JP2009097389A - Decompression equipment with energy recovery function - Google Patents

Abstract

Translated fromJapanese

【課題】高効率のエネルギー回収が可能でかつ安全で実効性のあるエネルギー回収機能を備えた減圧設備を提供する。
【解決手段】都市燃料ガス供給系統に設置され、一次側からの都市燃料ガスを膨張させて減圧する膨張タービン１と、膨張タービン１に都市燃料ガスを導入する入側配管に設けられ膨張タービン１に導入される都市燃料ガスを加熱する前加熱器３と、膨張タービン１の出側配管に設けられ膨張タービン１から排出される都市燃料ガスを加熱する後加熱器５と、燃料駆動の原動機７と、ランキンサイクル９と、原動機７の排熱を前加熱器３の加熱源としておよびランキンサイクル９の高温熱源としてそれぞれに任意の比率で分配して供給する排熱分配供給装置１１と、膨張タービン１、原動機７、ランキンサイクル９それぞれによって駆動される発電機を備え、ランキンサイクル９の排熱を後加熱器５の熱源として利用する。
【選択図】 図１
The present invention provides a decompression facility capable of highly efficient energy recovery and having a safe and effective energy recovery function.
An expansion turbine is installed in a city fuel gas supply system and expands and depressurizes the city fuel gas from the primary side, and an expansion turbine is provided in an inlet side pipe for introducing the city fuel gas to the expansion turbine. A pre-heater 3 for heating the city fuel gas introduced into the exhaust gas, a post-heater 5 for heating the city fuel gas provided in the outlet piping of the expansion turbine 1 and discharged from the expansion turbine 1, and a fuel-driven prime mover 7 A Rankine cycle 9, a waste heat distribution supply device 11 that distributes and supplies the exhaust heat of the prime mover 7 as a heating source of the pre-heater 3 and a high-temperature heat source of the Rankine cycle 9, respectively, and an expansion turbine 1. A generator driven by each of a prime mover 7 and a Rankine cycle 9 is provided, and the exhaust heat of the Rankine cycle 9 is used as a heat source of the post-heater 5.
[Selection] Figure 1

Description

Translated fromJapanese

本発明は燃料ガスのパイプラインなどに設置され、一次側の供給ガス圧力を減圧する減圧設備に関し、特にエネルギー回収機能を備えた減圧設備に関する。  The present invention relates to a decompression facility that is installed in a fuel gas pipeline or the like and depressurizes the supply gas pressure on the primary side, and more particularly to a decompression facility equipped with an energy recovery function.

都市ガス等の燃料ガスパイプラインでは搬送効率を高めるためにガス圧力を高圧で送出し、需要地の近くにおいてガバナステーション(減圧設備)で減圧して需要家に供給している。この送出する圧力は高圧化の傾向にある。
減圧を減圧弁のみで行うとすれば、その圧力エネルギーが有効に活用されず、エネルギーが無駄になる。
そこで、圧力エネルギーを有効に回収するため、減圧工程を膨張タービンで行なうことによって動力回収することで圧力エネルギーを有効に活用する提案がなされている。膨張タービンにより圧力エネルギーを回収すると、タービン出口でのガス温度が大幅に低下する（冷熱の発生）。そのため、ガス導管周囲の土壌の凍結などを防止するため、減圧設備から送り出されるガスの温度を０℃以上まで加温する必要があり、この加温をいかに無駄なく行うか、または発生冷熱をいかに有効利用できるかが圧力エネルギー有効活用のポイントとなる。In a fuel gas pipeline such as city gas, gas pressure is sent at a high pressure in order to increase the conveyance efficiency, and the pressure is reduced by a governor station (decompression equipment) near the demand area and supplied to consumers. This delivery pressure tends to increase.
If the pressure is reduced only by the pressure reducing valve, the pressure energy is not effectively utilized and energy is wasted.
Therefore, in order to effectively recover the pressure energy, proposals have been made to effectively utilize the pressure energy by recovering the power by performing a decompression step with an expansion turbine. When the pressure energy is recovered by the expansion turbine, the gas temperature at the turbine outlet is greatly reduced (generation of cold). Therefore, in order to prevent the soil around the gas conduit from freezing, it is necessary to heat the temperature of the gas sent from the decompression equipment to 0 ° C or higher, and how to perform this heating without waste or how to generate the generated cold heat Effective use of pressure energy is the key to effective use of pressure energy.

減圧に伴う圧力エネルギーの有効利用に関し、例えば、特開２００１−２４１３０４号公報（特許文献１）においては、ガスタービンと、燃料ガスを作動流体とする膨張夕ービンと、これらのタービンで駆動される発電機と、前記ガスタービンからの排熱を回収し該排熱を用いて前記膨張タービンに流入する燃料ガスを加温する排熱回収／ガス加温器とを備えてなることを特徴とするガス圧力エネルギーを利用した複合発電システムが提案されている。
そして、さらに特許文献１においては、排熱回収／ガス加温器が、前記膨張タービンに流入する高圧側燃料ガスを加温するとともに、該膨張タービンから排出される低圧側燃料ガスも加温することや、膨張タービンから排出される低圧側燃料ガスの冷熱を取り込んで前記ガスタービンヘ流入される吸気を冷却する吸気冷却器を備えることが提案されている。Regarding effective use of pressure energy accompanying decompression, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-241304 (Patent Document 1), a gas turbine, an expansion chamber using fuel gas as a working fluid, and these turbines are used. A generator and an exhaust heat recovery / gas heater for recovering exhaust heat from the gas turbine and heating the fuel gas flowing into the expansion turbine using the exhaust heat are provided. A combined power generation system using gas pressure energy has been proposed.
Further, in Patent Document 1, the exhaust heat recovery / gas heater warms the high-pressure fuel gas flowing into the expansion turbine and also warms the low-pressure fuel gas discharged from the expansion turbine. In addition, it has been proposed to include an intake air cooler that takes in the cold heat of the low-pressure side fuel gas discharged from the expansion turbine and cools the intake air flowing into the gas turbine.

