JP6557793B2 - 液化燃料ガス気化システムおよびそのための液体熱媒温度制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、液化天然ガスなどの液化燃料ガスを水などの液体熱媒で加熱して気化し、当該気化ガスを燃料ガスとして燃焼装置に供給するための液化燃料ガス気化システムに関する。

ガスエンジンはディーゼルエンジンであり、発電機、自動車のエンジン、船舶のエンジンなどで幅広く用いられている。ガスエンジンは液体燃料のディーゼルエンジンと比べて、ノッキング域と失火域にはさまれた安定燃焼域が狭く、空気過剰率、給気温度、燃料ガス組成、及び燃料ガス温度などの条件により敏感にその燃焼状態が影響を受けるという課題を抱えている。このため、一般的にガスエンジンは、ガバナ（調速機）を用いて、エンジン負荷の微細な変動によりエンジンの回転数が大きく変化するのを防止している。

ガスエンジンなどの燃焼装置に天然ガス燃料を供給する設備では、ＬＮＧ（液化天然ガス）を−１６０℃以下の低温で燃料貯槽に蓄え、気化器などで加熱し蒸発気化させてガス状にする。気化器の加熱源としては、例えば水（液体熱媒）が使用される。

特許文献１では、燃焼装置としての船舶用ガスエンジン（デュアルフューエルエンジン）において、燃料ガスを効率的にかつ安全に供給するために、機関冷却水（エンジン冷却水）を直接気化器の加温用水として用いている。ガスエンジンには、燃料噴射ポンプのようなものがないので、ガス燃料温度が変化すると標準状態（０℃、大気圧）でのガス燃料供給量が変わり、供給カロリーが変わって、ガバナの調節機能が損なわれてしまう。したがって、例えば燃料ガス温度が急激に変化した場合はガバナでは制御しきれないという問題があった。これに対し、従来技術の天然ガス供給システムをそのまま用いると、ガスエンジンとして負荷変動が大きく変化する船舶用ディーゼルエンジンのような場合では、エンジンの出力に応じた燃料ガス量を所定の温度範囲内（例えば±５℃）でエンジンに供給することができなかった。

特許文献１：特開２０１５−１４７５０８号公報

本発明は、このような事情の下で考え出されたものであって、強制的に加熱や冷却をする手段を用いずに燃焼装置の排熱のみを利用し、気化器から排出されて燃焼装置に供給されるガス燃料（天然ガス）を所定の温度範囲で供給するのに適した液化天然ガス気化システムを提供することを主たる目的とする。

本発明の第１の側面によって提供される液化天然ガス気化システムは、液化燃料ガスを気化して燃焼装置に供給するためのものであり、液化燃料ガスを液体熱媒で加熱して気化させる気化器と、上記燃焼装置の排熱を上記液体熱媒により回収する熱回収部と、上記熱回収部と上記気化器の間で上記液体熱媒を循環させるための熱媒循環ラインと、を備え、上記熱媒循環ラインには、上記気化器から排出され、かつ上記熱回収部を通過していない上記液体熱媒を、上記熱回収部を通過した上記液体熱媒に混合する混合部が設けられている。

好ましくは、上記熱媒循環ラインは、上記気化器から排出された、相対的に低温である上記液体熱媒を上記熱回収部まで送る低温側ラインと、上記熱回収部を通過した、相対的に高温である上記液体熱媒を上記気化器まで送る高温側ラインと、を含み、上記混合部は、一端が上記低温側ラインに接続され、かつ他端が上記高温側ラインに接続された第１バイパスラインを含む。

好ましくは、上記気化器から排出される燃料ガスの温度を検出するガス温度検出部と、上記ガス温度検出部で検出される燃料ガスの温度が目標温度からの所定範囲内に収まるように、上記第１バイパスラインを通過して上記高温側ラインに供給される上記液体熱媒の流量を調節する第１温度調節部と、を更に備える。

好ましくは、上記混合部は、一端が上記低温側ラインにおいて上記第１バイパスラインの接続箇所よりも上記熱回収部寄りに接続され、かつ他端が上記高温側ラインにおいて上記第１バイパスラインの接続箇所よりも上記熱回収部寄りに接続された、第２バイパスラインを含み、上記高温側ラインにおいて上記第１バイパスラインと上記第２バイパスラインとの間に設けられて、上記液体熱媒の温度を検出する熱媒温度検出部と、上記熱媒温度検出部で検出される上記液体熱媒の温度が所定範囲内の略一定温度に維持されるように、上記第２バイパスラインを通過して上記高温側ラインに混合される上記液体熱媒の流量を調節する第２温度調節部と、を更に備える。

好ましくは、上記燃焼装置は、船舶用のデュアルフューエルエンジンである。

好ましくは、上記高温側ラインにおいて上記第１バイパスラインと上記第２バイパスラインとの間に設けられた温度維持チャンバを更に含んでおり、上記熱媒温度検出部は、上記温度維持チャンバに設けられている。

好ましくは、上記熱回収部は、上記低温側ラインと上記高温側ラインとの間に設けられた熱交換器を含み、当該熱交換器において、前記燃焼装置からの冷却水と前記低温側ラインを流れる熱媒との間で熱交換を行わせるように構成されている。

