JP2001255033A - Method for operating helium cooling system and method for generating power using helium cooling system and power generating system comprising helium cooling system - Google Patents

Method for operating helium cooling system and method for generating power using helium cooling system and power generating system comprising helium cooling system

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JP2001255033A
JP2001255033A JP2000064745A JP2000064745A JP2001255033A JP 2001255033 A JP2001255033 A JP 2001255033A JP 2000064745 A JP2000064745 A JP 2000064745A JP 2000064745 A JP2000064745 A JP 2000064745A JP 2001255033 A JP2001255033 A JP 2001255033A
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JP
Japan
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helium
pressure line
gas
cooling device
heat exchanger
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JP2000064745A
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Japanese (ja)
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Hidemi Hayashi
秀美 林
Tsuneo Sannomiya
庸生 三宮
Hidemasa Yamamura
秀政 山村
Hideo Nishida
英夫 西田
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Kyushu Electric Power Co Inc
Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kyushu Electric Power Co Inc
Kobe Steel Ltd
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Publication date
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    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To precool helium gas efficiently in a helium cooling system. SOLUTION: In the operating method for a helium cooling system 90 comprising a heat exchanger having a plurality of stages for exchanging heat between helium flowing through a high pressure line and helium flowing through a low pressure line, helium gas is preliminarily cooled in a high temperature side heat exchanger by exchanging heat with liquefied natural gas. A power generating system is constituted by providing a gas turbine generator 20 for combusting natural gas vaporized through heat exchange and converting it into electric energy. Furthermore, the helium cooling system 90 is connected with a superconducting energy storage unit 30 for storing liquid helium, and electric energy generated from the gas turbine generator 20 is stored in the superconducting energy storage unit 30.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、核融合、超電導エ
ネルギ貯蔵、加速器、NMR、リニアモータカー等に用
いられる超電導磁石などの冷却媒体であるヘリウムを冷
却するためのヘリウム冷却装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a helium cooling device for cooling helium, which is a cooling medium for superconducting magnets used in nuclear fusion, superconducting energy storage, accelerators, NMR, linear motor cars, and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、前記のようなヘリウム冷却装置と
して、例えば特公平6−10564号公報に記載されたもの
が知られている。この装置は、クライオスタット内の蒸
発ヘリウムガスを外部に導出する低圧ラインと、導出さ
れたヘリウムガスを圧縮する圧縮機と、その圧縮された
ヘリウムガスをクライオスタット側に供給するための高
圧ラインとを備えたものであり、この高圧ラインを流れ
るヘリウムは、複数段の熱交換器を収容した保冷箱内
で、液体窒素との熱交換により予備冷却され、かつ、前
記低圧ラインを流れる低温ヘリウムガスとの熱交換によ
っても冷却され、さらに膨張弁でジュール−トムソン膨
張して液化されてから前記クライオスタットに還元され
る。また、高圧ラインを流れるヘリウムガスの一部は膨
張タービンに導かれて仕事をし、これによりヘリウムの
冷却に必要な寒冷が生成される。
2. Description of the Related Art A conventional helium cooling device described in, for example, Japanese Patent Publication No. 6-10564 is known. This device includes a low-pressure line for leading the evaporated helium gas in the cryostat to the outside, a compressor for compressing the led-out helium gas, and a high-pressure line for supplying the compressed helium gas to the cryostat side. Helium flowing through the high-pressure line is precooled by heat exchange with liquid nitrogen in a cold box containing a plurality of stages of heat exchangers, and is mixed with low-temperature helium gas flowing through the low-pressure line. It is also cooled by heat exchange, is further expanded by Joule-Thomson with an expansion valve, is liquefied, and is then reduced to the cryostat. In addition, a part of the helium gas flowing through the high pressure line is guided to the expansion turbine to perform work, thereby generating the cold required for cooling the helium.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】前記従来方法及び装置
では、常温近傍領域でヘリウムガスを予備冷却するのに
液体窒素の冷熱を用いているので、ヘリウム冷却装置に
要求される冷凍能力が大きい場合には、これに見合う液
体窒素を補給するために液体窒素製造設備を付設しなけ
ればならず、その分設備故障が増え、また設置スペース
や設備投資が増えてしまう不都合がある。また、かかる
液体窒素製造設備に代えて80Kレベルの寒冷発生用タ
ービン膨張機を設けることも考えられるが、前記と同
様、設備スペース及び設備投資が増えることに変わりは
なく、また、飽和温度が安定している液体窒素を使用す
る場合よりも温度安定性が悪化するおそれもある。
In the conventional method and apparatus described above, since the cooling heat of liquid nitrogen is used for pre-cooling the helium gas in the vicinity of room temperature, the refrigeration capacity required for the helium cooling device is large. However, in order to supply liquid nitrogen corresponding to this, a liquid nitrogen production facility must be additionally provided, and there is an inconvenience that the equipment failure increases and the installation space and capital investment increase accordingly. It is also conceivable to provide a turbine expander for generating cold at 80 K level in place of such liquid nitrogen production equipment, but as in the above case, the equipment space and equipment investment will still increase, and the saturation temperature will be stable. Temperature stability may be worse than when using liquid nitrogen.

