JP2018103954A

JP2018103954A - 船舶

Info

Publication number: JP2018103954A
Application number: JP2016255505A
Authority: JP
Inventors: 安藤　明洋; Akihiro Ando; 明洋安藤; 豪文飯坂; Takefumi Iizaka; 宏之武田; Hiroyuki Takeda; 尚子印藤; Naoko Into; 崇嗣安部; Takatsugu Abe; 直樹成島; Naoki Narishima; 康平橋本; Kohei Hashimoto
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2016-12-28
Filing date: 2016-12-28
Publication date: 2018-07-05

Abstract

【課題】副ガスエンジンへ供給される燃料ガスの圧力を確実に許容範囲内に保つことができるようにする。【解決手段】船舶は、主流路、上流側圧縮機構、上流側循環路および上流側バイパス弁を含む圧縮機と、ＬＮＧを貯留するタンク内で発生するＢＯＧを圧縮機へ導く送気ラインと、圧縮機から推進用の主ガスエンジンへＢＯＧを導く第１供給ラインと、圧縮機からヘッダーへ抽出ガスを導く、抽出弁が設けられた抽出ラインと、ヘッダーと第２供給ラインにより接続された、船内電源用の副ガスエンジンと、ヘッダー圧力計で検出されるヘッダー内の圧力が目標圧力となるように抽出弁を制御し、かつ、圧縮機構圧力計で検出される上流側圧縮機構の吐出圧が目標圧力となるようにフィードバック制御により上流側バイバス弁を制御しつつ、抽出弁の開度に基づいてフィードバック制御に先行して上流側バイパス弁を制御する制御装置と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、推進用の主ガスエンジンと船内電源用の副ガスエンジンを含む船舶に関する。

従来から、推進用の主ガスエンジンと船内電源用の副ガスエンジンを含む船舶が知られている。例えば、特許文献１には、図３に示すような船舶１００が開示されている。

具体的に、船舶１００では、液化天然ガスを貯留するタンク１１０内で発生するボイルオフガスが送気ライン１２１により圧縮機１４０へ導かれ、圧縮機１４０で高温高圧に圧縮される。圧縮機１４０から吐出されるボイルオフガスは、第１供給ライン１２２により推進用の主ガスエンジン（ＭＥＧＩエンジン）へ導かれる。

また、圧縮機１４０から圧縮途中で抽出された抽出ガスが、抽出ライン１３１および第２供給ライン１３２により船内電源用の副ガスエンジン（ＤＦエンジン）へ導かれるとともに、抽出ライン１３１および第３供給ライン１３３によりＧＣＵ（Gas Combustion Unit：ガス燃焼装置）へ導かれる。

圧縮機１４０は、主流路１５０上に直列に並ぶ５つの圧縮機構１６１〜１６５を含む多段圧縮機である。図３では、抽出ライン１３１が、２番目の圧縮機構１６２と３番目の圧縮機構１６３の間で主流路１５０から分岐している。

