WO2016151636A1

WO2016151636A1 - 天然ガスの製造システム及び製造方法

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Publication number: WO2016151636A1
Application number: PCT/JP2015/001728
Authority: WO
Inventors: 俊也百瀬; 守孝中村; 山口　芳弘; 正順亀田
Original assignee: Chiyoda Corp
Current assignee: Chiyoda Corp
Priority date: 2015-03-26
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2016-09-29
Anticipated expiration: 2017-09-26
Also published as: AU2015388393B2; AU2015388393A1

Abstract

【課題】外部からのエネルギーの追加を必要とすることなく、冷媒を用いた原料ガスの冷却における原料ガスの冷却曲線と冷媒の昇温曲線とを近づけることにより、原料ガスを効率的に液化する。【解決手段】製造システム１は、原料ガスを圧縮するコンプレッサ２０と、製造システム内を循環する冷媒を膨張させることによって動力を発生させる少なくとも１つの冷媒膨張機を含む冷媒膨張機群５４、６３と、コンプレッサ２０によって圧縮された原料ガスを冷媒との熱交換によって冷却する熱交換器２５とを備え、コンプレッサ２０が、冷媒膨張機６３（５４）において発生した動力を利用することにより、原料ガスを圧縮する構成とする。

Description

天然ガスの製造システム及び製造方法

　本発明は、天然ガスを冷却して液化天然ガスを生成する天然ガスの製造システム及び製造方法に関する。

　ガス田等から採取される天然ガスは、液化基地などにおいて液化されることにより、その貯蔵や輸送においてLNG（液化天然ガス）として取り扱われる。約-162℃まで冷却されたLNGは、天然ガス（気体）に比べて容積が大幅に低減され、また高圧で貯蔵する必要がないなどの利点がある。一般に、天然ガスの液化処理では、原料ガスに含まれる水分、二酸化炭素や硫化水素などの酸性ガス成分、その他の水銀等の不純物が予め除去され、更に、比較的凝固点の高い重質分（ベンゼン、トルエン、キシレン、ペンタン以上のC5+炭化水素など）が除去された後に原料ガスが液化される。

　原料ガスの液化方法としては、冷媒との熱交換（熱交換器）を利用した種々の方式の液化プロセスが普及している。熱交換用の冷媒としては、メタン、エタン、エチレン、プロパン及びブタン等の炭化水素や窒素等が、単一冷媒（単一成分からなる冷媒）または混合冷媒として用いられる。原料ガスの液化プロセスでは、冷媒を冷却するための冷媒サイクル（冷凍サイクル）に必要な動力（冷媒の圧縮に用いられる圧縮機の動力等）を低減するために、熱交換における原料ガスと冷媒との温度差を小さくする（すなわち、原料ガスの冷却曲線と冷媒の昇温曲線とを近づけて有効エネルギーの損失を抑制する）ことが望ましい。

　熱交換における原料ガスの冷却曲線と冷媒の昇温曲線とを近づけるために、例えば、原料ガスの冷却過程に応じて複数の単一冷媒（例えば、メタン、エチレン、プロパンの冷媒サイクルの組合せ）や混合冷媒を用いて熱交換を行うことも考えられるが、そのように複数の単一冷媒や混合冷媒を用いる場合には、冷媒の入手、貯蔵及び補給のためのコストや、冷媒サイクルを実現するための設備コストが嵩むという問題がある。一方、窒素冷媒のように単一冷媒でかつ単一相（気体）の冷媒のみを用いる場合には、複数の単一冷媒や混合冷媒を用いる場合に比べて上記コストを低減できる可能性があるが、熱交換における原料ガスの冷却曲線と冷媒の昇温曲線とを近づけることが難しいため、液化効率（冷凍サイクル効率等）に劣るという問題がある。

　そこで、例えば、原料ガスを冷却するための窒素冷媒を用いる製造システムにおいて、冷媒サイクルにおいて圧縮及び冷却された冷媒の流れが複数に分岐され、それら冷媒の流れは、膨張機にそれぞれ導入された後に、一連に配置された異なる熱交換器にそれぞれ導入されることにより、冷媒の昇温曲線を原料ガスの冷却曲線に近づけるようにすると共に、冷媒サイクルにおいて上記膨張機のシャフトに冷媒用の圧縮機がそれぞれ連結されることにより、冷媒の膨張によって発生したエネルギーが回収されるようにした天然ガスの液化プロセスが知られている（特許文献１参照）。

米国特許第５７６８９１２号明細書

　ところで、上記特許文献１に記載のような従来の天然ガスの製造システムは、冷媒の昇温曲線を原料ガスの冷却曲線に近づけることにより、原料ガスの液化プロセスにおけるエネルギー損失の抑制を図るものである。

　しかしながら、本願発明者らは、鋭意検討した結果、上記特許文献１のような液化プロセスにおいて、熱交換器に導入する原料ガスを外部からのエネルギーの追加を必要とすることなく（或いは、抑制しつつ）昇圧して、上流側（高温側）における原料ガスの冷却曲線を冷媒の昇温曲線に近づけることで、より効率的な液化プロセスを実現できることを見出した。

