(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パイプライン中の加圧流体の減圧のためのシステムであって、
前記パイプライン中の前記加圧流体をより低い圧力へと膨張させるための少なくとも１つの減圧機と、
超臨界流体の循環のための遷移臨界ヒートポンプと、を備え、
前記加圧流体の少なくとも一度の膨張の前に、前記パイプライン中の前記加圧流体への伝達のために熱を放出するように、前記超臨界流体が冷却される、システム。
【請求項２】
前記パイプライン中の前記加圧流体への熱の伝達のための少なくとも１つの熱交換器を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記熱交換器は、前記パイプライン中の前記加圧流体とは向流の配置とされる、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記熱交換器による前記加圧流体の加熱の前に前記加圧流体を膨張させるための、少なくとも１つの減圧機、
加熱された前記加圧流体の事前の膨張に続いて前記加圧流体を膨張させるための、少なくとも１つの減圧機、
およびこれらの組み合わせ、
のうちの少なくとも１つを更に備える、請求項２または３に記載のシステム。
【請求項５】
少なくとも１つの二次伝熱回路が、冷却される前記超臨界流体から前記パイプライン中の前記加圧流体へと熱を伝達する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
膨張する流体から放出されるエネルギーを電気エネルギーへと変換するためのエネルギー発生器を更に備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項７】
前記遷移臨界ヒートポンプは、前記エネルギー発生器によって電力供給される、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
膨張する流体から放出される前記エネルギーは、前記発生器に機械的結合を介して伝達される、請求項６または７に記載のシステム。
【請求項９】
前記遷移臨界ヒートポンプは、外界の熱源と熱的に結合される、請求項１〜８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１０】
冷却される前記超臨界流体は、ＣＯ２、Ｃ２Ｈ６、Ｎ２Ｏ、Ｂ２Ｈ６、Ｃ２Ｈ４、およびこれらの組み合わせから選択される、請求項１〜９のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１１】
前記パイプライン中の前記加圧流体は、天然ガスである、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１２】
加圧流体の減圧前にパイプライン中の前記加圧流体へと熱を伝達するための、ヒートポンプにおける超臨界流体の使用。
【請求項１３】
パイプライン中の加圧流体の加熱のための方法であって、
遷移臨界ヒートポンプを設けるステップと、
前記パイプライン中の前記加圧流体への伝達のために熱を放出するように、超臨界流体を冷却するステップと、を含む、方法。
【請求項１４】
冷却される前記超臨界流体から前記パイプライン中の前記加圧流体への熱の伝達のための、少なくとも１つの二次伝熱回路を設けることを更に含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記パイプライン中の前記加圧流体は、天然ガスである、請求項１３または１４のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧のパイプライン流体における効率的な減圧を提供するためのシステムに関する。本システムは、流体が、液化、固化、またはジュール・トムソン過程の結果としての受け入れ難い温度低下を受けることのない、正味出力の生成を提供しうる。本システムは、特に、見込まれる正味出力生成を行いながら、エネルギーに関して効率的な様式で高圧天然ガスパイプラインの減圧を行うことに関する。
【背景技術】
【０００２】
天然ガスは、高圧パイプラインを通して送られ、大幅に低い圧力でエンドユーザに分配される。一般に、圧力の上昇、および長距離の伝送の間の圧力の維持のために、圧縮ステーションが使用される。異なる地理的設定における伝送ラインのために異なるライン圧力が用いられること、および、エンドユーザまたはシステム上の分水ノードの数および性質に応じた様々な数の段階におけるネットワーク設計要件の順守により、圧力は減少させなければならないことは、特筆に値する。
【０００３】
減圧のプロセスは、通常、小さなオリフィスまたは絞り弁という手段によって達成され、ガス温度の相当な低下をもたらす。当然ながら、温度降下の程度は、生じる減圧の程度に直接比例する。
【０００４】
ジュール・トムソン過程によって引き起こされる温度降下は望ましいものではなく、多くの理由により、回避されるか、少なくとも制限される必要がある。過度の冷却は、パイプおよび付属機器に望ましくない応力をもたらす可能性があり、特定のパイプ塗装およびパイプ材を劣化させる可能性があり、また、パイプライン周囲の土を凍結させ、凍上のリスクをもたらす可能性もある。さらに、ガス自体が、温度低下による液化または固化が下流のネットワークに問題を起こしうる凝縮性の成分を含有しうる。
【０００５】
かかる問題を回避するための最も直接的な方法は、ガス流をその減圧の直前に加熱することである。膨張後のガス温度が、圧力開放時の低温問題を回避するのに十分な高さを維持するように、供給される熱量が制御される。
【０００６】