【0004】さらに、前記予備冷却で液体窒素が蒸発す
ることにより生じた窒素ガスは、そのまま大気に放出さ
れているのが現状であり、エネルギーの無駄が非常に多
いという課題がある。
[0004] Further, the nitrogen gas generated by the evaporation of liquid nitrogen during the precooling is currently discharged to the atmosphere as it is, and there is a problem that energy is wasted very much.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明者等は、前記課題
を解決するための手段として、液化天然ガスに着目し
た。この液化天然ガスは、液相のまま保管、輸送され、
使用時に海水等との熱交換によって強制的な蒸発操作を
受けて、常温の天然ガスとして提供されるものであり、
その蒸発時に発生した冷熱は、前記海水とともに無駄に
捨てられているのが現状である。
The present inventors have focused on liquefied natural gas as a means for solving the above-mentioned problems. This liquefied natural gas is stored and transported in the liquid phase,
During use, it is subjected to forced evaporation by heat exchange with seawater, etc., and is provided as natural gas at room temperature,
At present, the cold generated during the evaporation is wastefully discarded together with the seawater.

【0006】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、極低温容器内のヘリウムガスを当該容器の外
部に導出する低圧ラインと、この低圧ラインを通じて導
出されたヘリウムガスを圧縮する圧縮機と、この圧縮機
から吐出されたヘリウムガスを前記極低温容器内へ導入
するための高圧ラインと、この高圧ラインを流れるヘリ
ウムガスと前記低圧ラインを流れるヘリウムガスとの間
で熱交換を行わせる複数段の熱交換器と、ヘリウム冷却
用の寒冷を発生させる寒冷発生手段とを備え、冷却した
ヘリウムを前記極低温容器内に還元するヘリウム冷却装
置を運転する方法において、前記圧縮機から吐出される
高圧ラインのヘリウムガスを最高温側の熱交換器で液化
天然ガスと熱交換させることにより予備冷却するととも
に、この熱交換によって気化した天然ガスを回収するも
のである。
The present invention has been made in view of such circumstances, and has a low-pressure line for leading helium gas in a cryogenic container to the outside of the container, and a compression for compressing the helium gas led through the low-pressure line. And a high-pressure line for introducing helium gas discharged from the compressor into the cryogenic vessel, and perform heat exchange between the helium gas flowing through the high-pressure line and the helium gas flowing through the low-pressure line. A helium cooling device for reducing the cooled helium into the cryogenic vessel, comprising a plurality of stages of heat exchangers to be cooled, and a cold generating means for generating cold for helium cooling. Helium gas in the high-pressure line is pre-cooled by exchanging heat with liquefied natural gas in the heat exchanger on the highest temperature side. It is intended to recover the natural gas vaporized me.

【0007】この方法では、最高温側熱交換器における
液化天然ガスとヘリウムガスとの熱交換により予備冷却
が行われるので、この液化天然ガスを蒸発させて天然ガ
スを生成するという需要と、圧縮機から吐出されるヘリ
ウムガスを冷却してヘリウムガスを予備冷却するという
需要の双方を同時に満たすことができる。従って、従来
のようにヘリウムガスの予備冷却のみを目的として窒素
を液化し、かつ、予冷後に生じた窒素ガスをそのまま大
気に放出する方法及び装置に比べ、無駄に放出されるエ
ネルギーがきわめて少なくなり、運転効率を飛躍的に高
めることができる。
In this method, since pre-cooling is performed by heat exchange between liquefied natural gas and helium gas in the highest temperature heat exchanger, there is a demand for evaporating the liquefied natural gas to produce natural gas, and a need for compression. The demand for pre-cooling the helium gas by cooling the helium gas discharged from the machine can be simultaneously satisfied. Therefore, compared with the conventional method and apparatus for liquefying nitrogen only for the purpose of pre-cooling helium gas and discharging the nitrogen gas generated after pre-cooling as it is to the atmosphere, the amount of wastefully released energy is extremely reduced. In addition, the driving efficiency can be dramatically improved.

【0008】前記ヘリウムの予備冷却により生じた天然
ガスは、例えば都市ガスとして各家庭などに提供するこ
とも可能であるが、当該天然ガスを燃焼させてそのエネ
ルギーをガスタービン等により機械エネルギーさらには
電気エネルギーに変換することにより、効率の高い発電
システムを構築することができる。本発明は、かかる発
電システム及び発電方法でもあり、例えばガスタービン
発電機の具備により、前記圧縮機から吐出される高圧ラ
インのヘリウムガスを最高温側の熱交換器で液化天然ガ
スと熱交換させることにより予備冷却し、この熱交換に
よって気化した天然ガスを燃焼させてそのエネルギーを
電気エネルギーに変換するものである。
The natural gas generated by the pre-cooling of helium can be provided to each household or the like as, for example, city gas. However, the natural gas is burned and its energy is converted into mechanical energy by a gas turbine or the like. By converting to electric energy, a highly efficient power generation system can be constructed. The present invention is also such a power generation system and a power generation method. For example, by providing a gas turbine generator, helium gas in a high pressure line discharged from the compressor is heat-exchanged with liquefied natural gas by a heat exchanger on the highest temperature side. In this way, the pre-cooling is performed, and natural gas vaporized by the heat exchange is burned to convert the energy into electric energy.

