KR101394684B1

KR101394684B1 - Lng 연료 공급 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101394684B1
Application number: KR1020130024192A
Authority: KR
Inventors: 허희승
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2014-05-15

Abstract

본 발명은 LNG 연료 공급 시스템에 관한 것으로서, LNG 저장탱크로부터 엔진까지 연결된 연료 공급 라인; 상기 연료 공급 라인 상에 마련되며, 상기 LNG 저장탱크로부터 배출된 LNG를 고압으로 가압하는 펌프; 상기 엔진과 상기 펌프 사이의 상기 연료 공급 라인 상에 마련되며, 상기 펌프로부터 공급되는 상기 LNG를 글리콜 워터와 열교환시켜 상기 엔진에 공급하는 열교환기; 상기 글리콜 워터를 스팀으로 가열한 뒤 상기 열교환기에 공급하는 글리콜 히터; 상기 글리콜 히터에 스팀을 공급하는 스팀 공급 라인; 상기 스팀 공급 라인 상에 마련되어 상기 스팀의 공급량을 제어하는 스팀 제어밸브; 및 상기 스팀 공급 라인 상에서 상기 스팀 제어밸브의 상류에 마련되는 스팀 블록밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 LNG 연료 공급 시스템은, 스팀 공급 라인에 스팀 제어밸브와 스팀 블록밸브를 직렬로 배치하고 스팀 제어밸브에서 누설이 발생하더라도 스팀 블록밸브가 스팀의 유입량을 조절할 수 있으므로, 스팀 누설을 방지할 수 있다.

Description

LNG 연료 공급 시스템 및 방법{A Fuel Gas Supply System of Liquefied Natural Gas And A Method for the Same}

본 발명은 LNG 연료 공급 시스템 및 방법에 관한 것이다.

선박은 대량의 광물이나 원유, 천연가스, 또는 몇천 개 이상의 컨테이너 등을 싣고 대양을 항해하는 운송수단으로서, 강철로 이루어져 있고 부력에 의해 수선면에 부유한 상태에서 프로펠러의 회전을 통해 발생되는 추력을 통해 이동한다.

이러한 선박은 엔진을 구동함으로써 추력을 발생시키는데, 이때 엔진은 가솔린 또는 디젤을 사용하여 피스톤을 움직여서 피스톤의 왕복운동에 의해 크랭크 축이 회전되도록 함으로써, 크랭크 축에 연결된 샤프트가 회전되어 프로펠러가 구동되도록 하는 것이 일반적이었다.

그러나 최근에는, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas)를 운반하는 LNG 운반선에서 LNG를 연료로 사용하여 엔진을 구동하는 LNG 연료공급 방식이 사용되고 있으며, 이와 같이 엔진의 연료로 LNG를 사용하는 방식은 LNG 운반선 외의 다른 선박에도 적용되고 있다.

일반적으로, LNG는 청정연료이고 매장량도 석유보다 풍부하다고 알려져 있고, 채광과 이송기술이 발달함에 따라 그 사용량이 급격히 증가하고 있다. 이러한 LNG는 주성분인 메탄을 1기압 하에서 -162℃도 이하로 온도를 내려서 액체 상태로 보관하는 것이 일반적인데, 액화된 메탄의 부피는 표준상태인 기체상태의 메탄 부피의 600분의 1 정도이고, 비중은 0.42로 원유비중의 약 2분의 1이 된다.

그러나 엔진이 구동되기 위해 필요한 온도 및 압력 등은, 탱크에 저장되어 있는 LNG의 상태와는 다를 수 있다. 따라서 최근에는 액체 상태로 저장되는 LNG의 온도 및 압력 등을 제어하여 엔진에 공급하는 기술에 대하여, 지속적인 연구 개발이 이루어지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 글리콜 워터를 스팀으로 가열하고, 가열된 글리콜 워터를 이용하여 LNG를 엔진 요구 온도까지 가열하는 방식을 사용함으로써, 안전한 LNG 연료 공급 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 글리콜 히터에 스팀을 공급하는 스팀 공급 라인에 스팀 제어밸브와 스팀 블록밸브를 각각 구비하여, 스팀 제어밸브에서 누설이 발생될 경우 스팀 블록밸브로 스팀의 유량을 제어하여 스팀 누설을 방지할 수 있는 LNG 연료 공급 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 초기 운전 시 글리콜 히터에 스팀이 공급될 때, 스팀 제어밸브가 기설정압 이하로 스팀을 일정시간 공급하여, 스팀 공급 라인과 외부 공기와의 온도 차이로 인해 스팀 공급 라인에 해머링(Hammering) 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있는 LNG 연료 공급 시스템 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 글리콜 히터에서 배출되는 응축수를 저장하는 응축수 탱크의 하류에 응축수 배출밸브와 응축수 제어밸브를 구비하며, 응축수 탱크의 레벨에 따라 각 밸브를 제어하여 스팀의 공급을 원활하게 하면서 스팀이 응축수와 함께 배출되는 것을 방지할 수 있는 LNG 연료 공급 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 LNG 연료 공급 시스템은, LNG 저장탱크로부터 엔진까지 연결된 연료 공급 라인; 상기 연료 공급 라인 상에 마련되며, 상기 LNG 저장탱크로부터 배출된 LNG를 고압으로 가압하는 펌프; 상기 엔진과 상기 펌프 사이의 상기 연료 공급 라인 상에 마련되며, 상기 펌프로부터 공급되는 상기 LNG를 글리콜 워터와 열교환시켜 상기 엔진에 공급하는 열교환기; 상기 글리콜 워터를 스팀으로 가열한 뒤 상기 열교환기에 공급하는 글리콜 히터; 상기 글리콜 히터에 스팀을 공급하는 스팀 공급 라인; 상기 스팀 공급 라인 상에 마련되어 상기 스팀의 공급량을 제어하는 스팀 제어밸브; 및 상기 스팀 공급 라인 상에서 상기 스팀 제어밸브의 상류에 마련되는 스팀 블록밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 스팀 제어밸브 및 상기 스팀 블록밸브는, 상기 스팀 공급 라인 상에 직렬로 배치될 수 있다.

