NO328852B1 - Fremgangsmate og system for behandling av gass - Google Patents

Abstract

Foreliggende oppfinnelse angår et system for behandling av naturgass omfattende et LNG-skip (11) som har et lastehåndteringssystem, LNG-tanker og et fremdriftssystem, hvor LNG-skipet mottar naturgassen fra et offshore anlegg eller et landbasert anlegg, og hvor systemet videre omfatter et LNG-prosessanlegg (10) montert på LNG-skipet (11).

Description

OPPFINNELSENS FAGOMRÅDE

Denne oppfinnelsen er knyttet til en fremgangsmåte og system for behandling av gass. Mer presist er oppfinnelsen knyttet til en fremgangsmåte og system for kondensering, lagring og transport av LNG-på en effektiv måte.

OPPFINNELSENS BAKGRUNN

Produksjon av hydrokarboner består, bl.a. av atskillelse og stabilisering av forskjellige hydrokarbonkomponenter som sammen med råolje er en del av tilførselsstrømmen fra brønnhodet. Når tilførselsstrømmen består av en høy prosentandel lette hydrokarboner, hvis bestand er kjent som naturgass, er feltet ofte klassifisert som et "assosiert gassfelt". Naturgassen fra slike felter må behandles på en eller annen måte. Den enkleste og vanligste måten er å brenne gassen ved hjelp av en brenner ved eller nær produksjonsanlegget. Imidlertid representerer slik brenning tapt energi, muligens tapt fortjenester og økt utslipp til atmosfæren.

I tillegg til brenning finnes det to velkjente måter å behandle assosiert gass. Den første er å føre gassen tilbake til kilden/reservoaret, og den andre er å føre gassen i gasstilstand til markedet gjennom et gassrør. I tilfeller hvor tilførselsstrømmen har en høy prosentandel naturgass, blir salgspotensialet betydelig hvis gassen kan bli solgt istedenfor brent eller tilbakeført.

Publikasjonen US 2008 0202158 viser et system for kjøling av naturgass ved hjelp av en Braytonsyklus med tre trinn kompresjon og ett trinn ekspansjon.

Publikasjonen WO 02/095284 viser et offshore reforgassingssystem for kondensert naturgass omfattende en mobil flytende plattform med en reforgassingsenhet.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en alternativ måte å behandle naturgass på, ved å kondensere gassen LNG-(liquified natural gas) og transportere LNG-til markedet. Dessuten er formålet med oppfinnelsen knyttet til bruk av LNG-skip for kondensering, lagring og transport av kondensert naturgass fra produksjonsanlegget til markedet.

SAMMENDRAG AV OPPFINNELSEN

Den foreliggende oppfinnelsen angår et system for behandling av naturgass, omfattende: et LNG-skip kjølekretsenheten omfattende et lastehåndteringssystem, LNG-tanker og en et fremdriftssystem, hvor LNG-skipet mottar naturgassen fra et offshoreanlegg eller en landbasert anlegg, hvor systemet videre omfatter: et LNG-prosessanlegg kjølekretsenheten tilveiebrakt på LNG-skipet kjølekretsenheten omfattende: en gassekspanderenhet kjølekretsenheten for gjenvinning av arbeid fra naturgass og dermed tilveiebringe initial kjøling av naturgassen; en varmevekslerenhet til nedkjøling og kondensering av naturgassen; en kjøleenhet for å tilveiebringe ytterligere kjøling og for forenkling av kondensering og underkjøling av naturgassen; en ekspansjonsventil for avsluttende nedkjøling gjennom reduksjon av trykket hos den kondenserte gassen før lagring i LNG-tankene ved hjelp av lastehåndteringssystemet; hvor kjøleenheten består av en lukket Brayton-kjølekretsenhet omfattende kompressorenheter og minst en ekspanderenhet, hvor kompressor- og ekspanderenhetene er koblet til en girboks for dermed å utgjøre en enkelt kompanderenhet.

I et aspekt av oppfinnelsen er kraft gjenvunnet ved minst en aksel hos gassekspanderenheten anvendt til å drive enten et elektriske aggregat eller bidra med mekanisk kraft til kompanderenheten.

I et aspekt av oppfinnelsen er gassekspanderenheten koblet mekanisk til girboksen hos kompanderenheten.

