JP6665383B2

JP6665383B2 - 燃料ガス供給システム及び燃料ガス供給方法

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Publication number: JP6665383B2
Application number: JP2016078747A
Authority: JP
Inventors: 林　弘能; 弘能林; 貴士渡邉; 伸哉湯浅
Original assignee: Mitsui E&S Machinery Co Ltd
Current assignee: Mitsui E&S Machinery Co Ltd
Priority date: 2016-01-14
Filing date: 2016-04-11
Publication date: 2020-03-13
Anticipated expiration: 2036-04-11
Also published as: JP2017129112A

Description

本発明は、船舶の推進エンジンに液化ガスのボイルオフガスを燃料ガスとして供給する燃料ガス供給システム及び燃料ガス供給方法に関する。

ＬＮＧ運搬船においては、液化天然ガスを貯留するＬＮＧタンク内で液化天然ガスが自然に気化したボイルオフガスが発生する。このボイルオフガスを燃料ガスとして船舶の推進エンジンに供給することが行われている。

ボイルオフガスのような低圧の流体を高圧の流体とするために、多段圧縮機を用いてボイルオフガスを圧縮することが行われる。多段圧縮機は、例えば直列接続された複数の圧縮機からなる(特許文献１)。
さらに、ボイルオフガスを多段のガスコンプレッサを用いて約３０ＭＰａまで加圧して、エンジン（ＭＣ−ＧＩエンジン）のガス噴射弁に供給することも知られている（非特許文献１）。

特開平８−２１９０８８号公報

「大型ガスインジェクションディーゼル機関（ＭＣ−ＧＩ機関）の実績」、福田哲吾他、Journal of the JIME Vol.36, No.9, pp.64-70

上記エンジン（ＭＣ−ＧＩエンジン）は、陸上発電用エンジンであり、基本的に略一定負荷の運転を前提とした低速ディーゼルエンジンであり、多段のガスコンプレッサも略一定の燃料ガスを供給すればよい。
一方、このような多段のガスコンプレッサを船舶推進用の低速ディーゼルエンジンに適用した場合、このエンジンの負荷は急速に変化するため、多段のコンプレッサの運転も急激に変化する必要がある。例えば、操船による減速、加速、旋回によって、あるいは、気象、海象の風、波高等の自然状況の変化によって、船舶のプロペラの負荷トルクは変動し、エンジンはこの変動を直接受け、エンジンの運転負荷は急激に変化する。このエンジン負荷の急激な変化によって、エンジンに供給する燃料ガスの加圧を司る多段のガスコンプレッサの動作も急激に変化させなければならない。このように、エンジン負荷が急激に低下することにより、ガスコンプレッサの駆動速度も急激に低下させるとき、ガスコンプレッサの制御に時間がかかるため、ガスコンプレッサの吐出側の圧力が異常に上昇し、安全弁が開く場合がある。この安全弁の開放は、圧力の制御外乱を引き起こし、圧力の制御が不安定になる虞がある。さらに、異常に高くなった吐出側の圧力により、高温の燃料ガスがガスコンプレッサの上流側に逆流し、その結果、上流側の低温雰囲気にある機器（例えば、熱交換器やカーゴタンク）の耐久性が低下し、さらには、機器の破損に繋がる虞がある。

そこで、本発明は、液化ガスのボイルオフガスをガスコンプレッサで加圧して船舶の推進エンジンに燃料ガスとして供給するとき、ガスコンプレッサの吐出側の圧力の上昇を抑制することができる、燃料ガス供給システム及び燃料ガス供給方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、船舶の推進エンジンに液化ガスのボイルオフガスを燃料ガスとして供給する燃料ガス供給システムである。当該燃料ガス供給システムは、
液化ガスのボイルオフガスを、船舶を推進させる推進エンジンに供給するために、前記ボイルオフガスを圧縮し前記推進エンジンの側に流す、直列に設けられた複数のガスコンプレッサと、
前記ガスコンプレッサのそれぞれに付随するように、前記ボイルオフガスの前記推進エンジンへの供給方向における、前記ガスコンプレッサの上流側に設けられ、前記ガスコンプレッサの圧縮室に向けて前記ボイルオフガスを供給する低圧ガス流路と、前記供給方向における、前記ガスコンプレッサの下流側に設けられ、前記ガスコンプレッサの圧縮室で圧縮された前記ボイルオフガスを前記推進エンジンに向けて供給する高圧ガス流路と、前記低圧ガス流路と前記高圧ガス流路とを、前記ガスコンプレッサを経由することなく繋ぐバイパス管と、前記バイパス管における前記ボイルオフガスの流量を調整する調整バルブと、を備える調整機構と、
前記バイパス管における前記ボイルオフガスの流量を調整するために、前記調整バルブの開度を制御する制御装置と、を有する。
前記ガスコンプレッサのうち、前記推進エンジンへ燃料ガスとして供給する前記ボイルオフガスの流れ方向の最下流に位置する第１ガスコンプレッサよりも上流側に位置する第２ガスコンプレッサのバイパス管に設けられる調整バルブの開度を制御する開度指令値は、前記第１ガスコンプレッサのバイパス管に設けられる調整バルブの開度を制御する第１指令値を、前記第２ガスコンプレッサの高圧ガス流路における前記ボイルオフガスの圧力と目標圧力との間の圧力差に応じて生成される第２指令値に重み加算した値である。

