JP5660845B2 - 液化方法、液化装置およびこれを備える浮体式液化ガス製造設備 - Google Patents

Description

本発明は、液化方法、液化装置およびこれを備える浮体式液化ガス製造設備に関し、特に、天然ガスの液化に関するものである。

一般に、陸上の液化設備としては、被液化ガスをカスケード式冷凍サイクルや、数種類の冷媒の混合冷媒を用いた冷凍サイクルを用いて液化している（例えば特許文献１）。この液化設備の設置場所に、近年、洋上浮体が検討されている。洋上浮体に陸上と同様な液化設備を設置した場合には、対動揺性能や設置スペース、液化の容易性、安全性への考慮において舶用化の要件がある。そのため、ＬＮＧ船のボイルオフガスの再液化には用いられているが、液化設備としては液化効率に劣る窒素冷媒の窒素膨張サイクルでも適用される余地がある。

特表２００６−５０４９２８号公報 特表２００６−５０３２５２号公報

窒素冷凍サイクルにおける天然ガスおよび窒素の熱交換について図５を用いて説明する。図５において、縦軸は、温度（℃）を示し、横軸には、熱負荷（ｋＷ）を示す。また、図５中の実線は、４Ｍａに昇圧した天然ガスを示し、点線は、１５ＭＰａに昇圧した天然ガスを示す。さらに、図５中の一点鎖線は、４ＭＰａに昇圧した天然ガスと熱交換する場合の窒素を示し、二点鎖線は、１５ＭＰａに昇圧した天然ガスと熱交換する窒素を示す。

図５に示すように天然ガス（実線）を４ＭＰａに昇圧した場合には、温度が変化する過程において、熱負荷に対する天然ガスの温度変化が小さくなるステップ状を生じる。このステップ状は、冷媒である窒素が熱交換する過程において液相と気の間を相転移する間、温度が一定になるために生じる。そのため、４Ｍａに昇圧した天然ガスと窒素との温度差が最も小さくなるピンチポイントに合わせるように窒素（一点鎖線）を設定した場合には、ピンチポイント以外の熱交換過程では、天然ガスと窒素との温度差が大きくなり、一般的に温度差が小さい場合に比べ液化効率に劣る。

熱媒体窒素の圧縮循環は、特許文献２に記載の発明のように、大きな所要動力の窒素圧縮機ゆえにガスタービンによって駆動される例が多いが、ガスタービンによって消費される燃料としては液化されるべき原料ガスの一部が想定されている。液化過程で生じるオフガスは、ガスタービンの燃料としては低圧であるので再加圧が必要となり用いられにくい。製品となる液化ガスを最大化するためにもプロセスオフガスの効率のよい燃料化の課題があった。

また、液化過程で生じるオフガスは、その圧力がほぼ大気圧であることや窒素成分が多く、窒素圧縮機を駆動するガスタービンの燃料に用いることが困難であるという問題があった。

さらには、特許文献２に記載の発明のように、窒素圧縮機をガスタービンと蒸気タービン、または、蒸気タービンと電動機とのハイブリッドにして駆動している場合には、洋上浮体に適用させるため、船上保守が困難であること、予備品の必要性や電動化による冗長性の確保が問題となっていた。

一方、図５の点線で示すように、天然ガスを１５ＭＰａに昇圧した場合には、実線で示した４ＭＰａに昇圧した天然ガスに生じていたステップ状がなくなり略直線状になる。そのため、１５ＭＰａに昇圧した高圧の天然ガスと窒素（二点鎖線）との温度差を全体に渡って小さくして熱交換させることができるため効率的に液化することができる。しかし、高圧の天然ガスと窒素とを熱交換させるためには、シェルアンドチューブ式の熱交換器を用いる必要があるため熱交換器が大型し、液化装置の設置スペースを削減できないという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、液化効率の低下を抑制しつつ、安全性にも優れ、かつ、設備のコンパクト化が可能な液化方法、液化装置およびこれを備える浮体式液化ガス製造設備を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の液化方法、液化装置およびこれを備える浮体式液化ガス製造設備は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る液化方法によれば、高温側窒素熱交換器を用いて、単一成分の高温側窒素と天然ガスを熱交換させ、減圧弁を用いて、前記高温側窒素と熱交換した前記天然ガスを減圧し、低温側窒素熱交換器を用いて、減圧した前記天然ガスを前記高温側窒素よりも低温かつ同種類の低温側窒素と熱交換させて液化し、前記高温側窒素は高温側窒素圧縮機で圧縮された後に膨張させられて前記高温側窒素熱交換器に導入され、前記低温側窒素は低温側窒素圧縮機で圧縮された後に膨張させられて前記低温側窒素熱交換器に導入されることを特徴とする。

被液化ガスの液化は、熱媒体と熱交換させることによって行われている。被液化ガスの液化効率は、被液化ガスと熱媒体との温度差が熱交換過程に渡って均一に小さい方が望ましい。しかし、被液化ガスが高圧の場合には、熱媒体との温度差が熱交換過程に渡ってほぼ均一に小さいが、熱媒体と熱交換を行う熱交換器が大型化してしまう。また。被液化ガスが低圧の場合には、被液化ガスがその熱交換過程でステップ状になってしまう。そのため、被液化ガスと熱媒体との温度差が最も小さくなる箇所（ピンチポイント）に合わせて熱媒体の圧力を設定した場合には、ピンチポイント以外の過程では、被液化ガスと熱媒体の温度差が大きくなり、熱交換効率が劣ってしまう。

そこで、被液化ガスと熱媒体との温度差を小さくするために、炭化水素や窒素等の混合熱媒体もしくは複数の単一成分の熱媒体を複数の熱交換器により熱交換するカスケード方式が用いられている。しかし、カスケード方式の場合には、熱交換器等の機器が増加するという問題があった。また、混合熱媒体を用いる場合には、複数の成分からなるため被液化ガスの特性に合わせて複数の熱媒体が用いられるが、その一部に可燃性の熱媒体が用いられることから安全性に問題があった。

