JP2021161906A - 燃料ガス供給装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】内燃機関の負荷が小さな場合にも燃料ガスの供給を継続できる燃料ガス供給装置を提供する。【解決手段】運転制御部Cが、目標供給量が設定下限値未満になる切換条件が満たされると、貯留部BTの実圧力を低負荷用目標圧力範囲に維持する圧力制御運転処理を実行するように構成され、圧力制御運転処理が、目標供給量を低負荷用目標供給量に定めて、原料ガスFを供給する低負荷用運転処理、及び、原料ガスFの供給を停止し、貯留部BTへの燃料ガスNの流動を停止した状態で、燃料ガスNの全量を、燃料ガス戻し路L1を通して脱硫部8に戻す形態で循環させ、且つ、燃料ガスNを生成するときの運転温度に相当する温度に脱硫部8及び改質部9を維持すべく、循環される燃料ガスNを加熱部Kにて加熱する待機運転処理を、貯留部BTの実圧力に基づいて交互に切換える処理である。【選択図】図1

Description

本発明は、重質炭化水素ガスである原料ガスを脱硫処理する脱硫部及び当該脱硫部から供給される脱硫原料ガスを水蒸気供給部から供給される水蒸気にて改質処理して燃料ガスを生成する改質部を備えた燃料ガス生成部と、当該燃料ガス生成部に前記原料ガスを供給する原料ガス供給部と、前記改質部からの前記燃料ガス中の水分を除去する水分除去部と、当該水分除去部にて水分が除去された前記燃料ガスを貯留する貯留部と、前記水分除去部にて水分が除去された前記燃料ガスの一部を、燃料ガス戻し路を通して前記脱硫部に戻す燃料ガス戻し部と、前記貯留部に貯留された前記燃料ガスを消費する内燃機関と、運転制御部とが設けられ、
前記運転制御部が、前記内燃機関の負荷が大きくなるほど多くする形態で目標供給量を求めて、前記原料ガス供給部からの前記原料ガスの供給量を前記目標供給量に制御し、かつ、前記燃料ガスを前記貯留部に流動させる基本運転処理を実行するように構成されている燃料ガス供給装置に関する。
かかる燃料ガス供給装置は、プロパン、ブタン等の重質炭化水素ガスを改質処理して、メタンを主成分として含有する燃料ガスを製造し、製造された燃料ガスを、ガスエンジンやガスタービン等の内燃機関の燃料として用いられるようにしたものである。
燃料ガス供給装置においては内燃機関の負荷が大きくなるほど多くする形態で原料ガスの目標供給量を求めて、原料ガスの供給量を目標供給量に制御することになる。
そして、供給される原料ガスが燃料ガス生成部にて改質処理されて燃料ガスとして生成されるまでの間には時間遅れが生じることになるので、燃料ガス生成部から内燃機関に供給される燃料ガスを貯留する貯留部を設けて、内燃機関の負荷が変動しても、負荷に応じた燃料ガスを内燃機関に供給できるようにすることになる(例えば、特許文献1参照)。
つまり、内燃機関の負荷が急増した際には、貯留部に予め貯留されている燃料ガスが内燃機関に供給され、かつ、内燃機関の負荷が急減した際には、燃料ガス生成部から供給される燃料ガスのうちの余剰分が貯留部に貯留されることになる。
ちなみに、特許文献1においては、運転制御部が、内燃機関の負荷が大きくなるほど原料ガス供給量を多くする形態で基準供給量を求め、且つ、貯留部の実圧力を内燃機関の負荷が大きくなるほど小さくなるように定めた運転目標圧力にすべく、運転目標圧力と実圧力との差分値に基づいて基準供給量を補正する形態で目標供給量を求めるように構成されて、貯留部の小型化を図るようになっている。
特開2019−157673号公報
運転制御部にて目標供給量の原料ガスを供給するように制御するには、原料ガスの供給量を検出する流量センサ及び原料ガスの供給量を調整する供給制御弁を設けて、流量センサの検出流量が目標供給量に相当する量になるように供給制御弁の開度を制御することが行われることになる。
このような構成の場合には、流量センサの計測可能な下限値が存在することや供給制御弁の制御可能な下限値が存在することに起因して、目標供給量を適切に制御できる供給用下限値(例えば、最大供給量の30%程度)が存在することになる。
つまり、目標供給量が供給用下限値以下になった場合には、目標供給量の原料ガスを燃料ガス生成部に供給することができないものとなる。
したがって、目標供給量が供給用下限値以下になった場合には、燃料ガスの生成を停止するように構成することになるが、このような構成の場合には、内燃機関の負荷が小さな場合において、燃料ガスを内燃機関に供給できないものとなるため、内燃機関の負荷が小さくなる場合においても、それに応じた燃料ガスを供給できるようにすることが望まれることになる。
本発明は、上記実状に鑑みて為されたものであって、その目的は、内燃機関の負荷が小さな場合にも燃料ガスの供給を継続できる燃料ガス供給装置を提供する点にある。
本発明は、重質炭化水素ガスである原料ガスを脱硫処理する脱硫部及び当該脱硫部から供給される脱硫原料ガスを水蒸気供給部から供給される水蒸気にて改質処理して燃料ガスを生成する改質部を備えた燃料ガス生成部と、当該燃料ガス生成部に前記原料ガスを供給する原料ガス供給部と、前記改質部からの前記燃料ガス中の水分を除去する水分除去部と、当該水分除去部にて水分が除去された前記燃料ガスを貯留する貯留部と、前記水分除去部にて水分が除去された前記燃料ガスの一部を、燃料ガス戻し路を通して前記脱硫部に戻す燃料ガス戻し部と、前記貯留部に貯留された前記燃料ガスを消費する内燃機関と、運転制御部とが設けられ、
前記運転制御部が、前記内燃機関の負荷が大きくなるほど多くする形態で目標供給量を求めて、前記原料ガス供給部からの前記原料ガスの供給量を前記目標供給量に制御し、かつ、前記燃料ガスを前記貯留部に流動させる基本運転処理を実行するように構成されているものであって、その特徴構成は、
前記運転制御部が、前記目標供給量が設定下限値未満になる切換条件が満たされると、前記基本運転処理に代えて、前記貯留部の実圧力を低負荷用目標圧力範囲に維持する圧力制御運転処理を実行するように構成され、
