特表 2024-539010 混合作動流体を利用したＬＮＧ冷熱発電

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-10-28

(54)【発明の名称】混合作動流体を利用したＬＮＧ冷熱発電

(51)【国際特許分類】

   F01K 25/10 20060101AFI20241018BHJP

   F02C 1/10 20060101ALI20241018BHJP

【ＦＩ】

F01K25/10 U

F01K25/10 D

F02C1/10

F01K25/10 A

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024522347

(86)(22)【出願日】2022-09-23

(85)【翻訳文提出日】2024-04-12

(86)【国際出願番号】 KR2022014265

(87)【国際公開番号】W WO2023063618

(87)【国際公開日】2023-04-20

(31)【優先権主張番号】10-2021-0136036

(32)【優先日】2021-10-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】519429679

【氏名又は名称】エスケー ガス カンパニー，リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】チョ，ジョンホ

(72)【発明者】

【氏名】ホン，ウン ギ

(72)【発明者】

【氏名】イ，ミ ヨン

【テーマコード（参考）】

3G081

【Ｆターム（参考）】

3G081BA01

3G081BB04

3G081BB07

3G081BC30

3G081BD01

(57)【要約】

本発明により二酸化炭素及びエタンからなる混合作動流体を利用してＬＮＧ冷熱発電をする場合、工程内の廃熱を利用することができ、従来の発電工程に比べて天然ガスの消耗量を顕著に減少させることができる。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

二酸化炭素及びエタンからなる作動流体；ポンプ；蒸発器；タービン；及び凝縮器を含むＬＮＧ冷熱発電。

【請求項2】

二酸化炭素及びエタンのモル比が８５～９５：１５～０．５であることを特徴とする請求項１に記載のＬＮＧ冷熱発電。

【請求項3】

前記作動流体をクローズドランキンサイクルに使用することを特徴とする請求項１に記載のＬＮＧ冷熱発電。

【請求項4】

供給されるＬＮＧの供給圧力が飽和液体状態になる圧力に調整されることを特徴とする請求項１に記載のＬＮＧ冷熱発電。

【請求項5】

凝縮器後端の温度をＬＮＧの飽和蒸気温度に調整することを特徴とする請求項１に記載のＬＮＧ冷熱発電。

【請求項6】

ポンプ後端の圧力を混合作動流体の臨界圧力まで調整することを特徴とする請求項１に記載のＬＮＧ冷熱発電。

【請求項7】

前記サイクルが２つのタービンとその間のヒータを含むことを特徴とする請求項３に記載のＬＮＧ冷熱発電。

【請求項8】

前記ヒータは作動流体が凝縮されないように加熱することを特徴とする請求項７に記載のＬＮＧ冷熱発電。

【請求項9】

蒸発器またはヒータまたは両方とも工程内の廃熱を活用することを特徴とする請求項１に記載のＬＮＧ冷熱発電。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、混合作動流体を使用するＬＮＧ冷熱発電に関する。

【背景技術】

【0002】

韓国が輸入する液化天然ガス（以下、ＬＮＧ）は年間約４千万トン以上で、日本と中国に続いて世界３位の輸入国であり、単一受入基地としては韓国ガス公社（株）の平沢と仁川受入基地の規模が世界１位と２位である。韓国と日本及び中国は天然ガスを常圧に近い条件で－１６３℃以下で液化させて輸入している。

【0003】

天然ガスを液化させる理由は、常温及び常圧条件に比べてＬＮＧの体積が約６００分の１に減少して貯蔵及び輸送が容易になるためである。しかしながら、天然ガスを－１６３℃以下で液化させるためには、冷凍機と冷凍機を駆動するための電気エネルギーが必要である。液化工程に応じて異なるが、以下の表１には１ｋｇ／ｈのＬＮＧを液化するために必要な所要動力を液化工程別に比較した。

【0004】

【表1】

液化天然ガスが気体状態の天然ガスに蒸発して相変化を起こす間には、天然ガス１ｋｇ当たり約２００ｋｃａｌ程度の熱量が必要である。日本は輸入するＬＮＧの６０％を冷熱（Ｃｏｌｄ ｈｅａｔ）として活用し、中国は輸入するＬＮＧの約１０％以上を冷熱として活用している。しかしながら、韓国の場合、大部分は海水との熱交換によりＬＮＧを蒸発させることでＬＮＧの冷熱をほとんど使わずに海水に吹き飛ばしている実情である。－１６３℃の低温のエネルギーを高温のエネルギーと区分して冷熱と呼んでいる。

