JP6254645B1 - ガスハイドレート回収システムおよびガスハイドレート回収方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ガスリフト機構を安定的に動作させることができるガスハイドレート回収システムおよびガスハイドレート回収方法を提供する。【解決手段】水上に水上設備５を配置して、水底２で回収された塊状のガスハイドレートｍをライザー管４により水上設備５まで搬送して、水上設備５に搬送されたガスハイドレートｍから生じたガスｇをライザー管４のなかに供給してライザー管４のなかに上昇流を発生させるガスハイドレートの回収方法において、水上設備５に搬送されるガスハイドレートｍを融解してガスｇを発生させ、このガスｇを圧縮した後に、ライザー管４のなかに供給する。【選択図】図２
Description
本発明は、ガスリフト機構を利用して塊状のガスハイドレートを水底から水上設備に回収するガスハイドレート回収システムおよびガスハイドレート回収方法に関するものであり、詳しくはガスリフト機構を安定的に動作させることができるガスハイドレート回収システムおよびガスハイドレート回収方法に関するものである。
海底に存在するメタンガスハイドレートを回収する回収システムが種々提案されている（例えば特許文献１参照）。
特許文献１は、水上設備から水底に向かって延在するライザー管の途中部分に、水上設備に回収したガスハイドレートの気化により得られたガスを吹き込むガスリフト機構を備える回収システムを提案する。ガスをライザー管内に吹き込むことにより、ライザー管内の流体の比重が水底近傍の流体の比重よりも小さくなる。この比重差によりライザー管内に上昇流が発生する。この上昇流で塊状のガスハイドレートを水底から水上まで運搬する。
ガスハイドレートの気化により得られたガスは、多量の水分を含んでいる。そのためライザー管の中に吹き込むためにガスを水深の深い位置まで送ると、ガスは冷却されるとともに水分と再結合して新たなガスハイドレートを生成することがある（以下、本明細書では再ハイドレート化ということがある）。再ハイドレート化により発生したガスハイドレートがガスリフト機構の管路の内壁面に付着し、成長して管路を閉塞する不具合が発生する。
ガスを加圧するとともにライザー管内に吹き込むノズルにも、再ハイドレート化により発生したガスハイドレートが付着する。ガスハイドレートの付着によりノズルが機能しなくなる不具合が発生する。つまりガスリフト機構を安定的に動作させることができなかった。
特許文献１の回収システムでは、再ハイドレート化により付着したガスハイドレートを取り除くためのメンテナンスを頻繁に行なわなくてはならず、その度にガスハイドレートの回収作業を停止しなければならない。そのためガスハイドレートの回収コストを抑制することが困難であった。
本発明は上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的はガスリフト機構を安定的に動作させることができるガスハイドレート回収システムおよびガスハイドレート回収方法を提供することである。
上記の目的を達成するためのガスハイドレート回収システムは、水上に配置された水上設備と、水底で回収された塊状のガスハイドレートを前記水上設備に搬送するライザー管と、前記水上設備に搬送された前記ガスハイドレートから生じたガスを前記ライザー管のなかに供給して上昇流を発生させるガスリフト機構とを備えるガスハイドレート回収システムにおいて、前記水上設備に設置され塊状の前記ガスハイドレートを融解させてガスを回収するガス化機構と、前記ガス化機構で回収されるガスを圧縮する圧縮機構とを備えていて、前記圧縮機構が、ガスを圧縮する第一圧縮部と、この第一圧縮部で圧縮されるガスを冷却する冷却部と、この冷却部で冷却されるガスを圧縮する第二圧縮部と、この第二圧縮部から前記ガスリフト機構に供給されるガスの温度を監視する温度監視部と、前記ガスリフト機構に供給されるガスの温度が所定の温度より低いときに前記冷却部の冷却機能を低下させる制御を行なう制御部とを備えていて、前記ガスリフト機構が前記圧縮機構で圧縮されるガスを前記ライザー管のなかに供給する構成を備えることを特徴とする。
