NO330732B1

NO330732B1 - Kombinert lager for naturgass og CO2

Info

Publication number: NO330732B1
Application number: NO20035622A
Authority: NO
Inventors: Henrik Fleischer; Knut Borseth
Original assignee: Sargas As
Priority date: 2003-12-16
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2011-06-27
Also published as: NO20035622L; NO20035622D0; CA2549531A1; US20070006920A1; WO2005059433A1; EP1695003A1; CA2549531C

Description

OPPFINNELSENS FELT

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte og anordning for midlertidig oppbevaring, slik som under transport, av to fluider hvor blandingen av fluidene i størst mulig grad unngås.

BAKGRUNN

Det er under utvikling teknikk for separasjon av CO2fra avgassen fra varmekraftverk hvor den separerte CO2deponeres for eksempel ved injeksjon i et olje- eller gassfelt. Det er ofte ikke mulig eller det er upraktisk og kostbart å plassere et varmekraftverk der det både er tilgjengelig brenselgass som brensel for varmekraftverket og det samtidig er mulighet for deponering av CO2i nærheten.

CO2kan deponeres i brønner som ikke lenger er i bruk, i "aquifers" som forlatte brønner går gjennom, eller som trykkstøtte i produserende brønner. Det kan også finnes formasjoner isolert fra produserende gass eller oljefelt nær gass- og oljefelt som egner seg for sikker deponering av CO2.

I den grad varmekraftverk ikke kan bygges i direkte tilknytning til et gass- og oljefelt må gass som brensel for varmekraftverket transporteres fra feltet og til varmekraftverket, mens CO2som er separert fra avgassen må transporteres til deponeringsstedet.

Gass, slik som naturgass som brensel for varmekraftvektet, samt CO2kan transporteres i rørledninger, en for transport av naturgassen og en for retur av CO2. Det er imidlertid kostbart å legge dedikerte rør til og fra et varmekraftverk. Strømmene til og fra feltet i slike rørledninger være små og kan for et kraftverk på 100 MW utgjøre så lite som 2 til 10% av den gass som produseres på et felt. Slike små rørledninger over lengre avstander vil ofte være ulønnsomme.

Rørledninger fra et felt til en kunde er normalt rør som transporterer gass og/eller olje fra produksjonssted til kunde. Dersom det i tillegg til røret for transport av gass og/eller olje skal legges et rør for retur av CO2vil kostnadene bli uakseptabelt høye. Planlegging, beslutningsprosessen og den faktiske leggingen av slike rør tar dessuten lang tid.

Et alternativ kan da være å transportere brenselgass til et varmekraftverk og returnere CO2over havområder eller langs kysten i skip med separate tanker for CO2og naturgass i trykksatt og/eller flytende form. Trykket i slike tanker kan være 200 til 300 barg, mens det for varmekraftverket kreves at det blir levert gass ved 20 - 40 barg. Tilsvarende trykk gjelder også for transport av CO2henholdsvis leveranse av samme for deponering til et olje- /gassfelt. Med andre ord vil 10 -15% av gassen være igjen i tankene etter leveranse av naturgass, hhv. C02til gasskraftverk og deponi. Dersom man skulle bruke samme tank til begge gasser vil dette føre til en uakseptabel blanding av gassene. For det første ville en uakseptabel stor del av den kostbare naturgassen bli returnert til feltet for deponering sammen med CO2, samtidig som en uakseptabel mengde C02ville bli levert sammen med naturgassen.

En transport i tanker om bord på skip vil således kreve at gassene / fluidene transporteres i atskilte tanker/beholdere, en løsning som vil bli uakseptabelt kostbar og plasskrevende idet tankene for CO2vil stå tomme ved transport av naturgass og omvendt slik at et stor del av fartøyets totale transportkapasitet til enhver tid er ubrukt.

Det er tidligere beskrevet i NO 2003 4499 å benytte sylinderformede tanker som er delt i et øvre og et nedre kammer som er skilt med et aksielt forskyvbart stempel som forhindrer sammenblanding av fluider som vekselvis skal transporteres i tankene. Stempelet gjør at tankene blir mer kompliserte å bygge og mer krevende når det gjelder vedlikehold enn tanker uten et slikt stempel. Dette medfører både økede produksjons- og driftskostnader. Det ville derfor være en fordel om man kunne oppnå minimal blanding av to gasser som transporteres vekselvis i et tanksystem uten at det er nødvendig å benytte et stempel.

