JP5783945B2 - 液化装置及びその起動方法 - Google Patents
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Description
本発明は、液化装置及びその起動方法に関するものであり、特に、液化天然ガス寒冷を利用した液化装置及びその起動方法に関する。
液化天然ガス（以後、「ＬＮＧ」と記載する）を気化し、都市ガスとして供給する際に生じる寒冷は、工業用ガスの液化や空気液化分離（以後、「ＬＮＧ寒冷利用液化装置」と記載する）に利用されている。
ここで、都市ガスの需要量は、昼夜間や季節毎によって大きく異なる。このため、気化されるＬＮＧ量（ＬＮＧ寒冷）もそれに伴って大きく変動する。
ところで、特許文献１及び特許文献２には、このようなＬＮＧ寒冷の変動による影響を低減する空気液化分離方法が開示されている。具体的に、特許文献１及び特許文献２には、昼間時に余剰のＬＮＧ寒冷がある場合、その寒冷を利用して液体空気を製造し、夜間時にＬＮＧ寒冷が不足する場合、その液体空気による寒冷を用いて空気分離装置の運転を行う空気液化分離方法が記載されている。
また、特許文献１及び特許文献２には、ＬＮＧ寒冷の増減によって液化装置の起動・停止を頻繁に繰り返すＬＮＧ寒冷の利用方法も提案されている。しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載された利用方法では、ＬＮＧ寒冷を利用した液化装置を頻繁に起動・停止することとなり、その構成機器である熱交換器の運転温度が大きく変化することとなる。このため、熱交換器内には熱応力が生じて、亀裂が発生する原因や、機器の短寿命の原因となるという問題があった。
上記課題を解決するために、例えば、ＬＮＧ寒冷を利用した窒素等の工業用ガスを液化する装置では、構成機器としてアルミプレートフィン熱交換器が多く用いられている。また、アルミプレートフィン熱交換器に、温度変化に起因する応力を発生させないために、操業変更、起動時間を長くする方法が提案されている。
例えば、特許文献３には、高温で運転される燃料電池或いは低温の空気分離装置の起動方法が開示されている。具体的に、特許文献３には、アルミプレートフィン熱交換器に生じる応力を低減する為、熱交換器内の特定した箇所の温度変化が所定の値を超えないように装置の起動時間を長くする方法が開示されている。
しかしながら、特許文献３に記載された方法では、ＬＮＧ寒冷利用装置で用いる窒素圧縮機の起動等の不連続な運転には対応できないという問題があった。
また、ＬＮＧ寒冷利用液化装置の一般的なプロセスでは、中圧、高圧窒素ガスが必要となる。その際、ＬＮＧで冷却された低温の窒素ガスを低温圧縮機で昇圧することで、その圧縮動力を大幅に低減すると共に、昇圧によって吐出温度が略常温となるので吐出冷却器も不要としている。従って、ＬＮＧ寒冷利用液化装置の起動時、構成する機器配管及びプロセス流体は常温なので、低温圧縮機を直ちに起動、運転することは出来ない。従って、ＬＮＧ寒冷利用液化装置の起動では、装置の特性上、少量のＬＮＧを導入して、構成機器配管を冷却し、低温の流体を低温圧縮機に導入できる状態になった後、低温圧縮機を起動する必要があった。その為に、ＬＮＧ温度近傍まで冷却された構成機器に低温圧縮機で昇圧された「常温」の流体を構成機器に導入しなければならなかった。
よって、ＬＮＧ寒冷利用液化装置の構成機器の運転温度は、装置起動時と定常運転時では大きく異なり、それが、構成機器の熱応力の発生、蓄積の回避は困難であった。
