WO2019097571A1 - 天然ガス液化装置、及び天然ガス液化装置の設計方法 - Google Patents

天然ガス液化装置、及び天然ガス液化装置の設計方法 Download PDF

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智英 村岡
翔 藤崎
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    • F28B1/00—Condensers in which the steam or vapour is separate from the cooling medium by walls, e.g. surface condenser
    • F28B1/06—Condensers in which the steam or vapour is separate from the cooling medium by walls, e.g. surface condenser using air or other gas as the cooling medium

Definitions

  • the present invention relates to a technique for providing an air-cooled heat exchanger in a natural gas liquefier.
  • An NG liquefaction apparatus for liquefying natural gas cools various fluids to be cooled, such as a refrigerant for liquefying and supercooling NG, and a refrigerant for precooling NG before liquefaction. It has a cooler.
  • Patent Document 1 describes an example using an air-cooled heat exchanger (ACHE: Air-Cooled Heat Exchanger) as the cooler.
  • the ACHE cools the fluid to be cooled by forcibly taking in air using a rotary fan and supplying the cooling air toward a tube bundle in which the tubes to which the fluid to be cooled flow is bundled.
  • ACHE is designed and manufactured so as to be able to take a predetermined amount of heat from the fluid to be cooled at a designed flow rate under a preset temperature condition.
  • ACHE may be provided on the upper surface side of a frame rack including a pipe rack that holds a pipe through which a fluid handled by the NG liquefier flows.
  • ACHE placed at such a high position is susceptible to the surrounding weather, and there is a possibility that the change in weather may affect the cooling capacity.
  • Patent Document 1 does not describe any technique for suppressing the influence of surrounding weather for ACHE provided in the NG liquefaction apparatus.
  • the present invention has been made under such a background, and is provided with an air-cooled heat exchanger which is less susceptible to ambient weather and can stably exhibit the cooling capacity of the fluid to be cooled.
  • an air-cooled heat exchanger which is less susceptible to ambient weather and can stably exhibit the cooling capacity of the fluid to be cooled.
  • a natural gas liquefier and a method of designing the same.
  • the natural gas liquefying apparatus of the present invention is a natural gas liquefying apparatus for liquefying natural gas,
  • a plurality of air-cooled heat exchangers having fans and Among the plurality of air-cooled heat exchangers, the air-cooled heat exchangers provided at least along the surface on which the wind blows on the frame have a differential pressure of the cooling air before and after passing through the tube bundle.
  • Including a high differential pressure type air-cooled heat exchanger having the ability to supply cooling tube having a preset set air volume to the tube bundle under a preset design differential pressure in the range of 200 to 1000 Pa. It features.
  • the natural gas liquefier may have the following features.
  • the high differential pressure type air-cooled heat exchanger is for cooling a refrigerant used for cooling another fluid as the fluid to be cooled.
  • the other fluid is a liquefaction refrigerant used for liquefying natural gas or natural gas, and the refrigerant performs at least one of precooling of the natural gas, liquefaction, or cooling of the liquefaction refrigerant
  • the high differential pressure air-cooled heat exchanger is a condenser or subcooler of the refrigerant.
  • the frame is a pipe rack configured to hold a collection of piping through which the fluid handled by the natural gas liquefying device flows, and is rectangular when viewed from the upper surface side, and wind is applied to the frame
  • the surface to be sprayed is the surface on the long side of the rectangle.
  • the present invention supplies cooling air of a set air volume set in advance under a design differential pressure within the range of 200 to 1000 Pa of the differential pressure of the cooling air before and after passing through the tube bundle to the natural gas liquefier. Since a high differential pressure type air-cooled heat exchanger having a capacity is provided, the influence of air volume reduction due to pressure increase is relatively small, so a natural gas liquefier capable of operating in a stable state can be configured. .
  • FIG. 1A is a block diagram schematically showing the structure of the NG liquefaction apparatus 1.
  • the NG liquefaction apparatus 1 is a pretreatment unit 11 that removes various impurities such as mercury, acid gas (such as hydrogen sulfide, mercaptan, carbon dioxide), water, heavy components, etc. contained in NG produced from the well source.
  • a liquefying unit 12 for liquefying / supercooling the NG after the impurities have been removed by using a refrigerant.
  • the liquefied natural gas (LNG: Liquefied Natural Gas) obtained by the NG liquefier 1 is stored in the LNG tank 13 and is then shipped to the outside via an LNG tanker or the like.
  • LNG Liquefied Natural Gas
  • liquefaction refrigerants nitrogen, methane, ethane, propane are used as refrigerants (hereinafter, also referred to as “liquefaction refrigerants”) used for liquefying / supercooling NG which is another fluid.
  • a mixed refrigerant MR: Mixed Refrigerant
  • the liquefying unit 12 adopts the single refrigerant method single refrigerants of propane, ethylene and methane are used as the refrigerant.
  • the liquefied LNG may be supercooled using a nitrogen expander cycle in addition to the above-described refrigerant.
  • temperature control of LNG may be performed by vaporizing (end flushing) a part of the LNG.
  • the liquefaction unit 12 further includes a liquefaction refrigerant cycle 121 which compresses the refrigerant vaporized by heat exchange with the compressor 31, cools and liquefies it with a cooler, and liquefies it, and supplies the refrigerant to the liquefaction unit 12 again.
  • a liquefaction refrigerant cycle 121 which compresses the refrigerant vaporized by heat exchange with the compressor 31, cools and liquefies it with a cooler, and liquefies it, and supplies the refrigerant to the liquefaction unit 12 again.
  • an air-cooled heat exchanger (ACHE) 2 is used as these coolers.
  • the cooler that employs ACHE 2 may be a condenser that condenses the compressed refrigerant, or may be a subcooler that subcools the refrigerant after being liquefied.
  • FIG. 1A which is a schematic view, only one set of the compressor 31 and ACHE 2 is shown in the liquefaction refrigerant cycle 121, but the set of the compressor 31 and ACHE 2 is connected in series according to the pressure stage of the refrigerant. You may provide in multiple numbers.
  • a plurality of liquefaction refrigerant cycles 121 including the compressor 31 and the ACHE 2 may be provided in parallel to the liquefying unit 12 according to the handling amount of the refrigerant and the like.
  • FIG. 1 (b) is a block schematically showing the configuration of the NG liquefier 1 having a pre-cooling unit 14 for cooling the other fluid before being liquefied, which is another fluid, using a pre-cooling refrigerant.
  • a precooling refrigerant used for NG precooling a single refrigerant of propane, a mixed refrigerant of ethane and propane, or the like is used.
  • the precooling unit 14 heat exchange between the NG and the precooling refrigerant is performed via a heat exchanger (not shown). Further, the pre-cooling unit 14 is provided with a pre-cooling refrigerant cycle 141 which compresses the refrigerant vaporized by heat exchange with the compressor 31 and then cools and liquefies it with a cooler and resupplys to the pre-cooling unit 14.
  • ACHE2 is used also as these coolers.
  • the cooler that employs ACHE 2 may be either a cooler for reducing the temperature of the compressed refrigerant, a condenser for condensing the refrigerant, or a subcooler for supercooling the refrigerant after being liquefied.
  • the NG liquefying device 1 shown in FIG. 1 (b) extracts a part of the precooling refrigerant after being liquefied / supercooled from the precooling refrigerant cycle 141, and is supplied to the liquefying part 12 as another fluid.
  • a refrigerant cooling cycle 142 for cooling the previous liquefaction refrigerant is also provided.
  • the precooling refrigerant flowing through the refrigerant cooling cycle 142 cools the liquefaction refrigerant on the liquefaction refrigerant cycle 121 side by the cooler 32 and then returns to the inlet of the compressor 31 on the precooling refrigerant cycle 141 side.
  • a plurality of pre-cooling refrigerant cycles 141 including the compressor 31 and the ACHE 2 may be provided in parallel to the pre-cooling unit 14. Further, a plurality of refrigerant cooling cycles 142 may be connected in parallel to the precooling refrigerant cycle 141.
  • ACHE 2 may be provided in various processes provided in the pretreatment unit 11 as well. is there.
  • ACHE2 may be employed as a condenser for condensing the vapor extracted from the top of the amine absorbing solution regeneration column.
  • FIG. 2 shows an example of a plot plan of the NG liquefier 1.
