JP6513815B2 - 船舶用エンジンの燃料供給システム及び燃料供給方法 - Google Patents

船舶用エンジンの燃料供給システム及び燃料供給方法 Download PDF

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Description

本発明は、船舶用エンジンの燃料供給システム及び燃料供給方法に関する。より詳細に、船舶のＬＮＧ貯蔵タンクから水中ポンプでＬＮＧを移送して高圧ポンプでポンピングし、気化させて船舶に設けられたエンジンに供給する際に、高圧ポンプの上流からＬＮＧをＬＮＧ貯蔵タンクに戻して水中ポンプの最小流量を確保しながら、戻すＬＮＧの流量を制御して高圧ポンプの前段でＬＮＧの温度を制御し、蒸発ガスが高圧ポンプに導入されることを抑制できる、船舶用エンジンの燃料供給システム及び燃料供給方法に関する。
近年、ＬＮＧ（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ）やＬＰＧ（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｇａｓ）などの液化ガスの消費量が世界的に急増しつつある。
特に、ＬＮＧは、燃焼時に大気汚染物質の排出が少ない環境にやさしい燃料であって、様々な分野でその使用が増加している。
ＬＮＧは、メタン（ｍｅｔｈａｎｅ）が主成分である天然ガスを約−１６２℃まで冷却して液化させて得られる無色透明の液体であり、体積は天然ガスに比べて約１／６００程度である。したがって、天然ガスを運送する際、ＬＮＧに液化させて運送した方が非常に効率的であり、一例としてＬＮＧの海上輸送（運送）が可能であるＬＮＧ運搬船が使用されている。
船舶に対する国際機関と各国の規制基準も段々厳しくなり、環境にやさしい高効率の船舶燃料に関する関心も高まっている。その中で、ＬＮＧから自然気化または強制気化された気化ガスを燃料として使用することができるＤＦＤＥ（Ｄｕａｌ Ｆｕｅｌ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）エンジンなどが開発されて船舶に使用されている。
上述した通り、ＬＮＧを燃料として使用する船舶がＬＦＳ（ＬＮＧ Ｆｕｅｌｅｄ Ｓｈｉｐ）であるが、船舶に対する国際的な排出規制基準が強化することとＬＮＧの価格が安定的であるという見込みから、船舶におけるＬＮＧ燃料の使用はさらに活発になると期待される。
本発明は、船舶用エンジンにＬＮＧを燃料として供給する際に、装置の異常を抑制して燃料供給が円滑に行われる燃料供給システム及び燃料供給方法を提案する。
本発明の船舶用エンジンの燃料供給システムは、船舶のＬＮＧ貯蔵タンクに設けられてＬＮＧを船舶用エンジンに供給する水中ポンプ；前記水中ポンプから前記ＬＮＧが供給されて高圧で加圧する高圧ポンプ；前記高圧ポンプの上流で前記ＬＮＧを前記ＬＮＧ貯蔵タンクに戻すリターン流路；と前記リターン流路に設けられる流量制御バルブ；を備え、前記リターン流路は、前記水中ポンプより前記高圧ポンプの近いところで分岐させることで、前記リターン流路を介して戻す前記ＬＮＧの流量を制御して前記高圧ポンプの前段で前記ＬＮＧの温度を制御して、前記高圧ポンプの上流でＬＮＧの蒸発ガス化を防止することができることを特徴とする。
好ましくは、前記水中ポンプの最小流量を確保するために前記ＬＮＧ貯蔵タンクに戻すＬＮＧの流量を制御する流量制御器；及び前記高圧ポンプの前段の温度を検知して前記高圧ポンプ前段の温度を前記ＬＮＧの液化温度より低く維持するために、前記ＬＮＧ貯蔵タンクに戻すＬＮＧの流量を制御する温度制御器を更に備え、前記流量制御バルブは前記流量制御器および温度制御器の制御によって前記ＬＮＧ貯蔵タンクに戻す前記ＬＮＧの流量を制御する。
好ましくは、前記ＬＮＧ貯蔵タンクから前記船舶用エンジンに前記ＬＮＧを供給する燃料供給流路；及び前記燃料供給流路に設けられ前記高圧ポンプで加圧された前記ＬＮＧが供給されて気化し、前記エンジンに供給する気化器を更に備える。
好ましくは、前記船舶用エンジンは、１５０〜４００ｂａｒの高圧で圧縮された高圧ガスを燃料として使用する高圧ガス噴射エンジンである。
好ましくは、前記ＬＮＧ貯蔵タンクは耐圧性タンクであり、前記船舶の航海期間中に前記耐圧性タンクで発生するＢＯＧ又はフラッシュガスを保持できるように設計圧力が設定されている。
