JP2019516912A - ボイルオフガス冷却方法及び装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、特に、混合冷媒システムにおける費用効果的な注油式スクリューコンプレッサの使用を可能にする、LNG再液化用の一般的な単一混合冷媒(SMR)サイクルの改良である。代表的な構成と比べれば、本発明は、低減された複雑性、より少数の装置、及び低減された資本コストを可能にする。液化ガスタンクからのボイルオフガス(BOG)流を冷却する方法を示し、この方法は、少なくとも、液化熱交換器システム内でBOG流をSMRと熱交換して冷却したBOG流を提供するステップを含み、SMRはSMR再循環システムにおいて用意され、SMR再循環システムは少なくとも:(a)少なくとも1つの注油式スクリューコンプレッサを用いてSMRを圧縮して、圧縮後のSMR流を提供するステップと;(b)圧縮後のSMR流を分離して、油系の流れ及び第1SMR気化ガス流を提供するステップと;(c)第1SMR気化ガス流を液化熱交換器システム内へ送って第1SMR気化ガス流を冷却して、冷却した第1SMR気化ガス流を提供するステップと;(d)冷却した第1SMR気化ガス流を液化熱交換器システムから引き出すステップと;(e)冷却した第1SMR気化ガス流を分離して、液相のSMR流及びオイルフリーのSMR気化ガス流を提供するステップと;(f)オイルフリーのSMR気化ガス流を液化熱交換器システムに通して、凝結したSMR流を提供するステップと;(g)凝結したSMR流を膨張させて、液化熱交換器システムに通してBOG流と熱交換するための膨張した最低温度のSMR流を提供するステップとを実行する。

Description

本発明は、例えば海上の船舶上の積荷(カーゴ)タンクのような液化ガスタンクからのボイルオフガス(BOG:boil-off gas)を、単一混合冷媒(SMR:single mixed refrigerant)を用いて冷却する方法、及びそのための装置に関するものである。この方法は、特に、海上のLNG(liquid natural gas:液化天然ガス)貯蔵タンクからのBOGを冷却する方法であるが、それだけではない。
従来、LNGを積荷として運搬する船舶(一般にLNG運搬船)上に搭載された液化天然ガス(LNG)貯蔵タンクからのボイルオフガスは、船舶に動力を与えるために船舶エンジン内で使用されてきた。従って、あらゆる過剰なボイルオフガスが「排ガス」と考えられ、一般にガス燃焼装置(GCU:gas combustion unit)に送られて、燃焼装置での燃焼によって処分されていた。
しかし、船舶エンジンはますます効率的になっており、このためエンジンにとって必要なBOGはより少なくなっている。このことは、より大きな割合のBOGが排ガスとしてGCUに送られることを意味する。ガスを液化して積荷タンクに戻すことによってこうしたガスの損失を低減することは、経済的に魅力あるものとなりつつある。
LNG BOGを再液化する標準的な方法は、単一混合冷媒(SMR)サイクル、及び注油式(給油式、油潤滑式、オイル式、油冷式)スクリューコンプレッサ(ねじ圧縮機)を混合冷媒再循環システム内で使用する。注油式スクリューコンプレッサは産業界で十分な実績があり、かつ費用効果的であり、このため、可能であれば注油式スクリューコンプレッサの使用が好ましい。しかし、注油式スクリューコンプレッサは、圧縮中にSMR内への油分の「残留」も特定の度合いで有り、LNG熱交換器内で必要な最低温度に残留油が曝されると、残留油が凝固してLNG熱交換器を詰まらせて、性能の低下に至らせ、最終的にシステムの故障に至らせる。
このため、圧縮後のSMRに、少なくとも1回の油/ガス分離ステップ、及び少なくとも1回の大幅な冷却ステップを施して、SMRの部分的凝結に至らせて、主冷却流として使用する前に「油凝固」温度を下回る温度まで膨張させることができる十分に「オイルフリー」な(油分なしの)流れを提供しなければならない。
注油式スクリューコンプレッサによる従来のSMRサイクルを、添付した図1に示す。積荷タンクからのボイルオフガスは、コンプレッサ(図示せず)内で圧縮されて、パイプライン20経由で冷却用に送られる。圧縮されたボイルオフガスは、まずアフタークーラー14内で、容易に利用可能な周囲の冷却媒体(例えば、海水、淡水、エンジンルームの冷却水、空気)を用いて冷却され、その後に熱交換器12内でさらに冷却される。事前冷却されたBOGは、マルチストリーム(多流路)(即ち、二流路だけよりも多数の流れの)熱交換器7(ろう付けアルミニウムのプレートフィン熱交換器が代表的)内に送られて、熱交換器7でSMR再循環システムを用いて冷却されて凝結する。
熱交換器12は、独立した冷媒カスケード13から提供されてパイプライン32を経由して供給される外部冷媒(プロパンが代表的)を使用する。
このSMR再循環システムでは、冷媒レシーバー(受器)1からの混合冷媒ガスがパイプライン22を通って注油式スクリューコンプレッサ2へ流れる。SMRガスはパイプライン23内で圧縮され、その後に油分離器(オイル・セパレータ)3に入って、大部分の油分は油分離器3で(重力及び/または濾過によって)除去されてパイプライン25内へ送られ、油ポンプ4によって汲み上げられ、注油却器5によって冷却され、最終的にコンプレッサ2内に再注入される。
油分離器3からのガスはパイプライン24内へ送られる。このパイプライン内のガスの大部分はオイルフリーであるが、(重量で百万分の一(ppm)単位に至る)小さい比率の油分を確かに含む。パイプライン24内のガスはアフタークーラー6内へ送られ、アフタークーラー6は容易に利用可能な冷却媒体(例えば、海水、淡水、エンジンルームの冷却水、空気)を使用する。
アフタークーラー6の下流では、冷媒ガスの凝結が、凝縮器11内での低温の外部冷媒(プロパンが代表的)との熱交換を用いて実行される。この外部冷媒の低温は外部冷媒カスケード13内で生み出される。パイプライン24内の冷媒は、凝縮器11を通過した後に少なくとも部分的に凝結し、その後に、この冷媒は気液分離器8に入って気相及び液相が提供される。凝縮器11内での冷却及び(任意で統合型フィルタまたは独立型フィルタを有する)分離器8内での(一般に重力による、任意でろ過による)分離の大きな特徴は、分離器3を出た後に残留した油分が今度は事実上全部が液相になって、本質的にオイルフリーの気化ガスをパイプライン内に残すことにある。