　本発明は、このような従来技術の課題を鑑みて案出されたものであり、外部からのエネルギーの追加を必要とすることなく（或いは、抑制しつつ）、冷媒を用いた原料ガスの冷却における原料ガスの冷却曲線と冷媒の昇温曲線とを近づけることにより、原料ガスを効率的に液化することを可能とする天然ガスの製造システム及び製造方法を提供することを主目的とする。

　本発明の第１の側面は、天然ガスを含む原料ガスから液化天然ガスを生成する天然ガスの製造システム（１）であって、前記製造システム内を流れる前記原料ガスを圧縮する原料ガス圧縮機（２０）と、前記製造システム内を循環する冷媒を膨張させることによって動力を発生させる少なくとも１つの冷媒膨張機を含む冷媒膨張機群（５４、６３）と、前記原料ガス圧縮機によって圧縮された前記原料ガスを前記冷媒との熱交換によって冷却する第１熱交換部（２５）とを備え、前記原料ガス圧縮機は、前記冷媒膨張機において発生した前記動力を利用することにより、前記原料ガスを圧縮することを特徴とする。

　この第１の側面による天然ガスの製造システムでは、冷媒膨張機で発生した動力を利用する原料ガス圧縮機が第１熱交換部の上流側に配置される構成としたため、外部からのエネルギーの追加を必要とすることなく（或いは、抑制しつつ）、冷媒を用いた原料ガスの冷却における冷媒と原料ガスとの温度差を小さくすることにより、原料ガスを効率的に液化することが可能となる。

　本発明の第２の側面では、上記第１の側面に関し、前記原料ガスの流れにおける前記第１熱交換部の下流側に配置され、前記原料ガスを前記冷媒との熱交換によって更に冷却する第２熱交換部（２６）を更に備えたことを特徴とする。

　この第２の側面による天然ガスの製造システムでは、複数の熱交換器を用いて、冷媒を用いた原料ガスの冷却における冷媒と原料ガスとの温度差を小さくすることにより、原料ガスを効率的に液化することが可能となる。

　本発明の第３の側面では、上記第１または第２の側面に関し、前記冷媒は、単一成分かつ単一相からなることを特徴とする。

　この第３の側面による天然ガスの製造システムでは、原料ガスの冷却曲線と冷媒の昇温曲線とを近づけることが難しい単一成分かつ単一相からなる窒素等の冷媒を用いた場合でも、原料ガスの液化効率を確実に向上させることができる。

　本発明の第４の側面では、天然ガスを含む原料ガスから液化天然ガスを生成する天然ガスの製造システム（１）であって、前記製造システム内を循環する冷媒を膨張させることによって動力を発生させる少なくとも１つの冷媒膨張機（６３）を含む冷媒膨張機群（５４、６３）と、前記製造システム内を流れる前記原料ガスを前記冷媒との熱交換によって冷却する第１熱交換部（２５）と、前記原料ガスの流れにおける前記第１熱交換部の下流側に配置され、前記第１熱交換部からの前記原料ガスを蒸留することにより、前記原料ガス中の重質分を低減または除去する蒸留装置（１５）と、前記原料ガスの流れにおける前記蒸留装置の下流側に配置され、前記原料ガスを圧縮する原料ガス圧縮機（２０）と、前記原料ガスの流れにおける前記原料ガス圧縮機の下流側に配置され、前記原料ガスを前記冷媒との熱交換によって更に冷却する第２熱交換部（２６）とを備え、前記原料ガス圧縮機は、前記冷媒膨張機において発生した前記動力を利用することにより、前記原料ガスを圧縮することを特徴とする。

　この第４の側面による天然ガスの製造システムでは、冷媒膨張機で発生した動力を利用する原料ガス圧縮機が蒸留装置の下流側に配置される構成としたため、外部からのエネルギーの追加を必要とすることなく（或いは、抑制しつつ）、冷媒を用いた原料ガスの冷却における冷媒と原料ガスとの温度差を小さくすることにより、原料ガスを効率的に液化することが可能となる。また、この製造システムでは、蒸留装置を熱交換器の下流側に配置したため、蒸留装置の上流側における他の冷却器等の設備を省略することが可能となる。また、この製造システムでは、第１及び第２熱交換器の間に原料ガス圧縮機を配置する構成であるため、第１及び第２熱交換器と、原料ガス圧縮機とを一体化して設備をコンパクト化することが可能となる。なお、この製造システムでは、蒸留装置を原料ガス圧縮機の上流側に配置したため、原料ガス圧縮機での圧縮により原料ガスが臨界状態となり、蒸留装置における処理が困難になるという問題は生じない。

　本発明の第５の側面は、天然ガスを含む原料ガスから液化天然ガスを生成する天然ガスの製造方法であって、製造システム内を流れる前記原料ガスを圧縮する原料ガス圧縮工程と、前記製造システム内を循環する冷媒を膨張させることによって動力を発生させる冷媒膨張工程と、前記原料ガス圧縮工程において圧縮された前記原料ガスを前記冷媒との熱交換によって冷却する第１熱交換工程とを有し、前記原料ガス圧縮工程では、前記冷媒膨張工程において発生した前記動力を利用することにより、前記原料ガスを圧縮することを特徴とする。

