EP2165137A2 - Method for the uninterrupted operation of a gas liquefaction system - Google Patents

Method for the uninterrupted operation of a gas liquefaction system

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EP2165137A2
EP2165137A2 EP08774867A EP08774867A EP2165137A2 EP 2165137 A2 EP2165137 A2 EP 2165137A2 EP 08774867 A EP08774867 A EP 08774867A EP 08774867 A EP08774867 A EP 08774867A EP 2165137 A2 EP2165137 A2 EP 2165137A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
refrigerant compressor
load
gas liquefaction
power
turbo
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08774867A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Reiner Balling
Andreas Heinemann
Fritz Kleiner
Ulrich Tomschi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP08774867A priority Critical patent/EP2165137A2/en
Publication of EP2165137A2 publication Critical patent/EP2165137A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
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    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2280/00—Control of the process or apparatus
    • F25J2280/20—Control for stopping, deriming or defrosting after an emergency shut-down of the installation or for back up system

Definitions

  • the invention relates to a method for uninterrupted operation of a gas liquefaction plant, in particular a natural gas liquefaction plant.
  • LNG liquefied natural gas
  • cooling liquefied natural gas LNG has less than 1 / 600th of the volume of natural gas at atmospheric pressure and is therefore particularly suitable for transport and storage purposes; as fuel, it can not be used in this state of aggregation.
  • Natural gas In power plants operating a liquefaction plant for light hydrocarbons, e.g. Natural gas, upstream, usually come with natural gas-fired gas turbines and optionally steam turbines used to provide the coupled generators, the electrical energy that is needed motor-driven.
  • natural gas-fired gas turbines and optionally steam turbines used to provide the coupled generators, the electrical energy that is needed motor-driven.
  • turbo compressors for the refrigerant circuit are driven by directly coupled gas turbines.
  • the refrigerant compressors in newer systems by maintenance-free speed-controlled Electric motors driven.
  • An electric generator driven by a gas or steam turbine supplies the electric power for these motors; upstream static frequency inverters allow smooth start-up and speed-controlled operation.
  • This is also referred to as an eLNG system (e for electric).
  • US Pat. No. 7,114,351 B2 describes such a system for providing the electrical power for the drives of the refrigerant compressors of an LNG process.
  • a first step the electric power for the process of liquefying gaseous light hydrocarbons from a source is provided, and in a second step, a refrigerant is compressed in a refrigerant compressor driven by an electric motor using the electric power generated in the first step.
  • Electric motors provide their rated power under various operating conditions, allowing for continuous operation of the refrigerant compressors, even under changing environmental conditions, different gas, or different air inlet temperatures at the gas turbines.
  • US Pat. No. 7,114,351 B2 further states that a gas turbine suddenly failing can be replaced by one or more additional gas turbines in standby, or one or more additional turbo sets in standby mode.
  • the disadvantage of this method is that the LNG production process has already collapsed and it takes several hours for the affected refrigerant compressor to restart and be thermally stabilized. So you have to take in particular interruptions or downtime in purchasing.
  • a gas liquefaction plant comprising a power generation part, a transmission part, a A refrigerant compressor part and a control device, wherein the power generation part has a number of turbo sets and the refrigerant compressor part at least one
  • Refrigerant compressor and a coupled to the refrigerant compressor drive motor for the electric drive of the
  • the transmission part provides the power generated in the power generation part of the refrigerant compressor part and the control device is connected to the power generation part and the refrigerant compressor part, which is provided by the control device in normal operation, the power required for the nominal demand by the partial or full load operation of all turbo sets, and the number of turbo sets exceeds the minimum number necessary to ensure continuity of operation of the refrigerant compressor part.
  • the main idea here is to install an additional turbo set, based on the total power requirement of the eLNG system, following the n + 1 principle.
  • Turboset is not a standby turbo set. All turbine sets required for operating the eLNG system, including the n + lte turbo set, operate in the undisturbed or normal state of the system in partial load operation, ie. In each case so much rotating reserve held that the failure of a
  • Turbosatzes control technology can be compensated.
  • One or more designated turbo sets can take over the frequency control and all operational turbo sets are normally loaded evenly.
  • protective shutdown trip
  • the object of the invention is therefore to specify a method for the uninterrupted operation of a gas liquefaction plant.
  • inventive method for uninterrupted operation of a gas liquefaction plant comprising a power generation part, a transmission part, a refrigerant compressor part and a control device, wherein the power generation part has a number of turbo sets and the refrigerant compressor part at least one
  • the transmission part provides the power generated in the power generation part of the refrigerant compressor part, and the control device with the
  • Power generation part and the refrigerant compressor part is connected, and provided in normal operation, the power required for the nominal demand by the partial or full load operation of all turbo sets, wherein the number of turbo sets exceeds the minimum number, which is necessary to ensure the stability of the operation of the refrigerant compressor part, the Operation of at least such consumers of the refrigerant compressor part continuously monitored, representing a two-digit percentage of the total load of the refrigerant compressor part, a total currently available negative load reserve is calculated and at least one predetermined turbine is switched off when the achievable by a frequency control of the refrigerant compressor or the negative load reserve is smaller when the energy demand of the largest one of the refrigerant compressors and either a refrigerant compressor fails or a frequency change rate (df / dt) i m energy supply network of the gas liquefaction plant exceeds a predetermined limit.
  • Uninterrupted operation of the gas liquefaction plant can best be achieved by operating the turbo sets so that a positive or negative reserve of power available covers the failure of the largest turbomachine, with the positive power reserve covering one generator failure and the negative one
  • the compressor drive speed is preferably lowered when a previously determined total positive load reserve is smaller than the yielded power of the turbo set before failure. (Following the quadratic load curve of the turbocompressors, the power consumed by the electric motors decreases with the cube of the speed).
  • Compressor drive speed of the current energy demand of the refrigerant compressor part is not covered, it is expedient to turn off at least one predetermined electrical load of the gas liquefaction plant (English load shedding).
  • Subsystems in the liquefaction process or when predefined threshold values of the network frequency and their temporal change, voltage and phase angle in the energy supply network of the gas liquefaction plant can be ensured by switching off predetermined turbines.
  • the most serious fault to be expected for the operation of the eLNG system is the unplanned failure of a turbine set in the power generation unit, ie in the island power plant - protective shutdowns of compressor drives are subordinate in their effects and under emergency shutdowns in the process plant operation may not be maintained.
  • a partial emergency shutdown (ESD, emergency shutdown) in the process plant can also be included in the algorithm of the dynamic load calculator.
  • variable-speed (converter-fed) electric motors and feeding them from a modern combined cycle power plant increases the thermal efficiency of the plant and reduces the emission of greenhouse gases.
  • the refrigerant compressor can be restarted after a process-related shutdown within 10 to 30 minutes instead of 8 to 12 hours in the case of standby turbines or fixed speed electric motors with Anfahrumrichtern without relieving the compressors and flare without refrigerant.
  • the production of the eLNG system can also during the lockout a generator in the power plant are maintained without interruption.
  • the risk to persons is reduced by shifting maintenance work from the potentially explosive process area to the power plant area.
  • FIG. 2 Load calculator algorithm of the control device for the positive load reserve for realizing a method according to the invention Realization of another embodiment
  • FIG. 1 shows an integrated solution for a gas liquefaction plant 1 with an island power plant 23 Power generating part 2, a transmission part 3 for the distribution of energy and a refrigerant compressor part 4.
  • a control device 5 is connected to the power generation part 2, the transmission part 3 and the refrigerant compressor part 4.
  • the power generation part 2 comprises three turbo sets 6, each having a turbine 10 and a generator 12, which are connected via a shaft 11. However, the power generation part 2 may also comprise less than three or more than three turbo sets 6.
  • the turbo sets 6 are connected via an electrical transformer 13 to the power station busbar 15 of the transmission part 3, which is the electrical
  • Refrigerant compressor 7 driven. Drive motors 8 and refrigerant compressor 7 are connected via shafts 17 and form engine compressor trains 9, which ultimately cause the refrigerant circulation and cooling of the natural gas 21 in the refrigerant circuit 18.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the closed refrigerant circuit 18. Compressed refrigerant is transferred by the refrigerant compressors 7
  • FIG. 1 at the liquefaction unit 25 shows an inlet for light, gaseous hydrocarbons, such as, for example, natural gas 21.
  • gaseous hydrocarbons such as, for example, natural gas 21.
