(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
都市ガスの需要変動に応じて都市ガス導管から回収したガスを、さらに高圧のガスとして貯蔵する方法において、需要の低い時間帯は、前記都市ガス導管の分岐管を介してガスを回収して貯蔵圧まで圧縮機で圧縮し、アフタークーラで冷却した後、高圧貯蔵タンクに供給・貯蔵し、需要の高い時間帯は、前記高圧貯蔵タンクからの導管に設けた膨張弁又は膨張タービンで前記都市ガス導管のガス圧まで膨張させ、その際の冷熱を蓄冷槽の冷媒で回収した後、貯蔵ガスを前記都市ガス導管に払い出し、前記蓄冷槽の冷媒は需要の低い時間帯の前記圧縮機を冷却し、かつ、前記アフタークーラで前記貯蔵ガスを冷却した後、前記蓄冷槽に戻すことを特徴とする都市ガス高圧貯蔵方法。
【請求項２】
前記都市ガス導管からの回収ガスをプレクーラに導入し、前記蓄冷槽からの冷媒で冷却した後に、前記圧縮機に導入して貯蔵圧まで圧縮することを特徴とする請求項１記載の都市ガス高圧貯蔵方法。
【請求項３】
前記蓄冷槽から流出する払出しガスを補助ヒータで都市ガスの供給温度に調整することを特徴とする請求項１又は２記載の都市ガス高圧貯蔵方法。
【請求項４】
前記高圧貯蔵タンクの最大貯蔵圧を１０ＭＰａ以上に調整することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の都市ガス高圧貯蔵方法。
【請求項５】
前記高圧貯蔵タンクとして岩盤貯蔵タンクを使用することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の都市ガス高圧貯蔵方法。
【請求項６】
都市ガス導管と高圧貯蔵タンクを導管を介して連通し、都市ガスの需要変動に応じてガスの貯蔵及び払出しを行う都市ガス高圧貯蔵設備において、前記都市ガス導管と前記高圧貯蔵タンクを連通するガス回収導管に圧縮機とアフタークーラを設け、前記高圧貯蔵タンクと前記都市ガス導管を連通するガス払出し導管に膨張弁と蓄冷槽を設け、前記蓄冷槽の冷媒循環用導管を前記圧縮機の冷却管及び前記アフタークーラの冷却管に接続し、かつ、都市ガスの回収時に稼働する循環ポンプを前記冷媒循環用導管に設けたことを特徴とする都市ガス高圧貯蔵設備。
【請求項７】
前記都市ガス導管と前記圧縮機を接続する回収導管に、プレクーラを配設し、前記蓄冷槽から前記圧縮機への冷媒循環用導管に前記プレクーラの冷却管を接続したことを特徴とする請求項６記載の都市ガス高圧貯蔵設備。
【請求項８】
前記蓄冷槽と前記都市ガス導管を接続するガス払出し導管に補助ヒータを設けたことを特徴とする請求項６又は７記載の都市ガス高圧貯蔵設備。
【請求項９】
前記高圧貯蔵タンクが岩盤貯蔵タンクであることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の都市ガス高圧貯蔵設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、都市ガスの需要変動に応じて都市ガス導管からガスを回収したり、都市ガス導管にガスを払い出す都市ガス高圧貯蔵方法及び貯蔵設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、都市ガスは工場で製造された後、およそ２〜５ＭＰａの高圧導管で送出され、０．１ＭＰａ未満のガス圧の低圧導管を経て需要家に届けられる。都市ガスの需要は、人の生活や工場の稼働に応じて変動し、例えば冬期では７時から２４時に需要は高く、特に１７時から２３時にそのピークがある。ピーク時のガス供給量は深夜の供給量の数倍となる。また、気温や天候の変化によりガスの需要の変動は大きい。
【０００３】
