JP6935538B2 - 天然ガス燃料の供給装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、天然ガス燃料を供給する装置および方法に関する。

ドイツ語で「Ｆｌuｓｓｉｇｅｓ Ｅｒｄｇａｓ」として知られ、または省略形としてＬＮＧ（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ）と呼ばれる液化天然ガスは、−１６２℃の温度まで冷却され、それによって液体状態にある天然ガスである。最近では、多くの天然ガス源は、不幸にも、末端消費者から非常に遠くに離れていることが知られている。天然ガスを長距離にわたって輸送する一つの費用効果的な方法は、天然ガスを液化し、ＬＮＧタンカとしても知られるタンカ船で輸送することである。液化天然ガスは、目的地において気体状の天然ガスに再変換される。

特許文献１は、ＬＮＧタンカが輸送する天然ガスを、ＬＮＧタンカの発動機を駆動するための燃料源として用いることを可能とする装置および方法を開示している。特許文献１において詳細に記述されるように、ドイツ語で「Ａｂｄａｍｐｆｇａｓ」として知られるボイルオフガスは、液化天然ガスを含む貯蔵タンクの上方領域において生成される。このボイルオフガスは貯蔵タンクから取り出されて、圧縮され、次に、船のエンジン、例えば、燃焼エンジンに、気体状の天然ガスとして供給される。

国際公開第２００６／０７７０９４号パンフレット

本発明によって解決される課題は、液化天然ガスのボイルオフガスから抽出された燃料を、ＬＮＧタンカの燃焼エンジンに特に好適な燃料とすることが可能なより有利な装置およびより有利な方法を提供することにある。

該課題は請求項１に記載の特徴を備えた装置によって解決される。従属請求項２乃至９は本発明による装置のさらに有利な構成に関する。課題はさらに請求項１１に記載の特徴を備えた方法によって解決される。従属請求項１２乃至２１は、本発明による方法のさらに有利な構成に関する。

特に、前記の課題はコンプレッサを備えた天然ガス燃料を供給する装置によって解決され、前記コンプレッサは、天然ガスの流れの流入口であって、ＬＮＧ貯蔵タンクに連通して配置され、かつ前記ＬＮＧ貯蔵タンクからボイルオフガスを供給する流入口と、天然ガス供給パイプに連通して配置された流出口とを備える装置において、前記コンプレッサは、第一圧縮ステージと次の第二圧縮ステージとを備え、前記第一および第二圧縮ステージはラビリンスシール式ピストンコンプレッサ又はピストンリングシール式ピストンコンプレッサの形態を有し、前記第一圧縮ステージは前記第二圧縮ステージより大きなピストン径を備え、前記コンプレッサは少なくとも次の第三圧縮ステージを備え、前記第三圧縮ステージはピストンリングシール式ピストンコンプレッサ又はラビリンスシール式ピストンコンプレッサの形態を有することを、前記装置は特徴とする。さらに有利な構成において、前記第三圧縮ステージの次に第四圧縮ステージが存在する。さらに有利な構成において、前記第四圧縮ステージの次に第五圧縮ステージが存在する。特に有利な構成において、前記第三圧縮ステージはピストンリングシール式圧縮ステージの形態を有し、存在する場合には、前記第四および第五圧縮ステージも同様の形態を有する。さらに有利な構成において、前記第三圧縮ステージはラビリンスシール式圧縮ステージの形態を有し、存在する場合には、前記第四および第五圧縮ステージも同様である。さらに有利な構成において、前記圧縮ステージの全てはラビリンスシール式圧縮ステージか、ピストンリングシール式圧縮ステージかのいずれかの形態を有する。特に有利な構成において、前記第一および第二圧縮ステージはラビリンスシール式ピストンコンプレッサの形態を有し、前記次の圧縮ステージはピストンリングシール式コンプレッサの形態を有する。

本発明による装置は天然ガスの流れが液化天然ガスから生成され、前記天然ガスの流れは１００バール（１０ＭＰａ）から５００バール（５０ＭＰａ）の間の圧力、特に、１５０バール（１５ＭＰａ）から３００バール（３０ＭＰａ）の間の圧力を備え、前記天然ガスの流れは望ましくはタービンまたはピストンエンジン、例えばディーゼルエンジン等の燃焼エンジンの燃料供給源として作用する。本発明による装置は、望ましくは、船、特にＬＮＧタンカに配置され、燃焼エンジンに供給するための燃料を、ＬＮＧ貯蔵タンクに貯蔵された液化天然ガスから得ることを可能とする。液化天然ガスのボイルオフガスは、通常約マイナス１６２℃の温度で、通常１バール（１００ｋＰａ）の圧力にある。本発明による装置は、このボイルオフガスを、望ましくは１００バール（１０ＭＰａ）から５００バール（５０ＭＰａ）までの範囲の可変の給送圧力、特に、１５０バール（１５ＭＰａ）から３００バール（３０ＭＰａ）までの範囲の給送圧力まで圧縮することを可能とする。

