JP2017198341A - ボイルオフガス回収システム - Google Patents

Abstract

【課題】液化ガス運搬船において、ボイルオフガスを効率的に回収する。
【解決手段】カーゴタンク１１内のＢＯＧを第１配管１２を通して熱交換器１４に冷却側ガスとして送り、更に多段の高圧ガスコンプレッサ１５において圧縮する。高圧ガスコンプレッサ１５の途中段から中圧ＢＯＧを抽気し、第２配管１６を通して熱交換器１４に被冷却側ガスとして移送して冷却し、ジュールトムソンバルブ１７で膨張させ、一部液化してセパレータ１８へ移送する。セパレータ１８で分離されたガス成分を圧力調整弁１９を介して第１配管１２の熱交換器１４の上流側へ還流し、液体成分を移送ポンプ２１を用いてカーゴタンク１１に戻す。
【選択図】図１

Description

本発明は、液化ガスが荷載されるカーゴタンクで発生するボイルオフガス（ＢＯＧ）を回収するシステムに関する。

液化天然ガス運搬船（ＬＮＧタンカー）には、カーゴタンクで発生するボイルオフガス（ＢＯＧ）を船内の推進機関、発電機関や蒸気ボイラの燃料に利用するものがある。しかし、近年では、２元燃料焚き中速ディーゼル発電機関を用いた電気推進や２元燃料焚き低速ディーゼル直結推進を採用することにより、推進効率の向上が図られている。その結果、推進機関で消費する燃料ガス消費量が抑えられ、ボイルオフガスの全てを燃料として消費できない船速域が広がっている。そのため余剰ボイルオフガスは、コンプレッサと冷媒を用いた再液化装置（特許文献１、２）で再液化してカーゴタンクへ回収するか、ガス燃焼装置やガス焚きボイラなどで焼却処理する必要がある。

特開２００１−１３２８９９号公報 特開２００５−２６５１７０号公報

コンプレッサや冷媒を用いた従来の再液化装置を搭載する場合、初期費用が嵩む上、電力消費も大きいため運用コストも高い。一方、２元燃料焚き低速ディーゼル直結推進を利用したＬＮＧタンカーでは、約３０ＭＰａ程度の高圧ガスをディーゼル機関に供給するため、高圧ガスコンプレッサを搭載している。そのため、このような船では、２元燃料焚き低速ディーゼル機関へ燃料ガスを供給する高圧ガスコンプレッサを利用してＢＯＧ回収装置を構成することが考えられる。

本発明は、液化ガス運搬船において、ボイルオフガスを効率的に回収することを目的としている。

本発明のボイルオフガス回収システムは、カーゴタンクからのボイルオフガスを圧縮する高圧ガスコンプレッサと、高圧ガスコンプレッサへ送られるボイルオフガスと、高圧ガスコンプレッサにおいて圧縮されたボイルオフガスの間で熱交換を行う熱交換器と、高圧ガスコンプレッサにおいて圧縮され、熱交換器を介して冷却されたボイルオフガスを膨張させ、ボイルオフガスの一部を液化する液化手段と、液化手段を介したボイルオフガスを、ガス成分と液体成分とに分離するセパレータとを備え、セパレータで分離されたガス成分を、セパレータから高圧ガスコンプレッサの入力側であって、熱交換器よりも上流側へと還流させるとともに、セパレータで分離された液体成分をカーゴタンクへ移送するシステムにおいて、高圧ガスコンプレッサから熱交換器へと供給されるボイルオフガスの圧力は、臨界点以上の圧力であることを特徴としている。

液化手段は、膨張弁またはジュールトムソンバルブを備えることが好ましく、圧力調整弁により、セパレータ内の圧力は所定圧力に維持される。液体成分をセパレータからカーゴタンクへと移送する移送ポンプを更に備えてもよい。高圧ガスコンプレッサは、圧縮したボイルオフガスの一部を、例えば２元燃料焚き低速ディーゼル推進機の燃料として吐出する。また、高圧ガスコンプレッサは多段コンプレッサであることが好ましく、このとき熱交換器へは、途中段から抽気したボイルオフガスが供給される。また、高圧ガスコンプレッサの吐出側から減圧して熱交換器へボイルオフガスを供給してもよい。

