KR101434431B1 - 천연가스 연료공급 시스템 및 천연가스 연료공급 시스템이 탑재된 선박 - Google Patents

천연가스 연료공급 시스템 및 천연가스 연료공급 시스템이 탑재된 선박 Download PDF

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Abstract

천연가스 연료공급 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른천연가스 연료공급 시스템은 액체 상태의 액화천연가스연료가 저장탱크로부터 엔진으로 이송되며, 액체상태의 액화천연가스연료가 엔진으로 공급되기 전 기화되어 기체상태로 엔진에 공급되는 연료공급부; 액체가스연료를 소비하는 엔진의 작동열에 의해 가열된 매체가 순환하는 엔진열 순환부; 연료공급부에 구비되어 액체가스연료를 기화시키는 기화기; 제1냉매가 엔진열 순환부와 열교환되어 가열되며, 가열된 제1냉매가 기화기에서 액화천연가스와 열교환되어 냉각되는 제1 냉매 순환부; 및 제1냉매 순환부와 엔진열 순환부 사이에 구비되어 엔진열 순환부의 매체와 제1냉매를 열교환 시키는 제1열교환기를 포함할 수 있다.

Description

천연가스 연료공급 시스템 및 천연가스 연료공급 시스템이 탑재된 선박{System for Liquid Gas Fuel Supply and Ship Having The Same}
본 발명은 천연가스 연료공급 시스템 및 이 시스템이 탑재된 선박에 관한 것으로서, 좀 더 자세하게는 액화천연가스를 엔진의 연료로 사용하는 선박에 있어서, 액화천연가스연료를 기화시키는데 필요한 열을 엔진의 냉각수로부터 공급하는 천연가스 연료공급 시스템 및 이 시스템이 탑재된 선박에 관한 것이다.
물 위를 항해하는 선박은 그 쓰임새에 따라 여객선 및 어선, 화물선 등으로 구분되는데, 선박에 탑승하는 승객 및 승조원의 쾌적성 또는 어획한 생선의 부패방지 및 탑재한 화물의 변질방지 등 다양한 목적을 위해 공기조화장치가 탑재된다.
또한, 근래에는 액화가스등을 운반하기 위한 LNG 수송선 등의 수요가 많아지고 있는데, 이러한 액화가스는 기체상태일 때 보다 액체상태일 때 그 부피가 대략 1/600정도로 줄어들어 해상운반을 위해서는 액화상태로 운반하는 것이 필수적이다. 그런데, 상기와 같은 가스를 액화상태로 유지하기 위해서는 섭씨 영하 160도 정도의 극저온 상태로 유지하여야 한다.
도 1은 종래의 선박에 탑재되는 공기조화장치(50)를 도시하였다. 종래의 공기조화장치(50)는 냉매압축기(52), 응축기(54), 팽창밸브(56) 및 에어핸들링유닛(58: AHU: Air Handling Unit)으로 이루어질 수 있다.
즉, 상기 냉매압축기(52)는 냉매를 단열압축하고, 응축기(54)는 가열된 냉매를 외부와 열교환시켜 방열하며, 상기 팽창밸브(56)는 냉매가 단열팽창되고, 상기 에어핸들링유닛(58)은 상기 팽창밸브에서 단열팽창되어 냉각된 냉매가 유동되면서 주위의 열을 흡열함으로써 에어핸들링유닛(58) 주변 공기를 냉각하도록 이루어지는 것이다.
그런데, 상기와 같은 공기조화장치(50)는 상기 냉매압축기(52)의 구동에 상당한 동력이 필요하며, 이 동력은 선박의 엔진으로부터 얻게 되므로 엔진을 그 만큼 더 운전해야 해 에너지의 소모가 심한 문제점이 있었다.
또 한편, 최근에는 친환경 선박이 주목 받으면서 액화천연가스(LNG)를 연료로 사용하는 선박에 대한 관심이 증대되고 있다.
특히, LNG운반선의 경우 수송하는 천연액화가스를 연료로 사용할 수 있어 별도의 연료탱크를 구비하지 않아도 되는 이점이 있어 근래에 개발이 가속화 되고 있다.
이러한 천연액화가스를 연료로 사용하기 위해서는 선체 내부에 저장된 천연액화가스를 기화시킨 후 엔진에 공급해야 하며 이 때문에 액체상태의 가스를 가열하는 방법을 사용한다.
본 출원보다 먼저 공개된 공개특허 10-2008-0080157을 참고하면, 액체상태의 가스를 가열하기 위한 열원으로서 해수를 사용하는 기술이 개시되어 있다.
도 2는 상기한 선행특허에 개시된 연료공급계와 냉각계의 시스템을 도시한 도면이다.
이를 간략하게 살펴보면, LNG를 기화하여 연료로 공급하는 가스공급시스템(3)과 선박 내 필요한 냉각 에너지를 공급하기 위한 냉매 순환로(7), 그리고 위의 가스공급시스템(3)에서 발생하는 냉각 에너지를 냉매 순환로(7)로 전달해주는 중간 유동 순환로(6)가 구비된다.
즉, 상기 중간유동순환로(6)가 LNG의 기화열을 냉매순환로(7)에 전달하여 수요처에서의 냉각을 하도록 하며, 반대로 수요처에서 흡수한 열을 가스증발기(5)에 전달하여 LNG를 기화시키도록 이루어진다.