ガスの一部を燃焼させることは、論理に適った天然ガス減圧ステーションで利用可能な熱源ということができる。減圧ステーションで利用可能な、信頼性があり途切れることのない別の熱源がない限り、通常、高効率ガス燃焼ボイラのバンクが、必要な熱を供給するために配置される。この改善策は効率的であり、一般に実装が容易であるが、ガス中の供給可能なエネルギーのうちのいくらかを消費することによって行われるものである。電力と共に熱を供給するために、ボイラではなく、燃料電池または熱電併給ユニットを使用するという提案がなされてきたが、ガス消費に関するエネルギー損失は依然として存在する。
【０００７】
天然ガスの減圧プロセスにおけるエネルギーの浪費を減少させる、またはなくすための従来技術の方法を以下に説明する。
【０００８】
米国特許第４，６７７，８２７号は、減圧ガスの上流に阻害剤を加えることを説明する。阻害剤の目的は、冷却されたガスの凝縮を防ぐことである。阻害剤が加えられた後、予熱することなく減圧することが可能である。
【０００９】
通常、膨張したガスは外界よりも低温であるため、外界との熱的接触を確立することによって、減圧後の再加熱を達成することが可能である。これは多くの方法で行うことができる。例えば、利用可能な負荷（そのような負荷を見つけることが可能ならば）に対して自由冷却を提供することによって、ガスと外界との間に直接的または間接的な熱交換接続を提供することによって、またはヒートポンプによって供給された熱に受動的熱交換を追加することによって。これらの方法は、結果としてガス燃焼によって生じる熱を節約しながら、再加熱の全てとまではいかないものの、大部分を外界から供給することを可能とする。
【００１０】
このアプローチの問題は、各場所に対して追加の消耗品、すなわち阻害剤を供給すること、およびガス流への阻害剤の導入を測定することに対する必要性を含む。加えて、ガスがエンドユーザに供給される前に阻害剤を回収することも必要となりうる。阻害剤の回収は、追加設備を必要とし、ステーションの複雑性およびその工程を著しく増大させる。
【００１１】
Ｐｏｚｉｖｉｌ（Ａｃｔａ  Ｍｏｎｔａｎｉｓｔｉｃａ  Ｓｌｏｖａｃａ，  Ｒｏｃｎｉｋ  ９  （２００４），  ｃｉｓｌｏ  ３，  ２５８−２６０）は、ガス膨張プロセスにおいて放出された運動エネルギーを、膨張タービンにおける力学的エネルギーへと変換すること、および、多くの場合、それに続いて電力へと変換することを報告する。この電力はその後、電力グリッドへの再供給、その場所の電気的要件の一部または全てを供給するための使用、および、場合によっては膨張ガスに熱を供給するヒートポンプへの電力供給のための使用といった、様々な方法に使用することが可能である。
【００１２】
これらの電力生成方法のいずれかの使用に当たっては、多数の対処すべき点が存在する。第１に、電力生成膨張に伴うガス温度の降下は、時に、同じ終圧に対する、絞り膨張に伴うガス温度降下よりも大きくなるという事実がある。この冷却が膨張機の燃焼ガス上流によって相殺される場合、再加熱プロセスは、最も効率的な膨張機−発生器ユニットによる場合であってさえ、生成されるエネルギーよりも多くのエネルギーを消費するであろう。生成される電気エネルギーの利用のためのステーションで利用可能な常時の電気負荷も存在するはずである。具体的に表現すれば、これは通常、そこを通して電気がネットワークにフィードバックされる電力系統接続を意味する。いかなる場合であっても、たとえ生成された電力が完全に使用されたとしても、使用可能なエネルギーの純損失が存在する。この装置における消費の正当化を、エネルギー節約以外の要因から探し求める必要がある。
【００１３】
このアプローチの変形例は、膨張機−発生器ユニットに加えて、ＣＨＰユニットを使用することである。ＣＨＰの大きさは、ＣＨＰの熱出力を膨張誘起ガスの冷却の相殺に使用可能とするために必要とされる再加熱の量によって決定される。膨張機−発生器の電気出力はＣＨＰユニットの電気出力に加えられ、両者はグリッドに供給される。両者の電気出力は、オペレータに対する経済的利益を生むが、このアプローチの一次エネルギーおよびＣＯ２に対する利点は、確立するのが比較的容易ではない。ＣＨＰユニットを配置する主な理由はその熱出力を活用することであるので、この部分の燃焼エネルギーは、全体的なスキームにおける犠牲とみなされなければならない。ＣＨＰの役割は、燃料電池で置き換えることが可能であり、その場合も全般的なアプローチは同じである。
【００１４】
膨張後に加熱が行われる場合、ガス流に凝縮阻害剤を加えることが必要となるであろう。実際、非常に大幅な温度降下のために、阻害剤の投与量を増加させることが、効率を維持するために必要となりうる。単一の膨張段階においてさえ生じうる、−８０℃まで達する温度降下による設備の冷却から推測される影響を評価することも必要となるであろう。この方法は、一次エネルギーの大幅な節約を達成することが可能であるが、その実装は、阻害剤追加方法に関連して上述した困難の全てを、より極端な形で示すものである。
【００１５】
米国特許第５，６２８，１９１号は、膨張前にガスを加熱するためのヒートポンプを備えるシステムを伝える。膨張前ヒートポンプアプローチを用いる場合、先に検討した冷却問題（上記を参照）を回避するため、通常の入口温度である５〜１０℃から８０〜９０℃程の温度までガスを加熱するという問題に直面する。非常に高い最終温度を達成することは、いかなる従来のヒートポンプにおいても達成が非常に困難な課題である。加えて、単一パスにおいてそのような大幅な温度上昇を達成する必要性は、ヒートポンプの効率に対して非常に有害な効果を有するであろう。ヒートポンプ効率が最低閾値効率レベルを達成できない場合、プロセスは、更なる追加的な（燃焼）加熱を必要としうる。
【００１６】
米国特許出願公開第２００３／０１７２６６１号は、温度降下をヒートポンプが処理可能な範囲に制限するために、複数の比率の小さな膨張の段階を用いることを記載している。かかるアプローチは、何らの付加的な利益もなく、非常に多くの設備コストおよび複雑性を伴うものでありうる。上述の考察を総合すると、従来のヒートポンプがこの特定の用途において何らかの重要な役割を果たすことは見込めない。
【００１７】
