CN106460571A - 冷能利用系统、具备冷能利用系统的能量系统以及冷能利用系统的利用方法 - Google Patents

冷能利用系统、具备冷能利用系统的能量系统以及冷能利用系统的利用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种冷能利用系统，其是极低温流体的超临界压力发电(LSG)，能自由地控制二级膨胀透平机出口侧的气体输出压力，并且能提高液化气的冷能的利用效率。LSG具备：升压泵，将低温液化气以保持液态的状态升压至其临界压力以上的规定压力；朗肯循环方式的一级发电装置；以及直接膨胀方式的二级发电装置。为了有效利用液化气的冷能，与温度相比，将冷能用作压力比较有效。LSG更主要地将冷能转换为压力，能通过液化气组成、加热源温度以及气体输出压力来决定达到最高转换效率的最佳运转条件。作为一例，在气体输出压力较低的最大发电情况下，发电单位消耗量以实机校正值计约为486[kJ/kg](135[kWh/ton])，能将相当于约54％的冷能作为电力进行回收。

Description

冷能利用系统、具备冷能利用系统的能量系统以及冷能利用 系统的利用方法
技术领域
本发明涉及一种利用储藏于储藏罐的低温液化气的冷能的冷能利用系统、具备冷能利用系统的能量系统以及冷能利用系统的利用方法。
背景技术
作为低温液化气，例如已知有液化天然气(LNG)。液化天然气是使用电力对外国的产地所出产的天然气(NG)进行冷却并液化而获得的物质。进行液化使体积减少的液化天然气通过LNG运输油轮被进口。液化天然气通常在进口地利用开架式气化器等进行气化。此时，使液化天然气与海水进行热交换，从而液化天然气的冷能被废弃在海水中。需要说明的是，图15中示出了对一年间进口至日本的液化天然气的冷能利用状况进行推定的结果。冷能的大部分未被回收，进而以未利用的状态被废弃。
因此，为了有效利用冷能，已知有利用液化天然气的冷能的冷能利用系统。作为冷能利用系统，具体而言，例如已知有冷能发电系统。作为现有的冷能发电系统，有朗肯循环方式、直接膨胀方式、以及二者联用方式。
朗肯循环方式通过液化天然气的冷能使烃、氟利昂等工作流体(中间介质)在冷凝器中冷凝，使冷凝后的工作流体在气化器中气化。然后，通过气化后的工作流体使透平机驱动，由此进行发电。直接膨胀方式使液化天然气在气化器中气化，通过气化后的天然气使透平机驱动，由此进行发电。
另一方面，例如，如下述专利文献1、2中可以看出，联用方式的冷能发电系统是将朗肯循环方式与直接膨胀方式组合的方式。与朗肯循环方式和直接膨胀方式的各自单独的方式相比，联用方式的液化天然气的有效冷能(冷能)的回收率高，发电能力高。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平9-151707号公报
专利文献2：日本特开平5-302504号公报
发明内容
发明所要解决的问题
在联用方式的冷能发电系统中，液化天然气的冷能(有效能)被用作：温度使在朗肯循环中循环的工作流体冷凝；以及压力利用通过与上述工作流体的热交换而气化的天然气使直接膨胀方式的透平机驱动。
此处，如图16所示，当液化天然气的冷能中用作气体输出压力的部分较多时，冷能可利用部分减少。需要说明的是，图16是举例示出了现有的冷能利用系统中的按每一LNG进口基地的冷能的可利用部分的图。
因此，在气体供给目的地所要求的气体输出压力较高的情况下，能由直接膨胀方式的透平机利用的压力降低，发电量降低。在图17以及图18中，示出了冷能发电系统的实绩。详细而言，图17是冷能发电系统的实绩一览表，图18是表示图17中的气体输出压力与冷能发电的发电单位消耗量的关系的图。如图17以及图18所示，气体输出压力越高，发电单位消耗量越趋于降低。
特别是，近年来，随着电气产业中的燃气轮机联合循环发电的普及、以及燃气产业中的气体输出量的增加，气体输出压力变高。因此，液化天然气的冷能中转换为输出气体的压力的比例变高，在冷能发电系统中可转换为电力的冷能趋于减少。其结果是，冷能发电系统的发电量趋于减少，冷能发电系统尚未普及。
需要说明的是，并不限于冷能发电系统，只要是利用冷能的系统，在气体供给目的地所要求的气体输出压力较高的情况下，同样会产生如下问题：在直接膨胀方式的透平机中可利用的气体的压力降低。此外，不限于液化天然气，只要是使用低温的液化气的冷能利用系统就同样会产生上述问题。
本发明的主要目的在于，提供一种冷能利用系统及其最佳运转条件，该冷能利用系统能自由地设定并控制直接膨胀方式的透平机出口侧的气体输出压力，并且能提高液化气的冷能的利用效率。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题，本发明的特征在于，具备：升压泵，将储藏于储藏罐的低温的液化气以保持液态的状态升压至规定压力；一级装置，具有：气化器，使由所述升压泵升压后的所述液化气与规定的冷热交换对象进行热交换，由此使所述冷热交换对象冷却，并且使所述液化气气化；以及二级装置，具有：二级透平机，由作为在所述气化器中气化后的所述液化气的气化气进行驱动，在作为所述储藏罐的储藏对象的气体的莫里尔图上，将规定储藏于所述储藏罐的状态下的所述气体的压力以及温度的点定义为过程起始点(C1)，在所述莫里尔图上，将规定所述气化器的入口侧的所述气体的所述规定压力以及温度的点定义为预超增压点(C2)，在所述莫里尔图上，将作为规定所述二级透平机的入口侧的所述气体的压力以及温度的点的透平机入口点(C3)、或规定所述气化器的出口侧的所述气体的压力以及温度的点(CA)中的任一点定义为中间点，在所述莫里尔图上，将规定所述二级透平机的出口侧的所述气体的压力以及温度的点定义为透平机出口点(C4)，将从所述预超增压点的焓减去所述过程起始点的焓所得的值定义为第一焓差(Δh1)，将从所述中间点的焓减去所述预超增压点的焓所得的值定义为第二焓差(Δh2；Δh2rank)，将从作为规定所述二级透平机的入口侧的所述气体的压力以及温度的点的透平机入口点(C3)的状态达到所述透平机出口点的状态之前由所述二级透平机所做的功定义为第三焓差(Δh3)，将以下任一值定义为合计焓差(Δhtotal)：从所述第二焓差以及所述第三焓差的相加值减去所述第一焓差所得的值；或将作为由所述预超增压点以及所述中间点的各自的温度决定的卡诺循环的理论热效率以下的值且大于0的值的效率系数与所述第二焓差相乘，并从其乘积与所述第三焓差的相加值减去所述第一焓差所得的值，所述规定压力基于所述合计焓差进行设定。
