me-gi用高圧燃料ガス供給システム - jst

Journal of the JIME Vol.00,No.00(2005) －1－日本マリンエンジニアリング学会誌第 00 巻第 00 号 (2005)

1. はじめに

国際海事機関 IMO による船舶からの大気汚染防止

に関する国際的な環境規制の強化 1)を背景に，排気ガ

スのクリーンな天然ガス燃料の利用に注目が集まって

いる．また，米国のシェールガス革命に端を発して，

天然ガストレードが活況を呈しており，ガス供給量の

増加や入手経路先の多様化に伴い，石油エネルギーに

比べて安価な燃料としても天然ガスへの期待は大きい．

環境負荷を低減すると同時に輸送コストを削減する観

点から，天然ガスを主機燃料として推進する船舶の需

要は今後高まることが予想される．多様化する燃料への対応は，MAN Diesel & Turbo

社および三井造船が共同で開発した低速ガスインジェ

クションディーゼルエンジン GIDE 2)による陸上発電

設備において1994年からの約20,000時間に及ぶ実証

運転にさかのぼる．その後，天然ガスおよび重油の両

方を燃料として使用できるデュアルフュエル（DF）対応のME-GIエンジンが登場した．2012年には，TOTE向けコンテナ船ならびに Teekay 向け LNG 運搬船に