　本発明の第６の側面は、天然ガスを含む原料ガスから液化天然ガスを生成する天然ガスの製造方法であって、製造システム内を循環する冷媒を膨張させることによって動力を発生させる冷媒膨張工程と、前記製造システム内を流れる前記原料ガスを前記冷媒との熱交換によって冷却する第１熱交換工程と、前記第１熱交換工程において冷却された前記原料ガスを蒸留することにより、前記原料ガス中の重質分を低減または除去する蒸留工程と、前記蒸留工程において蒸留された前記原料ガスを圧縮する原料ガス圧縮工程と、前記原料ガス圧縮工程において圧縮された前記原料ガスを前記冷媒との熱交換によって更に冷却する第２熱交換工程とを備え、前記原料ガス圧縮工程では、前記冷媒膨張工程において発生した前記動力を利用することにより、前記原料ガスを圧縮することを特徴とする。

　このように本発明によれば、天然ガスの製造システムにおいて、冷媒を用いた原料ガスの冷却における原料ガスの冷却曲線と冷媒の昇温曲線とを近づけることにより、原料ガスを効率的に液化することが可能となる。

第１実施形態に係る天然ガスの製造システムにおける液化処理の流れを示す構成図第１実施形態に対応する参考例として従来の天然ガスの製造システムにおける液化処理の流れを示す構成図図１に示した天然ガスの製造システムにおける原料ガスの冷却曲線および冷媒の昇温曲線を示す説明図図２に示した天然ガスの製造システムにおける原料ガスの冷却曲線および冷媒の昇温曲線を示す説明図第２実施形態に係る天然ガスの製造システムにおける液化処理の流れを示す構成図第３実施形態に係る天然ガスの製造システムにおける液化処理の流れを示す構成図

　以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
　図１は、本発明の第１実施形態に係る天然ガスの製造システム１における液化処理の流れを示す構成図である。天然ガスの製造システム１は、低温の冷媒を用いて天然ガスを含む原料ガスを冷却することによりLNG（液化天然ガス）を生成するための設備を有している。

　図１に示すように、製造システム１では、原料ガスは、ラインＬ１を介して製造システム１内に導入され、製造システム１内を輸送されながら大気圧程度の圧力で液化可能な温度まで冷却される。本実施形態では、製造システム１に供給される原料ガスは、例えば80～98mol%程度のメタンを含むガスが用いられ、温度を約36℃、圧力を約5200kPaA、流量を約50,000kg/hrとするが、これに限らず、原料ガスの成分、温度、圧力及び流量は必要に応じて変更可能である。このような原料ガスは、特に限定されるものではないが、例えばシェールガス、タイトサンドガス、コールベッドメタン、メタンハイドレートなどの天然ガスとして採取される。

　なお、本明細書における用語「原料ガス」は、厳密に気体の状態にあることを意味するものではなく、製造システム１を流れる液化処理の対象を指す（処理途中の一部液化した状態を含む）ものである。また、詳細な説明は省略するが、製造システム１では、天然ガスの前処理設備として、天然ガスコンデンセートを分離する分離設備、炭酸ガスや硫化水素等の酸性ガス成分を除去する酸性ガス除去設備、水銀を除去する水銀除去設備、水分を除去する水分除去設備等の公知の設備を必要に応じて設けることが可能であり、それらの設備によって不純物等が除去された天然ガスが原料ガスとして用いられる。

　ラインＬ１を介して導入された原料ガスは、コンプレッサ１１によって圧縮された後、冷却器１２で冷却され、更に、エキスパンダ１３で膨張した後に蒸留装置１５に導入される。コンプレッサ１１は、原料ガスを圧縮する羽根車をエキスパンダ１３と同軸のシャフト１６に取り付けた遠心圧縮機からなる。冷却器１２では、後述する熱交換器２５、２６、２７でも使用される冷媒の一部を用いて原料ガスを冷却することができる。エキスパンダ１３は、流動する原料ガスを等エントロピー膨張させて原料ガスの圧力を低減するとともに、その膨張による動力を取り出すためのタービン装置からなる。このエキスパンダ１３における原料ガスの膨張によって発生した動力は、同軸のシャフト１６を介してコンプレッサ１１における原料ガスの圧縮のための動力として利用可能である。

　なお、コンプレッサ１１による圧縮後の原料ガスの温度および圧力は、それぞれ約39℃および約5300kPaAである。冷却器１２による冷却後の原料ガスの温度および圧力は、それぞれ約－49℃および約5200kPaAであり、また、エキスパンダ１３による膨張後の原料ガスの温度および圧力は、それぞれ約－54℃および約4800kPaAである。原料ガスは、エキスパンダ１３からラインＬ２を介して蒸留装置１５に導入される。

　蒸留装置１５は、内部に複数の棚段を備えた精留塔からなり、原料ガスに含まれる比較的凝固点の高い重質分を除去する（すなわち、重質分を構成する各成分を所望の濃度以下まで低減する）ための精留工程を実施する。蒸留装置１５では、比較的高濃度の重質分を含む液体は、蒸留装置１５の塔底に接続されたラインＬ３を介して排出される。重質分を構成する成分やそれら各成分の濃度は、天然ガスの採取先等によって変化するが、ここでは、ベンゼン、トルエン、キシレン、ペンタン以上のC5+炭化水素などが重質分として原料ガスに含まれる。蒸留装置１５は、そのような重質分を原料ガスから除去することにより、製造システム１内のより下流側における各装置や配管等における重質分の凝固等に起因するトラブルを回避することができる。蒸留装置１５の塔底に滞留する液体の一部は、塔底からラインＬ４に設けられたリボイラー１８に送られ、このリボイラー１８において外部から供給される熱媒体（蒸気やオイル）によって加熱された後、再び蒸留装置１５に循環する。

