JP2019509929A - 船舶 - Google Patents

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Abstract

【課題】液化ガス貯蔵タンクを備えた船舶が開示される。【解決手段】前記船舶は、前記貯蔵タンクから排出される蒸発ガスを圧縮し、複数の圧縮シリンダーを備える多段圧縮機；前記多段圧縮機で圧縮された流体を熱交換させて冷却する第２熱交換器；前記第２熱交換器で冷却された流体（以下、「ａの流れ」という。）の一部が分岐した流れ（以下、「ａ１流れ」という。）を膨張させる第１減圧装置；前記第１減圧装置で膨張された前記「ａ１流れ」を冷媒として、前記「ａ流れ」から分岐した「ａ１流れ」を除いた残りの流体（以下、「ａ２流れ」という。）を熱交換させて冷却する第３熱交換器；前記第３熱交換器で冷却された前記「ａ２流れ」を膨張させる第２減圧装置；を備え、前記第２熱交換器は、前記第２減圧装置で膨張された前記「ａ２流れ」を冷媒として、前記多段圧縮機で圧縮された流体を冷却する。【選択図】図１

Description

本発明は、船舶に関するものである。より詳細には、貯蔵タンクの内部で発生した蒸発ガスを、蒸発ガス自体を冷媒として使用して再液化するシステムを備えた船舶に関する。
貯蔵タンクを断熱しても外部熱を完璧に遮断するには限界があり、内部まで伝達される熱によって液化ガスは貯蔵タンク内で継続的に気化することになる。貯蔵タンクの内部で気化した液化ガスを蒸発ガス（BOG;Boil-Off Gas）という。
蒸発ガスが発生して貯蔵タンクの圧力が設定した安全圧力以上になると、蒸発ガスは安全バルブによって貯蔵タンクの外部に排出される。貯蔵タンクの外部に排出された蒸発ガスは、船舶の燃料として使用されるか、再液化されて貯蔵タンクに戻される。
通常の蒸発ガスの再液化装置は冷凍サイクルを有し、当該冷凍サイクルで蒸発ガスを冷却させることによって蒸発ガスを再液化する。蒸発ガスを冷却するために冷却流体と熱交換させるが、蒸発ガス自体を冷却流体として使用して自己熱交換する部分再液化システム（PRS;Partial Re-liquefaction System）が利用される。
本発明は、従来の部分再液化システムを改良して、より効率的に蒸発ガスを再液化するシステムを備えた船舶を提供する。
前記目的を達成するために本発明の一実施形態は、液化ガス貯蔵タンクが搭載された船舶において、前記貯蔵タンクから排出された蒸発ガスを圧縮し、複数の圧縮シリンダーを備える多段圧縮機；前記多段圧縮機で圧縮された流体を熱交換させて冷却する第２熱交換器；前記第２熱交換器で冷却された流体（以下、「ａ流れ」という。）の一部が分岐した流れ（以下、「ａ１流れ」という。）を膨張させる第１減圧装置；前記第１減圧装置で膨張された前記「ａ１流れ」を冷媒として、前記「ａ流れ」から分岐した「ａ１流れ」を除いた残りの流体（以下、「ａ２流れ」という。）を、熱交換させて冷却する第３熱交換器；前記第３熱交換器で冷却された前記「ａ２流れ」を膨張させる第２減圧装置；を備え、前記第２熱交換器は、前記第２減圧装置で膨張された前記「ａ２流れ」を冷媒として、前記多段圧縮機で圧縮された流体を冷却する船舶が提供される。
前記複数の圧縮シリンダーのうち一部の圧縮シリンダーで圧縮された蒸発ガスは、前記第３熱交換器で熱交換されて冷却された後に他の圧縮シリンダーによって圧縮される。
前記複数の圧縮シリンダーのうち一部の圧縮シリンダーで圧縮された後に前記第３熱交換器で冷却された流体は、前記第１減圧装置で膨張された後に前記第３熱交換器で冷媒として使用された前記「ａ１流れ」と合流し、他の圧縮シリンダーによって圧縮される。
前記船舶は、前記多段圧縮機で圧縮された蒸発ガスを、前記第２熱交換器に送る前に熱交換させて冷却する第１熱交換器をさらに備える。
前記目的を達成するために本発明の他の実施形態では、液化ガス貯蔵タンクが搭載された船舶に適用される蒸発ガス再液化方法において、１）前記貯蔵タンクから排出された蒸発ガスを圧縮した後に第３熱交換器で冷却し、２）前記１）のステップで前記第３熱交換器によって冷却された流体を追加圧縮し、３）前記２）のステップで追加圧縮された蒸発ガスを第２熱交換器で冷却し、４）前記３）のステップで前記第２熱交換器によって冷却された流体を２つの流れに分岐させ、５）前記４）のステップで分岐した流れのうち一方の流れを膨張させた後に前記第３熱交換器で冷媒として使用し、６）前記４）のステップで分岐した流れのうち他方の流れを前記第３熱交換器で冷却し、７）前記６）のステップで前記第３熱交換器によって冷却された流体を膨張させて再液化し、前記７）のステップで液化された蒸発ガスは前記第２熱交換器に供給されて前記３）のステップで前記追加圧縮された蒸発ガスを冷却させる冷媒として使用される蒸発ガス再液化方法が提供される。
