JP4634727B2

JP4634727B2 - Ｌｎｇ船におけるローデューティコンプレッサ制御方法

Info

Publication number: JP4634727B2
Application number: JP2004036602A
Authority: JP
Inventors: 明大井
Original assignee: Kawasaki Zosen KK
Current assignee: Kawasaki Zosen KK
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2024-02-13
Also published as: JP2005226561A

Description

本願発明は、ＬＮＧ船に搭載されているローデューティコンプレッサの制御方法に関し、詳しくは、ローデューティコンプレッサの運転点がサージコントロールゾーンに入らないように制御する制御方法に関する。

従来より、ＬＮＧ船においては、ＬＮＧの搬送中にカーゴタンク（Cargo Tank）内の液化天然ガス［ＬＮＧ（貨物液）］から発生する蒸発ガス［ボイルオフガス（Boil Off Gas）；以下、「ＢＯＧ」という。］を主ボイラの燃料ガスとして燃焼させている。

図４はこのようなＢＯＧを燃料ガスとして主ボイラに供給するガス燃焼装置の系統図である。図示するように、タンク１０内の貨物液１１から発生したＢＯＧ１２は、燃料管１３を介してローデューティコンプレッサ１４によって圧縮され、吐出配管１５に吐出されたＢＯＧ１６はガスヒータ１７で所定温度まで加熱された後、ガス制御弁１８で流量調整されて主ボイラ１９のバーナ２０に供給されている。図５に示すように、前記ローデューティコンプレッサ１４には、吸入口にインレットガイドベーン２１（inlet guide vane；以下、「ＩＧＶ」という。）が設けられ、その後流側に設けられたファン２２をモータ２３で回転させることによって前記ＢＯＧ１２を所定の圧力まで加圧したＢＯＧ１６として吐出するように構成されている。

一方、前記主ボイラ１９には、通常、複数のバーナ２０が備えられており、主タービンの運転状態に応じて変化する負荷（必要蒸気量）に対応して燃焼本数が適宜制御されている。例えば、図示するように３本のバーナ２０が備えられた主ボイラ１９の場合、主タービンが１００％負荷の場合は３本のバーナ２０が燃焼させられ、負荷が下がると２本のバーナ２０が燃焼させられ、更に負荷が下がると２本のバーナ２０の開度が絞られたり、場合によっては１本のバーナ２０を燃焼させる運転となる。このように負荷に応じて３本〜１本のバーナ２０を適宜燃焼させるように主ボイラ１９の燃焼状態が制御されている。また、このような主ボイラ１９は、通常、２機設けられているため、それぞれのバーナ燃焼本数が制御されている。

そして、このように主ボイラ１９のバーナ燃焼本数が変化すると、前記吐出配管１５からのガス供給量がガス制御弁１８で制御されるので、吐出配管１５内の抵抗が変化して吐出配管内に圧力変動を生じる。この吐出配管１５内のＢＯＧ１６はローデューティコンプレッサ１４によって加圧して供給されているので、ガス制御弁１８の制御に対応してローデューティコンプレッサ１４から吐出するＢＯＧ１６の量は制御装置２４からの信号で調整されるが、ガス制御弁１８でガス供給量を制御した時に迅速にローデューティコンプレッサ１４の運転点（所定の容積流量と所定の出口圧力とになる運転状態）を下げて吐出流量を調整するのは難しく、吐出配管１５内の圧力上昇によってローデューティコンプレッサ１４内でサージング現象が生じるおそれがある。

そのため、前記ローデューティコンプレッサ１４の下流側の吐出配管１５内のＢＯＧ１６をローデューティコンプレッサ１４の上流側の燃料管１３に戻してサージング現象が生じないようにするサージコントロール弁２５が設けられている。

図６は従来のローデューティコンプレッサ制御方法におけるサージコントロールグラフであり、この図に実線で示すように、サージコントロール弁２５で制御するサージラインＳ₁₀は、まず、ローデューティコンプレッサ１４の入口に設けられたＩＧＶ２１を全開まで開けながら回転数を増加させて所定の出口圧力とし、その後、回転数を上昇させることによって容積流量を増加させて出口圧力が上昇するような制御が行われている。図６の横軸は時間当りの容積流量を示し、縦軸は出力圧力を示している。図示する例では、１２０００ｒｐｍまでは容積流量は多いが出力圧力は緩やかに増加するように回転数が上昇し、この１２０００ｒｐｍから最大回転数の２４０００ｒｐｍまでは出力圧力が大きく増加するように回転数を上昇させたサージラインＳ₁₀が設定されている。

