JPH0949600A - 天然ガスの貯蔵送出方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】設置スペースを出来るだけ少くして設備費を低
減しつつも天然ガスの貯蔵送出量を出来るだけ高めるこ
とにより、ガスホールダの機能を効果的に発揮させ、安
価な都市ガスの安定供給を行う。 【構成】高圧パイプラインからの天然ガスを、需要が少
ないときには天然ガスを圧力下で冷却し水和物に転換し
て貯蔵し、需要が多いときには水和物として貯蔵してあ
る天然ガスを減圧および／または加熱して分解、気化し
天然ガスとして送出する。また、高圧天然ガスパイプラ
インからの高圧配管と天然ガス送出配管とが天然ガスの
水和物貯蔵容器に連結されていて、ヒートポンプの一方
の冷媒循環ラインは水和物貯蔵容器内の水和物または水
と熱交換を行うために、第一の熱交換器を介して水和物
貯蔵容器に連結されており、他方の冷媒循環ラインは蓄
熱槽内の蓄熱材と熱交換を行うため、第二の熱交換器を
介して蓄熱槽に連結されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、天然ガスなどの燃料ガ
ス（本明細書においては、都市ガスまたは天然ガスとい
う）の貯蔵方法に関する。

【０００２】

【従来技術とその問題点】都市ガス事業においては、ガ
ス需要の時間的変動に対応して、都市ガス製造量および
高圧パイプラインのガス送出量を平準化して、都市ガス
製造設備および高圧パイプラインの設備使用効率を高
め、設備投資を押さえるために、需要地の付近に中高圧
ガスホルダーを設置するのが通例である。

【０００３】この様な中高圧ガスホールダーは、下記の
機能を発揮する様に、構成されている。

【０００４】１．ガス需要の時間的変動に対応して製造
が順応し得ないガス量を補給し、安定的な供給を確保す
る。

【０００５】２．停電、導管工事などによる製造設備お
よび供給設備の一時的稼働停止にも対応して、ある程度
の時間継続して供給を行いうる。

【０００６】３．組成の変動する製造ガスを受け入れて
混合し、供給ガスの成分、熱量、燃焼性などを均一化す
る。

【０００７】４．需要地の近くに設置することにより、
ピーク時にガス工場からの導管輸送量を減少させる。

【０００８】ガス会社は、最大製造能力（ｍ³／日）、
すなわち最大送出量（ｍ³／日）の一定割合（例えば、
２５％）の稼働容量のガスホールダーを保有すべく、設
備計画を行っている。

【０００９】従来は、都市ガス需要の増大に対応すべ
く、中高圧ガスホルダーを需要地近く、すなわち都市圏
内に設置してきたが、環境問題との関連で用地取得が困
難となりつつあり、また用地取得費の高騰を招くなどの
大きな問題点がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、設
置スペースを出来るだけ少なくして設備費を低減しつつ
も、天然ガスの貯蔵送出量を出来るだけ高めることによ
り、ガスホールダーの機能を効果的に発揮させ、以て都
市ガス事業の本務である安価な都市ガスの安定供給を行
うことを主な目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記のよう
な技術の現状に鑑みて研究を重ねた結果、低需要時に高
圧パイプラインを流れる都市ガスを圧力下で水和物に変
換させて貯蔵するとともに、高需要時にこの水和物を分
解気化して都市ガスとして送出する場合には、設置スペ
ースを著しく減少させて設備費を低減し得るにもかかわ
らず、大量の天然ガスを貯蔵送出しうることを見出し
た。

【００１２】すなわち、本発明は、下記の天然ガスの貯
蔵送出方法およびその装置を提供するものである； Ｉ．高圧パイプラインからの天然ガスを、（ｉ）需要が
少ないときには、天然ガスを圧力下で冷却することによ
り水和物に転換して貯蔵し、（ｉｉ）需要が多いときに
は、水和物として貯蔵してある天然ガスを減圧および／
または加熱することにより、分解・気化して、天然ガス
として送出することを特徴とする天然ガスの貯蔵送出方
法。