ＬＮＧ寒冷利用液化装置の起動運転では、構成機器内に発生する熱応力を低減する為に各流体の流量を微調整することは可能であるが、低温圧縮機の起動によって、圧縮機出口温度を徐々に常温にすることは困難であった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その起動運転時において、熱交換器内に生じる応力を低減することが可能な液化装置及びその起動方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するために、以下の構成とした。
すなわち、請求項１に係る発明は、液化する対象となる原料ガスを高温流体とし、冷媒を低温流体として、前記原料ガスと前記冷媒とを熱交換する第１熱交換器と、
前記第１熱交換器で熱交換した後の前記冷媒を高温流体とし、寒冷流体を低温流体として、当該冷媒と前記寒冷流体とを熱交換する第２熱交換器と、
前記第１熱交換器と、前記第２熱交換器と、前記冷媒を循環させるための循環ポンプと、が設けられた冷媒循環経路と、
前記第１熱交換器の温端側から前記第２熱交換器の温端側への前記冷媒循環経路に設けられた、前記冷媒を加熱するための加熱手段と、を備えることを特徴とする液化装置である。
すなわち、請求項１に係る発明は、液化する対象となる原料ガスを高温流体とし、冷媒を低温流体として、前記原料ガスと前記冷媒とを熱交換する第１熱交換器と、
前記第１熱交換器で熱交換した後の前記冷媒を高温流体とし、寒冷流体を低温流体として、当該冷媒と前記寒冷流体とを熱交換する第２熱交換器と、
前記第１熱交換器と、前記第２熱交換器と、前記冷媒を循環させるための循環ポンプと、が設けられた冷媒循環経路と、
前記第１熱交換器の温端側から前記第２熱交換器の温端側への前記冷媒循環経路に設けられた、前記冷媒を加熱するための加熱手段と、を備えることを特徴とする液化装置である。
また、請求項２に係る発明は、前記第１熱交換器の温端側及び前記第２熱交換器の冷端側の少なくとも一方又は両方の、前記冷媒の温度を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段の測定値により前記加熱手段を制御する制御手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の液化装置である。
また、請求項３に係る発明は、前記寒冷流体が、液化天然ガスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の液化装置である。
また、請求項４に係る発明は、請求項１に記載の液化装置の起動方法であって、
冷媒循環経路における冷媒の循環を開始するステップと、
加熱手段による前記冷媒の加熱と第２熱交換器における寒冷流体の供給とを開始し、加熱された前記冷媒と前記寒冷流体とを熱交換するステップと、
第１熱交換器における原料ガスの供給を開始するステップと、を備えることを特徴とする液化装置の起動方法である。
冷媒循環経路における冷媒の循環を開始するステップと、
加熱手段による前記冷媒の加熱と第２熱交換器における寒冷流体の供給とを開始し、加熱された前記冷媒と前記寒冷流体とを熱交換するステップと、
第１熱交換器における原料ガスの供給を開始するステップと、を備えることを特徴とする液化装置の起動方法である。
また、請求項５に係る発明は、前記第１熱交換器の温端側又は、前記第２熱交換器の冷端側における前記冷媒の温度の上昇に伴い、前記加熱手段による当該冷媒の加熱量を低減することを特徴とする請求項４に記載の液化装置の起動方法である。
