JP2009243862A - Method of controlling prevention for blocking in heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、天然ガス等の原料ガスと水とを反応させてガスハイドレートを製造するガスハイドレート製造工程において、液相を冷却する熱交換器でハイドレートの生成及び付着を原因として発生する熱交換器の閉塞を防止する制御方法に関する。 The present invention, for example, in a gas hydrate manufacturing process in which a gas hydrate is manufactured by reacting a raw material gas such as natural gas with water, is caused by hydrate formation and adhesion in a heat exchanger that cools the liquid phase. The present invention relates to a control method for preventing the generated heat exchanger from being blocked.
近年、天然ガス等の安全かつ経済的な輸送・貯蔵手段として、この天然ガスを水和させて固体状態の水和物としたガスハイドレートを用いる方法が注目されている。 In recent years, as a safe and economical means for transporting and storing natural gas and the like, a method using gas hydrate obtained by hydrating natural gas to form a solid state hydrate has attracted attention.
一般にガスハイドレートとは、原料ガスと原料水を低温・高圧下で反応させることにより生成される、水分子と気体分子からなる氷状の固体結晶であり、水分子が構築する立体構造の籠(ケージ)の内部に気体分子が介在する包接(クラスレート)水和物(ハイドレート)の総称である。 In general, a gas hydrate is an ice-like solid crystal consisting of water molecules and gas molecules produced by reacting a raw material gas with raw material water at low temperature and high pressure. It is a general term for clathrate hydrate (hydrate) in which gas molecules are present inside (cage).
天然ガスハイドレートは1m3のガスハイドレートの中に天然ガスを約165Nm3も包蔵している。このため、天然ガスの輸送及び貯蔵手段としてガスハイドレートを利用する研究開発が盛んに行われている。 Natural gas hydrate contains about 165 Nm 3 of natural gas in 1 m 3 of gas hydrate. For this reason, research and development using gas hydrate as a means for transporting and storing natural gas has been actively conducted.
天然ガスをハイドレート化する利点としては、(a)天然ガスハイドレートの大気圧下の平衡温度条件が−80℃(193K)以下であるため、既に、実用化されている液化天然ガス(LNG)の大気圧下における貯蔵及び輸送温度(−163℃(110K))よりも緩やかな温度条件で貯蔵や輸送が可能となること、(b)また、上記のように、天然ガスハイドレートの大気圧下の平衡温度条件が−80℃(193K)以下であることから、貯蔵や輸送設備の耐久性や断熱性を大幅に簡略化できること等を挙げることができる。 Advantages of hydrating natural gas include: (a) the natural gas hydrate has an equilibrium temperature condition under atmospheric pressure of −80 ° C. (193 K) or less, so that liquefied natural gas (LNG) that has already been put into practical use is used. ) Under atmospheric pressure storage and transportation temperature (-163 ° C. (110 K)), storage and transportation are possible, (b) In addition, as described above, large natural gas hydrate Since the equilibrium temperature condition under atmospheric pressure is −80 ° C. (193 K) or less, the durability and heat insulation of storage and transportation facilities can be greatly simplified.
また、天然ガスハイドレートは、自己保存効果(Self-Preservation)と称する特殊な性能を有するため、平衡条件外でも比較的安定した状態で存在することが知られている。自己保存状態にある天然ガスハイドレートの表面には透明氷膜が形成されており、この氷膜が自己保存性を発現させていることが明らかになりつつある。 Natural gas hydrate is known to exist in a relatively stable state even outside equilibrium conditions because it has a special performance called a self-preservation effect. A transparent ice film is formed on the surface of natural gas hydrate in a self-preserving state, and it is becoming clear that this ice film expresses self-preserving properties.
この自己保存効果によると−20℃(253K)付近における天然ハイドレートの分解量が最も少なく、この現象を利用すれば天然ガスハイドレートを比較的安定した状態で保存することができ、貯蔵や運搬に必要となるコストを大幅に削減することが可能となる。 According to this self-preserving effect, the amount of natural hydrate decomposed in the vicinity of −20 ° C. (253 K) is the smallest, and by utilizing this phenomenon, natural gas hydrate can be stored in a relatively stable state, and can be stored and transported. It is possible to greatly reduce the cost required for the operation.
