EP3361197A1 - Verfahren zum verflüssigen einer kohlenwasserstoff-reichen fraktion - Google Patents

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EP3361197A1
EP3361197A1 EP17156002.2A EP17156002A EP3361197A1 EP 3361197 A1 EP3361197 A1 EP 3361197A1 EP 17156002 A EP17156002 A EP 17156002A EP 3361197 A1 EP3361197 A1 EP 3361197A1
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mixed refrigerant
mixed
hydrocarbon
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    • F25J1/0294—Multiple compressor casings/strings in parallel, e.g. split arrangement

Definitions

  • machine string used below is to be understood as a combination of two compressor housings and their essentially identical, common drive.
  • Natural gas liquefaction often uses a combination of two or three refrigeration cycles in the capacity range between two and ten million tonnes per year LNG.
  • different working principles phase change or work-performing relaxation
  • different refrigerants pure substance or mixture
  • the compressor trains can be driven with any combination of electric motor, gas turbine and steam turbine.
  • electric motors, gas turbines or steam turbines are usually chosen.
  • Object of the present invention is to provide a generic method for liquefying a hydrocarbon-rich stream, in particular a natural gas stream, indicate that allows continued operation of the liquefaction process at partial load, thereby improving plant availability.
  • the liquefaction process can continue to operate at least at partial load in the event of failure of up to two drives or machine trains.
  • this only applies if only one of the drives of the two machine trains, which serve to compress the mixed refrigerant partial streams of the third mixed refrigerant cycle, fails.
  • the hydrocarbon-rich stream A to be liquefied is cooled in the heat exchanger E1, which is preferably a so-called wound heat exchanger, against the evaporating refrigerant mixture stream 4 of the first mixture cycle and then fed via line B to heat exchanger E2.
  • the hydrocarbon-rich stream is liquefied against the evaporating mixed refrigerant stream 15 of the second refrigeration cycle.
  • the hydrocarbon-rich stream C is fed to a third heat exchanger E3 and subcooled therein against the evaporating refrigerant mixture stream 29 of the third refrigeration cycle.
  • the supercooled liquid product D is then fed to its further use and / or (intermediate) storage.
  • the heat exchangers E2 and E3 are preferably formed as a wound heat exchanger.
  • the refrigerant mixture partial streams of the first and the second mixed refrigerant cycle are each separately by means of a machine train on the be compressed desired final pressure
  • the refrigerant mixture partial streams of the third mixed refrigerant cycle are each compressed separately in the other two machine trains.
  • the refrigerant mixture of the first mixture cycle evaporated in the heat exchanger E1 is split in half according to the invention, and the refrigerant mixture partial streams 1 and 1 'are compressed in the compressor housings C1A and C1B. Subsequently, the compressed partial streams 2 and 2 'are preferably cooled in the heat exchanger E4 against ambient air and condensed.
  • the condensed refrigerant mixture 3 is then fed to the heat exchanger E1 and cooled in this. After deduction at the cold end of the heat exchanger E1 it is expanded in the valve V1, fed via line 4 to the jacket space of the heat exchanger E1, vaporized in this against the hydrocarbon-rich stream A to be cooled and then recompressed.
  • the process is carried out with the refrigerant mixture of the second refrigeration cycle evaporated in the heat exchanger E2. This is also divided in half and the refrigerant mixture partial streams 10 and 10 'are compressed in the compressor housing C2A and C2B. Subsequently, the compressed partial streams 11 and 11 'are preferably completely liquefied in the heat exchanger E5 against ambient air; If only a partial condensation in the heat exchanger E5 can be realized, the total condensation takes place in the downstream heat exchanger E1, to which the at least partially condensed refrigerant mixture 12 is supplied. In the heat exchangers E1 and E2, the refrigerant mixture is cooled 12/13 and relaxed after deduction at the cold end of the heat exchanger E2 in the valve V2.
  • the expanded refrigerant mixture 14 is fed to a refrigerant collector D2. For this it is fed via line 15 and expansion valve V6 the jacket space of the heat exchanger E2, vaporized in this against the hydrocarbon-rich stream B to be liquefied and then re-compressed.
