(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
最大需要量に対して吐出容量の大きな払出ポンプで、貯蔵タンク内のＬＮＧからなる低温液を設定の吐出圧力に加圧してガスタービンに払い出す際に、需要側に払い出す払出し量が払出ポンプの設定ミニマムフロー量以下となったときの低温液の加圧払出方法において、払出ポンプの吸込圧力と吐出圧力の差圧と、ポンプの性能曲線からポンプ流量を求めると共に設定ミニマムフロー量を設定し、上記払出ポンプを、設定の吐出圧力と設定ミニマムフロー量で運転し、その払出ポンプから吐出される低温液の一部を払出ポンプの吸込側に戻して需要側への払出し量を制御し、他方、払出ポンプに吸い込まれる低温液の温度を検出すると共にその温度から飽和圧力を求め、その求めた飽和圧力より払出ポンプに吸い込まれる低温液の吸込圧力が高くなるよう貯蔵タンクを加圧することを特徴とする低温液の加圧払出方法。
【請求項２】
払出ポンプの待機運転、試運転、切換運転時で、需要側への払出がない場合、或いはミニマムフロー量がポンプ吸込側への戻し量の許容値以上になる場合の流量を計測して、これら運転期間はポンプ吐出液を貯蔵タンクに戻すようにした請求項１記載の低温液の加圧払出方法。
【請求項３】
最大需要量に対して吐出容量の大きな払出ポンプで、貯蔵タンク内のＬＮＧからなる低温液を設定の吐出圧力に加圧してガスタービンに払い出す際に、需要側に払い出す払出し量が払出ポンプの設定ミニマムフロー量以下となったときの低温液の加圧払出装置において、設定の吐出圧と設定ミニマムフロー量で運転される払出ポンプと、その払出ポンプから吐出される低温液の一部を払出ポンプの吸込側に戻す戻しラインと、戻しラインに接続された制御弁と、払出ポンプの吐出圧力と吸込圧力の差が設定圧となるように上記制御弁を制御するミニマムフロー制御手段と、払出ポンプに吸い込まれる低温液の温度を検出する温度検出手段と、その温度検出手段で検出された温度から飽和圧力を求め、その払出ポンプに吸い込まれる低温液の吸込圧力が上記飽和圧力より高くなるよう貯蔵タンクを加圧する貯蔵タンク加圧手段とを備えたことを特徴とする低温液の加圧払出装置。
【請求項４】
払出ポンプの待機運転、試運転、切換運転時で、需要側への払出がない場合、或いはミニマムフロー量がポンプ吸込側への戻し量の許容値以上になる場合の流量を計測して、これら運転期間はポンプ吐出液をタンクに戻す切換弁を備えた請求項３記載の低温液の加圧払出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＮＧサテライト基地などの低温液化貯蔵タンク等において、そのタンクからＬＮＧからなる低温液を払い出す際の小容量・高吐出圧力ポンプでの低温液の加圧方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近計画されているＬＮＧサテライト基地は、小型のガスタービンに燃料として天然ガス（ＮＧ）を供給するために、高圧で小容量でＬＮＧを払い出すケースが多くなってきている。
【０００３】
このような要求に対する方法として、従来からの方式として主に２種類ある。
【０００４】
一つは、貯蔵タンクの圧力を、貯蔵液を蒸発させることで、ガスの需要圧力より高くして液を払い出す方法であり、また他の方法は、貯蔵タンクから払い出された液をポンプで需要圧力まで加圧する方法である。
【０００５】
図２は、前者の方法を示すものである。図２において、貯蔵タンク４０内の貯蔵液４１を、循環ライン４２を通してタンク加圧用気化器４３に導入して蒸発させ、そのＢＯＧを圧力調整弁４４を介してタンク４０の頂部の気相部４５に戻すことで、タンク４０を加圧する。次に貯蔵液４１を払出ライン４６から流量計４７と流量調整弁４８を通して流量を調整しながら、気化器４３に導入して蒸発させることで、ガスタービンの燃焼室への供給圧力（２．０ＭＰａ）まで高めて供給するようにしている。
