WO2015107615A1 - 昇圧システム、及び気体の昇圧方法 - Google Patents

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supercritical fluid
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英樹 永尾
直人 米村
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三菱重工コンプレッサ株式会社
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    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2

Definitions

  • the present invention relates to a boosting system for boosting a gas and a boosting method.
  • the pressure boosting system is a device that boosts a target gas to a target pressure.
  • problems such as global warming have become apparent due to an increase in carbon dioxide emissions known as greenhouse gases.
  • exhaust gas from thermal power plants contains a large amount of carbon dioxide. After separating and recovering this carbon dioxide, it is pressurized by a booster system and stored in the ground or on the bottom of the sea.
  • a technique for reducing carbon dioxide in the inside is known.
  • carbon dioxide is sequentially compressed by a multi-stage compressor, and the carbon dioxide that has reached a supercritical pressure / temperature state is cooled by an aftercooler for transportation and storage. Obtaining carbon dioxide with optimal target temperature and pressure.
  • Patent Document 1 discloses a pressure increasing system (carbon dioxide liquefaction apparatus) that does not use the above-described aftercooler.
  • a compressor is provided on the front stage side and a pump is provided on the rear stage side to sequentially compress carbon dioxide.
  • the carbon dioxide liquefaction is made efficient by using the cold heat of the carbon dioxide that has been pressurized by the pump to become a supercritical liquid state.
  • gas carbon dioxide
  • the compressor is less than the critical pressure by the compressor.
  • the pressure is increased to only the pressure of the liquid, cooled and liquefied, and introduced into the pump. For this reason, the amount of cold energy required for liquefaction is very large and low, and a large amount of power is required for the external refrigeration cycle. For this reason, there is room for improvement in the overall operation efficiency.
  • a compressor having a drive unit using an expensive variable speed motor that can change the output is used to adjust the target temperature and pressure, or a high pressure is provided at the compressor outlet. It is necessary to provide a pressure regulator with pressure resistance.
  • the present invention provides a boosting system and a gas boosting method capable of improving the operation efficiency and adjusting the target temperature and pressure.
  • a pressurization system is a pressurization system that pressurizes a target gas to a pressure higher than a target pressure higher than the critical pressure, and compresses the target gas to an intermediate pressure that is higher than the critical pressure and lower than the target pressure.
  • a compression section that generates a supercritical fluid
  • a cooling section that generates an intermediate supercritical pressure liquid by cooling the intermediate supercritical fluid generated in the compression section to near the critical temperature, and an intermediate supercritical pressure generated in the cooling section
  • a pump unit that raises the liquid to a pressure equal to or higher than the target pressure; and a cooling temperature adjusting unit that adjusts the temperature of the intermediate supercritical pressure liquid generated by the cooling unit upstream of the pump unit using a cooling medium.
  • the compression at the front stage side is performed by the compression section, and the pressure increase by the pumping of the intermediate supercritical fluid at the rear stage side at a higher pressure is performed by the pump section, so that the pressure exceeds the target pressure.
  • Pressure liquid can be obtained.
  • a compressor is applied to the portion that is at a high pressure on the rear side, a large number of high-pressure gas seals and a compressor casing that supports high pressure are required.
  • the intermediate supercritical fluid that has been brought into a pressure state higher than the critical pressure by the compression section is cooled to an intermediate supercritical pressure liquid, so compared with the case of cooling in a state below the critical pressure. It is possible to liquefy while keeping the amount of heat required for cooling extremely small.
  • the temperature of the intermediate supercritical pressure liquid generated in the cooling unit can be adjusted by the cooling temperature adjusting unit provided upstream of the pump unit.
  • the pressure of the target supercritical fluid finally generated can be adjusted by adjusting the temperature of the intermediate supercritical pressure liquid generated in the cooling unit. Can be adjusted.
  • the pressurization system further includes a heating unit that heats the intermediate supercritical pressure liquid pressurized by the pump unit to near the critical temperature to generate a target supercritical fluid
  • the cooling unit includes a heating unit. It is good also as a structure which has a main cooling part which performs heat exchange between parts and cools an intermediate
  • the compression at the front stage side is performed by the compression section, and the pressure increase by the pumping of the intermediate supercritical fluid at the rear stage side at a higher pressure is performed by the pump section, so that the pressure exceeds the target pressure.
  • Pressure liquid can be obtained.
  • a supercritical fluid having a target pressure and temperature can be obtained by finally heating to a critical temperature or higher by the heating unit.
  • the main cooling unit in the cooling unit cools the intermediate supercritical fluid compressed in the compression unit to generate an intermediate supercritical pressure liquid, and allows the intermediate supercritical pressure liquid to be introduced into the pump unit.
  • the intermediate supercritical pressure liquid is heated more efficiently to the critical temperature or higher to achieve the target pressure and temperature.
  • the supercritical fluid target supercritical fluid
  • the cooling temperature adjusting unit in the above aspect may be configured to extract a part of the intermediate supercritical fluid generated in the compression unit and use it as a cooling medium.
  • the boosting system may be configured such that the cooling temperature adjusting unit in the above-described aspect adjusts the flow rate of the cooling medium supplied to the cooling unit.
  • the temperature and pressure of the intermediate supercritical fluid generated in the cooling section can be adjusted to desired values by adjusting the flow rate of the cooling medium.
  • a pressure detection unit that detects the pressure of the target supercritical fluid
  • a flow rate adjustment unit that adjusts the flow rate of the cooling medium
  • a pressure detection unit And a control unit that adjusts the flow rate of the cooling medium based on the detected value detected by the control unit, the control unit determining whether the detected value belongs to a predetermined pressure range, and a determination result of the determining unit It is good also as a structure which has a flow volume determination part which determines the flow volume adjusted with a flow volume adjustment part based on this.
  • the determination unit determines whether the target supercritical pressure fluid pressure detected by the pressure detection unit belongs to a predetermined pressure range, and the flow rate determination unit determines the determination.
  • the flow rate of the cooling medium supplied to the main cooling unit can be determined based on the above. In other words, when the target pressure of the supercritical pressure fluid deviates from a predetermined desired pressure, the flow rate determination unit adjusts the flow rate of the cooling medium based on the determination result of the determination unit. Thereby, the pressure of the target supercritical pressure fluid can be maintained more stably.
  • a gas pressurization method is a gas pressurization method for boosting a target gas to a pressure equal to or higher than a target pressure higher than the critical pressure, and the target gas is increased to an intermediate pressure equal to or higher than the critical pressure and lower than the target pressure.
  • Compressed to produce an intermediate supercritical fluid by compression cooled to produce an intermediate supercritical fluid by cooling the intermediate supercritical fluid produced in the compression step to near the critical temperature, and produced in the cooling step
  • a cooling temperature adjustment step for adjusting the temperature of the intermediate supercritical pressure liquid, and a pump step for raising the intermediate supercritical pressure liquid generated in the cooling step to a pressure equal to or higher than the target pressure.
  • the intermediate supercritical fluid can be efficiently cooled by the intermediate supercritical pressure liquid, the low temperature liquid, the external cooling medium, or the like. Furthermore, in the cooling temperature adjustment process, the pressure of the target supercritical pressure fluid is adjusted with the pump rotation speed of the pump unit kept constant by adjusting the temperature of the intermediate supercritical pressure liquid generated in the cooling process. can do.
  • the compressor and the pump unit are combined, and the intermediate supercritical fluid is cooled in the cooling unit in a pressure state equal to or higher than the critical pressure, thereby further reducing the power.
  • Efficiency can be improved.
  • the cooling temperature adjustment unit can adjust the pressure of the target supercritical fluid by adjusting the temperature of the intermediate supercritical fluid generated in the cooling unit.
  • FIG. 1 is a system diagram showing an outline of a boost system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a Ph diagram showing the state of carbon dioxide in the boosting system according to the embodiment of the present invention. It is a principal part enlarged view which shows the structure of a temperature cooling part regarding the pressure
  • FIG. 6 is a QH diagram showing a change in performance characteristics of the pump unit according to the state of the fluid introduced into the pump unit, with respect to the pressure boosting system according to the embodiment of the present invention. It is a diagram showing the performance characteristic according to the IGV opening degree of a compression part, and the flow volume of the fluid introduce
  • the pressure boosting system 1 is a geared compressor incorporating a pump that boosts the gas of carbon dioxide F as a target gas to a predetermined pressure and temperature so that it can be stored in the ground or on the seabed. It has become.
  • the geared compressor is a multi-shaft multi-stage compressor in which a plurality of impellers are linked via gears.
