(57)【要約】【課題】  高圧流体を送出する配管ラインにおいて、減圧オリフィスやバルブを用いて減圧することで生じていたエネルギーの損失を防止し、高圧流体の有するエネルギーを有効に利用できる配管ラインを提供する。【解決手段】  高圧流体を送出する配管ラインにおいて、前記配管ラインの途中に回転数制御機能を備えたタービン発電機１４を配置した。配管ラインの途中に配置されたタービン発電機１４は、エネルギー回収型の可変開度調整弁として機能する。そして、配管ラインに、タービン発電機１４に並行して、バイパスライン１８と、該バイパスラインを開閉するバイパスバルブ１７とを配置した。【選択図】  図１
2007002735.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧流体を送出する配管ラインにおいて、
前記配管ラインの途中に回転数制御機能を備えたタービン発電機を配置したことを特徴とする配管ライン。
【請求項２】
前記配管ラインに、前記タービン発電機に並行して、バイパスラインと、該バイパスラインを開閉するバイパスバルブとを配置したことを特徴とする請求項１記載の配管ライン。
【請求項３】
前記バイパスラインは小流量に対応したもので、前記タービン発電機のゼロトルク発生流量よりも小さい流量で、前記バイパスバルブが開となる制御手段を備えたことを特徴とする請求項２記載の配管ライン。
【請求項４】
前記バイパスラインは大流量に対応したもので、前記タービン発電機のゼロ回転発生流量よりも大きい流量で、前記バイパスバルブが開となる制御手段を備えたことを特徴とする請求項２記載の配管ライン。
【請求項５】
前記タービン発電機は、パイプ状の円筒状ケーシングに収容されていることを特徴とする請求項１記載の配管ライン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液化天然ガス（ＬＮＧ）などの高圧力流体を送出するのに好適な配管ラインに関する。
【背景技術】
【０００２】
液化天然ガス（ＬＮＧ）などの超低温流体を貯留タンクからポンプにより加圧して送出する配管ラインなどにおいては、ポンプの締切運転を避けるため、ミニマムフローバイパスラインが設けられている場合がある。このミニマムフローバイパスラインは、ポンプ吐出側のメイン配管から分岐し、減圧オリフィスにより圧力を高圧から低圧に戻し、低圧となった流体を貯留タンクに戻すように配管が設けられ、ポンプが締切運転に入りそうになると、ミニマムフローバイパスラインのバルブを開きポンプ加圧流体を循環させて、ポンプの締切運転を避けるものである。
【０００３】
特に重要なシステムにおいては、ポンプ吐出側のメイン配管のバルブを誤って閉じた場合にもポンプの締切運転を確実に防止するため、常時上記ミニマムフローバイパスラインを開いた状態にする常時逃がしラインを設けている場合もある。
【０００４】
これらの配管ラインにおいては、ミニマムフローバイパスラインにポンプ吐出流体を循環させる場合には、高圧流体の有するエネルギーを減圧オリフィスで失わせ、減圧した低圧の流体としているので、減圧オリフィスでポンプで加圧したエネルギーを単に捨てていることになる。
【０００５】
また、配管ラインにおいては、バルブの開度調整により高圧のポンプ吐出流体の流量を調整している場合もあるが、このような場合にもバルブが抵抗体となり、高圧のエネルギーを抵抗損失として捨てていることになる。捨てられたエネルギーは主として熱となり、特に液化天然ガス（ＬＮＧ）等の超低温流体を圧送する配管ラインにおいては、ガス化の原因となり、問題を生じることになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、高圧流体を送出する配管ラインにおいて、減圧オリフィスやバルブを用いて減圧することで生じていたエネルギーの損失を防止し、高圧流体の有するエネルギーを有効に利用できる配管ライン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】
【０００７】