  • the refrigerant mixture of the third refrigeration cycle evaporated in the heat exchanger E3 is divided in half and the refrigerant mixture partial flows 20 and 20 'are compressed in the compressor housings C3A and C3B to an intermediate pressure.
  • the refrigerant mixture is cooled and condensed 25/26/27 and relaxed after deduction at the cold end of the heat exchanger E3 in the valve V3.
  • the expanded refrigerant mixture 28 is supplied to a refrigerant collector D3. For this it is fed via line 29 and expansion valve V7 the jacket space of the heat exchanger E3, vaporized in this against the to-be-cooled hydrocarbon-rich stream C and then recompressed.
  • the inventive method for liquefying a hydrocarbon-rich stream, in particular a natural gas stream has improved plant availability, since a further operation of the liquefaction process is possible in partial load, as long as only one drive or machine train fails or, if two drives or machine trains fail, only one of the two drives or machine trains that serve to compress the mixed refrigerant partial streams of the third mixture cycle, fails.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, beschrieben, wobei - die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes gegen eine aus drei Kältemittelgemischkreisläufen bestehende Kältemittelgemischkreislaufkaskade erfolgt, und - der erste der drei Kältemittelgemischkreisläufe der Vorkühlung, der zweite Kältemittelgemischkreislauf der Verflüssigung und der dritte Kältemittelgemischkreislauf der Unterkühlung des verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dient. Erfindungsgemäß - werden die zu verdichtenden Kältemittelgemische der drei Kältemittelgemischkreisläufe hälftig in je zwei Kältemittelgemischteilströme aufgeteilt (1, 1', 10, 10', 20, 20'), - erfolgt die Verdichtung der Kältemittelgemischteilströme mittels vier im Wesentlichen leistungsgleicher Maschinenstränge (GT-C1A-C2A, GT-C1B-C2B, GT-C3A-C3A', GT-C3B-C3B'), und - erfolgt die Verdichtung der Kältemittelgemischteilströme (1, 1', 10, 10') des ersten und des zweiten Kältemittelgemischkreislaufs (1, 1', 10, 10') jeweils getrennt in zwei Maschinensträngen (GT-C1A-C2A, GT-C1B-C2B) und die Verdichtung der Kältemittelgemischteilströme (20, 20') des dritten Kältemittelgemischkreislaufs jeweils getrennt in den beiden anderen Maschinensträngen (GT-C3A-C3A', GT-C3B-C3B').

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 drei Kältemittelgemischkreisläufen bestehende Kältemittelgemischkreislaufkaskade erfolgt, und
    • der erste der drei Kältemittelgemischkreisläufe der Vorkühlung, der zweite Kältemittelgemischkreislauf der Verflüssigung und der dritte Kältemittelgemischkreislauf der Unterkühlung des verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dient.
  • Unter den nachfolgend verwendeten Begriffsfolgen "im Wesentlichen leistungsgleiche Maschinenstränge", "im Wesentlichen leistungsgleiche Verdichter" und "im Wesentlichen identische und/oder leistungsgleiche Antriebe" seien Maschinenstränge, Verdichter bzw. Antriebe zu verstehen, deren Leistungen sich um nicht mehr als +/- 2 % voneinander unterscheiden.
  • Unter dem nachfolgend verwendeten Begriff "Maschinenstrang" sei eine Kombination aus zwei Verdichtergehäusen und deren im Wesentlichen leistungsgleichen, gemeinsamen Antrieb zu verstehen.
  • 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.
  • 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 können die Verdichterstränge mit einer beliebigen Kombination aus E-Motor, Gasturbinen und Dampfturbinen angetrieben werden. In der Praxis werden jedoch üblicherweise entweder E-Motoren, Gasturbinen oder Dampfturbinen gewählt.