구체적으로, 상기 스팀 블록밸브는, 상기 스팀 제어밸브의 작동 시 최대 개방되며, 상기 스팀 제어밸브의 작동 정지 시 상기 스팀 공급 라인의 적어도 일부분을 차폐하여 상기 스팀의 공급량을 가변시킬 수 있다.

구체적으로, 글리콜 워터를 저장하는 글리콜 탱크를 더 포함하고, 상기 글리콜 히터는, 상기 글리콜 탱크로부터 배출되는 상기 글리콜 워터를 가열할 수 있다.

구체적으로, 상기 글리콜 탱크에 저장된 상기 글리콜 워터를 상기 글리콜 히터에 공급하는 글리콜 펌프를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 LNG 연료 공급 시스템은, 보일러를 사용하여 생성한 스팀을 통해 글리콜 워터를 가열하고, 글리콜 워터가 LNG를 가열시킬 수 있도록 하여, 효율적으로 LNG를 엔진 요구 온도까지 승온시킬 수 있다.

또한 본 발명에 따른 LNG 연료 공급 시스템은, 스팀 공급 라인에 스팀 제어밸브와 스팀 블록밸브를 직렬로 배치하고 스팀 제어밸브에서 누설이 발생하더라도 스팀 블록밸브가 스팀의 유입량을 조절할 수 있으므로, 스팀 누설을 방지할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 LNG 연료 공급 시스템 및 방법은, 초기 가동 시 또는 정지 후 재가동 시 스팀이 낮은 압력으로 일정 시간 공급되어 스팀 공급 라인의 온도를 승온시킬 수 있도록 하여, 스팀의 높은 온도로 인해 스팀 공급 라인에 존재하는 찬 공기가 급팽창하여 스팀 공급 라인을 타격하는 해머링(Hammering) 현상을 미연에 방지할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 LNG 연료 공급 시스템은, 글리콜 히터에 연결된 응축수 탱크에 응축수 배출밸브와 응축수 제어밸브를 직렬로 배치하고, 응축수 탱크의 레벨에 따라 응축수 배출밸브가 응축수를 배출하여 스팀의 공급량을 제어할 수 있으며, 응축수 배출밸브가 응축수와 스팀을 함께 배출시키는 것을 응축수 제어밸브로 방지하여 스팀 공급 및 응축수 배출이 원활히 이루어지도록 할 수 있다.

도 1은 종래의 LNG 연료 공급 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG 연료 공급 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG 연료 공급 시스템에서 LNG 저장탱크의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG 연료 공급 방법의 순서도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LNG 연료 공급 시스템의 개념도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 종래의 LNG 연료 공급 시스템의 개념도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 LNG 연료 공급 시스템(1)은, LNG 저장탱크(10), 엔진(20), 펌프(30), 전기히터(40)를 포함한다. 이하 본 명세서에서, LNG는 편의상 액체 상태인 NG(Natural Gas) 뿐만 아니라 초임계 상태 등인 NG를 모두 포괄하는 의미로 사용될 수 있다.

종래의 LNG 연료 공급 시스템(1)은, 전기에너지를 공급받아 LNG를 직접 가열하는 전기히터(40)를 사용하였다. 그러나 전기히터(40)를 구동하기 위하여 필요한 전기에너지는, 연료를 사용하여 발전기(도시하지 않음)를 구동하여야만 획득할 수 있기 때문에, 연료 소비에 의한 비용 문제와, 연료 연소 시 발생하는 배기에 의한 환경오염 문제 등이 발생될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG 연료 공급 시스템의 개념도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG 연료 공급 시스템에서 LNG 저장탱크의 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG 연료 공급 시스템(2)은, LNG 저장탱크(10), 엔진(20), 펌프(30), 열교환기(50), 글리콜 탱크(61), 글리콜 펌프(62), 글리콜 히터(63), 스팀 공급 라인(70), 스팀 밸브(71,72)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서 LNG 저장탱크(10), 엔진(20), 펌프(30) 등은 종래의 LNG 연료 공급 시스템(1)에서의 각 구성과 편의상 동일한 도면부호를 사용하나, 반드시 동일한 구성을 지칭하는 것은 아니다.

LNG 저장탱크(10)는, 엔진(20)에 공급될 LNG를 저장한다. LNG 저장탱크(10)는 LNG를 액체상태로 보관하여야 하는데, 이때 LNG 저장탱크(10)는 압력 탱크 형태를 가질 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, LNG 저장탱크(10)는, 외조 탱크(11), 내조 탱크(12), 단열부(13)를 포함한다. 외조 탱크(11)는 LNG 저장탱크(10)의 외벽을 이루는 구조로서, 스틸로 형성될 수 있으며, 단면이 다각형 형태일 수 있다.

내조 탱크(12)는, 외조 탱크(11)의 내부에 구비되며, 서포트(Support; 14)에 의해 외조 탱크(11)의 내부에 지지 설치될 수 있다. 이때 서포트(14)는 내조 탱크(12)의 하단에 구비될 수 있고, 물론 내조 탱크(12)의 좌우 유동을 억제하기 위해 내조 탱크(12)의 측면에도 구비될 수 있다.