또한, LNG를 기화시키는데 필요한 열이 부족할 경우 해수와 열교환되는 제2열교환기(11)가 구비되어 해수로부터 열을 얻도록 구비된다.
그러나, 이러한 구성은 LNG로부터 얻는 냉각에너지가 수요처에서 필요한 냉방열량보다 작은경우 냉매가 기체와 액체의 2상 상태로 섞일 가능성이 있으며, 이러한 경우 가압에 어려움이 발생하며 냉각 에너지를 최대한 활용하는데 어려움이 있다.
또한, 해수와 열교환하기 위해서 상기 제2열교환기(11)은 부식을 고려하여 내부식성 재질로 제작되어야 하며, 해수에 섞인 이물질에 의해 열교환기 내부가 오염될 가능성을 고려하여 초기 설계부터 크게 제작해야 하므로 열교환기의 제작단가가 높아지는 문제점이 있으며, 설령 해수에 의한 오염을 고려하여 제작한다고 하여도 내부 이물질 침적에 의한 열교환기의 성능 저하가 필연적으로 발생되어 주기적인 정비가 필요한 문제점이 있다.
한국공개특허 10-2008-0080157
본 발명은, 보다 효율적으로 액화천연가스(LNG)의 기화열을 이용하며 해수를 이용하지 않아, 보다 안전하고 정비보수의 필요성이 적어 경제적인 천연가스 연료공급 시스템 및 천연가스 연료공급 시스템이 탑재된 선박을 제공하는 것을 과제로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 액체 상태의 액화천연가스연료가 저장탱크로부터 엔진으로 이송되며, 상기 액체상태의 액화천연가스연료가 엔진으로 공급되기 전 기화되어 기체상태로 엔진에 공급되는 연료공급부, 상기 액화천연가스연료를 소비하는 엔진의 작동열에 의해 가열된 매체가 순환하는 엔진열 순환부, 상기 연료공급부에 구비되어 상기 액화천연가스연료를 기화시키는 기화기, 제1냉매가 상기 엔진열 순환부와 열교환되어 가열되며, 가열된 제1냉매가 상기 기화기에서 상기 액화천연가스연료와 열교환되어 냉각되는 제1 냉매 순환부 및 상기 제1냉매 순환부와 엔진열 순환부 사이에 구비되어 엔진열 순환부의 매체와 상기 제1냉매를 열교환 시키는 제1열교환기를 포함하여 이루어지는 천연가스 연료공급 시스템이 제공된다.
또한, 제2냉매가 상기 액화천연가스연료와 열교환되어 냉각된 상기 제1냉매 순환부의 제1냉매와 열교환되어 냉각된 후 에어핸들링유닛에서 주변의 공기와 열교환되어 상기 에어핸들링유닛의 주변의 공기를 냉각시키는 에어핸들링유닛 냉각부, 상기 제1냉매 순환부와 에어핸들링유닛 냉각부 사이에 구비되어 상기 제1냉매와 제2냉매를 열교환 시키는 제2열교환기를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 제1냉매 순환부는, 상기 제1냉매가 상기 제1열교환기와 기화기를 순환하도록 구비되는 제1냉매 순환유로와, 상기 제1냉매를 순환시키는 압력을 제공하는 제1냉매 펌프 및 상기 제1열교환기에서 열교환되는 열량이 부족할 경우 상기 제1냉매를 가열하도록 구비되는 보조히터를 포함하여 이루어질 수 있다.
또는, 상기 제1냉매 순환부는, 상기 제1냉매가 상기 제1열교환기와 기화기 및 제2열교환기를 순환하도록 구비되는 제1냉매 순환유로와 상기 제1냉매를 순환시키는 압력을 제공하는 제1냉매 펌프 및 상기 제1열교환기에서 열교환되는 열량이 부족할 경우 상기 제1냉매를 가열하도록 구비되는 보조히터를 포함하여 이루어질 수도 있다.
상기 제1냉매 순환부는, 상기 기화기로 흐르고 남은 잉여의 제1냉매를 상기 제2열교환기 측으로 우회시키는 제1바이패스유로를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
한편, 상기 에어핸들링 유닛 냉각부는, 제2냉매가 주변의 공기와 열교환되는 에어핸들링 유닛, 제2냉매가 상기 에어핸들링 유닛과 제2열교환기를 순환하도록 구비되는 제2냉매 순환유로와 상기 제2냉매 순환유로의 제2열교환기의 후측에 구비되며 상기 제2냉매를 순환시키는 압력을 제공하는 제2냉매 펌프, 상기 제2냉매 순환유로상의 상기 에어헨들링 유닛의 전측에 구비되며 냉매를 팽창시키는 팽창밸브 및 상기 제2열교환기에서 열교환되는 열량이 부족할 경우 상기 제2냉매를 냉각하도록 구비되는 보조냉각부를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 보조냉각부는, 상기 제2냉매 순환유로의 에어핸들링 유닛의 후측으로부터 분기되어 팽창밸브의 전측에서 합류되도록 구비되는 제2바이패스 유로, 상기 제2바이패스 유로상에 구비되며, 제2냉매를 압축시키는 압축기 및 상기 제2바이패스 유로상에 구비되며, 상기 압축기에서 압축된 제2냉매를 응축시키는 응축기를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 에어핸들링 유닛 냉각부는, 상기 제2냉매펌프의 전에 구비되어 제2냉매 순환유로상을 흐르는 제2냉매 중 액체와 기체를 분리하여 액체는 제2냉매 펌프측으로 보내고, 기체는 압축기측으로 보내는 기액분리기를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 연료공급부는, 복수개의 연료공급라인으로 이루어지며, 상기 기화기도 상기 각 연료공급라인마다 각각 구비될 수 있다.
