-
Verfahren zum Transport eines realen Gases, insbesondere Erdgas
-
(Zusatz zu Patent ........ (Patentanmeldung P 27 32 426.3)) Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und eine Rohrleitungsanlage zum Transport eines realen Gases,
insbesondere Erdgas, nach Patent ........ (Patentanmeldung P 27 32 428.3).
-
Nach dem Hauptpatent wird ein wirtschaftlicher Transport insbesondere
von Erdgas über lange Strecken mittels einer aus hintereinander geschalteten Abschnitten
bestehenden Rohrleitung dadurch erreicht, daß Druck und Temperatur des Gases am
Anfang jedes Pohrleitungsabschnittes so gewählt werden, daß durch den Druckabfall
in dem ohrleitungsabschni t eine Temperaturerniedrigung erfolgt, aie zur Rückkühlung
des durch die Kompression erwärmten Gases vor Eintritt in den nächsten Rohrleitungsabschnitt
benutzt wird.
-
Dadurch gelingt es, ein tiefgekühltes und daher entsprechend dichtes
Gas ohne Kühlung durch Kältemaschinen über lange Strecken zu transportieren. In
dem Ausführungsbeispiel des Hauptpatents wird dabei die Anordnung so getroffen,
daß die Eintrittstemperatur des Gases in jeden Rohrleitungsabschnitt gleich ist,
das Gas also in jeder Zwischenstation durch den Wärmetauscher auf eine Temperatur
abgekühlt wird, die der Eintrittstemperatur des Gases in den stromauf liegenden
Rohrleitungsabschnitt entspricht. Damit sollen über die ganze Lange der Rohrleitung
die gleichen idealen Verhältnisse geschaffen werden. Dies bedingt jedoch verhältnismäßig
große Wärmetauscher, insbesondere wenn diese als Gegenströmer ausgebildet sind,
da die Temperaturdifferenz in den Warmetauscher dann verhältnismäßig klein wird.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren nach dem Hauptpatent
insbesondere hinsichtlich der aufzuwendenden Inlestitionskosten wirtschaftlicher
zu gestalten.
-
Diese Aufgabe wird nach einem Vorschlag der Erfindung dadurch gclöst,
daß die Austrittstemperatur des rückgekühlten Gases aus dem bzw. jedem Wärmetauscher
höher liegt als die Eintrittstemperatur des Gases äm Anfang desstromauf liegenden
Rohrleitungsabschnittes.
-
Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag wird erreicht, daß in dem bzw.
in jedem Wärmetauscher eine wesentlich größere Temperaturdifferenz herrscht als
beim Vorschlag nach dem Hauptpatent, so da@ die Abmessungen des Wärmetauschers entsprechend
verringert werden können.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erhöht sich die Temperatur des
Gases von Stufe zu Stufe. Diese schrittweise Temperaturerhöhung braucht die Wirtschaftlichkeit
des Gastransportes nicht zu beeinträchtigen, insbesondere wenn eine entsprechend
tiefe Gastemperatur am Anfang der Rohrleitung gewählt wurde und/oder die Bohrleitung
nur relativ kurz, beispielsweise einige 100 km lag ist Selbst bei längeren Rohrleitungen
besteht jedoch dann die @@ lichkeit, das Gas durch eine Zwischenkühlung vor Eintritt
in ei n Rohrleitungsabschnitt wieder auf ein niedrigeres Temperaturniveau.
-
zu bringen. Eine derartige Rückkühlung könnte sogar an jede@ Zwischenstation,
erfolgen, wenn sich ergibt, daß die durch Erhöhung der Temperaturdifferenz im Wärmetauscher
eingesparte Kosten für den Wärmetauscher höher Lieqen als die für die Rückkühlung
erforderlichen Anlagen. Diese Maßnahme ist auch bei dem Verfahren @@@@ dem Hauptpatent
direkt anwendbar, also auch dann, wenn die Temperatur des Gases am Anfang jedes
Rohrleistungsabschnittes um wesentlichen gleich ist.
-
Eine Vergrößerung der Temperaturdifferenz im Wärmetauscher @an@ nach
einem weiteren Vorschlag der Erfindung auch dadurch erreicht werden, daß dem Gas
nach Austritt aus einem Rohrleitungsab hnitt und vor Eintritt in den Wärmetauscher
ein Teilstrom zugemischt wird, der von dem Gas vor Eintritt in den stromliegende@
@ Rohrleitungsabschnitt abgezweigt und unter die Austrittstemperatur @@@ Gases aus
dem stromaufliegenden Rohrleitungsabschnitt gekühlt wird Der Wärmetauscher ist wie
bein Hauptpatent vorzugsweise @@@ Gegenstrom-Wärmetauscher, jedoch kann grundsätzlich
auch ein regenerativer Wärmetauscher Verwendung finden.
