JP2023140787A - 液化ガス貯蔵タンクのクールダウン方法 - Google Patents

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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（７）に、冷却用液化ガス（ＣＨ）を導入することと、外槽殻（５ａ）と防熱層（５ｂ）との間の空間および前記防熱層（５ｂ）内の少なくとも一方に、冷却用ガス（ＣＧ）を供給するととを含む。【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、高い断熱性を有し、内槽のみを冷却するのみでは外槽や断熱材が所定温度まで冷却されるまでに時間を要することから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、内槽と、外槽殻および前記外槽殻を覆う外槽防熱層を備える外槽とを備えるタンクを、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、
前記外槽殻と前記防熱層との間の空間および前記防熱層内の少なくとも一方に、冷却用ガスを供給することと、
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。
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３ａと、内槽殻３ａの外周面を覆う断熱材から形成された内槽防熱層３ｂ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５ａと、外槽殻５ａの外周面を覆う外槽防熱層５ｂとを有する。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。内槽防熱層３ｂおよび外槽防熱層５ｂを設置する箇所はこの例に限定されず任意であり、例えば外槽防熱層５ｂを外槽殻５ａの内周面を覆うように設置してもよい。また、内槽防熱層３ｂは省略してもよい。
具体的には、外槽防熱層５ｂは、例えば防熱材からなるパネル状の部材であり、外槽殻５ａを隙間（以下、「外槽防熱空間」という。）４１を介して覆っている。外槽防熱層５ｂを形成する防熱材は、特に限定されないが、例えばポリウレタンフォームやポリエチレンフォームといった有機高分子系材料や、パーライトのような無機材料であってよい。
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。
本実施形態に係る貯蔵タンク１には、クールダウン時に、外槽防熱空間４１に、外槽５を冷却するための冷却用ガスＣＧを供給する冷却用ガス供給系統４３が設けられている。冷却用ガス供給系統４３は、冷却用ガスＣＧを貯蔵するタンクといった冷却用ガス供給源４５と、冷却用ガス供給源４５から冷却用ガスＣＧを外槽防熱空間４１に供給する冷却用ガス供給通路４７を備えている。なお、冷却用ガス供給源４５は、温度が低下したガスの供給源である必要はなく、後述するように、冷却用ガス供給通路４７の途中に設けられた冷却用の装置によってガスの温度を低下させてもよい。また、図示は省略するが、冷却用ガス供給系統４３には、冷却用ガス供給通路４７の開閉や流量を制御するための装置が設けられている。冷却用ガスＣＧは、液化しないよう露点管理されている。
本実施形態では、貯蔵タンク１に、貯蔵タンク１の定常運用時に外槽５の外部へ漏出した水素ガスを不活性化するための不活性ガス（この例では窒素ガス）を外槽防熱空間４１に供給する不活性ガス供給系統が設けられている。この不活性ガスおよび不活性ガス供給系統を、クールダウン時に上記冷却用ガスＣＧおよび冷却用ガス供給系統４３として利用する。
本実施形態では、冷却用ガス供給通路４７に、外槽防熱空間４１に供給される冷却用ガスＣＧの温度を調整する温度調整装置３１が設けられている。また、図示の例では、冷却用ガスＣＧ通路における温度調整装置３１の下流に、圧縮機やポンプといった、ガスを強制的に外槽防熱空間４１に送給する装置（以下、単に「ガス送給装置」と呼ぶ。）３３が設けられている。ガス送給装置３３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。なお、以下の説明で参照する図２Ａ～図２Ｃにおいては内槽殻３ａおよび内槽防熱層３ｂの図示を省略している。
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一方、内外槽間空間９においては温度低下によって圧力が低下する。上記のように連通路１１が開かれているので、内槽内空間７で発生した気化ガスＧ１は、両空間７，９の圧力差によって、連通路１１を介して内外槽間空間９に流入する。
本実施形態では、冷却用液化ガスの導入を開始した後、外槽防熱空間４１に、冷却用ガスＣＧを供給する。この例では、上述の不活性ガスを冷却用ガスＣＧとして、冷却用ガス供給系統４３を介して外槽防熱空間４１に供給する。
また、本実施形態では、温度調整装置３１において、連通路１１を通過する気化ガスＧ１と冷却用ガス供給通路を通過する不活性ガスとの間で熱交換がなされる。すなわち、連通路１１を通過する気化ガスＧ１を温度調整装置３１において冷却媒体として利用する。この例では不活性ガス供給通路である冷却用ガス供給通路４７を通る不活性ガスは、温度調整装置３１によって冷却媒体として所定温度まで冷却された後、外槽防熱空間４１に供給される。
温度調整装置３１は、上記の熱交換によって冷却された冷却用ガスＣＧの温度が所定温度よりも低くならないように調整する機能を有していてもよい。すなわち、温度調整装置３１は、例えばガス温度を検知する温度センサ、電気駆動式のヒータ、このヒータをオン・オフするスイッチ、これらを制御する制御回路を備えていてよい。定常運用時において外槽５の設定温度は内槽３の設定温度よりも高いことに伴い、外槽５の設計温度は内槽３の設計温度よりも高いので、クールダウンの間も外槽５の温度が設計温度よりも低くならないようにすることが好ましい。温度調整装置３１を上記のように構成することにより、外槽５の温度が設計温度より低くなることを回避することができる。上記の所定温度は、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）である。
