DE3032550A1

DE3032550A1 - METHOD FOR OPERATING COMPRESSOR DEVICES FOR GASES

Info

Publication number: DE3032550A1
Application number: DE19803032550
Authority: DE
Inventors: Rudolf Ing.(grad.) 7303 Neuhausen Schmid
Original assignee: AEG Kanis Turbinenfabrik GmbH
Current assignee: Alstom Power Turbinen GmbH
Priority date: 1980-08-29
Filing date: 1980-08-29
Publication date: 1982-04-15
Also published as: NL8103967A; FR2489477B1; JPH031512B2; FR2489477A1; JPS57103999A

Description

κτ 80/09 2, - ? - κτ 80/09 2, -? -

B e s c h r_e i b u η gB e s c h r_e i b u η g

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Verdichtereinrichtungen für Gases, insbesondere von Verdichterstationen in Gastransportleitungen über weite Entfernungen,· insbesondere im Permafrost^Gebiet.The invention relates to a method for operating compressor devices for gas, especially from compressor stations in gas transport lines over long distances, especially in Permafrost ^ area.

Für die verschiedensten Zwecke benötigt.man ein hochverdichte$es Gas von bestimmter Temperatur. Da beim Verdichtungsprozeß in erheblichem Ausmaße Wärme entsteht, muß das aus dem Kompressor korn- · mertde Gas Piickgekühlt oder nach Bedarf sogar unter die Eingangstemperatur unterkühlt werden. Dazu benützt man in bekannter Weise Gas-Luft- oder Gas-Wasser-Wärmetauscher und ggfs. zusätzliche nachgeschaltete Kälteanlagen mit eigenen energieverbrauchenden AntriebenA high-density es is required for the most varied of purposes Gas of a certain temperature. Since a considerable amount of heat is generated during the compression process, the grain must be removed from the compressor. mertde gas Piickcooled or, if necessary, even subcooled below the inlet temperature. This is used in a known manner Gas-air or gas-water heat exchangers and, if necessary, additional downstream cooling systems with their own energy-consuming drives

Die Verwendung von Wärmetauschern erfordert dann einen besonders großen Aufwand, wenn die Temperaturdifferenz Gas-Kühlmedium - Luft oder Wasser - relativ klein ist, was besonders bei Luftkühlung der' Fall ist. Der ungünstigste Fall liegt naturgemäß im Sommer und zwar in der Tageszeit der hö.chsten Lufttemperatur. Normalerweise muß für diesen Fall der Wärmetauscher ausgelegt werden.The use of heat exchangers then requires one in particular great effort if the temperature difference gas coolant - air or water - is relatively small, which is especially the case with air cooling. The worst case is naturally in summer at the time of day with the highest air temperature. Usually must for this case the heat exchanger can be designed.

Extreme Verhältnisse in Bezug auf diese Temperaturdifferenzen herrschen im kontinentalen Perraafrost-Gebiet vor. Hier reichen die Temperaturen von extremen Niedrigwerten in WinternäGhten bis zu außerordentlichen Tagesspitzen an Sommertagen. Fig. 1 zeigt diese Verhältnisse. Extreme conditions with regard to these temperature differences prevail in the continental perraafrost area. The temperatures are sufficient here from extremely low values in winter nights to extraordinary Daily peaks on summer days. Fig. 1 shows these relationships.

Reichliche Erdgasfunde in solchen Gebieten der Erde machen einen Transport des Erdgases zu weit entfernten Verbrauchszentren .notwendig. .Abundant natural gas discoveries in such areas of the world make it necessary to transport the natural gas to distant centers of consumption. .

