DE4223160C2 - Verfahren und Anlage zur Verdichtung von Gas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verdichtung von Gas gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens.

Erdgas wird heute in sehr großen Mengen häufig über Entfernungen von mehreren tausend Kilometern hinweg in großen Gasrohrleitungen zu den Verbrauchszentren transportiert. Entsprechende Ferngasleitungen haben beispielsweise einen Durchmesser von 56′′ und können mit Gasdrücken von 75 bar oder sogar bis zu 100 bar betrieben werden, um die Transportkapazität möglichst hoch zu treiben. Wegen des unvermeidbaren Druckabfalls entlang der Gasrohrleitungen müssen in bestimmten Abständen Verdichterstationen vorgesehen werden, die den Gasdruck wieder auf den Solldruck erhöhen. Die verwendeten Verdichter (üblicherweise Turboverdichter) werden im Regelfall von Gasturbinen angetrieben, die als Brennstoff einen Teil des geförderten Erdgases verbrauchen.

Ein sehr großer Teil der bekannten Erdgasreserven liegt in sogenannten Permafrostgebieten, das heißt in Gegenden, in denen der Erdboden während der Sommermonate nur etwa bis zu einer Tiefe von 80-100 cm auftaut und im übrigen ständig gefroren bleibt. Die Gasrohrleitungen sind üblicherweise in einer Tiefe im Erdboden verlegt, in der Permafrost herrscht. Da das Erdreich im aufgetauten Zustand häufig sehr weich wird, muß dafür gesorgt werden, daß die Gasrohrleitung nicht zu einem Auftauen des Erdbodens führt, weil sonst die Leitung zumindest stellenweise tiefer sinken und dadurch mechanische Spannungen in der Rohrwand hervorrufen, die zu Leitungsbrüchen führen könnten. Eine Erwärmung des Erdreichs ist deswegen zu befürchten, weil die Kompression des Gases im Verdichter unvermeidbar auch eine Temperaturerhöhung mit sich bringt. Es ist daher üblich, daß das auf Solldruck komprimierte Gas vor seiner Rückführung in die Transportleitung gekühlt wird, wobei eine Höchsttemperatur von etwa 0°C eingehalten werden muß. Nach Möglichkeit wird sogar eine Temperatur von -5°C angestrebt.

Während der Wintermonate ist die erforderliche Kühlung wegen der niedrigen Außentemperaturen (wesentlich unter 0°C) völlig unproblematisch und erfolgt ohne weiteres durch Gas/Luft-Kühler. In den Übergangsjahreszeiten und insbesondere in den Sommermonaten, in denen Tageshöchsttemperaturen von 15-20°C möglich sind, sind diese Gaskühler aber zwangsläufig nicht mehr ausreichend. Aus diesem Grunde werden für die warme Jahreszeit in derartigen Verdichterstationen spezielle Rückkühlanlagen mit separatem Kühlkreislauf, also Kältemaschinen eingesetzt, bei denen als Kältemittel insbesondere Propan verwendet wird.

Die Anwendung von Rückkühlanlagen der bekannten Art ist in mehrfacher Hinsicht problematisch. Sie erfordern einen beträchtlichen Kostenaufwand und stellen einen großen Teil des gesamten Investitionsaufwandes für eine Verdichterstation dar. Hinzu kommt die Tatsache, daß sie während der längstens Zeit eines Jahres (ca. 8 Monate) völlig ungenutzt bleiben. Darüber hinaus ergibt sich ein Sicherheitsproblem im Hinblick auf mögliche Leckagen, da das Kältemittel Propan nicht nur leicht entzündbar, sondern auch schwerer als Luft ist und daher eine verminderte Flüchtigkeit aufweist, so daß das Explosionsrisiko deutlich erhöht ist.

In der veröffentlichten DE-Patentanmeldung R 17 081 Ia/14 h ist ein Verfahren zur Energierückgewinnung bei der Kühlung von ein- oder mehrstufig verdichteten Gasen in Wärmetauschern angegeben, bei denen das zu verdichtende Gas zwischen den jeweiligen Verdichterstufen und insbesondere nach der letzten Kompressionsstufe gekühlt wird.

