DE102014215522A1

DE102014215522A1 - Erdgasverarbeitungsverfahren und Erdgasverarbeitungsanlage

Info

Publication number: DE102014215522A1
Application number: DE102014215522.3A
Authority: DE
Inventors: Suhel Ahmad
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-08-06
Filing date: 2014-08-06
Publication date: 2016-02-11
Also published as: WO2016020282A2; WO2016020282A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Erdgasverarbeitungsverfahren (100) sowie eine Erdgasverarbeitungsanlage (1), bei dem bzw. der Erdgas (3) verflüssigt (110) wird. Um eine Energieversorgung (180) auch in einem entlegenen Gebiet (20) zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass das Erdgas (3) vor der Verflüssigung (110) expandiert (120) wird, wobei in dem Erdgas (3) enthaltene Enthalpie durch die Expansion (120) in mechanische Energie umgewandelt (200) wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Erdgasverarbeitungsverfahren, bei dem Erdgas verflüssigt wird, sowie eine Erdgasverarbeitungsanlage mit einer Erdgasverflüssigungsanlage zur Verflüssigung von Erdgas.
Erdgas ist ein brennbares Naturgas, das in unterirdischen Lagerstätten vorkommt und von dort durch Bohrung gefördert – und überwiegend über Rohrleitungen, sogenannten Pipelines, auch über große Distanzen transportiert wird.
Bei genannten Erdgaslagerstätten können konventionelle und unkonventionelle Erdgaslagerstätten, wie Erdgasvorkommen in porösen und permeablen Gesteinen, z. B. Sandsteine, Massenkalke, unterhalb geringporöser, impermeabler Gesteine, wie Tonsteine, Mergelsteine, feinkörnige Kalksteine, (konventionelle Lagerstätte) oder Erdgasvorkommen in Kohleflözen, wie CBM (Coal Bed Methane), oder Tonstein, (unkonventionelle Lagerstätte) unterschieden werden.
Hier ist es auch bekannt, dass solche Erdgaslagerstätten häufig in abgelegenen Gebieten/Orten („remote areas“) auftreten, in welchen eine dortige Energieversorgung, insbesondere mit elektrischer Energie, von (dortigen) Einrichtungen und Anlagen, wie Beleuchtung, Klimaanlagen und/oder Aggregaten, mangels entsprechender Infrastruktur, wie eines elektrischen Netzes, schwer und/oder nur mit großem – auch finanziellen – Aufwand möglich ist.
Erdgase bestehen hauptsächlich aus hochentzündlichem Methan, unterscheiden sich aber in ihrer weiteren chemischen Zusammensetzung. D.h., bei Erdgas handelt es sich um ein – als solches gefördertes – Gasgemisch, dessen chemische Zusammensetzung je nach Fund- bzw. Lagerstätte beträchtlich schwankt.
Der Hauptbestandteil von Erdgas ist Methan, der Anteil liegt in vielen Erdgaslagerstätten zwischen 75% und 99% der molaren Fraktion. Häufig enthält Erdgas auch größere Anteile an Ethan, Propan, Butan und Ethen. Weitere Nebenbestandteile sind Schwefelwasserstoff, Stickstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf.
Schwefelwasserstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasser werden vom Erdgas – meist unmittelbar nach dessen Förderung – abgetrennt (Erdgasvorbehandlung), da einige dieser Gase giftig sind oder Fördereinrichtungen/-leitungen, wie Pipelines, angreifen oder andere – wie Wasser – die Fördereinrichtungen/-leitungen bzw. Pipelines durch Hydratbildung verstopfen könnten. So wird beispielsweise bei einer Erdgasvorbehandlung Schwefelwasserstoff durch Entschwefelung des Erdgases aus diesem entfernt.
Neben den genannten Gasen kann Erdgas auch elementaren Schwefel und Quecksilber enthalten. Auch diese Stoffe müssen, beispielsweise auch im Rahmen der Erdgasvorbehandlung, vom Erdgas abgetrennt werden, da sie Schäden an den Fördereinrichtungen hervorrufen.
Als fossiler Energieträger dient Erdgas hauptsächlich der Beheizung von Wohn- und Gewerberäumen, als Wärmelieferant für thermische Prozesse in Gewerbe und Industrie, wie Zementwerken, Gießereien und Metallhütten, zur elektrischen Stromerzeugung und als Treibstoff für Kraftfahrzeuge.
Ferner ist bekannt, dass, um Erdgas wirtschaftlich – insbesondere – über weite Strecken transportieren oder lagern zu können, dessen Volumen erheblich reduziert werden muss.
Zu einer maximalen Volumenreduzierung kann Erdgas verflüssigt werden. Als Flüssigerdgas (Abkürzung LNG für engl. liquefied natural gas oder GNL für franz. gaz naturel liquéfié) wird durch Abkühlung auf ca. –164°C bis –161°C (109 K bis 112 K) verflüssigtes Erdgas bezeichnet. LNG weist so etwa (nur) ein 600stel des Volumens von Erdgas in Gasform auf.
Für eine solche Erdgasverflüssigung stehen Erdgasverflüssigungsanlagen zur Verfügung, welche in der Regel unmittelbar an der Erdgasförderstätte aufgebaut sind, um den unwirtschaftlichen Transport und/oder Lagerung von gasförmigen Erdgas zu vermeiden. Befinden sich diese Erdgasverflüssigungsanlagen so zusammen mit den Erdgaslagerstätten an „remote areas“ und benötigen auch diese eine entsprechende Infrastruktur bzw. Energieversorgung, so ergeben sich auch hier entsprechende diesbezügliche Schwierigkeiten.
