EP4461785A1 - Verfahren zum betreiben einer verfahrenstechnischen anlage und anlage zur erzeugung von olefinen - Google Patents

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EP4461785A1
EP4461785A1 EP23020216.0A EP23020216A EP4461785A1 EP 4461785 A1 EP4461785 A1 EP 4461785A1 EP 23020216 A EP23020216 A EP 23020216A EP 4461785 A1 EP4461785 A1 EP 4461785A1
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EP
European Patent Office
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steam
steam turbine
compressor
machine
compressor machine
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EP23020216.0A
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English (en)
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Martin Kamann
Torben HÖFEL
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
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    • F05D2270/16—Purpose of the control system to control water or steam injection

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a process plant for producing olefins and to a plant for carrying out the method.
  • Olefins such as ethylene or propylene, but also diolefins such as butadiene and aromatics, can be produced from paraffins by steam cracking.
  • the corresponding processes have been known for a long time.
  • specialist literature such as the article " Ethylene” in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, online edition, April 15, 2007, DOI 10.1002/14356007.a10_045.pub2 , referred to.
  • the entire cracked gas or certain fractions can be hydrogenated during processing. This is used in particular to remove acetylenes.
  • a well-known process of steam cracking is in Figure 1 and the associated description of the EP 3 640 231 B1 which are incorporated by reference into these
  • a first feed gas is fed to a reactor from the plant boundary. This is essentially paraffins, in particular ethane.
  • a further or second feed gas is also fed to the reactor.
  • This second feed gas is a gas mixture returned from the process, which contains in particular ethane and hydrocarbons with three and four carbon atoms.
  • naphtha (or more generally hydrocarbons that are liquid under normal conditions) can also be used as the first feed gas in so-called “liquid cracking”.
  • the cracking gases formed can sometimes differ significantly.
  • the heat used which is usually generated in the form of under-firing, cannot be used exclusively for the desired conversion process and must be made usable in another way.
  • the use for heating purposes typically takes place at a reduced steam pressure level and it a corresponding amount of steam is extracted from the turbines at reduced pressure levels or at reduced temperatures.
  • the required shaft power is usually comparatively high, which means that additional high-pressure steam must be generated in steam boilers and/or imported into the steam system to generate the shaft power.
  • a large amount of steam must be expanded to vacuum conditions using appropriate steam turbines to generate maximum shaft power, although this steam can then no longer be used for heating purposes.
  • cracker tail gas is used to generate the steam, which may contain large amounts of hydrogen, the selective or other use of which may be more sensible.
  • the tail gas is, for example, a fraction separated in a so-called demethanizer, which can consist predominantly or exclusively of methane and hydrogen.
  • the present invention proposes a process for producing olefins and a corresponding plant for carrying out the process with the features of the independent claims.
  • Preferred Embodiments are the subject of the dependent claims and the following description.
  • pressure level and "temperature level” to characterize pressures and temperatures, which is intended to express that corresponding pressures and temperatures in a corresponding system do not have to be used in the form of exact pressure or temperature values. However, such pressures and temperatures typically move in certain ranges that are, for example, ⁇ 1%, 5%, 10%, 20% or 25% around an average value. Corresponding pressure levels and temperature levels can lie in disjoint ranges or in ranges that overlap one another. The same pressure level can also exist, for example, if unavoidable pressure losses occur. The same applies to temperature levels.
  • the pressure levels specified here in bar are absolute pressures.
  • Low-pressure steam is generally understood here to mean steam at a pressure level of 1 to 10 bar, in particular 4 to 8 bar; medium-pressure steam is understood to mean steam at a pressure level of 10 to 30 bar, in particular 15 to 25 bar; high-pressure steam is understood to mean steam at a pressure level of 30 to 60 bar, in particular 35 to 50 bar; and super-high-pressure steam is understood to mean steam at a pressure level of 60 to 175 bar, in particular 80 to 125 bar.
  • the present invention proposes a method for operating a process plant by which olefins are produced, wherein steam is generated using residual heat.
  • a compressor machine is used to compress a working medium, wherein the compressor machine is driven using a steam turbine.
  • a shaft of this steam turbine is connected to a shaft of the compressor machine, for example in a torque-transmitting manner.
  • the working medium that is compressed by the compressor machine can in particular be a product fraction and/or a coolant and/or another working medium.
  • the steam that is generated using the residual heat (or only a part thereof) is used to operate the steam turbine, with at least a part of the steam used to operate the steam turbine being extracted from an extraction stage of the steam turbine at a superatmospheric pressure level, in particular at a pressure level of at least 2 bar (i.e. in particular as low-pressure steam, but not as vacuum steam).
  • the compressor machine is also operated using an electric machine, whereby the power of the electric machine is adjustable.
  • the shaft of the electric machine is coupled to a train consisting of a compressor machine and a steam turbine in a torque-transmitting manner, for example, in order to support the latter in generating the necessary shaft power or, if excess shaft power is generated, to convert part of the shaft power generated by the steam turbine into electrical energy.
  • the proposed drive is therefore a hybrid drive using the steam turbine and the electric machine.
  • the electric machine does not have to be directly coupled to the steam turbine, but can be any mechanically coupled train that includes the compressor, steam turbine and the electric machine.
  • “Mechanically coupled” means that the train can be designed at any point with couplings and/or gears of various designs, for example for transmission between two or more shafts and/or as a speed control gear.
  • the train arrangement can also be different and, for example, be a "single-shaft arrangement" with any order.
  • the steam turbine can be coupled to several compressor housings, with the electric machine connected downstream of the compressor housings.
  • various intermediate gears such as a hydraulically or electrically controlled gear, or simply a speed-controlled gear of any design, can be connected between the electric machine and the compressor machines.
  • a so-called "gear turbo” can be used, in which a gear for simultaneous Transmission to several shafts on which compressor stages and the steam turbine can be arranged.
  • the proposed method advantageously makes it possible to operate the compressor machine, which is operated with the steam turbine and the electric machine, i.e. hybrid, at different power requirements, i.e. different required speeds. In particular, this is also possible with different power provision by the steam turbine.
  • the electric machine is in particular able to balance the power required by the compressor machine and the power generated by the steam turbine by supplying or removing the power difference between the power generated by the steam turbine and that required by the compressor machine. For example, in a case in which the compressor machine has a high power requirement but only a low power can be provided by the steam turbine due to small amounts of steam, the remaining power is supplied by the electric machine. The same applies to the opposite case in which the compressor machine only has a low power requirement but a high power is generated by the steam turbine. In this case, the excess power generated by the steam turbine can be converted by the electric machine into electrical power, which can either be stored or supplied to other loads. Generally speaking, the electric machine can balance the power in all cases, especially regardless of the power of the steam turbine.
  • the underfired power (for example in the steam boilers to generate additional high-pressure steam) can be significantly reduced and the energy utilization from the remaining underfired power can be increased, since the electrical machines preferably replace steam power processes in the plant which relax the steam to an unusable pressure and temperature level.
  • Such steam power processes have an efficiency of less than 30% (MW shaft power / MW underfired power) in process engineering plants for producing olefins. If the imported electricity requirement to drive the electrical machine(s) is based on a generation efficiency of 37.5% or higher (MW electrical power / MW underfired power), for example, the overall energy efficiency can be significantly increased. Furthermore, direct emissions can be significantly reduced due to electrification and the increase in efficiency.
  • the application of the process is particularly cost-effective in situations in which primary energy costs, i.e. costs for the fuel for underfiring, are high and electricity costs are comparatively moderate or low.
  • the power of the electric machine coupled to the compressor machine and steam turbine can be adjusted so that the shaft power required by the compressor machine is provided (in the sense of the power balancing already described above). This increases the efficiency of the energy system, since the additional import of high-pressure steam to generate additional shaft power using a steam turbine is no longer necessary.
  • the electrical machine is operated as an electric motor that supplies power to the train of compressor machine and steam turbine, or as a generator that converts power generated by the train of compressor machine and steam turbine into electrical energy.
  • the electrical machine is operated as a generator, the converted electrical energy can be used to operate other compressor machines that are not operated by a steam turbine.
  • the electrical machine that is coupled to the train of compressor machine and steam turbine to be designed to be operated either as an electric motor or as a generator, depending on the situation, and to switch between the two operating modes.
  • the electric machine can thus be used either as an electric motor to support the compressor machine and/or steam turbine or as a generator to generate electricity that can be used later in the process or in another part of the site where the process plant is operated. This makes the process flexible and, in a situation where more power is generated by the steam turbines than is consumed by the coupled compressor machine, it can generate electricity that can be stored, used elsewhere on site or fed into the general electricity grid.
  • the electrical machine is coupled to the electrical energy supply via a frequency converter, in particular a regenerative frequency converter, for power adjustment.
  • the operation of the electrical machine can be flexibly adapted to the necessary operating conditions, meaning that the process can be used in a wide variety of situations. This increases the efficiency of the energy system consisting of a steam turbine and an electrical machine.
  • the electrical machine can be operated as an electric motor and generator in a simple, flexible and cost-effective manner.
  • the electric machine can act as a generator, particularly at high turbine power, and generate electricity that can be stored, used elsewhere on site, or fed into the general power grid, as described above.
  • the electric machine is coupled to the compressor machine/steam turbine via a speed control gear with a superposition motor for power adjustment, wherein the electric machine itself is designed in particular as a fixed speed motor.
  • the electric machine is coupled to the compressor machine/steam turbine via a hydraulic speed control gear for power adjustment, wherein the electric machine itself is designed in particular as a fixed speed motor.
  • the power setting of the electrical machine can be achieved not only by the design of the motor itself, but also by the other components in the entire train, thus enabling flexible adjustment of the power.
  • At least part of the steam used to operate the steam engine is extracted from the extraction stage of the steam turbine at a pressure level between 2 bar and 80 bar (low-pressure steam), in particular 4 to 8 bar, or 10 to 30 bar (medium-pressure steam), in particular 15 to 25 bar, 30 to 60 bar (high-pressure steam), for example 35 to 50 bar.
  • low-pressure steam low-pressure steam
  • medium-pressure steam medium-pressure steam
  • high-pressure steam high-pressure steam
  • the steam turbine no longer has the primary task of generating shaft power, but is mainly used to provide the steam quantities at the respective pressure levels of the thermal consumers, which contributes to the efficiency improvements described above.
  • the compressor machine is part of a raw gas or refrigerant compressor or is operated as a raw gas or refrigerant compressor.
  • a raw gas compressor is in particular designed in several stages and in particular compresses a significant part of a product mixture formed in the process.
  • a refrigerant compressor can also be designed in several stages and be part of a refrigeration machine or a refrigerant circuit in which a conventional refrigerant such as propylene or ethylene (“C3 refrigerant", "C2 refrigerant”) is used.
  • At least two compressor machines are provided for compressing working media, wherein at least one compressor machine is part of a raw gas compressor or is operated as a raw gas compressor and at least one compressor machine is part of a refrigerant compressor or is operated as a refrigerant compressor.
  • compressor machines that are not driven by a steam turbine are driven by an electric motor or by one electric motor each.
  • all electric motors have a similarly high rated power and rated speed, so that standardized electric motors and power control electronics can be used.
  • less than 10% of a total amount of steam supplied to the steam turbine is expanded to below 2 bar and condensed by means of a condenser.
  • the process can therefore be designed in such a way that a condenser for condensing a quantity of steam expanded to ambient or vacuum conditions does not have to be provided, or the size of the condenser provided can be kept small. This means that the process plant in which the process is carried out can be optimized in terms of costs and energy efficiency.
  • the steam turbine in this context is mainly used as a backpressure turbine to provide the steam quantities at the respective pressure levels of the thermal consumers, instead of expanding the steam to an unusable temperature level, which contributes to the efficiency improvements described above.
  • the process can therefore advantageously be designed in such a way that a boiler does not have to be provided for balancing or the number and/or size of the boilers can be kept low, since only the steam from the residual heat of the high-temperature conversion process is used for backpressure turbines and for thermal use. This means that the process plant in which the process is carried out can be optimized in terms of costs and energy efficiency.
  • the device for producing olefins further comprises a heat pump which is operated by a steam turbine and an electrical machine coupled to the steam turbine.
  • the device for producing olefins further comprises a compressor machine that is driven by a gas turbine, wherein the compressor machine is additionally operated by an electric machine that is coupled to the train of compressor machine and gas turbine in a torque-transmitting manner.
  • the power of the electric machine is adjustable so that the power required by the compressor machine is provided by the gas turbine and the electric machine.
  • the proposed plant for producing olefins is designed to carry out a process according to one of the variants presented.
  • FIG. 1 is a block diagram of a steam system of a non-inventive process plant, in particular a liquid cracker, for producing olefins.
  • This has four main steam pressure stages: a super high pressure (SHP), a high pressure (HP), a medium pressure (MP) and a low pressure (LP) stage.
  • SHP super high pressure
  • HP high pressure
  • MP medium pressure
  • LP low pressure
  • the high-temperature process for producing the olefins generates 620 t/h of super high pressure steam, which is fed to the super high pressure stage SHP of the steam system.
  • steam is consumed and/or supplied due to other processes, such as operation of small back pressure turbines, thermal consumption and/or import/export of steam from/to other parts of the process plants or other process plants operated at the same location.