そこで、本発明では、被液化ガスを単一成分の高温側熱媒体と熱交換させて、その後、所定圧に減圧する。さらに、減圧された被液化ガスを、高温側熱媒体と同種類であり、かつ、高温側熱媒体よりも低温の低温側熱媒体と熱交換させることとした。これにより、高温側熱媒体と熱交換した被液化ガスを低温側熱媒体の温度変化に近似させるように減圧してから、低温側熱媒体と熱交換させることができる。そのため、被液化ガスと高温側熱媒体および低温側熱媒体との温度差を略一定に保つことができる。したがって、単一成分の熱媒体を用いて、被液化ガスを効率的に液化することができる。
なお、所定圧とは、熱媒体と熱交換する被液化ガスの臨界点に対応した圧力をいう。
また、被液化ガスは、液化する前の原料ガスであり、天然ガス（ＬＮＧ）や液化石油ガス（ＬＰＧ）等が挙げられる。

本発明に係る液化装置によれば、天然ガスと単一成分の高温側窒素とが熱交換する高温側窒素熱交換器と、該高温側窒素熱交換器から導出された前記天然ガスを減圧する減圧弁と、該減圧弁を通過した前記天然ガスと、前記高温側窒素よりも低温かつ同種類の低温側窒素とが熱交換する低温側窒素熱交換器と、を備え、前記高温側窒素は高温側窒素圧縮機で圧縮された後に膨張させられて前記高温側窒素熱交換器に導入され、前記低温側窒素は低温側窒素圧縮機で圧縮された後に膨張させられて前記低温側窒素熱交換器に導入されることを特徴とする。

単一成分の高温側熱媒体を高温側熱媒体用熱交換器へ、高温側熱媒体と同種類の低温側熱媒体を低温側熱媒体用熱交換器へと導き、高温側熱媒体用熱交換器と低温側熱媒体用熱交換器との間には、被液化ガスを所定圧に減圧する減圧弁を設けることとした。これにより、高温側熱媒体用熱交換器を通過した被液化ガスを減圧弁により低温側熱媒体の温度変化に近似させて、低温側熱媒体用熱交換器へと導くことができる。そのため、被液化ガスと高温側熱媒体および低温側熱媒体との温度差を略一定に保つことができる。したがって、単一成分の熱媒体を用いて、被液化ガスを効率的に液化することができる。

さらに、本発明に係る液化装置によれば、蒸気が導かれて駆動される高圧タービンと、該高圧タービンに接続される高圧タービン側軸と、前記高圧タービンから導出された蒸気が導かれて駆動される低圧タービンと、該低圧タービンに接続される低圧タービン側軸と、を有するクロスコンパウンドタービンと、前記高温側窒素熱交換器に導かれる高温側窒素を圧縮する高温側窒素圧縮機と、前記低温側窒素熱交換器に導かれる低温側窒素を圧縮する低温側窒素圧縮機と、前記高圧タービンに導かれる蒸気を発生する蒸気発生手段と、を備え、前記高温側窒素圧縮機を前記高圧タービン側軸に接続し、前記低温側窒素圧縮機を前記低圧タービン側軸に接続することを特徴とする。

高圧タービン側軸に高温側熱媒体用圧縮機を接続し、低圧タービン側軸に低温側熱媒体用圧縮機を接続することとした。クロスコンパウンドタービンを構成している高圧タービン側軸と低圧タービン側軸とは、互いに分離しているため、高圧タービン側軸に接続されている高圧タービン、低圧タービン側軸に接続されている低圧タービンの各々を制御することによって、高温側熱媒体用圧縮機と低温側熱媒体用圧縮機とをそれぞれ独立に制御することができる。したがって、高温側熱媒体と低温側熱媒体とを互いに独立に圧縮することができ、高温側熱媒体と低温側熱媒体との冷凍負荷を独立に制御することができる。

さらに、本発明に係る液化装置によれば、前記高温側窒素熱交換器は、プレート式であることを特徴とする。

被液化ガスと高温側熱媒体とが熱交換する高温側熱媒体用熱交換器には、プレート式を用いることとした。そのため、高温側熱媒体用熱交換器を小型化することができる。したがって、液化装置のコンパクト化を図ることができる。

また、本発明に係る液化装置によれば、前記蒸気発生手段は、液化された前記天然ガス中のオフガスを燃料として蒸気を発生することを特徴とする。

液化ガス中のオフガスを燃料として燃焼して蒸気を発生する蒸気発生手段を用いることとした。そのため、クロスコンパウンドタービンを駆動する蒸気を液化装置内で生じたほぼ大気圧状態のオフガスを用いて駆動することができる。したがって、液化装置から生じるオフガスを有効に利用することができる。

また、本発明に係る浮体式液化ガス製造設備によれば、上記のいずれかに記載の液化装置を備えることを特徴とする。

蒸気によって駆動するクロスコンパウンドタービンによって構成される液化装置を浮体式液化ガス製造設備に用いることとした。そのため、クロスコンパウンドタービンとして、既存の舶用主機に用いられている蒸気タービンを適用することができる。したがって、高温側熱媒体用圧縮機および低温側熱媒体用圧縮機を駆動するためのクロスコンパウンドタービンの新たな開発が不要となり、既存の機器を有効利用することができる。

また、本発明に係る浮体式液化ガス製造設備によれば、前記高温側熱媒体及び前記低温側熱媒体には、窒素を用いることを特徴とする。

熱媒に不燃性の窒素を用いる高温側熱媒体用圧縮機および低温側熱媒体用圧縮機と、高温側熱媒体用熱交換器および低温側熱媒体用熱交換器とによって構成される液化装置を浮体式液化ガス製造設備に用いることとした。また、高温側熱媒体用圧縮機および低温側熱媒体用圧縮機の駆動には、蒸気タービンを用いることとした。これらにより、熱媒体等から可燃性ガスが漏洩することによる爆発の危険性を防止することができる。そのため、甲板下に、高温側熱媒体用圧縮機、低温側熱媒体用圧縮機や蒸気タービンなどの機器を配置することができる。したがって、甲板上の液化装置の配置スペースを削減することができる。

