JPH07217800A

JPH07217800A - エネルギー回収装置付き都市ガス整圧装置

Info

Publication number: JPH07217800A
Application number: JP993194A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Yokoyama; 明彦横山; Teruo Fujii; 輝夫藤井; Takeshi Sakamoto; 毅阪本; Etsuro Sato; 悦郎佐藤; Osamu Sugiyama; 杉山　　修
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1994-01-31
Filing date: 1994-01-31
Publication date: 1995-08-15
Anticipated expiration: 2019-12-08
Also published as: JP3597552B2

Abstract

(57)【要約】【目的】短時間のガス需要の変化に対応し、かつエネ
ルギーを有効に回収することができる都市ガス整圧装置
を提供する。【構成】中圧Ａライン１１から中圧Ｂライン１２の間
には、膨張タービン１３およびバイパスガバナ１４ａ，
１４ｂ，１４ｃが設けられる。少なくとも１つのバイパ
スガバナ１４ａには、安定に動作する最低流量ＦＧ１を
流す。中圧Ｂライン１２のガス流量Ｆ１がＦＧ１とＦＳ
ＥＴ最低値の和よりも大きいときには、その分の都市ガ
スを膨張タービンガス流量Ｆ２として流量制御装置１９
によって膨張タービン１３に流す。膨張タービン１３で
は、中圧Ａラインの圧力ｐ１から中圧Ｂライン１２の圧
力ｐ２へ減圧する際にエネルギーを動力として回収し、
発電機２０を回転駆動する。さらに、膨張タービン１３
の入口側で都市ガスを加熱し、回収動力を増加させた
り、膨張タービン１３の出口側で冷却された都市ガスか
ら冷熱を回収することもできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、都市ガスのパイプライ
ンなど、都市ガスの供給系統中に介在され、供給圧力を
一定に保つように減圧するガバナを含むエネルギー回収
装置付き都市ガス整圧装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、都市ガスは高圧力で都市ガス
供給系統に送出され、パイプラインに設置されたガバナ
によって減圧され、需要家に供給されている。都市ガス
は時間および季節によって供給流量が変動する。ガバナ
は、上流側である一次側の圧力を下流側である二次側圧
力に減圧する。ガバナは、二次側圧力が設定圧力になる
ように、ガス流路の開閉量の調整を行っている。変動す
る都市ガスの供給流量に対し、瞬時の圧力制御が可能な
ように、また一次側の圧力の変動があっても制御が可能
なように、一次側と二次側との圧力差はかなり大きくと
られている。

【０００３】従来からのガバナによる整圧では、都市ガ
スの有する圧力エネルギーを有効に回収することができ
ない。都市ガスの減圧を、膨張タービンを用いて行い、
エネルギーを動力として回収する考え方は、たとえば特
開平３−２３６５８９号公報（特願平２−３２７３８）
などで提案されている。この先行技術では、都市ガスの
有する圧力エネルギーを、都市ガスを冷却して再液化す
るために利用している。

【０００４】図６は、都市ガス供給系統中に必要な整圧
装置に、ガバナとともに膨張タービンを用いて圧力エネ
ルギーの回収を図る場合の構成を示す。都市ガス供給ラ
インの一次側である中圧Ａライン１は、たとえば６〜７
ｋｇ／ｃｍ²Ｇの圧力の都市ガスが流れている。二次側
の中圧Ｂライン２には、たとえば１．５〜１．６ｋｇ／
ｃｍ²Ｇの圧力の都市ガスが流れる。中圧Ａライン１か
ら中圧Ｂライン２への減圧のために、膨張タービン３お
よびバイパスガバナ４がそれぞれ設けられる。一次圧力
計５は中圧Ａライン１の圧力を計測し、二次圧力計６は
中圧Ｂライン２の圧力を計測する。二次流量計７は、中
圧Ｂライン２の都市ガス流量を検出する。