I et aspekt av oppfinnelsen er trykket til gassen mottatt fra oljeproduksjonsanlegget offshore over 7500 kPa.

I et aspekt av oppfinnelsen er gasstrykket etter gassekspanderenheten ca. 2000 - 300 kPa, normalt 1000 kPa.

I et aspekt av oppfinnelsen består varmeveksleren av plate-finne varmevekslere.

I et aspekt av oppfinnelsen er varmevekslerenheten isolert.

I et aspekt av oppfinnelsen er kjølefluidet i Brayton-kjølekretsenheten nitrogengass.

I et aspekt av oppfinnelsen omfatter Brayton-kjølekretsenheten omfatter kompressorenheter med vannavkjølte mellomkjølere og en etterkjøler.

I et aspekt av oppfinnelsen har kompanderenheten en utgående aksel for henholdsvis hver av de 3 kompressorenhetene og ekspanderenheten.

I et aspekt av oppfinnelsen har kompanderenheten en inngående aksel.

I et aspekt av oppfinnelsen er den inngående akselen mekanisk koblet til akselen hos gassekspanderenheten.

I et aspekt av oppfinnelsen er den inngående akselen til kompanderenheten drevet av dampturbin forsynt med damp fra varmekj elene til skipets fremdriftssystem.

I et aspekt av oppfinnelsen består kompanderenheten av tre kompressorenheter og to ekspanderenheter.

I et aspekt av oppfinnelsen får kompanderenheten kjølevann fra et kjøle vannsystem hos LNG-skipet.

Den foreliggende oppfinnelsen angår også en fremgangsmåte for behandling av naturgass, omfattende følgende trinn: tilveiebringe et LNG-skip, som har et lastehåndteringssystem, LNG-tanker og et fremdriftssystem, hvor LNG-skipet mottar naturgass fra et offshoreanlegg eller et landbaserte anlegg, og hvor fremgangsmåten omfatter følgende trinn: ekspandering av gassen ved hjelp av en gassekspanderenhet for gjenvinning av arbeid fra naturgass og dermed tilveiebringe initial nedkjøling av naturgassen; nedkjøling, kondensering og underkjøling av naturgassen ved hjelp av en varmevekslerenhet; videre nedkjøling ved hjelp av en kjøleenhet for tilveiebringelse av ytterligere kjøling og for forenkling av kondensering og underkjøling av naturgass; redusering av gasstrykket gjennom en ekspansjonsventil; lagring av flytende gass i LNG-skipets tanker ved hjelp av lastehåndteringssystemet.

DETALJERT BESKRIVELSE

Nedenfor blir utførelsesformer av denne oppfinnelsen beskrevet i detalj med henvisning til vedlagte tegninger, hvor: Fig. 1 er et skjematisk oversikt av forskjellige måter å håndtere naturgass fra et olje-og gassfelt;

Fig. 2 illustrerer den første utførelsesformen av oppfinnelsen

Fig. 3 viser detaljene av gassprosesseringssystemet til LNG-skipet i fig. 2.

Fig. 4 viser den andre utførelsesformen av oppfinnelsen; og

Fig. 5 viser kompressor/ekspanderprinsippet.

Det vises til fig. 1, som viser en oversikt over forskjellige måter for behandling av gass produsert i et prosessanlegg. Prosessanlegget 1 kan anta mange forskjellige former, blant annet et skip (kalt FPSO), en rigg (flytende eller bunnplassert) eller andre typer anlegg inkludert landbaserte anlegg.

I utførelsesformene vist i fig. 1 er hovedproduktet olje som kan bli fraktet til markedet enten på et skip eller gjennom rørledning. De lette

hydrokarbonbestanddelene, også kjent som naturgass, kan bli brent, fraktet til markedet gjennom en rørledning eller reinjiseres i brønnen.

Et alternativ til ovennevnte er å behandle naturgass er ved bruk av et system og en fremgangsmåte for behandling i samsvar med foreliggende oppfinnelse og som vises med stiplet linjer og merket A i fig. 1.

