三菱重工技報 Vol.49 No.1 (2012) 新製品・新技術特集

技 術 論 文13

次世代球形タンク方式 LNG 船 155km3 型“さやえんどう”
155km3 SAYAENDO- New Generation LNGC with Continuous Integrated Tank Cover 平 松 彩 *1

津 村 健 司 *2

Sai Hiramatsu

Kenji Tsumura

高 田 龍 祐 *3

石 田 聡 成 *2

Ryusuke Takada

Toshinari Ishida

平 岡 和 芳 *2
Kazuyoshi Hiraoka

次世代型汎用型 LNG（液化天然ガス）運搬船として，タンク構造の信頼性の高さや，耐スロッシング性などの球形タンク方式の長所をいかし，さらに進化させた LNG 船として連続タンクカバーと船体の一体化構造である 155km3 型“さやえんどう”を開発し，受注に至った．タンクを船体と一体化した連続カバーで覆うことで船全体の構造を効率化し，軽量・コンパクト化を実現．さらに高効率化を行ったタービンプラント UST を推進機関に採用することで大幅に燃費を改善し，経済性を向上．メンテナンス性やターミナルへの適合性，環境性能も高めたので，これを紹介する．

|1. はじめに“さやえんどう”の名称は，連続したカバー（さや）の中に，球形タンク（まめ）を納め，さやえんどうに似た外観を持つことに由来する．これまでの球形タンク方式では，船体甲板上に突出したタンクそれぞれの上半球部分を半球状のカバーで覆い，下半球部分をスカートと呼ばれる円筒形の構造で支持しているのに対し，球形タンクを船体と一体構造の連続カバーで覆うことにより，船体の全体強度を確保しながら軽量化を実現．さらに主機関には再熱サイクルを利用することで熱エネルギー効率を高めた新型のタービンプラント“MHI Ultra Steam Turbine Plant（UST：再熱式蒸気タービンプラント）”を採用．燃費は推進性能の改善を含め，従来船比 20％以上の低減を可能とした．また従来の方式ではタンク頂上の配管，電線，通路を複雑な構造で支えていたが，それらの構造を不要にできるため，メンテナンス性も大きく向上する．
連続カバーは，推進上抵抗となる風圧力を大幅に軽減し，実運航上の燃費低減にも寄与する．

|2. 155km3 型さやえんどう LNG 船の特徴
2.1 主要技術と開発コンセプト
155km3 型“さやえんどう”は，主要技術として，連続カバー，ストレッチタンク，UST 推進プラントを採用しており，長期運航における経済性や，運航柔軟性，及び環境性能を従来船に比較し大きく高めることを狙って開発された最新船型である．以下にその特徴について述べる．

2.2 運航経済性改善(1) 軽量かつコンパクトな船体
これまでの球形タンク方式の半球状のカバーは，全体強度への寄与分が少なく，カバー以外の主要船体にて船体の全体強度を確保していた．155km3 型“さやえんどう”は球形タンク４基を，連続したカバーで覆うことにより，タンクカバーを船体の全体強度に大きく寄与させ，強度を確保しながら軽量化を実現している．また，それにより従来より船の深さを小さくすることも可能としている（図１）．従来の 147km3 型との主寸法の比較を表１に示す．
*1 船舶・海洋事業本部船海技術総括部グループ長*3 船舶・海洋事業本部船海技術総括部長崎船海技術部*2 船舶・海洋事業本部船海技術総括部長崎船海技術部主席技師

三菱重工技報 Vol.49 No.1 (2012)14(2) ストレッチタンクの採用による貨物容積増量
球形タンクの直径を維持したまま，上方にタンクを延長するストレッチタンクを採用することにより，船幅を抑えたまま，147km3 型から 8 000m3 の貨物容積増加を図っている．これにより，後述の新パナマ幅制限を満足しつつ貨物容積を増加させることが可能となっている（図２）．

図１ 従来型カバーと連続タンクカバーの比較
表１ 従来型 147km3 船との主要目比較
従来型 147km3
さやえんどう 155km3
球形タンクカバー船
連続カバー船LNG タンク方式 球形タンク（４球）
球形タンク（４球）
貨物容積 (m3)
約 147 200
約 155 300
全長(m)288288型幅(m)49.048.94型深さ(m)26.8
26.0型喫水(m)
11.27
11.55
載貨重量 (t)
約 71 300
約 75 000
船速(kt)
約 19.5
約 19.5
主機