本発明の液化ガス運搬船は、上記何れかのボイルオフガス回収システムを備えたことを特徴としている。

本発明によれば、液化ガス運搬船において、ボイルオフガスを効率的に回収することができる。

本発明の一実施形態であるボイルオフガス回収システムの構成を示すブロック図である。 （ａ）被冷却側ガスが臨界点以下の圧力状態で熱交換を行った場合と、（ｂ）被冷却ガスが臨界温度以上の圧力状態で熱交換を行った場合の熱交換器内部の交換熱量と温度の変化を示すグラフである。 ボイルオフガスの主成分であるメタンの圧力−比エンタルピー（ｐ−ｈ）線図である。 本発明の実施形態における液化ガス積載時の船速、使用ガス燃料消費量およびボイルオフガス発生の関係を示すグラフである。

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、本発明の一実施形態であるボイルオフガス回収システムの構成を示すブロック図である。

本実施形態のボイルオフ回収システム１０は、高圧ガスコンプレッサを搭載し、天然ガスなどの液化ガスを運搬する船舶に適用され、特に、２元燃料焚き低速ディーゼル（直結）推進を利用した液化ガス運搬船への適用が好適である。

液化ガス（本実施形態ではＬＮＧ）はカーゴタンク１１に荷載され、カーゴタンク１１内で発生するボイルオフガス（約−１６２℃）は、第１配管１２を通して、カーゴマシナリールーム１３に導かれ、熱交換器１４を介して高圧ガスコンプレッサ１５へと移送される。高圧ガスコンプレッサ１５は例えば多段圧縮機であり、吐出側からは例えば約３０ＭＰａ程の高圧ガスが吐出され、図示しない２元燃料焚き低速ディーゼルエンジン（主機関）や、発電用の２元燃料焚きディーゼルエンジン、ガス焚きボイラなどにガス燃料として供給される。また、高圧ガスコンプレッサ１５が多段圧縮機であり、ガス焚き可能な発電用ディーゼル機関やボイラの必要なガス圧が高圧ガスより低い場合、これらへの燃料ガスは圧縮機途中段から抽気して供給することもできる。

一方、高圧ガスコンプレッサ１５の途中段からは、余剰となるボイルオフガスが、例えば約１０ＭＰａ程の中圧ガス（約４５℃）として第２配管１６へと抽気され、第２配管１６を通して熱交換器１４へ移送される。熱交換器１４では、第１配管１２を通るボイルオフガスを冷却側流体として、第２配管１６内の中圧ボイルオフガス（被冷却側ガス）の冷却が行われ、ボイルオフガスは例えば約−１００℃前後まで冷却される。このとき、流量制御弁２３によって、熱交換器１４へ移送される中圧ガスの流量を制御することによって、液化量が調整され、ボイルオフガス回収システムの液化回収量が制御される。流量制御弁２３は熱交換器の上流側に設置されるが、下流側に設置しても構わない。

なお、高圧ガスコンプレッサ１５の途中段から抽気されるボイルオフガスの圧力は、同気体の臨界点以上の圧力とされる（本実施形態では臨界点の圧力は約４ＭＰａ）。また、高圧ガスコンプレッサ１５において、余剰ボイルオフガスが抽気されるまでの段には、例えば無給油式の圧縮機を用い、そこから先の吐出側高圧段には給油式の圧縮機を用いることが好ましい。なお、全てに給油式圧縮機を用いる場合には、例えば第２配管１６にキャリーオーバーされた油分を取り除くためのフィルタを配置する。

第２配管１６の熱交換器１４の下流側にはジュールトムソン（Ｊ−Ｔ）バルブ（あるいは膨張弁）１７が設けられる。ボイルオフガスは、ジュールトムソンバルブ１７を介して所定のセパレータ設定圧力にまで減圧され、その温度は減圧後の圧力での飽和温度まで低下され、例えば大気圧に減圧する場合、約−１６０℃まで低下される。そして、このときボイルオフガスの一部が液化される。

ジュールトムソンバルブ１７により一部液化されたボイルオフガスは、その後第２配管１６を通してセパレータ１８へと移送され、気液分離が行われる。セパレータ１８で分離されたボイルオフガスは、圧力調整弁１９が設けられた第３配管２０を介して第１配管１２の熱交換器１４よりも上流側へ還流される。一方、分離された液化ガス（ＬＮＧ）は、移送ポンプ２１により、第４配管２２を通してカーゴマシナリールーム１３から貨物区画のカーゴタンク１１へと移送され、回収される。なお、セパレータ圧力によりカーゴタンク１１へ再液化ガスを移送できる場合には、移送ポンプ２１は省略できる。なお、セパレータ１８内の圧力は、圧力調整弁１９によって設定圧力に維持される。

本ボイルオフガス回収システム１０において、高圧ガスコンプレッサ１５の容量は、カーゴタンク１１で発生するボイルオフガスの発生量と、ガスを消費燃料として使用するエンジンやボイラのガス消費量から決定される。また、高圧ガスコンプレッサ容量は、液化量を増加させるために熱交換器１４の上流側へ還流されるガス量を更に加えた容量とすることが好ましい。

