JP2018066272A - 燃料ガス供給システム、船舶、及び燃料ガス供給方法 - Google Patents
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Abstract
Description
一方、エンジンは負荷変動などにより、燃料ガスの消費が変化する場合がある。この場合、圧縮した余分なボイルオフガスを有効に回収するために、ボイルオフガスを液化してタンクに戻すことが行われる。
液化ガスを貯留するタンクと、
前記液化ガスから気化したボイルオフガスをエンジンに燃料ガスとして供給するために、前記液化ガスから気化したボイルオフガスを燃料として加圧し送出する加圧機構と、
前記加圧機構で加圧されて送出されたボイルオフガスの一部を液化する装置であって、ボイルオフガスの液化により生成された液化ガスのうち前記タンクに回収する液化ガスの量を制御する回収制御バルブを備える液化装置と、
前記加圧機構で加圧したボイルオフガスの一部を燃料として消費するガス処理装置に接続する分岐配管に設けられ、前記分岐配管を前記ガス処理装置に向けて流れるボイルオフガスの量を制御するガス処理制御バルブと、
前記回収制御バルブ及び前記ガス処理制御バルブの開度を調整する制御装置と、を備える。
前記制御装置は、前記ガス処理制御バルブの開度を制御することで、前記エンジンと前記ガス処理装置によるボイルオフガスの消費量と液化したボイルオフガスの前記タンクへの回収量の合計量と、前記加圧機構で送出されたボイルオフガスの供給量とを一致させる制御状態1と、前記エンジンへのボイルオフガスの供給を停止し、前記ガス処理制御バルブの開度を前記制御状態1における前記ガス処理制御バルブの開度に比べて大きくし、かつ、前記回収制御バルブの開度を前記制御状態1における前記回収制御バルブの開度に比べて小さくした制御状態2の間でボイルオフの流れを切り替えるように構成されている。
前記制御装置は、前記制御状態2において、前記合流制御バルブの開度を前記制御状態1に比べて小さくする、ことが好ましい。
前記制御装置は、前記静定状態2から前記制御状態2に切り替える制御を行う、ことが好ましい。
前記加圧機構で加圧した燃料を用いて駆動する推進エンジンと、を備えることを特徴とする船舶である。
液化ガスを貯留するタンクから気化したボイルオフガスをエンジンに燃料ガスとして供給するために、前記液化ガスから気化したボイルオフガスを燃料として加圧し送出するステップと、
加圧したボイルオフガスの一部を燃料としてガス処理装置で処理するステップと、
加圧したボイルオフガスの一部を液化して前記タンクに回収させるステップと、を含む。
前記ガス処理装置に流れるボイルオフガスの量を制御することで、前記エンジン及び前記ガス処理装置によるボイルオフガスの消費量と液化したボイルオフガスの前記タンクへの回収量の合計量と、送出されたボイルオフガスの供給量を一致させる制御状態1と、前記エンジンへのボイルオフガスの供給を停止し、前記ガス処理装置によるボイルオフガスの消費量を前記制御状態1における前記ガス処理装置によるボイルオフガスの消費量に比べて多くし、かつ、前記タンクへのボイルオフガス回収量を、前記制御状態1における前記タンクへのボイルオフガス回収量に比べて少なくした制御状態2の間でボイルオフガスの流れを切り替える。
図1は、実施形態1の船舶の推進エンジンに液化ガスのボイルオフガスを燃料ガスとして供給する燃料ガス供給システム10の構成の一例を示す図である。燃料ガス供給システム10の液化ガスとして液化天然ガスを用いるが、液化天然ガスに限定されず、純メタンの液化ガスやエタン等の液化ガスを用いることができる。ボイルオフガスは、タンク内で自然入熱によって気化したガスの他に、LNGを意図的に加熱して強制的に気化したガスも含まれる。本実施形態では、タンク内で自然入熱によって気化したガスを用いて説明する。強制的に気化したガスを用いる場合、液化ガスからボイルオフガスを気化させる強制気化器が設けられる。