本発明は、高圧流体を送出する配管ラインにおいて、前記配管ラインの途中に回転数制御機能を備えたタービン発電機を配置したことを特徴とするものである。配管ラインの途中にタービン発電機を備え、この回転数を制御することで、配管ラインを流通する流体に対して可変の抵抗を与えることができる。すなわち、タービン羽根車の回転数が高くなると、配管ラインを流通する流体に対して高い抵抗が与えられ、流量が減少する。タービン羽根車の回転数が低くなると、配管ラインを流通する流体に対して低い抵抗が与えられ、流量が増加する。そして、タービン羽根車を流体が回転駆動することで、発電機により流体の有している圧力エネルギー差が電力エネルギーに変換される。従って、配管ラインの途中に配置されたタービン発電機は、エネルギー回収型の可変開度調整弁として機能することになる。
【０００８】
前記配管ラインに、前記タービン発電機に並行して、バイパスラインと、該バイパスラインを開閉するバイパスバルブとを配置することが好ましい。タービン発電機は、回転数を増加させ、流量を低下させていくと、発電に必要なトルクがゼロとなる点があり、この流量以下ではタービン発電機として作動しなくなる。この場合には、バイパスバルブを開き小流量のバイパスラインに切り替えることが好ましい。また、タービン発電機は、回転数を低下させ、流量を増加させていくと、回転数がゼロとなる点があり、タービン羽根車が回転しなくなる。この場合にも、バイパスバルブを開き大流量のバイパスラインを用いることが好ましい。これらのバイパスラインを設けることで、タービン発電機の作動領域を超えた所望の全領域の流量を制御することが可能となる。
【発明の効果】
【０００９】
配管ラインの途中に配置されたタービン発電機は、エネルギー回収型の可変開度調整弁として機能するので、高圧流体が有するエネルギーを電力エネルギーとして回収することができ、省エネルギー化でき、結果として超低温の液化ガスのガス化などを抑えることが可能となる。特に、超低温の液化ガスの配管ラインにおいては、その効果は顕著である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、本発明の一実施形態の配管ラインを示す。貯留槽１１には、液化天然ガス（ＬＮＧ）などの超低温液化ガスが貯留されている。貯留槽１１には、冷却ライン２４を備え、冷却液が循環し、貯留された液化ガスを冷却するようにしている。貯留槽１１の液化ガスは、吸込ライン１６からポンプ１２により加圧され、送液ラインから図示しない需要先に送出される。ポンプ１２はモータ１３により駆動される。
【００１１】
この配管ラインでは、送液ラインの途中に、回転数制御機能を備えたタービン発電機１４を配置している。このタービン発電機１４は、タービン１４ａと発電機１４ｂとが直結されて構成されている。そして、可変速駆動装置１５を備え、タービン発電機１４は任意の回転数で回転するように制御される。タービン発電機１４により発電された電力は、系統連系設備２２を介して商用電源系統に送出される。
【００１２】
配管ラインの途中にタービン発電機１４を備え、この回転数を制御することで、タービン１４ａを通過する流体に対して可変の抵抗を与えることができる。すなわち、タービン羽根車の回転数が高くなると、流体に対して高い抵抗が与えられ、流量が減少する。タービン羽根車の回転数が低くなると、流体に対して低い抵抗が与えられ、流量が増加する。そして、タービン羽根車を高圧流体が回転駆動することで、タービン１４ａと直結した発電機１４ｂにより流体の有している圧力エネルギー差が電力エネルギーに変換される。従って、配管ラインの途中に配置されたタービン発電機１４は、エネルギー回収型の可変開度調整弁として機能する。
【００１３】
また、この配管ラインでは、タービン発電機１４に並行して、バイパスライン１８と、該バイパスラインを開閉するバイパスバルブ１７とを配置している。このバイパスライン１８は、タービン発電機１４が作動可能な領域を超えた流量に対して液化ガスを流通させるように配置されている。また、この配管ラインには、流量計２１が配置され、流量が検出され、上記タービン発電機の作動領域を超えた流量に対して、制御装置２０によりバルブ１７，１９を開閉制御するようになっている。
【００１４】
タービン発電機は、回転数を増加させ、流量を低下させていくと、発電に必要なトルクがゼロとなる点があり、この流量以下ではタービン発電機として作動しなくなる。この場合には、バイパスバルブ１７を開き、バルブ１９を閉じて、極小流量のバイパスライン１８に切り替えることが好ましい。また、タービン発電機は、回転数を低下させ、流量を増加させていくと、回転数がゼロとなる点があり、タービン羽根車が回転しなくなる。この場合にも、バイパスバルブ１７を開き、大流量のバイパスライン１８に液体を流通させることが好ましい。これらのバイパスラインを設けることで、タービン発電機の作動領域を超えた所望の全領域を制御することが可能となる。
