VERFAHREN ZUM VERFLÜSSIGEN EINER KOHLENWASSERSTOFF-REICHEN FRAKTION

Abstract

 Es wird ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, wobei
- die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes gegen eine aus drei Kältemittelgemischkreisläufen bestehende Kältemittelgemischkreislaufkaskade erfolgt,
- wobei der erste der drei Kältemittelgemischkreisläufe der Vorkühlung, der zweite Kältemittelgemischkreislauf der Verflüssigung und der dritte Kältemittelgemischkreislauf der Unterkühlung des verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dient, und
- das verdichtete Kältemittelgemisch des ersten Kältemittelgemischkreislaufes gegen Umgebungsluft kondensiert und einem Behälter zugeführt wird.
Erfindungsgemäß wird
- zumindest dann, wenn eine vollständige Kondensation (E4) des verdichteten Kältemittelgemisches (2) des ersten Kältemittelgemischkreislaufes nicht realisiert werden kann, die in dem Behälter (D1) anfallende Gasphase (6) des teilkondensierten Kältemittelgemisches verdichtet (C1'), gegen Umgebungsluft zumindest teilkondensiert (E8), entspannt (V5) und in den Behälter (D1) zurückgeführt (7),
- wobei die Gasphase (6) auf einen Druck, der wenigstens dem 1,5-fachen, vorzugsweise dem 2- bis 2,5-fachen des Drucks in dem Behälter (D1) entspricht, verdichtet wird (C1'), und
- das Kältemittelgemisch des ersten Kältemittelgemischkreislaufes aus wenigstens zwei der Komponenten N₂, CH₄, C₂H₄, C₂H₆, C₃H₆, C₃H₈, iC₄H₁₀ und nC₄H₁₀ besteht, wobei der Anteil der Komponenten N₂ und CH₄ maximal 1 mol-% beträgt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, wobei

• die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes gegen eine aus drei Kältemittelgemischkreisläufen bestehende Kältemittelgemischkreislaufkaskade erfolgt,
• wobei der erste der drei Kältemittelgemischkreisläufe der Vorkühlung, der zweite Kältemittelgemischkreislauf der Verflüssigung und der dritte Kältemittelgemischkreislauf der Unterkühlung des verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dient, und
• das verdichtete Kältemittelgemisch des ersten Kältemittelgemischkreislaufes gegen Umgebungsluft kondensiert und einem Behälter zugeführt wird.

[0002] Bei der Erdgasverflüssigung wird im Kapazitätsbereich zwischen zwei und zehn Millionen Jahrestonnen LNG oft eine Kombination von zwei oder drei Kältekreisläufen eingesetzt. Hierbei kommen verschiedene Arbeitsprinzipien (Phasenwechsel oder arbeitsleistende Entspannung) und unterschiedliche Kältemittel (Reinstoff oder Gemisch) zur Anwendung.

[0003] In der DE-A 102004054674 wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, beschrieben, das drei in Kaskade angeordnete Gemischkreisläufe mit vier leistungsgleichen Verdichtersträngen aufweist. Hierbei wird das Kältemittel des der Vorkühlung dienenden Kreislaufs gegen Umgebung mittels Luft oder Wasser vollständig kondensiert.

[0004] An kalten Standorten mit großen tages- und jahreszeitlichen Temperaturunterschieden (z.B. Russland, Kanada, Alaska, usw.) herrschen die meiste Zeit (> 70 % der Jahresstunden) Umgebungsbedingungen, die eine effiziente Verflüssigung des Vorkühlkältemittels gegen Luft bei moderatem Druck (< 30 bar, vorzugsweise < 25 bar) ermöglichen.

[0005] Darüber hinaus unterscheidet sich die optimale Gemischzusammensetzung des Vorkühlkreislaufs je nach Kondensationstemperatur, die mit Luftkühlung erreichbar ist. Während eine Gemischanpassung je nach Jahreszeit technisch machbar und wirtschaftlich vertretbar ist, ist eine tageszeitliche Gemischoptimierung in der Praxis nicht realisierbar. Deshalb muss ein nicht optimales Kältemittelgemisch gewählt werden, das zu jeder Tageszeit sicher kondensiert werden kann, um einen Ausfall der Verflüssigungsanlage zu verhindern. Dies führt zu erhöhten Produktionskosten, oderbei gegebener Antriebsleistung der Kältekreislaufverdichter - zu signifikanten LNG-Produktionsverlusten. Während der "Sommerperiode" ist bei gegebener Antriebsleistung nur eine reduzierte LNG-Produktion möglich, da der spezifische Leistungsbedarf bei steigender Lufttemperatur (und somit steigender Kondensationstemperatur des Vorkühlkreislaufes) zunimmt.