Det vises nå til fig. 2. Prosessanlegget 1, som i fig. 2 er vist som en flytende produksjonsrigg, er fortøyd til havbunnen over en undersjøisk brønn 2, hvor en brønnstrøm av hydrokarboner, det vil si olje og assosiert gass, er ledet gjennom rør til produksjonsanlegg 1 fra brønn 2 gjennom et stigerør 3. På produksjonsanlegget er tilførselsstrømmen delt opp i egnede komponenter som råolje, kondensat, tyngre gasskomponenter (LPG) og lettere gasskomponenter eller naturgass. Naturgassen skal behandles på en måte slik at den er klar til nedkjøling og kondensering. Dette betyr at urenheter, karbondioksid og vann har blitt fjernet eller redusert til et akseptabelt nivå for direkte kondensering. I fig. 2 er råoljen eksportert ved bruk av rørledninger på havbunnen eller til en skytteltanker via en lastebøye.

I fig. 2 er et gassbehandlingssystem eller et LNG-prosessanlegg 10 bygget på LNG-skipet 11. LNG-skipet 11 er fortøyd like ved oljeproduksjonsanlegget 1. LNG-skipet har et lastehåndterings system og andre hjelpeutstyr, som f eks kjølevannssystem og andre hjelpesystemer. LNG-prosessanlegget 10 tar imot naturgass fra produksjonsanlegget 1 gjennom en rørledning 12.

Det vises nå til fig. 3, som grovt sett samsvarer de stiplet linjene merket A i fig. 1. På denne tegningen er LNG-prosessanlegget 10 illustrert sammen med andre relevante deler av et LNG-skip. LNG-prosessanlegget 10 består av en gassekspanderenhet 20 for innledende nedkjøling av gassen ved å gjenvinne mekaniske arbeid eller kraft fra den, en varmevekslerenhet 30 for nedkjøling, kondensering og underkjøling av gassen og en kjøleenhet 40 som forsyner varmevekslerenheten med en kaldstrøm for videre nedkjøling og kondensering av gassen.

Gassekspanderenheten 20 blir tilført naturgass fra produksjonsanlegget 1. Etter behandlingsprosessen ved prosessanlegget vil som oftest naturgassen ha et høyt trykk, normalt over 7500 kPa. I den foreliggende utførelsesformen vil gassekspanderenheten 20 bestå av to gassekspandere 20a og 20b i serie, som vist i fig. 3. Gasstrykket nedstrøms gassekspanderenheten blir mellom 300 - 2000 kPa, normalt 1000 kPa.

Ekspansjonsprosessen i gassekspanderenheten 20 fører til en gjenvinning av energi og gasstemperaturfall. Den gjenvunnede energien tilgjengelig på ekspanderakslene kan brukes til å drive en strømgenerator eller bli brukt som drivkraft til kjøleenheten 40, som vil bli nærmere beskrivelse nedenfor.

Varmevekslerenheten 30 består av en plate-finne-varmeveksler hvor den nedkjølte gassen fra gassekspanderenheten tilføres. Varmevekslerenheten er isolert for å begrense tilførsel av varme fra omgivelsen. I den viste utførelsesformen er en 4-pass plate-finne-varmevekslerenhet brukt.

Kjøleenheten 40 i den foreliggende utførelsesformen består av en lukket type kjølekrets som eksempelvis en lukket Brayton-kjølekrets, hvor kjølemediet brukt er nitrogengass. I den påfølgende beskrivelsen er kjøleenheten 40 også angitt som en Brayton-kjølekretsenhet. Brayton-kjølekretsenheten har 3 kompressorenheter; hver av disse definerer et kompressortrinn med vannkjølte mellom- og etterkjølere. Videre består Brayton-kjølekretsenheten også av en ekspanderenhet som definerer et ekspansjonstrinn.

Naturgassen som tilføres varmevekslerenheten 30 er fordelt på to strømmer: en hovedstrøm som blir kjølt ned og kondensert og danner LNG-produktet, og en sekundær strøm som varmes opp og som er brukt som drivstoff for å generere den mekaniske energi for driften av Brayton-kjølekretsenheten.

De to resterende passasjene i varmevekslingsenheten 30 er brukt til å føre kjølekretsens primære og sekundære kjølestrømmer (nitrogengass).

