JP6910370B2 - 船舶 - Google Patents

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Description

本発明は船舶に関するものである。より詳細には、貯蔵タンクの内部で発生した蒸発ガスを、蒸発ガス自体を冷媒として使用して再液化するシステムを備えた船舶に関する。
貯蔵タンクを断熱しても外部熱を完璧に遮断するには限界があり、内部まで伝達される熱によって液化ガスは貯蔵タンク内で継続的に気化することになる。貯蔵タンクの内部で気化した液化ガスを蒸発ガス(BOG;Boil-Off Gas)という。
蒸発ガスが発生して貯蔵タンクの圧力が設定した安全圧力以上になると、蒸発ガスは安全バルブによって貯蔵タンクの外部に排出される。貯蔵タンクの外部に排出された蒸発ガスは、船舶の燃料として使用されるか、再液化されて貯蔵タンクに戻される。
通常の蒸発ガスの再液化装置は冷凍サイクルを有し、当該冷凍サイクルで蒸発ガスを冷却することによって蒸発ガスを再液化する。蒸発ガスを冷却するために冷却流体と熱交換させるが、蒸発ガス自体を冷却流体として使用して自己熱交換する部分再液化システム(PRS;Partial Re-liquefaction System)が利用される。
本発明は、従来の部分再液化システムを改良し、より効率的に蒸発ガスを再液化するシステムが備えられた船舶を提供する。
上記目的を達成するため本発明の一実施形態では、液化ガスを貯蔵する液化ガス貯蔵タンクが搭載された船舶において、前記液化ガス貯蔵タンクから排出された蒸発ガスを圧縮し、複数の圧縮シリンダーを備えた多段圧縮機；前記多段圧縮機で圧縮された流体を熱交換させて冷却する第２熱交換器；前記第２熱交換器によって冷却された流体を前記液化ガス貯蔵タンクから排出される蒸発ガスと熱交換させて冷却する第１熱交換器；前記第１熱交換器によって冷却された流体（以下、「ａ流れ」という。）の一部が分岐した流れ（以下、「ａ１流れ」という。）を膨張させる第１減圧装置；前記第１減圧装置によって膨張された前記「ａ１流れ」を冷媒として、前記「ａ流れ」のうち分岐した「ａ１流れ」を除いた残りの流体（以下、「ａ２流れ」という。）を熱交換させて冷却する第３熱交換器；及び前記第３熱交換器によって冷却された前記「ａ２流れ」を膨張させる第２減圧装置；を備え、前記液化ガスは、１気圧で−１１０℃より高い沸点を有し、前記多段圧縮機で圧縮される流体の吐出圧力は、前記第２熱交換器で冷却される流体の温度に対応する飽和圧力（Saturated Liquid Pressure）であり、前記第２熱交換器によって冷却された流体の少なくとも一部が飽和液体になることを特徴とする船舶が提供される。
前記第１減圧装置によって膨張された後に前記第３熱交換器で冷媒として使用された流体は、前記多段圧縮機に送られる。
前記第１熱交換器は前記多段圧縮機の上流に設置される。
前記船舶において、前記多段圧縮機は前記複数の圧縮シリンダーと交互に設置される複数の冷却器を備える。
上記目的を達成するため本発明の実施形態では、液化ガスを貯蔵する液化ガス貯蔵タンクが搭載された船舶に適用される蒸発ガスの再液化方法において、１）前記液化ガス貯蔵タンクから排出された蒸発ガスを多段圧縮機で圧縮した後に第２熱交換器で熱交換させて冷却し、２）前記１）のステップで前記第２熱交換器で冷却された流体を前記液化ガス貯蔵タンクから排出された蒸発ガスを冷媒として第１熱交換器で熱交換させて冷却し、３）前記２）のステップで前記第１熱交換器によって冷却された流体を２つの流れに分岐させ、４）前記３）のステップで分岐した流れのうち一方の流れを膨張させた後に第３熱交換器で冷媒として使用し、５）前記４）のステップで分岐した流れのうち他方の流れを前記第３熱交換器で冷却し、６）前記５）のステップで前記第３熱交換器によって冷却された流体を膨張させて再液化し、前記４）のステップで膨張された後に前記第３熱交換器で冷媒として使用された流体は前記１）のステップの圧縮過程を経て、前記液化ガスは、１気圧で−１１０℃より高い沸点を有し、前記多段圧縮機で圧縮される流体の吐出圧力は、前記第２熱交換器で冷却される流体の温度に対応する飽和圧力（Saturated Liquid Pressure）であり、前記第２熱交換器によって冷却された流体の少なくとも一部が飽和液体になることを特徴とする蒸発ガスの再液化方法が提供される。
