JP2017172835A - 燃料供給装置およびそれを備えた舶用ボイラ、並びに燃料供給装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バーナ部に供給される燃料ガスが少ない低負荷領域からバーナ部に供給される燃料ガスが多い高負荷領域に至るまで、燃料ガスのエネルギーを無駄にすることなく燃料ガスのみによる安定燃焼を維持する。
【解決手段】ＬＮＧタンク４００から供給される燃料ガスを流通させる燃料ガス供給ヘッダ１０２と、メインノズル供給配管５４と、パイロットノズル供給配管５５と、メインノズル供給配管５４に設けられる制御弁５３と、制御弁５３の開度を制御する制御部９０と、を備え、制御部９０が、燃料ガス供給ヘッダ１０２から第１バーナ２２１に供給される燃料ガスの流量が所定流量未満である場合に閉状態とし、燃料ガス供給ヘッダ１０２から第１バーナ２２１に供給される燃料ガスの流量が所定流量以上である場合に燃料ガスの流量の増加に応じて開度が増加するよう制御弁５３を制御する燃料供給装置１００を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料供給装置およびそれを備えた舶用ボイラ、並びに燃料供給装置の制御方法に関するものである。

近年、環境保護の観点から船舶燃料（特に重油）に含まれる硫黄分に対する規制が強まっている。重油に替えて硫黄分の低い軽油を用いることも可能であるが、高額であるため運航採算を大きく悪化させてしまう。
一方、液化天然ガスタンク（ＬＮＧタンク）に貯蔵された液化天然ガスあるいはＬＮＧタンクで発生したボイルオフガスをボイラのバーナ部で燃焼させて蒸気を発生させ、蒸気タービンによりプロペラを回転させて推進力を得る液化天然ガス運搬船（ＬＮＧ船）が知られている（例えば、特許文献１参照。）。ＬＮＧ船においては、液化天然ガスあるいはボイルオフガスという硫黄分を含まない燃料ガスを、推進力を得るための燃料として使用可能であるため、環境保護の観点から有利である。

特開２０１４−１１８０４７号公報

しかしながら、特許文献１に記載されるＬＮＧ船は、主機用蒸気タービンが要求する蒸気量より多い蒸気量を常に生成するように、蒸気タービンの負荷が低い場合であってもボイラに一定流量の燃料ガスを供給している。そして、特許文献１に記載されるＬＮＧ船は、蒸気タービンの負荷に対して過剰となる蒸気をダンプ蒸気管から主復水器に戻している。そのため、特許文献１に記載されるＬＮＧ船は、ダンプ蒸気管から主復水器に戻される蒸気を生成する分の燃料ガスのエネルギーが無駄となっていた。このような無駄を避けるためには、蒸気タービンの負荷に応じて燃料ガスの供給量を減らす必要がある。

ここで、特許文献１に記載されるようなＬＮＧ船において、バーナ部に供給する燃料ガスのターンダウン比（定格出力時の最大流量と制御可能な最小流量の比）は一般的に７：１程度である。また、燃料ガスの流量の二乗根と燃料ガスの圧力とが比例関係となる。そのため、ターンダウン比７：１の燃料ガスの流量を最小流量と最大流量との間で単一の制御弁により制御しようとすると、最小流量を流通させる際の燃料ガスの圧力が最大流量をバーナ部へ供給する際の圧力の１／４９（１／７の二乗）となる。そのため、単一の制御弁の上流側の燃料ガスの圧力を過大に大きく設定しないと、最小流量を流通させる際の燃料ガスの圧力が低くなりすぎて失火等により安定燃焼を維持することができない。
このように、蒸気タービンが低負荷で運転される場合、すなわちバーナ部に供給される燃料ガスが最小流量となる場合に、燃料ガスのエネルギーを無駄にすることなく燃料ガスのみによる安定燃焼を維持することはできなかった。

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、バーナ部に供給される燃料ガスが少ない低負荷領域からバーナ部に供給される燃料ガスが多い高負荷領域に至るまで、燃料ガスのエネルギーを無駄にすることなく燃料ガスのみによる安定燃焼を維持することを可能とした燃料供給装置およびそれを備えた舶用ボイラ、並びに燃料供給装置の制御方法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、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の一態様の燃料供給装置は、舶用ボイラに用いられるとともに主ノズルと副ノズルとを有するバーナ部に燃料ガスを供給し、供給源から供給される前記燃料ガスを流通させる第１供給配管と、前記第１供給配管から前記主ノズルへ前記燃料ガスを供給する第２供給配管と、前記第１供給配管から前記副ノズルへ前記燃料ガスを供給する第３供給配管と、前記第２供給配管に設けられ、前記第１供給配管から前記第２供給配管を介して前記主ノズルに導かれる前記燃料ガスの流量を調整する第１調整弁と、前記第１調整弁の開度を制御する制御部と、を備え、前記制御部が、前記第１供給配管から前記バーナ部に供給される前記燃料ガスの流量が所定流量未満である場合に閉状態とし、前記第１供給配管から前記バーナ部に供給される前記燃料ガスの流量が前記所定流量以上である場合に前記燃料ガスの流量の増加に応じて開度が増加するよう前記第１調整弁を制御する。

本発明の一態様の燃料供給装置によれば、第１供給配管からバーナ部に供給される燃料ガスの流量が所定流量未満となる低負荷領域においては、第１調整弁が閉状態となり第１供給配管からバーナ部に供給される燃料ガスの全量が第３供給配管から副ノズルに導かれる。この低負荷領域においては、第１調整弁が閉状態であるため、燃料ガスの流量の二乗根に比例して燃料ガスの圧力が低下する。しかしながら、低負荷領域の流量範囲は一定範囲内に限られるため、流量の変動に対する燃料ガスの圧力変動を抑制することができる。

