JP2023140786A - 液化ガス貯蔵タンクのクールダウン方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液化ガス貯蔵用の多重防熱構造タンクのクールダウンに要する時間を短縮し、コストを抑制する。【解決手段】液化ガスを貯蔵するための、内槽（３）および外槽（５）を備えるタンクを、貯蔵対象である前記液化ガスを充填する前に冷却する方法が、内槽内空間（９）に、冷却用液化ガスを導入することと、前記冷却用液化ガス（ＣＨ）の導入を開始した後、前記内外槽間空間（９）に冷却用ガスＣＧ（ＣＧ）を強制的に供給することとを含む。【選択図】図１

Description

本開示は、液化ガス貯蔵タンクのクールダウン方法に関する。

従来、液化ガス、例えば極低温の液化水素を貯蔵するタンクとして、内槽および外槽を備える二重殻タンクを用いることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

一般的に、低温の液化ガスをタンクに貯蔵する場合、常温のタンクに一度に多量の貯蔵対象の液化ガスを充填することによってタンクを急激に冷却することを回避するため、貯蔵対象の液化ガスを充填する前に、予めタンクを比較的低速で冷却すること（以下、「クールダウン」という。）が行われている。

特開２０１９－１５１２９１号公報

しかし、液化ガス用二重殻タンクのような多重防熱構造のタンクの場合、高い断熱性を有することから、内槽のみを冷却するのみではタンク全体の冷却に長時間を要し、かつ多量の冷却用の液化ガスを要することになる。したがって、クールダウンに要するコストが増大する。

本開示の目的は、上記の課題を解決するために、液化ガス貯蔵用の多重防熱構造タンクのクールダウンに要する時間を短縮し、コストを抑制することにある。

上記目的を達成するために、本開示に係る液化ガス貯蔵タンクのクールダウン方法は、
液化ガスを貯蔵するための、内槽および外槽を備えるタンクを、貯蔵対象である前記液化ガスを充填する前に冷却する方法であって、
内槽内空間に、冷却用液化ガスを導入することと、
前記冷却用液化ガスの導入を開始した後、前記内外槽間空間に冷却用ガスを強制的に供給することと、
を含む。

本開示に係る液化ガス貯蔵タンクのクールダウン方法によれば、液化ガス貯蔵用の多重防熱構造タンクのクールダウンに要する時間を短縮し、コストを抑制することができる。

本開示の一実施形態に係るクールダウン方法が適用される液化ガス貯蔵タンクの概略構成を示す断面図である。 本開示の一実施形態に係るクールダウン方法の開始前の初期状態を示す模式図である。 本開示の一実施形態に係るクールダウン方法における内槽冷却中の状態を示す模式図である。 本開示の一実施形態の一変形例に係るクールダウン方法における内槽冷却中の状態を示す模式図である。 本開示の一実施形態の他の変形例に係るクールダウン方法における内槽冷却中の状態を示す模式図である。 本開示の一実施形態に係るクールダウン方法の終了した状態を示す模式図である。 図１の液化ガス貯蔵ガスタンクの一部を拡大して模式的に示す断面図である。

以下、本開示の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に本開示の一実施形態に係るクールダウン方法が適用される液化ガス貯蔵タンク（以下、単に「貯蔵タンク」という。）１を示す。この貯蔵タンク１は、液化ガスを貯蔵するためのタンクであり、内槽３および外槽５を備える二重殻タンクとして構成されている。なお、本明細書において、「クールダウン」とは、貯蔵対象である液化ガスを貯蔵タンク１に充填する前に、貯蔵タンク１を冷却することを意味する。

以下に説明する本実施形態においては、貯蔵対象である液化ガスとして極低温（約－２５０℃）の液化水素を例として説明する。もっとも、液化ガスは他の種類のガス、例えば、液化石油ガス（ＬＰＧ、約－４５℃）、液化エチレンガス（ＬＥＧ、約－１００℃）、液化天然ガス（ＬＮＧ、約－１６０℃）、液化ヘリウム（ＬＨｅ、約－２７０℃）などであってよい。

貯蔵タンク１は、例えば液化水素運搬船のような船舶に設置される。もっとも、貯蔵タンク１が設置される液化水素貯蔵設備は、液化水素を貯蔵することが可能な構造、機能を有する設備であればこの例に限定されない。貯蔵タンク１が設置される液化水素貯蔵設備は、例えば、液化水素を推進用燃料として使用する船舶であってもよく、船舶以外の地上の液化水素貯蔵設備や、液化水素を利用するプラントであってよい。