本発明は、蒸発ガスを再液化する冷媒を多様化し、熱交換器の上流で分岐させる冷媒流量を減少させることができる。
熱交換器の上流で分岐した冷媒の流量を減少させると、冷媒として使用されるために分岐する蒸発ガスが多段圧縮機による圧縮過程を経るため、多段圧縮機によって圧縮される蒸発ガスの流量を減少することができ、多段圧縮機によって圧縮される蒸発ガスの流量が減少すると、ほぼ同じ効率で蒸発ガスを再液化させながら多段圧縮機で消費される電力を低減することができるという利点がある。
本発明の好ましい実施形態において船舶で適用される部分再液化システムの概略的な構成図である。
以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施形態の構成と作用を詳細に説明する。本発明の船舶は、天然ガスを燃料として使用するエンジンを搭載した船舶と液化ガス貯蔵タンクを備えた船舶などに様々な応用と適用が可能である。また、下記の実施形態は、様々な他の形態に変更することができ、本発明の範囲が下記の実施形態によって限定されない。
本発明において後述する蒸発ガスの処理システムは、低温液体貨物または液化ガスを貯蔵する貯蔵タンクが設置された全種類の船舶と海上構造物、すなわち、液化ガス運搬船などの船舶をはじめ、ＦＰＳＯ、ＦＳＲＵなどの海上構造物に適用することができる。
また、本発明における各ラインの流体は、システムの運用条件に応じて、液体状態、気液混合状態、気体状態、超臨界流体の状態のいずれか一つの状態である。
図１は、本発明の好ましい実施形態において船舶に適用される部分再液化システムの概略的な構成図である。
図１を参照すると、本実施形態の船舶は、第１熱交換器（３１）、複数の圧縮シリンダー（２１，２２，２３）と複数の冷却器（３２，３３）を備えた多段圧縮機（２０）、第３熱交換器（４０）、第１減圧装置（７１）及び第２減圧装置（７２）を備える。
本実施形態の船舶に搭載された貯蔵タンク（１０）に貯蔵される液化ガスは、１気圧で−１１０℃より高い沸点を有する。また、貯蔵タンク（１０）に貯蔵された液化ガスは、液化石油ガス（ＬＰＧ）であり、または、メタン、エタン、重炭化水素などの複数の成分を含むこともできる。
本実施形態の多段圧縮機（２０）は貯蔵タンク（１０）から排出された蒸発ガスを圧縮する。多段圧縮機（２０）は複数の圧縮シリンダーを備え、一例として、図１に示すように３つの圧縮シリンダー（２１，２２，２３）を備える。また、本実施形態の多段圧縮機（２０）は複数の冷却器を備え、複数の冷却器は複数の圧縮シリンダーと交互に設置され、圧縮シリンダーによって圧縮されて圧力と共に温度も上昇した蒸発ガスの温度を下げる。図１には、第１圧縮シリンダー（２１）と第２圧縮シリンダー（２２）との間に第１冷却器（３２）が設置され、第２圧縮シリンダー（２２）と第３圧縮シリンダー（２３）との間に第２冷却器（３３）が設置される構成を示す。
多段圧縮機（２０）を通過して多段階の圧縮及び冷却過程を経た流体は、多段圧縮機（２０）の上流に設けられた第１熱交換器（３１）に送られる。第１熱交換器（３１）は貯蔵タンク（１０）から排出される蒸発ガスを冷媒として、多段圧縮機（２０）を通過した流体（ａ流れ）を自己熱交換させて冷却する。自己熱交換の自己(self-)は、蒸発ガス自体を冷媒として使用することを意味する。貯蔵タンク（１０）から排出された後に第１熱交換器（３１）で冷媒として使用された蒸発ガスは多段圧縮機（２０）に送られ、多段圧縮機（２０）を通過した後に第１熱交換器（３１）によって冷却された流体（ａ流れ）は第３熱交換器（４０）に送られる。
