JP2017018938A - 凝縮設備 - Google Patents

Abstract

【課題】凝縮器の上流側の気体供給流路内の気体圧力変動に起因する脈動現象を抑制して、安定的な運転が可能な凝縮設備を提供する。
【解決手段】本発明に係る凝縮設備１は、液体に気体を直接又は間接的に接触させて前記気体を凝縮させる凝縮器７を有するものであって、凝縮器７の上流側に設けられて凝縮器７に供給する気体の供給量を調節する調節弁１１と、調節弁１１から凝縮器７へ気体を供給する気体供給管１３とを有し、凝縮器７は、気体供給管１３と接続されると共に、前記気体が前記液体と直接又は間接的に接触する前に前記気体が一時的に貯留される気体供給部１７と備えてなり、気体供給管１３と気体供給部１７の合計の容積を、前記気体が１秒間に凝縮される量以上に設定した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばＬＮＧ等の低温液体にＬＮＧタンクから排出される蒸発ガスを直接又は間接的に接触させて凝縮させる凝縮器を備えた凝縮設備に関する。
なお、気体と液体については、特に限定されるものではない。

ＬＮＧ等の低温液体にＬＮＧの蒸発ガスを直接接触させて凝縮させる凝縮器を備えた凝縮設備として、例えば特許文献１に開示された蒸発ガス再液化装置がある。
蒸発ガス再液化装置は、貯槽内に貯留された低温液体（例えば、ＬＮＧ）から発生する蒸発ガスを圧縮する蒸発ガス圧縮機と、該蒸発ガス圧縮機によって圧縮された前記蒸発ガスと前記貯槽からプライマリポンプで送出された低温液体とを混合して前記低温液体中に前記蒸発ガスの微細気泡を発生させて凝縮させる微細気泡発生器とを備えている。

また、気体と液体を直接接触させて気体を凝縮させる気液混合器を備えた装置として、例えば特許文献２に、水噴射ノズルから噴射される水をベンチュリ部に向けて噴射し、この水の噴射によって負圧を発生させ、その負圧によって加熱の際に発生するガス（水蒸気と悪臭成分）を高速で気液混合器内に導入し、悪臭成分を水に吸着させる高含水廃棄物処理装置が開示されている。そして、この高含水廃棄物処理装置には、廃棄物の加熱により発生する水蒸気の圧力変動を抑制して装置の制御を安定させるためバッファタンクの設置が記載されている。

特開２０１３−１５５８７９号公報 特開２００７−３０３７４９号公報

液体に気体を供給して混合したり溶解や液化を行ったりする凝縮器において、気体の圧力が自励的かつ周期的に変動する脈動現象が発生する場合がある。
このような気体圧力変動が収束する場合はよいが、条件によっては一種の共振現象となる場合があり、圧力変動幅が大きくなり（脈動が激しくなり）安定運転ができないばかりか、凝縮器や配管の破損を招く可能性もある。

この点、特許文献２には気液混合器を備えた装置における脈動現象を防止するためにバッファタンクを設ける例が示されている。
しかしながら、特許文献２において生ずる脈動は、高含水廃棄物に含まれる水分量の変動、すなわちインプット自体の変動に起因するものであり、本発明で対象としているような自励的な脈動ではない。また、脈動を防止するためのバッファタンクの容量については言及されていない。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、液体に気体を直接又は間接的に接触させて前記気体を凝縮させる凝縮器を有する凝縮設備において、凝縮器の上流側の気体供給流路内の気体圧力変動に起因する脈動現象を抑制して、安定的な運転が可能な凝縮設備を提供することを目的としている。

発明者は、液体に気体を供給して凝縮させる凝縮器を有する凝縮設備に生ずる脈動現象についてその発生メカニズムを検討したところ、以下のような知見を得た。
凝縮器において、気体はその圧力が高いほど溶解や液化しやすく、逆に圧力が低くなると溶解や液化がしにくくなる。そのため、例えば何らかの要因で気体圧力が増大した場合、気体の溶解/液化量が増大し、これによって気体配管内の気体圧力が低下する。気体圧力が低下すると、気体の溶解/液化量が減少し、気体配管内の気体圧力が増大し、溶解/液化量が増大するというように、一度気体配管内の気体圧力が変動すると、これをきっかけにして自励的な気体圧力変動のサイクル現象を引き起こすことになる。

気体配管容積（バッファ）が小さい時は、上記の気体圧力の増大、低下が顕著となるため、脈動が激しくなりやすいと考えられる。逆に、気体配管容積を一定容積以上確保すれば脈動は緩和され顕在化しないと考えられる。
そこで、発明者は、上記の脈動現象の発生メカニズムとの関係で、いかなる気体配管容量を確保するべきかを鋭意検討し、本発明を完成させたものであり、具体的には以下の構成からなるものである。