  • the natural gas passes 21 by cooling in heat exchangers from the gaseous to the liquid phase (LNG) 22 via.
  • Figure 2 shows the algorithm according to the invention of a load computer of the control device 5 for carrying out the method according to the invention, i. for controlling the uninterrupted operation of a gas liquefaction plant 1.
  • the dynamic load calculator is continuously receiving information 101 from the power plant control technology.
  • the information includes the currently delivered power of each gas turbine, the currently possible maximum power of each gas or steam turbine set and the currently possible minimum load of each gas or steam turbine, expressed in each case in electrical generator power.
  • the positive or negative load reserve can be determined.
  • the dynamic load calculator computes the total currently available positive load reserve, taking into account various parameters, e.g. the current ambient temperature, the humidity and the calorific value of the fuel gas, which are already taken into account in the values 101 from the power plant control technology.
  • the dynamic load calculator compares the positive load reserve with the power of the largest turbo set 6. Reaches the entire positive
  • the dynamic load calculator reports the status of the eLNG system to the "n + 1 available" 104. In this state, a protective shutdown is actually performed In the power plant, the dynamic load calculator remains passive, and the power plant control technology provides by overloading the remaining Generators 12 restore the balance between available and requested load.
  • the dynamic load calculator determines that the currently available positive power reserve is not sufficient to compensate for the possible failure of a turbo set 6, it proactively notifies the alarm status "n + 1 not available" 105 to the waiting.
  • the dynamic load calculator can intervene by temporarily reducing the speed of all operational compressor drives to a value that still ensures the stability of the compressor and thus ensures the freedom of production interruption.
  • the information 106 obtained from the compressor control technology is processed continuously by reducing the compressor speed without jeopardizing the stability of the compressor operation, and adds the sum of the possible load reduction of the individual compressor units to the positive load reserve 107. The total achieved thereby Power reserve then possibly covers the failure of a turbo set 6.
  • 107 denotes the sum of the positive load reserve of the turbo sets 6 and the possible load reduction due to a reduction in the speed of the compressor units.
  • the positive load reserve and the possible load reduction are compared with the currently available power of the largest turbo set 6. Regardless of the result of the comparison, the failure 110 of a turbine 10, the conjunction 110 is true and the speed of the compressor units is reduced 111. If the sum of positive load reserve and possible load reduction is smaller than the performance of the largest or at least affected turbo set 6, additionally takes place a load shedding 112th
  • an independent determination of the line frequency change rate (df / dt) can be used to detect a sudden change in the load conditions - regardless of their cause.
  • the rate of change of frequency is proportional to the respective load step and can thus be used to determine the necessary protection shutdowns.
  • the dynamic load computer initiates a chain of preprogrammed load drops when predefined underfrequency thresholds are reached, in order to prevent a further lowering of the network frequency and thus a protective shutdown of the entire power plant.
  • the stored in the load computer consumers which may be temporarily shut down, without interrupting production, are as fast and to the extent necessary disconnected from the network, as required to maintain the grid frequency.
  • the algorithm applied to the unplanned shutdown of turbo sets 6 is also applicable to the unplanned shutdown of large consumers, especially the large compressor drives.
  • the power plant and machine control technology is designed so that it can compensate for load shedding of this magnitude without the involvement of the dynamic load calculator.
  • FIG. 4 shows the principle. If the sum of the negative load reserve achievable by frequency control is greater than the largest load shedding to be assumed by shutting down compressor drives, the dynamic load calculator does not intervene. Otherwise, a preselected turbo set 6 is turned off and the resulting positive load reserve offsets the remaining gap.
  • Step 114 Load reserve and the determination of the compressor units with the highest load. In step 114, these two values are compared. If the negative load reserve is greater than the larger load of the compressor units, the calculator reports "n + 1 available” 115. Otherwise, it reports "n + 1 not available” 116. Based on the data from the power plant control system 101 and the compressor control system 106 is an assignment 117 of turbo sets 6 and compressor units. With this allocation, preselected turbines 10 are shut off when the negative load reserve is less than 116
  • Energy supply network of the gas liquefaction plant 1 exceeds a predetermined limit 121.
  • Frequency change rates 120 are linked together in the sense of a non-exclusive disjunction 127.
  • FIG. 5 schematically shows the turbine utilization in a conventional power generation part of FIG
  • Gas liquefaction plant 1 in nominal operation. All turbines 10 of the power generation part run under nominal full load 27. The so operated power generation part has no positive load reserve to ensure the failure of a turbo set 6 the uninterrupted operation of the entire gas liquefaction plant.
  • FIG. 6 schematically shows the turbine utilization in the energy production part of a gas liquefaction plant in nominal operation described in US Pat. No. 7,114,351 B2.
  • the additional turbine 24, which is kept ready in standby mode, is started in the event of the failure of another turbine 10 operating under full load during nominal operation of the gas liquefaction plant.
  • Interruptions and Downtimes in the LNG production process can be the result in the event of failure of a turbine 10 and it may take several hours until the affected refrigerant compressor 7 is restarted and the liquefaction process is thermally stabilized.
  • Figure 7 shows schematically and by way of example the turbine utilization in the power generation part 2 of a gas liquefaction plant according to the document of the applicant "All Electric Driven Refrigeration Compressors in LNG Plants Offer Advantages", KLEINER et al, GASTECH, March 14, 2005, XP- 001544023 in nominal operation for the refrigerant compressor part 4. All turbines 10 are operating under part load 28. There is no standby turbine 24. The positive load reserve is sufficient to ensure the uninterrupted operation of the gas liquefaction plant 1 in the event of failure of a turbine 10 by increasing the load of the remaining turbines 10.
  • FIG. 8 shows schematically and by way of example an alternative turbine utilization in the energy generation part 2 of FIG. 8

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Abstract

The invention relates to a method for the uninterrupted operation of a gas liquefaction system (1), wherein the operation is continuously monitored for at least those users of the refrigerant compressor component (4) which represent a two-digit percentage of the total load on the refrigerant compressor component (4). A total instantaneously available negative load reserve is calculated, and at least one predetermined turbine (10) is switched off when the load reserve reachable via a frequency regulation of the one or more refrigerant compressors (7) is lower than the energy demand of the largest of the refrigerant compressors (7) and either a refrigerant compressor (7) fails or a speed of frequency change (df/dt) for the power supply network for the gas liquefaction system (1) exceeds a preset threshold (121).

Description

Beschreibungdescription
Verfahren zum unterbrechungsfreien Betrieb einer GasverflüssigungsanlägeMethod for the uninterrupted operation of a gas liquefaction plant
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum unterbrechungsfreien Betrieb einer Gasverflüssigungsanlage, insbesondere einer Erdgasverflüssigungsanlage .The invention relates to a method for uninterrupted operation of a gas liquefaction plant, in particular a natural gas liquefaction plant.
Als verflüssigtes Erdgas (Abkürzung LNG für engl, liquefied natural gas) bezeichnet man durch Abkühlung verflüssigtes Erdgas. LNG hat weniger als l/600stel des Volumens von Erdgas bei atmosphärischem Druck und eignet sich daher besonders zu Transport- und Lagerungszwecken; als Brennstoff kann es in diesem Aggregatzustand nicht verwendet werden.As liquefied natural gas (abbreviation LNG for English, liquefied natural gas) is referred to by cooling liquefied natural gas. LNG has less than 1 / 600th of the volume of natural gas at atmospheric pressure and is therefore particularly suitable for transport and storage purposes; as fuel, it can not be used in this state of aggregation.
In Kraftwerken, die einer Anlage zur Verflüssigung leichter Kohlenwasserstoffe, wie z.B. Erdgas, vorgeschaltet sind, kommen üblicherweise mit Erdgas befeuerte Gasturbinen sowie gegebenenfalls Dampfturbinen zum Einsatz, um über die angekuppelten Generatoren die elektrische Energie bereitzustellen, die motorgetrieben benötigt wird.In power plants operating a liquefaction plant for light hydrocarbons, e.g. Natural gas, upstream, usually come with natural gas-fired gas turbines and optionally steam turbines used to provide the coupled generators, the electrical energy that is needed motor-driven.
In konventionellen Erdgasverflüssigungsanlagen werden die Turboverdichter für den Kältemittelkreislauf durch direkt gekuppelte Gasturbinen angetrieben.In conventional natural gas liquefaction plants, the turbo compressors for the refrigerant circuit are driven by directly coupled gas turbines.
