KR101556250B1 - 선박의 연료가스 공급시스템 - Google Patents

Abstract

선박의 연료가스 공급시스템이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 연료가스 공급시스템은 액화연료를 저장하는 연료탱크와, 연료탱크로부터 액화연료를 송출하여 고압가스 분사엔진에 공급하는 연료가스공급라인과, 고압가스 분사엔진의 앞쪽 연료가스공급라인에서 분기되어 고압가스 분사엔진에 공급되는 고압의 기화가스를 배기하는 연료가스배기라인 및 연료가스배기라인에 설치되어 고압의 기화가스를 일시적으로 저장하여 압력을 해제한 후 외부로 배기하는 녹아웃드럼을 포함한다.

Description

선박의 연료가스 공급시스템{SYSTEM FOR SUPPLYING FUEL GAS IN SHIPS}

본 발명은 선박의 액화연료 저장탱크에 저장된 액화연료를 연료로 사용 가능한 연료가스 공급시스템에 관한 것이다.

온실가스 및 각종 대기오염 물질의 배출에 대한 국제해사기구(IMO)의 규제가 심해짐에 따라 조선?해운업계에서는 기존 연료인 중유, 디젤유를 사용하는 대신 청정한 에너지원인 천연가스를 선박의 연료로 사용하는 경우가 많아지고 있다.

천연가스(Natural Gas, 이하 NG라 함)를 연료로 사용하는 선박은 NG를 액화한 LNG(Liquefied Natural Gas)를 저장하는 저장탱크와, 저장탱크에 저장된 증발가스(BOG) 또는 LNG를 연료로 이용 가능하게 처리(압력, 온도, 상태 등을 변환)하여 엔진으로 공급하는 연료가스 공급시스템을 구비한다. 여기서 저장탱크란 LNG 연료탱크 또는 LNG 화물탱크일 수 있다.

연료가스 공급시스템으로는 저장탱크의 증발가스를 다단의 압축기에서 공급조건에 맞도록 압축한 후 엔진으로 공급하는 방식, 저장탱크에서 직접 LNG를 빼내어 고압펌프를 이용해 높은 압력으로 상승시킨 후 고압기화기에서 기화한 다음 엔진으로 공급하는 방식, 저장탱크의 증발가스를 압축기에서 압축한 후 극저온 열교환기에서 재액화하여 고압펌프 쪽으로 공급하는 방식 등이 알려져 있다.

한편, 최근 MAN Diesel&Turbo 社에서 개발한 ME-GI 엔진과 같은 고압가스 분사엔진은 효율 등에서 우수하기 때문에 각광받고 있는데, 이러한 고압가스 분사엔진은 가스연료를 300bar에 가까운 압력으로 공급해야 하는 특징이 있다. 따라서 최근 관련 업계에서는 이러한 고압가스 분사엔진으로 연료가스를 공급하기 위한 시스템에 대한 연구도 활발히 이루어지고 있다.

일 예로 대한민국 공개특허공보 10-2008-0103500호(2008. 11. 27. 공개)는 ME-GI 엔진과 같은 고압가스 분사엔진으로 연료를 공급할 수 있는 연료가스 공급시스템을 제시한 바 있다. 이 시스템은 LNG 연료탱크로부터 LNG를 빼내어 고압으로 압축한 후 이를 기화시켜서 고압가스 분사엔진으로 공급한다.

이러한 연료가스 공급시스템은 고압펌프가 LNG의 압력을 약 300bar정도로 상승시켜야 하는 관계로 높은 부하가 걸리고, 이로 인해 고압펌프의 구동부에서 높은 열이 발생하기 때문에 고압펌프의 냉각이 필요하다. 또 고압기화기는 LNG를 가스상태로 기화시켜야 하기 때문에 외부로부터 열에너지 공급이 필요하다. 그러나 이러한 연료가스 공급시스템은 고압펌프의 냉각과 고압기화기의 열에너지 공급이 별도의 수단에 의해 각각 이루어지기 때문에 에너지 손실이 컸다.

