JP6959806B2 - 船舶 - Google Patents

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Description

本発明は、ＬＰＧを燃料とする推進用エンジンを含む船舶に関する。
従来の船舶では、一般的に、推進用エンジンの燃料は重油などの燃料油かＬＮＧ（Liquefied Natural Gas）であった。近年では、推進用エンジンの燃料としてＬＰＧ（Liquefied Petroleum Gas）を用いることも提案されている。
例えば、特許文献１には、燃料タンクから推進用エンジンへＬＰＧを液体のまま供給する船舶が開示されている。ＬＰＧを燃料として用いた場合には、燃料油と比べて硫黄酸化物対策が不要であるとともに二酸化炭素排出量が少ないというメリットがあり、ＬＮＧと比べて比重が大きいために燃料タンクを小型化できるというメリットがある。
韓国公開特許第２０１２−０１１３３９８号公報
ＬＰＧを燃料として用いる場合には、燃料タンクと推進用エンジンとを燃料供給ラインおよび燃料回収ラインにより接続し、燃料タンクとエンジンとの間でＬＰＧを循環しながら必要量だけエンジンで使用することが考えられる。
ところで、上記のように燃料タンクとエンジンとの間でＬＰＧを循環させる場合には、エンジンの燃料消費量よりも少しだけ多い燃料をエンジンへ供給することが望ましい。これを実現するには、ＬＰＧのエンジンへの供給流量（燃料供給ラインを通じてエンジンへ流入する流量）またはエンジンからの回収流量（燃料回収ラインを通じてエンジンから流出する流量）を流量計で検出し、検出された流量がエンジンの燃料消費量に応じた所定値となるように、燃料供給ラインに設けられたポンプを制御することが考えられる。
また、エンジンへの燃料供給圧力をエンジンの要求範囲内に保つためには、エンジンへ供給されるＬＰＧの圧力を圧力計で検出し、検出された圧力が設定値となるように、燃料回収ラインに設けられた圧力調整弁を制御することが考えられる。
しかしながら、上述したようにポンプおよび圧力調整弁を制御した場合には、流量制御と圧力制御とが干渉するおそれがある。
そこで、本発明は、燃料供給ラインに設けられたポンプおよび燃料回収ラインに設けられた圧力調整弁を安定的に制御することができる船舶を提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明の発明者らは、ポンプの吐出流量をエンジンの燃料消費量よりも一定割合だけ多くする場合には、燃料回収ラインに設けられた圧力調整弁を通過するタンク返送流量もその一定割合となることから、ポンプの吐出流量をエンジンの燃料消費量よりも一定割合だけ多くするためのエンジンの燃料消費量に対する圧力調整弁の目標開度を予め定めることが可能であることを見出した。つまり、圧力調整弁が目標開度になるということは、ポンプの吐出流量がエンジンの燃料消費量よりも一定割合だけ多くなることを意味する。本発明は、このような観点から成されたものである。
すなわち、本発明の船舶は、ＬＰＧを貯留する燃料タンクと、ＬＰＧを燃料とする推進用エンジンと、前記燃料タンクから前記エンジンへＬＰＧを供給する燃料供給ラインと、前記燃料供給ラインに設けられたポンプと、前記エンジンから前記燃料タンクへ未使用のＬＰＧを回収する燃料回収ラインと、前記燃料回収ラインに設けられた圧力調整弁と、前記ポンプおよび前記圧力調整弁を制御する制御装置と、前記エンジンへ供給されるＬＰＧの圧力を検出する圧力計と、を備え、前記制御装置には、前記圧力調整弁の目標開度と前記エンジンの燃料消費量との関係が予め格納されており、前記制御装置は、前記圧力計で検出される圧力が設定値となるように前記圧力調整弁を制御するとともに、前記圧力調整弁の開度が前記エンジンの実際の燃料消費量に対応する目標開度となるように前記ポンプを制御する、ことを特徴とする。
上記の構成によれば、圧力計に基づいて圧力調整弁の開度だけでなくポンプの回転数も調整することができるので、ポンプおよび圧力調整弁を安定的に制御することができる。