油分を有するパイプライン29内の冷媒液は、フラッシュバルブ9によってその圧力を低減されて部分的な気化及び温度低下に至る。この温度は、油分の凝固(ろう状化または凍結)を生じさせるほど十分に低くない。次に、部分的に気化した冷媒液及び油分をマルチストリーム熱交換器7へ送ることができ、これらの冷媒液及び油分は完全に気化し、これにより熱交換器7内で高温の流れの部分的冷却を行う。その間に、パイプライン26内のオイルフリーの冷媒気化ガスは熱交換器7内へ直接送られ、熱交換器7で十分に冷却される。この冷媒気化ガスは、熱交換器7を出て、パイプライン27内で完全に、あるいは部分的に凝結し、その後に、その圧力がパイプライン34内へのスロットルバルブ10によって低減されて、SMR再循環システム内での最低温度に至る。これにより熱交換器7用の主低温流が提供される。パイプライン27より前に凝縮器11及び分離器8を用いて油分を除去する必要があるのは、パイプライン34内の冷媒の温度が油分の凝固温度を下回るからである。
パイプライン34内の低温の冷媒は熱交換器7内へ送られ、熱交換器7で気化して上記高温の流れを冷却する。この冷媒は、バルブ9から送られた減圧液体及び油分と混合され、この混合冷媒流は気化ガスとして熱交換器7を出て、パイプライン28を通って冷媒レシーバー1に再び入る。
全体的に、図1に示す従来のSMRサイクル内での再液化プロセス用の冷却デューティ(作業労力)は、SMR再循環システム及び外部冷媒カスケード13の両方によって提供される。
本発明の目的は、外部冷媒カスケードなしにBOG流を冷却するためのより単純な方法、プロセス(工程)、及び装置を提供することにある。
従って、本発明の第1の態様によれば、単一混合冷媒(SMR)を用いて液化ガスタンクからのボイルオフガス(BOG)流を冷却する方法が提供され、この方法は、少なくとも、液化熱交換器システム内でBOG流をSMRと熱交換して冷却したBOG流を提供するステップを含み、
SMRはSMR再循環システムにおいて用意され、このSMR再循環システムは少なくとも:
(a) 少なくとも1つの注油式スクリューコンプレッサを用いてSMRを圧縮して、圧縮後のSMR流を提供するステップと;
(b) 圧縮後のSMR流を分離して、油系の流れ及び第1SMR気化ガス流を提供するステップと;
(c) 第1SMR気化ガス流を液化熱交換器システム内へ送って第1SMR気化ガス流を冷却して、冷却した第1SMR気化ガス流を提供するステップと;
(d) 冷却した第1SMR気化ガス流を液化熱交換器システムから引き出すステップと;
(e) 冷却した第1SMR気化ガス流を分離して、液相のSMR流及びオイルフリーのSMR気化ガス流を提供するステップと;
(f) オイルフリーのSMR気化ガス流を液化熱交換器システムに通して、凝結したSMR流を提供するステップと;
(g) 凝結したSMR流を膨張させて、液化熱交換器システムに通してBOG流と熱交換するための膨張した最低温度のSMR流を提供するステップとを実行する。
SMRは、一般に1つ以上の炭化水素と窒素との混合物を含み、任意でペンタンのような他の1つ以上の冷媒を伴う、ある範囲の冷媒を参照すべく用いられる技術用語であり、上記炭化水素は特に、通常はメタン、エタン、及びプロパンであり、場合によっては少なくともブタンである。特定のSMRを形成するための種々の化合物及びそれらの比率は既知であり、本明細書ではさらに説明しない。
上記「油系の流れ」は、注油式スクリューコンプレッサを通過したSMR流中の油分の大半を含む。第1SMR気化ガス流中に残る油分の量は小量に、任意で極めて小量にすることができるが、以上に開示したようにまだ相当量がある。
本明細書中に規定するように流れのうちの1つ以上を分離することは、あらゆる適切な分離器内で実行することができ、これらの分離器の多数は現在技術において既知であり、これらの分離器は一般に少なくとも1つのガス流を提供することを意図しており、一般に分離器の上部またはその付近で得られるより軽い流れ、及び一般に分離器の下端で得られる、一般に少なくとも液相を含むより重い流れである。
流れの膨張は、一般にバルブ等を含む1つ以上の適切な膨張装置により可能である。
本明細書中に用いる「環境冷却」は、通常、環境温度で提供される環境冷却媒体の使用に関係する。この環境冷却媒体は、海水、淡水、エンジンルームの冷却水、及び空気、及びその任意の組合せを含み、これらは一般に、流れに環境冷却を施すに当たり使用するために容易に利用可能である。
任意で、第1SMR気化ガス流及び/またはオイルフリーのSMR気化ガス流を、膨張した最低温度のSMR流で冷却する。
すべての液化ガスタンクが、既知の理由でボイルオフガスを生成または放出し、これらの液化ガスタンクは、液化ガスの運搬船、艀、及び輸送船含む他の船舶上のタンクを含む。液化ガスは、種々の石油または石油化学ガスのような、0℃未満の、一般に(1atm(1気圧)で)少なくとも−40℃未満の標準沸点を有するものを含むことができ、−160℃未満の標準沸点を有する液化天然ガス(LNG)を含む。
液化ガスタンクからのBOGは、陸上ではより容易に使用可能であるが、海上でのBOGの再液化を追求することが特に望ましい。しかし、海上、特に海上の船舶上では一般に空間が限られ、BOG再液化の複雑性を低減する能力は、必要なCAPEX(capital expenditure:資本支出)及び必要な区画面積の低減を達成することができることが多い。
任意で、BOGは海上の船舶内の液化積荷タンクからのもの、任意で、LNG積荷タンクからのものである。
ステップ(a)におけるSMRの圧縮は、2つ以上の圧縮機を、任意で並列に、直列に、あるいはその両方で使用して、圧縮後のSMR流を提供することを含むことができる。本発明は、少なくとも1つの注油式スクリューコンプレッサの使用を除いて、SMRの圧縮の方法または種類によって限定されない。
