技術報告 LNG( 液化天然ガス ) 用ボイルオフガス圧縮機の開発 LNG( 液化天然ガス ) 用ボイルオフガス圧縮機の開発 Development of LNG Boil Off Gas Compressor 平隼也 児嶋伸士 宮本寛志 立山省吾 Toshiya Taira Shinji Kojima Hiroshi Miyamoto Shogo Tateyama 要 旨 近年 シェールガス革命や地球環境問題に関連し 天然ガスへの注目が高まっている 産出された天然ガスの貯蔵 運搬には大きく分けて二通りあり 1つは気体として利用する方法 もう 1 つは液体として利用する方法である 本報では 液化貯蔵 運搬時に必要となるボイルオフガス圧縮機の開発に際し 実施した検討内容について紹介する Synopsis Recently, in connection with shale gas revolution and global environment problem, natural gas is increasingly attracting attention. The methods to store and transport natural gas are roughly divided into two use modes, gas and liquid. In this paper, we present recent achievements in the development of Boil Off Gas compressor needed to store and transport liquefied gas. 1. 緒言 近年 圧縮機の技術進歩に伴い その使用用途は多様化している その中でも 地球温暖化などの環境問題により注目されている液化天然ガス (Liquefied Natural Gas これ以降 LNG と表記 ) の運搬 貯蔵時に使用されるボイルオフガス圧縮機 ( これ以降 BOG 圧縮機と表記 ) は 世界的な LNG 需要増加とともに市場が拡大している 図 1 に LNG 用 BOG 圧縮機の使用系統図を示す 1 LNG をタンク内に貯蔵している 2タンクへの外気からの熱侵入 または LNG を再液化装置に用いた際に熱が加わるため BOG が発生する 3 BOG を圧縮機により圧縮する 4 圧縮した BOG は用途によって ガスとして使用されるか あるいは再液化装置に送られる 5 送られたガスは再液化装置内で さらに冷却されることで液化され タンクに戻る 図 1 BOG 圧縮機の使用系統図 LNG 用 BOG 圧縮機では気化したガスの温度が -150 ~ -120 と極低温であり 従来の圧縮機構ではラビリンス機能が保持できない為 ラビリンス機能が可能となる LNG 用 BOG 圧縮機の開発を行った 広島製作所産機部 Industrial Machinery Dept., Hiroshima Plant (102) 日本製鋼所技報 N o. 6 5( 2 014. 10)
2. 構造検討 LNG 用 BOG 圧縮機は -150 の極低温ガスを取り扱うため 接ガス部に使用される材料は 低温脆性を考慮し慎重に選定することが必要である また 極低温用圧縮機の構造としては低温ガスの温度影響を配管 シリンダ等のガス流路部のみに留めることで 駆動部を従来のまま使用できる構造とした 2.1. シリンダ構造について 2.1.1 従来のシリンダ構造ラビリンス式圧縮機は ピストンとシリンダの間に隙間を持たせ ピストンに刻まれたラビリンス溝によって 非接触のガスシールを行うことが可能である また この非接触シールがガスのクリーン性とメンテナンス間隔の向上に寄与しており これがラビリンス式圧縮機の長所である 従来のシリンダの構造は図 3 の通りシリンダ内に冷却水の流路 ( これ以降はシリンダジャケットと表記 ) を設けた構造となっており その理由として 下記の 2 点が挙げられる 図 2 圧縮機の基本構造 1 吸入ガスと吐出ガスの温度差によって発生する熱変形を防ぐ ( 隙間変化による処理量減 ピストンとの接触を防ぐ ) 2ガス圧縮に伴う温度変化がシリンダに伝わり さらにフレームに伝わらないようにする 2.1.2 極低温用シリンダ構造 -150 のガスを圧縮する場合 吐出ガスの温度は圧縮比によって若干変動するが -50 近傍となる そのため シリンダの温度としては 吐出温度で安定したとしても - 80 程度になり 従来の構造を使用した場合 シリンダジャケット内にどのような流体を流しても凍結してしまい 温度維持ができず 熱変形を防ぐことができない また 凍結膨張によりシリンダジャケットが破壊する可能性も考えられる そこで 極低温下でも使用できる材料の中でも製造容易性を考慮し 線膨張係数の小さい材料を用いることで熱変形を最小とし 図 4 に示すようなシリンダジャケットを取り除いた構造とした しかしながら このシリンダ構造では フレームへの熱影響を防ぐことができない そこで シリンダとフレームとの間に熱的防護のための流体を流すことができるサーマルバリアを設置する構造を採用した 図 3 シリンダ ( ジャケット有 ) 図 4 シリンダ ( ジャケット無 ) (103)
