ITUB20152388A1

ITUB20152388A1 - Metodo per avviare ed operare un impianto di liquefazione di un prodotto gassoso

Info

Publication number: ITUB20152388A1
Application number: ITUB2015A002388A
Authority: IT
Inventors: Antonio Pelagotti; Annunzio Lazzari; Oriano Zucchi; Andrea Alfani
Original assignee: Nuovo Pignone Tecnologie Srl; Nuovo Pignone Srl
Priority date: 2015-07-22
Filing date: 2015-07-22
Publication date: 2017-01-22
Also published as: EP3325903A1; EP3325903B1; US20180216879A1; JP2021131226A; JP7124166B2; US11125494B2; JP2019502081A; WO2017013213A1

Description

METODO PER AVVIARE ED OPERARE UN IMPIANTO DI LIQUEFAZIONE DI UN PRODOTTO GASSOSO”

DESCRIZIONE

L'oggetto della presente descrizione è relativo a un metodo per avviare e operare un impianto di liquefazione di un prodotto gassoso. Preferibilmente, il prodotto gassoso è un idrocarburo o una miscela di idrocarburi. Più preferibilmente, il prodotto liquido è gas naturale.

Il gas naturale sta diventando una fonte di energia sempre più importante. Per consentire il trasporto del gas naturale dalla sorgente di erogazione al luogo di utilizzo, il volume del gas deve essere ridotto. La liquefazione criogenica è diventata un processo praticato di routine per convertire il gas naturale in un liquido, che è più conveniente, meno costoso e più sicuro da stoccare e trasportare. Il trasporto mediante navi di gas naturale liquefatto (GNL) diventa possibile a pressione ambiente, mantenendo il gas raffreddato e liquefatto a una temperatura inferiore alla temperatura di liquefazione a pressione ambiente.

Per stoccare e trasportare gas naturale nello stato liquido, il gas naturale è preferibilmente raffreddato da circa -150 a -170Ό, in cui il gas ha una pressione di vapore quasi atmosferica.

Nella tecnica anteriore esistono varie processi e sistemi per la liquefazione di gas naturale, che provvedono a far passare in sequenza il gas naturale a una pressione elevata attraverso molteplici stadi di raffreddamento, a seguito dei quali il gas è raffreddato a temperature via via più basse in un ciclo (in cicli) di refrigerazione fino al raggiungimento della temperatura di liquefazione.

Prima del passaggio del gas naturale attraverso lo stadio (gli stadi) di raffreddamento, il gas naturale è pre-trattato per rimuovere qualsiasi impurità che possa interferire con la lavorazione, danneggiare i macchinari o essere indesiderata nel prodotto finale. Le impurità includono gas acidi, composti di zolfo, biossido di carbonio, mercaptani, acqua e mercurio. Il gas pre-trattato da cui sono state rimosse le impurità è successivamente raffreddato con flussi di refrigerante per separare gli idrocarburi più pesanti. Il gas rimanente è costituito principalmente da metano e solitamente contiene meno dello 0,1% mol di idrocarburi di peso molecolare maggiore, quale propano o idrocarburi più pesanti. Il gas naturale così pulito e depurato è raffreddato alla temperatura finale in una sezione criogenica. Il GNL risultante può essere stoccato e trasportato a pressione quasi atmosferica.

Una liquefazione criogenica in grosse quantità è solitamente eseguita per mezzo di un processo a ciclo multiplo, ossia un processo che usa diversi cicli di refrigerazione. A seconda del tipo di processo, ogni ciclo può usare un diverso fluido refrigerante, oppure è possibile usare lo stesso fluido refrigerante in due o più cicli.

Più in dettaglio, le tecnologie di liquefazione su scala medio-piccola possono essere suddivise in due gruppi principali:

- tecnologie a refrigerante misto (MR): si tratta di processi di tipo "a condensazione", in cui il refrigerante usato per la liquefazione impiega il suo calore latente di vaporizzazione per raffreddare il gas naturale.

- Tecnologie basate su espansione: si tratta di processi in cui il refrigerante è sempre in fase gassosa e impiega soltanto il suo calore sensibile per raffreddare il gas naturale.

Nello stato della tecnica, la produzione di GNL è eseguita in un impianto dedicato, in cui il gas naturale è raffreddato progressivamente durante un processo di refrigerazione. L'impianto comprende infatti vari scambiatori di calore in cui il gas naturale trasferisce calore a un fluido refrigerante.

