JPS5939638B2 - 低負荷安定を目的とした液化天然ガスからの動力回収法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は液化天然ガス（ＬＮＧ）の再ガス化において多
成分混合作動流体を用いたランキンサイクルを利用して
冷熱を回収する方法に関する。

さらに詳しくは、再ガス化の負荷に変動が生じた場合に
も安定して高い効率で冷熱を回収する方法に関する。

ＬＮＧの冷熱の有効利用の一方法としては、例えば米国
特許３４７９８３２号あるいは特公昭５４−３４７６１
号のように、天然ガスを液化するプロセス原理を逆に作
動させて、すなわちＬＮＧとＣ０ないしＣ６の炭化水素
等の混合作動流体とを多流体熱交換器を介してランキン
サイクルを形成させ、ＬＮＧをガス化させつつ混合作動
流体によりタービンを駆動させて動力を回収する方法が
提案されている。

現在、この回収エネルギーは電力として回収する方法が
一般的である。

本発明の低負荷安定を目的とした液化天然ガスからの動
力回収法を説明するに先立ち、ＬＮＧの再ガス化におい
て、ＬＮＧを冷熱源とし、外部高熱源を用いて多成分混
合作動流体（以下「作動流体」と略称）にランキンサイ
クルを行わせつつタービンを回転させ、ＬＮＧ冷熱を回
収する、本発明の適用できるシステムにつき、その概要
をその一例として示す第１図を参照して具体的に説明す
る。

ＬＮＧはＬＮＧ貯蔵タンク１に貯蔵されているが、必要
に応じてＬＮＧタンクよりＬＮＧ供給ポンプ２により加
圧され再ガス化工程へと送り出される。

再ガス化は多流体熱交換器３及び３′において作動流体
と熱交換して実施される。

この場合、作動流体は例えばメタン、エタン、プロパン
、ブタン等の炭化水素の混合物である。

ＬＮＧの再ガス化のための加熱源となる作動流体は作動
流体タービン６より多流体熱交換器３′′ＥＬび３へ戻
る高温低圧の作動流体であり、ＬＮＧの加熱すなわち再
ガス化は主として凝縮する作動流体の潜熱で行なわれる
。

多流体熱交換器３′を出るＬＮＧは大部分気化され、さ
らに必要に応じて外部熱源例えば海水との熱交換をＬＮ
Ｇ加熱器５によって加熱完全気化されて消費者へ送られ
る。

ここでＬＮＧ中間ドラム４は気液分離器で、多流体熱交
換器を分割して複数個設置する場合には各多流体熱交換
器へのＬＮＧ流路中の気−液の配分を均一に行わせる為
に必要である。

一方、作動流体は、一般的には閉鎖サイクルを形成し循
環される。

作動流体タービン６から出た高温低圧の作動流体は大部
分がガス相であり多流体熱交換器３′及び３に入り、こ
こで先のＬＮＧ４びに作動流体ポンプ９を経て供給され
る低温高圧の作動流体に対して主として凝縮潜熱を与え
つつ冷却され、多流体熱交換器３を出る際には総て液化
され、低温低圧の作動流体に変する。

こうして液化した低温低圧の作動流体は作動流体貯槽８
に溜められ、作動流体ポンプ９で所定の圧力まで昇圧さ
れる。

この作動流体タービン６から多流体熱交換器３′、３を
経て作動流体ポンプ９へ至る流路内の低圧の作動流体を
、以下低圧作動流体と略称する。

作動流体ポンプ９で昇圧された低温高圧の作動流体は、
再び多流体熱交換器３及び３′へと導ひかれ、ＬＮＧと
ともに先の高温低圧の作動流体から主としてその凝縮潜
熱を受けつつ熱交換して昇温され気液混相の流体となる
。

多流体熱交換器３と３′との中間にある作動流体中間ド
ラム１０はＬＮＧ流路におけるＬＮＧ中間ドラム４と同
様気液分離器で多流体熱交換器内における気液の配分を
均一に行わせる為に設けられたものである。