また、本発明の一態様の燃料供給装置によれば、第１供給配管からバーナ部に供給される燃料ガスの流量が所定流量以上となる高負荷領域においては、燃料ガスの流量の増加に応じて第１調整弁の開度が増加する。第１調整弁の開度を増加させてバーナ部の流路断面積を増大させることにより、所望の流量の燃料ガスをバーナ部へ供給するのに必要とされる燃料ガスの圧力を低減することができる。

このように、本発明の一態様の燃料供給装置によれば、バーナ部に供給される燃料ガスが少ない低負荷領域からバーナ部に供給される燃料ガスが多い高負荷領域に至るまで、燃料ガスのエネルギーを無駄にすることなく燃料ガスのみによる安定燃焼を維持することができる。この場合において、供給源側の燃料ガスの圧力を過大に大きく設定する必要がない。

本発明の一態様の燃料供給装置は、前記供給源から前記第１供給配管に供給される前記燃料ガスの流量を調整する第２調整弁を備え、前記制御部が、前記第２調整弁の開度を制御する構成であってもよい。
本構成によれば、前記供給源から前記第１供給配管に供給される前記燃料ガスの流量を第２調整弁により適量に調整することができる。

上記構成の燃料供給装置においては、前記制御部が、前記第１供給配管から前記バーナ部に供給される前記燃料ガスの流量が前記所定流量以上である場合に、前記第２調整弁の開度の増加に応じて前記第１調整弁の開度が増加するよう前記第１調整弁を制御してもよい。
このようにすることで、第１供給配管からバーナ部に供給される燃料ガスの流量が所定流量以上となる高負荷領域においては、バーナ部に供給される燃料ガスの増加に応じてバーナ部の流路断面積を増大させ、所望の流量の燃料ガスをバーナ部へ供給するのに必要とされる燃料ガスの圧力を低減することができる。

本発明の一態様の舶用ボイラは、前記バーナ部と、上述の燃料供給装置と、を備える。
上述の燃料供給装置を備えているため、バーナ部に供給される燃料ガスが少ない低負荷領域からバーナ部に供給される燃料ガスが多い高負荷領域に至るまで、燃料ガスのエネルギーを無駄にすることなく燃料ガスのみによる安定燃焼を維持することができる。

本発明の一態様の燃料供給装置の制御方法は、舶用ボイラに用いられるとともに主ノズルと副ノズルとを有するバーナ部に燃料ガスを供給する燃料供給装置の制御方法であって、前記燃料供給装置が、前記主ノズルに導かれる前記燃料ガスの流量と前記副ノズルに導かれる前記燃料ガスの流量との比率を調整する調整弁を有し、前記バーナ部に供給される前記燃料ガスの流量が所定流量未満である場合に前記調整弁を閉状態とする第１制御工程と、前記バーナ部に供給される前記燃料ガスの流量が前記所定流量以上である場合に前記燃料ガスの流量の増加に応じて開度が増加するよう前記調整弁を制御する第２制御工程と、を備える。

本発明の一態様の燃料供給装置の制御方法によれば、バーナ部に供給される燃料ガスが少ない低負荷領域からバーナ部に供給される燃料ガスが多い高負荷領域に至るまで、燃料ガスのエネルギーを無駄にすることなく燃料ガスのみによる安定燃焼を維持することができる。この場合において、供給源側の燃料ガスの圧力を過大に大きく設定する必要がない。

本発明によれば、バーナ部に供給される燃料ガスが少ない低負荷領域からバーナ部に供給される燃料ガスが多い高負荷領域に至るまで、燃料ガスのエネルギーを無駄にすることなく燃料ガスのみによる安定燃焼を維持することを可能とした燃料供給装置およびそれを備えた舶用ボイラ、並びに燃料供給装置の制御方法を提供することができる。

舶用ボイラを用いた舶用推進プラントを示す構成図である。 図１に示す燃料供給装置の構成図である。 燃料ガスの流量と制御弁および流量調整弁の開度との関係を示す図である。 燃料ガスの流量とメインノズルおよびパイロットノズルの負荷との関係を示す図である。 燃料ガスの流量と燃料ガスの圧力との関係を示す図である。

以下、本発明の一実施形態の舶用ボイラを用いた舶用推進プラント３００について、図面を参照して説明する。
図１に示す船舶に設置された舶用推進プラント３００は、蒸気を生成する舶用ボイラ２００と、舶用ボイラ２００により生成された蒸気により駆動される推進用タービン部３１０と、推進用タービン部３１０に連結されて船舶を推進させる推進力を得る推進力発生部３２０と、を備える。
以下、舶用推進プラント３００が備える各部について説明する。

まず始めに、舶用ボイラ２００について詳細に説明する。
舶用ボイラ２００は、主炉２１０と、バーナ部２２０と、再熱炉２３０と、再熱器２４０と、燃料供給装置１００とを有する。
舶用ボイラ２００の主炉２１０は、中空の略直方体形状をした火炉２１１と、水が通過するフロントバンクチューブ２１２と、一次過熱器管２１３ａと二次過熱器管２１３ｂを有する過熱器２１３と、蒸発管群２１４と、水ドラム２１５と、蒸気ドラム２１６と、を備える。
一次過熱器管２１３ａは火炉２１１側に配置され、二次過熱器管２１３ｂは蒸発管群２１４側に配置されている。一次過熱器管２１３ａおよび二次過熱器管２１３ｂとは内部に過熱蒸気を流通させる流路が形成されるように連結されている。

