(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
沸点が窒素ガスよりも低温である原料ガスを供給するフィードラインと、上記原料ガスを冷却するための冷媒が循環する冷媒循環ラインであって、気体軸受ユニットを有し冷媒を膨張させて冷熱を生成する膨張タービンを有する冷媒循環ラインと、これらフィードライン及び冷媒循環ラインに関する動作制御を行う制御装置と、上記原料ガスと上記冷媒との熱交換を行うための複数の熱交換器と、上記フィードラインから上記気体軸受ユニットへ上記原料ガスを供給する軸受ラインと、液体窒素との熱交換により上記原料ガス及び上記冷媒の予備冷却を行う窒素ラインとを備えた、上記原料ガスの液化を行う原料ガス液化装置を起動するための起動方法であって、
上記制御装置の動作制御によって、
上記予備冷却後、上記冷媒循環ラインから上記気体軸受ユニットを通り上記軸受ラインへ冷媒を流し、上記膨張タービンの初期冷却を行い、
上記初期冷却後、上記冷媒循環ラインから上記膨張タービンへ冷媒を流し、上記膨張タービンにおける定格回転数未満で危険速度領域を超えた安全回転数まで、上記膨張タービンのロータ軸回転数を急峻に上昇させ、
上記膨張タービンの初期冷却のとき、上記膨張タービンへ冷媒を供給してロータ軸を初期起動回転数にて初期起動するとき、及び、上記膨張タービンの定格運転のとき、のそれぞれにおいて、気体軸受ユニットにおける背圧を変更する、
ことを備えたことを特徴とする原料ガス液化装置の起動方法。
【請求項２】
上記初期冷却後、ロータ軸回転数を急峻に上昇させる前に、上記冷媒循環ラインから上記膨張タービンへ冷媒を供給して、上記危険速度領域に至らずかつ上記熱交換器における温度変化が許容内に収まる初期起動回転数にて上記膨張タービンの初期起動を行い、
上記初期起動後に、ロータ軸回転数を急峻に上昇させる、
請求項１に記載の原料ガス液化装置の起動方法。
【請求項３】
上記膨張タービンのロータ軸回転数が上記安全回転数に達した後、上記冷媒循環ラインから上記膨張タービンへの冷媒供給量を一定割合で増加して、上記膨張タービンのロータ軸回転数を上記定格回転数に到達させる、請求項１又は２に記載の原料ガス液化装置の起動方法。
【請求項４】
上記膨張タービンは、高圧膨張タービンと低圧膨張タービンとを有し、低圧膨張タービンのロータ軸回転数が上記安全回転数に到達した後、上記高圧膨張タービンのロータ軸回転数を上記安全回転数まで到達させ、その後、上記低圧膨張タービン及び上記高圧膨張タービンの各ロータ軸回転数を上記定格回転数まで一定割合で増加させる、請求項１から３のいずれかに記載の原料ガス液化装置の起動方法。
【請求項５】
沸点が窒素ガスよりも低温である原料ガスを供給するフィードラインと、上記原料ガスを冷却するための冷媒が循環する冷媒循環ラインであって、気体軸受ユニットを有し冷媒を膨張させて冷熱を生成する膨張タービンを有する冷媒循環ラインと、これらフィードライン及び冷媒循環ラインに関する動作制御を行う制御装置と、上記原料ガスと上記冷媒との熱交換を行うための複数の熱交換器と、上記フィードラインから上記気体軸受ユニットへ上記原料ガスを供給する軸受ラインと、液体窒素との熱交換により上記原料ガス及び上記冷媒の予備冷却を行う窒素ラインとを備えた、上記原料ガスの液化を行う原料ガス液化装置の運転を停止させるための停止方法であって、
上記制御装置の動作制御によって、
定格回転数でロータ軸が回転している上記膨張タービンに対して、上記熱交換器における温度変化が許容内に収まる範囲にて、上記冷媒循環ラインから上記膨張タービンへの冷媒供給量を一定割合で減少させて、上記膨張タービンのロータ軸回転数を上記定格回転数から危険速度領域を超える停止用回転数まで下降させ、
上記膨張タービンのロータ軸回転数が上記停止用回転数まで下降した後、気体軸受ユニットにおける背圧を膨張タービン停止時における圧力に設定し、
上記背圧の設定後、上記冷媒循環ラインから上記膨張タービンへの冷媒供給を減少させ、上記膨張タービンのロータ軸回転を停止させる、
ことを備えたことを特徴とする原料ガス液化装置の停止方法。
【請求項６】
沸点が窒素ガスよりも低温である原料ガスを供給するフィードラインと、上記原料ガスを冷却するための冷媒が循環する冷媒循環ラインであって、気体軸受ユニットを有し冷媒を膨張させて冷熱を生成する膨張タービンを有する冷媒循環ラインと、これらフィードライン及び冷媒循環ラインに関する動作制御を行う制御装置と、上記原料ガスと上記冷媒との熱交換を行うための複数の熱交換器と、上記フィードラインから上記気体軸受ユニットへ上記原料ガスを供給する軸受ラインと、液体窒素との熱交換により上記原料ガス及び上記冷媒の予備冷却を行う窒素ラインとを備えた、上記原料ガスの液化を行う原料ガス液化装置であって、
上記制御装置は、
上記予備冷却後、上記冷媒循環ラインから上記気体軸受ユニットを通り上記軸受ラインへ冷媒を流し、上記膨張タービンの初期冷却を行い、
上記初期冷却のとき、上記膨張タービンへ冷媒を供給してロータ軸を初期起動回転数にて初期起動するとき、及び、上記膨張タービンの定格運転のとき、のそれぞれにおいて、気体軸受ユニットにおける背圧を変更し、
上記初期冷却後、上記冷媒循環ラインから上記膨張タービンへ冷媒を流し、上記膨張タービンにおける定格回転数未満で危険速度領域を超えた安全回転数まで、上記膨張タービンのロータ軸回転数を急峻に上昇させる、
ことを備えた原料ガス液化装置起動方法を実行する、
ことを特徴とする原料ガス液化装置。
【請求項７】
沸点が窒素ガスよりも低温である原料ガスを供給するフィードラインと、上記原料ガスを冷却するための冷媒が循環する冷媒循環ラインであって、気体軸受ユニットを有し冷媒を膨張させて冷熱を生成する膨張タービンを有する冷媒循環ラインと、これらフィードライン及び冷媒循環ラインに関する動作制御を行う制御装置と、上記原料ガスと上記冷媒との熱交換を行うための複数の熱交換器と、上記フィードラインから上記気体軸受ユニットへ上記原料ガスを供給する軸受ラインと、液体窒素との熱交換により上記原料ガス及び上記冷媒の予備冷却を行う窒素ラインとを備えた、上記原料ガスの液化を行う原料ガス液化装置であって、
上記制御装置は、
定格回転数でロータ軸が回転している上記膨張タービンに対して、上記熱交換器における温度変化が許容内に収まる範囲にて、上記冷媒循環ラインから上記膨張タービンへの冷媒供給量を一定割合で減少させて、上記膨張タービンのロータ軸回転数を上記定格回転数から危険速度領域を超える停止用回転数まで下降させ、
上記膨張タービンのロータ軸回転数が上記停止用回転数まで下降した後、気体軸受ユニットにおける背圧を膨張タービン停止時における圧力に設定し、
上記背圧の設定後、上記冷媒循環ラインから上記膨張タービンへの冷媒供給を減少させ、上記膨張タービンのロータ軸回転を停止させる、
ことを備えた原料ガス液化装置停止方法を実行する、
ことを特徴とする原料ガス液化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば水素ガスのような極低温で液化される原料ガスを、冷媒循環ラインで生成した冷熱を利用して液化する原料ガス液化装置の起動方法及び停止方法に関し、また、この起動方法及び停止方法を実行する原料ガス液化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば水素ガス及びヘリウムガス等の常温常圧で気体となる原料ガスを液化する液化装置が存在する（例えば特許文献１）。このような液化装置は、液化する原料ガスが通過するフィードライン、原料ガスを冷却するための冷媒を循環させる冷媒循環ライン、及び、冷媒と原料ガスとの熱交換を行う熱交換器を備えている。ここで冷媒循環ラインには、圧縮機及び膨張タービンが備わり、冷媒循環ラインを循環する冷媒は、圧縮機で圧縮され、膨張タービンで断熱膨張して降温し、熱交換器で原料ガスとの熱交換によって昇温し、圧縮機へ戻る。また、膨張タービンのタービン軸受には、冷媒への潤滑剤の混入を防止するため気体軸受が使用され、特に負荷容量が高い点、及び軸受部分での摩擦が生じにくいという利点から、静圧気体軸受が用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２１９７１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の膨張タービンには、膨張タービンの起動及び停止の際、つまりタービンのロータ軸の回転が上昇あるいは下降していく途中に、タービン固有の危険速度領域と呼ばれる区間が存在する。つまりロータ軸の回転数が危険速度領域を通過するとき、タービンの軸振動が大きくなる傾向にある。したがって危険速度領域を速やかに通過するように、膨張タービンの昇速及び減速を行う必要がある。
