JP4291459B2 - 熱交換器の徐冷方法及び装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液化天然ガス（以下、ＬＮＧと称する。）等の低温液体を熱媒体と熱交換させて加温するための熱交換器において、その起動時や通常運転中断時に徐冷を行うための方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＬＮＧ等の低温液体を加温（さらには気化）するための手段として、当該低温液体を熱媒体と熱交換させる熱交換器が用いられている。例えば、特開昭53−5207号公報には、熱源流体に加えて中間媒体を用い、この中間媒体とＬＮＧとの熱交換によってＬＮＧを気化させる中間媒体式気化器が開示されている。
【０００３】
その熱交換器の一例を図７に示す。同図はＬＮＧ気化器を示し、この気化器は、中間媒体蒸発器Ｅ１、ＬＮＧ蒸発器Ｅ２、及び天然ガス（以下、ＮＧと称する。）加温器Ｅ３を備えている。また、熱源流体（図例では海水）が通る経路として、入口室１０、多数本の熱源管１２、中間室１４、多数本の熱源管１６、及び出口室１８を順に備え、熱源管１２がＮＧ加温器Ｅ３内に、熱源管１６が中間媒体蒸発器Ｅ１内に、それぞれ設けられている。中間媒体蒸発器Ｅ１内には、熱源流体である海水よりも沸点の低い中間媒体（例えばプロパン）１７が収容されている。
【０００４】
図８にも示すように、ＬＮＧ蒸発器Ｅ２は、カプセル状のシェル２１を備え、その閉塞端部が管板２５によって他の部分から仕切られている。さらに、その閉塞端部内に水平方向の仕切り壁２０が固定されることによって、互いに仕切られた入口室２２及び出口室２４が形成されており、両室２２，２４は、略Ｕ字状の多数本の伝熱管２３によって連通されている。各伝熱管２３の中間部は前記中間媒体蒸発器Ｅ１内の上部に突き出ており、両端部は管板２５を貫く状態で当該管板２５に固定されている。
【０００５】
前記入口室２２には、ＬＮＧを導入するためのＬＮＧ供給部２８が設けられ、このＬＮＧ供給部２８が図略の供給通路を介してＬＮＧ供給源に接続されている。また、出口室２４にはＮＧ排出部２９が設けられ、このＮＧ排出部２９はＮＧ導管２６を介して前記ＮＧ加温器Ｅ３内に接続されている。
【０００６】
このような気化器において、熱源流体である海水は、入口室１０、熱源管１２、中間室１４、及び熱源管１６を通って出口室１８に至るが、熱源管１６を通る海水は、中間媒体蒸発器Ｅ１内の液状中間媒体１７と熱交換して当該中間媒体１７を蒸発させる。
【０００７】
一方、気化対象であるＬＮＧは、入口室２２から伝熱管２３に導入される。この伝熱管２３内のＬＮＧと中間媒体蒸発器Ｅ１内の蒸発中間媒体１７との熱交換により、当該中間媒体１７が凝縮するとともに、その凝縮熱を受けてＬＮＧが伝熱管２３内で蒸発し、ＮＧとなる。このＮＧは、出口室２４からＮＧ導管２６を通じてＮＧ加温室Ｅ３内に導入され、このＮＧ加温室Ｅ３内の熱源管１２を流れる海水との熱交換によってさらに加熱された後、需要先へ供給される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記ＬＮＧ気化器（及びこれをはじめとする各種の低温液体加温用熱交換器）では、その起動時にいきなり大流量で低温液体を導入すると大きな熱応力が発生してしまう。そこで当該起動時には、図８に示すように、供給流量を絞ってＬＮＧ供給部２８から入口室２２内にＬＮＧを僅かずつ供給する徐冷運転が行われている。
【０００９】
しかし、このように流量を絞ってＬＮＧ供給部２８から少量ずつＬＮＧを流出させると、かかるＬＮＧは、まずシェル２１の底部に流下し、その後に入口室２２全体へ行き渡っていくので、入口室２２の底部が他の部分に先行して局所的に冷やされてしまうことになる。例えば図８に示す構造では、徐冷中に図９に示すような著しい温度勾配が発生し、これに起因する熱応力が発生する。
【００１０】