典型的には、上記燃料ガスは天然ガスであり、上記熱媒は水である。

本発明の第２の側面によれば、液体熱媒温度制御方法液化燃料ガスを気化して燃焼装置に供給するための液化燃料ガス気化システムに用いられる液体熱媒温度制御方法が提供される。当該方法は、液化燃料ガスを液体熱媒で加熱して気化させる気化器と、上記燃焼装置の排熱を回収する熱回収部と、の間で上記液体熱媒を循環させ、上記気化器から排出され、かつ上記熱回収部を通過していない上記液体熱媒を、上記熱回収部を通過した上記液体熱媒に混合し、混合後の上記液体熱媒の温度が所定範囲となるように制御する。

典型的には、上記燃料ガスは天然ガスであり、上記熱媒は水である。

上記液化燃料ガス気化システムは、上記気化器から排出された、相対的に低温である上記液体熱媒を上記熱回収部まで送る低温側ライン、及び、上記熱回収部を通過した、相対的に高温である上記液体熱媒を上記気化器まで送る高温側ライン、を含む熱媒循環ラインと、一端が上記低温側ラインに接続され、かつ他端が上記高温側ラインに接続された第１バイパスラインと、上記気化器から排出される燃料ガスの温度を検出するガス温度検出部と、上記第１バイパスラインを通過して上記高温側ラインに供給される上記液体熱媒の流量を調節する第１温度調節部と、一端が上記低温側ラインにおいて上記第１バイパスラインの接続箇所よりも上記熱回収部寄りに接続され、かつ他端が上記高温側ラインにおいて上記第１バイパスラインの接続箇所よりも上記熱回収部寄りに接続された、第２バイパスラインと、上記高温側ラインにおいて上記第１バイパスラインと上記第２バイパスラインとの間に設けられて、上記液体熱媒の温度を検出する熱媒温度検出部と、上記第２バイパスラインを通過して上記高温側ラインに混合される上記液体熱媒の流量を調節する第２温度調節部と、を更に含んでおり、上記第１温度調節部は、上記ガス温度検出部で検出される燃料ガスの温度が目標温度からの所定範囲内に収まるように、上記第１バイパスラインを通過して上記高温側ラインに供給される上記液体熱媒の流量を調節し、上記第２温度調節部は、上記熱媒温度検出部で検出される上記液体熱媒の温度が所定範囲内の略一定温度に維持されるように、上記第２バイパスラインを通過して上記高温側ラインに混合される上記液体熱媒の流量を調節する。

上記液化燃料ガス気化システムは、上記高温側ラインにおいて上記第１バイパスラインと上記第２バイパスラインとの間に設けられた温度維持チャンバを更に含んでおり、上記熱媒温度検出部は、上記温度維持チャンバに設けられて、当該温度維持チャンバにある上記液体熱媒の温度が所定範囲内の略一定温度に維持されるように、上記第２バイパスラインを通過して上記高温側ラインに混合される上記液体熱媒の流量を調節する。

上記第１温度調節部は、上記燃料ガスの目標温度から±５℃である１５〜５０℃に収まるように、上記第１バイパスラインを通過して上記高温側ラインに供給される上記液体熱媒の流量を調節し、上記第２温度調節部は、上記熱媒温度検出部で検出される上記液体熱媒の温度が２５〜６０℃の範囲内の略一定温度に維持されるように、上記第２バイパスラインを通過して上記高温側ラインに混合される上記液体熱媒の流量を調節する。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

本発明に係る液化天然ガス気化システムの一実施形態を示す概略構成図である。 ガスエンジン稼働時間に対するガス燃料消費量変化の特性を表すグラフである。 ガス燃料消費量に対する気化器から排出される天然ガス温度変化の特性を表すグラフである。 温度調節部の位置を変更した状態を示す概略図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明に係る液化天然ガス気化システムの一実施形態を示している。本実施形態の液化天然ガス気化システムＸ１は、燃料貯槽１と、気化器２と、バッファタンク３と、熱回収部４（熱交換器）と、これらに接続される各ラインとを含んでいる。液化天然ガス気化システムＸ１は、燃焼装置５に燃料ガスを供給する。燃焼装置５は、例えば船舶用エンジンであってよく、船舶内の船底部分に搭載されている。また、燃料ガスは、例えば天然ガスであってよい。なお、以下においては、単純化のために、燃焼装置５が船舶用エンジンであり、燃料ガスが天然ガスであるものとして、説明を進める。

燃料貯槽１は、燃料となる液化天然ガス（ＬＮＧ）を貯蔵するためのものである。燃料貯槽１は、周囲壁が２重とされており、当該２つの周囲壁の間には断熱材が充填されるとともに真空に減圧されて、外気からの侵入熱を遮断する構造になっている。燃料貯槽１には、ＬＮＧが−１６０℃以下の温度で貯蔵されている。詳細は後述するが、燃料貯槽１は、気化器２においてＬＮＧが気化して生じた天然ガスを、ガスライン６７を通じて０．７ＭＰａＧ程度に加圧された状態で受け入れている。

燃料貯槽１の下部には、燃料供給ライン６１が接続されている。燃料供給ライン６１は、燃料貯槽１から送り出されるＬＮＧを気化器２に移送するための流路である。燃料供給ライン６１には、遮断弁６１１が設けられている。

燃料貯槽１の上部には、ガス抜き出しライン６１２が接続されている。ガス抜き出しライン６１２は、燃料貯槽１へＬＮＧを補充する際、燃料貯槽１内の空間部のガスを抜き出して燃料供給ライン６１に流すものである。ガス抜き出しライン６１２には、遮断弁６１３が設けられている。