  • a group of equipment (equipment groups PL 1 and PL 2) constituting the NG liquefier 1 are arranged in an array with the pipe rack 6 interposed therebetween.
  • the equipment group PL1 and PL2 may be towers or heat exchangers that are static devices as devices configuring the removal process of various impurities that configure the pre-processing unit 11, or devices that configure the pre-cooling unit 14 and the liquefaction unit 12.
  • a pump that is a moving device is provided.
  • the broken line in FIG. 2 shows the arrangement area 100 of these facilities.
  • each pipe rack 6 is configured as an elongated rectangular frame structure viewed from the upper surface side, and NG and various refrigerants (liquefaction refrigerant and precooling refrigerant) exchanged between the devices constituting the above-mentioned equipment groups PL1 and PL2 Hold a plurality of pipes 61 (a collection of pipes 61) through which the
  • a preheating refrigerant cycle 141, a temperature reduction device for the refrigerant cooling cycle 142, a condenser, ACHE 2 constituting a subcooler, and the like are disposed.
  • the number of ACHE2 installed in the precooling refrigerant cycle 141 and the refrigerant cooling cycle 142 is large, and even when a few to several tens of ACHE2 are used to constitute a condenser, a subcooler, a condenser, etc. is there. For this reason, there are also NG liquefaction devices 1 provided with nearly 100 ACHE 2 as a whole depending on the scale.
  • the NG liquefier 1 of this example for example, three ACHEs 2 are arranged in a row along the short side direction of the rectangular on the upper surface of the rectangular pipe rack 6 as viewed from the upper surface side, A large number of sets of these ACHE 2 are arranged along the long side direction of the rectangle.
  • FIG. 4 shows a configuration example of the suction type ACHE 2.
  • ACHE 2 is a tube bundle 230 in which a large number of tubes 23 in which a fluid to be cooled (the refrigerant for liquefaction and the refrigerant for pre-cooling described above, other fluids handled by the process of the pre-processing unit 11, etc.) flows is bundled And a fan 22 disposed on the upper side of 230.
  • a fluid to be cooled the refrigerant for liquefaction and the refrigerant for pre-cooling described above, other fluids handled by the process of the pre-processing unit 11, etc.
  • the tube bundle 230 is open at the top and bottom, and can flow cooling air from the bottom to the top through the gaps between the adjacent tubes 23. Further, a frame constituting the side peripheral portion of the tube bundle 230 is fixed to the upper surface of the frame constituting the pipe rack 6.
  • the rotation center of the fan 22 is connected to an upper end portion of a rotation shaft 222 which is disposed to extend in the vertical direction.
  • the lower side of the rotation shaft 222 penetrates the tube bundle 230, and the lower end portion of the rotation shaft 222 is connected to a rotation drive unit 221 disposed below the tube bundle 230.
  • the rotary drive unit 221 includes a fan pulley 223 provided at the lower end of the rotary shaft 222 and a motor pulley on the rotary shaft side of a rotary motor 226 arranged laterally of the fan pulley 223.
  • the drive belt 225 may be wound around and the rotation shaft 222 may be rotated via the drive belt 225.
  • the rotary shaft 222 may be connected to a rotary motor.
  • a duct 21 is provided in a region from the upper surface of the frame surrounding the tube bundle 230 to the upper side through the side of the fan 22 and through which the air passing through the tube bundle 230 flows.
  • each ACHE 2 The outline of the design method of each ACHE 2 will be described based on the processing capacity of each device in the pretreatment unit 11 and the liquefying unit 12 (pre-cooling unit 14) derived from the design production amount of LNG in the NG liquefaction apparatus 1,
  • the flow rate of the fluid to be cooled passing through the tube 23 and the temperature difference between the inlet temperature and the outlet temperature are set.
  • the amount of heat exchange per unit time between the fluid to be cooled and the cooling air (design temperature fixed: eg 30 ° C.) passing through the tube bundle 230 is determined from the flow rate of the fluid to be cooled and the temperature difference.
  • a value obtained by adding a predetermined margin to the heat exchange amount per unit time described above is a design heat exchange amount, and the material, thickness, diameter and heat transfer area of the tube 23 (total surface area of the tube 23) Determine the design variables such as the number of passages (passes) provided in one tube bundle 230, the number of stacked rows of tubes 23 in the height direction, and the distance between adjacent tube bundles 230. .
  • the air volume of the cooling air passing through the tube bundle 230 (the air volume set in the normal operation of the ACHE 2) is determined according to the heat exchange amount described above and the structure on the tube bundle 230 side. Then, in consideration of a pressure loss (a pressure difference before and after the cooling air passes through the tube bundle 230) when the cooling air passes through the tube bundle 230, the cooling air having the set air volume flows through the tube bundle 230. The size, the number, the number of revolutions per unit time, and the power of the rotary motor 226 are determined as can be done.
  • the NG liquefaction apparatus 1 cools various fluids to be cooled using the ACHE 2 described above, and produces LNG of a predetermined production amount (for example, a designed production amount).
  • ACHE 2 is designed to realize a designed amount of heat exchange when it is operated under an environment less susceptible to the change of weather, such as in a factory.
  • the ACHE 2 provided in the actual NG liquefaction apparatus 1 may change in heat exchange amount due to the influence of the change of the weather.
  • the inventors pay attention to the wind blowing on the pipe rack 6, and the cooling capacity of a part of the ACHE 2 among a large number of ACHE 2 provided in the pipe rack 6 is relatively determined by the wind direction and the wind speed of the wind. It has been found that it may drop significantly.
  • FIGS. 2 and 5 the mechanism of ACHE2 performance degradation will be described.
  • the predetermined time zone of the day For example, in the installation area of the NG liquefier 1 shown in FIG. 2, as indicated by the white arrow in the figure, the predetermined time zone of the day, the predetermined season of the year, the weather condition and the geographical condition It is assumed that a strong wind W tends to blow in a fixed direction for a long period of time in accordance with the other wind directions.
  • the NG liquefying device 1 shown in FIG. 2 shows an example in which the wind W is blown to the surface of the long side of the pipe rack 6a on one side of the two systems of pipe racks 6a and 6b.
  • the ACHE 2 (ACHE 2 provided in the area A surrounded by the one-dot chain line in FIG. 2) arranged relatively on the surface to which the wind W blows is relatively It was found that the cooling capacity may be greatly reduced.
  • FIG. 5 is an explanatory view showing the mechanism of the above-mentioned reduction of the cooling capacity, and schematically shows the upper portion of the pipe rack 6 viewed from the direction intersecting the direction in which the wind W blows.
  • FIG. 5 when the wind W blows on the side surface of the pipe rack 6, the wind W collides with ACHE 2 located on the upstream side in the flow direction of the wind W. A part of the wind W which collides with ACHE2 turns to the upper surface side of ACHE2 from which cooling air is discharged. As a result, by forming a region where the flow of the wind W is concentrated on the upper surface side, the pressure P2 on the exhaust side of the ACHE 2 rises.
  • the pressure P 1 of the take-side ACHE2 under the influence of dynamic pressure with a pipe rack 6 of Frames structure that the wind W blows through is reduced. Furthermore, on the upper side of the side surface of the pipe rack 6, a structure such as a seal plate (windproof board) for suppressing the fluctuation of the air volume caused by direct blowing of ACHE 2 into the ACHE 2 and a structure 62 such as a cross beam constituting the main body of the pipe rack 6. May exist. Such a structure 62 may wind up a portion of the wind W flowing into the pipe rack 6 to form a vortex.
  • This pressure P 1 of the take side ACHE2 is reduced by. As described above, reduces the pressure P 1 of the take-side ACHE2, the pressure P 2 on the exhaust side is increased, the differential pressure across the cooling air passes through ACHE2 rises.
  • FIG. 6 shows the air volume Q of the ACHE 2 [Nm 3 / s] and the differential pressure ⁇ P [ ⁇ ] between the intake side and the exhaust side of the ACHE 2 (the differential pressure when the cooling air passes through the tube bundle 230 .
  • ⁇ P that in [Delta] P TB is normalized (P 2 -P 1) / shows the [Delta] P TB) and relationships.
  • ⁇ P D 0
  • air volume Q' differential pressure ⁇ P decreases to ( ⁇ Q D). It is considered that the decrease in the flow rate of the cooling air due to the above-mentioned differential pressure increase is the cause of the decrease in the cooling capacity of the ACHE 2 provided along the surface on which the wind W is blown against the pipe rack 6.
