JP5541779B2 - 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。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。

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、同図（ｃ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ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）、（ｂ）に示すように、閉塞板１２によって閉ざされている。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を支持する役割を担う。こうして、外管９とスパージパイプ１０との管壁間に環状空間１５が形成される。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（ｃ）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８５°までの斜め下方の位置、または９０°の真横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にほぼ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昇温され、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１７Ａが穿設されている。このガス抜き孔１７Ａ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。また、スパージパイプ１０の終端を閉ざす閉塞板１２の上部にも、ガス抜き孔１７Ｂが穿設されている。このガス抜き孔１７Ｂは、スパージパイプ１０内のＮＧを、閉塞板１２およびリング部１３とエンドキャップ１１とで形成される終端空間１８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）

ＯＲＶは、内部でＬＮＧが液相から、液相と気相の混相を経て、気相となる相変化を伴いながら流れているため、圧力や流量などの変動が生じる可能性を内在している。通常、その変動は運転に支障のあるような大きさにはならないが、流量制御方法などの特別な問題が複合した場合、極まれに、ＯＲＶ出口のＮＧ流量が大きく変動し、顕在化することがある。ＮＧの送出流量に著しい変動が発生すると、安定した操業が困難になる。

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備え、ＮＧの送出流量の変動を抑制して操業の安定化を実現できる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、二重管構造の下部ヘッダーを採用することを前提とし、ＮＧの送出流量が変動する要因について鋭意検討を重ねた結果、下記（ａ）〜（ｅ）の知見を得た。

図４は、従来の下部ヘッダーの終端近傍におけるＬＮＧの挙動を説明する図である。
（ａ）図４に示すように、スパージパイプ１０内に供給されたＬＮＧは、各ＬＮＧ散布孔１６から流出して環状空間１５に流入する。環状空間１５のＬＮＧは上昇してフィンチューブ２に向かうが、途中、海水からの入熱によって昇温され、条件によっては一部が気化することもあり、その場合はＬＮＧとＮＧの混相流となってフィンチューブ２に導入される。これに加え、スパージパイプ１０内で気化したＮＧが、ガス抜き孔１７Ａから放出されて環状空間１５に流入し、主流に合流する。このとき、終端空間１８は、閉塞板１２の外周から突出するリング部１３によって隔離されているが、リング部１３の外周面と外管９の内周面との間には僅かに隙間があるため、環状空間１５のＬＮＧの一部が、その隙間を通じて終端空間１８に進入して滞留する。

終端空間１８に滞留するＬＮＧの一部は、海水からの入熱によって気化するが、これに加え、スパージパイプ１０内で気化したＮＧが、ガス抜き孔１７Ｂから放出されて、終端空間１８に流入する。これらのＮＧも、リング部１３の外周面と外管９の内周面との間の僅かな隙間から環状空間１５へ流出し、主流に合流する。しかしながら、終端空間１８と環状空間１５との間の流通は非常に少ないので、終端空間１８は半閉鎖状態といえる。

（ｂ）ＬＮＧ流量が少ないか、海水からの入熱が大きい場合は、スパージパイプ１０内や、環状空間１５および終端空間１８に液面が存在し、ＬＮＧとＮＧが混在する場所が多いものの、それぞれ圧力バランスのとれた状態となっており、ＬＮＧとＮＧの二相流はそれなりに安定して流れている。

（ｃ）ＬＮＧ流量が増加したり、海水からの入熱が減少し、スパージパイプ１０内のほとんどがＬＮＧで充満されるようになると、スパージパイプ１０内の終端付近だけがＬＮＧとＮＧが混在する状態となり、ガス抜き孔１７Ｂから終端空間１８にＬＮＧとＮＧが交互に流入する状態となることがある。

ＬＮＧとＮＧは単位重量あたりの体積比率が大きく異なるため、半閉鎖状態の終端空間１８にＬＮＧとＮＧが交互に流入するときには、終端空間１８の圧力が僅かながら変動する状態となる。ここにＬＮＧの上流側配管などからほぼ同程度の周期性を有する圧力脈動が加わると、共振して大きな圧力変動となることがある。この圧力は、リング部１３の外周面と外管９の内周面との間の僅かな隙間からＮＧを流出させるための動力源であるため、圧力変動の影響によって隙間を通るＮＧ流出量が変化し、終端空間１８でＬＮＧの液面遥動が発生する。この際、終端空間１８や環状空間１５のＮＧが圧縮性容量となることで、スパージパイプ１０内や環状空間１５にも圧力変動が伝搬し、外管９の内部全体で大きな液面遥動が発生する状態となる場合がある。この液面揺動や圧力変動は、フィンチューブ２に流入するＬＮＧ流量や圧力の変動を誘起し、最終的にはＯＲＶ出口のＮＧ送出流量や圧力の変動となって感知されることもある。

