DE102015002164A1 - Process for liquefying natural gas - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere Erdgas, beschrieben, wobei – die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion gegen wenigstens zwei Kältekreisläufe abgekühlt und verflüssigt wird, – jeder der Kältekreisläufe wenigstens einen Kreislaufverdichter aufweist, und – der kälteste Kältekreislauf zwei hintereinander geschaltete Kreislaufverdichter, nämlich einen Nieder- und einen Hochdruck-Kreislaufverdichter aufweist. Erfindungsgemäß – werden mit Ausnahme des Hochdruck-Kreislaufverdichters (C4, C4') des kältesten Kältekreislaufs drehzahlgleiche Kreislaufverdichter (C1–C3, C1'–C3') verwendet, – werden die drehzahlgleichen Kreislaufverdichter (C1–C3, C1'–C3') von lediglich einer Gasturbine (GT) angetrieben, – wobei die Gasturbine (GT) wenigstens 70%, vorzugsweise wenigstens 75% der erforderlichen Gesamtantriebsleistung aller Kreislaufverdichter (C1–C4, C1'–C4') bereitstellt, und – wird der Hochdruck-Kreislaufverdichter (C4, C4') des kältesten Kältekreislaufs von einem elektrischen Motor (M2) oder einer Dampfturbine angetrieben.The invention relates to a process for liquefying a hydrocarbon-rich fraction, in particular natural gas, wherein - the hydrocarbon-rich fraction is cooled and liquefied against at least two refrigeration cycles, - each of the refrigeration cycles has at least one cycle compressor, and - the coldest refrigeration cycle is two consecutively connected Circulation compressor, namely a low and a high-pressure cycle compressor has. According to the invention - with the exception of the high-pressure cycle compressor (C4, C4 ') of the coldest refrigeration cycle speed equal circuit compressor (C1-C3, C1'-C3') is used - are the speed-equivalent cycle compressor (C1-C3, C1'-C3 ') of only one gas turbine (GT) driven, - wherein the gas turbine (GT) at least 70%, preferably at least 75% of the required total drive power of all cycle compressor (C1-C4, C1'-C4 ') provides, and - the high-pressure cycle compressor (C4 , C4 ') of the coldest refrigeration cycle driven by an electric motor (M2) or a steam turbine.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere Erdgas, wobei

  • – die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion gegen wenigstens zwei Kältekreisläufe abgekühlt und verflüssigt wird,
  • – jeder der Kältekreisläufe wenigstens einen Kreislaufverdichter aufweist, und
  • – der kälteste Kältekreislauf zwei hintereinander geschaltete Kreislaufverdichter, nämlich einen Nieder- und einen Hochdruck-Kreislaufverdichter aufweist.
The invention relates to a process for liquefying a hydrocarbon-rich fraction, in particular natural gas, wherein
  • The hydrocarbon-rich fraction is cooled and liquefied against at least two refrigeration cycles,
  • - Each of the refrigeration circuits has at least one cycle compressor, and
  • - The coldest refrigeration cycle has two successive circuit compressors, namely a low and a high-pressure cycle compressor.

Unter dem Begriff ”kältester Kältekreislauf” sei nachfolgend derjenige Kältekreislauf zu verstehen, der die für die Verflüssigung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion erforderliche Kälte auf dem niedrigsten Temperaturniveau zur Verfügung stellt.The term "coldest refrigeration cycle" is to be understood below as the refrigeration cycle that provides the necessary for the liquefaction of the hydrocarbon-rich fraction cold at the lowest temperature level available.

Zur Verflüssigung Kohlenwasserstoff-reicher Fraktionen, insbesondere Erdgas, werden unter anderem Verfahren mit zwei oder mehr unabhängigen Kältekreisläufen verwendet, sobald die Verflüssigungskapazität 2 Millionen Tonnen pro Jahr (2 mtpa) übersteigt. Die Kältekreisläufe können auf einer Vielzahl von Prinzipien beruhen, darunter Kältekreisläufe mit Phasenwechsel reiner oder gemischter Komponenten, Kältekreisläufe mit arbeitsleistender Entspannung reiner oder gemischter Komponenten, Absorptionskältekreisläufe basierend auf z. B. NH3/H2O, etc.For the liquefaction of hydrocarbon-rich fractions, in particular natural gas, processes with two or more independent refrigeration cycles are used as soon as the liquefaction capacity exceeds 2 million tonnes per year (2 mtpa). The refrigeration cycles may be based on a variety of principles, including refrigeration cycles with phase change of pure or mixed components, refrigeration cycles with work-performing expansion of pure or mixed components, absorption refrigeration cycles based on z. B. NH 3 / H 2 O, etc.

