Der Schlüssel zur Ventilauswahl für anspruchsvolle LNG-Anwendungen

Als Leseliste speichern Veröffentlicht von Jessica Casey, stellvertretende Redakteurin für LNG-Industrie, Dienstag, 22. November 2022, 14:00 Uhr

Die richtige Auswahl von Steuerventilen und Überdruckventilen ist für den profitablen Betrieb von LNG-Terminals von entscheidender Bedeutung. Jean-Paul Boyer, Massimiliano Franco, Nagendra Maddula und Eugenio Sudati, Emerson, erläutern die wichtigsten Designparameter für die Auswahl der besten Komponenten.

LNG-Anlagen stellen Ventile vor große Probleme. Die Kombination aus kryogenen Temperaturen, Zweiphasenströmung, sehr hohen Drücken sowie zyklischen Druck- und Temperaturschwankungen bringt diese Komponenten an ihre Grenzen. Doch trotz dieser Bedingungen müssen die Ventile zuverlässig funktionieren, sonst leidet der gesamte Betrieb.

In diesem Artikel werden einige der häufigsten Ventilanwendungen in LNG-Speicher- und Regasifizierungsanlagen untersucht und die entscheidenden Konstruktionsmerkmale bei der Auswahl von Ventilen für diesen Service erörtert.

LNG ist im Vergleich zu den meisten anderen fossilen Brennstoffen eine sauberere Alternative und hat sich zu einer tragenden Säule des kohlenstoffarmen Energiemarktes entwickelt. Erdgas wird gereinigt, unterkühlt und bei etwa -160 °C verflüssigt und dann rund um den Globus an Orte in der Nähe seines Verwendungsortes transportiert. Dort wird das LNG in Lagertanks gepumpt und dann bei Bedarf zu Gas verdampft, um über Pipelines an andere Standorte weitergeleitet oder an lokale Verbraucher geliefert zu werden (Abbildung 1).

Der in Abbildung 1 dargestellte Prozess zeigt ein LNG-Boil-off-Gas-System (BOG) mit geschlossenem Kreislauf, bei dem BOG-Kompressoren zum erneuten Verflüssigen von Gasdämpfen verwendet werden, die von einem Schiff in LNG-Lagertanks transportiert werden. Die Tanks müssen ständig unter sehr niedrigem Druck gehalten werden, daher ziehen BOG-Kompressoren ständig Dämpfe von der Oberseite des Tanks ab. LNG-Rekondensatoren führen Wärme ab und wandeln die Dämpfe wieder in Flüssigkeit um, wodurch unnötiges Abfackeln und Abfall vermieden werden. Letztendlich wird das LNG verdampft und dann entweder für den Landtransport in eine Pipeline gepumpt oder direkt an lokale Verbraucher abgegeben.

Abbildung 1. Das Entladen, Speichern und Regasifizieren von LNG umfasst eine Vielzahl sehr schwieriger und herausfordernder Ventilanwendungen, von denen jede für einen effizienten Betrieb von entscheidender Bedeutung ist.

Ein/Aus-Ventile spielen in der gesamten LNG-Anlage eine entscheidende Rolle. Manuelle Ventile werden zum Isolieren verschiedener Geräteteile verwendet und müssen trotz des Betriebs unter sehr hohen Drücken und kryogenen Bedingungen keine Leckage gewährleisten. Automatisierte Ventile sorgen für die Umleitung von LNG-Flüssigkeit und -Dämpfen und werden häufig für Sicherheitsabschaltanwendungen benötigt.

Jedes für diese Anwendung ausgewählte Ventil muss zunächst für die Prozessbedingungen ausgelegt sein, die typischerweise kryogen sind. Kryoventile verfügen in der Regel über verlängerte Oberteile, um das Ventil vom Stellantrieb zu trennen, und sie verwenden häufig Vierteldrehungsausführungen und spezielle umweltfreundliche Packungskonstruktionen, um Emissionen zu reduzieren. Da die Ventile keine Flüssigkeiten einschließen dürfen, werden häufig C-Kugel- oder Hochleistungs-Triple-Offset-Ventile verwendet, da sie selbst bei beidseitiger Druckbeaufschlagung keine Leckage aufweisen. Dies wird in der Regel durch Metall-auf-Metall-Drehmomentsitze zusammen mit speziellen Konstruktionsmaterialien erreicht, die für den breiten Temperaturbereich geeignet sind, dem das Ventil ausgesetzt sein kann. Gehäuseausführungen mit Zugang von oben ermöglichen die Wartung automatisierter Ventile im eingebauten Zustand, wodurch sich der Zeitaufwand für die Ventilreparatur erheblich verkürzt.