最先端の技術にもかかわらず、流体減圧における冷却に関連する問題を回避するのに十分な程度まで加圧流体を予熱することが可能なシステムの提供は、依然として望ましいことでありうる。システムがエネルギー効率に優れていることは、望ましいことでありうる。さらに、正味出力生成が可能なシステムもまた、望ましいものでありうる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、連続的、またはほぼ連続的なプロセスにおいて減圧される任意の流体の、膨張冷却の効果を最小化するシステムを提供する。本システムは、流体の膨張によって放出されたエネルギーを回収するために用いられうる。
【００１９】
具体的には、本発明は、天然ガスパイプライン減圧プロセスにおける膨張冷却を緩和するために用いられるシステムを提供する。有利なことに、本システムは、天然ガスの膨張冷却のプロセスの間のエネルギーの回収を提供しうる。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
一態様において、本発明は、パイプラインにおける加圧流体の減圧のためのシステムであって、
パイプライン内の加圧流体をより低い圧力へと膨張させるための少なくとも１つの減圧機と、
超臨界（冷媒）流体の循環のための遷移臨界ヒートポンプと、を備え、
加圧流体の少なくとも一度の膨張の前に、パイプライン中の加圧流体への伝達のために熱を放出するように、超臨界流体が冷却される、システムを提供する。
【００２１】
当業者であれば理解するように、超臨界冷媒流体の冷却において、冷媒流体の温度および圧力は、その冷媒流体の臨界温度および臨界圧力以下に下がりうる。そのため、遷移臨界ヒートポンプは、臨界温度および臨界圧力を下回る温度および圧力における冷媒流体の循環のための低圧・低温側も有しうる。遷移臨界ヒートポンプは、
臨界温度および臨界圧力を超える温度および圧力における冷媒流体の循環のための高温・高圧側と、
臨界温度および臨界圧力を下回る温度および圧力における冷媒流体の循環のための低温・低圧側と、を有しうる。
また、遷移臨界ヒートポンプは、臨界温度および臨界圧力を超える温度および圧力における冷媒流体から熱を移動させるための排熱フェイズも備えるものと理解されうる。
【００２２】
本発明のシステムは、パイプライン中の加圧流体へと熱を伝達するための、少なくとも１つの熱交換器を更に備えうる。
【００２３】
冷却される超臨界流体から放出された熱は、加圧流体の少なくとも一度の膨張の前に、パイプライン中の加圧流体へと直接伝達されうる。例えば、冷媒流体は、超臨界に達して、パイプライン中の加圧流体の加熱のための少なくとも１つの熱交換器へと直接導かれうるように、ヒートポンプの中で加熱および圧縮されうる。超臨界流体は、パイプライン中の加圧流体を加熱するために、熱交換器の中で冷却されうる。
【００２４】
反対に、冷却される超臨界流体から放出された熱は、加圧流体の少なくとも一度の膨張の前に、パイプライン中の加圧流体へと間接的に伝達されうる。例えば、これは二次伝熱回路を備えうるものであり、二次伝熱回路は、同様に、パイプライン中の加圧流体の加熱のための少なくとも１つの熱交換器と接続される。加熱された超臨界流体は、二次伝熱回路へと熱を伝達し、それによって二次伝熱回路内の流体（例えば水）を加熱するように、熱交換器の中で冷却されうる。二次伝熱回路内で加熱された流体は、パイプライン中の加圧流体を加熱するため、少なくとも１つの熱交換器へと導かれうる。
【００２５】
本発明のシステムは、超臨界流体によるパイプライン中の加圧流体の間接加熱を提供しうる。有利なことに、超臨界流体による、パイプライン中の加圧流体の間接加熱のための構成は、標準的なヒートポンプパッケージの中で作り上げることが可能である。関連付けられた熱交換器を備える遷移臨界ヒートポンプの導入は、遷移臨界冷却技術ではなく、配管交換技術のみを必要としうる。
【００２６】
本発明のシステムは、熱交換器による加圧流体の加熱前の減圧ステップを除外しない。流入ガスの温度が小程度の減圧を可能とするのに十分な程高ければ、および／または減圧の程度が十分小さければ、液化または固化といった、冷却に関連する問題は回避できるはずである。
【００２７】
加熱された超臨界流体は、加圧流体の膨張の前にパイプライン中の加圧流体を加熱するために、熱交換器内で冷却される。
【００２８】
本明細書で用いられる「遷移臨界ヒートポンプ」の用語は、冷媒流体が遷移臨界サイクルに置かれるヒートポンプ、すなわち冷媒流体が超臨界状態と未臨界状態の間を変遷するヒートポンプに関連付けられる。本発明のシステムにおいて、超臨界流体は、パイプライン中の加圧流体へと熱を放出するための遷移臨界サイクルの一部として、冷却されうる。
【００２９】
望ましいことに、本発明のシステムは、減圧部位における追加の消耗品、例えば凝縮阻害剤を必要とすることなく作動する。このことが、加圧流体パイプライン内の阻害剤の測定、および流体がエンドユーザに供給される前の阻害剤の回収に関連する追加コストを解消する。
【００３０】
本発明のシステムは、超臨界流体の冷却における、（通常の逆ランキンサイクルにおける凝縮に特徴的なほぼ定温の熱供給とは対照的に）長時間継続的に下降する温度勾配を通じて熱を供給する遷移臨界ヒートポンプの能力の結果として、高効率の加熱を提供する。
【００３１】
本発明のシステムにおいて、（遷移臨界ヒートポンプの熱交換器内の）排熱プロセスは、超臨界流体の臨界圧を超える圧力で行われる。したがって、超臨界流体はかなりの高温に達することが可能である。加えて、遷移臨界ヒートポンプ内の排熱プロセスは、単一の凝縮温度というよりも、むしろ広範な温度の範囲で生じる。これが、パイプライン中の加圧流体の高効率の加熱を可能とするので、加圧流体の温度は、加圧流体の膨張冷却に関連付けられた温度降下を緩和するために十分な程上昇することが可能となる。
【００３２】