  • the inventors focused on the differential pressure ⁇ P TB before and after the cooling air passes through the tube bundle 230 (see FIG. 4).
  • FIG. 4 In the vertical cross-sectional side view of ACHE 2 shown in FIG. 4, there is also shown a pressure distribution chart schematically showing pressure changes of the cooling air, viewed along the flow direction from the suction side to the exhaust side (described later) The same applies to the vertical sectional side view of the push-in ACHE 2 'shown in FIG.
  • the differential pressure ⁇ P TB before and after the cooling air passes through the tube bundle 230 is about 50 Pa, and the differential pressure is about 100 to 150 Pa even with the large tube bundle 230. Then, the differential pressure increase of 20 Pa due to the wind W has an influence corresponding to about 13 to 40% of the differential pressure of ACHE 2 (tube bundle 230). For this reason, as shown in FIG. 6, the reduction width (Q D -Q ') of the air volume of the cooling air accompanying the differential pressure increase from ⁇ P D to ⁇ P' also becomes large.
  • the NG liquefier 1 of this example is for cooling before and after passing through the tube bundle 230 under the condition that the cooling air of the set air volume flows so that the influence of the differential pressure increase due to the wind W becomes relatively small.
  • ACHE2a (hereinafter referred to as "high differential pressure type ACHE2a"), which has a larger air differential pressure than before, is adopted.
  • the differential pressure of the tube bundle 230 is designed to be a value within the range of 200 to 1000 Pa, preferably within the range of 250 to 800 Pa.
  • the method for increasing the differential pressure of the tube bundle 230 is not limited to a specific method, but the number of stacked stages of the tubes 23 in the tube bundle 230 may be increased compared to, for example, the conventional ACHE 2 A louver may be provided on the outlet side to adjust its inclination. In this way, the fan 22 and the rotation drive unit 221 having the ability to supply the cooling air of the set air volume are provided to the tube bundle 230 designed to have a larger differential pressure than in the past.
  • the high differential pressure type ACHE 2 a having a large differential pressure described above may be adopted as part of a large number of ACHEs 2 provided on the pipe rack 6.
  • the NG liquefier 1 includes a plurality of pipe racks 6 (6a, 6b), and a large number of ACHEs 2 are provided side by side on the upper surface of each pipe rack 6a, 6b, the NG liquefier 1 is provided.
  • the direction in which the strong wind W blows over a relatively long period is grasped.
  • ACHE 2 provided along the surface on which the wind W blows (ACHE 2 in the area surrounded by a dashed line in FIG. 2) It is sufficient if at least the high differential pressure type ACHE 2a is included.
  • the differential pressure and height of the tube bundle 230 necessary for stably operating the NG liquefier 1 are high.
  • the arrangement position of the differential pressure type ACHE 2a, the influence of the wind W on the high differential pressure type ACHE 2a, and the like can be grasped more accurately.
  • the design of the NG liquefier 1 (the design of the pipe rack 6 equipped with a large number of ACHEs 2) utilizing CFD can be carried out based on the following steps.
  • Step 1 The arrangement position of the pipe rack 6 (6a, 6b), which is a frame on which the devices constituting the NG liquefier 1 are provided, is determined.
  • Step 2 Next, when the plurality of ACHEs 2 are provided side by side on the upper surface of the pipe rack 6 arranged at the arrangement position determined in (Step 1), the air flow at the installation positions of the plurality of ACHEs 2 is numerically Calculated by fluid dynamics analysis.
  • the pressure difference between the cooling air before and after passing through the tube bundle 230 is 200 to 1000 Pa at least in the ACHE 2 provided along the surface on which the wind W blows the pipe rack 6.
  • the cooling air of a preset set air volume (for example, an air volume capable of realizing the heat exchange amount per unit time described above with the fluid to be cooled) at a preset design differential pressure within the range A CFD model is created to calculate the flow of cooling air under conditions installed so as to include the high differential pressure type ACHE 2a having the ability to supply the tube bundle 230.
  • Step 2 the calculation by the CFD model is performed under the conditions in which the direction and speed of the wind W blown against the pipe rack 6 are set based on the results of the above-described preliminary research and the like.
  • the air volume of the cooling air in (2a) may be confirmed.
  • the air volume Q Q from the set air volume Q D is operated It can be confirmed that it is equal to or more than the preset minimum air volume Q MIN in management (see FIG. 6).
  • the differential pressure in the tube bundle 230 of the high differential pressure type ACHE 2a may be insufficient, so increase the number of stacked stages of the tubes 23 or increase the louver inclination.
  • Differential pressure adjustment is performed by adjusting. Then, a CFD model is created for the pipe rack 6 equipped with the differential pressure-adjusted high differential pressure type ACHE 2a, and again, under the conditions where the wind W described above blows, the air volume Q ′ ′ is a preset minimum air volume Q MIN or more Make sure that
  • the wind speed set when checking the air volume Q ′ ′ by CFD is set to a value within the range of 5 to 10 m / s, for example, excluding the wind speed during abnormal weather where the frequency of occurrence of storms and the like is low.
  • the minimum air flow Q MIN is 70 to 70 of the set air flow Q D under the design differential pressure ⁇ P D in consideration of the margin set at the time of design of the high differential pressure type ACHE 2 a and the cooling capacity compensated by other ACHE 2 etc. It is set to a value within the range of 90%.
  • the conventional ACHE 2 is provided in all positions of the upper surface of the pipe rack 6 in (Step 2). It is also possible to make a calculation to check the air volume Q ′ ′ by creating a CFD model, and, of the ACHE 2 disposed on the surface to which the wind W blows, the difference in height at the position where the air volume Q ′ ′ falls below the minimum air volume Q MIN. The arrangement position may be determined to provide the pressure type ACHE 2a.
  • the direction of the wind W blowing against the pipe rack 6 changes according to the time and the season, for example, there are a plurality of directions in which the strong wind W blows over a relatively long period of time
  • the above-described design studies using CFD may be performed for these multiple wind directions.
  • the high differential pressure type ACHE 2a may be provided not only in the area A surrounded by the alternate long and short dash line in the pipe rack 6a shown in FIG.
  • the differential pressure of the cooling air before and after passing through the tube bundle 230 has a capability to supply the cooling air of the set air volume set in advance under the design differential pressure within the range of 200 to 1000 Pa to the NG liquefier 1 Since the high differential pressure type ACHE 2a is provided, the influence of the air volume reduction due to the pressure increase is relatively small, so that the NG liquefier 1 capable of operating in a stable state can be configured.
  • ACHE2 which can constitute high differential pressure type ACHE2a is not limited to suction type ACHE2 shown in FIG.
  • the high differential pressure type ACHE 2a can be configured also by the indentation type ACHE 2 'by adjusting the number of stacking stages of the tubes 23 and the inclination of the louvers on the outlet side.
  • components common to those of the suction type ACHE 2 described with reference to FIG. 4 are given the same reference numerals as those used in FIG. 4.
  • a member denoted by reference numeral 227 is a support member which is connected to the frame main body of the pipe rack 6 or the like and supports the rotation drive unit 221.
  • all of the ACHEs 2 provided on the upper surface of the pipe rack 6 may be configured by the high differential pressure type ACHE 2a.
  • the high differential pressure type ACHE 2a is included in the ACHE 2 provided at least along the surface of the pipe rack 6 along which the wind W is blown.
  • ACHE 2 (2a) is held by the pipe rack 6 holding a plurality of pipes 61 is shown.
  • a configuration may be adopted in which the ACHE 2 (2a) is not provided on the upper surface of the pipe rack 6, and a dedicated frame for holding the ACHE 2 (2a) is provided in the site of the NG liquefier 1.
  • the said structure is also corresponded to the frame provided with the apparatus which comprises NG liquefaction apparatus.
  • a CFD model is created and analyzed.
  • a CFD model is prepared in which the pipe rack 6 described with reference to FIGS. 1 to 5 is provided with a conventional ACHE 2 having a pressure difference ⁇ P TB of 50 Pa before and after the cooling air passes through the tube bundle 230, The pressure distribution under the condition of a wind of 4.6 m / s from the direction shown in FIG. 5 and the air volume of the cooling air in ACHE 2 were calculated.
  • the software of CFD analysis used FLUENT (registered trademark) of ANSYS.
