Verfahren zum Betrieb einer Kompressoranordnung und Kompressoranordnung

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kompressoranordnung (COAN), insbesondere einer Pipelinekompressorstation (PCO), welche Kompressoranordnung eine Turbine (Gasturbine GT) und einen Kompressor (Co) in Drehmoment-übertragender Verbindung aufweist. Bisherige Anlagen arbeiten über lange Zeiträume mit einem schlechten Wirkungsgrad im Teillastbereich der Turbine (Gasturbine GT). Hier schafft die Erfindung Abhilfe, indem eine elektrodynamische Maschine (GeMo) in Drehmoment-übertragender Verbindung mit dem Kompressors (Co) steht, wobei die Turbine (Gasturbine GT) bei einer bestimmten ersten Turbinenleistung (P1) ein Wirkungsgradmaximum (H1) aufweist, wobei bei einer Kompressorleistung unterhalb der ersten Turbinenleistung (P1) die elektrodynamische Maschine (GeMo) als Generator betrieben wird und bei einer Kompressorleistung oberhalb der ersten Turbinenleistung (P1) die elektrodynamische Maschine (GeMo) als Motor betrieben wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kompressoranordnung, insbesondere einer Pipelinekompressorstation, welche Kompressoranordnung mindestens eine Turbine und mindestens einen Kompressor aufweist. Daneben betrifft die Erfindung eine Kompressoranordnung zum Betrieb nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

[0002] Im Zuge zunehmender Rohstoffverknappung und im Schatten des bedrohlichen Klimawandels wird es zur vordringlichsten Aufgabe Energie-umsetzender Maschinen die knappen Ressourcen zu schonen und die Emissionen, insbesondere den Ausstoß klimawirksamer Gase, zu begrenzen. Damit es nicht nur bei moralischen Appellen bleibt, wurden in Reaktion auf Beschlüsse des Kyotoprotokolls in Europa so genannte CO₂-Zertifikate eingeführt, welche das wirtschaftliche Interesse an einer Verringerung des Ausstoßes von so genannten Treibhausgasgasen steigert. Diese Motivation erfasst zunehmend auch kleinere und speziellere Einheiten.

[0003] Eine mit der vorhergehend beschriebenen Problematik verwandte Aufgabenstellung ist die Verteilung von Erdgas mittels eines Netzes aus Pipelines, dass in seiner vermaschten Beschaffenheit bei gleichzeitig unregelmäßiger Verteilung der Verbraucher besonders schwierig zu betreiben ist. An verschiedenen Stellen des vermaschten Netzes bestimmen Vertragswerke, in welchem Druckbereich welche Menge des Gases in Normkubikmetern über einen gewissen Zeitraum zur Verfügung gestellt werden muss. Der Gasbedarf ist hierbei an den Abnehmerstationen jedoch derart schwankend, dass die Förderung häufig an die technischen Grenzen stößt und unter Aufbietung alle Kapazitäten unbedingt verhindert werden muss, dass Drücke unter vertraglich zulässige Schranken sinken. Dies passiert bisweilen dennoch trotz beherzten Einsatzes so genannter Pipelinekompressorstationen und aufwendiger Versuche mittels mathematischer Simulationen das Gasnetz im richtigen Augenblick optimal "atmen" zu lassen. Hierbei kommt es häufig vor, dass die Pipelinekompressorstationen über einen gewissen Zeitraum eine Druckdifferenz unter Förderung des Gases in eine Richtung erzeugen und während eines anschließenden Zeitintervalls in die entgegengesetzte Richtung fördern. Im Rahmen des technischen machbaren leistet eine Pipelinekompressorstation hierbei in beide Richtungen schwankende Volumenströme von 0 - 1.000.000 Normkubikmeter/Stunde, wobei der Antrieb der Kompressoranordnung eine Schwankung der Antriebsleistung von wenigstens 65% - 105% zu ertragen hat. Regelmäßig sind die Kompressoren der Kompressoranordnungen mittels Gasturbinen angetrieben, die unter Volllast - also bei 100% Nennleistung - ihren optimalen Wirkungsgrad erzielen und im Teillastbereich oder bei Überlast regelmäßig dramatische Wirkungsgradeinbußen aufweisen. Darüber hinaus ist der Teillastbereich auch von zusätzlich unerwünschten Emissionen und einer unverhältnismäßig hohen Verkürzung der Standzeit begleitet.