貯蔵タンク１は、内槽３および外槽５を有する二重殻タンクとして構成されている。具体的には、内槽３は、その内側に貯蔵対象である液化水素の貯蔵空間（以下、「内槽内空間７」と呼ぶ。）を形成する内槽殻と、内槽殻の外周面を覆う内槽防熱層とを有する。外槽５は、内槽３との間に断熱層である内外槽間空間９を形成する外槽殻と、外槽殻の外周面を覆う外槽防熱層とを有する。なお、内槽３および外槽５の防熱層を設置する箇所はこの例に限定されず任意であり、例えば防熱層を外槽殻の内周面を覆うように設置してもよい。また、内槽３および外槽５の防熱層の一方または両方を省略してもよい。この貯蔵タンク１は、断熱層である内外槽間空間９に低温の水素ガスを封入した状態で定常運用される。

本実施形態では、内槽内空間７と内外槽間空間９とを連通させる連通路１１が設けられている。連通路１１は開閉可能に構成されている。図示の例では、具体的には、内槽内空間７で生じた液化水素の気化ガス（以下、単に「気化ガス」と呼ぶ。）Ｇ１を貯蔵タンク１の外部へ排出する気化ガス排出通路１３と、貯蔵タンク１の外部に設けられた水素ガス源（図示せず）からの水素ガス（以下、「外部水素ガス」と呼ぶ。）Ｇ２を内外槽間空間９に導入する水素ガス導入通路１５と、貯蔵タンク１の外部において気化ガス排出通路１３と水素ガス導入通路１５とを接続する接続通路１７とが設けられている。これら気化ガス排出通路１３、接続通路１７および水素ガス導入通路１５によって連通路１１が形成されている。また、連通路１１に開閉弁１９が設けられており、この開閉弁１９によって連通路１１が開閉可能に構成されている。この例では、水素ガス導入通路１５における接続通路１７との接続点の下流側の部分に開閉弁１９が設けられているが、開閉弁１９の位置および個数はこの例に限定されない。また、開閉弁１９は、手動で開閉可能な弁のほか、
設定された差圧に応じて自動的に開閉する弁であってもよい。

なお、内槽内空間７と内外槽間空間９との間の連通路１１の具体的な構成、および連通路１１を開閉可能とする具体的な構成は、この例に限定されない。また、上記「水素ガス源」は、水素ガスの供給源となり得るものであればどのような構成であってもよく、典型的には水素ガスを貯蔵したタンクであるが、例えば液化水素を貯蔵したタンクと気化器を組み合わせたものであってもよい。

さらに、本実施形態では、連通路１１に、後述する冷却用ガスを強制的に内外槽間空間９に送給する装置（以下、単に「ガス送給装置」と呼ぶ。）３１が設けられている。図示の例では接続通路１７にガス送給装置３１が設けられている。ガス送給装置３１は、例えばターボ式または容積式の圧縮機、ブロワ、ファンといったガスに圧力をかけることによりガスを移動させる装置である。

また、本実施形態では、内槽３の温度を検知する内槽温度検知装置２１、内槽内空間７の圧力を監視する内槽内空間圧力検知装置２３、内外槽間空間９の温度を検知する内外槽間空間温度検知装置２５、および内外槽間空間９の圧力を検知する内外槽間空間圧力検知装置２７を備えている。これらの検知装置は、検知対象の物理量（温度、圧力）を検知するセンサ素子、取得した検出量に対して信号変換処理、演算処理等必要な処理を行う各種回路、これらの処理に必要な情報を格納するためのメモリ、電池等の電源素子または外部から電源供給を受けるための電源回路、出力信号を有線または無線で外部へ送信するための送信回路等を備えている。なお、このような温度検知装置，圧力検知装置として、上記以外の部分を計測する装置、例えば内槽温度検知装置や外槽温度検知装置が設けられていてもよい。また、これらの温度検知装置，圧力検知装置は、後述するクールダウン方法の実施の態様に応じて必要なもののみが設けられていてよい。

このように構成された貯蔵タンク１のクールダウン方法について、以下に詳細に説明する。

本実施形態では、図２Ａに示すクールダウンを開始する時点での初期状態の貯蔵タンク１において、連通路１１の開閉弁１９を開いた状態とされており、内槽内空間７および内外槽間空間９には、いずれも、例えば常温，大気圧（０ｋＰａＧ）の水素ガスが存在している。もっとも、初期状態の水素ガスの温度，圧力は常温，大気圧に限定されない。この状態から、図２Ｂに示すように、内槽内空間７に冷却用の液化水素（以下、単に「冷却用水素」と呼ぶ。）ＣＨを導入する。この例では、噴霧器２９を用いて、内槽内空間７に、冷却用水素ＣＨを噴霧する。