I den viste utførelsesformen er de tre kompressortrinnene og det ene ekspandertrinnet i Brayton-kjølekretsenheten sammensatt til en såkalt "kompanderenhet" (eng: compander unit) (kompressor- og ekspanderenhet).

Prinsippet i kompanderenheten er vist i fig. 5. Kompanderenheten består av en felles girboks 52 som har utgående aksler for hver av kompressorenhetene og ekspanderenheten og en inngående aksel 55.

Som nevnt overfor, består kompanderenheten av tre kompressorenheter og en ekspanderenhet for Brayton-kjølekretsenheten som er mekanisk forbundet til den felles girboksen. Den inngående akselen til kompanderenheten er drevet av en driverenhet 55 som enten er drevet av dampturbin med damp fra LNG-skipets dampkjeler 66, som er en del av LNG-skipets fremdriftssystem, eller en elektrisk motor drevet med elektrisitet produsert ombord i LNG-skipet.

Videre kan ekspanderenhetene til gassekspanderenheten 20 også være fysisk koblet til girboks 52, se fig. 5. Merk at ekspanderenhetene til gassekspanderenheten 20 og ekspanderenhetene til kjøleenheten 40 sammen med driverenheten 55 forsyner energi til den felles girboksen 52, mens kompressorenheten til Brayton-kjølekretsenheten benytter energi fra den felles girboksen 52. Ved å designe en integrert kompanderenhet, som beskrevet ovenfor, vil enheten vil bli kompakt, redusere kostnadene og redusere plassbehovet for installasjon på LNG-skipet.

Mekaniske begrensninger og hastighetsbegrensninger kan gjøre det vanskelig for gassekspanderenheten 20 å bli koblet til girboks 52.1 dette tilfelle kan gassekspanderenheten 20 bli koblet til en generator for produksjon av elektriske strøm. Denne energien kan brukes på skipet og dermed redusere gass- og dampforbruket. I dette tilfelle vil kompanderenheten bestå av kjøleenheten 40 og driverenheten 55.1 dette tilfellet blir dermed gassekspanderenheten 20 en separat enhet og kompanderenheten, bestående av kjøleenheten 40 og driverenheten 55, en separat enhet.

Merk at Brayton-kjølekretsenheten er nærmere beskrevet i norsk patent NO 305525, som er herved inkorporert som referanse.

Som vist i fig. 3 sirkulerer kald nitrogen fremstilt av Brayton-kjølekretsenheten mellom varmevekslerenheten 30 og kjøleenheten 40. Som følge av denne sirkulering, er naturgassen videre kjølt ned og kondensert og til slutt underkjølt ved varmeveksling mot nitrogen. Nedstrøms LNG-prosessanlegget 10 er en ekspansjonsventil 50 brukt for å redusere trykket på den kondenserte gassen før den er transportert videre til LNG-tankene via LNG-skipets lastehåndteringssystem. Fig. 3 viser transport av LNG-fra ventilen 50 til LNG-tanken 60 gjennom rør 62.

Videre er kjøleenheten 40 forsynt med kjølevann fra et kjølevannssystem 64 hos LNG-skipet.

Naturgassen fra produksjonsanlegg 1 kan brukes som drivstoff av skipets dampkjeler 66 for produksjon av damp som vil drive driverenheten 55 når skipet er i LNG-produksjonsmodus, som vist i fig. 2. Brennstoffrøret er merket med 68 i fig. 3. Dermed har skipets dampkjeler 66 generert den nødvendige mekaniske arbeidet til driverenheten 55 i kompanderenheten.

På denne måten er en metode for håndtering av naturgass angitt, med følgende trinn: - tilveiebringe et LNG-skip som har et lastehåndteringssystem, LNG-tanker og et fremdriftssystem, hvor skipet mottar naturgass fra en flytende produksjonsanlegg eller et landbasert produksjonsanlegg, og hvor framgangsmåten videre omfatter følgende trinn: - ekspansjon av gassen ved bruk av en gassekspanderenhet for gjenvinning av energi fra naturgassen og derved tilveiebringe initial kjøling av naturgassen; - kjøling, kondensering og underkjøling av naturgassen ved hjelp av en varmevekslingsenhet; - ytterligere kjøling ved hjelp av en kjøleenhet for å tilveiebringe ytterligere kjøling og bidra til kondensering og underkjøling av naturgassen; - reduksjon av gasstrykket ved bruk av en ekspansjonsventil; - lagring av kondensert gass i LNG-tankene ved bruk av skipets lastehåndteringssystem.

