特開 2023-140785 液化ガス貯蔵タンクのクールダウン方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023140785

(43)【公開日】2023-10-05

(54)【発明の名称】液化ガス貯蔵タンクのクールダウン方法

(51)【国際特許分類】

   F17C 13/00 20060101AFI20230928BHJP

   F17C 3/10 20060101ALI20230928BHJP

【ＦＩ】

F17C13/00 302Z

F17C3/10

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022046801

(22)【出願日】2022-03-23

(71)【出願人】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087941

【弁理士】

【氏名又は名称】杉本 修司

(74)【代理人】

【識別番号】100112829

【弁理士】

【氏名又は名称】堤 健郎

(74)【代理人】

【識別番号】100155963

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 大輔

(74)【代理人】

【識別番号】100154771

【弁理士】

【氏名又は名称】中田 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100150566

【弁理士】

【氏名又は名称】谷口 洋樹

(74)【代理人】

【識別番号】100220489

【弁理士】

【氏名又は名称】笹沼 崇

(72)【発明者】

【氏名】下田 太一郎

(72)【発明者】

【氏名】冨永 晴彦

(72)【発明者】

【氏名】三橋 麻子

(72)【発明者】

【氏名】池島 章司

(72)【発明者】

【氏名】持田 邦彦

(72)【発明者】

【氏名】樋渡 翔

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼田 広崇

(72)【発明者】

【氏名】中島 隆博

【テーマコード（参考）】

3E172

【Ｆターム（参考）】

3E172AA03

3E172AA06

3E172AB01

3E172AB03

3E172AB04

3E172AB05

3E172AB15

3E172BA06

3E172BB17

3E172DA05

3E172EA03

3E172EA12

3E172EA13

3E172EA22

3E172EA23

3E172EA48

3E172JA09

3E172KA03

3E172KA11

3E172KA22

3E172KA23

(57)【要約】

【課題】液化ガス貯蔵用の多重防熱構造タンクのクールダウンにおいて内外槽間空間の圧力低下を抑制し、タンク構造の健全性を維持する。
【解決手段】液化ガスを貯蔵するための、内槽（３）および外槽（５）を備えるタンクを、貯蔵対象である前記液化ガスを充填する前に冷却する方法が、内槽内空間（７）に、冷却用液化ガス（ＣＨ）を導入することと、前記冷却用液化ガス（ＣＨ）の導入を開始した後、内外槽間空間（９）の圧力が所定値以下となった場合に前記内外槽間空間（９）に液化ガスを供給することとを含む。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液化ガスを貯蔵するための、内槽および外槽を備えるタンクを、貯蔵対象である前記液化ガスを充填する前に冷却する方法であって、
内槽内空間に、冷却用液化ガスを導入することと、
前記冷却用液化ガスの導入を開始した後、前記内外槽間空間の圧力が所定値以下となった場合に前記内外槽間空間に液化ガスまたは当該液化ガスの気化ガスを供給することと、を含む、
液化ガス貯蔵タンクのクールダウン方法。

【請求項2】

請求項１に記載のクールダウン方法において、
前記内外槽間空間への前記液化ガスまたは当該液化ガスの気化ガスの供給後、前記内外槽間空間の圧力が所定値まで上昇した場合、または前記内外槽間空間の温度が所定値まで低下した場合に、前記液化ガスまたは当該液化ガスの気化ガスの供給を停止する、
クールダウン方法。

【請求項3】

請求項１または２に記載のクールダウン方法において、
前記内外槽間空間に前記液化ガスまたは当該液化ガスの気化ガスを供給することが、前記内外槽間空間と内槽内空間の間の連通路を開けることによって前記内槽内空間で発生した気化ガスを供給することを含む、
クールダウン方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、液化ガス貯蔵タンクのクールダウン方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、液化ガス、例えば極低温の液化水素を貯蔵するタンクとして、内槽および外槽を備える二重殻タンクを用いることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

一般的に、低温の液化ガスをタンクに貯蔵する場合、常温のタンクに一度に多量の貯蔵対象の液化ガスを充填することによってタンクを急激に冷却することを回避するため、貯蔵対象の液化ガスを充填する前に、予めタンクを比較的低速で冷却すること（以下、「クールダウン」という。）が行われている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１９－１５１２９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、液化ガス用二重殻タンクのような多重防熱構造のタンクの場合、内槽が冷却されると内槽が熱収縮することにより内外槽間空間の体積が相対的に増加する。また、内槽が冷却されることに伴い内外槽間空間の温度が低下する。その結果、内外槽間空間が閉じられている場合に内外槽間空間の圧力が低下し、この圧力低下が過大になればタンク構造に大きな圧力がかかり、タンク構造の健全性が保てなくなる。