ガスハイドレート回収方法は、水上に水上設備を配置して、水底で回収された塊状のガスハイドレートをライザー管により前記水上設備まで搬送して、前記水上設備に搬送された前記ガスハイドレートから生じたガスを、ガスリフト機構を経由して前記ライザー管のなかに供給して前記ライザー管のなかに上昇流を発生させるガスハイドレート回収方法において、前記水上設備に搬送される前記ガスハイドレートを融解してガスを発生させ、このガスを第一圧縮部で圧縮して冷却した後に更に第二圧縮部で圧縮して前記ガスリフト機構に供給して、その後前記ガスを前記ガスリフト機構から前記ライザー管のなかに供給することを特徴とする。
本発明のガスハイドレート回収システムおよびガスハイドレート回収方法によれば、ガスリフト機構に供給されるガスが圧縮にともない昇温するので、ガスリフト機構内でガスが再ハイドレート化して管路を閉塞することを抑制できる。再ハイドレート化による管路の閉塞が発生しにくいので、ガスリフト機構を安定的に動作させるには有利である。
以下、本発明のガスハイドレート回収システムおよびガスハイドレート回収方法を図に示した実施形態に基づいて説明する。
図１に例示するように本発明のガスハイドレート回収システム１は、海や湖の底である水底２に存在する表層メタンガスハイドレートｍを掘削して塊状のガスハイドレートｍを捕集する掘削機構３と、捕集されたガスハイドレートｍを水底２の近傍から水上まで搬送するライザー管４とを備えている。
掘削機構３は、例えば水中重機やドリルビットで構成することができる。掘削機構３の構成はこれに限らず、水底２を掘削して塊状のガスハイドレートｍをライザー管４の下端に送る構成を有していればよい。
ライザー管４は、例えば上下方向に延在する筒状体で構成することができる。ライザー管４の上端は水上設備５に連結されている。水上設備５は、例えば船舶や浮体構造物で構成することができる。水上設備５の構成はこれに限らず、ライザー管４により搬送される塊状のガスハイドレートｍを回収する構成を有していればよい。
水上設備５は、ガスハイドレートｍとともに回収される水や土砂等を分離して、この土砂等を水底２の近傍に排出する排出機構６を備えている。排出機構６は例えば搬送管などで構成することができる。排出機構６の構成はこれに限らず、水や土砂等の不要物を水上設備５から排出する構成を有していればよい。排出機構６は土砂等の不要物を水面近傍で拡散させることなく、水底２の近傍に排出できる構成を有することが望ましい。
図２に例示するように水上設備５は、ライザー管４の上端が連結され回収した塊状のガ
スハイドレートｍをガス化するガス化機構７と、ガス化機構７で発生したガスｇを圧縮して圧力を上昇させる圧縮機構８と、圧縮機構８で圧縮されたガスｇを一時的に貯留するバッファタンク９とを備えている。
スハイドレートｍをガス化するガス化機構７と、ガス化機構７で発生したガスｇを圧縮して圧力を上昇させる圧縮機構８と、圧縮機構８で圧縮されたガスｇを一時的に貯留するバッファタンク９とを備えている。
圧縮機構８は、例えばターボ式圧縮機で構成することができる。圧縮機構８の構成はこれに限らず、ガスｇを圧縮する機能を有していればよい。例えばレシプロ式圧縮機、斜板式圧縮機や、ダイヤフラム式圧縮機、シングルスクリュー式圧縮機、ツインスクリュー式圧縮機、スクロール式圧縮機、ロータリー式圧縮機などで圧縮機構８を構成してもよい。
バッファタンク９とライザー管４との間には、圧縮されたガスｇをバッファタンク９からライザー管４に供給するガスリフト機構１０が配置されている。ガスリフト機構１０は、入口側端部１１ａをバッファタンク９に連結され、出口側端部１１ｂをライザー管４の途中部分に連結される供給管１１を備えている。
