JP2009180101A - エネルギー回収機能を備えた減圧設備 - Google Patents

Abstract

【課題】高効率のエネルギー回収が可能でかつ安全で実効性のあるエネルギー回収機能を備えた減圧設備を提供する。
【解決手段】燃料ガス供給系統に設置され、一次側からの燃料ガスを膨張させて減圧する膨張タービン１と、膨張タービン１に燃料ガスを導入する入側配管に設けられ膨張タービン１に導入される燃料ガスを加熱する前加熱器３と、膨張タービン１の出側配管に設けられ膨張タービン１から排出される燃料ガスを加熱する後加熱器５と、燃料駆動の原動機７と、ランキンサイクル９と、原動機７の排熱を前加熱器３の加熱源としておよびランキンサイクル９の高温熱源としてそれぞれに任意の比率で分配して供給する排熱分配供給装置１１と、膨張タービン１、原動機７、ランキンサイクル９それぞれによって駆動される発電機を備え、ランキンサイクル９の排熱を後加熱器５の熱源として利用する。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料ガスのパイプラインなどに設置され、一次側の供給ガス圧力を減圧する減圧設備に関し、特にエネルギー回収機能を備えた減圧設備に関する。

都市ガス等の燃料ガスパイプラインでは搬送効率を高めるためにガス圧力を高圧で送出し、需要地の近くにおいてガバナステーション(減圧設備)で減圧して需要家に供給している。この送出する圧力は高圧化の傾向にある。
減圧を減圧弁のみで行うとすれば、その圧力エネルギーが有効に活用されず、エネルギーが無駄になる。
そこで、圧力エネルギーを有効に回収するため、減圧工程を膨張タービンで行なうことによって動力回収することで圧力エネルギーを有効に活用する提案がなされている。

減圧に伴う圧力エネルギーの有効利用に関し、例えば、特開２００１−２４１３０４号公報（特許文献１）においては、ガスタービンと、燃料ガスを作動流体とする膨張夕ービンと、これらのタービンで駆動される発電機と、前記ガスタービンからの排熱を回収し該排熱を用いて前記膨張タービンに流入する燃料ガスを加温する排熱回収／ガス加温器とを備えてなることを特徴とするガス圧力エネルギーを利用した複合発電システムが提案されている。

また、特開平７−２１７８００号公報（特許文献２）には、一次側の圧力を減圧して予め定める二次側圧力に整圧するガバナと、ガバナと並列に一次側からの都市ガスを膨張させて二次側圧力に減圧する膨張タービンと、膨張タービンが安定に動作可能な範囲内に予め定める変化率以下で追従させて、膨張タービンに流すように制御する流量制御手段とを備え、さらに膨張タービンに供給する都市ガスを熱交換によって加熱する前加熱手段と、膨張タービンから排出される都市ガスを熱交換によって加熱する後加熱手段とを含むエネルギー回収装置付き都市ガス整圧装置が提案されている。
特開２００１−２４１３０４号公報 特開平７−２１７８００号公報

特許文献１に記載のものは、膨張タービンによって動力回収すると共に、ガスタービンからの排熱を用いて膨張タービンに流入する燃料ガスを加温することでガスタービンの排熱からのエネルギー回収を行い、さらに膨張タービンからの冷熱によってガスタービンへ流入される吸気を冷却することで冷熱の利用を行なっている。
しかしながら、数百度レベルの高温のガスタービン排熱を全て使って常温レベルの燃料ガスを加温することは有効エネルギーの損失にもなるためトータルとしてのエネルギー回収効率としては十分とは言い難い。また、都市ガス主成分であるメタンの発火温度は537℃であり、発火温度レベルである高温のガスタービン排熱の全てを熱源とすることは安全面でも問題となる。

