JP2020511349A - 船舶用の蒸発ガス再液化システム及び船舶用の蒸発ガス再液化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】船舶用の蒸発ガス再液化システムが開示される。【解決手段】船舶用の蒸発ガス再液化システムは、蒸発ガスの一部を圧縮する第２圧縮機；第２圧縮機に送られなかった残りの蒸発ガスを冷媒として、第２圧縮機で圧縮された蒸発ガスを熱交換させて冷却する熱交換器；熱交換器で冷媒として使用された蒸発ガスを圧縮する第１圧縮機；と、熱交換器によって冷却された流体を膨張させる減圧装置；を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、船舶に搭載された貯蔵タンクで発生する蒸発ガスを、蒸発ガス自体を冷媒として再液化するシステムに関するものである。

近年、液化天然ガス（Liquefied Natural Gas，ＬＮＧ）などの液化ガスの消費量が世界的に急増している。ガスを低温で液化させた液化ガスは、ガスに比べて体積が非常に減少するため貯蔵及び輸送の効率が向上するという長所がある。また、液化天然ガスをはじめとする液化ガスは、液化工程中で大気汚染物質を除去または低減できるため、燃焼時の大気汚染物質の排出が少ない環境に優しい燃料である。

液化天然ガスは、メタン（methane）が主成分である天然ガスを約−１６２℃まで冷却し液化させて得られる無色透明の液体であり、天然ガスに比べて体積が約１／６００になる。したがって、天然ガスを液化させて移送する場合、非常に効率的な移送が可能になる。

しかし、天然ガスの液化温度は、大気圧で−１６２℃の極低温であるため、液化天然ガスは温度変化に敏感であり、蒸発し易い。そのため、液化天然ガスを貯蔵する貯蔵タンクには、断熱処理が施されるが、外部熱が貯蔵タンクに継続的に伝達されるため、液化天然ガスの輸送過程で貯蔵タンク内では、継続的に液化天然ガスが自然気化して蒸発ガス（Boil-Off Gas，ＢＯＧ）が発生する。この現象はエタンなどの他の低温液化ガスにおいても同様である。

蒸発ガスは損失の１つであり、輸送効率において重要な問題である。また、貯蔵タンク内で蒸発ガスが蓄積してタンク内圧が上昇し過ぎると、場合によってはタンクが破損する虞がある。したがって、貯蔵タンク内で発生する蒸発ガスを処理する様々な方法が研究され、最近では、蒸発ガスを処理するために、蒸発ガスを再液化して貯蔵タンクに戻す方法、蒸発ガスを船舶エンジンなどの燃料消費先におけるエネルギー源として使用する方法などが用いられている。

蒸発ガスを再液化する方法は、別の冷媒を用いた冷凍サイクルを備えて蒸発ガスを冷媒と熱交換して再液化する方法、別の冷媒を用いずに蒸発ガス自体を冷媒として再液化する方法などがある。特に、後者の方法を採用したシステムを部分再液化システム（Partial Re-liquefaction System，ＰＲＳ）という。

一方、一般的に船舶で使用するエンジンのうち、天然ガスを燃料として使用するエンジンにはＤＦＤＥ、Ｘ−ＤＦエンジン、ＭＥ−ＧＩエンジンなどのガス燃料エンジンがある。

ＤＦＤＥは４ストローク機関であり、比較的低圧である６．５ｂａｒ程度の圧力を有する天然ガスを燃焼空気入口に注入して、ピストンが上昇しながら圧縮するオットーサイクル（Otto Cycle）を採用する。

Ｘ−ＤＦエンジンは２サイクル機関であり、１６ｂａｒ程度の天然ガスを燃料で使用し、オットーサイクルを採用する。

ＭＥ−ＧＩエンジンは、２サイクル機関であり、３００ｂａｒ程度の高圧天然ガスをピストンの上死点付近で燃焼室に直接噴射するディーゼルサイクル（Diesel Cycle）を採用する。

図１は、従来の船舶用の蒸発ガス再液化システムの概略図である。

図１を参照して、従来の船舶用の蒸発ガス再液化システムは、熱交換器（１００）、第１圧縮機（２１０）、第２圧縮機（２２０）、減圧装置（３００）、及び気液分離器（４００）を備える。

熱交換器（１００）は、貯蔵タンク（Ｔ）から排出された蒸発ガスを冷媒として、第１圧縮機（２１０）及び第２圧縮機（２２０）で圧縮された蒸発ガスを熱交換により冷却する。

