JP6407612B2 - ガスパイプラインにおける減圧エネルギー回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガバナを備えたガスパイプラインの減圧エネルギーを膨張タービンによって回収する減圧エネルギー回収装置に関する。

パイプラインによるガス供給系統では、高圧ガスをパイプラインに設けたガバナ（整圧装置）によって多段階の中圧ガスに減圧し、最下流では低圧ガスに減圧して需要先に供給するのが一般的である。パイプラインに設けたガバナは、その上流側（一次側）パイプラインの圧力（一次圧）を下流側（二次側）パイプラインの圧力（二次圧）に減圧するものであるが、ガバナによる一次圧から二次圧への減圧は圧力エネルギーの損失になっている。

これに対して、ガバナにおける一次圧を膨張タービンによって減圧し、減圧時に損失するエネルギーを発電や冷熱利用として回収する装置が知られている（下記特許文献１参照）。この従来技術は、一次圧を二次圧に減圧するために膨張タービンとガバナを並列して設け、膨張タービンは一次側パイプラインからのガスが膨張する際に回転駆動され、減圧損失エネルギーを動力として回収して発電などを行い、膨張タービンの運転中に膨張タービンの流量限界を超えるとガバナを開いて過剰分を二次側パイプラインに流すようにしている。

またこの従来技術は、膨張タービンの上流側と下流側に、熱交換によってガスを加熱する前加熱手段と後加熱手段を設けており、膨張タービンによるエネルギー回収で温度が低下するガスの温度を前加熱手段で予め上昇させておくことで膨張タービンからのエネルギー回収を高効率で行い、後加熱手段を用いて膨張タービンによって低温になったガスから冷熱を回収して冷房などに有効利用している。ここでの前加熱手段には、例えばコージェネレーションシステムからの排熱や工場排熱など比較的低温の熱源の排熱利用によって加温された温水が供給されている。

特開平７−２１７８００号公報

ガバナにおける一次側パイプラインのガス圧を膨張タービンで減圧して二次側パイプラインに戻す際には、二次側パイプラインに戻すガスの温度を０℃以上にすることが必須の要件として求められている。また、膨張タービンによってエネルギー回収を行う場合にもガバナの二次圧がエネルギー回収の影響を受けること無く、安定したガス供給を継続できることが求められる。

この際、膨張タービンのエネルギー回収で温度低下したガスを十分な冷熱需要で加熱することができれば、ガス温度を０℃以上にして二次側パイプラインに戻すという要求に対応することができる。しかしながら、冷熱需要が低い場合には、膨張タービンの出口側ガス温度を十分に加熱できず、このような要求に対応できなくなる問題が生じる。

これに対しては、従来技術のように、膨張タービンの上流側に前加熱手段を設けて、膨張タービンに入るガスを予め加熱することが考えられる。しかしながら、このような前加熱手段にコージェネレーションシステムからの排熱や工場排熱などを利用する場合には安定した熱供給を受けられない問題があり、またこの前加熱手段に燃焼ボイラなどを用いる場合にはエネルギーを回収する膨張タービンの稼働で逆にエネルギーを消費することになり、省エネ効果が低減するだけで無くＣＯ₂発生の抑制効果も低減することになる。また、二次側パイプラインに戻すガスの温度調整を膨張タービンの上流側にある前加熱手段に頼ることになり、膨張タービンの負荷変動時に対して応答性の良い温度調整を行いにくい問題がある。

また、一次圧を膨張タービンで減圧してガバナの二次側パイプラインに戻す場合に、一次側パイプラインのガス流量が急激に変化したり一次圧が上昇したりすると、膨張タービン単体では応答性のよい圧力調整ができない。このため、二次側パイプラインへの送出圧力を規定の圧力に素早く制御することができない問題が生じる。

また、膨張タービンのエネルギー回収で温度低下したガスの冷熱を後加熱手段で回収して有効利用する場合、冷熱需要が少ないと、後加熱手段で温度低下したガスを十分に加熱することができず、後加熱手段の冷熱回収循環水を凍結させてしまう問題が生じる。前加熱手段によるガスの加熱を必要最小限に抑えて、後加熱手段における冷熱回収循環水の凍結を避けながら、膨張タービンによるエネルギー回収を行うことが求められる。