本発明によると、被液化ガスを単一成分の高温側熱媒体と熱交換させて、その後、所定圧に減圧する。さらに、減圧された被液化ガスを、高温側熱媒体と同種類であり、かつ、高温側熱媒体よりも低温の低温側熱媒体と熱交換させることとした。これにより、高温側熱媒体と熱交換した被液化ガスを低温側熱媒体の温度変化に近似させるように減圧してから、低温側熱媒体と熱交換させることができる。そのため、被液化ガスと高温側熱媒体および低温側熱媒体との温度差を略一定に保つことができる。したがって、単一成分の熱媒体を用いて、被液化ガスを効率的に液化することができる。

本発明の一実施形態に係る液化装置を備えた浮体式液化ガス製造設備の概略構成図である。 図１に示した液化装置の右側拡大構成図である。 図１に示した液化装置の左側拡大構成図である。 図２および図３に示した液化装置における天然ガスおよび窒素の関係を示したＴ−Ｈ線図である。 複数の圧力における天然ガスおよび窒素の関係を示したＴ−Ｈ線図である。

本発明の一実施形態に係る液化装置を備えた浮体式液化ガス製造設備の概略構成図について図１に基づいて説明する。
浮体式液化天然ガス製造設備（Floating LNG：FLNG）１は、液化天然ガス（液化ガス）を貯蔵する複数の貨物タンク２と、前処理装置３と、液化装置（図示せず）と、浮体式液化天然ガス製造設備１内に電力を供給する電力供給装置（図示せず）とを備えている。
浮体式液化ガス製造設備（浮体式液化ガス製造設備）１は、陸上や海底の地層下から高圧で噴出する原料ガスである天然ガス（被液化ガス）を精製液化して製品である液化天然ガス（Liquefied natural gas:ＬＮＧ）にするものであり、洋上に設置されるものである。

貨物タンク（本図では、３つのみを示す。）２は、液化天然ガスを貯蔵するものである。貨物タンク２は、モス独立球形タンクである。
前処理装置３は、原料ガスである天然ガス中に含まれている二酸化炭素、硫化水素、水分、重質分等の不純物を除去するものである。

液化装置は、天然ガスを冷媒（冷却用熱媒体）と熱交換することによって液化するものである。液化装置は、後述する高圧窒素熱交換器（図示せず）や低圧窒素熱交換器（図示せず）が格納されているコールドボックス５と、船内に電力を供給する電力供給装置が設けられている船内動力設置区画４と、後述する高圧窒素圧縮機（図示せず）、低圧窒素圧縮機（図示せず）、圧縮機駆動用蒸気タービン（図示せず）などが格納されている液化装置用動力装置区画６と、後述するエンドフラッシュタンク（図示せず）などが設けられている貯蔵区画７とに分けられている。

コールドボックス５は、甲板上に設けられている。コールドボックス５内には、液化装置の一部である高圧窒素熱交換器（高温側熱媒体用熱交換器）および低圧窒素熱交換器（低温側熱媒体用熱交換器）が設けられている。コールドボックス５は、外部との熱の出入りを防ぐために断熱措置が施してある。
液化装置用動力装置区画６は、甲板下に設けられている。液化装置用動力装置区画６には、液化装置を構成している高圧窒素圧縮機（高温側熱媒体用圧縮機）や低圧窒素圧縮機（低温側熱媒体用圧縮機）、これらの圧縮機を駆動する圧縮機駆動用蒸気タービン（クロスコンパウンドタービン）が設けられている。

貯蔵区画７は、甲板下に設けられており、エンドフラッシュタンクが設けられている。
船内動力設置区画４は、甲板下に設けられおり、後述するボイラ（図示せず）と、ガス焚きディーゼル機関（図示せず）と、ガス焚きディーゼル機関駆動発電機（図示せず）とを備えている。浮体式液化天然ガス製造設備１内で必要な電力は、船内動力設置区画４に設けられているこれらの機器によって供給されることとなる。

次に、本実施形態の液化装置の構成について図２および図３を用いて説明する。
図２には、図１に示した液化装置の右側拡大構成図が示されており、図３には、その左側拡大構成図が示されている。
液化装置１０は、高圧窒素熱交換器１１と、低圧窒素熱交換器１２と、高圧窒素圧縮機１３と、低圧窒素圧縮機１４と、圧縮機駆動用蒸気タービン１５と、ジュールトムソン膨張弁（減圧弁）１６と、ボイラ（図示せず）と、エンドフラッシュタンク３０とを主に備えている。液化装置１０は、冷凍サイクルと、液化装置１０を駆動する駆動部とに分けられる。

冷凍サイクルは、高圧な天然ガス（例えば１５ＭＰａから２０ＭＰａ）と冷媒である窒素とが熱交換する高圧窒素ループ１７と、比較的低圧な天然ガス（例えば６ＭＰａ以下）と冷媒である窒素とが熱交換する低圧窒素ループ１８とを備えている。これら２つの冷凍サイクルは、互いに独立したループとなっている。
駆動部は、圧縮機駆動用蒸気タービン１５を備えている。

高圧窒素ループ１７は、主に、高圧窒素熱交換器１１と、高圧窒素圧縮機１３と、高圧窒素膨張機１９とを備えている。
高圧窒素熱交換器１１は、高圧な天然ガスと、窒素（以下、「高圧窒素」）とが熱交換するものである。高圧窒素熱交換器１１には、例えば、Heatric社のプレート式のステンレスプレートディフュージョンタイプ（diffusion-bonded heat exchangers）が好適に用いられる。

高圧窒素圧縮機１３は、高圧窒素（高温側熱媒体）を圧縮するものである。高圧窒素圧縮機１３には、後述する圧縮機駆動用蒸気タービン１５に接続している高圧タービン側減速機２０が接続されている。高圧窒素圧縮機１３は、高圧タービン側減速機２０が駆動されることによって高圧窒素を圧縮する。

高圧窒素膨張機１９は、高圧窒素を膨張させるものである。高圧窒素膨張機１９には、高圧窒素昇圧機２１が接続されている。高圧窒素昇圧機２１は、高圧窒素膨張機１９が高圧窒素を膨張して回転駆動することによって駆動される。高圧窒素昇圧機２１は、駆動されることによって高圧窒素を昇圧する。

低圧窒素ループ１８は、主に、低圧窒素熱交換器１２と、低圧窒素圧縮機１４と、低圧窒素膨張機２２とを備えている。
低圧窒素熱交換器１２は、天然ガスと、窒素（以下、「低圧窒素」とう。）とが熱交換するものである。低圧窒素熱交換器１２には、アルミロウ付プレートフィンタイプの熱交換器が用いられる。