（１）本発明に係る凝縮設備は、液体に気体を直接又は間接的に接触させて前記気体を凝縮させる凝縮器を有する凝縮設備であって、
前記凝縮器の上流側に設けられて凝縮器に供給する気体を圧縮する圧縮機及び／又は前記気体の供給量を調節する調節弁と、該圧縮機又は前記調節弁から前記凝縮器へ気体を供給する気体供給流路とを有し、
前記凝縮器は、前記気体供給流路と接続されると共に、前記気体が前記液体と直接又は間接的に接触する前に前記気体が一時的に貯留される気体供給部を備えてなり、
前記気体供給流路と前記気体供給部の合計の容積を、前記気体が１秒間に供給される量以上に設定したことを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記気体供給流路はバッファタンクを有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、前記凝縮器は、液体に気体を直接接触させる直接型の凝縮器であって、
前記液体及び気体と液体の混合流体が通流する流体流路を形成する筒状の流体流路形成部と、設置した状態で前記流体流路形成部の下部側となる部位に設けられ前記流体流路形成部に液体を供給する液体供給口と、設置した状態で前記流体流路形成部の上部側となる部位に設けられて前記流体流路形成部から流出する混合流体を排出する混合流体排出口とを有する本体部を有し、
前記気体供給部は、前記流体流路形成部の外側又は内側に設けられて前記流体流路形成部を通流する液体に気体を供給する構成とし、
前記気体供給部は、前記流体流路形成部の内部を通流する液体と気体供給部に供給された気体との間を仕切るように設けられた仕切り壁を有し、該仕切り壁は供給された気体を前記液体に供給する気体供給孔を少なくとも１つ有してなることを特徴とするものである。

（４）また、上記（３）に記載のものにおいて、前記気体供給部は、気体供給流路を構成する気体供給管が一端側に接続される気体供給管接続部を有し、
該気体供給管接続部は、設置状態において全ての前記気体供給孔の位置よりも上方の位置に設けられていることを特徴とするものである。

（５）また、上記（３）又は（４）に記載のものにおいて、前記流体流路形成部は、ベンチュリ形状に形成されており、前記気体供給孔は、前記ベンチュリ形状におけるのど部よりも下流側に設けられていることを特徴とするものである。

（６）また、上記（３）乃至（５）のいずれかに記載のものにおいて、前記気体供給部は複数の気体供給管接続部を有することを特徴とするものである。

（７）また、上記（３）乃至（６）のいずれかに記載のものにおいて、前記気体供給管接続部は、前記気体供給管から供給された気体を周方向にまわり込ませるための空間であるベーパーベルトを備えていることを特徴とするものである。

（８）また、上記（１）乃至（７）のいずれかに記載のものにおいて、前記圧縮機の吐出側の吐出圧力又は吐出流量に応じて前記圧縮機の吐出側の吐出圧力又は吐出流量を調整する圧力調整機構又は流量調整機構を設けたことを特徴とするものである。

（９）また、上記（８）に記載のものにおいて、前記圧力調整機構は、前記圧縮機の吐出側に設けた圧力検出器と、該圧力検出器の検出値に基づいて前記圧縮機の吐出圧力を制御する制御装置を備え、
前記流量調整機構は、前記圧縮機の吐出側に設けた流量検出器と、該流量検出器の検出値に基づいて前記圧縮機の吐出流量を制御する制御装置を備えたことを特徴とするものである。

（１０）また、上記（８）に記載のものにおいて、前記圧力調整機構又は前記流量調整機構は、前記圧縮機の吐出側と吸込み側を連結する環流管と、該環流管に設けたスピルバックバルブと、前記圧力検出器又は流量検出器の検出値を入力して前記スピルバックバルブを制御する制御装置とを備えてなることを特徴とするものである。

（１１）また、上記（８）に記載のものにおいて、前記圧力調整機構又は前記流量調整機構は、前記圧縮機の吸込み側の配管に設けられたスロットルバルブと、前記圧力検出器の又は流量検出器の検出値を入力して前記スロットルバルブを制御する制御装置とを備えてなることを特徴とするものである。

本発明においては、前記凝縮器の上流側に設けられて凝縮器に供給する気体を圧縮する圧縮機及び／又は前記気体の供給量を調節する調節弁と、前記圧縮機又は前記調節弁から前記凝縮器へ気体を供給する気体供給流路とを有し、前記凝縮器は、前記気体供給流路と接続されると共に、前記気体が前記液体と直接又は間接的に接触する前に前記気体が一時的に貯留される気体供給部を備えてなり、
前記気体供給流路と前記気体供給部の合計の容積を、前記気体が１秒間に供給される量以上に設定したことにより、圧力変動に起因する気体の溶解/液化量の増減が発生しても、前記気体供給流路と前記気体供給部の合計の容積が必要量確保されているため、気体圧力（凝縮圧力）変動幅の増大が抑制され、脈動を防止して安定した運転が可能となる。

本発明の実施の形態１に係る凝縮設備の説明図である。 図１に示した凝縮設備に用いる凝縮器の説明図である。 図１に示した凝縮設備の他の態様の説明図である。 本発明の実施の形態２に係る凝縮器の説明図である。 本発明の実施の形態３に係る凝縮器の説明図である。 本発明の実施の形態４に係る凝縮器の説明図である。 本発明の実施の形態５に係る凝縮器の説明図である。 本発明の実施の形態６に係る凝縮器の説明図である。 本発明の実施の形態７に係る凝縮器の説明図である。 本発明の実施の形態７に係る凝縮器の他の態様の説明図である。 本発明の実施の形態７に係る凝縮器の他の態様の説明図である。 本発明の実施の形態８に係る凝縮器の説明図である。 本発明の実施の形態８に係る凝縮器の他の態様の説明図である。

