JP4731042B2

JP4731042B2 - 高圧ガス供給設備

Info

Publication number: JP4731042B2
Application number: JP2001148939A
Authority: JP
Inventors: 篤小林; 忠史佐藤; 伸之高橋; 直良石川; 利行高橋
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2001-05-18
Filing date: 2001-05-18
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2021-05-18
Also published as: JP2002340297A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧ガス供給設備に関し、詳しくは、ガス使用設備に大量のガスを供給する設備であって、特に、ローリーに搭載した低温液化ガスをポンプで昇圧し、蒸発器で気化させて供給するのに適した高圧ガス供給設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ガスを使用する形態として、装置等に定常的にガスを供給する使用方法と、数日から数週間にわたってスポット的にガスを供給する非定常的な使用方法とがある。前者の場合は、ガスの使用量に応じた容量の低温液化ガス貯槽と蒸発器とをユーザーの敷地内に設置し、貯槽内の低温液化ガスを蒸発器で気化させて供給する形態が多くとられている。
【０００３】
一方、後者の場合は、例えば大型可燃性ガスタンクのパージや、該ガスタンクの開放検査後の気密テストを行うときなどが該当するが、この場合、大量のガスが短期間に集中して必要になる。このため、低温液化ガス貯槽を設置することなく、低温液化ガスを搭載したローリーがユーザー先に出向くとともに、蒸発器をユーザーのもとに別途搬入し、この蒸発器にローリーから低温液化ガスを供給し、気化させて前記ガスタンク等の対象設備にガスを供給するようにしている。この場合、１台のローリーに搭載した低温液化ガスでは不足することが多いため、複数のローリーがユーザーのもとに運行し、連続的にガスを供給することが行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ガス使用量が少ない設備にガスを供給する場合や、低い圧力のガスを供給する場合は、特別な設備を用いずに比較的容易に、また、比較的短時間でガス供給を行うことが可能である。しかし、大容量の設備へのガス供給が要求される場合や、高い圧力のガス供給が要求される場合は、低温液化ガスを昇圧してから気化させて供給することが行われている。このとき、ローリーから低温液化ガスを供給する場合は、ローリーと蒸発器との間に、昇圧用のポンプを別途設ける必要がある。
【０００５】
このようなポンプは、ガス供給を行っている間、常時作動させる必要があるが、低温液化ガスによってポンプが徐々に冷却され、大気中の水分が霜となってクランク等の駆動部品に付着したり、潤滑用オイルの粘性が上昇したりしてポンプの運転に悪影響を及ぼすことがあった。
【０００６】
また、供給ガスの用途がガスタンク等の気密テストの場合、ガスタンクのような設備にガスを所定の圧力で充填した後、バルブ等で設備を気密状態に維持し、一定期間放置後に再度圧力を圧力計で確認する。このとき、充填時のガス温度と、放置後のガス温度とが異なる場合には、ガスの膨張、収縮が起き、温度変化に伴って圧力指示値が変化するために温度補正を行う必要がある。温度補正時の誤差を少なくするためには、充填時のガス温度を極力大気温度に近くすることが望まれている。
【０００７】
一方、低温液化ガスを気化させる蒸発器としては、一般に、空温式蒸発器や温水式蒸発器、スチーム式蒸発器が用いられているが、加熱媒体として高温のスチームを使用するスチーム式蒸発器は、供給ガスの温度が高くなって大気温度近いガスが得られないので、上述のような用途にはほとんど使用されることがなく、加熱媒体として大気を使用する空温式蒸発器や、数十℃程度の温水を加熱媒体として使用する温水式蒸発器を用いるようにしていた。しかし、これらの蒸発器は、スチーム式蒸発器に比べて大型であることから、ポンプとは別に運搬して設置する必要があり、ユーザーの敷地内で場所を取るだけでなく、現地で蒸発器とポンプとを接続しなければならず、ガス供給を開始するまでに相当の時間を要するという問題があった。