低圧窒素圧縮機１４は、低圧窒素（低温側熱媒体）を圧縮するものである。低圧窒素圧縮機１４には、後述する圧縮機駆動用蒸気タービン１５に接続されている低圧タービン側減速機２３が接続されている。低圧窒素圧縮機１４は、低圧タービン側減速機２３が駆動されることによって低圧窒素を圧縮する。

低圧窒素膨張機２２は、低圧窒素を膨張させるものである。低圧窒素膨張機２２には、低圧窒素昇圧機２４が接続されている。低圧窒素昇圧機２４は、低圧窒素膨張機２２が低圧窒素を膨張して回転駆動することによって駆動される。低圧窒素昇圧機２４は、駆動されることによって低圧窒素を昇圧する。

圧縮機駆動用蒸気タービン１５は、船舶の主機に用いられているクロスコンパウンド式の大型の蒸気タービンである。圧縮機駆動用蒸気タービン１５としては、三菱重工業製のＵＳＴ（Ultra Steam Turbine)が好的に用いられる。
圧縮機駆動用蒸気タービン１５は、高圧タービン１５ａと、中圧タービン（高圧タービン）１５ｂと、第１低圧タービン１５ｃと、第２低圧タービン１５ｄとを備えている。高圧タービン１５ａと中圧タービン１５ｂとは、プライマリー軸１５ｅ（高圧タービン側軸）上に設けられている。第１低圧タービン（低圧タービン）１５ｃと第２低圧タービン（低圧タービン）１５ｄとは、セカンダリー軸（低圧タービン側軸）１５ｆ上に設けられている。

プライマリー軸１５ｅの端部には、高圧タービン側減速機２０が接続されており、セカンダリー軸１５ｆの端部には、低圧タービン側減速機２３が接続されている。
高圧タービン側減速機２０は、プライマリー軸１５ｅから伝達された出力を高圧窒素圧縮機１３へと伝達するものである。これにより、高圧窒素圧縮機１３は、高圧タービン１５ａまたは中圧タービン１５ｂが回転駆動されることによって駆動されることとなる。
低圧タービン側減速機２３は、セカンダリー軸１５ｆから伝達された出力を低圧窒素圧縮機１４へと伝達するものである。これにより、低圧窒素圧縮機１４は、第１低圧タービン１５ｃまたは第２低圧タービン１５ｄが回転駆動されることによって駆動されることとなる。

ボイラ（蒸気発生手段）は、燃料として後述するオフガスやボイルオフガス等の液化天然ガスと重油とを燃料として用いる混焼ボイラである。
エンドフラッシュタンク３０は、高圧窒素サイクル１７および低圧窒素サイクル１８を通過した液化天然ガスを膨張させて温度降下させるものである。エンドフラッシュタンク３０において、液化天然ガスは、含有されていた窒素成分が除去されることとなる。なお、エンドフラッシュタンク３０の代わりに減圧弁を用いても良い。

ジュールトムソン膨張弁１６は、高圧窒素ループ１７と、低圧窒素ループ１８との間に設けられている。ジュールトムソン膨張弁１６は、その絞り機構によって高圧窒素ループ１７を通過した天然ガスをジュールトムソン膨張させるものである。

次に、天然ガスの液化方法について説明する。
陸上や海底の地層下から噴出している原料ガスである天然ガスは、浮体式液化天然ガス製造設備１（図１参照）の甲板上に設けられている前処理装置３へと導かれる。天然ガスは、前処理装置３において、含有されている二酸化炭素、硫化水素、水分、重質分等が除去される。

前処理装置３によって精製された天然ガスは、コールドボックス５へと導かれる。コールドボックス５に導かれた天然ガスは、昇圧コンプレッサ３１（図２参照）等によって例えば１５ＭＰａ以上に昇圧される。なお、この昇圧は、１０ＭＰａ以上であることが望ましい。

昇圧コンプレッサ３１によって高圧にされた天然ガスは、第１熱交換器３２へと導かれる。第１熱交換器３２に導かれた天然ガスは、海水と熱交換して温度が例えば３０℃に下げられる。第１熱交換器３２によって温度が下げられた天然ガスは、さらに、第２熱交換器３３へと導かれる。第２熱交換器３３に導かれた天然ガスは、チラー水である清水と熱交換して温度が例えば−２０℃まで低下させられる。このようにチラー水と熱交換して予冷することによって、高圧窒素ループ１７における高圧窒素との熱交換効率を向上させることができる。

第２熱交換器３３によって予冷された天然ガスは、高圧窒素ループ１７へと導かれる。高圧窒素ループ１７に導かれた天然ガスは、高圧窒素ループ１７を構成している高圧窒素熱交換器１１へと導かれる。高圧窒素熱交換器１１に導かれた天然ガスは、高圧窒素熱交換器１１内に設けられている第１過冷却部Ｋ１において高圧窒素と熱交換する。第１過冷却部Ｋ１において高圧窒素と熱交換することによって、天然ガスは例えば−８０℃に低下する。

温度が低下した天然ガスは、ジュールトムソン膨張弁１６へと導かれる。ジュールトムソン弁１６に導かれた天然ガスは、ジュールトムソン膨張弁１６を通過することによって圧力が例えば１０ＭＰａに膨張（減圧）する。これにより、ジュールトムソン膨張弁１６を通過した天然ガスは、温度が例えば−９０℃まで低下させられることとなる。
なお、ジュールトムソン膨張弁１６による膨張によって天然ガスは、１０ＭＰａ以下になることが望ましい。

ジュールトムソン膨張弁１６を通過することによって膨張して温度の低下した天然ガスは、低圧窒素ループ１８へと導かれる。低圧窒素ループ１８に導かれた天然ガスは、低圧窒素ループ１８を構成している低圧窒素熱交換器１２へと導かれる。低圧窒素熱交換器１２に導かれた天然ガスは、低圧窒素と２段階に渡って熱交換する。すなわち、天然ガスは、低圧窒素熱交換器１２に設けられている第２過冷却部Ｋ２において例えば−１３５℃に温度が下げられ後、低圧窒素熱交換器１２に設けられている第３過冷却部Ｋ３において例えば−１６０℃にまで温度が下げられて液化される。