それぞれ天然ガス焚き ME-GI エンジンの搭載が決ま

り，2015 年末から 16 年にかけて海外ヤードにおいて

引渡しされる予定である．日本国内では，三井造船が

2015 年からME-GI 商用機の出荷を開始した．一方，これらME-GIエンジンの実用化と並行して，

国際的には IMO により，ガス焚き機関を搭載する船

舶の安全性を確保するために，設備，制御，監視装置

などの詳細要件を規定した IGF コード 3)の適用が

2017 年 1 月から義務化される．国内では 2013 年 6月

に国土交通省海事局による「天然ガス燃料船に関する

総合対策」4)および 2014 年 12 月に日本海事協会資源

エネルギー部による「ガス燃料船ガイドライン Ver.3」5)がそれぞれ策定され，天然ガス燃料船の早期

実用化に向けた環境整備が図られた．これらの中では，

燃料タンクの設計・配備要件やエンジンに高圧燃料ガ

スを供給するシステムに関わる要件も規定されており，

ガス燃料船建造のための安全指針が示されている．

本稿では，ME-GI エンジンに燃料ガスを供給するシ

ステム（Fuel Gas Supply System，以下ではFGSS）について，RORO 船，コンテナ船などLNG 燃料船向

けと LNG を海上輸送する LNG 運搬船向けとに分け

て，それぞれの主要な構成機器および特徴を，現在の

ところ種々提案されているシステムの中から抜粋して

簡単に述べる．

2. LNG燃料船向けFGSS

2.1 ME-GIエンジンの燃料ガス供給条件表 1に，ME-GI エンジンの 100%負荷時におけるガ

ス燃料供給条件を示す．天然ガスの場合は 45℃，

30MPa の仕様である．また，エタンはシェールガス

採取の際に随伴ガスとして採取され，米国では安価な

燃料としても注目されている．エタン焚きの場合は

40MPa が要求仕様である．ちなみに，表中にはガス

燃料ではないが，多様な燃料に対応するME-LGI エン

ジンへの供給条件も併せ示した．

2.2 LNG高圧液ポンプによるシステム図 1に，高圧液ポンプを使用したFGSS の主要な機

器の構成例を示す．－162℃のLNG を高圧液ポンプに

よって液相のまま昇圧した後に気化器によってガス化

して ME-GI エンジンへ供給する．キーハードである

ポンプの主な供給メーカとしては，ACD社，Cryostar社，三菱重工などが挙げられる．一方，図 2に，高圧

液ポンプの例として三井造船による開発機の外観図を

示す．2014 年にLNG を用いた性能実証運転を完了し

たものである．供給メーカ各社とも基本的にはクラン

ク機構の水平往復動式ポンプを採用している．LNGを昇圧するシリンダの部分 Cold-end には外部から入

熱を遮へいするために，真空ジャケットを外層に有す

るタイプもある．ポンプはエンジンの圧力デマンド指

ME-GI用高圧燃料ガス供給システム＊

難波浩一＊＊和田裕太郎＊＊辻康之＊＊

表 1 燃料供給条件 ME‐GI ME‐LGI

Kind of fuel LNG Ethane Methanol Ethanol LPG DMEInlet press. 30MPa 40MPa 0.8MPa 0.8MPa 4MPa 3MPaFuel state Gas LiquidInlet temp. 45±10℃ 2～60℃＊原稿受付平成 27年 11月 2日．