【０００５】
また一方では、液化装置の起動及び停止の際には、熱交換器における温度変化が許容範囲に収まるように、原料ガス及び冷媒の流量を調節する必要がある。即ち、上述の、タービンにおける軸振動低減のために、膨張タービンのロータ軸回転数を過上昇及び過減速させた場合には、冷媒温度の急速な低下及び上昇が生じ、液化装置内の熱交換器を急速に冷却及び加温することとなる。その結果、ヒートショックにより熱交換器内の例えばプレートフィンが損傷するという可能性が生じる。また膨張タービンにおいても、十分に冷却されていない状態にて起動した場合には、タービンの軸振動が大きくなるという問題もある。
【０００６】
このような問題を解決するために、例えば特開平７−１６７５８０号公報では、原料ガス及び冷媒の流量調節方法が開示されている。しかしながらこの方法では、上述の危険速度領域におけるロータ軸の回転数の昇速及び減速が緩やかになってしまうことから、再び、ロータ軸の振動が過大となり、軸受が焼付く可能性がある。
【０００７】
また、特開昭６１−２０２０７３号公報には、液化装置の起動時間を短縮するために、液化機への原料ガス供給の開始とともに液化機内の熱交換器に液体窒素の供給を開始し、さらに膨張タービンも起動して、液化機内の機器を急速に冷やす方法が開示されている。
しかしながらこの方法を実行した場合、液化機内の熱交換器の温度変化が許容値を超える可能性があり、熱交換器に負担がかかる。また、液化機内が十分高い温度状態にて膨張タービンを起動することから、ロータ軸において、固有振動数の同期成分に起因する上述の軸振動に加えて、固有振動数とは関係のない非同期成分に起因する不安定振動も発生し、軸振動が過大となった場合には、軸受が焼付く可能性がある。
【０００８】
以上、述べたように、従来、断片的には、液化装置の起動及び停止方法について提案があるものの、熱交換器及び膨張タービンの両方が満足するような起動及び停止方法は存在せず、単純に、膨張タービンを緩やかに起動及び停止する、換言するとロータ軸の回転数が上記危険速度領域を徐々に進行する、方法が実行されているに過ぎない。
【０００９】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、熱交換器及び膨張タービンを有する原料ガス液化装置において、熱交換器への負荷低減、及び膨張タービンの軸振動低減を図りながら原料ガス液化装置の起動及び停止が可能な、原料ガス液化装置の起動方法及び停止方法、並びに、この起動方法及び停止方法を実行する原料ガス液化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第１態様における原料ガス液化装置の起動方法は、沸点が窒素ガスよりも低温である原料ガスを供給するフィードラインと、上記原料ガスを冷却するための冷媒が循環する冷媒循環ラインであって、気体軸受ユニットを有し冷媒を膨張させて冷熱を生成する膨張タービンを有する冷媒循環ラインと、これらフィードライン及び冷媒循環ラインに関する動作制御を行う制御装置と、上記原料ガスと上記冷媒との熱交換を行うための複数の熱交換器と、上記フィードラインから上記気体軸受ユニットへ上記原料ガスを供給する軸受ラインと、液体窒素との熱交換により上記原料ガス及び上記冷媒の予備冷却を行う窒素ラインとを備えた、上記原料ガスの液化を行う原料ガス液化装置を起動するための起動方法であって、
上記制御装置の動作制御によって、
上記予備冷却後、上記冷媒循環ラインから上記気体軸受ユニットを通り上記軸受ラインへ冷媒を流し、上記膨張タービンの初期冷却を行い、
上記初期冷却後、上記冷媒循環ラインから上記膨張タービンへ冷媒を流し、上記膨張タービンにおける定格回転数未満で危険速度領域を超えた安全回転数まで、上記膨張タービンのロータ軸回転数を急峻に上昇させる、
ことを備えたことを特徴とする。
【００１１】
上述の第１態様における、原料ガス液化装置の起動方法によれば、膨張タービンの気体軸受ユニットの構造を利用して、冷媒循環ラインから膨張タービンにおける気体軸受ユニットを介して軸受ラインへ冷媒を流す。これにより、予め冷却された冷媒にて、膨張タービン及びその周辺に滞留している水素ガスの置換、並びに、膨張タービン及びその周辺の冷却が可能となる。その結果、熱交換器における熱負荷つまり温度変化を抑えることが可能となる。よって膨張タービンのロータ軸回転数を安全回転数まで急峻に上昇させることが可能となり、危険速度領域を越える際に発生するロータ軸の振動発生を最小限に抑えることができる。
したがって第１態様における原料ガス液化装置の起動方法によれば、熱交換器への負荷を低減し、かつ膨張タービンの軸振動低減を図りながら、原料ガス液化装置の起動を行うことができる。
【００１２】
また、本発明の第２態様における原料ガス液化装置の停止方法は、沸点が窒素ガスよりも低温である原料ガスを供給するフィードラインと、上記原料ガスを冷却するための冷媒が循環する冷媒循環ラインであって、気体軸受ユニットを有し冷媒を膨張させて冷熱を生成する膨張タービンを有する冷媒循環ラインと、これらフィードライン及び冷媒循環ラインに関する動作制御を行う制御装置と、上記原料ガスと上記冷媒との熱交換を行うための複数の熱交換器と、上記フィードラインから上記気体軸受ユニットへ上記原料ガスを供給する軸受ラインと、液体窒素との熱交換により上記原料ガス及び上記冷媒の予備冷却を行う窒素ラインとを備えた、上記原料ガスの液化を行う原料ガス液化装置の運転を停止させるための停止方法であって、
上記制御装置の動作制御によって、
定格回転数でロータ軸が回転している上記膨張タービンに対して、上記熱交換器における温度変化が許容内に収まる範囲にて、上記冷媒循環ラインから上記膨張タービンへの冷媒供給量を一定割合で減少させて、上記膨張タービンのロータ軸回転数を上記定格回転数から危険速度領域を超える停止用回転数まで下降させ、
上記膨張タービンのロータ軸回転数が上記停止用回転数まで下降した後、気体軸受ユニットにおける背圧を膨張タービン停止時における圧力に設定し、
上記背圧の設定後、上記冷媒循環ラインから上記膨張タービンへの冷媒供給を減少させ、上記膨張タービンのロータ軸回転を停止させる、
ことを備えたことを特徴とする。
【００１３】
上述の第２態様における、原料ガス液化装置の停止方法によれば、膨張タービンのロータ軸回転数を定格回転数から危険速度領域を超えた停止用回転数まで一定割合で下降させることから、熱交換器への負荷を低減することができる。その後、膨張タービンのロータ軸回転を停止させることから、危険速度領域を速やかに通過し、膨張タービンにおける軸振動の発生を最小限に抑えることができる。よって、第２態様における、原料ガス液化装置の停止方法によれば、熱交換器への負荷を低減し、かつ膨張タービンの軸振動低減を図りながら、原料ガス液化装置の停止を行うことができる。
【００１４】