次に、図２〜図３を参照して、本実施形態の冷却効果について説明する。図２（ａ）は、第２配管１６に抽気されるボイルオフガス（被冷却側ガス）の圧力が臨界点以下となる場合の熱交換器１４における冷却側ガスと被冷却側ガスの熱交換機内部の交換熱量と温度の変化を示すグラフであり、図２（ｂ）は、本実施形態に対応し、第２配管１６に抽気されるボイルオフガス（被冷却側ガス）の圧力が臨界点以上のときの図２（ａ）に対応するグラフである。なお図２（ａ）、図２（ｂ）において、横軸左端が冷却側ガスの入り口と被冷却側ガスの出口、右端が冷却側ガスの出口と被冷却側ガスの入り口に対応し、縦軸は温度（℃）である。また、図３は、ボイルオフガスの主成分であるメタンの模式的な圧力−比エンタルピー（ｐ−ｈ）線図である。

図２（ａ）に示されるように、被冷却側ガスの圧力が臨界点以下（例えば３．５ＭＰａ）の場合、被冷却側ガスは熱交換器１４内で飽和温度まで低下し、その後一部液体の状態で熱交換が行われる。このとき熱交換が低温の飽和温度での熱交換領域があるため、冷却側との熱交換器１４内の熱交換途中でピンチポイントが厳しくなり、熱交換可能な熱量が制限される（図３の直線Ｌ１：臨界点以下の圧力（３．５ＭＰａ）で４５℃から−１００℃へ冷却）。

一方、図３に示されるように、被冷却側ガスの圧力が臨界点以上（例えば１０ＭＰａ）の場合、超臨界状態での熱交換となり熱交換器１４内において被冷却側ガスが液化することはない。すなわち、飽和状態での熱交換がない（相変化がない）ためピンチポイントが緩和され、十分な熱交換が可能な熱交換器を設計可能である（図３の直線Ｌ２：臨界点以上の圧力（１０ＭＰａ）で４５℃〜−１００℃へ冷却）。

次に図４を使用して流量制御弁２３によって、液化量を調整する制御について説明する。図４は運航船速と使用燃料ガス消費量の関係とボイルオフガス発生量を示すグラフである。図４において、横軸は船速、縦軸は燃料ガス消費量である。図４において、曲線Ｓは船速と燃料ガス消費量（単位時）の関係を示す曲線であり、燃料消費量は略船速の３乗に比例する。直線Ｍ１（ＮＡＴＵＲＡＬ ＢＯＧ）は、カーゴタンク１１内の液化ガス（天然ガス）が自然蒸発し、ボイルオフガスとなる単位時間当たりの量である。すなわち、図４において、ボイルオフガスのみ、かつその全てを船内でガスを消費するエンジンおよびボイラの燃料として利用すると、曲線Ｓと直線Ｍ１の交点Ｐ１に対応する船速が得られる。一方、運転点Ｐ１よりも低速側では、直線Ｍ１と曲線Ｓの差が余剰ボイルオフガスとなり、運転点Ｐ１よりも高速側では、曲線Ｓと直線Ｍ１の差が、追加する必要のあるガス燃料量となる。

本実施形態では、流量制御弁２３を開けてボイルオフガス回収装置を作動させると、ボイルオフガスの一部を液化できるので、ボイルオフガスの単位時間当たりの発生量が実質的に低下する。すなわち図４において、ボイルオフガス回収システム起動前のボイルオフガスの単位時間当たりのボイルオフガス発生量が直線Ｍ１であったとすると、ボイルオフガス回収システムを起動して、システムで回収可能最大限に回収した場合には、発生量がＭ２へと下がり、曲線Ｓとの交点はＰ１からＰ２へと移動する。そのため、運航速度を下げて減速運航する場合などに、余剰ボイルオフガスの発生を抑えることができる。

また、運航速度がＰ１とＰ２の間で運転される場合、流量制御弁２３によって熱交換器１４に移送される被冷却側ガスの流量を制御することによって、液化量をコントロールすることが可能なので、ボイルオフガス量をＭ１からＭ２の間で使用ガス燃料に合わせて最適に制御することができ、ボイルオフガス回収システムの液化回収量が制御され、余剰ボイルオフガスの処理が不要となるとともに追加ガス燃料を使用せずに運航することが可能となる。