【0005】

低圧状態のＬＮＧを海水により気化させると動力が得られない。ＬＮＧ冷熱発電とは、ＬＮＧ状態でポンプを利用して高圧にした後に海水と熱交換して気化させれば高圧の天然ガスを得ることができるので、タービンにより相当量の動力を得ることである。この時、液体ポンピングにより消耗される動力は前記高圧の天然ガスを利用したタービン稼動により得られる動力に比べて相対的に小さい。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明では従来のＬＮＧ冷熱発電の効果を改善できる混合作動流体を提供しようとする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、二酸化炭素及びエタンからなる作動流体；ポンプ；蒸発器；タービン；及び凝縮器を含むＬＮＧ冷熱発電を提供することである。

【0008】

前記二酸化炭素及びエタンのモル比は８５～９５：１５～０．５であることが好ましい。

【0009】

前記作動流体をクローズドランキンサイクルに使用することが好ましい。

【0010】

供給されるＬＮＧの供給圧力は飽和液体状態となる圧力に調整されることが好ましい。

【0011】

前記凝縮器後端の温度はＬＮＧの飽和蒸気温度に調整されることが好ましい。

【0012】

前記ポンプ後端の圧力は、混合作動流体の臨界圧力まで調整されることが好ましい。

【0013】

前記サイクルは、２つのタービンとその間のヒータを含むことが好ましい。

【0014】

前記ヒータは、作動流体が凝縮されないように加熱することが好ましい。

【0015】

前記蒸発器またはヒータまたは両方ともが工程内の廃熱を活用することが好ましい。

【発明の効果】

【0016】

本発明による混合作動流体を利用してＬＮＧ冷熱発電をする場合、工程内の廃熱を利用することができ、従来の発電工程に比べて天然ガスの消耗量を顕著に減少させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】オープンランキンサイクルを概略的に示した図である。

【図2】ＰＲＯ／ＩＩ ｗｉｔｈ ＰＲＯＶＩＳＩＯＮを活用したオープンランキンサイクルの動力生産フローシートを概略的に示した図である。

【図3】クローズドランキンサイクルを概略的に示した図である。

【図4】ＰＲＯ／ＩＩ ｗｉｔｈ ＰＲＯＶＩＳＩＯＮを活用したＬＮＧ冷熱発電のためのクローズドランキンサイクルのフローシートを概略的に示した図である。

【図5】本発明による混合作動流体を使用したＬＮＧ冷熱発電のためのクローズドランキンサイクルのフローシートを概略的に示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

〔発明を実施するための最良の形態〕
本発明は、二酸化炭素及びエタンからなる作動流体；ポンプ；蒸発器；タービン；及び凝縮器を含むＬＮＧ冷熱発電を提供する。

【0019】

〔発明を実施するための形態〕
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。

【0020】

本実施例を説明するために、各図面の構成要素に参照符号を付加する時、同一の構成要素に対しては他の図面上に表示されても可能な限り同一の符号を付加することに留意しなければならない。また、本発明の説明において、関連した公知構成または機能に関する具体的な説明が本発明の要旨を不明にする可能性があると判断される場合は、その詳細な説明は省略する。以下で参照される図面では蓄積比が適用されない。

【0021】

本発明の構成要素の説明において、第１、第２、Ａ、Ｂ、（ａ）、（ｂ）などの用語を使用することができる。このような用語は、その構成要素を他の構成要素と区別するためのものであり、その用語により当該構成要素の本質や順番または順序などが限定されることではない。

【0022】

ある構成要素が他の構成要素に「連結」、「結合」または「接続」されると記載されている場合、その構成要素は他の構成要素に直接連結または直接接続されることもあるが、各構成要素間にまた別の構成要素が「連結」、「結合」または「接続」されることもあると理解されるべきである。

【0023】

また、層、膜、領域、板などの構成要素が他の構成要素「の上に」又は「上に」あるとする場合、これは他の構成要素の「真上に」ある場合のみならず、その中間にまた別の構成要素がある場合も含まれると理解されるべきである。逆に、ある構成要素が他の部分の「真上に」あるという場合は、中間にまた他の部分がないことを意味すると理解されるべきである。

【0024】

図１は、作動流体を利用したＬＮＧ冷熱発電のための最も単純なオープンランキンサイクルの概念図を示した。

【0025】

図１によれば、－１６２℃近傍の常圧より若干高い圧力条件にあるＬＮＧは、ポンプにより加圧された後に高圧状態のＬＮＧとなる。その後に海水により熱交換すると、ＬＮＧは蒸発して高圧状態の天然ガスに相変化する。高圧の天然ガスを利用してタービンを稼動すると、これにより動力を生産することができる。

