液化天然ガス貯蓄システム
（書誌＋要約＋請求の範囲）
(19)【発行国】日本国特許庁（ＪＰ）
(12)【公報種別】公開特許公報（Ａ）
(11)【公開番号】特開平５−２４８５９９
(43)【公開日】平成５年（１９９３）９月２４日
(54)【発明の名称】液化天然ガス貯蔵システム
(51)【国際特許分類第５版】
F17C 13/00 302 A 6916-3E
【審査請求】有
【請求項の数】２
【全頁数】８
(21)【出願番号】特願平４−４５７１５
(22)【出願日】平成４年（１９９２）３月３日
(71)【出願人】
【識別番号】００００００２８４
【氏名又は名称】大阪瓦斯株式会社
【住所又は居所】大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 富徳
【住所又は居所】大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪瓦斯株式会社内
(74)【代理人】
【弁理士】
【氏名又は名称】西教 圭一郎 （外１名）
(57)【要約】
【目的】 ＬＮＧを気化するときに発生する冷熱を有効に利用し、ＢＯＧの発生を抑制する。
【構成】 ＬＮＧを気化するときに発生する冷熱の一部を圧縮式ヒートポンプサイクル１０によって回収し、この冷熱でＬＮＧタンク１内のＬＮＧを過冷却し、ＢＯＧの発生を抑制するシステム。圧縮式ヒートポンプサイクル１０は、従来からあるランキンサイクル１５から得た動力で運転するので、気化するＬＮＧが多く、かつ電力需要の少ないとき、または２４時間連続して本システムを運転する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 液化天然ガスを貯蔵するタンクと、タンクから液化天然ガスが供給され、その後外部に送出される第１熱交換器と、タンクから液化天然ガスが供給され、その後タンクに戻される第２熱交換器と、第１熱交換器で液化天然ガスによって冷却されて液化した熱媒体を、膨張弁によって膨張して、第２熱交換器で蒸発させ液化天然ガスを冷却し、圧縮機によって圧縮し、第１熱交換器へ循環する圧縮式ヒートポンプサイクルとを含むことを特徴とする液化天然ガス貯蔵システム。
【請求項２】 第１熱交換器から液化天然ガスが供給され、その後外部に送出される第３熱交換器によって、第２熱媒体が冷却されて液化し、これをポンプによって加圧し、第４熱交換器で海水などによって加熱気化し、この高圧の熱媒体ガスによってタービンを作動させ第３熱交換器へ循環させるランキンサイクルのタービンの動力によって、前記圧縮機を駆動することを特徴とする請求項１記載の液化天然ガス貯蔵システム。
詳細な説明
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、液化天然ガス（以下、「ＬＮＧ」という。）の貯蔵システムに関し、特に都市ガス供給用ＬＮＧの気化時の冷熱を利用してＬＮＧタンク内のＬＮＧを冷却し、ボイルオフガスの発生を防ぐＬＮＧの貯蔵システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】ＬＮＧタンクは保冷されているが、外部からの熱によって、その一部が気化して季節、時間を問わずほぼ一定のボイルオフガス（以下、「ＢＯＧ」という。）が発生する。ＢＯＧの処理方法として、従来は加圧後、気化された天然ガスに混ぜて用いたり、加圧後ＬＮＧの気化の際に発生する冷熱を利用して再液化してＬＮＧタンクに戻すなどしている。
【０００３】一方、ＬＮＧを気化する際に発生する冷熱を利用して空気を液化分離し、液体窒素、液体酸素、液体アルゴンを製造したり、炭酸ガスを冷却してドライアイスを製造したり、食品などを冷却して冷凍食品を製造したり、冷熱発電をしたりしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、天然ガスを都市ガスとして利用するとき、その需要は季節、時間によって大きく変動する。特に、時間による変動に追随するように、上に述べた冷熱利用装置を稼動することは困難である。たとえば、１日の気化天然ガス送出パターンが、図５のＬ１で示すものであるとする。