加圧機構30は、液化ガスから気化したボイルオフガスを、ボイルオフガスの一部を推進エンジン40に燃料ガスとして供給するために、加圧し送出する装置である。
液化装置50は、加圧機構30で加圧されて送出されたボイルオフガスの一部を液化してタンク20に回収する装置である。
制御装置60は、燃料ガス供給システム10のボイルオフガスの流れを制御する装置であって、少なくとも、加圧機構30及び液化装置50等に設けられる調整バルブ及び制御バルブの開度を調整する装置である。
加圧機構30は、ガスコンプレッサ(加圧装置)32a〜32eと、バイパス管33a,33c,33eと、調整バルブ34a,34c,34eと、吸引スナッバ35a〜35eと、吐出スナッバ36a〜36eと、熱交換器37a〜37eと、を主に備える。
吸引スナッバ35a〜35eのそれぞれは、ガスコンプレッサ32a〜32eのそれぞれの上流側に設けられ、ボイルオフガスを一時貯留し、ガスコンプレッサ32a〜32eのそれぞれにボイルオフガスが円滑に吸引されるように構成した空間を備える容器である。吐出スナッバ36a〜36eのそれぞれは、ガスコンプレッサ32a〜32eのそれぞれの下流側に設けられ、ボイルオフガスを一時貯留し、ボイルオフガスを円滑に送出できるように構成した空間を備える容器である。熱交換器37a〜37eのそれぞれは、吐出スナッバ36a〜36eのそれぞれの下流側に設けられ、加圧することにより高温になったボイルオフガスを冷却する。
また、バイパス管33cは、ガスコンプレッサ32c,32dを迂回して吸引スナッバ35cと熱交換器37dの出力端とを接続する、すなわち、ガスコンプレッサ32cによる加圧前のボイルオフガスが流れる配管の部分とガスコンプレッサ32dによる加圧後のボイルオフガスが流れる配管の間を接続した、ボイルオフガスが流れる管である。
バイパス管33eは、ガスコンプレッサ32eを迂回して吸引スナッバ35eと熱交換器37eの出力端とを接続する、すなわち、ガスコンプレッサ32eによる加圧前のボイルオフガスが流れる配管の部分とガスコンプレッサ32eによる加圧後のボイルオフガスが流れる配管の間を接続した、ボイルオフガスが流れる管である。
本実施形態では、ガスコンプレッサ32a,32bを同時に迂回するようにバイパス管33aが設けられ、ガスコンプレッサ32c,32dを同時に迂回するようにバイパス管33cが設けられているが、1つのガスコンプレッサのそれぞれを迂回するバイパス管が設けられてもよい。
また、上流側から数えて第1段目のガスコンプレッサ32aと第2段面のガスコンプレッサ32bの間に逆止弁が設けられてもよい。
さらに、エンジン40に一旦供給されたボイルオフガスが上流側に向かって逆流することがないように、バイパス管33eの下流側に逆止弁31bが設けられている。
ガス処理装置70に延びる分岐配管39には、ガス処理装置70の側に流れたボイルオフガスが加圧機構30の側に逆流しないように逆止弁31cが設けられている。さらに、分岐配管39には、ガス処理制御バルブ71aが設けられ、ガス処理装置70で処理するボイルオフガスの量を調整するように構成されている。ガス処理制御バルブ71aは、制御装置60から接点71bに送られる制御信号により、ガス処理制御バルブ71aの開度が制御される。
本実施形態に用いる船舶には、推進エンジン40が設けられている。推進エンジン40は、例えば液化ガスのボイルオフガスを燃料ガスとする一方、重油等のオイルを燃料として選択的に用いることができる二元燃料エンジンが用いられる。
推進エンジン40は供給されるボイルオフガスを燃料ガスとして燃焼室で燃焼させて動力を取り出し、推進エンジン40と船舶のプロペラを接続した図示されない主軸および船舶のプロペラを回転させる。推進エンジン40には、例えば2ストロークサイクルの低速ディーゼルエンジンを用いることができる。
