JP6722074B2 - 船舶 - Google Patents

Description

本発明は、推進用の主ガスエンジンと船内電源用の副ガスエンジンを含む船舶に関する。

従来から、推進用の主ガスエンジンと船内電源用の副ガスエンジンを含む船舶が知られている。例えば、特許文献１には、図３に示すような船舶１００が開示されている。

具体的に、船舶１００では、液化天然ガスを貯留するタンク１１０内で発生するボイルオフガスが送気ライン１２１により圧縮機１３０へ導かれ、圧縮機１３０で高温高圧に圧縮される。圧縮機１３０から吐出されるボイルオフガスは、第１供給ライン１２２により推進用の主ガスエンジン（ＭＥＧＩエンジン）へ導かれる。

また、圧縮機１３０から圧縮途中で抽出された抽出ガスが、第２供給ライン１３１により船内電源用の副ガスエンジン（ＤＦエンジン）へ導かれるとともに、第３供給ライン１３２によりＧＣＵ（Gas Combustion Unit：ガス燃焼装置）へ導かれる。このため、ボイルオフガスの発生量が主ガスエンジンの消費量を上回るときには、それらの差分の抽出ガスを燃料ガスとして副ガスエンジンおよびＧＣＵへ供給して燃焼することが可能である。

特開２０１５−５０５９４１号公報

ところで、副ガスエンジンへ供給される燃料ガスの圧力は、副ガスエンジンから要求される許容範囲内に保たれる必要がある。しかしながら、抽出ガスが燃料ガスとして副ガスエンジンおよびＧＣＵへ供給されている間に、主ガスエンジンの急激な負荷上昇などによりＧＣＵへの燃料ガス供給量が急激に減少した場合には、第２供給ライン１３１の圧力が急上昇し、副ガスエンジンへ供給される燃料ガスの圧力が許容範囲を超えることがある。

そこで、本発明は、副ガスエンジンへ供給される燃料ガスの圧力を確実に許容範囲内に保つことができるようにすることを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、推進用の主ガスエンジンと、液化天然ガスを貯留するタンクと、前記タンク内で発生するボイルオフガスを圧縮機へ導く送気ラインと、前記圧縮機から吐出されるボイルオフガスを前記主ガスエンジンへ導く第１供給ラインと、前記圧縮機から圧縮途中で抽出された抽出ガスをヘッダーへ導く、流量制御弁が設けられた抽出ラインと、前記ヘッダーと第２供給ラインにより接続された、船内電源用の副ガスエンジンと、前記ヘッダーと第３供給ラインにより接続されたＧＣＵと、前記ヘッダー内の圧力を検出する圧力計と、前記圧力計で検出される圧力が目標圧力となるようにフィードバック制御により前記流量制御弁を制御しつつ、前記ＧＣＵへの燃料ガス供給量が減少する間は前記抽出ラインに流れる抽出ガスの流量を前記フィードバック制御に先行して減少するように、前記流量制御弁を制御する制御装置と、を備える、船舶を提供する。

上記の構成によれば、ＧＣＵへの燃料ガス供給量が減少している間は、その後のヘッダー内の圧力の上昇を打ち消すように抽出ガス流量が事前に減少する。従って、主ガスエンジンの急激な負荷上昇などによりＧＣＵへの燃料ガス供給量が急激に減少しても、副ガスエンジンへ供給される燃料ガスの圧力を確実に許容範囲内に保つことができる。

例えば、前記圧縮機は、吸入口から吐出口まで延びる主流路と、前記主流路上に直列に並ぶ複数の圧縮機構と、前記複数の圧縮機構のうちの少なくとも１つにボイルオフガスを循環させる少なくとも１つの循環路と、前記少なくとも１つの循環路に設けられた流量制御弁を含み、前記抽出ラインは、前記複数の圧縮機構の間で前記主流路に接続されていてもよい。

本発明によれば、副ガスエンジンへ供給される燃料ガスの圧力を確実に許容範囲内に保つことができる。

本発明の一実施形態に係る船舶の概略構成図である。 変形例の船舶の概略構成図である。 従来の船舶の概略構成図である。

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、液化天然ガス（以下、ＬＮＧという）を貯留するタンク１１と、推進用の主ガスエンジン１３と、船内電源用の副ガスエンジン１７を含む。

図例では、タンク１１が１つだけ設けられているが、タンク１１は複数設けられてもよい（例えば、船舶１は、ＬＮＧ運搬船であってもよい）。また、図例では、主ガスエンジン１３および副ガスエンジン１７が１つずつ設けられているが、主ガスエンジン１３が複数設けられてもよいし、副ガスエンジン１７が複数設けられてもよい。

