DE69905077T2 - Anlage zur erdgasverflüssigung - Google Patents

Anlage zur erdgasverflüssigung

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur Verflüssigung von Erdgas. Eine solche Anlage umfaßt einen Erdgasvorkühl-Wärmetauscher, der einen Einlaß für Erdgas und einen Auslaß für gekühltes Erdgas auf weist, und einen Verflüssigungs-Wärmetauscher, der eine erste heiße Seite umfaßt, die einen Einlaß auf weist, der mit einem Auslaß für gekühltes Erdgas und einem Auslaß am Kopf des Verflüssigungs-wärmetauschers für verflüssigtes Erdgas verbunden ist. Die Anlage umfaßt weiters einen Vorkühl-Kältemittelkreis für die Abfuhr der Wärme aus dem Erdgas in dem Erdgasvorkühl-Wärmetauscher, und einen Verflüssigungs- (oder Haupt-) Kältemittelkreis zur Abfuhr von Wärme aus dem Erdgas, das durch die erste heiße Seite des Haupt-Wärmetauschers strömt. Eine solche Anlage ist zum Beispiel aus den Veröffentlichungen der Internationalen Patentanmeldungen Nr. 96/33 379 und Nr. 97/33 131 bekannt. Die letztere Veröffentlichung offenbart weiters, daß die Kompressoren in dem Vorkühl-Kältemittelkreis und in dem Verflüssigungs-Kältemittelkreis mechanisch miteinander verbunden sind.
  • Während eines normalen Betriebes wird das zu verflüssigende Erdgas in der heißen Seite des Erdgasvorkühl-Wärmetauschers durch einen Wärmeaustausch mit dem Kältemittel vorgekühlt, das in der kalten Seite verdampft. Das verdampfte Kältemittel wird aus der kalten Seite des Wärmetauschers abgezogen. Dieses verdampfte Kältemittel wird in dem Vorkühl-Kältemittelkreis verflüssigt. Zu diesem Zweck wird das Kältemittel in einem Kompressor auf einen höheren Druck verdichtet, und die Verdichtungswärme sowie die Verdampfungswärme werden in einem Kondensator abgeführt. Dem flüssigen Kältemittel wird es ermöglicht, in einer Expansionseinrichtung auf einen niedrigeren Druck zu expandieren, und bei diesem Druck wird es dem Kältemittel ermöglicht, in der kalten Seite des Erdgasvorkühl-Wärmetauschers zu verdampfen.
  • einer Erhöhung der Verflüssigungskapazität von ungefähr 40 bis 60%.
  • Diese ungefähr 40 bis 60% betragende Erhöhung der Verflüssigungskapazität kann durch Herunterfahren der Produktion der Doppelreihen-Verflüssigungsanlage auf den gewünschten Pegel erreicht werden. Alternativ kann dieses Vorhaben mit zwei kleineren Reihen erreicht werden, von denen jede eine maximale Kapazität von ungefähr 70 bis 80% der größeren Reihe aufweist.
  • Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Anlage zum Verflüssigen von Erdgas bereitzustellen, die eine Verflüssigungskapazität aufweist, die um 40 bis 60% höher ist als jene der größeren Verflüssigungsreihe, wodurch die Gebäudekosten geringer sind als die Gebäudekosten, die mit einer Anlage verbunden sind, die aus zwei kleineren Reihen besteht, von denen jede eine maximale Kapazität von ungefähr 70 bis 80% der größeren Reihe aufweist.
  • Zu diesem Zweck umfaßt die Anlage zum Verflüssigen von Erdgas gemäß der vorliegenden Erfindung einen Erdgasvorkühl-Wärmetauscher, der einen Einlaß für Erdgas und einen Auslaß für gekühltes Erdgas auf weist, einen Verteiler mit einem Einlaß, der mit dem Auslaß für gekühltes Erdgas verbunden und mit zumindest zwei Auslässen versehen ist, und zumindest zwei Haupt- Wärmetauscher, von denen jeder eine erste heiße Seite umfaßt, die einen Einlaß, der mit einem Auslaß des Verteilers verbunden ist, und einen Auslaß für verflüssigtes Erdgas auf weist, welche Anlage weiters einen Vorkühl-Kältemittelkreis zum Abführen der Wärme aus dem Erdgas in dem Erdgasvorkühl- Wärmetauscher, und zumindest zwei Haupt-Kältemittelkreise umfaßt, die zum Abführen der Wärme des Erdgases dienen, das durch die erste heiße Seite des entsprechenden Haupt-Wärmetauschers strömt, wobei der Vorkühl-Kältemittelkreis weiters zu mindest zwei zusätzliche Kreise zum Abführen der Wärme aus den Hauptkältemitteln in jedem der Haupt-Kältemittelkreise umfaßt.