在本发明中，通过升压泵使储藏于储藏罐的低温的液化气以保持液态的状态升压至规定压力。然后，在构成一级装置的气化器中，使由升压泵升压后的液化气与规定的冷热交换对象(中间介质)进行热交换。由此，冷热交换对象被冷却，并且液化气被气化为气化气。然后，构成二级装置的二级透平机通过从气化器流出的气化气进行驱动。如此，储藏于储藏罐的低温的液化气的冷能被用作：在一级装置中使冷热交换对象冷却的温度在二级装置中使透平机驱动的压力
此处，本申请发明人得到如下结论：为了掌握液化气的冷能的利用效率，使用基于上述第一焓差、第二焓差、以及第三焓差的合计焓差是有效的。详细而言，合计焓差的值越大，表示液化气的冷能的利用效率越高。然后，可以看出合计焓差依赖于预超增压点的气体压力，通过将与冷能的利用效率变高的合计焓差对应的预超增压点的压力设定为上述规定压力，能提高冷能的利用效率。鉴于这一点，在本发明中，通过基于合计焓差来设定规定压力，能提高冷能的利用效率。
此外，当通过升压泵使液化气的压力上升时，二级透平机出口侧的气体输出压力上升。在本发明中，由于通过升压泵对液化气的压力进行升压(Pre-overboost：预超增压)，因此能自由地设定并控制二级透平机出口侧的气体输出压力。
此处，本发明的冷能利用系统例如能具体化为如下。详细而言，冷能利用系统的特征在于，具备：升压泵，将储藏于储藏罐的低温的液化气以保持液态的状态升压至其临界压力以上的规定压力；一级装置，具有：气化器，使由所述升压泵升压后的所述液化气与规定的冷热交换对象(中间介质)以将所述液化气的压力维持在所述临界压力以上的状态进行热交换，由此使所述冷热交换对象冷却，并且使所述液化气气化；以及二级装置，具有：二级透平机，由作为在所述气化器中气化后的所述液化气的气化气进行驱动。
在上述构成中，在气化器中使液化气以维持在其临界压力以上的状态气化的工序是为了高效地利用液化气的冷能详细而言，气化工序入口(C2)的液化气的焓与气化工序出口(C3或CA)的气化气的焓的差越大，液化气的冷能中的、转换为在一级装置中所使用的温度的比例越高。此处，使用了一级装置的气化器的冷能的回收伴随着传热。与通过气体的压力使二级透平机驱动对冷能进行回收的效率相比，伴随着传热的冷能的回收率较低。因此，液化气的冷能中的、转换为在一级装置中所使用的温度的比例变高与使冷能的利用效率降低有关。
此处，通过将液化气的压力设为临界压力以上，从而气化工序入口之后的液化气的焓(例如，莫里尔图的沸腾曲线中的焓)与气化工序出口的气化气的焓(例如，莫里尔图的冷凝曲线中的焓)的差(所谓的蒸发潜热)变小。由此，虽然在一级装置中转换为温度的冷能减少，但在二级装置中转换为压力的冷能增加。因此，在本发明中，在气化器中以将液化气的压力维持在临界压力以上的状态进行热交换，在着眼于冷能利用系统整体的情况下，能提高液化气的冷能的利用效率。
附图说明
图1是表示冷能发电系统的概略的图。
图2是表示莫里尔图上的冷能发电过程的概略的图。
图3是表示利用REFPROP进行的天然气的各参数的计算例的图。
图4是二级膨胀透平机入口温度(T3)是20℃的情况下的第一焓差Δh1、第二焓差Δh2、以及第三焓差Δh3的计算结果。
图5是二级膨胀透平机入口温度(T3)是20℃的情况下的算式(1)“Δh2+Δh3－Δh1”的计算结果。
图6是二级膨胀透平机入口温度(T3)是50℃的情况下的第一焓差Δh1、第二焓差Δh2、以及第三焓差Δh3的计算结果。
图7是二级膨胀透平机入口温度(T3)是50℃的情况下的算式(1)“Δh2+Δh3－Δh1”的计算结果。
图8是二级膨胀透平机入口温度(T3)是20℃的情况下的算式(3)“α×Δh2+Δh3－Δh1”的计算结果。
图9是二级膨胀透平机入口温度(T3)是50℃的情况下的算式(3)“α×Δh2+Δh3－Δh1”的计算结果。
图10是表示莫里尔图上的液化天然气的冷能发电过程和天然气的液化过程的图。
图11是用于说明其他实施方式的第二焓差Δh2rank的定义的莫里尔图。
图12是其他实施方式的二级膨胀透平机入口温度(T3)是20℃的情况下的算式(4)“α×Δh2rank+Δh3－Δh1”的计算结果。
图13是其他实施方式的二级膨胀透平机入口温度(T3)是50℃的情况下的算式(4)“α×Δh2rank+Δh3－Δh1”的计算结果。
图14是表示使用了算式(4)“α×Δh2rank+Δh3－Δh1”的情况下的发电量相对于气体输出压力的估算结果的一例的图。
图15是表示一年间进口至日本的LNG的冷能利用状况的推定结果的图。
图16是举例说明了根据能量信息工学研究会议的资料得出的以往的冷能利用系统中的每个LNG进口基地的冷能的可利用部分的图。
图17是表示冷能发电系统的实绩一览的图。
