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LPG 燃料の使用に伴う機関室における漏洩ガスの換気シミュレーション
海洋リスク評価系＊木村

1．はじめに新太、工藤潤一、柚井智洋、伊藤博子、岡秀行

2．3 評価シナリオ

液化石油ガス（LPG）は，船舶の燃料に関する環境規制に準本シミュレーションでは，IGF コードにおいて規定される拠した有望な代替燃料の 1 つであるとされている．一方，LPG「ガス安全機関区域」を適用しているものとする．すなわち，の主成分であるプロパンは空気よりも分子量が大きいため， 燃料配管は内管の損傷が発生しても直ちに外部へ燃料が漏漏洩すると床に滞留しやすく，漏洩に伴う火災事故が懸念されないよう二重管構造となっている．ゆえに，内管と外管がれる．本研究では，数値流体力学（CFD）モデルを用いて，機同時に損傷する事象の発生頻度は極めて低くなることが予関室内に燃料が漏洩した場合における換気解析を行った．機

想されるが，着火した場合の影響は深刻になる可能性が高

関室内での滞留の様子を確認するとともに，CFD と単純な完く，ワーストケースのひとつとして考えることができる．本

全混合モデルによって計算されたエンジンルーム内のプロシミュレーションでは，内管と外管が同時に損傷した場合をパンの平均濃度の時間変化の比較を行い，漏洩源の直径，漏想定して，漏洩した燃料ガスが機関室内でどのような拡散挙れるガスの温度および換気ダクトの方向の 3 つのパラメータ動を示すか把握する．

が換気効率に及ぼす影響について考察した．

漏洩源は，シリンダーヘッド付近から，少量漏洩となる流出穴直径 2 mm，および比較的深刻な損傷のケースとなる穴直2．シミュレーション方法

径 10 mm のピンホールからの漏洩とし，配管内の流体は 20Bar-G の圧力で流れているものとした．プロパンの放出速度

2．1 計算コード
シミュレーションに使用した数値計算コードとして，米国については，別途 DNVGL の影響解析ソフトウェア Phast を用

NIST が開発した Fire Dynamics Simulator（以降 FDS と略

いて，放出する気相状態のプロパンの温度が 20 ℃と-す）[1] のバージョン 6.5.3 を用いた．機関室内温度は 20 ℃

42.04 ℃のときの質量流量を求め，これを流出面の境界条件とし，サブグリッドスケールモデルには FDS のデフォルトでとして与えることとした．これに加えて，換気方法の影響をある Deardorff モデルを用いた．なお，その他のパラメータ調べるため換気ダクトの向きについて床にむかって鉛直下については FDS のデフォルトのまま解析を実施した．

向きと，エンジンに向かって水平方向に換気風が吹き出されるよう設定した．なお，本シミュレーションでは高温のエンジン表面からの熱の影響を含めていない．換気風量は，IGF コ

2．2 評価対象船舶
評価対象船舶は，ディーゼルエンジンを主機とする従来船ードに規定されている 1 時間あたり 30 回の換気回数を満足型のバルクキャリアを対象とした，その要目を表 1 に示した． するよう，その値を決定した．
本解析においては，代替燃料の使用に伴うレイアウトの変更等を考慮していない．本解析では，Stefanidis 氏が公開している機関室の CAD データ[2] を，本人から使用許可を受けて3．数値シミュレーションの結果と考察
3．1 換気流場の計算結果利用した．FDS は構造格子しか扱えないため，格子幅をｘ, y,これより，機関室をファンネル等のある上部の A ゾーン，z 方向に対して 0.2 m の等間隔に設定した．なお，総格子数

燃料ガスの漏洩源である燃料配管等がある B ゾーン，クランは約 660 万セルであった．

クケースやクランクシャフトがある C ゾーンの 3 つのゾーンに分けて議論する．図 1 に船体中央を通る断面における気流

表 1 評価対象船舶の要目の様子を示す．よどんでいる領域を可視化するため，コンタ

DWT

176000 Tーの最大値を 3 m/s に設定しているが，実際には最大 11 m/s

LBP

280.00 mの気流速度が得られている．換気風が合流する A ゾーンは最BM

45.00 m大 11 m/s，漏洩源がある B ゾーンでは概ね 1～2 m/s，C ゾー

THB

9.00 m

TFL

18.00 mMinimun Power Line

15000 kWInstalled Power

17000 kW (+13.3%)

ンでは 0.3 m/s(水平)，0.3～0.6 m/s(下向き)となった．これより，換気ダクトの向きによって滞留性に違いが現れることが予想される．

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3．2 ガス拡散計算結果
図 2 に，流出穴径 10 mm，換気ダクトが下向きのときのプロパンガスの体積濃度分布を示す．低温ガスの流出の場合，C ゾーンにおいて燃焼範囲(0.021～0.095)の可燃性混合気が滞留していることから，常温流出より密度が高い低温流出ではより滞留しやすくなる可能性があることが示唆された．次に，図 3 に換気ダクトが水平方向の場合のプロパンガスの体積濃度分布を示す．この場合においても，低温流出条件において，C ゾーンにも広く燃焼範囲の可燃性混合気が滞留している様子が確認された．また，換気ダクトが下向きの条件よりも水平方向の場合のほうがより高濃度のプロパンガスが滞留していることから，換気方法によってもプロパンガスの滞留性状に大きく影響を及ぼすことが示唆された．

(a) 常温(b) 低温図 2 断面 A におけるプロパンガスの体積濃度分布(下向き)(a) 下向き(b) 水平方向

図 1 断面 A における気流速度の絶対値の分布(a) 常温(b) 低温

図 3 断面 A におけるプロパンガスの体積濃度分布(水平方向)

3．3 換気効率評価
図 4 に，室内空調分野において用いられる簡便な完全混合モデルと本数値シミュレーションから算出される，機関室内のプロパンガスの平均濃度の時間変化の一例を示す．これより，換気ダクトが下向きのほうが完全混合モデルの結果に最も近く，より効率的に換気が行われていることが分かる．一方，低温流出かつ水平方向の換気ダクトの向きの場合において最もプロパンガスの平均濃度が高く，十分な換気効率が得られていないことが示された．流出穴径 2 mm の条件でも同様の傾向が得られている．現行規則では，換気回数のみが規定されており，詳細な換気流設計は設計者に委ねられる．し
たがって，数値シミュレーション手法を用いて実質的な換気
図 4 機関室内のプロパンガスの平均体積濃度の推移効率の評価を行うことは，換気流設計において非常に有効で(流出穴径 10mm の場合)あるといえる．

参考文献
4．おわりに数値シミュレーションによる LPG 燃料漏洩時におけるガス

1) FDS-SMV：https://pages.nist.gov/fds-smv/
2)

F.

Stefanidis ： BulkCarrier

EngineRoom,拡散，換気解析を行った結果，漏洩ガス流出穴径，ガス温度， https://grabcad.com/fotios.stefanidis-1
換気ダクトの向きが換気効率に大きく影響を及ぼすことが3) 木村新太, 工藤潤一, 柚井智洋, 伊藤博子, 岡秀行：代明らかとなった．なお，本解析結果の詳細については，参考

替燃料船における漏洩ガスの換気シミュレーション, 日本

文献 3 を参照されたい．

マリンエンジニアリング学会誌, 第 56 巻 4 号予定(2021).

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