本発明の液化装置及びその起動方法によれば、第１熱交換器の温端側から第２熱交換器の温端側への冷媒循環経路に加熱手段を設け、液化装置の起動時に、第１熱交換器において液化する対象となる原料ガスによって冷媒が加熱されるまでの間、上記加熱手段で冷媒を加熱した後に第２の熱交換器に導入することにより、上記第２熱交換器内の温度分布を定常状態とほぼ同じ状態とする事が可能となる。これにより、寒冷流体の気化あるいは顕熱を回収する上記第２熱交換器内において、急激な温度差に起因して発生する応力を最小限とすることができるため、熱交換器の長寿命化が可能となる。
以下、本発明を適用した一実施形態である液化天然ガスの寒冷を利用した液化装置について、その運転方法及び起動方法とともに、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
（液化装置）
先ず、液化装置の構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態である液化装置の構成を示す系統図である。図１に示すように、本実施形態の液化装置１は、液化天然ガスの寒冷を利用して窒素ガスを液化するものであり、液化する対象となる窒素ガス（原料ガス）の経路Ｌ１〜Ｌ４、冷媒の循環経路（冷媒循環経路）Ｌ５、液化天然ガス（寒冷流体）の経路Ｌ６、第１熱交換器５０、第２熱交換器６０、第３熱交換器７０、冷媒を加熱するための加熱器（加熱手段）４０、第２熱交換器６０の温端側の冷媒の温度を測定する温度計（温度測定手段）９１、加熱器４０を制御する制御装置（制御手段）９２を備えて、概略構成されている。
先ず、液化装置の構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態である液化装置の構成を示す系統図である。図１に示すように、本実施形態の液化装置１は、液化天然ガスの寒冷を利用して窒素ガスを液化するものであり、液化する対象となる窒素ガス（原料ガス）の経路Ｌ１〜Ｌ４、冷媒の循環経路（冷媒循環経路）Ｌ５、液化天然ガス（寒冷流体）の経路Ｌ６、第１熱交換器５０、第２熱交換器６０、第３熱交換器７０、冷媒を加熱するための加熱器（加熱手段）４０、第２熱交換器６０の温端側の冷媒の温度を測定する温度計（温度測定手段）９１、加熱器４０を制御する制御装置（制御手段）９２を備えて、概略構成されている。
経路Ｌ１〜Ｌ６は、その内部にそれぞれの流体を挿通することが可能な適切な配管から構成されている。
経路Ｌ１〜Ｌ４は、窒素ガス経路を構成している。経路Ｌ１は、一方の端部が空気分離装置等の窒素ガス（原料ガス）供給源と接続されている。また、経路Ｌ１は、第１熱交換器５０を経て、他方の端部が経路Ｌ４及び経路Ｌ２の端部と接続されている。経路Ｌ２には、窒素ガスを圧縮する窒素圧縮機９０が設けられている。また、経路Ｌ２は、第２熱交換器６０及び第３熱交換機７０を経て、他方の端部で気液分離器８０と接続されている。経路Ｌ３は、一方の端部が気液分離器８０の液相側に接続されており、他方の端部から目的物となる液体窒素を取り出すことが可能とされている。経路Ｌ４は、一方の端部が気液分離器８０の気相側に接続されており、第３熱交換器７０を経て、他方の端部が前記経路Ｌ２の一方の端部と接続されている。
経路Ｌ５は、冷媒の循環経路である。この経路Ｌ５には、冷媒を循環させるための循環ポンプ２５が設けられており、さらに循環ポンプの二次側には、第２熱交換器６０、第１熱交換器５０、加熱器４０、温度計（温度測定手段）９１、及び冷媒を貯留する冷媒タンク４１がこの順で設けられている。また、温度計（温度測定手段）９１からの信号で加熱器４０は、温度制御されている。