　一方、蒸留装置１５では、低沸点成分であるメタンを主成分とする原料ガス（軽質分）が塔頂留出物として分離され、その原料ガスは、ラインＬ５を介してコンプレッサ（原料ガス圧縮機）２０に送られる。蒸留装置１５からラインＬ５に送出される原料ガスの温度および圧力は、それぞれ約27℃および約4700kPaAである。

　コンプレッサ２０は、原料ガスを圧縮する羽根車を後述する冷媒用のエキスパンダ（第２冷媒膨張機）６３と同軸のシャフト２１に取り付けた遠心圧縮機からなり、これにより、エキスパンダ６３における冷媒の膨張によって発生した動力を、原料ガスの圧縮のための動力として利用する。製造システム１では、主熱交換器をなす３つの熱交換器２５、２６、２７が、システム内における原料ガスの流れの上流側から下流側に向けて順に設けられている。コンプレッサ２０によって圧縮された原料ガスは、ラインＬ６を介して熱交換器２５に導入される。ここで、コンプレッサ２０からラインＬ６に送出される原料ガスの温度および圧力は、それぞれ約98℃および約10000kPaAである。

　熱交換器２５、２６、２７は、それぞれプレートフィン型の熱交換器であり、冷却される原料ガスが流れる管路（以下、「原料ガス管路」という。）及び冷媒が流れる管路（以下、「冷媒管路」という。）を備えている。また、熱交換器２５、２６には、冷媒を予冷するための管路（以下、「予冷管路」という。）が設けられている。なお、熱交換器２５、２６、２７の構成は、特に限定されるものではなく、例えば、スプール巻き（Spool Wound）型熱交換器によって構成してもよい。

　最も上流側に位置する熱交換器（第１熱交換部）２５の原料ガス管路３１を流れて冷却された原料ガスは、約9℃の温度および約9900kPaAの圧力となり、ラインＬ７を介して中間に位置する熱交換器（第２熱交換部）２６に導入される。そこで、熱交換器２６の原料ガス管路３２を流れて冷却された原料ガスは、約－86℃の温度および約9800kPaAの圧力となり、ラインＬ８を介して最も下流側に位置する熱交換器（第３熱交換部）２７に導入される。その後、熱交換器２７の原料ガス管路３３を流れて冷却された原料ガスは、約－155℃の温度および約9600kPaAの圧力でラインＬ９に送出され、さらに、ラインＬ９に設けられた膨張弁３５を通して気液分離槽３６に導入される。

　気液分離槽３６に導入される原料ガスの温度および圧力は、膨張弁３５における絞り膨張によってそれぞれ約－162℃および約101kPaAとなり、原料ガスは液化した状態（すなわち、LNG）となる。気液分離槽３６では、一部の気化した天然ガスや他のガス（例えば、窒素）を含む気相成分がラインＬ１０を介してシステム外に排出される一方、ＬＮＧからなる液相成分がラインＬ１１を介して取得される。ＬＮＧは、ラインＬ１１に設けられた輸送ポンプ３８によって図示しないＬＮＧタンク等の貯蔵設備に送られる。

　なお、製造システム１内で用いられる装置等（コンプレッサ１１、２０、冷却器１２、エキスパンダ１３、蒸留装置１５、熱交換器２５、２６、２７その他の後述する装置を含む）については、本発明の範囲で必要な機能を果たす限りにおいて任意の公知の装置（または構成）を採用することができる。

　次に、製造システム１における冷媒サイクルについて説明する。製造システム１には、窒素冷媒を用いた冷媒サイクル（冷凍サイクル）が適用され、この窒素冷媒は、原料ガスを冷却するための上記熱交換器２５、２６、２７を介してシステム内を循環する。なお、窒素冷媒には、原料ガスの冷却に影響を及ぼさない限りにおいて、窒素以外のガス成分が少量含まれていてもよい。また、製造システム１で使用される冷媒としては、窒素のように単一成分かつ単一相からなる冷媒が特に好ましいが、本発明は他の公知の冷媒にも適用可能である。

　製造システム１において、原料ガス流れの上流側にて原料ガスを冷却した後の（すなわち、熱交換器２５の冷媒管路（第１冷媒管路）４０を流れて昇温された）冷媒は、ラインＬ１２を介してコンプレッサ（冷媒圧縮機）４２に導入され、所定の圧力まで圧縮される。熱交換器２５からラインＬ１２に送出される冷媒の温度および圧力は、それぞれ約27℃および約120kPaAである。コンプレッサ４２には、中間圧力まで圧縮された冷媒を冷却するための中間冷却器４３が設けられており、また、コンプレッサ４２の下流側のラインＬ１３には、圧縮後の冷媒を冷却するための後部冷却器４４が設けられている。コンプレッサ４２からラインＬ１３に送出される冷媒の温度および圧力は、それぞれ約110℃および約4300kPaAであり、また、後部冷却器４４による冷却後の冷媒の温度および圧力は、それぞれ約30℃および約4200kPaAである。