Eine weitere Möglichkeit der Kühlung von zuvor komprimiertem Gas wird entsprechend DE-OS 26 26 162 mit Hilfe einer Kaltgasmaschine realisiert. Hier wird das Gas auf einen Überhöhungsdruck komprimiert, durch Wärmetausch auf eine Temperatur oberhalb der Ausgangstemperatur abgekühlt und durch Entspannung auf die gewünschte Ausgangs­ temperatur gebracht. Es wird demnach die Temperatur des Gases abgesenkt, aber nicht eine Erhöhung des Ausgangsdruckes, die physikalisch im Widerspruch zur Temperaturab­ senkung steht, erreicht.

Die DE-OS 16 69 333 betrifft eine Anlage zur Entfernung von störenden Bestandteilen von Erdgas, nämlich von Kohlenwasserstoffen mit gegenüber Methan deutlich höherem Siede­ punkt, z. B. Propan und Butan. Hierzu wird das unter einem relativ hohen Druck geförderte Erdgas auf einer Entspannungsturbine entspannt und so weit abgekühlt, daß eine Konden­ sation der störenden Bestandteile eintritt und diese abgeschieden werden können. An­ schließend wird das entspannte Erdgas unter Ausnutzung der bei der Entspannung ge­ wonnenen Energie auf den für den Leitungstransport erforderlichen Druck komprimiert.

Die in diesen Schriften angegebenen Anordnungen bzw. Verfahren geben keine Anregung, wie das eingangs genannte Problem der Gasfortleitung in Permafrostböden gelöst werden könnte.

Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art und eine Anlage zu dessen Durchführung vorzuschlagen, wobei der erforderliche Investitionsaufwand und das Betriebsrisiko vermindert sind.

Gelöst wird diese Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben. Eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Merkmale des Patentanspruchs 8 auf und ist durch die kennzeichnenden Merkmale der Unteransprüche 9 bis 13 weiter ausgestaltbar.

Die Erfindung geht davon aus, daß es bekannt ist, die Verdichtung eines mit einem Eingangsdruck unterhalb des Solldrucks (Nenndruck der Gasrohrleitung) angelieferten Gases auf einen erhöhten Druck vorzunehmen, wobei die Verdichtung einstufig oder mehrstufig (in hintereinandergeschalteten Verdichtern) vorgenommen werden kann. Zwischen den Verdichtungsstufen und insbesondere nach der letzten Verdichtungsstufe findet eine Kühlung durch Wärmetausch statt (üblicherweise Luft/Gas-Wärmetausch), um die erforderliche tiefere Ausgangstemperatur von höchstens 0°C, vorzugsweise -5°C, für den Wiedereintritt des komprimierten Gases in die Gasrohrleitung zu erreichen.

Während der wärmeren Jahreszeit, in der bisher zur Gewährleistung der erforderlichen Ausgangstemperatur der Einsatz von Rückkühlanlagen erforderlich war, sieht die Erfindung nun eine andere Art der Kühlung vor. Sie macht sich dabei den bekannten physikalischen Effekt zunutze, daß ein komprimiertes Gas bei Entspannung (durch Drosselung oder unter gleichzeitiger Leistung von Arbeit) auf einen geringeren Druck zwangsläufig abkühlt. Um den geforderten Ausgangsdruck (Solldruck) am Ausgang der Verdichterstation zu gewährleisten, sieht die Erfindung vor, das zu transportierende Gas auf einen deutlich (z. B. 10-50 bar) über dem Ausgangsdruck liegenden Überhöhungsdruck zu verdichten, mindestens am Ende der ein- oder mehrstufigen Verdichtung eine Kühlung durch Wärmetausch, insbesondere durch Luft/Gas-Wärmetausch vorzunehmen und das komprimierte Gas danach auf den gewünschten Ausgangsdruck zu entspannen. Der Überhöhungsdruck ist dabei so gewählt, daß die Abkühlung bei der Entspannung mindestens so stark ist, daß unter Berücksichtigung der durch Wärmetausch erreichbaren Kühlung des auf Überhöhungsdruck komprimierten Gases eine Temperaturabsenkung mindestens bis auf die gewünschte Ausgangstemperatur des Gases für den Wiedereintritt in die Gasrohrleitung (Transportleitung) stattfindet. Diese Parameter lassen sich leicht anhand der vorliegenden Randbedingungen errechnen. Die Entspannung kann auf einfache Weise z. B. über ein Ventil vorgenommen werden. Ein stärkerer Abkühleffekt läßt sich jedoch erzielen, wenn das komprimierte Gas während der Entspannung zusätzlich noch Arbeit leistet, wie dies in einer Entspannungsturbine möglich ist. Insbesondere für den Betrieb in den Sommermonaten empfiehlt sich diese Ausführungsform der Erfindung, die den zusätzlichen Vorteil bietet, daß die dabei rückgewonnene mechanische Energie zur Deckung eines Teils der Antriebsenergie für die Verdichtung des Gases auf den vorgesehenen Überhöhungsdruck verwendet werden kann.

Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung sieht vor, die Verdichtung auf den Überhöhungsdruck in insgesamt drei Stufen vorzunehmen, wobei der weitaus überwiegende Teil in zwei aufeinanderfolgenden Hauptverdichtungsstufen stattfindet, die im Hinblick auf die maschinelle Ausstattung auf ein etwa gleiches Druckverhältnis ausgelegt sind. Dies hat den Vorteil, daß die Verdichter der Hauptverdichtungsstufen weitgehend baugleich ausgeführt werden können. Im wesentlichen muß nur das Verdichtergehäuse des oder der nachgeschalteten Verdichter für einen höheren Druck dimensioniert sein als bei dem oder den Verdichtern der ersten Hauptverdichtungsstufe. Zwischen den beiden Hauptverdichtungsstufen findet eine Abkühlung des in der ersten Hauptverdichtungsstufe erwärmten Gases durch vorzugsweise Luft/Gas-Wärmetausch statt. Das komprimierte Gas hat bei Verlassen der zweiten Hauptverdichtungsstufe den gewünschten Überhöhungsdruck noch nicht erreicht. Dieser wird erst in einer Zusatzverdichtungsstufe durch einen Booster-Verdichter erzeugt. Daran schließt sich wiederum eine Gasabkühlung durch vorzugsweise Luft/Gas-Wärmetausch an. Danach erfolgt dann eine Entspannung unter gleichzeitiger Arbeitsleistung in einer Entspannungsturbine. Letztere ist z. B. mechanisch gekoppelt mit dem Booster-Verdichter der Zusatzverdichtungsstufe und treibt diesen allein an, so daß ein wesentlicher Teil der für die Einstellung des Überhöhungsdrucks insgesamt benötigten Antriebsenergie nicht verlorengeht, sondern zurückgewonnen wird.

Die zuvor beschriebene Verfahrensführung in zwei Hauptverdichtungsstufen mit Verdichtern von etwa gleichem Druckverhältnis hat den großen Vorteil, daß die benutzten Verdichter, sofern sie nur mit dem maximal zulässigen Druck der ersten Hauptverdichtungsstufe betrieben werden, vollständig gegeneinander austauschbar sind.

Dies ist deswegen von besonderem Interesse, weil die Anforderungen an den Leitungsdurchsatz (d. h. an den notwendigen Solldruck in der Rohrleitung) einerseits und die Umweltbedingungen für eine Kühlung durch Wärmetausch andererseits im Jahresverlauf erheblichen Änderungen unterliegen. In der kalten Jahreszeit, in der die Kühlung problemlos allein durch Wärmetausch sichergestellt werden kann, reicht der bereits mit einer Hauptverdichtungsstufe (also einstufig) erzielbare Druck aus, so daß eine Kühlung durch Entspannung von einem noch höheren Überhöhungsdruck dann überflüssig ist. Dagegen liegt in der wärmeren Jahreszeit mit der nicht ausreichenden Kühlung durch Wärmetausch der Gasbedarf in der Regel niedriger (z. B. 10-15%) als in der kalten Jahreszeit, so daß sogar mit einem gegenüber der Winterzeit entsprechend verringerten Leitungsdruck gearbeitet werden kann. Dadurch ist es möglich, den an sich erforderlichen Überhöhungsdruck niedriger zu wählen und, um das geforderte Temperaturniveau dennoch zu erreichen, statt dessen die Entspannung bis auf einen Solldruck vorzunehmen, der niedriger liegt als der Solldruck in der kalten Jahreszeit. Aufgrund dieser Bedingungen kann nicht nur der Betrieb in der warmen Jahreszeit kostengünstig und mit vergleichsweise niedrigem Energieaufwand durchgeführt werden; es ergeben sich auch Vorteile für den Betrieb in der kälteren Jahreszeit, da dann die Verdichter der zweiten Hauptverdichtungsstufe mit denen der ersten Hauptverdichtungsstufe parallel (also unter gleichen Druckbedingungen) betrieben werden können. Hierzu werden die Verbindungsrohrleitungen zu den Ein- und Ausgängen der Verdichter mit Hilfe einer geeigneten Ventilsteuerung auf einen Parallelbetrieb geschaltet. Da für jede Hauptverdichtungsstufe zweckmäßigerweise ohnehin stets mehrere gleichartige Verdichter parallel arbeiten und auch in Spitzenlastzeiten nie alle Verdichter eingesetzt werden müssen, stehen im "Winterbetrieb" zur Erhöhung der Verfügbarkeit und Sicherung der Kapazität einer Verdichterstation neben den ohnehin vorhandenen Reservemaschinen zusätzliche Verdichter zur Verfügung, die im Störungsfall oder zu Wartungszwecken bei Bedarf eingesetzt werden können. Damit ergibt sich insgesamt eine bessere (ganzjährige) Nutzungsmöglichkeit für die Hauptaggregate der Verdichterstation im Vergleich zum Stand der Technik, in dem spezielle Rückkühlanlagen eingesetzt werden, die nur während der warmen Jahreszeit ("Sommerbetrieb") sinnvoll nutzbar sind.