Gattungsmäßige Nachteile dieser Anlagen sind Produktionsausfall bei den erforderlichen regelmäßigen Wartungsarbeiten an den Gasturbinen, schwieriges An- oderGeneric disadvantages of these systems are loss of production in the required periodic maintenance of the gas turbines, difficult arrival or
Wiederanfahren der Verdichter mit Einwellengasturbinen, sowie die direkte Abhängigkeit der Größe und der Leistungsabgabe der Kältemittelverdichter von den typgeprüften Gasturbinen selbst, deren Wellenleistung wiederum von täglich schwankenden oder saisonal sich ändernden Umgebungsbedingungen abhängt.Restarting the compressors with single-shaft gas turbines, as well as the direct dependence of the size and the output of the refrigerant compressor from the type-tested gas turbine itself, the shaft performance in turn depends on daily fluctuating or seasonally changing environmental conditions.
Zur Vermeidung dieser Nachteile werden in neueren Anlagen die Kältemittelverdichter durch wartungsfreie drehzahlgeregelte Elektromotoren angetrieben. Ein von einer Gas- oder Dampfturbine angetriebener elektrischer Generator liefert die elektrische Leistung für diese Motoren; vorgeschaltete statische Frequenzumrichter erlauben einen sanften Anlauf und drehzahlgeregelten Betrieb. Man spricht dann auch von einer eLNG-Anlage (e für electric) .To avoid these disadvantages, the refrigerant compressors in newer systems by maintenance-free speed-controlled Electric motors driven. An electric generator driven by a gas or steam turbine supplies the electric power for these motors; upstream static frequency inverters allow smooth start-up and speed-controlled operation. This is also referred to as an eLNG system (e for electric).
Die US 7 114 351 B2 beschreibt eine solche Anlage zur Bereitstellung der elektrischen Leistung für die Antriebe der Kältemittelverdichter eines LNG-Prozesses . Hierbei wird in einem ersten Schritt die elektrische Leistung für den Prozess der Verflüssigung gasförmiger leichter Kohlenwasserstoffe aus einer Quelle bereitgestellt und in einem zweiten Schritt ein Kältemittel in einem Kältemittelverdichter verdichtet, der durch einen Elektromotor angetrieben wird, unter Verwendung der im ersten Schritt erzeugten elektrischen Leistung.US Pat. No. 7,114,351 B2 describes such a system for providing the electrical power for the drives of the refrigerant compressors of an LNG process. Here, in a first step, the electric power for the process of liquefying gaseous light hydrocarbons from a source is provided, and in a second step, a refrigerant is compressed in a refrigerant compressor driven by an electric motor using the electric power generated in the first step.
Elektromotoren liefern ihre Nennleistung unter verschiedenen Betriebsbedingungen, was einen Dauerbetrieb der Kältemittelverdichter ermöglicht, selbst bei wechselnden Umgebungsbedingungen, unterschiedlichem Gas, oder unterschiedlichen Lufteingangstemperaturen an den Gasturbinen. Die US 7 114 351 B2 führt weiter aus, dass eine plötzlich ausfallende Gasturbine durch eine oder auch mehrere zusätzliche Gasturbinen im Standby, bzw. einen oder auch mehrere zusätzliche Turbosätze im Standby, ersetzt werden könne. Der Nachteil dieser Methode ist aber, dass der LNG- Produktionsprozess dann aber bereits zusammengebrochen ist und es einige Stunden dauert, bis der betroffene Kältemittelverdichter wieder angefahren und thermisch stabilisiert ist. Man hat also insbesondere Unterbrechungen bzw. Stillstandszeiten in Kauf zu nehmen.Electric motors provide their rated power under various operating conditions, allowing for continuous operation of the refrigerant compressors, even under changing environmental conditions, different gas, or different air inlet temperatures at the gas turbines. US Pat. No. 7,114,351 B2 further states that a gas turbine suddenly failing can be replaced by one or more additional gas turbines in standby, or one or more additional turbo sets in standby mode. However, the disadvantage of this method is that the LNG production process has already collapsed and it takes several hours for the affected refrigerant compressor to restart and be thermally stabilized. So you have to take in particular interruptions or downtime in purchasing.
In der Druckschrift der Anmelderin „All Electric Driven Refrigeration Compressors in LNG Plants Offer Advantages", KLEINER et al, GASTECH, 14. März 2005, XP-001544023 wird daher eine Gasverflüssigungsanlage vorgeschlagen, umfassend einen Energieerzeugungsteil, einen Übertragungsteil, einen Kältemittelverdichterteil und eine Regeleinrichtung, wobei der Energieerzeugungsteil eine Anzahl von Turbosätzen und der Kältemittelverdichterteil mindestens einenIn the document of the applicant "All Electric Driven Refrigeration Compressors LNG Plants Offer Advantages", KLEINER et al, GASTECH, March 14, 2005, XP-001544023 a gas liquefaction plant is proposed, comprising a power generation part, a transmission part, a A refrigerant compressor part and a control device, wherein the power generation part has a number of turbo sets and the refrigerant compressor part at least one
Kältemittelverdichter und einen an den Kältemittelverdichter angekoppelten Antriebsmotor zum elektrischen Antrieb desRefrigerant compressor and a coupled to the refrigerant compressor drive motor for the electric drive of the
Kältemittelverdichters aufweisen, der Übertragungsteil die im Energieerzeugungsteil erzeugte Leistung dem Kältemittelverdichterteil zur Verfügung stellt und die Regeleinrichtung mit dem Energieerzeugungsteil und dem Kältemittelverdichterteil verbunden ist, wobei über die Regeleinrichtung im Normalbetrieb die für den Nennbedarf erforderliche Leistung durch den Teil- oder Volllastbetrieb aller Turbosätze bereitstellbar ist, und die Anzahl der Turbosätze die Mindestanzahl übersteigt, die notwendig ist, die Kontinuität des Betriebs des Kältemittelverdichterteils sicherzustellen .Refrigerant compressor, the transmission part provides the power generated in the power generation part of the refrigerant compressor part and the control device is connected to the power generation part and the refrigerant compressor part, which is provided by the control device in normal operation, the power required for the nominal demand by the partial or full load operation of all turbo sets, and the number of turbo sets exceeds the minimum number necessary to ensure continuity of operation of the refrigerant compressor part.