特表２０１５−５０５９４１号公報

ところで、副ガスエンジンへ供給される燃料ガスの圧力は、副ガスエンジンから要求される許容範囲内に保たれる必要がある。

そこで、本発明は、副ガスエンジンへ供給される燃料ガスの圧力を確実に許容範囲内に保つことができるようにすることを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、推進用の主ガスエンジンと、液化天然ガスを貯留するタンクと、前記タンク内で発生するボイルオフガスを圧縮機へ導く送気ラインと、前記圧縮機から吐出されるボイルオフガスを前記主ガスエンジンへ導く第１供給ラインと、前記圧縮機から圧縮途中で抽出された抽出ガスをヘッダーへ導く、抽出弁が設けられた抽出ラインと、前記ヘッダーと第２供給ラインにより接続された、船内電源用の副ガスエンジンと、前記ヘッダー内の圧力を検出するヘッダー圧力計と、前記ヘッダー圧力計で検出される圧力が目標圧力となるように前記抽出弁を制御する制御装置と、を備え、前記圧縮機は、吸入口から吐出口まで延びる、前記抽出ラインが分岐する主流路と、前記抽出ラインの分岐点よりも上流側で前記主流路に設けられた少なくとも１つの上流側圧縮機構と、前記少なくとも１つの上流側圧縮機構をバイパスする少なくとも１つの上流側循環路と、前記少なくとも１つの上流側循環路に設けられた少なくとも１つの上流側バイパス弁と、を含み、前記少なくとも１つの上流側圧縮機構の吐出圧を検出する少なくとも１つの圧縮機構圧力計をさらに備え、前記制御装置は、前記少なくとも１つの圧縮機構圧力計で検出される圧力が目標圧力となるようにフィードバック制御により前記少なくとも１つの上流側バイバス弁を制御しつつ、前記抽出弁の開度が増加する間は前記フィードバック制御に先行して前記少なくとも１つの上流側バイパス弁の開度が減少し、前記抽出弁の開度が減少する間は前記フィードバック制御に先行して前記少なくとも１つの上流側バイパス弁の開度が増加するように、前記少なくとも１つの上流側バイパス弁を制御する、船舶を提供する。

上記の構成によれば、抽出弁の開度が増加する間は、その後の少なくとも１つの上流側圧縮機構の吐出圧の低下を打ち消すように少なくとも１つの上流側バイパス弁の開度が減少し、抽出弁の開度が減少する間は、その後の少なくとも１つの上流側圧縮機構の吐出圧の上昇を打ち消すように少なくとも１つの上流側バイパス弁の開度が増加する。従って、抽出弁を応答良く動作させたとしても少なくとも１つの上流側圧縮機構の吐出圧の変動を小さく抑えることができる。しかも、抽出弁を応答良く動作させることにより、副ガスエンジンへ供給される燃料ガスの圧力を確実に許容範囲内に保つことができる。

上記の船舶は、前記ヘッダーと第３供給ラインにより接続されたＧＣＵをさらに備えてもよい。この構成によれば、副ガスエンジンの負荷の急変動とＧＣＵの処理ガス量の急変動のどちらを原因とするヘッダー内の圧力の急変化にも対応することができる。

上記の船舶は、前記タンク内に配置されたポンプから吐出される液化天然ガスを強制気化器へ導く送液ラインと、前記強制気化器にて生成される気化ガスを前記ヘッダーへ導くヘッダー供給ラインと、をさらに備えてもよい。この構成によれば、副ガスエンジンへ燃料ガスを安定的に供給することができる。

本発明によれば、副ガスエンジンへ供給される燃料ガスの圧力を確実に許容範囲内に保つことができる。

本発明の一実施形態に係る船舶の概略構成図である。変形例の船舶の概略構成図である。従来の船舶の概略構成図である。

図１に、本発明の一実施形態に係る船舶１を示す。この船舶１は、液化天然ガス（以下、ＬＮＧという）を貯留するタンク１１と、推進用の主ガスエンジン１３と、船内電源用の副ガスエンジン１７を含む。

図例では、タンク１１が１つだけ設けられているが、タンク１１は複数設けられてもよい（例えば、船舶１は、ＬＮＧ運搬船であってもよい）。また、図例では、主ガスエンジン１３および副ガスエンジン１７が１つずつ設けられているが、主ガスエンジン１３が複数設けられてもよいし、副ガスエンジン１７が複数設けられてもよい。

主ガスエンジン１３は、スクリュープロペラ（図示せず）を直接的に回転駆動してもよいし（機械推進）、スクリュープロペラを発電機およびモータを介して間接的に回転駆動してもよい（電気推進）。