  • the relative flow rate of the cooling air in ACHE2 disposed at a position a 2 shown in FIG. 2 is disposed at a position a 1.
  • the ACHE 2 at the position a 1 had a reduction of 8% in the air volume of the cooling air with respect to the ACHE 2 at the position a 2 . From this, it can be confirmed that the formation of the pressure distribution shown in FIG. 8 can cause a reduction in the volume of the cooling air in ACHE 2 provided along the surface on which the wind W is blown to the pipe rack 6.

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Abstract

【課題】周囲の気象の影響を受けにくく、被冷却流体の冷却能力を安定して発揮することが可能な空冷式熱交換器を備えた天然ガス液化装置などを提供する。 【解決手段】天然ガスを液化する天然ガス液化装置１において、架構６の上面には、天然ガス液化装置１にて取り扱われる被冷却流体を冷却するための複数の空冷式熱交換器２が並べて設けられ、複数の空冷式熱交換器２のうち、少なくとも架構６に対し風Ｗが吹き付ける面に沿って並べて設けられた空冷式熱交換器２は、被冷却流体が流れるチューブ２３を束ねたチューブバンドル２３０を通過する前後の冷却用空気の差圧が２００～１０００Ｐａの範囲内の予め設定された設計差圧下にて、予め設定された設定風量の冷却用空気を供給する能力を有する高差圧型の空冷式熱交換器２ａを含む。

Description

天然ガス液化装置、及び天然ガス液化装置の設計方法
　本発明は、天然ガス液化装置に空冷式熱交換器を設ける技術に関する。
　天然ガス（ＮＧ：Natural Gas）の液化を行うＮＧ液化装置は、ＮＧを液化・過冷却するための冷媒や、液化前のＮＧの予冷を行うための冷媒などの各種の被冷却流体を冷却するクーラーを備える。特許文献１には、当該クーラーとして、空冷式熱交換器（ＡＣＨＥ：Air-Cooled Heat Exchanger）を用いた例が記載されている。
　ＡＣＨＥは、回転式のファンを用いて空気を強制的に取り込み、被冷却流体が流れるチューブを束ねたチューブバンドルに向けて冷却用空気を供給することにより、被冷却流体の冷却を行う。ＮＧ液化装置において、ＡＣＨＥは、予め設定された気温条件下で、設計流量の被冷却流体から所定の熱量を奪うことができるように設計、製造されたものが設置されている。
　一方で、ＡＣＨＥは、ＮＧ液化装置にて取り扱われる流体が流れる配管を保持するパイプラックをはじめとする架構の上面側に設けられる場合がある。このように高い位置に設けられているＡＣＨＥは、周囲の気象の影響を受け易く、気象の変化が冷却能力にまで影響を及ぼすおそれもある。
　しかしながら特許文献１には、ＮＧ液化装置に設けられるＡＣＨＥについて、周囲の気象の影響を抑える技術は何ら記載されていない。
国際公開第００／０２９７９７号
　本発明は、このような背景の下になされたものであり、周囲の気象の影響を受けにくく、被冷却流体の冷却能力を安定して発揮することが可能な空冷式熱交換器を備えた天然ガス液化装置、及びその設計方法を提供する。
　本発明の天然ガス液化装置は、天然ガスを液化する天然ガス液化装置において、
　前記天然ガス液化装置を構成する機器が設けられる架構と、
　前記架構の上面に並べて設けられ、前記天然ガス液化装置にて取り扱われる被冷却流体が流れるチューブを束ねたチューブバンドルと、前記チューブバンドルに対し冷却用空気を供給し、前記被冷却流体を冷却するためのファンとを有する複数の空冷式熱交換器と、を備え、
　前記複数の空冷式熱交換器のうち、少なくとも前記架構に対し風が吹き付ける面に沿って並べて設けられた空冷式熱交換器は、前記チューブバンドルを通過する前後の前記冷却用空気の差圧が２００～１０００Ｐａの範囲内の予め設定された設計差圧下にて、予め設定された設定風量の冷却用空気を前記チューブバンドルに供給する能力を有する高差圧型の空冷式熱交換器を含むことを特徴とする。
　前記天然ガス液化装置は以下の特徴を備えていてもよい。
（ａ）前記高差圧型の空冷式熱交換器は、被冷却流体として、他の流体の冷却に用いられる冷媒の冷却を行うためのものであること。　
（ｂ）前記他の流体は、天然ガス、または天然ガスの液化に用いられる液化用冷媒であり、前記冷媒は、前記天然ガスの予冷、液化、または液化用冷媒の冷却の少なくとも１つを行うための冷媒であることと、前記高差圧型の空冷式熱交換器は、前記冷媒の凝縮器、または過冷却器であること。　
（ｃ）前記架構は、天然ガス液化装置にて取り扱われる流体が流れる配管の集合体を保持すると共に、上面側から見て長方形に構成されたパイプラックであることと、前記架構に対し風が吹き付ける面は、前記長方形の長辺側の面であること。
　本発明は、天然ガス液化装置に対し、チューブバンドルを通過する前後の冷却用空気の差圧が２００～１０００Ｐａの範囲内の設計差圧下にて予め設定された設定風量の冷却用空気を供給する能力を有する高差圧型の空冷式熱交換器を設けるので、圧力上昇による風量低下の影響が相対的に小さいため、安定した状態で稼働することが可能な天然ガス液化装置を構成することができる。
ＮＧ液化装置の概要を示すブロック図である。 前記ＮＧ液化装置内の設備のレイアウトを示す平面図である。 前記ＮＧ液化装置内の設備のレイアウトを示す側面図である。 前記ＮＧ液化装置に設けられた吸込型のＡＣＨＥの縦断側面図である。 ＡＣＨＥにて冷却用空気の風量が低下するメカニズムを示す説明図である。 ＡＣＨＥにおける冷却用空気の流量と、チューブバンドルを通過する前後の冷却用空気の差圧との関係を示す説明図である。 押込型のＡＣＨＥの縦断側面図である。 ＣＦＤにより計算したＡＣＨＥの周囲の圧力分布図である。
　始めに、本実施の形態が適用される天然ガス（ＮＧ）液化装置１の概略構成について説明する。　
　図１（ａ）は、ＮＧ液化装置１の構成を模式的にしたブロック図である。ＮＧ液化装置１は、井戸元より産出されたＮＧ中に含まれる水銀、酸性ガス（硫化水素、メルカプタン、二酸化炭素など）、水分や重質分などの各種の不純物の除去を行う前処理部１１と、不純物が除去された後のＮＧを、冷媒を用いて冷却し、液化・過冷却する液化部１２とを備える。ＮＧ液化装置１にて得られた液化天然ガス（ＬＮＧ：Liquefied Natural Gas）は、ＬＮＧタンク１３に貯蔵された後、ＬＮＧタンカーなどを介して外部に出荷される。
　液化部１２が混合冷媒方式を採用している場合、他の流体であるＮＧの液化・過冷却に用いられる冷媒（以下、「液化用冷媒」ともいう）には、窒素、メタン、エタン、プロパンなどを含む混合冷媒（ＭＲ：Mixed Refrigerant）が用いられる。また、液化部１２が単体冷媒方式を採用している場合、冷媒にはプロパン、エチレン、メタンの各単体冷媒が用いられる。　
　なお、液化した後のＬＮＧは、上述の冷媒に加えて窒素エキスパンダーサイクルを利用して過冷却してもよい。また、ＬＮＧの一部を気化（エンドフラッシュ）させることにより、ＬＮＧの温度調整を行う場合もある。