대한민국 공개특허공보 10-2008-0103500호(2008. 11. 27. 공개)

본 발명의 실시 예들은 예기치 못한 고장 또는 과부하에 따른 엔진정지로 인하여 연료가스를 외부에 배기하는 경우 선체 손상을 방지함과 아울러 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술분야의 종사자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 액화연료를 저장하는 연료탱크와, 상기 연료탱크로부터 상기 액화연료를 송출하여 고압가스 분사엔진에 공급하는 연료가스공급라인과, 상기 고압가스 분사엔진의 앞쪽 상기 연료가스공급라인에서 분기되어 상기 고압가스 분사엔진에 공급되는 고압의 기화가스를 배기하는 연료가스배기라인 및 상기 연료가스배기라인에 설치되어 상기 고압의 기화가스를 일시적으로 저장하여 압력을 해제한 후 외부로 배기하는 녹아웃드럼을 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템이 제공될 수 있다.

또한 상기 연료가스공급라인에는 상기 연료탱크 하부의 상기 액화연료를 송출하여 상기 고압가스 분사엔진에서 요구하는 압력으로 가압하는 고압펌프와, 상기 고압펌프에 의해 배출되는 고압의 액화연료를 기화하여 상기 고압가스 분사엔진에 공급하는 고압기화기를 포함하고, 상기 연료가스배기라인은 상기 고압기화기와 상기 고압가스 분사엔진 사이의 상기 연료가스공급라인에서 분기될 수 있다.

또한 상기 녹아웃드럼의 하측에 저장된 액화연료를 상기 연료탱크에 공급하는 연료회수라인을 더 포함한다.

또한 상기 연료가스공급라인에는 상기 연료탱크에서 발생하는 증발가스를 송출하여 상기 고압가스 분사엔진에서 요구하는 압력으로 가압하는 고압압축기를 포함하고, 상기 연료가스배기라인은 상기 고압압축기와 상기 고압가스 분사엔진 사이의 상기 연료가스공급라인에서 분기될 수 있다.

또한 상기 녹아웃드럼의 하측에 저장된 액화연료를 상기 연료탱크에 공급하는 연료회수라인을 더 포함한다.

본 발명의 실시 예들은 고압의 액화연료가 대기에 방출 시 액화되어 선체에 낙하됨에 따른 선체 파손을 방지함과 아울러 액화연료를 다시 회수할 수 있어 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 연료가스 공급시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 선박의 연료가스 공급시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 선박의 연료가스 공급시스템을 개략적으로 도시한 것이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 연료가스 공급시스템은 선박 엔진의 동력원인 액화연료를 저장하기 위한 연료탱크(10)와, 연료탱크(10)에 저장된 액화연료를 선박 엔진공급에 적합한 기체상태의 가스로 전환하기 위한 고압펌프(20), 고압기화기(30), 고압가스 분사엔진(40)으로 연결되는 연료가스공급라인(50)을 포함한다.

여기서 액화연료는 액화상태로 저장할 수 있는 LNG, LPG, DME(Dimethylether) 중 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다 다만, 이하의 설명은 편의를 위해 액화연료가 LNG인 경우를 예로 한다.

또한 본 실시 예에서 적용되는 선박 엔진은 고압가스 분사엔진(250 내지 300bar의 압력으로 연료가스 공급이 요구되는 엔진), 예를 들어 가스와 연료유 가격의 변화와 배출가스의 규제 정도에 따라 최소의 연료유(5%)와 가스(95%)로 운전하는 최소 액체연료유 운전모드, 가스의 공급이 부족할 경우 연료유와 가스 공급량의 비율을 적절하게 조절하여 운전하는 가스/연료유비 조절운전모드, 연료유를 100% 공급하여 운전하는 연료유 단독 운전모드를 갖는 ME-GI 엔진이거나, 또는 이중연료 엔진일 수 있다. 이러한 고압가스 분사엔진(40)이 장착된 선박은 LNG 운반선, LNG RV, LNG FPSO, LNG FSRU 등을 포함한다.

연료탱크(10)는 LNG 운반선용에서 일반적으로 사용되는 LNG 저장탱크를 사용하는 것이 바람직하며, LNG 저장탱크의 일 예로는 MOSS형과 Membrane형 등 공지된 다양한 형태의 LNG 저장탱크를 포함할 수 있다.