[0004] Die Erfindung hat es sich ausgehend von den vorhergehend beschriebenen Schwierigkeiten zur Aufgabe gemacht, Verfahren zum Betrieb von Verdichterstationen und eine Verdichterstation zu schaffen, die auch bei schwankender Last sowohl einen guten Wirkungsgrad als auch gute Emissionswerte in allen Lastbereichen aufweist.

[0005] Zur Lösung des Problems wird erfindungsgemäß ein eingangs genanntes Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine elektrodynamische Maschine in Drehmoment-übertragender Verbindung mit dem Kompressor steht, wobei die Turbine bei einer bestimmten ersten Turbinenleistung ein Wirkungsgradmaximum aufweist, wobei bei einer Kompressorleistung unterhalb der ersten Turbinenleistung die elektrodynamische Maschine als Generator betrieben wird und bei einer Kompressorleistung oberhalb der ersten Turbinenleistung die elektrodynamische Maschine als Motor betrieben wird. Daneben wird eine Kompressoranlage mit einer Turbine und einem Kompressor vorgeschlagen, welche miteinander in Drehmoment-übertragender Verbindung stehen, wobei eine elektrodynamische Maschine mit dem Kompressor in Drehmoment-übertragender Verbindung steht, wobei die Turbine derart ausgebildet ist, dass sie bei einer bestimmten ersten Leistung ein Wirkungsgradmaximum erreicht, wobei eine Regelung vorgesehen und derart ausgebildet ist, dass sie die Leistungsaufnahme und Abgabe der elektrodynamischen Maschine derart steuert, dass bei einer Kompressorleistung unterhalb der ersten Leistung die elektrodynamische Maschine als Generator betrieben wird und bei einer Kompressorleistung oberhalb der ersten Leistung die elektrodynamische Maschine als Motor betrieben wird.

[0006] Durch den variablen erfindungsgemäßen Einsatz der elektrodynamischen Maschine gelingt es, die Turbine, welche bevorzugt als Gasturbine ausgebildet ist, im Teillastbereich oder im Bereich einer Überlast stets näher am Wirkungsgradmaximum zu betreiben, als dies bei herkömmlichen Anlagen der Fall ist. Bevorzugt wird die Gesamtanlage stets in enger Nähe zum Wirkungsgradmaximum der Turbine bzw. Gasturbine betrieben, so dass sowohl der Kraftstoffverbrauch als auch die Schadstoffemission minimal sind.

[0007] Sollten das Maximum des thermischen Wirkungsgrades und das Minimum der Emission nicht im gleichen Betriebspunkt der Turbine bzw. Gasturbine liegen, kann hierbei ein beispielsweise wirtschaftlich orientierter Kompromiss den bevorzugten Betriebspunkt bestimmen.

[0008] Die elektrodynamische Maschine wird während des Betriebes als Motor aus einem elektrischen Energieversorgungsnetz gespeist, in welches dieser während des Betriebes als Generator die erzeugte Energie bevorzugt unter Zwischenschaltung eines Frequenzumrichters wieder einspeist. Auf diese Weise spart der Betreiber einerseits Treibstoff für den Betrieb und andererseits Ausgaben für Emissionsrechte. Darüber hinaus kann gegebenenfalls unter Anwendung der nicht optimalen Betriebsbereiche der Turbine diese Anordnung höhere Spitzenlasten bewältigen aufgrund der Zuschaltmöglichkeit der elektrodynamischen Maschine als Motor. Eine Gasturbine, welche beispielsweise zwischen 4 und 8 MW einsetzbar ist, kann in Kombination mit einem erfindungsgemäßen elektrodynamischen Maschine, der 4 MW-Leistung hat, einen Kompressor mit einer Leistung zwischen 0 und 12 MW Antriebsleistung betreiben. Wird hierbei die Turbine nur bei einem optimalen Wirkungsgrad von beispielsweise 7MW betrieben, beträgt der Spielraum immer noch zwischen 3 MW und 11 MW Antriebsleistung.

[0009] Bei einer umkehrbaren Förderrichtung der Kompressoranlage werden auch bei hohen Schwankungen hinsichtlich des Förderdrucks und des Volumenstroms mit erfindungsgemäßer Anlage großartige Wirkungsgrade erzielt.

