特許 6286812 天然ガス液化装置の混合冷媒組成の決定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6286812

(24)【登録日】2018年2月16日

(45)【発行日】2018年3月7日

(54)【発明の名称】天然ガス液化装置の混合冷媒組成の決定方法

(51)【国際特許分類】

   F25J 1/00 20060101AFI20180226BHJP

【ＦＩ】

   F25J1/00 B

【請求項の数】3

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2017-550787(P2017-550787)

(86)(22)【出願日】2016年3月10日

(86)【国際出願番号】JP2016057651

(87)【国際公開番号】WO2017154181

(87)【国際公開日】20170914

【審査請求日】2017年10月11日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000004411

【氏名又は名称】日揮株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091513

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 俊夫

(74)【代理人】

【識別番号】100162008

【弁理士】

【氏名又は名称】瀧澤 宣明

(72)【発明者】

【氏名】アウン カン レオン

(72)【発明者】

【氏名】金丸 剛久

【審査官】 神田 和輝

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６３−２５４８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１２−５３１５７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１３−５４０９７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第７２６６９７５（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｊ １／００−５／００

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

予冷用冷媒により天然ガスを予冷する予冷熱交換器と、窒素及び炭素数が１から３までの炭化水素からなる冷媒原料群から選択される複数の冷媒原料を含む混合冷媒により、前記予冷された天然ガスを液化する極低温熱交換器と、前記予冷用冷媒及び混合冷媒のガスの圧縮を行う複数の圧縮機とを備えた天然ガス液化装置の混合冷媒組成の決定方法であって、
天然ガスの供給組成及び供給圧力と、前記混合冷媒の組成とを決定し、予め設定した温度まで冷却された液化天然ガスを得る際に、前記極低温熱交換器の総括伝熱係数に伝熱面積を乗じた値であるＵＡ値と、前記複数の圧縮機の総消費動力との算出に必要な前記天然ガス液化装置の稼働情報を入力可能なシミュレーションモデルを、当該天然ガス液化装置から取得した稼働データに基づいて作成するモデル作成工程と、
前記稼働データ取得時の混合冷媒組成と天然ガスの供給組成及び供給圧力とを用いて前記モデル作成の結果得られたシミュレーションモデルを実行し、前記ＵＡ値を算出するＵＡ値算出工程と、
前記供給組成及び供給圧力の少なくとも一方を変化させた新たな供給条件下にて、前記稼働データ取得時の混合冷媒組成から、冷媒原料の組成を変化させた複数の混合冷媒ケースについて、前記極低温熱交換器のＵＡ値が、ＵＡ値算出によって得られたＵＡ値と揃うように調整した前記シミュレーションモデルを実行し、前記総消費動力を算出する試算工程と、
前記試算工程にて求めた各混合冷媒ケースについてのシミュレーションモデルの実行結果のうち、液化天然ガスの単位流出量あたりの総消費動力が最も小さくなる混合冷媒ケースの混合冷媒組成を、前記新たな供給条件下での混合冷媒組成とする組成決定工程と、を含むことを特徴とする天然ガス液化装置の混合冷媒組成の決定方法。

【請求項2】

前記混合冷媒は４つの冷媒原料を含み、
前記混合冷媒に含まれる蒸気圧が最大である第１の冷媒原料の含有量を変化させながら、前記極低温熱交換器のＵＡ値が、ＵＡ値算出によって得られたＵＡ値と揃うように調整した前記シミュレーションモデルを実行して、前記極低温熱交換器の塔頂部における液化天然ガスの温度と、当該塔頂部の液化天然ガスの冷却を行う混合冷媒の温度との温度差が、前記予め設定した温度まで冷却された液化天然ガスを得るために必要な最高温度差以下となる第１の冷媒原料の暫定含有量を求める第１の暫定含有量決定工程と、
前記混合冷媒に含まれる蒸気圧が最小である第２の冷媒原料の含有量を変化させながら、前記ＵＡ値算出によって得られたＵＡ値が調整されたシミュレーションモデルを実行して、前記極低温熱交換器の塔底部における天然ガスの温度と、当該塔底部の天然ガスの冷却を行う混合冷媒の温度との温度差が、前記予め設定した温度まで冷却された液化天然ガスを得るために必要な最高温度差以下となる第２の冷媒原料の暫定含有量を求める第２の暫定含有量決定工程と、を含み、
前記試算工程における複数の混合冷媒ケースは、前記第１、第２の暫定含有量決定工程にて求めた暫定含有量の第１、第２の冷媒原料を含むことを特徴とする請求項１に記載の天然ガス液化装置の混合冷媒組成の決定方法。

【請求項3】

前記試算工程における複数の混合冷媒ケースは、前記第１、第２の冷媒原料の含有量が各々の暫定含有量における混合冷媒中の含有割合の±０．５パーセントポイントの範囲に設定され、且つ、これら第１、第２の冷媒原料以外の残る２つの冷媒原料の含有量を変化させたものであることを特徴とする請求項２に記載の天然ガス液化装置の混合冷媒組成の決定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数の冷媒原料が混合された混合冷媒を用いて天然ガスを液化する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

天然ガス液化装置（以下、「ＮＧ液化装置」という）においては、供給された天然ガス（ＮＧ：Natural Gas）を一連の熱交換器群にて冷却し、液化天然ガス（ＬＮＧ：Liquefied Natural Gas）を得る処理が行われる。主要なＮＧ液化装置においては、プロパンなどの予冷用冷媒を用いてＮＧの予冷を行った後、窒素、メタン、エタン、プロパンなどの複数種類の冷媒原料を混合した混合冷媒（ＭＲ：Mixed Refrigerant）を用いて、予冷されたＮＧを液化、過冷却する。