LNG 液化天然ガス 用ボイルオフガス圧縮機の開発 図 5 に従来構造と極低温構造の違いを示す ②設計プログラム改造のための性能確認 現在 当社の圧縮機の設計には独自の計算プログラムを用 いている そこで 新構造に対しても同プログラムを使用で きるようにするために 極低温ガスにおける圧縮機の型式 選定に用いる吸入圧力および吸入温度 圧縮比を変化させ た場合の温度変化および圧縮機性能の指標の 1 つである 流量変化を測定し プログラムを改訂した 表 1 極低温試験用圧縮機の仕様 図5 3. 従来構造と極低温構造の違い 検証試験および結果 3.1 新構造の妥当性の確認 2 項にて説明した新構造を採用した試験機で極低温運転 2 項の対応を行った極低温試験用圧縮機の仕様を表 1 に 示す これにより 低温窒素ガス 液体窒素 を使用流体 として 以下の 2 点の検証試験を行った を行った 図 6 は極低温運転を行った際の温度と圧力であり 図 7 は運転中のシリンダを示す 図 6 にあるように実際の LNG 用 BOG 圧縮機と同等の -150 で圧縮運転を行い カバー ①新構造の妥当性の確認 等よりガスの外部への漏れもなく フレーム温度も 0 以上 熱変形の影響を考慮した構造にて 極低温運転を行い であったことから 運転は可能であると判断した そこで 運転前後の各部の寸法および摩耗状況を比較し 健全性 次に新構造の妥当性を確認するため ラビリンス式圧縮機 を確認することで 各部で検討した熱収縮対策の妥当性を の性能を左右するピストンとシリンダとの隙間の評価を行っ 確認した た 方法としては 試験前後のピストンおよびシリンダの内 径を比較検討することで評価した 図7 図6 104 シリンダ 運転試験中 運転試験時の温度および圧力変化 日本製鋼所技報 No.65 2014.10
3.1.1 ピストンとシリンダの摩耗状況運転試験前後でシリンダには摩耗はほとんどなく 製作時の許容寸法内に収まっていたが 図 8 に示すようにピストンスリーブの上部に偏摩耗が確認された このピストンスリーブの偏摩耗の原因は 低温運転時のシリンダの熱変形によりスリーブが部分的に接触したものと考えられる 図 9 は冷却によるシリンダの熱変形を FEM 解析した結果である 上部のみが偏摩耗した理由としては ガスの圧縮により吐出側のガスは暖められ 吸入側に撓むように収縮したシリンダとピストンの吐出側が接触したことによるものと考えられる また 運転前後の各寸法を確認したところ 偏磨耗があった上部は若干の隙間増加があったものの 値としては小さいことから 現状の設計でも問題ないと判断した 図 8 運転試験後のピストンスリーブ 3.2 設計プログラムへの低温補正導入設計時に一番重要となる圧縮機の流量を確認した 図 10 は図 6 の運転における推定理論流量と実測流量である ガス温度が低下していくにつれて 従来構造に関する流量算出式で推定した理論流量と実測流量に差が生じ 実測流量が理論流量より最大で約 20% 少ない値となった 試験後の圧縮機の各部を確認し 構造的な問題が起きていないことから この流量減少の原因として ガス起因とする圧縮機の吸込み不足が考えられ 要因として以下 2 点が考えられる 1 つ目は漏れガスの増加である 漏れガスとは ピストンとシリンダとの隙間を通って 圧縮 吐出行程の圧縮室から吸入 膨張行程の圧縮室に流れ込むガスである 図 9 冷却によるシリンダの熱変形上述の隙間が増加して ラビリンスのシール機能が低下すれば この漏れガスが増加し 圧縮機の吐出流量が減少することになる 2 つ目はシリンダを通過するガスの温度上昇である 低温ガスがシリンダの各部を通過する際に熱をもらい ガスは温度上昇および膨張を起こす しかし ピストン径は温度上昇 膨張前の圧力 温度条件を基に設計されているため 必要な処理量を出せなくなる 図 10 運転試験時の推定理論流量および実測流量 (105)
