-
Beschreibung
-
Trocknung von Erdgas in Kavornen durch direkte oder indirekte Kühlung
des Gases
Einleitung: Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trocknung von in Kavernen,
insbesondere in Salzstöcken, gespeichertem Erdgas.
-
Bei der Lagerung von Erdgas oder Ersatzgasen (SNG) in Salzkavernen,
z. B. 60 106m3, wird dieses durch im Sumpf zurückgebliebene Sole (gesättigte Natriumchloridlösung)
entsprechend der iilüs,igkeits- und Gastemperatur und den Druckbedingungen mit Wasserdampf
aufgesättigt.
-
Über Sole stellt sich, bezogen auf die Gastemperatur, eine Aufsättigung
an Wasserdampf am Gas von kleiner oder gleich 75% ein.
-
Die Erwärmung der vorgenannten Speichergasmenge um 0,1 K pro Tag bedingt,
je nach Gastemperatur, den Energietransfer von 17,9 b.z.w. 21,2 106kJ abus dem Gebirge.
-
lgach Befüllung einer Kaverne mit Erdgas bei gleichzeitiger Ausspeicnerung
der Sole kann sich je nach Befüll- und Standzeit sowie der Gebirgatemperatur eine
Gastemperatur von z. B. 298 K, oder 318 K, oder 343 K eingestellt haben.
-
bei der Entnahme von Erdgas aus solchen Kavernen wird das ausgespeicnerte
Gas durch Trocknun, z. B. mittels Glykol, auf einen Wassertaupunkt entsprechend
den Anforderungen für den Leitungstransport, z. B. 265 K bei einem Gasdruck von
70 bar, eingestellt. Dies entspräche einem Wassergehalt im Erdgas von 64 mg/m3.
-
Dieses Verfahren, das mit hohen Kosten verbunden ist, hat den Nacnteil,
daß das Trocknungsmittel aus dem Erdgas wieder entfernt werden muß. Außerdem ist
durch die Kapazität der rgrocknungsanlage die Ausspeicherrate begrenzt und wenig
flexibel.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Trocknung
von
in Kavernen gespeicilertem Erdgas anzugeben, oei dem die beschriebenen jacnteile
vermieden werden.
-
Die Autgabe wird gelöst durcn den kennzeichnenden jeil von Anspruch
1.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen
2 bis 5 angegeben.
-
Trocknungsverfahren: Durcn entsprechende Absenkung der Gastemperatur
uf z. B.
-
276 K in der Kaverne, wird der Wassertaupunlct des Erdgases für den
Leitungstransport eingestellt.
-
Der Entzug der Wärme aus dem Kavernengas kann in mehreren Formen erfolgen,
entweder: 1. Direkt 1.1. Durcn Eindüsung von flüssigem Erdgas (LSS) in die Kaverne.
-
Das LNG wird in einer Verfliissigungsanlage nergestellt; hierbei
erfolgt die Versorgung der Anlage mit Erdgas zuerst gus der Transportleitung und
später, nach Absenkung der Gastemperatur, aus der Kaverne.
-
Der Einsatz von TtNG durch Fremdbezug schließt sich nicht aus, setzt
aber auf die Dauer betrieblich eine zweite Kaverne voraus.
-
Wesentlich beim Eremdbezug von ENG sind die Ähnlichkeit der Erdgaszusammensetzung
mit dem Kaverneninhalt sowie die Kosten für Einkauf und Antransport.
-
1.2. Durch Einspeichern, mit G-Zudosierung, auf 255 K gekühltem Erdgas.
-
Das ENG wird ebenfalls in einer Verflüssigungsanlage hergestellt,
deren Versorgung mit Erdgas wie unter 1.1. beschrieben erfolgt. Es schließt sich
auch ein Fremdbezug nicht aus.
-
Mit der Verfahrensweise muß, je nach Einschätzung der zu erwartenden
Gastemperatur, in der Kaverne durch Energietransfer aus dem Gebirge mit 343 oder
298 K, spätestens nach 30 oder 50% der Befüllung der Kaverne mit Erdgas und gleichzeitiger
Ausspeicherung der Sole begonnen werden.
