JP2016507705A - 船舶の液化ガス処理システム - Google Patents

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Abstract

【課題】液化天然ガスを貯蔵している貯蔵タンクと、前記貯蔵タンクに貯蔵されている液化天然ガスを燃料として使用するエンジンとを備えた船舶の液化ガス処理システムを開示する。【解決手段】本発明の液化ガス処理システムは、液化ガスを貯蔵している貯蔵タンクと;前記貯蔵タンクに貯蔵された液化ガスを燃料として使用するエンジンと;液化ガスが気化して発生したガスを燃料ガスとして前記エンジンに供給できる燃料供給ラインと;を含み、前記エンジンには、低圧で圧縮された前記燃料ガスが供給される。

Description

本発明は、船舶の液化ガス処理システムに関する。
近年、LNG(Liquefied Natural Gas)やLPG(Liquefied Petroleum Gas)などの液化ガスの消費量が全世界的に急増している趨勢にある。液化ガスは、陸上または海上のガス配管を介してガス状態で運搬されるか、または、液化された状態で液化ガス運搬船に貯蔵された状態で遠距離の消費先に運搬される。LNGやLPGなどの液化ガスは、天然ガスあるいは石油ガスを極低温(LNGの場合は約−163℃)に冷却して得られるものであって、ガス状態であるときよりもその体積が大幅に減少するので、海上を通じた遠距離運搬に非常に適している。
LNG運搬船などの液化ガス運搬船は、液化ガスを積んで海を運航し、陸上需要先にこの液化ガスを荷役するためのものであって、このために、液化ガスの極低温に耐えられる貯蔵タンク(通常、‘貨物倉’という)を含む。
このように極低温状態の液化ガスを貯蔵可能な貯蔵タンクが設けられた海上構造物の例としては、液化ガス運搬船の他にも、LNG RV(Regasification Vessel)などの船舶や、LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit)、LNG FPSO(Floating,Production,Storage and Off―loading)、BMPP(Barge Mounted Power Plant)などの構造物などを挙げることができる。
LNG RVは、自力航海及び浮遊が可能な液化天然ガス運搬船にLNG再気化設備を設置したものであって、LNG FSRUは、陸上から遠く離れた海上でLNG輸送船から荷役される液化天然ガスを貯蔵タンクに貯蔵した後、必要に応じて液化天然ガスを気化させて陸上需要先に供給する海上構造物であって、LNG FPSOは、採掘された天然ガスを海上で精製した後、直接液化させて貯蔵タンク内に貯蔵し、必要時にこの貯蔵タンク内に貯蔵されたLNGをLNG輸送船に積み替えるために使用される海上構造物である。そして、BMPPは、バージ船に発電設備を搭載し、海上で電気を生産するために使用される構造物である。
本明細書において、船舶とは、LNG運搬船などの液化ガス運搬船、LNG RVなどをはじめとして、LNG FPSO、LNG FSRU、BMPPなどの構造物までを全て含む概念である。
天然ガスの液化温度は、常圧で約−163℃の極低温であるので、LNGは、その温度が常圧で−163℃より少し高くても蒸発する。従来のLNG運搬船の場合を例に挙げて説明すると、LNG運搬船のLNG貯蔵タンクは、断熱処理が施されてはいるが、外部の熱がLNGに持続的に伝達されるので、LNG運搬船によってLNGを輸送する途中でLNGがLNG貯蔵タンク内で持続的に気化し、LNG貯蔵タンク内で蒸発ガス(BOG;Boil―Off Gas)が発生する。
発生した蒸発ガスは、貯蔵タンク内の圧力を増加させ、船舶の揺動によって液化ガスの流動を加速させることによって構造的な問題をもたらし得るので、蒸発ガスの発生を抑制する必要がある。
従来、液化ガス運搬船の貯蔵タンク内での蒸発ガスを抑制及び処理するために、蒸発ガスを貯蔵タンクの外部に排出して焼却する方法、蒸発ガスを貯蔵タンクの外部に排出し、再液化装置を通じて再液化させた後、再び貯蔵タンクに復帰させる方法、船舶の推進機関で使用される燃料として蒸発ガスを使用する方法、貯蔵タンクの内部圧力を高く維持することによって蒸発ガスの発生を抑制する方法などが単独であるいは複合的に使用されていた。
蒸発ガス再液化装置が搭載された従来の船舶の場合、貯蔵タンクの適正な圧力維持のために、貯蔵タンク内部の蒸発ガスを貯蔵タンクの外部に排出し、再液化装置を通じて再液化させるようになる。このとき、排出された蒸発ガスは、冷凍サイクルを含む再液化装置で超低温に冷却された冷媒、例えば、窒素、混合冷媒などとの熱交換を通じて再液化された後、貯蔵タンクに復帰される。
従来のDFDE推進システムを搭載したLNG運搬船の場合、再液化装置を設置せず、蒸発ガス圧縮機と加熱のみを通じて蒸発ガスを処理した後、DFDEに燃料として供給して蒸発ガスを消費していたので、エンジンの燃料必要量が蒸発ガスの発生量より少ないときは、蒸発ガスをガス燃焼機(GCU;Gas Combustion Unit)で燃焼させるか、大気中に捨てるしかないという問題があった。
そして、従来の再液化装置と低速ディーゼルエンジンを搭載したLNG運搬船は、再液化装置を通じてBOGを処理できるにもかかわらず、窒素ガスを用いた再液化装置の運転の複雑性により、全体システムの制御が複雑であり、相当な量の動力が消費されるという問題があった。
結局、貯蔵タンクから自然に発生する蒸発ガスをはじめとして、液化ガスを効率的に処理するためのシステム及び方法に対する研究開発が持続的に行われる必要がある。
本発明は、前記のような従来の問題を解決するためのものであって、貯蔵タンクに貯蔵されている液化ガスと、この液化ガスから蒸発した蒸発ガスを船舶に装着されたエンジンに燃料として供給することによって、液化ガス及び蒸発ガスを効率的に使用できるようにする船舶の液化ガス処理システムを提供しようとする。
前記目的を達成するための本発明の一側面によると、液化ガスを貯蔵している貯蔵タンクと;前記貯蔵タンクに貯蔵された液化ガスを燃料として使用するエンジンと;液化ガスが気化して発生したガスを燃料ガスとして前記エンジンに供給できる燃料供給ラインと;を含み、前記エンジンには、低圧で圧縮された前記燃料ガスが供給されることを特徴とする船舶の液化ガス処理システムが提供される。
前記液化ガス処理システムは、前記貯蔵タンクで発生した蒸発ガスを圧縮機によって圧縮して前記エンジンに燃料として供給する圧縮機ラインと;前記貯蔵タンクに収容されたLNGをポンプによって圧縮して前記エンジンに燃料として供給するポンプラインと;を含んでもよい。
前記液化ガス処理システムは、前記蒸発ガス中で前記エンジンに燃料として供給されていない一部の蒸発ガスを液化させるための熱交換器をさらに含んでもよい。
本発明の他の側面によると、液化天然ガスを貯蔵している貯蔵タンクと、前記貯蔵タンクから排出される蒸発ガスを燃料として使用するエンジンとを備えた船舶の液化ガス処理システムであって、前記貯蔵タンク内で発生した蒸発ガスを受け取って圧縮する圧縮機と;前記圧縮機で圧縮された蒸発ガスを燃料として受け取って使用する前記エンジンと;前記蒸発ガスのうち前記エンジンに供給されていない一部の蒸発ガスを液化させるための熱交換器と;を含むことを特徴とする船舶の液化ガス処理システムが提供される。
前記熱交換器では、前記の圧縮された蒸発ガス中で前記エンジンに供給されていない一部の蒸発ガスを、前記貯蔵タンクから排出されて前記圧縮機に移送されている蒸発ガスと熱交換させて液化させることができる。
前記液化ガス処理システムは、前記熱交換器で液化された蒸発ガスの圧力を低下させるために設置される減圧手段をさらに含んでもよい。
減圧手段としては、膨張バルブ、膨張機などを使用してもよい。
前記液化ガス処理システムは、前記減圧手段を通過しながら減圧されて気液混合状態になった蒸発ガスのうち液体成分のみを前記貯蔵タンクに復帰させるために設置される気液分離機をさらに含んでもよい。
前記液化ガス処理システムは、前記減圧手段に供給される液化された蒸発ガスを、前記膨張バルブを通過しながら減圧されて気液混合状態になった蒸発ガスのうち気体成分と熱交換させて冷却させるために設置される冷却器をさらに含んでもよい。
前記気体成分は、前記貯蔵タンクから排出されて前記圧縮機に供給される蒸発ガスに合流されてもよい。
前記圧縮機は、複数の圧縮シリンダーを含んでもよい。
前記液化ガス処理システムは、前記圧縮機に含まれた複数の前記圧縮シリンダーのうち一部の圧縮シリンダーを通過して圧縮された蒸発ガスを受け取って使用する蒸発ガス消費手段をさらに含んでもよい。
前記熱交換器に送られる蒸発ガスは、前記圧縮機に含まれた複数の前記圧縮シリンダーのうち一部または全部を通過して圧縮された蒸発ガスであってもよい。
前記液化ガス処理システムは、前記貯蔵タンクに貯蔵された液化天然ガスを強制的に気化させて前記圧縮機に供給するための強制気化器をさらに含んでもよい。
前記液化ガス処理システムは、前記熱交換器で液化された後で前記減圧手段に供給される蒸発ガスを、前記減圧手段を通過しながら減圧されて気液混合状態になった蒸発ガスのうち気体成分と熱交換させて冷却させるための冷却器をさらに含んでもよい。
前記液化ガス処理システムは、前記減圧手段の上流側に設置され、前記圧縮機で圧縮された蒸発ガスの圧力を減圧させた後、この減圧された蒸発ガスを前記減圧手段に供給するオリフィスをさらに含んでもよい。
前記エンジンは、低速2行程低圧ガス噴射エンジン及びDFエンジンを含んでもよい。
本発明の他の側面によると、液化天然ガスを貯蔵している貯蔵タンクと、前記貯蔵タンクに貯蔵されている液化天然ガスを燃料として使用するエンジンとを備えた船舶の液化ガス処理システムであって、前記貯蔵タンク内で液化天然ガスから発生した後、前記貯蔵タンクから排出される蒸発ガスの第1のストリームと;前記第1のストリームの量が前記エンジンで要求する燃料の量より多い場合、前記第1のストリームから分岐されて燃料として前記エンジンに供給される蒸発ガスの第2のストリームと;前記第1のストリームのうち前記エンジンに供給されていない蒸発ガスの第3のストリームと;を含み、前記第3のストリームを熱交換器で前記第1のストリームと熱交換させて液化させることによって、別途の冷凍サイクルを有する再液化装置を使用せずに蒸発ガスを処理できることを特徴とする船舶の液化ガス処理システムが提供される。
本発明の他の側面によると、液化天然ガスを貯蔵している貯蔵タンクと、前記貯蔵タンクに貯蔵された液化天然ガスを受け取って燃料として使用するエンジンとを備えた船舶の液化ガス処理システムであって、前記貯蔵タンクで発生したBOGを圧縮機によって圧縮して前記エンジンに燃料として供給する圧縮機ラインと;前記貯蔵タンクに収容されたLNGをポンプによって圧縮して前記エンジンに燃料として供給するポンプラインと;LNGから重炭化水素成分を分離することによって、LNGのメタン価を前記エンジンで要求する値に合わせるために前記ポンプラインに設置される気液分離器と;を含むことを特徴とする船舶の液化ガス処理システムが提供される。
