JP2016125773A - 液化ガス用冷却装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】圧縮機メンテナンスの容易化およびそのメンテナンス時間の短縮、並びに一部圧縮機のメンテナンスを行いながらシステムを稼動することが可能な液化ガス用冷却装置を提供することを目的とする。【解決手段】冷却することにより液化される液化ガスを流すガス流路２と、ガス流路２内を流れる液化ガスを冷却する蒸発器７および圧縮機４、凝縮器５、絞り膨張器６とで冷凍サイクル１０を構成する冷凍装置３とを備えた液化ガス用冷却装置１にあって、冷凍装置３に、圧縮機３の吸入流路９Ａおよび吐出流路９Ｂにそれぞれ開閉弁２１，２２が設けられるとともに、その吸入側および吐出側開閉弁２１，２２間の冷媒流路９にサービス用開閉弁２３を備えたサービスポート２４が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、液化ガスを冷却して液化するための冷却装置（以下、単に液化ガス用冷却装置と云う。）に関するものである。
例えば、液化天然ガス（以下、単にＬＮＧとも云う。）は、常温、常圧の天然ガスを先ず−３０℃程度まで予冷した後、そのガスを更に冷却することにより液化し、更にその液化ガスを−１６２℃まで過冷却することにより生成される。この冷却工程において、各種冷媒を用いた冷凍装置が用いられており、それぞれの冷凍装置は、圧縮機、凝縮器、絞り膨張器および蒸発器を冷媒流路で順次接続して、閉サイクルの冷凍サイクルを構成したものとされている。
特許文献１−５には、それぞれ上記の如く冷凍装置を用いたＬＮＧ等の液化ガス用冷却装置が開示されている。これらの液化ガス用冷却装置は、予冷工程および液化工程にそれぞれ個別に所要の能力を有する冷凍装置を設けたものとされている。
米国特許出願公開第２００９／００９０１３１号明細書 米国特許出願公開第２０１０／０２８１９１５号明細書（対応する日本出願；特開２０１０−２６１０３８号公報） 米国特許出願公開第２０１０／０２５７８９５号明細書 米国特許出願公開第２０１４／０１９０２０５号明細書 米国特許出願公開第２０１４／０２８３５５０号明細書
上記液化ガス用冷却装置の冷凍装置は、冷凍サイクルを構成する圧縮機の駆動軸をガスタービンまたは電動モータの出力軸に連結し、圧縮機を駆動する構成とされている。かかる圧縮機は、一定の運転時間毎に軸受等の消耗部品を交換する必要があり、その都度、冷凍サイクル内の冷媒を回収し、メンテナンスする必要があった。従って、この間、液化ガス用冷却装置を稼動することができず、ＬＮＧの生産が中断される等の課題があった。
一方、圧縮機は、タービン軸駆動またはモータ軸駆動であり、圧縮機駆動軸の軸シール部から極微量ではあるが冷媒漏れが発生するため、定期的に冷媒を追加補充する必要があった。また、圧縮機とタービンは、系列毎に直線上に配置されるが、設置スペースが狭いプラントでは、構成機器を配置する際、大きな制約を受けることがあった。更に、メンテナンス時、システムの全停止を防ぐため、複数系統の冷凍装置の一部を停止し、他の冷凍装置を動作させながらメンテナンスすることがあるが、この際、停止される圧縮機の駆動モータやインバータの電力部分が活線状態となっている場合があり、メンテナンス作業に危険を及ぼすことがある等の課題があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、圧縮機メンテナンスの容易化およびそのメンテナンス時間の短縮、並びに一部圧縮機のメンテナンスを行いながらシステムを稼動することが可能な液化ガス用冷却装置を提供することを目的とする。
上記した課題を解決するために、本発明の液化ガス用冷却装置は、以下の手段を採用している。
