WO2018020705A1 - 圧縮システムおよび圧縮システムの起動方法 - Google Patents

Abstract

圧縮システム１０は、気体を圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１を駆動する電動機１３およびガスタービン１４と、圧縮機１１の吐出口１１ａに接続された吐出側配管１５と、圧縮機１１の吸込口１１ｂに接続された吸込側配管１６と、吐出側配管１５と吸込側配管１６とをバイパス接続するバイパス配管２５と、バイパス配管２５を開閉するバイパスバルブ２７と、電動機１３、ガスタービン１４およびバイパスバルブ２７を制御する制御部４０とを備える。圧縮機１１を起動する際に、制御部４０は、電動機１３およびガスタービン１４による圧縮機１１の起動前または圧縮機１１の回転速度が昇速している途中でバイパスバルブ２７を開状態にすることで、圧縮機１１内の気体の少なくとも一部をバイパス配管２５を介して吸込側配管１６に圧送する。

Description

圧縮システムおよび圧縮システムの起動方法

　本発明は、圧縮機を備える圧縮システムおよびその起動方法に関する。

　従来より、気体を圧縮する圧縮機を含むプラントが知られている。例えば天然ガスの液化プラント（ＬＮＧプラント）では、冷却サイクルの冷媒ガスを圧縮するために圧縮機が用いられる（例えば特許文献１参照）。

特開平８－２１９５７１号公報

　圧縮機を含むプラントにおいて、何らかの理由で圧縮機が停止した場合、圧縮機内に多量のガス（例えば冷媒ガス）が残留している場合がある。圧縮機内に多量のガスが残留していると、その後圧縮機を再起動する際に、該ガスの影響により非常に大きな起動トルクが必要となり、圧縮機を円滑に起動できない場合がある。圧縮機内のガスを外部に排出すれば圧縮機を起動することが可能となるが、この場合、再起動後、運転開始前にガスをプロセス系内に補充する必要があり、運転コストが増大する。

　本発明は、こうした状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、圧縮機を好適に起動することのできる技術を提供することにある。

　上記課題を解決するために、本発明のある態様の圧縮システムは、気体を圧縮する圧縮機と、圧縮機を駆動する駆動部と、圧縮機の吐出口に接続された吐出側配管と、圧縮機の吸込口に接続された吸込側配管と、吐出側配管と吸込側配管または他の低圧システムとをバイパス接続するバイパス配管と、バイパス配管を開閉するバイパスバルブと、駆動部およびバイパスバルブを制御する制御部とを備える。圧縮機を起動する際に、制御部は、駆動部による圧縮機の起動前または圧縮機の回転速度が昇速している途中でバイパスバルブを開状態にすることで、圧縮機内の気体の少なくとも一部をバイパス配管を介して吸込側配管または他の低圧システムに圧送する。

　本発明の別の態様は、圧縮システムの起動方法である。この方法は、気体を圧縮する圧縮機と、圧縮機を駆動する駆動部と、圧縮機の吐出口に接続された吐出側配管と、圧縮機の吸込口に接続された吸込側配管と、吐出側配管と吸込側配管または他の低圧システムとをバイパス接続するバイパス配管と、バイパス配管を開閉するバイパスバルブと、を備える圧縮システムの起動方法であって、駆動部を介して圧縮機を回転させるステップと、圧縮機の起動前または圧縮機の回転速度が昇速している途中でバイパスバルブを開状態にすることで、圧縮機内の気体の少なくとも一部をバイパス配管を介して吸込側配管または他の低圧システムに圧送するステップとを備える。

　なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

　本発明によれば、圧縮機を好適に起動することができる。

本発明の実施形態に係る圧縮システムが適用される天然ガス液化プラントの液化プロセスを示す図である。 図２（ａ）～図２（ｅ）は、本発明の実施形態に係る圧縮システムのシミュレーション結果を示す図である。 図３（ａ）～図３（ｄ）は、比較例に係る圧縮システムのシミュレーション結果を示す図である。

　図１は、本発明の実施形態に係る圧縮システム１０が適用される天然ガス液化プラントの液化プロセスを示す図である。図１は、冷媒として、プロパン冷媒と混合冷媒（窒素＋メタン＋エタン＋プロパン）を使う方式（Ｃ３－ＭＲ方式）の冷却プロセスを示す。

　プロパン圧縮機２０で加圧されるプロパン冷媒は、図１に示すプロパン冷媒ループＬ１を循環し、圧縮システム１０で加圧される混合冷媒は、図１に示す混合冷媒ループＬ２を循環する。

