DE19933989A1 - Verfahren und Kompressormodul zum Verdichten eines Gasstromes - Google Patents

Verfahren und Kompressormodul zum Verdichten eines Gasstromes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Kompressormodul zum Verdichten eines Gasstromes der Eintrittstemperatur t 1 mit Hilfe von hydraulisch angetriebenen Kolbenverdichtern in zwei Verdichtungsstufen von einem Eintrittsdruck p 1 auf einen Zwischendruck p 2 nach der ersten Verdichtungsstufe und vom Zwischendruck p 2 auf einen Austrittsdruck p 3 nach der zweiten Verdichtungsstufe, wobei der auf den Zwischendruck p 2 verdichtete Gasstrom vor dem Eintritt in die zweite Verdichtungsstufe auf die Eintrittstemperatur t 1 zurückgekühlt wird und in den Verdichtungsstufen gleiche Druckverhältnisse, p 3 /p 2 = p 2 /p 1 , verwendet werden. DOLLAR A Erfindungsgemäß werden die Druckverhältnisse eingestellt, indem mit Hilfe von zwei verstellbaren Hydraulikflüssigkeitspumpen ein Hydraulikflüssigkeitsstrom für den Antrieb der ersten Verdichtungsstufe und ein Hydraulikflüssigkeitsstrom für den Antrieb der zweiten Verdichtungsstufe bezüglich ihres Durchsatzes entsprechend angepaßt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdichten eines Gasstromes der Eintrittstemperatur t1 mit Hilfe von hydraulisch angetriebenen Kolbenverdichtern in zwei Verdichtungsstufen von einem Eintrittsdruck p1 auf einen Zwischendruck p2 nach der ersten Verdichtungsstufe und vom Zwischendruck p2 auf einen Austrittsdruck p3 nach der zweiten Verdichtungsstufe, wobei der auf den Zwischendruck p2 verdichtete Gasstrom vor dem Eintritt in die zweite Verdichtungsstufe auf die Eintrittstemperatur t1 zurückgekühlt wird und in den Verdichtungsstufe gleiche Druckverhältnisse, p3/p2 = p2/p1, verwendet werden.
Die Erfindung betrifft außerdem einen Kompressormodul für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem zweistufigen Kompressorteil, einem Antriebsteil und einer Leistungsübertragung zwischen dem Kompressorteil und dem Antriebsteil über Leitungen mit Hydraulikflüssigkeit.
Kolbenkompressoren nach dem Stand der Technik, die beispielsweise von 1 bar auf 300 bar verdichten, werden mit 3 oder 4 Stufen gebaut und über eine gemeinsame Kolbenwelle angetrieben. Mit einer dreistufigen Maschine und Kühlung zwischen den Stufen wird ein Stufendruckverhältnis von 6,7 gewählt und von 1 bar in der ersten Stufe auf 6,7 bar in der zweiten Stufe auf 44,9 bar und in der dritten Stufe auf 300 bar verdichtet. Der Eingangsdruck kann nur in sehr engen Grenzen variiert werden. Dies ist von Nachteil, wenn das Eintrittsgas statt aus einem Gasometer aus einer Pipeline mit 7 bar Pipelinedruck zur Verfügung gestellt wird. Ein anderer Verdichter wird gebraucht, der mit einem Stufendruckverhältnis von 3,5 bar arbeitet.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und einen Kompressormodul zur Verdichtung eines Gasstromes aufzuzeigen, die bei sehr unterschiedlichem Anfangsdruck des verfügbaren Gasen einen bestimmten beispielsweise konstanten Enddruck zu erreichen gestatten, wobei die gleichen Maschinen energetisch günstig verwendet werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und von einem Kompressormodul mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Kennzeichnend an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, daß die Druckverhältnisse eingestellt werden, indem mit Hilfe von zwei verstellbaren Hydraulikölpumpen ein Hydraulikölstrom für den Antrieb der ersten Verdichtungsstufe und ein Hydraulikölstrom für den Antrieb der zweiten Verdichtungsstufe bezüglich ihres Durchsatzes entsprechend angepaßt werden. Bei einem von 1 bar auf 7 bar geänderten Eintrittsdruck wird der Hydraulikölstrom für die erste Stufe gemindert und der Ölstrom für die zweite Stufe erhöht bis beide Stufen mit dem gleichen Druckverhältnis betrieben werden, was unter Annahme eines idealen zu verdichtenden Gases energetisch am günstigsten ist. Wegen Abweichungen der Eigenschaften realer Gase vom Idealgas und bei unvollständiger Rückkühlung auf t1 kann es sinnvoll sein, bei nahezu gleichen Stufendruckverhältnissen versuchsweise durch geringfügige Änderung der Druckverhältnisse der Stufen zueinander einen energetisch noch günstigeren Betrieb aufzusuchen. Diese Nachoptimierung ist dem Fachmann zwar geläufig, sie kann jedoch mit Hilfe des erfindungsgemäßen Antriebs besonders einfach vorgenommen werden.
Bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der zu verdichtende Gasstrom Methan oder Wasserstoff oder ein Gemisch aus Methan und Wasserstoff enthalten.
Der zu verdichtende Gasstrom kann beispielsweise ein Erdgas oder eine methanhaltige Fraktion eines Erdgases enthalten.
Als der Eintrittsdruck p1 kann ein zwischen 1 und 10 bar variabler Druck verwendet werden. In diesem Druckbereich wird der zu verdichtende Gasstrom fast immer per Rohrleitung zur Verfügung gestellt.
Als der Austrittsdruck p3 kann ein fester Druck zwischen 250 und 350 bar verwendet werden. Dies ist eine günstige Voraussetzung für das Befüllen eines Drucktanks, einer Druckgasflasche oder eines Pufferspeichers.
Kennzeichnend für den erfindungsgemäßen Kompressormodul ist es, daß der Antriebsteil für jede Kompressorstufe eine Hydraulikflüssigkeitspumpe mit jeweils einer Verstelleinrichtung für die Fördermenge der Hydraulikflüssigkeit enthält. Durch die getrennte Einstellung der Fördermenge wird es ermöglicht, in beiden Stufen das gleiche Druckverhältnis oder nachoptimierte Stufendruckverhältnisse (siehe oben) und am Austritt der zweiten Stufe genau den erforderlichen Enddruck des zu verdichtenden Gases einzustellen.
Bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kompressormoduls können die Kompressorstufen über je einen flüssigkeitsgekühlten Kolbenverdichter und je einen Nachkühler verfügen. Dadurch wird eine nahezu isotherme Verdichtung und eine Einstellung von etwa der gleichen Eintrittstemperatur in beiden Verdichterstufen ermöglicht. Dies führt zu einer geringen spezifischen Verdichterleistung. Der Nachkühler der zweiten Kompressorstufe erleichtert das Befüllen eines der Verdichtung nachfolgenden Behälters, ohne daß dieser sich zu stark erwärmt.
Jeder Kolbenverdichter kann über zwei Arbeitszylinder verfügen. Die Pulsationen in dem druckführenden Leitungen sind dann besonders gering.
Zylinderlaufflächen der Arbeitszylinder können zur Kühlung von außen und von innen mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt sein. Die Kühlung ist dann besonders effektiv.
Die Hydraulikflüssigkeitsleitungen können mindestens eine luftgekühlte Rückkühleinrichtung für die Hydraulikflüssigkeit führen. Eine solche ist besonders einfach im Aufbau und stellt bei einem Betrieb ohne Lüfter, also mit natürlicher Konvektion arbeitend, keine zusätzliche Schallquelle dar.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit mindestens einem der erfindungsgemäßen Kompressormodule in einer Erdgastankstelle verwendet werden. Eine flächendeckende Einführung von Erdgastankstellen wird besonders dadurch begünstigt, daß mit der Erfindung das zu verdichtende Gas, in diesem Fall der gasförmige Treibstoff für Fahrzeuge, aus mit unterschiedlichem Druck betriebenen Rohrleitungen entnommen und dennoch mit Hilfe von Kolbenverdichtern der gleichen Bauart und Baugröße verdichtet werden kann.
Es kann notwendig sein, daß der zu verdichtende Treibstoff vorher von Partikeln gereinigt und getrocknet werden muß. Nach der Verdichtung ist ein Zwischenspeicher sinnvoll, aus dem dann Fahrzeuge betankt werden können.
Die Erfindung wird anhand einer Ausführungsform mit einer Figur näher erläutert. Die beispielhaft genannten Verfahrensdaten beziehen sich auf eine Verwendung der Erfindung an einer Erdgastankstelle, also mit Erdgas als zu verdichtendem Gasstrom.