연료가스공급라인(50)은 연료탱크(10)의 하부로부터 LNG를 공급받고, 공급받은 LNG를 고압가스 분사엔진(40)에 적합한 가스 압력으로 공급하기 위한 배관으로서, 연료가스공급라인(40) 상에는 고압펌프(20), 고압기화기(30)가 순차적으로 연결될 수 있고, 연료가스공급라인(40)을 따라 유동하는 연료의 유량을 조절하는 다수의 유량조절밸브가 설치될 수 있다.

고압펌프(20)는 연료탱크(10) 하부의 LNG를 연료가스공급라인(50)으로 송출함과 아울러 고압가스 분사엔진(40)에서 요구하는 압력(250~300bar)으로 LNG를 가압시킨다. 고압펌프(20)는 예기치 못한 고장에 대비할 수 있도록 2개가 병렬 배치된 구조를 도시하였으나, 이에 제한되는 것은 아니며 필요에 따라 그 수는 변경 가능하다. 또한 도시하지는 않았으나 고압펌프(20)의 상류 쪽 연료가스공급라인(50)에는 연료탱크(10)의 LNG를 송출하고, 고압펌프(20)에 공급되기 전 LNG를 소정의 압력(2~15bar)으로 미리 가압하는 부스터 펌프가 더 구비될 수 있다. 이 경우 부스터 펌프에 의해 1차 가압된 LNG는 고압펌프(20)에 의해 고압가스 분사엔진(40)에서 요구하는 압력으로 2차 가압된 후 고압기화기(30)에 공급될 수 있다.

고압기화기(30)는 고압펌프(20)의 하류 쪽 연료가스공급라인(50)에 설치되어 고압펌프(20)에 의해 배출되는 고압의 LNG를 기화시켜 고압가스 분사엔진(40)에 공급한다. 여기서 도시하지는 않았으나 고압기화기(30)는 고압의 LNG를 히터의 열에 의해 기화시키거나, 보일러를 통해 공급되는 스팀 또는 순환유로를 흐르는 열전달매체 또는 선박의 배기관에서 발생하는 폐열의 에너지를 공급받아 기화시킬 수 있는 장치로 구성될 수 있다.

고압기화기(30)와 고압가스 분사엔진(40) 사이에는 연료가스공급라인(50) 에서 분기된 연료가스배기라인(60)이 마련될 수 있다. 연료가스배기라인(60)은 일단이 고압기화기(30)와 고압가스 분사엔진(40) 사이의 연료가스공급라인(50)에 연결되고, 타단이 고압의 기화가스를 수용하여 일시적으로 저장하는 녹아웃드럼(knock-out drum)(70)에 연결될 수 있다. 이러한 연료가스배기라인(60)은 고압가스 분사엔진(40)이 예기치 못한 고장으로 인하여 정지하거나 과도한 부하가 발생하는 경우 고압기화기(30)에서 기화되어 고압가스 분사엔진(40)에 공급되는 고압의 연료가스를 선박 외부로 배기하기 위한 배관으로 구성될 수 있다. 연료가스배기라인(60)에는 고압가스 분사엔진(40)의 오작동 또는 과부하가 걸리는 경우 개방되는 배기밸브(61)가 설치되며 고압기화기(30)에서 공급되는 고압의 기화가스는 연료가스배기라인(60)을 통해 외부로 배기될 수 있다.

녹아웃드럼(70)은 연료가스배기라인(60)을 통해 배기되는 기화가스를 일시적으로 저장하여 고압가스 분사엔진(40)의 작동압력으로 가압된 고압의 기화가스의 압력을 낮춘 후 외부로 배기시킬 수 있다. 이는 연료가스배기라인(60)에서 배기되는 기화가스가 선박 외부로 배기되는 경우 압력강하로 인하여 액화될 수 있고, 액화된 가스가 선체에 낙하되는 경우에는 저온의 액화가스에 의해 선체의 취성 파괴가 발생될 수 있으므로 이를 방지하기 위함이다. 즉 녹아웃드럼(70)에서 고압의 기화가스를 일시적으로 저장하여 압력을 낮춘 후 선체 외부로 배기할 수 있다. 녹아웃드럼(70)에 저장된 고압의 기화가스는 압력강하에 따라 일부가 응축되어 녹아웃드럼(70)의 하측에 모아지게 되고, 압력이 낮아진 기화가스는 녹아웃드럼(70)의 상측에 연결된 배기관(71)을 통해 선체 외부로 배기될 수 있다. 그리고 녹아웃드럼(70)의 하측에 모아진 액화가스는 연료회수라인(80)을 통해 연료탱크(10)에 회수될 수 있다. 연료회수라인(80)에는 녹아웃드럼(70)의 하측에 모아진 액화가스를 송출하는 회수펌프(81)가 설치될 수 있다.