多流体熱交換器３を出た高圧の作動流体は未気化ガスを
含む気液混相流であるため更に作動流体加熱器１１にお
いて、外部高熱源、例えば海水により加熱され、総て気
化され露点に近い高圧高温の作動流体となりタービン入
口気液分離器１２経由で作動流体タービン６に導かれる
。

ここで作動流体タービン６を回転させ動力を発生させる
と同時に作動流体は圧力、温度を共に減じ、高温低圧の
作動流体となり、再度、多流体熱交換器３′へ循環され
閉鎖サイクルを形成する。

作動流体ポンプ９を出て多流体熱交換器３，３′及び加
熱器１１を経て作動流体タービン６へ至る流路内の高圧
の作動流体については、以下高圧作動流体と略称する。

ＬＮＧの冷熱回収プロセスがＬＮＧの液化プロセスと大
きく異なる点は、気化したＬＮＧは発電用燃料あるいは
都市ガスとして消費者に供給するために、１日の中でも
その需要量が大幅に変化することである。

通常、この需要量の変化に基くＬＮＧの再ガス化プロセ
スの負荷変動（再ガス化するＬＮＧの量の変動）は、１
００〜２５係程度に達する。

したがって、効率よ＜ＬＮＧの冷熱を回収するには、こ
の大幅な負荷変動）こ十分対応できるものであることが
要請される。

負荷変動が小さい場合には、ＬＮＧの液化プロセスの場
合と同様に一基又は複数基の多流体熱交換器を直列に設
置し、該多流体熱交換器の下方が常温、上方が低温とな
るようにして、ＬＮＧ１高圧作動流体及び低圧作動流体
を各々の流体の流路を流しつつ熱交換させて安定なラン
キンサイクルを形成することが可能である。

しかし、負荷変動が大きい時には、上記の方法では次の
ような問題が生ずる。

すなわち、多流体熱交換器におけるＬ Ｎ Ｇ、高圧作
動流体及び低圧作動流体の流路の幅（面積）は、通常製
作上の理由から一定であるが、低負荷運転時には各流路
内の流体の流速が遅くなる。

このため、ＬＮＧあるいは各作動流体の垂直上昇流れに
おいて、重力の影響により気−液間の流速にずれ（スリ
ップ）が生じたり、液体部分が下降流れを起して逆混合
が生じたりするため、ＬＮＧあるいは作動流体の熱負荷
に対する温度曲線が変化して、多流体熱交換器の出口、
入口及び内部の温度と圧力に大幅な変化が生じ、伝熱に
必要な温度差が確保できないため；こ運転不能に陥る。

一方、低負荷運転時の流体の流速が低下し過ぎないよう
流路幅を縮小させると、多流体熱交換器内の流路幅は一
定なので、これら流体が蒸発してその体積が増加する部
分の流速は大きくなり、特に高負荷運転時の流速が極め
て早くなる。

このような場合には、多流体熱交換器内での流体の圧損
失が大きくなるため、目的とする回収電力の低下を招き
好ましくない。

本発明者らは、このような問題点を克服し、低負荷時に
も安定な運転が可能であり、かつ高負荷時は効率よ＜Ｌ
ＮＧの冷熱を回収することができる再ガス化方法につき
種々検討した結果本発明を完成するに到った。

すわち、本発明は液化天然ガス（ＬＮＧ）の再ガス化に
おいて、ＬＮＧを冷熱源とし、外部高熱源を用いて作動
流体にランキンサイクルを行わせつつタービンを回転さ
せ動力を回収するに際して、ＬＮＧと該作動流体との間
の熱交換を常温部と低温部とに分割して構成される多流
体熱交換器において実施し、かつ該多流体熱交換器低温
部では、ＬＮＧ及び高圧作動流体は垂直上昇流れ並びに
低圧作動流体は垂直下降流れとすることを特徴とする液
化天然ガスからの動力回収方法である。