このようにして液化された液化天然ガスは、エンドフラッシュタンク３０へと導かれる。エンドフラッシュタンク３０に導かれた液化天然ガスは、エンドフラッシュタンク３０内で膨張することによってその温度が降下するとともに、液化天然ガス中の窒素分が放出される。温度がさらに低下して窒素分が放出された液化天然ガスは、図１に示した貨物タンク２へと導かれて貯蔵される。

エンドフラッシュタンク３０に導かれた液化天然ガスの一部は、ガス化する。ガス化した液化天然ガス（以下、「オフガス」という。）の量は、エンドフラッシュタンク３０に導かれる液化天然ガスの温度を調節することによって、フラッシュ率が例えば１０％以下になるようにする。

オフガス（例えば−１４０℃）は、エンドフラッシュタンク３０から低圧窒素熱交換器１２へと導かれる。低圧窒素熱交換器１２に導かれたオフガスは、低圧窒素熱交換器１２に設けられている第２過冷却部Ｋ２において、前述した天然ガスと熱交換する。これにより、オフガスは、その温度が例えば−１００℃とされる。さらに、オフガスは、低圧窒素熱交換器１２に設けられている第２凝縮部Ｇ２へと導かれる。第２凝縮部Ｇ２に導かれたオフガスは、後述する低圧窒素と熱交換する。第２凝縮部Ｇ２において熱交換したオフガスは、その温度が例えば３０℃に加熱されて低圧窒素熱交換器１２から導出される。

また、貨物タンク２（図１参照）内において液化天然ガスの一部が気化したボイルオフガスも、オフガスと同様に低圧窒素熱交換器１２へと導かれる。低圧窒素熱交換器１２に導かれたボイルオフガスは、低圧窒素熱交換器１２に設けられている第２過冷却部Ｋ２および第２凝縮部Ｇ２において熱交換して、その温度が例えば３０℃に加熱されて低圧窒素熱交換器１２から導出される。

次に、高圧窒素の流れについて説明する。
高圧窒素ループ１７内を循環している高圧窒素は、高圧タービン側減速機２０によって駆動される高圧窒素圧縮機１３によって例えば１２ＭＰａ、１２０℃に圧縮される。高圧とされた高圧窒素は、第３熱交換器３４へと導かれる。第３熱交換器３４に導かれた高圧窒素は、図示しない給水系統から導かれた給水と熱交換して温度が８５℃に下げられる。

第３熱交換器３４を通過した高圧窒素は、さらに第４熱交換器３５へと導かれる。第４熱交換器３５に導かれた高圧窒素は、図示しない清水系統から導かれた清水と熱交換して温度が４０℃に下げられる。４０℃まで温度が低下した高圧窒素は、高圧窒素熱交換器１１へと導かれる。高圧窒素熱交換器１１に導かれた高圧窒素は、高圧窒素熱交換器１１に設けられている第１凝縮部Ｇ１へと導かれる。

第１凝縮部Ｇ１に導かれた高圧窒素は、第１過冷却部Ｋ１を通過して膨張した高圧窒素と熱交換する。これによって、第１凝縮部Ｇ１を通過した高圧窒素は、温度が例えば−２５℃に低下する。第１凝縮部Ｇ１において熱交換して温度が低下した高圧窒素は、高温窒素膨張機１９へと導かれる。高温窒素膨張機１９へと導かれた高圧窒素は、例えば２ＭＰａ、−８５℃に膨張される。膨張して温度の低下した高圧窒素は、高圧窒素熱交換器１１に設けられている第１過冷却部Ｋ１へと導かれる。

第１過冷却部Ｋ１に導かれた膨張した高圧窒素は、前述した天然ガスと熱交換して例えば−３０℃に加熱される。第１過冷却部Ｋ１において加熱された高圧窒素は、第１凝縮部Ｇ１において第４熱交換器３５から導かれた高圧窒素と熱交換して例えば３５℃に加熱される。

高圧窒素熱交換器１１に設けられている第１過冷却部Ｋ１および第１凝縮部Ｇ１を通過して加熱された膨張した高圧窒素は、高圧窒素昇圧機２１へと導かれる。高圧窒素昇圧機２１に導かれた膨張した高圧窒素は、高圧窒素昇圧機２１によって昇圧されて例えば３ＭＰａ、８５℃とされて第５熱交換器３６へと導かれる。

第５熱交換器３６に導かれた昇圧された高圧窒素は、清水系統から導かれた清水と熱交換されて温度が例えば４０℃に下げられる。第５熱交換器３６を通過して温度の下げられた高圧窒素は、高圧窒素圧縮機１３へと導かれる。
以上のように、高圧窒素は、高圧窒素ループ１７内を循環することとなる。

次に、低圧窒素の流れについて説明する。
低圧窒素ループ１８内を循環している低圧窒素は、低圧タービン側減速機２３によって駆動される低圧窒素圧縮機１４によって例えば５ＭＰａに圧縮される。圧縮された低圧窒素は、第６熱交換器３７へと導かれる。第６熱交換器３７に導かれた低圧窒素は、給水系統から導かれた給水と熱交換して温度が例えば８５℃に下げられる。

第６熱交換器３７を通過した低圧窒素は、さらに第７熱交換器３８へと導かれる。第７熱交換器３８に導かれた低圧窒素は、給水系統から導かれた給水と熱交換して温度が例えば４０℃に下げられる。第６熱交換器３７および第７熱交換器３８を通過して温度が低下した低圧窒素は、低圧窒素熱交換器１２へと導かれる。低圧窒素熱交換器１２に導かれた低圧窒素は、低圧窒素熱交換器１２に設けられている第２凝縮部Ｇ２へと導かれる。

第２凝縮部Ｇ２に導かれた低圧窒素は、第２過冷却部Ｋ２を通過して膨張した低圧窒素と熱交換する。これによって、第２凝縮部Ｇ２を通過した低圧窒素は、温度が例えば−９０℃に下げられる。第２凝縮部Ｇ２において熱交換した低圧窒素は、低圧窒素熱交換器１２から低圧窒素膨張機２２へと導かれる。低圧窒素膨張機２２に導かれた温度の低下した低圧窒素は、膨張して例えば３ＭＰａ、−１６４℃にされる。膨張し温度がさらに低下した低圧窒素は、低圧窒素熱交換器１２に設けられている第３過冷却部Ｋ３へと導かれる。