また、このようなサージラインＳ₁₀で制御されるローデューティコンプレッサ１４には、運転点がサージラインＳ₁₀を越えないように予めサージコントロールラインＳＣ₁₀が設定されている。図示する２点鎖線がサージコントロールラインＳＣ₁₀であり、このサージコントロールラインＳＣ₁₀をサージラインＳ₁₀に対して所定の余裕を持たせて設定することにより、運転点の出力圧力がサージラインＳ₁₀に達する前にサージコントロールラインＳＣ₁₀でサージコントロール弁２５が開いてＢＯＧ１６を逃し、ローデューティコンプレッサ１４の運転点がサージコントロールゾーンＳＣＺ₁₀（サージラインＳ₁₀とサージコントロールラインＳＣ₁₀との間）に入ってサージング現象を起こさないようにしている。

なお、この種の従来技術として、タンク内の液化天然ガスを気化器で気化させ、気化させたガスをコンプレッサで圧縮した後にヒータで加熱してボイラに供給するように構成したものがある（例えば、特許文献１参照。）。
実開昭５７−１１００００号公報（第１頁、図２）

しかしながら、前記したような主ボイラ１９のバーナ燃焼本数の変化によって生じる配管抵抗変化による圧力上昇は、図６に１点鎖線で示す抵抗カーブＲ₁₀のように、バーナ３本燃焼時にはサージコントロールラインＳＣ₁₀から大きく離れているが、バーナ２本燃焼時にはサージコントロールラインＳＣ₁₀に近づき、バーナ２本燃焼時の開度を絞った時やバーナ１本燃焼時には非常に近くなり、ＩＧＶ２１を全開させて回転数を上昇させ始める低回転近くでは、サージコントロールゾーンＳＣＺ₁₀に抵抗カーブＲ₁₀が入る場合があり、主ボイラ１９によるＢＯＧ燃焼が安定しない状況が発生する。

すなわち、バーナ２本燃焼時に開度を絞った時やバーナ１本燃焼時に吐出配管１５内の圧力に変動を生じた場合、この吐出配管１５内のガス圧力が主ボイラ１９側で必要とするガス圧力よりも高くなり、前記サージコントロール弁２５が開いてＢＯＧ１６を逃すが、運転状態によってはサージコントロール弁２５が頻繁に開閉することとなり、十分な追従が困難な現象を生じてサージコントロール弁２５によるサージング現象の抑止が難しくなる。しかも、圧力変動によってはサージコントロール弁２５が常に開放した状態となってサージコントロールできなくなるおそれもある。

つまり、主タービンの負荷に応じて運転状態が変化する主ボイラ１９へのガス供給量をローデューティコンプレッサ１４で調整しているが、バーナの燃焼本数が少なくなった時等はローデューティコンプレッサ１４の運転点がサージコントロールゾーンＳＣＺ₁₀へ頻繁に入ったり、入った状態が続く場合があるため、ローデューティコンプレッサ１４にサージング現象を生じて主ボイラ１９でのガス燃焼が安定できない状況が多く発生してしまう。

そのため、ＬＮＧ船におけるローデューティコンプレッサ１４を安定制御できる制御方法の開発が望まれている。

なお、前記特許文献１に記載された発明は、液化天然ガスを気化させたガスと、タンク内で気化したガス（ＢＯＧ）とを混焼させる装置に関するものであり、ＢＯＧを圧縮するコンプレッサの制御については何ら対策がなされていない。

そこで、前記課題を解決するために、本願発明は、ＬＮＧタンクで発生するボイルオフガスをローデューティコンプレッサで加圧して主ボイラに備えさせた複数のバーナに供給し、主タービンの運転状態によって変化する負荷に応じて該バーナの燃焼本数を変化させて燃焼させるＬＮＧ船におけるローデューティコンプレッサ制御方法において、前記ローデューティコンプレッサに設けられたインレットガイドベーンの開度を所定の開度まで開きながらローデューティコンプレッサの回転数を設定増加量で所定の出口圧力まで増加させ、所定の出口圧力に達すると、前記ローデューティコンプレッサの回転数を設定増加量で設定値まで徐々に増加させる回転数制御を行うとともに、インレットガイドベーンの開度を所定の設定量で全開まで徐々に開放させる開度制御とを同時に行うことで、ローデューティコンプレッサの吐出配管抵抗がサージラインから離れるように予め設定した設定量で増加するようにしてローデューティコンプレッサの運転点が前記サージラインと該サージラインを超えないように予め設定したサージコントロールラインとの間のサージコントロールゾーンに入らないように制御している。