経路Ｌ６は、液化天然ガスが供給される経路であり、一方の端部が液化天然ガス供給源と接続されている。また、経路Ｌ６は、第３熱交換器７０、第２熱交換器６０を経て、他方の端部が一部又は全部が気化された液化天然ガスの需要先と接続されている。
第１熱交換器５０には、窒素ガスの経路Ｌ１と冷媒の循環経路Ｌ５とが挿通されている。この第１熱交換器５０では、窒素ガスを高温流体とし、冷媒を低温流体として窒素ガスと冷媒とが熱交換される。
第２熱交換器６０には、窒素ガスの経路Ｌ２、冷媒の循環経路Ｌ５及び液化天然ガスの経路Ｌ６が挿通されている。この第２熱交換器６０では、第１熱交換器５０で熱交換され、昇圧された後の窒素ガス及び冷媒を高温流体とし、液化天然ガスを低温流体として、窒素ガス及び冷媒と液化天然ガスとが熱交換される。
第３熱交換器７０には、窒素ガスの経路Ｌ２及び経路Ｌ４、並びに液化天然ガスの経路Ｌ６が挿通されている。この第３熱交換器７０では、第２熱交換器６０で熱交換された後の窒素ガスを高温流体とし、気液分離器８０の気相から供給された窒素ガス及び寒冷源から導入された液化天然ガスを低温流体として、窒素ガスと液化天然ガスとが熱交換される。
（液化装置の定常運転の方法）
次に、図１に示す本実施形態の液化装置１の定常運転の方法について説明する。
空気分離装置等から経路Ｌ１に供給された低圧常温の窒素ガス１０は、第１熱交換器５０において冷媒２１により約１６０Ｋまで冷却される。
次に、図１に示す本実施形態の液化装置１の定常運転の方法について説明する。
空気分離装置等から経路Ｌ１に供給された低圧常温の窒素ガス１０は、第１熱交換器５０において冷媒２１により約１６０Ｋまで冷却される。
冷却後、この窒素ガス１１は、後述する経路Ｌ４内の低温の窒素ガス１９と共に窒素圧縮機９０によって所定の圧力まで昇圧される。圧縮熱によって略常温となった窒素ガス１３は、第２熱交換器６０、第３熱交換器７０に導入され、経路Ｌ６によって第３熱交換器７０及び第二熱交換器６０に冷流体３０として導入されるＬＮＧによって冷却され、減圧された後、気液分離器８０に導入される。
気液分離器８０からの液体窒素１７は、経路Ｌ３から製品として供給される。一方、気液分離器８０からの窒素ガス１８は、経路Ｌ４によって第３熱交換器７０で昇温された後、第１熱交換器５０冷端の低圧窒素ガス１１と合流して、窒素圧縮機９０に導入される。
常温の冷媒流体２０は圧縮窒素１３と共に第２熱交換器６０に導入され、ＬＮＧによって冷却される。冷却された冷媒２１は第一熱交換器５０に導入され、低圧窒素ガス１０との熱交換により昇温された後、再び循環ポンプ２５によって第２熱交換器６０に導入される。
ＬＮＧ３０は図示略の液化天然ガス供給源から導出され、温度が一例として１１０Ｋの状態で第３熱交換器７０に導入される。次いで、第二熱交換器６０で冷媒及び窒素ガスとの熱交換により、その全部又は一部が気化される。液部分は、更に図示略の加熱器によって加熱され、ガス部分と共に都市ガス等として需要先に導入される。
（液化装置の起動方法）
次に、図１に示す本実施形態の液化装置１の起動方法について説明する。本実施形態の液化装置１の起動方法は、冷媒循環経路Ｌ５における冷媒の循環を開始するステップ（第１ステップ）と、加熱器４０による冷媒の加熱と第２熱交換器６０における液化天然ガスの供給とを開始し、加熱器４０によって加熱された冷媒と液化天然ガスとを第２熱交換機６０で熱交換するステップ（第２ステップ）と、第１熱交換器５０における窒素ガスの供給を開始するステップ（第３ステップ）と、第１熱交換器５０の温端側における冷媒の温度の上昇に伴って、加熱器４０による冷媒の加熱量を低減するステップ（第４ステップ）と、を備えて概略構成されている。以下に、各ステップについて詳細に説明する。
