JP3597552B2

JP3597552B2 - エネルギー回収装置付き都市ガス整圧装置

Info

Publication number: JP3597552B2
Application number: JP993194A
Authority: JP
Inventors: 明彦横山; 輝夫藤井; 毅阪本; 悦郎佐藤; 杉山　　修
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1994-01-31
Filing date: 1994-01-31
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2019-12-08
Also published as: JPH07217800A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、都市ガスのパイプラインなど、都市ガスの供給系統中に介在され、供給圧力を一定に保つように減圧するガバナを含むエネルギー回収装置付き都市ガス整圧装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、都市ガスは高圧力で都市ガス供給系統に送出され、パイプラインに設置されたガバナによって減圧され、需要家に供給されている。都市ガスは時間および季節によって供給流量が変動する。ガバナは、上流側である一次側の圧力を下流側である二次側圧力に減圧する。ガバナは、二次側圧力が設定圧力になるように、ガス流路の開閉量の調整を行っている。変動する都市ガスの供給流量に対し、瞬時の圧力制御が可能なように、また一次側の圧力の変動があっても制御が可能なように、一次側と二次側との圧力差はかなり大きくとられている。
【０００３】
従来からのガバナによる整圧では、都市ガスの有する圧力エネルギーを有効に回収することができない。都市ガスの減圧を、膨張タービンを用いて行い、エネルギーを動力として回収する考え方は、たとえば特開平３−２３６５８９号公報（特願平２−３２７３８）などで提案されている。この先行技術では、都市ガスの有する圧力エネルギーを、都市ガスを冷却して再液化するために利用している。
【０００４】
図６は、都市ガス供給系統中に必要な整圧装置に、ガバナとともに膨張タービンを用いて圧力エネルギーの回収を図る場合の構成を示す。都市ガス供給ラインの一次側である中圧Ａライン１は、たとえば６〜７ｋｇ／ｃｍ^２Ｇの圧力の都市ガスが流れている。二次側の中圧Ｂライン２には、たとえば１．５〜１．６ｋｇ／ｃｍ^２Ｇの圧力の都市ガスが流れる。中圧Ａライン１から中圧Ｂライン２への減圧のために、膨張タービン３およびバイパスガバナ４がそれぞれ設けられる。一次圧力計５は中圧Ａライン１の圧力を計測し、二次圧力計６は中圧Ｂライン２の圧力を計測する。二次流量計７は、中圧Ｂライン２の都市ガス流量を検出する。
【０００５】
膨張タービン３は、中圧Ａライン１からの都市ガスが膨張する際に回転駆動され、圧力エネルギーを動力として回収し、発電などを行う。ただし膨張タービン３に流し得る流量には上下限があり、膨張タービン３の運転中にその上限値を越えた場合にはバイパスガバナ４が開き、過剰分を流す。また流量が下限値以下になった場合には、膨張タービン３を停止し、全量バイパスガバナ４で供給する。さらに、種々の要因で膨張タービン３がトリップするときにも、膨張タービン３は停止され、バイパスガバナ４が開く。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示すような都市ガス整圧装置では、都市ガス供給流量が変動しても、可能な限り膨張タービン３によって減圧し、圧力エネルギーを回収しようとしている。通常は膨張タービン３のみが動作し、バイパスガバナ４は閉じている。このため、タービン流量が上限値を越えた場合には、バイパスガバナ４が開くまでに時間を要し、その間に二次側圧力が減少する。また二次側流量が下限値以下になった場合には、膨張タービン３が停止して設定圧の低いバイパスガバナ４が開くので、二次側の供給圧力が減少する。膨張タービン３がトリップしたときも同様である。