液化熱交換器システムは、1つ以上の装置(ユニット)または段(ステージ)の形に構成されたあらゆる形態の1つ以上の熱交換器とすることができ、そして2つ以上の流れどうしの、特にBOG流と、冷媒流のうちの少なくとも1つとの熱交換を可能にすることができ、任意で、システムの一部または一部分中に、他の1つ以上の流れと逆流して流れる少なくとも1つの流れを有する。
液化熱交換器システムが2つ以上の熱交換器を具える場合、これら2つ以上の熱交換器は、直列に、または並列に、あるいは直列と並列の組合せにすることができ、これら2つ以上の熱交換器は、分離すること、または結合すること、あるいは連続させることができ、任意で、単一の冷却装置または冷却箱(ボックス)内に入れることができ、任意で、BOG流を液化するために必要なBOG流との熱交換を行う1つ以上の装置または段の形態にすることができる。
液化熱交換器システムは、1つ以上の接続された部分(セクション)、装置、または段の形に配置された二流路またはマルチストリーム熱交換器のあらゆる適切な構成を具えることができ、任意で、1つの部分、装置、または段を、内部の平均温度の意味で、他の部分、装置、または段よりも「高温に」することができる。
多数の熱交換器が現在技術において既知であり、これらは液化熱交換器システムの一部とすること、あるいは熱交換器システムを提供することができ、代表的には、プレートフィン(plate-fin)、シェルアンドチューブ(shell & tube)、プレートアンドフレーム(plate & frame)、コイル巻き、及びプリント回路熱交換器、あるいはそれらの組合せを含む。
任意で、液化熱交換器システムは、2つのマルチストリーム熱交換器を具えたマルチユニット(多装置型)液化熱交換器を具えている。
その代わりに、液化熱交換器システムは、1つのマルチストリーム熱交換器及び複数の二流路熱交換器を具えたマルチユニット熱交換器を具えている。
任意で、本発明における液化熱交換器システムは、1つ以上のプレートフィン熱交換器を具えている。
任意で、本発明における液化熱交換器システムは、1つ以上のプレートフィン熱交換器と1つ以上の二流路プレート型(プレートアンドフレームまたはシェルアンドプレート)熱交換器との組合せを具えている。
熱交換器は一般に、流れ毎に1つ以上の入口点または入口ポートを有し、流れ毎に1つ以上の出口点または出口ポートを有し、それらの間に温度勾配または傾斜流路を有する。熱交換器を通過する流れの大部分は一般に熱交換器の「全体」を通過し、「全体」とは当該熱交換器の一方の端または側にある入口点または入口ポートから、それに限らないが任意で外端または外側にある出口点または出口ポートまでであり、入口と出口との間で最大可能な熱交換を実現し、即ち、温度勾配のある流路に沿った最大可能な温度変化または相変化を実現する。こうした流れは熱交換器を「完全に」あるいは「全体的に」を通過している。
一部の流れは、一般に、最大可能な温度勾配のある流路に沿った中間温度の所または中間位置に入口点または入口ポートを有すること、または温度勾配のある流路に沿った中間温度の所に出口点または出口ポートを有することのいずれか、あるいはその両方によって、熱交換器の一部の区間または量のみを通過することができる。こうした流れは熱交換器の一部分のみを通過している。
本発明では、液化熱交換を単一段または複数段の構成で行うことができ、任意で、液化熱交換器システム内の液化熱交換器の数と一致する段数で行うことができるがそれに限定されず、2つ以上の熱交換段に単一の液化熱交換器を用意することができる。
任意で、液化熱交換システムは単一の液化熱交換器である。1つの追加的な選択肢では、上記方法が、ステップ(g)の前に、オイルフリーのSMR気化ガス流の一部分のみを単一の液化熱交換器に通すステップ、即ち、熱交換(の温度勾配)に沿った中間温度の所でオイルフリーのSMR気化ガス流を単一の液化熱交換器内へ送るステップを含む。
他の追加的な選択肢では、上記方法が、ステップ(g)の前に、オイルフリーのSMR気化ガス流の全部を単一の液化熱交換器に通すステップを含む。
任意で、液化熱交換器システムが単一の液化熱交換器であり、ステップ(d)における液化熱交換器システムからの冷却した第1SMR気化ガス流の引き出しを、熱交換器内で発生する熱交換(の温度勾配)に沿った中間温度の所で、任意で、オイルフリーのSMR気化ガス流が液化熱交換器システム内に入るのと同様の温度で行って、凝結したSMR流を提供することができる。
従って、任意で、本発明のステップ(d)は、液化熱交換器システムの最低温度部分よりも前で、冷却した第1SMR気化ガス流を液化熱交換器システムから引き出すこと、即ち、液化熱交換器システムを通る部分流路を実現することを含むことができる。
オイルフリーのSMR気化ガス流は、ステップ(d)で引き出される冷却した第1SMR気化ガス流よりも高い温度で、当該ガス流よりも低い温度で、当該ガス流と同じ温度で、あるいは当該ガス流と同様の温度で、液化熱交換システム内へ送る(戻す)ことができる。
任意で、オイルフリーのSMR気化ガス流は、ステップ(d)で引き出される冷却した第1SMR気化ガス流の温度と同様の温度で液化熱交換器システム内に入る。
その代わりに、液化熱交換器システムは、2つの、任意で3つ以上のユニット(装置)を具えたマルチユニット液化熱交換または液化熱交換器とすることができ、膨張した最低温度のSMR流がそれぞれのユニットを通過する。
液化熱交換を2つ以上の液化熱交換器ユニット及び/または段によって行う場合、任意で、第1SMR気化ガス流は第1のユニット及び/または段内に入り、オイルフリーのSMR気化ガス流は第2のユニット及び/または段内に入る。その代わりに、任意で、第1SMR気化ガス流は第1熱交換ユニット内に入り、オイルフリーのSMR気化ガス流は第1熱交換ユニット内及び第2熱交換ユニット内の両方に入る。
