EP1203158B1 - Verfahren und kompressormodul zum verdichten eines gasstromes - Google Patents

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EP1203158B1
EP1203158B1 EP00944043A EP00944043A EP1203158B1 EP 1203158 B1 EP1203158 B1 EP 1203158B1 EP 00944043 A EP00944043 A EP 00944043A EP 00944043 A EP00944043 A EP 00944043A EP 1203158 B1 EP1203158 B1 EP 1203158B1
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EP
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pressure
compressor
hydraulic fluid
compression stage
gas stream
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Linde GmbH
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Linde Gas AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B25/00—Multi-stage pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B35/00—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for
    • F04B35/008—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for the means being a fluid transmission link

Definitions

  • the invention relates to a method for compressing a gas stream of the inlet temperature t 1 with the aid of hydraulically driven piston compressors in two compression stages from an inlet pressure p 1 to an intermediate pressure p 2 after the first compression stage and from the intermediate pressure p 2 to an outlet pressure p 3 after the second compression stage ,
  • the invention also relates to a compressor module for performing the inventive method with a two-stage compressor part, a Drive part and a power transmission between the compressor part and the Drive part via lines with hydraulic fluid.
  • a generic method for compressing a gas stream is for example known from US-A-5 863 186.
  • Piston compressors for example from 1 bar Compress 300 bar, are built with 3 or 4 stages and over a common Piston shaft driven. With a three-stage machine and cooling between the In stages, a stage pressure ratio of 6.7 is selected and 1 bar in the first stage to 6.7 bar in the second stage to 44.9 bar and in the third stage to 300 bar compacted.
  • the inlet pressure can only be varied within very narrow limits. This is disadvantageous if the entry gas instead of a gasometer from a pipeline with 7 bar pipeline pressure. Another compressor will used, which works with a step pressure ratio of 3.5 bar.
  • the object of the invention is therefore to provide a method and a compressor module To show compression of a gas stream, which is very different Initial pressure of the available gases a certain constant, for example Allow to achieve final pressure, the same machines being energetically favorable be used.
  • the pressure ratios are adjusted by adjusting a hydraulic oil flow for driving the first compression stage and a hydraulic oil flow for driving the second compression stage with the aid of two adjustable hydraulic oil pumps.
  • an inlet pressure changed from 1 bar to 7 bar the hydraulic oil flow for the first stage is reduced and the oil flow for the second stage is increased until both stages are operated at the same pressure ratio, which is the most energetically advantageous when an ideal gas to be compressed is assumed.
  • the deviations of the properties of real gases from the ideal gas and in the case of incomplete recooling to t 1 it can make sense to seek out an operation that is even more energy-efficient in a trial manner by changing the pressure ratios of the stages to one another with almost the same pressure ratio.
  • this re-optimization is familiar to the person skilled in the art, it can be carried out particularly easily with the aid of the drive according to the invention.
  • the one to be compressed can Gas flow methane or hydrogen or a mixture of methane and hydrogen contain.
  • the gas stream to be compressed can be, for example, a natural gas or a contain methane-containing fraction of a natural gas.
  • a pressure variable between 1 and 10 bar can be used as the inlet pressure p 1 .
  • the gas flow to be compressed is almost always made available by pipeline.
  • a fixed pressure between 250 and 350 bar can be used as the outlet pressure p 3 . This is a favorable prerequisite for filling a pressure tank, a pressure gas bottle or a buffer storage.
  • the Drive part for each compressor stage a hydraulic fluid pump with one each Includes adjustment device for the flow rate of the hydraulic fluid.
  • the Compressor stages via one liquid-cooled piston compressor and one each Aftercoolers. This creates an almost isothermal compression and a Setting of approximately the same inlet temperature in both compressor stages allows. This leads to a low specific compressor capacity.
  • the Aftercooler of the second compressor stage makes it easier to fill one of the Compression of the following container without it overheating.
  • Each piston compressor can have two working cylinders.
  • the pulsations in the pressure-carrying lines are then particularly low.