また、特許文献２においては、膨張タービンに供給する都市ガスを熱交換によって加熱する前加熱手段と、膨張タービンから排出される都市ガスを熱交換によって加熱する後加熱手段とを設けるとしている。
そして、前加熱手段の熱原としては、各種工業プラントからの排熱やコージェネレーションシステムなどからの発生熱を用いるとしている。
また、後加熱手段では冷水を冷却して冷房などの冷熱として利用できるとしている。
しかしながら、加熱手段の熱源として、各種工業プラントやコージェネレーションシステムや冷房設備を用いる場合、これら熱源がガバナステーションに隣接していることが必須となるが、一般にそのようなケースは少ないと考えられ実効性に乏しいと言わざるを得ない。さらに、ガバナステーションとは独立したこれらの熱源を使用するので、相互の運転状態によっては常に十分な熱量が得られるとは限らず、膨張タービンの運用が不安定とならざるを得ない。

本発明は係る課題を解決するためになされたものであり、高効率のエネルギー回収が可能でかつ安全で実効性のあるエネルギー回収機能を備えた減圧設備を提供することを目的としている。

発明者は膨張タービンを用いた減圧設備において、高効率のエネルギー回収が可能でかつ実効性のあるエネルギー回収ができるように鋭意検討した結果、膨張タービンによる減圧によって発生する冷熱の効果的な利用に着目した。
そして、減圧設備に燃料駆動の原動機を併設すれば、１００℃以上の高温の排ガスが得られ、一方膨張タービンで膨張した都市ガス温度が低温であることから、これら高温熱源と低温熱源に大きな温度差があることに着目し、この温度差を利用してランキンサイクルによるエネルギー回収を行なうことで、高効率のエネルギー回収ができるとの知見を得た。
本発明はかかる知見を基になされたものであり、具体的には以下の構成を有するものである。

（１）本発明に係るエネルギー回収機能を備えた減圧設備は、燃料ガス供給系統に設置され、一次側からの燃料ガスを膨張させて減圧する膨張機と、燃料駆動の原動機と、ランキンサイクルとを備え、該ランキンサイクルは前記原動機の排熱を高温熱源として利用し、前記膨張機で減圧した燃料ガスの冷熱を低温熱源として利用することを特徴とするものである。

ここで、燃料ガスとは、通常の都市ガスに限定されるものではなく、熱量調整していない天然ガス、コークス炉ガス、バイオマスガス、各種副生ガスなどを含む。
また、膨張機とは、燃料ガスの膨張時のエネルギーを動力に変換できる装置であって、例えば膨張タービンや、タービン以外のスクリュー方式、レシプロ方式、ロータリー方式などの装置が挙げられる。
さらに、原動機とは、動力を発生するとともに、排熱を発生する装置であって、例えばガスエンジン、ガスタービン、ディーデルエンジンなどが挙げられる。
また、本明細書においては、原動機には、電力を発生するとともに、排熱を発生する燃料電池も含むものとする。

なお、膨張タービンにより圧力エネルギーを回収すると、タービン出口でのガス温度が大幅に低下し（冷熱の発生）、ガス導管周囲の土壌が凍結するという問題が生ずる可能性がある。そのため、ガス導管周囲の土壌の凍結などを防止するため、膨張機から送り出される燃料ガスの温度を０℃以上に加温することが好ましい。
そして、燃料ガスの加温を行なう場合には、これを無駄なく行うことが圧力エネルギー有効活用の一つのポイントとなる。
この点、減圧前の圧力（都市ガス運用圧力）が高圧で減圧比が大きくなる場合、特許文献１に示されたように、膨張機入口ガスを加熱する前加熱のみで対応しようとすると加熱すべき温度が100℃以上になり、安全面に問題が生じる。
この問題に対処するには、前加熱に加えて、膨張機で膨張後の低温ガスを加熱する後加熱を合わせて対応することが好ましい。
そして、本発明においては、膨張機で減圧した燃料ガスの冷熱をランキンサイクルの低温熱源として利用するとしているが、このことが、すなわち膨張機による膨張後の低温ガスを後加熱することになるのである。

