【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、エキスパンダタービン・ポンプユニットに係り、特に液化天然ガス（ＬＮＧ）等の極低温液体の圧送に好適なガスタービンで駆動されるポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばＬＮＧ基地において、ＬＮＧ船から荷揚げされたＬＮＧは、ＬＮＧタンクに貯蔵された後、ＬＮＧポンプによりタンクから払い出され、気化器で気化され、発電用はそのまま発電所に送られるが、都市ガス用の場合にはＬＰＧを添加して発熱量を調整、付臭して都市ガスとして送出される。送出圧力は、発電用が約０．５〜０．８ＭＰａ、都市ガス用が４．５ＭＰａであり、都市ガス用の場合には気化前に二段目のＬＮＧポンプで昇圧される。ここで極低温のＬＮＧを加圧するＬＮＧポンプは、一般に多段縦型遠心ポンプであり、軸封部からの液洩れの可能性をなくすため、ポンプ及びポンプを駆動するモータ全体をＬＮＧ中に浸漬したサブマージドタイプが使用されている（相沢、久保田、“ＬＮＧ機器の運転と制御”、ターボ機械第１７巻第５号ＰＰ８〜１３）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のようにＬＮＧを加圧するためのポンプには、その駆動にモータが用いられており、このモータには数百乃至数千ｋＷの電力供給が必要であり、この全密閉型のポンプに外部から送配電線を通して電力を供給していた。しかしながら、数百乃至数千ｋＷの電力を要するモータを、極低温のＬＮＧ中に浸漬するサーブマージドポンプ中に収納することは製作が大変であり、かつそこに電力を供給するための設備も大掛りなものとならざるを得なかった。又、省エネルギー的な見地からも、発電所においてＬＮＧにより発電した電力を、発電所から長い送配電線を経て、ＬＮＧタンク内のＬＮＧポンプに引込み、そこでモータに電力を供給しポンプを回転駆動させねばならなかった。このため、ＬＮＧポンプへの電力の供給には、ＬＮＧをガス又は液体として発電所に送るまでの損失、発電所における発電効率の損失、送配電線における損失、モータを回転駆動する際の損失等が必然的に伴っていた。
【０００４】
本発明は係る従来技術の問題点に鑑みて為されたものであり、自己完結型の、即ち外部からエネルギーの供給を必要としない極低温の液状流体の加圧圧送に好適なポンプを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のエキスパンダタービン・ポンプユニットは、一軸の一端に設けられた、液状流体を第一の圧力に加圧し吐出す第一の吐出口と、該第一の圧力の液状流体を更に加圧し吐出す第二の吐出口とを備えたポンプと、前記第一の吐出口又は第二の吐出口に接続され前記加圧された液状流体を加熱してガス化する熱交換器と、前記一軸の他端に設けられた、該熱交換器からのガスを所定の排気圧力迄減圧して得られる熱落差により駆動されるエキスパンダタービンとからなることを特徴とする。
【０００６】
本発明の第一の態様は、前記ポンプの第一の吐出口からは、前記第一の圧力に加圧された液状流体が外部に送出され、前記熱交換器は前記加圧された液状流体を燃焼加熱して高温高圧にガス化する燃焼加熱器であり、該燃焼加熱器は前記ポンプの第二の吐出口に接続され、加熱されたガスを前記エキスパンダタービンに給気して、該エキスパンダタービンで減圧したガスを前記燃焼加熱器で燃焼させることにより前記液状流体を加熱することを特徴とする。
【０００７】
本発明の第二の態様は、前記ポンプの第一の吐出口からは、前記第一の圧力に加圧された液状流体が外部に送出され、前記熱交換器は、前記加圧された液状流体を常温流体により加熱して高圧ガス化する加温器であり、前記ポンプの第二の吐出口に接続され、加熱されたガスを前記エキスパンダタービンに給気して、該エキスパンダタービンで減圧したガスを高圧ガスとして外部に送出することを特徴とする。
【０００８】
本発明の第三の態様は、前記ポンプの第二の吐出口からは、前記第二の圧力に加圧された液状流体が外部に送出され、前記熱交換器は前記加圧された液状流体を燃焼加熱して高温高圧にガス化する燃焼加熱器であり、前記ポンプの第一の吐出口に接続され、加熱されたガスを前記エキスパンダタービンに給気して、該エキスパンダタービンで減圧したガスを前記燃焼加熱器で燃焼させることにより前記液状流体を加熱することを特徴とする。
【０００９】
本発明の第四の態様は、前記ポンプの第二の吐出口からは、前記第二の圧力に加圧された液状流体が外部に送出され、前記熱交換器は、前記加圧された液状流体を常温流体により加熱して高圧ガス化する加温器であり、前記ポンプの第一の吐出口に接続され、加熱されたガスを前記エキスパンダタービンに給気して、該エキスパンダタービンで減圧したガスを高圧ガスとして外部に送出することを特徴とする。
【００１０】
【作用】
本発明のポンプは、上述のように第一の吐出口と、第二の吐出口とを有する。従って、一方の吐出口から液状流体を所定の圧力に加圧し、送出するとともに、他方の吐出口に加圧された液状流体を加熱してガス化する熱交換器を接続し、その熱交換器からの高圧ガスを所定の排気圧力まで減少して得られる熱落差によりエキスパンダタービンを駆動することによりポンプを回転させることができる。エキスパンダタービンを駆動して所定の排気圧力まで減圧して得られたガスは、都市ガスあるいは発電用ガスとして送出することができるし、又、燃焼加熱器で燃焼させ液状流体の加熱に用いることもできる。このようにして、本発明のエキスパンダタービン・ポンプユニットによれば、外部から電力エネルギー等の供給を受けることなく、ポンプを自液により回転駆動して液状流体を所定の圧力に加圧して送出することができる。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明の実施例について添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第一及び第三実施例のエキスパンダタービン・ポンプユニットのシステム系統の説明図である。図２は、本発明の第二及び第四実施例のエキスパンダタービン・ポンプユニットのシステム系統の説明図である。図３は本発明の第一及び第二実施例の、図４は本発明の第三及び第四実施例のポンプユニットの断面図である。図５は本発明の第一及び第二実施例の、図６は本発明の第三及び第四実施例のエキスパンダタービン・ポンプユニットにおける液状流体の熱力学的な状態を示す圧力一エンタルピ線図である。尚、各図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００１２】
全体を符号ＰＵで示すポンプの垂直に配置された駆動軸ＤＳは、その上部において、全体を符号ＥＴで示すエキスパンダタービンの主軸に連結されている。