第３過冷却部Ｋ３に導かれた膨張した低圧窒素は、前述した第２過冷却部Ｋ２を通過した天然ガスと熱交換して例えば−１４０℃に加熱される。第３過冷却部Ｋ３を通過した膨張した低圧窒素は、さらに、第２過冷却部Ｋ２においてジュールトムソン膨張弁１６から低圧窒素熱交換器１１へと導かれた天然ガスと熱交換する。天然ガスと熱交換して膨張した低圧窒素は、例えば−１００℃まで加熱される。

第２冷却器Ｋ２を通過して膨張した低圧窒素は、さらに低圧窒素熱交換器１１に設けられている第２凝縮部Ｇ２へと導かれる。第２凝縮部Ｇ２に導かれた膨張した低圧窒素は、第７熱交換器３８から導かれた低圧窒素と熱交換する。これにより、膨張した低圧窒素は、例えば３６℃とされて低圧窒素熱交換器１２から導出される。

低圧窒素熱交換器１２に設けられている第３過冷却部Ｋ３、第２過冷却部Ｋ２および第２凝縮部Ｇ２を通過して加熱された低圧窒素は、低圧窒素昇圧機２４へと導かれる。低圧窒素昇圧機２４に導かれた膨張した低圧窒素は、低圧窒素昇圧機２４によって昇圧されて例えば１ＭＰａ、８５℃とされる。昇圧された低圧窒素は、第８熱交換器３９へと導かれる。

第８熱交換器３９に導かれた昇圧された低圧窒素は、給水系統から導かれた給水と熱交換して温度が例えば４０℃に下げられる。第８熱交換器３９を通過して温度が下げられた低圧窒素は、低圧窒素圧縮機１４へと導かれる。
以上のように、低圧窒素は、低圧窒素ループ１８内を循環することとなる。

次に、蒸気の流れについて説明する。
低圧窒素熱交換器１２に設けられている第２凝縮部Ｇ２から導出されて例えば３０℃に加熱されたオフガスおよびボイルオフガスは、ボイラへと導かれる。ボイラに導かれたオフガスおよびボイルオフガスは、ボイラの燃料として燃焼されて高温高圧（例えば５５５℃、１１ＭＰａ）の蒸気を発生させる。ボイラで発生した蒸気は、圧縮機駆動用蒸気タービン１５の高圧タービン１５ａへと導かれる。高圧タービン１５ａに導かれた蒸気は、その熱エネルギーを高圧タービン１５ａの回転エネルギーへと変換して高圧タービン１５ａを回転駆動する。高圧タービン１５ａが回転駆動することによってプライマリー軸１５ｅが回転する。プライマリー軸１５ｅが回転することによって、プライマリー軸１５ｅに設けられている中圧タービン１５ｂおよび高圧タービン側減速機２０が駆動される。

一方、高圧タービン１５ａを回転駆動した蒸気は、例えば２ＭＰａとされて高圧タービン１５ａから導出される。高圧タービン１５ａから導出された蒸気は、図示しない再熱器へと導かれる。再熱器に導かれた蒸気は、再熱器によって例えば５５５℃の再熱蒸気とされる。この再熱蒸気は、圧縮機駆動用蒸気タービン１５の中圧タービン１５ｂへと導かれる。

中圧タービン１５ｂに導かれた再熱蒸気は、その熱エネルギーを中圧タービン１５ｂの回転エネルギーへと変換して中圧タービン１５ｂを回転駆動する。中圧タービン１５ｂが回転駆動することによってさらにプライマリー軸１５ｅがさらに回転する。プライマリー軸１５ｅがさらに回転することによって、プライマリー軸１５ｅに設けられている高圧タービン側減速機２０がさらに駆動されることとなる。

中圧タービン１５ｂは、その途中段から蒸気の一部が抽気される。抽気された例えば１ＭＰａの蒸気は、浮体式液化天然ガス製造設備１（図１参照）内で用いる高圧雑用蒸気等に用いられる。
中圧タービン１５ｂの全段を通過した蒸気は、例えば１１０℃とされて圧縮機駆動用蒸気タービン１５の第１低圧タービン１５ｃへと導かれる。

第１低圧タービン１５ｃに導かれた蒸気は、その熱エネルギーを第１低圧タービン１５ｃの回転エネルギーへと変換して第１低圧タービン１５ｃを回転駆動する。第１低圧タービン１５ｃが回転駆動することによってセカンダリー軸１５ｆが回転する。セカンダリー軸１５ｆが回転することによって、セカンダリー軸１５ｆに設けられている第２低圧タービン１５ｄおよび低圧タービン側減速機２３が駆動されることとなる。

第１低圧タービン１５ｃは、その途中段から蒸気の一部が抽気される。抽気された例えば０．１ＭＰａの蒸気は、浮体式液化天然ガス製造設備１（図１参照）内で用いる低圧雑用蒸気等に用いられる。
第１低圧タービン１５ｃの全段を通過した蒸気は、セカンダリー軸１５ｆに設けられている第２低圧タービン１５ｄへと導かれる。

また、第２低圧タービン１５ｄには、別途、図示しないアシスト蒸気供給系統より例えば０．６ＭＰａのアシスト蒸気が供給される。供給されたアシスト蒸気により第２低圧タービン１５ｄは、回転駆動される。第２低圧タービン１５ｄが回転駆動ことによって、セカンダリー軸１５ｆに接続されている低圧タービン側減速機２３を駆動することが可能となっている。

第１低圧タービン１５ｃの全段を通過した蒸気および第２低圧タービン１５ｄを駆動したアシスト蒸気は、図示しない主復水器へと導かれて海水と熱交換して復水とされる。

このように、圧縮機駆動用蒸気タービン１５は、プライマリー軸１５ｅとセカンダリー軸１５ｆとによって各々独立に高圧タービン側減速機２０と低圧タービン側減速機２３とを制御することができ、さらに、アシスト蒸気によって第２低圧タービン１５ｄを駆動することによっても低圧タービン側減速機２３を独立に制御することができるようになっている。