ECU62は、定めた負荷に基づいて、最下流に位置するガスコンプレッサ32eの送出側の目標圧力を設定し、この目標圧力を制御装置60に送るように構成されている。この目標圧力は、推進エンジン40が燃料ガス供給システム30に要求する燃料供給圧力である。制御装置60は、目標圧力を用いて、加圧機構30によるボイルオフガスの送出量を制御する。
液化装置50は、分岐配管51を通じて加圧機構30と接続されている。分岐配管51は、バイパス管33cの主配管31からの分岐点と逆止弁31aとの間の主配管31と接続されている。
液化装置50は、推進エンジン40の負荷の変動により不要となったボイルオフガスを液化ガスとしてタンク20に戻す装置である。ボイルオフガスの一部は液化されずガスを維持する。液化装置50は、このボイルオフガスを、必要に応じて、タンク20内の液化ガスから気化した、加圧前の新鮮なボイルオフガスに合流させる。
熱交換器53は、ボイルオフガスを液化する前にボイルオフガスを冷却する。
膨張バルブ54は、冷却したボイルオフガスを膨張して液化させる。膨張バルブ54は、JT(ジュール・トムソン)バルブなどの等エンタルピ過程で変化すバルブでもよいが、エキスパンダなどの等エントロピ過程で変化するバルブであることが好ましい。
気液分離器56は、冷却したボイルオフガスを液化ガスと分離する。
ガス配管57は、液化ガスから分離したボイルオフガスを、タンク20内の液化ガスから気化し、タンク20から取り出されて流れる新鮮なボイルオフガスに合流させる。
液化ガス配管58は、気液分離器56で分離した液化ガスをタンク20内に回収するように流す。
このような燃料ガス供給システム10では、上述した各調整バルブ及び各制御バルブの開度を制御することにより、加圧機構30が送出するボイルオフガスの供給量と、推進エンジン40の消費量と、ガス処理装置70のボイルオフガスの消費量と、液化装置50で生成された液化ガスのタンク20内に回収される回収量との間で、種々の制御状態が生じる。これらの制御状態は、少なくとも以下の制御状態1A,1B,2を含む。
(制御状態1A)ボイルオフガスの供給量=推進エンジンの消費量X1+ガス処理装置の消費量Y1、回収量Z1=0
(制御状態1B)ボイルオフガスの供給量=推進エンジンの消費量X2(<X1)+ガス処理装置の消費量Y2+回収量Z2(>0)
(制御状態2)ボイルオフガスの供給量=推進エンジンの消費量X3(<X2)+ガス処理装置の消費量Y3(>Y2)+回収量Z3(<Z2)、推進エンジンの消費量X3=0
の状態を含む。
制御状態1A、制御状態1B、及び制御状態2は、いずれも加圧機構30のボイルオフガスの供給量が、推進エンジン50の消費量とガス処理装置70の消費量と液化タンク20への回収量の合計量に一致している制御状態(定常状態)である。なお、制御状態1Aと制御状態1Bは、総称して説明するとき、制御状態1という。
このように、制御状態1Bは、加圧機構30のボイルオフガスの供給量が、推進エンジン40の消費量X2とガス処理装置70の消費量Y2の合計量よりも多く、この差分をタンク20に回収する液化ガスの回収量Z2とすることにより、定常状態となっている。
このように同じ圧縮処理により加圧されたボイルオフガスの圧力の増加により、加圧機構30によるボイルオフガスの送出量(質量)の制御(調整バルブ34a,34c,34eによるバイパス管33a,33c,33eを流れるボイルオフガスの量の、圧力に基づく制御)は難しくなる。
したがって、制御状態2を達成するには、制御状態1Bに比べてガス処理装置70のボイルオフガスの消費量を増大させる。
以上説明したように、制御装置60は、制御状態1と制御状態2の間でボイルオフガスの流れを切り替えるように構成される。
