JP2023537492A - 簡易極低温冷凍システム - Google Patents

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Abstract

極低温用に適合された簡易閉ループ冷凍システムは、閉ループ冷凍システムの内部を循環するガス状冷媒と、少なくとも２つの圧縮機段で冷媒を圧縮するための圧縮部であって、圧縮機段のうちの少なくとも１つが１つの遠心圧縮機である、圧縮部と、圧縮機段のうちの少なくとも１つを駆動する機械的動力を生成する少なくとも１つのモータと、各圧縮機段の後の少なくとも１つのアフタクーラと、圧縮された冷媒を更に冷却するための第１の熱交換器と、圧縮された冷媒を膨張させるための少なくとも１つの膨張タービンと、膨張させられた冷媒と外部流体との間で熱交換するための第２の熱交換器と、膨張させられた冷媒が圧縮された冷媒によって第１の熱交換器内の対向流で加熱される加熱部と、を備え、少なくとも１つの遠心圧縮機は膨張タービンのみによって駆動され、遠心圧縮機及び膨張タービンは磁気軸受を使用する。【選択図】図１ａ

Description

本発明は、簡易極低温冷凍システムに関する。
より詳細には、本発明は、液化天然ガス（ＬＮＧ）の冷凍又は液体水素のような他の極低温液体の冷凍に関する。本発明はまた、本発明による冷凍システムを動作させるための方法、並びにＬＮＧ運搬装置に搭載されるそのような冷凍システム及び方法の使用に関する。
天然ガスは、断熱タンク内で、－１５０℃未満、典型的には－１６１℃の極低温で、ＬＮＧとして液体状態で貯蔵及び輸送することができる。それらの断熱特性を改善するための継続的な努力にもかかわらず、これらのタンクは、避けられない熱侵入にさらされ、昇温とボイルオフガス又はＢＯＧとしても知られる少量の貯蔵されたＬＮＧのボイルオフをもたらす。
ＥＰ１６６０６０８Ｂ１は、ＬＮＧなどの液化ガスの制御された貯蔵用の装置を開示しており、この装置では、タンク内に貯蔵された液体の一部が引き出され、タンクに再導入される前に外部冷凍システムによって冷却される。ＬＮＧがその沸点よりも低い温度まで冷却されることは、過冷却とも呼ばれる。このようにして、貯蔵タンク内の避けられない熱侵入は、ＬＮＧの追加の過冷却によって補償され、ＢＯＧの生成を最小限に抑える、又は更には完全に回避することができる。
適切な外部冷凍システムは、文献Ｎ．Ｓａｊｉらの「ＤＥＳＩＧＮ ＯＦ ＯＩＬ ＦＲＥＥ ＳＩＭＰＬＥ ＴＵＲＢＯ ＴＹＰＥ ６５ｋ／６ｋｗ ＨＥＬＩＵＭ ＡＮＤＮＥＯＮ ＭＩＸＴＵＲＥ ＧＡＳＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＩＯＮ ＦＯＲ ＨＩＧＨ ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ ＳＵＰＥＲＣＯＮＤＵＣＴＩＮＧ ＰＯＷＥＲ ＣＡＢＬＥ ＣＯＯＬＩＮＧ」ＣＰ６１３、極低温工学における進歩；極低温工学会議議事録、第４７巻、２００２年に開示されているものと同様である。これらの冷凍システムは、典型的には、冷媒又は異なる冷媒の混合物が循環する閉回路を備える。冷凍システムは、冷媒を圧縮する１つ又は多数の圧縮機と、圧縮された冷媒を冷却する１つ又は多数のクーラと、冷凍を更に冷却する１つの熱交換器と、冷媒を減圧する１つ又は多数の手段と、冷媒と過冷却する流体との間で熱を交換する１つの熱交換器と、冷媒が再圧縮である前に冷媒を加温する１つの熱交換器と、を備え、それによって冷凍システムの閉ループ内で完全な熱力学的サイクルを達成する。
これらの冷凍システムの冷却力は、通常、閉ループ内の冷媒の量を変化させることによって調整される。より多くの冷却力が必要とされる場合、冷媒が閉ループに加えられ、対称的に、より少ない冷却力が必要とされる場合、冷媒が閉ループから引き出される。
このような冷凍システムは、一端で圧縮機を駆動し、他端で膨張タービンを駆動する高速モータのようなかなり複雑な回転機械を必要とする。これらの高速モータは、複雑であり、注文に合わせて作られる高速モータであって、モータシャフトの各端部に１つずつ、インペラ、圧縮機、又は膨張機を駆動するように特に適合されなければならない。