前記液化ガス処理システムは、前記気液分離器の上流側に設置され、前記気液分離器に供給されるLNGに熱を加えることによってLNGを部分的に気化させる気化器をさらに含んでもよい。
前記液化ガス処理システムは、前記気液分離器で分離された液体成分を前記貯蔵タンクに復帰させる復帰ラインをさらに含んでもよい。
前記エンジンは、メインエンジン及び補助エンジンを含み、前記メインエンジン及び前記補助エンジンのうち少なくとも一つには、メタン価の調節が要求されてもよい。
本発明の他の側面によると、液化天然ガスを貯蔵している貯蔵タンクと、前記貯蔵タンクに貯蔵された液化天然ガスを受け取って燃料として使用するエンジンとを備えた船舶の液化ガス処理システムによって前記エンジンに燃料ガスを供給する方法であって、前記液化ガス処理システムは、前記貯蔵タンクで発生したBOGを圧縮機によって圧縮して前記エンジンに燃料として供給する圧縮機ラインと、前記貯蔵タンクに収容されたLNGを高圧ポンプによって圧縮して前記エンジンに燃料として供給するポンプラインとを含み、前記ポンプラインを介してLNGを前記エンジンに供給するとき、LNGから重炭化水素成分を分離することによって、LNGのメタン価を前記エンジンで要求する値に合わせるメタン価調節段階を含むことを特徴とする燃料ガス供給方法が提供される。
本発明の他の側面によると、LNGを貯蔵している貯蔵タンク、前記貯蔵タンクに貯蔵されているLNGを燃料として使用するメインエンジン及び補助エンジンを備えた船舶の液化ガス処理システムによって液化ガスを処理する方法であって、前記液化ガス処理システムは、前記貯蔵タンクで発生したBOGを圧縮機によって圧縮して前記メインエンジン及び前記補助エンジンに燃料として供給する圧縮機ラインと、前記貯蔵タンクに収容されたLNGをポンプによって圧縮して前記メインエンジン及び前記補助エンジンに燃料として供給するポンプラインとを含み、バラスト(ballast)状態に比べて前記貯蔵タンクに貯蔵されたLNGの量が多いレイドン(laden)状態で、前記貯蔵タンクで発生するBOGは、前記圧縮機ラインを介して前記メインエンジン及び前記補助エンジンのうち少なくとも一つに燃料として供給されることを特徴とする船舶の液化ガス処理方法が提供される。
前記バラスト状態で、前記貯蔵タンクに貯蔵されたLNGは、前記ポンプラインを介して前記メインエンジン及び前記補助エンジンに燃料として供給されてもよい。
前記バラスト状態で、前記貯蔵タンクで発生するBOGは、前記圧縮機ラインを介して前記メインエンジン及び前記補助エンジンのうちいずれか一つに燃料として供給されてもよい。
前記バラスト状態で、前記貯蔵タンクで発生するBOGは、前記圧縮機ラインを介して前記補助エンジンに燃料として供給され、前記貯蔵タンクに貯蔵されたLNGは、前記ポンプラインを介して前記メインエンジンに燃料として供給されてもよい。
前記バラスト状態で、前記貯蔵タンクで発生するBOGは、前記圧縮機ラインを介して間欠的に前記メインエンジン及び前記補助エンジンのうち少なくとも一つに燃料として供給され、前記メインエンジン及び前記補助エンジンのうち少なくとも一つにBOGが供給されないとき、前記貯蔵タンクに貯蔵されたLNGは、前記ポンプラインを介して前記メインエンジン及び前記補助エンジンのうち少なくとも一つに燃料として供給されてもよい。
前記バラスト状態で、前記貯蔵タンクで発生するBOGと前記貯蔵タンクに貯蔵されたLNGは、同時に前記メインエンジン及び前記補助エンジンに燃料として供給されてもよい。
前記圧縮機は、複数の圧縮シリンダーを含み、前記貯蔵タンクで発生するBOGは、複数の前記圧縮シリンダーのうち一部の圧縮シリンダーによって圧縮された後、前記補助エンジンに燃料として供給されてもよい。
前記貯蔵タンクで発生するBOGと強制的に気化したLNGを前記圧縮機に供給して圧縮させた後、前記メインエンジン及び前記補助エンジンのうち少なくとも一つに燃料として供給してもよい。
前記貯蔵タンクに貯蔵されたLNGを前記補助エンジンに供給するとき、LNGのメタン価を前記補助エンジンで要求する値に合わせるためにLNGから重炭化水素成分を分離してもよい。
前記圧縮機によって圧縮されたBOGのうち前記メインエンジン及び前記補助エンジンに燃料として供給されないBOGを、前記貯蔵タンクから排出されて前記圧縮機に移送されているBOGと熱交換させて液化させてもよい。
本発明の他の側面によると、LNGを貯蔵している貯蔵タンクと、前記貯蔵タンクに貯蔵されているLNGを燃料として使用するメインエンジン及び補助エンジンとを備えた船舶の液化ガス処理システムであって、前記貯蔵タンクで発生したBOGを圧縮機によって圧縮して前記メインエンジンに燃料として供給するBOG主供給ラインと;前記貯蔵タンクで発生したBOGを圧縮機によって圧縮して前記補助エンジンに燃料として供給するBOG副供給ラインと;前記貯蔵タンクに貯蔵されたLNGをポンプによって圧縮して前記メインエンジンに燃料として供給するLNG主供給ラインと;前記貯蔵タンクに貯蔵されたLNGをポンプによって圧縮して前記補助エンジンに燃料として供給するLNG副供給ラインと;を含むことを特徴とする船舶の液化ガス処理システムが提供される。
前記ポンプは、前記貯蔵タンクの内部に設置され、LNGを前記貯蔵タンクの外部に排出させる排出ポンプ、及び前記貯蔵タンクの外部に設置されるポンプのうち少なくとも一つを含んでもよい。
本発明の他の側面によると、液化天然ガスを貯蔵している貯蔵タンクと、前記貯蔵タンクに貯蔵されている液化天然ガスを燃料として使用するエンジンとを備えた船舶の液化ガス処理システムであって、前記貯蔵タンク内で液化天然ガスから発生した後、前記貯蔵タンクから排出される蒸発ガスの第1のストリームと;前記第1のストリームのうち燃料として前記エンジンに供給される蒸発ガスの第2のストリームと;前記第1のストリームのうち前記エンジンに供給されていない蒸発ガスの第3のストリームと;を含み、前記第1のストリームは、圧縮装置で圧縮された後、前記第2のストリームと前記第3のストリームに分岐され、前記圧縮装置で圧縮された前記第3のストリームは、熱交換器で前記第1のストリームと熱交換され、別途の冷媒を用いた再液化装置を使用せずに液化され、液化された前記第3のストリームは、減圧された後、全て前記貯蔵タンクに復帰することを特徴とする船舶の液化ガス処理システムが提供される。
前記第3のストリームは、減圧された後で気液混合状態になり、気体成分と液体成分が全て前記貯蔵タンクに復帰してもよい。
前記気体成分は、前記貯蔵タンクで新たに発生した蒸発ガスと共に前記貯蔵タンクから排出され、前記圧縮装置に供給されてもよい。
前記第3のストリームを減圧するための減圧手段は、膨張バルブまたは膨張機であってもよい。
前記圧縮装置は、複数の圧縮シリンダーを含んでもよい。
前記第1のストリームは、前記圧縮装置に含まれた複数の前記圧縮シリンダーのうち一部または全部を通過して圧縮された後、前記熱交換器に送られてもよい。
前記エンジンは、メインエンジンである低速2行程低圧ガス噴射エンジンと、補助エンジンであるDFエンジンとを含んでもよい。
前記第2のストリームは、前記圧縮装置に含まれた複数の前記圧縮シリンダーを全部通過した後、前記メインエンジンに供給されるラインと、前記圧縮装置に含まれた複数の前記圧縮シリンダーのうち一部を通過した後、前記補助エンジンに供給されるラインとを介して前記エンジンに燃料として供給されてもよい。
前記圧縮装置は、第1の圧縮機及び第2の圧縮機を含んでもよい。
前記第2のストリームは、前記第1の圧縮機で圧縮された後、前記第1のストリームから分岐されてもよい。
前記第3のストリームは、前記第2の圧縮機を通過しながらさらに加圧された後、前記熱交換器に供給されてもよい。
前記貯蔵タンクに貯蔵された液化天然ガスを強制的に気化させて前記圧縮装置に供給するための強制気化器をさらに含んでもよい。
本発明の一実施例によると、貯蔵タンクに貯蔵されている液化ガスと、この液化ガスから蒸発された蒸発ガスを船舶に装着されたエンジンに燃料として供給することによって、液化ガス及び蒸発ガスを効率的に使用できるようにする船舶の液化ガス処理システムを提供することができる。
本発明の一実施例によると、貯蔵タンクに貯蔵された液体状態の液化ガスは、ポンプによって加圧した後、気化させてエンジンに供給し、液化ガスから蒸発された蒸発ガスは、貯蔵タンクから排出させて圧縮機によって加圧した後、エンジンに供給する船舶の液化ガス処理システムを提供することができる。
本発明の一実施例によると、貯蔵タンクから排出された蒸発ガスを加圧した後、圧縮された蒸発ガスのうち一部は、船舶のエンジン、例えば、推進システムに燃料として供給し、圧縮された蒸発ガスのうち残りは貯蔵タンクから新たに排出され、圧縮される前の蒸発ガスの冷熱で液化させて貯蔵タンクに復帰させ得る船舶の液化ガス処理システムを提供することができる。
その結果、本発明の実施例に係る液化ガス処理システムによると、エネルギー消費量が多く、初期設置費が過度に要される再液化装置を設置せずとも、貯蔵タンクで発生する蒸発ガスを再液化させることができ、再液化装置で消費されるエネルギーを節減できるようになる。
また、本発明の実施例に係る液化ガス処理システムによると、LNG運搬船の貨物(すなわち、LNG)運搬時に発生する全ての蒸発ガスを、エンジンの燃料として使用したり再液化させ、再び貯蔵タンクに復帰させて貯蔵できるので、GCUなどで消耗して捨てられる蒸発ガスの量を減少できるようになり、窒素などの別途の冷媒を使用する必要なく、蒸発ガスを再液化して処理できるようになる。
また、本発明の実施例に係る液化ガス処理システムによると、別途の冷媒を使用する再液化装置(すなわち、窒素冷媒冷凍サイクルや混合冷媒冷凍サイクルなど)を設置する必要がないので、冷媒を供給及び貯蔵するための設備をさらに設置する必要がなく、全体のシステムを構成するための初期設置費と運用費用を節約することができる。
また、本発明の実施例に係る液化ガス処理システムによると、圧縮された後、熱交換器で冷却及び液化された蒸発ガスを膨張機によって減圧させる場合、膨張時にエネルギーを生成することができ、捨てられるエネルギーを再活用することができる。
本発明の第1の実施例に係る船舶の液化ガス処理システムを示した概略構成図である。 本発明の第2の実施例に係る船舶の液化ガス処理システムを示した概略構成図である。 本発明の第2の実施例の変形例に係る船舶の液化ガス処理システムを示した概略構成図である。 本発明の第2の実施例の変形例に係る船舶の液化ガス処理システムを示した概略構成図である。 本発明の第3の実施例に係る船舶の液化ガス処理システムを示した概略構成図である。 本発明の第4の実施例に係る船舶の液化ガス処理システムを示した概略構成図である。 本発明の第4の実施例の変形例に係る船舶の液化ガス処理システムを示した概略構成図である。 本発明の第4の実施例の変形例に係る船舶の液化ガス処理システムを示した概略構成図である。 本発明の第5の実施例に係る船舶の液化ガス処理システムを示した概略構成図である。 本発明の第5の実施例の変形例に係る船舶の液化ガス処理システムを示した概略構成図である。 本発明の第5の実施例の変形例に係る船舶の液化ガス処理システムを示した概略構成図である。 本発明の第5の実施例の変形例に係る船舶の液化ガス処理システムを示した概略構成図である。 本発明の第6の実施例に係る液化ガス処理システムを示した概略構成図である。 本発明の第6の実施例の変形例に係る船舶の液化ガス処理システムを示した概略構成図である。 本発明の第6の実施例の変形例に係る船舶の液化ガス処理システムを示した概略構成図である。 本発明の第6の実施例の変形例に係る船舶の液化ガス処理システムを示した概略構成図である。 本発明の第6の実施例の変形例に係る船舶の液化ガス処理システムを示した概略構成図である。 液化ガス処理システムを通じて液化ガスを燃料として受け取って使用するエンジンの一例を示す概念図である。