【０００５】膨張タービン３は、中圧Ａライン１からの
都市ガスが膨張する際に回転駆動され、圧力エネルギー
を動力として回収し、発電などを行う。ただし膨張ター
ビン３に流し得る流量には上下限があり、膨張タービン
３の運転中にその上限値を越えた場合にはバイパスガバ
ナ４が開き、過剰分を流す。また流量が下限値以下にな
った場合には、膨張タービン３を停止し、全量バイパス
ガバナ４で供給する。さらに、種々の要因で膨張タービ
ン３がトリップするときにも、膨張タービン３は停止さ
れ、バイパスガバナ４が開く。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図６に示すような都市
ガス整圧装置では、都市ガス供給流量が変動しても、可
能な限り膨張タービン３によって減圧し、圧力エネルギ
ーを回収しようとしている。通常は膨張タービン３のみ
が動作し、バイパスガバナ４は閉じている。このため、
タービン流量が上限値を越えた場合には、バイパスガバ
ナ４が開くまでに時間を要し、その間に二次側圧力が減
少する。また二次側流量が下限値以下になった場合に
は、膨張タービン３が停止して設定圧の低いバイパスガ
バナ４が開くので、二次側の供給圧力が減少する。膨張
タービン３がトリップしたときも同様である。

【０００７】さらに、膨張タービン３は、少ないベース
流量で安定して運転できるけれども、そのような安定運
転では回収可能なエネルギーの量が少なくなり、エネル
ギーの回収が困難であるにも拘わらず、このような回収
を行うために前述のように二次側圧力の変動が大きくな
る。また、回収したエネルギーを電力として利用する場
合は、商用電力として逆送電する逆潮流を防止する対策
が必要となる。すなわち、都市ガス供給設備などの内部
需要を越えて電力を発生させても、過剰な電力の処理が
困難となるので、回収したエネルギーが無駄になる。ま
た、回収したエネルギーを冷熱として利用する場合に
は、冷熱負荷の需要に合わせた冷熱供給制御が必要とな
る。

【０００８】本発明の目的は、都市ガスの需要に対する
供給流量の変動に対して安定した整圧を行うことがで
き、しかも膨張タービンを利用してエネルギーや冷熱を
有効に回収することができるエネルギー回収装置付き都
市ガス整圧装置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、都市ガス供給
系統中に介在され、一次側の圧力を減圧して予め定める
二次側圧力に整圧するガバナと、ガバナと並列に、前記
都市ガス供給系統に接続され、一次側からの都市ガスを
膨張させて二次側圧力に減圧する膨張タービンと、二次
側への都市ガス供給流量を検出し、予め設定される前記
ガバナの安定作動流量を越える都市ガス供給流量分を、
その変化に、膨張タービンが安定に動作可能な範囲内に
予め定める変化率以下で追従させて、膨張タービンに流
すように制御する流量制御手段とを含むことを特徴とす
るエネルギー回収装置付き都市ガス整圧装置である。

【００１０】また本発明は、前記膨張タービンの上流側
に接続可能で、膨張タービンに供給する都市ガスを熱交
換によって加熱する前加熱手段と、前記膨張タービンの
下流側に接続可能で、膨張タービンから排出される都市
ガスを熱交換によって加熱する後加熱手段とを含むこと
を特徴とする。

【００１１】

【作用】本発明に従えば、都市ガス供給系統の一次側圧
力を減圧して二次側圧力に整圧するために、ガバナと膨
張タービンとが並列に設けられる。流量制御手段は、二
次側への都市ガス供給流量を検出し、予め設定されるガ
バナの安定作動流量を越える都市ガス供給流量分を、そ
の変化には予め定める変化率以下で追従して、膨張ター
ビンに流すように制御する。このためガバナは安定作動
流量が確保されて、二次圧が安定に保たれる。膨張ター
ビンには安定動作可能な範囲内の予め定める変化率以下
で供給流量の変化に追従するように流量制御が行われる
ので、安定にかつ有効にエネルギー回収を行うことがで
きる。

