JP4723468B2 - 液化ガス気化システムおよびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は液化ガスを完全に気化させ、所定の温度で所定量のガスを供給することができる液化ガス気化システムおよびその制御方法に関する。

従来、液化ガスの気化システムの一例として、液化ガスタンク、液化ガス供給装置および気化器等から構成されたＬＮＧ（Liquefied Natural Gas）気化設備が挙げられる。このＬＮＧ気化設備においては、液化ガスを完全に気化させ、所定温度で所定量のガスを供給することを目的とする。

また、特許文献１には、ＬＮＧをクーラ用冷却液として用いることのできるスターリングエンジンについて開示されている。特許文献１記載のスターリングエンジンにおいては、ディスプレーサーシリンダーのヘッドに出入するガスを冷却する断熱材を用いて形成された、冷却液の取り込み口及び出口を有するクーラと、一端部をヘッド内の圧縮空間に連通し、他端部をディスプレーサーシリンダーのディスプレーサーピストンを隔てた膨張空間に連通し、ディスプレーサーシリンダーの外周に設けられた再生熱交換器と、ディスプレーサーシリンダーの外周でクーラの反対側に設けられたヒータと、ディスプレーサーシリンダーの膨張空間に連通して設けられた、パワーピストンを有するパワーシリンダーと、両ピストンに位相差をもたしめて連結されたクランクシャフト等の回転装置と、から成るものである。

その結果、スターリングエンジンは、ＬＮＧをクーラ用冷却液として用いることができる効果が記載されている。

特開平１１−０２２５５０号公報

ここで、液化ガスをクーラ用冷却液として用いることができるスターリングエンジンとは、液化ガスを冷却源とし、温熱源との間で熱交換をすることによって動力回収をすることができるスターリングエンジンである。

しかしながら、特許文献１記載のＬＮＧをクーラ用冷却液として用いることのできるスターリングエンジンを、気化システムに組み込んだ場合、スターリングエンジンのクーラ内において、液化ガスの一部が気化し、液相状態と気相状態とのニ相流体が発生し、後段の気化器に、これらのニ相流体が供給される可能性がある。

この後段の気化器においてニ相流体が供給された場合、気化器内における特別な気液分散構造を気化器に追加し、大幅な構造変更を行なうか、各気化器配管内への不均一分配または気化器配管内での液相の偏流が起こり、気化器内において、十分な気化が起こらずに排出口で所定温度、所定量の気体を得ることができない状態となる。また、後段の気化器においてニ相流体が供給された場合、気化器内における各気化器配管において配管振動が発生する。その結果、気化器へのニ相流体の供給を防止し一般の気化システムと同様に、システムの最後で気化が完全に終了し、所定温度で所定量の気体を回収できることが望まれる。

また、他の問題として、気化システムの一部にスターリングエンジンを活用する場合、ＬＮＧ気化設備の立地条件によっては、動力の利用先がない場合がある。その場合、回収した動力を有効活用できないという課題もある。

さらに、ＬＮＧ気化設備では、冷熱利用、または蓄熱利用のため熱源が必要となるが、ＬＮＧ気化設備の立地条件によっては熱源が確保できない可能性があり課題となる。また、システムを配置する場所によっては、スターリングエンジン温熱源に使用する熱源が存在しない場合や、連続的に熱が得られない場合が考えられる。この場合、液化ガスの冷熱エネルギーを十分に活用し、高い効率での動力回収を行なうことができないことが課題となる。

本発明の目的は、スターリングエンジンを有する液化ガス気化システムにおいて、状態変化装置へのニ相流体の供給を防止し、安定して所定温度で所定流量のガスを回収できる液化ガス気化システムおよびその制御方法を提供することである。

また、本発明の他の目的は、状態変化装置へのニ相流体の供給を防止し、安定して所定温度で所定流量のガスを回収し、さらにスターリングエンジンにおいて使用する熱源を容易に確保でき、かつスターリングエンジンから回収した動力を有効活用することができる液化ガス気化システムおよびその制御方法を提供することである。

課題を解決するための手段および発明の効果

（１）
本発明に係る液化ガス気化システムは、スターリングエンジンを有する液化ガス気化システムであって、液化ガス気化システムは、所定の気体を液相状態で貯蔵可能な液化ガスタンクと、液化ガスタンクから供給される液化ガスの流量を調整する液化ガス流量調整装置と、液化ガス流量調整装置の下流に設けられ、調整された流量の液化ガスの熱量を利用して動力を発生させるスターリングエンジンと、スターリングエンジンに熱量を受け渡した液化ガスを気化ガスとして排出可能な状態変化装置と、状態変化装置の取り込み口における液化ガスの圧力および温度を検出する検出装置と、を含み、ガス流量調整装置は、状態変化装置の取り込み口における液化ガスの圧力および温度に基づいて液化ガスの流量を調整することができるものである。

本発明に係る液化ガス気化システムにおいては、液化ガスタンクに液相状態で貯蔵された気体が、液化ガスの流量を調整する液化ガス流量調整装置を介して液化ガスタンクからスターリングエンジンに供給され、液化ガスの熱量が受け渡され、スターリングエンジンにおいて動力が発生される。また、液化ガスの単相の液相状態または液化ガスの単相の気相状態のいずれか一方の単相流の状態における液化ガスが、状態変化装置により状態変化され、気相の液化ガスとして排出される。さらに、当該状態変化装置の取り込み口において、検出装置により液化ガスの圧力および温度が検出される。

この場合、ガス流量調整装置が、状態変化装置の取り込み口における液化ガスの圧力および温度に基づいて液化ガスの流量を調整することができるので、液化ガスが液化ガスの単相の液相状態または液化ガスの単相の気相状態のいずれか一方の単相流の状態となるように液化ガス流量調整装置を制御することができる。また、スターリングエンジンにおいて液化ガスの熱量を利用して、容易に動力を取り出すことができる。さらに、状態変化装置内における不均一分配または液相の偏流を防止することができ、状態変化装置への二相流体の供給を防止し、安定して所定温度で所定流量のガスを回収することができる。

