DE102010062231A1

DE102010062231A1 - Verfahren zum Betrieb einer Anlage zum Verflüssigen eines kohlenwasserstoffreichen Stroms

Info

Publication number: DE102010062231A1
Application number: DE102010062231A
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 (200) zur Verflüssigung eines kohlenwasserstoffreichen Stroms (1), insbesondere eines Erdgasstroms (1), in der der kohlenwasserstoffreiche Strom (1) durch Wärmetausch gegen Fraktionen unterschiedlicher Flüchtigkeit eines Kältemediums in einem geregelten Kältekreislauf (240) mit zumindest einer Verdichtereinheit (250) schrittweise abgekühlt wird, wobei den Fraktionen des Kältemediums jeweils ein Entspannungsventil (242, 245, 246) zugeordnet ist und Regelgrößen vorgegeben und unter Verwendung von Stellgrößen auf Sollwerten gehalten werden, wird vorgeschlagen, bei dem eine Last der Verdichtereinheit (250), eine Überhitzung des Kältemediums am Eingang der Verdichtereinheit (250) und entweder die Drücke des Kältemediums vor und nach der Verdichtereinheit (250) oder die Flussraten einer hochverdichteten, leichtflüchtigen Kältemedienfraktion und des kohlenwasserstoffreichen Stroms (1) 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 Kohlen-, wasserstoffe, 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 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 LIMUM^® (Linde Multi-Stage Mixed Refrigerant) 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.
Das LIMUM^®-Verfahren beinhaltet die Verwendung einer Anlage mit einem gemeinsamen Kältemedienkreislauf, wobei eine kohlenwasserstoffreiche Fraktion, beispielsweise ein Erdgasstrom, in drei Schritten gegen unterschiedlich stark verdichtete Fraktionen unterschiedlicher Flüchtigkeit eines als Kältemedium verwendeten Kältemittelgemischs vorgekühlt, verflüssigt und unterkühlt wird.
Im Rahmen des LIMUM^®-Verfahrens stehen drei Stellgrößen zur Verfügung. Hierbei handelt es sich um die Verdichterregelung des gemeinsamen Kältemedienkreislaufs sowie ferner um die Stellungen zweier Entspannungsventile, nämlich eines Entspannungsventils für eine leichtflüchtige, hochverdichtete Fraktion und eines Entspannungsventils für eine schwerflüchtige Fraktion des Kältemediums.
Die Zusammensetzung des Kältemediums, welche theoretisch ebenfalls als Stellgröße zur Verfügung steht, wurde im Rahmen dieser Erläuterungen 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 dem gemeinsamen Kältemedienkreislauf regelt die Verdichterregelung die Verdichterlast. Die Position des Entspannungsventils, das die schwerflüchtige Fraktion des Kältemediums entspannt, welche anschließend dem Verdichter zugeführt wird, regelt die Überhitzung des Kältemediums.
Als vorteilhafte Regelgröße für die Stellung des Entspannungsventils für die leichtflüchtige, hochverdichtete Kaltemedienfraktion wurde das Kompressionsverhältnis über die verwendeten Verdichter bzw. über die Stufen eines verwendeten Zwei-Stufen-Verdichters ermittelt. Eine ebenso vorteilhafte Regelgröße stellt das Verhältnis der Flussrate des kohlenwasserstoffreichen Stroms zur Flussrate der leichtflüchtigen Fraktion des Kältemediums dar.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden somit durch die genannte Regelgrößenauswahl die erwähnten Vorteile eines Regelungsverfahrens basierend auf Self Optimizing Control erzielt. Hierdurch werden die zuvor genannten Vorteile 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 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.
Darüberhinaus 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, FRC (Flow Ratio Control) eine Regelstrategie bei einer Wahl der Verhältnisse der Flussraten.

CONV CRC FRC

LIMUM^® > 20%* 5% 5%

* 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 LIMUM^®-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.
Die entsprechend modifizierten Variablensätze sind mit CRC_HHC und FRC_HHC bezeichnet. Die Ergebnisse sind in nachfolgender Tabelle zusammengefasst:

CRC_HHC FRC_HHC

LIMUM^® 6% 5%
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.
1D 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 Stand der Technik und gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung betrieben wird.
Das LIMUM^®-Verfahren wird nun anhand 1A kurz erläutert, welche in schematischer Darstellung eine hierzu verwendete Anlage 200 zeigt. Die Anlage 200 weist eine erste Kühlstufe 210, eine zweite Kühlstufe 220 und eine dritte Kühlstufe 230 auf. Die erste Kühlstufe 210 wird zur Vorkühlung, die zweite Kühlstufe 220 zur Verflüssigung und die dritte Kühlstufe 230 zur Unterkühlung eines, zweckmäßigerweise entsprechend bekannter Verfahren vorgereinigten, Erdgasstroms 1 verwendet. Der Erdgasstrom 1 verlässt die Anlage 200 nach dem Unterkühlungsschritt als Flüssigerdgas 3. Hierbei ist der Druck über ein erstes Ventil 4, die Temperatur über ein weiteres Ventil 5 einstellbar.
Die Anlage 200 weist vorzugsweise einen gewickelten Wärmetauscher auf, der die drei Kühlstufen 210, 220 und 230 umfasst. Abkühlung, Verflüssigung und Unterkühlung erfolgen in den Kühlstufen 210, 220 und 230 jeweils gegen Fraktionen unterschiedlicher Flüchtigkeit eines gemeinsamen Kältemedienkreislaufs 240.
In einer Leitung 241 wird ein flüssiges Kältemedium in der ersten Kühlstufe 210 gegen sich selbst abgekühlt und an einem Entspannungsventil 242 zur Vorkühlung des Erdgasstroms und weiterer Kühlmittelfraktionen in Kühlstufe 210 kälteleistend entspannt. Nach der Entspannung durchläuft das Kältemedium eine zweistufige Verdichter- und Abscheideranlage 250.
Die zweistufige Verdichteranlage 250 an sich bekannter Art weist einen zweistufigen Verdichter 251 auf. Es sind Abscheider 252 und 253 vorgesehen, die über Wärmetauscher 254 und 255 zur Zwischen- und Nachkühlung an Verdichter 251 angeschlossen sind. Die Wärmetauscher 254 und 255, die beispielsweise als Plattenwärmetauscher ausgebildet sind, können mit Luft oder Seewasser betrieben werden.
Der Abscheider niedrigeren Drucks 253 wird aus dem Abscheider höheren Drucks 252 über eine Drossel 256 mit Kältemedium gespeist, so dass ein bestimmter Füllstand in Abscheider 253 aufrechterhalten werden kann.
Die flüssige Fraktion vom Boden des Abscheiders 253 gelangt über Leitung 241 in die erste Kühlstufe 210 und dient nach einer Entspannung an dem Entspannungsventil 242, wie erwähnt, zur Vorkühlung. Die gasförmige Fraktion vom Kopf des Abscheiders 253 wird zur weiteren Verdichtung dem Verdichter 251 oder einer Verdichterstufe desselben zugeführt.
Die flüssige Fraktion vom Boden des Abscheiders 252 dient, wie erwähnt, in der zweistufigen Abscheideranlage zur Aufrechterhaltung eines Füllstandes in Abscheider 253. Die gasförmige Fraktion vom Kopf dieses Abscheiders 252 gelangt über Leitung 243 ebenfalls in die erste Kühlstufe 210, wird dort abgekühlt und teilweise kondensiert und gelangt in einen Abscheider 244.
Die flüssige Fraktion vom Boden des Abscheiders 244 gelangt in die zweite Kühlstufe 220, wird an einem Entspannungsventil 245 kälteleistend entspannt und liefert Kälte zur Verflüssigung des Erdgasstroms 1. Die gasförmige Fraktion vom Kopf des Abscheiders 244 wird zunächst ebenfalls der zweiten Kühlstufe 220 und dann der dritten Kühlstufe 230 zugeführt, kondensiert dort, und dient durch Joule-Thompson-Entspannung an einem Entspannungsventil 246 der erwähnten Unterkühlung.
Die Beeinflussung der Anlage 200 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 242 erfolgt nach Maßgabe einer Temperatur T des Erdgasstroms 1 nach der ersten Kühlstufe 210 und einer Temperatur T des entspannten Kältemediums nach dieser Kühlstufe.
Die Einstellung des Entspannungsventils 245 erfolgt nach Maßgabe eines Füllstandes in dem Abscheider 244. Wie erwähnt, erfolgt ebenfalls eine Einstellung eines Ventils im Erdgasstrom 1 vor und nach der dritten Kühlstufe 230, jeweils nach Maßgabe eines Drucks F und einer Temperatur T.
Die Einstellung des Entspannungsventils 246 erfolgt nach Maßgabe einer Flussrate des Kältemediums in Leitung 241.
Die weiteren, verdichterseitigen Regelmechanismen sind ohne weitere Erläuterung direkt der 1A zu entnehmen.