【０００８】
そこで本発明は、スチーム式蒸発器が小型で高性能であり、ポンプと一体化した状態で運搬、設置が可能であるという利点を生かし、ポンプの長時間連続運転が可能で、さらに、大気温度に近い温度のガスを供給できる高圧ガス供給設備を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の高圧ガス供給設備は、低温液化ガスを昇圧するポンプと、該ポンプで昇圧された低温液化ガスを気化させる蒸発器とを備えた高圧ガス供給設備において、前記蒸発器は、スチーム、温水等の熱媒体が導入される熱交換槽内に、前記昇圧後の低温液化ガスを導入して気化させる熱交換器と、前記ポンプで昇圧した低温液化ガスの一部又は該ポンプ内で気化したガスの少なくとも一部を導入して加温する補助熱交換器とを収納するとともに、該補助熱交換器で加温されたガスを前記ポンプの駆動部の凍結防止用ガスとして供給する経路を備えていることを特徴としている。
【００１０】
特に、本発明の高圧ガス供給設備は、前記蒸発器が、前記熱交換槽内の熱媒体としてスチーム層及び温水層の二層を有し、前記熱交換器は、前記温水層内に配置されて前記昇圧後の低温液化ガスが導入される第一熱交換器と、前記スチーム層内に配置されて該第一熱交換器で熱交換後のガスが導入される第二熱交換器と、前記温水層内に配置されて前記第二熱交換器で熱交換後のガスが導入される第三熱交換器とを有しており、さらに、前記第二熱交換器で熱交換後のガスの温度が、該高圧ガス供給設備から高圧ガス使用設備に供給するガスの設定温度よりも高く設定され、前記第三熱交換器で熱交換後のガスの温度が、第二熱交換器で熱交換後のガスの温度より低く設定されていることを特徴としている。
【００１１】
また、前記蒸発器が前記熱交換槽内に熱媒体としてスチームを供給するボイラーユニットを備えていることを特徴とし、前記蒸発器から導出して高圧ガス使用設備に供給するガスの温度を測定する温度測定手段と、該温度測定手段で測定したガスの温度に基づいて前記熱交換槽内に供給するスチーム量を調節するスチーム供給量調節手段とを備えていることを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の高圧ガス供給設備の一形態例を示す系統図である。この高圧ガス供給設備は、低温液化ガス貯槽としてのローリー１０に搭載した低温液化ガスを所定圧力に昇圧した後、気化して高圧ガス使用設備に供給するものであって、低温液化ガスを昇圧するポンプ２０と、該ポンプ２０で昇圧された低温液化ガスを気化させる蒸発器３０と、該蒸発器３０に加熱媒体としてのスチームを供給するボイラーユニット４０とを有している。
【００１３】
蒸発器３０は、スチーム層３１及び温水層３２の二層を有する気液共存状態の熱交換槽３３と、該熱交換槽３３内の温水層３２部分に収納された第一熱交換器３４と、スチーム層３１部分に収納された第二熱交換器３５と、温水層３２部分に収納された第三熱交換器３６と、スチーム層３１部分に収納された補助熱交換器３７とからなるものであって、第一熱交換器３４、第二熱交換器３５及び第三熱交換器３６は、供給ガスの流れ方向に対して直列に接続されている。
【００１４】
熱交換槽３３には、ボイラーユニット４０で発生したスチームをスチーム層３１に供給する第一スチーム管４１と、温水層３２内にスチームを供給する第二スチーム管４２とが設けられており、各スチーム管４１，４２には、スチーム供給量を調節するため手段として第一調節弁４３及び第二調節弁４４がそれぞれ設けられている。また、槽底部には、ドレン水をボイラーユニット４０に戻すためのドレン４５が設けられている。
【００１５】
ポンプ２０は、駆動部２１と圧縮部２２とからなるものであって、駆動部２１でモーターの回転運動をクランク機構によって往復運動に変換し、圧縮部２２でシリンダー内のピストンを往復運動させることによって低温液化ガスを昇圧するように形成されている。前記圧縮部２２には、低温液化ガスを吸入する吸入管２３と、昇圧した低温液化ガスを吐出する吐出管２４と、圧縮操作中にシリンダー内で気化したガスを貯槽内に戻すための返送管２５とが設けられている。また、駆動部２１のクランク機構は、冷却（着霜、氷結）防止や円滑な作動を図るためのオイルが満たされたケース内に配置されている。さらに、この駆動部２１には、該駆動部２１を加温するための加温ガスが供給される加温管２６が設けられている。
