WO2006034776A1 - Verfahren zum verdichten eines erdgasstromes - Google Patents

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    • F25J2240/12Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream the fluid being nitrogen

Definitions

  • the invention relates to a method for compressing a natural gas stream.
  • Natural gas compressor stations such as those required for natural gas filling stations realized.
  • the natural gas is compressed by means of two- to five-stage reciprocating compressors to a pressure between 250 and 450 bar.
  • the reciprocating compressors are driven either directly by electric motors or by hydraulic pumps with electric motors.
  • the electrical connection capacity of larger compression systems is, for example, 70 kW for a compressor capacity of 250 m 3 / h and 800 kW for a compressor capacity of 4000 m 3 / h.
  • Object of the present invention is to provide a generic method for compressing a natural gas stream, which requires a much lower electrical connection power.
  • the technology used should be as low maintenance and as simple as possible to enable long service life and low investment costs. Furthermore, the above-mentioned high sound level values should be able to be undershot.
  • cryogenic pump means piston pumps or pressure transducers which can compress cryogenic media.
  • Such piston pumps or pressure converter require special design to suck in and compress the cryogenic media, such as. B. special pressure and suction valves and / or special designs to achieve sufficiently large NPSH values. These measures are necessary so that enough liquid medium can be sucked in and compacted.
  • the liquefaction of the natural gas stream to be compressed using the energy from a cryogenic process.
  • cryogenic process below all processes are to be understood, in which the energy is obtained in the form of cold energy. Examples include nitrogen, oxygen and argon liquefaction processes.
  • the inventive method for compressing a natural gas stream further forming is proposed that the liquefaction of the natural gas stream to be compressed takes place in the heat exchange against at least one medium to be heated, preferably against a cryogenic medium to be heated.
  • the inventive method for compressing a natural gas stream requires in comparison to conventional methods a much lower electrical connection power, since the required energy is provided by the cryogenic process or to be heated (cryogenic) medium.
  • cryopumps The sound level development of cryopumps is less than 70 dBa, so that no extraordinary and thus costly measures for sound insulation are required.
  • cryogenic pumps have to be regularly maintained, so the maintenance costs are lower than in the aforementioned reciprocating compressors.
  • cryogenic pumps allow longer service life than reciprocating compressors.
  • the natural gas stream to be compressed is fed to the process according to the invention via line 1.
  • This natural gas stream can be taken, for example, a corresponding natural gas pipeline network.
  • natural gas is usually present under a pressure of 25 mbar up to 60 bar.
  • the natural gas stream is cooled or cooled to a temperature of about -15 ° C. against a nitrogen stream fed to the heat exchanger X via line 9.
  • the nitrogen stream used for the cooling of the natural gas comes from a liquid nitrogen storage tank S 1 which serves for the storage of cryogenic, liquid nitrogen: the nitrogen thus stored has a temperature of about -150 0 C. From the storage tank S can be withdrawn via line 7 liquid nitrogen and gaseous nitrogen via line 12.
  • the pre-cooled in the first heat exchanger X natural gas stream is fed via line 2 to a second heat exchanger Y and in this against the line 5 to the second heat exchanger Y supplied compressed natural gas stream having a temperature of about -150 ° C, cooled and teiiverwatert
  • the above Line 6 withdrawn from the second compressor Y compressed natural gas stream has a temperature of about -20 0 C.
  • cryogenic pump C In this, the compression to the desired pressure, which is preferably between 16 and 1000 bar.
  • cryopumps are designed in two stages in most cases and have a primary piston to increase the NPSH value and a high-pressure piston for actual compression.
  • the compressed natural gas stream is - as already mentioned - fed via line 5 to the heat exchanger Y and warmed in this to a temperature of about -20 0 C.
  • the compressed natural gas stream withdrawn via line 6 may possibly be heated to approximately ambient temperature in an air heat exchanger, not shown in the figure, if this is necessary or desired.
  • the or required for the cooling and liquefaction of the natural gas stream nitrogen streams are combined in the lines 11 and 13 and fed to a expansion turbine T.
  • the energy released in the expansion turbine T is used to drive the cryogenic pump C; represented by the dashed line between the expansion turbine T and the cryogenic pump C.