[0010] Das erfindungsgemäße Konzept eignet sich sowohl für Kompressoranlagen, die mit konstanter Drehzahl und beispielsweise mit einem Eintrittsleitapparat des Verdichters betrieben werden als auch für Kompressoranlagen mit variabler Drehzahl, wobei regelmäßig bei dem Anschluss der elektrodynamischen Maschine an das elektrische Energieversorgungsnetz ein Frequenzumrichter vorzusehen ist.

[0011] Vorteilhaft kann die Turbine, insbesondere im Fall einer Gasturbine mittels der elektrodynamischen Maschine zum Starten auch auf eine entsprechende Drehzahl gebracht werden, was einen gesonderten Startermotor für die Turbine entbehrlich macht.

[0012] Damit es im Rahmen von Wartungsarbeiten an dem Verdichter nicht zu unerwünschten Verzögerungen kommt, ist dieser bevorzugt in einer Topfbauweise ausgebildet und mit nicht durchgehender Welle versehen, so dass die elektrodynamische Maschine nur an einer Seite des Verdichters angebracht werden kann. Die elektrodynamische Maschine ist hierbei bevorzugt mit durchgehender Welle ausgestattet, so dass an das freie Ende entweder direkt die Turbine angeschlossen wird oder bevorzugt eine Drehmoment-übertragende betriebliche Anordnung an ein freies Ende der selbstständigen Turbinenwelle angekoppelt ist. Diese zweite Wellenanordnung hat besondere Vorteile hinsichtlich der Verwendung von Standardmodulen und bringt eine zweckmäßige Wellendynamik mit sich.

[0013] Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen elektrodynamischen Maschine ist die Rotordynamik von besonderer Bedeutung, weil ein vereinter Wellenstrang von Turbine, elektrodynamische Maschine und Verdichter aufgrund der Länge der Anordnung eine besonders komplexe Rotordynamik insbesondere hinsichtlich der Biegeschwingungen aufweisen würde.

[0014] Im Folgenden ist ein spezielles Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf Zeichnungen zur Verdeutlichung beschrieben. Diese Beschreibung hat lediglich beispielhaften Charakter, weil in dem Geist der Erfindung auch weitere Ausführungsmöglichkeiten neben der hier dηilliert beschriebenen sich für den Fachmann ergeben. Es zeigen:

Figur 1

eine schematische Darstellung eines Gasverteilungsnetzes,

Figur 2

eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kompressoranlage, welche mittels des erfindungsgemäßen.Verfahrens betrieben wird.

[0015] Figur 1 zeigt ein Gasverteilungsnetz 1, welches sich über ein bestimmtes Territorium 2 erstreckt und verschiedene Schnittstellen 3 zu benachbarten Gebieten aufweist. An den Schnittstellen fließen Normvolumenströme U, V, W, X, Y, Z in das Gasverteilungsnetz 1 des Territoriums 2 hinein oder heraus bei jeweils bestimmten Druckniveaus. Das Druckniveau kann beispielsweise zwischen 50 und 100 bar liegen. Bei dem Gasverteilungsnetz 1 handelt es sich um ein vermaschtes Netz mit mehreren Knotenpunkten 4. An verschiedenen Orten befinden sich Versorgerentnahmen 5, an denen Gas eines bestimmten individuellen Drucks p1 - p10 aus dem Gasverteilungsnetz 1 entnommen wird. Gleichzeitig ist es möglich, dass Speichereinspeisungen in das Netz stattfinden. Der Druck p1 - p10 kann in vertraglich festgelegten Grenzen, die meist zwischen 50 und 100 bar festgelegt sind, schwanken. An verschiedenen Stellen in dem Gasverteilungsnetz 1 ist jeweils eine Pipelinekompressorstation PCO bzw.

[0016] Kompressoranordnung COAN angeordnet, wobei lediglich eine einzelne exemplarisch in Figur 1 eingezeichnet ist. Die Aufgabe der Pipelinekompressorstation PCO, die der erfindungsgemäßen Kompressoranlage COAN entspricht, ist es, die verschiedenen Normvolumenströme und Drücke an den Versorgerentnahmen 5 zu gewährleisten. Die Entnahmen können hierbei - insbesondere jahreszeitlich korreliert - stark schwanken ebenso wie die Normvolumenströme U, V, W, X, Y, Z an den Schnittstellen 3 des Gasverteilungsnetzes 1, so dass sich für die Pipelinekompressorstation PCO nur schwer vorhersagbarer Betriebssituationen ergeben. Sowohl die Drücke p1 - p10 als auch die Normvolumenströme U, V, W, X, Y, Z sind dementsprechend großen Schwankungen unterworfen, beispielsweise Schwankungen zwischen 0 und 1.000.000 Kubikmeter/Stunde auch unter Umkehr der Förderrichtung.