Für eine Verflüssigungskapazität von beispielsweise 4 mtpa wird insgesamt eine Antriebsleistung der Kreislaufverdichter von 120 bis 200 MW benötigt. Die Kombination der zwei oder mehr benötigten Kreislaufverdichter mit entsprechenden Antrieben – hierfür kommen Gasturbinen, Dampfturbinen und/oder elektrische Motoren in Frage – führt zu einer Reihe von Lösungen, die teilweise vergleichsweise komplex und damit teuer und störanfällig sind.For a liquefaction capacity of, for example, 4 mtpa, a total drive power of the cycle compressors of 120 to 200 MW is required. The combination of the two or more required cycle compressor with corresponding drives - this gas turbine, steam turbines and / or electric motors in question - leads to a number of solutions that are sometimes relatively complex and therefore expensive and prone to failure.

Als primärer Antrieb der Kältekreislaufverdichter haben sich große Gasturbinen durchgesetzt; dies sind Gasturbinen, die eine Leistung von wenigstens 35 MW, vorzugsweise wenigstens 70 MW aufweisen. Wegen deren erhöhten Wartungsbedarfes werden üblicherweise nur zwei bis drei Gasturbinen pro Verflüssigungsstrang eingesetzt. Eine Ausnahme bilden Verfahren mit redundanten, d. h. parallelen Antriebssystemen. Bei derartigen Verfahren werden gegenwärtig bis zu acht Gasturbinen pro Verflüssigungsstrang realisiert. Ein dazu alternatives Verfahren ist aus dem US-Patent 6,253,574 bekannt, das ein Erdgas-Verflüssigungsverfahren beschreibt, bei dem alle Kreislaufverdichter eines Verflüssigungsstranges von lediglich einer Gasturbine angetrieben werden.The primary drive of the refrigeration cycle compressor, large gas turbines have prevailed; these are gas turbines which have a capacity of at least 35 MW, preferably at least 70 MW. Because of their increased maintenance requirements usually only two to three gas turbines are used per liquefaction train. Exceptions are methods with redundant, ie parallel drive systems. Currently, up to eight gas turbines per liquefaction train are realized in such processes. An alternative method is from the U.S. Patent 6,253,574 known, which describes a natural gas liquefaction process in which all the cycle compressor of a liquefaction line are driven by only one gas turbine.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion anzugeben, das es ermöglicht, ein Verflüssigungsverfahren, vorzugsweise ein Verflüssigungsverfahren mit einer Verflüssigungskapazität von mehr als 4 mtpa, unter Verwendung von wenigstens zwei Kältekreisläufen derart zu konfigurieren, dass

  • a) eine einzige Gasturbine wenigstens 70%, vorzugsweise wenigstens 75% der erforderlichen Gesamtantriebsleistung der Kreislaufverdichter zu Verfügung stellt,
  • b) durch diese Gasturbine höchstens drei Kreislaufverdichter angetrieben werden und
  • c) auf Zwischengetriebe zur Drehzahlanpassung zwischen den Kreislaufverdichtern verzichtet werden kann.
Object of the present invention is to provide a generic method for liquefying a hydrocarbon-rich fraction, which makes it possible to configure a liquefaction process, preferably a liquefaction process with a liquefaction capacity of more than 4 mtpa, using at least two refrigeration cycles such that
  • a) a single gas turbine provides at least 70%, preferably at least 75% of the required total drive power of the cycle compressor,
  • b) are driven by this gas turbine at most three cycle compressor and
  • c) can be dispensed with intermediate gear for speed adjustment between the cycle compressors.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass

  • – mit Ausnahme des Hochdruck-Kreislaufverdichters des kältesten Kältekreislaufs drehzahlgleiche Kreislaufverdichter verwendet werden,
  • – die drehzahlgleichen Kreislaufverdichter von lediglich einer Gasturbine angetrieben werden,
  • – wobei die Gasturbine wenigstens 70%, vorzugsweise wenigstens 75% der erforderlichen Gesamtantriebsleistung aller Kreislaufverdichter bereitstellt, und
  • – der Hochdruck-Kreislaufverdichter des kältesten Kältekreislaufs von einem elektrischen Motor oder einer Dampfturbine angetrieben wird.
To solve this problem, a generic method for liquefying a hydrocarbon-rich fraction is proposed, which is characterized in that
  • - be used with the exception of the high-pressure cycle compressor of the coldest refrigeration cycle speed-same cycle compressor,
  • - The speed-equivalent cycle compressor are driven by only one gas turbine,
  • - wherein the gas turbine provides at least 70%, preferably at least 75% of the required total drive power of all cycle compressor, and
  • - The high-pressure cycle compressor of the coldest refrigeration cycle is driven by an electric motor or a steam turbine.