-
Nach maximaler Befüllung der Kaverne mit Erdgas ist die Betriebsbereitschaft
zur Ausspeicherung nicht sicher zu stellen, ohne eine zweite Kaverne mit freier
Speicnerkakpazität.
-
Zur Erhaltung der Betriebsbereitschaft bei einer Kaverne kann wie
unter 1.1. Absatz 1 und 2 beschrieben verfahren werden.
-
oder: 2. Indirekt 2.1. Durch Einpumpen von flüssigem Propan oder Ethan
in ein Leitungssystem, das vorher in der Kaverne abgesenkt wurde, und Rückführung
des gasförmigen Kühlmittels zu einer Verflüssigungsanlage.
-
De @ Entzug der Wärme aus dem Kavernengas erfolgt nach der Befüllung
mit hrdges und gleichzeitiger Ausspei-.
-
cherung der Sole.
-
Entsprechend des Druckabfalles in der Kaverne durch die Temperaturabsenkung
des Gases kann Erdgas nachgespeichert werden.
-
Der Energietransfer aus dem Gebirge über den Salzstock in das Kavernengas
wird durch Betreiben der Kühleinrichtung ausgeglichen.
-
2.2. Durch Einspeichern von in einem Wärmetauscher auf 255 K gekühltem
Erdgas.
-
Der Wärmetauscher wird kühlseitig mit flüssigem Propan oder Ethan,
durch Nutzung der Verdampfungsentbalpie, betrieben. Die Gasphase wird einer Verflüssigungsanlage
zugeführt.
-
Mit der Verfahrensweise muß, wie unter 1.2. Absatz 3 beschrieben,
begonnen werden.
-
Die Betriebsbereitsciiaft zur Ausspeicherung bei maximaler Befüllung
solch einer Kaverne kann durch Umcherung entsprechender Gasmengen sicher gestellt
werden. Praktikabel wäre ; ohne eine zweite Kaverne, auch die Aus speicherung in
das Leitungsnetz und anschließende Rückspeicberung über den Wärmetauscher entsprechender
Gasmengen.
-
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert.
-
Investitionen: 1.1. Bau einer Verflüssigungsanlage für Erdgas; Vorratsbehälter
für ING; Dosierpumpe für SiG; Einrichtung einer Dosiereinrichtung am Kavernenkopf
für LNG ; Anpassung der Vorwärmerkapazität für die Ausspeicherung von Erdgas aud
der Kaverne in das Leitungsnetz.
-
1.2. Bau einer Verflüssigungsanlage für Erdgas; Vorratsbehälter für
ING; Dosierpumpe für LNG ; Isolierung der Sammelleitung auf dem Kavernenplatz als
Hischstrecke für Erdgas und LNG ; Einrichtung einer Dosiereinrichtung am Kavernenkopf
für ING; Anpassung der Vorwärmerkapazität für die Ausspeicherung von Erdgas aus
der Kaverne in d.S Leitungsnetz.
-
2.1. Abhängen eines Leitungssystems in die Kaverne für die Zuführung
des flüssigen Propan oder Ethan und die Rückführung der Gasphase mit den notwendigen
Sicherheitseinrichtungen; Bau einer Verflüssigungsanlage für Propan oder Ethan;
Vorratsbehälter für flüssiges Propan oder Ethan; Pumpe für flüssiges Propan oder
Ethan; Anpassung der Vorwärmerkapazität für die Ausspeicherung von erdgas aus der
Kaverne in das s Leitungsnetz.
-
2.2. Bau eines isolierten Wärmetauschers mit notwendigen Sicherheitseinrichtungen
und Einbindung in die oamW melleitung auf dem Kavernenplatz; Bau einer Verflüssigungsanlage
für Propan oder Ethan; Vorratsbehälter für flüssiges Propan oder Ethan; Pumpe für
flüssiges Propan oder Ethan; Anpassung der Vorwärmerkapazität für die Ausspeicherung
von Erdgas aus der Kaverne in das Leitungsnetz.