気化器２は、液体熱媒（以下、単に「熱媒」という）を加熱源として、ＬＮＧを蒸発気化するためのものである。気化器２は、熱媒容器２１と、熱媒容器２１の内部に配置された伝熱管２２，２３とを含んでいる。

熱媒容器２１は、伝熱管２２内のＬＮＧを加熱気化するための熱媒を収容するための密閉状容器である。熱媒は補充可能である。当該熱媒としては、例えば水が挙げられる。

本実施形態において、熱媒容器２１は、ディスク状の底板２１１の上に略釣鐘状の容器体２１２が載った構造をしており、容器体２１２と底板２１１とはシール用ガスケットを挟んでボルトで一体化固定されている。このような構成によれば、高圧ガスや船舶に関する法律や規則などで要求されている定期的な検査を行う場合、熱媒を抜き出してボルトを外せば釣鐘状の容器体２１２はＬＮＧの配管（燃料供給ライン６１）や熱媒の配管（後述の熱媒循環ライン６２，６３等）を外すことなく上部に単純に引き上げるだけで、伝熱管２２，２３を直接検査できるようになる。

熱媒容器２１には、熱媒循環ライン６２，６３が接続されている。熱媒循環ライン６２，６３は、気化器２と熱回収部４との間で熱媒を循環させる。熱媒循環ライン６２は、熱媒容器２１の底板２１１に接続されており、熱回収部４を通過した熱媒を熱媒容器２１（気化器２）まで送る流路である。熱媒循環ライン６３は、熱媒容器２１の底板２１１に接続されており、かつ底板２１１をシールされた状態で貫通するオーバーフロー管２４につながっている。熱媒循環ライン６２を介して供給されることにより熱媒容器２１の内部を通過した熱媒は、オーバーフロー管２４を介して熱媒循環ライン６３に排出される。詳細は後述するが、熱媒容器２１から排出される熱媒は、熱回収部４において再加熱され、再び熱媒容器２１（気化器２）に供給されて循環利用される。なお、熱媒循環ライン６２には循環用ポンプ６２１が設けられている。

熱回収部４を通過し、熱媒循環ライン６２を流れる熱媒は、相対的に高温である。熱媒容器２１（気化器２）を通過し、熱媒循環ライン６３を流れる熱媒は、相対的に低温である。従って、熱媒循環ライン６２は、高温側ラインと呼ぶこともでき、熱媒循環ライン６３は、低温側ラインと呼ぶこともできる。

本実施形態において、熱媒循環ライン６２，６３には、２本のバイパスライン７１，７２が接続されている。各バイパスライン７１，７２は、一端が熱媒循環ライン６３（低温側ライン）に接続されており、他端が熱媒循環ライン６２（高温側ライン）に接続されている。各バイパスライン７１，７２は、熱回収部４を通過した熱媒に、気化器２から排出され、かつ熱回収部４を通過していない熱媒を混合するための流路である。ここで、バイパスライン７１，７２を流れる熱媒の温度は、熱媒循環ライン６２を流れる熱媒の温度よりも低い。バイパスライン７２の熱媒循環ライン６３に対する接続箇所は、バイパスライン７１の熱媒循環ライン６３に対する接続箇所よりも熱回収部４寄りである。また、バイパスライン７２の熱媒循環ライン６２に対する接続箇所は、バイパスライン７１の熱媒循環ライン６２に対する接続箇所よりも熱回収部４寄りである。

本実施形態において、熱媒循環ライン６２に対するバイパスライン７１の接続箇所には、温度調節部７３が設けられている。温度調節部７３は、バイパスライン７１を通過して熱媒循環ライン６２に混合される熱媒の流量を調整するものであり、例えば三方弁を含む。温度調節部７３は、後述するガス温度検出部６４１で検出される天然ガスの温度に基づいて、バイパスライン７１を通過して熱媒循環ライン６２（高温側ライン）に混合される熱媒の流量を調節する。

また、本実施形態において、熱媒循環ライン６２に対するバイパスライン７２の接続箇所には、温度調節部７４が設けられている。温度調節部７４は、バイパスライン７２を通過して熱媒循環ライン６２に混合される熱媒の流量を調整するものであり、例えば三方弁を含む。本実施形態において、温度調節部７４は、熱媒温度検出部６２２で検出される熱媒温度が所定の範囲に収まるようにバイパスライン７２を通過して熱媒循環ライン６２（高温側ライン）に混合される熱媒の流量を調節する。熱媒温度検出部６２２は、熱媒循環ライン６２においてバイパスライン７２（追加のバイパスライン）との接続箇所およびバイパスライン７１との接続箇所の間に設けられている。本実施形態において、熱媒循環ライン６２におけるバイパスライン７２との接続箇所およびバイパスライン７１との接続箇所の間には、温度維持チャンバ６２３が設けられている。当該温度維持チャンバ６２３内には所定量の熱媒が収容されており、熱媒温度検出部６２２は、温度維持チャンバ６２３内の熱媒の温度を検出する。

伝熱管２２は、熱媒容器２１内に導入されるＬＮＧが流れる流路であり、例えばコイル状に巻かれている。伝熱管２２の上流側端は、熱媒容器２１の底板２１１を貫通して燃料供給ライン６１につながっている。熱媒容器２１の底板２１１にはまた、ガスライン６４が接続されている。伝熱管２２の下流側端は、底板２１１を貫通してガスライン６４につながっている。