液化熱交換を2つ以上の液化熱交換器ユニット及び/または段によって行う場合、これも任意で、第1段またはより高温の段が、プレートフィン熱交換器のようなマルチストリーム熱交換器、あるいは任意で直列な、並列な、またはその両方の一連の別個の熱交換器のいずれかを具え、これらの熱交換器の少なくとも1つは、冷却した第1SMR気化ガス流を分離して液相のSMR流及びオイルフリーのSMR気化ガス流を提供する前に、第1SMR気化ガス流を冷却して、冷却した第1SMR気化ガス流を提供することができる。
任意で、本発明の方法は、ステップ(e)の液相のSMR流を膨張させるステップと、膨張させた液相のSMR流を液化熱交換器システム内へ送るステップとをさらに含む。
任意で、本発明の方法は、液化熱交換器システム内で、さらに任意で多段(マルチステージ)またはマルチユニットの液化熱交換システム内の2つの段またはユニット間で、上記膨張させた液相のSMR流を上記膨張した最低温度のSMR流と混合するステップをさらに含む。
任意で、本発明の方法は、その代わりに、液化熱交換器システムの後段で、上記膨張させた液相のSMR流を上記膨張した最低温度のSMR流と混合するステップをさらに含む。
本発明の方法は、液化後の熱交換SMR流、または冷却後の気化ガスSMR流を、SMR再循環システムの一部としての再循環または再使用向けに提供する。こうした液化または冷却後の流れは、任意で、上記膨張させた液相のSMR流を上記膨張した最低温度のSMR流と混合したものであり、液化熱交換器システム内または液化熱交換器システムの後段のいずれかで混合する。
従って、任意で、本発明の方法は、SMRを提供するための液化熱交換器の後段で、膨張した最低温度のSMR流を再循環させるステップをさらに含み、一般に追加的な膨張させた液相のSMR流を伴う。
任意で、凝結したSMR流を膨張させて、SMRを圧縮する少なくとも1つの注油式スクリューコンプレッサ内の油分の油凝固温度を下回る温度を有する膨張した最低温度のSMR流を提供する。
本発明では、ステップ(e)の前に、ステップ(b)の第1SMR気化ガス流に外部冷媒冷却を何ら施さず、このため外部冷媒カスケードを必要としない。SMR液化熱交換器システム自体は、オイルフリーのSMR気化ガス流が膨張して液化熱交換システム内に戻る前に、オイルフリーのSMR気化ガス流を凝結させるために必要な冷媒冷却を完全に、あるいは十分に行う。
任意で、BOG流にも、液化熱交換器を通過する前の外部冷媒冷却を何ら施さない。
このようにして、膨張した最低温度のSMR流は第1SMR気化ガス流の冷却を行い、膨張した最低温度のSMR流は、BOG流を冷却するための、そしてSMR再循環システム内でのすべての準環境冷媒冷却デューティを提供することが好ましい。
本発明の他の態様によれば、単一混合冷媒(SMR)を用いて液化ガスタンクからのボイルオフガス(BOG)流を冷却する方法であって、少なくとも、液化熱交換器システム内でBOG流をSMRと熱交換して冷却したBOG流を提供するステップを含む方法で用いられるSMR再循環システムが提供され、
SMRはSMR再循環システム内に用意され、このSMR再循環システムは少なくとも:
(a) 少なくとも1つの注油式スクリューコンプレッサを用いてSMRを圧縮して、圧縮後のSMR流を提供するステップと;
(b) 圧縮後のSMR流を分離して、油系の流れと第1SMR気化ガス流とを提供するステップと;
(c) 第1SMR気化ガス流を液化熱交換器システム内へ送って第1SMR気化ガス流を冷却して、冷却した第1SMR気化ガス流を提供するステップと;
(d) 冷却した第1SMR気化ガス流を液化熱交換器システムから引き出すステップと;
(e) 冷却した第1SMR気化ガス流を分離して、液相のSMR流及びオイルフリーのSMR気化ガス流を提供するステップと;
(f) オイルフリーのSMR気化ガス流を液化熱交換器システムに通して、凝結したSMR流を提供するステップと;
(g) 凝結したSMR流を膨張させて、液化熱交換器システムに通してBOG流と熱交換するための膨張した最低温度のSMR流を提供するステップとを実行する。
任意で、SMR再循環システムは、海上の船舶上の液化積荷タンクからの、任意でLNG積荷タンクからのBOGを冷却するに当たり用いられる。
任意で、SMR再循環システムは、本明細書中に規定する液化熱交換システムと共に用いられる。
任意で、SMR再循環システムは、上記のBOG流を冷却する方法に関連して本明細書中に説明する1つ以上の追加的なステップをさらに含む。
本発明のSMR再循環システムは、液化ガスタンクからのボイルオフガス流をSMR再循環システム内で冷却するための、すべての準環境冷媒冷却デューティを提供することを意図している。
本発明の他の態様によれば、液化ガスタンクからのボイルオフガス(BOG)流を冷却する装置が提供され、この装置は、本明細書中に規定する単一混合冷媒(SMR)再循環システム、及びBOG流との熱交換用の液化熱交換器を具えている。
本発明の他の態様によれば、単一混合冷媒(SMR)を用いて液化ガスタンクからのボイルオフガス(BOG)流を冷却する方法であって、少なくとも、液化熱交換器システム内でBOG流をSMRと熱交換して冷却したBOG流を提供するステップを含む方法を有する船舶を統合的に設計する方法が提供され、この方法は、少なくとも次のステップを含むSMR再循環システムを選択するステップを含み、
SMRはSMR再循環システムにおいて用意され、このSMR再循環システムは少なくとも:
(a) 少なくとも1つの注油式スクリューコンプレッサを用いてSMRを圧縮して、圧縮後のSMR流を提供するステップと;
(b) 圧縮後のSMR流を分離して、油系の流れと第1SMR気化ガス流とを提供するステップと;
(c) 第1SMR気化ガス流を液化熱交換器システム内へ送って第1SMR気化ガス流を冷却して、冷却した第1SMR気化ガス流を提供するステップと;
(d) 冷却した第1SMR気化ガス流を液化熱交換器システムから引き出すステップと;
(e) 冷却した第1SMR気化ガス流を分離して、液相のSMR流及びオイルフリーのSMR気化ガス流を提供するステップと;
(f) オイルフリーのSMR気化ガス流を液化熱交換器システムに通して、凝結したSMR流を提供するステップと;