すなわち、本発明にかかる液化ガス用冷却装置は、冷却することによって液化される液化ガスを流すガス流路と、前記ガス流路内を流れる液化ガスを冷却する蒸発器および圧縮機、凝縮器、絞り膨張器とで冷凍サイクルを構成する冷凍装置と、を備え、前記冷凍装置には、前記圧縮機の吸入流路および吐出流路にそれぞれ開閉弁が設けられるとともに、その吸入側および吐出側開閉弁間の冷媒流路にサービス用開閉弁を備えたサービスポートが設けられていることを特徴とする。
本発明によれば、液化ガスを冷却する冷凍装置の圧縮機の吸入流路および吐出流路にそれぞれ開閉弁を設けるとともに、その吸入側および吐出側開閉弁間の冷媒流路にサービス用開閉弁を備えたサービスポートを設けているため、予め設定されている運転時間が経過し、圧縮機のメンテナンスが必要となったとき、圧縮機の運転を停止し、その吸入流路および吐出流路に設けられている開閉弁を閉成することにより、圧縮機を冷凍サイクルから切り離した状態とした上、サービスポートを介して圧縮機内部の冷媒を回収した後、圧縮機をメンテナンスすることができる。従って、圧縮機のメンテナンス時、冷凍サイクル内の冷媒を全て回収する必要がなく、作業時間を短縮化することができるとともに、冷媒回収作業を含むメンテナンス作業の容易化やその人工費、補充冷媒費用等のメンテナンスコストの削減を図ることができる。なお、圧縮機のメンテナンスは、例えば運転時間をカウントして報知する等により、適切なタイミングで実施すればよい。
さらに、本発明の液化ガス用冷却装置は、上記の液化ガス用冷却装置において、前記吸入側および吐出側開閉弁、前記サービス用開閉弁を備えたサービスポートおよび前記圧縮機がモジュール化され、その圧縮モジュールが前記冷凍サイクルに対して複数台並列に接続されていることを特徴とする。
本発明によれば、吸入側および吐出側開閉弁、サービス用開閉弁を備えたサービスポートおよび圧縮機をモジュール化し、その圧縮モジュールを冷凍サイクルに対して複数台並列に接続しているため、並列に接続されている複数台の圧縮機を規定された運転時間を経過した圧縮機から順次運転を停止し、上述の如く個別にメンテナンスすることにより、複数台の圧縮機を順次ローテーション化してメンテナンスすることができる。従って、液化ガス用冷却装置を全停止する必要がなく、運転を継続しながら個別に圧縮機のメンテナンスを実施することができる。
さらに、本発明の液化ガス用冷却装置は、上記の液化ガス用冷却装置において、前記冷凍装置が冷凍サイクル単位でモジュール化され、その冷凍モジュールが前記液化ガスのガス流路に対して複数台並列又は直列に接続されていることを特徴とする。
本発明によれば、冷凍装置を冷凍サイクル単位でモジュール化し、その冷凍モジュールを液化ガスのガス流路に対して複数台並列又は直列に接続しているため、モジュール化された各冷凍装置の圧縮機が規定された運転時間を経過したとき、その圧縮機が搭載されている冷凍モジュールから順次運転を停止し、上述の如く圧縮機を個別にメンテナンスすることによって、複数台の冷凍モジュールの圧縮機を順次ローテーション化してメンテナンスすることができる。従って、液化ガス用冷却装置を全停止する必要がなく、運転を継続しながら個別に圧縮機のメンテナンスを実施することができる。
さらに、本発明の液化ガス用冷却装置は、上記の液化ガス用冷却装置において、前記複数台の冷凍モジュールが前記ガス流路に対して並列に接続され、各冷凍モジュールの蒸発器に対する前記ガス流路の入口側および出口側のいずれか一方又は双方に各々流路開閉弁が設けられていることを特徴とする。
本発明によれば、複数台の冷凍モジュールがガス流路に対して並列に接続され、各冷凍モジュールの蒸発器に対するガス流路の入口側および出口側のいずれか一方又は双方に各々流路開閉弁を設けているため、モジュール化された冷凍装置の圧縮機を規定された運転時間を経過したものから順次ローテーションしてメンテナンスする際、停止状態された冷凍モジュールの蒸発器に対する液化ガスの流通を、その入口側および出口側のいずれか一方又は双方に設けられている流路開閉弁を閉成して遮断し、メンテナンスすることができる。従って、他の冷凍モジュールで冷却された液化ガスに非冷却の液化ガスが混入されることによる冷却効率の低下を抑制し、冷却性能の向上を図ることができる。