Das Erdgas wird einer Pipeline entnommen und, soweit für den Betrieb in Verbrennungsmotoren notwendig, aufbereitet: Beispielsweise werden Partikel entfernt und das Erdgas bis auf weniger als 10 mol-ppm Wassergehalt getrocknet. (Diese Aufbereitung ist in der Figur nicht dargestellt.) Das so aufbereitete Erdgas wird als zu verdichtender Gasstrom 1 bei etwa Umgebungstemperatur t1 und mit einem Eintrittsdruck p1 = 3 bar von einem hydraulisch angetriebenen Kolbenverdichter 4 der ersten Verdichtungsstufe auf einen Zwischendruck von p2 = 30 bar verdichtet, wobei die Temperatur des Gasstromes 2 etwa 120°C erreichen kann. Der Kolbenverdichter 4 besitzt zwei Arbeitszylinder, deren Zylinderflächen mit Hydrauliköl von etwa 60°C gekühlt werden. Der Gasstrom 2 wird in einem dem Kolbenverdichter 4 nachgeschalteten Luftkühler 5 auf t2 = 40°C gekühlt und dem Kolbenverdichter 6 der zweiten Verdichtungsstufe zugeführt, auf einen Enddruck verdichtet, in einem weiteren Luftkühler 7 rückgekühlt und als Gasstrom 3 mit dem Enddruck p3 = 300 bar und einer Temperatur von t3 = 40°C einem in der Figur nicht dargestellten Hochdruck- Gasspeicher zugeführt. Der Kolbenverdichter der zweiten Verdichtungsstufe ist in gleicher Weise angetrieben und gekühlt wie der in der ersten Verdichtungsstufe. Die Kolbenverdichter 4, 6 werden mit einem Stufendruckverhältnis p3/p1 = p2/p1 = 10 betrieben. Hierzu werden sie aus einem Antriebsteil 8 mit Hilfe von zwei unabhängig voneinander steuerbaren Verstellkolbenpumpen 9, 10 mit je einem Druckmittelstrom 11, 12 versorgt. Das Druckmittel kann ein Hydrauliköl sein, wird auch als Kühlmittel verwendet und deshalb im Rückstrom 13, 14 aus den Kolbenverdichtern 4, 6 gekühlt.
Der Kompressormodul ist günstigerweise so aufgebaut, daß der Antriebsteil und ein Verdichtungsteil (mit den Kompressorstufen) auf je einem Grundrahmen montiert und in je einem Schrank untergebracht sind. In einer Erdgastankstelle können mehrere Kompressormodule verwendet werden.

Claims (11)

1. Verfahren zum Verdichten eines Gasstromes der Eintrittstemperatur t1 mit Hilfe von hydraulisch angetriebenen Kolbenverdichtern in zwei Verdichtungsstufen von einem Eintrittsdruck p1 auf einen Zwischendruck p2 nach der ersten Verdichtungsstufe und vom Zwischendruck p2 auf einen Austrittsdruck p3 nach der zweiten Verdichtungsstufe, wobei der auf den Zwischendruck p2 verdichtete Gasstrom vor dem Eintritt in die zweite Verdichtungsstufe auf die Eintrittstemperatur t1 zurückgekühlt wird und in den Verdichtungsstufe gleiche Druckverhältnisse, p3/p2 = p2/p1, verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckverhältnisse eingestellt werden, indem mit Hilfe von zwei verstellbaren Hydraulikflüssigkeitspumpen ein Hydraulikflüssigkeitsstrom für den Antrieb der ersten Verdichtungsstufe und ein Hydraulikflüssigkeitsstrom für den Antrieb der zweiten Verdichtungsstufe bezüglich ihres Durchsatzes entsprechend angepaßt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu verdichtende Gasstrom Methan oder Wasserstoff oder ein Gemisch aus Methan und Wasserstoff enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu verdichtende Gasstrom ein Erdgas oder eine methanhaltige Fraktion eines Erdgases enthält.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als der Eintrittsdruck p1 ein Druck zwischen 1 und 10 bar verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als der Austrittsdruck p3 ein Druck zwischen 250 und 350 bar verwendet wird.
6. Kompressormodul zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem zweistufigen Kompressorteil, einem Antriebsteil und einer Leistungsübertragung zwischen dem Kompressorteil und dem Antriebsteil über Leitungen mit Hydraulikflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsteil für jede Kompressorstufe eine Hydraulikflüssigkeitspumpe mit jeweils einer Verstelleinrichtung für die Förderung der Hydraulikflüssigkeit enthält.
7. Kompressormodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressorstufen über je einen flüssigkeitgekühlten Kolbenverdichter und je einen Nachkühler verfügen.
8. Kompressormodul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kolbenverdichter über zwei Arbeitszylinder verfügt.
9. Kompressormodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Zylinderlaufflächen der Arbeitszylinder von außen und von innen zur Kühlung mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt werden.
10. Kompressormodul nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydraulikflüssigkeitsleitungen mindestens eine luftgekühlte Rückkühleinrichtung für die Hydraulikflüssigkeit führen.
11. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und mindestens eines Kompressormoduls nach einem der Ansprüche 6 bis 11 in einer Erdgastankstelle.
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