  • Three compressor machines 21, 22, 23, which can in particular be part of a refrigeration machine and/or raw gas machine in order to compress product fractions and/or coolants and/or other working media, are each driven by a steam turbine 1a, 1b, 1c, which in the case shown are extraction turbines, with steam being extracted at least partially by the steam turbines 1a, 1b, 1c at a pressure level between 2 bar and 80 bar a.
  • the compressor machines 21, 22, 23 are in particular of different sizes and have different performance requirements.
  • the three steam turbines 1a, 1b, 1c simultaneously control the mass balance of the super-high-pressure steam, medium-pressure steam and low-pressure steam.
  • the mass balance of the high-pressure stage is controlled by importing high-pressure steam from a high-pressure boiler (not shown).
  • 128 t/h of steam are expanded to vacuum conditions from the first steam turbine 1a and extracted from this.
  • the remaining amount of super high pressure steam (492 t/h) supplied to the first steam turbine 1a is expanded to high pressure steam and fed to the high pressure stage HP.
  • the first steam turbine 1a generates an output of 65 MW with which the first compressor machine 21 is driven and balances the super high pressure stage SHP by extracting 620 t/h of steam from it.
  • the high pressure stage HP is also supplied with 237 t/h of steam from a high pressure boiler (not shown), which is used to balance the high pressure stage HP. Furthermore, 350 t/h of steam is removed from the high pressure stage HP.
  • the second steam turbine 1b generates an output of 22 MW from 159 t/h of high-pressure steam, which drives the second compressor machine 22.
  • 79 t/h of steam are expanded to vacuum conditions and extracted.
  • the remaining 80 t/h are fed as medium-pressure steam to the medium-pressure stage MP for balancing.
  • 140 t/h of steam are still imported into the medium-pressure stage MP and 220 t/h of steam are exported from the medium-pressure stage MP.
  • the third steam turbine 1c uses the remaining amount of high-pressure steam (220 t/h) to generate 36 MW of power for the operation of the third compressor machine 23.
  • 120 t/h of steam are expanded to vacuum conditions and extracted and 100 t/h of low-pressure steam are fed to the low-pressure stage LP to balance them.
  • An additional 200 t/h of steam are fed to the low-pressure stage LP and a total of 300 t/h of steam are discharged from it.
  • the entire process (including the process side, not shown in detail in the figures) has an energy requirement of approximately 21.11 GJ/t ethylene and propylene.
  • FIG. 2 shows a block diagram of a process plant for the production of olefins which are designed to carry out an embodiment of the process according to the invention and which comprises a partially electrified strand of Compressor machines 21, 21a, 21b, steam turbine 1a and electric motor 3a as well as a fully electrified compressor machine 22. While in the following figures the strings of compressor machine and steam turbine are shown with only one compressor machine, it is basically possible that the strings are arranged several times one after the other, as in the string of the Figure 2 , or compressor machines 21, 21a, 21b connected in parallel. Furthermore, the arrangement of the electric motor 3a to the steam turbine 1a is not to be seen as restrictive.
  • the electric motor can be coupled to the compressor machine 21b in the train consisting of steam turbine 1a and compressor machines 21, 21a, 21b. Furthermore, the arrangement of compressor machines 21, 21a, 21b and steam turbine 1a is not fixed, but can be in any order. Furthermore, it is possible for intermediate gears to be arranged between the various elements of a train. Furthermore, it should be noted in particular that when the electric motor 3a is connected to the train, a gear, for example a hydraulic gear or a gear of any other type, can be interposed, with which the power of the electric motor 3a can be adjusted. In particular, more than one electric motor 3a can be coupled to the train of steam turbine 1a and compressor machines 21, 21a, 21b.
  • a frequency converter to be present at the power connection of the electric motor 3a, so that the power of the electric motor 3a can be adjusted via the frequency converter and the motor can also be operated as a generator.
  • the second compressor machine 22 is operated completely electrically with a second electric machine 3b.
  • the power required for operation (22 MW) is supplied to the second electric machine 3b from outside.
  • the second steam turbine 1b between the high-pressure stage HP and the medium-pressure stage MP is no longer used, which eliminates the possibility of balancing the medium-pressure stage MP using the second steam turbine 1b.
  • the first compressor machine 1a is operated with the steam turbine 1a, which is designed as a backpressure turbine and is connected to a speed-controlled first electric machine 3a is coupled, whereby the control of two steam pressure stages, the super-high pressure stage SHP and the medium pressure stage MP, can be achieved.
  • the first electrical machine 3a also closes the power balance of the first compressor machine 21.
  • the first electrical machine 3a has a similar power to the second electrical machine 3b, which is used to drive the second compressor machines 22.
  • 620 t/h of steam are supplied to the super high pressure stage SHP, from which the first steam turbine generates 41 MW of power with which the first compressor machine 21 is operated. Since this has a power requirement of 65 MW, in this embodiment the first electrical machine 3a generates an output of 24 MW.
  • the first steam turbine supplies 540 t/h of high pressure steam to the high pressure stage HP and 80 t/h of medium pressure steam to the medium pressure stage.
  • the consumption of high pressure steam for external processes is still 350 t/h and 221 t/h are required to operate the third steam turbine 1c, so that 31 t/h of high pressure steam must be supplied to the high pressure stage from an external high pressure steam boiler.
  • the power required for the operation of the non-electrically operated third compressor machine 23 (36 MW) is covered by the third steam turbine 1c by expanding high-pressure steam (221 t/h) from the high-pressure stage HP to vacuum conditions (121 t/h) and generating low-pressure steam (100 t/h), which is fed to the low-pressure stage LP.
  • the third compressor machine 23 can also be operated fully electrically instead of the second compressor machine 22.
  • the design of the high-temperature process can be optimized so that it produces less super high-pressure steam (580 t/h) in order to save even more thermal energy.
  • the third steam turbine 1c expands 59 t/h of steam to vacuum conditions in order to provide the 22 MW of power required to operate the second compressor machine. Furthermore, the first electric machine 3a provides 26 MW of power to operate the first compressor machine 21, since the first steam turbine 1a only generates 39 MW of power due to the smaller amount of super high-pressure steam. However, since the steam requirement of the third steam turbine 1c also decreases, only 9 t/h of high-pressure steam needs to be supplied to the high-pressure stage HP from the high-pressure boiler.
  • the amount of high-pressure steam generated by the high-pressure boiler is reduced by a further 22 t/h, while the amount of steam expanded to vacuum conditions is reduced by a further 62 t/h.
  • the energy requirement in this embodiment is 20.21 GJ/t ethylene and propylene. This further increases the overall energy efficiency of the process plant in contrast to conventional plants, since only 95.7% of the energy of the conventional process ( Figure 1 ) are required.
  • Figure 3 shows a block diagram of another process plant for producing olefins, which is designed to carry out an embodiment of the process according to the invention and has two partially electrified lines consisting of compressor machine 21, 23, steam turbine 1a, 1b and electric motor 3a, 3c as well as a fully electrified compressor machine 22.
  • compressor machine 21 a partially electrified line consisting of compressor machine 21, 23, steam turbine 1a, 1b and electric motor 3a, 3c as well as a fully electrified compressor machine 22.
  • the same reference numerals refer to the same components and for further details reference is made to the above description.
  • the third steam turbine 1c is replaced by the second electric machine 3b, wherein the second steam turbine 1b provides the power for the third compressor machine 23, while the second compressor machine 22 is fully electrified, ie is driven by the second electric machine 3b.
  • the third compressor machine 23 could be operated fully electrically by the second electric machine.
  • the second steam turbine 22 is designed as an extraction turbine and coupled to a third electric machine 3c, which balances the power balance of the third compressor machine 23.
  • the control degrees of freedom of the pressure stages are thus compensated by the first and third electric machines 3a, 3c, which are designed in particular as speed-controlled electric motors, whereby the first and second steam turbines 1a, 1b can each balance two steam pressure stages.
  • the electric machines 3a, 3b, 3c all have a similar power requirement (22 MW, 21 MW, 22 MW).
  • the first steam turbine 1a is designed as a backpressure turbine, but does not lead to Figure 2 Steam is not supplied to the high-pressure stage HP and the medium-pressure stage MP, but to the high-pressure stage HP and the low-pressure stage LP. To do this, the first steam turbine 1a extracts 580 t/h of steam from the super-high-pressure stage SHP and supplies 480 t/h of steam to the high-pressure stage HP and 100 t/h of steam to the low-pressure stage LP. The first steam turbine thus generates 43 MW of power, which, together with the 22 MW generated by the first electrical machine 3a, drives the first compressor machine 21.
  • the second steam turbine 1b supplies 15 MW for the operation of the third compressor machine 23, while the remaining 21 MW are provided by the third electrical machine 3c.
  • the second steam turbine expands and extracts 50 t/h of steam to vacuum conditions and supplies 80 t/h of medium-pressure steam to the medium-pressure stage MP.
  • Figure 4 shows a block diagram of another process plant for producing olefins, which is designed to carry out an embodiment of the process according to the invention and has two partially electrified lines consisting of compressor machine 21, 23, steam turbine 1a, 1b and electric motor 3a, 3c as well as a fully electrified compressor machine 22.
  • compressor machine 21 a partially electrified line consisting of compressor machine 21, 23, steam turbine 1a, 1b and electric motor 3a, 3c as well as a fully electrified compressor machine 22.
  • the same reference numerals refer to the same components and for further details reference is made to the above description.
  • the first steam turbine 1a does not balance the high pressure stage HP and the low pressure stage LP, but rather the high pressure stage HP and the medium pressure stage MP, while the second steam turbine 1b balances the low pressure stage LP.
  • the super high pressure stage SHP is not balanced by the first steam turbine 1a, but rather via the high temperature process or a connected super high pressure boiler.
  • 530 t/h of steam are fed to the super-high pressure stage SHP, from which the first steam turbine 1a, which is designed as a back-pressure turbine, generates 36 MW of power.
  • the first electric machine 3a supplies an additional 29 MW of power, so that the energy requirement of the first compressor machine 1a (65 MW) is covered.
  • the first steam turbine 1a supplies 450 t/h of high-pressure steam to the high-pressure stage HP and 80 t/h of medium-pressure steam to the medium-pressure stage MP. Steam is not expanded to vacuum conditions.
  • the second steam turbine 1b which is also designed as a back-pressure turbine, generates 9 MW of power from 100 t/h of high-pressure steam taken from the high-pressure stage HP, which, together with the 27 MW provided by the third electric machine 3c, covers the power requirement of the third compressor machine 23 (36 MW).
  • the second steam turbine 1b supplies 100 t/h of low-pressure steam to the low-pressure stage LP for balancing.
  • the power requirement of the second compressor machine 22 (22 MW) is completely covered by the second electric machine 3b.
  • the remaining 350 t/h of high pressure steam are from the high pressure stage HP, the remaining 220 t/h of medium pressure steam from the medium pressure stage MP and the 300 t/h Low pressure steam is taken from the low pressure stage LP for further use in the respective pressure stage.
  • Figure 5 shows a block diagram of another process plant for producing olefins, which is designed to carry out an embodiment of the process according to the invention and has a partially electrified line consisting of compressor machine 21, steam turbine 1a and electric motor 3a as well as two fully electrified compressor machines 22, 23.
  • the same reference numerals refer to the same components and for further details, reference is made to the above description.
  • the first steam turbine 1a is designed as an extraction turbine and regulates or balances all four pressure stages with the aid of the first electrical machine 3a.
  • the high-temperature process supplies the super-high-pressure stage SHP with 620 t/h of super-high-pressure steam, which is taken from the first steam turbine 1a. From this, the first steam turbine 1a generates 69 MW of shaft power, of which 65 MW are used to operate the first compressor machine 21 and 4 MW are converted into electrical energy by the first electrical machine 3a.
  • the first steam turbine expands 90 t/h of steam to vacuum conditions.
  • the first steam turbine 1a also supplies the high-pressure stage HP with 350 t/h of high-pressure steam, which balances the high-pressure stage HP and eliminates the need for a high-pressure boiler.
  • the first steam turbine 1a supplies 80 t/h of medium-pressure steam to the medium-pressure stage MP, which is taken from the medium-pressure stage MP for further use together with the 140 t/h of steam supplied to the medium-pressure stage MP.
  • the low-pressure stage LP is supplied with 100 t/h of low-pressure steam by the first steam turbine 1a, which is taken from the low-pressure stage LP for further use together with the 200 t/h of steam supplied to the low-pressure stage LP.
  • the second and third compressor machines 22, 23 are operated fully electrically by the second and third electrical machines 3b, 3c.
  • Figure 6 shows a block diagram of another process plant for producing olefins, which is designed to carry out an embodiment of the process according to the invention and has a partially electrified line consisting of a compressor machine 21, steam turbine 1a and electric motor 3a, a partially electrified line consisting of a heat pump 4, steam turbine 1b and electric motor 3d, and two fully electrified compressor machines 21, 22.
  • the same reference numerals refer to the same components and for further details, reference is made to the above description.
  • first and second steam turbines 1a, 1b are designed as backpressure turbines, wherein the first steam turbine 1a balances the super-high pressure stage SHP and the medium pressure stage MP, the second steam turbine 1b balances the high pressure steam stage HP and the heat pump 4, which is coupled to the second steam turbine 1b, balances the low pressure stage LP.
