JP2017141996A - 昇圧システム - Google Patents

Abstract

【課題】運転の最中に部分負荷運転のように負荷が変動する場合にも、最終吐出圧力を安定して制御できる昇圧システムを提供すること。【解決手段】本発明の昇圧システム１Ａは、ポンプ部４の上流において主冷却部３１で冷却、生成れた中間超臨界圧液体の温度を、供給する冷却媒体の流量によって調整する冷却温度調整部９Ａと、ポンプ部４の入口側において中間超臨界圧液体の入口圧力Ｐ１を検出するとともに、ポンプ部４の出口側において目標超臨界流体の出口圧力Ｐ２を検出する圧力検出部と、を備える。冷却温度調整部９Ａは、入口圧力Ｐ１と出口圧力Ｐ２の圧力差、又は、入口圧力Ｐ１と出口圧力Ｐ２の圧力比、に基づいて、冷却媒体の流量を制御することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、気体の昇圧を行う昇圧システムに関する。

昇圧システムは、対象となる気体を目標圧力まで昇圧する装置であり、昇圧システムを利用して二酸化炭素を昇圧して液化させ、陸上又は海底の地中へ貯留することで大気中の二酸化炭素を低減する技術が検討されている。近年、温室効果ガスとして知られる二酸化炭素の排出量増大によって地球温暖化等の問題が顕在化してきており、例えば火力発電所の排気ガスに含まれる二酸化炭素を分離・回収した後に、昇圧システムによって昇圧することが検討されている。

この昇圧システムにおいては、多段に構成された圧縮機によって段階的に二酸化炭素の圧縮を行い、超臨界圧力・温度以上の状態となった二酸化炭素を冷却することで、輸送・貯留に最適な目標温度・圧力の二酸化炭素を得ている。この昇圧システムとしては、特許文献１及び特許文献２に開示されたシステムが知られている。

特許文献１及び特許文献２に開示された昇圧システムは、主たる要素として圧縮部と、冷却部と、ポンプ部とを備える。圧縮部は、臨界圧以上、目標圧未満の中間圧まで対象気体を圧縮して中間超臨界流体を生成する。冷却部は、圧縮部で生成された中間超臨界流体を臨界温度近傍まで冷却して中間超臨界圧液体を生成する。また、ポンプ部は、冷却部で生成された中間超臨界圧液体を目標圧以上の圧力まで昇圧する。冷却部は、圧縮部で生成された中間超臨界流体の一部を抽液して冷却媒体として用いる。
特許文献２は、ポンプ部の上流に冷却温度調整部を設けることで、冷却部で生成される中間超臨界圧液体の温度を調整する。こうして、特許文献２は、ポンプ部のポンプ回転数が一定の状態であっても、冷却部で生成される中間超臨界圧液体の温度を調整することで、最終的に生成される目標超臨界流体の圧力を調整することができる。より具体的には、特許文献２は、ポンプ部よりも下流側に設けられる加熱部によって加熱された二酸化炭素の圧力を検出する圧力検出部と、冷却部へ供給する冷却媒体（中間超臨界流体）の量を調整する流量調整弁と、を設け、圧力検出部で検出された検出値と所定の圧力範囲との偏差に基づいて、流量調整弁の開度を調整する。こうすることで、特許文献２は、冷却部で生成され、ポンプ部に吸入される中間超臨界圧液体の温度（ポンプ入口温度）を調整する。なお、特許文献２において、加熱部によって加熱された二酸化炭素の圧力は、昇圧システムの最終吐出圧力である。

特許第５８２６２６５号公報 国際公開第２０１５／１０７６１５号

以上の昇圧システムにおいて、定格運転点よりも二酸化炭素の流量が少ない部分負荷による運転が行われることがある。この部分負荷運転をする場合においても、昇圧システムの最終吐出圧力を一定に維持することが求められる。
ところが、特許文献２に開示される制御方法にしたがって冷却部へ供給する冷却媒体の量を調整すると、ポンプ部へ向かう中間超臨界流体の量が変化するために、ポンプ部の入口側の二酸化炭素の温度（ポンプ入口温度）だけでなくポンプ部の入口側の二酸化炭素の圧力（ポンプ入口圧力）も変化してしまう。密度は温度及び圧力の両方の影響を受けて変化するために、圧力変化による制御動作が加わってしまい、流量調整弁が想定している制御動作と異なる動きをすることが懸念される。例えば、ポンプ部の出口側の圧力（ポンプ出口圧力）、つまり最終吐出圧力が所定の圧力範囲よりも高い場合には、流量調整弁の開度を小さくして、冷却部への冷却媒体の流量を絞り、ポンプ入口温度を高くすることになる。そうすると、ポンプ出口圧力に基づく流量調整弁の制御においては、ポンプ部へ向かう中間超臨界流体の量が増えるために、ポンプ入口圧力が高くなるので、ポンプ出口圧力を手低くしたいという要求と干渉してしまい、本来予定されていたポンプ入口温度の変化による二酸化炭素の密度調整ができなくなることがある。
また、例えば、圧縮部の動作を制御することによりポンプ入口圧力を一定に制御できるが、この制御とポンプ出口圧力（最終吐出圧力）の制御とが干渉してしまい、安定した運転ができなくなる。