【０００７】
さらに、膨張タービン３は、少ないベース流量で安定して運転できるけれども、そのような安定運転では回収可能なエネルギーの量が少なくなり、エネルギーの回収が困難であるにも拘わらず、このような回収を行うために前述のように二次側圧力の変動が大きくなる。また、回収したエネルギーを電力として利用する場合は、商用電力として逆送電する逆潮流を防止する対策が必要となる。すなわち、都市ガス供給設備などの内部需要を越えて電力を発生させても、過剰な電力の処理が困難となるので、回収したエネルギーが無駄になる。また、回収したエネルギーを冷熱として利用する場合には、冷熱負荷の需要に合わせた冷熱供給制御が必要となる。
【０００８】
本発明の目的は、都市ガスの需要に対する供給流量の変動に対して安定した整圧を行うことができ、しかも膨張タービンを利用してエネルギーや冷熱を有効に回収することができるエネルギー回収装置付き都市ガス整圧装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、都市ガス供給系統中に介在され、一次側の圧力を減圧して予め定める二次側圧力に整圧するガバナと、
ガバナと並列に、前記都市ガス供給系統に接続され、一次側からの都市ガスを膨張させて二次側圧力に減圧する膨張タービンと、
二次側への都市ガス供給流量を検出し、予め設定される前記ガバナの安定作動流量範囲の最低流量を越える都市ガス供給流量の変化に、膨張タービンが安定に動作可能な範囲内でかつ予め定める変化率以下で追従させながら、該最低流量を越える都市ガス供給流量分を膨張タービンに流すように制御する流量制御手段とを含むことを特徴とするエネルギー回収装置付き都市ガス整圧装置である。
【００１０】
また本発明は、前記膨張タービンの上流側に接続可能で、膨張タービンに供給する都市ガスを熱交換によって加熱する前加熱手段と、
前記膨張タービンの下流側に接続可能で、膨張タービンから排出される都市ガスを熱交換によって加熱する後加熱手段とを含むことを特徴とする。
【００１１】
【作用】
本発明に従えば、都市ガス供給系統の一次側圧力を減圧して二次側圧力に整圧するために、ガバナと膨張タービンとが並列に設けられる。流量制御手段は、二次側への都市ガス供給流量を検出し、予め設定されるガバナの安定作動流量範囲の最低流量を越える都市ガス供給流量の変化に、膨張タービンが安定に動作可能な範囲内でかつ予め定める変化率以下で追従させて、最低流量を越える都市ガス供給流量分を、膨張タービンに流すように制御する。このためガバナに流す都市ガスは安定作動流量範囲の最低流量が確保されて、二次圧が安定に保たれる。膨張タービンには、安定動作可能な範囲内でかつ予め定める変化率以下で追従するように都市ガスの流量制御が行われるので、安定にかつ有効にエネルギー回収を行うことができる。
【００１２】
また本発明に従えば、膨張タービンの上流側および下流側には、熱交換によって都市ガスを加熱する前加熱手段および後加熱手段がそれぞれ接続可能である。前加熱手段によって都市ガスを加熱してから膨張タービンに供給すると、膨張タービンによって減圧膨張する際にエネルギーの変換効率を高めることができる。前加熱手段には、各種工業プラントなどからの排熱や、コージェネレーションシステムなどからの発生熱を用いて、蒸気発生などよりも比較的低温の状態で熱源を利用することができる。また膨張タービンから排出される都市ガスは、減圧膨張の際に温度低下しているので、後加熱手段で冷水などと熱交換することによって、冷水を冷却し、冷房などの冷熱として利用することが可能となる。
【００１３】
【実施例】