【００１５】
図２は、閉ループ系の配管ラインの例を示す。この例は、タービン発電機１４の出口側から貯留槽１１に戻るライン２３を設けたもので、例えばポンプの運転試験などの用途に好適である。この配管ラインにおいても、タービン発電機１４がエネルギー回収型の可変開度調整弁として機能することは同様であり、例えばポンプ１２の運転試験においては、タービン発電機１４の回転数を変化させることで流量を変化させ、これに対応した圧力を計測することで、ポンプのＱ−Ｈ特性を測定でき、且つ流体の圧力変化によるエネルギーの変化差を電力エネルギーとして取り出すことができる。また、バイパスライン１８を設けることで、タービン発電機１４が作動しない流量領域での運転試験も可能となる。
【００１６】
図３は、タービン発電機の構成例を示す。円筒状ケーシング３０の両側に流体の流入口３１と流出口３２とを備え、配管ラインの配管途中に直結され、ケーシング内部を流体が図中の矢印で示す方向に流れるように構成されている。すなわち、円筒状ケーシングは、パイプ状を成していて、その内部にタービン発電機が収容されている。流体は発電機部３３の外周とケーシング３０の内周との間の流路３４を流れ、タービン部３５に導入される。タービン部３５では、高圧の流体がタービン羽根車３６を回転駆動し、低圧の流体となって流出口３２から流出する。
【００１７】
タービン羽根車３６は、主軸３７を介して、同じ主軸に直結された発電機ロータ３８を回転駆動する。発電機ロータ３８の周囲には、発電機ステータ３９が配置され、発電機ステータ３９に配置されたステータ巻線４０に、発電機ロータ３８の回転による発電電力が生じる。巻線４０に生じた発電電力は、ケーブル４１を介して外部に取り出される。
【００１８】
主軸３７は、玉軸受４２，４３によりラジアル方向に支持され、スラスト方向にはスラストバランス機構４４により軸スラストが完全にバランスするようになっている。スラストバランス機構４４のスラスト板を通過した流体は、発電機部３３の内部を通り、さらに管路４５を通り、低圧の流出口４５に戻される。
【００１９】
このタービン発電機では、可変速駆動装置１５（図１，２参照）からステータ巻線４０に交流励磁電流が供給され、発電機ステータ３９の内周面に回転磁界が形成され、発電機ロータ３８がこの回転磁界に同期、またはほぼ同期して回転する。従って、タービン発電機の回転数は、可変速駆動装置１５から供給される交流励磁電流の周波数により決定される。ここで、可変速駆動装置１５として、任意の周波数の交流励磁電流を出力するインバータ装置などの可変周波数電源を用いることができ、これにより、任意の回転数でタービン発電機のタービンを回転させることができる。
【００２０】
或る周波数の励磁電流がステータ巻線に供給されると、羽根車はこの周波数に対応した回転数で回転し、タービンを通過する流体流量に対応した発電電力を生成する。発電電力は系統連系設備２２（図１，２参照）に送られ、整流されて一旦直流電力に変換され、さらにインバータ装置などにより商用電源系統に適応した周波数、位相、振幅の交流電力に変換され、商用電源系統に送出される。
【００２１】
次に、このタービン発電機の動作について、図４を参照して説明する。この図の横軸はタービン流量であり、縦軸はタービン入口圧である。上述したように、タービン羽根車の回転数は励磁電流の周波数を変更することで、任意に調整可能であり、タービン羽根車の回転数により等価的な管路抵抗が決まってくる。従って、回転数Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃに対応した抵抗曲線が図４に示すように存在する。
【００２２】
ポンプ１２のＱＨ特性が図中破線で示す位置に有るとすると、回転数Ｎａを回転数Ｎｂに変化させると、動作点はＡからＢに移動する。これに伴い流量は、ＱａからＱｂに変化する。このようにして、タービン発電機の回転数を変化させることで、等価的な管路抵抗を変更することができ、高圧から低圧に変化した流体の有するエネルギー差は発電電力として回収される。
【００２３】