　後部冷却器４４で冷却された冷媒はコンプレッサ４５に導入される。コンプレッサ４５は、冷媒を圧縮する羽根車を後述するエキスパンダ（第１冷媒膨張機）５４と同軸のシャフト４６に取り付けた遠心圧縮機からなる。コンプレッサ４５に導入された冷媒は、より高い圧力まで圧縮される。コンプレッサ４５の下流側のラインＬ１４には、圧縮後の冷媒を冷却するための２つの冷却器４７、４８が設けられており、冷却後の冷媒は熱交換器２５に導入される。コンプレッサ４５からラインＬ１４に送出される冷媒の温度および圧力は、それぞれ約87℃および約7000kPaAであり、また、冷却器４７、４８による冷却後の冷媒の温度および圧力は、それぞれ約30℃および約6900kPaAである。

　ラインＬ１４から熱交換器２５に導入された冷媒は、予冷管路（第１予冷管路）５１を流れることにより、冷媒管路４０を逆方向に流れるより低温の冷媒によって予冷される。予冷された冷媒は、熱交換器２５からラインＬ１５に送出される。このラインＬ１５に送出される冷媒の温度および圧力は、それぞれ約9℃および約6900kPaAである。ラインＬ１５の下流端は、ラインＬ１６及びラインＬ１７に分岐しており、これにより冷媒の一方の流れは、ラインＬ１６を介してエキスパンダ５４に導入され、冷媒の他方の流れは、ラインＬ１７を介して熱交換器２６に導入される。ラインＬ１６とラインＬ１７とに分岐される冷媒の流量比は、約7:3である。

　エキスパンダ５４は、流動する冷媒を等エントロピー膨張させて冷媒の圧力を低減するとともに、その膨張による動力を取り出すためのタービン装置からなる。このエキスパンダ５４で発生した動力は、同軸のシャフト４６を介してコンプレッサ４５における冷媒の圧縮のための動力として利用可能である。エキスパンダ５４による膨張後の冷媒の温度および圧力は、それぞれ約－93℃および約1200kPaAである。膨張後の冷媒は、エキスパンダ５４からラインＬ１８を介して熱交換器２６に導入される。より詳細には、ラインＬ１８の下流端は、熱交換器２７から熱交換器２６に冷媒を送るためのラインＬ１９の中間に接続されており、ラインＬ１８を流れる冷媒は、ラインＬ１９を流れる冷媒に合流した後に熱交換器２６に導入される。

　一方、ラインＬ１７から熱交換器２６に導入された冷媒は、予冷管路（第２予冷管路）６１を流れることにより、冷媒管路（第２冷媒管路）６２を逆方向に流れるより低温の冷媒によって予冷される。予冷された冷媒は、熱交換器２６からラインＬ２０を介してエキスパンダ（第２冷媒膨張機）６３に導入される。熱交換器２６からラインＬ２０に送出される冷媒の温度および圧力は、それぞれ約－86℃および約6900kPaAである。

　エキスパンダ６３は、エキスパンダ５４と同様に、冷媒の圧力を低減して動力を取り出すためのタービン装置からなる。このエキスパンダ６３で発生した動力は、上述のように、同軸のシャフト２１を介して原料ガス用のコンプレッサ２０における原料ガスの圧縮のための動力として利用される。エキスパンダ６３による膨張後の冷媒の温度および圧力は、それぞれ約－158℃および約1200kPaAである。膨張後の冷媒は、ラインＬ２１を介して熱交換器２７に導入される。

　ラインＬ２１から熱交換器２７に導入された冷媒は、冷媒管路６５を流れることにより、原料ガス管路３３を逆方向に流れる原料ガスとの熱交換によって昇温される。その後、冷媒は、熱交換器２７からラインＬ１９を介して熱交換器２６に導入される。熱交換器２７からラインＬ１９に送出される冷媒の温度および圧力は、それぞれ約－88℃および約1200kPaAである。

　ラインＬ１９から熱交換器２６に導入された冷媒は、冷媒管路６２を流れることにより、原料ガス管路３２を逆方向に流れる原料ガスとの熱交換によって昇温される。その後、冷媒は、熱交換器２６からラインＬ２２を介して熱交換器２５に導入される。熱交換器２６からラインＬ２２に送出される冷媒の温度および圧力は、それぞれ約－3℃および約1200kPaAである。熱交換器２５に導入された冷媒は冷媒管路４０を流れた後にラインＬ１２に送出され、これにより、冷媒の循環が完了する。

（参考例）
　図２は、上述の第１実施形態に対応する参考例として従来の天然ガスの製造システム１００における液化処理の流れを示す構成図である。参考例に関し、上述の第１実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、それらの構成要素についての詳細な説明を省略する。

　参考例の製造システム１００では、第１実施形態に示したような熱交換器２５の上流側に配置されるコンプレッサ２０は設けられておらず、比較的低圧の原料ガスがラインＬ６を介して熱交換器２５に導入される。ラインＬ６から導入される原料ガスの温度および圧力は、それぞれ約36℃および約5200kPaAである。そこで、熱交換器２５の原料ガス管路３１を流れて冷却された原料ガスは、約－45℃の温度および約5000kPaAの圧力となり、ラインＬ７ａを介して蒸留装置１５に導入される。