（ｄ）上記（ｃ）の場合よりもさらにＬＮＧ流量が増加したり、海水からの入熱が減少し、スパージパイプ１０内および終端空間１８が完全にＬＮＧで充満されると、ガス抜き孔１７Ｂから終端空間１８にはＬＮＧだけが流入する状態となるため、スパージパイプ１０内および終端空間１８は圧力バランスのとれた安定状態となって、ＬＮＧの液面遥動も収束する。

（ｅ）通常は、上記（ｃ）のような液面揺動が発生したとしても、ＯＲＶの運転に支障が出ることはない。しかし、ＯＲＶ上流の流量制御装置が、ＮＧ圧力や送出流量の変動に対して敏感すぎる場合には、変動を上手く抑制しきれずに、却って変動を助長してしまい、操業上支障が出るほどの流量変動に発達することもある。

本発明者らは、このような（ａ）〜（ｅ）の知見に基づき、ＮＧの送出流量の変動を抑制するには、ＬＮＧおよびＮＧが外管内の環状空間と終端空間とを円滑に流通する構造にすることで、ＯＲＶの上流側から圧力脈動がもたらされたとしても共振を起こしにくくなり、外管内におけるＬＮＧの液面遥動を抑え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、この外管の内部に延在し、終端が閉塞板で閉ざされるとともに始端から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、終端近傍の上部にガス抜き孔が設けられており、外管とフィンチューブとの接合部同士の間に配置されたリング板によって外管内で支持されていることを特徴とするＯＲＶである。

上記のＯＲＶにおいて、前記外管の終端がエンドキャップで閉ざされ、このエンドキャップの内面と前記閉塞板の外面との前記外管の軸方向での最大間隔が前記外管の内径の半分以下である構成にすることが好ましい。

また、上記のＯＲＶでは、前記ガス抜き孔は、前記スパージパイプの管壁の上部に前記閉塞板に近接して設けられるとともに、前記スパージパイプの横断面において、頂上部から８５°の範囲内の上方の位置に設けられる構成にすることが好ましい。

本発明のＯＲＶによれば、閉塞板とエンドキャップとで形成される終端空間は、隔離されることなく外管内の環状空間と連通し、ＬＮＧ散布孔から流出したＬＮＧ、およびガス抜き孔から放出されたＮＧが終端空間に滞留することはない。このため、終端空間で気化したＮＧが円滑に環状空間に流通することから、環状空間でＬＮＧの液面遥動を抑えることができ、その結果、上部ヘッダーを経て送り出されるＮＧの流量変動を減少させることができ、操業の安定化を実現することが可能となる。

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、同図（ｃ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ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。 従来の下部ヘッダーの終端近傍におけるＬＮＧの挙動を説明する図である。 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Ｃ−Ｃ断面図を、同図（ｃ）は同図（ａ）のＤ−Ｄ断面図を、同図（ｄ）は同図（ａ）のＥ−Ｅ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５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Ｃ−Ｃ断面図を、同図（ｃ）は同図（ａ）のＤ−Ｄ断面図を、同図（ｄ）は同図（ａ）のＥ−Ｅ断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５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。

図５（ａ）、（ｂ）に示すように、スパージパイプ１０の終端は閉塞板１２によって閉ざされている。この閉塞板１２は、スパージパイプ１０の外径とほぼ同じ直径の円板状であり、前記図２および図４に示す従来の下部ヘッダーのようなリング部１３を有していない。

スパージパイプ１０の外周には、図５（ａ）、（ｄ）に示すように、リング板１９が取り付けられている。このリング板１９は、外管９とフィンチューブ２との接合部同士の間に配置され、前記リング部１３に代えて、外管９内でスパージパイプ１０を支持する。

本実施形態では、図５（ａ）に示すように、外管９の終端を閉ざすエンドキャップ１１として、皿形の内部空間を有する皿形鏡板を採用している。閉塞板１２によって閉ざされたスパージパイプ１０の終端は、そのエンドキャップ１１に近接して配置される。

また、本実施形態のスパージパイプ１０には、図５（ａ）、（ｃ）に示すように、閉塞板１２に近接して管壁の上部に、ガス抜き孔１７Ｃが穿設されている。このガス抜き孔１７Ｃは、スパージパイプ１０の横断面において、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、頂上部から８５°の範囲内の斜め上方の位置に設けることが好ましい。より好ましくは、頂上部から４５°の範囲内である。ガス抜き孔１７Ｃの直径は、４〜２０ｍｍ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の終端を閉ざす閉塞板１２が前記リング部１３を有しておらず、外管９とフィンチューブ２との接合部同士の間に配置されたリング板１９によってスパージパイプ１０が支持された構成であるため、閉塞板１２とエンドキャップ１１とで形成される終端空間１８は、隔離されることなく外管９内の環状空間１５と連通する。これにより、スパージパイプ１０内に供給されたＬＮＧは、各ＬＮＧ散布孔１６から流出して環状空間１５に流入し、さらに終端空間１８にも円滑に流入する。これに加え、スパージパイプ１０内で気化したＮＧは、ガス抜き孔１７Ｃから放出されて環状空間１５に充満し、さらに終端空間１８にも円滑に流入する。すなわち、ＬＮＧおよびＮＧが終端空間１８に滞留することはない。