【0003】

ＮＧ液化装置は、ＮＧの供給組成や供給圧力、ＮＧ液化装置のプラント区域の環境要因（外気温や気圧）などの前提条件を設定したうえで、効率的にＬＮＧを生産できるように最適な設計が行われる。特に複数の冷媒原料を混合するＭＲは、ＮＧの冷却曲線に沿って温度変化する冷却曲線を実現することが可能であり、ロスが少なく効率的な液化サイクルを実現することができる。

【0004】

しかしながら、ガス井から産出される天然ガスの経時的な変化やガス井の切り替えなどによって、ＮＧの供給組成や供給圧力が設計時の前提条件として設定された値からずれてしまう場合がある。前提条件の一つとして設定された値からの変化は、ＬＮＧの生産量の低下や、目標の生産量を維持するためにＮＧ液化装置にて消費される動力の増大を招き、ＮＧ液化装置の稼働効率の低下（ＬＮＧの単位産出量あたりの消費動力の増大）を引き起こす可能性がある。

【0005】

ここで特許文献１には、公知のモデル予測制御を利用して、天然ガスの液化を行う主熱交換器（本願の“極低温熱交換器”に相当する）の運転に係る複数の操作変数のセット（例えばＭＲの重質冷媒フラクションや軽質冷媒フラクションの質量流量、冷媒成分組成物（本願の“混合冷媒”に相当する）の補填流量など）を操作することにより、所定の制御変数のセット（例えば主熱交換器の暖端部側における天然ガスと気化したＭＲとの温度差、液化天然ガスの温度など）の最適化を図る技術が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】米国特許第７２６６９７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら特許文献１に記載のモデル予測制御は、各セット内の所定の操作変数の変化に対する、特定の制御変数の経験的な応答関係を利用した応答モデルを作成し、例えばＬＮＧの生産量が最大となるように当該モデルを用いた制御を行う技術である。このため、操作変数と制御変数との応答関係は、ＮＧ液化装置のこれまでの運転にて得られたデータに制約されてしまう。

【0008】

通常、ＮＧ液化装置の操作変数の操作範囲や制御変数の許容変動範囲は、既述のように所定の前提条件の下、ＮＧ液化装置が効率的なＬＮＧ生産を実行できる範囲に限定されている。従って、前提条件となるＮＧの供給組成や供給圧力が変化してしまった場合には、現在、許容されている変動範囲自体が、ＮＧ液化装置を構成する各機器にて実現可能な最適状態からずれてしまっている可能性がある。このため、ＮＧの供給組成や供給圧力の変化後においては、モデル予測制御の結果よりも効率的な運転状態が存在している可能性がある。

【0009】

本発明は、このような背景の下になされたものであり、その目的は、天然ガスの供給条件の少なくとも一つが変化した後であっても、変化後の新たな供給条件に適した混合冷媒組成を決定することが可能な方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の天然ガス液化装置の混合冷媒組成の決定方法は、予冷用冷媒により天然ガスを予冷する予冷熱交換器と、窒素及び炭素数が１から３までの炭化水素からなる冷媒原料群から選択される複数の冷媒原料を含む混合冷媒により、前記予冷された天然ガスを液化する極低温熱交換器と、前記予冷用冷媒及び混合冷媒のガスの圧縮を行う複数の圧縮機とを備えた天然ガス液化装置の混合冷媒組成の決定方法であって、
天然ガスの供給組成及び供給圧力と、前記混合冷媒の組成とを決定し、予め設定した温度まで冷却された液化天然ガスを得る際に、前記極低温熱交換器の総括伝熱係数に伝熱面積を乗じた値であるＵＡ値と、前記複数の圧縮機の総消費動力との算出に必要な前記天然ガス液化装置の稼働情報を入力可能なシミュレーションモデルを、当該天然ガス液化装置から取得した稼働データに基づいて作成するモデル作成工程と、
前記稼働データ取得時の混合冷媒組成と天然ガスの供給組成及び供給圧力とを用いて前記モデル作成の結果得られたシミュレーションモデルを実行し、前記ＵＡ値を算出するＵＡ値算出工程と、
前記供給組成及び供給圧力の少なくとも一方を変化させた新たな供給条件下にて、前記稼働データ取得時の混合冷媒組成から、冷媒原料の組成を変化させた複数の混合冷媒ケースについて、前記極低温熱交換器のＵＡ値が、ＵＡ値算出によって得られたＵＡ値と揃うように調整した前記シミュレーションモデルを実行し、前記総消費動力を算出する試算工程と、
前記試算工程にて求めた各混合冷媒ケースについてのシミュレーションモデルの実行結果のうち、液化天然ガスの単位流出量あたりの総消費動力が最も小さくなる混合冷媒ケースの混合冷媒組成を、前記新たな供給条件下での混合冷媒組成とする組成決定工程と、を含むことを特徴とする。