また、ＬＮＧタンクで発生するボイルオフガスをローデューティコンプレッサで加圧して主ボイラに備えさせた複数のバーナに供給し、主タービンの運転状態によって変化する負荷に応じて該バーナの燃焼本数を変化させて燃焼させるＬＮＧ船におけるローデューティコンプレッサ制御方法において、前記ローデューティコンプレッサに設けられたインレットガイドベーンの開度を所定の開度まで開きながらローデューティコンプレッサの回転数を設定増加量で所定の出口圧力まで増加させ、所定の出口圧力に達すると、回転数を一定にした状態でインレットガイドベーンの開度を設定量まで開放して回転数が設定値に達するまで開度制御を行い、回転数が設定値に達すると、インレットガイドベーンの開度を一定にした状態で回転数を設定増加量で設定値まで増加させる回転数制御を行い、回転数が設定値に達すると、回転数を一定にした状態でインレットガイドベーンの開度を設定量まで開放して回転数が設定値に達するまで開度制御を行う開度制御と前記回転数制御とを交互に行うことで、ローデューティコンプレッサの吐出配管抵抗がサージラインから離れるように予め設定した設定量で増加するようにしてローデューティコンプレッサの運転点が前記サージラインと該サージラインを超えないように予め設定したサージコントロールラインとの間のサージコントロールゾーンに入らないように制御してもよい。

本願発明は、以上説明したような手段により、ローデューティコンプレッサのサージコントロールゾーンに運転点が入らないように制御されるので、ローデューティコンプレッサの安定した運転が可能となる。

以下、本願発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本願発明の第１実施形態に係るローデューティコンプレッサ制御方法におけるサージコントロールグラフである。図の横軸は時間当りの容積流量を示し、縦軸は出力圧力を示している。また、図３は図１，２（後述）に示すローデューティコンプレッサ制御方法におけるサージラインの一部を模式的に示したグラフである。なお、このような制御方法を採用するＬＮＧ船における構成は、上述した図４に示す系統図、図５に示す断面図と同一であるため、説明は省略するが各構成にはその符号を付して説明する。

この第１実施形態では、ローデューティコンプレッサ１４に設けられたＩＧＶ２１の開度を設定量で制御する開度制御と、ローデューティコンプレッサ１４の回転数を設定増加量で制御する回転数制御とを、サージラインＳ₁ がローデューティコンプレッサ１４の吐出配管抵抗（抵抗カーブＲ₁₀）から離れるように交互に行うことにより、ローデューティコンプレッサ１４の運転点がサージコントロールゾーンＳＣＺ₁ に入らないようにしている。

すなわち、運転開始時には、ローデューティコンプレッサ１４に設けられたＩＧＶ２１の開度を最小から所定の開度（例えば、開度２０％）まで開きながらローデューティコンプレッサ１４の回転数を設定増加量で所定の出口圧力（この例では、約１．２ｂａｒ）まで増加させる。そして、所定の出口圧力に達すると、回転数を一定にした状態でＩＧＶ２１の開度を設定量（例えば、開度６０％）まで開放して回転数が設定値（この例では、１２０００ｒｐｍ）に達するまで開度制御を行う。回転数が設定値に達すると、ＩＧＶ２１の開度を一定にした状態で回転数を設定増加量で設定値（この例では、約１７０００ｒｐｍ）まで増加させる回転数制御を行う。回転数が設定値に達すると、回転数を一定にした状態でＩＧＶ２１の開度を設定量（例えば、開度１００％の全開）まで開放して回転数が設定値（この例では、１８０００ｒｐｍ）に達するまで開度制御を行う。そして、回転数が設定値に達すると、ＩＧＶ２１の開度を一定にした状態で回転数を設定増加量で設定値（この例では、２４０００ｒｐｍ）まで増加させる回転数制御を行っている。

