KR101563860B1 - 선박의 추진시스템 - Google Patents

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Abstract

선박의 추진시스템을 개시한다. 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 추진시스템은 액화연료를 저장하는 저장탱크; 저장탱크의 액화연료를 가압하여 송출하는 고압펌프; 고압펌프에서 가압된 액화연료를 기화하여 고압가스 분사엔진 쪽으로 보내는 고압기화기; 고압가스 분사엔진에 의해 구동되는 추진축에 설치된 프로펠러; 저장탱크로부터 증발가스를 공급받아 압축하는 증발가스 압축기; 증발가스 압축기로부터 공급된 연료가스에 의해 동작하는 발전엔진; 발전엔진에서 생산된 전기에너지를 저장하는 축전장치; 및축전장치로부터 전기에너지를 공급받아 추진축을 구동하거나 추진축의 회전력을 이용해 전기에너지를 생산하여 축전장치에 저장할 수 있는 발전겸용 모터를 포함한다.

Description

선박의 추진시스템{PROPULSION SYSTEM OF SHIP}
본발명은고압가스 분사엔진의 구동에 의한 추진과, 증발가스를 이용하여 생산된 전기에너지로 모터를 구동하는 방식에 의한 추진을 선택할 수 있는 선박의 추진시스템에 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.
천연가스 연료를 이용하는 선박의 추진시스템에서 연료를 공급하는 장치로는 액화연료가 담긴 저장탱크의 증발가스를 다단의 압축기에서 공급조건에 맞도록 압축한 후엔진으로 공급하는 방식, 저장탱크에서 직접 LNG를 빼내어 고압펌프를 이용해 높은 압력으로 상승시킨 후 고압기화기에서 기화한 다음 엔진으로 공급하는 방식 등이 알려져 있다. 이러한 연료가스 공급장치는 대한민국 공개특허공보 10-2008-0103500호(2008. 11. 27. 공개)의 예를 참고할 수 있다.
한편, 최근 MAN Diesel&Turbo 社에서 개발한 ME-GI 엔진과 같은 고압가스 분사엔진은 효율 등에서 우수하기 때문에선주사들로부터 각광받고 있다.그러나 고압가스 분사엔진을 채용한 선박은질소산화물(Nox)의 배출이 많기 때문에 질소산화물 등 특정 배기가스를 규제하는 해역을 운항할 수 없는 문제가 있다. 따라서 고압가스 분사엔진을 채용하는 선박은 특정 배기가스 규제해역의 운항을 위한 대책이 필요하다.
대한민국 공개특허공보 10-2008-0103500호(2008. 11. 27. 공개)
본발명의 실시 예는고압가스 분사엔진에 의한 추진뿐 아나라, 증발가스를 이용하여 생산된 전기에너지로 모터를 구동하는 방식에 의한 추진이 가능하도록 하여 특정 배기가스 규제해역에서도 선박이 운항할 수 있도록 하는 선박의 추진시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액화연료를 저장하는 저장탱크;상기 저장탱크의 액화연료를 가압하여 송출하는 고압펌프;상기 고압펌프에서 가압된 액화연료를 기화하여 고압가스 분사엔진 쪽으로 보내는 고압기화기; 상기 고압가스 분사엔진에 의해 구동되는 추진축에 설치된 프로펠러;상기 저장탱크로부터 증발가스를 공급받아 압축하는 증발가스 압축기;상기 증발가스 압축기로부터 공급된 연료가스에 의해 동작하는 발전엔진;상기 발전엔진에서 생산된 전기에너지를 저장하는 축전장치; 및상기 축전장치로부터 전기에너지를 공급받아 상기 추진축을 구동하거나 상기 추진축의 회전력을 이용해 전기에너지를 생산하여 상기 축전장치에 저장할 수 있는 발전겸용 모터를 포함하는 선박의 추진시스템이 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 액화연료를 저장하는 저장탱크; 상기 저장탱크의 액화연료를 가압하여 송출하는 고압펌프;상기 고압펌프에서 가압된 액화연료를 기화하여 고압가스 분사엔진 쪽으로 보내는 고압기화기; 상기 고압가스 분사엔진에 의해 구동되는 추진축에 설치된 제1프로펠러;상기 저장탱크로부터 증발가스를 공급받아 압축하는 증발가스 압축기;상기 증발가스 압축기로부터 공급된 연료가스에 의해 동작하는 발전엔진;상기 발전엔진에서 생산된 전기에너지를 저장하는 축전장치;상기 추진축의 회전력을 이용해 전기에너지를 생산하여 상기 축전장치로 보내는 발전기; 및상기 축전장치로부터 전기에너지를 공급받아 제2프로펠러를 구동하는 모터를 포함하는 선박의 추진시스템이 제공될 수 있다.