【００１６】
ポンプ２０の前記返送管２５からは、シリンダー内で気化したガスの一部をポンプ２０の凍結防止用ガスとして取出す分岐管２７が分岐している。この分岐管２７は、弁２８を介して前記補助熱交換器３７の入口側に接続しており、該補助熱交換器３７の出口側に前記加温管２６が接続している。
【００１７】
また、蒸発器３０で気化したガスをガス使用設備に供給するガス供給管５１には、供給ガスの温度を測定するための手段である温度指示調節計５２が設けられており、該温度指示調節計５２の測定値（指示値）に基づいて前記第一調節弁４３を開閉し、第一スチーム管４１からスチーム層３１に供給するスチーム量を調節してスチーム層３１の温度を制御するようにしている。
【００１８】
さらに、ガス供給管５１には、供給ガスの流量を測定する手段である流量指示調節計５３が設けられており、該流量指示調節計５３の測定値と前記温度指示調節計５２の測定値とを演算器５４に入力して第一調節弁４３の開度を補正することにより、円滑で的確な温度制御を行えるようにしている。また、前記熱交換槽３３には、温水層３２の温度を測定する手段である温度指示調節計５５が設けられており、この温度指示調節計５５の測定値によって前記第二調節弁４４の開度を調節し、第二スチーム管４２から温水層３２に供給するスチーム量を調節して温水層３２の温度を制御するようにしている。
【００１９】
なお、ローリー１０は、低温液化ガス搬送用として通常用いられている一般的なローリーであって、ローリーには、前記吸入管２３に弁１１を介して接続する低温液化ガス取出管１２と、前記返送管２５に弁１３を介して接続するバランス管１４と、低温液化ガス取出し時にローリー貯槽内の圧力を昇圧するための加圧蒸発器（図示せず）とが設けられている。また、前記ボイラーユニット４０も、通常用いられている各種形式のボイラーを用いることができ、構造や加熱源は特に限定されるものではない。
【００２０】
このように形成した高圧ガス供給設備において、ローリー１０に搭載された低温液化ガスは、低温液化ガス取出管１２、弁１１、吸入管２３を通ってポンプ２０に吸入され、該ポンプ２０によって所定圧力に昇圧される。昇圧後の低温液化ガスは、吐出管２４を通って蒸発器３０に導入され、最初に、温水層３２内に設置された第一熱交換器３４に導入される。この第一熱交換器３４では、温水層３２の温水と熱交換を行って所定温度まで加温され、低温液化ガスが気化して低温高圧ガスとなる。
【００２１】
気化した低温高圧ガスは、続いて第二熱交換器３５に導入され、ここでスチーム層３１の高温のスチームと熱交換を行い、供給ガス温度よりも高い温度に加温されて高温高圧ガスとなる。この高温高圧ガスは、第三熱交換器３６に導入され、温水層３２の温水と熱交換を行って冷却され、所定の供給ガス温度に調節される。
【００２２】
第三熱交換器３６で温度調節されたガスは、蒸発器３０からガス供給管５１に導出され、所定圧力、所定温度の供給ガスとなってユーザーの高圧ガス使用設備に供給される。このとき、前記温度指示調節計５２及び流量指示調節計５３の測定値に基づいて第一調節弁４３が開閉制御され、スチーム層３１に供給するスチーム量が調節されるとともに、温度指示調節計５５の測定値に基づいて温水層３２に供給するスチーム量が調節され、これによってガス供給管５１から供給される供給ガスの温度が所定温度に制御される。
【００２３】
一方、ポンプ２０のシリンダー内で気化したガスは、前記返送管２５から弁１３、バランス管１４を通ってローリー貯槽内に戻される。また、バランス管１４からのガスだけではローリー貯槽内の圧力を所定圧力に保つことができない場合は、前記加圧蒸発器が必要に応じて作動し、ローリー貯槽内を所定圧力に昇圧する。
【００２４】
そして、ポンプ２０の連続運転に伴ってピストンが低温液化ガスにより冷却され、熱伝導によってクランク等の駆動部２１が徐々に冷却されてくるので、前記分岐管２７の弁２８を開いて返送管２５のガスの一部を分岐管２７に取出し、補助熱交換器３７でスチームにより加温して加温管２６から駆動部２１に供給する。
【００２５】
このように、補助熱交換器３７で加温したガスを駆動部２１に供給することにより、駆動部２１を所定温度以上に加温することができ、クランク機構の作動を円滑に保ち、ポンプ２０を安定した状態で連続運転することが可能となる。このとき、加温ガスを分岐させて取出すための弁２８は、常時開状態にしておいてもよく、駆動部２１の温度をセンサーで感知し、駆動部２１の温度に応じて弁２８の開閉制御を自動的に行うようにしてもよい。