Unter dem Begriff ”drehzahlgleiche Kreislaufverdichter” seien nachfolgend Verdichter bzw. Maschinen zu verstehen, deren Wellen mit der gleichen Drehzahl laufen.The term "speed equal-circuit compressor" below compressors or machines are to be understood, whose waves run at the same speed.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung drehzahlgleicher Kreislaufverdichter kann auf Zwischengetriebe zur Drehzahlanpassung zwischen den von der Gasturbine angetriebenen Kreislaufverdichtern sowie zwischen der Gasturbine und den Kreislaufverdichtern verzichtet werden. Der Hochdruck-Kreislaufverdichter weist den gleichen Massendurchsatz wie die drehzahlgleichen Kreislaufverdichter auf, wird aber bei einem deutlich höheren Druckniveau betrieben. Daher ist der Effektivvolumenstrom in dem Hochdruck-Kreislaufverdichter um wenigstens den Faktor 2, vorzugsweise um wenigstens den Faktor 3 kleiner als in den drehzahlgleichen Kreislaufverdichtern. Für eine optimale Auslegung und damit einen hohen Wirkungsgrad des Hochdruck-Kreislaufverdichters ist eine gegenüber dem Niederdruck-Kreislaufverdichter um wenigstens den Faktor 1,3, vorzugsweise um wenigstens den Faktor 1,5 höhere Drehzahl nötig, um die passende Umfangsgeschwindigkeit der Laufräder zu ermöglichen. Hier gilt: kleiner Volumenstrom ergibt kleine Laufraddurchmesser und somit hohe Drehzahl bei gegebener Umfangsgeschwindigkeit und vice versa. Würden alle Kreislaufverdichter bei gemeinsamer Drehzahl betrieben, müsste der Hochdruck-Kreislaufverdichter bei einer ungünstig niedrigen, also ineffizienten Drehzahl laufen. Das Einfügen eines weiteren Zwischengetriebes in einen Maschinenstrang mit dann insgesamt vier Verdichtern, einer Gasturbine sowie einem Starter/Helper wird als störanfällig eingeschätzt.Due to the use according to the invention of speed-same cycle compressors, it is possible to dispense with intermediate gears for speed adaptation between the cycle compressors driven by the gas turbine and between the gas turbine and the cycle compressors. The high-pressure cycle compressor has the same mass flow rate as the speed-equivalent cycle compressor, but is operated at a significantly higher pressure level. Therefore, the effective volume flow in the high-pressure cycle compressor is at least a factor of 2, preferably at least a factor of 3 smaller than in the same speed cycle compressors. For optimum design and thus high efficiency of the high-pressure cycle compressor, a speed which is higher than the low-pressure cycle compressor by at least a factor of 1.3, preferably at least a factor of 1.5, is necessary in order to enable the appropriate circumferential speed of the wheels. The following applies here: Small volume flow results in small impeller diameter and thus high speed at a given peripheral speed and vice versa. If all the cycle compressors were operated at the same speed, the high-pressure cycle compressor would have to run at an unfavorably low, ie inefficient speed. The insertion of another intermediate gear in a machine train with a total of four compressors, a gas turbine and a starter / helper is assessed as prone to failure.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass

  • – zwischen den von einer Gasturbine angetriebenen Kreislaufverdichtern und zwischen diesen Kreislaufverdichtern und der Gasturbine keine Zwischengetriebe zur Drehzahlanpassung vorgesehen sind,
  • – die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion vor ihrer Verflüssigung einer Abtrennung von höheren Kohlenwasserstoffen unterworfen wird und die von höheren Kohlenwasserstoffen befreite Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion auf einen Druck oberhalb ihres kritischen Drucks verdichtet wird,
  • – die Abwärme der Gasturbine in einem Dampfsystem genutzt wird, wobei der gewonnene Dampf vorzugsweise in wenigstens einer Dampfturbine zum Antrieb des Hochdruck-Kreislaufverdichters und/oder des für die Verdichtung der von höheren Kohlenwasserstoffen befreiten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion vorgesehenen Verdichters und/oder zur Stromerzeugung verwendet wird, und
  • – sofern die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion entspannt wird, die bei dieser Entspannung anfallende Gasfraktion gegen einen Teilstrom der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion angewärmt wird.
Further advantageous embodiments of the method according to the invention for liquefying a hydrocarbon-rich fraction, which constitute subject matters of the dependent claims, are characterized in that
  • - between the driven by a gas turbine cycle compressors and between these cycle compressors and the gas turbine no intermediate gear for speed adjustment are provided
  • Subjecting the hydrocarbon-rich fraction to a separation of higher hydrocarbons prior to its liquefaction and condensing the hydrocarbon-rich fraction freed from higher hydrocarbons to a pressure above its critical pressure,
  • The waste heat of the gas turbine is used in a steam system, the recovered steam preferably being used in at least one steam turbine for driving the high-pressure cycle compressor and / or the compressor provided for the compression of the hydrocarbon-rich fraction freed of higher hydrocarbons and / or for power generation will, and
  • - If the liquefied hydrocarbon-rich fraction is expanded, the resulting gas in this relaxation gas fraction is heated against a partial stream of the hydrocarbon-rich fraction to be liquefied.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien anhand der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.The inventive method for liquefying a hydrocarbon-rich fraction and further advantageous embodiments thereof are based on in the 1 and 2 illustrated embodiments explained in more detail.

