Verfahren und Vorrichtung zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes

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 eigentlichen Verflüssigung und der dritte Kältemittelgemischkreislauf der Unterkühlung des verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dient, und wobei die Kältemittelgemische einer ein- oder mehrstufigen Verdichtung unterworfen werden.

Femer betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, aufweisend eine aus drei Kältemittelgemischkreisläufen bestehende Kältemittelgemischkreislaufkaskade gegen die die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes erfolgt, wobei der erste der drei Kältemittelgemischkreisläufe der Vorkühlung, der zweite Kältemittelgemischkreislauf der eigentlichen Verflüssigung und der dritte Kältemittelgemischkreislauf der Unterkühlung des verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dient, und aufweisend mehrere ein- oder mehrstufige Verdichter, die der Verdichtung der Kältemittelgemische dienen.

Ein gattungsgemäßes Verfahren sowie eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 197 16 415 bekannt. Mit der Zitierung der deutschen Offenlegungsschrift 197 16 415 sei deren Offenbarungsgehalt in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung aufgenommen.

Erdgasverflüssigungsanlagen werden entweder als so genannte LNG-Baseload-Plants - also Anlagen zur Verflüssigung von Erdgas zur Versorgung mit Erdgas als Primärenergie - oder als so genannte Peak-Shaving-Plants - also Anlagen zur Verflüssigung von Erdgas zur Deckung des Spitzenbedarfs - ausgelegt. LNG-Baseload-Plants werden im Regelfall mit Kältekreisläufen betrieben, die aus Kohlenwasserstoffgemischen bestehen. Diese Gemischkreisläufe sind energetisch effizienter als Expander-Kreisläufe und ermöglichen bei den großen Verflüssigungsleistungen der Baseioad-Plants entsprechend relativ niedrige Energieverbräuche.

Bei gattungsgemäßen Verflüssigungsverfahren dient grundsätzlich der erste Gemischkreislauf der Vorkühlung, der zweite Gemischkreislauf der Verflüssigung und der dritte Gemischkreislauf der Unterkühlung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes bzw. Erdgases.

Zwischen der Vorkühlung und der Verflüssigung findet - sofern erforderlich - die Abtrennung von höhersiedenden Kohlenwasserstoffen statt. Das sind mindestens diejenigen Komponenten des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes bzw. Erdgases, die bei der nachfolgenden Abkühlung ausfrieren würden - also C5+- Kohlenwasserstoffe und Aromate. Oftmals werden zudem diejenigen Kohlenwasserstoffe -r 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 HHCQHeavy H_ydrocarbon)-Kolonne (im englischen Sprachgebrauch 'Scrub Column' genannt), die der Abtrennung der schweren Kohlenwasserstoffe sowie von Benzol aus dem zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff- reichen Strom dient, vorgesehen wird. Eine derartige Verfahrensführung ist ebenfalls in der bereits erwähnten deutschen Offenlegungsschrift 197 16 415 beschrieben; siehe bspw. deren Figur 2 sowie die zugehörige Figurenbeschreibung.

Durch die Vorgabe dieses Schnittes zwischen denjenigen Komponenten des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, die schließlich das verflüssigte Produkt darstellen - es sind dies im Wesentlichen Methan und Ethan - und denjenigen Komponenten, die aus den vorgenannten Gründen abgetrennt werden (müssen), wird bei gegebenem Rohgasdruck das Temperaturniveau der Abtrennung dieser Komponenten aus dem zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom - im Folgenden als C3+-Abtrennung bezeichnet - in vergleichsweise engen Grenzen festgelegt.

Wird der erste Gemischkreislauf nunmehr ausschließlich zur Vorkühlung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes vor dieser C3+-Abtrennung verwendet, entfällt auf diesen zwangsläufig ein Anteil an der Gesamtverdichterleistung von etwa 40 bis 50 %, während sich die restliche Verdichterleistung von 60 bis 50 % auf den zweiten sowie den dritten Gemischkreislauf verteilt.