本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、ガスパイプラインにおけるガバナの減圧エネルギーを膨張タービンによって回収する装置において、ガバナの二次圧がエネルギー回収の影響を受けること無く、安定したガス供給の継続を可能にすること、膨張タービンで減圧して二次側パイプラインに戻すガスの温度を確実に０℃以上にすること、二次側パイプラインに戻すガスの温度と圧力を規定の値に制御すること、膨張タービンのエネルギー回収で温度低下したガスの冷熱を回収して有効利用する際に、膨張タービンに入るガスの加熱を必要最小限に抑えて、冷熱回収循環水の凍結を避けながら膨張タービンを十分に稼働させることができること、などが本発明の目的である。

このような目的を達成するために、本発明によるガスパイプラインにおける減圧エネルギー回収装置は、以下の構成を具備するものである。

ガバナを備えたガスパイプラインの減圧エネルギーを回収する減圧エネルギー回収装置において、膨張タービンと、ガバナ上流の一次側パイプラインと前記膨張タービンの入口を繋ぐ第１ガスラインと、前記膨張タービンの出口とガバナ下流の二次側パイプラインを繋ぐ第２ガスラインと、前記第２ガスラインに設けられ前記膨張タービンによるエネルギー回収によって温度低下したガスの冷熱を回収する冷熱回収用熱交換部とを備え、前記第２ガスラインにおける前記冷熱回収用熱交換部の下流側に、前記冷熱回収用熱交換部の下流側のガス温度を検出するガス温度検出手段を設けると共に、当該ガス温度検出手段が検出したガス温度によって前記膨張タービンの背圧を調整する背圧調整弁を設け、前記背圧調整弁による背圧調整によって前記第２ガスラインのガス温度を設定温度以上にすることを特徴とするガスパイプラインにおける減圧エネルギー回収装置。

第２ガスラインにおける冷熱回収用熱交換部の下流側に、ガス温度と膨張タービンの背圧の一方又は両方を検出して絞りを調整する背圧調整弁を設け、ガス温度又は背圧が低下した場合に背圧を上昇させるように背圧調整弁を制御したので、冷熱需要が低い場合にも背圧調整弁の調整によって二次側パイプラインに戻すガスの温度を確実に０℃以上にすることができる。また、膨張タービンの背圧の変動を背圧調整弁の制御で吸収することができるので、二次側パイプラインに戻すガス圧を安定化することができ、エネルギー回収の影響を受けること無く、安定したガス供給を継続させることができる。

本発明の実施形態に係るガスパイプラインにおける減圧エネルギー回収装置の一構成例を示した説明図である。 本発明の実施形態に係るガスパイプラインにおける減圧エネルギー回収装置の他の構成例を示した説明図である。 本発明の実施形態に係るガスパイプラインにおける減圧エネルギー回収装置の他の構成例を示した説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係るガスパイプラインにおける減圧エネルギー回収装置の一構成例を示した説明図である。本発明の実施形態に係る減圧エネルギー回収装置１は、ガス供給系統を構成するガスパイプラインに併設され、ガバナＧの減圧エネルギーを動力や発電などとして回収するものである。

減圧エネルギー回収装置１は、膨張タービン１０と、ガバナＧ上流の一次側パイプラインＰ１と膨張タービン１０の入口を繋ぐ第１ガスライン１１と、膨張タービン１０の出口とガバナＧ下流の二次側パイプラインＰ２を繋ぐ第２ガスライン１２と、第２ガスライン１２に設けられ膨張タービン１０によるエネルギー回収によって温度低下したガスの冷熱を回収する冷熱回収用熱交換部１３を備えている。

膨張タービン１０は、一次側パイプラインＰ１からのガスが膨張して減圧する際に回転駆動され、減圧エネルギーを動力として回収し発電などを行うものである。膨張タービン１０によって回収されるエネルギーは、その入口と出口の圧力差で規定され、膨張タービン１０の入口を一次側パイプラインＰ１に直結して出口を二次側パイプラインＰ２に直結している場合には、一次圧と二次圧の圧力差で規定されるエネルギーが膨張タービン１０によって回収される。