Bei den in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen wird die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion 1, bei der es sich beispielsweise um Erdgas handelt, ggf. einer Vorbehandlung A unterworfen, in der Wasser, Kohlendioxid und/oder unerwünschte Schwefelverbindungen abgetrennt werden. Die derart vorbehandelte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion 2 wird, sofern erforderlich, einer Abtrennung von höheren Kohlenwasserstoffen B unterworfen. Unter dem Begriff ”höhere Kohlenwasserstoffe” seien C2+-Kohlenwasserstoffe zu verstehen. Diese werden über Leitung 3 abgezogen. Die von höheren Kohlenwasserstoffen befreite Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion 4 wird anschließend im Verdichter C5 vorzugsweise auf einen Druck oberhalb ihres kritischen Drucks verdichtet. Durch die Verdichtung auf einen Druck oberhalb des kritischen Drucks kann die Ausbildung eines Zweiphasenzustandes der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion während der Verflüssigung vermieden werden. Mittels dieser Verfahrensführung wird der Anlagenbetrieb in einem vergleichsweise großen Lastbereich vereinfacht.In the in the 1 and 2 Illustrated embodiments, the liquefied hydrocarbon-rich fraction 1 which is, for example, natural gas, optionally subjected to a pretreatment A, in which water, carbon dioxide and / or undesired sulfur compounds are separated off. The thus pretreated hydrocarbon-rich fraction 2 If necessary, a separation of higher hydrocarbons B is subjected. The term "higher hydrocarbons" means C 2+ hydrocarbons. These are over lead 3 deducted. The hydrocarbon-rich fraction freed from higher hydrocarbons 4 is then compressed in the compressor C5 preferably to a pressure above its critical pressure. By compressing to a pressure above the critical pressure, the formation of a two-phase state of the hydrocarbon-rich fraction to be liquefied during liquefaction can be avoided. By means of this procedure, the plant operation is simplified in a comparatively large load range.

Der Hauptstrom der verdichteten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion 5 wird nach Abführung der Verdichtungswärme im Wärmetauscher E9 einem ersten Wärmetauscher bzw. Wärmetauscherbereich E1 zugeführt. Bei den in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen erfolgen Abkühlung, Verflüssigung und Unterkühlung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion 5 in drei Wärmetauschern bzw. Wärmetauscherbereichen E1, E2 und E3 – nachfolgend nurmehr als Wärmetauscher bezeichnet. Hierbei sind die drei Wärmetauscherbereiche vorzugsweise in je einem einzigen, gewickelten Wärmetauscher realisiert. Während der Wärmetauscher E1 der Abkühlung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion 5 dient, dienen der Wärmetauscher E2 der Verflüssigung der abgekühlten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion 6 und der Wärmetauscher E3 der Unterkühlung der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion 7.The main stream of the compressed hydrocarbon-rich fraction 5 is fed to the removal of the heat of compression in the heat exchanger E9 a first heat exchanger or heat exchanger area E1. In the in the 1 and 2 Illustrated embodiments are carried out cooling, liquefaction and supercooling of the hydrocarbon-rich fraction 5 in three heat exchangers or heat exchanger areas E1, E2 and E3 - hereinafter referred to only as a heat exchanger. Here, the three heat exchanger areas are preferably realized in each case a single, wound heat exchanger. During the heat exchanger E1, the cooling of the hydrocarbon-rich fraction 5 serves, the heat exchanger E2 serve the liquefaction of the cooled hydrocarbon-rich fraction 6 and the heat exchanger E3 of the subcooling of the liquefied hydrocarbon-rich fraction 7 ,

Die aus dem Wärmetauscher E3 abgezogene Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion 8 wird im Entspannungsventil V4 entspannt und im Abscheider D4 in eine Flüssigfraktion 9 sowie eine Gasfraktion 12 aufgeteilt. Die über das Regelventil V5 abgezogene Flüssigfraktion 9 stellt im Falle einer Erdgas-Verflüssigung das LNG-Produkt dar. Dieses wird im Regelfall in einem in den Figuren nicht dargestellten Speicherbehälter zwischengelagert. Das in diesen Speicherbehältern anfallende Boil-off-Gas wird über Leitung 11 ebenfalls dem Abscheider D4 zugeführt und in diesem teilweise rückkondensiert. Die im Abscheider D4 anfallende Gasfraktion 12 wird im Wärmetauscher E4 gegen einen Teilstrom 10 der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion angewärmt und anschließend über Leitung 13 als Brenngas abgegeben. Der im Wärmetauscher E4 verflüssigte Teilstrom 10 der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion wird über das Entspannungsventil V6 der unterkühlten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion 8 zugemischt. Diese Verfahrensführung entlastet den Verflüssigungsprozess bzw. die noch zu beschreibenden Kältekreisläufe und trägt zur Senkung des Energieverbrauchs bei.The withdrawn from the heat exchanger E3 hydrocarbon-rich fraction 8th is expanded in the expansion valve V4 and in the separator D4 in a liquid fraction 9 as well as a gas fraction 12 divided up. The withdrawn via the control valve V5 liquid fraction 9 represents in the case of natural gas liquefaction, the LNG product. This is usually stored in a storage container, not shown in the figures. The accumulated in these storage tanks boil-off gas is via line 11 also fed to the separator D4 and partially recondensed in this. The gas fraction arising in the separator D4 12 is in the heat exchanger E4 against a partial flow 10 warmed to the liquefied hydrocarbon-rich fraction and then via line 13 delivered as fuel gas. The liquefied in the heat exchanger E4 partial flow 10 of the hydrocarbon-rich fraction is via the expansion valve V6 of the supercooled hydrocarbon-rich fraction 8th admixed. This procedure relieves the liquefaction process or the still to be described refrigerant circuits and contributes to the reduction of energy consumption.

Bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgen Abkühlung, Verflüssigung und Unterkühlung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion 5 gegen drei unabhängige Kältekreisläufe, in denen vorzugsweise Kältemittelgemische zirkulieren. Der der Vorkühlung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion 5 dienende Kältekreislauf weist einen Kreislaufverdichter C1 auf, in dem das Kältemittel auf den Kreislaufdruck verdichtet wird. Nach Abführung der Verdichtungswärme und vollständiger Kondensation im Wärmetauscher E5 wird das verdichtete Kältemittel 20 einem Abscheider bzw. Sammelbehälter D1 zugeführt. Das aus ihm abgezogene Kältemittel 21 wird im Wärmetauscher E1 gegen sich selbst abgekühlt und im Entspannungsventil V1 kälteleistend entspannt. Anschließend wird das entspannte Kältemittel 22 im Wärmetauscher E1 gegen die abzukühlende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion 5 sowie die abzukühlenden Kältemittel der noch zu beschreibenden Kältekreisläufe vollständig verdampft, bevor es über Leitung 23 erneut dem Kreislaufverdichter C1 zugeführt wird.In the in the 1 illustrated embodiment carried cooling, liquefaction and subcooling of the hydrocarbon-rich fraction 5 against three independent refrigeration circuits in which preferably circulate refrigerant mixtures. The precooling of the hydrocarbon-rich fraction 5 serving refrigerant circuit has a cycle compressor C1, in which the refrigerant is compressed to the circuit pressure. After removal of the heat of compression and complete condensation in the heat exchanger E5, the compressed refrigerant 20 fed to a separator or collecting container D1. The refrigerant withdrawn from it 21 is cooled in the heat exchanger E1 against itself and relaxed in the expansion valve V1 cold performance. Subsequently, the relaxed refrigerant 22 in the heat exchanger E1 against the hydrocarbon-rich fraction to be cooled 5 and the refrigerant to be cooled in the still to be described refrigerant circuits completely evaporated before it via line 23 is fed again to the cycle compressor C1.

Auch der der Verflüssigung der abgekühlten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion 6 dienende Kältekreislauf weist lediglich einen Kreislaufverdichter C2 auf. Das in ihm auf den gewünschten Kreislaufdruck verdichtete Kältemittel 30 wird nach Abführung der Verdichtungswärme im Wärmetauscher E6 einem Abscheider bzw. Sammelbehälter D2 zugeführt. Das aus diesem abgezogene Kältemittel 31 wird in den Wärmetauschern E1 und E2 abgekühlt und anschließend im Entspannungsventil V2 kälteleistend entspannt. Das entspannte Kältemittel 32 wird im Wärmetauscher E2 gegen die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion 6 vollständig verdampft und über Leitung 33 erneut dem Kreislaufverdichter C2 zugeführt. Hierbei kann das verdichtete Kältemittel 30 entweder im Wärmetauscher E6 vollständig verflüssigt oder im Wärmetauscher E6 nur enthitzt und anschließend im Wärmetauscher E1 vollständig verflüssigt werden. Im letzteren Fall würde der Sammelbehälter D2 zwischen den Wärmetauschern E1 und E2 vorgesehen werden.Also, the liquefaction of the cooled hydrocarbon-rich fraction 6 Serving refrigeration cycle has only one cycle compressor C2. The compressed in him to the desired circulation pressure refrigerant 30 After removal of the heat of compression in the heat exchanger E6, a separator or collecting tank D2 is supplied. The withdrawn from this refrigerant 31 is cooled in the heat exchangers E1 and E2 and then cooled in the expansion valve V2 cooling performance. The relaxed refrigerant 32 is in the heat exchanger E2 against the hydrocarbon-rich fraction to be liquefied 6 completely vaporized and over line 33 fed again to the cycle compressor C2. Here, the compressed refrigerant 30 either completely liquefied in the heat exchanger E6 or only in the heat exchanger E6 and then completely re-liquefied in the heat exchanger E1. In the latter case, the sump D2 would be provided between the heat exchangers E1 and E2.