この駆動軸ＤＳは、ポンプＰＵ及びエキスパンダタービンＥＴを貫通する一本の主軸であるが、ポンプ及びタービンのそれぞれの主軸を連結するようにしてもよい。
これらポンプＰＵ及びタービンＥＴのそれぞれのケーシング間は、主軸方向の熱変形吸収器すなわち蛇腹部２１ａを備えた連結管２１で連結されている。このポンプＰＵの吐出口２は、液状流体を所定の圧力に加圧して外部に送出する第一段の吐出口である。吐出口３は、吐出口２から送出される液状流体の残余の液状流体を更に加圧して、吐出す第二段の吐出口である。
エキスパンダタービンＥＴは、給気口５及び排気口６を備え給気口５から吸入した高圧ガスが膨張することにより羽根車を回転させるタービンであり、膨張して減圧したガスが排気口６より排出される。図１における燃焼加熱器７は、加圧された液状流体を加熱して高温高圧のガス状態とする熱交換器である。この燃焼加熱器７は液状流体をガス化したものを燃料として用い、燃焼させることによって生じる発熱を加圧された液状流体に与えることにより、液状流体を高温高圧のガス化する。本実施例において、燃焼加熱器７に流入する極低温の液状流体は、一例として５００゜Ｋ程度の高温のガスとなる。尚、図２における加温器８は、その入口８Ａから流入する極低温のポンプＰＵで加圧された液状流体を、常温（３００゜Ｋ）程度に加熱して高圧ガス化して、出口８Ｄから排出する熱交換器である。例えば海水等の常温の熱交換媒体がその入口８Ｃから流入し出口８Ｄから流出する間に熱交換が行われる。
【００１３】
次に、図１を参照しながら本発明の第一実施例のエキスパンダタービン・ポンプユニットのシステム系統及びその動作について説明する。
再加圧された液状流体の吐出口３とエキスパンダタービンＥＴの給気口５とは、ラインＬにより接続され、そのラインＬには燃焼加熱器７が設けられている。このラインＬの途中には、流量調整弁Ｖ１が設けられ、その弁Ｖ１はコントローラＣＵに接続され、このコントローラＣＵには、駆動軸ＤＳの回転センサ２９が接続されている。燃焼加熱器７のガス化された液状流体の出口７Ｂは、タービンＥＴの吸込口５に接続され、高圧ガスが膨張した後の減圧されたガスはタービンＥＴの排気口６から燃焼加熱器７のバーナＢＵに送られるように接続されている。またラインＬの弁Ｖ１の上流側は、ラインＬ１によりコントローラＣＵに接続された流量調整弁Ｖ２を介して、液状流体送出ライン９に接続され、連結管２１の開口はラインＬ２よりエキスパンダタービンＥＴの排気口６に接続されている。なお、このラインＬ２には必要により途中にオリフィスを入れるとよい。更に、ラインＬには、図示しないプライマリポンプ等からの起動用ラインＬ３が接続され、タービンＥＴの給気口５の上流側には、起動に使用できる余剰ガスラインＬ４が接続されている。
【００１４】
従って、図示しないプライマリポンプにより吸込口１からポンプＰＵに吸い込まれた液状流体Ｗは、所定の圧力に加圧されて、第一の吐出口２から加圧された液状流体として送出管９より外部に送出される。例えば、液状流体がＬＮＧであれば、液状の加圧された状態で他のＬＮＧ基地にパイプラインを介して送られる。ポンプＰＵの第二の吐出口３からは更に一段と加圧された液状流体が、流量調整弁Ｖ１、ラインＬを通り燃焼加熱器７にその入口７Ａから入る。燃焼加熱器７に入口７Ａから押し込まれた液状流体は、加熱されて高温高圧のガスとなってエキスパンダタービンＥＴの給気口５に流入し、膨張してタービンの羽根車を回転させ、減圧されたガスとなる。燃焼加熱器７は、エキスパンダタービンの排気口６から減圧されたガス（例えばＬＮＧ等の燃料ガス）の供給を受け、燃焼することにより、ラインＬから流入した液状流体を燃焼加熱する。なお、燃焼器ＢＵで燃焼された排ガスはラインＬEX より排気される。
【００１５】
このポンプユニットは、自ら始動する機能を持っていないので、起動時はラインＬ３又はＬ４を通じて高圧ガスを給気口５から送り込むことによりタービンＥＴを始動し、又はバーナＢＵを点火した後徐々にポンプＰＵを回転させ、所定の回転数まで上昇させれば、エネルギーバランスが成立して、バランスするところまで自動的に回転数が上昇する。その回転数を回転センサ２９で検出し、コントローラＣＵにより流量調整弁Ｖ１，Ｖ２により燃焼加熱器７への流入量を加減し、回転数を制御することができる。またバーナＢＵにおける燃焼ガスの流量、あるいは燃焼温度を加減することによっても回転数を同様に制御することができる。またタービンＥＴの主軸に発電機を直結して、余剰エネルギーで発電を行うこともできる。
【００１６】
このように、本ポンプユニットは、液状流体を加圧して液状態で長距離輸送等に使用することができるとともに、更に液状流体の一部を再加圧して、加熱によりガス化して、膨張させることによりエキスパンダタービンの羽根車を回転させ、タービンの主軸に直結されたポンプを回転駆動することができる。そして、加熱はタービンを駆動した排ガスを燃焼させることによって行える。
【００１７】
図３は、本実施例のポンプユニットの構造を示す。エキスパンダタービンＥＴは、ポンプＰＵのポンプカバー１７の上に設けられている。これらポンプＰＵ及びタービンＥＴの共通の駆動軸ＤＳは、上方から順にタービンＥＴ側の非接触磁気軸受で構成されたスラスト軸受１２及びラジアル軸受１３と、ポンプＰＵ側の磁気軸受又は低圧軸受で構成された上部軸受１９、下部軸受２０で支持されている。尚、図中の符号１４は非接触式のラビリンスシール、符号１はポンプの吸込口、２はポンプの第一の吐出口、３は第二の吐出口である。ポンプの吸込口１より流入する液状流体は、上部羽根車２３により加圧されて、中間段の室２５で分岐し、一方は第一の吐出口２より外部に送出され残余の加圧された液状流体は、更に下部羽根車２８により再加圧され、吐出口３より送出される。
【００１８】
次に、本発明の第二実施例を図２を参照しながら説明する。本実施例においては、熱交換器として第一実施例が燃焼加熱器７を用いたのに対して、熱交換媒体として常温の海水等の流体を用いた加温器８を用いている。このため、加温器８の入口８Ａから流入する極低温の加圧された流体は、その出口８Ｂにおいて常温（３００゜Ｋ）程度に加熱された高圧のガス体となる。そして、この高圧ガスがラインＬからタービンＥＴの給気口５に吸い込まれ、膨張してタービンの羽根車を回転駆動し、減圧されたガスはタービンＥＴの排気口６から所定の圧力の高圧ガスとして外部のラインに送出される。その他のシステム系統は図１に示す第一実施例と同様であり、また、ポンプの構造に関しても図３に示す前述の第一実施例と同じである。
【００１９】
本実施例のポンプユニットは、ＬＮＧ基地に設置され地元でガス（ＬＮＧ）で発電する一方、長距離輸送のため液体（ＬＮＧ）で送出する場合等に好適である。なお、この場合ポンプの吐出圧力が必要な送出圧力に対して高すぎるときは、動力回収タービンにより必要圧力まで減圧し、エネルギー回収を行うことができる。
【００２０】