前記第１指令値は、前記第１ガスコンプレッサが供給する前記ボイルオフガスの圧力が、前記推進エンジンが要求する燃料供給圧力に一致するように設定された値である、ことが好ましい。

前記第２指令値は、前記高圧ガス流路における前記ボイルオフガスの圧力を目標圧力に一定に維持するように設定された値である、ことが好ましい。

前記重み加算に用いる重み付け係数は、前記高圧ガス流路における前記ボイルオフガスの圧力が、前記高圧ガス流路に設けられる安全弁の開放圧力未満になるように設定された値を有する、ことが好ましい。

前記ガスコンプレッサのうち、前記ボイルオフガスの流れ方向の最上流に位置する第３ガスコンプレッサに付随する高圧ガス流路と、前記第３ガスコンプレッサに対して下流側に隣接する第４ガスコンプレッサに付随する低圧ガス流路のとの間に、前記ボイルオフガスの逆流を阻止する逆止弁が設けられている、ことが好ましい。

本発明の他の一態様は、船舶の推進エンジンに液化ガスのボイルオフガスを燃料ガスとして供給する燃料ガス供給方法である。当該燃料ガス供給方法は、
液化ガスのボイルオフガスを、複数のガスコンプレッサで段階的に圧縮して推進エンジンに供給するステップと、
前記推進エンジンが要求する燃料供給圧力が変化した時、前記ガスコンプレッサのうち、前記推進エンジンへ供給する前記燃料オフガスの流れ方向の最下流に位置する第１ガスコンプレッサが供給する前記ボイルオフガスの供給量を制御するために、前記第１ガスコンプレッサの吸引側にある低圧ガス流路と前記第１ガスコンプレッサの吐出側にある高圧ガス流路を繋ぐ、前記第１ガスコンプレッサに対して設けられたバイパス管内で、前記流れ方向に対して逆流するボイルオフガスの流量を制御する第１指令値を設定するステップと、
前記第１ガスコンプレッサよりも上流側に位置する第２ガスコンプレッサに対して設けられる、前記第２ガスコンプレッサの吸引側にある低圧ガス流路と前記第２ガスコンプレッサの吐出側にある高圧ガス流路を繋ぐ、前記第２ガスコンプレッサに対して設けられたバイパス管内で、前記流れ方向に対して逆流するボイルオフガスの流量を制御する制御指令値を設定するステップと、を有する。
前記制御指令値は、前記第２ガスコンプレッサの吐出側にある前記高圧ガス流路における前記ボイルオフガスの圧力と目標圧力との間の圧力差に応じて生成される第２指令値に、前記第１指令値を重み加算した値である。

前記第２指令値は、前記ガスコンプレッサそれぞれの吐出側の前記ボイルオフガスの圧力を一定に維持するように設定された値である、ことが好ましい。

前記重み加算に用いる重み付け係数は、前記吐出側の前記ボイルオフガスの圧力が、所定の圧力未満になるように設定される、ことが好ましい。

前記ガスコンプレッサのうち、前記ボイルオフガスの流れ方向の最上流に位置する第３ガスコンプレッサの吐出側の高圧ガス流路の部分と、前記第３ガスコンプレッサに対して下流側に隣接する第４ガスコンプレッサの吸引側の低圧ガス流路の部分との間で、前記ボイルオフガスの逆流を阻止するステップをさらに有する、ことが好ましい。

上記態様の燃料ガス供給システム及び燃料ガス供給方法によれば、ガスコンプレッサの吐出側の圧力の上昇を抑制することができる。

本実施形態の燃料ガス供給システムの構成の一例を示す図である。本実施形態のガスコンプレッサのボイルオフガスの吐出量と、バイパス管を上流方向に流れるボイルオフガスの流量を説明する図である。（ａ）は、推進エンジンの停止に伴って生じるボイルオフガスの流れを示す、従来の制御を用いたシミュレーション結果を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すシミュレーション時の吸引スナッバと吐出スナッバ内の圧力の時間変化を示す図である。（ａ），（ｂ）は、本実施形態の制御を用いたシミュレーション結果を示す図である。（ａ），（ｂ）は、本実施形態の他の形態の制御を用いたシミュレーション結果を示す図である。

以下、本発明の燃料ガス供給システム及び燃料ガス供給方法を詳細に説明する。
図１は、本実施形態の船舶の推進エンジンに液化ガスのボイルオフガスを燃料ガスとして供給する燃料ガス供給システム１０の構成の一例を示す図である。燃料ガス供給システム１０の液化ガスとして液化天然ガスを用いるが、液化天然ガスに限定されず、純メタンガスや純エタンガス等を用いることができる。ボイルオフガスは、タンク内で自然入熱によって気化したガスの他に、ＬＮＧを意図的に加熱して強制的に気化したガスも含まれる。

燃料ガス供給システム１０は、液化天然ガスを運搬するＬＮＧ船において、液化天然ガスを貯留するＬＮＧタンク１２内で気化したボイルオフガスを燃料ガスとして推進エンジン１４に供給するのに用いられる。本実施形態では、ボイルオフガスがＬＮＧタンク１２から推進エンジン１４に供給される方向を下流方向、その反対方向を上流方向といい、ある基準とする位置から下流方向の側を下流側といい、ある基準とする位置から上流方向の側を上流側という。