本実施形態の多段圧縮機（２０）を通過した流体は第１熱交換器（３１）に送られる前に、第２熱交換器（３４）によって冷却される。第２熱交換器（３４）は蒸発ガスを冷却する冷媒として海水などの別の冷媒を使用することも可能であり、第２熱交換器（３４）も第１熱交換器（３１）と同様に蒸発ガス自体を冷媒として使用するシステムで構成することもできる。
多段圧縮機（２０）で多段階に圧縮される流体の吐出圧力は、第２熱交換器（３４）で冷却されて排出される流体の温度に応じて決定され、好ましくは、第２熱交換器（３４）で冷却されて排出される流体の温度に対応する飽和圧力(Saturated Liquid Pressure)により決定される。すなわち、液化ガスがＬＰＧである場合、第２熱交換器（３４）を通過した流体の少なくとも一部が飽和液体になる圧力に決定される。また、多段圧縮機（２０）の各段階で吐出される吐出圧力は、各々の圧縮シリンダーの性能によって決定される。
多段圧縮機（２０）及び第１熱交換器（３１）を通過した流体（ａ流れ）は、第３熱交換器（４０）上流で２つの流れ（ａ１，ａ２）に分岐する。第３熱交換器（４０）の上流で分岐した流れのうち一方の流れ（ａ１）は、第１減圧装置（７１）によって膨張されて温度が低くなった後に第３熱交換器（４０）で冷媒として使用され、第３熱交換器（４０）の上流で分岐した流れのうち他方の流れ（ａ２）は、第３熱交換器（４０）で熱交換されて冷却された後に第２減圧装置（７２）によって膨張されて一部または全部が再液化される。第２減圧装置（７２）を通過して一部または全部が再液化された流体は貯蔵タンク（１０）に送られ、第３熱交換器（４０）で冷媒として使用された流体（ａ１流れ）は多段圧縮機（２０）に送られる。
第３熱交換器（４０）で冷媒として使用された後で多段圧縮機（２０）に送られた流体は、第１減圧装置（７１）による膨張の程度に応じて、多段圧縮機（２０）で多段階の圧縮過程を経る流体のうち近似の圧力を有する流体と合流する。図１では、第３熱交換器（４０）で冷媒として使用された後で多段圧縮機（２０）に送られた流体が、第１圧縮シリンダー（２１）と第１冷却器（３２）との間で合流することを示した。
本実施形態の第１減圧装置（７１）及び第２減圧装置（７２）はジュール−トムソンバルブなどの膨張バルブであり、システムの構成に応じて膨張機の使用も可能である。また、本実施形態の第１熱交換器（３１）はエコノマイザー(Economizer)であり、第３熱交換器（４０）はインタークーラー(Intercooler)であり得る。
例えば、液化ガスがＬＰＧである場合、多段圧縮機（２０）で圧縮された流体は第２熱交換器（３４）を通過しながら冷却されるが、第２熱交換器（３４）で流体の少なくとも一部を液化することができ、第２熱交換器（３４）で液化された液体は第１熱交換器（３１）で過冷却される。また、第１熱交換器（３１）で過冷却された流体の一部を「ａ１流れ」に分岐させて第１減圧装置（７１）で膨張させた後に第３熱交換器（４０）で冷媒として使用し、第１熱交換器（３１）で過冷却された残りの流体、すなわち「ａ２流れ」は膨張された「ａ１流れ」を冷媒にして第３熱交換器（４０）で二次過冷却される。第３熱交換器（４０）を通過しながら過冷却された「ａ２流れ」は第２減圧装置（７２）で膨張された後に液体状態で貯蔵タンク（１０）に戻される。
本発明は、多段圧縮機（２０）による圧縮、第３熱交換器（４０）による冷却、及び第２減圧装置（７２）による膨張によって蒸発ガスを再液化する過程に加えて、第１熱交換器（３１）で多段圧縮機（２０）によって圧縮された流体を冷却することで、第３熱交換器（４０）に送られる流体（ａ流れ）の温度をより低くすることができる。第３熱交換器（４０）に送られる流体（ａ流れ）の温度が低くなると、分岐して冷媒として使用される流体（ａ１流れ）の量をより減らしても同じ再液化効率を達成することができ、第３熱交換器（４０）で冷媒として使用された流体（ａ１流れ）は多段圧縮機（２０）で圧縮されるので、第３熱交換器（４０）で冷媒として使用される流体（ａ１流れ）の量を減らせば、多段圧縮機（２０）で消耗されるエネルギーを低減することができる。すなわち、本発明は、第１熱交換器（３１）を備えることにより、第３熱交換器（４０）で冷媒として使用される流体（ａ１流れ）の量を減らし、多段圧縮機（２０）で消耗されるエネルギーを低減しながらも、ほぼ同様の再液化効率を達成することができる。