　蒸留装置１５では、比較的高濃度の重質分を含む液体は、蒸留装置１５の塔底に接続されたラインＬ３を介して排出される。ラインＬ３から排出される重質分液の温度および圧力は、それぞれ約－48℃および約4500kPaAである。一方、蒸留装置１５では、低沸点成分であるメタンを主成分とする原料ガス（軽質分）が塔頂留出物として分離され、その原料ガスは、ラインＬ７ｂを介して熱交換器２６に導入される。蒸留装置１５からラインＬ７ｂに送出される原料ガスの温度および圧力は、それぞれ約－48℃および約4500kPaAである。

　そこで、熱交換器２６の原料ガス管路３２を流れて冷却された原料ガスは、約－87℃の温度および約4400kPaAの圧力となり、ラインＬ８を介して熱交換器２７に導入される。その後、熱交換器２７の原料ガス管路３３を流れて冷却された原料ガスは、約－155℃の温度および約4200kPaAの圧力でラインＬ９に送出され、さらに、ラインＬ９に設けられた膨張弁３５を通して気液分離槽３６に導入される。膨張弁３５から気液分離槽３６に導入される原料ガスの温度および圧力は、それぞれ約－162℃および約101kPaAであり、原料ガスは液化した状態となる。

　次に、製造システム１００における冷媒サイクルについて説明する。製造システム１００には、上述の第１実施形態と同様に窒素冷媒が用いられる。製造システム１００において原料ガスを冷却した後の（すなわち、熱交換器２５の冷媒管路４０を流れて昇温された）冷媒は、ラインＬ１２を介してコンプレッサ４２に導入され、所定の圧力まで圧縮される。熱交換器２５からラインＬ１２に送出される冷媒の温度および圧力は、それぞれ約28℃および約1200kPaAである。また、コンプレッサ４２からラインＬ１３に送出される冷媒の温度および圧力は、それぞれ約105℃および約4000kPaAであり、さらに、後部冷却器４４による冷却後の冷媒の温度および圧力は、それぞれ約30℃および約3900kPaAである。

　ラインＬ１３の下流端は、ラインＬ１４ａ及びラインＬ１４ｂに分岐しており、これにより冷媒の一方の流れは、ラインＬ１４ａを介してコンプレッサ４５に導入され、冷媒の他方の流れは、ラインＬ１４ｂを介してコンプレッサ１４５に導入される。コンプレッサ４５は、冷媒を圧縮する羽根車をエキスパンダ５４と同軸のシャフト４６に取り付けた遠心圧縮機からなる。コンプレッサ４５で圧縮された冷媒は、ラインＬ１４ｃを介して熱交換器２５に向けて送出される。

　一方、コンプレッサ１４５は、冷媒を圧縮する羽根車をエキスパンダ６３と同軸のシャフト１２１に取り付けた遠心圧縮機からなる。この参考例では、上述の第１実施形態の場合とは異なり、エキスパンダ６３における原料ガスの膨張によって発生した動力は、同軸のシャフト１２１を介して冷媒用のコンプレッサ１４５における冷媒の圧縮のための動力として利用される。ラインＬ１４ｂからコンプレッサ１４５に導入された冷媒は、コンプレッサ１４５において圧縮された後にラインＬ１４ｄを介して熱交換器２５に向けて送出される。

　ここで、ラインＬ１４ｃの下流端は、ラインＬ１４ｄの中間部に接続されており、ラインＬ１４ｃを流れる冷媒は、ラインＬ１４ｄを流れる冷媒に合流し、さらに冷却器４７、４８で冷却された後に熱交換器２５に導入される。ラインＬ１４ｃおよびラインＬ１４ｄの合流後（冷却器４７、４８による冷却前）の冷媒の温度および圧力は、それぞれ約96℃および約7000PaAであり、冷却器４７、４８による冷却後の冷媒の温度および圧力は、それぞれ約30℃および約6900PaAである。

　ラインＬ１４ｄから熱交換器２５に導入された冷媒は、予冷管路５１を流れることにより、冷媒管路４０を逆方向に流れるより低温の冷媒によって予冷され、ラインＬ１５に送出される。このラインＬ１５に送出される冷媒の温度および圧力は、それぞれ約－19℃および約6900kPaAである。ラインＬ１５の下流端は、ラインＬ１６及びラインＬ１７に分岐しており、ラインＬ１６を介してエキスパンダ５４に導入される。エキスパンダ５４による膨張後の冷媒の温度および圧力は、それぞれ約－112℃および約1200kPaAである。膨張後の冷媒は、エキスパンダ５４からラインＬ１８およびラインＬ１９を介して熱交換器２６に導入される。

　一方、ラインＬ１７を流れる冷媒は、熱交換器２６において予冷された後、熱交換器２６からラインＬ２０を介してエキスパンダ６３に導入される。熱交換器２６における予冷後の冷媒の温度および圧力は、それぞれ約－87℃および約6900kPaAである。エキスパンダ６３による膨張後の冷媒の温度および圧力は、それぞれ約－158℃および約1200kPaAである。エキスパンダ６３による膨張後の冷媒は、ラインＬ２１を介して熱交換器２７に導入される。

　ラインＬ２１を流れる冷媒は、熱交換器２７における原料ガスとの熱交換によって昇温された後、熱交換器２７からラインＬ１９を介して熱交換器２６に導入される。熱交換器２７における昇温後にラインＬ１８と合流した冷媒の温度および圧力は、それぞれ約－104℃および約1200kPaAである。