Im Sinne einer wirtschaftlichen Ausnutzung der verfügbaren Verdichter und Antriebe ist es jedoch wünschenswert, dass die (Kreislauf)Verdichter der drei Gemischkreisläufe in etwa die gleiche Antriebsleistung, also jeweils ca. 33,33 % der Gesamtantriebsleistung, erhalten. Dies gilt insbesondere für große Verflüssigungsanlagen mit einer Verflüssigungsleistung größer 5 Millionen Tonnen LNG pro Jahr, da die Zahl der verfügbaren Verdichter und Antriebe für derartige Größenordnungen stark eingeschränkt ist. Durch eine Vereinheitlichung der Antriebe und Verdichter der drei Kältekreisläufe kann die mit erprobten Antrieben bzw. Verdichtern erreichbare Verflüssigungsleistung des Verflüssigungsprozesses maximiert werden. Eine entsprechende Lösung bzw. Verfahrensweise ist in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 103 44 030 beschrieben; mit der Zitierung dieser Patentanmeldung sei deren Offenbarungsgehalt in den Offenbarungsgehait der vorliegenden Patentanmeldung aufgenommen.

Die deutsche Patentanmeldung 103 44 030 zeigt einen gattungsgemäßen Verflüssigungsprozess, bei dem die Verdichter der Kältemittelgemischkreisläufe von drei im Wesentlichen identischen Antrieben angetrieben werden. Antriebe - dies gilt insbesondere für Gasturbinen - sind doch nur in diskreten Leistungsstufen verfügbar. In Abhängigkeit von der gewählten Prozess- bzw. Anlagengröße ist deshalb oftmals eine Verwendung von drei identischen Antrieben nicht zweckmäßig. Vielmehr wäre es ausreichend, wenn die erforderliche Antriebsleistung statt durch drei lediglich durch zwei identische oder zwei annähernd identische Antriebe erbracht werden könnte.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren sowie eine gattungsgemäße Vorrichtung anzugeben, das bzw. die dem vorgenannten Problem Rechnung trägt. Zur Lösung dieser Aufgabe wird verfahrensseitig vorgeschlagen, dass die Verdichter zu zwei Verdichtersträngen zusammengefasst werden und der Antrieb der Verdichter durch zwei identische oder zwei annähernd identische Antriebe erfolgt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichter zu zwei Verdichtersträngen zusammengefasst sind und den Verdichtern zwei identische oder annähernd identische Antriebe zugeordnet sind.

Unter dem Begriff "annähernd identische Antriebe" seien Antriebe zu verstehen, die sich in ihrer Leistung um nicht mehr als 5 % voneinander unterscheiden.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen es nunmehr, die erforderliche Antriebsleistung aller Verdichter durch lediglich zwei identische beziehungsweise annähernd identische Antriebe bereit zu stellen.

Hierbei sind die Antriebe vorzugsweise als Gasturbinen, Elektromotoren und/oder Dampfturbinen ausgebildet.

Die Erfindung weiterbildend wird für den Fall, dass zwischen den beiden Verdichtersträngen ein Leistungsunterschied besteht, vorgeschlagen, dass dem leistungsstärkeren Verdichterstrang ein Generator und dem leistungsschwächeren Verdichterstrang ein Elektromotor zugeordnet sind und der Generator mit dem Elektromotor gekoppelt wird.

Die an dem Generator anfallenden Überschussleistung kann dem Elektromotor zugeführt werden, so dass dieser den Antrieb des leistungsschwächeren Verdichterstranges unterstützen kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie weitere Ausgestaltungen des- bzw. derselben, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, seien im Folgenden anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Bei der anhand der Figur beschriebenen Verfahrensweise erfolgt die Abkühlung und Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, der über Leitung 1 dem Wärmetauscher E1 zugeführt wird, gegen eine Kältemittelgemischkreislaufkaskade, bestehend aus drei Kältemittelgemischkreisläufen. Diese weisen im Regelfall unterschiedliche Zusammensetzungen auf, wie sie bspw. in der vorerwähnten deutschen Offenlegungsschrift 197 16 415 beschrieben sind.