前記１）のステップで前記第３熱交換器によって冷却された流体は、前記５）のステップで膨張された後に前記第３熱交換器で冷媒として使用された流体と合流し、前記２）のステップの追加圧縮過程を経る。
前記２）のステップで追加圧縮された蒸発ガスは、第１熱交換器で冷却された後、前記３）のステップで前記第２熱交換器によって冷却される。
本発明は、蒸発ガスを再液化する冷媒を多様化して、熱交換器の上流で分岐する冷媒流量を減少させる。
熱交換器の上流で分岐させる冷媒の流量が減少すると、冷媒として使用されるために分岐する蒸発ガスが多段圧縮機による圧縮過程を経るため、多段圧縮機で圧縮される蒸発ガスの流量を減少させることができ、多段圧縮機で圧縮される蒸発ガスの流量が減少すると、ほぼ同じ効率で蒸発ガスを再液化するとともに多段圧縮機の消費電力が低減する利点がある。
本発明の好ましい実施形態において、船舶に適用される部分再液化システムの概略的な構成図である。
以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施例の構成と作用を詳細に説明する。本発明の船舶は、天然ガスを燃料として使用するエンジンを搭載した船舶と液化ガス貯蔵タンクを備えた船舶などで多様に応用されて適用することができる。また、下記の実施例は様々な形態で変更することができ、本発明の範囲は下記の実施例によって限定されない。
本発明において後述する蒸発ガスの処理システムは、低温液体貨物または液化ガスを貯蔵する貯蔵タンクが設置された全種類の船舶と海上構造物、すなわち、液化ガス運搬船などの船舶をはじめ、ＦＰＳＯ、ＦＳＲＵなどの海上構造物に適用することができる。
また、本発明における各ラインの流体は、システムの運用条件に応じて、液体状態、気液混合状態、気体状態、超臨界流体の状態のいずれかの状態である。
図１は、本発明の好ましい実施形態において、船舶に適用される部分再液化システムの概略的な構成図である。
図１を参照すると、本実施例の船舶は、複数の圧縮シリンダー（２１、２２、２３）を備えた多段圧縮機（２０）、第２熱交換器（３２）、第３熱交換器（４０）、第１減圧装置（７１）及び第２減圧装置（７２）を備える。
本実施例の船舶に搭載された貯蔵タンク（１０）に貯蔵された液化ガスは、１気圧で−１１０℃より高い沸点を有する。また、貯蔵タンク（１０）に貯蔵された液化ガスは、液化石油ガス（ＬＰＧ）であり、または、メタン、エタン、重炭化水素などの複数の成分を含むこともできる。
本実施例の多段圧縮機（２０）は貯蔵タンク（１０）から排出された蒸発ガスを圧縮する。多段圧縮機（２０）は複数の圧縮シリンダーを備え、一例として、図１に示すように３つの圧縮シリンダー（２１、２２、２３）を備える。本実施例の貯蔵タンク（１０）から排出されて、多段圧縮機（２０）に備えられた複数の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は、第３熱交換器（４０）で冷却された後、再び多段圧縮機（２０）に送られて残りの圧縮シリンダーを通過する。図１には、第１圧縮シリンダー（２１）で圧縮された蒸発ガスが第３熱交換器（４０）で冷却された後に第２圧縮シリンダー（２２）及び第３圧縮シリンダー（２３）で圧縮される過程が図示される。
多段圧縮機（２０）の一部の圧縮シリンダー（２１）を通過して第３熱交換器（４０）で冷却された後に多段圧縮機（２０）の残りの圧縮シリンダー（２２、２３）を通過した流体は、第２熱交換器（３２）で自己熱交換されて冷却された後、再び第３熱交換器（４０）に送られる（ａ流れ）。自己熱交換の自己(self-)は、蒸発ガス自体を冷媒として使用することを意味する。
本実施例の多段圧縮機（２０）で圧縮された流体は、第２熱交換器（３２）に送られる前に、第１熱交換器（３１）で冷却される。第１熱交換器（３１）は、蒸発ガスを冷却する冷媒として海水などの別の冷媒を使用することができ、第１熱交換器（３１）も第２熱交換器（３２）と同様に蒸発ガス自体を冷媒として使用できるシステムの構成が可能である。