　液化部１２においては、不図示の熱交換器を介してＮＧと上述の冷媒との間の熱交換が行われる。さらに液化部１２は、熱交換により気化した冷媒をコンプレッサー３１で圧縮した後、クーラーで冷却、液化し、液化部１２へと再供給する液化用冷媒サイクル１２１を備えている。本例では、これらのクーラーとして、空冷式熱交換器（ＡＣＨＥ）２を用いている。　
　ＡＣＨＥ２を採用するクーラーは、圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器であってもよいし、液化した後の冷媒を過冷却する過冷却器であってもよい。
　模式図である図１（ａ）においては、液化用冷媒サイクル１２１にコンプレッサー３１とＡＣＨＥ２との組を１つだけ示してあるが、冷媒の圧力段階に応じてコンプレッサー３１とＡＣＨＥ２との組を直列に複数設けてもよい。また、冷媒の取扱量などに応じてコンプレッサー３１とＡＣＨＥ２とを備えた複数の液化用冷媒サイクル１２１を液化部１２に対して並列に複数設けてもよい。
　次に、図１（ｂ）は、予冷用冷媒を用いて、他の流体である、液化される前のＮＧを冷却する予冷部１４を備えたＮＧ液化装置１の構成を模式的にしたブロック図である。ＮＧの予冷に用いられる予冷用冷媒としては、プロパンの単体冷媒やエタンとプロパンとの混合冷媒などが用いられる。
　予冷部１４においては、不図示の熱交換器を介してＮＧと予冷用冷媒との間の熱交換が行われる。さらに予冷部１４は、熱交換により気化した冷媒をコンプレッサー３１で圧縮した後、クーラーで冷却、液化し、予冷部１４へと再供給する予冷用冷媒サイクル１４１が設けられている。本例では、これらのクーラーとしても、ＡＣＨＥ２を用いている。　
　ＡＣＨＥ２を採用するクーラーは、圧縮された冷媒を減温する減温器、冷媒を凝縮させる凝縮器、液化した後の冷媒を過冷却する過冷却器のいずれであってもよい。
　また、図１（ｂ）に示すＮＧ液化装置１は、液化・過冷却された後の予冷用冷媒の一部を予冷用冷媒サイクル１４１から抜き出し、他の流体として、液化部１２に供給される前の液化用冷媒を冷却するための冷媒冷却サイクル１４２を併設した構成となっている。冷媒冷却サイクル１４２を流れる予冷用冷媒は、冷却器３２にて液化用冷媒サイクル１２１側の液化用冷媒を冷却したあと、予冷用冷媒サイクル１４１側のコンプレッサー３１の入口に戻される。
　予冷部１４においても、コンプレッサー３１とＡＣＨＥ２とを備えた複数の予冷用冷媒サイクル１４１を予冷部１４に対して並列に複数設けてもよい。また、予冷用冷媒サイクル１４１に複数の冷媒冷却サイクル１４２を並列に接続してもよい。
　また、ＡＣＨＥ２は、図１（ａ）、（ｂ）を用いて説明した液化用冷媒や予冷用冷媒の冷却に用いられる他、前処理部１１に設けられている各種プロセスにも設けられる場合がある。　
　例えば、酸性ガスの除去プロセスにて、アミン吸収液を用いる場合に、アミン吸収液の再生塔の塔頂部から抜き出された蒸気を凝縮させる凝縮器としてＡＣＨＥ２を採用してもよい。
　図２は、ＮＧ液化装置１のプロットプランの一例を示している。ＮＧ液化装置１の敷地内には、パイプラック６を挟んで、ＮＧ液化装置１を構成する設備の群（設備群ＰＬ１、ＰＬ２）が整列配置されている。　
　例えば設備群ＰＬ１、ＰＬ２には、前処理部１１を構成する各種不純物の除去プロセスを構成する機器や、予冷部１４や液化部１２を構成する機器として、静機器である塔槽や熱交換器や、動機器であるポンプなどが設けられている。図２中の破線は、これらの設備の配置領域１００を示している。
　図２に示すように、本例のＮＧ液化装置１には、２系統のパイプラック６（６ａ、６ｂ）が、隣り合って並列に配置されている。各パイプラック６は、上面側から見て細長い長方形の架構構造体として構成され、上述の設備群ＰＬ１、ＰＬ２を構成する機器間で授受されるＮＧや各種冷媒（液化用冷媒や予冷用冷媒）などが流れる複数の配管６１（配管６１の集合体）を保持している。
　前記パイプラック６の上面には、既述の液化部１２に設けられている液化用冷媒サイクル１２１の凝縮器や過冷却器を構成するＡＣＨＥ２、また予冷部１４が設けられている場合には、予冷用冷媒サイクル１４１や冷媒冷却サイクル１４２の減温器、凝縮器、過冷却器を構成するＡＣＨＥ２などが配置されている。特に、予冷用冷媒サイクル１４１、冷媒冷却サイクル１４２に設けられるＡＣＨＥ２は設置台数が多く、数台～数十台のＡＣＨＥ２を用いて凝縮器、過冷却器や凝縮器などを構成している場合もある。このため、規模によっては全体として１００台近くのＡＣＨＥ２を備えたＮＧ液化装置１も存在する。
　図２に示すように、本例のＮＧ液化装置１は、上面側から見て長方形のパイプラック６の上面に、前記長方形の短辺方向に沿って例えば３台のＡＣＨＥ２を並べて１組とし、前記長方形の長辺方向に沿って、これらＡＣＨＥ２の組を多数組、並べた構成となっている。
　パイプラック６の上面に設けられるＡＣＨＥ２の一例として、図４は吸込型のＡＣＨＥ２の構成例を示している。　
　ＡＣＨＥ２は、被冷却流体（既述の液化用冷媒や予冷用冷媒、その他、前処理部１１のプロセスにて取り扱われる流体など）が流れる多数本のチューブ２３を束ねたチューブバンドル２３０と、チューブバンドル２３０の上方側に配置されたファン２２とを備える。
　チューブバンドル２３０は、上下両面が開放され、隣り合うチューブ２３の隙間を介して、下から上へ向かって冷却用空気を通流させることができる。またチューブバンドル２３０の側周部分を構成する枠体は、パイプラック６を構成する架構の上面に固定されている。
　ファン２２の回転中心は、上下方向へ伸びるように配置された回転軸２２２の上端部と連結されている。回転軸２２２の下部側はチューブバンドル２３０を貫通し、その下端部は、当該チューブバンドル２３０の下方に配置された回転駆動部２２１と接続されている。
　例えば図４に示すように、回転駆動部２２１は、回転軸２２２の下端部に設けられたファンプーリー２２３と、当該ファンプーリー２２３の側方に配置された回転モーター２２６の回転軸側のモータープーリー２２４とに駆動ベルト２２５を捲回し、駆動ベルト２２５を介して回転軸２２２を回転させる構成としてもよい。　
　また、回転軸２２２を回転モーターに連結した構成としてもよい。
　チューブバンドル２３０を囲む枠体の上面から、ファン２２の側方を経てその上方側に至る領域には、チューブバンドル２３０を通過した空気を通流させるダクト２１が設けられている。　
　上述の構成を備えたＡＣＨＥ２のファン２２を回転させると、チューブバンドル２３０を下方側から上方側へ通過する空気の流れが形成され、各チューブ２３の表面に冷却用の空気が供給されることにより、チューブ２３内を流れる被冷却流体の冷却が行われる。
　各ＡＣＨＥ２の設計手法の概要を述べておくと、ＮＧ液化装置１におけるＬＮＧの設計生産量から導き出される前処理部１１、液化部１２（予冷部１４）内の各機器の処理能力などに基づき、チューブ２３を通過する被冷却流体の流量、及び入口温度と出口温度との温度差が設定される。これら被冷却流体の流量、温度差から、被冷却流体と、チューブバンドル２３０を通過する冷却用空気（設計温度固定：例えば３０℃）との間の単位時間当たりの熱交換量が決定される。
　そして、上述の単位時間当たりの熱交換量に対し、所定のマージンを加えた値を設計上の熱交換量として、チューブ２３の材質、肉厚、直径や伝熱面積（チューブ２３の総表面積）、１つのチューブバンドル２３０内に設けられる流路（pass）数、高さ方向へのチューブ２３の積み上げ段（row）数、隣り合って配置されるチューブバンドル２３０の間隔などの設計変数を決定する。
