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WO2018189789A1 - タンク状態推定方法およびタンク状態推定プログラム - Google Patents

タンク状態推定方法およびタンク状態推定プログラム Download PDF

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WO2018189789A1
WO2018189789A1 PCT/JP2017/014706 JP2017014706W WO2018189789A1 WO 2018189789 A1 WO2018189789 A1 WO 2018189789A1 JP 2017014706 W JP2017014706 W JP 2017014706W WO 2018189789 A1 WO2018189789 A1 WO 2018189789A1
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WO
WIPO (PCT)
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tank
lng
state
section
information
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2017/014706
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
英幸 安藤
康広 須藤
達也 小嶋
文陽 木村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Yusen KK
Original Assignee
Nippon Yusen KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Yusen KK filed Critical Nippon Yusen KK
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Priority to JP2017529850A priority patent/JP6339743B1/ja
Priority to FI20195886A priority patent/FI129132B/en
Priority to PCT/JP2017/014706 priority patent/WO2018189789A1/ja
Priority to SG11201909289X priority patent/SG11201909289XA/en
Publication of WO2018189789A1 publication Critical patent/WO2018189789A1/ja
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    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T70/00Maritime or waterways transport
    • Y02T70/50Measures to reduce greenhouse gas emissions related to the propulsion system

Definitions

  • the present invention relates to a technique for estimating a state in a tank that stores LNG (LiquefiedfiNatural Gas), and in particular, a tank state estimation program applied to a tank of an LNG ship that transports LNG as cargo and a tank state
  • LNG LiquifiedfiNatural Gas
  • the present invention relates to an effective technique applied to the estimation method.
  • LNG ships that use LNG as a freight have unique considerations in the preparation of a voyage plan due to the characteristics of the LNG that is the freight. Since LNG is vaporized at about ⁇ 160 ° C., for example, it is inevitable that LNG as cargo in the tank gradually vaporizes due to heat input from the outside.
  • C / D the tank is cooled by the heat of vaporization by spraying the LNG (heel) left in the tank into the tank. Therefore, when the LNG ship lowers the LNG at the landing site, the LNG ship is not lowered, but is lowered with the heel used for C / D when heading to the loading area remaining. At this time, if many heels are left, the operation of C / D becomes easy. However, as a customer, it is desirable to reduce the heels as much as possible so as not to reduce the amount of LNG as cargo. Such a plan relating to C / D operation is also included in the navigation plan.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2013-92162
  • Patent Document 1 includes a mixed integer nonlinear programming problem A mixed integer linear programming problem in which the nonlinear constraints are discarded by linearly approximating the nonlinear equations in the constraint conditions, and the integer constraint and the mixture including discrete variables in the constraint conditions It describes that it is relaxed to two types of planning problems, continuous nonlinear programming problems with integer constraints removed. And by resolving each relaxed planning problem alternately while refining the constraints in stages, it is possible to obtain an executable solution close to the global optimal solution even if it is a local optimal solution It is said.
  • Patent Document 1 it is said that it is possible to reduce the complexity of the nonlinear programming problem related to the operation of the tank storing LNG and to obtain a solution in a practical calculation time.
  • the technique described in Patent Document 1 does not take into account changes in the state of the LNG due to the shaking of the hull (and the LNG in the tank) during navigation. When this point is taken into consideration, the nonlinear programming problem becomes more complicated, and the calculation processing for obtaining the solution becomes more expensive.
  • an object of the present invention is to provide a tank state estimation method and a tank state estimation program for estimating the state of a tank containing LNG in consideration of various factors including the influence of hull movement of an LNG ship during navigation. It is in.
  • a tank state estimation method is a tank state estimation method for estimating a state in a tank at a predetermined time point on a route of an LNG ship using LNG contained in a tank as cargo.
  • a first step of obtaining information relating to the specifications of the tank a second step of obtaining information relating to a state in the tank at a starting point of the target section on the route, and a weather forecast value of the section
  • the heat input to the tank in the section is used for vaporizing LNG in the tank, and And it executes a fourth step of calculating a state, the.
  • the present invention can also be applied to a tank state estimation program that causes a computer to execute the tank state estimation method described above.
  • LNG in the tank may be forcibly vaporized and used as fuel.
  • factors that can influence the navigation plan such as horsepower distribution and fuel efficiency change, while the amount of LNG as cargo can also change.
  • LNG is transported according to the most economical voyage plan while maintaining punctuality without reducing LNG as much as possible.
  • the composition ratio of BOG is not the same because the composition ratio of methane, ethane, or the like, which is a component, differs for each LNG of cargo. Conceivable.
  • the composition ratio of LNG also changes with time, and as a result, the composition ratio in BOG also changes. Conceivable. Therefore, it is considered that the amount of heat obtained when these BOGs are burned is different, and using this as a factor to consider changes factors that can affect the navigation plan such as fuel efficiency.
  • tank condition the condition in the tank at each point on the route (hereinafter referred to as “tank condition” may be described as the premise) ) Must be estimated by calculation.
