KR101350808B1

KR101350808B1 - 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101350808B1
Application number: KR1020130081028A
Authority: KR
Inventors: 정제헌; 권순빈; 김남수; 최동규; 이준채; 문영식; 김동찬
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2012-10-24
Filing date: 2013-07-10
Publication date: 2014-01-16

Abstract

선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템이 개시된다. 본 발명의 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템은, 선박용 엔진의 연료공급 시스템에 있어서,
선박의 LNG 저장탱크에 연결되어 LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 선박의 고압가스 분사엔진으로 공급하는 제1 유로; 선박의 LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 펌핑 및 기화시켜 고압가스 분사엔진으로 공급하는 제2 유로; 및 제1 유로에 마련되어 BOG를 압축하는 압축기를 포함하되, 고압가스 분사엔진은 150 내지 400 bar의 고압으로 압축된 고압가스를 연료로 사용하는 것을 특징으로 한다.

Description

선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템 및 방법{Hybrid Fuel Supply System And Method For Ship Engines}

본 발명은 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고압가스 분사엔진이 마련된 선박에서, 제1 유로 및 제2 유로를 구비하여 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG를 압축시켜 고압가스 분사엔진에 공급하거나, 액화천연가스를 펌핑 및 강제기화시켜 고압가스 분사엔진으로 공급함으로써, BOG 또는 액화천연가스를 선택적으로 고압가스 분사엔진에 공급할 수 있는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템에 관한 것이다.

액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 "LNG"라 함)는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -162℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색투명한 액체로서, 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 갖는다. 따라서, 천연가스 이송 시 LNG로 액화시켜 이송할 경우 매우 효율적으로 이송할 수 있으며, 일 예로 LNG를 해상으로 수송(운반)할 수 있는 LNG 운반선이 사용되고 있다.

천연가스의 액화온도는 상압 -163℃의 극저온이므로, LNG는 그 온도가 상압 -163℃ 보다 약간만 높아도 쉽게 증발된다. LNG 운반선의 LNG 저장탱크의 경우 단열처리가 되어 있기는 하지만, 외부의 열이 LNG 저장탱크에 지속적으로 전달되므로, LNG 운반선에 의한 LNG 수송과정에서 LNG가 LNG 저장탱크 내에서 지속적으로 자연 기화되어 LNG 저장 탱크 내에 증발가스(Boil-Off Gas, BOG)가 발생한다.

BOG는 일종의 LNG 손실로서 LNG의 수송효율에 있어서 중요한 문제이며, LNG 저장탱크 내에 증발가스가 축적되면 LNG 저장탱크 내의 압력이 과도하게 상승하여 탱크가 파손될 위험이 있으므로, LNG 저장탱크 내에서 발생하는 BOG를 처리하기 위한 다양한 방법이 연구되고 있다.

최근에는 BOG의 처리를 위해, BOG를 재액화하여 저장탱크로 복귀시키는 방법, BOG를 선박의 엔진의 에너지원으로 사용하는 방법 등이 사용되고 있다. 그리고 잉여의 BOG에 대해서는 가스연소유닛(Gas Combustion Unit, GCU)에서 연소시키는 방법을 사용하고 있다.

가스연소유닛은 BOG를 달리 활용할 데가 없는 경우 저장탱크의 압력 조절을 위하여 불가피하게 잉여의 BOG를 연소하는 것으로서, BOG가 가지고 있는 화학 에너지가 연소에 의해 낭비되는 결과를 초래한다는 문제가 있다.

LNG 운반선의 추진 시스템에서 메인 추진 장치로서 이중 연료 연소(Dual Fuel, DF) 엔진을 적용하는 경우, LNG 저장탱크 내에서 발생하는 증발가스를 DF 엔진의 연료로서 사용하여 증발가스를 처리할 수 있는데, LNG 저장탱크 내에서 발생하는 증발가스의 양이 DF 엔진에서 선박의 추진에 사용되는 연료의 양을 초과하는 경우에, LNG 저장탱크를 보호하기 위해 증발가스를 가스 연소기로 보내어서 소각시키기도 한다.

출원번호 제10-2010-0116987호

선박의 추진 시스템으로 DF 엔진이 사용되고 있으며 고압가스를 분사하여 이용하는 엔진 등도 개발되고 있다. 이러한 선박의 추진 시스템에서는 장치 고장에서의 운항 중단에 대비하여 선급 규정상 엔진의 연료공급 장치가 이원화(redundancy)되어야 한다.