ラビリンスシール式ピストンコンプレッサは、望ましくは−１６０℃から＋１００℃までの広範囲の温度にわたって天然ガスを吸引、および圧縮可能であるという利点を有する。ピストンリングシール式ピストンコンプレッサは、天然ガスを高圧力まで圧縮可能であるという利点を有する。本発明によるラビリンスシール式ピストンコンプレッサ及びピストンリングシール式ピストンコンプレッサの組み合わせは、ボイルオフガスから、非常に確実、かつ費用効果的に天然ガスを圧縮することを可能とし、特に、輸送されるＬＮＧ貯蔵タンクからの燃料をＬＮＧタンカの発動機に供給することを可能とするという利点を有する。

好適な構成において、前記第二および第三圧縮ステージの間に逆止弁が存在し、前記第一および第二圧縮ステージは油なしで圧縮を行なうことが望ましい。この構成は、前記第一および第二圧縮ステージにおいて圧縮される天然ガスが汚染されず、必要に応じて、ＬＮＧ貯蔵タンクに戻されることが可能であるという利点を有する。前記第二圧縮ステージが単一のコンプレッサからなるか、直列に接続された二つのコンプレッサからなるか、もしくはむしろ一つのピストンコンプレッサ又は直列に接続された二つのピストンコンプレッサからなることは有利である。

特に好適な構成において、前記圧縮ステージの全ては共通ケーシングに取付けられ、かつ共通クランク駆動機構によって駆動される。この事実は、船上の空間にも設置可能な非常に小型のコンプレッサを可能とする。好適な構成において、前記クランク駆動機構上に補償用重りが設けられ、特に船での使用に有利な特に静粛に作動するコンプレッサが実現される。

さらに有利な構成において、前記圧縮ステージの少なくとも一つは、逆向きの流れを制御し、それによって前記圧縮ステージの給送量および給送圧力の少なくともいずれか一方を制御する可制御弁を備えたバイパスを特徴とする。

以下、例示的な実施形態を用いて、本発明を詳細に説明する。図面において、同一の部材は常に同一の参照符号で示される。図面は実施形態の例を説明するために用いられる。

コンプレッサの実施形態を概略的に示す図。 コンプレッサのさらなる実施形態を概略的に示す図。 図２に示したコンプレッサのさらなる発展形の概略図。 コンプレッサの断面図。 図４に示したコンプレッサの詳細図。 図４に示したコンプレッサのさらに詳細な図。 二つのディーゼルエンジンに供給するために並列に配置された二つのコンプレッサを概略的に示す図。 天然ガスの温度の時間に対するグラフ。 圧縮天然ガスの圧力および質量流束を制御するフィードバック制御の概念を示す図。 釣合い重りを備えたクロスヘッドの縦断面図。 釣合い重りを備えたクロスヘッドの側面図。

図１は、天然ガス燃料を供給する装置１を概略的に示し、該装置１は、天然ガス４の流入口３を備えたコンプレッサ２を有するとともに、下流に配置された燃焼エンジン用の天然ガス供給パイプ８に連通された流出口７を備える。流入口３は、ＬＮＧ貯蔵タンク５に連通して配置され、ＬＮＧ貯蔵タンク５において、天然ガスＥｆは、通常１バール（１００ｋＰａ）の圧力、かつマイナス１６２℃の温度で貯蔵されている。ボイルオフガス６としても周知の気体状天然ガスＥｇは、液化天然ガスＥｆの上方において生成される。このボイルオフガス６はコンプレッサ２によって吸引されたり、圧縮されたりし、望ましくは、１５０バール（１５ＭＰａ）から３００バール（３０ＭＰａ）の圧力下で流出口７において天然ガスとしてコンプレッサ２から離脱する。コンプレッサ２は、望ましくは、駆動用発動機の燃料として圧縮天然ガスを使用することが望ましいＬＮＧタンカ上に配置される。

コンプレッサ２は第一圧縮ステージ９および次の第二圧縮ステージ１０を備え、第一および第二圧縮ステージ９、１０は、ラビリンスシール式ピストンコンプレッサの形態を有し、第一圧縮ステージ９は第二圧縮ステージ１０より大きなピストン径を特徴とする。コンプレッサ２は、続いて、第三および第四圧縮ステージ１３、１４を備え、第三および第四圧縮ステージ１３、１４は、ピストンリングシール式ピストンコンプレッサ１５の形態を有する。圧縮天然ガスは、次に、流出口７に給送される。

有利な構成において、第二圧縮ステージ１０および第三圧縮ステージ１３の間に逆止弁１６が設けられ、天然ガスは一方向のみに流動することができる。有利な構成において、逆止弁１６の上流に配置された全ての圧縮ステージ９、１０は油不要であり、そのため、このセクションにおける圧縮天然ガスは不純物によって汚染されることはない。図１に示したコンプレッサ２は、直列に接続された四つのピストンコンプレッサ１１、１２、１５を備える。

有利な構成において、圧縮ステージ９、１０、１３、１４の少なくとも一つは、例えば電線２３ａ、２４ａ、２５ａを介して制御されるように構成された可制御弁２３、２４、２５を備えたバイパス２０、２１、２２を特徴とする。この構成の利点は、流出口７における天然ガスの圧力および給送量の少なくともいずれか一方、すなわち流出口７を通る流れを調整することができるという点にある。