Eine Erdgasverflüssigungsanlage ist beispielsweise in http://de.wikipedia.org/wiki/Gasverflüssigungsanlage (erhältlich am 19.06.2014) beschrieben.
Weitere Erdgasverflüssigungsanlagen und diesbezügliche Prozesse/Verfahren zur Erdgasverflüssigung, wie ein „Basic single flow LNG process“ der Fa. Linde oder ein „Linde Multi Stage Mixed Refrigerant“ Prozess oder ein „Mixed Fluid Cascade“ Prozess der Fa. Linde, sind aus „LNG Technology“, Linde AG, LNG/1.1e/09 und „LNG Technology.“, Linde AG, LNG/1.1e/13 bekannt.
Ferner ist – zur Erzeugung von mechanischer Energie (und in weiterer Folge elektrischer Energie) – eine Gasturbinenanlage bekannt.
Eine solche Gasturbinenanlage besteht aus einem Verdichter, einer Brennkammer mit meist mehreren Brennern und einer Gasturbine (Expander) zur Stromerzeugung.
Die Gasturbinenanlage wird mit fluiden Brennstoffen betrieben. In der Regel sind diese Brennstoffe Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Kohle- oder Erdgas. Diese Fluide sind der Brennstoff für die Gasturbinenanlage, deren Gasturbine einen an sie angekoppelten Generator zur Stromerzeugung antreibt. Dabei saugt zunächst der ebenfalls an die Gasturbine mechanisch angekoppelte und durch diese angetriebene Verdichter Frischluft für den Verbrennungsprozess an und verdichtet diese auf Werte, die meist im Bereich 15 bar bis 20 bar liegen.
Die komprimierte Luft wird mit dem Brennstoff der Brennkammer zugeführt. Dort wird das Gemisch aus Frischluft und Brennstoff mittels des bzw. der Brenner gezündet, um dann dort zu verbrennen, wobei Verbrennungsgase – im Wesentlichen Kohlendioxid, Wasserdampf, Stickstoff und Sauerstoff – Temperaturen bis ca. 1500°C und höher erreichen.
Die heißen Abgase strömen dann in die Gasturbine, in der diese einen Teil ihrer Energie durch Entspannung als Bewegungsenergie an die Gasturbine abgeben.
Durch den an die Gasturbine gekoppelten Generator wird die mechanische Leistung dann in elektrische Leistung umwandelt, welche als elektrischer Strom in ein Stromnetz eingespeist wird.
Vom Gasturbinenaustritt werden – in der Regel kohlendioxidreiche und so umweltschädliche – Abgase bzw. Rauchgase abgeleitet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile und Einschränkungen im Stand der Technik zu überwinden. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, es zu ermöglichen, dass auch an abgelegenen Gebieten/Orten bzw. „remote areas“, wie an den Erdgasförderstätten, Energie, insbesondere elektrische Energie, beispielsweise für einen Betrieb von dortigen Einrichtungen und Anlagen, zur Verfügung gestellt werden kann. Darüber hinaus soll die Erfindung es auch ermöglichen, die Energie umweltfreundlich zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird durch ein Erdgasverarbeitungsverfahren sowie eine Erdgasverarbeitungsanlage mit den Merkmalen gemäß dem jeweiligen unabhängigen Patentanspruch gelöst.
Bei dem Erdgasverarbeitungsverfahren ist vorgesehen, dass Erdgas verflüssigt wird. Weiter ist vorgesehen, dass das Erdgas vor der Verflüssigung expandiert wird, wobei in dem Erdgas enthaltene Enthalpie durch die Expansion in mechanische Energie umgewandelt wird.
Bei der Erdgasverarbeitungsanlage ist eine Erdgasverflüssigungsanlage zur Verflüssigung von Erdgas vorgesehen. Weiter ist ein Expander vorgesehen, unter Verwendung welchem Erdgas vor der Verflüssigung expandierbar ist, wobei in dem Erdgas enthaltene Enthalpie durch die Expansion im Expander in mechanische Energie umwandelbar ist.
Unter Expander kann dabei eine Gasentspannungsturbine oder Gasexpansionsturbine (Strömungsmaschine) verstanden werden, in der ein unter Druck stehendes Gas unter Abführung von Arbeit (mechanische Energie) expandiert wird. Das zu expandierende Gas, in diesem Fall damit das Erdgas, wird also nicht (in der Strömungsmaschine/Expander) selbst erzeugt, sondern fällt aus vorgeschalteten Prozessen, wie in diesem Fall die Erdgasförderung, an.
Der Expander kann ein- oder mehrstufig, axialer oder radialer Bauart sein. Die mechanische Energie bzw. die (mechanische) Arbeit kann – entsprechend abgeführt – zum Antrieb eines Generators, eines Kompressors oder einer Pumpe verwendet werden.
Der Expander kann aus einer ein- oder mehrstufigen Abtriebswelle axialer (beschaufelte Stufen) oder radialer (Laufräder) Bauart, aus Leitstufen (Leitschaufeln oder Diffusoren) und/oder einem dem Außengehäuse bestehen. Der Abtrieb kann am eintritts- oder am austrittsseitigen Wellenende liegen.
Vereinfacht und anschaulich ausgedrückt, es ist vorgesehen, dass bei dem Erdgas – vor dessen Verflüssigung – innere Energie durch Umwandlung in mechanische Energie/Arbeit „abgeführt“ wird.