【0011】

前記天然ガス液化装置の混合冷媒組成の決定方法は以下の特徴を備えていてもよい。
（ａ）前記混合冷媒は４つの冷媒原料を含み、
前記混合冷媒に含まれる蒸気圧が最大である第１の冷媒原料の含有量を変化させながら、前記極低温熱交換器のＵＡ値が、ＵＡ値算出によって得られたＵＡ値と揃うように調整した前記シミュレーションモデルを実行して、前記極低温熱交換器の塔頂部における液化天然ガスの温度と、当該塔頂部の液化天然ガスの冷却を行う混合冷媒の温度との温度差が、前記予め設定した温度まで冷却された液化天然ガスを得るために必要な最高温度差以下となる第１の冷媒原料の暫定含有量を求める第１の暫定含有量決定工程と、
前記混合冷媒に含まれる蒸気圧が最小である第２の冷媒原料の含有量を変化させながら、前記ＵＡ値算出によって得られたＵＡ値が調整されたシミュレーションモデルを実行して、前記極低温熱交換器の塔底部における天然ガスの温度と、当該塔底部の天然ガスの冷却を行う混合冷媒の温度との温度差が、前記予め設定した温度まで冷却された液化天然ガスを得るために必要な最高温度差以下となる第２の冷媒原料の暫定含有量を求める第２の暫定含有量決定工程と、を含み、
前記試算工程における複数の混合冷媒ケースは、前記第１、第２の暫定含有量決定工程にて求めた暫定含有量の第１、第２の冷媒原料を含むこと。
（ｂ）前記試算工程における複数の混合冷媒ケースは、前記第１、第２の冷媒原料の含有量が各々の暫定含有量における混合冷媒中の含有割合の±０．５パーセントポイントの範囲に設定され、且つ、これら第１、第２の冷媒原料以外の残る２つの冷媒原料の含有量を変化させたものであること。

【発明の効果】

【0012】

本発明は、実際の稼働データに基づいて作成した天然ガス液化装置のシミュレーションモデルを利用して、極低温熱交換器の総括伝熱係数に伝熱面積を乗じたＵＡ値を算出し、極低温熱交換器のＵＡ値が算出されたＵＡ値と揃うようにシミュレーションモデルを調節しながら、天然ガスの供給組成及び供給圧力の少なくとも一方を変化させた新たな供給条件下でシミュレーションモデルを実行する。そして、稼働データ取得時の混合冷媒組成から、冷媒原料の組成を変化させた複数の混合冷媒ケースについてシミュレーションモデルを実行した結果に基づいて、液化天然ガスの単位流出量あたりの総消費動力が最も小さくなる混合冷媒ケースの混合冷媒組成を、新たな供給条件下での混合冷媒組成とするので、より消費動力の少ない混合冷媒組成を選択することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】ＮＧ液化装置の構成例を示す説明図である。

【図2】前記ＮＧ液化装置におけるＮＧ及び冷媒に対する冷却曲線を示す説明図である。

【図3】前記ＮＧ液化装置にて、ＮＧの液化に用いられるＭＲの組成を決定する手順を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

初めに、本発明の実施の形態に係るＭＲ組成の決定方法が適用されるＮＧ液化装置の一例について図１を参照しながら説明する。
図１に示すように、本例のＮＧ液化装置は、予冷用冷媒によってＮＧを予冷する予冷熱交換器１０１〜１０４と、ＮＧから重質分を分離するスクラブカラム２と、予冷されたＮＧを液化する極低温熱交換器（ＭＣＨＥ：Main Cryogenic Heat Exchanger）３と、熱交換後の予冷用冷媒やＭＲの気体を圧縮する圧縮機４１、４２、５１と、を備える。

【0015】

井戸元から供給されたＮＧは、不図示の前処理部にて、ＮＧ中に含まれる水銀や酸性ガス、水分を除去する前処理が行われた後、予冷熱交換器１０１〜１０４に供給される。本例のＮＧ液化装置においては、プロパンを主成分とする予冷用冷媒（以下「Ｃ３冷媒」とも記す）を用い、前処理後、例えば４０〜５０℃で供給されたＮＧが、直列に接続された例えば４段の予冷熱交換器１０１〜１０４によって−３０℃付近まで冷却される。

【0016】

各予冷熱交換器１０１〜１０４にＣ３冷媒を供給するラインの上流側には、各々不図示の膨張弁が設けられ、この膨張弁にて断熱膨張させ、温度を低下させたＣ３冷媒が、各予冷熱交換器１０１〜１０４へと供給される。この結果予冷熱交換器１０１〜１０４においては、ＮＧの流れ方向の上流側（予冷熱交換器１０１）から下流側（予冷熱交換器１０４）へ向けて、順次、圧力レベルが低くなるように調整されたＣ３冷媒（図１中に「ＨＰＣ３、ＭＰＣ３、ＬＰＣ３、ＬＬＰＣ３」と記載してある）を用いてＮＧの冷却が行われる。

【0017】

スクラブカラム２は、予冷熱交換器１０１〜１０４にて予冷されたＮＧを、メタンを多く含む塔頂側の気体と、メタンより重質の炭化水素成分を多く含む塔底側の液体とに分留する。本例のスクラブカラム２には、スクラブカラム２の下段位置から抜き出した液体を加熱し、加熱後の気体及び液体をスクラブカラム２に戻すリボイラー２０１が設けられている。

【0018】

スクラブカラム２の塔頂側から流出した気体は、ＭＣＨＥ３における後述のボトムバンドルのＮＧ用のチューブ内を流れ、ＭＣＨＥ３の塔底部近傍の比較的温度が高いＭＲによって冷却されてその一部が液化する。しかる後、ボトムバンドルのチューブから抜き出されたＮＧの気液混合流体は、リフラックスドラム２０２へ供給されて気液分離される。気液分離後の液体はリフラックスポンプ２０３によりスクラブカラム２へと還流される一方、気体は、ＭＣＨＥ３のミドルバンドルのＮＧ用のチューブへと導入される。

【0019】

また、スクラブカラム２の塔底側から流出した液体は、不図示の精留塔を備える精留部２１にて、常温で液体のコンデンセートと、コンデンセートより軽質の気体とに分離される。コンデンセートと分離された気体はＭＣＨＥ３へ供給される。