この温度上昇は図 11 に示すように大きく分けて 4 箇所での温度上昇が考えられる 各部での温度上昇の原因は異なり 各弁室 1, 4での温度上昇は大気との間の熱授受 圧縮室 2での温度上昇はガス圧縮による発生熱と大気との間の熱授受 漏れガス3は圧縮により昇温したガスが吸入ガスと混ざることが原因であると考えられる 温度上昇の可能性がある部位 1 吸入側弁室 2 圧縮室 3 漏れガス 4 吐出側弁室 次に 2および 3の圧縮室内での温度上昇を考える そこで考えられる原因は大気との間の熱授受 ガス圧縮による発生熱 圧縮昇温された漏れガスである 大気との間の熱授受はシリンダ外表面に堆積した霜が断熱材として働くため 温度上昇への影響は小さい また 圧縮 吐出行程の圧縮室から吸入 膨張行程の圧縮室に流れ込む圧縮昇温された漏れガスは量的には少なく これも温度上昇への影響は小さい したがって この温度上昇の原因としてガス圧縮による発生熱が考えられる この熱はガスの圧縮行程によって発生するが この発生熱によるシリンダ内での温度上昇メカニズムを図 12 に示す シリンダ内での温度上昇のメカニズム 1 圧縮により昇温したガスがシリンダ壁を加熱する 2 暖められたシリンダ壁は次に吸入されたガスを加熱する 図 11 シリンダ内で起きる温度上昇 図 12 温度上昇メカニズム この 2 つの要因の内 1 つ目の漏れガスの増加は 運転中に起きる熱収縮による隙間の増加量を算出したところ 影響としては小さく 本項目が流量減少の主な原因とは考え難い そこで 2 つ目の通過時の温度上昇について 測定を行った まず 図 11 における 1および 4となる各弁室の温度測定を行ったところ その温度に基づく理論流量は実測流量から大きく離れており 各弁室での大気との間の熱の授受が温度上昇の主な原因とは考えられない しかし このガス圧縮による発生熱を取り去ることは難しいことから 温度影響を考慮した設計が必要となってくる そこで 試験結果を基に温度上昇の推算式を作成した 推算式の入力項目として設計時に判明している条件を採用し 実際の設計時にも使用できるものとした (1 5) 図 13 は温度補正式を用いて流量補正した結果である 温度が安定するまでは実際の流量と大きく異なっているが 温度が安定すると実測流量に近い結果となった 図 13 流量検討結果 ( 温度補正式 ) (106) 日本製鋼所技報 N o. 6 5( 2 014. 10)
3.3 実ガスでの運転当社内での検証試験が完了後 A 社のテストプラントにおいて天然ガスによる実ガス運転を行った 図 15 の通り 吸入圧力 吐出圧力 吸入温度を変化させた運転を行い 改造を行った設計プログラムの信頼性 ラビリンス / コンタクト式ロッドパッキンのシール性 シリンダ / フレーム間に設けたサーマルバリアの効果を確認した 3.3.1 設計プログラムの信頼性実ガス運転を通して改造した設計プログラムの信頼性を確認することは必須項目であり この運転において圧縮機の重要な性能指標の一つである流量に関して検証を行った 検証の結果 定常運転時の設計プログラムによる流量の計算値と実測値との間に性能に影響を与えるような差異はなかったことから 改造した設計プログラムの信頼性を確認することができた 3.3.2 ラビリンス / コンタクト式ロッドパッキンのシール性圧縮機のロッドパッキンには ユーティリティの使用を可能な限り少なくするために シールガスが不要なラビリンス / コンタクト式を採用している 液化エチレンの温度域までのガスに対してそのシール性は実証されているが LNG の温度域では初めての試みである そこで 実ガス運転時におけるロッドパッキンのシール性を検証するため シール性が損なわれると圧力上昇を示すディスタンスピース内 ( 図 14 を参照 ) の圧力を測定した その結果 運転前後においてディスタンスピース内で圧力上昇が見られなかったことから シール性に問題がないことが確認できた 3.3.3 サーマルバリアの効果実ガス運転時に熱媒に汎用の不凍液を使用して 図 5 に示したサーマルバリアの常時循環運転を行った なお 不凍液をヒータによる熱媒の加熱は行わず 低温運転におけるシリンダ サーマルバリア フレーム各部の温度変化を測定した 吸入ガス すなわちシリンダ入口温度が -100 の際 シリンダ底部外壁で -15 サーマルバリア外壁で +5 フレーム上部では +15 程度との測定結果が得られた これにより サーマルバリアによるフレームの冷却を抑制する効果が実証できた 4. 結言本報告では LNG 用 BOG 圧縮機の開発を行った際の検討事項および検討結果を紹介した この開発にて新構造での運転を実証するとともに -150 での実際の運転データに基づいた設計プログラムの改造により 正確な圧縮機の設計を行うことができるようになった 現在は世界的な需要増加に伴い 拡大する LNG 用 BOG 圧縮機の市場に改造された設計プログラムを用いて 対応している 5. 参考文献 1) 日本機械学会編 : 機械学便覧基礎編 a2 機械工学 P. 142-147 2) 日本機械学会編 : 機械学便覧応用システム編 γ2 流体機械 P. 139-155 3) 栗野誠一, 葛岡常雄著 : 伝熱工学 P. 26-66 4) 数森敏郎著 : 新版圧縮機 P. 8-38 5) 日本機械学会著 : 伝熱ハンドブック P. 364-426 図 14 シリンダ構造 図 15 実ガスでの運転データ (107)