NL8103967A - Werkwijze voor het bedrijven van verdichterinrichtingen voor gassen. - Google Patents

Description

, *r i

Werkwijze voor het bedrijven van verdichterinrichtingen voor gassen.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het bedrijven van verdichterinrichtingen voor gassen, in het bijzonder van verdichterstations in gastransportleidingen over grote afstanden, bijzonder in het permafrostgebied.

5 Voor de meest verschillende doeleinden benodigd men een hoog verdichtgas met een bepaalde temperatuur. Aangezien bij het verdich-tingsproces in aanzienlijke mate warmte ontstaat, moet het uit de compressor komende gas teruggekoeld worden of na behoefte zelfs onder de ingangstemperatuur ondergekoeld te worden. Daartoe benut men op 10 bekende wijze gas—lucht—warmteuitwisselaars of gas—waterwarmte-uit-wisselaars en eventueel extra na^geschakelde koelinstallaties met eigen energie verbruikende aandrijven.

Het toepassen van warmteuitwisselaars verlangt dan een bijzonder grote inspanning, wanneer het temperatuurverschil tussen gas-15 en koelmedium (lucht of water) betrekkelijk klein is, hetgeen in het bijzonder bij luchtkoeling het geval is. Het meest ongunstige geval ligt vanzelfsprekend in de zomer en wel gedurende het daggedeelte met de hoogste luchttemperatuur. Normalerwijs dient voor dit geval de warmteuitwisselaar ontworpen te worden, 20 Extremes verhoudingen met betrekking op deze temperatuurver schillen heersen ook in de continentale permaforstgebieden. Hier reiken de temperaturen van extreem lage waarde in de winternachten tot buitengewone dagtoppen op de zomerdagen. Fig. 1 toont deze omstandigheden .

25 Rijke aardgasvondsten in zulke gebieden van de aarde maken een transport van het aardgas naar ver verwijderde verbruikscentra noodzakelijk.

Voor het bedrijven van de hiertoe gebouwde buisleidingen zijn op bepaalde afstanden opgestelde pompstations (verdichterstations) 30 noodzakelijk, waarin het aankomende gas door middel van verhoging van zijn druk in de verder voerende leiding geperst wordt. Aangezien de 9 inde permaforstgebied gelegde leiding de deze leiding dragende, bevroren bodem vanzelfsprekend niet mag ontdooien, moet het door het ver- 8103967 - 2 - dichten verwarmde gas tot de transporttemperatuur, bijvoorbeeld min 3°C, teruggekoeld te worden. Dit vereist bijzondere koelinrichtingen, waarbij de anders gebruikelijke gebruik van vrij, toevloeiend en afvloeiend water om vanzelfsprekende redenen niet mogelijk is, dat wil 5 zeggen dat de koelinrichtingen slechts met de lucht als koelmedium dienen te kunnen werken. Gaat men uit van de hierboven genoemde krasse temperatuurverschillen die tijdens een jaar en een dag optreden, dan benodigd men voor de voorkomende maximale temperatuur reusachtige, kostbare warmteuitwisselaars en koelinstallaties en dient men met ongeil 0 looflijke verliezen te rekenen.

De uitvinding beoogt het terugkoelen van het verdichte gas onder zo klein mogelijke verliezen met zo klein mogelijke investeringen uit te voeren en dat bij in achtname van de meest extreme temperatuurverschillen in de loop van de dag en in de loop van het jaar.

15 Dit doel wordt door een werkwijze volgens het kenmerk van de conclusie bereikt. Tengevolge van de uitgevonden óververdichting verkrijgt men ook een overeenkomstige oververwarming van het gas, dat wil zeggen het gas verlaat de verdichter met een hogere temperatuur, zodat ook bij hogere temperaturen van het koelmediumlucht een zeer grote 20 koelwerking van een niet te grote gas- luchtwarmteuitwisselaar voor handen is. De overmatige druk wordt dan bij voorkeur in een betrekkelijk eenvoudige ontspanningsturbine tot op de gewenste uitgangsdruk verlaagd, waarbij ook een overeenkomstige afkoeling plaats heeft bij de ontspanning van het gas. De arbeid van de ontspanningsturbine 25 kan enerzijds door een schakelbare of vaste koppeling op de as van de hoofdverdichter worden afgegeven of, wanneer een nog verder koelen van het gas noodzakelijk is, voor het aandrijven van een andere, nageschakelde koelinstallatie gebruikt worden. In elk geval kan het energie verbruik voor het opwekken van de overdruk bijna volledig, slechts bij 30 aftrekken van de werkingsgraad, teruggewonnen worden.

