JP6651424B2 - 中間媒体式気化器 - Google Patents

Description

本発明は、中間媒体式気化器に関するものである。

従来、下記特許文献１に開示されているように、ＬＮＧ等の低温液体を気化する装置として、熱源流体に加えて中間媒体を用いる中間媒体式気化器が知られている。特許文献１に開示されている中間媒体式気化器は、図５に示すように、中間媒体蒸発器８１と、ＬＮＧ蒸発器８２と、加温器８３と、を備えている。また、気化器には、熱源流体としての海水が通る経路として、入口室８５、多数本の伝熱管８６、中間室８７、多数本の伝熱管８８及び出口室８９が、この順に設けられている。伝熱管８６は加温器８３内に、また伝熱管８８は中間媒体蒸発器８１内にそれぞれ配置されている。中間媒体蒸発器８１内には、海水の温度よりも沸点の低い中間媒体（例えばプロパン）が収容されている。

ＬＮＧ蒸発器８２は、入口室９１及び出口室９２と、両室９１，９２を連通する多数本の伝熱管９３とを備えている。各伝熱管９３は略Ｕ字状をなし、中間媒体蒸発器８１内の上部に突き出ている。出口室９２は、ＮＧ導管９４を介して加温器８３内に連通している。

このような気化器において、熱源流体である海水は、入口室８５、伝熱管８６、中間室８７及び伝熱管８８を通って出口室８９に至るが、伝熱管８８を通る海水は、中間媒体蒸発器８１内の液状中間媒体Ｍと熱交換して当該中間媒体Ｍを蒸発させる。

一方、気化対象であるＬＮＧは、入口室９１から伝熱管９３に導入される。この伝熱管９３内のＬＮＧと中間媒体蒸発器８１内の蒸発中間媒体との熱交換により、当該中間媒体Ｍが凝縮するとともに、その凝縮熱を受けてＬＮＧが伝熱管９３内で蒸発し、ＮＧとなる。このＮＧは、出口室９２からＮＧ導管９４を通じて加温器８３内に導入され、この加温器８３内の伝熱管８６を流れる海水との熱交換によってさらに加熱された後、利用側に供給される。

特開２０００−２２７２００号公報

特許文献１に開示された中間媒体式気化器では、加温器８３が多数の伝熱管８６を有する構成となっている。このため、加温器８３を小型化するには限界があり、必然的に中間媒体式気化器自体の小型化にも限界がある。特に、中間媒体式気化器に高圧のＬＮＧが導入される場合には、加温器８３内の圧力も高くなるため、伝熱管８６およびそれに付帯する管板やシェルにも耐圧性が要求されることになり、それに見合った耐圧性能を実現するには、益々小型化は困難になる。

そこで、本発明は、前記従来技術を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、加温器を小型化することにより、中間媒体式気化器の小型化を図ることにある。

前記の目的を達成するため、本発明は、第１熱源媒体と液状の中間媒体との間での熱交換によって前記中間媒体の少なくとも一部を蒸発させる中間媒体蒸発部と、６ＭＰａＧ以上の圧力を有する低温液化ガスが導入される伝熱管を有し、前記中間媒体蒸発部で蒸発した中間媒体を凝縮させることにより、前記伝熱管内の低温液化ガスを気化させてガスを流出させる液化ガス気化部と、前記液化ガス気化部から流出した前記ガスを第２熱源媒体によって加熱する加温器と、を備える中間媒体式気化器である。前記第１熱源媒体は海水又は大気であり、前記第２熱源媒体はスチーム又は温水であり、前記加温器はマイクロチャネル熱交換器によって構成されている。

本発明では、加温器がマイクロチャネル熱交換器によって構成されているため、加温器がシェルアンドチューブタイプの熱交換器によって構成される場合に比べ、加温器の小型化を図ることができる。また、中間媒体式気化器自体の小型化を図ることもできる。特に、液化ガス気化部には、６ＭＰａＧ（ゲージ圧で６ＭＰａ）以上の圧力を有する低温液化ガスが導入される。このような高圧の低温液化ガスを気化させる場合であっても、加温器がマイクロチャネル熱交換器で構成されているため、伝熱管、管板およびシェルの肉厚を厚くして耐圧性能を高めるというような対策を施す必要がない。したがって、高圧の低温液化ガスを気化させる構成でありながら、加温器が大型化するのを防止することができる。また、加温器を小型化することができるのに伴い、加温器の軽量化を図ることもできる。また、第２熱源媒体はスチーム又は温水であるため、第２熱源媒体として海水又は大気が用いられる場合に比べて、加温器でのガスの加熱性能を高くすることができる。また、寒冷地域においても、利用側から要求される温度のガスを得ることができる。