图18是表示气体输出压力与冷能发电系统的发电单位消耗量的关系的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明具体化为冷能发电系统的一实施方式进行说明。首先，使用图1，对冷能发电系统的整体构成进行说明。冷能发电系统利用储藏于储藏罐10的液化天然气(LNG)的冷能进行发电。在本实施方式中，示出了将冷能发电系统应用于使储藏于储藏罐10的液化天然气气化并作为天然气(NG)输出至外部的气化装置的例子。
如图所示，储藏于储藏罐10的液化天然气通过一级泵(Primary Pump)11升压，被供给至二级泵(Secondary Pump)12。所供给的液化天然气通过二级泵12进一步升压。通过二级泵12升压后的液化天然气被供给至第一气化器13和三级泵(Tertiary Pump)14。第一气化器13使从二级泵12供给的液化天然气与热介质进行热交换，由此对液化天然气进行加热使其气化。在本实施方式中，使用开架式气化器(ORV)作为第一气化器13。此外，使用常温的水(海水)作为第一气化器13中的热介质。
三级泵14是将从二级泵12供给的液化天然气进一步升压至预超增压压力的升压泵。通过三级泵14升压的液化天然气被供给至主气化器15。主气化器15使所供给的液化天然气与朗肯循环的工作流体(中间介质)进行热交换，由此使液化天然气气化来制成天然气。在本实施方式中，使用管壳式气化器(STV)作为主气化器15。需要说明的是，在本实施方式中，使用石油气(PG)作为上述工作流体(中间介质)。
上述主气化器15构成朗肯循环方式的一级发电装置。除了主气化器15，一级发电装置还具备循环泵16、中间介质蒸发器17、以及一级透平发电机18。在一级发电装置中，主气化器15通过由三级泵14升压的液化天然气对在朗肯循环中循环的工作流体进行冷却，由此作为使工作流体冷凝的冷凝器发挥作用。
在主气化器15中冷凝后的工作流体(中间介质)通过循环泵16供给至中间介质蒸发器17。中间介质蒸发器17使低温的工作流体与热介质进行热交换，由此使工作流体气化。在本实施方式中，使用STV作为中间介质蒸发器17，使用常温的水(海水)或温度比常温的水高的温水作为中间介质蒸发器17中的热介质。温水例如通过邻近的工场的废热能量来生成。在中间介质蒸发器17中气化后的工作流体流入一级透平发电机18的一级膨胀透平机，使一级膨胀透平机驱动。一级透平发电机18的发电机通过一级膨胀透平机的驱动进行发电。如此，储藏于储藏罐10的液化天然气的冷能被用作温度由此一级发电装置进行发电。
从主气化器15流出的天然气被供给至第一加热器19。第一加热器19使所供给的天然气与热介质进行热交换，由此对天然气进行加热使其升温。作为第一加热器19中的热介质，例如可以使用常温的水(海水)或温水。在第一加热器19中加热后的天然气流入二级透平发电机20的二级膨胀透平机，使二级膨胀透平机驱动。二级透平发电机20的发电机通过二级膨胀透平机的驱动进行发电。如此，液化天然气的冷能被用作压力由此直接膨胀方式的二级发电装置进行发电。需要说明的是，虽然在图1中示出了只有一个二级膨胀透平机的构成，但并不限于该构成。也可以是二级膨胀透平机与对从二级膨胀透平机流出的气体进行再加热的加热器交替连接的多级膨胀式的构成。
从二级透平发电机20的二级膨胀透平机流出的天然气被供给至第二加热器21。第二加热器21使天然气与热介质进行热交换，由此对天然气进行加热使其升温。作为第二加热器21中的热介质，例如可以使用常温的水(海水)。在第二加热器21中加热后的天然气与在上述第一气化器13中气化后的天然气汇合，例如作为城市燃气被输出至燃气管道。由此，天然气被供给至外部的供给目的地。需要说明的是，在第二加热器21中加热后的天然气与在上述第一气化器13中气化后的天然气可以不汇合，而是被输出至各独立的燃气管道。
接着，对通过三级泵14升压的液化天然气的上述预超增压压力的设定方法进行说明。根据实施方式，该设定方法是基于下述算式(1)、算式(3)或算式(4)而进行的。
Δhtotal＝Δh2+Δh3－Δh1…(1)
在上述算式(1)中，将Δh1称为第一焓差，将Δh2称为第二焓差，将Δh3称为第三焓差，将Δhtotal称为合计焓差。为了定义各焓差Δh1、Δh2、Δh3，首先对图2所示的莫里尔图中的冷能利用过程(冷能发电过程)的各工作点进行说明。
在图2中，以第一点C1表示储藏于储藏罐10的液化天然气的状态，以第二点C2表示通过三级泵14升压后的液化天然气的状态。此外，以第三点C3表示二级透平发电机20的二级膨胀透平机的入口的天然气的状态，以第四点C4表示二级膨胀透平机的出口的天然气的状态，以第五点C5表示第二加热器21的出口的天然气的状态。此外，在图2中，将第一点C1的压力、温度设为第一压力P1、第一温度T1，将第二点C2的压力设为第二压力P2。在本实施方式中，从第一点C1到第二点C2的工作点的推移遵循等熵变化(绝热压缩)。此外，将第三点C3的压力、温度设为第三压力P3、第三温度T3。在本实施方式中，从第二点C2到第三点C3的工作点的推移遵循等压变化。因此，第三压力P3与第二压力P2相等。
将第四点C4的压力、温度设为第四压力P4、第四温度T4。此外，将第五点C5的压力、温度设为第五压力P5、第五温度T5。此处，在本实施方式中，设为第五温度T5与第三温度T3相等。此外，从第三点C3到第四点C4的工作点的推移中的、二级膨胀透平机的工作点的推移遵循等熵变化(绝热膨胀)。
第一焓差Δh1定义为从第二点C2的比焓减去第一点C1的比焓所得的值。第二焓差Δh2定义为从第三点C3的比焓减去第二点C2的比焓所得的值。