  • the boosting system 1 includes a compression unit 2 that takes in and compresses carbon dioxide F that is a target gas, and a pump unit 3 that is provided on the rear stage side of the compression unit 2 and boosts the carbon dioxide F.
  • the cooling unit 4 is provided between the compression unit 2 and the pump unit 3.
  • the pressure increasing system 1 includes a heating unit 5 that heats the carbon dioxide F that has been boosted by the pump unit 3, and an extractor pressure reducing unit 6 that is provided between the cooling unit 4 and the pump unit 3 to extract the carbon dioxide F. And a bypass channel 7 for returning the carbon dioxide F from the extractor decompression unit 6 to the compression unit 2.
  • the pressure increasing system 1 includes a pressure detection unit P that detects the pressure of the carbon dioxide F heated by the heating unit 5, and a liquid extraction pressure reducing unit according to the pressure value of the carbon dioxide F detected by the pressure detection unit P. And a cooling temperature adjusting unit 9 that adjusts the flow rate of the carbon dioxide F taken out by 6.
  • the compression unit 2 includes a plurality of impellers 10 provided in multiple stages (six stages in the present embodiment), a plurality of intermediate coolers 20 provided one by one between the impellers 10 and between the cooling units 4. Have Then, the compression unit 2 generates the intermediate supercritical fluid F1 by compressing the captured carbon dioxide F as the introduced gas F0 to a pressure state of an intermediate pressure that is equal to or higher than the critical pressure and repeatedly lower than the target pressure while repeating compression and cooling. To do.
  • the critical pressure of carbon dioxide F is 7.4 [MPa].
  • As the target pressure for example, 15 [MPa] is set as a value higher than the critical pressure.
  • the intermediate pressure of the intermediate supercritical fluid F1 generated in the compression unit 2 for example, 10 [MPa] is set.
  • these pressure values are appropriately determined according to the critical pressure of the target gas, and are not uniquely limited by the present embodiment.
  • paragraph compression impeller 12 which were provided in order toward the downstream from the upstream side into which carbon dioxide F is taken in and distribute
  • the cooling unit 4 is connected to the downstream side of the sixth intermediate cooler 26 by a pipe 8 l, and cools the intermediate supercritical fluid F ⁇ b> 1 generated from the six-stage compression impeller 16 serving as the final stage of the compression unit 2 to near the critical temperature. Then, it is liquefied to generate an intermediate supercritical pressure liquid F2.
  • the cooling unit 4 includes a precooling unit 29 that precools the intermediate supercritical fluid F1 generated in the compression unit 2, and further cools the intermediate supercritical fluid F1 that has been cooled by the precooling unit 29 to generate an intermediate supercritical pressure. And a main cooling unit 28 that generates the liquid F2.
  • the precooling unit 29 is a heat exchanger that precools the intermediate supercritical fluid F ⁇ b> 1 with the external cooling medium W.
  • the main cooling unit 28 introduces the low-temperature liquid F5 from the extractor decompression unit 6 described later, and cools the intermediate supercritical fluid F1 using this as a cooling medium. And in this embodiment, between the main cooling part 28 and the heating part 5, the heating in the heating part 5 is performed by the heat obtained by cooling the intermediate supercritical fluid F1 in the main cooling part 28, One heat exchanger is constituted.
  • the cooling medium of the main cooling unit 28 is the low-temperature liquid F5 from the extraction liquid decompression unit 6.
  • the main cooling unit 28 is precooled by the precooling unit 29. It is possible to reduce the amount of cold heat required in 28.
  • the cooling capacity of the precooling unit 29 varies depending on the temperature and flow rate of the external cooling medium W taken from the outside by the precooling unit 29.
  • the intermediate supercritical fluid F1 generated in the compression unit 2 is cooled only to the sixth intermediate cooler 26 without using the precooling unit 29, and then cooled to the transition region to the liquid.
  • the intermediate supercritical pressure liquid F2 is produced by liquefaction.
  • the intermediate supercritical fluid F1 when cooled to near the critical temperature by the cooling unit 4, it is preferably cooled to a temperature that is ⁇ 20 [° C.] of the critical temperature, and more preferably ⁇ 15 [° C.] of the critical temperature. Most preferably, it is cooled to a temperature that becomes ⁇ 10 [° C.] of the critical temperature.
  • the pump unit 3 is connected to the downstream side of the cooling unit 4 by a pipe line 8m, and introduces the intermediate supercritical pressure liquid F2 generated through the cooling unit 4 to increase the pressure to a target pressure state.
  • a liquid F3 is generated.
  • the pump unit 3 has a two-stage configuration including a single-stage pump impeller 31 and a two-stage pump impeller 32.
  • the heating unit 5 is connected to the downstream side of the pump unit 3 by a pipe line 8n, introduces the target pressure liquid F3 from the pump unit 3, and exceeds the target temperature above the critical temperature (31.1 [° C.]). A critical fluid F4 is generated.
  • the heating unit 5 constitutes a heat exchanger together with the main cooling unit 28 of the cooling unit 4. That is, in the heating unit 5, the target pressure liquid F3 is heated by the condensation heat obtained by cooling the intermediate supercritical fluid F1 in the main cooling unit 28 by exchanging heat with the main cooling unit 28. Do.
  • a pipe line 8 p is provided on the downstream side of the heating unit 5.
  • the target supercritical fluid F4 generated by the heating unit 5 flows through the pipe line 8p.
  • the downstream side of the pipe line 8p is connected to an external facility (not shown), and the target supercritical fluid F4 is taken out.
  • a pressure detector P is provided in the middle of the pipe line 8p.
  • the pressure detection unit P includes a pressure measurement unit that measures the pressure value of the target supercritical fluid F4 that flows through the pipe line 8p, and a unit that transmits the pressure value to the outside as an electrical signal.
  • a known pressure sensor module or the like is employed as the pressure detection unit P.
  • the extraction liquid decompression unit 6 is provided between the main cooling unit 28 and the pump unit 3, and is mainly cooled by the low temperature liquid F5 obtained by extracting a part of the intermediate supercritical pressure liquid F2 from the main cooling unit 28.
  • the intermediate supercritical fluid F1 is cooled in the section 28 and the low-temperature liquid F5 itself is heated.
  • the extraction liquid decompression unit 6 includes a branch line 41 having one end connected to the pipe line 8m so as to branch from the pipe line 8m between the main cooling unit 28 and the pump unit 3.
  • the other end of the branch pipe 41 is connected, and a heat exchanging unit 42 that exchanges heat with the main cooling unit 28 is provided.
  • a flow rate adjusting unit 92 described later is provided in the middle of the branch pipe 41.
  • the flow rate adjusting unit 92 is a valve unit capable of adjusting the opening degree. In the present embodiment, for example, a flow rate adjustment valve is employed as the valve portion.
  • the cooling temperature adjustment unit 9 includes a control unit 91 that is electrically connected to the pressure detection unit P, and a flow rate adjustment unit 92 that is electrically connected to the control unit 91 via a control signal line 93.
  • the flow rate adjusting unit 92 depressurizes the intermediate supercritical pressure liquid F2 extracted by adjusting the opening degree by the Joule-Thompson effect to generate the low temperature liquid F5.
  • the opening degree of the flow rate adjusting unit 92 is adjusted by the control unit 91.
  • the control unit 91 includes a determination unit 91a connected to the pressure detection unit P, and a flow rate determination unit 91b connected to the determination unit 91a.
  • the determination unit 91a is electrically connected to the pressure detection unit P and performs a determination process as to whether or not the detection value detected by the pressure detection unit P belongs to a predetermined pressure range set in advance.
  • the predetermined pressure range is a numerical range including the target pressure of the target supercritical fluid F4 generated by the pressure increasing system 1, and is input to the determination unit 91a via an input unit (not shown). Memorized and retained.
  • the determination unit 91a calculates a difference amount between the stored predetermined pressure range and the detection value of the pressure detection unit P.
  • the difference amount which is the determination result by the determination unit 91a, is transmitted to the subsequent flow rate determination unit 91b.
  • the flow rate determination unit 91b calculates a degree of opening of the flow rate adjustment unit 92 by performing a predetermined calculation based on the difference amount of the pressure value input from the determination unit 91a. More specifically, first, the difference amount of the pressure value and the increase / decrease amount of the flow rate required to eliminate the difference amount are derived from a predetermined relational expression. This relational expression is obtained empirically by the performance requirements of the booster system 1 and the like.
  • the flow rate determination unit 91b calculates the opening degree of the flow rate adjustment unit 92 based on the increase / decrease amount of the flow rate derived by the relational expression.
  • the relationship between the increase / decrease amount of the flow rate and the opening degree of the flow rate adjustment unit 92 is determined by the performance requirements of the valve unit used as the flow rate adjustment unit 92.
