DE102004032710A1 - Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes - Google Patents
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Abstract
Es
wird ein Verfahren zum Verflüssigen
eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes,
wobei die Verflüssigung
des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes gegen eine aus zwei Kältemittelgemischkreisläufen bestehende
Kältemittelgemischkreislaufkaskade
erfolgt und der erste Kältemittelgemischkreislauf
der Vorkühlung
und der zweite Kältemittelgemischkreislauf
der Verflüssigung
und Unterkühlung
des zu verflüssigenden
Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dient, beschrieben.
Erfindungsgemäß wird der erste Kältemittelgemischkreislauf (1-12) in eine tiefersiedende Gasfraktion (10) und eine höhersiedende Flüssigfraktion (2) aufgetrennt und die beiden Fraktionen (2, 10) werden mit unterschiedlichen Drücken der Vorkühlung (E1) zugeführt.
Erfindungsgemäß wird der erste Kältemittelgemischkreislauf (1-12) in eine tiefersiedende Gasfraktion (10) und eine höhersiedende Flüssigfraktion (2) aufgetrennt und die beiden Fraktionen (2, 10) werden mit unterschiedlichen Drücken der Vorkühlung (E1) zugeführt.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, wobei die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes gegen eine aus zwei Kältemittelgemischkreisläufen bestehende Kältemittelgemischkreislaufkaskade erfolgt und der erste Kältemittelgemischkreislauf der Vorkühlung und der zweite Kältemittelgemischkreislauf der Verflüssigung und Unterkühlung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dient.
- Unter dem Begriff "Vorkühlung" sei nachfolgend die Abkühlung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes bis zu einer Temperatur, bei der die Abtrennung schwerer bzw. höher siedender Kohlenwasserstoffe erfolgt, zu verstehen. Die sich daran anschließende, weitere Abkühlung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoffreichen Stromes fällt nachfolgend unter den Begriff "Verflüssigung".
- Aus der deutschen Patentanmeldung 197 22 490 ist ein so genanntes Single-Flow-Erdgasverflüssigungsverfahren bekannt. Bei diesem erfolgt die Abkühlung, Verflüssigung und Unterkühlung des Erdgasstromes gegen lediglich einen Kältemittelgemischkreislauf. Dabei wird das verdichtete Kältemittelgemisch – vorzugsweise gegen Luft oder Kühlwasser – partiell kondensiert und in eine tiefersiedende Gasfraktion sowie eine höhersiedende Flüssigfraktion aufgetrennt. Die beiden Fraktionen werden anschließend auf unterschiedlichen Druckniveaus dem bzw. den Wärmetauschern, in dem bzw. denen der zu verflüssigende Erdgasstrom abgekühlt und verflüssigt wird, zugeführt.
- Derartige Single-Flow-Verflüssigungsverfahren lassen sich nur für Kapazitäten bis maximal 1 mtpa wirtschaftlich betreiben. Bei Verflüssigungsleistungen im Bereich von 1 bis 5 mtpa kommen dagegen üblicherweise so genannte Dual-Flow-Verflüssigungsverfahren zur Anwendung.
- Ein gattungsgemäßes Dual-Flow-Verflüssigungsverfahren ist beispielsweise aus der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2004 011 483 bekannt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass insbesondere im Bereich kleinerer Kapazitäten von 1 bis 3 mtpa ein Verbesserungsbedarf im Hinblick auf die bekannten Dual-Flow-Erdgasverflüssigungsverfahren besteht.
- Mit der Zitierung der beiden vorgenannten deutschen Patentanmeldungen sei deren Offenbarungsgehalt zur Gänze in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung aufgenommen.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes anzugeben, das sich insbesondere in dem vorgenannten Bereich kleinerer Kapazitäten wirtschaftlicher als die bekannten Verflüssigungsverfahren betreiben lässt.
- Diese Aufgabe wird durch ein gattungsgemäßes Verflüssigungsverfahren gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der erste Kältemittelgemischkreislauf in eine tiefersiedende Gasfraktion und eine höhersiedende Flüssigfraktion aufgetrennt und die beiden Fraktionen mit unterschiedlichen Drücken der Vorkühlung zugeführt werden.