Zum Betrieb.der hierzu gebauten Rohrleitungen sind in bestimmten Abständen angeordnete Pumpstationen - Verdichterstationen - erforderlich, in denen das ankommende Gas mittels Erhöhung seines Druckes in die' weiterführende Leitung gepreßt wird. -Da die im Permafrostgebict verlegte Leitung den sie tragenden - gefrorenen - Boden verständlicherwei se nicht auftauen darf, muß das durch den Verdiclituugs-For the operation of the pipelines built for this purpose are in certain Spaced pumping stations - compressor stations - required, in which the incoming gas is forced into the 'continuing line by increasing its pressure. -The ones in the permafrost area Lay the line understandably the supporting - frozen - ground it is not allowed to thaw, this must be done by the Verdiclituug-

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Vorgang erwärmte Gas auf die Transporttemperatur, z. D. -3 C, rückgekühlt werden. Das bedingt besondere Kühleinrichtungen, bei welchen die sonst übliche Benutzung von freiem, zu- und abfließendem Wasser aus naheliegenden Gründen nicht möglich ist, d.h. die allein .mit der Luft als Kühlmedium auskommen müssen. Legt man die vorstehend erwähnten krassen Temperaturdifferenzen von.Jahr und Tag zu Grunde, benötigt man für die vorkommende Maximaltemperatur riesige, aufwendige Wärmetauscher und Kühlanlagen und muß mi£ ungeheuren Verlusten rechnen.Process heated gas to the transport temperature, e.g. D. -3 C, be re-cooled. This requires special cooling devices in which the usual use of free, inflowing and outflowing Water is not possible for obvious reasons, i.e. which have to make do with air as a cooling medium alone. If you put the the abovementioned extreme temperature differences from year and On a day-to-day basis, huge, expensive heat exchangers and cooling systems are required for the maximum temperature that occurs, and enormous amounts are required Expect losses.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Rückkühlung des- verdichteten Gases unter· möglichst kleinen Verlusten mit kleinstem Investition aufwand durchzuführen und das bei Berücksichtigung extremster Tem peraturunterschiede im Tages- und Jahresverlauf.The object of the invention is the recooling of the compressed Gas with · the smallest possible losses with the smallest investment effort to carry out, taking into account the most extreme temperature differences in the course of the day and year.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Kennzeichen des Patentanspruchs gelöst.This object is achieved by a method according to the characterizing part of the patent claim solved.

Infolge der erfindungsgemäßen Überverdichtung erhält man auch ein entsprechende Übererwärmung des Gases, d.h. das Gas verläßt den Verdichter mit einer höheren Temperatur, so daß auch bei hohen Temperaturen des Kühlmediums Luft eine recht große Kühlwirkung eines nicht zu großen Gas-Luft-Wärmetauschers vorhanden ist. Der überschüssige Druck wird dann vorteilhafterweise in einer relativ einfachen Eritspannungsturbine bis auf den gewünschten Ausgangsdruck abgebaut, wobei bei der Entspannung des Gases auch eine entsprechende Abkühlung erfolgt. Die Arbeit der Entspannungs turbine kann einerseits durch eine schaltbare oder feste Kupplung auf die Welle des Ilauptverdichters aufgegeben oder, wenn eine noch weitere Kühlung des Gases notwendig ist, zum Antrieb einer weiteren nachgeschalteten Kälteanlage verwendet werden. In jedem Falle kann der Energieaufwand zur Erzeugung des Über-Drucks fast vollständig, nur unter Abzug der Wirkungsgrade, wiedergewonnen werden.As a result of the over-compression according to the invention, one also obtains a corresponding overheating of the gas, i.e. the gas leaves the compressor at a higher temperature, so that even at high Temperatures of the cooling medium air a very large cooling effect of a not too large gas-air heat exchanger is available. The excess pressure is then advantageously in a Relatively simple Eritspannsturbine broken down to the desired output pressure, with the expansion of the gas also a corresponding cooling takes place. The work of the expansion turbine can on the one hand by a switchable or fixed coupling abandoned on the shaft of the main compressor or, if a If further cooling of the gas is necessary, it can be used to drive a further downstream refrigeration system. In each In this case, the energy required to generate the overpressure can be recovered almost completely, only after deducting the degree of efficiency will.

Durch die Bemessung der einzelnen Bauelemente der Verdichtereinrichtung und der Kühlanlage mit Wärmetauschern und Kühlern, die wahlweise Zuschaltung der Entspannungsturbinen, sowie die Ein-By dimensioning the individual components of the compressor device and the cooling system with heat exchangers and coolers, the optional activation of the expansion turbines, as well as the

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stellung von beliebigen Mischungsverhältnissen des Gases'vor und nach jeder Stufe durch die Anordnung von Nebenschluß-rVentilen kann eine Optimierung für jeden gegebenen Paratneterzustand vorgenommen werden.provision of any mixing ratios of the gas and after each stage through the arrangement of bypass valves made an optimization for any given paratneter condition will.