도 1에 도시된 것과 같이, LNG carrier 등에서 고압가스 분사엔진을 추진 시스템에 구성하여 LNG 운반시 발생하는 BOG를 선박용 엔진의 연료로 공급하는 경우, 두 세트의 압축기(10, 20)를 구비하여야 한다. 그러나 이원화 규정을 위해 사용되지 않는 여분의 장비를 보유하는 것은 비용면에서 매우 큰 부담이 된다. 특히 BOG를 고압으로 압축하는 압축기는 고가의 장비이므로 비용 부담이 크다. 또한, 카고 탱크에 LNG가 가득 찬 상태에서는 발생하는 BOG가 많으므로 압축하여 연료로 공급할 수 있지만, LNG를 하역하여 카고 탱크에 적재된 LNG의 양이 적은 경우 발생하는 BOG가 적으므로 강제적으로 BOG를 발생시켜야만 한다.

도 2에 도시된 것과 같이, BOG 대신 LNG를 펌핑 및 기화시켜 연료로 공급받는 고압가스 분사엔진을 구성하는 경우, 두 세트의 펌프(30, 40)를 구비해야 하지만, 펌프의 가격은 압축기에 비해 상대적으로 낮으므로 장비 보유 비용 부담을 줄일 수 있고, 카고 탱크에 저장된 LNG를 소비하게 되므로 안정적인 연료공급은 가능하다. 반면, LNG의 full loading 상태에서 발생하는 다량의 BOG는 활용하지 못하고 낭비하게 되는 문제가 있다.

따라서 비용면에서 합리적이며, 발생하는 BOG를 충분히 활용하면서, BOG의 발생량이 적은 때에도 안정적으로 연료를 공급받아 선박을 추진할 수 있는 연료공급 시스템이 필요하다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 선박용 엔진의 연료공급 시스템에 있어서,

선박의 LNG 저장탱크에 연결되어 상기 LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 상기 선박의 고압가스 분사엔진으로 공급하는 제1 유로;

선박의 LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 펌핑 및 기화시켜 상기 고압가스 분사엔진으로 공급하는 제2 유로; 및

상기 제1 유로에 마련되어 상기 BOG를 압축하는 압축기를 포함하되,

상기 고압가스 분사엔진은 150 내지 400 bar의 고압으로 압축된 고압가스를 연료로 사용하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 상기 BOG가 상기 고압가스 분사엔진의 연료 필요량을 충족하면 상기 제1 유로로 상기 BOG를 공급받고, 상기 BOG의 발생량이 상기 연료 필요량보다 적으면 펌핑 및 기화된 상기 액화천연가스를 공급받을 수 있다.

바람직하게는, 상기 압축기는 복수의 컴프레서와 복수의 인터쿨러를 포함하여 다단으로 구성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 압축기는 다단으로 구성된 하나의 세트만 마련될 수 있다.

바람직하게는 상기 제2 유로에는, 상기 LNG 저장탱크의 액화천연가스를 공급받아 고압으로 펌핑하는 고압 펌프와, 상기 고압 펌프에서 펌핑된 상기 액화천연가스를 기화시켜 상기 고압가스 분사엔진으로 공급하는 기화기가 마련될 수 있다.

바람직하게는, 상기 LNG 저장탱크에 마련되어 상기 고압 펌프로 상기 액화천연가스를 공급하는 FG 펌프를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는 상기 고압 펌프는 복수로 마련되되, 복수의 상기 고압 펌프는 병렬로 마련될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 유로에서 분기되어 상기 고압가스 분사엔진의 연료 필요량을 초과하는 상기 BOG를 DFDE 또는 GCU로 공급하는 제3 유로를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 고압가스 분사엔진은, 상기 선박의 Laden condition에서는 상기 압축기로 압축된 상기 BOG를 압축하여 공급받아 구동될 수 있다.

바람직하게는, 상기 선박의 Ballast condition에서는 상기 LNG 저장탱크에 저장된 상기 액화천연가스를 펌핑 및 기화시켜 상기 고압가스 분사엔진에 공급할 수 있다.

바람직하게는, 상기 Ballast condition에서는 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG는 압축되어 DFDE 또는 상기 고압가스 분사엔진으로 공급될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 선박용 엔진의 연료공급 방법에 있어서,

선박의 LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 BOG를 압축시켜 상기 고압가스 분사엔진에 공급하거나, 상기 액화천연가스를 펌핑 및 강제기화시켜 상기 고압가스 분사엔진으로 공급하여 상기 BOG 또는 액화천연가스를 선택적으로 상기 고압가스 분사엔진에 공급하되, 상기 고압가스 분사엔진은 150 내지 400 bar의 고압으로 압축된 고압가스를 연료로 사용하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 방법이 제공된다.