【００１３】ＩＩ．（ａ）高圧天然ガスパイプラインか
らの高圧配管と天然ガス送出配管とが天然ガスの水和物
貯蔵容器に連結されており、（ｂ）ヒートポンプの一方
の冷媒循環ラインは、水和物貯蔵容器内の水和物または
水と熱交換を行うために、第一の熱交換器を介して水和
物貯蔵容器に連結されており、（ｃ）ヒートポンプの他
方の冷媒循環ラインは、蓄熱槽内の蓄熱材と熱交換を行
うために、第二の熱交換器を介して蓄熱槽に連結されて
いることを特徴とする天然ガスの貯蔵送出装置。

【００１４】

【発明の実施の形態】天然ガスを主原料とする都市ガス
は、メタンを主成分とする軽質炭化水素により構成され
ている。メタン、エタン、プロパンなどは、圧力および
温度条件が適切であれば、水と水和物（以下ハイドレー
トともいう）を生成し、ガス状態に比してその容積は、
著しく減少するので、貯蔵能力が大幅に向上する。

【００１５】より具体的に、例えば、メタンに関して
は、圧力３０ｋｇ／ｍ²、温度０℃でメタン８分子と水
４６分子とにより、ハイドレートを形成し、その容積
は、標準状態のメタンガスの１／１７０に減少する。本
発明は、この様なメタンハイドレートの生成による体積
減少という現象を利用するものである。

【００１６】本発明においては、都市ガス需要の少ない
ときには、貯蔵容器内にハイドレートとして天然ガスを
貯蔵するので、水と天然ガスとの混合物に圧力をかける
か、或いは冷却するか、或いは圧力をかけつつ冷却する
必要がある。

【００１７】水と天然ガスとの混合物を圧力下で冷却す
る場合には、高圧であるほど冷却に要するエネルギーは
少なくてよく、逆に圧力が低いと冷却に要するエネルギ
ーが増大する。例えば、LNG基地内に設置される天然ガ
スの冷却装置については、冷却エネルギーはLNGからの
冷熱として容易に入手できるが、圧力エネルギーはコン
プレッサーの昇圧などにより得なければならない。一
方、ガスホルダー（天然ガスの貯蔵送出装置）は、都市
ガス需要地付近に設置されており、高圧パイプラインか
らの圧力エネルギーをそのまま利用できるので、水と天
然ガスとの混和物の冷却エネルギーを少なくすることが
出来る。

【００１８】本発明者は、以上の様な状況に留意しつ
つ、貯蔵送出装置内の圧力と冷却エネルギーとの関係を
種々検討した結果、蓄熱槽内の蓄熱材に蓄えられた冷熱
または温熱を利用して、水和物の形態での天然ガスの貯
蔵とその分解物の送出が可能であることを見出したもの
である。一般に、都市ガス需要地である都市圏付近で
は、海水、河川水などが利用できないことが多く、また
大気を使用する場合には、熱交換器などの設備が大型と
なるという難点があるが、本発明においては、予め蓄熱
槽内の蓄熱材に蓄えられた冷熱或いは温熱を利用するこ
とにより、この様な問題点を解決した。

【００１９】また、本発明においては、都市ガスの冷却
および加熱は、それぞれ個別の機器を使用して行うので
はなく、ヒートポンプを使用して、例えば四方弁を切り
替えることにより行うので、この点からも、スペースの
削減および設備のコンパクト化を達成できる。このヒー
トポンプは、それぞれ冷却および加熱を行う第一の熱交
換系と第二の熱交換系とを備えている。

【００２０】本発明においては、都市ガスの低需要時に
は、天然ガスは、高圧パイプラインから高圧配管を通じ
て、貯蔵容器内に導かれる。貯蔵容器内の圧力は、８〜
３０kg/cm²程度であり、温度は、０〜１５℃程度であ
る。天然ガスハイドレート形成のためには、貯蔵容器内
圧力が高いほど冷却エネルギーが少なくて良いが、貯蔵
容器内の圧力は、高圧パイプラインの圧力、貯蔵容器の
能力設計などを総合的に判断して、実用的に決定され
る。貯蔵容器内の水と天然ガスとの混合物の温度を低温
に維持するためには、冷却を行う必要があり、通常は、
冷凍機などにより冷却する。冷凍機の高温熱源として
は、予め蓄熱槽内の蓄熱材に蓄えられた潜熱或いは顕熱
を利用する。すなわち、蓄熱槽内の蓄熱材から第二の熱
交換系を介してヒートポンプ内を循環する冷媒に伝熱さ
せる。