Der wesentliche Gedanke hierbei ist, einen zusätzlichen Turbosatz, gemessen am Gesamt-Leistungsbedarf der eLNG- Anlage, dem n+1 Prinzip folgend, zu installieren. DieserThe main idea here is to install an additional turbo set, based on the total power requirement of the eLNG system, following the n + 1 principle. This
Turbosatz ist kein Standby-Turbosatz . Alle zum Betrieb der eLNG-Anlage notwendigen Turbosätze, einschließlich dem n+lten Turbosatz, arbeiten im ungestörten bzw. Normalzustand der Anlage im Teillastbetrieb, d.h. es wird jeweils so viel rotierende Reserve vorgehalten, dass der Ausfall einesTurboset is not a standby turbo set. All turbine sets required for operating the eLNG system, including the n + lte turbo set, operate in the undisturbed or normal state of the system in partial load operation, ie. In each case so much rotating reserve held that the failure of a
Turbosatzes regelungstechnisch ausgeglichen werden kann. Dabei können einer oder mehrere designierte Turbosätze die Frequenzregelung übernehmen und alle operativen Turbosätze werden im Normalfall gleichmäßig belastet. Bei Schutzabschaltungen (trip) einer Turbine oder einesTurbosatzes control technology can be compensated. One or more designated turbo sets can take over the frequency control and all operational turbo sets are normally loaded evenly. In protective shutdown (trip) a turbine or a
Generators entscheidet eine Regeleinrichtung (dynamischer Lastrechner) , ob Maßnahmen zur Stabilisierung des Inselnetzes eingeleitet werden müssen oder nicht.Generator decides a control device (dynamic load computer), whether measures to stabilize the island network must be initiated or not.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Angabe eines Verfahrens für den unterbrechungsfreien Betrieb einer Gasverflüssigungsanlage . Im erfinderischen Verfahren zum unterbrechungsfreien Betrieb einer Gasverflüssigungsanlage, umfassend einen Energieerzeugungsteil, einen Übertragungsteil, einen Kältemittelverdichterteil und eine Regeleinrichtung, wobei der Energieerzeugungsteil eine Anzahl von Turbosätzen und der Kältemittelverdichterteil mindestens einenThe object of the invention is therefore to specify a method for the uninterrupted operation of a gas liquefaction plant. In the inventive method for uninterrupted operation of a gas liquefaction plant, comprising a power generation part, a transmission part, a refrigerant compressor part and a control device, wherein the power generation part has a number of turbo sets and the refrigerant compressor part at least one
Kältemittelverdichter und einen an den Kältemittelverdichter angekoppelten Antriebsmotor zum elektrischen Antrieb des Kältemittelverdichters mit einem elektrischen Nennbedarf aufweisen, der Übertragungsteil die im Energieerzeugungsteil erzeugte Leistung dem Kältemittelverdichterteil zur Verfügung stellt, und die Regeleinrichtung mit demHave refrigerant compressor and a coupled to the refrigerant compressor drive motor for electrically driving the refrigerant compressor with a nominal electrical demand, the transmission part provides the power generated in the power generation part of the refrigerant compressor part, and the control device with the
Energieerzeugungsteil und dem Kältemittelverdichterteil verbunden ist, und im Normalbetrieb die für den Nennbedarf erforderliche Leistung durch den Teil- oder Volllastbetrieb aller Turbosätze bereitgestellt wird, wobei die Anzahl der Turbosätze die Mindestanzahl übersteigt, die notwendig ist, die Stabilität des Betriebs des Kältemittelverdichterteils sicherzustellen, wird der Betrieb zumindest solcher Verbraucher des Kältemittelverdichterteils kontinuierlich überwacht, die einen zweistelligen Prozentanteil an der Gesamtlast des Kältemittelverdichterteils darstellen, wird eine insgesamt momentan verfügbare negative Lastreserve berechnet und wird mindestens eine vorbestimmte Turbine abgeschaltet, wenn die durch eine Frequenzregelung des oder der Kältemittelverdichter erreichbare negative Lastreserve kleiner ist, als der Energiebedarf des größten der Kältemittelverdichter und entweder ein Kältemittelverdichter ausfällt oder eine Frequenzänderungsgeschwindigkeit (df/dt) im Energieversorgungsnetz der Gasverflüssigungsanlage eine vorgegebene Grenze überschreitet.Power generation part and the refrigerant compressor part is connected, and provided in normal operation, the power required for the nominal demand by the partial or full load operation of all turbo sets, wherein the number of turbo sets exceeds the minimum number, which is necessary to ensure the stability of the operation of the refrigerant compressor part, the Operation of at least such consumers of the refrigerant compressor part continuously monitored, representing a two-digit percentage of the total load of the refrigerant compressor part, a total currently available negative load reserve is calculated and at least one predetermined turbine is switched off when the achievable by a frequency control of the refrigerant compressor or the negative load reserve is smaller when the energy demand of the largest one of the refrigerant compressors and either a refrigerant compressor fails or a frequency change rate (df / dt) i m energy supply network of the gas liquefaction plant exceeds a predetermined limit.
Es sei hier betont, dass, anders als in konventionellen Netzen, bei Inselnetzen, also beispielsweise bei Energieerzeugungsteilen einer eLNG-Anlage, ein Verhältnis von Last zu Generatorleistung vorliegt, bei dem über 80% der Stromlast auf nur wenige Einzellasten verteilt ist. Bei konventionellen Netzen ist dies nicht der Fall, es liegen sehr viele Einzellasten mit geringem prozentualem Anteil an der Gesamtlast vor und man beobachtet oder überwacht daher nicht den Betrieb der Verbraucher.It should be emphasized here that, unlike in conventional grids, in isolated grids, ie, for example, in power generation parts of an eLNG system, there is a load to generator power ratio in which over 80% of the power load is distributed over only a few single loads. This is not the case with conventional networks, it is There are therefore very many individual loads with a low percentage of the total load and therefore you do not observe or monitor the operation of the consumers.
Ein unterbrechungsfreier Betrieb der Gasverflüssigungsanlage lässt sich am ehesten dadurch erreichen, dass die Turbosätze so betrieben werden, dass eine vorgehaltene positive oder negative Leistungsreserve den Ausfall der größten Turbomaschine deckt, wobei die positive Leistungsreserve den Ausfall eines Generators deckt und die negativeUninterrupted operation of the gas liquefaction plant can best be achieved by operating the turbo sets so that a positive or negative reserve of power available covers the failure of the largest turbomachine, with the positive power reserve covering one generator failure and the negative one
Leistungsreserve den Ausfall eines Motor-Verdichterstrangs des Kältemittelverdichterteils.Power reserve the failure of a motor compressor train of the refrigerant compressor part.
Bei Ausfall eines Turbosatzes wird vorzugsweise die Verdichterantriebsdrehzahl abgesenkt, wenn eine zuvor bestimmte gesamte positive Lastreserve kleiner ist, als die erbrachte Leistung des Turbosatzes vor dem Ausfall. (Der quadratischen Lastkennlinie der Turboverdichter folgend, reduziert sich die von den Elektromotoren aufgenommene Leistung mit der dritten Potenz der Drehzahl) .In case of failure of a turbo set, the compressor drive speed is preferably lowered when a previously determined total positive load reserve is smaller than the yielded power of the turbo set before failure. (Following the quadratic load curve of the turbocompressors, the power consumed by the electric motors decreases with the cube of the speed).
Wird auch durch die Reduzierung derWill also by reducing the
Verdichterantriebsdrehzahl der aktuelle Energiebedarf des Kältemittelverdichterteils nicht gedeckt, ist es zweckmäßig, mindestens einen vorbestimmten elektrischen Verbraucher der Gasverflüssigungsanlage abzuschalten (englisch load shedding) .Compressor drive speed of the current energy demand of the refrigerant compressor part is not covered, it is expedient to turn off at least one predetermined electrical load of the gas liquefaction plant (English load shedding).
Der weitestgehend unterbrechungsfreie Betrieb der Gasverflüssigungsanlage bei ungewollter Abschaltung vonThe largely uninterrupted operation of the gas liquefaction plant in case of accidental shutdown of
Teilanlagen im Verflüssigungsprozess oder beim Erreichen von vordefinierten Schwellwerten der Netzfrequenz und deren zeitlicher Änderung, Spannung und Phasenwinkel im Energieversorgungsnetz der Gasverflüssigungsanlage kann dadurch sichergestellt werden, dass vorbestimmte Turbinen abgeschaltet werden. Der für den Betrieb der eLNG-Anlage schwerwiegendste zu erwartende Fehler ist der ungeplante Ausfall eines Turbosatzes im Energieerzeugungsteil, also im Inselkraftwerk - Schutzabschaltungen von Verdichterantrieben sind in ihren Auswirkungen untergeordnet und bei Notabschaltungen in der Prozessanlage kann der Betrieb unter Umständen nicht aufrechterhalten werden. Prinzipiell kann aber auch eine partielle Notabschaltung (ESD, emergency shut down) in der Prozessanlage in den Algorithmus des dynamischen Lastrechners mit einbezogen werden.Subsystems in the liquefaction process or when predefined threshold values of the network frequency and their temporal change, voltage and phase angle in the energy supply network of the gas liquefaction plant can be ensured by switching off predetermined turbines. The most serious fault to be expected for the operation of the eLNG system is the unplanned failure of a turbine set in the power generation unit, ie in the island power plant - protective shutdowns of compressor drives are subordinate in their effects and under emergency shutdowns in the process plant operation may not be maintained. In principle, however, a partial emergency shutdown (ESD, emergency shutdown) in the process plant can also be included in the algorithm of the dynamic load calculator.
Die damit prinzipiell mögliche unterbrechungsfreie Betriebsdauer der Gasverflüssigungsanlage wird durch Wegfall notwendiger Wartungsarbeiten an den Gasturbinen im Energieerzeugungsteil von bisher ein bis zwei auf mehr als fünf Jahre erhöht. Einer Erhöhung der voraussehbaren produktiven Tage von circa 340 (bisheriger Erfahrungswert mit direkt getriebenen Gasverflüssigungsanlagen) auf 365 pro Jahr stehen dann nur noch ungeplante (Stör-) Abschaltungen entgegen.The thus possible in principle uninterrupted operating life of the gas liquefaction plant is increased by eliminating the need for maintenance work on the gas turbines in the power generation part of previously one to two to more than five years. An increase in foreseeable productive days of around 340 (previous experience with directly driven gas liquefaction plants) to 365 per year is then only precluded by unplanned (disruptive) shutdowns.