(g) 凝結したSMR流を膨張させて、液化熱交換器システムに通してBOG流と熱交換するための膨張した最低温度のSMR流を提供するステップとを実行する。
本発明の他の態様によれば、本明細書中に記載するのと同一または同様のステップを含む、液化ガスタンクからのボイルオフガス流を冷却する方法で用いられるSMR再循環システムを統合的に設計する方法が提供される。
本発明のさらに他の態様によれば、本明細書中に記載するのと同一または同様のステップを含む、単一混合冷媒(SMR)を用いて液化ガスタンクからのボイルオフガス(BOG)流を冷却するプロセスを設計する方法が提供される。
本発明のさらに他の態様によれば、本明細書中に記載するのと同一または同様のステップを含む、単一混合冷媒(SMR)を用いて液化ガスタンクからのボイルオフガス(BOG)流を冷却する方法で用いられるSMR再循環システムを設計する方法が提供される。
本明細書中に説明する設計方法は、関連する動作装置及び制御装置を船舶の全体構成中に含めるためのコンピュータ支援プロセスを含むことができ、そして関連するコスト、動作パラメータの能力を方法及び設計に含めることができる。本明細書中に記載する方法は、コンピュータ上で読み出して処理するのに適した媒体上に符号化することができる。例えば、本明細書中に説明する方法を実行するためのコードは磁気媒体または光媒体上に符号化することができ、これらの媒体はパーソナルコンピュータまたはメインフレーム(大型汎用)コンピュータによって読み出すことができる。従って、これらの方法は、こうしたパーソナルコンピュータまたはメインフレームコンピュータを使用する設計技術者が実行することができる。
以下、本発明の実施形態及び例を、ほんの一例として、添付した次の概略的な図面を参照しながら説明する。
従来技術のSMRシステムを用いてBOG流を冷却する従来技術の方法の概略図である。 本発明の一般的な実施形態によるSMRシステムを用いてBOG流を冷却する方法の概略図である。 本発明の第1実施形態によるSMRシステムを用いてBOG流を冷却する方法の概略図である。 本発明の第2実施形態によるSMRシステムを用いてBOG流を冷却する方法の概略図である。 本発明の第3実施形態によるSMRシステムを用いてBOG流を冷却する方法の概略図である。 本発明の第4実施形態によるSMRシステムを用いてBOG流を冷却する方法の概略図である。 本発明の第5実施形態によるSMRシステムを用いてBOG流を冷却する方法の概略図である。 本発明の第6実施形態によるSMRシステムを用いてBOG流を冷却する方法の概略図である。 本発明の第7実施形態によるSMRシステムを用いてBOG流を冷却する方法の概略図である。
関連する所では、同一または同様な特徴を表すために、異なる図中で同じ参照番号を用いる。
図1は、以上に説明した従来技術の構成であり、SMR再循環システム及び注油式スクリューコンプレッサを用いて圧縮BOGの再液化を実現するために、カスケード13に基づく外部冷媒回路及び装置を必要とする。
図2に、本発明の一般的な実施形態による、単一混合冷媒(SMR)を用いて液化ガスタンクからのボイルオフガスを冷却する方法を示し、この方法は、少なくとも、液化熱交換器システム内でBOG流をSMRと熱交換して冷却したBOG流を提供するステップを含み、SMRは、本発明の他の実施形態によるSMR再循環システムにおいて用意される。
より詳細には、図2に、1つ以上のLNG積荷タンク(図示せず)から供給され、既に圧縮機(これも図示せず)内で圧縮されたBOG流70を示す。BOG流70は、任意で、第1環境熱交換器60内で、容易に利用可能な冷却媒体(例えば、海水、淡水、エンジンルームの冷却水、空気)を用いて環境冷却される。次に、こうして任意で冷却され(かつ圧縮され)たBOG流71を液化熱交換器システム40内へ送る。
液化熱交換器システム40は、1つ以上の熱交換器の任意の形態または配置を具えることができ、これらの熱交換器は、2つ以上の流れどうしの、任意で複数の流れどうしの、特にBOG流と冷媒のうちの少なくとも1つとの熱交換を可能にすることができ、任意で、システムの一部または一部分中に、他の1つ以上の流れと逆流して流れる少なくとも1つの流れを有する。2つ以上の熱交換器の任意の配置は、直列または並列、あるいは直列と並列の組合せとすることができ、これらの熱交換器は、分離すること、または結合すること、あるいは連続させることができ、任意で、単一の冷却装置または冷却箱(ボックス)内に入れることができ、任意で、BOG流を液化するために必要なBOG流との熱交換を行う1つ以上の装置または段の形態にすることができる。
2つ以上の熱交換器を具えた液化熱交換器システムは、一般に、内部の平均温度の意味で他の部分、装置、または段よりも「高温」である1つの部分、装置、または段を有する。
適切な液化熱交換器システムのいくつかの変形例は、以下に説明及び図示する。当業者は他の変形例を認識し、本発明はそれらによって限定されない。
図2に示す一般的な液化熱交換システム40では、冷却され(かつ圧縮され)たBOG流71を、以下に説明するより低温の流れによって凝結させ、この流れはSMR再循環システム200内で生成される。凝結したBOG流は、パイプライン73を通って熱交換器システム40を出てLNG積荷タンクに戻ることができる。
SMRシステム200では、冷媒レシーバー51からのSMR冷媒ガス74の初期流を注油式スクリューコンプレッサ52へ送る。注油式スクリューコンプレッサは現在技術において周知であり、本明細書ではさらに説明しない。注油式スクリューコンプレッサは、特に小規模または小量の圧縮用には産業界で十分な実績があり、かつ費用効果的であるが、油の一部が、場合によってはたとえ微量でも、コンプレッサを通過するガス中に引き込まれ、従ってコンプレッサからのガス排出の一部となる、という欠点があることが知られている。
図2では、注油式スクリューコンプレッサ52を用いて初期のSMR流74を圧縮することによって圧縮後のSMR流75が提供され、圧縮後のSMR流75は、任意でフィルタを有する第1油分離器53に入り、第1油分離器53は圧縮後のSMR流75を分離して油系の流れ及び第1SMR気化ガス流79を提供する。油分の大部分は分離器53内で一般に重力及び/または濾過によって除去される。回収された油系の流れ76はパイプライン内へ排出され、パイプライン内では圧力差または任意のポンプ54によって油分が流れ77へ送られ、注油却器(オイルクーラー)55が油分を冷却し、この油分は流れ78として圧縮機52内へ再注入される。