바람직하게는 상기 압축기는 복수의 컴프레서 및 복수의 인터쿨러를 포함하여 다단으로 구성된 하나의 세트만 마련될 수 있다.

본 발명의 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템에서는, 고압가스 분사엔진이 마련된 선박에서, 제1 유로 및 제2 유로를 구비하여, 사용되지 않는 별도의 여분 장비 없이 연료 공급이 이원화될 수 있다.

본 발명은 BOG와 액화천연가스를 선택적으로 고압가스 분사엔진에 연료로 공급함으로써, 선박의 Ballast condition에서 BOG 발생량이 부족하여 고압가스 분사엔진에 연료 공급을 위해 강제로 BOG를 발생해야 하는 문제를 해결할 수 있고, Laden condition에서 발생하는 다량의 BOG를 재액화시키는 비용도 절감할 수 있다.

또한 선박의 LNG 저장탱크에서 발생하는 다량의 BOG를 압축하여 고압가스 분사엔진의 연료로 공급함으로써, GCU에서 연소되어 낭비되는 BOG의 양을 줄이고 효과적으로 BOG를 활용할 수 있으며, BOG의 발생량이 적은 때에는 액화천연가스를 고압가스 분사엔진을 공급하도록 시스템을 구성함으로써 안정적으로 연료를 공급할 수 있다.

도 1은 연료공급 장치의 이원화(redundancy)를 위해 두 세트의 압축기가 마련되어 BOG를 고압가스 분사엔진에 연료로 공급하는 시스템을 도시한다.
도 2는 연료공급 장치의 이원화(redundancy)를 위해 두 세트의 펌프가 마련되어 LNG를 고압가스 분사엔진에 연료로 공급하는 시스템을 개략적으로 도시하였다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드 연료공급 시스템을 개략적으로 도시한다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템의 구성을 개략적으로 도시한다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 실시예의 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템은, 선박용 엔진의 연료공급 시스템에 있어서, 선박의 LNG 저장탱크(CT)에 연결되어 LNG 저장탱크(CT)에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 선박의 고압가스 분사엔진(100)으로 공급하는 제1 유로(L1)와, 선박의 LNG 저장탱크(CT)에 저장된 액화천연가스를 펌핑 및 기화시켜 고압가스 분사엔진(100)으로 공급하는 제2 유로(L2)와, 제1 유로(L1)에 마련되어 BOG를 압축하는 압축기(200)를 포함하며, 고압가스 분사엔진(100)은 150 내지 400 bar의 고압으로 압축된 고압가스를 연료로 사용한다.

본 실시예에서 LNG 저장탱크(CT)에서 발생하는 BOG가 고압가스 분사엔진(100)의 연료 필요량을 충족하면 제1 유로(L1)로 BOG를 공급받고, BOG의 발생량이 연료 필요량보다 적으면 펌핑 및 기화된 액화천연가스만을 공급받거나 BOG를 공급받으면서 연료의 부족분만큼 펌핑 및 기화된 액화천연가스를 공급받을 수 있다. 이처럼 본 실시예는 제1 유로(L1)와 제2 유로(L2)로 상호 이원화된 연료공급 유로를 구성함으로써, 평소에는 사용되지 않으면서 오로지 redundancy를 충족하기 위해 구비되는 여분의 장비, 예컨대 추가 압축기를 구성하지 않는다.

Redundancy는, 여분의 장비를 구성하여 요구 기능을 수행하기 위한 주 구성 장비의 동작시에는 대기상태에 두고, 주 구성 장비가 고장 등으로 작동되지 않을 때 기능을 인계받아 그 기능을 수행할 수 있도록 중복 설계되는 것을 말하는데, 주로 rotating이 이루어지는 장비에 대해 이러한 redundancy 충족을 위한 여분의 장비가 중복 설계된다. 본 실시예에서의 연료 공급 시스템에서는 압축기나 펌핑을 위한 펌프 등이 이에 해당한다.

고압가스 분사엔진(100)은, 예를 들어 선박의 Laden condition에서는 압축기(200)로 압축된 BOG를 압축하여 공급받고, 선박의 Ballast condition에서는 LNG 저장탱크(CT)에 저장된 액화천연가스를 펌핑 및 기화시켜 공급받아 구동될 수 있다.