【0009】このシステムによって生成した電気エネル
ギーは、ヘリウム冷却設備その他の設備の電源として利
用することが可能である。また、前記ヘリウム冷却装置
に前記極低温容器として液体ヘリウムにより超電導磁石
を保冷する超電導エネルギー貯蔵装置を接続するととも
に、この超電導エネルギー貯蔵装置に前記電気エネルギ
ーを蓄えるようにすることにより、電力負荷変動を効率
良く内部吸収できる理想的なエネルギーシステムを実現
することができる。
The electric energy generated by this system can be used as a power source for helium cooling equipment and other equipment. In addition, a superconducting energy storage device that keeps a superconducting magnet cooled with liquid helium is connected to the helium cooling device as the cryogenic container, and the electric energy is stored in the superconducting energy storage device. An ideal energy system that can be efficiently absorbed inside can be realized.

【0010】具体的には、前記発電システムにおいて、
前記極低温容器として前記ヘリウム冷却装置に接続さ
れ、液体ヘリウムにより超電導磁石を保冷してこの超電
導磁石により電磁エネルギーを蓄える超電導エネルギー
貯蔵装置と、前記ガスタービン発電機で生成された電気
エネルギーを前記超電導エネルギー貯蔵装置に供給する
ための電力供給ラインとを備え、その供給された電気エ
ネルギーが前記超電導エネルギー貯蔵装置で蓄えられる
ようにすればよい。
[0010] Specifically, in the power generation system,
A superconducting energy storage device that is connected to the helium cooling device as the cryogenic container, cools a superconducting magnet with liquid helium, and stores electromagnetic energy with the superconducting magnet, and converts the electric energy generated by the gas turbine generator into the superconducting energy. An electric power supply line for supplying to the energy storage device may be provided, and the supplied electric energy may be stored in the superconducting energy storage device.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0012】図1に示すヘリウム冷却装置は、圧縮機C
Pを備え、その吐出側が高圧ライン91を介して、吸入
側が低圧ライン92を介して、それぞれクライオスタッ
ト(極低温容器)80内に接続されている。両ライン9
1,92は保冷箱95内を通っており、この保冷箱95
内には、高圧ラインを通るヘリウムガスと低圧ラインを
通るヘリウムガスとを熱交換させる複数段の熱交換器9
4A,94B,94C,94D,94E,94Fが収容
されている。
The helium cooling device shown in FIG.
P is connected to a cryostat (cryogenic vessel) 80 on the discharge side via a high-pressure line 91 and on the suction side via a low-pressure line 92. Both lines 9
Numerals 1 and 92 pass through the cool box 95.
Inside, a multi-stage heat exchanger 9 for exchanging heat between helium gas passing through the high pressure line and helium gas passing through the low pressure line.
4A, 94B, 94C, 94D, 94E and 94F are accommodated.

【0013】ヘリウム冷却のための寒冷発生手段として
は、高温側から2段目の熱交換器94Bと3段目の熱交
換器94Cの間の高圧ライン91と、低温側から2段目
の熱交換器94Eと最低温側熱交換器94Fとの間の低
圧ライン92とをつなぐ寒冷発生通路97が設けられ、
この寒冷発生通路97が熱交換器94Dを通過するとと
もに、その上流側と下流側とにそれぞれ寒冷発生用の膨
張機(例えば膨張タービン)98A,98Bが設けられ
ている。また、最低温側熱交換器94Fよりも下流側の
高圧ライン91には、ヘリウム液化用の膨張弁96が設
けられている。
The cold generating means for helium cooling includes a high-pressure line 91 between the second-stage heat exchanger 94B and the third-stage heat exchanger 94C from the high-temperature side, and a second-stage heat exchanger from the low-temperature side. A cold generation passage 97 connecting the low-pressure line 92 between the heat exchanger 94E and the lowest-temperature-side heat exchanger 94F;
The cold generation passage 97 passes through the heat exchanger 94D, and has cold generation expanders (for example, expansion turbines) 98A and 98B on its upstream side and downstream side, respectively. Further, an expansion valve 96 for liquefying helium is provided in the high-pressure line 91 downstream of the lowest-temperature-side heat exchanger 94F.