Sicherheits-Notabschaltventile können mit einer sehr kurzen Hubzeit spezifiziert werden, die zum Erreichen der erforderlichen Leistung erforderlich ist. Diese SIL-zertifizierten Lösungen (Safety Integrity Level) verwenden dedizierte integrierte Komponenten und leistungsstarke Stellungsreglerkonstruktionen, die in der Lage sind, die Geschwindigkeit am Ende des Hubs zu steuern, was üblicherweise als „Reseating“ bezeichnet wird.

LNG wird oft in Dampfströme eingespritzt, um für Kühlung am Ansaugkanal der Kompressoren sowie in der Dampfleitung zu sorgen, die zum Entladen des LNG-Tankers verwendet wird. Die Anwendung der LNG-Einspritzung ist schwierig und erfordert in der Regel ein speziell entwickeltes kryogenes Entüberhitzerventil.

Dieses Ventil verfügt über eine verlängerte Haube zum Schutz des Stellantriebs sowie sorgfältig konstruierte Sprühdüsen, um eine vollständige Zerstäubung über ein breites Spektrum an Flüssigkeits- und Dampfströmen hinweg zu gewährleisten. Das Ventil muss auch im Ruhezustand eine sehr dichte Absperrung gewährleisten, um zu vermeiden, dass Flüssigkeit in die Dampfleitung gelangt und Zweiphasenströmungsbedingungen entstehen. Der Ventilkörper sollte so konstruiert sein, dass eine einfache Wartung und ein einfacher Austausch der Düsen bei Verschleiß möglich ist.

Radialkompressoren sind anfällig für einen katastrophalen Zustand, der Pumpstoß genannt wird und auftritt, wenn entweder der Saugeinlass oder der Auslass eines Kompressors blockiert oder eingeschränkt ist. Wenn dies geschieht, kann der Kompressor plötzlich einem zerstörerischen Zustand ausgesetzt sein, bei dem der Dampf mehrmals pro Sekunde vorwärts und rückwärts durch den Kompressor strömt. Ein paar Pumpzyklen beschädigen die Drucklager, und wenn sie andauern, zerstört der Pumpstoß das Innere des Kompressors.

Überspannungen werden durch die Installation eines Überspannungsschutz-Steuerventils vermieden, das den Auslass des Kompressors zurück zur Ansaugung leitet, um den Durchfluss durch die Maschine aufrechtzuerhalten.

Das Druckstoßventil muss groß genug dimensioniert sein, um einen erheblichen Teil des Kompressorstroms durchzulassen. Es muss außerdem sehr schnell reagieren und sich in weniger als 2 Sekunden von 0 % auf 100 % geöffnet oder in eine beliebige Position dazwischen bewegen und dabei eine präzise Steuerung gewährleisten. Dies wird durch leistungsstarke und hochpräzise Positionierer, spezielle Linearantriebe, pneumatische Verstärker und Luftvolumentanks erreicht. Die gesamte Baugruppe muss sorgfältig entworfen und vor der Installation umfangreichen Tests unterzogen werden, um einen ordnungsgemäßen und zuverlässigen Betrieb sicherzustellen.

Druckstoßventile müssen im Normalbetrieb eine sehr dichte Absperrung gewährleisten und dann trotz sehr hohem Druckabfall sofort einen streng kontrollierten Durchfluss zulassen. Einige Ventile sind speziell mit einem Trimm-Totband ausgestattet, um Teilhubtests zu ermöglichen, ohne dass ein nennenswerter Dampfstrom durchgelassen wird. Dadurch erhöht sich die Betriebszeit im Vergleich zur Durchführung von Vollhubtests, die durchgeführt werden müssen, wenn das Gerät offline ist.