ライザー管４により水上設備５に回収された塊状のガスハイドレートｍは、ガス化機構７で融解されてガスｇと水とに分離する。ガス化機構７は、ガスハイドレートｍやこれに同伴する水を貯留する容器１２と、容器１２内を加熱するヒータ１３を備えている。
ガス化機構７の構成はこれに限らず、ガスハイドレートｍを融解させる構成を有していればよい。例えば水上近傍の比較的温度の高い水を熱媒として容器１２の周囲に循環させて内部を加熱する熱交換器で構成することができる。
ガス化機構７を容器１２のみで構成して、開閉バルブ等により容器１２内の圧力を水底２の近傍の圧力よりも低く制御する構成にしてもよい。このガス化機構７は、容器１２内の減圧によりガスハイドレートｍを融解させて、ガスｇと水とに分離することができる。つまりヒータ１３は本発明の必須要件ではない。
容器１２に連通する搬送管等で構成される排出機構６により、ガス化機構７で分離された水や土砂等は外部に排出される。ガス化機構７で分離されたガスｇは圧縮機構８に送られて加圧される。加圧されたガスｇはバッファタンク９に送られる。バッファタンク９内の高圧のガスｇは、大部分がバッファタンク９からガスｇを消費地に供給するパイプラインや、ガスｇを消費地に運搬するためのタンク等に送られ、ガスｇの一部はガスリフト機構１０に送られる。
圧縮機構８で加圧されるガスｇの圧力は、ライザー管４に連結される供給管１１の出口側端部１１ｂの水深に応じて設定することができる。圧縮機構８は、例えば出口側端部１１ｂの水深が５００ｍのときガスｇを５ＭＰａ以上に、水深１０００ｍのとき１０ＭＰａ以上に、水深１５００ｍのとき約１５ＭＰａ以上に加圧する。出口側端部１１ｂの近傍でライザー管４内を流れる水の水圧よりもガスｇの圧力を高くすることにより、ガスリフト機構１０はライザー管４内にガスｇを効率的に供給することができる。
特許文献１に記載の回収システムでは、出口側端部１１ｂに設置される吹込手段により、ガスｇを加圧してライザー管４内に吹き込む構成を採用している。これに対して本発明では、水上設備５で加圧したガスｇをライザー管４に送っているため、ガスｇを加圧する吹込手段を出口側端部１１ｂに設置する必要がない。出口側端部１１ｂに吹込手段等の複雑な機器を設置しないので、これらの機器が再ハイドレート化により閉塞する不具合が本発明では発生し得ない。
圧縮機構８で圧縮されるガスｇは、圧縮にともない温度が上昇するので、ガスリフト機構１０の供給管１１を通過中に再ハイドレート化し難くなる。例えば約５ＭＰａのガスｇ
が再ハイドレート化するためには、ガスｇと結合する水とともに約５℃を下回る温度まで冷却される必要がある。
が再ハイドレート化するためには、ガスｇと結合する水とともに約５℃を下回る温度まで冷却される必要がある。
圧縮機構８により約５ＭＰａまで圧縮されたガスｇは温度が約８０℃まで上昇しているので、供給管１１を通過中にガスｇが約５℃を下回る温度となる可能性は極めて低くなる。つまり供給管１１内でガスｇが再ハイドレート化する可能性を低減することができる。ガスｇが５ＭＰａよりも高圧に圧縮される場合にはガスｇの温度はさらに上昇するので、供給管１１内でガスｇが再ハイドレート化する可能性をさらに低減できる。
ガスリフト機構１０において再ハイドレート化による閉塞等が発生し難いので、動作の安定性を向上することができる。ガスリフト機構１０の不具合がほとんど発生しないので、ガスハイドレート回収システム１の長期間にわたる連続運転が可能となる。ガスハイドレートｍの単位時間当たりの回収量が増加するので、ガスハイドレートｍを回収する際のコストを抑制するには有利である。