【００２１】貯蔵容器内には、ハイドレートの形成を促
進するために、水とともにケトン類（アセトンなど）、
脂肪族アミン類などの水和促進剤を収容しておくことが
好ましい。

【００２２】なお、高圧パイプラインからの天然ガス
は、メタンガス以外に、一部の付臭剤、重質炭化水素ガ
スなどの水和物を形成しない成分を含んでいるので、こ
れらの成分は、吸着、蒸留、凝縮、凍結などの方法で分
離しておき、後記の再ガス化時にガスに添加して、付
臭、熱量調整などに使用する。

【００２３】一方、都市ガスの高需要時には、貯蔵容器
内にハイドレートとして貯蔵されている天然ガスを減圧
および／または加熱することにより、再度ガス化する。
減圧は、中低圧側に都市ガスを送出することにより行わ
れ、また、加熱は、ガス燃焼による加熱、ヒートポンプ
による加熱などにより行われる。ヒートポンプの低温熱
源としては、予め蓄熱槽内の蓄熱材に蓄えられた潜熱或
いは顕熱を利用する。すなわち、蓄熱槽内の蓄熱材から
第二の熱交換系を介してヒートポンプ内を循環する冷媒
に伝熱させる。

【００２４】なお、中低圧ラインは、地中に埋設されて
いるので、ガスを零度以下で送出する場合には、土が氷
結して周囲に悪影響を及ぼすので、ガスは、アフターヒ
ーターにより零度を上回る所定温度に加熱して送出す
る。この場合、蓄熱材の温度が０℃より高ければ、蓄熱
材に蓄えられた温熱を熱交換器を介して伝熱することに
より、アフターヒーターの熱源として利用することも可
能である。

【００２５】都市ガスの需要が少ないときには、貯蔵容
器内の水と天然ガスとの混合物をヒートポンプにより、
冷却する。この冷却過程は、冷凍機における冷却過程と
同様である。すなわち、第二の熱交換系を介して、上記
の様に高温熱源からヒートポンプの冷媒に伝熱を行っ
て、冷媒を液化し、減圧弁により減圧して気化熱を奪う
ことにより、冷媒を低温状態とした後、これを循環さ
せ、第一の熱交換系に送る。第一の熱交換系では、冷媒
により水と天然ガスとの混合物を加圧下に冷却し、ハイ
ドレートを形成させて、貯蔵容器内に貯蔵する。冷媒と
しては、フロン系、代替フロン系などの既存の冷媒が使
用できる。

【００２６】都市ガスの需要が多いときには、ヒートポ
ンプの四方弁を切り替えて、大気、海水、河川水などを
低温熱源として利用する。すなわち、第二の熱交換系を
介して、低温熱源からヒートポンプの冷媒に伝熱を行っ
て、冷媒を気化し、コンプレッサーにより昇圧させて冷
媒を高温状態とした後、これを循環させ、第一の熱交換
系に送る。第一の熱交換系では、高温状態の冷媒により
ハイドレートを加熱分解し、必要ならば、熱量調整、付
臭などを行った後。都市ガスとして送出する。

【００２７】以下本発明の実施態様を示すフローチャー
トを参照しつつ、本発明をさらに詳細に説明する。

【００２８】図１に示す装置においては、蓄熱槽内に収
容した蓄熱材を使用するヒートポンプにより、天然ガス
の冷却によるハイドレートの生成および生成されたハイ
ドレートの加熱を行う。このヒートポンプは、第１の熱
交換系７、コンプレッサー（図示せず）を設けた第１の
冷媒循環ライン１１、第２の熱交換系１５および膨張弁
（図示せず）を設けた第２の冷媒循環ライン１３を主要
な構成要素としている。