Die abgeführte mechanische Energie/Arbeit steht dann zur Nutzung, beispielsweise – unmittelbar – durch Antrieb/-leistung von Anlagen und/oder Aggregaten, wie einen Antrieb eines Verdichters, oder – mittelbar – durch weitere Umwandlung in elektrische Energie (beispielsweise mittels eines Generators) für eine Stromversorgung von Einrichtungen und Anlagen, wie Klimaanlagen, (Elektro-)Motore, zur Verfügung.
Ist die Förderung des Erdgases bzw. deren Förderstätte und deren diesbezügliche Verflüssigungsanlage gemeinsam am selben „abgelegenen“ Ort, insbesondere ohne Anbindung an ein überregionales Stromversorgungsnetz, lokalisiert, so wird hierdurch somit ermöglicht, dass auch dort, d.h. an der Erdgasförderstätte und/oder der Erdgasverflüssigungsstätte bzw. an der „remote area“, Energie, insbesondere mechanische (und in Folge auch elektrische) Energie, beispielsweise für einen Betrieb von dortigen Anlagen, Aggregaten und/oder Einrichtungen, zur Verfügung steht.
Eine sonst notwendige Anbindung der „remote area“ (mit dortiger Erdgasförder- und/oder Erdgasverflüssigungsstätte) an ein überregionales Stromversorgungsnetzes ist somit hier nicht notwendig. Entsprechende Kosten und/oder ein diesbezüglicher entsprechender Aufwand, auch baulicher Aufwand, kann entfallen. Auch Umweltbelastungen, wie durch Überlandstromleitungen, können minimiert werden.
Anders und kurz ausgedrückt, es wird die Erdgasförderung und/oder die Erdgasverflüssigung auch in einer „remote area“ – ohne (dortiges) überregionales Stromversorgungsnetz – ermöglicht.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen. Die beschriebenen Weiterbildungen beziehen sich sowohl auf das Verfahren als auch auf die Anlage.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das – zu expandierende – Erdgas einen Druck von ca. 10 bar bis 100 bar, insbesondere 15 bar bis 80 bar, besonders bevorzugt von ca. 20 bar bis 70 bar, ganz im Besonderen von ca. 40 bar bis 50 bar, aufweist bzw. entsprechend gefördert wird/ist.
Auch kann vorgesehen sein, dass das zu expandierende Erdgas eine Temperatur von ca. 3°C bis 50°C, insbesondere 30°C bis 40°C, besonders bevorzugt ca. 35°C, besitzt bzw. entsprechend gefördert wird/ist.
Das zu expandierende Erdgas kann einer konventionellen oder auch einer unkonventionellen Erdgaslagerstätte, wie Erdgasvorkommen in porösen und permeablen Gesteinen, z. B. Sandsteine, Massenkalke, unterhalb geringporöser, impermeabler Gesteine, wie Tonsteine, Mergelsteine, feinkörnige Kalksteine, (konventionelle Lagerstätte) oder Erdgasvorkommen in Kohleflözen, wie CBM (Coal Bed Methane), oder Tonstein, (unkonventionelle Lagerstätte) entstammen bzw. von dort gefördert bzw. gewonnen werden/sein.
Nach einer weiteren Weiterbildung ist vorgesehen, dass das – zu expandierende – Erdgas auf unter ca. 5 bar, insbesondere auf unter 3 bar, besonderes bevorzugt auf unter ca. 2 bar oder annähernd auf Atmosphärendruck, beispielsweise unter Verwendung des Expanders, expandiert wird.
Nach einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass mit der umgewandelten mechanischen Energie ein Verdichter angetrieben wird. Der Verdichter kann dabei ein Prozessgas, insbesondere Luft, verdichten.
Einfach und anschaulich ausgedrückt, die Abtriebswelle des Expanders kann – gegebenenfalls über eine Kupplung – mit einer Antriebswelle des Verdichters verbunden werden, sodass so der Expander den Verdichter (mechanisch) antreibt.
Auch kann weiter vorgesehen sein, dass das verdichtete Prozessgas, insbesondere die verdichtete Luft, beispielsweise mittels eines weiteren Expanders, expandiert wird, wobei in der verdichteten Luft enthaltene Enthalpie durch die Expansion in mechanische Energie bzw. Arbeit umgewandelt wird.
Dabei kann auch der weitere Expander – über eine Kupplung – mit dem Verdichter verbunden sein. D.h., die Abtriebswelle des weiteren Expanders kann – über eine gegebenenfalls entkoppelbares Kupplung – mit der Antriebswelle des Verdichters – verbunden sein.
Dabei kann hier auch vorgesehen sein, dass eine Wärmezufuhr bzw. eine Erwärmung des (bereits) verdichteten und (noch) zu expandierenden Prozessgases, insbesondere der (bereits) verdichteten und (noch) zu expandierenden Luft, mittels eines Wärmeaustausches, insbesondere mit einem (heißen) Abgas, wie einem heißen Abgas aus einer Gasturbinenanlage bzw. einer dortigen Gasturbine, erwärmt wird.
Die – beispielsweise vom weiteren Expander erzeugte – mechanische Energie bzw. Arbeit kann dann weiter in elektrische Energie umgewandelt werden, beispielsweise mittels eines Generators, mit welcher elektrischen Energie Einrichtungen, Anlagen und/oder Aggregate, wie Klimaanlagen, Heizeinrichtungen, Beleuchtungseinrichtungen, Motore u. ä., mit elektrischem Strom versorgt bzw. betrieben werden können.