一次過熱器管２１３ａの火炉２１１側の端部は、蒸気ドラム２１６で生成された飽和蒸気を受け取るように構成されている。二次過熱器管２１３ｂの蒸発管群２１４側の端部は、過熱器出口配管Ｌ１の一端部に接続されている。一方、過熱器出口配管Ｌ１の他端部は、分岐位置Ｐ１において、推進用タービン部３１０の分岐配管Ｌ２および分岐配管Ｌ３に接続されている。

バーナ部２２０は、燃料供給装置１００から供給される燃料ガスを燃焼させる装置である。バーナ部２２０による燃料ガスの燃焼は火炉２１１の内部で行われる。燃料ガスの燃焼により発生する排ガスは、火炉２１１から過熱器２１３および蒸発管群２１４を経て再熱炉２３０へ導かれる。燃料供給装置１００の詳細については後述する。

再熱炉２３０は、主炉２１０の蒸発管群２１４よりも排ガスの流通方向の下流側に設けられ、鉛直方向（上下方向）に延びるように筒状に形成される装置である。再熱炉２３０は、火炉２１１から導かれる排ガスを再加熱する再熱バーナ２３１を有する。再熱バーナ２３１には、燃料配管Ｌ４を介して後述するＬＮＧタンク４００からボイルオフガス（燃料ガス）が供給される。再熱バーナ２３１に供給される燃料の供給量は、流量調整弁２３２により調整される。再熱バーナ２３１による燃料の燃焼により発生する排ガスおよび再熱バーナ２３１により再加熱された火炉２１１からの排ガスは、再熱器２４０へ導かれる。

再熱器２４０は、推進用タービン部３１０の高圧タービン３１１で仕事をした蒸気を排ガスの熱により再加熱して推進用タービン部３１０の中圧タービン３１２へ供給する装置である。再熱器２４０は、推進用タービン部３１０から導かれる蒸気を、再熱器２４０に導かれる排ガスの熱により再加熱する。再熱器２４０で蒸気との熱交換をした排ガスは、大気中に排出される。

次に、推進用タービン部３１０について詳細に説明する。
推進用タービン部３１０は、高圧タービン３１１と、中圧タービン３１２と、低圧タービン３１３と、後進タービン３１４と、復水器３１５と、分岐配管Ｌ２に配置される開閉弁３１６と、分岐配管Ｌ３に配置される開閉弁３１７と、を有する。

高圧タービン３１１は、過熱器出口配管Ｌ１から分岐配管Ｌ２を介して供給される過熱蒸気により回転動力を得る。高圧タービン３１１で仕事をした蒸気は、再熱器２４０の上端部に導かれる。
中圧タービン３１２は、再熱器２４０により再加熱された再熱蒸気により回転動力を得る。中圧タービン３１２で仕事をした蒸気は、低圧タービン３１３に導かれる。
高圧タービン３１１および中圧タービン３１２が得た回転動力は、これらに連結される推進力発生部３２０に伝達される。

低圧タービン３１３は、中圧タービン３１２から導かれる蒸気により回転動力を得る。中圧タービン３１２が得た回転動力は、中圧タービン３１２に連結される推進力発生部３２０に伝達される。低圧タービン３１３で仕事をした蒸気は、復水器３１５に導かれる。
後進タービン３１４は、過熱器出口配管Ｌ１から分岐配管Ｌ３を介して供給される過熱蒸気により回転動力を得る。後進タービン３１４で仕事をした蒸気は、復水器３１５に導かれる。
復水器３１５は、低圧タービン３１３および後進タービン３１４から導かれる蒸気を凝縮して水とし、主炉２１０の蒸気ドラム２１６へ給水する。

後進タービン３１４が得る回転動力は、高圧タービン３１１、中圧タービン３１２、および低圧タービン３１３が得る回転動力とは逆方向の動力である。
高圧タービン３１１、中圧タービン３１２、および低圧タービン３１３は、船舶を前進させる回転動力を推進力発生部３２０に伝達する。一方、後進タービン３１４は、船舶を後進させる回転動力を推進力発生部３２０に伝達する。

開閉弁３１６および開閉弁３１７は、舶用推進プラント３００の制御装置（図示略）により開閉状態が切り替えられる弁である。舶用推進プラント３００の制御装置は、開閉弁３１６を開状態とし、かつ開閉弁３１７を閉状態とすることにより、過熱蒸気を過熱器出口配管Ｌ１から分岐配管Ｌ２を介して高圧タービン３１１へ導く。一方、舶用推進プラント３００の制御装置は、開閉弁３１６を閉状態とし、かつ開閉弁３１７を開状態とすることにより、過熱蒸気を過熱器出口配管Ｌ１から分岐配管Ｌ３を介して後進タービン３１４へ導く。

次に、推進力発生部３２０について詳細に説明する。
推進力発生部３２０は、推進用タービン部３１０から伝達される回転動力による回転数を減速させる減速機３２１と、減速機３２１に連結されるプロペラ軸３２２と、プロペラ軸３２２に連結されるプロペラ３２３とを有する。推進力発生部３２０は、高圧タービン３１１、中圧タービン３１２、および低圧タービン３１３から伝達される回転動力によりプロペラ３２３を回転させて船舶を前進させる推進力を発生する。また、推進力発生部３２０は、後進タービン３１４から伝達される回転動力によりプロペラ３２３を回転させて船舶を後進させる推進力を発生する。