本発明によると、予め設定されている運転時間が経過し、圧縮機のメンテナンスが必要となったとき、圧縮機の運転を停止し、その吸入流路および吐出流路に設けられている開閉弁を閉成することにより、圧縮機を冷凍サイクルから切り離した状態とした上、サービスポートを介して圧縮機内部の冷媒を回収した後、圧縮機をメンテナンスすることができるため、圧縮機のメンテナンス時、冷凍サイクル内の冷媒を全て回収する必要がなく、作業時間を短縮化することができるとともに、冷媒回収作業を含むメンテナンス作業の容易化やその人工費、補充冷媒費用等のメンテナンスコストの削減を図ることができる。
本発明の第１実施形態に係る液化ガス用冷却装置の部分構成図である。 上記の液化ガス用冷却装置に適用される冷凍装置用の圧縮機の概略構成図である。 本発明の第２実施形態に係る液化ガス用冷却装置の部分構成図である。 本発明の第３実施形態に係る液化ガス用冷却装置の部分構成図である。
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１および図２を用いて説明する。
図１には、本発明の第１実施形態に係る液化ガス用冷却装置の部分構成図が示され、図２には、その装置に適用される冷凍装置用の圧縮機の概略構成図が示されている。
液化ガス用冷却装置１は、例えば天然ガス等の液化ガス（原料ガス）を流すガス流路２を有しており、そのガス流路２に対して液化ガスを所定温度まで冷却する冷凍装置３が設けられた構成とされている。
冷凍装置３は、公知の如く、冷媒を圧縮する圧縮機４と、圧縮機４により圧縮された高温高圧の冷媒ガスを凝縮液化する凝縮器５と、凝縮器５により凝縮された冷媒を断熱膨張する絞り膨張器６と、絞り膨張器６により断熱膨張された低温低圧の冷媒を蒸発する蒸発器７とを冷媒流路９により上記順序で接続し、閉サイクルの冷凍サイクル１０を構成したものである。なお、絞り膨張器６としては、各種膨張機（エキスパンダ）や膨張弁を用いることができる。
また、液化ガスを流すガス流路２は、冷凍装置３の蒸発器７を経て順次冷却されることによって、原料ガスである天然ガスを−１６２℃の液化ガス（ＬＮＧ）とすべく、下流側行程へと流通されるようになっている。
さらに、上記冷凍装置３に適用される圧縮機４は、図２に示されるように、圧縮機ハウジング１２とモータハウジング１３とをボルト等により一体に結合して構成される密閉構造のハウジング１１内部に、圧縮機構１４および電動モータ１５を内蔵した密閉型の電動圧縮機とされている。ここでの圧縮機４は、上下２段のインペラ１６，１７を備え、その回転軸１８を図示省略の軸受を介して回転自在に支持されたモータ軸１９により、増速歯車２０を介して駆動するようにしたターボ圧縮機とされている。
なお、上記圧縮機４は、インペラ１６，１７を上下２段に設けた２段圧縮機とされているが、単段圧縮機あるいは３段以上の多段圧縮機としてもよく、また、モータ軸１９により増速歯車２０を介して回転軸１８を駆動するものとされているが、回転軸１８とモータ軸１９とを一体軸とした直結構造の圧縮機としてもよい。
さらに、上記圧縮機４の吸入流路９Ａおよび吐出流路９Ｂには、それぞれ吸入側開閉弁２１および吐出側開閉弁２２が設けられ、冷凍サイクル１０を遮断状態とすることができる構成とされるとともに、その吸入側開閉弁２１および吐出側開閉弁２２間の冷媒流路９にサービス用開閉弁２３を備えたサービスポート２４が設けられた構成とされている。
以上に説明の構成により、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
液化ガス用冷却装置１により、例えば天然ガス等の原料ガスを冷却して液化ガス（ＬＮＧ）を生成する際、冷凍装置３を運転することにより、ガス流路２内を流れる常温の液化ガスは、蒸発器７により順次冷却され、先ず−３０℃程度まで予却された後、そこから更に冷却および過冷却されることにより、−１６２℃の液化ガス（ＬＮＧ）とされる。