また、特開平７−２１７８００号公報（特許文献２）には、一次側の圧力を減圧して予め定める二次側圧力に整圧するガバナと、ガバナと並列に一次側からの都市ガスを膨張させて二次側圧力に減圧する膨張タービンと、膨張タービンが安定に動作可能な範囲内に予め定める変化率以下で追従させて、膨張タービンに流すように制御する流量制御手段とを備え、さらに膨張タービンに供給する都市ガスを熱交換によって加熱する前加熱手段と、膨張タービンから排出される都市ガスを熱交換によって加熱する後加熱手段とを含むエネルギー回収装置付き都市ガス整圧装置が提案されている。
特開２００１−２４１３０４号公報特開平７−２１７８００号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-217800 (Patent Document 2) discloses a governor for reducing the pressure on the primary side to regulate the pressure to a predetermined secondary side pressure, and expanding city gas from the primary side in parallel with the governor. And an expansion turbine for reducing the pressure to the secondary pressure, and a flow rate control means for controlling the expansion turbine to flow within the expansion turbine in a range in which the expansion turbine can stably operate and flow in the expansion turbine. A city gas pressure regulator with an energy recovery device is proposed, which includes preheating means for heating the city gas supplied to the turbine by heat exchange and post heating means for heating the city gas discharged from the expansion turbine by heat exchange. Yes.
JP 2001-241304 A JP 7-217800 A

特許文献１に記載のものは、膨張タービンによって動力回収すると共に、ガスタービンからの排熱を用いて膨張タービンに流入する燃料ガスを加温することでガスタービンの排熱からのエネルギー回収を行い、さらに膨張タービンからの冷熱によってガスタービンへ流入される吸気を冷却することで冷熱の利用を行なっている。
確かに、膨張タービンに導入する都市ガスを加熱する方が膨張タービンから排出された都市ガスを加熱するよりも効率がよいと言える。
しかしながら、数百度レベルの高温のガスタービン排熱を全て使って常温レベルの燃料ガスを加温することは有効エネルギーの損失にもなるためトータルとしてのエネルギー回収効率としては十分とは言い難い。また、都市ガス主成分であるメタンの発火温度は537℃であり、発火温度レベルである高温のガスタービン排熱の全てを熱源とすることは安全面でも問題となる。Patent Document 1 recovers power by an expansion turbine and recovers energy from exhaust heat of the gas turbine by heating the fuel gas flowing into the expansion turbine using exhaust heat from the gas turbine. Further, the cool air is utilized by cooling the intake air flowing into the gas turbine by the cool heat from the expansion turbine.
Certainly, it can be said that heating the city gas introduced into the expansion turbine is more efficient than heating the city gas discharged from the expansion turbine.
However, heating the fuel gas at the normal temperature level using all the high-temperature gas turbine exhaust heat at the level of several hundred degrees is also a loss of effective energy, so it is difficult to say that the total energy recovery efficiency is sufficient. In addition, the ignition temperature of methane, which is a main component of city gas, is 537 ° C., and using all the high-temperature gas turbine exhaust heat, which is the ignition temperature level, as a heat source is also a problem in terms of safety.

また、特許文献２においては、膨張タービンに供給する都市ガスを熱交換によって加熱する前加熱手段と、膨張タービンから排出される都市ガスを熱交換によって加熱する後加熱手段とを設けるとしている。
そして、前加熱手段の熱原としては、各種工業プラントからの排熱やコージェネレーションシステムなどからの発生熱を用いるとしている。
また、後加熱手段では冷水を冷却して冷房などの冷熱として利用できるとしている。
しかしながら、加熱手段の熱源として、各種工業プラントやコージェネレーションシステムや冷房設備を用いる場合、これら熱源がガバナステーションに隣接していることが必須となるが、一般にそのようなケースは少ないと考えられ実効性に乏しいと言わざるを得ない。さらに、ガバナステーションとは独立したこれらの熱源を使用するので、相互の運転状態によっては常に十分な熱量が得られるとは限らず、膨張タービンの運用が不安定とならざるを得ない。In Patent Document 2, preheating means for heating the city gas supplied to the expansion turbine by heat exchange and postheating means for heating the city gas discharged from the expansion turbine by heat exchange are provided.
And as the heat source of the preheating means, exhaust heat from various industrial plants, heat generated from a cogeneration system, etc. are used.
Further, the post-heating means cools the cold water and can be used as cooling heat such as cooling.
However, when various industrial plants, cogeneration systems, and cooling equipment are used as the heat source of the heating means, it is essential that these heat sources are adjacent to the governor station. However, such cases are generally considered to be rare and effective. I have to say that it is scarce. Further, since these heat sources independent of the governor station are used, a sufficient amount of heat cannot always be obtained depending on the mutual operation state, and the operation of the expansion turbine must be unstable.

本発明は係る課題を解決するためになされたものであり、高効率のエネルギー回収が可能でかつ安全で実効性のあるエネルギー回収機能を備えた減圧設備を提供することを目的としている。  The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a decompression facility that is capable of high-efficiency energy recovery and has a safe and effective energy recovery function.

発明者は膨張タービンを用いた減圧設備において、高効率のエネルギー回収が可能でかつ実効性のあるエネルギー回収ができるように鋭意検討した結果、膨張タービンによる減圧によって発生する冷熱に確実に対応可能な熱源の確保および、冷熱の効果的な利用に着目した。
減圧設備に燃料駆動の原動機を併設することにより排熱が安定的に得られ、膨張タービンによる減圧によって発生する冷熱に確実に対応可能な熱源を確保することができる。
減圧前の圧力（都市ガス運用圧力）が高圧で減圧比が大きくなる場合、膨張タービン入口ガスを加熱する前加熱のみで対応しようとすると加熱すべき温度が100℃以上になり、安全面に問題が生じる。そこで、この問題に対処するため、前加熱に加えて、膨張タービン膨張後の低温ガスを加熱する後加熱を合わせて対応することを考えた。As a result of intensive studies to enable highly efficient energy recovery in a decompression facility using an expansion turbine, the inventors have been able to reliably cope with the cold generated by decompression by the expansion turbine. We focused on securing a heat source and using cold energy effectively.
By providing a fuel-driven prime mover in the decompression facility, exhaust heat can be stably obtained, and a heat source that can reliably cope with the cold generated by the decompression by the expansion turbine can be secured.
If the pressure before depressurization (city gas operation pressure) is high and the depressurization ratio is large, the temperature to be heated will be 100 ° C or higher if only the preheating of the expansion turbine inlet gas is heated, which is a safety issue. Occurs. Therefore, in order to cope with this problem, in addition to the preheating, it was considered to cope with the postheating for heating the low-temperature gas after expansion of the expansion turbine.