[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, anzugeben, das einen energetisch optimalen Anlagenbetrieb basierend auf Luftkühlung das ganze Jahr über ermöglicht. Des Weiteren soll die zu erwartende LNG-Produktionseinbuße während der "Sommerperiode" minimiert werden.

[0007] Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, dass

• zumindest dann, wenn eine vollständige Kondensation des verdichteten Kältemittelgemisches des ersten Kältemittelgemischkreislaufes nicht realisiert werden kann, die in dem Behälter anfallende Gasphase des teilkondensierten Kältemittelgemisches verdichtet, gegen Umgebungsluft zumindest teilkondensiert, entspannt und in den Behälter zurückgeführt wird,
• wobei die Gasphase auf einen Druck, der wenigstens dem 1,5-fachen, vorzugsweise dem 2- bis 2,5-fachen des Drucks in dem Behälter entspricht, verdichtet wird, und
• das Kältemittelgemisch des ersten Kältemittelgemischkreislaufes aus wenigstens zwei der Komponenten CH₄, N₂, C₂H₄, C₂H₆, C₃H₆, C₃H₈, iC₄H₁₀ und nC₄H₁₀ besteht, wobei der Anteil der Komponenten CH₄ und N₂ maximal 1 mol-% beträgt.

[0008] Erfindungsgemäß kann der Verdichter des Vorkühlkreislaufs nunmehr unabhängig von der Lufttemperatur mit konstantem Enddruck betrieben werden. Für eine gegebene Kältemittelgemischzusammensetzung ist ab einer bestimmten Lufttemperatur eine Totalkondensation des verdichteten Kältemittels nicht mehr möglich. Folglich stellt sich in dem Behälter zusätzlich zu einer ersten flüssigen Kältemittelphase eine Gasphase ein, die mit leichtflüchtigen Komponenten des Kältemittelgemisches angereichert ist.

[0009] Die aus dem Behälter abgezogene Gasphase des Kältemittelgemisches wird erfindungsgemäß einer zusätzlichen Verdichtung unterworfen und auf einen Druck verdichtet, der wenigstens dem 1,5-fachen, vorzugsweise dem 2- bis 2,5-fachen des Drucks in dem Behälter entspricht. Das verdichtete Kältemittel wird anschließend gegen Umgebungsluft gekühlt und dabei vorzugsweise mindestens partiell kondensiert. Solange die bei der Kondensation abgeführte Wärmeleistung größer ist als die durch die Verdichtung zugeführte mechanische Leistung, fällt bei der nachfolgenden Entspannung der verdichteten Gasphase neben einer verbleibenden Gasphase eine zweite flüssige Kältemittelfraktion an. Insgesamt stellt sich eine Abkühlung des Kältemittels in dem Behälter unter die Austrittstemperatur des für die Teilkondensation des verdichteten Kältemittelgemisches verwendeten Wärmetauschers ein, die schließlich zur Totalkondensation des Vorkühlkältemittels führt. Zusammen mit der ersten flüssigen Kältemittelphase kann nun dem Sumpf des Behälters das vollständig verflüssigte Kältemittel entnommen werden.

[0010] Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert, dass neben den üblichen Kältemittekomponenten C₂H₄, C₂H₆, C₃H₆, C₃H₈, iC₄H₁₀ und nC₄H₁₀ im Kältemittelgemisch des Vorkühlkältekreislaufes der Anteil der Komponenten CH₄ und N₂ maximal 1 mol-% beträgt.