D.h., auch hier kann beispielsweise die Abtriebswelle des weiteren Expanders – über eine weitere, auch gegebenenfalls entkoppelbare – Kupplung – mit einer Antriebswelle eines Generators verbunden werden, sodass so der Expander den (die elektrische Energie erzeugenden) Generator (mechanisch) antreibt.
Insbesondere die Kombination aus Luft verdichtendem Verdichter, Erwärmung der verdichteten Luft mittels Wärmeaustausch mit heißem Abgas sowie Expansion der verdichteten und erwärmten Luft durch den weiteren Expander und elektrische Energie erzeugendem Generator stellt eine – da Kohlendioxid freie – umweltfreundliche elektrische Energie erzeugende Einheit dar („green power“).
Ferner kann vorgesehen werden, dass ein bei einer Erdgasvorhandlung des zu verflüssigenden Erdgases, bei der Verflüssigung des Erdgases und/oder bei einer Speicherung des verflüssigten Erdgases entstehendes Gas, insbesondere ein Boil-Off-Gas und/oder ein Flash-Gas, als Brennstoff bei einer bzw. für eine Gasturbinenanlage verwendet wird.
Anschaulich bzw. vereinfacht ausgedrückt, entstehen bei der Verflüssigung des Erdgases bzw. in der Erdgasverflüssigungsanlage so genannte Flash-Gase und/oder bei der Speicherung von LNG so genannte Boil-Off-Gase, (die aus einem LNG Speicher aus sicherheitstechnischen Gründen abgeleitet werden müssen,) so können diese als Brennstoff für eine Gasturbinenanlage genutzt bzw. einer solchen zugeführt, insbesondere in eine Brennkammer der Gasturbinenanlage eingespritzt, werden.
Wo sonst diese Gase, insbesondere das Boil-Off-Gas, – in Umwelt belastender Weise – abgefackelt werden, können diese hier somit weniger bzw. nicht Umwelt belastend weiterverwendet werden. Auch lassen sich dadurch operative und/oder Wartungskosten für einen Betreiber reduzieren.
Vor Einspritzung bzw. vor Zuführung dieser Gase als Brennstoff für die Gasturbinenanlage bzw. in deren Brennkammer können diese – beispielsweise mittels eines Verdichters – komprimiert – und dann der Gasturbinenanlage zugeführt bzw. in die Brennkammer eingespritzt werden. Eine solche Kompression von den Gasen kann beispielsweise eine Verdichtung der Gase – beispielsweise von ca. Atmosphärendruck – auf ca. 6 bar bis 7 bar vorsehen.
Die mit einer Gasturbine der Gasturbinenanlage erzeugte mechanische Energie bzw. Arbeit kann dann unmittelbar als mechanische Antriebsleistung genutzt werden.
D.h., auch hier kann beispielsweise eine Abtriebswelle der Gasturbine der Gasturbinenanlage – über eine weitere, auch gegebenenfalls entkoppelbare – Kupplung – mit einer Antriebswelle einer Strömungsmaschine, wie eines Verdichters, verbunden werden, sodass so die Gasturbine die Strömungsmaschine bzw. den Verdichter antreibt.
Ein solcher Verdichter kann beispielsweise ein (Kühlmittel-)Verdichter, wie ein so genannter „mixed refrigerant compressor“, für ein Kühlmittelsystem mit einem Kühlkreislauf bzw. in einem Kühlmittelkreislauf sein.
So kann beispielsweise für die Verflüssigung des Erdgases bzw. bei der Erdgasverflüssigungsanlage ein solches Kühlmittelsystem mit einem Kühlkreislauf verwendet werden, deren dortiges bzw. dort zirkulierendes bzw. gefördertes Kühlmittel, insbesondere ein Kühlmittelgemisch, über einen Wärmetauscher, beispielsweise einen gewickelten Wärmetauscher oder einen Plattenwärmetauscher, meist als „cryogenic heat exchanger“ oder auch nur als „cold box“ bezeichnet, für den Kälteeintrag auf das zu verflüssigende Erdgas sorgt.
D.h., dieser Kühlmittelkompressor kann – insbesondere in Kombination mit einem ihm nachgeschalteten und mit ihm mechanisch gekoppelten, den Kühlmittelkompressor (durch seine erzeugte mechanische Arbeit) antreibenden, ein Joule-Thomson Effekt bewirkenden Expander – eine Komponente eines Kühlmittelkreislaufes sein, durch welchen bzw. durch welche – über entsprechenden Kälteeintrag auf das Erdgas – das Erdgas – durch Abkühlung auf ca. –164°C bis –161°C – verflüssigt wird. In Strömungsrichtung des Kühlmittels bzw. des Kühlmittelgemisches und in dem Kühlmittelkreislauf des Kühlmittels bzw. des Kühlmittelgemisches kann zwischen dem Kühlmittelkompressor und dem Expander ein (von dem Kühlmittel durchströmter) Expander angeordnet sein, welcher das – mit hoher Temperatur aus dem Kühlmittelverdichter austretende Kühlmittel/-gemisch kühlt.
Während einer kaskadenförmigen Abkühlung und/oder einer Abkühlung des Erdgases in Stufen mittels eines solchen Wärmetauschers bzw. der „cold box“ kann – da schon bei höheren Temperaturen, wie bei ca. –108°C, verflüssigt – aus dem Erdgas so genanntes Flüssiggas, wie flüssiges Ethan oder Butan, abgezogen (und weiter verwendet) werden. Das verbleibende – hier noch gasförmige – Methan bzw. Erdgas kann dann weiter auf seine Verflüssigungstemperatur, ca. –162°C, abgekühlt werden.