この「前加熱」＋「後加熱」とした場合、「前加熱」での加熱温度を制御することによって膨張タービン出口のガス温度をコントロール可能であり、低温に制御することもできる。そして、膨張タービン出口ガスを低温に制御した場合には、膨張タービン出口ガス温度と原動機排熱の間に大きな温度差があることに着目し、原動機排熱を高温熱源、膨張タービン出口ガスを低温熱源としてランキンサイクルを駆動しエネルギー回収を行うことで、さらに高効率のエネルギー回収ができるとの知見を得た。
本発明はかかる知見を基になされたものであり、具体的には以下の構成を有するものである。In the case of “preheating” + “postheating”, the gas temperature at the outlet of the expansion turbine can be controlled by controlling the heating temperature in “preheating”, and can be controlled to a low temperature. When the expansion turbine outlet gas is controlled to a low temperature, it is noted that there is a large temperature difference between the expansion turbine outlet gas temperature and the prime mover exhaust heat, and the prime mover exhaust heat is the high temperature heat source and the expansion turbine exit gas is the low temperature. We have obtained the knowledge that energy recovery can be achieved by driving the Rankine cycle as a heat source and performing energy recovery.
The present invention has been made based on such knowledge, and specifically has the following configuration.

（１）本発明に係るエネルギー回収機能を備えた減圧設備は、燃料ガス供給系統に設置され、一次側からの燃料ガスを膨張させて減圧する膨張機と、該膨張機に前記燃料ガスを導入する入側配管に設けられ前記膨張機に導入される燃料ガスを加熱する前加熱器と、前記膨張機の出側配管に設けられ該膨張機から排出される燃料ガスを加熱する後加熱器と、燃料駆動の原動機と、該原動機の排熱を前加熱器および後加熱器それぞれに任意の比率で分配して供給する排熱分配供給装置と、前記原動機、前記膨張機それぞれによって駆動される発電機とを備えたことを特徴とするものである。
ここで、燃料ガスとは、通常の都市ガスに限定されるものではなく、熱量調整していない天然ガス、コークス炉ガス、バイオマスガス、各種副生ガスなどを含む。
また、膨張機とは、燃料ガスの膨張時のエネルギーを動力に変換できる装置であって、例えば膨張タービンや、タービン以外のスクリュー方式、レシプロ方式、ロータリー方式などの装置が挙げられる。
さらに、原動機とは、動力を発生するとともに、排熱を発生する装置であって、例えばガスエンジン、ガスタービン、ディーデルエンジンなどが挙げられる。また、本明細書においては、原動機には、電力を発生するとともに、排熱を発生する燃料電池も含むものとする。(1) A decompression facility having an energy recovery function according to the present invention is installed in a fuel gas supply system, expands a fuel gas from a primary side and decompresses the fuel gas, and introduces the fuel gas into the expander A pre-heater for heating the fuel gas introduced into the expander provided in the inlet side pipe, and a post-heater for heating the fuel gas discharged from the expander provided in the outlet side pipe of the expander; A fuel-driven prime mover, a waste heat distribution and supply device that distributes and distributes the waste heat of the prime mover to each of the pre-heater and the post-heater at an arbitrary ratio, and power generation driven by each of the prime mover and the expander And a machine.
Here, the fuel gas is not limited to ordinary city gas, but includes natural gas, coke oven gas, biomass gas, various by-product gases, and the like that are not adjusted in calorific value.
The expander is a device that can convert energy at the time of expansion of fuel gas into motive power, and examples thereof include an expansion turbine, a screw system other than the turbine, a reciprocating system, and a rotary system.
Furthermore, the prime mover is a device that generates power and generates exhaust heat, and examples thereof include a gas engine, a gas turbine, and a diesel engine. Further, in this specification, the prime mover includes a fuel cell that generates electric power and exhaust heat.

（２）また、燃料ガス供給系統に設置され、一次側からの燃料ガスを膨張させて減圧する膨張機と、該膨張機に前記燃料ガスを導入する入側配管に設けられ前記膨張機に導入される燃料ガスを加熱する前加熱器と、前記膨張機の出側配管に設けられ該膨張機から排出される燃料ガスを加熱する後加熱器と、燃料駆動の原動機と、ランキンサイクルと、前記原動機の排熱を前記前加熱器の加熱源としておよび前記ランキンサイクルの高温熱源としてそれぞれに任意の比率で分配して供給する排熱分配供給装置と、前記膨張機、前記原動機、前記ランキンサイクルそれぞれによって駆動される発電機を備え、前記ランキンサイクルの排熱を前記後加熱器の熱源として利用するようにしたことを特徴とする。
この発明においては、原動機の排熱を前加熱器の加熱源としておよびランキンサイクルの高温熱源としてそれぞれに任意の比率で分配して供給すると共にランキンサイクルの排熱を後加熱器の熱源として利用するようにしたので、燃料ガスの有する圧力エネルギーを電気エネルギーとして、安全かつさらに効率的に回収できる。(2) Also installed in the fuel gas supply system, which expands the fuel gas from the primary side and decompresses it, and is installed in the inlet pipe for introducing the fuel gas into the expander and introduced into the expander A pre-heater for heating the fuel gas to be heated, a post-heater for heating the fuel gas provided in the outlet side piping of the expander and discharged from the expander, a fuel-driven prime mover, the Rankine cycle, Exhaust heat distribution and supply device for distributing and supplying the exhaust heat of the prime mover as a heating source for the pre-heater and a high temperature heat source for the Rankine cycle, respectively, and the expander, the prime mover, and the Rankine cycle The generator is driven by the exhaust heat of the Rankine cycle and used as a heat source for the post-heater.
In this invention, the exhaust heat of the prime mover is distributed and supplied to the preheater as the heating source and the high temperature heat source of the Rankine cycle at an arbitrary ratio, and the exhaust heat of the Rankine cycle is used as the heat source of the post heater. As a result, the pressure energy of the fuel gas can be recovered safely and more efficiently as electrical energy.