Aufgrund des vergleichsweise niedrigen Molekulargewichts des Kältemittels – dieses beträgt vorzugsweise weniger als 25 g/mol – und des hohen Verdichtungsverhältnisses von mehr als 15 weist der kälteste Kältekreislauf zwei hintereinander geschaltete Kreislaufverdichter auf, nämlich einen Niederdruck-Kreislaufverdichter C3 und einen Hochdruck-Kreislaufverdichter C4. Hierbei erfordert der Hochdruck-Kreislaufverdichter C4 aufgrund des im Vergleich zum Niederdruck-Kreislaufverdichters C3 kleineren Effektivvolumenstroms eine um 130–200%, vorzugsweise 150–180% höhere Drehzahl, um bei optimalem Wirkungsgrad betrieben werden zu können. Das im Niederdruck-Kreislaufverdichter C3 verdichtete Kältemittel 40 wird nach Abführung der Verdichtungswärme im Wärmetauscher E7 im Hochdruck-Kreislaufverdichter C4 auf den gewünschten Kreislaufdruck verdichtet. Nach Abführung der Verdichtungswärme im Wärmetauscher E8 wird das verdichtete Kältemittel 41 sukzessive in den Wärmetauschern E1, E2 und E3 abgekühlt. Auch bei diesem Kältekreislauf ist an geeigneter Stelle ein Abscheider bzw. Sammelbehälter D3 vorzusehen. Das im Entspannungsventil V3 kälteleistend entspannte Kältemittel 42 wird im Wärmetauscher E3 gegen die zu unterkühlende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion 7 vollständig verdampft, bevor es über Leitung 43 erneut dem Niederdruck-Kreislaufverdichter C3 zugeführt wird.Due to the comparatively low molecular weight of the refrigerant (this is preferably less than 25 g / mol) and the high compression ratio of more than 15, the coldest refrigeration cycle has two cycle compressors connected in series, namely a low-pressure cycle compressor C3 and a high-pressure cycle compressor C4. In this case, the high-pressure cycle compressor C4 requires 130 to 130%, preferably 150-180% higher speed due to the small compared to the low-pressure cycle compressor C3 effective volume flow in order to operate at optimum efficiency can. The refrigerant compressed in the low-pressure cycle compressor C3 40 is compressed to dissipate the heat of compression in the heat exchanger E7 in the high-pressure cycle compressor C4 to the desired circuit pressure. After dissipation of the heat of compression in the heat exchanger E8, the compressed refrigerant 41 successively cooled in the heat exchangers E1, E2 and E3. Also in this refrigeration cycle, a separator or collecting tank D3 should be provided at a suitable location. The refrigerant in the expansion valve V3 cools relaxed refrigerant 42 is in the heat exchanger E3 against the to be cooled hydrocarbon-rich fraction 7 completely evaporated before passing over line 43 is again supplied to the low-pressure cycle compressor C3.

Erfindungsgemäß werden mit Ausnahme des Hochdruck-Kreislaufverdichters C4 drehzahlgleiche Kreislaufverdichter verwendet. Diese drehzahlgleichen Kreislaufverdichter C1–C3 werden von lediglich einer Gasturbine GT angetrieben, wobei diese wenigstens 70%, vorzugsweise wenigstens 75% der erforderlichen Gesamtantriebsleistung aller Kreislaufverdichter bereitstellt. Somit werden die Kreislaufverdichter C1–C3 auf einer Welle gemeinsam von einer Gasturbine GT angetrieben. Lediglich der Hochdruck-Kreislaufverdichter C4 wird von einem elektrischen Motor M2 oder einer Dampfturbine angetrieben. Üblicherweise benötigen große Gasturbinen einen sog. Starter M1, der im Betrieb zur Unterstützung der Gasturbine GT als sog. Helper herangezogen werden kann.According to the invention, with the exception of the high-pressure cycle compressor C4, speed-equivalent cycle compressors are used. These speed-equivalent cycle compressors C1-C3 are driven by only one gas turbine GT, which provides at least 70%, preferably at least 75% of the required total drive power of all cycle compressors. Thus, the cycle compressors C1-C3 are commonly driven on a shaft by a gas turbine GT. Only the high-pressure cycle compressor C4 is driven by an electric motor M2 or a steam turbine. Typically, large gas turbines require a so-called starter M1, which can be used in operation to support the gas turbine GT as a so-called helper.

Um den thermischen Wirkungsgrad des Verflüssigungsverfahrens zu steigern, kann die Abwärme der Gasturbine GT in einem Dampfsystem genutzt werden. Der so gewonnene Dampf kann entweder direkt in Dampfturbinen zum Antrieb der Verdichter C4 und/oder C5 und/oder zur Stromerzeugung verwendet werden.In order to increase the thermal efficiency of the liquefaction process, the waste heat of the gas turbine GT can be used in a steam system. The steam thus obtained can be used either directly in steam turbines to drive the compressors C4 and / or C5 and / or to generate electricity.