以上より、本発明は、運転の最中に部分負荷運転のように負荷が変動する場合にも、最終吐出圧力を安定して制御できる昇圧システムを提供することを目的とする。

本発明による昇圧システムは、対象気体を臨界圧より高い目標圧以上の圧力まで昇圧する昇圧システムであって、臨界圧以上、目標圧未満の中間圧まで対象気体を圧縮して中間超臨界流体を生成する第一圧縮部と、第一圧縮部で生成された中間超臨界流体を臨界温度近傍まで冷却して中間超臨界圧液体を生成する冷却部と、冷却部で生成された中間超臨界圧液体を目標圧以上の圧力まで昇圧する第二圧縮部と、第二圧縮部の上流にて冷却部で生成された中間超臨界圧液体の温度を、供給する冷却媒体の流量によって調整する冷却温度調整部と、第二圧縮部の入口側において中間超臨界圧液体の入口圧力Ｐ１を検出するとともに、第二圧縮部の出口側における出口圧力Ｐ２を検出する圧力検出部と、を備える。

そして、本発明の第一態様による冷却温度調整部は、入口圧力Ｐ１と出口圧力Ｐ２の圧力差、又は、入口圧力Ｐ１と出口圧力Ｐ２の圧力比、が所定の範囲に収まるように、冷却媒体の流量を制御する、ことを特徴とする。

次に、本発明の第二態様に係る冷却温度調整部は、圧力検出部で検出される目標超臨界流体の出口圧力Ｐ２が、予め設定された判定値Ｐｓを基準にする不感帯の範囲を超える場合に、出口圧力Ｐ２と判定値Ｐｓとの偏差△Ｐに基づいて、冷却媒体の流量を増減させる。この、冷却温度調整部は、出口圧力Ｐ２が、不感帯の範囲にある場合には、冷却媒体の従前の流量を維持する。

本発明において、第二圧縮部は、単数又は複数のポンプからなることが好ましい。
この昇圧システムによれば、前段側での圧縮を圧縮部で行い、より高圧となっている後段側での中間超臨界流体の圧送による昇圧をポンプで行って目標圧以上の圧力の液体を得ることができる。高圧となっている第二圧縮部に圧縮機を適用できるが、高圧ガスシールや高圧に対応した圧縮機ケーシングが多数必要となる。後段側にポンプを採用すれば、これら高圧に対応する要素が不要となるためコスト低減や信頼性向上が可能となる。

本発明において、第二圧縮部で昇圧された中間超臨界圧液体を臨界温度近傍まで加熱して目標超臨界流体を生成する加熱部をさらに備えることができ、この場合、冷却部は、加熱部との間で熱交換を行って中間超臨界流体を冷却する主冷却部を備えることができる。
この昇圧システムによれば、第二圧縮部で生成された目標圧以上の圧力の液体を加熱部によって臨界温度以上まで加熱することで目標とする圧力、温度の超臨界流体を得ることができる。
また、冷却部における主冷却部によって、中間超臨界流体の冷却の際に回収した熱を利用することで、より効率良く臨界温度以上まで中間超臨界圧液体を加熱して目標とする圧力、温度の超臨界流体（目標超臨界流体）を得ることができる。

本発明において、冷却温度調整部は、第一圧縮部で生成された中間超臨界流体の一部を抽液して冷却媒体として用いることができる。
そうすれば、第二圧縮部へ導入される中間超臨界圧液体自身の冷熱を有効に利用することができるため、中間超臨界流体から中間超臨界圧液体を生成するために必要な凝縮器を別途設けることなく、第二圧縮部へ導入する中間超臨界圧液体を確実に生成できる。

本発明において、冷却温度調整部は、冷却部へ供給する冷却媒体の流量を調整することができる。
このように、冷却媒体の流量を調整することで、冷却部で生成される中間超臨界流体の温度、圧力を所望の値に調整することができる。

本発明において、冷却温度調整部は、冷却部へ供給する冷却媒体の流量を調整する流量調整部と、圧力検出部が検出した検出値に基づいて流量調整部を制御する制御部とを有し、制御部は、検出値が予め定められた圧力範囲に属するか否かを判定する判定部と、判定部の判定結果に基づいて、流量調整部で調整する流量を決定する流量決定部と、を備えることができる。
このように構成することで、目標超臨界圧流体の圧力をより安定的に維持することができる。

本発明の第一態様に係る昇圧システムによれば、流量調整部の開度の調節を、第二圧縮部の入口圧力と出口圧力の圧力差が一定になるように制御する。つまり、本発明の昇圧システムは、入口圧力及び出口圧力の両者が考慮された圧力差に基づいて流量調整部を開度調節するので、出口圧力だけに基づいて流量調整部を調整する際に生じる制御の干渉が生じにくい。したがって、第一圧縮部の入口の弁機構又は第一圧縮部の回転数を調整して第二圧縮部の入口圧力を一定に制御する場合でも、この制御と圧力差による制御は応答性が異なるため、両者の干渉を防止できる。また、入口圧力を一定に制御していれば、最終吐出圧力も一定に制御できる。
また、本発明の第二態様に係る昇圧システムによれば、吐出圧力制御に不感帯を持たせ、出口圧力が大きく変化したときだけ流量調整部を調節するので、出口圧力の変化が小さいときには、流量調整部９２の開度を変化させずに従前の流量を維持する。出口圧力Ｐ２が判定値Ｐｓから大きくずれてきたときには、流量調整部９２の開度を調整する。こうすることにより、出口圧力の制御と第二圧縮部、典型的にはポンプの吸入圧力の制御が同時に作用する時間が短くなるので、両者の干渉を防止できる。