（３）また、上記（２）に記載のものにおいて、ランキンサイクルは、作動流体を原動機の排熱により加熱して蒸発させる蒸発器と、該蒸発器によって蒸発した作動流体の膨張により動力を発生する動力発生機と、動力発生機から流出する作動流体を凝縮させる凝縮器とを有し、該凝縮器の排熱を後加熱器の熱源として利用することを特徴とするものである。(3) In the above-described (2), the Rankine cycle generates power by heating and evaporating the working fluid by the exhaust heat of the prime mover and expansion of the working fluid evaporated by the evaporator. And a condenser for condensing the working fluid flowing out from the power generator, and the exhaust heat of the condenser is used as a heat source for the post-heater.

（４）また、上記（１）〜（３）に記載のものにおいて、膨張機は複数あり、それぞれの膨張機に後加熱器を備えたことを特徴とするものである。(4) Further, in the above (1) to (3), there are a plurality of expanders, and each expander includes a post-heater.

（５）また、上記（２）〜（４）に記載のものにおいて、ランキンサイクルに代えてカリーナサイクル又はウエハラサイクルを備えたことを特徴とするものである。(5) Further, in the above-described (2) to (4), a Karina cycle or a Uehara cycle is provided instead of the Rankine cycle.

（６）また、上記（１）〜（５）に記載のものにおいて、燃料駆動の原動機は燃料ガス供給系統の燃料ガスを燃料とすることを特徴とするものである。(6) Further, in the above (1) to (5), the fuel-driven prime mover uses fuel gas in the fuel gas supply system as fuel.

（７）また、上記（１）〜（６）に記載のものにおいて、燃料駆動の原動機はバイオマス由来の燃料を使用することを特徴とするものである。(7) In the above (1) to (6), the fuel-driven prime mover uses biomass-derived fuel.

本発明に係るエネルギー回収機能を備えた減圧設備は、燃料ガス供給系統に設置され、一次側からの燃料ガスを膨張させて減圧する膨張機と、該膨張機に前記燃料ガスを導入する入側配管に設けられ前記膨張機に導入される燃料ガスを加熱する前加熱器と、前記膨張機の出側配管に設けられ該膨張機から排出される燃料ガスを加熱する後加熱器と、燃料駆動の原動機と、該原動機の排熱を前加熱器および後加熱器それぞれに任意の比率で分配して供給する排熱分配供給装置と、前記原動機、前記膨張機それぞれによって駆動される発電機とを備えたことにより、燃料ガスの有する圧力エネルギーを電気エネルギーとして、安全かつ効率的に回収できる。  A decompression facility having an energy recovery function according to the present invention is installed in a fuel gas supply system, and expands to decompress the fuel gas from the primary side, and an inlet side for introducing the fuel gas into the expander A pre-heater for heating the fuel gas provided in the pipe and introduced into the expander; a post-heater for heating the fuel gas discharged from the expander provided in the outlet pipe of the expander; and fuel drive A waste heat distribution supply device that distributes and supplies exhaust heat of the prime mover to each of the pre-heater and the post-heater at an arbitrary ratio, and a generator driven by each of the prime mover and the expander By providing, the pressure energy which fuel gas has can be collect | recovered safely and efficiently as electrical energy.

図１は本発明の一実施の形態に係るエネルギー回収機能を備えた減圧設備の説明図である。
本実施の形態に係るエネルギー回収機能を備えた減圧設備は、都市ガス供給系統に設置され、一次側からの都市ガスを膨張させて減圧する膨張タービン１と、膨張タービン１に都市ガスを導入する入側配管に設けられ膨張タービン１に導入される都市ガスを加熱する前加熱器３と、膨張タービン１の出側配管に設けられ膨張タービン１から排出される都市ガスを加熱する後加熱器５と、燃料駆動の原動機７と、ランキンサイクル９と、原動機７の排熱を前加熱器３の加熱源としておよびランキンサイクル９の高温熱源としてそれぞれに任意の比率で分配して供給する排熱分配供給装置１１と、膨張タービン１、原動機７、ランキンサイクル９それぞれによって駆動される発電機を備え、ランキンサイクル９の排熱を後加熱器５の熱源として利用するようにしている。
以下、各構成をさらに詳細に説明する。FIG. 1 is an explanatory diagram of a decompression facility having an energy recovery function according to an embodiment of the present invention.
The decompression facility having an energy recovery function according to the present embodiment is installed in a city gas supply system, and expands the city gas from the primary side to decompress the city gas, and introduces the city gas into the expansion turbine 1. A pre-heater 3 that heats the city gas that is provided in the inlet side pipe and is introduced into the expansion turbine 1, and apost heater 5 that is provided in the outlet side pipe of the expansion turbine 1 and heats the city gas discharged from the expansion turbine 1. And a fuel-drivenprime mover 7, Rankinecycle 9, and exhaust heat distribution that supplies and distributes the exhaust heat of theprime mover 7 as a heating source for the pre-heater 3 and as a high-temperature heat source for the Rankinecycle 9. Thegenerator 11 is driven by asupply device 11 and an expansion turbine 1, aprime mover 7, and a Rankinecycle 9, and the exhaust heat of the Rankinecycle 9 is used as a heat source for thepost-heater 5. It is way.
Hereinafter, each configuration will be described in more detail.

＜膨張タービン＞
膨張タービン１は、都市ガスの供給側である高圧側と、需要家側の低圧側との間に設置されて高圧側のガス圧力を減圧すると共にこの圧力を動力として回収するものである。
膨張タービン１には、第１発電機１３が設置され電力としてエネルギー回収される。
高圧側の圧力は、例えば０．６〜２０ＭＰａであり、低圧側の圧力は、例えば０．２〜１０ＭＰａである。
なお、本実施例では、膨張タービン１と並列に膨張弁１５も配設し、膨張タービン側と膨張弁１５側とで任意の割合で流量を配分可能な構成としている。<Expansion turbine>
The expansion turbine 1 is installed between a high-pressure side that is a city gas supply side and a low-pressure side that is a consumer side, and reduces the gas pressure on the high-pressure side and collects this pressure as power.
Thefirst turbine 13 is installed in the expansion turbine 1 and energy is recovered as electric power.
The pressure on the high pressure side is, for example, 0.6 to 20 MPa, and the pressure on the low pressure side is, for example, 0.2 to 10 MPa.
In the present embodiment, theexpansion valve 15 is also arranged in parallel with the expansion turbine 1, and the flow rate can be distributed at an arbitrary ratio between the expansion turbine side and theexpansion valve 15 side.