Ein besonderer Nutzeffekt wird erreicht,wenn die Kondensationswärme der nachgeschalteten Kälteanlage bereits zur Vorheizung des ankommenden Gases vor der Verdichterstufe verwendet wird. Die Temperatur des verdichteten Gases wird dadurch noch mehr erhöht, damit die Temperaturdifferenz im Gas-Luft-Wärmetauscher und· dieser kann noch kleiner ausgelegt werden. Ein weiterer Vorteil dieser Maßnahme besteht in einer erheblichen Energieeinsparung, da eine Umwälzpumpe für den Flüssigkeitskreislauf nur einen Bruchteil der Antrieb; energie einer vergleichbaren iiuft-Gebläse-Anordnung benötigt, da als Übertragungsmedium in diesem Kreislauf natürlich eine Flüssigkeit, vorzugsweise gefriergeschütztes Wasser verwendet wird. Darüberhinaus wird der Kälteprozeß durch die Absenkung der Kondensationstemperatur um annähernd 30 C, d.i·. die Umgebungstemperatur, wesentlich verbessert. Ebenso werden die Kosten für den wassergekühlten Kondensator gegenüber der luftgekühlten Ausführung stark vermindert.A particular benefit is achieved when the condensation heat the downstream refrigeration system is already used to preheat the incoming gas upstream of the compressor stage. The temperature of the compressed gas is increased even more, so that the temperature difference in the gas-air heat exchanger and · this can still be designed smaller. Another advantage of this measure is a considerable saving in energy, since a circulating pump is used only a fraction of the drive for the fluid circuit; energy of a comparable iiuft fan arrangement is required because a liquid, preferably freeze-protected water, is of course used as the transmission medium in this circuit. In addition, the cooling process is reduced by lowering the condensation temperature by approximately 30 C, d.i ·. the ambient temperature, much improved. Likewise, the cost of the water-cooled condenser compared to the air-cooled version greatly diminished.

Eine weitere Lösungsmöglichkeit, bei welcher vor allem die Investitionskosten und die Robustheit der Anlage wesentliche Gesichtspunkte sind, ergibt sich durch die Vorheizung des ankommenden Gases durch das hochverdichtete Gas selbst. Der wesentliche Vorteil liegt darin, daß hierbei keine Kälteanlage notwendig ist," da die Abkühlung des Gases in den drei Bauelementen: Luft-Gas-Kühler, Gas-Gas-kühler und Entspannungsturbine (in dieser Reihenfolge) erfolgt. Die Entspannungsturbine gibt die Leistung an die zweite Verdichterstufe ab und erspart so den zusätzlichen — teuren - Gasturbinenantrieb für diesen Verdiehterteil.Another possible solution, in which above all the investment costs and the robustness of the system are essential considerations, results from the preheating of the incoming gas by the highly compressed gas itself. The main advantage is that no refrigeration system is necessary, "because the cooling of the gas in the three components: air-gas cooler, gas-gas cooler and expansion turbine (in this order). The relaxation turbine transfers the power to the second compressor stage and thus saves the additional - expensive - gas turbine drive for this condemnation part.

An Hand der anliegenden Zeichnung werden ein Beispiel der Erfindung für ihre Anwendung in einer Gastransportleitung im Permafrost-Gebie ihre Wirkungsweise und weitere Ausgestaltungen erläutert.An example of the invention will be given with reference to the accompanying drawing for their application in a gas transport pipeline in the permafrost area, their mode of operation and further configurations are explained.

Natürlich kann die Erfindung überall angewendet werden, wo Gase verdichtet und anschließend gekühlt werden müssen, beispielsweise bei vielen Prozeßverläufen in der chemischen oder petro-chemischen Industrie.Of course, the invention can be used wherever gases have to be compressed and then cooled, for example in many chemical or petro-chemical processes Industry.