図１は、本発明の一実施例による都市ガス整圧装置の構成を示す。本実施例による都市ガス整圧装置は、中圧Ａライン１１を一次側とし、中圧Ｂライン１２を二次側として、それらの中間に介在される。中圧Ａライン１１の圧力は、たとえば６〜７ｋｇ／ｃｍ^２Ｇであり、中圧Ｂライン１２の圧力は、１．５〜１．６ｋｇ／ｃｍ^２Ｇである。この圧力差は、膨張タービン１３によって動力として回収される。膨張タービン１３と並列に、バイパスガバナ１４ａ，１４ｂ，１４ｃが設けられる。バイパスガバナ１４ａ，１４ｂ，１４ｃの設定圧は、それぞれＰ１，Ｐ２，Ｐ３となる。これらの圧力の関係は、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３である。これらのバイパスガバナ１４ａ，１４ｂ，１４ｃが安定に動作する都市ガス流量は、最低流量ＦＧ１，ＦＧ２，ＦＧ３であり、これらはＦＧに等しいものとする。すなわちＦＧ＝ＦＧ１＝ＦＧ２＝ＦＧ３である。中圧Ａライン１１の圧力ｐ１は、一次圧力計１５によって測定される。中圧Ｂライン１２の圧力ｐ２は、二次圧力計１６によって測定される。都市ガスの供給流量Ｆ１は、二次流量計１７によって測定される。膨張タービン１３を流れる都市ガスの流量Ｆ２は、タービン流量計１８によって測定される。膨張タービン１３の流量制御は、膨張タービン流量設定値ＦＳＥＴに基づき、流量制御装置１９によって行われる。膨張タービン１３によって回収されたエネルギーは、発電機２０を駆動し、電力エネルギーに変換される。
【００１４】
流量制御装置１９は、使用するバイパスガバナ１４ａ，１４ｂ，１４ｃのうちの少なくとも１つが安定に稼働させる最低流量ＦＧを確保しながら膨張タービン１３を運転する。したがって、Ｆ１＞（ＦＳＥＴの最低値＋ＦＧ）が成立するときにのみ、膨張タービン１３が運転される。中圧Ｂライン１２の圧力ｐ２の安定のためには、膨張タービン流量設定値ＦＳＥＴ＝Ｆ１−ＦＧとなるように設定する。
【００１５】
発電機２０の運転は、中圧Ｂライン１２の都市ガスの流量Ｆ１の成り行きに従う運転となる。しかしながら、次の条件で膨張タービン１３の回転制御を行う機械的なガバナ装置に制限がかかる。
【００１６】
▲１▼受電点において、都市ガス整圧設備が設けられる構内消費電力よりも、発電機２０の出力が大きくなったとき。逆潮流の防止のためである。
【００１７】
▲２▼膨張タービン１３の出側で中圧Ｂライン１２のガス温度が、０℃以下になったとき。中圧Ｂライン１２やその他配管のまわりなどに、水分が凍結するのを防止するためである。
【００１８】
▲３▼発電電力が過大となったとき。発電機２０の保護のためである。
【００１９】
図２は、以上のような考え方に基づく制御による流量変化を示す。図２（１）は、二次側流量Ｆ１の時間変化を示し、図２（２）はガバナ流量の時間変化を示し、図２（３）は膨張タービン流量Ｆ２の時間変化を示す。図２（２）のガバナ流量は、図２（１）の中圧Ｂライン流量Ｆ１から図２（３）の膨張タービン流量Ｆ２を除いた流量である。バイパスガバナ１４ａ，１４ｂ，１４ｃのうちの少なくともいずれか１つには、ガバナ最低流量ＦＧ以上の都市ガスを流しておく。膨張タービン１３には、ガバナ最低流量ＦＧを越えた分の都市ガスを流すけれども、発電機出力が過大になるときには流量を制限し、その制限した流量分の都市ガスはバイパスガバナ１４ａ，１４ｂ，１４ｃに流す。動作させるバイパスガバナ１４ｂ，１４ｃの数は、流すべき流量に応じて変化させる。このようにすると瞬間的な圧力調整が可能で、かつ膨張タービン１３が停止したりトリップしたときのバイパスガバナ１４ａ，１４ｂ，１４ｃの応答性が、これらを全閉状態から立上げるよりも向上する。また瞬間的に弁を開くための駆動源も不用となり、自立式ガバナで対応することができる。さらに、流量追従で制御するので、一定のベース流量で運転する場合よりも、エネルギー回収量を増加させることができ、負荷変動が大きな場合に特に有効となる。
【００２０】
