JP5415892B2 - オープンラック式気化器 - Google Patents

Description

本発明は、液化天然ガス（以下「ＬＮＧ」という）を天然ガス（以下「ＮＧ」という）に気化させるために用いられるオープンラック式気化器（以下「ＯＲＶ」という）に関する。

ＬＮＧは、メタンを主成分とし硫黄分を含んでいないことから、ＳＯ_Xなどの環境汚染物質を排出しないクリーン燃料として、様々な産業分野で利用されている。通常、ＬＮＧは、産出地で−１６０℃程度の超低温液化状態とされ、タンカーによって需要地まで運搬される。ＬＮＧを燃料として利用するには、気化させてＮＧに戻す必要があり、従来から、ＯＲＶが多用されている（例えば、特許文献１参照）。

ＯＲＶは、複数の伝熱管がパネル状に配列され、その上下端にそれぞれヘッダーが設けられて成る熱交換パネルを外側から熱媒体によって加熱し、伝熱管内を流通するＬＮＧをＮＧに気化させる熱交換器の一種である。

図１は、ＯＲＶの要部を構成する熱交換パネルとそれに付帯する設備を模式的に示す図である。同図に示すように、熱交換パネル１は、フィンチューブ２を径方向に複数並べてパネル状に配列し、その上端と下端にそれぞれ上部ヘッダー４と下部ヘッダー５を接合して構成される。フィンチューブ２は、管壁の外周面から外方に向かって突出した複数のフィン３を有する。ＯＲＶは、このような熱交換パネル１を仕様に応じて多数並列に配置して成り立つ。

各熱交換パネル１の上部ヘッダー４と下部ヘッダー５には、それぞれ上部マニホールド６と下部マニホールド７が連結されている。さらに、各熱交換パネル１の上部には、フィンチューブ２に隣接してトラフ８が配設されている。トラフ８には熱媒体として海水が供給され、海水は、トラフ８から溢れ出してフィンチューブ２の表面を流下する。その熱媒体としては循環水が用いられる場合もある。

ＬＮＧは、下部マニホールド７を経て下部ヘッダー５に供給され、フィンチューブ２内に導入される。フィンチューブ２内に導入されたＬＮＧは、フィンチューブ２の表面を流下する海水との熱交換により気化し、ＮＧとなって上部ヘッダー４に導出される。上部ヘッダー４に導出されたＮＧは、上部マニホールド６を通じて外部に送り出される。

近年のＯＲＶにおいては、下部ヘッダー５に供給されたＬＮＧを始端から終端までの全てのフィンチューブ２に均一に分配するために、多くの場合、二重管構造の下部ヘッダー５を採用している。

図２は、従来のＯＲＶにおける二重管構造の下部ヘッダーの終端近傍を示す図であり、同図（ａ）は縦断面図を、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断面図をそれぞれ示す。図３は、従来のＯＲＶにおける二重管構造の下部ヘッダーのマニホールド側近傍を示す縦断面図である。

図２および図３に示すように、下部ヘッダー５は、二重管構造であり、外管９と、この外管９の内部に延在するスパージパイプ１０とから構成される。外管９は、管壁の頂上部に各フィンチューブ２の下端が溶接で接合され、各フィンチューブ２と連通している。外管９の終端は、図２（ａ）に示すように、半球形などの内部空間を有するエンドキャップ１１によって閉ざされ、それとは反対側の始端は、図３に示すように、下部マニホールド７に溶接で接合されている。

スパージパイプ１０は外管９に挿入されて組み付けられるものである。スパージパイプ１０の終端は、図２（ａ）に示すように、閉塞板１２によって閉ざされ、外管９のエンドキャップ１１に隣接して配置される。閉塞板１２の外周には板状のリング部１３が突出し、スパージパイプ１０はそのリング部１３によって外管９内で支持される。

スパージパイプ１０の始端には、図３に示すように、その外周にリング板１４が取り付けられている。このリング板１４は、下部マニホールド７の近傍において、外管９内でスパージパイプ１０を支持するとともに、外管９とスパージパイプ１０との管壁間に形成される環状空間１５を閉ざす役割を担う。下部マニホールド７を経たＬＮＧは、スパージパイプ１０の始端からスパージパイプ１０内に供給される。