伝熱管２２内のＬＮＧは、周囲にある熱媒により加熱されて蒸発気化し、気化した天然ガスが、熱媒容器２１の外部に通じるガスライン６４に排出される。ガスライン６４の下流側端は、バッファタンク３につながっている。伝熱管２２において気化した天然ガスは、ガスライン６４を介してバッファタンク３に送り込まれる。

ここで、熱媒として水を用いる場合、熱媒容器２１（気化器２）の内部においては、例えば２０〜６０℃の温度範囲の水が満たされた状態で流れている。伝熱管２２内において気化した天然ガスは、例えば１５〜５０℃、好ましくは２０〜４５℃の温度範囲まで加温されて、０．７０ＭＰａＧ程度の圧力でガスライン６４に排出される。

本実施形態において、ガスライン６４における熱媒容器２１（気化器２）寄りの部位には、ガス温度検出部６４１が設けられている。ガス温度検出部６４１は、気化器２から排出された天然ガスの温度を検出するものである。

伝熱管２３は、熱媒容器２１内に導入されるＬＮＧが流れる流路であり、例えばコイル状に巻かれている。伝熱管２３は、気化した天然ガスにより燃料貯槽１内部の空間部分の圧力を高める。伝熱管２３の上流側端は、熱媒容器２１の底板２１１を貫通して燃料供給ライン６６につながっている。燃料供給ライン６６は、燃料供給ライン６１の途中から分岐している。燃料供給ライン６６には、遮断弁６６１が設けられている。熱媒容器２１の底板２１１にはまた、ガスライン６７が接続されている。伝熱管２３の下流側端は、底板２１１を貫通してガスライン６７につながっている。ガスライン６７には、圧力制御弁６７１が設けられている。

伝熱管２３において気化した天然ガスは、ガスライン６７を通じて燃料貯槽１に送られる。ガスライン６７内ではガス圧力が例えば０．７５ＭＰａＧまで加圧される。この加圧圧力は、燃料貯槽１からのＬＮＧ供給圧力となり、内燃機関である船舶用ガスエンジン５（ディーゼルエンジン）に必要なガス燃料供給圧力源となる。

バッファタンク３は、天然ガスを収容可能な密閉状容器である。バッファタンク３は、ガスライン６４で送り込まれた天然ガス燃料について後段の燃焼装置５（船舶用ガスエンジン）の消費ガス量の負荷変動を吸収するために用いられる。例えば燃焼装置が内燃機関の場合、バッファタンク３により天然ガスを貯留する構成は負荷変動を吸収する上で有効である。バッファタンク３にはガスライン６５が接続されている。ガスライン６５には、圧力制御弁６５１が設けられている。この圧力制御弁６５１において、ガスライン６５を流れる天然ガスが後段の船舶用ガスエンジン５での消費に適した圧力まで減圧される。

ガスライン６５を経た天然ガスは、船舶用ガスエンジン５に供給される。船舶用ガスエンジン５は、例えばデュアルフューエルエンジン（２元燃料ディーゼルエンジン）であり、重油などの液体燃料で起動された後、液体燃料モードからガス燃料モードに切り替えられると、ガス燃料が供給される。船舶用ガスエンジン５に供給されるガス燃料は、ガバナ５１（調速機）を通じて当該船舶用ガスエンジン５の出力に見合う消費量で燃焼させられる。

船舶用ガスエンジン５は、運転中常時、冷却水ポンプ６８１もしくはエンジン駆動式ポンプ６８２（エンジン５により駆動）でエンジン冷却水を循環させながら冷却されている。当該エンジン冷却水は、定常運転状態において、排熱回収および冷却を繰り返しながら５５〜９０℃の温度範囲で循環している。船舶用ガスエンジン５を出たエンジン冷却水は、冷却水循環ライン６８を通って冷却水温度検出部６８３で温度検出されながら熱回収部４に導入される。

熱回収部４は、船舶用ガスエンジン５の排熱を熱媒により回収するためのものである。本実施形態において、熱回収部４は、間接式熱交換器で構成されている。熱回収部４においては、気化器２から排出されて熱媒循環ライン６３を流れる熱媒と、冷却水循環ライン６８を流れるエンジン冷却水とが熱交換され、船舶用ガスエンジン５の排熱が熱媒に回収されていく。

熱回収部４で除熱されたエンジン冷却水は、クーラー６８４で海水によってさらに冷却され、冷却用温調弁６８５で調節されながら、冷却水バイパスライン６８６を流れるエンジン冷却水の一部と混合し、冷却水ポンプ６８１もしくはエンジン駆動式ポンプ６８２で再び昇圧されて船舶用ガスエンジン５に送入される。

次に、液化天然ガス気化システムＸ１の稼働時において、気化器２および熱回収部４の間で循環する熱媒の温度制御方法について説明する。

気化器２から排出されて熱媒循環ライン６３を流れる熱媒は、気化器２において伝熱管２２内のＬＮＧないし気化した天然ガスとの熱交換により、相対的に低温となっている。この熱媒循環ライン６３を流れる熱媒は、熱回収部４を通過することにより船舶用ガスエンジン５の排熱を回収して熱媒温度が上昇した後、温度維持チャンバ６２３内に一旦収容される。温度維持チャンバ６２３内の熱媒温度が熱媒温度検出部６２２により検出され、この熱媒温度が一定温度となるように、熱媒循環ライン６３を流れる熱媒の一部がバイパスライン７２を介して温度調節部７４により流量が調整されて熱媒循環ライン６２内の熱媒に混合される。このようにして、実質的に一定温度の熱媒（以下、適宜「基本温度熱媒」という）が作られる。本実施形態では、温度維持チャンバ６２３に収容された熱媒が基本温度熱媒である。基本温度熱媒の温度は、例えば２５〜６０℃の温度範囲において所定温度に設定される。