【００２９】ガス需要の少ない時間帯には、高圧パイプ
ライン１から高圧配管３を経て貯蔵容器５に導入される
都市ガス中のメタン、エタン、プロパンなどは、第１の
熱交換系７において、第１の冷媒循環ライン１１から送
られてくる冷媒により冷却され、水と反応して、ハイド
レート化され、貯蔵容器５で貯蔵される。この際、都市
ガスに含まれているハイドレートを生成しない重質炭化
水素ガスなどは、ハイドレート生成前或いは生成時に凝
縮などにより分離され、別に貯蔵される。

【００３０】また、都市ガスに添加されている付臭剤の
中にはハイドレートを生成しないものもあるので、ハイ
ドレート生成前或いは生成時に吸着などにより分離さ
れ、別に貯蔵される。

【００３１】都市ガスとの熱交換により熱回収を行った
冷媒は、冷房循環ライン１３を経て冷媒循環ライン１３
を通り、第２の熱交換系１５において、蓄熱槽１７に蓄
えられた蓄熱材と熱交換を行い、蓄熱材を加熱する。

【００３２】ガス需要の多い時間帯には、減圧および／
または加熱条件下にハイドレートの分解（気化）を行
う。例えばメタンハイドレートの場合には、圧力８ｋｇ
／ｍ²、温度０℃で分解する。従って、蓄熱槽１７内の
蓄熱材に蓄えられた熱を第２の熱交換系１５において冷
媒に与え、この冷媒を第１の冷媒循環ライン１１を経て
ハイドレート貯蔵容器５に供給し、ハイドレートの分解
（気化）を行う。気化されたガスは、気化ガス送出ライ
ン１９を経てアフターヒーター２１により加温され、供
給ラインに戻される。この際、上記の分離された重質炭
化水素ガスを気化ガスに加えて、熱量調整を行うととも
に、分離された付臭剤の再添加を行う。

【００３３】上記の蓄熱材としては、氷を使用すること
が出来る。この場合には、冷却時のヒートポンプの高温
側熱源として氷の融解潜熱を利用し、加熱時のヒートポ
ンプの低温側熱源として氷の凝固潜熱を利用する。

【００３４】或いは、上記の蓄熱材として水を使用する
こともできる。この場合には、冷却時のヒートポンプの
高温側熱源として水の顕熱を利用し、加熱時のヒートポ
ンプの低温側熱源として水の顕熱を利用する。

【００３５】気化ガスは、低温（例えば、８kg/cm²、温
度０℃）であるため、蓄熱槽で１７で回収した顕熱をア
フターヒーターの熱源として利用して加温し、０℃以上
として、ガス送出管の氷結を防止することが出来る。ア
フターヒーター用の熱量が不足する場合には、加温用の
加熱器（図示せず）を設けることが出来る。

【００３６】ハイドレート生成反応は、メタンの場合に
は、約800kcal/kgの発熱反応であるので、ハイドレート
の分解時に生成する氷の融解、ヒートポンプによる冷熱
供給などにより、所定の温度に保持する。なお、ハイド
レートの生成を促進するために、上記の様なハイドレー
ト生成促進剤を予め水に添加しておいても良い。

【００３７】ハイドレート分解反応は、メタンの場合に
は、約800kcal/kgの吸熱反応であるので、ハイドレート
の生成時の氷の生成熱、ヒートポンプによる熱供給など
により、熱供給を行う。

【００３８】ハイドレートの生成を効率的に行うために
は、貯蔵容器５に機械式撹拌機を配置したり、或いは圧
縮機によりガスをリサイクルして、バブリングによる撹
拌を行うことが好ましい。

【００３９】図２に本発明で使用する第二の熱交換系１
７の１例の詳細を模式的に示す。冷媒循環ライン１１と
１３との中間に設けられたフィン取り付け部２３は、蓄
熱槽１７内に位置しており、ここで蓄熱材から冷媒への
伝熱が行われる。