＊＊三井造船株式会社（玉野市玉3-1-1）．

ME-GI 用高圧燃料ガス供給システム＊

難　波　浩　一＊＊　　和　田　裕太郎＊＊　　辻　　　康　之＊＊

Journal of the JIME Vol. 51, No. 1（2016）日本マリンエンジニアリング学会誌　第51巻　第 1 号（2016）― 23 ―

和文表題


令に従って，駆動モータの回転数により吐出流量を調

整する．モータにはインバータ電動モータあるいは油

圧モータが採用されている．ただし，米国船籍の場合

は，United States Coast Guard の定める天然ガス燃

料システムの設計基準では， FGSS が設置される天

然ガスポンプ室あるいは圧縮機室はHazardous area，Zone 0 に区分けされ，防爆モータも含めて一切の電動

機を設置できない 6)．この場合は油圧源を確保した上

で油圧モータを利用，あるいはバルクヘッドシールに

よるポンプと電動モータを隔離する必要があるので注

意を要する．また LNG タンクの下流側で，ポンプの

吸込み部においてキャビテーションを防止するために，

図のようにサクションドラムを設ける，あるいはブー

ストポンプを利用することによってポンプの有効な正

味吸込みヘッドを確保する対策がとられる．なお，冗

長性の観点から，ポンプ本体を常用とスペアの 2台セ

ットで設置するのが推奨されている．ポンプのLNG 吐出温度は－140℃程度であるため，

気化器において高熱源側の流体には凍結を防止する理

由からグリコール水の利用が一般的である．熱交換部

の型式にはシェル＆チューブ式が一般的である．最近

では，Heatric 社をはじめとしてコンパクトなPrinted Circuit Heat Exchangers (PCHE)の採用も図られて

いる．ポンプの下流ではピストンの往復動に伴う吐出

圧力の脈動を吸収するために，気化器の上流側に脈動

吸収ボトルを装備する場合が多い．一方，図 1 の例で

は気化器の下流側に同様なタンクを挿入したケースを

示しているが，ガス状態では液状態に比べて比較的大

きな容積のボトルとなるため，船上ではとくに設置ス

ペースの確保が必要である．前述の IGF コードでは，FGSS の安全機能としてエ

ンジンごとに通常停止時および緊急時には燃料マスタ

ー弁と直列に配備した 2つの遮断弁を閉じて，同時に

それらの間のガスを排出するブリード弁を装備するダ

ブルブロック＆ブリード弁（DBBV）の設置が義務づ

けられている．また，ポンプ方式は，後述の高圧ガス圧縮機を使用

する場合に比べると，所要動力やフットプリントが小

さい点で有利である．

2.3 LNG燃料タンク LNG 燃料船に用いられる燃料タンクの容積は，従

来の重油燃料の場合に比べて例えば2倍程度の大きさ

になる．燃料タンクの構造には，IMO のType C に分

類される独立型の円筒形の圧力容器が有力視されてい

る 7)．供給メーカとしては，例えばTGE Marine Gas Engineering 社ではガス運搬船用Type C の燃料タン

クに多くの納入実績を有している 8)．Type C ではタン

クのき裂および漏洩が起こらないよう安全な強度を有

しているため，2 次防壁は要求されない．また，ボイ

ルオフガス（Boil Off Gas，以下ではBOG）をタンク

内に溜めておける点でも他の Type に比べて有利であ

る．ちなみに，燃料の補給方法として以下の 3 つが運用

されている．すなわち，陸上の LNG タンクに直結し

た固定注入ラインから補給する方法Shore To Ship 方

式であるが，日本国内ではインフラ整備になお時間を

要する．つぎに，接岸した船舶に横付けしたタンクロ

ーリからフレキシブルホースにより補給する Truck To Ship 方式が北欧で採用されており，国内でも初の

LNG 燃料船に対して燃料補給が開始された 9)．一方，

LNG バンカー船を海上で横付けして補給する Ship To Ship 方式は北欧のフェリー客船に運用されている．

3. LNG運搬船向けFGSS

3.1 高圧液ポンプ方式とBOG再液化の組合せ

図 1 LNG 高圧液ポンプ方式の例

図 2 LNG 液ポンプ（油圧モータ駆動）の例

Bunker station

LNG storage tankType C

LNG pump

VaporizerM

PC

PC

Buffer tank

ME‐GI engine

Suction drum Vent


ME-GI 用高圧燃料ガス供給システム24

日本マリンエンジニアリング学会執筆要項


LNG 運搬船では，カーゴタンクから自然発生する

ボイルオフガス BOG を安全にかつ経済的に処理する

必要がある．従来のLNG 運搬船の推進システムでは，

BOG を DF ボイラの燃料として用い，スクリューに

直結した蒸気タービンを駆動する方式が一般的である．

しかしながら，輸送コスト低減のため，熱効率の高い

ディーゼルエンジンが採用されつつある． LNG 運搬船のカーゴタンクの容量は，現状各地の

LNG受入れ基地側のサイズや貯蔵容量の物理的制限，

北米からシェールガスを運搬するときに 2016 年に開

通の新パナマ運河を通過できる船幅などの制約から，

最近の主流は 155,000ｍ3～180,000ｍ3 である 10)．ま

た，カーゴタンク容積に対する BOG の発生率はカー

ゴタンクの防熱性能に左右され，モス方式の場合

0.08%/day，一方メンブレン方式の場合 0.1%/day が最

近の仕様である．図 3に，前述の高圧液ポンプ方式FGSS とBOG 再

液化システムを組合せた推進システム系統図の例 10)

