JP6550466B2 - 船舶用エンジンの燃料供給制御システム及び燃料供給制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、船舶用エンジンの燃料供給制御システム及び燃料供給制御方法に関する。より詳細には、船舶用エンジンに供給される燃料の制御システムにおいて、ＬＮＧをポンプでポンピングして気化させるシステム運転領域と、システム運転領域でポンピング及び気化されたＬＮＧが供給され、ＬＮＧを船舶用エンジンに供給する供給運転領域とを備え、システム運転領域の設定圧力を供給運転領域の設定圧力より高く設定して、二つの領域を分離して制御する、燃料供給制御システム及び燃料供給制御方法に関する。
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。
特に液化天然ガス（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ、以下「ＬＮＧ」という）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、天然ガスを運搬する際、ＬＮＧに液化させて運搬した方が非常に効率的であり、一例としてＬＮＧの海上輸送（運搬）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ＤＦ（Ｄｕａｌ Ｆｕｅｌ）エンジンなどが開発されて船舶に使用されている。
船舶でＬＮＧを燃料として使用する場合、極低温のＬＮＧは、エンジンが必要とする圧力及び温度条件に合わせて、昇圧し気化させる必要がある。
船舶のエンジン、例えば、推進エンジンの場合、船舶の運航速度に応じてエンジンの負荷（ｌｏａｄ）を可変的に運転できるため、エンジンの負荷に応じて燃料供給時の供給圧力を可変的に運用できなければならない。
そのため、燃料供給ラインにおいてエンジンの上流側にバルブを設けて、開度を変えることができるが、システム全体がこのようなバルブに依存することは、バルブシートの破損や寿命の短縮などで頻繁な維持補修とバルブの交換が必要となる問題が発生し得る。
また、エンジンへの燃料供給を遮断するためにバルブが瞬間的に閉じられることになるが、この際システムの圧力が瞬間的に高くなる恐れがある。
本発明は、このような問題を解決するために、エンジンにおける負荷の変化に応じて可変的な燃料供給を行うことができると共に、エンジンへの安定的な燃料供給が可能である、燃料供給制御システムを提案する。
本発明における一形態では、ＬＮＧをポンプでポンピングして気化させるシステム運転領域；及び前記システム運転領域でポンピング及び気化されたＬＮＧが供給され、ＬＮＧを前記船舶用エンジンに供給する供給運転領域を備え、前記システム運転領域の設定圧力（preset pressure）が前記供給運転領域の設定圧力より高く設定され、前記システム運転領域と前記供給運転領域の圧力を分離して各々制御する、船舶用エンジンに供給される燃料の制御システムにおいて、前記システム運転領域は、ＬＮＧをポンピングする高圧ポンプ；前記高圧ポンプでポンピングされたＬＮＧを気化させる気化器；前記高圧ポンプの下流から前記気化器に導入されるポンピングされたＬＮＧを、貯蔵タンク又は前記高圧ポンプの上流に回収するリターンライン；前記リターンラインに設けられる再循環バルブ；前記気化器の下流における前記システム運転領域の圧力を検知する第１圧力検知部；前記第１圧力検知部で検知された圧力値が送信され、前記システム運転領域の設定圧力に応じて前記再循環バルブの開度及び前記高圧ポンプの速度を制御して前記システム運転領域の圧力を制御する第１制御部を含み、前記供給運転領域は、前記気化器で気化されたＬＮＧを前記船舶用エンジンに供給する供給ライン；前記供給ラインに設けられる主ガスバルブ；及び前記主ガスバルブの上流で前記供給ラインから分岐されたベントラインを備え、前記供給運転領域の設定圧力より前記供給ライン内の圧力が高くなったときに、前記主ガスバルブを遮断し、気化された前記ＬＮＧを前記ベントラインに排出し、前記制御システムは、前記気化器において前記ＬＮＧを気化させるための熱媒体が循環する熱媒体循環ライン；前記熱媒体循環ラインに設けられ、前記気化器に導入される前記熱媒体をポンピングする熱媒体ポンプ；及び前記熱媒体ポンプの下流で前記熱媒体を加熱する熱媒体ヒータをさらに備えることを特徴とする、船舶用エンジンの燃料供給制御システムが提供される。