  • Die Erfindung wird nun an einem Beispiel in größerem Detail unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen beschrieben, in denen
  • Fig. 1 schematisch die Verflüssigungsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
  • Fig. 2 schematisch eine Alternative des Vorkühl-Kältemittelkreises gemäß Fig. 1 zeigt, und
  • Fig. 3 schematisch eine Alternative der Ausführungsform nach Fig. 2 zeigt.
  • Es wird Bezug auf Fig. 1 genommen. Die Anlage zum Verflüssigen von Erdgas gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Erdgasvorkühl-Wärmetauscher 2, einen Vorkühl-Kältemittelkreis 3, einen Verteiler 4, zwei Haupt-Wärmetauscher 5 und 5' und zwei Haupt-Kühlmittelkreise 9 und 9'.
  • Der Erdgasvorkühl-Wärmetauscher 2 hat eine heiße Seite in Form des Rohres 12, das einen Einlaß 13 für Erdgas und einen Auslaß 14 für gekühltes Erdgas aufweist. Das Rohr 12 ist an der kalten Seite oder Gehäuseseite 15 des Erdgasvorkühl-Wärmetauschers 2 angeordnet.
  • Der Verteiler 4 weist einen Einlaß 18 auf, der mittels einer Leitung 19 mit dem Auslaß 14 für gekühltes Erdgas verbunden ist, und zwei Auslässe 22 und 23.
  • Jeder Verflüssigungs-wärmetauscher 5, 5' umfaßt eine erste heiße Seite 25, 25', die einen Einlaß 26, 26' aufweist. Der Einlaß 26 der ersten heißen Seite 25 ist mit dem Auslaß 22 des Verteilers 4, und der Einlaß 26' der ersten heißen Seite 25' ist mit dem Auslaß 23 mittels der Leitungen 27 bzw. 27' verbunden. Jede erste heiße Seite 25, 25' weist einen Auslaß 28, 28' am Kopf des Verflüssigungs-wärmetauschers 5, 5' für verflüssigtes Erdgas auf. Die erste heiße Seite 25, 25' ist in der kalten Seite 29, 29' des Verflüssigungs-wärmetauschers 5, 5' angeordnet, wobei die kalte Seite 29, 29' einen Auslaß 30, 30' auf weist.
  • Der Vorkühl-Kältemittelkreis 3 umfaßt einen von einer Turbine angetriebenen Vorkühl-Kühlmittelkompressor 31, der einen Einlaß 33 und einen Auslaß 34 aufweist. Der Auslaß 34 ist mittels einer Leitung 35 mit einem Kühler 36 verbunden, der ein Luft- oder Wasserkühler sein kann. Die Leitung 35 erstreckt sich über eine Expansionseinrichtung in der Form einer Drossel 38 zum Einlaß 39 der kalten Seite 15 des Erdgasvorkühl-Wärmetauschers 2. Der Auslaß 40 der kalten Seite 15 ist mittels einer Rückleitung 41 mit dem Einlaß 33 des von einer Turbine angetriebenen Vorkühl-Kältemittelkompressors 31 verbunden.
  • Der Vorkühl-Kältemittelkreis 3 kühlt nicht nur das Erdgas vor, sondern dient auch zum Vorkühlen des Kältemittels in den Haupt-Kältemittelkreisen 9 und 9'. Zu diesem Zweck umfaßt der Vorkühlkreis 3 zusätzliche Kreise 43 und 43'. Jeder zusätzlicher Kreis 43, 43' umfaßt eine Leitung 44, 44', die eine Expansionseinrichtung in Form einer Drossel 45, 45' aufweist, und eine Rückleitung 46, 46'.