（２）
状態変化装置は、液化ガスを気化する液化ガス気化器であってもよい。

この場合、状態変化装置が液化ガス気化器からなるので、液化ガス気化器内において単相の液相状態からなる液化ガスを安定して気化することができる。また、液化ガス流量調整装置を使用することにより十分に気化された所定量のガスを液化ガス気化器の出口において供給することができる。

（３）
状態変化装置は、液化ガス昇温器であってもよい。

この場合、状態変化装置が液化ガス昇温器からなるので、液化ガス昇温器内において単相の気相状態からなる液化ガスを安定して昇温させることができる。また、液化ガス流量調整装置を使用することによりスターリングエンジンにおいて液化ガスの顕熱と蒸発潜熱を完全に使用することができ、動力を大きくとることができる。なお、液化ガス昇温器の代わりにボイルオフガス（ＢＯＧ）加温器を用いてもよい。

（４）
液化ガス流量調整装置は、状態変化装置の取り込み口の圧力および温度を液化ガスが単相の液相状態を維持する範囲の温度および圧力となるように液化ガスの流量を調整してもよい。

この場合、液化ガスが単相の液相状態を維持するように液化ガスの流量が調整されるので、状態変化装置への液相状態および気相状態からなるニ相流体の供給を防止し、安定して所定流量のガスを回収することができる。

（５）
液化ガス流量調整装置は、状態変化装置の取り込み口の圧力および温度を液化ガスが単相の気相状態を維持する範囲の温度および圧力となるように液化ガスの流量を調整してもよい。

この場合、液化ガスが単相の気相状態を維持するように液化ガスの流量が調整されるので、状態変化装置への液相状態および気相状態からなるニ相流体の供給を防止し、安定して所定流量のガスを回収することができる。

（６）
液化ガス流量調整装置とスターリングエンジンとの間に設けられた液化ガス分配装置と、状態変化装置の取り込み口に設けられ液化ガスの流量を計測する流量計測装置と、をさらに備え、液化ガス分配装置は、液化ガス流量調整装置から供給された液化ガスをスターリングエンジンに供給する配管と流量計測装置に供給するバイパス配管とに分配し、スターリングエンジンから排出される液化ガスの配管が流量計測装置の上流におけるバイパス配管に接続されてもよい。

この場合、状態変化装置の取り込み口近傍に設けられた流量計測装置に基づいて液化ガスの流量を調整することができるので、状態変化装置から排出される気相のガスの流量を安定して取り出すことができる。また、液化ガス分配装置によりスターリングエンジンにおいて使用する液化ガスを最適な状態に維持することができるので、さらにスターリングエンジンにおいて使用する熱源を容易に確保することができる。

（７）
液化ガス分配装置と流量計測装置との間に設けられたバイパス配管に液化ガスを気化する液化ガス気化器がさらに設けられ、状態変化装置は、液化ガスを気化する昇温器からなってもよい。

この場合、液化ガス気化器の働きにより、昇温器の取り込み口に確実に単相からなる気相状態の液化ガスが供給される。その結果、液相状態および気相状態からなるニ相流体の供給を防止し、安定して所定温度で所定流量のガスを回収することができる。

（８）
スターリングエンジンから発生された動力を回収する回転動力回収装置と、回転動力回収装置により回収された動力を液化ガス流量調整装置の動力として伝達する動力連動機構と、をさらに備えてもよい。

この場合、回転動力回収装置によりスターリングエンジンから発生された動力が回収され、動力連動機構により回収された動力が液化ガス流量調整装置の動力として使用することができる。その結果、液化ガスの気化を行なうとともに、液化ガス気化システムにおけるシステム全体のエネルギー消費量を削減し、有効利用をすることが可能になる。

（９）
スターリングエンジンの熱源として、定置式蓄熱装置または移動式蓄熱装置を用い、定置式蓄熱装置または移動式蓄熱装置から供給される熱をスターリングエンジンに使用してもよい。

この場合、従来液化ガス気化システムの周囲に放熱していた排熱を有効利用することができ、液化ガス気化システムにおけるエネルギー量を削減することができ、液化ガスの冷熱エネルギーを高効率で活用することが可能となる。

（１０）
本発明に係る液化ガス気化システムの制御方法は、液化ガスタンク内に貯蔵された液化ガスを状態変化装置に供給し、所定のガスを取り出すとともに、スターリングエンジンを介挿して液化ガスからの熱量を利用して動力を取り出すスターリングエンジンを有する液化ガス気化システムの制御方法であって、液化ガス気化システムの制御方法は、状態変化装置の取り込み口における液化ガスの圧力および温度を検出する検出処理と、状態変化装置の取り込み口における液化ガスの圧力および温度に基づいて液化ガスの流量を調整する液化ガス流量調整処理と、を含むものである。

本発明に係る液化ガス気化システムの制御方法においては、状態変化装置の取り込み口における液化ガスの圧力および温度に基づいて液化ガスの流量を調整するものである。

この場合、液化ガスが状態変化装置において単相流となるように液化ガス流量調整処理を制御することができる。また、スターリングエンジンにより容易に動力を取り出すことができる。その結果、状態変化装置内における不均一分配または液相の偏流を防止することができ、状態変化装置へのニ相流体の供給を防止し、安定して所定温度で所定流量のガスを回収することができる。

（第１の実施の形態）
以下、本発明に係る第１の実施の形態から第６の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本発明に係る第１の実施の形態におけるスターリングエンジンを利用した液化ガス気化システム１００の一例を示す模式図である。

図１に示すように、スターリングエンジンを利用した液化ガス気化システム１００においては、液化ガスタンク２００、液化ガス流量調整装置３００、スターリングエンジン４００、動力回収装置５００、熱交換器６００、圧力計測装置７１０、温度計測装置７２０、制御部７５０および液化ガス気化器８００を含む。