「前加熱」＋「後加熱」とした場合、「前加熱」での加熱温度を制御することによって膨張機出口の燃料ガス温度をコントロール可能であり、これを適切な温度に制御することで、ランキンサイクルでのエネルギー回収をより効率的に行なうことができる。
この場合には、原動機の排熱を前加熱器の加熱源として、およびランキンサイクルの高温熱源としてそれぞれに任意の比率で分配して供給する排熱分配供給装置を備えるようにすればよい。

（２）また、燃料ガス供給系統に設置されて一次側からの燃料ガスを膨張させて減圧する膨張機と、燃料駆動の原動機と、ランキンサイクルとを備え、該ランキンサイクルは、作動流体を前記原動機の排ガスにより加熱して蒸発させる蒸発器と、該蒸発器によって蒸発した作動流体の膨張により動力を発生する動力発生機と、動力発生機から流出する作動流体を凝縮させる凝縮器とを有し、該凝縮器の低温熱源として前記膨張機で減圧したガスの冷熱を利用することを特徴とするものである。

（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、膨張機は複数あり、各膨張機で減圧した燃料ガスの冷熱をランキンサイクルの低温熱源として利用することを特徴とするものである。

（４）また、上記（１）〜（３）のいずれかに記載のものにおいて、ランキンサイクルに代えてカリーナサイクル又はウエハラサイクルを備えたことを特徴とするものである。

（５）また、上記（１）〜（４）のいずれかに記載のものにおいて、燃料駆動の原動機は燃料ガス供給系統の燃料ガスを燃料とすることを特徴とするものである。

（６）また、上記（１）〜（５）のいずれかに記載のものにおいて、燃料駆動の原動機はバイオマス由来の燃料を使用することを特徴とするものである。

本発明に係るエネルギー回収機能を備えた減圧設備は、燃料ガス供給系統に設置され、一次側からの燃料ガスを膨張させて減圧する膨張機と、燃料駆動の原動機と、ランキンサイクルとを備え、該ランキンサイクルは前記原動機の排熱を高温熱源として利用し、前記膨張機で減圧したガスの冷熱を低温熱源として利用するようにしたので、原動機の排熱と膨張機の冷熱とを効果的にランキンサイクルに利用でき、燃料ガスの有する圧力エネルギーを電気エネルギーとして、安全かつ効率的に回収できる。

図１は本発明の一実施の形態に係るエネルギー回収機能を備えた減圧設備の説明図である。
本実施の形態においては、前記「課題を解決するための手段」の項で述べた、「前加熱」＋「後加熱」とした場合を想定し、原動機の排熱を前加熱器の加熱源として、およびランキンサイクルの高温熱源としてそれぞれに任意の比率で分配して供給する排熱分配供給装置を備えたものを例示している。

本実施の形態に係るエネルギー回収機能を備えた減圧設備は、都市ガス供給系統に設置され、一次側からの都市ガスを膨張させて減圧する膨張タービン１と、膨張タービン１に都市ガスを導入する入側配管に設けられ膨張タービン１に導入される都市ガスを加熱する前加熱器３と、膨張タービン１の出側配管に設けられ膨張タービン１から排出される都市ガスを加熱する後加熱器５と、燃料駆動の原動機７と、ランキンサイクル９と、原動機７の排熱を前加熱器３の加熱源としておよびランキンサイクル９の高温熱源としてそれぞれに任意の比率で分配して供給する排熱分配供給装置１１と、膨張タービン１、原動機７、ランキンサイクル９それぞれによって駆動される発電機を備え、ランキンサイクル９の排熱を後加熱器５の熱源として利用するようにしている。
以下、各構成をさらに詳細に説明する。

＜膨張タービン＞
膨張タービン１は、都市ガスの供給側である高圧側と、需要家側の低圧側との間に設置されて高圧側のガス圧力を減圧すると共にこの圧力を動力として回収するものである。
膨張タービン１には、第１発電機１３が設置され電力としてエネルギー回収される。
高圧側の圧力は、例えば０．６〜２０ＭＰａであり、低圧側の圧力は、例えば０．２〜１０ＭＰａである。
なお、本実施例では、膨張タービン１と並列に膨張弁１５も配設し、膨張タービン側と膨張弁１５側とで任意の割合で流量を配分可能な構成としている。