国際公開第２００９１３６７９３（Ａ１）号は、適切な冷凍システムが、全ての圧縮及び膨張段が「圧縮膨張器」と呼ばれる共通スキッドに配置され、その上で全ての段に共通の一体型ギアボックスが単一の電動モータによって駆動される、別の種類の回転機械を使用することもできることを開示している。このような機械は、圧縮段及び膨張段のそれぞれの段を駆動するのに必要な複数のシャフト及びピニオンのために、機械的に非常に複雑である。
したがって、本発明の目的は、上述の欠点を回避する、改良された閉ループ冷凍システムを提供することである。
この目的は、請求項１に記載の閉ループ冷凍システム、請求項１３に記載の閉ループ冷凍システムを動作させる方法、及び請求項１５に記載の閉ループ冷凍システムを備えるＬＮＧ運搬装置によって解決される。
従属請求項は、本発明の好ましい実施形態に言及する。
したがって、本発明は、外部流体を冷却するための簡易閉ループ冷凍システムを提供し、このシステムは、
－冷媒を圧縮するための圧縮部であって、圧縮部は第１の圧縮機及び第２の圧縮機を備え、第１の圧縮機が遠心圧縮機である、圧縮部と、
－第２の圧縮機を駆動する機械的動力を生成する第１のモータと、
－第１の圧縮機の下流に配置され、第１の圧縮機の後で圧縮された冷媒を冷却するための第１のアフタクーラと、
－第２の圧縮機の下流に配置され、第２の圧縮機の後で圧縮された冷媒を冷却するための第２のアフタクーラと、
－第１のアフタクーラ及び第２のアフタクーラの下流に配置され、圧縮された冷媒を更に冷却するための第１の熱交換器と、
－第１の熱交換器の下流に配置され、圧縮された冷媒を膨張させるための膨張タービンと、
－タービンの下流に配置され、膨張させられた冷媒と外部流体との間で熱交換して外部流体を冷却するための第２の熱交換器と、
－第１の熱交換器の一部を形成し、第２の熱交換器の下流に配置され、膨張させられた冷媒が圧縮された冷媒との間接的な熱交換によって加熱される、加熱部と、
を備え、
－第１の遠心圧縮機が、膨張タービンのみに直接機械的に接続され、かつ膨張タービンのみによって駆動され、
－第１の遠心圧縮機及び膨張タービンがそれぞれ磁気軸受を備えることを特徴とする。
「下流」という用語は、システムを通る冷媒の流れの方向に関して意味する。
「直接」という用語は、主に、第１の圧縮機が、単一の構成要素にのみ接続されたただ一つの単一のシャフトを有し、この単一の構成要素が膨張タービンである、すなわち、第１の圧縮機がタービンによってのみ駆動されると理解されるべきである。第１の圧縮機は、モータ又はギアボックスに接続されておらず、直接的にも、冷凍システムの他の構成要素を介して間接的にも接続されていない。
第１及び第２という用語は、冷媒の流れに関する配置を示すものではなく、単に明確に列挙するために使用される。
有利なことに、膨張タービン内での冷媒の膨張によって生成される動力が回収され、その動力を使用して、圧縮機のうちの１つを直接、すなわち、膨張機と圧縮機との間に機械的に接続される高速モータ又はギアボックスなしで、駆動することができる。
好ましくは、膨張タービンは求心膨張タービンである。
有利には、第２の圧縮機は、第１のモータのみに機械的に接続され、かつ第１のモータのみによって駆動され、第１のモータは、特に水冷式電動モータである。
第２の圧縮機は遠心圧縮機とすることができる。
別の好ましい実施形態では、閉ループ冷凍サイクルは、特に第２の遠心圧縮機の下流に配置され、冷媒を圧縮するための第３の遠心圧縮機を備え、第３の遠心圧縮機が、第２のモータのみに機械的に接続され、かつ第２のモータのみによって駆動され、特に第２のモータが水冷式電動モータであり、特に第３のアフタクーラが、圧縮された冷媒を冷却するために第３の遠心圧縮機の下流に配置され、第２の電動モータ（５２）が、前記第１の電動モータ（５；５１）とは独立して水冷される。