  • the relaxed in the expansion turbine T to a pressure between 0 and 16 bar nitrogen flow is then removed via line 14 from the process and optionally supplied for further use, such as, for example, as a pressure medium for pneumatic applications (eg pneumatic valves).
  • a pressure medium for pneumatic applications eg pneumatic valves
  • the filling of the storage tank S with cryogenic nitrogen is generally carried out by means of suitable tank vehicles. Alternatively or additionally, however, it is also possible to generate the nitrogen on site - in so-called on-site Aniagen - by means of adsorptive, permeative and / or cryogenic processes.
  • the inventive method is particularly suitable for use in locations where there are problems with the provision and / or safety of electrical energy. Due to the fact that no high compression heat is generated, there are no overheating problems at locations or in countries where very high outside temperatures prevail.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdichten eines Erdgasstromes. Erfindungsgemäß wird der zu verdichtende Erdgasstrom (1) verflüssigt und anschließend mittels wenigstens einer kryogenen Pumpe (C) verdichtet. Hierbei erfolgt die Verflüssigung des zu verdichtenden Erdgasstromes (1) vorzugsweise unter Verwendung der Energie aus einem Tiefkaltprozess, insbesondere im Wärmetausch (X, Y, Z) gegen wenigstens ein anzuwärmendes Medium (7,9, ..), vorzugsweise gegen ein kryogenes Medium.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Verdichten eines Erdgasstromes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdichten eines Erdgasstromes.
Verfahren zum Verdichten von Erdgasströmen werden insbesondere in
Erdgasverdichterstationen, wie sie beispielsweise bei Erdgas-Tankstellen erforderlich sind, realisiert. Bei den zum Stand der Technik zählenden Verfahren wird das Erdgas mittels zwei- bis fünfstufiger Kolbenkompressoren auf einen Druck zwischen 250 und 450 bar verdichtet. Die Kolbenkompressoren werden hierbei entweder direkt über Elektromotoren oder über Hydraulikpumpen mit Elektromotoren angetrieben.
Bei der Verdichtung des Erdgases entsteht Wärme, die über Öl-, Luft- und/oder Wasserkühler abgeführt werden muss. Die elektrische Anschlussleistung größerer Verdichtungsaniagen beträgt beispielsweise für eine Verdichterleistung von 250 m3/h 70 KW und für eine Verdichterleistung von 4000 m3/h 800 KW. Diese
Leistungsbereitstellung erfordert oftmals einen unverhältnismäßig hohen Aufwand. Des Weiteren haben die vorgenannten Kolbenkompressoren den Nachteil, dass sie zum einen einen vergleichsweise hohen Schallpegel aufweisen - 75 dBa und mehr - und zum anderen häufige Wartungsarbeiten erfordern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verdichten eines Erdgasstromes anzugeben, das eine wesentlich geringere elektrische Anschlussleistung erfordert.
Darüber hinaus soll die zum Einsatz kommende Technik so wartungsarm und einfach als möglich sein, um lange Standzeiten sowie geringe Investitionskosten zu ermöglichen. Ferner sollen die vorerwähnten hohen Schallpegelwerte unterschritten werden können.
Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe wird ein Verfahren zum Verdichten eines Erdgasstromes vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der zu verdichtende Erdgasstrom zunächst verflüssigt und anschließend mittels wenigstens einer kryogenen Pumpe verdichtet wird. Unter dem Begriff "kryogene Pumpe" sind Kolbenpumpen bzw. Druckumsetzer, die kryogene Medien verdichten können, zu verstehen. Derartige Kolbenpumpen bzw. Druckumsetzer erfordern spezielle Konstruktion um kryogene Medien ansaugen und verdichten zu können, wie z. B. spezielle Druck- und Saugventile und/oder spezielle Konstruktionen, um genügend große NPSH-Werte zu erzielen. Diese Maßnahmen sind erforderlich, damit genügend flüssiges Medium angesaugt und verdichtet werden kann.
Im Gegensatz zu den bekannten Verfahrensweisen erfolgt nunmehr keine Verdichtung eines gasförmigen Erdgasstromes, sondern - unter Verwendung wenigstens einer Kryopumpe - eine Verdichtung eines zuvor verflüssigten Erdgasstromes.