本発明の第１実施形態に係る昇圧システムの概略を示す系統図である。 第１実施形態に係る昇圧システムに関し、二酸化炭素の状態を示すＰ−ｈ線図である。 第１実施形態に係る昇圧システムに関し、温度冷却部の構成を示す要部拡大図である。 第１実施形態に係る昇圧システムに関し、ポンプ部に導入される流体の状態に応じたポンプ部の性能特性の変化を表すＱ−Ｈ線図である。 実施形態に係る昇圧システムに関し、圧縮部のＩＧＶ開度と、圧縮部に導入される流体の流量に応じた性能特性を表す線図である。 本発明の第２実施形態に係る昇圧システムの概略を示す系統図である。 第２実施形態に係る昇圧システムに関し、温度冷却部の構成を示す要部拡大図である。 第２実施形態に係る昇圧配線システムに関し、制御部が備える不感帯を説明する図である。

〔第１実施形態〕
以下、本発明に係る昇圧システムの第１実施形態を、添付図面を参照して説明する。
本実施形態に係る昇圧システム１Ａは、対象気体として気体状態の二酸化炭素Ｆを臨界圧より高い目標圧以上の圧力まで昇圧するシステムである。

図１に示すように、昇圧システム１Ａは、二酸化炭素Ｆを取り込んで圧縮する圧縮部２と、圧縮部２で生成された中間超臨界流体を臨界温度近傍まで冷却して中間超臨界圧液体を生成する冷却部３と、冷却部で生成された中間超臨界圧液体を目標圧以上の圧力まで昇圧するポンプ部４と、を備えている。
また、この昇圧システム１Ａは、ポンプ部４で昇圧された二酸化炭素Ｆを加熱する加熱部５と、冷却部３とポンプ部４との間に設けられて二酸化炭素Ｆを取り出す抽液減圧部６と、抽液減圧部６からの二酸化炭素Ｆを圧縮部２に返送するバイパス流路７と、を備えている。
加えて、この昇圧システム１Ａは、ポンプ部４の入口側の二酸化炭素Ｆの圧力（入口圧力）Ｐ１及び出口側の二酸化炭素Ｆの圧力（出口圧力）Ｐ２を検出する圧力検出部８Ａと、圧力検出部８Ａが検出した二酸化炭素Ｆの圧力値に基づいて抽液減圧部６によって取り出される二酸化炭素Ｆの流量を調整する冷却温度調整部９Ａと、を備えている。
本実施形態の昇圧システム１Ａは、圧力検出部８Ａで検出した入口圧力Ｐ１及び出口圧力Ｐ２に基づいて冷却温度調整部９Ａが二酸化炭素Ｆの流量を調整するところに特徴を有している。
以下、昇圧システム１Ａの各構成要素を説明した後に、昇圧システム１Ａの動作、昇圧システム１Ａの作用及び効果の順で説明する。

［圧縮部２］
圧縮部２は、本発明の第一圧縮部をなすものであり、複数のインペラを、歯車を介して連動させた多軸多段構成のギアド圧縮機から構成される。
圧縮部２は、多段(本実施形態では６段)に設けられた複数のインペラ１０と、相前後するインペラ１０の間及び冷却部３との間に一つずつ設けられた複数の中間冷却器２０とを有する。そして、圧縮部２は、取り込んだ二酸化炭素Ｆを導入気体Ｆ０として圧縮と冷却を繰り返しながら臨界圧以上であって、目標圧未満の中間圧の圧力状態まで圧縮して中間超臨界流体Ｆ１を生成する。
二酸化炭素Ｆの臨界圧は７．４［ＭＰａ］であり、目標圧としては、当該臨界圧よりも高い値として、例えば１５［ＭＰａ］が設定される。また、圧縮部２で生成される中間超臨界流体Ｆ１の中間圧としては、例えば１０［ＭＰａ］が設定される。ただし、目標圧及び中間圧の値は、対象気体の臨界圧に応じて適宜決定されるものであって、本発明を限定するものでない。

ここで、圧縮部２においては、二酸化炭素Ｆが取り込まれて流通する上流側から下流側に向かって順に設けられた一段圧縮インペラ１１と、第一中間冷却器２１と、二段圧縮インペラ１２と、第二中間冷却器２２と、三段圧縮インペラ１３と、第三中間冷却器２３と、四段圧縮インペラ１４と、第四中間冷却器２４と、五段圧縮インペラ１５と、第五中間冷却器２５と、六段圧縮インペラ１６と、第六中間冷却器２６とによって構成される。そして、これらの圧縮部２の要素が管路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８、Ｌ９、Ｌ１０、Ｌ１１によって互いに接続されている。

［冷却部３］
冷却部３は、第六中間冷却器２６の下流側に管路Ｌ１２によって接続され、圧縮部２の最終段となる六段圧縮インペラ１６から生成された中間超臨界流体Ｆ１を臨界温度近傍まで冷却して液化し、中間超臨界圧液体Ｆ２を生成する。
この冷却部３は、圧縮部２で生成された中間超臨界流体Ｆ１を予冷却する予冷却部３３と、予冷却部３３で冷却された中間超臨界流体Ｆ１をさらに冷却して中間超臨界圧液体Ｆ２を生成する主冷却部３１とを有している。