　ラインＬ１９から熱交換器２６に導入された冷媒は、熱交換器２６における原料ガス等との熱交換によって昇温された後、熱交換器２６からラインＬ２２を介して熱交換器２５に導入される。熱交換器２５に導入された冷媒は冷媒管路４０を流れた後にラインＬ１２に送出され、これにより、冷媒の循環が完了する。

（第１実施形態の効果）
　図３は、図１に示した第１実施形態に係る天然ガスの製造システムにおける原料ガスの冷却曲線および冷媒の昇温曲線のシミュレーション結果の一例を示す説明図であり、図４は、図２に示した天然ガスの製造システム（参考例）における原料ガスの冷却曲線および冷媒の昇温曲線のシミュレーション結果の一例を示す説明図である。図３及び図４では、縦軸および横軸は、それぞれ原料ガス及び窒素冷媒の温度（℃）および熱負荷（heat duty）（GJ/h）である。

　上述のように、第１実施形態に係る天然ガスの製造システム１では、原料ガスを圧縮するコンプレッサ２０と、窒素冷媒を膨張させることによって動力を発生させるエキスパンダ６３と、コンプレッサ２０によって圧縮された原料ガスを窒素冷媒との熱交換によって冷却する熱交換器２５とが設けられ、コンプレッサ２０が、エキスパンダ６３において発生した動力を利用することにより、原料ガスを圧縮する構成とした。これにより、図３に示す第１実施形態に係る原料ガスの冷却曲線及び窒素冷媒の昇温曲線では、図４に示す参考例の場合と比べて、圧縮されて臨界圧力以上となった原料ガスの冷却曲線が直線的となり、原料ガスの冷却曲線に冷媒ガスの昇温曲線を、中温領域（約－30～－90℃）及び低温領域（約－90℃～－158℃）においてより近づけることが可能となる。

（第２実施形態）
　図５は、本発明の第２実施形態に係る天然ガスの製造システムにおける液化処理の流れを示す構成図である。第２実施形態においては、上述の第１実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、それらの構成要素についての詳細な説明を省略する。また、第２実施形態に関し、以下で特に言及しない事項については上述の第１実施形態と同様とする。

　第２実施形態では、原料ガスを圧縮するコンプレッサ２０が、冷媒用のエキスパンダ５４のシャフト４６と同軸に接続されている。これにより、エキスパンダ５４における冷媒の膨張によって発生した動力は、同軸のシャフト４６を介して原料ガス用のコンプレッサ２０における原料ガスの圧縮のための動力として利用可能である。

　ここでは、後部冷却器４４で冷却された冷媒は、ラインＬ１３を介してコンプレッサ２４５に導入される。コンプレッサ２４５は、冷媒を圧縮する羽根車を後述するエキスパンダ６３と同軸のシャフト２２１に取り付けた遠心圧縮機からなる。コンプレッサ４２の下流側のラインＬ１４には、圧縮後の冷媒を冷却するための２つの冷却器４７、４８が設けられており、冷却後の冷媒は熱交換器２５に導入される。

　このように、原料ガス用のコンプレッサ２０に接続される冷媒用のエキスパンダは、適宜変更が可能である（後述する第３実施形態の場合も同様）。場合によっては、複数の冷媒用のエキスパンダで発生した動力を原料ガスの１または複数のコンプレッサにおいて利用する構成も可能である。

（第３実施形態）
　図６は、本発明の第３実施形態に係る天然ガスの製造システムにおける液化処理の流れを示す構成図である。第３実施形態においては、上述の第１実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、それらの構成要素についての詳細な説明を省略する。第３実施形態に関し、以下で特に言及しない事項については上述の第１実施形態と同様とする。

　第３実施形態では、蒸留装置１５が、上述の参考例の場合と同様に、熱交換器２５の下流側に配置され、熱交換器２５の原料ガス管路３１を流れて冷却された原料ガスが、ラインＬ７ａを介して蒸留装置１５に導入される。蒸留装置１５において塔頂留出物として分離されたメタンを主成分とする原料ガス（軽質分）は、ラインＬ７ｂを介してコンプレッサ２０に導入される。コンプレッサ２０は、上述の第１実施形態の場合と同様に、エキスパンダ６３と同軸のシャフト２１に取り付けられており、エキスパンダ６３で発生した動力を、原料ガスの圧縮のための動力として利用可能である。

　コンプレッサ２０で圧縮された原料ガスは、ラインＬ７ｃを介して熱交換器２６に導入される。熱交換器２６の原料ガス管路３２を流れて冷却された原料ガスは、ラインＬ８を介して熱交換器２７に導入され、それ以降の原料ガスの流れは、第１実施形態の場合と同様である。

　このように、蒸留装置１５は、熱交換器２５と熱交換器２６との間に配置することも可能であり、その場合、蒸留装置１５の塔頂留出物は、コンプレッサ２０で圧縮された後に熱交換器２６に導入される構成が好ましい。