【0014】この装置において、クライオスタット80
内で蒸発したヘリウムガスは、低温ライン92を通って
圧縮機CPに吸い込まれ、圧縮されて、高圧ライン91
を通じてクライオスタット80側に吐出される。この吐
出された高圧ヘリウムガスは、熱交換器94A〜94E
で低圧ライン92側のヘリウムガスと熱交換して冷却さ
れ、さらに膨張弁96でジュール−トムソン膨張して液
化された後にクライオスタット80に還元される。ま
た、高圧ライン91を流れるヘリウムガスの一部は、寒
冷発生通路97に分流して膨張機98A,98Bで仕事
をしてから低圧ライン92に戻され、これによりクライ
オスタット80内の冷却に必要な寒冷が生成される。
In this apparatus, a cryostat 80 is used.
The helium gas evaporated inside is sucked into the compressor CP through the low-temperature line 92, compressed, and
Is discharged to the cryostat 80 side. The discharged high-pressure helium gas is supplied to the heat exchangers 94A to 94E.
Is cooled by exchanging heat with the helium gas on the low pressure line 92 side, further expanded by Joule-Thomson by the expansion valve 96, liquefied, and then reduced to the cryostat 80. A part of the helium gas flowing through the high-pressure line 91 is diverted to the cold generation passage 97 and works with the expanders 98A and 98B, and then returned to the low-pressure line 92, thereby being necessary for cooling the inside of the cryostat 80. Cold is generated.

【0015】さらに、この装置の特徴として、最高温側
の熱交換器94Aは、ヘリウムガス予備冷却用低温液体
として液化天然ガスを通過させるための液化天然ガス供
給ライン10を有する予備冷却用熱交換器とされてお
り、この熱交換器94Aにおいて、圧縮機CPから吐出
される高圧ヘリウムガスと前記液化天然ガスとが熱交換
することにより前記ヘリウムガスが予備冷却されるよう
に、当該熱交換器94Aの仕様設計がなされている。
Further, as a feature of this apparatus, the heat exchanger 94A on the highest temperature side is provided with a liquefied natural gas supply line 10 for passing liquefied natural gas as a helium gas pre-cooling cryogenic liquid, and has a pre-cooling heat exchange line. In the heat exchanger 94A, the helium gas is pre-cooled by exchanging heat between the high-pressure helium gas discharged from the compressor CP and the liquefied natural gas. The 94A specification is designed.

【0016】このように、常温ヘリウムガスと熱交換さ
れる予備冷却用低温液体として液化天然ガスを用いる構
成にすれば、当該ヘリウムガスの予備冷却と、従来は海
水の温熱を利用して行われていた液化天然ガスから天然
ガスへの蒸発操作とを同時に達成することができる。
As described above, if liquefied natural gas is used as the pre-cooling low-temperature liquid that is heat-exchanged with room-temperature helium gas, pre-cooling of the helium gas and conventionally using the heat of seawater are performed. The operation of evaporating liquefied natural gas to natural gas can be achieved at the same time.

【0017】そして、この蒸発操作によって気化した天
然ガスを回収することにより、当該天然ガスをそのまま
都市ガスとして各家庭等に提供することも可能である
し、この天然ガスの保有するエネルギーを電気エネルギ
ーに変換することにより、効率の高い自己発電をするこ
とも可能になる。その発電システムの一例を図2に示
す。
Then, by recovering the natural gas vaporized by the evaporation operation, the natural gas can be directly provided to each household or the like as city gas, and the energy possessed by the natural gas can be used as electric energy. By converting to, self-generation with high efficiency can be performed. FIG. 2 shows an example of the power generation system.

【0018】図において、ヘリウム冷却装置90の熱交
換器94Aで蒸発した天然ガス(NG)は、ガス供給ラ
イン12を通じて圧縮機14に送られ、圧縮された状態
でガス供給ライン16を通じてガスタービン発電機20
に供給される。
In the figure, natural gas (NG) evaporated in a heat exchanger 94 A of a helium cooling device 90 is sent to a compressor 14 through a gas supply line 12, and compressed by a gas turbine generator through a gas supply line 16. Machine 20
Supplied to

【0019】このガスタービン発電機20は、エアコン
プレッサ21、ガスタービン22、発電機23、及び燃
焼器25を備えている。エアコンプレッサ21とガスタ
ービン22とは、互いに同期回転するように回転軸を介
して連結され、ガスタービン22の回転エネルギーが発
電機23で電気エネルギーに変換されるようになってい
る。
The gas turbine generator 20 includes an air compressor 21, a gas turbine 22, a generator 23, and a combustor 25. The air compressor 21 and the gas turbine 22 are connected via a rotating shaft so as to rotate synchronously with each other, and the rotational energy of the gas turbine 22 is converted into electric energy by the generator 23.

【0020】このガスタービン発電機20において、圧
縮機14からガス供給ライン16を経て燃焼器25内に
導入された天然ガスは、エアコンプレッサ21から同じ
く燃焼器25内に導入される圧縮エアと混合され、同燃
焼器25内で燃焼する。そのエネルギーは、ガスタービ
ン22によって機械エネルギー(タービン回転エネルギ
ー)に変換され、さらに発電機23で電気エネルギーに
変換されて出力される。
In this gas turbine generator 20, natural gas introduced into the combustor 25 from the compressor 14 via the gas supply line 16 is mixed with compressed air also introduced from the air compressor 21 into the combustor 25. And is burned in the combustor 25. The energy is converted into mechanical energy (turbine rotation energy) by the gas turbine 22 and further converted into electric energy by the generator 23 and output.