내조 탱크(12)는 스테인레스 재질로 형성될 수 있으며, 5bar 내지 10bar(일례로 6bar)의 압력을 견딜 수 있도록 설계될 수 있다. 내조 탱크(12)를 이와 같이 일정 압력에 견딜 수 있도록 설계하는 것은, 내조 탱크(12)의 내부에 구비된 LNG가 증발되어 증발가스가 생성됨에 따라 내조 탱크(12)의 내압이 상승될 수 있기 때문이다.

내조 탱크(12)의 내부에는 배플(Baffle; 15)이 구비될 수 있다. 배플(15)은 격자 형태의 플레이트를 의미하며, 배플(15)이 설치됨에 따라 내조 탱크(12) 내부의 압력은 고르게 분포되어 내조 탱크(12)가 일부분에 집중 압력을 받는 것을 방지할 수 있다.

단열부(13)는, 내조 탱크(12)와 외조 탱크(11)의 사이에 구비되며 외부 열에너지가 내조 탱크(12)로 전달되는 것을 차단할 수 있다. 이때 단열부(13)는 진공상태일 수 있다. 단열부(13)를 진공으로 형성함에 따라, LNG 저장탱크(10)는 일반적인 탱크와 비교할 때 높은 압력에 더욱 효율적으로 견뎌낼 수 있다. 일례로 LNG 저장탱크(10)는 진공의 단열부(13)를 통해 5bar 내지 20bar의 압력을 버텨낼 수 있다.

이와 같이 본 실시예는 진공 형태의 단열부(13)를 외조 탱크(11)와 내조 탱크(12) 사이에 구비하는 압력 탱크형 LNG 저장탱크(10)를 사용함으로써, 증발가스의 발생을 최소화할 수 있고, 내압이 상승하더라도 LNG 저장탱크(10)가 파손되는 등의 문제가 일어나는 것을 미연에 방지할 수 있다.

엔진(20)은, LNG 저장탱크(10)로부터 공급되는 LNG를 통해 구동되어 추력을 발생시킨다. 이때 엔진(20)은 MEGI 엔진(20)일 수 있고, 이중연료 엔진(20)일 수도 있다.

엔진(20)이 이중연료 엔진(20)일 경우, LNG와 오일이 혼합되어 공급되지 않고 LNG 또는 오일이 선택적으로 공급될 수 있다. 이는 연소 온도가 상이한 두 물질이 혼합 공급되는 것을 차단하여, 엔진(20)의 효율이 떨어지는 것을 방지하기 위함이다.

엔진(20)은 LNG의 연소에 의해 실린더(도시하지 않음) 내부의 피스톤(도시하지 않음)이 왕복운동 함에 따라, 피스톤에 연결된 크랭크 축(도시하지 않음)이 회전되고, 크랭크 축에 연결되는 샤프트(도시하지 않음)가 회전될 수 있다. 따라서 엔진(20) 구동 시 최종적으로 샤프트에 연결된 프로펠러(도시하지 않음)가 회전함에 따라, 선체가 전진 또는 후진하게 된다.

물론 본 실시예에서 엔진(20)은 프로펠러를 구동하기 위한 엔진(20)일 수 있으나, 발전을 위한 엔진(20) 또는 기타 동력을 발생시키기 위한 엔진(20)일 수 있다. 즉 본 실시예는 엔진(20)의 종류를 특별히 한정하지 않는다. 다만 엔진(20)은 LNG의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 내연기관일 수 있다.

LNG 저장탱크(10)와 엔진(20) 사이에는 LNG를 전달하는 연료 공급 라인(21)이 설치될 수 있고, 연료 공급 라인(21)에는 펌프(30), 열교환기(50) 등이 구비되어 LNG가 엔진(20)에 공급되도록 할 수 있다.

이때 연료 공급 라인(21)에는 연료 공급 밸브(부호 도시하지 않음)가 설치되어, 연료 공급 밸브의 개도 조절에 따라 LNG의 공급량이 조절될 수 있다.

펌프(30)는, 연료 공급 라인(21) 상에 마련되며, LNG 저장탱크(10)로부터 배출된 LNG를 고압으로 가압한다. 펌프(30)는 부스팅 펌프(Boosting Pump; 31)와 고압 펌프(High Pressure Pump; 32)를 포함한다.

부스팅 펌프(31)는, LNG 저장탱크(10)와 고압 펌프(32) 사이의 연료 공급 라인(21) 상에, 또는 LNG 저장탱크(10) 내에 구비될 수 있으며, 고압 펌프(32)에 충분한 양의 LNG가 공급되도록 하여 고압 펌프(32)의 공동현상(cavitation)을 방지한다. 또한 부스팅 펌프(31)는 LNG 저장탱크(10)로부터 LNG를 빼내어서 LNG를 수 내지 수십 bar 이내로 가압할 수 있다.

LNG 저장탱크(10)에 저장된 LNG는 액체 상태에 놓여있다. 이때 부스팅 펌프(31)는 LNG 저장탱크(10)로부터 배출되는 LNG를 가압하여 압력 및 온도를 다소 높일 수 있으며, 부스팅 펌프(31)에 의해 가압된 LNG는 여전히 액체 상태일 수 있다.

고압 펌프(32)는, 부스팅 펌프(31)로부터 배출된 LNG를 고압으로 가압하여, 엔진(20)에 LNG가 공급되도록 한다. LNG는 LNG 저장탱크(10)로부터 약 10bar 정도의 압력으로 배출된 후 부스팅 펌프(31)에 의해 1차로 가압되는데, 고압 펌프(32)는 부스팅 펌프(31)에 의해 가압된 액체상태의 LNG를 2차로 가압하여, 후술할 열교환기(50)에 공급한다.

이때 고압 펌프(32)는 LNG를 엔진(20)에서 요구하는 압력, 예를 들어 200bar 내지 400bar까지 가압하여 엔진(20)에 공급함으로써, 엔진(20)이 LNG를 통해 추력을 생산하도록 할 수 있다.