このように、第１実施形態では、ＩＧＶ２１の開度制御とローデューティコンプレッサ１４の回転数制御とを交互に行ってローデューティコンプレッサ１４の運転点がサージコントロールゾーンＳＣＺ₁ に入らないようにしているので、図３にも示すように、従来のサージラインＳ₁₀（図３では二点鎖線）に比べてローデューティコンプレッサ１４の容積流量が少ない位置（図１の左側下部）でのサージラインＳ₁ （図３では細い実線）を抵抗カーブＲ₁₀（一点鎖線）から離れるように出口圧力を上げることができ、しかもその後のサージラインＳ₁ も抵抗カーブＲ₁₀から離れるようにできるので、サージコントロールゾーンＳＣＺ₁ を配管抵抗カーブＲ₁₀に対して余裕を持たせることができる。したがって、主ボイラ１９の燃焼バーナ本数が変化して配管抵抗が変化したとしても、抵抗カーブＲ₁₀とサージコントロールラインＳＣ₁ との間で変化を吸収して、ローデューティコンプレッサ１４の運転点がサージコントロールゾーンＳＣＺ₁ に入らないようにできるので、主ボイラ１９によるボイルオフガス燃焼を安定させることができる。

なお、この第１実施形態におけるＩＧＶ２１の開度設定量は一例であり、ローデューティコンプレッサ１４の性能等に応じて適宜設定すればよい。また、回転数の設定増加量も一例であり、ローデューティコンプレッサ１４の性能等に応じて適宜設定すればよい。

図２は本願発明の第２実施形態に係るローデューティコンプレッサ制御方法におけるサージコントロールグラフである。この図も横軸は時間当りの容積流量を示し、縦軸は出力圧力を示している。また、上述した図３にはこの図２に示すローデューティコンプレッサ制御方法におけるサージラインの一部も模式的に示されている。なお、この制御方法を採用するＬＮＧ船における構成も、上述した図４に示す系統図、図５に示す断面図と同一であるため、説明は省略するが各構成にはその符号を付して説明する。

この第２実施形態では、ローデューティコンプレッサ１４に設けられたＩＧＶ２１の開度を設定量で制御する開度制御と、ローデューティコンプレッサ１４の回転数を設定増加量で制御する回転数制御とを、サージラインＳ₂ がローデューティコンプレッサ１４の吐出配管抵抗（抵抗カーブ）から離れるように同時に行うことにより、ローデューティコンプレッサ１４の運転点がサージコントロールゾーンＳＣＺ₂ に入らないようにしている。

すなわち、運転開始時には、ローデューティコンプレッサ１４に設けられたＩＧＶ２１の開度を最小から所定の開度（例えば、開度２０％）まで開きながらローデューティコンプレッサ１４の回転数を設定増加量で所定の出口圧力（この例では、約１．２ｂａｒ）まで増加させる。そして、所定の出口圧力に達すると、回転数を設定増加量で設定値（この例では、２４０００ｒｐｍ）まで徐々に増加させる回転数制御を行うとともに、ＩＧＶ２１の開度を所定の設定量で全開（開度１００％）まで徐々に開放させる開度制御とを同時に行っている。

このように、第２実施形態では、ＩＧＶ２１の開度制御とローデューティコンプレッサ１４の回転数制御とを同時に行ってローデューティコンプレッサ１４の運転点がサージコントロールゾーンＳＣＺ₂ に入らないようにしているので、図３にも示すように、従来のサージラインＳ₁₀（図３では二点鎖線）に比べてローデューティコンプレッサ１４の容積流量が少ない位置（図の左側下部）でのサージラインＳ₂ （図３では最上部の太い実線）を抵抗カーブＲ₁₀から離れるように出口圧力を上げることができ、しかもその後のサージラインＳ₂ も全体的に抵抗カーブＲ₁₀から離れるようにできるので、サージコントロールゾーンＳＣＺ₂ を配管抵抗カーブＲ₁₀に対して余裕を持たせることができる。したがって、主ボイラ１９の燃焼バーナ本数が変化して配管抵抗が変化したとしても、抵抗カーブＲ₁₀とサージコントロールラインＳＣ₂ との間で変化を吸収して、ローデューティコンプレッサ１４の運転点がサージコントロールゾーンＳＣＺ₂ に入らないようにできるので、主ボイラ１９によるボイルオフガス燃焼を安定させることができる。

なお、この第２実施形態におけるＩＧＶ２１の開度設定量も一例であり、ローデューティコンプレッサ１４の性能等に応じて適宜設定すればよい。

以上のように、第１，２実施形態に係るローデューティコンプレッサ１４の制御方法によれば、ローデューティコンプレッサ１４の運転点がサージコントロールゾーンＳＣＺ₁,ＳＣＺ₂ に入らないようにできるので、主ボイラ１９でのボイルオフガス燃焼を低負荷から高負荷まで安定させて燃焼させることが可能となる。また、吐出配管１５の配管抵抗変化によってもローデューティコンプレッサ１４がサージング現象を生じないように制御できるので、吐出配管１５を小径にすることも可能となる。