温度調節部７４を用いて一定温度になった基本温度熱媒に対しては、その下流側に位置する温度調節部７３により、気化器２から排出されて温度の下がった熱媒（熱媒循環ライン６３を流れる熱媒）の一部がバイパスライン７１を介して混合される。かかる混合の程度は、混合後の熱媒温度が上記基本温度熱媒の設定温度よりも低下して、ガス温度検出部６４１における検出温度が目標温度となるように調節される。上記混合後の熱媒温度は、例えば２０〜６０℃の温度範囲において所定温度に調節される。

本実施形態において、温度調節部７４および温度調節部７３による低温熱媒の混合は、循環用ポンプ６２１の上流側で行われる。このことは、循環用ポンプ６２１の特性を利用して混合後の熱媒量を定量化するうえで有効である。例えば船舶用ガスエンジン５の出力が１，２００ｋｗで、天然ガス燃料の供給について約４００ｋｇ／ｈの気化能力を有する気化器２の場合には、１５ｍ³／ｈ以上の熱媒循環量が適当である。

一方、燃料貯槽１から気化器２（伝熱管２２）に流れるＬＮＧの流量は、船舶用ガスエンジン５におけるガス燃料の消費量によって決定される。船舶用ガスエンジン５の負荷変動があると、それに対応してガス燃料消費量も変動する。

伝熱管２２の内部では、例えば圧力が０．７ＭＰaＧの場合、約−１３０℃のＬＮＧが気化して、その後１５〜５０℃の温度範囲、好ましくは２０〜４５℃の温度範囲まで昇温される。本実施形態において、気化器２から排出される天然ガスの温度は、気化器２の近傍のガス温度検出部６４１で検出される。そして、気化器２から排出される天然ガスの検出温度が船舶用ガスエンジン５に供給するのに適した燃料ガスの温度範囲（例えば２５±５℃から４０±５℃）内の目標温度となるように、熱媒循環ライン６２を介して気化器２に供給される熱媒の温度が制御される。

次に、図２を参照して、船舶用ガスエンジン５の稼働時間に対するガス燃料消費量の変化特性について説明する。まず、船舶用ガスエンジン５（２元燃料ディーゼルエンジン）が起動して液体燃料モードで運転された後、ガスエンジンの運転に移行すべく液体燃料モードからガス燃料モードになる。そのとき、図２の左端の立ち上がり線のように約３０秒間でガス燃料消費量が０から１００％に切り替わる。この切り替わりにより、液体燃料モードで既にエンジン冷却水が冷却水循環ライン６８を循環し、クーラー６８４で海水によって冷却されていた状態から、熱回収部４において熱媒が排熱を回収する状態に変化する。この熱回収部４による排熱回収の機能は、ガス燃料消費量が増加するに従って、液化天然ガスの気化熱に相当する熱量が熱媒からより多く奪われ、気化器２から戻ってくる熱媒温度が下がり始めることによって、自動的にエンジン冷却水からより多くの排熱を回収する状態に変化する。

また、ガス燃料消費量が増加すると、気化器２から排出される天然ガスの温度をガス温度検出部６４１により検知して、温度調節部７３が、気化器２から出てくる温度が低下した熱媒の混合量を減らす動作をする。それによって、ＬＮＧの気化量の増加に追随して、気化器２に向けて循環させられる熱媒の温度が上がり加熱容量が増加する。したがって、熱媒循環ライン６２，６３では、常に温度調節部７４が温度維持チャンバ６２３内の熱媒温度を検知して作動し、２５〜６０℃の温度範囲内の所定温度に設定して基本温度熱媒を用意しておかなければならない。

上述のガス燃料消費量（エンジン負荷）が１００％まで上昇する動作とは逆にエンジン負荷が下がり、ガスエンジンのガス燃料消費量が減少すると、図２に示したように１００％のガス燃料消費量がエンジン負荷の低下に伴い、最低で１９％のガス燃料消費量（エンジン負荷では１５％に相当）にまで下がるときがある。このとき、液化天然ガス気化システムＸ１においては、温度調節部７４により基本温度熱媒を用意する動作を常にしているので、ＬＮＧの気化熱の消費量が減少しても基本温度熱媒の温度は変わることがない。したがって、ガス燃料消費量が減少しても気化器２から排出される天然ガスの温度が基本温度熱媒の温度よりも高くなることはないので、温度調節部７３の制御が不調になっても安全である。これはガスエンジン（船舶用ガスエンジン５）がガス燃料モードから液体燃料モードに切り替わり、船舶が停船状態に入った場合でも上記と同様の動作が行われる。以上のように、液化天然ガス気化システムＸ１が稼働すると、気化器２から排出される天然ガスの温度を常にガスエンジンが必要とする目標温度に維持しようとする動作が実行される。