本発明のシステムは、その場所に（すなわち、システムに戻すように）電気エネルギーを供給することが可能でありうる。流体膨張（減圧）ステップにおいて放出されたエネルギーが利用されうる。利用されるエネルギーは、エネルギー源として本発明のシステムに再供給されうる。例えば、本発明のシステムにおける遷移臨界ヒートポンプは、エネルギー発生器によって電力供給されうる。エネルギー発生器は、流体膨張ステップにおいて放出されたエネルギーによって駆動されうる。
【００３３】
ガスの減圧によって放出されるエネルギーは、遷移臨界ヒートポンプのコンプレッサーへと直接導かれうる。この配置は、発電機およびその関連機器を不要とするため、コスト削減を可能としうる。
【００３４】
代替的に、本発明のシステムは、例えば電力系統接続に電気エネルギーを供給するために、システム外部のエネルギーを供給するように適合されうる。本発明のシステムは、電気系統接続に対する電気エネルギーの供給に加え、本発明のシステムに電気エネルギーを再供給するように適合されうる。
【００３５】
本発明の遷移臨界ヒートポンプは、（熱交換器を通して）外界の熱源と熱的に結合されうる。外界からの熱は、（上述したものと同様に）直接または間接的に冷媒流体へと受け渡されうる。
【００３６】
外界による直接加熱は、冷媒流体と、外界の熱源と結合された熱交換器との間の直接伝熱を含みうる。外界との間接的な結合は、二次伝熱回路を通して達成されうるものであり、二次伝熱回路は、外界熱源熱交換器と結合されて、外界から熱を取り込み、次いで冷媒流体を加熱する。外界の熱源は、空気、地面、地下水、地表水、またはそれらの組み合わせを含む群から選択されうる。これが、ヒートポンプによる低温の熱エネルギーの取り入れを可能としうる。外界は、冷媒流体が未臨界状態にある場合に、冷媒流体に熱を提供しうる。
【００３７】
パイプライン中の加圧流体と連通する熱交換器は、パイプライン中の加圧流体に対して向流の配置とされうる。これが、より効率的な排熱をもたらす。
【００３８】
遷移臨界サイクルのための冷媒は、その臨界温度が、およそ２０〜２５℃までの煮沸による蒸発を可能とする程高く、一般的な冷却排熱温度である４０〜８０℃がその臨界温度を超えるという程に低い流体でありうる。この流体は、大きな気化熱を有するものであるべきである。望ましくは、この流体は、十分な潤滑性を提供するために、油との混和性を有する。当業者であれば理解するように、任意の適切な流体が利用されうる。例えば、遷移臨界冷媒は、ＣＯ２、Ｃ２Ｈ６、Ｎ２Ｏ、Ｂ２Ｈ６、Ｃ２Ｈ４から選択されうる。本発明はまた、それらの組み合わせも包含する。遷移臨界冷却を受ける流体は、ＣＯ２でありうる。有利なことに、ＣＯ２は、不燃性かつ非毒性の流体である。更に有利なことに、ＣＯ２はオゾン層破壊係数（ＯＤＰ）がゼロ、地球温暖化係数（ＧＷＰ）が１であり、この点によってＣＯ２は最も魅力的な遷移臨界流体の選択肢の一つとなっている。
【００３９】
本発明のシステムの減圧機は、絞り弁を備えうる。
【００４０】
望ましくは、本発明のシステムは、加熱プロセスにおいて、加圧流体を全く燃焼させることなく、加圧流体の加熱に必要なエネルギーの全てを生成するように構成される。例えば、加圧流体が天然ガスの場合、いかなる天然ガスをも燃焼させることはない。かかるシステムは、エネルギー効率の高いものとなるであろう。
【００４１】
本システムは、膨張する流体によって放出されたエネルギーを電気エネルギーへと変換するためのエネルギー発生器を更に備えうる。望ましくは、パイプライン中の加圧流体は、膨張する流体によって放出されたエネルギーが電気エネルギーへと変換される前に、熱交換器によって加熱される。有利なことに、加圧流体を十分な高温まで加熱することによって、本発明のシステムは、減圧に起因する望ましくない冷却を相殺するための、例えば燃焼による加圧流体の消費をなくしうる。
【００４２】
膨張する流体から放出されたエネルギーは、エネルギー発生器へと伝達されうる。エネルギー発生器は、エネルギー生成のために膨張流体によって駆動される機械的構成要素を含みうる。例えば、加圧流体は、タービンを介して膨張させられうる。１つの望ましい配置において、膨張する加圧流体から放出されるエネルギーは、膨張タービンで利用されうる。望ましくは、パイプライン中の加圧流体は、エネルギー発生器を介した加圧流体の膨張の前に、（熱交換器内で）加熱される。
【００４３】
流体膨張プロセスを利用するエネルギー発生器を備える本発明のシステムは、正味出力生成を提供しうる。電力生成膨張機（例えば、膨張タービン）は、遷移臨界ヒートポンプの稼働に必要とされるエネルギーよりも遥かに多くのエネルギーを生み出すことが可能である。したがって、本発明のシステムは、（パイプライン中の加圧流体へと供給するための）余剰エネルギー、余剰熱、またはこれらの組み合わせを生み出すように構成されうる。
【００４４】
加圧流体の膨張は、例えば１つの膨張タービンおよび１つまたは複数のジュール・トムソン絞り弁といった、１つまたは複数の減圧機に分割されうる。膨張機−発生器ユニットは、ジュール・トムソン絞り弁よりも高価であり、１つの膨張機−発生器ユニットと、複数のジュール・トムソン絞り弁の間で膨張を分割することは、より経済的でありうる。
【００４５】
本発明のシステムは、連続型の配置における複数の減圧機を提供しうる。これは、加圧流体の段階的な膨張を促進しうる。それぞれの減圧機は、それぞれの膨張からエネルギーを生成できるように、エネルギー発生器を介して加圧流体を膨張させうる。あるいは、複数の減圧機のうちの１つが、エネルギー発生器を介して加圧流体を膨張させうる。残りの減圧機は、絞り弁でありうる。
【００４６】
本発明のシステムは、
熱交換器による加圧流体の加熱前に加圧流体を膨張させるための、少なくとも１つの減圧機、
加熱された加圧流体の事前の膨張に続いて加圧流体を膨張させるための、少なくとも１つの減圧機、
およびこれらの組み合わせ、のうちの少なくとも１つを更に備えうる。
【００４７】