本実施形態の燃料ガス供給システム１０は、ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｅと、吸引スナッバ１８ａ〜１８ｅと、吐出スナッバ２０ａ〜２０ｅと、熱交換器２２ａ〜２２ｅと、バイパス管２４ａ〜２４ｅと、調整バルブ２６ａ〜２６ｅと、制御装置２８と、を主に備える。
制御装置２８は、制御部２８ａ〜２８ｅと、乗算器３０ａ〜３０ｄと、を備える。

ＬＮＧタンク１２には、ＬＮＧ船により運搬される貨物である液化天然ガスが貯留される。ここで、天然ガスは、天然に産する化石燃料である炭化水素ガス、又は、原油精製プラントから生まれるガスであり、メタン、エタン、プロパン等の炭素化合物を含む。液化天然ガス（ＬＮＧ）は天然ガスを冷却して液化したものである。なお、図１では球型のタンクが図示されているが、本実施形態はこれに限らず、メンブレン方式のタンクであってもよい。
本明細書において、「ボイルオフガス」は、ＬＮＧタンク１２内において気化した天然ガスであるが、ＬＮＧタンク１２外で液化天然ガスが気化したものも含む。また、本実施形態を適用する船舶はＬＮＧ船であるが、液化天然ガスをタンクに貯留して、そのボイルオフガスを加圧して燃料ガスとしてエンジンに供給するＬＮＧ船以外の船舶に適用することもできる。

推進エンジン１４は供給されるボイルオフガスを燃料ガスとして燃焼室で燃焼させて動力を取り出し、主軸１５ａおよびプロペラ１５ｂを回転させる。推進エンジン１４には、例えば２ストロークサイクルの低速ディーゼルエンジンを用いることができる。
推進エンジン１４は、ガバナ１５ｃと接続されて、駆動が制御されている。ガバナ１５ｃは、主軸１５ａの回転を計測するように設けられた回転計１５ｄにより計測された主軸回転数が目標回転数になるように、推進エンジン１４に燃料ガスを供給する供給ラインに設けられた図示しない流量制御弁の開度を制御することで、推進エンジン１４の駆動を制御する。すなわち、ガバナ１５ｃは、推進エンジン１４と推進用のプロペラ１５ｂを接続した主軸１５ａの主軸回転数が目標回転数になるように、推進エンジン１４の負荷を定め、これに基づいて燃料ガスの燃料供給量を制御する装置である。ガバナ１５ｃは、気象、海象の風、波高等の自然状況の変化によって変化する主軸回転数が目標回転数に維持されるように、推進エンジン１４の負荷を定める他、オペレータの減速、加速、旋回等の指示によって提供されるプロペラ回転数の操作指令値に応じて、推進エンジン１４の負荷を定めることもできる。ガバナ１５ｃは、定めた負荷に基づいて、最下流に位置するガスコンプレッサ１６ｅの吐出側の目標圧力を設定し、この目標圧力を制御装置２８の制御部２８ｅに送るように構成されている。この目標圧力は、推進エンジン１４が要求する燃料供給圧力である。

ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｅは、ＬＮＧタンク１２で発生したボイルオフガスを圧縮して推進エンジン１４へ供給する直列に接続された多段のコンプレッサである。ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｅは、吸引スナッバ１８ａ〜１８ｅ内のボイルオフガスを吸引して、所定の圧力に加圧する部分である。ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｅは、例えば、ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｅ内の可動部（プランジャ又はピストン）が直線往復運動をすることによって気体を吸い込み、その後圧縮する、往復圧縮機を用いることができる。ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｅのうち、ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｄは、無給油式圧縮機が用いられ、高圧にボイルオフガスを加圧するガスコンプレッサ１６ｅには給油式圧縮機が用いられる。ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｅの可動部は、図示されない駆動源の動力で回転するクランク軸を介して連動して駆動される。ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｅにおいて、ボイルオフガスはそれぞれ同程度の圧縮率で段階的に圧縮されることで、ボイルオフガスは圧縮率の５乗まで圧縮される。例えば、ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｅのそれぞれにおいて３〜４倍に圧縮することで、ボイルオフガスは３^５〜４^５倍に圧縮される。例えば、ガスコンプレッサ１６ａの吸引側におけるボイルオフガスの圧力が０．１ＭＰａであれば、ガスコンプレッサ１６ａの吐出側の圧力は約０．３９ＭＰａ、ガスコンプレッサ１６ｂの吐出側の圧力は約１．２４ＭＰａ、ガスコンプレッサ１６ｃの吐出側の圧力は約４．００ＭＰａ、ガスコンプレッサ１６ｄの吐出側の圧力は約１１．３ＭＰａとなる。そして、ガスコンプレッサ１６ｅの吐出側の圧力は設定された目標圧力まで上昇される。