小バルブによる抵抗曲線は、例えば図４に示すように比較的低流量領域にある。従って、小バルブによる流量調整領域は図中の線Ｘの矢印で示す側にあり、比較的狭い領域である。これに対して、タービン発電機の回転数を制御することで、はるかに広い範囲の等価的な管路抵抗の変化が可能となる。
【００２４】
従来の減圧オリフィスを用いた場合との対比で、省エネルギー効果を算定すると、例えばＬＮＧ（メタンと想定）の圧力５ＭＰａを０．１ＭＰａに減圧し、流量が１ｍ３／分である場合、タービン発電機を利用した場合は、およそ８．８ｋＪ／ｋｇ×５００／６０ｋｇ／ｓ＝７３ｋＪ／ｓ＝７３ｋＷだけエネルギーを有効に利用が可能である。また、エネルギー損失の絶対値が小さくなることで、騒音の面からも顕著な効果が得られる。
【００２５】
しかしながら、タービン発電機による流量調整領域もタービン発電機特性により制限される。上述したように、一方で、タービン発電機は、回転数を増加させ、流量を低下させていくと、発電に必要なトルクがゼロとなる点があり、この流量以下ではタービン発電機として作動しなくなる。この領域は図中のゼロトルク線の矢印方向の領域である。回転数を増加させていくと、ゼロトルク線に到達するが、それ以下の流量ではタービン発電機は発電機として機能せず、回転駆動エネルギーを必要とするので、極小流量のバイパスラインに切り替えることが必要である。
【００２６】
他方で、タービン発電機は、回転数を低下させ、流量を増加させていくと、回転数がゼロとなる点があり、タービン羽根車が回転しなくなる。この領域は図中のゼロ回転線の矢印方向の領域である。タービン回転数を下げて運転流量を増加させた場合、タービンは回転しなくなる流量にいたるが、その手前の流量でバイパスバルブ１７を開としてやれば、タービンを通過する異常流量からタービンを保護することができる。
【００２７】
従って、このゼロトルク線とゼロ回転線の間がタービン発電機による制御可能な領域であり、この領域に対しては、バイパスラインを設けることで、タービン発電機の作動領域を超えた所望の全領域を制御することが可能となる。
【００２８】
なお、図１に示す配管ラインは、開ループ系に適用した場合を示し、図２に示す配管ラインは、閉ループ系に適用した場合を示すが、これらを組み合わせた混合ループ系にも勿論適用が可能である。
【００２９】
また、上述の実施形態は、液化ガス圧送用のポンプによる高圧流体についてのものであるが、より圧力の低い流体に対しても、また冷却液配管やタンク内循環配管等のユーティリティ系配管等にも、タービン発電機で電力回収が可能な限り、適用することが可能である。また、超低温の液化ガスに限らず、高圧力ガスパイプライン等にも同様に適用が可能である。
【００３０】
また、タービン発電機も、サブマージドタービン発電機でも良く、地上置きの横型、縦型の動力回収タービンでも良い。液中で使用する場合で、液体に導電性がある場合は、キャンドモータや、ポリ巻き等の絶縁線を使用した巻線発電機でも良い。
【００３１】
ここで、これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態の配管ラインを示すブロック図である。
【図２】図１の変形例の配管ラインを示すブロック図である。
【図３】タービン発電機の一例を示す縦断面図である。
【図４】タービン発電機の動作を示す流量と圧力の関係を示す特性線図である。
【符号の説明】
【００３３】
１１    貯留槽
１２    ポンプ
１３    モータ
１４    タービン発電機
１４ａ    タービン
１４ｂ    発電機
１５    可変速駆動装置
１６    吸込ライン
１７    バイパスバルブ
１８    バイパスライン
１９    バルブ
２０    制御装置
２１    流量計
２２    系統連系設備
２３    ライン
２４    冷却ライン
３０    円筒状ケーシング
３１    流入口
３２    流出口
３３    発電機部
３４    流路
３５    タービン部
３６    タービン羽根車
３７    主軸
３８    発電機ロータ
３９    発電機ステータ
４０    ステータ巻線
４１    ケーブル
４２，４３    玉軸受
４４    スラストバランス機構
４５    流出口
４５    管路
【図１】
2007002735.tif 000003
【図２】
2007002735.tif 000004
【図３】
2007002735.tif 000005
【図４】
2007002735.tif 000006