気化器２は、熱媒を収容する熱媒容器２１の内部にコイル状の伝熱管２２を浸したような状態でセットされた構造を有している。熱媒容器２１の下部から流入した熱媒は、当該熱媒容器２１の内壁に沿って周回しながら上昇し、熱媒容器２１の上部から中央を貫通するオーバーフロー管２４を通り外部の熱媒循環ライン６３に流れ出る。ガス燃料消費量、すなわち気化ガス量がどのように負荷変動しても、気化器２の大きさは定まっているので熱媒容器２１内の伝熱管２２によって形成される全伝熱面積は一定である。したがって、ガス燃料消費量が小さくなると、伝熱管２２からエンジン５に送り出される気化天然ガスの量が減る（すなわち、伝熱管２２に残る気化天然ガスの量が増える）ので、伝熱管２２における蒸発部（ＬＮＧあるいはＬＮＧと気化ガスが混在する領域）の伝熱面積が減少し、ガス加温部（気化天然ガスのみが存在する領域）の伝熱面積が増加する。これに対して、気化器２（熱媒容器２１）に収容される熱媒の量はガス燃料消費量に関係なく一定である。したがって、ガス燃料消費量の負荷が小さくなると、気化器２内での冷却による熱媒の温度降下の程度が小さくなり、熱媒と伝熱管２２内のＬＮＧとの温度差は大きくなり、伝熱が進んで気化器２から排出される気化天然ガスの温度は上昇する。一方、ガス燃料消費量が大きくなると、蒸発部の伝熱面積が増加してガス加温部の伝熱面積は減少する。それと同時に、熱媒の温度降下程度が大きくなり、熱媒と伝熱管２２内のＬＮＧとの温度差が縮まり、伝熱が遅くなって気化器２から排出される天然ガスの温度は低下する。本発明は、ガス燃料消費量が変動する際、一定容量の気化器２におけるこのような特性に着目してなされたものである。

次に、図３を参照して、ガス燃料消費量に対する気化器２から排出される天然ガス温度の変化特性について説明する。図３は、１，２００ｋｗの出力の船舶用ガスエンジン５に適合できるように、気化器２におけるＬＮＧの気化能力を約４００ｋｇ／ｈとし、循環用ポンプ６２１の揚量を２０ｍ³／ｈとした場合において、ガス燃料消費量に対する気化器２から排出される天然ガスの温度変化を表したものである。図３においては、熱媒温度（基本温度熱媒の温度）が異なる５例を示しており、それぞれの曲線は、温度調節部７３で各所定温度に調節した基本温度熱媒を気化器２に送入したときに、ガスエンジンの負荷変動によって変わるガス燃料消費量に対して気化器２から排出される天然ガスの温度がどのように変化をするかを表したものである。図３においては、基本温度熱媒の温度が４５℃の場合、４０℃の場合、３５℃の場合、３０℃の場合、２５℃の場合をそれぞれ示している。ガスエンジンの負荷は、通常最大の負荷率を１００％とすると最小の負荷率は１５％であり、それに相当するガス燃料消費量の負荷率は最大を１００％とすると最小は１９％になる。したがって、最大のガス燃料消費量を約４００ｋｇ／ｈとすると最小は約７６ｋｇ／ｈとなる。

まず、図３に示されたうちの一例として、４５℃の基本温度熱媒を２０ｍ³／ｈの流量にて気化器２に流すと、ガス燃料消費量が最も少ない場合（燃料負荷率１９％、エンジン負荷率１５％）には、気化器２から排出される天然ガスの温度は熱媒温度とほぼ同じ約４５℃である。しかし、ガス燃料消費量が増加し、気化ガス量が増加していくと、最大の燃料負荷率１００％のときには気化器２から排出される天然ガスの温度は３４℃まで降下する。このとき、気化器２から排出される熱媒の温度については、気化器２内で冷却されて約４１℃まで下がっている。

したがって、ガスエンジンのガス燃料温度の目標値を４０℃にしたいときには、温度調節部７４で基本温度熱媒の温度を４５℃に調節するとともに、ガスエンジン負荷の変化にともなって変わるガス燃料消費量、即ち気化器２から排出される天然ガスの温度を検知しながら、気化器２から排出される天然ガスの温度（ガス温度検出部６４１での検出温度）が４０℃となるように、温度調節部７３においてバイパスライン７１を流れる熱媒（相対的に低温である熱媒）の混合量を増減すればよい。ガス燃料消費量が最低（燃料負荷率１９％）である場合、温度調節部７３により混合後の熱媒が約４０℃となるように調節され、ガス燃料消費量が最大（燃料負荷率１００％）である場合、気化器２に供給される熱媒の温度が約４５℃となるように温度調節部７３を調節する（具体的には、バイパスライン７１を介しての低温側熱媒の混合を停止する）。このとき、ガス燃料消費量が急激に１００％まで増大しても、気化器２から排出される天然ガスの温度は３４℃を下回ることがなく、また、ガス燃料消費量が急激に減少しても、気化器２から排出される天然ガスの温度は、基本温度熱媒の温度である４５℃を上回ることがない。その結果、ガス燃料温度の目標値４０℃±５℃は、ほぼ達成できることになる。

また、ガスエンジンのガス燃料温度の目標値を２７℃としたいときには、温度調節部７４で基本温度熱媒の温度を３５℃に調節し、温度調節部７３による温度の低い熱媒の混合量を増減して、気化器２から排出される天然ガスの温度が２７℃になるように調節すればよい。ガス燃料消費量が最低（燃料負荷率１９％）である場合、温度調節部７３により混合後の熱媒が約２７℃となるように調節され、ガス燃料消費量が最大（燃料負荷率１００％）である場合、気化器２に供給される熱媒の温度が約３５℃となるように温度調節部７３が調節される。この結果、ガス燃料消費量が急激に１００％まで増大しても、気化器２から排出される天然ガスの温度は２０℃を下回ることがなく、また、ガス燃料消費量が急激に減少しても、気化器２から排出される天然ガスの温度は３５℃を上回ることがない。したがって、ガス燃料温度の目標値２７℃±５℃は、ほぼ達成できることになる。