すなわち、従来のように単にＬＮＧの供給流量を絞るだけでは、入口室２２に発生する熱応力を有効に緩和することは困難であり、特に起動／停止の繰り返し頻度が高い熱交換器では、例えばシェル２１と管板２５との溶接個所や管板２５と仕切り板２０との溶接個所などに疲労破損が生じるおそれがある。また、起動時に限らず、例えば熱交換器の運転の一時中断時にＬＮＧ流量を絞って徐冷を維持する場合にも、同様の温度勾配が発生するおそれがある。
【００１１】
本発明は、かかる事情に鑑み、低温液体を加温する熱交換器において、その起動時等での徐冷の際における熱応力の発生を有効に抑えることができる徐冷方法及び装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段として、本発明は、低温液体が導入される入口室を備えた低温液体加温用の熱交換器を徐冷する方法であって、前記入口室に通常運転用供給部と散布機能をもつ徐冷用供給部とを併設し、通常運転時には少なくとも前記通常運転供給部から入口室内に低温液体を供給し、徐冷時には通常運転時よりも少ない流量で前記徐冷用供給部からのみ前記入口室内に低温液体を散布するものである。
【００１３】
この方法によれば、通常運転時よりも少ない流量で、しかも入口室内の広い領域に低温液体を拡散供給するので、入口室に発生する温度勾配が小さくなり、熱応力が有効に緩和される。
【００１４】
具体的には、前記入口室に通常運転用供給部と散布機能をもつ徐冷用供給部とを併設し、通常運転時には少なくとも前記通常運転供給部から入口室内に低温液体を供給し、徐冷時には前記徐冷用供給部からのみ入口室内に低温液体を供給するので、徐冷時には専用の徐冷用供給部を通じて入口室内に徐冷に適した低温液体の供給ができる一方、徐冷終了後は通常運転用供給部を用いて通常運転に適したＬＮＧの供給ができる。
【００１５】
また本発明は、低温液体が導入される入口室を備えた低温液体加温用の熱交換器を徐冷する装置であって、前記入口室に、当該入口室内に低温液体を散布する徐冷用供給部と、この徐冷用供給部よりも大きな流量で低温液体を供給するための通常運転用供給部とを併設したものである。
【００１６】
前記徐冷用供給部の具体的な配設形態は適宜設定可能である。例えば、徐冷用供給部を、前記入口室内の複数個所から低温液体を散布するように構成すれば、単一個所からのみ散布する場合よりも散布領域をさらに広げることができる。
【００１７】
また、徐冷用供給部を、その散布領域に前記入口室の上半部内壁の少なくとも一部が含まれるように設置すれば、低温液体は当該上半部内壁に吹き付けられた後に徐々に流下するので、より均一に低温液体を行き渡らせることができる。
【００１８】
また、前記徐冷用供給部を、その散布領域に前記入口室における溶接個所が含まれるように設置すれば、当該溶接個所を挟む複数部材を同時に冷やすことができるため、これらの部材間の温度差を小さくして当該温度差に起因する前記溶接個所での熱応力による破損をより有効に防止することができる。
【００１９】
この装置においても、前記入口室に、前記徐冷用供給部と、この徐冷用供給部よりも大きな流量で低温液体を供給するための通常運転用供給部とを併設しているので、徐冷時には専用の徐冷用供給部を通じて入口室内に徐冷に適した低温液体の供給ができる一方、徐冷終了後は通常運転用供給部を用いて通常運転に適したＬＮＧの供給ができる。
【００２０】
その場合において、共通の低温液体供給源から前記通常運転用供給部と徐冷用供給部とに分岐する供給通路を設けるとともに、前記徐冷用供給部に至る供給通路に前記通常運転用供給部に至る供給通路と独立して供給流量を変化させるための流量可変手段を設けるようにすれば、状況に応じて徐冷時の低温液体供給量を自由に調節することができる。
【００２１】
前記流量可変手段としては、手動で遠隔操作されることにより低温液体の流量を変化させる遠隔調節弁であってもよいし、前記流量可変手段が入口室内の温度を予め設定された目標温度に保つように低温液体の流量を調節する温度調節弁であってもよい。後者の場合には、例えば熱交換器運転の一時中断時に入口室内を所定温度に保持しておく運転（いわゆるクールダウン保持運転）を自動的に行うことが可能になる。
【００２２】