［実施の形態１］
本発明の実施の形態１に係る凝縮設備１は、図１に示すように、ＬＮＧを貯留する貯留槽３から送出管５を介して送出されるＬＮＧにＬＮＧの蒸発ガスを凝縮器７で混合して凝縮させる設備であり、貯留槽３から蒸発ガス抜出し管８を介して抜き出された蒸発ガスを圧縮する蒸発ガス圧縮機９及び気体の供給量を調節する調節弁１１と、調節弁１１から凝縮器７へ気体を供給する気体供給流路を形成する気体供給管１３とを有している。
そして、凝縮器７は、気体がＬＮＧと直接接触する前に気体が一時的に貯留される気体供給部１７を備えており、気体供給管１３と気体供給部１７の合計の容積を、気体が１秒間に供給される量以上に設定している。
なお、気体供給部１７は、気体供給管１３が接続される気体供給管接続部１５を有している。

送出管５には、プライマリポンプ１９が設けられ、送出管５から送出されたＬＮＧは液体供給管２１を介して凝縮器７に供給される。
また、凝縮器７には、蒸発ガスが混合された混合流体を排出する混合流体排出管２３が設けられ、混合流体排出管２３には混合液をさらに昇圧するセカンダリポンプ２５が設けられ、さらにその下流側には低温液体を気化する気化器２７が設けられている。
以下、凝縮設備１の主な構成を詳細に説明する。

＜凝縮器＞
凝縮器７は、図２に示すように、液体が通流する筒状の本体部２９と、本体部２９内を流れる液体に気体を供給する気体供給部１７とを備え、気体供給部１７には気体を供給する気体供給管１３が接続される気体供給管接続部１５が設けられている。
以下、各構成を詳細に説明する。

《本体部》
本体部２９は、液体及び気体と液体の混合流体が通流する流体流路を形成する円筒状の流体流路形成部３１を備えている。そして、流体流路形成部３１における設置状態で下部側となる部位に液体供給口３３を有し、上部側となる部位に混合流体排出口３５を有している。
液体供給口３３には、液体を供給する液体供給管２１が接続され、混合流体排出口３５には混合流体を排出する混合流体排出管２３が接続されている。
なお、図２においては、流体流路形成部３１と液体供給管２１との境界部及び流体流路形成部３１と混合流体排出管２３との境界部を破線で示しているが、実機では破線部がフランジや溶接による接続部となる。
また、流体流路形成部３１の形状は特に限定されない。

なお、凝縮器７は、液体供給口３３が下部となり、混合流体排出口３５が上部となるように設置される。
凝縮器７の設置状態の姿勢は、本体部２９がほぼ垂直（例えば、９０°〜８０°程度）になるのが好ましい。
このような姿勢にすることで、気体供給部１７に流入する液体が気体供給部１７の周方向でほぼ同一レベルとなり、前記液体がＬＮＧのような低温液体であった場合でも気体供給部１７の熱収縮量の違いによる偏った変形を防止できる。
なお、凝縮器７の姿勢として、液体供給口３３及び混合流体排出口３５のそれぞれの中心を結ぶ直線の傾きが４５°以上であれば、許容できる範囲である。

また、液体供給口３３を下側に、混合流体排出口３５を上側にすることで、流体流路形成部３１内を液体が下から上へ流れ、このような流れの途中から気体を供給することで、供給される気体が液体の流れを阻害することなく、速やかに混合される。
この点、仮に上から下に流れる液体に気体を供給すると、気体は液体よりも密度が小さいため、液体の流速の遅い部分に滞留して圧力損失が大きくなったり、液体の流れが不安定になったりする恐れがある。

《気体供給部》
気体供給部１７は、流体流路形成部３１の外側に設けられて流体流路形成部３１の内部を通流する液体に気体を供給する。
気体供給部１７は、流体流路形成部３１を外側から覆うように形成された外筒３９と、流体流路形成部３１の内部を通流する液体と気体供給部１７に供給された気体とを仕切るように設けられた仕切り壁４１とを有している。そして、仕切り壁４１には供給された気体を流体流路形成部３１の内部を通流する液体に供給するための複数の気体供給孔４３を有している。
本例では、気体供給孔４３を複数設けているが、本発明においては、少なくとも１つ設けてあればよい。もっとも、気体供給孔４３を、孔径を小さくして複数設けることで、気体を分散して供給することができ、供給された気体が液体に速やかに混合されるという効果が得られる。

気体供給部１７が有する気体供給管接続部１５は、気体供給部１７に気体を供給する気体供給管１３が接続される部位であり、気体供給部１７の外筒３９に連通するように設けられた管体によって構成されている。
気体供給管接続部１５は、凝縮器７を設置した状態において全ての気体供給孔４３の位置よりも上方の位置になるように設けられている。

＜気体供給管-気体供給部の容量＞
気体供給管１３及び気体供給部１７の合計の容積は、前述したように気体が１秒間に供給される量以上に設定している。なお、この容積は、好ましくは気体が３秒間に供給される量以上である。ここで、気体が供給される量とは、設計条件や運用条件などでの運転圧力、運転温度における気体の実体積流量をいう。設計条件範囲や運用条件範囲において、実体積流量が最大となる条件（圧力が低く、温度が高い条件）での値を用いるのが脈動発生に対して安全側となる。
当該容量をこのように設定したのは、実験によって脈動の発生の有無を調査した結果に基づくものであり、当該容積を上記のように設定することで、脈動を防止して凝縮設備１の運転を安定させることができる。
なお、実験については、後述の実施例で述べる。