  • Bei allen Verflüssigungsanlagen besteht das Problem, dass im Falle des Ausfalls eines Verdichterantriebes bzw. Maschinenstrangs der Verflüssigungsprozess ggf. unterbrochen werden muss, woraus nicht unerhebliche Produktionsverluste und damit finanzielle Nachteile für den Anlagenbetreiber resultieren.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, anzugeben, das einen Weiterbetrieb des Verflüssigungsprozesses in Teillast ermöglicht und dadurch die Anlagenverfügbarkeit verbessert.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, dass
    • die zu verdichtenden Kältemittelgemische der drei Kältemittelgemischkreisläufe hälftig in je zwei Kältemittelgemischteilströme aufgeteilt werden,
    • die Verdichtung der Kältemittelgemischteilströme mittels vier im Wesentlichen leistungsgleicher Maschinenstränge erfolgt, und
    • die Verdichtung der Kältemittelgemischteilströme des ersten und des zweiten Kältemittelgemischkreislaufs jeweils getrennt in zwei Maschinensträngen und die Verdichtung der Kältemittelgemischteilströme des dritten Kältemittelgemischkreislaufs jeweils getrennt in den beiden anderen Maschinensträngen erfolgt.
  • Erfindungsgemäß kann der Verflüssigungsprozess bei einem Ausfall bis zu zwei Antrieben bzw. Maschinensträngen zumindest noch in Teillast weiterbetrieben werden. Dies gilt bei einem Ausfall von zwei Antrieben jedoch nur dann, wenn nur einer der Antriebe der beiden Maschinenstränge, die der Verdichtung der Kältemittelgemischteilströme des dritten Kältemittelgemischkreislaufs dienen, ausfällt.
  • 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.
  • 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.
  • 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 4 des ersten Gemischkreislaufs abgekühlt und anschließend über Leitung B Wärmetauscher E2 zugeführt. In diesem wird der Kohlenwasserstoff-reiche Strom gegen den verdampfenden Kältemittelgemischstrom 15 des zweiten Kältekreislaufs verflüssigt. Nach erfolgter Verflüssigung wird der Kohlenwasserstoff-reiche Strom C einem dritten Wärmetauscher E3 zugeführt und in diesem gegen den verdampfenden Kältemittelgemischstrom 29 des dritten Kältekreislaufs 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.
  • Erfindungsgemäß sind nunmehr vier im Wesentlichen leistungsgleiche Maschinenstränge GT-C1A-C2A, GT-C1B-C2B, GT-C3A-C3A' und GT-C3B-C3B' vorgesehen, die der Verdichtung der Kältemittelgemischteilströme der drei Kältemittelgemischkreisläufe dienen. Jeder dieser Maschinenstränge weist zwei
    • Verdichtergehäuse C1A-C2A, C1 B-C2B, C3A-C3A' und C3B-C3B' sowie einen Antrieb
    GT auf. Hierbei ist zu beachten, dass die beiden Verdichtergehäuse eines Maschinenstranges im Wesentlichen leistungsgleich ausgebildet sein können, jedoch nicht leistungsgleich ausgebildet sein müssen.
  • Als Antriebe GT für die vier Maschinenstränge kommen vier im Wesentlichen identische E-Motoren, Gas- oder Dampfturbinen zur Anwendung.
  • Während die Kältemittelgemischteilströme des ersten und des zweiten Kältemittelgemischkreislaufs jeweils getrennt mittels eines Maschinenstrangs auf den gewünschten Enddruck verdichtet werden, werden die Kältemittelgemischteilströme des dritten Kältemittelgemischkreislaufs jeweils getrennt in den beiden anderen Maschinensträngen verdichtet.
  • Das im Wärmetauscher E1 verdampfte Kältemittelgemisch des ersten Gemischkreislaufs wird erfindungsgemäß hälftig aufgeteilt und die Kältemittelgemischteilströme 1 und 1' werden in den Verdichtergehäusen C1A und C1 B verdichtet. Anschließend werden die verdichteten Teilströme 2 und 2' im Wärmetauscher E4 vorzugsweise gegen Umgebungsluft abgekühlt und kondensiert. Das kondensierte Kältemittelgemisch 3 wird sodann dem Wärmetauscher E1 zugeführt und in diesem abgekühlt. Nach Abzug am kalten Ende des Wärmetauschers E1 wird es im Ventil V1 entspannt, über Leitung 4 dem Mantelraum des Wärmetauschers E1 zugeführt, in diesem gegen den abzukühlenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom A verdampft und anschließend erneut verdichtet.