この状態で冷却用水素ＣＨの噴霧を続けることにより、内槽３の温度が低下する。内槽３の温度が低下することにより、内外槽間空間９の温度も低下する。また、内槽内空間７においては、冷却用水素ＣＨが気化した気化ガスＧ１が発生して圧力が上昇する。

本実施形態では、冷却用液化水素ＣＨの導入を開始した後、内外槽間空間９に冷却用ガスＣＧを強制的に供給する。なお、本明細書において、「強制的に供給する」とは、当該ガスの状態における圧力差を単に利用するのではなく、ガスに圧力をかけて移動させることによって供給することをいう。具体的には、この例では、２０Ｋ程度の極低温である気化ガスＧ１を、冷却用ガスＣＧとして、ガス送給装置３１を用いて、内外槽間空間９に強制的に供給する。内外槽間空間９に強制的に供給された冷却用ガスＣＧは、排出通路３３を介して貯蔵タンク１の外部へ排出される。排出通路３３は、例えば、内外槽間空間９における底部付近に入口を有し、内外槽間空間９内を通って、内外槽間空間９の上部、例えば頂部付近に位置する出口から貯蔵タンク１の外部へ冷却用ガスＣＧを排出する。排出通
路３３には、排出用のガス圧縮機や排気ポンプが適宜設置されていてもよい。内外槽間空間９に強制的に供給された冷却用ガスＣＧを外部へ排出することにより、内外槽間空間９内の圧力が過度に上昇することが防止される。

なお、内外槽間空間９に供給される冷却用ガスＣＧは、気化ガスＧ１に限定されない。気化ガスＧ１に代えて、または追加して、例えば水素ガス導入通路１５から外部水素ガスＧ２を内外槽間空間９に冷却用ガスＣＧとして強制的に供給してもよい。この場合には、図２Ｃに変形例として示すように、ガス送給装置３１を水素ガス導入通路１５上に設けると共に、ガス送給装置３１を使用しない場合のためのバイパス通路１５aを設けてもよい。また、内外槽間空間９に供給される冷却用ガスＣＧは、冷却用専用に設けられたガス源およびガス供給路から強制的に供給されてもよい。このように外部の水素ガスを内外槽間空間９に冷却用ガスＣＧとして供給する場合、冷却用ガスＣＧの供給は、内槽内空間７への冷却用水素ＣＨの導入を開始する前から行ってもよい。

排出通路３３から排出された水素ガスは、貯蔵タンク１の外部に設置された水素ガスを利用する装置および／または水素ガスを貯蔵する装置に送給されてもよい。例えば、貯蔵タンク１が船舶に設置される場合、排出通路３３から排出された水素ガスは、水素ガスを利用するエンジン、ボイラ、燃焼装置等に送給されてよい。

このように、内槽３を冷却用水素ＣＨで冷却しながら、冷却用ガスＣＧを内外槽間空間９に強制的に供給することにより、内外槽間空間９および外槽５の冷却が促進されるので、単に内槽３のみを冷却する場合に比べて貯蔵タンク１全体のクールダウンに要する時間を短縮することができる。さらに、気化ガスＧ１の流入によって内外槽間空間９の圧力の低下が抑制されるので、内槽３および外槽５の機械的強度を考慮した、内外槽間空間９の許容最低圧力を維持することが容易となる。本実施形態のように、気化ガスＧ１を冷却用ガスＣＧとして利用することにより、簡易な構造で、かつコストを抑制しながらクールダウンに要する時間を短縮することができる。

なお、内外槽間空間９に導入される気化ガスＧ１および／または外部水素ガスＧ２の温度が十分低くない場合、つまり、内外槽間空間９の冷却速度が遅く、クールダウンの過程で内槽３と外槽５の温度差が大きくなりすぎ、構成部材の熱収縮量の差が過大になる場合がある。これを回避するため、図２Ｄに示すように、連通路１１上、例えば水素ガス導入通路１５上に冷却装置３５を設け、この冷却装置３５を用いた冷却用ガスＣＧの温度調整と冷却用ガスＣＧの流量調整により、外槽５の冷却速度を調整して、内槽３と外槽５の温度差が所定値以下となるように制御しながらクールダウンを行ってもよい。内槽３と外槽５の温度差の所定値は、例えば、貯蔵タンクの通常運用開始時の温度差として設定されている値である。冷却装置３５は、例えば、ガス温度を検知する温度センサ、圧縮式冷凍機や吸収式冷凍機といった冷却源、これらを制御する制御回路等を備える。もっとも、冷却装置３５は、上記以外の構成の装置、例えば熱交換器であってもよい。

