WO2018163717A1

WO2018163717A1 - 液化ガス燃料供給システム

Info

Publication number: WO2018163717A1
Application number: PCT/JP2018/004738
Authority: WO
Inventors: 伸哉湯浅; 香織吉村
Original assignee: 三井Ｅ＆Ｓ造船株式会社
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2018-02-09
Publication date: 2018-09-13
Also published as: JP2018150852A

Abstract

燃料ガス供給管２０を通して、貨物タンク１４内に貯留された液化ガスから自然発生するボイルオフガス（ＮＢＯＧ）を燃料ガスとして主機１２に供給する。貨物タンク１４内の液化ガスを液ポンプ３４で汲み上げ、強制気化器３６で強制気化させて燃料ガスとして主機１２に供給可能にする。主機１２に供給される燃料ガスのうち余剰なガスを、ガス回収管２６を介して回収し、ＢＯＧ回収装置２２および膨張弁２８を通して再液化して貨物タンク１４へ戻す。強制気化器３６と再液化手段を同時に運転することで、設定可能な船速の範囲を拡大する。

Description

液化ガス燃料供給システム

　本発明は、液化ガスを主機などの燃料として使用する液化ガス運搬船及び液化ガス燃料船に関する。

　ＬＮＧ運搬船では、貨物タンク内で自然発生するナチュラル・ボイルオフ・ガス（ＮＢＯＧ）を二元燃料焚き主機や発電機エンジン、ボイラの燃料として使用している。このような船舶では、船内で消費するガス量に対してＮＢＯＧ量が少ない場合、強制気化器により貨物タンク内のＬＮＧを気化して必要な量の燃料ガスを主機等に供給している（特許文献１参照）。

特表２０１５－５０５９４１号公報

　しかし、強制気化器の流量制御弁には、制御可能な範囲に下限値があり、下限値よりも低い流量を制御することはできない。そのためＮＢＯＧのみでは燃料ガスが不足する場合には、強制気化器を使用せずにＮＢＯＧのみで運転可能な速度まで運航速度を下げるか、強制気化器を使用して下限値以上の量の燃料ガスを気化する必要がある。強制気化器を使用する場合、強制的に気化した燃料ガスを全て主機で消費するには、運航速度を強制気化器の下限値に対応する速度以上の値に設定する必要があるため、ＮＢＯＧの発生量に対応する船速と、ＮＢＯＧの発生量と強制気化器の下限値の和に対応する船速との間にギャップが生じ、運航できない船速領域が存在する。同船速領域で船を運航するには、余剰となる燃料ガスを貨物タンク内に溜めるか、ガス燃焼装置（ＧＣＵ）やガス焚きボイラで焼却処理する必要がある。しかし、貨物タンク内に余剰燃料ガス燃料を溜めると貨物タンク圧が上昇するため問題となる。またガス燃焼装置やガス焚きボイラで余剰ガス燃料を焼却処理すると、その分のガスが無駄になる。

　本発明は、タンクに貯留された液化ガスを強制気化器により気化し、気化されたガスを船内で燃料として使用する船舶において、強制気化した燃料ガスを無駄に消費することなく、設定可能な船速の範囲を拡大することを目的としている。

　本発明の液化ガス燃料供給システムは、液化ガスを貯留するタンクと、タンク内のボイルオフガスの少なくとも一部を燃料ガスとして主機に供給するガス供給手段と、タンク内の液化ガスを気化させ、燃料ガスとして主機に供給可能な強制気化手段と、燃料ガスの一部を再液化してタンクに戻すことが可能な再液化手段とを備え、強制気化手段と再液化手段とを同時に運転可能であることを特徴としている。

　強制気化手段は、強制気化される液化ガスの量を調整するための強制気化量調整手段を備え、また再液化手段は、再液化される液化ガス量を調整するための再液化量調整手段を備える。再液化量調整手段は、上記タンクの圧力に基づき再液化量を制御する。また、再液化量調整手段は、燃料ガスの消費量、強制気化手段における強制気化量、上記タンクの圧力に基づき再液化量を制御してもよい。

　液化ガス燃料供給システムは、更に主機へ供給されるボイルオフガスを圧縮するガス圧縮機を備える。強制気化手段は、強制気化された燃料ガスをガス圧縮機の入口側へと供給する。また液化ガス燃料供給システムは、ガス焚き可能な発電機エンジン、ボイラ、ガス燃焼装置を含む少なくとも１つの機器を更に備え、燃料ガスは、機器へも供給可能である。