第１圧縮機（２１０）は、貯蔵タンク（Ｔ）から排出された後に熱交換器（１００）で冷媒として使用された蒸発ガスを圧縮し、ガス消費先（Ｃ）に送る。ガス消費先（Ｃ）には、比較的低圧の天然ガスを燃料として使用するＸ−ＤＦエンジンまたはＤＦエンジン、あるいはガス燃焼装置（ＧＣＵ；Gas Combustion Unit）などが用いられる。ガス消費先（Ｃ）がＸ−ＤＦエンジンまたはＤＦエンジンである場合、第１圧縮機（２１０）は、ガス消費先（Ｃ）で要求される圧力まで蒸発ガスを圧縮する。

第２圧縮機（２２０）は、第１圧縮機（２１０）で圧縮された蒸発ガスのうち、ガス消費先（Ｃ）で使用されなかった余剰蒸発ガスを圧縮する。従来の第２圧縮機（２２０）は、３段で蒸発ガスを圧縮する多段圧縮機が利用された。第２圧縮機（２２０）で圧縮された蒸発ガスは、熱交換器（１００）に送られ、貯蔵タンク（Ｔ）から排出された蒸発ガスを冷媒として熱交換により冷却される。

減圧装置（３００）は、第２圧縮機（２２０）で圧縮された後に、熱交換器（１００）で冷却された流体を膨張させる。第１圧縮機（２１０）及び第２圧縮機（２２０）の圧縮過程と、熱交換器（１００）の冷却過程と、減圧装置（３００）の膨張過程を経た蒸発ガスは、一部または全部が再液化される。

気液分離器（４００）は、減圧装置（３００）の下流で設置され、再液化された液化天然ガスと気体状態の蒸発ガスとを分離する。気体状態の蒸発ガスには、再液化されずに残った蒸発ガスと減圧装置（３００）によって膨張されて生成したフラッシュガスとが含まれる。

気液分離器（４００）によって分離された液化天然ガスは、貯蔵タンク（Ｔ）に戻され、気液分離器（４００）によって分離された気体状態の蒸発ガスは、貯蔵タンク（Ｔ）から排出される蒸発ガスと合流して熱交換器（１００）の冷媒として使用される。

従来の船舶用の蒸発ガス再液化システムにおいては、第１圧縮機（２１０）で圧縮された蒸発ガスのうち、ガス消費先（Ｃ）に送られずに再液化過程を経る蒸発ガスを、第２圧縮機（２２０）によって追加圧縮した後で熱交換器（１００）に送る。蒸発ガスを第２圧縮機（２２０）で追加圧縮する理由は、比較的低圧の天然ガスを燃料として使用するＸ−ＤＦエンジンやＤＦエンジンの要求圧力が、再液化効率のために必要とされる圧力に比べて低いため、足りない圧力を第２圧縮機（２２０）によって補うためである。

第１圧縮機（２１０）は、ガス消費先（Ｃ）の要求圧力まで蒸発ガスを圧縮し、Ｘ−ＤＦエンジンの場合には約１６ｂａｒ、ＤＦエンジンの場合には約６．５ｂａｒの圧力まで蒸発ガスを圧縮する。熱交換器（１００）における熱交換効率は、流体が超臨界状態（天然ガスの場合は約４７ｂａｒ）ではない場合は、超臨界状態の場合に比べて著しく低くなる一方で、１５０ｂａｒ〜４００ｂａｒ、好ましくは１５０ｂａｒ〜３００ｂａｒの間で最も高くなる。

ガス消費先（Ｃ）が約３００ｂａｒの圧力の天然ガスを必要とするＭＥ−ＧＩエンジンであれば、第１圧縮機（２１０）が約３００ｂａｒまで圧縮した蒸発ガスを、第２圧縮機（２２０）で追加圧縮しなくても十分な再液化効率を確保することができる。しかし、ガス消費先（Ｃ）がＸ−ＤＦエンジンまたはＤＦエンジンである場合には、エンジンの要求圧力が再液化効率に必要な圧力よりも低いため、第２圧縮機（２２０）によって足りない圧力を補って再液化効率を確保する。従来の船舶用の蒸発ガス再液化システムは、第２圧縮機（２２０）が蒸発ガスを約１５０ｂａｒまで圧縮していた。