本発明の船舶用エンジンの燃料供給方法は、船舶のＬＮＧ貯蔵タンクから水中ポンプでＬＮＧを移送し、高圧ポンプでポンピングして気化させ、前記船舶に設けられた船舶用エンジンに供給する際に、前記高圧ポンプの上流で前記ＬＮＧを前記ＬＮＧ貯蔵タンクに戻して前記水中ポンプの最小流量を確保しつつ、戻す前記ＬＮＧの流量を制御して前記高圧ポンプの前段で前記ＬＮＧの温度を制御することにおいて、前記ＬＮＧ貯蔵タンクに戻す前記ＬＮＧは、前記水中ポンプより前記高圧ポンプの近いところで分岐させ、流量を制御するバルブを用いて、前記高圧ポンプの前段の温度を前記ＬＮＧの液化温度より低く維持するように制御することを特徴とする。
好ましくは、前記船舶用エンジンは、１５０〜４００ｂａｒの高圧で圧縮された高圧ガスを燃料として使用する高圧ガス噴射エンジンである。
本発明によれば、高圧ポンプに気化した天然ガスが導入されることが抑制され、装置の異常抑制と燃料供給を円滑に行うことができる。
船舶用エンジンにＬＮＧを供給するシステムの一例を示す。 本発明の船舶用エンジンの燃料供給システム及び燃料供給方法の一実施形態を概略的に示す。 図２の実施形態の変形例である。
本発明と、本発明の動作上の利点と、本発明の実施とによって達成される目的を十分理解するためには、本発明の好適な実施例を例示する添付図面および添付図面に記載された内容を参照する必要がある。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明することで、本発明を詳細に説明する。各図面において、同一参照符号は同一部材を示す。
図１は、船舶用エンジンにＬＮＧを供給するシステムの一例を示す。貯蔵タンクＴに貯蔵されたＬＮＧを移送ポンプ１０でポンピングして供給流路Ｌ１に設けられた高圧ポンプ２０に供給し、高圧ポンプ２０で加圧されたＬＮＧを気化器３０で気化させ、船舶用エンジンＥに燃料として供給する。このとき、ＬＮＧに沈めるタイプのポンプである移送ポンプ１０の最小流量を確保するために貯蔵タンクＴにＬＮＧを戻すことができるリターン流路Ｌ２が設けられる。リターン流路Ｌ２を介して貯蔵タンクＴに戻すＬＮＧの量は、移送ポンプ１０の使用電流量を基準として流量制御器５０がリターン流路Ｌ２に設けられたバルブ４０を制御することで調節することができる。
図２は、上述したシステムを発展させた、本発明の船舶用エンジンの燃料供給システム及び燃料供給方法の一実施形態を概略的に示す。
図２に示すように、本実施形態は、船舶のＬＮＧ貯蔵タンクＴに設けられてＬＮＧを船舶用エンジンＥに供給する、ＬＮＧに沈めるタイプの水中ポンプ１００と、水中ポンプ１００からＬＮＧが供給され、高圧で加圧する高圧ポンプ２００とを備え、高圧ポンプ２００の上流でＬＮＧをＬＮＧ貯蔵タンクＴに戻して水中ポンプ１００の最小流量を確保するリターン流路ＲＬが設けられ、リターン流路ＲＬを介して戻すＬＮＧの流量を制御して高圧ポンプ２００の前段でＬＮＧの温度を制御する。
水中ポンプ１００の流量が最小流量以上であることを満足した場合にも、外部から熱の流入量が多い場合には、高圧ポンプ２００の前段でＬＮＧが気化して気化ガスが発生することがある。このとき、気化ガスがそのまま高圧ポンプ２００に流入すると、高圧ポンプ２００などの装置の異常などを誘発し、さらに船舶用エンジンＥへの燃料供給が中断される恐れがある。これを抑制することができるように、本実施形態は、ＬＮＧ貯蔵タンクＴに戻すＬＮＧの流量を制御して高圧ポンプ２００の前段でＬＮＧの温度を制御する。
リターン流路ＲＬは、高圧ポンプ２００の上流で分岐するが、高圧ポンプ２００に近いところで分岐させることで、高圧ポンプ２００の前段までＬＮＧの流量をできるだけ多く確保し、外部からの熱の流入による温度上昇を減らしてガス化を抑制することができる。
戻すＬＮＧの流量を制御するために、リターン流路ＲＬには流量制御バルブ３００が設けられ、流量制御バルブ３００は、流量制御器３１０と温度制御器３２０の制御によってＬＮＧ貯蔵タンクＴに戻すＬＮＧの流量を制御する。
流量制御器３１０は、水中ポンプ１００の最小流量を確保するためにＬＮＧ貯蔵タンクＴに戻すＬＮＧの流量を制御する。流量制御器３１０は、水中ポンプ１００で使用する電流量を、水中ポンプ１００における最小流量の確保に必要なＬＮＧの流量を決定するための基準値として用いることができる。
