(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを貯蔵するタンクと、前記タンクから発生するガスを圧縮して圧縮ガスを送り出すターボ圧縮機と、前記圧縮ガスを発電所へ送出する送出弁と、前記ターボ圧縮機から前記タンクへガスを還流する管路と、前記管路の流量を制御する制御弁とを設けたＬＮＧ基地において、
前記圧縮ガスの温度を計測する温度計測手段と、
前記圧縮ガスの圧力を計測する圧力計測手段と、
前記圧縮ガスの差圧流量を計測する差圧流量計測手段と、
該差圧流量計測手段で計測された差圧流量を前記温度計測手段で計測された温度及び圧力計測手段で計測された圧力並びに差圧流量計測手段の設計値に基づいて密度補正することにより体積流量値を算出し、該体積流量値が流量目標値となるように前記制御弁を制御する制御手段と
を具備してなるＬＮＧ基地。
【請求項２】
制御手段は、圧力計測手段で計測された圧力が限界値を越えると、制御弁を開側に制御して前記圧力を低下させることを特徴とする請求項１記載のＬＮＧ基地。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、天然ガスを燃料とする火力発電所のＬＮＧ（液化天然ガス）基地においてＢＯＧ（Boil Off Gas、沸騰ガス）を火力発電所へ圧送するターボ圧縮機のサージ防止制御に用いて好適なＬＮＧ基地に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＮＧ基地のＬＮＧタンクから発生するＢＯＧを火力発電所側へ送出する手段としてターボ圧縮機が用いられている。一般に、ターボ圧縮機が吐出する圧縮ガスの流量が所定の値を下回ると、流量の低下に伴って吐出圧力も低下するという負抵抗特性を示すようになる。この領域をサージ発生領域というが、一旦サージ発生領域へ突入すると、非サージ領域とサージ発生領域との間でサイクル変動が発生する。このような状態に陥ると、ターボ圧縮機の破損等に至ってしまう。そこで、ターボ圧縮機の動作領域がサージ発生領域へ移行しないようなガス流量制御技術が必要とされる。
【０００３】
図５は従来のガス流量制御技術による、ターボ圧縮機の吐出圧力と吐出流量との関係を示すＰ−Ｑカーブ（圧力−体積カーブ、図における実線カーブ）を示している。同図において、サージ限界ラインはサージ発生領域と非サージ領域の境界線である。また、サージ制御ラインはサージ限界線に沿って一定の余裕幅を持って設定された制御線であって、ガス流量の制御はこのサージ制御ラインに基づいて行われる。同図からわかるように、Ｐ−Ｑカーブはターボ圧縮機の吸込温度に依存して変化する。また、Ｐ−Ｑカーブとサージ限界ラインの交点であるサージ制御点は、吸込温度が低くなるにつれて、同図の右上の方向へ、すなわち吐出流量が大で吐出圧力が小なる方向へ移動する。
【０００４】
従来の流量制御においては、ターボ圧縮機からの吐出ガスの温度と圧力とを用いて、吐出流量を標準状態（０゜Ｃ、１気圧）の流量値に変換（以後、この変換処理を温圧補正という）し、変換後の吐出流量をもとにしてガス流量制御を行っていた。ここで、この温圧補正の詳細は以下のようなものである。
ターボ圧縮機の出口に接続された管路６０（図６参照）にはオリフィス６１が取り付けられている。温圧補正は、このオリフィス６１の設計データに基づいて、温度Ｔ１  、圧力Ｐ１  を持つ流入ガスの流量値を標準状態のガスの流量値に置き換える。
【０００５】
たとえば、オリフィス６１が、標準基準圧力ＰＤ  （本実施形態では８．２ｋｇ／ｃｍ２  Ｇ）、標準基準温度ＴＤ  （本実施形態では２５゜Ｃ）、流量値ＫＮ  （本実施形態では５００００Ｎｍ３  ／Ｈ）におけるオリフィス６１の前後の差圧ΔＰが２５００ｍｍＨｇとして設計されている場合、温圧補正後の流量ＦＮ  （以後、ノルマル流量という）は次式で与えられる。