図１に示した実施形態において、各場合において、直列に接続された二つの圧縮ステージ９、１０、又はそれぞれ１３、１４が存在する。装置１は、当然、二つの圧縮ステージ９及び１０または１３及び１４の各々が単一の圧縮ステージで構築されるように構成されてもよいし、あるいは、直列に接続された三つの圧縮ステージが、図示されている二つの代わりに用いられるように構成されてもよい。また、図１に示した実施形態は、単一のピストンコンプレッサ１５のみを備えてもよいし、あるいは、直列に接続された三つのピストンコンプレッサ１５を備えてもよい。

図１に示した構成と比較して、図２に示すような、さらに有利な構成のコンプレッサ２は、さらなるピストンコンプレッサ１１、１２、１５を備え、ピストンコンプレッサ１１、１２、１５は、より高い給送圧力を実現するために、直列に接続された付加的な圧縮ステージを形成するか、より多くの給送量を実現するために並列に接続された圧縮ステージを形成するか、または直列および並列の両方で接続された圧縮ステージを備える。従って、例えば、第一圧縮ステージ９は、給送量を増加させるために、二つの並列のピストンコンプレッサ１１を備える。好適な構成において、図２に示すように、第二圧縮ステージ１０は二つのコンプレッサからなり、二つの直列に接続されたピストンコンプレッサ１２は、圧縮圧を増大させるために、連続して配置されている。吸引圧力が比較的低い時、第一または第二圧縮ステージ９、１０において付加的なコンプレッサが特に必要となる。さらに、例えば、天然ガスの給送圧力を増加させるために、第三および第四圧縮ステージ１３、１４において、直列に接続された少なくとも一つの付加的なピストンコンプレッサが存在してもよい。従って、本発明によるコンプレッサ２は、流入口３および流出口７における天然ガスの必要とされる特性、又は所望の特性、特に天然ガスの温度、圧力、必要な給送量に応じて多くの方法で構成することができる。図２に示したコンプレッサ２は、直列に接続された五つのピストンコンプレッサ１１、１２、１５を備えた好適な実施形態を示している。

図２に示したコンプレッサ２は、各位置における天然ガスの圧力を測定するために複数の圧力センサ４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄを備える。コンプレッサ２は、三つの調整装置４０ａ、４０ｂ、４０ｃをさらに備える。図示した実施形態において、目標圧力値４１が調整装置４０ａに与えられ、現在の給送圧力値４２ｄが流出口７の領域において測定される。調整装置４０ａは、現在値および目標値の間の差に基づいて、弁２３の位置に影響を与え、それによってバイパス２０における逆向きの流れに作用する。同様に、調整装置４０ｂは第二圧縮ステージ１０の前後の圧力４２ａ、４２ｂを比較し、調整装置４０ｃは、第三および第四圧縮ステージ１３、１４の前後の圧力４２ｃ、４２ｄを比較して、それぞれ測定値に基づいて弁２４及び２５の位置に影響を与え、バイパス２１および２２における逆向きの流れに作用する。調整装置４０ａ、４０ｂ、及び４０ｃはマスタ調整器に接続されても良い。図２に示したように、圧縮天然ガスを冷却するために圧縮ステージ１０、１３、１４の後方に冷却器３１を備えることは有利である。冷却器３１は、例えば、グリコール−水混合物によって冷却される。

図３は、図２において既に示したような、逆止弁１６の左側に配置されたコンプレッサ２の一部のさらに有利な実施形態を示している。第一および第二圧縮ステージ９、１０の間に温度センサ４７および調整弁４５が存在する。また、調整弁４５に対するバイパスとして、調整弁４６、温度センサ４８、及び冷却器３１が存在する。このように、第一圧縮ステージ９から離脱する天然ガスは、温度に応じて、第二圧縮ステージ１０に直接供給されるか、あるいは調整弁４６および冷却器３１を介して冷却された天然ガスとして第二圧縮ステージ１０に供給される。さらに、コンプレッサ２は、遮断弁５１によって通過する流れが制御されたリターンパイプ５０をさらに備え、この場合、望ましくは、リターンパイプ５０は逆止弁１６の左側（即ち、天然ガスの流れに対して、上流側）に存在する。リターンパイプ５０は再液化プラントに送られ、過剰な天然ガスは、例えば、ＬＮＧ貯蔵タンク５内へ戻される。リターンパイプ５０は、例えば、天然ガスを燃焼するガスバーナまで延びてもよい。