  • tank state refers to the temperature in the tank in principle, but the temperature can be easily obtained from Boyle-Charles's law by estimating the pressure. In addition to this, the pressure may be indicated. Furthermore, information on the composition of LNG in the tank (ratio of methane, ethane,%) May be included.
  • weather and LNG spray during C / D can be considered.
  • the weather information includes, for example, wind and waves that affect the shaking of the hull (and the LNG in the tank), in addition to information such as temperature, sunshine, and seawater temperature that affect the steady heat input to the tank. Etc. are included.
  • the information on the LNG spray includes information on the mass flow rate of the LNG to be sprayed.
  • FIG. 1 is a flowchart showing an outline of an example of a processing flow for estimating a tank state according to the first embodiment of the present invention.
  • a series of processing according to the flow may be implemented as a program that is executed by a dedicated or general-purpose computer including a CPU (Central Processing Unit) and a memory, or a device configured by an integrated circuit or the like It may be implemented as hardware.
  • a CPU Central Processing Unit
  • a memory or a device configured by an integrated circuit or the like
  • a two-stage calculation process of tank state calculation 1 (step S01) and tank state calculation 2 (step S02) is performed.
  • the tank state 42 at a certain time is estimated.
  • the tank initial state 21 which is the tank state at the reference point on the route in the voyage plan is input, and the tank state 42 at the end point of a certain section starting from the reference point is calculated.
  • this tank state 42 is used as an input at the start point of the next (following) section, and the process of calculating the tank state 42 at the end point of the next section is repeated until the destination is reached.
  • the tank state 42 at is estimated.
  • the section from the reference point to the destination may be set by being divided at regular time intervals or distances, or may be divided at arbitrary points.
  • the tank initial state 21 at the reference point basically uses an actual measurement value measured by a sensor or the like installed in each part of the tank or the hull.
  • the tank state 41 at the end point of the target section is estimated by a predetermined equilibrium calculation (thermodynamic gas-liquid equilibrium model 11) based on thermodynamics.
  • thermodynamic gas-liquid equilibrium model 11 For example, with respect to the tank state at the start point of the target section to be input (that is, the tank initial state 21 or the tank state 42 at the end point of the previous section of the target section), the constant heat input such as temperature, sunshine, seawater temperature, etc.
  • the tank state 41 after equilibrium is calculated by the thermodynamic vapor-liquid equilibrium model 11 with the weather forecast 31 including information as an input.
  • the weather forecast 31 can be acquired automatically or manually from an external weather information service, for example.
  • thermodynamic vapor-liquid equilibrium model 11 assumes that the state in the tank is a vapor-liquid equilibrium state between liquid LNG and gaseous BOG, and uses a predetermined thermodynamic equation of state, Raoul's law, and the like. It is modeled by a calculation formula. Calculations using the thermodynamic vapor-liquid equilibrium model 11 can be performed relatively easily.
  • a special factor in the LNG ship that is, the chemical influence on the LNG vaporization caused by the LNG shaking and stirring in the tank accompanying the ship (and tank) shaking
  • the tank state is estimated by a non-linear model (non-linear chemical process model 12) in consideration of the influence of an artificial LNG spray according to the operation plan of C / D.
  • a hull motion 32 including information on hull and tank behavior / motion and a C / D plan 33 which is a C / D operation plan are input.
  • the non-linear chemical process model 12 calculates the tank state 42 in consideration of the LNG fluctuation in the tank and the influence of the LNG spray due to C / D.
  • Information on the hull sway 32 can be obtained by using a known simulation technique such as a strip method, for example.
  • a known simulation technique such as a strip method, for example.
  • the weather forecast 31, information on the specifications of the hull and tank (not shown), and the like are input, and simulation is performed by the hull shaking calculation (step S ⁇ b> 11) in the processing flow to make predictions. It is also possible to obtain and input the result of a simulation performed outside.
  • the information of the C / D plan 33 that is, the information on when and how much LNG is sprayed is received directly from the captain, the navigator or the like, or the information recorded in the file or the like is read in advance. Since the behavior / movement of the hull and tank may affect the C / D operation, the information on the hull sway 32 may be referred to when the C / D plan 33 is created.
  • the tank state estimation method based on the relatively simple thermodynamic vapor-liquid equilibrium model 11 in the LNG ship, according to the processing flow shown in FIG.
  • the tank state 41 can be estimated by calculation.
  • a more precise tank state 42 can be estimated by calculation based on the nonlinear chemical process model 12 in consideration of information such as the hull motion 32 and the C / D plan 33.
  • the nonlinear chemical process model 12 is based on the change in the behavior of the LNG at the chemical reaction level accompanying the shaking / stirring of the LNG in the tank, or the spray of LNG at the time of C / D that is performed intermittently rather than constantly. The effect is modeled by a calculation formula. Therefore, the non-linear chemical process model 12 is a non-linear and very complicated calculation model that can accurately estimate the tank state 42, and the load of calculation processing is considered to be relatively high.