Die mit der Gasturbine der Gasturbinenanlage erzeugte mechanische Energie bzw. Arbeit kann aber auch – durch Umwandlung mittels eines Generators – weiter als elektrische Energie genutzt werden, mit welcher Einrichtungen, Anlagen und/oder Aggregate, wie Klimaanlagen, Heizeinrichtungen, Beleuchtungseinrichtungen u.ä. oder auch Motore (gegebenenfalls zum Antrieb des Verdichters für die Gase (Flash Gas bzw. Boil-Off-Gas), mit elektrischem Strom versorgt bzw. betrieben werden können.
Auch kann vorgesehen werden, dass unter Verwendung von Abgas der Gasturbinenanlage, welches beispielsweise ca. 350°C bis ca. 750°C, insbesondere 400°C bis 500°C, aufweisen kann, das von dem Verdichter verdichtete Prozessgas, insbesondere die vom Verdichter verdichtete Luft, vor der Expansion (in dem weiteren Expander) erwärmt wird. Dazu kann ein entsprechender Wärmetauscher (zwischen der vom Verdichter verdichteten Luft und dem Abgas der Gasturbinenanlage) verbaut werden.
Weiter kann vorgesehen sein, das Verfahren und/oder die Anlage zu einer Erzeugung von Energie für eine Energieversorgung in einem abgelegenen Gebiet bzw. in einer „remote area“ einzusetzen. Dies kann beispielsweise elektrische Energie (zu einer Stromversorgung) von dortigen Einrichtungen, Anlagen und/oder Aggregaten, wie Klimaanlagen, Heizeinrichtungen, Beleuchtungseinrichtungen u. ä. oder auch Motoren, sein.
Damit ist es möglich, auch in einer „remote area“ umweltschonend und/oder kostengünstig Energie bzw. eine Stromversorgung zur Verfügung zu stellen.
Eine sonst notwendige Anbindung der „remote area“ an ein überregionales Stromversorgungsnetzes ist somit hier nicht notwendig. Entsprechende Kosten und/oder ein diesbezüglicher entsprechender Aufwand, auch baulicher Aufwand, kann entfallen. Auch Umweltbelastungen, wie durch Überlandstromleitungen, können minimiert werden.
Die bisher gegebene Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung enthält zahlreiche Merkmale, die in den einzelnen Unteransprüchen teilweise zu mehreren zusammengefasst wiedergegeben sind. Diese Merkmale wird der Fachmann jedoch zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von einem oder mehreren Ausführungsbeispielen, das bzw. die im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert wird bzw. werden.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf die in dem bzw. den Ausführungsbeispielen angegebene Kombination von Merkmalen beschränkt, auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. So können dazu geeignete Merkmale eines jeden Ausführungsbeispiels auch explizit isoliert betrachtet, aus einem Ausführungsbeispiel entfernt, in ein anderes Ausführungsbeispiel zu dessen Ergänzung eingebracht werden.
Es zeigt die:
FIGUR eine schematische Darstellung einer Erdgasverarbeitungsanlage, mit welcher Erdgas verarbeitet bzw. verflüssigt wird, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführungsbeispiel: Erdgasverarbeitungsanlage mit Erdgasverflüssigung und Stromerzeugung in einer „remote area“
Die FIGUR zeigt eine schematische Darstellung einer Erdgasverarbeitungsanlage 1, welche unmittelbar an der Förderstätte 20 des Erdgases 3 aufgestellt ist und dort – mittels einer entsprechenden Förderanlage (nicht dargestellt) – gefördertes Erdgas 3 verarbeitet 100.
Dabei handelt es sich bei der Erdgasförderstätte 20 um eine unkonventionelle Erdgasförderung, d.h. Erdgas 3 wird – in diesem Fall – aus Schiefergestein gewonnen.
Die Erdgasförderstätte 20 – und so auch die Erdgasverarbeitungsanlage 1 – sind dabei in einem abgelegenen Gebiet 20 gelegen, welches bzw. deren dortige Infrastruktur nicht an ein überregionales Stromversorgungsnetz angebunden ist/sind („remote area“).
D.h., insbesondere elektrische Energie muss „vor Ort“ produziert 180 bzw. zur Verfügung gestellt werden und kann nicht „von Entfernt“ (über ein überregionales Stromversorgungsnetz) bezogen werden.
Mit der Erdgasverarbeitungsanlage 1 wird das – mit ca. 40 bar bis 50 bar und ca. 30°C bis 40°C – geförderte Erdgas 3 verarbeitet 100 bzw. verflüssigt 110 und auch elektrische Energie bzw. Strom für eine Stromversorgung der dortigen (förderseitigen/verarbeitungsseitigen) Infrastruktur (Stromverbraucher, hier beispielhaft für eine Klimaanlage) erzeugt 180.
Hierzu weist, wie die FIGUR zeigt, die Erdgasverarbeitungsanlage 1 einen Strom erzeugenden Anlagenteil 23 sowie einen das geförderte Erdgas verflüssigenden und speichernden Anlagenteil 24 auf.