図４は、本発明によるコンプレッサ２の実施形態の一例の詳細な断面図を示している。コンプレッサ２は、クランク駆動機構１７およびスペーサ部１８ａを備えた共通ハウジング１８を有する。クランク駆動機構１７には、ベアリングが取り付けられたクランクシャフト１７ａと、クランクシャフト１７ａの外形に沿って長手方向に離間し、かつプッシュロッド１７ｂを介してクランクシャフト１７ａに連結された六つのクロスヘッド１７ｃとを備え、同時に、クランク駆動機構１７はクロスヘッド１７ｃがその中を移動するクロスヘッド孔１７ｄを備え、各クロスヘッド１７ｃはピストンロッド１７ｅに連結され、各ピストンロッド１７ｅはピストン９ａ、１０ａ、１３ａ、１４ａに連結されている。クランクシャフト１７ａは、重り付きのフライホイール２６を介して、駆動シャフト２７に連結されている。示した実施形態において、六つのピストンコンプレッサが、スペーサ部１８の上部に面したベアリング上に取り付けられている。ピストンコンプレッサ１１、１２、１５のピストン９ａ、１０ａ、１３ａ、１４ａは、ピストンロッド１７ｅを介して共通クランクシャフト１７ａによって駆動される。図５及び６は、ピストンコンプレッサ１１、１２、１５を具体的に示している。コンプレッサ２は二つのピストンコンプレッサ１１を備えた第一圧縮ステージ９を有し、二つのピストンコンプレッサ１１はラビリンスシール式ピストンコンプレッサ１１の形態を有し、圧縮ステージ９のピストンコンプレッサ１１は、図５に詳細に示すように、ピストン径９ｂを備えたピストン９ａと、外側上において、ピストン９ａのシリンダ形状面とを備え、ラビリンスシール９ｃ、又は、場合によってシリンダ壁９ｄと協働して非接触のラビリンスシール９ｃを提供する表面構造が存在する。ピストンコンプレッサ１１は、ピストンロッド１７ｅとピストン９ａとの移動を案内するように構成されたピストンロッドガイド９ｅをさらに備える。左側および右側に配置された両方のピストンコンプレッサ１１は、圧縮されるべき天然ガスに対して互いに並列または直列に構成され得る。有利な構成において、第一圧縮ステージ９は、ピストン９ａの両側が天然ガス圧縮用の圧縮チャンバを画定する複動式シリンダを備える。望ましくは、第一圧縮ステージ９は、低温作動用に作られ、非常に低い温度に対して適切な材料から製造される。

コンプレッサ２は、直列に接続された二つのピストンコンプレッサ１２からなる第二圧縮ステージ１０を備え、ピストンコンプレッサ１２はラビリンスシール式ピストンコンプレッサ１２の形態を有し、第二圧縮ステージ１０の各ピストンコンプレッサ１２は、図５に詳細に示すように、ピストン径１０ｂを備えたピストン１０ａと、外側上において、ピストン１０ａのシリンダ形状面とを備え、ラビリンスシール１０ｃ、又は、場合によって、シリンダ壁１０ｄと協働して非接触のラビリンスシール１０ｃを提供する表面構造が存在する。さらなる実施形態において、ラビリンスシールがシリンダ壁１０ｄ上に配置され、シリンダ１０ａが比較的平滑な表面を備えても良い。第二圧縮ステージ１０は、ピストンロッド１７ｅ及びピストン１０ａの移動を案内するピストンロッドガイド１０ｅをさらに備える。近接した両方のピストンコンプレッサ１２は、圧縮されるべき天然ガスに対して互いに直列に配置されることが望ましい。第一圧縮ステージ９のピストン径９ｂは第二圧縮ステージ１０のピストン径１０ｂより大きい。

コンプレッサ２は、二つのピストンリングシール式ピストンコンプレッサ１５を備え、各ピストンコンプレッサ１５は、複動式シリンダの形態を有し、かつ第三圧縮ステージ１３と、第四圧縮ステージ１４との二つの圧縮ステージを備え、図６に詳細に示すように、第三圧縮ステージ１３は、複数のピストンリング１３ｂを備えたピストン１３ａとシリンダ１３ｃとを有し、第四圧縮ステージは、複数のピストンリング１４ｂを備えたピストン１４ａと、シリンダ１４ｃとを有する。図示した実施形態において、第三圧縮ステージ１３はピストンの上方に位置し、第四圧縮ステージ１４はピストンの下方に位置する。さらなる実施形態（図示せず）において、第三圧縮ステージ１３はピストンの下方に位置し、第四圧縮ステージ１４はピストンの下方に位置しても良い。望ましくは、両方のピストンコンプレッサ１５は、相互に直列に接続されるが、並列に接続されてもよい。

クロスヘッドは油潤滑式である。スペーサ部１８ａにおいてピストンロッド１７ｅの周囲にオイルスクレーパ１７ｆが設けられる。共通ケーシング１８は、油供給配管２８によって潤滑油を供給され、基部の下方には油が油除去配管２９によって抜き出される流出口を備える。この構成は、油が除去されるために、ハウジングの基部に油溜めを常に配置しておく必要がないという利点を有する。

ケーシング１８の最も望ましい実施形態において、六つの対応したピストンロッド１７ｅを備えた六つのクロスヘッド１７ｃが設けられる。望ましくは、クランクシャフト１７ａの外形に沿って長手方向に離間し、かつプッシュロッド１７ｂを介してクランクシャフト１７ａに連結された六つのクロスヘッド１７ｃの対は、クランクシャフト１７ａの回転に対して６０度の角度のオフセットを伴って連結される。望ましい構成において、補償用重り１９が、クロスヘッド１７ｃおよびピストンロッド１７ｅの少なくともいずれか一方に連結される。望ましくは、各クロスヘッド１７ｃ、対応したピストンロッド１７ｅ、接続されたピストン９ａ、１０ａ、及び対応した補償用重り１９が実質的に同一の重量となるように、補償用重り１９は選択される。このような補償用重り１９の構成は、作動中、コンプレッサ２を非常に平滑に移動させる。船の上においては、振動の力を回避するために、大きく重い土台を利用することは不可能であるため、この事実は、コンプレッサ２を船、例えばＬＮＧタンカ上で作動させる場合に特に有利である。本発明によるコンプレッサ２は、望ましくは、小さな印加力と小さな印加モーメントとなるように構成され、ひいては、コンプレッサ２は、船上での使用に特に適切である。図４に示すコンプレッサ２は、非常にコンパクトに製造され、ひいては、必要な空間を小さくし、コンプレッサ２は単一のコンパクトな電動発動機によって駆動可能であるという利点を有する。

