KR101280185B1 - 보일러 스팀을 이용한 액화천연가스 직접 기화 방식의 연료가스 공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보일러 스팀을 이용한 액화천연가스 직접 기화 방식의 연료가스 공급장치에 관한 것이다. 본 발명의 연료가스 공급장치는, LNG 탱크(20)로부터 엔진(10)까지 연결되는 연료가스 공급라인(L1); 상기 연료가스 공급라인(L1)의 도중에 설치되어 LNG 탱크(20)로부터 LNG를 펌핑하여 엔진(10) 측으로 보내는 공급 펌프(22); 상기 공급 펌프(22)와 엔진(10) 사이의 연료가스 공급라인(L1) 상에 설치되어 LNG를 기화시키는 기화기(23); 난방용 또는 발전용 스팀을 생산하는 보일러(30); 및 상기 보일러(30)에서 생성된 스팀이 상기 기화기(23)를 순환하도록 설치되어, 상기 기화기(23) 내에서 LNG와 열교환하여 LNG를 기화시키도록 하는 스팀 순환라인(34)을 포함한다. 이러한 본 발명은 엔진에 공급할 LNG를 기화시키기 위한 열원을 별도의 가열 장치를 통해 공급하는 대신에 보일러에서 생산된 스팀으로부터 얻도록 함으로써, 시스템 유지비용을 절감하고 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

Description

보일러 스팀을 이용한 액화천연가스 직접 기화 방식의 연료가스 공급장치{FUEL GAS SUPPLY SYSTEM OF THE DIRECT HEAT EXCHANGE FORM USING BOILER STEAM}

본 발명은 LNG를 엔진의 연료로서 사용하는 선박, 해상 부유구조물, 또는 육상 발전설비의 연료가스 공급장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔진에 공급할 LNG를 기화시키기 위한 열원을 별도의 가열 장치를 통해 공급하는 대신에 보일러에서 생산된 스팀으로부터 얻도록 함으로써, 시스템 유지비용을 절감하고 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있도록 한 보일러 스팀을 이용한 액화천연가스 직접 기화 방식의 연료가스 공급장치에 관한 것이다.

LNG(액화천연가스: Liquefied Natural Gas)를 취급(저장, 운반)하는 선박(예; LNG 수송선), 해상 부유구조물(예; 해상 가스 저장 설비(FSRU, Floating Storage Regasification Unit) 등), 또는 육상 발전설비에는 LNG 탱크에 저장된 LNG를 기화시켜 기관동력으로 활용을 극대화하기 위한 일련의 기화설비가 구비된다.

근래 LNG 운반선의 경우는 스팀구동에 따른 터빈기관보다는 오히려 디젤기관을 적용하고 있는 추세이므로, LNG 탱크의 내부에서 발생한 기화가스를 회수하여 LNG로 재액화시킨 다음 이를 다시 LNG 탱크로 보내는 재액화장치가 LNG 운반선에 적용되고 있다.

그러나 이러한 재액화장치는 기화가스의 재액화에 따른 이점보다 재액화장치의 설비 및 운전에 따른 경비의 지출이 훨씬 큰 불합리한 문제점이 있다.

이러한 상황에서, 최근에 들어서는 LNG를 디젤기관의 주연료가 되는 중유와 함께 엔진의 보조 연료로서 교대로 사용할 수 있도록 한 이중(또는 이종)연료 엔진(Dual Fuel Engine)이 사용되고 있다. 이러한 이중 연료 엔진은, 두 가지 연소 모드를 가진다. 두 가지 연소 모드의 일례로서, 디젤 연료 모드에서 주연료(예; Heavy Fuel Oil, Marine Diesel Oil)를 분사하기 전에 보조연료(예; Marine Diesel Oil, Marine Gas Oil)를 분사하여 연소실의 연소환경을 개선하여 매연, NOx 개선 및 연소 성능을 향상시키고 있다. 또한, 가스 연료 모드에서는 연료 분사량 조절 장치(governor)의 조정으로 보조 연료만을 분사하여 가스 유입 밸브(gas admission valve)를 통해 유입된 가스 연료의 안정적인 점화를 도모할 수 있다.

이와 더불어, LNG 가스연료를 주연료로서 고압 분사하여 연소시켜 추진용 기관이나 메인 기관으로 사용하는 엔진(예; MAN Diesel & Turbo사의 ME-GI 엔진)이 개발됨으로써, LNG에 대한 연료화가 다시금 부각되고 있다.