Zunächst wird, wie die FIGUR verdeutlicht, das – mit ca. 40 bar bis 50 bar und ca. 30°C bis 40°C (aus der unkonventionellen Förderstätte 20) – geförderte Erdgas 3 in einem Expander 4, kurz auch Expansionsturbine 4, auf ca. 2 bar bis ca. 3 bar entspannt 120, wodurch das Erdgas 3 einen Teil seiner Energie durch Entspannung 120 als Bewegungsenergie an den Expander 4 abgibt und dieser so mechanische Arbeit bzw. An- bzw. Abtriebsleistung erzeugt 200.
Der Expander 4 ist dabei, wie die FIGUR auch zeigt, über seine Abtriebswelle 25 – gegebenenfalls über eine entkoppelbare Kupplung 26 – mit einer Antriebswelle 27 eines Verdichters 5 – des Strom erzeugenden Anlagenteils 23 – verbunden, sodass so der Expander 4 bzw. dessen Abtriebsleistung/Bewegungsenergie den Verdichter 5 unmittelbar (mechanisch) antreibt 250.
Der Verdichter 5 saugt ein Prozessgas 6, in diesem Fall Umgebungsluft (kurz nur Luft) 6, ein – und verdichtet 130 diese Luft 6 (von Umgebungsdruck) auf ca. 20 bar.
Die komprimierte Luft 8 wird – über einen Wärmetauscher 18 – mittels eines heißen Abgases 19 aus einer Gasturbinenanlage 9 bzw. dortigen Gasturbine 12, welches Abgas 19 mit ca. 500°C dem Wärmetauscher 18 zugeführt und nach diesem in die Atmosphäre 28 geblasen wird, auf ca. 450°C erhitzt 170.
Die komprimierte und heiße Luft 8 strömt dann in einen weiteren Expander 7, in dem diese einen Teil ihrer Energie durch Entspannung 140 als Bewegungsenergie an den weiteren Expander abgibt und dieser so ebenfalls mechanische Arbeit bzw. An- bzw. Abtriebsleistung erzeugt 210.
Wie die FIGUR auch zeigt, ist der weitere Expander 7 über eine entkoppelbare Kupplung 26 mechanisch mit dem Verdichter 5 gekoppelt, so dass dieser Verdichter 5 – neben dem Expander 4 auch durch den weiteren Expander 7 antreibbar ist.
So ist es beispielsweise möglich, zu einem Start des Strom erzeugenden Anlagenteils 23 dieses über die Antriebsleistung aus dem Expander 4 zu starten, dann aber im Betrieb des Strom erzeugenden Anlagenteils 23 dieses bzw. dortigen Verdichter 5 über den weiteren Expander 7 anzutreiben.
Durch einen an den weiteren Expander 7 (mechanisch) gekoppelten Generator 29 wird die mechanische Leistung dann in elektrische Leistung umwandelt 220, welche für die Infrastruktur „vor Ort“ 22, beispielsweise für eine Klimaanlage 22, wie die FIGUR stellvertretend bzw. beispielhaft, verdeutlicht, bzw. eine diesbezügliche Stromversorgung 180 Verfügung steht.
Insbesondere die Kombination aus Luft 6 verdichtendem Verdichter 5, Erwärmung der verdichteten Luft 8 mittels Wärmeaustausch 170 mit heißem Abgas 19 sowie Expansion 140 der verdichteten und erwärmten Luft 8 durch den weiteren Expander 7 und elektrische Energie erzeugendem Generator 22 stellt eine – da Kohlendioxid freie – umweltfreundliche elektrische Energie erzeugende Einheit 23 dar („green power“), welche die „remote area“ 20 bzw. deren Infrastruktur 22 kostengünstig und umweltfreundlich mit elektrischer Energie versorgen 180 kann.
Wie weiter die die FIGUR zeigt, wird das in dem Expander 4 entspannte Erdgas 30 dem das geförderte Erdgas verflüssigenden und speichernden Anlagenteil 24 (mit insbesondere einer Erdgasverflüssigungsanlage 2 mit dortigem Kühl(-mittel-)kreislauf 31) zugeführt.
Hier erfolgt, wie die die FIGUR auch verdeutlicht, zunächst eine, insbesondere chemische, (Abtrennungs-)Behandlung bei dem (entspannten) Erdgas 30, bei welcher u.a. Schwefelwasserstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasser vom Erdgas – zum Schutz von Leitungen u.ä. sowie Kühlaggregaten – abgetrennt werden.
Da neben den genannten Gasen das (entspannte) Erdgas 31 auch elementaren Schwefel und Quecksilber enthalten kann, werden auch diese Stoffe – zum Schutz von Leitungen u. ä. sowie Kühlaggregaten – bei der (Abtrennungs-)Behandlung 260 vom (entspannten) Erdgas 31 abgetrennt.
Anschließend wird das so behandelte (gereinigte) Erdgas 32, wie die die FIGUR auch zeigt, einer sogenannten „cold box“ 33 (vereinfacht ausgedrückt, einem in diesem Fall gewickelten Wärmetauscher 33 („cryogenic heat exchanger“)) der Verflüssigung 110 bzw. der Verflüssigungsanlage 2 zugeführt.
In dieser „cold box“ 33 wird das (im Expander 4 entspannte 120 und vorbehandelte/gereinigte 260) Erdgas 32 – in Stufen und in „Wärmeaustausch“ 270 mit einem Kühlmittelgemisch 34 des Kühlmittelkreislaufes 31 – auf –162°C abgekühlt 270.