【０００５】ＬＮＧタンクに外部からの入熱によって発生するボイルオフガスは、ＬＮＧの沸点が−１６０℃近辺の低温であるため、気温の影響をほとんど受けず、略一定のＬ２で示す量発生する。また、空気液化による空気分離などは、その性質上略一定の冷熱を利用することが要求されるので、ここで利用される冷熱量はＬ３で示す量となる。残った冷熱は、冷熱発電装置で電気として回収するが、電気は貯えることができないので、電気の需要の少ないときは、発生する冷熱は一部しか利用されず、需要の多いときは不足する電力を買電で補わねばならない。すなわち、斜線を付した部分の冷熱は利用されず、海水を冷やすなどして無駄にされている。
【０００６】一方、発生したＢＯＧは図４に示すように圧縮機５１で加圧して、送出用の気化した天然ガスと混合したり、ＬＮＧポンプ５２で引出された送出用ＬＮＧと熱交換器５３で熱交換し、冷却液化後、膨張弁５４で常圧にし、ＬＮＧタンク５０に戻している。しかし、圧縮機５１を稼動する電力は、たとえば０〜５時の間は冷熱発電が少ないので、買電などに頼らねばならず、また圧縮機５１は送出用ガスに混ぜる場合はたとえば７０ｋｇ／ｃｍ2にまで加圧せねばならず、大型のものを要し、使用電力量も大きくなるという問題がある。一方、ＢＯＧの再液化は加圧圧力は１０ｋｇ／ｃｍ2程度でよいが、送出用天然ガスとのバランスでその量が制限されるという問題がある。
【０００７】本発明の目的は、上述の問題点を解決し、ガス需要の多い時間帯にＬＮＧ気化時の冷熱の一部を利用して、ＬＮＧタンク内のＬＮＧを過冷却し、特にガス需要の少ない時間帯にＢＯＧの発生を防ぐＬＮＧ貯蔵システムを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、液化天然ガスを貯蔵するタンクと、タンクから液化天然ガスが供給され、その後外部に送出される第１熱交換器と、タンクから液化天然ガスが供給され、その後タンクに戻される第２熱交換器と、第１熱交換器で液化天然ガスによって冷却されて液化した熱媒体を、膨張弁によって膨張して、第２熱交換器で蒸発させ液化天然ガスを冷却し、圧縮機によって圧縮し、第１熱交換器へ循環する圧縮式ヒートポンプサイクルとを含むことを特徴とする液化天然ガス貯蔵システムである。
【０００９】また本発明は、第１熱交換器から液化天然ガスが供給され、その後外部に送出される第３熱交換器によって、第２熱媒体が冷却されて液化し、これをポンプによって加圧し、第４熱交換器で海水などによって加熱気化し、この高圧の熱媒体によってタービンを作動させ第３熱交換器へ循環させるランキンサイクルのタービンによって、前記圧縮機を駆動することを特徴とする。
【００１０】
【作用】本発明に従えば、ガス需要の多い時間帯にＬＮＧ気化時の冷熱の一部を利用して、ＬＮＧタンク内のＬＮＧを過冷却し、冷熱として貯え、これをガス需要の少ない時間帯のＢＯＧ発生の防止に利用し、全体として有効に冷熱を利用できる。
【００１１】
【実施例】次に、本発明を実施例を用いて説明するが、本発明の権利範囲はこれに限定されるものではない。