【００２６】
したがって、本形態例に示す高圧ガス供給設備においては、昇圧後の低温液化ガスを気化させるための蒸発器３０に補助熱交換器３７を設置するとともに、この補助熱交換器３７にポンプ２０で気化したガスの一部又は全部を導入し、高温のスチームと熱交換させて加温した後、ポンプ２０の凍結防止用ガスとして供給する経路である加温管２６を設けているので、低温での作動不良が懸念されるクランク機構を収納した駆動部２１を加温し、内部に充填されたオイルを所定温度以上に保つことができる。これにより、オイルの潤滑作用が失われることがなく、クランク機構の円滑な作動が維持され、ポンプ２０の昇圧性能を損なうことなく長時間の連続運転が可能となる。
【００２７】
また、本形態例に示す蒸発器３０においては、温水層３２に設置した第一熱交換器３４で熱容量の大きな温水と熱交換させて低温液化ガスを気化させた後、スチーム層３１に設置した第二熱交換器３５で高温のスチームと熱交換させてガスを加温するので、小型の第二熱交換器３５で十分な加温性能を得ることができ、蒸発器全体の小型を図れる。さらに、第二熱交換器３５で供給ガスの設定温度以上にガスを加温した後、最後に温水層３２に設置した第三熱交換器３６で熱容量の大きな温水と熱交換させて所定の供給ガス温度に調節するようにしているので、蒸発器３０から導出した供給ガス温度の安定化が図れる。
【００２８】
さらに、スチーム加熱を併用して蒸発器３０を小型化することにより、ポンプ２０と蒸発器３０とを一つの設備ユニットとして一体化しても、トラック等で運搬可能な大きさに納めることができるので、現地への搬送や据付けが容易になり、ガス供給を迅速に開始することができる。
【００２９】
また、第二熱交換器３５でスチームと熱交換後のガスの温度を供給ガスの設定温度よりも高く設定し、第三熱交換器３６で熱交換後のガスの温度を第二熱交換器３５で熱交換後のガスの温度より低く設定しておくことにより、スチームと温水との熱容量の差及び温度差を有効に利用して効率よく安定した温度調節を行うことができる。
【００３０】
なお、本形態例では、補助熱交換器３７を高温のスチーム層３１内に設置したが、温水層３２内に設置するようにしてもよく、蒸発器２０の構造に応じて任意の位置に設置することができる。例えば、スチーム層３１と温水層３２とを別の熱交換槽に分けて形成した蒸発器の場合は、スチーム層用熱交換槽と温水層用熱交換槽のいずれに収納させるようにしてもよい。また、加温ガスとしてポンプでの気化ガスを使用したが、ポンプで昇圧した後の低温液化ガスの一部あるいは気化ガスの一部を利用することも可能である。
【００３１】
また、低温液化ガス供給源としてローリー１０を使用したが、ユーザーが低温液化ガス貯槽を保有している場合は、該貯槽の低温液化ガス取出管及びバランス管に前記吸入管２３及び前記返送管２５をそれぞれ接続すればよい。さらに、吸入管２３や返送管２５を適当な弁を介して分岐させておくことにより、複数のローリー、貯槽からの低温液化ガスを切換えて使用することができる。また、熱交換槽３３を断熱構造に形成しておくことにより、制御効率や熱交換効率の向上が図れる。
【００３２】
【実施例】
ローリー１０に搭載した０．３ＭＰａ、−１９６℃の液体窒素をポンプ２０で１ＭＰａに昇圧し、蒸発器３０で気化させて約２０℃で供給する実験を行った。熱交換槽３３におけるスチーム層３１は約２．７ｍ^３、温水層３２は約２ｍ^３とし、スチームは１３０℃、０．３ＭＰａで供給した。温水層３２にスチームを供給する第二スチーム管４２の第二調節弁４４は、温度指示調節計５５で測定した温水の温度が１５℃を超えたら閉じ、１５℃未満になったら開くように設定した。また、スチーム層３１にスチームを供給する第一スチーム管４１の第一調節弁４３は、温度指示調節計５２で測定した供給ガスの温度が２０℃を超えたら閉じ、２０℃未満になったら開くように設定した。
【００３３】
各熱交換器３４，３５，３６，３７の容量は、第一熱交換器３４で気化した窒素ガスの温度が約０℃、第二熱交換器３５で加温された窒素ガスの温度が約３５℃、第三熱交換器３６で冷却された窒素ガスの温度が約２０℃になるように設定している。また、補助熱交換器３７は、ポンプ２０からの気化ガス（−１００℃）が約５００ｍ^３／ｈで流れたときに、加温ガスの温度が約３０℃になるように設定した。
【００３４】