도 1은 종래 LNG 가스를 연료로서 사용하는 엔진 및 기화가스 공급 장치의 구성을 보인 계통도이다.

종래 기화가스 공급 장치는, LNG 탱크(2)와, LNG 공급용 펌프(3), 기화기(4), 가열장치(5), 및 열교환매개체 공급용 펌프(7)를 포함하여 이루어진다.

구체적으로, LNG 탱크(2)와 엔진(1) 사이의 연료가스 공급라인에는 LNG 탱크(2)에 저장된 LNG를 펌핑하는 공급 펌프(3)와, 공급 펌프(4)로부터 공급되는 연료를 기화시켜 엔진(1)으로 보내는 기화기(4)가 설치된다. 또한, 기화기(4)에는 별도의 열교환 매체 순환라인(6)이 설치되고, 열교환 매체 순환라인(6) 상에는 가열장치(5)와 열교환 매체 공급용 펌프(7)가 설치된다. 가열장치(5)에서 일정 온도로 가열된 열교환 매체는 공급용 펌프(7)에 의해 기화기(4)로 들어가서 기화기(4)를 지나는 LNG와 열교환 한 다음, 다시 가열장치(5)로 순환하게 된다. 결국, 기화기(4) 내에서는 열교환 매체와 LNG 간의 열교환을 통해 LNG를 기화시키고, 이렇게 기화된 LNG는 엔진(1)의 연료로서 공급된다.

하지만, 이러한 종래 기화가스 공급장치는 다음과 같은 문제점이 있다.

먼저, LNG를 기화시키기 위하여 열교환 매체의 가열원인 가열장치(5)를 추가로 필요로 하기 때문에, 엔진(1)으로부터 생성된 동력 에너지의 일부가 다시 열교환 매체를 가열시키는 가열장치(5)에 소모됨으로써 실질적으로 전체 동력 시스템의 에너지 측면을 고려하면 큰 효율을 기대할 수가 없다.

또한, LNG를 기화시키기 위한 가열장치(5)와 기화기(4)의 요건을 만족하기 위해서는 기화기(4), 가열장치(5) 등의 설비 및 엔진(1) 설비의 대형화가 필요하게 되어 시스템의 유지비용이 증가하는 결과를 초래하게 된다.

또한, LNG에 기화열을 제공하기 위해 열교환 매체 순환라인(6)을 순환하는 열교환 매체로서는 글리콜 워터라고 불리는 부동액의 일종인 에틸렌글리콜(Ethylene Glycol)이 주로 사용된다. 이러한 에틸렌글리콜은 분자량 62.07, 녹는점 －12.6 ℃, 끓는점 197.7 ℃, 비중 1.1131을 가지는 점도가 큰 무색 액체로서, 이는 비교적 녹는점이 낮음에도 고압 및 극저온(대략 -163℃) 상태로 액화된 LNG와 열교환 과정에서 결빙되는 현상이 발생할 수 있다. 특히, 가열장치(5)에 고장이 발생하기라도 하면 LNG의 낮은 온도로 인하여 열교환 매체 순환라인(6)의 배관뿐만 아니라 주위 기화설비가 결빙되거나 결빙에 의해 파손되는 등의 큰 위험이 초래될 염려가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은, 선박, 해상부유구조물 또는 발전 플랜트 등에서 난방이나 터빈 발전기 구동용으로 설치된 보일러에서 생산된 스팀이 지닌 열에너지를 LNG를 기화시키기 위한 열원으로 직접 활용함으로써, 엔진에서 생성되는 동력의 손실을 방지하고, 열교환 매체의 가열을 위한 가열장치의 추가설치를 배제하며, 그에 따라 전체 동력 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 보일러 스팀을 이용한 액화천연가스 직접 기화 방식의 연료가스 공급장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, LNG 기화가스가 엔진으로 유입되기 전에 온도를 검출하여 기화기를 순환하는 스팀 유량을 제어함으로써 LNG 기화가스를 연소에 필요한 최적의 온도로 조절할 수 있도록 하여 엔진 성능을 향상시키도록 하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 보일러 스팀을 이용한 액화천연가스 직접 기화 방식의 연료가스 공급장치는, LNG 탱크로부터 엔진까지 연결되는 연료가스 공급라인; 상기 연료가스 공급라인의 도중에 설치되어 LNG 탱크로부터 LNG를 펌핑하여 엔진 측으로 보내는 공급 펌프; 상기 공급 펌프와 엔진 사이의 연료가스 공급라인 상에 설치되어 LNG를 기화시키는 기화기; 난방용 또는 발전용 스팀을 생산하는 보일러; 및 상기 보일러에서 생성된 스팀이 상기 기화기를 순환하도록 설치되어, 상기 기화기 내에서 LNG와 열교환하여 LNG를 기화시키도록 하는 스팀 순환라인을 포함한다.