【００１２】図１は、本発明の一実施例の系統図である。送出用ＬＮＧの一部は、ＬＮＧタンク１からポンプ２によって吸引加圧され、第１熱交換器５に入り、ここでその温度が−１６０℃から−１４６℃に上昇し、さらに第３熱交換器６によって温度を−５０℃に上昇され気化し、気化器７で海水などによって常温にされ、熱量調整後高圧パイプラインを通じて都市ガスとして市中に供給される。第１熱交換器５では、窒素などの第１熱媒ガスが３０ｋｇ／ｃｍ2の圧力で−１２３℃から−１５０℃に送出用ＬＮＧによって冷却され液化する。この第１熱媒液は膨張弁１１を通ることによって圧力を８ｋｇ／ｃｍ2に低下させられ、同時に温度が−１７５℃に下がり第２熱交換器へ入り、ここで後述する循環ＬＮＧによって加熱気化され、−１５０℃になる。第１熱媒ガスは、８ｋｇ／ｃｍ2、−１５０℃の状態で圧縮機１３に入り、−１２３℃、３０ｋｇ／ｃｍ2の状態とされ、第１熱交換器に入るという循環の圧縮式ヒートポンプサイクル１０を構成する。ポンプ３でＬＮＧタンク１から吸引された循環ＬＮＧは、第２熱交換器で第１熱媒液を蒸発することによって、温度を−１６０℃から−１６６℃に下げられ、ＬＮＧタンク１に戻り、ＬＮＧタンク内のＬＮＧの温度を下げる。
【００１３】第３熱交換器６では、フロンＲ２２またはプロパンなどの第２熱媒が送出用ＬＮＧによって冷却されて液化する。液化した第２熱媒液はポンプ１６で加圧され、第４熱交換器１７で海水などによって気化し、高圧のガスとなる。この高圧の第２熱媒ガスは、タービン１８を回転し、低圧のガスとなって第３熱交換器６に入るという循環のランキンサイクル１５を構成する。圧縮機１３は、タービン１８と動力変換装置１９を介して連結されている。また、循環ＬＮＧを第２熱交換器１２で冷やす必要のないときは、タービン１８で得た動力は動力変換装置１９を介して発電機２０から電力として回収する。
【００１４】ポンプ４でＬＮＧタンク１から吸引加圧された残りの送出用ＬＮＧは、空気分離や冷熱発電などその他の用途に冷熱を用いる装置２１を通って昇温され、または直接気化器７に導かれ送出される。
【００１５】次に、本実施例による熱バランスを考える。条件としては、気温が高いためＢＯＧの発生が若干多く、気化した都市ガス供給用天然ガス量の少ない夏期について考える。冬期は、ＢＯＧの発生も夏期に比して少なく、都市ガス供給用天然ガスの気化量も多く、熱バランスは夏期よりも有利になる。この時期における気化天然ガスの送出量は、７，２００ｔ／日、ＢＯＧ発生量は４８０ｔ／日（いずれもＬＮＧ換算）とする。また、送出プラントは１基当たり６０ｔ／ｈのものを気化天然ガスの送出量に見合うように、時間毎に運転基数を変えて運転する。
【００１６】図２のＬ１は、気化天然ガスの送出パターンであり、横軸に２４時間制で時刻を示し、朝６時に始まって翌朝６時に終わる。縦軸は、送出プラントの運転基数を示す。本実施例では、時刻別の送出プラントの運転基数は表１のようになり、１日の延運転時間は１３７時間となる。
【００１７】
【表１】
【００１８】このうちで、空気液化などの冷熱利用２１に毎時ガス送出プラント１基分の冷熱を利用すると、それは図２のＬ１２で示される量となり、残りの１３７−２４＝１１３時間分の冷熱が本プラントに使えることになる。すなわち、ガス送出プラント１基当たり処理すべきＢＯＧ量ｑｃは、次のようになる。
【００１９】
【数１】
【００２０】ＢＯＧの気化潜熱は、１２０ｋｃａｌ／ｋｇであるので、上記の量ｑｃのＢＯＧを液化するために必要な熱量Ｑ（ＢＯＧ）は次のようになる。
【００２１】
【数２】
【００２２】この熱を第２熱交換器１２で循環ＬＮＧから奪うことによって、ＬＮＧタンクでＢＯＧの発生を防げる。この場合、循環ＬＮＧの量を１２０ｔ／ｈとし、第２熱交換器入口の温度を−１６０℃とすると、ＬＮＧの比熱は０．７５ｋｃａｌ／ｋｇ℃であるので、第２熱交換器１２でΔＴ（Ｌ２）温度が低下する。
【００２３】
【数３】
【００２４】すなわち、循環ＬＮＧは−１６６℃で第２熱交換器１２から出ることになる。