吸引スナッバ１８ａ〜１８ｅは、ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｅそれぞれに付随して設けられ、ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｅそれぞれの上流側に設けられる、圧縮前のボイルオフガスを一時貯留し、ボイルオフガスをガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｅの圧縮室に向けて供給する容器である。すなわち、吸引スナッバ１８ａ〜１８ｅは、ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｅの上流側に設けられ、ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｅの圧縮室に向けて燃料ガスを供給する低圧ガス流路を構成する。したがって、吸引スナッバ１８ａ〜１８ｅ内の圧力は、ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｅそれぞれで加圧する直前のボイルオフガスの圧力に相当する。
吐出スナッバ２０ａ〜２０ｅは、ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｅそれぞれに付随して設けられ、ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｅそれぞれの下流側に設けられる、圧縮後のボイルオフガスを一時貯留し、ボイルオフガスを推進エンジン１４に向けて供給する容器である。吐出スナッバ２０ａ〜２０ｄには、内部に貯留するボイルオフガスの圧力を計測する圧力計１９ａ〜１９ｄが設けられている。さらに、圧力計１９ｅが、推進エンジン１４に供給する圧力を計測するために、推進エンジン１４の接続直前の供給ラインに設けられている。圧力計１９ａ〜１９ｅの計測結果は、後述する制御部２８ａ〜２８ｅに送られる。吸引スナッバ１８ａ〜１８ｅ及び吐出スナッバ２０ａ〜２０ｅには、予め定めた圧力で弁が開放する図示されない安全弁が設けられている。

熱交換器２２ａ〜２２ｅは、ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｅそれぞれに付随して設けられ、ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｅでボイルオフガスが圧縮されることにより高温になったボイルオフガスを、冷媒と熱交換することにより所定の温度に冷やすための装置である。冷媒として、特に制限されないが、ＬＮＧタンク１２で生成された直後の冷えたボイルオフガスを用いることができる。熱交換器２２ａ〜２２ｄは、それぞれの下流側に位置する吸引スナッバ１８ｂ〜１８ｅに供給ラインで接続される。吐出スナッバ２０ａ〜２０ｅ及び熱交換器２２ａ〜２２ｅは、ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｅの圧縮室で圧縮された燃料ガスを推進エンジン１４に向けて供給する高圧ガス流路を構成する。

さらに、図１に示されるように、熱交換器２２ａと吸引スナッバ１８ｂを結ぶ供給ラインには、逆止弁３２が設けられていることが好ましい。逆止弁３２は、後述するように、吸引スナッバ１８ｂから熱交換器２２ａ、さらには吐出スナッバ２０ａに向けてボイルオフが逆流することを阻止するために設けられる。

ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｅそれぞれに付随した吸引スナッバ１８ａ〜１８ｅと、
熱交換器２２ａ〜２２ｅのボイルオフガスの出力端から下流方向に延びる配管との間には、バイパス管２４ａ〜２４ｅが設けられている。すなわち、バイパス管２４ａ〜２４ｅは、吸引スナッバ１８ａ〜１８ｅが構成する低圧ガス流路と、吐出スナッバ２０ａ〜２０ｅ及び熱交換器２２ａ〜２２ｅが構成する高圧ガス流路を繋ぐ。バイパス管２４ａ〜２４ｅでは、吐出スナッバ２０ａ〜２０ｅから熱交換器２２ａ〜２２ｅを介して吸引スナッバ１８ａ〜１８ｅに向かって加圧したボイルオフガスが流れるようになっている。下流側から上流側への流れを逆流という。
バイパス管２４ａ〜２４ｅには、ボイルオフガスが流れる量を調整する調整バルブ２６ａ〜２６ｅが設けられている。

図２は、ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｅが下流方向に吐出するボイルオフガスの吐出量と、バイパス管２４ａ〜２４ｅを上流方向に向かって逆流するボイルオフガスの流量を説明する図である。図２では、２段目のガスコンプレッサ１６ｂとバイパス管２４ｂの流れを説明しているが、これ以外のガスコンプレッサとバイパス管においても同様の挙動をする。図２に示されるように、例えば、上流側から１時間当たり１５００ｋｇのボイルオフガスが供給され、ガスコンプレッサ１６ｂが１時間当たり２０００ｋｇのボイルオフガスを圧縮して下流側に吐出する時、吐出スナッバ２０ｂから流れ出て熱交換器２２ｂを通過したボイルオフガスを、１時間当たり５００ｋｇ逆流させて吸引スナッバ１８ｂに戻す。このように、吐出スナッバ２０ｂからのボイルオフガスが１時間当たり５００ｋｇ逆流するように、調整バルブ２６ｂの開度は制御されている。これにより、熱交換器２２ｂから下流側に１時間当たり１５００ｋｇの燃料ガスを定常的に流すことができる。したがって、吐出スナッバ２０ｂ、いいかえると高圧ガス流路における燃料ガスの圧力は一定に保つことができる。

しかし、吸引スナッバ１８ｂ中のボイルオフガスの温度あるいは圧力が変化し、ボイルオフガスの吐出量が、１時間当たり２０００ｋｇから変化するとき、吐出スナッバ２０ｂの圧力が安全弁により設定された圧力を超えることがないように、ボイルオフガスの吐出量の変化に応じてバイパス管２４ｂを逆流するボイルオフガスの量も制御されなければならない。また、上流側から吸引スナッバ１８ｂに供給されるボイルオフガスの量が増加したとき、さらに、吐出スナッバ２０ｂから下流側に流すべきボイルオフガスの必要量が変化した時、吐出スナッバ２０ｂの圧力が安全弁により設定された圧力を超えることがないように、バイパス管２４ｂを逆流するボイルオフガスの量を調整させなければならない。バイパス管２４ｂを逆流するボイルオフガスの量を調整しなければ、吐出スナッバ２０ｂの安全弁が開放し、開放時の大きな圧力変動は各段の圧力の制御外乱となり、圧力の制御が不安定になる虞がある。