【0026】

Ｔｏｋｙｏ Ｇａｓ Ｃｏ．では１０ｔｏｎ／ｈのＬＮＧを活用して約２９０ｋＷほどの動力を生産した。

【0027】

ＬＮＧの組成を正確に知らないため、表２のような韓国ガス公社（株）で輸入しているＬＮＧ組成の中でＴｙｐｉｃａｌ ｇａｓ組成を利用した。

【0028】

【表2】

前記ＬＮＧを利用し、図２に示すようにＡＶＥＶＡ（社）のＰＲＯ／ＩＩ ｗｉｔｈ ＰＲＯＶＩＳＩＯＮ Ｖ１０．２を使用してコンピュータシミュレーションを行った結果、以下の表３のようなコンピュータシミュレーションの結果が得られた。以下の表３から得られた純動力は３００ｋＷであり、Ｔｏｋｙｏ Ｇａｓ Ｃｏ．で得られた２９０ｋＷより高い動力を得ることができた。

【0029】

【表3】

図３にはクローズドランキングサイクルの概要図を示した。オープンランキンサイクルに比べて図３のクローズドランキンサイクルの長所は、蒸発した天然ガスの圧力を高圧に維持できるため、追加的にタービンによる発電が可能であるということである。

【0030】

Ｔｏｋｙｏ Ｇａｓ Ｃｏ．では、図３のようなクローズドランキンサイクルに作動流体としてプロパンを使用したＬＮＧ冷熱発電により１０ｔｏｎ／ｈのＬＮＧ冷熱を使用して４４２ｋＷの発電効果を得た。

【0031】

図４には、ＰＲＯ／ＩＩ ｗｉｔｈ ＰＲＯＶＩＳＩＯＮを使用してクローズドランキンサイクルを実現したフローシートを示した。

【0032】

以下の表４には、図４のＰＲＯ／ＩＩ ｗｉｔｈ ＰＲＯＶＩＳＩＯＮを活用したコンピュータシミュレーション結果を要約して整理した。

【0033】

【表4】

表４によると、１ｔｏｎ／ｈのＬＮＧの冷熱から得られる純動力は３５．７６８ｋＷである。さらに、作動流体蒸発器後端の温度が１２０℃であるので、スチームを使用して作動流体を蒸発させる必要がある。スチームを得るためには天然ガスの燃焼が必要である。前記表２においてＬＮＧの分子量は１７．９２４ｋｇ／ｋ－ｍｏｌｅであり、ＧＨＶは１０，４５０ｋｃａｌ／Ｓｍ３であるので、作動流体蒸発器のｈｅａｔ ｄｕｔｙである１．２０４６×１０６ｋｃａｌ／ｈの分だけの熱量を供給するために必要なＬＮＧの質量流量は９２．２４ｋｇ／ｈである。これはプロパンを作動流体として使用したＬＮＧ冷熱発電のためには時間当り９２．２４ｋｇ／ｈの分だけの天然ガスが消耗されるということを意味する。

【0034】

本発明によりＬＮＧ冷熱を活用したクローズドランキンサイクルに適用するための作動流体の選定条件は次の通りである。

【0035】

第１に、ポンプ後端の圧力を高く稼動できる作動流体が良い。これは、作動流体の臨界圧力と関連する。ポンプ後端の圧力は概ね臨界圧力の近くまで加圧する。

【0036】

第２に、ＬＮＧとの熱交換による作動流体凝縮器の後端において温度が低いほど有利である。これは、直ちに膨張バルブ後端の圧力を下げることができてタービンで膨張比を高めることができるため、より多くの動力を得ることができるからである。作動流体凝縮器後端の温度は、作動流体の氷点に関連する。作動流体凝縮器の後端にはすぐにポンプと連結されるため、作動流体の氷点以上の温度を維持しなければならないという制約がある。

【0037】

第３に、作動流体蒸発器の後端において温度が低いほど有利である。図４の場合、プロパンを作動流体として使用した場合、蒸発器後端での温度は１２０℃であった。こうなると、作動流体を蒸発させるために低圧（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ、ＬＰ）スチームを使わなければならないため、天然ガスの燃焼による消耗が発生する。

