KR101648351B1 - 선박용 연료 공급 시스템 및 방법 - Google Patents

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장우석
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Abstract

천연가스를 엔진이 요구하는 압력으로 가압하여 상기 엔진에 공급하는 선박용 연료 공급 방법이 개시된다.
상기 선박용 연료 공급 방법은, 연료탱크로부터 액화천연가스 및 증발가스가 각각 배출되고, 상기 연료탱크로부터 배출된 액화천연가스는 가열되어 상기 엔진으로 보내지고, 상기 연료탱크로부터 배출된 증발가스는, 상기 엔진이 요구하는 압력까지 압축공기에 의해 압축된 후 상기 엔진으로 보내진다.

Description

선박용 연료 공급 시스템 및 방법{Fuel Supply System and Method for Vessels}
본 발명은 천연가스를 엔진이 요구하는 압력으로 가압하여 엔진에 공급하는 선박용 연료 공급 시스템 및 방법에 관한 것이다.
액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas)는 천연가스를 대략 상압 -163℃ 근처의 극저온으로 냉각하여 얻어지는 것으로, 가스 상태일 때보다 그 부피가 대폭으로 감소되므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다. 따라서, 액화천연가스는, LNGC(LNG Carrier), LNG FPSO(LNG Floating Production Storage Offloading) 등의 액화천연가스를 운반하고 생산하기 위한 선박의 저장탱크와 LFS(LNG Fueled Ship) 등의 천연가스를 연료로 사용하는 엔진을 탑재한 선박의 연료탱크에 저장된다.
한편, 일반적으로 선박에 사용되는 엔진 중 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진으로 DF(Dual Fuel)엔진 및 ME-GI엔진이 있다. DF엔진은, 4행정으로 구성되며, 비교적 저압인 6.5bar 정도의 압력을 가지는 천연가스를 연소공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축을 시키는 오토 사이클(Otto Cycle)을 채택하고 있다. 또한, ME-GI엔진은, 2행정으로 구성되며, 300bar 부근의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(Diesel Cycle)을 채택하고 있다.
도 1은 종래의 선박용 연료 공급 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 선박용 연료 공급 시스템은, 액화천연가스가 저장되는 연료탱크(10); 연료탱크(10) 내부에 설치되어 액화천연가스를 연료탱크(10)로부터 배출시키는 펌프(20); 및 펌프(20)에 의해 연료탱크(10)로부터 배출된 액화천연가스를 기화시키는 가열기(30);를 포함한다.
연료탱크(10) 내부에 저장된 액화천연가스는 펌프(20)에 의해 가압되어 연료탱크(10)로부터 배출된다. 연료탱크(10)로부터 배출된 액화천연가스는 가열기(30)로 보내져 가열기(30)에 의해 기화된 후 DF엔진으로 보내진다.
연료탱크(10) 내부의 증발가스는, 연료탱크(10)로부터 가열기(30)로 액화천연가스가 보내지는 배관과는 별도의 배관을 따라 DF엔진으로 보내진다.
종래의 선박용 연료 공급 시스템에 의하면, DF엔진이 요구하는 대략 6.5bar 정도의 압력을 가지는 천연가스를 DF엔진에 공급하기 위하여, 연료탱크(10) 내부의 증발가스의 압력이 요구 압력을 만족시킬 때까지 연료탱크(10) 내부에 증발가스가 채워지기를 기다린 후에 증발가스를 엔진으로 공급하였다.
만약, 선박에 DF엔진뿐만 아니라 ME-GI엔진도 설치되었다면, ME-GI엔진은 대략 300bar 정도의 고압의 천연가스를 연료로 사용하므로, 증발가스를 압축시키기 위하여 다수 개의 압축기를 포함하게 된다. 따라서, ME-GI엔진에 보내기 위하여 다단계로 압축되는 증발가스 중 일부를, 다수 개의 압축기 중 일부 압축기만을 통과한 상태에서 DF엔진으로 보낼 수 있다. 그러나, 선박에 DF엔진만이 설치된 경우에는, DF엔진이 요구하는 대략 6.5bar 정도의 압력까지 증발가스를 가압하기 위하여 대용량의 압축기를 설치하는 것은 비경제적이다.