多段圧縮機（２０）で多段階に圧縮される流体の吐出圧力は、第１熱交換器（３１）で冷却されて排出される流体の温度に応じて決定され、好ましくは、第１熱交換器（３１）で冷却されて排出される流体の温度に対応する飽和圧力(Saturated Liquid Pressure)により決定される。すなわち、液化ガスがＬＰＧである場合、第１熱交換器（３１）を通過した流体の少なくとも一部が飽和液体になる圧力に決定される。また、多段圧縮機（２０）の各段階で吐出される吐出圧力はそれぞれの圧縮シリンダーの性能によって決定される。
多段圧縮機（２０）及び第２熱交換器（３２）を通過した流体（ａ流れ）は、第３熱交換器（４０）の上流で２つの流れ（ａ１、ａ２）に分岐する。第３熱交換器（４０）の上流で分岐した流れのうち一方の流れ（ａ１）は、第１減圧装置（７１）で膨張されて温度が低くなった後に第３熱交換器（４０）で冷媒として使用され、第３熱交換器（４０）の上流で分岐した流れのうち他方の流れ（ａ２）は、第３熱交換器（４０）で熱交換されて冷却された後に第２減圧装置（７２）で膨張されて一部または全部が再液化される。第３熱交換器（４０）で冷媒として使用された流体（ａ１流れ）は、多段圧縮機（２０）に備えられた一部の圧縮シリンダー（２１）で圧縮された後に第３熱交換器（４０）に送られた流体と合流した後、多段圧縮機（２０）に送られて残りの圧縮シリンダー（２２、２３）で圧縮される。
第２熱交換器（３２）は、第３熱交換器（４０）で冷却された後に第２減圧装置（７２）で膨張されて一部または全部が再液化された流体（ａ２流れ）を冷媒として、多段圧縮機（２０）で圧縮された流体（ａ流れ）を冷却する。第２熱交換器（３２）で冷媒として使用された流体（ａ２流れ）は貯蔵タンク（１０）に送られ、第２熱交換器（３２）で冷却された流体（ａ流れ）は第３熱交換器（４０）に送られる。
本実施例の第１減圧装置（７１）及び第２減圧装置（７２）はジュール−トムソンバルブなどの膨張バルブであり、システムの構成に応じて膨張機の使用も可能である。また、本実施例の第２熱交換器（３２）はエコノマイザー（Ｅｃｏｎｏｍｉｚｅｒ）であり、第３熱交換器（４０）はインタークーラー（Ｉｎｔｅｒｃｏｏｌｅｒ）であり得る。
例えば、液化ガスがＬＰＧである場合、多段圧縮機（２０）で圧縮された流体は第１熱交換器（３１）を通過しながら冷却されるが、第１熱交換器（３１）で流体の少なくとも一部を液化することができ、第１熱交換器（３１）で液化された液体は第２熱交換器（３２）で過冷却される。また、第２熱交換器（３２）で過冷却された流体の一部を「ａ１流れ」に分岐させて第１減圧装置（７１）で膨張させた後に第３熱交換器（４０）で冷媒として使用し、第２熱交換器（３２）で過冷却された残りの流体、すなわち「ａ２流れ」は膨張された「ａ１流れ」を冷媒として第３熱交換器（４０）で二次過冷却される。第３熱交換器（４０）を通過しながら過冷却された「ａ２流れ」は、第２減圧装置（７２）で膨張された後に液体状態で貯蔵タンク（１０）に戻される。
本実施例では、多段圧縮機（２０）で圧縮された蒸発ガスが第３熱交換器（４０）によって１回の中間冷却を経る場合を説明したが、本実施例の多段圧縮機（２０）で圧縮された蒸発ガスは複数回の中間冷却過程を経ることもできる。多段圧縮機（２０）が３つの圧縮シリンダー（２１、２２、２３）を備える場合で説明すると、第１圧縮シリンダー（２１）で圧縮された蒸発ガスが第３熱交換器（４０）で冷却されて第２圧縮シリンダー（２２）で圧縮された後、追加の中間冷却過程を経た後に第３圧縮シリンダー（２３）で圧縮される。また、追加の中間冷却過程は、第３熱交換器（４０）による中間冷却と同様に、熱交換器の上流で分岐した一部の流れを膨張させた後に冷媒として使用する方式であり得る。
本発明は、多段圧縮機（２０）による圧縮、第３熱交換器（４０）による冷却、及び第２減圧装置（７２）による膨張過程を経て一部または全部が再液化された流体を、第２熱交換器（３２）で冷媒として使用し、多段圧縮機（２０）で圧縮された流体をさらに冷却させるので、第３熱交換器（４０）に送られる流体（ａ流れ）の温度をより低くすることができる。第３熱交換器（４０）に送られる流体（ａ流れ）の温度が低くなると、分岐して冷媒として使用される蒸発ガス（ａ１流れ）の量をより減らしても同様の再液化効率を達成することができ、第３熱交換器（４０）で冷媒として使用された流体（ａ１流れ）は多段圧縮機（２０）で圧縮されるので、第３熱交換器（４０）で冷媒として使用される流体（ａ１流れ）の量を減らせば、多段圧縮機（２０）で消耗されるエネルギーを低減することができる。すなわち、本発明は、第２熱交換器（３２）を備えることにより、第３熱交換器（４０）で冷媒として使用される流体（ａ１流れ）の量を減らし、多段圧縮機（２０）で消耗されるエネルギーを低減しながらも、ほぼ同様の再液化効率を達成することができる。