Più in dettaglio, il fluido refrigerante viene fatto circolare da una pompa o da un insieme di pompe (per la fase liquida) e da un compressore o da un insieme di compressori (per la fase vapore). Un gruppo di pompe e/o compressori fissato allo stesso albero è denominato "batteria" nel campo tecnico.

Una batteria comprende inoltre una o più unità di potenza. Tipicamente, una batteria è alimentata da una turbina e, facoltativamente, da un motore ausiliario elettrico. In un cosiddetto impianto E-LNG, l'unità di potenza di ciascuna batteria comprende soltanto un motore elettrico unico. In questo caso, il motore può essere impiegato a una velocità fissa, o può essere impiegato a una velocità variabile. In questo caso, il motore è alimentato da una trasmissione a frequenza variabile (VFD). Più in dettaglio, una trasmissione a frequenza variabile è un tipo di trasmissione a velocità regolabile usato nei sistemi di trasmissione elettromeccanici per controllare velocità e coppia di un motore a corrente alternata (CA) variando frequenza e tensione di ingresso del motore. Un impianto comprende un numero variabile delle batterie sopradescritte, ma normalmente vi sono almeno due batterie per ogni impianto. Nella seguente descrizione si suppone che un impianto comprenda due batterie per facilitare la descrizione, tuttavia non si intende con questo compromettere la generalità, dato che gli stessi concetti possono essere estesi facilmente a un impianto con più di due batterie.

Nella tecnica anteriore, l'avvio deirimpianto è effettuato accendendo gradualmente ogni motore. Pertanto, ogni motore deve essere dotato della propria trasmissione a frequenza variabile, anche se esso è successivamente impiegato a velocità costante.

Per risolvere parzialmente questo problema, i motori elettrici possono essere accesi con un avviatore statico quando la potenza necessaria non è molto elevata. Ad esempio, un avviatore statico può consistere in dispositivi meccanici o elettrici, o in una combinazione di entrambi. Gli avviatori statici meccanici includono frizioni e vari tipi di innesti che utilizzano un fluido, forze magnetiche o graniglia di acciaio per trasmettere la coppia, analogamente ad altre forme di limitatori di coppia. Avviatori statici elettrici possono essere un qualsiasi sistema di controllo che riduca la coppia riducendo temporaneamente l'immissione di tensione o corrente, o un dispositivo che alteri temporaneamente il modo in cui il motore è connesso nel circuito elettrico.

In ogni caso, gli avviatori statici non sono disponibili per applicazioni ad alta potenza quali gli impianti E-LNG. Pertanto, l'avvio di un impianto richiede che ogni motore sia dotato della propria trasmissione a frequenza variabile.

RIEPILOGO

Svantaggiosamente, la necessità di una trasmissione a frequenza variabile per ogni motore elettrico deirimpianto costringe a costruire un impianto più grande per alloggiare tali dispositivi. Infatti, ogni potenza elevata si estende su una superficie compresa approssimativamente tra 10 e 50 metri quadrati. Inoltre, dato che si tratta di macchine molto complesse, la loro presenza aumenta notevolmente i costi dell'impianto. Una prima forma di realizzazione dell'invenzione è pertanto relativa a un metodo per avviare e far funzionare un impianto di liquefazione di un prodotto gassoso. L'impianto comprende almeno una prima e una seconda batteria di macchine. Ogni batteria comprende un motore elettrico e un carico collegato meccanicamente al motore elettrico. L'impianto comprende inoltre una trasmissione a frequenza variabile collegata a una rete di alimentazione elettrica avente una propria frequenza. La trasmissione a frequenza variabile è associata inoltre ai motori elettrici.

11 metodo comprende la fase di collegare elettricamente la trasmissione a frequenza variabile al motore della prima batteria di macchine. La velocità del motore della prima batteria di macchine viene successivamente aumentata fino al raggiungimento di una prima soglia predefinita. La prima soglia predefinita è in funzione di detta frequenza della rete di alimentazione elettrica.

La trasmissione a frequenza variabile è scollegata elettricamente dal motore della prima batteria di macchine e collegata elettricamente al motore della seconda batteria di macchine quasi simultaneamente. La velocità del motore della seconda batteria di macchine è aumentata fino al raggiungimento di una seconda soglia predefinita.

Anche una seconda forma di realizzazione è relativa a un impianto di liquefazione di un prodotto gassoso. La trasmissione a frequenza variabile dell'impianto è configurata per essere collegata a ciascuno dei motori.

Vantaggiosamente, questo consente di costruire un impianto molto più piccolo, dato che è necessaria soltanto un'unica trasmissione a frequenza variabile.