Dabei erfolgt zunächst eine Abkühlung 270 des (im Expander 4 entspannte 120 und vorbehandelte/gereinigte 260) Erdgases 32 auf ca. –108°C, wobei – da schon bei dieser Temperatur verflüssigt – aus dem Erdgas 34 Flüssiggas (NGL) 35, wie flüssiges Ethan oder Butan, abgezogen 280 (und weiter verwendet) werden kann.
Das verbleibende – hier noch gasförmige – Methan bzw. Erdgas 36 kann dann weiter in der „cold box“ 33 auf seine Verflüssigungstemperatur, ca. –162°C, abgekühlt werden 270, wodurch sich Flüssigerdgas bzw. LNG 13 bildet.
Dieses LNG 13 wird, wie die die FIGUR zeigt, in einem LNG Tank 14 gesammelt bzw. gespeichert 150 – und steht dort zur weiteren Verwendung, z.B. Verladung, Transport, u.ä., zur Verfügung.
Sich in dem LNG Tank 14 bildendes Boil-Off-Gas 15 wird, um eine (Druck-)Überlastung des LNG Tanks 14 zu vermeiden, aus dem LNG Tank 14 ab- und gegebenenfalls zusammen mit Flash-Gas 15 aus der Verflüssigung 110 (nicht näher gezeigt) – einem über einen Motor 37 angetriebenen Verdichter 16 zugeleitet, in welchem das Boil-Off-Gas 15 (und gegebenenfalls das Flash-Gas 15) durch Verdichtung 160 auf ca. 6 bar bis 7 bar wiederverflüssigt wird 160.
Dieses verdichtete, wiederverflüssigte Gas 17 aus dem Verdichter 16 wird weiter als Brennstoff für die – das heiße Abgas 19 für die Erwärmung 170 der komprimierten Luft 8 liefernden – Gasturbinenanlage 9 genutzt bzw. dieser zugeführt, d.h. in eine Brennkammer 11 (nicht näher gezeigt) der Gasturbinenanlage 9 eingespritzt 230.
Wo sonst diese Gase, insbesondere das Boil-Off-Gas 15, – in Umwelt belastender Weise – abgefackelt werden, können diese hier somit weniger bzw. nicht Umwelt belastend weiterverwendet werden. Auch lassen sich dadurch operative und/oder Wartungskosten für einen Betreiber reduzieren.
Die Gasturbinenanlage 9 saugt dabei Umgebungsluft 38 an, verdichtet diese mittels eines Verdichters 10, erhitzt diese zusammen mit dem Brennstoff 17 in der Brennkammer 11 und entspannt das Luft-Brennstoff-Gemisch anschließend in der Gasturbine 12, dessen heißes Abgas 19 (von ca. 500°C) dann zur Erwärmung 170 der komprimierten Luft 8 verwendet wird.
Wie die die FIGUR auch zeigt, ist der Verdichter 10 der Gasturbinenanlage mit einem Motor 37 (mechanisch) gekoppelt, welcher beim Start der Gasturbinenanlage 9 die nötige Antriebsleistung für den Verdichter 10 der Gasturbinenanlage 9 zur Verfügung stellt.
Die mit der Gasturbine 12 der Gasturbinenanlage 9 erzeugte mechanische Energie bzw. Arbeit wird, wie die die FIGUR zeigt, auch unmittelbar als mechanische Antriebsleistung 240 für einen Verdichter 21 des Kühlmittelkreislaufes 31, einen „mixed refrigerant compressor“ 21 des Kühlmittelkreislaufs 31, genutzt.
D.h., eine Abtriebswelle 25 der Gasturbine 12 der Gasturbinenanlage 9 ist – über eine entkoppelbare Kupplung 26 – mit einer Antriebswelle 27 des „mixed refrigerant compressor“ 21 verbunden, sodass so die Gasturbine 12 den „mixed refrigerant compressor“ – insbesondere zu einem Start des „mixed refrigerant compressor“ 21 – antreibt 240, 250.
Dieser „mixed refrigerant compressor“ 21 des Kühlmittelkreislaufes 31 verdichtet 290 das (in verdampftem Zustand in den „mixed refrigerant compressor“ 21 eintetende) Kühlmittelgemisch 34 auf hohen Druck.
Anschließend wird das hoch verdichtete, aber heiße Kühlmittelgemisch 34 einem Kondensator 40 zugeführt 330, welcher das heiße Kühlmittelgemisch herunterkühlt 340.
Weiter strömt/durchströmt 320 das Kühlmittelgemisch 34 einen Expander 39, welcher das Kühlmittelgemisch 34 entspannt 310, wodurch das Kühlmittelgemisch 34 weiter heruntergekühlt wird (Joule-Thomson Effekt), einen Teil seiner Energie durch Entspannung 310 als Bewegungsenergie an den Expander 39 abgibt und dieser so mechanische Arbeit bzw. An- bzw. Abtriebsleistung erzeugt.
Der Expander 39 ist dabei, wie die die FIGUR auch zeigt, über seine Abtriebswelle 25 – gegebenenfalls über eine entkoppelbare Kupplung 26 – mit einer Antriebswelle 27 eines „mixed refrigerant compressor“ 21 verbunden, sodass so der Expander 39 bzw. dessen Abtriebsleistung/Bewegungsenergie den „mixed refrigerant compressor“ 21 unmittelbar (mechanisch) – im Betrieb des „mixed refrigerant compressor“ 21 – antreibt 250.