또한, 상기 스팀 순환 라인에 설치되어 기화기로 들어가는 스팀의 유량을 조절하도록 하는 유량조절밸브와, 상기 기화기와 엔진 사이의 연료가스 공급라인에 설치되어 내부의 연료가스의 온도를 검출하는 온도감지센서와, 상기 유량조절밸브 및 온도감지센서와 일련의 전기·신호 연결관계를 형성하여, 상기 온도감지센서로부터 출력되는 센싱 시그널을 전산처리하여 연료가스의 온도를 산출하고, 산출된 온도 값에 따라 상기 유량조절밸브의 개도를 조절하는 컨트롤러를 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 스팀 순환 라인 상에는, 스팀 순환 라인 내부의 스팀 압력이 설정압력 이상으로 상승하면 스팀을 배출시켜 압력을 조절하는 안전밸브를 더 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 LNG 탱크와 상기 공급 펌프 사이의 연료가스 공급라인 상에는, LNG를 일시 저장하고 자체 내압에 의하여 저장된 LNG를 배출하는 버퍼 탱크를 설치하는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명의 보일러 스팀을 이용한 액화천연가스 직접 기화 방식의 연료가스 공급장치에 의하면, 선박, 해상 부유구조물 또는 발전 플랜트 등에서 난방이나 터빈 발전기 구동용으로 설치된 보일러에서 생산된 스팀의 일부를 기화기로 순환시켜, 기화기를 통과하는 LNG와 열교환하여 기화시킴으로써, LNG의 기화를 위한 별도의 가열장치를 설치할 필요가 없게 된다. 따라서 본 발명에 의하면, 엔진의 동력 손실이 줄어들고, 전체 시스템의 효율이 향상된다.

또한, 본 발명의 보일러 스팀을 이용한 액화천연가스 직접 기화 방식의 연료가스 공급장치에 의하면, 엔진으로 유입되는 기화 가스의 온도를 온도감지센서에서 검출하여 기화기를 순환하는 스팀의 유량을 제어할 수 있음으로써, LNG 기화가스를 연소에 필요한 최적의 온도로 조절하여 엔진 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 기화가스 공급장치의 계통도이다.
도 2는 본 발명에 따른 보일러 스팀을 이용한 액화천연가스 직접 기화 방식의 연료가스 공급장치의 계통도이다.

이하, 첨부도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 2에는 본 발명에 따른 보일러 스팀을 이용한 액화천연가스 직접 기화 방식의 연료가스 공급장치의 계통도가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 보일러 스팀을 이용한 액화천연가스 직접 기화 방식의 연료가스 공급장치에서는, 선박, 해상부유구조물 또는 발전 플랜트 등에서 난방이나 터빈 발전기 구동용으로 설치되어 운용되고 있는 보일러의 스팀을 이용한다. 즉, 기존에 이미 설치되어 운용되는 보일러(30)의 스팀 라인을 분기하여 기화기(23)에서 열교환기를 이루도록 하여 보일러 스팀이 지닌 고온의 열을 LNG를 기화시키는 열원으로 활용함으로써, 별도의 가열 장치 없이 LNG를 기화시킬 수 있도록 한 것이다.

구체적으로 본 발명에 따른 보일러 스팀을 이용한 액화천연가스 직접 기화 방식의 연료가스 공급장치는, LNG 탱크(20)로부터 엔진(10)까지 연결되는 연료가스 공급라인(L1)과, 연료가스 공급라인(L1)의 도중에 설치되어 LNG 탱크(20)로부터 LNG를 펌핑하여 엔진(10) 측으로 보내는 공급 펌프(22)와, 공급 펌프(22)와 엔진(10) 사이의 연료가스 공급라인(L1) 상에 설치되어 LNG를 기화시키는 기화기(23)와, 기화기(23) 내에서 LNG와 열교환하여 LNG를 기화시키도록 하는 스팀 순환라인(34)을 포함한다.