＜前加熱器（プレヒータ）＞
プレヒータ３は膨張タービン１に導入される高圧状態の都市ガスを加温するものである。プレヒータ３の熱源は、原動機７から原動機冷却水や排ガスの形態として得られ、この排熱が排熱分配供給装置１１によって、例えば温水の形態でプレヒータ３に供給され、膨張タービン入側の都市ガスと熱交換することにより都市ガスを加温する。<Pre-heater>
The pre-heater 3 heats the high-pressure city gas introduced into the expansion turbine 1. The heat source of thepreheater 3 is obtained from theprime mover 7 in the form of prime mover cooling water or exhaust gas, and this exhaust heat is supplied to thepreheater 3 by the exhaust heat distribution andsupply device 11 in the form of hot water, for example, and the city gas at the inlet side of the expansion turbine The city gas is heated by exchanging heat with it.

＜原動機＞
原動機７は、例えば都市ガスを燃料とするガスエンジンであり、第２発電機１７が設置されている。原動機７として、都市ガスを燃料として駆動するものを採用することにより、減圧後の都市ガスの一部をそのまま燃料として使用することができ、燃料供給系統が非常に簡略化され、設備のコンパクト化が実現される。
なお、本発明の原動機７は、都市ガス駆動のものに限定されず、例えばバイオマスガスで駆動するものや太陽熱駆動するものを採用でき、このようなものを採用すれば、二酸化炭素を一切排出しないシステムとなる。<Motor>
Theprime mover 7 is, for example, a gas engine using city gas as fuel, and a second generator 17 is installed. By adopting aprime mover 7 that uses city gas as fuel, part of the city gas after decompression can be used as fuel as it is, fuel supply system is greatly simplified, and equipment is made compact. Is realized.
Theprime mover 7 of the present invention is not limited to the one driven by city gas, and for example, one driven by biomass gas or one driven by solar heat can be adopted, and if such one is adopted, no carbon dioxide is discharged. System.

＜ランキンサイクル＞
ランキンサイクル９は、作動流体を原動機７の排熱により加熱して蒸発させる蒸発器と、蒸発器によって蒸発した作動流体の膨張により動力を発生する動力発生機と、動力発生機から流出する作動流体を凝縮させる凝縮器とを備えてなり、動力発生機を駆動源とする第３発電機１９が設置されている。
原動機７からの排熱は、原動機冷却水の形態や排ガスの形態で得られ、この排熱が排熱分配供給装置１１によって、例えば温水の形態で高温熱原として蒸発器に供給される。
凝縮器にはアフターヒータ５によって膨張タービン１で膨張した低温の都市ガスと熱交換をした冷媒が送出され、作動流体との熱交換が行なわれる。<Rankin cycle>
TheRankine cycle 9 includes an evaporator that heats and evaporates the working fluid by exhaust heat of theprime mover 7, a power generator that generates power by expansion of the working fluid evaporated by the evaporator, and a working fluid that flows out of the power generator And athird generator 19 having a power generator as a drive source is installed.
The exhaust heat from theprime mover 7 is obtained in the form of prime mover cooling water or exhaust gas, and this exhaust heat is supplied to the evaporator by the exhaust heat distribution andsupply device 11 as a high temperature heat source in the form of hot water, for example.
A refrigerant that exchanges heat with the low-temperature city gas expanded in the expansion turbine 1 by the afterheater 5 is sent to the condenser, and heat exchange with the working fluid is performed.

＜後加熱器（アフターヒータ）＞
アフターヒータ５は、膨張タービン１で減圧した低温の都市ガスとランキンサイクル９の作動流体との間で間接または直接熱交換することにより、低温の都市ガスを加温する。すなわちランキンサイクルの凝縮排熱により減圧後の低温都市ガスを加熱するものであり、言い換えれば、膨張後の都市ガスの冷熱を冷熱源としてランキンサイクルで利用するものである。
なお、図１においては、ランキンサイクル９の凝縮器とアフターヒータ５とを別の機器とし、凝縮器に送られる別の冷媒を介して間接的に熱交換をする例を示しているが、アフターヒータ５をランキンサイクル９の凝縮器として兼用し、ランキンサイクル９の作動流体と低温の都市ガスとの間で直接熱交換するようにしてもよい。<Post-heater (after heater)>
The after-heater 5 heats the low-temperature city gas by performing indirect or direct heat exchange between the low-temperature city gas decompressed by the expansion turbine 1 and the working fluid of theRankine cycle 9. That is, the low-temperature city gas after decompression is heated by the condensation exhaust heat of the Rankine cycle, in other words, the cold energy of the expanded city gas is used in the Rankine cycle as a cold source.
Although FIG. 1 shows an example in which the condenser of theRankine cycle 9 and the after-heater 5 are different devices and heat is indirectly exchanged via another refrigerant sent to the condenser. Theheater 5 may also be used as a condenser of theRankine cycle 9 to directly exchange heat between the working fluid of theRankine cycle 9 and the low-temperature city gas.

＜排熱分配供給装置＞
排熱分配供給装置１１は、原動機７の排熱を前加熱器３の加熱源としておよびランキンサイクル９の高温熱源としてそれぞれに任意の比率で分配して供給する。
排熱分配供給装置１１の具体的な形態としては、原動機７の排ガスおよび冷却水を熱源とする温水ボイラと、この温水ボイラによって得られた温水を、プレヒータ側とランキンサイクル側に分配する分配管と、この分配管に設けられてプレヒータ側とランキンサイクル側に供給する流量を調整する流量調整弁とを備えてなるものが挙げられる。
なお、排熱分配供給装置１１の形態は、原動機７の排熱を前加熱器３およびランキンサイクル９に任意の比率で分配して供給できる機能を有するものであれば特に限定されるものではない。<Exhaust heat distribution supply device>
The exhaust heatdistribution supply device 11 distributes and supplies the exhaust heat of theprime mover 7 as a heating source of thepre-heater 3 and a high-temperature heat source of theRankine cycle 9 to each at an arbitrary ratio.
As a specific form of the exhaust heatdistribution supply device 11, a hot water boiler that uses the exhaust gas and cooling water of theprime mover 7 as heat sources, and a distribution pipe that distributes the hot water obtained by the hot water boiler to the preheater side and the Rankine cycle side And a flow rate adjusting valve that is provided in the distribution pipe and adjusts the flow rate supplied to the preheater side and the Rankine cycle side.
In addition, the form of the exhaust heatdistribution supply apparatus 11 will not be specifically limited if it has a function which can distribute and supply the exhaust heat of the motor |power_engine 7 to thepre-heater 3 andRankine cycle 9 by arbitrary ratios. .