温度制御器３２０は、高圧ポンプ２００の前段の温度を検知して高圧ポンプ２００の前段の温度をＬＮＧの液化温度よりも低く、すなわち高圧ポンプ２００の前段でＬＮＧの過冷状態を維持させるために、ＬＮＧ貯蔵タンクＴに戻すべきＬＮＧの流量を決定する。
ＬＮＧ貯蔵タンク（Ｔ）にＬＮＧが復帰されて水中ポンプ１００によるＬＮＧの供給量が多くなると、外部熱の流入による温度上昇量が相対的に減少し、高圧ポンプ２００の前段でＬＮＧが気化し、ガス化することを抑制することができる。
流量制御器３１０と温度制御器３２０の制御信号により、流量制御バルブ３００は、二つの出力値のうち大きい値をＬＮＧ貯蔵タンクＴに戻すＬＮＧの流量として決定し、ＬＮＧをＬＮＧ貯蔵タンクＴに戻すことができる。すなわち、流量制御器３１０の信号による水中ポンプ１００の流量が最小流量よりも多くても、高圧ポンプ２００の前段の温度が設定値より大きければ、温度制御器３２０の信号によって貯蔵タンクＴに戻すＬＮＧの流量を増やすことで、高圧ポンプ２００の前段でＬＮＧの過冷状態が維持されることになる。例えば、水中ポンプ１００の最小流量が５ｍ３／ｈであった場合、高圧ポンプ２００の前段の温度が飽和温度よりも低い設定値（ｓｅｔｔｉｎｇ ｐｏｉｎｔ）である−１５５℃より高い場合、戻すＬＮＧの流量を増やして高圧ポンプ２００の前段の温度を低く維持させる。
流量制御器３１０と温度制御器３２０の制御信号を受けて流量制御バルブ３００を制御する制御部（図示せず）を設けることができる。
一方、ＬＮＧ貯蔵タンクＴから船舶用エンジンＥにＬＮＧを供給する燃料供給流路ＳＬには、高圧ポンプ２００と、高圧ポンプ２００で加圧したＬＮＧが供給され、気化して船舶用エンジンＥに供給する気化器４００が設けられる。
本実施形態の船舶用エンジンＥは、１５０〜４００ｂａｒの高圧で圧縮された高圧ガスを燃料として使用する高圧ガス噴射エンジンとすることができる。船舶の推進用又は発電用のエンジンであり、例えば、ＭＥ−ＧＩエンジンとすることができる。
ＭＥ−ＧＩエンジンは、窒素酸化物（ＮＯｘ）と硫黄酸化物（ＳＯｘ）の排出量を減らすために開発され、ガスと石油を燃料として使用することができる２ストローク（２−ｓｔｒｏｋｅ）の高圧天然ガス噴射エンジンであって、１５０〜４００ｂａｒの圧縮ガスが燃料として供給される。
ＭＥ−ＧＩエンジンは、同出力のディーゼルエンジンに比べて汚染物質の排出量を減らすことができる。二酸化炭素は２３％、窒素化合物は８０％、硫黄化合物は９５％以上、減らすことができる。
よって、本実施形態におけるＬＮＧを燃料とする推進用又は発電用のエンジンを設置すると、大気汚染物質の排出を減らすことができる。
これらの高圧ガス噴射エンジンへの供給において、高圧ポンプ２００で１５０〜４００ｂａｒで加圧されたＬＮＧは超臨界状態であるため、気化器４００における気化というのはＬＮＧの相変化ではなく、熱エネルギーを供給するという意味である。
また、本実施形態におけるＬＮＧ貯蔵タンクＴは耐圧性タンクとすることができ、船舶の航海期間中に耐圧性タンクで発生するＢＯＧ又はフラッシュガスを保持できるように設計圧力を設定することができる。耐圧性タンクの設計圧力は２ｂａｒ以上、好ましくは３ｂａｒ〜３０ｂａｒのゲージ圧で設計する。本実施形態の耐圧性タンクは独立型タンクであり、特に好ましくはＩＭＯ−Ｃ ｔｙｐｅのタンクとすることができる。
このように耐圧性タンクでＬＮＧ貯蔵タンクＴを構成する場合、図３に示すように、ＬＮＧ貯蔵タンクＴで発生するＢＯＧが燃料として供給される第２エンジンＥ２をさらに設置することができる。第２エンジンＥ２は、前述した船舶用エンジンＥ、すなわち第１エンジンＥ１よりも低い圧力で駆動される低圧ガスエンジンであり、別の圧縮機を構成しなくても、ＬＮＧ貯蔵タンクＴの内圧によって第２エンジンＥ２が必要とする運転圧力でＢＯＧを供給できるように設計することができる。
第２エンジンＥ２は、例えば、３〜２０ｂａｒの燃料ガスを供給されるＤＦエンジンとすることができ、ＬＮＧ貯蔵タンクＴから第２エンジンＥ２にＢＯＧ燃料を供給するためのＢＯＧ供給ラインＢＬと、ＢＯＧを加熱するヒータ５００更に設けることができる。
