JP2001012874A - 熱交換器の徐冷方法及び装置 - Google Patents

熱交換器の徐冷方法及び装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低温液体を加温する熱交換器において、その
起動時等での徐冷の際における熱応力の発生を有効に抑
える。 【解決手段】 低温液体が導入される入口室２２を備え
た熱交換器を徐冷する方法であって、その徐冷時には通
常運転時よりも少ない流量で前記入口室内に低温液体を
散布するもの。また、その散布のための散布部３６をも
つ徐冷用ＬＮＧ供給部３０を備えた徐冷装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、液化天然ガス（以
下、ＬＮＧと称する。）等の低温液体を熱媒体と熱交換
させて加温するための熱交換器において、その起動時や
通常運転中断時に徐冷を行うための方法及び装置に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、ＬＮＧ等の低温液体を加温（さ
らには気化）するための手段として、当該低温液体を熱
媒体と熱交換させる熱交換器が用いられている。例え
ば、特開昭53−5207号公報には、熱源流体に加えて中間
媒体を用い、この中間媒体とＬＮＧとの熱交換によって
ＬＮＧを気化させる中間媒体式気化器が開示されてい
る。
【０００３】その熱交換器の一例を図７に示す。同図は
ＬＮＧ気化器を示し、この気化器は、中間媒体蒸発器Ｅ
１、ＬＮＧ蒸発器Ｅ２、及び天然ガス（以下、ＮＧと称
する。）加温器Ｅ３を備えている。また、熱源流体（図
例では海水）が通る経路として、入口室１０、多数本の
熱源管１２、中間室１４、多数本の熱源管１６、及び出
口室１８を順に備え、熱源管１２がＮＧ加温器Ｅ３内
に、熱源管１６が中間媒体蒸発器Ｅ１内に、それぞれ設
けられている。中間媒体蒸発器Ｅ１内には、熱源流体で
ある海水よりも沸点の低い中間媒体（例えばプロパン）
１７が収容されている。
【０００４】図８にも示すように、ＬＮＧ蒸発器Ｅ２
は、カプセル状のシェル２１を備え、その閉塞端部が管
板２５によって他の部分から仕切られている。さらに、
その閉塞端部内に水平方向の仕切り壁２０が固定される
ことによって、互いに仕切られた入口室２２及び出口室
２４が形成されており、両室２２，２４は、略Ｕ字状の
多数本の伝熱管２３によって連通されている。各伝熱管
２３の中間部は前記中間媒体蒸発器Ｅ１内の上部に突き
出ており、両端部は管板２５を貫く状態で当該管板２５
に固定されている。
【０００５】前記入口室２２には、ＬＮＧを導入するた
めのＬＮＧ供給部２８が設けられ、このＬＮＧ供給部２
８が図略の供給通路を介してＬＮＧ供給源に接続されて
いる。また、出口室２４にはＮＧ排出部２９が設けら
れ、このＮＧ排出部２９はＮＧ導管２６を介して前記Ｎ
Ｇ加温器Ｅ３内に接続されている。
【０００６】このような気化器において、熱源流体であ
る海水は、入口室１０、熱源管１２、中間室１４、及び
熱源管１６を通って出口室１８に至るが、熱源管１６を
通る海水は、中間媒体蒸発器Ｅ１内の液状中間媒体１７
と熱交換して当該中間媒体１７を蒸発させる。
【０００７】一方、気化対象であるＬＮＧは、入口室２
２から伝熱管２３に導入される。この伝熱管２３内のＬ
ＮＧと中間媒体蒸発器Ｅ１内の蒸発中間媒体１７との熱
交換により、当該中間媒体１７が凝縮するとともに、そ
の凝縮熱を受けてＬＮＧが伝熱管２３内で蒸発し、ＮＧ
となる。このＮＧは、出口室２４からＮＧ導管２６を通
じてＮＧ加温室Ｅ３内に導入され、このＮＧ加温室Ｅ３
内の熱源管１２を流れる海水との熱交換によってさらに
加熱された後、需要先へ供給される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】前記ＬＮＧ気化器（及