Ulteriori dettagli e forme di realizzazione specifiche faranno riferimento ai disegni allegati, in cui:

- la figura 1 è una vista schematica di un impianto di liquefazione di un prodotto gassoso; e

- le figure 2a e 2b sono una rappresentazione schematica di rispettive fasi di un metodo per avviare e operare l'impianto della figura 1 ;

- la figura 3 è una configurazione alternativa dell'impianto della figura 1 . DESCRIZIONE DETTAGLIATA

La seguente descrizione di forme di realizzazione esemplificative fa riferimento ai disegni allegati. Gli stessi numeri di riferimento in disegni diversi identificano elementi uguali o simili. La seguente descrizione dettagliata non limita l'invenzione. La portata dell'invenzione è definita invece dalle rivendicazioni allegate.

Il riferimento in tutta la descrizione a "una forma di realizzazione" indica che una particolare caratteristica o struttura o un particolare elemento caratteristico descritti in riferimento a una forma di realizzazione sono inclusi in almeno una forma di realizzazione dell'oggetto descritto. Pertanto, la presenza dell'espressione "in una forma di realizzazione" in vari punti della descrizione non fa necessariamente riferimento alla stessa forma di realizzazione. Inoltre, le particolari caratteristiche o strutture o i particolari elementi caratteristici possono essere combinati in qualsiasi modo adatto in una o più forme di realizzazione.

Facendo riferimento ai disegni allegati, con il numero 1 viene indicato un impianto di liquefazione di un prodotto gassoso.

L'impianto 1 comprende almeno una prima 2a e una seconda 2b batteria di macchine. Le batterie 2a, 2b comprendono ciascuna un rispettivo albero 3 a cui è collegato un rispettivo carico 4. Nella seguente parte della descrizione, le batterie di macchine 2a e 2b saranno descritte come comprendenti sostanzialmente gli stessi componenti. Tuttavia, è inteso che, a seconda del processo specifico usato nell'impianto, la prima 2a e la seconda 2b batteria di macchine possono comprendere componenti di tipo diverso o, in alternativa, dello stesso tipo ma di dimensioni diverse.

Più in dettaglio, un carico 4 è fissato all'albero 3. Specificamente, il carico 4 è una macchina condotta, solitamente un compressore 4, che è fissata all'albero 3 per trattare una quantità predeterminata di refrigerante. Il refrigerante può essere propano, etilene, metano, refrigerante misto o azoto. Ad esempio, un compressore di questo tipo deve trattare una portata compresa tra 60.000 m<3>/h e 500.000 m<3>/h a seconda dell'applicazione specifica. Questo flusso è compresso da 1 ,5-5 bar fino a 15-70 bar. Si noti che ogni batteria 2a, 2b può comprendere un numero qualsiasi di compressori 4, tutti collegati allo stesso albero 3. Per azionare i compressori 4, ogni batteria 2a, 2b comprende un motore elettrico 5 fissato all'albero 3. Nella forma di realizzazione preferita dell'Invenzione, il motore 5 è l'unica fonte di alimentazione per azionare un albero 3. In altre forme di realizzazione, non mostrate nel disegno, può essere presente un'altra fonte di alimentazione, in particolare una turbina a gas o a vapore. Il motore 5 può essere di un qualsiasi tipo adatto per lo scopo descritto precedentemente disponibile in commercio. Più in dettaglio, nella configurazione mostrata nella figura 1 il motore 5 è un motore a estremità singola. In altri termini, ogni motore 5 è collegato a una sezione di estremità dell'albero 3.

Nella configurazione più generale mostrata nella figura 3, il motore 5 è un motore a estremità doppia. In altri termini, ogni motore 5 è collegato a una sezione intermedia dell'albero 3. È pertanto possibile fissare un compressore 4 su ciascun lato del motore 5.

L'impianto 1 comprende inoltre almeno una trasmissione a frequenza variabile 6 associata ai motori elettrici 5. La trasmissione a frequenza variabile 6 è configurata per essere collegata a ciascuno dei motori 5. Nella forma di realizzazione mostrata nei disegni, l'impianto 1 comprende soltanto una trasmissione a frequenza variabile 6. In altre forme di realizzazione, non mostrate nei disegni, l'impianto 1 comprende molteplici batterie di macchine e, pertanto, molteplici trasmissioni a frequenza variabile 6. In questo caso, il numero di trasmissioni a frequenza variabile 6 è minore del numero di batterie di macchine. Si noti che, nel progettare un caso specifico dell'impianto 1 , la trasmissione a frequenza variabile 6 è dimensionata in modo da fornire potenza soltanto a una batteria di macchine 2a, 2b. Ad esempio, il numero di trasmissioni a frequenza variabile 6 può essere uno in meno rispetto al numero di batterie di macchine 2a, 2b neirimpianto 1 .