一般に、船舶から排出される排気ガスのうち国際海事機構(International Maritime Organization)の規制を受けているものは窒素酸化物(NOx)と硫黄酸化物(SOx)であって、最近は、二酸化炭素(CO)の排出も規制しようとしている。特に、窒素酸化物(NOx)と硫黄酸化物(SOx)の場合、1997年に海上汚染防止協約(MARPOL;The Prevention of Marine Pollution from Ships)議定書を通じて提起され、8年という長い時間が要された後、2005年5月に発効要件を満足し、現在強制規定に移行されている。
したがって、このような規定を充足させるために、窒素酸化物(NOx)の排出量を低減させる多様な方法が紹介されているが、このような方法のうち、LNG運搬船などの船舶のための高圧天然ガス噴射エンジン、例えば、MEGIエンジンが開発されて使用されている。MEGIエンジンは、同級出力のディーゼルエンジンに比べて汚染物質の排出量を、二酸化炭素は23%、窒素化合物は80%、硫黄化合物は95%以上減少させ得る環境にやさしい次世代のエンジンとして脚光を浴びている。
このようなMEGIエンジンは、LNGを極低温に耐える貯蔵タンクに貯蔵して運搬するLNG運搬船などの船舶(本明細書において、船舶とは、LNG運搬船、LNG RVなどをはじめとして、LNG FPSO、LNG FSRUなどの海上プラントまでも全て含む概念である。)に設置されてもよく、この場合、天然ガスを燃料として使用するようになり、その負荷によってエンジンに対して約150bara〜約400bara(絶対圧力)程度の高圧のガス供給圧力が要求される。
MEGIエンジンは、推進のためにプロペラに直結されて使用されてもよく、このために、MEGIエンジンは、低速で回転する2行程エンジンからなる。すなわち、MEGIエンジンは、低速2行程高圧天然ガス噴射エンジンである。
また、窒素酸化物の排出量を低減させるために、ディーゼル油と天然ガスとを混合して燃料として使用するDFエンジン(例えば、DFDG;Dual Fuel Diesel Generator)が開発され、推進用や発電用に使用されている。DFエンジンは、オイルと天然ガスとを混合・燃焼したり、オイル及び天然ガスから選ばれた一つのみを燃料として使用できるエンジンであって、オイルのみを燃料として使用する場合に比べて燃料に含まれた硫黄化合物が少ないので、排気ガス中の硫黄酸化物の含量が少ない。
DFエンジンは、MEGIエンジンなどの高圧で燃料ガスを供給する必要がなく、約数bara〜数十bara程度に燃料ガスを圧縮して供給すればよい。DFエンジンは、エンジンの駆動力によって発電機を駆動させて電力を得て、この電力を用いて推進用モーターを駆動させたり、各種装置や設備を運転する。
天然ガスを燃料として供給するとき、MEGIエンジンの場合はメタン価を合わせる必要がないが、DFエンジンの場合はメタン価を合わせる必要がある。
LNGが加熱されると、液化温度が相対的に低いメタン成分が優先的に気化するので、蒸発ガスの場合は、メタンの含有量が高いことから、そのままDFエンジンに燃料として供給されてもよい。しかし、LNGの場合は、メタンの含有量が相対的に低いことからDFエンジンで要求するメタン値より低く、産地によってLNGを構成する炭化水素成分(メタン、エタン、プロパン、ブタンなど)の比率が異なるので、そのまま気化させてDFエンジンに燃料として供給するのに適していない。
メタン価を調節するためには、液化天然ガスを強制的に気化させた後、温度を低下させ、メタンより液化点の高い重炭化水素(HHC;heavy hydrocarbon)成分を液化させて除去してもよい。メタン価を調節した後、エンジンで要求する温度条件に合わせてメタン価が調節された天然ガスをさらに加熱してもよい。
一方、効率は高いが、要求圧力が高いので、システム構成が難しく、設置費及び空間が多く要されるMEGIエンジンの短所を克服するために、環境汚染排出基準を満足させながらも低圧で燃料を供給(すなわち、高圧のポンプや圧縮機、極低温用ポンプなどを排除可能)することができ、LNGとHFO(Heavy Fuel Oil)を必要に応じて選択的あるいは複合的に燃料として使用(すなわち、二重燃料を適用可能)できる低圧ガス噴射2行程低速海洋エンジンが開発された。
図18は、これから説明する本発明の多様な実施例に係る液化ガス処理システムを通じて液化ガスを燃料として受け取って使用するエンジンの一例を示す概念図である。
図18に例示したエンジンは、上述したMEGIエンジンに比べて低圧でガスを圧縮させて燃料として供給できる低速2行程低圧ガス噴射エンジンである。本明細書において、"高圧"とは、MEGIエンジン(低速2行程高圧ガス噴射エンジン)で要求する燃料供給圧力、例えば、150bara〜400bara(絶対圧力)程度の圧力を意味するものであって、"低圧"とは、低速2行程低圧ガス噴射エンジンで要求する燃料供給圧力、例えば、5bara〜40bara程度の圧力を意味するものと見なすべきである。
図18に示したように、エンジン300は、シリンダー310及びピストン360を含み、シリンダー110の中間に低圧ガス供給ポート311が形成され、ピストン360が下死点にあるときに開放され得るシリンダー110の下端部分には燃焼用空気供給ポート331が形成される。
低圧ガス供給ポート311にはバルブ312が装着され、低圧ガス供給ライン320から供給された低圧ガス(約5bara〜約40bara程度)は、このバルブ312を介してシリンダー310の内部に流入してもよい。
空気供給ライン340から供給された燃焼用空気は、シリンダー310の下端を取り囲む空気レシーバー332と空気供給ポート331を介してシリンダー310の内部に流入してもよい。
シリンダーヘッド350には一つ以上のプレチャンバー353が形成され、このプレチャンバー353には、パイロット燃料を噴射できるように一つ以上の燃料ノズル351が設置される。また、シリンダーヘッド350には、排気ガスを排出させるための排気バルブ355が設置される。
低圧ガス供給ポート311を介しては、低圧で加圧された天然ガス(すなわち、気化したLNG)が燃料として供給され、燃料ノズル351を介しては、オイルが燃料として供給されてもよい。燃料ノズル351を介してプレチャンバー353内に噴射されるオイルは、低圧ガスの着火を触発させるパイロット燃料(約1%程度)として作用し得る。パイロット燃料の点火のために、プレチャンバーには点火プラグが設置されてもよく、この点火プラグは、燃料ノズルと一体に形成されてもよい。希薄ガスの燃焼のためにプレチャンバーとパイロット燃料を使用する技術は既に商用化されたものであるので、それについての詳細な説明は省略する。
このエンジン300は、図18に実線で示したように、ピストン360が下死点に位置するときに空気供給ポート331と排気バルブ355が開放される。開放された空気供給ポート331を介して燃焼用空気がシリンダー310内に供給されながら掃気が起こり、排気ガスが排出される。
ピストン360が上昇しはじめると空気供給ポート331が閉鎖され、シリンダー内部の圧力がさらに上昇する前にバルブ312が開放され、低圧ガス供給ポート311を介して約5bara〜40bara程度の燃料としての低圧ガスがシリンダー310内に供給される。
図18に点線で示したように、ピストン360が上死点に位置するとき、プレチャンバー353で点火が起こり、シリンダー310の内部に火炎が伝播されることによってガス燃料の爆発を触発し、ピストン360を下死点まで押しながら動力を生成する。
以下では、添付の図面を参照して本発明の実施例に対する構成及び作用を詳細に説明する。また、下記の実施例は、多くの他の形態に変形されてもよく、本発明の範囲が下記の実施例に限定されることはない。
本発明の実施例に係る液化ガス処理システムは、推進用メインエンジン(すなわち、LNGを燃料として使用する推進手段)として、例えば、図18に示した低速2行程低圧ガス噴射エンジンを装着して使用するLNG運搬船などの船舶に適用されてもよい。
(第1の実施例)
図1は、本発明の第1の実施例に係る船舶の液化ガス処理システムを示した構成図である。図1を参照すると、本実施例に係る液化ガス処理システム100は、貯蔵タンク1からLNGを推進システムとしてのメインエンジン3に移送させるための経路を提供する燃料供給ライン110と、貯蔵タンク1から発生するBOG(Boil Off Gas)をメインエンジン3に移送させるための経路を提供するBOGライン140とを含む。また、本実施例に係るBOGを用いた液化ガス処理システム100は、燃料供給ライン110を介してLNGをLNGポンプ120及びLNG気化器130によって燃料としてメインエンジン3に供給し、BOGライン140を介してBOGをBOG圧縮機150によって圧縮させて燃料としてメインエンジン3に供給し、BOG圧縮機150から余剰のBOGを統合型IGG/GCUシステム200に供給する。
メインエンジン3として使用可能な低速2行程低圧ガス噴射エンジンは、例えば、約5bara〜40bara(絶対圧力)程度の低圧で燃料を受け取ることができる。したがって、本実施例に係るLNGポンプ120とBOG圧縮機150としては、メインエンジン3で要求する圧力でLNGとBOGをそれぞれ圧縮させ得るポンプと圧縮機が使用される。
燃料供給ライン110は、例えば、LNGCの貯蔵タンク1から移送ポンプ2の駆動によって供給されるLNGを燃料としてメインエンジン3に移送させるための経路を提供し、LNGポンプ120とLNG気化器130が設置される。
LNGポンプ120は、燃料供給ライン110にLNGの移送に必要なポンピング力を提供するように設置され、本実施例のように多数が並列に設置されてもよい。
一方、本実施例によると、燃料供給ライン110には、2個のポンプ、すなわち、貯蔵タンク1の内部に設置された移送ポンプ2と、貯蔵タンク1の外部に設置されたLNGポンプ120とが設置され、燃料を1次的及び2次的に加圧するように構成されている。しかし、一つのポンプのみでメインエンジン3で要求する圧力までLNGを加圧できる場合、移送ポンプ2及びLNGポンプ120のうちいずれか一つのポンプのみが燃料供給ライン110に設置されてもよい。
LNG気化器130は、燃料供給ライン110でLNGポンプ120の後段(下流)に設置されることによって、LNGポンプ120によって移送されるLNGを気化させるようにするが、LNGの気化のために、一例として、LNGが熱媒循環ライン131を介して循環供給される熱媒との熱交換によって気化し、他の例として、ヒーターを始めとしてLNGの気化熱を提供するための多様なヒーティング手段が使用されてもよい。一方、熱媒循環ライン131に循環供給される熱媒の一例として、ボイラーなどから発生するスチームが使用されてもよい。