びこれをはじめとする各種の低温液体加温用熱交換器）
では、その起動時にいきなり大流量で低温液体を導入す
ると大きな熱応力が発生してしまう。そこで当該起動時
には、図８に示すように、供給流量を絞ってＬＮＧ供給
部２８から入口室２２内にＬＮＧを僅かずつ供給する徐
冷運転が行われている。
【０００９】しかし、このように流量を絞ってＬＮＧ供
給部２８から少量ずつＬＮＧを流出させると、かかるＬ
ＮＧは、まずシェル２１の底部に流下し、その後に入口
室２２全体へ行き渡っていくので、入口室２２の底部が
他の部分に先行して局所的に冷やされてしまうことにな
る。例えば図８に示す構造では、徐冷中に図９に示すよ
うな著しい温度勾配が発生し、これに起因する熱応力が
発生する。
【００１０】すなわち、従来のように単にＬＮＧの供給
流量を絞るだけでは、入口室２２に発生する熱応力を有
効に緩和することは困難であり、特に起動／停止の繰り
返し頻度が高い熱交換器では、例えばシェル２１と管板
２５との溶接個所や管板２５と仕切り板２０との溶接個
所などに疲労破損が生じるおそれがある。また、起動時
に限らず、例えば熱交換器の運転の一時中断時にＬＮＧ
流量を絞って徐冷を維持する場合にも、同様の温度勾配
が発生するおそれがある。
【００１１】本発明は、かかる事情に鑑み、低温液体を
加温する熱交換器において、その起動時等での徐冷の際
における熱応力の発生を有効に抑えることができる徐冷
方法及び装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の手段として、本発明は、低温液体が導入される入口室
を備えた低温液体加温用の熱交換器を徐冷する方法であ
って、当該徐冷時には通常運転時よりも少ない流量で前
記入口室内に低温液体を散布するものである。
【００１３】この方法によれば、通常運転時よりも少な
い流量で、しかも入口室内の広い領域に低温液体を拡散
供給するので、入口室に発生する温度勾配が小さくな
り、熱応力が有効に緩和される。
【００１４】その具体的な方法として、前記入口室に通
常運転用供給部と散布機能をもつ徐冷用供給部とを併設
し、通常運転時には少なくとも前記通常運転供給部から
入口室内に低温液体を供給し、徐冷時には前記徐冷用供
給部からのみ入口室内に低温液体を供給するようにすれ
ば、徐冷時には専用の徐冷用供給部を通じて入口室内に
徐冷に適した低温液体の供給ができる一方、徐冷終了後
は通常運転用供給部を用いて通常運転に適したＬＮＧの
供給ができる。
【００１５】また本発明は、低温液体が導入される入口
室を備えた低温液体加温用の熱交換器を徐冷する装置で
あって、前記入口室に、当該入口室内に低温液体を散布
する徐冷用供給部を設けたものである。
【００１６】前記徐冷用供給部の具体的な配設形態は適
宜設定可能である。例えば、徐冷用供給部を、前記入口
室内の複数個所から低温液体を散布するように構成すれ
ば、単一個所からのみ散布する場合よりも散布領域をさ
らに広げることができる。
【００１７】また、徐冷用供給部を、その散布領域に前
記入口室の上半部内壁の少なくとも一部が含まれるよう
に設置すれば、低温液体は当該上半部内壁に吹き付けら
れた後に徐々に流下するので、より均一に低温液体を行
き渡らせることができる。
【００１８】また、前記徐冷用供給部を、その散布領域
に前記入口室における溶接個所が含まれるように設置す
れば、当該溶接個所を挟む複数部材を同時に冷やすこと
ができるため、これらの部材間の温度差を小さくして当
該温度差に起因する前記溶接個所での熱応力による破損
をより有効に防止することができる。
【００１９】この装置においても、前記入口室に、前記
徐冷用供給部と、この徐冷用供給部よりも大きな流量で