따라서, 종래의 선박용 연료 공급 시스템은, 연료탱크(10)를 DF엔진이 요구하는 압력 이상을 견딜 수 있도록 설계하여, 연료탱크(10) 내부에 증발가스가 채워지기를 기다려 연료탱크(10) 내부의 압력이 요구 압력을 만족시키게 되면 증발가스를 DF엔진에 공급하는 방식으로, 압축기 없이도 DF엔진이 요구하는 압력의 증발가스를 연료탱크(10)로부터 DF엔진으로 보낼 수 있도록 하였다.
그러나, DF엔진이 요구하는 압력 이상을 견딜 수 있도록 설계된 연료탱크(10)는, 더 낮은 압력까지만 견딜 수 있는 연료탱크에 비하여 가격이 상승하게 되어 비경제적이었다.
또한, 종래의 선박용 연료 공급 시스템에 의하면, 기존에 사용되는 타입의 대략 0.7bar까지 견디는 멤브레인 탱크 등을 사용할 수 없게 되어, 시스템을 유연하게 구성할 수 없게 된다는 한계가 있었다.
뿐만 아니라, 연료탱크(10) 내부의 증발가스를 엔진에 공급하려면 연료탱크(10)의 내부 압력이 DF엔진이 요구하는 압력을 만족시켜야 하는데, 액화천연가스를 연료탱크(10)로부터 배출시키면 연료탱크(10)의 내부 압력이 낮아지므로, 종래의 선박용 연료 공급 시스템에 의하면, 증발가스와 액화천연가스를 동시에 엔진에 연료로 공급할 수 없어 비효율적이라는 문제점이 있었다.
또한, 액화천연가스를 저장하였다가 육상 소요처에 하역할 수 있도록 설계된 저장탱크에 비하여 연료탱크(10)는 용량이 작아 증발가스도 적게 발생되므로, 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 압축시키는 시스템과는 다른, 소규모의 경제적인 압축 시스템이 요구되었다.
본 발명은, 연료탱크로부터 배출되는 비교적 적은 양의 증발가스를 효율적으로 압축시켜 엔진으로 공급하는, 선박용 연료 공급 시스템 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 천연가스를 엔진이 요구하는 압력으로 가압하여 상기 엔진에 공급하는 선박용 연료 공급 방법에 있어서, 연료탱크로부터 액화천연가스 및 증발가스가 각각 배출되고, 상기 연료탱크로부터 배출된 액화천연가스는 가열되어 상기 엔진으로 보내지고, 상기 연료탱크로부터 배출된 증발가스는, 상기 엔진이 요구하는 압력까지 압축공기 및 압축기에 의해 압축된 후 상기 엔진으로 보내지는, 선박용 연료 공급 방법이 제공된다.
상기 압축공기 및 상기 압축기에 의해 압축된 증발가스는, 일시 저장되었다가 상기 엔진으로 보내질 수 있다.
상기 연료탱크로부터 배출된 증발가스는, 상기 압축공기 및 상기 압축기에 의해 압축되기 전 가열될 수 있다.
상기 연료탱크로부터 배출된 증발가스는, 상기 압축공기 및 상기 압축기에 의해 압축되기 전 -10℃ 내지 0℃까지 가열될 수 있다.
상기 엔진은 DF엔진일 수 있다.