第１ガスライン１１と第２ガスライン１２は、一次側パイプラインＰ１又は二次側パイプラインＰ２の口径以下の任意口径のガス管によって構成される。第１ガスライン１１と第２ガスライン１２は複数のガス管を接続して構成することができ、その途中に必要に応じて弁やフィルタなどを介在させることができる。

膨張タービン１０は、エネルギー回収に伴ってガスの温度を低下させる。冷熱回収用熱交換部１３は、第２ガスライン１２を流れる温度低下したガスとの熱交換で、ガス温度を上昇させると同時に冷熱を冷熱需要先Ｃに供給する。冷熱回収用熱交換部１３は、冷熱回収用の循環水が流れる循環流路１３Ａを備えており、この循環流路１３Ａを流れる循環水と冷熱需要先を循環する温水とが熱交換部１３Ｂで熱交換する。

本発明の実施形態に係る減圧エネルギー回収装置１は、このような構成に加えて、第２ガスライン１２に、背圧調整弁１４、ガス温度検出手段１５、背圧検出手段１６を備えている。背圧調整弁１４は、第２ガスライン１２における冷熱回収用熱交換部１３の下流側に設けられる。この背圧調整弁１４は、第２ガスライン１２における冷熱回収用熱交換部１３の下流におけるガス温度をガス温度検出手段１５で検出し、また、第２ガスライン１２における膨張タービン１０の背圧を背圧検出手段１６で検出して、ガス温度検出手段１５で検出されたガス温度が設定温度（例えば０℃）以下にならないように背圧調整弁１４を調整する。

このような構成を備える減圧エネルギー回収装置１によると、冷熱需要先Ｃの需要が低く、第２ガスライン１２を流れるガスの温度を十分に上昇させることができない場合には、背圧調整弁１４を絞る方向に制御して膨張タービン１０の稼働を抑制する。これによって、膨張タービン１０によって回収されるエネルギー量が少なくなりガス温度の低下が抑えられる。このような膨張タービン１０の背圧調整を行うと、必然的に膨張タービン１０による発電量が低下することになる。ここでは、膨張タービン１０の稼働による発電出力は補助的な電力供給であり、二次側パイプラインＰ２の二次圧を安定させることを優先している。

また、膨張タービン１０の負荷変動などで膨張タービン１０の背圧が上昇した場合にも背圧調整弁１４を絞る方向に制御して二次側パイプラインＰ２に戻すガス圧を適正値まで下げる。このような背圧調整弁１４の制御によって、二次側パイプラインＰ２に戻すガスの温度を確実に０℃以上にすることができると共に、二次側パイプラインＰ２に戻すガス圧を安定させることができ、ガバナＧの安定した運転を維持して安定したガス供給が実現できる。

また、冷熱負荷が急激に変化した場合は、それによって変化するガス温度を直接検出して、ガス温度の低下に直結する膨張タービン１０の仕事量を背圧調整弁１４の調整によって制御するので、ガス温度を高い応答性で制御することが可能になる。

図２は、本発明の実施形態に係るガスパイプラインにおける減圧エネルギー回収装置の他の構成例を示した説明図である。前述した図１における説明と共通する部位には同一符号を付して重複説明を省略する。この構成例に係る減圧エネルギー回収装置１（１Ａ）は、図１に示した例に膨張タービン１０へのガス流入量制御の構成が付加されている。

具体的には、第１ガスライン１１にガス流量を検出するガス流量検出手段１７を設け、このガス流量検出手段１７の検出流量によって膨張タービン１０の入口に設けた入口弁１０Ｖの絞りを制御する。ここでは先ず、入口弁制御部１８がガス流量検出手段１７の検出流量によって入口弁１０Ｖを制御し、検出流量が上昇した場合に膨張タービン１０へのガス流入量を抑制するように入口弁１０Ｖを絞る制御を行う。

図１に示した構成例は、冷熱需要が多く第２ガスライン１２のガス温度を十分に上昇させることができる場合には、背圧調整弁１４を開放し膨張タービン１０の背圧をガバナＧの二次圧まで下げて膨張タービン１０を稼働させることができる。このような状況で一次側パイプラインＰ１のガス流量に急激な変化が生じたり一次圧の上昇などが生じたりすると、膨張タービン１０単体の回収エネルギーを制御するだけでは第２ガスライン１２のガス圧（膨張タービン１０の背圧）を素早く安定化させることが難しい。

