JP2004506831A - ガスの膨脹エネルギーを利用する方法およびその方法を実施するための動力利用装置 - Google Patents

Abstract

本願の方法および装置は、坑井内または幹線パイプライン内で天然ガスを高圧から消費者に必要な圧力値まで低下させるシステムで適用するよう企図されている。天然ガスエネルギーを利用する公知の方法において、天然ガスの膨張エネルギーを機械エネルギーに変換することにより、例えばガスの幹線パイプライン内などの上昇したガス圧を所要の値までガス圧降下させるプロセスで、また同時に、圧力降下のプロセスで温度低下されたガスを冷却剤として使用することで、新規な点として多段階的なガス圧降下と生成された冷気の多段階的な取出しとを行うことが本願方法の要旨である。動力利用装置はその入口が高圧ガスの坑井または幹線パイプライン（３）に接続され、出口が低圧天然ガスのパイプラインまたは低圧天然ガスの消費者（７、９）に接続されており、動力利用装置が圧力降下方向に配置された２つ以上の要素（１、２）から構成されたガス膨張装置（例えば、膨張ガスタービン等）と、例えば発電機のような、機械エネルギーの変換装置と、２台以上の熱交換装置（６、８）とを備えていることも本願装置の要旨である。

Description

【０００１】
＝＝＝発明の分野＝＝＝
本願の方法と装置は、天然ガスを坑井内や幹線パイプライン内の高圧値から消費者が必要とする圧力値まで降下させるシステムにおいて適用することを企図している。
【０００２】
＝＝＝発明の背景＝＝＝
坑井内または幹線パイプライン内でガスの圧力を降下させる公知の方法は、スロットル動作と、このような方法を実現するための特殊な装置（圧力調節器、弁、コックなど）の利用とを基本としている。（ソヴェツカーヤ・エンサイクロペディア（Ｓｏｖｅｔｓｋａｙａ Ｅｎｔｓｉｋｌｏｐｅｄｉａ）出版社、モスクワ、１９７７年刊行、科学技術辞典１５３頁、４２０頁）
このような方法と、それら方法を実現するための装置は、このプロセスの最中に生じたガス膨張のエネルギーや冷気を利用することは無い。このような方法および装置の適用は、作動中に発生した水分や氷により圧力調節器が閉塞するのを防止するのに別な動力の高性能設備や動力消費を必要とする。
【０００３】
ガス膨脹エネルギーを機械エネルギーに変換することにより天然ガスの圧力が幹線パイプライン内または坑井内の値から所要の圧力まで降下した時点で天然ガスエネルギーを利用する方法は公知である。（ＲＵ　２１１７１７３号，ＭＩＩＫ ６ Ｆ ０２ Ｃ １／０２，　１９９６を参照のこと。）この方法は動力利用装置で実現されるが、そのような動力利用装置は、入口が高圧ガス坑井の出口または高圧ガス幹線パイプラインの出口に接続されており、また、出口が低圧ガスパイプラインに接続されているか、或いは、ガス消費者に接続されている。この動力利用装置は、例えば膨張タービンのようなガス膨脹装置と、ガス膨脹装置と運動学的に接続された、例えば発電機のような機械エネルギーの変換装置とを備えている。かかる方法および装置により、ガス膨脹エネルギーをガス圧降下時に利用することができるようになる。
【０００４】
しかし、このような方法および装置によりガス膨張のプロセスで発生した冷気が利用できるようになる可能性はない。この方法および装置の効率は低い。
【０００５】
ガス膨脹エネルギーを機械エネルギーに変換することによりガス圧が高い値から所要の値まで降下した時にガス膨脹エネルギーを利用するとともに、冷気の発生に要する冷却剤として圧力降下中に温度低下されたガスを同時利用する方法が存在する。（ＳＵ，Ａ１，８４４７９７号を参照のこと。）