を示す．ME-GI エンジンへは高圧液ポンプ方式によっ

て燃料を供給する．一方，BOG を低圧ガス圧縮機に

よって昇圧した後，再液化装置COLD BOX において

窒素冷媒を利用することによって天然ガスを液化して

カーゴタンクへ回収する．また，再液化とは別のライ

ンを設けて船内の補機動力用にDF ディーゼル発電機

へ送る，あるいは余剰分をガス燃焼装置GCU へ送る．

BOG全量を再液化処理できるような大型の装置では，

駆動系の電力消費量が比較的大きいことが経済性の点

で注意を要する． 3.2 高圧ガス圧縮機と高圧液ポンプ方式の組合せ

図 4に，高圧ガス圧縮機と高圧液ポンプ方式を併用

したFGSS を模式的に示す．積荷航海時や空荷航海時

のタンク冷却スプレー作業中では，BOG をそのまま

高圧ガス圧縮機によって昇圧して ME-GI エンジンに

供給する．船の推進速度に応じて BOG だけでは

ME-GI エンジンが要求する燃料量をまかなえない場

合は，高圧液ポンプのラインから燃料を供給する．ま

た空荷航海時にスプレーを行わないとき BOG が十分

な量発生しない場合にも，液ポンプのラインから燃料

を供給する．逆に，BOG発生量がME-GI エンジンや

後述の船内補機動力用DF ディーゼル発電機での消費

量を上回る場合は，その余剰 BOG を GCU により焼

却処理するか，あるいは BOG を部分的に再液化して

LNG タンクに回収する． BOG 用高圧ガス圧縮機の例として，Burckhardt 社

の往復動圧縮機が採用されているようであるが，ここ

では三井造船が陸上Oil & Gas市場向けに実績のある

往復動圧縮機を舶用に転用したものを示す．図 5 に，

本圧縮機ユニット図を示す．ヤードでの艤装を容易に

するため，圧縮機本体，ドライバである電動モータ，

補機類（後述のガスクーラ，脈動吸収用スナッバ，バ

イパス制御弁など）をスキッド上にすべて搭載してい

る．本圧縮機の基本仕様を表 2 に示す．5 段構成の計

6 シリンダからなる水平対向式往復動圧縮機である．

水平対向式の有利な点としては，段ごとのメンテナン

気化器

Vaporizer

ME-GI

高圧ガス圧縮機HP gas compressorBOG

30MPa45℃

高圧液ポンプHP liquid pump

LNGカーゴタンク

-162℃

図 3 LNG 高圧液ポンプ方式とBOG 再液化の組合せ

図 5 高圧ガス圧縮機ユニット

図 4 高圧ガス圧縮機と高圧液ポンプ方式の組合せ


ME-GI 用高圧燃料ガス供給システム 25

和文表題


スが容易なこと，往復動のバランスとりが容易なこと

が挙げられる．－160℃の低温ガスを昇圧して，ME-GIエンジンに最大33.5MPaの高圧燃料ガスを供給する．

また，吐出流量は現在主流の LNG 運搬船カーゴタン

ク容量とBOG レートを前提として，ME-GI エンジン

および船内補機動力用のDF ディーゼル発電機へ供給

にも対応するように 3500～4000kg/h に設定した．図

6 に，本圧縮機の制御フローを模式的に示す．図中の

破線は信号を表す．ME-GI エンジンからのデマンドに

対して，十分な応答性能を実現するために，吐出温度

を制御するガスクーラ，吐出流量を制御するバイパス

制御弁，吸込側および吐出側にそれぞれ脈動吸収スナ

ッバなどを全段に装備している．さらに，シリンダに

搭載した吸込弁アンローダと組合せて，0%から 100%の広範囲かつ正確な供給流量の調整が可能である．な

お，吸込み弁アンローダとは吸込み弁を開放状態に拘

束して運転するステップ状の容量調整機構である．

ME-GI エンジンのデマンドには基本的には 5 段目の

バイパス制御弁によって追従する．その上流側 1段～

4 段までは段ごとに所定の圧力となるように各段のバ

イパス制御弁が調整する．また，途中の段からの抽気を以下のように利用する

ことにも対応できる．例えば，2 段目下流からの抽気

を船内補機動力用のDF ディーゼル発電機へ供給する．

さらに，余剰なBOG の再液化にも抽気を利用できる．

すなわち，再液化に際しては，BOG の圧力が高いほ

ど効率よく液化できる．圧力が高くなると配管材質の

選定などに注意が必要となるが，再液化装置の冷媒装

置をコンパクトにできるメリットもある．抽気したガ

スを圧縮機入口の冷熱と熱交換させて，冷えたガスを

断熱膨張させることによりガスの一部を再液化させる

ことも可能である．本圧縮機は，1 段から 4 段目まで

は無潤滑のピストンリングによるシール方式を採用し

ており，上述のように段ごとにバイパス制御を行うこ

とと併せて，抽気を利用する部分再液化に適した仕様

になっている．

3.3 FGSS実証設備

三井造船では，図 4に示すような高圧ガス圧縮機と

高圧液ポンプを組合せたFGSS をME-GI エンジン陸

上試運転用の社内設備として2015年6月に完成させ，