上記の船舶は、前記ポンプの下流側で前記燃料供給ラインから分岐して前記燃料回収ラインまたは前記燃料タンクへつながるバイパスラインと、前記バイパスラインに設けられた流量制御弁と、をさらに備え、前記制御装置は、前記ポンプの回転数が最低回転数となったときに、前記圧力調整弁の開度が前記エンジンの実際の燃料消費量に対応する目標開度となるように前記流量制御弁を制御してもよい。この構成によれば、ポンプの回転数が最低回転数となったときでもエンジンへのＬＰＧの供給流量をエンジンの燃料消費量よりも一定割合だけ多くすることができる。
前記燃料タンクは、ＬＰＧの温度が大気温度に追従して変化するようにＬＰＧを貯留してもよい。この構成によれば、燃料タンクを圧力容器とする必要があるものの燃料タンク内のＬＰＧを低温に維持する手段を不要とすることができる。
本発明によれば、燃料供給ラインに設けられたポンプおよび燃料回収ラインに設けられた圧力調整弁を安定的に制御することができる。
本発明の一実施形態に係る船舶の概略構成図である。 エンジンの燃料消費量と第１圧力調整弁の目標開度との関係を示すテーブルである。
図１に、本発明の一実施形態に係る船舶１を示す。この船舶１は、ＬＰＧを燃料とする推進用エンジン１１と、ＬＰＧを貯留する燃料タンク２を含む。ＬＰＧは、主成分がプロパンであってもよいし（プロパンガス）、ブタンであってもよい（ブタンガス）。
本実施形態では、燃料タンク２が、比較的に大きな容積のストレージタンク２１と、比較的に小さな容積のサービスタンク２２とで構成されている。ストレージタンク２１およびサービスタンク２２は、共に耐圧力が大気圧よりも高い圧力容器である。ストレージタンク２１とサービスタンク２２とは、中継ライン２６によって互いに接続されている。
ストレージタンク２１内には、ＬＰＧ供給源から燃料導入ライン２３を通じてＬＰＧが導入される。ＬＰＧ供給源は、船舶１に搭載されるカーゴタンクであってもよいし、陸上のＬＰＧ供給設備またはＬＰＧ燃料供給船であってもよい。
本実施形態では、ストレージタンク２１にＬＰＧを低温に維持する手段（例えば、断熱材）が設けられておらず、ストレージタンク２１内のＬＰＧの温度は大気温度に追従して変化する。一方、ＬＰＧ供給源から導入されるＬＰＧは、ＬＰＧがプロパンガスである場合には約−４２℃であることが多い。従って、燃料導入ライン２３には、ＬＰＧを例えば−５℃から大気温度までの範囲内の温度に加熱する加熱器２４が設けられている。ただし、ＬＰＧ供給源である陸上のＬＰＧ供給設備やＬＰＧ燃料供給船に加熱器が装備されており、船舶１に受け渡されるＬＰＧの温度が−５℃以上であれば、加熱器２４は不要である。
ストレージタンク２１内の気層の成分が気化したＰＧのみの場合は、ストレージタンク２１内の気層の圧力はＬＰＧの飽和蒸気圧力である。例えば、ストレージタンク２１内の温度が２５℃である場合は、ストレージタンク２１内の気層の圧力（飽和蒸気圧力）はゲージ圧で約０．９ＭＰａである。以下、圧力の表示は全てゲージ圧である。なお、ＬＰＧの飽和蒸気圧力は、５０℃で約１．７ＭＰａであるので、ストレージタンク２１は例えば１．８ＭＰａまで耐えられるように構成される。参考までに、ＬＰＧの飽和蒸気圧力は、０℃で約０．４ＭＰａである。
ストレージタンク２１の内部にはポンプ２５が設置されている。ポンプ２５の数は１つであっても複数であってもよい。上述した中継ライン２６の上流端は、ポンプ２５へつながっている。また、中継ライン２６の下流端は、サービスタンク２２内で開口している。そして、ポンプ２５により、中継ライン２６を通じてストレージタンク２１からサービスタンク２２へＬＰＧが供給される。ただし、ポンプ２５はストレージタンク２１の外で中継ライン２６の途中に設けられてもよい。
ストレージタンク２１と同様に、サービスタンク２２にはＬＰＧを低温に維持する手段が設けられておらず、サービスタンク２２内のＬＰＧの温度は大気温度に追従して変化する。サービスタンク２２内の気層の成分が気化したＰＧのみの場合は、サービスタンク２２内の気層の圧力はＬＰＧの飽和蒸気圧力である。
後述するようなエンジン１１とサービスタンク２２との間でのＬＰＧの循環時は、サービスタンク２２内のＬＰＧの温度は大気温度よりも高くてもよい。例えば、サービスタンク２２内のＬＰＧの温度が６０℃である場合は、サービスタンク２２内の気層の圧力（飽和蒸気圧力）は約２．１ＭＰａである。なお、サービスタンク２２は例えば２．２ＭＰａまで耐えられるように構成される。