고압 펌프(32)는, 부스팅 펌프(31)로부터 배출되는 액체상태의 LNG를 고압으로 가압하되, LNG가 초임계점(Critical Point)보다 높은 온도 및 높은 압력을 갖는 초임계 상태가 되도록 상변화시킬 수 있다. 이때 초임계 상태인 LNG의 온도는 임계온도보다 상대적으로 높은 -20℃ 이하일 수 있다.

또는 고압 펌프(32)는, 액체 상태의 LNG를 고압으로 가압하여 과냉액체 상태로 변화시킬 수 있다. 여기서 과냉액체 상태의 LNG란 LNG의 압력이 임계압력보다 높고, 온도가 임계온도보다 낮은 상태이다.

구체적으로 고압 펌프(32)는, 부스팅 펌프(31)로부터 배출되는 액체상태의 LNG를 200bar 내지 400bar까지 고압으로 가압하되, LNG의 온도가 임계온도보다 낮은 온도가 되도록 하여, LNG를 과냉액체 상태로 상변화시킬 수 있다. 여기서, 과냉액체 상태인 LNG의 온도는, 임계온도보다 상대적으로 낮은 -140℃ 내지 -60℃일 수 있다.

열교환기(50)는, 엔진(20)과 펌프(30) 사이의 연료 공급 라인(21) 상에 마련되며, 펌프(30)로부터 공급되는 LNG를 글리콜 워터와 열교환시켜서 엔진(20)에 공급한다. 열교환기(50)에 LNG를 공급하는 펌프(30)는 고압 펌프(32)일 수 있으며, 열교환기(50)는 과냉액체 상태 또는 초임계 상태의 LNG를 고압 펌프(32)에서 배출되는 압력인 200bar 내지 400bar를 유지하면서 가열시켜서, 30도 내지 60도의 초임계 상태의 LNG로 변환한 후 엔진(20)에 공급할 수 있다.

본 실시예에서의 열교환기(50)는, 글리콜 히터(63)로부터 공급되는 글리콜 워터를 사용하여 LNG를 가열할 수 있다. 글리콜 워터라 함은 에틸렌글리콜(Ethylene Glycol)과 물을 혼합한 유체로서, 글리콜 히터(63)에서 가열되고 열교환기(50)에서 냉각되어 순환할 수 있다.

열교환기(50)에서 LNG와 열교환한 후 토출되는 글리콜 워터의 온도는, 앞서 언급한 고압 펌프(32)의 LNG 상변화에 따라 달라질 수 있다. 즉 고압 펌프(32)가 LNG를 과냉액체 상태로 상변화시킨 후 열교환기(50)에 공급하면, 글리콜 워터는 과냉액체 상태인 LNG를 30도 내지 60도까지 가열하면서 냉각될 수 있고, 또는 고압 펌프(32)가 LNG를 초임계 상태로 상변화시킨 후 열교환기(50)에 공급하면, 글리콜 워터는 과냉액체 상태보다 온도가 높은 초임계 상태의 LNG를 엔진(20) 요구 온도까지 가열하면서 냉각될 수 있다. 이때 과냉액체 상태의 LNG와 열교환하는 경우의 글리콜 워터는, 초임계 상태의 LNG와 열교환하는 경우의 글리콜 워터보다 낮은 온도로 냉각된 후 글리콜 탱크(61)로 순환될 수 있다.

글리콜 탱크(61)는, 글리콜 워터를 저장할 수 있다. 글리콜 탱크(61)는 글리콜 워터의 크래킹(Cracking; 물의 상변화로 인해 물과 에틸렌글리콜이 분리되는 현상)을 방지할 수 있는 온도로 글리콜 워터를 보관할 수 있다.

글리콜 탱크(61)의 하류에는 글리콜 펌프(62)가 구비되어, 글리콜 펌프(62)에 의해 일정량의 글리콜 워터가 글리콜 탱크(61)로부터 글리콜 히터(63)로 유입될 수 있다. 또한 글리콜 탱크(61)의 상류에는 열교환기(50)가 연결되어, LNG에 열을 공급하고 냉각된 글리콜 워터가 글리콜 탱크(61)로 재유입될 수 있다.

글리콜 탱크(61)와 글리콜 펌프(62), 글리콜 히터(63) 및 열교환기(50)는, 글리콜 순환 라인(64)에 의해 연결될 수 있다. 즉 글리콜 워터는 글리콜 순환 라인(64)을 따라 유동하면서, 글리콜 탱크(61), 글리콜 펌프(62), 글리콜 히터(63), 열교환기(50) 순으로 이동하여 가열 또는 냉각될 수 있다.

글리콜 펌프(62)는, 글리콜 탱크(61)에 저장된 글리콜 워터를 글리콜 히터(63)에 공급한다. 글리콜 펌프(62)는 글리콜 탱크(61)의 하류에 구비될 수 있으며, 열교환기(50)에서 배출되는 글리콜 워터의 양을 감안하여 글리콜 워터를 글리콜 탱크(61)로부터 글리콜 히터(63)로 전달할 수 있다.

글리콜 히터(63)는, 글리콜 탱크(61)로부터 배출되는 글리콜 워터를 가열한 뒤 열교환기(50)에 공급한다. 글리콜 히터(63)는 글리콜 워터를 일정 온도로 가열함으로써, 글리콜 워터가 열교환기(50)에서 충분한 열을 LNG에 공급하도록 할 수 있다.

글리콜 히터(63)는 전기에너지를 사용하여 글리콜 워터를 가열할 수도 있으나, 본 실시예는 스팀을 사용할 수 있다. 즉 글리콜 히터(63)에는 보일러(도시하지 않음)에 의해 생성되는 스팀이 공급되며, 스팀은 글리콜 워터에 열을 공급하고 글리콜 워터는 스팀을 냉각시켜서, 글리콜 워터는 가열되고 스팀은 응축수로 응축될 수 있다.