이러한 구성을 통하여, 고압가스 분사엔진(40)이 오작동 또는 과도한 부하로 인하여 급작스럽게 정지하여야 할 경우 고압기화기(30)로부터 공급되는 고압의 기화가스를 외부로 배기할 때 압력강하에 따른 액화된 저온가스가 선체에 낙하되어 선체 파손을 야기하는 것을 방지할 수 있고, 녹아웃드럼(70)에 의해 액화된 가스는 다시 연료탱크(10)로 회수할 수 있어 에너지 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 선박의 연료가스 공급시스템을 도시한 것이다. 이하에서는 도 1에서 설명한 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 도면번호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.

도 2를 참조하면, 본 실시 예에 따른 선박의 연료가스 공급시스템은 연료탱크(10)에서 발생하는 증발가스(Boil-off Gas, BOG)를 고압가스 분사엔진(40)에 공급하는 연료가스공급라인(90)을 구비할 수 있다. 연료탱크(10)는 액화연료를 극저온 상태로 저장할 수 있도록 단열구조를 구비하나 외부 열의 공급에 의하여 액화연료는 지속적 증발이 발생하게 된다. 따라서 연료탱크(10) 하류 쪽 연료가스공급라인(90)에는 이러한 증발가스는 공급받아 고압가스 분사엔진(40)이 요구하는 압력으로 가압하는 다단 압축을 수행하는 고압압축기(91)가 설치될 수 있고, 고압압축기(91)에 의해 가압된 증발가스는 고압가스 분사엔진(40)에 공급될 수 있다.

고압압축기(91)와 고압가스 분사엔진(40) 사이에는 연료가스공급라인(90) 에서 분기된 연료가스배기라인(60)이 마련될 수 있다. 고압가스 분사엔진(40)이 예기치 못한 오작동 또는 과부하로 인하여 정지하는 경우 고압압축기(91)에서 공급되는 고압의 기화가스는 연료가스배기라인(60)을 통해 외부로 배기될 수 있다. 이 경우 고압의 기화가스는 연료가스배기라인(60)에 설치된 녹아웃드럼(70)에 일시적으로 저장되어 압력강하가 이루어진 후 배기관(71)을 통해 외부로 배기되고, 녹아웃드럼(70)의 하측에 모아진 액화연료는 연료회수라인(80)을 통해 다시 연료탱크(10)에 저장될 수 있다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 선박의 연료가스 공급시스템을 도시한 것이다. 이하에서는 도 1에서 설명한 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 도면번호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.

도 3을 참조하면, 고압가스 분사엔진(40)의 오작동 또는 과부하로 인하여 정지하는 경우 고압펌프(20)에 의해 고압으로 압축된 액화연료가 고압기화기(30)에 공급되기 전 배출될 수 있도록 액화연료배출라인(93)이 고압펌프(20)와 고압기화기(30) 사이의 연료가스공급라인(50)에서 분기될 수 있다. 액화연료배출라인(93)을 통해 녹아웃드럼(70)에 저장된 고압의 액화연료는 압력이 해제됨과 동시에 자연기화방식 또는 스팀코일, 가열기, 복사가열, 전기저항 가열 또는 기타 열원을 통한 강제기화방식에 의하여 기화될 수 있다. 이때 녹아웃드럼(70) 내에서 기화되어 배기관(71)을 통해 외부로 배기될 수 있고, 녹아웃드럼(70) 하측에 모아진 압력이 해제된 액화연료는 연료회수라인(80)을 통해 다시 연료탱크(10)에 회수될 수 있다. 연료회수라인(80)에는 녹아웃드럼(70) 내에서 압력 해제된 액화연료의 압력을 감지하는 압력센서(95)가 마련될 수 있고, 압력센서(95)는 녹아웃드럼(70)에서 배출되는 액화연료의 압력을 체크한 후 복귀밸브(97)를 통해 액화연료의 흐름을 제어할 수 있다.