상기 연료탱크로부터 배출되는 증발가스 중 상기 엔진에서의 필요량을 초과하는 증발가스는 가스 연소 장치로 보내질 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 천연가스를 엔진이 요구하는 압력으로 가압하여 상기 엔진에 공급하는 선박용 연료 공급 시스템에 있어서, 액화천연가스가 저장되는 연료탱크; 상기 연료탱크 내부에 설치되어 액화천연가스를 상기 연료탱크로부터 배출시키는 펌프; 상기 펌프에 의해 상기 연료탱크로부터 배출된 액화천연가스를 기화시켜 상기 엔진으로 공급하는 제 1 가열기; 및 상기 연료탱크로부터 배출되는 증발가스를 압축시키는 압축부;를 포함하고, 상기 압축부는, 증발가스를 압축공기에 의해 압축시키는 압축기를 포함하며, 상기 연료탱크는 상기 엔진이 요구하는 압력보다 낮은 압력에서 견딜 수 있도록 설계되고, 상기 압축기는, 액화천연가스 저장탱크(Cargo Tank)로부터 배출되는 증발가스를 압축시키는 압축기보다 더 작은 용량을 가지는 것을 특징으로 하는, 선박용 연료 공급 시스템이 제공된다.
상기 압축부는, 상기 압축기 후단에 설치되는 체임버를 더 포함할 수 있고, 상기 압축기에 의해 압축된 증발가스는 상기 엔진으로 보내지기 전에 일시적으로 상기 체임버에 저장될 수 있다.
상기 압축부는, 상기 압축기 전단에 설치되는 제 2 가열기를 더 포함할 수 있고, 상기 연료탱크로부터 배출된 증발가스는 상기 압축기로 보내지기 전에 상기 제 2 가열기에 의해 가열될 수 있다.
상기 연료탱크로부터 액화천연가스가 배출되는 라인과 상기 연료탱크로부터 증발가스가 배출되는 라인은 별도로 설치될 수 있다.
본 발명의 선박용 연료 공급 시스템 및 방법에 의하면, 연료탱크를 비교적 낮은 압력에서 견딜 수 있도록 설계할 수 있으므로 연료탱크의 비용이 절감되고, 멤브레인 탱크 등 기존에 사용되는 타입의 탱크를 폭넓게 시스템에 적용할 수 있다. 또한, 연료탱크 내부의 증발가스와 액화천연가스를 동시에 DF엔진에 연료로 공급할 수 있어 효율적이다.
본 발명의 선박용 연료 공급 시스템 및 방법에 의하면, DF엔진이 요구하는 압력을 만족시킬 때까지 연료탱크 내부에 증발가스가 채워지기를 기다리지 않고, 증발가스가 연료탱크로부터 배출될 수 있을 정도의 압력이 되면 바로 증발가스를 DF엔진으로 공급할 수 있으므로, 종래의 선박용 연료 공급 시스템 및 방법에 비하여 연료탱크 내부의 증발가스를 적은 양으로 유지시킬 수 있다. 연료탱크에 액화천연가스를 추가적으로 주입시킬 때 연료탱크 내부의 증발가스를 소각하여야 하는데, 본 발명의 선박용 연료 공급 시스템 및 방법에 의하면, 연료탱크에 액화천연가스를 추가적으로 주입시킬 때 소각되는 증발가스의 양을 줄일 수 있어 경제적이다.
마지막으로, 본 발명의 선박용 연료 공급 시스템 및 방법에 의하면, 연료탱크로부터 배출되는 증발가스를 압축시키기 위하여 압축공기를 사용하므로, 폭발의 위험이 낮아지고 경제적이고 간단하게 증발가스를 압축시킬 수 있다.
도 1은 종래의 선박용 연료 공급 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예의 선박용 연료 공급 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예의 선박용 연료 공급 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 선박용 연료 공급 시스템은, 액화천연가스가 저장되는 연료탱크(10); 연료탱크(10) 내부에 설치되어 액화천연가스를 연료탱크(10)로부터 배출시키는 펌프(20); 펌프(20)에 의해 연료탱크(10)로부터 배출된 액화천연가스를 기화시키는 가열기(30); 및 연료탱크(10)로부터 배출되는 증발가스를 압축시키는 압축부(40);를 포함한다.