L'impianto 1 è inoltre collegabile elettricamente a una rete di alimentazione elettrica 7. Specificamente, i motori 5 sono in grado di essere alimentati dalla rete di alimentazione elettrica 7. La rete di alimentazione elettrica 7, essendo la rete elettrica esterna disponibile nel sito di ogni caso specifico dell'impianto 1 , è in grado di alimentare soltanto una frequenza sostanzialmente costante al motore 5, azionandolo pertanto a una velocità sostanzialmente costante.

L'impianto 1 sopra descritto può essere avviato come segue. Come mostrato nella figura 2a, la trasmissione a frequenza variabile 6 è collegata elettricamente dapprima al motore 5 della prima batteria di macchine 2a. La trasmissione a frequenza variabile 6 è successivamente avviata, aumentando gradualmente la sua uscita di tensione e/o frequenza. Di conseguenza, viene aumentata anche la velocità del motore 5 della prima batteria di macchine 2a. Questo continua fino al raggiungimento di una prima soglia predefinita. La prima soglia predefinita è in funzione della frequenza tipica della rete di alimentazione elettrica 7.

Una rete di alimentazione elettrica 7 è quindi collegata direttamente al motore 5 della prima batteria di macchine 2a. La rete di alimentazione elettrica 7 è inoltre collegata elettricamente al motore 5 della seconda batteria di macchine 2b per mezzo della trasmissione a frequenza variabile 6.

Pertanto, successivamente la rete di alimentazione elettrica 7 si fa carico dell'alimentazione del motore della prima batteria di macchine 2a. Pertanto, la trasmissione a frequenza variabile 6 può essere scollegata elettricamente dal motore 5 della prima batteria di macchine 2a.

Più in dettaglio, la fase di collegare elettricamente la rete di alimentazione elettrica 7 è eseguita prima della fase di collegare elettricamente la trasmissione a frequenza variabile 6 per garantire un'alimentazione di energia al motore 5.

Come è mostrato schematicamente nella figura 2b, la trasmissione a frequenza variabile 6 in seguito è collegata elettricamente al motore 5 della seconda batteria di macchine 2b. La velocità del motore 5 della seconda batteria di macchine 2b viene successivamente aumentata fino a una seconda soglia predefinita.

Indicativamente, la prima e la seconda soglia predefinita possono essere comprese entrambe tra 1500 giri/min e 5000 giri/min, preferibilmente pari a 3600 o 3000, a seconda della rete di elettricità che è utilizzata per alimentare i motori 5. Quando la rete di alimentazione elettrica ha una frequenza di 50 Hz, la prima soglia predefinita è di circa 3000 giri/min, mentre quando la rete di alimentazione elettrica ha una frequenza di 60 Hz, la prima soglia predefinita è di circa 3600 giri/min. Il valore esatto della prima e della seconda soglia predefinita tuttavia dipende da altre considerazioni progettuali, che possono essere diverse per ciascun caso dell'impianto 1. Inoltre, la prima e la seconda soglia possono essere uguali o possono essere diverse tra loro. La prima e la seconda soglia predefinita dovrebbero, in generale, essere adatte come velocità costante di funzionamento dei motori 5.