BOGライン140は、貯蔵タンク1から自然に発生するBOGをメインエンジン3に移送させるための経路を提供し、本実施例のように燃料供給ライン110に連結されることによって、BOGを燃料としてメインエンジン3に供給してもよく、これと異なり、BOGを直接メインエンジン3に供給するための経路を提供してもよい。
BOG圧縮機150は、BOGライン140に設置され、BOGライン140を通過するBOGを圧縮させる。図1は、一つのBOG圧縮機150のみを示しているが、BOG圧縮機は、従来の一般的な燃料供給システムのように、二元化設計(redundancy)要求事項を満足させるために、同一の仕様の圧縮機2台が並列に連結されるようにシステムが構成されてもよい。ただし、本実施例のように、BOGライン140で余剰BOGライン160の分岐部分に単一のBOG圧縮機150が設置される場合は、高価なBOG圧縮機150の設置による経済的負担と維持及び補修に対する負担を減少させ得るという追加的な効果を達成することができる。
余剰BOGライン160は、BOG圧縮機150から余剰のBOGを統合型IGG/GCUシステム200に供給する経路を提供するが、統合型IGG/GCUシステム200のみならず、例えば、DFエンジンなどの補助エンジンなどに余剰のBOGを燃料として供給してもよい。
統合型IGG/GCUシステム200は、IGG(Inert Gas Generator)とGCU(Gas Combustion Unit)とが統合されたシステムである。
一方、余剰BOGライン160と燃料供給ライン110は、連結ライン170によって互いに連結されてもよい。したがって、連結ライン170によって余剰のBOGをメインエンジン3の燃料として使用したり、気化したLNGを統合型IGG/GCUシステム200に燃料として使用してもよい。このような連結ライン170には、通過するBOGや気化したLNGの加熱のためにヒーター180が設置されてもよく、BOGや気化したLNGによる圧力を調節することによって過度な圧力を低減させる圧力減少バルブ(Pressure Reduction Valve;PRV)190が設置されてもよい。一方、ヒーター180は、ガスの燃焼熱を用いたガスヒーターであるか、その他にも、熱媒の循環によって加熱のための熱源を提供する熱媒循環供給部をはじめとして、多様なヒーティング手段であってもよい。
以下では、このような本発明の第1の実施例に係る液化ガス処理システムの作用を説明する。
貯蔵タンク1内の圧力が定められた圧力以上であるか、BOGの発生量が多いと、BOG圧縮機150の駆動によってBOGを圧縮してメインエンジン3に燃料として供給する。また、貯蔵タンク1内の圧力が定められた圧力未満であるか、BOGの発生量が少ないと、LNGポンプ120とLNG気化器130の駆動によってLNGを移送及び気化させてメインエンジン3に燃料として供給してもよい。
一方、余剰のBOGは、BOG圧縮機150から余剰BOGライン160を介して統合型IGG/GCUシステム200またはDFエンジンなどの補助エンジンに供給されるようにし、BOGの消耗または貯蔵タンク1に供給するための不活性ガスの生成の目的で使用されるようにし、さらに、補助エンジンなどの燃料として使用できるようにする。
BOGが供給される統合型IGG/GCUシステム200は、本体210内のBOGの燃焼により、貯蔵タンク1から持続的に発生するBOGを消費することができ、必要に応じて貯蔵タンク1に供給するための不活性ガスとして燃焼ガスを生成してもよい。
(第2の実施例)
図2は、本発明の第2の実施例に係る船舶の液化ガス処理システムの概略構成図である。
図2は、天然ガスを燃料として使用可能なエンジン(すなわち、LNGを燃料として使用する推進手段)、例えば、低速2行程低圧ガス噴射エンジンを設置したLNG運搬船に本実施例の液化ガス処理システムが適用された例を示しているが、本実施例の液化ガス処理システムは、液化ガス貯蔵タンクが設置された全ての種類の船舶、すなわち、LNG運搬船、LNG RVなどを始めとして、LNG FPSO、LNG FSRU、BMPPなどの海上プラントに適用されてもよい。
本発明の第2の実施例に係る船舶の液化ガス処理システムによると、液化ガスを貯蔵する貯蔵タンク11で発生して排出された蒸発ガス(NBOG)は、蒸発ガス供給ラインL1に沿って移送されて圧縮機13で圧縮された後、メインエンジン3、例えば、低速2行程低圧ガス噴射エンジンに供給される。蒸発ガスは、圧縮機13によって約5bara〜約40bara程度の低圧で圧縮された後、メインエンジン3、例えば、低速2行程低圧ガス噴射エンジンに燃料として供給される。
貯蔵タンクは、LNGなどの液化ガスを極低温状態で貯蔵できるように密封壁及び断熱防壁を備えているが、外部から伝達される熱を完璧に遮断することはできない。それによって、貯蔵タンク11内では液化ガスの蒸発が持続的に行われ、蒸発ガスの圧力を適正な水準に維持するために蒸発ガス排出ラインL1を介して貯蔵タンク11内部の蒸発ガスを排出させる。
貯蔵タンク11の内部には、必要時にLNGを貯蔵タンクの外部に排出させるために排出ポンプ12が設置される。
圧縮機13は、一つ以上の圧縮シリンダー14と、圧縮されながら温度が上昇した蒸発ガスを冷却させるための一つ以上の中間冷却器15とを含んでもよい。圧縮機13は、例えば、蒸発ガスを約40baraまで圧縮するように構成されてもよい。図2では、3個の圧縮シリンダー14及び3個の中間冷却器15を含む多段圧縮の圧縮機13が例示されているが、圧縮シリンダーと中間冷却器の個数は、それぞれ1個または2個ずつ含まれるなど、必要に応じて変更されてもよい。また、一つの圧縮機内に複数の圧縮シリンダーが配列された構造の他に、複数の圧縮機を直列に連結した構造を有するように変更されてもよい。
圧縮機13で圧縮された蒸発ガスは、蒸発ガス供給ラインL1を介してメインエンジン3、例えば、低速2行程低圧ガス噴射エンジンに供給されるが、メインエンジン3で必要とする燃料の必要量によって圧縮された蒸発ガス全部をメインエンジン3に供給してもよく、圧縮された蒸発ガスの一部のみをメインエンジン3に供給してもよい。
また、本発明の第2の実施例によると、貯蔵タンク11から排出されて圧縮機13で圧縮される蒸発ガス(すなわち、貯蔵タンクから排出された蒸発ガス全体)を第1のストリームとするとき、蒸発ガスの第1のストリームを圧縮後に第2のストリームと第3のストリームとに分け、第2のストリームはメインエンジン3に燃料として供給し、第3のストリームは液化させて貯蔵タンク11に復帰させるように構成してもよい。
このとき、第2のストリームは、蒸発ガス供給ラインL1を介してメインエンジン3に供給される。必要時、第2のストリームは、圧縮機13に含まれた一つ以上の圧縮シリンダー14全部を通過した後、メインエンジン3に連結されるライン(すなわち、蒸発ガス供給ラインL1)と、圧縮機13に含まれた複数の圧縮シリンダー14のうち一部を通過した後、補助エンジン5、例えば、DFエンジン(DFDG)に連結されるライン(すなわち、蒸発ガス分岐ラインL8)を介して燃料として供給されてもよい。
第3のストリームは、蒸発ガス復帰ラインL3を介して貯蔵タンク11に復帰される。圧縮された蒸発ガスの第3のストリームを冷却及び液化できるように、蒸発ガス復帰ラインL3には熱交換器21が設置される。熱交換器21では、圧縮された蒸発ガスの第3のストリームを、貯蔵タンク11から排出された後で圧縮機13に供給される蒸発ガスの第1のストリームと熱交換させる。
圧縮される前の蒸発ガスの第1のストリームの流量が第3のストリームの流量より多いので、圧縮された蒸発ガスの第3のストリームは、圧縮される前の蒸発ガスの第1のストリームから冷熱を受けて液化され得る。このように、熱交換器21では、貯蔵タンク11から排出された直後の極低温の蒸発ガスと圧縮機13で圧縮された高圧状態の蒸発ガスとを熱交換させ、この高圧状態の蒸発ガスを冷却及び液化させる。
熱交換器21で冷却されて少なくとも部分的に液化された蒸発ガス(LBOG)は、減圧手段としての膨張バルブ22を通過しながら減圧され、気液混合状態で気液分離機23に供給される。膨張バルブ22を通過しながら、LBOGはおよそ常圧(例えば、3baraの圧力)に減圧され得る。液化された蒸発ガスは、気液分離機23で気体成分と液体成分に分離され、液体成分、すなわち、LNGは蒸発ガス復帰ラインL3を介して貯蔵タンク11に移送され、気体成分、すなわち、蒸発ガスは蒸発ガス再循環ラインL5を介して貯蔵タンク11から排出されて圧縮機13に供給される蒸発ガスに合流される。より詳細には、蒸発ガス再循環ラインL5は、気液分離機23の上段から延長され、蒸発ガス供給ラインL1の熱交換器21より上流側に連結される。
減圧された蒸発ガスが円滑に貯蔵タンク11に復帰できるように、また、減圧された蒸発ガス中の気体成分を蒸発ガス再循環ラインL5を介して円滑に蒸発ガス供給ラインL1に合流できるように、減圧手段による減圧後の蒸発ガスの圧力は、貯蔵タンク11の内部圧力より高く設定されることが有利である。
以上では、説明の便宜上、熱交換器21が蒸発ガス復帰ラインL3に設置されたことを説明したが、実際に、熱交換器21では、蒸発ガス供給ラインL1を介して移送されている蒸発ガスの第1のストリームと、蒸発ガス復帰ラインL3を介して移送されている蒸発ガスの第3のストリームとの間で熱交換が行われているので、熱交換器21は蒸発ガス供給ラインL1にも設置されたものでもある。
蒸発ガス再循環ラインL5には、他の膨張バルブ24がさらに設置されてもよく、それによって、気液分離機23から排出された気体成分は、膨張バルブ24を通過しながら減圧され得る。また、熱交換器21で液化された後、気液分離機23に供給される蒸発ガスの第3のストリームと、気液分離機23で分離されて蒸発ガス再循環ラインL5を介して移送される気体成分とを熱交換させ、第3のストリームをさらに冷却できるように、蒸発ガス再循環ラインL5には冷却器25が設置される。すなわち、冷却器25では、高圧液体状態の蒸発ガスを低圧極低温気体状態の天然ガスにさらに冷却させる。
本実施例によると、気液分離機23から排出された気体成分を減圧させた後、圧縮機13に供給されている蒸発ガスの第1のストリームに合流させて共に圧縮機に供給するが、圧縮機で気体を圧縮する場合、一定量の流量までは圧縮機の電力消費が一定に維持された後、電力消費が増加するようになるので、電力消費が一定に維持される水準までは、流量が追加されたとしても電力消費は増加しない。したがって、電力消費が一定に維持される水準では、気液分離機から排出された気体成分を追加的に圧縮機に供給したとしても、追加的な電力消費がなく効果的に蒸発ガスを処理することができる。
ここで、説明の便宜上、冷却器25が蒸発ガス再循環ラインL5に設置されたことを説明したが、実際には、冷却器25では、蒸発ガス復帰ラインL3を介して移送されている蒸発ガスの第3のストリームと、蒸発ガス再循環ラインL5を介して移送されている気体成分との間で熱交換が行われているので、冷却器25は蒸発ガス復帰ラインL3にも設置されたものでもある。