スターリングエンジン４００は、クーラ４１０、第１シリンダ４２０、パワーピストン４３０、クランク４４０、フライホイール４４５、第２シリンダ４５０、ディスプレーサーピストン４６０、ヒータ４７０、ポンプ４８０および開閉弁４９０を含む。

液化ガスタンク２００は、液化ガス流量調整装置３００に液化ガスを供給し、液化ガス流量調整装置３００はスターリングエンジン４００に液化ガスを供給する。スターリングエンジン４００は、クーラ４１０内において液化ガスの熱量を利用し、利用後の液化ガスを液化ガス気化器８００に供給する。ここで、スターリングエンジン４００の出口から液化ガス気化器８００の取り込み口までにおける配管において圧力計測装置７１０および温度計測装置７２０が設けられている。圧力計測装置７１０および温度計測装置７２０は、液化ガス気化器８００の取り込み口近傍における液化ガスの温度および圧力を測定し、制御部７５０に与える。制御部７５０は、圧力計測装置７１０，温度計測装置７２０からの信号ＴＳ，ＰＳに応じて液化ガス流量調整装置３００に指示を与える。液化ガス流量調整装置３００は、制御部７５０から与えられた指示に基づいて配管内を流通させる液化ガスの流量を調整する。

スターリングエンジン４００は、クーラ４１０に与えられた液化ガスの潜熱を利用して、第１シリンダ４２０内の気体を冷却する。また、第２シリンダ４５０内の空気は、ヒータ４７０により加熱される。ヒータ４７０内の加熱媒体は、ポンプ４８０および開閉弁４９０により循環され、循環途中に設けられた熱交換器６００により熱が供給され、ヒータ４７０内に戻される。それによりパワーピストン４３０、ディスプレーサーピストン４６０が位相差を保持しつつ往復運動を行い、クランク４４０が回転する。また、クランク４４０に設けられたフライホイール４４５によりクランク４４０の回転が安定化され、動力回収装置５００に動力が与えられる。

次に、本実施の形態におけるスターリングエンジン４００を利用した液化ガス気化システム１００の制御システムについて説明する。

図２は、スターリングエンジンを利用した液化ガス気化システム１００の制御システムにおける制御部７５０の動作の一例を示すフローチャート図である。

まず、制御部７５０のＣＰＵは、圧力計測装置７１０および温度計測装置７２０から受け取る信号ＴＳ，ＲＳに基づいて、気化器取り込み口圧力Ｐ０および気化器取り込み口温度Ｔ０の計測値を取得する（ステップＳ１）。

次に、ＣＰＵは、ステップＳ１において計測された気化器取り込み口圧力Ｐ０が下限圧力閾値Ｐ１よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ２）。気化器取り込み口圧力Ｐ０が下限圧力閾値Ｐ１よりも小さいと判定した場合、ＣＰＵは、気化器取り込み口温度Ｔ０が上限温度閾値Ｔ１よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ３）。気化器取り込み口温度Ｔ０が上限温度閾値Ｔ１よりも大きいと判定した場合、ＣＰＵは液化ガスの流量を増加させるように液化ガス流量調整装置３００に信号を与える（ステップＳ４）。なお、具体的にステップＳ４の処理においては、運転圧力から沸点である上限温度閾値Ｔ１を推算し、気化器取り込み口温度Ｔ０と比較している。

一方、気化器取り込み口温度Ｔ０が上限温度閾値Ｔ１よりも大きくないと判定した場合、ＣＰＵは気化器取り込み口温度Ｔ０が下限温度閾値Ｔ２よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ５）。気化器取り込み口温度Ｔ０が下限温度閾値Ｔ２よりも小さくないと判定した場合、ＣＰＵは液化ガスの流量を維持するように液化ガス流量調整装置３００に信号を与える（ステップＳ６）。

また、気化器取り込み口温度Ｔ０が下限温度閾値Ｔ２よりも小さいと判定した場合、ＣＰＵは液化ガスの流量を低下させるように液化ガス流量調整装置３００に信号を与える（ステップＳ７）。

一方、ステップＳ２の処理において気化器取り込み口圧力Ｐ０が下限圧力閾値Ｐ１より小さくないと判定した場合、気化器取り込み口温度Ｔ０が上限温度閾値Ｔ１よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ８）。気化器取り込み口温度Ｔ０が上限温度閾値Ｔ１より大きいと判定した場合、ＣＰＵは、ステップＳ４の処理と同じく液化ガスの流量を増加させるように液化ガス流量調整装置３００に信号を与える。

また、気化器取り込み口温度Ｔ０が上限温度閾値Ｔ１よりも大きくないと判定した場合、ＣＰＵは、気化器取り込み口温度Ｔ０が下限温度閾値Ｔ２よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ９）。気化器取り込み口温度Ｔ０が下限温度閾値Ｔ２よりも小さいと判定した場合、ＣＰＵは、ステップＳ７の処理と同じく液化ガスの流量を低下させるように液化ガス流量調整装置３００に信号を与える。

一方、気化器取り込み口温度Ｔ０が下限温度閾値Ｔ２よりも小さくないと判定した場合、気化器取り込み口圧力Ｐ０が上限圧力閾値Ｐ２よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１０）。気化器取り込み口圧力Ｐ０が上限圧力閾値Ｐ２よりも大きいと判定した場合、ＣＰＵはステップＳ７の処理と同じく液化ガスの流量を低下させるように液化ガス流量調整装置３００に信号を与える。

また、気化器取り込み口圧力Ｐ０が上限圧力閾値Ｐ２よりも大きくないと判定した場合、ＣＰＵはステップＳ６の処理と同じく液化ガスの流量を維持するように液化ガス流量調整装置３００に信号を与える。ＣＰＵはステップＳ４、ステップＳ６およびステップＳ７における処理を行った後、再度ステップＳ１の処理に戻り、計測値を取得し、ステップＳ１からステップＳ１０までの処理を繰り返し行なう。

以下、具体例を用いて説明を行なう。例えば、液化ガスタンク２００に蓄積された液化ガスが液体窒素からなり、液化ガスタンク２００内において液体窒素が温度８０Ｋ、圧力１．０ＭＰａの状態で格納されている場合を考慮する。