しかし、この方法がもたらすガス圧降下は１段階式であるため、その総合的効率は低くなっている。
【０００６】
ガス膨脹エネルギーとこのプロセスの最中に生じる冷気とを利用するための動力装置が存在する。（ＲＵ　２０１３６１６号、ＭＩＩＫ Ｆ０２Ｃ ６／００，１９９４を参照のこと。）
しかし、ガス圧の降下と冷気の利用が１段階で実施されるので、この装置の効率は低い。
【０００７】
＝＝＝発明の開示＝＝＝
本発明の目的は、天然ガス圧を降下させるプロセスの最中に生じる冷気の利用を向上させ、大量のエネルギーと冷気を発生させることであり、また、天然ガス膨張エネルギーを利用するための方法および装置の総合効率を高めることである。
【０００８】
本願の方法に課された問題点は、ガス膨脹エネルギーを機械エネルギーに変換することにより、幹線パイプライン内などにおいて天然ガスを高圧値から消費者に必要な圧力値まで低下させるとともに、ガス圧降下のプロセスで低温化されたガスを冷却剤として利用することにより解決される。この方法の新規な点は、２段階以上で連続して天然ガス圧を降下させることと、天然ガス圧降下の第１段階後に、かつ／または、第２段階以降の各段階ごとの後に、少なくともガスの一部を冷気を発生させる冷却剤として同時利用して、この冷気を使用することである。天然ガス圧の降下の第１段階後に、かつ／または、後続段階ごとの後に、天然ガスの他の部分か、或いは、冷却剤として使用された天然ガスの全量が、天然ガス膨張エネルギーを機械エネルギーに変換する次の段階で利用される。
【０００９】
天然ガス圧を段階ごとに降下させるとともに、圧力降下第１段階後の、かつ／または、第２段階以降の各段階ごとの後の、天然ガスの全量利用または一部の天然ガスの利用を行ったために、この方法の総合効率は高まっている。
【００１０】
本願の装置に課された問題点は、天然ガスの膨張エネルギーを利用する装置を実現することにより解決されるが、このような装置には、装置入口が高圧ガスの坑井または幹線パイプラインに接続されており、装置出口が低圧ガス用のパイプラインに接続されている、例えば膨張タービンのようなガス膨脹装置や、膨張タービン等のガス膨脹装置及びこれに運動学的に接続された、例えば発電機のような機械エネルギー変換装置がある。このような膨張エネルギー利用装置には少なくとも１つの熱交換装置が設けられており、熱交換装置の出口分岐パイプは、例えば膨張タービンの出口のような、ガス膨脹装置の出口に接続されている。
【００１１】
このような設備に導入された新規な点は、動力利用装置の、例えば膨張タービンのようなガス膨張装置が天然ガスの圧力降下の方向に配置された２つ以上の要素から構成されており、この動力利用装置が２台以上の熱交換装置／冷凍機を更に備えており、熱交換装置／冷凍機の各々の冷却剤側への入口分岐パイプが膨張装置の関連要素の出口に接続されており、このような熱交換装置／冷凍機の数が膨張装置の要素の数と同じかそれ以上であることである。
【００１２】
動力利用装置をこのように改良することで、確実にこの装置の効率が高まるとともに、生成される冷気の量が増大する。
【００１３】
動力利用装置のガス膨脹装置の複数要素のうち前段に位置するものの出口は、ガス膨脹装置で後段に位置する要素の入口に接続されているのと同時に、関連する熱交換装置／冷凍機の冷却剤側への入口分岐パイプに接続され、１台以上の熱交換装置／冷凍機の冷却剤側からの出口分岐パイプは低圧ガスパイプラインまたはガス消費者に接続されるようにしてもよい。この場合、作用媒体の流れは分岐させられ、作用媒体の一部は冷気の利用を目的として分離される。これにより、装置の熱力学的作動サイクルが向上する。