次に、本実施形態の舶用ボイラ２００が備える燃料供給装置１００の詳細について図面を参照して説明する。
図２に示すように、燃料供給装置１００は、ＬＮＧタンク（供給源）４００から供給される燃料ガスを圧縮する圧縮機１０と、圧縮機１０により圧縮された燃料ガスを加熱するヒータ２０と、燃料ガス供給路１０１を流通する燃料ガスの流量を計測する流量計３０と、燃料ガス供給路１０１から燃料ガス供給ヘッダ１０２へ導かれる燃料ガスの流量を調整する流量調整弁（第２調整弁）４０と、第１燃料供給部５０と、第２燃料供給部６０と、第３燃料供給部７０と、制御部９０と、を備える。

また、燃料供給装置１００は、ＬＮＧタンク４００から供給される燃料ガスの供給系統として、ＬＮＧタンク４００に接続される燃料ガス供給路１０１と、燃料ガス供給路１０１に接続されてＬＮＧタンク４００から供給される燃料ガスを流通させる燃料ガス供給ヘッダ１０２（第１供給配管）と、を備える。
なお、図２に示す構成は、燃料ガス供給路１０１に供給される燃料ガスの全量を燃料ガス供給ヘッダ１０２に供給するものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、舶用推進プラント３００が複数の舶用ボイラ２００を備える場合には、燃料ガス供給路１０１に供給される燃料ガスを複数の舶用ボイラ２００に分配するための燃料供給路を別途設けるようにしてもよい。

また、燃料供給装置１００は、燃料ガス供給路１０１にそれぞれ接続されるメインノズル供給配管（第２供給配管）５４と、メインノズル供給配管（第２供給配管）６４と、メインノズル供給配管（第２供給配管）７４と、を備える。
また、燃料供給装置１００は、燃料ガス供給路１０１にそれぞれ接続されるパイロットノズル供給配管（第３供給配管）５５と、パイロットノズル供給配管（第３供給配管）６５と、パイロットノズル供給配管（第３供給配管）７５と、を備える。

図２に示すように、舶用ボイラ２００が備えるバーナ部２２０は、第１バーナ２２１と、第２バーナ２２２と、第３バーナ２２３とを有する。第１バーナ２２１は、メインノズル供給配管５４に接続されるメインノズル２２１ａとパイロットノズル供給配管５５に接続されるパイロットノズル２２１ｂと、を有する。第２バーナ２２２は、メインノズル供給配管６４に接続されるメインノズル２２２ａとパイロットノズル供給配管６５に接続されるパイロットノズル２２２ｂと、を有する。第３バーナ２２３は、メインノズル供給配管７４に接続されるメインノズル２２３ａとパイロットノズル供給配管７５に接続されるパイロットノズル２２３ｂと、を有する。

ここで、圧縮機１０に供給される燃料ガスは、炭化水素系可燃性ガスである天然ガスを液化して貯蔵するＬＮＧタンク４００で生成されるボイルオフガスである。ボイルオフガスとは、ＬＮＧタンク４００に貯蔵される液化した天然ガスが外部からの入熱等により気化して生成されたガスである。
また、圧縮機１０に供給される燃料ガスとして、液化した天然ガスを熱源（図示略）により強制的に気化させたガスを用いてもよい。

ここでは、燃料ガスとして、メタンを主成分とした天然ガスを用いるものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、エチレン等の他の炭化水素系可燃性ガスを用いてもよい。このように本実施形態においては、環境保護の観点から硫黄分を含まない炭化水素系燃料ガスをバーナ部２２０へ供給するものとする。

圧縮機１０は、ＬＮＧタンク４００から供給される燃料ガスを加圧する装置である。圧縮機１０は、燃料ガスを８０ｋＰａ程度まで加圧して燃料ガス供給路１０１へ供給する。また、圧縮機１０による加圧によって燃料ガスの温度は上昇する。燃料ガスの温度は、例えば、圧縮機１０による加圧前が約−９０℃であり、加圧後が−８０℃以上かつ−７０℃以下の範囲となる。

ヒータ２０は、圧縮機１０により加圧された燃料ガスを加熱する装置である。ヒータ２０は、ヒータ２０の下流側に設けられた温度センサ（図示略）により検出される燃料ガスの温度が予め設定された温度（例えば、３０℃）となるように制御部９０とは異なる他の制御装置（図示略）からの制御指令により動作する。

流量計３０は、燃料ガス供給路１０１から燃料ガス供給ヘッダ１０２へ供給される燃料ガスの流量を計測する装置である。流量計３０は、計測した燃料ガスの流量を示す計測信号を、信号線（図示略）を介して制御部９０に出力する。

流量調整弁４０は、ＬＮＧタンク４００から燃料ガス供給ヘッダ１０２に供給される燃料ガスの流量を調整する弁である。流量調整弁４０の開度は、流量計３０が計測する流量と制御部９０が設定する流量とが一致するように、制御部９０から信号線（図示略）を介して伝達される制御信号により制御される。

第１燃料供給部５０と、第２燃料供給部６０と、第３燃料供給部７０は、それぞれ燃料ガス供給ヘッダ１０２に設けられている。
第１燃料供給部５０は、燃料ガス供給ヘッダ１０２からメインノズル供給配管５４を介してメインノズル２２１ａへ供給される燃料ガスの流量と燃料ガス供給ヘッダ１０２からパイロットノズル供給配管５５を介してパイロットノズル２２１ｂへ供給される燃料ガスの流量との比率を調整する装置である。同様に、第２燃料供給部６０は、燃料ガス供給ヘッダ１０２からメインノズル供給配管６４を介してメインノズル２２２ａへ供給される燃料ガスの流量と燃料ガス供給ヘッダ１０２からパイロットノズル供給配管６５を介してパイロットノズル２２２ｂへ供給される燃料ガスの流量との比率を調整する装置である。同様に、第３燃料供給部７０は、燃料ガス供給ヘッダ１０２からメインノズル供給配管７４を介してメインノズル２２３ａへ供給される燃料ガスの流量と燃料ガス供給ヘッダ１０２からパイロットノズル供給配管７５を介してパイロットノズル２２３ｂへ供給される燃料ガスの流量との比率を調整する装置である。