Door het bemeten van de afzónderlijke bouwelementen van de verdichtereenheid en de koelinstallatie met warmteuitwisselaars en koelers, naar keuze bijschakelen van de ontspanningsturbines, alsmede het instellen van willekeurige mengverhoudingen van het gas voor en na 35 elke trap door het toepassen van nevenschakelkleppen kan een optimaii 8103967 ' ? i - 3 - satie voor elke gegeven parametertoestand uitgevoerd worden.

Een bijzonder nuttig effect wordt bereikt wanneer de conden-satie-warmte van de nageschakelde koelinstallatie reeds voor het voorverhitten van het aankomende gas voor de verdichtingstrap toegepast 5 wordt. De temperatuur van het verdichte gas wordt daardoor nog meer verhoogd, zodat het temperatuurverschil in de gas-lucht-warmteuitwisse-laar wordt verhoogd en de warmteuitwisselaar kan nog kleiner uitgevoerd worden. Een verder voordeel van deze maatregel bestaat in een aanzienlijke energie-besparing, aangezien een circulatiepomp voor de vloeistof-10 kringloop slechts een breukdeel van de aandrijfenergie van een vergelijkbare luchtventilatorinstallatie benodigd, aangezien als overdraagmedium in deze kringloop vanzelfsprekend een vloeistof, bij voorkeur tegen bevriezen beschermd water gebruikt wordt. Bovendien wordt het koude o proces door het dalen van de condensatietemperatuur over ongeveer 30 C, 15 dat wil zeggen de omgevingstemperatuur, aanzienlijk verbeterd. Evenzo worden de kosten voor de watergekoelde condensator ten opzichte van de luchtgekoelde uitvoering sterk verminderd.

Een andere oplosmogelijkheid, waarbij vooral de investeringskosten en de robuustheid van de installatie belangrijker gezichtspun-20 ten zijn, wordt verkregen door het voor-verhitten van het aankomende gas door het hoogverdichte gas zelve. Een belangrijk voordeel is dat hierbij geen koelinstallatie noodzakelijk is, aangezien het afkoelen van het gas in de drie bouwelementén; liïcht-gas-koeler, gas-gas-koeler en ontspanningsturbine (in deze volgorde) plaats heeft. De ontspannings-25 turbine geeft het vermogen aan de tweede verdichtingstrap af en bespaart zodoende de extra, dure, gasturbineaandrijving voor dit ver-dichtings dee1.

Aan de hand van de bijgaande tekening wordt een voorbeeld van de uitvinding voor zijn toepassing in een gastransportleiding van 30 in het permaforstgebied, de werkingswijze daarvan en andere uitvoeringsvormen verduidelijkt.

Vanzelfspreken kan de uitvinding overal toegepast worden waar gassen verdicht en vervolgens gekoeld dienen te worden, bijvoorbeeld bij vele proces-verlopen in de chemische of petrochemische indus-35 trie.

8103967 * * f - 4 -

Fig. 1 toont de reeds genoemde dagtemperaturen en jaartemperaturen.

Fig. 2 toont de principeschakeling voor het toepassen van de uitgevonden werkwij ze.

5 Fig. 3 toont een grafiek bij toepassen van de uitvinding in geval van een extreme zomer.

Fig. 4 toont een andere uitvoeringsvorm van de principe schakeling volgens fig. 2.

Fig. 5 toont een verdere verbetering.

10 Fig. 6 toont het bijbehorende I-S-diagram.

Fig. 7 toont het schakelschema zonder koude proces.

Fig. 8 toont het I-S-diagram zonder koude proces.