　本発明の船舶は、上記の何れかの液化ガス燃料供給システムを備えることを特徴としている。

　本発明によれば、タンクに貯留された液化ガスを強制気化器により気化し、気化されたガスを船内で燃料として使用する船舶において、強制気化した燃料ガスを無駄に消費することなく、設定可能な船速の範囲を拡大することができる。

本発明の本実施形態の液化ガス燃料供給システムの構成を示すブロック図である。本実施形態の液化ガス供給システムの動作を説明するグラフである。本実施形態の液化ガス供給システムの動作を説明するグラフである。第１変形例の液化ガス燃料供給システムの構成を示すブロック図である。実施形態の再液化量調整処理に、第２の制御方法を採用した第２変形例の液化ガス燃料供給システムの構成を示すブロック図である。第１変形例の再液化量調整処理に、第２の制御方法を採用した第３変形例の液化ガス燃料供給システムの構成を示すブロック図である。

　以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
　図１は、本発明の本実施形態である液化ガス燃料供給システムの構成を示すブロック図である。

　本実施形態の液化ガス燃料供給システム１０は、例えばＬＮＧなどの液化ガスを主機１２の燃料とするとともに、液化ガスを複数の貨物タンク１４に貯留し運搬する液化ガス運搬船に搭載される。液化ガスが貯留される貨物タンク１４の上方には、貨物タンク１４内で自然発生するボイルオフガス（ＮＢＯＧ）を、主機１２、ガス焚き発電機エンジン１６、ガス焚きボイラ１８、ガス燃焼装置１９など、液化ガス燃料を消費する装置へと供給する燃料ガス供給管２０が接続される。燃料ガス供給管２０は、ＢＯＧ回収装置（熱交換器）２２を介してガス圧縮機２４へ接続される。ガス圧縮機２４は、例えば多段式の圧縮機であり、最終段では主機１２の要求圧にまで気化された燃料ガスが圧縮され、主機１２へと供給される。また、中段からは発電機エンジン１６やボイラ１８、ガス燃焼装置１９へ、圧縮された燃料ガスを必要に応じて供給可能である。

　また、ガス圧縮機２４の高圧段側（中段よりも高い側）には、主機１２、発電機エンジン１６、ボイラ１８、ガス燃焼装置１９など、ガスを燃料として消費する装置で消費されなかった余剰ガスを回収し貨物タンク１４へと戻すためのガス回収管２６が接続される。ここで、ガス回収管２６はガス圧縮機２４の最終段吐出側に接続してもよい。ガス回収管２６から回収される余剰ガスは、流量調整弁２６Ｖを介してＢＯＧ回収装置（熱交換器）２２へと送られ、ＢＯＧ回収装置２２において、燃料ガス供給管２０との間で熱交換を行い冷却される。なお、流量制御弁２６Ｖの開度は、制御部２７において第１の制御方法により制御（例えばＰＩＤ制御）される。すなわち制御部２７は、例えば貨物タンク１４内の圧力が設定値（Set point）に維持されるように、貨物タンク１４に設けられた圧力トランスミッタ１５からの圧力信号に基づき流量制御弁２６Ｖの開度を制御し、再液化され貨物タンク１４へ戻される液化ガスの量を調整する。

　ＢＯＧ回収装置２２において冷却された余剰ガスは、その後、膨張弁２８を介して気液セパレータ３０へ送出され、再液化された液成分と再液化されなかったガス成分とに分離される。気液セパレータ３０で分離された液化ガスは、貨物タンク１４へ戻され、ガス成分は、開閉弁３２Ｖを備える戻り管３２を通して、貨物タンク１４とＢＯＧ回収装置２２との間を結ぶ燃料ガス供給管２０へ循環可能である。また、図示しないが、再液化量を増やすために、ガス回収管２６の膨張弁２８と気液セパレータ３０の間に更に冷媒を用いて余剰ガスを冷却する再液化装置を追加してもよい。