第１燃料供給部５０は、燃料ガス供給ヘッダ１０２にそれぞれ設けられる遮断弁５１および遮断弁５２と、メインノズル供給配管５４に設けられ燃料ガス供給ヘッダ１０２からメインノズル供給配管５４を介してメインノズル２２１ａに導かれる燃料ガスの流量を調整する制御弁（第１調整弁）５３と、を有する。
遮断弁５１および遮断弁５２は、バーナ部２２０による燃料ガスの燃焼が行われる場合に制御部９０により開状態とされ、バーナ部２２０による燃料ガスの燃焼が行われない場合に制御部９０により閉状態とされる。

なお、第２燃料供給部６０が備える遮断弁６１，遮断弁６２，制御弁６３は、それぞれ第１燃料供給部５０が備える遮断弁５１，遮断弁５２，制御弁５３と同様のものであるため、以下での説明を省略する。同様に、第３燃料供給部７０が備える遮断弁７１，遮断弁７２，制御弁７３は、それぞれ第１燃料供給部５０が備える遮断弁５１，遮断弁５２，制御弁５３と同様のものであるため、以下での説明を省略する。

制御部９０は、燃料供給装置１００が備える各部を制御する装置である。制御部９０は、制御弁５３，制御弁６３，制御弁７３の開度、および流量調整弁４０の開度をそれぞれ制御する。また、制御部９０は、遮断弁５１，遮断弁５２，遮断弁６１，遮断弁６２，遮断弁７１，遮断弁７２の開閉状態を制御する。

なお、制御部９０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。

次に、制御部９０により実行される制御弁５３の開度および流量調整弁４０の開度の制御について、図３から図５を参照して説明する。
なお、以下では第１燃料供給部５０についてのみ説明するが、第２燃料供給部６０と第３燃料供給部７０は第１燃料供給部５０と同様である。したがって、以下では第２燃料供給部６０および第３燃料供給部７０についての説明を省略する。

図３から図５において、横軸に示す燃料ガスの流量［％］は、本実施形態の制御弁５３および流量調整弁４０のそれぞれが最大開度に維持される場合に第１燃料供給部５０から第１バーナ２２１へ供給される燃料ガスの流量を１００％とし、１００％の燃料ガスの流量に対する実際の燃料ガスの流量の割合を示している。
図３から図５において燃料ガスの流量の下限値Ｆｒ１が約１５％に設定されているのは、本実施形態の燃料ガスのターンダウン比（定格出力時の最大流量と制御可能な最小流量の比）が約７：１となっているからである。

なお、本実施形態の燃料供給装置１００は、燃料ガス供給ヘッダ１０２により、第１燃料供給部５０と第２燃料供給部６０と第３燃料供給部７０のそれぞれに略均等に燃料ガスを供給するものである。従って、第１燃料供給部５０，第２燃料供給部６０，第３燃料供給部７０のそれぞれに供給される燃料ガスの流量は、流量計３０が計測する燃料ガスの流量の１／３の値となる。

また、第１燃料供給部５０と第２燃料供給部６０と第３燃料供給部７０とのいずれか１つの燃料供給部の遮断弁を閉状態とし、その他の燃料供給部の遮断弁を開状態とする場合、開状態の燃料供給部のそれぞれに供給される燃料ガスの流量は、流量計３０が計測する燃料ガスの流量の１／２の値となる。
また、第１燃料供給部５０と第２燃料供給部６０と第３燃料供給部７０とのいずれか１つの燃料供給部の遮断弁を開状態とし、その他の燃料供給部の遮断弁を閉状態とする場合、開状態の燃料供給部に供給される燃料ガスの流量は、流量計３０が計測する燃料ガスの流量と同量となる。

制御部９０は、図３に破線で示すように流量調整弁４０の開度を制御する。図３に示すように、制御部９０が流量調整弁４０の開度を漸次増加させると、それに応じて燃料ガスの流量が下限値Ｆｒ１から上限値Ｆｒ３（１００％の流量）に向けて漸次増加する。
また、制御部９０は、図３に実線で示すように制御弁５３の開度を制御する。図３に示すように、制御部９０は、燃料ガス供給ヘッダ１０２から第１バーナ２２１に供給される燃料ガスの流量がＦｒ１以上かつＦｒ２（所定流量）未満となる低負荷領域である場合に制御弁５３を閉状態とするように制御する。
また、制御部９０は、燃料ガス供給ヘッダ１０２から第１バーナ２２１に供給される燃料ガスの流量がＦｒ２以上となる高負荷領域である場合に燃料ガスの流量の増加に応じて開度が増加するよう制御弁５３を制御する。

次に、図４を参照して、制御部９０による流量調整弁４０と制御弁５３の開度の調整により実現されるメインノズル２２１ａとパイロットノズル２２１ｂとの負荷の負担割合の調整について説明する。
図４に縦軸で示す負荷［％］は、制御弁５３および流量調整弁４０のそれぞれが最大開度に維持される場合（最大負荷となる場合）の第１バーナ２２１の負荷（出力）を１００％とし、１００％の負荷に対するメインノズル２２１ａとパイロットノズル２２１ｂとの実際の負荷の割合を示している。