In vorteilhafter Weise erfolgt. hierbei die Verflüssigung des zu verdichtenden Erdgasstromes unter Verwendung der Energie aus einem Tiefkaltprozess.
Unter dem Begriff "Tiefkaltprozess" seien nachfolgend alle Prozesse zu verstehen, bei denen die Energie in Form von Kälteenergie anfällt. Beispielhaft genannt seien Stickstoff-, Sauerstoff- und Argon-Verflüssigungsprozesse.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verdichten eines Erdgasstromes weiterbildend wird vorgeschlagen, dass die Verflüssigung des zu verdichtenden Erdgasstromes im Wärmetausch gegen wenigstens ein anzuwärmendes Medium, vorzugsweise gegen ein anzuwärmendes kryogenes Medium erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verdichten eines Erdgasstromes benötigt im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren eine weitaus geringere elektrische Anschlussleistung, da die erforderliche Energie durch den Tiefkaltprozess bzw. das anzuwärmende (kryogene) Medium bereitgestellt wird.
Da das verflüssigte Erdgas mittels einer oder mehrerer kryogenen Pumpen verdichtet wird, fällt nahezu keine Verdichtungswärme an.
Die Schallpegelentwicklung von Kryopumpen beträgt weniger als 70 dBa, so dass keine außergewöhnlichen und damit aufwendigen Maßnahmen zur Schallisolierung erforderlich sind. Wenngleich auch kryogene Pumpen regelmäßig gewartet werden müssen, so sind die Wartungskosten jedoch geringer als bei den vorerwähnten Kolbenkompressoren. Darüber hinaus ermöglichen kryogene Pumpen längere Standzeiten als Kolbenkompressoren.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie weitere Ausgestaltung desselben, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, seien im Folgenden anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Der zu verdichtende Erdgasstrom wird dem erfindungsgemäßen Verfahren über die Leitung 1 zugeführt. Dieser Erdgasstrom kann beispielsweise einem entsprechenden Erdgas-Rohrleitungsnetz entnommen werden. In derartigen Rohrleitungsnetzen liegt Erdgas üblicherweise unter einem Druck von 25 mbar bis zu 60 bar vor.
im ersten Wärmetauscher X wird der Erdgasstrom gegen einen über Leitung 9 dem Wärmetauscher X zugeführten Stickstoff-Strom auf eine Temperatur von ca. -15 °C vor- bzw. abgekühlt.
Der für die Abkühlung des Erdgases verwendete Stickstoff-Strom stammt aus einem Flüssigstickstoff-Speicherbehälter S1 der der Lagerung von tiefkaltem, flüssigem Stickstoff dient: der derart gelagerte Stickstoff weist eine Temperatur von ca. -150 0C auf. Aus dem Speicherbehälter S kann über Leitung 7 Flüssig-Stickstoff und über Leitung 12 gasförmiger Stickstoff abgezogen werden.
Der in dem ersten Wärmetauscher X vorgekühlte Erdgasstrom wird über Leitung 2 einem zweiten Wärmetauscher Y zugeführt und in diesem gegen den über Leitung 5 dem zweiten Wärmetauscher Y zugeführten verdichteten Erdgasstrom, der eine Temperatur von ca. -150 °C aufweist, abgekühlt und teiiverflüssigt Der über Leitung 6 aus dem zweiten Verdichter Y abgezogene verdichtete Erdgasstrom weist eine Temperatur von ca. -20 0C auf.
Der aus dem zweiten Wärmetauscher Y über Leitung 3 abgezogene Erdgasstrom liegt, wie erwähnt, bereits größtenteils in flüssiger Form vor und wird in einer Drossel V einer isenthalpen Entspannung unterworfen. Anschließend erfolgt im dritten Wärmetauscher Z gegen den über Leitung 7 dem dritten Wärmetauscher Z zugeführten Flüssigstickstoff-Strom die vollständige Verflüssigung und ggf. Unterkühlung des Erdgasstromes.