また、スパージパイプ１０の管壁の下部には、その内部に供給されたＬＮＧを外管９内の環状空間１５に均一に分配して流出させるために、所定の間隔でＬＮＧ散布孔１６が穿設されている。一般に、ＬＮＧ散布孔１６は、図２（ｂ）に示すように、スパージパイプ１０の横断面において、最底部から４５°程度の斜め下方の位置に設けられる。

このような二重管構造の下部ヘッダー５を備えるＯＲＶでは、下部ヘッダー５からフィンチューブ２にＬＮＧを導入するに際し、ＬＮＧは、下部ヘッダー５を構成するスパージパイプ１０に供給され、各ＬＮＧ散布孔１６から流出して外管９内の環状空間１５に均一に分配され流入する。環状空間１５に流入したＬＮＧは、フィンチューブ２の表面を流下して外管９の外表面に達した海水からの入熱によって気化しつつ、逐次供給されるＬＮＧとの気液混合状態で各フィンチューブ２内にほぼ均一に導入される。

下部ヘッダー５内では、海水からの入熱によってＬＮＧの一部は気化することがあり、スパージパイプ１０に供給されたＬＮＧの一部もスパージパイプ１０内で気化することがある。このため、スパージパイプ１０の管壁の頂上部には、ガス抜き孔１７が穿設されている。ガス抜き孔１７は、スパージパイプ１０内のＮＧを環状空間１５に放出するガス抜き機能を果たす。

特開２０００−２８２７６号公報（段落０００３〜０００４）

しかし、上述した従来のＯＲＶでは、長期間の運転に伴って、二重管構造の下部ヘッダーを構成する外管にフィンチューブとの接合部で割れが発生する場合があった。

ＯＲＶ内部に通じるＬＮＧは、前述のとおりに極低温の可燃性ガスであるため、万一割れが貫通して内部ガスが漏洩すると、漏洩ガスによる低温やけどや発火等の危険性があり、重大な事故を誘発しかねない。このような事故が発生すると、復旧するのに多大な時間と労力がかかる。このため、外管とフィンチューブとの接合部での割れの発生を防止し、その様なリスクのないより優れた耐久性を有するＯＲＶが望まれていた。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、二重管構造の下部ヘッダーを構成する外管においてフィンチューブとの接合部で割れの発生を防止し、より優れた耐久性を実現できるＯＲＶを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するため、外管に割れが発生した下部ヘッダーを詳細に調査し、鋭意検討を重ねた結果、下記（ａ）〜（ｄ）の知見を得た。

（ａ）外管において、割れが発生した部位は、スパージパイプに設けられたガス抜き孔の直上に存在するフィンチューブとの接合部に限られる。すなわち、外管とフィンチューブとの接合部の直下にスパージパイプのガス抜き孔が存在する場合、その接合部に限定して割れの発生が認められる。

（ｂ）スパージパイプのガス抜き孔からは、スパージパイプ内で気化したＮＧが放出されるのに加え、スパージパイプ内に逐次供給されるＬＮＧも放出される。このため、ガス抜き孔からはＮＧと低温のＬＮＧとが交互に噴出し、その噴出先に局部的に繰り返し熱応力が発生する。

（ｃ）外管におけるフィンチューブとの接合部は、フィンチューブに連通する孔を有することから、応力集中が発生し易い部位である。

（ｄ）上記（ａ）〜（ｃ）の知見から、外管とフィンチューブとの接合部の直下にスパージパイプのガス抜き孔が存在する場合、その接合部には、ガス抜き孔からＮＧと低温のＬＮＧが交互に噴射されることに伴って、繰り返し熱応力が発生し、その結果、疲労破壊により割れが発生する。

本発明者らは、このような（ａ）〜（ｄ）の知見に基づき、外管とフィンチューブとの接合部で割れの発生を防止するには、その接合部から外れた位置に、スパージパイプのガス抜き孔を設置するのが有効であることを見出し、本発明を完成させた。