サービスタンク２２は、燃料供給ライン３１および燃料回収ライン４１により推進用エンジン１１と接続されている。つまり、燃料供給ライン３１を通じてサービスタンク２２からエンジン１１へＬＰＧが供給され、燃料回収ライン４１を通じてエンジン１１からサービスタンク２２へ未使用のＬＰＧが回収される。換言すれば、サービスタンク２２とエンジン１１との間で、燃料供給ライン３１および燃料回収ライン４１を通じてＬＰＧが循環する。
燃料供給ライン３１の上流端は、サービスタンク２２の下部へつながっている。燃料回収ライン４１の下流端は、サービスタンク２２内で開口している。
エンジン１１は、例えば、ディーゼルサイクルまたはオットーサイクルのレシプロエンジンである。図示は省略するが、エンジン１１は、燃料供給ライン３１の下流端と燃料回収ライン４１の上流端とを接続する主流路と、主流路に互いに並列に接続された複数の燃料噴射弁を含む。
燃料供給ライン３１には、上流側から順に、ポンプ３２、加熱器３３および遮断弁３４が設けられている。加熱器３３は、ＬＰＧをエンジン１１の要求温度（例えば、４５℃）まで加熱する。
上述した中継ライン２６には、ストレージタンク２１からサービスタンク２２へ供給されるＬＰＧを加熱する加熱器２７が設けられている。エンジン１１の稼働中は、エンジン１１の燃料消費量Ｑｅに相当する量のＬＰＧがストレージタンク２１からサービスタンク２２へ供給される。加熱器２７は、加熱器３３だけではＬＰＧをエンジン１１の要求温度まで加熱することが困難な場合に使用される。なお、加熱器２７は省略されてもよい。
燃料回収ライン４１には、上流側から順に、第１圧力調整弁４２（本発明の圧力調整弁に相当）、遮断弁４３、冷却器４４および第２圧力調整弁４５が設けられている。冷却器４４は、ＬＰＧを所定の温度（例えば、４０℃）まで冷却する。なお、冷却器４４は省略されてもよい。
本実施形態では、燃料供給ライン３１と燃料回収ライン４１とが第１バイパスライン５１により接続されている。第１バイパスライン５１は、加熱器３３と遮断弁３４の間で燃料供給ライン３１から分岐し、遮断弁４３と冷却器４４の間で燃料回収ライン４１へつながっている。第１バイパスライン５１には、流量制御弁５２が設けられている。
さらに、本実施形態では、第２バイパスライン５３も採用されている。第２バイパスライン５３は、ポンプ３２と加熱器３３の間で燃料供給ライン３１から分岐し、サービスタンク２２へつながっている。第２バイパスライン５３には、流量制御弁５４が設けられている。ただし、第１バイパスライン５１と第２バイパスライン５３のどちらか一方は省略されてもよい。
上述したポンプ３２、遮断弁３４，４３、圧力調整弁４２，４５および流量制御弁５２，５４は、制御装置６により制御される。ただし、図１では、図面の簡略化のために一部の信号線のみを描いている。制御装置６は、例えば、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリとＣＰＵを有するコンピュータであり、ＲＯＭに記憶されたプログラムがＣＰＵにより実行される。制御装置６は、単一の機器であってもよいし、複数の機器（例えば、エンジン制御装置と燃料供給制御装置）に分割されてもよい。
遮断弁３４，４３に関しては、制御装置６は、エンジン１１の停止中は遮断弁３４，４３を閉じ、エンジン１１のスタンバイ運転中及び稼動中に遮断弁３４，４３を開く。エンジン１１の停止中は、遮断弁３４，４３の間の流路（燃料供給ライン３１の下流側部分、エンジン１１の主流路および燃料回収ライン４１の上流側部分）が不活性ガスでパージされる。
制御装置６は、第１圧力計７１（本発明の圧力計に相当）および第２圧力計７２と電気的に接続されている。第１圧力計７１はポンプ３２、流量制御弁５２，５４および第１圧力調整弁４２の制御に使用され、第２圧力計７２は第２圧力調整弁４５の制御に使用される。以下では、説明の便宜上、第２圧力調整弁４５に基づく制御から説明する。
第２圧力計７２は、第１圧力調整弁４２と第２圧力調整弁４５の間で燃料回収ライン４１に設けられており、第１圧力調整弁４２で減圧された後のＬＰＧの圧力を検出する。本実施形態では、第２圧力計７２が遮断弁４３と冷却器４４の間に位置しているが、遮断弁４３の上流側または冷却器４４の下流側に位置してもよい。