-
Betriebsmittel: Ausgehend von folgenden Voraussetzungen geometrisches
Volumen der Kaverne: 400. 10³ m³ Solenfläche im Salzstock: 2790 m² Speichergasdruck:
150 bar maximale Erdgasbefüllung bei 343 K: 59,7 . 106 m3 318 K: 64,4 . 106 m3 298
K: 68,7 . 106 m3 276 K: 74,2 . 106 m3 Dicnte des Erdgases: 0,84 kg/m3 Heizwet des
Erdgases: 45800 kJ/kg Enthalpie des Erdgases bei 150 bar von 343-276 K: 237,5 kJ/kg
von 318-276 K: 157,1 kJ/kg von 318-255 K: 250,2 kJ/kg von 298-276 K: 86,5 kJ/kg
von 277-276 K: 4,2 kJ/kg Temperatur des Erdgases nach der Kompression auf 150 am
Kavernenkopf: 318 K Temperatur des LNG: 110 K spezifische Wärme des LNG: 3,5 kJ/kgK
Verdampfungsellthalpie des LNG: 503 kJ/kg Energieverlust bei der lierstellung des
LNG: 40 % Temperatur des flüssigen Propan: 283 K spezifische Wärme des flüssigen
Propan: 2,4 kJ/kg.K Verdampfungsenthalpie des flüssigen Propan: 427 kJ/kg Energieverlust
bei der Herstellung und Anwendung des flüssigen Propan: 40 5' spezifische Wärme
im Salzstock: 0,84 kJ/kg.K Wärmeleitzahl im Salzstock: 2,1 werden verschiedene Betriebsfälle
betrachtet.
-
1.1. SinstellunE der Betriebsbereitschaft einer befulften Kaverne
durch Absenkung der Gastemperatur auf : Fall 1 Die Gastemperatur des eingespeicherten
Erdga ; 59,7 . 106m3 = 50,2 . 106kg -hat sich mit 343 K eingestellt.
-
Zur Absenkung der Gastemperatur auf 276 K sind -11923 106kJ - notwendig.
-
Es werden 11,0 . 106kg LNG in die Kaverne einge Dies entspricht einer
Erdgasmenge von 13,1 . 10 Die Kaverne wäre nach Erreichen der Betriebsbereitschaft
mit 72,8 106m3 Erdgas befüllt.
-
Fall 2 Die Gastemperatur des eingespeicherten Erdgases -64,4 . 106m3
= 54,1 . 10@ hat sich mit 318 K eingestellt.
-
Zur Absenkung der Gatemperatur auf 276 K sind -8499 . 1o6 kJ - notwendig.
-
Es werden 7,8 . 106kg LNG in die Kaverne einge@ Dies entspricht einer
Erdgasmenge von 9,3 106m3.
-
Die Kaverne wäre nach Breichen der Betriebsbereitschaft mit 73,7
106m3 Erdgas befüllt.
-
Fall 3 Die Gastemperatur des eingespeicherten Erdga : 68,7 . 106m3
= 57,5 . 106kg -hat sich mit 298 K eingestellt.
-
Zur Absenkung der Gastemperatur auf 276 K sind -4991 106kJ - notwendig.
-
Es werden 4,6 . 106kg LNG in die Kaverne einge@ Dies entspricht einer
Erdgasmenge von 5,5 106m).
-
Die Kaverne wäre nach Erreichen der Betriebsbereitschaft mit 74,2
1O6m3 Erdgas befüllt.
-
Erhaltung der Betriebsbereitschaft einer Kaverne bei einer Gastemperatur
von 276 K zum Ausspeichern In 10 Betriebstagen wird ein Temperaturanstieg der Kavernenfüllung
von 74 106m3 um 1 K durch Energietransfer aus dem Gebirge abgeschätzt.
-
Dies entspricht einer Erwärmung des Erdgases von 276 auf 277 K oder
einem Energietransfer aus dem Gebirge von 261,2 106kJ.
-
Zur Kompensation des Temperaturanstieges werden jeden 10. Betriebstag
0,287 . 106m3 Erdgas aus der Kaverne entnommen, verflüssigt und wieder als LNG in
die Kaverne eingedüst.
-
Bei dieser diskontinuierlichen Fahrweise wäre eine Verflüssigungsanlage
für Erdgas von 30 105m3/h notwendig.
-
In 240 Tagen Betriebsbereitschaft müßten 6,9 106m3 Erdgas verflüssigt
und in die Kaverne eingedüst werden.