ここで、マイクロチャネル熱交換器とは、伝熱特性に優れる多数の金属板が積層された構造の積層体を備えた熱交換器である。この積層体は、ガスが流れる流路が凹設された金属板と、第２熱源媒体が流れる流路が凹設された金属板とが交互に積層された構成となっている。これら金属板に形成された流路は、例えば、０．２ｍｍ〜３ｍｍの流路幅を有している。このため、加温器に高圧のガスが導入される場合であっても、加温器を高耐圧用に設計し直す必要がなく、加温器が大型化するということはない。

以上説明したように、本発明によれば、加温器を小型化することができるため、中間媒体式気化器の小型化を図ることができる。

本発明の第１実施形態に係る中間媒体式気化器の構成を概略的に示す図である。 前記中間媒体式気化器に設けられた加温器の構成を、一部破断した状態で概略的に示す図である。 加温器に設けられた積層体を部分的に拡大して示す図である。 本発明の第２実施形態に係る中間媒体式気化器の構成を概略的に示す図である。 従来の中間媒体式気化器の構成を概略的に示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１に示すように、第１実施形態に係る中間媒体式気化器（以下、単に気化器と称する）１０は、中間媒体Ｍを介して、第１熱源媒体である海水の熱を低温液化ガスであるＬＮＧ（液化天然ガス）に伝え、ＬＮＧを気化してガスを得る装置である。なお、気化器１０は、液化石油ガス（ＬＰＧ）、液体窒素（ＬＮ２）等、ＬＮＧ以外の低温液化ガスを気化あるいは加温させる装置として構成されていてもよい。

気化器１０は、中間媒体蒸発部である中間媒体蒸発器Ｅ１と、液化ガス気化部であるＬＮＧ蒸発器Ｅ２と、加温器Ｅ３と、を備えている。中間媒体蒸発器Ｅ１とＬＮＧ蒸発器Ｅ２は、１つの中空状ケーシング１１に設けられている。

ケーシング１１は、水平方向に長い形状であって、その下部が中間媒体蒸発器Ｅ１のケーシング部（第１ケーシング部）として構成され、上部がＬＮＧ蒸発器Ｅ２のケーシング部（第２ケーシング部）として構成されている。

第１ケーシング部を構成する一対の側壁のうちの一方には、入口室（水室）１４が隣接し、他方には出口室１８が隣接している。中間媒体蒸発器Ｅ１には、多数の伝熱管２０が設けられている。伝熱管２０は、ケーシング１１内の空間の下部に配置されている。伝熱管２０は、第１ケーシング部を構成する互いに対向する一対の側壁のうち、入口室１４との仕切壁として機能する第１側壁１１ａと、出口室１８との仕切壁として機能する第２側壁１１ｂとの間に架け渡されている。この伝熱管２０は、一方向に直線状に延びる形状を有するが、この形状に限られるものではない。

入口室１４には、図略のポンプ等が設けられた導入管２２が接続されており、海から汲み上げられた海水が導入管２２を通して入口室１４内に導入される。すなわち、入口室１４に導入される前の海水がＮＧを加温するのに用いられることはない。

出口室１８には、海水を排出する排出管２４が接続されている。出口室１８内の海水は、排出管２４を通して外部に排出される。

ケーシング１１内には、海水の温度よりも沸点の低い中間媒体（例えばプロパン）Ｍが収容されている。中間媒体Ｍは、全ての伝熱管（海水が流れる伝熱管）２０よりも上側に液面が位置する程度に収容されている。

出口室１８の上方には、ＬＮＧの入口室３２と、ＮＧを導出する出口室３４とが設けられている。入口室３２及び出口室３４は、第２側壁１１ｂの上側における外側に隣接している。出口室３４は、入口室３２の上側に隣接するように形成されている。入口室３２には、ＬＮＧを導入するための供給管３６が接続されている。出口室３４には、ＮＧを導出するための導出管３８が接続されている。入口室３２には、６ＭＰａＧ（ゲージ圧で６ＭＰａ）以上の圧力を有するＬＮＧが導入される。

