JP7813744B2 - 燃料供給装置 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 令和４年４月２０日～２２日に東京ビックサイト 東５・６ホールで開催された「Ｓｅａ Ｊａｐａｎ ２０２２」にて発表

本発明は、燃料供給装置、液化天然ガス燃料船及び液化天然ガス運搬船に関し、より詳しくは、圧縮機により圧縮されたボイルオフガスが主機内燃機関（（推進用エンジン）以下、主機という。）に直接投入でき、圧縮機の小型化及び分散配置が可能な燃料供給装置、この燃料供給装置を搭載した液化天然ガス燃料船及び液化天然ガス運搬船に関する。

従来、液化燃料ガス運搬船のタンクなど、ボイルオフガス発生量の大きい大容量のタンクに収容された液化燃料ガスからのボイルオフガスを、主機に投入できる状態にするために、大流量の高圧ボイルオフガス圧縮機（ＨＰＣ）を用いて高圧にすることが知られている。

しかし、液化燃料ガス燃料船のタンクなど、ボイルオフガス発生量の小さい小容量のタンクに収容された液化燃料ガスからのボイルオフガスを、簡素で小流量の高圧ボイルオフガス圧縮機を用いて圧縮して主機に投入することは、普及していない。

特許文献１には、ボイルオフガスを圧縮機によって圧縮する燃料供給装置が記載されている。この燃料供給装置においては、タンクからのボイルオフガス（ＢＯＧ）は、圧縮機により圧縮されて、発電用エンジンなどの補機に供給されるとともに、タンクからの液化燃料ガス（ＬＧ）と合流される。圧縮されたボイルオフガスが合流した液化燃料ガスは、ポンプで圧縮され、主機に投入される。

特許文献２には、ボイルオフガスを圧縮機によって圧縮する燃料供給装置が記載されている。この燃料供給装置においては、タンクからのボイルオフガスは、圧縮機により圧縮されて、発電用エンジンなどの補機に供給されるとともに、第２熱交換器を経て、第１熱交換器に送られ、タンクからの液化燃料ガスにより冷却され、再液化される。再液化されたボイルオフガスは、タンクからの液化燃料ガスと合流する。再液化されたボイルオフガスが合流した液化燃料ガスは、第１熱交換器及び第２熱交換器を経てボイルオフガスを冷却させつつ、主機に送られる。

非特許文献１には、ボイルオフガスをヒータで加熱し、多段圧縮機（ＭＨＰ）によって圧縮する燃料供給装置が記載されている。この燃料供給装置においては、タンクからのボイルオフガスは、プレヒータで加熱され、多段圧縮機によって圧縮されて、タンクからの液化天然ガス（ＬＮＧ）と合流される。タンクからの液化燃料ガスは、ポンプで加圧され、気化器で気化されて、圧縮されたボイルオフガスと合流し、主機に送られる。

特許第６９６６６６１号公報 実用新案登録第３２３１５３６号公報

ブルクハルト社のＭＨＰ型圧縮機のウェブページ（ <https://www.burckhardtcompression.com/solution/gas-transport-storage/lng-fueled-merchant-ships/man-me-gi-engines/> ）

特許文献１に記載の燃料供給装置では、圧縮機により圧縮されたボイルオフガスは、液化燃料ガスに合流されて、主機に投入されるので、圧縮されたボイルオフガスが主機に直接投入されることはない。

また、特許文献２に記載の燃料供給装置でも、圧縮機により圧縮されたボイルオフガスは、再液化されて液化燃料ガスに合流されて、主機に投入されるので、圧縮されたボイルオフガスが主機に直接投入されることはない。

圧縮機により圧縮されたボイルオフガスが主機に直接投入されず、液化燃料ガスに合流される構成では、装置構成が複雑化し、大型化し、また、圧縮機と液化燃料ガスの流路とを分散配置することは困難である。

非特許文献１に記載の燃料供給装置では、多段高圧圧縮機には、常圧（０ｂａｒＧ）のボイルオフガスが供給される。すなわち、多段高圧圧縮機は、０ｂａｒＧのボイルオフガスを３００ｂａｒＧ程度まで昇圧するように圧縮しなければならないので、装置構成が大型化してしまう。

そこで、本発明は、圧縮機により圧縮されたボイルオフガスが主機に直接投入でき、圧縮機の小型化及び分散配置が可能な燃料供給装置を提供し、この燃料供給装置を搭載した液化天然ガス燃料船及び液化天然ガス運搬船を提供することを課題とする。