상기 추진시스템은 상기 고압기화기에서 기화된 연료가스를 상기 발전엔진 쪽으로 공급하기 위한 연료공급라인과, 이 연료공급라인에 설치된 감압밸브를 더 포함할 수 있다.
본발명의 실시 예에 따른 선박의 추진시스템은선박이 특정 배기가스(Nox 등)의 규제해역이 아닌 곳을 운항할 경우 상대적으로 효율이 우수한 고압가스 분사엔진의 구동에 의해 추진할 수 있고, 특정 배기가스의 규제해역을 운항할 때는 축전장치에 저장된 전기에너지를 이용하는 발전겸용 모터 또 모터의 구동에 의해 추진할 수 있다.
또 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 추진시스템은 고압가스 분사엔진이 동작할 때 추진축의 잉여에너지를 이용해 발전겸용 모터를 구동함으로써 발전겸용 모터가 전기에너지를 생산할 수 있고, 이 전기에너지를 축전장치에 저장할 수 있다.
또 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 추진시스템은 저장탱크 내에 증발가스의 발생이 많을 경우 발전엔진이 동작함으로써 증발가스를 소비함과 동시에 미리 전기에너지를 생산하여 축전장치에 저장해 둘 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 선박의 추진시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 제2실시 예에 따른 선박의 추진시스템을 나타낸다.
이하에서는본발명의실시예를첨부도면을참조하여 상세히설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 선박의 추진시스템을 나타낸다. 이 추진시스템은 LNG와 같은 액화연료를 연료로써 이용하거나 이를 수송하는 선박에 적용될 수 있다. 즉 이 추진시스템이 적용되는 선박은 액화연료 운반선, 액화연료 RV, 컨테이너선, 일반상선과 같은 선박 뿐아니라, LNG FPSO, LNG FSRU와 같은 부유식 해상플랜트일 수 있다. 또 이하의 설명은 편의를 위해 액화연료가 LNG인 경우를 예로 하지만, 액화연료가 이에 한정되는 것은 아니다. 액화연료는 LPG, DME(Dimethylether) 등일 수도 있다.
도 1을 참조하면, 제1실시 예의 추진시스템은 LNG를 저장하는 저장탱크(10), 저장탱크(10)의 액화연료를 고압가스 분사엔진(20) 쪽으로 연료로서 공급하기 위한 제1연료공급라인(11), 액화연료를 가압하여 송출하는 고압펌프(30), 가압된 액화연료를 기화시키는 고압기화기(40)를 구비한다.또 추진시스템은 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스(BOG)를 발전엔진(60) 쪽으로 연료로서 공급하기 위한 제2연료공급라인(12), 증발가스를 압축하는 증발가스 압축기(70), 증발가스의 재액화를 위한 재액화장치(80)를 포함할 수 있다.