従来の船舶用の蒸発ガス再液化システムでは、第１圧縮機（２１０）に給油潤滑方式の圧縮機を採用することで、第１圧縮機（２１０）によって圧縮されながら、蒸発ガスに混合した一部のオイルが熱交換器（１００）に流入して熱交換器（１００）の流路が塞がることと、熱交換効率が低下する現象が発生した。また、オイルが混合した蒸発ガスが再液化されて貯蔵タンクに戻されることで、貯蔵タンクの液化天然ガスの純度が低下するという問題点があった。

もし、第１圧縮機（２１０）に無給油潤滑方式の圧縮機を適用すれば、給油潤滑方式である場合は２．５年であった整備周期が１年に短縮され、維持費用が増加する。また、一般的に船舶は２．５年ごとにドッキングして整備をするため、整備周期が１年である無給油潤滑方式の圧縮機を適用することはほぼ不可能であった。

本発明は、このような従来技術の問題点を解決するためのものであり、熱交換器の流路がオイルによって塞がらないように構成された船舶用の蒸発ガス再液化システムを提供する。

前記目的を達成するため本発明の一実施形態では、蒸発ガスの一部を圧縮する第２圧縮機と、前記第２圧縮機に送られなかった残りの蒸発ガスを冷媒として使用し、前記第２圧縮機で圧縮された蒸発ガスを熱交換させて冷却する熱交換器と、前記熱交換器で冷媒として使用された蒸発ガスを圧縮する第１圧縮機と、前記熱交換器で冷却された流体を膨張させる減圧装置とを備える、船舶用の蒸発ガス再液化システムが提供される。

前記船舶用の蒸発ガス再液化システムは、前記減圧装置の下流で設置されて、再液化された液化天然ガスと気体状態の蒸発ガスとを分離する気液分離器を更に備え得る。

前記気液分離器で分離された気体状態の蒸発ガスを、前記熱交換器に送られる蒸発ガスと合流して前記熱交換器の冷媒として使用することができる。

前記第１圧縮機は給油潤滑方式であり得る。

前記第２圧縮機は無給油潤滑方式であり得る。

前記第２圧縮機は４段で蒸発ガスを圧縮する多段圧縮機であり得る。

前記第２圧縮機は蒸発ガスを１５０ｂａｒまで圧縮し得る。

前記第１圧縮機で圧縮された蒸発ガスはガス消費先に送られ、前記第１圧縮機は前記ガス消費先の要求圧力まで蒸発ガスを圧縮し得る。

前記ガス消費先は、ＭＥ−ＧＩエンジン、Ｘ−ＤＦエンジン、ＤＦエンジン、及びガス燃焼装置のいずれか１つ以上を備え得る。

前記目的を達成するため本発明の他の実施形態では、１）蒸発ガスの一部を第２圧縮機で圧縮するステップと、２）前記第２圧縮機に送られなかった蒸発ガスの他の一部を冷媒として、前記１）のステップで圧縮された蒸発ガスを熱交換させて冷却するステップと、３）前記２）のステップで熱交換の冷媒として使用された蒸発ガスを第１圧縮機によってガス消費先の要求圧力まで圧縮して前記ガス消費先に送るステップと、４）前記２）のステップで冷却された流体を膨張させるステップとを含み、前記第１圧縮機は給油潤滑方式であり、前記第２圧縮機は無給油潤滑方式である、船舶用の蒸発ガス再液化方法が提供される。

本発明は、給油潤滑方式の第１圧縮機を採用することにより整備の効率性を確保し、維持費用を低減することができる。また、無給油潤滑方式の第２圧縮機を採用することで、熱交換器がオイルによって塞がること、また、熱交換効率が低下することを防止する。

また、本発明は、オイルが混合した蒸発ガスが再液化されて貯蔵タンクに戻されることを防止すると共に、従来と同様の熱交換効率及び再液化効率を維持する。

従来の船舶用の蒸発ガス再液化システムの概略図。 本発明の実施形態に係る船舶用の蒸発ガス再液化システムの概略図。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施例の構成と作用を詳細に説明する。本発明の船舶用の蒸発ガス再液化システムは、天然ガスを燃料として使用するエンジンを搭載した船舶、液化ガス貯蔵タンクを備える船舶などに様々な応用と適用が可能である。また、下記の実施例は他の形態に変更することができ、本発明の範囲は下記の実施例に限定されない。