主ガスエンジン１３は、スクリュープロペラ（図示せず）を直接的に回転駆動してもよいし（機械推進）、スクリュープロペラを発電機およびモータを介して間接的に回転駆動してもよい（電気推進）。

本実施形態では、主ガスエンジン１３が、燃料ガス噴射圧が高圧のレシプロエンジンである。主ガスエンジン１３は、燃料ガスのみを燃焼させるガス専焼エンジンであってもよいし、燃料ガスと燃料油の一方または双方を燃焼させる二元燃料エンジンであってもよい（例えば、ＭＥＧＩエンジン）。ただし、主ガスエンジン１３は、燃料ガス噴射圧が中圧または低圧のレシプロエンジンであってもよい。あるいは、主ガスエンジン１３は、ガスタービンエンジンであってもよい。

副ガスエンジン１７は、燃料ガス噴射圧が低圧のレシプロエンジンであり、発電機（図示せず）と連結されている。副ガスエンジン１７は、燃料ガスのみを燃焼させるガス専焼エンジンであってもよいし、燃料ガスと燃料油の一方または双方を燃焼させる二元燃料エンジンであってもよい。

主ガスエンジン１３へは、燃料ガスとして、自然入熱によりタンク１１内で発生するボイルオフガス（以下、ＢＯＧという）が主に供給され、副ガスエンジン１７へは、燃料ガスとして、ＬＮＧが強制的に気化された気化ガス（以下、ＶＧという）が主に供給される。

具体的に、タンク１１は、送気ライン２１により圧縮機１２と接続されており、圧縮機１２は、第１供給ライン２２により主ガスエンジン１３と接続されている。また、タンク１１内には、ポンプ１４が配置されており、ポンプ１４は、送液ライン３１により強制気化器１５と接続されている。強制気化器１５は、ヘッダー供給ライン３２によりヘッダー１６と接続されており、ヘッダー１６は、第２供給ライン５１により副ガスエンジン１７と接続されているとともに、第３供給ライン５２によりＧＣＵ１８と接続されている。さらに、ヘッダー１６は、抽出ライン４３により圧縮機１２と接続されている。

送気ライン２１は、タンク１１内で発生するＢＯＧを圧縮機１２へ導く。圧縮機１２は、ＢＯＧを高圧に圧縮する。第１供給ライン２２は、圧縮機１２から吐出されるＢＯＧを主ガスエンジン１３へ導く。

圧縮機１２は、吸入口から吐出口まで延びる主流路１２ａと、主流路１２ａ上に直列に並ぶ複数（図例では５つ）の圧縮機構１２ｂを含む。さらに、圧縮機１２は、圧縮機構１２ｂのうちの少なくとも１つにＢＯＧを循環させる少なくとも１つの循環路１２ｃを含む。本実施形態では、循環路１２ｃの数は、圧縮機構１２ｂの数と同じである。つまり、各圧縮機構１２ｂから吐出されるＢＯＧが循環路１２ｃを通じて当該圧縮機構１２ｂの吸入側に戻される。ただし、循環路１２ｃは、例えば全ての圧縮機構１２ｂをバイパスするように１つだけ設けられてもよい。各循環路１２ｃには、開度が変更可能な流量制御弁１２ｄが設けられている。

送液ライン３１は、ポンプ１４から吐出されるＬＮＧを強制気化器１５へ導く。送液ライン３１には、開度が変更可能な流量制御弁３６が設けられている。強制気化器１５は、ＬＮＧを強制的に気化し、ＶＧを生成する。ヘッダー供給ライン３２は、強制気化器１５にて生成されるＶＧをヘッダー１６へ導く。

ポンプ１４は、強制気化器１５にて生成されるＶＧの圧力（つまり、強制気化器１５の出口圧力）が副ガスエンジン１７の燃料ガス噴射圧よりも高くなるように、ＬＮＧを吐出する。ただし、ヘッダー供給ライン３２に圧縮機が設けられ、ポンプ１４の代わりにその圧縮機がＶＧの圧力を副ガスエンジン１７の燃料ガス噴射圧よりも高くしてもよい。

ヘッダー供給ライン３２には、上流側から順に、冷却器３３、気液分離器３４および加熱器３５が設けられている。冷却器３３は、強制気化器１５にて生成されたＶＧを冷却する。ＶＧ中の重質分の多く（例えば、エタン、プロパン、ブタンなど）は、冷却器３３での冷却によって液体となり、気液分離器３４で除去されてタンク１１へ戻される。これにより、メタン価の高いＶＧが副ガスエンジン１７へ供給される。加熱器３５は、気液分離器３４を通過したＶＧを加熱する。