LNG-Lagertanks enthalten große Mengen LNG bei kryogenen Temperaturen. Wenn diese Temperaturkontrolle verloren geht oder die BOG-Kompressoren ausfallen, beginnt das LNG zu verdampfen und setzt den Tank in sehr kurzer Zeit einem erheblichen Überdruck aus. Daher müssen diese Tanks durch ein oder mehrere Lagertank-Überdruckventile geschützt werden (Abbildung 2). Für diese Ventile ist ein sehr großes Fassungsvermögen erforderlich, da sonst jeder Tank eine große Anzahl von Ventilen für einen ausreichenden Schutz benötigt. Hochwertige, vorgesteuerte Konstruktionen sind erforderlich, um eine hohe Kapazität und geeignete Dichtheit zu gewährleisten. Sie können je nach Anwendungsanforderungen entweder mit Pop- oder Modulationsleistung spezifiziert werden. Durch die vorgesteuerte Konstruktion kann das Überdruckventil auch den Gegendruck von Bördelköpfen bewältigen. Einige Designs bieten die Möglichkeit einer drahtlosen Überwachung, um offene oder undichte Überdruckventile zu erkennen und dem Anlagenpersonal die erforderlichen Daten zur Verfügung zu stellen, um Produktverluste und Umweltfreisetzungen drastisch zu reduzieren.

Abbildung 2. Tankentlüftungssysteme, einschließlich Komponenten wie dem pilotgesteuerten Sicherheitsentlastungsventil Anderson Greenwood 9300H von Emerson, müssen eine blasendichte Abdichtung bis auf wenige Prozent des Sollwerts aufrechterhalten und dann sehr große Mengen an LNG-Flüssigkeit und -Dampf durchlassen in Betrieb genommen.

Zusätzlich zu den Druckentlastungsventilen an den Lagertanks werden in einer LNG-Anlage Druckschutzvorrichtungen eingesetzt, um die Ausrüstung vor Überdruck zu schützen. Immer wenn LNG zwischen zwei Ventilen eingeschlossen ist, kann es schnell zu verdampfen beginnen und extrem hohe Drücke erzeugen. Kleine thermische Überdruckventile schützen die Rohrleitungen und Ventildichtungen, indem sie diesen Dampf ablassen. In anderen Anwendungen bieten pilotgesteuerte Überdruckventile einen Überdruckschutz für alle Arten von Tanks, Wärmetauschern und verschiedenen Prozessgeräten.

Entlastungsventile im LNG-Betrieb müssen sorgfältig konstruiert werden, um den bei diesen Anwendungen üblichen Zweiphasenfluss und kryogenen Temperaturen gerecht zu werden. Die Ventile müssen auch bei Drücken in der Nähe des Sollwerts sehr dicht abdichten und bei Erreichen des Entlastungssollwerts gleichmäßig und zuverlässig öffnen.

Modulierende Pilotkonstruktionen bieten die minimale Entlüftung, die zur Entlastung des Überdruckzustands erforderlich ist, und können bei Bedarf auch sehr hohe Durchflussmengen entlasten. Sie sind außerdem unempfindlich gegenüber Entladungsgegendruck. Diese Überdruckventile können wie die Tankentlastungsventile mit einer Funküberwachung zur Erkennung von Undichtigkeiten oder Entlüftungsventilen ausgestattet werden. Dies kann kritisch sein, wenn das Ventil in einen Bördelkrümmer entlüftet, da Lecks und Entlüftungsvorgänge bei solchen Anwendungen nicht leicht erkannt werden.

Bei der Auswahl von Ventilen für den LNG-Betrieb ist es wichtig, die wichtigsten Konstruktionsmerkmale zu verstehen. Es ist außerdem wichtig, Ventilkonstruktionen zu wählen, die nachweislich eine konstante und zuverlässige Leistung für eine bestimmte Anwendung bieten. Der LNG-Prozess setzt Ventile sehr schwierigen und anspruchsvollen Bedingungen aus, und der Preis eines Ausfalls kann sehr kostspielig und anlagenschädigend sein.

Wenn Sie Optionen in Betracht ziehen, ist es ratsam, Automatisierungspartner für Regelventile und Überdruckventile zu konsultieren, um die verfügbaren Designs zu bewerten und die beste Option für eine bestimmte Anwendung auszuwählen. Eine sorgfältige Auswahl kann die Lebensdauer erheblich verlängern, Ausfallzeiten reduzieren, Emissionen drastisch reduzieren und die Rentabilität der Anlage verbessern.

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QatarEnergy hat den Stahlschnitt des ersten seiner neuen Generation von gecharterten LNG-Schiffen gefeiert, das in einer koreanischen Werft gebaut wird.

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