このため、終端空間１８に存在するＬＮＧが気化した場合であっても、気化したＮＧは円滑に環状空間１５に流入し、各フィンチューブ２に導入されることから、終端空間１８のＮＧが圧縮性容量とならず、環状空間１５でＬＮＧの液面遥動を抑えることができる。これにより、環状空間１５の圧力が安定し、各フィンチューブ２に導入される気液混合状態のＬＮＧの流量が安定するのに伴い、前記知見（ｃ）で述べたような外管９の内部全体で大きな液面遥動が発生する状態の場合よりも、上部ヘッダー４を経て送り出されるＮＧの流量変動を減少させることができる。その結果、前記知見（ｅ）で述べたような流量制御装置を採用していたとしても、操業の安定化を実現することが可能となる。

また、エンドキャップ１１として、皿形または半楕円形の内部空間を有するものを用いることにより、前記図２および図４に示す従来の下部ヘッダーで用いるエンドキャップ、すなわち半球形の内部空間を有するものと比較して、終端空間１８の容積を半分以下に減少させることができ、環状空間１５でのＬＮＧ液面遥動の抑制効果が一層高まる。この場合、エンドキャップ１１の内面と閉塞板１２の外面との外管９の軸方向での最大間隔を、外管９の内径の半分以下とする。例えば、外管９の内径が１４０ｍｍの場合、エンドキャップ１１の内面と閉塞板１２の外面との最大間隔は、７０ｍｍ以下である。この範囲内であれば、エンドキャップ１１の形状に限定はなく、また、エンドキャップ１１の内部を埋める構成でも構わない。

また、ガス抜き孔１７Ｃを閉塞板１２に近接させつつ、スパージパイプ１０の横断面において、頂上部から８５°の範囲内の斜め上方の位置に設けることにより、ガス抜き機能を効果的に発揮させることができ、しかも、外管９とフィンチューブ２との接合部で貫通割れの発生を防止することができる。後者の効果は以下の理由による。

ガス抜き孔１７Ｃからは、スパージパイプ１０内で気化したＮＧが放出されるのに加え、ＬＮＧも放出される。このため、運転条件によっては、ガス抜き孔１７ＣからＮＧと低温のＬＮＧとが交互に噴出することがあり、その噴出先に外管９とフィンチューブ２との接合部などの不連続形状が存在した場合、その部分には、繰り返し熱応力が発生するが、応力集中により平滑面よりも熱応力が著しく大きくなるため、長期の運転に伴って、疲労破壊により貫通割れが発生するおそれがある。

本実施形態の下部ヘッダー５のように、ガス抜き孔１７Ｃを閉塞板１２に近接させつつ、スパージパイプ１０の横断面で斜め上方の位置に設ける構成にすれば、ガス抜き孔１７Ｃ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配置されるため、その接合部には、ガス抜き孔１７Ｃから噴出したＮＧとＬＮＧが直接到達することはなく、貫通割れを誘発する繰り返しの熱応力は発生しない。

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、ＬＮＧ散布孔から流出したＬＮＧ、およびガス抜き孔から放出されたＮＧがエンドキャップ内の終端空間に滞留することはないため、終端空間で気化したＮＧが円滑に環状空間に流入するのに伴って、環状空間でＬＮＧの液面遥動を抑えることができ、その結果、上部ヘッダーを経て送り出されるＮＧの流量変動を防止することができ、操業の安定化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、 １７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ：ガス抜き孔、
１８：終端空間、 １９：リング板

Claims (3)

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、この外管の内部に延在し、終端が閉塞板で閉ざされるとともに始端から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、終端近傍の上部にガス抜き孔が設けられており、外管とフィンチューブとの接合部同士の間に配置されたリング板によって外管内で支持されていることを特徴とするオープンラック式気化器。
2. 前記外管の終端がエンドキャップで閉ざされ、このエンドキャップの内面と前記閉塞板の外面との前記外管の軸方向での最大間隔が前記外管の内径の半分以下であ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. 前記ガス抜き孔は、前記スパージパイプの管壁の上部に前記閉塞板に近接して設けられるとともに、前記スパージパイプの横断面において、頂上部から８５°の範囲内の上方の位置に設けられ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。

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