- Das erfindungsgemäße Verfahren sowie weitere Ausgestaltungen desselben, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, seien im Folgenden anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
- Wie in der Figur dargestellt, wird der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom über Leitung a einem Wärmetauscher E1 zugeführt. In diesem wird der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom soweit abgekühlt, dass die in ihm enthaltenen schweren bzw. höhersiedenden Kohlenwasserstoffe kondensieren und in der Abtrenneinheit H, der der abgekühlte Verfahrensstrom über Leitung b zugeführt wird, aus dem Kohlenwasserstoff-reichen Strom abgetrennt werden können. Die abgetrennten Kohlenwasserstoffe werden über Leitung c abgezogen und ggf. einer weiteren Verwendung zugeführt.
- Sofern schwere Kohlenwasserstoffe in dem zu verflüssigenden Erdgasstrom enthalten sind, werden diese zwischen der Vorkühlung und Verflüssigung abgetrennt und als so genannte NGL(Natural Gas Liquids)-Fraktion abgezogen und ggf. einer Weiterverarbeitung zugeführt. Als schwere oder höhersiedende Kohlenwasserstoffe werden diejenigen Komponenten des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes bzw. Erdgases bezeichnet, die bei der nachfolgenden Abkühlung und Verflüssigung ausfrieren würden – also C5+-Kohlenwasserstoffe und Aromate. Oftmals werden zudem diejenigen Kohlenwasserstoffe – gemeint sind hierbei insbesondere Propan und Butan –, die den Heizwert des verflüssigten Erdgases unerwünscht erhöhen würden, vor der Verflüssigung abgetrennt.
- Dieses Abtrennen von höhersiedenden Kohlenwasserstoffen geschieht üblicherweise dadurch, dass eine so genannte HHC(-Heavy Hydrocarbon)-Kolonne bzw. Scrub-Column, die der Abtrennung der schweren Kohlenwasserstoffe sowie von Benzol aus dem zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom dient, vorgesehen wird. Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren mit allen bekannten, zum Stand der Technik zählenden Abtrennmethoden für höhersiedende Kohlenwasserstoffe kombiniert werden.
- Über Leitung d wird der nunmehr von höhersiedenden Kohlenwasserstoffen befreite Kohlenwasserstoff-reiche Strom einem zweiten Wärmetauscher E2 zugeführt und in diesem gegen das Kältemittelgemisch des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes verflüssigt und unterkühlt. Der verflüssigte und unterkühlte Kohlenwasserstoff-reiche Strom wird aus dem Wärmetauscher E2 über Leitung e abgezogen, optional in einer Entspannungsturbine T1 entspannt und anschließend über Ventil f und Leitung g unmittelbar einer weiteren Verwendung oder (Zwischen)Speicherung zugeführt.
- Die Vorkühlung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes im Wärmetauscher E1 erfolgt nunmehr erfindungsgemäß gegen einen (ersten) Kältemittelgemischkreislauf, der in eine tiefersiedende Gasfraktion und eine höhersiedende Flüssigfraktion aufgetrennt wird, wobei die beiden Fraktionen mit unterschiedlichen Drücken dem Wärmetauscher E1 zugeführt werden.