　また、上述の熱交換量やチューブバンドル２３０側の構造に応じて、チューブバンドル２３０を通過する冷却用空気の風量（ＡＣＨＥ２の通常運転時の設定風量）が決定される。そして、冷却用空気がチューブバンドル２３０を通過する際の圧力損失（冷却用空気がチューブバンドル２３０を通過する前後の差圧）を考慮し、前記設定風量の冷却用空気がチューブバンドル２３０を通流することができるように、ファン２２のサイズ、枚数、単位時間あたりの回転数や回転モーター２２６の動力が決定される。　
　ＮＧ液化装置１は、以上に説明したＡＣＨＥ２を用いて各種被冷却流体の冷却を行い、所定の生産量（例えば設計生産量）のＬＮＧを生産する。
　ここで一般に、ＡＣＨＥ２は、例えば工場内などのように、気象の変化の影響を受けにくい環境下で稼働させた場合に、設計上の熱交換量を実現できるように設計されている。しかしながら、実際のＮＧ液化装置１に設けられたＡＣＨＥ２は、気象の変化の影響を受けて熱交換量が変動してしまう場合もある。
　この点につき、発明者らは、パイプラック６に吹き付ける風に着目し、当該風の風向や風速によって、パイプラック６に多数台設けられたＡＣＨＥ２のうち、一部のＡＣＨＥ２の冷却能力が比較的大きく低下してしまう場合があることを見出した。　
　以下、図２、５を参照しながら、ＡＣＨＥ２の能力低下のメカニズムについて説明する。
　例えば図２に示すＮＧ液化装置１の設置エリアにおいて、同図中に白抜きの矢印で示すように、１日のうちの所定の時間帯や１年のうちの所定の季節、天候条件や地理的条件などに応じて、他の風向きと比べて長い期間、一定の方向へ向けて強い風Ｗが吹く傾向があるとする。　
　図２に示すＮＧ液化装置１は、２系統のパイプラック６ａ、６ｂのうち、一方側のパイプラック６ａの長辺側の面に風Ｗが吹き付ける例を示している。
　上述ように、所定の方向から風が吹き付けると、当該風Ｗが吹き付ける面に並べて設けられたＡＣＨＥ２（図２中に一点鎖線で囲んだ領域Ａ内に設けられているＡＣＨＥ２）にて、比較的大きく冷却能力が低下する場合があることが分かった。
　図５は、上述の冷却能力の低下のメカニズムを示す説明図であり、風Ｗが吹き付ける向きと交差する方向から見たパイプラック６の上部を模式的に示している。　
　図５に示すように、パイプラック６の側面に風Ｗが吹き付けると、この風Ｗの流れ方向の上流側に位置するＡＣＨＥ２に風Ｗが衝突する。ＡＣＨＥ２に衝突した風Ｗの一部は、冷却用空気が排出されるＡＣＨＥ２の上面側に回り込む。この結果、当該上面側に風Ｗの流れが集中する領域が形成されることにより、ＡＣＨＥ２の排気側の圧力Ｐ２が上昇する。
　一方、ＡＣＨＥ２の下面側においては、架構構造のパイプラック６内を風Ｗが吹き抜けることに伴う動圧の影響を受けてＡＣＨＥ２の取込側の圧力Ｐ１が低下する。　
　さらにパイプラック６の側面の上部側には、ＡＣＨＥ２に風が直接吹き込むことによる風量の変動を抑制するためのシールプレート（防風板）や、パイプラック６の本体を構成する横梁などの構造物６２が存在する場合がある。このような構造物６２は、パイプラック６内に流れ込む風Ｗの一部を巻き込んで渦を形成する場合がある。このことによってもＡＣＨＥ２の取込側の圧力Ｐ１が低下する。　
　上述のように、ＡＣＨＥ２の取込側の圧力Ｐ１が低下し、排気側の圧力Ｐ２が上昇すると、冷却用空気がＡＣＨＥ２を通過する前後の差圧が上昇する。
　ここで、図６は、ＡＣＨＥ２の風量Ｑ[Ｎｍ３／ｓ]と、ＡＣＨＥ２の取込側と排気側との差圧ΔＰ［－］（冷却用空気がチューブバンドル２３０を通過する際の差圧ΔＰＴＢで規格化してある。ΔＰ＝（Ｐ２－Ｐ１）／ΔＰＴＢ）との関係を示している。
　図６によると、設計時の取込側と排気側との差圧ΔＰＤ（ＡＣＨＥ２の取込側、排気側はいずれも大気圧の条件下なので、通常はΔＰＤ＝０）のとき、設定風量ＱＤの冷却用空気を供給できるように構成されたＡＣＨＥ２において、差圧がΔＰ’まで上昇すると、風量はＱ’（＜ＱＤ）まで低下する。　
　上述の差圧上昇に伴う冷却用空気の風量の低下が、パイプラック６に対して風Ｗが吹き付ける面に沿って設けられたＡＣＨＥ２の冷却能力の低下の原因となっているものと考えられる。
　一方で、下流側に位置するＡＣＨＥ２においては、風Ｗが吹き付ける面に位置するＡＣＨＥ２と比較して、ＡＣＨＥ２の上面側に回り込んだ風Ｗの集中による圧力Ｐ２の上昇幅は小さくなり、パイプラック６内を吹き抜ける風Ｗも次第に流速が低下し、動圧の影響による圧力Ｐ１の低下幅も小さくなる。また、構造物６２から遠い位置では渦の形成に伴う圧力Ｐ１の低下も生じにくい。このため、下流側に位置するＡＣＨＥ２においては、風Ｗの影響による冷却能力の低下幅は小さい。
　以上に説明したＡＣＨＥ２の冷却能力の低下について、複数台のＡＣＨＥ２を用いて被冷却流体の冷却を行う場合には、これらのＡＣＨＥ２の全体で必要な冷却能力が発揮されていれば、一部のＡＣＨＥ２の冷却能力低下の問題は顕在化しない。また、一部のＡＣＨＥ２における冷却能力低下を他のＡＣＨＥ２でカバーしきれなかったとしても、代替手段（例えば冷媒の凝縮器を構成するＡＣＨＥ２が能力低下した場合に、冷媒コンプレッサーの吐出圧を上げる運転調整）で冷却能力の低下を補えることができれば、ＬＮＧの生産量には影響がない。
　これらの事情から、従来、多数台設けられているＡＣＨＥ２について、冷却用空気の風量を個別に管理することは行われていなかった。このため、図５を用いて説明した、風Ｗが吹き付ける面に沿って設けられたＡＣＨＥ２における冷却能力低下の問題も把握されていなかった。
　しかしながら、代替手段によるＡＣＨＥ２の冷却能力の補完は、ＮＧ液化装置１のエネルギー消費量の増加（例えば冷媒コンプレッサーの吐出圧を上げるための動力消費増加）につながってしまう。また、代替手段として用いられた調整項目については、調整余力（冷媒コンプレッサーの吐出圧を上げて冷却能力を補完している場合には、当該吐出圧の調整余力）を小さくしてしまい、本来の目的での運転調整を阻害してしまうおそれもある。　
　これらの事情から、パイプラック６上のどの位置に設けられているＡＣＨＥ２についても、風Ｗの向きや速さにより冷却能力の低下が生じにくい構成を備えていることが好ましい。
　このような課題を解決する手段として、発明者らは、冷却用空気がチューブバンドル２３０を通過する前後での差圧ΔＰＴＢに着目した（図４参照）。図４に示すＡＣＨＥ２の縦断側面図には、吸込側から排気側へ向けての流れ方向に沿って見た、冷却用空気の圧力変化を模式的に示す圧力分布図を併記してある（後述の図７に示す押込型のＡＣＨＥ２’の縦断側面図においても同様）。
　評価計算の結果によると、図２、５に示すＮＧ液化装置１の例において、５メートル／秒程度の風Ｗがパイプラック６の長辺と直交する方向から吹き付けると、風Ｗが吹き付ける面に沿って設けられたＡＣＨＥ２では、取込側の圧力Ｐ１の低下と排気側の圧力Ｐ２の上昇とが発生し、差圧ΔＰが２０Ｐａ程度上昇すると予想される。　
　一方、従来のＡＣＨＥ２において、冷却用空気がチューブバンドル２３０を通過する前後の差圧ΔＰＴＢは５０Ｐａ程度、差圧が大きなチューブバンドル２３０であっても１００～１５０Ｐａ程度である。そうすると、風Ｗによる２０Ｐａの差圧上昇は、ＡＣＨＥ２（チューブバンドル２３０）の差圧の１３～４０％程度に相当する影響がある。このため、図６に示すようにΔＰＤからΔＰ’への差圧上昇に伴う冷却用空気の風量の低下幅（ＱＤ－Ｑ’）も大きくなってしまう。