ORIGINAL INSPECTED - 6 -ORIGINAL INSPECTED - 6 -

KT .80/09 " - & - KT .80 / 09 " - & -

Fig. 1 zeigt die schon enrähnten Tages- und Jahrestemperaturen; Fig. 2. die Prinzipschaltung für die Anwendung des erfindungsgemäßiFig. 1 shows the already mentioned daily and annual temperatures; Fig. 2. the basic circuit for the application of the invention

Verfahrens;
Fig. 3 das I-S-Diagramm bei Anwendung der Erfindung im extremen Sommerfall;Procedure;
3 shows the IS diagram when the invention is used in extreme summer;

Fig. k eine Änderung der Prinzipschaltung von Fig. 2; Fig. .5 eine weitere Verbesserung*
Fig. 6 das zugehörige I-S-Diagramm^FIG. K shows a modification of the basic circuit of FIG. 2; Fig. 5 a further improvement *
Fig. 6 the associated IS diagram ^

Fig. 7 ist das Schaltschema ohne Kälteprozeß und Fig. 8 dann das I-S-Diagramm ohne Kälteprozeß.Fig. 7 is the circuit diagram without refrigeration process and 8 then the I-S diagram without a refrigeration process.

Fig. 2 zeigt das Prinzip der Erfindung:Fig. 2 shows the principle of the invention:

Die Gaszuleitung 0 bringt das Gas mit -3°C und 50 bar -an, es soll die Verdichterstätion mit -3⁰C und 75 bar bei 6.in die weiterführende Leitung verlassen. 15 und 21 sind die üblichen Anschlußschieber. The gas feed line 0 brings the gas at -3 ° C and 50 bar -an, it should ^{leave the compressor station with -3 0} C and 75 bar at 6th in the continuing line. 15 and 21 are the usual connecting slides.

Nach Durchtritt' durch das Reinigungsfilter 26 kommt das Gas in den durch die Gasturbine 13 angetriebenen Verdichter 23 und weiter in den Rückkühl-Wärmetauscher 22, der,wie schon erwähnt, die Wärme nur an die Umgebungsluft abgeben kann. Normalerweise wäre hier das Verfahren beendet, u. Umständen wurde noch eine fremdangetriebene Kälteanlage zur weiteren Abkühlung des Gases, die den Kreislauf Verdichter 7i Kondensor 8, Entspannungsventil 9 und Verdampfer und Wärmetauscher 10 einschließt, nachgeschaltet.After passing through the cleaning filter 26, the gas enters the by the gas turbine 13 driven compressor 23 and further into the recooling heat exchanger 22, which, as already mentioned, the heat can only give off to the ambient air. Usually that would be here Proceedings ended, and under certain circumstances an externally driven one was still carried out Refrigeration system for further cooling of the gas, the circuit compressor 7i condenser 8, expansion valve 9 and evaporator and Heat exchanger 10 includes downstream.

Unter Bezugnahme auf das I-S-Diagramm Fig. 3 wird im Folgenden das erfindungsgemäße Verfahren erläutert /0 - 6/:With reference to the I-S diagram of FIG. 3, the following is the Process according to the invention explained / 0 - 6 /:

das Gas wird im Verdichter 23 wesentlich höher als für den Weitertransport benötigt verdichtet und damit auch erheblich heißer /0-2, im kleineren aber· eine höhere Temperaturdifferenz zwischen Gas und Luft als Kühlmedium aufweisenden Wärmetauscher 2.2 wird dem Gas nur ein Teil seiner Wärme entzogen /2-3/, es wird dann in der Entspannungsturbine l4, die die Kälteanlage 7,8,9,10 antreibt,auf Transportdruck entspannt und kühlt sich dabei ab /3-^/» die Restwärme bis zur Transporttemperatur wird ihm im Wärmetauscher 10 der Kälteanlage, die es mit dem eigenen Überdruck antreibt, entzogen /k-d/ und verläßt bei richtiger Dimensionierung und Steuerung bei 6 diethe gas is compressed in the compressor 23 to a much higher degree than required for further transport and is therefore also considerably hotter / 0-2, in the smaller heat exchanger 2.2, which has a higher temperature difference between gas and air as the cooling medium, only part of its heat is withdrawn from the gas / 2-3 /, it is then in the expansion turbine l4, which drives the refrigeration system 7,8,9,10, expanded to transport pressure and cools down in the process / 3 - ^ / »the residual heat up to the transport temperature is in the heat exchanger 10 of the Refrigeration system, which drives it with its own overpressure, withdrawn / kd / and leaves with correct dimensioning and control at 6 die