振動の力の最適な釣合いは、図４に示す構成によって実現され、該構成は、クランクシャフト１７ａの外形に沿って長手方向に離間した六つのクロスヘッド１７ｃと、プッシュロッド１７ｂと、ピストンロッド１７ｅとを備えた共通ケーシング１８を有する。しかしながら、図４に示すよりも少ないピストンコンプレッサ１１、１２、１５を備えたコンプレッサ２を有し、例えば、図１に示すように、三つのピストンコンプレッサのみを備えることが有利でもあり得る。この実施形態において、図４のコンプレッサ２は、左から右に、第一および第二のピストンコンプレッサ１１、１２と、第四のピストンコンプレッサ１５とのみを備え、スペーサ部１８ａは第三、第五、及び第六の位置のベアリング面にわたる閉鎖プレートで覆われることができ、同時に、閉鎖プレートに配置されたピストンロッド１７ｅは閉鎖プレートに接触しないように適切に短くすることができる。この実施形態において、六つのクロスヘッド１７ｃ、プッシュロッド１７ｂ、及びピストンロッド１７ｅの全ては、依然存在することが望ましく、六つの移動する集合体の各々が同一の質量を備え、振動のほとんどない平滑な進行を保証するように、補償用重り１９は選択されることが望ましい。六つのクランクスローを備えたクランクシャフト１７ａを有する図４に示す実施形態は、印加力が比較的最適に釣り合い、振動の力がほぼ発生しないことを保証する。

図１０は、ピストンロッド１７ｅ、クロスヘッドガジオンピン１７ｇ、連結手段１７ｈ、及びガイド表面１７ｉを備えたクロスヘッド１７ｃの縦断面図を示している。複数のプレート１９ａ及び固定手段１９ｂからなる釣合い重り１９が、クロスヘッド１９ａ及びピストンロッド１７ｅの少なくともいずれか一方に剛性的に連結されている。釣合い重り１９はクロスヘッド１７ｃの上方の位置に配置されることもでき、この場合、釣合い重り１９はピストンロッド１７ｅに連結されることが望ましい。図１１は図１０に示す構成の側面図を示し、プッシュロッド１７ｂはクロスヘッドガジオンピン１７ｇを介してクロスヘッド１７ｃに連結されている。釣合い重り１９は単一の部品であり得る。しかしながら、釣合い重りは複数の部分的な重り１９ａ、望ましくは、幾何学的に同一に形成された部分的な重り１９ａからなることが望ましい。好適な実施形態において、部分的な重り１９ａは、図１０及び１１に示すように、プレートの形態を有する。

図４に示したコンプレッサ２において、圧縮ステージ９、１０、１３、１４の全て、もしくはピストンコンプレッサ１１、１２、１５の全ては同一のクランクシャフト１７ａによって駆動される。しかし、ケーシング１８を二つの別々のケーシングに分けることも可能であり、例えば、第一および第二圧縮ステージ９、１０が第一ケーシングに配置され、第三および第四圧縮ステージ１３、１４が第二ケーシングに配置される。圧縮ステージ９、１０、１３、１４の全ては、同一のクランクシャフト１７ａによって駆動される。しかし、さらなる実施形態において、二つ、もしくはむしろ二つより多くの別々のクランクシャフト１７ａが用いられることもでき、該クランクシャフト１７ａは別々の駆動部、例えば発動機によって駆動されることもできる。

図７は、ボイルオフガス６からなる天然ガス４の流れが流入口３を介して供給される並列に配置された二つのコンプレッサ２を備えた構成を概略的に示している。コンプレッサ２の後方において、圧縮された天然ガスは二本の天然ガス供給パイプ８により、遮断弁５２、５３を介してそれぞれ燃焼エンジン３２へ供給され、例えば、燃焼エンジン３２は、天然ガスを燃料ガスとすることが適切でもある船のディーゼル発動機のようなピストン式発動機である。燃焼エンジン３２の調整器は、供給される天然ガスの目標圧力値４１を設定し、この目標圧力値４１は目標値として二つのコンプレッサ２に与えられる。望ましくは、燃焼エンジン３２は、利用可能な特定レベルの出力を得るために、目標圧力値４１によって、特定圧力のガスを要求するように作動する。特に望ましい実施形態において、目標圧力値４１は図１及び２に示したコンプレッサ２用の制御入力信号のみである。特に、燃焼エンジン３２が必要とするガスの量は未知である。本発明による装置および方法の両方は、可変量の天然ガスを、ボイルオフガス６から所定の圧力で供給することを可能とする。

ラビリンスシール式ピストンコンプレッサ１１、１２は、幅広い温度範囲にわたり、特に、非常に低い温度や大きな温度変化がある場合にも、確実に作動可能であるという利点を有する。図８は、第一圧縮ステージ９の吸引側における吸引された天然ガスの時間に関しての温度曲線ＴＡを示している。曲線ＴＢは、第一圧縮ステージ９の放出側における天然ガスの温度を時間に関して示している。曲線ＴＣは、第二圧縮ステージ１０の放出側における天然ガスの温度を時間に関して示している。示した実施形態から、ラビリンスシール式ピストンコンプレッサ１１、１２が−１５０℃から＋１００℃までの温度範囲にわたって確実に作動可能であることが分かる。本発明によるコンプレッサ２は、吸引側のほぼ如何なる温度においても開始可能であるという利点も有する。