【0006】

本開示の目的は、上記の課題を解決するために、液化ガス貯蔵用の多重防熱構造タンクのクールダウンにおいて内外槽間空間の圧力低下を抑制し、タンク構造の健全性を維持することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するために、本開示に係る液化ガス貯蔵タンクのクールダウン方法は、
液化ガスを貯蔵するための、内槽および外槽を備えるタンクを、貯蔵対象である前記液化ガスを充填する前に冷却する方法であって、
内槽内空間に、冷却用液化ガスを導入することと、
前記冷却用液化ガスの導入を開始した後、前記内外槽間空間の圧力が所定値以下となった場合に前記内外槽間空間に液化ガスを供給することと、
を含む。

【発明の効果】

【0008】

本開示に係る液化ガス貯蔵タンクのクールダウン方法によれば、液化ガス貯蔵用の多重防熱構造タンクのクールダウンにおいて内外槽間空間の圧力低下を抑制し、タンク構造の健全性を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本開示の一実施形態に係るクールダウン方法が適用される液化ガス貯蔵タンクの概略構成を示す断面図である。

【図2A】本開示の一実施形態に係るクールダウン方法の開始前の初期状態を示す模式図である。

【図2B】本開示の一実施形態に係るクールダウン方法における内槽冷却中の一状態を示す模式図である。

【図2C】本開示の一実施形態に係るクールダウン方法における内槽冷却中の他の状態を示す模式図である。

【図2D】本開示の一実施形態の一変形例に係るクールダウン方法における内槽冷却中の状態を示す模式図である。

【図2E】本開示の一実施形態の他の変形例に係るクールダウン方法における内槽冷却中の状態を示す模式図である。

【図2F】本開示の一実施形態に係るクールダウン方法の終了した状態を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本開示の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に本開示の一実施形態に係るクールダウン方法が適用される液化ガス貯蔵タンク（以下、単に「貯蔵タンク」という。）１を示す。この貯蔵タンク１は、液化水素を貯蔵するためのタンクであり、内槽３および外槽５を備える二重殻タンクとして構成されている。なお、本明細書において、「クールダウン」とは、貯蔵対象である液化ガスを貯蔵タンク１に充填する前に、貯蔵タンク１を冷却することを意味する。

【0011】

以下に説明する本実施形態においては、貯蔵対象である液化ガスとして極低温（約－２５０℃）の液化水素を例として説明する。もっとも、液化ガスは他の種類のガス、例えば、液化石油ガス（ＬＰＧ、約－４５℃）、液化エチレンガス（ＬＥＧ、約－１００℃）、液化天然ガス（ＬＮＧ、約－１６０℃）、液化ヘリウム（ＬＨｅ、約－２７０℃）などであってよい。

【0012】

貯蔵タンク１は、例えば液化水素運搬船のような船舶に設置される。もっとも、貯蔵タンク１が設置される液化水素貯蔵設備は、液化水素を貯蔵することが可能な構造、機能を有する設備であればこの例に限定されない。貯蔵タンク１が設置される液化水素貯蔵設備は、例えば、液化水素を推進用燃料として使用する船舶であってもよく、船舶以外の地上の液化水素貯蔵設備や、液化水素を利用するプラントであってよい。

【0013】

貯蔵タンク１は、内槽３および外槽５を有する二重殻タンクとして構成されている。具体的には、内槽３は、その内側に貯蔵対象である液化水素の貯蔵空間（以下、「内槽内空間７」と呼ぶ。）を形成する内槽殻と、内槽殻の外周面を覆う内槽防熱層とを有する。外槽５は、内槽３との間に断熱層である内外槽間空間９を形成する外槽殻と、外槽殻の外周面を覆う外槽防熱層とを有する。なお、内槽３および外槽５の防熱層を設置する箇所はこの例に限定されず任意であり、例えば防熱層を外槽殻の内周面を覆うように設置してもよい。また、内槽３および外槽５の防熱層の一方または両方を省略してもよい。この貯蔵タンク１は、断熱層である内外槽間空間９に低温の水素ガスを封入した状態で定常運用される。