고압가스 분사엔진(20)은 ME-GI엔진처럼 대략 150 ~ 300 bar의 압력으로 연료가스 공급이 요구되는 엔진이다. 본 명세서에서 고압이라는 용어는 고압가스 분사엔진(20)으로 연료가스를 공급하는 압력범위, 즉 150 ~ 300bar 정도의 압력을 의미한다. 고압가스 분사엔진(20)은 천연가스뿐 아니라 중유(Heavy Fuel Oil:HFO) 등을 연료로 이용할 수 있는 이중연료엔진일 수 있다. 고압가스 분사엔진(20)에는 추진축(21)이 연결되고, 추진축(21)에는 선박의 추진을 위한 프로펠러(22)가 설치된다.
발전엔진(60)은 고압가스 분사엔진(20)에 비해 상대적으로 낮은 압력으로 연료가스의 공급이 요구되는 엔진으로 자체 발전기를 구동하여 전기에너지를 생산한다. 이러한 발전엔진(60)은 대략 5 ~ 7bar 정도로 압축된NG를 연료로 이용하는 저압가스 분사엔진일 수 있고, NG뿐 아니라 중유(Heavy Fuel Oil:HFO) 등을 연료로 이용할 수 있는 이중연료엔진일 수 있다.
저장탱크(10)는 LNG 등을연료로 이용하기 위해 저장하는 연료탱크이거나, 액화연료 운반선에 마련된 화물탱크일 수 있다. 예를 들어, LNG 운반선에서는 화물탱크에 저장된 LNG를 연료로서 이용할 수 있다. 이러한 저장탱크(10)는 내부의 압력이 대략 1bar 정도로 유지될 수 있고, 내부의 LNG가 약 -163℃(상압에서 액화온도)로 유지될 수 있다.
고압펌프(30)는 제1연료공급라인(11)에 설치된다. 고압펌프(30)는 저장탱크(10)의 LNG를 빼내어 고압가스 분사엔진(20)의 연료가스의 공급압력인 150 ~ 300bar로 상승시킨 후, 고압기화기(40) 쪽으로 송출한다. 고압펌프(30)는 저장탱크(10)의 LNG를 150 ~ 300bar의 고압으로 상승시키기 용이한 왕복동식 펌프일 수 있다.
고압기화기(40)는 고압펌프(30)로부터 송출된 고압의 LNG를 기화하여 고압가스 분사엔진(20) 쪽으로 보낸다. 이때 고압기화기(40)로부터 고압가스 분사엔진(20) 쪽으로 공급되는 NG는 고압가스 분사엔진(20)의 연료가스 공급조건(압력, 온도)에 부합하도록 조절될 수 있다. 이를 위해 도면에 나타내지는 않았지만, 고압기화기(40)와 고압가스 분사엔진(20) 사이의 제1연료공급라인(11)에는 가열 등을 통해 온도를 조절할 수 있는 수단과, 버퍼탱크나 압력조절용 밸브처럼 압력을 조절할 수 있는 수단이 마련될 수 있다.
제2연료공급라인(12)의 증발가스 압축기(70)는 저장탱크(10)의 증발가스를 발전엔진(60)의 연료가스 공급압력인 5 ~ 7bar로 압축하여 발전엔진(60)으로 공급함으로써 저장탱크(10)에서 생긴 증발가스를 연료로 이용할 수 있도록 한다. 이때 발전엔진(60) 쪽으로 공급되는 연료가스는 제2연료공급라인(12)에 설치된 히터(50)에 의해 공급조건에 부합하도록 온도가 조절될 수 있다.
발전엔진(60)이 동작하지 않는 상태에서 저장탱크(10) 내부에 증발가스의 발생이 많을 경우에는 증발가스 압축기(70)가 증발가스를 압축한 후 재액화장치(80)에서 액화하여 다시 저장탱크(10)로 공급되도록 할 수 있다. 재액화장치(80)는 냉매로서 질소가스(N2)를 사용하는 것으로 압축기, 응축기, 팽창장치, 증발기를 갖춘 냉각장치를 포함할 수 있다.