図１〜３を参照して、可能な作動方法が詳細に説明される。本発明による燃焼エンジン用の天然ガス燃料の供給方法において、ボイルオフガス６が液化天然ガスを含むＬＮＧ貯蔵タンク５から得られる。次に、ボイルオフガス６は、ラビリンスシール式ピストンコンプレッサ１１、１２からなる圧縮ステージ９、１０において、圧縮される。その後、天然ガスは、ピストンリングまたはラビリンスによってシールされたピストンコンプレッサ１５を備えた圧縮ステージ１３、１４において圧縮される。それによって、天然ガスは、１００バール（１０ＭＰａ）から５００バール（５０ＭＰａ）の間の圧力、望ましくは、１５０バール（１５ＭＰａ）から３００バール（３０ＭＰａ）の間の圧力まで圧縮され、流出口７において利用可能となる。

有利には、第一および第二圧縮ステージ９、１０はラビリンスシール式ピストンコンプレッサ１１、１２からなり、第三および第四圧縮ステージ１３、１４はピストンリングシール式ピストンコンプレッサ１５からなり、それにより、天然ガスは少なくとも四つの圧縮ステージ９、１０、１３、１４で圧縮され、ここで、第二圧縮ステージにおいて、二つの直列に接続された二つのコンプレッサまたはピストンコンプレッサ１２を配置することが特に有利である。

第二圧縮ステージ１０に続いて、逆止弁１６を介して天然ガスを第三圧縮ステージ１３に供給することが有利である。
有利には、ピストンコンプレッサ１１、１２、１５の少なくとも一つはバイパス２０、２１、２２を備え、天然ガスは、バイパス２０、２１、２２の少なくとも一つを介して戻され、流出口７における天然ガスが所望の目標圧力Ｐｓｏｌｌになる。図２に示した実施形態において、バイパス２０、２１、２２を通る逆向きの流れは制御され、流出口７における給送圧力は１００バール（１０ＭＰａ）から５００バール（５０ＭＰａ）まで、望ましくは、１５０バール（１５ＭＰａ）から３００バール（３０ＭＰａ）までの値の範囲にわたって可変となり、かつ天然ガスの所望の量は０％から１００％までの値の範囲にわたって可変となり、コンプレッサ２は、制御入力値４１によって指定される流出口７における放出側の可変の給送圧力を備える。本発明による方法によって、本発明によるコンプレッサ２は、燃焼エンジン３２にて消費される天然ガスの量が変動する場合にも、制御入力値４１によって指定された給送圧力を維持することを可能とする。弁２３、２４、２５の各位置に応じて、０％から１００％の給送量が、関連したバイパス２０、２１、２２を介して再循環する。給送量を０％まで減少することができる能力、即ち、バイパス２０、２１、２２において１００％の再循環率を可能とする能力は、流出口７から天然ガスが得られない場合にもコンプレッサが駆動可能であるという利点をもたらす。構成によっては、コンプレッサ２のクランクシャフト１７ａを駆動する電動発動機は、例えば、単位時間あたり特定の回数のみ始動可能である。例えば、電動発動機は、時間当たりの新たな始動の回数を制限するように、始動の間、加熱されることができる。このようにして、バイパス２０、２１、２２および弁２３、２４、２５によって、流出口７から少量の天然ガスのみしか、または全く得られない場合にも、電動発動機が稼動し続けることが可能となる。

図９は、流出口７における圧縮された天然ガスの圧力および質量流束を制御するフィードバック制御の概念を示している。詳細には、図９は１５０バール（１５ＭＰａ）の圧力Ｐ１、及び２６５バール（２６．５ＭＰａ）の圧力Ｐ２における駆動シャフト２７の利用可能な出力の関数として、単位ｋｇ／ｈで質量流束の割合を示している。図２および図９の曲線Ｐ２を参照して、フィードバック制御の概念が詳細に説明される。Ｒ１と示された曲線Ｐ２の部分は、弁２３の位置を変化させて、バイパス２０中の復帰流速を変化させることによって実現される。また、Ｒ３と示された曲線Ｐ２の部分は、弁２５の位置を変化させて、バイパス２２中の復帰流速を変化させることによって実現される。さらに、Ｒ４と示された曲線Ｐ２の部分は弁２４の位置を変化させて、バイパス２１中の復帰流速を変化させることによって実現される。このようにして、流出口７において一定の圧力を維持しながら、天然ガスの質量流束、即ち供給量は、０％から１００％の間において変化可能である。同一のフィードバック制御方法は、他の圧力、例えば、１５０バール（１５ＭＰａ）の圧力を備えた曲線Ｐ１にも適用される。質量流束の変動の他に、図２の構成は圧力変化を補償することも可能である。調整装置４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、ＰＩ制御装置の形態を有することが有利である。調整装置４０ａにおいて目標圧力値４１が与えられ、かつ現在の圧力値４２ｄが特定の目標圧力値４１未満まで減少すると、調整装置４０ａは部分的、または完全に弁２３を閉鎖し、バイパス２０中の復帰天然ガスが減少し、より大量の天然ガスが流出口７において利用可能となり、流出口７における天然ガスの圧力が上昇する。調整装置４０ｂは、現在の入力値４２ａと、現在の出力値４２ｂとの二つの現在の値４２ａ、４２ｂを取得する。

