JP2015001185A - 液化天然ガス冷熱発電システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】自然熱を有する自然熱媒SWが通流する自然熱媒回路3を備えると共に、前記冷媒蒸気発生部HX7が、自然熱媒回路3を通流する自然熱媒SWとの熱交換により前記冷媒液を加熱し、熱発生装置COから供給され自然熱媒SWよりも高温の加熱熱媒HWが通流する加熱熱媒回路4を備えると共に、天然ガス直膨回路1において天然ガス膨張タービンNGTに供給される天然ガスNGを、加熱熱媒回路4を通流する加熱熱媒HWとの熱交換により加熱する天然ガス加熱部HX8と、ランキンサイクル回路2において冷媒蒸気膨張タービンRGTに供給される冷媒蒸気RG(S)を、加熱熱媒回路4を通流する加熱熱媒HWとの熱交換により加熱する冷媒蒸気加熱部HX9とを備える。
【選択図】図1
Description
そして、当時から約40年が経過した現在においても、節電の要請から液化天然ガス冷熱発電システムが再び注目を浴びている。
従来の液化天然ガス冷熱発電システムとしては、液化天然ガスが有する冷熱エクセルギー(力学的な仕事として取り出せるエネルギー)を、気化後の高圧の天然ガスを直接膨張タービンで膨張させて発電動力を得るための動力エネルギーとして回収する天然ガス直膨回路を備えたもの(例えば特許文献1を参照。)、かかる天然ガス直膨回路に加えて、液化天然ガスが有する冷熱エクセルギーを、冷媒蒸気を冷却し冷媒液に復水させるための冷熱エネルギーとして回収するランキンサイクル回路を備えたもの(例えば特許文献2及び3を参照。)が知られている。
また、特許文献1に記載の液化天然ガス冷熱発電システムでは、液化天然ガス気化部の加熱源として、海水が用いられている。
また、特許文献2及び3の液化天然ガス冷熱発電システムでは、液化天然ガス気化部及び冷媒蒸気発生部の加熱源として、海水を用いることなく、ガス燃料を燃焼させて発電動力を得るガスタービンの排ガスが用いられている。
一方、加熱源としてガスタービンの排ガスを利用する液化天然ガス冷熱発電システムでは、その排ガスが比較的高温であることから、各膨張タービンを出たガスの温度を常温まで昇温できることからエクセルギー損失を低減できるものの、ガスタービンの運転状態の影響を受けやすく、安定した加熱源の確保が困難な場合があった。
貯留タンクから液化天然ガスポンプによって供給された液化天然ガスを加熱して天然ガスに気化させる液化天然ガス気化部と、当該液化天然ガス気化部で気化した天然ガスを膨張させて発電動力を出力する天然ガス膨張タービンと、当該天然ガス膨張タービンで膨張した天然ガスを取り出し可能な天然ガス取出部とを配置してなる天然ガス直膨回路を備え、
冷媒液を加熱して冷媒蒸気に気化させる冷媒蒸気発生部と、当該冷媒蒸気発生部で気化した冷媒蒸気を膨張させて発電動力を出力する冷媒蒸気膨張タービンと、当該冷媒蒸気膨張タービンで膨張した冷媒蒸気を冷却して冷媒液に復水させる冷媒蒸気復水部と、当該冷媒蒸気復水部で復水した冷媒液を前記冷媒蒸気発生部に供給する冷媒液ポンプとを配置してなるランキンサイクル回路を備え、
前記液化天然ガス気化部及び前記冷媒蒸気復水部が、液化天然ガスと冷媒蒸気との間で熱交換を行う熱交換器で構成されている液化天然ガス冷熱発電システムであって、
その特徴構成は、
自然熱を有する自然熱媒が通流する自然熱媒回路を備えると共に、前記冷媒蒸気発生部が、当該自然熱媒回路を通流する自然熱媒との熱交換により前記冷媒液を加熱し、