  • the high-temperature process delivers 500 t/h and 460 t/h of super-high-pressure steam respectively.
  • the first steam turbine 1a balances the super-high-pressure stage SHP by extracting the entire amount of super-high-pressure steam from it and thereby generating 34 MW or 31 MW of power.
  • the first electric machine 3a coupled to the first steam turbine 1a supplies 31 MW or 34 MW of power.
  • the first steam turbine 1a also balances the medium-pressure stage MP by supplying it with 80 t/h of medium-pressure steam in both cases, which is extracted together with the 140 t/h of steam supplied to the medium-pressure stage MP for use in further processes.
  • the first steam turbine 1a also supplies 420 t/h or 380 t/h of high-pressure steam to the high-pressure steam stage HP, from which 350 t/h of high-pressure steam are extracted for further use.
  • the second steam turbine 1b balances the high-pressure stage HP by extracting the remaining 70 t/h or 30 t/h of high-pressure steam to generate 6 MW or 3 MW of power, respectively, which is fed to the heat pump 4, which has a coefficient of performance of 3, i.e. 3 MW of heat output is generated from 1 MW of input power.
  • the second steam turbine 1b continues to supply 70 t/h or 30 t/h of low-pressure steam to the low-pressure stage LP, to which 200 t/h of low-pressure steam are further supplied and 300 t/h of low-pressure steam are taken for further use.
  • the heat pump 4 In order to balance the low-pressure stage LP, the heat pump 4 generates the remaining 30 t/h or 70 t/h of low-pressure steam. In the first case, the heat pump 4 uses the 6 MW of electrical power supplied by the second steam turbine 1b and a further 18 MW supplied externally.
  • the heat pump 4 uses the 3 MW of electrical power supplied by the second steam turbine 1b, as well as 12 MW of power from a fourth electrical machine 3d, which is coupled to the second steam turbine 1b, and 45 MW of power supplied externally to the heat pump 4.
  • Figure 7a shows a block diagram of a non-inventive process plant for producing olefins in which steam is only supplied to the super-high pressure stage (620 t/h). In this case, no steam is supplied externally to the other pressure stages.
  • the same reference numerals refer to the same components and for further details, reference is made to the above description.
  • 20 t/h of steam are taken from the high-pressure stage HP for external processes and 309 t/h are fed to the second steam turbine 1b.
  • the second steam turbine 1b expands 139 t/h of steam to vacuum conditions and generates 40 MW of shaft power, which is used to operate the second compressor machine 22.
  • the second steam turbine 1b also supplies the medium-pressure stage MP with 170 t/h of medium-pressure steam, which balances the medium-pressure stage MP and is taken for further use.
  • the remaining 51 t/h of high-pressure steam are fed from the high-pressure stage HP to the third steam turbine 1c, which expands and extracts 26 t/h of steam to vacuum conditions. This generates 8 MW of power, which is used to operate the third compressor machine 23.
  • the third steam turbine 1c also feeds 25 t/h of low-pressure steam to the low-pressure stage, which in turn is made available to external processes.
  • the process has an energy requirement of 17 GJ/t ethylene (including the process side, not shown in detail in the figures).
  • Figure 7b shows a block diagram of another process plant for producing olefins which is used to carry out an embodiment of the process according to the invention in which steam is only supplied to the super-high pressure stage and has a partially electrified line consisting of compressor machine 22, steam turbine 1a and electric motor 3a as well as two fully electrified compressor machines 22, 23.
  • the same reference numerals refer to the same components and for further details reference is made to the above description.
  • the Figure 7b The process plant shown has only a first steam turbine 1a, which is coupled to a first electrical machine 3a and drives the first compressor machine 21, while the second and third compressor machines 22, 23 are driven by a second and third electrical machine 3b, 3c, respectively.
  • the first steam turbine 1a is also coupled to the first electrical machine 3a in a torque-transmitting manner.
  • the super-high-pressure stage SHP is in turn supplied with 620 t/h of steam from the high-temperature process.
  • the first steam turbine 1a takes 195 t/h of steam from the super-high-pressure stage SHP and generates 22 MW of electrical power from it, which is used together with the 43 MW generated by the first electrical machine 3a to operate the first compressor machine 21.
  • the first steam turbine supplies the medium-pressure stage MP with 170 t/h of medium-pressure steam and the low-pressure stage LP with 25 t/h of low-pressure steam, which is taken from both stages for further use.
  • the first steam turbine 1a thus balances the medium-pressure stage MP and the low-pressure stage LP.
  • the high pressure stage HP has a low steam requirement, which can be covered by expanding super high pressure steam. To balance the super high pressure stage, the remaining amount of super high pressure steam is exported.
  • the energy requirement of the process plant is 15.4 GJ/t ethylene and is therefore 90.8% of the energy requirement of conventional plants. Furthermore, no export of steam to vacuum conditions takes place.
  • a hybrid design can also be implemented using a gas turbine (not shown in the examples).
  • a gas turbine (not shown in the examples).
  • a large gas turbine is coupled to a generator and the propylene compressor.
  • the electricity generated can then be used, for example, to electrically drive at least one other machine (including the electric motor-steam turbine hybrid).
  • the fuel gas saved due to increased electrical imports is stored, it can be converted back into electricity at any time via a gas turbine and therefore serves as a stationary storage facility for electrical energy that can be used to adapt to the electricity price or electricity market.
  • the system can be supported by a power management system, for example to stop or reduce load shedding in the factory network by adjusting the power of the drive in generator operation, which can stabilize the (factory) network.
  • a power management system for example to stop or reduce load shedding in the factory network by adjusting the power of the drive in generator operation, which can stabilize the (factory) network.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer verfahrenstechnischen Anlage, durch die Olefine erzeugt werden, wobei unter Verwendung von Restwärme Dampf erzeugt wird. Die verfahrenstechnische Anlage weist dabei eine Verdichtermaschine (21, 21a, 21b, 22, 23) auf, die zum Verdichten eines Arbeitsmediums verwendet wird, wobei die Verdichtermaschine (21, 21a, 21b, 22, 23) mit einer Dampfturbine (1a, 1b, 1c) angetrieben wird, wobei zum Betreiben der Dampfturbine (1a, 1b, 1c) der Dampf verwendet wird, der unter Verwendung der Restwärme erzeugt wird. Die Extraktionsstufe der Dampfturbine (1a, 1b, 1c) extrahiert zumindest einen Teil des zum Betreiben der Dampfmaschine verwendeten Dampfs auf einem überatmosphärischen Druckniveau, insbesondere von mehr als oder gleich 2 bar, wobei die Verdichtermaschine (21, 21a, 21b, 22, 23) zusätzlich mit einer elektrischen Maschine (3a, 3b, 3c) betrieben wird, welche drehmomentübertragend an die Verdichtermaschine (21, 21a, 21b, 22, 23) und die Dampfturbine (1a, 1b, 1c) gekoppelt ist, und die Leistung der elektrischen Maschine (3a, 3b, 3c) einstellbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer verfahrenstechnischen Anlage zur Erzeugung von Olefinen sowie eine Anlage zum Durchführen des Verfahrens.
    • Hintergrund
  • Olefine wie Ethylen oder Propylen, aber auch Diolefine wie Butadien sowie Aromaten, können durch Dampfspalten (engl. Steam Cracking) aus Paraffinen hergestellt werden. Entsprechende Verfahren sind seit langem bekannt. Zu Details sei auf Fachliteratur wie den Artikel "Ethylene" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Onlineausgabe, 15. April 2007, DOI 10.1002/14356007.a10_045.pub2, verwiesen.
  • Beim Dampfspalten wird ein sogenanntes Spaltgas (engl. Cracked Gas) erhalten, das neben den Zielprodukten nicht umgesetzte Kohlenwasserstoffe und unerwünschte Nebenprodukte enthält. Dieses Spaltgas wird in bekannten Verfahren zunächst einer Aufbereitung unterworfen, bevor es einer Fraktionierung bzw. Trennung zur Gewinnung unterschiedlicher Kohlenwasserstoffe bzw. Fraktionen zugeführt wird. Details sind in dem zitierten Artikel insbesondere in Abschnitt 5.3.2.1, "Front-End Section" und 5.3.2.2., "Hydrocarbon Fractionation Section", beschrieben.
  • Mitunter ist es erwünscht, durch Dampfspalten ethanreiche Einsätze unter Bildung möglichst geringer Mengen an Nebenprodukten zu Ethylen umzusetzen. In diesem Zusammenhang werden neben nicht umgesetztem Ethan auch beim Dampfspalten gebildete Kohlenwasserstoffe mit drei und vier Kohlenstoffatomen typischerweise wieder in den oder die verwendeten Reaktoren zurückgeführt.
  • Je nach Bedarf kann eine Hydrierung des gesamten Spaltgases oder bestimmter Fraktionen im Zuge der Aufbereitung erfolgen. Diese dient insbesondere der Entfernung von Acetylenen.
  • Ein bekanntes Verfahren des Dampfspaltens ist in Figur 1 und der zugehörigen Beschreibung der EP 3 640 231 B1 beschrieben, welche durch Bezugnahme in diese Anmeldung aufgenommen ist. Dabei wird einem Reaktor von der Anlagengrenze ein erstes Einsatzgas zugeführt. Es handelt sich dabei im Wesentlichen um Paraffine, insbesondere um Ethan. Ferner wird dem Reaktor ein weiteres bzw. zweites Einsatzgas zugeführt. Bei diesem zweiten Einsatzgas handelt es sich um ein aus dem Verfahren zurückgeführtes Gasgemisch, das insbesondere Ethan und Kohlenwasserstoffe mit drei und vier Kohlenstoffatomen enthält.
  • Alternativ zur Verwendung von Ethan (oder allgemeiner unter Normalbedingungen gasförmigen Kohlenwasserstoffen) beim sogenannten "Gascracken" kann bei sogenanntem "Flüssigcracken" auch Naphtha (oder können allgemeiner unter Normalbedingungen flüssige Kohlenwasserstoffe) als erstes Einsatzgas verwendet werden. Je nach dem verwendeten Einsatz unterscheiden sich die gebildeten Spaltgase mitunter deutlich.
  • Beim Steamcracken oder auch bei anderen Verfahren wie der Propandehydrierung werden typischerweise alkanische Kohlenwasserstoffe bei vergleichsweise niedrigem Druck und hohen Temperaturen zu den gewünschten Produkten in Form einer komplexen Kohlenwasserstoffmischung (im Falle des Steamcrackens dem erwähnten Spaltgas) umgesetzt. Diese Kohlenwasserstoffmischung wird im Folgenden in Produktfraktionen zerlegt, meist mittels Anwendung von thermischen Trennverfahren unter erhöhtem Druck und verringerter Temperatur (d. h. Destillationen). Hierzu wird einerseits Kohlenwasserstoffmischung (ggf. nach oder im Zuge der Entfernung von Sauergasen) verdichtet und es erfolgt andererseits die Verdichtung von Kältemitteln, die in der thermischen Trennung Anwendung finden.
  • Im Zuge des Hochtemperatur-Konversionsprozesses kann die eingesetzte Wärme, die zumeist in Form von Unterfeuerung erzeugt wird, nicht ausschließlich für den gewünschten Konversionsprozess genutzt werden und muss anderweitig nutzbar gemacht werden. Dies erfolgt typischerweise in Form einer Dampferzeugung, beispielsweise im Zuge der Kühlung der umgesetzten Kohlenwasserstoffmischung (Spaltgaskühlung) und/oder im Zuge der Wärmerückgewinnung in der sogenannten Konvektionszone eines Steamcrackers, wobei der erzeugte Dampf wiederum zur Erzeugung von Wellenleistung (mittels Dampfturbinen) für die o.g. Verdichtungsprozesse und/oder für Heizzwecke genutzt wird. Die Nutzung für Heizzwecke erfolgt typsicherweise auf einem verringertem Dampfdruckniveau und es wird eine entsprechende Menge Dampf aus den Turbinen auf verringerten Druckniveaus bzw. bei verringerten Temperaturen extrahiert.
  • Die benötigte Wellenleistung ist in der Regel jedoch vergleichsweise hoch, wodurch zusätzlicher Hochdruckdampf zur Erzeugung der Wellenleistung in Dampfkesseln erzeugt und/oder in das Dampfsystem importiert werden muss. Weiterhin muss eine große Menge Dampf zur maximalen Erzeugung von Wellenleistung mittels entsprechender Dampfturbinen auf Vakuumbedingungen entspannt werden, wobei dieser Dampf anschließend nicht mehr für Heizzwecke genutzt werden kann. Außerdem wird zur Erzeugung des Dampfes unter anderem Cracker-Tailgas verwendet, welches unter Umständen größere Mengen Wasserstoff beinhaltet, dessen selektive oder anderweitige Nutzung unter Umständen sinnvoller sein kann. Bei dem Tailgas handelt es sich beispielsweise um eine in einem sogenannten Demethanizer abgetrennte Fraktion, die überwiegend oder ausschließlich aus Methan und Wasserstoff bestehen kann.