前記圧力制御運転処理が、前記目標供給量を低負荷用目標供給量に定めて、前記原料ガス供給部からの前記原料ガスの供給量を前記低負荷用目標供給量に制御し、かつ、前記燃料ガスを前記貯留部に流動させる低負荷用運転処理、及び、前記原料ガス供給部からの前記原料ガスの供給を停止し、前記貯留部への前記燃料ガスの流動を停止し、前記水蒸気供給部からの水蒸気の供給を継続した状態で、前記水分除去部にて水分が除去された前記燃料ガスの全量を、前記燃料ガス戻し路を通して前記脱硫部に戻す形態で循環させ、且つ、前記燃料ガスを生成するときの運転温度に相当する温度に前記脱硫部及び前記改質部を維持すべく、循環される前記燃料ガスを加熱部にて加熱する待機運転処理を、前記貯留部の実圧力に基づいて交互に切換える処理である点にある。
尚、本発明における重質炭化水素ガスは、メタンに比べて分子量の大きなガス状の炭化水素であり、プロパン、ブタン、エタン、イソブタン等を含むものである。また、主成分とは、主な有効成分の中で含有量の多い成分であり、主成分として含有量が50%を超えて含まれていれば、より好ましい。
すなわち、運転制御部が、目標供給量が設定下限値以下になる切換条件が満たされると、目標供給量の原料ガスを供給するように制御する基本供給処理に代えて、貯留部の実圧力を低負荷用目標圧力範囲に維持する圧力制御運転処理を実行することになる。
圧力制御運転処理においては、目標供給量を低負荷用目標供給量に定めて、原料ガス供給部からの原料ガスの供給量を低負荷用目標供給量に制御し、かつ、燃料ガスを貯留部に流動させる低負荷用運転処理によって、貯留部に貯留される燃料ガス量を増加させる。
そして、貯留部に貯留される燃料ガス量が多くなると、原料ガス供給部からの原料ガスの供給を停止し、貯留部への燃料ガスの流動を停止し、水蒸気供給部からの水蒸気の供給を継続した状態で、水分除去部にて水分が除去された燃料ガスの全量を、燃料ガス戻し路を通して脱硫部に戻す形態で循環させ、且つ、燃料ガスを生成するときの運転温度に相当する温度に脱硫部及び改質部を維持すべく、循環される燃料ガスを加熱部にて加熱する待機運転処理によって、貯留部に貯留された燃料ガスを消費させるようにし、且つ、燃料ガス生成部を、燃料ガスの生成を再開できる状態に保持させるようにしておき、貯留部に貯留される燃料ガス量が少なくなったとき、低負荷用運転処理によって、貯留部に貯留される燃料ガス量を増加させるのである。
説明を加えると、低負荷用運転処理によって、貯留部の実圧力を増加させ、待機運転処理によって、貯留部の実圧力を減少させるようにしながら、貯留部の実圧力を低負荷用目標圧力範囲に維持させることになる。
低負荷用運転処理において目標とする低負荷用目標供給量を制御可能な量にすることにより、低負荷用運転処理を適切に実行することができ、また、貯留部の実圧力は圧力センサにより適切に検出できるものであるから、圧力制御運転処理により、目標供給量が設定下限値以下になった場合においても、内燃機関が消費する燃料ガスを貯留部に適切に貯留することができる。
尚、待機運転処理においては、水蒸気供給部からの水蒸気の供給を継続しながら、燃料ガスを生成するときの運転温度に相当する温度に脱硫部及び改質部に維持するものであるから、水蒸気の供給量を燃料ガスの熱分解による炭素の析出を防止できる量以上にすることにより、炭素の析出を防止しながら、低負荷用運転処理の再開に備えさせることができる。
つまり、本発明の発明者は、鋭意研究によって、目標供給量が設定下限値以下になる切換条件が満たされたときに、貯留部の実圧力を低負荷用目標圧力範囲に維持する圧力制御運転処理を実行することにより、内燃機関が消費する燃料ガスを貯留部に適切に貯留することができる点を見出すに至ったのである。
要するに、本発明の燃料ガス供給装置の特徴構成によれば、内燃機関の負荷が小さな場合にも燃料ガスの供給を継続できる。
本発明の燃料ガス供給装置の更なる特徴構成は、前記運転制御部が、前記目標供給量が設定下限値未満になる切換条件が満たされたときに、前記貯留部の実圧力が前記低負荷用目標圧力範囲の上限値未満の場合には、前記低負荷用運転処理を実行しかつ前記貯留部の実圧力が前記低負荷用目標圧力範囲の前記上限値以上の場合には、前記待機運転処理を実行し、且つ、前記低負荷用運転処理の実行中において、前記貯留部の実圧力が前記低負荷用目標圧力範囲の前記上限値以上になると、前記待機運転処理を実行し、前記待機運転処理の実行中において、前記貯留部の実圧力が前記低負荷用目標圧力範囲の下限値以下になると、前記低負荷用運転処理を実行するように構成されている点にある。
すなわち、目標供給量が設定下限値未満になる切換条件が満たされたときに、貯留部の実圧力が低負荷用目標圧力範囲の上限値未満の場合には、低負荷用運転処理が実行され、貯留部の実圧力が低負荷用目標圧力範囲の上限値以上の場合には、待機運転処理が実行される。
このように、目標供給量が設定下限値未満になる切換条件が満たされたときに、貯留部の実圧力が低負荷用目標圧力範囲の上限値未満の場合には、低負荷用運転処理が優先的に実行されるから、目標供給量が設定下限値未満になる切換条件が満たされたときに、待機運転処理を優先的に実行させるようにする場合に較べて、燃料ガス生成部にて燃料ガスを生成する状態を継続させることができるため、その後、目標供給量が設定下限値以上になった場合には、待機運転処理を実行しないで済ますことができる等、燃料ガスの生成状態の安定化を図り易い。
また、低負荷用運転処理の実行中において、貯留部の実圧力が低負荷用目標圧力範囲の上限値以上になると、待機運転処理を実行し、待機運転処理の実行中において、貯留部の実圧力が低負荷用目標圧力範囲の下限値以下になると、低負荷用運転処理を実行するものであるから、低負荷用目標圧力範囲の上限値と下限値との間に貯留部の実圧力を維持するように、低負荷用運転処理と待機運転処理とを適切に実行させることができる。