  • FIG. 2 is a flowchart showing an outline of an example of a processing flow for estimating a tank state according to the second embodiment of the present invention.
  • the processing related to the flow is also implemented as a program for causing a dedicated or general-purpose computer including a CPU and a memory to execute all or part of the processing, as in the case of the processing flow shown in FIG.
  • it may be implemented as hardware such as an apparatus constituted by an integrated circuit or the like.
  • the tank state at a certain point in time is performed by performing one-stage calculation processing based on predetermined input information (step S21). 43 is estimated.
  • the tank initial state 21 at the reference point on the route in the voyage plan is used as an input, and the tank state 43 at the end point of a certain section starting from the reference point is calculated.
  • this tank state 43 is used as an input at the start point of the next (following) section, and the process of calculating the tank state 43 at the end point of the next section is repeated until the destination is reached.
  • the tank state 43 at is estimated.
  • the tank state 43 is estimated by a predetermined heat transfer calculation (heat transfer / two-phase flow calculation model 13) based on thermodynamics.
  • a predetermined heat transfer calculation heat transfer / two-phase flow calculation model 13
  • the tank state 43 is calculated by the heat transfer / two-phase flow calculation model 13 with the weather forecast 31, the liquid fluctuation 34, and the C / D plan 33 as inputs for the information on the tank specifications 22 included. Note that the information on the tank specifications 22 does not need to be acquired every time it is repeated, for example, if the information previously recorded in the setting file or the like is first read and acquired.
  • the information of the liquid shaking 34 can be obtained by using a known simulation technique such as a finite difference method based on the information such as the hull shaking 32, for example.
  • a known simulation technique such as a finite difference method based on the information such as the hull shaking 32
  • information such as the hull sway 32 is used as an input, and simulation is performed by liquid sway calculation (step S12) in the processing flow.
  • a simulation result performed outside is acquired. It is good also as a structure which inputs.
  • information on the ship motion 32 is obtained instead of prediction by the ship motion calculation (step S11) in the processing flow. It is good also as composition to do.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing an example of a concept of a heat transfer and two-phase flow calculation model (heat transfer / two-phase flow calculation model 13) based on thermodynamics in the present embodiment.
  • a portion of a tank 60 (which is a spherical tank in the example of FIG. 3) for storing LNG in the LNG ship is shown by a cross-sectional view in a plane perpendicular to a line connecting the bow and stern.
  • the tank 60 has a tank body 61 formed of an aluminum alloy or steel material that can withstand the extremely low temperature of the LNG 65.
  • the tank body 61 has a tank dome 62 for piping and an entrance at the top, and the entire spherical shape is covered with polyurethane foam 63 as a heat insulating material. And the part exposed to the upper part of the hull 50 is covered with the tank cover 64 formed with the metal etc.
  • the tank body 61 is filled with LNG 65 as a heel, BOG 66 vaporized from the LNG 65, and air.
  • the spherical tank main body 61 having a structure independent of the hull 50 is supported so that only the vicinity of the equator of the tank main body 61 is in contact with the hull 50 by a structure such as a skirt 52 in order to reduce heat intrusion.
  • the space between the tank body 61 and the tank body 61 is a cargo hold 51.
  • the C / D operation is basically performed during the voyage toward the loading place.
  • the tank 60 has a heel that is left for C / D. While the LNG 65 is accommodated, the cargo hold 51 is a space.
  • the amount of heat considered to constitute Q in for example, the amount of heat by sunlight (Q in1 ), the amount of heat given from the structure of each layer of the tank 60 (tank body 61, polyurethane foam 63, tank cover 64, etc.) (Q in2 and Q in3, etc.), the amount of heat given from LNG 65 (Q conv1 ), the amount of heat given by liquid shaking / stirring of LNG 65 (Q mot ) accompanying ship hull shaking, and given by the spray during C / D (taken away ) ) Calorific value (Q spray ) and the like.
  • the temperatures actually measured in the tank 60 and each nearby location (for example, T air , T LNG , T vap , T 1 , T 2 , T 3, etc.) can be calculated.
  • Q moti associated with liquid fluctuation is also calculated based on a temperature difference (for example, T 3 and T LNG ).
  • the change of the phase of LNG65, a composition, etc. accompanying ship body shaking (liquid shaking) can be calculated
  • the Q spray associated with the spray can be calculated based on, for example, the mass flow rate of the sprayed LNG65.
  • Q ev can be calculated based on the material flow rate of the BOG 66, for example.
  • the influence of the LNG spray during ship motion and C / D is modeled by heat transfer calculation based on thermodynamics.
  • the tank state 43 can be calculated by linear calculation. Accordingly, it is possible to estimate the tank state 43 with sufficient and sufficient accuracy in a short time and with a low load, while taking into consideration the influence of the LNG spray during ship hull shaking and C / D.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
  • the above-described embodiment has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to the one having all the configurations described.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. .