[0011] Alle Verdichterstränge können mit einer beliebigen Kombination aus E-Motor, Gasturbinen und Dampfturbinen angetrieben werden. Hierbei wird vorzugsweise die Leistungsgleichheit der Antriebe für die Verdichter der Kältemittelgemische der drei Kältemittelgemischkreisläufe beibehalten. Der Leistungsbedarf des für die Verdichtung der im Behälter anfallenden Gasphase erforderlichen zusätzlichen Verdichters hängt vom Standort und der Betriebsweise ab. In der Regel ist die Leistung dieses zusätzlichen Verdichters kleiner als die Einzelleistung jedes der vier anderen Maschinenstränge. Unter den verwendeten Begriffen und Begriffsfolgen "Leistungsgleichheit", "im Wesentlichen leistungsgleiche Verdichter" bzw. "im Wesentlichen identische und/oder leistungsgleiche Antriebe" seien Verdichter bzw. Antriebe zu verstehen, deren Leistungen sich um nicht mehr als +/- 2 % voneinander unterscheiden.

[0012] Durch die zusätzlich installierte Verdichter- bzw. Antriebsleistung für den Vorkühlkreislauf können der durch die höhere Lufttemperatur verursachte Leistungseinbruch der Gasturbinen zumindest teilweise kompensiert und die jährliche Anlagenkapazität gesteigert werden.

[0013] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes ermöglicht es, Gemischzusammensetzung und Enddruck des Kreislaufverdichters des Vorkühlkältekreislaufes für den Betrieb bei niedriger Lufttemperatur zu optimieren. Bei niedriger Lufttemperatur kann der erfindungsgemäß vorzusehende, zusätzliche Verdichter außer Betrieb genommen werden. Bei steigender Lufttemperatur steigt der Druck im Behälter bis die Leistungsgrenze des Kreislaufverdichters des Vorkühlkältekreislaufes erreicht ist und der zusätzliche Verdichter gestartet werden muss. Die erfindungsgemäße Verfahrensweise erfordert keine Gemischanpassung und ist daher auf einfache Weise vollständig automatisierbar. Somit können Tag/Nachtschwankungen der Lufttemperatur energetisch optimal berücksichtigt werden. Der Grenzwert der Lufttemperatur, ab dem der zusätzliche Verdichter betrieben werden muss, wird so gewählt, dass der Kreislaufverdichter des Vorkühlkältekreislaufes - sowie die Verdichter des Verflüssigungs- und des Unterkühlungskältekreislaufes - immer im energetisch günstigen Kennlinienbereich liegen. Somit kann die jährliche Verflüssigungsleistung maximiert werden, da immer im optimalen Wirkungsgradbereich gefahren wird.

[0014] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes sowie weitere Ausgestaltungen desselben, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, seien im Folgenden anhand des in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

[0015] Bei der anhand der Figur 1 beschriebenen Verfahrensweise erfolgen Abkühlung, Verflüssigung und Unterkühlung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, der über Leitung A dem Wärmetauscher E1 zugeführt wird, gegen eine Kältemittelgemischkreislaufkaskade, bestehend aus drei Kältemittelgemischkreisläufen.

[0016] Der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom A wird im Wärmetauscher E1, bei dem es sich vorzugsweise um einen sog. gewickelten Wärmetauscher handelt, gegen den verdampfenden Kältemittelgemischstrom 5 des ersten Gemischkreislaufes abgekühlt und anschließend über Leitung B Wärmetauscher E2 zugeführt. In diesem wird der Kohlenwasserstoff-reiche Strom gegen den verdampfenden Kältemittelgemischstrom 15 des zweiten Kältekreislaufes verflüssigt. Nach erfolgter Verflüssigung wird der Kohlenwasserstoff-reiche Strom C einem dritten Wärmetauscher E3 zugeführt und in diesem gegen den verdampfenden Kältemittelgemischstrom 28 des dritten Kältekreislaufes unterkühlt. Das unterkühlte Flüssigprodukt D wird anschließend seiner weiteren Verwendung und/oder (Zwischen)Speicherung zugeführt. Auch die Wärmetauscher E2 und E3 sind vorzugsweise als gewickelte Wärmetauscher ausgebildet.

[0017] Während der Unterkühlungskältekreislauf zwei hintereinander geschaltete Verdichter C3 und C3' aufweist, weisen der Vorkühlungs- und der Verflüssigungskältekreislauf jeweils einen Verdichter C1 bzw. C2 auf. Die Verdichter C1, C2, C3 und C3' sind bezüglich ihrer Leistung identisch bzw. im Wesentlichen identisch ausgebildet. Dies hat zur Folge, dass der Leistungsbedarf jedes Verdichters durch einen identischen bzw. im Wesentlichen identischen Antrieb bereitgestellt werden kann. Als Antriebe für die Verdichter kommen vorzugsweise Gasturbinen, Dampfturbinen und/oder Elektromotoren zur Anwendung.

