JP5746301B2 - 液化ガス運搬船用燃料ガス供給システム - Google Patents

Description

本発明は、ガス焚きが可能な低速ディーゼル機関を主機関として搭載した液化ガス運搬船に適用される燃料ガス供給システムに関する。

環境負荷の低減やエネルギー消費改善の観点から、近年ではＬＮＧ運搬船の主機関にガス焚き低速ディーゼル機関を採用し、ＬＮＧタンク内で自然に発生するボイルオフガス（ＮＡＴＵＲＡＬ ＢＯＧ）を主機関の燃料として利用する構成が知られている。しかし、ガス焚き低速ディーゼル機関へは３０ＭＰａ程度の圧力を持つ燃料ガスを供給する必要がある。そのためボイルオフガスを燃料に用いる場合、このボイルオフガスを高圧ガスコンプレッサにより３０ＭＰａ程度まで圧縮する必要があるが、高圧ガスコンプレッサを用いた方式は消費電力が大きいと言う問題がある。一方、低い消費電力で高圧燃料ガスを生成する方法として、液化天然ガスを高圧液ポンプで加圧し、これを加熱して３０ＭＰａ程度の高圧ガスとする構成が知られている（特許文献１）。

特開２０１２−１７７３３３号公報

高圧液ポンプを通してタンク内の液化ガスを高圧ガスにする場合、ボイルオフガスが燃料として消費されないため、ボイルオフガスによる貨物タンクの圧力上昇を防止するには、ボイルオフガスを強制的に燃焼するガス燃焼装置やボイルオフガスを液に戻すための再液化装置を用意する必要がある。しかし、ボイルオフガスを燃焼させると環境負荷を増大させ、運搬船全体のエネルギー効率も低下させる。また再液化装置の運転には、一般的に高圧ガスコンプレッサの運転よりも大きなエネルギーを必要とする。

本発明は、液化ガス運搬船において、高圧ガスコンプレッサおよび高圧液ポンプを併用して、液化ガス運搬船の運航状態に合わせ、ボイルオフガスの処理、エネルギー消費を最適化するとともに環境への負荷をより低減する燃料ガス供給システムを提供することを目的としている。

本発明の液化ガス運搬船用燃料ガス供給システムは、主機関として用いられるガス焚き可能な低速ディーゼル機関と、液化ガスを貯蔵するタンクと、タンク内で発生するボイルオフガスを圧縮する高圧ガスコンプレッサと、タンク内の液化ガスを加圧する高圧液ポンプと、高圧ガスコンプレッサを通してタンクから低速ディーゼル機関へ燃料ガスを供給する第１燃料ガス供給ラインと、高圧液ポンプを通してタンクから低速ディーゼル機関へ燃料ガスを供給する第２燃料ガス供給ラインとを備え、液化ガス積載時の運航において、主機関の燃料消費量がボイルオフガス発生量以下のとき、および液化ガス空荷時の運航においてスプレー作業（液化ガスをタンクに受け入れる際に、急激な温度差によるタンクの破損を防止するために、タンク内に残した液化ガスをタンク内に噴霧し液化ガスの気化熱によって貨物タンクを予冷する作業）を行うときには、第１燃料ガス供給ラインのみを通して燃料ガスを低速ディーゼル機関へ供給し、液化ガス空荷の運航時においてスプレー作業を行わないときには第２燃料ガス供給ラインのみを通して燃料ガスを低速ディーゼル機関へ供給することを特徴としている。ただし、上記のスプレー作業においては、噴霧によりタンク内の圧力が規定の圧力まで上昇すると噴霧を一旦中断し、タンク内のガスを燃料として消費してタンク圧を下げた後、再びスプレー作業を開始し、タンクの温度が規定の温度に下がるまで複数回同じ作業を繰り返すが、噴霧中断でカーゴタンク内のガスを優先的に燃料として使用している期間もその一連のスプレー作業中に含める。なお、空荷状態であっても、液化ガスをタンク冷却用のスプレー液として、また主機関の燃料として使用するために、幾らかの液化ガスが貯蔵されており、タンク内が完全に空にされているわけではない。

更に、液化ガス積載時の運航において、主機関の燃料消費量がボイルオフガス発生量を上回るときには第１および第２燃料ガス供給ラインを使用して低速ディーゼル機関へ燃料ガスを供給することが好ましい。また更に、高圧ガスコンプレッサで圧縮された燃料ガスを再液化してタンクへ戻すガス回収ラインと、このガス回収ラインと第１燃料ガス供給ラインにおけるタンクと高圧ガスコンプレッサとを結ぶ部分との間で熱交換を行う熱交換器とを備え、燃料ガスの再液化をこの熱交換器を通して行う構成であってもよい。またこのとき、ガス回収ラインの熱交換器とタンクとの間に存在するボイルオフガスを第１燃料ガス供給ラインの熱交換器よりも上流側に戻す連絡ラインを更に設けてもよい。