Die Beeinflussung der Anlage 200 mittels einer Steuerung und/oder Regelung gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird anhand 1C in einem ersten Aspekt und in 1D in einem zweiten Aspekt veranschaulicht. Die hierzu jeweils verwendeten Vorrichtungen und Verknüpfungen sind mit gestrichelten Linien dargestellt. Die übrigen Elemente und ihre Bezugszeichen entsprechen jenen der 1A.
Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet, wie erläutert, eine Regelung, bei der zur Einstellung des Entspannungsventils 246 (Stellgröße) gemäß einem Aspekt eine Regelgröße in Form des Verhältnisses der Drücke PI über den Verdichter 251 verwendet wird. Diese Lösung ist in 1C dargestellt. Der zweite Aspekt beinhaltet, zur Stellung des Ventils 246 (Stellgröße) eine Regelgröße in Form des Flussratenverhältnisses des gasförmigen Kältemediums nach dem Abscheider 244 und des Erdgasstroms 1 zu verwenden. Diese Lösung ist in 1D dargestellt.
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 sowie FRC und FRC_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 zeigen Werte bei unterschiedlichen Erdgassiedepunkten T^SP _LNG (in K) und unterschiedlichen Kompressor-Leitschaufelwinkeln z_1,2 (in deg).
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 (200) zur Verflüssigung eines kohlenwasserstoffreichen Stroms (1), insbesondere eines Erdgasstroms (1), in der der kohlenwasserstoffreiche Strom (1) durch Wärmetausch gegen Fraktionen unterschiedlicher Flüchtigkeit eines Kältemediums in einem geregelten Kältekreislauf (240) mit zumindest einer Verdichtereinheit (250) schrittweise abgekühlt wird, wobei den Fraktionen des Kältemediums jeweils ein Entspannungsventil (242, 245, 246) zugeordnet ist und Regelgrößen vorgegeben und unter Verwendung von Stellgrößen auf Sollwerten gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Last der Verdichtereinheit (250), eine Überhitzung des Kältemediums am Eingang der Verdichtereinheit (250) und entweder die Drücke des Kältemediums vor und nach der Verdichtereinheit (250) oder die Flussraten einer hochverdichteten, leichtflüchtigen Kältemedienfraktion und des kohlenwasserstoffreichen Stroms (1) als Regelgrößen vorgegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Drücke des Kältemediums vor und nach der Verdichtereinheit (250) bzw. die Flussraten der hochverdichteten, leichtflüchtigen Kältemedienfraktion und des kohlenwasserstoffreichen Stroms (1) jeweils als Verhältnis der Drücke bzw. Flussraten vorgegeben oder durch Linearapproximation ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Last der Verdichtereinheit (250) unter Verwendung einer Verdichterregelung (250), die Überhitzung des Kältemediums unter Verwendung einer Stellung eines einer schwerflüchtigen Kältemedienfraktion zugeordneten Entspannungsventils (242) und/oder die Drücke des Kältemediums bzw. die Flussraten der hochverdichteten, leichtflüchtigen Kältemedienfraktion über eine Stellung des der hochverdichteten, leichtflüchtigen Kältemedienfraktion zugeordneten Entspannungsventils (246) 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 (200) zur Verflüssigung eines kohlenwasserstoffreichen Stroms (1), insbesondere eines Erdgasstroms (1), in der der kohlenwasserstoffreiche Strom (1) durch Wärmetausch gegen Fraktionen unterschiedlicher Flüchtigkeit eines Kältemediums in einem geregelten Kältekreislauf (240) mit zumindest einer Verdichtereinheit (250) 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 (250) und entweder der Drücke des Kältemediums vor und nach der Verdichtereinheit (250) oder der Flussraten einer hochverdichteten, leichtflüchtigen Kältemedienfraktion und des kohlenwasserstoffreichen Stroms (1) als Regelgrößen in dem Kältekreislauf (240).
Anlage (200) nach Anspruch 9, die eine Bypassleitung um wenigstens eine Vorkühleinheit (210) 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 (250) und entweder der Drücke des Kältemediums vor und nach der Verdichtereinheit (250) oder der Flussraten einer hochverdichteten, leichtflüchtigen Kältemedienfraktion und des kohlenwasserstoffreichen Stroms (1) als Regelgrößen in dem Kältekreislauf (240) ausgebildet ist.