本発明のシステムにおいて、熱交換器による加圧流体の加熱前に加圧流体を膨張させるための減圧機を組み込むことは、全体のプロセスに対して有益なものでありうる。加熱流体の僅かな予冷は、ガスライン上の熱交換器のガス入口温度の低下を可能としうる。これは、ヒートポンプの性能係数に対して好ましい効果を有しうるものであり、ヒートポンプの効率を増大させうる。
【００４８】
加圧流体の予備膨張は、単一段階で達成可能な圧力降下の総量を増大させうる。したがって、これは、単独で作動する膨張機−発生器の最大の入口／出口圧力比によって課される制限を超えて、本発明のシステムの全体的な減圧能力を増大させうる。流入ガス温度が小程度の減圧を可能とする程十分に高いならば、液化または固化のような冷却に関連した問題は回避されるはずである。
【００４９】
本発明のシステムにおいて、加熱された加圧流体の事前の膨張に続いて加圧流体を膨張させるための減圧機を組み込むことは、エネルギー生成ガス膨張ステップに起因する冷却を相殺するために必要とされる熱よりも多くの熱を生み出すヒートポンプの能力を緩和する。したがって、更なる減圧機による追加的な冷却が提供されうる。
【００５０】
本発明のシステムは、任意選択的に互いに並列に配置される、複数の減圧ラインを提供しうる。それぞれの減圧ラインは、少なくとも１つの熱交換器を備えうる。あるいは、１つの熱交換器が、続くそれぞれの減圧ラインへの分配のために、加圧流体を加熱しうる。それぞれの減圧ラインは、減圧機を備えうる。それぞれの減圧ラインは、少なくとも１つの減圧機を備えうる。
【００５１】
それぞれの減圧ラインは、エネルギー発生器（膨張機−発生器）を介して加圧流体を膨張させるように構成された、少なくとも１つの減圧機を備えうる。望ましい配置において、１つの減圧ラインが、減圧ラインのそれぞれにおいて流体を加熱するために必要とされるエネルギーを提供しうる、エネルギー発生器を備える。例えば、単一のエネルギー発生器が、単一のヒートポンプまたは複数のヒートポンプに電力供給するためのエネルギーを提供しうる。ヒートポンプに付随する熱交換器は、同じ減圧ラインに、または別個の減圧ラインに配置されうる。あるいは、単一のエネルギー発生器が、単一のヒートポンプ、加圧流体がそれぞれの減圧ラインへと分配される前に加圧流体を加熱する熱交換器エレメントに電力供給するためのエネルギーを提供しうる。
【００５２】
それぞれの減圧ラインは、加圧流体を異なる圧力へと膨張させるように構成されうる。これは、加圧流体、例えば天然ガスが、異なる減圧ラインを介して異なるエンドユーザへと分配される場合に、特に有利な点となる。適切なものとして、本発明のシステムは、互いに並列に配置された２〜５の減圧ラインを提供しうる。
【００５３】
本発明のシステムにおけるパイプライン中の加圧流体は、気体であってもよいことが理解されるであろう。加圧流体は、天然ガスでありうる。
【００５４】
更なる態様において、本発明は、加圧流体の減圧の前にパイプライン中の加圧流体へと熱を伝達するためのヒートポンプにおける超臨界流体の使用を提供する。超臨界流体は、熱交換器の排熱フェイズにおいて冷却されうる。超臨界流体は、パイプライン中の加圧流体へと熱を放出するための遷移臨界サイクルの一部として冷却されうる。超臨界流体の冷却によってもたらされた熱は、直接または間接的に、パイプライン中の加圧流体へと伝達されうる。直接加熱は、超臨界流体とパイプライン中の加圧流体との間の直接伝熱を含みうる。間接伝熱は、流体（例えば水）を含む二次伝熱回路を通して達成されうるものであり、二次伝熱回路は、パイプライン中の加圧流体の加熱のための熱交換器と結合され、パイプライン中の加圧流体を加熱するために冷却される超臨界流体によって加熱される。パイプライン中の加圧流体は、天然ガスでありうる。
【００５５】
更なる態様において、本発明は、パイプライン中の加圧流体を加熱するための方法であって、
遷移臨界ヒートポンプを設けることと、
パイプライン中の加圧流体への伝達のために熱を放出するために超臨界流体を冷却することと、を含む方法を提供する。
【００５６】
超臨界流体は、パイプライン中の加圧流体への熱の放出のための遷移臨界サイクルの一部として冷却されうる。超臨界流体の冷却によってもたらされた熱は、直接または間接的に、パイプライン中の加圧流体へと伝達されうる。直接伝熱は、冷却される超臨界流体からの直接的な熱の伝達、およびパイプライン中の加圧流体と連通する熱交換器を含みうる。遷移臨界ヒートポンプは、加熱された超臨界流体を熱交換器へと直接導きうる。
【００５７】
間接伝熱は、流体（例えば水）を含む二次伝熱回路を通して達成されうるものであり、二次伝熱回路は、パイプライン中の加圧流体を加熱するための熱交換器と結合され、パイプライン中の加圧流体を加熱するために遷移臨界冷却を受ける超臨界流体によって加熱される。パイプライン中の加圧流体は、天然ガスでありうる。
【発明の効果】
【００５８】
本発明のシステムの明快な性質は、その実施が、サービスおよびメンテナンスのための既存の設備からの変更を（もしあるとしても）殆ど必要としないものであることを意味する。本システムの予想される長期の耐用年数と最小限のサービス／調整要件により、優れた費用対効果が見込まれる。
【００５９】
適切なものとして、本発明の一実施形態における全ての選択的および／または追加的特徴は、本発明の別の／他の実施形態の選択的および／または追加的特徴と組み合わされうることが理解されるであろう。
【００６０】
本発明の追加的な特徴および利点は、発明の詳細な説明および図面において説明され、明確なものとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】エネルギー発生器を備える、本発明によるシステムを示す図である。
【図２】加熱前の加圧流体の減圧のための絞り弁を備える、本発明によるシステムを示す図である。
【図３】加圧流体が第１のエネルギー生成膨張に続いて更に膨張される、本発明によるシステムを示す図である。
【図４】加圧流体が複数の場所で減圧される、本発明によるシステムを示す図である。
【図５】２つの並列な減圧ラインを有する、本発明によるシステムを示す図である。