また、本発明の第３態様における原料ガス液化装置は、沸点が窒素ガスよりも低温である原料ガスを供給するフィードラインと、上記原料ガスを冷却するための冷媒が循環する冷媒循環ラインであって、気体軸受ユニットを有し冷媒を膨張させて冷熱を生成する膨張タービンを有する冷媒循環ラインと、これらフィードライン及び冷媒循環ラインに関する動作制御を行う制御装置と、上記原料ガスと上記冷媒との熱交換を行うための複数の熱交換器と、上記フィードラインから上記気体軸受ユニットへ上記原料ガスを供給する軸受ラインと、液体窒素との熱交換により上記原料ガス及び上記冷媒の予備冷却を行う窒素ラインとを備えた、上記原料ガスの液化を行う原料ガス液化装置であって、
上記制御装置は、
上記予備冷却後、上記冷媒循環ラインから上記気体軸受ユニットを通り上記軸受ラインへ冷媒を流し、上記膨張タービンの初期冷却を行い、
上記初期冷却後、上記冷媒循環ラインから上記膨張タービンへ冷媒を流し、上記膨張タービンにおける定格回転数未満で危険速度領域を超えた安全回転数まで、上記膨張タービンのロータ軸回転数を急峻に上昇させる、
ことを備えた原料ガス液化装置起動方法を実行する、
ことを特徴とする。
【００１５】
さらにまた、本発明の第４態様における原料ガス液化装置は、沸点が窒素ガスよりも低温である原料ガスを供給するフィードラインと、上記原料ガスを冷却するための冷媒が循環する冷媒循環ラインであって、気体軸受ユニットを有し冷媒を膨張させて冷熱を生成する膨張タービンを有する冷媒循環ラインと、これらフィードライン及び冷媒循環ラインに関する動作制御を行う制御装置と、上記原料ガスと上記冷媒との熱交換を行うための複数の熱交換器と、上記フィードラインから上記気体軸受ユニットへ上記原料ガスを供給する軸受ラインと、液体窒素との熱交換により上記原料ガス及び上記冷媒の予備冷却を行う窒素ラインとを備えた、上記原料ガスの液化を行う原料ガス液化装置であって、
上記制御装置は、
定格回転数でロータ軸が回転している上記膨張タービンに対して、上記熱交換器における温度変化が許容内に収まる範囲にて、上記冷媒循環ラインから上記膨張タービンへの冷媒供給量を一定割合で減少させて、上記膨張タービンのロータ軸回転数を上記定格回転数から危険速度領域を超える停止用回転数まで下降させ、
上記膨張タービンのロータ軸回転数が上記停止用回転数まで下降した後、気体軸受ユニットにおける背圧を膨張タービン停止時における圧力に設定し、
上記背圧の設定後、上記冷媒循環ラインから上記膨張タービンへの冷媒供給を減少させ、上記膨張タービンのロータ軸回転を停止させる、
ことを備えた原料ガス液化装置停止方法を実行する、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の第１態様における原料ガス液化装置の起動方法、及び第２態様における原料ガス液化装置の停止方法、並びに、第３態様及び第４態様における原料ガス液化装置によれば、熱交換器及び膨張タービンを有する原料ガス液化装置において、熱交換器への負荷低減、及び膨張タービンの軸振動低減を図りながら原料ガス液化装置を安全に起動し、停止させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態の原料ガス液化装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す原料ガス液化装置にて実施する起動方法を示すグラフであり、（Ａ）は高圧膨張タービンの起動方法を示し、（Ｂ）は低圧膨張タービンの起動方法を示す。
【図３】図１に示す原料ガス液化装置にて実施する停止方法を示すグラフであり、（Ａ）は高圧膨張タービンの停止方法を示し、（Ｂ）は低圧膨張タービンの停止方法を示す。
【図４】図１に示す原料ガス液化装置の運転制御モードの概略を示すフローチャートである。
【図５】従来の原料ガス液化装置にて実施される起動方法を示すグラフであり、（Ａ）は高圧膨張タービンの起動方法を示し、（Ｂ）は低圧膨張タービンの起動方法を示す。
【図６】従来の原料ガス液化装置にて実施される停止方法を示すグラフであり、（Ａ）は高圧膨張タービンの停止方法を示し、（Ｂ）は低圧膨張タービンの停止方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
実施形態である、原料ガス液化装置の起動方法及び停止方法、並びに、この起動方法及び停止方法を実行する原料ガス液化装置について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け当業者の理解を容易にするため、既によく知られた事項の詳細説明及び実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、以下の説明及び添付図面の内容は、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
【００１９】
実施形態である原料ガス液化装置は、当該装置の上流側から供給される気体の原料ガスを冷媒で冷却し液化して液化原料ガスを生成する装置であり、本実施形態では、液化される原料ガスとして水素ガスを例に採る。しかしながら本実施形態の原料ガス液化装置において対象となる原料ガスは、水素ガスに限定されず、常温常圧では気体となり、窒素ガスの沸点（−１９６℃）よりも低温の沸点を有するガスであり、例えば、水素ガス、ヘリウムガス及びネオンガスが相当する。
【００２０】
まず、本実施形態における起動方法及び停止方法が実行される原料ガス液化装置の構成について説明を行う。
図１には、原料ガス液化装置１０１の概略全体構成を示している。この原料ガス液化装置１０１は、大きく分けて、液化させる水素ガスを供給するフィードライン１１０と、供給された水素ガスを冷却するための冷媒を循環させる冷媒循環ライン（「リサイクルライン」と記す場合もある）１３０と、フィードライン１１０及び冷媒循環ライン１３０に関して動作制御を行い当該原料ガス液化装置１０１の起動方法及び停止方法を実行する制御装置１５０とを有し、液体水素を生成する装置である。
【００２１】
また原料ガス液化装置１０１は、原料ガス及び冷媒の予備冷却用としての窒素ライン１７０、及び、フィードライン１１０と冷媒循環ライン１３０との間で熱交換を行う複数の熱交換器１８０ａから１８０ｇ、１８１をも有する。ここで窒素ライン１７０には、外部から供給される液体窒素を貯留する液体窒素貯槽１７１が備わり、この液体窒素貯槽１７１内には２段目の熱交換器１８０ｂが設けられている。この２段目の熱交換器１８０ｂには、フィードライン１１０の通路１１１と、冷媒循環ライン１３０におけるリサイクル高圧圧縮機１３３の出口通路とが接続される。よって、フィードライン１１０を流れる水素ガス、及び冷媒循環ライン１３０を循環する冷媒は、２段目の熱交換器１８０ｂにて、液体窒素温度付近まで冷却される。
これらの熱交換器は、１段目の熱交換器１８０ａから６段目の熱交換器１８０ｇへの順にて、原料ガスである水素ガスを順次より低温へ冷却し、さらに以下に記すように最終段の熱交換器１８１にて水素ガスを極低温に冷却する。
これらの構成部分について、以下に順次、説明する。
【００２２】
まず、冷媒循環ライン１３０について説明する。
冷媒循環ライン１３０には、通路１３１、リサイクル低圧圧縮機１３２、リサイクル高圧圧縮機１３３、リサイクル系ジュールトムソン弁（「リサイクル系ＪＴ弁」と記す場合もある）１３５、液体水素貯槽１３６、高圧膨張タービン１３７、高圧膨張タービン気体軸受ユニット１３７ＧＢ（「気体軸受ユニット１３７ＧＢ」と記す場合もある）、高圧膨張タービン入口調節弁１３７ａ、高圧膨張タービン出口弁１３７ｂ、高圧膨張タービンバイパス調節弁１３７ｃ、低圧膨張タービン１３８、低圧膨張タービン気体軸受ユニット１３８ＧＢ（「気体軸受ユニット１３８ＧＢ」と記す場合もある）、低圧膨張タービン入口調節弁１３８ａ、低圧膨張タービン出口弁１３８ｂ、及び、低圧膨張タービンバイパス調節弁１３８ｃが備わる。