本発明は、上記実施形態に限定されず、本発明の技術的要旨を逸脱しない範囲内で様々な修正又は変更して実施が可能であることは、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者にとって自明である。

Claims (7)

  1. 液化ガス貯蔵タンクが搭載された船舶において、
    前記貯蔵タンクから排出される蒸発ガスを圧縮し、複数の圧縮シリンダーを備える多段圧縮機；
    前記多段圧縮機で圧縮された流体を熱交換させて冷却する第２熱交換器；
    前記第２熱交換器で冷却された流体（以下、「ａの流れ」という。）の一部が分岐した流れ（以下、「ａ１流れ」という。）を膨張させる第１減圧装置；
    前記第１減圧装置で膨張された前記「ａ１流れ」を冷媒として、前記「ａ流れ」から分岐した「ａ１流れ」を除いた残りの流体（以下、「ａ２流れ」という。）を熱交換させて冷却する第３熱交換器；
    前記第３熱交換器で冷却された前記「ａ２流れ」を膨張させる第２減圧装置；を備え、
    前記第２熱交換器は、前記第２減圧装置で膨張された前記「ａ２流れ」を冷媒として、前記多段圧縮機で圧縮された流体を冷却することを特徴とする船舶。
  2. 前記複数の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蒸発ガスは、前記第３熱交換器で熱交換されて冷却された後、残りの圧縮シリンダーによって圧縮されることを特徴とする請求項１に記載の船舶。
  3. 前記複数の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に前記第３熱交換器で冷却された流体は、前記第１減圧装置で膨張された後に前記第３熱交換器で冷媒として使用された前記「ａ１流れ」と合流し、残りの圧縮シリンダーによって圧縮されることを特徴とする請求項２に記載の船舶。
  4. 前記多段圧縮機によって圧縮された蒸発ガスを、前記第２熱交換器を送る前に熱交換させて冷却する第１熱交換器をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の船舶。
  5. 液化ガス貯蔵タンクが搭載された船舶に適用される蒸発ガス再液化方法において、
    １）前記貯蔵タンクから排出される蒸発ガスを圧縮した後に第３熱交換器で冷却し、
    ２）前記１）のステップで前記第３熱交換器によって冷却された流体を追加圧縮し、
    ３）前記２）のステップで追加圧縮された蒸発ガスを第２熱交換器で冷却し、
    ４）前記３）のステップで前記第２熱交換器によって冷却された流体を２つの流れに分岐させ、
    ５）前記４）のステップで分岐された流れのうち一方の流れを膨張させた後に前記第３熱交換器で冷媒として使用し、
    ６）前記４）のステップで分岐された流れのうち他方の流れを前記第３熱交換器で冷却し、
    ７）前記６）のステップで前記第３熱交換器によって冷却された流体を膨張させて再液化し、
    前記７）のステップで再液化された蒸発ガスは、前記第２熱交換器に供給されて前記３）のステップで前記追加圧縮された蒸発ガスを冷却する冷媒として使用されることを特徴とする蒸発ガス再液化方法。
  6. 前記１）のステップで前記第３熱交換器によって冷却された流体は、前記５）のステップで膨張された後に前記第３熱交換器で冷媒として使用された流体と合流し、前記２）のステップの追加圧縮過程を経ることを特徴とする請求項５に記載の蒸発ガス再液化方法。
  7. 前記２）のステップで追加圧縮された蒸発ガスは、第１熱交換器で冷却された後、前記３）のステップで前記第２熱交換器によって冷却されることを特徴とする請求項５または６に記載の蒸発ガス再液化方法。
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