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DE102006028654B4 - Use of expanders in process engineering processes - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Behandlung eines ein- oder mehrkomponentigen Gases, wobei das Gas einer Entspannung in einem oder mehreren Expandern unterworfen und das Gas und/oder wenigstens eine daraus resultierende Fraktion verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass
a) der oder wenigstens einer der Expander (X1, X2) mit einem Generator (G1, G2) verbunden ist,
b) die in dem oder den Generatoren (G1, G2) erzeugte Leistung während des Normalbetriebes in ein vorhandenes externes Netz und/oder in ein vorhandenes Prozess-/Anlagenstromnetz eingespeist wird und
c) während des Ausfalles des oder wenigstens eines Expanders (X1, X2) der der Verdichtung des Gases dienende Verdichter (C1) mittels wenigstens eines Elektromotors (M), der seine Leistung aus dem Prozess-/Anlagenstromnetz und/oder dem externen Netz bezieht, unterstützt wird.A process for treating a one- or multi-component gas, wherein the gas is subjected to a relaxation in one or more expanders and the gas and / or at least one resulting fraction is compacted, characterized in that
a) the or at least one of the expanders (X1, X2) is connected to a generator (G1, G2),
b) the power generated in the generator or generators (G1, G2) is fed during normal operation into an existing external network and / or into an existing process / system power network, and
c) during the failure of the or at least one expander (X1, X2) of the compression of the gas compressor (C1) by means of at least one electric motor (M), which derives its power from the process / plant power network and / or the external network, is supported.

Figure DE102006028654B4_0001
Figure DE102006028654B4_0001

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung eines ein- oder mehrkomponentigen Gases, wobei das Gas einer Entspannung in einem oder mehreren Expandern unterworfen und das Gas und/oder wenigstens eine daraus resultierende Fraktion verdichtet wird.The invention relates to a process for the treatment of a one- or multi-component gas, wherein the gas is subjected to a relaxation in one or more expanders and the gas and / or at least one fraction resulting therefrom is compressed.

Bei einer Vielzahl unterschiedlichster Verfahren zur Behandlung eines ein- oder mehrkomponentigen Gases, wie bspw. C2+- oder C3+-Gewinnungsprozessen, kommen Expander-Verdichter-Kombinationen, wie sie im Folgenden erläutert werden, zur Anwendung. Diese dienen dazu, Prozesskälte bei tiefen Temperaturen zu gewinnen und gleichzeitig Verdichtungsenergie zu sparen. Derartige Expander-Verdichter-Kombinationen sind beispielsweise in der DE 37 06 733 A1 , der US 5 361 590 A sowie der US 5 251 450 A beschrieben.In a variety unterschiedlichster method of treating a single or multicomponent gas, such as C 2 + -. 3 + or C -Gewinnungsprozessen come expander-compressor combinations, as explained below, are used. These are used to gain process cold at low temperatures and at the same time to save compaction energy. Such expander-compressor combinations are for example in the DE 37 06 733 A1 , of the US 5,361,590 A as well as the US 5,251,450 A described.

In der 1 ist ein zum Stand der Technik zählendes Verfahren zum Zerlegen eines mehrkomponentigen Einsatzgases gezeigt, bei dem zwei Expander-Verdichter-Kombinationen zur Anwendung kommen.In the 1 there is shown a prior art method of disassembling a multi-component feed gas employing two expander-compressor combinations.

Über Leitung 1 wird das zu zerlegende Einsatzgas zwei in Reihe geschalteten Expandern bzw. Expansionsturbinen X1 und X2 zugeführt und in diesen auf den gewünschten Zuspeisedruck für die Kolonne T entspannt. Der entspannte Einsatzstrom wird anschließend über Leitung 2 am Kopf der Kolonne T aufgegeben.Via wire 1 the feed gas to be separated is fed to two expanders or expansion turbines X1 and X2 connected in series and expanded therein to the desired feed pressure for the column T. The relaxed feed stream is then via line 2 abandoned at the top of the column T.