  • the control unit 91 determines the opening degree of the flow rate adjustment unit 92.
  • the flow rate determining unit 91 b transmits instruction information related to the increase / decrease of the opening degree to the flow rate adjusting unit 92.
  • the flow rate adjusting unit 92 (flow rate adjusting valve) to which the instruction information from the flow rate determining unit 91b is input adjusts the opening according to the instruction information.
  • the bypass flow path 7 returns the low-temperature liquid F5 from the extraction / decompression unit 6 to the upstream side of the six-stage compression impeller 16 of the compression unit 2. That is, the bypass flow path 7 has one end connected to the heat exchanging section 42 of the extractor decompression section 6 and the other end connected to a pipe line 8j between the six-stage compression impeller 16 and the fifth intermediate cooler 25. ing.
  • the state change of the carbon dioxide F (a method for boosting the carbon dioxide F) will be described.
  • the introduced gas F0 (state S1a) introduced into the single-stage compression impeller 11 is compressed by the single-stage compression impeller 11 and at a higher pressure and a higher temperature than the state S1a, as shown by the solid line arrow in FIG. S1b.
  • the first intermediate cooler 21 is cooled at an equal pressure to be in a state S2a.
  • the intermediate supercritical fluid F1 in the state S7b is introduced into the precooling section 29.
  • the temperature of the intermediate supercritical fluid F1 can be further lowered in the isobaric state to lower the temperature of the intermediate supercritical fluid F1 (cooling step), but the precooling unit 29 is not used in this embodiment.
  • the intermediate supercritical fluid F1 is cooled at the same pressure by the main cooling unit 28 while maintaining the supercritical pressure, and the intermediate supercritical fluid F1 is changed to the intermediate supercritical pressure liquid F2 in a state S8a below the critical temperature. Then, it is introduced into the pump unit 3 (cooling step).
  • the intermediate supercritical pressure liquid F2 in the state S8a is boosted to a target pressure that can be stored in the ground or on the seabed, and the temperature rises to increase the target pressure liquid F3 in the state S8b. (Pump process). Thereafter, the target pressure liquid F3 is heated by the heating unit 5 to raise the temperature at an equal pressure to a critical temperature or higher, and the final state S9 in which the carbon dioxide F can be stored in the ground or on the seabed. To do.
  • a part of the intermediate supercritical pressure liquid F2 that has entered the state S8a in the main cooling unit 28 is extracted by adjusting the opening degree of the flow rate adjusting unit 92 of the cooling temperature adjusting unit 9.
  • the amount of the intermediate supercritical pressure liquid F2 extracted is adjusted according to the opening degree of the flow rate adjusting unit 92.
  • the extracted intermediate supercritical pressure liquid F2 is depressurized to become the low temperature liquid F5 in the state S10.
  • the pressure of the low temperature liquid F5 in this state S10 is a pressure corresponding to the pressure upstream of the six-stage compression impeller 16 and downstream of the fifth intermediate cooler 25.
  • the low-temperature liquid F5 is heated by exchanging heat with the cooling unit 4 and is vaporized while being in an isobaric state, and becomes a gas or a supercritical fluid in the state S6a on the upstream side of the six-stage compression impeller 16.
  • This gas or supercritical fluid is returned to the upstream side of the six-stage compression impeller 16 by the bypass flow path 7 and mixed into the intermediate supercritical fluid F1 flowing through the compression section 2.
  • the compression of the carbon dioxide F at the front stage is performed by the compression unit 2, and the boosting at the rear stage having a higher pressure is performed by the pump unit 3, thereby the target pressure liquid F3.
  • the target supercritical fluid F4 that can be stored in the ground or on the seabed can be obtained by finally heating to a critical temperature or higher by the heating unit 5.
  • the pump unit 3 is employed on the high pressure side. Since the pump unit 3 pressurizes the liquid, it is very advantageous to easily seal the target fluid when the pressure is increased to a high pressure state (about 15 to 60 [MPa]). The cost increase can be avoided and the problems of reliability and operation efficiency can be solved.
  • the cooling in the sixth intermediate cooler 26 is performed in the state S7a in order to avoid compression in the transition region where the characteristics become unstable.
  • the supercritical fluid after pressurization is in a higher temperature than the target supercritical fluid F4. Therefore, in order to obtain the target supercritical fluid F4, an aftercooler or the like that performs cooling after compression is further required.
  • the above-mentioned aftercooler is not necessary, and the power for operating the aftercooler can be reduced.
  • the intermediate supercritical fluid F ⁇ b> 1 that has reached the critical pressure or higher by the compression unit 2 is cooled to be an intermediate supercritical pressure liquid F ⁇ b> 2.
  • the isotherm rises so as to be substantially parallel to the vertical axis (pressure), and the interval between the isotherms is narrow.
  • the isotherm is substantially parallel to the horizontal axis (enthalpy) and the interval between the isotherms is widened. Therefore, in the transition region, when the carbon dioxide F changes its state in an isobaric state, a larger enthalpy change occurs with a smaller temperature change.
  • the amount of heat required for the cooling is kept small compared with the case of cooling in the state of less than the critical pressure.
  • the supercritical fluid F1 can be liquefied.
  • the intermediate supercritical fluid F1 is first cooled to the transition region by water cooling only by the sixth intermediate cooler 26.
  • the intermediate supercritical fluid F1 is in a state near the critical pressure and the critical temperature, as described above, a larger enthalpy change occurs with a small temperature change, and a large amount necessary for liquefaction of the intermediate supercritical fluid F1 with only water cooling. The amount of cold in the part can be obtained.
  • the inside of the pipe line 8m through which the intermediate supercritical pressure liquid F2 flows is in an isobaric state. Therefore, the density and temperature of the intermediate supercritical pressure liquid F2 are in inverse proportion to each other according to the opening degree of the flow rate adjustment unit 92 of the cooling temperature adjustment unit 9. More specifically, when the opening of the flow rate adjusting unit 92 is adjusted by the control unit 91 to increase, the density of the intermediate supercritical pressure liquid F2 increases, while the temperature decreases. On the other hand, when the opening degree of the flow rate adjusting unit 92 is adjusted to be reduced, the density of the intermediate supercritical pressure liquid F2 decreases, but the temperature increases.
  • FIG. 4 is a QH diagram showing the relationship between the pressure difference (lift) between the inlet and outlet of the pump unit 3 and the flow rate.
  • the QH curve of the intermediate supercritical fluid F2 in the state S8x has a lower head as a whole than the QH curve of the intermediate supercritical fluid F2 in the state S8a. That is, as the temperature of the intermediate supercritical pressure liquid F2 increases and the density decreases, the pressure of the target pressure liquid F3 generated by the pump unit 3 decreases and becomes the state S8y in FIG.
  • the target pressure liquid F31 in the state S8y is introduced into the heating unit 5 and heated in the isobaric state to become the target supercritical fluid F4 in the state S9x.
  • the temperature of the intermediate supercritical pressure liquid F2 introduced into the pump unit 3 the pressure of the target supercritical fluid F4 finally obtained without changing the pump rotational speed or the like of the pump unit 3 is obtained.
  • (Target pressure) can be adjusted.
  • the pressure of the finally obtained target supercritical fluid F4 can be adjusted to a constant target pressure. Therefore, a target pressure can be obtained without providing a variable speed motor or the like in the pump unit 3.
  • the pressure of the target supercritical fluid F4 is detected at any time by the pressure detector P provided in the middle of the pipe line 8p.
  • the detected pressure value is input to the control unit 91 of the cooling temperature adjustment unit 9.
  • the control part 91 determines the opening degree of the flow volume adjustment part 92 through a predetermined calculation, and performs the adjustment.
  • the above-described operation is autonomously executed by the cooling temperature adjustment unit 9 and the pressure detection unit P. Therefore, even when the pressure of the target supercritical fluid F4 varies due to disturbance factors or the like, the opening degree of the flow rate adjusting unit 92 is autonomously adjusted according to the variation, and the target supercritical fluid F4 The pressure is corrected towards a predetermined desired target pressure. Thereby, the pressure of the target supercritical fluid F4 can be supplied in a stabilized state.
  • cooling temperature adjusting unit 9 since the cooling temperature adjusting unit 9 is provided, it is not necessary to provide a control valve or the like corresponding to a high pressure load as the flow rate adjusting unit 92. Therefore, cost can be reduced. Furthermore, the pressure loss generated in the flow rate adjustment unit 92 when using a high-pressure valve can be reduced.
  • the cooling medium of the main cooling unit 28 is the low-temperature liquid F5 from the extraction decompression unit 6.