そこには上述の高圧ガス圧縮機の初号機を導入した．

陸上ではあるが世界で初めて，ME-GI 受注機に対して

FGSS の高圧ガス圧縮機と高圧液ポンプを連成させた

燃料供給を実現した．図 7に，そのFGSS の主要機器

の構成を示す．本設備では，LNG 貯槽タンクが実際

の LNG 運搬船カーゴタンク容量に対して相当小さい

ため，十分な BOG を確保するために本圧縮機の上流

側に強制気化器を配備した．図 8 に，圧縮機本体を上

空から見た写真を示す． 3.4 FGSSより商用ME-GIエンジンへ燃料供給

図 9 に，商用 ME-GI エンジンに本圧縮機単独で燃

料供給を行った運転チャートの例を示す．エンジン燃

料を重油からガスに切り換えたとき，およびガス運転

中に急速にガス燃料遮断の指令を受けたときの運転結

果である．圧縮機はあらかじめバイパス運転による待

機モードから，エンジンからの圧力デマンドに応じて

表 2 高圧ガス圧縮機の基本仕様

圧縮機型式

6MBL

水平対向型往復動圧縮機

シリンダ数 6

段数 5

圧縮機吸入圧力 MPaA 0.103

最低吸入温度 ℃ -160

吐出流量 kg/h 3500～4000

最終段吐出圧力 MPaA 24 ～ 33.5

圧縮機所要動力 kW 1000 ～ 1100

駆動機定格動力 kW 1250

圧縮機回転数 rpm 590

BOG-140℃

ME-GI33.5MPaA

(Engine 100% Load)

ControlSystem

Fuel Gas Compressor

: Compressor Cylinder (1st - 5th stage): Gas Cooler (1st - 5th after cooler）

: Control Valve: Check Valve

PT

LNGTANK

: Pulsation Suppression Device

PT PT PT PT

1st2nd 3rd 4th 5th

図 6 高圧ガス圧縮機の制御フロー



日本マリンエンジニアリング学会執筆要項


自動的に燃料供給を開始する．これに伴いエンジンの

ガス燃料による出力がスムースに上昇することがわか

る．またガス燃料遮断時にも過渡的に不安定な吐出圧

力の上昇もなく圧縮機は安全に待機モードへ移行する

ことがわかる．図10に，高圧ガス圧縮機と高圧液ポンプからME-GIエンジンへ同時に燃料供給を行った例を示す．ポンプ

流量はその回転数で表し，また圧縮機流量は5段バイ

パス制御弁の開度(MV)によって表した．エンジン負荷

を75%から85%に上昇させる際は，圧縮機からの供給

量を増加させた(ポンプ回転数はほぼ一定，バイパス制

御弁開度は低下)．その後100%に負荷を上げる際は，

圧縮機とポンプからの供給量を同時に増加させた（ポ

ンプ回転数も上昇，バイパス制御弁開度はさらに低下）．

なお，ここでは高圧液ポンプを圧力制御に使用し，一

方で高圧ガス圧縮機をエンジンからの出力デマンドに

応じて運転した．

3.5 FGSSの過渡応答シミュレーション

LNG運搬船上でME-GIエンジンからのデマンドに

対するFGSS の過渡応答性能を，実際に船上でエンジ

ンとFGSS を組み合せたガストライアルの前に，あら

かじめ制御設計の段階で把握しておくことは重要であ

る．ME-GIエンジン，余剰のBOGを燃焼させるGCU，

補機動力用のDF ディーゼル発電機，再液化装置など

のガス消費速度は機器ごとに異なる．これらのガス消

費側とBOG を吸込みカーゴタンク内の圧力を制御す

る高圧ガス圧縮機からのガス供給側とのガスの収支を

バランスさせるように制御システムによる全体の調整

が必要である．安定かつ十分なシステム応答性を実現

するために，システム全体のシミュレーションが有効

である．図 11 に，図 7 の設備において高圧ガス圧縮機単独

によりME-GI エンジンに燃料を供給した際，ME-GIエンジンのガス負荷を約 45%から 55％の間で変動さ

Forced vaporizer ME‐GI

Combustor

CNGBottle

バッファタンクBuffer tank

▲

F. W.pump Gas return

tank

Vaporizer

HP液ポンプ

HP liquid pumpSuction drum

LNG storage tank

Hydraulic drive unit

強制気化器

LNGタンク

気化器

高圧ガス圧縮機HP gas compressor

図 8 高圧ガス圧縮機の外観

図 9 高圧ガス圧縮機からの単独燃料供給

40

50

60

70

80

90

100

110

120

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0 300 600 900120015001800210024002700