【0020】

ここで本例のＭＣＨＥ３は、塔頂部側から塔底部側へ向けてＭＲが流下するシェル内に、ＮＧ用及びＭＲ用の多数本のチューブを前記ＭＲの流れ方向に沿って配設した構造となっている。ＮＧやＭＲは、各チューブ内をシェルの塔底部側から塔頂部側へ向けて、シェル内のＭＲの流れと反対方向に流れる。

【0021】

また、上述のＮＧ用、ＭＲ用の多数本のチューブは束ねられてチューブバンドルを構成している。チューブバンドルは、シェルの塔頂部側の領域に配置されたトップバンドルと、トップバンドルの下方側から、シェルの塔底部に至る領域に配置されたミドルバンドル及びボトムバンドルとの３つの領域に分けることができる。以下、トップバンドル／ミドルバンドル／ボトムバンドルの３領域に分けられたＭＣＨＥ３を３バンドル型のＭＣＨＥ３という。
ＮＧ用のチューブの一部は、一部のＮＧ（既述のスクラブカラム２の塔頂側から流出したＮＧ）がボトムバンドルを流れた後、ＭＣＨＥ３から抜き出されるように配置される。またＭＲ用のチューブの一部は、一部のＭＲ（後述のＭＲセパレーター３１にて気液分離された気体ＭＲ）がミドルバンドル、ボトムバンドルを流れた後、ＭＣＨＥ３から抜き出されるように配置されている。また、残るＮＧ用、ＭＲ用のチューブは、ＮＧやＭＲがボトムバンドル、ミドルバンドル及びトップバンドルを流れた後、ＭＣＨＥ３の塔頂部から抜き出されるように配置されている。

【0022】

ＭＣＨＥ３においては、既述の精留部２１から供給されたコンデンセートとの分離後の気体は、ボトムバンドルのＮＧ用のチューブに導入され、シェル側を流れるＭＲにより次第に冷却される。当該流体には、さらに既述のリフラックスドラム２０２から抜き出された気体が合流する。そして、これらの気体（ＮＧ）の流れは、ミドルバンドルとトップバンドルに流れ込んで冷却されながら液化され、さらに過冷却されて、およそ−１５０〜−１５５℃に冷却されたＬＮＧとしてＭＣＨＥ３の塔頂部から抜き出される。

【0023】

ＭＣＨＥ３から流出したＬＮＧは、エキスパンダータービン３３で動力回収を行った後、膨張弁Ｖ５にて膨張させ、エンドフラッシュ容器６１にて窒素や一部の軽質末端成分をフラッシュさせて、ＬＮＧの沸点をおよそ−１６１℃に調節した後、不図示のＬＮＧタンクへランダウンされる。なお、エンドフラッシュ容器６１にてＬＮＧからフラッシュさせた軽質末端成分は、例えばＮＧ液化装置が設置された工場内で燃料ガスとして利用される。

【0024】

次いで、ＭＣＨＥ３にてＮＧの液化、過冷却を行うＭＲの流れ（ＭＲサイクル）について説明する。ＮＧの冷却に利用されたＭＲは、ＭＣＨＥ３のシェルの底部から低圧ＭＲ（およそ温度−４０℃、圧力３．５ｂａｒａ）として気体の状態で抜き出される。低圧ＭＲは、サクションドラム４１３にて液滴が分離された後、低圧ＭＲ圧縮機４１にて低圧から中圧に昇圧され、さらにアフタークーラー４１１にて冷却される。アフタークーラー４１１にて冷却された中圧ＭＲは、サクションドラム４２３にて液滴が分離された後、高圧ＭＲ圧縮機４２にて中圧から高圧（圧力５０〜５５ｂａｒａ）に昇圧され、さらにアフタークーラー４２１により冷却される（およそ温度＋３０℃）。

【0025】

各ＭＲ圧縮機４１、４２は、ＮＧを燃料としたガスタービンや燃料ガスを燃焼させて得られた蒸気により駆動するスチームタービン、或いは電気モーターなどの駆動部４１２、４２２によって駆動される。また、例えばアフタークーラー４１１、４２１は、各ＭＲ圧縮機４１、４２のうちの対応する一つから吐出されたＭＲが流れる多数のチューブを束ねたチューブバンドルと、このチューブバンドルに空気を供給するためのファンとを備えた空冷式熱交換器、或いは水冷式熱交換器より構成される。

【0026】

高圧ＭＲは、さらにチラー４３１〜４３４にて、Ｃ３冷媒により冷却され、気液混合流体としてＭＲセパレーター３１へ供給されて気液分離が行われる。予冷熱交換器１０１〜１０４と同様に、これらのチラー４３１〜４３４においても、高圧ＭＲの流れ方向の上流側（チラー４３１）から下流側（チラー４３４）へ向けて、順次、圧力レベルが低くなるように、膨張弁を用いて膨張、温度低下させたＣ３冷媒を用いて高圧ＭＲの冷却が行われる（図示の便宜上、チラー４３１〜４３４側においては、「ＨＰＣ３、ＭＰＣ３、ＬＰＣ３、ＬＬＰＣ３」とのＣ３冷媒側の圧力レベルの記載は省略してある）。