予冷却部３３は、図示を省略する管路から供給される外部冷却媒体Ｗによって中間超臨界流体Ｆ１を予冷却する熱交換器である。
主冷却部３１は、後述する抽液減圧部６からの低温液体Ｆ５を導入し、これを冷却媒体として中間超臨界流体Ｆ１を冷却する。そして、本実施形態は、主冷却部３１で中間超臨界流体Ｆ１を冷却することで得られる熱により加熱部５での加熱を行うものであり、主冷却部３１と加熱部５とが一つの熱交換器を構成している。

本実施形態においては、主冷却部３１は、冷却媒体として抽液減圧部６からの低温液体Ｆ５を用いるが、外部より適当な冷却媒体Ｗが得られる場合には、予冷却部３３によって予冷却することで、主冷却部３１で必要となる冷熱量の低減が可能となる。予冷却部３３の冷却能力は、予冷却部３３が外部から取り込む外部冷却媒体Ｗの温度及び流量等によって異なる。
なお、圧縮部２で生成された中間超臨界流体Ｆ１を第六中間冷却器２６のみで液体への遷移領域まで冷却し、その後、主冷却部３１によって液化されて中間超臨界圧液体Ｆ２を生成できるのであれば、予冷却部３３を省略できる。

また、冷却部３で中間超臨界流体Ｆ１を臨界温度近傍まで冷却する際には、好ましくは臨界温度の±２０［℃］となる温度まで冷却し、より好ましくは臨界温度の±１５［℃］となる温度まで冷却し、臨界温度の±１０［℃］となる温度まで冷却することが最も好ましい。

［ポンプ部４］
ポンプ部４は、本発明の第二圧縮部をなすものであり、冷却部３の下流側に管路Ｌ１３によって接続され、冷却部３を通過して生成された中間超臨界圧液体Ｆ２を導入して目標圧の圧力状態まで昇圧し、目標圧液体Ｆ３を生成する。本実施形態では、このポンプ部４は、一段ポンプインペラ４１及び二段ポンプインペラ４３からなる二段構成を採用しているが、中間超臨界圧液体Ｆ２を目標圧まで昇圧できる限り、その構成は任意である。
前述したように、管路Ｌ１３には、第一圧力センサ８１が設けられている。

［加熱部５］
加熱部５は、ポンプ部４の下流側に管路Ｌ１４によって接続され、ポンプ部４からの目標圧液体Ｆ３を導入して、臨界温度（３１．１［℃］）以上の目標超臨界流体Ｆ４を生成する。
上述したように、加熱部５は、冷却部３の主冷却部３１とともに熱交換器を構成している。したがって、この加熱部５では、主冷却部３１との間で熱交換を行うことにより、主冷却部３１で中間超臨界流体Ｆ１を冷却して得た凝縮熱によって目標圧液体Ｆ３を加熱する。
管路Ｌ１４には、第二圧力センサ８３が設けられている。

さらに、加熱部５の下流側には、管路Ｌ１５が接続されている。管路Ｌ１５には、加熱部５にて生成された目標超臨界流体Ｆ４が流入し、下流側に接続された外部設備に供給される。

［抽液減圧部６］
抽液減圧部６は、主冷却部３１とポンプ部４との間に設けられ、主冷却部３１からの中間超臨界圧液体Ｆ２の一部を抽出して得た低温液体Ｆ５によって主冷却部３１における中間超臨界流体Ｆ１の冷却を行う。この冷却に伴って、低温液体Ｆ５は自身が加熱される。
具体的にはこの抽液減圧部６は、主冷却部３１とポンプ部４との間の管路Ｌ１３から分岐するように、一端がこの管路Ｌ１３に接続された分岐管路６１と、この分岐管路６１の他端が接続されて主冷却部３１との間で熱交換を行う熱交換部６２と、を有している。さらに、分岐管路６１の中途位置には、流量調整部９２が設けられている。流量調整部９２は、その開度を調節することが可能な弁から構成され、例えば流量調節弁が採用される。

［バイパス流路７］
バイパス流路７は、抽液減圧部６からの低温液体Ｆ５を圧縮部２の六段圧縮インペラ１６の上流側に戻す。このバイパス流路７は、一端が抽液減圧部６の熱交換部６２に接続され、他端が六段圧縮インペラ１６と第五中間冷却器２５との間の管路Ｌ１０に接続されている。

［圧力検出部８Ａ］
圧力検出部８Ａは、管路Ｌ１３の途中に設けられる第一圧力センサ８１と、管路Ｌ１４の途中に設けられる第二圧力センサ８３と、を有している。第一圧力センサ８１は、管路Ｌ１３を流れる中間超臨界圧液体Ｆ２の圧力値、つまりポンプ部４の入口圧力Ｐ１を計測し、第二圧力センサ８３は、管路Ｌ１４を流れる目標圧液体Ｆ３の圧力値、つまりポンプ部４の出口圧力Ｐ２を計測する。
圧力検出部８Ａで計測された入口圧力Ｐ１及び出口圧力Ｐ２は、後述する冷却温度調整部９Ａの制御部９１に送信される。