【0014】

本実施形態では、内槽内空間７と内外槽間空間９とを連通させる連通路１１が設けられている。連通路１１は開閉可能に構成されている。図示の例では、具体的には、内槽内空間７で生じた液化水素の気化ガス（以下、単に「気化ガス」と呼ぶ。）Ｇ１を貯蔵タンク１の外部へ排出する気化ガス排出通路１３と、貯蔵タンク１の外部に設けられた水素ガス源（図示せず）からの水素ガス（以下、「外部水素ガス」と呼ぶ。）Ｇ２を内外槽間空間９に導入する水素ガス導入通路１５と、貯蔵タンク１の外部において気化ガス排出通路１３と水素ガス導入通路１５とを接続する接続通路１７とが設けられている。これら気化ガス排出通路１３、接続通路１７および水素ガス導入通路１５によって連通路１１が形成されている。また、連通路１１に開閉弁１９が設けられており、この開閉弁１９によって連
通路１１が開閉可能に構成されている。この例では、水素ガス導入通路１５における接続通路１７との接続点の下流側の部分に開閉弁１９が設けられているが、開閉弁１９の位置および個数はこの例に限定されない。また、開閉弁１９は、手動で開閉可能な弁のほか、設定された差圧に応じて自動的に開閉する弁であってもよい。

【0015】

なお、内槽内空間７と内外槽間空間９との間の連通路１１の具体的な構成、および連通路１１を開閉可能とする具体的な構成は、この例に限定されない。また、上記「水素ガス源」は、水素ガスの供給源となり得るものであればどのような構成であってもよく、典型的には水素ガスを貯蔵したタンクであるが、例えば液化水素を貯蔵したタンクと気化器を組み合わせたものであってもよい。

【0016】

また、本実施形態では、内槽３の温度を検知する内槽温度検知装置２１、内槽内空間７の圧力を監視する内槽内空間圧力検知装置２３、内外槽間空間９の温度を検知する内外槽間空間温度検知装置２５、および内外槽間空間９の圧力を検知する内外槽間空間圧力検知装置２７を備えている。これらの検知装置は、検知対象の物理量（温度、圧力）を検知するセンサ素子、取得した検出量に対して信号変換処理、演算処理等必要な処理を行う各種回路、これらの処理に必要な情報を格納するためのメモリ、電池等の電源素子または外部から電源供給を受けるための電源回路、出力信号を有線または無線で外部へ送信するための送信回路等を備えている。なお、このような温度検知装置，圧力検知装置として、上記以外の部分を計測する装置、例えば内槽温度検知装置や外槽温度検知装置が設けられていてもよい。また、これらの温度検知装置，圧力検知装置は、後述するクールダウン方法の実施の態様に応じて必要なもののみが設けられていてよい。

【0017】

このように構成された貯蔵タンク１のクールダウン方法について、以下に詳細に説明する。

【0018】

本実施形態では、図２Ａに示すクールダウンを開始する時点での初期状態の貯蔵タンク１において、連通路１１の開閉弁１９を閉じた状態とされており、内槽内空間７および内外槽間空間９には、いずれも、例えば常温，大気圧（０ｋＰａＧ）の水素ガスが存在している。もっとも、初期状態の水素ガスの温度，圧力は常温，大気圧に限定されない。この状態から、図２Ｂに示すように、内槽内空間７に冷却用の液化水素（以下、単に「冷却用水素」と呼ぶ。）ＣＨを導入する。この例では、噴霧器２９を用いて、内槽内空間７に、冷却用水素ＣＨを噴霧する。

【0019】

この状態で冷却用水素ＣＨの噴霧を続けることにより、内槽３の温度が低下する。内槽３の温度が低下することにより、内外槽間空間９が内槽内空間７から内槽壁面を介して伝わる冷熱により冷却され、内外槽間空間９の温度も低下する。また、内槽内空間７においては、内槽３の冷却に伴う熱収縮と冷却用水素ＣＨが気化した気化ガスＧ１が発生して圧力が上昇する。一方、内外槽間空間９においては内槽３の熱収縮による相対的な体積の増加と温度低下によって圧力が低下する。

【0020】

このように、クールダウンの初期段階で連通路１１を閉じておき、内外槽間空間９の圧力を低下させることにより、内槽内空間７の温度が液化ガス温度に達した場合に内槽３における飽和蒸気圧よりも内外槽間空間９の圧力が低ければ、内外槽間空間９内での水素ガスの凝縮を防止することができる。他方で、内外槽間空間９の圧力が過度に低下することはタンク構造の健全性の観点から好ましくない。