[0017] Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung der Pipelinekompressorstation PCO bzw. einer erfindungsgemäßen Kompressoranordnung COAN aus Figur 1 im Detail, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben wird. Die erfindungsgemäße Kompressoranordnung COAN des Ausführungsbeispiels besteht im Wesentlichen aus einer Gasturbine GT mit einem Verdichter COGT und einer Turbine GTGT, einer erfindungsgemäßen elektrodynamischen Maschine GeMo und einem Kompressor Co. Der Kompressor Co befindet sich mit der elektrodynamischen Maschine GeMo auf einem ersten Wellenstrang SH1. Der Turbinenverdichter COGT ist gemeinsam mit der Gasturbinenturbine GTGT auf einem zweiten Wellenstrang SH2, der mit dem ersten Wellenstrang SH1 in einer Drehmoment-übertragenden Verbindung in Form eines Getriebes TR1 steht. Der Kompressor Co ist in Topfbauweise ausgebildet, so dass keine durchgehende Welle als Teil des ersten Wellenstrangs SH1 des Kompressors Co vorgesehen ist. Die Seite des Kompressorgehäuses CoCs, aus der kein Ende des Wellenstrangs SH1 austritt, kann für Wartungsarbeiten geöffnet werden, so dass beispielsweise ein nicht im Einzelnen dargestelltes Laufrad Rot mit nur geringem Zeitaufwand gewechselt werden kann.

[0018] Die elektrodynamische Maschine GeMo ist mit einer durch ein Gehäuse durchgehenden Welle SHGeMo als Bestandteil des ersten Wellenstrangs SH1 ausgebildet, so dass an einem ersten Ende der Welle S1 der elektrodynamischen Maschine GeMo der Kompressor Co angeordnet ist und an einem zweiten Ende das Getriebe TR1. Die elektrodynamische Maschine GeMo steht mit einem Frequenzumrichter CONV in elektrisch leitender Verbindung, so dass von der elektrodynamischen Maschine GeMo bei unterschiedlichen Drehfrequenzen erzeugte elektrische Energie mit der Netzfrequenz von 50 Hz in ein angeschlossenes elektrisches Stromnetz ELN eingespeist werden kann. Daneben dient der Frequenzumrichter CONV der Drehzahlregelung des Kompressorantriebes mittels der elektrodynamischen Maschine GeMo.

[0019] Der Kompressor Co ist an das Gasverteilungsnetz 1 angeschlossen und ermöglicht die Förderung von Volumenströmen (Normvolumenströme U, V, W, X, Y, Z) nach Bedarf in eine Richtung oder in die entgegen gesetzte Richtung einer Pipeline PL des Gasverteilungsnetzes 1. Diese Möglichkeit wird eröffnet durch eine Anordnung CIR Gasleitungen PEP und Ventilen VAV. Je nach Öffnung bestimmter Ventile VAV ermöglicht diese Anordnung CONV, welche auch eine allgemein als "Hosenträgerschaltung" bezeichnete Leitungsanordnung umfasst, eine Förderung des Gases mittels des unveränderten Kompressors Co in die eine oder die entgegen gesetzte andere Richtung der Pipeline PL. Diese beiden unterschiedlichen Möglichkeiten sind in der Figur 2 strichpunktiert bzw. gestrichelt dargestellt.