熱発生装置から供給され前記自然熱媒よりも高温の加熱熱媒が通流する加熱熱媒回路を備えると共に、前記天然ガス直膨回路において前記天然ガス膨張タービンに供給される天然ガスを、前記加熱熱媒回路を通流する加熱熱媒との熱交換により加熱する天然ガス加熱部と、前記ランキンサイクル回路において前記冷媒蒸気膨張タービンに供給される冷媒蒸気を、前記加熱熱媒回路を通流する加熱熱媒との熱交換により加熱する冷媒蒸気加熱部とを備えた点にある。
尚、本願において自然熱媒とは、海水、河川水、温泉水、地熱水などのように、自然熱を保有し、安定した温度に維持され、安定して必要量が確保できる熱媒を示す。
また、このランキンサイクル回路では、冷媒蒸気膨張タービンで膨張した後に冷媒蒸気復水部として機能する熱交換器に供給される冷媒蒸気の温度も比較的高めに維持されることになる。よって、天然ガス直膨回路では、貯留タンクから供給されて液化天然ガスポンプで昇圧された液化天然ガスが、液化天然ガス気化部として機能する熱交換器において比較的高めの温度の冷媒蒸気との熱交換により加熱されて天然ガスに気化し、更にその天然ガスが、天然ガス加熱部において加熱熱媒との熱交換により加熱された後に、天然ガス膨張タービンに供給されることになる。よって、自然熱媒及び加熱熱媒の一方のみを加熱源として利用する場合と比較して、天然ガス膨張タービンに供給される天然ガスの温度を高めに維持することができるので、当該膨張タービンが出力する発電動力を増加させることができる。
更に、熱発生装置の停止等に伴って、加熱熱媒回路への加熱熱媒の供給が停止した場合でも、自然熱媒回路への自然熱媒の供給は安定して確保されるので、冷媒蒸気発生部における自然熱媒との熱交換による冷媒液の気化を維持してランキンサイクル回路の運転を継続し、更には、熱交換器における冷媒蒸気との熱交換による液化天然ガスの気化を維持して天然ガス直膨回路の運転を継続することができる。
従って、本発明により、安定且つ安全操業を確保しながら液化天然ガスの冷熱を有効に利用可能な液化天然ガス冷熱発電システムを実現することができる。
前記熱発生装置が、天然ガスを燃料として駆動して電気と熱とを発生するコージェネレーション装置であり、前記加熱熱媒が当該コージェネレーション装置で生成された温水である点にある。
前記加熱熱媒回路において、前記冷媒蒸気加熱部と前記冷媒蒸気加熱部とが並列配置されている点にある。
前記天然ガス膨張タービンとして、前記液化天然ガス気化部で気化した高圧天然ガスを膨張させて発電動力を出力する高圧天然ガス膨張タービンと、当該高圧天然ガス膨張タービンで膨張した前記高圧天然ガスよりも低圧な中圧天然ガスを膨張させて発電動力を出力する中圧天然ガス膨張タービンとを備えると共に、
前記天然ガス取出部として、前記高圧天然ガスを取り出し可能な高圧天然ガス取出部と、前記中圧天然ガスを取り出し可能な中圧天然ガス取出部と、前記中圧天然ガス膨張タービンで膨張した前記中圧天然ガスよりも低圧な低圧天然ガスを取り出し可能な低圧天然ガス取出部とを備えた点にある。
前記天然ガス直膨回路において、前記天然ガス膨張タービンで膨張した天然ガスを前記液化天然ガスとの熱交換により冷却する天然ガス冷却部と、当該天然ガス冷却部で冷却された天然ガスを液相成分と気相成分に分離する気液分離部と、前記気液分離部で分離された液相成分を液化石油ガスとして取り出し可能な液化石油ガス取出部と、前記気液分離部で分離された気相成分を加圧して前記液化天然ガス気化部に供給される液化天然ガスに還流させる天然ガス還流ポンプとを配置した点にある。