Laden condition이란, LNG 운반용 선박에서 LNG 저장탱크(CT)에 액화천연가스(LNG)가 Full Loading된 때, 보통 탱크 부피의 98% 내외로 LNG가 적재된 때를 말하는데, 이때는 LNG 저장탱크(CT)에서 발생하는 BOG의 양도 많다. Ballast condition이란 LNG를 Unloading하여 LNG 저장탱크(CT)에 저장된 LNG가 적은 때를 의미하며, 이때에는 BOG의 발생량도 적다. 본 실시예는 선박, 특히 LNG carrier의 LNG 저장탱크(CT)에서 발생하는 다량의 BOG를 효과적으로 활용할 수 있도록 BOG를 선박의 추진용 엔진에 공급하면서, 이러한 점을 고려하여 Laden condition 및 Ballast condition에 따라 효과적으로 추진용 엔진에 연료를 공급할 수 있도록 시스템을 구성하였다.

저장탱크의 용량 및 외부 온도 등의 조건에 따라 차이가 있으나, 일 예를 들어 LNG 저장탱크(CT)에서의 BOG 발생량은 150000㎥ 용량의 선박인 경우 Laden condition에서 3 내지 4 ton/h, Ballast condition에서는 0.3 내지 0.4 ton/h이다. 고압가스 분사엔진(100)의 일종인 ME-GI 엔진에서는 Load에 따라 1 내지 4 ton/h의 연료가 필요한 것으로 알려진다. 한편 최근에는 선박의 단열성능 향상에 따라 BOR(Boil Off Rate)이 낮아지고 있는 추세이므로 BOG의 발생량도 감소하는 경향이다.

본 실시예에서 압축기(200)는 복수의 컴프레서(201)와 복수의 인터쿨러(202)를 포함하여 다단으로 구성될 수 있으며, 압축기(200)는 이와 같이 다단으로 구성된 하나의 세트만 마련될 수 있다.

한편, 제2 유로(L2)에는 LNG 저장탱크(CT)의 액화천연가스를 공급받아 고압으로 펌핑하는 고압 펌프(300)와, 고압 펌프(300)에서 펌핑된 액화천연가스를 기화시켜 고압가스 분사엔진(100)으로 공급하는 기화기(310)가 마련될 수 있고, LNG 저장탱크(CT)에는 고압 펌프(300)로 액화천연가스를 공급하는 FG(Fuel Gas) 펌프(320)가 마련될 수 있다.

고압가스 분사엔진(100)은 예를 들어, 150 내지 400bar로 압축된 고압가스를 연료로 공급받는 ME-GI(Main Engine Gas Injection) 엔진일 수 있다.

ME-GI 엔진은, 선박에 사용될 수 있는 엔진으로서, 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx) 배출량을 저감하기 위하여 개발된, 가스와 오일을 연료로 사용할 수 있는 2-stroke의 고압 천연가스 분사 엔진이다. ME-GI 엔진은 LNG(Liquefied Natural Gas)를 극저온에 견디는 저장탱크에 저장하여 운반하도록 하는 LNG 운반선 등과 같은 해상 구조물에 설치될 수 있으며, 천연가스 또는 오일을 연료로 사용하며, 그 부하에 따라 대략 150 - 400 bara(절대압력) 정도의 고압의 가스 공급 압력이 요구되는데, 동급출력의 디젤엔진에 비해 오염물질 배출량을 이산화탄소는 23%, 질소화합물은 80%, 황화합물은 95%이상 줄일 수 있는 차세대 친환경적인 엔진으로서 각광받고 있다.

다단으로 구성된 한 세트의 압축기(200)를 구동시켜 ME-GI 엔진에 압축된 연료를 공급하기 위해서는 약 2 ㎿의 전력이 소비되는데, 고압 펌프(300)의 경우에는 약 100 ㎾의 전력이 소비된다. 연료공급시 소비되는 전력 소비만을 고려하면 고압 펌프(300)만을 구성하는 것이 유리하다. 그러나 전술한 바와 같이 LNG 저장탱크(CT)에서 발생하는 다량의 BOG를 재액화하거나 연소해야 하는 문제가 있으므로, 본 실시예에서는 BOG의 효율적인 활용, 전력 소비, 시스템 구성 비용, redundancy 등을 고려하여, BOG를 연료로 공급할 수 있는 한 세트의 압축기(200)와, LNG를 펌핑 및 기화시켜 공급할 수 있는 고압 펌프(300)와 기화기(310)로 시스템을 구성하였다.

본 실시예는 이원화된 연료 공급 유로를 구비하므로 압축기(200)를 한 세트만 구성하는 것이 바람직하지만, LNG 저장탱크(CT)에서 발생하는 BOG를 보다 안정적으로 고압가스 분사엔진(100)에 연료로 공급하여 BOG를 소비시키기 위하여 추가 압축기(미도시)를 구성할 수도 있다.