Bei Einsatz von drehzahlgeregelten (stromrichtergespeisten) Elektromotoren und Speisung derselben aus einem modernen GuD- Kraftwerk erhöht sich der thermische Wirkungsgrad der Anlage und der Ausstoß von Treibhausgasen wird reduziert.The use of variable-speed (converter-fed) electric motors and feeding them from a modern combined cycle power plant increases the thermal efficiency of the plant and reduces the emission of greenhouse gases.
Durch geeignete Auslegung der Antriebsanlagen können die Kältemittelverdichter nach einer prozessbedingten Abschaltung innerhalb von 10 bis 30 Minuten anstatt in 8 bis 12 Stunden im Fall von Standby-Turbinen oder Festdrehzahl-Elektromotoren mit Anfahrumrichtern wieder angefahren werden, ohne die Verdichter zu entlasten und ohne Kältemittel abzufackeln.By suitable design of the drive systems, the refrigerant compressor can be restarted after a process-related shutdown within 10 to 30 minutes instead of 8 to 12 hours in the case of standby turbines or fixed speed electric motors with Anfahrumrichtern without relieving the compressors and flare without refrigerant.
Bei entsprechender Auslegung des speisenden Inselkraftwerks und Integration der beteiligten Automatisierungssysteme (z. B. Kraftwerk, Stromrichterantriebe, Verdichter) kann die Produktion der eLNG-Anlage auch während der Störabschaltung eines Generators im Kraftwerk unterbrechungsfrei aufrechterhalten werden.With an appropriate design of the feeding island power plant and integration of the participating automation systems (eg power plant, converter drives, compressors), the production of the eLNG system can also during the lockout a generator in the power plant are maintained without interruption.
Das Personengefährdungspotenzial wird durch Verlagerung von Wartungsarbeiten aus dem explosionsgefährdeten Prozessbereich in den Kraftwerksbereich reduziert.The risk to persons is reduced by shifting maintenance work from the potentially explosive process area to the power plant area.
Die Einengung der Verdichterauswahlkriterien auf die Drehzahl und Leistung der Gasturbinen weicht bei Einsatz von anwendungsspezifisch ausgelegten drehzahlgeregeltenThe narrowing of the compressor selection criteria to the speed and power of the gas turbine differs when using application-specific designed speed-controlled
Elektromotoren einer Optimierung nach Prozessgegebenheiten.Electric motors of an optimization according to process conditions.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:The invention will be explained in more detail by way of example with reference to the drawings. Shown schematically and not to scale:
Figur 1 eLNG-AnlagenkonzeptFigure 1 eLNG plant concept
Figur 2 Lastrechner-Algorithmus der Regeleinrichtung für die positive Lastreserve zur Verwirklichung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, Figur 3 Lastrechner-Algorithmus der Regeleinrechnung für die Reduzierung der Drehzahl der Verdichtereinheiten zur Verwirklichung einer bevorzugten Ausführungsform, Figur 4 Lastrechner-Algorithmus der Regeleinrichtung für die Abschaltung vorgewählter Turbinen zur Verwirklichung einer weiteren Ausführungsform,FIG. 2 Load calculator algorithm of the control device for the positive load reserve for realizing a method according to the invention Realization of another embodiment,
Figur 5 Turbinenauslastung in konventionellemFigure 5 Turbine utilization in conventional
Energieerzeugungsteil einer Gasverflüssigungsanlage, Figur 6 Turbinenauslastung im Energieerzeugungsteil einerPower generation part of a gas liquefaction plant, Figure 6 Turbine utilization in the power generation part of a
Gasverflüssigungsanlage mit Standby-Turbine, Figur 7 Turbinenauslastung im Energieerzeugungsteil einer Gasverflüssigungsanlage mit n+1 Turbinen im Teillastbetrieb und Figur 8 alternative Turbinenauslastung imGas liquefaction plant with standby turbine, Figure 7 Turbine utilization in the energy production part of a gas liquefaction plant with n + 1 turbines in part load operation and Figure 8 alternative turbine utilization in
Energieerzeugungsteil einer Gasverflüssigungsanlage mit n+1 TurbinenPower generation part of a gas liquefaction plant with n + 1 turbines
Die Figur 1 zeigt eine integrierte Lösung für eine Gasverflüssigungsanlage 1 mit einem Inselkraftwerk 23 als Energieerzeugungsteil 2, einem Übertragungsteil 3 für die Verteilung der Energie und einem Kältemittelverdichterteil 4. Eine Regeleinrichtung 5 ist mit dem Energieerzeugungsteil 2, dem Übertragungsteil 3 und dem Kältemittelverdichterteil 4 verbunden.FIG. 1 shows an integrated solution for a gas liquefaction plant 1 with an island power plant 23 Power generating part 2, a transmission part 3 for the distribution of energy and a refrigerant compressor part 4. A control device 5 is connected to the power generation part 2, the transmission part 3 and the refrigerant compressor part 4.
Der Energieerzeugungsteil 2 umfasst drei Turbosätze 6, mit jeweils einer Turbine 10 und einem Generator 12, die über eine Welle 11 verbunden sind. Der Energieerzeugungsteil 2 kann aber auch weniger als drei oder mehr als drei Turbosätze 6 umfassen.The power generation part 2 comprises three turbo sets 6, each having a turbine 10 and a generator 12, which are connected via a shaft 11. However, the power generation part 2 may also comprise less than three or more than three turbo sets 6.
Die Turbosätze 6 sind über jeweils einen elektrischen Transformator 13 mit der Kraftwerksstromschiene 15 des Übertragungsteils 3 verbunden, welcher die elektrischeThe turbo sets 6 are connected via an electrical transformer 13 to the power station busbar 15 of the transmission part 3, which is the electrical
Energie den Motoren im Kältemittelverdichterteil 4 und/oder anderen Verbrauchern 26 zur Verfügung stellt.Energy to the engines in the refrigerant compressor part 4 and / or other consumers 26 provides.
Im Kältemittelverdichterteil 4 werden über Stromrichtertransformatoren 14 und Stromrichter 16 die drehzahlveränderbaren Elektromotoren 8 derIn the refrigerant compressor part 4, the variable-speed electric motors 8 of the power converter transformers 14 and power converters 16
Kältemittelverdichter 7 angetrieben. Antriebsmotoren 8 und Kältemittelverdichter 7 sind über Wellen 17 verbunden und bilden Motor-Verdichterstränge 9, die letztlich die Kältemittelzirkulation und Kühlung des Erdgases 21 im Kältemittelkreislauf 18 bewirken.Refrigerant compressor 7 driven. Drive motors 8 and refrigerant compressor 7 are connected via shafts 17 and form engine compressor trains 9, which ultimately cause the refrigerant circulation and cooling of the natural gas 21 in the refrigerant circuit 18.
Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung des geschlossenen Kältemittelkreislaufs 18. Komprimiertes Kältemittel wird von den Kältemittelverdichtern 7 überFIG. 1 shows a schematic representation of the closed refrigerant circuit 18. Compressed refrigerant is transferred by the refrigerant compressors 7
Leitungen 19 zur Verflüssigungseinheit 25 transportiert. Verbrauchtes gasförmiges Kältemittel wird über Leitungen 20 zu den Kältemittelverdichtern 7 zurückgeführt.Lines 19 transported to the liquefaction unit 25. Used gaseous refrigerant is returned via lines 20 to the refrigerant compressors 7.
Weiterhin zeigt die Figur 1 an der Verflüssigungseinheit 25 einen Einlass für leichte, gasförmige Kohlenwasserstoffe, wie z.B. Erdgas 21. In der Verflüssigungseinheit 25 (und weiteren ähnlichen, hier nicht dargestellten Stufen) geht das Erdgas 21 durch Kühlen in Wärmetauschern von der gasförmigen in die flüssige Phase (LNG) 22 über.Furthermore, FIG. 1 at the liquefaction unit 25 shows an inlet for light, gaseous hydrocarbons, such as, for example, natural gas 21. In the liquefaction unit 25 (and other similar stages, not shown here), the natural gas passes 21 by cooling in heat exchangers from the gaseous to the liquid phase (LNG) 22 via.