Die 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, bei dem Abkühlung, Verflüssigung und Unterkühlung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion 5 gegen zwei unabhängige Kältekreisläufe, in denen vorzugsweise Kältemittelgemische zirkulieren, erfolgen.The 2 shows an embodiment of the inventive method for liquefying a hydrocarbon-rich fraction, in the cooling, liquefaction and supercooling of the hydrocarbon-rich fraction 5 against two independent refrigeration circuits, in which preferably circulate refrigerant mixtures take place.

Im Unterschied zu dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dient der erste Kältekreislauf nunmehr der Abkühlung und Verflüssigung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, während der zweite Kältekreislauf der Unterkühlung dieser Fraktion dient. Auch der erste Kältekreislauf weist zwei Kreislaufverdichter C1' und C2' auf. Das im Hochdruck-Kreislaufverdichter C1' auf den Enddruck verdichtete Kältemittel 50 wird nach Abführung der Verdichtungswärme und vollständiger Kondensation im Wärmetauscher E5' einem Abscheider bzw. Sammelbehälter D1' zugeführt. Das aus diesem entnommene Kältemittel 51 wird im Wärmetauscher E1' gegen sich selbst abgekühlt. Ein Teilstrom 52 des abgekühlten Kältemittels wird im Entspannungsventil V1' kälteleistend entspannt und anschließend im Wärmetauscher E1' gegen die abzukühlende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion 5 vollständig verdampft, bevor er über Leitung 53 erneut dem Kreislaufverdichter C1' zugeführt wird. Der nicht entspannte Kältemittelteilstrom 54 wird im Wärmetauscher E2' weiter abgekühlt und im Entspannungsventil V2' kälteleistend entspannt. Der entspannte Kältemittelteilstrom 55 wird im Wärmetauscher E2' gegen die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion 6 vollständig verdampft und anschließend über Leitung 56 dem Niederdruck-Kreislaufverdichter C2' zugeführt. Das in diesem auf einen Zwischendruck verdichtete Kältemittel 57 wird sodann dem Hochdruck-Kreislaufverdichter C1' eingangsseitig zugeführt.Unlike the one in the 1 illustrated embodiment, the first refrigeration circuit now serves the cooling and liquefaction of the hydrocarbon-rich fraction, while the second refrigeration cycle of the supercooling of this fraction is used. The first refrigeration cycle also has two cycle compressors C1 'and C2'. The compressed in the high-pressure cycle compressor C1 'to the final pressure refrigerant 50 is fed to the removal of the heat of compression and complete condensation in the heat exchanger E5 'a separator or collecting container D1'. The removed from this refrigerant 51 is cooled in the heat exchanger E1 'against itself. A partial flow 52 the cooled refrigerant is depressurized in the expansion valve V1 'and then in the heat exchanger E1 'against the hydrocarbon-rich fraction to be cooled 5 completely evaporated before passing through pipe 53 is again supplied to the cycle compressor C1 '. The un-expanded refrigerant partial flow 54 is further cooled in the heat exchanger E2 'and relaxed in the expansion valve V2' cold. The relaxed refrigerant partial flow 55 is in the heat exchanger E2 'against the hydrocarbon-rich fraction to be liquefied 6 completely evaporated and then via line 56 the low-pressure cycle compressor C2 'supplied. The in this compressed to an intermediate pressure refrigerant 57 is then fed to the high pressure circuit compressor C1 'on the input side.

Wie bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der kälteste Kältekreislauf zwei hintereinander geschaltete Kreislaufverdichter C3' und C4' auf. Das im Niederdruck-Kreislaufverdichter C3' verdichtete Kältemittel 60 wird nach Abführung der Verdichtungswärme im Wärmetauscher E7' im Hochdruck-Kreislaufverdichter C4' auf den gewünschten Kreislaufdruck verdichtet. Nach Abführung der Verdichtungswärme im Wärmetauscher E8' wird das verdichtete Kältemittel 61 sukzessive in den Wärmetauschern E1', E2' und E3' abgekühlt. An geeigneter Stelle ist ein Abscheider bzw. Sammelbehälter D3' vorzusehen. Das im Entspannungsventil V3' kälteleistend entspannte Kältemittel 62 wird im Wärmetauscher E3' gegen die zu unterkühlende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion 7 vollständig verdampft, bevor es über Leitung 63 erneut dem Niederdruck-Kreislaufverdichter C3' zugeführt wird.Like the one in the 1 illustrated embodiment, the coldest refrigeration cycle two successively connected cycle compressor C3 'and C4' on. The in the low-pressure cycle compressor C3 'compressed refrigerant 60 is compressed after discharge of the heat of compression in the heat exchanger E7 'in the high-pressure cycle compressor C4' to the desired circuit pressure. After removal of the heat of compression in the heat exchanger E8 'is the compressed refrigerant 61 successively cooled in the heat exchangers E1 ', E2' and E3 '. At a suitable point, a separator or collecting container D3 'should be provided. The in the expansion valve V3 'refrigerated relaxed refrigerant 62 is in the heat exchanger E3 'against the to be cooled hydrocarbon-rich fraction 7 completely evaporated before passing over line 63 again the low-pressure cycle compressor C3 'is supplied.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion ermöglicht eine effiziente, kompakte und kostengünstige Konfiguration, die durch die Beschränkung auf eine Gasturbine eine sehr hohe Verfügbarkeit aufweist.The inventive method for liquefying a hydrocarbon-rich fraction allows an efficient, compact and inexpensive configuration, which has a very high availability due to the restriction to a gas turbine.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 6253574 [0005] US 6253574 [0005]