本発明の要旨は、下記のＯＲＶにある。すなわち、複数のフィンチューブをパネル状に配列し、その上下端にそれぞれ上部ヘッダーと下部ヘッダーを接合して成り、下部ヘッダーに供給したＬＮＧをフィンチューブ内に導入して気化させ、気化したＮＧを上部ヘッダーから送り出すＯＲＶにおいて、下部ヘッダーは、各フィンチューブの下端が接合され、両端が閉ざされた外管と、この外管の内部で水平に延在し、終端が閉塞板で閉ざされてそれとは反対側の始端からＬＮＧが供給されるスパージパイプと、から構成され、スパージパイプは、管壁の下部にＬＮＧ散布孔が設けられ、閉塞板の上部に第１のガス抜き孔が設けられていることを特徴とするＯＲＶである。

上記のＯＲＶでは、前記閉塞板に前記第１のガス抜き孔の出口上方を覆う第１のカバーを備えても良い。

また、上記のＯＲＶにおいて、前記スパージパイプは、ＬＮＧが供給される側の始端と、この始端に最も近い前記フィンチューブと間の管壁上部に、第２のガス抜き孔が設けられている構成とすることができる。この場合、前記スパージパイプに前記第２のガス抜き孔の出口上方を覆う第２のカバーを備えても良い。

本発明のＯＲＶによれば、スパージパイプの終端を閉ざす閉塞板の上部にガス抜き孔を設けることにより、スパージパイプ内で気化したＮＧと液化状態のＬＮＧが、そのガス抜き孔を通じてスパージパイプの長手方向に噴出し、外管とフィンチューブとの接合部に直接到達しないため、その接合部で繰り返しの熱応力が発生することはなく、その結果、割れの発生を防止でき、より優れた耐久性を実現することが可能となる。これにより、割れに起因する重大な事故を防止することができる。

ＯＲＶの要部を構成する熱交換パネルとそれに付帯する設備を模式的に示す図である。 従来のＯＲＶにおける二重管構造の下部ヘッダーの終端近傍を示す図であり、同図（ａ）は縦断面図を、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断面図をそれぞれ示す。 従来のＯＲＶにおける二重管構造の下部ヘッダーのマニホールド側近傍を示す縦断面図である。 本発明のＯＲＶにおける二重管構造の下部ヘッダーの終端近傍を示す図であり、同図（ａ）は縦断面図を、同図（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ断面図を、同図（ｃ）は閉塞板の平面図をそれぞれ示す。 前記図４に示すＯＲＶの変形例を示す図であり、同図（ａ）は下部ヘッダーの終端近傍の縦断面図を、同図（ｂ）は閉塞板の平面図をそれぞれ示す。 本発明のＯＲＶにおける二重管構造の下部ヘッダーのマニホールド側近傍を示す図であり、同図（ａ）は縦断面図を、同図（ｂ）は同図（ａ）のＣ−Ｃ断面図をそれぞれ示す。 前記図６に示すＯＲＶの変形例を示す図であり、同図（ａ）は下部ヘッダーのマニホールド側近傍の縦断面図を、同図（ｂ）は同図（ａ）のＤ−Ｄ断面図をそれぞれ示す。

以下に、本発明のＯＲＶの実施形態について、図面を参照しながら詳述する。
図４は、本発明のＯＲＶにおける二重管構造の下部ヘッダーの終端近傍を示す図であり、同図（ａ）は縦断面図を、同図（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ断面図を、同図（ｃ）は閉塞板の平面図をそれぞれ示す。同図に示す下部ヘッダーとこれを備えるＯＲＶは、前記図２および図３に示す下部ヘッダーとこれを備える前記図１に示すＯＲＶの構成を基本とし、それと同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

図４に示すように、本発明のＯＲＶにおける下部ヘッダー５は、管壁の頂上部に各フィンチューブ２の下端が溶接で接合された外管９と、この外管９の内部に延在し、管壁の下部にＬＮＧ散布孔１６が穿設されたスパージパイプ１０とから構成される。

スパージパイプ１０の終端は閉塞板１２によって閉ざされ、この閉塞板１２の上部には、スパージパイプ１０の内部に貫通する第１のガス抜き孔１７Ａが穿設されている。この第１のガス抜き孔１７Ａは、前記図２に示すガス抜き孔１７に代わるものであり、スパージパイプ１０の横断面において、閉塞板１２の上半分の領域内であれば設置する位置や個数に特に限定はないが、ガス抜き機能を効果的に発揮するために、図４（ｃ）に示すように、頂上部付近に設けることが好ましい。第１のガス抜き孔１７Ａの直径は、２〜１０ｍｍ程度が好ましい。