前記供給運転領域は、前記ベントラインに設けられる圧力調節バルブ；前記主ガスバルブの下流における前記供給運転領域の圧力を検知する第２圧力検知部；及び前記第２圧力検知部で検知された圧力値が送信され、前記供給運転領域の設定圧力に応じて前記主ガスバルブと圧力調節バルブの開閉を制御し、前記供給運転領域の圧力を制御する第２制御部を備えることが好ましい。
前記気化器の下流に設けられる第１遮断バルブ；及び前記供給ラインから前記ベントラインが分岐するポイントの上流に設けられる第２遮断バルブをさらに備えることが好ましい。
本発明における他の一態様では、上記燃料供給制御システムにおける船舶用エンジンに供給される燃料を制御する方法であって、
１）ＬＮＧを高圧ポンプでポンピングして気化させるステップ；及び
２）ポンピング及び気化されたＬＮＧを前記船舶用エンジンに供給するステップを備え、
前記ステップ１）の工程が行われるシステム運転領域の設定圧力を前記ステップ２）の工程が行われる供給運転領域の設定圧力より高く設定して運転し、前記システム運転領域と前記供給運転領域の圧力を分離して各々制御するものにおいて、
前記システム運転領域の圧力は、ポンピング及び気化されたＬＮＧの圧力値を検知して、高圧ポンプの速度を制御するか又はポンピングされたＬＮＧを貯蔵タンク若しくは前記高圧ポンプの上流に回収して制御し、前記供給運転領域の圧力は、前記船舶用エンジンに導入されるポンピング及び気化されたＬＮＧの圧力を検知して、前記設定圧力より高くなったときに前記船舶用エンジンへの導入を遮断し、気化されたＬＮＧを供給運転領域の外部に排出して制御することを特徴とする、船舶用エンジンの燃料供給制御方法が提供される。
１）ＬＮＧを高圧ポンプでポンピングして気化させるステップ；及び
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本発明の船舶用エンジンの燃料供給制御システム及び燃料供給制御方法は、ＬＮＧをポンプでポンピングして気化させるシステム運転領域と、システム運転領域でポンピング及び気化されたＬＮＧが供給され、ＬＮＧを船舶用エンジンに供給する供給運転領域とを備え、システム運転領域の設定圧力を供給運転領域の設定圧力より高く設定して、二つの領域を分離して制御する。
このように、エンジンに直接的に燃料を供給する前に、燃料をシステム運転領域に通過させ、システム運転領域と供給運転領域を分離して制御することによって、可変的な燃料供給が安定的に行われる。
また、供給圧力制御が主ガスバルブのみで行われないため、バルブの寿命が延長し、維持補修やバルブの交換費用が低減され、これによるシステムの稼働中断を防止することができる。
図１は、本発明の一実施例に係る船舶用エンジンの燃料供給制御システムの概略図である。
本発明と本発明による動作上の利点及び本発明の実施によって達成される目的を十分に理解するためには、本発明の好適な実施例を例示する添付図面及び添付図面に記載された内容を参考する必要がある。
以下、添付図面を参考して本発明の好適実施例を説明することで、本発明を詳しく説明する。各図面に提示された同一の参照符号は同一部材を表す。
図１は、本発明の一実施例に係る船舶用エンジン（Ｅ）の燃料供給制御システムを概略的に示す。
図１に示すように、本実施例の燃料供給制御システムは、船舶用エンジン（Ｅ）に供給される燃料の制御システムにおいて、ＬＮＧをポンプでポンピングして気化させるシステム運転領域（１００）と、システム運転領域（１００）でポンピング及び気化されたＬＮＧが供給され、ＬＮＧを船舶用エンジン（Ｅ）に供給する供給運転領域（２００）とを備え、システム運転領域（１００）の設定圧力が供給運転領域（２００）の設定圧力より高く設定されることを特徴とする。
