(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体を高圧下で地下空洞に貯蔵する施設において、気体の加圧、減圧の時間的変化及び気体熱物性値を入力するステップＳ１と、空洞形状及び空洞周辺熱物性値を入力するステップＳ２と、ステップＳ１の入力値に基づき気体重量変化ｄＧを求め、下記式（１）、式（２）から気体温度変化ｄＴと空洞壁面と気体との間の熱収支ｄＱを計算するステップＳ３と、ステップＳ２の入力値とステップＳ３で計算した熱収支ｄＱに基づいて非定常熱伝導解析を行うステップＳ４と、空洞周辺の温度分布を計算し壁面温度ＴSをステップＳ３の式（２）に戻すステップＳ５と、気体圧力Ｐを下記式（３）から計算し、また、気体重量Ｇ、気体温度Ｔを計算するステップＳ６と、空洞周辺の温度分布と気体圧力Ｐから熱応力解析を行うステップＳ７と、空洞周辺の熱応力の解析を行うステップＳ８とを備え、気体が加圧又は減圧される際の気体の温度変化と空洞周辺の温度変化を算出することを特徴とする加圧又は減圧に伴う気体温度の予測方法。
0003561825.tif 000003
ここで、
Ｔ  ：空洞内気体温度（Ｋ）
Ｔa ：圧入気体温度（Ｋ）
Ｇ  ：空洞内気体重量（ｋｇ）
ｄＧ：加圧又は減圧に伴う気体重量変化（ｋｇ）
Ａ  ：熱当量（ｋｃａｌ／ｋｇ ｍ）＝１／４２７
Ｒ  ：気体定数（ｋｇ ｍ／ｋｇ Ｋ）
Ｃv ：気体の定容比熱（ｋｃａｌ／ｋｇ Ｋ）
ｄＱ：空洞壁面と気体との間の熱収支（ｋｃａｌ）
ｄＱ＝α×Ａa（Ｔ−ＴS）                        …（２）
ＴS：空洞壁面温度
α：熱伝達率
Ａa：空洞表面積
Ｐ＝（Ｇ×Ｒ×Ｔ）／Ｖ          …（３）
Ｖ：空洞容量
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮空気や天然ガス等の気体を高圧下で地下空洞に貯蔵する施設において、加圧又は減圧に伴う気体温度の予測方法の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
現状では気体のまま高圧貯蔵する施設は、小規模の鋼製タンクしかなく、加圧、減圧過程での温度変化が問題になることはなく、空洞周辺との熱収支も考慮した気体の温度変化を予測する方法はなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
現在、エネルギーの新しい貯蔵形態として圧縮空気や天然ガスを気体のまま高圧下で地下の空洞に貯蔵する施設が計画されており、空洞内の空気や天然ガスは貯蔵時に上限圧力まで圧入され、使用時には下限圧力まで払出される。
【０００４】
ところで、気体が加圧されるとその温度は上昇し、逆に減圧されるとその温度は低下する。従って、貯蔵施設の建設計画を策定する際の基本となる利用可能な気体重量や空洞容量を算定するためには、気体が加圧や減圧される過程での温度変化を予測する必要がある。この際、空洞周辺との熱収支も考慮に入れる必要がある。
【０００５】
本発明は、上記問題を解決するものであって、気体を高圧下で地下空洞に貯蔵する施設において、空洞周辺との熱収支も考慮した加圧、減圧過程での気体の温度変化を予測する方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の加圧又は減圧に伴う気体温度の予測方法は、気体を高圧下で地下空洞に貯蔵する施設において、気体の加圧、減圧の時間的変化及び気体熱物性値並びに空洞形状及び空洞周辺熱物性値を入力し、非定常熱伝導解析により、気体が加圧又は減圧される際の気体の温度変化と空洞周辺の温度変化を算出することを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の気体を高圧下で地下空洞に貯蔵する施設において、加圧又は減圧に伴う気体温度の予測方法の１実施形態を示し、処理の流れを説明するための図である。
【０００８】
気体温度が空洞内では均一であると仮定すると、気体の圧入、払出に伴う気体重量の変化によって、気体の温度変化ｄＴ（Ｋ）は、次式のように変化する。
【０００９】