本実施形態では、主ガスエンジン１３が、燃料ガス噴射圧が高圧のレシプロエンジンである。主ガスエンジン１３は、燃料ガスのみを燃焼させるガス専焼エンジンであってもよいし、燃料ガスと燃料油の一方または双方を燃焼させる二元燃料エンジンであってもよい（例えば、ＭＥＧＩエンジン）。ただし、主ガスエンジン１３は、燃料ガス噴射圧が中圧または低圧のレシプロエンジンであってもよい。あるいは、主ガスエンジン１３は、ガスタービンエンジンであってもよい。

副ガスエンジン１７は、燃料ガス噴射圧が低圧のレシプロエンジンであり、発電機（図示せず）と連結されている。副ガスエンジン１７は、燃料ガスのみを燃焼させるガス専焼エンジンであってもよいし、燃料ガスと燃料油の一方または双方を燃焼させる二元燃料エンジンであってもよい。

主ガスエンジン１３へは、燃料ガスとして、自然入熱によりタンク１１内で発生するボイルオフガス（以下、ＢＯＧという）が主に供給され、副ガスエンジン１７へは、燃料ガスとして、ＬＮＧが強制的に気化された気化ガス（以下、ＶＧという）が主に供給される。

具体的に、タンク１１は、送気ライン２１により圧縮機１２と接続されており、圧縮機１２は、第１供給ライン２２により主ガスエンジン１３と接続されている。また、タンク１１内には、ポンプ１４が配置されており、ポンプ１４は、送液ライン３１により強制気化器１５と接続されている。強制気化器１５は、ヘッダー供給ライン３２によりヘッダー１６と接続されており、ヘッダー１６は、第２供給ライン５１により副ガスエンジン１７と接続されているとともに、第３供給ライン５２によりＧＣＵ１８と接続されている。さらに、ヘッダー１６は、抽出ライン４３により圧縮機１２と接続されている。

送気ライン２１は、タンク１１内で発生するＢＯＧを圧縮機１２へ導く。圧縮機１２は、ＢＯＧを高圧に圧縮する。第１供給ライン２２は、圧縮機１２から吐出されるＢＯＧを主ガスエンジン１３へ導く。圧縮機１２については、後述にて詳細に説明する。

送液ライン３１は、ポンプ１４から吐出されるＬＮＧを強制気化器１５へ導く。強制気化器１５は、ＬＮＧを強制的に気化し、ＶＧを生成する。ヘッダー供給ライン３２は、強制気化器１５にて生成されるＶＧをヘッダー１６へ導く。

ポンプ１４は、強制気化器１５にて生成されるＶＧの圧力（つまり、強制気化器１５の出口圧力）が副ガスエンジン１７の燃料ガス噴射圧よりも高くなるように、ＬＮＧを吐出する。ただし、ヘッダー供給ライン３２に圧縮機が設けられ、ポンプ１４の代わりにその圧縮機がＶＧの圧力を副ガスエンジン１７の燃料ガス噴射圧よりも高くしてもよい。

ヘッダー供給ライン３２には、上流側から順に、冷却器３３、気液分離器３４および加熱器３５が設けられている。冷却器３３は、強制気化器１５にて生成されたＶＧを冷却する。ＶＧ中の重質分の多く（例えば、エタン、プロパン、ブタンなど）は、冷却器３３での冷却によって液体となり、気液分離器３４で除去されてタンク１１へ戻される。これにより、メタン価の高いＶＧが副ガスエンジン１７へ供給される。加熱器３５は、気液分離器３４を通過したＶＧを副ガスエンジン１７への供給に適した温度に加熱する。

また、ヘッダー供給ライン３２は、補給ライン４１により送気ライン２１と接続されている。図例では、補給ライン４１が冷却器３３と気液分離器３４の間でヘッダー供給ライン３２から分岐して送気ライン２１に合流しているが、補給ライン４１は、気液分離器３４と加熱器３５の間でヘッダー供給ライン３２から分岐してもよい。補給ライン４１には、補給弁４２が設けられている。

ヘッダー１６は、副ガスエンジン１７およびＧＣＵ１８へ供給される燃料ガスのバッファーとして機能する。ヘッダー１６は、容器であってもよいし、配管のうちの拡径された部分で構成されてもよい。