本発明の液化ガス運搬船は、上記液化ガス運搬船用燃料ガス供給システムを備えたことを特徴としている。

本発明によれば、液化ガス運搬船において、高圧ガスコンプレッサおよび高圧液ポンプを併用して、液化ガス運搬船の運航状態に合わせ、ボイルオフガスの処理、エネルギー消費を最適化するとともに環境への負荷をより低減する燃料ガス供給システムを提供することができる。

本発明の第１実施形態である燃料ガス供給システムの構成を示すブロック図である。 第１実施形態における（ａ）液化ガス積載時、（ｂ）液化ガス空荷時（スプレー作業有）、（ｃ）液化ガス空荷時（スプレー作業無し）の運航形態おける運航速度と使用燃料消費量の関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態である燃料ガス供給システムの構成を示すブロック図である。 第２実施形態における液化ガス積載時の運航速度と使用燃料消費量の関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態である燃料ガス供給システムの構成を示すブロック図である。

本実施形態の燃料ガス供給システム１０は、天然ガスなどの液化ガスを運搬する船舶に適用され、液化ガス（本実施形態ではＬＮＧ）はカーゴタンク１１に積載される。主機関１２は、ガス焚き可能な低速ディーゼル機関であり、主機関１２には高圧ガスコンプレッサ１３を含む第１燃料ガス供給ライン１４を通してタンク１１内で自然発生するボイルオフガス（ＮＡＴＵＲＡＬ ＢＯＧ）を供給することが可能である。すなわち、タンク１１と高圧ガスコンプレッサ１３は、上流ライン１４Ａで接続され、高圧ガスコンプレッサ１３と主機関１２は下流ライン１４Ｂにより接続される。

すなわち、タンク１１内で発生するボイルオフガスは、上流ライン１４Ａを介して高圧ガスコンプレッサ１３へ送られ、例えば略３０ＭＰａまで圧縮され、「高圧ガス」として下流ライン１４Ｂへ送出され、下流ライン１４Ｂに設けられた逆止弁１５、流量調整弁１６を通して主機関１２へと送られる。また、本実施形態において、高圧ガスコンプレッサ１３には、低圧燃料ガス供給ライン１７も接続されており、相対的に圧力が低い「低圧ガス」が送出される。

低圧燃料ガス供給ライン１７には、例えば逆止弁１８、流量調整弁１９を介して２元燃料焚きボイラ２０が接続されるとともに、例えば逆止弁２１、流量調整弁２２を介して２元燃料焚きディーゼル発電機関（Ｄ／Ｇ）２３などが接続される。ボイラ２０およびディーゼル発電機関２３では、燃料ガスとオイルを混焼でき、余剰ボイルオフガスが存在するときには高圧ガスコンプレッサ１３から供給される低圧ガスが燃料として用いられる。

なお、本実施形態では、第１燃料ガス供給ライン１４の下流ライン１４Ｂにおける、逆止弁１５と流量調整弁１６の間が、ディーゼル発電機関２３に接続されるラインの逆止弁２１と流量調整弁２２の間が連絡ライン２４により連通され、連絡ライン２４には、圧力調整機能付逆止弁２５が設けられる。すなわち、下流ライン１４Ｂに供給された高圧ガスを、必要に応じて圧力調整機能付逆止弁２５を通して２元燃料焚きディーゼル発電機関２３へも供給可能である。

また、本実施形態の燃料ガス供給システム１０には、更に第２燃料ガス供給ライン２６が設けられる。第２燃料ガス供給ライン２６は、タンク１１内の底付近に配置されるポンプ２７を備え、タンク１１内の液化ガスはポンプ２７により汲み上げられ、一時的にサクションドラム２８に貯留される。サクションドラム２８には高圧液ポンプ２９が接続され、サクションドラム２８からの液化ガスが加圧される。高圧液ポンプ２９により加圧された液化ガスは、ガスヒータ３０において加熱・気化され、高圧ガスとなる。生成された高圧ガスは逆止弁３１を介して、第１燃料ガス供給ライン１４の下流ライン１４Ｂにおける逆止弁１５と流量調整弁１６の間の区間に供給される。

次に図２を参照して、運航状況に応じた燃料ガス供給システム１０の主機関１２への燃料ガス供給態様について説明する。図２（ａ）〜図２（ｃ）は、それぞれ（ａ）液化ガス積載時の運航速度と使用燃料消費量の関係、（ｂ）液化ガス空荷時の運航においてスプレー作業を行っているときの運航速度と使用燃料消費量の関係、（ｃ）液化ガス空荷時の運航においてスプレー作業を行っていないときの運航速度と使用燃料消費量の関係を示すグラフである。なお図２（ａ）〜図２（ｃ）において横軸は船の運航速度、縦軸は燃料消費量である。