第三焓差Δh3定义为：在莫里尔图上以工作点不进入气液平衡曲线B的液相侧的方式工作点从第三点C3达到第四点C4为止由二级膨胀透平机所做的天然气的每单位质量的功。此处，采用在莫里尔图上工作点不进入气液平衡曲线B的液相侧这一条件是为了防止气体的再冷凝，避免由二级膨胀透平机的溃蚀、腐蚀导致的破损。为了满足该条件，在本实施方式中，根据第三点C3的第三压力P3、第三温度T3的设定值，实施交替重复由二级膨胀透平机进行的绝热膨胀和膨胀后的气体的再加热的多级膨胀。在图2中，举例示出了实施四级膨胀的情况。在本实施方式中，在多级膨胀的再加热中，例如使用上述温水作为热介质，天然气遵循等压变化被升温至第三温度T3。
使用上述算式(1)的理由是，将对液化气进行加热的气化过程(主气化器15中的气化工序)中的热能的吸收过程作为效果(优点)评价为正(plus)侧。与本系统相反，在水蒸气的超临界压力发电中，由于水的加热气化过程视为由燃料的热能的损失，因此使用“Δh3－Δh2－Δh1”代替上述算式(1)。因此，水蒸气的超临界发电中的Δh2的符号与上述算式(1)中的Δh2的符号相反。其原因是，对象物与环境温度的温度上的位置关系，就是说，即使不加入燃料，超低温液化气也会通过环境温度的热能进行气化，与之相对，水蒸气通过燃料的加热进行气化，从环境温度上升至规定温度。
接着，液化气的冷能被转换为：
冷能＝温度能+压力能…(2)
然后，当对转换后的温度能与压力能的有效能回收率进行比较时，由于温度回收率受热力学第二定律(卡诺效率)的制约，因此比压力回收率低。因此，为了提高冷能的回收率，与温度能相比，使冷能转换为压力能是有效的。就是说，使冷能更主要地转换为压力能的方法是有效的。
作为其实施方法，使液化气以加压至高压的状态气化的方法比较合适。根据液化气的莫里尔图，越以高压进行气化，液化气的蒸发潜热越小，气化过程中的焓差越小，但气化后的气体的压力反而增大。
然后，当升压至液化气的临界压力以上的压力，进而，即使为临界压力以上，超过产生蒸发或冷凝的临界冷凝压力时，也看不到蒸发潜热。此外，如图4(b)以及图6(b)，越升压，气化过程中的焓差Δh2越减少。因此，当在超临界压力下使液化气气化时，能将更多的冷能转换为压力能。其结果是，能利用回收率高的压力能，高效地将冷能转换为功(电力)。
以上述算式(1)表示的合计焓差Δhtotal在某个第二压力P2取得最大值。将与该最大值对应的第二压力P2设定为预超增压压力，由此能将冷能向功的转换效率设为最大。因此，对确定合计焓差Δhtotal达到最大的预超增压压力的方法进行说明。在以下的说明中，压力设为绝对压力。在说明预超增压压力的确定方法之前，对计算中所使用的天然气的组成以及物性值、冷能发电过程的各工作点进行说明。
天然气的组成以及物性值
·摩尔％(Mole percent)
甲烷(CH4)＝92％、乙烷(C2H6)＝4％、丙烷(C3H8)＝3％、丁烷(C4H10)＝1％
·重量％(Mass percent)
甲烷＝82.61％、乙烷＝6.7321％、丙烷＝7.4043％、丁烷＝3.2531％
·Molor mass：摩尔质量
17.866(kg/kmol)
在本实施方式中，使用美国国家标准技术研究院(NIST)制的制冷剂热物性数据库软件的REFPROP(Version 9.1)对上述组成的天然气的物性值进行计算。以下，示出其计算结果。
·临界点A1(Critical point)
215.85(K)、6.8362(MPa)、206.87(kg/m^3)
·临界冷凝压力(Cricondenbar)
231.4(K)、7.6316(MPa)、141.58(kg/m^3)
·临界冷凝温度(Cricondentherm)
247.35(K)、4.8965(MPa)、54.708(kg/m^3)
在图3中，示出了如下例子：使用REFPROP对从第一点C1至第二点C2的升压过程(等熵变化)中的天然气的各参数进行计算。
需要说明的是，在图2中，以A1表示天然气的临界点，以A2表示天然气的压力达到临界冷凝压力的工作点。此外，将上述组成的天然气从－162℃设为20℃为止可利用的天然气的冷量的计算结果是906kJ/kg。
以下，对分别将第三温度T3设定为20℃、50℃的情况下的预超增压压力的计算例进行说明。需要说明的是，在计算中，将第一点C1的第一压力P1设定为0.101MPa，将第一温度T1设定为－162℃。
首先，对将第三温度T3设定为20℃的情况进行说明。该情况下，例如使用常温的水作为第一加热器19以及第二加热器21中的热介质。
第一焓差Δh1与第二压力P2成正比例关系。因此，如图4(a)所示，第二压力P2越高，第一焓差Δh1越大。此处，由于以液态对液化天然气进行升压，因此从第一点C1到第二点C2的工作点的推移线与等焓线(图2中以单点划线表示)大致平行。因此，能以较小的焓差将液化天然气设为高压。
如图4(b)所示，第二压力P2越高，第二焓差Δh2越小。这是由于，第二压力P2越高，第二点C2的比焓越大。需要说明的是，在莫里尔图中，当气体压力达到临界压力以上时，第三点C3的比焓在42MPa附近转至增加，但另一方面，随着气体压力的上升，第二点C2的比焓也继续上升，因此，如图4(b)所示，第二焓差Δh2继续减少。
如图4(c)所示，第二压力P2越高，第三焓差Δh3越大。这是由于，第二压力P2越高，流入二级膨胀透平机的气体的密度越增加。特别是，第三焓差Δh3的增加部分相对于第二压力P2至临界压力附近的第二压力P2的上升部分的斜度比第二压力P2高于临界压力的情况下的上述斜度大。此外，第四压力P4越低，第三焓差Δh3越大。这是由于，二级膨胀透平机的出口压力越低，由二级膨胀透平机所做的功越增加。在图4(c)中，示出了：在0.2～1.0MPa的范围内，按0.1MPa对第四压力P4进行设定的情况下的第三焓差Δh3的计算结果。需要说明的是，随着使第二压力P2提高，第三焓差Δh3为与第二焓差Δh2和第一焓差Δh1的相加值大致相同的值(Δh3≒Δh1+Δh2)。