要するに、本発明の燃料ガス供給装置の更なる特徴構成によれば、燃料ガスの生成状態の安定化を図り、しかも、低負荷用目標圧力範囲の上限値と下限値との間に貯留部の実圧力を維持するように、低負荷用運転処理と待機運転処理とを適切に実行させることができる。
本発明の燃料ガス供給装置の更なる特徴構成は、前記運転制御部が、前記基本運転処理として、前記負荷が大きくなるほど原料ガス供給量を多くする形態で基準供給量を求め、且つ、前記実圧力を前記負荷が大きくなるほど小さくなるように定めた運転目標圧力にすべく、前記運転目標圧力と前記実圧力との差分値に基づいて前記基準供給量を補正する形態で前記目標供給量を求めて、前記原料ガスの供給量を前記目標供給量に制御する処理を実行するように構成されている点にある。
すなわち、内燃機関の負荷が大きくなるほど原料ガス供給量を多くする形態で基準供給量が求められ、その基準供給量を、燃料ガス生成部から内燃機関に供給される燃料ガスを貯留する貯留部の実圧力を内燃機関の負荷が大きくなるほど小さくなるように定めた運転目標圧力にすべく、実圧力と運転目標圧力との差分値に基づいて補正して、原料ガス供給部から燃料ガス生成部に供給される原料ガスの供給量の目標供給量が求められる。
そして、原料ガス供給部から燃料ガス生成部に供給される原料ガスの供給量が、求められた目標供給量となるように制御される。
ちなみに、基準供給量を、実圧力を運転目標圧力にすべく、運転目標圧力と実圧力との差分値に基づいて補正するとは、実圧力が運転目標圧力よりも低い場合には、基準供給量を増加側に補正し、かつ、実圧力が運転目標圧力よりも高い場合には、基準供給量を減少側に補正することを意味する。
尚、目標供給量を求めて原料ガスの供給量を制御することは、設定制御周期で繰り返し行われることになる。
また、基準供給量を増加側や減少側に補正する際の補正値(補正供給量)は、所定の大きさの一定値とすることが可能であるが、制御の応答性を高める等のために、一般には、補正値(補正供給量)を、差分値(運転目標圧力と実圧力との差)が大きいほど、正側や負側に大きな値となるように定めることになる。
このように、内燃機関の負荷が大きくなるほど多くなるように基準供給量を求めて、貯留部の実圧力を内燃機関の負荷が大きくなるほど小さくなるように定めた運転目標圧力にすべく、運転目標圧力と実圧力との差分値に基づいて、基準供給量を補正する形態で目標供給量が求められることになるから、内燃機関の負荷が大きいときには、運転目標圧力が小さいため、貯留部には少な目の燃料ガスが貯留され、内燃機関の負荷が小さいときには、運転目標圧力が大きいため、貯留部には多い目の燃料ガスが貯留されることになる。
つまり、内燃機関の負荷が大きいときには、その後、内燃機関の負荷が大きく急減することがあっても、内燃機関の負荷が大きく急増することがないから、内燃機関の負荷が大きく急減することに対処することを目的として、貯留部には少な目の燃料ガスを貯留させるようにする。
これに対して、内燃機関の負荷が小さいときには、その後、内燃機関の負荷が大きく急増することがあっても、内燃機関の負荷が大きく急減することがないから、内燃機関の負荷が大きく急増することに対処することを目的として、貯留部には多い目の燃料ガスを貯留させるようにする。
このように、内燃機関の負荷に合わせて貯留部に貯留する燃料ガスの貯留量を制御するものであるから、内燃機関の負荷が大きく急減する場合には、余剰の燃料ガスを、燃料ガスを少な目に貯留している貯留部に適切に貯留でき、かつ、内燃機関の負荷が大きく急増する場合には、燃料ガスを多い目に貯留している貯留部から燃料ガスを内燃機関に適切に供給することができるのである。
換言すれば、内燃機関の負荷に合わせて貯留部に貯留する燃料ガスの貯留量を制御することによって、貯留部の容量を小さくしながらも、内燃機関の負荷の急増や急減に適切に対処できるため、装置全体の小型化を図ることができる。
要するに、本発明の燃料ガス供給装置の更なる特徴構成によれば、内燃機関の負荷の急増や急減に適切に対処できるようにしながらも、装置全体の小型化を図ることができる。
燃料ガス供給装置のフロー図である。 エンジン負荷と基準供給量との関係を示すグラフである。 エンジン負荷と運転目標圧力との関係を示すグラフである。 差分値と補正供給量との関係を示すグラフである。 目標供給量と実圧力との変化を示すグラフである。 通常運転状態のフロー図である。 待機運転状態のフロー図である。 窒素パージ状態のフロー図である。 燃料ガスパージ状態のフロー図である。 通常運転状態の別実施形態を示すフロー図である。
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
(燃料ガス供給装置の全体構成)
図1に示すように、燃料ガス供給装置には、重質炭化水素ガスを原料ガスFとして供給する原料ガス供給部1、原料ガス供給部1から原料ガス供給ライン2を通して供給される原料ガスFを改質処理してメタンを主成分として含有する燃料ガスNを生成する燃料ガス生成部H、燃料ガス供給ライン3を通して供給される燃料ガス生成部Hからの燃料ガスNを貯留する貯留タンクBT(貯留部の一例)、及び、貯留タンクBTから燃料ガス排出ライン4を通して供給される燃料ガスNを消費する内燃機関の一例としてのガスエンジンGEが設けられている。
また、燃料ガス供給装置の運転を制御する運転制御部Cが設けられている。本実施形態においては、運転制御部Cが、原料ガス供給部1からの原料ガスFの供給量を制御する原料ガス供給制御部CF、及び、燃料ガス供給装置の各部の運転を制御する主制御部CMとから構成されている。
尚、原料ガス供給制御部CF及び主制御部CMは、単一の運転制御部Cとして構成できるものであるが、本実施形態では、上述の如く、原料ガス供給制御部CFと主制御部CMとが各別に装備される形態であるとして説明する。