이때 응축수는 응축수 탱크(81)를 통해 보일러로 재유입되어 스팀으로 변화한 뒤 다시 글리콜 히터(63)에 유입될 수 있으며, 스팀에 의해 가열된 글리콜 워터는 글리콜 히터(63)로부터 배출되어 열교환기(50)에 유입될 수 있다.

스팀 공급 라인(70)은, 글리콜 히터(63)에 스팀을 공급한다. 스팀 공급 라인(70)의 일단은 보일러에 연결되고 타단은 글리콜 히터(63)에 연결될 수 있으며, 스팀이 원활하게 글리콜 히터(63)에 공급되도록 스팀 공급 라인(70)은 단열될 수 있다.

본 발명에 따른 LNG 연료 공급 시스템(2)은, 다양한 조건 하에 구동될 수 있으며, 일례로 엔진(20) 구동이 정지되었다가 재개될 수 있다. 이와 같이 엔진(20) 정지 후 재가동 시 스팀 공급 라인(70)에는 외부 온도에 의하여 냉각된 공기가 존재할 수 있는데, 스팀이 글리콜 워터를 충분히 가열하기 위한 압력으로 공급되면, 스팀에 의하여 공기가 가열되어 급팽창함에 따라, 스팀 공급 라인(70)의 내면을 강하게 타격할 수 있다.

즉 엔진(20) 초기 가동 시 또는 정지 후 재가동 시, 스팀을 정상 압력(엔진(20)에 LNG가 공급되는 환경에서 스팀이 스팀 공급 라인(70)에 공급되는 일반적인 압력을 의미한다.)으로 스팀 공급 라인(70)에 전달할 경우, 냉각되어 있던 공기가 급팽창하여 스팀 공급 라인(70)에 충격을 가하는 해머링(Hammering) 현상이 발생될 위험이 있다.

따라서 본 실시예는, 스팀을 기설정 압력 미만으로 일정시간 공급하여 해머링 현상이 발생되는 것을 방지함으로써 스팀 공급 라인(70)의 파손 우려를 미연에 제거할 수 있다. 이에 대해서는 이하 스팀 밸브(71,72)에서 자세히 설명하도록 한다.

스팀 밸브(71,72)는, 스팀 공급 라인(70) 상에 마련되어 스팀의 공급량을 제어한다. 스팀 밸브(71,72)는 스팀 제어밸브(71), 스팀 블록밸브(72)를 포함할 수 있다.

스팀 제어밸브(71)는, 글리콜 히터(63)에 공급되는 스팀의 유입량을 조절하는 밸브로서, 스팀 제어밸브(71)의 형태는 특별히 한정하지 않는다. 다만 스팀 제어밸브(71)는 On/Off 방식으로 제어되는 밸브가 아니라, 스팀 공급 라인(70)의 면적을 다양하게 변화시키는 방식으로 제어되는 밸브일 수 있다.

스팀 제어밸브(71)는, 엔진(20) 초기 가동 시 또는 정지 후 재가동 시 기설정 압력 미만으로 일정시간 스팀을 공급하여 스팀 공급 라인(70)을 가열할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 스팀 공급 라인(70)에는 스팀의 공급이 일정시간 동안 중단될 경우 외부 환경에 의하여 냉각된 공기가 차있을 수 있다. 이때 스팀을 강하게 공급하면 스팀에 의해 갑자기 공기가 팽창하여 스팀 공급 라인(70)이 충격으로 파손될 수 있다. 따라서 본 실시예의 스팀 제어밸브(71)는, 스팀 공급 라인(70)을 예열할 수 있다.

구체적으로 스팀 제어밸브(71)는, 2bar의 압력으로 5 내지 10분간 스팀을 공급하여 스팀 공급 라인(70) 내부의 공기가 급팽창하는 것을 방지할 수 있다. 이후 일정시간이 경과하면 스팀 제어밸브(71)는 스팀의 공급압력을 상승시켜 공급할 수 있다. 일례로 스팀 제어밸브(71)는 일정시간 경과 후 5bar 내지 10bar의 압력으로 스팀을 공급할 수 있다.

5bar 내지 10bar는 엔진(20)이 정상 상태로 구동될 때 LNG와 열교환되는 글리콜 워터를 충분히 가열하기 위하여 필요한 스팀의 공급 압력을 의미하며, 물론 본 발명이 스팀 공급 압력을 상기와 같이 한정하는 것은 아니다.

다만 스팀은 스팀 제어밸브(71)에 의하여 압력이 조정되는데, 초기 가동 시 또는 정지 후 재가동 시에는, LNG가 엔진(20)에 공급되어 엔진(20)이 구동될 때의 압력보다 낮은 압력으로 글리콜 히터(63)에 공급될 수 있다. 이 경우 스팀 공급 라인(70)에 존재하는 찬 공기는 스팀에 의하여 팽창하게 되나, 본 실시예는 엔진(20) 구동 시의 압력보다 낮은 압력으로 스팀을 공급하기 때문에 공기의 급팽창을 막아 스팀 공급 라인(70)에 해머링 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

스팀 블록밸브(72)는, 스팀 공급라인 상에서 스팀 제어밸브(71)의 상류에 마련된다. 스팀 블록밸브(72)와 스팀 제어밸브(71)는, 스팀 공급 라인(70) 상에 직렬로 배치될 수 있다.

스팀 블록밸브(72)는, 스팀과 같은 유체가 흐르는 것을 차폐하는 밸브로서, 스팀 제어밸브(71)와 마찬가지로 형태에 대한 제한은 두지 않는다. 즉 스팀 블록밸브(72)는 버터플라이 밸브, 볼 밸브 등의 형태를 가질 수 있다.