なお、クールダウンが進行する途中で、水素の気化ガスＧ１は約２０Ｋ程度の極低温となる場合があるので、極低温の気化ガスＧ１が内外槽間空間９を形成する内槽３，外槽５を局所的に急速に冷却することを避けることが好ましい。本実施形態では、熱交換器において、気化ガスは不活性ガスを加熱媒体として所定温度まで昇温されるので、内外槽間空間９を形成する内槽３，外槽５を局所的に急速に冷却することを回避できる。
冷却用ガスＣＧの外槽防熱空間４１への供給は、ガス送給装置３３によって強制的に行ってもよい。その場合、外槽防熱空間４１に強制的に供給された冷却用ガスＣＧは、例えば外槽防熱層５ｂの底面側に設けられた排出通路３９を介して外槽５の外部へ排出される。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。
本実施形態では、上記「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である。
なお、冷却用ガスＣＧの温度が十分低くない場合、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、熱交換器を用いた冷却用ガスＣＧの温度調整および冷却用ガス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。
なお、本実施形態では、クールダウンの開始時、つまり冷却用水素ＣＨの噴霧の開始時から連通路１１を開状態にする例について説明したが、連通路を開くタイミングはこれに限定されない。すなわち、連通路１１を閉じた状態で冷却用水素ＣＨの噴霧を開始し、内外槽間空間９の圧力が所定値以下となった場合など、必要に応じて連通路１１を開いて気化ガスＧ１を供給し、その際に気化ガスＧ１を温度調整ガスＴＧとして内外槽間空間９に供給してもよい。また、外槽防熱空間４１への冷却用ガス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。
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を外槽５の外周部に供給することにより、外槽５の冷却が促進される。したがって、単に内槽３のみを冷却する場合や、上述のように内槽３に加えて内外槽間空間９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し、コストを抑制することができる。
その後、図２Ｃ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、本実施形態として、冷却用ガスＣＧを外槽防熱空間４１に供給する例について説明したが、冷却用ガスＣＧはこれに代えて、または追加して、外槽防熱層５ｂ内に供給してもよい。また、冷却用ガスＣＧは露点管理されたガスであればよく、冷却用ガスＣＧおよび冷却用ガス供給系統４３は、上記で例示した構成のものに限定されない。
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。
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、内槽３を冷却用水素ＣＨで冷却しながら、冷却用ガスＣＧを外槽５の外周部に供給することにより、外槽５の冷却が促進される。したがって、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し、コストを抑制することができる。
本実施形態に係るクールダウン方法において、液化ガス貯蔵タンクの外部からの露点管理されたガスを、冷却用ガスＣＧとして外槽防熱空間４１および防熱層内の少なくとも一方に供給してもよい。これにより、定常運用時用の設備を活用して低コストで外槽５の外周部に冷却用ガスＣＧを供給することができる。
本実施形態に係るクールダウン方法において、内槽内空間で発生した気化ガスを冷却媒体として前記露点管理されたガスを冷却し、冷却用ガスＣＧとして使用してもよい。この構成によれば、気化ガスを利用して低コストで冷却用ガスＣＧを供給することができる。
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
５ａ 外槽殻
５ｂ 外槽防熱層
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
４１ 外槽防熱空間
４３ 冷却用ガス供給系統
４５ 冷却用ガス供給源
４７ 冷却用ガス供給通路
ＣＧ 冷却用ガス
ＣＨ 冷却用液化ガス
Ｇ１ 気化ガス

Claims (3)

  1. 液化ガスを貯蔵するための、内槽と、外槽殻および前記外槽殻を覆う外槽防熱層を備える外槽とを備えるタンクを、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、
    前記外槽殻と前記防熱層との間の空間および前記防熱層内の少なくとも一方に、冷却用ガスを供給することと、
    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、
    前記液化ガス貯蔵タンクの外部からの露点管理されたガスを、前記冷却用ガスとして前記外槽殻と前記防熱層との間の空間および前記防熱層内の少なくとも一方に供給することを含む、
    クールダウン方法。
  3. 請求項２に記載のクールダウン方法において、
    前記内槽内空間で発生した気化ガスを冷却媒体として前記露点管理されたガスを冷却し、前記冷却用ガスとして使用することを含む、
    クールダウン方法。
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