【0027】

ＭＲセパレーター３１にて気液分離された気体ＭＲ（およそ温度−３０〜−４０℃）は、ＭＣＨＥ３の塔底側からＭＲ用のチューブへ導入された後、ボトムバンドル、ミドルバンドル及びトップバンドルを流れて冷却され、ＭＣＨＥ３の塔頂部から抜き出される（およそ−１５０〜−１５５℃）。ＭＣＨＥ３から抜き出されたＭＲは、膨張弁Ｖ１にて膨張させた後、ＭＣＨＥ３の塔頂部側に設けられたノズル３０２を介してＭＣＨＥ３のシェル側に供給される。

【0028】

一方で、ＭＲセパレーター３１にて気液分離された液体ＭＲ（およそ温度−３０〜−４０℃）は、ＭＣＨＥ３の塔底部側からＭＲ用のチューブ側へ導入された後、ボトムバンドルとミドルバンドルを流れて冷却され、ＭＣＨＥ３から抜き出される（およそ−１２０〜−１２５℃）。当該ミドルバンドルから抜き出された液体ＭＲは、エキスパンダータービン３２を介して動力回収を行いながら、膨張弁Ｖ２にて膨張させた後、既述の気体ＭＲ側のノズル３０２の下方側（トップバンドルの下方側）に配置されたノズル３０１より、ＭＣＨＥ３のシェル側に導入される。

【0029】

上下２段に配置されたノズル３０２、３０１を介してＭＣＨＥ３のシェル側に導入されたＭＲは、ＮＧ用のチューブを流れるＮＧの液化、過冷却及びＭＲ用のチューブを流れる気体ＭＲ、液体ＭＲの冷却に利用された後、低圧ＭＲとしてＭＣＨＥ３の塔底部から抜き出され、再び低圧ＭＲ圧縮機４１に供給される。

【0030】

上述のＭＲサイクルにおいて、ＭＲセパレーター３１から気体ＭＲを抜き出してＭＣＨＥ３へ供給するライン及び同じくＭＲセパレーター３１から液体ＭＲを抜き出してＭＣＨＥ３へ供給するラインからは、各々、ＮＧ液化装置の外部へ気体ＭＲや液体ＭＲを抜き出すための抜き出しラインが分岐している。ＭＣＨＥ３へのＭＲの供給量は、弁Ｖ１、Ｖ２の開度を変化させることにより調節することができる。ＭＲの成分の調節は、抜き出し弁Ｖ３、Ｖ４の開度を変化させることにより調節することができる。

【0031】

また、例えば低圧ＭＲ圧縮機４１に併設されたサクションドラム４１３の上流側の位置には、ＭＲの冷媒原料である窒素（Ｎ_２）、メタン（Ｃ１）、エタン（Ｃ２）、プロパン（Ｃ３）を個別に補充することが可能なＭＲ原料補充ラインが設けられている。これらのＭＲ原料補充ラインからの各冷媒原料の補充は、補充量調節弁Ｖ５１〜Ｖ５４の開度を変化させることによって調節することができる。

【0032】

続いて、ＮＧの予冷及び高圧ＭＲの冷却に用いられるＣ３冷媒の流れ（Ｃ３サイクル）について説明する。予冷熱交換器１０１〜１０４におけるＮＧとの熱交換、チラー４３１〜４３４における高圧ＭＲとの熱交換を行った後のＣ３冷媒の気体は、サクションドラム５１２〜５１５にて液滴が分離され、各Ｃ３冷媒の圧力レベルに応じて、例えば４段圧縮を行うＣ３圧縮機５１の各段の吸込側へ供給される。

【0033】

なお、図示の便宜上、Ｃ３サイクルにおいては、予冷熱交換器１０１〜１０４、チラー４３１〜４３４や、これらの熱交換器１０１〜１０４、４３１〜４３４の上流側に各々設けられた膨張弁の個別の記載を省略し、総括的に「Ｃ３冷媒熱交換部５０」と表示してある。
またＭＲ圧縮機４１、４２と同様に、Ｃ３圧縮機５１は、ＮＧを燃料としたガスタービンや燃料ガスを燃焼させて得られた蒸気により駆動するスチームタービン、或いは電気モーターなどの駆動部５１１によって駆動される。

【0034】

Ｃ３圧縮機５１にて所定の圧力まで圧縮されたＣ３冷媒は、デスーパーヒーター５２１及びコンデンサー５２２にて減温され、凝縮したＣ３冷媒は、セパレーター５３に集められた後、Ｃ３冷媒熱交換部５０内の予冷熱交換器１０１、チラー４３１の上流側に配置された膨張弁へ、再び供給される。ＭＲ圧縮機４１、４２側のアフタークーラー４１１、４２１と同様に、デスーパーヒーター５２１やコンデンサー５２２についても例えば空冷式熱交換器、或いは水冷式熱交換器により構成される。

【0035】

以上、図１を用いてＮＧ液化装置の構成例を示したが、実施の形態に係るＭＲ組成の決定方法を適用可能なＮＧ液化装置の構成は、当該例に限定されるものではない。実際のＮＧ液化装置にて採用可能な種々の変形例に適用することができる。

【0036】

例えば、Ｃ３圧縮機５１の圧縮段数は３段であってもよいし、５段であってもよい。この場合には、予冷熱交換器１０１〜１０４、チラー４３１〜４３４の設置段数もＣ３圧縮機５１の圧縮段数に応じて増減される。また、セパレーター５３とＣ３冷媒熱交換部５０との間に、Ｃ３冷媒の過冷却を行うサブクーラーを設けてもよい。
また、ＭＣＨＥ３の構成は、既述の３バンドル型に限定されるものではなく、トップバンドルとボトムバンドルで構成される２バンドル型であってもよい。