【図６】遷移臨界ヒートポンプに直接結合される機械的結合を有する、本発明によるシステムを示す図である。
【図７】二次熱交換回路を備える、本発明によるシステムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６２】
本明細書で以下に開示する例は、一般化された例のみを示すものであり、本発明を再現可能な他の装置および方法が存在しうること、そしてそれらが本発明に包含されることが、当業者には即座に明白となるであろう。
【００６３】
本発明のシステムは、流体膨張エネルギー変換装置（典型的には、発電機に結合された半径流膨張タービン）、および外界の供給源による遷移臨界ヒートポンプを提供する。外界の熱は、水、空気、または地面のうちの少なくとも１つから調達されうる。高圧天然ガスラインアセンブリにおける減圧のための構成要素の配置を、図１に示す。
【００６４】
パイプ１０１内で流入する高圧ガスは、熱交換器１０２を介して受け取られ、その中で、遷移臨界冷却を受ける冷媒流体によって、好適には向流配置で加熱される。熱交換器からパイプ区分１０３を介して出現するガスの温度は、膨張ステップ後のいかなる低温問題をも防止するのに十分な程度の高水準に維持される。
【００６５】
ガスは、エネルギー生成ガス膨張装置１０４、好適には高効率の半径流膨張タービンへの流入を継続し、その中でガス温度は、流入高圧ガスの温度に近い水準まで再び降下する。パイプ区画１０５内の流出ガスの圧力は、特定のステーションのための設計減圧比により、流入ガス１０１の圧力よりも低い。その後、ガスは、更なる処理ステップ（１または複数の更なる膨張ステップを含みうる）、またはエンドユーザへの分配のための分配システムへと進む。膨張機１０４内で生成されるガス膨張エネルギーは、機械的結合１０６によって、膨張機１０４から発生器１０７へと伝達され、そこで電力へと変換される。
【００６６】
生成された電力の全部または一部は、遷移臨界ヒートポンプユニット１０８に電力供給するために使用される。エネルギー発生器１０７は、ヒートポンプ１０８に直接接続されうる（図示せず）。本開示は、この適用において殆どのヒートポンプを非効率的なものとする、または温度要求を満たすことが不可能なものとするいくつかの問題を克服するために、遷移臨界ヒートポンプ１０８を組み込む。遷移臨界サイクルにおいて、排熱プロセスは冷媒の臨界圧力を超える圧力で行われるので、このプロセスはかなりの高温に達する。加えて、遷移臨界ヒートポンプ内の排熱プロセスは、単一の凝縮温度というよりも、むしろ広範な温度の範囲で生じるので、目下の用途に特によく適合するものとなる。
【００６７】
遷移臨界プロセスの性能係数（ＣＯＰ）は、平均放熱温度によって決定される。これが、超臨界流体の冷却における長時間継続的に下降する温度勾配と相俟って、必要とされる高い最終ガス温度を供給しながら、遷移臨界ヒートポンプが非常に好ましいＣＯＰ値を達成することを可能にする。
【００６８】
排熱要素が上述の熱交換器１０２であるヒートポンプ１０８は、圧縮機、蒸発器、内部熱交換器、および遷移臨界ヒートポンプサイクルの作動に必要とされる他の構成要素も備える。圧縮機、熱交換器、流量制御装置、および内部冷媒回路要素は、遷移臨界システムのための冷却／ヒートポンプ工業界で使用される任意のタイプのものでありうる。高温高圧の冷媒流体は、加熱冷媒供給パイプ１０９によって、ヒートポンプ１０８から熱交換器１０２へと運ばれる。冷やされた高圧冷媒は、パイプ１１０によって、高温熱交換器１０２からヒートポンプ１０８へと戻される。任意選択的に、熱交換器１０２とパイプ１０９および１１０を備える熱供給ループは、冷媒自体の代わりに、水または他の適切な液体を循環させることができる。ヒートポンプ１０８の蒸発器は、その場所の外界と熱的に結合される。この蒸発器は、空気、地面、地下水源もしくは地表水源、廃熱流、またはこれらの要素の任意の組み合わせと結合されうる。外界結合熱交換回路１１１は、直接（例えば、集熱回路の全体にわたってシステム冷媒を循環させる）または間接（例えば、外界の熱を集めるために凍結防止液を使用する）のいずれかでありうる。外界結合熱交換器１１２は、それぞれの場所に最適な熱交換器の特定のタイプに応じて、様々な形態を取りうる。
【００６９】
ヒートポンプにおける圧縮機および他の電気周辺機器といったシステム機器を作動させるためのエネルギーは、（膨張機ユニット１０４に結合される）発生器１０７によって提供される。熱エネルギーは外界から調達され、遷移臨界ヒートポンプによって温度を上昇させられて、膨張前の流入ガスに熱を提供する。（外界のエネルギー源を含む）ヒートポンプは、必要なガス加熱を提供し、必ずしも利用可能なガス膨張エネルギーを完全に利用しないような大きさとされる。
【００７０】
膨張冷却を相殺するために、熱交換器１０２によってガス流へと供給されなければならない熱の総量は、発生器１０７によって生成される電気エネルギーの総量よりも大幅に大きいであろう。膨張機１０４、発生器１０７、および電力変換用電子機器の効率は、ガス膨張エネルギーの回収によってヒートポンプへと供給可能な電力を制限するであろう。うまく調整された現代の設備を用いた場合でさえ、電力として回収されるエネルギーは、利用可能なガス膨張エネルギーの７５〜８０％を超えることは望めない。
【００７１】
いかなる場合にも、上述のエネルギー損失は、ガスを加温する目的のために使用可能な熱として回収可能なものではない。したがって、これらのエネルギー損失は、ヒートポンプの熱出力によって補填されなければならない。加えて、これらの損失を補うためには、いかなるガスエネルギー回収も行われない場合でさえ生じるジュール・トムソン冷却を相殺するための熱の供給が必要である。ヒートポンプの性能は、それ故、いかなるガス（または他の取得された燃料）をも消費することなく、流入高温ガスの完全な温度回復を提供するために、およそ２という最小限の加熱ＣＯＰを超える必要がある。遷移臨界ヒートポンプは、予熱のために必要な高温および大きな温度上昇を提供しながら、他に類を見ないほどこの性能要件を満たすことが可能である。