さらに、ガスハイドレート生成工程で得られるガスハイドレートは水分を40から60重量%程度含有するスラリー状となる。そのため、脱水や再生成などによりガスハイドレートを約90重量%まで高めて、大気圧下又は高圧条件下で圧縮成形してアーモンド状、レンズ状、球形状又は不定形状等の成形物やブロック状の大型成形物に加工することにより貯蔵しやすくするということが行われている。 Furthermore, the gas hydrate obtained in the gas hydrate production step is in the form of a slurry containing about 40 to 60% by weight of moisture. Therefore, the gas hydrate is increased to about 90 wt% by dehydration or regeneration, and compression molding is performed under atmospheric pressure or high pressure conditions to form a molded product or block shape such as an almond shape, a lens shape, a spherical shape, or an indefinite shape. It is made easy to store by processing into a large molded article.
ここで、スラリー状のガスハイドレートを生成するハイドレート製造工程は図8に示すように、ハイドレート生成槽44に供給されたガス原料(例えば天然ガス)及び水原料(例えば水)によりハイドレートが生成され、その際に発生する生成熱を除去するためにスラリーポンプ43により熱交換器30を循環させ、冷却を行うことでハイドレートの製造が行われる。例えば、天然ガスハイドレートの製造は、生成条件(圧力を5MPa、温度を5℃以下)まで過冷却を行い、生成熱が出ても分解しない条件下で、原料ガスと原料水を攪拌等により接触させることで行われる。
Here, as shown in FIG. 8, the hydrate manufacturing process for generating a slurry-like gas hydrate is performed by using a gas raw material (for example, natural gas) and a water raw material (for example, water) supplied to the
ハイドレート生成槽44で生成されたハイドレートスラリーは前記熱交換器30を循環し、生成時に発生する生成熱を除去する。スラリーの一部は、ハイドレートスラリーの循環ライン45からハイドレート加工(脱水、成形)工程へ供給される。
The hydrate slurry produced in the
ここで、ハイドレートスラリーを冷却する熱交換器30内でハイドレートの生成及び付着が発生し熱交換器30が閉塞する問題がある。熱交換器30の閉塞発生時は、熱交換器30を加熱する等の閉塞解除操作により、閉塞の原因であるハイドレートを融解させるため、その間ハイドレート製造工程は停止してしまう。熱交換器30を加熱後、再冷却が必要となるためエネルギ効率が低下してしまい、閉塞解除操作のための時間も必要となる。
Here, there is a problem that hydrate is generated and adhered in the
また、閉塞解除操作の際に、熱交換器30内を閉塞しているハイドレートの状態を確認することは困難であり、確実な閉塞解除を実現するためには多くの時間とエネルギが必要である。
In addition, it is difficult to confirm the state of the hydrate blocking the inside of the
図6はハイドレート生成槽44に対して並列に2つの熱交換器30を連結し、前記閉塞解除操作を行っている際もハイドレート製造を可能とした系統図を示している。通常運転時にハイドレートスラリーはハイドレート生成槽44から開バルブ49aを介して熱交換器30aにスラリーポンプ43により送られ、循環する。
FIG. 6 shows a system diagram in which two
ハイドレートスラリーの循環ライン45上に設置されたコリオリ質量流量計等の流量計36により熱交換器30aの閉塞を検知した際は、ハイドレートスラリーが熱交換器30bを循環するようにバルブ操作を行う。ハイドレートスラリーを熱交換器30bに循環させ冷却を行っている間に、熱交換器30aは閉塞解除操作を行う。
When blockage of the heat exchanger 30a is detected by a
図7は熱交換器30の冷媒循環の系統図を示しており、低温恒温槽42で冷却されたエチレングリコール等の冷媒(ブライン)28はポンプ51を介して熱交換器30に送られ、ブライン輸送管29で構成された冷媒循環のライン46を循環するように構成されている。前記熱交換器30の閉塞解除操作は、前記低温恒温槽42の温度を、熱交換器30内を閉塞しているハイドレートスラリーを融解する温度まで上昇させ、加熱された冷媒を熱交換器30に循環させることで行う。
FIG. 7 shows a system diagram of refrigerant circulation in the
上記の様にハイドレート製造工程を設計することで、熱交換器30の閉塞解除操作中であっても、ハイドレートの製造を継続することが可能となった。しかしながら、熱交換器30の閉塞解除操作中に他方の熱交換器30に閉塞が発生することもあり、また、冷媒循環系統の低温恒温槽42の昇温及び閉塞解除後の再冷却に多量のエネルギが必要となり、解決されるべき問題が依然存在すると言える。これに対して、熱交換器30の閉塞を未然に防止する発明が行われている(例えば特許文献1参照)。