[0018] Das im Verdichter C1 verdichtete Kältemittelgemisch des ersten Gemischkreislaufes wird im Wärmetauscher E4 gegen Umgebungsluft abgekühlt und zumindest teilkondensiert. Anschließend wird es dem Behälter D1 zugeführt, aus dessen Sumpf das flüssige Kältemittelgemisch 4 abgezogen und dem Wärmetauscher E1 zugeführt wird. In diesem wird das Kältemittelgemisch abgekühlt und nach Abzug am kalten Ende des Wärmetauschers E1 im Ventil V1 entspannt. Das entspannte Kältemittelgemisch 5 wird dem Mantelraum des Wärmetauschers E1 zugeführt, in diesem gegen den abzukühlenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom A und den noch zu beschreibenden, abzukühlenden Hochdruckströmen der Gemischkreisläufe verdampft und anschließend über Leitung 1 erneut dem Kreislaufverdichter C1 zugeführt.

[0019] Das im Verdichter C2 verdichtete Kältemittelgemisch 11 des zweiten Kältekreislaufes wird im Wärmetauscher E5 vorzugsweise vollständig verflüssigt; sofern nur eine Teilkondensation im Wärmetauscher E5 realisiert werden kann, erfolgt die Totalkondensation im nachgeschalteten Wärmetauscher E1, dem das zumindest teilkondensierte Kältemittelgemisch 12 zugeführt wird. In den Wärmetauschern E1 und E2 wird das Kältemittelgemisch 12/13 abgekühlt und nach Abzug am kalten Ende des Wärmetauschers E2 im Ventil V2 entspannt, so dass eine Gasphase und eine Flüssigphase entstehen. Das entspannte Kältemittelgemisch 14 wird einem Kältemittelsammler D2 zugeführt. Aus diesem werden die Flüssigphase 15 und die Gasphase 15' über die Regelventile a und b dem Mantelraum des Wärmetauschers E2 zugeführt. Das Zweiphasengemisch wird im Mantelraum gegen den zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom B und die abzukühlenden Hochdruckströme des zweiten und des dritten Gemischkreislaufs 13/25 verdampft und anschließend über Leitung 10 erneut dem Kreislaufverdichter C2 zugeführt.

[0020] Das im Niederdruck-Verdichter C3 verdichtete Kältemittelgemisch 21 des dritten Kältekreislaufes wird im Wärmetauscher E6 abgekühlt und anschließend im Hochdruck-Verdichter C3' auf den Kreislaufdruck verdichtet. Im Wärmetauscher E7 wird das verdichtete Kältemittelgemisch 23 gegen Umgebungsluft abgekühlt und in den nachgeschalteten Wärmetauschern E1, E2 und E3 wird das Kältemittelgemisch 24/25/26 kondensiert und unterkühlt. Nach Abzug am kalten Ende des Wärmetauschers E3 wird das Kältemittelgemisch im Ventil V3 entspannt, so dass eine Gasphase und eine Flüssigphase entstehen. Das entspannte Kältemittelgemisch 27 wird einem Kältemittelsammler D3 zugeführt. Aus diesem werden die Flüssigphase 28 und die Gasphase 28' über die Regelventile c und d dem Mantelraum des Wärmetauschers E3 zugeführt. Das Zweiphasengemisch wird im Mantelraum gegen den zu unterkühlenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom C und den zu kühlenden Hochdruckstrom des dritten Gemischkreislaufs 26 verdampft und anschließend über Leitung 20 erneut dem Niederdruck-Verdichter C3 zugeführt.