この液化冷却過程で運転される冷凍装置３の圧縮機４は、予め設定された運転時間毎に軸受等の消耗部品を交換するためのメンテナンスが必要である。この際、圧縮機４を停止状態とし、内部の冷媒を回収した後、メンテナンスしなければならない。このメンテナンスの具体的手順を以下に説明する。
（１）圧縮機４の運転時間をコントローラ等によりカウントし、予め設定された運転時間が経過すると、それを適宜の手段を介して報知することにより、メンテナンスが必要であると判断し、冷凍装置３の運転を停止する。
（２）圧縮機４を停止状態とした後、吸入流路９Ａおよび吐出流路９Ｂに設けられている開閉弁２１，２２を閉成して冷凍サイクル１０を遮蔽し、圧縮機４を冷凍サイクル１０から切り離した状態とする。
（３）この状態でサービスポート２４に冷媒回収機を接続し、サービス用開閉弁２３を開くことにより圧縮機４内部の冷媒を冷媒回収機側のタンク等に回収する。
（４）その後、圧縮機４における軸受等の消耗部品を交換する等、必要なメンテナンスを実施する。
（５）メンテナンスが終了したら、サービスポート２４に真空ポンプを接続して圧縮機４内の空気を真空引きして排気した後、サービスポート２４に冷媒充填機を接続し、必要量の冷媒を補充する。
（６）冷媒の補充が終了したら、サービス用開閉弁２３を閉じるとともに、吸入流路９Ａおよび吐出流路９Ｂの開閉弁２１，２２を開くことによって、メンテナンス作業を完了させ、圧縮機４および冷凍装置３を運転可能状態とする。
斯くして、本実施形態によると、上記手順により圧縮機４をメンテナンスすることができるため、圧縮機４のメンテナンス時、冷凍サイクル１０内の冷媒を全て回収する必要がなく、その作業時間を短縮化することができるとともに、冷媒回収作業を含むメンテナンス作業の容易化やその人工費、補充冷媒費用等のメンテナンスコストの削減を図ることができる。
また、本実施形態の圧縮機４は、密閉構造とされたハウジング１１内に圧縮機構１４と電動モータ１５とを内蔵した密閉型の電動圧縮機とされているため、圧縮機駆動軸の軸シール部がなくなり、従って、軸シール部からの冷媒漏れをなくすることができ、定期的な冷媒の追加補充を不要化し、その分のメンテナンスコストや冷媒コスト等を削減することができるとともに、システムの稼働率をアップすることができる。また、ガスタービン駆動方式のものに比べ、機器の配置スペースをセーブすることができるため、狭いプラントでの機器の配置制約を緩和することができる。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図３を用いて説明する。
本実施形態は、上記した第１実施形態に対して、モジュール化した圧縮機４を冷凍サイクル１０に複数台並列に接続した構成としている点が異なる。その他の点については、第１実施形態と同様であるので説明は省略する。
本実施形態の液化ガス用冷却装置１は、図３に示されるように、圧縮機４がその吸入流路９Ａおよび吐出流路９Ｂに設けられる開閉弁２１，２２、吸入側開閉弁２１および吐出側開閉弁２２間の冷媒両路９に設けられるサービス用開閉弁２３を備えたサービスポート２４等と共に一体にモジュール化され、その圧縮モジュールＡ１，Ｂ１，Ｃ１・・・が冷凍サイクル１０に対して複数台並列に接続された構成とされている。
このように、モジュール化した圧縮機４を冷凍サイクル１０に対して複数台並列に接続した構成とすることにより、複数台の圧縮モジュールＡ１，Ｂ１，Ｃ１の圧縮機４を予め設定された運転時間を経過したものから、順次運転を停止して、上述した手順（２）ないし（６）の手順に従って個別にメンテナンスすることができ、圧縮機メンテナンスをローテーション化することができる。