　プロパン冷媒ループＬ１においては、混合冷媒中間冷却器２２から集められたプロパン冷媒が、プロパン圧縮機２０において１６Ｂａｒまで加圧された後、プロパン冷媒コンデンサ２４にて冷却水との熱交換で冷却されて完全に凝縮される。この凝縮されたプロパン冷媒は、プロパン冷媒レシーバ２６に貯留される。プロパン冷媒レシーバ２６に貯留されたプロパン冷媒は、再び混合冷媒中間冷却器２２に送られる。

　混合冷媒ループＬ２においては、主熱交換器３０で天然ガスと熱交換した混合冷媒は、圧縮システム１０の圧縮機１１で圧縮され、混合冷媒コンデンサ１２にて冷却水により４５℃まで冷却される。この加圧された混合冷媒は、３段階に減圧されたプロパン冷媒がそれぞれ流通する混合冷媒中間冷却器２２において順次熱交換して、最終的に－３５℃まで冷却されて、一部凝縮する。そして、混合冷媒は、混合冷媒セパレータ２８にて気液分離される。気体と液体に分離された混合冷媒は、それぞれ主熱交換器３０に流入し、熱交換しながら天然ガスを－１６２℃まで冷却して液化する。液化された天然ガスは、ＬＮＧタンク３２に送られる。主熱交換器３０で熱交換により蒸発した混合冷媒は、再び圧縮システム１０に送られる。

　なお、当然のことながら、本実施形態に係る圧縮システム１０が適用可能な液化プロセスは、図１に示すものに限定されず、例えばＡＰ－Ｘ方式、カスケード方式、ＤＭＲ方式、ＳＭＲ方式などにも適用可能である。

　次に、本実施形態に係る圧縮システム１０について詳細に説明する。図１において、破線で囲んだ部分が圧縮システム１０となる。

　図１に示すように、圧縮システム１０は、混合冷媒（気体）を圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１を駆動する駆動部としての電動機（モータ）１３およびガスタービン１４とを備える。圧縮機１１は、回転式の圧縮機である。電動機１３およびガスタービン１４は、それぞれ圧縮機１１に同軸に結合される。電動機１３およびガスタービン１４が生成する駆動トルクにより、圧縮機１１のロータ（図示せず）が回転駆動される。

　圧縮機１１の吐出口１１ａには吐出側配管１５の一端が接続される。吐出側配管１５の他端は混合冷媒中間冷却器２２に接続される。圧縮機１１の吸込口１１ｂには吸込側配管１６の一端が接続される。吸込側配管１６の他端は主熱交換器３０に接続される。吐出側配管は「高圧側配管」、吸込側配管は「低圧側配管」とも呼ばれる。吐出側配管１５には混合冷媒コンデンサ１２と、吐出側配管１５を開閉する吐出側バルブ１７が設けられる。吸込側配管１６には吸込側配管１６を開閉する吸込側バルブ１８が設けられる。

　圧縮システム１０はさらに、アンチサージ配管２１と、アンチサージ配管２１を開閉するアンチサージバルブ２３とを備える。圧縮機１１がサージ状態に近づいた場合、アンチサージバルブ２３が開状態とされ、圧縮機１１の吐出側（高圧側）の混合冷媒が吸込側（低圧側）に戻される。これにより圧縮機１１がサージ状態となることを防止できる。

　本実施形態に係る圧縮システム１０はさらに、バイパス配管２５と、バイパス配管２５を開閉するバイパスバルブ２７とを備える。バイパス配管２５は、吐出側配管１５と吸込側配管１６とをバイパス接続する。より詳細には、バイパス配管２５の一端は、吐出側配管１５における吐出側バルブ１７より上流側に接続される。バイパス配管２５の他端は、吐出側配管１５における吸込側バルブ１８よりも上流側に接続される。

　圧縮システム１０はさらに、電動機１３およびガスタービン１４の動作並びに各バルブの開閉を制御する制御部４０を備える。通常の運転状態のとき、制御部４０は、吐出側バルブ１７および吸込側バルブ１８を開状態とし、アンチサージバルブ２３およびバイパスバルブ２７を閉状態とする。このとき、圧縮機１１は、吸込側配管１６から供給される混合冷媒を圧縮し、混合冷媒コンデンサ１２に供給する。

　ここで、通常運転中に何らかの理由で圧縮機１１が停止した場合を考える。この場合、圧縮機１１内に多量の混合冷媒が残留している可能性が高い。圧縮機１１内に多量の混合冷媒が残留していると、圧縮機１１を再起動する際に非常に大きな起動トルクが必要となり、圧縮機１１を円滑に起動できない場合がある。