［冷却温度調整部９Ａ］
冷却温度調整部９Ａは、圧力検出部８Ａに電気的に接続された制御部９１と、制御信号線９３によって制御部９１と電気的に接続された流量調整部９２と、を有している。
流量調整部９２は、開度を調節することによって抽液した中間超臨界圧液体Ｆ２に対してジュールトムソン効果による減圧を行い、低温液体Ｆ５を生成する。流量調整部９２の開度は、制御部９１によって調節される。

制御部９１は、例えば図３に示すように、圧力検出部８Ａに接続される判定部９１ａと、判定部９１ａに接続される流量決定部９１ｂと、を有している。
判定部９１ａは、圧力検出部８Ａに電気的に接続されるとともに、圧力検出部８Ａが検出した検出値である入口圧力Ｐ１及び出口圧力Ｐ２が予め設定された判定値Ｐｓに合致するか否かの判定処理を行う。この判定値Ｐｓは、昇圧システム１Ａによって生成される目標超臨界流体Ｆ４の目標圧を含む数値範囲であって、図示を省略する入力手段を介して判定部９１ａに入力され、判定部９１ａにて記憶、保持される。

判定部９１ａは、入口圧力Ｐ１と出口圧力Ｐ２の圧力差Ｐ_２−１＝Ｐ２−Ｐ１を算出し、この圧力差△Ｐと記憶された判定値Ｐｓとを比較して、圧力差Ｐ_２−１と判定値Ｐｓとの偏差△Ｐを算出する。判定部９１ａによる判定結果である偏差△Ｐは、流量決定部９１ｂに伝達される。なお、圧力差Ｐ_２−１をＰ２−Ｐ１としたが、Ｐ１−Ｐ２としてもよい。

流量決定部９１ｂは、判定部９１ａから取得した偏差△Ｐに基づいて所定の演算を行い、流量調整部９２の開度を算出する。より詳細には、まず、圧力値の偏差△Ｐと、その偏差△Ｐを解消するために必要となる流量の増減量を所定の関係式から導出する。なお、この関係式は昇圧システム１Ａの性能要件等によって経験的に求められるものである。

流量決定部９１ｂは、この関係式によって導出された流量の増減量に基づいて、流量調整部９２の開度を算出する。なお、流量の増減量と、流量調整部９２の開度との関係は、流量調整部９２に用いられる流量調整弁の性能要件等によって決定されるものである。
流量決定部９１ｂは決定された開度の増減に係る指示情報を流量調整部９２に伝達する。流量決定部９１ｂからの指示情報を取得した流量調整部９２（流量調節弁）はその指示情報に従って開度を調整する。
以上のとおりであり、制御部９１は、Ｐ_２−１＝Ｐ２−Ｐ１が判定値Ｐｓと一致するように流量調整部９２の開度、つまり中間超臨界圧液体Ｆ２の流量を制御する。
なお、ここでは圧力差Ｐ_２−１を用いる制御を説明したが、圧力比Ｐ_２／１を用いて制御することもできる。

［二酸化炭素Ｆの状態変化］
次に、図２のＰ−ｈ線図を参照して、二酸化炭素Ｆの状態変化の様子（二酸化炭素Ｆの昇圧方法）について説明する。
圧縮部２において、一段圧縮インペラ１１に導入された導入気体Ｆ０（状態Ｓ１ａ）は、図２の実線の矢印に示すように、一段圧縮インペラ１１によって圧縮されて状態Ｓ１ａよりも高圧で高温の状態Ｓ１ｂとなる。その後、第一中間冷却器２１によって等圧で冷却されて状態Ｓ２ａとなる。そしてこのように圧縮と冷却を繰り返して、状態Ｓ２ｂ→状態Ｓ３ａ→状態Ｓ３ｂ→状態Ｓ４ａ→状態Ｓ４ｂ→状態Ｓ５ａ→状態Ｓ５ｂ→状態Ｓ６ａ→状態Ｓ６ｂ→状態Ｓ７ａ→状態Ｓ７ｂと状態変化し、臨界圧以上の圧力の中間超臨界流体Ｆ１の状態となる（圧縮工程）。

その後、状態Ｓ７ｂとなった中間超臨界流体Ｆ１は予冷却部３３へ導入（状態Ｓ７ｃ）される。予冷却部３３では等圧状態でさらに冷却されて中間超臨界流体Ｆ１の温度を下げることができる（冷却工程）。
この中間超臨界流体Ｆ１は、主冷却部３１によって超臨界圧のまま等圧で冷却されて、臨界温度以下の状態Ｓ８ａとなって中間超臨界流体Ｆ１は中間超臨界圧液体Ｆ２へと相変化して、ポンプ部４へ導入される（冷却工程）。

ポンプ部４では、状態Ｓ８ａの中間超臨界圧液体Ｆ２が、陸上の地中や海底の地中へ貯留可能となる目標圧まで昇圧されるとともに、温度が上昇して状態Ｓ８ｂの目標圧液体Ｆ３となる（ポンプ工程）。その後、この目標圧液体Ｆ３を加熱部５によって加熱することで、臨界温度以上まで等圧で昇温し、二酸化炭素Ｆを陸上の地中や海底の地中へ貯留可能となる最終状態Ｓ９とする。