図3に示したように、本実施例の変形例によると、冷却器25が省略されるようにシステムが構成されてもよい。冷却器25を設置しない場合、全体のシステムの効率がやや低下し得るが、配管の配置とシステムの運用が容易であり、冷却器の初期設置費及び維持補修費が節約されるという利点がある。
一方、貯蔵タンク11で発生する蒸発ガスの量が低速2行程低圧ガス噴射エンジンで要求する燃料量より多く、余剰の蒸発ガスが発生すると予想される場合は、圧縮機13で圧縮された、あるいは段階的に圧縮されている途中の蒸発ガスを、蒸発ガス分岐ラインL7、L8を介して分岐させて蒸発ガス消費手段で使用する。蒸発ガス消費手段としては、低圧で加圧された天然ガスを燃料として使用できるGCU7や、補助エンジン5(例えば、DF Generator(DFDG)、ガスタービンなど)が使用されてもよい。圧縮機13の中間段から蒸発ガス分岐ラインL7、L8を介して分岐する蒸発ガスの圧力は、約5bara〜約10bara程度であってもよい。
以上説明したような本発明の第2の実施例に係る液化ガス処理システム及び処理方法によると、LNG運搬船の貨物(すなわち、LNG)運搬時に発生する蒸発ガスを、エンジンの燃料として使用したり再液化させ、再び貯蔵タンクに復帰させて貯蔵できるので、GCUなどで消耗して捨てられる蒸発ガスの量を減少させたりなくすことができ、窒素などの別途の冷媒を使用する再液化装置を設置する必要なく、蒸発ガスを再液化して処理できるようになる。
また、本発明の第2の実施例に係る液化ガス処理システム及び液化ガス処理方法によると、別途の冷媒を使用する再液化装置(すなわち、窒素冷媒冷凍サイクルや混合冷媒冷凍サイクルなど)を設置する必要がないので、冷媒を供給及び貯蔵するための設備をさらに設置する必要がなく、全体のシステムを構成するための初期設置費と運用費用を節約することができる。
図2は、圧縮されたBOGを熱交換器21に供給するための蒸発ガス復帰ラインL3が圧縮機13の後段(下流)から分岐されることを例示しているが、蒸発ガス復帰ラインL3は、上述した蒸発ガス分岐ラインL7、L8と同様に、圧縮機13で段階的に圧縮されている途中の蒸発ガスを分岐できるように設置されてもよい。図4は、2個のシリンダーによって2段圧縮された蒸発ガスを分岐させる変形例を示している。このとき、圧縮機13の中段から分岐する蒸発ガスの圧力は、約5bara〜約10bara程度であってもよい。
特に、5個のシリンダーを含み、前段の3個のシリンダーは無給油潤滑(oil―free)方式で動作し、後段の2個のシリンダーは給油潤滑(oil―lubricated)方式で動作するベカルト社の圧縮機を使用する場合、圧縮機の後段や4段以上からBOGを分岐させるときは、オイルフィルターを経てBOGが移送されるように構成する必要があるが、3段以下から分岐させるときは、オイルフィルターを使用する必要がないという点で有利であり得る。
(第3の実施例)
図5は、本発明の第3の実施例に係る船舶の液化ガス処理システムの概略構成図である。
第3の実施例に係る液化ガス処理システムは、メインエンジン3や補助エンジン5などで要求する蒸発ガスの量が自然に発生する蒸発ガスの量より多い場合、LNGを強制的に気化させて使用できるように構成されるという点で第2の実施例の液化ガス処理システムと異なっている。以下では、第2の実施例の液化ガス処理システムとの相違点のみをより詳細に説明する。また、第2の実施例と同一の構成要素には同一の部材番号を付与し、それについての詳細な説明は省略する。
本発明の第3の実施例に係る船舶の液化ガス処理システムによると、液化ガスを貯蔵する貯蔵タンク11で発生して排出された蒸発ガス(NBOG)は、蒸発ガス供給ラインL1に沿って移送されて圧縮機13で圧縮された後、メインエンジン3、例えば、低速2行程低圧ガス噴射エンジンに供給されたり、圧縮機13で圧縮された後、または多段圧縮される途中で補助エンジン5、例えば、DFエンジンに供給されて燃料として使用されるという点では第2の実施例と同一である。
ただし、第3の実施例の液化ガス処理システムは、メインエンジン3と補助エンジン5で要求する燃料としての蒸発ガスの量が貯蔵タンク11で自然に発生する蒸発ガスの量より多い場合、貯蔵タンク11に貯蔵されたLNGを強制気化器31で気化させて圧縮機13に供給できるように強制気化ラインL11を備える。
第3の実施例のように強制気化ラインL11を備えると、貯蔵タンクに貯蔵されているLNGの量が少ないため蒸発ガスの発生量が少ないか、各種エンジンで要求する燃料としての蒸発ガスの量が自然に発生する蒸発ガスの量より多い場合も安定的に燃料を供給できるようになる。
(第4の実施例)
図6は、本発明の第4の実施例に係る船舶の液化ガス処理システムの概略構成図である。
第4の実施例に係る液化ガス処理システムは、膨張バルブの代わりに、減圧手段として膨張機52を使用するという点で第2の実施例の液化ガス処理システムと異なっている。すなわち、第4の実施例によると、熱交換器21で冷却されて少なくとも部分的に液化された蒸発ガス(LBOG)は、膨張機52を通過しながら減圧されて気液混合状態で気液分離機23に供給される。以下では、第2の実施例の液化ガス処理システムとの相違点のみをより詳細に説明する。また、第2の実施例と同一の構成要素には同一の部材番号を付与し、それについての詳細な説明は省略する。
膨張機52は、高圧の液化された蒸発ガスを低圧で膨張させながらエネルギーを生産する。膨張機52を通過しながら、LBOGはおよそ常圧に減圧され得る。液化された蒸発ガスは、気液分離機23で気体成分と液体成分に分離され、液体成分、すなわち、LNGは、蒸発ガス復帰ラインL3を介して貯蔵タンク11に移送され、気体成分、すなわち、蒸発ガスは、蒸発ガス再循環ラインL5を介して貯蔵タンク11から排出されて圧縮機13に供給される蒸発ガスに合流される。より詳細には、蒸発ガス再循環ラインL5は、気液分離機23の上段から延長され、蒸発ガス供給ラインL1の熱交換器21より上流側に連結される。
蒸発ガス再循環ラインL5には、減圧手段、例えば、膨張バルブ24がさらに設置されてもよく、その結果、気液分離機23から排出された気体成分は膨張バルブ24を通過しながら減圧され得る。
図7及び図8は、本発明の第4の実施例の変形例に係る船舶の液化ガス処理システムを示した概略構成図である。
図6に示した第4の実施例には、圧縮されたBOGを熱交換器21に供給するための蒸発ガス復帰ラインL3が圧縮機13の後段(下流)から分岐されることを例示している。しかし、上述した蒸発ガス分岐ラインL7、L8、あるいは図4を参照して説明した第2の実施例の変形例での蒸発ガス復帰ラインと同様に、図7に示したような第4の実施例の変形例によると、蒸発ガス復帰ラインL3は、圧縮機13で段階的に圧縮されている途中の蒸発ガスを分岐できるように設置されてもよい。図7は、2個のシリンダーによって2段圧縮された蒸発ガスを分岐させる変形例を示している。
また、図7に示した第4の実施例の第1の変形例を参照すると、第4の実施例に係る液化ガス処理システムは、熱交換器21を通過しながら冷却及び液化された蒸発ガスを追加的に冷却するための熱交換器としての冷却器25(図6参照)が省略されるように変形されてもよい。冷却器25を設置しない場合、全体システムの効率がやや低下し得るが、配管の配置とシステムの運用が容易であり、冷却器の初期設置費及び維持補修費が節約されるという利点がある。
また、図8に示した第4の実施例の第2の変形例を参照すると、第4の実施例に係る液化ガス処理システムは、減圧手段としての膨張機52と膨張バルブ55が並列に配置されるように変形されてもよい。このとき、並列に配置された膨張機52及び膨張バルブ55は、熱交換器21と気液分離器23との間に位置する。膨張バルブ55を並列に設置するために、そして、必要時に膨張機52あるいは膨張バルブ55のみを使用するために、熱交換器21と気液分離器23との間の蒸発ガス復帰ラインL3から分岐して膨張機52を迂回するバイパスラインL31が設置される。膨張機52のみを使用して液化された蒸発ガスを膨張させる場合は膨張バルブ55を閉鎖し、膨張バルブ55のみを使用して液化された蒸発ガスを膨張させる場合は、蒸発ガス復帰ラインL3で膨張機52の前段(上流)と後段(下流)にそれぞれ設置された開閉バルブ53、54を閉鎖する。
以上説明したような本発明の第4の実施例に係る液化ガス処理システム及び液化ガス処理方法によると、以前の実施例に係る液化ガス処理システム及び処理方法と同様に、LNG運搬船の貨物(すなわち、LNG)運搬時に発生する蒸発ガスを、エンジンの燃料として使用したり再液化させ、再び貯蔵タンクに復帰させて貯蔵できるので、GCUなどで浪費して捨てられる蒸発ガスの量を減少させたりなくすことができ、窒素などの別途の冷媒を使用する再液化装置を設置する必要なく、蒸発ガスを再液化して処理できるようになる。
本発明の第4の実施例に係る液化ガス処理システム及び液化ガス処理方法がLNG運搬船やLNG RVなどの船舶の他に、LNG FPSO、LNG FSRU、BMPPなどのプラントに適用された場合にも、LNGを貯蔵している貯蔵タンクで発生する蒸発ガスをエンジン(推進のためのエンジンのみならず、発電用に使用されるエンジンなども含む)で燃料として使用したり再液化できるので、浪費される蒸発ガスを減少させたりなくすことができる。
また、本発明の第4の実施例に係る液化ガス処理システム及び液化ガス処理方法によると、別途の冷媒を使用する再液化装置(すなわち、窒素冷媒冷凍サイクルや混合冷媒冷凍サイクルなど)を設置する必要がないので、冷媒を供給及び貯蔵するための設備をさらに設置する必要がなく、全体のシステムを構成するための初期設置費と運用費用を節約することができる。
(第5の実施例)
図9は、本発明の第5の実施例に係る船舶の液化ガス処理システムの概略構成図である。
第5の実施例に係る液化ガス処理システムは、熱交換器21で液化された後、減圧手段(例えば、膨張バルブ22)で減圧された蒸発ガスを、気液分離機23を経ず、そのまま貯蔵タンク11に復帰させるように構成されるという点で第2の実施例の液化ガス処理システムと異なっている。以下では、第2の実施例の液化ガス処理システムとの相違点のみをより詳細に説明する。また、第2の実施例と同一の構成要素には同一の部材番号を付与し、それについての詳細な説明は省略する。
本実施例によると、液化された後、減圧されながら気体成分(すなわち、フラッシュガス)と液体成分(すなわち、液化蒸発ガス)とが混合された状態になった蒸発ガス(すなわち、2相(two phase)蒸発ガス)を、蒸発ガス復帰ラインL3を介して貯蔵タンク11に復帰させる。蒸発ガス復帰ラインL3は、貯蔵タンク11に復帰する2相蒸発ガスが貯蔵タンク11の底に噴射されるように構成されてもよい。
貯蔵タンク11の底に噴射された2相蒸発ガス中の気体成分(すなわち、フラッシュガス)は、貯蔵タンク11に貯蔵されているLNGに部分的に溶け込むか、LNGの冷熱によって液化されてもよい。また、溶けず液化されていないフラッシュガス(BOG)は、貯蔵タンクでさらに発生するBOG(NBOG)と共に蒸発ガス供給ラインL1を介して再び貯蔵タンク11から排出される。新たに発生したBOGと共に貯蔵タンク11から排出されたフラッシュガスは、蒸発ガス供給ラインL1に沿って圧縮機13に再循環される。