Het principe van de uitvinding is aangegeven in fig. 2 waarbij o de gasleiding 0 het gas aanvoert bij -3 C en 50 bar, waarbij het gas 15 het verdichtingsstation met -3°C en 75 bar in de verder voerende leiding 6 verlaat. De gebruikelijke aansluitkleppen 15 en 21 zijn aanwezig.

Na doorstromen door het reinigingsfilter 26 komt het gas in de door de gasturbine 13 aangedreven verdichter 23 en verder in de terug-20 koel- warmteuitwisselaar 22 die, zoals reeds opgemerkt, de warmte slechts aan de omgevingslucht kan afgegeven. Normalerwijs zal hier de werkwijze beëindigt zijn, maar onder omstandigheden zou nog een vreemd aangedreven koelinstallatie voor het verder afkoelen van het gas, die de kringloop bestaande uit een verdichter 7, condensator 8, ontspannings-25 klep 9 en verdamper en warmteuitwisselaar 10 omvat, worden nageschakeld.

Met betrekking op het I-S-diagram volgens fig. 3 wordt in het volgende de uitgevonden werkwijze verduidelijkt (0-6).

Het gas wordt in de verdichter 23 aanzienlijk hoger dan voor 30 het verdere transport noodzakelijk verdicht en daardoor ook aanzienlijk heter (0-2).

In de kleinere maar een hoger temperatuurverschil tussen gas en lucht als koelmedium leverende warmte-uitwisselaar 22 wordt aan het gas slechts een deel van zijn warmte onttrokken.(2-3), 35 het ges wordt dan in de ontspanningsturbine 14, die de koel- 8103967 * * * - 5 -

Installaties 7, 8, 9, en 10 aandrijft, op de transportdruk ontspannen en koelt daarbij af (3-4), de restwarmte tot de transporttemperatuur wordt aan het gas in de warmteuitwisselaar 10 van de koelinstallatie, die het gas met de 5 eigen ovendruk aandrijft, onttrokken (4-6), en het gas verlaat bij juiste dimensionering en besturing het verdichterstation in de verder voerende buisleiding 6 met de gewenste waarden in 3°C en 75 bar. Men kan met in de hoofdstroom gelegen kleppen en schuiven 15, 17 en 21 het debiet en met de nevensluitkleppen 10 16, 20 de mengverhouding voor en na de afzonderlijke procestrappen sturen.

Het oververdichte gas kan eveneens in een vast met de as van de verdichter 23 verbonden of naar keuze door middel van de koppeling 12 aankoppelbare ontspanningsturbine 11 onder afgifte van arbeid ont-15 spannen en gekoeld worden. De ontspanningsturbines 11 en 14 kunnen telkens afzonderlijk aanwezig zijn, zij kunnen beide aanwezig zijn en gelijktijdig of afzonderlijk bedreven worden.

Door opstellen en overeenkomstig bedienen van de kleppen 16, 18 en 19 kan de ontspanningsturbine 11 tegelijkertijd als hulpturbine 20 voor het opgangbrengen van de hoofdturbine 13 van de verdichter 23 door afname van drukgas uit de toevoerleiding 0 gebruikt worden.

Een zeer groot nuteffect wordt bereikt wanneer, zoals in fig. 5 en 6 aangegeven, de condensator 8 van de koelinstallatie (4-6) zijn af te voeren warmte over een warmteuitwisselaar 24 (0-1) aan het uit 25 de toevoerleiding 0 binnenkomende gas via een normaal met tegen bevriezen beschermd water gevulde tussenkringloop met circulatiepomp 25 afgeeft. Daardoor wordt het binnenkomende gas reeds op een hoger temperatuurniveau gebracht, de verdichter 23 verhoogd de temperatuur verder (1-2) en de warmteuitwisselaar 22 staat daardoor een groter 30 temperatuurverschil (2-3) ter beschikking. De werkingsgraad van het verdichtingsstation wordt daardoor en door de verbetering van het koude proces als gevolg van de daling van de condensatietemperatuur optimaal, waarbij bovendien de investeringskosten door verkleinen· van de totale koude machine-installatie dalen.