ここで、主冷却部３１で状態Ｓ８ａとなった中間超臨界圧液体Ｆ２の一部が冷却温度調整部９Ａの流量調整部９２の開度を調整することで抽液される。このとき、中間超臨界圧液体Ｆ２の抽液される量は、流量調整部９２の開度に応じて調整される。抽液された中間超臨界圧液体Ｆ２は減圧され、状態Ｓ１０の低温液体Ｆ５となる。この状態Ｓ１０における低温液体Ｆ５の圧力は、六段圧縮インペラ１６の上流側であって第五中間冷却器２５の下流側の圧力に相当する圧力とされている。
また、この低温液体Ｆ５は冷却部３との間で熱交換することで加熱されて等圧状態のまま気化し、六段圧縮インペラ１６の上流側における状態Ｓ６ａの気体又は超臨界流体となる。この気体または超臨界流体がバイパス流路７によって六段圧縮インペラ１６の上流側へ返送され、圧縮部２を流通する中間超臨界流体Ｆ１に混入される。

［本実施形態の効果］
以下、第１実施形態に係る昇圧システム１Ａの効果を説明する。
昇圧システム１Ａは、流量調整部９２の開度の調節を、ポンプ部４の入口圧力Ｐ１と出口圧力Ｐ２の偏差△Ｐ（Ｐ２−Ｐ１）が一定になるように制御する。つまり、昇圧システム１Ａは、入口圧力Ｐ１及び出口圧力Ｐ２の両者が考慮された偏差△Ｐに基づいて流量調整部９２を開度調節するので、出口圧力Ｐ２だけに基づいて流量調整部９２を調整する際に生じる制御の干渉が生じにくい。したがって、圧縮部２の入口の弁機構（ＩＧＶ（Ｉｎｌｅｔ Ｇｕｉｄｅ Ｖａｎｅ））又は圧縮部２の回転数を調整して入口圧力Ｐ１を一定に制御する場合でも、この制御と偏差△Ｐによる制御は応答性が異なるため、両者の干渉を防止できる。また、入口圧力Ｐ１を一定に制御していれば、本実施形態により、最終吐出圧力も一定に制御できる。

次に、昇圧システム１Ａにおいて、仮に高圧となっている後段側の部分にも圧縮部２と同様のインペラを適用した場合には、高圧ガスシールや高圧に対応した圧縮機ケーシングが多数必要となる。これに対して、昇圧システム１Ａは、高圧側でポンプ部４を採用している。ポンプ部４では液体を昇圧するため、高圧状態（約１５〜６０［ＭＰａ］）まで昇圧するに際して、対象となる流体をシールすることが容易であるから、コストアップを回避できる。

ここで、図４はポンプ部４の入口圧力Ｐ１と出口圧力Ｐ２の偏差（揚程）と、流量の関係を表すＱ−Ｈ線図である。図４に示すように、状態Ｓ８ｘにおける中間超臨界圧液体Ｆ２のＱ−Ｈ曲線は、状態Ｓ８ａにおける中間超臨界圧液体Ｆ２のＱ−Ｈ曲線に比べて全体に揚程が小さくなる。すなわち、中間超臨界圧液体Ｆ２の温度が上昇し、密度が低下するにつれて、ポンプ部４で生成される目標圧液体Ｆ３の圧力は低下して、図２の状態Ｓ８ｙとなる。

状態Ｓ８ｙの目標圧液体Ｆ３は、加熱部５に導入されて等圧状態で加熱されて、状態Ｓ９ｘの目標超臨界流体Ｆ４となる。
このように、ポンプ部４に導入される中間超臨界圧液体Ｆ２の温度を調節することで、ポンプ部４のポンプ回転数等を変えることなく、最終的に得られる目標超臨界流体Ｆ４の圧力（目標圧）を調節することができる。
さらに、図４に示すように、流量が小さい条件においても、ポンプ部４に導入される中間超臨界圧液体Ｆ２の温度を調節することで、ポンプ部４のポンプ回転数等を変えることなく、最終的に得られる目標超臨界流体Ｆ４の圧力を一定の目標圧に調節することができる。
したがって、ポンプ部４に例えば可変速モータ等を設けることなく、目標の圧力を得ることができる。

さらに、本実施形態では、目標超臨界流体Ｆ４の圧力は、管路Ｌ１３及び管路Ｌ１４の中途位置に設けられた圧力検出部８Ａで随時検出される。検出された圧力値（入口圧力Ｐ１及び出口圧力Ｐ２）は冷却温度調整部９Ａの制御部９１に入力される。制御部９１は、所定の演算を経て流量調整部９２の開度を決定し、調整を行う。上述の動作は冷却温度調整部９Ａと圧力検出部８Ａとによって自律的に実行されるものである。したがって、外乱要因等によって目標超臨界流体Ｆ４の圧力に変化が生じた場合であっても、その変化に応じて流量調整部９２の開度が自律的に調節されて、目標超臨界流体Ｆ４の圧力は予め定められた所望の目標圧に向けて是正される。これにより、目標超臨界流体Ｆ４の圧力を安定化した状態で供給することができる。

なお、本実施形態では、主冷却部３１の冷却媒体として抽液減圧部６からの低温液体Ｆ５を用いるが、外部より適当な外部冷却媒体Ｗが得られる場合には、予冷却部３３によって予冷却することで、主冷却部３１で必要となる冷熱量の低減が可能となる。例えばこの場合、状態Ｓ７ｂから状態Ｓ７ｃまでの冷却を予冷却部３３で冷却し、状態Ｓ７ｃから状態Ｓ８ａまでの冷却を主冷却部３１で行うこととなる。