【0021】この生成した電気エネルギーは、発電所や
都市ガス供給基地での所内電力に有効利用することも可
能であるし、前記ヘリウム冷却装置90と有機的に結合
させて自己発電型の発電システムを構築することも可能
である。その一例を図3に示す。
The generated electric energy can be effectively used for electric power in a power station or a city gas supply base, or can be organically coupled to the helium cooling device 90 to generate a self-power generation type power generation system. It is also possible to construct An example is shown in FIG.

【0022】図において、ヘリウム冷却装置90には、
前記極低温容器として超電導エネルギー貯蔵装置30が
接続されている。この超電導エネルギー貯蔵装置30
は、ヘリウム冷却装置90により生成された液体ヘリウ
ムを貯留するヘリウム容器と、その液体ヘリウムに浸漬
されて保冷される超電導コイルとを備え、この超電導コ
イルに永久電流を閉じ込めて電気エネルギーを貯蔵する
ものであり、前記ヘリウム冷却装置90の高圧ライン9
1から液体ヘリウム供給管32を通じて液体ヘリウムの
供給を受けるとともに、超電導エネルギー貯蔵装置30
内のヘリウムガスがガス回収管34を通じて前記ヘリウ
ム冷却装置90内の低圧ライン92に回収されるように
なっている。
In the figure, a helium cooling device 90 includes:
A superconducting energy storage device 30 is connected as the cryogenic container. This superconducting energy storage device 30
Is provided with a helium container for storing liquid helium generated by the helium cooling device 90, and a superconducting coil immersed in the liquid helium and kept cool, and stores electric energy by confining a permanent current in the superconducting coil. And the high-pressure line 9 of the helium cooling device 90
1 through the liquid helium supply pipe 32 to supply the liquid helium and the superconducting energy storage device 30
The helium gas inside the helium cooling device 90 is recovered through the gas recovery pipe 34 to the low pressure line 92.

【0023】この超電導エネルギー貯蔵装置30内の超
電導コイルには、電力ライン36,37が接続されてい
る。電力ライン36は、前記ガスタービン発電機20の
電力出力部に至っており、この電力ライン36の途中に
同ライン36を適宜遮断する開閉スイッチS1が設けら
れている。また、前記ヘリウム冷却装置90を含む設備
の電力回路40の電力入力部には、電力ライン38を通
じて切換スイッチS2が接続されており、この切換スイ
ッチS2の切換動作により、前記電力ライン38が前記
電力ライン37に接続される状態と、同電力ライン38
が前記ガスタービン発電機20の電力出力部に接続され
る状態とに切換えられるようになっている。また、前記
電力供給ライン36には、電力ライン39を介して電力
回路40の電力出力部が接続され、この電力ライン39
にも開閉スイッチS3が設けられている。
Power lines 36 and 37 are connected to a superconducting coil in the superconducting energy storage device 30. The power line 36 reaches the power output section of the gas turbine generator 20, and an open / close switch S1 for appropriately shutting off the power line 36 is provided in the middle of the power line 36. A changeover switch S2 is connected to a power input portion of a power circuit 40 of the facility including the helium cooling device 90 through a power line 38. By the changeover operation of the changeover switch S2, the power line 38 The state connected to the line 37 and the power line 38
Is switched to a state of being connected to the power output unit of the gas turbine generator 20. The power supply line 36 is connected to a power output section of a power circuit 40 via a power line 39.
Is also provided with an open / close switch S3.

【0024】このシステムによれば、開閉スイッチS1
を閉じて、ガスタービン発電機20で生成された電気エ
ネルギーを電力ライン36を通じて超電導エネルギー貯
蔵装置30に供給することにより、当該電気エネルギー
を超電導エネルギー貯蔵装置30に貯蔵することができ
る。また、電力回路40で余剰電力が発生した場合に
も、開閉スイッチS3を閉じて前記余剰電力を電力ライ
ン39,36を通じて前記超電導エネルギー貯蔵装置3
0に供給することにより、同装置30に貯蔵することが
できる。逆に、開閉スイッチS1,S3を開いた状態
で、切換スイッチS2を適宜操作することにより、ガス
タービン発電機20の出力電力や超電導エネルギー貯蔵
装置30の出力電力をライン38を通じて電力回路40
に給電することができる。
According to this system, the open / close switch S1
Is closed, and the electric energy generated by the gas turbine generator 20 is supplied to the superconducting energy storage device 30 through the power line 36, whereby the electric energy can be stored in the superconducting energy storage device 30. Further, even when surplus power is generated in the power circuit 40, the switch S3 is closed and the surplus power is transferred to the superconducting energy storage device 3 through power lines 39 and 36.
By supplying it to 0, it can be stored in the same device 30. Conversely, by appropriately operating the changeover switch S2 with the open / close switches S1 and S3 open, the output power of the gas turbine generator 20 and the output power of the superconducting energy storage device 30 are transmitted through the line 38 to the power circuit 40.
Can be powered.