  • the pre-cooling unit 29 performs pre-cooling. By cooling, it becomes possible to reduce the amount of cold heat required in the main cooling unit 28. For example, in this case, the cooling from the state S7b to the state S7c is cooled by the pre-cooling unit 29, and the cooling from the state S7c to the state S8a is performed by the main cooling unit 28.
  • the main cooling unit 28 can be sufficiently cooled. Therefore, since the flow rate of the low-temperature liquid F5 returned to the compression unit 2 via the bypass flow path 7 can be reduced, the power in the compression unit 2 can be reduced, leading to further improvement in operation efficiency.
  • the cooling medium of the main cooling unit 28 is the low-temperature liquid F5
  • the cooling heat of the intermediate supercritical pressure liquid F2 itself introduced into the pump unit 3 is effectively used, that is, from the intermediate supercritical fluid F1 to the intermediate supercritical fluid F1.
  • the intermediate supercritical pressure liquid F2 to be introduced into the pump unit 3 can be reliably generated without separately installing a condenser necessary for generating the critical pressure liquid F2.
  • the intermediate supercritical fluid F1 compressed by the compression unit 2 is cooled to generate an intermediate supercritical fluid F2, and the intermediate supercritical fluid F2 can be introduced into the pump unit 3.
  • the intermediate supercritical fluid F2 can be heated to a critical temperature or higher by exchanging heat with the heating unit 5 for the heat recovered during the cooling of the intermediate supercritical fluid F1.
  • the extracted intermediate supercritical pressure liquid F2 is not discharged to the outside, so that the efficiency of the entire booster system 1 can be further improved.
  • an unillustrated IGV Inlet Guide Vane
  • the IGV is a throttle valve that is provided in the middle of the pipe and can adjust the opening. As the opening degree of the IGV is reduced, the flow rate of the introduced gas F0 introduced into the compression unit 2 can be reduced.
  • the IGV is preferably provided at the introduction portion of the one-stage compression impeller 11.
  • FIG. 5 is a diagram showing performance characteristics according to changes in the IGV opening of the compression unit 2.
  • the flow rate of the fluid introduced into the compression unit 2 decreases as the IGV opening decreases from 100%, which is in the fully open state, to 90% and 80%.
  • the higher the discharge pressure of the compression unit 2 the higher the value of the critical flow rate that reaches the surge limit.
  • two operation states of a discharge pressure H3 and a discharge pressure H4 lower than the discharge pressure H3 are shown.
  • the discharge pressure H3 the surge limit is reached at a flow rate of 80%, but in the case of the discharge pressure H4, the flow rate reaching the surge limit is expanded to 70%.
  • the discharge pressure of the compression unit 2 that is, the intermediate amount generated in the compression unit 2.
  • the pressure of the supercritical fluid F1 can be reduced. That is, the allowable flow rate range (operating range) can be expanded as the discharge pressure is reduced by reducing the opening of the IGV.
  • a geared compressor is used for the compression unit 2
  • the compressor used for the compression unit 2 is not limited to a geared compressor, and other types of compressors are employed. May be.

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Abstract

対象気体を臨界圧より高い目標圧以上の圧力まで昇圧する昇圧システムであって、臨界圧以上、目標圧未満の中間圧まで対象気体を圧縮して中間超臨界流体を生成する圧縮部と、圧縮部で生成された中間超臨界流体を臨界温度近傍まで冷却して中間超臨界圧液体を生成する冷却部と、冷却部で生成された中間超臨界圧液体を目標圧以上の圧力まで昇圧するポンプ部と、ポンプの上流にて冷却部で生成された中間超臨界圧液体の温度を調整する冷却温度調整部とを備える。

Description

昇圧システム、及び気体の昇圧方法
