend können sowohl die genannten Betriebsziele als auch ein beinahe optimaler Betrieb gleichzeitig erreicht werden.
Der entsprechend modifizierte Variablensatz ist mit CRC_HHC bezeichnet. Die Ergebnisse sind in nachfolgender Tabelle zusammengefasst:

CRC_HHC

MFC^® 1%
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind auch dann vorteilhaft, wenn ein Kühlkreislauf beispielsweise ein reines Kältemedium aufweist. Auch wenn weniger oder mehr als drei Zyklen in einer entsprechenden Kaskade eingerichtet sind, ist die Lösung anwendbar und ebenfalls vorteilhaft.
Figurenbeschreibung
1A zeigt in schematischer Darstellung eine Anlage zur Verflüssigung eines kohlenwasserstoffreichen Stroms gemäß dem Stand der Technik.
1B zeigt ein Verfahren zur Beeinflussung einer Anlage gemäß 1A gemäß dem Stand der Technik.
1C zeigt ein Verfahren zur Beeinflussung einer Anlage gemäß 1A gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt Leistungskennlinien einer Anlage zur Verflüssigung eines kohlenwasserstoffreichen Stroms, die gemäß dem Stand der Technik und gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung betrieben wird.
Das MFC^®-Verfahren wird nun anhand 1A kurz erläutert, welche in schematischer Darstellung eine hierzu verwendete Anlage 100 zeigt.
Die Anlage 100 weist eine erste Kühlstufe 110, eine zweite Kühlstufe 120 und eine dritte Kühlstufe 130 auf. Die erste Kühlstufe 110 wird zur Vorkühlung, die zweite Kühlstufe 120 zur Verflüssigung und die dritte Kühlstufe 130 zur Unterkühlung eines, zweckmäßigerweise entsprechend bekannter Verfahren vorgereinigten, Erdgasstroms 1 verwendet. Der Erdgasstrom 1 verlässt die Anlage 100 nach dem Unterkühlungsschritt in Kühlstufe 130 als Flüssigerdgas 3 über eine Begrenzereinheit 2, mittels welcher eine Temperatur des erhaltenen Erdgases einstellbar ist.
Die erste Kühlstufe 110 ist vorteilhafterweise in Form zweier Plattenwärmetauscher (nicht gezeigt) ausgebildet, die zweite Kühlstufe 120 und die dritte Kühlstufe 130 sind vorzugsweise in Form gewickelter Wärmetauscher ausgebildet.
Jeder Kühlstufe 110, 120, 130 ist ein separater Kältemedienkreislauf 111, 121, 131 zugeordnet. Damit sind drei unabhängige Kältemedienkreisläufe vorgesehen, die jeweils mit unterschiedlichen Kältemedien betrieben werden können, wodurch beispielsweise die warmen und kalten Enthalpie-Temperatur-Summenkurven aneinander angepasst werden können.
Der ersten Kühlstufe 110 ist ein erster Kältemedienkreislauf 111 zugeordnet. Ein Kältemedium durchläuft in dem Kältemedienkreislauf 111 zunächst die Kühlstufe 110 und wird gegen sich selbst abgekühlt. Über ein Entspannungsventil 112 wird das Kältemedium des Kältemedienkreislaufs 111 zur Vorkühlung des Erdgasstroms 1 und zur Kühlung der Kältemedien in den Kältemedienkreisläufen 111, 121 und 131 kälteleistend entspannt. Nach der Entspannung gelangt das Kältemedium in einen Vorlagebehälter 113. Der Durchsatz ist über ein Begrenzerventil 114 regelbar. Das entspannte Kältemedium gelangt über einen Tröpfchenabscheider 115 in eine Verdichtereinheit 116. Die Verdichtereinheit 116 weist einen Verdichter 117, vorzugsweise einen kaltansaugenden Turboverdichter, und Wärmetauscher 118, 119 zur Zwischen- und Nachkühlung auf, die beispielsweise zum Betrieb mit Seewasser eingerichtet sein können.
Der zweiten Kühlstufe 120 ist ein zweiter Kältemedienkreislauf 121 zugeordnet. Ein Kältemedium durchläuft in dem zweiten Kältemedienkreislauf 121 zunächst die erste Kühlstufe 110 und dann die zweite Kühlstufe 120, wo es jeweils zusätzlich abgekühlt wird. Über ein Entspannungsventil 122 wird das Kältemedium des Kältemedienkreislaufs 121 zur Vorkühlung des Erdgasstroms 1 und zur Kühlung der Kältemedien in den Kältemedienkreisläufen 121 und 131 kälteleistend entspannt. Nach der Entspannung gelangt das Kältemedium in einen Vorlagebehälter 123. Der Durchsatz ist über ein Begrenzerventil 124 regelbar. Das entspannte Kältemedium gelangt über einen Tröpfchenabscheider 125 in die Verdichtereinheit 126. Die Verdichtereinheit 126 weist einen Verdichter 127, vorzugsweise einen zweistufigen, kaltansaugenden Turboverdichter, und Wärmetauscher 128, 129 zur Zwischen- und Nachkühlung auf, die, wie die erläuterten Wärmetauscher 118, 119, beispielsweise zum Betrieb mit Seewasser eingerichtet sind.