いくつかの電動モータによって駆動されるいくつかの遠心圧縮機の代わりに、１つの電動モータによって駆動される単一のスクリュー圧縮機を使用することも可能である。
潤滑油による冷凍ループの汚染を回避するために、乾式スクリュー圧縮機を使用することも可能である。
外部環境への冷媒の損失を制限するために、密閉型又は半密閉型のスクリュー圧縮機を使用することができる。
好ましくは、第２の圧縮機は、第１の遠心圧縮機のすぐ下流にある。
冷凍ループと外部環境との間の漏れ経路を更に低減するために、スクリュー圧縮機を駆動する第１のモータは、磁気結合モータである。
第１及び第２の熱交換器は、特にプレートフィン熱交換器である単一のユニットへと組み合わされることが可能である。
第２の態様によれば、本発明は、極低温冷凍システムを動作させるための方法に関し、本方法は、
－冷凍システムに冷媒を提供するステップと、
－圧縮機を駆動するモータの回転速度を変化させることによって、冷凍サイクルの冷却力を調整するステップと（そのようにして、冷却能力を増加させる必要があるとき、圧縮機の回転速度を上昇させることによってループ内のガス状冷媒の流れが増大される）、
－求心膨張機及び求心膨張機のみによって駆動される遠心圧縮機を、自由に回転させるステップと、を含む。
ガス状冷媒は、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｎ２、ＣＨ４を含む群から選択される少なくとも１つの成分を含むことができる。
ガス状冷媒はまた、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｎ２、ＣＨ４を含む群から選択される少なくとも２つの成分を含むことができる。
保護が求められる第３の態様は、第１及び第２の態様による本発明の実施形態をも表すが、本発明による冷凍システムを備えるＬＮＧ運搬装置に関する。
全ての圧縮機が遠心圧縮機である第１の実施形態を示す。 本発明によるシステムの別の実施形態を示す。 一方の圧縮機がスクリュー圧縮機であり、他方の圧縮機が膨張タービンによって直接駆動される遠心圧縮機である第２の実施形態を示す。 本発明によるシステムの別の実施形態を示す。
以下では、図に従う異なる実施形態は包括的に論じられ、同一の参照符号は、同一又は本質的に同一のユニットを示す。当業者であれば、図面に示される実施形態の特定の構成要素を、この特定の構成要素以外の構成要素を含める必要なく、あるいは前述の図面に示される本実施形態の構成要素の他の全てさえも含める必要なく、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の特徴と組み合わせてもよいと理解される。
図１ａは、本発明の第１の実施形態による閉ループ冷凍システム（１）を示し、本システムは、冷媒を圧縮するための第１の遠心圧縮機（２）と、第１の遠心圧縮機（２）によって圧縮された冷媒を冷却するための第１のアフタクーラ（３）と、第１の水冷式電動モータ（５１）によって直接駆動される、冷媒を更に圧縮するための第２の遠心圧縮機（４１）と、第２の遠心圧縮機（４１）によって圧縮された冷媒を冷却するための第２のアフタクーラ（６１）と、第２の水冷式電動モータ（５２）によって直接駆動される、冷媒を更に圧縮するための第３の遠心圧縮機（４２）と、第３の遠心圧縮機によって圧縮された冷媒を冷却するための第３のアフタクーラ（６２）と、冷媒を更に冷却するための第３のアフタクーラの下流に位置する冷却部を有する第１の熱交換器と、冷媒を減圧するための冷却部の下流の膨張タービンと、タービン（８）の下流に配置される、膨張させられた冷媒と外部流体との間で熱交換して外部流体を冷却するための第２の熱交換器（９）と、第１の熱交換器（７）の一部を形成し、第２の熱交換器（９）の下流に配置され、膨張させられた冷媒が圧縮された冷媒との間接的な熱交換によって加熱される加熱部と、を備える。
例えば、冷却される流体である外部流体（１０）は、ＬＮＧ運搬装置の貯蔵タンクの１つから圧送され、本発明による閉ループ冷凍システムによって過冷却され、次いで貯蔵タンク内の熱侵入を補償するために貯蔵タンク内に再注入されるＬＮＧであってもよい。