在来型タービンUST

図２ ストレッチタンクによる貨物容積増加(3) 低燃費
船体の軽量化や推進性能改善，連続カバーによる正面風圧抵抗低減，高効率推進プラント
である UST の採用により，大幅な燃費低減を達成した．UST は燃料選択（ガス，油の比率）についても柔軟性があり，それぞれの価格変動に対して経済的な対応が可能となっている．
(4) 低ボイルオフレート（BOR）
LNG 貨物への侵入熱によって生じる自然発生ガス（ボイルオフガス：BOG）を，球形タンクの特質をいかした防熱厚さの変更により，運航に最適な BOR を選択することが可能となっている．従来の 0.15％/d に対し，近年採用が増えている 0.10％/d をさらに下回る 0.080％/d も達成可能としている．
(5) メンテナンス費用の削減
従来の半球のタンクカバー方式ではタンク頂上の配管，電線，通路を複雑な構造で支えていたが，連続カバーでは，それらの構造を不要にできるため，メンテナンス性を大きく向上させることができた．

2.3 良好なターミナル適合性(1) 汎用性の高い貨物容積
貨物容積は大型化するほど，単位荷物あたりの運航コストは減少し，経済性は高まるが，受入れ基地でのタンク容量等の制限から，あまり大型化するとオペレーション上の制限となる場合がある．155km3 という貨物容量は，世界的にも汎用性の高い容量と考えられる．
(2) 147km3 型並みのコンパクトな主寸法
連続カバー，ストレッチタンクの採用により，147km3 型並みの主寸法を達成しており，良好なターミナルの適合性を確保している．また，2014 年に拡張工事の完了が予定されているパナマ運河を通れる最大船型（長さ 366ｍ，幅 49ｍ，喫水 15.2ｍ）に対応した主寸法となっている．

三菱重工技報 Vol.49 No.1 (2012)152.4 親環境性能
新船型による推進性能改善，風圧抵抗低減，UST プラントによる燃費低減により，実航海において従来の 147km3 型船に比較し，単位荷物あたり約 25％の CO2 削減が期待できる（図３）．
また，UST 採用により，低 NOx，低 SOｘ対応の推進プラントとなっている．

図３ 単位荷物当たりの CO2 削減|3. 配置及び構造について
3.1 配置本船の全体配置を図４に示す．本船の特徴的な配置は以下のとおり．

図４ 全体配置図

４個のカーゴタンクを連続したカバーで覆い，内部はタンクごとに４つのホールドに分割している．貨物受入れ，払出し部は，２番目と３番目のホールド間に，カバーを切り欠くように設置．貨物
配管，電線類はカバートップ平坦部に配置され，アクセス性とメンテナンス性が向上した．さらに貨物機器室は３番目と４番目のホールド間のカバー内に独立区画として組み込まれており，カバートップ平坦部のフリースペース確保に寄与している．
“さやえんどう”の配置の新規性について，主に配置設計上の安全性の観点から主要船級協会と協議を行い，LR/DNV/NK/ABS/BV の各船級協会より AIP(Approval In Principal)を取得した．

3.2 構造配置，構造強度155km3 型”さやえんどう”の船体構造設計は，基本的には 165km3 型プロトタイプ船(1)を踏襲している．155km3 型”さやえんどう”の設計において特筆すべき点を示す．
(1) 構造配置設計
ターミナル整合性などを考慮して型深さは 26m としており，従来の 147km3 型と同様に船首から機関室までの高さを同一としている．船幅は従来船から若干小さくなっているが，二重船側の幅は従来船以上としており，十分な強度を確保している．また，連続カバーの前後端は大型ブラケット構造にて船体に接続することにより十分な構造信頼性を確保している．

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連続カバーの採用により船体縦曲げ変形の中性軸が従来船から高くなるが，従来船同様にカーゴタンクのスカート下端高さを中性軸近傍に合わせ，スカート構造が船体撓みから受ける影響を最小化している．
(2） 強度，疲労設計
当社開発の構造解析プログラム MHI-DILAM(2)を適用し，波浪荷重・構造応答一貫シミュレーションを行った．連続カバーを含めた全船モデルを用いて，設計規則波を用いた降伏座屈強度評価，スペクトル解析を用いた疲労強度評価により，船体や連続カバーについて十分な構造信頼性を確保できることを確認している（図５）．
また連続カバーの採用により船体縦曲げ強度が従来船よりも向上しており，連続カバートップや船底ロンジにおける縦曲げ変動応力が従来船と比べて各々10％，30％程度低減し，疲労設計への信頼性を向上させている．
カーゴタンクやタンク支持構造であるスカート，両者の接続部に当たる赤道材については有限要素モデルを用いた応力・座屈強度検証，疲労強度検証を行っている（図６）．
(3) 防振設計
連続カバーは従来船にない新規構造であり，上部構造やカーゴタンク内にあるパイプタワーについてもストレッチタンク採用に伴い従来船と比べて長くなっている．これら構造については，全船振動解析による固有値・応答評価を行い，問題ない振動レベルであることを確認している．