天然ガスに含まれる炭化水素のうち、プロパンやブタンなどの炭素数が多いものは、メタンやエタンなどの炭素数が少ないものよりも沸点が高いことから、気液分離部で分離された液相成分は、プロパンやブタンを多く含む液化石油ガスに近い比較的発熱量が高いものとなり、一方、気液分離部で分離された気相成分は、メタンやエタンを多く含む比較的発熱量の低いものとなる。
よって、気液分離部で分離された液相成分については、液化石油ガス取出部により取り出して通常の液化石油ガスとして利用することができる。
一方、気液分離部で分離された気相成分については、適宜液化天然ガスとの熱交換により過冷却して液化した上で、天然ガス還流ポンプにより液化天然ガス気化部に供給される液化天然ガスに還流されるので、天然ガス直膨回路において、あたかも液化天然ガスを用いたランキンサイクルのように循環量が増加して、天然ガス膨張タービンで出力される発電動力を増加させることができる。
前記天然ガス直膨回路において、前記天然ガス加熱部に供給される天然ガスを、前記自然熱媒回路を通流する自然熱媒との熱交換により予熱する天然ガス予熱部を備えた点にある。
図1に示す液化天然ガス冷熱発電システムは、液化天然ガスLNGの冷熱を利用して発電動力を得るためのシステムであって、詳細については後述するが、液化天然ガスLNGが有する冷熱エクセルギーを気化後の高圧の天然ガスNGを直接天然ガス膨張タービンNGTで膨張させて発電動力を得るための動力エネルギーとして回収する天然ガス直膨回路1と、液化天然ガスLNGが有する冷熱エクセルギーを冷媒RGを冷却し復水させるための冷熱エネルギーとして回収するランキンサイクル回路2とが設けられている。
更に、天然ガスNGや冷媒RGを加熱するための熱媒を確保するべく、自然熱を有する常温(例えば約20℃)の海水SW(自然熱媒の一例)が所定流量(例えば約726m3/h)で通流する海水回路3(自然熱媒回路の一例)と、天然ガスNGを燃料として駆動して電気と熱とを発生するコージェネレーション装置CO(熱発生装置の一例)から供給され海水SWよりも高温(例えば約70℃)の温水HW(加熱熱媒の一例)が所定流量(例えば約255m3/h)で通流する温水回路4(加熱熱媒回路の一例)とが設けられている。
尚、本実施形態において、これら海水回路3及び温水回路4は、複数の熱交換器に対して海水SW及び温水HWを供給するものであるが、夫々の熱媒回路3,4においてそれら複数の熱交換器は並列配置されている。
以下、天然ガス直膨回路1とランキンサイクル回路2との夫々の詳細構成について順に説明する。
天然ガス直膨回路1は、貯留タンクLTから液化天然ガスポンプP1によって供給された液化天然ガスLNGを加熱して天然ガスNGに気化させる液化天然ガス気化部HX3aと、当該液化天然ガス気化部HX3aで気化した天然ガスNGを膨張させて発電動力を出力する天然ガス膨張タービンNGTと、当該天然ガス膨張タービンNGTで膨張した天然ガスNGを取り出し可能な天然ガス取出部NGOとを配置してなる。
具体的に、天然ガス膨張タービンNGTとしては、液化天然ガス気化部HX3aで気化した高圧天然ガスNG(H)を膨張させて発電動力を出力する高圧天然ガス膨張タービンNGT(H)と、当該高圧天然ガス膨張タービンNGT(H)で膨張した高圧天然ガスNG(H)よりも低圧な中圧天然ガスNG(M)を膨張させて発電動力を出力する中圧天然ガス膨張タービンNGT(M)とが設けられている。