ガスリフト機構１０を構成する供給管１１は、本実施形態ではライザー管４の途中部分に連結されているが、ライザー管４の延在方向における中間部分よりも下方となる位置に供給管１１を連結してもよく、上方となる位置に連結してもよい。ライザー管４が水中で湾曲している場合などは、ライザー管４内の流速が低下する位置の近傍に供給管１１を連結することが望ましい。ガスリフト機構１０を複数の供給管１１で構成して、複数箇所からライザー管４内にガスｇを供給する構成にしてもよい。
ライザー管４の内側はガスハイドレートｍが移動するので、これにより同伴する水が冷却される。そのためライザー管４の内側よりも外側の水の方が温度は比較的高い。供給管１１はライザー管４の外側に配置されているので、供給管１１内を通過するガスｇが周囲の水により冷却される割合を抑制することができる。圧縮機構８によりガスｇが十分に加熱されている場合には、供給管１１をライザー管４の内側に配置する構成にしてもよい。
供給管１１内を通過するガスｇの温度を維持するために、供給管１１に断熱材を配置する構成にしてもよい。供給管１１内で再ハイドレート化が発生する可能性を抑制するには有利である。断熱材の配置により比較的温度の高いガスｇをライザー管４内に供給することができるので、ライザー管４内のガスハイドレートｍの融解を促進することができる。ガスハイドレートｍの融解にともない気泡が発生するので、ライザー管４内の比重差が大きくなり、上昇流の速度を向上することができる。
供給管１１の途中部分にガスｇの供給量を制御するバルブ１４を設置する構成にすることができる。バルブ１４により供給管１１からライザー管４の内部に供給されるガスｇの流量を制御できるので、ライザー管４内に発生する上昇流の速度の制御が可能となる。
この流速を増大させると塊状のガスハイドレートｍを水上設備５まで搬送する搬送時間を短縮できる。この流速を減少させるとライザー管４内の土砂が沈降し易くなるので、上昇流により水上設備５まで搬送される土砂の量を抑制することができる。つまり上昇流の速度の制御により、水上設備５における塊状のガスハイドレートｍの回収速度を調整するとともに、ガスハイドレートｍに付随して回収される土砂の量を調整することができる。
バルブ１４は、開閉により供給管１１の閉塞または開放のいずれかを行なう開閉バルブで構成してもよく、開度を調整することによりガスｇの流量を緻密に制御する流量調整バルブで構成してもよい。
バルブ１４は供給管１１の入口側端部１１ａの近傍に設置することが望ましい。この構
成によれば、バルブ１４を通過するガスｇの温度が比較的高いので再ハイドレート化によりバルブ１４が凍りつき開閉が不可能となる不具合を回避できる。またバルブ１４が故障したときは、供給管１１の全体を水上設備５の上に引き上げることなくバルブ１４を交換できるので、ガスハイドレート回収システム１の稼働効率を向上するには有利である。
成によれば、バルブ１４を通過するガスｇの温度が比較的高いので再ハイドレート化によりバルブ１４が凍りつき開閉が不可能となる不具合を回避できる。またバルブ１４が故障したときは、供給管１１の全体を水上設備５の上に引き上げることなくバルブ１４を交換できるので、ガスハイドレート回収システム１の稼働効率を向上するには有利である。
図２に破線で例示するようにガス化機構７と圧縮機構８との間に除湿機構１５を設置する構成にしてもよい。除湿機構１５は、通過するガスｇから水分を除去する機能を有している。除湿機構１５は、例えば通過するガスｇを冷却して水分を結露させることにより除湿するコンプレッサ式除湿機や、ゼオライトなどの除湿剤によりガスｇ中の水分を吸着するデシカント式除湿機などで構成することができる。除湿機構１５の構成はこれに限らず、ガスｇから水分を除去する機能を有していれば他の構成であってもよい。
ガスｇに含まれる水分を除湿機構１５により減らすことができるので、供給管１１内でガスｇが冷却されたとしても、ガスｇが再ハイドレート化することを抑制できる。温度や圧力等のガスハイドレートの生成条件が満たされたとしても、ガスｇと結合する水がなければガスｇが再ハイドレート化することはない。ガスリフト機構１０の動作の安定性を向上するには有利である。