By designing the hydrate manufacturing process as described above, it is possible to continue manufacturing hydrate even during the operation of releasing the blockage of the
特許文献1に記載の発明によれば、熱交換器30に種氷粒子の含有量が5%から15%の被冷却体である氷スラリーを循環させることで、前記種氷粒子を中心に氷が成長するため、熱交換器30の伝熱管内壁面で氷が成長し、熱交換器30を閉塞することを防止可能としている。
しかしながら、特許文献1に記載の方法は冷却対象を氷スラリーとしているため、ガスハイドレートの冷却において利用することは不可能であった。即ち、氷スラリーの冷却では、水、氷結緩和剤(ソルビトール等)及び氷を大気圧下で0℃以下にすることで製氷を行っていたのに対して、ガスハイドレートの製造は低温・高圧下でガス、水、氷の三相を原料としたガスハイドレートスラリーを冷却するため熱交換器30の閉塞する条件が大きく異なる。例えば天然ガスハイドレートの生成条件は、温度が約6℃で圧力が約5MPaとなっており、熱交換器30で閉塞の発生する状況は氷スラリーと大きく異なり、また、閉塞の発生条件が未だ明らかにされていない。
However, since the method described in
また、熱交換器30においては冷媒と被冷却物との温度差が大きいほど伝熱効率が上がり効率がよくなるが、同時に閉塞が発生しやすくなる。そのため、熱交換器30の最も効率の高い運転のためには閉塞発生寸前まで冷却した状態での運転条件が望ましいが、その閉塞寸前の状況を検知することは困難であり、さらにその状況を維持しながら熱交換器30の運転を行うことは実現されていない。
Further, in the
そこで、本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、ガスハイドレートの製造工程における熱交換器30の閉塞が発生する原理を究明し、熱交換器30の閉塞が発生せず、かつ冷却効率の高い運転条件及び制御方法を提供し、さらに、前記運転条件及び制御方法から、前記熱交換器30の高効率な連続運転制御方法を提供することを目的とする。
Therefore, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and investigated the principle that the
上記の課題を解決するため、請求項1に記載の発明に係る熱交換器閉塞防止制御方法は、ハイドレートスラリーを冷却する熱交換器30において、レイノルズ数及び三相平行条件からの過冷却度の2つをパラメータとして熱交換器30の閉塞の有無を表す閉塞パターンマップ39を予め求め、前記パターンマップ39上で閉塞が発生しない条件で制御を行うことを特徴とする。
In order to solve the above-described problem, the heat exchanger blockage prevention control method according to the invention described in
請求項2に記載の発明に係る熱交換器閉塞防止制御方法は、ガスハイドレート製造工程で液相を冷却する熱交換器30で、被冷却物であるハイドレートスラリーの生成及び付着による熱交換器閉塞30を防止する制御方法であって、前記閉塞パターンマップ39を用いて制御を行うことを特徴とする。
The heat exchanger blockage prevention control method according to the invention of
請求項3に記載の発明に係る熱交換器閉塞防止制御方法は、前記熱交換器30の入口及び出口における前記ハイドレートスラリー68及び冷媒の温度及び流量から総括伝熱係数を算出し、前記熱交換器30の運転に伴う前記総括伝熱係数の減少から前記熱交換器30内に形成されたハイドレート層26の厚さを算出し、前記ハイドレート層26の厚さと前記閉塞パターンマップ39を基に制御を行うことを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a heat exchanger blockage prevention control method that calculates an overall heat transfer coefficient from the temperature and flow rate of the hydrate slurry 68 and refrigerant at the inlet and outlet of the
請求項4に記載の発明に係る熱交換器閉塞防止制御方法は前記熱交換器30の入口及び出口における前記ハイドレートスラリー68の圧力差からハイドレート層26の厚さを算出し、前記ハイドレート層26の厚さと前記閉塞パターンマップ39を基に制御を行うことを特徴とする。
The heat exchanger blockage prevention control method according to the invention of
請求項5に記載の発明に係る熱交換器閉塞防止制御方法は、前記ハイドレートスラリー68を搬送する搬送管であるスラリー輸送艦37に設けた前記搬送管より細いバイパス管の閉塞を検知し、前記バイパス管の閉塞と前記閉塞パターンマップ39を基に制御を行うことを特徴とする。