  • Jeder Verflüssigungs-Kältemittelkreis 9, 9' umfaßt einen von einer Gasturbine angetriebenen Verflüssigungs-Kältemittelkompressor 50, 50', der einen Einlaß 51, 51' und einen Auslaß 52, 52' aufweist. Der Einlaß 51, 51' ist mittels einer Rückleitung 53, 53' mit dem Auslaß 30, 30' der kalten Seite 29, 29' des Verflüssigungs-wärmetauschers 5, 5' verbunden. Der Auslaß 52, 52' ist mittels einer Leitung 54, 54' mit einem Kühler 56, 56' verbunden, der ein Luft- oder ein Wasserkühler sein kann und die heiße Seite 57, 57' eines Kältemittel-Wärmetauschers 58, 58' mit einem Separator 60, 60' verbindet. Jeder Separator 60 hat einen Auslaß 61, 61' für Flüssigkeit an seinem unteren Ende und einen Auslaß 62, 62' für Gas an seinem oberen Ende.
  • Jeder Verflüssigungs-Kältemittelkreis 9, 9' umfaßt weiters eine erste Leitung 65, 65', die sich vom Auslaß 61, 61' zum Einlaß einer zweiten heißen Seite 67, 67' erstreckt, welche sich zu einem Mittelpunkt des Verflüssigungs-wärmetauschers 5, 5' hin erstreckt, eine Leitung 69, 69', eine Expansionseinrichtung 70, 70' und eine Einspritzdüse 73, 73'.
  • Jeder Verflüssigungs-Kältemittelkreis 9, 9' hat weiters einen zweiten Kreis 75, 75', der sich vom Auslaß 62, 62' zum Einlaß einer dritten heißen Seite 77, 77' erstreckt, welche sich zum oberen Ende des Verflüssigungs-wärmetauschers 5, 5' erstreckt, eine Leitung 79, 79', eine Expansionseinrichtung 80, 80' und eine Einspritzdüse 83, 83'.
  • Jeder Kältemittel-Wärmetauscher 58, 58' weist eine kalte Seite 85, 85' auf, die in dem zusätzlichen Kreis 43, 43' enthalten ist.
  • Die Haupt-Kältemittelkreise 9 und 9' sind zweckmäßig zueinander ident, wie auch die Haupt-Wärmetauscher 5, 5'.
  • Während des normalen Betriebes wird Erdgas zu dem Einlaß 13 der heißen Seite 14 des Erdgasvorkühl-Wärmetauschers 2 über die Leitung 90 geliefert. Vorkühl-Kältemittel wird vom Auslaß 40 der kalten Seite 15 des Erdgasvorkühl-Wärmetauschers 2 abgezogen, in den von einer Turbine angetriebenen Vorkühl- Kältemittelkompressor 31 auf einen höheren Druck komprimiert, in dem Kondensator 36 kondensiert und in einer Expansionseinrichtung 38 auf einen niedrigeren Druck expandieren gelassen.
  • In der kalten Seite 15 wird es dem expandierten Vorkühl-Kältemittel ermöglicht, bei dem niedrigem Druck zu verdampfen und auf diese Weise Wärme aus dem Erdgas abzuführen.
  • Vorgekühltes Erdgas, das von der heißen Seite 14 abgezogen wird, wird durch die Leitung 19 zum Verteiler 4 geleitet.
  • Durch die Leitungen 27 und 27' wird das vorgekühlte Erdgas zu den Einlassen 26 und 26' der ersten heißen Seite 25 und 25' des Haupt-Wärmetauschers 5 und 5' geliefert. In der ersten heißen Seite 25, 25' wird das Erdgas verflüssigt und unterkühlt. Unterkühltes Erdgas wird durch die Leitungen 95 und 96 abgezogen. Die Mengen an Erdgas, die durch die Leitungen 27 und 27' strömen, sind zweckmäßig einander gleich. Das unterkühlte Erdgas wird zu einer Einheit für eine weitere Behandlung (nicht dargestellt) und zu Tanks zum Speichern des verflüssigten Erdgases (nicht dargestellt) geleitet.