　そこで、このような課題を解決するために、本実施形態に係る圧縮システム１０は、上記のように吐出側配管１５と吸込側配管１６とを接続するバイパス配管２５と、バイパスバルブ２７とを備える。圧縮機１１を再起動する際、制御部４０は、吐出側バルブ１７および吸込側バルブ１８を閉状態とする。そして、電動機１３およびガスタービン１４を介して圧縮機１１に起動トルクを与え、圧縮機１１の回転を開始させる。圧縮機１１に与えられる起動トルクに応じて圧縮機１１の回転速度が徐々に上昇するが、圧縮機１１の回転速度が昇速している途中で、制御部４０はバイパスバルブ２７を開状態とする（必要に応じて、昇速を一時停止してもよい）。これにより、圧縮機１１内の混合冷媒の少なくとも一部がバイパス配管２５を介して圧縮機１１の吸込側（低圧側）に圧送される。圧縮機１１の吸込側に圧送された混合冷媒は、吸込側バルブ１８が閉じられているため、吸込側配管１６内や主熱交換器３０内に貯留される。

　このように、本実施形態に係る圧縮システム１０では、圧縮機１１を再起動する際に、圧縮機１１内に残留する混合冷媒を減少させることができるため、バイパス配管２５およびバイパスバルブ２７を備えていない圧縮システムと比較して、圧縮機１１の回転速度を短時間且つ小さい起動トルクで所定の回転速度まで昇速できる。すなわち、本実施形態に係る圧縮システム１０によれば、圧縮機１１を好適に起動することができる。

　図２（ａ）～図２（ｅ）は、本発明の実施形態に係る圧縮システム１０のシミュレーション結果を示す。図２（ａ）は、圧縮機の特性曲線（体積流量に対するポリトロープヘッド）と、圧縮機の運転点を示すグラフである。図２（ｂ）は、時間に対する圧縮機の回転速度を示すグラフである。図２（ｃ）は、時間に対する圧縮機のトルクを示すグラフである。図２（ｄ）は、回転速度に対する圧縮機のトルクを示すグラフである。図２（ｅ）は、時間に対するバイパスバルブ２７の開度を示すグラフである。

　図３（ａ）～図３（ｄ）は、比較例に係る圧縮システムのシミュレーション結果を示す。比較例に係る圧縮システムは、図１に示す圧縮システム１０から、バイパス配管２５およびバイパスバルブ２７を取り除いた構成である。図３（ａ）は、圧縮機の特性曲線（体積流量に対するポリトロープヘッド）と、圧縮機の運転点を示すグラフである。図３（ｂ）は、時間に対する圧縮機の回転速度を示すグラフである。図３（ｃ）は、時間に対する圧縮機のトルクを示すグラフである。図３（ｄ）は、回転速度に対する圧縮機のトルクを示すグラフである。なお、比較例に係る圧縮システムはバイパスバルブを備えていないため、図２（ｅ）に対応するグラフは存在しない。

　本実施形態に係る圧縮システム１０において、圧縮機１１の起動を行う手順は以下の通りである。
（１）圧縮機を回転開始
（２）圧縮機の回転速度の増加に伴って、必要トルクが増加
（３）圧縮機の回転速度の昇速途中でバイパスバルブを開弁すると、必要起動トルクが減少
（４）起動完了
　図２（ａ）～図２（ｅ）に示す（１）～（４）は、上記の手順（１）～（４）に対応している。

　図２（ｅ）に示すように、（２）のタイミングでバイパスバルブ２７を閉状態から開状態にすると、バイパス配管２５を介して混合冷媒が圧縮機１１の吸込側に圧送される。これにより、図２（ｃ）に示すような必要起動トルクの減少とともに、図２（ｂ）に示すように圧縮機１１の回転速度が急激に上昇し、（４）のタイミングで最低速度（９５％＝約３４００ｒｐｍ）まで回転数が増加し、起動が成功している。

　図２（ｂ）から、起動完了の回転速度（９５％回転数）に約１６００秒で到達していることが分かる。図３（ｂ）に示すように、比較例に係る圧縮システムでは起動完了の回転速度（９５％回転数）に到達するのに約１８００秒を要していることから、本実施形態に係る圧縮システム１０によれば、起動完了までの時間を短縮できることが分かる。