本発明では、熱交換器全体の具体的な構造も問わない。ただし、前記入口室が仕切り部材を介して低温液体蒸発ガスの出口室と隣接している構造では、当該出口室を通る加温済流体で仕切り部材が加温され、この仕切り部材以外の入口室構成部材との温度格差が大きくなる傾向があるので、当該熱交換器への本発明の適用は特に有効となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態を図１〜図４に基づいて説明する。なお、気化器全体の基本構成については、前記図７に示したものと同等であるので、ここではその説明を省略し、以下、ＬＮＧ蒸発器Ｅ２の構造に重点をおいて説明する。
【００２４】
図１及び図２に示す本実施形態構造と、前記図８に示した従来構造の相違点として、前者の構造では、入口室２２に、通常運転用の管状ＬＮＧ供給部２８に加え、この通常運転用ＬＮＧ供給部２８よりも管板２５から離れた位置（図１及び図２では左側の位置）に、散布機能をもつ徐冷用ＬＮＧ供給部３０が新たに設けられている。
【００２５】
なお、本発明では、通常運転用ＬＮＧ供給部２８と徐冷用ＬＮＧ供給部３０との位置関係は特に問わない。
【００２６】
この徐冷用ＬＮＧ供給部３０は、シェル２１の側壁に貫通状態で固定された導入部３２と、この導入部３２からシェル幅方向（図２では上下方向）に延びる主幹部３４と、この主幹部３４の長手方向に複数配列された散布部３６とを備えている。
【００２７】
各散布部３６の構造は、主幹部３４を通じて圧送されてきたＬＮＧを散布できるものであればよく、図３（ａ）に示すようなスプレーノズル３６ａや、同図（ｂ）に示すような多孔板シャワーノズル３６ｂ等が好適である。また、噴射口が単一であっても、その首振りによって散布を行うものであってもよい。
【００２８】
この実施の形態では、図１に示すように、各散布部３６の散布方向が若干斜め上方を向いており、その散布領域に、管板２５の内壁略全面が含まれ、かつ、シェル２１の底壁と管板２５との接合部分（溶接個所）２７Ａ及び管板２５と仕切り板２０との接合部分（溶接個所）２７Ｂとが含まれるように、各散布部３６が配置されている。
【００２９】
この実施の形態にかかるＬＮＧの供給系統を図４に示す。ＬＮＧ供給源からの供給通路は、通常運転用供給通路３８と徐冷用供給通路４０とに分岐しており、通常運転用供給通路３８が通常運転用ＬＮＧ供給部２８に接続され、徐冷用供給通路４０が徐冷用ＬＮＧ供給部３０に接続されている。
【００３０】
各供給通路３８，４０には、流量調節手段としての遠隔調節弁４４，４４が個別に設けられている。通常運転用供給通路３８側の遠隔調節弁４４は、ＬＮＧ供給流量を予め設定された目標流量に維持するように動作する。一方、遠隔調節弁４４は、手動で遠隔操作できる（すなわち流量調節できる）ように構成されている。
【００３１】
次に、この装置の運転方法を説明する。
【００３２】
まず、常温からの起動時には、流量調節弁４２を閉止させて通常運転用供給通路３８におけるＬＮＧ流量を０にし、遠隔調節弁４４を適度に開いて専ら徐冷用供給通路４０を通じて入口室２２内へのＬＮＧ供給を小流量（通常運転時よりも小さな流量）にて行う。このＬＮＧは、徐冷用ＬＮＧ供給部３０の主幹部３４から各散布部３６に分配され、各散布部３６から管板２５に向けて広い領域にわたり散布される。
【００３３】
従って、この徐冷方法によれば、従来の徐冷方法、すなわち、通常運転用ＬＮＧ供給部２８からＬＮＧを僅かずつ流下させる徐冷方法のように、入口室２２の下部のみが先行して局所的に冷やされることがほとんどなくなり、入口室２２内は上下方向全域にわたって略均一に冷やされていくことになる。このため、入口室２２を形成する部材に発生する熱応力は有効に緩和される。特に、図示のように、仕切り板２０と管板２５との接合部分（溶接個所）２７Ｂや、管板２５とシェル２１との接合部分（溶接個所）２７Ａを散布領域に含ませるようにすれば、仕切り板２０と管板２５との温度差や管板２５とシェル２１との温度差をより確実に減らすことができ、当該温度差に起因する熱応力による溶接個所の疲労破損をより有効に防止できる。
【００３４】