このような構成の下部ヘッダー５を備えるＯＲＶでは、スパージパイプ１０内に供給されたＬＮＧは、主として、各ＬＮＧ散布孔１６から外管９内の環状空間１５に流出する。これに加え、スパージパイプ１０内で気化したＮＧと液化状態のＬＮＧは、閉塞板１２に設けた第１のガス抜き孔１７Ａを通じ、外管９のエンドキャップ１１の内面に向けてスパージパイプ１０の長手方向に噴出する。これにより、外管９とフィンチューブ２との接合部には、第１のガス抜き孔１７Ａから噴出したＮＧとＬＮＧが直接到達することはなく、繰り返しの熱応力は発生しない。その結果、外管９とフィンチューブ２との接合部で割れが発生するのを防止することができ、耐久性を向上させることが可能となる。

図５は、前記図４に示すＯＲＶの変形例を示す図であり、同図（ａ）は下部ヘッダーの終端近傍の縦断面図を、同図（ｂ）は閉塞板の平面図をそれぞれ示す。図５に示すように、下部ヘッダー５は、閉塞板１２に穿設された第１のガス抜き孔１７Ａの外側に第１のカバー１８Ａを設けた構成とすることができる。第１のカバー１８Ａは、第１のガス抜き孔１７Ａの出口上方を覆いつつ、その出口前方およびその両側を覆うように構成され、第１のガス抜き孔１７Ａから噴出したＮＧとＬＮＧを下方に導く。

このように、第１のガス抜き孔１７Ａの上方に第１のカバー１８Ａを設けることにより、第１のガス抜き孔１７ＡからＮＧとＬＮＧが多少広がって噴出した場合であっても、噴出したＮＧとＬＮＧが外管９とフィンチューブ２との接合部に直接到達することを抑えることができ、より確実に割れの発生を防止することができる。

図５に示す下部ヘッダー５では、第１のカバー１８Ａを、第１のガス抜き孔１７Ａの出口上方、出口前方およびその両側を覆うように構成しているが、出口上方へのＮＧとＬＮＧの噴出を制限すればその効果を発揮できることから、単に出口上方のみを覆う軒板状にしても構わない。

また、本発明のＯＲＶでは、上記した構成に加え、以下に示すように、下部ヘッダーのマニホールド側にも工夫を施すことができる。

図６は、本発明のＯＲＶにおける二重管構造の下部ヘッダーのマニホールド側近傍を示す図であり、同図（ａ）は縦断面図を、同図（ｂ）は同図（ａ）のＣ−Ｃ断面図をそれぞれ示す。同図に示すように、スパージパイプ１０には、下部マニホールド７側、すなわちＬＮＧが供給される側の始端近傍において、この始端に最も近いフィンチューブ２と間の管壁の頂上部に第２のガス抜き孔１７Ｂが穿設されている。これにより、第２のガス抜き孔１７Ｂは、外管９とフィンチューブ２との接合部から外れた位置に設けられることになり、前記図４および図５に示す第１のガス抜き孔１７Ａに加え、第２のガス抜き孔１７Ｂからもスパージパイプ１０内で気化したＮＧと液化状態のＬＮＧが噴出する。

このとき、第２のガス抜き孔１７Ｂが外管９とフィンチューブ２との接合部から外れた位置に設けられているため、その接合部には、第２のガス抜き孔１７Ｂから噴出したＮＧとＬＮＧが直接到達することはなく、割れを誘発する繰り返しの熱応力は発生しない。

第２のガス抜き孔１７Ｂは、スパージパイプ１０の横断面において、上半分の範囲内であれば設置する位置や個数に限定はないが、ガス抜き機能を効果的に発揮するためには、頂上部から４５°程度の範囲内に設けることが好ましい。より好ましくは、図６（ｂ）に示すように、スパージパイプ１０の管壁の頂上部に第２のガス抜き孔１７Ｂを設ける。

