Beschreibung
Verfahren zum Betrieb einer Verdichtereinheit, Verdichtereinheit
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verdichtereinheit, insbesondere für den Unterwasserbetrieb. Daneben betrifft die Erfindung eine Verdichtereinheit, insbesondere für den Unterwasserbetrieb, umfassend einen Verdichter und einen elektrischen Motor, welche
Verdichtereinheit ein Gehäuse aufweist mit einem Einlass und einem Auslass für das Fördermedium mit einer Drehachse, um welche ein Rotor der Verdichtereinheit drehbar ist.
Jüngste Entwicklungen im Bereich des Verdichterbaus fokussieren sich auch auf Unterseeanordnung großer
Verdichter, welcher der Förderung von Erdgasen dienen sollen. Aufgrund der besonderen Betriebsbedingungen, insbesondere wegen der stark eingeschränkten Zugänglichkeit sowohl zu Wartungszwecken als auch mittels Versorgungsleitungen sieht sich die Fachwelt vor großen Herausforderungen gestellt. Einschlägige Umweltbestimmungen verbieten jeglichen stofflichen Austausch zwischen den zu installierenden Aggregaten und dem umgebenden Seewasser. Hinzukommt, dass das Seewasser ein aggressives Medium ist und in den verschiedenen Meerestiefen extreme Druck- und Temperaturbedingungen anzutreffen sind. Eine weitere Anforderung besteht darin, dass die Aggregate einerseits eine äußerst hohe Standzeit aufweisen sollen und andererseits nahezu wartungsfrei ausgebildet sein müssen. Erschwerend ist zusätzlich eine nicht unerhebliche Verschmutzung des teilweise chemisch aggressiven zu fördernden Mediums.
Eine Verdichtereinheit der vorgenannten Art ist bereits aus der internationalen Patentanmeldung WO 02/099286 Al bekannt. Mit der Zielsetzung der kompromisslosen Vereinfachung zur Reduzierung des Wartungsaufwandes und bei gleichzeitig hoher Standzeit ist dort vorgeschlagen, den Verdichterrotor mit dem
Motorrotor einstückig zu gestalten und mittels lediglich zweier Radiallager jeweils endseitig zu lagern.
Daneben ist es aus der europäischen Patentanmeldung EP 1 074 746 Bl bekannt, einen Turboverdichter mit drei Radiallagern auszustatten, wobei der Motorrotor mittels einer Kupplung mit dem Verdichterrotor in Verbindung steht.
Die Verdichtung von Fluiden kann in Gefrierpunktsnähe problematisch sein. Bei der Förderung von Erdgas sieht sich die Entwicklung hinsichtlich der Bildung von Gashydraten vor erhebliche Probleme gestellt. Gashydrate sind eisähnliche Einschlussverbindungen, in denen kleine Gastmoleküle, z.B. Edelgase und verschiedene Erdgasbestandteile, die in einem Käfig von Wassermolekülen umschlossen werden. Bereits bei geringen Mengen flüssigen Wassers und Temperaturen von beispielsweiselO 0C muss schon mit einer Hydratbildung gerechnet werden. Vermutlich war die schwere Gaskatastrophe im Jahr 1988 auf der norwegischen Nordseebohrinsel Piper Alpha auf eine derartige Hydratbildung zurückzuführen. Erhebliche zusätzliche Betriebskosten bei der Erdgasförderung werden außerdem durch Gashydratablagerungen verursacht, da sich diese verstopfend in Pipelines ablagern.
Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, ein Verfahren zum Betrieb eines Verdichters und eine Verdichtereinheit zu schaffen, welche das Risiko einer Gashydratbildung, beispielsweise bei der unterseeischen Förderung von Erdgas, weitestgehend minimiert.
Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Betrieb einer Verdichtereinheit nach Anspruch 1 und eine Verdichtereinheit nach Anspruch 11 vorgeschlagen. Die jeweils rückbezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt in der zuverlässigen Absicherung gegen eine Hydratbildung aufgrund der Einspritzung des Frostschutzmittels. Auf diese Weise
können sowohl anfällige Bauelemente der Verdichtereinheit geschützt werden als auch der gesamte Förderpfad beginnend ab der Stelle der Einspritzung des Fördermediums bis zur späteren Abscheidung desselben. Das Verfahren ist auch daher besonders zweckmäßig, weil im Rahmen der chemischen Aufbereitung von Erdgasen in einer sich an die Verdichtereinheit nach einer Pipeline anschließenden Basisstation ohnehin eine Abscheidung unerwünschter Zusatzstoffe erfolgt. Die gewonnene Betriebssicherheit äußert sowohl in einer höheren Verfügbarkeit des Verdichters als auch in einer hohen Sicherheit gegen verstopfende Hydratbildung in der sich an die Verdichtereinheit anschließenden Pipeline.