このような状況に対処するために、図２に示した構成例は、第１ガスライン１１にガス流量を検出するガス流量検出手段１７を設け、膨張タービン１０の入口に、ガス流量検出手段１７の検出流量によって制御され検出流量が上昇した場合に膨張タービン１０へのガス流入量を抑制する入口弁１０Ｖを設けている。このような構成によると、第１ガスライン１１のガス流量の上昇に対して素早く膨張タービン１０へのガス流量を抑制し、第２ガスライン１２のガス圧変動を安定させることができる。

入口弁１０Ｖの制御には、更に、第２ガスライン１２に設けた背圧検出手段１６によるフィードバック制御を加えることができる。この場合、入口弁制御部１８は、ガス流量検出手段１７の検出流量による制御に加えて背圧検出手段１６の検出背圧による制御を行い、検出背圧が上昇した場合に入口弁１０Ｖを絞って膨張タービン１０へのガス流入量を抑える。ここでの背圧検出手段１６は第２ガスライン１２における背圧調整弁１４の上流側に設置している。このように第２ガスライン１２のガス圧変動（膨張タービン１０の背圧変動）をフィードバックして膨張タービン１０へのガス流入量を制御することで、第２ガスライン１２のガス圧をより安定にすることができる。

入口弁制御部１８は、ガス流量検出手段１７の検出流量による入口弁１０Ｖの制御と背圧検出手段１６の検出圧による入口弁１０Ｖの制御をそれぞれ単独で行うことができる。第１ガスライン１１のガス流量やガス圧力の変動が比較的小さい場合には、このような単独制御で第２ガスライン１２の圧力を安定化させることができる。

図２に示した例は、背圧調整弁１４の調整によって膨張タービン１０の稼働を制御する構成に入口弁１０Ｖの制御を付加する例を示しているが、背圧調整弁１４の制御を省いて、入口弁１０Ｖの制御を単独で行うことも可能である。冷熱需要先Ｃの需要が高く第２ガスライン１２におけるガス温度を常時０℃以上に維持できる場合には、ガス温度による背圧調整弁１４の制御を省いて入口弁１０Ｖの制御のみで第２ガスライン１２のガス圧を安定にすることができる。

図３は、本発明の実施形態に係るガスパイプラインにおける減圧エネルギー回収装置の他の構成例を示した説明図である。前述した図１及び図２における説明と共通する部位には同一符号を付して重複説明を省略する。この構成例に係る減圧エネルギー回収装置１（１Ｂ）は、図２に示した例に冷熱回収用熱交換部１３における循環水の凍結防止に係る構成が付加させている。

この例では、第１ガスライン１１に膨張タービン１０に流入するガスを予加熱する予加熱用熱交換部２０を設けている。予加熱用熱交換部２０は、第１ガスライン１１を流れるガスとの熱交換でガス温度を上昇させる。予加熱用熱交換部２０は、予加熱用の循環水が流れる循環流路２０Ａを備えており、この循環流路２０Ａを流れる循環水と熱源Ｈを循環する温水とが熱交換部２０Ｂで熱交換する。ここでの熱源Ｈは、コージェネレーションシステムからの排熱や工場排熱などを利用することができる。

そして、予加熱用熱交換部２０の循環流路２０Ａと冷熱回収用熱交換部１３の循環流路１３Ａは循環水間熱交換部２１で熱交換されており、予加熱用熱交換部２０の熱源Ｈによって冷熱回収用熱交換部１３の循環水を加熱している。これによると、冬期などで膨張タービン１０に流入するガスの温度が低い場合にも流入するガスの温度を予加熱用熱交換部２０の加熱で上昇させて、膨張タービン１０のエネルギー回収量をある程度確保しながら第２ガスライン１２のガス温度の低下を抑えることができる。