また、第２のガス抜き孔１７Ｂを管中心から外管９の管壁に投影したとき、フィンチューブ２の接合部と投影孔の外周との最短距離が１５ｍｍ以上となるように第２のガス抜き孔１７Ｂを設けることが好ましい。これは、直径が１０ｍｍのガス抜き孔を想定したモデルでＦＥＭ解析を行った結果に基づくものである。すなわち、ＦＥＭ解析結果によれば、ガス抜き孔から繰り返し噴出したＮＧとＬＮＧにより外管に発生する熱応力の変動は、フィンチューブ接合部と投影孔外周との最短距離が１５ｍｍ以上で０（ゼロ）になることが判明し、この条件を満たせば、フィンチューブ接合部に、ガス抜き孔からのＮＧとＬＮＧの噴出による熱応力の影響が生じないことによる。

図７は、前記図６に示すＯＲＶの変形例を示す図であり、同図（ａ）は下部ヘッダーのマニホールド側近傍の縦断面図を、同図（ｂ）は同図（ａ）のＤ−Ｄ断面図をそれぞれ示す。図７に示すように、下部ヘッダー５は、スパージパイプ１０に穿設された第２のガス抜き孔１７Ｂの外側に第２のカバー１８Ｂを設けた構成とすることができる。第２のカバー１８Ｂは、第２のガス抜き孔１７Ｂの出口上方を覆う断面Ｌ字型の板状部材で構成され、第２のガス抜き孔１７Ｂから噴出したＮＧとＬＮＧを外管９内の環状空間１５の長手方向に導く。

このように、第２のガス抜き孔１７Ｂの上方に第２のカバー１８Ｂを設けることにより、第２のガス抜き孔１７ＢからＮＧとＬＮＧが多少広がって噴出した場合であっても、噴出したＮＧとＬＮＧが外管９とフィンチューブ２との接合部に直接到達することを抑えることができ、より確実に割れの発生を防止することができる。

その他本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

本発明のＯＲＶによれば、スパージパイプ内で気化したＮＧと液化状態のＬＮＧが、外管とプレートフィンとの接合部から外れた位置に設けられたガス抜き孔を通じて噴出し、外管とフィンチューブとの接合部に直接到達しないため、その接合部で繰り返しの熱応力が発生することはなく、その結果、割れの発生を防止でき、より優れた耐久性を実現することが可能となる。

１：熱交換パネル、 ２：フィンチューブ、 ３：フィン、
４：上部ヘッダー、 ５：下部ヘッダー、 ６：上部マニホールド、
７：下部マニホールド、 ８：トラフ、 ９：外管、
１０：スパージパイプ、 １１：エンドキャップ、 １２：閉塞板、
１３：リング部、 １４：リング板、 １５：環状空間、
１６：ＬＮＧ散布孔、 １７：ガス抜き孔、
１７Ａ：第１のガス抜き孔、 １８Ａ：第１のカバー、
１７Ｂ：第２のガス抜き孔、 １８Ｂ：第２のカバー

Claims (4)

1. 複数のフィンチューブをパネル状に配列し、その上下端にそれぞれ上部ヘッダーと下部ヘッダーを接合して成り、下部ヘッダーに供給したＬＮＧをフィンチューブ内に導入して気化させ、気化したＮＧを上部ヘッダーから送り出すオープンラック式気化器において、
   下部ヘッダーは、各フィンチューブの下端が接合され、両端が閉ざされた外管と、この外管の内部で水平に延在し、終端が閉塞板で閉ざされてそれとは反対側の始端からＬＮＧが供給されるスパージパイプと、から構成され、
   スパージパイプは、管壁の下部にＬＮＧ散布孔が設けられ、閉塞板の上部に第１のガス抜き孔が設けられていることを特徴とするオープンラック式気化器。
   
2. 前記閉塞板に前記第１のガス抜き孔の出口上方を覆う第１のカバーを備えることを特徴とする請求項１に記載のオープンラック式気化器。
3. 前記スパージパイプは、ＬＮＧが供給される側の始端と、この始端に最も近い前記フィンチューブと間の管壁上部に、第２のガス抜き孔が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のオープンラック式気化器。
4. 前記スパージパイプに前記第２のガス抜き孔の出口上方を覆う第２のカバーを備えることを特徴とする請求項３に記載のオープンラック式気化器。

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