本発明において後述する蒸発ガスを処理するためのシステムは、低温液体貨物または液化ガスを貯蔵する貯蔵タンクが設置された全種類の船舶と海上構造物、すなわち、液化天然ガス運搬船、液化エタンガス（Liquefied Ethane Gas）運搬船、ＬＮＧ ＲＶなどの船舶をはじめ、ＬＮＧ ＦＰＳＯ、ＬＮＧ ＦＳＲＵなどの海上構造物にも適用することができる。ただし、後述する実施例では、説明のため代表的な低温液体貨物である液化天然ガスを例に説明する。

また、本発明の各ラインでの流体は、システムの運用条件に応じて、液体状態、気液混合状態、気体状態、超臨界流体の状態のいずれかの状態である。

図２は、本発明の実施形態に係る船舶用の蒸発ガス再液化システムの概略図である。

図２を参照して、本実施例の船舶用の蒸発ガス再液化システムは、熱交換器（１００）、第１圧縮機（２１０）、第２圧縮機（２２０）、及び減圧装置（３００）を備える。

本実施例の船舶に設置される貯蔵タンク（Ｔ）は、液化天然ガスなどの液化ガスを極低温状態で貯蔵するため密封及び断熱壁を備えているが、外部から伝達される熱を完全に遮断することはできない。したがって、貯蔵タンク（Ｔ）内では、液化ガスの蒸発が持続的に行われる。貯蔵タンク（Ｔ）内の液化ガスが蒸発するにつれてタンクの内圧が上昇するため、蒸発ガスによるタンクの圧力が上昇し過ぎることを防止し、また、適正水準の内圧を維持するためには、貯蔵タンク（Ｔ）内の蒸発ガスを排出する。

貯蔵タンク（Ｔ）から排出された蒸発ガスは、一部は第２圧縮機（２２０）に送られ、残りは熱交換器（１００）に送られる。

本実施例の熱交換器（１００）は、貯蔵タンク（Ｔ）から排出された蒸発ガスを冷媒として、第２圧縮機（２２０）で圧縮された蒸発ガスを熱交換により冷却する。

本実施例の第１圧縮機（２１０）は、給油潤滑方式の圧縮機であり、貯蔵タンク（Ｔ）から排出された後に熱交換器（１００）で冷媒として使用された蒸発ガスを圧縮してガス消費先（Ｃ）に送る。ガス消費先（Ｃ）は、ＭＥ−ＧＩエンジン、Ｘ−ＤＦエンジン、ＤＦのエンジン、ガス燃焼装置のいずれかであり、第１圧縮機（２１０）は、ガス消費先（Ｃ）の要求圧力まで蒸発ガスを圧縮する。

本実施例の第２圧縮機（２２０）は、貯蔵タンク（Ｔ）から排出された蒸発ガスの一部を圧縮して熱交換器（１００）に送る。第２圧縮機（２２０）は、熱交換器（１００）の熱交換効率を向上させて再液化効率を向上するために設置され、蒸発ガスを約１５０ｂａｒまで圧縮する。また、第２圧縮機（２２０）は、無給油潤滑方式の圧縮機であり、４段で蒸発ガスを圧縮する多段圧縮機である。

本実施例の減圧装置（３００）は、第２圧縮機（２２０）で圧縮された後に熱交換器（１００）で冷却された流体を膨張させる。減圧装置（３００）は、複数を並列に設置することもできる。また、減圧装置（３００）の上流と下流とには、隔離バルブ（Isolation Valve）が設置され、減圧装置（３００）が故障した場合や減圧装置（３００）の維持補修が必要な場合に、減圧装置（３００）を隔離する。

第２圧縮機（２２０）の圧縮過程と、熱交換器（１００）の冷却過程と、減圧装置（３００）の膨張過程を経た蒸発ガスは、一部または全部が再液化される。

本実施例の船舶用の蒸発ガス再液化システムは、減圧装置（３００）の下流に設置されて、再液化された液化天然ガスと気体状態の蒸発ガスとを分離する気液分離器（４００）を更に備える。気体状態の蒸発ガスには、再液化されずに残った蒸発ガスと減圧装置（３００）で膨張されて生成したフラッシュガスとが含まれる。

本実施例の気液分離器（４００）によって分離された液化天然ガスは、貯蔵タンク（Ｔ）に戻され、気液分離器（４００）によって分離された気体状態の蒸発ガスは、貯蔵タンク（Ｔ）から排出される蒸発ガスと合流して熱交換器（１００）の冷媒として使用される。