このような冷媒循環ライン１３０は、冷媒として、本実施形態では原料ガスと同じ水素ガスを使用して、閉ループ内で冷媒つまり水素ガスの冷却及び液化を繰り返し循環させる。尚、図示していないが、冷媒循環ライン１３０には、冷媒循環ライン１３０に冷媒を充填するための充填ラインが接続されている。
【００２３】
また冷媒循環ライン１３０は、冷媒の水素ガスをガス状態のままで移送して冷熱を生成する冷熱生成系統１４１と、この冷熱生成系統１４１で生成した冷熱を利用して冷媒の水素ガスを液化させる液化系統１４２とを有する。冷熱生成系統１４１には、高圧膨張タービン１３７、低圧膨張タービン１３８、及び通路１３１、並びに、これらに付属する高圧膨張タービン気体軸受ユニット１３７ＧＢ、高圧膨張タービン入口調節弁１３７ａ、高圧膨張タービン出口弁１３７ｂ、高圧膨張タービンバイパス調節弁１３７ｃ、低圧膨張タービン気体軸受ユニット１３８ＧＢ、低圧膨張タービン入口調節弁１３８ａ、低圧膨張タービン出口弁１３８ｂ、及び低圧膨張タービンバイパス調節弁１３８ｃが含まれる。また、液化系統１４２には、リサイクル低圧圧縮機１３２、リサイクル高圧圧縮機１３３、リサイクル系ジュールトムソン弁（以下、「リサイクル系ＪＴ弁」と記す場合もある）１３５、液体水素貯槽１３６、及び通路１３１が含まれる。
【００２４】
液化系統１４２について説明する。
リサイクル低圧圧縮機１３２及びリサイクル高圧圧縮機１３３は、冷媒循環ライン１３０を循環させる水素ガスの昇圧を行う圧縮機であり、リサイクル低圧圧縮機１３２とリサイクル高圧圧縮機１３３とは直列的に接続され、冷媒はリサイクル低圧圧縮機１３２からリサイクル高圧圧縮機１３３へ流れる。また、リサイクル高圧圧縮機１３３の出口側通路は、リサイクル入口弁１３４を介して１段目の熱交換器１８０ａへと接続される。
【００２５】
１段目の熱交換器１８０ａを出た冷媒は、上述した液体窒素貯槽１７１内に設置した２段目の熱交換器１８０ｂにて液体窒素の温度付近まで冷却され、３段目の熱交換器１８０ｃへ供給され、さらに冷却される。３段目の熱交換器１８０ｃの出口通路は、上述の冷熱生成系統１４１へ向かう通路１３１Ａと、さらに次段以降の熱交換器へ向かう通路１３１Ｂとに分岐される。熱交換器側へ向かう通路１３１Ｂは、４段目から７段目の熱交換器１８０ｄから１８０ｇへと順次接続され、リサイクル系ＪＴ弁１３５に接続される。よって通路１３１を流れる冷媒は、熱交換器１８０ｄから１８０ｇにて、この順に、順次冷却されていく。
【００２６】
リサイクル系ＪＴ弁１３５は、７段目の熱交換器１８０ｇの出口側で液体水素貯槽１３６の入口に設置され、一連の熱交換器１８０ａから１８０ｇにて冷却された極低温高圧の冷媒水素ガスをジュールトムソン（等エンタルピー）膨張させて液化し、液体水素を生成する。
液体水素貯槽１３６は、生成された液体水素を貯留する。また液体水素貯槽１３６内には、最終段の熱交換器１８１が設置され、この熱交換器１８１にはフィードライン１１０の通路１１１が接続される。よってフィードライン１１０を流れる水素ガスは、熱交換器１８１及び液体水素貯槽１３６内の液体水素により、液体水素温度付近まで冷却される。
【００２７】
また液体水素貯槽１３６には、液体水素から気化した水素ガスが通過する通路１３１Ｃが接続される。気化した水素ガスは、７段目の熱交換器１８０ｇから３段目の熱交換器１８０ｃ、及び１段目の熱交換器１８０ａの順に通過して昇温し、リサイクル低圧圧縮機１３２の入口へ導かれる。
【００２８】
次に、冷熱生成系統１４１について説明する。
上述したように、３段目の熱交換器１８０ｃの出口側にて分岐した通路１３１Ａは、高圧膨張タービン入口調節弁１３７ａを介して高圧膨張タービン１３７の入口側に接続される。よって、リサイクル高圧圧縮機１３３で昇圧され３段目の熱交換器１８０ｃを通過した冷媒は、高圧膨張タービン入口調節弁１３７ａにて流量が調節されて高圧膨張タービン１３７へ供給される。本実施形態では、高圧膨張タービン入口調節弁１３７ａが全開状態の場合、高圧膨張タービン１３７の動作により、３段目の熱交換器１８０ｃを出た冷媒の大半が高圧膨張タービン１３７に供給されるようにしている。
【００２９】
高圧膨張タービン１３７は、熱交換器１８０ｃを通過して液体窒素温度よりも低温で高圧の冷媒を、膨張により降温及び降圧する。このような高圧膨張タービン１３７は、そのロータ軸を回転可能に支持する気体軸受ユニット１３７ＧＢを備え、この気体軸受ユニット１３７ＧＢは、詳細後述の、気体軸受１３７ｅ及び軸シール１３７ｆを有する。気体軸受１３７ｅとして、本実施形態では、いわゆる静圧気体軸受を採用するが、動圧気体軸受を使用してもよい。
また、高圧膨張タービン１３７には、入口側と出口側とを接続するバイパスラインが設けられ、このバイパスラインには高圧膨張タービンバイパス調節弁１３７ｃを設けている。よって、高圧膨張タービン入口調節弁１３７ａ及び高圧膨張タービンバイパス調節弁１３７ｃの各開度を調節することで、入口側から高圧膨張タービン１３７へ供給する冷媒の量を調節することができる。
【００３０】
高圧膨張タービン１３７の出口通路は、高圧膨張タービン出口弁１３７ｂを介して５段目の熱交換器１８０ｅに接続され、この熱交換器１８０ｅを通り、さらに低圧膨張タービン入口調節弁１３８ａを介して低圧膨張タービン１３８の入口に接続される。このように高圧膨張タービン１３７と低圧膨張タービン１３８とは直列に接続される。
【００３１】
低圧膨張タービン１３８は、高圧膨張タービン１３７から導かれた低温高圧の冷媒を、膨張によりさらに降温及び降圧する。高圧膨張タービン１３７の場合と同様に、低圧膨張タービン１３８も、そのロータ軸を回転可能に支持する気体軸受ユニット１３８ＧＢを備え、この気体軸受ユニット１３８ＧＢは、詳細後述の、気体軸受１３８ｅ及び軸シール１３８ｆを有する。気体軸受１３８ｅとして、高圧膨張タービン１３７の場合と同様に静圧気体軸受を採用するが、動圧気体軸受を使用してもよい。
さらにまた、高圧膨張タービン１３７の場合と同様に、低圧膨張タービン１３８にもバイパスラインを設け、低圧膨張タービンバイパス調節弁１３８ｃを設けている。よって、低圧膨張タービン入口調節弁１３８ａ及び低圧膨張タービンバイパス調節弁１３８ｃの各開度を調節することで、入口側から低圧膨張タービン１３８へ供給する冷媒の量を調節することができる。
【００３２】
低圧膨張タービン１３８を出た冷媒の温度は、本実施形態では極低温となる。低圧膨張タービン１３８を出た冷媒は、６段目の熱交換器１８０ｆから３段目の熱交換器１８０ｃ、及び１段目の熱交換器１８０ａの順に通過して昇温し、リサイクル低圧圧縮機１３２により昇圧された冷媒と合流し、リサイクル高圧圧縮機１３３の入口側へ戻される。
【００３３】
次に、フィードライン１１０について説明する。
フィードライン１１０には、通路１１１、フィード圧縮機１１２、液体水素タンク１１３、タンク入口弁１１３ａ、タンク出口調節弁１１３ｂ、ガス供給調節弁１１４、フィード入口弁１１５、フィード系ジュールトムソン弁（「フィード系ＪＴ弁」と記す場合もある）１１６、及び、熱交換器１１７が備わる。
【００３４】
フィードライン１１０の通路入口にはガス供給調節弁１１４を設けている。原料ガス液化装置１０１の上流側から供給される高純度の、原料ガスに相当する水素ガスは、ガス供給調節弁１１４を通してフィード圧縮機１１２に供給される。フィード圧縮機１１２は、供給された水素ガスの昇圧を行う。
フィード圧縮機１１２の出口側の通路１１１は、フィード入口弁１１５を介して上述した冷媒循環ライン１３０を循環する冷媒と熱交換するために、１段目の熱交換器１８０ａから７段目の熱交換器１８０ｇへ順次接続されていき、さらに、上述のように液体水素貯槽１３６内に設置されている最終段の熱交換器１８１に接続される。さらに熱交換器１８１の出口通路は、フィード系ＪＴ弁１１６へ接続される。
また、フィード圧縮機１１２の出口側の通路１１１の一部は、タービン軸受ライン１２５として分岐し、上述の気体軸受ユニット１３７ＧＢ、１３８ＧＢに接続される。このタービン軸受ライン１２５については後述する。
【００３５】