　本発明は、気体の昇圧を行う昇圧システム、及び昇圧方法に関する。
　昇圧システムは、対象となる気体を目標圧力まで昇圧する装置である。
　ここで近年、温室効果ガスとして知られる二酸化炭素の排出量増大によって地球温暖化等の問題が顕在化してきている。特に火力発電所の排気ガスには大量の二酸化炭素が含まれており、この二酸化炭素を分離・回収した後に、昇圧システムによって昇圧し、陸上の地中や海底の地中へ貯留することで大気中の二酸化炭素を低減する技術が知られている。
　このような昇圧システムにおいては、多段に構成された圧縮機によって順次二酸化炭素の圧縮を行い、超臨界圧力・温度以上の状態となった二酸化炭素をアフタークーラによって冷却することで、輸送・貯留に最適な目標温度・圧力の二酸化炭素を得ている。
　しかし、このような気体状態で昇圧する圧縮機のみのシステムでは目標温度・圧力の二酸化炭素を得るために超高圧大容量のアフタークーラが必要となり、超高圧圧縮域となることで昇圧システム全体の運転効率や信頼性が低下してしまう。
　ここで、例えば特許文献１には、上記アフタークーラを用いていない昇圧システム（二酸化炭素液化装置）が開示されている。この昇圧システムにおいては、前方段側に圧縮機を、後方段側にポンプを設けて順次二酸化炭素の圧縮を行う。また、二酸化炭素が圧縮機からポンプへ導入される際には、ポンプで昇圧されて超臨界圧の液体状態となった二酸化炭素の冷熱を利用して二酸化炭素の液化を効率化している。
特開２０１０－２６６１５４号公報
　しかしながら、上記特許文献１の昇圧システムでは、圧縮機とポンプとを組み合わせたことでアフタークーラが不要となり、動力低減を図ることができているものの、圧縮機で気体（二酸化炭素）を臨界圧力未満の圧力までしか昇圧させずに冷却して液化し、ポンプへ導入している。このため、液化に要する冷熱量が非常に大きくかつ低温となっており、外部冷凍サイクルには大きな動力が必要となっている。このため、全体としての運転効率に改善の余地がある。
　さらに、特許文献１の昇圧システムでは、目標温度・圧力を調節するために、出力を変えることができる高価な可変速モータを用いた駆動部を有する圧縮機を用いたり、又は圧縮機出口に高耐圧仕様の圧力調整弁を設けたりする必要がある。
　本発明は、運転効率を向上するとともに、目標温度・圧力を調節することができる昇圧システム、及び気体の昇圧方法を提供する。
　本発明の一態様に係る昇圧システムは、対象気体を臨界圧より高い目標圧以上の圧力まで昇圧する昇圧システムであって、臨界圧以上、目標圧未満の中間圧まで対象気体を圧縮して中間超臨界流体を生成する圧縮部と、圧縮部で生成された中間超臨界流体を臨界温度近傍まで冷却して中間超臨界圧液体を生成する冷却部と、冷却部で生成された中間超臨界圧液体を目標圧以上の圧力まで昇圧するポンプ部と、ポンプ部の上流にて冷却部で生成された中間超臨界圧液体の温度を冷却媒体によって調整する冷却温度調整部と、を備える。
　このような昇圧システムによれば、前方段側での圧縮を圧縮部で行い、より高圧となっている後方段側での中間超臨界流体の圧送による昇圧をポンプ部で行って目標圧以上の圧力の液体を得ることができる。即ち、後段側で高圧となっている部分にも、仮に圧縮機を適用して加圧した場合には、高圧ガスシールや高圧に対応した圧縮機ケーシングが多数必要となるが、後段側でポンプ部を採用したことで、これら高圧対応が不要となるためコスト低減や信頼性向上が可能となり、加圧後の超臨界流体を冷却するアフタークーラも不要となり、動力低減が可能となる。
　ここで、冷却部では、圧縮部によって臨界圧以上の圧力状態となった中間超臨界流体を冷却して中間超臨界圧液体とするため、臨界圧未満の状態で冷却を行う場合と比較して、冷却に要する熱量を著しく小さく抑えながら液化させることが可能となる。
　加えて、ポンプ部の上流に設けられた冷却温度調整部によって、冷却部で生成される中間超臨界圧液体の温度を調整することができる。これにより、ポンプ部のポンプ回転数が一定の状態であっても、冷却部で生成される中間超臨界圧液体の温度を調整することで、最終的に生成される目標超臨界流体の圧力を調整することができる。
　さらに、本発明の一態様に係る昇圧システムは、ポンプ部で昇圧された中間超臨界圧液体を臨界温度近傍まで加熱して目標超臨界流体を生成する加熱部をさらに備え、冷却部は、加熱部との間で熱交換を行って中間超臨界流体を冷却する主冷却部を有する構成としてもよい。
　このような昇圧システムによれば、前方段側での圧縮を圧縮部で行い、より高圧となっている後方段側での中間超臨界流体の圧送による昇圧をポンプ部で行って目標圧以上の圧力の液体を得ることができる。その後、加熱部によって最終的に臨界温度以上まで加熱することで目標とする圧力、温度の超臨界流体を得ることができる。
　また、冷却部における主冷却部によって、圧縮部で圧縮された中間超臨界流体を冷却して中間超臨界圧液体を生成し、この中間超臨界圧液体をポンプ部へ導入可能とするとともに、中間超臨界流体の冷却の際に回収した熱を利用して加熱部との間で熱交換を行うことで、より効率良く臨界温度以上まで中間超臨界圧液体を加熱して目標とする圧力、温度の超臨界流体（目標超臨界流体）を得ることができる。
　さらに、本発明の一態様に係る昇圧システムでは、上述の態様における冷却温度調整部は、圧縮部で生成された中間超臨界流体の一部を抽液して冷却媒体として用いる構成としてもよい。
　このように構成することで、ポンプ部へ導入される中間超臨界圧液体自身の冷熱を有効に利用することができるため、中間超臨界流体から中間超臨界圧液体を生成するために必要な凝縮器を別途設置することなく、ポンプ部へ導入する中間超臨界圧液体を確実に生成できる。
　また、本発明の一態様に係る昇圧システムは、上述の態様における冷却温度調整部が、冷却部へ供給する冷却媒体の流量を調整する構成としてもよい。
　このような昇圧システムによれば、冷却媒体の流量を調整することで、冷却部で生成される中間超臨界流体の温度、圧力を所望の値に調整することができる。
　さらに、本発明の一態様に係る昇圧システムでは、上述の態様における昇圧システムにおいて、目標超臨界流体の圧力を検出する圧力検出部と、冷却媒体の流量を調整する流量調整部と、圧力検出部が検出した検出値に基づいて冷却媒体の流量を調整する制御部とを備え、制御部は検出値が予め定められた圧力範囲に属するか否かを判定する判定部と、判定部の判定結果に基づいて流量調整部で調整する流量を決定する流量決定部とを有する構成としてもよい。
　このように構成することで、圧力検出部によって検出された目標とする超臨界圧流体の圧力が、予め定められた圧力範囲に属するか否かを判定部によって判定し、流量決定部は該判定に基づいて主冷却部に供給される冷却媒体の流量を決定することができる。
　換言すると、目標とする超臨界圧流体の圧力が予め定められた所望の圧力から逸脱している場合には、流量決定部は判定部の判定結果に基づいて冷却媒体の流量を調整する。これにより、目標超臨界圧流体の圧力をより安定的に維持することができる。
　本発明の一態様に係る気体の昇圧方法は、対象気体を臨界圧より高い目標圧以上の圧力まで昇圧する気体の昇圧方法であって、臨界圧以上、目標圧未満の中間圧まで対象気体を圧縮して中間超臨界流体を生成する圧縮工程と、圧縮工程で生成された中間超臨界流体を臨界温度近傍まで冷却して中間超臨界圧液体を生成する冷却工程と、冷却工程で生成された中間超臨界圧液体の温度を調整する冷却温度調整工程と、冷却工程で生成された中間超臨界圧液体を前記目標圧以上の圧力まで昇圧するポンプ工程とを備え、冷却工程では、ポンプ工程で昇圧された中間超臨界圧液体と、ポンプ工程開始前で中間超臨界圧液体を抽液して臨界圧近傍まで減圧して生成された低温液体と、外部冷却媒体とのうちの少なくとも一つを冷却媒体として利用して中間超臨界流体を冷却する。
　このような気体の昇圧方法によれば、圧縮工程の後にポンプ工程を備えることで、仮に圧縮工程のみで目標圧以上の圧力まで気体の昇圧を行う場合と比較して高圧対応が不要となるためコスト低減が可能となり、昇圧後の超臨界流体を冷却するアフタークーラも不要となるため動力低減が可能となる。また、冷却工程で臨界圧以上の圧力状態となった中間超臨界流体を冷却して中間超臨界圧液体とするため、臨界圧未満の状態で冷却を行う場合と比較して、冷却に要する熱量を著しく小さく抑えながら液化させることが可能となる。さらに冷却工程では、中間超臨界圧液体、低温液体、外部冷却媒体等によって、中間超臨界流体を効率的に冷却できる。さらに、冷却温度調整工程では、冷却工程で生成された中間超臨界圧液体の温度を調整することで、ポンプ部のポンプ回転数を一定に保った状態で、目標超臨界圧流体の圧力を調整することができる。