図４に示すように、燃料ガスの流量がＦｒ１以上かつＦｒ２（所定流量）未満となる低負荷領域である場合には、制御弁５３が閉状態となっているため、メインノズル２２１ａの負荷は０％に維持される。この低負荷領域において、パイロットノズル２２１ｂの負荷は、燃料ガスの流量の増加に対応して漸次増加する。

また、図４に示すように、燃料ガスの流量がＦｒ２以上となる高負荷領域である場合には、制御弁５３が燃料ガスの流量の増加に応じて制御弁５３の開度が漸次増加するため、メインノズル２２１ａの負荷が漸次増加する。この高負荷領域において、パイロットノズル２２１ｂの負荷は、燃料ガスの流量の増加に対応して漸次増加する。一方で、高負荷領域においては、燃料ガスの流量の増加量に対するパイロットノズル２２１ｂの負荷の増加量が、低負荷領域におけるそれよりも少なくなる。

これは、高負荷領域においては、制御部９０が流量調整弁４０の開度の増加に応じて制御弁５３の開度が増加するよう制御弁５３を制御するからである。制御弁５３の開度が増加することにより、パイロットノズル２２１ｂの負荷に対するメインノズル２２１ａの負荷の割合が漸次増加する。燃料ガスの流量が約６０％となる場合にパイロットノズル２２１ｂの負荷とメインノズル２２１ａの負荷の割合が等しくなる。
また、燃料ガスの流量が１００％となる場合には、パイロットノズル２２１ｂの負荷が約３５％であるのに対してメインノズル２２１ａの負荷が約６５％となる。このように、燃料ガスの流量が１００％となる場合には、パイロットノズル２２１ｂとメインノズル２２１ａの燃料ガスの流量比が６５：３５となり、パイロットノズル２２１ｂの負荷とメインノズル２２１ａの負荷を合計した値が１００％となる。

次に、図５を参照して、燃料ガスの流量と燃料ガスの圧力との関係について説明する。
図５に縦軸で示す燃料ガスの圧力［ｋＰａ］は、燃料ガス供給ヘッダ１０２内の燃料ガスの圧力を示している。燃料ガス供給ヘッダ１０２に供給される燃料ガスは、燃料ガス供給路１０１から流量調整弁４０を経て減圧される。

図５に実線で示すように、本実施形態の燃料ガスの圧力は、燃料ガスの流量がＦｒ１以上かつＦｒ２（所定流量）未満となる低負荷領域である場合と燃料ガスの流量がＦｒ２以上となる高負荷領域である場合のいずれにおいても、燃料ガスの圧力は燃料ガスの流量の増加に応じて漸次増加する。
一方、高負荷領域においては、燃料ガスの流量の増加に対する燃料ガスの圧力の増加量が、低負荷領域におけるそれよりも少なくなる。

これは、高負荷領域においては、制御部９０が流量調整弁４０の開度の増加に応じて制御弁５３の開度が増加するよう制御弁５３を制御するからである。制御弁５３の開度が増加することにより、単位流量を増加させるのに必要となる燃料ガスの圧力の増加量が抑制される。
一方、図５に破線で示す比較例は、高負荷領域においても、制御部９０が制御弁５３を閉状態に維持した例である。この比較例では、高負荷領域においても、燃料ガスの流量の増加に対する燃料ガスの圧力の増加量が、低負荷領域におけるそれと同じとなる。

そのため、図５に破線で示すように、比較例においては、高負荷領域で燃料ガスの流量を所望の流量とするために必要とされる燃料ガスの圧力が本実施形態よりも過大に大きくなる。これは、燃料ガスの流量が下限値Ｆｒ１となる場合に必要とされる燃料ガスの圧力の値であるＰｍｉｎを本実施形態と比較例とで一致させるには、比較例において燃料ガス供給路１０１に供給される燃料ガスの圧力を過大に大きくしておく必要があることを意味する。すなわち、比較例においては、燃料ガス供給路１０１に供給される燃料ガスの圧力を過大に大きくするために、高い加圧性能を備える圧縮機１０を設ける必要がある。
ここで、具体的な例を挙げて、本実施形態で必要とされる燃料ガスの圧力と、比較例で必要とされる燃料ガスの圧力について説明する。

本実施形態では、燃料ガスの流量が１００％となる場合に、パイロットノズル２２１ｂとメインノズル２２１ａの燃料ガスの流量が、それぞれ３００ｋｇ／ｈと７００ｋｇ／ｈであり、合計の流量が１０００ｋｇ／ｈであるものとする。この場合、パイロットノズル２２１ｂとメインノズル２２１ａの燃料ガスの流量比が７０：３０となる。
この場合、燃料ガスの流量の下限値Ｆｒ１が１００ｋｇ／ｈであるとすると、パイロットノズル２２１ｂが１００ｋｇ／ｈから３００ｋｇ／ｈの範囲で燃料ガスの流量を調整可能とするためには、燃料ガス供給ヘッダ１０２に供給される燃料ガスの圧力を少なくとも式（１）で示す圧力Ｐｒ１［ｋＰａ］とする必要がある。
Ｐｒ１＝１．５・（３００／１００）^２＝１３．５０ （１）
ここで、１．５［ｋＰａ］は第１バーナ２２１が失火せずに燃料ガスの燃焼を維持するために必要とされる最小の燃焼ガスの圧力である。