  • each of the above-described configurations, functions, processing units, processing means, and the like may be realized by hardware by designing a part or all of them with, for example, an integrated circuit.
  • Each of the above-described configurations, functions, and the like may be realized by software by interpreting and executing a program that realizes each function by the processor.
  • Information such as programs, tables, and files for realizing each function can be stored in a recording device such as a memory, a hard disk, or an SSD (Solid State Drive), or a recording medium such as an IC card, an SD card, or a DVD.
  • the present invention can be used for a tank state estimation program and a tank state estimation method applied to a tank of an LNG ship that transports LNG as cargo.

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Abstract

タンクに収容されたLNGを貨物とするLNG船の航路上の所定の時点における前記タンク内の状態を推定するタンク状態推定方法である。前記タンクの諸元に係る情報を取得する第1工程と、前記航路上の対象の区間の始点における前記タンク内の状態に係る情報を取得する第2工程と、前記区間の気象予報値、および前記気象予報値の情報に基づいて求められた、前記区間における前記タンク内のLNGの液体動揺予測値の情報を取得する第3工程と、前記第1~第3工程で取得した情報に基づいて、熱力学に基づく伝熱計算によって、前記区間における前記タンクへの入熱が前記タンク内のLNGの気化に用いられたものとして、前記区間の終点における前記タンク内の状態を計算する第4工程と、を実行する。

Description

タンク状態推定方法およびタンク状態推定プログラム
 本発明は、LNG(Liquefied Natural Gas:液化天然ガス)を貯蔵するタンク内の状態を推定する技術に関し、特に、LNGを貨物として輸送するLNG船のタンクに適用されるタンク状態推定プログラムおよびタンク状態推定方法に適用して有効な技術に関するものである。
 LNGを貨物とするLNG船では、貨物であるLNGの特性から、航海計画の作成に固有の考慮要素を有する。LNGは-160℃程度で気化することから、例えば、外部からの入熱等によりタンク内の貨物であるLNGが徐々に気化することが避けられないという特性を有する。
 これに伴い、例えば、LNG船が積地でタンクにLNGを積む際に、タンクの温度が高いとLNGが大量に気化してしまうため、タンク内の温度が所定の温度以下でなければ積み込めないという制約がある。このため、LNG船が積地に到着したときにタンクが所定の温度以下となっているように冷却しなければならない。このとき、急激に温度を下げるとタンクが破損する可能性もあるため、徐々に冷却する必要がある。そこで、積地に向かう運航中にタンクを計画的に冷却しておくクールダウン(C/D)のオペレーションが行われる。
 C/Dでは、タンク内に残しておいたLNG(ヒール)をタンク内にスプレーすることで、その気化熱でタンクを冷却する。したがって、LNG船が揚地でLNGを下ろす際に、全て下ろすのではなく、次に積地に向かう際のC/Dに用いるヒールを残した状態で下ろす。このとき、ヒールを多く残せば、C/Dのオペレーションは容易になるが、顧客としては貨物であるLNGの量を減らさないよう、ヒールは極力少なくするのが望ましい。このようなC/Dのオペレーションに係る計画も航海計画に含まれる。
 LNGタンカー等におけるLNGの受入、運搬、貯蔵、払出に係る貯蔵タンクの運用計画の作成に関連する技術として、例えば、特開2013-92162号公報(特許文献1)には、混合整数非線形計画問題で表されるLNGの貯蔵タンクの運用計画問題を、制約条件中の非線形式を線形近似することによって非線形制約を捨象した混合整数線形計画問題と、制約条件中に離散変数を含む整数制約および混合整数制約を捨象した連続非線形計画問題の2種類の計画問題に緩和する旨が記載されている。そして、制約条件を段階的に精緻化しながらそれぞれの緩和された計画問題を交互に繰り返し求解することで、局所的最適解であっても大域的最適解に近い実行可能解を取得することができるとされる。
特開2013-92162号公報