フィード系ＪＴ弁１１６は、当該フィードライン１１０の通路出口に配置され、一連の熱交換器１８０ａから１８０ｇ、１８１にて冷却された高圧の水素ガスを通過させることで、極低温高圧の水素ガスをジュールトムソン（等エンタルピー）膨張させて液化し、極低温常圧の液体水素を生成する。生成される液体水素量は、制御装置１５０により、フィード系ＪＴ弁１１６の開度が制御されることで調整される。
【００３６】
フィード系ＪＴ弁１１６の出口側は、タンク入口弁１１３ａを介して液体水素タンク１１３に接続される。液体水素タンク１１３は、液体水素を貯蔵するタンクであり、フィード系ＪＴ弁１１６を通過することで生成された液体水素は、タンク入口弁１１３ａを通して液体水素タンク１１３内へ供給される。液体水素タンク１１３内で気化した極低温の水素ガスは、タンク出口調節弁１１３ｂを介して熱交換器１１７へ供給される。
熱交換器１１７は、極低温の水素ガスを常温へ戻して、常温の水素ガスをフィード圧縮機１１２の入口側の通路１１１へ供給する。
【００３７】
次に、タービン軸受ライン１２５について説明する。
既に説明したように、タービン軸受ライン１２５は、フィード圧縮機１１２の出口側の通路１１１から分岐して、高圧膨張タービン１３７の気体軸受ユニット１３７ＧＢにおけるガス供給口に、及び低圧膨張タービン１３８の気体軸受ユニット１３８ＧＢにおけるガス供給口にそれぞれ接続される。よって、フィードライン１１０からタービン軸受ライン１２５を通って供給される、原料ガスである水素ガスは、気体軸受ユニット１３７ＧＢ、１３８ＧＢ内の各気体軸受１３７ｅ、１３８ｅへ供給される。より詳しくは、水素ガスは、タービンのロータ軸と気体軸受１３７ｅ、１３８ｅとの間に形成された軸受隙間に噴射される。そして、噴射された水素ガスは、各気体軸受ユニット１３７ＧＢ及び１３８ＧＢのガス排出口に排出される。気体軸受ユニット１３７ＧＢのガス排出口は、排出通路１２８における背圧調節弁１２６に接続され、気体軸受ユニット１３８ＧＢのガス排出口も、排出通路１２８における背圧調節弁１２７に接続される。各背圧調節弁１２６、１２７の出口側は、合流してフィード圧縮機１１２の入口側の通路１１１に接続される。
【００３８】
このように、気体軸受ユニット１３７ＧＢ、１３８ＧＢ内の各気体軸受１３７ｅ、１３８ｅに高圧の水素ガスが供給され、軸受隙間に水素ガスが噴射されることにより、膨張タービン１３７、１３８の各ロータ軸は、気体軸受ユニット１３７ＧＢ、１３８ＧＢ内で回転可能に支持される。よって、起動時及び停止時に膨張タービン１３７、１３８の各ロータ軸の外周面と気体軸受ユニット１３７ＧＢ、１３８ＧＢ内の気体軸受１３７ｅ、１３８ｅの内周面との間で摩擦が生じない構造となっている。
また気体軸受ユニット１３７ＧＢ、１３８ＧＢは、ラビリンス構造の軸シール（ラビリンスシール）１３７ｆ，１３８ｆを有する。この軸シール１３７ｆ，１３８ｆは、非接触シールの一種であり、高圧膨張タービン１３７におけるタービンインペラ側と、気体軸受ユニット１３７ＧＢにおける気体軸受１３７ｅとの間、及び、低圧膨張タービン１３８におけるタービンインペラ側と、気体軸受ユニット１３８ＧＢにおける気体軸受１３８ｅとの間にそれぞれ設置される。この軸シール１３７ｆ，１３８ｆは、起動時を除く運転時には、冷熱生成系統１４１を流れる冷媒、本実施形態では水素ガスと、気体軸受ユニット１３７ＧＢ、１３８ＧＢへ供給される水素ガスとが互いに連通するのを抑える働きをする。一方、この軸シール１３７ｆ，１３８ｆはラビリンス構造を有することから、タービンインペラ側、換言すると冷熱生成系統１４１ひいては冷媒循環ライン１３０側と、気体軸受１３７ｅ、１３８ｅ側、換言するとタービン軸受ライン１２５側とは、軸シール１３７ｆ，１３８ｆを介して互いに連通した構造である。
【００３９】
このように構成されるタービン軸受ライン１２５は、次のように動作する。
即ち、当該原料ガス液化装置１０１を通常運転しているときには、フィード圧縮機１１２にて昇圧された原料ガス、本実施形態では水素ガス、の一部は、各気体軸受ユニット１３７ＧＢ、１３８ＧＢへ供給され、各気体軸受ユニット１３７ＧＢ、１３８ＧＢ、及び各背圧調節弁１２６、１２７を通り、排出通路１２８にてフィード圧縮機１１２の入口側の通路１１１に戻る。このようなタービン軸受ライン１２５の構成から分かるように、各背圧調節弁１２６、１２７の開度を調節することで、各気体軸受ユニット１３７ＧＢ、１３８ＧＢ内の気体軸受１３７ｅ，１３８ｅにおける背圧を調節することができる。
【００４０】
尚、本実施形態では、上で説明したフィードライン１１０及び冷媒循環ライン１３０について、一連の熱交換器１８０ａから１８０ｇ、熱交換器１８１を含む液体水素貯槽１３６、フィード系ＪＴ弁１１６、窒素ライン１７０、並びに、高圧膨張タービン１３７及び低圧膨張タービン１３８における冷媒の入口、出口部分を含む構成部分は、水素液化機１２０として構成している。
【００４１】
ここで、以上説明したように構成される、液体窒素貯槽１７１及び液体水素貯槽１３６を含めて熱交換器１８０ａから１８０ｇ、１８１による、フィードライン１１０における水素ガスの液化動作について説明する。
フィードライン１１０の入口に供給された高純度の水素ガスは、フィード圧縮機１１２によって昇圧される。昇圧された常温高圧の水素ガスは、１段目の熱交換器１８０ａでは、液体窒素貯槽１７１で気化した窒素ガス、冷媒循環ライン１３０における低圧膨張タービン１３８を出た冷媒、及び冷媒循環ライン１３０における液体水素貯槽１３６で気化した水素ガスで冷却され、２段目の熱交換器１８０ｂでは液体窒素で冷却され、３段目から６段目の熱交換器１８０ｃから１８０ｆでは冷媒循環ライン１３０における膨張タービン１３７，１３８による冷却により、７段目の熱交換器１８０ｇでは冷媒循環ライン１３０における液体水素温度付近の温度を有する冷媒にて、さらに、最終段の熱交換器１８１では液体水素により、ほぼ液体水素温度まで冷却される。熱交換器１８１を通過した極低温高圧の水素ガスは、フィード系ＪＴ弁１１６を通過することで、膨張して液化し、極低温常圧の液体水素となる。生成された液体水素は、水素液化機２００の外側に設置された液体水素タンク１１３に貯留される。
【００４２】
次に、制御装置１５０について説明する。
制御装置１５０は、フィードライン１１０及び冷媒循環ライン１３０に関する動作制御を行う装置であり、本実施形態では特に原料ガス液化装置１０１の起動方法及び停止方法、より詳しくは、高圧膨張タービン１３７及び低圧膨張タービン１３８の起動方法及び停止方法を実行する装置である。制御装置１５０は、これらの起動、停止方法を、高圧膨張タービン１３７と低圧膨張タービン１３８との間で協調しながら実行する。具体的には以下で詳しく説明するが、制御装置１５０は、上述した各バルブにおいて、フィードライン１１０では、フィード入口弁１１５を、冷媒循環ライン１３０では、特に、高圧膨張タービン入口調節弁１３７ａ、高圧膨張タービン出口弁１３７ｂ、高圧膨張タービンバイパス調節弁１３７ｃ、低圧膨張タービン入口調節弁１３８ａ、低圧膨張タービン出口弁１３８ｂ、低圧膨張タービンバイパス調節弁１３８ｃ，及び各背圧調節弁１２６、１２７の開度をそれぞれ制御することで、上述の起動、停止方法を実行する。
【００４３】
このような制御装置１５０は、実際にはコンピュータを用いて実現され、上述の機能は、対応するソフトウェアにて実行される。よって制御装置１５０は、このソフトウェアと、これを実行するためのＣＰＵ（中央演算処理装置）、メモリ等のハードウェアとから構成されている。
【００４４】
また、以上のように構成された原料ガス液化装置１０１における運転制御モードは、概略以下のように構成される。