The heat exchanger blockage prevention control method according to the invention of
請求項6に記載の発明に係る熱交換器閉塞防止制御方法は、熱交換器30の入口及び出口における前記ハイドレートスラリー及び冷媒28(ブライン)の温度及び流量から総括伝熱係数を算出し、前記熱交換器30の運転に伴う前記総括伝熱係数の減少から前記熱交換器30内に形成されたハイドレート層26の厚さを算出し、前記ハイドレート層26の厚さを基に制御を行うことを特徴とする。
The heat exchanger blockage prevention control method according to the invention of
請求項7に記載の発明に係る熱交換器閉塞防止制御方法は、熱交換器30の入口(ハイドレートスラリー入口31)及び出口(ハイドレートスラリー出口32)における前記ハイドレートスラリーの圧力差から前記熱交換器30内に形成されたハイドレート層26の厚さを算出し、前記ハイドレート層26の厚さを基に制御を行うことを特徴とする。
The heat exchanger blockage prevention control method according to the invention of claim 7 is based on the pressure difference of the hydrate slurry at the inlet (hydrate slurry inlet 31) and outlet (hydrate slurry outlet 32) of the
従来、ハイドレート製造工程における熱交換器30の閉塞が起きない運転条件が明らかになっておらず、閉塞が発生した時点で対応を行う方法で運転が行われていたのに対して、本発明により熱交換器30における閉塞の発生する運転条件を明らかにし、閉塞パターンマップ39の作成を実現したことで、閉塞を未然に防ぐ運転方法を提供することが可能となった。
Conventionally, the operating conditions under which the blockage of the
前記熱交換器30の閉塞が被冷却物であるハイドレートスラリー68のレイノルズ数及び三相平衡条件からの過冷却温度により支配されていることを明らかにしたため、これらの条件と閉塞の有無のパターンをマップ化することで、閉塞の発生しない熱交換器30の運転条件を選択することが可能となり、前記熱交換器30の連続運転を可能とした。
It has been clarified that the blockage of the
前記閉塞パターンマップ39は実機における閉塞実験を行い、そのデータよりマップ化することが望ましいが、実験機における閉塞実験のデータから実機の閉塞パターンマップ39を作成することも可能であり、実験機における閉塞パターンマップ39に基づいて実機を運転している際に取得されるデータより閉塞パターンマップ39をより正確なものへ補正を行っていくことも可能である。
The
前記熱交換器30における総括伝熱係数の変化から熱交換器30内に発生している閉塞の原因となるハイドレート層26の厚さを算出することで、熱交換器30内の詳細な状況を把握することが可能となり、かつ熱交換器30の閉塞前に閉塞の可能性としての閉塞の予兆40を検出することが可能となったため、閉塞の予兆40を検出した際には、閉塞パターンマップ39を基に、より閉塞の発生しにくい運転条件へ変更するよう制御することで、熱交換器30の連続運転を実現した。
By calculating the thickness of the
また、熱交換器30の閉塞が発生しにくい運転条件とは即ちハイドレートスラリー68の冷却効率が低い状態であるため、閉塞の発生する直前の運転条件で連続運転をすることが望ましく、前記閉塞の予兆40と閉塞パターンマップ39を組み合わせて熱交換器30の制御を行うことで、最も効率の高い運転条件による連続運転を実現可能とした。
Moreover, since the operating condition in which the blockage of the
前記閉塞の予兆40は、前記熱交換器30の入口及び出口におけるハイドレートスラリー68の圧力差から算出することも可能であり、前記総括伝熱係数の変化を利用する場合と同様の効果を期待できる。
The
また、熱交換器30内にハイドレートスラリー68を輸送する管より細いバイパス管を設置し、このバイパス管の閉塞を監視することで閉塞の予兆40を検知することも可能であり、より単純な装置かつ制御で熱交換器30の連続運転を制御することが可能となっている。
Further, it is possible to detect a
上述のように熱交換器30から総括伝熱係数の変化、被冷却物であるハイドレートスラリー68の圧力差、バイパス管の閉塞から、熱交換器30が閉塞を起こす前に閉塞の予兆40を検知し、この閉塞の予兆40を検知した場合は、閉塞パターンマップ39を基に熱交換器30の運転条件を変化させる制御を行うことで、熱交換器30の連続運転を実現した。
As described above, due to the change in the overall heat transfer coefficient from the
また、熱交換器30の連続運転により、閉塞解除操作によるエネルギの浪費を防止し、熱交換器30の冷却効率が最も高く閉塞の起きない条件での運転を可能としたことで、ガスハイドレートの生成コストの低下を実現した。
Further, the continuous operation of the
以下、本発明を字に示す実施形態を参照して具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments shown in letters.