US 4.446.804 beskriver en fremgangsmåte og anordning for olje og gass under høyt trykk, hvor det benyttes et trykkfluid for fortrengning av olje og gass under tømming av tanker hhv. som blir fortrengt fra tanker under fylling av olje og gass. Trykkfluidet er et fluid som ikke er blandbart med olje og gass, slik vann. Bruk av et slikt trykkfluid vil muliggjøre vekselvis transport av to gasser i et tanksystem, men vil introdusere et ytterligere fluid i tankene som ikke skal transporteres. Introduksjon av vann medfører et eget fremgangsmåtetrinn og utstyr for dette, og gir øket fare for korrosjon i tankene.

OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

Et mål ved foreliggende oppfinnelse er å fremskaffe en løsning for transport av naturgass og CO2hvor de ovenfor nevnte ulempene overvinnes.

Ifølge et første aspekt blir det fremskaffet en fremgangsmåte for vekselvis lagring av naturgass og CO2i et tankanlegg, hvor gassene blir lagret i et flertall tanker som er forbundet med hverandre i serie, hvor naturgass blir tilført, henholdsvis tatt ut fra en tank i den ene enden av tankene som er forbundet i serie og hvor C02blir tilført, henholdsvis tatt ut i en tank i motsatt ende av tankene som er forbundet i serie.

Foretrukne utførelsesformer av dette første aspektet er angitt i de vedlagte kravene 2 til 4.

Ifølge et andre aspekt blir det fremskaffet et kombinert anlegg for vekselvis naturgass og CO2, hvor anlegget omfatter et flertall tanker som er sammenkoblet i serie ved hjelp av forbindelsesledninger og at der er anbrakt en C02-linje for tilførsel av CO2til hhv. uttak av CO2fra tankanlegget som er forbundet til en første tank i serien av tanker, og en naturgasslinje for uttak av naturgass hhv. tilførsel av naturgass til en siste tank i serien av tanker.

Foretrukne utførelsesformer av dette første aspektet er angitt i de vedlagte kravene 5 til 8.

KORT BESKRIVELSE AV FIGURENE

Figur 1 viser en prinsippskisse for et anlegg med tanker ifølge foreliggende oppfinnelse ved lossing av naturgass og lasting av CO2; Figur 2 viser en prinsippskisse for et anlegg med tanker ifølge foreliggende oppfinnelse ved lossing av CO2og lasting av naturgass; Figur 3 viser et lengdesnitt gjennom en første foretrukket tank; Figur 4 viser et lengdsnitt gjennom en andre foretrukket tank; Figur 5a viser lengdesnitt gjennom en tredje foretrukket tank; Figur 5b viser et tverrsnitt av tanken ifølge figur 5a; Figur 6 viser sammensetningen av gassen som forlater en tank ved samtidig lasting av Figur 7 viser sammensetningen av gassen som forlater et anlegg med to tanker ved lasting av CO2og lossing av naturgass; Figur 8 viser sammensetningen av gassen som forlater et anlegg med ti tanker ved lasting av CO2og lossing av naturgass; Figur 9 viser sammensetningen av gassen som forlater et anlegg med hundre tanker ved lasting av CO2og lossing av naturgass; og Figur 10 viser skjematisk en transportløsning mellom et gassfelt og et landbasert anlegg omfattende et gasskraftverk.

DETALJERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

Foreliggende oppfinnelse angår et kombinert lagerfør hydrokarbongass, slik som naturgass, og CO2, hvor lageret i en tidsperiode benyttes for lagring av CO2og en annen periode benyttes for lagring av naturgass. Et slikt kombinert lager er spesielt hensiktsmessig for transport for eksempel om bord på et fartøy, hvor det fraktes naturgass fra et gassfelt til et landbasert anlegg og transporteres CO2for reinjeksjon fra land til gassfeltet.