그리고, 상기 기화기에서 기화된 연료를 엔진공급전에 소정온도로 가열하는 가열기가 더 구비될 수 있다.
상기 제1냉매 순환부는 제1냉매가 상기 기화기와 제2열교환기를 순환하도록 구비되어 상기 액체가스연료의 기화열에 의해 냉각된 제1냉매가 상기 제2열교환기에서 에어헨들링 유닛 냉각부의 냉매와 열교환되도록 이루어지는 제1순환유로, 상기 제1순환유로와는 독립되며, 제1냉매가 상기 제1열교환기와 가열기를 순환하도록 이루어져, 상기 제1열교환기에서 엔진열 순환부에 의해 가열된 냉매가 상기 가열기에서 기화된 연료와 열교환되도록 이루어지는 제2순환유로를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제1냉매 순환부는, 제1순환유로와 제2순환유로가 서로 연통되도록 구비되며, 상기 에어핸들링유닛 냉각부의 필요냉각량이 기화열에 의해 발생하는 냉각량보다 작은 경우 상대적으로 높은 온도의 제2순환유로의 냉매가 제1순환유로측으로 흐르도록 개방 되는 연결유로를 더 포함하여 이루어질 수도 있다.
상기 엔진열 순환부에 흐르는 매체는 엔진의 냉각수일 수 있다.
상기 제1냉매는 글리콜워터일 수 있다.
본 발명의 천연가스 연료공급 시스템 및 이 시스템이 탑재된 선박에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 해수대신 엔진열과 열교환하므로 해수의 사용에 따른 열교환기의 부식우려가 없으며, 이물질의 침적에 의한 열교환기의 고장 및 정비의 필요성이 없어지는 효과가 있다.
둘째, 해수에 비하여 상대적으로 고온인 엔진열과 열교환 하므로 열교환 효율이 향상되어 열교환기를 작게 제작할 수 있어 제작단가가 저렴해지는 효과가 있다.
셋째, 에어핸들링유닛 냉각부에서 압축기 및 응축기를 사용하는 대신, 전력소모량이 압축기보다 상대적으로 작은 펌프를 사용함으로써 전력소모량이 작아지게 되는 효과가 있다.
넷째, 기화된 가스를 적절한 온도로 가열한 후에 엔진으로 공급하므로 엔진이 보다 안정적으로 운전되며 연소효율이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 종래의 냉각 시스템을 도시한 도면;
도 2는 종래의 선박에서 액체가스의 기화열을 이용하여 냉각하는 시스템을 도시한 도면;
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 천연가스 연료공급 시스템을 도시한 도면;
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 천연가스 연료공급 시스템을 도시한 도면;
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 천연가스 연료공급 시스템을 도시한 도면 이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스 연료공급 시스템에 대해서 설명하기로 한다.
설명하기에 앞서, 본 실시예의 천연가스 연료공급 시스템이 선박에 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다. 더욱 자세하게는 상기 선박은 액화천연가스(LNG)를 운반하는 운반선일 수 있다. 물론, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 기타 다른 화물선이나 여객선에 적용될 수 있으며, 해상구조물이나 해상 플랜트에도 적용될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 천연가스 연료공급 시스템을 도시한 도면이다.
본 실시예에 따른 천연가스 연료공급 시스템은 도 3에 도시된 바와 같이, 연료공급부(110)와 엔진열 순환부(130) 및 에어핸들링유닛 냉각부(170)를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 연료공급부(110)는 저장탱크(112)에 저장된 액체상태의 액화천연가스가 엔진(120)으로 이송되는 구성요소이다. 이 때, 상기 엔진(120)은 상기 저장탱크(112)에 저장된 천연가스를 연료로 사용하는 선박의 추진용 엔진일 수도 있고, 또는 선박의 발전용 엔진일 수도 있을 것이다.
상기와 같은 연료공급부(110)는 연료가 이송되는 유료인 연료공급라인(114)을 포함하여 이루어질 수 있다. 그런데, 상기 가스는 엔진(120)에 공급될 때 기체상태의 가스로 공급되는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 상기 액체상태의 천연가스는 상기 연료공급라인(114)에서 기화되어 기체상태로 상변화 된 후 엔진(120)으로 공급될 수 있다.
한편, 상기 엔진열 순환부(130)는 상기 천연가스를 연료로 소비하는 엔진(120)의 작동열에 의해 가열된 매체가 순환하는 구성요소이다. 즉, 엔진(120)이 작동될 때에는 연소로 인한 작동열이 발생되는데, 상기 엔진열 순환부(130)는 이렇게 발생된 엔진의 작동열에 의해 가열된 매체가 순환하도록 이루어지는 것이다.
상기 엔진열 순환부(130)는 상기 엔진(120)의 냉각라인이 연장된 것일 수도 있으며 또는 엔진의 작동열에 의해 가열된 매체가 엔진(120)의 냉각라인과는 독립적으로 냉각라인과 열교환되면서 순환되도록 이루어질 수도 있다. 상기 엔진열 순환부(130)가 상기 엔진(120)의 냉각라인이 연장되어 이루어진 것일 때에는 상기 매체는 엔진(120)의 냉각수일 수 있다.