スターリングエンジン４００のクーラ４１０を液体窒素が通過することにより、液化ガス気化器８００の取り込み口における圧力が、配管圧損のために０．７８ＭＰａまで低下すると仮定した場合、０．７８ＭＰａの液体窒素の飽和温度が１００Ｋであることから、８０Ｋから１００Ｋまでの温度差２０Ｋの顕熱をスターリングエンジン４００のクーラ４１０において使用することができる。

この場合、液化ガス気化器８００の取り込み口における液体窒素の圧力が０．７８ＭＰａ以上で、かつ温度が１００Ｋ以下の範囲に維持することができれば、液化窒素を単相の液相として液化ガス気化器８００に供給することが可能となる。

したがって、図２に示したように、圧力計測装置７１０および温度計測装置７２０により計測される気化器取り込み口圧力Ｐ０および気化器取り込み口温度Ｔ０の計測値が所定の条件を満たすように制御を行なう。すなわち、圧力計測装置７１０により計測された気化器取り込み口圧力Ｐ０が下降した場合、設定された下限圧力閾値Ｐ１を下回ることを確認し、液化ガス流量調整装置３００に液化ガス流量を増加させる制御を行い、液化ガス流量が増加することによって、圧力計測装置７１０の圧力が上限圧力閾値Ｐ２を上回ることを確認し、液化ガス流量調整装置３００の液化ガス流量を低下させる制御を行なう。

さらに、温度計測装置７２０により計測された気化器取り込み口温度Ｔ０が上昇した場合、設定された上限温度閾値Ｔ１を上回ることを確認し、液化ガス流量調整装置３００の液化ガス流量を増加させる制御を行い、液化ガス流量が増加することによって、温度計測装置７２０により計測された気化器取り込み口温度Ｔ０が下限温度閾値Ｔ２を下回ることを確認し、液化ガス流量調整装置３００の液化ガス流量を低下させる制御を行なう。

さらに、本実施の形態においては、スターリングエンジン４００のクーラ４１０の冷却能力Ｑｃ[ＫＷ]について、液化ガス流量ＭＬｇ[Ｋｇ／ｓｅｃ]、液化ガス比熱ＣｐＬｇ[ＫＪ／ＫｇＫ]および利用可能温度差ΔＴ[Ｋ]（飽和温度Ｔ１[Ｋ]−貯蔵温度Ｔｏ[Ｋ]）の条件が、下記の式を満足する必要がある。

Ｑｃ＜ＭＬｇ×ＣｐＬｇ×ΔＴ・・・（１）

この式（１）の条件を満たすことにより、クーラ４１０部分で過剰な熱供給を防ぎ、クーラ４１０内における液化ガスの二相状態の発生を防止することができる。

このように、スターリングエンジン４００を利用した液化ガス気化システム１００の制御システムにおいては、液化ガス気化器８００の取り込み口に配設した圧力計測装置７１０および温度計測装置７２０による計測値に基づいて、液化ガス流量調整装置３００により液化ガスの流量を制御することで、液化ガス気化器８００の取り込み口における液化ガスを、単相の液相状態に維持することができる。

（第２の実施の形態）
次に、図３は、本発明に係る第２の実施の形態におけるスターリングエンジンを利用した液化ガス気化システム１００ａの一例を示す模式図である。

図３に示すスターリングエンジン４００を利用した液化ガス気化システム１００ａが図１に示すスターリングエンジン４００を利用した液化ガス気化システム１００と異なるのは以下の点である。

図３に示すスターリングエンジン４００を利用した液化ガス気化システム１００ａは、スターリングエンジン４００を利用した液化ガス気化システム１００の構成にさらに、液化ガス分配装置３１０、流量計測装置７３０、バイパス配管ＢＰを備える。バイパス配管ＢＰの一端側は液化ガス分配装置３１０に接続され、バイパス配管ＢＰの他端側は液化ガス気化器８００の取り込み口に接続される。また、バイパス配管ＢＰの途中には、スターリングエンジン４００により使用された液化ガスが戻される。また、流量計測装置７３０は、バイパス配管Ｐの液化ガス気化器８００の取り込み口近傍に配設される。

液化ガスタンク２００は、液化ガス流量調整装置３００に液化ガスを供給し、液化ガス流量調整装置３００は液化ガス分配装置３１０に液化ガスを供給する。液化ガス分配装置３１０は、バイパス配管ＢＰおよびスターリングエンジン４００に液化ガスを分配する。スターリングエンジン４００は、クーラ４１０内において液化ガスの熱量を利用し、利用後の液化ガスをバイパス配管ＢＰの途中に供給する。ここで、スターリングエンジン４００の出口からバイパス配管ＢＰに供給されるまでにおける配管において圧力計測装置７１０および温度計測装置７２０が設けられている。圧力計測装置７１０および温度計測装置７２０は、配管内を流れる液化ガスの温度および圧力を測定し、信号ＴＳ，ＰＳを制御部７５０に与える。制御部７５０は、圧力計測装置７１０および温度計測装置７２０からの信号ＴＳ，ＰＳに応じて液化ガス分配装置３１０に指示を与える。液化ガス分配装置３１０は、制御部７５０から与えられた指示に基づいてバイパス配管ＢＰおよびスターリングエンジン４００に流通させる液化ガスの分配比率を調整する。また、流量計測装置７３０はバイパス配管ＢＰ内の液化ガスの流量を計測し、制御部７５０に与える。制御部７５０は、流量計測装置７３０からの信号ＦＳに応じて液化ガス流量調整装置３００に指示を与える。液化ガス流量調整装置３００は制御部７５０からの指示に応じて液化ガスの流量を調整する。