【0037】

以下の説明においては、ＮＧ液化装置の各種変形例を代表する一例として、図１に示すＮＧ液化装置に、実施の形態に係るＭＲ組成の決定方法を適用する場合を説明する。
予冷用冷媒によるＮＧの予冷及びＭＲによるＮＧの液化が行われるＮＧ液化装置は、図２に示される冷却曲線に沿ってＮＧの冷却が行われるように設計される。図２の横軸は、ＮＧやＣ３冷媒、ＭＲのエンタルピー変化を示し、縦軸はこれらの流体の温度を示している。同図中、実線または一点鎖線がＮＧの冷却曲線を示している。また、長い破線がＣ３冷媒の冷却曲線（「予冷サイクル」と記してある）を示し、短い破線がＭＲの冷却曲線（「液化サイクル」と記してある）を示している。

【0038】

例えば温度４０℃で予冷熱交換器１０１の入口側に供給されたＮＧはＣ３冷媒を用いた多段の予冷サイクル（図示の便宜上、図２には、３段の予冷サイクルを示してある）にて予冷された後、さらにＭＣＨＥ３におけるＭＲを用いた液化サイクルにてＮＧが液化、過冷却される。
この液化サイクルにおいて、ＭＲにおけるＮ_２、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の組成（ＭＲ中の各冷媒原料の含有割合）は、井戸元から供給されるＮＧの供給組成や供給圧力の設計値に基づいて決定されている。

【0039】

しかしながら、ＮＧ液化装置に供給されるＮＧは、井戸元からの産出状態の変化や、ＮＧを産出する井戸の切り替えなどによって供給組成や供給圧力が変化する場合がある。
例えば図２に示す一点鎖線は、実線で示す冷却曲線のＮＧよりも重質のＮＧの冷却曲線の例を示している。この場合には、ＭＣＨＥ３におけるＮＧ側とＭＲ側の温度差が大きくなりＮＧの液化効率が低下してしまう。一方で、ＮＧが軽質化してＭＣＨＥ３内におけるＭＲとＮＧとの温度差が過小になると、ＭＣＨＥ３の処理能力に制約が生じる可能性もある。

【0040】

上述の課題を解決するため、本実施の形態においては、通常は固定された状態で用いられているＭＲ組成について、ＮＧの供給組成や供給圧力の変化に対応して効率的な処理を行うことが可能な新たなＭＲ組成を決定する。
以下、図３を参照しながら実施の形態に係るＭＲ組成の決定法の一例について説明する。

【0041】

はじめに、ＮＧ液化装置のシミュレーションモデルを作成する（モデル作成工程：Ｐ１）。シミュレーションモデルは、予冷熱交換器１０１〜１０４やＭＣＨＥ３における熱交換、スクラブカラム２におけるＮＧの分留、圧縮機４１、４２、５１における各冷媒ガスの圧縮など、機器毎にＮＧ液化装置内で実行される単位操作を表現することが可能な公知のプロセスシミュレータを用いて作成することができる。

【0042】

シミュレーションモデルにおいては、ＮＧの供給組成、供給圧力、供給温度、ＭＣＨＥ３内における各流体の圧力、温度、Ｃ３及びＭＲの各冷媒の流量、圧力、温度などの稼働条件が設定される。これらの稼働条件は、新たなＭＲ組成の決定を行うＮＧ液化装置の実際の稼働データに基づいて設定される。例えば図１には、稼働データの取得が行われる圧力計（ＰＩ）、温度計（ＴＩ）、流量計（ＦＩ）、組成分析計（ＡＩ）及び圧縮機動力計測器（ＳＣ）を破線で囲んで示してある。例えば稼働データは、所定の期間中にこれらの計測機器などで取得された計測値の平均値を採用することができる。

【0043】

作成したＮＧ液化装置のシミュレーションモデルからは、ＭＣＨＥ３の総括伝熱係数に伝熱面積を乗じた値であるＵＡ値と、各圧縮機４１、４２、５１にて消費される動力とを算出することができる。
ＵＡ値は、ＭＣＨＥ３内にてＮＧからＭＲへの単位時間当たりの伝熱量をｑ、ＭＣＨＥ３におけるＮＧの温度とＭＲの温度との対数平均温度差をＬＭＴＤとしたとき、ＵＡ値＝ｑ／ＬＭＴＤの関係より算出することができる。伝熱量ｑや温度差ＬＭＴＤは、シミュレーションモデルを実行した結果より得られる。

【0044】

また、ＭＲや予冷用冷媒の流量、温度、入口側、出口側の圧力から各圧縮機４１、４２、５１にて実行される仕事が計算され、各圧縮機４１、４２、５１の効率（投入した動力に対する仕事の比）から、消費動力を求めることができる。そして、全ての圧縮機４１、４２、５１の消費動力の合計値が総消費動力となる。

【0045】

シミュレーションモデルを作成したら、前記稼働データ取得時のＭＲ組成と、ＮＧの供給組成及び供給圧力とを用いて前記シミュレーションモデルを実行する。この結果、計算値が稼働データとよく一致しておれば、検討対象のＮＧ液化装置を適切に表現したシミュレーションモデルと評価することができる。

【0046】

そして、シミュレーションモデルを実行した結果に基づき、ＵＡ値を算出する（ＵＡ値算出工程：Ｐ２）。既述のように、シミュレーションモデルは稼働データ取得時のＮＧ液化装置の状態を適切に表現しているので、このシミュレーションモデルを実行した結果から算出したＵＡ値についても、稼働データ取得時におけるＭＣＨＥ３の冷却能力を適切に表した指標であると言える。