　そこで、本例のＮＧ液化装置１は、風Ｗによる差圧上昇の影響が相対的に小さくなるように、設定風量の冷却用空気が流れる条件下で、チューブバンドル２３０を通過する前後の冷却用空気の差圧が従来よりも大きなＡＣＨＥ２ａ（以下、「高差圧型ＡＣＨＥ２ａ」という）を採用している。チューブバンドル２３０の差圧は、２００～１０００Ｐａの範囲、好適には２５０～８００Ｐａの範囲内の値となるように高差圧型ＡＣＨＥ２ａの設計を行う。
　風Ｗの影響による差圧の上昇は、風Ｗの向きや速さの違いに応じて変化するが、既述の２０Ｐａの差圧上昇が発生する条件下では、ＡＣＨＥ２（チューブバンドル２３０）の差圧に対する差圧上昇の影響を２～１０％程度に抑えることができる。この結果、図６に示すようにΔＰＤからの差圧上昇をΔＰ”（＜ΔＰ’）に抑え、差圧上昇に伴う冷却用空気の風量の低下幅（ＱＤ－Ｑ”）を低減することができる。
　チューブバンドル２３０の差圧を大きくする手法は、特定の方法に限定されないが、例えば従来のＡＣＨＥ２と比較してチューブバンドル２３０内におけるチューブ２３の積み上げ段数を多くしてもよいし、チューブバンドル２３０の出口側にルーバーを設け、その傾きを調整してもよい。こうして、従来よりも差圧が大きくなるように設計されたチューブバンドル２３０に対し、設定風量の冷却用空気を供給できる能力を有するファン２２や回転駆動部２２１を設ける。
　以上に説明した差圧の大きな高差圧型ＡＣＨＥ２ａは、パイプラック６上に設けられる多数のＡＣＨＥ２のうちの一部に採用してもよい。　
　例えば図２に示すように、ＮＧ液化装置１が複数のパイプラック６（６ａ、６ｂ）を備え、各パイプラック６ａ、６ｂの上面に多数のＡＣＨＥ２が並べて設けられる場合には、ＮＧ液化装置１の建設前の事前調査の段階で比較的、長い期間に亘って強い風Ｗが吹く方向を把握しておく。そして、当該風Ｗの流れ方向の上流側に位置するパイプラック６ａに対し、風Ｗが吹き付ける面に沿って並べて設けられたＡＣＨＥ２（図２中に一点鎖線で囲んで示した領域内のＡＣＨＥ２）について、少なくとも高差圧型ＡＣＨＥ２ａが含まれる構成となっていればよい。
　このとき、風Ｗが吹き付ける面に沿って並べて設けられた全てのＡＣＨＥ２について高差圧型ＡＣＨＥ２ａを設けることは必須の要件ではなく、風Ｗの影響による差圧上昇に伴う風量の低下が顕著なＡＣＨＥ２についてのみ高差圧型ＡＣＨＥ２ａを採用してもよい。　
　一方で既述のように、従来のＮＧ液化装置１においては個別のＡＣＨＥ２の風量管理が行われていないところ、風Ｗが吹いたときの冷却用空気の風量の変化や、ＡＣＨＥ２の配置位置に応じた冷却用空気の風量変化の違いなどを定量的に把握することは困難である。
　そこで、本例においては、多数台のＡＣＨＥ２が設けられたパイプラック６の設計にあたってＣＦＤを活用することにより、ＮＧ液化装置１を安定して稼働させるうえで必要なチューブバンドル２３０の差圧、高差圧型ＡＣＨＥ２ａの配置位置、高差圧型ＡＣＨＥ２ａに対する風Ｗの影響などを、より正確に把握する。
　ＣＦＤを活用したＮＧ液化装置１の設計（多数台のＡＣＨＥ２を備えたパイプラック６の設計）は、以下の工程に基づき実施することができる。　
　（工程１）ＮＧ液化装置１を構成する機器が設けられる架構であるパイプラック６（６ａ、６ｂ）の配置位置を定める。
　（工程２）次いで、（工程１）で決定された配置位置に配置されたパイプラック６の上面に、複数のＡＣＨＥ２を並べて設けた場合の、これら複数のＡＣＨＥ２の設置位置における空気の流れを数値流体力学解析により計算する。　
　前記（工程２）の実施にあたっては、少なくともパイプラック６に対し風Ｗが吹き付ける面に沿って並べて設けられるＡＣＨＥ２には、チューブバンドル２３０を通過する前後の冷却用空気の差圧が２００～１０００Ｐａの範囲内の予め設定された設計差圧下にて、予め設定された設定風量（例えば被冷却流体との間で、既述の単位時間当たりの熱交換量を実現可能な風量）の冷却用空気をチューブバンドル２３０に供給する能力を有する高差圧型ＡＣＨＥ２ａが含まれるように設置する条件下で、冷却用空気の流れを計算するＣＦＤモデルを作成する。
　さらに前記（工程２）においては、既述の事前調査の結果などに基づき、パイプラック６に対し吹き付ける風Ｗの向きや速さを設定した条件下で、前記ＣＦＤモデルによる計算を行い、各ＡＣＨＥ２（２ａ）における冷却用空気の風量を確認してもよい。この結果、風Ｗが吹き付ける面に沿って並べて設けられる高差圧型ＡＣＨＥ２ａにおいて、設定風量ＱＤからＱ”に冷却用空気の風量が低下している場合であっても、当該風量Ｑ”が運転管理上、予め設定された最低風量ＱＭＩＮ以上となっていることを確認することができる（図６参照）。
　風量Ｑ”が最低風量ＱＭＩＮ未満である場合には、高差圧型ＡＣＨＥ２ａのチューブバンドル２３０における差圧が不足している可能性があるので、チューブ２３の積み上げ段数を増やしたり、ルーバーの傾きを調整したりすることにより差圧調整を行う。　
　そして、差圧調整した高差圧型ＡＣＨＥ２ａを備えたパイプラック６につき、ＣＦＤモデルを作成し、再度、既述の風Ｗが吹き付ける条件下で、風量Ｑ”が予め設定された最低風量ＱＭＩＮ以上となっていることを確認する。
　ここで、ＣＦＤにより風量Ｑ”の確認を行う際に設定する風速は、暴風などの発生頻度が低い異常天候時の風速を除いた条件、例えば５～１０メートル／秒の範囲内の値に設定する場合を例示することができる。　
　また、最低風量ＱＭＩＮは、高差圧型ＡＣＨＥ２ａの設計時に設定されるマージンや、他のＡＣＨＥ２で補われる冷却能力などを考慮して、設計差圧ΔＰＤ下での設定風量ＱＤの７０～９０％の範囲内の値に設定される。
　この他、上述のＣＦＤを用いて高差圧型ＡＣＨＥ２ａを備えたパイプラック６の設計を行う他の手法として、（工程２）にて、パイプラック６の上面の全ての位置に従来のＡＣＨＥ２を設けたＣＦＤモデルを作成して風量Ｑ”を確認する計算を行ってもよい。そして、風Ｗが吹き付ける面に配置されたＡＣＨＥ２のうち、風量Ｑ”が最低風量ＱＭＩＮを下回った位置に高差圧型ＡＣＨＥ２ａを設けるように配置位置の決定を行ってもよい。
　さらにまた、事前調査により、パイプラック６に対し吹く風Ｗの向きが、例えば時刻や季節に応じて変わるなどの理由により、比較的、長い期間に亘って強い風Ｗが吹く方向が複数存在する場合には、ＣＦＤを利用した上述の設計検討をこれら複数の風向きに対して実行してもよい。　
　この結果、図２に示すパイプラック６ａの一点鎖線で囲んだ領域Ａ以外に、例えばパイプラック６ｂ側の一点鎖線Ｂで囲んだ領域にも高差圧型ＡＣＨＥ２ａを設けてもよい。
　以上に説明した手順に基づいて風Ｗの影響の確認や高差圧型ＡＣＨＥ２ａの配置位置の決定を行い、この結果を、実際のＮＧ液化装置１の詳細な設計や建設に活用する。
　本実施の形態によれば以下の効果がある。ＮＧ液化装置１に対し、チューブバンドル２３０を通過する前後の冷却用空気の差圧が２００～１０００Ｐａの範囲内の設計差圧下にて予め設定された設定風量の冷却用空気を供給する能力を有する高差圧型ＡＣＨＥ２ａを設けるので、圧力上昇による風量低下の影響が相対的に小さいため、安定した状態で稼働することが可能なＮＧ液化装置１を構成することができる。
　ここで、高差圧型ＡＣＨＥ２ａを構成することが可能なＡＣＨＥ２は、図４に示した吸込型のＡＣＨＥ２に限定されるものではない。例えば図７に示すように押込型のＡＣＨＥ２’においても、チューブ２３の積み上げ段数や出口側のルーバーの傾き調整などにより、高差圧型ＡＣＨＥ２ａを構成することができる。　