　上記第３実施形態に係る天然ガスの製造システム１では、第１実施形態の場合と同様に、冷却曲線に昇温曲線を近づけることが可能となる。また、この製造システム１では、蒸留装置１５を熱交換器２５の下流側に配置したため、図１に示したような蒸留装置１５の上流側における冷却器１２等の設備を省略することが可能である。また、この製造システム１では、熱交換器２５、２６の間にコンプレッサ２０を配置する構成であるため、熱交換器２５～２７と、コンプレッサ２０とを一体化して設備をコンパクト化することが可能となる。なお、この製造システム１では、蒸留装置１５をコンプレッサ２０の上流側に配置したため、コンプレッサ２０での圧縮により原料ガスが臨界状態となり、蒸留装置１５における処理が困難になるという問題は生じない。

　以上、本発明を特定の実施形態に基づいて説明したが、これらの実施形態はあくまでも例示であって、本発明はこれらの実施形態によって限定されるものではない。上述の各実施形態に示した本発明に係る天然ガスの製造システム及び製造方法の各構成要素は、必ずしも全てが必須ではなく、少なくとも本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。また、各実施形態に示した構成要素の組合せは、必ずしも必須ではなく、少なくとも本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて複数の実施形態の構成要素を適宜選択して用いることができる。

１　製造システム
１５　蒸留装置
２０　コンプレッサ（原料ガス圧縮機）
２５　熱交換器（第１熱交換部）
２６　熱交換器（第２熱交換部）
２７　熱交換器（第３熱交換部）
３１、３２、３３　原料ガス管路
４０　冷媒管路（第１冷媒管路）
４２、４５　コンプレッサ
４３　中間冷却器
４４　後部冷却器
４７、４８　冷却器
５１　予冷管路（第１予冷管路）
５４　エキスパンダ（冷媒膨張機）
６１　予冷管路（第２予冷管路）
６２　冷媒管路（第２冷媒管路）
６３　エキスパンダ（冷媒膨張機）
６５　冷媒管路

Claims

　天然ガスを含む原料ガスから液化天然ガスを生成する天然ガスの製造システムであって、
　前記製造システム内を流れる前記原料ガスを圧縮する原料ガス圧縮機と、
　前記製造システム内を循環する冷媒を膨張させることによって動力を発生させる少なくとも１つの冷媒膨張機を含む冷媒膨張機群と、
　前記原料ガス圧縮機によって圧縮された前記原料ガスを前記冷媒との熱交換によって冷却する第１熱交換部と
を備え、
　前記原料ガス圧縮機は、前記冷媒膨張機において発生した前記動力を利用することにより、前記原料ガスを圧縮することを特徴とする天然ガスの製造システム。
　前記原料ガスの流れにおける前記第１熱交換部の下流側に配置され、前記原料ガスを前記冷媒との熱交換によって更に冷却する第２熱交換部を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の天然ガスの製造システム。
　前記冷媒は、単一成分かつ単一相からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の天然ガスの製造システム。
　天然ガスを含む原料ガスから液化天然ガスを生成する天然ガスの製造システムであって、
　前記製造システム内を循環する冷媒を膨張させることによって動力を発生させる少なくとも１つの冷媒膨張機を含む冷媒膨張機群と、
　前記製造システム内を流れる前記原料ガスを前記冷媒との熱交換によって冷却する第１熱交換部と、
　前記原料ガスの流れにおける前記第１熱交換部の下流側に配置され、前記第１熱交換部からの前記原料ガスを蒸留することにより、前記原料ガス中の重質分を低減または除去する蒸留装置と、
　前記原料ガスの流れにおける前記蒸留装置の下流側に配置され、前記原料ガスを圧縮する原料ガス圧縮機と、
　前記原料ガスの流れにおける前記原料ガス圧縮機の下流側に配置され、前記原料ガスを前記冷媒との熱交換によって更に冷却する第２熱交換部と
を備え、
　前記原料ガス圧縮機は、前記冷媒膨張機において発生した前記動力を利用することにより、前記原料ガスを圧縮することを特徴とする天然ガスの製造システム。
　天然ガスを含む原料ガスから液化天然ガスを生成する天然ガスの製造方法であって、
　製造システム内を流れる前記原料ガスを圧縮する原料ガス圧縮工程と、
　前記製造システム内を循環する冷媒を膨張させることによって動力を発生させる冷媒膨張工程と、
　前記原料ガス圧縮工程において圧縮された前記原料ガスを前記冷媒との熱交換によって冷却する第１熱交換工程と
を有し、
　前記原料ガス圧縮工程では、前記冷媒膨張工程において発生した前記動力を利用することにより、前記原料ガスを圧縮することを特徴とする天然ガスの製造方法。
　天然ガスを含む原料ガスから液化天然ガスを生成する天然ガスの製造方法であって、
　製造システム内を循環する冷媒を膨張させることによって動力を発生させる冷媒膨張工程と、
　前記製造システム内を流れる前記原料ガスを前記冷媒との熱交換によって冷却する第１熱交換工程と、
　前記第１熱交換工程において冷却された前記原料ガスを蒸留することにより、前記原料ガス中の重質分を低減または除去する蒸留工程と、
　前記蒸留工程において蒸留された前記原料ガスを圧縮する原料ガス圧縮工程と、
　前記原料ガス圧縮工程において圧縮された前記原料ガスを前記冷媒との熱交換によって更に冷却する第２熱交換工程と
を備え、
　前記原料ガス圧縮工程では、前記冷媒膨張工程において発生した前記動力を利用することにより、前記原料ガスを圧縮することを特徴とする天然ガスの製造方法。