スターリングエンジン４００は、クーラ４１０に与えられた液化ガスの潜熱を利用して、第１シリンダ４２０内の気体を冷却する。また、第２シリンダ４５０内の空気は、ヒータ４７０により加熱される。ヒータ４７０内の加熱媒体は、ポンプ４８０および開閉弁４９０により循環され、循環途中に設けられた熱交換器６００により熱が供給され、ヒータ４７０内に戻される。それによりパワーピストン４３０、ディスプレーサーピストン４６０が位相差を保持しつつ往復運動を行い、クランク４４０が回転する。また、クランク４４０に設けられたフライホイール４４５によりクランク４４０の回転が安定化され、動力回収装置５００に動力が与えられる。

この場合、液化ガス気化器８００の取り込み口に配設した流量計測装置７３０およびバイパス配管ＢＰを設け、液化ガス流量調整装置３００により液化ガスの流量を制御することで、安定した気化された液化ガスを液化ガス気化器８００から得ることができる。すなわち、スターリングエンジン４００のクーラ４１０において液化ガスを必要としない場合でも、バイパス配管ＢＰ内に液化ガスを供給することで所望量の気化された液化ガスを得ることができる。

また、スターリングエンジン４００の下流に配設した圧力計測装置７１０および温度計測装置７２０による計測値に基づいて、液化ガス分配装置３１０により液化ガスの流量比率を制御することで、液化ガス気化器８００の取り込み口における液化ガスを、単相の液相状態に維持することができる。

（第３の実施の形態）
次に、図４は、本発明に係る第３の実施の形態におけるスターリングエンジンを利用した液化ガス気化システム１００ｂの一例を示す模式図である。

図４に示すスターリングエンジン４００を利用した液化ガス気化システム１００ｂが図１に示すスターリングエンジン４００を利用した液化ガス気化システム１００と異なるのはスターリングエンジン４００を利用した液化ガス気化システム１００の構成の液化ガス気化器８００の代わりに液化ガス昇温器９００を設けた点である。すなわち、図１に示すスターリングエンジン４００を利用した液化ガス気化システム１００においては、単相の液相状態からなる液化ガスを液化ガス気化器８００に供給することを目的としたが、本実施の形態においては、単相の気相状態からなる液化ガスを液化ガス昇温器９００に供給することを目的とする点で相違する。

液化ガスタンク２００は、液化ガス流量調整装置３００に液化ガスを供給し、液化ガス流量調整装置３００はスターリングエンジン４００に液化ガスを供給する。スターリングエンジン４００は、クーラ４１０内において液化ガスの熱量を利用し、利用後の液化ガスを液化ガス昇温器９００に供給する。ここで、スターリングエンジン４００の出口から液化ガス昇温器９００の取り込み口までにおける配管において圧力計測装置７１０、温度計測装置７２０が設けられている。圧力計測装置７１０および温度計測装置７２０は、配管内を流れる液化ガスの温度および圧力を測定し、信号ＴＳ，ＰＳを制御部７５０に与える。制御部７５０は、圧力計測装置７１０，温度計測装置７２０からの信号ＴＳ，ＰＳに応じて液化ガス流量調整装置３００に指示を与える。液化ガス流量調整装置３００は、制御部７５０から与えられた指示に基づいて配管内を流通させる液化ガスの流量を調整する。

スターリングエンジン４００は、クーラ４１０に与えられた液化ガスの潜熱を利用して、第１シリンダ４２０内の気体を冷却する。また、第２シリンダ４５０内の空気は、ヒータ４７０により加熱される。ヒータ４７０内の加熱媒体は、ポンプ４８０および開閉弁４９０により循環され、循環途中に設けられた熱交換器６００により熱が供給され、ヒータ４７０内に戻される。それによりパワーピストン４３０、ディスプレーサーピストン４６０が位相差を保持しつつ往復運動を行い、クランク４４０が回転する。また、クランク４４０に設けられたフライホイール４４５によりクランク４４０の回転が安定化され、動力回収装置５００に動力が与えられる。

次に、スターリングエンジン４００を利用した液化ガス気化システム１００ｂの制御システムについて説明する。

図５は、スターリングエンジン４００を利用した液化ガス気化システム１００ｂの制御システムにおける制御部７５０の動作の一例を示すフローチャート図である。

まず、制御部７５０のＣＰＵは、圧力計測装置７１０および温度計測装置７２０から信号ＴＳ，ＰＳを取得し、気化器取り込み口温度Ｔ０と、気化器取り込み口圧力Ｐ０との計測値を取得する（ステップＳ１１）。

次に、ＣＰＵは、ステップＳ１１において計測された気化器取り込み口圧力Ｐ０が上限圧力閾値Ｐ１よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１２）。気化器取り込み口圧力Ｐ０が上限圧力閾値Ｐ１よりも大きいと判定した場合、ＣＰＵは、気化器取り込み口温度Ｔ０が下限温度閾値Ｔ１よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１３）。気化器取り込み口温度Ｔ０が下限温度閾値Ｔ１よりも小さいと判定した場合、ＣＰＵは液化ガスの流量を増加させるように液化ガス流量調整装置３００に信号を与える（ステップＳ１４）。なお、具体的にステップＳ１４の処理においては、運転圧力から沸点である下限温度閾値Ｔ１を推算し、気化器取り込み口温度Ｔ０と比較している。

一方、気化器取り込み口温度Ｔ０が下限温度閾値Ｔ１よりも小さくないと判定した場合、ＣＰＵは気化器取り込み口温度Ｔ０が下限温度閾値Ｔ２よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１５）。気化器取り込み口温度Ｔ０が下限温度閾値Ｔ２よりも大きくないと判定した場合、ＣＰＵは液化ガスの流量を維持するように液化ガス流量調整装置３００に信号を与える（ステップＳ１６）。

また、気化器取り込み口温度Ｔ０が下限温度閾値Ｔ２よりも大きいと判定した場合、ＣＰＵは液化ガスの流量を低下させるように液化ガス流量調整装置３００に信号を与える（ステップＳ１７）。