  • Der hohe Bedarf an Wellenleistung und das Decken dieses Bedarfs allein mit Dampfturbinen erzeugt somit ein ineffizientes Energiesystem, bei dem große Mengen an Primärenergie schließlich im Zuge einer Vakuumdampf-Kondensation an die Umgebung abgegeben werden.
  • Hinzu kommt, dass die thermische Nutzung auf unterschiedlichen Druckniveaus erfolgt, so dass in der Regel mehrere Extraktionsturbinen zum Einsatz kommen müssen. Hierdurch ergeben sich gewisse Beschränkungen in den verwendbaren Antriebsmöglichkeiten.
  • Daher besteht Bedarf an der Verbesserung der Effizienz des Gesamtsystems, insbesondere im Hinblick auf die erwähnten Beschränkungen.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Olefinen sowie eine entsprechende Anlage zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Vor der Erläuterung der Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend einige bei der Beschreibung der Erfindung verwendete Begriffe näher definiert.
  • Die vorliegende Anmeldung verwendet zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen die Begriffe "Druckniveau" und "Temperaturniveau", wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass entsprechende Drücke und Temperaturen in einer entsprechenden Anlage nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in bestimmten Bereichen, die beispielsweise ± 1 %, 5%, 1 0%, 20% oder 25% um einen Mittelwert liegen. Entsprechende Druckniveaus und Temperaturniveaus können in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen. Dasselbe Druckniveau kann beispielsweise auch noch vorliegen, wenn es zu unvermeidlichen Druckverlusten kommt. Entsprechendes gilt für Temperaturniveaus. Bei den hier in bar angegebenen Druckniveaus handelt es sich um Absolutdrücke.
  • Unter Niederdruckdampf soll hier allgemein Dampf auf einem Druckniveau von 1 bis 10 bar, insbesondere von 4 bis 8 bar, unter Mitteldruckdampf Dampf auf einem Druckniveau von 10 bis 30 bar, insbesondere von 15 bis 25 bar, unter Hochdruckdampf Dampf auf einem Druckniveau von 30 bis 60 bar, insbesondere von 35 bis 50 bar, und unter Superhochdruckdampf Dampf auf einem Druckniveau von 60 bis 175 bar, insbesondere von 80 bis 125 bar, verstanden werden.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zum Betreiben einer verfahrenstechnischen Anlage vor, durch die Olefine erzeugt werden, wobei unter Verwendung von Restwärme Dampf erzeugt wird. In dem Verfahren wird eine Verdichtermaschine zum Verdichten eines Arbeitsmediums verwendet, wobei die Verdichtermaschine unter Verwendung einer Dampfturbine angetrieben wird. Dazu ist eine Welle dieser Dampfturbine beispielweise drehmomentübertragend mit einer Welle der Verdichtermaschine verbunden.
  • Bei dem Arbeitsmedium, das durch die Verdichtermaschine verdichtet wird, kann es sich insbesondere um eine Produktfraktion und/oder ein Kältemittel und/oder ein anderes Arbeitsmedium handeln. Zum Betreiben der Dampfturbine wird dabei der Dampf verwendet, der unter Verwendung der Restwärme (oder auch nur eines Teils hiervon) erzeugt wird, wobei aus einer Extraktionsstufe der Dampfturbine zumindest ein Teil des zum Betreiben der Dampfturbine verwendeten Dampfs auf einem überatmosphärischen Druckniveau, insbesondere auf einem Druckniveau von mindestens 2 bar (d.h. insbesondere als Niedrigdruckdampf, aber nicht als Vakuumdampf) extrahiert wird.
  • Die Verdichtermaschine wird neben der Dampfturbine ferner unter Verwendung einer elektrischen Maschine betrieben, wobei die Leistung der elektrischen Maschine einstellbar ist. Die Welle der elektrischen Maschine ist dazu beispielsweise drehmomentübertragend an einen Strang aus Verdichtermaschine und Dampfturbine gekoppelt, um dieser zur Erzeugung der notwendigen Wellenleistung zu unterstützen bzw. bei Erzeugung überschüssiger Wellenleistung einen Teil der von der Dampfturbine erzeugten Wellenleistung in elektrische Energie umzuwandeln. Es handelt sich bei dem vorgeschlagenen Antrieb also um einen Hybridantrieb unter Verwendung der Dampfturbine und der elektrischen Maschine.
  • Die elektrische Maschine muss dabei nicht direkt an die Dampfturbine gekoppelt sein, sondern es kann sich um einen beliebigen mechanisch gekoppelten Strang handeln, der Verdichter, Dampfturbine und die elektrische Maschine umfasst. "Mechanisch gekoppelt" umfasst dabei, dass der Strang an einer beliebigen Stelle mit Kupplungen und/oder Getrieben diverser Bauform, zum Beispiel zur Übersetzung zwischen zwei oder mehrerer Wellen und/oder als Drehzahlregelgetriebe, ausgeführt sein kann. Die Stranganordnung kann weiterhin unterschiedlich ausfallen und beispielsweise eine "Einwellenanordnung" mit beliebiger Reihenfolge sein. Dabei kann die Dampfturbine an mehrere Verdichtergehäuse gekoppelt sein, wobei die elektrische Maschine den Verdichtergehäusen nachgeschaltet ist. Weiterhin können diverse Zwischengetriebe, wie beispielsweise ein hydraulisch oder elektrisch geregeltes Getriebe, oder einfach drehzahlregelbares Getriebe beliebiger Bauart, zwischen die elektrische Maschine und die Verdichtermaschinen zwischengeschaltet sein. In einer weiteren Stranganordnung kann ein sog. "Getriebeturbo" genutzt werden, bei dem ein Getriebe zur gleichzeitigen Übersetzung auf mehrere Wellen auf denen Verdichterstufen und die Dampfturbine angeordnet sein können, verwendet werden.
  • In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, dass, wenn hier die Rede von "einer" Verdichtermaschine im Singular die Rede ist, die unter Verwendung "einer" Dampfturbine im Singular angetrieben wird, selbstverständlich nicht ausgeschlossen ist, dass auch weitere Dampfturbinen entsprechend betrieben werden können, und dass der Antrieb der einen, einer von mehreren, oder mehrerer Verdichtermaschinen auch unter Verwendung mehrerer Dampfturbinen erfolgen kann. Beliebige Antriebskombinationen sind möglich. Ferner kann in dem hier vorgeschlagenen Verfahren auch wenigstens eine nicht im erläuterten Sinne hybrid angetriebene Verdichtermaschine vorgesehen sein, so dass also wenigstens eine Verdichtermaschine ausschließlich (oder im Wesentlichen, beispielsweise zu mehr als 90% ihrer Antriebsleistung) unter Verwendung einer Dampfturbine angetrieben wird.
  • Durch das vorgeschlagene Verfahren wird vorteilhafterweise ermöglicht, die Verdichtermaschine, die mit der Dampfturbine und der elektrischen Maschine, also hybrid, betrieben wird, bei unterschiedlichen Leistungsanforderungen, also unterschiedlichen erforderlichen Drehzahlen, zu betreiben. Insbesondere ist dies auch bei unterschiedlicher Leistungsbereitstellung durch die Dampfturbine möglich. Die elektrische Maschine ist dabei insbesondere in der Lage, die durch die Verdichtermaschine erforderliche Leistung und durch die Dampfturbine erzeugte Leistung zu bilanzieren, indem der Leistungsunterschied zwischen der von der Dampfturbine erzeugten Leistung und der von der Verdichtermaschine benötigten zu- bzw. abgeführt wird. So wird beispielsweise in einem Fall, in dem die Verdichtermaschine eine hohe Leistungsanforderung hat, aber aufgrund geringer Mengen an Dampf von der Dampfturbine nur eine geringe Leistung bereitgestellt werden kann, die verbleibende Leistung von der elektrischen Maschine zugeführt. Gleiches gilt für den gegenteiligen Fall, in dem die Verdichtermaschine lediglich eine geringe Leistungsanforderung hat, aber von der Dampfturbine eine hohe Leistung erzeugt wird. In diesem Fall kann die von der Dampfturbine erzeugte überschüssige Leistung von der elektrischen Maschine in elektrischen Strom umgewandelt werden, der entweder gespeichert oder anderen Lasten zugeführt werden kann. Allgemein ausgedrückt kann die elektrische Maschine die Leistung in allen Fällen bilanzieren, insbesondere unabhängig von der Leistung der Dampfturbine.
  • Dadurch kann die unterfeuerte Leistung (beispielsweise in den Dampfkesseln zur Erzeugung von weiterem Hochdruckdampf) erheblich reduziert und die Energieausnutzung aus der verbleibenden unterfeuerten Leistung gesteigert werden, da durch die elektrischen Maschinen vorzugsweise Dampfkraftprozesse in der Anlage ersetzt werden, welche den Dampf auf ein nicht nutzbares Druck- und Temperaturniveau entspannen. Solche Dampfkraftprozesse haben verfahrenstechnischen Anlagen zur Erzeugung Olefin eine Effizienz von unter 30 % (MW Wellenleistung / MW unterfeuerte Leistung). Wenn dem importierten Strombedarf zum Antreiben der elektrischen Maschine/n beispielsweise eine Erzeugungseffizienz von 37,5 % oder höher (MW elektrische Leistung / MW unterfeuerte Leistung) zugrunde gelegt wird, kann die Gesamtenergieeffizienz somit erheblich gesteigert werden. Weiterhin können die direkten Emissionen aufgrund der Elektrifizierung und der Effizienzsteigerung erheblich reduziert werden. Die Anwendung des Verfahrens ist dabei in Situationen, in denen Primärenergiekosten, also Kosten für den Brennstoff zur Unterfeuerung, hoch und Stromkosten vergleichsweise mäßig oder niedrig sind, besonders kostengünstig.
  • Insbesondere für den Fall, dass die Reduktion der Unterfeuerung zu einem Netto-Export von Cracker-Tailgas führt und dieses reich an Wasserstoff ist, könnte überwiegend die Methanfraktion exportiert werden, was zu einer überproportionalen Reduktion der direkten Kohlendioxidemissionen und damit zu einer Maximierung der Wasserstofffeuerung führt. Umgekehrt ist es ebenso möglich, wasserstoffreiches Gas zu exportieren, falls ein Wasserstoffbedarf am Standort der verfahrenstechnischen Anlage vorliegt.
  • In einer Ausführungsform kann die Leistung der elektrischen Maschine, die an die Verdichtermaschine und Dampfturbine gekoppelt ist, so eingestellt werden, dass die von der Verdichtermaschine benötigte Wellenleistung zur Verfügung gestellt wird (im Sinne der bereits oben beschriebenen Leistungsbilanzierung). Dadurch wird die Effizienz des Energiesystems erhöht, da der zusätzliche Import von Hochdruckdampf zur Erzeugung von zusätzlicher Wellenleistung mittels Dampfturbine nicht mehr notwendig ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird die elektrische Maschine dazu als Elektromotor, dem Strang aus Verdichtermaschine und Dampfturbine Leistung zuführt, oder als Generator, der von dem Strang aus Verdichtermaschine und Dampfturbine erzeugte Leistung in elektrische Energie umwandelt, betrieben. Insbesondere kann, wenn die elektrische Maschine als Generator betrieben wird, die umgewandelte elektrische Energie zum Betreiben weiterer Verdichtermaschinen, die nicht von einer Dampfturbine betrieben werden, verwendet werden. Dabei ist es insbesondere möglich, dass die elektrische Maschine, die an den Strang aus Verdichtermaschine und Dampfturbine gekoppelt ist, dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von der vorliegenden Situation, entweder als Elektromotor oder als Generator betrieben zu werden und zwischen den beiden Betriebsmodi zu wechseln.
  • Die elektrische Maschine kann somit entweder als Elektromotor zur Unterstützung der Verdichtermaschine und/oder Dampfturbine verwendet werden oder als Generator zur Erzeugung von Strom, der später im Prozess oder in einem anderen Teil des Standorts in der die verfahrenstechnische Anlage betrieben wird, verwendet werden kann. Dadurch ist das Verfahren flexibel einsetzbar und kann in einer Situation, in der durch die Dampfturbinen mehr Leistung erzeugt wird als durch die gekoppelte Verdichtermaschine verbraucht wird, Elektrizität erzeugen, die gespeichert, an einem anderen Ort am Standort genutzt oder ins allgemeine Stromnetz eingespeist verwendet werden kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird die elektrische Maschine zur Leistungseinstellung über einen Frequenzumrichter, insbesondere einen rückspeisefähigen Frequenzumrichter, an die elektrische Energieversorgung gekoppelt.
  • Durch die Verwendung eines Frequenzumrichters kann der Betrieb der elektrischen Maschine flexibel an die notwendige Betriebsbedingungen angepasst werden, wodurch das Verfahren in einer Vielzahl von Situation eingesetzt werden kann. Dadurch wird die Effizienz des Energiesystems aus Dampfturbine und elektrischer Maschine erhöht.