　貨物タンク１４内の底部近くには、液ポンプ３４が設けられ、貨物タンク１４に貯留された液化ガスは、液ポンプ３４により強制気化器３６へと送出可能である（液ポンプ３４には、専用の燃料ガスポンプを使用してもよいが、貨物タンク１４内のスプレー作業に用いられるスプレーポンプと兼用してもよい）。強制気化器３６へ送られた液化ガスは、強制的に気化され、強制気化ガス供給管３８を通してＢＯＧ回収装置２２とガス圧縮機２４との間を結ぶ燃料ガス供給管２０へと供給可能である。強制気化器３６は、図示しない流量制御弁を備え、強制気化器３６を通るガス流量（ガス発生量）は流量制御弁により所定の範囲（最小値～最大値の間）においてのみ制御可能である（制御可能範囲）。制御可能範囲の最小値は０よりも大きい値であり、強制気化器３６は、０～最小値の間の量の燃料ガスを発生させることはできない。

　次に図２、図３を参照して、本実施形態の液化ガス燃料供給システム１０の制御方法について説明する。なお、図２、図３では、説明を簡単にするため、発電機エンジンのガス消費量とボイラのガス消費量（船内必要蒸気量を発生させるためのガス消費量）を全ＮＢＯＧ量から予め差し引いたものをＮＢＯＧ量としている。図２、図３は、横軸に船速、縦軸に単位時間当たりの燃料消費量を示すグラフであり、曲線Ｓは、船速とそのときの主機１２における燃料消費量の関係を示す（船速－燃料消費量カーブ）。なお図２は、強制気化器３６の最少流量の値が、ガス回収管２６を通して再液化可能な最大値よりも大きい場合を示し、図３は同値が小さい場合を示す。

　直線Ｍ１は、貨物タンク１４において発生する単位時間当たりのＮＢＯＧ量であり、直線Ｍ２は、貨物タンク１４内での単位時間当たりのＮＢＯＧ発生量に強制気化器３６の最少流量ΔＭを加えた値である。すなわち、図２、図３における範囲（Ｍ２－Ｍ１）は、流量制御弁２６Ｖを閉じ、ガス回収管２６を通して再液化された液化ガスを貨物タンク１４に戻さない場合に、強制気化器３６では制御できないガス流量の範囲（気化器制御不能領域）を示す。したがって再液化処理を行わない場合、ガス圧縮機２４へ供給される燃料ガスの一部を主機１２以外の装置で消費しない限り、直線Ｍ１と曲線Ｓの交点Ｐ１から直線Ｍ２と曲線Ｓの交点Ｐ２までの間の船速Ｖ１～Ｖ２を設定することができない。

　一方、直線Ｍ３は、単位時間当たりのＮＢＯＧ発生量直線Ｍ１からガス回収管２６を通して再液化可能な単位時間の最大の再液化量を引いた値であり、再液化処理により抑えられる単位時間当たりのガス発生量の最小値に対応する（再液化処理により低減される見かけの単位時間当たりのＮＢＯＧ発生量の最小値）。また図２、図３において直線Ｍ４は、このＭ３に強制気化器３６の最小流量ΔＭを加えた値である。すなわち、再液化処理を実行することにより、貨物タンク１４からの正味の単位時間当たりのガス発生量はＭ１からＭ３にまで下げることができ、このとき気化器制御不能領域の最大値Ｍ２はＭ４にまで下げられる。

　したがって、再液化処理を利用する場合、気化器制御不能領域は、領域Ｍ１～Ｍ２から領域Ｍ３～Ｍ４へとシフトする。また流量制御弁２６Ｖの制御により再液化される液化ガスの単位時間当たりの量は、領域Ｍ１～Ｍ３の間で調整可能なので、同領域に含まれる船速、すなわち直線Ｍ３と曲線Ｓの交点Ｐ３から直線Ｍ１と曲線Ｓの交点Ｐ１の間の船速Ｖ３～Ｖ１は、流量制御弁２６Ｖの制御により、再液化される液化ガスの単位時間当たりの量をＭ１～Ｍ３の間の領域Ａにおいて調整することにより設定可能である。また、気化器制御不能領域の最大値は、Ｍ４にまで下げられるので、Ｍ４から上の領域Ｂにおける単位時間当たりのガス発生量は、強制気化器３６の流量制御弁により制御可能となり、強制気化器３６の制御により船速Ｖ４以上の船速の設定が可能となる。