[0021] Erfindungsgemäß ist ein zusätzlicher Hochdruck-Verdichter C1' vorgesehen, dem die in dem Behälter D1 anfallende Gasphase 6 zugeführt wird. Wie beschrieben, ist für eine gegebene Kältemittelgemischzusammensetzung ab einer bestimmten Lufttemperatur eine Totalkondensation des verdichteten Kältemittels 2 im Wärmetauscher E4 nicht mehr möglich. Folglich stellt sich im Behälter D1 zusätzlich zu einer ersten flüssigen Kältemittelphase eine Gasphase ein, die mit leichtflüchtigen Komponenten des Kältemittelgemisches angereichert ist. Die aus dem Behälter D1 abgezogene Gasphase 6 wird mittels des Verdichter C1' auf einen Druck verdichtet, der wenigstens dem 1,5-fachen, vorzugsweise dem 2- bis 2,5-fachen des Drucks im Behälter D1 entspricht. Das verdichtete Kältemittel 7 wird im Wärmetauscher E8 gegen Umgebungsluft gekühlt und dabei vorzugsweise mindestens partiell kondensiert. Solange die bei der Kondensation abgeführte Wärmeleistung größer ist als die durch die Verdichtung zugeführte mechanische Leistung, fällt bei der nachfolgenden Entspannung im Ventil V5 neben einer verbleibenden Gasphase eine zweite flüssige Kältemittelfraktion an. Insgesamt stellt sich eine Abkühlung des Kältemittels im Behälter D1 unter die Austrittstemperatur des für die Teilkondensation des verdichteten Kältemittelgemisches verwendeten Wärmetauschers E4 ein, die schließlich zur Totalkondensation des Vorkühlkältemittels führt. Zusammen mit der ersten flüssigen Kältemittelphase kann nun dem Sumpf des Behälters D1 das vollständig verflüssigte Kältemittel 4 entnommen werden.

[0022] Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert es jedoch, dass das Kältemittelgemisch des ersten Kältemittelgemischkreislaufes aus wenigstens zwei der Komponenten N₂, CH₄, C₂H₄, C₂H₆, C₃H₆, C₃H₈, iC₄H₁₀ und nC₄H₁₀ besteht, wobei der Anteil der Komponenten N₂ und CH₄ maximal 1 mol-% beträgt.

[0023] Der zusätzlich vorzusehende Verdichter C1' wird vorzugsweise nur einsträngig und mit E-Motorantrieb ausgeführt. Zweisträngigkeit und andere Antriebe wie Gasturbine oder Dampfturbine sind prinzipiell auch möglich.

Ansprüche

1. Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, wobei

- die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes gegen eine aus drei Kältemittelgemischkreisläufen bestehende Kältemittelgemischkreislaufkaskade erfolgt,

- wobei der erste der drei Kältemittelgemischkreisläufe der Vorkühlung, der zweite Kältemittelgemischkreislauf der Verflüssigung und der dritte Kältemittelgemischkreislauf der Unterkühlung des verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dient, und

- das verdichtete Kältemittelgemisch des ersten Kältemittelgemischkreislaufes gegen Umgebungsluft kondensiert und einem Behälter zugeführt wird,

dadurch gekennzeichnet, dass

- zumindest dann, wenn eine vollständige Kondensation (E4) des verdichteten Kältemittelgemisches (2) des ersten Kältemittelgemischkreislaufes nicht realisiert werden kann, die in dem Behälter (D1) anfallende Gasphase (6) des teilkondensierten Kältemittelgemisches verdichtet (C1'), gegen Umgebungsluft zumindest teilkondensiert (E8), entspannt (V5) und in den Behälter (D1) zurückgeführt wird (7),

- wobei die Gasphase (6) auf einen Druck, der wenigstens dem 1,5-fachen, vorzugsweise dem 2- bis 2,5-fachen des Drucks in dem Behälter (D1) entspricht, verdichtet wird (C1'), und

- das Kältemittelgemisch des ersten Kältemittelgemischkreislaufes aus wenigstens zwei der Komponenten N₂, CH₄, C₂H₄, C₂H₆, C₃H₆, C₃H₈, iC₄H₁₀ und nC₄H₁₀ besteht, wobei der Anteil der Komponenten N₂ und CH₄ maximal 1 mol-% beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichter (C1, C2) des ersten und zweiten Kältemittelgemischkreislaufes und die Verdichter (C3, C3') des dritten Kältemittelgemischkreislaufes mittels zweier im Wesentlichen identischer und/oder leistungsgleicher Antriebe angetrieben werden, wobei als Antriebe für die Verdichter vorzugsweise Gas-, Dampfturbinen und/oder Elektromotoren zur Anwendung kommen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Behälter (D1) anfallende Gasphase (6) des teilkondensierten Kältemittelgemisches in einem zusätzlichen Verdichter (C1'), der vorzugsweise von einem Elektromotor angetrieben wird, verdichtet wird.

Zeichnung