特許 7429600 天然ガス液化装置及びその起動方法

(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】

(24)【登録日】2024-01-31

(45)【発行日】2024-02-08

(54)【発明の名称】天然ガス液化装置及びその起動方法

(51)【国際特許分類】

   F25J 1/00 20060101AFI20240201BHJP

【ＦＩ】

F25J1/00 B

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020087207

(22)【出願日】2020-05-19

(65)【公開番号】P2021181851

(43)【公開日】2021-11-25

【審査請求日】2023-01-16

(73)【特許権者】

【識別番号】320011650

【氏名又は名称】大陽日酸株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100128358

【弁理士】

【氏名又は名称】木戸 良彦

(72)【発明者】

【氏名】入澤 真

【審査官】池田 周士郎

(56)【参考文献】

【文献】特表２００８－５０４５０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１５４１８１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／１８８９５７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特許第５７９５００３（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２５Ｊ １／００－ ５／００

Ｆ２５Ｂ １／００－１１／０４

Ｆ２５Ｂ ４３／００－４３／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

窒素と、メタンと、炭素数２～３の炭化水素のうち少なくとも１種と、炭素数４以上の炭化水素のうち少なくとも１種とを、それぞれ成分として含む混合冷媒によって天然ガスを液化する天然ガス液化装置において、
前記混合冷媒を循環する冷媒循環経路に、
混合冷媒を圧縮する冷媒圧縮機と、
該冷媒圧縮機に圧縮された混合冷媒を冷却するアフタークーラーと、
該アフタークーラーの冷却によって液化された混合冷媒を気相と液相とに分離する気液分離器と、
該気液分離器によって分離された混合冷媒の気相と液相とを合流させた混合冷媒及び天然ガス供給源から供給される天然ガスを温端から導入する熱交換器と、
該熱交換器の冷端から導出された混合冷媒を減圧する減圧弁と、が設けられ、
前記熱交換器は、前記減圧弁によって冷却された混合冷媒を冷端から導入することにより、前記天然ガスを液化し、
前記気液分離器には、常温で液体となる炭素数４以上の冷媒成分を液体で供給可能な高沸点冷媒貯槽が接続され、前記冷媒循環経路の、前記減圧弁と前記熱交換器との間には、低温で液体となる炭素数２～３の冷媒成分を液体で供給可能な低沸点冷媒貯槽が接続されていることを特徴とする天然ガス液化装置。

【請求項2】

前記冷媒循環経路から、前記冷媒圧縮機の上流側と前記アフタークーラーの下流側とをつなぐ接続経路が分岐され、前記接続経路にバッファータンクが設けられ、
前記接続経路の前記バッファータンクの上流側に第１仕切弁が、下流側に第２仕切弁が、それぞれ取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の天然ガス液化装置。

【請求項3】

前記冷媒循環経路の、前記減圧弁の下流側に、混合冷媒を気相と液相とに分離するフラッシュボトルが設けられるとともに、該フラッシュボトルに前記低沸点冷媒貯槽及び前記高沸点冷媒貯槽が接続されており、
前記フラッシュボトルの混合冷媒の気相を導出する経路と、液相を導出する経路とが合流して、前記冷媒循環経路に接続し、
前記液相を導出する経路に第３仕切弁が取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の天然ガス液化装置。

【請求項4】

請求項１に記載された天然ガス液化装置の起動方法であって、
前記天然ガス液化装置の起動前に、前記天然ガス液化装置の定常運転の条件と、前記天然ガス液化装置の冷媒系統の全容積とから混合冷媒の各成分の必要量を算出し、
混合冷媒の各成分の必要量を算出した後に、前記冷媒系統に窒素ガスを充填するとともに、算出した窒素ガスの必要量が充填されたか否かを冷媒系統の圧力及び温度から判定し、
窒素ガスが必要量充填された後に、前記冷媒系統に天然ガスを充填するとともに、算出した天然ガスの必要量が充填されたか否かを冷媒系統の圧力及び温度から判定し、
天然ガスが必要量充填された後に、前記気液分離器に炭素数４以上の冷媒成分を液体で充填するとともに、算出した炭素数４以上の冷媒成分の必要量が充填されたか否かを前記気液分離器内の液面又は重量の変化若しくは導入量の積算値から判定し、
炭素数４以上の冷媒成分が必要量充填された後に、前記冷媒圧縮機を作動させるとともに、前記減圧弁を開いて混合冷媒を冷端から導入させることにより前記熱交換器を冷却し、
前記熱交換器の冷却後に、前記低沸点冷媒貯槽から前記冷媒循環経路に炭素数２～３の冷媒成分を液体で充填するとともに、算出した炭素数２～３の冷媒成分の必要量が充填されたか否かを前記低沸点冷媒貯槽内の液面又は重量の変化若しくは導入量の積算値から判
定し、
炭素数２～３の冷媒成分が必要量充填された後に、前記天然ガス液化装置の定常運転を開始することを特徴とする天然ガス液化装置の起動方法。