【数１】
0003564837.tif 000002
【０００６】
また、温圧補正を採用した従来のガス流量制御技術には、以下に示す２つの手法が挙げられる。
（１）ガスの吸込温度が低いほどサージ領域に入る際の流量値が高いことから、流量の最低値を保証するために、プロセス上の最低の吸込温度（図５における温度ＴＳ２  ）のＰ−Ｑカーブとサージ制御ラインとの交点から吐出流量ＦＡ  を求める。そして、この流量値を用いて制御を行う流量一定制御方式。
（２）温圧補正を行い、補正後の吐出流量ＦＢ  からサージ制御ライン上で対応する吐出圧力ＰＢ  を求める。この吐出圧力ＰＢ  と前述した吐出流量ＦＡ  に対応する吐出圧力ＰＡ  をもとにして、吐出圧力を調整する圧力制御方式。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したような方式には以下のような欠点がある。
まず、（１）の方式では、流量を調節するために必要に応じてガスをＬＮＧタンクへ戻している。しかし、吸込温度が最低温度よりも高くなった場合には、本来必要とされる量を越えて、ガスをＬＮＧタンクへ戻すことになるため、ＬＮＧタンクの圧力上昇を招来する。
つぎに、（２）の方式では、制御系の圧力設定とプロセス量とがプロセス制御と同時に変化するために、制御・調整が難しく操作に慎重を要する。また、ゲインを急激に上げることができないために、吐出流量・吐出圧力が急変した場合に、制御系がこの変化に追従することができない。
【０００８】
この発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＬＮＧ基地に設置されたターボ圧縮機のサージ防止制御に有効であって、ガス流量値の制御・調整が容易なＬＮＧ基地を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、第１の発明は、ガスを貯蔵するタンク（１）と、前記タンクから発生するガスを圧縮して圧縮ガスを送り出すターボ圧縮機（２）と、前記圧縮ガスを発電所へ送出する送出弁と、前記ターボ圧縮機から前記タンクへガスを還流する管路と、前記管路の流量を制御する制御弁とを設けたＬＮＧ基地において、前記圧縮ガスの実流量値を計測する流量計測手段（６）と、外部から与えられる一定値の圧縮ガスの流量目標値と前記実流量値との偏差を求める第１の演算手段（１７）と、前記偏差をもとに前記制御弁を調節して前記圧縮ガスの流量値を前記流量目標値に調節する制御手段（７）とから構成したものである。
【００１０】
また、第２の発明は、上記第１の発明において、前記流量計測手段が、前記圧縮ガスの温度を計測する温度計測手段（３）と、前記圧縮ガスの圧力を計測する圧力計測手段（４）と、前記圧縮ガスの差圧流量を計測する差圧流量計測手段（６）と、前記温度、前記圧力、前記差圧流量ならびに前記差圧流量計測手段の設計値とから前記実流量値を算出する第２の演算手段（１４）とからなることを特徴としている。
【００１１】
また、第３の発明は、ガスを貯蔵するタンク（１）と、前記タンクから発生するガスを圧縮して圧縮ガスを送り出すターボ圧縮機（２）と、前記圧縮ガスを発電所へ送出する送出弁と、前記ターボ圧縮機から前記タンクへガスを還流する管路と、前記管路の流量を制御する制御弁とを設けたＬＮＧ基地において、前記圧縮ガスの実流量値を計測する流量計測手段（６）と、外部から与えられる一定値の圧縮ガスの流量目標値と前記実流量値との流量偏差を求める第１の演算手段（１７）と、前記圧縮ガスの圧力を計測する第１の圧力計測手段（１１）と、外部から与えられた圧力限界値と前記圧力との圧力偏差を求める第２の演算手段（１９）と、前記流量偏差と前記圧力偏差の最大値を選択して出力する選択手段（２１）と、前記選択手段により選択された偏差をもとに前記制御弁を調節して前記圧縮ガスの流量値を前記流量目標値に調節する制御手段（７）とから構成したものである。