Anhand des in den Fig. 1 und 2 für den Sommerbetrieb bzw. für den Winterbetrieb dargestellten schematischen Ausführungsbeispiels einer Verdichterstation wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. In den beiden Figuren wurden zur Verdeutlichung die Verbindungsrohrleitungen, die im jeweiligen Betriebsfall durch Ventile geschlossen und daher nicht von dem zu transportierenden Gas durchströmt werden, mit kleinerer Strichstärke gezeichnet.

Das vorliegende Beispiel bezieht sich auf eine Gasrohrleitung mit zwei parallelen Leitungssträngen 1a, 1b. Der Leitungsdruck, der bis zum Eingang in die Verdichterstation z. B. auf 50 bar abgesunken ist, soll am Ausgang der Verdichterstation wieder auf den Solldruck von z. B. 75 oder 100 bar angehoben werden. Die Gasrohrleitung 1a, 1b führt zunächst in eine Reinigungseinrichtung 2a bzw. 2b, die als Zyklonabscheider mit oder ohne Filter ausgebildet sein kann und in der unerwünschte Verunreinigungen (z. B. Feuchtigkeit, Staub) abgeschieden werden. Anschließend gelangt das Gas in die erste Hauptverdichtungsstufe mit den Verdichtern 3a und 3b, die von Gasturbinen 4a bzw. 4b angetrieben werden. Der Brennstoff für den Antrieb der Gasturbinen 4a und 4b wird aus der Gasleitung 1a bzw. 1b entnommen (nicht im einzelnen dargestellt). Durch die in den Verdichtern 3a und 3b stattfindende Kompression erhöht sich die Temperatur des Gases. Diese Temperatur wird durch einen jeweils nachgeschalteten Wärmetauscher 5a bzw. 5b, der vorzugsweise als Luft/Gas-Wärmetauscher ausgebildet ist, wieder vermindert.