【請求項5】

請求項２に記載された天然ガス液化装置の起動方法であって、
前記天然ガス液化装置の起動前に、前記天然ガス液化装置の定常運転の条件と、前記天然ガス液化装置の冷媒系統の全容積とから混合冷媒の各成分の必要量を算出し、
混合冷媒の各成分の必要量を算出した後に、前記冷媒系統に窒素ガスを充填するとともに、算出した窒素ガスの必要量が充填されたか否かを冷媒系統の圧力及び温度から判定し、
窒素ガスが必要量充填された後に、前記冷媒系統に天然ガスを所定量充填し、充填された天然ガスの量を冷媒系統の圧力及び温度から判定し、前記第１仕切弁及び前記第２仕切弁を閉じた状態で前記バッファータンクに天然ガスを充填するとともに、算出した天然ガスの必要量から前記冷媒系統に充填した天然ガスの量を引いた量が充填されたか否かを前記バッファータンクの圧力及び温度から判定し、
天然ガスが必要量充填された後に、前記気液分離器に炭素数４以上の冷媒成分を液体で充填するとともに、算出した炭素数４以上の冷媒成分の必要量が充填されたか否かを前記気液分離器内の液面又は重量の変化若しくは導入量の積算値から判定し、
炭素数４以上の冷媒成分が必要量充填された後に、前記冷媒圧縮機を作動させるとともに、前記減圧弁を開いて混合冷媒を冷端から導入させることにより前記熱交換器を冷却し、
前記熱交換器の冷却後に、前記低沸点冷媒貯槽から前記冷媒循環経路に炭素数２～３の冷媒成分を液体で充填するとともに、算出した炭素数２～３の冷媒成分の必要量が充填されたか否かを前記冷媒貯槽内の液面又は重量の変化若しくは導入量の積算値から判定し、
炭素数２～３の冷媒成分が必要量充填された後に、前記天然ガス液化装置の定常運転を開始することを特徴とする天然ガス液化装置の起動方法。

【請求項6】

請求項３に記載された天然ガス液化装置の起動方法であって、
前記天然ガス液化装置の起動前に、前記天然ガス液化装置の定常運転の条件と、前記天然ガス液化装置の冷媒系統の全容積とから混合冷媒の各成分の必要量を算出し、
混合冷媒の各成分の必要量を算出した後に、前記冷媒系統に窒素ガスを充填するとともに、算出した窒素ガスの必要量が充填されたか否かを冷媒系統の圧力及び温度から判定し、
窒素ガスが必要量充填された後に、前記冷媒系統に天然ガスを充填するとともに、算出した天然ガスの必要量が充填されたか否かを冷媒系統の圧力及び温度から判定し、
天然ガスが必要量充填された後に、前記気液分離器に炭素数４以上の冷媒成分を液体で充填するとともに、算出した炭素数４以上の冷媒成分の必要量が充填されたか否かを前記気液分離器内の液面又は重量の変化若しくは導入量の積算値から判定し、
炭素数４以上の冷媒成分が必要量充填された後に、前記冷媒圧縮機を作動させるとともに、前記熱交換器において、前記減圧弁を開いて混合冷媒を冷端から導入させることにより温端から導入される混合冷媒を冷却し、
該冷却された混合冷媒を減圧弁によりさらに低温とすることで前記フラッシュボトルを冷却し、
前記フラッシュボトルの冷却後に、前記低沸点冷媒貯槽から前記フラッシュボトルに、前記第３仕切弁を閉じた状態で炭素数２～３の冷媒成分を液体で充填するとともに、算出した炭素数２～３の冷媒成分の必要量が充填されたか否かを前記フラッシュボトル内の液
面又は重量の変化、若しくは導入量の積算値から判定し、
炭素数２～３の冷媒成分が必要量充填された後に、前記天然ガス液化装置の定常運転を開始することを特徴とする天然ガス液化装置の起動方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、天然ガス液化装置及びその起動方法に関し、詳しくは、天然ガスを混合冷媒との熱交換によって冷却して液化する装置及びその装置の起動方法に関する。

【背景技術】

【0002】

天然ガス液化装置は、生産効率を追求した大型のものが一般的であるが、近年では、ガス源やガス利用方法の多様化に伴って、より小型化した装置の需要が高まっている。

【0003】

液化天然ガス（ＬＮＧ）を生産する方法としては、複数の成分が混合された混合冷媒を用いて天然ガスを冷却・液化するものが主流である。この方法における混合冷媒の成分は、窒素と数種類の炭化水素とからなり、炭化水素は、炭素数１～５のもの（例えば、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン、ペンタン）であることが多い。

【0004】

例えば、特許文献１には、冷媒の成分として窒素、メタン、エタン、プロパンを用い、混合冷媒の圧縮機の上流側から冷媒の各成分を個別に調整して供給可能に構成された天然ガス液化装置が記載されている。これらの冷媒成分の大気圧における沸点は、約－４０～－２００℃なので、容量を確保できるように液体のまま貯留するには、低温の貯槽を設ける必要がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特許第６２８６８１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、混合冷媒の圧縮機は、常温のガスを圧縮するものなので、特許文献１では、図示されていないが、圧縮機の入り口の前に、液化されている各冷媒を気化させる蒸発器を設ける必要があった。

【0007】

また、炭素数４～５の冷媒成分（例えば、イソペンタン、ノルマルペンタン、イソブタン、ノルマルブタン）は、圧縮機の入口圧力（例えば４００ｋＰａＡ）の下では、沸点が＋３０～＋７０℃なので、これらの成分を混合冷媒に含める場合、十分に気化した状態で混合されるようにするには、攪拌機や噴霧器を用いて徐々に圧縮機に送る必要があった。