Figur 2 zeigt den erfindungsgemäßen Algorithmus eines Lastrechners der Regeleinrichtung 5 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, d.h. zur Steuerung des unterbrechungsfreien Betriebs einer Gasverflüssigungsanlage 1. Zur Beurteilung der Lastverhältnisse erhält der dynamische Lastrechner laufend Informationen 101 aus der Kraftwerksleittechnik. Die Informationen umfassen die momentan abgegebene Leistung jeder Gas- bzw. Dampfturbine, die momentan mögliche maximale Leistung jedes Gas- bzw. Dampfturbinensatzes und die momentan mögliche Mindestlast jeder Gas- bzw. Dampfturbine, ausgedrückt jeweils in elektrischer Generatorleistung. Anhand der abgegebenen Leistung und der momentan möglichen maximalen Leistung beziehungsweise anhand der abgegebenen Leistung und der momentan möglichen Mindestlast, lassen sich die positive bzw. negative Lastreserve bestimmen.Figure 2 shows the algorithm according to the invention of a load computer of the control device 5 for carrying out the method according to the invention, i. for controlling the uninterrupted operation of a gas liquefaction plant 1. In order to assess the load conditions, the dynamic load calculator is continuously receiving information 101 from the power plant control technology. The information includes the currently delivered power of each gas turbine, the currently possible maximum power of each gas or steam turbine set and the currently possible minimum load of each gas or steam turbine, expressed in each case in electrical generator power. On the basis of the delivered power and the currently possible maximum power or on the basis of the delivered power and the currently possible minimum load, the positive or negative load reserve can be determined.
In einem ersten Schritt 102 berechnet der dynamische Lastrechner die insgesamt momentan verfügbare positive Lastreserve unter Einbeziehung verschiedener Parameter, wie z.B. der momentanen Umgebungstemperatur, der Luftfeuchte und des Brennwertes des Brenngases, die bereits in den Werten 101 aus der Kraftwerksleittechnik berücksichtigt sind.In a first step 102, the dynamic load calculator computes the total currently available positive load reserve, taking into account various parameters, e.g. the current ambient temperature, the humidity and the calorific value of the fuel gas, which are already taken into account in the values 101 from the power plant control technology.
In einem zweiten Schritt 103 vergleicht der dynamische Lastrechner die positive Lastreserve mit der Leistung des größten Turbosatzes 6. Reicht die gesamte positiveIn a second step 103, the dynamic load calculator compares the positive load reserve with the power of the largest turbo set 6. Reaches the entire positive
Lastreserve auch bei Abschaltung eines Turbosatzes 6 aus, den Betrieb der eLNG-Anlage aufrecht zu erhalten, meldet der dynamische Lastrechner an die Warten des Kraftwerks und der eLNG-Anlage den Zustand „n+1 verfügbar" 104. Erfolgt in diesem Zustand wirklich eine Schutzabschaltung im Kraftwerk, bleibt der dynamische Lastrechner passiv, und die Kraftwerksleittechnik stellt durch Umlastung der verbliebenen Generatoren 12 das Gleichgewicht zwischen verfügbarer und angeforderter Last wieder her.Load reserve, even when a turbo set 6 is switched off, to maintain the operation of the eLNG system, the dynamic load calculator reports the status of the eLNG system to the "n + 1 available" 104. In this state, a protective shutdown is actually performed In the power plant, the dynamic load calculator remains passive, and the power plant control technology provides by overloading the remaining Generators 12 restore the balance between available and requested load.
Stellt der dynamische Lastrechner fest, dass die momentan verfügbare positive Leistungsreserve nicht ausreicht, um den möglichen Ausfall eines Turbosatzes 6 zu kompensieren, meldet er den Alarmzustand „n+1 nicht verfügbar" 105 prophylaktisch an die Warten.If the dynamic load calculator determines that the currently available positive power reserve is not sufficient to compensate for the possible failure of a turbo set 6, it proactively notifies the alarm status "n + 1 not available" 105 to the waiting.
Dies ermöglicht es dem Bedienpersonal eventuell stillgesetzte Leistungsreserven (z.B. durch Wartungsarbeiten) zu mobilisieren, oder die Belastung des Netzes zu reduzieren, z.B. durch Abschaltung anderer Verbraucher 26, und damit ggf. einer Produktionsunterbrechung bei Ausfall eines Turbosatzes 6 vorzubeugen. Auch manuelle Umlastungen zwischen den operativen Turbosätzen 6 und Änderungen im Prozessdampfverbrauch sind dazu geeignet.This allows the operator to possibly mobilize stalled power reserves (e.g., through maintenance), or reduce the load on the network, e.g. by switching off other consumers 26, and thus possibly prevent a production interruption in case of failure of a turbo set 6. Also manual Umlastungen between the operational turbo sets 6 and changes in the process steam consumption are suitable.
Wird die prophylaktische Lastreduzierung nicht vom Bedien- personal der eLNG-Anlage initiiert, z.B. durch Abschaltung unwichtiger Verbraucher 26 oder temporärer Reduktion der Produktion, kann der dynamische Lastrechner eingreifen, indem er die Drehzahl aller operativen Verdichterantriebe temporär auf einen Wert absenkt, der die Stabilität des Verdichters noch sicherstellt und damit die Unterbrechungsfreiheit der Produktion gewährleistet. Hierzu wird die aus der Verdichterleittechnik erhaltene Information 106 zu den momentan möglichen Lastreduzierungen durch Senkung der Verdichter-Drehzahl, ohne die Stabilität des Verdichterbetriebs zu gefährden, kontinuierlich verarbeitet und die Summe der möglichen Lastreduzierung der einzelnen Verdichtereinheiten zur positiven Lastreserve addiert 107. Die dadurch erzielte gesamte Leistungsreserve deckt dann möglicherweise den Ausfall eines Turbosatzes 6.If the prophylactic load reduction is not initiated by the operator of the eLNG system, e.g. By shutting down unimportant consumers 26 or temporarily reducing production, the dynamic load calculator can intervene by temporarily reducing the speed of all operational compressor drives to a value that still ensures the stability of the compressor and thus ensures the freedom of production interruption. For this purpose, the information 106 obtained from the compressor control technology is processed continuously by reducing the compressor speed without jeopardizing the stability of the compressor operation, and adds the sum of the possible load reduction of the individual compressor units to the positive load reserve 107. The total achieved thereby Power reserve then possibly covers the failure of a turbo set 6.
Im Alarmzustand „n+1 nicht verfügbar" kann also das Gleichgewicht zwischen positiver und negativer Lastreserve durch eine Absenkung der Verdichterantriebsdrehzahl wieder hergestellt werden. Da dieser Vorgang sehr schnell erfolgen kann, wird er vom dynamischen Lastrechner nur ausgelöst, wenn im Alarmzustand wirklich eine Schutzabschaltung im Kraftwerk erfolgt .In the alarm state "n + 1 not available" so can the balance between positive and negative load reserve by lowering the compressor drive speed again getting produced. Since this process can be carried out very quickly, it is only triggered by the dynamic load computer if, in the alarm state, a protective shutdown is actually performed in the power plant.
Der zugehörige Algorithmus ist in Figur 3 gezeigt. Wie bereits erläutert, bezeichnet 107 die Summe aus der positiven Lastreserve der Turbosätze 6 und der möglichen Lastreduzierung infolge einer Reduzierung der Drehzahl der Verdichtereinheiten. In einem nächsten Schritt 108 werden die positive Lastreserve und die mögliche Lastreduzierung mit der momentan verfügbaren Leistung des größten Turbosatzes 6 verglichen. Unabhängig vom Ergebnis des Vergleichs ist bei Ausfall 109 einer Turbine 10 die Konjunktion 110 wahr und die Drehzahl der Verdichtereinheiten wird verringert 111. Ist die Summe aus positiver Lastreserve und möglicher Lastreduzierung kleiner als die Leistung des größten oder zumindest betroffenen Turbosatzes 6, erfolgt zusätzlich ein Lastabwurf 112.The associated algorithm is shown in FIG. As already explained, 107 denotes the sum of the positive load reserve of the turbo sets 6 and the possible load reduction due to a reduction in the speed of the compressor units. In a next step 108, the positive load reserve and the possible load reduction are compared with the currently available power of the largest turbo set 6. Regardless of the result of the comparison, the failure 110 of a turbine 10, the conjunction 110 is true and the speed of the compressor units is reduced 111. If the sum of positive load reserve and possible load reduction is smaller than the performance of the largest or at least affected turbo set 6, additionally takes place a load shedding 112th
Neben der rechnerischen Ermittlung der Differenz zwischen positiver und negativer Lastreserve kann eine unabhängige Bestimmung der Netzfrequenz-Änderungsgeschwindigkeit (df/dt) dazu benutzt werden, eine plötzliche Veränderung der Lastverhältnisse zu erkennen - ohne Rücksicht auf deren Ursache. Die Frequenz-Änderungsgeschwindigkeit ist proportional zum jeweiligen Lastsprung und kann somit zur Bestimmung der notwendigen Schutzabschaltungen verwendet werden .In addition to the mathematical determination of the difference between positive and negative load reserve, an independent determination of the line frequency change rate (df / dt) can be used to detect a sudden change in the load conditions - regardless of their cause. The rate of change of frequency is proportional to the respective load step and can thus be used to determine the necessary protection shutdowns.