 例えば、上述したようなC/Dのオペレーションに係る計画(いつどの程度のLNGをスプレーするか)等を含むLNG船の航海計画を自動的に作成したり調整したりするためには、その前提として、航路上の各時点におけるタンク内の状態(温度や圧力等)を計算により推定することが必要となる。しかし、これを精緻に計算しようとすると、特許文献1にも記載されているように、非常に複雑で高負荷な計算処理が必要となる。したがって、従来は、主に、計算によるのではなく、船長や航海士等の経験やスキルに基づいて属人的に行われる場合が多かった。
 特許文献1に記載された技術によれば、LNGを貯蔵するタンクの運用に係る非線形計画問題の複雑さを緩和し、実用的な計算時間で解を得ることが可能であるとされる。しかし、特許文献1に記載された技術では、航行中の船体(およびタンク内のLNG)の動揺によるLNGの状態の変化についてまでは考慮されていない。この点を考慮した場合、非線形計画問題はより複雑となり、解を得るための演算処理もより負荷が高いものとなる。
 そこで本発明の目的は、航行中のLNG船の船体動揺の影響も含む各種の要素を考慮して、LNGを収容するタンクの状態を推定するタンク状態推定方法およびタンク状態推定プログラムを提供することにある。
 本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
 本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
 本発明の代表的な実施の形態によるタンク状態推定方法は、タンクに収容されたLNGを貨物とするLNG船の航路上の所定の時点における前記タンク内の状態を推定するタンク状態推定方法であって、前記タンクの諸元に係る情報を取得する第1工程と、前記航路上の対象の区間の始点における前記タンク内の状態に係る情報を取得する第2工程と、前記区間の気象予報値、および前記気象予報値の情報に基づいて求められた、前記区間における前記タンク内のLNGの液体動揺予測値の情報を取得する第3工程と、前記第1~第3工程で取得した情報に基づいて、熱力学に基づく伝熱計算によって、前記区間における前記タンクへの入熱が前記タンク内のLNGの気化に用いられたものとして、前記区間の終点における前記タンク内の状態を計算する第4工程と、を実行するものである。
 また、本発明は、上述のタンク状態推定方法をコンピュータに実行させるタンク状態推定プログラムにも適用することができる。
 本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
 すなわち、本発明の代表的な実施の形態によれば、航行中のLNG船の船体動揺の影響も含む各種の要素を考慮して、LNGを収容するタンクの状態を推定することが可能となる。
本発明の実施の形態1であるタンク状態を推定する処理の流れの例について概要を示したフロー図である。 本発明の実施の形態2であるタンク状態を推定する処理の流れの例について概要を示したフロー図である。 本発明の実施の形態2における熱力学に基づく伝熱と二相流の計算モデルの概念の例を模式的に示した図である。
 以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。一方で、ある図において符号を付して説明した部位について、他の図の説明の際に再度の図示はしないが同一の符号を付して言及する場合がある。
 <概要>
 上述したように、LNG船における貨物であるLNGは、-160℃程度で気化することから、例えば、外部からの入熱等によりタンク内のLNGが徐々に気化することが避けられないという特性を有する。したがって、LNGの積地に向かう航行中に予めタンクを所定の温度以下となるように冷却しておくC/Dのオペレーションのように、航海計画の作成において各種の固有の考慮要素を有する。
 C/D以外にも、例えば、タンク内でLNGが気化したガス(Boil Off Gas:BOG)を燃焼させることでタービンを回して動力源とすることが行われる。また、主燃料である重油を燃焼させるのに代えて、強制的にタンク内のLNGを気化させて燃料として用いる場合もある。このような制御により、馬力配分や燃費等の航海計画に影響し得る要素が変化する一方で、貨物であるLNGの量も変化し得る。顧客(荷主)としては、LNGは極力減らさないで、定時性を維持しつつ最経済な航海計画により輸送されるのが望ましい。
 また、BOGを燃焼させることを考慮要素とする場合にも、例えば、貨物のLNG毎にその成分であるメタンやエタン等の組成比率が相違することから、BOGにおける組成比率も同じではないものと考えられる。また、同じLNGでも、成分であるメタンやエタン等の気化のし易さがそれぞれ異なると考えられることから、時間経過とともにLNGの組成比率も変化し、その結果BOGにおける組成比率も変化するものと考えられる。したがって、これらのBOGを燃焼させたときに得られる熱量もそれぞれ異なるものと考えられ、これを考慮要素とすることで、燃費等の航海計画に影響し得る要素が変化する。
 上述したように、これらの諸要素を考慮して航海計画を作成・調整等する場合、その前提として、航路上の各時点におけるタンク内の状態(以下では「タンク状態」と記載する場合がある)を計算により推定することが必要となる。ここで、「タンク状態」とは原則としてタンク内の温度を指すものとするが、圧力を推定することでボイル・シャルルの法則から温度を容易に得ることができるため、温度に代えて、もしくはこれに加えて圧力を指すものとしてもよい。さらに、タンク内のLNGの組成(メタン、エタン、…の比率等)の情報を含んでいてもよい。
 航路上においてタンク状態に影響を与える要素としては、気象、およびC/Dの際のLNGのスプレーが考えられる。気象の情報には、例えば、タンクへの定常的な入熱に影響を与える気温や日照、海水温等の情報に加えて、船体(およびタンク内のLNG)の動揺に影響を与える風や波等の情報が含まれる。LNGのスプレーの情報には、スプレーするLNGの質量流量の情報が含まれる。