　ここで強制気化器３６において制御可能な流量の最小値（ΔＭ）が再液化可能な最大値よりも大きい図２の場合、気化器制御不能領域の最大値Ｍ４が、貨物タンク１４内での単位時間当たりのＮＢＯＧ発生量Ｍ１よりも上に位置するので、Ｍ１～Ｍ４の領域Ｃの単位時間当たりのガス発生量は、流量制御弁２６Ｖ、強制気化器３６のいずれでも制御ができず制御不能な領域となり、Ｖ１～Ｖ４の間の船速を設定することはできない。しかし、再液化処理を用いない従来の場合に比べ、船速を設定することができない制御不能領域は狭くなり、より自由な船速設定が可能となる。

　一方、強制気化器３６において制御可能な流量の最小値（ΔＭ）が再液化可能な最大値よりも小さい図３の場合、再液化で制御可能な領域Ａと強制気化器３６により制御可能な領域Ｂが重なるため、気化器制御不能領域Ｃが存在せず、強制気化器３６で気化可能な最大量に対応する最大船速までの任意の船速を設定することができる。

　なお、貨物タンク１４に液化ガスが殆ど貯留されていないバラスト航海時においても、再液化処理を利用することにより、気化器制御不能領域の上限値Ｍ２をＭ４まで下げることで設定可能な船速範囲を広げることができる。

　以上のように、本実施形態によれば、強制気化器と再液化処理とを同時運転することで、強制気化した燃料ガスを無駄に消費することなく、設定可能な船速の範囲を拡大できる。

　なお図４は、本実施形態の第１変形例の液化ガス燃料供給システム４０の構成を示すブロック図である。図４の第１変形例では、ＢＯＧ回収装置２２、膨張弁２８に代えて、ＢＯＧ再液化装置４２を用いる。すなわち、ガス圧縮機２４からの余剰ガスはガス回収管２６を通してＢＯＧ再液化装置４２に送られて冷却され、気液２相流とされた後、気液セパレータ３０へと送られる。ＢＯＧ再液化装置４２における余剰ガスの冷却・再液化には、例えばＢＯＧ冷却専用の冷却媒体が用いられる。また第１変形例では専用のＢＯＧ再液化装置４２を用いることから、余剰ガスは例えば発電機エンジン１６やボイラ１８、ガス燃焼装置１９と同様に、ガス圧縮機２４の中段からガス回収管２６へと送出される。なお、その他の構成に関しては、実施形態と同様である。

　上記の第１変形例において、ＢＯＧ再液化装置４２の入口圧力と発電機エンジン１６やボイラ１８、ガス燃焼装置１９の供給圧力が異なる場合、ＢＯＧ再液化装置４２へのガス回収管２６と発電機エンジン１６やボイラ１８、ガス燃焼装置１９へのガスの供給は、各々ガス圧縮機２４の異なる途中段から供給しても良い。また、ガス圧縮機２４は多段式とするか、低圧段と高圧段を別々の圧縮機として構成してもよい。また、ＢＯＧ再液化装置４２の効率を向上させるために、燃料ガス供給管２０内のＮＢＯＧの冷熱をＢＯＧ再液化装置４２の冷媒の冷却に利用してもよく、ＢＯＧ再液化装置４２の入口のガス回収管２６のガスの冷却に用いてもよい。

　図５は、本実施形態において、再液化量の調整処理に関して第２の制御方法を採用した第２変形例の液化ガス燃料供給システム５０の構成を示すブロック図である。なお、制御方法に関わる構成以外は、上述した実施形態と同様であり、同様の構成については同一参照符号を用いその説明を省略する。