このようにして徐冷が完了した後は、遠隔調節弁４４を全閉にし、もしくは遠隔制御弁４４を開いたまま、流量調節弁４２を作動させて、従来通り通常運転用供給通路３８及び通常運転用ＬＮＧ供給部２８を通じてＬＮＧの供給を行うようにすればよい。徐冷完了の判断は、例えば入口室２２内の温度を監視することにより、行うことができる。
【００３５】
第２の実施の形態を図５に示す。ここでは、前記第１の実施の形態で示した主幹部３４が省略され、シェル２１の底壁に徐冷用ＬＮＧ供給部３０の散布部３６が直付けされている。この散布部３６は、上向きに近い斜め上向きにＬＮＧを散布し、かつ、その散布領域に仕切り板２０と管板２５との接合部分（溶接個所）２７Ｂを含むように配置されている。
【００３６】
この実施の形態においても、散布領域に入口室２２の内壁上半部が含まれているため、特に入口室２２の下部の局所的冷却が緩和され、大きな熱応力の発生が防がれる。また、散布領域に仕切り板２０と管板２５との接合部分（溶接個所）が含まれているため、当該溶接個所での疲労破損がより有効に防がれる。
【００３７】
なお、この実施の形態においても、散布部３６は複数個所に分散配置することが好ましい。ただし、本発明は、散布部３６が単数である場合や、散布領域が前記実施形態で示した領域以外である場合でも、その散布によって従来よりも入口室２２における熱応力の発生を緩和することが可能である。
【００３８】
その他、本発明は例えば次のような形態をとることも可能である。
【００３９】
・前記図４に示した供給系統において、同図に示す遠隔調節弁４４に代え、入口室２２内の温度を予め設定された目標温度に保つように作動する温度調節弁を設けるようにすれば、例えば熱交換器の運転を一時中断する際の徐冷運転にも本発明を適用することが可能になる。また、遠隔調節弁４４を用いても、同じく一時中断時の徐冷運転が手動操作でできることはいうまでもない。
【００４０】
・本発明では、入口室２２の具体的な構造を問わず、例えば出口室２４から離れた位置に独立して入口室２２が形成されているものにも本発明の適用が可能である。ただし、図例のように入口室２２が仕切り板２０などの仕切り部材を介して出口室２４と隣接するものでは、当該仕切り板２０側の温度が比較的高く維持されて反対側のシェル底壁との温度勾配が大きくなるので、かかる構造に本発明を適用することにより、その効果はより著しいものとなる。
【００４１】
・本発明では、熱交換器の取扱う低温液体の種類を問わず、ＬＮＧ以外の低温液体を加温する熱交換器にも広く適用が可能である。また、熱交換器の全体構造も上記のような中間媒体式のものに限らず、例えば低温液体を海水等の熱源と直接熱交換させるものや、大気と熱交換させるもの等についても本発明の適用が可能である。
【００４２】
【実施例】
前記入口室２２の近傍において、図６に示す８つの位置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈに熱電対を配設するとともに、同図に示す７つの位置１，２，３，４，５，６，７に歪みゲージを配設して、従来の徐冷方法及び本発明方法を実施したときの温度分布及び熱応力分布の測定を行った。その結果を表１及び表２に示す。
【００４３】
【表１】
Figure 0004291459
【００４４】
【表２】
Figure 0004291459
これらの表に示されるように、本発明法によれば、従来の徐冷方法に比べ、温度が均一化され、周方向熱応力の最大値（歪みゲージNo.１、従来法：−11.7Kg/mm2、本発明法−6.8Kg/mm2）が約60％に低下し、また軸方向熱応力の最大値（歪みゲージNo.３、従来法：−18.8Kg/mm2、本発明法−6.0Kg/mm2）が約30％に低下していることが理解できる。
【００４５】
また、前記運転を行ったときの本体の起動所要時間を次の表３に示す。この表に示されるように、従来法では、熱応力の制限から、徐冷時のＬＮＧ流量を上げられないが、本発明法によれば、上述のような熱応力緩和を実現しながら、徐冷時ＬＮＧ流量を従来法よりも増やして起動所要時間を約１／２に短縮することが可能である。
【００４６】
【表３】
Figure 0004291459
【００４７】
【発明の効果】