次に、図１に示す本実施形態の液化装置１の起動方法について説明する。本実施形態の液化装置１の起動方法は、冷媒循環経路Ｌ５における冷媒の循環を開始するステップ（第１ステップ）と、加熱器４０による冷媒の加熱と第２熱交換器６０における液化天然ガスの供給とを開始し、加熱器４０によって加熱された冷媒と液化天然ガスとを第２熱交換機６０で熱交換するステップ（第２ステップ）と、第１熱交換器５０における窒素ガスの供給を開始するステップ（第３ステップ）と、第１熱交換器５０の温端側における冷媒の温度の上昇に伴って、加熱器４０による冷媒の加熱量を低減するステップ（第４ステップ）と、を備えて概略構成されている。以下に、各ステップについて詳細に説明する。
（第１ステップ）
最初に、循環ポンプ２５を起動する。これにより、冷媒が、循環経路Ｌ５に設けられた第２熱交換器６０、第１熱交換器５０、加熱器４０、冷媒タンク４１及び循環ポンプ２５の順で循環する。
最初に、循環ポンプ２５を起動する。これにより、冷媒が、循環経路Ｌ５に設けられた第２熱交換器６０、第１熱交換器５０、加熱器４０、冷媒タンク４１及び循環ポンプ２５の順で循環する。
（第２ステップ）
次に、液化天然ガス供給源から経路Ｌ６にＬＮＧの供給を開始する。
これにより、図１に示すように、第２熱交換器６０でＬＮＧにより冷却された冷媒２１は、低温状態のまま第１熱交換器５０の温端から導出される。低温状態の冷媒２２は、加熱器４０で常温まで昇温された後、冷媒タンク４１に導入される。冷媒タンク４１からの常温の冷媒２０は、再度第２熱交換器６０に導入される。
次に、液化天然ガス供給源から経路Ｌ６にＬＮＧの供給を開始する。
これにより、図１に示すように、第２熱交換器６０でＬＮＧにより冷却された冷媒２１は、低温状態のまま第１熱交換器５０の温端から導出される。低温状態の冷媒２２は、加熱器４０で常温まで昇温された後、冷媒タンク４１に導入される。冷媒タンク４１からの常温の冷媒２０は、再度第２熱交換器６０に導入される。
この為、起動時であっても、配管２０を通る冷媒は定常状態と同様な温度で第２熱交換器６０に導入されることとなる。これにより、第２熱交換器６０全体がＬＮＧの導入温度まで冷却されることなく、定常状態に近い温度分布を持つことが出来る。
（第３ステップ）
次に、窒素ガスの冷却が可能となったことを確認した後、圧縮機９０を起動し経路Ｌ１に窒素ガスの導入を開始する。経路Ｌ１に導入された窒素ガスは、第１熱交換器５０において冷媒で冷却された後、窒素圧縮機９０に導入される。昇圧後、略常温となった窒素ガスは、第２熱交換器６０に導入される。
次に、窒素ガスの冷却が可能となったことを確認した後、圧縮機９０を起動し経路Ｌ１に窒素ガスの導入を開始する。経路Ｌ１に導入された窒素ガスは、第１熱交換器５０において冷媒で冷却された後、窒素圧縮機９０に導入される。昇圧後、略常温となった窒素ガスは、第２熱交換器６０に導入される。
ここで、第２熱交換器６０には、既に常温の冷媒が高温流体として循環経路Ｌ５によって導入されているので、圧縮熱で常温まで昇温された圧縮窒素１３を導入しても、第２熱交換器６０内の温度分布に大きな変化は生じない。また、この窒素ガスを経路Ｌ２から導入することにより、第１熱交換器５０の高温流体が増加するので、第１熱交換器５０の冷端温度を監視しながら、経路Ｌ６におけるＬＮＧの導入量を増やして、定格量まで増量することが出来る。
また、同時に、プロセス各部の温度を監視しながら、窒素圧縮機９０の処理量、ＬＮＧ注入量を定格量まで増量することが出来る。
（第４ステップ）