Der dritten Kühlstufe 130 ist ein dritter Kältemedienkreislauf 131 zugeordnet, der im Wesentlichen entsprechend dem zweiten Kältemedienkreislauf 121 ausgebildet ist und bei dem entsprechende Elemente mit um 10 inkrementierten Bezugszeichen angegeben sind. Ein Kältemedium durchläuft in dem dritten Kältemedienkreislauf 131 zunächst die erste Kühlstufe 110, dann die zweite Kühlstufe 120 und dann die dritte Kühlstufe 130.
Die Beeinflussung der Anlage 100 mittels einer Steuerung und/oder Regelung gemäß dem Stand der Technik wird anhand 1B veranschaulicht. Die hierzu jeweils verwendeten Vorrichtungen und Verknüpfungen sind mit gestrichelten Linien dargestellt. Die übrigen Elemente und ihre Bezugszeichen entsprechen der 1A.
Die Einstellung des Entspannungsventils 112 in der ersten Kühlstufe 110 wird nach Maßgabe eines Drucks P vor dem Entspannungsventil 112 eingestellt. Der Fluss des Kältemediums in dem ersten Kältemedienkreislauf 111 erfolgt nach Maßgabe des Begrenzerventils 112 auf Grundlage einer Temperatur T des entspannten Kältemediums nach der ersten Kühlstufe 110 und einer Temperatur T des vorgekühlten Erdgasstroms 1.
Die Einstellungen in dem zweiten 121 und dem dritten 131 Kältemedienkreislauf erfolgt in entsprechender Weise, nur dass anstatt der Temperatur des vorgekühlten Erdgases 1 die Temperatur des verflüssigten Kältemittels 131 bzw. die Durchflussrate des Kältemittels 131 geregelt wird.
Wie erwähnt, wird eine Temperatur T des erhaltenen Flüssigerdgasstroms 3 über die Begrenzereinheit 2 eingestellt. Die Regelung der Verdichter 117, 127 und 137 erfolgt nach Maßgabe eines Drucks P am Kopf der Tröpfchenabscheider 115, 125 und 135. Der zur Zwischenkühlung bereitgestellte Wärmetauscher 118 wird nach Maßgabe einer Temperatur T in dem entsprechenden Kühlkreislauf geregelt.
In sämtlichen Kreisläufen ist eine sogenannte Anti-Surge-Control A vorgesehen, eine Logik, die durch Stelleingriffe an Kompressor-Bypassventilen verhindert, dass der Kompressor in einen nicht ordnungsgemäßen Betriebsbereich gerät.
Die Beeinflussung der Anlage 100 mittels einer Steuerung und/oder Regelung gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird anhand 1C veranschaulicht. Die hierzu jeweils verwendeten Vorrichtungen und Verknüpfungen sind, wie in 2B, mit gestrichelten Linien dargestellt. Die übrigen Elemente und ihre Bezugszeichen entsprechen der 1A.
Wie zuvor erläutert, werden gemäß der Ausführungsform in jedem Zyklus jeweils ein Sollwert für die Verdichterlast und ein Sollwert für die Überhitzung des Kältemediums am Verdichtereingang vorgegeben und entsprechend über eine Verdichterregelung (nicht gezeigt) und eine Temperatur T bzw. einen entsprechenden Softsensorwert am Verdampferausgang geregelt.
Die Regelgröße für jeweilige Stellung des Entspannungsventils 112, 122, 132 als Stellgröße stellt ein Druckverhältnis im jeweiligen Zyklus der Drücke P des Kältemediums nach dem Verdichter 117, 127, 137 und nach einer Kühlstufe 110, 120, 130 (also am Verdichtereingang) dar. Die Regelung der Stellung des Entspannungsventils 112, 122, 132 erfolgt daher gemäß der Ausführungsform nach Vorgabe eines Sollwerts für dieses Druckverhältnis.
2 zeigt Leistungskennlinien einer Anlage zur Verflüssigung eines kohlenwasserstoffreichen Stroms, die gemäß dem Stand der Technik und gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung betrieben wird.
In der oberen Reihe sind in den Graphen 11, 12 und 13 jeweils die Verhältnisse aus Produktstrom F_LNG zu nominellem Produktstrom F_LNG,0 in Prozent angegeben. Die untere Reihe zeigt in den Graphen 21, 22 und 23 jeweils einen Durchsatzverlust L in Prozent.
Mit R/O sind die (theoretischen) Optimalwerte angegeben, CONV bezeichnet, wie oben erläutert, ein Verfahren gemäß einer herkömmlichen Regelstrategie. Mit CRC und CRC_HHC sind die oben erläuterten erfindungsgemäßen Regelstrategien bezeichnet.