以上のように本発明は、熱交換器の入口室内に低温液体を導入するにあたり、その徐冷時には、通常運転用供給部とは別の徐冷用供給部から通常運転時よりも少ない流量で前記入口室内に低温液体を散布する方法であり、またその散布を行う徐冷用供給部が前記通常運転用供給部と併設された装置であるので、当該徐冷の際に発生する温度勾配を小さくして、熱応力の発生を有効に抑えることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかるＬＮＧ蒸発器の入口室構造を示す断面正面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】（ａ）（ｂ）は前記ＬＮＧ蒸発器における散布部の具体的構造例を示す図である。
【図４】前記ＬＮＧ蒸発器へのＬＮＧ供給系統図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態にかかるＬＮＧ蒸発器の入口室構造を示す断面正面図である。
【図６】本発明の実施例における熱電対及び歪みゲージの取付位置を示す断面正面図である。
【図７】低温液体用熱交換器の一例であるＬＮＧ蒸発器を備えた中間媒体式気化器の全体構造を示す断面正面図である。
【図８】従来のＬＮＧ蒸発器の入口室構造を示す断面図である。
【図９】従来のＬＮＧ蒸発器における入口室の温度勾配を示す図である。
【符号の説明】
Ｅ１ 中間媒体蒸発器
Ｅ２ ＬＮＧ蒸発器
２０ 仕切り板
２２ 入口室
２４ 出口室
２８ 通常運転用ＬＮＧ供給部
３０ 徐冷用ＬＮＧ供給部
３６ 散布部

Claims (9)

  1. 低温液体が導入される入口室を備えた低温液体加温用の熱交換器を徐冷する方法であって、前記入口室に通常運転用供給部と散布機能をもつ徐冷用供給部とを併設し、通常運転時には少なくとも前記通常運転供給部から入口室内に低温液体を供給し、徐冷時には通常運転時よりも少ない流量で前記徐冷用供給部からのみ前記入口室内に低温液体を散布することを特徴とする熱交換器の徐冷方法。
  2. 低温液体が導入される入口室を備えた低温液体加温用の熱交換器を徐冷する装置であって、前記入口室に、当該入口室内に低温液体を散布する徐冷用供給部と、この徐冷用供給部よりも大きな流量で低温液体を供給するための通常運転用供給部とを併設したことを特徴とする熱交換器の徐冷装置。
  3. 請求項２記載の熱交換器の徐冷装置において、前記徐冷用供給部を、前記入口室内の複数個所から低温液体を散布するように構成したことを特徴とする熱交換器の徐冷装置。
  4. 請求項２または３記載の熱交換器の徐冷装置において、前記徐冷用供給部を、その散布領域に前記入口室の上半部内壁の少なくとも一部が含まれるように設置したことを特徴とする熱交換器の徐冷装置。
  5. 請求項２〜４のいずれかに記載の熱交換器の徐冷装置において、前記徐冷用供給部を、その散布領域に前記入口室における溶接個所が含まれるように設置したことを特徴とする熱交換器の徐冷装置。
  6. 請求項２〜５のいずれかに記載の熱交換器の徐冷装置において、共通の低温液体供給源から前記通常運転用供給部と徐冷用供給部とに分岐する供給通路を設けるとともに、前記徐冷用供給部に至る供給通路に前記通常運転用供給部に至る供給通路と独立して供給流量を変化させるための流量可変手段を設けたことを特徴とする熱交換器の徐冷装置。
  7. 請求項６記載の熱交換器の徐冷装置において、前記流量可変手段が手動で遠隔操作されることにより低温液体の流量を変化させる遠隔調節弁であることを特徴とする熱交換器の徐冷装置。
  8. 請求項６記載の熱交換器の徐冷装置において、前記流量可変手段が入口室内の温度を予め設定された目標温度に保つように低温液体の流量を調節する温度調節弁であることを特徴とする熱交換器の徐冷装置。
  9. 請求項２〜８のいずれかに記載の熱交換器の徐冷装置において、前記入口室が仕切り部材を介して低温液体蒸発ガスの出口室と隣接していることを特徴とする熱交換器の徐冷装置。
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