図３は、本発明の他の実施例による都市ガス整圧装置のガバナステーション１０の基本構成を示す。本構成において、図１に示す実施例と対応する部分には同一の参照符を付す。注目すべきは、膨張タービン１３の上流側に熱交換によって都市ガスを加熱する前加熱手段であるヒータ２１が設けられ、膨張タービン１３の下流側にも熱交換によって都市ガスの加熱を行う後加熱手段であるヒータ２２が設けられることである。膨張タービン１３で都市ガスは減圧膨張し、この際に温度が低下する。前もって都市ガスの温度をヒータ２１で上昇させておけば、高い効率で膨張タービン１３からエネルギーを回収し、発電を行うことができる。ヒータ２１には、たとえばコージェネレーションシステムからの排熱や工場排熱など、比較的低温の熱源の排熱利用によって加温された温水を供給する。このようにすれば、蒸気発生などには利用することが困難な低温の熱源も、有効に利用して発電出力の向上を図ることができる。また夏期などは、ヒータ２２を用いて、膨張タービン１３によって低温になった都市ガスから冷熱を冷水として回収し、冷房などに利用することができる。
【００２１】
図４は、都市ガスの１日２４時間における需要変化の傾向を示す。２点鎖線は夏期（８月）の変化を示し、実線は冬期（２月）の変化を示し、破線は中間期（５月）の変化を示す。本実施例でこれを圧力差エネルギーとして有効に回収し、かつ他のエネルギー利用や冷熱利用も行うことができる。
【００２２】
図５は、図３の構成の考え方が適用される都市ガス整圧装置のより詳細な構成を示す。都市ガスの需要量は、図４のように変化するので、需要量が少ない深夜などに都市ガスを貯留しておき、需要量が多いときに払出すホルダ２４が設けられる。ホルダ２４への都市ガスの供給は、操作バルブ２５を介して行われる。ホルダ２４に貯留された都市ガスの放出は、２次圧上昇防止弁２６を介して調整され、バイパスガバナ１４ｃによって整圧される。中圧Ａライン１１から中圧Ｂライン１２への都市ガスの供給のための直接的な経路としては、２次圧上昇防止弁２７およびバイパスバルブ１４ａを経由する経路が設けられる。膨張タービン１３に中圧Ａライン１１から都市ガスを流す経路には操作弁２８が設けられ、ガスホルダ２４からの都市ガスを膨張タービン１３に流す経路には操作弁２９が設けられる。プレヒータであるヒータ２１とアフタヒータであるヒータ２２は、コージェネレーションシステムを構成するガスエンジン３１と温水吸収式冷凍機３２との間で熱交換を行う。バイパスガバナ１４ｂは、設定圧力を下げて待機している。
【００２３】
ヒータ２１では、たとえば常温２０℃の都市ガスを、８０℃の温水をガスエンジン３１から供給して、５４℃程度に加温することができる。膨張タービン１３では、減圧膨張の結果、５４℃の都市ガスは４℃程度まで温度低下する。２０℃の都市ガスを供給した場合は、−３０℃まで温度低下する。したがって、たとえば１２月から３月までの冬期には、ヒータ２１によって都市ガスを加温してから膨張タービン１３に供給する。温水の温度が５０℃や６０℃程度であっても、都市ガスを加温して膨張タービン１３の出力を増加させることができ、低レベルの排熱を有効に利用して電気を得ることができる。
【００２４】
ヒータ２１を作動させる残余の期間、たとえば４月から１１月は、アフタヒータであるヒータ２２を作動させる。プレヒータであるヒータ２１を作動させないと、前述のように膨張タービン１３に供給される都市ガスの温度は２０℃程度であり、膨張タービン１３から排出される都市ガスの温度は−３０℃程度にまで低下する。ヒータ２２で、１２℃の冷水と熱交換すると、冷水の温度が６℃程度にまで冷却され、都市ガスの温度は４℃程度にまで加温される。このように冷水として取出される冷熱を利用し、コージェネレーションシステムの温水吸収式冷凍機３２からの冷水とともに冷水配管路３３を介して冷房用に送出することができる。冷水配管路３４を介して戻る冷水は、ヒータ２２によって冷却する。