ＬＮＧ蒸発器Ｅ２は、前記入口室３２と、前記出口室３４と、入口室３２と出口室３４とを連通する多数の伝熱管４０と、を備えている。各伝熱管４０は略Ｕ字状をなしており、第１端部が入口室３２に繋がり、第２端部が出口室３４に繋がっている。そして、伝熱管４０は、ケーシング１１内における伝熱管２０よりも上方、すなわち中間媒体Ｍの液面よりも上方に配置されている。

導出管３８には、加温器Ｅ３が接続されている。ＮＧは、導出管３８を通して加温器Ｅ３に供給され、加温器Ｅ３において加熱された後、利用側に供給される。

加温器Ｅ３は、図３に示す伝熱特性に優れる多数の金属板４３，４４が積層された構造の積層体を備えたマイクロチャネル熱交換器によって構成されている。具体的には、図２及び図３に示すように、マイクロチャネル熱交換器では、端板４５，４５間に金属板４３，４４の積層体が挟み込まれた構成となっており、この積層体は、ＮＧが流れる多数の流路（第１流路）４３ａが凹設された第１金属板４３と、第２熱源媒体としてのスチームが流れる多数の流路（第２流路）４４ａが凹設された第２金属板４４とが交互に積層された構成となっている。そして、各第１流路４３ａを流れるＮＧと各第２流路４４ａを流れるスチームとの間で熱交換が行われ、ＮＧが加熱される。これら金属板４３，４４に形成された流路は、例えば、０．２ｍｍ〜３ｍｍの流路幅を有している。なお、第２熱源媒体として、スチームに代えて温水が用いられてもよい。

各第１流路４３ａには、ＮＧが流れ、各第２流路４４ａには、第２熱源媒体としての水蒸気等のスチームが流れる。なお、第２熱源媒体は、第１熱源媒体（本実施形態では海水）とは異なる熱源媒体であればよく、例えば温水であってもよい。

各第１流路４３ａには、第１流入ヘッダ４７と第１流出ヘッダ４８とが連通しており、また、各第２流路４４ａには、第２流入ヘッダ４９と第２流出ヘッダ５０とが連通している。導出管３８を通して供給されたＮＧは、第１流入ヘッダ４７を通して各第１流路４３ａに分配され、各第１流路４３ａを流れたＮＧは第１流出ヘッダ４８で集合し、加温器Ｅ３から導出される。第２流入ヘッダ４９には、スチームの供給管５１が接続されている。この供給管５１を通して供給されるスチームは、第２流入ヘッダ４９を通して各第２流路４４ａに分配され、各第２流路４４ａを流れたスチームは、第２流出ヘッダ５０で集合し、加温器Ｅ３から導出される。

ここで、第１実施形態に係る気化器１０の運転動作について説明する。

ケーシング１１内の下部に貯留された液状の中間媒体Ｍは、入口室１４を通して各伝熱管２０内に流入した海水によって加熱されて蒸発する。すなわち、加熱媒体蒸発部Ｅ１において、中間媒体Ｍが第１熱源媒体によって加熱されて蒸発する。蒸発した中間媒体Ｍは、ケーシング１１内の上部に位置する伝熱管４０を加熱する。供給管３６から入口室３２を通して伝熱管４０内に流入し、伝熱管４０内を流れるＬＮＧは、伝熱管４０によって加熱されて蒸発してＮＧとなる。なお、海水は、伝熱管２０から流出し、出口室１８及び排出管２４を通して外部に排出される。

ＮＧは、出口室３４を経由して導出管３８を流れ、加温器Ｅ３に導入される。加温器Ｅ３では、ＮＧは、第１流入ヘッダ４７を通して各第１流路４３ａに分流される。各第１流路４３ａを流れるＮＧは、各第２流路４４ａを流れるスチームによって加熱され、第１流出ヘッダ４８を通して加温器Ｅ３から導出され、利用側に供給される。

以上説明したように、本実施形態では、加温器Ｅ３がマイクロチャネル熱交換器によって構成されているため、加温器がシェルアンドチューブタイプの熱交換器によって構成される場合に比べ、加温器Ｅ３の小型化を図ることができる。また、気化器１０自体の小型化を図ることもできる。特に、ＬＮＧ蒸発器Ｅ２には、６ＭＰａＧ（ゲージ圧で６ＭＰａ）以上の圧力を有するＬＮＧが導入される。このような高圧のＬＮＧを気化させる場合であっても、加温器Ｅ３がマイクロチャネル熱交換器で構成されているため、図５に示す従来の中間媒体式気化器のように、加温器Ｅ３の伝熱管、管板およびシェルの肉厚を厚くして耐圧性能を高めるというような対策を施す必要がない。したがって、高圧のＬＮＧを気化させる構成でありながら、加温器Ｅ３が大型化するのを防止することができる。また、加温器Ｅ３を小型化することができるのに伴い、加温器Ｅ３の軽量化を図ることもできる。また、加温器Ｅ３がマイクロチャネル熱交換器で構成されていて、図５の中間媒体式気化器の加温器Ｅ３のように、外殻、缶板を持たず、また伝熱管が外から圧縮する方向の高圧に耐える構成が無いため、加温器Ｅ３に高圧のガスが導入される場合であっても、加温器Ｅ３が大型化するということはない。なお、図５の構成では、機器が大型且つ大重量になることに加え、海水低温期には所望のＮＧ出口温度の達成が難しい。