本実施例によると、膨張後、2相状態の蒸発ガスを貯蔵タンク11の底に噴射させることによって、貯蔵タンク11に貯蔵されているLNGにより、液化される蒸発ガスの量を増加させることができ、気液分離機などの設備を省略することによって設置費及び運用費などを節約できるという長所がある。
図10は、本発明の第5の実施例の第1の変形例に係る船舶の液化ガス処理システムを示した概略構成図である。
図10に示した第5の実施例の第1の変形例は、減圧手段として膨張バルブの代わりに膨張機52を使用するという点のみで、図9に示した第5の実施例に係る液化ガス処理システムと異なっている。すなわち、第5の実施例の第1の変形例によると、熱交換器21で冷却されて液化された蒸発ガス(LBOG)は、膨張機52を通過しながら減圧されて気液混合状態になった後、2相状態で貯蔵タンク11に復帰する。
図11は、本発明の第5の実施例の第2の変形例に係る船舶の液化ガス処理システムを示した概略構成図である。
図11に示した第5の実施例の第2の変形例は、圧縮装置として多段圧縮機の代わりに、複数の圧縮機(例えば、第1の圧縮機13a及び第2の圧縮機13b)を使用するという点で、図9に示した第5の実施例に係る液化ガス処理システムと異なっている。
本発明の第5の実施例の第2の変形例に係る液化ガス処理システムによると、液化ガスを貯蔵する貯蔵タンク11で発生して排出された蒸発ガス(NBOG)は、蒸発ガス供給ラインL1に沿って移送されて第1の圧縮機13aに供給される。第1の圧縮機13aで圧縮された蒸発ガスは、約5bara〜約40bara程度に圧縮された後、燃料供給ラインL2に沿って需要先、すなわち、LNGを燃料として使用する推進システム(例えば、DFDEまたは低速2行程低圧ガス噴射エンジン)に供給されてもよい。需要先に供給された後で残った蒸発ガスは、ブースター圧縮機としての第2の圧縮機13bによって追加的に圧縮されてもよく、その次に、上述した第5の実施例と同様に、蒸発ガス復帰ラインL3に沿って移動しながら液化されて貯蔵タンク11に復帰してもよい。
図示していないが、加圧された蒸発ガスを需要先に供給するために分岐する燃料供給ラインL2は、第2の圧縮機13bの下流側から分岐されるように構成されてもよい。
第1の圧縮機13aは、一つの圧縮シリンダー14a及び一つの中間冷却器15aを含む1段圧縮機であってもよい。第2の圧縮機13bは、一つの圧縮シリンダー14b及び一つの中間冷却器15bを含む1段圧縮機であってもよく、必要であれば、複数の圧縮シリンダー及び複数の中間冷却器を含む多段圧縮機であってもよい。
第1の圧縮機13aで圧縮された蒸発ガスは、約5bara〜約40bara程度まで圧縮された後、燃料供給ラインL2を介して需要先、例えば、DFエンジン(すなわち、DFDE)などの補助エンジン5やメインエンジン3(すなわち、低速2行程低圧ガス噴射エンジン)に供給されるが、エンジンで必要とする燃料の必要量によって蒸発ガスの全部をエンジンに供給することもでき、蒸発ガスの一部のみをエンジンに供給することもできる。
すなわち、貯蔵タンク11から排出されて第1の圧縮機13aに供給される蒸発ガス(すなわち、貯蔵タンクから排出された蒸発ガス全体)を第1のストリームとするとき、蒸発ガスの第1のストリームを第1の圧縮機13aの下流側で第2のストリームと第3のストリームとに分け、第2のストリームは、推進システムであるDFエンジン(すなわち、DFDE)や低速2行程低圧ガス噴射エンジンに燃料として供給し、第3のストリームは液化させて貯蔵タンクに復帰させるように構成してもよい。
このとき、第2のストリームは、燃料供給ラインL2を介してDFDEに供給され、第3のストリームは、第2の圧縮機13bでさらに加圧された後、液化及び減圧過程を経て蒸発ガス復帰ラインL3を介して貯蔵タンク11に復帰される。圧縮された蒸発ガスの第3のストリームを液化できるように、蒸発ガス復帰ラインL3には熱交換器21が設置される。熱交換器21では、圧縮された蒸発ガスの第3のストリームを、貯蔵タンク11から排出された後で第1の圧縮機13aに供給される蒸発ガスの第1のストリームと熱交換させる。
圧縮される前の蒸発ガスの第1のストリームの流量が第3のストリームの流量より多いので、圧縮された蒸発ガスの第3のストリームは、圧縮される前の蒸発ガスの第1のストリームから冷熱を受けて冷却(すなわち、少なくとも部分的に液化)され得る。このように、熱交換器21では、貯蔵タンク11から排出された直後の極低温の蒸発ガスと圧縮機13で圧縮された高圧状態の蒸発ガスとを熱交換させ、この高圧状態の蒸発ガスを冷却(液化)させる。
熱交換器21で冷却された蒸発ガス(LBOG)は、減圧手段としての膨張バルブ22(例えば、J―Tバルブ)を通過しながら減圧された後、継続して気液混合状態で貯蔵タンク11に復帰する。膨張バルブ22を通過しながら、LBOGは、およそ常圧(例えば、3baraの圧力)に減圧されてもよい。
一方、貯蔵タンク11で発生する蒸発ガスの量がメインエンジン3や補助エンジン5などで要求する燃料量より多く、余剰の蒸発ガスが発生すると予想される場合(例えば、エンジン停止時や低速運航時など)は、第1の圧縮機13aで圧縮された蒸発ガスを、蒸発ガス分岐ラインL7を介して分岐させて蒸発ガス消費手段で使用する。蒸発ガス消費手段としては、天然ガスを燃料として使用できるGCU7や、ガスタービンなどが使用されてもよい。
図12は、本発明の第5の実施例の第3の変形例に係る船舶の液化ガス処理システムを示した概略構成図である。
図12に示した第5の実施例の第3の変形例は、減圧手段として膨張バルブの代わりに膨張機52を使用するという点のみで、図11に示した第5の実施例の第2の変形例に係る液化ガス処理システムと異なっている。すなわち、第5の実施例の第3の変形例によると、熱交換器21で冷却されて液化された蒸発ガス(LBOG)は、減圧手段としての膨張機52を通過しながら減圧されて気液混合状態になった後、2相状態で貯蔵タンク11に復帰する。
以上説明したような本発明の第5の実施例に係る液化ガス処理システム及び液化ガス処理方法によると、以前の実施例に係る液化ガス処理システム及び処理方法と同様に、LNG運搬船の貨物(すなわち、LNG)運搬時に発生する蒸発ガスを、エンジンの燃料として使用したり再液化させ、再び貯蔵タンクに復帰させて貯蔵できるので、GCUなどで消耗して捨てられる蒸発ガスの量を減少させたりなくすことができ、窒素などの別途の冷媒を使用する再液化装置を設置する必要なく、蒸発ガスを再液化して処理できるようになる。
本発明の第5の実施例に係る液化ガス処理システム及び液化ガス処理方法がLNG運搬船やLNG RVなどの船舶の他に、LNG FPSO、LNG FSRU、BMPPなどのプラントに適用された場合にも、LNGを貯蔵している貯蔵タンクで発生する蒸発ガスをエンジン(推進のためのエンジンのみならず、発電用に使用されるエンジンなども含む)で燃料として使用したり再液化できるので、浪費される蒸発ガスを減少させたりなくすことができる。
また、本発明の第5の実施例に係る液化ガス処理システム及び液化ガス処理方法によると、別途の冷媒を使用する再液化装置(すなわち、窒素冷媒冷凍サイクルや混合冷媒冷凍サイクルなど)を設置する必要がないので、冷媒を供給及び貯蔵するための設備を追加的に設置する必要がなく、全体のシステムを構成するための初期設置費と運用費用を節約することができる。
(第6の実施例)
図13は、本発明の第6の実施例に係る船舶の液化ガス処理システムを示している。
図13に示した本発明の第6の実施例に係る液化ガス処理システムは、図1に示した本発明の第1の実施例に係る液化ガス処理システム(すなわち、LNGポンプ120によってLNGを加圧して推進システムに燃料として供給するラインと、圧縮機150によってBOGを加圧して推進システムに燃料として供給するラインとを有するハイブリッドシステム)と、図2に示した本発明の第2の実施例に係る液化ガス処理システムとが統合されて構成される。
図示していないが、本発明によると、図3〜図12に示した第3〜第5の実施例に係るそれぞれの液化ガス処理システムが、図13に示したようにハイブリッドシステム(図13のL23、L24、L25参照)と統合され得ることは当然である。
図13に示した本発明の船舶の液化ガス処理システムは、メインエンジン3として低速2行程低圧ガス噴射エンジンを含んでおり、補助エンジン5としてDFエンジン(DF Generator;DFDG)を含んでいる。通常、メインエンジンは、船舶の運航のために推進用に使用され、補助エンジンは、船舶の内部に設置された各種装置及び設備に電力を供給するために発電用に使用されるが、本発明は、メインエンジンと補助エンジンの用途によって限定されるものではない。メインエンジンと補助エンジンは、それぞれ複数設置されてもよい。
本実施例に係る船舶の液化ガス処理システムは、各エンジン(すなわち、メインエンジン3と補助エンジン5)に対して貯蔵タンク11に収容されている天然ガス(すなわち、気体状態のBOGと液体状態のLNG)を燃料として供給できるように構成される。
気体状態のBOGを燃料ガスとして供給するために、本実施例に係る船舶の液化ガス処理システムは、貯蔵タンク11に収容されているBOGをメインエンジン3に供給する蒸発ガス供給ラインとしてのBOG主供給ラインL1と、このBOG主供給ラインL1から分岐してBOGを補助エンジン5に供給するBOG副供給ラインL8とを含む。BOG主供給ラインL1は、以前の実施例での蒸発ガス供給ラインL1と同一の構成であるが、図13を参照した説明では、DFエンジンに対する蒸発ガス供給ライン(すなわち、BOG副供給ラインL8)との区別のためにBOG主供給ラインL1と称する。また、BOG副供給ラインL8は、以前の実施例での蒸発ガス分岐ラインL8と同一の構成であるが、図13を参照した説明では、BOG主供給ラインL1との区別のためにBOG副供給ラインL8と称する。
また、液体状態のLNGを燃料ガスとして供給するために、本実施例に係る船舶の液化ガス処理システムは、貯蔵タンク11に収容されているLNGをメインエンジン3に供給するLNG主供給ラインL23と、このLNG主供給ラインL23から分岐してLNGを補助エンジン5に供給するLNG副供給ラインL24とを含む。
本実施例によると、BOG主供給ラインL1には、BOGを圧縮するための圧縮機13が設置され、LNG主供給ラインL23には、LNGを圧縮するためのポンプ43が設置される。
液化ガスを貯蔵する貯蔵タンク11で発生してBOG排出バルブ41を介して排出された蒸発ガス(NBOG)は、BOG主供給ラインL1に沿って移送されて圧縮機13で圧縮された後、メインエンジン3、例えば、低速2行程低圧ガス噴射エンジンに供給される。蒸発ガスは、圧縮機13によって約5bara〜約40bara程度の低圧で圧縮された後でメインエンジン3に供給される。
貯蔵タンクは、LNGなどの液化ガスを極低温状態で貯蔵できるように密封及び断熱防壁を備えているが、外部から伝達される熱を完璧に遮断することはできない。その結果、貯蔵タンク11内では液化ガスの蒸発が持続的に行われ、蒸発ガスの圧力を適正な水準に維持するために貯蔵タンク11内部の蒸発ガスを排出させる。