【００２５】
以上のように膨張タービン１３によって減圧することにより、温度が低下した都市ガスの冷熱利用が可能である。また工場等の排熱やコージェネレーションシステムと組合わせて、低レベルの排熱でも、膨張タービンに供給される都市ガスを加熱し、動力回収量を増加させることが可能である。比較的低温排熱源の利用が可能なので、総合的な熱効率の向上を望むことができる。
【００２６】
さらに、冷熱負荷の調整のためには、ヒータ２１とヒータ２２とを両方を用い、ヒータ２１で膨張タービン１３に供給する都市ガスの加熱を制御し、冷熱負荷への追従を、膨張タービン１３に流す都市ガスの流量を絞らずに行うことができる。このようにすることによって、冷熱の利用と電力の取出しとをそれぞれ最適値に制御することができる。また、バイパスガバナ１４ａ，１４ｂ，１４ｃでガスの供給を確保し、発電電力が構内使用電力より大きくなり逆潮流を起こすときには、タービン流量を減少させてそれを防止することができる。また急激な需要量の変化にはバイパスガバナ１４ａ，１４ｂ，１４ｃで対応するので、膨張タービンのＦＳＥＴ値をランプ関数等で変化させて緩やかに行うことができ、安定な動作を実現することができる。
【００２７】
なお、上述の実施例では、中圧Ａライン１１と中圧Ｂライン１２との間に、都市ガス整圧装置を設けているけれども、より高い圧力のラインとより低い圧力のラインとの間に設けることもでき、圧力差を有効に利用することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、二次側の圧力を安定に制御しながら都市ガスの圧力差をエネルギーとして有効に回収することができる。急激な都市ガスの需要変化はガバナによって対応し、緩やかな需要変化に対応して膨張タービンによるエネルギー回収を有効に行うことができる。
【００２９】
また本発明によれば、膨張ガバナの一次側から二次側への減圧過程を利用し、前加熱手段を用いるときには、有効にエネルギーを回収することができ、後加熱手段を用いるときには、冷却された都市ガスから有効に冷熱を回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の簡略化した系統図である。
【図２】図１の実施例による流量制御の状態を示すグラフである。
【図３】本発明の他の実施例の基本的な構成を示す系統図である。
【図４】都市ガスの日間流量変化を示すグラフである。
【図５】図３の構成を利用した実施例の系統図である。
【図６】本発明の基礎となる膨張タービンを用いる都市ガス整圧装置の構成を示す系統図である。
【符号の説明】
１１中圧Ａライン
１２中圧Ｂライン
１３膨張タービン
１４ａ，１４ｂ，１４ｃバイパスガバナ
１７二次流量計
１８タービン流量計
１９流量制御装置
２０発電機
２１，２２ヒータ
３１ガスエンジン
３２温水吸収式冷凍機

Claims

都市ガス供給系統中に介在され、一次側の圧力を減圧して予め定める二次側圧力に整圧するガバナと、
ガバナと並列に、前記都市ガス供給系統に接続され、一次側からの都市ガスを膨張させて二次側圧力に減圧する膨張タービンと、
二次側への都市ガス供給流量を検出し、予め設定される前記ガバナの安定作動流量範囲の最低流量を越える都市ガス供給流量の変化に、膨張タービンが安定に動作可能な範囲内でかつ予め定める変化率以下で追従させながら、該最低流量を越える都市ガス供給流量分を膨張タービンに流すように制御する流量制御手段とを含むことを特徴とするエネルギー回収装置付き都市ガス整圧装置。
前記膨張タービンの上流側に接続可能で、膨張タービンに供給する都市ガスを熱交換によって加熱する前加熱手段と、
前記膨張タービンの下流側に接続可能で、膨張タービンから排出される都市ガスを熱交換によって加熱する後加熱手段とを含むことを特徴とする請求項１記載のエネルギー回収装置付き都市ガス整圧装置。