このような点を考慮して、本実施形態では、バイパス管２４ａ〜２４ｅに設けられる調整バルブ２６ａ〜２６ｅの開度は、吐出スナッバ２０ａ〜２０ｅにおけるボイルオフガスの圧力に応じて制御される。この調整バルブ２６ａ〜２６ｅの開度の制御は、制御部２８ａ〜２８ｅが設定する開度指令値によって行われる。すなわち、調整バルブ２６ａ〜２６ｅそれぞれに対して設定される開度指令値が、調整バルブ２６ａ〜２６ｅの開度を制御する。
制御部２８ａ〜２８ｅでは、圧力計１９ａ〜１９ｅによって計測された計測結果と定められた目標圧力との圧力差に応じて指令値が設定される。制御部２８ｅではこの指令値が、開度指令値となる。なお、制御部２８ｅで定められる目標圧力は、上述したように、ガバナ１５ｃから送られたものである。

さらに、制御部２８ａ〜２８ｄには、制御部２８ｅで設定された指令値に、乗算器３０ａ〜３０ｄで予め設定された定数が乗算された値が入力される。制御部２８ａ〜２８ｄは、制御部２８ａ〜２８ｄで設定された指令値に、入力された上記値を加算し、この加算結果を開度指令値とする。すなわち、制御部２８ａ〜２８ｄのバイパス管２４ａ〜２４ｄに設けられる調整バルブ２６ａ〜２６ｄの開度を制御する開度指令値は、ガスコンプレッサ１６ｅ（第１ガスコンプレッサ）のバイパス管２４ｅに設けられる調整バルブ２６ｅの開度を制御する指令値（第１指令値）を、ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｄ（第２ガスコンプレッサ）それぞれに付随した吐出スナッバ２０ａ〜２０ｄのボイルオフの圧力と目標圧力との間の圧力差に応じて生成される指令値（第２指令値）に重み加算した値である。

なお、調整バルブ２６ａ〜２６ｅは、バルブの開度が９０％以上、あるいは開度が１０％以下、場合によっては２０％以下では、開度と調整バルブ２６ａ〜２６ｅを流れるボイルオフガスの流量の関係が不安定であり、正確な制御ができない。このため、開度は１０〜９０％の範囲内、あるいは２０〜８０％の範囲内で設定される。具体的には、開度９０％以下のある開度で、バイパス管を逆流するボイルオフガスの量が、ガスコンプレッサのボイルオフガスの吐出量と釣り合うように、すなわち、熱交換器２２ｂから下流側へ流れるボイルオフガスの流量が０となるように、バイパス管２４ａ〜２４ｅ、調整バルブ２６ａ〜２６ｅ、及びガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｅが構成されている。このときの開度が開度の下限として設定される。また、開度９０％以下のある開度で熱交換器２２ｂから下流に流れるボイルオフガスの流量が最大となるように開度は設定される。このときの開度が開度の上限として設定される。このとき、各段の調整バルブ２６ａ〜２６ｅの開度の設定される上限及び下限は異なる場合がある。この場合、調整バルブ２６ａ〜２６ｄの開度指令値は、調整バルブ２６ｅの設定された上限と下限の開度の差分をＸとし、調整バルブ２６ａ〜２６ｄそれぞれの上限と下限の開度の差分をＹとしたとき、第１指令値を第２指令値に重み加算するために用いる重み付け係数は、（Ｙ／Ｘ）・Ｋに設定されることが好ましい。Ｋは、定数であり、０．２〜０．８の範囲内の一定値である。Ｋは、０．３〜０．６の範囲の一定値であることが好ましい。これにより、調整バルブ２６ａ〜２６ｄによる制御を効率よく行うことができる。

このように、制御部２８ａ〜２８ｄで開度指令値を生成するのは、吐出スナッバ２０ａ〜２０ｅにおけるボイルオフガスの圧力と目標圧力との間の圧力差に応じて生成される指令値（第２指令値）だけのフィードバック制御では、吐出スナッバ２０ａ〜２０ｅにおける圧力の時間変動が無視できなく、吐出スナッバ２０ａ〜２０ｅにおける圧力が異常に高くなり、安全弁が開放する虞があるからである。このため、ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｅのうち最下流に位置するガスコンプレッサ１６ｅ（第１ガスコンプレッサ）のバイパス管２４ｅに設けられる調整バルブ２６ｅの開度を制御する指令値（第１指令値）を利用して調整バルブ２６ａ〜２６ｄのフィードフォワード制御を行う。すなわち、調整バルブ２６ａ〜２６ｄの開度指令値は、調整バルブ２６ｅの第１指令値に、上記重み付け係数（Ｙ／Ｘ）・Ｋを乗算したものを、調整バルブ２６ａ〜２６ｄの第２指令値に加算したものである。

図３（ａ）は、推進エンジン１４の停止に伴って生じるボイルオフの流れを示す従来の制御を用いたシミュレーション結果を示す図である。従来の制御は、ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｄ（第２ガスコンプレッサ）の吐出スナッバ２０ａ〜２０ｄにおけるボイルオフガスの圧力と目標圧力との間の圧力差に応じて生成される指令値（第２指令値）のみを用いたフィードバック制御である。