-
Der zusätzliche Wärmeentzug nach Austritt des Gases aus @@@ Wärmetauscher
und vor Eintritt des Gases in den stromab liegenden Rohrleitungsabschnitt dann mittels
einer Kältemaschine erfolgen,
die mit der Abwärme des Kompressors
betrieben wird. Alternativ könnte eine Expansionsmaschine oder, falls die Wirtschaftlichkeitsberechnungen
dies zulassen, eine Drossel vorgesehen werden, mit der eine Temperaturabsenkung
mittels des Joule-Thompson-Effektes erzielt wird.
-
ALternativ könnte zwischen dem Wärmetauscher und dem str@ liegenden
Rohrleitungsabschnitt ein zusätzlicher Kühler @ege@ litt werden, dessen Kühlmedium
z.B. ein von dein aus dem Kühl austretenden Gas abgezweigter, zur Temperaturabsenkung
durch eine Drossel geführter Teilstrom ist. Wenn der Kompressor von fl"1 Gasturbine
betrieben wird, die ihr Verbrauchsgas von dem stromauf liegenden Rohrleitungsabschnitt
erhält, so könnte als Kühlmedium auch dieser Teilstrom verwendet werden, der vor
dem Eintritt in den Kühler durch eine Expansionsmaschine, eine Dress @ oder eine
andere temperatur- und druckabsenkenden Einrichtung geführt ist, so daß sich bei
einer Druckabsenkung beispielsweise von 80 bar auf 3 bar eine Temperaturabsenkung
von z.B. 2; @ 150 K ergibt.
-
Bei der Ausführung, bei der ein Teilstrom des rückgekühlte Gaser nach
Wärmeemtzug dem aus dem stromauf liegenden Rohrleitungsabschnitt austretenden Gas
zugemischt wird, kann der Wärmeentzug ebenfalls durch die vorher genannten Mittel,
vorzugsweise jedoch mittels einer Drossel erfolgen, da bei diesem Teilstrom die
Höhe der Investitionskosten schwerer wiegt als die Wirtschaftlichkeit.
-
Eine Entlastung und damit verbundene Verkleinerung des Wüi-ii schers
kann auch dadurch erreicht werden, daß das Gas nach Durchströmen des Kompressors
und eines normalen, mit Betriebswasser betriebenen Kühlers vor dem Eintritt in den
Wärmetauscher -it'4ch noch durch einen Kaltwasserkühler geschickt wird, bei dem
das Kltwasser vorzugsweise mittels der Abwärme des Kompressors oder einer diesen
antreibenden Gasturbine erzeugt wird.
-
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung
eines Ausführungsbeispiel.
-
einer erfindungsgemäßen Rohrleitungsanlage; Fig. 2 ein Temperatur-Enthalpie-Diagramm
für die in Fiq. 1 dargestellte Rohrleitung; Fig. 3 eine schematische Darstellung
einer Zwischenstation mit Rückkühlung des in einen Rohrleitungsabschnitt eintretenden
Gases und Zumischung eines rückgekühlten Teilstroms al dem aus einem Rohrleitungsabschnitt
austretenden Gas,und Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Zwischenstation
mit Rückkühlung des Gases durch entspanntes Verbrauchs@as.
-
In Fig. 1 ist eine aus fünf Rohrleitungsabschnitten 1, 2r 3, 4 und
5 bestehende Rohrleitung für den Transport von Erdgas da0-' stellt. Das Erdgas wird
von einer Aufbereitungsanlage hinter eine Erdgasquelle kommend mittels eines Kompressors
6 auf eine Druck von beispielsweise 120 bar gebracht und mittels eines Wasser kühlers
7a und eines Von einer Kältemaschine betriebenen Kühlers 7b auf eine Temperatur
von z.i3. 225 K abgekühlt. Mit diesem Druck und dieser Temperatur tritt das Erdgas
in den Rohrleitungsabschnitt 1 ein. Am Ende des Rohrleitungsabschnittes 1 hat daß
Ja:: aufgrund der Reibungsverluste einen Druck von beispielsweise 30 bar. Diese
Druckverminderung würde bei einem wärmedichte@ Rohr zu einer Temperaturabsenkuny
auf etwa 210 K führen. Da jcloc..