本発明に使用する多成分混合作動流体は、ＬＮＧの蒸発
曲線と該作動流体の冷却曲線とができるだけ小さい温度
差で一致するような組成を有するＣ１〜Ｃ６の炭化水素
を主として含有する混合物を使用することが、エネルギ
ーの回収効率を高める上から好ましい。

さらに安全性の面から、上記炭化水素混合物と沸点が近
似するハロゲン化炭化水素混合物を使用することもでき
る。

また、外部高熱源としては、海水、温水、排スチームあ
るいは排煙ガス等が使用できるが、海水は入手が容易で
あり、凍結し難い点で優れている。

回収エネルギーの増大という観点からは高熱源の温度が
高い方が好ましく、シたがって、排スチーム等で加温し
た海水を使用することも可能である。

本発明においては、ＬＮＧと作動流体の熱交換は常温部
と低温部とに分割して構成される多流体熱交換器におい
て実施する。

本発明にいう、常温部と低温部とに分割して構成される
多流体熱交換器とは、常温部と低温部とが直列に接続さ
れており、両者の接続部が互いに接することなく構成さ
れるものであるが、必ずしも２段から成るものだけを意
味するものではなく、３段以上の多流体熱交換器から構
成されていてもよい。

本発明の方法は、上記多流体熱交換器低温部における流
体の流れ方向を、ＬＮＧ及び高圧作動流体については垂
直上昇流れに、一方低圧作動流体については垂直下降流
れとするものである。

多流体熱交換器内で大きな体積変化、すなわち流速の変
化が生じるのは、流体が気体から液体あるいは液体から
気体に変化する時であるが、多流体熱交換器内の３つの
流路の流体の中で最も大きな変化を示すのは、圧力の関
係から低圧作動流体である。

本発明者らは、この点に注目して検討した結果、低圧作
動流体が凝縮して最も流速の遅くなる多流体熱交換器低
温部における低圧作動流体を垂直下降流れとすることが
、既述した重力の影響による逆混合を防止して低負荷時
の安定運転を保つ上で最も有効なことが判明した。

したがって、低温部のＬＮＧ及び高圧作動流体は必然的
に上昇流れとなる。

これら流体についても低圧作動流体程ではないが、逆混
合を起こす可能性があるので、低負荷時においても、多
流体熱交換器低温部入口におけるＬＮＧ及び高圧作動流
体の垂直上昇流れの速度を４ｃｒｒＬ／秒以上に保つよ
うにすることが好ましい。

また、ＬＮＧ及び高圧作動流体の、多流体熱交換器低温
部の出口と入口の流速比が各々１０を越えないように、
多流体熱交換器出口温度を低く保つことは、該多流体熱
交換器の流路中が入口から出口まで一定であるので低負
荷時における重力の影響による逆混合のない安定運転及
び高負荷時における圧損の増加を防止し高動力回収率を
維持する上で望ましい。

一方、多流体熱交換器の常温部においては、ＬＮＧ及び
高圧作動流体を垂直下降流れ並びに低圧作動流体は垂直
上昇流れとすることが好ましい。

多流体熱交換器では、２流体以上の被加熱流体を１流体
の加熱流体で同時に加熱することができる。

本発明の方法に於いては、多流体熱交換器内で、前述し
たように、低圧作動流体によりＬＮＧ及び高圧作動流体
の双方が加熱され、低圧作動流体は逆にこれら流体によ
り冷却される。

この多流体熱交換器常温部３′内での各流体の熱交換量
Ｑと温度Ｔとの関係を示したのが第２図でａはＬＮＧの
加熱曲線、ｂは高圧作動流体の加熱曲線、Ｃはａ及びｂ
を合成したＬＮＧと高圧作動流体の合成加熱曲線、ｄは
低圧作動流体の冷却曲線並びにｂ′及びＣ′は、高圧作
動流体についてピンチポイント付近で液部分にスリップ
が生じた場合の曲線す及びＣのそれぞれの変化を示した
曲線を示している。