Figur 6 viser sammensetningen av gassen som tas ut av en lagringstank, som funksjon av tid, hvor tanken i utgangspunktet er fylt med naturgass og hvor tanken tømmes for naturgass samtidig som naturgassen erstattes av CO2. Beregningene som ligger til grunn for kurven forutsetter at gassene, dvs. C02og naturgass, blandes fullstendig i tanken. Total oppholdstid i tanken (dvs. forholdet mellom volum i m<3>og gjennomstrømning i m<3>/h) er på 15 timer. Dersom det i tanken hadde vært pluggstøm, dvs. at den innkommende gassen skyver foran seg den gassen som tas ut, eller dersom der hadde vært et stempel som beskrevet i NO 2003 4499 for å skille fasene, ville det således ta

15 timer å ta ut all naturgassen. I denne beregningsmodellen ville det ta 33 timer for å losse 90% av naturgassen ved å tilføre C02. Man vil samtidig få en naturgass som er kraftig forurenset med CO2. Figur 7 viser sammensetningen av gassen som tas ut av et lagringssystem med to beholdere koblet i serie, som funksjon av tid, hvor tankene i utgangspunktet er fylt med naturgass og hvor tankene tømmes samtidig som naturgassen erstattes av C02. Det ligger også til grunn i denne beregningsmodellen at den innkommende gassen i hver tank blandes fullstendig med innholdet i tanken samt at totalvolumet i de to tankene er likt volumet i den ene tanken i figur 6. Total oppholdstid i tanken (dvs. forholdet mellom volum i m3 og gjennomstrømning i m<3>/h) er på 15 timer. Ved anvendelse av to tanker vil i denne modellen 90% av naturgassen være losset i løpet av 28 timer, dvs. at det er spart 5 timer på lossingen i forhold til en tank. I tillegg vil innblandingen av CO2i den lossede naturgass være betydelig mindre enn ved anvendelse av en tank. Figur 8 viser sammensetningen av gassen som tas ut av et lagringssystem med ti beholdere koblet i serie, som funksjon av tid, hvor tankene i utgangspunktet er fylt med naturgass og hvor tankene tømmes samtidig som naturgassen erstattes av CO2. Det ligger også til grunn i denne beregningsmodellen at den innkommende gassen i hver tank blandes fullstendig med innholdet i tanken samt at totalvolumet i de ti tankene er likt volumet i den ene tanken i figur 6. Total oppholdstid i tanken (dvs. forholdet mellom volum i m3 og gjennomstrømning i m<3>/h) er på 15 timer. Ved anvendelse av ti tanker vil i denne modellen 90% av naturgassen være losset i løpet av ca. 18 timer, dvs. at det er spart 15 timer på lossingen i forhold til en tank. I tillegg vil innblandingen av CO2i den lossede naturgass være betydelig redusert. Figur 9 viser sammensetningen av gassen som tas ut av et lagringssystem med hundre beholdere koblet i serie, som funksjon av tid, hvor tankene i utgangspunktet er fylt med naturgass og hvor tankene tømmes samtidig som naturgassen erstattes av CO2. Det ligger også til grunn i denne beregningsmodellen at den innkommende gassen i hver tank blandes fullstendig med innholdet i tanken samt at totalvolumet i de hundre tankene er likt volumet i den ene tanken i figur 6. Total oppholdstid i tanken (dvs. forholdet mellom volum i m<3>og gjennomstrømning i m<3>/h) er på 15 timer. Ved anvendelse av hundre tanker vil i denne modellen 90% av naturgassen være losset i løpet av ca. 16 timer. De første 12 timene vil den lossede naturgassen være ren naturgass. Etter 12 timer vil gassen som losses, i økende grad inneholde C02, men totalmengden CO2i den totalt uttatte naturgass vil være relativt liten sammenlignet med anvendelse av en tank. Figurene 6 til 9 illustrerer at ytelsen til et slikt system, dvs. tilnærmingen til en ideell pluggstrøm, øker med antallet seriekoblede beholdere. Figur 1 og 2 viser skjematisk et kombinert lager for CO2og naturgass under tømming av naturgass og fylling av naturgass. Anlegget omfatter et antall beholdere 1, 1', ..1<n>' som er forbundet med sammenknytningsledninger4, hvor hver sammenknytningsledning har to åpninger, en åpning i toppen av en beholder og den andre åpningen i bunnen av en nabobeholder. I figur 1 tilføres CO2gjennom en CCVIedning 2 som har en åpning nær bunnen av en første beholder 1 og naturgass tas ut gjennom en naturgassledning 3 som har en åpning nær toppen i en siste beholder 1<n>'. Dersom det kan tolereres for det tilsiktede formålet kan naturgassen som tas ut av naturgassledning 3 tilføres direkte til det tilsiktede formålet. Dersom naturgassen skal tilføres til et gasskraftverk kan det være hensiktsmessig å sørge for at den sist uttatte gassen som inneholder en del C02blir blandet med ren naturgass før bruk.