また、ヘッダー供給ライン３２は、補給ライン４１により送気ライン２１と接続されている。図例では、補給ライン４１が冷却器３３と気液分離器３４の間でヘッダー供給ライン３２から分岐して送気ライン２１に合流しているが、補給ライン４１は、気液分離器３４と加熱器３５の間でヘッダー供給ライン３２から分岐してもよい。補給ライン４１には、開度が変更可能な流量制御弁４２が設けられている。

ヘッダー１６は、副ガスエンジン１７およびＧＣＵ１８へ供給される燃料ガスのバッファーとして機能する。ヘッダー１６は、容器であってもよいし、配管のうちの拡径された部分で構成されてもよい。

抽出ライン４３は、圧縮機１２から圧縮途中で抽出された抽出ガス（以下、ＢＧという）をヘッダー１６へ導く。本実施形態では、抽出ライン４３が、２段目の圧縮機構１２ｂと３段目の圧縮機構１２ｂの間で主流路１２ａに接続されている。抽出ライン４３には、開度が変更可能な流量制御弁４４が設けられている。流量制御弁４４が閉じられるときはヘッダー１６内の燃料ガスがＶＧのみとなり、流量制御弁４４が開かれるときはヘッダー１６内の燃料ガスがＶＧとＢＧの混合ガスまたはＢＧのみとなる。

第２供給ライン５１は、ヘッダー１６から燃料ガスを副ガスエンジン１７へ導き、第３供給ライン５２は、ヘッダー１６から燃料ガスをＧＣＵ１８へ導く。第３供給ライン５２には、ＧＣＵ１８への燃料ガス供給量を調整するための流量制御弁５３が設けられている。

さらに、本実施形態では、第１返送ライン６１および第２返送ライン６３が設けられている。第１返送ライン６１は、ヘッダー１６からタンク１１へつながっており、第２返送ライン６３は、ヘッダー供給ライン３２から分岐してタンク１１へつながっている。図例では、第２返送ライン６３が気液分離器３４と加熱器３５の間でヘッダー供給ライン３２から分岐しているが、第２返送ライン６３は、冷却器３３と気液分離器３４の間でヘッダー供給ライン３２から分岐してもよい。

第１返送ライン６１の下流端である放出口は、タンク１１内のＬＮＧの液面の上方に位置してもよいし、液面の下方に位置してもよい。同様に、第２返送ライン６３の下流端である放出口は、タンク１１内のＬＮＧの液面の上方に位置してもよいし、液面の下方に位置してもよい。

第１返送ライン６１には、開度が変更可能な流量制御弁６２が設けられており、第２返送ライン６３には、開度が変更可能な流量制御弁６４が設けられている。これらの流量制御弁６２，６４および上述した流量制御弁３６，４２，４４は、統括制御装置７１により制御される。さらに、統括制御装置７１は、圧縮機１２の流量制御弁１２ｄも制御する。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。

例えば、統括制御装置７１は、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリとＣＰＵを有し、ＲＯＭに格納されたプログラムがＣＰＵにより実行される。統括制御装置７１は、第１圧力計８１および第２圧力計８２と電気的に接続されている。第１圧力計８１は、送気ライン２１に流れるＢＯＧの圧力を検出する。第２圧力計８２は、ヘッダー１６内の圧力を検出する。

また、統括制御装置７１は、主ガスエンジン制御装置７２、副ガスエンジン制御装置７３およびＧＣＵ制御装置７４との間で、各種の信号を送受信する。主ガスエンジン制御装置７２は、主ガスエンジン１３に設けられた燃料噴射弁の開閉などを制御し、副ガスエンジン制御装置７３は、副ガスエンジン１７に設けられた燃料噴射弁の開閉などを制御する。ＧＣＵ制御装置７４は、ＧＣＵ１８および流量制御弁５３を制御する。

統括制御装置７１は、主ガスエンジン制御装置７２から送信される燃料ガス量要求信号から主ガスエンジン１３の燃料ガス消費量Ｑ１を算出するとともに、副ガスエンジン制御装置７３から送信される燃料ガス量要求信号から副ガスエンジン１７の燃料ガス消費量Ｑ２を算出する。ただし、統括制御装置７１は、主ガスエンジン制御装置７２から燃料ガス消費量Ｑ１を直接的に取得してもよいし、副ガスエンジン制御装置７３から燃料ガス消費量Ｑ２を直接的に取得してもよい。