ここで、本実施形態の天然ガスおよび窒素冷媒のＴ−Ｈ線図について図４および前述した図５を用いて説明する。
図４には、本実施形態の天然ガスおよび窒素冷媒のＴ−Ｈ線図が示されている。
図４では、縦軸に熱負荷（ｋＷ）を示し、横軸に温度（℃）を示す。図４の実線は、１５ＭＰａまたは４ＭＰａに昇圧した天然ガスを示し、一点鎖線は、４ＭＰａに昇圧した場合の天然ガスと熱交換する窒素を示す。

また、図５には、複数の圧力における天然ガスおよび窒素の関係を示したＴ−Ｈ線図が示されている。
図５では、縦軸に熱負荷（ｋＷ）を示し、横軸に温度（℃）を示す。図５の実線は、１５ＭＰａに昇圧した天然ガスを示し、点線は、４ＭＰａに昇圧した天然ガスを示し、一点鎖線は、４ＭＰａの比較的低圧の天然ガスに対して温度差が小さな窒素を示し、二点鎖線は、１５ＭＰａの高圧の天然ガスに対して温度差が小さな窒素を示す。

図５に示すように、４ＭＰａの天然ガス（実線）は、窒素と熱交換して温度が低下する過程において温度変化がほとんど生じないステップ状が発生する。天然ガスの液化は、窒素との温度差が小さい方が液化効率がよいため、窒素（点線）と天然ガスとの温度差が最も小さくなるピンチポイントがステップ状になってしまう。そのため、ステップ状以外の熱交換過程では、天然ガスと窒素との温度差が大きくなり全体として液化効率が低下しまう。

天然ガスを例えば１５ＭＰａの高圧に昇圧した場合（点線）には、４ＭＰａの天然ガスにおいて生じていたステップ状がなくなり、天然ガスの温度変化が略直線状になる。そのため、１５ＭＰａの天然ガスと窒素（二点鎖線）との温度差が小さくなり全体に渡って効率的に液化することができる。

なお、図５に示すように、天然ガスの低温部においては、天然ガスの圧力が１５ＭＰａの場合であっても４ＭＰａの場合であっても、窒素との温度差は小さくなっている。

本実施形態では、図４に示すように、天然ガスの高温部では、天然ガスを高圧（例えば１５ＭＰａ）に昇圧して、天然ガスの低温部では、天然ガスを比較的低圧（例えば４ＭＰａ）に昇圧して窒素と熱交換させることによって熱交換過程の全域に渡って略均一の温度差にすることとした。

すなわち、天然ガスの高温部では、高圧の天然ガスを高圧窒素ループ１７の高圧窒素と熱交換させ、天然ガスの低温部では、低圧の天然ガスを低圧窒素ループ１８の低圧窒素と熱交換させる。
また、高圧窒素ループ１７と低圧窒素ループ１８との間には、ジュールトムソン膨張弁１６を設けて１５ＭＰａの高圧の天然ガスを４ＭＰａの低圧の天然ガスに膨張させることにした。これにより、図４に示すように、天然ガスの高圧部における温度と、４ＭＰａの低圧の天然ガスの温度との差を小さくして、天然ガスの全領域にわたる温度変化を略直線状になるようにすることができる。

以上の通り、本実施形態に係る液化装置１０およびこれを備えている浮体式液化天然ガス製造設備１によれば、以下の作用効果を奏する。
単一成分の高圧窒素（高温側熱媒体）を高圧窒素熱交換器（高温側熱媒体用熱交換器）１１へ、高圧窒素と同種類の低圧窒素（低温側熱媒体）を低圧窒素熱交換器（低温側熱媒体用熱交換器）１２へと導き、高圧窒素熱交換器１１と低圧窒素熱交換器１２との間には、天然ガス（被液化ガス）を所定圧に減圧するジュールトムソン膨張弁（減圧弁）１６を設けることとした。これにより、高圧窒素熱交換器１１を通過した天然ガスをジュールトムソン膨張弁１６により低圧窒素の温度変化に近似させて低圧窒素熱交換器１２へと導くことができる。そのため、天然ガスと高圧窒素との熱交換による温度差と、天然ガスと低圧窒素との熱交換による温度差とをそれぞれ熱交換過程において略一定に保つことができる。したがって、単一成分の窒素（熱媒体）を用いて、天然ガスを効率的に液化することができる。

プライマリー軸（高圧タービン側軸）１５ｅに高圧タービン側減速機２０を介して高圧窒素圧縮機（高温側熱媒体用圧縮機）１３を接続し、セカンダリー軸（低圧タービン側軸）１５ｆに低圧タービン側減速機２３を介して低圧窒素圧縮機（低温側熱媒体用圧縮機）１４を接続することとした。圧縮機駆動用蒸気タービン（クロスコンパウンドタービン）１５を構成しているプライマリー軸１５ｅとセカンダリー軸１５ｆとは、互いに分離しているため、プライマリー軸１５ｅに接続されている高圧タービン１５ａおよび中圧タービン（高圧タービン）１５ｂ、セカンダリー軸１５ｆに接続されている第１低圧タービン（低圧タービン）１５ｃおよび第２低圧タービン（低圧タービン）１５ｄとを各々制御することによって高圧窒素圧縮機１３と低圧窒素圧縮機１４とをそれぞれ独立に制御することができる。したがって、高圧窒素と低圧窒素とを互いに独立に圧縮することができ、高圧窒素ループ１７を循環する高圧窒素と低圧窒素ループ１８を循環する低圧窒素との冷凍負荷を独立に制御することができる。

天然ガスと高圧窒素とが熱交換する高圧窒素熱交換器１１には、ステンレスプレートディフュージョンタイプ（プレート式）を用いることとした。そのため、高圧窒素熱交換器１１を小型化することができる。したがって、液化装置１０を構成している高圧窒素熱交換器１１が格納されているコールドボックス５のコンパクト化を図ることができる。