図４に示すように、当該運転モードは大きく分けて９つのモードに分類され、各モードで実施するアクション、つまり制御開始及び停止、調節弁の開度指令、遮断弁の開閉指令等、を自動で行い、次のモードへ進むためには移行条件を成立させないと進めないシステムとしている。尚、運転員が行う操作としては、監視画面上で行う始動指令及び停止指令、並びに、膨張タービンの起動及び停止指令操作のみであり、従来のように各モードでのアクションを運転員が操作しながら実施していくものではない。よって、従来に比べて当該原料ガス液化装置１０１は、安全で、運転操作が容易なものとなっている。
【００４５】
以下には、本実施形態における、原料ガス液化装置１０１の起動方法及び停止方法について説明する。
まず、起動方法について説明する。
原料ガス液化装置１０１の全体が常温状態にある場合には、従来と同様にまず、窒素ライン１７０によって、液体窒素温度程度まで装置全体を予備冷却する。このとき冷媒循環ライン１３０では、液体窒素温度程度まで冷却されていない状態で高圧膨張タービン１３７及び低圧膨張タービン１３８の各ロータ軸を回転させると、各ロータ軸の振動が過大になる可能性がある。よって液体窒素温度程度まで冷却されていない状態での各ロータ軸の回転を避けるために、それぞれの膨張タービン入口調節弁１３７ａ，１３８ａ及び膨張タービン出口弁１３７ｂ，１３８ｂは閉とする。そして装置全体の予備冷却が終了した後、高圧膨張タービン１３７及び低圧膨張タービン１３８への冷媒供給を開始する。
【００４６】
一方、膨張タービンへ冷媒を供給するに際しては、以下の問題がある。
即ち、高圧膨張タービン１３７及び低圧膨張タービン１３８の各本体部分そのものは、予備冷却がなされておらず未だ常温状態にあるため、冷媒供給開始により、タービン周りの常温のガスが冷媒循環ライン１３０へ流れる。そのため、熱交換器１８０ａ、１８０ｃから１８０ｇにおける温度変化が大きくなり、負荷が大きくなる。
また、既に説明したように、危険速度領域におけるロータ軸振動が過大になるのを防止するため、危険速度領域を素早く越えるようにロータ軸の回転数を昇速した場合には、循環する冷媒量の変動が大きくなる。よって、熱交換器１８０ａ、１８０ｃから１８０ｇにおける温度変化が大きくなり、負荷が大きくなる。
【００４７】
従来、これらの課題が幾分でも低減可能なように、低圧膨張タービンへ供給する冷媒の流量を緩やかに増加させている。つまり、図５の（Ｂ）に示すように、低圧膨張タービンにおける、低圧膨張タービンバイパス調節弁（図１に示す「１３８ｃ」の弁に相当）の開度を循環運転時開度から全閉へ一定割合で小さくしていくと同時に、低圧膨張タービン入口調節弁（図１に示す「１３８ａ」の弁に相当）の開度を全閉から定格時弁開度へ一定割合で大きくしていく。よって、低圧膨張タービンにおけるロータ軸回転数は、ゼロから徐々に増加し、危険速度領域をも比較的緩やかに通過していく。
そして低圧膨張タービンのロータ軸が定格回転数に達した後、高圧膨張タービンへ供給する冷媒の流量を緩やかに増加させていく。つまり、図５の（Ａ）に示すように、高圧膨張タービンにおける、高圧膨張タービンバイパス調節弁（図１に示す「１３７ｃ」の弁に相当）の開度を循環運転時開度から全閉へ一定割合で小さくしていくと同時に、高圧膨張タービン入口調節弁（図１に示す「１３７ａ」の弁に相当）の開度を全閉から定格時弁開度へ一定割合で大きくしていく。よって、高圧膨張タービンにおけるロータ軸回転数は、ゼロから徐々に増加し、危険速度領域をも比較的緩やかに通過していく。
【００４８】
これに対して本実施形態では、一例として以下のような起動方法を実行する。該起動方法は、上述のように制御装置１５０により各弁の開度制御により実行される。また、本実施形態では、まず低圧膨張タービン１３８を起動し、次に、高圧膨張タービン１３７を起動するが、その順序はこれに限定されない。さらにまた、以下で説明する弁開度値は、一例であり、この値に限定されない。
また、上述したように、常温の原料ガス液化装置１０１は、窒素ライン１７０によって液体窒素温度程度まで、その全体が予備冷却されているものとし、この予備冷却状態から本実施形態の起動方法が実行される。
【００４９】
まず、起動方法の概略を説明する。
既に説明したように、膨張タービン１３７，１３８では、これらの各タービンインペラ側と、各気体軸受１３７ｅ，１３８ｅ側とは、ラビリンス構造の各軸シール１３７ｆ、１３８ｆを介して連通している。そこで、この構造を利用して、各膨張タービンの各入口弁を閉じた状態で各膨張タービンの各出口弁を開け、冷媒循環ライン１３０を流れる液体窒素温度程度に冷却された冷媒を、膨張タービン内部つまりタービンインペラ、並びに、気体軸受ユニットにおけるラビリンス構造の上記軸シール及び気体軸受における上述の軸受隙間へ流す。これにより、気体軸受ユニットにおける背圧側の原料ガス温度が下がらない範囲で膨張タービン周辺の「初期冷却」を実施する。
【００５０】
具体的に起動方法の一例について以下に説明する。尚、本実施形態においても、まず低圧膨張タービン１３８から起動を行う。尚、軸シール１３７ｆ、１３８ｆ及び気体軸受１３７ｅ，１３８ｅを介しての上記初期冷却については、高圧膨張タービン１３７及び低圧膨張タービン１３８に対して同時に行う。
即ち、図２の（Ｂ）に示す時刻ｔ０よりも以前において、高圧膨張タービン１３７及び低圧膨張タービン１３８に対して上述の初期冷却を行う。即ち、高圧膨張タービン１３７について、高圧膨張タービン入口調節弁１３７ａは全閉、及び、高圧膨張タービン出口弁１３７ｂを全開にする。また、低圧膨張タービン１３８についても、低圧膨張タービン入口調節弁１３８ａは全閉、及び、低圧膨張タービン出口弁１３８ｂを全開にする。また、高圧膨張タービン１３７の気体軸受ユニット１３７ＧＢ、及び低圧膨張タービン１３８の気体軸受ユニット１３８ＧＢ、の各ガス排出口が接続される排出通路１２８に設けた各背圧調節弁１２６、１２７の開度が調節される。この開度調節により、気体軸受ユニット１３７ＧＢ内の気体軸受１３７ｅ及び気体軸受ユニット１３８ＧＢ内の気体軸受１３８ｅの各背圧は、通常運転時における設定圧力よりも低くなるように設定される。
【００５１】
このように高圧膨張タービン出口弁１３７ｂ及び低圧膨張タービン出口弁１３８ｂを開き、上述の背圧設定を行うことで、冷媒循環ライン１３０を循環している冷却された冷媒の一部は、高圧膨張タービン１３７については、高圧膨張タービン出口弁１３７ｂ、高圧膨張タービン１３７における気体軸受ユニット１３７ＧＢ、詳しくは軸シール１３７ｆさらに気体軸受１３７ｅにおける軸受隙間、背圧調節弁１２６、及び排出通路１２８を通り、低圧膨張タービン１３８についても同様に、低圧膨張タービン出口弁１３８ｂ、低圧膨張タービン１３８における気体軸受ユニット１３８ＧＢ、詳しくは軸シール１３８ｆさらに気体軸受１３８ｅにおける軸受隙間、背圧調節弁１２７、及び排出通路１２８を通り、それぞれフィードライン１１０へ流れる。
【００５２】
以上説明した初期冷却動作により、高圧膨張タービン１３７及びその周辺、並びに、低圧膨張タービン１３８及びその周辺を液体窒素温度程度まで、「初期冷却」することができる。その結果、次工程にて、低圧膨張タービン１３８さらに高圧膨張タービン１３７のロータ軸を回転させたときに、膨張タービン１３７，１３８及びその周辺に滞留しているホットガスが冷媒循環ライン１３０に流れ込むことはなくなる。ここで、上記ホットガスとは、常温以下で液体窒素温度より高い温度のガス、本実施形態では冷媒循環ライン１３０における水素ガスが相当する。
【００５３】
また、高圧膨張タービン１３７及び低圧膨張タービン１３８の起動時において、冷媒循環ライン１３０を流れる冷媒がタービン軸受ライン１２５に漏れ込み各気体軸受ユニット１３７ＧＢ，１３８ＧＢにおける背圧側の原料ガス温度が下がることを抑えるために、「初期冷却」終了後には、背圧調節弁１２６、１２７の弁開度を調節して、タービン軸受ライン１２５の軸受背圧をタービン起動時の圧力設定に変更する。
【００５４】