上記のように構成された本実施の形態の動作を説明する。
膨張タービン１によって都市ガスを膨張させて減圧することによって膨張タービン１を駆動し、圧力エネルギーを動力回収して第１発電機１３を駆動する。
一方、都市ガスを燃料としてガスエンジンを駆動して第２発電機１７を駆動して電力回収する。そして、ガスエンジンの排熱を、排熱分配供給装置１１によってプレヒータ３及びランキンサイクル９に供給して、プレヒータにて高圧状態のガスを加温すると共に、ランキンサイクル９の高温熱源として利用する。
さらに、アフターヒータ５によってランキンサイクル９の低温熱源として膨張タービン１で膨張して低温になった都市ガスを利用する。
ランキンサイクル９の動力発生機によって、第３発電機１９を駆動して電力回収する。The operation of the present embodiment configured as described above will be described.
The expansion turbine 1 is driven by expanding and reducing the city gas by the expansion turbine 1, and thefirst generator 13 is driven by recovering power from the pressure energy.
On the other hand, the gas engine is driven using city gas as fuel, and the second generator 17 is driven to recover power. The exhaust heat of the gas engine is supplied to thepreheater 3 and theRankine cycle 9 by the exhaust heatdistribution supply device 11 to heat the high-pressure gas by the preheater and used as a high-temperature heat source for theRankine cycle 9.
Furthermore, the city gas expanded by the expansion turbine 1 to become a low temperature is used as a low temperature heat source of theRankine cycle 9 by the afterheater 5.
Thethird generator 19 is driven by the power generator of theRankine cycle 9 to recover power.

ランキンサイクル９においては、高温熱源温度と低温熱源温度の温度差が大きいほどエネルギー回収効率が高くなる。通常、ランキンサイクルでは低温熱源として大気の乾球温度や湿球温度レベル、もしくは海水や河川水といった、常温レベルを利用する。この点、本実施の形態では、膨張タービン１で膨張して常温より大幅に低温となった都市ガス温度レベルを低温熱源として利用するので、原動機７の排熱温度すなわち高温熱源温度との間の温度差を大きくとることができ、エネルギー回収効率が高い。しかも、プレヒータ側へ供給する原動機７の排熱量を排熱分配供給装置１１によって任意に調整できるので、ランキンサイクル９にとって高効率な温度になるように膨張タービン１出口側の都市ガス温度をコントロールすることができる。  In theRankine cycle 9, the energy recovery efficiency increases as the temperature difference between the high temperature heat source temperature and the low temperature heat source temperature increases. In the Rankine cycle, a normal temperature level such as an atmospheric dry bulb temperature or wet bulb temperature level, or seawater or river water is usually used as a low-temperature heat source. In this regard, in the present embodiment, the city gas temperature level that has been expanded by the expansion turbine 1 and has become significantly lower than the normal temperature is used as a low-temperature heat source. A large temperature difference can be obtained, and energy recovery efficiency is high. Moreover, since the amount of exhaust heat of theprime mover 7 supplied to the preheater side can be arbitrarily adjusted by the exhaust heatdistribution supply device 11, the city gas temperature on the outlet side of the expansion turbine 1 is controlled so that theRankine cycle 9 has a highly efficient temperature. be able to.

本発明の効果を実施例として説明する。
図２および図３は本発明の効果を説明するための説明図である。図２における縦軸は比出力（ｋｗ/(kg/s)）を示し、横軸は種々の加温パターンを示している。また、図３における縦軸は効率を示し、横軸は図２と同様に種々の加温パターンを示している。
比出力とは、単位都市ガス流量当りのエネルギー回収機器（膨張タービン、熱源機、ランキンサイクル）のトータル出力を言う。また、効率とは、熱源機（ガスエンジン）へ投入されるガスエネルギー量に対するエネルギー回収機器のトータル出力の比である。
加温パターンとしては、次の６つの場合を示している。
(i) プレヒート（単純加熱：都市ガスを単純に燃焼させて加熱する）
(ii) プレヒート（ガスエンジン排熱加熱）
(iii)アフターヒート（単純加熱）
(iv) アフターヒート（ガスエンジン排熱加熱）
(v) アフターヒート（ガスエンジン＋ランキンサイクル）
(vi) プレヒート＋アフターヒート（ガスエンジン＋ランキンサイクル）The effect of this invention is demonstrated as an Example.
2 and 3 are explanatory diagrams for explaining the effect of the present invention. The vertical axis in FIG. 2 indicates the specific output (kw / (kg / s)), and the horizontal axis indicates various heating patterns. Further, the vertical axis in FIG. 3 indicates the efficiency, and the horizontal axis indicates various heating patterns as in FIG.
Specific output is the total output of energy recovery equipment (expansion turbine, heat source unit, Rankine cycle) per unit city gas flow rate. The efficiency is the ratio of the total output of the energy recovery device to the amount of gas energy input to the heat source machine (gas engine).
As the heating pattern, the following six cases are shown.
(i) Preheat (simple heating: simply burn city gas to heat)
(ii) Preheat (gas engine exhaust heat heating)
(iii) After heat (simple heating)
(iv) After heat (gas engine exhaust heat heating)
(v) After heat (gas engine + Rankine cycle)
(vi) Preheat + Afterheat (Gas engine + Rankine cycle)