  • Durch die Nutzung eines rückspeisefähigen Frequenzumrichters kann die elektrische Maschine in einfacher, flexibler und kostengünstiger Weise als Elektromotor und Generator betrieben werden. In Abhängigkeit wechselnder Betriebszustände von Verdichtermaschine und Dampfturbine und der entsprechenden Leistungsbilanz kann die elektrische Maschine beispielsweise insbesondere bei hohen Turbinenleistungen als Generator agieren und Elektrizität erzeugen, die gespeichert, an einem anderen Ort am Standort genutzt oder ins allgemeine Stromnetz eingespeist verwendet werden kann, wie bereits weiter oben beschreiben.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die elektrische Maschine zur Leistungseinstellung über ein Drehzahlregelgetriebe mit Überlagerungsmotor an die Verdichtermaschine/Dampfturbine gekoppelt, wobei die elektrische Maschine selbst hierbei insbesondere als Festdrehzahlmotor ausgeführt ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die elektrische Maschine zur Leistungseinstellung über ein hydraulisches Drehzahlregelgetriebe an die Verdichtermaschine/Dampfturbine gekoppelt, wobei die elektrische Maschine selbst hierbei insbesondere als Festdrehzahlmotor ausgeführt ist.
  • Durch die Verwendung einer der drei Ausführungsformen der elektrischen Maschine, Frequenzumrichter, Drehzahlregelgetriebe mit Überlagerungsmotor und Hydraulisches Drehzahlregelgetriebe, kann die Leistungseinstellung der elektrischen Maschine insbesondere nicht nur durch das Design des Motors selbst erreicht werden, sondern auch durch die weiteren Komponenten im gesamten Strang, wodurch eine flexible Anpassung der Leistung ermöglicht wird.
  • In einer Ausführungsform wird aus der Extraktionsstufe der Dampfturbine zumindest ein Teil des zum Betreiben der Dampfmaschine verwendeten Dampfs auf einem Druckniveau zwischen einschließlich 2 bar bis einschließlich 80 bar (Niedrigdruckdampf), insbesondere 4 bis 8 bar, oder 10 bis 30 bar (Mitteldruckdampf), insbesondere 15 bis 25 bar, 30 bis 60 bar (Hochdruckdampf), beispielsweise 35 bis 50 bar, extrahiert.
  • Dadurch wird ermöglicht, dass aus dem Dampfkreislauf der eine oder mehrere Dampfturbinen enthält, Dampf verschiedener Druckniveaus, insbesondere Superhochdruck, Hochdruck, Mitteldruck und/oder Niedrigdruck extrahiert werden kann. Damit ist es vorteilhafterweise möglich Dampf eines benötigten Dampfdruckniveaus, der an anderen Stellen des Prozesses oder in anderen verfahrenstechnischen Anlagen, die am selben Standort wie die verfahrenstechnische Anlage in der das Verfahren durchgeführt wird, bereitzustellen.
  • Hiermit bekommt die Dampfturbine nicht mehr primär die Aufgabe zur Erzeugung von Wellenleistung, sondern sie wird hauptsächlich zur Bereitstellung der Dampfmengen auf den jeweiligen Druckniveaus der thermischen Konsumenten verwendet, was zu den oben beschriebenen Effizienzverbesserungen beiträgt.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Verdichtermaschine Teil eines Rohgas- oder Kältemittelverdichters oder wird als Rohgas- oder Kältemittelverdichter betrieben. Ein Rohgasverdichter ist insbesondere mehrstufig ausgebildet und verdichtet insbesondere einen wesentlichen Teil eines in dem Verfahren gebildeten Produktgemischs. Ein Kältemittelverdichter kann ebenfalls mehrstufig ausgebildet sein und Teil einer Kältemaschine oder eines Kältemittelkreislaufs sein, in der bzw. dem ein übliches Kältemittel wie bspw. Propylen oder Ethylen ("C3-Kältemittel", "C2-Kältemittel") verwendet wird.
  • In einer Ausführungsform sind mindestens zwei Verdichtermaschinen zur Verdichtung von Arbeitsmedien vorgesehen, wobei mindestens eine Verdichtermaschine Teil eines Rohgasverdichters ist oder als Rohgasverdichter betrieben wird und mindestens eine Verdichtermaschine Teil eines Kältemittelverdichters ist oder als Kältemittelverdichter betrieben wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden Verdichtermaschinen, die nicht von einer Dampfturbine angetrieben werden, von einem Elektromotor oder jeweils einem Elektromotor angetrieben. Dabei weisen, insbesondere bei der Verwendung mehrerer Elektromotoren alle Elektromotoren eine ähnlich hohe Nennleistung und Nenndrehzahl auf, so dass standardisierte Elektromotoren und Leistungsregelungselektronik zum Einsatz kommen kann.
  • Dadurch lassen sich weniger Dampfturbinen in der Anlage zur Durchführung des Verfahrens vorsehen, mit denen zusätzlich durch mit diesen verbundenen elektrischen Maschinen Strom erzeugt werden kann, der für den Betrieb der weiteren Verdichtungsmaschinen verwendet werden kann.
  • In einer Ausführungsform wird weniger als 10% einer zu der Dampfturbine geführten Gesamtdampfmenge auf unter 2 bar entspannt und mittels eines Kondensators kondensiert.
  • Das Verfahren kann dadurch derart ausgelegt werden, dass ein Kondensator zum Kondensieren einer auf Umgebungs- oder Vakuumbedingungen entspannen Dampfmenge nicht vorgesehen werden muss bzw. die Größe des vorgesehenen Kondensators geringgehalten werden kann. Damit kann die verfahrenstechnische Anlage, in der das Verfahren durchgeführt wird, kostenmäßig und in Hinblick auf die Energieeffizienz optimiert werden.
  • Wie bereits oben beschrieben wird die Dampfturbine in diesem Kontext hauptsächlich als Gegendruckturbine zur Bereitstellung der Dampfmengen auf den jeweiligen Druckniveaus der thermischen Konsumenten verwendet, statt dass der Dampf auf ein nicht nutzbares Temperaturniveau entspannt wird, was zu den oben beschriebenen Effizienzverbesserungen beiträgt.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird über 90% der zu der Dampfturbine geführten Gesamtdampfmenge unter Verwendung der Restwärme erzeugt, sodass weniger als 10% einer Dampfmenge von einem Boiler erzeugt werden müssen.
  • Das Verfahren kann dadurch vorteilhafterweise derart ausgelegt werden, dass ein Boiler zur Bilanzierung nicht vorgesehen werden muss bzw. die Anzahl und/oder Größe der Boiler geringgehalten werden kann, da lediglich der Dampf aus der Restwärme des Hochtemperatur-Konversionsprozesses für Gegendruckturbinen sowie zur thermischen Nutzung verwendet wird. Damit kann die verfahrenstechnische Anlage, in der das Verfahren durchgeführt wird, kostenmäßig und in Hinblick auf die Energieeffizienz optimiert werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur Erzeugung von Olefinen weiterhin eine Wärmepumpe, die von einer Dampfturbine und einer mit der Dampfturbine gekoppelten elektrischen Maschine betrieben wird.
  • Dadurch lässt sich die Bilanzierung eines oder mehrerer Dampfdruckniveaus flexibler gestalten.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur Erzeugung von Olefinen weiterhin eine Verdichtermaschine, die mit einer Gasturbine angetrieben wird, wobei die Verdichtermaschine zusätzlich mit einer elektrischen Maschine betrieben wird, welche drehmomentübertragend an den Strang aus Verdichtermaschine und Gasturbine gekoppelt ist. Die Leistung der elektrischen Maschine ist dabei einstellbar, sodass die von der Verdichtermaschine benötigte Leistung durch die Gasturbine und die elektrische Maschine zur Verfügung gestellt wird.
  • Dadurch ist es möglich, die in der verfahrenstechnischen Anlage benötigte Leistung in Form von Wellenleistung und/oder Strom teilweise durch eine Gasturbine bereitzustellen, was die Gesamtausnutzung des eingesetzten Brenngases weiter verbessern kann und somit die Gesamteffizienz der verfahrenstechnischen Anlage weiter erhöhen kann, ähnlich wie es sich bei der Effizienz eines Gas-und-Dampf-Kombikraftwerkes im Vergleich zu einem simplen Dampfkraftwerk verhält.
  • Die vorgeschlagene Anlage zur Erzeugung von Olefinen ist dafür eingerichtet, ein Verfahren gemäß einer der vorgestellten Varianten durchzuführen. Zu weiteren Merkmalen und Vorteilen einer solchen Anlage und Ausgestaltungen hiervon wird daher auf die obigen Erläuterungen betreffend das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren und den Ausgestaltungen ausdrücklich verwiesen, da diese hierfür in gleicher Weise gelten.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
    • Figur 1 zeigt ein Blockdiagram einer nicht-erfindungsgemäßen verfahrenstechnischen Anlage zur Erzeugung von Olefinen;
    • Figuren 2 zeigt ein Blockdiagramm einer verfahrenstechnischen Anlage zur Erzeugung von Olefinen die zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt sind und einen teilelektrifizierten Strang aus Verdichter, Dampfturbine und Elektromotor sowie eine vollelektrifizierte Verdichtermaschine aufweist;
    • Figur 3 zeigt ein Blockdiagramm einer weiteren verfahrenstechnischen Anlage zur Erzeugung von Olefinen die zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt ist und zwei teilelektrifizierte Stränge aus Verdichter, Dampfturbine und Elektromotor sowie eine vollelektrifizierte Verdichtermaschine aufweist;
    • Figur 4 zeigt ein Blockdiagramm einer weiteren verfahrenstechnischen Anlage zur Erzeugung von Olefinen die zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt ist und zwei teilelektrifizierte Stränge aus Verdichter, Dampfturbine und Elektromotor sowie eine vollelektrifizierte Verdichtermaschine aufweist;
    • Figur 5 zeigt ein Blockdiagramm einer weiteren verfahrenstechnischen Anlage zur Erzeugung von Olefinen die zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt ist und einen teilelektrifizierten Strang aus Verdichter, Dampfturbine und Elektromotor sowie zwei vollelektrifizierte Verdichtermaschinen aufweist;
    • Figur 6 zeigt ein Blockdiagramm einer weiteren verfahrenstechnischen Anlage zur Erzeugung von Olefinen die zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt ist und einen teilelektrifizierten Strang aus Verdichter, Dampfturbine und Elektromotor, einen teilelektrifizierten Strang aus Wärmepumpe, Dampfturbine und Elektromotor sowie zwei vollelektrifizierte Verdichtermaschinen aufweist;
    • Figur 7a zeigt ein Blockdiagram einer nicht-erfindungsgemäßen verfahrenstechnischen Anlage zur Erzeugung von Olefinen bei der nur der Superhochdruckstufe Dampf zugeführt wird; und
    • Figur 7b zeigt ein Blockdiagram einer weiteren verfahrenstechnischen Anlage zur Erzeugung von Olefinen die zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt ist, bei der nur der Superhochdruckstufe Dampf zugeführt wird und die einen teilelektrifizierten Strang aus Verdichter, Dampfturbine und Elektromotor sowie zwei vollelektrifizierte Verdichtermaschinen aufweist.
    Ausführungsformen der Erfindung
  • Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen werden zu dem Zweck beschrieben, den Leser beim Verständnis der beanspruchten und zuvor erläuterten Merkmale zu unterstützen. Sie stellen lediglich repräsentative Beispiele dar und sollen hinsichtlich der Merkmale der Erfindung nicht abschließend und/oder beschränkend betrachtet werden. Es versteht sich, dass die zuvor und nachfolgend beschriebenen Vorteile, Ausführungsformen, Beispiele, Funktionen, Merkmale, Strukturen und/oder anderen Aspekte nicht als Beschränkungen des Umfangs der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, oder als Beschränkungen von Äquivalenten zu den Ansprüchen zu betrachten sind, und dass andere Ausführungsformen verwendet und Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der beanspruchten Erfindung abzuweichen.
  • Unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung können weitere zweckmäßige Kombinationen der beschriebenen Elemente, Komponenten, Merkmale, Teile, Schritte, Mittel usw. umfassen, aus ihnen bestehen oder im Wesentlichen aus ihnen bestehen, auch wenn solche Kombinationen hier nicht spezifisch beschrieben sind. Darüber hinaus kann die Offenbarung andere Erfindungen umfassen, die gegenwärtig nicht beansprucht sind, die aber in Zukunft beansprucht werden können, insbesondere wenn sie vom Umfang der unabhängigen Ansprüche umfasst sind.
  • Erläuterungen, die sich auf Vorrichtungen, Apparate, Anordnungen, Systeme usw. gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen, können auch für Verfahren, Prozesse, Methoden usw. gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gelten und umgekehrt. Gleiche, gleich wirkende, in ihrer Funktion einander entsprechende, baulich identisch oder vergleichbar aufgebaute Elemente, Verfahrensschritte usw. können mit identischen Bezugszeichen angegeben sein.
  • Weiterhin sind die folgenden angegebenen Dampfmengen und Leistungen nur als Beispiele zu verstehen die nicht einschränkend wirken sollen, sondern lediglich dem Verständnis dienen.
  • In Figur 1 ist ein Blockdiagram eines Dampfsystems einer nicht-erfindungsgemäßen verfahrenstechnischen Anlage, insbesondere eines Flüssigcrackers, zur Erzeugung von Olefinen gezeigt. Diese verfügt über vier Haupt-Dampfdruckstufen: eine Superhochdruck- (engl.: Super High Pressure, SHP), eine Hochdruck- (engl.: High Pressure, HP), eine Mitteldruck- (engl.: Medium Pressure, MP) und eine Niedrigdruckstufe (engl.: Low Pressure, LP).