【００１２】
また、第４の発明は、上記第３の発明において、前記流量計測手段が、前記圧縮ガスの温度を計測する温度計測手段（３）と、前記圧縮ガスの圧力を計測する第２の圧力計測手段と、前記圧縮ガスの差圧流量を計測する差圧流量計測手段（６）と、前記温度、前記圧力、前記差圧流量ならびに前記差圧流量計測手段の設計値とから前記実流量値を算出する第３の演算手段（１４）とからなることを特徴としている。
【００１３】
【作用】
第１または第２の発明によれば、圧縮ガスの流量を実流量で算出し、この実流量と流量目標値との偏差を算出する。そして、この偏差を用いてターボ圧縮機からＬＮＧタンクへの還流管路の流量を調節することで、吐出流量を流量目標値へと制御するようにした。これにより、流量目標値を１点決定するだけでガス流量を制御することが可能となるので、ターボ圧縮機のサージ発生を予防しつつ、ターボ圧縮機からＬＮＧタンクへ戻されるガス流量を低減させたガス流量制御が可能となる。したがって、ガス流量制御が簡単であって制御性の改善が図れるとともに、簡易な構成のガス流量制御装置を提供することができる。
【００１４】
また、第３または第４の発明によれば、ターボ圧縮機の吐出圧力が圧力限界値を越えた場合に、吐出圧力と圧力限界値の偏差を用いてターボ圧縮機からＬＮＧタンクへの還流管路の流量を調節して吐出圧力を抑制するようにしたので、吐出圧力が突発的に圧力限界値を越えるような事象が発生しても、吐出圧力の過剰な上昇による機器の破損を防止することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照してこの発明の一実施形態について説明する。
図１は、同実施形態によるＬＮＧ基地におけるガス流量制御装置の系統図である。また、図２は同装置が制御するターボ圧縮機が設置されたＬＮＧ基地の構成を示している。図２において、ＬＮＧタンク１には港に係留されたＬＮＧ船（タンカー）から移送されたＬＮＧが貯蔵される。ＬＮＧタンク１からはＢＯＧが常時発生している。
【００１６】
ターボ圧縮機２はＢＯＧを圧縮して圧縮ガスを吐出する。ターボ圧縮機２の出口の管路には温度計３、圧力計４が接続され、また、オリフィス５を介して差圧式流量計６が接続されている。これらの計器はそれぞれターボ圧縮機２が吐出したガスの吐出温度、吐出圧力、オリフィス５の前後における差圧流量を測定する。なお、オリフィス５は前述したオリフィス６１と同じ構造・機能を持つ。
【００１７】
ガス流量制御装置７はこれらの測定値をもとにしてミニマムフロー弁８を制御する。なお、制御の詳細については後述する。ミニマムフロー弁８はターボ圧縮機２の吐出ガスの一部をＬＮＧタンク１へ戻す際におけるガス流量を調節する。また、出口弁９はターボ圧縮機２から火力発電所へ送出されるガスの流量・圧力を調節する。出口弁９から送出されるガス圧は、たとえば８ｋｇ／ｃｍ２  である。
【００１８】
次に、ガス流量制御装置７の詳細な構成・機能について図１を参照して説明する。図１における温度計３、圧力計４、差圧式流量計６は、それぞれ図２に示したものと同じ計器である。また、図２においては図示を省略したが、圧力計１１は圧力計４と同じくターボ圧縮機２の吐出圧力を測定する。なお、圧力計１２はターボ圧縮機２の入口圧力を測定するが、この測定値はガス流量制御には使用されない。
【００１９】
１３Ａ、１３Ｂはともに密度補正を行う演算器である。ここで、密度補正とはオリフィス５における「温度Ｔ１  、圧力Ｐ１  」を持つガスの体積流量値を求めることを言う。この点で、上述した温圧補正が「標準状態」における流量値を求めることと相違している。
密度補正後の流量値である実流量Ｆｆ  と温圧補正によるノルマル流量ＦＮ  との関係は、１気圧が１．０３３ｋｇ／ｃｍ２  であることとボイルシャルルの法則とから次式で表される。