図4は本発明の熱交換器閉塞防止の制御方法に使用する閉塞パターンマップ39を示しており、ガスハイドレート等の被冷却物の三相平衡条件からの過冷却温度と、熱交換器30内における被冷却物のレイノルズ数の関係を示している。この閉塞パターンマップ39は被冷却物のスラリー濃度、圧力、液温を一定とし、流速及び冷却温度を変化させながら、熱交換器30内における閉塞の有無を確認する閉塞実験より求めたものである。
FIG. 4 shows a
前記閉塞実験はガスハイドレート製造プラント等で実際に使用する熱交換器30を使用して行うことが望ましいが、実験装置を使用して閉塞パターンマップ39を作成することも可能である。その際は、実験装置から得られたデータを基にした閉塞パターンマップ39を使用して、プラント等で熱交換器30の運用を行うが、この運用過程においてさらに閉塞状況のデータを蓄積することで、閉塞パターンマップ39の補正を行っていくことが望ましい。
The blockage experiment is preferably performed using the
図4のグラフは天然ガスハイドレート製造プラントにおいて、熱交換器30内のハイドレートスラリー輸送管37の内径を19mmの円管とし、管内に圧力が5MPa、温度が約6℃、ハイドレート濃度を約10%としたハイドレートスラリー68を流入させ、エチレングリコール等の冷媒の温度及びハイドレートスラリー68の流量を変化させて実験を行って得られたものである。
The graph of FIG. 4 shows a natural gas hydrate manufacturing plant in which a hydrate
ここで、レイノルズ数は(V・D)/νで定義され、Vは管内流速〔m/s〕、Dは管内径〔m〕、νはスラリー動粘性係数〔m2/S〕である。また、天然ガスハイドレートの生成条件は圧力が約5MPaの場合、平衡温度が約6℃となるため、グラフに示した過冷却温度はこの6℃から何度低い冷媒を循環させているかを表しており、斜線部は運転不可の条件領域であり閉塞が発生する。 Here, the Reynolds number is defined by (V · D) / ν, V is the flow velocity in the pipe [m / s], D is the pipe inner diameter [m], and ν is the slurry kinematic viscosity coefficient [m 2 / S]. Moreover, since the equilibrium temperature is about 6 ° C. when the pressure is about 5 MPa, the natural gas hydrate is generated under the condition that the supercooling temperature shown in the graph indicates how low the refrigerant is circulated from this 6 ° C. The shaded area is a condition area where operation is not possible and a blockage occurs.