次に、本発明の第三実施例を図１及び図４を用いて、第四実施例を図２及び図４を用いて説明する。上述の本発明の第一及び第二実施例が、ポンプの第一の吐出口を液状流体の外部への送出に用い、第二の吐出口を熱交換器に接続し再加圧された液状流体を加熱してガス化するのに対して、本第三及び第四実施例ではポンプの再加圧された液状流体の第二の吐出口を外部への加圧送液ラインに接続し、中間段の第一の吐出口を熱交換器に接続したものである。ここで、熱交換器としては第三実施例は加熱燃焼器７を用い、第四実施例としては常温流体により加熱する加温器８を用いている。図４は本実施例のポンプの構造を示し、吸込口１に対して所定の圧力に加圧する上部羽根車２３を備え、所定の圧力で吐き出す第一の吐出口２′と、更に残余の液状流体を下部羽根車２８により再加圧して吐き出す第二の吐出口３′とを備えている。第三実施例のシステム構成はポンプＰＵの中間段の第一の吐出口２′を燃焼加熱器７の入口７Ａに接続し、ポンプＰＵの再加圧した第二の吐出口３′を外部への送出ライン９に接続したものである。又、第四実施例のシステム構成は、ポンプＰＵの中間段の第一の吐出口２′を常温流体の加熱器８の入口８Ａに接続し、ポンプＰＵの再加圧した第二の吐出口３′を外部への送出ライン９に接続したものである。
【００２１】
係る第三及び第四実施例によれば、長距離輸送のため液で送出する場合の液の加圧圧力を高くとれ、且つ、中間段から取り出した液体を熱交換によりガス化して、エキスパンダタービンを回転駆動することにより自液でポンプを駆動することができる。又、タービンＥＴで膨張し減圧されたガスは、第三実施例においては液状流体を加熱する燃焼ガスとして用いられ、第四実施例においては外部へ発電用或いは都市ガス用として送出することができる。
【００２２】
次に、本発明の第一及び第二実施例のエキスパンダタービン・ポンプユニットの動作原理について図５を参照しながら説明する。ＬＮＧ、あるいは液体水素等の極低温流体は、大気圧近辺圧力Ｐ0 の状態Ｓ0 より、プライマリポンプにより圧力Ｐ1 迄加圧され状態Ｓ1 となる。そして、セコンダリポンプである本実施例のポンプＰＵにより損失を考慮に入れてポリトロープ的に圧力Ｐ2 まで加圧され、大半の液状流体を吐出口２から送出する。更に圧力Ｐ3 まで加圧された残余の液状流体は、状態Ｓ3 に至る。ここで、第一実施例では燃焼加熱器７、第二実施例では加温器８の熱交換器で熱量を受け取り、熱交換器損失分だけ圧力の低い状態Ｓ4 に移る。この状態Ｓ4 から、エントロピ一定の線上をタービン損失分だけずれた状態Ｓ5 までポリトロープ膨張を行う。そして、この先は第一実施例においては燃焼加熱器バーナＢＵにおける等圧変化で状態Ｓ6 側に向かう（燃焼）。第二実施例においては、Ｐ5 の圧力を有する高圧ガスとして、外部に送出される。
【００２３】
係るエキスパンダタービン・ポンプユニットは、過飽和液範囲の等エントロピ線と過熱状態での等エントロピ線との勾配の差を利用してエキスパンダタービンを駆動しようとするものである。このことは、状態Ｓ1 ，Ｓ2 ，Ｓ3 ，Ｓ4 ，Ｓ5 のエンタルピをそれぞれｉ1 ，ｉ2 ，ｉ3 ，ｉ4 ，ｉ5 とし、ポンプ全流入量Ｗkg，抽出量ｗkgとするとき、
Ｗ（ｉ2−ｉ1）＋ｗ（ｉ3−ｉ2）≦ｗ（ｉ4−ｉ5）
であれば、系として成立する。即ち、
Ｗ（ｉ2−ｉ1）≦ｗ（ｉ4−ｉ5−ｉ3＋ｉ2）
ｗ／Ｗ≧（ｉ2−ｉ1）／（ｉ4−ｉ5＋ｉ2−ｉ3）
つまり、
（ｉ2−ｉ1）／（ｉ4−ｉ5＋ｉ2−ｉ3）
が１以下であればよい。
加熱されたガスを前記エキスパンダタービンに給気して、該エキスパンダタービンの排気ガスを高圧ガスとして外部に送出する上式が成立するように状態Ｓ3 ，Ｓ4 を設定すればよい。それには圧力Ｐ3 を変えることと、入熱によるエントロピ増加量ｉ4 −ｉ3 を加減するという二つの自由度が考えられる。また、量ｗ（ｉ4 −ｉ5 ）が量Ｗ（ｉ2 −ｉ1 ）＋ｗ（ｉ3 −ｉ2 ）に対して充分に大きいときは、一部をポンプ駆動用に用い、残りは発電に使用することができる。その際、周波数調整の必要は生じるものの、エキスパンダタービンの軸端に発電機を取付け電力を発生することが可能である。
【００２４】
ここで、以上のような系が成立することを、液体水素を例にして定量的に説明する。
【００２５】
ここで、２１°Ｋの飽和圧力Ｐ0 ＝０．１２ＭＰａ、ｉ0 ＝２７０ｋＪ／kgの液体水素を、Ｐ5 ＝０．５ＭＰａのガスとして燃焼させる場合を考える。プライマリポンプによってＰ1 ＝０．２８ＭＰａまで昇圧し、更にセコンダリポンプで圧力Ｐ2 まで加圧送出する。一部抽出した液体をＰ3 ＝１０ＭＰａまで再加圧して、これを１．５ＭＰａの損失のある熱交換器（燃焼加熱器）で５００°Ｋまで昇温させた後、エキスパンダタービンによって０．５ＭＰａまで膨張させるとする。まず状態Ｓ1 に相当する状態は、等エントロピ変化とすれば、Ｐ1 ＝０．２８ＭＰａ、ｉ1s ＝２７２ｋＪ／kg、ポンプ効率ηｐを６０％と仮定すると、
次に状態Ｓ2 は，Ｐ2 ＝７．５ＭＰａ
更に一部抽出した液体をＰ3 ＝１０ＭＰａまで加圧し、Ｓ3 の状態とすると、
Ｔ＝５００°Ｋまで加熱すれば、ｉ4 ＝７１８０ｋＪ／kg
エキスパンダ全断熱効率ηｅ＝７０％とすれば、等エントロピ的にＰ5 ＝０．５ＭＰａまで落とすと
ｉ5s ＝３０３０ｋＪ／kg であるから
このように充分にポンプを駆動することができることがわかる。即ち、圧力Ｐ3 又は温度Ｔは、もっと低くてよいことになる。同様の計算により、ＬＮＧの主成分である液体メタンにおいても、圧力Ｐ3 を適宜に選ぶことによりポンプを駆動できることがわかる。
【００２６】
図６は、第三及び第四実施例のエキスパンダタービン・ポンプユニットの圧力一エンタルピ線図である。
図５と同様にＬＮＧ、あるいは液体水素等の極低温流体は、大気圧近辺圧力Ｐ0 の状態Ｓ0 より、プライマリポンプにより圧力Ｐ1 迄加圧され状態Ｓ1 となる。そして、セコンダリポンプである本実施例のポンプＰＵにより損失を考慮に入れてポリトロープ的に圧力Ｐ3 まで加圧され、一部の液状流体ｗkgを吐出口２′から熱交換器７，８に送出する。更に残余の液状流体（Ｗ−ｗ）kgは、圧力Ｐ2 まで加圧され、状態Ｓ2 に至る。そして、状態Ｓ2 に至った液状流体は、外部のパイプラインに送出される。状態Ｓ3 で抽出された液状流体ｗkgは、第三実施例では燃焼加熱器７、第四実施例では加温器８の熱交換器で熱量を受け取り、熱交換器損失分だけ圧力の低い状態Ｓ4 に移る。この状態Ｓ4 から、エントロピ一定の線上をタービン損失分だけずれた状態Ｓ5 までポリトロープ膨張を行う。そして、この先は、第三実施例においては燃焼加熱器のバーナＢＵにおける等圧変化で状態Ｓ6 側に向かう（燃焼）。第四実施例においては、Ｐ5 の圧力を有する高圧ガスとして、外部に送出される。従って、図５と同様に
Ｗ（ｉ3 −ｉ1 ）＋（Ｗ−ｗ）（ｉ2 −ｉ3 ）≦ｗ（ｉ4 −ｉ1 ）
であれば、系として成立する。即ち、
ｗ／Ｗ≧（ｉ2 −ｉ1 ）／（ｉ4 −ｉ5＋ｉ2 −ｉ3）