【０００６】
図３は、後者の方法を示すもので、貯蔵タンク４０内の貯蔵液４１を払出ライン４６から払出ポンプ４９で吸い込んで加圧し、これを気化器５０を通して蒸発させて供給する。この場合、現状では、需要側の供給量に対して払出ポンプ４９の吐出容量が大きいため、余剰分を戻しライン５１を介して貯蔵タンク４０のボトム或いはトップに戻し、また払出ライン４６に接続した流量計５２で検出すると共に戻しライン５１に接続した制御弁５３で、戻し量を制御することで、ポンプ運転に必要な最低流量を確保している。
【０００７】
さらに払出ポンプ４９で貯蔵液４１が払い出されると、貯蔵タンク４０の気相部４５の圧力が低くなるため、循環ライン４２より、タンク加圧用気化器４３に貯蔵液４１を導入して蒸発させ、圧力調整弁４４にてタンク頂部の気相部４５にそのＢＯＧを戻して、タンク４０内の運転圧力を維持するようにしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２の方法では、貯蔵タンク４０が大型の場合、或いは小型タンクでも、ガスの需要圧力が高圧の場合は、タンクが高圧設計となるため、付帯設備の価格を含めて高価になる問題がある。また高圧運転するにしても、タンクローリーから貯蔵液を受け入れる際には、貯蔵タンクを０．３ＭＰａｇ程度に落圧する必要があり、基地内に落圧する際のＢＯＧの需要がない場合には、落圧用のＢＯＧタンクや、そのＢＯＧを再度運転圧まで昇圧する圧縮機も必要となり、更に設備費を高めることになる。
【０００９】
一方、図３に示した、払出ポンプで加圧して払い出す場合には、ポンプの揚程が１．０ＭＰａｇを越えると、容量が３ｍ3 ／ｈ以下では、実績のあるポンプがないのが現状である。従って、３ｍ3 ／ｈ以下で払い出す場合、先ずポンプをミニマムフロー量を確保して運転し、需要に対して余剰となる分は、貯蔵タンク４０に戻して運転することになる。
【００１０】
しかし、長時間、貯蔵タンク４０に余剰分を戻すと、ポンプからのエネルギーがタンク４０内に蓄積され、液の飽和圧力が液量が少ないほど早く高くなり、タンクを高圧設計することが必要となり、ポンプ使用の利点が薄くなる問題がある。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、需要側への払出量より容量の大きな払出ポンプで、貯蔵タンク内のＬＮＧからなる低温液を支障なく払い出すことができる低温液の加圧払出方法及びその装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、最大需要量に対して吐出容量の大きな払出ポンプで、貯蔵タンク内のＬＮＧからなる低温液を設定の吐出圧力に加圧してガスタービンに払い出す際に、需要側に払い出す払出し量が払出ポンプの設定ミニマムフロー量以下となったときの低温液の加圧払出方法において、払出ポンプの吸込圧力と吐出圧力の差圧と、ポンプの性能曲線からポンプ流量を求めると共に設定ミニマムフロー量を設定し、上記払出ポンプを、設定の吐出圧力と設定ミニマムフロー量で運転し、その払出ポンプから吐出される低温液の一部を払出ポンプの吸込側に戻して需要側への払出し量を制御し、他方、払出ポンプに吸い込まれる低温液の温度を検出すると共にその温度から飽和圧力を求め、その求めた飽和圧力より払出ポンプに吸い込まれる低温液の吸込圧力が高くなるよう貯蔵タンクを加圧するようにした低温液の加圧払出方法である。
【００１４】
請求項２の発明は、払出ポンプの待機運転、試運転、切換運転時で、需要側への払出がない場合、或いはミニマムフロー量がポンプ吸込側への戻し量の許容値以上になる場合の流量を計測して、これら運転期間はポンプ吐出液を貯蔵タンクに戻すようにした請求項１記載の低温液の加圧払出方法である。