図5は熱交換器30で被冷却物を搬送するハイドレートスラリー輸送管37の断面を示しており、ブライン輸送管29とハイドレートスラリー輸送管37は二重管を形成しており、ハイドレートスラリーは中心側を輸送されながら冷却され、冷媒(ブライン)28は外周側を循環するよう構成され、ハイドレート層26が形成されているイメージを示しているが、レイノルズ数が2000を超え乱流となったハイドレートスラリー68は、前記ハイドレート層26を破壊していくため、流速が早くなる即ちレイノルズ数が大きくなるほど運転可能領域は増えていく。これは、乱流による自浄効果と言える。
FIG. 5 shows a cross section of a hydrate
天然ガスハイドレート製造プラントにおける一般的な熱交換器30は、ハイドレートスラリー輸送管37の内径が10mmから100mm、冷媒の温度を1℃前後として運転されている。
A
上記の熱交換器の運転条件は、平衡温度が6℃の天然ガスハイドレートスラリーに対して1℃の冷媒を循環させているので、過冷却温度は5℃となり、前記閉塞パターンマップ39によると、閉塞しないためにはレイノルズ数が6000を超える条件で、熱交換器30を運転する必要があることがわかり、実際に閉塞パターンマップ39に基づきレイノルズ数6000で熱交換器30を運転した結果、閉塞なく安定運転ができた。
The operating condition of the above heat exchanger is that the refrigerant of 1 ° C. is circulated with respect to the natural gas hydrate slurry having an equilibrium temperature of 6 ° C., so that the supercooling temperature is 5 ° C. In order not to block, it is understood that it is necessary to operate the
閉塞パターンマップ39を基に最適な運転条件を考える際、冷媒の温度は可能な限り低くすることが冷却効率を高めることとなり、これはハイドレートスラリー68と冷媒の温度差である温度勾配が大きいほど、熱の移動速度が上がるためであり、かつ閉塞の起きないことが条件となるため、閉塞パターンマップ39のできるだけ過冷却温度の大きい点の運転可能領域上で熱交換器30の運転を行うことが高効率となることがわかる。
When considering the optimum operating conditions based on the
前記閉塞パターンマップ39は、被冷却物であるスラリーの濃度や圧力、液温等または熱交換器30によって形状が異なるが、実機若しくは実験機の閉塞実験によりそれぞれ得ることが可能であり、この閉塞パターンマップ39により熱交換器30が閉塞を起こさない領域での連続運転の制御を実現するばかりでなく、連続運転可能でかつ冷却効率の最も高い運転条件を求めることが可能となった。
The shape of the
即ち、前記熱交換器30の低コストかつ高効率の運転を実現し、ガスハイドレート製造の高効率化も実現した。
That is, low-cost and high-efficiency operation of the
図3はガスハイドレートスラリー及び冷媒の循環系統を示したものである。 FIG. 3 shows a circulation system of gas hydrate slurry and refrigerant.
ハイドレート生成槽44にハイドレート原料となる例えば天然ガス等の気体と水等の液体を供給することで、ガスハイドレートを得られるよう構成されている。前記ガスハイドレート生成時には生成熱が発生するため、その生成熱を取り除くために生成したハイドレートスラリー68は冷却するための熱交換器30にスラリーポンプ43により送られる。前記ハイドレートスラリー68はハイドレートスラリーの循環ライン45を循環されながら冷却され、ハイドレート生成槽44で生成したシャーベット状のハイドレートは図示しないハイドレート加工工程へ送られる。
For example, a gas hydrate is obtained by supplying a gas such as natural gas and a liquid such as water, which are hydrate raw materials, to the
熱交換器30を循環する冷媒は低温恒温槽42で所定の温度まで冷却され、ポンプ51により冷媒の循環ライン46を循環するよう構成されている。
The refrigerant circulating in the
また、ハイドレートスラリー及び冷媒の循環を制御するために、それぞれの循環ラインには流量計36を設置し、低温恒温槽42には温度計35を設置し、得られた測定値をコンピュータ等の制御装置41に送信するよう構成している。前記制御装置41は得られた測定値より現在の運転条件を把握し、閉塞等が発生しそうな場合にはスラリーポンプ43、ポンプ51の流量を変化させたり、低温恒温槽42の温度を変化させる信号を送信することで、これらの循環系の制御を行っている。