その後、内外槽間空間９の温度が所定温度まで低下した場合に、ガス送給装置３１を停止し、開閉弁１９を閉じ、連通路１１を閉状態として、内外槽間空間９への冷却用ガスＣＧ供給を停止する。内外槽間空間９への冷却用ガスＣＧ供給を停止することにより、内外槽間空間９の温度が過度に低下することが防止される。もっとも、所定温度を基準として冷却用ガスＣＧの供給を停止することは必須ではない。また、冷却用ガスＣＧの供給をいったん停止した後、必要に応じて再開してもよい。

上記の内外槽間空間９の所定温度は、貯蔵タンク１の定常運用時における内外槽間空間９の設定温度（例えば１１０Ｋ）を基準として定められる。本実施形態では、内外槽間空間温度を設定温度以上に維持するため、設定温度を若干上回る温度（例えば１２０Ｋ）を
所定温度としている。

その後、図２Ｅに示すように、内槽３の温度および内外槽間空間９の温度がそれぞれ目標温度まで低下した時点で、連通路１１が開状態であればこれを閉状態にするとともに、冷却用水素ＣＨの噴霧を停止してクールダウンを終了する。

なお、本実施形態では、図１に示すように、内外槽間空間９に導入された冷却用ガスＣＧを偏向させる偏向板３７が設けられている。具体的には、図３に示すように、偏向板３７は、内外槽間空間９における冷却用ガスＣＧの供給口３９に対向する位置に、冷却用ガスＣＧの流出方向にほぼ直交するように配置されている。偏向板３７は、内槽３の外周面または外槽５の内周面に突設された支持部材（図示せず）を介して、内槽３の外周面または外槽５の内周面から離間した状態で支持されている。供給口３９から流出した冷却用ガスＣＧは、偏向板３７に衝突して、偏向板３７の表面に沿った各方向に分散された後に内外槽間空間９内に拡散する。このように、偏向板３７を設けることにより、供給口３９から流出した冷却用ガスＣＧが、貯蔵タンク１を構成する内槽３または外槽５の一部分に集中して衝突し、当該部分が局所的に冷却されることが防止される。内外槽間空間９への供給口３９の数は図示した１個に限定されず、複数であってもよい。供給口３９の数が複数の場合、偏向板３７は、複数の供給口３９のすべての供給口３９またはその一部の供給口３９に対してそれぞれ設けられていてもよい。また、偏向板３７の形状は、供給口３９から流出した冷却用ガスＣＧを分散させることができる形状であればよく、例示した平板状に限定されない。もっとも、偏向板３７は省略してもよい。また、偏向板３７に吹き付けられるガスは、冷却用ガスＣＧに限定されず、内外槽間空間９に導入されるいかなる温度のガスであってもよい。

本実施形態では、クールダウンを冷却用の液化水素を用いて行う例について説明したが、クールダウンは液化水素以外の液化ガスを用いて行ってもよい。例えば、内槽３内に空気が存在する状態から、液化窒素を導入した後、さらに窒素を水素で置換するというように、段階的にクールダウンを進めてもよい。同様に、内外槽間空間９に強制供給する冷却用ガスも、液化水素以外の液化ガスを使用することができる。

なお、図１には、貯蔵タンク１の一例として、船体とは独立に形成される独立型の二重殻タンクを示したが、本実施形態に係るクールダウン方法は、この例に限定されず、いかなるタイプの貯蔵タンクにも適用することができる。例えば、本実施形態に係るクールダウン方法は、船体と一体に形成されるタイプの貯蔵タンクにも適用することができる。また、貯蔵タンクの多重構造は、三重構造以上であってよく、そのような多重構造の内槽内空間と他の任意の槽間空間とに本実施形態に係るクールダウン方法を適用することができる。