本実施例が適用できる船舶は、ＬＮＧ ｃａｒｒｉｅｒやＬＦＳ（ＬＮＧ Ｆｕｅｌｅｄ Ｓｈｉｐ）を含む船舶だけでなく、ＬＮＧ−ＦＳＰＰ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔ）などの海洋プラントを含み、ＬＮＧを推進用や発電用燃料として供給されるエンジンを備えたすべての船舶又は海洋構造物を含む。
これらの船舶に備えられる船舶用エンジン（Ｅ）の例は、ＤＦエンジンやＭＥ−ＧＩエンジンを挙げることができる。本実施例の船舶用エンジン（Ｅ）は、高圧ガス噴射エンジン、１５０〜４００ｂａｒの高圧ガスが燃料として供給されるＭＥ−ＧＩ（Ｍａｎ Ｅｌｅｔｒｉｃ Ｇａｓ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）エンジンであることが好ましい。
ＭＥ−ＧＩエンジンは、船舶に使用できるエンジンであり、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たＬＮＧ運搬船の高圧天然ガス噴射エンジンである。ＭＥ−ＧＩエンジンは、ＬＮＧ（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ）を極低温で耐えられる貯蔵タンクに保存して運送するＬＮＧ運搬船などの船舶または海上構造物に設置でき、天然ガスとディーゼルを燃料として使用することができる。ＭＥ−ＧＩは、その負荷に応じて約１５０〜４００ｂａｒａ（絶対圧）程度の高いガス供給圧力が要求されるが、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、二酸化炭素は２３％、窒素化合物は８０％、硫黄化合物は９５％以上まで減らすことができる次世代の環境にやさしいエンジンとして脚光を浴びている。ＭＥ−ＧＩエンジンにＬＮＧを供給する場合には、貯蔵タンクで発生するＢＯＧを供給するか、ＬＮＧを高圧で圧縮した後に気化させて供給するように、燃料供給システムを構成することができる。
このような燃料を供給するために、本実施例のシステム運転領域（１００）では、ＬＮＧをポンピングする高圧ポンプ（１１０）と、高圧ポンプ（１１０）でポンピングされたＬＮＧを気化させる気化器（１２０）とが備えられ、気化器（１２０）でＬＮＧと熱交換される熱媒体を供給するように熱媒体供給領域（３００）が構成される。
熱媒体供給領域（３００）には、気化器（１２０）でＬＮＧを気化させるための熱媒体が循環する熱媒体循環ライン（ＨＬ）と、熱媒体循環ライン（ＨＬ）に設けられて気化器（１２０）に導入される熱媒体をポンピングする熱媒体ポンプ（３１０）と、熱媒体ポンプ（３１０）の下流で熱媒体を加熱する熱媒体ヒータ（３２０）と、気化器（１２０）の下流で気化器（１２０）での熱交換を終えた熱媒体が貯蔵される熱媒体タンク（３３０）などが備えられ得る。気化器（１２０）に熱源を供給する熱媒体としては、例えば、グリコールウォーター（ｇｌｙｃｏｌ ｗａｔｅｒ）を使用することができ、熱媒体ヒータ（３２０）はエンジンなどの船舶の内燃機関で生じる廃熱で発生させた蒸気によって熱媒体を加熱することができる。
システム運転領域（１００）における圧力を制御するために、システム運転領域（１００）は、高圧ポンプ（１１０）の下流から気化器（１２０）に導入されるポンピングされたＬＮＧを貯蔵タンク（図示せず）または高圧ポンプ（１１０）の上流に回収するリターンライン（ＲＬ）を備え、リターンライン（ＲＬ）には再循環バルブ（１３０）が設けられる。
また、システム運転領域（１００）には、気化器（１２０）の下流におけるシステム運転領域（１００）の圧力を検知する第１圧力検知部（１４０）と、第１圧力検知部（１４０）で検知された圧力値が送信され、システム運転領域（１００）の設定圧力に応じて再循環バルブ（１３０）の開度と高圧ポンプ（１１０）の速度（ｒｐｍ）を制御してシステム運転領域（１００）の圧力を制御する第１制御部（１５０）とが備えられる。
供給運転領域（２００）には、気化器（１２０）で気化されたＬＮＧを船舶用エンジン（Ｅ）に供給するための供給ライン（ＳＬ）と、供給ライン（ＳＬ）に設けられて供給ライン（ＳＬ）を開閉する主ガスバルブ（２１０）とが設けられる。