Further, in order to control the circulation of the hydrate slurry and the refrigerant, a
具体的には、制御装置41への入力信号47により、熱交換器30に閉塞が発生若しくは発生すると判断された場合は、制御装置41からスラリーポンプ43の流量を上げる出力信号48、低温恒温槽42の温度を上昇させる出力信号48、冷媒循環系のポンプ51の流量を下げる出力信号48を出力することで運転条件が閉塞パターンマップ39における運転可能領域に移行するよう制御される。
Specifically, when it is determined by the
実験機又は実機を実験することで得られた閉塞パターンマップ39に基づいて熱交換器30の運転を行うが、例えば実験機により得たデータが実際の運転時と誤差を生じている場合や、熱交換器30等の装置の劣化により運転条件に変化が発生している場合は、閉塞パターンマップ39の補正等が必要となってくる。
The
しかしながら、既にプラント等に組み込まれ、ハイドレートの製造を開始している実機に閉塞を起こさせ、閉塞パターンマップ39を補正することは非常に効率が悪くなり、実行は不可能となる。
However, it is very inefficient to correct the blocking
そこで、本発明では以下に解説をする熱交換器30に設置された各種測定器から得られるデータを解析し、その測定値を閉塞の予兆40として制御装置41に入力させ制御を行うことで、熱交換器30の閉塞を発生させずに閉塞寸前の運転条件を蓄積することで、閉塞パターンマップ39の補正を可能とした。
Therefore, in the present invention, by analyzing data obtained from various measuring devices installed in the
前記閉塞の予兆40とは、熱交換器30において図5に示すハイドレートスラリー輸送管37内に形成されるハイドレート層26の厚さを推定することであり、熱交換器30の閉塞状況の詳細を観測し、閉塞の発生する寸前の運転条件を検知することを可能としている。前記ハイドレート層26の厚さを制御装置41に入力することで、熱交換器30を閉塞させずに、かつ最も冷却効率の高い運転条件で制御することを可能とした。
The
さらに前記閉塞の予兆40は、閉塞パターンマップ39の作成初期においても利用することが可能で、実験機又は実機を閉塞させずに、閉塞寸前の運転条件を得ることが可能となるため、閉塞実験が極めて容易に行えるようになった。
Furthermore, the
以下に閉塞の予兆40であるハイドレート層26の厚さを推定する方法の説明を行う。図1はハイドレート層26の厚さを推定するために必要となる計測装置を熱交換器30に設置している状態を示している。
Hereinafter, a method for estimating the thickness of the
熱交換器30はハイドレートスラリー輸送管37の周囲を冷媒が流れて冷却するように構成しており、ハイドレートスラリー入口31及びハイドレート出口32に温度計35をそれぞれ設置し、ハイドレートスラリーの流量を測定するコリオリ質量流量計等の流量計36を設置している。冷媒循環系では冷媒入口33及び冷媒出口34に温度計35をそれぞれ設置し、冷媒の流量を測定する流量計36を設置している。前記計測装置より得られた値を元にハイドレート層26の厚さを算出する手順を以下に説明する。
The
まず下記の数式1により伝熱量を算出する。ここに、ΔQは伝熱量、m〔kg/Hr〕はハイドレートスラリーの質量流量、Cp〔kcal/kg・℃〕は定圧比熱、Δt〔℃〕はハイドレートスラリーの入/出の温度差を示している。これらの値は、mはハイドレートスラリーの流量計、Δtはハイドレート入口及び出口の温度計により与えられ、Cpは水の値を利用するため既知となる。
以上より算出された伝熱量ΔQを元に下記の数式2より総括伝熱係数Uを算出する。ここに、A〔m2〕は熱交換器の伝熱面積、Δt〔℃〕はハイドレートスラリーと冷媒の温度から下記の数式3により求まる対数平均温度差を示している。これらの値は、Aは既知であり熱交換器30の形状より求まり、ΔT0〔℃〕は冷媒の入/出の温度差、ΔT1〔℃〕はハイドレートスラリーの入/出の温度差を示しており、温度計35より与えられる。
最後に上記の数式2により求めた総括伝熱係数Uを元に下記の数式4によりハイドレート層26の厚さを算出する。ここに、1/Ui〔hr・m2・℃/kcal〕はハイドレートが生成した場合の熱抵抗、1/Ui,0〔hr・m2・℃/kcal〕はハイドレート生成前の熱抵抗、λh〔hr・m2・℃/kcal〕はハイドレートの熱伝導度、di〔m〕はハイドレートスラリー輸送管37の管内径、s〔m〕はハイドレート層の厚さを示している。これらの値は、λhはハイドレートを用いた実験により得られる物性値であり、本発明ではλh=0.43とした。1/Ui,0は熱交換器30の運転初期状態で得られる熱抵抗であり、1/Uiは熱交換器30運転時にハイドレート層26の生成とともに変化する値である。