【００１２】また本発明に従えば、膨張タービンの上流
側および下流側には、熱交換によって都市ガスを加熱す
る前加熱手段および後加熱手段がそれぞれ接続可能であ
る。前加熱手段によって都市ガスを加熱してから膨張タ
ービンに供給すると、膨張タービンによって減圧膨張す
る際にエネルギーの変換効率を高めることができる。前
加熱手段には、各種工業プラントなどからの排熱や、コ
ージェネレーションシステムなどからの発生熱を用い
て、蒸気発生などよりも比較的低温の状態で熱源を利用
することができる。また膨張タービンから排出される都
市ガスは、減圧膨張の際に温度低下しているので、後加
熱手段で冷水などと熱交換することによって、冷水を冷
却し、冷房などの冷熱として利用することが可能とな
る。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明の一実施例による都市ガス整
圧装置の構成を示す。本実施例による都市ガス整圧装置
は、中圧Ａライン１１を一次側とし、中圧Ｂライン１２
を二次側として、それらの中間に介在される。中圧Ａラ
イン１１の圧力は、たとえば６〜７ｋｇ／ｃｍ²Ｇであ
り、中圧Ｂライン１２の圧力は、１．５〜１．６ｋｇ／
ｃｍ²Ｇである。この圧力差は、膨張タービン１３によ
って動力として回収される。膨張タービン１３と並列
に、バイパスガバナ１４ａ，１４ｂ，１４ｃが設けられ
る。バイパスガバナ１４ａ，１４ｂ，１４ｃの設定圧
は、それぞれＰ１，Ｐ２，Ｐ３となる。これらの圧力の
関係は、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３である。これらのバイパスガ
バナ１４ａ，１４ｂ，１４ｃが安定に動作する都市ガス
流量は、最低流量ＦＧ１，ＦＧ２，ＦＧ３であり、これ
らはＦＧに等しいものとする。すなわちＦＧ＝ＦＧ１＝
ＦＧ２＝ＦＧ３である。中圧Ａライン１１の圧力ｐ１
は、一次圧力計１５によって測定される。中圧Ｂライン
１２の圧力ｐ２は、二次圧力計１６によって測定され
る。都市ガスの供給流量Ｆ１は、二次流量計１７によっ
て測定される。膨張タービン１３を流れる都市ガスの流
量Ｆ２は、タービン流量計１８によって測定される。膨
張タービン１３の流量制御は、膨張タービン流量設定値
ＦＳＥＴに基づき、流量制御装置１９によって行われ
る。膨張タービン１３によって回収されたエネルギー
は、発電機２０を駆動し、電力エネルギーに変換され
る。

【００１４】流量制御装置１９は、使用するバイパスガ
バナ１４ａ，１４ｂ，１４ｃのうちの少なくとも１つが
安定に稼働させる最低流量ＦＧを確保しながら膨張ター
ビン１３を運転する。したがって、Ｆ１＞（ＦＳＥＴの
最低値＋ＦＧ）が成立するときにのみ、膨張タービン１
３が運転される。中圧Ｂライン１２の圧力ｐ２の安定の
ためには、膨張タービン流量設定値ＦＳＥＴ＝Ｆ１−Ｆ
Ｇとなるように設定する。

【００１５】発電機２０の運転は、中圧Ｂライン１２の
都市ガスの流量Ｆ１の成り行きに従う運転となる。しか
しながら、次の条件で膨張タービン１３の回転制御を行
う機械的なガバナ装置に制限がかかる。

【００１６】受電点において、都市ガス整圧設備が設
けられる構内消費電力よりも、発電機２０の出力が大き
くなったとき。逆潮流の防止のためである。

【００１７】膨張タービン１３の出側で中圧Ｂライン
１２のガス温度が、０℃以下になったとき。中圧Ｂライ
ン１２やその他配管のまわりなどに、水分が凍結するの
を防止するためである。

【００１８】発電電力が過大となったとき。発電機２
０の保護のためである。

【００１９】図２は、以上のような考え方に基づく制御
による流量変化を示す。図２（１）は、二次側流量Ｆ１
の時間変化を示し、図２（２）はガバナ流量の時間変化
を示し、図２（３）は膨張タービン流量Ｆ２の時間変化
を示す。図２（２）のガバナ流量は、図２（１）の中圧
Ｂライン流量Ｆ１から図２（３）の膨張タービン流量Ｆ
２を除いた流量である。バイパスガバナ１４ａ，１４
ｂ，１４ｃのうちの少なくともいずれか１つには、ガバ
ナ最低流量ＦＧ以上の都市ガスを流しておく。膨張ター
ビン１３には、ガバナ最低流量ＦＧを越えた分の都市ガ
スを流すけれども、発電機出力が過大になるときには流
量を制限し、その制限した流量分の都市ガスはバイパス
ガバナ１４ａ，１４ｂ，１４ｃに流す。動作させるバイ
パスガバナ１４ｂ，１４ｃの数は、流すべき流量に応じ
て変化させる。このようにすると瞬間的な圧力調整が可
能で、かつ膨張タービン１３が停止したりトリップした
ときのバイパスガバナ１４ａ，１４ｂ，１４ｃの応答性
が、これらを全閉状態から立上げるよりも向上する。ま
た瞬間的に弁を開くための駆動源も不用となり、自立式
ガバナで対応することができる。さらに、流量追従で制
御するので、一定のベース流量で運転する場合よりも、
エネルギー回収量を増加させることができ、負荷変動が
大きな場合に特に有効となる。