Die Einspritzung des Frostschutzmittels kann in dem Ansaugstutzen oder direkt in dem Verdichter erfolgen. Eine
Beaufschlagung von Bauelementen der Verdichtereinheit mit dem Frostschutzmittel ist insbesondere für die Lager, den elektrischen Motor und sonstige bewegte Bauteile zweckmäßig. Besteht eine besondere Gefährdung der Hydratbildung in dem Überströmbereich einzelner Verdichterstufen kann auch hier zweckmäßig eine Einspritzung von Frostschutzmittel erfolgen. Primäres Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Förderung von Erdgas, da hier die Gefahr der Bildung von Gashydraten verhältnismäßig hoch ist.
Insbesondere vermögen verschiedene Alkohole die Sicherheit gegen ein Gefrieren der Gase zu gewährleisten. Sowohl aus wirtschaftlichen als auch technischen Gründen ist die Einspritzung von Methyl-Ethylen-Glycol sinnvoll.
Eine etwas sparsamere Variante, eine Sicherheit gegen die Hydratbildung zu erlangen, liegt darin vor jedem Start der
Verdichtereinheit ein Frostschutzmittel an den entscheidenden Stellen der Verdichtereinheit einzuspritzen, insbesondere an den zuvor genannten Stellen. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass vor jedem planmäßigen Maschinenhalt eine Menge des Frostschutzmittels an den sensiblen Stellen der Verdichtereinheit eingespritzt wird.
Besonders zweckmäßig ist der Einsatz des Frostschutzmittels sowohl vor jedem Start als auch vor jedem Maschinenhalt. Im Falle des Nothalts bzw. Trips der Verdichtereinheit steht der schnellstmögliche Stopp der Maschine in dem Vordergrund des Interesses, so dass ein vorheriges Einspritzen des
Frostschutzmittels in der Regel nicht möglich sein dürfte. Eine andere Möglichkeit liegt darin, gleichzeitig mit der Initiierung des Maschinenhalts die Einspritzung des Frostschutzmittels zu veranlassen.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen
Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher beschrieben. Die gezeigte Ausführungsform ist lediglich zu Verdeutlichung als Beispiel der Erfindung zu verstehen. Es zeigt :
Figur 1 eine schematische Darstellung eines
Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Verdichtereinheit und die wesentlichen benachbarten Module, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.
Figur 1 zeigt schematisch einen Schnitt längs einer erfindungsgemäßen Verdichtereinheit 1, welche als wesentliche Bauteile einen Motor 2 und einen Verdichter 3 in einem gasdicht ausgebildeten Gehäuse 4 aufweist. Das Gehäuse 4 beherbergt den Motor 2 und den Verdichter 3. Im Bereich des Übergang von dem Motor 2 zu dem Verdichter 3 ist das
Gehäuse 4 mit einem Einlass 6 und einem Auslass 7 versehen, wobei durch den Einlass 6 mittels eines Ansaugstutzens 8 das zu verdichtende Fluid angesaugt wird und durch den Auslass 7 das verdichtete Fluid abströmt.
Die Verdichtereinheit 1 ist im Betrieb vertikal angeordnet, wobei ein Motorrotor 15 des Motors 2 über einem Verdichterrotor 9 des Verdichters 3 zu einer gemeinsamen Welle 19 vereint sind, die sich um eine gemeinsame vertikale Drehachse 60 dreht.
Der Motorrotor 15 ist in einem ersten Radiallager 21 am oberen Ende des Motorrotors 15 gelagert.
Der Verdichterrotor 9 ist mittels eines zweiten Radiallagers 22 in unterer Position gelagert.
Am oberen Ende der gemeinsamen Welle 19 - also am oberen Ende des Motorrotors 15 - ist ein Axiallager 25 vorgesehen. Die Radiallager und das Axiallager arbeiten elektromagnetisch und sind jeweils gekapselt ausgeführt. Die Radiallager erstrecken sich hierbei in Umfangsrichtung um die jeweilige Lagerstelle der Welle 19 und sind hierbei 360° umlaufend und ungeteilt ausgebildet .
Der als Zentrifugalverdichter ausgebildete Verdichter 3 weist drei Verdichterstufen 11 auf, die jeweils mittels einer Überströmung 33 in Verbindung stehen. Die sich an den Verdichterstufen 11 ergebenen Druckdifferenzen sorgen für einen Schub an dem Verdichterrotor 9, der sich auf dem Motorrotor 15 überträgt und entgegen der Gewichtskraft des sich ergebenden gesamten Rotors aus Verdichterrotor 9 und Motorrotor 15, gerichtet ist, so dass ein im Nennbetrieb weitestgehender Schubausgleich erfolgt. Auf diese Weise kann das Axiallager 25 vergleichsweise kleiner dimensioniert sein als bei einer horizontalen Anordnung der Drehachse 60.