스팀 블록밸브(72)는, 스팀 제어밸브(71)의 작동 시 최대 개방되며, 스팀 제어밸브(71)의 작동 정지 시 스팀 공급 라인(70)의 적어도 일부분을 차폐하여 스팀의 공급량을 가변시킬 수 있다. 스팀 제어밸브(71)의 작동 정지 시라 함은, 스팀 제어밸브(71)가 파손 등에 의해 구동되지 못하는 상태를 의미할 수 있다.

스팀 제어밸브(71)가 작동될 경우, 본 실시예는 스팀 블록밸브(72)에 의한 스팀 공급량 제어는 생략하고, 스팀 제어밸브(71)를 통해 스팀의 공급량을 조절할 수 있다. 그러나 스팀 제어밸브(71)가 예상치 못한 원인에 의해 파손되거나, 또는 작동이 중단될 경우, 스팀 블록밸브(72)는 스팀 제어밸브(71)를 대신하여 스팀의 유입을 제어할 수 있다.

따라서 본 실시예는 스팀 제어밸브(71)가 작동되지 않더라도 스팀 블록밸브(72)를 사용하여 스팀의 유량을 조절할 수 있고, 스팀 유량 조절에 의하여 글리콜 히터(63)에서의 글리콜 워터의 온도를 적절히 유지 또는 가변시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG 연료 공급 방법의 순서도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG 연료 공급 방법은, 글리콜 히터(63)에 스팀 공급 라인(70)을 통해 스팀을 공급하여 글리콜 워터를 가열하고, LNG를 가열된 글리콜 워터와 열교환시켜 엔진(20)에 공급하는 방법에 있어서, 엔진(20) 초기 가동 시 또는 정지 후 재가동 시 스팀 공급 라인(70)의 온도를 감지하는 단계(S110), 온도가 기설정 온도 미만일 경우 기설정 압력 미만으로 일정시간 스팀을 공급하여 스팀 공급 라인(70)을 가열하는 단계(S120), 일정시간 경과 후 스팀의 공급압력을 상승시켜 공급하는 단계(S130)를 포함한다.

단계 S110에서는, 엔진(20) 초기 가동 시 또는 정지 후 재가동 시 스팀 공급 라인(70)의 온도를 감지한다. 스팀 공급 라인(70)의 온도라 함은 스팀 공급 라인(70)이 설치되어 있는 공간의 온도 또는 스팀 공급 라인(70)의 내부 온도를 의미한다. 스팀 공급 라인(70)의 온도는 온도센서(도시하지 않음)에 의해 감지될 수 있고, 온도센서는 일반적인 구성이므로 자세한 설명은 생략한다.

외부 온도가 스팀의 온도보다 일반적으로 낮기 때문에, 스팀 공급 라인(70)의 온도는 엔진(20)이 구동되지 않는 동안 떨어질 수 있다. 이때 스팀 공급 라인(70)의 내부에 존재하는 공기는 외부 환경에 의하여 냉각될 수 있으며, 찬 공기로 잔류할 수 있다.

만약 이러한 상황에서 엔진(20) 구동을 위해 필요한 압력으로 스팀을 공급하게 되면, 스팀에 의해 공기가 급팽창하여 스팀 공급 라인(70)의 내면을 강하게 타격할 수 있고, 스팀 공급 라인(70)에 크랙이 발생될 수 있다.

단계 S120에서는, 온도가 기설정 온도 미만일 경우 기설정 압력 미만으로 일정시간 스팀을 공급하여 스팀 공급 라인(70)을 가열한다. 앞서 설명한 바와 같이 스팀 공급 라인(70)의 온도가 기설정 온도 미만일 경우에는, 스팀을 일반적으로 공급하게 되면 찬 공기의 급팽창에 의한 해머링 현상이 우려된다. 따라서 단계 S120에서는 기설정 압력 미만으로 스팀을 약하게 공급함으로써, 스팀 공급 라인(70)을 예열할 수 있다.

스팀 공급 라인(70)의 예열을 통해, 찬 공기는 따뜻한 공기로 서서히 변화할 수 있고, 공기의 팽창 역시 서서히 이루어질 수 있다. 이 경우 해머링 현상은 대폭 감소될 수 있으며, 따라서 스팀 공급 라인(70)은 원활하게 스팀의 공급을 수행할 수 있다.

기설정 온도는 스팀 공급 시 해머링 현상이 치명적으로 나타날 수 있는 온도일 수 있으며, 일례로 10도일 수 있으나, 본 실시예는 기설정 온도를 특별히 한정하지는 않는다.

기설정 압력은, 2bar의 압력일 수 있다. 또한 일정시간은 5 내지 10분간일 수 있다. 이는 스팀 공급 라인(70)의 직경, 길이 등과 같은 제원에 의하여 상이하게 결정될 수 있다.

단계 S130에서는, 일정시간 경과 후 스팀의 공급압력을 상승시켜 공급한다. 일정시간이 경과하였으면 스팀 공급 라인(70)이 충분히 예열되었다고 판단할 수 있고, 스팀 공급 라인(70) 내부의 찬 공기는 어느 정도 제거됨에 따라 스팀 압력을 높이더라도 해머링 현상이 발생되지 않음을 추정할 수 있다.

이때 본 실시예는, 일례로 5bar 내지 10bar의 압력으로 스팀을 공급하여 스팀이 글리콜 히터(63) 내에서 글리콜 워터를 가열시킬 수 있도록 함으로써, 엔진(20)이 원활하게 구동되도록 할 수 있다.