따라서, 보일러(30)에서 인출한 스팀 순환라인(34)을 따라 스팀을 열교환기(23)로 유동시켜, 기화기(23)를 통과하는 LNG와 열교환하여 LNG를 기화시키게 된다.

또한, 본 발명은, 상기 스팀 순환 라인(34)에 설치되어 기화기(23)로 들어가는 스팀의 유량을 조절하도록 하는 유량조절밸브(32)와, 상기 기화기(23)와 엔진(10) 사이의 연료가스 공급라인(L1)에 설치되어 내부의 연료가스의 온도를 검출하는 온도감지센서(41)와, 상기 유량조절밸브(32) 및 온도감지센서(41)와 일련의 전기·신호 연결관계를 형성하여, 상기 온도감지센서(41)로부터 출력되는 센싱 시그널을 전산처리하여 연료가스의 온도를 산출하고, 산출된 온도 값에 따라 상기 유량조절밸브(32)의 개도를 조절하는 컨트롤러(40)를 포함한다.

요컨대, 기화기(23)에서 나온 LNG 기화가스는 엔진(10)으로 들어갈 때 항상 일정 온도(예; 45℃±10℃)를 유지할 것이 요구되는데, 이때 온도감지센서(41)를 통해 엔진(10)으로 유입되기 전의 기화가스의 온도를 검출하고, 해당 온도에 따라 유량조절밸브(32)의 개도를 조절하여, 기화기(23)로 들어가는 스팀의 유량이 조절되어 LNG 기화가스의 온도를 최적으로 제어할 수 있도록 함으로써, 엔진 성능 향상에 기여할 수 있다.

또한, 스팀 순환 라인(34) 상에는 안전밸브(33)가 설치된다. 안전밸브(33)는 안전압력으로 설정(세팅)되어 있으며, 스팀 순환 라인(34) 내부의 스팀 압력이 설정된 압력 이상으로 상승하는 경우 스팀을 배출시킴으로써 혹시 모를 위험에 대비한다.

또한, LNG 탱크(20)와 공급 펌프(22) 사이의 연료가스 공급라인(L1) 상에는, LNG를 일시 저장하고 자체 내압에 의하여 저장된 LNG를 배출하는 버퍼 탱크(21)가 설치된다.

버퍼 탱크(21)는 이른바 '석션 드럼(suction drum)'으로도 불리는 것으로서, LNG가 LNG 탱크(20)로부터 공급용 펌프(22)로 곧바로 펌핑되는 것이 아니라 버퍼 탱크(21)에 LNG를 임시로 저장한 다음, LNG가 안정된(일정한) 압력상태로 공급 펌프(22)에 공급될 수 있도록 한다.

만일 LNG 탱크(20) 내에 극저온(-163℃)으로 압축되어 있는 LNG를 곧바로 공급 펌프(22)로 공급하게 될 경우에는 LNG의 제어가 쉽지 않기 때문에 기화기(23)에 적정 압력과 용량의 LNG를 공급하기가 원활치 않다.

이러한 이유 때문에, LNG 탱크(20)와 공급 펌프(22) 사이에 버퍼 탱크(21)를 설치함으로써 항상 안정된 압력과 용량의 LNG가 공급 펌프(102)로 공급될 수 있게 한다.

도 2에 도시하지는 않았지만, 상기 버퍼 탱크(21)에는 내부로 유입되는 LNG의 저장압력, 저장용량을 조절할 수 있는 수단을 포함함으로써, LNG 공급용 펌프(102)를 향해 항상 일정한 압력과 용량의 LNG가 안정적으로 공급될 수 있게 할 수 있다.

예를 들어, 버퍼 탱크(21) 내의 저장압력 조절수단으로는, 압력 컨트롤러와, 압력 조절밸브 및 압력센서로 이루어질 수 있다. 압력 컨트롤러는 버퍼 탱크(21) 내에 위치한 압력센서로부터 압력정보를 제공받아 압력 조절밸브를 개폐시키며 버퍼 탱크(21) 내의 LNG 수위 상부에 위치하는 자연 기화가스를 LNG 탱크(20)로 회귀시키는 정도에 따라 버퍼 탱크(21) 내부의 압력을 소정의 압력으로 일정하게 유지할 수 있다.

버퍼 탱크(21)의 저장용량 조절수단으로는, 용량 컨트롤러와, 용량센서 및 용량 제어밸브로 이루어질 수 있다. 용량 컨트롤러는 버퍼 탱크(21) 내의 용량센서로부터 LNG의 용량(수위) 정보를 제공받아 용량 제어밸브를 개폐함으로써 LNG의 수위를 일정하게 유지할 수 있다.