図２（ａ）〜図２（ｃ）において、曲線Ｓは、船速と燃料消費量（燃料ガス供給量／単位時）の関係を示す曲線であり、燃料消費量は略船速の３乗に比例する。図２（ａ）の直線Ｌ（ＮＡＴＵＲＡＬ ＢＯＧ）は、タンク１１内の液化ガス（天然ガス）が自然蒸発し、ボイルオフガスとなる単位時間当たりの量である。

すなわち図２（ａ）において、ボイルオフガスのみ、かつその全てを主機関１２の燃料として利用すると、曲線Ｓと直線Ｌの交点Ｐに対応する船速が得られる。一方、運転点Ｐよりも低速側では、直線Ｌと曲線Ｓの差が余剰ボイルオフガスとなり、運転点Ｐよりも高速側では、曲線Ｓと直線Ｌの差が、追加する必要のある燃料量となる。

したがって、液化ガス積載時の運航においては、運転点Ｐ（ＮＡＴＵＲＡＬ ＢＯＧ１００％速度）、および運転点Ｐよりも低速側（減速運転領域）では、第１燃料ガス供給ライン１４のみが使用され、ボイルオフガスのみを用いて主機関１２の運転が行われる。そして余剰ガスはボイラ２０やディーゼル発電機関２３の燃料として利用され、それでも消費できないものは、燃焼される。また運転点Ｐよりも高速側（高速運転領域）では、足りない分の燃料が第２燃料ガス供給ライン２６を通して供給される。すなわち、ポンプ２７、高圧液ポンプ２９、およびガスヒータ３０を駆動してタンク１１内の液化ガスから高圧ガスを生成し、高圧ガスコンプレッサ１３で圧縮された高圧ガスと共に主機関１２へ供給される。なお、船の巡航速度は、運転点Ｐ、あるいはそれよりも僅かに低い速度に設定される。

図２（ｂ）は、液化ガス空荷時の運航においてスプレー作業が行われるときの運航形態を示すグラフである。同運航形態では、第１燃料ガス供給ライン１４のみが使用される。すなわちタンク１１内では、スプレー作業が行われ、スプレー作業により発生したボイルオフガスが主機関１２へ燃料ガスとして供給される。なお、液化ガス空荷時の運航であっても、液化ガスをタンク冷却用のスプレー液として、また主機関の燃料として使用するために、幾らかの液化ガスが貯蔵されており、全てのタンク１１が完全に空にされているわけではない。

一方図２（ｃ）は、液化ガス空荷時の運航においてスプレー作業が行われないときの運航形態に対応するグラフである。この運航形態では、第１燃料ガス供給ライン１４は使用されず、高圧ガスコンプレッサ１３はオフされる。そして第２燃料ガス供給ラインのみが使用され、ポンプ２７、高圧液ポンプ２９、およびガスヒータ３０が駆動されタンク１１内の液化ガスから高圧ガスが生成され主機関１２へ供給される。

船舶は、殆どの時間を巡航速度で航行するので、例えば図２（ａ）の運転点Ｐ付近で運転される。すなわち、第１実施形態によれば、液化ガス積載時には、略高圧ガスコンプレッサのみが駆動され、ボイルオフガスの殆どが、主機関の燃料として消費される。そして高速運転領域での運転が必要な場合のみ、高圧液ポンプが駆動され液化ガスから直接的に高圧ガスが生成される。また、液化ガス空荷時の運航において殆どの時間は、スプレー作業が行われているわけではないので、殆ど図２（ｃ）の運航形態がとられ、高圧ガスコンプレッサを運転することなく、高圧液ポンプにより燃料ガス供給がなされる。一方、スプレー作業が行われ、ボイルオフガスが発生するときには、高圧ガスコンプレッサが駆動され、ボイルオフガスは略全て主機関の燃料として利用され、ボイルオフガス処理の問題は発生しない。そのため再液化装置の設置を省くことができる。

次に図３、図４を参照して本発明の第２実施形態の燃料ガス供給システムについて説明する。第２実施形態の燃料ガス供給システムは、第１実施形態の燃料ガス供給システムに、ガス回収システムを更に設けたものであり、その他の構成は第１実施形態と略同様である。したがって、第１実施形態と同様の構成に関しては同一参照符号を用い、その説明を省略する。