Claims (5)

Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere Erdgas, wobei – die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion gegen wenigstens zwei Kältekreisläufe abgekühlt und verflüssigt wird, – jeder der Kältekreisläufe wenigstens einen Kreislaufverdichter aufweist, und – der kälteste Kältekreislauf zwei hintereinander geschaltete Kreislaufverdichter, nämlich einen Nieder- und einen Hochdruck-Kreislaufverdichter aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – mit Ausnahme des Hochdruck-Kreislaufverdichters (C4, C4') des kältesten Kältekreislaufs drehzahlgleiche Kreislaufverdichter (C1–C3, C1'–C3') verwendet werden, – die drehzahlgleichen Kreislaufverdichter (C1–C3, C1'–C3') von lediglich einer Gasturbine (GT) angetrieben werden, – wobei die Gasturbine (GT) wenigstens 70%, vorzugsweise wenigstens 75% der erforderlichen Gesamtantriebsleistung aller Kreislaufverdichter (C1–C4, C1'–C4') bereitstellt, und – der Hochdruck-Kreislaufverdichter (C4, C4') des kältesten Kältekreislaufs von einem elektrischen Motor (M2) oder einer Dampfturbine angetrieben wird.A process for liquefying a hydrocarbon-rich fraction, in particular natural gas, wherein - the hydrocarbon-rich fraction is cooled and liquefied against at least two refrigeration circuits, - each of the refrigeration circuits has at least one cycle compressor, and - the coldest refrigeration cycle two successive circuit compressors, namely a low - And has a high-pressure cycle compressor, characterized in that - with the exception of the high-pressure cycle compressor (C4, C4 ') of the coldest refrigeration cycle speed equal circuit compressor (C1-C3, C1'-C3') are used - the speed-equivalent cycle compressor (C1 -C3, C1'-C3 ') are driven by only one gas turbine (GT), - wherein the gas turbine (GT) at least 70%, preferably at least 75% of the required total drive power of all cycle compressor (C1-C4, C1'-C4') and - the high-pressure cycle compressor (C4, C4 ') of the coldest refrigeration cycle is driven by an electric motor (M2) or a steam turbine. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den von einer Gasturbine (GT) angetriebenen Kreislaufverdichtern (C1–C3, C1'–C3') und zwischen diesen Kreislaufverdichtern (C1–C3, C1'–C3') und der Gasturbine (GT) keine Zwischengetriebe zur Drehzahlanpassung vorgesehen sind.A method according to claim 1, characterized in that between the driven by a gas turbine (GT) cycle compressors (C1-C3, C1'-C3 ') and between these cycle compressors (C1-C3, C1'-C3') and the gas turbine (GT ) no intermediate gear for speed adjustment are provided. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (1) vor ihrer Verflüssigung einer Abtrennung von höheren Kohlenwasserstoffen unterworfen wird (B) und die von höheren Kohlenwasserstoffen befreite Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (4) auf einen Druck oberhalb ihres kritischen Drucks verdichtet wird (C5).Process according to Claim 1 or 2, characterized in that the hydrocarbon-rich fraction ( 1 ) is subjected before its liquefaction to a separation of higher hydrocarbons (B) and the freed from higher hydrocarbons hydrocarbon-rich fraction ( 4 ) is compressed to a pressure above its critical pressure (C5). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme der Gasturbine (GT) in einem Dampfsystem genutzt wird, wobei der gewonnene Dampf vorzugsweise in wenigstens einer Dampfturbinen zum Antrieb des Hochdruck-Kreislaufverdichters (C4, C4') und/oder des für die Verdichtung der von höheren Kohlenwasserstoffen befreiten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (4) vorgesehenen Verdichters (C5) und/oder zur Stromerzeugung verwendet wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the waste heat of the gas turbine (GT) is used in a steam system, wherein the recovered steam preferably in at least one steam turbine for driving the high-pressure cycle compressor (C4, C4 ') and / or of the hydrocarbon-rich fraction freed from higher hydrocarbons ( 4 ) compressor (C5) and / or used for power generation. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (8) entspannt wird (V4), dadurch gekennzeichnet, dass die bei dieser Entspannung (V4) anfallende Gasfraktion (12) gegen einen Teilstrom (10) der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (5) angewärmt wird (E4).Process according to any one of claims 1 to 4, wherein the liquefied hydrocarbon-rich fraction ( 8th ) is relaxed (V4), characterized in that in this relaxation (V4) resulting gas fraction ( 12 ) against a partial flow ( 10 ) of the hydrocarbon-rich fraction to be liquefied ( 5 ) is warmed up (E4).
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