在图5中，示出了将以上述方法计算出的第一、第二、第三焓差Δh1、Δh2、Δh3代入上述算式(1)所得的合计焓差Δhtotal与第二压力P2的关系。如图5所示，通过合计焓差Δhtotal可确定表示最高转换效率的第二压力P2。在第三温度T3是20℃的情况下的计算例中，合计焓差Δhtotal达到最大的第二压力P2确定为几乎接近临界压力的6.8MPa。换言之，在使第二压力P2上升的情况下，合计焓差Δhtotal最初达到最大的第二压力P2确定为6.8MPa。此外，即使变更第四点C4的气体压力(与第五点C5的气体输出压力相同值)，表示最高转换效率的第二压力P2也表示同一值。需要说明的是，在图5中，示出了：在0.2～1.0MPa的范围内，按0.1MPa对第四压力P4进行设定的情况下的合计焓差Δhtotal的计算结果。
需要说明的是，在该计算上，Δ第三焓差h3的值作为以第五点C5为基准点的第三点C3的量(Flow Exergy)来算出。由于不是守恒量，因此，一般情况下，作为状态变化的能量的量不进行同一处理，但在上述算式(1)中，由于着眼于特定过程点的能量合计量，因此没有问题。
接着，对将第三温度T3设定为50℃的情况进行说明。该情况下，例如使用通过废热能量生成的温水作为第一加热器19中的热介质，例如使用常温的水(海水)作为第二加热器21中的热介质。
如图6(a)所示，第二压力P2越高，第一焓差Δh1越大。需要说明的是，由于第一焓差Δh1由第一点C1以及第二点C2的各自的比焓决定，因此图6(a)的计算结果与先前的图4(a)的计算结果相同。
如图6(b)所示，第二压力P2越高，第二焓差Δh2越小，如图6(c)所示，第二压力P2越高，第三焓差Δh3越大。
在图7中，示出了将以上述方法计算出的第一、第二、第三焓差Δh1、Δh2、Δh3代入上述算式(1)所得的合计焓差Δhtotal与第二压力P2的关系。如图7所示，通过合计焓差Δhtotal可确定表示最高转换效率的第二压力P2。在第三温度T3是50℃的情况下的计算例中，合计焓差达到最大的第二压力P2确定为临界压力(并且，临界冷凝压力)以上的9.4MPa。此外，即使变更第四点C4的气体压力(与第五点C5的气体输出压力相同值)，表示最高转换效率的第二压力P2也表示同一值。
因此，通过以上算式(1)，可确定表示最高转换效率的预超增压压力，即使变更气化热源的温度以及气体输出压力，也同样可确定表示最高转换效率的预超增压压力。
以上的结果表示：只要确定液化气的组成和气化热源的温度这两个条件，就能确定以最高效率将液化气的冷能转换为功(电力)的预超增压压力。此外，除了上述两个条件，只要确定系统出口的最终压力(气化气体输出压力)的条件，就能决定合计焓差Δhtotal的大小，确定系统整体的发电装置的输出(发电电力)。
接着，对应用于上述算式(1)的实用系统的情况下的下述算式进行说明。
Δhtotal＝α×Δh2+Δh3－Δh1…(3)
上述算式(3)是对气化过程中的温度的利用施加热力学第二定律的效率(卡诺效率)的制约的算式。假定一种能利用气化过程的总焓差将温度转换为功的系统。以下，对基于上述算式(3)的预超增压压力的确定方法进行说明。
在图8中，示出了：在第三温度T3是20℃的情况下，基于先前的图4的各焓差Δh1、Δh2、Δh3和效率系数α计算出的上述算式(3)的合计焓差Δhtotal。此处，效率系数α设为作为卡诺循环的理论热效率的0.621。理论热效率能使用第二点C2的第二温度T2(＝－162℃)和第三点C3的第三温度T3(＝20℃)以如下方式进行计算。
α＝1－T2/T3
＝1－(－162+273.15)/(20+273.15)＝0.621
需要说明的是，在从第一点C1至第二点C2的等熵变化中，液化天然气的的温度虽然微小但上升。因此，根据第二压力P2的大小，第二温度T2发生变化，效率系数α发生变化。不过，在本实施方式中，为了计算的简化，在效率系数α的计算中，设为从第一点C1至第二点C2的液化天然气没有温度变化。
在将第三温度T3设定为20℃的情况下，与第四压力P4的大小无关，合计焓差达到最大的第二压力P2计算为临界冷凝压力以上的压力9.7MPa。因此，在将第三温度T3设定为20℃的情况下，通过将预超增压压力设定为9.7MPa，由此得到能使冷能的电力转换效率达到最大的估算结果。
在图9中，示出了：在第三温度T3是50℃的情况下，基于图4的各焓差Δh1、Δh2、Δh3和效率系数α计算出的上述算式(3)的合计焓差Δhtotal。此处，效率系数α设为作为卡诺循环的理论热效率的0.656。该值能根据第二点C2的第二温度T2(＝－162℃)和第三点C3的第三温度T3(＝50℃)进行计算。
在将第三温度T3设定为50℃的情况下，与第四压力P4的大小无关，合计焓差Δhtotal达到最大的第二压力P2计算为临界冷凝压力以上的压力14.1MPa。因此，在将第三温度T3设定为50℃的情况下，通过将预超增压压力设定为14.1MPa，由此得出能使冷能的电力转换效率达到最大的估算结果。
由于将预超增压压力设定为天然气的临界压力以上，因此本发明人将本实施方式的冷能发电系统称为LNG超临界压力冷能发电系统(LNG supercritical pressure coldenergy power generation system：LSG)。
另外，通过提高第三温度T3，由此第二、第三焓差Δh2、Δh3变大，此外，能增大冷能源与加热源的温度差，能提高卡诺循环的理论热效率。其结果是，能提高LSG中的冷能的电力转换效率。此外，通过提高第三温度T3，由此能减少从第三点C3至第四点C4的膨胀和再加热的级数，能降低LSG的设备费用。