また、膨張タービン１０のエネルギー回収量を増やして膨張タービン１０の出口ガス温度が低くなった場合にも、循環水間熱交換部２１からの熱で冷熱回収用熱交換部１３の循環水が凍結するのを防ぐことができる。これにより冷熱回収用熱交換部１３によって円滑に冷熱を回収することが可能になる。更に、循環水間熱交換部２１の採用によって、冷熱回収用熱交換部１３の加温能力を高めることができるので、予加熱用熱交換部２０の熱交換能力（伝熱面積）を必要最小限に抑えることが可能になる。また、循環水間熱交換部２１を設けることで、冷熱需要先Ｃの冷熱負荷が無い又は少ないときにも、熱源Ｈからの熱を冷熱回収用熱交換部１３に送ることで、膨張タービン１０を定格運転させることができる。このため膨張タービン１０の稼働率が向上する。

図３に示した構成例において、第１ガスライン１１のガス流量やガス圧が安定している場合には、入口弁１０Ｖ及び入口弁１０Ｖを制御するための構成を省くことができる。また、予加熱用熱交換部２０によるガスの加熱や予加熱用熱交換部２０の循環水と冷熱回収用熱交換部１３の循環水との熱交換で第２ガスライン１２のガス温度を常時０℃以上に上昇させることができる場合には、ガス温度検出や背圧検出によって背圧調整弁１４を制御する構成を省くことができる。

第１ガスライン１１のガス流量やガス圧が安定していて、予加熱用熱交換部２０によるガスの加熱や予加熱用熱交換部２０の循環水と冷熱回収用熱交換部１３の循環水との熱交換で第２ガスライン１２のガス温度を常時０℃以上に上昇させることができる場合には、入口弁１０Ｖ及び入口弁１０Ｖを制御するための構成とガス温度検出や背圧検出によって背圧調整弁１４を制御する構成の両方を省くことができる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用して組み合わせることが可能である。

１，１Ａ，１Ｂ：減圧エネルギー回収装置，
１０：膨張タービン，１０Ｖ：入口弁，
１１：第１ガスライン，１２：第２ガスライン，
１３：冷熱回収用熱交換部，１３Ａ：循環流路，１３Ｂ：熱交換部，
１４：背圧調整弁，１５：ガス温度検出手段，１６：背圧検出手段，
１７：ガス流量検出手段，１８：入口弁制御部，
２０：予加熱用熱交換部，２０Ａ：循環流路，２０Ｂ：熱交換部，
２１：循環水間熱交換部，
Ｐ１：一次側パイプライン，Ｐ２：二次側パイプライン，Ｇ：ガバナ，
Ｃ：冷熱需要先，Ｈ：熱源

Claims (3)

1. ガバナを備えたガスパイプラインの減圧エネルギーを回収する減圧エネルギー回収装置において、
   膨張タービンと、ガバナ上流の一次側パイプラインと前記膨張タービンの入口を繋ぐ第１ガスラインと、前記膨張タービンの出口とガバナ下流の二次側パイプラインを繋ぐ第２ガスラインと、前記第２ガスラインに設けられ前記膨張タービンによるエネルギー回収によって温度低下したガスの冷熱を回収する冷熱回収用熱交換部とを備え、
   前記第２ガスラインにおける前記冷熱回収用熱交換部の下流側に、前記冷熱回収用熱交換部の下流側のガス温度を検出するガス温度検出手段を設けると共に、当該ガス温度検出手段が検出したガス温度によって前記膨張タービンの背圧を調整する背圧調整弁を設け、
   前記背圧調整弁による背圧調整によって前記第２ガスラインのガス温度を設定温度以上にすることを特徴とするガスパイプラインにおける減圧エネルギー回収装置。
2. 前記第１ガスラインにおいて前記膨張タービンに流入するガスを予加熱する予加熱用熱交換部を設け、
   前記予加熱用熱交換部の熱源によって前記冷熱回収用熱交換部の循環水を加熱することを特徴とする請求項１に記載されたガスパイプラインにおける減圧エネルギー回収装置。
3. 前記予加熱用熱交換部の循環水と前記冷熱回収用熱交換部の循環水との間で熱交換する循環水間熱交換部を設けたことを特徴とする請求項２記載のガスパイプラインにおける減圧エネルギー回収装置。

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