　本発明の昇圧システム及び気体の昇圧方法によれば、圧縮部とポンプ部とを組み合わせ、冷却部で臨界圧以上の圧力状態で中間超臨界流体を冷却することで、動力をさらに低減して運転効率の向上が可能である。
　さらに、冷却温度調整部が、冷却部で生成される中間超臨界流体の温度を調整することで、目標超臨界流体の圧力を調整することができる。
本発明の実施形態に係る昇圧システムの概略を示す系統図である。 本発明の実施形態に係る昇圧システムに関し、二酸化炭素の状態を示すＰ－ｈ線図である。 本発明の実施形態に係る昇圧システムに関し、温度冷却部の構成を示す要部拡大図である。 本発明の実施形態に係る昇圧システムに関し、ポンプ部に導入される流体の状態に応じたポンプ部の性能特性の変化を表すＱ－Ｈ線図である。 本発明の実施形態に係る昇圧システムに関し、圧縮部のＩＧＶ開度と、圧縮部に導入される流体の流量に応じた性能特性を表す線図である。
　以下、本発明の実施形態に係る昇圧システム１について説明する。本実施形態では、昇圧システム１は陸上の地中や海底の地中へ貯留可能となるように対象気体として二酸化炭素Ｆの気体を所定の圧力、温度まで昇圧するポンプを組込んだギアド圧縮機となっている。
　なお、ギアド圧縮機は、複数のインペラを、歯車を介して連動させた多軸多段構成の圧縮機である。
　図１に示すように、昇圧システム１は、対象気体である二酸化炭素Ｆを取り込んで圧縮する圧縮部２と、圧縮部２の後方段側に設けられて二酸化炭素Ｆを昇圧するポンプ部３と、圧縮部２とポンプ部３との間に設けられた冷却部４とを備えている。
　さらに、この昇圧システム１は、ポンプ部３で昇圧された二酸化炭素Ｆを加熱する加熱部５と、冷却部４とポンプ部３との間に設けられて二酸化炭素Ｆを取り出す抽液減圧部６と、抽液減圧部６からの二酸化炭素Ｆを圧縮部２に返送するバイパス流路７と、を備えている。
　加えて、この昇圧システム１は、加熱部５によって加熱された二酸化炭素Ｆの圧力を検出する圧力検出部Ｐと、圧力検出部Ｐが検出した二酸化炭素Ｆの圧力値に応じて抽液減圧部６によって取り出される二酸化炭素Ｆの流量を調整する冷却温度調整部９と、を備えている。
　圧縮部２は、多段(本実施形態では６段)に設けられた複数のインペラ１０と、インペラ１０同士の間及び冷却部４との間に一つずつ設けられた複数の中間冷却器２０とを有する。そして、圧縮部２は、取り込んだ二酸化炭素Ｆを導入気体Ｆ０として圧縮と冷却を繰り返しながら臨界圧以上であって、目標圧未満の中間圧の圧力状態まで圧縮して中間超臨界流体Ｆ１を生成する。二酸化炭素Ｆの臨界圧は７．４［ＭＰａ］である。目標圧としては、当該臨界圧よりも高い値として、例えば１５［ＭＰａ］が設定される。また、圧縮部２で生成される中間超臨界流体Ｆ１の中間圧としては、例えば１０［ＭＰａ］が設定される。しかしながら、これらの圧力値は、対象気体の臨界圧に応じて適宜決定されるものであって、本実施形態によって一義的には限定されない。
　ここで、圧縮部２においては、二酸化炭素Ｆが取り込まれて流通する上流側から下流側に向かって順に設けられた一段圧縮インペラ１１と、第一中間冷却器２１と、二段圧縮インペラ１２と、第二中間冷却器２２と、三段圧縮インペラ１３と、第三中間冷却器２３と、四段圧縮インペラ１４と、第四中間冷却器２４と、五段圧縮インペラ１５と、第五中間冷却器２５と、六段圧縮インペラ１６と、第六中間冷却器２６とによって構成され、これらが管路８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆ、８ｇ、８ｈ、８ｉ、８ｊ、８ｋ、８ｌ、８ｍ、８ｎによって互いに接続されている。
　冷却部４は、第六中間冷却器２６の下流側に管路８ｌによって接続され、圧縮部２の最終段となる六段圧縮インペラ１６から生成された中間超臨界流体Ｆ１を臨界温度近傍まで冷却して液化し、中間超臨界圧液体Ｆ２を生成する。
　この冷却部４は、圧縮部２で生成された中間超臨界流体Ｆ１を予冷却する予冷却部２９と、予冷却部２９で冷却された中間超臨界流体Ｆ１をさらに冷却して中間超臨界圧液体Ｆ２を生成する主冷却部２８とを有している。
　予冷却部２９は、外部冷却媒体Ｗによって中間超臨界流体Ｆ１を予冷却する熱交換器である。
　主冷却部２８は、後述する抽液減圧部６からの低温液体Ｆ５を導入し、これを冷却媒体として中間超臨界流体Ｆ１の冷却を行う。そして、本実施形態で主冷却部２８と加熱部５との間については、主冷却部２８で中間超臨界流体Ｆ１を冷却することで得られる熱により加熱部５での加熱を行っており、一つの熱交換器を構成している。
　主冷却部２８の冷却媒体は抽液減圧部６からの低温液体Ｆ５であるが、外部より適当な冷却媒体Ｗが得られる場合には、予冷却部２９によって予冷却することで、主冷却部２８で必要となる冷熱量の低減が可能となる。予冷却部２９の冷却能力は、予冷却部２９で外部から取り込む外部冷却媒体Ｗの温度及び流量等によって異なる。本実施形態では予冷却部２９を利用することなく第六中間冷却器２６のみで圧縮部２で生成された中間超臨界流体Ｆ１が液体への遷移領域まで冷却され、その後、主冷却部２８によって液化されて中間超臨界圧液体Ｆ２が生成されている。
　また、冷却部４で中間超臨界流体Ｆ１を臨界温度近傍まで冷却する際には、好ましくは臨界温度の±２０［℃］となる温度まで冷却し、より好ましくは臨界温度の±１５［℃］となる温度まで冷却し、臨界温度の±１０［℃］となる温度まで冷却することが最も好ましい。
　ポンプ部３は、冷却部４の下流側に管路８ｍによって接続され、冷却部４を通過して生成された中間超臨界圧液体Ｆ２を導入して目標圧の圧力状態まで昇圧し、目標圧液体Ｆ３を生成する。本実施形態では、このポンプ部３は、一段ポンプインペラ３１及び二段ポンプインペラ３２からなる二段構成となっている。
　加熱部５は、ポンプ部３の下流側に管路８ｎによって接続されて設けられ、ポンプ部３からの目標圧液体Ｆ３を導入して、臨界温度（３１．１［℃］）以上の目標超臨界流体Ｆ４を生成する。上記のとおり、加熱部５は、冷却部４の主冷却部２８とともに熱交換器を構成している。
　即ち、この加熱部５では、主冷却部２８との間での熱交換を行うことにより、主冷却部２８で中間超臨界流体Ｆ１を冷却して得た凝縮熱によって目標圧液体Ｆ３の加熱を行う。
　さらに、加熱部５の下流側には、管路８ｐが設けられている。管路８ｐには、加熱部５にて生成された目標超臨界流体Ｆ４が流通する。管路８ｐの下流側は不図示の外部設備に接続されて目標超臨界流体Ｆ４が取り出される。
　管路８ｐの中途位置には、圧力検出部Ｐが設けられている。圧力検出部Ｐは、管路８ｐを流通する目標超臨界流体Ｆ４の圧力値を計測する圧力計測手段と、その圧力値を外部に電気信号として送信する手段とを有している。圧力検出部Ｐとしては、例えば公知の圧力センサーモジュール等が採用される。
　抽液減圧部６は、主冷却部２８とポンプ部３との間に設けられ、主冷却部２８からの中間超臨界圧液体Ｆ２の一部を抽液して得た低温液体Ｆ５によって主冷却部２８での中間超臨界流体Ｆ１の冷却を行うとともに低温液体Ｆ５自身が加熱される。
　具体的にはこの抽液減圧部６は、主冷却部２８とポンプ部３との間の管路８ｍから分岐するように、一端がこの管路８ｍに接続された分岐管路４１と、この分岐管路４１の他端が接続されて主冷却部２８との間で熱交換を行う熱交換部４２と、を有している。さらに、分岐管路４１の中途位置には、後述の流量調整部９２が設けられている。流量調整部９２は、その開度を調節することが可能な弁部である。本実施形態では、弁部として例えば流量調節弁が採用される。
　冷却温度調整部９は、圧力検出部Ｐに電気的に接続された制御部９１と、制御信号線９３によって制御部９１と電気的に接続された流量調整部９２と、を有している。
　流量調整部９２は、開度を調節することによって抽液した中間超臨界圧液体Ｆ２に対してジュールトムソン効果による減圧を行い、低温液体Ｆ５を生成する。ここで、上述の流量調整部９２の開度は、制御部９１によって調節される。
　制御部９１は、例えば図３に示すように、圧力検出部Ｐに接続される判定部９１ａと、判定部９１ａに接続される流量決定部９１ｂと、を有している。
　判定部９１ａは、圧力検出部Ｐに電気的に接続されるとともに、圧力検出部Ｐが検出した検出値が予め設定された所定の圧力範囲に属するか否かの判定処理を行う。この所定の圧力範囲は、昇圧システム１によって生成される目標超臨界流体Ｆ４の目標圧を含む数値範囲であって、不図示の入力手段を介して判定部９１ａに入力され、判定部９１にて記憶、保持される。
　判定部９１ａは、記憶された所定の圧力範囲と、圧力検出部Ｐの検出値との差分量を算出する。判定部９１ａによる判定結果である差分量は、後続の流量決定部９１ｂに伝達される。