【００１５】
請求項３の発明は、最大需要量に対して吐出容量の大きな払出ポンプで、貯蔵タンク内のＬＮＧからなる低温液を設定の吐出圧力に加圧してガスタービンに払い出す際に、需要側に払い出す払出し量が払出ポンプの設定ミニマムフロー量以下となったときの低温液の加圧払出装置において、設定の吐出圧と設定ミニマムフロー量で運転される払出ポンプと、その払出ポンプから吐出される低温液の一部を払出ポンプの吸込側に戻す戻しラインと、戻しラインに接続された制御弁と、払出ポンプの吐出圧力と吸込圧力の差が設定圧となるように上記制御弁を制御するミニマムフロー制御手段と、払出ポンプに吸い込まれる低温液の温度を検出する温度検出手段と、その温度検出手段で検出された温度から飽和圧力を求め、その払出ポンプに吸い込まれる低温液の吸込圧力が上記飽和圧力より高くなるよう貯蔵タンクを加圧する貯蔵タンク加圧手段とを備えた低温液の加圧払出装置である。
【００１７】
請求項４の発明は、払出ポンプの待機運転、試運転、切換運転時で、需要側への払出がない場合、或いはミニマムフロー量がポンプ吸込側への戻し量の許容値以上になる場合の流量を計測して、これら運転期間はポンプ吐出液をタンクに戻す切換弁を備えた請求項３記載の低温液の加圧払出装置である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１９】
図１において、１０は、ＬＮＧ等の低温液１１を貯蔵する貯蔵タンクで、その貯蔵タンク１０の底部に、ガスタービン等の需要側にＬＮＧ等の低温液１１を払い出すための払出ライン１２が接続される。
【００２０】
この払出ライン１２には、払出ポンプ１３が接続されると共にその下流側に払出液を蒸発させるための気化器１４が接続されると共に需要側に供給する圧力を制御する圧力調整弁１４ａが接続される。
【００２１】
この払出ポンプ１３の吐出側のライン１２ｄと吸込側ライン１２ｓを結んで、吐出液を吸込側に戻す戻しライン１５が接続される。この戻しライン１５には、制御弁１６が接続され、その下流側に三方弁１７が接続されて吸込側ライン１２ｓと接続される。また三方弁１７には、分岐ライン１８が接続され、その分岐ライン１８に、開閉弁１９を介して払出液を貯蔵タンク１０の底部に戻すボトムライン２０と、開閉弁２１を介してタンク頂部の気相部２２に戻すトップライン２３が接続される。
【００２２】
貯蔵タンク１０の底部と頂部を結んで循環ライン２４が接続され、その循環ライン２４にタンク加圧用気化器２５が接続されると共に圧力制御弁２６が接続されて貯蔵タンク加圧手段２７が構成される。
【００２３】
また貯蔵タンク１０の頂部には安全弁２８が接続される。
【００２４】
次に、加圧払出しのための制御系を説明する。
【００２５】
貯蔵タンク１０には、その気相部２２の圧力を検知するタンク圧力検出手段３０が接続され、払出ポンプ１３の吸込側には、吸込圧力ＰP を検知する吸込圧力検出手段３１と吸込温度ＴP を検知する吸込温度検出手段３２がそれぞれ接続され、吐出側には、吐出圧力Ｐｄ を検知する吐出圧力検出手段３３が接続される。
【００２６】
また払出ライン１２の戻しライン１５より下流側で気化器１４に至る吐出側ライン１２ｄには、需要側に払い出される払出液の払出し量Ｗu を検出する流量検出手段３４が接続される。
【００２７】
タンク圧力検出手段３０で検出したタンク圧力と、吸込圧力検出手段３１で検出した吸込圧力ＰP と、吸込温度検出手段３２で検出した吸込温度ＴP とがタンク圧力制御手段３６に入力され、そのタンク圧力制御手段３６にて圧力制御弁２６が制御されてタンク圧力が制御される。
【００２８】