【００２０】図３は、本発明の他の実施例による都市ガ
ス整圧装置のガバナステーション１０の基本構成を示
す。本構成において、図１に示す実施例と対応する部分
には同一の参照符を付す。注目すべきは、膨張タービン
１３の上流側に熱交換によって都市ガスを加熱する前加
熱手段であるヒータ２１が設けられ、膨張タービン１３
の下流側にも熱交換によって都市ガスの加熱を行う後加
熱手段であるヒータ２２が設けられることである。膨張
タービン１３で都市ガスは減圧膨張し、この際に温度が
低下する。前もって都市ガスの温度をヒータ２１で上昇
させておけば、高い効率で膨張タービン１３からエネル
ギーを回収し、発電を行うことができる。ヒータ２１に
は、たと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
加温された温水を供給する。このようにすれば、蒸気発
生などには利用することが困難な低温の熱源も、有効に
利用して発電出力の向上を図ることができる。また夏期
などは、ヒータ２２を用いて、膨張タービン１３によっ
て低温になった都市ガスから冷熱を冷水として回収し、
冷房などに利用することができる。

【００２１】図４は、都市ガスの１日２４時間における
需要変化の傾向を示す。２点鎖線は夏期（８月）の変化
を示し、実線は冬期（２月）の変化を示し、破線は中間
期（５月）の変化を示す。本実施例でこれを圧力差エネ
ルギーとして有効に回収し、かつ他のエネルギー利用や
冷熱利用も行うことができる。

【００２２】図５は、図３の構成の考え方が適用される
都市ガス整圧装置のより詳細な構成を示す。都市ガスの
需要量は、図４のように変化するので、需要量が少ない
深夜などに都市ガスを貯留しておき、需要量が多いとき
に払出すホルダ２４が設けられる。ホルダ２４への都市
ガスの供給は、操作バルブ２５を介して行われる。ホル
ダ２４に貯留された都市ガスの放出は、２次圧上昇防止
弁２６を介して調整され、バイパスガバナ１４ｃによっ
て整圧される。中圧Ａライン１１から中圧Ｂライン１２
への都市ガスの供給のための直接的な経路としては、２
次圧上昇防止弁２７およびバイパスバルブ１４ａを経由
する経路が設けられる。膨張タービン１３に中圧Ａライ
ン１１から都市ガスを流す経路には操作弁２８が設けら
れ、ガスホルダ２４からの都市ガスを膨張タービン１３
に流す経路には操作弁２９が設けられる。プレヒータで
あるヒータ２１とアフタヒータであるヒータ２２は、コ
ージェネレーションシステムを構成するガスエンジン３
１と温水吸収式冷凍機３２との間で熱交換を行う。バイ
パスガバナ１４ｂは、設定圧力を下げて待機している。

【００２３】ヒータ２１では、たとえば常温２０℃の都
市ガスを、８０℃の温水をガスエンジン３１から供給し
て、５４℃程度に加温することができる。膨張タービン
１３では、減圧膨張の結果、５４℃の都市ガスは４℃程
度まで温度低下する。２０℃の都市ガスを供給した場合
は、−３０℃まで温度低下する。したがって、たとえば
１２月から３月までの冬期には、ヒータ２１によって都
市ガスを加温してから膨張タービン１３に供給する。温
水の温度が５０℃や６０℃程度であっても、都市ガスを
加温して膨張タービン１３の出力を増加させることがで
き、低レベルの排熱を有効に利用して電気を得ることが
できる。

【００２４】ヒータ２１を作動させる残余の期間、たと
えば４月から１１月は、アフタヒータであるヒータ２２
を作動させる。プレヒータであるヒータ２１を作動させ
ないと、前述のように膨張タービン１３に供給される都
市ガスの温度は２０℃程度であり、膨張タービン１３か
ら排出される都市ガスの温度は−３０℃程度にまで低下
する。ヒータ２２で、１２℃の冷水と熱交換すると、冷
水の温度が６℃程度にまで冷却され、都市ガスの温度は
４℃程度にまで加温される。このように冷水として取出
される冷熱を利用し、コージェネレーションシステムの
温水吸収式冷凍機３２からの冷水とともに冷水配管路３
３を介して冷房用に送出することができる。冷水配管路
３４を介して戻る冷水は、ヒータ２２によって冷却す
る。