図３に例示するように圧縮機構８は、ガス化機構７から供給されるガスｇを圧縮する第一圧縮部１６と、第一圧縮部１６で圧縮され温度が上昇したガスｇを冷却する冷却部１７と、冷却部１７で冷却されたガスｇをさらに圧縮する第二圧縮部１８とを備える多段式の圧縮機構８で構成してもよい。
冷却部１７は、冷媒が循環するジャケット１７ａとガスｇが通過する通路１７ｂとを備えていて、通路１７ｂを通過するガスｇを冷却する構成を有している。ジャケット１７ａは、ガスｇが通過する通路１７ｂの外側に配置してもよく、通路１７ｂの内部に配置してもよい。冷却部１７の構成はこれに限らず、通過するガスｇを冷却できる構成であればよい。冷却部１７は例えばペルティエ素子で構成してもよい。
第一圧縮部１６で圧縮され温度が上昇したガスｇを冷却部１７が冷却するので、温度上昇にともなうガスｇの体積膨張を抑制できる。これにより第二圧縮部１８でのガスｇの圧縮効率を向上できる。圧縮機構８を多段式とすることによりガスｇをより高圧に圧縮できるので、より水深の深い位置までガスリフト機構１０でガスｇを供給することが可能となる。
圧縮機構８は、第二圧縮部１８で圧縮されバッファタンク９を経由してガスリフト機構１０に供給されるガスｇの温度を監視する温度監視部１９と、温度監視部１９からの信号を受信する制御部２０とを備えている。なお図中では信号線を破線で示している。
温度監視部１９は例えば圧縮機構８とバッファタンク９との間となる通路に設置される温度センサで構成することができる。温度センサの設置位置はこれに限らず、ガスリフト機構１０を構成する供給管１１の入口側端部１１ａの近傍や出口側端部１１ｂの近傍やバッファタンク９内に配置することができる。温度監視部１９は複数の温度センサで構成してもよい。
制御部２０は、温度監視部１９からの信号に基づき冷却部１７に供給される冷媒の流量を制御する。具体的には例えば冷媒をジャケット１７ａに供給するポンプ２１を制御部２０が制御する。温度監視部１９の温度センサで測定されたガスｇの温度が低いほど、制御部２０は冷媒の流量を低下させる制御を行なう。例えば制御部２０は、温度センサで測定されたガスｇの温度と冷却部１７の冷媒の流量とが比例する状態に制御することができる。
制御部２０による制御はこれに限らず、温度監視部１９で測定されるガスｇの温度が例えば１００℃など所定の温度を下回ったときに、冷却部１７の冷媒の循環を停止させる制御を行なってもよい。制御部２０は、供給管１１内を通過するガスｇが再ハイドレート化可能となる温度以下とならない状態に、冷却部１７の冷却性能を制御する構成を有していればよい。
この構成によれば圧縮機構８は、ガスｇを多段で効率的に圧縮するとともに、ガスｇが冷やされ過ぎて再ハイドレート化することを抑制できる。
供給管１１の出口側端部１１ｂにおいてガスｇの温度が最も低くなるため、出口側端部１１ｂにおいてガスｇの温度を測定することが望ましいが、入口側端部１１ａにおいてガスｇの温度を測定する構成にしてもよい。温度監視部１９が供給管１１の入口側端部１１ａでガスｇの温度を測定する場合は、出口側端部１１ｂの水深に基づき出口側端部１１ｂにおけるガスｇの温度を推定することが望ましい。
温度監視部１９が複数の温度センサで構成される場合は、複数の地点においてガスｇの温度を監視できるので、再ハイドレート化を防止するには有利である。一部の温度センサが故障したとしても他の温度センサを利用して、ガスハイドレート回収システム１の運転を継続することができるので、ガスハイドレートの回収コストを抑制するには有利である。
１ ガスハイドレート回収システム
２ 水底
３ 掘削機構
４ ライザー管
５ 水上設備
６ 排出機構
７ ガス化機構
８ 圧縮機構
９ バッファタンク
１０ ガスリフト機構
１１ 供給管
１１ａ 入口側端部
１１ｂ 出口側端部
１２ 容器
１３ ヒータ
１４ バルブ
１５ 除湿機構
１６ 第一圧縮部
１７ 冷却部