ＬＰＧの温度はＬＰＧがエンジン１１を通過することによって少し高くなる（例えば、５５℃）。従って、第１圧力調整弁４２で減圧されたＬＰＧが気化することを防止するために、制御装置６は、第２圧力計７２で検出される圧力が、想定される最大温度における飽和蒸気圧力よりも高い設定値（例えば、２．０ＭＰａ）となるように第２圧力調整弁４５を制御する。
第１圧力計７１は、ポンプ３２の下流側で燃料供給ライン３１に設けられており、エンジン１１へ供給されるＬＰＧの圧力を検出する。本実施形態では、第１圧力計７１が遮断弁３４の下流側に位置しているが、遮断弁３４と加熱器３３の間または加熱器３３の上流側に位置してもよい。
第１圧力調整弁４２に関しては、制御装置６は、第１圧力計７１で検出される圧力がエンジン１１の要求範囲内の設定値（例えば、エンジン１１がディーゼルサイクルの場合、５．０〜６．０ＭＰａ）となるように第１圧力調整弁４２を制御する。
ポンプ３２および流量制御弁５２に関しては、制御装置６には、第１圧力調整弁４２の目標開度とエンジン１１の燃料消費量Ｑｅとの関係が図２に示すようなテーブルとして予め格納されている。第１圧力調整弁４２の目標開度は、通常は、エンジン１１の燃料消費量Ｑｅが大きくなるほど大きくなる。
例えば、制御装置６は、エンジン１１の燃料消費量Ｑｅを、操船者により操作されるテレグラフレバーの操作量に基づいて決定してもよい。あるいは、制御装置６がエンジン１１を制御するエンジン制御装置と、ポンプ３２および各種の弁を制御する燃料供給制御装置とに分割される場合は、燃料供給制御装置がエンジン制御装置にて算出された燃料噴射量に関する値に基づいてエンジン１１の燃料消費量Ｑｅを決定してもよい。
そして、制御装置６は、第１圧力調整弁４２の開度がエンジン１１の実際の燃料消費量Ｑｅに対応する目標開度となるようにポンプ３２を制御する。つまり、第１圧力調整弁４２の実際の開度が目標開度よりも小さい場合には、燃料供給圧を上昇させて第１圧力調整弁４２の開度を大きくするために、ポンプ３２の回転数が増加される。逆に、第１圧力調整弁４２の実際の開度が目標開度よりも大きい場合には、燃料供給圧を低下させて第１圧力調整弁４２の開度を小さくするために、ポンプ３２の回転数が低減される。
例えば、エンジン１１の負荷が上昇してエンジン１１の燃料消費量Ｑｅが増加した場合には、第１圧力調整弁４２の目標開度が上昇するために、制御装置６は、第１圧力調整弁４２の実際の開度を目標開度まで上昇させるべくポンプ３２の回転数を増加させる。逆に、エンジン１１の負荷が低下してエンジン１１の燃料消費量Ｑｅが減少した場合には、第１圧力調整弁４２の目標開度が低下するために、制御装置６は、第１圧力調整弁４２の実際の開度を目標開度まで低下させるべくポンプ３２の回転数を減少させる。
なお、制御装置６は、ポンプ３２の回転数が最低回転数とならない限り、流量制御弁５２を全閉に維持する。ポンプ３２の最低回転数は、固定値であってもよいが、例えば、サービスタンク２２内の気層の圧力に応じて変更される（サービスタンク２２内の気層の圧力が高くなるほどポンプ３２の最低回転数が低くされる）ことが望ましい。
第１圧力調整弁４２の目標開度に基づく制御の結果、ポンプ３２の回転数が最低回転数となったときには、制御装置６は、第１圧力調整弁４２の開度がエンジン１１の実際の燃料消費量Ｑｅに対応する目標開度となるように流量制御弁５２，５４のどちらか一方を制御する。つまり、第１圧力調整弁４２の実際の開度が目標開度よりも小さい場合には、燃料供給圧を上昇させて第１圧力調整弁４２の開度を大きくするために、流量制御弁５２，５４のどちらか一方の開度が低減される。逆に、第１圧力調整弁４２の実際の開度が目標開度よりも大きい場合には、燃料供給圧を低下させて第１圧力調整弁４２の開度を小さくするために、流量制御弁５２，５４のどちらか一方の開度が増加される。
以上説明したように、本実施形態の船舶１では、第１圧力計７１に基づいて第１圧力調整弁４２の開度だけでなくポンプ３２の回転数も調整することができるので、ポンプ３２および第１圧力調整弁４２を安定的に制御することができる。
（変形例）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