試算にあたっては、以下の条件とした。
（１）都市ガス成分：メタン
（２）膨張タービン内部効率：75％
（３）1次側（減圧前）ガス入口温度：10℃、2次側（減圧後）ガス出口温度：5℃
（４）ガスエンジン仕様：効率(=軸出力／投入燃料熱量)=0.4、利用可能排熱割合(=利用可能排熱量／投入燃料熱量)=0.48
（５）ランキンサイクル効率(=軸出力／高温熱源からの入熱量)=0.2
なお、一次側圧力は６ＭＰａと２０ＭＰａの２ケース、膨張圧力比（＝一次側圧力／二次側圧力）は２とした。The following conditions were used for the trial calculation.
(1) City gas component: Methane (2) Expansion turbine internal efficiency: 75%
(3) Primary side (before decompression) gas inlet temperature: 10 ° C, Secondary side (after decompression) gas outlet temperature: 5 ° C
(4) Gas engine specifications: Efficiency (= shaft output / input fuel heat amount) = 0.4, usable exhaust heat ratio (= available exhaust heat amount / input fuel heat amount) = 0.48
(5) Rankine cycle efficiency (= shaft output / heat input from high-temperature heat source) = 0.2
The primary pressure was 2 cases of 6 MPa and 20 MPa, and the expansion pressure ratio (= primary side pressure / secondary side pressure) was 2.

まず、図２に示されるように、単純加熱の場合より、ガスエンジン排熱にて加熱した方が、比出力が向上する。
また、図２、図３に示されるように、単純加熱およびガスエンジン排熱加熱のケースでは、プレヒートの方がアフターヒートより比出力、効率ともに大きく、好ましい。
さらに、アフターヒート方式において、ガスエンジンとランキンサイクルを組み合わせて、ガスエンジン排熱および膨張タービン出口発生冷熱を、それぞれ、ランキンサイクル高温熱源および低温熱源として利用することにより、比出力、効率ともにさらに向上している。本試算の例では、アフターヒート方式でガスエンジンとランキンサイクルを組み合わせた構成が最も比出力・効率ともに大きく、好ましい。
ただし、アフターヒートのみで対応する場合、膨張タービン出口温度がマイナス数十度以下となる場合があり、都市ガスの性状に悪影響を及ぼす可能性や機器の耐久性に支障をきたす場合がある。
逆に、プレヒートのみで対応する場合、二次側ガス温度を0℃以上に保つためにはプレヒート温度が100℃超となる場合があり、安全面や機器の耐久性に支障をきたす場合がある。
このように、アフターヒートとプレヒートのいずれか一方のみで対応する場合には好ましくない場合が考えられるので、このような場合、プレヒートとアフターヒートを適当な割合で組み合わせるのが好ましい。この意味で、排熱分配供給装置１１を設けたことに大きな意義がある。First, as shown in FIG. 2, the specific power is improved by heating with gas engine exhaust heat, as compared with the case of simple heating.
In addition, as shown in FIGS. 2 and 3, in the case of simple heating and gas engine exhaust heat heating, preheating is preferable because both specific output and efficiency are larger than afterheating.
Furthermore, in the after heat method, the specific output and efficiency are further improved by combining the gas engine and the Rankine cycle, and using the exhaust heat from the gas engine and the cooling heat generated at the outlet of the expansion turbine as the high temperature heat source and low temperature heat source, respectively. is doing. In the example of this trial calculation, a configuration in which a gas engine and a Rankine cycle are combined in an after-heat method is most preferable because it has the largest specific output and efficiency.
However, when dealing with only after heat, the temperature at the outlet of the expansion turbine may be minus several tens of degrees or less, which may adversely affect the properties of city gas and may impair the durability of the equipment.
Conversely, when only preheating is used, the preheating temperature may exceed 100 ° C in order to keep the secondary gas temperature above 0 ° C, which may hinder safety and durability of the equipment. .
As described above, when dealing with only one of the afterheat and the preheat, it may be not preferable. In such a case, it is preferable to combine the preheat and the afterheat at an appropriate ratio. In this sense, the provision of the exhaust heat distribution andsupply device 11 has great significance.

本試算のプレヒート＋アフターヒート例では、膨張弁出口でのガス温度が5℃となるようにプレヒート量を調整し、膨張タービン出口で低温となったガスをアフターヒータ５で加温して5℃としている。このようにすることによって、プレヒータ、アフターヒータともに温度条件がマイルドになり実用上好ましい場合が多い。
実際には一次圧・二次圧条件などにより、プレヒートとアフターヒートのバランスを適宜選定することになる。In this pre-calculated preheat + afterheat example, the preheat amount is adjusted so that the gas temperature at the expansion valve outlet becomes 5 ° C, and the low temperature gas at the expansion turbine outlet is heated by theafterheater 5 to 5 ° C. It is said. By doing so, the temperature conditions of both the pre-heater and the after-heater become mild, which is preferable in practice.
Actually, the balance between preheating and afterheating is appropriately selected depending on the primary pressure and secondary pressure conditions.

なお、上記の例では膨張タービン１を１段設置した場合を示したが、膨張タービン及びアフターヒータをそれぞれ複数設けることにより、比出力及び効率を変化させることができる。例えば、トータルの圧力比が８の場合、つまり減圧設備出口圧を入口圧の1/8に調整したい場合、圧力比２の膨張タービンを３段組み合わせ、各段の間にアフターヒータを設置して各段での発生冷熱を回収するようにすることにより、効率の高いシステムとすることができる。  In addition, although the case where the expansion turbine 1 was installed in one stage was shown in said example, specific output and efficiency can be changed by providing multiple each of an expansion turbine and an after heater. For example, if the total pressure ratio is 8, that is, if you want to adjust the outlet pressure of the decompression equipment to 1/8 of the inlet pressure, combine three stages of expansion turbines with a pressure ratio of 2 and install an after heater between each stage. By recovering the generated cold heat at each stage, a highly efficient system can be obtained.