【0008】

加えて、混合冷媒は、圧縮機のアフタークーラーの出口において常温で凝縮し一部液化するので、気液分離装置を設けて液化した成分を分離し、次の工程に送る必要があった。

【0009】

さらに、装置を起動する際には、安全のため冷媒の配管系統に不活性ガスとして窒素を流して酸素を追い出してから炭化水素を導入した後、充満した窒素を天然ガスで置換してから圧縮機を起動し再度窒素を導入するという冗長な手順が必要であった。

【0010】

したがって、特許文献１に記載された天然ガス液化装置では、混合冷媒の各成分を混合可能に処理するために必要な設備の肥大化が避けられず、小型化が難しい上に起動に手間がかかるという問題があった。

【0011】

そこで本発明は、冷媒の成分を混合・充填する設備を簡素化でき、起動が短時間で簡易に行える天然ガス液化装置及びその起動方法を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上記目的を達成するため、本発明の第１の天然ガス液化装置は、窒素と、メタンと、炭素数２～３の炭化水素のうち少なくとも１種と、炭素数４以上の炭化水素のうち少なくとも１種とを、それぞれ成分として含む混合冷媒によって天然ガスを液化する天然ガス液化装置において、前記混合冷媒を循環する冷媒循環経路に、混合冷媒を圧縮する冷媒圧縮機と、該冷媒圧縮機に圧縮された混合冷媒を冷却するアフタークーラーと、該アフタークーラーの冷却によって液化された混合冷媒を気相と液相とに分離する気液分離器と、該気液分離器によって分離された混合冷媒の気相と液相とを合流させた混合冷媒及び天然ガス供給源から供給される天然ガスを温端から導入する熱交換器と、該熱交換器の冷端から導出された混合冷媒を減圧する減圧弁と、が設けられ、前記熱交換器は、前記減圧弁によって冷却された混合冷媒を冷端から導入することにより、前記天然ガスを液化し、前記気液分離器には、常温で液体となる炭素数４以上の冷媒成分を液体で供給可能な高沸点冷媒貯槽が接続され、前記冷媒循環経路の、前記減圧弁と前記熱交換器との間には、低温で液体となる炭素数２～３の冷媒成分を液体で供給可能な低沸点冷媒貯槽が接続されていることを特徴としている。
また、本発明の第２の天然ガス液化装置は、前記冷媒循環経路から、前記冷媒圧縮機の上流側と前記アフタークーラーの下流側とをつなぐ接続経路が分岐され、前記接続経路にバッファータンクが設けられ、前記接続経路の前記バッファータンクの上流側に第１仕切弁が、下流側に第２仕切弁が、それぞれ取り付けられていることを特徴としている。
さらに、本発明の第３の天然ガス液化装置は、前記冷媒循環経路の、前記減圧弁の下流側に、混合冷媒を気相と液相とに分離するフラッシュボトルが設けられるとともに、該フラッシュボトルに前記低沸点冷媒貯槽及び前記高沸点冷媒貯槽が接続されており、
前記フラッシュボトルの混合冷媒の気相を導出する経路と、液相を導出する経路とが合流して、前記冷媒循環経路に接続し、前記液相を導出する経路に第３仕切弁が取り付けられていることを特徴としている。

【0013】

また、上記目的を達成するため、本発明の天然ガス液化装置の起動方法は、上記の第１の天然ガス液化装置の起動方法であって、前記天然ガス液化装置の起動前に、前記天然ガス液化装置の定常運転の条件と、前記天然ガス液化装置の冷媒系統の全容積とから混合冷媒の各成分の必要量を算出し、混合冷媒の各成分の必要量を算出した後に、前記冷媒系統に窒素ガスを充填するとともに、算出した窒素ガスの必要量が充填されたか否かを冷媒系統の圧力及び温度から判定し、窒素ガスが必要量充填された後に、前記冷媒系統に天然ガスを充填するとともに、算出した天然ガスの必要量が充填されたか否かを冷媒系統の圧力及び温度から判定し、天然ガスが必要量充填された後に、前記気液分離器に炭素数４以上

【0014】

また、本発明の第２の天然ガス液化装置の起動方法は、窒素ガスが必要量充填された後に、前記冷媒系統に天然ガスを所定量充填し、充填された天然ガスの量を冷媒系統の圧力及び温度から判定し、前記第１仕切弁及び前記第２仕切弁を閉じた状態で前記バッファータンクに天然ガスを充填するとともに、算出した天然ガスの必要量から前記冷媒系統に充填した天然ガスの量を引いた量が充填されたか否かを前記バッファータンクの圧力及び温度から判定することを特徴としている。

【0015】

さらに、本発明の第３の天然ガス液化装置の起動方法は、炭素数４以上の冷媒成分が必要量充填された後に、前記冷媒圧縮機を作動させるとともに、前記熱交換器において、前記減圧弁を開いて混合冷媒を冷端から導入させることにより温端から導入される混合冷媒を冷却し、該冷却された混合冷媒を減圧弁によりさらに低温とすることで前記フラッシュボトルを冷却し、前記フラッシュボトルの冷却後に、前記冷媒貯槽から前記フラッシュボトルに、前記第３仕切弁を閉じた状態で炭素数２～３の冷媒成分を液体で充填するとともに、算出した冷媒成分の必要量が充填されたか否かを前記フラッシュボトル内の液面又は重量の変化、若しくは導入量の積算値から判定することを特徴としている。