次に、上記のように構成された本実施の形態の凝縮設備１の運転方法について、図１及び図２に基づいて説明する。
貯留槽３からプライマリポンプ１９によってＬＮＧが送出され、液体供給管２１を介して凝縮器７の液体供給口３３に供給される。
一方、貯留槽３からはＬＮＧの蒸発ガスが蒸発ガス抜出し管８を介して抜き出され、この蒸発ガスは蒸発ガス圧縮機９で圧縮され、蒸発ガス圧縮機９の下流側に設置された調整弁１１で気体供給量を調整し、気体供給管１３を介して凝縮器７に供給される。
運転状態では、気体供給部１７に供給された蒸発ガスが気体供給孔４３を介して流体流路形成部３１の内部を流れるＬＮＧに供給されて混合され、再液化される。

このとき、気体の圧力の変動が生ずることがあるが、気体供給管１３と凝縮器７における気体供給部１７の容積が上述した値以上に設定されているので、脈動現象が生ずることがなく、安定した運転状態を維持することができる。
また、流体流路形成部３１を流れるＬＮＧの一部は気体供給部１７内に流入する。一方、気体供給部１７には気体供給管１３から気体供給管接続部１５を介して蒸発ガスも供給されており、この供給された蒸発ガスは、気体供給孔４３を介して流体流路形成部３１の内部を流れるＬＮＧに供給される以外流通経路が無いため、少なくとも１つの、最も上方にある気体供給孔４３は蒸発ガスの流路として確保されることになる。従って、蒸発ガスが供給されている運転状態において、気体供給部１７内に流入したＬＮＧの液面は、最も上方に位置する気体供給孔４３より上に上がることは無い。本発明においては、気体供給管接続部１５が全ての気体供給孔４３よりも上方に位置しているので、気体供給管接続部１５の位置は気体供給部１７に流入したＬＮＧの液面よりも上方になる。そのため、ＬＮＧが気体供給管接続部１５に流入することがない。よって、気体供給管接続部１５から気体供給管１３にＬＮＧが逆流することがなく、気体供給管１３において温度差に起因する変形や、ウォータハンマー現象が生ずることがない。

なお、気体供給孔４３が複数ある場合、気体供給部１７内に流入したＬＮＧの液面の高さは、凝縮器７の運転条件、特に蒸発ガス流量によって変化する。蒸発ガス流量が大きい場合は、多くの気体供給孔４３が蒸発ガスの流路として使用されるため、ＬＮＧの液面は低くなる。逆に蒸発ガス流量が小さい場合、ＬＮＧの液面は高くなる。

以上のように、本実施の形態によれば、凝縮器７に供給される気体の圧力に変動が生じたとしても、これに起因して脈動現象が生ずることがなく、安定した運転状態を維持することができる。
また、気体供給管接続部１５を、設置状態において全ての気体供給孔４３の位置よりも上方の位置に設けたことにより、供給される気体と液体の温度差に起因する変形を抑制でき、また気体が供給されている運転状態において気体供給管１３側への液体の流入が生じないので、気体供給管１３側への液体の流入に起因する気体供給管１３の変形や気体供給管１３でのハンマリング現象の発生を抑制できる。

なお、上記の実施の形態では、気体供給管１３と気体供給部１７の容積によって脈動を防止するものであるが、本発明はこれに限られるものではなく、図３に示すように、気体供給管１３にバッファタンク４４を設けてもよい。
この場合、気体供給管１３とバッファタンク４４と気体供給部１７の合計の容積が、気体が１秒間に供給される量以上に設定されていればよい。

また、上記の例では、蒸発ガス圧縮機９の下流側に調節弁１１が設けられているので、本発明の気体供給流路としては、調節弁１１の下流側の気体供給管１３が該当するが、調節弁１１が設けられていない場合には、蒸発ガス圧縮機９の下流側の気体供給管１３が本発明の気体供給流路に該当する。つまり、凝縮器７の上流側で気体の流れを制約する機器として最も凝縮器７に近い位置にある蒸発ガス圧縮機９又は調節弁１１よりも下流側の気体供給管１３が本発明の気体供給流路に相当する。調節弁１１は、流路を絞って流れを制約する絞りであるが、同様の絞りとしてオリフィスも含まれる。ただし、上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２の比Ｐ２／Ｐ１が０．９以上となるような運用をする絞り、すなわち、流れを制約する程度が小さい絞りは、上述の気体の流れを制約する機器とは見なさない。ここで、圧力Ｐ１、Ｐ２は絶対圧力である。

また、凝縮器の態様については、特に限定されるものではなく、種々の態様をとり得るので、これについて、以下の実施の形態２〜６において説明する。

［実施の形態２］
本実施の形態を図４に基づいて説明する。図４において、図２に示した部位と同等部分には同一の符号を付してある。
本実施の形態に係る凝縮器４５は、本体部２９における流体流路形成部４７をベンチュリ形状に形成したものであり、気体供給孔４３は、前記ベンチュリ形状におけるのど部４９よりも下流側に設けられている。その他の構成は、実施の形態１と同様である。なお、のど部とは、ベンチュリ形状において最も流路断面積が絞られた部位のことをいう。

本実施の形態の凝縮器を用いても、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。
また、流体流路形成部４７をベンチュリ形状にしたことで、液体の乱れを促進して供給される気体をより分散し、混合効果を促進できる。
さらに、気体供給孔４３をベンチュリ形状におけるのど部４９よりも下流側に設けたことにより、供給された気体がのど部４９で滞ることがなく、またベンチュリ形状部を流れるＬＮＧの流速が増したことによる吸引効果によって蒸発ガスが流体流路形成部４７内に効果的に流入して、効率的な混合、再液化ができる。