よって、高圧天然ガス膨張タービンNGT(H)では、約7MPaGで約65℃の高圧天然ガスNG(H)が供給され、その高圧天然ガスNG(H)を約3MPaGで約17℃の中圧天然ガスNG(M)に膨張させることで、約2,500kWの発電動力を出力することができる。
すると、天然ガス冷却用熱交換器HX2からは、低圧天然ガスNG(L)に含まれる炭化水素のうち、炭素数が多く沸点が比較的高いプロパンやブタンなどが主に凝縮して液相成分として排出され、炭素数が少なく沸点が比較的低いメタンやエタンなどが主に気相成分として排出されることになる。
このことにより、天然ガス直膨回路1では、あたかも液化天然ガスLNGを用いたランキンサイクルのように天然ガスNGの循環量が増加し、天然ガス膨張タービンNGTで出力される発電動力が増加されることになる。
また、この還流される天然ガスNGは、高発熱量のプロパンやブタンが取り出されることでメタンやエタンの含有率が増加した低発熱量のものであることから、天然ガス直膨回路1を循環し各天然ガス取出部NGOで取り出される天然ガスNGの発熱量を、貯留タンクLTから供給された液化天然ガスLNGの発熱量よりも低下させて、例えばシェールガスと同等の発熱量とすることができる。
そして、このバイパス弁Vの開度調整により、気液分離器SPを介して液化石油ガス取出部LPGOで取り出される液化石油ガスLPGの量を調整することができる。
このように液化石油ガス取出部LPGOで取り出される液化石油ガスLPGの量を調整すれば、液化天然ガス気化部HX3aに供給される液化天然ガスLNGに還流される天然ガスNGの発熱量の低下幅も調整することができるので、結果、天然ガス直膨回路1を循環し各天然ガス取出部NGOで取り出される天然ガスNGの発熱量の低下幅も適当なものに調整することができる。
尚、このような液化天然ガス冷熱発電システムでは、低圧天然ガス取出部NGO(L)からの低圧天然ガスNG(L)の送出量を増加させるほど、また高圧天然ガス取出部NGO(H)からの高圧天然ガスNG(H)の送出量を減少させるほど、天然ガス膨張タービンNGTへの天然ガスNGの供給量が増加するため、全体の発電動力の出力が増加することになる。
ランキンサイクル回路2は、冷媒RGとして液化石油ガスLPGを利用した液化石油ガスLPGランキンサイクル回路であって、冷媒液RG(L)を加熱して冷媒蒸気RG(S)に気化させる冷媒蒸気発生用熱交換器HX7(冷媒蒸気発生部の一例)と、当該冷媒蒸気発生用熱交換器HX7で気化した冷媒蒸気RG(S)を膨張させて発電動力を出力する冷媒蒸気膨張タービンRGTと、当該冷媒蒸気膨張タービンRGTで膨張した冷媒蒸気RG(S)を冷却して冷媒液RG(L)に復水させる冷媒蒸気復水部HX3bと、当該冷媒蒸気復水部HX3bで復水した冷媒液RG(L)を冷媒蒸気発生用熱交換器HX7に供給する冷媒液ポンプP4とを配置してなる。
そして、上述した天然ガス直膨回路1の液化天然ガス気化部HX3aと、このランキンサイクル回路2の冷媒蒸気復水部HX3bとが、液化天然ガスLNGと冷媒蒸気膨張タービンRGTで膨張した冷媒蒸気RG(S)との間で熱交換を行う液化天然ガス冷媒蒸気熱交換器HX3で構成されている。
尚、この液化天然ガス冷媒蒸気熱交換器HX3は、液化天然ガスLNGと冷媒蒸気RG(S)との間で熱交換を行うのに加え、冷媒液ポンプP4により冷媒蒸気発生用熱交換器HX7に供給される冷媒液RG(L)を冷媒蒸気RG(S)との熱交換により予熱する所謂3流体型熱交換器として構成されている。