　流量決定部９１ｂは、判定部９１ａから入力された圧力値の差分量に基づいて所定の演算を行い、流量調整部９２の開度を算出する。より詳細には、まず、圧力値の差分量と、その差分量を解消するために必要となる流量の増減量を所定の関係式から導出する。なお、この関係式は昇圧システム１の性能要件等によって経験的に求められるものである。
　続いて、流量決定部９１ｂは、該関係式によって導出された流量の増減量に基づいて、流量調整部９２の開度を算出する。なお、流量の増減量と、流量調整部９２の開度との関係は、流量調整部９２として用いられる弁部の性能要件等によって決定されるものである。
　このようにして、制御部９１は流量調整部９２の開度を決定する。その後、流量決定部９１ｂは流量調整部９２に開度の増減に係る指示情報を伝達する。流量決定部９１ｂからの指示情報が入力された流量調整部９２（流量調節弁）はその指示情報に従って開度を調整する。
　バイパス流路７は、抽液減圧部６からの低温液体Ｆ５を圧縮部２の六段圧縮インペラ１６の上流側に返送する。即ち、このバイパス流路７は、一端が抽液減圧部６の熱交換部４２に接続され、他端が六段圧縮インペラ１６と第五中間冷却器２５との間の管路８ｊに接続されている。
　次に、図２のＰ－ｈ線図を参照して、二酸化炭素Ｆの状態変化の様子（二酸化炭素Ｆの昇圧方法）について説明する。
　圧縮部２において、一段圧縮インペラ１１に導入された導入気体Ｆ０（状態Ｓ１ａ）は、図２の実線の矢印に示すように、一段圧縮インペラ１１によって圧縮されて状態Ｓ１ａよりも高圧で高温の状態Ｓ１ｂとなる。その後、第一中間冷却器２１によって等圧で冷却されて状態Ｓ２ａとなる。そしてこのように圧縮と冷却を繰り返して、状態Ｓ２ｂ→状態Ｓ３ａ→状態Ｓ３ｂ→状態Ｓ４ａ→状態Ｓ４ｂ→状態Ｓ５ａ→状態Ｓ５ｂ→状態Ｓ６ａ→状態Ｓ６ｂ→状態Ｓ７ａ→状態Ｓ７ｂと状態変化し、臨界圧以上の圧力の中間超臨界流体Ｆ１の状態となる（圧縮工程）。
　その後、状態Ｓ７ｂとなった中間超臨界流体Ｆ１は予冷却部２９へ導入される。予冷却部２９では等圧状態でさらに冷却されて中間超臨界流体Ｆ１の温度を下げることができる（冷却工程）が、本実施例では予冷却部２９は利用していない。
　中間超臨界流体Ｆ１は、主冷却部２８によって超臨界圧のまま等圧で冷却されて、臨界温度以下の状態Ｓ８ａとなって中間超臨界流体Ｆ１は中間超臨界圧液体Ｆ２へと相変化して、ポンプ部３へ導入される（冷却工程）。
　ポンプ部３では、状態Ｓ８ａの中間超臨界圧液体Ｆ２が、陸上の地中や海底の地中へ貯留可能となる目標圧まで昇圧されるとともに、温度が上昇して状態Ｓ８ｂの目標圧液体Ｆ３となる（ポンプ工程）。その後、この目標圧液体Ｆ３を加熱部５によって加熱することで、臨界温度以上まで等圧で昇温し、二酸化炭素Ｆを陸上の地中や海底の地中へ貯留可能となる最終状態Ｓ９とする。
　ここで、主冷却部２８で状態Ｓ８ａとなった中間超臨界圧液体Ｆ２の一部が冷却温度調整部９の流量調整部９２の開度を調整することで抽液される。このとき、中間超臨界圧液体Ｆ２の抽液される量は、流量調整部９２の開度に応じて調整される。抽液された中間超臨界圧液体Ｆ２は減圧され、状態Ｓ１０の低温液体Ｆ５となる。この状態Ｓ１０における低温液体Ｆ５の圧力は、六段圧縮インペラ１６の上流側であって第五中間冷却器２５の下流側の圧力に相当する圧力とされている。
　また、この低温液体Ｆ５は冷却部４との間で熱交換することで加熱されて等圧状態のまま気化し、六段圧縮インペラ１６の上流側における状態Ｓ６ａの気体又は超臨界流体となる。この気体または超臨界流体がバイパス流路７によって六段圧縮インペラ１６の上流側へ返送され、圧縮部２を流通する中間超臨界流体Ｆ１に混入される。
　このような昇圧システム１によると、まず前方段での二酸化炭素Ｆの圧縮を圧縮部２で行い、より高圧となっている後方段での昇圧をポンプ部３で行うことで、目標圧液体Ｆ３を生成し、その後、加熱部５によって最終的に臨界温度以上まで加熱することで陸上の地中や海底の地中へ貯留可能となる目標超臨界流体Ｆ４を得ることができる。
　ここで、仮に高圧となっている後段側の部分にも圧縮部２と同様のインペラを適用した場合には、高圧ガスシールや高圧に対応した圧縮機ケーシングが多数必要となってしまい、信頼性が低下するとともにコストアップしてしまう問題がある。また、このような高圧状態に対応するためにはインペラの軸径を大きくしたり、インペラの回転数を低減したりするなどの対応が必要となり、信頼性と運転効率の低下の問題がある。
　この点、本実施形態では高圧側でポンプ部３を採用している。ポンプ部３では液体を昇圧するため、高圧状態（約１５～６０［ＭＰａ］）まで昇圧するに際して、対象となる流体をシールすることが容易であることから非常に有利であり、上述のようなコストアップを回避でき、また信頼性と運転効率の問題も解消できる。
　さらに、仮に高圧となる後段側にも圧縮部２と同様のインペラを適用した場合には、特性が不安定となる遷移域での圧縮をさけるべく第六中間冷却器２６での冷却は状態Ｓ７ａ止まりとなり、昇圧後の超臨界流体は目標超臨界流体Ｆ４に比べて温度が高い状態となる。従って目標超臨界流体Ｆ４を得るためには、圧縮後の冷却を行うアフタークーラ等がさらに必要となる。
　この点についても、本実施形態では上記アフタークーラ等は不要であり、このアフタークーラを作動するための動力を低減できる。
　また冷却部４では、圧縮部２によって臨界圧以上の状態となった中間超臨界流体Ｆ１を冷却して中間超臨界圧液体Ｆ２とする。
　ここで、図２に示すＰ－ｈ線図によると、臨界圧力未満では等温線が縦軸（圧力）に略平行となるように立ち上がるとともに、等温線同士の間隔が狭くなっている。一方で、臨界圧以上であって臨界温度付近の遷移領域では、等温線は横軸（エンタルピー）に略平行となるとともに等温線同士の間隔が広くなっている。従って遷移領域では、二酸化炭素Ｆが等圧状態で状態変化する際に、より小さな温度変化でより大きなエンタルピー変化が生じることとなる。
　よって、本実施形態のように臨界圧以上の状態で中間超臨界流体Ｆ１を冷却する場合には、臨界圧未満の状態で冷却を行う場合と比較して、冷却に要する熱量を小さく抑えながら中間超臨界流体Ｆ１の液化が可能となる。
　また、中間超臨界流体Ｆ１は、まず第六中間冷却器２６のみによって水冷で遷移領域まで冷却される。ここで、中間超臨界流体Ｆ１は臨界圧、臨界温度付近の状態にあるため、上述したように小さな温度変化でより大きなエンタルピー変化が生じ、水冷のみで中間超臨界流体Ｆ１の液化に必要な大部分の冷熱量を得ることができる。
　さらに、中間超臨界圧液体Ｆ２が流れる管路８ｍの内部は等圧状態である。したがって、冷却温度調整部９の流量調整部９２の開度に応じて、中間超臨界圧液体Ｆ２の密度と温度とは互いに反比例の関係にある。より詳細には、制御部９１によって流量調整部９２の開度が大きくなる方向に調節された場合、中間超臨界圧液体Ｆ２の密度が上がるが、一方で温度は下がる。反対に、流量調整部９２の開度が小さくなる方向に調節された場合、中間超臨界圧液体Ｆ２の密度は下がるが、一方で温度は上がる。
　したがって、例えば流量調整部９２の開度が小さくなる方向に調節された場合、ポンプ部３に導入される状態Ｓ８ａにおける中間超臨界圧液体Ｆ２の温度は上昇し、密度は低下し、状態Ｓ８ｘとなる。
　ここで、図４はポンプ部３の入口－出口の圧力差（揚程）と、流量の関係を表すＱ－Ｈ線図である。図４に示すように、状態Ｓ８ｘにおける中間超臨界圧液体Ｆ２のＱ－Ｈ曲線は、状態Ｓ８ａにおける中間超臨界圧液体Ｆ２のＱ－Ｈ曲線に比べて全体に揚程が小さくなる。すなわち、中間超臨界圧液体Ｆ２の温度が上昇し、密度が低下するにつれて、ポンプ部３で生成される目標圧液体Ｆ３の圧力は低下して、図２の状態Ｓ８ｙとなる。
　状態Ｓ８ｙの目標圧液体Ｆ３１は、加熱部５に導入されて等圧状態で加熱されて、状態Ｓ９ｘの目標超臨界流体Ｆ４となる。
　このように、ポンプ部３に導入される中間超臨界圧液体Ｆ２の温度を調節することで、ポンプ部３のポンプ回転数等を変えることなく、最終的に得られる目標超臨界流体Ｆ４の圧力（目標圧）を調節することができる。
　さらに、図４に示すように、流量が小さい条件においても、ポンプ部３に導入される中間超臨界圧液体Ｆ２の温度を調節することで、ポンプ部３のポンプ回転数等を変えることなく、最終的に得られる目標超臨界流体Ｆ４の圧力を一定の目標圧に調節することができる。
　したがって、ポンプ部３に例えば可変速モータ等を設けることなく、目標の圧力を得ることができる。
　さらに、本実施形態では、目標超臨界流体Ｆ４の圧力は、管路８ｐの中途位置に設けられた圧力検出部Ｐで随時検出される。検出された圧力値は冷却温度調整部９の制御部９１に入力される。制御部９１は、所定の演算を経て流量調整部９２の開度を決定し、調整を行う。上述の動作は冷却温度調整部９と圧力検出部Ｐとによって自律的に実行されるものである。したがって、外乱要因等によって目標超臨界流体Ｆ４の圧力に変動が生じた場合であっても、その変動に応じて流量調整部９２の開度が自律的に調節されて、目標超臨界流体Ｆ４の圧力は予め定められた所望の目標圧に向けて是正される。これにより、目標超臨界流体Ｆ４の圧力を安定化した状態で供給することができる。