第1SMR気化ガス流79の大部分はオイルフリーであるが、ある程度の残留油を確かに含有する。第1SMR気化ガス流79を第2環境熱交換器56内で容易に利用可能な冷却媒体(例えば海水、淡水、エンジンルームの冷却水、空気)を用いて冷却して、より低温の第1気化ガス流80を提供する。冷媒の組成及び圧力、並びに第2環境熱交換器56内で実現される温度次第で、SMRのある程度の凝結を発生させ始めることができる。
より低温の第1気化ガス流80は液化熱交換器システム40内へ送られ、液化熱交換器システム40では冷媒が冷却されて少なくとも部分的に凝結する。冷媒が冷却される温度は油分の凝固温度よりも高い。冷却した第1SMR気化ガス流81は、液化熱交換器システム40(の温度勾配)に沿った中間温度の所から引き出されて気液分離器58に入る。分離器58内では、一般に液体及びあらゆる残留油量で構成される液相のSMR流82を、パイプライン82を通して排出することができる。
その後に、液相のSMR流82の圧力をフラッシュバルブ59によって低減して、ある程度の気化及びそれに関連した温度の低下を生じさせることができる。SMRシステム200は、このより低い温度がまだ油分の凝固温度を上回るように設計されている。膨張した、あるいは少なくとも部分的に気化した液相のSMR流83を熱交換器システム40内へ送ることができ、熱交換器システム40では、液相のSMR流83自体は気化しながら、より高温の流れのある程度の冷却を行う。
分離器58では、オイルフリーの(あるいは本来オイルフリーの)SMR気化ガス流84も熱交換器システム40内へ送られる。図2では、オイルフリーのSMR気化ガス流84が、中間温度で、任意で、冷却第1SMR気化ガス流81の引き出し時と同様の温度で、熱交換器システム40に入る。熱交換器システム40では、このオイルフリーのSMR気化ガス流84が部分的または全体的に凝結するまで冷却されて、凝結したSMR流85として熱交換器システム40を出る。その後に、スロットバルブ61により圧力を低減して、部分的な気化及び温度低下に至らせて、膨張した最低温度のSMR流85を提供する。膨張した最低温度のSMR流86は、SMRシステム200内では最低温のSMR冷媒流であり、注油式スクリューコンプレッサ52内の油分の油凝固温度を下回る温度を有する。
膨張した最低温度のSMR流86を熱交換器システム40へ返送し、熱交換器システム40では、SMR流86が加熱されるに連れて気化し、その際に熱交換器システム40内のより高温の流れを冷却して、冷却デューティの大半を提供する。SMR冷媒流86は、液相のSMR流83と混合されて単一の流れを形成することができ、この単一の流れは冷却後の気化ガス流89として熱交換器システム40を出て冷媒レシーバー51に戻される。
このようにして、図1の従来技術の構成における外部冷媒カスケードの必要性が解消されて、液化熱交換器システム内で冷却されることによって、油分の凝固温度を上回る温度での混合冷媒の凝固が行われる。このことは、資本支出及び全体的な工場規模の低減を意味する。圧縮機の油分を、システム内で最低温度に曝される冷媒ガスの一部分から除去するために必要な部分的凝結が、外部冷媒カスケードループなしに実現されて、このデューティ(作業労力)がSMR再循環システムのみへシフト(移行)されている。
図3に、より詳細なSMR再循環システム101を示し、SMR再循環システム101は図2に示すSMR再循環システム200の第1変形例である。第1SMR再循環システム101は、単一のマルチストリーム液化熱交換器57(ろう付けアルミニウムのプレートフィン熱交換器が代表的である)を具え、液化熱交換器57では、冷却され(かつ圧縮され)たBOG流71が、SMR再循環システム200内よりも前に、本明細書中に説明したより低温の流れによって凝結する。
図4に、図2に示すSMR再循環システム200の第2変形例のSMR再循環システム102を示し、ここでは液化熱交換器システムが今度は2つの熱交換器を具え、これらは第1及び第2マルチストリーム熱交換ユニット64及び62である。図4では、熱交換ユニット64及び62の外部で低温の流れどうしの混合が存在する。即ち、膨張した最低温度のSMR流または最低温の冷媒流86が第2ユニット62内へ送られ、第2ユニット62では、冷媒流86が加熱されるに連れて気化し始め、その際に第2ユニット62内のより高温の流れを冷却して、膨張した液相のSMR流83と混合されて混合流88を形成する前に、部分的により高温のSMR流として出て、混合流88は第1ユニット64内へ送られて、第1ユニット64内のより高温の流れを冷却して、冷却後の気化ガス流89として第1装置64を出て、冷媒レシーバー51に戻される。その間に、第1ユニット64からの冷却されたBOGは、流れ72としてより低温の第2ユニット62内へ送られる。
第1及び第2熱交換ユニット64及び62は、連続的にも別個にもすることができる。
図5に、第3変形例のSMR再循環システム103を示し、SMR再循環システム103は、図4に示すSMR再循環システム102の追加的な変形例である。図5では、液化熱交換器システムが第1及び第2マルチストリーム熱交換ユニット63及び62を具えている。図4と比べれば、第1ユニット63内では、膨張した液相のSMR流83と部分的により高温のSMR流88とが別個に保たれる。液化熱交換器システムによって提供される第1及び第2のより高温のSMR流90と91とは、第1ユニット63を出た後に気相で混合されて、混合された冷却後の気化ガス流89を形成し、気化ガス流89は冷媒レシーバー51に戻される。