  • Der Hochtemperatur-Prozess zur Erzeugung der Olefine erzeugt dabei 620 t/h Superhochdruckdampf, welcher der Superhochdruckstufe SHP des Dampfsystems zugeführt wird. Auf den weiteren Druckstufen (HP, MP und LP) erfolgt jeweils ein Verbrauch und/oder eine Zuführung von Dampf aufgrund anderer Prozesse, wie z.B. Betrieb von kleinen Gegendruckturbinen, thermischem Verbrauch und/oder Im-/Export von Dampf von/zu anderen Teilen der verfahrenstechnischen Anlagen oder anderen verfahrenstechnischen Anlagen die am gleichen Standort betrieben werden.
  • Drei Verdichtermaschinen 21, 22, 23, die insbesondere Teil einer Kältemaschine und/oder Rohgasmaschine sein können um Produktfraktionen und/oder Kältemitteln und/oder anderen Arbeitsmedien zu verdichten, werden jeweils mit einer Dampfturbine 1a, 1b, 1c, welche im gezeigten Fall Extraktionsturbinen sind, angetrieben, wobei durch die Dampfturbinen 1a, 1b, 1c Dampf mindestens zum Teil auf einem Druckniveau zwischen 2 bar und 80 bar a extrahiert wird. Die Verdichtermaschinen 21, 22, 23 sind dabei insbesondere unterschiedlich groß bzw. weisen unterschiedliche Leistungsanforderungen auf. Dabei wird die erste Verdichtermaschine 21, welche den größten Leistungsbedarf aufweist (65 MWj, von der ersten Dampfturbine 1a, die Superhochdruckdampf zur Erzeugung von Wellenleistung verwendet, betrieben, während die zweite bzw. dritte Verdichtermaschine 22, 23, die einen geringeren Leistungsbedarf aufweisen (22 MW bzw. 36 MWj, von der zweiten bzw. dritten Dampfturbinen 1b, 1c betrieben, die Hochdruckdampf zur Wellenleistungserzeugung verwenden. Die drei Dampfturbinen 1a, 1b, 1c regeln gleichzeitig die Massenbilanz des Superhochdruckdampfs, Mitteldruckdampfs und Niedrigdruckdampfs. Die Massenbilanz der Hochdruckstufe wird über den Import von Hochdruckdampf aus einem Hochdruck-Boiler (nicht gezeigt) geregelt.
  • Aufgrund des hohen Bedarfs an Wellenleistung entspannen die Dampfturbinen zusätzlich Dampf auf Vakuumbedingungen. Der Energiebedarf zur Erzeugung der benötigten Wellenleistung der Verdichtermaschinen 21, 22, 23 wird damit vollständig gedeckt, sodass die Energiebilanz ausgeglichen ist.
  • Insbesondere werden von der ersten Dampfturbine 1a 128 t/h Dampf auf Vakuumbedingungen entspannt und aus dieser extrahiert. Die verbleibende Menge an der ersten Dampfturbine 1a zugeführtem Superhochdruckdampf (492 t/h) wird zu Hochdruckdampf entspannt und der Hochdruckstufe HP zugeführt. Dabei erzeugt die erste Dampfturbine 1a eine Leistung von 65 MW mit der die erste Verdichtermaschine 21 angetrieben wird und bilanziert die Superhochdruckstufe SHP, indem dieser 620 t/h Dampf entnommen werden.
  • Der Hochdruckstufe HP werden weiterhin 237 t/h Dampf aus einem Hochdruckboiler (nicht gezeigt) zugeführt mit der die Hochdruckstufe HP bilanziert wird. Weiterhin werden 350 t/h Dampf aus der Hochdruckstufe HP abgeführt.
  • Die zweite Dampfturbine 1b erzeugt aus 159 t/h Hochdruckdampf eine Leistung von 22 MW mit der die zweite Verdichtermaschine 22 angetrieben wird. Dazu werden 79 t/h Dampf auf Vakuumbedingungen entspannt und extrahiert. Die verbleibenden 80 t/h werden als Mitteldruckdampf der Mitteldruckstufe MP zu deren Bilanzierung zugeführt. In die Mitteldruckstufe MP werden weiterhin 140 t/h Dampf importiert und aus der Mitteldruckstufe MP 220 t/h Dampf exportiert.
  • Die dritte Dampfturbine 1c verwendet die verbleibende Menge an Hochdruckdampf (220 t/h) um 36 MW Leistung für den Betrieb der dritten Verdichtermaschine 23 zu erzeugen. Dazu werden 120 t/h Dampf auf Vakuumbedingungen entspannt und extrahiert und 100 t/h Niedrigdruckdampf der Niedrigdruckstufe LP zugeführt um diese zu bilanzieren. Der Niedrigdruckstufe LP werden zusätzlich 200 t/h Damp zugeführt und aus dieser insgesamt 300 t/h Dampf abgeführt.
  • Der Gesamtprozess (einschließlich der Prozessseite, in den Figuren nicht im Detail gezeigt) hat dabei einen Energiebedarf von ca. 21,11 GJ/t Ethylen und Propylen.
  • Figur 2 zeigt ein Blockdiagramm einer verfahrenstechnischen Anlage zur Erzeugung von Olefinen die zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt sind und einen teilelektrifizierten Strang aus Verdichtermaschinen 21, 21a, 21b, Dampfturbine 1a und Elektromotor 3a sowie eine vollelektrifizierte Verdichtermaschine 22 aufweist. Während in den folgenden Figuren die Stränge aus Verdichtermaschine und Dampfturbine mit nur einer Verdichtermaschine gezeigt sind, ist es grundsätzlich möglich, dass die Stränge mehrere nacheinander, wie im gezeigten Strang der Figur 2, oder parallel geschaltete Verdichtermaschinen 21, 21a, 21b aufweisen. Weiterhin ist die Anordnung des Elektromotors 3a an die Dampfturbine 1a nicht einschränkend zu sehen. Der Elektromotor kann im Strang aus Dampfturbine 1a und Verdichtermaschinen 21, 21a, 21b an die Verdichtermaschine 21b gekoppelt werden. Außerdem ist die Anordnung von Verdichtermaschinen 21, 21a, 21b und Dampfturbine 1a nicht fest vorgegeben, sondern kann in beliebiger Reihenfolge erfolgen. Weiterhin ist es möglich, dass zwischen den verschiedenen Elementen eines Strangs weiterhin Zwischengetriebe angeordnet sind. Des Weiteren ist insbesondere zu beachten, dass bei der Verbindung des Elektromotors 3a an den Strang ein Getriebe, beispielsweise ein hydraulisches Getriebe oder ein Getriebe beliebiger anderer Bauart, zwischengeschaltet werden kann, mit dem die Leistung des Elektromotors 3a eingestellt werden kann. Dabei kann insbesondere auch mehr als ein Elektromotor 3a mit dem Strang aus Dampfturbine 1a und Verdichtermaschinen 21, 21a, 21b gekoppelt werden. Weiterhin ist es möglich, dass an dem Stromanschluss des Elektromotors 3a ein Frequenzumrichter vorhanden ist, sodass die Leistung des Elektromotors 3a über den Frequenzumrichter einstellbar ist und der Motor auch als Generator betrieben werden kann. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche Bauteile und für weitere Details wird auf die obere Beschreibung verwiesen wird.
  • In der gezeigten Ausführungsform wird die zweite Verdichtermaschine 22 mit einer zweiten elektrischen Maschine 3b vollständig elektrisch betrieben. Die zum Betrieb notwendige Leistung (22 MW) werden dazu der zweiten elektrischen Maschine 3b von extern zugeführt. Durch den Betrieb einer der zweiten Verdichtermaschinen 22 vollelektrisch wird die zweite Dampfturbine 1b zwischen der Hochdruckstufe HP und der Mitteldruckstufe MP nicht mehr eingesetzt, wodurch die Möglichkeit zur Bilanzierung der Mitteldruckstufe MP mittels der zweiten Dampfturbine 1b entfällt.
  • Zur Kompensation der entfallenen Bilanzierung der Mitteldruckstufe MP wird die erste Verdichtermaschine 1a mit der Dampfturbine 1a betrieben, die als Gegendruckturbine ausgeführt ist und mit einer drehzahlgeregelten ersten elektrischen Maschine 3a gekoppelt ist, wodurch die die Regelung zweier Dampfdruckstufen, der Superhochdruckstufe SHP und der Mitteldruckstufe MP, erreicht werden kann. Durch die erste elektrische Maschine 3a wird weiterhin die Leistungsbilanz der ersten Verdichtermaschine 21 geschlossen. Die erste elektrische Maschine 3a hat dabei eine ähnliche Leistung wie die zweite elektrische Maschine 3b, die zum Antreiben der zweiten Verdichtermaschinen 22 verwendet wird.
  • In der gezeigten Ausführungsform werden der Superhochdruckstufe SHP dabei 620 t/h Dampf zugeführt aus denen die erste Dampfturbine 41 MW Leistung erzeugt mit denen die erste Verdichtermaschine 21 betrieben wird. Da diese einen Leistungsbedarf von 65 MW hat, erzeugt in dieser Ausführungsform die erste elektrische Maschine 3a eine Leistung von 24 MW. Dabei führt die erste Dampfturbine der Hochdruckstufe HP 540 t/h Hochdruckdampf und der Mittedruckstufe 80 t/h Mitteldruckdampf zu. Der Verbrauch an Hochdruckdampf für externe Prozesse beträgt weiterhin 350 t/h und für den Betrieb der dritten Dampfturbine 1c werden 221 t/h benötigt, sodass der Hochdruckstufe von einem externen Hochdruckdampfboiler 31 t/h Hochdruckdampf zugeführt werden müssen.
  • Die für den Betrieb der nicht-elektrisch betriebenen dritten Verdichtermaschine 23 notwendige Leistung (36 MW) wird von der dritten Dampfturbine 1c durch entspannen von Hochdruckdampf (221 t/h) aus der Hochdruckstufe HP auf Vakuumbedingungen (121t/h) und erzeugen von Niedrigdruckdampf (100 t/h), der der Niedrigdruckstufe LP zugeführt wird, gedeckt.
  • Im Vergleich zu bisherigen Prozessen (siehe Figur 1) sinkt der Bedarf an Hochdruckdampf um 206 t/h. Gleichzeitig wird auch die Menge an auf Vakuumbedingungen entspannten Dampf von 327 t/h auf 121 t/h reduziert und der Energiebedarf sinkt auf 20,36 GJ/t Ethylen und Propylen. Hierbei wurde ein Effizienzfaktor von 37.5 % für die zusätzlich benötigte importierte elektrische Energie angenommen. Trotz der zusätzlich benötigten elektrischen Energie verbessert sich die Gesamtenergieeffizienz der verfahrenstechnischen Anlage im Gegensatz zu herkömmlichen Anlagen aufgrund der eingesparten thermischen Leistung, und es werden nur noch 96,4 % der Energie des herkömmlichen Prozesses benötigt.
  • Als Alternative zur beschriebenen Ausführungsform kann anstelle der zweiten Verdichtermaschine 22 auch die dritte Verdichtermaschine 23 vollelektrisch betrieben werden. Zusätzlich kann das Design des Hochtemperaturprozesses optimiert werden, so dass dieser weniger Superhochdruckdampf erzeugt (580 t/h), um noch mehr thermische Energie einzusparen.
  • In dieser Ausführungsform entspannt die dritte Dampfturbine 1c 59 t/h Dampf auf Vakuumbedingungen um die für den Betrieb der zweiten Verdichtermaschine notwendigen Leistung von 22 MW bereitzustellen. Weiterhin wird zum Betrieb der ersten Verdichtermaschine 21 von der ersten elektrischen Maschine 3a eine Leistung von 26 MW bereitgestellt, da die erste Dampfturbine 1a aufgrund der geringeren Menge an Superhochdruckdampf nur noch 39 MW Leistung erzeugt. Da allerdings auch der Dampfbedarf der dritten Dampfturbine 1c sinkt, muss der Hochdruckstufe HP vom Hochdruckboiler nur 9 t/h Hochdruckdampf zugeführt werden.
  • Dadurch sinkt in dieser Ausführungsform die Menge an vom Hochdruckboiler erzeugten Hochdruckdampf um weitere 22 t/h, während die Menge an auf Vakuumbedingungen entspannte Dampf um weitere 62 t/h reduziert wird. Der Energiebedarf beträgt in dieser Ausführungsform 20,21 GJ/t Ethylen und Propylen. Dadurch wird die Gesamtenergieeffizienz der verfahrenstechnischen Anlage im Gegensatz zu herkömmlichen Anlagen weiter erhöht, da nur noch 95,7 % der Energie des herkömmlichen Prozesses (Figur 1) benötigt werden.
  • Figur 3 zeigt ein Blockdiagramm einer weiteren verfahrenstechnischen Anlage zur Erzeugung von Olefinen die zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt ist und zwei teilelektrifizierte Stränge aus Verdichtermaschine 21, 23, Dampfturbine 1a, 1b und Elektromotor 3a, 3c sowie eine vollelektrifizierte Verdichtermaschine 22 aufweist. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche Bauteile und für weitere Details wird auf die obere Beschreibung verwiesen wird.