＜前加熱器（プレヒータ）＞
プレヒータ３は膨張タービン１に導入される高圧状態の都市ガスを加温するものである。プレヒータ３の熱源は、原動機７から原動機冷却水や排ガスの形態として得られ、この排熱が排熱分配供給装置１１によって、例えば温水の形態でプレヒータ３に供給され、膨張タービン入側の都市ガスと熱交換することにより都市ガスを加温する。

＜原動機＞
原動機７は、例えば都市ガスを燃料とするガスエンジンであり、第２発電機１７が設置されている。原動機７として、都市ガスを燃料として駆動するものを採用することにより、減圧後の都市ガスの一部をそのまま燃料として使用することができ、燃料供給系統が非常に簡略化され、設備のコンパクト化が実現される。
なお、本発明の原動機７は、都市ガス駆動のものに限定されず、例えばバイオマスガスで駆動するものや太陽熱駆動するものを採用でき、このようなものを採用すれば、二酸化炭素を一切排出しないシステムとなる。

＜ランキンサイクル＞
ランキンサイクル９は、作動流体を原動機７の排熱により加熱して蒸発させる蒸発器と、蒸発器によって蒸発した作動流体の膨張により動力を発生する動力発生機と、動力発生機から流出する作動流体を凝縮させる凝縮器とを備えてなり、動力発生機を駆動源とする第３発電機１９が設置されている。
原動機７からの排熱は、原動機冷却水の形態や排ガスの形態で得られ、この排熱が排熱分配供給装置１１によって、例えば温水の形態で高温熱原として蒸発器に供給される。
凝縮器にはアフターヒータ５によって膨張タービン１で膨張した低温の都市ガスと熱交換をした冷媒が送出され、作動流体との熱交換が行なわれる。

＜後加熱器（アフターヒータ）＞
アフターヒータ５は、膨張タービン１で減圧した低温の都市ガスとランキンサイクル９の作動流体との間で間接または直接熱交換することにより、低温の都市ガスを加温する。すなわちランキンサイクルの凝縮排熱により減圧後の低温都市ガスを加熱するものであり、言い換えれば、膨張後の都市ガスの冷熱を冷熱源としてランキンサイクルで利用するものである。
なお、図１においては、ランキンサイクル９の凝縮器とアフターヒータ５とを別の機器とし、凝縮器に送られる別の冷媒を介して間接的に熱交換をする例を示しているが、アフターヒータ５をランキンサイクル９の凝縮器として兼用し、ランキンサイクル９の作動流体と低温の都市ガスとの間で直接熱交換するようにしてもよい。

＜排熱分配供給装置＞
排熱分配供給装置１１は、原動機７の排熱を前加熱器３の加熱源としておよびランキンサイクル９の高温熱源としてそれぞれに任意の比率で分配して供給する。
排熱分配供給装置１１の具体的な形態としては、原動機７の排ガスおよび冷却水を熱源とする温水ボイラと、この温水ボイラによって得られた温水を、プレヒータ側とランキンサイクル側に分配する分配管と、この分配管に設けられてプレヒータ側とランキンサイクル側に供給する流量を調整する流量調整弁とを備えてなるものが挙げられる。
なお、排熱分配供給装置１１の形態は、原動機７の排熱を前加熱器３およびランキンサイクル９に任意の比率で分配して供給できる機能を有するものであれば特に限定されるものではない。

上記のように構成された本実施の形態の動作を説明する。
膨張タービン１によって都市ガスを膨張させて減圧することによって膨張タービン１を駆動し、圧力エネルギーを動力回収して第１発電機１３を駆動する。
一方、都市ガスを燃料としてガスエンジンを駆動して第２発電機１７を駆動して電力回収する。そして、ガスエンジンの排熱を、排熱分配供給装置１１によってプレヒータ３及びランキンサイクル９に供給して、プレヒータにて高圧状態のガスを加温すると共に、ランキンサイクル９の高温熱源として利用する。
さらに、アフターヒータ５によってランキンサイクル９の低温熱源として膨張タービン１で膨張して低温になった都市ガスを利用する。
ランキンサイクル９の動力発生機によって、第３発電機１９を駆動して電力回収する。