図３（ａ）では、１時間当たり２０００ｋｇの燃料ガスを供給する定常状態から時間１０秒の時点で、推進エンジン１４の負荷を０にして推進エンジン１４が要求する燃料ガスの要求量を０ｋｇ／時にしたときの例である。横軸は経過時間、縦軸は、ボイルオフガスの流量を表す。正の流量は、下流方向に流れる流量を意味し、負の流量は、逆流する流量を意味する。図３（ａ）中のグラフの凡例の“gcI”は、吸引スナッバ１８ａを流れるボイルオフガスの流量であり、“gcO”は、熱交換器２２ｅを流れるボイルオフガスの流量である。“gcI”では、大きく逆流して流量が振動している。この流量の振動は、ガスコンプレッサ、吐出スナッバ、吸引スナッバ、及びバイパス管の組が５段、直列に接続されたシステムのフィードバック制御に起因する。

図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すシミュレーション時の吸引スナッバ１８ｃと吐出スナッバ２０ｃ内の圧力の時間変動を示す図である。図３（ｂ）では、吸引スナッバ１８ｃ内の圧力は凡例の“Pc3s”で示され、吐出スナッバ２０ｃ内の圧力は、凡例の“Pc3d”で示され、さらに、安全弁の開放圧力が、凡例の“Safety V3“で示されている。図３（ｂ）によると、吐出スナッバ２０ｃ内の圧力は安全弁の開放圧力を超えていることがわかる。このため、吐出スナッバ２０ｃ内のボイルオフガスは安全弁から排出されて吐出スナッバ２０ｃの圧力は急激に変化する。このため、開放時の大きな圧力変動は各段の圧力の制御外乱となり、制御が不安定になる。

図４（ａ），（ｂ）は、本実施形態の制御を用いたシミュレーション結果を示す図である。すなわち、本実施形態の調整バルブ２６ａ〜２６ｄの開度の制御は、吐出スナッバ２０ａ〜２０ｄのボイルオフの圧力と目標圧力との間の圧力差に応じて生成される指令値（フィードバック制御の指令値）に、調整バルブ２６ｅの開度を制御する指令値（フィードフォワード制御の指令値）を重み付け加算した信号を用いた制御である。図４（ａ）に示すグラフは、図３（ａ）に示すグラフに対応し、図４（ｂ）に示すグラフは、図３（ｂ）に示すグラフに対応する。
図４（ａ）に示すように、“gc1”では、図３（ａ）に示す“gc1”に比べて、ボイルオフガスが逆流して流量が振動する程度が小さくなっていることがわかる。さらに、図４（ｂ）に示すように、吐出スナッバ２０ｃ内の圧力（凡例の“Pc3d”）は、安全弁の開放圧力未満になっている。
このように、本実施形態の制御では、ガスコンプレッサの圧力の上昇を抑制することができる。

なお、ガスコンプレッサ１６ｅのバイパス管２４ｅに設けられる調整バルブ２６ｅの開度を制御する指令値（第１指令値）は、ガスコンプレッサ１６ｅが供給する燃料ガス（ボイルオフガス）の圧力が、推進エンジン１４が要求する燃料供給圧力に一致するように設定された値であることが、推進エンジン１４に適切な量の燃料ガスを供給できる点で好ましい。

また、ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｄ（第２ガスコンプレッサ）それぞれに付随する吐出スナッバ２０ａ〜２０ｄのボイルオフガスの圧力（高圧ガス流路における圧力）と目標圧力との間の圧力差に応じて生成される指令値（第２指令値）は、ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｄそれぞれに付随する吐出スナッバ２０ａ〜２０ｄの圧力（高圧ガス流路における圧力）を目標圧力に一定に維持するように設定された値であることが、燃料ガス供給システム１０が定常状態で稼働中、吐出スナッバ２０ａ〜２０ｄ内の圧力（高圧ガス流路における圧力）を安定して一定に維持することができる点で好ましい。

さらに、本実施形態では、図１に示すように、ボイルオフガスの流れ方向の最上流に位置するガスコンプレッサ（第３コンプレッサ）１６ａに付随する熱交換器２２ａと、このガスコンプレッサ１６ａに対して下流側に隣接するガスコンプレッサ（第４ガスコンプレッサ）１６ｂに付随する吸引スナッバ１８ｂとの間に、ボイルオフガスの逆流を阻止する逆止弁３２が設けられている、ことが好ましい。逆止弁３２を設けることにより、吸引スナッバ１８ｂから、圧縮したボイルオフガスが逆流することを防止することができる。このため、吸引スナッバ１８ａの上流側に向かってボイルオフガスが逆流する量を抑えることができる。なお、逆止弁を吸引スナッバ１８ａの上流側に設けることも考えられるが、この場合、逆止弁の上流側と下流側の圧力差が逆止弁３２の設置場所に比べて小さいため、逆止弁が一旦閉じると開き難い。このため、逆止弁を吸引スナッバ１８ａの上流側に設けることは好ましくない。