また、燃料ガスの流量が１００％となる場合のメインノズル２２１ａの燃料ガスの流量が７００ｋｇ／ｈであることから、メインノズル２２１ａは３００ｋｇ／ｈ（パイロットノズル２２１ｂの最大流量）から７００ｋｇ／ｈの範囲で燃料ガスの流量を調整する。メインノズル２２１ａが３００ｋｇ／ｈから７００ｋｇ／ｈの範囲で燃料ガスの流量を調整可能とするためには、燃料ガス供給ヘッダ１０２に供給される燃料ガスの圧力を少なくとも式（２）で示す圧力Ｐｒ２［ｋＰａ］とする必要がある。
Ｐｒ２＝１．５・（７００／３００）^２＝８．１７ （２）
このように、パイロットノズル２２１ｂとメインノズル２２１ａの燃料ガスの流量比が７０：３０となる場合、Ｐｒ１＞Ｐｒ２となる。そのため、燃料ガス供給ヘッダ１０２に供給される燃料ガスの圧力を少なくともＰ１に設定しておくことにより、最小流量である１００ｋｇ／ｈから最大流量である１０００Ｋｇ／ｈまで、燃料ガスの流量調整が可能である。

次に、比較例について説明する。比較例は、制御弁５３を閉状態に維持した例である。この場合、パイロットノズル２２１ｂのみで、最小流量である１００ｋｇ／ｈから１０００ｋｇ／ｈの範囲で燃料ガスの流量を調整する必要がある。パイロットノズル２２１ｂが１００ｋｇ／ｈから１０００ｋｇ／ｈの範囲で燃料ガスの流量を調整可能とするためには、燃料ガス供給ヘッダ１０２に供給される燃料ガスの圧力を少なくとも式（３）で示す圧力Ｐｒ３［ｋＰａ］とする必要がある。
Ｐｒ３＝１．５・（１０００／１００）^２＝１５０．００ （３）
すなわち、比較例の場合、燃料ガス供給ヘッダ１０２に供給される燃料ガスの圧力を本実施形態よりも１０倍を超えた高い値に設定する必要がある。

以上のように、本実施形態では、燃料ガス供給ヘッダ１０２に供給される燃料ガスの圧力を過大に大きく設定する必要がない。
また、換言すれば、本実施形態では、燃料ガス供給ヘッダ１０２に供給される燃料ガスの圧力に対するターンダウン比（定格出力時の最大流量と制御可能な最小流量の比）を高く設定することができる。すなわち、定格出力時の最大流量に対する最小流量の値をより小さい値に設定することができる。

以上説明した本実施形態が奏する作用及び効果について説明する。
本実施形態の燃料供給装置１００によれば、燃料ガス供給ヘッダ１０２から第１バーナ２２１に供給される燃料ガスの流量がＦｒ２（所定流量）未満となる低負荷領域においては、制御弁５３が閉状態となり燃料ガス供給ヘッダ１０２から第１バーナ２２１に供給される燃料ガスの全量がパイロットノズル供給配管５５からパイロットノズル２２１ｂに導かれる。この低負荷領域においては、制御弁５３が閉状態であるため、燃料ガスの流量の二乗根に比例して燃料ガスの圧力が低下する。しかしながら、低負荷領域の流量範囲は下限値Ｆｒ１以上かつＦｒ２未満の一定範囲内に限られるため、流量の変動に対する燃料ガスの圧力変動を抑制することができる。

また、本実施形態の燃料供給装置１００によれば、燃料ガス供給ヘッダ１０２から第１バーナ２２１に供給される燃料ガスの流量がＦｒ２（所定流量）以上となる高負荷領域においては、燃料ガスの流量の増加に応じて制御弁５３の開度が増加する。制御弁５３の開度を増加させて第１バーナ２２１の流路断面積（火炉２１１への開口面積）を増大させることにより、所望の流量の燃料ガスを第１バーナ２２１へ供給するのに必要とされる燃料ガスの圧力を低減することができる。

このように、本実施形態の燃料供給装置１００によれば、第１バーナ２２１に供給される燃料ガスが少ない低負荷領域から第１バーナ２２１に供給される燃料ガスが多い高負荷領域に至るまで、燃料ガスのエネルギーを無駄にすることなく燃料ガスのみによる安定燃焼を維持することができる。この場合において、ＬＮＧタンク４００側の燃料ガスの圧力を過大に大きく設定する必要がない。
換言すれば、本実施形態では、供給される燃料ガスの圧力に対するターンダウン比を高く設定することができ、定格出力時の最大流量に対する最小流量の値をより小さい値に設定することができる。

本実施形態の燃料供給装置１００は、ＬＮＧタンク４００から燃料ガス供給ヘッダ１０２に供給される燃料ガスの流量を調整する流量調整弁４０を備え、制御部９０が、流量調整弁４０の開度を制御する。
このようにすることで、ＬＮＧタンク４００から燃料ガス供給ヘッダ１０２に供給される燃料ガスの流量を流量調整弁４０により適量に調整することができる。

また、制御部９０が、燃料ガス供給ヘッダ１０２から第１バーナ２２１に供給される燃料ガスの流量がＦｒ２（所定流量）以上である場合に、流量調整弁４０の開度の増加に応じて制御弁５３の開度が増加するよう制御弁５３を制御する。
このようにすることで、燃料ガス供給ヘッダ１０２から第１バーナ２２１に供給される燃料ガスの流量がＦｒ２（所定流量）以上となる高負荷領域においては、第１バーナ２２１に供給される燃料ガスの増加に応じて第１バーナ２２１の流路断面積を増大させ、所望の流量の燃料ガスを第１バーナ２２１へ供給するのに必要とされる燃料ガスの圧力を低減することができる。