であればよい。
【００２７】
この系が成立することを液体水素を例にして定量的に検討する。
前述と同様に、２１°Ｋの飽和圧力Ｐ0 ＝０．１２ＭＰａ、ｉ0 ＝２７０ｋＪ／kgの液体水素を、Ｐ5 ＝０．５ＭＰａのガスとして燃焼させる場合を考える。プライマリポンプによってＰ1 ＝０．２８ＭＰａまで昇圧し、更にセコンダリポンプで圧力Ｐ3 ＝４ＭＰａまで加圧する。一部抽出した液体を１．５ＭＰａの損失のある熱交換器（燃焼加熱器）で５００°Ｋまで昇温させた後、エキスパンダタービンによって０．５ＭＰａまで膨張させるとする。まず状態Ｓ1 に相当する状態は、等エントロピ変化とすれば、Ｐ1 ＝０．２８ＭＰａ、ｉ1s ＝２７２ｋＪ／kg、ポンプ効率ηｐを６０％と仮定すると、
次に状態Ｓ3 は，Ｐ3 ＝４ＭＰａ
更に一部抽出した液体をＴ＝５００°Ｋまで加熱すれば、ｉ4 ＝７１２０Ｊ／kg、
エキスパンダ全断熱効率ηｅ＝７０％とすれば、等エントロピ的にＰ5 ＝０．５ＭＰａまで落とすと
このように第三及び第四実施例においても充分にポンプを駆動することができることがわかる。
【００２８】
図７は、本発明の別の実施例を示す。この実施例では、駆動軸ＤＳＡが水平軸で構成され、その駆動軸ＤＳＡの両端に、それぞれポンプＰＵＡとエキスパンダタービンＤＴＡとが設けられている。ポンプＰＵＡとタービンＤＴＡは、連結部である連結胴２１で連結され、その連結胴２１Ａの下部には、回収ケーシング２１Ｂが備えられている。図中の符号１０Ａは、ポンプＰＵＡ側の液の漏れをある程度許容する非接触式の軸シールであり、符号４ＡはタービンＤＴＡ側の非接触式のラビリンスシールである。ポンプＰＵＡ及びタービンＤＴＡの構成は、これらが横軸型である点を除き、図１乃至図４に示すポンプＰＵ及びタービンＥＴと同じである。
【００２９】
本図においては、液体の流れを実線で、ガスの流れを鎖線で示し、太線は主流、細線は漏れを示している。液体は、吸込口１から状態Ｓ１でポンプＰＵＡ内に入り、所定の圧力に加圧されて状態Ｓ２となり、吐出口２から外部に送出される。一部の液体は更に加圧されて吐出口３から状態Ｓ３で吐出される。吐出口３から吐き出された液体は、燃焼加熱器７に入り、加熱されて状態Ｓ４となり、タービンＤＴＡに吸込口５から流入し、減圧されて状態Ｓ５となって排気口６から吐き出され、燃焼加熱器７のバーナＢＵに送られ燃焼する。
【００３０】
連結胴２１内の圧力は、図１乃至図２に示す実施例と同様に、ポンプＰＵＡの段数の配置により、状態Ｓ５のエキスパンダタービンＤＴＡの吐出圧力に基本的に等しく、わずかに高い値に保持される。この連結胴２１へのタービンＤＴＡへの漏れは非接触のラビリンスシール４Ａを介して出てくるが、連結胴２１の内部は、タービンＤＴＡの落差程度の差圧を有する。他方、ポンプＰＵＡ側の軸貫通部は、基本的には差圧がなく、差圧があっても僅少であり、この部分の漏れ止めはメカニカルシールと類似の非接触の軸シール１０Ａ、あるいはフローティングリング等である程度の漏れを許容して行うことができる。このような漏れをある程度許容したシール機構により産業機械として望ましい寿命が保持される。このように、連結胴２１Ａの内部の圧力は、前述のように基本的にタービンの吐出圧の状態Ｓ５と同じであるので、タービンＤＴＡからの漏れガス及びポンプＰＵＡから漏れた際に発生したガスは、開口ＮからタービンＤＴＡの出口であるガス送出ラインに注入することができる。又、ポンプＰＵＡから漏れた液は、連結胴２１から下部のドレン回収ケーシング２１Ｂに回収され、小型の回収ポンプにより燃焼加熱器７に注入され、ガス化して送出ラインに注入することができる。
【００３１】
尚、横軸型のポンプＰＵＡ及びタービンＥＴＡの構成において、上述の本発明の第２実施例に準じて燃焼加熱器７を加温器８にしてもよい。又、本発明の第３実施例に準じて、ポンプＰＵＡの中間段の吐出口を燃焼加熱器７に接続して、再加圧された液体の吐出口から液体を外部に送出するようにしてもよい。更に又、本発明の第４実施例に準じて、ポンプの中間段の吐出口を加温器８に接続し、再加圧された液体の吐出口から外部に送液するようにしてもよい。
【００３２】
尚、以上の実施例の説明は、ポンプの加圧対象の液体として液体水素、ＬＮＧの例について述べたが、その他の液体窒素等の低温流体についても適用できるのは勿論のことである。又、ポンプの吐出口を二段にする例について述べたが、全体のシステム構成の必要性から三段又は四段にしてもよい。
又、図７の横軸型ポンプの連結部の構成、つまりポンプ側の液漏れ防止非接触式軸シールを含む構成を、例えば図３乃至図４に示す堅軸型ポンプに適用することも勿論可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のエキスパンダタービン・ポンプユニットは、ポンプが二段の吐出口を備え、一方の吐出口から加圧された液体を熱交換してガス化することにより、エキスパンダタービンを駆動して、もう一方のポンプの吐出口から加圧送液をすることができる。従って、外部からエネルギ源の供給を要さない自己完結型のポンプを構成することができる。それ故、係るポンプはＬＮＧ基地等に利用することにより、省エネルギ及びクリーンな環境の維持に貢献するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一及び第三実施例のエキスパンダタービン・ポンプユニットのシステム系統を示す説明図。
【図２】本発明の第二及び第四実施例のエキスパンダタービン・ポンプユニットのシステム系統を示す説明図。
【図３】本発明の第一及び第二実施例のポンプの構成を示す部分断面正面図。
【図４】本発明の第三及び第四実施例のポンプの構成を示す部分断面正面図。
【図５】本発明の第一及び第二実施例のエキスパンダタービン・ポンプユニットにおける液状流体の熱力学的な状態を示す圧力−エンタルピ線図。
【図６】本発明の第三及び第四実施例のエキスパンダタービン・ポンプユニットにおける液状流体の熱力学的な状態を示す圧力−エンタルピ線図。
【図７】本発明の他の実施例の横軸型のエキスパンダタービン・ポンプユニットのシステム系統を示す説明図。
【符号の説明】
ＰＵ，ＰＵＡ ポンプ
ＤＴ，ＤＴＡ エキスパンダタービン
１ ポンプの吸込口
２ ポンプの第一の吐出口
３ ポンプの第二の吐出口
５ タービンの給気口
６ タービンの排気口
７ 燃焼加熱器
８ 加温器
９ 液状流体送出ライン
２１ 連結胴[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to an expander turbine pump unit, and more particularly to a pump driven by a gas turbine suitable for pumping a cryogenic liquid such as liquefied natural gas (LNG).