図５ MHI-DILAM による構造検証

図６ 軸対象ソリッドモデルによる応力評価（赤道部）|4. 推進性能及び推進プラントについて
4.1 推進性能改善船体軽量化のメリットをいかし，最新の CFD 技術を駆使して，減速航行時を含め幅広い運航速力にて推進性能の良好な船型を開発し，さらに，LNG 船用に改良した三菱リアクションフィンを採用して高性能を実現している．また，風洞試験により，正面風圧抵抗を従来型から約 20％～40％削減できることが確認され，実航海において３～４％の燃費低減が期待できるため，従来の147000m3 型と比較し，同一船速単位荷物あたり 10％以上の推進馬力低減が可能となった．

4.2 推進プラント
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る UST（ウルトラスチームタービン）を採用し，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（ガス，油）選択の自由度（100％ガス，又は油，若しくは任意の混合比率）にも問題はない．さらに低負荷まで抽気が可能なプラント構成を採用

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17するなど，減速運航のプラント効率に主眼をおいた設計としており，デイーゼルプラントと比較しても減速時の効率に遜色はなく，全域で運用採算性の最も高いプラントとなっている．また，環境性能も高く，減速航行とガス専焼を組み合わせることで CO2 の排出レベルは半減できる．またタービン船の NOｘの排出レベルは，もともと Tier III 規制値以下であり，低硫黄燃料規制対応のマリンガスオイル使用も問題ない．さらに，将来の低硫黄燃料規制を考慮して燃料ガス供給システムの見直しを行い，港内運航時を含む全域での 100％ガス焚を可能としている．

4.3 低ボイルオフガスレート（BOR）対応，低速時燃費改善
LNG 船は不可避的に貨物からボイルオフガス（BOG）が発生する．通常は推進プラントにて燃料として消費しているが，推進プラントの効率が良い場合や，低速時航行をする場合は，BOG が余る現象が発生し，ボイラ，ガス焼却装置などで廃棄処理する必要がある．球形タンク方式は，防熱厚さを増加させることにより，ガス発生率（BOR）を押さえることが容易であり，高効率プラントと，運航形態に最適な BOR を任意に選択可能である．本船も，一般的な BOR0.15％/d に対し，近年採用が増えている 0.10％/d をさらに下回る 0.080％/d 仕様の防熱も可能としている． 船速と余剰BOG の関係を図７に示す．

図７ 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，船速をパラメータとして表し，余剰 BOG の発生する領域を示した．

|5. その他の技術検討
5.1 風洞試験“さやえんどう”は，従来の球形タンク船と船体形状が異なるので，風圧力に関してその差を正確に評価するため，詳細模型による風洞試験を実施した．その結果，正面（β=0°）からの風に対しては連続カバー効果により大幅な抵抗低減となり，真横から受風した場合(β=90°)はほぼ従来型と同等の風圧力係数となった．風洞試験に関しては，当社の試験のみならず，第三者研究機関（KRYLOV）にても独自に実施し，その差を確認している（図８）．

5.2 操縦性シミュレーション，係留検討
LNG 船の港内操船性は，安全運航上 LNG 船における主要性能の一つとして挙げられる．“さやえんどう”は従来型タンクカバー船に比べ風圧面積が増加するため，詳細な検証を実施した．
より厳密に操船性の検証を行うため，操船性に関しては，第三者に評価してもらうため，(株)日本海洋科学にシミュレーションを依頼し，風洞試験で確認した風圧力特性及び潮流の影響を加味した状況で，船長経験者による操船シミュレーターを用いた操船評価や，自動操船による回頭シミュレーション，強風下直進操船シミュレーションを実施した．その結果，従来型タンクカバーと同等の操船性を有していることを確認した．シミュレーションの状況を図９に示す．
ターミナルにおける係船配置についても，本船の風圧力特性を反映した検討を実施し，本船に適した係船配置を確立している．

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図９ 操船シミュレーションの例

図８ 風洞試験の実施|6. まとめ
現在，国際海上輸送においても省エネ・地球温暖化抑制に向けた取組みが強く求められており，日本の造船業界でも環境性能を高めたエコシップの開発が活発化している．本論文では，球形タンク方式の信頼性をいかした，連続カバーと船体の構造一体化を中心として，船型開発や構造解析技術，高効率タービンプラントなどの当社の持つ最先端の技術を駆使して開発された155km3 型“さやえんどう”船型を紹介した． 本船型は，種々の技術的評価により環境性能を含めたその利点が確認され，実用化，受注に至っている．今後もエコシップを船舶・海洋事業で進める高付加価値化の重点製品と位置づけ，ラインアップの拡充を推進し，エコシップの開発と顧客拡大をさらに積極化していく．

参考文献(1) 平松 彩ほか，連続カバー構造を採用した大型球形タンク方式 LNG 船，三菱重工技報 Vol.47 No.3
(2010-7) p.26～p.30(2) 佐藤 宏一ほか，最先端構造解析プログラム MHI-DILAM，三菱重工技報 Vol.47 No.3 (2010-7) p.92～p.98