制御状態1は、ガス処理制御バルブ71aの開度を制御することで、推進エンジン40とガス処理装置70によるボイルオフガスの消費量と液化したボイルオフガスのタンク20への回収量の合計量と、加圧機構30で送出されたボイルオフガスの供給量とを一致させる制御状態である。制御状態2は、推進エンジン40へのボイルオフガスの供給を停止し、ガス処理制御バルブ71aの開度を制御状態1におけるガス処理制御バルブ71aの開度に比べて大きくし、かつ、回収制御バルブ58aの開度を制御状態1における回収制御バルブ58aの開度に比べて小さくした制御状態である。このため、ボイルオフガスの組成比率が変化したことを判定した場合、加圧機構30及び液化装置50内のボイルオフガスを集中的にガス処理装置70で消費するようにできる。したがって、ボイルオフガスの液化装置の使用によってボイルオフガスの組成比率が変化するような使用条件を含む場合でも、推進エンジン40のボイルオフガスの再使用開始時、所定の圧力に加圧したボイスオフガスを安定して推進エンジン40に供給することができる。
図4は、実施形態2の燃料ガス供給システム10の他の構成の一例を示す図である。
図4に示す燃料供給システムは、液化装置50とガス処理装置70の構成の一部が異なっている。これ以外の構成は同じであるので、図1に示す燃料ガス供給システム10の各部分と同じ符号を付して、その構成と機能についての説明は省略する。なお、図4では、煩雑さ回避のために、圧力計57b、選択器57c、及び接点57dの図示は省略されている。
ガス処理装置70に接続される分岐配管39には、制御バルブ71cと圧力計71dが設けられている。制御バルブ71cは、ガス処理装置70に向けて流れるボイルオフガスの量が過度にならないように、圧力計71dで計測された計測圧力に基づいて開度を制御する。
この場合、液化装置50の、分岐配管39に接続する配管59を流れるボイルオフガスを、加圧機構30から液化装置50に流れる液化前の高温のボイルオフガスと熱交換することにより昇温させる熱交換器53bが配管59に設けられていることが好ましい。これにより、液化装置50の膨張バルブ54で膨張することにより冷えたボイルオフガスをガス処理装置70の消費に適した温度に昇温させることができる。
すなわち、燃料ガス供給方法は、
(1)液化ガスを貯留するタンク20から気化したボイルオフガスを推進エンジン40に燃料ガスとして供給するために、加圧機構30により液化ガスから気化したボイルオフガスを燃料ガスとして加圧(圧縮)し送出するステップと、
(2)加圧したボイルオフガスの一部を燃料としてガス処理装置70で処理するステップと、
(3)加圧したボイルオフガスの一部を液化してタンク20に回収させるステップと、
を含む。
このとき、
(4)制御装置60により、制御状態1と制御状態2の間でボイルオフの流れを切り替える。
制御状態1は、ガス処理装置70に流れるボイルオフガスの量を制御することで、推進エンジン40及びガス処理装置70によるボイルオフガスの消費量と液化したボイルオフガスのタンク20への回収量の合計量と、送出されたボイルオフガスの供給量を一致させる制御状態である。
制御状態2は、推進エンジン40へのボイルオフガスの供給を停止し、ガス処理装置70によるボイルオフガスの消費量を制御状態1におけるガス処理装置70によるボイルオフガスの消費量に比べて多くし、かつ、タンク20へのボイルオフガス回収量を、制御状態1におけるタンク20へのボイルオフガスの回収量に比べて少なくした制御状態である。
20 タンク
30 加圧機構
31 主配管
31a〜31d 逆止弁
32a〜32e ガスコンプレッサ
33a,33c,33e バイパス管
34a,34c,34e,55a 調整バルブ
35a〜35e 吸引スナッバ
36a〜36e 吐出スナッバ
37a〜37e 熱交換器
38a,38c,38e,65a,65b 圧力計
39 分岐配管
40 推進エンジン
42 回転計
44 流量制御弁
50 液化装置
51 分岐配管
53 熱交換器
54 膨張バルブ
55a 制御バルブ
56 気液分離器
56a,71d 圧力計
56b 液面レベル計
57 ガス配管
57a 合流制御バルブ
57b 圧力計
57d、71b 接点
58 液化ガス配管
58a 回収制御バルブ
60 制御装置
62 エンジンコントロールユニット
70 ガス処理装置