Gjenvunnet energien fra ekspanderenheten er utnyttet prosessanleggets totale energibalanse eller LNG-skipets energibalanse.

Ifølge oppfinnelsen kan et LNG-skip med et prosessanlegg 10 ombord bli bruk til å håndtere, det vil si motta, kondensere og transportere naturgass fra anlegget 1. Som beskrevet ovenfor er flere av systemene til LNG-skipet gjenbrukt. De fleste tradisjonelle LNG-skip er utstyrt med dampdrevet fremdriftssystem som består av 2 gassfyrte dampkjeler som leverer damp til en dampturbiner som driver LNG-skipets propell. Når LNG-prosessanlegget er i drift er dampen i stedet ført til dampturbindrivenheten 55 på kompanderenhetens drivaksling. Alternativt kan drivenheten 55 være en elektrisk motor som får strøm fra LNG-skipets kraftforsyningssystem. Et slikt alternativ er mulig for LNG-skip som har installert et elektrisk fremdriftssystem drevet av mellomhastighets gassmotorer.

Når LNG-lastetankene er fulle, stopper gasstilførsel gjennom rørledning 12 fra produksjonsanlegget. LNG-skipet blir da frakoblet fortøyningen og seiler til en LNG-mottaksterminal for lossing av LNG. Deretter reiser skipet tilbake til produksjonsanlegg, bli fortøyd og tilkoblet for et ny syklus med gasskondensering, lagring og transport. Når LNG-skipet ikke er tilkoblet til rørledningen 12 kan gassen på produksjonsanlegget enten bli brent eller reinjisert i brønnen.

En synergieffekt er også oppnådd ved bruk av deler av sjøvannkjølesystemet for fremdriftsturbinkondensatoren som en del av kjølesystemet for anlegget 10.

Prosessanlegget er montert og integrert i LNG-skipets hjelpesystemer. Dette medfører at de aller viktigste hjelpesystemene som er nødvendige for drift av prosessanlegget er tilveiebrakt fra de eksisterende skipssystemene. Dette omfatter for eksempel dampkraft, elektrisk kraft, kjølevann samt eksisterende LNG-rørsystemer. Denne systemintegreringen kan gjøres uten at det påvirker av LNG-skipets normal funksjoner som passering ved full hastighet, terminaltiIgang, fortøying og lossing av last.

Det vises nå til fig. 4. LNG-skipet 11 med LNG-prosessanlegget 10 vist på fig. 4 tilsvarer LNG-skip 11 og LNG-prosessanlegget 10 som beskrevet ovenfor. Fig. 4 viser prosessanlegget 1 som et landbasert gasseksportanlegg med en havn. Som vist er LNG-prosessanlegget 10 koblet til anlegg 1 via rørledning 12 A, for transport av naturgass fra anlegget til skipet. Følgelig kan foreliggende oppfinnelse brukes for håndtering av enhver type naturgass, både assosiert gass fra oljefelter, for håndtering av naturgass fra gassfelter eller gasseksportanlegg. Når LNG-skipet mottar gass fra et landbasert anlegg er det mulig at gasstrykket ikke er høyt, men tilnærmet atmosfærisk trykk. I dette tilfelle kan gassekspanderenheten i prosessanlegget sløyfes eller erstattets med en kompressor.

Det skal bemerkes at kjøleenheten 40 bør utformes basert på de tekniske kravene den skal anvendes for. For eksempel kan Brayton-kjølekretsenheten bestå av flere eller færre enn 3 kompressorer, mer enn en ekspander, osv. Videre kan en av mellomkjølerne utelattes. Dette vil følgelig påvirke formgivningen av kompanderenheten.

Dessuten skal det bemerkes at dampkjelene 66 kan erstattes med gassmotorgeneratorer, etc.

Ytterligere endringer og variasjoner vil være innlysende for en fagperson på området etter å ha lest beskrivelsen ovenfor. Omfanget av oppfinnelsen fremgår av følgende krav og deres ekvivalenter.