【発明の効果】

【0016】

本発明の天然ガス液化装置によれば、冷媒圧縮機の動作前には、冷媒系統に液体のまま高沸点冷媒を供給でき、冷媒圧縮機の動作後は、冷媒系統に液体のまま低沸点冷媒及び高沸点冷媒を供給できるので、高沸点冷媒や低沸点冷媒を冷媒圧縮機に導入するための蒸発器や攪拌機を不要とすることができ、冷媒の成分を混合・充填する設備を簡素化できる。

【0017】

また、本発明の天然ガス液化装置の起動方法によれば、混合冷媒の各成分の必要量をあらかじめ算出し、算出した必要量を目標として、各冷媒成分が必要量充填されたか否かを冷媒系統の圧力及び温度や導入量の積算値といった所定の手段によって判定するので、混合冷媒の組成を確認しながら各冷媒成分を冷媒系統に徐々に導入するよりも短時間で必要量を充填できる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の第１形態例を示す天然ガス液化装置の系統図である。

【図2】本発明の第２形態例を示す天然ガス液化装置の系統図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

図１は、本発明の第１形態例を示す天然ガス液化装置１１の系統図である。使用する混合冷媒は、一部に冷却対象であるメタン（ＣＨ４）を主成分とする天然ガスを流用しており、窒素（Ｎ２）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、イソペンタン（ｉ‐Ｃ５Ｈ１２）を冷媒原料としている。

【0020】

図１に示されるように、天然ガス液化装置１１は、導入された混合冷媒を圧縮する冷媒圧縮機１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）と、冷媒圧縮機１２によって圧縮された混合冷媒を冷却して凝縮・液化させるインタークーラー１３（１３ａ，１３ｂ）及びアフタークーラー１４と、インタークーラー１３及びアフタークーラー１４の冷却によって液化された混合冷媒を気相と液相とに分離する気液分離器１５と、高圧のガスを一時貯留可能なバッファータンク１６と、コールドボックス１７内に納められ、熱交換によって天然ガスを冷却・液化する熱交換器１８とを備えている。

【0021】

冷媒圧縮機１２は、混合冷媒を大気温度下において約３～６ＭＰａまで圧縮することができ、熱交換器１８は、常温の温端１８ａと約－１６０℃の冷端１８ｂを有している。

【0022】

また、天然ガス液化装置１１は、被冷却物である天然ガスを供給する天然ガス供給源１９と、液化天然ガス（ＬＮＧ）を貯留するＬＮＧ貯槽２０と、液化窒素を貯留する窒素貯槽２１と、常温で液体である炭素数４以上の冷媒を貯留する高沸点冷媒貯槽２２と、低温で液体である炭素数２～３の冷媒を貯留する低沸点冷媒貯槽２３と、混合冷媒を循環させる冷媒循環経路Ｌ１～Ｌ５と、バッファータンク１６を冷媒循環経路Ｌ１に繋げる接続経路Ｌ６，Ｌ７と、混合冷媒又はその成分を供給する冷媒供給経路Ｌ８～Ｌ１２と、液化対象となる天然ガスを流す天然ガス液化経路Ｌ１３とを備えている。

【0023】

本実施形態では、高沸点冷媒貯槽２２には、沸点２８℃のイソペンタンが常温で液体のまま貯留されており、低沸点冷媒貯槽２３には、沸点－８９℃のエタンが低温で液化した状態で貯留されている。

【0024】

なお、各経路Ｌ１～Ｌ１３は、内部に気体又は液体を流通可能な適切な配管によって構成されている。

【0025】

冷媒循環経路Ｌ１は、窒素貯槽２１から延びる冷媒供給経路Ｌ８と冷媒循環経路とを連結する連結部Ｊ１から気液分離器１５まで接続されており、連結部Ｊ１を上流側として、経路内に、上流から冷媒圧縮機１２ａ、インタークーラー１３ａ、冷媒圧縮機１２ｂ、インタークーラー１３ｂ、冷媒圧縮機１２ｃ、アフタークーラー１４が、この順に設けられている。

【0026】

冷媒循環経路Ｌ２は、気液分離器１５によって分離された混合冷媒の気相部分を上部から導出可能に配設されており、冷媒循環経路Ｌ３は、気液分離器１５によって分離された混合冷媒の液相部分を底部から導出可能に配設されている。冷媒循環経路Ｌ３には、混合冷媒の液相部分を下流側に送出可能にするポンプ２４が設けられている。

【0027】

また、冷媒循環経路Ｌ２と冷媒循環経路Ｌ３とは、それぞれコールドボックス１７内まで延ばされ、コールドボックス１７内で、連結部Ｊ３にて合流している。なお、連結部Ｊ３は、熱交換器１８の内部であってもよい。

【0028】

冷媒循環経路Ｌ４は、連結部Ｊ３から、熱交換器１８内を温端１８ａから冷端１８ｂにかけて通過して、通過した先に減圧弁２５が取り付けられており、減圧弁２５の下流側の連結部Ｊ４にて、後述する冷媒供給経路Ｌ１０と接続している。