圧縮機13は、一つ以上の圧縮シリンダー14と、圧縮されながら温度が上昇した蒸発ガスを冷却させるための一つ以上の中間冷却器15とを含んでもよい。図13では、3個の圧縮シリンダー14及び3個の中間冷却器15を含む多段圧縮の圧縮機13が例示されているが、圧縮シリンダーと中間冷却器の個数は必要に応じて変更されてもよい。また、一つの圧縮機内に複数の圧縮シリンダーが配列された構造の他に、複数の圧縮機を直列に連結した構造を有するように変更されてもよい。
圧縮機13で圧縮された蒸発ガスは、BOG主供給ラインL1を介してメインエンジン3に供給されるが、メインエンジンで必要とする燃料の必要量によって圧縮された蒸発ガスの全部をメインエンジン3に供給することもでき、圧縮された蒸発ガス中の一部のみをメインエンジン3に供給することもできる。
補助エンジン5であるDFエンジンに燃料ガスを供給するためのBOG副供給ラインL8は、BOG主供給ラインL1から分岐される。より詳細には、BOG副供給ラインL8は、圧縮機13で多段圧縮されている途中の蒸発ガスを分岐できるようにBOG主供給ラインL1から分岐される。図13は、2段圧縮されたBOGを分岐させ、その一部をBOG副供給ラインL8を介して補助エンジン5に供給することを示しているが、これは例示に過ぎなく、1段あるいは3段圧縮されたBOGを分岐させてBOG副供給ラインを介して補助エンジンなどに供給できるようにシステムを構成することもできる。
上述したように、LNGが加熱されると、液化温度が相対的に低いメタン成分が優先的に気化するので、蒸発ガスの場合は、メタンの含有量が高いことから、そのままDFエンジンに燃料として供給され得る。したがって、BOG主供給ライン及びBOG副供給ラインには、メタン価調節のための装置が別途に設置される必要がない。
一方、貯蔵タンク11で発生する蒸発ガスの量がメインエンジンと補助エンジンで要求する燃料量より多く、余剰の蒸発ガスが発生すると予想される場合は、本発明の液化ガス処理システムを通じて蒸発ガスを再液化させて貯蔵タンクに復帰させることができる。
再液化容量を超える蒸発ガスが発生する場合は、圧縮機13で圧縮された、あるいは段階的に圧縮されている途中の蒸発ガスを、蒸発ガス分岐ラインL7を介して分岐させてBOG消費手段で使用してもよい。蒸発ガス消費手段としては、相対的に低い圧力の天然ガスを燃料として使用できるGCU7、ガスタービンなどが使用されてもよい。蒸発ガス分岐ラインL7は、図13に示したように、BOG副供給ラインL8から分岐されてもよい。
圧縮機13で圧縮された後、蒸発ガス供給ラインL1を介してメインエンジン3に供給される蒸発ガス中の少なくとも一部を蒸発ガス復帰ラインL3を介して処理、すなわち、再液化させて貯蔵タンク11に復帰させる過程は、図2を参照して既に説明した通りであるので、それについての詳細な説明は省略する。
図13は、圧縮されたBOGを熱交換器21に供給するための蒸発ガス復帰ラインL3が圧縮機13の後段(下流)から分岐されることを例示しているが、蒸発ガス復帰ラインL3は、上述した蒸発ガス分岐ラインL7や蒸発ガス分岐ラインとしてのBOG副供給ラインL8と同様に、圧縮機13で段階的に圧縮されている途中の蒸発ガスを分岐できるように設置されてもよい。図13は、2個のシリンダーによって2段圧縮された蒸発ガスを分岐させる変形例を示している。このとき、圧縮機13の中段から分岐する蒸発ガスの圧力は、約5bara〜約10bara程度であってもよい。
LNG主供給ラインL23には、貯蔵タンク11の内部に設置され、LNGを貯蔵タンク11の外部に排出させるための排出ポンプ12と、この排出ポンプ12で1次的に圧縮されたLNGをMEGIエンジンで要求する圧力まで2次的に圧縮させるためのポンプ43とが設置されている。排出ポンプ12は、各貯蔵タンク11ごとに内部に一つずつ設置されてもよい。ポンプ43は、図13には一つのみが示されているが、必要に応じて複数のポンプが並列に連結されて使用されてもよい。
液化ガスを貯蔵する貯蔵タンク11から排出ポンプ12を介して排出されたLNGは、LNG主供給ラインL23に沿って移送されてポンプ43に供給される。続いて、LNGは、ポンプ43で低圧で圧縮された後、ヒーター44に供給されて気化する。気化したLNGは、燃料としてメインエンジン3、例えば、低速2行程低圧ガス噴射エンジンに供給される。
補助エンジン5であるDFエンジンに燃料ガスを供給するためのLNG副供給ラインL24は、LNG主供給ラインL23から分岐される。例えば、LNG副供給ラインL24は、ポンプ43で圧縮される前のLNGを分岐できるようにLNG主供給ラインL23から分岐されてもよい。
一方、図13は、LNG副供給ラインL24がポンプ43の上流側でLNG主供給ラインL23から分岐されることを示しているが、変形例によると、LNG副供給ラインL24がポンプ43の下流側でLNG主供給ラインL23から分岐されることに変形されてもよい。ただし、LNG供給ラインL24がポンプ43の下流側から分岐される場合は、LNGがポンプ43によって追加的に加圧された状態であるので、補助エンジンに燃料としてのLNGを供給する前に減圧手段によって補助エンジンで要求する圧力でLNGの圧力を下降させる必要もあり得る。図13に示した実施例と同様に、LNG供給ラインL24がポンプ43の上流側から分岐される場合は、追加の減圧手段を設置する必要がないという点で有利である。
LNG副供給ラインL24にはヒーター45、気液分離機46及びヒーター47が設置され、燃料として供給されるLNGのメタン価及び温度をDFエンジンで要求する値に調節することができる。図13は、補助エンジン5に供給される燃料に対してのみメタン価を調節し、メインエンジン3に供給される燃料に対してはメタン価を調節する必要がない場合を例示している。
上述したように、LNGの場合は、メタンの含有量が蒸発ガスに比べて相対的に低いので、DFエンジンで要求するメタン価より低く、産地によってLNGを構成する炭化水素成分(メタン、エタン、プロパン、ブタンなど)の比率が異なるので、そのまま気化させて燃料としてDFエンジンに供給するのに適していない。
メタン価を調節するために、LNGは、ヒーター45で加熱されて部分的のみに気化する。部分的に気化して気体状態(すなわち、天然ガス)と液体状態(すなわち、LNG)とが混合された状態である燃料ガスは、気液分離機46に供給されて気体成分と液体成分とに分離される。発熱量の高い重炭化水素(HHC)成分の気化温度が相対的に高いので、部分的に気化した燃料ガスで気化せずに残っている液体状態のLNGには、重炭化水素成分の比率が相対的に高くなる。したがって、気液分離機46で液体成分を分離することによって、すなわち、重炭化水素成分を分離することによって、燃料ガスのメタン価は高くなり得る。
LNGに含有された炭化水素成分の比率及びエンジンで要求するメタン価などを勘案して、適切なメタン価を得るためにヒーター45での加熱温度が調節され得る。ヒーター45での加熱温度は、約−80℃〜約−120℃の範囲内で定められてもよい。気液分離機46で燃料ガスから分離された液体成分は、液体成分復帰ラインL5を介して貯蔵タンク11に復帰される。蒸発ガス復帰ラインL3と液体成分復帰ラインL25は、合流された後で貯蔵タンク11まで延長され得る。
メタン価が調節された燃料ガスは、LNG副供給ラインL24を介してヒーター47に供給され、補助エンジン5で要求する温度でさらに加熱された後、補助エンジンに燃料として供給される。補助エンジン5が、例えば、DFDGである場合、要求されるメタン価は一般に80以上である。例えば、一般のLNG(通常、メタン:89.6%、窒素:0.6%)の場合、重炭化水素成分を分離する前のメタン価は71.3であり、そのときのLHV(lower heating value)は48,872.8kJ/kg(1 atm、飽和蒸気(saturated vapor)基準)である。この一般のLNGを7baraで加圧した後、−120℃まで加熱して重炭化水素成分を除去すると、メタン価は95.5と高くなり、そのときのLHVは49,265.6kJ/kgである。
本実施例によると、エンジン(すなわち、メインエンジン3及び補助エンジン5)に燃料ガスを供給する経路が2個(より詳細には、メインエンジンと補助エンジンのそれぞれに対して2個)からなる。すなわち、燃料ガスは、圧縮機13を通じて圧縮された後でエンジンに供給されてもよく、ポンプ43を通じて圧縮された後でエンジンに供給されてもよい。
特に、LNG運搬船、LNG RVなどの船舶は、LNGを生産地から消費地に輸送するために使用されるので、生産地から消費地に運航するときは、貯蔵タンクにLNGを満杯積載したレイドン状態で運航し、LNGを荷役した後で再び生産地に戻るときは、貯蔵タンクがほとんど空いているバラスト状態で運航する。レイドン状態ではLNGの量が多いので、相対的に蒸発ガスの発生量も多く、バラスト状態ではLNGの量が少ないので、相対的に蒸発ガスの発生量も少ない。
貯蔵タンクの容量、外部温度などの条件によって多少の差があるが、例えば、LNGの貯蔵タンクの容量が約130,000〜350,000である場合に発生する蒸発ガスの量は、レイドン時に約3ton/h〜4ton/hで、バラスト時に約0.3ton/h〜0.4ton/hである。また、各エンジンで要求する燃料ガスの量は、メインエンジンの場合は約1ton/h〜4ton/h(平均約1.5ton/h)程度であり、補助エンジンであるDFエンジン(DFDG)の場合は約0.5ton/hである。一方、最近は、貯蔵タンクの断熱性能の向上と共にBOR(Boil Off Rate)が漸次低くなっているので、BOGの発生量も減少する趨勢にある。
したがって、本実施例の燃料ガス供給システムのように、圧縮機ライン(すなわち、図13でのL1及びL8)とポンプライン(すなわち、図13でのL23及びL24)が共に備えられた場合、蒸発ガスの発生量が多いレイドン状態では、圧縮機ラインを介して各エンジンに燃料ガスを供給し、蒸発ガスの発生量が少ないバラスト状態では、ポンプラインを介して各エンジンに燃料ガスを供給することが有利であり得る。
このように、蒸発ガスの発生量がエンジンでの燃料必要量より少ないバラスト状態で、蒸発ガスは、補助エンジン5と再液化を通じて全て処理するようにシステムを運用してもよく、あるいは、バラスト状態で蒸発ガスは全て再液化されて貯蔵タンクに復帰するようにシステムを運用してもよい。
通常、圧縮機によって気体(BOG)を圧縮するために必要なエネルギーは、ポンプによって液体(LNG)を圧縮するために必要なエネルギーより相当多く、気体を圧縮するための圧縮機は相当高価で、体積も多く占めるので、圧縮機ラインなしでポンプラインのみを使用することが経済的であると見なすことができる。例えば、多段で構成された一セットの圧縮機を駆動させ、エンジンに燃料を供給するためには、2MWの電力が消費されるが、ポンプを使用すると100kWの電力のみが消費される。しかし、レイドン状態でポンプラインのみを使用して各エンジンに燃料ガスを供給する場合、貯蔵タンクで持続的に発生するBOGを処理するために、BOGを再液化させるための再液化装置が必ず必要であり、この再液化装置で消耗するエネルギーを共に考慮する場合、圧縮機ラインとポンプラインを共に設置し、レイドン状態では圧縮機ラインを介して燃料ガスを供給し、バラスト状態ではポンプラインを介して燃料ガスを供給することも有利であり得る。