- Hierzu wird das aus dem Wärmetauscher E1 über Leitung
5 abgezogene Kältemittelgemisch in der ersten Verdichterstufe des zweistufigen Verdichters V1 auf einen Zwischendruck komprimiert, im Wärmetauscher E3 gegen Umgebungsluft oder ein anderes, geeignetes Medium teilkondensiert und anschließend über Leitung1 einem ersten Abscheider D zugeführt. - Aus dem Sumpf des Abscheiders D wird über Leitung
2 eine höhersiedende Flüssigfraktion abgezogen und dem Wärmetauscher E1 zugeführt. Die in dem Wärmetauscher E1 gegen sich selbst unterkühlte Flüssigfraktion wird über Leitung3 aus dem Wärmetauscher E1 abgezogen und im Entspannungsventil4 entspannt. Nach erfolgter Verdampfung im Wärmetauscher E1 wird dieser Kältemittelgemischteilstrom. über die bereits erwähnte Leitung5 der ersten Verdichterstufe des Verdichters V1 zugeführt. - Am Kopf des Abscheiders D wird über Leitung
6 eine Gasfraktion abgezogen und in der zweiten Verdichterstufe des Verdichters V1 auf den gewünschten Enddruck verdichtet. Der verdichtete Kältemittelgemischstrom wird im Wärmetauscher E3' ebenfalls gegen Umgebungsluft oder ein anderes, geeignetes Medium teilkondensiert und über Leitung7 einem zweiten Abscheider D' zugeführt. - Die im Sumpf des Abscheiders D' anfallende Flüssigfraktion wird über Leitung
8 , in der ein Entspannungsventil9 vorgesehen ist, in den ersten Abscheider D zurückgeführt. Die am Kopf des Abscheiders D' gewonnene tiefersiedende Gasfraktion wird über Leitung10 dem Wärmetauscher E1 zugeführt, in diesem abgekühlt und nach Durchgang durch den Wärmetauscher E1 über Leitung11 einem Entspannungsventil12 zugeführt. In diesem wird der Kältemittelgemischteilstrom entspannt und anschließend wiederum dem Wärmetauscher E1 zugeführt und in ihm verdampft, bevor er über die bereits erwähnte Leitung5 der ersten Verdichterstufe des Verdichters V1 zugeführt wird. - Das erfindungsgemäße Verfahren weiterbildend wird vorgeschlagen, dass die Vorkühlung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes a vorzugsweise in einem gewickelten Wärmetauscher E1 erfolgt.
- Gewickelte Wärmetauscher haben bauartbedingt nur einen mantelseitigen Strom, aber ggf. mehrere rohrseitige Ströme. Somit lässt sich einfach eine Verfahrensweise realisieren, bei der alle Teilströme des Kältemittel(gemische)s mantelseitig auf einem gemeinsamen Druck verdampft werden. Eine Verdampfung von Kältemittel(gemisch)teilströmen auf unterschiedlichen Drücken erfordert bei Verwendung von gewickelten Wärmetauschern getrennte Apparate. Darüber hinaus sind gewickelte Wärmetauscher einfacher zu verrohren als komplexe Plattentauscherkonfigurationen.
- Das verdichtete Kältemittelgemisch des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes, der der Verflüssigung und Unterkühlung des zu verflüssigenden Erdgasstromes dient, wird über Leitung
20 zunächst einem Nachkühler E4 und anschließend über Leitung21 dem Wärmetauscher E1 zugeführt und in diesem kondensiert. Anschließend wird der verflüssigte Kältemittelgemischstrom über Leitung22 dem Wärmetauscher E2 zugeführt, in diesem weiter unterkühlt, nach Durchgang durch den Wärmetauscher E2 in der optionalen Entspannungsturbine T2 entspannt sowie anschließend über Leitung23 einem Entspannungsventil24 zugeführt und in diesem entspannt. Sodann wird der zweite Kältemittelgemischteilstrom nach Verdampfung im Wärmetauscher E2 über Leitung25 der Eingangsstufe des Kreislaufverdichters V2 zugeführt. - Der Wärmetauscher E2 kann als ein gewickelter Wärmetauscher oder Plattenaustauscher ausgebildet sein. Erfolgt die Verflüssigung und Unterkühlung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes in einem Plattenaustauscher, kann – entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens – das Kältemittelgemisch des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes steigend oder fallend verdampft werden.
- Erfindungsgemäß erfolgen Abkühlung, Verflüssigung sowie Unterkühlung des zu verflüssigenden Erdgasstromes nunmehr gegen zwei Kältemittelgemischkreisläufe, wobei der der Vorkühlung dienende Kältemittelgemischkreislauf in eine tiefersiedende Gasfraktion und eine höhersiedende Flüssigfraktion aufgetrennt und die beiden Fraktionen mit unterschiedlichen Drücken der Vorkühlung zugeführt werden.
- Es hat sich gezeigt, dass gegenüber einem Single-Flow-Verflüssigungsverfahren der Energieverbrauch des erfindungsgemäßen Verfahrens um 10 bis 20 % gesenkt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich daher insbesondere für Anlagenkapazitäten im Bereich von 1 bis 3 mtpa.