低温液体を供給するための通常運転用供給部とを併設す
ることがより好ましい。
【００２０】その場合において、共通の低温液体供給源
から前記通常運転用供給部と徐冷用供給部とに分岐する
供給通路を設けるとともに、前記徐冷用供給部に至る供
給通路に前記通常運転用供給部に至る供給通路と独立し
て供給流量を変化させるための流量可変手段を設けるよ
うにすれば、状況に応じて徐冷時の低温液体供給量を自
由に調節することができる。
【００２１】前記流量可変手段としては、手動で遠隔操
作されることにより低温液体の流量を変化させる遠隔調
節弁であってもよいし、前記流量可変手段が入口室内の
温度を予め設定された目標温度に保つように低温液体の
流量を調節する温度調節弁であってもよい。後者の場合
には、例えば熱交換器運転の一時中断時に入口室内を所
定温度に保持しておく運転（いわゆるクールダウン保持
運転）を自動的に行うことが可能になる。
【００２２】本発明では、熱交換器全体の具体的な構造
も問わない。ただし、前記入口室が仕切り部材を介して
低温液体蒸発ガスの出口室と隣接している構造では、当
該出口室を通る加温済流体で仕切り部材が加温され、こ
の仕切り部材以外の入口室構成部材との温度格差が大き
くなる傾向があるので、当該熱交換器への本発明の適用
は特に有効となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態を図１
〜図４に基づいて説明する。なお、気化器全体の基本構
成については、前記図７に示したものと同等であるの
で、ここではその説明を省略し、以下、ＬＮＧ蒸発器Ｅ
２の構造に重点をおいて説明する。
【００２４】図１及び図２に示す本実施形態構造と、前
記図８に示した従来構造の相違点として、前者の構造で
は、入口室２２に、通常運転用の管状ＬＮＧ供給部２８
に加え、この通常運転用ＬＮＧ供給部２８よりも管板２
５から離れた位置（図１及び図２では左側の位置）に、
散布機能をもつ徐冷用ＬＮＧ供給部３０が新たに設けら
れている。
【００２５】なお、本発明では、通常運転用ＬＮＧ供給
部２８と徐冷用ＬＮＧ供給部３０との位置関係は特に問
わない。
【００２６】この徐冷用ＬＮＧ供給部３０は、シェル２
１の側壁に貫通状態で固定された導入部３２と、この導
入部３２からシェル幅方向（図２では上下方向）に延び
る主幹部３４と、この主幹部３４の長手方向に複数配列
された散布部３６とを備えている。
【００２７】各散布部３６の構造は、主幹部３４を通じ
て圧送されてきたＬＮＧを散布できるものであればよ
く、図３（ａ）に示すようなスプレーノズル３６ａや、
同図（ｂ）に示すような多孔板シャワーノズル３６ｂ等
が好適である。また、噴射口が単一であっても、その首
振りによって散布を行うものであってもよい。
【００２８】この実施の形態では、図１に示すように、
各散布部３６の散布方向が若干斜め上方を向いており、
その散布領域に、管板２５の内壁略全面が含まれ、か
つ、シェル２１の底壁と管板２５との接合部分（溶接個
所）２７Ａ及び管板２５と仕切り板２０との接合部分
（溶接個所）２７Ｂとが含まれるように、各散布部３６
が配置されている。
【００２９】この実施の形態にかかるＬＮＧの供給系統
を図４に示す。ＬＮＧ供給源からの供給通路は、通常運
転用供給通路３８と徐冷用供給通路４０とに分岐してお
り、通常運転用供給通路３８が通常運転用ＬＮＧ供給部
２８に接続され、徐冷用供給通路４０が徐冷用ＬＮＧ供
給部３０に接続されている。
【００３０】各供給通路３８，４０には、流量調節手段
としての遠隔調節弁４４，４４が個別に設けられてい
る。通常運転用供給通路３８側の遠隔調節弁４４は、Ｌ
ＮＧ供給流量を予め設定された目標流量に維持するよう
に動作する。一方、遠隔調節弁４４は、手動で遠隔操作
できる（すなわち流量調節できる）ように構成されてい