原料ガス供給部1は、例えば、LPG(液化石油ガス)の運搬船の場合には、LPGを昇温して気化させたガスを原料ガスFとして供給するものであって、原料ガスFをガスタンク(図示せず)に貯留しながら、貯留した原料ガスFを供給用圧縮器1Aにて適正圧力(例えば、0.90MPaG程度)に昇圧して供給するように構成されている。
原料ガス供給ライン2には、原料ガスFの供給量を調整する供給量制御弁5、原料ガスFの供給を断続する原料ガス遮断弁6が設けられ、加えて、原料ガスFの供給量(流量)を検出する供給量検出センサ7が設けられている。
燃料ガス供給ライン3には、当該燃料ガス供給ライン3を開閉して、燃料ガス生成部Hと貯留タンクBTとの連通を断続する燃料ガス用開閉弁3A、及び、当該燃料ガス供給ライン3の内部圧力を検出する燃料ガス用圧力センサ3Bが設けられている。
また、燃料ガス排出ライン4には、当該燃料ガス排出ライン4を開閉して、貯留タンクBTからガスエンジンGEの燃料ガスの供給を断続する燃料排出断続弁4Aが設けられている。
本実施形態においては、ガスエンジンGEは、LPG(液化石油ガス)の運搬船において、例えば、発電機や空調装置の補機を駆動することに用いられるが、燃料ガスNを、推進用のガスエンジン等の推進用の内燃機関に供給する形態で実施してもよい。
ちなみに、図示は省略するが、貯留タンクBTからガスエンジンGEに供給する燃料ガスNの目標供給圧力を調整する圧力制御部が設けられて、ガスエンジンGEの負荷(以下、エンジン負荷Eと呼称)が大きくなるほど目標供給圧力を大きくする形態で、目標供給圧力を調整するように構成されている。
(燃料ガス生成部の詳細)
図1に示すように、燃料ガス生成部Hには、原料ガス供給部1から原料ガス供給ライン2を通して供給される原料ガスFを脱硫処理する脱硫部8と、当該脱硫部8から脱硫ガス供給ライン10を通して供給される脱硫原料ガスを水蒸気Jにて改質処理して、メタンを主成分として含有する燃料ガスNにする改質部9と、改質部9からの燃料ガス中の水分を除去する水分除去部Qとが備えられている。
尚、本実施形態においては、水分除去部Qを燃料ガス生成部Hに備えさせているが、水分除去部Qを、燃料ガス生成部Hの外部、つまり、燃料ガス供給ライン3に備えさせる形態で実施してもよい。
脱硫部8に装備する脱硫触媒は、例えば、ニッケル−モリブデン系、コバルト−モリブデン系触媒と、吸着剤としての酸化亜鉛との組み合わせとして構成されることになる。つまり、原料ガス中の非活性硫黄化合物を触媒による水添反応により、硫化水素に還元し、還元された硫化水素を酸化亜鉛に吸着させることにより、原料ガス中の硫黄分を除去することになる。
改質部9に装備する改質触媒は、例えば、ニッケル系あるいは貴金属系の低温水蒸気改質触媒が利用でき、具体的には、微細孔を有する非導電性多孔質体の表面に、パラジウム、銀、ニッケル、コバルトおよび銅の群から選ばれた1種の金属の膜を被着したものが好適に用いられる。
脱硫ガス供給ライン10に、改質処理用の水蒸気Jを供給する水蒸気供給部11が接続されている。また、水蒸気供給部11からの水蒸気Jの供給を断続し且つ供給量を調節する水蒸気弁11Aが設けられている。
この水蒸気供給部11は、LPG(液化石油ガス)の運搬船の場合には、例えば、種々の機器類の排熱を回収する排熱回収ボイラにて生成された水蒸気Jを供給する構成を採用することができる。
図1には記載を省略するが、改質部9からの燃料ガスNを冷却する冷却部が設けられており、その冷却に伴って発生する燃料ガス中の水分が、水分除去部Qにて除去されることになる。
水分除去部Qは、気水分離器やミストセパレータ等を用いて構成することができる。
また、後述する待機運転状態において、循環ラインL1を通して循環流動させる燃料ガスNを加熱する加熱部Kとして、改質部9から脱硫部8に戻される燃料ガスNを加熱する第1加熱部K1と、脱硫部8から改質部9に供給される燃料ガスNを加熱する第2加熱部K2とが設けられている。
第1加熱部K1及び第2加熱部K2が、本実施形態においては、電気ヒータを用いて構成されている。
(燃料ガス戻し部について)
原料ガス供給ライン2における燃料ガス生成部Hに接続される箇所と燃料ガス供給ライン3における燃料ガス用開閉弁3Aの上手側箇所とを接続する循環ラインL1(燃料ガス戻し路の一例)が設けられている。
循環ラインL1には、当該循環ラインL1を通して燃料ガスNを流動させる循環用圧縮器12、当該循環ラインL1を通して燃料ガスNの流量(循環量)を検出する循環量検出センサ13、及び、当該循環ラインL1を開閉する循環開閉弁14が、燃料ガスNの循環方向の下手側から上手側に向けて記載順に並ぶ状態で設けられている。
つまり、後述する通常運転状態において、循環用圧縮器12を作動させながら、循環ラインL1を通して燃料ガス供給ライン3を流動する燃料ガスNの一部を、脱硫処理のために循環ラインL1を通して脱硫部8に戻すように構成されている。
また、後述する待機運転状態において、循環用圧縮器12を作動させながら、燃料ガス供給ライン3を流動する燃料ガスNの全量を、循環ラインL1を通して脱硫部8に戻すように構成されている。
そして、通常運転状態において、燃料ガス供給ライン3を流動する燃料ガスNのうちの脱硫部8に戻す燃料ガス量(循環量)を目標循環量に調整すべく、主制御部CMが、循環量検出センサ13の検出情報に基づいて循環用圧縮器12の作動を制御するように構成されている。
ちなみに、通常運転状態において、改質部9からの燃料ガスNの一部を脱硫部8に循環ラインL1を通して戻す燃料ガス戻し部Rが、循環用圧縮器12を主要部として構成される。
(ベント構成について)
循環ラインL1における循環開閉弁14の上手側部分に、ベントラインL2が分岐接続されている。このベントラインL2には、当該ベントラインL2を開閉するベント開閉弁15、及び、燃料ガス用圧力センサ3Bが設定上限圧以上の圧力を検出したときに開く放出弁16が設けられている。
つまり、主制御部CMが、燃料ガス用圧力センサ3Bが異常な高圧を検出すると、ベント開閉弁15及び放出弁16を開いて、異常な高圧を解消するように構成されている。