第２図の曲線す及び曲線Ｃに注目すると、曲線す上の蒸
発開始点（沸点）ＢＰが変曲点を形成し、これに対応す
る曲線Ｃ上の点が多流体熱交換器常温部内の熱交換にお
けるピンチポイント（伝熱のための温度差の極小点）Ｐ
となっている。

このピンチポイントＰは、本発明にいう多流体熱交換器
の常温部に於いて通常存在する。

高圧作動流体を垂直上昇流れとすると、高圧作動流体の
蒸発開始点ＢＰ付近で液部分のガス部分に対するスリッ
プが生じた場合には、ピンチポイント付近の作動流体中
の重質分（高沸点成分）の比率が増加するため沸点温度
が上昇し、蒸発開始点ＢＰはＢＰｌへと上昇し、これに
従ってＬＮＧと高圧作動流体との合成加熱曲線上のピン
チポイン）ＰもＰｌへと上昇する。

このため、熱交換におけるピンチポイントが低圧作動流
体の冷却曲線ｄと接近することになり、伝熱に必要な温
度差が確保できなくなり、熱交換過程に重大な支障が生
ずる。

また、上記スリップによりＬＮＧと高圧作動流体との合
成加熱曲線と低圧作動流体の冷却曲線が交わる（温度の
逆転）こともありこの場合には多流体熱交換器常温部に
おける所定の熱交換が不能となる。

従って、重力の影響による高圧作動流体の蒸発開始点Ｂ
Ｐの温度上昇を少なくするために多流体熱交換器常温部
においては、ＬＮＧ及び高圧作動流体を垂直下降流れに
し、低圧作動流体は上昇流れとするのがよい。

しかしながらＬＮＧ及び作動流体の組成、及び伝熱面積
と負荷量の関係等から前記スリップが生じない場合又は
生じた場合でも熱交換に支障がない時には各流体の流れ
の向きは任意に選択してよい。

一般的には、ＬＮＧ及び作動流体中に重質留分が多い時
には、未気化液に気液スリップが生じないようにＬＮＧ
及び高圧作動流体を垂直下降流れにすることが好ましい
。

多流体熱交換器常温部のＬＮＧ及び高圧作動流体の流路
幅は、低温部におけるそれよりも広いものを使用し、高
負荷運転時においても圧力損失が大きくならないように
することが望ましい。

多流体熱交換器の常温部と低温部との間における、ＬＮ
Ｇ１高圧作動流体及び低圧作動流体の各流体は、負荷変
動に応じてその気−液の割合が大幅に変動する。

通常、工業的規模の再ガス化プロセスにおいては、多数
の多流体熱交換を並列に設置して熱交換を実施するが、
これら流体中の液相量が大幅に変動する場合には、これ
ら流体が常温部の入口部あるいは低温部の入口部におい
て気液分離を起こしやすく、そのため各流体がそれぞれ
の多数の流路に再分配される際に気液相の割合が不均一
な状態で分配されることになり、熱交換性能の低下が生
ずる。

そこで、多流体熱交換器常温部と低温部との間に、ＬＮ
Ｇ１高圧作動流体及び低圧作動流体の各流体に対し各々
気液分離器を設置して気液分離を行ない、流体者々に対
応する下流の多流体熱交換器入口の全部の流路に対して
、気相、液相を各々均一に再分配させることは、負荷変
動による気液不均一分配に基く熱交換性能の低下を防止
することができ、より改良された本発明の方法である。

このように本発明方法は、ＬＮＧを再ガス化させつつ冷
熱を回収する方法において、負荷変動、特に低負荷にな
った時にも安定な運転を可能にする方法を提供するもの
であり、また高負荷時には効率よ＜ＬＮＧ？ｅ熱を回収
することができ、工業的実施にあっては極めて大きな効
果を発揮するも１ のである。