Die elektromagnetischen Lager 21, 22, 25 sind mittels eines nicht im Einzelnen dargestellten Kühlsystems auf Betriebstemperatur gekühlt, wobei das Kühlsystem eine Anzapfung in einer Überströmung 33 des Verdichters 3 vorsieht. Von der Anzapfung wird mittels Rohrleitungen ein Teil des Fördermediums, welches vorzugsweise Erdgas ist, durch einen Filter geleitet und anschließend durch zwei separate Rohrleitungen zu den jeweils äußeren
Lagerstellen (erstes Radiallager 21 und zweites Radiallager 22 sowie Axiallager 25) geführt. Diese Kühlung mittels des kalten Fördermediums (80) erspart zusätzliche Versorgungsleitungen .
Der Motorrotor 15 ist von einem Stator 16 umgeben, der eine Kapselung aufweist, so dass das aggressive Fördermedium 80 Wicklungen des Stators 16 nicht beschädigt. Die Kapselung ist hierbei bevorzugt so ausgelegt, dass sie den vollen Betriebsdruck zu ertragen vermag. Dies auch deshalb, weil eine separate Kühlung für den Stator vorgesehen ist, in der ein eigenes Kühlmedium zirkuliert.
Der Verdichterrotor 9 weist zweckmäßig eine Verdichterwelle 10 auf, auf der die einzelnen Verdichterstufen 11 montiert sind. Dies kann bevorzugt mittels einer thermischen Schrumpfpassung erfolgen. Ebenso ist ein Formschluss, beispielsweise mittels Polygonen möglich. Eine andere Ausführungsform sieht eine Schweißung verschiedener Verdichterstufen 11 an einander vor, aus der ein einstückiger Verdichterrotor 9 resultiert.
Das Fördermedium 80 bzw. Erdgas NG gelangt aus dem natürlichen Reservoir zunächst in einen
Kondensatabscheider 81, welcher Kondensate 82, unter anderem Wasser, von der gasförmigen Phase abtrennt. Die Kondensate 82 gelangen in eine Kondensatleitung 84, in welche auch eine nachfolgende Entwässerungsleitung 95 einmündet, die in der Verdichtereinheit abgeschiedene Kondensate in die Kondensatleitung 84 einleitet. Die Kondensate 82 werden von einer Kondensatpumpe 85 in eine Mischeinheit 86 gefördert, in der eine Vermischung mit dem verdichteten Erdgas NG bzw.
Fördermedium 80 erfolgt. Das resultierende Gemisch wird in eine Pipeline 87 in Richtung einer Basisstation 89 gefördert.
Die Verdichtereinheit 1 weist ein System zur Verteilung von Frostschutzmittel 73 umfassend Verteilleitungen 94 und Einspritzmodule 72 auf. Das Frostschutzmittel 73 wird aus einem Sammeltank 92 mittels einer Dosierpumpe 93 zu den verschiedenen Einspritzmodulen 72 an der Verdichtereinheit 1 befördert. Mittels der Einspritzmodule 72 werden lokal das erste Radiallager 21, das Axiallager 25, das zweite Radiallager 22, die Überströmungen 33 beaufschlagt. An dem
Ansaugstutzen 8 befindet sich ein weiteres Einspritzmodul 72,
mittels dessen das Frostschutzmittel 73 direkt in das angesaugte Fördermedium 80 eingespritzt wird.
Das eingespritzte Frostschutzmittel 73 wird teilweise, nämlich soweit in der Verdichtereinheit 1 abgeschieden, durch eine Entwässerung 96 (am „Single-Drain-Point") der
Verdichtereinheit 1 in die Entwässerungsleitung 95 abgegeben. Der Rest wird gemeinsam mit dem verdichteten Erdgas NG durch den Auslass 7 in die Mischeinheit 86 gefördert. Durch die Pipeline 87 wird das Frostschutzmittel 73, das Erdgas NG und das Kondensat 82 zur Basisstation 89 an die Erdoberfläche befördert. Eine Hydratbildung in der Pipeline 87 ist aufgrund des mitgetragenen Frostschutzmittels 73 ausgeschlossen. Vor dem Erreichen der Basisstation 89 sorgt ein weiterer Kondensatabscheider 88 für eine Trocknung des Erdgases NG, wobei das Kondensat einschließlich des Frostschutzmittels 73 in einen Aufbereiter 90 gelangt, in welchem das Frostschutzmittel 73 von dem übrigen Kondensat 82 abgetrennt wird. Das aufbereitete Frostschutzmittel 73 gelangt mittels einer Rückführleitung 91 entlang der Pipeline 87 zurück in den Sammeltank 92. Der geschlossene Kreislauf des
Frostschutzmittels 73 gewährleistet eine Sicherheit gegen Hydratbildung einerseits und andererseits die Einhaltung einschlägiger Umweltstandards.