【0021】

そこで、本実施形態では、冷却用液化水素ＣＨの導入を開始した後、内外槽間空間９の圧力が所定値（以下、この圧力を「第１所定圧力」と呼ぶ。）以下となった場合に、図２Ｃに示すように、内外槽間空間９に液化ガスまたは当該液化ガスの気化ガス、この例では
水素を供給する。具体的には、連通路１１の開閉弁１９を開けることにより、連通路１１を開状態とする。連通路１１を開くことにより、内槽内空間７で発生した気化ガスＧ１は、両空間７，９の圧力差によって、連通路１１を介して内外槽間空間９に流入する。上記第１所定圧力は、内槽３および外槽５の機械的強度を考慮した、内外槽間空間９の許容最低圧力を基準として設定され、例えば－２０ｋＰａＧである。

【0022】

なお、連通路１１を開状態としながら内槽３を冷却している間、内外槽間空間９の圧力が所定値まで上昇しない場合、または両空間の圧力差が所定の範囲を超えた場合には、圧力差を調整する装置を用いて両空間の圧力差が所定の範囲内に収まるように調整してもよい。例えば、内外槽間空間９の圧力が過度に低い場合には、水素ガスを強制的に内外槽間空間９に送給する装置（以下、単に「ガス送給装置」と呼ぶ。）３１を連通路１１上、例えば接続通路１７に設けて、このガス送給装置３１によって内槽内空間７の気化ガスＧ１を内外槽間空間９に供給してもよい。ガス送給装置３１は、例えばターボ式または容積式の圧縮機、ブロワ、ファンといったガスに圧力をかけることによりガスを移動させる装置である。気化ガスＧ１の強制的な供給に代えて、または追加して、水素ガス導入通路１５から外部水素ガスＧ２を内外槽間空間９に供給してもよい。この場合には、図２Ｄに変形例として示すように、ガス送給装置３１を水素ガス導入通路１５上に設けると共に、ガス送給装置３１を使用しない場合のためのバイパス通路１５aを設けてもよい。

【0023】

また、内外槽間空間９の圧力が過度に高い場合には、図２Ｅに変形例として示すように、排気装置３３を用いて内外槽間空間９の水素ガスを排気してもよい。この排気装置３３は、同図に示すように、専用に設けた排気通路３５上に設けることができる。もっとも、排気装置３３の設置態様はこの例に限定されず、例えば水素ガス導入通路１５の途中に設けてもよい。上記の内槽内空間７と内外槽間空間９の圧力差の「所定の範囲」は、例えば、内槽３に設置された安全弁の設定圧に基づいて定められる。なお、排気通路３５に排気装置３３を設けることは必須ではない。例えば、内槽内空間７の圧力を大気圧よりも高く保つ場合、内外槽間空間９のガスの排出は排気通路３５のみによって行うことができる。

【0024】

このように、内槽３を冷却用水素ＣＨで冷却しながら、必要に応じて水素を内外槽間空間９に供給することにより、内外槽間空間９および外槽５の冷却が促進されるので、単に内槽３のみを冷却する場合に比べて貯蔵タンク１全体のクールダウンに要する時間を短縮し、コストを抑制することができる。さらに、水素ガスの供給によって内外槽間空間９の過度な圧力の低下が抑制されるので、内槽３および外槽５の機械的強度を考慮した、内外槽間空間９の許容最低圧力を維持することが容易となる。これにより、タンク構造の健全性を維持することができる。なお、内外槽間空間９に供給する対象は、例示した水素の気化ガスＧ１に限らず、液化水素であってもよい。

【0025】

なお、内外槽間空間９に導入される気化ガスＧ１および／または外部水素ガスＧ２の温度が、内外槽間空間９を第１所定温度まで冷却するのに十分低くない場合や過度に低い場合には、連通路１１（例えば水素ガス導入通路１５）上に温度調整装置（図示せず）を設け、この温度調整装置を用いて第１所定温度程度に温度調整した水素ガスを内外槽間空間９に導入してもよい。

【0026】

その後、内外槽間空間９の圧力が所定値まで上昇した場合、または内外槽間空間９の温度が所定値まで低下した場合に、開閉弁１９を閉じ、連通路１１を閉状態として、内外槽間空間９への水素ガス供給を停止してもよい。このように水素ガス供給を停止することにより、内外槽間空間９の圧力が過度に上昇すること、および温度が過度に低下することが防止され、これにより、内外槽間空間９、特に内槽３の近傍領域において水素ガスが凝縮することが防止される。いったん連通路１１を閉じた後も、内外槽間空間９の状態に応じて水素ガスの供給を再開してもよい。