  • Im Unterschied zu der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform wird anstelle der zweiten Dampfturbine 1b die dritte Dampfturbine 1c durch die zweite elektrische Maschine 3b ersetzt, wobei die zweite Dampfturbine 1b die Leistung für die dritte Verdichtermaschine 23 bereitstellt, während die zweite Verdichtermaschine 22 vollelektrifiziert ist, d.h. von der zweiten elektrischen Maschine 3b angetrieben wird. Alternative wäre wiederum ein Betrieb der dritten Verdichtermaschine 23 vollelektrisch durch die zweite elektrische Maschine denkbar. Weiterhin ist die zweite Dampfturbine 22 als Extraktionsturbine ausgeführt und mit einer dritten elektrischen Maschine 3c gekoppelt, die die Leistungsbilanz der dritten Verdichtermaschine 23 ausgleicht. Die Regelfreiheitsgrade der Druckstufen werden damit durch die erste und dritte elektrischen Maschinen 3a, 3c, die insbesondere als drehzahlgesteuerte Elektromotoren ausgeführt sind, kompensiert, wodurch die erste und zweite Dampfturbine 1a, 1b jeweils zwei Dampfdruckstufen bilanzieren können. Die elektrischen Maschinen 3a, 3b, 3c haben dabei alle einen ähnlichen Leistungsbedarf (22 MW, 21 MW, 22 MW).
  • Die erste Dampfturbine 1a ist als Gegendruckturbine ausgestaltet, führt allerdings nicht wie in Figur 2 der Hochdruckstufe HP und der Mitteldruckstufe MP Dampf zu, sondern der Hochdruckstufe HP und der Niedrigdruckstufe LP. Dazu entnimmt die erste Dampfturbine 1a der Superhochdruckstufe SHP 580 t/h Dampf und führt der Hochdruckstufe HP 480 t/h und der Niedrigdruckstufe LP 100 t/h Dampf zu. Dadurch erzeugt die erste Dampfturbine 43 MW Leistung, durch die, zusammen mit den von der ersten elektrischen Maschine 3a erzeugten 22 MW, die erste Verdichtermaschine 21 betrieben wird.
  • Die zweite Dampfturbine 1b liefert 15 MW für den Betrieb der dritten Verdichtermaschine 23, während die verbliebenen 21 MW durch die dritte elektrische Maschine 3c bereitgestellt werden. Dabei entspannt und extrahiert die zweite Dampfturbine 50 t/h Dampf auf Vakuumbedingungen und führt der Mitteldruckstufe MP 80 t/h Mitteldruckdampf zu.
  • Dadurch kann zum einen erreicht werden, dass der Hochdruckstufe HP kein Dampf mehr aus einem Hochdruckboiler zugeführt werden muss und zum anderen der Export von Dampf auf Vakuumbedingungen verringert wird. Der Energiebedarf sinkt dadurch auf 20,18 GJ/t Ethylen und Propylen. Dadurch die Gesamtenergieeffizienz der verfahrenstechnischen Anlage im Gegensatz zu herkömmlichen Anlagen weiter verbessert, da nur noch 95,6 % der Energie des herkömmlichen Prozesses benötigt werden.
  • Figur 4 zeigt ein Blockdiagramm einer weiteren verfahrenstechnischen Anlage zur Erzeugung von Olefinen die zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt ist und zwei teilelektrifizierte Stränge aus Verdichtermaschine 21, 23, Dampfturbine 1a, 1b und Elektromotor 3a, 3c sowie eine vollelektrifizierte Verdichtermaschine 22 aufweist. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche Bauteile und für weitere Details wird auf die obere Beschreibung verwiesen wird.
  • Im Unterschied zu der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform bilanziert die erste Dampfturbine 1a nicht die Hochdruckstufe HP und die Niedrigdruckstufe LP, sondern die Hochdruckstufe HP und die Mitteldruckstufe MP, während die zweite Dampfturbine 1b die Niedrigdruckstufe LP bilanziert. Weiterhin wir die Superhochdruckstufe SHP nicht durch die erste Dampfturbine 1a bilanziert, sondern über den Hochtemperaturprozess oder einen zugeschalteten Superhochdruckboiler.
  • Dabei werden der Superhochdruckstufe SHP 530 t/h Dampf zugeführt, aus denen die erste Dampfturbine 1a, die als Gegendruckturbine ausgeführt ist, 36 MW Leistung erzeugt. Die erste elektrische Maschine 3a liefert zusätzlich 29 MW Leistung, sodass der Energiebedarf der ersten Verdichtermaschine 1a (65 MW) gedeckt ist. Dabei führt die erste Dampfturbine 1a der Hochdruckstufe HP 450 t/h Hochdruckdampf und der Mitteldruckstufe MP 80 t/h Mitteldruckdampf zu. Eine Entspannung von Dampf auf Vakuumbedingungen findet nicht statt.
  • Die zweite Dampfturbine 1b, die ebenso als Gegendruckturbine ausgeführt ist, erzeugt aus 100 t/h Hochdruckdampf, die der Hochdruckstufe HP entnommen werden, 9 MW Leistung, die zusammen mit den durch die dritte elektrische Maschine 3c bereitgestellten 27 MW den Leistungsbedarf der dritten Verdichtermaschine 23 (36 MW) decken. Die zweite Dampfturbine 1b führt dabei zur Bilanzierung der Niedrigdruckstufe LP 100 t/h Niedrigdruckdampf zu.
  • Der Leistungsbedarf der zweite Verdichtermaschine 22 (22 MW) wird vollständig durch die zweite elektrische Maschine 3b gedeckt.
  • Die verbleibenden 350 t/h Hochdruckdampf werden aus der Hochdruckstufe HP, die verbleibenden 220 t/h Mitteldruckdampf aus der Mitteldruckstufe MP und die 300 t/h Niedrigdruckdampf werden aus der Niedrigdruckstufe LP werden zur weiteren Verwendung aus der jeweiligen Druckstufe entnommen.
  • Dadurch kann zum einen erreicht werden, dass der Hochdruckstufe HP kein Dampf mehr aus einem Hochdruckboiler zugeführt werden muss und zum anderen kein Export von Dampf auf Vakuumbedingungen mehr stattfindet. Der Energiebedarf sinkt dadurch auf 20,10 GJ/t Ethylen und Propylen. Dadurch steigt die Gesamtenergieeffizienz der verfahrenstechnischen Anlage im Gegensatz zu herkömmlichen Anlagen weiter, da nur noch 95,2 % der Energie des herkömmlichen Prozesses benötigt werden.
  • Figur 5 zeigt ein Blockdiagramm einer weiteren verfahrenstechnischen Anlage zur Erzeugung von Olefinen die zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt ist und eine teilelektrifizierten Strang aus Verdichtermaschine 21, Dampfturbine 1a und Elektromotor 3a sowie zwei vollelektrifizierte Verdichtermaschinen 22, 23 aufweist. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche Bauteile und für weitere Details wird auf die obere Beschreibung verwiesen wird.
  • Die erste Dampfturbine 1a ist als Extraktionsturbine ausgestaltet und regelt bzw. bilanziert alle vier Druckstufen unter Zuhilfenahme der ersten elektrischen Maschine 3a. Der Hochtemperaturprozess führt dabei der Superhochdruckstufe SHP 620 t/h Superhochdruckdampf zu, die von der ersten Dampfturbine 1a entnommen werden. Daraus erzeugt die erste Dampfturbine 1a 69 MW Wellenleistung, von denen 65 MW zum Betreiben der ersten Verdichtermaschine 21 verwendet werden und 4 MW von der ersten elektrischen Maschine 3a in elektrische Energie umgewandelt werden. Dabei entspannt die erste Dampfturbine 90 t/h Dampf auf Vakuumbedingungen. Weiterhin führt die erste Dampfturbine 1a der Hochdruckstufe HP 350 t/h Hochdruckdampf zu, wodurch die Hochdruckstufe HP bilanziert wird und kein Hochdruckboiler notwendig ist.
  • Der Mitteldruckstufe MP werden durch die erste Dampfturbine 1a 80 t/h Mitteldruckdampf zugeführt, die zusammen mit den 140 t/h Dampf, die der Mitteldruckstufe MP zugeführt werden, zur weiteren Verwendung aus der Mitteldruckstufe MP entnommen werden.
  • Der Niedrigdruckstufe LP werden durch die erste Dampfturbine 1a 100 t/h Niedrigdruckdampf zugeführt, die zusammen mit den 200 t/h Dampf, die der Niedrigdruckstufe LP zugeführt werden, zur weiteren Verwendung aus der Niedrigdruckstufe LP entnommen werden.
  • Die zweite und dritte Verdichtermaschine 22, 23 werden vollelektrisch von der zweiten und dritten elektrischen Maschine 3b, 3c betrieben.
  • Dadurch kann zum einen erreicht werden, dass der Hochdruckstufe HP kein Dampf mehr aus einem Hochdruckboiler zugeführt werden muss und zum anderen der Export von Dampf auf Vakuumbedingungen verringert werden. Der Energiebedarf sinkt dadurch auf 20,31 GJ/t Ethylen und Propylen. Dadurch steigt die Gesamtenergieeffizienz der verfahrenstechnischen Anlage im Gegensatz zu herkömmlichen Anlagen, da nur noch 96,2 % der Energie des herkömmlichen Prozesses benötigt werden.
  • Figur 6 zeigt ein Blockdiagramm einer weiteren verfahrenstechnischen Anlage zur Erzeugung von Olefinen die zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt ist und einen teilelektrifizierten Strang aus Verdichtermaschine 21, Dampfturbine 1a und Elektromotor 3a, einen teilelektrifizierten Strang aus Wärmepumpe 4, Dampfturbine 1b und Elektromotor 3d sowie zwei vollelektrifizierte Verdichtermaschinen 21, 22 aufweist. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche Bauteile und für weitere Details wird auf die obere Beschreibung verwiesen wird.
  • Die erste und zweite Dampfturbine 1a, 1b sind in dieser Ausführungsform als Gegendruckturbinen ausgestaltet, wobei die erste Dampfturbine 1a die Superhochdruckstufe SHP und die Mitteldruckstufe MP bilanziert, die zweite Dampfturbine 1b die Hochdruckdampfstufe HP bilanziert und die Wärmepumpe 4, die mit der zweiten Dampfturbine 1b gekoppelt ist, die Niedrigdruckstufe LP bilanziert.
  • Im Folgenden werden zwei Prozessabläufe beschrieben, bei denen der Superhochdruckstufe SHP werden aus dem Hochtemperaturprozess verschiedenen Mengen an Superhochdruckdampf zugeführt werden. Der Hochtemperaturprozess liefert dabei 500 t/h bzw. 460 t/h Superhochdruckdampf.
  • Die erste Dampfturbine 1a bilanziert die Superhochdruckstufe SHP indem sie dieser die gesamte Menge an Superhochdruckdampf entnimmt und damit 34 MW bzw. 31 MW Leistung erzeugt. Um den Leistungsbedarf der ersten Verdichtermaschine 21 bereitzustellen, liefert die erste, mit der ersten Dampfturbine 1a gekoppelte, elektrische Maschine 3a 31 MW bzw. 34 MW Leistung. Die erste Dampfturbine 1a bilanziert weiterhin die Mitteldruckstufe MP, indem dieser in beiden Fällen 80 t/h Mitteldruckdampf zugeführt, der zusammen mit den 140 t/h Dampf, der der Mitteldruckstufe MP zugeführt wird, für die Verwendung in weiteren Prozessen entnommen wird. Weiterhin führt die erste Dampfturbine 1a der Hochdruckdampfstufe HP 420 t/h bzw. 380 t/h Hochdruckdampf zu, aus der wiederum 350 t/h Hochdruckdampf zur weiteren Verwendung entnommen werden.
  • Die zweite Dampfturbine 1b bilanziert die Hochdruckstufe HP, indem diese die verbleibenden 70 t/h bzw. 30 t/h Hochdruckdampf entnimmt um damit 6 MW bzw. 3 MW Leistung zu erzeugen, die der Wärmepumpe 4 zugeführt werden, die eine Leistungszahl von 3 hat, das heißt aus 1 MW zugeführter Leistung werden 3 MW Wärmeleistung erzeugt.
  • Die zweite Dampfturbine 1b führt weiterhin 70 t/h bzw. 30 t/h Niedrigdruckdampf der Niedrigdruckstufe LP zu, der weiterhin 200 t/h Niedrigdruckdampf zugeführt werden und 300 t/h Niedrigdruckdampf zur weiteren Verwendung entnommen werden. Um die Niedrigdruckstufe LP zu bilanzieren, erzeugt die Wärmepumpe 4 die verbleibenden 30 t/h bzw. 70 t/h Niedrigdruckdampf. Dazu verwendet die Wärmepumpe 4 im ersten Fall die von der zweiten Dampfturbine 1b zugeführten 6 MW an elektrischer Leistung und weitere, von extern zugeführte, 18 MW. Im zweiten Fall verwendet die Wärmepumpe 4 die von der zweiten Dampfturbine 1b zugeführten 3 MW elektrische Leistung, sowie 12 MW Leistung, die von einer vierten elektrischen Maschine 3d, die mit der zweiten Dampfturbine 1b gekoppelt ist, und 45 MW Leistung, die der Wärmepumpe 4 von extern zugeführt werden.