(窒素及び燃料ガスのパージについて)
窒素ボンベ(図示せず)に貯留された窒素ガスを供給する窒素供給部17が、窒素供給ライン18を通して循環ラインL1に対して窒素ガスを供給するように設けられ、窒素供給ライン18を開閉する窒素供給弁19が設けられている。
従って、燃料ガス供給装置の運転を停止する際に、循環ラインL1に対して窒素ガスを供給できるように構成されている。
また、貯留タンクBTの燃料ガスNを循環ラインL1に対して供給する燃料ガス充填ラインL3が設けられ、この燃料ガス充填ラインL3を開閉する燃料ガス充填弁20が設けられている。
従って、運転を停止した燃料ガス供給装置の運転を再開する際に、循環ラインL1に対して燃料ガスNを供給できるように構成されている。
(運転制御の概要)
燃料ガス供給装置は、燃料ガスNを生成する通常運転状態、通常運転状態を停止しかつ当該通常運転状態を再開できる状態で待機する待機運転状態、燃料ガスNの生成を長時間に亘って停止するために窒素ガスをパージする窒素パージ状態、及び、窒素ガスがパージされた状態において運転を再開するために燃料ガスNをパージする燃料ガスパージ状態に切換え自在に構成されている。
運転制御部Cは、通常運転状態においては、後述の如く、基本運転処理及び圧力制御運転処理における低負荷用運転処理を実行して、燃料ガスNを生成することになる。
運転制御部Cは、待機運転状態として待機運転処理を実行することになる。この待機運転処理は、後述する圧力制御運転処理における待機運転処理として実行される場合と、待機指令が指令されて、燃料ガス供給装置の運転を再開するために待機させる待機運転処理として実行される場合とがある。
ちなみに、燃料ガス供給装置の運転を再開するために待機させる待機運転処理を実行する場合には、その後、復帰指令が指令されると、通常運転状態に移行することになる。
運転制御部Cは、運転停止指令が指令されると、窒素パージ状態として窒素パージ運転処理を実行し、その後、窒素をパージした状態を維持する停止処理を実行する。
運転制御部Cは、運転再開指令が指令されると、燃料ガスパージ状態として燃料ガスパージ処理を実行し、次に、待機運転処理に相当する昇温処理を実行した後、基本運転処理及び低負荷用運転処理を実行することになる。
〔通常運転状態について〕
後述する基本運転処理及び低負荷用運転処理を実行する通常運転状態においては、図6に示すように、原料ガス遮断弁6及び燃料ガス用開閉弁3Aを開いて原料ガスFを供給し、水蒸気弁11Aを開いて水蒸気を供給し、かつ、循環開閉弁14を開き、循環用圧縮器12を作動させて、燃料ガスNの一部を、循環ラインL1を通して戻すようにする。
そして、原料ガス供給部1からの原料ガスFを脱硫処理し、脱硫処理された脱硫原料ガスを水蒸気Jにて改質処理して燃料ガスNを生成し、生成された燃料ガスNを貯留タンクBTに貯留し、貯留された燃料ガスNを、燃料ガス排出ライン4を通してガスエンジンGEに供給することになる。
この通常運転状態においては、脱硫部8の入り口側の温度が300℃程度となり、改質部9の入口側の温度が350℃程度となり、改質部9における改質反応が発熱反応であるため、改質部9の出口側の温度が450℃程度となるように構成されている。
尚、図示は省略するが、脱硫部8に供給する原料ガスFを改質部9に備えさせた加熱用熱交換部を通して流動させる、あるいは、改質部9からの燃料ガスNを脱硫部8に備えさせた受熱用熱交換部を通して流動させること等により、脱硫部8が改質部9の熱を利用して加熱されるように構成されている。
この通常運転状態においては、循環ラインL1を通した燃料ガスNの循環量(戻し量)が、予め設定された基準循環量に調整される。
また、通常運転状態においては、水蒸気供給部11からの水蒸気Jの供給量(水蒸気供給量)が、原料ガスFの供給量に応じて、S/C(水蒸気/炭素比)値が、例えば、0.4〜0.8となるように調整されることになる。
本実施形態においては詳細な説明は省略するが、水蒸気Jの供給量(水蒸気供給量)を検出する水蒸気センサ(図示せず)を設けて、供給量検出センサ7にて検出した原料ガスFの供給量に応じた量の水蒸気Jを水蒸気供給部11から供給することになる。
(待機運転状態について)
原料ガスFの脱硫部8への供給を停止して運転を待機するとき、つまり、上述の通常運転状態から原料ガスFの脱硫部8への供給を停止して運転を待機するときは、図7に示すように、原料ガス遮断弁6及び燃料ガス用開閉弁3Aを閉じて、原料ガスFの脱硫部8への供給及び燃料ガスNの貯留タンクBTへの流動を停止した後に、待機運転処理を行うことになる。
待機運転状態における待機運転処理においては、循環ラインL1を通して水分除去部Qを通過した燃料ガスNの全量を脱硫部8に戻すように循環流動させ、かつ、改質処理を行うときの運転温度に相当する温度に脱硫部8及び改質部9を加熱すべく、循環流動させる燃料ガスNを設定待機温度に加熱部Kにて加熱する形態で、燃料ガスNを循環用圧縮器12により循環流動させる。
加えて、水蒸気Jの供給量を、燃料ガスNの熱分解による炭素の析出を防止できる供給量以上に定めた待機用供給量に調整した状態で、水蒸気供給部11からの水蒸気Jの供給を継続する。
説明を加えると、待機運転処理を行う際には、水蒸気供給部11からの水蒸気Jの供給を継続した状態で、且つ、循環開閉弁14を開き、循環用圧縮器12を作動させて、水分除去部Qを通過した燃料ガスNの全量を、循環ラインL1を通して脱硫部8に戻す形態で、循環流動させることになる。
そして、循環する燃料ガスNを加熱部Kにて加熱して、改質部9の温度や脱硫部8の温度を、燃料ガスNを生成する通常運転状態の温度に近い温度に保つようにしながら、水蒸気供給部11からの水蒸気Jの供給量を、燃料ガスNの熱分解による炭素の析出を防止できる供給量以上の待機用供給量に調節する。