【0025】[0025]

【実施例】4.5Kで100kWの冷却能力を有する従来のヘリ
ウム冷却装置(予備冷却用媒体に液体窒素を用いる装
置)の場合、定常冷却及び初期冷却の双方を考慮すると
最大約60000L/h(13.3kg/s)の液体窒素供給量が必
要となる。これだけの液体窒素が有する冷凍能力Qは、
当該液体窒素の大気圧下における77Kでのエンタルピを
29.397kJ/kg、常温300Kでのエンタルピを462.145kJ/k
gとすると、 Q=13.3*(462.145−29.397)=5775.5kW となる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the case of a conventional helium cooling device (a device using liquid nitrogen as a pre-cooling medium) having a cooling capacity of 100 kW at 4.5 K, a maximum of approximately 60,000 L / h (13.3 kg / s) of liquid nitrogen supply. The refrigeration capacity Q of such liquid nitrogen is
The enthalpy of the liquid nitrogen at 77K under atmospheric pressure
29.397kJ / kg, enthalpy at room temperature 300K 462.145kJ / k
Assuming g, Q = 13.3 * (462.145−29.397) = 5775.5kW.

【0026】一方、液化天然ガスを用いる本発明におい
て、前記冷凍能力Qに見合う液化天然ガスの必要供給量
Gは、当該液化天然ガスの温度を113K、当該温度113K
から常温300Kまでのエンタルピ落差を48kJ/kgとする
と、次のようになる。
On the other hand, in the present invention using liquefied natural gas, the required supply amount G of liquefied natural gas corresponding to the refrigerating capacity Q is such that the temperature of the liquefied natural gas is 113K and the temperature is 113K.
Assuming that the enthalpy head from the temperature to 300K at normal temperature is 48kJ / kg,

【0027】G=5775.5*[(300−113)/(300−77)]/48
=100kg/s=360ton/h 従って、前記液化天然ガスの供給により、液体ヘリウム
の冷却と並行して毎時360トンの天然ガスを生産するこ
とができる。
G = 5775.5 * [(300-113) / (300-77)] / 48
= 100 kg / s = 360 ton / h Therefore, by supplying the liquefied natural gas, it is possible to produce 360 tonnes of natural gas per hour in parallel with the cooling of the liquid helium.

【0028】この天然ガス1トンあたりの標準状態にお
ける体積は約1250Nm3であり、低発熱量は9950kcal/Nm3
である。この条件で、天然ガスをタービン用燃料ガスと
して使用した場合の発電量Wgは、タービン効率を30%
とすると、 Wg=360*1250*9950*0.3/860=1562MW となる。ここで、定常運転時における液化天然ガスの冷
熱利用は、超電導エネルギー貯蔵装置の液化冷凍負荷に
もよるが、おおよそ前記発電量Wgの10〜50%であるの
で、当該定常運転時での発電量は156〜781MWとなる。従
って、例えば超電導エネルギー貯蔵装置のエネルギー貯
蔵量を100MWh、発電量を156MWとすると、当該貯蔵装置
は約40分間、全発生電力を吸収できることになる。
The volume in standard state per the natural gas 1 ton is about 1250 nm 3, low calorific value 9950kcal / Nm 3
It is. Under this condition, the amount of power generation Wg when natural gas is used as the fuel gas for the turbine is 30% for the turbine efficiency.
Then, Wg = 360 * 1250 * 9950 * 0.3 / 860 = 1562MW. Here, the cold energy utilization of the liquefied natural gas during the steady operation depends on the liquefaction refrigeration load of the superconducting energy storage device, but is approximately 10 to 50% of the power generation Wg. Is 156 to 781 MW. Therefore, for example, when the energy storage amount of the superconducting energy storage device is 100 MWh and the power generation amount is 156 MW, the storage device can absorb the entire generated power for about 40 minutes.

【0029】すなわち、前記図3に示したシステムによ
れば、電気の負荷変動及び液化天然ガスの余剰冷熱を有
効に利用することができる。
That is, according to the system shown in FIG. 3, it is possible to effectively use the fluctuation of the electric load and the excess cooling energy of the liquefied natural gas.

【0030】[0030]

【発明の効果】以上のように本発明は、ヘリウム冷却装
置の最高温側熱交換器でヘリウムガスと液化天然ガスと
を熱交換することにより当該ヘリウムガスを予備冷却す
るようにしたものであるので、当該ヘリウムガスの予備
冷却と天然ガスの生成との双方の需要を同時に満たして
効率の高いヘリウム冷却を行うことができる。そして、
得られた天然ガスを燃焼させてそのエネルギーを電気エ
ネルギーに返還することにより、合理的で効率の高い発
電システムを構築することができる効果がある。
As described above, in the present invention, the helium gas is pre-cooled by exchanging heat between the helium gas and the liquefied natural gas in the highest-temperature heat exchanger of the helium cooling device. Therefore, the helium cooling with high efficiency can be performed by simultaneously satisfying both the demands for the preliminary cooling of the helium gas and the generation of the natural gas. And
By burning the obtained natural gas and returning the energy to electric energy, there is an effect that a rational and efficient power generation system can be constructed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態にかかるヘリウム冷却装置
を示すフローシートである。
FIG. 1 is a flow sheet showing a helium cooling device according to an embodiment of the present invention.