Der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom wird im Wärmetauscher E1 gegen die beiden verdampfenden Kältemittelgemischteilströme 4b und 4d des ersten Gemischkreislaufes 4a bis 4e abgekühlt und anschließend über Leitung 1a einer lediglich als Black-Box dargestellten Trenneinheit S zugeführt.

In dieser Trenneinheit S erfolgt die vorbeschriebene C3+-Abtrennung, wobei die aus dem zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom abgetrennten Komponenten über die Leitung 1b aus der Trenneinheit S abgezogen werden.

Entsprechend einer vorteilhaften, in der Figur nicht dargestellten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zumindest ein Teilstrom eines der beiden Teilströme 3b und 3d des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes 3a bis 3e, auf den im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, für die Kältebereitstellung in der Abtrenneinheit S verwendet wird. Hierbei wird die Wahl, von welchem der beiden Teilströme 3b und/oder 3d wiederum zumindest ein Teilstrom für diese Kältebereitstellung herangezogen wird, von dem in der Abtrenneinheit S erforderlichen Temperaturniveau(s) bestimmt werden.

Der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom wird sodann über Leitung 1c einem zweiten Wärmetauscher E2 zugeführt und in diesem gegen den verdampfenden Kältemittelgemischteiistrom 3b des zweiten Kältekreislaufes 3a bis 3b verflüssigt.

Nach erfolgter Verflüssigung wird der Kohlenwasserstoff-reiche Strom über Leitung 1d einem dritten Wärmetauscher E3 zugeführt und in diesem gegen den Kältemittelgemischstrom 2b des dritten Kältekreislaufes 2a bis 2c unterkühlt. Das unterkühlte Flüssigprodukt wird anschließend über Leitung 1e seiner weiteren • Verwendung zugeführt. Wie aus der Figur ersichtlich, sind die Verdichter V2, V3, V3' sowie V4 der Kältekreisläufe 2a bis 2c, 3a bis 3f und 4a bis 4e erfindungsgemäß nunmehr zu zwei Verdichtersträngen zusammengefasst. Hierbei wird der erste Verdichterstrang von dem Verdichter V4 des Vorkühlkreislaufes sowie dem Hochdruck- Verdichter V3 des Verflüssigungskreislaufes gebildet, während der zweite Verdichterstrang von dem Verdichter V2 des Unterkühlungskreislaufes sowie dem Niederdruck-Verdichter V3' des Verflüssigungskreislaufes gebildet ist Als gleichwertige Alternative ist eine Ausführung anzusehen, bei der die Verdichter V4 und V3' den ersten Verdichterstrang und die Verdichter V2 und V3 den zweiten Verdichterstrang bilden.

Der Kreislaufverdichter des Verflüssigungskreislaufes wird erfindungsgemäß auf zwei Verdichter bzw. Verdichterstränge "aufgeteilt". Dies hat zur Folge, dass - wie nachfolgend noch erläutert wird - ein Teilstrom 3c des Kältemittelgemisches des Verflüssigungskreislaufes einem Niederdruck-Verdichter V3' und ein Teilstrom 3e des Kältemittelgemisches des Verflüssigungskreislaufes einem Hochdruck- Verdichter V3 zugeführt werden. Hierbei verdichten die beiden vorgenannten Verdichter die Kältemittelgemischströme vorzugsweise auf gleiche Enddrücke.

Beiden Verdichtersträngen ist jeweils ein Antrieb GT1 und GT2 zugeordnet, wobei es sich erfindungsgemäß um zwei identische oder zwei annähernd identische Antriebe handelt.

Geeignete Antriebe sind insbesondere Gasturbinen, Elektromotoren und/oder Dampfturbinen.