本発明の他の課題は、以下の記載により明らかとなる。

前記課題は、以下の各発明によって解決される。

１．
タンクに収容された液化燃料ガスの低温のボイルオフガスが送られ、該ボイルオフガスを常温に加熱する低圧ヒータと、
前記常温に加熱されたボイルオフガスを、１６ｂａｒＧ以内の低圧力になるように圧縮する低圧圧縮機と、
複数段の往復動圧縮機であって、前記低圧力になるように圧縮されたボイルオフガスを、主機の要求圧力になるまで圧縮し、主機に供給する高圧圧縮機と
を備えたことを特徴とする燃料供給装置。
２．
前記低圧圧縮機により圧縮されたボイルオフガスは、補機にも供給される
ことを特徴とする前記１記載の燃料供給装置。
３．
前記低圧圧縮機は、スクリュー式圧縮機である
ことを特徴とする前記１記載の燃料供給装置。
４．
前記タンクは、燃料タンクであって、収容した液化燃料ガスは、低圧ポンプによって高圧ポンプに送られ、
前記高圧ポンプは、前記液化燃料ガスを、高圧ヒータを経て、前記主機に供給する
ことを特徴とする前記１、２又は３記載の燃料供給装置。
５．
前記４記載の燃料供給装置が搭載され、
前記液化燃料ガスは、液化天然ガスである
ことを特徴とする液化天然ガス燃料船。
６．
前記１記載の燃料供給装置が並列に複数搭載され、
前記液化燃料ガスは、液化天然ガスであり、
前記タンクは、液化天然ガス運搬用タンクである
ことを特徴とする液化天然ガス運搬船。

本発明によれば、圧縮機により圧縮されたボイルオフガスが主機に直接投入でき、圧縮機の小型化及び分散配置が可能な燃料供給装置を提供することができ、この燃料供給装置を搭載した液化天然ガス燃料船及び液化天然ガス運搬船を提供することができる。

液化天然ガス燃料船に適用した本発明の燃料供給装置の構成を示すブロック図 液化天然ガス運搬船に適用した本発明の燃料供給装置の構成を示すブロック図

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

〔液化天然ガス燃料船に搭載した実施形態〕
図１は、本発明の燃料供給装置の構成を示すブロック図である。

本実施形態の燃料供給装置は、図１に示すように、タンクとして燃料タンク１を備え、液化天然ガス燃料船に搭載された装置として構成した実施形態である。燃料タンク１には、液化燃料ガスとして液化天然ガス（ＬＮＧ）１ａが収容されている。

燃料タンク１内では、液化天然ガス１ａが自然蒸発してボイルオフガス（ＢＯＧ）１ｂが発生している。ボイルオフガス１ｂは、液化天然ガス１ａの液面の上部に存在している。燃料タンク１内のボイルオフガス１ｂは、常圧（０ｂａｒＧ）で、温度は－１６０℃程度の低温である。

燃料タンク１内のボイルオフガス１ｂは、配管を経て、低圧ヒータ２に送られる。低圧ヒータ２は、送られたボイルオフガスを、常温まで加熱する。常温とは、２０℃±１５℃である（ＪＩＳ Ｚ ８７０３）。なお、低圧ヒータ２では約４５℃まで加熱し、後記低圧圧縮機３又はその下流にクーラを設け、圧縮による昇温を減温するようにしてもよい。

常温まで加熱されたボイルオフガスは、配管を経て、低圧圧縮機３に送られる。低圧圧縮機３は、送られたボイルオフガスを、１６ｂａｒＧ以内の低圧力、例えば、６ｂａｒＧ程度になるように圧縮する。低圧圧縮機３により圧縮されたガスは、４５℃程度の温度になっている。低圧圧縮機３の構成は、特に限定されないが、小型化が可能で、製造コストが低廉であるという観点より、好ましくは、スクリュー式圧縮機である。

低圧圧縮機３で圧縮されたボイルオフガスは、配管を経て、高圧圧縮機４に送られる。高圧圧縮機４は、複数段の往復動（レシプロ）圧縮機である。高圧圧縮機４の圧縮段数は、特に限定されないが、２段乃至３段であることが好ましい。
この実施形態では、往復動圧縮機４の圧縮段数を３段として説明する。現状の技術常識では、高圧である主機の要求圧力になるまで圧縮するには、５段の圧縮段数が必要であるが、本発明に係る高圧圧縮機は、別途の低圧圧縮機が存在することにより、３段以下の圧縮段数で実現可能だからである。