35 Een verdere verbeteringsmogelijkheid door wegvallen van de 8103967 *·.

' ‘ - 6 - koude installatie verkrijgt men dan, wanneer, zoals uit fig. 7 en 8 blijkt, de gedeeltelijke verhitting van het transportgas in de gas-gas-warmteuitwisselaar 24 (0-1) na de filter 26 en daarop aansluitend een tweetrappige verdichting in de hoofdverdichter 23 (1-2) en de 5 naverdichter 23' (2-2*) plaats hebben. De verdichtingstemperatuur geeft tesamen met de verhitting in de warmteuitwisselaar 24 de gewenst hoge overtemperatuur om het gas in de lucht-gas-koeler 22 (2'-3), in de gas-gas-koeler 24 (3-4) en in de ontspanningsturbine 14 (4-6) op economische wijze te kunnen terugkoelen.

8103967

Claims (11)

1. Werkwijze voor het bedrijven van verdichtingsinrichtingen voor gassen^ in het bijzonder van verdichtingsstation in gastransportleidingen over grote afstanden, in het bijzonder in het permafrost-gebied, gekenmerkt doordat het gas in.afhankelijkheid van de omgevings- 5 temperatuur in de· door een gasturbine (13) aangedreven verdichter (23) op een hogere dan de noodzakelijke uitgangsdruk verdicht wordt, dat slechts een deel van de daardoor opgewekte grotere verdichtingswarmte op hoger temperatuurniveau in een gebruikelijke warmteuitwisselaar (22), bij voorkeur met lucht als koelmedium, afgevoerd wordt, en dat 10 een ander deel van de verdichtingswarmte door ontspanning van het gas op de gewenste uitgangsdruk onder afgifte van arbeid verwerkt wordt.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, gekenmerkt doordat de ontspanning van het gas in een ontspanningsturbine (11, 14) uitgevoerd wordt.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, gekenmerkt doordat de ont spanningsturbine (14) de verdichter (7) van een in de gasstroom nageschakelde, extra, koelinstallatie (7, 8, 9, 10) aandrijft.

4. Werkwijze volgens conclusie 2, gekenmerkt doordat de ontspanningsturbine (11) aan de gasturbine-aandrijving (13) van de hoofd- 20 verdichter (23) door middel van een naar keuze schakelbare koppeling (12) aankoppelbaar is.

5. Werkwijze volgens de conclusies 3 en 4, gekenmerkt doordat een deel van het oververdichte gas de ontspanningsturbine (14) van de nageschakelde koelinstallatie (7, 8, 9, 10) aandrijft en een deel een 25 aan de hoofdverdichteraandrijf (13) naar keuze aankoppelbare ontspanningsturbine (11) aandrij ft.

6. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, gekenmerkt doordat de verdichtingswarmte en de condensatiewarmte van het koude middel van de nageschakelde koelinstallatie (7, 8, 9, 10) via warmte- 30 uitwisselaars (8', 24) aan het uit de toevoerleiding (0) in het verdichtingsstation binnentredende gas afgegeven wordt.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, gekenmerkt doordat als over-draagmedium tussen de warmteuitwisselaars (8' en 24) een vloeistof,bij voorkeur tegen bevriezen beschermd water, toegepast wordt. 8103967 f #>' « - 8 -

8. Werkwijze volgens conclusie 2, gekenmerkt doordat de ont-spanningsturbine (14) als aandrijf voor de tweede trap (23') van de hoofdverdichter (23) dient.

9. Werkwijze volgens conclusie 8, gekenmerkt doordat het na 5 de lucht-gas-koeler (22) overgebleven deel van de verdichtingswarmte in de gas-gas-koeler (24) aan de door de toevoerleiding (0) in het verdichtingsstation binnenkomende gas afgegeven wordt en bij de noodzakelijke temperatuurdaling op de uitgangswaarde in de ontspannings-turbine (14) verwerkt wordt.

10. Inrichting van het verdichtingsstation voor het toepassen van de werkwijze volgens een der voorgaande conclusies.

11. Inrichting volgens conclusie 10, gekenmerkt doordat de bemeting van de bouwelementen voor het optimaliseren van de gezamenlijke werkingsgraad onder in aohtname van de parameters: temperatuur 15 en druk van het gas aan de ingang en de uitgang, maximale en minimale omgevingstemperatuur plaats heeft. 8103967