발전엔진(60)의 동작이 필요한 상황에서 저장탱크(10) 내부의 증발가스가 부족한 경우에는 고압기화기(40)에서 기화된 고압의 연료가스를 증발가스 압축기(70) 하류의 제2연료공급라인(12)으로 공급할 수 있다. 이를 위해 제1실시 예의 추진시스템은 고압기화기(40) 하류의 제1연료공급라인(11)으로부터 분기되어 제2연료공급라인(12)에 연결되는 제3연료공급라인(13)과, 제3연료공급라인(13)에 설치된 감압밸브(90)를 포함할 수 있다. 감압밸브(90)는 고압의 연료가스를 발전엔진(60)의 공급압력으로 감압하여 발전엔진(60)으로 공급할 수 있도록 한다. 따라서 저장탱크(10) 내부의 증발가스가 부족한 경우에도 감압밸브(90)의 개방을 통해 발전엔진(60) 쪽으로 저압의 연료가스를 공급하여 발전엔진(60)을 가동시킬 수 있다.
또 이 추진시스템은 발전엔진(60)에서 생산된 전기에너지를 저장하는 축전장치(100)와, 축전장치(100)로부터 전기에너지를 공급받아 추진축(21)을 구동하거나 추진축(21)의 회전력을 이용해 전기에너지를 생산하여 축전장치(100)에 저장할 수 있는 발전겸용 모터(110)를 포함한다. 도 1에서 부호 25는 추진축(21)에 설치되어 동력전달을 단속할 수 있는 클러치이고, 부호 26은 발전겸용 모터와 추진축의 동력전달을 매개하는 기어들이다.
이러한 추진시스템을 채용한 선박은 고압가스 분사엔진(20)이 추진축(21)을 구동하여 프로펠러(22)를 회전시킴으로써 추진하거나, 축전장치(100)에 저장된 전기에너지를 이용해 발전겸용 모터(110)가 추진축(21)을 회전시킴으로써 추진할 수 있다. 따라서 이러한 추진시스템을 채용한 선박은 특정 배기가스(Nox 등)의 규제해역이 아닌 곳을 운항할 때 상대적으로 효율이 우수한 고압가스 분사엔진(20)의 구동에 의해 추진할 수 있다. 그리고 특정 배기가스의 규제해역을 운항할 때는 축전장치(100)에 저장된 전기에너지를 이용하는 발전겸용 모터(110)의 구동에 의해 추진할 수 있다.
또 고압가스 분사엔진(20)의 동작에 의해 선박의 추진이 이루어질 때는 추진축(21)에 작용하는 잉여에너지를 이용해 발전겸용 모터(110)를 구동함으로써 발전겸용 모터(110)가 전기에너지를 생산할 수 있고, 이 전기에너지가 축전장치(100)에 저장될 수 있다. 물론 이러한 상황에서 발전엔진(60)도 동작하여 축전장치(100)에 전기에너지를 저장해 둘 수 있다. 발전엔진(60)은 저장탱크(10) 내에 증발가스의 발생이 많을 경우 동작함으로써 증발가스를 소비함과 동시에 미리 전기에너지를 생산하여 축전장치(100)에 저장해 둘 수 있다.
도 2는 제2실시 예에 따른 선박의 추진시스템을 나타낸다. 제2실시 예는 고압가스 분사엔진(20)의 추진축(21)에 설치된 제1프로펠러(131)와, 선박의 추진을 위해 별도로 마련되는 모터(140) 및 이 모터(140)의 축에 설치된 제2프로펠러(132)와, 고압가스 분사엔진(20)의 추진축(21) 회전력(잉여에너지)을 이용해 전기에너지를 생산하여 축전장치(100)로 보내는 발전기(150)를 구비하는 점에서 제1실시 예와 차별되고, 나머지는 제1실시 예와 실질적으로 동일하게 구성될 수 있다.