３段の往復動圧縮機４は、直列に接続された３本のシリンダ５ａ、５ｂ、５ｃと、これらシリンダ５ａ、５ｂ、５ｃのそれぞれに内装されたピストン６ａ、６ｂ、６ｃとを備えて構成されている。直列の接続とは、第１圧縮段のシリンダ５ａからの吐出ガスが冷却器を経て第２圧縮段のシリンダ５ｂに吸入され、第２圧縮段のシリンダ５ｂからの吐出ガスが冷却器を経て第３圧縮段のシリンダ５ｃに吸入され、第３圧縮段のシリンダ５ｃからの吐出ガスが高圧圧縮機４の吐出ガスになるということである。なお、圧縮ガスの冷却が必要ない場合には必ずしも冷却器は必須ではない。３段の往復動圧縮機は、振動を抑制できるという観点より、Ｗ型往復動圧縮機とすることが好ましい。

各圧縮段のピストン６ａ、６ｂ、６ｃは、図示しない油圧やエンジン等の駆動源により、図示しないクランクシャフトへの係合部７ａ、７ｂ、７ｃを介して駆動ロッド８ａ、８ｂ、８ｃにより、往復動される。

高圧圧縮機４の各圧縮段は、それぞれ吸入したガスの圧力が３．５倍～４．０倍程度になるように圧縮する。なお、高圧圧縮機４の各圧縮段のシリンダ５ａ、５ｂ、５ｃは、圧縮によりガスの体積が減少するので、第２圧縮段のシリンダ５ａの容積は、第１圧縮段のシリンダ５ａの容積の１／４．０～１／３．５程度、第３圧縮段のシリンダ５ｃの容積は、第２圧縮段のシリンダ５ｂの容積の１／４．０～１／３．５程度とすることができる。高圧圧縮機４は、低圧圧縮機３により圧縮されたボイルオフガスを、主機の要求圧力になるまで圧縮し、超臨界流体とすることができる。この実施形態では、主機の要求圧力は、３００ｂａｒＧ～３３０ｂａｒＧ程度の高圧である。高圧圧縮機４により圧縮されたガスの温度は４５℃程度である。高圧圧縮機４の定格吐出容量は、例えば、２５０（ｋｇ／ｈ）程度である。

この燃料供給装置においては、高圧圧縮機４は、例えば６ｂａｒＧ程度になるように圧縮され４５℃程度に昇温されたガスを吸入して圧縮するので、常圧（０ｂａｒＧ）程度で常温以下の温度のガスを吸入して圧縮する５段圧縮の高圧圧縮機に比較して、２～３段圧縮であるので圧縮段数が少なく、また、各圧縮段のシリンダ径が、常圧程度で常温以下のガスを吸入して圧縮する高圧圧縮機に比較して小径である。これにより、シリンダ数自体の数が少なくできることでの装置構成の小型化、且つ、シリンダ径を小さくすることでの装置構成の小型化ができる。高圧圧縮機４が小型化できることにより、この燃料供給装置は、船舶内の限られた空間に配置することが可能であり、また、小型の船舶においても配置することが可能である。

高圧圧縮機４は、高圧のガス又は超臨界流体を、逆止弁９及び開閉バルブ１０を経て、主機１１に供給する。この高圧のガス又は超臨界流体は、後述する液化天然ガス１ａが加圧及び／又は加熱されたガス又は超臨界流体とともに、主機１１に供給される。主機１１は、高圧圧縮機４から供給されたガス又は超臨界流体、並びに、液化天然ガス１ａが加圧及び／又は加熱されたガス又は超臨界流体を燃焼させ、スクリュープロペラ等を駆動させる機械力を発生させ、本船舶を推進させる。

低圧圧縮機３により圧縮されたボイルオフガスは、逆止弁１２及び開閉バルブ１３を経て、補機１４にも供給される。補機１４は、発電用エンジンなどである。なお、補機１４に供給されるボイルオフガスは、高圧圧縮機４に送られるボイルオフガスとは異なる圧力であってもよく。補機１４の要求圧力に合わせることが好ましい。