 (実施の形態1)
 図1は、本発明の実施の形態1であるタンク状態を推定する処理の流れの例について概要を示したフロー図である。当該フローに係る一連の処理は、全部もしくは一部をCPU(Central Processing Unit)とメモリを備える専用もしくは汎用のコンピュータに実行させるプログラムとして実装してもよいし、集積回路等により構成された装置等のハードウェアとして実装してもよい。
 本実施の形態では、タンク状態の推定にあたり、図示するように、所定の入力情報に基づいて、タンク状態計算1(ステップS01)とタンク状態計算2(ステップS02)の二段階の計算処理を行うことによって、ある時点におけるタンク状態42を推定する。ここでは、例えば、航海計画における航路上の基準点におけるタンク状態であるタンク初期状態21を入力とし、当該基準点を始点としたある区間の終点におけるタンク状態42を計算する。そして、このタンク状態42を次の(後続の)区間の始点における入力として、当該次の区間の終点におけるタンク状態42を計算する、という処理を、目的地に到達するまで繰り返すことで、目的地におけるタンク状態42を推定する。
 なお、基準点から目的地までの区間は、一定の時間毎もしくは距離毎に分割して設定してもよいし、任意の地点で分割してもよい。区間の分割を細かく設定することで、目的地におけるタンク状態42をより精度良く推定することができるが、その分計算負荷が高くなることから、必要な精度が得られる程度の細かさとするのが望ましい。基準点におけるタンク初期状態21は、基本的にはタンクや船体の各所に設置されたセンサ等により測定された実測値を用いる。
 タンク状態計算1(ステップS01)では、熱力学に基づく所定の平衡計算(熱力学気液平衡モデル11)によって、対象区間の終点におけるタンク状態41を推定する。例えば、入力となる対象区間の始点におけるタンク状態(すなわち、タンク初期状態21もしくは対象区間の前区間の終点におけるタンク状態42)に対して、気温や日照、海水温等の定常的な入熱の情報を含む気象予報31を入力として、熱力学気液平衡モデル11によって、平衡後のタンク状態41を計算する。なお、気象予報31は、例えば、外部の気象情報サービスから自動もしくは手動で取得することができる。
 熱力学気液平衡モデル11は、タンク内の状態を、液体のLNGと気体のBOGとの気液平衡状態であるとして、一般的な熱力学の状態方程式やラウールの法則等を用いた所定の計算式によりモデル化したものである。熱力学気液平衡モデル11による計算は比較的容易に行うことができる。
 一方、タンク状態計算2(ステップS02)では、LNG船における特殊な要因、すなわち、船体(およびタンク)の動揺に伴うタンク内のLNGの動揺・撹拌がLNGの気化に与える化学的な影響、およびC/Dのオペレーション計画に従った、人為的なLNGのスプレーの影響を考慮した非線形モデル(非線形化学プロセスモデル12)によってタンク状態を推定する。ここでは、ステップS01の計算結果であるタンク状態41に対して、さらに、船体およびタンクの挙動・運動の情報を含む船体動揺32、およびC/Dのオペレーション計画であるC/D計画33を入力として、非線形化学プロセスモデル12によって、タンク内のLNGの動揺やC/DによるLNGのスプレーの影響を考慮したタンク状態42を計算する。
 船体動揺32の情報は、例えば、ストリップ法等の公知のシミュレーション技術を利用して得ることができる。図1の例では、気象予報31や、図示しない船体やタンクの諸元の情報等を入力として、当該処理フロー中の船体動揺計算(ステップS11)によりシミュレーションを行って予測するものとしているが、外部で行われたシミュレーション結果を取得して入力する構成としてもよい。
 C/D計画33の情報、すなわち、いつどの程度のLNGをスプレーするかの情報は、船長や航海士等から直接入力を受け付ける、もしくは予めファイル等に記録された情報を読み込んで取得する。船体およびタンクの挙動・運動がC/Dのオペレーションに影響を及ぼす場合があることから、C/D計画33の作成の際に、船体動揺32の情報を参照するようにしてもよい。
 以上に説明したように、本発明の実施の形態1であるタンク状態推定方法によれば、図1に示した処理フローにより、LNG船において、比較的単純な熱力学気液平衡モデル11に基づいた計算によりタンク状態41を推定することができる。さらに、船体動揺32やC/D計画33等の情報を考慮した非線形化学プロセスモデル12に基づいた計算により、より精緻なタンク状態42を推定することができる。
 なお、非線形化学プロセスモデル12は、タンク内のLNGの揺れ・撹拌に伴うLNGの化学反応レベルでの挙動の変化や、定常的ではなく間欠的に行われるC/Dの際のLNGのスプレーによる影響を計算式によりモデル化したものである。したがって、非線形化学プロセスモデル12は、タンク状態42を精緻に推測できる非線形の非常に複雑な計算モデルとなり、計算処理の負荷は比較的高くなるものと考えられる。
 (実施の形態2)
 本発明の実施の形態2であるタンク状態推定方法では、船体動揺やC/Dの際のLNGのスプレーによる影響を、熱力学に基づく伝熱と気液二相流の計算モデルによってモデル化することで、線形計算によりタンク状態を取得可能とする。これにより、船体動揺やC/Dの際のLNGのスプレーによる影響を考慮しつつ、短時間・低負荷で必要十分な精度のタンク状態を計算することが可能となる。