一方、バラスト状態のように、貯蔵タンクで発生する蒸発ガスの量がエンジンで要求する燃料量に及ばない場合、多段圧縮機で蒸発ガスをエンジンで要求する圧力まで圧縮させず、多段圧縮される途中でBOG副供給ラインL8を介して蒸発ガスを分岐させ、DFエンジンで燃料として使用することが効率的であり得る。すなわち、3段圧縮機のうち2段の圧縮シリンダーのみを経て蒸発ガスをDFエンジンに供給する場合、残りの段の圧縮シリンダーは空回転される。例えば、圧縮機全体を駆動させて蒸発ガスを圧縮させる場合は、要求される電力が2MWである一方、2段まで使用し、残りの段を空回転させる場合は、要求される電力が600kWで、ポンプを通じてエンジンに燃料を供給する場合は、要求される電力が100kWである。そのため、バラスト状態のように、BOG発生量がエンジンでの燃料必要量より少ない場合は、BOGはDFエンジンなどで全量消費し、ポンプを介してLNGを燃料として供給することがエネルギー効率面で有利である。
しかし、必要に応じて、BOG発生量がエンジンでの燃料必要量より少ない場合にも、圧縮機を通じてBOGをエンジンに燃料として供給しながら不足する量だけLNGを強制的に気化させて供給することもできる。一方、バラスト状態ではBOGの発生量が少ないので、BOGを発生時ごとに排出させて消費する代わりに、貯蔵タンクが一定の圧力に到逹するまでBOGを排出させずに集めておいてから間欠的に排出させ、補助エンジンあるいはメインエンジンに燃料として供給することもできる。
バラスト状態での船舶のエンジン(メインエンジンあるいは補助エンジン)は、圧縮機13によって圧縮されたBOGとポンプ43によって圧縮されたLNGを、同時に燃料として受け取ることもできる。また、バラスト状態での船舶のエンジンは、圧縮機13によって圧縮されたBOG及びポンプ43によって圧縮されたLNGのうちいずれか一つを、交互に燃料として受け取ることもできる。
また、装備の修理及び交換が容易でない船舶では、非常時を勘案して重要な設備を2個ずつ設置することが要求される(redundancy;すなわち、二元化設計)。すなわち、船舶では、主設備と同一の機能を行える余分の設備を設置し、主設備の正常動作時には余分な設備を待機状態に置き、主設備の故障時には余分の設備が主設備の機能を引き継いで行えるように、重要な設備を重複的に設計することが要求される。二元化設計が要求される設備としては、主に回転駆動される設備、例えば、圧縮機やポンプなどを挙げることができる。
このように、船舶には、普段は使用されないと共に、二元化要求条件のみを満足させるために各種設備が二重に設置される必要があるが、2個の圧縮機ラインを使用する燃料ガス供給システムは、圧縮機の設置に多くの費用と空間が要され、使用時に多くのエネルギーが消費されるという問題があり、2個のポンプラインを使用する燃料ガス供給システムは、蒸発ガスの処理(すなわち、再液化)に多くのエネルギーが消費されるという問題があり得る。それに比べて、圧縮機ラインとポンプラインを共に設置した本発明の燃料ガス供給システムは、いずれか一方の供給ラインに問題が発生しても、他方の供給ラインを介して正常な運航を継続することができ、圧縮機ラインを一つのみ設置した場合、高価の圧縮機を少なく使用しながら蒸発ガスの発生量によって最適の燃料ガス供給方式を適宜選択して運用することができ、最初の建設時の費用はもちろん、運用費用も節約できるようになるという追加的な効果を達成することもできる。
また、本発明の実施例によると、圧縮機ラインとポンプラインを共に設置すると同時に、熱交換器21によって別途の冷媒冷凍サイクルを使用せずに再液化できるように構成することによって、液化ガスを最も効率的に使用できるようになる。
すなわち、図13に示したように、本発明の一実施例によって液化ガス処理システムとハイブリッド燃料ガス供給システムとが結合された場合、LNG運搬船の貨物(すなわち、LNG)運搬時に発生する蒸発ガスを、エンジンの燃料として使用したり再液化させ、再び貯蔵タンクに復帰させて貯蔵できるので、GCUなどで浪費して捨てられる蒸発ガスの量を減少させたりなくすことができ、窒素などの別途の冷媒を使用する再液化装置を設置する必要なく、蒸発ガスを再液化して処理できるようになる。
本実施例によると、貯蔵タンクの容量が大きくなることから、蒸発ガスの発生量は多くなり、エンジンの性能が改善され、必要な燃料量は減少する最近の趨勢にもかかわらず、エンジンの燃料として使用して残る蒸発ガスは、再液化させて再び貯蔵タンクに復帰できるので、蒸発ガスの浪費を防止できるようになる。
特に、本実施例に係る液化ガス処理システム及び処理方法によると、別途の冷媒を使用する再液化装置(すなわち、窒素冷媒冷凍サイクルや混合冷媒冷凍サイクルなど)を設置する必要がないので、冷媒を供給及び貯蔵するための設備を追加的に設置する必要がなく、全体のシステムを構成するための初期設置費と運用費用を節約することができる。
図14〜図17は、本発明の第6の実施例の各変形例に係る船舶の液化ガス処理システムを示した概略構成図である。
上述した第6の実施例によると、2個のポンプ、すなわち、貯蔵タンク1の内部に設置された排出ポンプ12と、貯蔵タンク1の外部に設置されたポンプ43により、燃料を1次的及び2次的に加圧するように構成されている。しかし、一つのポンプだけでメインエンジン3で要求する圧力までLNGを加圧できる場合、移送ポンプ2及びLNGポンプ120のうちいずれか一つのポンプのみが設置されてもよい。
図14に示した第6の実施例の第1の変形例は、LNG主供給ラインL23にポンプ43が設置されないという点のみで、図13に示した第6の実施例に係る液化ガス処理システムと異なっており、図15に示した第6の実施例の第2の変形例は、貯蔵タンク内に排出ポンプ12が設置されないという点のみで、図13に示した第6の実施例に係る液化ガス処理システムと異なっている。
一方、メインエンジン3(例えば、低速2行程低圧ガス噴射エンジン)が、補助エンジン5として使用するDFエンジンと同様に適正なメタン価を要求する場合、燃料として供給されるLNGのメタン価を調節する必要がある。
図16に示した第6の実施例の第3の変形例は、LNG副供給ラインL24と同様に、LNG主供給ラインL23にもヒーター48と気液分離機49が設置されているという点で、図13に示した第6の実施例に係る液化ガス処理システムと異なっている。LNG主供給ラインL23に設置されたヒーター48及び気液分離機49は、LNG副供給ラインL24に設置されたヒーター45及び気液分離機46と同一の機能を行うものであるので、それについての詳細な説明は省略する。
また、図17に示した第6の実施例の第4の変形例は、LNG主供給ラインL23にヒーター45、気液分離機46及びヒーター47が設置され、LNG副供給ラインL24が気液分離機46の下流側(より詳細には、ヒーター47の下流側)でLNG主供給ラインL23から分岐されるという点と、LNG主供給ラインL23にポンプ43が設置されないという点で、図13に示した第6の実施例に係る液化ガス処理システムと異なっている。ヒーター45とヒーター47は、燃料を加熱する役割をするという点で基本的に同一の機能を有し、このような機能を行うために加熱方式において同一の構成を有することもできる。また、図示していないが、第6の実施例の第4の変形例においても、LNG主供給ラインL23にポンプが設置されるように変更され得ることは当然である。
一方、図16及び図17に示した第6の実施例の第3及び第4の変形例によると、図3に示した第2の実施例の変形例と同様に、冷却器25が省略されるようにシステムが構成されてもよい。
本発明は、前記実施例に限定されず、本発明の技術的要旨を逸脱しない範囲内で多様に修正または変形されて実施され得ることは、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者にとって自明である。
図18に示したように、エンジン300は、シリンダー310及びピストン360を含み、シリンダー310の中間に低圧ガス供給ポート311が形成され、ピストン360が下死点にあるときに開放され得るシリンダー310の下端部分には燃焼用空気供給ポート331が形成される。
BOGが供給される統合型IGG/GCUシステム200は、本体内のBOGの燃焼により、貯蔵タンク1から持続的に発生するBOGを消費することができ、必要に応じて貯蔵タンク1に供給するための不活性ガスとして燃焼ガスを生成してもよい。
貯蔵タンクは、LNGなどの液化ガスを極低温状態で貯蔵できるように密封壁及び断熱防壁を備えているが、外部から伝達される熱を完璧に遮断することはできない。それによって、貯蔵タンク11内では液化ガスの蒸発が持続的に行われ、蒸発ガスの圧力を適正な水準に維持するために蒸発ガス供給ラインL1を介して貯蔵タンク11内部の蒸発ガスを排出させる。
LNGに含有された炭化水素成分の比率及びエンジンで要求するメタン価などを勘案して、適切なメタン価を得るためにヒーター45での加熱温度が調節され得る。ヒーター45での加熱温度は、約−80℃〜約−120℃の範囲内で定められてもよい。気液分離機46で燃料ガスから分離された液体成分は、液体成分復帰ラインL25を介して貯蔵タンク11に復帰される。蒸発ガス復帰ラインL3と液体成分復帰ラインL25は、合流された後で貯蔵タンク11まで延長され得る。
上述した第6の実施例によると、2個のポンプ、すなわち、貯蔵タンク11の内部に設置された排出ポンプ12と、貯蔵タンク11の外部に設置されたポンプ43により、燃料を1次的及び2次的に加圧するように構成されている。しかし、一つのポンプだけでメインエンジン3で要求する圧力までLNGを加圧できる場合、移送ポンプ12及びLNGポンプ43のうちいずれか一つのポンプのみが設置されてもよい。

Claims (3)

  1. 液化ガスを貯蔵している貯蔵タンクと;
    前記貯蔵タンクに貯蔵された液化ガスを燃料として使用するエンジンと;
    液化ガスが気化して発生したガスを燃料ガスとして前記エンジンに供給できる燃料供給ラインと;を含み、
    前記エンジンには、低圧で圧縮された前記燃料ガスが供給されることを特徴とする船舶の液化ガス処理システム。
  2. 前記貯蔵タンクで発生した蒸発ガスを圧縮機によって圧縮して前記エンジンに燃料として供給する圧縮機ラインと;
    前記貯蔵タンクに収容されたLNGをポンプによって圧縮して前記エンジンに燃料として供給するポンプラインと;をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の船舶の液化ガス処理システム。
  3. 前記蒸発ガス中の前記エンジンに燃料として供給されない一部の蒸発ガスを液化させるための熱交換器をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の船舶の液化ガス処理システム。
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