  • In analoger Weise wird mit dem im Wärmetauscher E2 verdampften Kältemittelgemisch des zweiten Kältekreislaufs verfahren. Auch dieses wird hälftig aufgeteilt und die Kältemittelgemischteilströme 10 und 10' werden in den Verdichtergehäusen C2A und C2B verdichtet. Anschließend werden die verdichteten Teilströme 11 und 11' im Wärmetauscher E5 vorzugsweise gegen Umgebungsluft 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. Das entspannte Kältemittelgemisch 14 wird einem Kältemittelsammler D2 zugeführt. Aus diesem wird es über Leitung 15 und Entspannungsventil V6 dem Mantelraum des Wärmetauschers E2 zugeführt, in diesem gegen den zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom B verdampft und anschließend erneut verdichtet.
  • Auch das im Wärmetauscher E3 verdampfte Kältemittelgemisch des dritten Kältekreislaufs wird hälftig aufgeteilt und die Kältemittelgemischteilströme 20 und 20' werden in den Verdichtergehäusen C3A und C3B auf einen Zwischendruck verdichtet. Die auf den Zwischendruck verdichteten Teilströme 21 und 21' werden im Wärmetauscher E6 abgekühlt, anschließend erneut hälftig aufgeteilt und die Kältemittelgemischteilströme 22 und 22' werden in den Verdichtergehäusen C3A' und C3B' auf den Enddruck verdichtet. Anschließend werden die verdichteten Teilströme 24 und 24' vereinigt, im Wärmetauscher E7 abgekühlt und über Leitung 25 dem Wärmetauscher E1 zugeführt. In den Wärmetauschern E1, E2 und E3 wird das Kältemittelgemisch 25/26/27 abgekühlt und kondensiert und nach Abzug am kalten Ende des Wärmetauschers E3 im Ventil V3 entspannt. Das entspannte Kältemittelgemisch 28 wird einem Kältemittelsammler D3 zugeführt. Aus diesem wird es über Leitung 29 und Entspannungsventil V7 dem Mantelraum des Wärmetauschers E3 zugeführt, in diesem gegen den zu unterkühlenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom C verdampft und anschließend erneut verdichtet.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, weist eine verbesserte Anlagenverfügbarkeit auf, da ein Weiterbetrieb des Verflüssigungsprozesses in Teillast möglich ist, solange nur ein Antrieb bzw. Maschinenstrang ausfällt oder, sofern zwei Antriebe bzw. Maschinenstränge ausfallen, nur einer der beiden Antriebe bzw. Maschinenstränge, die der Verdichtung der Kältemittelgemischteilströme des dritten Gemischkreislaufs dienen, ausfällt.

Claims (1)

  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, und
    - der erste der drei Kältemittelgemischkreisläufe der Vorkühlung, der zweite Kältemittelgemischkreislauf der Verflüssigung und der dritte Kältemittelgemischkreislauf der Unterkühlung des verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dient,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - die zu verdichtenden Kältemittelgemische der drei Kältemittelgemischkreisläufe hälftig in je zwei Kältemittelgemischteilströme aufgeteilt werden (1, 1', 10, 10', 20, 20'),
    - die Verdichtung der Kältemittelgemischteilströme mittels vier im Wesentlichen leistungsgleicher Maschinenstränge (GT-C1A-C2A, GT-C1B-C2B, GT-C3A-C3A', GT-C3B-C3B') erfolgt, und
    - die Verdichtung der Kältemittelgemischteilströme (1, 1', 10, 10') des ersten und des zweiten Kältemittelgemischkreislaufs (1, 1', 10, 10') jeweils getrennt in zwei Maschinensträngen (GT-C1A-C2A, GT-C1B-C2B) und die Verdichtung der Kältemittelgemischteilströme (20, 20') des dritten Kältemittelgemischkreislaufs jeweils getrennt in den beiden anderen Maschinensträngen (GT-C3A-C3A', GT-C3B-C3B') erfolgt.
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