I figur 1 og 2 er det dessuten vist renseanlegg for rensing av naturgass hhv.

CO2. Ved starten av lossingen av naturgass vil gassen i gasslinje 3 være ren og kan derfor tas ut via et omløpsrør 10 til et naturgassuttak 12. Når innblandingen av CO2i den uttatte strøm i gasslinje 3 kommer over et på forhånd gitt nivå man ikke ønsker å overstige, stenges omløpsrør 10 og gassen fra ledning 3 ledes gjennom en separasjonsenhet 11, for separasjon av naturgass og CO2. CO2fra separasjonsenheten 11 føres via en returledning 13 og pumpes ved hjelp av en pumpe 14 tilbake til C02-Iedning 2 og ledes inn i lagringssystemet. Ren naturgass tas da ut gjennom naturgassutløpet 12.

I figur 2, som viser tømming av systemet for CO2og fylling av naturgass, kan det være anbrakt en tilsvarende separasjonsenhet 16 som skiller strømmen i C02-ledning 2 i en naturgass-strøm som pumpes av en pumpe 18 returneres til naturgassline 3 via en returlinje 19.1 den perioden fra start av tømming av C02til nivået av naturgass kommer over en på forhånd bestemt verdi, vil gassen i ledning 2 bli ledet direkte til et C02-utløp 17 via et omløpsrør 15, for deretter å bli ledet gjennom separasjonsenhet 16. Figur 3 viser en utførelsesform av en beholder ifølge foreliggende oppfinnelse. En sammenknytningsledning 4 som kommer fra en nabobeholder som ligger i retning av CCMedningen i systemet av beholdere, går inn i toppen av beholderen 1 og løper ned i et sentralrør i beholderen. Nær bunnen i beholderen er det en utvidelse 21 i røret for å redusere strømningshastigheten til innkommende gass. Det er også foretrukket at det for å redusere strømningen er anordnet en avrundning 24 i bunnen. Et gitter 22 over bunnen av beholderen demper også strømningene i tanken. Det er også nær toppen av beholderen, som er langstrakt og tilnærmet sylindrisk, anordnet et gitter for demping av strømningene ved innstrømning av gass gjennom sammenknytningsledningen 4' som er i retning av gasslinjen 3. Figur 4 viser en alternativ beholder hvor sammenknytningsledningen 4 fra den siden som er nærmes C02-Iedningen 2, løper utenfor beholderen og løper inn gjennom beholderens bunn. Sammenknytningsledning 4' er anbrakt tilsvarende som vist under henvisning til figur 3. Likeledes er det gjort tilpasninger ved åpningene av sammenknytningsledningene for å redusere strømningshastigheten og således blandingen av gasser i beholderen, slik som utvidelse av strømningsareal og gittere 22, 23. Figur 5a og 5b viser henholdsvis lengdesnitt og tverrsnitt av en alternativ beholder hvor beholderen indre er delt i to av en skillevegg som løper aksielt i beholderen. C02hhv. naturgass eller deres blanding blir ledet inn i og ut av beholderen som vist i figur 4, men et overføringsrør 25 er anbrakt fra toppen av den ene del av beholderen til bunnen av den andre delen. I praksis kan en beholder på denne måten deles inn i flere beholderdeler som i praksis vil fungere som et flertall beholdere koblet i serie.