以上から理解されるように、温度調節部７４の調節により基本温度熱媒を用意することは有用であり、気化器２から排出される天然ガスの温度を決定させるために有効な働きをする。図３においては５例の基本温度熱媒の温度による曲線しか示していないが、本発明による技術は基本温度熱媒が２５℃から６０℃の温度範囲であればいずれの温度でも操作が可能であり、ガスエンジンには安定した温度のガス燃料が供給できる。

以上のように、基本温度熱媒の温度は２５℃から６０℃の温度範囲のいずれかの温度で設定しておく必要がある。それは気化器２から排出される天然ガス（ガス燃料）の目標温度が決まれば、ガス燃料消費量の変化に応じて気化器２から排出される天然ガスの温度がどのように変化するかを想定して、ガス燃料消費量が最も多い１００％負荷率の場合のガス温度と基本温度熱媒の温度との算術平均値がガス燃料温度の目標値となる。図３に示した一例に基づくと、基本温度熱媒の温度が４５℃の場合、ガス燃料消費量が最大１００％負荷率の場合のガス温度は３４℃であり、当該ガス温度（３４℃）と基本温度熱媒の温度（４５℃）との算術平均値は、約４０℃となる。温度調節部７３の応答性がよい場合、このようにガス燃料の目標温度を設定して、上述した制御を行うことにより、実際のガス燃料の温度をガス燃料の目標温度±５℃の範囲にほぼ収めることができる。

ここで、エンジン負荷が変動してもエンジン冷却水温度の高低幅が小さく安定している場合には、熱回収部４で回収する熱量変化が小さくなり、基本温度熱媒の温度は２５℃から６０℃の温度範囲内でほぼ一定となり変化幅も小さくなる。また、気化器２を循環する熱媒量が多い場合には、ガス燃料消費量の変化が大きくても、気化器２における熱媒温度の変化幅が小さくなり、温度調節部７３のみでも気化器２から排出される天然ガスの温度を安定して調節することが可能となる。そのような場合には、温度調節部７４の動作を停止するか、あるいは温度調節部７４を無くす事ができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の範囲は上記した実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した事項の範囲内でのあらゆる変更は、すべて本発明の範囲に包摂される。

例えば、気化器の構造については、図１に記載された熱媒槽式気化器に限られたものではなく、熱媒を循環させて液化天然ガスを気化させることができる気化器であれば、いかなる構造を採用してもよい。

また、温度調節部７３，７４の取り付け位置については、熱媒の混合点が循環用ポンプ６２１の近傍であれば、図４に示すように温度調節部７３，７４の位置を変更して当該温度調節部７３，７４により熱媒の流れ方向を変えるように構成してもよい。

Ｘ１ 液化天然ガス気化システム
１ 燃料貯槽
２ 気化器
２１ 熱媒容器
２１１ 底板
２１２ 容器体
２２ 伝熱管
２３ 伝熱管
２４ オーバーフロー管
３ バッファタンク
４ 熱回収部（熱交換器）
５ 船舶用ガスエンジン
５１ ガバナ
６１ 燃料供給ライン
６１１ 遮断弁
６１２ ガス抜き出しライン
６１３ 遮断弁
６２ 熱媒循環ライン（高温側ライン）
６２１ 循環用ポンプ
６２２ 熱媒温度検出部
６２３ 温度維持チャンバ
６３ 熱媒循環ライン（低温側ライン）
６４ ガスライン
６４１ ガス温度検出部
６５ ガスライン
６５１ 圧力制御弁
６６ 燃料供給ライン
６６１ 遮断弁
６７ ガスライン
６７１ 圧力制御弁
６８ 冷却水循環ライン
６８１ 冷却水ポンプ
６８２ エンジン駆動式ポンプ
６８３ 冷却水温度検出部
６８４ クーラー
６８５ 冷却用温調弁
６８６ 冷却水バイパスライン
７１ バイパスライン（第１バイパスライン）
７２ バイパスライン（第２バイパスライン）
７３ 温度調節部（第１温度調節部）
７４ 温度調節部（第２温度調節部）

Claims (9)