  • Das Hauptkältemittel wird vom Auslaß 30, 30' der kalten Seite 29, 29' des Verflüssigungs-wärmetauschers 5, 5' abgezogen, und in dem von einer Gasturbine angetriebenen Verflüssigungs- Kältemittelkompressor 50, 50' auf einen höheren Druck komprimiert. Die Verdichtungswärme wird im Kühler 56, 56' abgezogen, und weitere Wärme wird dem Hauptkältemittel in dem Kältemittel-Wärmetauscher 58, 58' entzogen, um ein teilweise kondensiertes Kältemittel zu erhalten. Das teilweise kondensierte Hauptkältemittel wird dann im Separator 60, 60' in eine schwere flüssige Fraktion und eine leichte gasförmige Fraktion getrennt, welche Fraktionen weiter in der zweiten und dritten heißen Seite 67, 67' bzw. 77, 77' gekühlt werden, um verflüssigte und unterkühlte Fraktionen bei erhöhtem Druck zu erhalten. Dem unterkühlten Kältemittel wird es dann ermöglicht, in den Expansionseinrichtungen 70, 70' und 80, 80' auf einen niedrigeren Druck zu expandieren. Bei diesem Druck wird es dem Kältemittel ermöglicht, in der kalten Seite 29, 29' des Ver flüssigungs-Wärmetauschers 5, 5' zu verdampfen, um Wärme vom Erdgas abzuziehen, das die erste kalte Seite 25, 25' passiert.
  • In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Vorkühl- Kältemittel zweckmäßig ein Einkomponenten-Kältemittel wie Propan, oder eine Mischung von Kohlenwasserstoffkomponenten, oder es wird ein anderes geeignetes Kältemittel in einem Verdichtungs-Kühlzyklus oder in einem Absorptions-Kühlzyklus verwendet. Das Hauptkältemittel ist zweckmäßig ein Mehrkomponenten- Kältemittel, das Stickstoff, Methan, Ethan, Propan und Butan umfaßt.
  • Der Erdgasvorkühl-Wärmetauscher 2 umfaßt zweckmäßig einen Satz von zwei oder mehr Wärmetauschern, die in Reihe angeordnet sind, in denen das Vorkühl-Kältemittel auf einem oder mehreren Druckpegeln verdampfen kann. Zweckmäßig umfassen die Kältemittel-Wärmetauscher 58 und 58' einen Satz von zwei oder mehr Wärmetauschern, die in Reihe geschaltet sind, in denen das Vorkühl-Kältemittel auf einem oder mehreren Druckpegeln verdampfen kann.
  • Es wird nun Bezug auf Fig. 2 genommen, die schematisch eine Alternative zu dem Vorkühl-Kältemittel kreis 3 und zusätzliche Kreise 43 und 43', wie in Fig. 1 dargestellt, zeigt. Der Erdgasvorkühl-Wärmetauscher 2 und die Kältemittel-Wärmetauscher 58 und 58' sind, wie in Fig. 1 dargestellt, in einem integrierten Wärmetauscher 102 kombiniert. Der integrierte Wärmetauscher 102 weist eine kalte Seite 115 auf, in der die heiße Seite 12 angeordnet ist, durch welche während des normalen Betriebes das Erdgas strömt, und die heißen Seiten 57 und 57' gehören zu den Haupt-Kältemittelkreisen 9 bzw. 9'. Bei dieser Ausführungsform ist das Vorkühl-Kältemittel zweckmäßigerweise ein Mehrkomponenten-Kältemittel, das Stickstoff, Methan, Ethan, Propan und Butan umfaßt. Während eines normalen Betriebes wird verdampftes Vorkühl-Kältemittel aus der kalten Seite 115 über die Leitung 41 abgezogen, auf einen höheren Druck durch einen Vorkühl-Kältemittelkompressor 31 komprimiert, in einem Kühler 36 gekühlt und zu einer zusätzlichen heißen Seite 143 geleitet, die in der kalten Seite des integrierten Wärmetauschers 102 angeordnet ist. In der zusätzlichen heißen Seite 143 wird das Vorkühl-Kältemittel entgegen dem verdampfenden Kältemittel verflüssigt. Das verflüssigte Vorkühl-Kältemittel wird aus der zusätzlichen heißen Seite 143 über die Leitung 145 abgezogen, die mit einer Expansionseinrichtung in Form einer Drossel 146 versehen ist, wo das Kältemittel auf einen niedrigen Druck expandieren kann. Bei diesem niedrigen Druck wird das Kältemittel über die Einspritzdüse 148 der kalten Seite 115 zugeführt.
