JP3624124B2 - 冷凍装置の冷凍能力調節方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒ガスのエキスパンダでの膨張により寒冷を発生する冷凍サイクルを利用した冷凍装置の冷凍能力を調節する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＮＧやＬＰＧといった液化ガスの冷却液化システムでは、窒素冷媒ガスをエキスパンダで膨張させることにより寒冷を発生する、いわゆるクローズドエキスパンダサイクルが採用されているが、この冷凍サイクルでは、液化ガスの流量や温度等による負荷変動に対して、コンプレッサやエキスパンダの回転数制御により冷凍能力を調節する手法が、従来、行なわれている。また、系内に窒素冷媒ガスのバッファドラムを設け、これで系内の窒素ホールドアップを増減することで窒素の循環量を加減して冷凍能力を調節することも可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、前記の冷凍サイクルでは、冷媒系が閉じられているため、コンプレッサの回転数制御により圧縮比が変化すると、これに応じて系内の圧力分布が変動する。この系内圧力の変動は、負荷変動に対して回転数が適切に調節されていないことに起因する液化ガスの負荷と冷凍能力との間の不均衡と相俟って、エキスパンダー出口において過冷却により冷媒ガスが一部凝縮して液滴を生じる液滴凝縮現象を招く原因となる。例えば負荷の低下に伴ってコンプレッサの回転数を落とすと、コンプレッサの圧縮比が小さくなり、これに伴ってコンプレッサの吸込み側の圧力が上昇することでエキスパンダ出口の圧力が上がり、液滴凝縮現象が生じ易くなる。この液滴凝縮は、冷媒の流れを気液二相流状態とするため、液化ガス冷却用の熱交換器内での一様な熱交換を阻害する要因となる。
【０００４】
これに対して、前記の窒素冷媒ガスのバッファドラムを設ける方法では、エキスパンダ出口での液滴凝縮は起きにくくなるが、反面、バッファドラムにサイズの大きなものが必要となり、特にスペース上の制約が多い運搬船に搭載する場合には、必要な設置スペースを確保することが面倒である。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、エキスパンダ下流の熱交換器での均一な熱交換を実現するために、凝縮液滴の熱交換器への同伴を回避し、しかも、容積の嵩張る機器を必要とせず、スペース上の制約の多い運搬船にも容易に適用することの可能な冷凍装置の冷凍能力調節方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的を果たすために、本発明においては、クローズドエキスパンダサイクルによる冷凍装置の冷凍能力を調節するにあたり、エキスパンダの下流側に気液分離部を設け、ここで、過冷却により冷媒ガスに同伴する凝縮液滴を冷媒ガスから分離し、かつ分離された凝縮液を気液分離部に貯留して、これを冷媒のバッファとして冷凍能力を調節するものとした。
【０００７】
これによると、過冷却により生じた冷媒ガス中の液滴が、下流の熱交換器に入る前に分離除去されるため、液滴により熱交換器内の冷媒流れが不均一になる不都合を回避することができる。しかも、過剰の冷媒が凝縮液として気液分離部に蓄えられ、これが冷媒のバッファとして機能するため、冷媒のホールドアップを自動調節し、これにより冷凍能力が制御される。そして、冷媒が液状態で気液分離部に蓄えられるため、バッファとして必要な容量は非常に小さくて済み、設置上の制約が少なくて済む。なお、前記の気液分離部は、液滴の同伴を回避する上で配管の立ち上がり部に設けることが望ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面を参照して本発明の構成を詳細に説明する。
【０００９】
図１は、本発明が適用されたボイルオフガスの再液化を行う冷却システムの概略構成を示している。ここでは、液化ガスとしてのＬＮＧの貯蔵・運搬においてＬＮＧタンク１から発生するボイルオフガス（以下、ＢＯＧと呼称する）が、ＢＯＧコンプレッサ２により圧縮された後、熱交換器３により冷却液化されてＬＮＧタンク１に戻されるようになっている。
【００１０】