次に、冷媒蒸気温水熱交換器HX9では、その常温程度で高圧の冷媒蒸気RG(S)が、温水回路4を通流する温水HWとの熱交換により加熱されて、高温(例えば約65℃)に加熱する。
よって、冷媒蒸気膨張タービンRGTでは、約2.5MPaGで約65℃の冷媒蒸気RG(S)が供給され、その冷媒蒸気RG(S)を約0.4MPaGで約−8℃の冷媒蒸気RG(S)に膨張させることで、約3,300kWの発電動力を出力することができる。
この冷媒液RG(L)は、冷媒液ポンプP4により約2.5MPaGに加圧され、更に液化天然ガス冷媒蒸気熱交換器HX3において約−8℃の冷媒蒸気RG(S)との熱交換により−27℃に加熱した後に、冷媒蒸気発生用熱交換器HX7に供給されることになる。
よって、高圧天然ガス温水熱交換器HX8において加熱対象となる高圧天然ガスNG(H)に対する温水HWの温度差を大きくとることができるので、天然ガス直膨回路1におけるその下流側にある高圧天然ガス膨張タービンNGT(H)が出力する発電動力を増加させると共に、温水HWの必要供給量を減らすことができる。
また、冷媒蒸気温水熱交換器HX9においても加熱対象となる冷媒蒸気RG(S)に対する温水HWの温度差を大きくとることができるので、ランキンサイクル回路2におけるその下流側にある冷媒蒸気膨張タービンRGTが出力する発電動力を増加させることができると共に、温水HWの必要供給量を減らすことができる。
最後に、本発明のその他の実施形態について説明する。尚、以下に説明する各実施形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
また、温水回路4において、高圧天然ガス温水熱交換器HX8と冷媒蒸気温水熱交換器HX9とを直列配置することもできる。
2 :ランキンサイクル回路
3 :海水回路(自然媒体回路)
4 :温水回路(加熱媒体回路)
LNG :液化天然ガス
NG :天然ガス
NG(H) :高圧天然ガス
NG(M) :中圧天然ガス
NG(L) :低圧天然ガス
LPG :液化石油ガス
SW :海水(自然熱媒)
HW :温水(加熱熱媒)
RG :冷媒
RG(S) :冷媒蒸気
RG(L) :冷媒液
NGO :天然ガス取出部
NGO(H):高圧天然ガス取出部
NGO(M):中圧天然ガス取出部
NGO(L):低圧天然ガス取出部
LPGO :液化石油ガス取出部
HX1 :天然ガス復水用熱交換器
HX2 :天然ガス冷却用熱交換器(天然ガス冷却部)
HX3 :液化天然ガス冷媒蒸気熱交換器
HX3a :液化天然ガス気化部
HX3b :冷媒蒸気復水部
HX4 :高圧天然ガス海水熱交換器(天然ガス予熱部)
HX5 :中圧天然ガス海水熱交換器
HX6 :低圧天然ガス海水熱交換器
HX7 :冷媒蒸気発生用熱交換器(冷媒蒸気発生部)
HX8 :高圧天然ガス温水熱交換器(天然ガス加熱部)
HX9 :冷媒蒸気温水熱交換器(冷媒蒸気加熱部)
NGT :天然ガス膨張タービン
NGT(H):高圧天然ガス膨張タービン
NGT(M):中圧天然ガス膨張タービン
RGT :冷媒蒸気膨張タービン
P1 :液化天然ガスポンプ
P2 :天然ガス還流ポンプ
P3 :海水ポンプ
P4 :冷媒液ポンプ
P5 :温水ポンプ
CO :コージェネレーション装置
LT :貯留タンク
SP :気液分離器(気液分離部)
V :バイパス弁
Claims (6)
- 貯留タンクから液化天然ガスポンプによって供給された液化天然ガスを加熱して天然ガスに気化させる液化天然ガス気化部と、当該液化天然ガス気化部で気化した天然ガスを膨張させて発電動力を出力する天然ガス膨張タービンと、当該天然ガス膨張タービンで膨張した天然ガスを取り出し可能な天然ガス取出部とを配置してなる天然ガス直膨回路を備え、