また、ジュールトムソン膨張弁１６を通過することによって天然ガスの圧力を低下させて低圧窒素熱交換器１２にアルミロウ付プレートフィンタイプ（プレート式）を用いることとした。そのため、低圧窒素熱交換器１２も小型化することができる。したがって、液化装置１０を構成しているコールドボックス５を更にコンパクトにすることができる。

液化天然ガス中のオフガスおよびボイルオフガスを燃料として燃焼して蒸気を発生するボイラ（蒸気発生手段）を用いることとした。そのため、圧縮機駆動用蒸気タービン１５を駆動する蒸気を液化ガス装置１０において生じたオフガスやボイルオフガスを用いて駆動することができる。したがって、液化装置１０から生じるオフガスやボイルオフガスを有効に利用することができる。

蒸気によって駆動する圧縮機駆動用蒸気タービン１５によって構成されている液化装置１０を浮体式液化天然ガス製造設備（浮体式液化ガス製造設備）１に用いることとした。そのため、圧縮機駆動用蒸気タービン１５には、既存の舶用主機に用いられているクロスパウンド式の蒸気タービンを適用することができる。したがって、高圧窒素圧縮機１３および低圧窒素圧縮機１４を駆動するために圧縮機駆動用蒸気タービン１５の新たな開発が不要となり、既存の機器を有効利用することができる。

熱媒体に不燃性の窒素を用いる高圧窒素圧縮機１３および低圧窒素圧縮機１４と、高圧窒素熱交換器１１および低圧窒素熱交換器１２とによって構成されている液化装置１０を浮体式液化天然ガス製造設備１に用いることとした。また、高圧窒素圧縮機１３および低圧窒素圧縮機１４の駆動には、圧縮機駆動用蒸気タービン１５を用いることとした。これらにより、熱媒体等の可燃性ガスが漏洩することによる爆発の危険性を防止することができる。そのため、浮体式液化天然ガス製造設備１の甲板下の液化装置用動力装置区画６に、高圧窒素圧縮機１３、低圧窒素圧縮機１４や圧縮機駆動用蒸気タービン１５などの機器を配置することができる。したがって、甲板上の液化装置１０の配置スペースを削減することができる。

また、本実施形態では、液化装置１０に用いられる熱媒体として、窒素を用いて説明したが不燃性の熱媒体であればよい。
また、本実施形態では、被液化ガスとして液化天然ガス（ＬＮＧ）を用いて説明したが、液化石油ガス（Liquefied petroleum gas:ＬＰＧ）等であっても良い。

また、本実施形態では、昇圧コンプレッサ３１から高圧窒素熱交換器１１へと導かれる天然ガスを第１熱交換器３２および第２熱交換器３３によって予冷するとして説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、チラー水によって予冷しない、すなわち第２熱交換器３３を設けないものとしても良い。チラー水を用いて−１０℃から−３０℃程度まで予冷することによって、高圧窒素ループ１７および低圧窒素ループ１８に導かれる高圧窒素および低圧窒素を圧縮する動力の削減効果を高めることができるが、予冷を行わなくても良い。

また、船内動力設置区画４に設けられているガス焚きディーゼル機関から排出される高温の排気ガスを排熱回収ボイラ等の排熱回収装置（図示せず）へと導いて蒸気を発生させ、排熱回収ボイラによって発生した蒸気を圧縮機駆動用蒸気タービン１５へと導いて圧縮機駆動用蒸気タービン１５の起動等に利用しても良い。これにより、ガス焚きディーゼル機関からの排熱を有効に利用することができる。

１ 浮体式液化天然ガス製造設備（浮体式液化ガス製造設備）
１０ 液化設備
１１ 高圧窒素熱交換器（高温側熱媒体用熱交換器）
１２ 低圧窒素熱交換器（低温側熱媒体用熱交換器）
１６ ジュールトムソン膨張弁（減圧弁）

Claims (6)

1. 高温側窒素熱交換器を用いて、単一成分の高温側窒素と天然ガスを熱交換させ、
   減圧弁を用いて、前記高温側窒素と熱交換した前記天然ガスを減圧し、
   低温側窒素熱交換器を用いて、減圧した前記天然ガスを前記高温側窒素よりも低温かつ同種類の低温側窒素と熱交換させて液化し、
   前記高温側窒素は高温側窒素圧縮機で圧縮された後に膨張させられて前記高温側窒素熱交換器に導入され、
   前記低温側窒素は低温側窒素圧縮機で圧縮された後に膨張させられて前記低温側窒素熱交換器に導入される液化方法。
2. 天然ガスと単一成分の高温側窒素とが熱交換する高温側窒素熱交換器と、
   該高温側窒素熱交換器から導出された前記天然ガスを減圧する減圧弁と、
   該減圧弁を通過した前記天然ガスと、前記高温側窒素よりも低温かつ同種類の低温側窒素とが熱交換する低温側窒素熱交換器と、を備え、
   前記高温側窒素は高温側窒素圧縮機で圧縮された後に膨張させられて前記高温側窒素熱交換器に導入され、
   前記低温側窒素は低温側窒素圧縮機で圧縮された後に膨張させられて前記低温側窒素熱交換器に導入される液化装置。
3. 蒸気が導かれて駆動される高圧タービンと、
   該高圧タービンに接続される高圧タービン側軸と、
   前記高圧タービンから導出された蒸気が導かれて駆動される低圧タービンと、
   該低圧タービンに接続される低圧タービン側軸と、を有するクロスコンパウンドタービンと、
   前記高温側窒素熱交換器に導かれる高温側窒素を圧縮する高温側窒素圧縮機と、
   前記低温側窒素熱交換器に導かれる低温側窒素を圧縮する低温側窒素圧縮機と、
   前記高圧タービンに導かれる蒸気を発生する蒸気発生手段と、を備え、
   前記高温側窒素圧縮機を前記高圧タービン側軸に接続し、前記低温側窒素圧縮機を前記低圧タービン側軸に接続する請求項２に記載の液化装置。
4. 前記高温側窒素熱交換器は、プレート式である請求項２または請求項３に記載の液化装置。
5. 前記蒸気発生手段は、液化された前記天然ガス中のオフガスを燃料として蒸気を発生する請求項３に記載の液化装置。
6. 請求項２から請求項５のいずれかに記載の液化装置を備える浮体式液化ガス製造設備。

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