LNG를 펌핑하고 강제기화시켜 연료로 소비하는 ME-GI 엔진을 탑재한 해상 구조물이나 선박의 경우에도, LNG 저장탱크(CT)에서 발생하는 증발가스(Boil Off Gas; BOG)를 처리하기 위해서는 재액화(Reliquefaction) 장치, GCU(410)(Gas Combustion Unit) 등의 BOG 처리 장치를 여전히 필요로 하나, 본 실시예는 BOG와 LNG를 조건에 따라 선택적으로 연료로 공급하는 하이브리드 연료공급 시스템을 구성함으로써 재액화하거나 연소되는 BOG의 양을 줄일 수 있다. 본 실시예의 선박에는 ME-GI 엔진이 단수 또는 복수로 구비될 수 있다.

본 실시예는 LNG 저장탱크(CT)에서 발생하는 BOG의 양에 따라 다음과 같이 작동할 수 있다.

우선, Laden condition과 같이 BOG의 발생량이 많아, 고압가스 분사엔진(100)의 연료 필요량을 충족하는 경우, 제1 유로(L1)에 마련된 압축기(200)로 고압가스 분사엔진(100)이 필요로 하는 압력까지 압축한 후 공급하게 된다.

압축기(200)는 전술한 바와 같이 복수의 컴프레서(201)와 복수의 인터쿨러(202)(중간냉각기, intercooler)가 교대로 배치된 다단 구성일 수 있으며, 이는 고압가스 분사엔진(100)에서 필요로 하는 천연가스의 온도 및 압력 조건에 따라 다양하게 구성될 수 있다.

다음으로, LNG 저장탱크(CT)에서 BOG의 발생량이 적은 Ballast condition이나 제1 유로(L1)에서 장치 이상이 발생하는 경우 등에는, 고압 펌프(300)에서 고압가스 분사엔진(100)에서 요구하는 압력, 예를 들어 ME-GI 엔진인 경우 150 내지 400 bara로 압축하고, 기화기(310)를 거쳐 강제기화시킨 액화천연가스를 고압가스 분사엔진(100)으로 공급한다. 이때 고압 펌프(300)는 상부 갑판에 마련되는데 LNG 저장탱크(CT)에 저장된 액화천연가스는 FG 펌프(320)에 의해 고압 펌프(300)까지 이송된다. 장비의 신뢰성, redundancy 충족을 위해 기화기(310) 전단에 복수의 고압 펌프(300)를 병렬로 마련할 수 있다.

다만, 고압 펌프(300)에서 압축된 액화천연가스는 임계 압력(critical pressure)이상의 초임계 상태이므로 기화기(310)에서 기화된다는 것이 액체에서 기체로 상 변화가 일어난다는 것을 의미하는 것은 아니며 압축된 액화천연가스에 열 에너지를 공급한다는 의미이다.

본 실시예는, 제1 유로(L1)에서 분기되어 고압가스 분사엔진(100)의 연료 필요량을 초과하는 BOG를 DFDE(400)(Dual Fuel Diesel Engine) 또는 GCU(410)(Gas Combustion Unit)로 공급하는 제3 유로(L3)를 더 포함할 수 있다.

DFDE(400)는 중유와 천연가스를 혼소(混燒)하거나 선택적으로 연료로 사용할 수 있는 엔진으로써, 중유만을 연료로 사용하는 경우보다 황 함유량이 적어 배기가스 중 황 산화물의 함량이 적다.

본 실시예에서 제3 유로(L3)는 컴프레서(201)와 인터쿨러(202)가 다단으로 구성된 압축기(200) 부분 중, DFDE(400)가 필요로 하는 압력으로 BOG가 압축된 지점에서 제1 유로(L1)로부터 분기되어 마련될 수 있다.

Ballast condition 등 LNG 저장탱크(CT)에서 발생하는 BOG의 양이 ME-GI 엔진에서 필요로 하는 연료 필요량에 미치지 못하는 경우, 이를 다단인 압축기(200)의 일부를 거쳐 DFDE(400)로 공급할 수 있다. 5개의 컴프레서(201)를 포함하는 압축기(200) 중 2개를 거쳐 DFDE로 공급하게 된다면, 다른 3개의 컴프레서(201)는 공회전하게 된다. 그러나 BOG를 ME-GI 엔진으로 공급하기 위해 압축기(200)에서 필요한 전력이 약 2㎿인 반면, BOG를 DFDE로 공급하기 위해 압축기(200) 일부를 공회전시킬 때 필요한 전력은 약 600㎾이고, LNG를 펌핑 및 기화시켜 ME-GI 엔진으로 공급할 때 고압 펌프(300)에서 소비되는 전력이 약 100㎾이므로, Ballast condition과 같이 BOG 발생량이 고압가스 분사엔진(100)의 연료 필요량보다 적은 경우에는 BOG를 DFDE(400)로 공급하는 것이 전력 소비 면에서 유리하다. 그러나 필요에 따라 BOG 발생량이 연료 필요량보다 적은 때에도 고압가스 분사엔진(100)에 공급하면서, 연료 필요량의 부족분만큼 LNG를 펌핑 및 강제기화시켜 고압가스 분사엔진(100)으로 공급할 수도 있다.