【0029】

冷媒循環経路Ｌ５は、連結部Ｊ４から、熱交換器１８内を冷端１８ｂから温端１８ａにかけて通過して、熱交換器１８の温端１８ａを通過した先でコールドボックス１７外まで延びて連結部Ｊ１に接続にされている。

【0030】

接続経路Ｌ６は、冷媒循環経路Ｌ１の、アフタークーラー１４の下流側に設けられた連結部Ｊ２から分岐して延びており、第１仕切弁２６ａを介してバッファータンク１６に接続している。接続経路Ｌ７は、バッファータンク１６から延びており、第２仕切弁２６ｂを介して連結部Ｊ７にて冷媒循環経路Ｌ５と接続している。

【0031】

したがって、第１仕切弁２６ａを開くことでアフタークーラー１４から導出された混合冷媒の一部が、接続経路Ｌ６を通じてバッファータンク１６に回収され、第２仕切弁２６ｂを開くことでバッファータンク１６内の混合冷媒が、接続経路Ｌ７を通じ、連結部Ｊ７を介して冷媒循環経路Ｌ５に導入される。

【0032】

冷媒供給経路Ｌ８は、窒素貯槽２１から延びて連結部Ｊ１に接続されており、経路内には、上流から減圧弁２７、蒸発器２８、調節弁２９が、この順に取り付けられている。

【0033】

したがって、窒素貯槽２１から冷媒供給経路Ｌ８に送られた液化窒素は、減圧弁２７によって減圧され、蒸発器２８によって気化されて窒素ガスとなり、調節弁２９によって所定の流量に調整されて、連結部Ｊ１を介して冷媒循環経路Ｌ１に供給される。

【0034】

窒素貯槽２１に蒸発器２８が繋げられているのは、窒素を気化させた状態で冷媒系統に導入することで、窒素を冷媒成分のみならず保安用の不活性ガスとしても利用可能にするためである。

【0035】

冷媒供給経路Ｌ９は、高沸点冷媒貯槽２２から延びて、気液分離器１５に接続されており、経路内に減圧弁３０が取り付けられている。

【0036】

したがって、高沸点冷媒貯槽２２から冷媒供給経路Ｌ９に送られたイソペンタンは、減圧弁３０によって減圧され、気液分離器１５に液体のまま供給される。

【0037】

冷媒供給経路Ｌ１０は、低沸点冷媒貯槽２３から延び、連結部Ｊ５を経てコールドボックス１７内まで進入して、連結部Ｊ４に合流するように接続されており、経路内の低沸点冷媒貯槽２３と連結部Ｊ５との間には、減圧弁３１が取り付けられている。

【0038】

冷媒供給経路Ｌ１１は、高沸点冷媒貯槽２２から延びて、連結部Ｊ５に合流するように接続されており、経路内に減圧弁３２が取り付けられている。

【0039】

したがって、低沸点冷媒貯槽２３から冷媒供給経路Ｌ１０に送られて、減圧弁３１によって減圧されたエタンと、高沸点冷媒貯槽２２から冷媒供給経路Ｌ１１に送られて、減圧弁３２によって減圧されたイソペンタンとは、液体のまま冷媒供給経路Ｌ１０から連結部Ｊ４に供給される。

【0040】

冷媒供給経路Ｌ１２は、天然ガス供給源１９から延び、バッファータンク１６に天然ガスを導入可能に接続されており、経路内には、減圧弁３３が設けられている。

【0041】

したがって、バッファータンク１６には、天然ガスの成分（主成分であるメタンの他に、エタン、プロパン、イソブタン等）が貯留される。

【0042】

天然ガス液化経路Ｌ１３は、冷媒供給経路Ｌ１２から連結部Ｊ６にて分岐され、コールドボックス１７内に進入して熱交換器１８に達しており、熱交換器１８内を温端１８ａから冷端１８ｂにかけて通過した先に減圧弁３４が取り付けられており、減圧弁３４の下流側がコールドボックス１７外まで延びてＬＮＧ貯槽２０に接続されている。

【0043】

天然ガス液化装置１１の、ＬＮＧを製造する定常運転における混合冷媒の循環過程と天然ガスの液化過程とは次の通りである。

【0044】

まず、混合冷媒が冷媒循環経路Ｌ１に導入されると、冷媒圧縮機１２ａ、インタークーラー１３ａ、冷媒圧縮機１２ｂ、インタークーラー１３ｂ、冷媒圧縮機１２ｃ、アフタークーラー１４に順次、導入されて、圧縮と冷却を繰り返して凝縮・液化して気液分離器１５に導入される。

【0045】

気液分離器１５に導入された混合冷媒は、気相と液相とに分離され、気相部分が冷媒循環経路Ｌ２に、液相部分が冷媒循環経路Ｌ３にそれぞれ導出される。このとき、液相部分はポンプ２４によって経路内の配管に滞留することなく下流に送り出される。

【0046】

混合冷媒の気相部分と液相部分とは、コールドボックス１７内の連結部Ｊ３で合流して冷媒循環経路Ｌ４に流れ、熱交換器１８内に導入されて、温端１８ａから冷端１８ｂにかけて通過する過程で常温から－１６０℃まで冷却される。