ランキンサイクル９においては、高温熱源温度と低温熱源温度の温度差が大きいほどエネルギー回収効率が高くなる。通常、ランキンサイクルでは低温熱源として大気の乾球温度や湿球温度レベル、もしくは海水や河川水といった、常温レベルを利用する。この点、本実施の形態では、膨張タービン１で膨張して常温より大幅に低温となった都市ガス温度レベルを低温熱源として利用するので、原動機７の排熱温度すなわち高温熱源温度との間の温度差を大きくとることができ、エネルギー回収効率が高い。しかも、プレヒータ側へ供給する原動機７の排熱量を排熱分配供給装置１１によって任意に調整できるので、ランキンサイクル９にとって高効率な温度になるように膨張タービン１出口側の都市ガス温度をコントロールすることができる。

本発明の効果を実施例として説明する。
図２および図３は本発明の効果を説明するための説明図である。図２における縦軸は比出力（ｋｗ/(kg/s)）を示し、横軸は種々の加温パターンを示している。また、図３における縦軸は効率を示し、横軸は図２と同様に種々の加温パターンを示している。
比出力とは、単位都市ガス流量当りのエネルギー回収機器（膨張タービン、熱源機、ランキンサイクル）のトータル出力を言う。また、効率とは、熱源機（ガスエンジン）へ投入されるガスエネルギー量に対するエネルギー回収機器のトータル出力の比である。
加温パターンとしては、次の６つの場合を示している。
(i) プレヒート（単純加熱：都市ガスを単純に燃焼させて加熱する）
(ii) プレヒート（ガスエンジン排熱加熱）
(iii)アフターヒート（単純加熱）
(iv) アフターヒート（ガスエンジン排熱加熱）
(v) アフターヒート（ガスエンジン＋ランキンサイクル）
(vi) プレヒート＋アフターヒート（ガスエンジン＋ランキンサイクル）

試算にあたっては、以下の条件とした。
（１）都市ガス成分：メタン
（２）膨張タービン内部効率：75％
（３）1次側（減圧前）ガス入口温度：10℃、2次側（減圧後）ガス出口温度：5℃
（４）ガスエンジン仕様：効率(=軸出力／投入燃料熱量)=0.4、利用可能排熱割合(=利用可能排熱量／投入燃料熱量)=0.48
（５）ランキンサイクル効率(=軸出力／高温熱源からの入熱量)=0.2
なお、一次側圧力は６ＭＰａと２０ＭＰａの２ケース、膨張圧力比（＝一次側圧力／二次側圧力）は２とした。

まず、図２に示されるように、単純加熱の場合より、ガスエンジン排熱にて加熱した方が、比出力が向上する。
また、図２、図３に示されるように、単純加熱およびガスエンジン排熱加熱のケースでは、プレヒートの方がアフターヒートより比出力、効率ともに大きく、好ましい。
さらに、アフターヒート方式において、ガスエンジンとランキンサイクルを組み合わせて、ガスエンジン排熱および膨張タービン出口発生冷熱を、それぞれ、ランキンサイクル高温熱源および低温熱源として利用することにより、比出力、効率ともにさらに向上している。本試算の例では、アフターヒート方式でガスエンジンとランキンサイクルを組み合わせた構成が最も比出力・効率ともに大きく、好ましい。
ただし、アフターヒートのみで対応する場合、膨張タービン出口温度がマイナス数十度以下となる場合があり、都市ガスの性状に悪影響を及ぼす可能性や機器の耐久性に支障をきたす場合がある。
逆に、プレヒートのみで対応する場合、二次側ガス温度を0℃以上に保つためにはプレヒート温度が100℃超となる場合があり、安全面や機器の耐久性に支障をきたす場合がある。
このように、アフターヒートとプレヒートのいずれか一方のみで対応する場合には好ましくない場合が考えられるので、このような場合、プレヒートとアフターヒートを適当な割合で組み合わせるのが好ましい。この意味で、排熱分配供給装置１１を設けたことに大きな意義がある。