る。
【００３１】次に、この装置の運転方法を説明する。
【００３２】まず、常温からの起動時には、流量調節弁
４２を閉止させて通常運転用供給通路３８におけるＬＮ
Ｇ流量を０にし、遠隔調節弁４４を適度に開いて専ら徐
冷用供給通路４０を通じて入口室２２内へのＬＮＧ供給
を小流量（通常運転時よりも小さな流量）にて行う。こ
のＬＮＧは、徐冷用ＬＮＧ供給部３０の主幹部３４から
各散布部３６に分配され、各散布部３６から管板２５に
向けて広い領域にわたり散布される。
【００３３】従って、この徐冷方法によれば、従来の徐
冷方法、すなわち、通常運転用ＬＮＧ供給部２８からＬ
ＮＧを僅かずつ流下させる徐冷方法のように、入口室２
２の下部のみが先行して局所的に冷やされることがほと
んどなくなり、入口室２２内は上下方向全域にわたって
略均一に冷やされていくことになる。このため、入口室
２２を形成する部材に発生する熱応力は有効に緩和され
る。特に、図示のように、仕切り板２０と管板２５との
接合部分（溶接個所）２７Ｂや、管板２５とシェル２１
との接合部分（溶接個所）２７Ａを散布領域に含ませる
ようにすれば、仕切り板２０と管板２５との温度差や管
板２５とシェル２１との温度差をより確実に減らすこと
ができ、当該温度差に起因する熱応力による溶接個所の
疲労破損をより有効に防止できる。
【００３４】このようにして徐冷が完了した後は、遠隔
調節弁４４を全閉にし、もしくは遠隔制御弁４４を開い
たまま、流量調節弁４２を作動させて、従来通り通常運
転用供給通路３８及び通常運転用ＬＮＧ供給部２８を通
じてＬＮＧの供給を行うようにすればよい。徐冷完了の
判断は、例えば入口室２２内の温度を監視することによ
り、行うことができる。
【００３５】第２の実施の形態を図５に示す。ここで
は、前記第１の実施の形態で示した主幹部３４が省略さ
れ、シェル２１の底壁に徐冷用ＬＮＧ供給部３０の散布
部３６が直付けされている。この散布部３６は、上向き
に近い斜め上向きにＬＮＧを散布し、かつ、その散布領
域に仕切り板２０と管板２５との接合部分（溶接個所）
２７Ｂを含むように配置されている。
【００３６】この実施の形態においても、散布領域に入
口室２２の内壁上半部が含まれているため、特に入口室
２２の下部の局所的冷却が緩和され、大きな熱応力の発
生が防がれる。また、散布領域に仕切り板２０と管板２
５との接合部分（溶接個所）が含まれているため、当該
溶接個所での疲労破損がより有効に防がれる。
【００３７】なお、この実施の形態においても、散布部
３６は複数個所に分散配置することが好ましい。ただ
し、本発明は、散布部３６が単数である場合や、散布領
域が前記実施形態で示した領域以外である場合でも、そ
の散布によって従来よりも入口室２２における熱応力の
発生を緩和することが可能である。
【００３８】その他、本発明は例えば次のような形態を
とることも可能である。
【００３９】・前記図４に示した供給系統において、同
図に示す遠隔調節弁４４に代え、入口室２２内の温度を
予め設定された目標温度に保つように作動する温度調節
弁を設けるようにすれば、例えば熱交換器の運転を一時
中断する際の徐冷運転にも本発明を適用することが可能
になる。また、遠隔調節弁４４を用いても、同じく一時
中断時の徐冷運転が手動操作でできることはいうまでも
ない。
【００４０】・本発明では、入口室２２の具体的な構造
を問わず、例えば出口室２４から離れた位置に独立して
入口室２２が形成されているものにも本発明の適用が可
能である。ただし、図例のように入口室２２が仕切り板
２０などの仕切り部材を介して出口室２４と隣接するも
のでは、当該仕切り板２０側の温度が比較的高く維持さ
れて反対側のシェル底壁との温度勾配が大きくなるの
で、かかる構造に本発明を適用することにより、その効
果はより著しいものとなる。