【００２５】次に圧縮式ヒートポンプサイクル１０について、これに使う第１熱媒として窒素ガスを使用した場合を、図３に示すモリエル線図で考える。このサイクルはＡ点（３０ｋｇ／ｃｍ2，−１２３℃）の窒素ガスを第１熱交換器５で送出ＬＮＧにエネルギーを与え、途中Ａ１でその一部を液化、Ａ２で完全に液化し、過冷却の液体窒素のＢ点（３０ｋｇ／ｃｍ2，−１５０℃）にする。Ｂ点の液体窒素は膨張弁１１で、ほとんど等エンタルピ的に膨張され、途中Ｂ１でその一部を気化し、Ｃ点（８ｋｇ／ｃｍ2，−１７５℃）にする。Ｃ点の気液混合状態の窒素は、第２熱交換器１２で、循環ＬＮＧからエネルギーを受け、Ｄ点（８ｋｇ／ｃｍ2，−１５０℃）になる。Ｄ点は、ほぼ飽和蒸気線上にあり、完全に窒素ガスになっている。Ｄ点の窒素ガスは圧縮機１３によってほぼ断熱圧縮されるので等エントロビー線に沿って、Ａ点に至りサイクルが完成する。このサイクルによって、第１熱交換器５では、１１７０ｃａｌ／ｍｏｌ、第２熱交換器１２では８９０ｃａｌ／ｍｏｌの熱交換をすることになる。したがって、第１熱交換器５で送出ＬＮＧから奪われる熱量Ｑ（ＬＮＧ）は次のようになる。
【００２６】
【数４】
【００２７】またこれによって、送出ＬＮＧはΔＴ（Ｌ１）だけ温度が上昇する。
【００２８】
【数５】
【００２９】すなわち、送出用ＬＮＧは、−１４５℃で第１熱交換器５から出ることになる。第１熱交換器５出口のＬＮＧの圧力が２０ｋｇ／ｃｍ2以上であれば、ＬＮＧは液体のままで第３熱交換器６へ送られる。
【００３０】次に圧縮機１３の必要動力ＡＬ（Ｃ）を考える。これは前記両熱交換器の熱交換量の差であるので、【００３１】
【数６】
【００３２】また１ＫＷ＝８６０ｋｃａｌ／ｈであるので次のようになる。
【００３３】
【数７】
【００３４】次にランキンサイクル１５で得られる動力のうちどれだけの動力を使えば圧縮機１３が稼働できるかを考える。
【００３５】図１のランキンサイクル１５と略同じ構成の従来の冷熱発電プラントの実績から、ガス送出プラント１基当たり１２００ＫＷの発電が可能である。ＬＮＧの入側温度が圧縮式ヒートポンプサイクル１０によって−１６０℃から−１４５℃に上昇していることを考えて、発電量が９０％となるものとすれば、ガス送出プラント１基当たり、次のＢＯＧを処理できる。
【００３６】
【数８】
【００３７】ＢＯＧの発生量は２０ｔ／ｈであるので、深夜のガス送出プラントの稼働が２基であり、そのうち１基分を空気分離などの冷熱利用装置２１に利用し、第１、第２の熱交換器の熱交換率、動力変換装置１９の効率等を考えても十分ＢＯＧを処理できる。
【００３８】ＢＯＧの発生量（２０ｔ／ｈ）に比例して本装置を稼動すれば、図２のＬ１３のようになる。また、効率を考えてガス送出プラントの運転基数の多い時間帯、たとえば１７時から２１時の４時間に本システムを運転すれば、Ｌ１４のようになる。この１７時から２１時の時間帯では、（Ｌ１４−Ｌ１３）は、図２の斜線を付した量となり、この冷熱がＬＮＧタンク内に貯えられ、他の時間帯のＢＯＧの発生を抑制することになる。電気の需給バランスを考え、最も効率のよい時間帯に本システムを運転することが好ましい。
【００３９】またランキンサイクル１５のタービン１８と圧縮式ヒートポンプサイクル１０の圧縮機１３とは、その軸同志を直結してもよく、歯車などの変速装置を介して連結してもよく、またタービン１８の動力で発電機を動かし、その発生した電力でモータを動かし、そのモータによって圧縮機１３を稼働してもよい。これらを動力変換装置１９として表示している。
【００４０】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、ＬＮＧを気化して送出する都市ガス需要の多い時間帯にＬＮＧ気化時の冷熱の一部を有効に利用して、圧縮式ヒートポンプシステムによってタンク内のＬＮＧを過冷却し、ＬＮＧを気化して送出するガス需要の少ない時間帯のＢＯＧ発生を防止できる。また、２４時間連続して、タンク内のＬＮＧを冷却しＢＯＧの発生を防止できる。したがって、ガス需要の少ない時間帯にＢＯＧを買電によって加圧し、送出するなどのＢＯＧの処理が不要となる。