【００１４】
このような改良により装置の効率は向上する。同時に、動作モードが変化すると、ガス膨張装置の動作を最適条件に調節することができるようになる。
【００１５】
本願の動力利用装置では、ガス膨脹装置における複数要素のうちの前段に位置するものの出口を、ガス膨張装置の２つの要素の中間に配置された熱交換装置／冷凍機の一方の、または、各々の冷却剤側への入口分岐パイプにのみ接続し、ガス膨脹装置の２つの要素の中間に配置された上述と同じ熱交換装置／冷凍機の冷却剤側からの出口分岐パイプを、ガス膨脹装置で後段に位置する要素の作動媒体の入口に接続するようにしてもよい。そうすると、作動媒体（ガス）を更に加熱する処理が熱交換装置／冷凍機の一方または各々で発生する。これにより、装置の熱力学的作動サイクルが向上する。
【００１６】
このような改良では、熱交換装置／冷凍機における熱交換によって加熱された冷却剤の熱を利用することにより、装置の効率を更に向上させている。同時に、熱交換装置／冷凍機で加熱された作動媒体（液体、気体、或いは、数種の作動媒体の組合せ）の量および／または温度を変更することにより、動作モードが変更されてもガス膨張装置の動作を最適条件に調節することができるようになる。
【００１７】
本発明の方法および装置を好ましい実施形態を説明することにより例示するが、装置の種々の実施例の動作を開示するにあたり、ガス膨脹エネルギー利用を実現した実施形態を記載してゆく。
【００１８】
＝＝＝実施例１（図１）＝＝＝
本例の動力利用装置は、高圧要素１（ＨＰＣ１）、および、これと同軸に配置された低圧要素２（ＬＰＣ２）から構成された膨張ガスタービンを備えている。ＨＰＣ１の入口は高圧ガス幹線パイプライン３に接続されている。この幹線パイプライン３は、高圧または中間圧の天然ガスパイプラインか、ガス配給所のガスパイプラインか、発電所のガスパイプラインか、焼却場のガスパイプラインか、天然ガス製造現場の坑井のガスパイプライン等のような場合が考えられる。（このような施設は図示されていない。）電力を消費者５に供給する発電機シャフト４は、ＨＰＣ１およびＬＰＣ２の共通シャフトに運動学的に接続され、或いは、そこに直接接続される。ＨＰＣ１の出口は、ＬＰＣ２の入口と、熱交換装置／冷凍機６の冷却剤側への入口分岐パイプの、両方に接続されている。熱交換装置／冷凍機６の冷却剤側からの分岐パイプの出口は低圧ガスパイプラインに接続されており、この低圧ガスパイプラインを通して、ガスが消費者７に供給される。
【００１９】
熱交換装置／冷凍機８は、膨張ガスタービンのＬＰＣ２のガス出口に取付けられている。冷却剤側への熱交換装置／冷凍機８の入口分岐パイプは、膨張ガスタービンのＬＰＣ２からのガス出口に接続されており、熱交換装置／冷凍機８の冷却剤側からの出口分岐パイプは、ガスを消費者９に供給する低圧ガスパイプラインに接続されている。
【００２０】
動力利用装置は以下のように作動する。高圧天然ガスは幹線パイプライン３から出てＨＰＣ１に流れ込み、ＨＰＣ１を回転作動させ、膨張すると同時に温度低下する。この天然ガスは一部がＬＰＣ２に流入し、別な一部が熱交換装置／冷凍機６の冷却剤側への入口分岐パイプに流れ込む。ある程度冷却されたガスは、ある程度減圧された状態で、熱交換装置／冷凍機６を通過する。次いで、天然ガスは所要の圧力をもってガス消費者７に供給される。
【００２１】