図５（ａ），（ｂ）は、上述したフィードバック制御とフィードフォワード制御を組み合わせた本実施形態の制御を用い、かつ、逆止弁３２を設けたときのシミュレーション結果の一例を示す図である。図５（ａ）に示すグラフは、図３（ａ）に示すグラフに対応し、図５（ｂ）に示すグラフは、図３（ｂ）に示すグラフに対応する。
図５（ａ）に示すように、“gc1”では、逆流して流量が振動する程度が図４（ａ）に示す“gc1”に比べてより小さくなっていることがわかる。さらに、図５（ｂ）に示すように、吐出スナッバ２０ｃ内の圧力（凡例の“Pc3d”）は、安全弁の開放圧力未満になっている。
このように、本実施形態の制御に加えて逆止弁３２を設けることで、ガスコンプレッサの吐出側の圧力の上昇を抑制するとともに、ボイルオフガスの逆流する量も小さく抑えることができる。

吸引スナッバ１８ａから上流側に逆流する量は、図３（ａ）に示す従来の制御の例の場合、１時間当たり１３．１ｋｇの流量であるのに対し、図４（ａ）に示す本実施形態の制御の例の場合、１時間当たり５．５ｋｇの流量であり、図５（ａ）に示す本実施形態の制御の例の場合、１時間当たり１．０ｋｇの流量である。
このように、本実施形態の効果は明らかである。

本実施形態では、熱交換器２２ｅと圧力計１９ｅとの間の供給ライン上に、燃料ガスを一時貯留するバッファ槽が設けられてもよい。燃料ガス供給システム１０は、ボイルオフガスの再液化装置と組み合わせてもよく、さらに、燃料ガス供給システム１０で得られる高圧の燃料ガスは、推進エンジン１４以外の、燃料ガスを使用する装置に供給してもよい。

このような燃料ガス供給システム１０では、以下の燃料ガス供給方法が実行される。
（１）液化天然ガスのボイルオフガスを、ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｅで段階的に圧縮して推進エンジン１４に供給する。
（２）推進エンジン１４が要求する燃料供給圧力が変化した時、ガスコンプレッサ（第１ガスコンプレッサ）１６ｅが供給する燃料ガス（ボイルオフガス）の供給量を制御するために、ガスコンプレッサ１６ｅの上流（吸引側）と下流（吐出側）を繋ぐ、いいかえると、ガスコンプレッサ１６ｅの吸引側にある低圧ガス流路とガスコンプレッサ１６ｅの吐出側にある高圧ガス流路を繋ぐ、ガスコンプレッサ１６ｅに対して設けられたバイパス管２４ｅ内で、下流方向への流れに対して逆流する燃料ガスの流量を制御する第１指令値を制御部２８ｅは設定する。
（３）ガスコンプレッサ（第２ガスコンプレッサ）１６ａ〜１６ｄに対して設けられる、高圧ガス流路と低圧ガス流路を繋ぐバイパス管２４ａ〜２４ｄ内で、逆流する燃料ガス（ボイルオフガス）の流量を制御する制御指令値を制御部２８ａ〜２８ｄは、設定する。この制御指令値は、ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｄの吐出側の高圧ガス流路におけるボイルオフガスの圧力と目標圧力との間の圧力差に応じて生成される第２指令値に、第１指令値を重み加算した値である。

このとき、第１指令値は、ガスコンプレッサ１６ｅが供給するボイルオフガス（燃料ガス）の圧力が、推進エンジン１４が要求する燃料供給圧力に一致するように設定された値であることが、推進エンジン１４に適切に燃料ガスを供給できる点で好ましい。

また、第２指令値は、ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｄそれぞれに対応する吐出スナッバ２０ａ〜２０ｄにおけるボイルオフガスの圧力（高圧ガス流路における燃料ガスの圧力）を目標圧力に一定に維持するように設定された値であることが、燃料ガス供給システム１０が定常状態で稼働中、吐出スナッバ２０ａ〜２０ｄにおけるボイルオフガスの圧力（高圧ガス流路における燃料ガスの圧力）を安定して一定に維持することができる点で好ましい。

第１指令値の重み加算に用いる重み付け係数、例えば上述の（Ｙ／Ｘ）・Ｋは、ガスコンプレッサ１６ａ〜１６ｄの吐出側の圧力（高圧ガス流路における燃料ガスの圧力）が、所定の圧力未満になるように設定されることが、安定した制御を行う点から好ましい。

さらに、熱交換器２２ａ（高圧ガス流路）と吸引スナッバ１８ｂ（低圧ガス流路）との間の供給ラインに、ボイルオフガスの逆流を阻止する逆止弁３２を設けて、ボイルオフガスの逆流を阻止することが好ましい。

以上、本発明の燃料ガス供給システム及び燃料ガス供給方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

１０燃料ガス供給システム
１２ＬＮＧタンク
１４推進エンジン
１５ａ主軸
１５ｂプロペラ
１５ｃガバナ
１５ｄ回転計
１６ａ〜１６ｅガスコンプレッサ
１８ａ〜１８ｅ吸引スナッバ
１９ａ〜１９ｅ圧力計
２０ａ〜２０ｅ吐出スナッバ
２２ａ〜２２ｅ熱交換器
２４ａ〜２４ｅバイパス管
２６ａ〜２６ｅ調整バルブ
２８制御装置
２８ａ〜２８ｅ制御部
３０ａ〜３０ｄ乗算器
３２逆止弁