一方、ステップＳ１２の処理において気化器取り込み口圧力Ｐ０が上限圧力閾値Ｐ１より大きくないと判定した場合、気化器取り込み口温度Ｔ０が下限温度閾値Ｔ１よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１８）。気化器取り込み口温度Ｔ０が下限温度閾値Ｔ１より小さいと判定した場合、ＣＰＵは、ステップＳ１４の処理と同じく液化ガスの流量を増加させるように液化ガス流量調整装置３００に信号を与える。

また、気化器取り込み口温度Ｔ０が下限温度閾値Ｔ１よりも小さくないと判定した場合、ＣＰＵは、気化器取り込み口温度Ｔ０が下限温度閾値Ｔ２よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１９）。気化器取り込み口温度Ｔ０が下限温度閾値Ｔ２よりも大きいと判定した場合、ＣＰＵは、ステップＳ１７の処理と同じく液化ガスの流量を低下させるように液化ガス流量調整装置３００に信号を与える。

一方、気化器取り込み口温度Ｔ０が下限温度閾値Ｔ２よりも大きくないと判定した場合、気化器取り込み口圧力Ｐ０が下限圧力閾値Ｐ２よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ２０）。気化器取り込み口圧力Ｐ０が下限圧力閾値Ｐ２よりも小さいと判定した場合、ＣＰＵはステップＳ１７の処理と同じく液化ガスの流量を低下させるように液化ガス流量調整装置３００に信号を与える。

また、気化器取り込み口圧力Ｐ０が下限圧力閾値Ｐ２よりも小さくないと判定した場合、ＣＰＵはステップＳ１６の処理と同じく液化ガスの流量を維持するように液化ガス流量調整装置３００に信号を与える。ＣＰＵはステップＳ１４、ステップＳ１６およびステップＳ１７における処理を行った後、再度ステップＳ１１の処理に戻り、計測値を取得し、ステップＳ１１からステップＳ２０までの処理を繰り返し行なう。

以下、具体例を用いて説明を行なう。例えば、液化ガスタンク２００に蓄積された液化ガスが液体窒素からなり、液化ガスタンク２００内において液体窒素が温度８０Ｋ、圧力１．０ＭＰａの状態で格納されている場合を考慮する。

スターリングエンジン４００のクーラ４１０を液体窒素が通過することにより、液化ガス昇温器９００の取り込み口における圧力が、配管圧損のために０．７８ＭＰａまで低下すると仮定した場合、０．７８ＭＰａの液体窒素の飽和温度が１００Ｋであることから、８０Ｋから１００Ｋまでの温度差２０Ｋの顕熱および蒸発潜熱を使用することができる。

この場合、液化ガス昇温器９００の取り込み口における液体窒素の圧力が０．７８ＭＰａ以下で、かつ温度が１００Ｋ以上の範囲に維持することができれば、液体窒素を単相の気相として液化ガス昇温器９００に供給することが可能となる。

したがって、図５に示したように、圧力計測装置７１０よおび温度計測装置７２０により計測される気化器取り込み口圧力Ｐ０および気化器取り込み口温度Ｔ０の計測値が条件を満たすように制御を行なう。すなわち、圧力計測装置７１０により計測された気化器取り込み口圧力Ｐ０が下降した場合、設定された下限圧力閾値Ｐ１を下回ることを確認し、液化ガス流量調整装置３００に液化ガス流量を減少させる制御を行い、液化ガス流量が減少することによって、圧力計測装置７１０の圧力が上限圧力閾値Ｐ２を上回ることを確認し、液化ガス流量調整装置３００の液化ガス流量を増加させる制御を行なう。

さらに、温度計測装置７２０により計測された気化器取り込み口温度Ｔ０が上昇した場合、設定された上限温度閾値Ｔ１を上回ることを確認し、液化ガス流量調整装置３００の液化ガス流量を減少させる制御を行い、液化ガス流量が減少することによって、温度計測装置７２０により計測された気化器取り込み口温度Ｔ０が下限温度閾値Ｔ２を下回ることを確認し、液化ガス流量調整装置３００の液化ガス流量を増加させる制御を行なう。

さらに、本実施の形態においては、スターリングエンジン４００のクーラ４１０の冷却能力Ｑｃ[Ｋｗ]について、液化ガス流量ＭＬｇ[Ｋｇ／ｓｅｃ]、液化ガス比熱ＣｐＬｇ[Ｋｊ／ＫｇＫ]、利用可能温度差ΔＴ（飽和温度Ｔ１[Ｋ]−貯蔵温度Ｔｏ[Ｋ]）および液化ガス気化潜熱ＨＬｇ[ＫＪ・Ｋｇ]の条件が、下記の式を満足する必要がある。

Ｑｃ＞ＭＬｇ×（ＣｐＬｇ×ΔＴ＋ＨＬｇ）…（２）

この式（２）の条件を満たすことにより、クーラ４１０部分で過剰な熱供給を防ぎ、クーラ４１０内における液化ガスの二相状態の発生を防止することができる。

このように、スターリングエンジン４００を利用した液化ガス気化システム１００ｃの制御システムにおいては、圧力計測装置７１０、温度計測装置７２０および流量計測装置７３０による計測値に基づいて、液化ガス流量調整装置３００による液化ガスの流量および液化ガス分配装置３１０による液化ガスの分配比率を制御することで、液化ガス昇温器９００の取り込み口における液化ガスを、単相の気相状態に維持することができる。

その結果、液化ガス昇温器９００においては、従来の気化器を使用する場合と比較して、供給された液化ガスを常温まで昇温するため使用される私用される機器の伝熱面積を縮小することが可能となる。すなわち、液化ガス昇温器９００のコンパクト化が可能となり、スターリングエンジン４００を利用した液化ガス気化システム１００ｃの小型化が可能となる。

例えば、上記の液体窒素の例に基づいて換算してみれば、大気圧下の液体窒素（沸点７７.５３Ｋ）の場合、蒸発潜熱が２１３Ｋｊ／Ｋｇ、８０Ｋにおける比熱が１．１１２Ｋｊ／ＫｇＫであり、２７３Ｋの比熱が１．０４１Ｋｊ／ＫｇＫであるから、１Ｋｇの液体窒素を２７３Ｋまで上昇させるために必要な熱量Ｑｈ[ＫJ]は下記の式で表される。