[0002]
[Prior art]
For example, at a LNG terminal, LNG unloaded from an LNG ship is stored in an LNG tank, then discharged from the tank by an LNG pump, vaporized by a vaporizer, and sent for power generation to a power plant as it is. In the case of use, LPG is added to adjust the calorific value, odor is added and sent out as city gas. The delivery pressure is about 0.5 to 0.8 MPa for power generation and 4.5 MPa for city gas. In the case of city gas, the delivery pressure is increased by a second-stage LNG pump before vaporization. Here, the LNG pump that pressurizes the cryogenic LNG is generally a multistage vertical centrifugal pump, and the entire motor driving the pump and the pump is immersed in the LNG in order to eliminate the possibility of liquid leakage from the shaft seal. The submerged type is used (Aizawa, Kubota, “Operation and control of LNG equipment”, Turbomachine Vol. 17 No. 5, PP 8-13).
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the pump for pressurizing the LNG uses a motor for driving the motor. The motor needs to be supplied with power of several hundred to several thousand kW. Power was supplied through the transmission and distribution lines. However, it is difficult to manufacture a motor that requires electric power of several hundred to several thousand kW in a submerged pump that is immersed in cryogenic LNG, and equipment for supplying electric power to it is also difficult. It had to be a big deal. Also, from an energy-saving standpoint, the power generated by LNG at the power plant is drawn from the power plant to the LNG pump in the LNG tank via a long power transmission and distribution line, where the power is supplied to the motor and the pump is driven to rotate. I had to be. For this reason, power supply to the LNG pump includes loss until LNG is sent to the power plant as gas or liquid, loss of power generation efficiency at the power plant, loss at the power transmission / distribution line, loss when rotating the motor, etc. Was inevitably accompanied.
[0004]
The present invention has been made in view of the problems of the related art, and provides a self-contained pump suitable for pressurizing and pumping a cryogenic liquid fluid that does not require external energy supply. For the purpose.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The expander turbine / pump unit of the present invention includes a first discharge port provided at one end of one shaft for pressurizing and discharging a liquid fluid to a first pressure, and further pressurizing the liquid fluid of the first pressure. A pump having a second discharge port for discharging, a heat exchanger connected to the first discharge port or the second discharge port for heating and gasifying the pressurized liquid fluid, and the uniaxial shaft And an expander turbine that is driven by a heat drop obtained by reducing the gas from the heat exchanger to a predetermined exhaust pressure.
[0006]
According to a first aspect of the present invention, a liquid fluid pressurized to the first pressure is sent to the outside from a first discharge port of the pump, and the heat exchanger has the pressurized liquid fluid A combustion heater that heats and heats the gas to a high temperature and high pressure, the combustion heater is connected to a second discharge port of the pump, supplies the heated gas to the expander turbine, and The liquid fluid is heated by burning gas decompressed by an expander turbine by the combustion heater.
[0007]
According to a second aspect of the present invention, a liquid fluid pressurized to the first pressure is sent to the outside from a first discharge port of the pump, and the heat exchanger A heater that heats a fluid with a normal temperature fluid to generate high-pressure gas, is connected to a second discharge port of the pump, supplies the heated gas to the expander turbine, and the expander turbine The depressurized gas is sent to the outside as a high-pressure gas.
[0008]
According to a third aspect of the present invention, a liquid fluid pressurized to the second pressure is sent to the outside from a second discharge port of the pump, and the heat exchanger is supplied with the pressurized liquid fluid. Is a combustion heater that heats and heats the gas to a high temperature and high pressure, and is connected to the first discharge port of the pump, supplies the heated gas to the expander turbine, and depressurizes the expander turbine The liquid fluid is heated by burning the produced gas with the combustion heater.
[0009]
According to a fourth aspect of the present invention, a liquid fluid pressurized to the second pressure is sent to the outside from a second discharge port of the pump, and the heat exchanger A heater that heats a fluid with a normal temperature fluid to generate high-pressure gas, is connected to the first discharge port of the pump, supplies the heated gas to the expander turbine, and the expander turbine The depressurized gas is sent to the outside as a high-pressure gas.
[0010]
[Action]
The pump of the present invention has the first discharge port and the second discharge port as described above. Accordingly, the liquid fluid is pressurized from one discharge port to a predetermined pressure and sent out, and a heat exchanger for heating and gasifying the pressurized liquid fluid is connected to the other discharge port, and the heat exchanger The pump can be rotated by driving the expander turbine with a heat drop obtained by reducing the high pressure gas from the exhaust gas to a predetermined exhaust pressure. The gas obtained by driving the expander turbine and depressurizing to a predetermined exhaust pressure can be sent out as city gas or power generation gas, or burned with a combustion heater and used for heating a liquid fluid. You can also. Thus, according to the expander turbine / pump unit of the present invention, the pump is rotated and driven by its own liquid to pressurize the liquid fluid to a predetermined pressure without being supplied with electric power energy from the outside. can do.