なお、上述した実施形態は一例を示しており、本願発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本願発明は上述した実施形態に限定されるものではない。

本願発明に係るＬＮＧ船におけるローデューティコンプレッサ制御方法は、主ボイラの運転状況が変化してローデューティコンプレッサにサージング現象を生じるようなＬＮＧ船において有用である。

本願発明の第１実施形態に係るローデューティコンプレッサ制御方法におけるサージコントロールグラフである。本願発明の第２実施形態に係るローデューティコンプレッサ制御方法におけるサージコントロールグラフである。図１，２に示すローデューティコンプレッサ制御方法におけるサージラインの一部を模式的に示したグラフである。本願発明を採用するＬＮＧ船の構成の一例を示す系統図である。図４に示す系統図におけるローデューティコンプレッサの断面図である。従来のローデューティコンプレッサ制御方法におけるサージコントロールグラフである。

符号の説明

１０…タンク
１１…貨物液
１２…ＢＯＧ
１３…燃料管
１４…ローデューティコンプレッサ
１５…吐出配管
１６…ＢＯＧ
１７…ガスヒータ
１８…ガス制御弁
１９…主ボイラ
２０…バーナ
２１…インレットガイドベーン
２２…ファン
２３…モータ
２４…制御装置
２５…サージコントロール弁
Ｓ₁ ,Ｓ₂ ,Ｓ₁₀…サージライン
ＳＣ₁ ,ＳＣ₂ ,ＳＣ₁₀…サージコントロールライン
ＳＣＺ₁ ,ＳＣＺ₂ ,ＳＣＺ₁₀…サージコントロールゾーン
Ｒ₁₀…抵抗カーブ

Claims

ＬＮＧタンクで発生するボイルオフガスをローデューティコンプレッサで加圧して主ボイラに備えさせた複数のバーナに供給し、主タービンの運転状態によって変化する負荷に応じて該バーナの燃焼本数を変化させて燃焼させるＬＮＧ船におけるローデューティコンプレッサ制御方法において、
前記ローデューティコンプレッサに設けられたインレットガイドベーンの開度を所定の開度まで開きながらローデューティコンプレッサの回転数を設定増加量で所定の出口圧力まで増加させ、所定の出口圧力に達すると、前記ローデューティコンプレッサの回転数を設定増加量で設定値まで徐々に増加させる回転数制御を行うとともに、インレットガイドベーンの開度を所定の設定量で全開まで徐々に開放させる開度制御とを同時に行うことで、ローデューティコンプレッサの吐出配管抵抗がサージラインから離れるように予め設定した設定量で増加するようにしてローデューティコンプレッサの運転点が前記サージラインと該サージラインを超えないように予め設定したサージコントロールラインとの間のサージコントロールゾーンに入らないように制御するＬＮＧ船におけるローデューティコンプレッサ制御方法。
ＬＮＧタンクで発生するボイルオフガスをローデューティコンプレッサで加圧して主ボイラに備えさせた複数のバーナに供給し、主タービンの運転状態によって変化する負荷に応じて該バーナの燃焼本数を変化させて燃焼させるＬＮＧ船におけるローデューティコンプレッサ制御方法において、
前記ローデューティコンプレッサに設けられたインレットガイドベーンの開度を所定の開度まで開きながらローデューティコンプレッサの回転数を設定増加量で所定の出口圧力まで増加させ、所定の出口圧力に達すると、回転数を一定にした状態でインレットガイドベーンの開度を設定量まで開放して回転数が設定値に達するまで開度制御を行い、回転数が設定値に達すると、インレットガイドベーンの開度を一定にした状態で回転数を設定増加量で設定値まで増加させる回転数制御を行い、回転数が設定値に達すると、回転数を一定にした状態でインレットガイドベーンの開度を設定量まで開放して回転数が設定値に達するまで開度制御を行う開度制御と前記回転数制御とを交互に行うことで、ローデューティコンプレッサの吐出配管抵抗がサージラインから離れるように予め設定した設定量で増加するようにしてローデューティコンプレッサの運転点が前記サージラインと該サージラインを超えないように予め設定したサージコントロールラインとの間のサージコントロールゾーンに入らないように制御するＬＮＧ船におけるローデューティコンプレッサ制御方法。