抽出ライン４３は、圧縮機１２から圧縮途中で抽出された抽出ガス（以下、ＢＧという）をヘッダー１６へ導く。抽出ライン４３には、抽出弁４４が設けられている。抽出弁４４が閉じられるときはヘッダー１６内の燃料ガスがＶＧのみとなり、抽出弁４４が開かれるときはヘッダー１６内の燃料ガスがＶＧとＢＧの混合ガスまたはＢＧのみとなる。

第２供給ライン５１は、ヘッダー１６から燃料ガスを副ガスエンジン１７へ導き、第３供給ライン５２は、ヘッダー１６から燃料ガスをＧＣＵ１８へ導く。第３供給ライン５２には、供給量調整弁５３が設けられている。

上述した補給弁４２、抽出弁４４および供給量調整弁５３は、制御装置６により制御される。ただし、図１では、図面の簡略化のために一部の信号線のみを描いている。例えば、制御装置６は、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリとＣＰＵを有し、ＲＯＭに格納されたプログラムがＣＰＵにより実行される。制御装置６は、単一の機器であってもよいし、複数の機器に分割されてもよい。

制御装置６は、送気ライン２１に設けられたＢＯＧ圧力計６１およびヘッダー１６に設けられたヘッダー圧力計６２と電気的に接続されている。ＢＯＧ圧力計６１は、送気ライン２１内のＢＯＧの圧力を検出し、ヘッダー圧力計６２は、ヘッダー１６内の圧力を検出する。

制御装置６は、タンク１１内のＬＮＧの量およびＢＯＧ圧力計６１で検出されるＢＯＧの圧力に基づいてＢＯＧの利用可能量Ｑａを算出する。具体的に、制御装置６は、ＢＯＧ圧力計６１で検出されるＢＯＧの圧力に、送気ライン２１の上流端である取込口からＢＯＧ圧力計６１の位置までの圧力損失を加算して、タンク１１内のＢＯＧの圧力を算出する。ただし、ＢＯＧ圧力計６１は、タンク１１に設けられ、タンク１１内のＢＯＧの圧力を直接的に検出してもよい。そして、制御装置６は、タンク１１内のＬＮＧの量およびタンク１１内のＢＯＧの圧力から、ＢＯＧの利用可能量Ｑａを算出する。例えば、タンク１１がカーゴタンクであって、タンク１１の容量が非常に大きい場合は、タンク１１内のＬＮＧの量は固定値として扱うことが可能である。一方、タンク１１の容量が小さい場合には、タンク１１にタンク１１内のＬＮＧの量を検出するレベル計が設けられ、タンク１１内のＬＮＧの量が変数として扱われてもよい。

ＢＯＧの利用可能量Ｑａを算出後、制御装置６は、主ガスエンジン１３の燃料ガス消費量Ｑ１とＢＯＧの利用可能量Ｑａを比較する。そして、制御装置６は、Ｑａ＜Ｑ１の場合に補給弁４２を開き、Ｑａ＞Ｑ１の場合に抽出弁４４を開く。抽出弁４４を開くとき、制御装置６は、ヘッダー圧力計６２で検出される圧力が目標圧力となるようにフィードバック制御により抽出弁４４を制御する。

また、Ｑａ＞Ｑ１の場合、制御装置６は、ＢＯＧの利用可能量Ｑａを、主ガスエンジン１３の燃料ガス消費量Ｑ１と副ガスエンジン１７の燃料ガス消費量Ｑ２の合計である燃料ガス総消費量Ｑｔと比較する。そして、Ｑａ＞Ｑｔの場合、制御装置６は、ＧＣＵ１８への燃料ガス供給量を算出し、供給量調整弁５３を開く。このとき、制御装置６は、強制気化器１５の運転を停止するとともに（図略の返送ラインを通じてポンプ１４から吐出されるＬＮＧをタンク１１へ戻す）、補給弁４２を全閉としてもよい。