【図2】前記ヘリウム冷却装置に付設されるガスタービ
ン発電機を示すフローシートである。
FIG. 2 is a flow sheet showing a gas turbine generator attached to the helium cooling device.

【図3】前記ヘリウム冷却装置、ガスタービン発電機、
及び超電導エネルギー貯蔵装置により構築される発電シ
ステムを示す構成図である。
FIG. 3 shows the helium cooling device, a gas turbine generator,
1 is a configuration diagram illustrating a power generation system constructed by a superconducting energy storage device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 液化天然ガス供給ライン 20 ガスタービン発電機 30 超電導エネルギー貯蔵装置 40 電力回路 90 ヘリウム冷却装置 91 高圧ライン 92 低圧ライン 94A 熱交換器(予備冷却用熱交換器) 94B〜94F 熱交換器 98A,98B 膨張タービン DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Liquefied natural gas supply line 20 Gas turbine generator 30 Superconducting energy storage device 40 Power circuit 90 Helium cooling device 91 High pressure line 92 Low pressure line 94A Heat exchanger (heat exchanger for preliminary cooling) 94B-94F Heat exchanger 98A, 98B Expansion turbine

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三宮 庸生 福岡市南区塩原二丁目1番47号 九州電力 株式会社総合研究所内 (72)発明者 山村 秀政 大阪市中央区備後町4丁目1番3号 株式 会社神戸製鋼所大阪支社内 (72)発明者 西田 英夫 大阪市中央区備後町4丁目1番3号 株式 会社神戸製鋼所大阪支社内 Fターム(参考) 4D047 AA03 BA03 BA10 CA07 DA17 DB05  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Yosei Sannomiya 2-1-147 Shiobara, Minami-ku, Fukuoka Kyushu Electric Power Co., Inc. (72) Inventor Hidemasa Yamamura 4-3-1 Bigocho, Chuo-ku, Osaka-shi No. Kobe Steel, Ltd. Osaka Branch Office (72) Inventor Hideo Nishida 4-1-1, Bingo-cho, Chuo-ku, Osaka City Kobe Steel Ltd. Osaka Branch Office F-term (reference) 4D047 AA03 BA03 BA10 CA07 DA17 DB05