Da eine Frequenzänderung eine direkte Konsequenz des auslösenden Ereignisses ist, und die Bestimmung der Änderungsgeschwindigkeit mehr Zeit benötigt als eine Schutzauslösung über die direkten Abschaltsignale, würde eine Aktion aus der errechneten Frequenzänderung ggf. zu spät kommen. Deshalb kann diese Funktion als Backup zur beschriebenen direkten Abschaltung angesehen werden. Außerdem muss sichergestellt sein, dass Aktionen, die aus der rechnerischen Ermittlung der Unterfrequenz resultieren, keine Fehlauslösungen verursachen.Since a frequency change is a direct consequence of the triggering event, and the determination of the rate of change requires more time than a protection trip via the direct shutdown signals, an action from the calculated frequency change might be too late. Therefore, this function can be considered a backup to the described direct shutdown. It must also be ensured that actions taken from the arithmetical determination of the underfrequency result, no false triggering cause.
Reichen die beschriebenen Maßnahmen zum Ausgleich des Unterschieds zwischen positiver und negativer Lastreserve nicht aus, initiiert der dynamische Lastrechner eine Kette von vorprogrammierten Lastabwürfen bei Erreichen von vordefinierten Unterfrequenzschwellen, um ein weiteres Absenken der Netzfrequenz - und damit einer Schutzabschaltung des gesamten Kraftwerks - vorzubeugen. Die im Lastrechner hinterlegten Verbraucher, die ggf. zeitweise abgeschaltet werden können, ohne die Produktion zu unterbrechen, werden so schnell und im notwendigen Umfang vom Netz getrennt, wie es die Aufrechterhaltung der Netzfrequenz erfordert.If the described measures for compensating the difference between positive and negative load reserve are insufficient, the dynamic load computer initiates a chain of preprogrammed load drops when predefined underfrequency thresholds are reached, in order to prevent a further lowering of the network frequency and thus a protective shutdown of the entire power plant. The stored in the load computer consumers, which may be temporarily shut down, without interrupting production, are as fast and to the extent necessary disconnected from the network, as required to maintain the grid frequency.
Prinzipiell ist der auf die ungeplante Abschaltung von Turbosätzen 6 angewandete Algorithmus auch anwendbar auf die ungeplante Abschaltung großer Verbraucher, vor allem der großen Verdichterantriebe. Die Kraftwerks- und Maschinenleittechnik ist so ausgelegt, dass sie Lastabwürfe dieser Größenordnung ohne Mitwirkung des dynamischen Lastrechners ausregeln kann. Figur 4 zeigt das Prinzip. Ist die Summe der durch Frequenzregelung erreichbaren negativen Lastreserve größer als der größte anzunehmende Lastabwurf durch Abschaltung von Verdichterantrieben, greift der dynamische Lastrechner nicht ein. Andernfalls wird ein vorgewählter Turbosatz 6 abgeschaltet und die resultierende positive Lastreserve gleicht die verbleibende Lücke aus.In principle, the algorithm applied to the unplanned shutdown of turbo sets 6 is also applicable to the unplanned shutdown of large consumers, especially the large compressor drives. The power plant and machine control technology is designed so that it can compensate for load shedding of this magnitude without the involvement of the dynamic load calculator. FIG. 4 shows the principle. If the sum of the negative load reserve achievable by frequency control is greater than the largest load shedding to be assumed by shutting down compressor drives, the dynamic load calculator does not intervene. Otherwise, a preselected turbo set 6 is turned off and the resulting positive load reserve offsets the remaining gap.
113 bezeichnet hierbei die Berechnung der negativen113 denotes the calculation of the negative
Lastreserve und die Bestimmung der Verdichtereinheiten mit der größten Last. Im Schritt 114 werden diese beiden Werte verglichen. Ist die negative Lastreserve größer als die größere Last der Verdichtereinheiten, meldet der Rechner „n+1 verfügbar" 115. Im anderen Fall meldet er „n+1 nicht verfügbar" 116. Anhand der Daten aus der Kraftwerksleittechnik 101 sowie der Verdichterleittechnik 106 erfolgt eine Zuordnung 117 von Turbosätzen 6 und Verdichtereinheiten. Mithilfe dieser Zuordnung werden vorgewählte Turbinen 10 abgeschaltet, wenn die negative Lastreserve kleiner ist 116 als derLoad reserve and the determination of the compressor units with the highest load. In step 114, these two values are compared. If the negative load reserve is greater than the larger load of the compressor units, the calculator reports "n + 1 available" 115. Otherwise, it reports "n + 1 not available" 116. Based on the data from the power plant control system 101 and the compressor control system 106 is an assignment 117 of turbo sets 6 and compressor units. With this allocation, preselected turbines 10 are shut off when the negative load reserve is less than 116
Energiebedarf der größten Verdichtereinheiten und 124 entweder eine Verdichtereinheit ausfällt 122 oder 123 die Frequenzänderungsgeschwindigkeit 120 imEnergy Demand of the Largest Compressor Units and 124 either a compressor unit fails 122 or 123 the rate of change of frequency 120 in
Energieversorgungsnetz der Gasverflüssigungsanlage 1 eine vorgegebene Grenze überschreitet 121.Energy supply network of the gas liquefaction plant 1 exceeds a predetermined limit 121.
Bei noch größeren Lastabwürfen 126, z.B. im Falle von partiellen Notabschaltungen aus dem Prozess, müssen ggf. mehrere Turbosätze 6 vom Netz genommen werden 128. Sind der Ablauf und die Größe 118 einer solchen Notabschaltung bekannt, kann auch ein solcher Vorgang vom Lastrechner prinzipiell gesteuert werden, z.B. indem eine Vorauswahl 119 abzuschaltender Turbinen 10 getroffen wird, um ggf. einen Teilprozess weiter betreiben zu können. Große Lastabwürfe 126 und das Überschreiten 121 einer Grenze derFor even larger load drops 126, e.g. in the case of partial emergency shutdowns from the process, several turbo sets 6 may need to be disconnected from the grid 128. If the sequence and size 118 of such an emergency shutdown is known, such an operation may in principle be controlled by the load computer, e.g. by making a pre-selection of 119 turbines 10 to be shut down in order to be able to continue to operate a sub-process if necessary. Large load drops 126 and exceeding 121 a limit of
Frequenzänderungsgeschwindigkeit 120 sind im Sinne einer nicht-ausschließenden Disjunk-tion 127 miteinander verknüpft.Frequency change rates 120 are linked together in the sense of a non-exclusive disjunction 127.
Figur 5 zeigt schematisch die Turbinenauslastung in einem konventionellen Energieerzeugungsteil einerFIG. 5 schematically shows the turbine utilization in a conventional power generation part of FIG
Gasverflüssigungsanlage 1 im Nennbetrieb. Alle Turbinen 10 des Energieerzeugungsteils laufen unter nominaler Volllast 27. Der so betriebene Energieerzeugungsteil verfügt über keine positive Lastreserve, um bei Ausfall eines Turbosatzes 6 den unterbrechungsfreien Betrieb der kompletten Gasverflüssigungsanlage sicherstellen zu können.Gas liquefaction plant 1 in nominal operation. All turbines 10 of the power generation part run under nominal full load 27. The so operated power generation part has no positive load reserve to ensure the failure of a turbo set 6 the uninterrupted operation of the entire gas liquefaction plant.
Figur 6 zeigt schematisch die Turbinenauslastung, im in der US 7 114 351 B2 beschriebenen Energieerzeugungsteil einer Gasverflüssigungsanlage im Nennbetrieb. Die zusätzliche, im Standby bereitgehaltene Turbine 24, wird bei Ausfall einer anderen im Nennbetrieb der Gasverflüssigungsanlage unter Volllast laufenden Turbine 10 gestartet. Unterbrechungen und Stillstandszeiten im LNG-Produktionsprozess können bei Ausfall einer Turbine 10 die Folge sein und es kann einige Stunden dauern, bis der betroffene Kältemittelverdichter 7 wieder angefahren und der Verflüssigungsprozess thermisch stabilisiert ist.FIG. 6 schematically shows the turbine utilization in the energy production part of a gas liquefaction plant in nominal operation described in US Pat. No. 7,114,351 B2. The additional turbine 24, which is kept ready in standby mode, is started in the event of the failure of another turbine 10 operating under full load during nominal operation of the gas liquefaction plant. Interruptions and Downtimes in the LNG production process can be the result in the event of failure of a turbine 10 and it may take several hours until the affected refrigerant compressor 7 is restarted and the liquefaction process is thermally stabilized.