また本実施形態では、第２熱源媒体としてスチームが用いられているので、第２熱源媒体として海水又は大気が用いられる場合に比べて、加温器Ｅ３でのガスの加熱性能を高くすることができる。また、寒冷地域においても、利用側から要求される温度のガスを得ることができる。

また本実施形態では、運転経費削減の効果もある。この点について、以下、具体的に説明する。本実施形態の構成の場合に必要となる運転経費をＡとし、第１熱源媒体もスチームが用いられる全スチーム熱源式気化器の場合に必要となる運転経費をＢとして、通年に亘る運転経費の比較を行う。

気化器での全気化熱量（１００％）のうち、中間媒体蒸発器Ｅ１と加温器Ｅ３での熱負荷配分はそれぞれ、一般に約８０％と約２０％である。本実施形態では、熱負荷８０％を安価な自然エネルギー（海水）で賄い、残りの２０％を高価なスチームで賄う。一方、全スチーム熱源式気化器では、熱負荷の１００％を高価なスチーム（燃料熱効率９０％程度）で賄うことになる。

所要のポンプ動力（電力）原単位は、４ＫＷｈ／ｔ−ＬＮＧ程度であるため、電力単価を１０￥／ＫＷｈとすると、４０￥／ｔ−ＬＮＧつまりＬＮＧ−１ｔｏｎを気化するのに４０円を要する。一方、スチーム（燃料費）原単位は、燃料消費量ベースで 約１．５％（熱効率９０％とした場合）を自家消費するので、１５Ｋｇ／ｔ−ＬＮＧとなるため、この場合、ガス化コストを含む燃料ガス単価を４０，０００￥／ｔとすると、６００￥／ｔ−ＬＮＧつまりＬＮＧ−１ｔｏｎを気化するのに、６００円を要する。

本実施形態に係る気化器１０では、中間媒体蒸発器Ｅ１：８０％、加温器Ｅ３：２０％の熱負荷配分であるので、運転経費Ａは、４０×０．８＋６００×０．２＝１５２￥／ｔ−ＬＮＧとなる。一方、全スチーム熱源式気化器での運転経費Ｂは、１００％スチーム熱源となるので、６００￥／ｔ−ＬＮＧとなる。したがって、運転経費は明確にＡ＜＜Ｂとなる。

加えて、通年で見ると、本実施形態に係る気化器１０では、夏場には、海水温度上昇により中間媒体蒸発器Ｅ１での熱負荷が大きくなり、加温器Ｅ３での熱負荷が小さくなることにより、その結果、運転経費Ａが低減する。これに対し、全スチーム熱源式気化器では、中間媒体蒸発器Ｅ１での熱負荷が大きくなったとしても、運転経費Ｂは低減しない。

また、操業上不可避な部分負荷運転が行われた場合においては、本実施形態の気化器１０では、中間媒体蒸発器Ｅ１での熱負荷が大きく、加温器Ｅ３での熱負荷が小さくなる特性があることから、部分負荷率を超えて運転経費Ａが低減することがある。これに対し、全スチーム熱源式加温器では、部分負荷率のままで運転経費Ｂはこれを超えて低減することはない。海水温度変化や部分負荷運転は不可避であるため、通年に亘る実操業においては、上述の相乗効果により、通年に亘る運転経費の差は更に拡大しＡ＜＜＜Ｂとなる。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係る気化器１０の構成を概略的に示している。図４に示すように、第２実施形態では、第１実施形態と異なり、第１熱源媒体として大気が用いられる。なお、ここでは、第１実施形態と異なる構成及び効果についてのみ説明する。