０．０７％／日のボイルオフ率の断熱性を有する、すなわち、タンクの全容量の０．０７％が熱侵入により毎日蒸発するような貯蔵タンク断熱性能を有する、１７００００ｍ３のＬＮＧ運搬船の場合、冷凍システムは、４５Ｍ３／時のＬＮＧを－１６１℃から－１７２℃に過冷却することによって２５０ｋＷの熱侵入を補償しなければならない。
したがって、その量の熱エネルギーは、熱交換器（９）を通してのタンクからのＬＮＧとの熱交換中にガス状冷媒によって吸収される。
第１の圧縮機段（２）は膨張タービン（８）によって直接駆動され、膨張タービンによって直接駆動される第１の圧縮機段とタービンとの間には、膨張タービンによるガス状冷媒の膨張から回収された機械的動力と第１の圧縮機（２）の動力要件とのバランスをとるための電動モータ又はギアボックスは存在しない。すなわち、膨張タービンによって直接駆動される圧縮機の動力は、膨張タービンによって回収された動力から不可避の摩擦損失を引いたものに等しい。
第２及び第３の遠心圧縮機段（４１、４２）は、それぞれの電動モータ（５１、５２）によって個別に駆動され、それぞれの電動モータは、互いに独立して水冷される。すなわち、第２の圧縮機段の電動モータ（５１）の水冷流（５１１；５１２）は、第３の圧縮機段の電動モータ（５２）の水冷流（５２１；５２２）から分離され、独立して調整される。
動作中、熱が侵入することでＬＮＧの温度及び／又は貯蔵タンクのアレージ空間内のガスの圧力が変化する場合、冷凍システムの冷却力は、可変周波数駆動装置（図示せず）を用いて電動モータ（５１、５２）の回転速度を変化させることによって調整される。例えば、冷却力を減少させなければならない場合、電動モータ（５１、５２）の回転速度を低下させることによって、第２及び第３の遠心圧縮機（４１、４２）の流入容量を減少させ、ひいては冷凍ループ内のガス状冷媒循環の流量を減少させる。膨張タービンによって直接駆動される圧縮機段は、ガス状冷媒の体積流量に応じて、自由速度で回転したままにされる。
図１ｂは、図１ａの実施形態を示しており、第１の熱交換器（７）及び第２の熱交換器（９）が一体化されて単一のユニット（１２）を形成している。この実施形態は、単一ユニット（１２）がプレートフィン型熱交換器である場合に特に有利であり、これは、本発明による極低温冷凍システムの設置面積を大幅に低減し、より効率的な熱伝達を可能にするからである。
図２ａは、本発明の第１の実施形態による閉ループ冷凍システム（１）を概略的に示し、本システムは、冷媒を圧縮するための第１の圧縮機（２）であって、遠心圧縮機である第１の圧縮機（２）と、第１の遠心圧縮機（２）によって圧縮された冷媒を冷却するための第１のアフタクーラ（３）と、冷媒を更に圧縮するための第２の圧縮機（４）であって、スクリュー圧縮機であり、水冷電動モータ（５）によって直接駆動される第２の圧縮機と、第２の圧縮機（４１）によって圧縮された冷媒を冷却するための第２のアフタクーラ（６）と、冷媒を更に冷却するための第３のアフタクーラの下流に位置する冷却部を有する第１の熱交換器と、冷媒を減圧するための冷却部の下流の膨張タービンと、タービン（８）の下流に配置され、膨張させられた冷媒と外部流体との間で熱交換して、外部流体を冷却するための第２の熱交換器（９）と、第１の熱交換器（７）の一部を形成し、第２の熱交換器（９）の下流に配置され、膨張させられた冷媒が圧縮された冷媒との間接的な熱交換によって加熱される、加熱部と、を備える。
０．０７％／日のボイルオフ率の断熱性を有する、すなわち、タンクの全容量の０．０７％が熱侵入により毎日蒸発する貯蔵タンク断熱性能を有する、１７００００ｍ３のＬＮＧ運搬装置の場合、冷凍システムは、４５Ｍ３／時のＬＮＧを－１６１℃から－１７２℃に過冷却することによって２５０ｋＷの熱侵入を補償しなければならない。
したがって、その量の熱エネルギーは、熱交換器（９）を通じてタンクからのＬＮＧと熱交換中にガス状冷媒によって吸収される。