なお、ランキンサイクル９に代えてアンモニアと水の混合物質を用いたカリーナサイクル、ウエハラサイクルなどを用いてもよい。
さらに、ランキンサイクル９に代えて等容加熱、等温膨張、等容冷却、等温圧縮という各過程によって構成される熱サイクルであるスターリングサイクルを適用することもできる。
また、本実施形態では膨張機として膨張タービン１を用いた例を示したが、タービン以外の方式、例えばスクリュー方式やレシプロ方式、ロータリー方式などの膨張機を用いても、もちろんよい。Instead of theRankine cycle 9, a carina cycle using a mixed substance of ammonia and water, a wafer la cycle, or the like may be used.
Furthermore, instead of theRankine cycle 9, a Stirling cycle, which is a thermal cycle constituted by processes such as isovolume heating, isothermal expansion, isovolume cooling, and isothermal compression, can be applied.
Moreover, although the example which used the expansion turbine 1 as an expander was shown in this embodiment, of course, you may use expanders, such as systems other than a turbine, for example, a screw system, a reciprocating system, a rotary system.

本発明の一実施の形態に係る減圧設備の説明図である。It is explanatory drawing of the pressure reduction equipment which concerns on one embodiment of this invention.実施例の効果を説明するグラフである。It is a graph explaining the effect of an Example.実施例の効果を説明するグラフである。It is a graph explaining the effect of an Example.

符号の説明Explanation of symbols

１ 膨張タービン
３ 前加熱器（プレヒータ）
５ 後加熱器（アフターヒータ）
７ 原動機
９ ランキンサイクル
１１ 排熱分配供給装置
１３ 第１発電機
１５ 膨張弁
１７ 第２発電機
１９ 第３発電機1Expansion turbine 3 Pre-heater (preheater)
5 Post-heater (after heater)
7prime mover 9Rankine cycle 11 exhaust heatdistribution supply device 13first generator 15 expansion valve 17second generator 19 third generator

Claims (7)

Translated fromJapanese

燃料ガス供給系統に設置され、一次側からの燃料ガスを膨張させて減圧する膨張機と、該膨張機に前記燃料ガスを導入する入側配管に設けられ前記膨張機に導入される燃料ガスを加熱する前加熱器と、前記膨張機の出側配管に設けられ該膨張機から排出される燃料ガスを加熱する後加熱器と、燃料駆動の原動機と、該原動機の排熱を前加熱器および後加熱器それぞれに任意の比率で分配して供給する排熱分配供給装置と、前記原動機、前記膨張機それぞれによって駆動される発電機とを備えたことを特徴とするエネルギー回収機能を備えた減圧設備。An expander that is installed in the fuel gas supply system and expands and depressurizes the fuel gas from the primary side, and a fuel gas that is provided in an inlet side pipe that introduces the fuel gas into the expander and is introduced into the expander. A pre-heater for heating, a post-heater for heating fuel gas provided in the outlet side piping of the expander and discharged from the expander, a fuel-driven prime mover, and a waste heat of the prime mover for pre-heater and Decompression pressure provided with an energy recovery function, characterized in that it includes an exhaust heat distribution and supply device that distributes and supplies each post-heater at an arbitrary ratio, and a generator driven by each of the prime mover and the expander Facility.燃料ガス供給系統に設置され、一次側からの燃料ガスを膨張させて減圧する膨張機と、該膨張機に前記燃料ガスを導入する入側配管に設けられ前記膨張機に導入される燃料ガスを加熱する前加熱器と、前記膨張機の出側配管に設けられ該膨張機から排出される燃料ガスを加熱する後加熱器と、燃料駆動の原動機と、ランキンサイクルと、前記原動機の排熱を前記前加熱器の加熱源としておよび前記ランキンサイクルの高温熱源としてそれぞれに任意の比率で分配して供給する排熱分配供給装置と、前記膨張機、前記原動機、前記ランキンサイクルそれぞれによって駆動される発電機を備え、前記ランキンサイクルの排熱を後加熱器の熱源として利用するようにしたことを特徴とするエネルギー回収機能を備えた減圧設備。An expander that is installed in the fuel gas supply system and expands and depressurizes the fuel gas from the primary side, and a fuel gas that is provided in an inlet side pipe that introduces the fuel gas into the expander and is introduced into the expander. A pre-heater for heating, a post-heater for heating a fuel gas provided on the outlet side pipe of the expander, discharged from the expander, a fuel-driven prime mover, a Rankine cycle, and exhaust heat of the prime mover An exhaust heat distribution and supply device that distributes and supplies the pre-heater as a heating source and a high-temperature heat source of the Rankine cycle at an arbitrary ratio, and the power generation driven by the expander, the prime mover, and the Rankine cycle, respectively. A decompression facility equipped with an energy recovery function, characterized in that the exhaust heat of the Rankine cycle is used as a heat source for a post-heater.ランキンサイクルは、作動流体を原動機の排熱により加熱して蒸発させる蒸発器と、該蒸発器によって蒸発した作動流体の膨張により動力を発生する動力発生機と、動力発生機から流出する作動流体を凝縮させる凝縮器とを有し、該凝縮器の排熱を後加熱器の熱源として利用することを特徴とする請求項２に記載のエネルギー回収機能を備えた減圧設備。The Rankine cycle consists of an evaporator that heats and evaporates the working fluid with exhaust heat from the prime mover, a power generator that generates power by expansion of the working fluid evaporated by the evaporator, and a working fluid that flows out of the power generator. The decompression equipment having an energy recovery function according to claim 2, further comprising: a condenser for condensing, wherein the exhaust heat of the condenser is used as a heat source for the post-heater.膨張機は複数あり、それぞれの膨張機に後加熱器を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のエネルギー回収機能を備えた減圧設備。The decompression equipment provided with the energy recovery function according to any one of claims 1 to 3, wherein there are a plurality of expanders, and each expander includes a post-heater.ランキンサイクルに代えてカリーナサイクル又はウエハラサイクルを備えたことを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載のエネルギー回収機能を備えた減圧設備。5. A decompression facility having an energy recovery function according to any one of claims 2 to 4, wherein a Karina cycle or a Uehara cycle is provided instead of the Rankine cycle.燃料駆動の原動機は燃料ガス供給系統の燃料ガスを燃料とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のエネルギー回収機能を備えた減圧設備。The decompression equipment having an energy recovery function according to any one of claims 1 to 5, wherein the fuel-driven prime mover uses fuel gas of a fuel gas supply system as fuel.燃料駆動の原動機はバイオマス由来の燃料を使用することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のエネルギー回収機能を備えた減圧設備。The decompression equipment having an energy recovery function according to any one of claims 1 to 6, wherein the fuel-driven prime mover uses a fuel derived from biomass.

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