Während aus dem Sumpf der Kolonne T über Leitung 3 die schwerersiedende Fraktion des Einsatzgasgemisches abgezogen wird, wird am Kopf der Trennkolonne T über Leitung 4 die leichtersiedende Fraktion abgezogen. Diese wird in den beiden in Reihe geschalteten (Vor)Verdichtern C2 und C3 auf einen Zwischendruck verdichtet, bevor sie über Leitung 5 dem Hauptverdichter C1 zugeführt wird. In diesem erfolgt dann die Verdichtung auf den gewünschten End- bzw. Abgabedruck, bevor die verdichtete Gasfraktion über Leitung 6 abgeführt wird.While from the bottom of the column T via line 3 the heavier-boiling fraction of the feed gas mixture is withdrawn, is at the top of the separation column T via line 4 deducted the lower boiling fraction. This is compressed to an intermediate pressure in the two series-connected (pre-) compressors C2 and C3, before being sent via line 5 the main compressor C1 is supplied. In this then the compression to the desired final or discharge pressure before the compressed gas fraction via line 6 is dissipated.

Der Verdichter C1 wird von einem Antrieb A angetrieben; hierbei handelt es sich im Regelfall um einen Gasturbinen- und/oder einen elektrischen Antrieb.The compressor C1 is driven by a drive A; this is usually a gas turbine and / or an electric drive.

Die (Vor)Verdichter C2 und C3 werden – dargestellt durch die gestrichelt gezeichneten Linien – von den Expandern X1 und X2 angetrieben. Kommt es nunmehr zu einem Ausfall eines Expanders, fällt auch der mit ihm gekoppelte Verdichter aus. Üblicherweise wird der Enddruck des Verdichters jedoch benötigt, um die verdichtete Gasfraktion über Leitung 6 an der Anlagengrenze abgeben zu können. Aus diesem Grund wird bisher entweder ein Ersatzverdichter vorgehalten oder der nachgeschaltete Verdichter muss für die größere Druckdifferenz und die geänderten Saugbedingungen ausgelegt sein. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Designdruck der Kolonne T entsprechend höher als den Normaldruck auszulegen, damit dadurch ein Druckanstieg in der Kolonne bei Ausfall eines Expanders/Rekompressors akzeptabel wird. Diese Möglichkeit ist jedoch in den meistes Fällen mit einer reduzierten Produktausbeute verbunden.The (pre) compressor C2 and C3 are - driven by the dashed lines - driven by the expanders X1 and X2. If it now comes to a failure of an expander, and the compressor coupled with it fails. Usually, however, the final pressure of the compressor is needed to deliver the compressed gas fraction via line 6 at the plant boundary. For this reason, so far either a replacement compressor is kept or the downstream compressor must be designed for the larger pressure difference and the changed suction conditions. Another possibility is to design the design pressure of the column T correspondingly higher than the normal pressure, so that thereby an increase in pressure in the column in case of failure of an expander / recompressor is acceptable. However, this possibility is in most cases associated with a reduced product yield.

Die vorgenannten Alternativen führen jedoch zu nicht unerheblichen Mehrkosten. Im Falle der zweiten Alternative können darüber hinaus nur (Haupt)Verdichter zur Anwendung kommen, die für die normalen Auslegungsbedingungen – im Vergleich mit speziell für diese Bedingungen gewählten Verdichtern – nicht optimal geeignet sind; daraus resultieren folglich im Normalbetrieb ungünstigere Verbrauchswerte. Grundsätzlich stellt das Szenario ”Expanderausfall” eine außerordentliche Betriebsstörung dar, die u. U. auch zum Ausfall der gesamten Anlage führen kann, wenn der (Haupt)Verdichter nicht in der Lage ist, die deutlich höhere Last ausreichend schnell zu übernehmen oder die Inbetriebnahme eines Ersatzverdichters nicht ausreichend zügig erfolgen kann.However, the aforementioned alternatives lead to significant additional costs. Moreover, in the case of the second alternative, only (main) compressors can be used, which are not optimally suited for the normal design conditions, compared to compressors specially selected for these conditions; As a result, less favorable fuel consumption results during normal operation. Basically, the scenario "Expanderausfall" represents an extraordinary malfunction that u. U. can also lead to failure of the entire system when the (main) compressor is not able to take over the significantly higher load sufficiently fast or the commissioning of a replacement compressor can not be done quickly enough.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Behandlung eines ein- oder mehrkomponentigen Gases anzugeben, das die vorgenannten Nachteile vermeidet.Object of the present invention is to provide a generic method for the treatment of a one- or multi-component gas, which avoids the aforementioned disadvantages.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zur Behandlung eines ein- oder mehrkomponentigen Gases vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass

  • a) der oder wenigstens einer der Expander mit einem Generator verbunden ist,
  • b) die in dem oder den Generatoren erzeugte Leistung während des Normalbetriebes in ein vorhandenes externes Netz und/oder in ein vorhandenes Prozess-/Anlagenstromnetz eingespeist wird und
  • c) während des Ausfalles des oder wenigstens eines Expanders der der Verdichtung des Gases dienende Verdichter mittels wenigstens eines Elektromotors, der seine Leistung aus dem Prozess-/Anlagenstromnetz und/oder dem externen Netz bezieht, unterstützt wird.
To solve this problem, a generic method for the treatment of a one- or multi-component gas is proposed, which is characterized in that
  • a) the or at least one of the expander is connected to a generator,
  • b) the power generated in the generator or generators during normal operation in an existing external network and / or in an existing process / plant power system is fed and
  • c) during the failure of the or at least one expander of the compression of the gas compressor by means of at least one electric motor, which derives its power from the process / plant power network and / or the external network is supported.

Unter dem Begriff ”externes Netz” sei nachfolgend das im Umfeld des jeweiligen Prozesses bzw. der jeweiligen Anlage vorhandene (öffentliche) Stromnetz zu verstehen. Der Begriff ”Prozess-/Anlagenstromnetz” bezeichne das interne elektrische Stromnetz des Prozesses bzw. der Anlage.The term "external network" is to be understood below as the (public) power grid in the environment of the respective process or the respective system. The term "process / system power network" designates the internal electrical power system of the process or plant.

Erfindungsgemäß wird nunmehr auf den Einsatz von Expander-Verdichter-Kombinationen verzichtet. Stattdessen werden Expander-Generatoren-Kombinationen vorgesehen, wobei die in dem oder den Generatoren erzeugte Leistung während des Normalbetriebes des Prozesses bzw. der Anlage in ein vorhandenes externes Netz und/oder in ein vorhandenes Prozess-/Anlagenstromnetz eingespeist wird. Kommt es zu einem Ausfall eines Expanders – und damit auch zu einem Ausfall des mit ihm gekoppelten Generators –, wird bzw. muss die ausfallende Leistung vom externen Netz und/oder dem Prozess-/Anlagenstromnetz bezogen werden, da nur auf diese Weise der Anlagenbetrieb annähernd ungestört aufrechterhalten werden kann.According to the invention is now dispensed with the use of expander-compressor combinations. Instead, expander-generator combinations are provided, wherein the power generated in the generator or generators during normal operation of the process or the system in an existing external network and / or in an existing process / plant power system is fed. If there is a failure of an expander - and thus also a failure of the generator coupled to it -, the failing power will or must be obtained from the external network and / or the process / plant power network, since only in this way the plant operation approximate can be maintained undisturbed.

Da die bisher mit den Expandern gekoppelten Verdichter entfallen – dies setzt voraus, dass der (Haupt)Verdichter entsprechend ausgelegt ist –, kann der (Haupt)Verdichter im Wesentlichen ohne Einschränkungen weiterlaufen, da sich ja das Druckverhältnis und die Menge über ihn nicht verändert. Zwar ergeben sich aufgrund der geänderten Temperaturen – es kann nunmehr ja keine kälteleistende Entspannung mehr realisiert werden – geringfügig andere Molekulargewichte und Saugtemperaturen für den (Haupt)Verdichter, jedoch können diese Effekte im Wesentlichen vernachlässigt werden.Since the previously coupled with the expander compressors omitted - this assumes that the (main) compressor is designed accordingly -, the (main) compressor can continue to run substantially without restrictions, since the pressure ratio and the amount does not change over him. Although due to the changed temperatures - it is now no longer possible to realize a cold relaxation - slightly different molecular weights and suction temperatures for the (main) compressor, but these effects can be essentially neglected.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Behandlung eines ein- oder mehrkomponentigen Gases sind dadurch gekennzeichnet, dass