これらの都市ガス需要の変動は、需要地近くのガスホルダーにガスを貯蔵して平準化してきた。図９はガスホルダーを用いた貯蔵の例である。需要の低いときには、都市ガス導管から分岐したガスをガスホルダーに貯蔵する。需要が高くなると、弁を開けてガスホルダーからガスを払い出し、需要の変動を平準化する。しかし、地上のガスホルダーの設計貯蔵圧力は通常１ＭＰａ未満で、幾何容量も２００００ｍ3 程度であるため、設置面積当たりの貯蔵量が少ない。このため、需要変動を平準化するためには容量の大きなガスホルダーを多数設置しなければならないが、需要の最も高い都市近郊への建設は困難な状況にある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、上記の欠点を解消し、都市ガスを高圧のガス状態で貯蔵し、都市ガス導管への減圧時の冷熱を有効利用することにより都市ガス貯蔵のための設備の小型化と省エネルギーを可能にし、岩盤貯蔵に適した都市ガス貯蔵方法及び設備を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下記の構成を採用することにより前記の課題の解決を可能にした。
(1) 都市ガスの需要変動に応じて都市ガス導管から回収したガスを、さらに高圧のガスとして貯蔵する方法において、需要の低い時間帯は、前記都市ガス導管の分岐管を介してガスを回収して貯蔵圧まで圧縮機で圧縮し、アフタークーラで冷却した後、高圧貯蔵タンクに供給・貯蔵し、需要の高い時間帯は、前記高圧貯蔵タンクからの導管に設けた膨張弁又は膨張タービンで前記都市ガス導管のガス圧まで膨張させ、その際の冷熱を蓄冷槽の冷媒で回収した後、貯蔵ガスを前記都市ガス導管に払い出し、前記蓄冷槽の冷媒は需要の低い時間帯の前記圧縮機を冷却し、かつ、前記アフタークーラで前記貯蔵ガスを冷却した後、前記蓄冷槽に戻すことを特徴とする都市ガス高圧貯蔵方法。
(2) 前記膨張タービンで動力を回収することを特徴とする前記(1) 記載の都市ガス高圧貯蔵方法。
【０００６】
(3) 前記都市ガス導管からの回収ガスをプレクーラに導入し、前記蓄冷槽からの冷媒で冷却した後に、前記圧縮機に導入して貯蔵圧まで圧縮することを特徴とする前記(1) 又は(2) 記載の都市ガス高圧貯蔵方法。
(4) 前記蓄冷槽から流出する払出しガスを補助ヒータで都市ガスの供給温度に調整することを特徴とする前記(1) 〜(3) のいずれか１つに記載の都市ガス高圧貯蔵方法。
【０００７】
(5) 前記高圧貯蔵タンクの最大貯蔵圧を１０ＭＰａ以上に調整することを特徴とする前記(1) 〜(4) のいずれか１つに記載の都市ガス高圧貯蔵方法。
(6) 前記冷媒として、水とアルコールを含有する不凍液を使用することを特徴とする前記(1) 〜(5) のいずれか１つに記載の都市ガス高圧貯蔵方法。
(7) 前記高圧貯蔵タンクとして岩盤貯蔵タンクを使用することを特徴とする前記(1) 〜(6) のいずれか１つに記載の都市ガス高圧貯蔵方法。
【０００８】
(8) 都市ガス導管と高圧貯蔵タンクを導管を介して連通し、都市ガスの需要変動に応じてガスの貯蔵及び払出しを行う都市ガス高圧貯蔵設備において、前記都市ガス導管と前記高圧貯蔵タンクを連通するガス回収導管に圧縮機とアフタークーラを設け、前記高圧貯蔵タンクと前記都市ガス導管を連通するガス払出し導管に膨張弁又は膨張タービンと蓄冷槽を設け、前記蓄冷槽の冷媒循環用導管を前記圧縮機の冷却管及び前記アフタークーラの冷却管に接続し、かつ、都市ガスの回収時に稼働する循環ポンプを前記冷媒循環用導管に設けたことを特徴とする都市ガス高圧貯蔵設備。
(9) 前記膨張タービンに動力回収手段を付設したことを特徴とする前記(8) 記載の都市ガス高圧貯蔵方法。
【０００９】
(10)前記都市ガス導管と前記圧縮機を接続する回収導管に、プレクーラを配設し、前記蓄冷槽から前記圧縮機への冷媒循環用導管に前記プレクーラの冷却管を接続したことを特徴とする前記(8) 又は(9) 記載の都市ガス高圧貯蔵設備。
(11)前記蓄冷槽と前記都市ガス導管を接続するガス払出し導管に補助ヒータを設けたことを特徴とする前記(8) 〜(10)のいずれか１つに記載の都市ガス高圧貯蔵設備。
【００１０】
(12)前記高圧貯蔵タンクが岩盤貯蔵タンクであることを特徴とする前記(8) 〜(11)のいずれか１つに記載の都市ガス高圧貯蔵設備。
(13)前記岩盤貯蔵タンクが、内部を鋼板でライニングし、該鋼板と岩盤の間隙をコンクリートで固めてなることを特徴とする前記(12)記載の都市ガス高圧貯蔵設備。