目標入力値と目標出力値との二つの目標値（図示せず）が、調整装置４０ｂに指定される。現在の入力値４２ａが目標入力値より小さい場合に、弁２４は開放される。目標出力値が現在の出力値４２より小さい場合に、弁は同様に開放される。同一のフィードバック制御方法が、調整装置４０ｃと、対応するセンサおよび弁２５とにも適用される。

コンプレッサ２および燃焼エンジン３２が好適に作動されることにより、燃焼エンジン３２が、給送される天然ガスの目標圧力値Ｐｓｏｌｌを設定し、かつ流出口７における天然ガスが所定の目標圧力値Ｐｓｏｌｌであるようにコンプレッサが制御される。

少なくとも第一および第二ピストンコンプレッサ１１、１２において、天然ガスを油不要の状態で圧縮することは有利である。圧縮ステージ９、１０、１３、１４の後に、天然ガスを冷却することは有利である。全てのピストンコンプレッサ１１、１２、１５が共通のクランクシャフト１７ａによって駆動されることは有利である。ラビリンスシール式ピストンコンプレッサ１１、１２が第一共通クランクシャフトによって駆動され、ピストンリングシール式ピストンコンプレッサ１５が第二共通クランクシャフトによって駆動されることも有利である。一部の圧縮天然ガスを燃焼するか、再液化することは有利である。第一および第二圧縮ステージの間にて中間冷却器３１を接続または遮断することは有利である。

Claims (31)