この燃料供給装置においては、低圧圧縮機３と高圧圧縮機４とは、配管で繋がれた別体の装置として構成される。よって、低圧圧縮機３と高圧圧縮機４とを一体的に配置しなくてもよい。また、同一の区画（部屋）に配置する必要はなく、別の区画（部屋）に分散配置することもできる。したがって、常圧（０ｂａｒＧ）程度で常温以下の温度のガスを吸入して圧縮する高圧圧縮機を一体的に配置しなければならないことに比較して、配置の自由度が大きいので、船舶内の限られた空間で自由な配置とすることが可能となる。また、小型の船舶においても配置することができる。

燃料タンク１に収容された液化天然ガス１ａは、低圧ポンプ１５によって高圧液圧ポンプ１６に送られる。高圧液圧ポンプ１６は、往復動ポンプである。高圧液圧ポンプ１６は、並列して配置された複数本（例えば、常用２本、予備１本）のシリンダ１７、１７、１７と、これらシリンダ１７、１７、１７のそれぞれに内装されたピストン１８、１８、１８とを備えて構成されている。なお、シリンダ数は図示の例に限定されず適宜必要な本数であってもよい。

各シリンダ１７、１７、１７に内装された各ピストン１８、１８、１８は、図示しない油圧やエンジン等の駆動源により、図示しないクランクシャフトへの係合部１９、１９、１９を介して駆動ロッド２０、２０、２０により、往復動される。

高圧液圧ポンプ１６は、各シリンダ１７、１７、１７において、燃料を液体のまま、３３ＭＰａＧ程度（３３０ｂａｒＧ程度に相当）まで加圧し、高圧ヒータ２１に送る。高圧液圧ポンプ１６の定格吐出容量は、例えば、１８００（ｋｇ／ｈ）～２０００（ｋｇ／ｈ）程度（密度４５０ｋｇ／ｍ^３）である。高圧ヒータ２１は、燃料を気化させ、逆止弁２２及び開閉バルブ２３を経て、主機１１に供給する。

主機１１は、高圧液圧ポンプ１６及び高圧ヒータ２１を経た高圧のガスを燃焼させ、機械力を発生させ、本船舶を推進させる。そして、ボイルオフガス１ｂが、補機１４に供給してもなお余剰であるときには、高圧圧縮機４からの高圧の吐出ガスも、主機１１に供給することができる。なお、主機１１は石油燃料も使用可能な２元燃料エンジンであってもよい。

また、高圧圧縮機４からの高圧の吐出ガスを、高圧液圧ポンプ１６及び高圧ヒータ２１を経た高圧のガスとともに供給することにより、燃料タンク１内のボイルオフガス１ｂを無駄なく使用することができ、液化天然ガス１ａが加圧及び／又は加熱されたガス又は超臨界流体の供給量を減らし、燃費を向上させることができる。さらに、高圧液圧ポンプ１６及び高圧ヒータ２１を経たガス又は超臨界流体の供給量を減らさずに、高圧圧縮機４からの高圧のガス又は超臨界流体を加えることで、主機１１を高出力化することができる。

〔液化天然ガス運搬船に搭載した実施形態〕
上述した実施形態は、本発明の燃料供給装置を液化天然ガス燃料船の搭載したものであったが、本発明はこれに限られず、液化天然ガス運搬船に搭載することもできる。

この燃料供給装置を液化天然ガス運搬船に搭載する場合には、図２に示すように、ボイルオフガス１ｂは、燃料タンク１ではなく、液化天然ガス運搬用タンク２４から、並列に複数搭載された燃料供給装置４Ａ、４Ｂ、４Ｃの低圧ヒータ２、２、２及び低圧圧縮機３、３、３を経て、高圧圧縮機４、４、４に吸入される。燃料供給装置４Ａ、４Ｂ、４Ｃは、前述した実施形態における燃料供給装置と同様に、低圧ヒータ２、低圧圧縮機３及び高圧圧縮機４を備えて構成されている。

液化天然ガス運搬用タンク２４から発生するボイルオフガス１ｂは、燃料タンク１から発生するボイルオフガス１ｂよりも大量であるので、この実施形態では、複数の燃料供給装置４Ａ、４Ｂ、４Ｃを並列にして搭載しており、前述した実施形態よりも、合計の高圧圧縮機４、４、４の定格吐出容量を大きくしている。並列に搭載する燃料供給装置４Ａ、４Ｂ、４Ｃの数は、特に限定されず、要求される定格吐出容量に合わせて搭載することができる。