Figur 7 zeigt schematisch und beispielhaft die Turbinenauslastung im Energieerzeugungsteil 2 einer Gasverflüssigungsanlage gemäß der Druckschrift der Anmelderin „All Electric Driven Refrigeration Compressors in LNG Plants Offer Advantages", KLEINER et al, GASTECH, 14. März 2005, XP- 001544023 im Nennbetrieb für den Kältemittelverdichterteil 4. Alle Turbinen 10 laufen unter Teillast 28. Es gibt keine Standby-Turbine 24. Die positive Lastreserve ist ausreichend, bei Ausfall einer Turbine 10 durch Erhöhen der Last der verbleibenden Turbinen 10 den unterbrechungsfreien Betrieb der Gasverflüssigungsanlage 1 sicherzustellen.Figure 7 shows schematically and by way of example the turbine utilization in the power generation part 2 of a gas liquefaction plant according to the document of the applicant "All Electric Driven Refrigeration Compressors in LNG Plants Offer Advantages", KLEINER et al, GASTECH, March 14, 2005, XP- 001544023 in nominal operation for the refrigerant compressor part 4. All turbines 10 are operating under part load 28. There is no standby turbine 24. The positive load reserve is sufficient to ensure the uninterrupted operation of the gas liquefaction plant 1 in the event of failure of a turbine 10 by increasing the load of the remaining turbines 10.
Figur 8 zeigt schematisch und beispielhaft eine alternative Turbinenauslastung im Energieerzeugungsteil 2 einerFIG. 8 shows schematically and by way of example an alternative turbine utilization in the energy generation part 2 of FIG
Gasverflüssigungsanlage gemäß der Druckschrift der Anmelderin „All Electric Driven Refrigeration Compressors in LNG Plants Offer Advantages", KLEINER et al, GASTECH, 14. März 2005, XP- 001544023 im Nennbetrieb für den Kältemittelverdichterteil 4. Alle Turbinen 10 laufen unter Teil- oder Volllast 28,27. Auch hier gibt es keine Standby-Turbine 24. Die Auslastung der Turbinen 10 ist jedoch nicht notwendigerweise gleich. Beispielsweise kann, neben anderen Parametern, die Maschinenstandzeit der Turbinen 10 bei der Bestimmung der Auslastung maschinenspezifisch berücksichtigt werden. Gas liquefaction plant according to the Applicant's patent application "All Electric Driven Refrigeration Compressors in LNG Plants Offer Advantages", KLEINER et al., GASTECH, March 14, 2005, XP-001544023 in nominal operation for the refrigerant compressor section 4. All turbines 10 are under partial or full load 28 , 27. Again, there is no standby turbine 24. However, the utilization of the turbines 10 is not necessarily the same.For example, among other parameters, the engine life of the turbines 10 may be considered machine specific in determining the workload.

Claims

Patentansprüche claims
1. Ein Verfahren zum unterbrechungsfreien Betrieb einer Gasverflüssigungsanlage (1) umfassend einen Energieerzeugungsteil (2), einen Übertragungsteil (3), einen Kältemittelverdichterteil (4) und eine Regeleinrichtung (5), wobei der Energieerzeugungsteil (2) eine Anzahl von Turbosätzen (6) und der Kältemittelverdichterteil (4) mindestens einen Kältemittelverdichter (7) und einen an den Kältemittelverdichter (7) angekoppelten Antriebsmotor (8) zum elektrischen Antrieb des Kältemittelverdichters (7) mit einem elektrischen Nennbedarf aufweisen, der Übertragungsteil (3) die im Energieerzeugungsteil (2) erzeugte Leistung dem Kältemittelverdichterteil (4) zur Verfügung stellt und die Regeleinrichtung (5) mit dem Energieerzeugungsteil (2) und dem Kältemittelverdichterteil (4) verbunden ist, und im Normalbetrieb die für den Nennbedarf erforderliche Leistung durch den Teil- oder Volllastbetrieb aller Turbosätze (6) bereitgestellt wird, wobei die Anzahl der Turbosätze (6) die Mindestanzahl übersteigt, die notwendig ist, die Kontinuität des Betriebs des Kältemittelverdichterteils (4) sicherzustellen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:1. A method for uninterrupted operation of a gas liquefaction plant (1) comprising a power generation part (2), a transmission part (3), a refrigerant compressor part (4) and a control device (5), wherein the power generation part (2) comprises a number of turbo sets (6). and the refrigerant compressor part (4) has at least one refrigerant compressor (7) and a drive motor (8) coupled to the refrigerant compressor (7) for electrically driving the refrigerant compressor (7) with a nominal electrical demand, the transmission part (3) being in the energy production part (2). generated power to the refrigerant compressor part (4) provides and the control device (5) with the power generation part (2) and the refrigerant compressor part (4) is connected, and in normal operation, the power required for the nominal demand by the partial or full load operation of all turbo sets (6 ), wherein the number of turbo sets (6) the Minde is necessary to ensure the continuity of operation of the refrigerant compressor part (4), characterized by the following steps:
- Kontinuierliches Überwachen des Betriebs zumindest solcher Verbraucher des Kältemittelverdichterteils (4), die einen zweistelligen Prozentanteil an der Gesamtlast des Kältemittelverdichterteils (4) darstellen,Continuously monitoring the operation of at least such consumers of the refrigerant compressor part (4) representing a two-digit percentage of the total load of the refrigerant compressor part (4),
- Berechnen einer insgesamt momentan verfügbaren negativen Lastreserve,Calculating a total currently available negative load reserve,
- Abschalten mindestens einer vorbestimmten Turbine (10), wenn die durch eine Frequenzregelung des oder der- Switching off at least one predetermined turbine (10), if by a frequency control of or
Kältemittelverdichter (7) erreichbare negative Lastreserve kleiner ist, als der Energiebedarf des größten der Kältemittelverdichter (7) und entweder ein Kältemittelverdichter (7) ausfällt oder eine Frequenzänderungsgeschwindigkeit (df/dt) imRefrigerant compressor (7) achievable negative load reserve is smaller than the energy requirement of the largest of the refrigerant compressor (7) and either a refrigerant compressor (7) fails or a frequency change rate (df / dt) in
Energieversorgungsnetz der Gasverflüssigungsanlage (1) eine vorgegebene Grenze überschreitet (121). Energy supply network of the gas liquefaction plant (1) exceeds a predetermined limit (121).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine insgesamt momentan verfügbare positive Lastreserve berechnet wird, und eine Verdichterantriebsdrehzahl bei Ausfall eines Turbosatzes (6) abgesenkt wird, wenn die positive Lastreserve kleiner ist als eine vom Turbosatz (6) vor dem Ausfall erbrachte Leistung.2. The method of claim 1, wherein a total currently available positive load reserve is calculated, and a compressor drive speed is lowered in case of failure of a turbo set (6), when the positive load reserve is smaller than one of the turbo set (6) before failure performance.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei mindestens ein vorbestimmter elektrischer Verbraucher der3. The method of claim 2, wherein at least one predetermined electrical load of the
Gasverflüssigungsanlage (1) abgeschaltet wird, wenn nach dem Ausfall des Turbosatzes (6) auch durch die abgesenkte Verdichterantriebsdrehzahl eine aktuelle Leistung der Turbosätze (6) den aktuellen Energiebedarf des Kältemittelverdichterteils (4) nicht decken kann.Gas liquefaction plant (1) is switched off when after the failure of the turbo set (6) and the lowered compressor drive speed, a current performance of the turbo sets (6) can not cover the current energy demand of the refrigerant compressor part (4).
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei Erreichen von vordefinierten unteren4. The method according to any one of the preceding claims, wherein upon reaching predefined lower
Netzfrequenzschwellwerten im Energieversorgungsnetz der Gasverflüssigungsanlage (1) vordefinierte Lasten abgeworfen werden . Mains frequency thresholds in the power supply network of the gas liquefaction plant (1) predefined loads are dropped.
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