-
Zur Kompensation des Temperaturanstieges an jedem 2.
-
Betriebstag, wie vorher beschrieben, würde eine Verflüssigungsanlage
für Erdgas mit einer Leistung von 6 103m3/h ausreichend sein.
-
ait solch einer Anlage wäre die Einstellung der Betriebsbereitschaft
- siehe Fall 1 - dieser Kaverne in 115 Betriebstagen möglich.
-
Entnahme von Erdgas aus einer betriebsbreiten Kaverne mit einer Gastemperatur
von 276 K Bei der Ausspeicherung von Erdgas wird die Entnahme mündung der nohrtour
am First der Kaverne zur Drosselstelle. Es kommt an dieser Stelle zur Absenkung
des Gasdruckes, die, entsprechend dem Joule-Thomson -Efïekt, Energie zur Abkühlung
der Kavernenfüllung freisetzt.
-
Die Entnahme von z. B. 75 103m3/h Erdgas aus der Kaverne liefert ausreichend
Energie den Wärme transfer aus dem Gebirge zu kompensieren.
-
Eine Erhaltung der Betriebsbereitschaft der Kaverne wird beim Ausspeicherbetrieb
nicht notwendig sein.
Einspeicherung von Erdgas in eine betriebebereite
Kaverne mit einer Gastemperatur von 276 K Es soll eine Erdgasmenge von 15 106m3
= 12,6 106kg, die nach der Kompression auf 150 bar am Kavernenkopf eine Gastemperatur
von 318 K hat, eingespeichert werden.
-
Zur Absenkung der Gastemperatur auf 276 K sind -1980 . 106kJ - nt)twendig.
-
Hierfür werden gleichzeitig 1,8 . 106kg LNG in die Kaverne eingedüst.
-
Dies entspricht einer Erdgasmenge von 2,2 i lC)bm3.
-
Die Kaverne wäre mit 17,2 106m3 Erdgas nachbefüllt wieder betriebsbereit.
-
Aufwand für die Herstellung von LNG und den Betrieb einer Kaverne
Es sollen 1 . 106kg LNG hergestellt werden.
-
Der Wirkungsgrad einer Verflüssigungsanlage für Erdgas mit 0,6 vorausgesetzt,
bedingt den Einsatz an Energie von 1807 . 106kJ bei der Übernahme des Erdgases aus
der Kaverne mit 276 K und 2069 . 106kJ bei der Übernahme des Erdgases nach der Kompression
mit 318 K.
-
Dies entspricht dem Heizwert en Erdgas von 47,0 103m3 bzw.
-
53,8 103m3.
-
Der Aufwand zur Einstellung der Betriebsbereitschaft einer befüllten
Kaverne - Fall 2 (Seite 6)-, in Erdgas gerechnet, ergibt sich mit 486,5 . 103m3.
-
Die Einspeicherung von 17,2 . 106m3 Erdgas (siehe oben) ergibt einen
Aufwand, in Erdgas gerechnet, von 96,8 103m3.
-
1.2. Einstellung der Betriebsbereitschaft eine teilweise befüllten
Kaverne durch Absenkung der Gastemperatur auf 276 K Fall 1 Die Gastemperatur des
eingespeicherten Erdgases -106 17,9 106m3 = 15, 106 kg - nat sich mit 343 K eingestellt.
-
Zur Absenkung der Gastemperatur auf 276 K werden -47,9 106 kg - Erdgas
mit einer Temperatur von 255 K in die Kaverne eingespeichert.
-
Die Einstellung der Gastemperatur von 255 K des einzuspeichernden
Gases erfolgt in der Sammelleitung, die als Mischstrecke isoliert wurde, durch Eindüsen
von 9,0 106 kg ING in 38,9 106kg Erdgas, das nach der Kompression auf 150 bar eine
Temperatur von 318 K hat.
-
Die Kaverne wäre nach der Befüllung betriebsbereit mit einer Erdgasmenge
von 74,9 106m3.
-
Fall 2 Die Gastemperatur des eingespeicherten Erdgases -34,4 . 106m3
= 28,9 . 106 kg - hat sich mit 298 K eingestellt.