  • Cylinder running surfaces of the working cylinders can be used for cooling from the outside and from the inside be charged with hydraulic fluid. The cooling is then particularly effective.
  • the hydraulic fluid lines can be at least one air-cooled Guide the recooling device for the hydraulic fluid.
  • Such is special simple in construction and provides for operation without a fan, i.e. with natural Working convection, no additional sound source.
  • the method according to the invention can be carried out with at least one of the inventive methods
  • Compressor modules can be used in a natural gas filling station.
  • the fuel may be compressed to contain particles beforehand must be cleaned and dried. After compression, there is a buffer useful, from which vehicles can then be refueled.
  • the invention is explained in more detail using an embodiment with a figure.
  • the Process data mentioned by way of example relate to the use of the Invention at a natural gas filling station, ie with natural gas as a gas stream to be compressed.
  • the natural gas is taken from a pipeline and processed where necessary for operation in internal combustion engines: for example, particles are removed and the natural gas is dried to a water content of less than 10 mol-ppm. (This treatment is not shown in the figure.)
  • the piston compressor 4 has two working cylinders, the cylinder surfaces of which are cooled with hydraulic oil of approximately 60 ° C.
  • the piston compressor in the second compression stage is driven and cooled in the same way as that in the first compression stage.
  • the pressure medium can be a hydraulic oil, is also used as a coolant and is therefore cooled in the return flow 13, 14 from the piston compressors 4, 6.
  • the compressor module is advantageously constructed so that the drive part and a Compression part (with the compressor stages) mounted on a base frame and are housed in a cupboard. There can be several in a natural gas filling station Compressor modules are used.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdichten eines Gasstromes der Eintrittstemperatur t1 mit Hilfe von hydraulisch angetriebenen Kolbenverdichtem 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.
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.
Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verdichten eines Gasstromes ist beispielsweise aus der US-A-5 863 186 bekannt.
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 Duckverhältnisse 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 Kolbenverdichtem 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 entfemt 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 Zwischendrück 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 Kolbenverdichtem 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 (1) der Eintrittstemperatur t1 mit Hilfe von hydraulisch angetriebenen Kolbenverdichtem in zwei Verdichtungsstufen (4, 6) von einem Eintrittsdruck p1 auf einen Zwischendruck p2 nach der ersten Verdichtungsstufe (4) und vom Zwischendruck p2 auf einen Austrittsdruck p3 nach der zweiten Verdichtungsstufe (6), wobei der auf den Zwischendruck p2 verdichtete Gasstrom (2) vor dem Eintritt in die zweite Verdichtungsstufe (6) auf die Eintrittstemperatur t1 zurückgekühlt wird (5) und in den Verdichtungsstufe (4, 6) gleiche Druckverhältnisse, p3/p2 = p2/p1, verwendet werden, wobei die Druckverhältnisse eingestellt werden, indem mit Hilfe von zwei verstellbaren Hydraulikflüssigkeitspumpen (9, 10) ein Hydraulikflüssigkeitsstrom für den Antrieb der ersten Verdichtungsstufe (4) und ein Hydraulikflüssigkeitsstrom für den Antrieb der zweiten Verdichtungsstufe (6) bezüglich ihres Durchsatzes entsprechend angepaßt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu verdichtende Gasstrom (1, 2) Methan oder Wasserstoff oder ein Gemisch aus Methan und Wasserstoff enthält.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu verdichtende Gasstrom (1, 2) 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 (4, 6), einem Antriebsteil (8) und einer Leistungsübertragung zwischen dem Kompressorteil (4, 6) und dem Antriebsteil (8) über Leitungen mit Hydraulikflüssigkeit (11, 12, 13, 14), dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsteil (8) für jede Kompressorstufe (4, 6) eine Hydraulikflüssigkeitspumpe (9, 10) 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 (4, 6) und je einen Nachkühler (5, 7) verfügen.
  8. Kompressormodul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kolbenverdichter (4, 6) 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 (11, 12, 13, 14) 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.
EP00944043A 1999-07-20 2000-07-19 Verfahren und kompressormodul zum verdichten eines gasstromes Expired - Lifetime EP1203158B1 (de)

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