 <処理フロー>
 図2は、本発明の実施の形態2であるタンク状態を推定する処理の流れの例について概要を示したフロー図である。当該フローに係る処理についても、上述の実施の形態1の図1に示した処理フローの場合と同様に、全部もしくは一部をCPUとメモリを備える専用もしくは汎用のコンピュータに実行させるプログラムとして実装してもよいし、集積回路等により構成された装置等のハードウェアとして実装してもよい。
 本実施の形態では、タンク状態の推定にあたり、図1の例と異なり、所定の入力情報に基づいて、タンク状態計算(ステップS21)の一段階の計算処理を行うことによって、ある時点におけるタンク状態43を推定する。そして、図1の例と同様に、例えば、航海計画における航路上の基準点におけるタンク初期状態21を入力とし、当該基準点を始点としたある区間の終点におけるタンク状態43を計算する。そして、このタンク状態43を次の(後続の)区間の始点における入力として、当該次の区間の終点におけるタンク状態43を計算する、という処理を、目的地に到達するまで繰り返すことで、目的地におけるタンク状態43を推定する。
 タンク状態計算(ステップS21)では、熱力学に基づく所定の伝熱計算(伝熱・二相流計算モデル13)によってタンク状態43を推定する。例えば、入力となる対象区間の始点におけるタンク状態(すなわち、タンク初期状態21もしくは対象区間の前区間の終点におけるタンク状態43)、およびタンクの形状や鋼材寸法、タンク物性等の静的な情報を含むタンク諸元22の情報に対して、気象予報31、液体動揺34、およびC/D計画33の各情報を入力として、伝熱・二相流計算モデル13によってタンク状態43を計算する。なお、タンク諸元22の情報は、例えば、予め設定ファイル等に記録された情報を最初に一度読み込んで取得すれば、繰り返しの都度取得する必要はない。
 液体動揺34の情報は、例えば、船体動揺32等の情報に基づいて、有限差分法等の公知のシミュレーション技術を利用して得ることができる。図2の例では、船体動揺32等の情報を入力として、当該処理フロー中の液体動揺計算(ステップS12)によりシミュレーションを行って予測するものとしているが、外部で行われたシミュレーション結果を取得して入力する構成としてもよい。船体動揺32の情報についても、実施の形態1の図1の例と同様に、当該処理フロー中の船体動揺計算(ステップS11)により予測するのに代えて、外部で行われたシミュレーション結果を取得する構成としてもよい。
 <伝熱・二相流計算モデル>
 本実施の形態では、上述したように、船体動揺やC/Dの際のLNGのスプレーによる影響についても、熱力学に基づく伝熱計算により熱量の収支として取扱い、気象予報31から得られる定常的な入熱の情報と併せて、統一的にモデル化する。
 図3は、本実施の形態における熱力学に基づく伝熱と二相流の計算モデル(伝熱・二相流計算モデル13)の概念の例を模式的に示した図である。図中では、LNG船においてLNGを収納するタンク60(図3の例では球形タンクとしている)の部分を、船首と船尾を結ぶ線に垂直な面での断面図により示している。
 タンク60は、LNG65の極低温にも耐えられるアルミ合金や鋼材等により形成されたタンク本体61を有する。タンク本体61は、頂上に配管や出入口のためのタンクドーム62を有し、また、球形全体が断熱材としてのポリウレタンフォーム63により覆われている。そして、船体50の上部に露出した部分は金属等により形成されたタンクカバー64により覆われている。タンク本体61内は、ヒールとしてのLNG65と、LNG65が気化したBOG66および空気により満たされている。
 船体50から独立した構造の球形のタンク本体61は、熱の侵入を少なくするため、船体50に対してスカート52等の構造によりタンク本体61の赤道付近のみが接する形で支持されており、船体50とタンク本体61との間の空間はカーゴホールド51となっている。C/Dのオペレーションが行われるのは、基本的には積地に向かうときの航海においてであり、図3の例では、タンク60内にはC/Dのために残しておいたヒールとしてのLNG65が収容されている一方、カーゴホールド51は空間であることを示している。
 本実施の形態では、タンク60に与えられた入熱が、LNG65がBOG66に気化する際の潜熱として全て用いられるものと仮定する。すなわち、図3の例では、タンク60に与えられた入熱をQin、気化に使われた熱量をQevとすると、
  Qin=Qev
であると仮定する。
 ここで、Qinを構成すると考えられる熱量としては、例えば、日照による熱量(Qin1)、タンク60の各層の構造(タンク本体61やポリウレタンフォーム63、タンクカバー64等)から与えられる熱量(Qin2やQin3等)、LNG65から与えられる熱量(Qconv1)、船体動揺に伴うLNG65の液体動揺・撹拌により与えられる熱量(Qmoti)、およびC/Dの際のスプレーにより与えられる(奪われる)熱量(Qspray)等がある。
 これらのうち、例えば、Qin1、Qin2、Qin3、Qconv1等については、タンク60や付近の各場所において実際に測定された温度(例えば、Tair、TLNG、Tvap、T、T、T等)の差に基づいて計算することができる。さらに、本実施の形態では、液体動揺に伴うQmotiについても、温度差(例えば、TとTLNG)に基づいて計算するものとする。これにより、船体動揺(液体動揺)に伴うLNG65の相や組成等の変化を、熱量の移動量から求めることができる。