[0011]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is an explanatory diagram of a system system of an expander turbine pump unit according to the first and third embodiments of the present invention. FIG. 2 is an explanatory diagram of the system system of the expander turbine / pump unit of the second and fourth embodiments of the present invention. FIG. 3 is a sectional view of the pump unit of the first and second embodiments of the present invention, and FIG. 4 is a sectional view of the pump unit of the third and fourth embodiments of the present invention. FIG. 5 shows the first and second embodiments of the present invention, and FIG. 6 shows the pressure-enthalpy line showing the thermodynamic state of the liquid fluid in the expander turbine pump unit of the third and fourth embodiments of the present invention. FIG. In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
[0012]
The drive shaft DS arranged vertically in the pump, indicated as a whole by PU, is connected at its upper part to the main shaft of an expander turbine, indicated as a whole by reference ET.
The drive shaft DS is a single main shaft that penetrates the pump PU and the expander turbine ET, but the main shafts of the pump and the turbine may be connected to each other.
The casings of the pump PU and the turbine ET are connected by a connecting pipe 21 having a thermal deformation absorber in the main axis direction, that is, a bellows portion 21a. The discharge port 2 of the pump PU is a first-stage discharge port that pressurizes the liquid fluid to a predetermined pressure and sends it out. The discharge port 3 is a second-stage discharge port that pressurizes and discharges the remaining liquid fluid delivered from the discharge port 2.
The expander turbine ET is a turbine that includes an air supply port 5 and an exhaust port 6 and rotates the impeller when the high-pressure gas sucked from the air supply port 5 expands. Discharged. The combustion heater 7 in FIG. 1 is a heat exchanger that heats a pressurized liquid fluid to form a high-temperature and high-pressure gas state. The combustion heater 7 uses a gasified liquid fluid as fuel, and applies heat generated by the combustion to the pressurized liquid fluid to gasify the liquid fluid at high temperature and pressure. In this embodiment, the cryogenic liquid fluid flowing into the combustion heater 7 becomes a gas having a high temperature of about 500 ° K as an example. In addition, the heater 8 in FIG. 2 heats the liquid fluid pressurized by the cryogenic pump PU flowing in from the inlet 8A to a room temperature (300 ° K) to a high pressure gas, and from the outlet 8D. It is a heat exchanger that discharges. For example, heat exchange is performed while a room temperature heat exchange medium such as seawater flows from the inlet 8C and flows out from the outlet 8D.
[0013]
Next, the system system and operation of the expander turbine pump unit according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The repressurized liquid fluid discharge port 3 and the supply port 5 of the expander turbine ET are connected by a line L, and a combustion heater 7 is provided in the line L. In the middle of the line L, a flow rate adjusting valve V1 is provided. The valve V1 is connected to the controller CU, and the rotation sensor 29 of the drive shaft DS is connected to the controller CU. The outlet 7B of the gasified liquid fluid of the combustion heater 7 is connected to the suction port 5 of the turbine ET, and the decompressed gas after the high-pressure gas has expanded is supplied to the combustion heater 7 from the exhaust port 6 of the turbine ET. It is connected so as to be sent to the burner BU. The upstream side of the valve V1 of the line L is connected to the liquid fluid delivery line 9 via a flow rate adjusting valve V2 connected to the controller CU by the line L1, and the opening of the connecting pipe 21 is expanded from the line L2 to the expander turbine ET. The exhaust port 6 is connected. In addition, it is good to put an orifice in the middle of this line L2 if necessary. Furthermore, a startup line L3 from a primary pump or the like (not shown) is connected to the line L, and an excess gas line L4 that can be used for startup is connected to the upstream side of the air supply port 5 of the turbine ET.
[0014]
Therefore, the liquid fluid W sucked into the pump PU from the suction port 1 by a primary pump (not shown) is pressurized to a predetermined pressure and is externally supplied from the delivery pipe 9 as a liquid fluid pressurized from the first discharge port 2. Is sent out. For example, if the liquid fluid is LNG, it is sent to another LNG base via a pipeline in a pressurized state. From the second discharge port 3 of the pump PU, further pressurized liquid fluid enters the combustion heater 7 from its inlet 7A through the flow rate adjusting valve V1 and the line L. The liquid fluid pushed into the combustion heater 7 from the inlet 7A is heated to become a high-temperature and high-pressure gas, flows into the intake port 5 of the expander turbine ET, expands, rotates the turbine impeller, and depressurizes. Gas. The combustion heater 7 is supplied with a decompressed gas (for example, a fuel gas such as LNG) from the exhaust port 6 of the expander turbine, and burns and heats the liquid fluid flowing in from the line L. The exhaust gas burned in the combustor BU is line L EX More exhausted.
[0015]
Since this pump unit does not have a function to start itself, at the time of start-up, the turbine ET is started by sending high-pressure gas from the air supply port 5 through the line L3 or L4, or gradually after the burner BU is ignited. If the PU is rotated and increased to a predetermined rotational speed, an energy balance is established, and the rotational speed is automatically increased until the balance is achieved. The rotation speed can be controlled by detecting the rotation speed with the rotation sensor 29 and adjusting the amount of inflow to the combustion heater 7 with the flow rate adjusting valves V1, V2 by the controller CU. Further, the rotational speed can be similarly controlled by adjusting the flow rate of combustion gas in the burner BU or the combustion temperature. It is also possible to generate power with surplus energy by directly connecting a generator to the main shaft of the turbine ET.
[0016]
Thus, this pump unit can pressurize a liquid fluid and use it in a liquid state for long-distance transportation, etc., and further repressurize a part of the liquid fluid to gasify and expand it by heating. Thus, the impeller of the expander turbine can be rotated, and the pump directly connected to the main shaft of the turbine can be driven to rotate. Heating can be performed by burning the exhaust gas that has driven the turbine.
[0017]
FIG. 3 shows the structure of the pump unit of this embodiment. The expander turbine ET is provided on the pump cover 17 of the pump PU. A common drive shaft DS of the pump PU and the turbine ET is configured by a thrust bearing 12 and a radial bearing 13 which are configured by a non-contact magnetic bearing on the turbine ET side in order from the top, and a magnetic bearing or a low pressure bearing on the pump PU side. Are supported by an upper bearing 19 and a lower bearing 20. In the figure, reference numeral 14 denotes a non-contact type labyrinth seal, reference numeral 1 denotes a pump suction port, 2 denotes a first discharge port of the pump, and 3 denotes a second discharge port. The liquid fluid flowing in from the suction port 1 of the pump is pressurized by the upper impeller 23 and branched in the middle chamber 25, and one is sent to the outside from the first discharge port 2 and the remaining pressure is increased. The liquid fluid is further repressurized by the lower impeller 28 and sent out from the discharge port 3.
[0018]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, the combustion heater 7 is used as the heat exchanger in the first embodiment, whereas the heater 8 using a fluid such as normal temperature seawater is used as the heat exchange medium. For this reason, the cryogenic pressurized fluid flowing from the inlet 8A of the heater 8 becomes a high-pressure gas body heated to about room temperature (300 ° K) at the outlet 8B. The high-pressure gas is sucked into the air supply port 5 of the turbine ET from the line L, expands and rotationally drives the turbine impeller, and the decompressed gas is supplied from the exhaust port 6 of the turbine ET at a predetermined pressure. As an external line. Other system systems are the same as those of the first embodiment shown in FIG. 1, and the structure of the pump is the same as that of the first embodiment shown in FIG.