-
keine absolute Isolierung der Rohrleitungsabschnitte möglich @@@ wird
die Austrittstemperatur des Gases am Ende des ersten Rohrleitungsabschnittes 1 in
der Praxis etwa 213 K betragen. Das Erdgas wird nun über einen Gegenstromwärmetauscher
8 einem Kompressor 9 zugeführt, in welchem das Gas wieder auf einen Druck von 120
bar gebracht wird. Nach Durchströmen eines ersten, mit Betriebswasser (Grundwasser
oder im Kreislauf geführtes Wasser) btctriebenen Kühlers 10 und gegebenenfalls eines
zweiten mit Kaltwasser (ca 268 - 273 K) oder mit verdampfendem Kältemittel betriebenen
Kühlers 11,tritt das Gas mit einer Temperatur von etwa 218 K in den Gegenstromwärmetauscher
8 ein und verläßt ihn mit
einer Temperatur von 230 K. Diese Temperatur
liegt um 5 höher als die Eintrittstemperatur des Gases in den Rohrleitungsabschnitt
1. Die Temperaturdifferenz im Wärmetauscher 8 beträgt hier 17', wodurch die Abmessungen
des Wärmetauschers 8 verhältnismäßig klein gehalten werden können. Das Gas tritt
also mit einem Druck von 120 bar und einer Temperatur von 230 K in den Rohrleitungsabschnitt
2 ein. Am Ende des Rohrleitungsabschnittes 2 wird das Gas bei einem Druck von 80
bar eine Temperatur von 218 K aufweisen. Wie in der vorhergehenden Zwischenstation
wird das aus dem Rohrleitungsabschnitt 2 austretende Gas durch einen Gegenströmer
8a einem Kompressor 9a zugeführt, in welchem es wieder auf einen Druck von 120 bar'
gebracht wird. Nach Durchströmen eines mit Betriebswasser betriebenen Kühlers 10a
tritt das Gas in den Wärmetauscher 8a ein und verläßt diesen mit einer Temperatur
von 235 K.
-
Das Gas hat am Ende des Rohrleitungsabsohnittes 3 wiederum einen Druck
von 80 bar, während die Temperatur auf 223 K gesunken ist.
-
Nach Erhöhung des Druckes im Kompressor 9b und Rückkühlung im Kühler
10a und im Gegenstromwärmetauscher 8b tritt das Gas mit einem Druck von 120 bar
und einer Temperatur von 240 K in den Rohrleitungsabschnitt 4 ein, aus dem es mit
80 bar und eincr Temperatur von 227 K austritt. In der nun folgenden Zwischensttion
wird das Gas durch den Kompressor 9c wieder auf den Anfangsdruck von 120 bar und
durch den Kühler 10c und den Gegenstromwärmetauscher 8c auf eine Temperatur von
245 K gebracht, so daß auch hier' eine hohe Temperaturdifferenz von 18 im Gegenstromwärmetauscher
8c vorhanden ist. Da diese Temperatur für einen wirtschaftlichen Transport des Erdgases
in dem stromab liegenden Rohrleitungsabschnitt 5 verhältnismäßig hoch ist, wird
zwischen dem Wärmetauscher 8c und dem Anfang des Rohrleitungsabschnittes 5 ein zusätzlicher
Kühler 12 angeordnet, der beispielsweise von einer mit k Abwärme des Kompressors
9c betriebenen Kältemaschine gespeist ist und die Temperatur des Gases wieder auf
beispielsweise 225 K absenkt, bevor es in den Rohrleitungsabschnitt 5 eintritt.
-
Der Kaltwasserkühler 11 in der ersten Zwischenstation ist nic unbedingt
erforderlich, er verringert jedoch die Abmessungen des
Gegenstromwärmetauschers
8. Ein derartiger Kaltwasserkühler könnte auch in den anderen Zwischenstationen
vorgesehen werden. Der Nachkühler 12 ist im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 vor dem
fünften Rohrleitungsabschnitt 5 angeordnet. Er könnte jedoch auch entfallen, wenn
entsprechende Temperaturverhältnisse vorliegen, oder im Bedarfsfall bereits in einer
früheren Zwischenstation oder sogar in jeder Zwischenstation vorgesehen werden.
-
In Fig. 1 sind die Rohrleitungsabschnitte 1 bis 5 gleich ianr gezeichnet.
Tatsächlich werden die Rohrleitungsabschnitte mit steigender Temperatur kürzer,
wenn der Druckabfall in jedem Polar-leitungsabschnitt gleich groß sein soll.
-
Die Druck- und Temperaturverhältnisse der in Fig. 1 dargestellten
Rohrleitung sind in dem Diagramm von Fig. 2 gezeigt, wobei d'-r zustand (Temperatur
T und Enthalpie H) am Anfang jedes Rohrleitung abschnittes mit A1... A5 und am Ende
jedes Rohrleitungsabschnit tes mit E1... E5 bezeichnet ind.