그리고, 상기 제1냉매 순환부(140)는, 제1냉매가 상기 엔진열 순환부(130)와 열교환되어 가열되며, 가열된 제1냉매가 상기 연료공급부(110)와 열교환되면서 냉각되도록 이루어질 수 있다.
한편, 상기 제1냉매 순환부(140)와 연료공급부(110)의 사이에는 상기 제1냉매 순환부(140)의 제1냉매와 연료공급부(110)를 지나는 액체상태의 천연가스를 상호 열교환시켜, 상기 액체상태의 천연가스가 상기 제1냉매의 열에 의해 가열되어 기체상태로 상변화를 이루는 기화기(190)가 구비될 수 있다.
또한, 상기 제1냉매 순환부(140)와 상기 엔진열 순환부(130) 사이에 구비되어 상기 매체와 상기 제1냉매를 열교환시켜, 상기 제1냉매가 상기 엔진(120)의 열에 의해 가열된 매체의 열에 의해 가열되는 제1열교환기(191)가 구비될 수 있다.
즉, 상기 제1냉매는 상기 제1열교환기(191)에서 가열된 후 상기 기화기(190)에서 액체상태의 천연가스를 기화시키면서, 상기 천연가스의 기화열에 의해 냉각될 수 있다.
이 때, 상기 액체상태의 천연가스는 그 온도가 영하 160도 이하의 극저온이므로 이러한 천연가스와 열교환하는 제1냉매는 저온에서도 얼지 않는 성질이 필요하다. 이를 위하여, 본 실시예에서는 상기 제1냉매로서 글리콜이 함유된 물인 글리콜 워터(glycol water)가 사용되는 것을 예로 들어 설명한다. 그러나, 상기 제1냉매는 이에 한정되지 않으며 다른 종류의 냉매가 사용되는 것도 가능하다.
한편, 에어핸들링유닛 냉각부(170)는, 제2냉매가 상기 제1냉매와 열교환되어 냉각된 후, 냉각이 필요한 사용처에 구비된 에어핸들링유닛(Air Handling Unit: AHU: 174)에서 주변의 공기와 열교환되어 상기 에어핸들링유닛(174)의 주변 공기를 냉각시키도록 이루어진다. 이때, 상기 제2냉매와 열교환되는 제1냉매는 상기 연료공급부(110)와 열교환되어 냉각된 상태일 수 있다.
상기 제1냉매와 제2냉매의 열교환을 위하여, 상기 제1냉매 순환부(140)와 에어핸들링유닛 냉각부(170)의 사이에는 제2열교환기(193)가 구비될 수 있다.
즉, 상기 제1냉매 순환부(140)의 제1냉매는 상기 제1열교환기(191)에서 상기 엔진열 순환부(130)의 매체와 열교환되어 가열된 후 상기 기화기(190)에서 액체상태의 천연가스를 기화시키면서 냉각되고, 다시 상기 제2열교환기(193)에서 제2냉매를 냉각시키면서 가열되는 것이다.
상기와 같은 제1냉매 순환부(140)는 상기 제1냉매가 상기 제1열교환기(191)와 기화기(190) 및 제2열교환기(193)를 순환하도록 구비되는 제1냉매 순환유로(142)와, 상기 제1냉매 순환유로(142)상에 구비되며 상기 제1냉매를 순환시키는 압력을 제공하는 제1냉매펌프(144) 및 상기 제1열교환기(191)에서 열교환되는 열량이 부족할 경우 상기 제1냉매를 가열하도록 구비되는 보조히터(145)를 포함하여 이루어 질 수 있다.
또한, 상기 기화기(190)의 전단에는 상기 기화기(190)로 흐르는 제1냉매의 유량을 조절하는 기화기 유량조절밸브(148)가 구비되며, 상기 제1냉매펌프(144)에 의해 압송되는 제1냉매 중 상기 기화기(190)로 보내지고 남은 잉여의 제1냉매를 상기 제2열교환기(193) 측으로 우회시키는 제1바이패스유로(146)가 구비될 수 있다.
상기 제1바이패스유로(146)는, 상기 제1냉매펌프(144)와 기화기 유량조절밸브(148)의 사이에서 상기 제1냉매 순환부(140)로부터 분기되어 상기 제2열교환기(193)의 전측에서 상기 제1냉매 순환부(140)와 합류하도록 구비될 수 있다.
그리고, 상기 제1바이패스유로(146)를 개폐하며 유량을 조절하는 제1바이패스밸브(147)가 구비될 수 있다.
한편, 상기 에어핸들링유닛 냉각부(170)는, 에어핸들링유닛(174)과 제2냉매순환유로(172)와 제2냉매펌프(176), 팽창밸브(178) 및 보조냉각부(180)를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 에어핸들링유닛(Air Handling Unit: AHU: 174)은 냉각이 필요한 장소에 구비되며, 상기 제2냉매가 상기 에어핸들링유닛(174)의 주변 공기와 열교환되는 구성요소이다.
상기 제2냉매순환유로(172)는, 상기 제2냉매가 상기 에어핸들링유닛(174)과 제2열교환기(193)를 순환하도록 구비된다.
그리고, 상기 제2냉매펌프(176)는, 상기 제2냉매순환유로(172)의 제2열교환기(193)의 후측에 구비되며, 상기 제2냉매를 순환시키는 압력을 제공한다.