  • Es wird nun Bezug auf Fig. 3 genommen, die eine Alternative der Ausführungsform nach Fig. 2 zeigt, bei welcher der Vorkühl-Kältemittelkompressor 31 ein zweistufiger Kompressor ist. Der zweistufige Kompressor 31 liefert Kältemittel mit erhöhtem Druck zu der zusätzlichen heißen Seite 143' der ersten Stufe des integrierten Vorkühl-Wärmetauschers 102', in welchem Teil das Kältemittel bei einem mittleren Druck in der kalten Seite 115' verdampfen kann. Der Rest wird durch eine Leitung 150 zu der zusätzlichen heißen Seite 143 der zweiten Stufe des integrierten Vorkühl-Wärmetauschers 102 geleitet, wobei dieses Kältemittel bei niedrigem Druck in der kalten Seite 115 verdampfen kann. In der ersten und zweiten Stufe des Wärmetauschers 102 und 102' wird das Erdgas vorgekühlt, wobei die heißen Seiten 12 mittels einer Leitung 151 miteinander verbunden sind, und das Verflüssigungs-Kältemittel einer jeden der Verflüssigungs-Kältemittelkreise wird in den heißen Seiten 57 und 57' vorgekühlt. Aus Gründen einer besseren Übersichtlichkeit sind die Leitungen der gegenseitigen Verbindungen der letzteren heißen Seiten nicht dargestellt.
  • Anstatt der zwei Stufen kann der integrierte Vorkühl-Wärmetauscher drei Stufen in Serie umfassen.
  • Der Haupt-Wärmetauscher 5 und 5' kann jede geeignete Form aufweisen, wie ein spulenförmiger Wärmetauscher oder ein Plattenwärmetauscher.
  • In der Ausführungsform, wie sie unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben wurde, weist der Verflüssigungs-wärmetauscher 5, 5' eine zweite und dritte heiße Seite 67, 67' bzw. 77, 77' auf. Bei einer alternativen Ausführungsform weist der Verflüssigungs-wärmetauscher lediglich eine heiße Seite auf, in dem die zweite und dritte heiße Seite kombiniert sind. In diesem Fall wird das teilweise kondensierte Hauptkältemittel direkt der dritten heißen Seite 77, 77' zugeführt, ohne Trennung in eine schwere, flüssige Fraktion und eine leichte, gasförmige Fraktion.
  • Die Kompressoren 31, 50 und 50' können Mehrstufen-Kompressoren mit Zwischenkühlung sein, oder eine Kombination von in Serie geschalteten Kompressoren mit Zwischenkühlung zwischen zwei Kompressoren, oder eine Kombination von parallel geschalteten Kompressoren.
  • Statt Turbinen können elektrische Motore zum Antrieb der Kompressoren 31, 50 und 50' in dem Vorkühl-Kältemittelkreis 3 und in den zwei Haupt-Kältemittelkreisen 9 und 9' verwendet werden.
  • Zweckmäßig ist die Turbine (nicht dargestellt) in dem Vorkühl- Kältemittelkreis eine Dampfturbine. In diesem Fall ist es zweckmäßig, den erforderlichen Dampf für den Antrieb der Dampfturbine mit jener Wärme zu erzeugen, die bei der Kühlung den Abgasen der Gasturbinen (nicht dargestellt) der Haupt- Kältemittelkreise entzogen wird.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt eine erweiterbare Anlage für die Verflüssigung von Erdgas vor, wobei in einer ersten Stufe eine Einreihenanlage mit einer 100%igen Verflüssigungskapazität eingebaut ist, und in dem in einer zweiten Stufe der zweite Verflüssigungs-wärmetauscher und der zweite Verflüssigungs- Kältemittelkreis derselben Größe wie der ersten hinzugefügt werden kann, um die Verflüssigungskapazität zwischen 140 und ungefähr 160% zu erhöhen.