【００４０】また、図３に本発明で使用する第二の熱交
換系１７の他の１例の詳細を模式的に示す。この中間熱
媒体（ブライン）を使用する方式の第二の熱交換系にお
いては、ポンプ２７によりフィン２９付きのライン３１
を経て熱交換器２５に送られる中間熱媒体を介して、蓄
熱材から冷媒への伝熱を行う。

【００４１】なお、第一の熱交換系についての詳細な説
明は示さないが、第二の熱交換系と同様な構造とするこ
とが出来る。

【００４２】

【実施例】

実施例１ 図１に概要を示す装置を使用して、本発明を実施した。

【００４３】都市ガス（メタン）の低需要時である夜間
8時間にわたり、高圧幹線からの圧力30kg/cm²の都市ガ
ス80ton/hrを容量5200m³のハイドレート貯蔵槽に送り、
温度0℃、圧力30kg/cm²の条件でハイドレートを形成さ
せる。貯蔵槽の冷却は、ヒートポンプにより-10℃に冷
却された冷媒（R-12；625ton/hr）により行う。ヒート
ポンプでの冷媒の冷却は、蓄熱槽内の蓄熱材（水）に蓄
えられた熱により行う。

【００４４】次いで、都市ガスの高需要時である昼間
に、温度0℃、圧力8kg/cm²の条件で上記のハイドレート
を気化させた後、8kg/cm²の圧力でアフターヒーターに
送り、加熱して、都市ガスとして使用する。

【００４５】なお、ハイドレート形成時に、ハイドレー
トを形成しない重質炭化水素ガスなどを別に回収してお
き、気化ガスの熱量調整に使用する。

【００４６】

【発明の効果】都市ガスをハイドレート化して一時的に
貯蔵するという新規な構成を採用する本発明によれば、
設置スペースが小さく、設置費用が低く、且つ稼働量
（貯蔵量）の大きな天然ガスの貯蔵送出装置を設置する
ことにより、ガスホールダーの機能を有効に発揮させる
ことが出来るので、都市ガスを安価に、安定的に且つ安
全に供給することが出来る。

【００４７】また、都市ガス需要が増大した場合にも、
製造設備の大幅な拡張、高圧パイプラインの新たな敷設
などを行なわなくても、従来の都市ガスホールダーの設
置場所に本発明の天然ガス貯蔵送出装置を設置すること
により、対処することが出来る。

【００４８】また、停電、導管工事などにより製造設備
および供給設備の作動に一時的支障を生じた場合にも、
従来のガスホールダーに比して、より容易に対処でき
る。

【００４９】天然ガス貯蔵送出装置においては、ヒート
ポンプにより天然ガスの冷却と形成されたハイドレート
の加熱分解とを行うので、装置の主要構成要素である冷
却器と加熱器の小型化とコストダウンを行うことが出来
る。

【００５０】ヒートポンプで得られた熱を蓄熱材に蓄
え、ヒートポンプの熱源として有効に利用するととも
に、気化後の都市ガスの加温にも使用できるので、プロ
セスが効率的である。

【００５１】水和促進剤を使用する場合には、蓄熱槽の
小型化、冷凍機の動力費の低減などが可能となる。

【００５２】ハイドレートを形成しない重質炭化水素ガ
スの成分を別途に回収して、気化ガスの熱量調整に利用
することが出来る。

【００５３】蓄熱槽に貯蔵された熱を気化ガスのアフタ
ーヒーターの熱源として使用することが出来るので、ガ
ス送出管の氷結を防止することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施態様の一例を示すフローチャート
である。

【図２】本発明で使用する第二の熱交換系の１例の概要
を模式的に示すフローチャートである。

【図３】本発明で使用する第二の熱交換系の他の１例の
概要を模式的に示すフローチャートである。

【符号の説明】

１…高圧パイプライン ３…高圧配管 ５…貯蔵容器 ７…第１の熱交換系 11…第１の冷媒循環ライン 13…第２の冷媒循環ライン 15…第２の熱交換系 17…蓄熱槽 19…気化ガス送出ライン 21…アフターヒーター 23…フィン 25…熱交換器 27…ポンプ 29…フィン 31…中間熱媒体の循環ライン