なお、低圧ヒータ２及び低圧圧縮機３は、各燃料供給装置４Ａ、４Ｂ、４Ｃについて共通化してもよい。つまり、１台の低圧ヒータ２及び１台の低圧圧縮機３を経て、複数台の高圧圧縮機４、４、４に分岐させて送ってもよい。

主機１１は、高圧圧縮機４、４、４からの高圧のガス又は超臨界流体を燃焼させ、機械力を発生させ、本船舶を推進させる。液化天然ガス運搬船の主機１１は、石油燃料によっても駆動できる２元燃料エンジンであるが、高圧圧縮機４、４、４からの高圧のガス又は超臨界流体も燃料として使用することにより、液化天然ガス運搬用タンク２４内のボイルオフガス１ｂを無駄なく使用することができ、石油燃料の供給量を減らし、燃費を向上させることができる。また、石油燃料の供給量を増やさずに、高圧圧縮機４、４、４からの高圧のガス又は超臨界流体を加えることにより、主機１１の出力を高めることができる。

この燃料供給装置においては、前述した実施形態と同様に、高圧圧縮機４、４、４が小型化できることにより、船舶内の限られた空間に配置することが可能である。

また、この燃料供給装置においては、前述した実施形態と同様に、低圧圧縮機３、３、３と高圧圧縮機４、４、４とが、別の区画（部屋）に分散配置することができることにより、配置の自由度が大きく、船舶内の限られた空間で自由な配置とすることが可能となる。

本発明は、前述した各実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行ってよい。例えば、液化燃料ガスは、前述した各実施形態のような液化天然ガス（ＬＮＧ）に限定されず、液化エタンガス（ＬＥＧ）や、種々の液化石油ガス（ＬＰＧ）であってもよい。

その他、具体的な細部構造や数値等及び制御装置の制御内容等についても適宜に変更可能であることは勿論である。加えて、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、前記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ 燃料タンク
１ａ 液化天然ガス（ＬＮＧ）
１ｂ ボイルオフガス（ＢＯＧ）
２ 低圧ヒータ
３ 低圧圧縮機
４ 高圧圧縮機
４Ａ、４Ｂ、４Ｃ 燃料供給装置
５ａ 第１圧縮段のシリンダ
５ｂ 第２圧縮段のシリンダ
５ｃ 第３圧縮段のシリンダ
６ａ 第１圧縮段のピストン
６ｂ 第２圧縮段のピストン
６ｃ 第３圧縮段のピストン
７ａ、７ｂ、７ｃ 係合部
８ａ、８ｂ、８ｃ 駆動ロッド
９ 逆止弁
１０ 開閉バルブ
１１ 主機
１２ 逆止弁
１３ 開閉バルブ
１４ 補機
１５ 低圧ポンプ
１６ 高圧液圧ポンプ
１７ シリンダ
１８ ピストン
１９ 係合部
２０ 駆動ロッド
２１ 高圧ヒータ
２２ 逆止弁
２３ 開閉バルブ
２４ 液化天然ガス運搬用タンク

Claims (4)

1. タンクに収容された液化燃料ガスの低温のボイルオフガスが送られ、該ボイルオフガスを常温に加熱する低圧ヒータと、
   前記常温に加熱されたボイルオフガスを、１６ｂａｒＧ以内の低圧力になるように圧縮する低圧圧縮機と、
   複数段の往復動圧縮機であって、前記低圧力になるように圧縮されたボイルオフガスを、主機の要求圧力になるまで圧縮し、主機に供給する高圧圧縮機と
   を備え、
   前記タンクは、燃料タンクであって、収容した液化燃料ガスは、低圧ポンプによって高圧ポンプに送られ、
   前記高圧ポンプは、前記液化燃料ガスを、高圧ヒータを経て、前記主機に供給することを特徴とする燃料供給装置。
2. 前記低圧圧縮機により圧縮されたボイルオフガスは、補機にも供給される
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料供給装置。
3. 前記低圧圧縮機は、スクリュー式圧縮機である
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料供給装置。
4. 請求項１記載の燃料供給装置が搭載され、
   前記液化燃料ガスは、液化天然ガスである
   ことを特徴とする液化天然ガス燃料船。