Da die Abkühlung durch den erfolgten Wärmetausch wegen der im Sommerbetrieb zu hohen Außentemperaturen der Luft und infolgedessen zu hohen Kühlmitteltemperaturen nicht tief genug erfolgen kann, kann das Gas noch nicht wieder der Rohrleitung 1a bzw. 1b zugeführt werden. Das komprimierte Gas strömt, weil die Ventile V_4a bzw. V_4b in der Gasrohrleitung 1a bzw. 1b geschlossen sind, in die Verbindungsrohrleitung L_2a bzw. L_2b ein und wird in eine zweite Hauptverdichtungsstufe mit dem Verdichter 6 geführt. Die beiden Verbindungsrohrleitungen L_2a, L_2b münden hierzu in eine gemeinsame Zuführleitung (Leitung L₃) des Verdichters 6. Diese Leitung L₃ kann über die Verbindungsrohrleitung L_1a und L_1b auch unmittelbar mit den Reinigungseinrichtungen 2a, 2b verbunden werden. Im Sommerbetrieb sind diese Verbindungen jedoch durch Ventile V₁₁ und V_1a bzw. V_1b abgesperrt. Der Verdichter 6 wird durch eine Gasturbine 7 angetrieben, die wie die Gasturbinen 4a, 4b der ersten Hauptverdichtungsstufe als Brennstoff einen Teil des Gases aus der Gasrohrleitung 1a oder 1b entnimmt. Unmittelbar hinter dem Verdichter 6 verzweigt sich die Leitung L₃ und führt in eine Zusatzverdichtungsstufe mit parallelgeschalteten Verdichtern 8a, 8b (Booster-Kompressoren), die das Gas auf einen vorher festgelegten Überhöhungsdruck bringen. Hinter den Zusatzverdichtern 8a, 8b wird das verdichtete und dadurch erwärmte Gas wieder einem Wärmetauscher 10 (vorzugsweise Luft/Gas-Wärmetauscher) zur Kühlung auf eine Temperatur entsprechend der Umgebungstemperatur zugeführt. Die Leitung L₃ kann auch so geschaltet werden, daß eine direkte Verbindung zwischen dem Verdichter 6 und dem Wärmetauscher 10 hergestellt wird. In dem hier vorliegenden Fall des Sommerbetriebs ist diese direkte Verbindung jedoch durch ein Ventil V₅ gesperrt. Nach Verlassen des Wärmetauschers 10 verzweigt sich die Leitung L₃ in jeweils eine Zuführrohrleitung L_4a bzw. L_4b, die zu Entspannungsturbinen 9a und 9b führen. Dort wird das Gas vom Überhöhungsdruck auf den Solldruck der Rohrleitung 1a bzw. 1b unter gleichzeitiger Leistung von Arbeit entspannt.

Hierdurch kühlt es sich soweit ab, daß es mit dem erforderlichen Solldruck und der gewünschten Solltemperatur wieder der Rohrleitung 1a bzw. 1b zugeführt werden kann (hinter dem geschlossenen Ventil V_4a bzw. V_4b). Die Entspannungsturbinen 9a und 9b sind im dargestellten Fall mechanisch mit den Zusatzverdichtern 8a bzw. 8b gekoppelt und decken deren Bedarf an Antriebsenergie. Der Wärmetauscher 10, der ebenso wie die Wärmetauscher 5a, 5b als Gas/Luft-Kühler ausgebildet ist, kann über die Rohrleitungen L_5a und L_5b auch unmittelbar mit den beiden Leitungssträngen 1a, 1b verbunden werden. Im Sommerbetrieb ist diese Verbindung jedoch durch die Ventile V₃ und V_2a bzw. V_2b gesperrt.

Die gesamte Verdichterstation wird zweckmäßigerweise im Hinblick auf die Betätigung der einzelnen Ventile und die Regelung der Verdichter und Turbinen von einem elektronischen Steuersystem geführt, das in den Fig. 1 und 2 nicht dargestellt ist.

Zweckmäßigerweise würde eine Verdichterstation aber nicht so ausgeführt, wie dies aus Vereinfachungsgründen in der schematischen Darstellung der Fig. 1 geschehen ist. Man würde in den beiden Hauptverdichtungsstufen anstelle einzelner Verdichter jeweils mehrere in Parallelschaltung vorsehen. Beispielsweise könnten für jeden Leitungsstrang 1a, 1b in der ersten Hauptverdichtungsstufe jeweils drei Hauptverdichter 3a bzw. 3b mit einer Reservemaschine, also insgesamt 2× (3 + 1) Hauptverdichter 3a, 3b (in einer 56′′-Doppelgasleitung bei 75 bar Betriebsdruck mit 16 MW-Einheiten und bei 100 bar Betriebsdruck mit 25 MW-Einheiten) vorgesehen werden, denen jeweils die entsprechenden Gasturbinen 4a, 4b als Antriebsaggregate zugeordnet sind. Für die zweite Hauptverdichtungsstufe ist eine geringere Anzahl an (parallelgeschalteten) Hauptverdichtern 6 ausreichend, da mit der bereits bis dahin erfolgten Druckerhöhung auch eine entsprechende Volumenreduzierung des komprimierten Gases verbunden ist. Sinnvoll wäre im Hinblick auf die zuvor genannte Bestückung der ersten Hauptverdichtungsstufe beispielsweise eine Anzahl von vier Hauptverdichtern 6 und eine zusätzliche Reservemaschine (also insgesamt fünf Verdichter 6). Die Anzahl der Zusatzverdichter 8a, 8b ist entsprechend der Leistungsgröße der Entspannungsturbinen mit Booster festzulegen.