【数２】
0003564837.tif 000003
【００２０】
ここで、ρＮをオリフィス５を流れる流体の標準状態における密度として、
ＫＮ＝ＫＷ／ρＮ                                                    …（３）
とおく。
この時、密度ρｎはオリフィスの設計密度ρＤ（本実施形態では、０．００５８７４ｔ／ｍ３  ）から次式で与えられる。
【数３】
0003564837.tif 000004
【００２１】
これにより、（１）式、（３）式、（４）式からノルマル流量ＦＮ  は次式のように表される。
【数４】
0003564837.tif 000005
したがって、実流量Ｆｆ  は（２）式と（５）式を用いて次式のように計算される。
【数５】
0003564837.tif 000006
なお実際には、演算器１３Ａ、１３Ｂからは（６）式で計算される実流量Ｆｆ  を２乗した値が出力される。開平演算器１４はこの２乗された流量の平方根を求めて、プロセス変量ＰＶとして出力する。
【００２２】
１５はアナログメモリであって、制御目標となる流量設定値が記憶される。ここで、アナログメモリ１５への設定は手動により行う。１６はゲインコントローラであり、流量設定値がバンプレスに変化するように、変化率制限をつけて設定値ＳＶを出力する。１７は設定値ＳＶとプロセス変量ＰＶとの偏差ΔＥ１  を計算する演算器である。１８は定数１２．５ｋｇ／ｃｍ２  を発生する定数発生要素である。この値「１２．５ｋｇ／ｃｍ２  」は、ガス流量制御装置７以外の機器の限界値から決定されており、サージ防止制御とは直接関係しない値である。
【００２３】
１９は定数値「１２．５ｋｇ／ｃｍ２  」に対する吐出圧力の偏差ΔＥ２  を計算する演算器である。２０は比例制御要素であり、偏差ΔＥ２  を定数倍して偏差ΔＥ３  を出力する。２１は偏差ΔＥ１  と偏差ΔＥ３  のうちの大きい方の値を選択し、偏差ΔＥＭ  として出力する高選択回路である。定数発生要素１８、演算器１９、比例制御要素２０ならびに高選択回路２１は、吐出圧力の上昇を防止するために設けられた圧力オーバーライド回路を構成している。
【００２４】
２２は偏差ΔＥＭ  をもとにして比例・積分動作を行い、その結果を電流値で出力する比例・積分要素である。電流−空気変換器２３は、比例・積分要素が出力した電流値をミニマムフロー弁８の開閉を制御する空気圧信号に変換して出力する。２４Ａ、２４Ｂは警報設定器であり、演算器１３Ｂ  が出力する流量値を監視しており、流量値が低下してそれぞれ図４に示す本発明のトリップライン、警報設定ラインを越えると警報信号を発生する。
【００２５】
ここで、図４は本実施形態によるターボ圧縮機２の吐出圧力と吐出流量の関係を示している。同図から明らかなように、ガスの吸込温度の変化に応じて吐出圧力は上下するものの、サージ発生領域は吸込温度には依存せずにほぼ一定の吐出流量を境にして存在する。したがって、この吐出流量値を基準にしてガス流量制御を行えば、ターボ圧縮機２がサージ発生領域へ突入するおそれがないことがわかる。これにより、本発明によるトリップライン、警報設定ライン、サージ制御ラインも吸込温度に依存せず一定の流量値に設定される。なお、同図において「従来．．．ライン」とあるのは従来のガス流量制御技術によるサージ制御ライン等を意味している。
【００２６】
以上のことから、本実施形態によれば、実流量の目標設定値としてサージ制御点を１点決定すれば良い。このサージ制御点を決定するに際しては従来のサージ制御ラインを参考としている。実測によれば、通常運用状態ではガスの吸込温度が−１２０゜Ｃ付近で安定状態となり、ガスの受け入れにしたがって徐々に吸込温度が低温側へ移行することがわかっている。そこで、サージ制御点は従来のサージ制御ライン上における吸込温度−１２０゜Ｃにおける吐出流量の値「３２００ｍ３  ／Ｈ」としている。また、トリップライン・警報設定ラインはそれぞれ２７００、３０００ｍ３  ／Ｈに設定している。