이와 같이 본 실시예는, 스팀 공급 라인(70)이 외부 온도에 의해 냉각되었을 경우 스팀 공급 라인(70)을 예열시킴으로써, 스팀 공급 라인(70)에 존재하는 찬 공기가 스팀과 만나 급팽창하여 스팀 공급 라인(70)에 충격을 가하는 것을 방지할 수 있다. 또한 스팀 제어밸브(71)가 작동되지 못함에 따라 스팀이 누설되더라도 스팀 블록밸브(72)를 사용하여 적정량의 스팀이 원활히 글리콜 히터(63)에 공급되도록 할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LNG 연료 공급 시스템의 개념도이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 LNG 연료 공급 시스템(3)은, LNG 저장탱크(10), 엔진(20), 펌프(30), 열교환기(50), 글리콜 탱크(61), 글리콜 펌프(62), 글리콜 히터(63), 응축수 배출 라인(80), 응축수 탱크(81), 응축수 배출밸브(82), 응축수 제어밸브(83)를 포함한다. 응축수 배출 라인(80), 응축수 탱크(81), 응축수 배출밸브(82), 응축수 제어밸브(83)를 제외한 다른 구성은 앞서 일 실시예에서 설명한 바와 동일하므로, 각 구성에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.

응축수 배출 라인(80)은, 글리콜 히터(63)에서 발생하는 응축수를 배출한다. 글리콜 히터(63)에는 스팀이 공급되며, 스팀과 글리콜 워터가 열교환함에 따라 글리콜 워터는 가열되고, 스팀은 냉각된다. 냉각된 스팀은 응축수로 응축되며, 응축수는 응축수 배출 라인(80)을 따라 글리콜 히터(63)에서 배출될 수 있다.

응축수 배출 라인(80)은 일단이 글리콜 히터(63)에 연결되고, 타단이 보일러(도시하지 않음)에 연결될 수 있다. 글리콜 히터(63)에서 응축된 응축수는, 응축수 배출 라인(80)을 따라 보일러에 유입되며, 보일러에서 가열되어 스팀으로 변화한 뒤 글리콜 히터(63)로 재유입될 수 있다.

응축수 탱크(81)는, 응축수를 저장한다. 응축수 탱크(81)는 글리콜 히터(63)의 하류에 구비되어 글리콜 히터(63)로부터 배출되는 응축수를 임시로 저장해둘 수 있다. 응축수 탱크(81)에 저장되어 있는 응축수는, 응축수 배출밸브(82), 응축수 제어밸브(83)를 거쳐 보일러에 유입되어 가열될 수 있다.

응축수 배출밸브(82)는, 응축수 배출 라인(80) 상에 마련되어 응축수 탱크(81)에 저장된 응축수의 레벨에 따라 응축수의 배출량을 제어한다. 응축수 탱크(81)에는 응축수가 임시로 저장되며, 응축수의 레벨에 따라 응축수 탱크(81)의 내압이 달라질 수 있다. 응축수 탱크(81)의 내압은 응축수의 유입량에도 영향을 미치므로, 응축수 레벨은 결국 스팀의 글리콜 히터(63) 유입량을 결정한다.

이때 응축수 배출밸브(82)는, 응축수 탱크(81)에 저장되어 있는 응축수의 레벨을 감지하고, 응축수를 배출시켜서 더 많은 스팀이 글리콜 히터(63)에 유입되도록 할 수 있다. 또는 응축수 배출밸브(82)는, 응축수가 응축수 탱크(81)에서 배출되지 못하도록 응축수 배출 라인(80)을 폐쇄하거나 응축수의 배출량을 낮춤으로써 글리콜 히터(63)에 유입되는 스팀의 양을 감소시킬 수 있다. 즉 응축수 배출밸브(82)는, 응축수 탱크(81)에 저장된 응축수의 배출을 제어하여 글리콜 히터(63)에 유입되는 스팀의 양을 조절할 수 있다.

응축수 배출밸브(82)는, 응축수 탱크(81)에 저장된 응축수의 압력에 의해 개방될 수 있다. 즉 응축수 배출밸브(82)는 응축수 압력에 의하여 자동 개폐될 수 있으며, 이 경우 글리콜 히터(63)에 공급되는 스팀의 양은 일정 범위 내로 조절될 수 있다.

다만 응축수 배출밸브(82)가 응축수 압력에 의해 개방될 경우, 응축수와 함께 글리콜 히터(63)에 유입되어 있던 스팀이 응축수 배출밸브(82)를 빠져나갈 수 있다. 이 경우 스팀이 글리콜 히터(63)로부터 배출됨에 따라 글리콜 워터와 스팀의 열교환이 제대로 이루어지지 못하여 글리콜 워터가 충분한 온도로 가열될 수 없고, 따라서 LNG가 엔진(20)에서 요구하는 온도까지 가열되지 못할 수 있다. 그러나 본 실시예는, 응축수 제어밸브(83)를 구비함으로써 응축수 배출밸브(82)를 통해 스팀이 빠져나가는 것을 차단할 수 있다.

응축수 제어밸브(83)는, 응축수 배출 라인(80) 상에서 응축수 배출밸브(82)의 하류에 마련된다. 응축수 배출밸브(82)와 응축수 제어밸브(83)는 응축수 배출 라인(80) 상에 직렬로 배치될 수 있다.

응축수 제어밸브(83)는, 응축수 배출밸브(82)에 의해 스팀이 외부로 배출될 경우 이를 차단할 수 있다. 즉 응축수 배출밸브(82)가 응축수의 압력으로 인하여 개방되면, 응축수 제어밸브(83)는 밀폐되어 스팀의 외부 배출을 막을 수 있다.