以上のように、本実施形態によれば、２元燃料焚き低速ディーゼルエンジンの燃料ガス供給に使用される高圧ガスコンプレッサを利用し、かつ、圧縮前のボイルオフガスを利用して圧縮後のボイルオフガスを冷却しているので、別途冷媒を用いた再液化装置を装備することなく、ボイルオフガスを再液化できる。これにより初期費用および運転コストを抑え、効率的にボイルオフガスを回収、使用できる。

また、本実施形態では、被冷却側ガスを熱交換器で冷却し、更に膨張させることで飽和温度まで温度を下げているが、このとき液化しないガス成分を冷却側ガスとして熱交換器の冷却側に還流しているため、ボイルオフガス回収システム内でのガス循環量を一定量以上確保でき、更に熱交換器の冷却側ガスの入り口温度を下げることにより、システムの冷却量を増大させることができる。

更に、本実施形態では、圧力調整弁により、セパレータ内の圧力を設定値に維持するため、カーゴタンクへの移送ポンプの入口圧力が一定値に維持され、移送ポンプの必要正味吸込ヘッド（ｒｅｑｕｉｒｅｄ ＮＰＳＨ：Net Positive Suction Head）が有効吸込ヘッド（ａｖａｉｌａｂｌｅ ＮＰＳＨ）を下回ることを防止する。

なお、本実施形態では、高圧ガスコンプレッサの多段の途中段から、被冷却側ガスを抽気して熱交換器へと移送したが、吐出側から減圧器を通して熱交換器へと移送する構成としてもよい。

１０ ボイルオフガス回収システム
１１ カーゴタンク
１２ 第１配管
１３ カーゴマシナリールーム
１４ 熱交換器
１５ 高圧ガスコンプレッサ（多段コンプレッサ）
１６ 第２配管
１７ ジュールトムソンバルブ（膨張弁）
１８ セパレータ
１９ 圧力調整弁
２０ 第３配管
２１ 移送ポンプ
２２ 第４配管
２３ 流量制御弁

Claims (9)

1. カーゴタンクからのボイルオフガスを圧縮する高圧ガスコンプレッサと、
   前記高圧ガスコンプレッサへ送られるボイルオフガスと、前記高圧ガスコンプレッサにおいて圧縮されたボイルオフガスの間で熱交換を行う熱交換器と、
   前記高圧ガスコンプレッサにおいて圧縮され、前記熱交換器を介して冷却されたボイルオフガスを膨張させ、前記ボイルオフガスの一部を液化する液化手段と、
   前記液化手段を介したボイルオフガスを、ガス成分と液体成分とに分離するセパレータとを備え、
   前記セパレータで分離されたガス成分を、前記セパレータから前記高圧ガスコンプレッサの入力側であって、前記熱交換器よりも上流側へと還流させるとともに、前記セパレータで分離された液体成分を前記カーゴタンクへ移送するシステムにおいて、
   前記高圧ガスコンプレッサが多段圧縮機であり、前記高圧ガスコンプレッサの途中段から抽気されるガスを燃料として発電機エンジンまたはボイラへ供給可能であり、
   前記高圧ガスコンプレッサから前記熱交換器へと供給されるボイルオフガスの圧力が、臨界点以上の圧力である
   ことを特徴とする液化ガスのボイルオフガス回収システム。
2. 前記液化手段が、膨張弁またはジュールトムソンバルブを備えることを特徴とする請求項１に記載のボイルオフガス回収システム。
3. 前記セパレータで分離されたガス成分を、前記熱交換器よりも上流側へと還流させる経路に圧力調整弁を更に備え、前記セパレータ内の圧力が所定圧力に維持されることを特徴とする請求項１〜２の何れか一項に記載のボイルオフガス回収システム。
4. 前記液体成分を前記セパレータから前記カーゴタンクへと移送する移送ポンプを備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のボイルオフガス回収システム。
5. 前記高圧ガスコンプレッサにおいて圧縮され、前記熱交換器へ移送されるボイルオフガスの流量を制御する流量調整弁を更に備え、ボイルオフガス回収システムの液化回収量を制御することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のボイルオフガス回収システム。
6. 前記高圧ガスコンプレッサは、圧縮した前記ボイルオフガスの一部を２元燃料焚き低速ディーゼル推進機の燃料として吐出することを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のボイルオフガス回収システム。
7. 前記高圧ガスコンプレッサが多段圧縮機であり、前記熱交換器へは、途中段から抽気したボイルオフガスが供給されることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載のボイルオフガス回収システム。
8. 前記高圧ガスコンプレッサの吐出側から減圧して前記熱交換器へボイルオフガスが供給されることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載のボイルオフガス回収システム。
9. 請求項１〜８の何れか一項に記載のボイルオフガス回収システムを備えたことを特徴とする液化ガス運搬船。

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