[0019]
The pump unit of the present embodiment is suitable for a case where it is installed at an LNG base and generates electricity with gas (LNG) locally, while it is sent with liquid (LNG) for long-distance transportation. In this case, when the discharge pressure of the pump is too high with respect to the required delivery pressure, the energy can be recovered by reducing the pressure to the required pressure by the power recovery turbine.
[0020]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 4, and a fourth embodiment will be described with reference to FIGS. In the first and second embodiments of the present invention described above, the first discharge port of the pump is used for delivering the liquid fluid to the outside, and the second discharge port is connected to the heat exchanger and repressurized. While the fluid is heated and gasified, in the third and fourth embodiments, the second discharge port of the re-pressurized liquid fluid of the pump is connected to an external pressurized liquid feed line, and the intermediate The first outlet of the stage is connected to the heat exchanger. Here, as the heat exchanger, the heating combustor 7 is used in the third embodiment, and the heater 8 heated by the normal temperature fluid is used as the fourth embodiment. FIG. 4 shows the structure of the pump of this embodiment, which includes an upper impeller 23 that pressurizes the suction port 1 to a predetermined pressure, a first discharge port 2 'that discharges at a predetermined pressure, and the remaining liquid. And a second discharge port 3 ′ for repressurizing and discharging the fluid by the lower impeller 28. The system configuration of the third embodiment is such that the first discharge port 2 'of the intermediate stage of the pump PU is connected to the inlet 7A of the combustion heater 7, and the re-pressurized second discharge port 3' of the pump PU is connected to the outside. Connected to the transmission line 9. The system configuration of the fourth embodiment is such that the first discharge port 2 'of the intermediate stage of the pump PU is connected to the inlet 8A of the heater 8 for room temperature fluid, and the second discharge port of the pump PU is re-pressurized. 3 'is connected to the transmission line 9 to the outside.
[0021]
According to the third and fourth embodiments, the expander can take high pressure when the liquid is sent out for long-distance transportation and gasifies the liquid taken out from the intermediate stage by heat exchange. By rotating the turbine, the pump can be driven by the own liquid. The gas expanded and depressurized by the turbine ET is used as a combustion gas for heating a liquid fluid in the third embodiment, and can be sent to the outside for power generation or city gas in the fourth embodiment. .
[0022]
Next, the operation principle of the expander turbine pump unit of the first and second embodiments of the present invention will be described with reference to FIG. Cryogenic fluids such as LNG or liquid hydrogen have a pressure P near atmospheric pressure. 0 State S 0 From the primary pump, pressure P 1 Pressurized to state S 1 It becomes. Then, the pressure P in a polytropic manner with the loss taken into account by the pump PU of this embodiment which is a secondary pump. 2 Most liquid fluid is delivered from the discharge port 2. Further pressure P Three The remaining liquid fluid pressurized to Three To. Here, the amount of heat is received by the heat exchanger of the combustion heater 7 in the first embodiment and the heater 8 in the second embodiment, and the pressure S is low by the heat exchanger loss. Four Move on. This state S Four , The state S deviated by the turbine loss on the constant entropy line Five Polytropic expansion is performed until Then, in the first embodiment, the state S is changed by an equal pressure change in the combustion heater burner BU. 6 Head to the side (burning). In the second embodiment, P Five As a high-pressure gas having a pressure of
[0023]
Such an expander turbine / pump unit attempts to drive the expander turbine by utilizing the difference in gradient between the isentropic line in the supersaturated liquid range and the isentropic line in the superheated state. This means that state S 1 , S 2 , S Three , S Four , S Five Enthalpy of i 1 , I 2 , I Three , I Four , I Five And when the total pump inflow Wkg and the extraction wkg are
W (i 2 -I 1 ) + W (i Three -I 2 ) ≦ w (i Four -I Five )
If so, it is established as a system. That is,
W (i 2 -I 1 ) ≦ w (i Four -I Five -I Three + I 2 )
w / W ≧ (i 2 -I 1 ) / (I Four -I Five + I 2 -I Three )
That means
(I 2 -I 1 ) / (I Four -I Five + I 2 -I Three )
May be 1 or less.
State S is established so that the heated gas is supplied to the expander turbine and the exhaust gas from the expander turbine is sent to the outside as a high-pressure gas. Three , S Four Should be set. Pressure P Three And entropy increase i by heat input i Four -I Three There are two degrees of freedom to adjust. Also, the quantity w (i Four -I Five ) Is the quantity W (i 2 -I 1 ) + W (i Three -I 2 ) Can be used for driving the pump and the rest for power generation. At that time, although it is necessary to adjust the frequency, a generator can be attached to the shaft end of the expander turbine to generate electric power.
[0024]
Here, the establishment of the above system will be described quantitatively by taking liquid hydrogen as an example.
[0025]
Here, a saturation pressure P of 21 ° K 0 = 0.12 MPa, i 0 = 270kJ / kg of liquid hydrogen, P Five Consider the case of burning as a gas of 0.5 MPa. P by primary pump 1 = 0.28MPa, pressure P with secondary pump 2 Until pressurized. P partially extracted liquid Three Suppose that the pressure is re-pressurized to 10 MPa, the temperature is raised to 500 ° K. by a heat exchanger (combustion heater) having a loss of 1.5 MPa, and then expanded to 0.5 MPa by an expander turbine. First state S 1 If the state corresponding to is an isentropic change, P 1 = 0.28 MPa, i 1s = 272 kJ / kg, assuming that the pump efficiency ηp is 60%,
Next state S 2 Is P 2 = 7.5 MPa
Furthermore, P Three Pressure up to 10 MPa, S Three If the state of
If heated to T = 500 ° K, i Four = 7180kJ / kg
If the total adiabatic efficiency of the expander ηe = 70%, it is isentropically P Five When dropping to 0.5 MPa
i 5s = 3030kJ / kg
It can be seen that the pump can be driven sufficiently in this way. That is, the pressure P Three Alternatively, the temperature T may be lower. According to the same calculation, the pressure P in liquid methane which is the main component of LNG Three It can be seen that the pump can be driven by appropriately selecting.
[0026]
FIG. 6 is a pressure-enthalpy diagram of the expander turbine pump unit of the third and fourth embodiments.
As in FIG. 5, the cryogenic fluid such as LNG or liquid hydrogen has a pressure P near atmospheric pressure. 0 State S 0 From the primary pump, pressure P 1 Pressurized to state S 1 It becomes. Then, the pressure PU in a polytropic manner taking into account the loss by the pump PU of this embodiment which is a secondary pump. Three And part of the liquid fluid wkg is sent to the heat exchangers 7 and 8 from the discharge port 2 '. Furthermore, the remaining liquid fluid (W-w) kg is pressure P 2 Pressurized to state S 2 To. And state S 2 The liquid fluid that has reached the point is sent to an external pipeline. State S Three In the third embodiment, the liquid fluid wkg extracted in step 3 receives heat in the heat exchanger of the combustion heater 7 and in the fourth embodiment of the heater 8 and is in a low pressure state S corresponding to the heat exchanger loss. Four Move on. This state S Four , The state S deviated by the turbine loss on the constant entropy line Five Polytropic expansion is performed until Then, in the third embodiment, this is the state S due to the equal pressure change in the burner BU of the combustion heater. 6 Head to the side (burning). In the fourth embodiment, P Five As a high-pressure gas having a pressure of Therefore, as in FIG.