Claims

船舶の推進エンジンに液化ガスのボイルオフガスを燃料ガスとして供給する燃料ガス供給システムであって、
液化ガスのボイルオフガスを、船舶を推進させる推進エンジンに供給するために、前記ボイルオフガスを圧縮し前記推進エンジンの側に流す、直列に設けられた複数のガスコンプレッサと、
前記ガスコンプレッサのそれぞれに付随するように、前記ボイルオフガスの前記推進エンジンへの供給方向における、前記ガスコンプレッサの上流側に設けられ、前記ガスコンプレッサの圧縮室に向けて前記ボイルオフガスを供給する低圧ガス流路と、前記供給方向における、前記ガスコンプレッサの下流側に設けられ、前記ガスコンプレッサの圧縮室で圧縮された前記ボイルオフガスを前記推進エンジンに向けて供給する高圧ガス流路と、前記低圧ガス流路と前記高圧ガス流路とを、前記ガスコンプレッサを経由することなく繋ぐバイパス管と、前記バイパス管における前記ボイルオフガスの流量を調整する調整バルブと、を備える調整機構と、
前記バイパス管における前記ボイルオフガスの流量を調整するために、前記調整バルブの開度を制御する制御装置と、を有し、
前記ガスコンプレッサのうち、前記推進エンジンへ燃料ガスとして供給する前記ボイルオフガスの流れ方向の最下流に位置する第１ガスコンプレッサよりも上流側に位置する第２ガスコンプレッサのバイパス管に設けられる調整バルブの開度を制御する開度指令値は、前記第１ガスコンプレッサのバイパス管に設けられる調整バルブの開度を制御する第１指令値を、前記第２ガスコンプレッサの高圧ガス流路における前記ボイルオフガスの圧力と目標圧力との間の圧力差に応じて生成される第２指令値に重み加算した値である、ことを特徴とする燃料ガス供給システム。
前記第１指令値は、前記第１ガスコンプレッサが供給する前記ボイルオフガスの圧力が、前記推進エンジンが要求する燃料供給圧力に一致するように設定された値である、請求項１に記載の燃料ガス供給システム。
前記第２指令値は、前記高圧ガス流路における前記ボイルオフガスの圧力を目標圧力に一定に維持するように設定された値である、請求項１または２に記載の燃料ガス供給システム。
前記重み加算に用いる重み付け係数は、前記高圧ガス流路における前記ボイルオフガスの圧力が、前記高圧ガス流路に設けられる安全弁の開放圧力未満になるように設定された値を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料ガス供給システム。
前記ガスコンプレッサのうち、前記ボイルオフガスの流れ方向の最上流に位置する第３ガスコンプレッサに付随する高圧ガス流路と、前記第３ガスコンプレッサに対して下流側に隣接する第４ガスコンプレッサに付随する低圧ガス流路のとの間に、前記ボイルオフガスの逆流を阻止する逆止弁が設けられている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料ガス供給システム。
船舶の推進エンジンに液化ガスのボイルオフガスを燃料ガスとして供給する燃料ガス供給方法であって、
液化ガスのボイルオフガスを、複数のガスコンプレッサで段階的に圧縮して推進エンジンに供給するステップと、
前記推進エンジンが要求する燃料供給圧力が変化した時、前記ガスコンプレッサのうち、前記推進エンジンへ供給する前記ボイルオフガスの流れ方向の最下流に位置する第１ガスコンプレッサが供給する前記ボイルオフガスの供給量を制御するために、前記第１ガスコンプレッサの吸引側にある低圧ガス流路と前記第１ガスコンプレッサの吐出側にある高圧ガス流路を繋ぐ、前記第１ガスコンプレッサに対して設けられたバイパス管内で、前記流れ方向に対して逆流するボイルオフガスの流量を制御する第１指令値を設定するステップと、
前記第１ガスコンプレッサよりも上流側に位置する第２ガスコンプレッサに対して設けられる、前記第２ガスコンプレッサの吸引側にある低圧ガス流路と前記第２ガスコンプレッサの吐出側にある高圧ガス流路を繋ぐ、前記第２ガスコンプレッサに対して設けられたバイパス管内で、前記流れ方向に対して逆流するボイルオフガスの流量を制御する制御指令値を設定するステップと、を有し、
前記制御指令値は、前記第２ガスコンプレッサの吐出側にある前記高圧ガス流路における前記ボイルオフガスの圧力と目標圧力との間の圧力差に応じて生成される第２指令値に、前記第１指令値を重み加算した値である、ことを特徴とする燃料ガス供給方法。
前記第１指令値は、前記第１ガスコンプレッサが供給する前記ボイルオフガスの圧力が、前記推進エンジンが要求する燃料供給圧力に一致するように設定された値である、請求項６に記載の燃料ガス供給方法。
前記第２指令値は、前記ガスコンプレッサそれぞれの吐出側の前記ボイルオフガスの圧力を一定に維持するように設定された値である、請求項６または７に記載の燃料ガス供給方法。
前記重み加算に用いる重み付け係数は、前記吐出側の前記ボイルオフガスの圧力が、所定の圧力未満になるように設定される、請求項６〜８のいずれか１項に記載の燃料ガス供給方法。
前記ガスコンプレッサのうち、前記ボイルオフガスの流れ方向の最上流に位置する第３ガスコンプレッサの吐出側の高圧ガス流路の部分と、前記第３ガスコンプレッサに対して下流側に隣接する第４ガスコンプレッサの吸引側の低圧ガス流路の部分との間で、前記ボイルオフガスの逆流を阻止するステップをさらに有する、請求項６〜９のいずれか１項に記載の燃料ガス供給方法。