また吸込圧力検出手段３１で検出した吸込圧力ＰP と、吐出圧力検出手段３３で検出された吐出圧力Ｐｄ とがミニマムフロー制御手段３７に入力される。ミニマムフロー制御手段３７は、吐出圧力Ｐｄ と吸込圧力ＰP の差（Ｐｄ −ＰP ）が設定圧となるように制御弁１６を制御する。
【００２９】
さらに流量検出手段３４の検出した払出し量Ｗu とタンク圧力検出手段３０で検出したタンク圧力とが、流量制御手段３８に入力される。流量制御手段３８は、その払出し量Ｗu が少なく、ミニマムフロー量が多くなりポンプ吸込側ライン１２ｓに戻す許容量の設定値以上のときには、分岐ライン１８側に、払出し量Ｗu が多く、ミニマムフロー量が設定値以下のときには、払出ポンプ１３の吐出液を吸込側に戻すように三方弁１７を切り換え、また、ミニマムフローをポンプ吸込側ライン１２ｓに戻している運転中にタンク圧力が設定圧以上となったときには、吐出液を貯蔵タンク１０側に戻すように切り換える。
【００３０】
これはポンプのミニマムフロー液の飽和圧力よりタンク圧力を高くするように、気化器２５と圧力調整弁２６で調節しているが、タンクの設計圧力に近づいた場合は昇圧できないので、ポンプ吸込側にミニマムフロー液を返すことができないためである。
【００３１】
また、払出ポンプの待機運転、試運転、切換運転時などで、需要側への払出がない場合、或いはミニマムフロー量がポンプ吸込側への戻し量の許容値以上になる場合の流量を計測して、これら運転期間はポンプ吐出液を切換弁である三方弁１７にてタンク１０に戻すようにする。
【００３２】
次に加圧払出方法を説明する。
【００３３】
貯蔵タンク１０からの低温液１１は、払出ライン１２より払出ポンプ１３にて昇圧され、気化器１４で気化され、ガスタービン等の需要側に供給される。この場合、ミニマムフロー制御手段３７は、制御弁１６を制御して吐出圧力検出手段３３と吸込圧検出手段３１で検出される差圧（Ｐｄ−ＰP ）がポンプ性能曲線から求められる設定圧力となるように制御する。
【００３４】
この需要側に供給する払出ポンプ１３の揚程は、１．０ＭＰａ以上であり、また払出液の流量は、３ｍ3 ／ｈ以下の場合では、実績のある適切なポンプが無いのが現状である。
【００３５】
従って、３ｍ3 ／ｈ以下で、低温液を払い出す場合、先ず払出ポンプ１３を、設定ミニマムフロー量で運転し、余剰分を、戻しライン１５と三方弁１７にて吸込側に戻して運転することで、払出ポンプ１３からのエネルギを貯蔵タンク１０に戻すことなく需要側に払い出すことができる。
【００３６】
この場合、吸込側に戻すと吸込液の温度が上がり、飽和圧力が高くなるため、ポンプ１３内でキャビテーションを起こし易くなる。
【００３７】
そこで、払出ポンプ１３に吸い込まれる低温液の吸込温度ＴP を吸込温度検出手段３２で検出し、その吸込温度ＴP から飽和圧力を求め、その求めた飽和圧力より払出ポンプ１３に吸い込まれる低温液の吸込圧力ＰP が高くなるようにタンク加圧手段２７にて貯蔵タンク１０を加圧することで、キャビテーションを防止する。
【００３８】
以下これを詳しく説明する。
【００３９】
貯蔵タンク１０から払出ポンプ１３で吸引される液量、すなわち需要側への払出量Ｗu が少ない場合、払出ポンプ１３を流量制御手段３７と制御弁１６により設定ミニマムフロー量（Ｗmc）で運転する。
【００４０】
この設定ミニマムフロー運転中に、流量制御手段３８は、流量検出手段３４で検出した払出し量Ｗu が設定量以上のときに三方弁１７により、戻しライン１５からの液を、吸込側ライン１２ｓに流れるようにする。この場合、戻しライン１５の吸込側ライン１２Ｓの混入点ｃは、払出ポンプ１３からできるだけ離れるように、また吸込圧力検出手段３１と吸込温度検出手段３２は、混入点ｃより下流側で、払出ポンプ１３の吸込側に近くなるように設ける。
【００４１】