0003561825.tif 000002
ここで、
Ｔ  ：空洞内気体温度（Ｋ）
Ｔａ  ：圧入気体温度（Ｋ）
Ｇ  ：空洞内気体重量（ｋｇ）
ｄＧ：加圧又は減圧に伴う気体重量変化（ｋｇ）
Ａ  ：熱当量（ｋｃａｌ／ｋｇ  ｍ）＝１／４２７
Ｒ  ：気体定数（ｋｇ  ｍ／ｋｇ  Ｋ）
Ｃｖ  ：気体の定容比熱（ｋｃａｌ／ｋｇ  Ｋ）
ｄＱ：空洞壁面と気体との間の熱収支（ｋｃａｌ）
上式の右辺第１項は圧入、払出に伴う気体重量の変化によって生じる温度変化を、第２項は圧入気体と空洞内気体との温度差で生じる温度変化を、第３項は空洞壁面と気体との熱収支によって生じる温度変化をあらわしている。
【００１０】
上記第３項の空洞壁面と気体との間の熱収支ｄＱは、空洞壁面温度ＴＳと熱伝達率α、空洞表面積Ａａから次式のように求められる。
【００１１】
ｄＱ＝α×Ａａ（Ｔ−ＴＳ）                        …（２）
そして、気体圧力Ｐは、空洞容量をＶとすると、以下の関係式から計算される。
【００１２】
Ｐ＝（Ｇ×Ｒ×Ｔ）／Ｖ          …（３）
また、利用可能な気体重量は、圧入後の気体重量と払出後の気体重量の差から求められる。
【００１３】
本発明は、図１に示すように、通常の非定常熱伝導・熱応力解析プログラムに式（１）〜（３）を組み込み、気体の圧入、払出に伴う圧力変化に伴う気体の温度変化と空洞周辺の温度変化を同時に計算できるようにしている。
【００１４】
すなわち、ステップＳ１で流入出パターン（気体の加圧、減圧の時間的変化）及び気体熱物性値を入力し、ステップＳ２で空洞形状及び空洞周辺熱物性値を入力する。ステップＳ３において、ステップＳ１の入力値に基づき気体重量変化ｄＧを求め、式（１）、式（２）から気体温度変化ｄＴと空洞壁面と気体との間の熱収支ｄＧを計算する。ステップＳ４において、ステップＳ２の入力値とステップＳ３で計算した熱収支ｄＧに基づいて非定常熱伝導解析（熱伝達境界を空洞壁面とする）を行い、ステップＳ５で空洞周辺の温度分布を計算し、壁面温度ＴＳをステップＳ３の式（２）に戻す。ステップＳ６において、気体圧力Ｐを式（３）から計算し、また、気体重量Ｇ、気体温度Ｔを計算する。ステップＳ７で、空洞周辺の温度分布と圧力Ｐから熱応力解析を行い、ステップＳ８で空洞周辺の熱応力の解析を行う。以上の計算をタイムステップして行い、利用可能な気体重量の算定を行う。
【００１５】
次に、図２〜図５により本発明による解析例を説明する。本解析例は、内径１２ｍ、総延長１７６８ｍ、総容量２０万ｍ３の地下岩盤空洞に天然ガスを貯蔵する場合の温度変化と空洞に作用する熱応力を解析したもので、図２に示すように、稼働パターンは２日間で３０ｋｇｆ／ｃｍ２から１５０ｋｇｆ／ｃｍ２まで圧入し、５日間で１５０ｋｇｆ／ｃｍ２から３０ｋｇｆ／ｃｍ２まで払い出し、これを５回繰り返した。図３は天然ガス及び空洞の温度変化を、図４は空洞周辺の温度分布を、図５は空洞周辺の熱応力分布を示している。
【００１６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、気体を高圧下で地下空洞に貯蔵する施設において、気体の加圧、減圧の時間的変化及び気体熱物性値並びに空洞形状及び空洞周辺熱物性値を入力し、非定常熱伝導解析により、気体が加圧又は減圧される際の気体の温度変化と空洞周辺の温度変化を算出することにより、空洞周辺との熱収支も考慮した加圧、減圧過程での気体の温度変化を予測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の気体を高圧下で地下空洞に貯蔵する施設において、加圧又は減圧に伴う気体温度の予測方法の１実施形態を示し、処理の流れを説明するための図である。
【図２】本発明による解析例を示す図である。
【図３】本発明による解析例を示す図である。
【図４】本発明による解析例を示す図である。
【図５】本発明による解析例を示す図である。
【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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