［実施の形態３］
本実施の形態を図５に基づいて説明する。図５において、図２に示した部位と同等部分には同一の符号を付してある。
本実施の形態の凝縮器５１は、気体供給部１７に、複数の気体供給管接続部１５が設けられていることを特徴とするものである。

本実施の形態では、全ての気体供給管接続部１５の位置が、全ての気体供給孔４３よりも上方になるように配置されている。

本実施の形態においても、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。
また、複数の気体供給管接続部１５を設けたことで、各気体供給管接続部１５に気体供給管１３を接続することができ、気体供給部１７の複数位置から気体を分配供給することが可能となり、より均一な供給が実現できる。特に、複数の気体供給管接続部１５を気体供給部１７の周方向に設けることにより、気体供給部１７の周方向の複数方向からの気体供給が可能となり、気体供給の偏流を防止でき、気体供給部１７への気体の供給の均等化、ひいては、流体流路形成部３１への気体の供給の均等化を図ることができる。
また、気体供給部１７内に逆流した液体の液面を安定化させることができ、これによって運転状態において液体が気体供給管接続部１５に流入するのをより確実に防止できる。

［実施の形態４］
本実施の形態を図６に基づいて説明する。図６において（ａ）は凝縮器５３を側面から見た図、（ｂ）は凝縮器５３を上面から見た図であり、図２に示した部位と同等部分には同一の符号を付してある。
本実施の形態の凝縮器５３は、気体供給管接続部１５に、気体供給管１７から供給された気体を周方向にまわり込ませるための空間であるベーパーベルト５５を設けたものである。
ベーパーベルト５５は、外筒３９における気体供給管接続部１５が接続される部位を他の部位よりも拡径した拡径部３９ａとし、拡径部３９ａの内側に多数の通気孔５７を有する通気壁５９を設けて形成されている。

本実施の形態の凝縮器を用いても、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。
また、気体供給管接続部１５にベーパーベルト５５を設けたことにより、実施の形態３と同様に、気体供給の偏流を防止でき、さらに、多数の通気孔５７を有する通気壁５９を設けることにより、偏流防止効果をより高めることができる。これにより、気体供給部１７、ひいては、流体流路形成部３１への気体の供給の均等化が図られると共に、気体供給部１７内に逆流した液体の液面を安定化させることができ、運転状態において液体が気体配管接続部に流入するのをより確実に防止できる。ただし、通気孔５７と通気壁５９は必須のものではない。

［実施の形態５］
本実施の形態を図７に基づいて説明する。図７において、図２に示した部位と同等部分には同一の符号を付してある。
本実施の形態の凝縮器６１は、気体供給部１７が流体流路形成部６３の内側、すなわち流体流路内に配置されている。
気体供給部１７は、流体流路形成部６３内に配置された筒状体６５からなり、筒状体６５の周壁位の一部が仕切り壁４１となり、仕切り壁４１に気体供給孔４３が設けられている。

本実施の形態の凝縮器においても、他の実施の形態と同様に、気体供給管接続部１５の位置が、全ての気体供給孔４３の位置よりも上方になるように配置されている。
したがって、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。

また、本実施の形態では、流体流路形成部６３をベンチュリ形状としており、気体供給部１７をベンチュリ部ののど部４９の下流側に配置しているので、実施の形態２と同様の効果を奏することができる。

［実施の形態６］
上記の実施の形態１〜５では気体を液体と直接接触させる直接型の凝縮器の例を挙げたが、これは直接型の凝縮器は、凝縮器内の容積が間接型のものに比較して小さくなるため、より脈動を生じやすく、その意味で本発明の効果が大きいと言える。
もっとも、本発明の凝縮器は直接型のものに限られず、間接型の凝縮器も含む。間接型の凝縮器は、構造的には熱交換器と同じであり、図８に示すような、いわゆるシェルアンドチューブ方式の間接型の凝縮器６７もその形態の一つである。

図８に示す凝縮器６７は、凝縮器６７内に気体が流れるチューブ６９を有し、液体供給口３３から供給された液体がチューブ６９外面に接触することで、チューブ６９内の気体が間接的に冷却されて凝縮し、再液化して排出口７０を介して排出管７１から排出される。図８はチューブ内側に気体が流れ、チューブ外側（シェル側）に液体が流れる例を示したが、逆に、チューブ内側に液体が流れ、チューブ外側（シェル側）に気体を流しても良い。
また、凝縮器の設置姿勢についても、図８では凝縮器６７のチューブが上下方向に配置される姿勢の例を示したが、特にこれに限定されるものではない。
本実施の形態の凝縮器６７を用いた場合でも、他の実施の形態と同様に、脈動防止の効果を奏することができる。

上記の実施の形態１〜６においては、気体供給管１３と凝縮器７における気体供給部１７の容積を所定値以上に設定することで、気体の圧力変動が生じた場合でも、脈動現象が生ずることなく安定した運転状態を実現できることについて説明した。
以下の実施の形態においては、気体供給管１３と凝縮器７における気体供給部１７の容積を所定値以上に設定することを前提として、より確実に脈動現象の発生を防止する凝縮設備について説明する。