【００２７】
一方、図１の２５はＴＤＰＵ（Ｔｉｍｅ  Ｄｅｌａｙ  Ｐｉｃｋｕｐ  Ｕｎｉｔ）であって、入力信号のレベルが３秒間継続して所定のレベル以上であることを検出して警報信号を出力する回路である。ＡＮＤ回路２６Ａ、２６Ｂは、ターボ圧縮機２が起動されていることを示すＴ／Ｃ（ターボ圧縮機）起動信号と、前述した警報信号との論理積をとり、それぞれトリップ信号と吐出流量低警報を発する。
【００２８】
次に、上記構成によるＬＮＧ基地におけるガス流量制御装置７の動作を説明する。まず、ターボ圧縮機２の起動前に、設定値ＳＶが３２００ｍ３  ／Ｈとなるようにアナログメモリ１５の内容を手動で設定しておく。
【００２９】
ターボ圧縮機２を起動すると、Ｔ／Ｃ起動信号が有効状態となってトリップ・吐出流量低の検出が有効となる。次に、ガスの温度が−１０５゜Ｃ以下となるまで、ターボ圧縮機２とミニマムフロー弁８側の管路からなる経路をクールダウンする。ここで、吸込温度−１０５゜Ｃより高温の制御範囲内では、ターボ圧縮機２の吐出圧力が出口弁９の送ガス圧力を上回る恐れがない。そこで、クールダウンに要する時間を短縮するため、ミニマムフロー弁８を強制的に全開として、ターボ圧縮機２から吐出されたガスの全量をＬＮＧタンク１へ戻すようにする。
【００３０】
なお、クールダウンに関連して上述のようにミニマムフロー弁８を全開とするための回路と、当該回路の出力と電流−空気変換器２３の出力とを切り替える回路が存在する。しかし、これらの回路は従来技術のものと相違ないため、ここでは図示を省略しまたその説明についても割愛する。
【００３１】
ガスの吸込温度が−１０５゜Ｃに達した時点から制御が開始される。ＬＮＧタンク１から発生したＢＯＧはターボ圧縮機２で圧縮されて吐出される。この吐出ガスの一部は出口弁９から火力発電所へ向けて送出され、残りのガスがミニマムフロー弁８側へ戻されてＬＮＧタンク１へ戻されることになる。
【００３２】
ここで、ターボ圧縮機２から吐出された圧縮ガスをもとにして、温度計３で吐出温度が、圧力計４で吐出圧力が、差圧式流量計６で差圧流量が測定される。この３つの測定値をもとにして演算器１３Ａ  で密度補正がなされ、この補正結果の平方根が開平演算器１４で計算されて、実流量Ｆｆ  が出力される。演算器１７は流量の設定値ＳＶと実流量Ｆｆ  との偏差ΔＥ１  を計算する。またこの時、演算器１９は、圧力計１１が測定した吐出圧力と限界値１２．５ｋｇ／ｃｍ２  との偏差ΔＥ２  を計算して出力する。比例制御素子２０はこの計算結果を定数倍して偏差ΔＥ３を出力する。
【００３３】
高選択回路２１は偏差ΔＥ１と偏差ΔＥ３の最大値を求めて偏差ΔＥＭ  を出力する。いま、偏差ΔＥ１  が選択され、なおかつ偏差ΔＥ１  が正の値を持つとする。これは、図３に示すように、吐出流量がサージ制御ラインを下回ったことを意味している。ここで、吸込温度−１０５゜Ｃで制御を開始してから吐出流量が設定値ＳＶに達するまでの起動時においても吐出流量が低いためこのような状態となる。
【００３４】
比例・積分要素２２は偏差ΔＥＭ  をもとにして比例・積分動作を行って、吐出流量が設定値ＳＶになるように制御するため、その制御信号を電流値として出力する。この電流値は電流−空気変換器２３で空気圧信号に変換され、ミニマムフロー弁８は開側に調節される。これにより吐出流量が増大して、流量値がサージ制御点へと調節されてゆく。
【００３５】
また、高選択回路２１において偏差ΔＥ３  が選択され、なおかつ偏差ΔＥ３  が正の値を持つとする。これは吐出圧力が限界値１２．５ｋｇ／ｃｍ２  を越えてしまったことを意味する。この場合、偏差ΔＥＭ  も正であるから、上記と同様にしてミニマムフロー弁８が開側に調整されて吐出流量が増大する。図４からわかるように、吐出流量の増大に伴って吐出圧力が減少するため、吐出圧力の上昇を緩和して機器の破損を防止することができる。
