実運用面からみたLNG船の最適推進プラント－運用採算でも他プラントを凌駕するUST－,三菱重工技報 Vol.47 No.3(2010)

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かずたださんきち
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船舶海洋特集技術論文 20 実運用面からみた LNG 船の最適推進プラント - 運用採算でも他プラントを凌駕する UST- Optimum Propulsion System for LNG Carriers in Actual Operation Ultra Steam Turbines (UST) Exceed Other Plants in Efficiency and

1 船舶海洋特集技術論文 20 実運用面からみた LNG 船の最適推進プラント - 運用採算でも他プラントを凌駕する UST- Optimum Propulsion System for LNG Carriers in Actual Operation Ultra Steam Turbines (UST) Exceed Other Plants in Efficiency and Profitability *1 平岡和芳 *2 桑畑一志 Kazuyoshi Hiraoka Kazushi Kuwahata 液化天然ガス運搬船 (LNG 船 ) の推進プラントは燃料費の高騰と環境への配慮から近年多様化しており, 従来の蒸気タービン船以外に混焼ディーゼル発電機を使用した電気推進船や再液化装置を搭載した重油焚き低速ディーゼル船が登場してきた. 一方, 推進プラントの選定にあたってはいまだ評価方法が確立されておらず, 実運用に合致した最適推進プラントをいかにして選定するかが業界関係者の関心事となっている. 本報では最適推進プラントの選定基準を明確にするため, モデルケースを設定した上で, 採算計算を実施し各プラントの経済性評価を行った. 1. はじめに LNG 船の推進プラントの選定にあたっては, 輸送航路, 輸送量, 運航採算性, 初期投資, 環境への負荷, 燃料価格, 燃料補給等多くの条件が考慮されるが, 中でも運航採算が最も重要視されている. しかしながら, 採算比較の燃料費計算には通常, 計画船速での燃料消費量が用いられる傾向が強く, 通常はその値で各プラントの経済性が論じられている. 一方, 実運用面では大半の LNG 船は年間輸送量が契約で規定されているため, 契約量を効率よく運べる様に年間を通して減速運航主体の運用計画が立てられていることが多い. 本報ではあるモデルケースを想定し, 建造ヤードの視点から各種の選定条件を考慮に入れた上で, 重油より安価でクリーンな LNG を燃料として最大限使用した場合の採算計算を行い, 最も経済性の高いプラントを次世代の推進プラントとして提案する. 2. 各推進プラントの運用採算及び環境規制への適合 2.1 CST ( 従来型タービンプラント ) LNG 船の登場以来, 最も多く採用されている推進プラントであり, 混焼ボイラで発生した蒸気により主機タービンを駆動している. 本プラントを搭載した当社建造船は 40 隻近くに上り, それらの実績に裏打ちされた信頼性は非常に高く, 保守性に優れており燃料選択の自由度もあるが, 他プラントと比較すると若干プラント効率面での課題がある. 2.2 UST ( 高効率タービンプラント ) 従来型タービンプラントの長所を維持しながら, 再熱サイクルを使った高効率タービンプラントであり, プラント効率を約 15% 向上させている. その信頼性は従来型と同等であり, 保守性にも優れ燃料選択の自由度にも問題はない. 更に減速運航も考慮に入れた設計としておりディーゼルプラントと比較しても減速時のプラント効率に遜色はなく全域で運用採算性の最も高いプラントと考える. 当社が全社体制の下, 開発した次世代の LNG 船向け推進プラントである. *1 船舶海洋事業本部船舶海洋技術部主席技師 *2 船舶海洋事業本部船舶海洋技術部