Ｑｈ＝１×（２１３ＫＪ／Ｋｇ＋（１．０４１ＫＪ／ＫｇＫ×２７３Ｋ−１．１１２ＫＪ／ＫｇＫ×７７．５３Ｋ））＝４１０．９８ＫＪ…（３）

この式（３）より、蒸発潜熱が２１３ＫＪ／Ｋｇであるので、１９７．９８ＫＪ（４１０．９８ＫＪ−２１３ＫＪ）の熱量の昇温であれば、液化ガス昇温器９００の能力を半分以下にすることができる。

（第４の実施の形態）
次に、図６は、本発明に係る第４の実施の形態におけるスターリングエンジン４００を利用した液化ガス気化システム１００ｃの一例を示す模式図である。

図６に示すスターリングエンジン４００を利用した液化ガス気化システム１００ｃが図３に示すスターリングエンジン４００を利用した液化ガス気化システム１００ａと異なるのは以下の点である。

図６に示すスターリングエンジン４００を利用した液化ガス気化システム１００ｃは、図１のスターリングエンジン４００を利用した液化ガス気化システム１００の液化ガス気化器８００の代わりに液化ガス昇温器９００を備え、さらに液化ガス気化器８１０を含むものである。液化ガス気化器８１０は、液化ガス分配装置３１０の下流でかつ流量計測装置７３０の上流側のバイパス配管ＢＰに配設される。

この場合、バイパス配管ＢＰにさらに液化ガス気化器８１０が別途設けられるので、液化ガス昇温器９００から取得したい気化ガスの流量が増大した場合でも、所定量の液化ガスをスターリングエンジン４００に供給し、残りの液化ガスをバイパス配管ＢＰおよび液化ガス気化器８１０に供給することで、液化ガス昇温器に対して単相の気相状態からなる液化ガスを安定して供給することができる。

その結果、液化ガスの二相状態の発生を防止することができ、かつ液化ガス昇温器９００の取り込み口に配設した流量計測装置７３０による計測値に基づいて、液化ガス流量調整装置３００により液化ガスの流量を制御することで、液化ガス昇温器９００の取り込み口における液化ガスを、単相の気相状態に維持することができる。また、スターリングエンジン４００の下流に配設された圧力計測装置７１０および温度計測装置７２０による計測値に基づいて、液化ガス分配装置３１０により液化ガスの流量比率を制御することで、液化ガス昇温器９００の取り込み口における液化ガスを、単相の気相状態に維持することができる。

（第５の実施の形態）
次に、図７は、本発明に係る第５の実施の形態におけるスターリングエンジン４００を利用した液化ガス気化システム１００ｄの一例を示す模式図である。

図７に示すスターリングエンジン４００を利用した液化ガス気化システム１００ｄが図１に示すスターリングエンジン４００を利用した液化ガス気化システム１００と異なるのは、スターリングエンジン４００を利用した液化ガス気化システム１００の動力回収装置５００の代わりに、回転動力回収装置６５０、動力連動機構６６０を備えた点である。

図７に示すように、スターリングエンジン４００を利用した液化ガス気化システム１００ｄは、スターリングエンジン４００から回収した動力が、回転動力回収装置６５０により回収され、回転動力回収装置６５０に配設された動力連動機構６６０を介して液化ガス供給装置３００に供給される。それにより、他の動力により稼動していた液化ガス供給装置３００が、液化ガス供給装置３００に供給された動力により稼動するようになる。

以上のように、液化ガス気化システム１００ｄにおいては、液化ガスの気化を行なうとともに、回転動力回収装置６５０および動力連動機構６６０により回収された動力を液化ガス気化システム１００ｄ自身の液化ガス供給装置３００の動力として使用することができるので、液化ガス気化システム１００ｄにおけるシステム全体のエネルギー消費量を削減し、有効利用をすることが可能になる。

（第６の実施の形態）
次に、図８は、本発明に係る第６の実施の形態におけるスターリングエンジンを利用した液化ガス気化システム１００ｅの一例を示す模式図である。

図８に示すスターリングエンジンを利用した液化ガス気化システム１００ｅが図１に示すスターリングエンジンを利用した液化ガス気化システム１００と異なるのは、スターリングエンジンを利用した液化ガス気化システム１００の構成にさらに熱媒ポンプ６８０および移動式蓄熱装置６９０を備えた点である。

図８に示すように、スターリングエンジン４００においては、スターリングエンジン４００の熱交換器６００において、別途循環配管を形成し、当該循環配管に熱媒ポンプ６８０を介挿し、さらに循環配管に移動式蓄熱装置６９０を配設する。それにより、熱交換器６００において放熱された熱が、熱媒ポンプ６８０により循環配管内を循環される媒体により移動式蓄熱装置６９０に移される。例えば、媒体は水、他の液体等を利用することができる。

また、連続的に熱が得られない場合、移動式蓄熱装置６９０の代わりに定置式蓄熱装置を設けて、定置式蓄熱装置に熱を蓄え、必要なときに、スターリングエンジン４００のヒータ４７０に供給してもよい。

以上の方法により、従来液化ガス気化システム１００ｅの周囲に放熱していた排熱を有効利用することができ、液化ガス気化システム１００ｅにおけるエネルギー量を削減することができ、液化ガスの冷熱エネルギーを高効率で活用することが可能となる。

なお、スターリングエンジン４００の形式は、上記第１から第６までの実施の形態におけるスターリングエンジンに限定することなく、他の任意のスターリングエンジンのα型、β型、γ型、デュアルアクティング型であってもよい。