第１実施形態では、中間媒体蒸発器Ｅ１とＬＮＧ蒸発器Ｅ２とが共通のケーシング１１内に設けられた構成となっているが、第２実施形態では、中間媒体蒸発器Ｅ１とＬＮＧ蒸発器Ｅ２とが別個に構成されている。

ＬＮＧ蒸発器Ｅ２は、中間媒体Ｍが封入された筐体５５と、この筐体５５内に配設され、ＬＮＧを気化させる伝熱管４０とを備えている。筐体５５には、ＬＮＧが導入される入口室３２と、ＮＧを流出させる出口室３４とが設けられている。筐体５５の下部には、中間媒体Ｍを溜める液溜め５５ａが設けられている。

筐体５５には、中間媒体Ｍの循環路５７が接続されている。循環路５７の一端部は、筐体５５における液溜め５５ａの下面に接続され、筐体５５の外側を延びている。この循環路５７の他端部は、筐体５５の上面部に接続されている。循環路５７にはポンプ５８が設けられており、ポンプ５８を駆動することにより、液溜め５５ａに貯留された中間媒体Ｍが循環路５７を流れる。

循環路５７の中間部分において、中間媒体蒸発器Ｅ１の伝熱管２０が接続されている。したがって、循環路５７は、伝熱管２０に向かって液状の中間媒体Ｍが流れる液管５７ａと、伝熱管２０で蒸発してＬＮＧ蒸発部Ｅ２に向かってガス状の中間媒体Ｍが流れるガス管５７ｂとを含む。

中間媒体蒸発器Ｅ１は、大気が導入される熱交換室６０に伝熱管２０が配設された構成である。熱交換室６０の上側には、送風機室６１が設けられており、送風機６２を駆動することにより、大気は送風機室６１を経由して熱交換室６０に流入する。本実施形態では、大気が上から下に向かって流れる構成となっているが、大気が下から上に向かって流れる構成となっていてもよい。また、送風機室６１を省略して送風機６２が熱交換室６０に取り付けられ、大気が直接、熱交換室６０に導入される構成としてもよい。また、熱交換室６０から送風機室６１に向かって大気が流れる構成であってもよい。

第２実施形態では、筐体５５内の液溜め５５ａに貯留された液状の中間媒体Ｍは、ポンプ５８が駆動されると、循環路５７の液管５７ａを流れ、中間媒体蒸発器Ｅ１の伝熱管２０に導入される。伝熱管２０において、中間媒体Ｍは大気によって加熱されて蒸発し、循環路５７のガス管５７ｂを流れる。このガス状の中間媒体ＭはＬＮＧ蒸発部Ｅ２の筐体５５内に導入され、伝熱管４０を加熱する。これにより、伝熱管４０内のＬＮＧは気化し、ＮＧとなる。ＮＧは導出管３８を通して加温器Ｅ３に導入され、スチームによって加熱された後、利用側に供給される。

Ｅ１ 中間媒体蒸発器
Ｅ２ ＬＮＧ蒸発器
Ｅ３ 加温器
Ｍ 中間媒体
１０ 中間媒体式気化器
１１ ケーシング
１１ａ 側壁
１１ｂ 側壁
１４ 入口室
１８ 出口室
２０ 伝熱管
２２ 導入管
２４ 排出管
３２ 入口室
３４ 出口室
３６ 供給管
３８ 導出管
４０ 伝熱管
４３ 金属板
４３ａ 第１流路
４４ 金属板
４４ａ 第２流路
４５ 端板
４７ 流入ヘッダ
４８ 流出ヘッダ
４９ 流入ヘッダ
５０ 流出ヘッダ
５１ 供給管
５５ 筐体
５７ 循環路
５７ａ 液管
５７ｂ ガス管
５８ ポンプ
６０ 熱交換室
６１ 送風機室
６２ 送風機

Claims (1)

1. 第１熱源媒体と液状の中間媒体との間での熱交換によって前記中間媒体の少なくとも一部を蒸発させる中間媒体蒸発部と、
   ６ＭＰａＧ以上の圧力を有する低温液化ガスが導入される伝熱管を有し、前記中間媒体蒸発部で蒸発した中間媒体を凝縮させることにより、前記伝熱管内の低温液化ガスを気化させてガスを流出させる液化ガス気化部と、
   前記液化ガス気化部から流出した前記ガスを第２熱源媒体によって加熱する加温器と、を備え、
   前記第１熱源媒体は海水又は大気であり、前記第２熱源媒体はスチーム又は温水であり、
   前記加温器はマイクロチャネル熱交換器によって構成されている中間媒体式気化器。

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