次に、圧縮機１２について詳細に説明する。

圧縮機１２は、吸入口１２ａから吐出口１２ｂまで延びる主流路７を含む。上述した抽出ライン４３は、主流路７から分岐している。また、圧縮機１２は、抽出ライン４３の分岐点よりも上流側で主流路７に設けられた２つの上流側圧縮機構７１，７２と、抽出ライン４３の分岐点よりも下流側で主流路７に設けられた３つの下流側圧縮機構７３〜７５を含む。ただし、上流側圧縮機構の数は、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。また、下流側圧縮機構の数は、１つまたは２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。

さらに、圧縮機１２は、上流側圧縮機構７１，７２をそれぞれバイパスする２つの上流側循環路８１，８２と、下流側圧縮機構７３〜７５をそれぞれバイパスする３つの下流側循環路８３〜８５を含む。上流側循環路８１，８２には、上流側バイパス弁９１，９２がそれぞれ設けられ、下流側循環路８３〜８５には、下流側バイパス弁９３〜９５がそれぞれ設けられている。このため、圧縮機構７１〜７５のそれぞれから吐出されるＢＯＧが当該圧縮機構の吸入側へ戻されて循環することが可能である。すなわち、バイパス弁９１〜９５のそれぞれは、対応する圧縮機構（７１〜７５）の循環量を規定する。

主流路７には、圧縮機構７１〜７５の吐出側に圧縮機構圧力計６３〜６７がそれぞれ設けられている。圧縮機構圧力計６３〜６７のそれぞれは、対応する圧縮機構（７１〜７５）の吐出圧を検出する。例えば、圧縮機構圧力計６３は、上流側圧縮機構７１の吐出圧を検出する。上述した制御装置６は、これらの圧縮機構圧力計６３〜６７と電気的に接続されている。制御装置６は、圧縮機構圧力計６３〜６７で検出される圧縮機構７１〜７５の吐出圧のそれぞれが目標圧力となるようにフィードバック制御によりバイパス弁９１〜９５を制御する。

さらに、制御装置６は、上流側バイパス弁９１，９２に対しては、フィーバック制御を行いつつ、上述した抽出弁４４の開度に基づいてフィードフォワード制御を行う。具体的に、制御装置６は、抽出弁４４の開度が増加する間は、フィードバック制御に先行して上流側バイパス弁９１，９２の開度が減少するように、上流側バイパス弁９１，９２を制御する。つまり、制御装置６は、抽出弁４４の開度が増加するにつれて、上流側バイパス弁９１，９２の開度を減少させる。

逆に、抽出弁４４の開度が減少する間は、制御装置６は、フィードバック制御に先行して上流側バイパス弁９１，９２の開度が増加するように、上流側バイパス弁９１，９２を制御する。つまり、制御装置６は、抽出弁４４の開度が減少するにつれて、上流側バイパス弁９１，９２の開度を増加させる。

フィードフォワード制御を行わない場合には、抽出弁４４をヘッダー１６内の圧力に対して応答良く動作させたときに、圧縮機構７１〜７５の吐出圧に基づくバイパス弁９１〜９５のフィードバック制御だけでは対応しきれずに、上流側圧縮機構７１，７２の吐出圧が大きく変動する。

これに対し、本実施形態の船舶１では、抽出弁４４の開度が増加する間は、その後の上流側圧縮機構７１，７２の吐出圧の低下を打ち消すように上流側バイパス弁９１，９２の開度が減少し、抽出弁４４の開度が減少する間は、その後の上流側圧縮機構７１，７２の吐出圧の上昇を打ち消すように上流側バイパス弁９１，９２の開度が増加する。従って、抽出弁４４をヘッダー１６内の圧力に対して応答良く動作させたとしても上流側圧縮機構７１，７２の吐出圧の変動を小さく抑えることができる。しかも、抽出弁４４を応答良く動作させることにより、副ガスエンジン１７へ供給される燃料ガスの圧力を確実に許容範囲内に保つことができる。