図6に、第4変形例のSMR再循環システム104を示し、SMR再循環システム104は図4に示すSMR再循環システム102の他の変形例である。図6では、液化熱交換器システムが第1及び第2マルチストリーム熱交換ユニット63A及び62を具えている。図4と比べれば、気液分離器58によって提供されるオイルフリーのSMR気化ガス流95が、今度は、より低温の第2ユニット62を通過する前に、より高温の第1ユニット63A内に入って中間流92を提供する。
図7に、第5変形例のSMR再循環システム105を示し、SMR再循環システム105は、図5に示す第3のSMR再循環システム103と図6に示す第4のSMR再循環システム104との組合せである。図7では、液化熱交換器システムが第1及び第2マルチストリーム熱交換ユニット65及び62を具え、気液分離器58によってオイルフリーのSMR気化ガス流95が、今度は、より高温の第1ユニット65内に入って(より低温の第2ユニット62を通過する前に、凝結したSMR流85として出るための中間流92を提供して)、膨張した液相のSMR流83と部分的により高温のSMR流88とが第1ユニット65内に別個に保たれる。液化熱交換器システムによって提供される第1及び第2のより高温のSMR流93及び94は、第1ユニット65を出た後に気相で混合されて、混合された冷却後の気化ガス流89を形成して、気化ガス流89は冷媒レシーバー51に戻される。
図8に、第6変形例のSMR再循環システム106を示し、SMR再循環システム106は、図3に示す第1SMR再循環システム101と図6に示す第4SMR再循環システム104との組合わせである。図8では、液化熱交換器システムが単一のマルチストリーム液化熱交換器66を具え、気液分離器58によって提供されるオイルフリーのSMR気化ガス流95が、今度は全部が熱交換器66を通過し(て凝結したSMR流85を提供し)、その間に、膨張した液相のSMR流83が、熱交換器66内の中間位置で冷媒流86と混合されて単一の流れを形成し、この単一の流れは、冷却後の気化ガス流89として熱交換器66を出て冷媒レシーバー51に戻される。
図9に第7変形例のSMR再循環システム107を示し、SMR再循環システム107は、図6に示すSMR再循環システム104の変形例であり、液化熱交換器システム内の第1マルチストリーム熱交換ユニット63Aが一連の二流路熱交換器に置き換わっている。
図9では、より低温の第1気化ガス流80が、以下に説明する流れとの熱交換器である第1の二流路熱交換器96内に入って、前と同じ方法で冷却した第1SMR気化ガス流81を提供し、第1SMR気化ガス流81は気液分離器58内に入る。分離器58からは、液相のSMR流82がフラッシュバルブ59によって膨張して、少なくとも部分的に気化した液相のSMR流83を提供する。分離器58は、オイルフリーのSMR気化ガス流95も提供し、SMR気化ガス流95は、第2の二流路熱交換器97内に入って、図6に示して説明したのと同じ第2ユニット62内に入る前の中間流92を提供する。
その間に、冷却されかつ圧縮されたBOG流71が第3の二流路熱交換器98内に入って、より低温のBOG流72を提供し、BOG流72はより低温の第2ユニットに入る。
図9中の第2ユニット62は、上述したのと同じ方法で凝結したBOG流73を提供し、部分的により高温のSMR流73は、膨張した液相のSMR流83と混合されて混合流88を形成し、混合流88は部分流99Aと99Bとに分割される。部分流99Aは第2熱交換器97に入り、部分流99Bは第3熱交換器98に入る。これらの部分流がそれぞれの熱交換器を出た流れどうしを混合して混合流100を形成し、混合流100は第1熱交換器96内へ入って、冷却後の気化ガス流89として出る。
液化熱交換器システムが複数の熱交換器ユニットを具えている場合、本発明は第1及び第2ユニットの相対的な配置によって限定されず、これらのユニットは連続的にも別個にもすることができる。
SMR中の組成及び/または比率を変化させて、本発明の構成毎に最良の効果を達成することができる。図3〜9に示す例毎にSMRの組成が異なることもできる。
本発明は、特に、混合冷媒システムにおける費用効果的な注油式スクリューコンプレッサの使用を可能にする、LNG再液化用の一般的な単一混合冷媒(SMR)サイクルの改良である。代表的な構成と比べれば、本発明は、低減された複雑性、より少数の装置、及び低減された資本コストを可能にする。

Claims (27)

  1. 単一混合冷媒(SMR)を用いて液化ガスタンクからのボイルオフガス(BOG)流を冷却する方法であって、少なくとも、液化熱交換器システム内で前記BOG流を前記SMRと熱交換して冷却したBOG流を提供するステップを含む方法において、
    前記SMRはSMR再循環システムにおいて用意され、該SMR再循環システムは、
    (a) 少なくとも1つの注油式スクリューコンプレッサを用いて前記SMRを圧縮して、圧縮後のSMR流を提供するステップと、
    (b) 前記圧縮後のSMR流を分離して、油系の流れ及び第1SMR気化ガス流を提供するステップと、
    (c) 前記第1SMR気化ガス流を前記液化熱交換器システム内へ送って前記第1SMR気化ガス流を冷却して、冷却した前記第1SMR気化ガス流を提供するステップと、
    (d) 前記冷却した第1SMR気化ガス流を前記液化熱交換器システムから引き出すステップと、
    (e) 前記冷却した第1SMR気化ガス流を分離して、液相のSMR流及びオイルフリーのSMR気化ガス流を提供するステップと、
    (f) 前記オイルフリーのSMR気化ガス流を前記液化熱交換器システムに通して、凝結したSMR流を提供するステップと、
    (g) 前記凝結したSMR流を膨張させて、前記液化熱交換器システムに通して前記BOG流と熱交換するための膨張した最低温度のSMR流を提供するステップと
    を実行する方法。
  2. 前記BOG流が、海上の船舶内の液化積荷タンクからのBOG流であり、任意でLNG積荷タンクからのBOG流である、請求項1に記載の方法。
  3. 前記液化熱交換器システムが単一の液化熱交換器を具えている、請求項1または2に記載の方法。
  4. ステップ(f)において、前記オイルフリーのSMR気化ガス流を部分的に前記単一の液化熱交換器に通すことを含む、請求項3に記載の方法。