冷媒液を加熱して冷媒蒸気に気化させる冷媒蒸気発生部と、当該冷媒蒸気発生部で気化した冷媒蒸気を膨張させて発電動力を出力する冷媒蒸気膨張タービンと、当該冷媒蒸気膨張タービンで膨張した冷媒蒸気を冷却して冷媒液に復水させる冷媒蒸気復水部と、当該冷媒蒸気復水部で復水した冷媒液を前記冷媒蒸気発生部に供給する冷媒液ポンプとを配置してなるランキンサイクル回路を備え、
前記液化天然ガス気化部及び前記冷媒蒸気復水部が、液化天然ガスと冷媒蒸気との間で熱交換を行う熱交換器で構成されている液化天然ガス冷熱発電システムであって、
自然熱を有する自然熱媒が通流する自然熱媒回路を備えると共に、前記冷媒蒸気発生部が、当該自然熱媒回路を通流する自然熱媒との熱交換により前記冷媒液を加熱し、
熱発生装置から供給され前記自然熱媒よりも高温の加熱熱媒が通流する加熱熱媒回路を備えると共に、前記天然ガス直膨回路において前記天然ガス膨張タービンに供給される天然ガスを、前記加熱熱媒回路を通流する加熱熱媒との熱交換により加熱する天然ガス加熱部と、前記ランキンサイクル回路において前記冷媒蒸気膨張タービンに供給される冷媒蒸気を、前記加熱熱媒回路を通流する加熱熱媒との熱交換により加熱する冷媒蒸気加熱部とを備えた液化天然ガス冷熱発電システム。 - 前記熱発生装置が、天然ガスを燃料として駆動して電気と熱とを発生するコージェネレーション装置であり、前記加熱熱媒が当該コージェネレーション装置で生成された温水である請求項1に記載の液化天然ガス冷熱発電システム。
- 前記加熱熱媒回路において、前記冷媒蒸気加熱部と前記冷媒蒸気加熱部とが並列配置されている請求項1又は2に記載の液化天然ガス冷熱発電システム。
- 前記天然ガス膨張タービンとして、前記液化天然ガス気化部で気化した高圧天然ガスを膨張させて発電動力を出力する高圧天然ガス膨張タービンと、当該高圧天然ガス膨張タービンで膨張した前記高圧天然ガスよりも低圧な中圧天然ガスを膨張させて発電動力を出力する中圧天然ガス膨張タービンとを備えると共に、
前記天然ガス取出部として、前記高圧天然ガスを取り出し可能な高圧天然ガス取出部と、前記中圧天然ガスを取り出し可能な中圧天然ガス取出部と、前記中圧天然ガス膨張タービンで膨張した前記中圧天然ガスよりも低圧な低圧天然ガスを取り出し可能な低圧天然ガス取出部とを備えた請求項1〜3の何れか1項に記載の液化天然ガス冷熱発電システム。 - 前記天然ガス直膨回路において、前記天然ガス膨張タービンで膨張した天然ガスを前記液化天然ガスとの熱交換により冷却する天然ガス冷却部と、当該天然ガス冷却部で冷却された天然ガスを液相成分と気相成分に分離する気液分離部と、前記気液分離部で分離された液相成分を液化石油ガスとして取り出し可能な液化石油ガス取出部と、前記気液分離部で分離された気相成分を加圧して前記液化天然ガス気化部に供給される液化天然ガスに還流させる天然ガス還流ポンプとを配置した請求項1〜4の何れか1項に記載の液化天然ガス冷熱発電システム。
- 前記天然ガス直膨回路において、前記天然ガス加熱部に供給される天然ガスを、前記自然熱媒回路を通流する自然熱媒との熱交換により予熱する天然ガス予熱部を備えた請求項1〜5の何れか1項に記載の液化天然ガス冷熱発電システム。
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