【００７２】
図２において、本システムは、熱交換器１０２および主要膨張機１０４の上流に配置された絞り弁２１３を使用する、任意のガス膨張ステップを含む。流入ガスの温度が、小程度の減圧が可能な程に十分高いならば、冷却に関連する液化および固化の問題は避けられるはずである。機械的結合１０６が、膨張機１０４とエネルギー発生器１０７とを接続する。発生器１０７によって生成されるエネルギーは、遷移臨界ヒートポンプ１０８に電力供給するために利用されうる。遷移臨界ヒートポンプ１０８は、回路１１１および熱交換器１１２を介して外界と熱的に結合される。パイプ区分１０９および１１０は、熱交換器１０２と遷移臨界ヒートポンプ１０８とを接続する。パイプ区分１０５内の流出ガスの圧力は、流入ガス１０１の圧力よりも低い。その後、ガスは、更なる処理ステップ（１または複数の更なる膨張ステップを含みうる）、またはエンドユーザへの分配のための分配システムへと進む。
【００７３】
熱交換器１０２の上流の絞り弁２１３を介した追加的ガス膨張ステップの提供は、２つの異なる観点から、全体のプロセスに対して有益でありうる。第１に、ガスの僅かな予冷は、ガスライン１０１上の熱交換器に対するガス入口温度の低下を可能とする。これは、ヒートポンプの性能係数に対して好ましい効果を有し、また、ヒートポンプの効率を増大させる。第２に、ガスの予備膨張は、単一段階で達成可能な全体の圧力降下を増大させ、それにより、単独で作動する膨張機の最大の入口／出口圧力比によって課される制限を超えて、全体的な減圧能力の総計を増大させる。
【００７４】
図３は、エネルギー生成膨張プロセスの下流の絞り弁３１４を介した減圧ステップを有する変形例を示す。機械的結合１０６が、膨張機１０４とエネルギー発生器１０７とを接続する。発生器１０７によって生成されるエネルギーは、遷移臨界ヒートポンプ１０８に電力供給するために利用されうる。遷移臨界ヒートポンプ１０８は、回路１１１および熱交換器１１２を介して外界と熱的に結合される。パイプ区分１０９および１１０は、熱交換器１０２と遷移臨界ヒートポンプ１０８とを接続する。パイプ区分１０５内の流出ガスの圧力は、流入ガス１０１の圧力よりも低い。
【００７５】
図３に示す変形例は、膨張機１０４を介したエネルギー生成ガス膨張ステップに起因する冷却を相殺するために必要とされる熱よりも多くの熱を生み出す、遷移臨界ヒートポンプ１０８の能力を緩和する。下流の減圧ステップは、従来の絞り装置３１４の使用を介して達成され、ジュール・トムソン冷却を伴う。関連する冷却がヒートポンプによって供給される余剰熱によって相殺可能な第２減圧ステップの大きさは、それぞれの個別の場所において達成可能なヒートポンプ効率によって制限されるであろう。その後、ガスは、更なる処理ステップ（１または複数の更なる膨張ステップを含みうる）、またはエンドユーザに分配するための分配システムへと進む。
【００７６】
好ましい状況においては、絞り弁３１４を介した第２減圧比は、第１（エネルギー回収）減圧比と同程度まで大きくすることが可能である。これが、全体の再加熱要件を単一の膨張機−発生器ヒートポンプアセンブリによって満たすことが可能な、２段階の減圧を提供しうる。
【００７７】
電力生成膨張機１０４の（絞り弁４１３を介した）上流および（絞り弁４１４を介した）下流の両方に含まれる絞り膨張ステップを有するシステムを、図４に示す。機械的結合１０６が、膨張機１０４とエネルギー発生器１０７とを接続する。発生器１０７によって生成されるエネルギーは、遷移臨界ヒートポンプ１０８に電力供給するために利用されうる。遷移臨界ヒートポンプ１０８は、回路１１１および熱交換器１１２を介して外界と熱的に結合される。パイプ区分１０９および１１０は、熱交換器１０２と遷移臨界ヒートポンプ１０８とを接続する。パイプ区分１０５内の流出ガスの圧力は、流入ガス１０１の圧力よりも低い。その後、ガスは、更なる処理ステップ（１または複数の更なる膨張ステップを含みうる）、またはエンドユーザへの分配のための分配システムへと進む。
【００７８】
図４に示す配置は、単一の電力生成段階において達成可能なものよりも大きな減圧を生じさせながら、最大限のヒートポンプＣＯＰのためにシステムを最適化することを可能とする。
【００７９】
図５においては、並列な２つの減圧ライン５１５および５１６が存在する。減圧ライン５１５および５１６のそれぞれが、熱交換器５１７および５１８を有する。加熱された超臨界流体は、遷移臨界ヒートポンプ１０８によって、パイプ区分１０９および１０９ａ内で熱交換器５１７および５１８へと導かれる。冷やされた流体は、パイプ１１０および１１０ａ内でポンプへと戻る。遷移臨界ヒートポンプ１０８は、回路１１１および熱交換器１１２を介して外界と熱的に結合される。システムは、多数の減圧ラインを並列に備えうることが理解されるであろう。減圧ラインのそれぞれが、エネルギー生成膨張機を備えうる。減圧ラインのそれぞれが、絞り弁を備えうる。複数の減圧ラインのそれぞれが、（システムの必要に応じて）エネルギー生成膨張機または絞り弁のいずれかを備えうる。
【００８０】
減圧ライン５１６はエネルギー生成膨張機１０４を備え、放出されるエネルギーは、機械的結合１０６によってエネルギー発生器１０７に利用される。パイプ５２１内の流出ガスの圧力は、パイプ５１６内のガスの圧力よりも低い。その後、ガスは、更なる処理ステップ（１または複数の更なる膨張ステップを含みうる）、またはエンドユーザに分配するための分配システムへと進む。
【００８１】
減圧ライン５１５は、絞り弁５１９を備える。減圧の間に放出されるエネルギーは、エネルギー発生器によって利用されない。パイプ区分５２０内の流出ガスの圧力は、パイプ５１５内のガスの圧力よりも低い。その後、ガスは、更なる処理ステップ（１または複数の更なる膨張ステップを含みうる）、またはエンドユーザに分配するための分配システムへと進む。減圧ライン５１５および５１６において、ガスの加熱に必要とされるエネルギーは、遷移臨界ヒートポンプ１０８によって供給可能であり、遷移臨界ヒートポンプ１０８は、エネルギー生成膨張機１０４によって電力供給されうる。