［実施の形態７］
前述したように、凝縮器において脈動が生ずるのは何らかの原因よって気体圧力の変動が生じたことが原因となる。そこで、このような気体圧力の変動を検出して、気体圧力変動を抑制する圧力調整機構を設けることで、脈動現象の発生を事前に防止することができる。本実施の形態の凝縮設備はこのような圧力調整機構を備えたものであり、以下、図９に基づいて説明する。なお、図９において、実施の形態１を示した図１と同一部分には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施の形態７に係る凝縮設備７３は、実施の形態１で説明した気体供給管１３と凝縮器７における気体供給部１７の容積を所定値以上に設定することを前提として、さらに蒸発ガス圧縮機９の吐出側の圧力に応じて蒸発ガス圧縮機９の吐出側の圧力を調整する圧力調整機構７５を設けたものである。

一つの態様の圧力調整機構７５として、図９に示すように、蒸発ガス圧縮機９のモータの回転数を制御するインバータ７７と、蒸発ガス圧縮機９の出口側の配管に設けられた圧力計７９と、圧力計７９の計測値を入力してインバータ７７のモータ制御周波数を制御する制御装置８１を備えたものである。

圧力計７９によって例えば圧力が低下したことが検出されると制御装置８１がインバータ７７を制御してモータの回転数を上げることで蒸発ガス圧縮機９から吐出する蒸発ガス量を増加させる。これによって、低下圧力を早期に回復することができる。
逆に、圧力計７９によって圧力が高くなったことが検出されると制御装置８１がインバータ７７を制御してモータの回転数を下げることで蒸発ガス圧縮機９から吐出する蒸発ガス量を減少させる。これによって、早期に圧力を低下させることができる。

以上のように、圧力調整機構７５を設けることで、脈動現象の発生原因となる圧力変動を防止でき、脈動現象の発生を事前に防止できる。
なお、蒸発ガス圧縮機９の方式に制限は無いものの、遠心式、スクリュー式、レシプロ式などが用いられることが多い。このような蒸発ガス圧縮機自体の圧力または流量を制御する機構としては、上述したインバータを用いた回転数の調整の他、スクリュー式圧縮機の場合のスライド弁の調整を行うようにしてもよく、またレシプロ式圧縮機の無段階調整機能（ハイドロコム）などを用いるようにしてもよい。

他の態様の圧力調整機構８２を用いた凝縮設備８３としては、図１０に示すように、蒸発ガス圧縮機９と並列して設けた環流配管８５に設けたスピルバック弁８７と、蒸発ガス圧縮機９の出口側の配管に設けられた圧力計７９と、圧力計７９の計測値を入力してスピルバック弁８７を制御する制御装置８９を備えたものである。
図１０に示す態様では、圧力が高いときには、スピルバック弁８７を開放あるいは開度を大きくして蒸発ガスを環流配管８５を介して環流させることで吐出側の圧力を低下させることができる。
他方、圧力の低下があったときには、スピルバック弁８７を閉じるかあるいは開度を小さくして蒸発ガスの環流量を無くするあるいは少なくすることで吐出側の圧力を高くすることができる。

さらに他の態様の圧力調整機構９０を用いた凝縮設備９１としては、図１１に示すように、蒸発ガス圧縮機９の入口側にある蒸発ガス抜出し管８に設けたスロットル弁９３と、蒸発ガス圧縮機９の出口側の配管に設けられた圧力計７９と、圧力計７９の計測値を入力してスロットル弁９３を制御する制御装置９５を備えたものである。
図１１に示す態様では、圧力が高いときには、スロットル弁９３の開度を小さくして蒸発ガスの蒸発ガス圧縮機９への吸入量を少なくすることで吐出側の圧力を低下させることができる。
他方、圧力の低下があったときには、スロットル弁９３の開度を大きくして蒸発ガスの蒸発ガス圧縮機９への吸入量を多くする吐出側の圧力を高くすることができる。

なお、上記の説明では圧力検出器としての圧力計７９の計測値に基づいて吐出される圧力を制御する場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、圧力検出器に代えて流量検出器を設け、該流量検出器の検出値に基づいて蒸発ガス圧縮機９の吐出流量を制御するようにしてもよい。

［実施の形態８］
上記の実施の形態１〜７においては脈動発生を防止するための凝縮設備の装置構成について説明した。しかしながら、実際には予期せぬ原因等によって脈動が発生してしまうことも考えられる。
この場合において、発生した脈動が配管系の固有振動数と一致した場合には、共振により振動が増幅されこれを放置すると機器の損傷を招くことがある。
そこで、本実施の形態に係る凝縮設備では、共振が生じた場合において、配管系の固有振動数を変化させ、共振を停止させるために、蒸発ガス圧縮機９から凝縮器７に至る配管経路に容量調整機構を設けたものである。

一つの態様の容量調整機構９９としては、図１２に示すように、気体供給管１３に設けたバイパス配管１０１と、バイパス配管１０１に設けた第１開閉弁１０３、第２開閉弁１０５と、気体供給管１３に設けた圧力計７９と、圧力計７９の計測値を入力して第１開閉弁１０３及び第２開閉弁１０５の開閉を制御する制御装置１０７を備えたものである。

通常の運転時においては第１開閉弁１０３及び第２開閉弁１０５を閉じて運転を行い、この状態で、仮に脈動が発生した場合において、それが配管系の固有振動数と一致して共振が発生した場合には、圧力計７９の計測値が激しく変動する。圧力計の７９の計測値から共振が生じていると判断できる場合には、制御装置１０７によって、第１開閉弁１０３及び第２開閉弁１０５を開放する。これによって、第１開閉弁１０３と第２開閉弁１０５との間の配管容量が気体供給管１３の容量に加わることで、配管系の容量が変化し、固有振動数を変化させて共振を停止できる。