膨張ガスタービンのＬＰＣ２に導入された別な一部のガスはさらに仕事をし、圧力が降下して冷却される。このガスはＬＰＣ２から第２の熱交換装置／冷凍機８に給送され、この第２の熱交換装置／冷凍機８で、ガスは加熱され、冷気が除去される。次いで、減圧下にある天然ガスが消費者９に供給される。ＨＰＣ１およびＬＰＣ２を備えている膨張ガスタービンは、発電機４を回転作動させ、電力が消費者５に供給される。
【００２２】
チャンバーやアイスリンク等を冷却し、かつ、坑井で生成された天然ガスを液化させるために、冷気を利用することができる。膨張のプロセスでガスが行う有用な仕事を利用して、遠隔にある天然ガス坑井のガス液化や動力供給を行わせることもできる。
【００２３】
＝＝＝実施例２（図２）＝＝＝
動力利用装置は、同一シャフト上に配置された高圧要素１０（ＨＰＣ１０）、中間圧要素１１（ＭＰＣ１１）、および、低圧要素（ＬＰＣ１２）から構成された膨張ガスタービンを備えている。ＨＰＣ１０の入口は、高圧ガスの幹線パイプライン１３に接続されている。ＨＰＣ１０の出口は、ＭＰＣ１１の入口と、熱交換装置／冷凍機１６の冷却剤側への入口分岐パイプの、両方に接続されている。熱交換装置／冷凍機１６のガス出口は低圧ガスの消費者１７に接続されている。ＭＰＣ１１の出口は、ＬＰＣ１２の入口と、熱交換装置／冷凍機１８の冷却剤側への入口分岐パイプの、両方に接続されている。熱交換装置／冷凍機１８を源とするガス出口は低圧ガスの消費者１９に接続されている。ＬＰＣ１２の出口は、熱交換装置／冷凍機２０の冷却剤側への入口分岐パイプに接続されている。熱交換装置／冷凍機２０からのガス出口は低圧ガスの消費者２１に接続されている。
【００２４】
動力利用装置は以下のように作動する。高圧天然ガスは幹線パイプライン１３から出てＨＰＣ１０へ流れ込み、ＨＰＣ１０を回転させ、膨張すると同時に温度低下する。この天然ガスは一部がＭＰＣ１１に流入してＭＰＣ１１を回転させ、膨張すると同時に温度低下し、また、天然ガスの他の部分が熱交換装置／冷凍機１６の冷却剤側への入口分岐パイプに流れ込み、このパイプから天然ガスが低圧ガス消費者１７に供給される。ガス消費者１７に必要な圧力は、他の天然ガス消費者１９および２１に必要な圧力より高くてもよい。天然ガスの他の部分の流れはＭＰＣ１１で仕事をし、更に圧力を降下させ、冷却される。次に、天然ガス流が分岐する。このガス流の一部は熱交換装置／冷凍機１８の冷却剤側への入口分岐パイプに給送され、このパイプから天然ガスがガス消費者１９に供給される。ガス流の残りの部分はＬＰＣ１２の入口に給送されながら、ＬＰＣ１２を回転させ、膨張すると同時に冷却される。続いて、天然ガスは熱交換装置／冷凍機２０に流入し、そこから低圧天然ガスの消費者２１に給送される。膨張ガスタービンは、電力消費者１５に向けて電流を生成する発電機１４を回転作動させる。
【００２５】
チャンバーやアイスリンク等を冷却し、かつ、坑井で生成された天然ガスを液化させるために、冷気を利用することができる。膨張のプロセスでガスが行う有用な仕事を利用して、遠隔にある天然ガス坑井のガス液化や動力供給を行わせることもできる。
【００２６】
＝＝＝実施例３（図３）＝＝＝
動力利用装置は高圧膨張ガスタービン２２（ＨＰＴ２２）を備えており、このような装置の入口は高圧天然ガスパイプライン２３に接続されている。ＨＰＴ２２のシャフトは発電機２４に運動学的に接続され、或いは、そこに直接接続されており、この発電機は電力消費者２５と電気的に接続されている。ＨＰＴ２２の出口は、熱交換装置／冷凍機２６の冷却剤側への入口分岐パイプに接続されている。熱交換装置／冷凍機２６のガス出口は、中間圧膨張ガスタービン２７（ＭＰＴ２７）の入口に接続されている。