- Bei Dual-Flow-LNG-Anlagen werden die Kreislaufverdichter üblicherweise von Gasturbinen angetrieben. Diese wiederum werden üblicherweise von elektrischen oder dampfgetriebenen Startern in Betrieb genommen. Da derartige Starter oftmals eine nennenswerte Leistung – 20 bis 40 % der Gasturbinenleistung – aufbringen müssen, werden sie während des normalen Betriebes als so genannte Helper zur Unterstützung der Gasturbinen herangezogen. Größere Gasturbinen sind nur in diskreten Leistungsstufen bei vergleichsweise großen Leistungssprüngen auf dem Markt verfügbar. Die Leistung der Starter bzw. Helper ist in Bezug auf die Gasturbinenleistung begrenzt, um Synchronisationsprobleme zu vermeiden.
- Aufgrund einer Vielzahl von verfahrenstechnischen Rangbedingungen, wie beispielsweise Zusammensetzung und Druck des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, Umgebungstemperatur, etc., und der Anforderungen an die ggf. vorzusehende Abtrennung schwerer Kohlenwasserstoffe ist eine optimale Leistungsaufteilung zwischen den Verdichterantrieben der beiden Kältemittelgemischkreisläufe nicht oder nur zufälligerweise zu erreichen. Typischerweise benötigt der erste bzw. Vorkühlkreislauf etwa 40 bis 55 % der Gesamtenergie. Der Leistungsbedarf des Vorkühlkreislaufes ist zudem oftmals kleiner als derjenige des zweiten bzw. Verflüssigungskreislaufes.
- Diese Asymmetrie kann durch eine unterschiedliche Nutzung der Helper ausgeglichen werden. Beträgt beispielsweise die Leistungsverteilung zwischen dem ersten und dem zweiten Kältemittelgemischkreislauf 45 % zu 55 % und weisen beide Kältemittelgemischkreisläufe jeweils eine Gasturbine mit einer Leistung von 35 MW sowie einen Helper mit einer Leistung von 10 MW auf, so wird der Helper des ersten Kältekreislaufes nur mit 2 anstatt der möglichen 10 MW betrieben. Ein Großteil der Investition dieses Helpers bleibt somit während des normalen Verflüssigungsbetriebes ungenutzt.
- In Anbetracht der bereits erwähnten Begrenzung der Starter- bzw. Helperleistung in Bezug auf die Gasturbinenleistung ist es offensichtlich, dass die nunmehr erreichte volle Ausnutzung beider Helper zu einer Maximierung der Anlagenkapazität führt. Dies sei an dem nachfolgenden Beispiel erläutert.
- Wird eine Leistungsverteilung zwischen dem ersten und dem zweiten Kältemittelgemischkreislauf von 50 % zu 50 % erreicht, so können – identische Gasturbinen und Starter/Helper für beide Kältekreisläufe vorausgesetzt – diese bzw. deren Investitionen zur Gänze genutzt werden. Zurückkommend auf das oben, angeführte Beispiel kann nunmehr auch der Starter/Helper des zweiten Kältekreislaufes mit einer Leistung von 10 MW betrieben werden. Gegenüber dem eingangs erwähnten Ausgangszustand erhöht sich die nutzbare installierte Leistung durch das erfindungsgemäße Verfahren von 82 MW auf 90 MW. Bei einem gegebenen Antriebskonzept kann die Anlagenleistung damit um ca. 10 % gesteigert werden.
- Der Kreislaufverdichter V2, bei dem es sich um einen kaltansaugenden Verdichter handelt, der vorzugsweise ein Druckverhältnis von wenigstens 10 aufweist, wird – wie auch der Kreislaufverdichter V1 – von einer Gasturbine G2 angetrieben; den Gasturbinen G1 und G2 sind in der Figur nicht dargestellte Starter/Helper zugeordnet.