한편, Ballast condition에서는 BOG의 발생량이 적으므로, BOG를 모아두었다가 간헐적으로 DFDE에 공급할 수도 있다.

선박의 LNG 저장탱크(CT)에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 BOG를 압축시켜 고압가스 분사엔진(100)에 공급하거나, 액화천연가스를 펌핑 및 강제기화시켜 고압가스 분사엔진으로 공급하여 BOG 또는 액화천연가스를 선택적으로 고압가스 분사엔진(100)에 공급하되, 고압가스 분사엔진은 150 내지 400 bar의 고압으로 압축된 고압가스를 연료로 사용하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 방법이 제공된다. BOG 압축 장비와 LNG 펌핑 및 기화 장비를 별도의 여분 없이 각각 한 세트씩만 구성된다.

압축기(200)는 복수의 컴프레서(201) 및 복수의 인터쿨러(202)를 포함하여 다단으로 구성된 하나의 세트만 마련될 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 실시예의 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템은, 고압가스 분사엔진(100)이 마련된 선박에서, 제1 유로(L1) 및 제2 유로(L2)를 구비하여 LNG 저장탱크(CT)에서 발생하는 BOG가 고압가스 분사엔진(100)의 연료 필요량을 충족하면 제1 유로(L1)로 BOG를, BOG의 발생량이 연료 필요량보다 적으면 펌핑 및 기화된 액화천연가스를 고압가스 분사엔진(100)으로 공급하거나, BOG를 공급하면서 부족한 연료 필요량은 펌핑 및 기화된 액화천연가스로 보충하여 공급한다.

이와 같이 선박의 LNG 저장탱크(CT)에서 다량의 BOG가 발생할 때, 예를 들어 선박의 Laden Condition에서는 BOG를 압축하여 고압가스 분사엔진(100)의 연료로 공급하고, BOG의 발생량이 적은 때, 예를 들어 Ballast condition에서는 액화천연가스를 고압가스 분사엔진(100)을 공급할 수 있도록 시스템을 구성함으로써, Redundancy를 충족하며 엔진에 안정적으로 연료를 공급하고, GCU(410)에서 연소되어 낭비되는 BOG의 양을 줄이며 효과적으로 BOG를 활용할 수 있다.

또한 제1 및 제2 유로(L1, L2)를 구성하여 Redundancy를 충족하면서도 한 세트의 압축기(200)만 구성하여 압축기의 수를 줄임으로써 컴팩트한 시스템을 구성하고, 시스템의 설치 및 관리 비용을 절감할 수 있다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드 연료 공급 시스템을 도시한 구성도이다. 본 발명의 하이브리드 연료 공급 시스템은 추진용 메인 엔진으로서 예컨대 MEGI 엔진이 장착된 LNG 운반선 등에 적용될 수 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 연료 공급 시스템(1000)은, 저장탱크(cargo tank; 1)로부터 LNG를 메인 엔진(main engine; 3)으로 이송시키기 위한 경로를 제공하는 연료공급라인(1110)과, 저장탱크(1)로부터 발생되는 BOG(Boil Off Gas)를 메인 엔진(3)으로 이송시키기 위한 경로를 제공하는 BOG 라인(1140)을 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 BOG를 이용한 하이브리드 연료 공급 시스템(1000)은, 연료공급라인(1110)을 통해서 LNG를 LNG 펌프(LNG pump; 1120) 및 LNG 기화기(LNG vaporizer; 1130)에 의해 연료로서 메인 엔진(1)에 공급하고, BOG 라인(1140)을 통해서 BOG를 BOG 압축기(BOG compressor; 1150)에 의해 압축시켜서 연료로서 메인 엔진(1)에 공급하며, BOG 압축기(1150)로부터 잉여의 BOG를 통합형 IGG/GCU 시스템(1200)으로 공급한다.