例えば、第１バイパスライン５１および第２バイパスライン５３の双方が省略され、ポンプ３２の回転数が最低回転数となったときはエンジン１１を多量のＬＰＧが通過することを許容してもよい。ただし、第１バイパスライン５１および第２バイパスライン５３の少なくとも一方が設けられており、ポンプ３２の回転数が最低回転数となったときに第１バイパスライン５１または第２バイパスライン５３に設けられた流量制御弁（５２または５４）を開けば、ポンプ３２の回転数が最低回転数となったときでもエンジン１１へのＬＰＧの供給流量をエンジン１１の燃料消費量Ｑｅよりも一定割合だけ多くすることができる。
あるいは、第２バイパスライン５３が設けられた場合には、ポンプ３２の回転数が最低回転数となったときにエンジン１１を通過するＬＰＧが一時的に増加されてもよい。第２バイパスライン５３を通じてサービスタンク２２へ返送されるＬＰＧはポンプ３２で熱を受けている。従って、前述したようにポンプ３２の回転数が最低回転数となったときにエンジン１１を通過するＬＰＧが一時的に増加されれば、第２バイパスライン５３を通じたサービスタンク２２への返送量が減少する一方、エンジン１１を通過するＬＰＧは冷却器４４で冷却されるので、サービスタンク２２内のＬＰＧの温度の上昇を抑制することができる。具体的には、ポンプ３２の回転数が最低回転数となったときに、制御装置６が第１圧力調整弁４２の目標開度を増加させる。このように、第１圧力調整弁４２の目標開度は、常に図２に示すようにエンジン１１の燃料消費量Ｑｅが大きくなるほど大きくなる必要はない。
また、前記実施形態では、燃料タンク２がストレージタンク２１とサービスタンク２２で構成されていたが、ストレージタンク２１が省略され、燃料タンク２がサービスタンク２２のみで構成されてもよい。すなわち、サービスタンク２２内にＬＰＧ供給源から直接的にＬＰＧが導入されてもよい。しかし、前記実施形態のような構成であれば、燃料タンク２をＬＰＧ導入用のストレージタンク２１とＬＰＧ循環用のサービスタンク２２とに分けることができる。
また、燃料タンク２は、必ずしも圧力容器である必要はなく、耐圧力が大気圧と同程度のタンクであってもよい。この場合、燃料タンク２内のＬＰＧを低温に維持する手段が必要である。ただし、前記実施形態のように燃料タンク２がＬＰＧの温度が大気温度に追従して変化するようにＬＰＧを貯留すれば、燃料タンク２を圧力容器とする必要があるものの燃料タンク２内のＬＰＧを低温に維持する手段を不要とすることができる。
１ 船舶
１１ エンジン
２ 燃料タンク
３１ 燃料供給ライン
３２ ポンプ
４１ 燃料回収ライン
４３，４５ 圧力調整弁
５１ バイパスライン
５２ 流量制御弁
６ 制御装置
７１〜７３ 圧力計

Claims (3)

  1. ＬＰＧを貯留する燃料タンクと、
    ＬＰＧを燃料とする推進用エンジンと、
    前記燃料タンクから前記エンジンへＬＰＧを供給する燃料供給ラインと、
    前記燃料供給ラインに設けられたポンプと、
    前記エンジンから前記燃料タンクへ未使用のＬＰＧを回収する燃料回収ラインと、
    前記燃料回収ラインに設けられた圧力調整弁と、
    前記ポンプおよび前記圧力調整弁を制御する制御装置と、
    前記エンジンへ供給されるＬＰＧの圧力を検出する圧力計と、を備え、
    前記制御装置には、前記圧力調整弁の目標開度と前記エンジンの燃料消費量との関係が予め格納されており、
    前記制御装置は、前記圧力計で検出される圧力が設定値となるように前記圧力調整弁を制御するとともに、前記圧力調整弁の開度が前記エンジンの実際の燃料消費量に対応する目標開度となるように前記ポンプを制御する、船舶。
  2. 前記ポンプの下流側で前記燃料供給ラインから分岐して前記燃料回収ラインまたは前記燃料タンクへつながるバイパスラインと、
    前記バイパスラインに設けられた流量制御弁と、をさらに備え、
    前記制御装置は、前記ポンプの回転数が最低回転数となったときに、前記圧力調整弁の開度が前記エンジンの実際の燃料消費量に対応する目標開度となるように前記流量制御弁を制御する、請求項１に記載の船舶。
  3. 前記燃料タンクは、ＬＰＧの温度が大気温度に追従して変化するようにＬＰＧを貯留する、請求項１または２に記載の船舶。
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