응축수 제어밸브(83)는 응축수 탱크(81)에 저장된 응축수가 기설정 레벨 이상일 경우 개방될 수 있다. 응축수 탱크(81)에 응축수가 응축수 배출밸브(82)를 개방할 수 있는 최소한의 양만큼 저장되어 있을 경우, 응축수는 응축수 배출밸브(82)를 개방하면서 배출될 수 있고, 이때 응축수에 스팀이 혼합되어 배출될 수 있다.

그러나 응축수 탱크(81)에 충분한 양의 응축수가 저장되어 있다면, 응축수 배출밸브(82)는 자동으로 개방될 수 있고, 응축수 제어밸브(83)가 개방되더라도 스팀이 함께 빠져나오지 못하고 응축수만 배출될 수 있다. 따라서 응축수 제어밸브(83)는, 응축수 탱크(81)에 저장된 응축수의 레벨에 따라서 개폐될 수 있다. 이때 기설정 레벨은, 각 밸브(82,83)가 개방되더라도 스팀이 응축수와 함께 빠져나오지 못할 정도로 응축수의 유량이 충분한 정도의 레벨을 의미하며, 본 실시예는 기설정 레벨을 수치로 특별히 한정하지는 않는다. 기설정 레벨은 글리콜 히터(63)의 제원, 응축수 배출밸브(82)의 크기나 형태 등에 따라 달라질 수 있다.

이와 같이 본 실시예는, 응축수 탱크(81)의 하류에 응축수 배출밸브(82)를 구비함으로써 응축수 탱크(81)에 일정량의 응축수가 저장되면 배출될 수 있도록 하고, 응축수의 배출량을 조절하여 스팀이 글리콜 히터(63)에 유입되는 양을 가변시킬 수 있다.

또한 응축수 배출밸브(82)가 응축수에 의하여 자동 개폐되는 방식일 경우, 본 실시예는 응축수 제어밸브(83)를 구비하여 응축수가 응축수 탱크(81) 내에 충분한 양만큼 저장될 때에만 응축수를 배출하여, 응축수 배출 시 스팀이 혼합 배출되는 것을 방지할 수 있다.

이와 같이 본 발명은, 스팀에 의해 가열되는 글리콜 워터를 사용하여 LNG를 엔진(20) 요구 온도까지 가열함으로써, 전기에너지의 사용량을 절감하여 에너지를 절약하고, 친환경 시스템을 구축할 수 있다.

또한 본 발명은, 엔진(20) 구동 시 스팀 공급 라인(70)을 예열하여 스팀 공급 라인(70)의 찬 공기가 급팽창함에 따라 스팀 공급 라인(70)을 타격하는 것을 방지할 수 있고, 스팀 공급 라인(70)에 스팀 밸브(71,72)를 구비함으로써 스팀이 안정적으로 공급되도록 할 수 있다.

또한 본 발명은, 응축수 탱크(81)에 저장된 응축수가 응축수 배출밸브(82) 또는 응축수 제어밸브(83)에 의해 배출되도록 하여, 응축수의 배출량 조절을 통해 스팀의 유입량을 제어할 수 있고, 스팀이 응축수 배출 라인(80)을 따라 배출되는 것을 방지할 수 있다.

1: 종래의 LNG 연료 공급 시스템 2,3: 본 발명의 LNG 연료 공급 시스템
10: LNG 저장탱크 11: 외조 탱크
12: 내조 탱크 13: 단열부
14: 서포트 15: 배플
20: 엔진 21: 연료 공급 라인
30: 펌프 31: 부스팅 펌프
32: 고압 펌프 40: 전기히터
50: 열교환기 61: 글리콜 탱크
62: 글리콜 펌프 63: 글리콜 히터
64: 글리콜 순환 라인 70: 스팀 공급 라인
71: 스팀 제어밸브 72: 스팀 블록밸브
80: 응축수 배출 라인 81: 응축수 탱크
82: 응축수 배출밸브 83: 응축수 제어밸브

Claims

LNG 저장탱크로부터 엔진까지 연결된 연료 공급 라인;
상기 연료 공급 라인 상에 마련되며, 상기 LNG 저장탱크로부터 배출된 LNG를 고압으로 가압하는 펌프;
상기 엔진과 상기 펌프 사이의 상기 연료 공급 라인 상에 마련되며, 상기 펌프로부터 공급되는 상기 LNG를 글리콜 워터와 열교환시켜 상기 엔진에 공급하는 열교환기;
상기 글리콜 워터를 스팀으로 가열한 뒤 상기 열교환기에 공급하는 글리콜 히터;
상기 글리콜 히터에 스팀을 공급하는 스팀 공급 라인;
상기 스팀 공급 라인 상에 마련되어 상기 스팀의 공급량을 제어하는 스팀 제어밸브; 및
상기 스팀 공급 라인 상에서 상기 스팀의 흐름을 기준으로 상기 스팀 제어밸브의 상류에 마련되는 스팀 블록밸브를 포함하되,
상기 스팀 블록밸브는,
상기 스팀 제어밸브의 작동 시 최대 개방되며, 상기 스팀 제어밸브의 작동 정지 시 상기 스팀 공급 라인의 적어도 일부분을 차폐하여 상기 스팀의 공급량을 가변시키는 것을 특징으로 하는 LNG 연료 공급 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 스팀 제어밸브 및 상기 스팀 블록밸브는,
상기 스팀 공급 라인 상에 직렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 LNG 연료 공급 시스템.
삭제
제 1 항에 있어서,
글리콜 워터를 저장하는 글리콜 탱크를 더 포함하고,
상기 글리콜 히터는, 상기 글리콜 탱크로부터 배출되는 상기 글리콜 워터를 가열하는 것을 특징으로 하는 LNG 연료 공급 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 글리콜 탱크에 저장된 상기 글리콜 워터를 상기 글리콜 히터에 공급하는 글리콜 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG 연료 공급 시스템.