本実施形態においては、加熱部Kとして、上述の如く、改質部9から脱硫部8に戻される燃料ガスNを加熱する第1加熱部K1と、脱硫部8から改質部9に供給される燃料ガスNを加熱する第2加熱部K2とが設けられているから、脱硫部8から排出される燃料ガスNを、設定待機温度である第1設定待機温度としての、例えば、300℃に加熱し、改質部9から排出される燃料ガスNを、設定待機温度である第2設定待機温度としての、例えば、400℃に加熱するように構成されている。
すなわち、脱硫部8から排出される燃料ガスNの温度を検出する第1温度センサS1が設けられ、その第1温度センサS1の検出温度に基づいて、脱硫部8から排出される燃料ガスNの温度を第1設定待機温度(例えば、300℃)に維持するように、第1加熱部K1の加熱作動を制御するように構成されている。
また、改質部9から排出される燃料ガスNの温度を検出する第2温度センサS2が設けられ、その第2温度センサS2の検出温度に基づいて、改質部9から排出される燃料ガスNの温度を第2設定待機温度(例えば、400℃)に維持するように、第2加熱部K2の加熱作動を制御するように構成されている。
そして、第1設定待機温度(例えば、300℃)は、脱硫部8が脱硫処理を行うときの運転温度に相当する温度に脱硫部8を加熱するのに適する温度であり、また、第2設定待機温度(例えば、400℃)は、改質部9が改質処理を行うときの運転温度に相当する温度に改質部9を加熱するのに適する温度である。
尚、主制御部CMが、第1温度センサS1や第2温度センサS2の検出情報に基づいて、第1加熱部K1及び第2加熱部K2の加熱作動を自動的に制御されることになるが、本実施形態では詳細な説明を省略する。
このように、改質部9から排出される燃料ガスNや脱硫部8から排出される燃料ガスNを設定待機温度に維持することにより、脱硫部8及び改質部9の夫々についての温度を通常運転状態の温度に近い温度に維持することになる。
従って、脱硫部8及び改質部9の夫々が通常運転状態の温度に近い温度に維持されることになるから、燃料ガスNを生成する運転を再開する際には、脱硫部8及び改質部9を昇温する手間がなくなり、燃料ガスNを生成する運転を迅速に再開することができる。
つまり、待機運転状態において、燃料ガスNを生成する運転を再開する際には、例えば、原料ガスFの供給を開始し、水蒸気Jを供給量及び循環ラインL1を通した燃料ガスNの循環量を調整することになるが、脱硫部8及び改質部9を適正な温度に昇温する手間がなくなるため、燃料ガスNを生成する通常運転処理を迅速に再開することができる。
(窒素パージ状態について)
燃料ガス供給装置を停止する際、つまり、例えば、待機運転状態にある燃料ガス供給装置を長期に亘って停止させる際には、窒素パージ処理を行うことになる。
すなわち、図8に示すように、原料ガス遮断弁6及び燃料ガス用開閉弁3Aを閉じて、原料ガスFの脱硫部8への供給及び燃料ガスNの貯留タンクBTへの排出を停止した後に、窒素パージ処理を行うことになる。
窒素パージ処理を行う窒素パージ状態においては、窒素供給部17から循環ラインL1に窒素ガスを供給しながら、循環用圧縮器12を作動させて、燃料ガス生成部Hやその他の流路部分に存在するガスや水蒸気を、ベントラインL2を通して排出させ、そして、燃料ガス生成部Hやその他の流路部分に窒素ガスを充填させる。
そして、窒素ガスの充填が終了すると、窒素供給部17から窒素ガスの供給を停止し、循環用圧縮器12の作動を停止し、ベント開閉弁15を閉じて、燃料ガス生成部Hやその他の流路部分に窒素ガスが充填された状態を維持する停止処理が実行される。
ちなみに、燃料ガス供給装置を停止する期間が長期になる場合等においては、窒素供給部17から窒素ガスを補給するようにしてもよい。
(燃料ガスパージ状態について)
窒素パージ処理により燃料ガス生成部Hやその他の流路部分に窒素ガスが充填されている燃料ガス供給装置の運転を再開する場合には、先ず、燃料ガスパージ処理を行い、次に、待機運転処理に相当する昇温処理を行ない、その後、通常運転処理を行うことになる。
燃料ガスパージ処理を行う燃料ガスパージ状態においては、図9に示すように、燃料ガス充填弁20を開いて、貯留タンクBTから燃料ガスNを循環ラインL1に供給しながら、循環用圧縮器12を作動させて、燃料ガス生成部Hやその他の流路部分に存在する窒素ガスを、ベントラインL2を通して排出させることにより、燃料ガス生成部Hやその他の流路部分に燃料ガスを充填する。
そして、燃料ガス生成部Hやその他の流路部分に燃料ガスを充填すると、上述した待機運転処理に相当する昇温処理を実行して、脱硫部8及び改質部9の夫々を昇温させ、当該昇温が終了すると、通常運転状態に移行することになる。
(運転制御の詳細)
運転制御部Cが、運転指令が指令されている場合には、基本的には、ガスエンジンGEのエンジン負荷Eが大きくなるほど多くする形態で目標供給量MFを求めて、原料ガス供給部1からの原料ガスFの供給量を目標供給量MFに制御し、かつ、燃料ガスNを貯留タンクBTに流動させる基本運転処理を実行するように構成されている。
つまり、原料ガス供給制御部CFが、原料ガスFの供給量を目標供給量MFに制御し、かつ、主制御部CMが、燃料ガスNを生成し、生成した燃料ガスNを貯留タンクBTに流動させるように、各部の作動を制御することになる。
そして、運転制御部Cが、目標供給量MFが設定下限値未満(例えば、最大供給量の30%未満)になる切換条件が満たされると、基本運転処理に代えて、貯留タンクBTの実圧力RPを低負荷用目標圧力範囲に維持する圧力制御運転処理を実行するように構成されている。
低負荷用目標圧力範囲は、貯留タンクBTに貯留可能な最大圧力値を上限値とし、ガスエンジンGEに燃料ガスNを供給ができる最小圧力値を下限値として設定できる。
運転制御部Cが、圧力制御運転処理として、目標供給量MFを低負荷用目標供給量に定めて、原料ガス供給部1からの原料ガスFの供給量を低負荷用目標供給量に制御し、かつ、燃料ガスNを貯留タンクBTに流動させる低負荷用運転処理、及び、上述した待機運転処理を、貯留タンクBTの実圧力RPに基づいて交互に切換える処理を実行することになる。