제2실시 예는 고압가스 분사엔진(20)의 구동에 의해 제1프로펠러(131)가 회전함으로써 선박의 추진을 구현할 수 있고, 이 과정에서 추진축(21)에 작용하는 잉여에너지를 이용해 발전기(150)를 구동함으로써 전기에너지를 생산하여 축전장치(100)에 저장할 수 있다. 또 발전엔진(60)에서 생산된 전기에너지도 축전장치(100)에 저장될 수 있다. 그리고 모터(140)는 축전장치(100)에 저장된 전기에너지를 이용해 구동하여 제2프로펠러(132)를 회전시킴으로써 선박의 추진을 구현할 수 있다.
따라서 제2실시 예도 선박이 특정 배기가스(Nox 등)의 규제해역이 아닌 곳을 운항할 때는 상대적으로 효율이 우수한 고압가스 분사엔진(20)의 구동에 의해 추진할 수 있고, 특정 배기가스의 규제해역을 운항할 때는 축전장치(100)에 저장된 전기에너지를 이용하는 모터(140)의 구동에 의해 추진할 수 있다.
10: 저장탱크, 11: 제1연료공급라인,
12: 제2연료공급라인, 13: 제3연료공급라인,
20: 고압가스 분사엔진, 30: 고압펌프,
40: 고압기화기, 60: 발전엔진,
70: 증발가스 압축기, 80: 재액화장치,
90: 감압밸브, 100: 축전장치,
110: 발전겸용 모터, 140: 모터,
150: 발전기.

Claims (3)

  1. 액화연료를 저장하는 저장탱크;
    상기 저장탱크의 액화연료를 가압하여 송출하는 고압펌프;
    상기 고압펌프에서 가압된 액화연료를 기화하여 고압가스 분사엔진 쪽으로 보내는 고압기화기;
    상기 고압가스 분사엔진에 의해 구동되는 추진축에 설치된 프로펠러;
    상기 저장탱크로부터 증발가스를 공급받아 압축하는 증발가스 압축기;
    상기 증발가스 압축기로부터 공급된 연료가스에 의해 동작하는 발전엔진;
    상기 발전엔진에서 생산된 전기에너지를 저장하는 축전장치; 및
    상기 축전장치로부터 전기에너지를 공급받아 상기 추진축을 구동하거나 상기 추진축의 회전력을 이용해 전기에너지를 생산하여 상기 축전장치에 저장할 수 있는 발전겸용 모터를 포함하고,
    상기 고압가스 분사엔진 및 상기 발전엔진은 이 중 적어도 어느 하나를 선택적으로 작동시킬 수 있도록 마련되는 선박의 추진시스템.
  2. 액화연료를 저장하는 저장탱크;
    상기 저장탱크의 액화연료를 가압하여 송출하는 고압펌프;
    상기 고압펌프에서 가압된 액화연료를 기화하여 고압가스 분사엔진 쪽으로 보내는 고압기화기;
    상기 고압가스 분사엔진에 의해 구동되는 추진축에 설치된 제1프로펠러;
    상기 저장탱크로부터 증발가스를 공급받아 압축하는 증발가스 압축기;
    상기 증발가스 압축기로부터 공급된 연료가스에 의해 동작하는 발전엔진;
    상기 발전엔진에서 생산된 전기에너지를 저장하는 축전장치;
    상기 추진축의 회전력을 이용해 전기에너지를 생산하여 상기 축전장치로 보내는 발전기; 및
    상기 축전장치로부터 전기에너지를 공급받아 제2프로펠러를 구동하는 모터를 포함하고,
    상기 고압가스 분사엔진 및 상기 발전엔진은 이 중 적어도 어느 하나를 선택적으로 작동시킬 수 있도록 마련되는 선박의 추진시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 고압기화기에서 기화된 연료가스를 상기 발전엔진 쪽으로 공급하기 위한 연료공급라인과, 이 연료공급라인에 설치된 감압밸브를 더 포함하는 선박의 추진시스템.
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