71a ガス処理制御バルブ
71c 制御バルブ
80 判定装置
Claims (19)
- エンジンに燃料ガスを供給する燃料ガス供給システムであって、
液化ガスを貯留するタンクと、
前記液化ガスから気化したボイルオフガスをエンジンに燃料ガスとして供給するために、前記液化ガスから気化したボイルオフガスを燃料として加圧し送出する加圧機構と、
前記加圧機構で加圧されて送出されたボイルオフガスの一部を液化する装置であって、ボイルオフガスの液化により生成された液化ガスのうち前記タンクに回収する液化ガスの量を制御する回収制御バルブを備える液化装置と、
前記加圧機構で加圧したボイルオフガスの一部を燃料として消費するガス処理装置に接続する分岐配管に設けられ、前記分岐配管を前記ガス処理装置に向けて流れるボイルオフガスの量を制御するガス処理制御バルブと、
前記回収制御バルブ及び前記ガス処理制御バルブの開度を調整する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記ガス処理制御バルブの開度を制御することで、前記エンジンと前記ガス処理装置によるボイルオフガスの消費量と液化したボイルオフガスの前記タンクへの回収量の合計量と、前記加圧機構で送出されたボイルオフガスの供給量とを一致させる制御状態1と、前記エンジンへのボイルオフガスの供給を停止し、前記ガス処理制御バルブの開度を前記制御状態1における前記ガス処理制御バルブの開度に比べて大きくし、かつ、前記回収制御バルブの開度を前記制御状態1における前記回収制御バルブの開度に比べて小さくした制御状態2の間でボイルオフの流れを切り替えるように構成されている、ことを特徴とする燃料ガス供給システム。 - 前記液化装置は、前記液化装置で液化しなかったボイルオフガスを、前記液化ガスから気化した、前記加圧機構で加圧される前のボイルオフガスに合流させるボイルオフガスの量を制御する合流制御バルブを備え、
前記制御装置は、前記制御状態2において、前記合流制御バルブの開度を前記制御状態1に比べて小さくする、請求項1に記載の燃料ガス供給システム。 - 前記制御状態1は、前記合流制御バルブが閉じた静定状態1と、前記合流制御バルブが開いた静定状態2と、含み、
前記制御装置は、前記静定状態2から前記制御状態2に切り替える制御を行う、請求項2に記載の燃料ガス供給システム。 - さらに、前記加圧機構で加圧されるボイルオフガスの組成比率の変化の有無を判定する判定装置を備え、
前記判定装置がボイルオフガスの生成比率の変化を判定したとき、前記制御状態1から前記制御状態2に切り替える、請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料ガス供給システム。 - 前記加圧機構は、前記ボイルオフガスを加圧する加圧装置と、前記加圧装置による加圧前後のボイルオフガスが流れる配管の間を、前記加圧装置を迂回して接続したバイパス管と、前記加圧装置による加圧後のボイルオフガスの圧力が所定の範囲内になるように、前記バイパス管を流れるボイルオフガスの量を制御する調整バルブと、を備え、
前記判定装置は、前記制御状態1において、前記調整バルブの開度の情報に基づいてボイルオフガスの組成比率の変化を判定する、請求項4に記載の燃料ガス供給システム。 - 前記判定装置は、前記開度が経過時間とともに変化して所定範囲を外れるとき、ボイルオフガスの組成比率が変化したと判定する、請求項5に記載の燃料ガス供給システム。
- 前記判定装置は、前記ボイルオフガスを加圧するために前記加圧機構が前記制御状態1において消費する単位時間当たりの消費エネルギに基づいてボイルオフガスの組成比率の変化を判定する、請求項4に記載の燃料ガス供給システム。
- 前記判定装置は、前記消費エネルギが経過時間とともに変化して所定範囲を外れるとき、ボイルオフガスの組成比率が変化したと判定する、請求項7に記載の燃料ガス供給システム。