上記第１から第６までの実施の形態においては、スターリングエンジン４００がスターリングエンジンに相当し、液化ガス気化システム１００，〜，１００ｅが液化ガス気化システムに相当し、液化ガスタンク２００が液化ガスタンクに相当し、液化ガス流量調整装置３００が液化ガス流量調整装置に相当し、液化ガス気化器８００および液化ガス昇温器９００が状態変化装置に相当し、圧力計測装置７１０、温度計測装置７２０が検出装置に相当し、液化ガス気化器８００，８１０が液化ガス気化器に相当し、液化ガス昇温器９００が液化ガス昇温器に相当し、液化ガス分配装置３１０が液化ガス分配装置に相当し、流量計測装置７３０が流量計測装置に相当し、バイパス配管ＢＰがバイパス配管に相当し、回転動力回収装置６５０が回転動力回収装置に相当し、動力連動機構６６０が動力連動機構に相当し、熱媒ポンプ６８０および移動式蓄熱装置６９０が定置式蓄熱装置または移動式蓄熱装置に相当する。

本発明は、上記の好ましい第１から第６までの実施の形態に記載されているが、本発明はそれだけに制限されない。本発明の精神と範囲から逸脱することのない様々な実施形態が他になされることは理解されよう。さらに、本実施形態において、本発明の構成による作用および効果を述べているが、これら作用および効果は、一例であり、本発明を限定するものではない。

スターリングエンジンを利用した液化ガス気化システムの一例を示す模式図 スターリングエンジンを利用した液化ガス気化システムの制御システムにおける制御部の動作の一例を示すフローチャート図 スターリングエンジンを利用した液化ガス気化システムの一例を示す模式図 スターリングエンジンを利用した液化ガス気化システムの一例を示す模式図 スターリングエンジンを利用した液化ガス気化システムの制御システムにおける制御部の動作の一例を示すフローチャート図 スターリングエンジンを利用した液化ガス気化システムの一例を示す模式図 スターリングエンジンを利用した液化ガス気化システムの一例を示す模式図 スターリングエンジンを利用した液化ガス気化システムの一例を示す模式図

符号の説明

１００ 液化ガス気化システム
２００ 液化ガスタンク
３００ 液化ガス流量調整装置
３１０ 液化ガス分配装置
４００ スターリングエンジン
６５０ 回転動力回収装置
６６０ 動力連動機構
６８０ 熱媒ポンプ
６９０ 移動式蓄熱装置
７１０ 圧力計測装置
７２０ 温度計測装置
７３０ 流量計測装置
８００，８１０ 液化ガス気化器
９００ 液化ガス昇温器
ＢＰ バイパス配管

Claims (10)

1. スターリングエンジンを有する液化ガス気化システムであって、
   前記液化ガス気化システムは、
   所定の気体を液相状態で貯蔵可能な液化ガスタンクと、
   前記液化ガスタンクから供給される液化ガスの流量を調整する液化ガス流量調整装置と、
   前記液化ガス流量調整装置の下流に設けられ、調整された流量の液化ガスの熱量を利用して動力を発生させるスターリングエンジンと、
   前記スターリングエンジンに熱量を受け渡した液化ガスを気化ガスとして排出可能な状態変化装置と、
   前記状態変化装置の取り込み口における前記液化ガスの圧力および温度を検出する検出装置と、を含み、
   前記ガス流量調整装置は、前記状態変化装置の取り込み口における液化ガスの圧力および温度に基づいて前記液化ガスの流量を調整することができる液化ガス気化システム。
2. 前記状態変化装置は、前記液化ガスを気化する液化ガス気化器であることを特徴とする請求項１記載の液化ガス気化システム。
3. 前記状態変化装置は、液化ガス昇温器であることを特徴とする請求項１記載の液化ガス気化システム。
4. 前記液化ガス流量調整装置は、前記状態変化装置の取り込み口の圧力および温度を前記液化ガスが単相の液相状態を維持する範囲の温度および圧力となるように前記液化ガスの流量を調整することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液化ガス気化システム。
5. 前記液化ガス流量調整装置は、前記状態変化装置の取り込み口の圧力および温度を前記液化ガスが単相の気相状態を維持する範囲の温度および圧力となるように前記液化ガスの流量を調整することを特徴とする請求項１または請求項３に記載の液化ガス気化システム。
6. 前記液化ガス流量調整装置と前記スターリングエンジンとの間に設けられた液化ガス分配装置と、
   前記状態変化装置の取り込み口近傍に設けられ、前記液化ガスの流量を計測する流量計測装置と、をさらに備え、
   前記液化ガス分配装置は、前記液化ガス流量調整装置から供給された液化ガスを前記スターリングエンジンに供給する配管と前記流量計測装置に供給するバイパス配管とに分配し、前記スターリングエンジンから排出される液化ガスの配管が前記流量計測装置の上流のバイパス配管に接続されたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の液化ガス気化システム。
7. 前記液化ガス分配装置と前記流量計測装置との間に設けられた前記バイパス配管に前記液化ガスを気化する液化ガス気化器がさらに設けられ、
   前記状態変化装置は、液化ガスを気化する昇温器からなることを特徴とする請求項６記載の液化ガス気化システム。
8. 前記スターリングエンジンから発生された動力を回収する回転動力回収装置と、前記回転動力回収装置により回収された動力を前記液化ガス流量調整装置の動力として伝達する動力連動機構と、をさらに備えたことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の液化ガス気化システム。
9. 前記スターリングエンジンの熱源として、定置式蓄熱装置または移動式蓄熱装置を用い、前記定置式蓄熱装置または移動式蓄熱装置から供給される熱を前記スターリングエンジンに使用することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の液化ガス気化システム。
10. 液化ガスタンク内に貯蔵された液化ガスを状態変化装置に供給し、所定のガスを取り出すとともに、スターリングエンジンを介挿して前記液化ガスからの熱量を利用して動力を取り出すスターリングエンジンを有する液化ガス気化システムの制御方法であって、
    前記液化ガス気化システムの制御方法は、
    前記状態変化装置の取り込み口における前記液化ガスの圧力および温度を検出する検出処理と、
    前記状態変化装置の取り込み口における液化ガスの圧力および温度に基づいて前記液化ガスの流量を調整する液化ガス流量調整処理と、を含むことを特徴とする液化ガス気化システムの制御方法。