根据以上所说明的本实施方式，通过使用合计焓差Δhtotal的概念来设定预超增压压力，由此能提高冷能的电力转换效率。就是说，天然气的气化工序入口(第二点C2)的液化天然气的焓与气化工序出口(第三点C3)的天然气的焓的差Δh2越大，液化天然气的冷能中的、转换为在朗肯循环方式的一级发电装置中使用的温度的比例越高。此处，朗肯循环包含传热的不可逆过程。因此，一级发电装置中的冷能的回收率(例如，20～30％)低于直接膨胀方式的二级发电装置中的冷能的回收率(例如，70～80％)。因此，根据上述算式(2)，只要提高液化天然气的冷能中的、转换为在一级发电装置中使用的温度的比例，就会使冷能的电力转换效率降低，反之，只要降低转换为温度的比例，就能提高冷能的电力转换效率。
此处，通过将预超增压压力设为高压(例如临界压力以上)，由此主气化器15的气化工序入口的液化天然气的焓与气化工序出口的天然气的焓的差Δh2变小，气化工序中的气体的蒸发潜热(在图2的莫里尔图中为气液边界线之间的焓)变小，如果为临界冷凝压力以上，则看不到蒸发潜热。由此，虽然转换为温度的冷能减少，但转换为压力的冷能增加。因此，虽然朗肯循环方式的一级发电装置的发电量减少，但能使冷能的回收率(电力转换率)高于朗肯循环方式的直接膨胀方式的二级发电装置的发电量增加。其结果是，在着眼于冷能发电系统整体的情况下，能提高液化天然气的冷能的电力转换效率。
特别是，在将预超增压压力设定为临界冷凝压力以上的压力存在优点这一估算结果出现的情况下，在主气化器15中，以将天然气的压力维持在临界冷凝压力以上的状态使天然气气化。由此，能进一步提高冷能的电力转换效率。就是说，就作为非共沸混合物的液化天然气而言，即使其压力为临界压力以上，只要小于临界冷凝压力，就会发生冷凝。因此，通过将预超增压压力设定为临界冷凝压力以上的压力，由此液化天然气在气化工序中不经由气液混合相地被气化。由此，在气化工序中看不到液化天然气的蒸发潜热，能减少在朗肯循环中循环的工作流体的冷凝所使用的液化天然气的蒸发潜热。因此，与经由气液混合相使液化天然气气化的构成相比，能进一步减少转换为温度的冷能其结果是，能进一步增加转换为压力的冷能能进一步提高系统整体的冷能的电力转换效率。
此外，根据本实施方式，越提高预超增压压力(P2)，第四点C4的第四压力P4的可设定范围越广。因此，通过二级透平机出口压力的调整，能自由地设定向外部的气体输出压力。
需要说明的是，本实施方式从较低的温度对液化天然气的冷能进行逆级联利用。这是由于使用了天然气的液化过程的逆过程。此处，在图10中，与本实施方式的冷能发电过程(LSG)一起，示出了天然气的液化过程(LNG)。一般情况下，为了避开气液混合区域，在将天然气升压至临界压力附近后进行冷却，因此液化过程包含：多级压缩(AdiabaticCompression)、预冷(Precooling)、液化(Liquefaction)、过冷(Subcooling)以及焦耳-汤姆孙膨胀(Joule-Thomson Throttling)。此外，即使液化天然气的甲烷成分比例增加导致轻质化，LSG也没有问题。只要重烃成分减少，天然气就难以重新液化，因此通过LSG能更有效地进行发电。
以上所说明的实施方式例如也可以在如下的利用方式中实施。
·在上述实施方式中，虽然将用于计算合计焓差的效率系数α设为卡诺循环的理论热效率，但不限于此，也可以根据作为计算对象的LSG的规格等将效率系数α设定为大于0且小于上述理论热效率的值。
·在上述实施方式中，将液化天然气的冷能转换为使一级发电装置的一级膨胀透平机驱动的机械能。不过，并不限于将冷能转换为机械能，例如也可以以热的状态来利用冷能，转换为用于对冷库进行冷却或制造液化碳酸的能量。该情况下，也可以不使用效率系数α，而将第二焓差Δh2定义为从第三点C3的比焓减去第二点C2的比焓所得的值。
·在上述实施方式中，虽然将第二焓差定义为从第三点C3的比焓减去第二点C2的比焓所得的值，但不限于此，例如也可以以如下所说明的方式进行定义。如图11所示，在莫里尔图中，以A点CA表示主气化器15的出口的天然气的状态。然后，也可以将第二焓差Δh2rank定义为从A点CA的比焓减去第二点C2的比焓所得的值。以下述算式表示该情况下的合计焓差Δhtotal。
Δhtotal＝α×Δh2rank+Δh3－Δh1…(4)
该情况下，效率系数α定义为：分别由第二点C2的第二温度T2和A点CA的气体温度决定的卡诺循环的理论热效率以下的值且大于0的值。在将一级发电装置的朗肯循环的工作流体设为例如LPG(丙烷)的情况下，将A点CA的温度设定为例如－44℃。然后，卡诺循环的理论热效率能使用第二点C2的第二温度T2(＝－162℃)和A点CA的温度TA(＝－44℃)以如下方式进行计算。
α＝1－T2/TA
＝1－(－162+273.15)/(－44+273.15)＝0.515
在图12中，示出了：将第三温度T3是20℃的情况下的先前的图4的第一、第三焓差Δh1、Δh3、以及第二焓差Δh2rank代入上述算式(4)所得的合计焓差Δhtotal与第二压力P2的关系。此外，在图13中，示出了：将第三温度T3是50℃的情况下的先前的图6的第一、第三焓差Δh1、Δh3、以及第二焓差Δh2rank代入上述算式(4)所得的合计焓差Δhtotal与第二压力P2的关系。需要说明的是，分别将图12以及图13中的效率系数α设为0.515。
如图12所示，在将第三温度T3设定为20℃的情况下，与第四压力P4的大小无关，在使第二压力P2从0开始上升的情况下，上述算式(4)的合计焓差Δhtotal最初达到最大的第二压力P2计算为6.0MPa。因此，能将预超增压压力设定为6.0MPa。此外，如图13所示，在将第三温度T3设定为50℃的情况下，与第四压力P4的大小无关，在使第二压力P2从0开始上升的情况下，上述算式(4)的合计焓差Δhtotal最初达到最大的第二压力P2计算为6.5MPa。因此，能将预超增压压力设定为6.5MPa。另外，在图12以及图13中，示出了预超增压压力确定为小于临界压力的压力的例子，但不限于此。根据气体组成等，在使第二压力P2从0开始上升的情况下，上述算式(4)的合计焓差Δhtotal最初达到最大的第二压力P2有时也可确定为临界压力以上的压力。因此，在使用上述算式(4)来确定预超增压压力的情况下，预超增压压力有时也可确定为临界压力以上的压力。