연료공급라인(1110)은 예컨대 LNGC의 저장탱크(1)로부터 이송 펌프(2)의 구동에 의해 공급되는 LNG를 연료로서 메인 엔진(3)으로 이송시키기 위한 경로를 제공하고, LNG 펌프(1120)와 LNG 기화기(1130)가 설치된다.

LNG 펌프(1120)는 연료공급라인(1110)에 LNG의 이송에 필요한 펌핑력을 제공하도록 설치되고, 일례로 LNG HP 펌프(LNG High Pressure pump)가 사용될 수 있으며, 본 실시예에서처럼 다수로 이루어져서 병렬되도록 설치될 수 있다.

LNG 기화기(1130)는 연료공급라인(1110)에서 LNG 펌프(1120)의 후단에 설치됨으로써 LNG 펌프(1120)에 의해 이송되는 LNG를 기화시키도록 하는데, LNG의 기화를 위해 일례로, LNG가 열매순환라인(1131)을 통해서 순환 공급되는 열매와의 열교환에 의해 기화되도록 하며, 다른 예로서 히터를 비롯하여 LNG의 기화열을 제공하기 위한 다양한 히팅수단이 사용될 수 있다. 또한, LNG 기화기(1130)는 LNG의 기화를 위하여 고압에서 사용될 수 있는 HP 기화기(High Pressure vaporizer)가 사용될 수 있다. 한편, 열매순환라인(1131)에 순환 공급되는 열매는 일례로, 보일러 등으로부터 발생되는 스팀이 사용될 수 있다.

BOG 라인(1140)은 저장탱크(1)로부터 자연적으로 발생되는 BOG를 메인 엔진(3)으로 이송시키기 위한 경로를 제공하고, 본 실시예에서처럼 연료공급라인(1110)에 연결됨으로써 BOG를 연료로서 메인 엔진(3)으로 공급되도록 할 수 있으며, 이와 달리, BOG를 직접 메인 엔진(3)으로 공급하기 위한 경로를 제공할 수도 있다.

BOG 압축기(1150)는 BOG 라인(1140)에 설치되어 BOG 라인(1140)을 통과하는 BOG를 압축시키게 되고, 본 실시예에서처럼 BOG 라인(1140)에서 잉여 BOG 라인(1160)의 분기 부분에 단일로 설치됨으로써, 고가의 BOG 압축기(1150)의 설치에 따른 경제적 부담과 유지 및 보수에 대한 부담을 줄일 수 있다.

잉여 BOG 라인(1160)은 BOG 압축기(1150)로부터 잉여의 BOG를 통합형 IGG/GCU 시스템(1200)으로 공급하는 경로를 제공하는데, 통합형 IGG/GCU 시스템(1200)뿐만 아니라, 보조 엔진 등으로 잉여 BOG를 연료로서 공급할 수 있다.

통합형 IGG/GCU 시스템(1200)은 IGG(Inert Gas Generator)와 GCU(Gas Combustion Unit)가 통합된 시스템이다.

한편, 잉여 BOG 라인(1160)과 연료공급라인(1110)은 연결라인(1170)에 의해 서로 연결될 수 있다. 따라서, 연결라인(1170)에 의해 잉여 BOG를 메인 엔진(1)의 연료로 사용하도록 하거나, 기화된 LNG를 통합형 IGG/GCU 시스템(1200)에 연료로서 사용하도록 할 수 있다. 이러한 연결라인(1170)에는 통과하는 BOG나 기화된 LNG의 가열을 위하여 히터(1180)가 설치될 수 있고, BOG나 기화된 LNG에 의한 압력을 조절함으로써 과도한 압력을 저감시키는 압력감소밸브(Pressure Reduction Valve; PRV)(1190)가 설치될 수 있다. 한편, 히터(1180)는 가스의 연소열을 이용한 가스히터이거나, 그 밖에도 열매의 순환에 의해 가열을 위한 열원을 제공하는 열매 순환 공급부를 비롯하여, 다양한 히팅수단이 사용될 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 하이브리드 연료 공급 시스템의 작용을 설명하기로 한다.

저장탱크(1) 내의 압력이 정해진 압력 이상이면, BOG 압축기(1150)의 구동에 의해 BOG를 압축하여 메인 엔진(1)에 연료로서 공급될 수 있도록 하여 저장탱크(1) 내의 압력을 조절할 수 있도록 한다. 또한, 저장탱크(1) 내의 압력이 정해진 압력 미만이면, LNG 펌프(1120)와 LNG 기화기(1130)의 구동에 의해 LNG를 이송 및 기화시켜서 메인 엔진(1)에 연료로서 공급될 수 있도록 하여 저장탱크(1) 내의 압력을 조절할 수 있도록 한다.