【0038】

このような条件を満たす作動流体を選別するために、以下の表５にはいくつかの作動流体候補に対するいくつかの基本的な物性値を整理した。

【0039】

【表5】

前記表５に示した作動流体候補のうち、臨界圧力の側面では二酸化炭素が７３．８３ｂａｒで最も高くて有利である。氷点の側面ではエタン成分が－１８２．８℃で最も低くて有利である、この場合は、ＬＮＧの供給温度よりさらに低いため、ＬＮＧの完全蒸発によるＬＮＧの冷熱を十分に活用できないという短所がある。そして、最後に、作動流体の臨界温度はポンプにおいて臨界圧力の近くまで加圧した後に作動流体蒸発器で完全蒸発した時、温度が低いほど有利である。この場合は、エチレンの臨界温度が９．１９℃で低いため、最も有利であるといえる。

【0040】

以下の表６には、本発明で利用したＬＮＧの組成及び温度と圧力条件を示した。

【0041】

【表6】

ＬＮＧの潜熱を全て活用するためにはＬＮＧの供給圧力を飽和液体状態になる０．６０５ＭＰａＧまで下げた。この条件でＬＮＧが全て蒸発する温度は－５４．１２５℃になることが分かった。この時、ＬＮＧ冷熱を全て活用して混合作動流体の凝縮器後端の温度がＬＮＧの蒸発後の温度と３℃だけ異なるようにするためには、－５１．１２５℃になるようにする二酸化炭素とエチレンの組成として二酸化炭素１０ｍｏｌ％とエチレン９０ｍｏｌ％が好ましかった。

【0042】

前記表５において二酸化炭素とエタンをそれぞれ９０ｍｏｌ％と１０ｍｏｌ％の組成で使用した混合作動流体を図５のような工程に使用してＬＮＧ冷熱を使用した動力生産工程を考案した。ここで、Ｅ３は混合作動流体凝縮器であり、これはＬＮＧと熱交換をするので、ここではＥ４と事実上同じ熱交換器である。

【0043】

以下の表７には二酸化炭素とエタンのいくつかの物性を集中的に示した。

【0044】

【表7】

以下の表８には、図５のコンピュータシミュレーション結果を要約して整理した。

【0045】

【表8】

前記表８に記載されているように、まず、ＬＮＧの潜熱を全て利用するためにＬＮＧが蒸発器（Ｅ４）で全て蒸発して飽和蒸気となる温度は－５４．１２５℃であるため、作動流体凝縮器（Ｅ３）後端の温度は－５４．１２５℃としており、この時、飽和液体となる圧力までタービン（ＥＸ１、ＥＸ２）後端で膨張することとした。混合作動流体の予想される融点（または、氷点）は－６９．１９３℃程度であるため、約１５℃程度の余裕がある。ポンプ（Ｐ１）後端の圧力は混合作動流体の臨界圧力の９５％である６７．６７ｂａｒまで加圧することとした。作動流体蒸発器（Ｅ１）後端と二基のタービン（ＥＸ１、ＥＸ２）の間でのヒータ（Ｅ２）後端の温度は６９℃とした。これは、図５で１番目のタービン（ＥＸ１）後端で凝縮液が発生しないようにする最小の温度である。１番目のタービン（ＥＸ１）の後端で凝縮が発生すると、生産される動力の量が減少する。２つの成分の臨界温度は両方とも３０℃に近く、ポンプ（Ｐ１）後端の圧力を２つの混合作動流体の臨界圧力の９５％までに設定したので、蒸発器（Ｅ１）後端での温度は飽和蒸気状態まで加熱した場合、３０℃より低い。

【0046】

前記表８によれば、１ｔｏｎ／ｈのＬＮＧの冷熱から得られる純動力は３６．５７３ｋＷである。これは、プロパンを作動流体として使用した場合に比べて、得られる純動力３５．７６８ｋＷよりは若干高い程度であるが、作動流体蒸発器後端の温度は６９．２１５℃であることが分かる。これは、プロパン作動流体の蒸発器後端温度である１２０℃より非常に低い温度であることが分かる。これは、工程内に使用可能な廃熱を利用できる程度の低い温度であることが分かる。また、この工程はプロパンを作動流体とするＬＮＧ冷熱を活用する発電工程に比べて９２．２４ｋｇ／ｈの天然ガスを消耗しなくても良いという長所がある。

【0047】

以上の説明は、本発明を例示的に説明したものに過ぎず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性から外れない範囲で 多様な変形が可能である。

【0048】

従って、本明細書に開示された実施例は、本発明を限定するためのものではなく説明するためのものであり、このような実施例により本発明の思想の範囲が限定されるものではない。本発明の保護範囲は以下の請求範囲により解釈されなければならず、それと同等な範囲内の全ての技術は本発明の権利範囲に含むものと解釈されるべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【国際調査報告】