液化装置１の起動運転を開始した後、窒素圧縮機９０の増量運転に伴い、第１熱交換器５０における交換熱量は増加するので、第１熱交換器５０の温端の冷媒温度が上昇する。温度制御装置９２は加熱器４０の出口温度９１を一定とする制御を行うので、加熱器４０の加熱量を順次低減することができる。そして、液化装置１の起動運転が完了した時点で、加熱器４０を停止する。
液化装置１の起動運転を開始した後、窒素圧縮機９０の増量運転に伴い、第１熱交換器５０における交換熱量は増加するので、第１熱交換器５０の温端の冷媒温度が上昇する。温度制御装置９２は加熱器４０の出口温度９１を一定とする制御を行うので、加熱器４０の加熱量を順次低減することができる。そして、液化装置１の起動運転が完了した時点で、加熱器４０を停止する。
以上説明したように、本実施形態の液化装置１及びその起動方法によれば、第１熱交換器５０の温端側から第２熱交換器６０の温端側への冷媒の循環経路Ｌ５に加熱器４０を設け、液化装置１の起動時に、第１熱交換器５０において窒素ガスによって冷媒が加熱されるまでの間、加熱器４０で冷媒を加熱した後に第２の熱交換器６０に導入する構成とした。これにより、高温流体として加熱器４０で加熱された冷媒が第２熱交換器６０内に導入されるため、この第２熱交換器６０内の温度分布を定常状態とほぼ同じ状態とする事が可能となる。したがって、寒冷流体の気化あるいは顕熱を回収する第２熱交換器６０内において、急激な温度差に起因して発生する応力を最小限とすることができるため、第２熱交換器６０の長寿命化が可能となる。
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上述した実施形態の液化装置１では、加熱器４０の出口、つまり第２熱交換器６０の温端の冷媒温度を一定とする制御方法を記載したが、これに限定されるものではない。具体的には、第１熱交換器５０の冷端の冷媒温度を測定し(温度計９５)、この温度が定常状態の所定温度となる様加熱器４０の容量を制御する構成としても良い。
ここで、「低温圧縮機」とは、窒素圧縮機の消費動力を低減し、アフタークーラを不要とする為に、吸入温度が常温よりも低い状態で運転する圧縮機を言う。常温のＬＮＧ寒冷利用液化装置を起動する際に、直ちに起動することが出来ない。つまり、動力が低減し、アフタークーラを不要とできるが、起動時に制限を受け、その際、熱交換器への熱応力発生への考慮が必要となる。これを解決したことが本発明の技術的なポイントの一つである。
以下、具体例を示す。
（実施例）
この実施例では、ＬＮＧ寒冷を利用する液化装置として、下表１に示す仕様を想定した。起動方法として、起動初期からＬＮＧ及び冷媒を定格量導入する場合（起動運転１）及び、起動当初はＬＮＧ及び冷媒を少量導入する場合（起動運転２）を検討した。
（実施例）
この実施例では、ＬＮＧ寒冷を利用する液化装置として、下表１に示す仕様を想定した。起動方法として、起動初期からＬＮＧ及び冷媒を定格量導入する場合（起動運転１）及び、起動当初はＬＮＧ及び冷媒を少量導入する場合（起動運転２）を検討した。
起動運転１の場合、加熱器４０には、熱収支上、導入されたＬＮＧ全量を気化する能力が必要となり、約２０００ｋＷの容量が必要となる。蒸気式加熱器である場合、毎時約３６００ｋｇの蒸気（１０バール）が必要となる。一方、定格流量の４％程度のＬＮＧ導入を想定した起動運転２の場合、加熱器４０に必要な容量は約８０ｋＷであり、例えば蒸気式加熱器である場合、毎時約１５０ｋｇの蒸気（１０バール）が必要となる。
起動運転１の場合、容量の大きな加熱器４０が必要となるが、起動時の制御は比較的容易となる。一方、軌道運転２の場合、各熱交換器の運転温度を監視しながら、注入ＬＮＧ流量、循環冷媒量及び圧縮機９０の増量運転を行う必要があるが、加熱器４０に必要な容量は小さくなり、装置価格を低くすることが可能となる。図１に示す液化装置１の起動運転プロセスにおいて、第２熱交換器６０の壁温変化を図２に示す。