Anstelle der Entspannungsturbinen 9a, 9b könnten auch einfache Drosseleinrichtungen zur Druckreduzierung benutzt werden. Dabei würde aber die mit der Druckreduzierung verbundene Temperaturabsenkung im Gas deutlich geringer ausfallen, d. h. zur Erzielung einer gleichen Endtemperatur müßte unter sonst gleichen Bedingungen der Überhöhungsdruck noch höher ausfallen. Hinzu käme die Tatsache, daß keine Rückgewinnung von Antriebsenergie möglich und daher der spezifische Energieverbrauch der Verdichterstation entsprechend höher wäre. Der Einsatz von Entspannungsturbinen wird daher bevorzugt. Wenn diese aber nicht eingesetzt werden, bietet es sich an, in der Übergangsphase den Überhöhungsdruck lediglich in zwei Stufen zu erzeugen. Hierbei ist es ebenso wie bei der dreistufigen Verdichtung (zwei Haupt- und eine Zusatzverdichtungsstufe) als bevorzugt anzusehen, die Verdichter 3a, 3b und 6 auf etwa das gleiche Druckverhältnis auszulegen, um eine möglichst weitgehend baugleiche Ausführung zu ermöglichen.

Bei ausreichend tiefen Außentemperaturen (Winterbetrieb) ist eine Kühlung des Gases durch Druckentspannung nicht mehr notwendig. Wie Fig. 2 zeigt, wird die Verdichterstation daher erfindungsgemäß in solchen Zeitabschnitten eines Jahres anders betrieben, indem mittels entsprechender Absperrventile eine weitgehende Umschaltung der Verdichter auf Parallelbetrieb vorgenommen wird. Die in Fig. 1 auftretenden Ventile V_1a, V_1b, V_2a, V_2b, V₃, V_4a, V_4b, V₅ sind alle geöffnet und sind daher zur Vereinfachung in Fig. 2 nicht mehr dargestellt worden.

Das in den Hauptverdichtern 3a, 3b auf den Solldruck von z. B. 75 bar oder 100 bar komprimierte Gas kann nach Durchströmen des Wärmetauschers 5a bzw. 5b mit einer Temperatur von unter 0°C bereits wieder der Gasrohrleitung 1a bzw. 1b zugeführt werden. Die Verdichter 3a, 3b können dabei den benötigten Massendurchsatz zusammen mit zusätzlichen Einheiten der Verdichter 6 abdecken, da letztere im Unterschied zum Sommerbetrieb jetzt in Parallelschaltung einen Teil des erforderlichen Massendurchsatzes übernehmen können. Hierzu gelangt das Gas mit seinem niedrigen Eingangsdruck über die Rohrleitungen L_1a, L_1b, L₃ in den (oder die) Verdichter 6, wo es in einem Verdichtungsschritt bis auf den geforderten Solldruck komprimiert wird. Die Zusatzverdichter 8a, 8b sind im Winterbetrieb ausgeschaltet durch Schließen von Ventilen V_7a, V_7b, V_8a, V_8b. Entsprechend wie bei den Hauptverdichtern 3a, 3b gelangt das komprimierte, erwärmte Gas zunächst zur Kühlung auf die erforderliche Austrittstemperatur in den Wärmetauscher 10, bevor es über die Leitungen 5a, 5b in die Gasrohrleitung 1a bzw. 1b zurückgeleitet wird. Die Verbindungsrohrleitungen L_2a, L_2b und L_4a, L_4b sind abgesperrt durch Ventile V_6a, V_6b, V_12a, V_12b bzw. V_9a, V_9b, V_10a, V_10b, die in Fig. 1 nicht im einzelnen dargestellt sind. Bei normalem Winterbetrieb können beispielsweise von der ersten Hauptverdichtungsstufe 2 × 3 Verdichter 3a, 3b und von der zweiten Hauptverdichtungsstufe parallel dazu zwei Verdichter in ständigem Betrieb sein. Dabei stehen an jedem Leitungsstrang 1a, 1b jeweils noch eine Reservemaschine und in der parallelen zweiten Hauptverdichtungsstufe sogar drei Reservemaschinen zur Verfügung, die im Störungsfall oder zu Zwecken der Wartung ohne Einbußen an Durchsatzleistung in Betrieb genommen werden können. Die vorstehend beschriebene Ausführungsform bietet sich insbesondere an für eine doppelstrangige Ferngasleitung mit einem Durchmesser von 56′′ bei 100 bar Betriebsdruck unter Verwendung von 25 MW-Turbinensätzen und bei 75 bar Betriebsdruck unter Verwendung von 16 MW-Turbinensätzen.

Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bedingungen des Sommerbetriebs (ca. 3-4 Monate im Jahr) wird an folgendem Beispiel deutlich, wobei auf eine Anlagenkonfiguration gemäß Fig. 1 Bezug genommen wird:

Es wird davon ausgegangen, daß Erdgas am Rohrleitungsanfang an einer Förderquelle aus einer Separationsanlage mit etwa 15°C und etwa 50 bar Druck in die Reinigungseinrichtung 2a, 2b eintritt. Die Solleintrittstemperatur in die Rohrleitung 1a, 1b für den Weitertransport beträgt maximal 0°C. Der geforderte Rohrleitungsdruck stellt sich über den geforderten Leistungsdurchsatz ein. Durch Kompression in den Hauptverdichtern 3a, 3b erwärmt sich das Erdgas auf etwa 60-80°C (entsprechend dem Druckverhältnis des Kompressors) und wird dann in den Luft/Gas-Wärmetauschern 5a, 5b bis auf 25°C abgekühlt. Durch die Wärmetauscher 5a, 5b sowie die Rohrleitungen im Stationsbereich ergibt sich ein Druckabfall von etwa 2 bar. Im nachgeschalteten Hauptverdichter 6 findet eine weitere Kompression auf einen Zwischendruck statt, wodurch sich die Temperatur des Erdgases auf etwa 50-60°C erhöht. Durch die anschließenden Zusatzverdichter 8a, 8b wird der Druck weiter auf den gewünschten Enddruck (Überhöhungsdruck) erhöht, wobei ein Temperaturanstieg bis etwa, 80°C erfolgt. Unmittelbar danach wird das komprimierte Gas wieder bis auf etwa 25°C im Wärmetauscher 10 abgekühlt und anschließend in den Entspannungsturbinen 9a, 9b bis auf den Rohrleitungsdruck (z. B. 75 bar) entspannt. Dadurch stellt sich im komprimierten Erdgas bei Eintritt in die Gasrohrleitung 1a, 1b eine Temperatur von etwa -5°C bis ± 0°C ein. Der jeweilige Entspannungsdruck wird von der Umgebungstemperatur und dem Durchsatz der Leitung bestimmt.

Der Energiebedarf für eine derartige Verdichterstation liegt wegen der Rückgewinnung von Antriebsenergie in den Entspannungsturbinen nicht höher als bei einer vergleichbaren Verdichterstation mit bekannter Rückkühltechnik auf der Basis eines geschlossenen Propankühlkreislaufs. Wesentlich ist, daß der Investitionsaufwand für eine erfindungsgemäße Anlage erheblich (ca. 40-45%) geringer ist als für eine Anlage mit herkömmlicher Rückkühltechnik. Dabei erhöht sich nicht nur die Verfügbarkeit der Gesamtanlage, sondern vermindert sich auch das Unfallrisiko aufgrund der entfallenden Rückkühleinrichtungen.

Claims (13)

1. Verfahren zur Fortleitung von Gas in Permafrostgebieten, wobei das in einer Rohrleitung mit Eingangsdruck angelieferte Gas in einer Verdichterstation auf einen höheren Druck komprimiert, anschließend durch Wärmetausch gekühlt und mit einer niedrigen Ausgangstemperatur, insbesondere einer Ausgangstemperatur von höchstens 0°C, und mit einem gegenüber dem Eingangsdruck erhöhten Ausgangsdruck der Rohrleitung für den Weitertransport wieder zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet,