-
Die Rückkühlung des Gases durch den Kühler 12 vor Eintritt in den
Rohrleitungsabschnitt 5 erfolgt von dem Punkt B (Zustand heim ii stritt aus dem
Wärmetauscher 8c) entlang der 120 bar-Linie zum Punkt A5, dessen Koordinaten mit
denjenigen von A1 identisch sind.
-
Der Zustand E0 würde am Ende des Rohrleitungsabschnittes 1 ein@reten,
wenn das Rohr wärmedicht wäre, da dann die Entspannung (; Gases entlang einer Isenthalpe
stattfinden würde. Die Größe de waagrechten Abstandes des Punktes E1 von der Senkrechten
r stellt den geschätzten Enthalpiegewinn durch das Einströmen von Wärme von außen
durch die Isolierung in das Rohr dar.
-
Eine weitere Maßnahme zur Verringerung der Abmessungen der Wärmetauscher
8 ... 8c durch Erhöhung der Temperaturdifferenz in den Wärmetauschern besteht darin,
die Temperatur des aus dem stromauf liegenden Rohrleitungsabschnitt in den Wärmetauscher
einströmenden Gases zu senken. Eine einfache Möglichkeit hierfür is:- iii Fig. 3
dargestellt. Hierbei wird dem aus dem Rohrleitungsabschnitt 1' austretenden Gas
vor dem Eintritt in den Gegenstrom-
Wärmetauscher 8' durch eine
Zweigleitung 13 und eine gestrichelt eingezeichnete Leitung 15 ein Teilstrom zugemischt,
der o dem aus dem Wärmetauscher 8' austretenden rückgekühlten Gas abgezweigt wird.
Dieser Teilstrom durchströmt eine Drossel 4 in der Zweigleitung 13. Diese Drossel
14 erzeugt mittels des @oule Thompson-Effekts eine Temperaturabsenkung in dem Teilstrom,
so daß dieser mit einer niedrigeren Temperatur dem aus dem Rohrleitungsabschnitt
1' austretenden Gas zugemischt wird. Durch die größere Temperaturdifferenz von z.B.
250 kann der Gegenstromwärmetauscher 8' gegenüber dem Ausführungsbeispiel von Fig.
1 erhoblich verkleinert werden.
-
Selbstverständlich kann anstelle der Drossel 14 auch eine 'äl maschine
verwendet werden, wenn dies aus wirtschaftlichen Gr den zweckmäßiger ist.
-
Eine weitere in Fig. 3 angedeutete Möglichkeit zur Vergrößerung der
Temperaturdifferenz im Wßirmetauscher 8 ist die Anordnung eines Kühlers 1 6 zwischen
dem Wärmetauscher 8' und dem Anfang des stromab liegenden Rohrleitungsabschnittes
2'. Dieser Kilhlel-16 wird von dem abgezweigten Teilstrom nach Durchströmen der
Drossel 14 beaufschlagt. Durch diese Rückkühlung des Gases kann dessen Eintrittstemperatur
in den Wärmetauscher 8' vom Kompressor 9' hei kommend höher liegen als bei dem ersten
Ausführungsbeispiel, wodurch die Temperaturdifferenz im Wärmetauscher erhöht wird
und seine Abmessungen verringert werden.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel. gemäß Fig. 4 ist wie in Fig. 3 ein Kühler
19 zwischen dem Wärmetauscher 8' und dem stromab liecjenden Rohrleitungsabschnitt
2" angeordnet. Der Kompressor 9" wird hierbei von einer Gasturbine 17 angetrieben,
die ihr Verbrauchsgas von dem stromauf liegenden Rohrleitungsabschnitt 1" erhält.
-
Dieses Verbrauchsgas wird zuerst durch eine Expansionsmaschine 18
geleitet, in der der Druck von z.B. 80 bar auf 3 bar abgebaut wird unter gleichzeitiger
Absenkung der Temperatur von z.B. 2?fl K auf 150 K. In diesem Zustand wird das nun
verflüssigte Verbrauchsgas durch eine Leitung 20 dem Kühler 19 zugeführt, in dein
es
das von dem Wärmetauscher 8" herkommende Gas unter Wärmeaufnahme abkühlt. Dann gelangt
das nun wieder gasförmige Verbrauchsgas durch die Leitung 21 zur Gasturbine 17.
-
An die Stelle der Expansionsmaschine 18 könnte grundsätzlich auch
eine Drossel treten.
-
L e e r s e i t e