次に、図２の（Ｂ）に示すように、時刻ｔ０から時刻ｔ１にかけて、低圧膨張タービン１３８の「初期起動」を行う。この初期起動のときに低圧膨張タービン１３８のロータ軸が危険速度領域まで昇速してしまうのを防止するため、低圧膨張タービンバイパス調節弁１３８ｃは、「循環運転時開度」から「起動開度１」まで一定割合で閉じられる。これにより、液化系統１４２から冷熱生成系統１４１に流れる冷媒の流量が絞られ、低圧膨張タービン１３８が起動後すぐに危険速度領域まで昇速するには至らない。「起動開度１」の一例として、本実施形態では、定格時弁開度の約３／４の開度とすることができる。
【００５５】
一方、例えば、ロータ軸の回転数が起動後すぐに危険速度領域まで昇速しないことが予め分かっているような場合には、本実施形態の図２の（Ａ）に示す高圧膨張タービン１３７のように、高圧膨張タービンバイパス調節弁１３７ｃが「循環運転時開度」を維持した状態で起動を行う形態を採ってもよい。しかしながら、高圧膨張タービンバイパス調節弁１３７ｃについても、低圧膨張タービンバイパス調節弁１３８ｃと同様に「起動開度１」まで一定割合で閉じる形態を採ってもよい。このように、低圧膨張タービンバイパス調節弁１３８ｃ及び高圧膨張タービンバイパス調節弁１３７ｃの各開度は、起動時において、低圧膨張タービン１３８及び高圧膨張タービン１３７の各ロータ軸が危険速度領域まで昇速しないように調節、設定すればよい。
【００５６】
低圧膨張タービンバイパス調節弁１３８ｃを「起動開度１」に調整後、低圧膨張タービン１３８の起動を行う。即ち、低圧膨張タービン入口調節弁１３８ａを全閉から「起動開度２」まで緩やかに開けていく。「起動開度２」の一例として、本実施形態では、定格時弁開度の約８％の開度とすることができる。
低圧膨張タービン入口調節弁１３８ａを開けることで、低圧膨張タービン１３８のロータ軸は、「初期起動回転数」まで昇速を開始し、時刻ｔ２までの所定時間、回転を維持する。これにより低圧膨張タービン１３８及びその周辺をさらに冷却（クールダウン）する。
尚、初期冷却後の「初期起動回転数」による冷却（クールダウン）操作は、「初期冷却」による冷却度との関係で、例えば、「初期冷却」によって高圧膨張タービン１３７及び低圧膨張タービン１３８並びにそれらの周辺部分が十分に冷却された場合等には、省略することも可能である。
【００５７】
上述の初期冷却及びクールダウンにより、高圧膨張タービン１３７及び低圧膨張タービン１３８並びにそれらの周辺部分は、十分に冷却される。このことは、以下に説明する、危険速度領域におけるロータ軸回転数の急峻な上昇を可能にする。
【００５８】
時刻ｔ２を経過しクールダウンの実行後、低圧膨張タービン１３８のロータ軸が危険速度領域を越えるときの回転数幅をなるべく小さくできるように、低圧膨張タービン入口調節弁１３８ａの開度を「起動開度３」まで緩やかに上げて、ロータ軸の回転を危険速度領域手前の「直前回転数」までゆっくり昇速させる。
【００５９】
低圧膨張タービン１３８のロータ軸が「直前回転数」まで達した後、低圧膨張タービン入口調節弁１３８ａを「起動開度３」から「起動開度４」まで急峻に、つまり一気に開ける。これにより、低圧膨張タービン１３８のロータ軸は、「直前回転数」から急峻に上昇し、危険速度領域を素早く通過して「安全回転数」に達する。その結果、低圧膨張タービン１３８の軸振動の発生を最小限に抑えることができる。尚、「起動開度３」から「起動開度４」への急峻な弁の開度変化として、例えば低圧膨張タービン入口調節弁１３８ａの全開に対して、一例として８０〜１００％/ｓｅｃの開度変化、等が相当する。また、「起動開度４」の一例として、本実施形態では、低圧膨張タービン入口調節弁１３８ａの定格時弁開度の約１／４の開度とすることができる。
このような弁開度調節によってタービンインペラへの冷媒供給量が急増し、低圧膨張タービン１３８のロータ軸回転数を従来の起動操作の場合に比べて急上昇させることができる。
【００６０】
以上、説明した動作によって低圧膨張タービン１３８が起動した後、低圧膨張タービン１３８の場合と同様に、高圧膨張タービン１３７の起動を行う。
即ち、図２の（Ａ）に示すように、時刻ｔ４にて、高圧膨張タービン１３７の「初期起動」を開始して、高圧膨張タービン入口調節弁１３７ａを全閉から「起動開度５」まで緩やかに開けていく。「起動開度５」は、上述した「起動開度２」に相当する。
高圧膨張タービン入口調節弁１３７ａを開けることで、高圧膨張タービン１３７のロータ軸は、「初期起動回転数」まで昇速を開始し、時刻ｔ５までの所定時間、回転を維持する。これにより高圧膨張タービン１３７及びその周辺をさらに冷却（クールダウン）する。
【００６１】
時刻ｔ５を経過しクールダウンの実行後、高圧膨張タービン１３７のロータ軸が危険速度領域を越えるときの回転数幅をなるべく小さくできるように、高圧膨張タービン入口調節弁１３７ａの開度を「起動開度５」から「起動開度６」まで緩やかに上げて、ロータ軸の回転を危険速度領域手前の「直前回転数」までゆっくり昇速させる。尚、「起動開度６」は、上述した「起動開度３」に相当する。
【００６２】
高圧膨張タービン１３７のロータ軸が「直前回転数」まで達した後、時刻ｔ６にて、高圧膨張タービン入口調節弁１３７ａを「起動開度６」から「起動開度７」まで、低圧膨張タービン入口調節弁１３８ａの場合と同様に急峻に、つまり一気に開ける。これにより、高圧膨張タービン１３７のロータ軸は、「直前回転数」から急峻に上昇し、危険速度領域を素早く通過して「安全回転数」に達する。その結果、高圧膨張タービン１３７の軸振動の発生を最小限に抑えることができる。尚、「起動開度７」は、上述した「起動開度４」に相当する。
【００６３】
以上、説明した動作によって高圧膨張タービン１３７についても起動がなされる。このように高圧膨張タービン１３７及び低圧膨張タービン１３８の各ロータ軸がそれぞれ危険速度領域を越えて昇速することで、熱交換器１８０ａ等の温度変化を許容範囲内に抑えながら、高圧膨張タービン１３７及び低圧膨張タービン１３８の各ロータ軸をそれぞれ定格回転数まで昇速することができる。具体的には、高圧膨張タービン１３７起動後の時刻ｔ７にて、低圧膨張タービン１３８については、低圧膨張タービン１３８の低圧膨張タービン入口調節弁１３８ａを「起動開度４」から「定格時弁開度」まで、また、低圧膨張タービンバイパス調節弁１３８ｃを「起動開度１」から全閉まで、それぞれ、一定割合で弁開度を調節する。同様に高圧膨張タービン１３７についても、高圧膨張タービン１３７の高圧膨張タービン入口調節弁１３７ａを「起動開度７」から「定格時弁開度」まで、また、高圧膨張タービンバイパス調節弁１３７ｃを「循環運転時開度」から全閉まで、それぞれ、一定割合で弁開度を調節する。
【００６４】
これらの動作により、低圧膨張タービン１３８及び高圧膨張タービン１３７の各ロータ軸は、時刻ｔ７より、「安全回転数」から一定割合で回転を増し「定格回転数」までそれぞれ達する。上述のように、各弁の開度調節を一定割合とすることで、各ロータ軸の回転がオーバースピードとなるのを抑えることができる。
【００６５】
高圧膨張タービン１３７及び低圧膨張タービン１３８の各ロータ軸が「定格回転数」に到達した後、背圧調節弁１２６、１２７の弁開度を調節して、タービン軸受ライン１２５の軸受背圧を起動時の圧力設定から通常運転時の圧力設定に変更する。また、例えば、フィード系ＪＴ弁１１６を制御してフィードライン１１０における液化量制御、リサイクル系ＪＴ弁１３５を制御して液体水素貯槽１３６における液位制御、等が実行されて、原料ガス液化装置１０１は、負荷運転に入る。
【００６６】
以上説明したように、本実施形態における、原料ガス液化装置１０１の起動方法によれば、高圧膨張タービン１３７、低圧膨張タービン１３８、及びその周辺部分を予め冷却（初期冷却）することで、熱交換器１８０ａ等への熱負荷を低減することができ、また、高圧膨張タービン１３７及び低圧膨張タービン１３８に対して危険速度領域を素早く通過させることで、タービンの軸振動の低減を図ることができる。したがって、原料ガス液化装置１０１を安全に起動することができる。