本試算のプレヒート＋アフターヒート例では、膨張弁出口でのガス温度が5℃となるようにプレヒート量を調整し、膨張タービン出口で低温となったガスをアフターヒータ５で加温して5℃としている。このようにすることによって、プレヒータ、アフターヒータともに温度条件がマイルドになり実用上好ましい場合が多い。
実際には一次圧・二次圧条件などにより、プレヒートとアフターヒートのバランスを適宜選定することになる。

なお、上記の例では膨張タービン１を１段設置した場合を示したが、膨張タービン及びアフターヒータをそれぞれ複数設けることにより、比出力及び効率を変化させることができる。例えば、トータルの圧力比が８の場合、つまり減圧設備出口圧を入口圧の1/8に調整したい場合、圧力比２の膨張タービンを３段組み合わせ、各段の間にアフターヒータを設置して各段での発生冷熱を回収するようにすることにより、効率の高いシステムとすることができる。

なお、ランキンサイクル９に代えてアンモニアと水の混合物質を用いたカリーナサイクル、ウエハラサイクルなどを用いてもよい。
さらに、ランキンサイクル９に代えて等容加熱、等温膨張、等容冷却、等温圧縮という各過程によって構成される熱サイクルであるスターリングサイクルを適用することもできる。
また、本実施形態では膨張機として膨張タービン１を用いた例を示したが、タービン以外の方式、例えばスクリュー方式やレシプロ方式、ロータリー方式などの膨張機を用いても、もちろんよい。

本発明の一実施の形態に係る減圧設備の説明図である。 実施例の効果を説明するグラフである。 実施例の効果を説明するグラフである。

符号の説明

１ 膨張タービン
３ 前加熱器（プレヒータ）
５ 後加熱器（アフターヒータ）
７ 原動機
９ ランキンサイクル
１１ 排熱分配供給装置
１３ 第１発電機
１５ 膨張弁
１７ 第２発電機
１９ 第３発電機

Claims (6)

1. 燃料ガス供給系統に設置され、一次側からの燃料ガスを膨張させて減圧する膨張機と、燃料駆動の原動機と、ランキンサイクルとを備え、該ランキンサイクルは前記原動機の排熱を高温熱源として利用し、前記膨張機で減圧したガスの冷熱を低温熱源として利用することを特徴とするエネルギー回収機能を備えた減圧設備。
2. 燃料ガス供給系統に設置されて一次側からの燃料ガスを膨張させて減圧する膨張機と、燃料駆動の原動機と、ランキンサイクルとを備え、
   該ランキンサイクルは、作動流体を前記原動機の排ガスにより加熱して蒸発させる蒸発器と、該蒸発器によって蒸発した作動流体の膨張により動力を発生する動力発生機と、動力発生機から流出する作動流体を凝縮させる凝縮器とを有し、該凝縮器の低温熱源として前記膨張機で減圧したガスの冷熱を利用することを特徴とするエネルギー回収機能を備えた減圧設備。
3. 膨張機は複数あり、各膨張機で減圧した燃料ガスの冷熱をランキンサイクルの低温熱源として利用することを特徴とする請求項１又は２に記載のエネルギー回収機能を備えた減圧設備。
4. ランキンサイクルに代えてカリーナサイクル又はウエハラサイクルを備えたことを特徴とする請求項1〜３のいずれか一項に記載のエネルギー回収機能を備えた減圧設備。
5. 燃料駆動の原動機は燃料ガス供給系統の燃料ガスを燃料とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のエネルギー回収機能を備えた減圧設備。
6. 燃料駆動の原動機はバイオマス由来の燃料を使用することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のエネルギー回収機能を備えた減圧設備。

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