従って、圧縮機４のメンテナンスの都度、液化ガス用冷却装置１の運転を停止する必要がなくなり、その運転を継続しながら、個別に圧縮機４のメンテナンスを実施することができ、液化ガス用冷却装置１の稼働率を向上することができる。また、複数台の圧縮モジュールＡ１，Ｂ１，Ｃ１のいずれかが故障して運転不能となった場合でも、同様に液化ガス用冷却装置１の運転を継続しながら、その圧縮モジュールの修理を実施することができるため、液化ガス（ＬＮＧ）の生産低下を防止することができる。
さらに、モジュール化した圧縮機４を冷凍サイクル１０に対して複数台並列に接続した構成とすることにより、１台の圧縮機４当りの容量を小容量化できるだけでなく、開閉弁２１，２２，２３等についても小径化することができ、容易に実用化可能な範囲の仕様とすることができる。
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について、図４を用いて説明する。
本実施形態は、上記した第１実施形態に対して、モジュール化した冷凍装置３を液化ガスのガス流路２に対し複数台並列に接続した構成としている点が異なる。その他の点については、第１実施形態と同様であるので説明は省略する。
本実施形態に係る液化ガス用冷却装置１は、図４に示されるように、圧縮機４、凝縮器５、絞り膨張器６、蒸発器７を冷媒流路９により順序接続し、閉サイクルの冷凍サイクル１０を構成するとともに、その圧縮機４の吸入流路９Ａおよび吐出流路９Ｂに吸入側および吐出側の開閉弁２１，２２を設け、更に吸入側および吐出側開閉弁２１，２２間の冷媒流路９にサービス用開閉弁２３を備えたサービスポート２４を設けて構成された冷凍装置３を冷凍サイクル１０単位でモジュール化し、その冷凍モジュールＡ２，Ｂ２，Ｃ２・・・を液化ガスのガス流路２に対して複数台並列に接続した構成としている。
さらに、液化ガスのガス流路２に対して並列に接続されている複数台の冷凍モジュールＡ２，Ｂ２，Ｃ２の蒸発器７に対するガス流路２の入口側および出口側のいずれか一方又は双方には、それぞれ流路開閉弁２５，２６が設けられており、複数台の冷凍モジュールＡ２，Ｂ２，Ｃ２が圧縮機４のメンテナンスあるいは故障、その他により停止状態に至ったとき、その冷凍モジュールＡ２，Ｂ２，Ｃ２に対する液化ガスの流通を遮断できる構成とされている。
上記の如く冷凍サイクル１０単位でモジュール化された冷凍モジュールＡ２，Ｂ２，Ｃ２を液化ガスのガス流路２に対して複数台並列に接続した構成とすることにより、モジュール化された各冷凍装置３の圧縮機４が規定された運転時間を経過したとき、その圧縮機４が搭載されている冷凍モジュールＡ２，Ｂ２，Ｃ２から順次運転を停止し、圧縮機４を上述した手順（２）ないし（６）に従って個別にメンテナンスすることができ、圧縮機メンテナンスをローテーション化することができる。
これによって、圧縮機４のメンテナンスの都度、液化ガス用冷却装置１の運転を停止する必要がなくなり、その運転を継続しながら各冷凍モジュールＡ２，Ｂ２，Ｃ２の圧縮機４を個別にメンテナンスすることができ、液化ガス用冷却装置１の稼働率を向上することができる。また、複数台の冷凍モジュールＡ２，Ｂ２，Ｃ２のいずれかの構成機器等が故障して運転不能となった場合においても、同様に液化ガス用冷却装置１の運転を継続しながら、その冷凍モジュールＡ２，Ｂ２，Ｃ２の修理を行うことができるため、液化ガスの生産低下を防止することができる。
また、複数台の冷凍モジュールＡ２，Ｂ２，Ｃ２の蒸発器７に対するガス流路２の入口側および出口側のいずれか一方又は双方に各々流路開閉弁２５，２６が設けられているため、モジュール化された冷凍装置３の圧縮機４を予め設定された運転時間を経過したものから、順次ローテーションしてメンテナンスする際、停止状態された各冷凍モジュールＡ２，Ｂ２，Ｃ２の蒸発器７に対する液化ガスの流通を、その入口側および出口側のいずれか一方又は双方に設けられている流路開閉弁２５，２６を閉成して遮断し、メンテナンスすることができる。