【００６７】
次に、原料ガス液化装置１０１を停止する停止方法について説明する。
この停止方法は、定格運転している原料ガス液化装置１０１を停止する方法であり、この停止方法についても制御装置１５０による各弁の開度制御により実行される。また以下で説明する弁開度値は、一例であり、この値に限定されない。
【００６８】
まず、従来の停止方法について図６を参照して説明する。
図６に示すように、まず低圧膨張タービンの停止動作が実行される。即ち、図６の（Ｂ）に示すように、低圧膨張タービンの入口調節弁（低圧膨張タービン入口調節弁１３８ａに相当）について、「定格時弁開度」から全閉まで一定割合で弁開度を絞ると同時に、低圧膨張タービンのバイパス調節弁（低圧膨張タービンバイパス調節弁１３８ｃに相当）について、全閉から「循環運転時開度」まで一定割合で開けていく。この動作により、低圧膨張タービンのロータ軸は、「定格回転数」から停止状態まで一定割合で減速し、低圧膨張タービンは停止する。
低圧膨張タービンが停止した後、高圧膨張タービンについても同様に停止動作を行う。即ち、図６の（Ａ）に示すように、高圧膨張タービンの入口調節弁（高圧膨張タービン入口調節弁１３７ａに相当）について、「定格時弁開度」から全閉まで一定割合で弁開度を絞ると同時に、高圧膨張タービンのバイパス調節弁（高圧膨張タービンバイパス調節弁１３７ｃに相当）について、全閉から「循環運転時開度」まで一定割合で開けていく。この動作により、高圧膨張タービンのロータ軸は、「定格回転数」から停止状態まで一定割合で減速し、高圧膨張タービンは停止する。
【００６９】
上述のように従来の停止方法では、低圧膨張タービン及び高圧膨張タービンの各ロータ軸回転数は、緩やかに危険速度領域を通過することから、タービンの軸振動が過大になる可能性がある。
一方、危険速度領域を急峻に通過するように、低圧膨張タービン及び高圧膨張タービンの各ロータ軸回転数を急速に下げた場合には、タービン流量の変動量も大きくなり、熱交換器１８０ａ等における温度変化が許容範囲を超える恐れもある。これを解決するために、本実施形態の停止方法では以下のように構成している。
【００７０】
図３に示すように、時刻ｔ１０から時刻ｔ１１にかけて、高圧膨張タービン１３７の高圧膨張タービン入口調節弁１３７ａの開度を「定格時弁開度」から「停止前開度１」まで一定割合で絞っていくと共に、高圧膨張タービンバイパス調節弁１３７ｃを全閉から「停止前開度２」まで一定割合で開けていく。「停止前開度１」の一例として、本実施形態では、定格時弁開度の約８割の開度とすることができる。また、「停止前開度２」の一例として、本実施形態では、循環運転時開度の約７割の開度とすることができる。
同様に、低圧膨張タービン１３８についても、時刻ｔ１０から時刻ｔ１１にかけて、低圧膨張タービン１３８の低圧膨張タービン入口調節弁１３８ａの開度を「定格時弁開度」から「停止前開度３」まで一定割合で絞っていくと共に、低圧膨張タービンバイパス調節弁１３８ｃを全閉から「停止前開度４」まで一定割合で開けていく。ここで「停止前開度３」は、上述の「停止前開度１」に相当し、「停止前開度４」は、上述の「停止前開度２」に相当する。
【００７１】
このような弁調節により、熱交換器１８０ａ等における温度変化が許容範囲内に抑えられ、また、高圧膨張タービン１３７及び低圧膨張タービン１３８の各ロータ軸回転数は、共に、「定格回転数」から「停止用回転数」まで一定割合で低下し、急激な減速による危険速度領域への突入を回避することができる。尚、「停止用回転数」は、危険速度領域よりも高い回転数であり、一例として本実施形態では、定格回転数の約６割の回転数とすることができる。
【００７２】
高圧膨張タービン１３７及び低圧膨張タービン１３８の各ロータ軸回転数が「停止用回転数」まで低下した後、背圧調節弁１２６、１２７の弁開度を調節して、タービン軸受ライン１２５の軸受背圧を膨張タービン停止時の圧力設定に変更する。これにより、タービン停止後に冷媒循環ライン１３０を流れる冷媒がタービン軸受ライン１２５に漏れ込み、それぞれの気体軸受ユニット１３７ＧＢ，１３８ＧＢにおける背圧側の原料ガス温度が下がることを抑えることができる。
【００７３】
軸受背圧の設定後、時刻ｔ１２にて、まず、低圧膨張タービン１３８の低圧膨張タービン入口調節弁１３８ａを「停止前開度３」から全閉まで速やかに閉じる。これに伴い、低圧膨張タービン１３８のロータ軸回転数は、「停止用回転数」から停止状態まで速やかに低下し、危険速度領域を急峻につまり素早く通過することができる。したがって、低圧膨張タービン１３８の軸振動を最小限に抑えられる。尚、低圧膨張タービン入口調節弁１３８ａを閉じることで、高圧膨張タービン１３７のロータ軸回転数も下がるが、高圧膨張タービン１３７は、未だ、危険速度領域よりも高い回転数を維持する。
以上の動作により、まず、低圧膨張タービン１３８が停止する。
【００７４】
低圧膨張タービン１３８の停止後、高圧膨張タービン１３７を停止させる。即ち、低圧膨張タービン１３８の場合と同様に、高圧膨張タービン１３７の高圧膨張タービン入口調節弁１３７ａを、時刻ｔ１３にて、「停止前開度１」から全閉まで速やかに閉じる。これに伴い、高圧膨張タービン１３７のロータ軸回転数は、停止状態まで速やかに低下し、危険速度領域を急峻につまり素早く通過することができる。したがって、高圧膨張タービン１３７の軸振動を最小限に抑えられる。
以上の動作により、高圧膨張タービン１３７も停止する。
【００７５】
低圧膨張タービン１３８及び高圧膨張タービン１３７の両方が停止した後、時刻ｔ１４から、低圧膨張タービン１３８の低圧膨張タービンバイパス調節弁１３８ｃを「停止前開度４」から、及び高圧膨張タービン１３７の高圧膨張タービンバイパス調節弁１３７ｃを「停止前開度２」から、それぞれ「循環運転時開度」まで、一定割合で開けていく。
【００７６】
また、高圧膨張タービン出口弁１３７ｂ及び低圧膨張タービン出口弁１３８ｂを全閉にする。その後、背圧調節弁１２６、１２７の弁開度を調節して、タービン軸受ライン１２５の軸受背圧を、膨張タービン停止時の圧力設定から通常運転時の圧力設定に変更する。
以上の動作にて、停止方法が終了する。
【００７７】
尚、低圧膨張タービン１３８及び高圧膨張タービン１３７の停止後、フィードライン１１０及び冷媒循環ライン１３０に関する一般的な停止操作、例えば、フィード圧縮機１１２の停止、並びに、リサイクル低圧圧縮機１３２及びリサイクル高圧圧縮機１３３の停止、等が実行され、当該原料ガス液化装置１０１の停止操作が終了する。
【００７８】
尚、上述の実施形態に記載した各弁について、電動、空圧等の駆動形態は問わず、ガス液化装置の分野にて通常使用される形態のものが適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明は、例えば水素ガスのような極低温で液化される原料ガスを液化する原料ガス液化装置の起動方法及び停止方法に適用でき、また、この起動方法及び停止方法を実行する原料ガス液化装置に適用可能である。
【符号の説明】
【００８０】
１０１…原料ガス液化装置、１１０…フィードライン、１２６、１２７…背圧調節弁、
１３０…冷媒循環ライン、１３７…高圧膨張タービン、
１３７ａ…高圧膨張タービン入口調節弁、１３７ｂ…高圧膨張タービン出口弁、
１３７ｃ…高圧膨張タービンバイパス調節弁、
１３７ＧＢ…高圧膨張タービン気体軸受ユニット、
１３８…低圧膨張タービン、１３８ａ…低圧膨張タービン入口調節弁、
１３８ｂ…低圧膨張タービン出口弁、１３８ｃ…低圧膨張タービンバイパス調節弁、
１３８ＧＢ…低圧膨張タービン気体軸受ユニット、１４１…冷熱生成系統、
１４２…液化系統、１５０…制御装置。
【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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