【0047】

しかる後、シミュレーションモデル作成時に設定された供給条件から、供給組成、供給圧力の少なくとも一方を変化させた新たなＮＧの供給条件下で、ＭＣＨＥ３のＵＡ値が算出されたＵＡ値に揃うようにシミュレーションモデルを調整しながら、ＭＲ組成を変化させる。なお、「ＭＣＨＥ３のＵＡ値を算出されたＵＡ値に揃える」とは、これらのＵＡ値が厳密に揃っている場合に限定されない。シミュレーションモデルに要求される精度などに応じて例えば±１~２％程度の範囲内でずれがあってもよい。

【0048】

既述のようにＵＡ値は、ＭＣＨＥ３内おける単位時間当たりの伝熱量と、ＮＧとＭＲの温度差との比で表されるので、ＵＡ値の調整に当たっては、これらの値に影響するパラメータを調整する。パラメータの例としては、ＬＮＧのランダウン量、膨張弁Ｖ１、Ｖ２の開度などを例示することができる。また、必要に応じて気体ＭＲ、液体ＭＲの抜き出し用の抜き出し弁Ｖ３、Ｖ４の開度を調節してもよいし、ＭＲ成分の補充ラインにある補充量調節弁Ｖ５１、５２、５３、５４の開度を調節してもよい。

【0049】

またここで、新たなＭＲ組成においても図２中に実線で示した冷却曲線と同様の効率的な冷却が可能なように、蒸気圧最大の冷媒原料（本例ではＮ_２）の暫定含有量（ＰＡＨ：Preliminary Amount of the Highest vapor pressure refrigerant component）及び蒸気圧最小の冷媒原料（本例ではＣ３）の暫定含有量（ＰＡＬ：Preliminary Amount of the Lowest vapor pressure refrigerant component）を求める（第１、第２の暫定含有量決定工程：Ｐ３）。

【0050】

ＰＡＨについて、新たなＮＧ組成及び供給圧力下で、ＭＣＨＥ３のＵＡ値が算出されたＵＡ値に揃うように調整を行いつつ、ＭＲ中のＮ_２の含有量を調整しながらシミュレーションモデルを実行する。そして、ＭＣＨＥ３の塔頂部におけるＮＧの温度と、当該塔頂部のＭＲの温度との温度差が、予め設定した温度（本例では−１５０〜−１５５℃の範囲の所定の温度）まで冷却されたＬＮＧを得るために必要な最高温度差以下となるときのＮ_２の流量をＰＡＨとする（第１の暫定含有量決定工程）。このとき、Ｎ_２以外の冷媒原料の含有量は、後段の第２の暫定含有量決定工程、及び試算工程で決定するので、ここでは仮の値（例えば現状のＣ１、Ｃ２、Ｃ３の含有量）を設定しておく。

【0051】

次いで、新たなＮＧ組成及び供給圧力下で、ＰＡＬはＭＣＨＥ３のＵＡ値が算出されたＵＡ値に揃うように調整を行いつつ、ＭＲ中のＣ３の含有量を調整しながらシミュレーションモデルを実行する。そして、ＭＣＨＥ３の塔底部におけるＮＧの温度と、当該塔底のＮＧの冷却を行うＭＲの温度との温度差が、前記予め設定した温度まで冷却されたＬＮＧを得るために必要な最高温度差以下となるときのＣ３の流量をＰＡＬとする（第２の暫定含有量決定工程）。このとき、Ｃ３以外の冷媒原料の含有量は、Ｎ_２については既述の第１の暫定含有量決定工程にて決定し、残る２つ（Ｃ１、Ｃ２）については後段の試算工程で決定するので、ここでは仮の値（例えば現状のＣ１、Ｃ２、Ｃ３の含有量）を設定しておく。

【0052】

そして、新たなＮＧ組成、供給圧力下、且つ、ＰＡＨ、ＰＡＬの制約の範囲内で、残る冷媒原料（Ｃ１、Ｃ２）の含有量を変化させた複数のＭＲケースについて、ＭＣＨＥ３のＵＡ値が算出されたＵＡ値に揃うように調整されたシミュレーションモデルを実行する。このとき、ＭＲ中のＮ_２、Ｃ３の含有量は、各々ＰＡＨ、ＰＡＬと厳密に一致している場合に限られない。例えば、ＰＡＨ、ＰＡＬにおける各冷媒原料の含有割合の０．５パーセントポイントの範囲（ＰＡＨにおけるＭＲ中のＮ_２の含有割合が１０パーセントであれば、９．５〜１０．５パーセントの範囲）で変化させてもよい。
そして、シミュレーションモデルを実行した複数のＭＲケースについて圧縮機４１、４２、５１の総消費動力を求める（試算工程：Ｐ４）。

【0053】

さらに、前記複数のＭＲケースについて総消費動力を求めた結果から、当該総消費動力をＮＧ液化装置からのＬＮＧの流出量のシミュレーション値で除した値であるＰＳＰ（Plant Specific Power、ＬＮＧの単位流出量当たりの総消費動力）を算出する。当該ＰＳＰの値が最小となったＭＲケースにおけるＭＲの組成を、新たなＮＧ組成、供給圧力に適したＭＲの組成とする（組成決定工程：Ｐ５）。
新たな供給条件に適したＭＲ組成が決定されたら、補充量調節弁Ｖ５１〜Ｖ５４の開度を調整することにより、実際のＮＧ液化装置内を循環するＭＲ組成を徐々に組成決定工程にて決定された値に近づける調整を行う。