본 실시예의 연료탱크(10)는, 내부에 액화천연가스를 보관하며, 천연가스를 DF엔진에서 연료로 사용할 수 있도록, 액화천연가스는 가열기(30)로 공급하고, 증발가스는 압축부(40)로 공급한다. 연료탱크(10)는, 선박이 운항하기 위해 엔진이 필요로 하는 양의 액화천연가스를 저장하면 되므로, 액화천연가스를 저장하였다가 육상 소요처에 공급하기 위한 목적으로 설계되는 저장탱크(Cargo Tank)에 비하여 용량이 작다. 따라서, 연료탱크(10) 내부에서 발생되는 증발가스의 양도 저장탱크 내부에서 발생되는 증발가스의 양에 비하여 적어진다.
본 실시예의 펌프(20)는, 연료탱크(10) 내부에 저장된 액화천연가스를 가압시켜 가열기(30)로 보낸다. 연료탱크(10) 내부의 액화천연가스는 펌프(20)에 의해 가압된 상태로 가열기(30)로 보내지므로, 별도의 압축 과정을 거치지 않고도 DF엔진이 요구하는 압력을 만족시킬 수 있다.
본 실시예의 가열기(30)는, 펌프(20)에 의해 연료탱크(10)로부터 배출된 액화천연가스를 가열시켜 강제 기화시킨다. 가열기(30)에 의해 강제 기화된 천연가스는 DF엔진으로 보내져 연료로 사용된다.
본 실시예의 압축부(40)는, 연료탱크(10)로부터 배출된 증발가스를 압축시키는 압축기(42)를 포함한다. 시스템 외부로부터 압축공기가 압축기(42)로 공급되고, 압축기(42)는 압축공기를 이용하여 증발가스를 압축시킨다. 본 실시예의 압축기(42)는, 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 압축시키는 압축기에 비하여, 작은 용량을 가지도록 설계될 수 있으므로 경제적이고, 압축공기에 의해 증발가스를 압축시키므로 제작이 간단하고 폭발 위험이 현저히 낮아지며 경제적이다.
압축부(40)에서 압축된 증발가스는 가열기(30) 후단, 즉, 가열기(30)와 DF엔진 사이로 보내진다. 가열기(30) 후단으로 보내진 증발가스는, 연료탱크(10)로부터 배출되어 가열기(30)에 의해 기화된 천연가스와 함께 DF엔진으로 보내진다.
본 실시예의 압축부(40)는, 압축기(42) 후단에 설치되는 체임버(Chamber, 43)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예의 체임버(43)는, 압축기(42)에 의해 압축된 증발가스가 DF엔진으로 보내지기 전에 압축된 증발가스를 일시적으로 저장하여, 순간적으로 압축된 증발가스의 양이, DF엔진에서 소비되는 양에 비하여 많아지거나, DF엔진에서 소비되는 증발가스의 양을 따라가지 못하는 경우에도, 천연가스가 압축기(42)로부터 DF엔진으로 안정적으로 공급될 수 있도록 한다.
본 실시예의 압축부(40)가 압축기(42) 후단에 설치되는 체임버(43)를 더 포함하는 경우, 체임버(43)는 DF엔진이 요구하는 압력을 견딜 수 있는 강도로 설계되어야 하지만, 연료탱크(10) 전체를 DF엔진이 요구하는 압력을 견딜 수 있는 강도로 설계하는 것에 비하여, 연료탱크(10)로부터 일부 배출되어 압축기(42)에 의해 압축된 증발가스를 보관할 정도의 용량만을 가지면 되는 체임버(43)를, DF엔진이 요구하는 압력을 견딜 수 있는 강도로 설계하는 것이 훨씬 더 경제적이다.
본 실시예의 압축부(40)는, 압축기(42) 전단에 설치되는 가열기(41)를 더 포함할 수 있다. 이하, 연료탱크(10)로부터 배출된 액화천연가스를 DF엔진으로 보내는 라인 상에 설치된 가열기(30)와 구별하여, 연료탱크(10)로부터 배출된 천연가스를 압축기(42)로 보내는 라인상에 설치되는 가열기(41)를 제 2 가열기라고 한다.