　また、図２（ｃ）から、起動開始から起動完了（約１６００秒）までの間に、トルクは増大を続け、最大で１２５０００フィート・ポンド（ｆｔ－ｌｂｆ）程度のトルクが必要となることが分かる。図３（ｃ）に示すように、比較例に係る圧縮システムでは１８００００フィート・ポンド程度のトルクが必要なことから、本実施形態に係る圧縮システム１０によれば、起動に必要なトルクを低減することができる。これにより、電動機１３およびガスタービン１４の小型化や省エネルギー化を図ることができる。

　以上、本発明を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

　例えば、上述の実施形態では、吐出側配管１５と吸込側配管１６とを接続するようにバイパス配管２５を設けたが、バイパス配管２５は、吐出側配管１５と、圧縮システム１０とは別の他の低圧システムとを接続するように設けられてもよい。

　また、上述の実施形態では、圧縮機１１を起動する際に、圧縮機１１の回転速度が昇速している途中でバイパスバルブ２７を開状態としたが、圧縮機１１の起動前にバイパスバルブ２７を開状態としてもよい。

　　１０　圧縮システム、　１１　圧縮機、　１２　混合冷媒コンデンサ、　１３　電動機、　１４　ガスタービン、　１５　吐出側配管、　１６　吸込側配管、　１７　吐出側バルブ、　１８　吸込側バルブ、　２０　プロパン圧縮機、　２１　アンチサージ配管、　２２　混合冷媒中間冷却器、　２３　アンチサージバルブ、　２４　プロパン冷媒コンデンサ、　２５　バイパス配管、　２６　プロパン冷媒レシーバ、　２７　バイパスバルブ、　３０　主熱交換器、　４０　制御部。

　本発明は、圧縮機を備えるプラントに利用できる。

Claims (6)

1. 　気体を圧縮する圧縮機と、
   　前記圧縮機を駆動する駆動部と、
   　前記圧縮機の吐出口に接続された吐出側配管と、
   　前記圧縮機の吸込口に接続された吸込側配管と、
   　前記吐出側配管と前記吸込側配管または他の低圧システムとをバイパス接続するバイパス配管と、
   　前記バイパス配管を開閉するバイパスバルブと、
   　前記駆動部および前記バイパスバルブを制御する制御部と、
   　を備え、
   　前記圧縮機を起動する際に、前記制御部は、前記駆動部による前記圧縮機の起動前または前記圧縮機の回転速度が昇速している途中で前記バイパスバルブを開状態にすることで、前記圧縮機内の気体の少なくとも一部を前記バイパス配管を介して前記吸込側配管または前記他の低圧システムに圧送することを特徴とする圧縮システム。
2. 　前記吐出側配管を開閉する吐出側バルブと、
   　前記吸込側配管を開閉する吸込側バルブと、
   　をさらに備え、
   　前記バイパス配管の一端は、前記吐出側バルブより上流側に接続され、
   　前記バイパス配管の他端は、前記吸込側バルブよりも上流側または前記他の低圧システムに接続されることを特徴とする請求項１に記載の圧縮システム。
3. 　前記圧縮機を起動する際、前記制御部は、前記吐出側バルブおよび前記吸込側バルブは閉状態とすることを特徴とする請求項２に記載の圧縮システム。
4. 　気体を圧縮する圧縮機と、
   　前記圧縮機を駆動する駆動部と、
   　前記圧縮機の吐出口に接続された吐出側配管と、
   　前記圧縮機の吸込口に接続された吸込側配管と、
   　前記吐出側配管と前記吸込側配管または他の低圧システムとをバイパス接続するバイパス配管と、
   　前記バイパス配管を開閉するバイパスバルブと、
   　を備える圧縮システムの起動方法であって、
   　前記駆動部を介して前記圧縮機を回転させるステップと、
   　前記圧縮機の起動前または前記圧縮機の回転速度が昇速している途中で前記バイパスバルブを開状態にすることで、前記圧縮機内の気体の少なくとも一部を前記バイパス配管を介して前記吸込側配管または前記他の低圧システムに圧送するステップと、
   　を備えることを特徴とする圧縮システムの起動方法。
5. 　前記圧縮システムは、
   　前記吐出側配管を開閉する吐出側バルブと、
   　前記吸込側配管を開閉する吸込側バルブと、
   　をさらに備え、
   　前記バイパス配管の一端は、前記吐出側バルブより上流側に接続され、
   　前記バイパス配管の他端は、前記吸込側バルブよりも上流側または前記他の低圧システムに接続されることを特徴とする請求項４に記載の圧縮システムの起動方法。
6. 　前記吐出側バルブおよび前記吸込側バルブを閉状態とするステップをさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の圧縮システムの起動方法。

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