(14)前記鋼板と前記コンクリートの間にアスファルトなどの緩衝材を挟み込んでなることを特徴とする前記(12)記載の都市ガス高圧貯蔵設備。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、需要の高い時間帯に、高圧貯蔵タンクからのガスを膨張弁又は膨張タービンで都市ガス導管の圧力まで低下させ、その際の冷熱を蓄冷槽の冷媒で回収し、需要の低い時間帯に、都市ガス導管から都市ガスを分岐して圧縮し、冷却して高圧貯蔵タンクに貯蔵する際の圧縮機の冷却及び貯蔵用都市ガスの冷却に蓄冷槽の冷媒を循環して使用することにより、高いエネルギー効率でガス貯蔵を可能にし、都市ガス需要の変動の平準化に有効な都市ガス高圧貯蔵方法及びその設備の提供を可能にしたものである。
【００１２】
本発明の特徴は、需要の高い時間帯に発生する冷熱を、需要の低い時間帯に稼働する圧縮機や貯蔵するための都市ガスの冷却に利用するために冷媒の循環系を設けたことにあり、岩盤貯蔵に適用するときには、貯蔵圧を高く保持することが容易になり、貯蔵ガス量に対してタンクの容量を小さくすることができるとともに、貯蔵ガス圧と需要者への都市ガス供給圧との大きな差圧から発生する冷熱を貯蔵時に必要な冷却源にすることができ、高いエネルギー効率で都市ガス需要の変動の平準化を可能にしたものである。
【００１３】
図１は、本発明の都市ガス高圧貯蔵設備の概念図である。高圧貯蔵タンクと都市ガス導管は、圧縮機とアフタークーラを備えた回収導管、及び膨張弁（ガバナ）と蓄冷槽を備えた払い出し導管で接続されている。都市ガス導管には、工場で製造された都市ガスが流れており、需要の低い時間帯は、都市ガス導管から回収導管により都市ガスを分岐し、圧縮機で貯蔵圧まで圧縮してアフタークーラで貯蔵温度まで冷却した後、高圧貯蔵タンクに貯蔵する。需要の高い時間帯は、圧縮機を停止し、膨張弁を調整することにより高圧貯蔵タンクから高圧ガスを払い出し、都市ガス導管の供給圧まで圧力を低下させるとともに、発生する冷熱を蓄冷槽の冷媒に蓄冷してから都市ガス導管に供給する。そして、次の需要の低い時間帯において、蓄冷槽で蓄冷された冷媒を循環ポンプで回収導管の圧縮機及び熱交換器に流すことにより、圧縮機の発熱を抑制し、かつ圧縮されて温度が上昇した高圧ガスを貯蔵温度まで冷却してから高圧貯蔵タンクに貯蔵するものである。
【００１４】
ここで使用する冷媒は、循環ポンプで蓄冷槽、圧縮機の冷却管及び熱交換器からなる循環系を循環可能なもので、払い出しガスの膨張により発生する冷熱を回収するのに適したものであればその種類を問わないが、例えば水にアルコールを添加した不凍液（氷点が−２０℃程度）などを使用することができる。
【００１５】
高圧貯蔵タンクは、例えば、岩盤を掘削し、内部を鋼板等でライニングして気密性を確保し、鋼板と岩盤の間隙をコンクリートで固めたものである。タンク内部の高圧ガス圧は、鋼板及び裏込めコンクリートを介して岩盤で支持される。裏込めコンクリートは内圧荷重を分散させ、岩盤に均等な負荷を与える役割と気密材の不陸調整機能を持つ。岩盤の開口クラックが気密材に伝播して気密材に過大な歪みを発生させるのを防止するために、裏込めコンクリートと気密材の間にアスファルトなどの緩衝材を挟み込むことが望ましい。工事終了後はアクセストンネルをプラグで塞ぎ、ガス入出用のパイプを設置する。なお岩盤の代わりに地中に鋼板などでタンクを形成し、タンクと地盤の間隙をコンクリートを充填して固め、地層の圧力でタンク内の高圧ガスを保持することも可能である。
【００１６】
岩盤貯蔵タンクでは、例えば、最高使用圧力を７〜２０ＭＰａ、幾何容積を５０００〜２００００ｍ3 程度の空洞を想定することができ、幾何容積１００００ｍ3 の空洞を最高最低圧力差８ＭＰａ（＝７〜１５ＭＰａ）で運用すると、８０万ｍ3 のガスを貯蔵できる。これは需要ピーク時の払い出し流量２０万ｍ3 ／ｈ×４ｈの能力に相当する。
図２の都市ガス高圧貯蔵設備は図１の変形であり、図１の設備における膨張弁（ガバナ）を膨張タービンに置換して動力の回収を可能にしたものである。
【００１７】