（変形例）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

例えば、ＧＣＵ１８はなくてもよい。ただし、前記実施形態のように、第３供給ライン５２によりＧＣＵ１８がヘッダー１６に接続されていれば、副ガスエンジン１７の負荷の急変動とＧＣＵ１８の処理ガス量の急変動（例えば、ＧＣＵ１８のトリップ）のどちらを原因とするヘッダー１６内の圧力の急変化にも対応することができる。

また、図２に示すように、船舶１の種類によっては、ポンプ１４、送液ライン３１、強制気化器１５およびヘッダー供給ライン３２がなくてもよい。ただし、前記実施形態のようにそれらが在れば、副ガスエンジン１７へ燃料ガスを安定的に供給することができる。

また、図示は省略するが、第１供給ライン２２から分岐してタンク１１へつながる、膨張装置が設けられたＢＯＧ返送ラインが採用されてもよい。

１船舶
１１タンク
１２圧縮機
１２ａ吸入口
１２ｂ吐出口
１３主ガスエンジン
１４ポンプ
１５強制気化器
１６ヘッダー
１７副ガスエンジン
１８ＧＣＵ
２１送気ライン
２２第１供給ライン
３１送液ライン
３２ヘッダー供給ライン
５１第２供給ライン
５２第３供給ライン
６制御装置
６２ヘッダー圧力計
６３〜６７圧縮機構圧力計
７主流路
７１，７２上流側圧縮機構
８１，８２上流側循環路
９１，９２上流側バイパス弁

Claims

推進用の主ガスエンジンと、
液化天然ガスを貯留するタンクと、
前記タンク内で発生するボイルオフガスを圧縮機へ導く送気ラインと、
前記圧縮機から吐出されるボイルオフガスを前記主ガスエンジンへ導く第１供給ラインと、
前記圧縮機から圧縮途中で抽出された抽出ガスをヘッダーへ導く、抽出弁が設けられた抽出ラインと、
前記ヘッダーと第２供給ラインにより接続された、船内電源用の副ガスエンジンと、
前記ヘッダー内の圧力を検出するヘッダー圧力計と、
前記ヘッダー圧力計で検出される圧力が目標圧力となるように前記抽出弁を制御する制御装置と、を備え、
前記圧縮機は、吸入口から吐出口まで延びる、前記抽出ラインが分岐する主流路と、前記抽出ラインの分岐点よりも上流側で前記主流路に設けられた少なくとも１つの上流側圧縮機構と、前記少なくとも１つの上流側圧縮機構をバイパスする少なくとも１つの上流側循環路と、前記少なくとも１つの上流側循環路に設けられた少なくとも１つの上流側バイパス弁と、を含み、
前記少なくとも１つの上流側圧縮機構の吐出圧を検出する少なくとも１つの圧縮機構圧力計をさらに備え、
前記制御装置は、前記少なくとも１つの圧縮機構圧力計で検出される圧力が目標圧力となるようにフィードバック制御により前記少なくとも１つの上流側バイバス弁を制御しつつ、前記抽出弁の開度が増加する間は前記フィードバック制御に先行して前記少なくとも１つの上流側バイパス弁の開度が減少し、前記抽出弁の開度が減少する間は前記フィードバック制御に先行して前記少なくとも１つの上流側バイパス弁の開度が増加するように、前記少なくとも１つの上流側バイパス弁を制御する、船舶。
前記ヘッダーと第３供給ラインにより接続されたＧＣＵをさらに備える、請求項１に記載の船舶。
前記タンク内に配置されたポンプから吐出される液化天然ガスを強制気化器へ導く送液ラインと、
前記強制気化器にて生成される気化ガスを前記ヘッダーへ導くヘッダー供給ラインと、をさらに備える、請求項１または２に記載の船舶。