  • – sofern mehrere Expander vorgesehen sind, diese parallel und/oder in Reihe geschaltet angeordnet sind,
  • – der der Verdichtung des Gases dienende Verdichter ausschließlich mittels eines Elektromotors angetrieben wird,
  • – der Antrieb des der Verdichtung des Gases dienenden Verdichters zumindest zeitweilig und/oder teilweise durch einen Elektromotor unterstützt wird,
Further advantageous embodiments of the method according to the invention for the treatment of a one- or multi-component gas are characterized in that
  • - if several expander are provided, these are arranged parallel and / or in series,
  • - The compression of the gas compressor is driven exclusively by means of an electric motor,
  • The drive of the compressor which compresses the gas is supported at least temporarily and / or partly by an electric motor,

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Behandlung eines ein- oder mehrkomponentigen Gases sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, seien im Folgenden anhand des in der 2 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.The inventive method for the treatment of a one- or multi-component gas and further advantageous embodiments thereof, which constitute subject matters of the dependent claims, are described below with reference to in the 2 illustrated embodiment explained in more detail.

Die 2 zeigt ein zu der 1 analoges Gaszerlegungsverfahren, wobei nunmehr jedoch von der erfindungsgemäßen Verfahrensweise Gebrauch gemacht wird.The 2 shows one to the 1 analog gas separation process, but now made use of the procedure according to the invention.

Erfindungsgemäß sind die Expander X1 und X2 nunmehr nicht – wie dies im Falle des in der 1 dargestellten Verfahrens der Fall ist – mit Verdichtern, sondern mit Generatoren G1 und G2 gekoppelt. Die von den Generatoren G1 und G2 erzeugte elektrische Leistung wird in ein vorhandenes externes Netz und/oder in ein vorhandenes Prozess-/Anlagenstromnetz eingespeist.According to the expander X1 and X2 are now not - as in the case of in the 1 illustrated method is the case - coupled with compressors, but with generators G1 and G2. The electrical power generated by the generators G1 and G2 is fed into an existing external network and / or into an existing process / plant power network.

Auch im Falle des in der 2 dargestellten Verfahrens wird der (Haupt)Verdichter C1 durch einen beliebigen Verdichterantrieb A angetrieben. Sofern dieser Antrieb A nicht bereits als Elektromotor ausgelegt ist, kann zusätzlich ein Elektromotor M vorgesehen werden. Eine derartige Kombination ist insbesondere dann üblich bzw. sinnvoll, wenn ein vorzusehender Gasturbinenantrieb einen entsprechend großen elektrischen Startermotor benötigt. Damit dieser Startermotor nicht nur während des Startbetriebs tätig ist, wird der Gasturbinenantrieb A im Regelfall so ausgelegt, dass der Verdichter C1 im Normalbetrieb sowohl vom Antrieb A als auch vom Elektromotor M angetrieben wird.Also in the case of in the 2 As shown, the (main) compressor C1 is driven by any compressor drive A. If this drive A is not already designed as an electric motor, an electric motor M can additionally be provided. Such a combination is particularly common or useful if a gas turbine engine to be provided requires a correspondingly large electric starter motor. So that this starter motor is not only active during start-up, the gas turbine drive A is usually designed so that the compressor C1 is driven in normal operation by both the drive A and the electric motor M.

Die für den Elektromotor M benötigte Leistung wird im Regelfall mittel s des oder der Generatoren G1 und G2 bereitgestellt. Kommt es nunmehr zu einem Ausfall eines Expanders und damit zu einem Ausfall des mit ihm gekoppelten Generators, muss das dadurch entstehende Leistungsdefizit durch das externe Netz und/oder das Prozess-/Anlagenstromnetz kompensiert werden.The power required for the electric motor M is generally provided by means of the generator or generators G1 and G2. If it now comes to a failure of an expander and thus to a failure of the generator coupled to it, the resulting power shortage must be compensated by the external network and / or the process / plant power network.