  • Der Vorkühl-Kältemittelkreis dient zwei Haupt-Kältemittelkreisen. Folglich kann die Tiefe, auf welche das Erdgas vorgekühlt wird, reduziert werden. Jedoch ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß die Bedingungen der Vorkühlung und Verflüssigung, zum Beispiel die Zusammensetzungen des Kältemittels, leicht angepaßt werden können, in der Weise, daß ein effektiver Betrieb erzielt wird. Falls einer der Verflüssigungskreise außer Betrieb genommen wurde, können die Bedingungen angepaßt werden, um effektiv mit der Einreihen-Verflüssigungsanlage zu arbeiten.
  • Auf diese Weise kann die Verflüssigungskapazität erhöht werden, ohne einen zweiten Vorkühlkreis hinzufügen zu müssen, und dies spart wesentliche Kosten.
  • Kalkulationen haben weiters gezeigt, daß die Verflüssigungs- Effizienz (Betrag des verflüssigten Gases, das pro Einheit durch die Arbeit der Kompressoren erzeugt wurde) durch die Verwendung eines Vorkühl-Kältemittelkreises, der zwei Haupt- Kältemittelkreise bedient, nicht nachteilig beeinflußt wird.

Claims (5)

1. Anlage zum Verflüssigen von Erdgas, mit einem Vorkühl- Wärmetauscher (2), der einen Einlaß (13) für Erdgas und einen Auslaß (14) für gekühltes Erdgas auf weist, einem Verteiler (4), der einen Einlaß (18), welcher mit einem Auslaß (14) für gekühltes Erdgas verbunden ist, und zumindest zwei Auslässe (22, 23) aufweist, und zumindest zwei Haupt-Wärmetauschern (5, 5'), von denen jeder eine erste heiße Seite (25, 25'), die einen Einlaß (26, 26'), welcher mit einem Auslaß (22, 23) des Verteilers (4) verbunden ist, und einen Auslaß (28, 28') für verflüssigtes Erdgas auf weist, welche Anlage weiters folgendes umfaßt: einen Vorkühl-Kältemittelkreis (3) für das Abführen von Wärme des Erdgases in dem Vorkühl-Wärmetauscher (2), und zumindest zwei Haupt-Kältemittelkreise (9, 9') zum Abführen von Wärme aus dem Erdgas, das durch die erste heiße Seite (25, 25') des entsprechenden Haupt-Wärmetauschers (5, 5') strömt, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkühl-Kältemittelkreis (3) weiters zumindest zwei zusätzliche Kreise (43, 43') zum Abführen von Wärme aus den Hauptkältemitteln in jedem der Haupt-Kältemittelkreise (9, 9') umfaßt.
2. Anlage zum Verflüssigen von Erdgas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemittelkreise (3, 9, 9) einen Kompressor (31, 50, 50') aufweisen, der durch einen geeigneten Antrieb angetrieben ist.
3. Anlage zum Verflüssigen von Erdgas nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb des Kompressors (31) in dem Vorkühl-Kältemittelkreis (3) eine Dampfturbine ist.
4. Anlage zum Verflüssigen von Erdgas nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebe der Kompressoren (50, 50') in jedem der Verflüssigungs-Kältemittelkreise (9, 9') Gasturbinen sind, und daß während des normalen Betriebes der Dampf, der zum Antrieb der Dampfturbinen erforderlich ist, mit jener Wärme erzeugt wird, die bei der Kühlung der Abgase der Gasturbinen der Haupt-Kältemittelkreise (9, 9') abgegeben wird.
5. Anlage zum Verflüssigen von Erdgas nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteiler (4) zwei Auslässe (22, 23) auf weist, wobei die Anlage zwei Haupt-Wärmetauscher (5, 5') und zwei Haupt-Kältemittelkreise (9, 9') umfaßt.
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