図２は、図１に示す第２熱交換器６０の温端、冷端及びその中間部分の壁温の経時変化を模擬した図である。ここで、「中間部分の壁温」は第２熱交換器６０の温端〜冷端間を長さ方向に均等に６分割し、それぞれの位置における壁温を示している。
図２に示すように、各点の壁温の変化は、従来の液化装置を用いた起動方法と比較して緩慢となる。特に、従来の起動方法では、第２熱交換器６０の温端及び近傍は当初急激に冷却される。これに対して、本発明の液化装置１及び起動方法を採用すると、温端程、冷却は緩慢になることが確認された。
また、本発明の起動方法では、第２熱交換器６０の温端温度が略定常状態の温度に維持されるので、従来の起動方法の様に、一旦冷却された後、再度加熱される現象は生じない。
（参考例）
図３は、従来の液化装置１００を示す系統図である。従来の液化装置１００は、図１に示す液化装置１と比較すると、冷媒の循環経路Ｌ５に加熱器４０が設けられていない点で異なっている。
図３は、従来の液化装置１００を示す系統図である。従来の液化装置１００は、図１に示す液化装置１と比較すると、冷媒の循環経路Ｌ５に加熱器４０が設けられていない点で異なっている。
従来の液化装置１００の起動は以下の通りとなる。
最初に、循環ポンプ２５が起動され、冷媒が第２熱交換機６０、第１熱交換器５０、冷媒タンク４１及び循環ポンプ２５を循環する。その後、ＬＮＧが経路Ｌ６に徐々に導入される。第２熱交換器６０でＬＮＧにより冷却された冷媒２１は、低温状態のまま第１熱交換器５０の温端から導出される。低温状態の冷媒２２は再度、第２熱交換器６０に導入される。この装置の起動当初、導入されたＬＮＧを加温する流体がないので、第２熱交換器６０自体は、所定の温度まで均一に冷却される。
最初に、循環ポンプ２５が起動され、冷媒が第２熱交換機６０、第１熱交換器５０、冷媒タンク４１及び循環ポンプ２５を循環する。その後、ＬＮＧが経路Ｌ６に徐々に導入される。第２熱交換器６０でＬＮＧにより冷却された冷媒２１は、低温状態のまま第１熱交換器５０の温端から導出される。低温状態の冷媒２２は再度、第２熱交換器６０に導入される。この装置の起動当初、導入されたＬＮＧを加温する流体がないので、第２熱交換器６０自体は、所定の温度まで均一に冷却される。
そして、第１熱交換器５０において、循環経路Ｌ５から導入される冷媒によって経路Ｌ１からの低温窒素ガスの冷却が可能になると、窒素圧縮機９０が起動される。昇圧する際の圧縮熱によって常温近くまで昇温された状態の窒素ガスは、経路Ｌ２をとおり、第２熱交換器６０の温端に導入される。つまり、ＬＮＧの供給温度近くまで冷却された第２熱交換器６０に、常温付近の窒素が導入されることとなる。これにより、第２熱交換器６０は温端部分から急激に加熱される。
その後、プロセス各部の温度等を監視しながら、ＬＮＧ導入量及び窒素圧縮機９０の処理量を定格量まで徐々に増量することで、本装置を起動することが出来る。
図４は、従来の液化装置１００において、第２熱交換器６０の温端、冷端及びその中間部分の壁温の経時変化を示すグラフである。ここで、「中間部分の壁温」は第２熱交換器６０の温端〜冷端間を長さ方向に均等に６分割し、それぞれの位置における壁温を示している。
図４に示すように、液化装置１００の起動当初、第２熱交換器６０の各点の壁温は急速に低下する。その後、窒素ガスの第１熱交換器及び第２熱交換器への導入によって、第２熱交換器６０の各点の壁温は再び上昇する。特に、第２熱交換器６０の温端に近い程、その温度変化ΔＴ（初期温度〜冷却最低温度〜最終温度）は大きい傾向が確認された。つまり、第２熱交換器６０の温端に近い程、壁温度は大きく変化し、それによって大きな応力の発生、蓄積が予測された。