-
Zur Absenkung der Gastemperatur auf 276 K werden -30,3 . 106kg -
Erdgas mit einer Temperatur von 255 K in die Kaverne eingespeichert.
-
Die Einstellung der Gastemperatur von 255 K des einzuspeichernden
Gases erfolgt in der Sammelleitung durch Eindüsen von 5,7 106kg ENG in 24,6 106kg
Erdgas nach der Kompression auf 150 bar.
-
Die Kaverne wäre nach der Befüllung betriebsbereit mit einer Erdgasmenge
von 70,5 106m3.
-
Erhaltung der Betriebsbereitschaft einer Kaverne bei einer Gastemperatur
von 276 K zum Ausspeichern Fall 1 : Bei einer Kaverne wird jeden 2. Betriebstag,
wie bei 1.1. Seite 7 beschrieben, 57,4 103m3 Erdgas aus der Kaverne entnommen, verflüssigt
und wieder als ING in die Kaverne eingedüst.
-
Fall 2 Sollte eine zweite Kaverne zur Verfügung stehen, könnte jeden
2. Betriebstag wecilselseitig aus der einen Kaverne 57,4 103m3 Erdgas entnomnen
werden und der anderen , in Form von ING, zugeführt werden.
-
Die Leistung der Verflüssigungsanlage wäre ausreichend mit 3 103m3/h.
-
2.1. Einstellung der Betriebsbereitschaft einer befüllten Kaverne
durch Absenkung der Gastemperatur auf 276 K Fall 1 : Es steht eine Verflüssigungsanlage
mit der Leistung von 15 103kg/h flüssigem Propan zur Verfügung.
-
Die Verdampfungsenergie von nachfolgend aufgeführten engen flüssigem
Propan sind erforderlich: Zur Absenkung der Gastemperatur von 343 auf 276 K bei
50,2 . 106kg Erdgas = 29,1 . 106kg.
-
Bei der nachspeicherung von 11,0 . 106kg Erdgas und Absenkung der
Gastemperatur von 318 auf 276 K = 4,2 . 106kg.
-
Nacn 112 Tagen wäre die Kaverne mit einem Innalt von 72,8 106m3 Erdgas
in Betriebsbereitschaft.
-
Fall 2 Die Verdampfungsenergie von nachfolgend aufgeführten engen
flüssigem Propan sind erforderlich: Zur Absenkung der Gastemperatur von 318 auf
276 K bei 54,1 . 106kg Erdgas = 20,7 . 106kg.
-
Bei der Nachspeicherung von 7,8 . 106kg Erdgas und Absenkung der
Gastemperatur von 318 auf 276 K = 3,0 106kg.
-
Für die Kompensation des Energietransfers aus dem
Gebirge
in 80 Betriebstagen = 5,1 TO6kg.
-
Nach 80 Tagen wäre die Kaverne mit einem Inhalt von 73,7 . 106m3 Erdgas
in Betriebsbereitschaft.
-
Fall 3 Die Verdampfungsenergie von nachfolgend aufgeführten Mengen
flüssigem Propan sind erforderlich: Zur Absenkung der Gastemperatur von 298 auf
276 K bei 57,7 . 106kg Erdgas = 12,2 . 106kg.
-
Bei der Nachspeicherung von 4,6 106kg Erdgas und Absenkung der Gastemperatur
von 318 auf 276 K = 1,8 106kg.
-
Für die Kompensation des Energietransfers aus dem Gebirge in 47 Betriebstagen
= 3,0 106kg.
-
Nach 47 Tagen wäre die Kaverne mit einem Inhalt von 74,2 . 106m3 Erdgas
in Betriebsbereitschaft.
-
Aufwand für die herstellung und Anwendung von flüssigem Proian und
den Betrieb einer Kaverne Es sollen 1. 106kg fl@ssiges Propan hergestellt werden.
-
Der Wirkungsgrad einer Verflüssigungsanlage und Anwendung des flüssigen
Propans mit 0,6 vorausgesetzt, bedingt den Einsatz an Energie von 712 106kJ Dies
entspricht dem Heizwert an Erdgas von 18,5 103m3.