第１の圧縮機段（２）は膨張タービン（８）によって直接駆動され、膨張タービンによって直接駆動される第１の圧縮機段とタービンとの間には、膨張タービンによるガス状冷媒の膨張から回収された機械的動力と第１の圧縮機（２）の動力要件とのバランスをとるための電動モータ又はギアボックスは存在しない。すなわち、膨張タービンによって直接駆動される圧縮機の動力は、膨張タービンによって回収された動力から不可避の摩擦損失を引いたものに等しい。
スクリュー圧縮機（４）は、単一の電動モータ（５）によって直接駆動される。スクリュー圧縮機（４）を駆動する単一の電動モータ（５）は、水冷流（５１１；５１２）によって水冷される。
動作中、熱が侵入し、したがってＬＮＧの温度及び／又は貯蔵タンクのアレージ空間内のガスの圧力が変化する場合、冷凍システムの冷却力は、可変周波数駆動装置（図示せず）を用いて電動モータ（５）の回転速度を変化させることによって調整される。例えば、冷却力を減少させなければならない場合、電動モータ（５）の回転速度を低下させることによって、スクリュー圧縮機（４）の流入容量を減少させ、ひいては冷凍ループ内のガス状冷媒循環の流量を減少させる。膨張タービンによって直接駆動される圧縮機段は、ガス状冷媒の体積流量に応じて、自由速度で回転したままにされる。
図２ｂは、図１ａの実施形態を示しており、第１の熱交換器（７）及び第２の熱交換器（９）が一体化されて単一のユニット（１２）を形成している。この実施形態は、単一ユニット（１２）がプレートフィン型熱交換器である場合に特に有利であり、これは、本発明による極低温冷凍システムの設置面積を大幅に低減し、より効率的な熱伝達を可能にするためである。
（１）：閉ループ冷凍システム
（４１）、（４２）、（２）、（４）：圧縮機段
（６１）、（６２）、（３）：アフタクーラ
（５１）、（５２）、（５）：電動モータ
（７）、（８）：第１及び第２の熱交換器
（９）：膨張タービン
（１０）：貯蔵タンクから引き出されるＬＮＧ
（１１）：貯蔵タンクに再注入される過冷却されたＬＮＧ
（１２）単一ユニット熱交換器
（５１１；５１２）：第１の電動モータの水冷流
（５２１；５２２）：第２の電動モータの水冷流

Claims (15)

  1. 外部流体を冷却するための閉ループ冷凍システム（１）であって、
    －冷媒を圧縮するための圧縮部であって、前記圧縮部は第１の圧縮機（２）及び第２の圧縮機（４１；４）を備え、前記第１の圧縮機（２）が遠心圧縮機である、圧縮部と、
    －前記第２の圧縮機（４；４１）を駆動する機械的動力を生成する第１のモータ（５１；５）と、
    －前記第１の圧縮機（２）の下流に配置され、前記第１の圧縮機（２）の後で圧縮された冷媒を冷却するための第１のアフタクーラ（３）と、
    －前記第２の圧縮機（４１；４）の下流に配置され、前記第２の圧縮機（４１；４）の後で前記圧縮された冷媒を冷却するための第２のアフタクーラ（６１；６）と、
    －前記第１のアフタクーラ（３）及び前記第２のアフタクーラ（６１；６）の下流に配置され、前記圧縮された冷媒を更に冷却するための第１の熱交換器（７；１２）と、
    －前記第１の熱交換器（７）の下流に配置され、前記圧縮された冷媒を膨張させるための膨張タービン（８）と、
    －前記タービン（８）の下流に配置され、膨張させられた冷媒と外部流体との間で熱交換して前記外部流体を冷却するための第２の熱交換器（９；１２）と、
    －前記第１の熱交換器（７；１２）の一部を形成し、前記第２の熱交換器（９；１２）の下流に配置され、前記膨張させられた冷媒が前記圧縮された冷媒との間接的な熱交換によって加熱される、加熱部と、
    を備え、
    －前記第１の遠心圧縮機（２）が、前記膨張タービン（８）のみに直接機械的に接続され、かつ前記膨張タービン（８）のみによって駆動され、
    －前記第１の遠心圧縮機（２）及び前記膨張タービン（８）がそれぞれ磁気軸受を備えることを特徴とする、閉ループ冷凍システム。
  2. 前記膨張タービン（８）が求心膨張タービンであることを特徴とする、請求項１に記載の閉ループ冷凍システム（１）。