本発明は、上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更をして実施が可能であることは、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者にとって自明である。

Claims (5)

  1. 液化ガスを貯蔵する液化ガス貯蔵タンクが搭載された船舶において、
    前記液化ガス貯蔵タンクから排出された蒸発ガスを圧縮し、複数の圧縮シリンダーを備えた多段圧縮機；
    前記多段圧縮機で圧縮された流体を熱交換させて冷却する第２熱交換器；
    前記第２熱交換器によって冷却された流体を前記液化ガス貯蔵タンクから排出される蒸発ガスと熱交換させて冷却する第１熱交換器；
    前記第１熱交換器によって冷却された流体（以下、「ａ流れ」という。）の一部が分岐した流れ（以下、「ａ１流れ」という。）を膨張させる第１減圧装置；
    前記第１減圧装置によって膨張された前記「ａ１流れ」を冷媒として、前記「ａ流れ」のうち分岐した「ａ１流れ」を除いた残りの流体（以下、「ａ２流れ」という。）を熱交換させて冷却する第３熱交換器；及び
    前記第３熱交換器によって冷却された前記「ａ２流れ」を膨張させる第２減圧装置；を備え、
    前記液化ガスは、１気圧で−１１０℃より高い沸点を有し、
    前記多段圧縮機で圧縮される流体の吐出圧力は、前記第２熱交換器で冷却される流体の温度に対応する飽和圧力（Saturated Liquid Pressure）であり、
    前記第２熱交換器によって冷却された流体の少なくとも一部が飽和液体になることを特徴とする船舶。
  2. 前記第１減圧装置によって膨張された後に前記第３熱交換器で冷媒として使用された流体は前記多段圧縮機に送られることを特徴とする請求項１に記載の船舶。
  3. 前記第１熱交換器は前記多段圧縮機の上流に設置されることを特徴とする請求項２に記載の船舶。
  4. 前記多段圧縮機は前記複数の圧縮シリンダーと交互に設置された複数の冷却器を備えることを特徴とする請求項３に記載の船舶。
  5. 液化ガスを貯蔵する液化ガス貯蔵タンクが搭載された船舶に適用される蒸発ガスの再液化方法において、
    １）前記液化ガス貯蔵タンクから排出された蒸発ガスを多段圧縮機で圧縮した後に第２熱交換器で熱交換させて冷却し、
    ２）前記１）のステップで前記第２熱交換器で冷却された流体を前記液化ガス貯蔵タンクから排出された蒸発ガスを冷媒として第１熱交換器で熱交換させて冷却し、
    ３）前記２）のステップで前記第１熱交換器によって冷却された流体を２つの流れに分岐させ、
    ４）前記３）のステップで分岐した流れのうち一方の流れを膨張させた後に第３熱交換器で冷媒として使用し、
    ５）前記４）のステップで分岐した流れのうち他方の流れを前記第３熱交換器で冷却し、
    ６）前記５）のステップで前記第３熱交換器によって冷却された流体を膨張させて再液化し、前記４）のステップで膨張された後に前記第３熱交換器で冷媒として使用された流体は前記１）のステップの圧縮過程を経て、
    前記液化ガスは、１気圧で−１１０℃より高い沸点を有し、
    前記多段圧縮機で圧縮される流体の吐出圧力は、前記第２熱交換器で冷却される流体の温度に対応する飽和圧力（Saturated Liquid Pressure）であり、
    前記第２熱交換器によって冷却された流体の少なくとも一部が飽和液体になることを特徴とする蒸発ガスの再液化方法。
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