つまり、従来の窒素圧縮機９０を用いたＬＮＧ寒冷利用プロセス及び液化装置では、プロセスの特性上、起動時におけるＬＮＧの注入開始により、一時的であるが、第２熱交換器６０全体の冷却は避けられない。
その後、窒素圧縮機９０に導入する窒素の冷却が可能となった後、窒素圧縮機９０を起動するので、既に冷却された第２熱交換器６０に略常温の窒素ガスが導入されることになる。つまり、第２熱交換器は、液化装置１００の起動運転が開始されると一時的に冷却され、その後、温度差のある流体導入が避けられない。
１・・・液化装置
２５・・・循環ポンプ
４０・・・加熱器（加熱手段）
４１・・・冷媒タンク
５０・・・第１熱交換器
６０・・・第２熱交換器
７０・・・第３熱交換機
８０・・・気液分離器
９０・・・窒素圧縮機
９１・・・温度計（温度測定手段）
９２・・・制御装置（制御手段）
９５・・・温度計（温度測定手段）
Ｌ１〜Ｌ４・・・窒素ガス（原料ガス）の経路
Ｌ５・・・冷媒の循環経路（冷媒循環経路）
Ｌ６・・・液化天然ガス（寒冷流体）の経路
２５・・・循環ポンプ
４０・・・加熱器（加熱手段）
４１・・・冷媒タンク
５０・・・第１熱交換器
６０・・・第２熱交換器
７０・・・第３熱交換機
８０・・・気液分離器
９０・・・窒素圧縮機
９１・・・温度計（温度測定手段）
９２・・・制御装置（制御手段）
９５・・・温度計（温度測定手段）
Ｌ１〜Ｌ４・・・窒素ガス（原料ガス）の経路
Ｌ５・・・冷媒の循環経路（冷媒循環経路）
Ｌ６・・・液化天然ガス（寒冷流体）の経路
Claims (5)
- 液化する対象となる原料ガスを高温流体とし、冷媒を低温流体として、前記原料ガスと前記冷媒とを熱交換する第１熱交換器と、
前記第１熱交換器で熱交換した後の前記冷媒を高温流体とし、寒冷流体を低温流体として、当該冷媒と前記寒冷流体とを熱交換する第２熱交換器と、
前記第１熱交換器と、前記第２熱交換器と、前記冷媒を循環させるための循環ポンプと、が設けられた冷媒循環経路と、
前記第１熱交換器の温端側から前記第２熱交換器の温端側への前記冷媒循環経路に設けられた、前記冷媒を加熱するための加熱手段と、を備えることを特徴とする液化装置。 - 前記第１熱交換器の温端側及び前記第２熱交換器の冷端側の少なくとも一方又は両方の、前記冷媒の温度を測定する温度測定手段と、
前記温度測定手段の測定値により前記加熱手段を制御する制御手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の液化装置。 - 前記寒冷流体が、液化天然ガスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の液化装置。
- 請求項１に記載の液化装置の起動方法であって、
冷媒循環経路における冷媒の循環を開始するステップと、
加熱手段による前記冷媒の加熱と第２熱交換器における寒冷流体の供給とを開始し、加熱された前記冷媒と前記寒冷流体とを熱交換するステップと、
第１熱交換器における原料ガスの供給を開始するステップと、を備えることを特徴とする液化装置の起動方法。 - 前記第１熱交換器の温端側又は前記第２熱交換器の冷端側における前記冷媒の温度の上昇に伴い、前記加熱手段による当該冷媒の加熱量を低減することを特徴とする請求項４に記載の液化装置の起動方法。
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