-
Der Aufwand zur Einstellung der Betriebsbereitschaft einer befüllten
Kaverne, in Erdgas gerechnet, ergibt sich mit, im Fall 1 : 747,4 103m3 im Fall 2
: 532,8 . 103m3 im Fall 3 : 314,5 . 103m3.
-
Der Aufwand für die Erhaltung der Betriebsbereitschaft einer befüllten
Kaverne, in Erdgas gerechnet, für einen Zeitraum von 360 Betriebstagen ergibt sich
mit 307,8 1O3m3.
-
Die Einspeicherung von 17,2 1 10 m3 Erdgas ergibt einen Aufwand, in
Erdgas gerechnet, von 101,8 . 103m3.
-
2.2. Einstellung der Betriebsbereitschaft einer teiweise befüllten
Kaverne durch Absenkung der Gastemperatur auf 276 K Fall 1 : Die Gastemperatur des
eingespeicherten Erdgases -15,0 106kg - hat sich mit 343 K eingestellt.
-
Zur Absenkung der Gastemperatur auf 276 K werden -47,9 . 106kg -
Erdgas mit einer Temperatur von 255 K in die Kaverne eingespeichert.
-
Die Einstellung der Gastemperatur von 255 des einzuspeichernden Gases
erfolgt in einem Wärmetauscher, der kühlseitig mit der Verdampfung von flüssigen
Propan betrieben wird.
-
Es wird die Verdampfungsenergie von -29,2 . 106kg - flüssigem Propan
benötigt.
-
Fall 2 Die Gastemperatur des eingesgeicherten Srdgases -28,9 106kg
- hat sich mit 298 K eingestellt.
-
Zur Absenkung der Gastemperatur auf 276 K werden -30,3 . 106kg -
Erdgas mit einer Temperatur von 255 K in die Kaverne eingespeichert.
-
Es wird die Verdampfungsenergie von -18,5 i 106kg - flüssigem Propan
benötigt.
-
Erhaltung der Hetriebsbereitschaft einer Kaverne bei einer Gastemperatur
von 276 K zum Ausspeicnern Voraussetzung ist eine zweite Kaverne mit einem Gasdruck
von kleiner 145 bar und freier Einspeicherkapazität.
-
Es werden jeden 2. Betriebstag aus der ersten in die zweite Kaverne
eine Erdgasmenge von -0,56 106kg - umgespeichert. Diese Erdgasmenge kann nach Tempe-
rierung
zur Erhaltung der Betriebsbereitschaft der zweiten Kaverne angewendet werden.
-
In der ersten Kaverne wird die gleiche Gasmenge, nach Absenkung der
Temperatur auf 255 K, wieder eingespeichert.
-
Bei einer Gastemperatur von 298 K, nach Kompression auf 150 bar, werden
zur Absenkung der Temperatur auf 255 K die Verdampfungsenergie von -0,25 106kg -
flüssigem Propan benötigt.
-
lür einen Zeitraum von 360 Tagen Betriebsbereitschaft wurden - 45,0
. 106kg - fliissiges Propan notwendig sein.
-
Vorteile Die Entfernung von Wasserdampf aus dem auszuspeichernden
Kavernengas mittels Glykol- oder anderen Trocknungsanlagen ist nicht mehr notwendig.
-
Die Speicherkapazität einer Kaverne wird um bis zu ca. 24% erhöht.
-
Bei der Temperatureinstellung des Erdgases in der Kaverne wird es
zur Kohlenwasserstoff-Hydratbildung kommen. Die Addukte werden sich auf dem Sole
sumpf ablagern. Der Aufwand für die Erhaltung der Betriebsbereitscnaft solch einer
Kaverne wird geringer sein als beschrieben.
-
Die Ausspeicnerrate in die Transportleitung ist flexibler und wird
hauptsächlich nur noch von der Leistung der Vorwärmer, in denen das Erdgas vor der
Einstellung auf Transportdruck temperiert wird, eingeschränkt.
-
Das Erdgas in der Transportleitung wir kondensatfester, da der Kohlenwasserstoff-Taupunkt
in der Kaverne entsprechend der Gastemperatur eingestellt wurde und Betriebsmittel,
Glykol bei der Trocknung des Erdgases, nicht mehr abgeschieden werden kann.