  5. ステップ(f)において、前記オイルフリーのSMR気化ガス流の全部を前記単一の液化熱交換器に通すことを含む、請求項3に記載の方法。
  6. 前記液化熱交換器システムが、2つの熱交換ユニット、任意で3つ以上の熱交換ユニットを具えたマルチユニット液化熱交換器を具え、前記BOG流及び前記膨張した最低温度のSMR流がそれぞれの前記熱交換ユニットを通過する、請求項1または2に記載の方法。
  7. 前記第1SMR気化ガス流を第1の前記熱交換ユニットに通すステップと、前記オイルフリーのSMR気化ガス流を第2の前記熱交換ユニットに通すステップとをさらに含む、請求項6に記載の方法。
  8. 前記第1SMR気化ガス流を第1の前記熱交換ユニットに通すステップと、前記オイルフリーのSMR気化ガス流を第1の前記熱交換ユニット及び第2の前記熱交換ユニットの両方に通すステップとをさらに含む、請求項6に記載の方法。
  9. 前記液化熱交換器システムが、2つのマルチストリーム熱交換器を具えたマルチユニット液化熱交換器を具えている、請求項6〜8のいずれかに記載の方法。
  10. 前記液化熱交換器システムが、1つのマルチストリーム熱交換器及び複数の二流路熱交換器を具えたマルチユニット熱交換器を具えている、請求項6〜8のいずれかに記載の方法。
  11. ステップ(c)の前に前記第1SMR気化ガス流を環境冷却するステップをさらに含む、請求項1〜10のいずれかに記載の方法。
  12. ステップ(e)の前記液相のSMR流を膨張させるステップと、前記膨張させた液相のSMR流を前記液化熱交換システム内へ送るステップとをさらに含む、請求項1〜11のいずれかに記載の方法。
  13. 前記液化熱交換器システム内で、前記膨張させた液相のSMR流を前記膨張した最低温度のSMR流と混合するステップをさらに含む、請求項12に記載の方法。
  14. 前記液化熱交換器システムがマルチユニット液化熱交換器システムで構成され、該マルチユニット液化熱交換器システムの2つの熱交換ユニット間で、前記膨張させた液相のSMR流を前記膨張した最低温度のSMR流と混合するステップをさらに含む、請求項12に記載の方法。
  15. 前記液化熱交換器システムの後段で、前記膨張させた液相のSMR流を前記膨張した最低温度のSMR流と混合するステップをさらに含む、請求項10に記載の方法。
  16. ステップ(g)が、前記SMR再循環システムの一部分における再循環または再使用のための冷却後の気化ガスSMR流を提供する、請求項1〜15のいずれかに記載の方法。
  17. 前記凝結したSMR流の膨張によって、前記SMRを圧縮する前記少なくとも1つの注油式スクリューコンプレッサの油凝固温度を下回る温度を有する前記膨張した最低温度のSMR流を提供することができる、請求項1〜16のいずれかに記載の方法。
  18. ステップ(b)の前記第1SMR気化ガス流に、ステップ(e)の前に外部冷媒冷却を施さない、請求項1〜17のいずれかに記載の方法。
  19. 前記BOG流が前記液化熱交換器システムを通過する前に、前記BOG流に外部冷媒冷却を施さない、請求項1〜18のいずれかに記載の方法。
  20. 前記液化熱交換器システムが1つ以上のプレートフィン熱交換器を具えている、請求項1〜19のいずれかに記載の方法。
  21. 前記膨張した最低温度のSMR流が前記第1SMR気化ガス流の冷却を行う、請求項1〜20のいずれかに記載の方法。
  22. 単一混合冷媒(SMR)を用いて液化ガスタンクからのボイルオフガス(BOG)流を冷却する方法で使用されるSMR再循環システムであって、該方法が、少なくとも、液化熱交換器システム内で前記BOG流を前記SMRと熱交換して冷却したBOG流を提供するステップを含むSMR再循環システムにおいて、
    前記SMRは前記SMR再循環システムにおいて用意され、前記SMR再循環システムは、
    (a) 少なくとも1つの注油式スクリューコンプレッサを用いて前記SMRを圧縮して、圧縮後のSMR流を提供するステップと、
    (b) 前記圧縮後のSMR流を分離して、油系の流れ及び第1SMR気化ガス流を提供するステップと、
    (c) 前記第1SMR気化ガス流を前記液化熱交換器システム内へ送って前記第1SMR気化ガス流を冷却して、冷却した前記第1SMR気化ガス流を提供するステップと、
    (d) 前記冷却した第1SMR気化ガス流を前記液化熱交換器システムから引き出すステップと、
    (e) 前記冷却した第1SMR気化ガス流を分離して、液相のSMR流及びオイルフリーのSMR気化ガス流を提供するステップと、
    (f) 前記オイルフリーのSMR気化ガス流を前記液化熱交換器システムに通して、凝結したSMR流を提供するステップと、
    (g) 前記凝結したSMR流を膨張させて、前記液化熱交換器システムに通して前記BOG流と熱交換するための膨張した最低温度のSMR流を提供するステップと
    を実行するSMR再循環システム。
  23. 海上の船舶内の液化ガス積荷タンク、任意でLNG積荷タンクからの前記BOG流を冷却するに当たり使用される、請求項22に記載のSMR再循環システム。
  24. 請求項3〜10のいずれかに規定する前記液化熱交換器システムと共に使用される、請求項22または23に記載のSMR再循環システム。
  25. 請求項11〜16のいずれかに規定する1つ以上の追加的なステップをさらに実行する、請求項22〜24のいずれかに記載のSMR再循環システム。
  26. 前記液化ガスタンクからの前記ボイルオフガス流を前記SMR再循環システム内で冷却するためのすべての準環境冷媒冷却デューティを提供することができる、請求項22〜25のいずれかに記載のSMR再循環システム。
  27. 液化ガスタンクからのボイルオフガス(BOG)流を冷却する装置であって、請求項22〜26にいずれかに記載の単一混合冷媒(SMR)再循環システム、及び前記BOG流との熱交換用の液化熱交換器システムを具えている装置。
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