그리고, 상기 팽창밸브(178)는 상기 제2냉매순환유로(172)상의 제2냉매를 팽창시키는 구성요소이다.
따라서, 상기 제2냉매는 상기 제2열교환기(193)에서 제1냉매와 열교환되어 냉각되어 응축되며, 상기 팽창밸브(178)에서 팽창되어 온도가 떨어지고, 상기 에어핸들링유닛(174)에서 주변의 공기와 열교환되면서 가열되는 순환을 거친다.
또한, 상기 보조냉각부(180)는, 상기 제1냉매의 온도가 높거나 상기 에어핸들링유닛(174)에서 필요한 냉각부하량이 많아 상기 제2열교환기(193)에서 열교환되는 열량이 충분하지 않은 경우 상기 제2냉매를 보조적으로 냉각하도록 구비되는 구성요소이다.
상기와 같은 보조냉각부(180)는, 제2바이패스유로(182)와 압축기(184) 및 응축기(186)를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 제2바이패스유로(182)는 상기 제2냉매순환유로(172)상의 상기 에어핸들링유닛(174)의 후측에서부터 분기되어 상기 팽창밸브(178)의 전측에서 합류하도록 구비되며, 상기 압축기(184)는 상기 제2바이패스유로(182)상의 제2냉매를 압축하고, 상기 응축기(186)는 압축되어 온도가 상승된 제2냉매의 열을 방출하여 응축시키는 구성요소이다.
또한, 상기 제2바이패스유로(182)의 압축기(184) 전측에는 상기 제2바이패스유로(182)로 흐르는 제2냉매의 양을 조절하는 제2바이패스밸브(187)가 구비되고, 상기 제2냉매순환유로(172)의 상기 제2열교환기(193)의 전측에는 상기 제2열교환기(193)로 흐르는 제2냉매의 유량을 조절하는 제2유량조절밸브(177)가 구비될 수 있다.
또한, 상기 제2열교환기(193)와 제2냉매펌프(176)의 사이에는 기액분리기(179)가 구비되어 상기 제2열교환기(193)를 통과한 제2냉매 중 액체와 기체를 분리하여 액체는 상기 제2냉매펌프(176)로 흐르게 하며, 기체는 상기 압축기(184)로 흐르게 할 수 있다.
또한, 상기 제2냉매순환유로(172)의 에어핸들링유닛(174)의 후측 및 상기 기액분리기(179)의 압축기(184)를 향하는 유로상 후측에는 제2냉매의 온도 및 유량을 측정하는 온도센서(173)와 유량센서(175)가 구비될 수 있고, 상기 온도센서(173)와 유량센서(175)의 정보를 바탕으로 상기 압축기(184)나 제2냉매펌프(176) 및 제2바이패스밸브(187) 또는 제2유량조절밸브(177)를 제어하는 제어부(171)가 구비될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 제2냉매로는 상변화를 통한 열의 흡수 및 방출이 가능한 R-404A가 적용되는 것을 예로 들어 설명하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 다른 종류의 냉매가 사용될 수도 있다.
일반적으로, 압축기 보다는 펌프가 전력소모량이 적으므로, 상기 에어핸들링유닛 냉각부(170)를 운전할 때 소모되는 전력량이 절약될 수 있다. 또한, 상기 제2냉매펌프(176)의 전측에 기액분리기(179)가 설치되어 액체상태의 제2냉매만을 제2냉매펌프(176)로 흐르게 함으로써 펌핑효율이 더욱 향상될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 천연가스 연료공급 시스템을 도시한 도면이다.
본 실시예를 설명함에 있어서, 전술한 실시예와 동일한 구성요소는 전술한 실시예의 설명으로 갈음하기로 한다.
본 실시예에 따른 천연가스 연료공급 시스템은 연료공급부(110)와 엔진열 순환부(130), 제1냉매 순환부(140) 및 에어핸들링유닛 냉각부(170)를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 실시예에서, 상기 엔진열 순환부(130) 및 에어핸들링유닛 냉각부(170)는 전술한 제1실시예와 동일하므로 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
선박에 따라서는 선체에 엔진이 복수개 구비되는 경우도 있다. 즉, 추진용 메인엔진이 복수개 구비되거나 또는 추진용 메인엔진과는 별도로 발전용으로 사용되는 제네레이터 엔진이 구비될 수도 있다.
이러한 경우, 상기 저장탱크(112)의 천연가스를 상기 복수개의 엔진 각각에 공급하는 연료공급라인 또한 복수개가 구비되어야 한다.
물론, 하나의 엔진이 구비될 때에도 연료공급라인이 복수개 구비될 수도 있을 것이다.
본 실시예에서는, 상기 엔진이 선박의 추진용 메인엔진(122)과 발전용 제네레이터 엔진(124)으로 두개 구비되며, 그에 따라 상기 저장탱크(112)의 천연가스를 각각의 엔진에 공급하는 연료공급부(110) 또한 저장탱크(112)의 천연가스를 메인엔진에 공급하는 제1연료공급라인(114)과 저장탱크의 천연가스를 제네레이터 엔진(124)에 공급하는 제2연료공급라인(116)으로 이루어지는 예를 제시한다.
상기 제1연료공급라인(114)에는 천연가스를 소정의 압력으로 압송하는 연료펌프(113)가 더 구비될 수 있다.