低負荷用目標供給量は、設定下限値(例えば、最大供給量の30%)に相当する供給量として設定できるが、設定下限値よりも大きな値に設定してもよい。
ちなみに、待機運転処理は、上述の如く、原料ガス供給部1からの原料ガスFの供給を停止し、貯留タンクBTへの燃料ガスの流動を停止し、水蒸気供給部11からの水蒸気Jの供給を継続した状態で、水分除去部Qにて水分が除去された燃料ガスNの全量を、循環ラインL1を通して脱硫部8に戻す形態で循環させ、且つ、燃料ガスNを生成するときの運転温度に相当する温度に脱硫部8及び改質部9を維持すべく、循環される燃料ガスNを加熱部Kにて加熱する処理である。
本実施形態においては、図5に示す如く、運転制御部Cが、目標供給量MFが設定下限値未満になる切換条件が満たされたときに、貯留タンクBTの実圧力RPが低負荷用目標圧力範囲の上限値未満の場合には、低負荷用運転処理を優先的に実行する。また、目標供給量MFが設定下限値未満になる切換条件が満たされたときに、貯留タンクBTの実圧力RPが低負荷用目標圧力範囲の上限値以上の場合には、待機運転処理を実行する。
そして、負荷用運転処理の実行中において、貯留タンクBTの実圧力が低負荷用目標圧力範囲の上限値以上になると、待機運転処理を実行し、待機運転処理の実行中において、貯留タンクBTの実圧力が低負荷用目標圧力範囲の下限値以下になると、低負荷用運転処理を実行するように構成されている。
尚、貯留タンクBTの内部圧力を、実圧力RPとして検出するタンク圧センサ21が設けられている。
(基本運転処理の詳細)
原料ガス供給制御部CFが、基本運転処理として、エンジン負荷Eが大きくなるほど原料ガス供給量を多くする形態で基準供給量MKを求め(図2参照)、且つ、実圧力RPをエンジン負荷Eが大きくなるほど小さくなるように定めた運転目標圧力MPにすべく、運転目標圧力MPと実圧力RPとの差分値SPに基づいて基準供給量MKを補正する形態で目標供給量MFを求めて、原料ガスFの供給量を目標供給量MFに制御する処理を実行するように構成されている(図3、図4参照)。
つまり、原料ガス供給制御部CFが、供給量検出センサ7の検出情報に基づいて、供給量制御弁5の開度を調節して、原料ガスFの供給量を目標供給量MFに制御するように構成されている。
エンジン負荷Eを示す情報は、例えば、ガスエンジンGEにて発電機を駆動する場合には、発電負荷に相当する情報であり、エンジン負荷Eを示す情報が、原料ガス供給制御部CFに入力されるように構成されている。
原料ガス供給制御部CFには、各種の情報を記憶する記憶部Dが接続され、この記憶部Dには、エンジン負荷Eと基準供給量MKとの関係を示す負荷関連情報(図2参照)、エンジン負荷Eと運転目標圧力MPとの関係を示す圧力関連情報(図3参照)、及び、上述した差分値SPと補正供給量M2との関係を示す差分値関連情報(図4参照)が記憶されている。
ちなみに、差分値SPと差分値関連情報(図4参照)とに基づいて求められ補正供給量M2は、実圧力RPが運転目標圧力MPよりも高い場合には、負側の値と求められ、実圧力RPが運転目標圧力MPよりも低いい場合には、正側の値と求められことになる。
また、補正供給量M2は、差分値SPの絶対値が大きいほど多くする状態で求められることになる。
本実施形態においては、実圧力RPから運転目標圧力MPを減算した正負を有する値を差分値SPとして求め、その差分値SPと差分値関連情報(図4参照)とに基づいて正負を有する補正供給量M2を求めるように構成されている。
従って、原料ガス供給制御部CFは、基本運転処理においては、エンジン負荷Eを示す情報と負荷関連情報とに基づいて、基準供給量MKを求め、エンジン負荷Eを示す情報と圧力関連情報とに基づいて運転目標圧力MPを求め、さらに、運転目標圧力MPと実圧力RPとから差分値SPを求め、差分値SPと差分値関連情報とに基づいて、補正供給量M2を求める。
そして、原料ガス供給制御部CFは、基準供給量MKと補正供給量M2とを加算して目標供給量MFを求め、供給量制御弁5の開度を調節して、原料ガスFの供給量を目標供給量MFに制御することになる。
(運転制御の補足説明)
図5は、目標供給量MFの変化及び実圧力RPの変化に伴って、基本運転処理、低負荷用運転処理、及び、待機運転処理が順次切換えられる形態の一例を例示する。
例示するように、目標供給量MFが設定下限値以上の場合には、基本運転処理が実行され、目標供給量MFが設定下限値未満になると、低負荷用運転処理及び待機運転処理が交互に実行されることにより、圧力制御運転処理においては、実圧力RPが低負荷用目標圧力範囲の上限値と下限値との間に維持されることになる。
原料ガス供給部1から原料ガス供給量は、基本運転処理においては、目標供給量MFと同じ量となり、低負荷用運転処理においては、設定下限値に相当する量となり、待機運転処理においては零となる。
〔別実施形態〕
以下別実施形態を列記する。
(1)上記実施形態では、LPG船に搭載した内燃機関としてのガスエンジンGEに燃料ガスNを供給する場合について例示したが、本発明の燃料ガス供給装置は、その他の種々の目的で装備される内燃機関に対する燃料ガスNの供給に適用できるものである。
(2)上記実施形態では、貯留部として、貯留タンクBTを装備する場合を例示したが、燃料ガスNを流動させる流路が十分に長い場合等において、その流路を貯留部として用いるようにして、貯留タンクBTを省略する形態で実施してもよい。
(3)上記実施形態では、燃料ガスNをガスエンジンGEに供給する目標供給圧力が、エンジン負荷Eが大きくなるほど大きくする場合を例示したが、圧力を一定に制御するガバナ等を用いて、目標供給圧力を一定圧力に制御する形態で実施してもよい。
この場合には、運転目標圧力MPや低負荷用目標圧力範囲を目標供給圧力よりも高い圧力に設定することになる。