Det er viktig at tilførselen eller den sammenknytningledningen 4 som kommer inn fra den siden som er nærmest CCvledningen munner ut i bunnen av beholderen og at den tilførselen eller den sammenknytningsledningen 4' som ligger nærmest naturgassledningen munner ut i toppen av beholderen i alle tanker. På denne måten får en nytte av det faktum at CO2har større tetthet enn naturgass og blir liggende i bunnen av beholderen og i liten grad blander seg med naturgassen som eventuelt er til stede i beholderen. Ved at naturgassen alltid tas ut på toppen av beholderen og CO2alltid tas ut i bunnen benytter man den effekten som er gitt ved dette faktum.

På denne måten kan man oppnå en bedre separasjon og mindre sammenblanding av gassene enn det som synes teoretisk oppnåelig ut fra betraktningene ovenfor. Strømningen kan således bli meget nær en pluggstrøm og det antallet beholdere hvor det faktisk er til stede en blanding av gassene, kan reduseres til noen få tanker.

Hvis det er mer naturgass enn C02 på volumbasis, kan transport foregå ved høyere trykk for naturgass. Motsatt, hvis det er mer C02 enn naturgass på volumbasis, kan transport foregå ved høyere trykk for C02 enn for naturgass.

Ved supplering av naturgass brensel til et varmekraftverk og retur av 90% eller mer av produsert C02 vil det typisk være mest naturgass på volum basis. Transport vil kunne foregå ved 200 til 250 barg for naturgass. Avhengig av naturgassens sammensetning vil retur transport av C02 foregå ved 100 til 150 barg. Endring av trykk i beholderne for hver rundtur, og tilhørende temperatureffekter, vil være meget moderat.

Beholderne vil typisk arbeide over cricondenbar for de gassblandinger som måtte forekomme, dvs i et område hvor væske ikke kan forekomme (det samme er vanlig ved transport i rørledninger). Cricondenbar varierer med gassens sammensetning, men ligger typisk fra noe under til noe over ca. 100 barg. Beholderne vil ikke oppføre seg som blandekar, slik som lagt til grunn for figur 6 til 9. Det vil isteden være en form for flow tilsvarende flow i rørledninger. Blanding er ikke ideell, men isteden forholdsvis langsom og bestemt av strømningsmønstre og diffusjonsfenomener. Det siste er vanskelig å gjøre noe med.

Strømningsmønstre kan derimot påvirkes i positiv retning ved å benytte et utvidet utløp på rør ( som vist på figur 3 for fylling av C02), ved å utforme bunn av beholdere avrundet (se figur 3), og ved å benytte hullplater for fordeling av gass. Enhver kombinasjon av disse tiltakene er mulig.

Figur 10 viser et eksempel hvor anlegget for transport av en brønnstrøm fra et mindre felt for videre behandling på land og transport av CO2tilbake til feltet for injeksjon. Brønnstrømmen tas opp gjennom en produksjonsbrønn 101, CO2injiseres gjennom en injeksjonsbrønn 102. Fleksible produksjons- hhv. injeksjonsrør 106 løper fra en forankringsbøye 109 til brønnhoder 105, 104 på bunnen 103. Forankringsbøyen 109 er fastgjort til bunnen med forankringsliner 107. Forankringsbøyen 109 er en tradisjonell bøye for denne bruk som er midlertidig fastgjort til fartøyet 120 i en turret 111. De fleksible ledningene løper opp fra forankringsbøyen og opp til en svivel 112 på skipets dekk. Om bord på skipet er det ledninger for overføring av brønnstrøm hhv. CO2mellom svivelen og lagringsanlegget representert ved en beholder 113. Denne ene viste beholderen vil være et flertall beholdere koblet i serie som beskrevet ovenfor. Det kan være hensiktsmessig at det er anordnet en sandfelle 117 med et tilhørende sandlager 119 mellom svivelen 112 og lagerenheten 113. Dessuten må det være anordnet en pumpe 116 for pumping av brønnstrømmen. I lagerenheten 113 vil brønnstrømmen 114 typisk ligge øverst i den eller de beholdere med både brønnstrøm og CO2, mens CO2118 ligger i bunn av beholderne.