第２実施形態の燃料ガス供給システム４０は、高圧ガスコンプレッサ１３と、下流ライン１４Ｂの逆止弁１５の間にガス回収ライン４１が接続される。ガス回収ライン４１は、高圧ガスコンプレッサ１３から吐出されるボイルオフガス由来の高圧ガスを、第１燃料ガス供給ライン１４の上流ライン１４Ａに連結された熱交換器４２を通して液化する。そして液化された液化ガスは気液分離器４３に貯留される。気液分離器４３に貯留された液化ガス（ＬＮＧ）はポンプ４４もしくは、気液分離器４３の自圧によりタンク１１へと戻される。また、気液分離器４３に存在するボイルオフガスは、連絡ライン４５を介して第１燃料ガス供給ライン１４の上流ライン１４Ａにおける熱交換器４２の上流側へ戻される。

以上のように、第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られるとともに、液化ガス積載運航時の低速運転領域において、余剰ボイルオフガスをより有効に処理することができる。そして第２実施形態では、高圧ガスコンプレッサで圧縮されたガスを、熱交換器を介して液化するので、より効率的に再液化処理を行うことができる。

また、第２実施形態ではガス回収システムがあることで、ボイルオフガスの単位時間当たりの発生量が実質的に低下する。すなわち図４において、ガス回収システム起動前のボイルオフガスの単位時間当たりの発生量が直線Ｌ１であったとすると、ガス回収システムの起動後には発生量が直線Ｌ２へと下がり、曲線Ｓとの交点はＰ１からＰ２へと移動する。そのため、巡航速度を下げて減速運航する場合などに、余剰ボイルオフガスの発生を更に抑えることができる。

なお、主機関はガス専燃の低速ディーゼル機関であってもよいが、オイル燃料との２元燃料焚き低速ディーゼル機関であってもよく、その場合には例えば高速運転領域においてオイルを追加燃料として利用してもよい。

１０ 燃料ガス供給システム（第１実施形態）
１１ カーゴタンク
１２ 主機関
１３ 高圧ガスコンプレッサ
１４ 第１燃料ガス供給ライン
１４Ａ 上流ライン
１４Ｂ 下流ライン
２０ ２元燃料焚きボイラ
２３ ２元燃料焚きディーゼル発電機関
２６ 第２燃料ガス供給ライン
２７ ポンプ
２８ サクションドラム
２９ 高圧液ポンプ
３０ ガスヒータ
４０ 燃料ガス供給システム（第２実施形態）
４１ ガス回収ライン
４２ 熱交換器
４３ 気液分離器
４４ ポンプ

Claims (5)

1. 主機関として用いられるガス焚き可能な低速ディーゼル機関と、
   液化ガスを貯蔵するタンクと、
   前記タンク内で発生するボイルオフガスを圧縮する高圧ガスコンプレッサと、
   前記タンク内の液化ガスを加圧する高圧液ポンプと、
   前記高圧ガスコンプレッサを通して前記タンクから前記低速ディーゼル機関へ燃料ガスを供給する第１燃料ガス供給ラインと、
   前記高圧液ポンプを通して前記タンクから前記低速ディーゼル機関へ燃料ガスを供給する第２燃料ガス供給ラインとを備え、
   液化ガス積載時の運航において、前記低速ディーゼル機関の燃料消費量がボイルオフガス発生量以下のとき、および液化ガス空荷時の運航において、スプレー作業を行うときには、前記第１燃料ガス供給ラインのみを通して燃料ガスを前記低速ディーゼル機関へ供給し、液化ガス空荷時の運航において、スプレー作業を行わないときには、前記第２燃料ガス供給ラインのみを通して燃料ガスを前記低速ディーゼル機関へ供給する
   ことを特徴とする液化ガス運搬船用燃料ガス供給システム。
2. 液化ガス積載時の運航において、燃料消費量がボイルオフガス発生量を上回るときには前記第１および第２燃料ガス供給ラインを使用して前記低速ディーゼル機関へ燃料ガスを供給することを特徴とする請求項１に記載の液化ガス運搬船用燃料ガス供給システム。
3. 前記高圧ガスコンプレッサで圧縮されたガスを再液化して前記タンクへ戻すガス回収ラインと、前記ガス回収ラインと前記第１燃料ガス供給ラインにおける前記タンクと前記高圧ガスコンプレッサとを結ぶ部分との間で熱交換を行う熱交換器とを更に備え、前記ガスの再液化が、前記熱交換器を通して行われることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液化ガス運搬船用燃料ガス供給システム。
4. 前記ガス回収ラインの前記熱交換器と前記タンクとの間に存在するボイルオフガスを前記第１燃料ガス供給ラインの前記熱交換器よりも上流側に戻す連絡ラインを更に備えることを特徴とする請求項３に記載の液化ガス運搬船用燃料ガス供給システム。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の液化ガス運搬船用燃料ガス供給システムを備えたことを特徴とする液化ガス運搬船。

Images