2 2.3 EpDFE ( 混焼ディーゼル電気推進プラント ) 近年登場してきた混焼ディーゼル発電機を使用した電気推進プラントで, 高いプラント効率が魅力ではある. 一方, 保守費用が他プラントと比較して大きいことや, ガス圧縮機の性能維持のために行う吸入温度低下用の LNG 液のスプレーイングが BOG(Boil Off Gas) の増加を招いて, 減速領域では余剰ガスが発生するなどの課題がある. 当社も過去に混焼ディーゼル電気推進 LNG 船を2 隻建造した実績がある. 2.4 DRL ( 重油専焼低速ディーゼル + 再液化装置 ) 重油専焼低速ディーゼル機関に BOG 再液化装置を搭載した通常のディーゼル船であり, 航行中の保守作業及び冗長性を考慮した2 基 2 軸船が採用されている. プラント効率が高く, 主機の負荷にかかわらず,BOG を無駄なく処理することができる.LNG 船として世界で 40 隻超の採用実績があるが, 燃料選択の自由度がなく, 重油 / ガスの価格比次第で運用採算が左右される. また, 通常のディーゼル船と同様の重油焚きディーゼル機関であり, 今後ますます厳しくなる環境規制に対して種々の対応が必要となってくる. 2.5 SSD-GI ( ガス焚低速ディーゼル + 再液化装置 ) 前述の DRL 主機関にガス噴射装置を付与したガス焚き低速ディーゼル機関を主機とする2 基 2 軸船であり, プラント効率が高く燃料選択も自由にできるため, ガス価格には左右されず常に高い運用採算が得られる. また, 主機に供給する燃料ガスには 300bar 近くの高圧ガスが求められるため, ガス供給装置には高圧レシプロ圧縮機が必要であったが, 近年は LNG 液を直接加圧する高圧液ポンプと蒸発装置を備えた供給システムが考案され脚光を浴びている. ただし, このシステムでは自然発生する BOG の処理が行えず, カーゴタンクの圧力制御ができないために DRL と同様に再液化装置を設ける必要がある. 当社開発の再液化装置は液化効率を上げるために, BOG の一部を液化動力用燃料として使うことで全体の液化量を押さえることができる部分再液化を使用し, 更に蒸気駆動の N 2 圧縮機を採用するなどの環境対策も織り込んでいる実用面からみた最適プラントの選定 3.1 運用採算性計算のモデル船運用採算計算は, 表 1の主要目を持つ MOSS 型をモデル船とし航路を日本 ~オーストラリア間に設定した. また, 減速運航では BOG(Boil Off Gas) がプラントに与える影響は大きく,BOR が 0.15%/d 及び 0.10%/d の2ケースを想定し, 本航路における BOR の影響も検討した. 加えて使用燃料については, 次の理由により BOG を極力使用し不足分を FORCING で賄うこととした.( ただし,DRL については HFO 専焼 ) ガス価格が重油価格に比べ安価であり, しばらくはこの傾向が続くと見込まれること. この海域では重油の補給場所が少なく, 入手が困難であること. ガス焚きの方が環境に与える負荷が小さく, プラントの保守作業も軽減できること. 表 1 モデル船の主要目カーゴタンク方式及び容量 MOSS 方式 LNGC m 3 カーゴタンク防熱仕様 ( 公称 BOR) 0.15%/d 及び 0.10%/d 航路日本 ~オーストラリア ( ダーウィン ) 船速 ( 15% S.M. 込 ) 19.5kt ( 最大船速 ) 17.0kt 及び 15.0kt 年間輸送量最大輸送量 100 万トン 3.2 船速と余剰 BOG の関係 LNG 船を計画通りの最大船速 19~20kt で常時運航すると, 年間輸送量が想定最大輸送量を大幅に超過する. したがって, 減速運航により経済的な運用を計ることになるが, その船速の目安として図 1のような船速と余剰 BOG の関係カーブを作成した. 本カーブは貨物満載時を前提とし, 実 BOG 量は公称値の 90% 程度を想定している. 公称 BOR が 0.15%/d のケースでは CST

22 は約 15.7kt を超えると燃料の追加が必要となり, それ以下では余剰 BOG が発生し, ダンプ蒸気として処理される. UST の場合も同じく約 16.5kt を超えると燃料の追加が必要となり, それ以下だとダンプとして処理される. 一方,EpDFE の場合はガス圧縮機吸入側のスプレーイングにより発生する BOG が嵩上げされるため, 約 18.