【0054】

本実施の形態に係るＮＧ液化装置のＭＲ組成の決定方法によれば以下の効果がある。実際の稼働データに基づいて作成したＮＧ液化装置のシミュレーションモデルを利用して、ＭＣＨＥ３の総括伝熱係数に伝熱面積を乗じたＵＡ値を算出し、稼働データ取得時のＵＡ値と揃うようにシミュレーションモデルを調節しながら、ＮＧの供給組成及び供給圧力の少なくとも一方を変化させた新たな供給条件下でシミュレーションモデルを実行する。そして、稼働データ取得時のＭＲ組成から、冷媒原料の組成を変化させた複数のＭＲケースについてシミュレーションモデルを実行した結果に基づいて、ＬＮＧの単位流出量あたりの総消費動力が最も小さくなるＭＲケースのＭＲ組成を、新たな供給条件下でのＭＲ組成とするので、より消費動力の少ないＭＲ組成を選択することができる。

【0055】

ここでＮＧの新たな条件下におけるＭＲ組成の決定にあたって、ＰＡＨやＰＡＬを求めてから、ＭＲ中のＮ_２やＣ３の含有量をこれらＰＡＨやＰＡＬに揃えた条件下で、残る冷媒原料（Ｃ１、Ｃ２）の含有量を変化させる手法を採用することは必須ではない。
現状のＭＲ組成を含む複数のＭＲケースについてシミュレーションモデルを実行してＰＳＰを算出し、ＰＳＰが最も小さくなるＭＲケースが、現状のＭＲ組成以外のＭＲケースであれば、ＮＧ液化装置の稼働効率を改善できる。

【0056】

またＭＲは、Ｎ_２、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３からなる冷媒原料群に含まれる冷媒原料の全てを含んでいる必要はない。これらの冷媒原料群から選択した複数の冷媒原料を含んでいれば、複数のＭＲケースについてのシミュレーションモデルを実行した結果に基づいて、ＰＳＰが最も小さくなるＭＲケースを決定することができる。

【実施例】

【0057】

以下、本発明の実施の形態に基づき、ＮＧの供給条件の少なくとも一つが変化したときにＭＲ組成を変化させることによるＰＳＰへの影響について説明する。
本例では、図１に示したＮＧ液化装置に対して所定の圧力で供給されるＮＧの平均分子量が、１７．１５から１８．２９に増加（重質化）した場合について、ＭＲ組成の変更によるＰＳＰへの影響をシミュレーションモデルにより確認した。ＭＲは、冷媒原料としてＮ_２、Ｃ１、Ｃ２及びＣ３を含むものを用い、後記の各表中では各冷媒原料の含有割合に替えて、総括的な指標として平均分子量を表示してある。シミュレーションモデルの作成に用いたプロセスシミュレータはハネウエル社のＵＮＩＳＩＭ（登録商標）である。

【0058】

（参照例）
表１の参照例１〜５は、ＮＧ液化装置の現状の稼働データを用いてシミュレーションモデルを作成し、ＮＧの平均分子量を増加（重質化）させる前の平均分子量が１７．１５のＮＧについて、ＭＲの平均分子量を次第に増加（重質化）させた各ＭＲケースについて当該シミュレーションモデルを実行して得られたＰＳＰを示している。
表１に示した結果によれば、平均分子量が２５．７３のＭＲケースである参照例３においてＰＳＰ比が最小となることが確認できる。参照例３のＭＲケースにおいて、各冷媒原料の含有割合は、Ｎ_２が１３モル％、Ｃ１が４０モル％、Ｃ２が３６モル％、Ｃ３が１１モル％である。

【表1】

【0059】

（実施例）
平均分子量が２５．８７、各冷媒原料の含有割合が、Ｎ_２は１３モル％、Ｃ１は３９モル％、Ｃ２は３７モル％、Ｃ３は１１モル％であるＭＲケースについて、ＮＧの平均分子量を１８．２９まで重質化させた新たな供給条件下でシミュレーションモデルを実行してＰＳＰ、総消費動力、ＬＮＧ流出量を算出した。シミュレーションモデルを実行する際には、ＭＣＨＥ３のＵＡ値が参照例１〜５におけるＵＡ値と揃うように調整した。
（比較例）
参照例３に相当するＭＲケースにて、ＮＧの平均分子量を１８．２９まで重質化させた新たな供給条件下でシミュレーションモデルを実行し、実施例と同様の手法でＰＳＰ、総消費動力、ＬＮＧ流出量を算出した。
実施例、比較例の結果を表２に示す。また、参照例３についての同様のデータを表２に併記した。

【表2】

【0060】

表２に示した結果によれば、ＮＧが重質化する前においてＰＳＰが最小であった参照例３に対応するＭＲケースを採用した比較例の方がＰＳＰは大きかった。これに対して、ＭＲを重質化（参照例５のＭＲケースに対応する）させた実施例の方がＬＮＧの流出量が増加し、その結果としてＰＳＰが小さくなった。
上述の結果によれば、ＮＧの供給条件の少なくとも一つが変化するとき、稼働データを用いて作成したシミュレーションモデルを用い、複数のＭＲケース（実施例、比較例の各ＭＲケース）についてＵＡ値を揃えながらシミュレーションモデルを実行してＰＳＰを算出、比較することにより、新たな供給条件に適したＭＲを決定できることが確かめられた。

【符号の説明】

【0061】

１０１〜１０４
予冷熱交換器
３ ＭＣＨＥ
４１ 低圧ＭＲ圧縮機
４２ 中圧ＭＲ圧縮機
４１２、４２２
駆動部
４３１〜４３４
チラー
５０ Ｃ３冷媒熱交換部
５１ Ｃ３圧縮機
５１１ 駆動部

【図1】

【図2】

【図3】