この設定ミニマムフロー量（Ｗmc）は、吸込圧力検出手段３１での吸込圧力ＰP と吐出圧力検出手段３３での吐出圧力Ｐｄ の差圧と、ポンプの性能曲線から求めることができ、ミニマムフロー制御手段３７は、差圧流量計で、流量が設定値となるように制御弁１６を制御する。
【００４２】
なお、流量の検出は、別途流量計を設けて検出しても或いは貯蔵タンク１０が低圧タンクの場合には、ポンプモータの電力計から推定するようにしてもよい。
【００４３】
このミニマムフロー運転中の制御弁１６の制御により吸込圧力ＰP は変化し、また戻し量Ｗm で、ポンプからのエネルギが加わるため吸込液の温度が上昇し、吸込液の飽和圧力が、ポンプ１３への押し込み圧力（タンクからの圧力）より高くなるため、吸入液が沸騰して気泡を発生し、ポンプ１３でキャビテーションを起こしてしまう。
【００４４】
そこで、タンク圧力制御手段３６は、吸込温度検出手段３２からの吸入液の吸込温度ＴP から、その吸入液の飽和圧力を求め、その飽和圧力より払出ポンプ１３に吸い込まれる低温液の吸込圧力ＰP が高くなるよう、タンク加圧手段２７の圧力制御弁２６を制御して貯蔵タンク１０を加圧することでキャビテーションを防止する。
【００４５】
飽和圧力に対して吸込圧力ＰP は、ポンプの吐出液の飽和圧力より、約０．０２ＭＰａ以上高くなるように設定して、圧力制御弁２６を制御する。この過圧幅は、払出ポンプ１３のＮＰＳＨＡ（Net Positive Suction Head Available ; 利用可能な有効吸込ヘッド）の確保、ミニマムフロー液のライン中で沸騰を避けること、及び温度の検出誤差を避けるためのものである。
【００４６】
貯蔵タンク１０の低温液１１が少なくなり、タンク１０内の圧力が高くなった場合には、三方弁１７を切り換えて、戻しライン１５の液を、貯蔵タンク１０に戻し、図には示していないが、払出ライン１２を他の貯蔵タンク１０に切り換えて払出を行う。また、貯蔵タンク１０への低温液１１の受入は、タンク内を０．３ＭＰａに落圧した後、タンクローリ等から受け入れる。
【００４７】
以上において、払出ライン１２から払出ポンプ１３に戻し得る液量には次のような制限がある。
【００４８】
タンク内の低温液のエンタルピーを基準にして、混入点ｃ以降の混合液のエンタルピーを求める。
【００４９】
先ず、需要側のＬＮＧ消費量と払出ポンプの性能を基に、
0004832633.tif 000002
とする。
【００５０】
次にミニマムフロー運転中は、Ｗｕ＜Ｗmcであり、ＷP は一定であり、この条件で、
ＥP   ：  ポンプ吸込液エンタルピー（Ｋｗ／ｋｇ）
Ｐt   ：  タンク内液の飽和圧力    （ＭＰａｇ）
ＰP   ：  ポンプ吸込液の飽和圧力  （ＭＰａｇ）
Ｐd   ：  ポンプ吐出圧力          （ＭＰａｇ）
Ｅd   ：  ポンプ吐出液のエンタルピー（Ｋｗ／ｋｇ）
Ｐ    ：  ポンプ吸込圧力          （ＭＰａｇ）
とし、例えば、タンク内液の飽和圧力Ｐt を０．２ＭＰａｇ、ポンプ吐出圧力Ｐd を１．２ＭＰａｇ、ポンプ吸込圧力Ｐを０．４ＭＰａｇと設定する。
【００５１】
またミニマムフロー運転中は、Ｗｔ＝Ｗｕであり、Ｗm ＝Ｗmc−Ｗu である。
【００５２】
ポンプ吸込液エンタルピーＥP は、
0004832633.tif 000003
であり、９．７７Ｋｗ／ｋｇとなる。
【００５３】
ポンプ吸込液の飽和圧力ＰP は、
ＰP ＝Δｐ（ＥP ＋Ｅt ）＋Ｐt                             …（２）
であり、Δｐは、単位熱量当りの圧力上昇（物質と状態で決まる）で、０．０２０ＭＰａ／ｋｃａｌとすると、ＰP は、需要側への払出量が１９５ｋｇ／ｈの時に、０．３９５ＭＰａｇとなり、ポンプ吸込圧力設定値０．４ＭＰａｇと等しくなる。