[0020] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der Pipelinekompressorstation PCO bzw. der Kompressoranordnung COAN sieht vor, dass die Gasturbine GT bei einer bestimmten Leistung P ein Maximum des Wirkungsgrades η aufweist, wie dies mittels des skizzenhaften Diagramms in Figur 2 angedeutet ist. Die schwankenden Lastanforderungen an dem Kompressor Co, wie dies durch das Diagramm darstellend den Volumenstrom V über die Zeit T in Figur 2 angedeutet ist, bedeuten bei herkömmlichen Anlagen, dass die Gasturbine GT über lange Zeiträume in Bereichen nur mäßige Wirkungsgrades η zu betreiben ist. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb der Kompressoranordnung COAN gleicht Die elektrodynamische Maschine die Belastungsspitzen und Täler des Kompressors Co aus, so dass die Gasturbine stets näher im Bereich des maximalen Wirkungsgrades GT also näher am Wirkungsgradoptimum betrieben wird. Hier wird vorgesehen, dass Die elektrodynamische Maschine GeMo bei einer Lastanforderung aus dem Kompressor Co, welche niedriger ist als eine erste Leistung P1, bei der die Gasturbine das Wirkungsgradmaximum η1 aufweist als Generator betrieben wird und wenn der Kompressor Co eine Leistungsanforderung hat, welche höher ist als die erste Leistung P1, die elektrodynamische Maschine als Motor betrieben wird. Hierzu ist eine Regelung CR vorgesehen, welche die elektrodynamische Maschine entsprechend der Betriebssituation steuert. Die während der Generatorbetriebs der elektrodynamischen Maschine GeMo erzeugte elektrische Leistung wird mittels des Frequenzumrichters CONV Netzfrequenz gebracht und des elektrischen Stromnetzes ELN eingespeist.

Bezugszeichenliste

[0021] 

1

Gasverteilungsnetz

2

Territorium

3

Schnittstelle

U, V, W, X, Y, Z

Normvolumenstrom

4

Knotenpunkt

5

Versorgerentnahme

P1 - P10

Druck

PCO

Pipelinekompressorstation

COAN

Kompressoranordnung

GeMo

elektrodynamische Maschine

Co

Kompressor

GT

Gasturbine

GTGT

Turbine

COGT

Verdichter

SH1

erster Wellenstrang

SH2

zweiter Wellenstrang

TR1

Getriebe

COCS

Kompressorgehäuse

CONV

Frequenzumrichter

ELN

elektrisches Stromnetz

PL

Pipeline

COND

Anordnung

PIP

Gasleitung

VAV

Ventil

η

Wirkungsgrad

Ansprüche

1. Verfahren zum Betrieb einer Kompressoranordnung (COAN), insbesondere einer Pipelinekompressorstation (PCO), welche Kompressoranordnung eine Turbine (Gasturbine GT) und einen Kompressor (Co) in Drehmoment-übertragender Verbindung aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine elektrodynamische Maschine (GeMo) in Drehmoment-übertragender Verbindung mit dem Kompressors (Co) steht, wobei die Turbine (Gasturbine GT) bei einer bestimmten ersten Turbinenleistung (P1) ein Wirkungsgradmaximum (H1) aufweist, wobei bei einer Kompressorleistung unterhalb der ersten Turbinenleistung (P1) die elektrodynamische Maschine (GeMo) als Generator betrieben wird und bei einer Kompressorleistung oberhalb der ersten Turbinenleistung (P1) die elektrodynamische Maschine (GeMo) als Motor betrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Förderrichtung der Kompressoranordnung (COAN) umkehrbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kompressor (Co) im Wesentlichen bei konstanter Drehzahl (n) betrieben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kompressor (Co) bei variabler Drehzahl (n) betrieben wird.

5. Kompressoranlage (COAN) mit einer Turbine (Gasturbine GT) und einem Kompressor (Co), welcher miteinander in Drehmoment-übertragender Verbindung stehen,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine elektrodynamische Maschine (GeMo) mit dem Kompressor (Co) in Drehmoment-übertragender Verbindung steht, wobei die Turbine (Gasturbine GT) derart ausgebildet ist, dass sie bei einer bestimmten ersten Leistung (P1) ein Wirkungsgradmaximum (H1) erreicht, wobei eine Regelung (Cr) vorgesehen und derart ausgebildet ist, dass sie die Leistungsaufnahme und Abgabe der elektrodynamischen Maschine (GeMo) derart steuert, dass bei einer Kompressorleistung unterhalb der ersten Leistung (P1) die elektrodynamische Maschine (GeMo) als Generator betrieben wird und bei einer Kompressorleistung oberhalb der ersten Leistung (P1) die elektrodynamische Maschine (GeMo) als Motor betrieben wird.

6. Kompressoranlage (COAN) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Turbine (Gasturbine GT) und der Kompressor jeweils eine eigene voneinander separate Welle (Wellenstrang SH1, SH2) aufweisen.

7. Kompressoranlage (COAN) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kompressor (Co) in Topfbauweise ausgebildet ist, so dass keine durchgehende Welle (SH1) vorgesehen ist.

Zeichnung