이상에서는 특정의 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나 상기한 실시 예에만 한정되지 않으며 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.

10: 연료탱크, 20: 고압펌프,
30: 고압기화기, 40: 고압가스 분사엔진,
50: 연료가스공급라인, 60: 연료가스배기라인,
70: 녹아웃드럼, 71: 배기관,
80: 연료회수라인, 81: 회수펌프.

Claims (5)

1. 액화연료를 저장하는 연료탱크;
   상기 연료탱크로부터 상기 액화연료를 송출하여 고압가스 분사엔진에 공급하도록 상기 연료탱크 하부의 상기 액화연료를 송출하여 상기 고압가스 분사엔진에서 요구하는 압력으로 가압하는 고압펌프와, 상기 고압펌프에 의해 배출되는 고압의 액화연료를 기화하여 상기 고압가스 분사엔진에 공급하는 고압기화기를 포함하는 연료가스공급라인;
   상기 고압가스 분사엔진의 앞쪽 상기 연료가스공급라인에서 분기되며, 비상 시 상기 고압가스 분사엔진에 공급되는 고압의 기화가스를 배기하는 연료가스배기라인;
   상기 연료가스배기라인에 연결되며, 상기 고압의 기화가스를 일시적으로 저장하여 압력을 해제하는 녹아웃드럼;
   상기 녹아웃드럼에 연결되며, 상기 녹아웃드럼에서 압력 해제된 기화가스를 대기로 배기하는 배기관; 및
   상기 녹아웃드럼에 연결되며, 상기 녹아웃드럼의 하측에 저장된 액화연료를 상기 연료탱크에 공급하는 연료회수라인;을 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템.
2. 액화연료를 저장하는 연료탱크;
   상기 연료탱크로부터 상기 액화연료를 송출하여 고압가스 분사엔진에 공급하도록 상기 연료탱크 하부의 상기 액화연료를 송출하여 상기 고압가스 분사엔진에서 요구하는 압력으로 가압하는 고압펌프와, 상기 고압펌프에 의해 배출되는 고압의 액화연료를 기화하여 상기 고압가스 분사엔진에 공급하는 고압기화기를 포함하는 연료가스공급라인;
   상기 고압펌프와 상기 고압기화기 사이의 상기 연료가스공급라인에서 분기되며, 비상 시 상기 고압가스 분사엔진에 공급되는 고압의 액화가스를 배기하는 액화연료배출라인;
   상기 액화연료배출라인에 연결되며, 상기 고압의 액화가스를 일시적으로 저장하여 압력을 해제하는 녹아웃드럼;
   상기 녹아웃드럼에 연결되며, 상기 녹아웃드럼에서 압력 해제된 기화가스를 대기로 배기하는 배기관; 및
   상기 녹아웃드럼에 연결되며, 상기 녹아웃드럼의 하측에 저장된 액화연료를 상기 연료탱크에 공급하는 연료회수라인;을 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 연료회수라인에는 상기 녹아웃드럼에서 배출되는 상기 액화연료의 압력을 감지하는 압력센서와, 상기 압력센서의 감지값에 따라 상기 연료회수라인에 흐르는 상기 액화연료의 흐름을 제어하는 복귀밸브가 마련되는 선박의 연료가스 공급시스템.
4. 액화연료를 저장하는 연료탱크;
   상기 연료탱크에서 발생하는 증발가스를 송출하여 고압가스 분사엔진에서 요구하는 압력으로 가압하는 고압압축기를 포함하는 연료가스공급라인;
   상기 고압압축기와 상기 고압가스 분사엔진 사이의 상기 연료가스공급라인에서 분기되어 상기 고압가스 분사엔진에 공급되는 고압의 기화가스를 배기하는 연료가스배기라인;
   상기 연료가스배기라인에 연결되며, 상기 고압의 기화가스를 일시적으로 저장하여 압력을 해제하는 녹아웃드럼;
   상기 녹아웃드럼에 연결되며, 상기 녹아웃드럼에서 압력 해제된 기화가스를 대기로 배기하는 배기관; 및
   상기 녹아웃드럼에 연결되며, 상기 녹아웃드럼의 하측에 저장된 액화연료를 상기 연료탱크에 공급하는 연료회수라인;을 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템.
5. 삭제

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