以下、実施例によって本発明を説明する。

実施例 １ 第１図に示したＬＮＧ再ガス化動力回収プロセスの運転
を行なった。

ＬＮＧはＬＮＧ貯蔵タンク１に一１６０℃にて貯蔵され
ており、ＬＮＧ供給ポンプ２により２６ ａｔａに加圧
し再ガス化工程へと送り出す。

この時の送出流量は需要に応じて最大１００ ｔ／ｈか
ら最小２５１／ｈまで変化させた。

再ガス化は、多流体熱交換器低温部３及び多流体熱交換
器常温部３′において作動流体と熱交換して実施される
。

多流体熱交換器低温部３は、縦１．０００關■横８００
關×高さ５，０００ｍｍのプレートフィン熱交換器を６
個並列に接続して構成され、図面の下部方向が鉛直方向
となるよう設置されている。

多流体流体交換器常温部３′は縦１，１００ｍｍ×横９
００ｉｉＸ高さ４＋ ＯＯＯｍｍのプレートフィン熱交
換器を１００個並に接続して構成され、これも図面の下
部方向が鉛直方向となるよう設置されている。

作動流体はメタン、エタン、プロパン、ｉ−ブタン及び
ｎ−ブタンがそれぞれ２８．０．４５．０．１６．０．
４．４及び６．６モル係の組成を有する混合物である。

ＬＮＧが多流体熱交換器低温部３を出る時は気液混相で
、その温度及び気液の容積比は、流量１００ｔ ／ ｈ
の時は一８５℃、９０：１０であり、流量２５１／ｈの
時は一５３℃、９９：１であり、次いでＬＮＧ中間ドラ
ムに４に入り気液分離された。

ドラム４は多流体熱交換器常温部３′の１０個のＬＮＧ
流路に気液の配分を均一に行わせるために設置される。

常温部３′を出るＬＮＧは大部分気化され、さらに海水
との熱交換器５によって１２．５℃まで加熱し完全に気
イヒさせて消費者へ送った。

一方、作動流体は閉鎖サイクルを形成して循環されるが
、作動流体タービン６から出た高温低圧の作動流体は大
部分がガス相であり、この時の圧力は３．１ａｔａ、温
度は−２，０〜−２５，０℃であった。

作動流体は次いで多流体熱交換器常温部３′に入り、こ
こで先のＬＮＧ及び低温高圧の作動流体に凝縮潜熱を与
えつつ−７２〜−５０℃まで冷却され、気液混和で常温
部３′より出て、低圧作動流体中間ドラム１３に入り気
液分離を行なった後に多流体熱交換器低温部３′の６個
の流路に気液を均一に分配させた。

低温部３に入った低圧作動流体は再びＬＮＧ及び高圧作
動流体と熱交換を行ない低温部を出る時には総て液化さ
れ温度は一１２９℃になっていた。

こうして液化した低温低圧の作動流体は作動流体貯槽８
に溜められ、作動流体ポンプ９で所定の圧力１４．８ａ
ｔａまで昇圧され、低温高圧の作動流体となり、再び多
流体熱交換器３及び３′Ｘと導かれここでＬＮＧととも
に先の低圧作動流体により加熱され気液混相の流体にな
る。

この時の高圧作動流体が低温部３を出る温度はＬＮＧが
低温部３を出る温度とほぼ等しく、また気液の容積比は
、流量１ｏｏｔ、、’ｈの時は一８５℃、Ｏ： １００
であり、流量２５ｔ／ｈの時は一５３°Ｇ、８８：１２
であり、次いで高圧作動流体中間ドラム１０に入り気液
分離された。

多流体熱交換器低温部３と常温部３′との間にあるこの
ドラムも気液の配分を均一に行わせるために設けられた
ものであり、ドラムを出た高圧作動流体の気相及び液相
はそれぞれ均一に再分配され常温部の１０個の流路に導
かれた。

多流体熱交換器常温部３を出た高圧作動流体は、未気化
ガスを含む気液混相流であるため、作動流体加熱器１１
において、さらに外部高熱源としての海水により加熱さ
れ総て気化され露点に近い温度１２．５°Ｃまで加熱さ
れた。

この高温に加熱された高圧作動流体はタービン入口に設
けられた気液分離経由で作動流体タービン６に導かれ、
ここで作動流体タービン６を回転させ動力を発生させる
と同時に圧力温度を共に減じ、低圧作動流体として再度
多流体熱交換器常温部３′へ循環され閉鎖サイクルを形
成する。