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 極低温容器内のヘリウムガスを当該容器
の外部に導出する低圧ラインと、この低圧ラインを通じ
て導出されたヘリウムガスを圧縮する圧縮機と、この圧
縮機から吐出されたヘリウムガスを前記極低温容器内へ
導入するための高圧ラインと、この高圧ラインを流れる
ヘリウムガスと前記低圧ラインを流れるヘリウムガスと
の間で熱交換を行わせる複数段の熱交換器と、ヘリウム
冷却用の寒冷を発生させる寒冷発生手段とを備え、冷却
したヘリウムを前記極低温容器内に還元するヘリウム冷
却装置を運転する方法において、前記圧縮機から吐出さ
れる高圧ラインのヘリウムガスを最高温側の熱交換器で
液化天然ガスと熱交換させることにより予備冷却すると
ともに、この熱交換によって気化した天然ガスを回収す
ることを特徴とするヘリウム冷却装置の運転方法。
1. A low-pressure line for leading helium gas in a cryogenic container to the outside of the container, a compressor for compressing the helium gas led through the low-pressure line, and a helium gas discharged from the compressor. A high-pressure line for introduction into the cryogenic vessel, a multi-stage heat exchanger for performing heat exchange between the helium gas flowing through the high-pressure line and the helium gas flowing through the low-pressure line, A method for operating a helium cooling device for reducing cold helium into the cryogenic vessel, wherein the helium gas discharged from the compressor is heated to the highest temperature side. Pre-cooling is performed by exchanging heat with liquefied natural gas in an exchanger, and natural gas vaporized by this heat exchange is recovered. How to operate the helium cooling device.
【請求項2】 極低温容器内のヘリウムガスを当該容器
の外部に導出する低圧ラインと、この低圧ラインを通じ
て導出されたヘリウムガスを圧縮する圧縮機と、この圧
縮機から吐出されたヘリウムガスを前記極低温容器内へ
導入するための高圧ラインと、この高圧ラインを流れる
ヘリウムガスと前記低圧ラインを流れるヘリウムガスと
の間で熱交換を行わせる複数段の熱交換器と、ヘリウム
冷却用の寒冷を発生させる寒冷発生手段とを備え、冷却
したヘリウムを前記極低温容器内に還元するヘリウム冷
却装置を用いて発電を行う方法において、前記圧縮機か
ら吐出される高圧ラインのヘリウムガスを最高温側の熱
交換器で液化天然ガスと熱交換させることにより予備冷
却し、この熱交換によって気化した天然ガスを燃焼させ
てそのエネルギーを電気エネルギーに変換することを特
徴とするヘリウム冷却装置を用いた発電方法。
2. A low-pressure line for leading helium gas in a cryogenic container to the outside of the container, a compressor for compressing the helium gas led through the low-pressure line, and a helium gas discharged from the compressor. A high-pressure line for introduction into the cryogenic vessel, a multi-stage heat exchanger for performing heat exchange between the helium gas flowing through the high-pressure line and the helium gas flowing through the low-pressure line, A helium cooling device for reducing the cooled helium into the cryogenic vessel, wherein the helium gas in the high pressure line discharged from the compressor is heated to the highest temperature. Pre-cooling is performed by exchanging heat with liquefied natural gas in the heat exchanger on the side, and natural gas vaporized by this heat exchange is burned and its energy is A power generation method using a helium cooling device, which converts the energy into electric energy.
【請求項3】 請求項2記載のヘリウム冷却装置を用い
た発電方法において、前記極低温容器として、液体ヘリ
ウムにより超電導磁石を保冷してこの超電導磁石により
電磁エネルギーを蓄える超電導エネルギー貯蔵装置を前
記ヘリウム冷却装置に接続し、前記天然ガスから得た電
気エネルギーの少なくとも一部を前記超電導エネルギー
貯蔵装置に蓄えることを特徴とするヘリウム冷却装置を
用いた発電方法。
3. The power generation method using a helium cooling device according to claim 2, wherein the cryogenic vessel is a helium storage device that cools a superconducting magnet with liquid helium and stores electromagnetic energy with the superconducting magnet. A power generation method using a helium cooling device, wherein the helium cooling device is connected to a cooling device and stores at least a part of electric energy obtained from the natural gas in the superconducting energy storage device.
【請求項4】 極低温容器内のヘリウムガスを当該容器
の外部に導出する低圧ラインと、この低圧ラインを通じ
て導出されたヘリウムガスを圧縮する圧縮機と、この圧
縮機から吐出されたヘリウムガスを前記極低温容器内へ
導入するための高圧ラインと、この高圧ラインを流れる
ヘリウムガスと前記低圧ラインを流れるヘリウムガスと
の間で熱交換を行わせる複数段の熱交換器と、ヘリウム
冷却用の寒冷を発生させる寒冷発生手段とを備え、冷却
したヘリウムを前記極低温容器内に還元するヘリウム冷
却装置において、前記熱交換器のうちの最高温側の熱交
換器は、前記圧縮機から吐出されるヘリウムガスを液化
天然ガスと熱交換させる予備冷却用熱交換器であり、か
つ、その予備冷却用熱交換器での熱交換で気化した天然
ガスを燃焼させてそのエネルギーを電気エネルギーに変
換するガスタービン発電機を備えていることを特徴とす
るヘリウム冷却装置を含む発電システム。
4. A low-pressure line for leading helium gas in a cryogenic container to the outside of the container, a compressor for compressing the helium gas led through the low-pressure line, and a helium gas discharged from the compressor. A high-pressure line for introduction into the cryogenic vessel, a multi-stage heat exchanger for performing heat exchange between the helium gas flowing through the high-pressure line and the helium gas flowing through the low-pressure line, A helium cooling device that includes cold generation means for generating cold and reduces cooled helium into the cryogenic vessel, wherein the heat exchanger on the highest temperature side of the heat exchanger is discharged from the compressor. Is a pre-cooling heat exchanger for exchanging helium gas with liquefied natural gas, and the natural gas that has been vaporized by heat exchange in the pre-cooling heat exchanger is burned. A power generation system including a helium cooling device, comprising: a gas turbine generator that converts energy of the air into electric energy.
【請求項5】 請求項4記載のヘリウム冷却装置を含む
発電システムにおいて、前記極低温容器として前記ヘリ
ウム冷却装置に接続され、液体ヘリウムにより超電導磁
石を保冷してこの超電導磁石により電磁エネルギーを蓄
える超電導エネルギー貯蔵装置と、前記ガスタービン発
電機で生成された電気エネルギーを前記超電導エネルギ
ー貯蔵装置に供給するための電力ラインとを備え、その
供給された電気エネルギーが前記超電導エネルギー貯蔵
装置で蓄えられることを特徴とするヘリウム冷却装置を
含む発電システム。
5. A superconducting power generation system including a helium cooling device according to claim 4, wherein the cryogenic container is connected to the helium cooling device, and a superconducting magnet is kept cool by liquid helium and electromagnetic energy is stored by the superconducting magnet. An energy storage device, and a power line for supplying electric energy generated by the gas turbine generator to the superconducting energy storage device, wherein the supplied electric energy is stored in the superconducting energy storage device. A power generation system including a helium cooling device.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103033024A (en) * 2011-12-12 2013-04-10 摩尔动力(北京)技术股份有限公司 Air energy distributing type energy supply system
CN114909871A (en) * 2022-04-22 2022-08-16 湖南大学 Method and device for preparing liquid hydrogen by offshore off-grid superconducting wind power

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