• - daß im Winterbetrieb das auf den Ausgangsdruck über die Verdichterstufe (3a, 3b) komprimierte Gas durch Gas/Luft-Wärmetauscher (5a, 5b) auf die für die Weiterleitung erforderliche Temperatur gebracht wird,
• - daß im Sommerbetrieb das Gas in einer zusätzlichen Verdichterstation (6, 8a, 8b) auf einen weit über dem Ausgangsdruck liegenden Druck komprimiert wird, und
• - daß das Gas zunächst über den Gas/Luft-Wärmetauscher (10) auf eine Tempe­ ratur oberhalb der Ausgangstemperatur abgekühlt wird und die weitere Abküh­ lung auf die gewünschte Ausgangstemperatur durch Entspannung von dem Überhöhungsdruck auf den gewünschten Ausgangsdruck erzielt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Sommerbetrieb die Kompression dreistufig in zwei Hauptverdichtungsstu­ fen und einer Zusatzverdichtungsstufe erfolgt wobei die Hauptverdichtungsstu­ fen eine Auslegung auf ein etwa gleiches Druckverhältnis aufweisen und die Küh­ lung durch Wärmetausch jeweils zwischen den beiden Hauptverdichtungsstufen und zwischen der Zusatzverdichtungsstufe und der Entspannungsstufe vorgenom­ men wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung insbesondere während der Übergangsjahreszeiten (mittlere Umgebungstemperatur) durch Drosselung erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Winterbetrieb zumindest ein Teil der als zweite Verdichterstufe zur Erzeu­ gung des Überhöhungsdrucks genutzten Verdichtereinrichtungen im Parallelbe­ trieb zu den in der ersten Verdichterstufe (3a, 3b) genutzten Verdichtungsein­ richtungen eingesetzt werden, wobei diese jeweils den gewünschten Ausgangs­ druck erzeugen.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung auf mindestens einer Entspannungsturbine (9a, 9b) vorgenommen wird und daß alle Hauptverdichterstufen (3a, 3b, 6) im Winterbetrieb auf reinen Parallelbetrieb geschaltet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Entspannungsturbine (9a, 9b) jeweils elektrisch oder mechanisch mit einem Zusatzverdichter (8a, 8b) gekoppelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Überhöhungsdruck mit einem oder mehreren Zusatzverdichtern (8a, 8b) erzeugt wird, die als Booster-Kompressoren ausgebildet sind.

8. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, enthaltend mindestens einen Verdichter (Hauptverdichter 3a, 3b) zur Kompression von Gas in einer Ferngasleitung (Gasrohrleitung 1a, 1b), mindestens einem Wärmetauscher (5a, 5b) zur Abkühlung von verdichtetem Gas, ferner ventilgesteuerte Rohrleitungen zur Verbindung der Verdichter (3a, 3b) und Wärmetauscher (5a, 5b) untereinander sowie Regeleinrichtungen zur Steuerung der Verdichter (3a, 3b) und Ventile, dadurch gekennzeichnet,

• - daß eine zusätzliche Verdichtereinrichtung (Hauptverdichter 6, Zusatzverdichter 8a, 8b) vorgesehen ist, die für den Sommerbetrieb durch ventilgesteuerte Rohrleitungen (L_2a, L_2b) mit dem Ausgang der Wärmetauscher (5a, 5b) verbindbar ist,
• - daß der zusätzlichen Verdichtereinrichtung ein Wärmetauscher (10) nachgeschaltet ist,
• - daß der Ausgang des Wärmetauschers (10) durch eine ventilgesteuerte Rohrleitung (L_4a, L_4b) im Sommerbetrieb mit der Gasrohrleitung (1a, 1b) verbindbar ist, wobei in die Rohrleitung (L_4a, L_4b) eine Entspannungseinrichtung (Entspannungsturbinen 9a, 9b) eingeschaltet ist, und
• - daß der Ausgang des Wärmetauschers (5a, 5b) für den Winterbetrieb direkt an die Gasrohrleitung (1a, 1b) anschließbar (Ventil V_4a, V_4b) ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Sommerbetrieb hinter zwei hintereinander geschaltete Hauptverdichter (3a + 3b, 6) jeweils ein Zusatzverdichter (8a, 8b) schaltbar ist.

10. Anlage nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptverdichter (3a, 3b, 6) etwa auf ein gleiches Druckverhältnis ausgelegt sind.

11. Anlage nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungseinrichtung mindestens eine Entspannungsturbine (9a, 9b) beinhaltet.

12. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Zusatzverdichter (8a, 8b) als Booster-Kompressoren ausgebildet sind, die elektrisch oder mechanisch mit der oder den Entspannungsturbinen (9a, 9b) gekoppelt sind.

13. Anlage nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß alle Hauptverdichter (3a, 3b, 6) durch Schaltung von Ventilen im Winterbetrieb auf reinen Parallelbetrieb schaltbar sind.