Der nunmehr vollständig verflüssigte Erdgasstrom wird anschließend über Leitung 4 einer kryogenen Pumpe C zugeführt. In dieser erfolgt die Verdichtung auf den gewünschten Druck, der vorzugsweise zwischen 16 und 1000 bar beträgt. Derartige Kryopumpen sind in den meisten Fällen zweistufig ausgeführt und weisen einen Vorkolben zur Erhöhung des NPSH Wertes und einen Hochdruckkolben zum eigentlichen Verdichten auf.
Bei der Verdichtung von Erdgas werden zur Zeit Tankdrücke bis 250 bar realisiert, während bei der Verdichtung von Wasserstoff bereits Drücke bis 1000 bar erreicht werden. Es kann davon ausgegangen werden, dass sich die Druckobergrenze in den kommenden Jahren weiter nach oben verschiebt.
Daran anschließend wird der verdichtete Erdgasstrom - wie bereits erwähnt - über Leitung 5 dem Wärmetauscher Y zugeführt und in diesem auf eine Temperatur von etwa -20 0C angewärmt. Der über Leitung 6 abgezogene verdichtete Erdgasstrom kann ggf. in einem in der Figur nicht dargestellten Luftwärmetauscher - sofern dies erforderlich oder gewünscht ist - auf annähernd Umgebungstemperatur angewärmt werden.
Die Abgabe des verdichteten Erdgasstromes an Erdgas-betriebene Fahrzeuge erfolgt mittels handelsüblicher, in der Figur nicht dargestellter Abgabe- bzw.
Befülleinrichtungen. Der bzw. die für die Abkühlung und Verflüssigung des Erdgasstromes erforderlichen Stickstoff-Ströme werden in den Leitungen 11 und 13 zusammengeführt und einer Entspannungsturbine T zugeführt. Die in der Entspannungsturbine T freiwerdende Energie wird zum Antreiben der kryogenen Pumpe C verwendet; dargestellt durch die gestrichelt gezeichnete Linie zwischen der Entspannungsturbine T und der kryogenen Pumpe C.
Der in der Entspannungsturbine T auf einen Druck zwischen 0 und 16 bar entspannte Stickstoff-Strom wird anschließend über Leitung 14 aus dem Prozess abgeführt und ggf. einer weiteren Verwendung, wie beispielsweise als Druckmedium für pneumatische Anwendungen (z. B. pneumatische Ventile) zugeführt.
Die Befüllung des Speicherbehälters S mit kryogenem Stickstoff erfolgt im Regelfall mittels geeigneter Tankfahrzeuge. Alternativ oder zusätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit, den Stickstoff vor Ort - in so genannten on-site-Aniagen - mittels adsorptiver, permeativer und/oder kryogener Verfahren zu erzeugen.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Anwendung an Standorten, an denen es Probleme mit der Bereitstellung und/oder der Sicherheit von elektrischer Energie gibt. Dadurch, dass keine hohe Verdichtungswärme anfällt, kommt es auch an Standorten bzw. in Ländern, in denen sehr hohe Außentemperaturen herrschen, zu keinen Überhitzungsproblemen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verdichten eines Erdgasstromes, dadurch gekennzeichnet, dass der zu verdichtende Erdgasstrom (1) verflüssigt und anschließend mittels wenigstens einer kryogenen Pumpe (C) verdichtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verflüssigung des zu verdichtenden Erdgasstromes (1) unter Verwendung der Energie aus einem Tiefkaltprozess erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verflüssigung des zu verdichtenden Erdgasstromes (1) im Wärmetausch (X, Y, Z) gegen wenigstens ein anzuwärmendes Medium (7,9, ..), vorzugsweise gegen ein kryogenes Medium, erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der verflüssigte Erdgasstrom (4) auf einen Druck zwischen 16 und 1000 bar verdichtet wird (C).
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das gegen den zu verflüssigenden Erdgasstrom (1) angewärmte Medium (7,9, ..) entspannt und die bei der Entspannung gewonnene Energie zum Antreiben der oder wenigstens einer der kryogenen Pumpen (C) verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung (C) des verflüssigten Erdgasstromes (4) ein- oder mehrstufig, vorzugsweise zweistufig erfolgt.
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