本実施形態に係るクールダウンは、典型的には、例えば、貯蔵タンク１の建造後、貯蔵タンク１が設置される船舶のような液化ガス貯蔵設備の建造後、または、当該設備や貯蔵タンク１のメンテナンスのために貯蔵タンク１をウォームアップした後に再度積荷を実施する前に行われる。もっとも、本実施形態に係るクールダウン方法は、貯蔵タンク１が船舶に設置される場合において、貯蔵タンク１内の液化ガスを揚荷した後の空荷航海（バラスト航海）する際にも適用することができる。すなわち、バラスト航海においては内槽３の温度が徐々に上昇する場合があり、その場合に上記クールダウン方法を適用することができる。なお、バラスト航海中の貯蔵タンク１のクールダウンにおいては、例えば、揚荷せずにクールダウン用として内槽３内に残した液化ガスを用いて、内槽３内に設置されたポンプ等の送給装置によって液化ガスをタンク上部まで移送してクールダウンを行う。貯蔵タンク１が複数設置される場合には、他の貯蔵タンク１からクールダウン用の液化ガスや気化ガスの供給を受けてもよい。

以上説明した本実施形態に係るクールダウン方法によれば、図２Ｂに示すように、内槽３を冷却用水素ＣＨで冷却しながら、冷却用ガスＣＧを内外槽間空間９に強制的に供給することにより、内外槽間空間９および外槽５の冷却が促進されるので、単に内槽３のみを冷却する場合に比べて貯蔵タンク１全体のクールダウンに要する時間を短縮することができる。さらに、気化ガスＧ１の流入によって内外槽間空間９の圧力の低下が抑制されるので、内槽３および外槽５の機械的強度を考慮した、内外槽間空間９の許容最低圧力を維持することが容易となる。本実施形態のように、気化ガスＧ１を冷却用ガスＣＧとして利用することにより、コストを抑制しながらクールダウンに要する時間を短縮することができる。

本実施形態に係るクールダウン方法において、上記の冷却用ガスＣＧ供給は、内外槽間空間９と内槽内空間７の間の連通路１１を開けることによって内槽内空間７で発生した気化ガスＧ１を供給することによって行ってもよい。これにより、簡易な構造で、かつ冷却用水素を活用して低コストで内外槽間空間９に水素ガス供給を行うことができる。

本実施形態に係るクールダウン方法において、内外槽間空間９の温度が所定温度以下になった場合に冷却用ガスＣＧの供給を停止してもよい。これにより、内外槽間空間９の温度が過度に低下することが防止される。

本実施形態に係るクールダウン方法において、内外槽間空間９に強制的に供給した冷却用ガスＣＧを、内外槽間空間９の外部へ排出してもよい。これにより、内外槽間空間９の圧力が過度に上昇することが防止される。

本実施形態に係るクールダウン方法において、内外槽間空間に偏向板３７を設け、偏向板３７に向けて冷却用ガスＣＧを噴射してもよい。これにより、冷却用ガスＣＧが、貯蔵タンク１を構成する内槽３または外槽５の一部分に集中して衝突し、当該部分が局所的に冷却されることが防止される。

以上のとおり、図面を参照しながら本開示の好適な実施形態を説明したが、本開示の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本開示の範囲内に含まれる。

１ 液化ガス貯蔵タンク
３ 内槽
５ 外槽
７ 内槽内空間
９ 内外槽間空間
１１ 連通路
２９ 噴霧器
３１ ガス送給装置
３７ 偏向板
ＣＧ 冷却用ガス
ＣＨ 冷却用液化ガス
Ｇ１ 気化ガス
Ｇ２ 外部水素ガス

Claims (5)

1. 液化ガスを貯蔵するための、内槽および外槽を備えるタンクを、貯蔵対象である前記液化ガスを充填する前に冷却する方法であって、
   内槽内空間に、冷却用液化ガスを導入することと、
   前記冷却用液化ガスの導入を開始した後、前記内外槽間空間に冷却用ガスを強制的に供給することと、
   を含む、
   液化ガス貯蔵タンクのクールダウン方法。
2. 請求項１に記載のクールダウン方法において、
   前記内外槽間空間に、前記冷却用ガスを強制的に供給した後、前記内外槽間空間の温度が所定値以下になった場合に、前記冷却用ガスの供給を停止する、
   クールダウン方法。
3. 請求項１または２に記載のクールダウン方法において、
   前記内外槽間空間に前記冷却用ガスを強制的に供給することが、前記内槽内空間で発生した気化ガスを強制的に供給することを含む、
   クールダウン方法。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のクールダウン方法において、さらに、
   前記内外槽間空間に強制的に供給した前記冷却用ガスを、前記内外槽間空間の外部へ排出することを含む、
   クールダウン方法。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のクールダウン方法において、
   前記内外槽間空間に偏向板を設け、前記偏向板に向けて前記冷却用ガスを噴射することを含む、
   クールダウン方法。

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