本実施形態の燃料供給装置１００は、ＬＮＧタンク４００から供給される燃料ガスを加圧する圧縮機１０と、圧縮機１０により加圧された燃料ガスを加熱するヒータ２０と、を備える。
このようにすることで、ＬＮＧタンク４００から供給される燃料ガスを適正に加圧および加熱して第１バーナ２２１へ供給することができる。

本実施形態の燃料供給装置１００の制御方法は、燃料ガス供給ヘッダ１０２から第１バーナ２２１に供給される燃料ガスの流量がＦｒ２（所定流量）未満である場合に制御弁５３を閉状態とする第１制御工程と、燃料ガス供給ヘッダ１０２から第１バーナ２２１に供給される燃料ガスの流量がＦｒ２（所定流量）以上である場合に燃料ガスの流量の増加に応じて開度が増加するよう制御弁５３を制御する第２制御工程と、を備える。

本実施形態の燃料供給装置１００の制御方法によれば、第１バーナ２２１に供給される燃料ガスが少ない低負荷領域から第１バーナ２２１に供給される燃料ガスが多い高負荷領域に至るまで、燃料ガスのエネルギーを無駄にすることなく燃料ガスのみによる安定燃焼を維持することができる。この場合において、ＬＮＧタンク４００側の燃料ガスの圧力を過大に大きく設定する必要がない。

〔他の実施形態〕
以上においては、バーナ部２２０が第１バーナ２２１，第２バーナ２２２，第３バーナ２２３の３つのバーナを備え、燃料供給装置１００が第１燃料供給部５０，第２燃料供給部６０，第３燃料供給部７０の３つの燃料供給部を備えるものとしたが他の態様であってもよい。
例えば、バーナ部２２０が第１バーナ２２１のみを備え、燃料供給装置１００が第１燃料供給部５０のみを備える態様であってもよい。
また例えば、バーナ部２２０が４以上の複数のバーナを備え、燃料供給装置１００がバーナの数と同数の複数の燃料供給部を備えるものとしてもよい。
また、以上においては、舶用ボイラ２００が、再熱炉２３０および再熱器２４０を有するものとしたが、これらを有しない舶用ボイラとしてもよい。再熱炉２３０および再熱器２４０を有しない舶用ボイラに対して、前述した燃料供給装置１００を適用することが可能である。

４０ 流量調整弁（第２調整弁）
５０ 第１燃料供給部
５３ 制御弁（第１調整弁）
５４ メインノズル供給配管（第２供給配管）
５５ パイロットノズル供給配管（第３供給配管）
６０ 第２燃料供給部
７０ 第３燃料供給部
９０ 制御部
１００ 燃料供給装置
１０１ 燃料ガス供給路
１０２ 燃料ガス供給ヘッダ（第１供給配管）
２００ 舶用ボイラ
２２０ バーナ部
２２１ 第１バーナ
２２１ａ メインノズル
２２１ｂ パイロットノズル（副ノズル）
２２２ 第２バーナ
２２２ａ メインノズル
２２２ｂ パイロットノズル（副ノズル）
２２３ 第３バーナ
２２３ａ メインノズル
２２３ｂ パイロットノズル（副ノズル）
４００ ＬＮＧタンク（供給源）

Claims (5)

1. 舶用ボイラに用いられるとともに主ノズルと副ノズルとを有するバーナ部に燃料ガスを供給する燃料供給装置であって、
   供給源から供給される前記燃料ガスを流通させる第１供給配管と、
   前記第１供給配管から前記主ノズルへ前記燃料ガスを供給する第２供給配管と、
   前記第１供給配管から前記副ノズルへ前記燃料ガスを供給する第３供給配管と、
   前記第２供給配管に設けられ、前記第１供給配管から前記第２供給配管を介して前記主ノズルに導かれる前記燃料ガスの流量を調整する第１調整弁と、
   前記第１調整弁の開度を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部が、前記第１供給配管から前記バーナ部に供給される前記燃料ガスの流量が所定流量未満である場合に閉状態とし、前記第１供給配管から前記バーナ部に供給される前記燃料ガスの流量が前記所定流量以上である場合に前記燃料ガスの流量の増加に応じて開度が増加するよう前記第１調整弁を制御する燃料供給装置。
2. 前記供給源から前記第１供給配管に供給される前記燃料ガスの流量を調整する第２調整弁を備え、
   前記制御部が、前記第２調整弁の開度を制御する請求項１に記載の燃料供給装置。
3. 前記制御部が、前記第１供給配管から前記バーナ部に供給される前記燃料ガスの流量が前記所定流量以上である場合に、前記第２調整弁の開度の増加に応じて前記第１調整弁の開度が増加するよう前記第１調整弁を制御する請求項２に記載の燃料供給装置。
4. 前記バーナ部と、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料供給装置と、を備える舶用ボイラ。
5. 舶用ボイラに用いられるとともに主ノズルと副ノズルとを有するバーナ部に燃料ガスを供給する燃料供給装置の制御方法であって、
   前記燃料供給装置が、前記主ノズルに導かれる前記燃料ガスの流量と前記副ノズルに導かれる前記燃料ガスの流量との比率を調整する調整弁を有し、
   前記バーナ部に供給される前記燃料ガスの流量が所定流量未満である場合に前記調整弁を閉状態とする第１制御工程と、
   前記バーナ部に供給される前記燃料ガスの流量が前記所定流量以上である場合に前記燃料ガスの流量の増加に応じて開度が増加するよう前記調整弁を制御する第２制御工程と、を備える燃料供給装置の制御方法。

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