- Aus einer Zwischenstufe des Kreislaufverdichters V2 wird über Leitung
26 ein teilverdichteter Kältemittelgemischstrom abgezogen, einer Nachkühlung E5 unterworfen und anschließend zumindest teilweise über Leitung29 dem Wärmetauscher E1 zugeführt und in diesem gegen den ersten Kältekreislauf zwischengekühlt. Der zwischengekühlte, teilverdichtete Kältemittelgemischstrom wird anschließend über Leitung30 wieder einer geeigneten Zwischendruckstufe des Verdichters V2 zugeführt und auf den gewünschten Enddruck verdichtet. - Mittels der Leitung
27 , in der ein Ventil28 zur Mengenverteilung vorgesehen ist, kann die Menge des teilverdichteten Kältemittelgemischstromes, der über Leitung29 dem Wärmetauscher E1 zugeführt wird, geregelt werden. - Das Heranziehen des ersten Kältekreislaufes für die Zwischenkühlung des zweiten Kältekreislaufes entlastet Letzteren auf Kosten des ersten Kältekreislaufes, da die Verdichterleistung des Verdichters V2 in seinem Hochdruckteil proportional zu der nunmehr erniedrigten Ansaugtemperatur des zwischengekühlten Kältemittelstromes in Leitung
30 fällt. Somit lässt sich nunmehr eine Verschiebung der Verdichterleistungen bis hin zur Leistungsgleichheit zwischen den beiden Verdichtern V1 und V2 sowie deren zugeordneten Startern/Helpern realisieren. - Die optimale Wahl der vorbeschriebenen Zwischenkühlung wird von dem Taupunkt des für den zweiten Kältekreislauf gewählten Kältemittelgemisches bei dem gewählten Zwischendruck, bei dem der Abzug des Kältemittelgemisches erfolgt, bestimmt. Idealerweise wird eine Teilmenge des Kältemittelgemisches des zweiten Kältekreislaufs mittels des ersten Kältekreislaufes soweit abgekühlt bis eine Leistungsgleichheit beider Kreislaufantriebe V1 und V2 erreicht ist.
- Dadurch, dass nunmehr der erste Kältemittelgemischkreislauf zur Zwischenkühlung des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes genutzt wird, kann die installierte Leistung von identischen Gasturbinen und Startern/Helpern zur Gänze genutzt werden.
- Eine weitere, in der Figur nicht dargestellte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die nur dann zur Anwendung kommt, sofern nach der Vorkühlung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes eine Abtrennung höhersiedender Kohlenwasserstoffe realisiert wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstrom des Kältemittelgemisches des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes der Abtrenneinheit H zu Kühlzwecken zugeführt und anschließend auf einem höheren Druck als der restliche Kältemittelgemischstrom des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes verdampft wird. Der der Abtrenneinheit H zugeführte Kältemittelgemischteilstrom wird daher dem Verdichter V2 nach seiner Verdampfung auf einem passenden Zwischendruck zugeführt.
- Von Nachteil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes ist, dass es gegenüber einem Single-Flow-Verflüssigungsverfahren höhere Investitionen erfordert und zudem regelungstechnisch aufwendiger ist.
Claims (4)
- Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, wobei die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes gegen eine aus zwei Kältemittelgemischkreisläufen bestehende Kältemittelgemischkreislaufkaskade erfolgt und der erste Kältemittelgemischkreislauf der Vorkühlung und der zweite Kältemittelgemischkreislauf der Verflüssigung und Unterkühlung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dient, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kältemittelgemischkreislauf (
1 –12 ) in eine tiefersiedende Gasfraktion (10 ) und eine höhersiedende Flüssigfraktion (2 ) aufgetrennt und die beiden Fraktionen (2 ,10 ) mit unterschiedlichen Drücken der Vorkühlung (E1) zugeführt werden. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkühlung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes (a) in einem gewickelten Wärmetauscher (E1) erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeder Kältemittelgemischkreislauf wenigstens einen ein- oder mehrstufigen, von wenigstens einer Gasturbine angetriebenen Verdichter aufweist, wobei den Gasturbinen Starter, die während des normalen Betriebes zur Unterstützung der Gasturbinen verwendet werden, zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kältemittelgemischkreislauf (
20 –25 ) einen kaltansaugenden Verdichter (V2) mit einem Druckverhältnis von wenigstens 10 aufweist, und der erste Kältemittelgemischkreislauf (1 –12 ) zumindest teilweise für die Zwischenkühlung (E1) wenigstens eines Teilstromes des teilverdichteten Kältemittelgemischstromes (26 ,29 ) des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes (20 –25 ) herangezogen wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach der Vorkühlung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes in einer Abtrenneinheit höhersiedende Kohlenwasserstoffe abgetrennt werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstrom des Kältemittelgemisches des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes (
20 –30 ) der Abtrenneinheit (H) zu Kühlzwecken zugeführt und anschließend auf einem höheren Druck als der restliche Kältemittelgemischstrom des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes (20 –30 ) verdampft wird.
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