また、統括制御装置７１は、タンク１１内のＬＮＧの量および第１圧力計８１で検出されるＢＯＧの圧力に基づいてＢＯＧの利用可能量Ｑａを算出する。具体的に、統括制御装置７１は、第１圧力計８１で検出されるＢＯＧの圧力に、送気ライン２１の上流端である取込口から第１圧力計８１の位置までの圧力損失を加算して、タンク１１内のＢＯＧの圧力を算出する。ただし、第１圧力計８１は、タンク１１に設けられ、タンク１１内のＢＯＧの圧力を直接的に検出してもよい。そして、統括制御装置７１は、タンク１１内のＬＮＧの量およびタンク１１内のＢＯＧの圧力から、ＢＯＧの利用可能量Ｑａを算出する。例えば、タンク１１がカーゴタンクであって、タンク１１の容量が非常に大きい場合は、タンク１１内のＬＮＧの量は固定値として扱うことが可能である。一方、タンク１１の容量が小さい場合には、タンク１１にタンク１１内のＬＮＧの量を検出するレベル計が設けられ、タンク１１内のＬＮＧの量が変数として扱われてもよい。

ＢＯＧの利用可能量Ｑａを算出後、統括制御装置７１は、主ガスエンジン１３の燃料ガス消費量Ｑ１と副ガスエンジン１７の燃料ガス消費量Ｑ２の合計である燃料ガス総消費量ＱｔとＢＯＧの利用可能量Ｑａを比較する。Ｑｔ＞Ｑａの場合、統括制御装置７１は、燃料ガス総消費量ＱｔからＢＯＧの利用可能量Ｑａを差し引いた不足量のＬＮＧが送液ライン３１を通じて強制気化器１５へ供給されるように、送液ライン３１に設けられた流量制御弁３６を制御する。なお、送液ライン３１からは流量制御弁３６の上流側でＬＮＧ返送ライン３７が分岐しており、ポンプ１４から吐出されたＬＮＧのうち流量制御弁３６で制限される分は、ＬＮＧ返送ライン３７を通じてタンク１１へ戻される。

さらに、Ｑｔ＞Ｑａの場合、統括制御装置７１は、ＢＯＧの利用可能量Ｑａを主ガスエンジン１３の燃料ガス消費量Ｑ１と比較する。Ｑａ＜Ｑ１の場合、統括制御装置７１は、抽出ライン４３に設けられた流量制御弁４４を全閉とするとともに、補給ライン４１に設けられた流量制御弁４２を所定の開度に開く。これにより、送気ライン２１における補給ライン４１の合流点でＶＧと混合されたＢＯＧが燃料ガスとして主ガスエンジン１３へ供給される。一方、副ガスエンジン１７へは、燃料ガスとしてＶＧのみが供給される。一方、Ｑａ＞Ｑ１の場合、統括制御装置７１は、流量制御弁４２を全閉とするとともに、流量制御弁４４を所定の開度に開く。これにより、副ガスエンジン１７へは、燃料ガスとしてＶＧとＢＧの混合ガスが供給される。

逆に、Ｑｔ＜Ｑａの場合、統括制御装置７１は、強制気化器１５の運転を停止した後に、送液ライン３１に設けられた流量制御弁３６を全閉とする。また、統括制御装置７１は、補給ライン４１に設けられた流量制御弁４２を全閉とするとともに、抽出ライン４３に設けられた流量制御弁４４を所定の開度に開く。これにより、副ガスエンジン１７へは、燃料ガスとしてＢＧのみが供給される。ただし、流量制御弁３６を全閉とする代わりに、強制気化器１５の運転を停止せずに、流量制御弁３６の開度を強制気化器１５の運転が継続可能な最低開度にしてもよい。

さらに、Ｑｔ＜Ｑａの場合、統括制御装置７１は、ＧＣＵ１８で処理すべき燃料ガスの処理量としてＧＣＵ１８への燃料ガス供給量Ｑｇを算出し、算出した燃料ガス供給量Ｑｇを表す処理量信号をＧＣＵ制御装置７４へ送信する。第３供給ライン５２には、流量制御弁５３の下流側に流量計８３が設けられている。ＧＣＵ制御装置７４は、流量計８３で検出される流量が統括制御装置７１から送信された処理量信号で表される燃料ガス供給量Ｑｇとなるように流量制御弁５３を制御する。

また、統括制御装置７１は、燃料ガス総消費量ＱｔがＢＯＧの利用可能量Ｑａよりも大きいか小さいかに拘らず、抽出ライン４３に設けられた流量制御弁４４を開く場合は、流量制御弁４４を、第２圧力計８２により検出されるヘッダー１６内の圧力が目標圧力となるようにフィードバック制御により制御する。