作動流体タービン６に連結されている発電機７からは、
ＬＮＧ流量が１００ｔ ／ ｈの時には約４，０００ｋ
Ｗ、 ２５ ｔ／ｈの時には約６００ｋＷの電力が得ら
れた。

なお、各多流体熱交換器におけるＬＮＧ、高圧作動流体
、低圧作動流体の流速は第１表に示した通りであり、上
昇流の流速は常に４ｃｒｆＬ／秒以上を保っている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施するのに用いたＬＮＧの再ガ
ス化動力回収システムを示すフローシートの一例である
。 第２図は、多流体熱交換器常温部内での各流体の熱交換
量Ｑと温度Ｔとの関係を示した概念図である。 １：ＬＮＧ貯蔵タンク、２：ＬＮＧ供給ポンプ、３：多
流体熱交換器低温部、３′：多流体熱交換器常温部、４
： ＬＮＧ中間ドラム、５：ＬＮＧ加熱器、６：作動
流体タービン、γ：発電機、８：作動流体貯槽、９二作
動流体ポンプ、１０：高圧作動流体中間ドラム、１１：
作動流体加熱器、１２：タービン入口気液分離器、１３
：低圧作動流体中間ドラム、ａ：ＬＮＧの加熱曲線、ｂ
：高圧作動流体の加熱曲線、ｃ：ＬＮＧと高圧作動流体
の合成加熱曲線、ｄ：低圧作動流体の冷却曲線、ＢＰ：
高圧作動流体の蒸発開始点、Ｐ：ピンチポイント。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 液化天然ガス（ＬＮＧ）の再ガス化において、ＬＮ
   Ｇを冷熱源とし、外部高熱源を用いて多成分混合作動流
   体にランキンサイクルを行わせつつタービンを回転させ
   動力を回収するに際して、ＬＮＧと該作動流体との間の
   熱交換を、常温部と低温部とに分割して構成される多流
   体熱交換器において実施し、かつ該多流体熱交換器低温
   部では、ＬＮＧ及び高圧作動流体は垂直上昇流れ並びに
   低圧作動流体は垂直下降流れとすることを特徴とする液
   化天然ガスからの動力回収方法。 ２ 前記多流体熱交換器低温部の入口におけるＬＮＧ及
   び高圧作動流体の垂直上昇流れの速度を４ｃｒｒＬ／秒
   以上に保つ特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 前記ＬＮＧ及び前記高圧作動流体の、前記多流体熱
   交換器低温部の出口と入口との流速比が１０を越えない
   ように、該多流体熱交換器低温部の出口温度を保つ特許
   請求の範囲第１又は２項記載の方法。 ４ 前記多流体熱交換器常温部では、ＬＮＧ及び高圧作
   動流体は垂直下降流れ並びに低温作動流体は垂直上昇流
   れである特許請求の範囲第１，２又は３項記載の方法。 ５ 液化天然ガス（ＬＮＧ）の再ガス化において、ＬＮ
   Ｇを冷熱源とし外部高熱源を用いて多成分混合作動流体
   にランキンサイクルを行わせつつタービンを回転させ動
   力を回収するに際して、ＬＮＧと該作動流体との間の熱
   交換器を０、常温部と低温部とに分割して構成される多
   流体熱交換器において実施し、該多流体熱交換器の常温
   部と低温部との間に、各流体流路に各気液分離器を設置
   して、各流体の気相及び液相が均一に分配されるように
   し、かつ該多流体熱交換器低温部ではＬＮＧ及び高圧作
   動流体は垂直上昇流れ、並びに低圧作動流体は垂直下降
   流れとすることを特徴とする液化天然ガスからの動力回
   収方法。 ６ 前記多流体熱交換器常温部ではＬＮＧ及び高圧作動
   流体は垂直下降流れ並びに低圧作動流体は垂直上昇流れ
   である特許請求の範囲第５項記載の方法。