熱交換器３においてＢＯＧを液化するための冷熱は、窒素を冷媒としたクローズドエキスパンダサイクルによる窒素冷凍サイクル５により供給される。この窒素冷凍サイクル５では、熱交換器３を出た冷媒窒素が、窒素コンプレッサ６〜８、並びにインタクーラ９・１０及びアフタクーラ１１により冷却されながら圧縮される。
【００１１】
アフタクーラ１１を出た冷媒窒素は、さらにブースタコンプレッサ１２で圧縮され、ついでアフタクーラ１３で冷却された後、熱交換器３へ送られる。熱交換器３では、窒素冷却部１４において冷媒窒素が低温窒素との熱交換により冷却される。熱交換器３を出た冷媒窒素は、エキスパンダ１５に送られ、ここで減圧により膨張してＢＯＧ再液化に要する冷熱を生成し、熱交換器３に送られる。エキスパンダ１５での冷媒窒素を減圧する際の仕事でブースタコンプレッサ１２が駆動される。
【００１２】
エキスパンダ１５と熱交換器３とを結ぶ配管１７途中には、気液分離部としての口径拡大部１８が設けられている。この口径拡大部１８は、図２に詳しく示すように、水平に延びる上流側配管１７ａと上方に延びる下流側配管１７ｂとを接続する態様で配管１７の立ち上がり部に設けられており、前後の配管１７ａ・１７ｂに対して口径を拡大した直管部２１並びに曲管部２２と、その前後の漸拡部２３並びに漸縮部２４とからなっている。
【００１３】
この口径拡大部１８においては、断面拡大により冷媒ガスの流速が低下し、冷媒ガス中の凝縮液滴が沈降して、漸拡部２３から直管部２１並びに曲管部２２に凝縮液Ａが滞留する。この口径拡大部１８の各部の寸法は、バッファとして必要な滞留量を確保すると同時に、下流側配管１７ｂへの液滴の同伴を避けるため十分な断面積の気相流路を確保可能なように設定される。
【００１４】
図３は、前記と同様、エキスパンダ１５と熱交換器３とを結ぶ配管１７途中の立ち上がり部に気液分離部としてポッ卜３１を設けた例を示している。ここでは、水平に延びる上流側配管１７ａがポッ卜３１の側壁に接続され、上方に延びる下流側配管１７ｂがポッ卜３１の上壁に接続されている。このポット３１においては、前記の口径拡大部１８と同様に、冷媒ガスの流速が低下して冷媒ガス中の液滴が沈降分離され、ポッ卜３１の下部に凝縮液Ａが滞留する。
【００１５】
以上、気液分離部として口径拡大部並びにポットの例を挙げたが、本発明はこれらのものに限定されるものではなく、冷媒ガス中の凝縮液滴を分離すると共に、バッファとして必要な滞留量を確保し、かつ冷媒ガスの流通を阻害しないものであれば良い。なお、前記の口径拡大部並びにポットは、構成が簡易であり、設置上の制約が少なくて済む利点を有している。
【００１６】
なお、本実施形態においては、ＬＮＧのＢＯＧの再液化を例に説明を行ったが、本発明はこのような液化ガスのＢＯＧの再液化に限定されるものではなく、種々の極低温下での冷凍プロセスに利用される低沸点冷媒を用いたクローズドエキスパンダサイクルによる冷凍装置に広く適用することができる。
【００１７】
【発明の効果】
このように本発明によれば、過冷却により生じた冷媒ガス中の液滴が熱交換器に入る前に分離除去されるため、液滴により熱交換器での均一な熱交換が阻害される不都合を解消すると共に、小容量のバッファで冷凍能力を調節することが可能となり、スペース上の制約の多い液化ガス運搬船にも容易に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用されたボイルオフガスの再液化システムの概略構成を示すブロック図。
【図２】気液分離部としての口径拡大部を示す断面図。
【図３】気液分離部としてのポットを示す断面図。
【符号の説明】
１ ＬＮＧタンク
２ ＢＯＧコンプレッサ
３ 熱交換器
５ 窒素冷凍サイクル
６〜８ 窒素コンプレッサ
９・１０ インタクーラ
１１ アフタクーラ
１２ ブースタコンプレッサ
１３ アフタクーラ
１４ 窒素冷却部
１５ エキスパンダ
１７ 配管、１７ａ 上流側配管、１７ｂ 下流側配管
１８ 口径拡大部（気液分離部）
３１ ポッ卜（気液分離部）
Ａ 凝縮液

Claims (1)

  1. 冷媒ガスのエキスパンダでの膨張により寒冷を発生する冷凍サイクルによる冷凍装置の冷凍能力調節方法であって、
    前記エキスパンダの下流側に気液分離部を設け、ここで、過冷却により冷媒ガスに同伴する凝縮液滴を冷媒ガスから分離し、かつ分離された凝縮液を当該気液分離部に貯留して、これを冷媒のバッファとして冷凍能力を調節することを特徴とする冷凍能力調節方法。
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