3 22 は約 15.7kt を超えると燃料の追加が必要となり, それ以下では余剰 BOG が発生し, ダンプ蒸気として処理される. UST の場合も同じく約 16.5kt を超えると燃料の追加が必要となり, それ以下だとダンプとして処理される. 一方,EpDFE の場合はガス圧縮機吸入側のスプレーイングにより発生する BOG が嵩上げされるため, 約 18.2kt まで燃料の追加は不要となるが, 逆にそれ以下では余剰 BOG が発生し, ガス焼却炉で処理することになる. 結果的にはこの想定航路で最も多用される減速域 (15~17kt) では UST に比べてスプレーイング分が BOG を余分に消費することになる. また,MOSS 型では BOR を 0.10%/d に減らすことが可能であり, 余剰 BOG の発生する船速を下げることができる. 本航路のように 15~17kt の減速運航が主体であれば, すべてのプラントにおいて BOR 0.10%/d の方が運用採算は良くなり, 初期投資も数年以内で回収できる見込みとなる. 一方, 再液化装置を装備している DRL や SSD-GI は, この関係にこだわる必要はなく, 輸送量のみで運用計画を図ることができるが, 再液化に必要な液化動力を考えれば,BOR が低い程運用採算は向上する. 図 1 船速と余剰 BOG の関係 ( 貨物満載時 ) 防熱仕様 (BOR) 別に発生する BOG 量とプラントが要求するガス量の関係を, 船速をパラメーターとして表し, 余剰 BOG の発生する領域をプラントごとに示した. 3.3 運用採算計算結果のまとめ表 2に示す通り, 設定した燃料費における条件下では,BOR0.15%/d においては, 運用採算は UST と SSD-GI が共に高いが,BOR が 0.10%/d では, 全域で UST が最も高い経済性を有する結果となる. 一方で EpDFE の運用採算は高額な保守費用とガス圧縮機吸入側のスプレーイングの影響で, 減速運航においては CST よりも悪くなり初期投資額に見合うメリットは出ない. また, DRL も想定した重油 / ガス価格では運用採算は全プラント中最も悪くなり, 相対的にガス価格が高い条件下でない限り, メリットの少ない推進プラントという結果となった. モデルとした日本 ~オーストラリア間で年間 100 万トンの LNG 輸送を行うケースでは 15~17kt 間の減速運航が最も燃料をセーブできる船速でありこの領域で運用採算の高いプラントを選定する必要がある.SSD-GI はある程度ガス価格が上昇した場合には運用採算からみて, 魅力的なプラントとなる. 3.4 初期投資額の比較初期投資額は推進プラント選定にあたっての重要要素であり, 正確に評価する必要があるが, 推進構成機器の違いや為替変動等により一定ではなく, 定量的に出すことは難しい. 本報では表 3の機器構成及び現行の為替レートで初期投資額を算出し CST との指数比較において各推進プラントの機関部価格の違いを表すようにした.CST の機関部初期投資額を指数 100 とすると, 各推進プラントの機関部合計初期投資額を当社で算出した場合には, 表 4に示す通り, CST->UST->DRL->SSD-GI->EpDFE の順で大きくなる.CST からの差額分を何年で回収できるかは, 燃料の価格変動に大きく左右されるため, 定常的な値で示せないが, 本報で使用した価格で算出すれば,UST のみ 10 年以内での回収が可能との結果となった.

4 23 表 2 運航採算比較表推進プラント CST UST EpDFE DRL SSD-GI タンク防熱 (BOR) 0.15%/d 0.10%/d 0.15%/d 0.10%/d 0.15%/d 0.10%/d 0.15%/d 0.10%/d 0.15%/d 0.10%/d 最大年間輸送量万トン最大年間航海数回 kt 年間燃料費 *1 M$ with 潤滑油費用 *2 M$ % sm 保守費用 *3 M$ 運航費用合計 M$ 年間輸送量万トン年間航海数回 kt 年間燃料費 *1 M$ with 潤滑油費用 *2 M$ % sm 保守費用 *3 M$ 運航費用合計 M$ 年間輸送量万トン年間航海数回 kt 年間燃料費 *1 M$ with 潤滑油費用 *2 M$ % sm 保守費用 *3 M$ 運航費用合計 M$ 備考 : *1 燃料費は HFO :450 $/t, MDO : 675 $/t, LNG : 263 $/t (5 $/mmbtu) にて算出 *2 潤滑油費は $/t にて算出 *3 保守費用には人工費は含まず, 部品代のみで算出表 3 機器構成項目 CST UST EpDEF DRL SSD-GI 蒸気タービン蒸気タービン重油焚き低速低速ガス焚き主機 1 基 1 基ディーゼル 2 基ディーゼル 2 基減速機 2 段減速式 1 台 2 段減速式 1 台 2 段減速式 1 台電気推進モータ高速推進モータ 2 台軸 1 軸 1 軸 1 軸 2 軸 2 軸 6 MPa 主缶 10 MPa 主缶 0.6MPa 補助缶 0.6MPa 補助缶 4 MPa 補助缶ボイラ 2 缶 2 缶 1 缶 1 缶 2 缶軸発電機 1 台 2 台 2 台ディーゼル発電機ターボ発電機補助ディーゼル発電機 2 台 6MPa ターボ発電機 2 台補助ディーゼル発電機 2 台 6MPa ターボ発電機 2 台混焼ディーゼル主発電機 4 台再液化装置補助ディーゼル発電機 3 台 N 2 冷媒方式 2 式補助ディーゼル発電機 2 台 4MPa ターボ発電機 2 台 N 2 冷媒方式 2 式 1 段遠心型 2 台 1 段遠心型 2 台 2 段遠心型 2 台 2 段遠心型 2 台 2 段遠心型 2 台ガス圧縮機 ( 出口圧 100kPa) ( 出口圧 100 kpa) ( 出口圧 550 kpa) ( 出口圧 500 kpa) ( 出口圧 500 kpa) ガス焼却炉 (GCU) 1 台 1 台 1 台高圧液ポンププランジャー型及び蒸発器液ポンプ 2 台表 4 初期投資項目 CST UST EpDFE DRL SSD-GI 主機 *1 180 *2 230 *2 主缶 / 補助缶軸系合計 *3 300 *3 補機器合計 *4 225 *4 艤装合計機関部合計備考 : *1 推進モータを含む *2 2 基 2 軸船 *3 2 軸 ( クラッチ付き ) *4 再液化装置を含む

一方でタービンプラントは, ガス専焼が可能な唯一のプラントであり,NO X 値も極端に低く NO X 規制の対象外でもある.UST は制約の多いディーゼル機関を使用した推進プラントでは達成できないレベルまで環境負荷の低減が図れるプラントであり, 図 2に示す様に減速運航した場合でもエミッションの最も少ないプラントである.