【００３６】
また、選択された偏差ΔＥＭ  が負の値を持つ場合には、吐出流量が設定値ＳＶを越えたことを意味する。この場合には、上記とは反対にミニマムフロー弁８を閉側に調節するため、吐出流量が減少して設定値ＳＶへと調整される。
さらに、密度補正後の流量が３０００ｍ３  ／Ｈを下回ると、演算器１３Ｂ  の出力を監視していた警報設定器２４Ｂ  が警報信号を発生して吐出流量低警報が発せられる。さらに、流量が２７００ｍ３  ／Ｈをも下回る状態が３秒間継続すると、警報設定器２４Ａ  に加えてＴＤＰＵ２５が作動してトリップ信号を発生する。これを契機に保護回路（図示略）が働いて全機器が停止する。
【００３７】
なお、本実施形態においては、温度計３、圧力計４、差圧式流量計６、圧力計１１がガス流量制御装置７の外部に設けられているように説明したが、これらの計器をガス流量制御装置７の内部に設けるようにしても何ら問題ない。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、第１または第２の発明によれば、圧縮ガスの流量を実流量で算出し、この実流量と流量目標値との偏差を算出する。そして、この偏差を用いてターボ圧縮機からＬＮＧタンクへの還流管路の流量を調節することで、吐出流量を流量目標値へと制御するようにした。これにより、流量目標値を１点決定するだけでガス流量を制御することが可能となるので、ターボ圧縮機のサージ発生を予防しつつ、ターボ圧縮機からＬＮＧタンクへ戻されるガス流量を低減させたガス流量制御が可能となるという効果が得られる。したがって、ガス流量制御が簡単であって制御性の改善が図れるとともに、簡易な構成のガス流量制御装置を提供することができるという効果も得られる。
【００３９】
また、第３または第４の発明によれば、ターボ圧縮機の吐出圧力が圧力限界値を越えた場合に、吐出圧力と圧力限界値の偏差を用いてターボ圧縮機からＬＮＧタンクへの還流管路の流量を調節して吐出圧力を抑制するようにしたので、吐出圧力が突発的に圧力限界値を越えるような事象が発生しても、吐出圧力の過剰な上昇による機器の破損を防止することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態によるガス流量制御装置７の系統図である。
【図２】同実施形態によるガス流量制御装置７が設置されたＬＮＧ基地の系統図である。
【図３】同実施形態によるガス流量制御装置７が制御するターボ圧縮機２の吐出圧力・吐出流量と偏差ΔＥＭ  との関係を示す図である。
【図４】同実施形態によるガス流量制御装置７が制御するターボ圧縮機２の吐出圧力と吐出流量の関係を示す図である。
【図５】従来の技術によるガス流量制御装置７が制御するターボ圧縮機２の吐出圧力と吐出流量の関係を示す図である。
【図６】オリフィス６１と、差圧ΔＰ、温度Ｔ１、圧力Ｐ１との関係を示す図である。
【符号の説明】
１…ＬＮＧタンク、２…ターボ圧縮機、３…温度計、４…圧力計、５…オリフィス、６…差圧式流量計、７…ガス流量制御装置、８…ミニマムフロー弁、９…出口弁、１３Ａ、１３Ｂ、１７、１９…演算器、１４…開平演算器、２１…高選択回路、２２…比例・積分要素、２３…電流−空気変換器、ΔＥ１、ΔＥ２、ΔＥ３、ΔＥＭ…偏差、ＳＶ…設定値
【図１】
0003564837.tif 000007
【図２】
0003564837.tif 000008
【図３】
0003564837.tif 000009
【図４】
0003564837.tif 000010
【図５】
0003564837.tif 000011
【図６】
0003564837.tif 000012