In der Figur nicht dargestellt sind die den Verdichtern V2, V3, V3' bzw. V4 nachgeschalteten Kühler bzw. Wärmetauscher, in denen das Kältemittelgemisch . gegen ein geeignetes Kühlmedium - bspw. Wasser oder Luft - abgekühlt wird.

Das im Verdichter V4 verdichtete Kältemittelgemisch des ersten Gemischkreislaufes wird über die Leitung 4a dem Wärmetauscher E1 zugeführt und in diesem nach erfolgter Abkühlung in zwei Teilströme 4b und 4d aufgeteilt. Das Kältemittelgemisch in diesen Teilströmen 4b und 4d wird nach erfolgter Entspannung in den Ventilen d und e bzw. Entspannungsvorrichtungen auf unterschiedlichen Druckniveaus im Wärmetauscher E1 verdampft und anschließend über die Leitung 4c bzw. 4e dem Verdichter V4 vor der ersten Stufe (Teilstrom 4c) bzw. auf einem Zwischendruckniveau (Teilstrom Ae) zugeführt.

Das im Verdichter V3 verdichtete Kältemittelgemisch des zweiten Kältekreislaufes 3a bis 3f wird über die Leitungen 3f und 3a den Wärmetauschern E1 und E2 zugeführt . und in diesen abgekühlt. Derjenige Teiistrom 3b dieses Kältemittelgemischstromes, der durch den Wärmetauscher E2 geführt wird, wird nach erfolgter Entspannung im Ventil b im Wärmetauscher E2 gegen abzukühlende Verfahrensströme verdampft und anschließend über Leitung 3c der Eingangsstufe des Verdichters V3' zugeführt.

Derjenige Teilstrom 3d des Kältemittelgemisches des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes 3a bis 3f, der bereits nach dem Wärmetauscher E1 abgezogen wird, wird im Ventil c entspannt und anschließend im Wärmetauscher E1 gegen abzukühlende Verfahrensströme verdampft, bevor er über Leitung 3e dem . Verdichter V3 zugeführt wird. Mit dieser Verfahrensführung trägt der erwähnte Kältemittelgemischteilstrom 3d der Vorkühlung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes im Wärmetauscher E1 bei.

Damit dies erreicht werden kann, muss der für die Vorkühlung des Kohlenwasserstoff- reichen Stromes verwendete Teilstrom 3d des Kältemittelgemisches des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes 3a bis 3f auf einem Druck, der höher ist als der Verdampfungsdruck des Kältemittelgemischteilstromes 3b des zweiten Kältemittelgemischkreislaufes 3a bis 3f, verdampft werden.

Durch die Wahl des Zwischendruckes, auf dem der Kältemittelgemischteilstrom 3e verdampft und dem Verdichter V3 zugeführt wird, und durch die Regelung der Mengenverteilung der beiden Kältemittelgemischteilströme 3b und 3d kann die Aufteilung der Kälteleistung des zweiten Gemischkreislaufes auf die Wärmetauscher E1 und E2 und damit auf die Vorkühlung und Verflüssigung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes nahezu beliebig eingestellt werden.

Besteht zwischen den beiden Verdichtersträngen ein Leistungsunterschied, so kann, ■ gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, - wie dies in der Figur auch dargestellt ist - dem leistungsstärkeren Verdichterstrang ein Generator G und dem leistungsschwächeren Verdichterstrang ein Elektromotor M zugeordnet werden. Der mittels des Generators G erzeugte Strom treibt den Elektromotor M an, der dadurch den leistungsschwächeren Verdichterstrang bzw. dessen Antrieb GT2 unterstützt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, schafft somit einen Verflüssigungsprozess, bei dem die Verdichterstränge mit lediglich zwei identischen oder annähernd identischen Antrieben gekoppelt sind. Dadurch kann in einer Vielzahl von Anwendungsfällen eine optimale Anpassung an erhältliche Antriebe realisiert werden, woraus eine Reduzierung der erforderlichen lnvestitions- und Betriebskosten resultiert.