さらに、統括制御装置７１は、フィードバック制御を行いつつ、算出したＧＣＵ１８への燃料ガス供給量Ｑｇに基づいてフィードフォワード制御を行う。具体的に、統括制御装置７１は、燃料ガス供給量Ｑｇが減少する間は、抽出ライン４３に流れるＢＧの流量をフィードバック制御に先行して減少するように、流量制御弁４４を制御する。つまり、統括制御装置７１は、燃料ガス供給量Ｑｇが減少するにつれて、流量制御弁４４の開度を小さくする。また、統括制御装置７１は、流量制御弁４４の開度を小さくすると同時に、圧縮機１２の流量制御弁１２ｂのうちの少なくとも１つの開度を上昇させる。

上記のような制御を行っても第２圧力計８２により検出されるヘッダー１６内の圧力が上限を超えたときには、統括制御装置７１は、第１返送ライン６１に設けられた流量制御弁６２と第２返送ライン６３に設けられた流量制御弁６４の少なくとも一方を開く。

以上説明したように、本実施形態の船舶１では、ＧＣＵ１８への燃料ガス供給量Ｑｇが減少している間は、その後のヘッダー１６内の圧力の上昇を打ち消すようにＢＧ流量が事前に減少する。従って、主ガスエンジン１３の急激な負荷上昇などによりＧＣＵ１８への燃料ガス供給量Ｑｇが急激に減少しても、副ガスエンジン１７へ供給される燃料ガスの圧力を、副ガスエンジン１７から要求される許容範囲内に確実に保つことができる。

（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、統括制御装置７１は、必ずしも、算出したＧＣＵ１８への燃料ガス供給量Ｑｇに基づいてフィードフォワード制御を行う必要はない。流量計８３で検出された実際の燃料ガス供給量がＧＣＵ制御装置７４から統括制御装置７１へ送信され、統括制御装置７１が実際の燃料ガス供給量に基づいてフィードフォワード制御を行ってもよい。

また、図２に示すように、第１返送ライン６１はなくてもよい。さらに、船舶１の種類によっては、ポンプ１４、送液ライン３１、ヘッダー供給ライン３２および第２返送ライン６３がなくてもよい。

また、図示は所略するが、第１供給ライン２２から分岐してタンク１１へつながる、膨張装置が設けられたＢＯＧ返送ラインが採用されてもよい。このとき、Ｑａ＞Ｑ１の場合は、まずそれらの差分の余剰ガスがＢＯＧ返送ラインを通じてタンク１１へ戻され、タンク１１内の圧力が許容値を超えたときに、抽出ライン４３に設けられた流量制御弁４４が開かれてもよい。

１ 船舶
１１ タンク
１２ 圧縮機
１２ａ 主流路
１２ｂ 圧縮機構
１２ｃ 循環路
１２ｄ 流量制御弁
１３ 主ガスエンジン
１６ ヘッダー
１７ 副ガスエンジン
１８ ＧＣＵ
２１ 送気ライン
２２ 第１供給ライン
４３ 抽出ライン
４４ 流量制御弁
５１ 第２供給ライン
５２ 第３供給ライン
７１ 統括制御装置

Claims (2)

1. 推進用の主ガスエンジンと、
   液化天然ガスを貯留するタンクと、
   前記タンク内で発生するボイルオフガスを圧縮機へ導く送気ラインと、
   前記圧縮機から吐出されるボイルオフガスを前記主ガスエンジンへ導く第１供給ラインと、
   前記圧縮機から圧縮途中で抽出された抽出ガスをヘッダーへ導く、流量制御弁が設けられた抽出ラインと、
   前記ヘッダーと第２供給ラインにより接続された、船内電源用の副ガスエンジンと、
   前記ヘッダーと第３供給ラインにより接続されたＧＣＵと、
   前記ヘッダー内の圧力を検出する圧力計と、
   前記圧力計で検出される圧力が目標圧力となるようにフィードバック制御により前記流量制御弁を制御しつつ、前記ＧＣＵへの燃料ガス供給量が減少する間は前記抽出ラインに流れる抽出ガスの流量を前記フィードバック制御に先行して減少するように、前記流量制御弁を制御する制御装置と、
   を備える、船舶。
2. 前記圧縮機は、吸入口から吐出口まで延びる主流路と、前記主流路上に直列に並ぶ複数の圧縮機構と、前記複数の圧縮機構のうちの少なくとも１つにボイルオフガスを循環させる少なくとも１つの循環路と、前記少なくとも１つの循環路に設けられた流量制御弁を含み、
   前記抽出ラインは、前記複数の圧縮機構の間で前記主流路に接続されている、請求項１に記載の船舶。

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