1. 船舶に天然ガス燃料を供給する装置（１）であって、該装置（１）はコンプレッサ（２）を備え、該コンプレッサ（２）は、天然ガス（４）の流れの流入口（３）であって、ＬＮＧ貯蔵タンク（５）に連通して配置され、かつボイルオフガス（６）を前記ＬＮＧ貯蔵タンク（５）から供給する流入口（３）と、船舶のディーゼルエンジンに天然ガス燃料を供給するための天然ガス供給パイプ（８）に連通して配置される流出口（７）とを備えた装置（１）において、前記コンプレッサ（２）は第一圧縮ステージ（９）および次の第二圧縮ステージ（１０）を備え、前記第一および第二圧縮ステージ（９、１０）はピストンリングシール式ピストンコンプレッサ（１１、１２）の形態を有し、前記第一圧縮ステージ（９）は前記第二圧縮ステージ（１０）より大きなピストン径を備え、前記コンプレッサ（２）は少なくとも一つの次の第三圧縮ステージ（１３、１４）を備え、前記第三圧縮ステージ（１３、１４）はピストンリングシール式ピストンコンプレッサ（１５）の形態を有し、
   前記第二圧縮ステージ（１０）と前記第三圧縮ステージ（１３）との間に、逆止弁（１６）が存在し、
   前記流入口（３）と前記逆止弁（１６）との間に、天然ガスを前記ＬＮＧ貯蔵タンク（５）に戻すためのリターンパイプ（５０）が存在し、
   圧縮ステージ（９、１０、１３、１４）のうちの少なくとも一つは、天然ガス燃料が前記流出口（７）において１００バール（１０ＭＰａ）から５００バール（５０ＭＰａ）の間の送給圧力を有するようにする可制御弁（２３、２４、２５）を備えたバイパス（２０、２１、２２）を有することを特徴とする装置。
2. 前記リターンパイプ（５０）は、前記流入口（３）と前記逆止弁（１６）との間で前記第一圧縮ステージ（９）の下流にあることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 天然ガスを前記ＬＮＧ貯蔵タンク（５）に戻す前に、前記リターンパイプ（５０）が再液化プラントに送られることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 前記第三圧縮ステージ（１３、１４）は、逆流を制御して、前記第三圧縮ステージ（１３、１４）の送給圧力を制御する可制御弁（２５）を備えたバイパス（２２）を有し、前記バイパス（２２）は、前記第三圧縮ステージ（１３、１４）の入口と出口とを接続する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
5. １００％の送給量が前記バイパス（２２）を介して再循環されることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記第三圧縮ステージ（１３、１４）の前記バイパス（２２）が、前記逆止弁（１６）と前記流出口（７）との間に存在することを特徴とする請求項４に記載の装置。
7. 前記第一および第二圧縮ステージ（９、１０）は、潤滑油を含んでいないことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記逆止弁（１６）の下流の圧縮ステージが油で潤滑されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の装置。
9. 全ての圧縮ステージが潤滑油を含んでいないことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記第一圧縮ステージ（９）は、単一のピストンコンプレッサで構成されているか、又は二つの並列のピストンコンプレッサで構成されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記第一圧縮ステージ（９）は、低温作動用に作られ、かつ非常に低い温度に対して適切な材料から製造されることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 前記第一圧縮ステージ（９）の後に、調整弁（４５）が設けられ、かつ調整弁（４６）、温度センサ（４８）、および冷却器（３１）を含む前記調整弁（４５）へのバイパスが設けられて、前記第一圧縮ステージ（９）から離脱する天然ガスを温度に応じて、前記第二圧縮ステージ（１０）に直接供給するか、または前記調整弁（４６）および前記冷却器（３１）を介して冷却された天然ガスとして第二圧縮ステージ（１０）に供給するようにすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記第二および第三圧縮ステージ（１０、１３、１４）の各コンプレッサの後に、冷却器（３１）が設けられていることを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
14. 前記圧縮ステージ（９、１０、１３、１４）の全ては共通クランク駆動機構（１７）によって駆動されることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 前記圧縮ステージ（９、１０、１３、１４）の全ては、共通ケーシング（１８）に取付けられることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の装置。
16. 前記第二圧縮ステージ（１０）は、直列に接続されたコンプレッサの二つのステージからなることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の装置。
17. 前記逆止弁（１６）の前の全ての圧縮ステージ（９、１０）は油不使用であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
18. 船舶のディーゼルエンジン（３２）にＬＮＧ貯蔵タンクに貯蔵された天然ガスを供給するための請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の装置の使用法。
19. 天然ガス燃料を船舶のディーゼル燃焼エンジン（３２）に供給する方法であって、ボイルオフガス（６）が液化天然ガスを含むＬＮＧ貯蔵タンク（５）から得られ、そのボイルオフガス（６）がピストンリングシール式ピストンコンプレッサ（１１、１２）からなる第一圧縮ステージ（９）およびそれに続く第二圧縮ステージ（１０）において圧縮され、次に、天然ガスがピストンリングシール式ピストンコンプレッサ（１５）からなる少なくとも第三圧縮ステージ（１３、１４）において圧縮され、それによって、前記天然ガスが少なくとも三つの圧縮ステージにおいて圧縮され、前記ボイルオフガス（６）から開始される前記天然ガスが１００バール（１０ＭＰａ）から５００バール（５０ＭＰａ）の間の範囲内の送給圧力まで圧縮され、前記天然ガスが前記天然ガスをディーゼルエンジン（３２）に供給するための流出口（７）において利用可能にされ、圧縮ステージ（１１、１２、１３、１４）のうちの少なくとも一つは、前記流出口（７）における天然ガス燃料の圧力および／または送給量のうちの少なくとも１つを制御するための可制御弁（２３、２４、２５）を備えたバイパス（２０、２１、２２）を有し、前記第二圧縮ステージ（１０）の後、前記天然ガスが、逆止弁（１６）を介して前記第三圧縮ステージ（１３）に供給され、過剰な天然ガスは、流入口（３）と前記逆止弁（１６）との間で、前記ＬＮＧ貯蔵タンク（５）に戻されることを特徴とする方法。
20. 前記過剰な天然ガスが、前記第一圧縮ステージ（９）の下流において前記ＬＮＧ貯蔵タンク（５）に戻されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
21. 前記過剰の天然ガスが、再液化プラントに供給されることを特徴とする請求項１９または２０に記載の方法。
22. 再液化された過剰の天然ガスが、前記ＬＮＧ貯蔵タンク（５）に戻されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
23. 前記ディーゼルエンジン（３２）は、前記ディーゼルエンジン（３２）の特定の出力レベルに応じて、目標圧力値（４１、Ｐｓｏｌｌ）の天然ガスを要求することを特徴とする請求項１９乃至２２のいずれか一項に記載の方法。
24. 前記ディーゼルエンジン（３２）が変動する量の天然ガスを消費しても、送給圧力が前記目標圧力値（４１、Ｐｓｏｌｌ）に維持されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
25. 可制御弁（２３、２４、２５）の個々の位置に応じて、関連するバイパス（２０、２１、２２）を介して０％と１００％との間の送達量を再循環することができることを特徴とする請求項１９乃至２４のいずれか一項に記載の方法。
26. 天然ガスが前記流出口（７）から得られない場合でもコンプレッサが駆動され、１００％の天然ガスが関連するバイパス（２０、２１、２２）を介して再循環されることを特徴とする請求項１９乃至２５のいずれか一項に記載の方法。
27. ボイルオフガスの送給量を増加させるために、ボイルオフガスは、前記第一圧縮ステージ（９）において二つのコンプレッサによって並列に圧縮されることを特徴とする請求項１９乃至２６のいずれか一項に記載の方法。
28. 前記第一圧縮ステージ（９）から離脱する天然ガスは、温度に応じて、前記第二圧縮ステージ（１０）に直接供給されるか、または冷却されて前記第二圧縮ステージ（１０）に供給されることを特徴とする請求項１９乃至２７のいずれか一項に記載の方法。
29. 前記天然ガスは少なくとも前記第一および第二圧縮ステージ（９、１０）において油不使用の状態で圧縮されることを特徴とする請求項１９乃至２８のいずれか一項に記載の方法。
30. 前記天然ガスは圧縮ステージ（９、１０、１３、１４）の後において冷却されることを特徴とする請求項１９乃至２９のいずれか一項に記載の方法。
31. 前記ピストンコンプレッサ（１１、１２、１５）の全ては共通クランクシャフト（１７ａ）によって駆動されることを特徴とする請求項１９乃至３０のいずれか一項に記載の方法。

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