　また、冷却温度調整部９が設けられていることから、流量調整部９２として例えば高圧負荷に対応する制御弁等を設ける必要がなくなる。したがって、コストを低減することができる。さらに、高圧弁を用いた場合に流量調整部９２において生じる圧力損失を低減することができる。
　なお、本実施形態では、主冷却部２８の冷却媒体は抽液減圧部６からの低温液体Ｆ５であるが、外部より適当な外部冷却媒体Ｗが得られる場合には、予冷却部２９によって予冷却することで、主冷却部２８で必要となる冷熱量の低減が可能となる。例えばこの場合、状態Ｓ７ｂから状態Ｓ７ｃまでの冷却を予冷却部２９で冷却し、状態Ｓ７ｃから状態Ｓ８ａまでの冷却を主冷却部２８で行うこととなる。
　従って、このような予冷却部２９によって低温液体Ｆ５の流量を低減したとしても主冷却部２８での冷却を十分に行うことができる。よって、バイパス流路７を介して圧縮部２へ返送される低温液体Ｆ５の流量を低減できるため、圧縮部２での動力低減も可能となり、さらなる運転効率の向上につながる。
　さらに、この主冷却部２８の冷却媒体は低温液体Ｆ５であるため、ポンプ部３へ導入される中間超臨界圧液体Ｆ２自身の冷熱を有効に利用して、即ち中間超臨界流体Ｆ１から中間超臨界圧液体Ｆ２を生成するために必要な凝縮器を別途設置することなく、ポンプ部３へ導入する中間超臨界圧液体Ｆ２を確実に生成可能である。
　また、主冷却部２８では、圧縮部２で圧縮された中間超臨界流体Ｆ１を冷却して中間超臨界圧液体Ｆ２を生成し、ポンプ部３へ中間超臨界圧液体Ｆ２を導入可能とするとともに、中間超臨界流体Ｆ１の冷却の際に回収した熱について、加熱部５との間で熱交換を行うことで臨界温度以上まで中間超臨界圧液体Ｆ２を加熱することができる。
　また、冷却部４での中間超臨界流体Ｆ１の冷却、加熱部５での目標圧液体Ｆ３の加熱では、臨界圧以上の高圧状態で熱交換が行われるため、熱交換部分をコンパクト化可能であるため、システム全体としてコンパクト化を図ることができる。
　そして、バイパス流路７を設けたことで、抽液された中間超臨界圧液体Ｆ２を外部へ排出することがなくなるため、昇圧システム１全体の効率をより向上させることができる。
　さらに、図４に示すように、ポンプ部３に導入される流体の流量が少ないほど、ポンプ部３の揚程は向上する傾向にある。したがって、小流量下ではポンプ部３における揚程量が向上する分だけ、圧縮部２に要求される圧縮量が下がる。これにより、圧縮部２に導入される導入気体Ｆ０の流量を下げることで、圧縮部２で生成される中間超臨界流体Ｆ１の圧力を下げることができる。
　ここで、圧縮部２に導入される導入気体Ｆ０の流量を調節する手段としては、例えば不図示のＩＧＶ（Ｉｎｌｅｔ　Ｇｕｉｄｅ　Ｖａｎｅ）等が採用される。ＩＧＶは、管路の中途に設けられ、開度を調整することが可能な絞り弁である。ＩＧＶの開度を小さくするにしたがって、圧縮部２に導入される導入気体Ｆ０の流量を小さくすることができる。なお、ＩＧＶは一段圧縮インペラ１１の導入部に設けられることが好ましい。
　図５は、圧縮部２のＩＧＶ開度の変化に応じた性能特性を示す線図である。図５から読み取れるように、ＩＧＶ開度が全開状態である１００％から９０％、８０％と下がるにしたがって、圧縮部２に導入される流体の流量が下がる。ここで、圧縮部２の吐出圧力が高いほど、サージ限界に達する限界流量の値が高くなる。図５の例では、吐出圧力Ｈ３と、吐出圧力Ｈ３よりも低い吐出圧力Ｈ４の２つの運転状態を示している。吐出圧力Ｈ３の場合は、流量８０％でサージ限界に達するが、吐出圧力Ｈ４の場合は、サージ限界に達する流量が７０％にまで拡大される。したがって、小流量下ではポンプ部３における揚程量が向上する分だけ、圧縮部２に要求される圧縮量を下げることができるので、圧縮部２の吐出圧力、すなわち圧縮部２で生成される中間超臨界流体Ｆ１の圧力を下げることができる。
　すなわち、ＩＧＶの開度を小さくすることで吐出圧力を低くするにしたがって、許容される流量範囲（運転範囲）を拡大することができる。
　これにより、昇圧システム１で得られる目標超臨界流体Ｆ４の圧力範囲を広くすることができる。
　なお、上述の実施形態では、圧縮部２にギアド圧縮機を用いた例を説明したが、圧縮部２に用いられる圧縮機はギアド圧縮機に限定されず、他の方式の圧縮機を採用してもよい。
１…昇圧システム　２…圧縮部　３…ポンプ部　４…冷却部　５…加熱部　６…抽液減圧部　７…バイパス流路　８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆ、８ｇ、８ｈ、８ｉ、８ｊ、８ｋ、８ｌ、８ｍ、８ｎ、８ｐ…管路　９…冷却温度調整部　１１…一段圧縮インペラ　１２…二段圧縮インペラ　１３…三段圧縮インペラ　１４…四段圧縮インペラ　１５…五段圧縮インペラ　１６…六段圧縮インペラ　２０…中間冷却器　２１…第一中間冷却器　２２…第二中間冷却器　２３…第三中間冷却器　２４…第四中間冷却器　２５…第五中間冷却器　２６…第六中間冷却器　Ｆ…二酸化炭素（対象気体）　Ｆ０…導入気体　Ｆ１…中間超臨界流体　Ｆ２…中間超臨界圧液体　Ｆ３…目標圧液体　Ｆ４…目標超臨界流体　Ｆ５…低温液体　Ｗ…外部冷却媒体　２８…主冷却部　２９…予冷却部　３１…一段ポンプインペラ　３２…二段ポンプインペラ　４１…分岐管路　４２…熱交換部　９１…制御部　９１ａ…判定部　９１ｂ…流量決定部　９２…流量調整部　９３…制御信号線

Claims (7)

  1. 　対象気体を臨界圧より高い目標圧以上の圧力まで昇圧する昇圧システムであって、
    　臨界圧以上、目標圧未満の中間圧まで前記対象気体を圧縮して中間超臨界流体を生成する圧縮部と、
    　前記圧縮部で生成された前記中間超臨界流体を臨界温度近傍まで冷却して中間超臨界圧液体を生成する冷却部と、
    　前記冷却部で生成された前記中間超臨界圧液体を前記目標圧以上の圧力まで昇圧するポンプ部と、
    　前記ポンプ部の上流にて前記冷却部で生成された前記中間超臨界圧液体の温度を冷却媒体によって調整する冷却温度調整部と、を備える昇圧システム。
  2. 　前記ポンプ部で昇圧された前記中間超臨界圧液体を臨界温度近傍まで加熱して目標超臨界流体を生成する加熱部をさらに備え、
    　前記冷却部は、前記加熱部との間で熱交換を行って前記中間超臨界流体を冷却する主冷却部を有する請求項１に記載の昇圧システム。
  3. 　前記冷却温度調整部は、前記圧縮部で生成された前記中間超臨界流体の一部を抽液して前記冷却媒体として用いる請求項１又は２に記載の昇圧システム。
  4. 　前記冷却温度調整部は、前記冷却部へ供給する前記冷却媒体の流量を調整する請求項１から３のいずれか一項に記載の昇圧システム。
  5. 　前記目標超臨界流体の圧力を検出する圧力検出部を備え、
    　前記冷却温度調整部は、前記冷却部へ供給する前記冷却媒体の流量を調整する流量調整部と、
    　前記圧力検出部が検出した検出値に基づいて前記流量調整部を制御する制御部とを有し、
    　前記制御部は、前記検出値が予め定められた圧力範囲に属するか否かを判定する判定部と、
    　前記判定部の判定結果に基づいて、前記流量調整部で調整する流量を決定する流量決定部と、
    を有する請求項２に記載の昇圧システム。
  6. 　前記冷却温度調整部は、前記圧縮部で生成された前記中間超臨界流体の一部を抽液して前記冷却媒体として用いる請求項５に記載の昇圧システム。
  7. 　対象気体を臨界圧より高い目標圧以上の圧力まで昇圧する気体の昇圧方法であって、
    　臨界圧以上、目標圧未満の中間圧まで前記対象気体を圧縮して中間超臨界流体を生成する圧縮工程と、
    　前記圧縮工程で生成された前記中間超臨界流体を臨界温度近傍まで冷却して中間超臨界圧液体を生成する冷却工程と、
    　前記冷却工程で生成された前記中間超臨界圧液体の温度を調整する冷却温度調整工程と、
    　前記冷却工程で生成された前記中間超臨界圧液体を前記目標圧以上の圧力まで昇圧するポンプ工程とを備え、
    　前記冷却工程では、前記ポンプ工程で昇圧された前記中間超臨界圧液体と、前記ポンプ工程の開始前で前記中間超臨界圧液体を抽液して臨界圧近傍まで減圧して生成された低温液体と、外部冷却媒体とのうちの少なくとも一つを冷却媒体として利用して中間超臨界流体を冷却する気体の昇圧方法。
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