Das so bzw. dabei vollständig verflüssigte und unterkühlte Kühlmittelgemisch 34 durchströmt 300 (austretend aus dem „mixed refrigerant compressor“ 21) die „cold box“ 33 und gibt „Kälte“ 270 in der „cold box“ 33 bzw. an das zu verflüssigende Erdgas 32 ab, um so das Erdgas 32 (in den Stufen) auf die Verflüssigungstemperatur von NGL sowie weiter auf die Verflüssigungstemperatur von ca. 162°C herunterzukühlen 270.
Das dabei verdampfte Kühlmittelgemisch 34 tritt dann aus der „cold box“ 33 aus 300 und wird dann wieder zum „mixed refrigerant compressor“ 21 bzw. zu dessen Eingang zurückgeführt 350, wodurch der Kühlmittelkreislauf 31 geschlossen ist.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bzw. die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://de.wikipedia.org/wiki/Gasverflüssigungsanlage [0013]

Claims

Erdgasverarbeitungsverfahren (100) bei dem Erdgas verflüssigt wird (110), dadurch gekennzeichnet, dass das Erdgas (3) vor der Verflüssigung (110) expandiert (120) wird, wobei in dem Erdgas (3) enthaltene Enthalpie durch die Expansion (120) in mechanische Energie umgewandelt (200) wird.
Erdgasverarbeitungsverfahren (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Energieumwandlung (200) unter Verwendung eines Expanders (4) durchgeführt wird.
Erdgasverarbeitungsverfahren (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das Erdgas (3) mit ca. 40 bar bis 50 bar und/oder ca. 30°C bis 40°C gefördert (190) wird.
Erdgasverarbeitungsverfahren (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das Erdgas von ca. 7 bar auf ca. 1 bar bis 3 bar, insbesondere Atmosphärendruck, expandiert (120) wird.
Erdgasverarbeitungsverfahren (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem mit der umgewandelten mechanischen Energie ein Verdichter (5) angetrieben wird.
Erdgasverarbeitungsverfahren (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem mit dem Verdichter (5) ein Prozessgas (6), insbesondere Luft (6), verdichtet (130) wird.
Erdgasverarbeitungsverfahren (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das verdichtete Prozessgas (8), insbesondere die verdichtete Luft (8), expandiert (140) wird, wobei in dem verdichteten Prozessgas (8), insbesondere in der verdichteten Luft (8), enthaltene Enthalpie durch die Expansion (140) in mechanische Energie (210) umgewandelt wird.
Erdgasverarbeitungsverfahren (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die umgewandelte mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt (220) wird.
Erdgasverarbeitungsverfahren (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem ein bei der Verflüssigung (110) des Erdgases (3) und/oder bei einer Speicherung (150) des verflüssigten Erdgases (13) entstehendes Gas (15), insbesondere ein Boil-Off-Gas (15) und/oder ein Flash-Gas (15), als Brennstoff bei einer Gasturbinenanlage (9) verwendet (230) wird.
Erdgasverarbeitungsverfahren (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem unter Verwendung von Abgas (19) der Gasturbinenanlage (9) das von dem Verdichter (5) verdichtete Prozessgas (8), insbesondere die vom Verdichter (5) verdichtete Luft (8), vor der Expansion (140) erwärmt (170) wird.
Erdgasverarbeitungsverfahren (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem unter Verwendung einer mittels einer Gasturbine (12) der Gasturbinenanlage (9) erzeugte mechanische Energie ein Kühlmittelkompressor (21) angetrieben (240) wird.
Erdgasverarbeitungsverfahren (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, eingesetzt zu einer Erzeugung (180) von Energie für eine Energieversorgung in einem abgelegenen Gebiet (20).
Erdgasverarbeitungsanlage (1) mit einer Erdgasverflüssigungsanlage (2) zur Verflüssigung (110) von Erdgas (3) gekennzeichnet durch einen Expander (4), unter Verwendung welchem Erdgas (3) vor der Verflüssigung (110) expandierbar (120) ist, wobei in dem Erdgas (3) enthaltene Enthalpie durch die Expansion (120) im Expander (4) in mechanische Energie umwandelbar (200) ist.
Erdgasverarbeitungsanlage (1) nach mindestens dem voranstehenden Vorrichtungsanspruch, mit einem Verdichter (5), welcher mit der umgewandelten mechanischen Energie antreibbar (250) ist und mit welchem ein Prozessgas (6), insbesondere Luft (6), verdichtbar (130) ist, und mit einem weiteren Expander (7), mit welchem das verdichtete Prozessgas (8), insbesondere die verdichtete Luft (8), expandierbar (140) ist, wobei in dem verdichtete Prozessgas (8), insbesondere in der verdichteten Luft (8), enthaltene Enthalpie durch die Expansion (140) im weiteren Expander (7) in mechanische Energie umgewandelbar (210) ist.
Erdgasverarbeitungsanlage (1) nach mindestens dem voranstehenden Vorrichtungsanspruch, – mit einer Gasturbinenanlage (9), welche mit einem bei der Verflüssigung (110) des Erdgases (3) und/oder bei einer Speicherung (150) des verflüssigten Erdgases (13) entstehendem Gas (15), insbesondere einem Boil-Off-Gas (15) und/oder einem Flash-Gas (15), als Brennstoff betreibbar (230) ist, und/oder – mit einem Wärmetauscher (18), mit welchem ein Wärmeaustausch (170) zwischen einem Abgas (19) der Gasturbinenanlage (9) und dem durch den Verdichter (5) verdichteten Prozessgas (8), insbesondere der durch den Verdichter (5) verdichteten Luft (8), durchführbar ist.