- 前記液化装置は、ボイルオフガスのうち液化されること無くガスを維持したボイルオフガスを前記ガス処理装置に向けて流すように、前記ガス処理装置に接続する前記分岐配管に接続する配管を備える、請求項1〜8のいずれか1項に記載の燃料ガス供給システム。
- 前記液化装置の、前記分岐配管に接続する前記配管を流れるボイルオフガスを、前記加圧機構から前記液化装置に流れる液化前のボイルオフガスと熱交換により昇温させる熱交換器が設けられている、請求項9に記載の燃料ガス供給システム。
- 請求項1〜10のいずれか1項に記載の燃料ガス供給システムと、
前記加圧機構で加圧した燃料を用いて駆動する推進エンジンと、を備えることを特徴とする船舶。 - エンジンに燃料ガスを供給する燃料ガス供給方法であって、
液化ガスを貯留するタンクから気化したボイルオフガスをエンジンに燃料ガスとして供給するために、前記液化ガスから気化したボイルオフガスを燃料として加圧し送出するステップと、
加圧したボイルオフガスの一部を燃料としてガス処理装置で処理するステップと、
加圧したボイルオフガスの一部を液化して前記タンクに回収させるステップと、を含み、
前記ガス処理装置に流れるボイルオフガスの量を制御することで、前記エンジン及び前記ガス処理装置によるボイルオフガスの消費量と液化したボイルオフガスの前記タンクへの回収量の合計量と、送出されたボイルオフガスの供給量を一致させる制御状態1と、前記エンジンへのボイルオフガスの供給を停止し、前記ガス処理装置によるボイルオフガスの消費量を前記制御状態1における前記ガス処理装置によるボイルオフガスの消費量に比べて多くし、かつ、前記タンクへのボイルオフガス回収量を、前記制御状態1における前記タンクへのボイルオフガス回収量に比べて少なくした制御状態2の間でボイルオフガスの流れを切り替える、ことを特徴とする燃料ガス供給方法。 - 前記制御状態2において、ボイルオフガスのうち液化されること無くガスを維持したボイルオフガスを、前記タンクから流れ出るボイルオフガスの流れに合流させる量は、前記制御状態1に比べて少ない、請求項12に記載の燃料ガス供給方法。
- 前記制御状態1は、ボイルオフガスのうち液化されること無くガスを維持したボイルオフガスを、前記液化ガスから気化した加圧前のボイルオフガスの流れに合流させない静定状態1と、ボイルオフガスのうち液化されること無くガスを維持したボイルオフガスを、前記液化ガスから気化した加圧前のボイルオフガスの流れに合流させる静定状態2と、を含み、
前記制御状態2は、前記静定状態2から切り替えられる、請求項12または13に記載の燃料ガス供給方法。 - ボイルオフガスの組成比率の変化が生じた時、前記制御状態1から前記制御状態2に切り替える、請求項12〜14のいずれか1項に記載の燃料ガス供給方法。
- ボイルオフガスの加圧を行う加圧機構は、前記ボイルオフガスを加圧する加圧装置と、前記加圧装置による加圧前後のボイルオフガスが流れる配管の間を、前記加圧装置を迂回して接続したバイパス管と、前記加圧装置による加圧後のボイルオフガスの圧力が所定の範囲内になるように、前記バイパス管を流れるボイルオフガスの量を制御する調整バルブと、を備え、
前記ボイルオフガスの組成比率の変化は、前記制御状態1において、前記調整バルブの開度の情報に基づいて判定される、請求項15に記載の燃料ガス供給方法。 - 前記開度が経過時間とともに変化して所定範囲を外れるとき、ボイルオフガスの組成比率が変化したと判定する、請求項16に記載の燃料ガス供給方法。
- 前記ボイルオフガスを加圧するために加圧装置が前記制御状態1において消費する単位時間当たりの消費エネルギに基づいてボイルオフガスの組成比率の変化を判定する、請求項15に記載の燃料ガス供給方法。
- 前記消費エネルギが経過時間とともに変化して所定範囲を外れるとき、ボイルオフガスの組成比率が変化したと判定する、請求項18に記載の燃料ガス供給方法。
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