供給運転領域（２００）における圧力を制御するため、供給運転領域（２００）は、主ガスバルブ（２１０）の上流で供給ライン（ＳＬ）から分岐するベントライン（ＶＬ）と、ベントライン（ＶＬ）に設けられる圧力調節バルブ（２２０）と、主ガスバルブ（２１０）の下流における供給運転領域（２００）の圧力を検知する第２圧力検知部（２３０）とを備える。
第２圧力検知部（２３０）で検知された圧力値が第２制御部（２４０）に送信されて、供給運転領域（２００）の設定圧力より供給ライン（ＳＬ）内の圧力が高くなったとき、主ガスバルブ（２１０）は遮断され、気化されたＬＮＧがベントライン（ＶＬ）に排出されることによって、供給運転領域（２００）の圧力を制御することになる。供給運転領域（２００）における設定圧力は船舶用エンジン（Ｅ）の負荷に応じて必要な供給圧力で設定され、供給運転領域（２００）でこれを超える過剰圧力が検知されると、主ガスバルブ（２１０）は遮断されて圧力調節バルブ（２２０）を開放し、過剰圧力分だけガスをベントマストに排出させて圧力を調節することになる。
上述したように、第２制御部（２４０）で供給運転領域（２００）の設定圧力に応じて主ガスバルブ（２１０）と圧力調節バルブ（２２０）の開閉を制御することにより、供給運転領域（２００）の圧力を制御することになる。
このように、本実施例のシステムは、システム運転領域（１００）の設定圧力を供給運転領域（２００）より高く設定して、各々の領域を分離して制御することにより、エンジンの負荷（ｌｏａｄ）に応じて可変的な燃料供給システムの運転が可能になる。
本実施例は、エンジンに直接燃料を供給する前に、燃料をシステム運転領域（１００）に通過させることで、供給圧力の変動を減らすことができる。また、システム運転領域（１００）の設定圧力を供給運転領域（２００）よりも高くすることで、エンジンの出力が急激に増加する際にも幾分の余裕が確保されることで、追従時間を短縮することができるという利点がある。
システム運転領域（１００）の設定圧力を供給運転領域（１００）に比べてどの程度高く設定して運転するかは、エンジン及び燃料ガス供給システムの設置位置などにより、実際のｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎｉｎｇ過程で決定することができる。一例において、ＭＥＧＩエンジンが適用されて供給運転領域の圧力が２３０ｂａｒｇである場合は、システム運転領域の圧力は２０ｂａｒｇ程度高くし、供給運転領域が３００ｂａｒｇである場合は５ｂａｒｇ程度高くシステム運転領域の設定圧力を設定することができる。
本実施例のシステムにおいて、気化器（１２０）の下流には第１遮断バルブ（１６０）、供給ライン（ＳＬ）からベントライン（ＶＬ）が分岐するポイントの上流には第２遮断バルブ（２５０）がそれぞれ備えられ得る。これらの遮断バルブを構成して各々の領域を分離することで、各領域の設定圧力に差をつけて制御することができる。
本発明における燃料供給は下記のように行われる。
船舶用エンジン（Ｅ）への燃料供給は、１）ＬＮＧをポンプでポンピングして気化させるステップ；２）ポンピング及び気化されたＬＮＧを船舶用エンジン（Ｅ）に供給するステップを備えて構成される。
この際、本発明では、ステップ１）の工程が行われる領域、すなわち、システム運転領域（１００）の設定圧力を、ステップ２）の工程が行われる領域、すなわち、供給運転領域（２００）の設定圧力より高く設定して運転することになる。
上述したように、システム運転領域（１００）の圧力は、ポンピング及び気化されたＬＮＧの圧力値を検知して、ポンプの速度（ｒｐｍ）を制御するか、ポンピングされたＬＮＧをリターンライン（ＲＬ）を介して貯蔵タンクまたはポンプの上流に回収することによって制御することができる。
また、上述したように、供給運転領域（２００）の圧力は、船舶用エンジン（Ｅ）に導入されるポンピング及び気化されたＬＮＧの圧力を検知して、設定圧力より高かったらバルブを閉じて船舶用エンジン（Ｅ）への導入を遮断し、気化されたＬＮＧを供給ライン（ＳＬ）から分岐したベントライン（ＶＬ）を介してベントマスト（ｖｅｎｔ ｍａｓｔ）に排出して制御することができる。