그리고, 상기 메인엔진(122)과 제네레이터 엔진(124) 모두 기체상태의 천연가스를 공급받아야 하므로, 상기 제1연료공급라인(114)과 제2연료공급라인(116) 각각에 상기 제1냉매 순환부(140)의 제1냉매와 열교환되어 액체상태의 천연가스를 기화시키는 기화기가 설치될 수 있다. 이하, 상기 제1연료공급라인(114)과 열교환하는 기화기를 제1기화기(192)라 칭하고, 상기 제2연료공급라인(116)과 열교환하는 기화기를 제2기화기(194)라 칭하기로 한다.
상기 제1기화기(192)와 제2기화기(194) 모두 상기 제1냉매와 열교환을 해야 하므로, 상기 제1냉매 순환유로(142)도 상기 제1기화기(192)와 제2기화기(194)를 병렬로 경유하도록 이루어지며, 상기 제1기화기(192)의 전측에 제1냉매가 상기 제1기화기(192)로 흐르는 양을 조절하는 제1기화기 유량조절밸브(148)가 설치되고, 상기 제2기화기(194)의 전측에 제2기화기(194)로 흐르는 제1냉매의 양을 조절하는 제2기화기 유량조절밸브(149)가 설치된다.
그리고, 나머지 구성요소인 제1냉매펌프(144) 및 제1열교환기(191), 보조히터(145), 제2열교환기(193)는 전술한 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
따라서, 상기 제1열교환기(191)에서 가열된 제1냉매는 상기 제1기화기(192)와 제2기화기(194)에서 상기 제1연료공급라인(114)의 액체천연가스 및 제2연료공급라인(116)의 액체천연가스와 각각 열교환되어 천연가스를 기화시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 천연가스 연료공급 시스템을 도시한 도면이다.
본 실시예를 설명함에 있어서, 전술한 실시예와 동일한 구성요소는 전술한 실시예의 설명으로 갈음하기로 한다.
본 실시예에 따른 천연가스 연료공급 시스템은 연료공급부(110)와 엔진열 순환부(130), 제1냉매 순환부(140) 및 에어핸들링유닛 냉각부(170)를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 실시예에서, 상기 엔진열 순환부(130)와 에어핸들링유닛 냉각부(170), 제1열교환기(191) 및 제2열교환기(193)는 전술한 제1실시예 및 제2실시예와 동일하므로 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 실시예에서는 전술한 제2실시예와 마찬가지로 엔진이 메인엔진(122)과 제네레이터 엔진(124)으로 두개 구비되며, 그에 따라 상기 연료공급부 또한 제1연료공급라인(114)과 제2연료공급라인(116)으로 두 개 구비되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
한편, 상기 메인엔진(122) 및 제네레이터 엔진(124)에 공급되는 가스는 기체상태이나, 천연가스의 기화점이 영하 160도 부근이므로 기화된다고 하여도 그 온도는 여전히 낮을 수 있다. 따라서, 엔진의 안정적이며 효율적인 운전을 위해서는 상기 천연가스가 적정온도로 가열될 필요가 있다.
이에, 본 실시예에서는 기화기에서 제1냉매와 열교환을 통해 기화된 기체상태의 가스를 소정온도로 가열하는 가열기가 더 구비될 수 있으며, 상기 가열기는 상기 엔진열 순환부(130)에 의해 가열된 제1냉매로부터 열을 제공받도록 이루어질 수 있다.
즉, 상기 제1연료공급라인(114)의 제1기화기(192) 후측에 제1가열기(196)가 설치되며, 상기 제2연료공급라인(116)의 제2기화기(194) 후측에 제2가열기(198)가 설치될 수 있다.
그리고, 상기 제1냉매 순환부(140)는 전술한 실시예와는 다르게 제1순환유로(150)와 제2순환유로(160)로 분리되어 구비될 수 있다.
상기 제1순환유로(150)는 상기 제1냉매가 상기 제1기화기(192) 및 제2기화기(194)와 제2열교환기(193)를 순환하도록 이루어져, 상기 제1기화기(192) 및 제2기화기(194)에서 액체천연가스의 기화열에 의해 냉각된 제1냉매가 상기 제2열교환기(193)에서 상기 에어핸들링유닛 냉각부(170)의 제2냉매와 열교환하도록 이루어진다.
또한, 상기 제1순환유로(150)내의 제1냉매를 압송하는 제1순환펌프(152)가 구비되고, 상기 제1순환유로(150)의 상기 제1기화기(192) 및 제2기화기(194)의 전측에는 상기 각 기화기로 흐르는 제1냉매의 유량을 조절하는 기화기 유량조절밸브(151, 153)가 각각 구비되며, 상기 제1순환펌프(152)에 의해 압송되는 제1냉매 중 각 기화기로 보내지고 남은 잉여의 제1냉매를 상기 각 기화기를 우회하여 제2열교환기(193)측으로 우회시키는 제3파이패스유로(154) 및 상기 제3바이패스유로(154)를 개폐하며 유량을 조절하는 밸브(155)가 구비될 수 있다.
그리고, 상기 제2순환유로(160)는 상기 제1순환유로(150)와는 독립된 별도의 순환유로를 갖도록 이루어지고, 상기 제1냉매가 상기 제1열교환기(191)와 제1가열기(196) 및 제2가열기(198)를 순환하도록 이루어져, 상기 제2순환유로(160)를 순환하는 제1냉매가 상기 제1열교환기(191)에서 상기 엔진열 순환부(130)와 열교환하여 가열된 뒤 상기 제1가열기(196) 및 제2가열기(198)에서 기체상태의 천연가스를 가열하도록 이루어진다.