【００４１】・本発明では、熱交換器の取扱う低温液体
の種類を問わず、ＬＮＧ以外の低温液体を加温する熱交
換器にも広く適用が可能である。また、熱交換器の全体
構造も上記のような中間媒体式のものに限らず、例えば
低温液体を海水等の熱源と直接熱交換させるものや、大
気と熱交換させるもの等についても本発明の適用が可能
である。
【００４２】
【実施例】前記入口室２２の近傍において、図６に示す
８つの位置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈに熱電対を
配設するとともに、同図に示す７つの位置１，２，３，
４，５，６，７に歪みゲージを配設して、従来の徐冷方
法及び本発明方法を実施したときの温度分布及び熱応力
分布の測定を行った。その結果を表１及び表２に示す。
【００４３】
【表１】
【００４４】
【表２】 これらの表に示されるように、本発明法によれば、従来
の徐冷方法に比べ、温度が均一化され、周方向熱応力の
最大値（歪みゲージNo.１、従来法：−11.7Kg/mm2、本
発明法−6.8Kg/mm2）が約60％に低下し、また軸方向熱
応力の最大値（歪みゲージNo.３、従来法：−18.8Kg/mm
2、本発明法−6.0Kg/mm2）が約30％に低下していること
が理解できる。
【００４５】また、前記運転を行ったときの本体の起動
所要時間を次の表３に示す。この表に示されるように、
従来法では、熱応力の制限から、徐冷時のＬＮＧ流量を
上げられないが、本発明法によれば、上述のような熱応
力緩和を実現しながら、徐冷時ＬＮＧ流量を従来法より
も増やして起動所要時間を約１／２に短縮することが可
能である。
【００４６】
【表３】
【００４７】
【発明の効果】以上のように本発明は、熱交換器の入口
室内に低温液体を導入するにあたり、その徐冷時には、
通常運転時よりも少ない流量で前記入口室内に低温液体
を散布する方法であり、またその散布を行う徐冷用供給
部を備えた装置であるので、当該徐冷の際に発生する温
度勾配を小さくして、熱応力の発生を有効に抑えること
ができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかるＬＮＧ蒸発
器の入口室構造を示す断面正面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】（ａ）（ｂ）は前記ＬＮＧ蒸発器における散布
部の具体的構造例を示す図である。
【図４】前記ＬＮＧ蒸発器へのＬＮＧ供給系統図であ
る。
【図５】本発明の第２の実施の形態にかかるＬＮＧ蒸発
器の入口室構造を示す断面正面図である。
【図６】本発明の実施例における熱電対及び歪みゲージ
の取付位置を示す断面正面図である。
【図７】低温液体用熱交換器の一例であるＬＮＧ蒸発器
を備えた中間媒体式気化器の全体構造を示す断面正面図
である。
【図８】従来のＬＮＧ蒸発器の入口室構造を示す断面図
である。
【図９】従来のＬＮＧ蒸発器における入口室の温度勾配
を示す図である。
【符号の説明】
Ｅ１ 中間媒体蒸発器 Ｅ２ ＬＮＧ蒸発器 ２０ 仕切り板 ２２ 入口室 ２４ 出口室 ２８ 通常運転用ＬＮＧ供給部 ３０ 徐冷用ＬＮＧ供給部 ３６ 散布部
フロントページの続き (72)発明者 上野 康弘 大阪市此花区酉島５丁目11番151号 大阪 瓦斯株式会社内 (72)発明者 寺田 進 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目３番１号 株式会社神戸製鋼所高砂製作所内 (72)発明者 中沖 耕造 東京都千代田区丸の内１丁目８番２号 株 式会社神戸製鋼所東京本社内 (72)発明者 杉野 国輝 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目３番１号 株式会社神戸製鋼所高砂製作所内 Ｆターム(参考） 3G081 BA12 BD01 DA22 3L103 AA08 BB30 CC18 DD08 DD43 DD44 DD63