【００８２】
減圧ライン５１５および５１６の各々は、加圧ガスを異なる圧力へと膨張させるように構成されうる。これは、天然ガスが、異なる減圧ライン５１５および５１６を介して異なるネットワークまたはエンドユーザへと分配される場合に特に有利である。
【００８３】
上述の図１〜５のそれぞれにおいて、遷移臨界ヒートポンプ１０８を作動させるために必要とされるものを上回る電気エネルギーが発生器１０７によって供給されうることが理解されるであろう。かかる状況における基本的要件は、必要とされる僅かに最小限の再加熱を供給し、プロセスにおける入力の最小限を使用するようにヒートポンプ１０８を設計しながら、回収可能な膨張エネルギーを十分に利用できるように膨張機１０４−発生器１０７ユニットを選択することである。生成された電気エネルギーを常時受け入れ可能な有用な負荷（例えば、電力系統接続、照明、制御装置、計装および通信機器、バッテリーバンク、ポンプ、ならびにその場所のサービスのための他の周辺機器）が存在するならば、この選択肢は、減圧プロセスにおいて利用可能なエネルギーの最大量を回収する手段を提供する。この選択肢の実装のためには、発生器からの１または複数の追加出力のみが必要とされる。例えば、発生器の電気端子への１または複数の追加接続、および発生器からの電力供給を管理するシステムコントローラ内の能力が提供されうる。
【００８４】
図６では、ガスの減圧によって生成された機械動力が、圧縮機６２２へと直接的に結合される。圧縮機６２２は、回路６２３を介して遷移臨界ヒートポンプ１０８に接続される。膨張機１０４に接続される機械的結合１０６が、圧縮機６２２に電力を供給する。遷移臨界ヒートポンプ１０８は、回路１１１および熱交換器１１２を介して外界と熱的に結合される。パイプ１０９および１１０は、熱交換器１０２と遷移臨界ヒートポンプ１０８とを接続する。パイプ１０５内の流出ガスの圧力は、流入ガス１０１の圧力よりも低い。その後、ガスは、更なる処理ステップ（１または複数の更なる膨張ステップを含みうる）、またはエンドユーザに分配するための分配システムへと進む。
【００８５】
膨張機１０４に（機械的結合１０６を介して）直接的に結合される圧縮機６２２を備える図６に示す構成は、余剰電力の生成を不可能にするが、高いエネルギー効率を達成でき、また、発電機、電力変換パッケージ、および電動圧縮機を不要なものとする。この配置は、コストの削減を可能とし、特に余剰電力の生成および送出が経済的に実行できそうもない小規模な適用のための、事前に製造される密結合システムへの適合がより容易である。
【００８６】
図７において、冷却される超臨界流体によって生成される熱は、熱交換器１０２と連通する二次熱交換流体回路７０１という手段により、パイプライン１０１中の加圧流体へと伝達される。二次熱交換流体回路７０１は、二次熱交換流体回路７０１を遷移臨界ヒートポンプ１０８から分離させている、ポンプ７０２によって電力を供給される。加熱された超臨界流体と二次熱交換流体回路７０１の間の熱伝達は、熱交換器７０３内で生じる。回路７０１内の二次熱交換流体は、通常は水でありうる。この水は、運転停止の際にシステムを保護するために加えられる、少量の不凍剤を含みうる。
【００８７】
図７では、更なる二次熱交換回路７０６が備えられる。回路７０６は、熱交換器７０４と外界熱源熱交換器１１２の間に伸びている、二次熱交換流体回路７０６は、二次熱交換流体回路７０６を遷移臨界ヒートポンプ１０８から分離させている、ポンプ７０５によって電力を供給される。外界からの熱は、外界熱交換器１１２内で、二次熱交換回路７０６へと伝達される。続いて、この熱は、熱交換器７０４内で、冷却された冷媒流体へと伝達される。二次熱交換回路７０６で利用される流体は、摂氏０度に近い、またはそれ以下の温度で動作可能でなければならないため、十分な凍結予防を必要としうる。
【００８８】
機械的結合１０６は、膨張機１０４とエネルギー発生器１０７とを接続する。発生器１０７によって生成されたエネルギーは、遷移臨界ヒートポンプ１０８、ならびに／またはポンプ７０２および７０５に電力供給するために利用されうる。パイプ区分１０５内の流出ガスの圧力は、流入ガス１０１の圧力よりも低い。
【００８９】
有利なことに、図７に示す構成は、既存の非遷移臨界のヒートポンプと共に用いられるものに類似したパッケージ内に作り上げることが可能である。関連付けられた熱交換器７０３および７０４と共にパッケージ化された遷移臨界ヒートポンプ１０８の導入には、遷移臨界冷却技術ではなく、配管の交換技術のみを必要としうる。
【００９０】
上述の図面に開示した各実施形態（上記を参照）は、任意の単一の場所においてガス加熱および電力生成という課題を達成するために、１回または複数回、例えば、連続する、または直並列配列の２以上のシステムにおいて用いられうることが理解されるであろう。
【００９１】
「備える」の語、および「有する」の語は、本発明を参照して本明細書で用いられる場合、言及された特徴、整数、ステップ、または構成要素の存在を特定するために用いられるが、１または複数の他の特徴、整数、ステップ、構成要素、またはそれらの群の存在または追加を除外するものではない。
【００９２】
明確のために別個の実施形態の文脈の中で説明された、本発明のある特徴は、それぞれの実施形態の組み合わせにおいても備えられうることが理解される。反対に、簡明にするために単一の実施形態の文脈の中で説明された本発明の様々な特徴は、単独で、または任意の適切な部分組み合わせにおいても備えられうる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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