상기 제2순환유로(160)를 흐르는 냉매는 상기 제1순환유로를 흐르는 냉매와 동일한 성분의 제1냉매일 수 있다.
또한, 상기 제2순환유로(160)내의 제1냉매를 압송하는 제2순환펌프(162)가 구비되고, 상기 제2순환유로(160)의 상기 제1가열기(196) 및 제2가열기(198)의 전측에는 상기 각 가열기로 흐르는 제1냉매의 유량을 조절하는 가열기 유량조절밸브(161, 163)가 각각 구비되며, 상기 제2순환펌프(162)에 의해 압송되는 제1냉매 중 각 가열기로 보내지고 남은 잉여의 제1냉매를 상기 각 가열기를 우회하여 제1열교환기(191)측으로 우회시키는 제4바이패스유로(164) 및 상기 제4바이패스유로(164)를 개폐하며 유량을 조절하는 밸브(165)가 구비될 수 있다.
또한, 상기 제1열교환기(191)에서 열교환되는 열량이 상기 제1연료공급라인(114)과 제2연료공급라인(116)의 기체상태의 천연가스를 설정된 온도까지 가열하기에 불충분할 경우를 대비하여, 상기 제2순환유로(160)의 제1냉매를 가열하는 보조히터(166)가 구비될 수 있다.
그리고, 상기 제1순환유로(150)와 제2순환유로(160)가 서로 연통되도록 구비되는 연결유로(167)가 더 구비될 수 있다.
천연가스 연료의 소모량이 많아 천연가스의 기화열에 의한 제2냉매의 냉각량이 에어핸들링유닛(174)의 필요냉각량보다 많다던지, 에어핸들링유닛(174)에서 필요한 냉각량이 천연가스의 기화열에 의해 발생되는 냉각량보다 크게 작은 경우 제1순환유로(150)의 제1냉매의 온도가 지나치게 낮아질 수 있어 결과적으로 액체천연가스의 기화에 어려움을 겪을 수 있다.
이 때, 상기 엔진열 순환부(130) 및 보조히터(166)에 의해 냉매가 가열될 수 있는 제2순환유로(160)와 상기 제1순환유로(150)가 연통되면, 상기 엔진열 순환부(130) 및 보조히터(166)에 의해 가열된 제2순환유로(160)의 제1냉매가 상기 제1순환유로(150)에 흐를 수 있어 시스템이 안정적으로 운전될 수 있다.
상기와 같은 연결유로(167)는 상기 제1냉매가 제1순환유로(150)로부터 제2순환유로(160)측으로 흐르는 제1연결유로(168)와, 상기 제1냉매가 제2순환유로(160)로부터 제1순환유로(150)측으로 흐르는 제2연결유로(169)로 이루어질 수 있으며, 상기 제1연결유로(168)와 제2연결유로(169)에는 흐르는 제1냉매의 양을 조절할 수 있도록 각각 밸브가 설치될 수 있다.
이와 같이, 제1냉매 순환부(140)를 제1순환유로(150)와 제2순환유로(160)로 분리하여 구성하면, 상기 액체천연가스가 기화할 때 발생하는 기화열에 의한 냉기를 상기 제2열교환기(193)에 모두 전달할 수 있으므로 상기 에어핸들링유닛 냉각부(170)의 냉각효율이 높아지는 효과가 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
110: 연료공급부 112: 저장탱크
113: 연료펌프 114: 제1연료공급라인
116: 제2연료공급라인 120: 엔진
122: 메인엔진 124: 제네레이터 엔진
130: 엔진열 순환부 140: 제1냉매 순환부
142: 제1냉매순환유로 144: 제1냉매펌프
145: 보조히터 146: 제1바이패스
147: 제1바이패스밸브 148: 제1기화기 유량조절밸브
149: 제2기화기 유량조절밸브 150: 제1순환유로
151: 제1기화기 유량조절밸브 152: 제1순환펌프
153: 제2기화기 유량조절밸브 154: 제3바이패스유로
155: 제3바이패스밸브 160: 제2순환유로
161: 제1가열기 유량조절밸브 162: 제2순환펌프
163: 제3가열기 유량조절밸브 164: 제4바이패스유로
165: 제4바이패스밸브 166: 보조히터
167: 연결유로 168: 제1연결유로
169: 제2연결유로 170: 에어핸들링유닛 냉각부
171: 제어부 172: 제2냉매순환유로
173: 온도센서 174: 에어핸들링유닛
175: 유량센서 176: 제2냉매펌프
177: 제2유량조절밸브 178: 팽창밸브
180: 보조냉각부 182: 제2바이패스유로
184: 압축기 186: 응축기
187: 제2바이패스밸브 190: 기화기
192: 제1기화기 194: 제2기화기
196: 제1가열기 198: 제2가열기

Claims (15)

  1. 액체 상태의 액화천연가스연료가 저장탱크로부터 엔진으로 이송되며, 상기 액체상태의 액화천연가스연료가 엔진으로 공급되기 전 기화되어 기체상태로 엔진에 공급되는 연료공급부;
    상기 액화천연가스연료를 소비하는 엔진의 작동열에 의해 가열된 매체가 순환하는 엔진열 순환부;
    상기 연료공급부에 구비되어 상기 액화천연가스연료를 기화시키는 기화기;
    제1냉매가 상기 엔진열 순환부와 열교환되어 가열되며, 가열된 제1냉매가 상기 기화기에서 상기 액화천연가스연료와 열교환되어 냉각되는 제1 냉매 순환부; 및