他の態様の容量調整機構１０８を備えた凝縮設備１０９としては、図１３に示すように、開閉弁１１１を介して気体供給管１３に設けたバッファタンク１１３と、気体供給管１３に設けた圧力計７９と、圧力計７９の計測値を入力して開閉弁１１１の開閉を制御する制御装置１１５を備えたものである。

通常の運転時においては開閉弁１１１を閉じて運転を行い、この状態で、仮に脈動が発生した場合において、それが配管系の固有振動数と一致して共振が発生し、圧力計７９の圧力変動によって共振が生じていると判断できる場合には、制御装置１１５によって、開閉弁１１１を開放する。これによって、バッファタンク１１３の容量が気体供給管１３の容量に加わることで、配管系の容量が変化し、固有振動数を変化させて共振を防止できる。

なお、容量調整に用いる容量（バイパス配管１０１における第１開閉弁１０３と第２開閉弁１０５の間の容量、バッファタンクの容量）は、気体供給配管１３の容量の２割以上にするのが好ましい。

上記の実施の形態においては、気体供給管１３と凝縮器７における気体供給部１７の容積を所定値以上に設定することで、脈動現象の発生を防止している。それでもなお、万一共振現象が発生したときに備えて、可変絞り機構、例えば絞り弁を気体供給管１３の途中に設置し、絞り機構の絞り度を調整することで配管系の共振振幅を低減させるようにしてもよい。この可変絞り機構は調節弁１１にその機能を持たせることができるが、調節弁１１とは別途絞り機構を調節弁１１と凝縮器７の間に追加設置しても良い。別途絞り機構を追加設置した場合、通常の運転時では、可変絞り機構は全開（絞りなし、もしくは、絞り最小）としておき、何らかの要因で一時的に共振現象が生じた場合に絞り機構の絞り度を変更して共振を低減するように操作する。

気体供給管１３及び気体供給部１７の合計の容積（流路体積）と脈動防止効果との関係について実験を行ったので、これについて以下説明する。
実験は、気体をＬＮＧの蒸発ガス、液体をＬＮＧとし、凝縮器を図４に示した直接接触型のものを用い、所定の流路体積に対して、気体の供給体積流量を変更し、流路体積／供給体積流量〔ｓ〕と脈動発生の有無を調査するというものである。供給体積流量は前述したように実体積流量であるので、圧力と温度の影響を受けることになる。例えば、質量流量１ｋｇ／ｓのメタンは、圧力０ＭＰａ(ゲージ)、温度０℃の標準状態では密度０．７２ｋｇ／ｍ^３であるので供給体積流量は１ｋｇ／ｓ÷０．７２ｋｇ／ｍ^３＝１．３９ｍ^３／ｓとなるが、圧力 ０．６ＭＰａ(ゲージ)、温度４０℃の場合では、密度４．３６ｋｇ／ｍ^３であるので供給体積流量は１ｋｇ／ｓ÷４．３６ｋｇ／ｍ^３＝０．２３ｍ^３／ｓとなる。

実験では、圧力はパラメータとして０．２ＭＰａ(ゲージ)から０．８ＭＰａ(ゲージ)の範囲で変化させた。温度はコントロールすることが困難であったため、その時の気温などで変動した。また、流路体積も複数水準を用意した。実験においては、その時の運転条件（流路体積、圧力および温度）における、流路体積／供給体積流量〔ｓ〕が所定の値（例えば１〔ｓ〕とか、２〔ｓ〕など）となるように供給体積流量を調整・設定した。そのため、同一の流路体積／供給体積流量〔ｓ〕（例えば１〔ｓ〕）でも、流路体積や圧力条件の異なる複数の試験結果が含まれている。
なお、気体供給部１７の容積は約０．００５ｍ^３であり、気体供給管１３の容積は気体供給部１７の容積のおよそ１０倍から５０倍の範囲であった。
実験結果を表１に示す。

表１に示すように、流路体積／供給体積流量〔ｓ〕の値が、０．８以下では大きな脈動が発生したのに対して、流路体積／供給体積流量〔ｓ〕の値が1以上では脈動は発生したものの大幅に改善される傾向が見られた。さらに、流路体積／供給体積流量〔ｓ〕の値が、３秒以上にすると脈動が見られなくなった。圧力条件などが変わっても同様の傾向が得られたことから、流路体積/供給体積流量[ｓ]が脈動発生に対する主要な評価因子として使用できると判断した。

表１の結果から、流路体積を気体が１秒間に供給される量以上にすることで、脈動を抑制できることが実証された。さらに、より好ましくは流路体積を気体が３秒間に供給される量以上にすることが望ましい。
なお、気体供給部１７内にはＬＮＧが流入し、その液面高さは運転条件によって変化する。そのため、気体供給部１７において気体が占有している容積も変化することになる。従って、より確実に脈動を防止するためには、気体供給部１７の内、最も上方に位置する気体供給孔４３より上方の空間の容積（気体供給部上部容積）と気体供給管１３の容積の合計（流路体積Ｂ）を、気体が１秒間に供給される量以上にすることが望ましい。さらに望ましくは、流路体積Ｂを、気体が３秒間に供給される量以上にするとよい。