5 3.5 エミッション比較船舶に対する環境規制は近年ますます厳しくなっており, 特に港内での燃料油の低硫黄分規制やディーゼル機関のみに適用される NO X の3 次規制の発行が期近に迫っている. 低硫黄分規制については, 低硫黄分しか含まない低硫黄燃料を使用するか, ガス専焼を行うことで対応可能であるが,NO X 規制に対しては, 各エンジンメーカーで現在も開発中であり, 対応可能なエンジンは現れていない. こうした環境規制強化に対応することで維持費や初期投資の増大を招くことは必須であり, その点も今後の評価の対象とすべきである. 一方でタービンプラントは, ガス専焼が可能な唯一のプラントであり,NO X 値も極端に低く NO X 規制の対象外でもある.UST は制約の多いディーゼル機関を使用した推進プラントでは達成できないレベルまで環境負荷の低減が図れるプラントであり, 図 2に示す様に減速運航した場合でもエミッションの最も少ないプラントである. 24 図 2 環境成分比較 1 年間の総排ガス量 (CO 2,NO X,SO X ) を運航船速とプラントごとに比較した. 3.6 総合評価推進プラントの選定で特に重要視される運用採算, 初期投資及びエミッションを比較すると, 表 5のようにまとめられるが, すべての項目を満足できるのは当社開発の高効率タービンプラント (UST) 以外にはなく, また,UST の場合は船速に関係なく全領域で他の推進プラントを凌駕しているといえる. 表 5 総合評価推進プラント CST UST EpDFE DRL SSD-GI 運航経済性 (19.5 kt) 運航経済性 (17.0 kt) 運航経済性 (15.0 kt) 初期投資回収 (10 年間 ) ベース環境負荷低減総合評価

6 25 4. まとめ過去に就航したアジアオセアニア地域での LNG プロジェクトでは最大船速は 19~20kt で設定されており, プラントに対する評価も最大船速での燃費で論じられてきた. しかしながら, 実運用では年間輸送量の関係で 15~17kt の減速運航を行っている船が大半であり, 余剰 BOG を防ぎながらガスを最大限に使用し運航している. 現状の CST でも年間契約量を減速運航で運ぶことで, 最大速力で運ぶ場合と比較して燃料費が年間 25% 近く節約でき, ガスを主燃料として使用することで環境へ与える影響も大幅に減少することができる. 同条件で BOR 0.10%/d の UST を投入した場合は実に 40% 近くの燃料節約が可能となる. また, タービンプラントは部分負荷においては, ディーゼル機関と比較すると極端に燃費が悪くなるイメージが定着しているが,BOG が存在する LNG 船においてはその常識は当てはまらないことが分かった. 最後にプラントの寿命問題に触れておくが,LNG 船の寿命を 40 年と考えると, その間耐えられるのはタービンプラントだけであり,40 年前に就航した LNG 船のタービン主機は現在も問題なく使われている. 一方, ディーゼル機関の寿命は一般的に 20~25 年と言われており,LNG 船が寿命を終える前に主機換装という事態を迎える可能性は十分にあるので, 選定条件として考慮しておく必要がある. 以上の検討結果から, 本報で想定した条件下では BOR 0.10%/d の MOSS 船に搭載する当社開発の高効率タービンプラント (UST) が実運用面からみた LNG 船の最適推進プラントとなった.

ハイブリッド推進プラント搭載　次世代モスタンク方式LNG船“サヤリンゴSTaGE”の開発,三菱重工技報 Vol.53 No.2(2016)

ハイブリッド推進プラント搭載　次世代モスタンク方式LNG船“サヤリンゴSTaGE”の開発,三菱重工技報 Vol.53 No.2(2016) 船舶海洋特集技術論文 3 ハイブリッド推進プラント搭載次世代モスタンク方式 LNG 船サヤリンゴ STaGE の開発 SAYARINGO STaGE - New Generation MOSS Type LNG Carrier with Hybrid Propulsion Plant - *1 平松彩 *2 桑畑一志 Sai Hiramatsu Kazushi Kuwahata *3 廣田一博