    상기 제1냉매 순환부와 엔진열 순환부 사이에 구비되어 엔진열 순환부의 매체와 상기 제1냉매를 열교환 시키는 제1열교환기;
    상기 제1냉매 순환부와는 독립된 순환유로를 형성하며, 상기 제1냉매와는 다른 종류의 제2냉매가 상기 액화천연가스연료와 열교환되어 냉각된 상기 제1냉매 순환부의 제1냉매와 열교환되어 냉각된 후 에어핸들링유닛 주변의 공기와 열교환되어 상기 에어핸들링유닛의 주변의 공기를 냉각시키는 에어핸들링유닛 냉각부;
    상기 제1냉매 순환부와 에어핸들링유닛 냉각부 사이에 구비되어 상기 제1냉매와 제2냉매를 열교환 시키는 제2열교환기; 및
    상기 기화기에서 기화된 연료를 엔진공급전에 소정온도로 가열하는 가열기를 포함하며,
    제1냉매가 상기 기화기와 제2열교환기를 순환하도록 구비되어 상기 액체천연가스연료의 기화열에 의해 냉각된 제1냉매가 상기 제2열교환기에서 에어핸들링 유닛 냉각부의 제2냉매와 열교환되도록 이루어지는 제1순환유로; 및
    상기 제1순환유로와는 독립되며, 제1냉매가 상기 제1열교환기와 가열기를 순환하도록 이루어져, 상기 제1열교환기에서 엔진열 순환부에 의해 가열된 제1냉매가 상기 가열기에서 기화된 연료와 열교환되도록 이루어지는 제2순환유로;
    상기 제1열교환기에서 열교환되는 열량이 상기 기화기에서 기화된 연료를 소정온도로 가열하는데 부족할 경우 상기 제1냉매를 가열하도록 구비되는 상기 제2순환유로에 구비되는 보조히터;
    상기 제1순환유로에 흐르는 제1냉매 중 상기 기화기로 흐르고 남은 잉여의 제1냉매를 제2열교환기 측으로 우회시키는 제3바이패스 유로; 및
    상기 제2순환유로에 흐르는 제1냉매 중 상기 가열기로 흐르고 남은 잉여의 제1냉매를 제1열교환기 측으로 우회시키는 제4바이패스 유로;를 포함하고,
    상기 에어핸들링 유닛 냉각부는,
    상기 제2열교환기에서 열교환되는 열량이 부족할 경우 상기 제2냉매를 냉각하도록 구비되는 보조냉각부를 포함하는 천연가스 연료공급 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 에어핸들링 유닛 냉각부는,
    제2냉매가 주변의 공기와 열교환되는 에어핸들링 유닛;
    제2냉매가 상기 에어핸들링 유닛과 제2열교환기를 순환하도록 구비되는 제2냉매 순환유로;
    상기 제2냉매 순환유로의 제2열교환기의 후측에 구비되며 상기 제2냉매를 순환시키는 압력을 제공하는 제2냉매 펌프;
    상기 제2냉매 순환유로상의 상기 에어핸들링 유닛의 전측에 구비되며 냉매를 팽창시키는 팽창밸브를 포함하는 천연가스 연료공급 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 보조냉각부는,
    상기 제2냉매 순환유로의 에어핸들링 유닛의 후측으로부터 분기되어 팽창밸브의 전측에서 합류되도록 구비되는 제2바이패스 유로;
    상기 제2바이패스 유로상에 구비되며, 제2냉매를 압축시키는 압축기; 및
    상기 제2바이패스 유로상에 구비되며, 상기 압축기에서 압축된 제2냉매를 응축시키는 응축기를 포함하는 천연가스 연료공급 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 에어핸들링 유닛 냉각부는,
    상기 제2냉매펌프의 전에 구비되어 제2냉매 순환유로상을 흐르는 제2냉매 중 액체와 기체를 분리하여 액체는 제2냉매 펌프측으로 보내고, 기체는 압축기측으로 보내는 기액분리기를 더 포함하는 천연가스 연료공급 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 연료공급부는,
    복수개의 연료공급라인으로 이루어지며,
    상기 기화기도 상기 각 연료공급라인마다 각각 구비되는 천연가스 연료공급 시스템.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1냉매 순환부는,
    제1순환유로와 제2순환유로가 서로 연통되도록 구비되며, 상기 에어핸들링유닛 냉각부의 필요냉각량이 기화열에 의해 발생하는 냉각량보다 작은 경우 상대적으로 높은 온도의 제2순환유로의 냉매가 제1순환유로측으로 흐르며, 상기 제1순환유로의 냉매가 제2순환유로측으로 흐르도록 개방 되는 연결유로를 더 포함하는 천연가스 연료공급 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 엔진열 순환부에 흐르는 매체는 엔진의 냉각수인 천연가스 연료공급 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1냉매는 글리콜워터인 천연가스 연료공급 시스템.
  15. 제1항, 제6항 내지 제9항, 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항의 천연가스 연료공급 시스템이 탑재된 선박.
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