1. 液化燃料ガスを気化して燃焼装置に供給するための液化燃料ガス気化システムであって、
   液化燃料ガスを液体熱媒で加熱して気化させる気化器と、
   上記燃焼装置の排熱を上記液体熱媒により回収する熱回収部と、
   上記熱回収部と上記気化器の間で上記液体熱媒を循環させるための熱媒循環ラインと、を備え、
   上記熱媒循環ラインには、上記気化器から排出され、かつ上記熱回収部を通過していない上記液体熱媒を、上記熱回収部を通過した上記液体熱媒に混合する混合部が設けられており、
   上記熱媒循環ラインは、上記気化器から排出された、相対的に低温である上記液体熱媒を上記熱回収部まで送る低温側ラインと、上記熱回収部を通過した、相対的に高温である上記液体熱媒を上記気化器まで送る高温側ラインと、を含み、
   上記混合部は、一端が上記低温側ラインに接続され、かつ他端が上記高温側ラインに接続された第１バイパスラインと、一端が上記低温側ラインにおいて上記第１バイパスラインの接続箇所よりも上記熱回収部寄りに接続され、かつ他端が上記高温側ラインにおいて上記第１バイパスラインの接続箇所よりも上記熱回収部寄りに接続された、第２バイパスラインと、を含み、
   上記気化器から排出される燃料ガスの温度を検出するガス温度検出部と、
   上記ガス温度検出部で検出される燃料ガスの温度が目標温度からの所定範囲内に収まるように、上記第１バイパスラインを通過して上記高温側ラインに供給される上記液体熱媒の流量を調節する第１温度調節部と、
   上記高温側ラインにおいて上記第１バイパスラインと上記第２バイパスラインとの間に設けられて、上記液体熱媒の温度を検出する熱媒温度検出部と、
   上記熱媒温度検出部で検出される上記液体熱媒の温度が所定範囲内の略一定温度に維持されるように、上記第２バイパスラインを通過して上記高温側ラインに混合される上記液体熱媒の流量を調節する第２温度調節部と、を更に備える、液化燃料ガス気化システム。
2. 上記高温側ラインにおいて上記第１バイパスラインと上記第２バイパスラインとの間に設けられた温度維持チャンバを更に含んでおり、
   上記熱媒温度検出部は、上記温度維持チャンバに設けられている、請求項１に記載の液化燃料ガス気化システム。
3. 上記燃焼装置は、船舶用のデュアルフューエルエンジンである、請求項１または２に記載の液化燃料ガス気化システム。
4. 上記熱回収部は、上記低温側ラインと上記高温側ラインとの間に設けられた熱交換器を含み、当該熱交換器において、前記燃焼装置からの冷却水と前記低温側ラインを流れる上記液体熱媒との間で熱交換を行わせるように構成されている、請求項１ないし３のいずれかに記載の液化燃料ガス気化システム。
5. 上記燃料ガスは天然ガスである、請求項１ないし４のいずれかに記載の液化燃料ガス気化システム。
6. 上記液体熱媒は水である、請求項１ないし５のいずれかに記載の液化燃料ガス気化システム。
7. 液化燃料ガスを気化して燃焼装置に供給するための液化燃料ガス気化システムにおいて、
   液化燃料ガスを液体熱媒で加熱して気化させる気化器と、上記燃焼装置の排熱を回収する熱回収部と、の間で上記液体熱媒を循環させ、
   上記気化器から排出され、かつ上記熱回収部を通過していない上記液体熱媒を、上記熱回収部を通過した上記液体熱媒に混合して、混合後の上記液体熱媒の温度が所定範囲内となるように制御し、
   燃料ガスは天然ガスであり、上記液体熱媒は水であり、
   上記液化燃料ガス気化システムは、上記気化器から排出された、相対的に低温である上記液体熱媒を上記熱回収部まで送る低温側ライン、及び、上記熱回収部を通過した、相対的に高温である上記液体熱媒を上記気化器まで送る高温側ライン、を含む熱媒循環ラインと、
   一端が上記低温側ラインに接続され、かつ他端が上記高温側ラインに接続された第１バイパスラインと、
   上記気化器から排出される燃料ガスの温度を検出するガス温度検出部と、
   上記第１バイパスラインを通過して上記高温側ラインに供給される上記液体熱媒の流量を調節する第１温度調節部と、
   一端が上記低温側ラインにおいて上記第１バイパスラインの接続箇所よりも上記熱回収部寄りに接続され、かつ他端が上記高温側ラインにおいて上記第１バイパスラインの接続箇所よりも上記熱回収部寄りに接続された、第２バイパスラインと、
   上記高温側ラインにおいて上記第１バイパスラインと上記第２バイパスラインとの間に設けられて、上記液体熱媒の温度を検出する熱媒温度検出部と、
   上記第２バイパスラインを通過して上記高温側ラインに混合される上記液体熱媒の流量を調節する第２温度調節部と、を更に含んでおり、
   上記第１温度調節部は、上記ガス温度検出部で検出される燃料ガスの温度が目標温度からの所定範囲内に収まるように、上記第１バイパスラインを通過して上記高温側ラインに供給される上記液体熱媒の流量を調節し、
   上記第２温度調節部は、上記熱媒温度検出部で検出される上記液体熱媒の温度が所定範囲内の略一定温度に維持されるように、上記第２バイパスラインを通過して上記高温側ラインに混合される上記液体熱媒の流量を調節する、液化燃料ガス気化システムの液体熱媒温度制御方法。
8. 上記液化燃料ガス気化システムは、上記高温側ラインにおいて上記第１バイパスラインと上記第２バイパスラインとの間に設けられた温度維持チャンバを更に含んでおり、
   上記熱媒温度検出部は、上記温度維持チャンバに設けられて、当該温度維持チャンバにある上記液体熱媒の温度が所定範囲内の略一定温度に維持されるように、上記第２バイパスラインを通過して上記高温側ラインに混合される上記液体熱媒の流量を調節する、請求項７に記載の液体熱媒温度制御方法。
9. 上記第１温度調節部は、上記燃料ガスの目標温度から±５℃である１５〜５０℃に収まるように、上記第１バイパスラインを通過して上記高温側ラインに供給される上記液体熱媒の流量を調節し、
   上記第２温度調節部は、上記熱媒温度検出部で検出される上記液体熱媒の温度が２５〜６０℃の範囲内の略一定温度に維持されるように、上記第２バイパスラインを通過して上記高温側ラインに混合される上記液体熱媒の流量を調節する、請求項７または８に記載の液体熱媒温度制御方法。

Images