【0027】

その後、図２Ｅに示すように、内槽３の温度および内外槽間空間９の温度がそれぞれ目標温度まで低下した時点で、連通路１１が開状態であればこれを閉状態にするとともに、冷却用水素ＣＨの噴霧を停止してクールダウンを終了する。

【0028】

本実施形態では、クールダウンを冷却用の液化水素を用いて行う例について説明したが、クールダウンは液化水素以外の液化ガスを用いて行ってもよい。例えば、内槽３内に空気が存在する状態から、液化窒素を導入した後、さらに窒素を水素で置換するというように、段階的にクールダウンを進めてもよい。

【0029】

なお、図１には、貯蔵タンク１の一例として、船体とは独立に形成される独立型の二重殻タンクを示したが、本実施形態に係るクールダウン方法は、この例に限定されず、いかなるタイプの貯蔵タンクにも適用することができる。例えば、本実施形態に係るクールダウン方法は、船体と一体に形成されるタイプの貯蔵タンクにも適用することができる。また、貯蔵タンクの多重構造は、三重構造以上であってよく、そのような多重構造の内槽内空間と他の任意の槽間空間とに本実施形態に係るクールダウン方法を適用することができる。

【0030】

本実施形態に係るクールダウンは、典型的には、例えば、貯蔵タンク１の建造後、貯蔵タンク１が設置される船舶のような液化ガス貯蔵設備の建造後、または、当該設備や貯蔵タンク１のメンテナンスのために貯蔵タンク１をウォームアップした後に再度積荷を実施する前に行われる。もっとも、本実施形態に係るクールダウン方法は、貯蔵タンク１が船舶に設置される場合において、貯蔵タンク１内の液化ガスを揚荷した後の空荷航海（バラスト航海）する際にも適用することができる。すなわち、バラスト航海においては内槽３の温度が徐々に上昇する場合があり、その場合に上記クールダウン方法を適用することができる。なお、バラスト航海中の貯蔵タンク１のクールダウンにおいては、例えば、揚荷せずにクールダウン用として内槽３内に残した液化ガスを用いて、内槽３内に設置されたポンプ等の送給装置によって液化ガスをタンク上部まで移送してクールダウンを行う。貯蔵タンク１が複数設置される場合には、他の貯蔵タンク１からクールダウン用の液化ガスや気化ガスの供給を受けてもよい。

【0031】

以上説明した本実施形態に係るクールダウン方法によれば、内槽３を液化水素で冷却しながら、必要に応じて水素ガスを内外槽間空間９に供給することにより、内槽内空間７で発生した低温の気化ガスＧ１が、内外槽間空間９の圧力低下に伴って、内外槽間空間９に導入される。これにより、内外槽間空間９および外槽５の冷却が促進されるので、単に内槽３のみを冷却する場合に比べて貯蔵タンク１全体のクールダウンに要する時間を短縮し、コストを抑制することができる。さらに、水素ガスを供給することによって内外槽間空間９の圧力の低下が抑制されるので、内槽３および外槽５の機械的強度を考慮した、内外槽間空間９の許容最低圧力を維持することが容易になり、タンク構造の健全性を維持することができる。

【0032】

本実施形態に係るクールダウン方法において、上記の水素ガス供給は、内外槽間空間９と内槽内空間７の間の連通路１１を開けることによって内槽内空間７で発生した気化ガスＧ１を供給することによって行ってもよい。これにより、簡易な構造で、かつ冷却用水素を活用して低コストで内外槽間空間９に水素ガス供給を行うことができる。

【0033】

本実施形態に係るクールダウン方法において、内外槽間空間９への水素ガスの供給後、内外槽間空間９の圧力が所定値まで上昇した場合、または内外槽間空間９の温度が所定値まで低下した場合に、水素ガスの供給を停止してもよい。これにより、内外槽間空間９の圧力が過度に上昇すること、および温度が過度に低下することが防止されるので、内外槽
間空間９における水素ガスの凝縮が防止される。

【0034】

以上のとおり、図面を参照しながら本開示の好適な実施形態を説明したが、本開示の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本開示の範囲内に含まれる。

【符号の説明】

【0035】

１ 液化ガス貯蔵タンク
３ 内槽
５ 外槽
７ 内槽内空間
９ 内外槽間空間
１１ 連通路
２９ 噴霧器
３１ ガス送給装置
ＣＨ 冷却用液化ガス
Ｇ１ 気化ガス
Ｇ２ 外部水素ガス

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図2E】

【図2F】