  3. 前記第２の圧縮機（４１；４）が、前記第１のモータ（５１；５）のみに機械的に接続され、かつ前記第１モータ（５１；５）のみによって駆動され、前記第１のモータが、特に水冷式電動モータであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の閉ループ冷凍サイクル（１）。
  4. 前記第２の圧縮機（４１）が遠心圧縮機であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の閉ループ冷凍システム（１）。
  5. 特に前記第２の遠心圧縮機（４１）の下流に配置され、前記冷媒を圧縮するための第３の遠心圧縮機（４２）を備え、前記第３の遠心圧縮機（４２）が、第２のモータ（５２）のみに機械的に接続され、かつ前記第２のモータ（５２）のみによって駆動され、特に前記第２のモータが水冷式電動モータであり、特に第３のアフタクーラ（６２）が、前記圧縮された冷媒を冷却するために前記第３の遠心圧縮機（４２）の下流に配置され、前記第２の電動モータ（５２）が、前記第１の電動モータ（５；５１）とは独立して水冷されることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の閉ループ冷凍サイクル（１）。
  6. 前記第２の圧縮機（４）がスクリュー圧縮機（４）であることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の閉ループ冷凍システム（１）。
  7. 前記第２の圧縮機（４）が乾式スクリュー圧縮機であることを特徴とする、請求項６に記載の閉ループ冷凍システム（１）。
  8. 前記第２の圧縮機（４）が密閉型又は半密閉型乾式スクリュー圧縮機であることを特徴とする、請求項６又は７に記載の閉ループ冷凍システム（１）。
  9. 前記第２の圧縮機（４１；４）が、前記第１の遠心圧縮機（２）の下流にあることを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載の閉ループ冷凍システム（１）。
  10. 前記スクリュー圧縮機（４）を駆動する前記第１のモータ（５）が磁気結合モータ（５）であることを特徴とする、請求項６～９のいずれか一項に記載の閉ループ冷凍システム（１）。
  11. 前記第１及び第２の熱交換器（７、９）が、特にプレートフィン熱交換器である単一のユニット（１２）へと組み合わされることを特徴とする、請求項１～１０のいずれか一項に記載の閉ループ冷凍システム（１）。
  12. 請求項１～１１のいずれか一項に記載の極低温冷凍システムを動作させる方法であって、
    －前記冷凍システムに冷媒を供給するステップと、
    －前記第１のモータ（５１；５）の回転速度を変化させることによって、特に、及び／又は前記第２のモータ（５２）の回転速度を変更することによって、冷凍サイクルの冷却力を調整するステップと、
    －前記膨張タービン（８）と、前記膨張タービン（８）のみに機械的に直接接続され、かつ前記膨張タービン（８）のみによって駆動される前記第１の遠心圧縮機（２）とを、自由に回転させるステップと、
    を含む、方法。
  13. 前記冷媒の少なくとも１つの成分が、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｎ２、ＣＨ４を含む群から選択されることを特徴とする、請求項１２に記載の閉ループ冷凍システム（１）を動作させる方法。
  14. 前記冷媒の少なくとも２つの成分が、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｎ２、ＣＨ４を含む群から選択されることを特徴とする、請求項１３に記載の閉ループ冷凍システム（１）を動作させる方法。
  15. 請求項１～１１に記載の冷凍システムを備えるＬＮＧ運搬装置。
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