Im Gegensatz zu den zum Stand der Technik zählenden Verfahrensweisen kann der Verdichter C1 nunmehr jedoch ohne wesentliche Einschränkungen Weiterbetrieben werden, da das Druckverhältnis über ihn unverändert bleibt. Die Wahl bzw. Auslegung des Verdichters C1 und damit auch die Wahl bzw. Auslegung des Verdichterantriebes A/M kann daher entsprechend den Normalbedingungen ausgerichtet werden.However, in contrast to the prior art methods, the compressor C1 can now continue to be operated without significant restrictions, since the pressure ratio remains unchanged over it. The choice or design of the compressor C1 and thus also the choice or design of the compressor drive A / M can therefore be aligned according to the normal conditions.

Von Nachteil bei der beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrensweise ist, dass aufgrund einer zweifachen Umwandlung von mechanischer Leistung in Strom und umgekehrt Wirkungsgradverluste in Kauf genommen werden müssen. Diesem Nachteil stehen jedoch ein sicherer Betrieb des Prozesses bzw. der Anlage sowie eine Auslegung des (Haupt)Verdichters auf den optimalen Wirkungsgrad entgegen. Des Weiteren verringern sich die Gesamt-Investitionskosten gegenüber einem Verfahren, wie es beispielsweise anhand der 1 erläutert ist.A disadvantage of the method of the invention described is that due to a double conversion of mechanical power into electricity and vice versa efficiency losses must be taken into account. However, this disadvantage is precluded by safe operation of the process or plant and by a design of the (main) compressor for optimal efficiency. Furthermore, the total investment costs are reduced compared to a method, as for example based on the 1 is explained.

Claims (4)

Verfahren zur Behandlung eines ein- oder mehrkomponentigen Gases, wobei das Gas einer Entspannung in einem oder mehreren Expandern unterworfen und das Gas und/oder wenigstens eine daraus resultierende Fraktion verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass a) der oder wenigstens einer der Expander (X1, X2) mit einem Generator (G1, G2) verbunden ist, b) die in dem oder den Generatoren (G1, G2) erzeugte Leistung während des Normalbetriebes in ein vorhandenes externes Netz und/oder in ein vorhandenes Prozess-/Anlagenstromnetz eingespeist wird und c) während des Ausfalles des oder wenigstens eines Expanders (X1, X2) der der Verdichtung des Gases dienende Verdichter (C1) mittels wenigstens eines Elektromotors (M), der seine Leistung aus dem Prozess-/Anlagenstromnetz und/oder dem externen Netz bezieht, unterstützt wird.Process for the treatment of a single- or multicomponent gas, the gas being subjected to expansion in one or more expanders and the gas and / or at least one fraction resulting therefrom being compacted, characterized in that a) the or at least one of the expander (X1, X2) is connected to a generator (G1, G2), b) the power generated in the generator or generators (G1, G2) is fed during normal operation into an existing external network and / or into an existing process / plant power network and c) during the failure of the or at least one expander (X1, X2 ) of the compression of the gas compressor (C1) by means of at least one electric motor (M), which derives its power from the process / plant power network and / or the external network is supported. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren mehrere Expander aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Expander (X1, X2) parallel und/oder in Reihe geschaltet angeordnet sind.The method of claim 1, wherein the method comprises a plurality of expanders, characterized in that the expander (X1, X2) are arranged parallel and / or in series. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der der Verdichtung des Gases dienende Verdichter (C1) ausschließlich mittels eines Elektromotors angetrieben wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the compression of the gas compressor (C1) is driven exclusively by means of an electric motor. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antrieb (A) des der Verdichtung des Gases dienenden Verdichters (C1) zumindest zeitweilig und/oder teilweise durch einen Elektromotor (M) unterstützt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that a drive (A) of the compression of the gas compressor (C1) is at least temporarily and / or partially supported by an electric motor (M).
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