需要说明的是，如图12以及图13所示，当使第二压力P2从0开始上升时，合计焓差Δhtotal达到最大。当进一步使第二压力P2上升时，虽然合计焓差Δhtotal暂时降低，但其后不久，合计焓差Δhtotal继续增加。因此，在使第二压力P2从0开始上升的情况下，根据将合计焓差Δhtotal最初达到最大的第二压力P2设定为预超增压压力的方法，例如能提高冷能的电力转换效率，而不会使构成冷能利用系统的设备所要求的耐压过度上升。
·使用上述算式(1)、(3)、(4)对预超增压压力进行确定表示的是：在冷能利用过程中，对作为以最高效率将冷能转换为电力的最佳条件的过程(从第三点C3至第四点C4的过程)的膨胀透平机入口压力进行确定。
·在上述实施方式中，虽然将一级透平发电机18的一级发电机和二级透平发电机20的二级发电机设为了单独的发电机，但不限于此。也可以将一级、二级透平发电机18、20的发电机设为共同的发电机。
·在上述实施方式中，虽然将一级发电装置设为使用朗肯循环的方式，但不限于此，也可以设为使用朗肯循环以外的其他蒸气动力循环的方式。
·在上述实施方式中，虽然将合计焓差Δhtotal达到最大的第二压力P2设定为预超增压压力，但不限于此。例如，也可以将合计焓差Δhtotal达到大于0且小于其最大值的值的第二压力P2设定为预超增压压力。
·作为储藏于储藏罐的低温的液化气，不限于液化天然气，例如也可以是液化石油气、液化氟利昂、液化氢。
·在图14中，示出了LSG的发电量的估算结果的一例。详细而言，在图14中，使用上述算式(4)示出了：将第二压力P2(预超增压压力)设为10.1MPa、将第三温度T3设为20℃、50℃的情况下的发电量相对于气体输出压力(P4＝P5)的估算结果的一例。需要说明的是，在图14的估算中，使用LPG作为朗肯循环的工作流体(中间介质)，将效率系数α设为0.136。
·现有的冷能发电系统以在来自电力公司等外部的商用电源丧失时停止运转为前提。因此，在商用电源停电时等，现有的冷能发电系统尽管是发电系统，但无法发电。
因此，在商用电源丧失时(停电时)，在冷能发电系统(LSG)中，使用其他非常用发电机的电力来供给控制用电源、海水以及液化天然气(具体而言，来自二级泵12的液化天然气)，由此优先启动LSG。使由LSG发出的电力与场内电力系统互联，从而向场内的其他制造机械设备进行供电，能依次使其他制造机械设备工作。即，在外部商用电源丧失时、或停电等非常时期，LSG作为“非常用电源装置”发挥功能，在平常时期，作为场内电力的基本负载电源发挥功能。
·液化天然气在外国产地的天然气液化工序中使用大量的电来制造，其后通过油轮进行运输。此处，由于LSG利用天然气以及产地的液化电力双方，因此LNG运输油轮对“液化天然气”+“液化电力”进行运输。即，LSG是将天然气产地所使用的冷却电力(低价格电力)高效地回收利用为天然气消费地的电力(高价格电力)的系统。因此，LNG运输油轮存在“液化天然气转运工具”和“电力转运工具”的价值，购买液化天然气与组合购买液化天然气和产地电力相同。因此，通过构成具备LNG运输油轮和LSG的能量系统，能提供将LNG运输油轮作为“液化天然气转运工具”以及“电力转运工具”(LNG的上游(产地)与下游(消费地)的电力价值链)的商业模式。
·在液化天然气的进口国，将液化天然气储藏于储藏罐。通过利用高效地取出液化天然气的冷能的LSG，储藏罐可产生“液化天然气储藏所”以及“电力储藏所”的价值。即，当高效地回收液化天然气的冷能时，液化天然气的储藏罐作为电力储藏所有助于改善昼夜间消费峰值电力的平均化以及昼夜间电力使用单位消耗量。因此，通过构成具备储藏罐和LSG的能量系统，能提供将储藏液化天然气的储藏罐作为“液化天然气储藏所”以及“电力储藏所”的商业模式。
·在液化天然气的气化基地中，进口液化天然气的经营者通过LSG利用液化天然气的冷能高效地发电并进行自身托运(通过电气事业法的制度改革，发电地以外的电力消费成为可能)，由此能对经营者的整个地域中的设备所使用的电力总量进行自给。因此，能提供“零排放企业”的商业模式。此外，通过构成具备LSG和液化天然气的液化设备的能量系统，因液化天然气在储藏罐内自然热量输入等而气化的蒸发气体(BOG)通过夜间电力进行液化，只要在白天取出由LSG发出的电力，就能谋求昼夜间电力使用量的平均化。因此，能提供“昼夜间峰值电力的平均化”的商业模式。
附图标记说明：
10 储藏罐
14 三级泵(升压泵)
15 主气化器
18 一级透平发电机(一级透平机、一级发电机)
20 二级透平发电机(二级透平机、二级发电机)

Claims (15)

1.一种冷能利用系统，其特征在于，具备：
升压泵，将储藏于储藏罐的低温液化气以保持液态的状态升压至规定压力；
一级装置，具有：气化器，使由所述升压泵升压后的所述液化气与规定的冷热交换对象进行热交换，由此使所述冷热交换对象冷却，并且使所述液化气气化；以及
二级装置，具有：二级透平机，由作为在所述气化器中气化后的所述液化气的气化气进行驱动，
在作为所述储藏罐的储藏对象的气体的莫里尔图上，将规定储藏于所述储藏罐的状态下的所述气体的压力以及温度的点，定义为过程起始点(C1)，
在所述莫里尔图上，将规定所述气化器的入口侧的所述气体的所述规定压力以及温度的点，定义为预超增压点(C2)，