以上で述べたように、本実施形態では、船舶のＬＮＧ貯蔵タンクＴから水中ポンプ１００でＬＮＧを移送して高圧ポンプ２００でポンピングし、気化させて船舶に設けられた船舶用エンジンＥに供給する際に、高圧ポンプ２００の上流でＬＮＧをＬＮＧ貯蔵タンクＴに戻して水中ポンプ１００の最小流量を確保しつつ、戻すＬＮＧの流量を制御して高圧ポンプ２００の前段でＬＮＧの温度を制御、すなわち高圧ポンプ２００の前段の温度をＬＮＧの液化温度よりも低い過冷状態に維持されるように制御する。
高圧ポンプ２００を介して燃料を供給される船舶用エンジンＥは、１５０〜４００ｂａｒの高圧で圧縮された高圧ガスを燃料として使用する高圧ガス噴射エンジン、例えばＭＥ−ＧＩエンジンとすることができる。
本発明は、前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形が可能であることは、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者において自明である。

Claims (7)

  1. 船舶のＬＮＧ貯蔵タンクに設けられてＬＮＧを船舶用エンジンに供給する水中ポンプ；
    前記水中ポンプから前記ＬＮＧが供給されて高圧で加圧する高圧ポンプ；
    前記高圧ポンプの上流で前記ＬＮＧを前記ＬＮＧ貯蔵タンクに戻すリターン流路；と
    前記リターン流路に設けられる流量制御バルブ；を備え、
    前記リターン流路は、前記水中ポンプより前記高圧ポンプの近いところで分岐させることで、
    前記リターン流路を介して戻す前記ＬＮＧの流量を制御して前記高圧ポンプの前段で前記ＬＮＧの温度を制御して、前記高圧ポンプの上流でＬＮＧの蒸発ガス化を防止することができることを特徴とする船舶用エンジンの燃料供給システム。
  2. 前記水中ポンプの最小流量を確保するために前記ＬＮＧ貯蔵タンクに戻すＬＮＧの流量を制御する流量制御器；及び
    前記高圧ポンプの前段の温度を検知して、前記高圧ポンプの前段の温度を前記ＬＮＧの液化温度よりも低く維持するために前記ＬＮＧ貯蔵タンクに戻すＬＮＧの流量を制御する温度制御器
    を更に備え、
    前記流量制御バルブは、前記流量制御器及び温度制御器の制御によって前記ＬＮＧ貯蔵タンクに戻す前記ＬＮＧの流量を制御することを特徴とする請求項１に記載の船舶用エンジンの燃料供給システム。
  3. 前記ＬＮＧ貯蔵タンクから前記船舶用エンジンに前記ＬＮＧを供給する燃料供給流路；及び
    前記燃料供給流路に設けられ、前記高圧ポンプで加圧された前記ＬＮＧが供給されて気化し、前記エンジンに供給する気化器
    を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の船舶用エンジンの燃料供給システム。
  4. 前記船舶用エンジンは、１５０〜４００ｂａｒの高圧で圧縮された高圧ガスを燃料として使用する高圧ガス噴射エンジンであることを特徴とする請求項１に記載の船舶用エンジンの燃料供給システム。
  5. 前記ＬＮＧ貯蔵タンクは耐圧性タンクであり、前記船舶の航海期間中に前記耐圧性タンクで発生するＢＯＧ又はフラッシュガスを保持できるように設計圧力が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の船舶用エンジンの燃料供給システム。
  6. 船舶のＬＮＧ貯蔵タンクから水中ポンプでＬＮＧを移送し、高圧ポンプでポンピングして気化させ、前記船舶に設けられた船舶用エンジンに供給する際に、
    前記高圧ポンプの上流で前記ＬＮＧを前記ＬＮＧ貯蔵タンクに戻して前記水中ポンプの最小流量を確保しつつ、戻す前記ＬＮＧの流量を制御して前記高圧ポンプの前段で前記ＬＮＧの温度を制御することにおいて、
    前記ＬＮＧ貯蔵タンクに戻す前記ＬＮＧは、前記水中ポンプより前記高圧ポンプの近いところで分岐させ、流量を制御するバルブを用いて、前記高圧ポンプの前段の温度を前記ＬＮＧの液化温度より低く維持するように制御することを特徴とする船舶用エンジンの燃料供給方法。
  7. 前記船舶用エンジンは、１５０〜４００ｂａｒの高圧で圧縮された高圧ガスを燃料として使用する高圧ガス噴射エンジンであることを特徴とする請求項６に記載の船舶用エンジンの燃料供給方法。
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