以上の計算でハイドレート層26の厚さsを求めることができ、このハイドレート層26の厚さを閉塞の予兆40として制御装置41に入力される。
With the above calculation, the thickness s of the
図3は図1に示した熱交換器30に設置されている各温度計35から出力される温度の出力信号47を閉塞の予兆40として、制御装置41に入力し、制御を行う系統図を示している。
FIG. 3 is a system diagram in which a
以下に閉塞の予兆40であるハイドレート層26の厚さを推定する上記とは異なる方法の説明を行う。図2はハイドレート層26の厚さを推定するために必要となる計測装置を熱交換器30に設置している様子を示しており、ハイドレートスラリー輸送管37の入口と出口の差圧を計測するための差圧計38を設置している。前記計測装置より得られた値を元にハイドレート層26の厚さを下記の数式5により算出する。ここに、s〔m〕はハイドレート層の厚さ、p0〔Pa〕はハイドレート生成前の差圧、ph〔Pa〕はハイドレート生成時の差圧、di〔m〕はハイドレートスラリー輸送管37の管内径を示している。これらの値はp0及びphは、前記差圧計38により測定し、diは既知であり熱交換器30の形状より求まる。
以上の計算でハイドレート層26の厚さsを求めることができ、このハイドレート層26の厚さを閉塞の予兆40として制御装置41に入力される。
With the above calculation, the thickness s of the
図9は図2に示した熱交換器30に設置されている差圧計38から出力される差圧の出力信号47を閉塞の予兆40として、制御装置41に入力し、制御を行う系統図を示している。
FIG. 9 is a system diagram in which the differential
熱交換器30内のハイドレートスラリー輸送管37に閉塞しやすいバイパス管を設け、前記バイパス管の閉塞を流量計等で検知するように構成し、バイパス管の閉塞の信号を閉塞の予兆40として制御装置41に送信する。前記バイパス管を利用して熱交換器30を閉塞させずに運転を行うことを可能とした。
The hydrate
前記バイパス管は、対象とする熱交換器30の閉塞パターンマップ39の運転可能領域と若干重なる運転不可能領域を持つように構成することが望ましい。
It is desirable that the bypass pipe has a non-operable area that slightly overlaps the operable area of the
また、前記バイパス管の設置は容易に行えるため、前述のハイドレート層26の厚さを推定する方法と組み合わせて使用することも可能である。特に前記バイパス管は閉塞パターンマップを作成する際の実験時に使用することで、バイパス管の閉塞を検知した時点で、熱交換器30の運転条件の変化量を小さくして運転可能領域と不可能領域の境界を正確に検出することが可能となる。即ち、前記パイパス管を設置しない状態での閉塞パターンマップを作成する実験では、運転可能領域でもあっても運転条件の変化量を必要以上に細かく刻みながら、実験を行ってしまい効率が低下する可能性が考えられる。
Further, since the bypass pipe can be easily installed, it can be used in combination with the method for estimating the thickness of the
上述のように、本発明の熱交換器閉塞防止制御方法により、熱交換器30の閉塞が発生せず、かつ冷却効率の高い運転条件及び制御方法を提供し、さらに、前記運転条件及び制御方法から、前記熱交換器30の高効率な連続運転制御方法の提供を実現した。
As described above, according to the heat exchanger blockage prevention control method of the present invention, the operation condition and the control method are provided that do not block the
また、熱交換器30の高効率化のため、ガスハイドレート製造工程における製造コストを低下させ、製造効率の向上を実現した。
Moreover, in order to improve the efficiency of the
26 ハイドレート層
30 熱交換器
35 温度計
36 流量計
37 ハイドレートスラリー輸送管
38 差圧計
39 閉塞パターンマップ
40 閉塞の予兆
41 制御装置
42 低温恒温槽
44 ハイドレート生成槽
45 ハイドレートスラリーの循環ライン
46 冷媒の循環ライン
68 ハイドレートスラリー
26
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