Claims (16)

1. System for behandling av naturgass, omfattende: et LNG-skip (11) omfattende et lastehåndteringssystem, LNG-tanker og en et fremdriftssystem, hvor LNG-skipet mottar naturgassen fra et offshoreanlegg eller en landbasert anlegg, hvor systemet videre omfatter: et LNG-prosessanlegg (10) tilveiebrakt på LNG-skipet (11) omfattende: en gassekspanderenhet (20) for gjenvinning av arbeid fra naturgass og dermed tilveiebringe initial kjøling av naturgassen; en varmevekslerenhet (30) til nedkjøling og kondensering av naturgassen; en kjøleenhet (40) for å tilveiebringe ytterligere kjøling og for forenkling av kondensering og underkjøling av naturgassen; en ekspansjonsventil (50) for avsluttende nedkjøling gjennom reduksjon av trykket hos den kondenserte gassen før lagring i LNG-tankene ved hjelp av lastehåndteringssystemet; hvor kjøleenheten (40) består av en lukket Brayton-kjølekretsenhet omfattende kompressorenheter og minst en ekspanderenhet, hvor kompressor- og ekspanderenhetene er koblet til en girboks for dermed å utgjøre en enkelt kompanderenhet.

2. System i samsvar med krav 1, hvor kraft gjenvunnet ved minst en aksel hos gassekspanderenheten er anvendt til å drive enten et elektriske aggregat eller bidra med mekanisk kraft til kompanderenheten.

3. System i samsvar med krav 1 eller 2, hvor gassekspanderenheten (20) er koblet mekanisk til girboksen hos kompanderenheten.

4. System i samsvar med krav 1, hvor trykket til gassen mottatt fra oljeproduksjonsanlegget offshore er over 7500 kPa.

5. System i samsvar med krav 4, hvor gasstrykket etter gassekspanderenheten er ca.

2000 - 300 kPa, normalt 1000 kPa.

6. System i samsvar med krav 1, hvor varmeveksleren består av plate-finne varmevekslere.

7. System i samsvar med krav 1, hvor varmevekslerenheten er isolert.

8. System i samsvar med krav 1, hvor kjølefluidet i Brayton-kjølekretsenheten er nitrogengass.

9. System i samsvar med krav 1, hvor Brayton-kjølekretsenheten omfatter tre kompressorenheter med vannavkjølte mellomkjølere og en etterkjøler.

10. System i samsvar med krav 9, hvor kompanderenheten har en utgående aksel for henholdsvis hver av de 3 kompressorenhetene og ekspanderenheten.

11. System i samsvar med krav 10, hvor kompanderenheten har en inngående aksel.

12. System i samsvar med krav 11, hvor den inngående akselen er mekanisk koblet til akselen hos gassekspanderenheten.

13. System i samsvar med krav 11 eller 12, hvor den inngående akselen til kompanderenheten er drevet av dampturbin forsynt med damp fra varmekj elene til skipets fremdriftssystem.

14. System i samsvar med krav 1, hvor kompanderenheten består av tre kompressorenheter og to ekspanderenheter.

15. System i samsvar med krav 1, hvor kompanderenheten får kjølevann fra et kjøle vannsystem hos LNG-skipet.

16. Fremgangsmåte for behandling av naturgass, omfattende følgende trinn: tilveiebringe et LNG-skip (11), som har et lastehåndteringssystem, LNG-tanker og et fremdriftssystem, hvor LNG-skipet mottar naturgass fra et offshoreanlegg eller et landbaserte anlegg, og hvor fremgangsmåten omfatter følgende trinn: ekspandering av gassen ved hjelp av en gassekspanderenhet (20) for gjenvinning av arbeid fra naturgass og dermed tilveiebringe initial nedkjøling av naturgassen; nedkjøling, kondensering og underkjøling av naturgassen ved hjelp av en varmevekslerenhet (30); videre nedkjøling ved hjelp av en kjøleenhet (40) for tilveiebringelse av ytterligere kjøling og for forenkling av kondensering og underkjøling av naturgass; redusering av gasstrykket gjennom en ekspansjonsventil (50); lagring av flytende gass i LNG-skipets tanker ved hjelp av lastehåndteringssystemet.