W (i Three -I 1 ) + (W−w) (i 2 -I Three ) ≦ w (i Four -I 1 )
If so, it is established as a system. That is,
w / W ≧ (i 2 -I 1 ) / (I Four -I Five + I 2 -I Three )
If it is.
[0027]
The establishment of this system is examined quantitatively using liquid hydrogen as an example.
As before, saturation pressure P of 21 ° K 0 = 0.12 MPa, i 0 = 270kJ / kg of liquid hydrogen, P Five Consider the case of burning as a gas of 0.5 MPa. P by primary pump 1 = 0.28MPa, pressure P with secondary pump Three Pressurize to 4 MPa. It is assumed that the partially extracted liquid is heated to 500 ° K. by a heat exchanger (combustion heater) having a loss of 1.5 MPa and then expanded to 0.5 MPa by an expander turbine. First state S 1 If the state corresponding to is an isentropic change, P 1 = 0.28 MPa, i 1s = 272 kJ / kg, assuming that the pump efficiency ηp is 60%,
Next state S Three Is P Three = 4MPa
If the partially extracted liquid is heated to T = 500 ° K, i Four = 7120 J / kg,
If the total adiabatic efficiency of the expander ηe = 70%, it is isentropically P Five When dropping to 0.5 MPa
Thus, it can be seen that the pump can be driven sufficiently in the third and fourth embodiments.
[0028]
FIG. 7 shows another embodiment of the present invention. In this embodiment, the drive shaft DSA is a horizontal shaft, and a pump PUA and an expander turbine DTA are provided at both ends of the drive shaft DSA. The pump PUA and the turbine DTA are connected by a connecting cylinder 21 that is a connecting portion, and a recovery casing 21B is provided below the connecting cylinder 21A. Reference numeral 10A in the figure is a non-contact type shaft seal that allows leakage of liquid on the pump PUA side to some extent, and reference numeral 4A is a non-contact type labyrinth seal on the turbine DTA side. The configurations of the pump PUA and the turbine DTA are the same as those of the pump PU and the turbine ET shown in FIGS. 1 to 4 except that they are of a horizontal axis type.
[0029]
In this figure, the liquid flow is indicated by a solid line, the gas flow is indicated by a chain line, the thick line indicates the main flow, and the thin line indicates a leak. The liquid enters the pump PUA from the suction port 1 in the state S1, is pressurized to a predetermined pressure, enters the state S2, and is sent to the outside from the discharge port 2. A part of the liquid is further pressurized and discharged from the discharge port 3 in the state S3. The liquid discharged from the discharge port 3 enters the combustion heater 7 and is heated to be in the state S4, flows into the turbine DTA from the suction port 5, is depressurized and is discharged into the state S5, and is discharged from the exhaust port 6 for combustion. It is sent to the burner BU of the heater 7 and burned.
[0030]
The pressure in the connecting cylinder 21 is basically equal to the discharge pressure of the expander turbine DTA in the state S5 and slightly higher, depending on the arrangement of the number of stages of the pump PUA, as in the embodiment shown in FIGS. Retained. The leakage to the turbine DTA to the connecting cylinder 21 comes out through the non-contact labyrinth seal 4A, but the inside of the connecting cylinder 21 has a differential pressure that is about the drop of the turbine DTA. On the other hand, the shaft penetrating portion on the pump PUA side basically has no differential pressure, and even if there is a differential pressure, it is negligible. It is possible to allow some leakage with a ring or the like. The desired life as an industrial machine is maintained by a sealing mechanism that allows such leakage to some extent. As described above, since the pressure inside the connecting cylinder 21A is basically the same as the discharge pressure state S5 of the turbine as described above, the leaked gas from the turbine DTA and the gas generated when leaked from the pump PUA. Can be injected from the opening N into the gas delivery line which is the outlet of the turbine DTA. The liquid leaking from the pump PUA can be recovered from the connecting cylinder 21 to the lower drain recovery casing 21B, injected into the combustion heater 7 by a small recovery pump, gasified, and injected into the delivery line.
[0031]
In the configuration of the horizontal axis type pump PUA and the turbine ETA, the combustion heater 7 may be replaced by the heater 8 according to the second embodiment of the present invention described above. Further, according to the third embodiment of the present invention, the discharge port of the intermediate stage of the pump PUA is connected to the combustion heater 7 so that the liquid is sent out from the discharge port of the repressurized liquid. Also good. Furthermore, according to the fourth embodiment of the present invention, the discharge port of the intermediate stage of the pump may be connected to the heater 8 so that the liquid is supplied to the outside from the discharge port of the repressurized liquid. .
[0032]
In the above description of the embodiment, liquid hydrogen or LNG is used as the liquid to be pressurized by the pump. However, the present invention can be applied to other low-temperature fluids such as liquid nitrogen. Moreover, although the example which makes the discharge port of a pump 2 steps | paragraphs was described, you may make it 3 steps | paragraphs or 4 steps | paragraphs from the necessity of the whole system structure.
Further, the configuration of the connecting portion of the horizontal shaft type pump shown in FIG. 7, that is, the configuration including the non-contact type shaft seal on the pump side, for example, can be applied to, for example, the rigid shaft type pump shown in FIGS. Is possible.
[0033]
【The invention's effect】
As described above, the expander turbine / pump unit of the present invention has a two-stage discharge port in the pump, and heat-exchanges and gasifies the liquid pressurized from one discharge port. By driving the panda turbine, pressurized liquid can be fed from the discharge port of the other pump. Therefore, a self-contained pump that does not require supply of an energy source from the outside can be configured. Therefore, such a pump contributes to energy saving and maintenance of a clean environment by being used for an LNG base or the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a system system of an expander turbine pump unit according to first and third embodiments of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a system system of an expander turbine / pump unit according to second and fourth embodiments of the present invention.
FIG. 3 is a partial cross-sectional front view showing a configuration of a pump according to first and second embodiments of the present invention.
FIG. 4 is a partial cross-sectional front view showing a configuration of a pump according to third and fourth embodiments of the present invention.
FIG. 5 is a pressure-enthalpy diagram showing the thermodynamic state of the liquid fluid in the expander turbine pump unit of the first and second embodiments of the present invention.
FIG. 6 is a pressure-enthalpy diagram showing the thermodynamic state of the liquid fluid in the expander turbine pump unit of the third and fourth embodiments of the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a system system of a horizontal axis type expander turbine pump unit of another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
PU, PUA pump
DT, DTA Expander turbine
1 Pump inlet
2 The first outlet of the pump
3 Second outlet of the pump
5 Turbine air inlet
6 Turbine exhaust
7 Combustion heater
8 Heater
9 Liquid fluid delivery line
21 Connecting cylinder