　第２変形例においても、流量制御弁２６Ｖの開度は制御部２７において制御（例えばＰＩＤ制御）される。制御部２７は、圧力トランスミッタ１５により計測される貨物タンク１４内の圧力ｘから所定の式ｆ（ｘ）を用いて算出されるＮＢＯＧ量ｙ（＝ｆ（ｘ））と、強制気化器３６での液化ガスの強制気化量とから、液化ガス燃料供給システム５０内で発生している燃料ガスの総量を算出し、これと船内における燃料ガス消費量（主機１２、発電機エンジン１６、ボイラ１８、ガス燃焼装置１９のガス消費量の合計）とに基づき再液化すべき量ξを算出する。再液化すべき量ξは所定の式ｇ（ξ）、あるいはルックアップテーブルを用いて回収管流量ηに変換され、これを目標設定値（Set point）として流量制御弁２６Ｖの開度がＰＩＤ制御され、再液化されて貨物タンク１４へ戻される液化ガス量が調整される。すなわち、ガス回収管２６の流量制御弁２６Ｖの上流側には流量計５２が設けられ、流量制御弁２６Ｖの開度は、設定値として求められた回収管流量ηとガス回収管２６の流量計５２で計測された流量とに基づきＰＩＤ制御される。なお、再液化すべき量ξが負の値（ξ＜０）の場合には、再液化すべき量ξはハイセレクト（ＨＳ）において０に設定され、再液化すべき量ξがＢＯＧ回収装置２２の最大再液化量よりも大きい場合には、再液化すべき量ξはローセレクト（ＬＳ）においてＢＯＧ回収装置２２の最大再液化量に設定される。以上のように第２変形例の構成においても、実施形態と同様の効果が得られる。

　図６は、第１変形例に第２の制御方法を採用した第３変形例の液化ガス燃料供給システム６０の構成を示すブロック図である。第３変形例における再液化量の調整処理は、第２変形例の流量制御弁２６Ｖの制御と同様であり、第３変形例においても実施形態と同様の効果が得られる。また、ＢＯＧ再液化装置４２の再液化量の調整は、ＢＯＧ再液化装置４２の入口側の流量制御弁２６Ｖに代えて、冷媒側の流量や温度の調整など、その他の手段を採用してもよい。なお、ボイラ１８により貨物タンク内で発生するＮＢＯＧ量を全て燃焼処理できる場合、ガス燃焼装置（ＧＣＵ）は省略してもよい。

　本実施形態では、液化ガスを貨物とする液化ガス運搬船を例に説明を行なったが、液化ガスを主機燃料として利用可能な船舶であればどのような船舶であっても本発明を適用でき、その場合、貨物タンクは液化ガス燃料専用の燃料タンクとなる。また液化ガスもＬＮＧに限定されるものではない。

　１０、４０、５０、６０　液化ガス燃料供給システム
　１２　主機
　１４　貨物タンク
　２０　燃料ガス供給管
　２２　ＢＯＧ回収装置
　２４　ガス圧縮機
　２６　ガス回収管
　２６Ｖ　流量制御弁
　２７　制御部
　２８　膨張弁
　３４　液ポンプ
　３６　強制気化器
　３８　強制気化ガス供給管
　４２　ＢＯＧ再液化装置

Claims

　液化ガスを貯留するタンクと、
　前記タンク内のボイルオフガスの少なくとも一部を燃料ガスとして主機に供給するガス供給手段と、
　前記タンク内の液化ガスを気化させ、燃料ガスとして主機に供給可能な強制気化手段と、
　燃料ガスの一部を再液化して前記タンクに戻すことが可能な再液化手段とを備え、
　前記強制気化手段と前記再液化手段とを同時に運転可能である
　ことを特徴とする液化ガス燃料供給システム。
　前記強制気化手段が、強制気化される液化ガスの量を調整するための強制気化量調整手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の液化ガス燃料供給システム。
　前記再液化手段が、再液化される液化ガス量を調整するための再液化量調整手段を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液化ガス燃料供給システム。
　前記再液化量調整手段が、前記タンクの圧力に基づき再液化量を制御することを特徴とする請求項３に記載の液化ガス燃料供給システム。
　前記再液化量調整手段が、前記燃料ガスの消費量、前記強制気化手段における強制気化量、前記タンクの圧力に基づき再液化量を制御することを特徴とする請求項３に記載の液化ガス燃料供給システム。
　前記主機へ供給されるボイルオフガスを圧縮するガス圧縮機を備えることを特徴とする請求項１～５の何れか一項に記載の液化ガス燃料供給システム。
　前記強制気化手段は、強制気化された燃料ガスを前記ガス圧縮機の入口側へと供給することを特徴とする請求項６に記載の液化ガス燃料供給システム。
　ガス焚き可能な発電機エンジン、ボイラ、ガス燃焼装置を含む少なくとも１つの機器を更に備え、前記燃料ガスは、前記機器へも供給可能であることを特徴とする請求項１～７の何れか一項に記載の液化ガス燃料供給システム。
　請求項１～８の何れか一項に記載の液化ガス燃料供給システムを備えることを特徴とする船舶。