ＭＰＴ２７のシャフトは発電機２８に運動学的に接続され、或いは、そこに直接接続されており、この発電機は電力消費者２９に電気的に接続されている。ＭＰＴ２７の出口は熱交換装置／冷凍機３０の冷却剤側への入口分岐パイプに接続されている。熱交換装置／冷凍機３０のガス出口は、低圧膨張ガスタービン３１（ＬＰＴ３１）の入口に接続されている。ＬＰＴ３１のシャフトは発電機３２に運動学的に接続され、或いは、そこに直接接続されており、この発電機は電力消費者３３と電気的に接続されている。ＬＰＴ３１の出口は熱交換装置／冷凍機３４のガス入口に接続されている。熱交換装置／冷凍機３４のガス出口は低圧天然ガスの消費者３５に接続されている。
【００２７】
動力利用装置は以下のように作動する。高圧天然ガスは幹線パイプライン２３からＨＰＴ２２に給送されてＨＰＴ２２を回転作動させ、膨張し、冷却される。次いで、ガスはＨＰＴ２２から熱交換装置／冷凍機２６に供給され、ここでは、冷気が利用され、ガスが加熱されて膨張する。更に、ガスはＭＰＴ２７に導入されてＭＰＴ２７を回転作動させ、膨張し、冷却される。次に、ガスは熱交換装置／冷凍機３０に流入し、ここで、冷気が利用され、ガスが加熱されて膨張する。続いて、加熱され膨張したガスは熱交換装置／冷凍機３０からＬＰＴ３１へ給送され、ＬＰＴ３１を回転作動させ、膨張し、冷却される。次に、ガスはＬＰＴ３１から熱交換装置／冷凍機３４に流れ、ここで冷気が利用され、天然ガスが加熱されて膨張する。更に、天然ガスは低圧ガスの消費者３５に供給される。ＨＰＴ２２、ＭＰＴ２７、および、ＬＰＴ３１は、電力を消費者２５、２９、および、３３に供給する発電機２４、２８、および、３２のそれぞれを回転作動させる。発電機２４、２８、および、３２は共通の電力ネットワークに接続されてもよい。
【００２８】
ＨＰＴ２２、ＭＰＴ２７、および、ＬＰＴ３１におけるガスの段階的な冷却処理のために、また、熱交換装置／冷凍機２６および３０におけるガスの段階的な加熱処理のために、動力利用装置の総合効率は高まる。
【００２９】
＝＝＝産業上の利用の可能性＝＝＝
本発明を利用して、代替エネルギーと廉価な冷気の生成の広範な実際の問題点を解決することができる。本発明は、高圧天然ガスの出口で坑井を出ると直ぐに利用することができ、幹線パイプラインの出口におけるガス圧を、消費者などにより必要とされる圧力まで低下させることができる。
【００３０】
好ましい実施形態の全ての説明について、膨張ガスタービンはガス膨張装置として使用されている。しかし、どのようなタイプのガス膨張装置を利用してもよく、具体的には、ピストン型またはローター型のガス膨張装置であって、高圧要素および低圧要素を備えているもの、或いは、高圧要素、中間圧要素、および、低圧要素を備えているものでもよい。
【００３１】
発電機の代わりに、かつ／または、発電機とともに、タービン、ポンプ、換気装置、ウインチ、または、これら以外の機械エネルギーの各種変換装置を利用することもできる。
【００３２】
本発明の好ましい実施形態に記載されている動力利用装置は、坑井の出口における天然ガス圧がガスの幹線パイプラインで要求される圧力より高い場合には、天然ガスの坑井の直ぐ脇に配置してもよい。この場合、生産された天然ガスを液化するために冷気を利用することができる。膨張のプロセスでガスにより行われる有用な仕事を利用して、遠隔の天然ガス坑井のガスの液化や電力供給を行わせることができる。本願の動力利用装置は、天然ガスを大規模消費者（発電プラント、開拓地における家庭用天然ガスネットワークなど）に供給するための設備にガスの幹線パイプラインが接続されている場所では極めて有効となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】動力利用装置が高圧要素および低圧要素を備えた膨張ガスタービンと、２台の熱交換装置／冷凍機と、発電機とから構成されているのを例示した図である。