한편, BOG 압축기(1150)로부터 잉여의 BOG는 잉여 BOG 라인(1160)을 통해서 통합형 IGG/GCU 시스템(1200)으로 공급되도록 하여, BOG의 소모 또는 저장탱크(1)로 공급되기 위한 불활성가스의 생성 목적으로 사용되도록 하고, 나아가서, 보조 엔진 등의 연료로서 사용될 수 있도록 한다.

BOG가 공급되는 통합형 IGG/GCU 시스템(1200)은 본체(미도시) 내의 BOG 연소에 의해서, 저장탱크(1)로부터 지속적으로 발생되는 BOG를 소모할 수 있고, 필요에 따라 저장탱크(1)에 공급하기 위한 불활성가스로서 연소가스를 생성할 수도 있다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

L1: 제1 유로
L2: 제2 유로
L3: 제3 유로
CT: LNG 저장탱크
100: 고압가스 분사엔진
200: 압축기
201: 컴프레서
202: 인터쿨러
300: 고압 펌프
310: 기화기
320: FG 펌프
400: DFDE
410: GCU

Claims

선박용 엔진의 연료공급 시스템에 있어서,
선박의 LNG 저장탱크에 연결되어 상기 LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 상기 선박의 고압가스 분사엔진으로 공급하는 제1 유로;
선박의 LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 펌핑 및 기화시켜 상기 고압가스 분사엔진으로 공급하는 제2 유로; 및
상기 제1 유로에 마련되어 상기 BOG를 압축하는 압축기를 포함하되,
상기 고압가스 분사엔진은 150 내지 400 bar의 고압으로 압축된 고압가스를 연료로 사용하고,
상기 제1 유로에서 분기되는 제3 유로를 더 포함하며, 상기 제3 유로에는 상기 BOG를 공급받는 DFDE가 마련되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 상기 BOG가 상기 고압가스 분사엔진의 연료 필요량을 충족하면 상기 제1 유로로 상기 BOG를 공급받고, 상기 BOG의 발생량이 상기 연료 필요량보다 적으면 펌핑 및 기화된 상기 액화천연가스를 공급받는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 압축기는 복수의 컴프레서와 복수의 인터쿨러를 포함하여 다단으로 구성되고,
상기 DFDE는 상기 압축기 중 적어도 일부를 거쳐 압축된 BOG를 공급받는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템.
제 3항에 있어서,
상기 압축기는 다단으로 구성된 하나의 세트만 마련되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 제2 유로에는
상기 LNG 저장탱크의 액화천연가스를 공급받아 고압으로 펌핑하는 고압 펌프; 및
상기 고압 펌프에서 펌핑된 상기 액화천연가스를 기화시켜 상기 고압가스 분사엔진으로 공급하는 기화기가 마련되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 LNG 저장탱크에 마련되어 상기 고압 펌프로 상기 액화천연가스를 공급하는 FG 펌프를 더 포함하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 고압 펌프는 복수로 마련되되, 복수의 상기 고압 펌프는 병렬로 마련되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 BOG의 재액화를 위한, 별도의 냉매 사이클을 이용한 재액화 시스템이 마련되지 않는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 고압가스 분사엔진은, 상기 선박의 Laden condition에서는 상기 압축기로 압축된 상기 BOG를 압축하여 공급받아 구동되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템.
제 9항에 있어서,
상기 선박의 Ballast condition에서는 상기 LNG 저장탱크에 저장된 상기 액화천연가스를 펌핑 및 기화시켜 상기 고압가스 분사엔진에 공급하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템.
제 10항에 있어서,
상기 Ballast condition에서는 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG는 압축되어 DFDE 또는 상기 고압가스 분사엔진으로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템.
선박용 엔진의 연료공급 방법에 있어서,
선박의 LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 BOG를 압축시켜 고압가스 분사엔진에 공급하거나, 상기 액화천연가스를 펌핑 및 강제기화시켜 상기 고압가스 분사엔진으로 공급하여 상기 BOG 또는 액화천연가스를 선택적으로 상기 고압가스 분사엔진에 공급하되, 상기 고압가스 분사엔진은 150 내지 400 bar의 고압으로 압축된 고압가스를 연료로 사용하고, BOG는 분기하여 DFDE로 공급하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 방법.
제 12항에 있어서,
상기 BOG를 압축시키는 압축기는 복수의 컴프레서 및 복수의 인터쿨러를 포함하여 다단으로 구성된 하나의 세트만 마련되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 방법.