１ 凝縮設備
３ 貯留槽
５ 送出管
７ 凝縮器（実施の形態１）
８ 蒸発ガス抜出し管
９ 蒸発ガス圧縮機
１１ 調節弁
１３ 気体供給管
１５ 気体供給管接続部
１７ 気体供給部
１９ プライマリポンプ
２１ 液体供給管
２３ 混合流体排出管
２５ セカンダリポンプ
２７ 気化器
２９ 本体部
３１ 流体流路形成部
３３ 液体供給口
３５ 混合流体排出口
３９ 外筒
４１ 仕切り壁
４３ 気体供給孔
４４ バッファタンク
４５ 凝縮器（実施の形態２）
４７ 流体流路形成部
４９ のど部
５１ 凝縮器（実施の形態３）
５３ 凝縮器（実施の形態４）
５５ ベーパーベルト
３９ａ 拡径部
５７ 通気孔
５９ 通気壁
６１ 凝縮器（実施の形態５）
６３ 流体流路形成部
６５ 筒状体
６７ 凝縮器（実施の形態６）
６９ チューブ
７０ 排出口
７１ 排出管
７３ 凝縮設備
７５ 圧力調整機構
７７ インバータ
７９ 圧力計
８１ 制御装置
８２ 圧力調整機構
８３ 凝縮設備
８５ 環流配管
８７ スピルバック弁
８９ 制御装置
９０ 圧力調整機構
９１ 凝縮設備
９３ スロットル弁
９５ 制御装置
９７ 凝縮設備
９９ 容量調整機構
１０１ バイパス配管
１０３ 第１開閉弁
１０５ 第２開閉弁
１０７ 制御装置
１０８ 容量調整機構
１０９ 凝縮設備
１１１ 開閉弁
１１３ バッファタンク
１１５ 制御装置

Claims (11)

1. 液体に気体を直接又は間接的に接触させて前記気体を凝縮させる凝縮器を有する凝縮設備であって、
   前記凝縮器の上流側に設けられて凝縮器に供給する気体を圧縮する圧縮機及び／又は前記気体の供給量を調節する調節弁と、該圧縮機又は前記調節弁から前記凝縮器へ気体を供給する気体供給流路とを有し、
   前記凝縮器は、前記気体供給流路と接続されると共に、前記気体が前記液体と直接又は間接的に接触する前に前記気体が一時的に貯留される気体供給部を備えてなり、
   前記気体供給流路と前記気体供給部の合計の容積を、前記気体が１秒間に供給される量以上に設定したことを特徴とする凝縮設備。
2. 前記気体供給流路はバッファタンクを有することを特徴とする請求項１記載の凝縮設備。
3. 前記凝縮器は、液体に気体を直接接触させる直接型の凝縮器であって、
   前記液体及び気体と液体の混合流体が通流する流体流路を形成する筒状の流体流路形成部と、設置した状態で前記流体流路形成部の下部側となる部位に設けられ前記流体流路形成部に液体を供給する液体供給口と、設置した状態で前記流体流路形成部の上部側となる部位に設けられて前記流体流路形成部から流出する混合流体を排出する混合流体排出口とを有する本体部を有し、
   前記気体供給部は、前記流体流路形成部の外側又は内側に設けられて前記流体流路形成部を通流する液体に気体を供給する構成とし、
   前記気体供給部は、前記流体流路形成部の内部を通流する液体と気体供給部に供給された気体との間を仕切るように設けられた仕切り壁を有し、該仕切り壁は供給された気体を前記液体に供給する気体供給孔を少なくとも１つ有してなることを特徴とする請求項１又は２に記載の凝縮設備。
4. 前記気体供給部は、気体供給流路を構成する気体供給管が一端側に接続される気体供給管接続部を有し、
   該気体供給管接続部は、設置状態において全ての前記気体供給孔の位置よりも上方の位置に設けられていることを特徴とする請求項３記載の凝縮設備。
5. 前記流体流路形成部は、ベンチュリ形状に形成されており、前記気体供給孔は、前記ベンチュリ形状におけるのど部よりも下流側に設けられていることを特徴とする請求項３又は４に記載の凝縮設備。
6. 前記気体供給部は、複数の気体供給管接続部を有することを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載の凝縮設備。
7. 前記気体供給管接続部は、前記気体供給管から供給された気体を周方向にまわり込ませるための空間であるベーパーベルトを備えていることを特徴とする請求項３乃至６のいずれか一項に記載の凝縮設備。
8. 前記圧縮機の吐出側の吐出圧力又は吐出流量に応じて前記圧縮機の吐出側の吐出圧力又は吐出流量を調整する圧力調整機構又は流量調整機構を設けたことを特徴とする請求項１乃至７にいずれか一項に記載の凝縮設備。
   
9. 前記圧力調整機構は、前記圧縮機の吐出側に設けた圧力検出器と、該圧力検出器の検出値に基づいて前記圧縮機の吐出圧力を制御する制御装置を備え、
   前記流量調整機構は、前記圧縮機の吐出側に設けた流量検出器と、該流量検出器の検出値に基づいて前記圧縮機の吐出流量を制御する制御装置を備えたことを特徴とする請求項８記載の凝縮設備。
10. 前記圧力調整機構又は前記流量調整機構は、前記圧縮機の吐出側と吸込み側を連結する環流管と、該環流管に設けたスピルバックバルブと、前記圧力検出器又は流量検出器の検出値を入力して前記スピルバックバルブを制御する制御装置とを備えてなることを特徴とする請求項８記載の凝縮設備。
11. 前記圧力調整機構又は前記流量調整機構は、前記圧縮機の吸込み側の配管に設けられたスロットルバルブと、前記圧力検出器の又は流量検出器の検出値を入力して前記スロットルバルブを制御する制御装置とを備えてなることを特徴とする請求項８記載の凝縮設備。

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