Gas

flow

rate

[kg/

hr] Gas flow rate to ME-GI

ME-

GI g

as lo

ad[%

],

MV

[%]

Pum

p ro

tatio

n sp

eed

[%]

MV of comp. 5th stage bypass valve

ME-GI gas load

Pump rotation speed

Time [sec]300

図 10 圧縮機とポンプからの同時燃料供給

2030405060708090100

25

26

27

28

29

0 100 200 300 400

ME‐GI ga

s loa

d [%

]

Gas p

ressure[M

PaG]

time [sec]

Experiment

Simulation

Load index

図 11 圧縮機吐出圧力のシミュレーション

図 7 工場設備FGSS の主要機器構成


ME-GI 用高圧燃料ガス供給システム 27

和文表題


せたことに対するガス供給圧力の変動を示す．実線で

示す試験結果では，負荷変動に対応して圧縮機吐出圧

力が増減している．破線はシミュレーション計算結果

である．試験結果に比べ計算結果は振幅が若干大きく

なっているが圧力変動をよく再現できている．このと

きの圧縮機 5 段のバイパス制御弁の開度を比較して，

図 12 に示す．実線が試験結果，破線がシミュレーシ

ョン計算結果である．両者に若干のオフセットがみら

れるものの，バイパス制御弁の過渡的な動きを予測で

きていることがわかる．

4. おわりに

従来に比べて燃費性能に優れ、クリーンな排気ガス

の天然ガス焚き ME-GI エンジンの市場投入が開始さ

れた．ME-GI エンジンへ燃料ガスを供給するシステム

FGSS について，LNG 燃料船においては高圧液ポン

プ方式，一方 LNG 運搬船においては同ポンプ方式と

BOG 再液化装置を組み合わせたパターン，あるいは

BOG を昇圧してエンジンへ供給する高圧ガス圧縮機

を組み合わせたパターンについて、それぞれ概要を紹

介した．本稿が経済的かつクリーンな推進システム普

及の一助になれば幸いである．

参考文献

1) 川上，日マリ学誌，49-6(2014-11)，750-755 2) 近藤，日マリ学誌，45-6(2010-11)，876-881 3) IMO ウェブページ，

http://www.imo.org/en/MediaCentre/PressBriefings/Pages/26-MSC-95-ENDS.aspx あるいは，日本海事協会，2015 年秋季技術セミナー資料，LNG 燃料船について～IGF コード発効に向けたNK の

取組み～，(2015) 4) 国土交通省海事局，天然ガス燃料船に関する総合対

策，(2013) 5) 日本海事協会資源エネルギー部，ガス燃料船ガイド

ラインVer.3，(2014) 6) United States Coast Guard，CG-521 Policy

Letter No.01-12，April 19，2012 7) 日本海事協会，2012 ClassNK 春季技術セミナー資

料，ガス燃料船の実用化とNK の取り組み，(2012) 8) TGE Marine Gas Engineering 社資料，LNG Fuel

Gas Systems (http://www.tge-marine.com/files/140819_-_fuel_gas_brosch__re_final.pdf )

9) 日本郵船，ニュースリリース，日本初のLNG 燃料船「魁」が竣工，2015 年 9 月 1日 (http://www.nyk.com/release/3560/004044.html )

10) 渡邉・柴田，日マリ学誌，49-1(2014-1)，13-19

著者紹介

姓名難波浩一 1962 年生三井造船㈱機械･システム事業

本部機械工場技術開発部

姓名和田裕太郎 1989 年生三井造船㈱機械･システム事業

本部機械工場産業機械設計部

姓名辻康之 1967 年生三井造船㈱技術開発本部玉野

技術開発センター

写真 (30×25)

写真 (30×25)

写真 (30×25)

図 12 5段バイパス制御弁開度のシミュレーション

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400

Valve ‐ope

ning

[%]

Time [sec]

Experiment

Simulation



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