【図２】動力利用装置が高圧要素、中間圧要素、および、低圧要素を備えた膨張ガスタービンと、３台の熱交換装置／冷凍機と、発電機とから構成されているのを例示した図である。
【図３】動力利用装置が高圧要素、中間圧要素、および、低圧要素を備えた膨張ガスタービンと、３台の熱交換装置／冷凍機と、３台の発電機とから構成されているのを例示した図である。

Claims (4)

1. 天然ガスの膨張エネルギーを機械エネルギーに変換することによりガス圧を高圧から所要の圧力に降下させるプロセスの間に天然ガスの膨張エネルギーを利用するとともに、その圧力降下のプロセスで冷却されたガスを冷却剤として冷気を発生させる方法であって、
   天然ガス圧は２段階以上で連続して段階的に降下されると同時に、各段階で天然ガスの膨張エネルギーを機械エネルギーに変換し、天然ガス圧降下の第１段階の後で、かつ／または、第２段階以降の各段階ごとの後で、天然ガスの少なくとも一部が冷気を発生させるための冷却剤として利用され、或いは、冷却剤として利用された天然ガスの全量が天然ガスの膨張エネルギーを機械エネルギーに変換する後続段階について利用される
   ことを特徴とする方法。
2. 動力利用装置は例えば膨張タービンなどのガス膨張装置を備えており、動力利用装置の入口はガス膨張装置と運動学的に接続された高圧天然ガス坑井または高圧天然ガス幹線パイプライン（３）に接続されており、動力利用装置は、発電機のような機械エネルギーの変換装置（４）と、少なくとも１台の熱交換装置／冷凍機（８）とを更に備えており、熱交換装置／冷凍機の冷却剤側への入口分岐パイプは、例えば膨張タービンの出口などのガス膨張装置の出口に接続されており、熱交換装置／冷凍機の出口分岐パイプは低圧ガス幹線パイプラインまたはガス消費者（９）に接続されており、
   例えば膨張タービンのようなガス膨張装置は天然ガスの圧力降下の方向に配置された２つ以上の要素（１、２）から構成されており、熱交換装置／冷凍機（６、８）の数はガス膨張装置の要素の数と同じかそれより多く、関連する熱交換装置／冷凍機の冷却剤側への入口分岐パイプは例えば膨張タービンなどの適切なガス膨張装置の要素（１、２）の出口に接続されている
   ことを特徴とする装置。
3. ガス膨張装置の複数要素のうち前段に位置するもの（１０、１１）の出口はガス膨張装置の要素のうち次段に位置する要素（１１、１２）の入口に接続されているとともに、関連する熱交換装置／冷凍機（１６、１８）の冷却剤側への入口分岐パイプに接続されており、１台以上の熱交換装置／冷凍機（１６、１８）の冷却剤側からの出口分岐パイプは低圧天然ガスパイプラインまたは天然ガス消費者（１７、１９）に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. ガス膨張装置の複数要素のうち前段に位置するもの（２２、２７）の出口は熱交換装置／冷凍機（２６、３０）の冷却剤側への入口分岐パイプにしか接続されておらず、１台以上の熱交換装置／冷凍機（２６、３０）の冷却剤側からの出口分岐パイプは、例えば膨張タービンなどのガス膨張装置の要素のうち後段に位置するもの（２７、３１）の作用媒体の入口に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の装置。