  • Dadurch kann zum einen erreicht werden, dass der Hochdruckstufe HP kein Dampf mehr aus einem Hochdruckboiler zugeführt werden muss und zum anderen auch kein Export von Dampf auf Vakuumbedingungen stattfindet, wobei die Bilanzierung der notwendigen Leistung und des Dampfes im System durch die elektrischen Maschinen 3a, 3b, 3c, 3d und die Wärmepumpe 4 erreicht wird. Der Energiebedarf sinkt dadurch auf 20,12 GJ/t Ethylen und Propylen bzw. 20,18 GJ/t Ethylen und Propylen. Dadurch stiegt die Gesamtenergieeffizienz der verfahrenstechnischen Anlage im Gegensatz zu herkömmlichen Anlagen, da nur noch 95,3 % bzw. 95,6 % der Energie des herkömmlichen Prozesses benötigt werden.
  • Figur 7a zeigt ein Blockdiagram einer nicht-erfindungsgemäßen verfahrenstechnischen Anlage zur Erzeugung von Olefinen bei der nur der Superhochdruckstufe Dampf zugeführt wird (620 t/h). Den weiteren Druckstufen werden in diesem Fall kein Dampf von extern zugeführt. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche Bauteile und für weitere Details wird auf die obere Beschreibung verwiesen wird.
  • Zur Bilanzierung der Superhochdruckstufe SHP wird dabei durch einen Export von Superhochdruckdampf erreicht, der im gezeigten Fall beispielsweise 88 t/h beträgt. Die verbleibenden 532 t/h Superhochdruckdampf werden von der ersten Dampfturbine 1a zur Erzeugung von 65 MW Leistung verwendet, mit der die erste Verdichtermaschine 1a betrieben wird. Dabei werden 152 t/h Dampf auf Vakuumbedingungen entspannt und extrahiert und der Hochdruckstufe HP zur Bilanzierung 380 t/h Hochdruckdampf zugeführt.
  • Aus der Hochdruckstufe HP werden 20 t/h Dampf für externe Prozesse entnommen und 309 t/h der zweiten Dampfturbine 1b zugeführt. Die zweite Dampfturbine 1b entspannt dabei 139 t/h Dampf auf Vakuumbedingungen und erzeugt dabei 40 MW Wellenleistung, die zum Betreiben der zweiten Verdichtermaschine 22 verwendet werden. Weiterhin führt die zweite Dampfturbine 1b der Mitteldruckstufe MP 170 t/h Mitteldruckdampf zu, die die Mitteldruckstufe MP bilanzieren, die zur weiteren Verwendung entnommen werden.
  • Die verbleibenden 51 t/h Hochdruckdampf werden aus der Hochdruckstufe HP der dritten Dampfturbine 1c zugeführt, die 26 t/h Dampf auf Vakuumbedingungen entspannt und extrahiert. Dabei werden 8 MW Leistung erzeugt, die zum Betrieb der dritten Verdichtermaschine 23 verwendet werden. Weiterhin führt die dritte Dampfturbine 1c der Niedrigdruckstufe 25 t/h Niedrigdruckdampf zu, der wiederum externen Prozessen zur Verfügung gestellt wird.
  • Der Prozess weist dabei einen Energiebedarf von 17 GJ/t Ethylen auf (einschließlich der Prozessseite, in den Figuren nicht im Detail gezeigt).
  • Figur 7b zeigt ein Blockdiagram einer weiteren verfahrenstechnischen Anlage zur Erzeugung von Olefinen die zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der nur der Superhochdruckstufe Dampf zugeführt wird und ein teilelektrifizierter Strang aus Verdichtermaschine 22, Dampfturbine 1a und Elektromotor 3a sowie zwei vollelektrifizierte Verdichtermaschinen 22, 23 aufweist. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche Bauteile und für weitere Details wird auf die obere Beschreibung verwiesen wird.
  • Im Gegensatz zu herkömmlichen verfahrenstechnischen Anlage zur Erzeugung von Olefinen, wie beispielsweise zu Figur 7a beschrieben, weist die in Figur 7b gezeigte verfahrenstechnische Anlage nur eine erste Dampfturbine 1a auf, die mit einer ersten elektrischen Maschine 3a gekoppelt ist und die erste Verdichtermaschine 21 antreibt, während die die zweite und dritte Verdichtermaschine 22, 23 von einer zweiten bzw. dritten elektrischen Maschine 3b, 3c angetrieben wird. Die erste Dampfturbine 1a ist dabei weiterhin mit der ersten elektrischen Maschine 3a drehmomentübertragend gekoppelt.
  • Der Superhochdruckstufe SHP werden wiederum 620 t/h Dampf auf Superhochdruckdampf aus dem Hochtemperaturprozess zugeführt. Die erste Dampfturbine 1a entnimmt der Superhochdruckstufe SHP 195 t/h Dampf und erzeugt daraus 22 MW elektrische Leistung, die zusammen mit dem von der ersten elektrischen Maschine 3a erzeugten 43 MW für den Betrieb der ersten Verdichtermaschine 21 genutzt werden. Dabei führt die erste Dampfturbine der Mitteldruckstufe MP 170 t/h Mitteldruckdampf und der Niedrigdruckstufe LP 25 t/h Niedrigdruckdampf zu, der aus beiden Stufen zur weiteren Verwendung entnommen wird. Somit bilanziert die erste Dampfturbine 1a die Mitteldruckstufe MP und die Niedrigdruckstufe LP.
  • Die Hochdruckstufe HP hat einen geringen Dampfbedarf, der durch Entspannung von Superhochdruckdampf gedeckt werden kann. Zur Bilanzierung der Superhochdruckstufe wird die verbleibende Menge an Superhochdruckdampf exportiert.
  • Der Energiebedarf der verfahrenstechnischen Anlage liegt dabei bei 15,4 GJ/t Ethylen und beträgt daher 90,8 % des Energiebedarfs herkömmlicher Anlagen. Weiterhin findet auch kein Export von Dampf auf Vakuumbedingungen statt.
  • Eine hybride Ausgestaltung kann auch zusätzlich mittels Verwendung einer Gasturbine erfolgen (nicht in den Beispielen gezeigt). Beispielsweise wird eine große Gasturbine mit einem Generator und dem Propylen-Verdichter gekoppelt. Der erzeugte Strom kann dann beispielsweise für den Elektroantrieb mindestens einer weiteren Maschine (einschließlich des Elektromotor-Dampfturbinen-Hybrides) verwendet werden.
  • Wird das bei erhöhtem elektrischem Import eingesparte Brenngas eingespeichert, kann es zu einem beliebigen Zeitpunkt über eine Gasturbine rückverstromt werden und dient daher als stationärer Speicher für elektrische Energie, der zur Anpassung an den Strompreis bzw. Strom-Markt genutzt werden kann.
  • Das System kann durch ein Power-Management System unterstützt werden, um zum Beispiel durch die Anpassung der Leistung des Antriebs im Generator-Betrieb einen Lastabwurf im Werksnetz zu stoppen oder zu reduzieren, wodurch das (Werks-)Netz stabilisiert werden kann.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Betreiben einer verfahrenstechnischen Anlage, durch die Olefine erzeugt werden, wobei unter Verwendung von Restwärme Dampf erzeugt wird;
    wobei die verfahrenstechnische Anlage eine Verdichtermaschine (21, 21a, 21b, 22, 23) aufweist, die zum Verdichten eines Arbeitsmediums verwendet wird; wobei die Verdichtermaschine (21, 21a, 21b, 22, 23) unter Verwendung einer Dampfturbine (1a, 1b, 1c) angetrieben wird;
    wobei zum Betreiben der Dampfturbine (1a, 1b, 1c) der Dampf verwendet wird, der unter Verwendung der Restwärme erzeugt wird;
    wobei aus einer Extraktionsstufe der Dampfturbine (1a, 1b, 1c) zumindest ein Teil des zum Betreiben der Dampfturbine (1a, 1b, 1c) verwendeten Dampfs auf einem überatmosphärischen Druckniveau extrahiert wird;
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Verdichtermaschine (21, 21a, 21b, 22, 23) zusätzlich mit einer elektrischen Maschine (3a, 3b, 3c) betrieben wird, welche drehmomentübertragend an einen Strang aus Verdichtermaschine (21, 21a, 21b, 22, 23) und Dampfturbine (1a, 1b, 1c) gekoppelt ist;
    wobei die Leistung der elektrischen Maschine (3a, 3b, 3c) einstellbar ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Leistung der elektrischen Maschine (3a, 3b, 3c), die an den Strang aus Verdichtermaschine (21, 21a, 21b, 22, 23) und Dampfturbine (1a, 1b, 1c) drehmomentübertragend gekoppelt ist, so eingestellt wird, dass die von der Verdichtermaschine (21, 21a, 21b, 22, 23) benötigte Wellenleistung zur Verfügung gestellt wird.
  3. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei dazu die elektrische Maschine (3a, 3b, 3c) als Elektromotor, der dem Strang aus Verdichtermaschine (21, 21a, 21b, 22, 23) und Dampfturbine (1a, 1b, 1c) Leistung zuführt, oder als Generator, der von dem Strang aus Verdichtermaschine (21, 21a, 21b, 22, 23) und Dampfturbine (1a, 1b, 1c) erzeugte Leistung in elektrische Energie umwandelt, die insbesondere teilweise zum Betrieb weiterer mit einem Elektromotor betrieben Verdichtermaschinen (21, 21a, 21b, 22, 23) genutzt wird, betrieben wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1-4, wobei die elektrische Maschine (3a, 3b, 3c) über einen Frequenzumrichter, insbesondere einen rückspeisefähigen Frequenzumrichter, mit Energie versorgt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Maschine (3a, 3b, 3c) als Festdrehzahlmotor ausgeführt ist und über ein Drehzahlregelgetriebe mit Überlagerungsmotor an dem Strang aus Verdichtermaschine (21, 21a, 21b, 22, 23) und Dampfturbine (1a, 1b, 1c) gekoppelt ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1-4, wobei die elektrische Maschine (3a, 3b, 3c) als Festdrehzahlmotor ausgeführt ist und über ein hydraulisches Drehzahlregelgetriebe an dem Strang aus Verdichtermaschine (21, 21a, 21b, 22, 23) und Dampfturbine (1a, 1b, 1c) gekoppelt ist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus der Extraktionsstufe der Dampfturbine (1a, 1b, 1c) zumindest ein Teil des zum Betreiben der Dampfmaschine verwendeten Dampfs auf einem überatmosphärischen Druckniveau von mehr als oder gleich 2 bar, insbesondere zwischen einschließlich 2 bar bis einschließlich 80 bar, beispielsweise 4 bis 8 bar oder 10 bis 30 bar, beispielsweise 15 bis 25 bar, 30 bis 60 bar, beispielsweise 35 bis 50 bar, extrahiert wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verdichtermaschine (21, 21a, 21b, 22, 23) Teil eines Rohgasverdichters ist, als Teil eines Rohgasverdichters betrieben wird, Teil eines Kältemittelverdichters ist oder als Teil eines Kältemittelverdichters betrieben wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei Verdichtermaschinen (21, 21a, 21b, 22, 23) zur Verdichtung von Arbeitsmedien vorgesehen sind und wobei mindestens eine Verdichtermaschine (21, 21a, 21b, 22, 23) Teil eines Rohgasverdichters ist oder als Teil eines Rohgasverdichters betrieben wird und mindestens eine Verdichtermaschine (21, 21a, 21b, 22, 23) Teil eines Kältemittelverdichters ist oder als Teil eines Kältemittelverdichters betrieben wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Verdichtermaschinen (21, 21a, 21b, 22, 23), die nicht mit dem Strang aus einer Dampfturbine (1a, 1b, 1c) und einer elektrischen Maschine (3a, 3b, 3c) angetrieben werden, von einem Elektromotor oder jeweils einem Elektromotor angetrieben werden.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei weniger als 10% einer zu der Dampfturbine (1a, 1b, 1c) geführten Gesamtdampfmenge auf unter 2 bar entspannt und mittels eines Kondensators kondensiert wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei über 90% der zu der Dampfturbine (1a, 1b, 1c) geführten Gesamtdampfmenge unter Verwendung der Restwärme erzeugt wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung zur Erzeugung von Olefinen weiterhin eine Wärmepumpe (4) umfasst, die von einer Dampfturbine (1a, 1b, 1c) und einer mit der Dampfturbine (1a, 1b, 1c) gekoppelten elektrischen Maschine (3d) betrieben wird.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung zur Erzeugung von Olefinen weiterhin eine Verdichtermaschine umfasst, die mit einer Gasturbine angetrieben wird, wobei die Verdichtermaschine zusätzlich mit einer elektrischen Maschine betrieben wird, welche drehmomentübertragend an den Strang aus Verdichtermaschine und Gasturbine gekoppelt ist und wobei die Leistung der elektrischen Maschine einstellbar ist.
  15. Verfahrenstechnischen Anlage zur Erzeugung von Olefinen mit mindestens einer Verdichtermaschine (21, 21a, 21b, 22, 23) zur Verdichtung von Arbeitsmedien, wobei die verfahrenstechnische Anlage zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
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