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 低温液体が導入される入口室を備えた低
    温液体加温用の熱交換器を徐冷する方法であって、当該
    徐冷時には通常運転時よりも少ない流量で前記入口室内
    に低温液体を散布することを特徴とする熱交換器の徐冷
    方法。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の熱交換器の徐冷方法にお
    いて、前記入口室に通常運転用供給部と散布機能をもつ
    徐冷用供給部とを併設し、通常運転時には少なくとも前
    記通常運転供給部から入口室内に低温液体を供給し、徐
    冷時には前記徐冷用供給部からのみ入口室内に低温液体
    を供給することを特徴とする熱交換器の徐冷方法。
  3. 【請求項３】 低温液体が導入される入口室を備えた低
    温液体加温用の熱交換器を徐冷する装置であって、前記
    入口室に、当該入口室内に低温液体を散布する徐冷用供
    給部を設けたことを特徴とする熱交換器の徐冷装置。
  4. 【請求項４】 請求項３記載の熱交換器の徐冷装置にお
    いて、前記徐冷用供給部を、前記入口室内の複数個所か
    ら低温液体を散布するように構成したことを特徴とする
    熱交換器の徐冷装置。
  5. 【請求項５】 請求項３または４記載の熱交換器の徐冷
    装置において、前記徐冷用供給部を、その散布領域に前
    記入口室の上半部内壁の少なくとも一部が含まれるよう
    に設置したことを特徴とする熱交換器の徐冷装置。
  6. 【請求項６】 請求項３〜５のいずれかに記載の熱交換
    器の徐冷装置において、前記徐冷用供給部を、その散布
    領域に前記入口室における溶接個所が含まれるように設
    置したことを特徴とする熱交換器の徐冷装置。
  7. 【請求項７】 請求項３〜６のいずれかに記載の熱交換
    器の徐冷装置において、前記入口室に、前記徐冷用供給
    部と、この徐冷用供給部よりも大きな流量で低温液体を
    供給するための通常運転用供給部とを併設したことを特
    徴とする熱交換器の徐冷装置。
  8. 【請求項８】 請求項７記載の熱交換器の徐冷装置にお
    いて、共通の低温液体供給源から前記通常運転用供給部
    と徐冷用供給部とに分岐する供給通路を設けるととも
    に、前記徐冷用供給部に至る供給通路に前記通常運転用
    供給部に至る供給通路と独立して供給流量を変化させる
    ための流量可変手段を設けたことを特徴とする熱交換器
    の徐冷装置。
  9. 【請求項９】 請求項８記載の熱交換器の徐冷装置にお
    いて、前記流量可変手段が手動で遠隔操作されることに
    より低温液体の流量を変化させる遠隔調節弁であること
    を特徴とする熱交換器の徐冷装置。
  10. 【請求項１０】 請求項８記載の熱交換器の徐冷装置に
    おいて、前記流量可変手段が入口室内の温度を予め設定
    された目標温度に保つように低温液体の流量を調節する
    温度調節弁であることを特徴とする熱交換器の徐冷装
    置。
  11. 【請求項１１】 請求項３〜１０のいずれかに記載の熱
    交換器の徐冷装置において、前記入口室が仕切り部材を
    介して低温液体蒸発ガスの出口室と隣接していることを
    特徴とする熱交換器の徐冷装置。
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