　図７において、図４を用いて説明した吸込型のＡＣＨＥ２と共通の構成要素には、図４にて用いたものと共通の符号と付してある。図７中、符号２２７を付した部材は、パイプラック６の架構本体などに接続され、回転駆動部２２１を支持する支持部材である。
　この他、高差圧型ＡＣＨＥ２ａの配置のバリエーションを例示すると、パイプラック６の上面に設けられるＡＣＨＥ２の全てを高差圧型ＡＣＨＥ２ａにより構成してもよい。この場合にも、少なくともパイプラック６に対し風Ｗが吹き付ける面に沿って並べて設けられたＡＣＨＥ２には、高差圧型ＡＣＨＥ２ａが含まれた状態となっている。
　さらにここで、図２～５、７を用いて説明した例では、複数の配管６１を保持するパイプラック６によって、ＡＣＨＥ２（２ａ）を保持した場合を示した。この例の他、パイプラック６の上面にはＡＣＨＥ２（２ａ）を設けず、ＡＣＨＥ２（２ａ）を保持するための専用の架構をＮＧ液化装置１の敷地内に設けた構成を採用してもよい。当該架構もＮＧ液化装置を構成する機器が設けられた架構に相当する。
（シミュレーション）
　図５を用いて説明した冷却用空気の風量低下のメカニズムを検証するため、ＣＦＤモデルを作成して解析を行った。　
Ａ．シミュレーション条件　
　（実施例）図１～５を用いて説明したパイプラック６に、冷却用空気がチューブバンドル２３０を通過する前後の差圧ΔＰＴＢが５０Ｐａである従来のＡＣＨＥ２を設けたＣＦＤモデルを作成し、図５に示す方向から４．６メートル／秒の風が吹く条件下での圧力分布、及びＡＣＨＥ２における冷却用空気の風量を計算した。ＣＦＤ解析のソフトウェアは、ＡＮＳＹＳ社のＦＬＵＥＮＴ（登録商標）を用いた。　
Ｂ．シミュレーション結果　
　実施例に係るＣＦＤの計算を行って得られたパイプラック６の周囲の圧力分布を図８に示す。　
　シミュレーションの結果によると、パイプラック６に対して風Ｗが吹き付ける面に沿って設けられたＡＣＨＥ２の取込側の圧力Ｐ１が低下し（図８中に「低圧領域」と記載）、排気側の圧力Ｐ２が上昇する（同図中に「高圧領域」と記載）現象が確認された。従って、図５を用いて説明したメカニズムに対応する現象が実際に生じ得ることが確認された。
　また、図２に示した位置ａ２に配置されているＡＣＨＥ２における冷却用空気の風量に対する、位置ａ１に配置されているＡＣＨＥ２の冷却用空気の風量の比を計算した。この結果、位置ａ１のＡＣＨＥ２は、位置ａ２のＡＣＨＥ２に対して冷却用空気の風量が８％低下していた。　
　このことから、図８に示す圧力分布の形成により、パイプラック６に対して風Ｗが吹き付ける面に沿って設けられたＡＣＨＥ２における冷却用空気の風量低下が引き起こされ得ることを確認できた。
１　　　　　ＮＧ液化装置
１１　　　　前処理部
１２　　　　液化部
１２１　　　液化用冷媒サイクル
１４　　　　予冷部
１４１　　　予冷用冷媒サイクル
１４２　　　冷媒冷却サイクル
２　　　　　ＡＣＨＥ
２ａ　　　　高差圧ＡＣＨＥ
２３　　　　チューブ
２３０　　　チューブバンドル
６　　　　　パイプラック

 

Claims (9)

  1. 　天然ガスを液化する天然ガス液化装置において、
    　前記天然ガス液化装置を構成する機器が設けられた架構と、
    　前記架構の上面に並べて設けられ、前記天然ガス液化装置にて取り扱われる被冷却流体が流れるチューブを束ねたチューブバンドルと、前記チューブバンドルに対し冷却用空気を供給し、前記被冷却流体を冷却するためのファンとを有する複数の空冷式熱交換器と、を備え、
    　前記複数の空冷式熱交換器のうち、少なくとも前記架構に対し風が吹き付ける面に沿って並べて設けられた空冷式熱交換器は、前記チューブバンドルを通過する前後の前記冷却用空気の差圧が２００～１０００Ｐａの範囲内の予め設定された設計差圧下にて、予め設定された設定風量の冷却用空気を前記チューブバンドルに供給する能力を有する高差圧型の空冷式熱交換器を含むことを特徴とする天然ガス液化装置。
  2. 　前記高差圧型の空冷式熱交換器は、被冷却流体として、他の流体の冷却に用いられる冷媒の冷却を行うためのものであることを特徴とする請求項１に記載の天然ガス液化装置。
  3. 　前記他の流体は、天然ガス、または天然ガスの液化に用いられる液化用冷媒であり、前記冷媒は、前記天然ガスの予冷、液化、または液化用冷媒の冷却の少なくとも１つを行うための冷媒であることと、
    　前記高差圧型の空冷式熱交換器は、前記冷媒の凝縮器、または過冷却器であることと、を特徴とする請求項２に記載の天然ガス液化装置。
  4. 　前記架構は、天然ガス液化装置にて取り扱われる流体が流れる配管の集合体を保持すると共に、上面側から見て長方形に構成されたパイプラックであることと、
    　前記架構に対し風が吹き付ける面は、前記長方形の長辺側の面であることと、を特徴とする請求項１に記載の天然ガス液化装置。
  5. 　天然ガスを液化する天然ガス液化装置の設計方法において、
    　前記天然ガス液化装置を構成する機器が設けられる架構の配置位置を定める工程と、
    　前記配置位置に配置された架構の上面に、前記天然ガス液化装置にて取り扱われる被冷却流体が流れるチューブを束ねたチューブバンドルと、前記チューブバンドルに対し冷却用空気を供給し、前記被冷却流体を冷却するためのファンとを有する複数の空冷式熱交換器を並べて設けた場合の、これら複数の空冷式熱交換器の設置位置における空気の流れを数値流体力学解析により計算する工程と、を含み、
    　前記複数の空冷式熱交換器のうち、少なくとも前記架構に対し風が吹き付ける面に沿って並べて設けられる空冷式熱交換器には、前記チューブバンドルを通過する前後の前記冷却用空気の差圧が２００～１０００Ｐａの範囲内の予め設定された設計差圧下にて、予め設定された設定風量の冷却用空気を前記チューブバンドルに供給する能力を有する高差圧型の空冷式熱交換器が含まれるように設置する条件下で、前記空気の流れを計算する工程を実施することを特徴とする天然ガス液化装置の設計方法。
  6. 　前記空気の流れを計算する工程にて、前記架構に対し吹き付ける風の風速を５～１０メートル／秒の範囲内の値に設定したとき、前記設定風量よりも小さく、且つ、予め設定された最低風量以上の風量の冷却用空気が前記チューブバンドルに供給されることを確認することを特徴とする請求項５に記載の天然ガス液化装置の設計方法。
  7. 　前記被冷却流体として、他の流体の冷却に用いられる冷媒の冷却を行う空冷式熱交換器について、前記高差圧型の空冷式熱交換器が含まれるように設置する条件下で前記空気の流れを計算する工程を実施することを特徴とする請求項５に記載の天然ガス液化装置の設計方法。
  8. 　前記他の流体は、天然ガス、または天然ガスの液化に用いられる液化用冷媒であり、前記冷媒は、前記天然ガスの予冷、液化、または液化用冷媒の少なくとも１つの冷却を行う冷媒であることと、
    　前記冷媒の凝縮器、または過冷却器について、前記高差圧型の空冷式熱交換器が含まれるように設置する条件下で前記空気の流れを計算する工程を実施することと、を特徴とする請求項７に記載の天然ガス液化装置の設計方法。
  9. 　前記配置位置を定める工程にて配置される架構は、前記天然ガス液化装置にて取り扱われる流体が流れる配管の集合体を保持すると共に、上面側から見て長方形に構成されたパイプラックであることと、
    　前記架構に対し風が吹き付ける面は、前記長方形の長辺側の面であることと、を特徴とする請求項５に記載の天然ガス液化装置の設計方法。

     
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