ここで、圧縮部２に導入される導入気体Ｆ０の流量を調節する手段としては、例えば図示を省略するＩＧＶが採用される。ＩＧＶは、管路の中途に設けられ、開度を調整することが可能な絞り弁である。ＩＧＶの開度が小さくなるのにしたがって、圧縮部２に導入される導入気体Ｆ０の流量が少なくできる。なお、ＩＧＶは一段圧縮インペラ１１の導入部に設けられることが好ましい。

図５は、圧縮部２のＩＧＶ開度の変化に応じた性能特性を示す線図である。図５から読み取れるように、ＩＧＶ開度が全開状態である１００％から９０％、８０％と下がるにしたがって、圧縮部２に導入される流体の流量が下がる。ここで、圧縮部２の吐出圧力が高いほど、サージ限界に達する限界流量の値が高くなる。図５の例では、吐出圧力Ｈ３と、吐出圧力Ｈ３よりも低い吐出圧力Ｈ４の２つの運転状態を示している。吐出圧力Ｈ３の場合は、流量８０％でサージ限界に達するが、吐出圧力Ｈ４の場合は、サージ限界に達する流量が７０％にまで拡大される。したがって、小流量下ではポンプ部４における揚程量が向上する分だけ、圧縮部２に要求される圧縮量を下げることができるので、圧縮部２の吐出圧力、すなわち圧縮部２で生成される中間超臨界流体Ｆ１の圧力を下げることができる。
このように、ＩＧＶの開度を小さくすることで吐出圧力を低くするにしたがって、許容される流量範囲（運転範囲）を拡大することができる。
これにより、昇圧システム１Ａで得られる目標超臨界流体Ｆ４の圧力範囲を広くすることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明による第２実施形態による昇圧システム１Ｂを、図６〜図８に基づいて説明する。
昇圧システム１Ｂは、圧力検出部８Ｂが検知する部位が相違するとともに、冷却温度調整部９Ｂの流量調整部９２による開度の制御手法が相違することを除いて、第１実施形態の昇圧システム１Ａと基本的な構成は同じである。したがって、以下では、この相違点を中心に説明する。

［圧力検出部８Ｂ］
図６及び図７に示すように、昇圧システム１Ｂは、管路Ｌ１５の途中に圧力検出部８Ｂを有している。圧力検出部８Ｂは、管路Ｌ１５を流れる目標超臨界流体Ｆ４の圧力値である出口圧力Ｐ２を計測する。
圧力検出部８Ｂで計測された出口圧力Ｐ２は、冷却温度調整部９Ｂの制御部９１に送信される。

［冷却温度調整部９Ｂ］
冷却温度調整部９Ｂは、冷却温度調整部９Ａと同様に、制御部９１と流量調整部９２とを有しており、流量調整部９２は第１実施形態と同様にして低温液体Ｆ５を生成する。

図７に示すように、制御部９１は、判定部９１ａと流量決定部９１ｂとを有しているが、以下説明するように、判定部９１ａの判定の内容が第１実施形態と相違する。
判定部９１ａは、圧力検出部８Ａが検出した出口圧力Ｐ２と予め設定された判定値Ｐｓとを比較して偏差△Ｐ＝Ｐ２−Ｐｓを算出する。判定部９１ａは、判定結果である偏差△Ｐを流量決定部９１ｂに伝達する。

判定部９１ａは、図８に示すように、判定に不感帯ＤＢを設けており、出口圧力Ｐ２がこの不感帯ＤＢの範囲を超えれば判定結果である偏差△Ｐを流量決定部９１ｂに伝達するが、不感帯ＤＢの範囲内に属するときには偏差△Ｐを流量決定部９１ｂに伝達しないことにしている。この不感帯ＤＢに関する情報は、判定部９１ａに予め記憶されている。
不感帯ＤＢは、図８に示すように、判定値Ｐｓを基準にして正の所定値ＰＮ及び負の所定値ＮＮで挟まれる範囲として設定される。判定部９１ａは、出口圧力Ｐ２が所定値ＰＮ以下であり、かつ負の所定値ＮＮ以上の値であるか否かを判定する。例えば、図８の場合、判定部９１ａは、期間Ｔ１及び期間Ｔ３には偏差△Ｐを流量決定部９１ｂに伝達しないが、期間Ｔ２には偏差△Ｐを流量決定部９１ｂに伝達する。

流量決定部９１ｂは、第１実施形態と同様にして、取得した偏差△Ｐに基づいて流量調整部９２の開度を算出し、開度の増減に係る指示情報を流量調整部９２に伝達する。流量決定部９１ｂからの指示情報を取得した流量調整部９２（流量調節弁）はその指示情報に従って開度を調整する。

以上の通りであり、吐出圧力制御に不感帯ＤＢを持たせ、ポンプ部４の出口圧力Ｐ２が大きく変化したときだけ流量調整部９２を調節する。これにより、出口圧力Ｐ２の変化が小さいときには偏差△Ｐはゼロと見なされ、流量調整部９２の開度を変化させずに従前の流量を維持する。出口圧力Ｐ２判定値Ｐｓから大きくずれてきたときには、偏差△Ｐがゼロではなくなり、このときに流量調整部９２の開度を調整する。こうすることにより、出口圧力Ｐ２の制御とポンプ部４の吸入圧力の制御が同時に作用する時間が短くなるので、両者の干渉を防止できる。