また、気液分離器（４００）によって分離された蒸発ガスを、熱交換器（１００）で冷媒として使用される前の蒸発ガスと合流させずに、分離させて熱交換器（１００）での冷媒として使用することができ、この場合は熱交換器（１００）に３つの流路が設けられる。

本実施例の船舶用の蒸発ガス再液化システムが気液分離器（４００）を備えない場合、再液化された一部または全部の蒸発ガスは、減圧装置（３００）から貯蔵タンクに直接送られる。

本実施例の船舶用の蒸発ガス再液化システムは、給油潤滑方式の第１圧縮機（２１０）を採用することで、整備の効率性を確保し、維持費用を低減することができ、無給油潤滑方式の第２圧縮機（２２０）を採用することで、熱交換器（１００）がオイルで塞がること、熱交換効率が低下することを防止する。また、オイルが混合した蒸発ガスが再液化されて貯蔵タンクに戻されることを防止し、熱交換器（１００）に送られる蒸発ガスの圧力は、従来と同一であるため従来と同じ熱交換効率及び再液化効率を確保することができる。

ガス消費先（Ｃ）に蒸発ガスを供給する第１圧縮機（２１０）は、船舶の運航時において継続的に使用されるのに対し、蒸発ガスの再液化に使用される第２圧縮機（２２０）は、蒸発ガスの再液化の必要がある場合にのみ使用されるため、第１圧縮機（２１０）として無給油潤滑方式の圧縮機を適用する場合と異なり、第２圧縮機（２２０）として無給油潤滑方式の圧縮機を適用しても整備周期は大幅に短縮されない。

本発明は、上記実施例に限定されず、本発明の技術的要旨を超えない範囲内で多様に変形または変更して実施できることは、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者において自明である。

Claims (10)

1. 蒸発ガスの一部を圧縮する第２圧縮機；
   前記第２圧縮機に送られなかった残りの蒸発ガスを冷媒として使用し、前記第２圧縮機で圧縮された蒸発ガスを熱交換により冷却する熱交換器；
   前記熱交換器で冷媒として使用された蒸発ガスを圧縮する第１圧縮機；と、
   前記熱交換器によって冷却された流体を膨張させる減圧装置；を備える、船舶用の蒸発ガス再液化システム。
2. 前記減圧装置の下流に設置されて、再液化された液化天然ガスと気体状態の蒸発ガスとを分離する気液分離器を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の船舶用の蒸発ガス再液化システム。
3. 前記気液分離器で分離された気体状態の蒸発ガスを、前記熱交換器に送られる蒸発ガスと合流して前記熱交換器の冷媒として使用することを特徴とする、請求項２に記載の船舶用の蒸発ガス再液化システム。
4. 前記第１圧縮機は給油潤滑方式であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の船舶用の蒸発ガス再液化システム。
5. 前記第２圧縮機は無給油潤滑方式であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の船舶用の蒸発ガス再液化システム。
6. 前記第２圧縮機は蒸発ガスを４段圧縮する多段圧縮機であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の船舶用の蒸発ガス再液化システム。
7. 前記第２圧縮機は蒸発ガスを１５０ｂａｒで圧縮することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の船舶用の蒸発ガス再液化システム。
8. 前記第１圧縮機で圧縮された蒸発ガスはガス消費先に送られ、前記第１圧縮機は前記ガス消費先の要求圧力まで蒸発ガスを圧縮することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の船舶用の蒸発ガス再液化システム。
9. 前記ガス消費先は、ＭＥ−ＧＩエンジン、Ｘ−ＤＦエンジン、ＤＦエンジン、及びガス燃焼装置のいずれか１つ以上を備えることを特徴とする、請求項８に記載の船舶用の蒸発ガス再液化システム。
10. １）蒸発ガスの一部を第２圧縮機で圧縮するステップ；
    ２）前記第２圧縮機に送られなかった蒸発ガスの他の一部を冷媒として、前記１）のステップで圧縮された蒸発ガスを熱交換により冷却するステップ；
    ３）前記２）のステップで熱交換の冷媒として使用された蒸発ガスを第１圧縮機によってガス消費先の要求圧力まで圧縮して前記ガス消費先に送るステップ；及び、
    ４）前記２）のステップで冷却された流体を膨張させるステップ；を備え、
    前記第１圧縮機は給油潤滑方式であり、前記第２圧縮機は無給油潤滑方式であることを特徴とする、船舶用の蒸発ガス再液化方法。

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