(4)上記実施形態では、循環用圧縮器12を循環ラインL1に設けて、燃料ガス供給ライン3を流動する燃料ガスNの一部を、脱硫処理のために循環ラインL1を通して脱硫部8に戻すようにする構成について例示したが、図10に示すように、循環用圧縮器12に代えて、昇圧用圧縮器Aを燃料ガス供給ライン3における循環ラインL1の分岐箇所よりも上流側箇所に配置し、かつ、循環ラインL1に、当該循環ラインL1を通して流動する燃料ガスNの流量を調整する流量調整弁Uを設ける構成としてもよい。
この別の実施形態の場合には、通常運転状態において、燃料ガス供給ライン3を流動する燃料ガスNのうちの脱硫部8に戻す燃料ガス量(循環量)を目標循環量に調整すべく、主制御部CMが、循環量検出センサ13の検出情報に基づいて流量調整弁Uの開度を制御するようにしてもよい。
つまり、燃料ガス戻し部Rが、昇圧用圧縮器A及び流量調整弁Uを主要部として構成される。
この別の実施形態の場合には、昇圧用圧縮器Aを貯留部BTの上流側に設置することで、貯留部BTの容量をより小さくすることができる。すなわち、水分除去部Qにて水分が除去された燃料ガスNを昇圧する昇圧用圧縮器Aが設けられていることで、昇圧用圧縮器Aにて昇圧された燃料ガスNが貯留部BTに貯留されることになるから、小さな容積の貯留部BTでも、貯留される燃料ガス量を増加させて、圧力制御運転処理を良好に行うことができる。
つまり、圧力制御運転処理において、低負荷用運転処理と待機運転処理とが頻繁に切換えられると、制御が安定しない状態になる虞があり、これを回避するためには、低負荷用運転処理において貯留部BTに貯留される燃料ガス量を増加させる必要がある。
貯留部BTを大きな容積にすれば、貯留部BTに貯留される燃料ガス量を増加させることができるが、貯留部BTを大きな容積にすれば、貯留部BTが大型化して、装置全体が大型化する不都合がある。
昇圧用圧縮器Aにて昇圧された燃料ガスNを貯留部BTに貯留させるようにすれば、小さな容積の小型の貯留部BTにおいても貯留できる燃料ガス量を増加させて、低負荷用運転処理と待機運転処理とが頻繁に切換えられことを抑制して、圧力制御運転処理を良好に行うことができるのである。要するに、この別の実施形態の構成によれば、貯留部BTの大型化を回避しながら、圧力制御運転処理を良好に行うことができる。
なお、上記実施形態(別実施形態を含む、以下同じ)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
1 原料ガス供給部
8 脱硫部
9 改質部
BT 貯留部
C 運転制御部
GE 内燃機関
F 原料ガス
H 燃料ガス生成部
L1 燃料ガス戻し路
N 燃料ガス
Q 水分除去部
R 燃料ガス戻し部

Claims (3)

  1. 重質炭化水素ガスである原料ガスを脱硫処理する脱硫部及び当該脱硫部から供給される脱硫原料ガスを水蒸気供給部から供給される水蒸気にて改質処理して燃料ガスを生成する改質部を備えた燃料ガス生成部と、当該燃料ガス生成部に前記原料ガスを供給する原料ガス供給部と、前記改質部からの前記燃料ガス中の水分を除去する水分除去部と、当該水分除去部にて水分が除去された前記燃料ガスを貯留する貯留部と、前記水分除去部にて水分が除去された前記燃料ガスの一部を、燃料ガス戻し路を通して前記脱硫部に戻す燃料ガス戻し部と、前記貯留部に貯留された前記燃料ガスを消費する内燃機関と、運転制御部とが設けられ、
    前記運転制御部が、前記内燃機関の負荷が大きくなるほど多くする形態で目標供給量を求めて、前記原料ガス供給部からの前記原料ガスの供給量を前記目標供給量に制御し、かつ、前記燃料ガスを前記貯留部に流動させる基本運転処理を実行するように構成されている燃料ガス供給装置であって、
    前記運転制御部が、前記目標供給量が設定下限値未満になる切換条件が満たされると、前記基本運転処理に代えて、前記貯留部の実圧力を低負荷用目標圧力範囲に維持する圧力制御運転処理を実行するように構成され、
    前記圧力制御運転処理が、前記目標供給量を低負荷用目標供給量に定めて、前記原料ガス供給部からの前記原料ガスの供給量を前記低負荷用目標供給量に制御し、かつ、前記燃料ガスを前記貯留部に流動させる低負荷用運転処理、及び、前記原料ガス供給部からの前記原料ガスの供給を停止し、前記貯留部への前記燃料ガスの流動を停止し、前記水蒸気供給部からの水蒸気の供給を継続した状態で、前記水分除去部にて水分が除去された前記燃料ガスの全量を、前記燃料ガス戻し路を通して前記脱硫部に戻す形態で循環させ、且つ、前記燃料ガスを生成するときの運転温度に相当する温度に前記脱硫部及び前記改質部を維持すべく、循環される前記燃料ガスを加熱部にて加熱する待機運転処理を、前記貯留部の実圧力に基づいて交互に切換える処理である燃料ガス供給装置。
  2. 前記運転制御部が、前記目標供給量が設定下限値未満になる切換条件が満たされたときに、前記貯留部の実圧力が前記低負荷用目標圧力範囲の上限値未満の場合には、前記低負荷用運転処理を実行しかつ前記貯留部の実圧力が前記低負荷用目標圧力範囲の前記上限値以上の場合には、前記待機運転処理を実行し、且つ、前記低負荷用運転処理の実行中において、前記貯留部の実圧力が前記低負荷用目標圧力範囲の前記上限値以上になると、前記待機運転処理を実行し、前記待機運転処理の実行中において、前記貯留部の実圧力が前記低負荷用目標圧力範囲の下限値以下になると、前記低負荷用運転処理を実行するように構成されている請求項1に記載の燃料ガス供給装置。
  3. 前記運転制御部が、前記基本運転処理として、前記負荷が大きくなるほど原料ガス供給量を多くする形態で基準供給量を求め、且つ、前記実圧力を前記負荷が大きくなるほど小さくなるように定めた運転目標圧力にすべく、前記運転目標圧力と前記実圧力との差分値に基づいて前記基準供給量を補正する形態で前記目標供給量を求めて、前記原料ガスの供給量を前記目標供給量に制御する処理を実行するように構成されている請求項1又は2に記載の燃料ガス供給装置。
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