本発明は、前記実施例に限定されず、本発明の技術的要旨を逸脱しない範囲内で様々な修正または変形して実施できることは、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 (4)
- ＬＮＧをポンプでポンピングして気化させるシステム運転領域；及び前記システム運転領域でポンピング及び気化されたＬＮＧが供給され、ＬＮＧを前記船舶用エンジンに供給する供給運転領域を備え、前記システム運転領域の設定圧力が前記供給運転領域の設定圧力より高く設定され、前記システム運転領域と前記供給運転領域の圧力を分離して各々制御する、船舶用エンジンに供給される燃料の制御システムにおいて、
前記システム運転領域は、
ＬＮＧをポンピングする高圧ポンプ；
前記高圧ポンプでポンピングされたＬＮＧを気化させる気化器；
前記高圧ポンプの下流から前記気化器に導入されるポンピングされたＬＮＧを、貯蔵タンク又は前記高圧ポンプの上流に回収するリターンライン；
前記リターンラインに設けられる再循環バルブ；
前記気化器の下流における前記システム運転領域の圧力を検知する第１圧力検知部；
前記第１圧力検知部で検知された圧力値が送信され、前記システム運転領域の設定圧力に応じて前記再循環バルブの開度及び前記高圧ポンプの速度を制御して前記システム運転領域の圧力を制御する第１制御部を含み、
前記供給運転領域は、
前記気化器で気化されたＬＮＧを前記船舶用エンジンに供給する供給ライン；
前記供給ラインに設けられる主ガスバルブ；及び
前記主ガスバルブの上流で前記供給ラインから分岐されたベントラインを備え、
前記供給運転領域の設定圧力より前記供給ライン内の圧力が高くなったときに、前記主ガスバルブを遮断し、気化された前記ＬＮＧを前記ベントラインに排出し、
前記制御システムは、
前記気化器において前記ＬＮＧを気化させるための熱媒体が循環する熱媒体循環ライン；
前記熱媒体循環ラインに設けられ、前記気化器に導入される前記熱媒体をポンピングする熱媒体ポンプ；及び
前記熱媒体ポンプの下流で前記熱媒体を加熱する熱媒体ヒータをさらに備えることを特徴とする、船舶用エンジンの燃料供給制御システム。 - 前記供給運転領域は、
前記ベントラインに設けられる圧力調節バルブ；
前記主ガスバルブの下流における前記供給運転領域の圧力を検知する第２圧力検知部；及び
前記第２圧力検知部で検知された圧力値が送信され、前記供給運転領域の設定圧力に応じて前記主ガスバルブと圧力調節バルブの開閉を制御し、前記供給運転領域の圧力を制御する第２制御部を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制御システム。 - 前記気化器の下流に設けられる第１遮断バルブ；及び
前記供給ラインから前記ベントラインが分岐するポイントの上流に設けられる第２遮断バルブをさらに備えることを特徴とする、請求項２に記載の燃料供給制御システム。 - 請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料供給制御システムにおける船舶用エンジンに供給される燃料を制御する方法であって、
１）ＬＮＧを高圧ポンプでポンピングして気化させるステップ；及び
２）ポンピング及び気化されたＬＮＧを前記船舶用エンジンに供給するステップを備え、
前記ステップ１）の工程が行われるシステム運転領域の設定圧力を前記ステップ２）の工程が行われる供給運転領域の設定圧力より高く設定して運転し、前記システム運転領域と前記供給運転領域の圧力を分離して各々制御するものにおいて、
前記システム運転領域の圧力は、ポンピング及び気化されたＬＮＧの圧力値を検知して、高圧ポンプの速度を制御するか又はポンピングされたＬＮＧを貯蔵タンク若しくは前記高圧ポンプの上流に回収して制御し、
前記供給運転領域の圧力は、前記船舶用エンジンに導入されるポンピング及び気化されたＬＮＧの圧力を検知して、前記設定圧力より高くなったときに前記船舶用エンジンへの導入を遮断し、気化されたＬＮＧを供給運転領域の外部に排出して制御することを特徴とする、船舶用エンジンの燃料供給制御方法。
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