【００２５】以上のように膨張タービン１３によって減
圧することにより、温度が低下した都市ガスの冷熱利用
が可能である。また工場等の排熱やコージェネレーショ
ンシステムと組合わせて、低レベルの排熱でも、膨張タ
ービンに供給される都市ガスを加熱し、動力回収量を増
加させることが可能である。比較的低温排熱源の利用が
可能なので、総合的な熱効率の向上を望むことができ
る。

【００２６】さらに、冷熱負荷の調整のためには、ヒー
タ２１とヒータ２２とを両方を用い、ヒータ２１で膨張
タービン１３に供給する都市ガスの加熱を制御し、冷熱
負荷への追従を、膨張タービン１３に流す都市ガスの流
量を絞らずに行うことができる。このようにすることに
よって、冷熱の利用と電力の取出しとをそれぞれ最適値
に制御することができる。また、バイパスガバナ１４
ａ，１４ｂ，１４ｃでガスの供給を確保し、発電電力が
構内使用電力より大きくなり逆潮流を起こすときには、
タービン流量を減少させてそれを防止することができ
る。また急激な需要量の変化にはバイパスガバナ１４
ａ，１４ｂ，１４ｃで対応するので、膨張タービンのＦ
ＳＥＴ値をランプ関数等で変化させて緩やかに行うこと
ができ、安定な動作を実現することができる。

【００２７】なお、上述の実施例では、中圧Ａライン１
１と中圧Ｂライン１２との間に、都市ガス整圧装置を設
けているけれども、より高い圧力のラインとより低い圧
力のラインとの間に設けることもでき、圧力差を有効に
利用することができる。

【００２８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、二次側の
圧力を安定に制御しながら都市ガスの圧力差をエネルギ
ーとして有効に回収することができる。急激な都市ガス
の需要変化はガバナによって対応し、緩やかな需要変化
に対応して膨張タービンによるエネルギー回収を有効に
行うことができる。

【００２９】また本発明によれば、膨張ガバナの一次側
から二次側への減圧過程を利用し、前加熱手段を用いる
ときには、有効にエネルギーを回収することができ、後
加熱手段を用いるときには、冷却された都市ガスから有
効に冷熱を回収することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の簡略化した系統図である。

【図２】図１の実施例による流量制御の状態を示すグラ
フである。

【図３】本発明の他の実施例の基本的な構成を示す系統
図である。

【図４】都市ガスの日間流量変化を示すグラフである。

【図５】図３の構成を利用した実施例の系統図である。

【図６】本発明の基礎となる膨張タービンを用いる都市
ガス整圧装置の構成を示す系統図である。

【符号の説明】

１１中圧Ａライン１２中圧Ｂライン１３膨張タービン１４ａ，１４ｂ，１４ｃバイパスガバナ１７二次流量計１８タービン流量計１９流量制御装置２０発電機２１，２２ヒータ３１ガスエンジン３２温水吸収式冷凍機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤悦郎大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者杉山修大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号大阪瓦斯株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】都市ガス供給系統中に介在され、一次側
の圧力を減圧して予め定める二次側圧力に整圧するガバ
ナと、ガバナと並列に、前記都市ガス供給系統に接続され、一
次側からの都市ガスを膨張させて二次側圧力に減圧する
膨張タービンと、二次側への都市ガス供給流量を検出し、予め設定される
前記ガバナの安定作動流量を越える都市ガス供給流量分
を、その変化に、膨張タービンが安定に動作可能な範囲
内に予め定める変化率以下で追従させて、膨張タービン
に流すように制御する流量制御手段とを含むことを特徴
とするエネルギー回収装置付き都市ガス整圧装置。
【請求項２】前記膨張タービンの上流側に接続可能
で、膨張タービンに供給する都市ガスを熱交換によって
加熱する前加熱手段と、前記膨張タービンの下流側に接続可能で、膨張タービン
から排出される都市ガスを熱交換によって加熱する後加
熱手段とを含むことを特徴とする請求項１記載のエネル
ギー回収装置付き都市ガス整圧装置。