Si noti inoltre che, una volta avviato l'impianto 1 , la trasmissione a frequenza variabile 6 può essere usata per regolare la velocità del motore 5 della seconda batteria di macchine 2b una volta raggiunta la seconda soglia predefinita. In altri termini, la trasmissione a frequenza variabile 6 è usata per adattare la capacità deirimpianto 1 in base al carico richiesto dei compressori 4. Inoltre, la trasmissione a frequenza variabile 6 e la rete di alimentazione elettrica 7 possono essere commutate da un motore 5 all'altro. Perciò, in linea di principio, la trasmissione a frequenza variabile 6 può essere usata per regolare la velocità del motore 5 della prima batteria di macchine 2a. Questa capacità può essere usata qualora la seconda batteria di macchine 2b si arresti inaspettatamente. In questa condizione, la trasmissione a frequenza variabile si assume l'alimentazione del motore 5 della prima batteria di macchine 2a e, non appena viene superata la condizione di scatto, lo passa nuovamente alla rete di alimentazione elettrica 7 per riavviare la seconda batteria di macchine 2b nella maniera descritta precedentemente.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo per avviare e operare un impianto (1) di liquefazione di un prodotto gassoso, detto impianto (1) comprendendo almeno una prima (2a) e una seconda (2b) batteria di macchine, ciascuna batteria (2a, 2b) comprendendo un motore elettrico (5) e un carico (4) collegato meccanicamente al motore elettrico (5), l'impianto (1) comprendendo una trasmissione a frequenza variabile (6) collegata a una rete di alimentazione elettrica (7) avente una propria frequenza e associabile ai motori elettrici (5), il metodo comprendendo le fasi di collegare elettricamente la trasmissione a frequenza variabile (6) al motore (5) della prima batteria di macchine (2a); aumentare la velocità del motore (5) della prima batteria di macchine (2a) fino al raggiungimento di una prima soglia predefinita; scollegare elettricamente la trasmissione a frequenza variabile (6) dal motore (5) della prima batteria di macchine (2a); collegare elettricamente la trasmissione a frequenza variabile (6) al motore (5) della seconda batteria di macchine (2b); in cui la prima soglia predefinita è in funzione di detta frequenza della rete di alimentazione elettrica (7).
2. Metodo secondo la rivendicazione precedente, comprendente inoltre la fase di collegare elettricamente la rete di alimentazione elettrica (7) al motore (5) della prima batteria di macchine (2a) quando la trasmissione a frequenza variabile (6) è collegata elettricamente al motore (5) della seconda batteria di macchine (2b).
3. Metodo secondo la rivendicazione precedente, in cui la fase di collegare elettricamente la rete di alimentazione elettrica (7) è eseguita in modo sostanzialmente simultaneo alla fase di scollegare la trasmissione a frequenza variabile (6).
4. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui le fasi di scollegare elettricamente la trasmissione a frequenza variabile (6) dal motore (5) della prima batteria di macchine (2a) e di collegare elettricamente la trasmissione a frequenza variabile (6) al motore (5) della seconda batteria di macchine (2b) si verificano quasi simultaneamente.
5. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 4, in cui la trasmissione a frequenza variabile (6) è usata per regolare la velocità del motore (5) della seconda batteria di macchine (2b) una volta raggiunta una seconda soglia predefinita.
6. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la trasmissione a frequenza variabile (6) e la rete di alimentazione elettrica (7) possono essere passate da un motore (5) all'altro.
7. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta prima soglia predefinita è compresa tra 1500 giri/min e 50.000 giri/min.
8. Metodo secondo la rivendicazione precedente, in cui detta prima soglia predefinita è pari a 3000 giri/min quando la rete di alimentazione elettrica ha una frequenza di 50 Hz o 3600 gìrì/min quando la rete di alimentazione elettrica ha una frequenza di 60 Hz.
9. Metodo secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui detta prima soglia predefinita è uguale alla seconda soglia predefinita.
10. Impianto (1) di liquefazione di un prodotto gassoso comprendente almeno una prima (2a) e una seconda (2b) batteria di macchine, ciascuna batteria (2a, 2b) comprendendo un motore elettrico (5) e un carico (4) collegato meccanicamente al motore elettrico (5); l'impianto comprendendo inoltre una trasmissione a frequenza variabile (6) collegabile a una rete di alimentazione elettrica (7) avente una propria frequenza e associata ai motori elettrici (5), detta trasmissione a frequenza variabile (6) essendo configurata per essere collegata elettricamente a ciascuno dei motori (5).
11. Impianto (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui esso comprende soltanto una trasmissione a frequenza variabile (6).
12. Impianto (1) secondo la rivendicazione 10, in cui esso comprende una pluralità di dette batterie di macchine (2a, 2b); una pluralità di trasmissione a frequenza variabile (6), il numero di dette trasmissioni a frequenza variabile (6) essendo minore del numero di dette batterie di macchine (2a, 2b). 13. Impianto (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 10 a 12, in cui la rete di alimentazione elettrica (7) è collegabile a uno o più di detti motori (5).
13. Impianto (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 12, in cui la trasmissione a frequenza variabile (6) è dimensionata in modo da fornire potenza a un'unica batteria di macchine (2a, 2b).
14. Impianto (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 13, in cui ogni motore (5) è collegato al carico (4) per mezzo di un albero (3), il motore (5) essendo collegato in corrispondenza di una sezione intermedia o in corrispondenza di una sezione di estremità dell'albero