【0047】

熱交換器１８で冷却された混合冷媒は、減圧弁２５で減圧されてより低温になり、連結部Ｊ４を経て冷媒循環経路Ｌ５に導入された後、再び熱交換器１８に達し、今度は熱交換器１８内を冷端１８ｂから温端１８ａにかけて通過する過程で、冷媒循環経路Ｌ４に流れる混合冷媒と天然ガス液化経路Ｌ１３を流れる天然ガスとを冷却し、自身は常温に戻って気化する。

【0048】

天然ガス供給源１９から天然ガス液化経路Ｌ１３に導入された天然ガスは、熱交換器１８内を温端１８ａから冷端１８ｂにかけて通過する過程で、この混合冷媒との熱交換によって冷却され液化されたのち、減圧弁３４によってさらに低温になってＬＮＧ貯槽２０に貯留される。

【0049】

また、熱交換器１８を再通過して、気化した混合冷媒は、冷媒循環経路Ｌ５を流下し、コールドボックス１７を出て連結部Ｊ１に送られ、再度、冷媒循環経路Ｌ１に導入される。

【0050】

また、天然ガス液化装置１１の起動方法は次の通りである。

【0051】

まず、天然ガス液化装置１１の起動前に、天然ガス液化装置１１の定常運転の条件と、天然ガス液化装置１１の冷媒系統の全容積（定常運転中に冷媒循環経路Ｌ１～Ｌ５に繋がっている空間の容積）とから混合冷媒の各成分の必要量を算出する。ここで、混合冷媒の各成分の必要量は、単位消費動力当たりのＬＮＧ製造量が最大となる量である。

【0052】

混合冷媒の各成分の必要量を算出した後、天然ガス液化装置１１の冷媒系統に、窒素貯槽２１から窒素ガスを充填するとともに、算出した窒素ガスの必要量が充填されたか否かを冷媒系統の圧力及び温度から判定する。

【0053】

窒素ガスが必要量充填された後に、冷媒系統に天然ガスを充填するとともに、算出した天然ガスの必要量が充填されたか否かを冷媒系統の圧力及び温度から判定する。

【0054】

あるいは、冷媒系統に、天然ガス供給源１９から天然ガスを所定量充填するとともに、充填された天然ガスの量を冷媒系統の圧力及び温度から判定した後、第１仕切弁２６ａ及び第２仕切弁２６ｂを閉じた状態でバッファータンク１６に天然ガスを充填するとともに、算出した天然ガスの必要量から先に充填した量を引いた量が充填されたか否かをバッファータンク１６の圧力及び温度から判定する。

【0055】

天然ガスが必要量充填された後に、気液分離器１５に、高沸点冷媒貯槽２２から定常運転に必要な量の炭素数４以上の冷媒成分（本形態例においては、イソペンタン）を充填するとともに、算出した冷媒成分の必要量が充填されたか否かを気液分離器１５内の液面又は重量の変化若しくは導入量の積算値から判定する。

【0056】

さらに、炭素数４以上の冷媒成分が必要量充填された後に、冷媒圧縮機１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）を作動させて、冷媒循環経路Ｌ４の減圧弁２５を開いて再導入させた混合冷媒により熱交換器１８を冷却する。

【0057】

その後、低沸点冷媒貯槽２３から連結部Ｊ４を介して冷媒循環経路Ｌ５に、炭素数２～３の冷媒成分（本形態例においては、エタン）を液体で充填するとともに、算出した冷媒成分（エタン）の必要量が充填されたか否かを低沸点冷媒貯槽２３内の液面又は重量の変化若しくは導入した冷媒成分（エタン）の積算値から判定する。

【0058】

そして、炭素数２～３の冷媒成分が必要量充填された後に、天然ガス液化装置１１の定常運転を開始する。

【0059】

すなわち、高沸点冷媒成分（イソペンタン）は、天然ガス液化装置１１の停止中に、気液分離器１５に導入する。このとき、この高沸点冷媒成分についての冷媒系統の内容積と運転中の圧力・温度から算出した必要量を導入すれば、冷媒充填作業を天然ガス液化装置１１の起動前に完了できる。

【0060】

導入した液体の冷媒成分は、装置の起動後に冷媒循環経路Ｌ３に導出されるので、連結部Ｊ３で他の冷媒成分と合流し、攪拌機を用いることなく混合される。

【0061】

一方、天然ガス液化装置１１の運転中には、圧力の低い減圧弁２５の下流側に位置する連結部Ｊ４に液体の低沸点冷媒成分（エタン）を導入する。このとき、冷媒循環経路Ｌ４から連結部Ｊ４に流れてくる混合冷媒は、熱交換器１８によって低沸点冷媒成分（エタン）と同等の温度に冷却されているので、低温で液体の低沸点冷媒成分（エタン）を蒸発させることなく混合できる。

【0062】

しかも、導入される減圧弁２５の下流側の位置は、低温になっているので低温の低沸点冷媒成分（エタン）を導入しても熱応力が発生しない。

【0063】

加えて、これにより混合された冷媒成分は、冷媒循環経路Ｌ５で熱交換器１８に再導入されることで気化され、冷媒循環経路Ｌ１を経由して冷媒圧縮機１２に送られるので、運転中でも液体の冷媒成分を蒸発器を用いることなく冷媒圧縮機１２に導入できる。