이와 같이 이루어진 본 발명은, LNG 탱크(20)의 LNG는 버퍼 탱크(21)에 일시 저장된 후, 공급 펌프(22)의 구동에 의해 흡인되어 기화기(23)로 들어간다.

기화기(23)에는 보일러에서 발생한 스팀이 스팀 순환라인(34)을 따라 기화기 내부(23)를 경유하게 되며, 이로써 기화기(23) 내부를 지나는 LNG와 열교환하여 LNG를 기화시킨다.

기화기(23)를 지난 스팀은 계속하여 스팀 순환라인(34)을 따라 보일러(30)로 귀환되고, 기화기(23)에서 기화된 연료가스는 연료가스 공급라인(L1)을 따라 엔진(10)으로 공급된다.

엔진(10)으로 들어가는 연료가스의 온도는 온도감지센서(41)에 의해 센싱 되고, 이의 센싱 신호는 컨트롤러(40)에 인가된다. 컨트롤러(40)에서는 온도감지센서(41)로부터 입력되는 센싱 시그널을 전산처리하여 연료가스의 온도를 산출하여, 산출된 온도 값에 따라 유량조절밸브(32)의 개도를 조절하여 기화기(23)로 들어가는 스팀의 유량을 조절한다.

한편, 본 발명에서는 LNG 기화를 위한 열원으로서 기존의 보일러를 이용하기 때문에, 별도의 가열장치를 사용하던 종래의 경우와 같은 가열장치의 고장 및 그에 따른 배관 등의 결빙의 문제를 염려할 필요가 없다.

또한, LNG를 기화시키기 위한 열교환 매체로서 보일러 스팀을 그대로 사용하므로, 종래의 부동액과 같은 별도의 열교환 매체를 갖출 필요가 없다.

이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능할 것이다.

10 : 엔진
20 : LNG 탱크
21 : 버퍼 탱크
22 : 공급 펌프
23 : 기화기
30 : 보일러
32 : 유량조절밸브
33 : 안전밸브
34 : 스팀 순환 라인
40 : 컨트롤러
41 : 온도감지센서

Claims (4)

1. LNG 탱크(20)로부터 엔진(10)까지 연결되는 연료가스 공급라인(L1);
   상기 연료가스 공급라인(L1)의 도중에 설치되어 LNG 탱크(20)로부터 LNG를 펌핑하여 엔진(10) 측으로 보내는 공급 펌프(22);
   상기 공급 펌프(22)와 엔진(10) 사이의 연료가스 공급라인(L1) 상에 설치되어 LNG를 기화시키는 기화기(23);
   난방용 또는 발전용 스팀을 생산하는 보일러(30);
   상기 보일러(30)에서 생성된 스팀이 상기 기화기(23)를 순환하도록 설치되어, 상기 기화기(23) 내에서 LNG와 열교환하여 LNG를 기화시키도록 하는 스팀 순환라인(34)을 포함하며,
   상기 스팀 순환 라인(34)에 설치되어 기화기(23)로 들어가는 스팀의 유량을 조절하도록 하는 유량조절밸브(32)와,
   상기 기화기(23)와 엔진(10) 사이의 연료가스 공급라인(L1)에 설치되어 내부의 연료가스의 온도를 검출하는 온도감지센서(41)와,
   상기 유량조절밸브(32) 및 온도감지센서(41)와 일련의 전기·신호 연결관계를 형성하여, 상기 온도감지센서(41)로부터 출력되는 센싱 시그널을 전산처리하여 연료가스의 온도를 산출하고, 산출된 온도 값에 따라 상기 유량조절밸브(32)의 개도를 조절하는 컨트롤러(40)를 포함하며,
   상기 스팀 순환 라인(34) 상에는, 스팀 순환 라인(34) 내부의 스팀 압력이 설정압력 이상으로 상승하면 스팀을 배출시켜 압력을 조절하는 안전밸브(33)가 설치되며,
   상기 LNG 탱크(20)와 상기 공급 펌프(22) 사이의 연료가스 공급라인(L1) 상에는, LNG를 일시 저장하고 자체 내압에 의하여 저장된 LNG를 배출하는 버퍼 탱크(21)가 설치되는 것을 특징으로 하는 보일러 스팀을 이용한 액화천연가스 직접 기화 방식의 연료가스 공급장치.
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