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Verdichterstation in die weiterführende Rohrleitung mit den gewünschten Werten: -3°C und 75 bar. Man kann mit im Hauptstrom liegenden Ventilen und Schiebern 15,17,21 den Durchsatz und mit Nebenschluß-Ventilen l6,20 die Mischungsverhältnisse vor und nach den einzelnen Prozeßstufen steuern.Compressor station in the onward pipeline with the desired Values: -3 ° C and 75 bar. You can adjust the throughput with valves and slides 15, 17, 21 in the main flow and with bypass valves 16, 20 control the mixing ratios before and after the individual process stages.

Das überverdichtete Gas kann ebenfalls in einer fest mit der Welle des Verdichters 23 verbundenen oder wahlweise mittels .Kupplung 12 ankuppelbaren Entspannungsturbine 11 unter Abgabe von Arbeit entspannt und gekühlt werden. Die Entspannungsturbinen 11 und lk* könne jeweils einzeln vorgesehen sein, sie können beide vorhanden sein und gleichzeitig oder einzeln betrieben werden.The over-compressed gas can also be expanded and cooled in an expansion turbine 11 that is permanently connected to the shaft of the compressor 23 or can optionally be coupled by means of a coupling 12 while releasing work. The expansion turbines 11 and lk * can each be provided individually, they can both be present and operated simultaneously or individually.

Durch Anordnung und entsprechende Bedienung der Ventile l6,l8 und 19 kann die Entspannungsturbine 11 zugleich als Hilfsturbine zum Anwerfen der Hauptturbine 13 des Verdichters 23 durch Entnahme von Druckgas aus der Zuleitung 0 verwendet werden.By arranging and operating the valves l6, l8 and 19, the expansion turbine 11 can also be used as an auxiliary turbine for Starting the main turbine 13 of the compressor 23 by removing compressed gas from the supply line 0 can be used.

ί
Ein. sehr großer Nutzeffekt wird erreicht, wenn, wie in Fig.5 und gezeigt, der Kondensator 8' der Kälteanlage /k-6/ seine abzuführende Wärme über einen Wärmetauscher 2k /O-l/ an das aus der Zuleitung 0 eintretende Gas über einen normalerweise mit gefriergeschütztem Wasser gefüllten Zwischenkreislauf mit Umlaufpumpe 25 abgibt. Dadurch wird das eintretende Gas bereits auf ein höheres Temperaturniveau gebracht, der Verdichter 23 erhöht die Temperatur weiter /1-2/ und dem Wärmetauscher 22 steht demnach eine größere Temperaturdifferenz /2-3/ zur Verfügung. Der Wirkungsgrad der Verdichterstation wird dadurch und durch die Verbesserung, des Kälteprozesses infolge Absenkung der Kor.densationstem^peratur optimal, wobei zusätzlich die Investitionskosten durch Verkleinerung der gesamten Kältemaschinenoningo 'sinken.ί
A. Very high efficiency is achieved if, as shown in Fig. 5 and, the condenser 8 'of the refrigeration system / k-6 / its heat to be dissipated via a heat exchanger 2k / oil / to the gas entering from the supply line 0 via a normally freeze-proof Water-filled intermediate circuit with circulation pump 25 emits. As a result, the entering gas is already brought to a higher temperature level, the compressor 23 increases the temperature further / 1-2 / and the heat exchanger 22 therefore has a greater temperature difference / 2-3 / available. The efficiency of the compressor station is optimal because of this and because of the improvement in the cooling process as a result of the lowering of the compensation temperature, and the investment costs are also reduced by reducing the size of the entire refrigeration machine.