Die erste Spalte mit den Graphen 11 und 21 sind die jeweiligen Werte gegen unterschiedliche Umgebungstemperaturen T_amb (in K) aufgetragen, die zweite und dritte Spalte mit den Graphen 12 und 22 bzw. 13 und 23 zeigt Werte bei unterschiedlichen Erdgassiedepunkten T^SP _LNG (in K) und unterschiedlichen Verdichterdrehzahlen n (in rpm).
Wie ersichtlich, ermöglichen die vorgeschlagenen Sätze an Regelgrößen für das Verfahren eine verbesserte Betriebsfähigkeit, da hierdurch, im Gegensatz zur herkömmlichen Struktur (CONV), die Ergebnisse über einen weiten Bereich an Störwerten am oder in der Nähe des theoretischen Optimums gehalten werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

”Self-optimizing control: the missing link between steady-state optimization and control”, Computers and Chemical Engineering 24 (2000) 569–575 [0012]
”Near-Optimal Operation by Self-Optimizing Control: From Process Control to Marathon Running and Business Systems”, Computers and Chemical Engineering 19 (2004) 127–137 von Sigurd Skogestad [0012]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Anlage (100) zur Verflüssigung eines kohlenwasserstoffreichen Stroms (1), insbesondere eines Erdgasstroms (1), in der der kohlenwasserstoffreiche Strom (1) durch Wärmetausch gegen jeweils ein Kältemedium in mehreren geregelten Kältekreisläufen (111, 121, 131) mit jeweils zumindest einer Verdichtereinheit (116, 126, 136), einem Entspannungsventil (112, 122, 132) und einem Begrenzerventil (114, 124, 134) schrittweise abgekühlt wird, wobei Regelgrößen vorgegeben und unter Verwendung von Stellgrößen auf Sollwerten gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem der geregelten Kältekreisläufe (111, 121, 131) zumindest eine Last der Verdichtereinheit (116, 126, 136), eine Überhitzung des Kältemediums am Eingang der Verdichtereinheit (116, 126, 136) und die Drücke des Kältemediums vor und nach der Verdichtereinheit (116, 126, 136) als Regelgrößen vorgegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Drücke des Kältemediums vor und nach der Verdichtereinheit (116, 126, 136) als Verhältnis der Drücke vorgegeben oder durch Linearapproximation ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem jeweils die Last der Verdichtereinheit (116, 126, 136) unter Verwendung einer Verdichterregelung, die Überhitzung des Kältemediums unter Verwendung einer Stellung des Begrenzerventils (114, 124, 134) und/oder die Drücke des Kältemediums unter Verwendung einer Stellung des Entspannungsventils (112, 122, 132) auf den Sollwerten gehalten werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem zumindest die Regelgrößen nach Maßgabe ökonomischer Kenngrößen der Anlage (100) bestimmt und/oder eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die ökonomischen Kenngrößen einen Durchsatz der Anlage (100) mit dem kohlenwasserstoffreichen Strom (1) beinhalten.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die ökonomischen Kenngrößen die Vollständigkeit einer Abtrennung von schweren Kohlenwasserstoffen aus dem kohlenwasserstoffreichen Strom (1) beinhalten.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem eine Temperatur des kohlenwasserstoffreichen Stroms (1) nach einem ersten Abkühlschritt eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ferner die Zusammensetzung wenigstens eines Kältemediums verändert wird.
Anlage (100) zur Verflüssigung eines kohlenwasserstoffreichen Stroms (1), insbesondere eines Erdgasstroms (1), in der der kohlenwasserstoffreiche Strom (1) durch Wärmetausch gegen jeweils ein Kältemedium in mehreren geregelten Kältekreisläufen (111, 121, 131) mit jeweils zumindest einer Verdichtereinheit (116, 126, 136), einem Entspannungsventil (112, 122, 132) und einem Begrenzerventil (114, 124, 134) schrittweise abgekühlt wird, und die zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der vorstehenden Ansprüche eingerichtet ist, mit wenigstens einer Regeleinrichtung zur Vorgabe einer Last der Verdichtereinheit (116, 126, 136), einer Überhitzung des Kältemediums am Eingang der Verdichtereinheit (116, 126, 136) und der Drücke des Kältemediums vor und nach der Verdichtereinheit (116, 126, 136) als Regelgrößen in wenigstens einem der Kältekreisläufe (111, 121, 131).
Anlage (100) nach Anspruch 9, die eine Bypassleitung um wenigstens eine Vorkühleinheit (110) und/oder eine Rücklaufleitung um eine Verflüssigereinheit aufweist.
Regeleinrichtung für eine Anlage (100) zur Verflüssigung eines kohlenwasserstoffreichen Stroms (1), insbesondere eines Erdgasstroms (1), nach einem der Ansprüche 9 oder 10, die zur Vorgabe einer Last der Verdichtereinheit (116, 126, 136), einer Überhitzung des Kältemediums am Eingang der Verdichtereinheit (116, 126, 136) und der Drücke des Kältemediums vor und nach der Verdichtereinheit (116, 126, 136) als Regelgrößen in wenigstens einem der Kältekreisläufe (111, 121, 131) ausgebildet ist.