En pumpe 115 er også anordnet for å pumpe CO2fra lagerenheten 113 og ned i injeksjonsbrønnen 102.

Etter lasting av brønnstrøm og tømming av CO2går fartøyet til et anlegg på land hvor C02- ledning 124 og brønnstrømledning 125 på landanlegget kobles sammen med tilsvarende om bord på fartøyet. En lagringsenhet 123, også bestående av et flertall beholdere som beskrevet ovenfor, er anordnet på land for å være en lagringsbuffer for CO2hhv. brønnstrøm. Hydrokarboner fra brønnstrømmen lagret om bord vil ledes både direkte til en prosesseringsenhet 126 og til lagringsenheten, og lagret CO2og CO2produsert mens fartøyet ligger ved kai vil føres om bord på fartøyet.

Fra prosesseringsenheten 126 ledes den prosesserte strømmen videre som brensel til et gasskraftverk 131 via en brenselledning 127 eller som olje til en oljelagringstank 136. En dampledning 134 fra gasskraftverket, med varmespiral i lagringstanken 136 varmer oljen i lagringstanken. Gass som damper av oljen i lagringstanken 136 og som ikke kondenseres i en kondenser 135, føres som brenselgass til gasskraftverket i en linje 128. Olje fra prosesseringsenheten 126 og lagringstanken 136 føres videre i oljeledninger 132, 133 til en oljelagertank 130.

Gasskraftverket omfatter en separasjonsenhet for CO2, og separert CO2ledes via en CO2ledning 124 til lagringsenheten 123 hhv. direkte om bord på fartøyet.

Denne løsningen muliggjør utnyttelse av mindre felt, idet prosesseringen blir plassert på land og man kan utnytte slike felt uten å legge prosesseringsutstyr på feltet eller å legge rørledning.

Claims

1. Fremgangsmåte for vekselvis lagring av naturgass og C02i et tankanlegg,karakterisert vedat gassene blir lagret i et flertall tanker som er forbundet med hverandre i serie, hvor naturgass blir tilført, henholdsvis tatt ut fra en tank i den ene enden av tankene som er forbundet i serie og hvor CO2blir tilført, henholdsvis tatt ut i en tank i motsatt ende av tankene som er forbundet i serie.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat at naturgassen, henholdsvis CO2har et trykk og en temperatur som ligger over cricondenbaren til den respektive gassen.

3. Fremgangmåte ifølge krav 2,karakterisert vedat naturgassen blir lagret ved et trykk på fra 200 til 250 barg, og CO2blir lagret ved et trykk på fra 80 til 150 barg.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat tankanlegget er anordnet om bord på et fartøy og at naturgassen blir tilført til tankinstallasjonen og hvor C02blir tømt fra tankinstallasjonen når fartøyet ligger forbundet til et gassfelt, og blir tømt for naturgass og tilført CO2når fartøyet ligger ved en installasjon for anvendelse av naturgass.

5. Et kombinert anlegg for vekselvis naturgass og C02,karakterisert vedat anlegget omfatter et flertall tanker (1, 1',.., 1n ) som er sammenkoblet i serie ved hjelp av forbindelsesledninger (4, 4', ..4<n>) og at der er anbrakt en C02-linje (2) for tilførsel av CO2til hhv. uttak av CO2fra tankanlegget som er forbundet til en første tank (1) i serien av tanker, og en naturgasslinje (3) for uttak av naturgass hhv. tilførsel av naturgass til en siste tank (1n ) i serien av tanker.

6. Kombinert lager ifølge krav 5,karakterisert vedat C02-linjen (2) har utløp nær bunnen av den første tanken (1) og at naturgasslinjen (3) har utløp nær toppen av siste tanken (1<n>).

7. Kombinert lager ifølge krav 5 eller 6,karakterisert vedat forbindelsesledningene (4, 4',.. 4<n>) haren første åpning nær toppen til den tanken som strømningsmessig ligger nærmest den første tanken (1) og en andre åpning nær bunnen til neste tank i serien av tanker.

8. Kombinert lager ifølge et eller flere av kravene 5 til 7,karakterisert vedat det er anordnet i et fartøy for vekselvis transport av naturgass og C02