このときの熱交換槽３３の大きさは、直径約１．２ｍ、外径約２．２ｍであり、ポンプ１０を一体化したときの大きさは、幅約６．８ｍ、奥行き約２．３ｍ、最大高さ約２．６ｍであり、空体重量は８５００ｋｇであった。したがって、１０ｔ積トラックにて運搬可能であり、トラックに付設したクレーンで積み卸しが可能である。また、ボイラーユニット４０は、幅２．７ｍ、奥行き２．１ｍ、高さ２．７ｍ、空体重量３０００ｋｇであった。
【００３５】
このような条件で、ガス使用設備に１ＭＰａ、約２０℃の窒素ガスを５０００ｍ^３／ｈで連続供給した。その結果、供給ガスにおける圧力の変動はほとんどなく、供給ガスの平均温度は２０．３℃であった。そして、１６０時間連続して運転を行ったが、ポンプ２０は、凍結したり、オイルの粘性が高くなったりすることなく、安定した昇圧運転を継続することができた。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の高圧ガス供給設備によれば、蒸発器で加温したガスを、ポンプの駆動部の凍結防止用ガスとしてポンプに供給することにより、運転時のポンプを所定温度に加温することができるので、長時間連続運転を行ってもポンプが冷却されて運転不能に陥ることがない。
【００３７】
また、高温高圧のスチームを使用することによって蒸発器の小型化が図れ、大量のガスを供給する設備であっても、ポンプやボイラーユニットと蒸発器とを、トラック等で容易に運搬可能な大きさ及び重量の範囲内でユニット化することが可能となる。さらに、熱媒体としてスチームと温水とを組合わせることにより、供給ガスの温度調節を容易にかつ確実に行うことが可能となり、所定温度のガスを安定して供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高圧ガス供給設備の一形態例を示す系統図である。
【符号の説明】
１０…ローリー、１１…弁、１２…低温液化ガス取出管、１３…弁、１４…バランス管、２０…ポンプ、２１…駆動部、２２…圧縮部、２３…吸入管、２４…吐出管、２５…返送管、２６…加温管、２７…分岐管、２８…弁、３０…蒸発器、３１…スチーム層、３２…温水層、３３…熱交換槽、３４…第一熱交換器、３５…第二熱交換器、３６…第三熱交換器、３７…補助熱交換器、４０…ボイラーユニット、４１…第一スチーム管、４２…第二スチーム管、４３…第一調節弁、４４…第二調節弁、４５…ドレン、５１…ガス供給管、５２…温度指示調節計、５３…流量指示調節計、５４…演算器、５５…温度指示調節計

Claims

低温液化ガスを昇圧するポンプと、該ポンプで昇圧された低温液化ガスを気化させる蒸発器とを備えた高圧ガス供給設備において、前記蒸発器は、スチーム、温水等の熱媒体が導入される熱交換槽内に、前記昇圧後の低温液化ガスを導入して気化させる熱交換器と、前記ポンプで昇圧した低温液化ガスの一部又は該ポンプ内で気化したガスの少なくとも一部を導入して加温する補助熱交換器とを収納するとともに、該補助熱交換器で加温されたガスを前記ポンプの駆動部の凍結防止用ガスとして供給する経路を備えていることを特徴とする高圧ガス供給設備。
前記蒸発器は、前記熱交換槽内の熱媒体としてスチーム層及び温水層の二層を有し、前記熱交換器は、前記温水層内に配置されて前記昇圧後の低温液化ガスが導入される第一熱交換器と、前記スチーム層内に配置されて該第一熱交換器で熱交換後のガスが導入される第二熱交換器と、前記温水層内に配置されて前記第二熱交換器で熱交換後のガスが導入される第三熱交換器とを有していることを特徴とする請求項１記載の高圧ガス供給設備。
前記第二熱交換器で熱交換後のガスの温度が、該高圧ガス供給設備から高圧ガス使用設備に供給するガスの設定温度よりも高く設定され、前記第三熱交換器で熱交換後のガスの温度が、第二熱交換器で熱交換後のガスの温度より低く設定されていることを特徴とする請求項２記載の高圧ガス供給設備。
前記蒸発器は、前記熱交換槽内に熱媒体としてスチームを供給するボイラーユニットを備えていることを特徴とする請求項１記載の高圧ガス供給設備。
前記蒸発器から導出して高圧ガス使用設備に供給するガスの温度を測定する温度測定手段と、該温度測定手段で測定したガスの温度に基づいて前記熱交換槽内に供給するスチーム量を調節するスチーム供給量調節手段とを備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の高圧ガス供給設備。