【0064】

なお、連結部Ｊ４に常温で液体の高沸点冷媒成分（イソペンタン）を導入する場合は、冷媒成分の温度差から、運転の安定性が損なわれたり、導入箇所に熱応力が発生したりする事態を避けるべく、時間を掛けて徐々に導入する必要があるが、これは、定常運転中に混合冷媒の組成を変化させることを目的とする場合に行われるので、本発明によらない従来の場合と同様であり、起動前に算出した必要量の充填は、気液分離器１５に液体状態で行われている。

【0065】

このように、本発明の天然ガス液化装置１１によれば、冷媒圧縮機１２の動作前には、冷媒系統に液体のまま高沸点冷媒（イソペンタン）を供給でき、冷媒圧縮機１２の動作後は、冷媒系統に液体のまま低沸点冷媒（エタン）及び高沸点冷媒（イソペンタン）を供給できるので、高沸点冷媒や低沸点冷媒を冷媒圧縮機１２に導入するための蒸発器や攪拌機を不要とすることができ、冷媒の成分を混合・充填する設備を簡素化できる。

【0066】

また、天然ガス液化装置１１の停止中も運転中も冷媒系統に液体のまま冷媒成分を供給でき、炭化水素に関しては、蒸発器によって液体の冷媒成分を蒸発させたり、蒸発させた冷媒成分を攪拌機によって混合したりする手間が不要となるので、必要な手順が減り、天然ガス液化装置１１の起動を短時間で、かつ、簡易に行うことができる。

【0067】

さらに、天然ガスを、第１仕切弁２６ａ及び第２仕切弁２６ｂを閉じた状態でバッファータンク１６に供給するので、天然ガス液化装置１１の起動前で冷媒系統の圧力が低い状態であっても、バッファータンク１６に冷媒成分としての天然ガス（主成分であるメタン）を高い圧力で充填でき、定常運転では低圧の冷媒循環経路Ｌ１やＬ５に、高い圧力で充填することなく導入作業を完了できることから、設備の設計圧力を低く保てるため、設備にかかる費用を低減できる。昇圧用の機器を用いることなくメタンの導入作業を完了させることができることから、冷媒の成分を混合・充填する設備を簡素化できる。

【0068】

また、本発明の天然ガス液化装置１１の起動方法によれば、混合冷媒の各成分の必要量をあらかじめ算出し、算出した必要量を目標として、各冷媒成分が必要量充填されたか否かを冷媒系統の圧力及び温度や導入量の積算値といった所定の手段によって判定するので、混合冷媒の組成を確認しながら各冷媒成分を冷媒系統に徐々に導入するよりも短時間で必要量を充填できる。

【0069】

また、冷媒系統に炭化水素を導入する前に、酸素と炭化水素が混合するのを避けるために保安用として不活性ガスを充填する必要があるが、不活性ガスとして窒素を充填するので、冷媒系統からの酸素追い出しと、冷媒成分としての窒素の充填を一度に実施でき、天然ガス液化装置１１の起動時間を短縮し、起動手順を簡素化できる。

【0070】

しかも、天然ガス液化装置１１の起動前に各冷媒成分を充填するので、冷媒成分の充填を天然ガス液化装置１１の冷却や整定と並行して行わずに済み、手順を簡略化できる。

【0071】

図２は、本発明の第２形態例を示す天然ガス液化装置４１の系統図である。

【0072】

図２に示されるように、図１の天然ガス液化装置１１とは、コールドボックス１７内の一部構成のみが異なっており、連結部Ｊ４に代えて、混合冷媒を気液分離して貯留可能なフラッシュボトル４２が設けられるとともに、フラッシュボトル４２からは、混合冷媒の気相部分を導出する接続経路Ｌ１４と、混合冷媒の液相部分を導出する接続経路Ｌ１５とが延びている。

【0073】

接続経路Ｌ１４と接続経路Ｌ１５とは、それぞれ連結部Ｊ４’で合流し、下流側で冷媒循環経路Ｌ５に接続しており、接続経路Ｌ１５には、第３仕切弁４３が取り付けられている。第３仕切弁４３は、天然ガス液化装置４１の定常運転中は開放されており、天然ガス液化装置４１の起動前（停止中）は、閉鎖されている。

【0074】

また、冷媒供給経路Ｌ１０は、フラッシュボトル４２に接続されており、冷媒循環経路Ｌ５は、連結部Ｊ４に代えて、連結部Ｊ４’から接続している。なお、連結部Ｊ４’は、熱交換器１８の内部であってもよい。

【0075】

天然ガス液化装置４１における混合冷媒の循環過程では、第１形態例の天然ガス液化装置１１とは一部異なり、熱交換器１８で冷却され、減圧弁２５で減圧されてより低温になった混合冷媒が、フラッシュボトル４２に導入されて気液分離された後、混合冷媒の気相部分が接続経路Ｌ１４から導出されるとともに、混合冷媒の液相部分が接続経路Ｌ１５から導出され、連結部Ｊ４’で合流して冷媒循環経路Ｌ５に導入される。