上記以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
例えば、上述の実施形態では、圧縮部２にギアド圧縮機を用いた例を説明したが、圧縮部２に用いられる圧縮機はギアド圧縮機に限定されず、他の方式の圧縮機を採用してもよい。

１Ａ 昇圧システム
１Ｂ 昇圧システム
２ 圧縮部
３ 冷却部
４ ポンプ部
５ 加熱部
６ 抽液減圧部
７ バイパス流路
８Ａ 圧力検出部
８Ｂ 圧力検出部
９Ａ 冷却温度調整部
９Ｂ 冷却温度調整部
１０ インペラ
１１ 一段圧縮インペラ
１２ 二段圧縮インペラ
１３ 三段圧縮インペラ
１４ 四段圧縮インペラ
１５ 五段圧縮インペラ
１６ 六段圧縮インペラ
２０ 中間冷却器
２１ 第一中間冷却器
２２ 第二中間冷却器
２３ 第三中間冷却器
２４ 第四中間冷却器
２５ 第五中間冷却器
２６ 第六中間冷却器
３１ 主冷却部
３３ 予冷却部
４１ 一段ポンプインペラ
４３ 二段ポンプインペラ
６１ 分岐管路
６２ 熱交換部
８１ 第一圧力センサ
８３ 第二圧力センサ
９１ 制御部
９１ａ 判定部
９１ｂ 流量決定部
９２ 流量調整部
９３ 制御信号線

Claims (7)

1. 対象気体を臨界圧より高い目標圧以上の圧力まで昇圧する昇圧システムであって、
   臨界圧以上、目標圧未満の中間圧まで前記対象気体を圧縮して中間超臨界流体を生成する第一圧縮部と、
   前記第一圧縮部で生成された中間超臨界流体を臨界温度近傍まで冷却して中間超臨界圧液体を生成する冷却部と、
   前記冷却部で生成された前記中間超臨界圧液体を前記目標圧以上の圧力まで昇圧する第二圧縮部と、
   前記第二圧縮部の上流において前記冷却部で生成された前記中間超臨界圧液体の温度を、供給する冷却媒体の流量によって調整する冷却温度調整部と、
   前記第二圧縮部の入口側において前記中間超臨界圧液体の入口圧力Ｐ１を検出するとともに、前記第二圧縮部の出口側における出口圧力Ｐ２を検出する圧力検出部と、を備え、
   前記冷却温度調整部は、
   前記入口圧力Ｐ１と前記出口圧力Ｐ２の圧力差、又は、前記入口圧力Ｐ１と前記出口圧力Ｐ２の圧力比、に基づいて、前記冷却媒体の流量を制御する、
   ことを特徴とする昇圧システム。
2. 対象気体を臨界圧より高い目標圧以上の圧力まで昇圧する昇圧システムであって、
   臨界圧以上、目標圧未満の中間圧まで前記対象気体を圧縮して中間超臨界流体を生成する第一圧縮部と、
   前記第一圧縮部で生成された前記中間超臨界流体を臨界温度近傍まで冷却して中間超臨界圧液体を生成する冷却部と、
   前記冷却部で生成された前記中間超臨界圧液体を前記目標圧以上の圧力まで昇圧する第二圧縮部と、
   前記第二圧縮部の上流にて前記冷却部で生成された前記中間超臨界圧液体の温度を、供給する冷却媒体の流量によって調整する冷却温度調整部と、
   前記第二圧縮部の出口側における出口圧力Ｐ２を検出する圧力検出部と、を備え、
   前記冷却温度調整部は、
   前記出口圧力Ｐ２が、予め設定された判定値Ｐｓを基準にする不感帯の範囲を超える場合に、前記出口圧力Ｐ２と前記判定値Ｐｓとの偏差△Ｐに基づいて、前記冷却媒体の流量を増減させ、
   前記出口圧力Ｐ２が、前記不感帯の範囲にある場合には、前記冷却媒体の従前の流量を維持する、
   ことを特徴とする昇圧システム。
3. 前記第二圧縮部は、単数又は複数のポンプからなる、
   請求項１又は請求項２に記載の昇圧システム。
4. 前記第二圧縮部で昇圧された前記中間超臨界圧液体を臨界温度近傍まで加熱して目標超臨界流体を生成する加熱部をさらに備え、
   前記冷却部は、
   前記加熱部との間で熱交換を行って前記第二圧縮部で昇圧された前記中間超臨界流体を冷却する主冷却部を備える、
   請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の昇圧システム。
5. 前記冷却温度調整部は、
   前記第一圧縮部で生成された前記中間超臨界流体の一部を抽液して前記冷却媒体として用いる、
   請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の昇圧システム。
6. 前記冷却温度調整部は、
   前記冷却部へ供給する前記冷却媒体の流量を調整する、
   請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の昇圧システム。
7. 前記冷却温度調整部は、
   前記冷却部へ供給する前記冷却媒体の流量を調整する流量調整部と、
   前記圧力検出部が検出した検出値に基づいて前記流量調整部を制御する制御部とを有し、
   前記制御部は、
   前記検出値が予め定められた圧力範囲に属するか否かを判定する判定部と、
   前記判定部の判定結果に基づいて、前記流量調整部で調整する流量を決定する流量決定部と、を備える、
   請求項４に記載の昇圧システム。

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