【００５４】
払出ポンプが、キャビテーションを起こさないためには、ポンプ吸込圧力Ｐが飽和圧力ＰP より高くなければならないため、
Ｐ  ＞  ＰP                                               …（３）
が成立する。
【００５５】
（１）式中のＥd は、ポンプから受けるエネルギによって決まるのでこの値を算出する。
【００５６】
ポンプの軸馬力は次式で求めることができる。
【００５７】
ＨＰ＝ＷP ×ΔＨ×ρ／（３６００×７５×η）              …（４）
但し、
ΔＨ：  ポンプ揚程（１７７ｍＬＣ）
ρ  ：  液密度（４６０ｋｇ／ｍ3 ）
η  ：  ポンプ効率（０．３０）
とする。
【００５８】
Ｗmc＝Ｗm となるミニマムフロー点でのポンプ吐出液のエンタルピーＥd は、
Ｅd ＝（Ｗm ／ＷP ）×ρ135×ηｍ／η×640×１／Ｗm ×ＷP ＋ＥP …（５）
但し、
ηｍ：  ミニマムフロー点でのポンプ効率（０．２５）
となる。
【００５９】
（１）式と（５）式から、
Ｅd ＝（Ｗm／ＷP）×ρ135×ηｍ／η×640／Ｗm×ＷP（1−Ｗm／(Ｗm＋Ｗm)）…（６）
となり、１１．７Ｋｗ／ｋｇとなる。この場合のポンプ吐出液の飽和圧力はね０．４０１ＭＰａｇとなる。
【００６０】
ミニマムフロー運転中は、（１）〜（６）式までの式を、（２）式が満足するように諸条件を設定して運転すれば、ポンプにキャビテーションを発生させることはない。なお、ミニマムフロー運転中、加圧手段２７にて貯蔵タンク１０内の圧力が上昇し、また液面が低く払い出される液の過冷却度も低下して、吸込液の飽和圧力が、ポンプ吸込圧力に達したならば払出ポンプ１３を停止するか、上述したように他の貯蔵タンクの払出ラインに切り換える。
【００６１】
（２）式中のＥP ，ＰP ，Ｅd は、設計条件と運転条件から設定される上述した数値データから算出される。
【００６２】
本例では、最大ガス需要が、約１，０００ｋｇ／ｈで、１５００ｋｇ／ｈの容量のポンプを選定した場合を説明したが、この場合、ポンプ吸込側へミニマムフローが返せる最低の需要量（Ｐ＝ＰP になる量）は、最大需要量の１９．５％（１９５ｋｇ／ｈ）であることが分かる。この値は、タンク中の液の飽和圧力に過圧する幅が大きければ大きい程小さくなる。またタンク内の液の飽和圧力が低い程過圧幅を大きくできるので上記値は小さくなる。
【００６３】
夜間等における通常運転での最低需要量は２０％以上と推定されるので、ミニマムフロー戻し液を貯蔵タンクに戻さないで運転できると共に貯蔵タンクの圧力上昇或いは濃縮等を防止できる。
【００６４】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、貯蔵タンクから貯蔵液を払出ポンプで需要側に払い出すにおいて、需要側への払出量が、払出ポンプの設定ミニマムフロー量より少なくても、吐出液の一部を払出ポンプの吸込側に戻すことで、貯蔵タンクの圧力上昇を防止しながら少量の払出が可能となる。またミニマムフロー運転中に吸込液の飽和圧力以上にポンプの吸込圧力が高くなるよう貯蔵タンクを加圧することで、キャビテーションを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す図である。
【図２】貯蔵タンクを加圧して払い出す従来例を示す図である。
【図３】払出ポンプを用いて払い出す従来例を示す図である。
【符号の説明】
１０  貯蔵タンク
１１  低温液
１３  払出ポンプ
１５  戻しライン
１６  制御弁
２７  貯蔵タンク加圧手段
【図１】
0004832633.tif 000004
【図２】
0004832633.tif 000005
【図３】
0004832633.tif 000006