従って、並列に接続されている他の冷凍モジュールＡ２，Ｂ２，Ｃ２で冷却された液化ガスに停止状態の冷凍モジュールを経由した非冷却の液化ガスが混入されることによる冷却効率の低下を抑制し、冷却性能の向上を図ることができる。
さらに、冷凍装置３を小容量化された複数台の冷凍モジュールＡ２，Ｂ２，Ｃ２・・・に分割し、その複数台の冷凍モジュールＡ２，Ｂ２，Ｃ２を液化ガスのガス流路２に対して並列に接続した構成とすることにより、同能力を有する大型の冷凍装置３を１台設置する場合に比べ、機器配置の自由度を高め、設置スペースが狭いプラントでの機器配置の制約を緩和することができるとともに、液化ガス用冷却装置１の能力の大小を選択する場合にも柔軟に対応することができる。しかも、冷凍サイクル１０やガス流路２中に設ける開閉弁２１，２２，２３，２５，２６等についても小径化することができ、容易に実用化可能な範囲の仕様とすることができる。
なお、本発明は、上記実施形態にかかる発明に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変形が可能である。例えば、上記実施形態では、冷凍装置３に適用する圧縮機４として、ターボ圧縮機を用いた例について説明したが、これに限定されるものではなく、他形式の例えばスクリュー圧縮機や往復動圧縮機等の圧縮機を用いてもよい。また、本発明の液化ガス用冷却装置は、天然ガス以外の液化ガスの液化にも同様に適用できることは云うまでもない。
さらに、上記した第３実施形態においては、液化ガスを流すガス流路２に対し、複数台の冷凍モジュールＡ２，Ｂ２，Ｃ２・・・を並列に接続した例について説明したが、必ずしも並列である必要はなく、複数台の冷凍モジュールＡ２，Ｂ２，Ｃ２をガス流路２に対して直列に接続した構成としてもよく、この場合、各冷凍モジュールＡ２，Ｂ２，Ｃ２の蒸発器７に対して、ガス流路２が直列に接続されるため、流路開閉弁２５，２６を省略するか、もしくはバイパス回路を設けた構成とすればよい。
１ 液化ガス用冷却装置
２ ガス流路
３ 冷凍装置
４ 圧縮機
５ 凝縮器
６ 絞り膨張器
７ 蒸発器
９ 冷媒流路
９Ａ 吸入流路
９Ｂ 吐出流路
１０ 冷凍サイクル
２１，２２ 開閉弁
２３ サービス用開閉弁
２４ サービスポート
２５，２６ 流路開閉弁
Ａ１，Ｂ１，Ｃ１ 圧縮モジュール
Ａ２，Ｂ２，Ｃ２ 冷凍モジュール

Claims (4)

  1. 冷却することによって液化される液化ガスを流すガス流路と、
    前記ガス流路内を流れる液化ガスを冷却する蒸発器および圧縮機、凝縮器、絞り膨張器とで冷凍サイクルを構成する冷凍装置と、を備え、
    前記冷凍装置には、前記圧縮機の吸入流路および吐出流路にそれぞれ開閉弁が設けられるとともに、その吸入側および吐出側開閉弁間の冷媒流路にサービス用開閉弁を備えたサービスポートが設けられていることを特徴とする液化ガス用冷却装置。
  2. 前記吸入側および吐出側開閉弁、前記サービス用開閉弁を備えたサービスポートおよび前記圧縮機がモジュール化され、その圧縮モジュールが前記冷凍サイクルに対して複数台並列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の液化ガス用冷却装置。
  3. 前記冷凍装置が冷凍サイクル単位でモジュール化され、その冷凍モジュールが前記液化ガスのガス流路に対して複数台並列又は直列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の液化ガス用冷却装置。
  4. 前記複数台の冷凍モジュールが前記ガス流路に対して並列に接続され、各冷凍モジュールの蒸発器に対する前記ガス流路の入口側および出口側のいずれか一方又は双方に各々流路開閉弁が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の液化ガス用冷却装置。
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