１７ａ ジャケット
１７ｂ 通路
１８ 第二圧縮部
１９ 温度監視部
２０ 制御部
２１ ポンプ
ｍ ガスハイドレート
ｇ ガス
２ 水底
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７ ガス化機構
８ 圧縮機構
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１０ ガスリフト機構
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１１ａ 入口側端部
１１ｂ 出口側端部
１２ 容器
１３ ヒータ
１４ バルブ
１５ 除湿機構
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１７ 冷却部
１７ａ ジャケット
１７ｂ 通路
１８ 第二圧縮部
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２０ 制御部
２１ ポンプ
ｍ ガスハイドレート
ｇ ガス
Claims (6)
- 水上に配置された水上設備と、水底で回収された塊状のガスハイドレートを前記水上設備に搬送するライザー管と、前記水上設備に搬送された前記ガスハイドレートから生じたガスを前記ライザー管のなかに供給して上昇流を発生させるガスリフト機構とを備えるガスハイドレート回収システムにおいて、
前記水上設備に設置され塊状の前記ガスハイドレートを融解させてガスを回収するガス化機構と、
前記ガス化機構で回収されるガスを圧縮する圧縮機構とを備えていて、
前記圧縮機構が、ガスを圧縮する第一圧縮部と、この第一圧縮部で圧縮されるガスを冷却する冷却部と、この冷却部で冷却されるガスを圧縮する第二圧縮部と、この第二圧縮部から前記ガスリフト機構に供給されるガスの温度を監視する温度監視部と、前記ガスリフト機構に供給されるガスの温度が所定の温度より低いときに前記冷却部の冷却機能を低下させる制御を行なう制御部とを備えていて、
前記ガスリフト機構が前記圧縮機構で圧縮されるガスを前記ライザー管のなかに供給する構成を備えることを特徴とするガスハイドレート回収システム。 - 前記圧縮機構が前記水上設備に設置される請求項１に記載のガスハイドレート回収システム。
- 前記冷却部が、冷媒を循環させるジャケットと、このジャケットに供給する冷媒の流量を制御するポンプとを備えていて、
前記制御部が、前記ガスリフト機構に供給されるガスの温度が低いほど前記ポンプを制御して前記冷媒の流量を減少させる構成を備える請求項１または２に記載のガスハイドレート回収システム。 - 前記ガス化機構で回収されるガスを除湿して前記圧縮機構に供給する除湿機構を備える請求項１〜３のいずれかに記載のガスハイドレート回収システム。
- 水上に水上設備を配置して、水底で回収された塊状のガスハイドレートをライザー管により前記水上設備まで搬送して、前記水上設備に搬送された前記ガスハイドレートから生じたガスを、ガスリフト機構を経由して前記ライザー管のなかに供給して前記ライザー管
のなかに上昇流を発生させるガスハイドレート回収方法において、
前記水上設備に搬送される前記ガスハイドレートを融解してガスを発生させ、このガスを第一圧縮部で圧縮して冷却した後に更に第二圧縮部で圧縮して前記ガスリフト機構に供給して、その後前記ガスを前記ガスリフト機構から前記ライザー管のなかに供給することを特徴とするガスハイドレート回収方法。 - 前記第二圧縮部で圧縮された後に前記ガスリフト機構に供給されるガスの温度が所定の温度を下回ったときに、前記冷却部の冷却機能を低下させる制御を行なう請求項５に記載のガスハイドレート回収方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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