図３の都市ガス高圧貯蔵設備は図１の変形であり、都市ガスの回収導管の圧縮機の前段にプレクーラを付設したもので、プレクーラで予め都市ガスを冷却した後に圧縮機に供給するようにしたものである。プレクーラは圧縮機の動力を節減するのに有効である。
図４の都市ガス高圧貯蔵設備は図３の変形であり、図３の設備における膨張弁（ガバナ）を膨張タービンに置換して動力の回収を可能にしたものである。
【００１８】
図５の都市ガス高圧貯蔵設備は図１の別の変形であり、都市ガスの払い出し導管の蓄冷層の後段に補助ヒータを付設したもので、補助ヒータを制御することにより都市ガス導管に戻すガス温度を一定に保持することができる。
図６の都市ガス高圧貯蔵設備は図５の変形であり、図５の設備における膨張弁（ガバナ）を膨張タービンに置換して動力の回収を可能にしたものである。
図７の都市ガス高圧貯蔵設備は図１の都市ガスの回収導管にプレクーラを、払い出し導管に補助ヒータを同時に付設したものである。
図８の都市ガス高圧貯蔵設備は図７の変形であり、図７の設備における膨張弁（ガバナ）を膨張タービンに置換して動力の回収を可能にしたものである。
【００１９】
【実施例】
図１の高圧貯蔵設備で都市ガスの貯蔵を想定すると以下のとおりである。
幾何容量が１００００ｍ3 で貯蔵タンクの最高最低圧力差を７〜１５ＭＰａとする高圧タンクを用意し、都市ガス導管に１５℃、５ＭＰａのガスを流し、需要が低く電力料金の安い２３時から７時までに、回収導管で分岐したガス約１３万ｍ3 ／ｈを圧縮機で１２．５ＭＰａまで圧縮する。圧縮ガスは約１００℃の高温になるため、アフタークーラで１５℃まで冷却してからタンクに貯蔵する。この時にアフタークーラで冷却に必要な熱量は約２．５×１０4 ＭＪ／ｈであり、必要な圧縮機動力は約１．５×１０4 ＭＪ／ｈである。
【００２０】
そして、需要の高い１７時から２３時にかけて膨張弁（ガバナ）を調節して幹線圧力５ＭＰａまで減圧し、１５℃の約１３万ｍ3 ／ｈのガスを都市ガス導管に払い出す。その際に必要な加熱エネルギーは約１．０×１０4 ＭＪ／ｈである。膨張時に発生する寒冷は蓄冷槽の不凍液即ちアルコールを含有する水（氷点約  −２０℃）に蓄冷する。蓄冷された不凍液は都市ガスの貯蔵時間帯に循環ポンプで圧縮機及びアフタークーラの冷却管に送る。圧縮機による圧縮時の加熱ガスを冷却するのに必要な冷却エネルギーと、ガス払い出し時に必要な加熱エネルギーの差分の１．５×１０4 ＭＪ／ｈは、安価な夜間電力を使用して氷蓄熱しておく、又は、不凍液を空冷又は水冷で冷却する。この設備のガス払い出し時のエネルギーの利用率は約４０％である。
【００２１】
【発明の効果】
本発明は、上記の構成を採用することにより、都市ガスを高圧のガス状態で貯蔵し、都市ガス導管に払い出すための減圧時に発生する寒冷を有効利用することができ、熱効率に極めて優れた都市ガス貯蔵設備の提供を可能にした。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の都市ガス高圧貯蔵設備の１例である概念図である。
【図２】図１の設備における膨張弁（ガバナ）を膨張タービンに置換して動力の回収を可能にした設備の概念図である。
【図３】図１の設備にプレクーラを付設した都市ガス高圧貯蔵設備の概念図である。
【図４】図３の設備における膨張弁（ガバナ）を膨張タービンに置換して動力の回収を可能にした設備の概念図である。
【図５】図１の設備に払い出し用の補助ヒータを付設した都市ガス高圧貯蔵設備の概念図である。
【図６】図５の設備における膨張弁（ガバナ）を膨張タービンに置換して動力の回収を可能にした設備の概念図である。
【図７】図１の設備にプレクーラ及び払い出し用の補助ヒータを付設した都市ガス高圧貯蔵設備の概念図である。
【図８】図７の設備における膨張弁（ガバナ）を膨張タービンに置換して動力の回収を可能にした設備の概念図である。
【図９】従来の都市ガス貯蔵設備の概念図である。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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