Eine weitere Verbesserungsmöglichkeit durch Wegfall der Kälteanlage erhält man dann, wenn, wie aus Fig. 7 und 8 ersichtlich, die teilweise Aufheizung des Transportgases im Gas-Gas-Wärmetauscher 2k /0-1/ nach dem Filter 26 und daran anschließend eine zweistufige Verdichtung im Hauptverdichter 23 /l-2/ und Nachverdichter 23' /2-2. erfolgen. Die Verdichtungstemperatur ergibt zusammen mit der Aufheizung im Wärmetauscher 2k die gewünscht hohe tibertemperatur, um das Gas im Luft-Gas-Kühler 22 /2'-3/, im Gas-Gas-Kühler 2k /3-k/ und in der Entspannungsturbine lk /k-6/ in wirtschaftlicher Weise rückkühlen 7,\i können.Another possibility for improvement by eliminating the refrigeration system is obtained if, as can be seen from FIGS. 7 and 8, the partial heating of the transport gas in the gas-gas heat exchanger 2k / 0-1 / after the filter 26 and then a two-stage compression in the Main compressor 23 / l-2 / and secondary compressor 23 '/ 2-2. take place. The compression temperature, together with the heating in the heat exchanger 2k, results in the desired high temperature to cool the gas in the air-gas cooler 22 / 2'-3 /, in the gas-gas cooler 2k / 3-k / and in the expansion turbine lk / k-6 / can cool back in an economical manner 7, \ i .

Claims

AEG-KANISAEG CANISES

TURBINENFABRIKGMBH

Frankenstrasse 70-80
8500 NUREMBERG

KT 80/09 Nuremberg, Aug. 27, 1980

Lehmann

Procedure for the operation of compression equipment

for gases.

Claims

1. Procedure for the operation of compressor equipment for gases, especially of compressor stations in gas transport lines over long distances, especially in permafrost areas, characterized in that the gas is driven by a gas turbine (13) as a function of the ambient temperature Compressor (23) to a higher than required Output pressure is compressed so that only part of the greater compression heat generated thereby at a higher temperature level is discharged in a conventional heat exchanger (22), preferably with air as the cooling medium, and that another part the heat of compression by expanding the gas to the desired level Output pressure under the release of work is consumed.

2. The method according to claim 1, characterized in that the relaxation of the gas in an expansion turbine (ΐΐ, ΐ'ΐ) will.

3. The method according to claim 2, characterized in that the expansion turbine (lA) drives the compressor (7) of an additional refrigeration system (7. »8" i9 »10) connected downstream in the gas flow.

κτ 80/09 _Λ - ■ & -

k. Method according to Claim 2, characterized in that the expansion turbine (li) can be coupled to the gas turbine drive (13) of the main compressor (23) by means of an optionally switchable coupling (12).

5. The method according to claims 3 and k, characterized in that part of the over-compressed gas drives the expansion turbine (ΐΛ) of the downstream refrigeration system (7,8,9ilO), part of an expansion turbine (ll) that can be optionally coupled to the main compressor drive (13) ).

6. The method according to any one of claims 1 to 5 »characterized in that that the compression and condensation heat of the refrigerant of the downstream refrigeration system (7,8,9,10) Via heat exchangers (8 ', 2'i) to the from the supply line (θ) into the Compressor station entering gas is released.

7. Method according to claim 6, characterized in that a liquid, preferably freeze-protected water, is used as the transfer medium between the heat exchangers (8 ') and (2h).

8. The method according to · claim 2, characterized in that the expansion turbine (iA) as a drive for the second stage (23 ') of the Main compressor (23) is used.

9 · The method according to claim 8, characterized in that the after the air-gas cooler (22) remaining part of the compression heat in the gas-gas cooler (24) to that at (O) in the compressor station entering gas released and with the necessary teraperturn lowering to the initial value in the relaxation turbine (l'i) is consumed.

10. Set up the compressor station for applying the method according to claims 1 to 9.

11. The device according to claim 10, characterized in that the Dimensioning of your components to optimize the overall efficiency taking into account the parameters: temperature and Pressure of the gas at the inlet and outlet, maximum and minimum ambient temperature takes place.