在所述莫里尔图上，将作为规定所述二级透平机的入口侧的所述气体的压力以及温度的点的透平机入口点(C3)、或规定所述气化器的出口侧的所述气体的压力以及温度的点(CA)中的任一点，定义为中间点，
在所述莫里尔图上，将规定所述二级透平机的出口侧的所述气体的压力以及温度的点，定义为透平机出口点(C4)，
将从所述预超增压点的焓减去所述过程起始点的焓所得的值定义为第一焓差(Δh1)，
将从所述中间点的焓减去所述预超增压点的焓所得的值定义为第二焓差(Δh2；Δh2rank)，
在将从作为规定所述二级透平机的入口侧的所述气体的压力以及温度的点的透平机入口点(C3)的状态达到所述透平机出口点的状态之前，由所述二级透平机所做的功定义为第三焓差(Δh3)，
将以下任一值定义为合计焓差(Δhtotal)：从所述第二焓差以及所述第三焓差的相加值减去所述第一焓差所得的值；或将作为由所述预超增压点以及所述中间点的各自的温度决定的卡诺循环的理论热效率以下的值且大于0的值的效率系数与所述第二焓差相乘，并从其乘积与所述第三焓差的相加值，减去所述第一焓差所得的值，
所述规定压力基于所述合计焓差进行设定。
2.根据权利要求1所述的冷能利用系统，其特征在于，
所述合计焓差定义为：从所述第二焓差以及所述第三焓差的相加值，减去所述第一焓差所得的值。
3.根据权利要求1所述的冷能利用系统，其特征在于，
所述气化器使在蒸气动力循环中循环的作为所述冷热交换对象的工作流体与由所述升压泵升压后的所述液化气进行热交换，由此使所述工作流体冷凝，并且使所述液化气气化，
进一步具备：加热器，对从所述气化器流出的气化气进行加热使其升温，
除了所述气化器，所述一级装置还具有：蒸发器，使在所述气化器中冷凝的工作流体蒸发；以及一级透平机，由在所述蒸发器中蒸发的工作流体进行驱动，所述一级装置是发电装置，通过所述一级透平机的驱动进行发电，
所述二级装置是直接膨胀方式的发电装置，通过由所述加热器升温后的气化气来驱动所述二级透平机，由此进行发电。
4.根据权利要求3所述的冷能利用系统，其特征在于，
所述蒸气动力循环是朗肯循环。
5.根据权利要求3或4所述的冷能利用系统，其特征在于，
所述合计焓差定义为：将所述效率系数与所述第二焓差相乘，并从其乘积与所述第三焓差的相加值减去所述第一焓差所得的值。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的冷能利用系统，其特征在于，
所述规定压力设定为：在使所述预超增压点的所述气体的压力从0开始上升的情况下，所述合计焓差最初达到最大的压力。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的冷能利用系统，其特征在于，
所述第三焓差定义为：在所述莫里尔图上以所述气体的状态不进入气液混合相的方式从作为规定所述二级透平机的入口侧的所述气体的压力以及温度的点的透平机入口点(C3)的状态达到所述透平机出口点的状态之前，由所述二级透平机所做的功。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的冷能利用系统，其特征在于，
所述规定压力设定为：所述液化气的临界压力以上的压力，
所述气化器使由所述升压泵升压后的所述液化气与所述冷热交换对象以将所述液化气的压力维持在所述临界压力以上的状态进行热交换，由此使所述冷热交换对象冷却，并且使所述液化气气化。
9.一种冷能利用系统，其特征在于，具备：
升压泵，将储藏于储藏罐的低温的液化气以保持液态的状态升压至其临界压力以上的规定压力；
一级装置，具有：气化器，使由所述升压泵升压后的所述液化气与规定的冷热交换对象以将所述液化气的压力维持在所述临界压力以上的方式进行热交换，由此使所述冷热交换对象冷却，并且使所述液化气气化；以及
二级装置，具有：二级透平机，由作为在所述气化器中气化后的所述液化气的气化气进行驱动。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的冷能利用系统，其特征在于，
所述液化气是液化天然气。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的冷能利用系统，其特征在于，
所述液化气是由两种以上的组成构成的混合气体，
所述规定压力设定为：所述液化气的临界冷凝压力以上的压力，
所述气化器以将所述液化气的压力维持在所述临界冷凝压力以上的状态使所述液化气与所述冷热交换对象进行热交换。
12.一种能量系统，其特征在于，
具备：运输油轮，运输液化气；以及权利要求1～11中任一项所述的冷能利用系统，
所述冷能利用系统构成为：通过液化气的冷能进行发电的冷能发电系统。
13.一种能量系统，其特征在于，
具备：储藏罐，储藏液化气；以及权利要求1～11中任一项所述的冷能利用系统，
所述冷能利用系统构成为：通过液化气的冷能进行发电的冷能发电系统。
14.一种冷能利用系统的利用方法，
是权利要求1～11中任一项所述的冷能利用系统的利用方法，其特征在于，
所述冷能利用系统构成为：通过液化气的冷能进行发电的冷能发电系统，
利用所述冷能利用系统作为使所述冷能利用系统工作的经营者的设备的电力供给源。
15.一种能量系统，其特征在于，
具备：储藏罐，储藏液化气；以及权利要求1～11中任一项所述的冷能利用系统，
所述冷能利用系统构成为：通过储藏于所述储藏罐的液化气的冷能进行发电的冷能发电系统，
进一步具备如下设备：通过夜间电力对所述储藏罐内由液化气气化出的蒸发气体进行液化，并且将其作为液化气再次储藏于所述储藏罐。
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