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高圧パイプラインからの天然ガスを、
   （ｉ）需要が少ないときには、天然ガスを圧力下で冷却
   することにより水和物に転換して貯蔵し、（ｉｉ）需要
   が多いときには、水和物として貯蔵してある天然ガスを
   減圧および／または加熱することにより、分解・気化し
   て、天然ガスとして送出することを特徴とする天然ガス
   の貯蔵送出方法。
2. 【請求項２】蓄熱槽内に収容した蓄熱材を使用するヒー
   トポンプにより天然ガスの冷却および天然ガス水和物の
   加熱を行う請求項１に記載の天然ガスの貯蔵送出方法。
3. 【請求項３】冷却時のヒートポンプの高温側熱源として
   蓄熱材の融解潜熱を利用し、加熱時のヒートポンプの低
   温側熱源として蓄熱材の凝固潜熱を利用する請求項２に
   記載の天然ガスの貯蔵送出方法。
4. 【請求項４】蓄熱槽内の蓄熱材が氷である請求項３に記
   載の天然ガスの貯蔵送出方法。
5. 【請求項５】冷却時のヒートポンプの高温側熱源として
   蓄熱材の顕熱を利用し、加熱時のヒートポンプの低温側
   熱源として蓄熱材の顕熱を利用する請求項２に記載の天
   然ガスの貯蔵送出方法。
6. 【請求項６】蓄熱槽内の蓄熱材が水である請求項５に記
   載の天然ガスの貯蔵送出方法。
7. 【請求項７】天然ガスの水和物生成を促進するために促
   進剤を添加する請求項１〜６のいずれかに記載の天然ガ
   スの貯蔵送出方法。
8. 【請求項８】水和物を生成しない成分を天然ガスの水和
   物生成前または水和物生成時に分離する請求項１〜７の
   いずれかに記載の天然ガスの貯蔵送出方法。
9. 【請求項９】天然ガスに添加されている付臭剤を天然ガ
   スの水和物生成前または水和物生成時に分離する請求項
   １〜８のいずれかに記載の天然ガスの貯蔵送出方法。
10. 【請求項１０】分解・気化した天然ガスをアフターヒー
    ターにより加熱する請求項１〜９に記載の天然ガスの貯
    蔵送出方法。
11. 【請求項１１】蓄熱槽で回収した顕熱をアフターヒータ
    ーの熱源として利用する請求項１０に記載の天然ガスの
    貯蔵送出方法。
12. 【請求項１２】（ａ）高圧天然ガスパイプラインからの
    高圧配管と天然ガス送出配管とが天然ガスの水和物貯蔵
    容器に連結されており、（ｂ）ヒートポンプの一方の冷
    媒循環ラインは、水和物貯蔵容器内の水和物または水と
    熱交換を行うために、第一の熱交換器を介して水和物貯
    蔵容器に連結されており、（ｃ）ヒートポンプの他方の
    冷媒循環ラインは、蓄熱槽内の蓄熱材と熱交換を行うた
    めに、第二の熱交換器を介して蓄熱槽に連結されている
    ことを特徴とする天然ガスの貯蔵送出装置。
13. 【請求項１３】蓄熱材が潜熱タイプである請求項１２に
    記載の天然ガスの貯蔵送出装置。
14. 【請求項１４】蓄熱材が氷である請求項１３に記載の天
    然ガスの貯蔵送出装置。
15. 【請求項１５】蓄熱材が顕熱タイプである請求項１２に
    記載の天然ガスの貯蔵送出装置。
16. 【請求項１６】蓄熱材が水である請求項１５に記載の天
    然ガスの貯蔵送出装置。
17. 【請求項１７】天然ガスの水和物生成を促進するため
    に、促進剤を水和物貯蔵容器内に添加する請求項１２〜
    １６のいずれかに記載の天然ガスの貯蔵送出装置。
18. 【請求項１８】天然ガス送出配管にアフターヒーターが
    接続されている請求項１２〜１７のいずれかに記載の天
    然ガス貯蔵送出装置。
19. 【請求項１９】アフターヒーターの熱源として、蓄熱槽
    で回収した顕熱を利用する請求項１８に記載の天然ガス
    の貯蔵送出方法。