 スプレーに伴うQsprayについては、例えば、スプレーしたLNG65の質量流量に基づいて計算することができる。Qevについても同様に、例えば、BOG66の資料流量に基づいて計算することができる。
 以上のような計算において、未知のパラメータはタンク本体61内の温度変化ΔTのみであることから、複雑な計算処理を要さずにこれを求めることができることが分かる。
 以上に説明したように、本発明の実施の形態2であるタンク状態推定方法によれば、船体動揺やC/Dの際のLNGのスプレーによる影響を、熱力学に基づく伝熱計算によってモデル化することで、線形計算によりタンク状態43を計算することができる。これにより、船体動揺やC/Dの際のLNGのスプレーによる影響を考慮しつつ、短時間・低負荷で必要十分な精度でタンク状態43を推定することが可能である。
 以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、上記の実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
 また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部または全部を、例えば、集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリやハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の記録装置、またはICカード、SDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。
 本発明は、LNGを貨物として輸送するLNG船のタンクに適用されるタンク状態推定プログラムおよびタンク状態推定方法に利用可能である。
11…熱力学気液平衡モデル、12…非線形化学プロセスモデル、13…伝熱・二相流計算モデル、
21…タンク初期状態、22…タンク諸元、
31…気象予報、32…船体動揺、33…C/D計画、
41、42、43…タンク状態、
50…船体、51…カーゴホールド、52…スカート、
60…タンク、61…タンク本体、62…タンクドーム、63…ポリウレタンフォーム、64…タンクカバー、65…LNG、66…BOG

Claims (7)

  1.  タンクに収容されたLNGを貨物とするLNG船の航路上の所定の時点における前記タンク内の状態を推定するタンク状態推定方法であって、
     前記タンクの諸元に係る情報を取得する第1工程と、
     前記航路上の対象の区間の始点における前記タンク内の状態に係る情報を取得する第2工程と、
     前記区間の気象予報値、および前記気象予報値の情報に基づいて求められた、前記区間における前記タンク内のLNGの液体動揺予測値の情報を取得する第3工程と、
     前記第1~第3工程で取得した情報に基づいて、熱力学に基づく伝熱計算によって、前記区間における前記タンクへの入熱が前記タンク内のLNGの気化に用いられたものとして、前記区間の終点における前記タンク内の状態を計算する第4工程と、を実行する、タンク状態推定方法。
  2.  請求項1に記載のタンク状態推定方法において、
     前記第2工程において取得する前記タンク内の状態に係る情報は、前記区間の始点における実測値、もしくは前記航路上における前記区間の前区間に対して前記第4工程において計算された、前記前区間の終点における計算値である、タンク状態推定方法。
  3.  請求項1に記載のタンク状態推定方法において、
     前記タンクの諸元に係る情報には、前記タンクの形状、寸法、および物性の情報の少なくとも1つ以上を含む、タンク状態推定方法。
  4.  請求項1に記載のタンク状態推定方法において、
     前記タンク内の状態に係る情報には、前記タンク内のLNGの組成に係る情報、前記タンク内の温度、および圧力の少なくとも1つ以上を含む、タンク状態推定方法。
  5.  請求項1に記載のタンク状態推定方法において、
     さらに、前記タンク内にLNGをスプレーして冷却するクールダウンの計画に係る情報を取得する第5工程を有し、
     前記第4工程では、前記第1~第3工程で取得した情報に加えて、前記第5工程で取得した情報に基づいて前記タンク内の状態を計算する、タンク状態推定方法。
  6.  請求項1に記載のタンク状態推定方法において、
     前記第3工程では、前記区間における前記気象予報値の情報に基づいて、前記区間における前記LNG船の船体動揺予測値を計算し、前記船体動揺予測値の情報に基づいて、前記区間における前記液体動揺予測値を計算する、タンク状態推定方法。
  7.  タンクに収容されたLNGを貨物とするLNG船の航路上の所定の時点における前記タンク内の状態を推定する処理をコンピュータに実行させるタンク状態推定プログラムであって、
     前記タンクの諸元に係る情報を取得する第1処理と、
     前記航路上の対象の区間の始点における前記タンク内の状態に係る情報を取得する第2処理と、
     前記区間の気象予報値、および前記気象予報値の情報に基づいて求められた、前記区間における前記タンク内のLNGの液体動揺予測値の情報を取得する第3処理と、
     前記第1~第3処理で取得した情報に基づいて、熱力学に基づく伝熱計算によって、前記区間における前記タンクへの入熱が前記タンク内のLNGの気化に用いられたものとして、前記区間の終点における前記タンク内の状態を計算する第4処理と、をコンピュータに実行させる、タンク状態推定プログラム。
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