【0076】

また、天然ガス液化装置４１の起動方法は、次の通りである。

【0077】

まず、天然ガス液化装置４１の起動前に、天然ガス液化装置４１の定常運転の条件と、天然ガス液化装置４１の冷媒系統の全容積（定常運転中に開放されている冷媒循環経路Ｌ１～Ｌ５及びＬ１４，Ｌ１５に繋がっている空間の容積）とから混合冷媒の各成分の必要量を算出する。ここで、混合冷媒の各成分の必要量は、単位消費動力当たりのＬＮＧ製造量が最大となる量である。

【0078】

混合冷媒の各成分の必要量を算出した後、天然ガス液化装置４１の冷媒系統に、窒素貯槽２１から窒素ガスを充填するとともに、算出した窒素ガスの必要量が充填されたか否かを冷媒系統の圧力及び温度から判定する。

【0079】

窒素ガスが必要量充填された後に、冷媒系統に天然ガスを充填するとともに、算出した天然ガスの必要量が充填されたか否かを冷媒系統の圧力及び温度から判定する。

【0080】

あるいは、冷媒系統に、天然ガス供給源１９から天然ガスを所定量充填するとともに、充填された天然ガスの量を冷媒系統の圧力及び温度から判定した後、第１仕切弁２６ａ及び第２仕切弁２６ｂを閉じた状態でバッファータンク１６に天然ガスを充填するとともに、算出した天然ガスの必要量から先に充填した量を引いた量が充填されたか否かをバッファータンク１６の圧力及び温度から判定する。

【0081】

天然ガスが必要量充填された後に、気液分離器１５に、高沸点冷媒貯槽２２から定常運転に必要な量の炭素数４以上の冷媒成分（本形態例においては、イソペンタン）を充填するとともに、算出した炭素数４以上の冷媒成分の必要量が充填されたか否かを気液分離器１５内の液面又は重量の変化若しくは導入量の積算値から判定する。

【0082】

さらに、炭素数４以上の冷媒成分が必要量充填された後に、冷媒圧縮機１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）を作動させて、熱交換器１８において、冷媒循環経路Ｌ４の減圧弁２５を開いて再導入させた混合冷媒により、温端１８ａ側から導入される混合冷媒を冷却する。

【0083】

そして、温端１８ａ側から冷端１８ｂ側に導出された混合冷媒は減圧弁２５にてより低温となり、下流のフラッシュボトル４２を冷却する。

【0084】

フラッシュボトル４２の冷却後は、低沸点冷媒貯槽２３からフラッシュボトル４２に、第３仕切弁４３を閉じた状態で炭素数２～３の冷媒成分（本形態例においては、エタン）を液体で充填するとともに、算出した炭素数２～３の冷媒成分の必要量が充填されたか否かをフラッシュボトル４２内の液面又は重量の変化、若しくは導入量の積算値から判定する。

【0085】

そして、炭素数２～３の冷媒成分が必要量充填された後に、天然ガス液化装置４１の定常運転を開始する。

【0086】

このように、本発明の天然ガス液化装置４１によれば、低沸点冷媒成分は、導入の際、第３仕切弁４３を閉じた状態でフラッシュボトル４２に送られるので、一定量を短時間に導入しても、フラッシュボトル４２に溜まって熱交換器１８に流入せず、熱交換器１８内部の温度分布や温度差が急変しないので、低沸点冷媒成分の必要量の充填を短時間で行うことができ、かつ、天然ガス液化装置４１の安定した運転を保つことができる。

【0087】

また、本発明の天然ガス液化装置４１の起動方法によれば、低沸点冷媒成分の必要量をあらかじめ算出し、算出した必要量を目標として、この冷媒成分が必要量充填されたか否かをフラッシュボトル４２内の液面又は重量の変化、若しくは導入量の積算値によって判定するので、混合冷媒の組成を確認しながら低沸点冷媒成分を冷媒系統に徐々に導入するよりも短時間で必要量を充填できる。

【0088】

なお、本発明は、以上の形態例に限定されることなく、発明の範囲内において種々の変更が可能である。例えば、本形態例では、混合冷媒として窒素、メタン、エタン、プロパン、イソブタン、イソペンタンを成分として含めているが、必ずしもこの組成に限る必要はなく、他の炭化水素を含めた組成にしてもよい。

【符号の説明】

【0089】

１１…天然ガス液化装置、１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）…冷媒圧縮機、１３（１３ａ，１３ｂ）…インタークーラー、１４…アフタークーラー、１５…気液分離器、１６…バッファータンク、１７…コールドボックス、１８…熱交換器、１８ａ…温端、１８ｂ…冷端、１９…天然ガス供給源、２０…ＬＮＧ貯槽、２１…窒素貯槽、２２…高沸点冷媒貯槽、２３…低沸点冷媒貯槽、２４…ポンプ、２５…減圧弁、２６ａ…第１仕切弁，２６ｂ…第２仕切弁、２７…減圧弁、２８…蒸発器、２９…調節弁、３０…減圧弁、３１…減圧弁、３２…減圧弁、３３…減圧弁、３４…減圧弁、４１…天然ガス液化装置、４２…フラッシュボトル、４３…第３仕切弁、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５…冷媒循環経路、Ｌ６，Ｌ７…接続経路、Ｌ８，Ｌ９，Ｌ１０，Ｌ１１，Ｌ１２…冷媒供給経路、Ｌ１３…天然ガス液化経路、Ｌ１４，Ｌ１５…接続経路、Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ４’，Ｊ５，Ｊ６…連結部

【図1】

【図2】