본 실시예의 제 2 가열기(41)는, 연료탱크(10)로부터 배출된 증발가스가 압축기(42)로 공급되기 전에 증발가스의 온도를 높인다. 연료탱크(10)로부터 배출되는 증발가스는 대략 -100℃ 내지 -140℃ 정도의 초저온 상태인데, 압축기(42)를 초저온 상태에 견딜 수 있도록 설계하면 비용이 많이 올라가게 된다. 압축기(42) 전단에 가열기(41)를 설치하여 증발가스의 온도를 높인 후 압축기(42)로 보내면, 압축기(42)를 초저온 상태에서 견딜 수 있도록 설계할 필요가 없게 되므로 비용이 절감된다. 연료탱크(10)로부터 배출된 후 제 2 가열기(41)에 의해 가열된 증발가스의 온도는 대략 -10℃ 내지 0℃ 정도인 것이 바람직하다.
도 2를 참조하여 본 실시예의 선박용 연료 공급 시스템에서 천연가스 및 액화천연가스의 흐름을 설명하면 다음과 같다.
연료탱크(10)로부터 배출된 액화천연가스는 가열기(30)에 의해 가열된 후 DF엔진으로 공급되어 연료로 사용된다.
연료탱크(10)로부터 액화천연가스가 배출되는 라인과 별도로 설치되는 라인에 의해 연료탱크(10)로부터 배출되는 증발가스는, 압축부(40)의 압축기(42)에 의해 DF엔진이 요구하는 압력까지 압축되는데, 압축기(42)에 의해 압축되기 전에 제 2 가열기(41)에 의해 가열될 수 있고, 압축기(42)에 의해 압축된 후 체임버(43)에 일시적으로 저장될 수 있다.
압축부(40)의 압축기(42)에 의해 압축된 증발가스는, 바로 DF엔진으로 보내지거나 체임버(43)에 일시적으로 저장되었다가 DF엔진으로 보내지고, DF엔진으로 보내진 증발가스는 연료로 사용된다.
만약, 연료탱크(10) 내부의 증발가스가 DF엔진에서 필요로 하는 양을 만족시킨다면, 연료탱크(10) 내부의 액화천연가스를 가열기(30)로 보내지 않고, 연료탱크(10) 내부의 증발가스만 DF엔진으로 보내 연료로 사용한다. 연료탱크(10) 내부의 증발가스 중, DF엔진이 필요로 하는 양을 만족시키고도 남는 증발가스는 가스 연소 장치(GCU; Gas Combustion Unit)로 보내 연소시킬 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
10 : 연료탱크 20 : 펌프
30, 41 : 가열기 40 : 압축부
42 : 압축기 43 : 체임버

Claims (10)

  1. 천연가스를 엔진이 요구하는 압력으로 가압하여 상기 엔진에 공급하는 선박용 연료 공급 방법에 있어서,
    연료탱크로부터 액화천연가스 및 증발가스가 각각 배출되고,
    상기 연료탱크로부터 배출된 액화천연가스는 가열되어 상기 엔진으로 보내지고,
    상기 연료탱크로부터 배출된 증발가스는, 상기 엔진이 요구하는 압력까지 압축공기 및 압축기에 의해 압축된 후 상기 엔진으로 보내지는, 선박용 연료 공급 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 압축공기 및 상기 압축기에 의해 압축된 증발가스는, 일시 저장되었다가 상기 엔진으로 보내지는, 선박용 연료 공급 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료탱크로부터 배출된 증발가스는, 상기 압축공기 및 상기 압축기에 의해 압축되기 전 가열되는, 선박용 연료 공급 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 연료탱크로부터 배출된 증발가스는, 상기 압축공기 및 상기 압축기에 의해 압축되기 전 -10℃ 내지 0℃까지 가열되는, 선박용 연료 공급 방법.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔진은 DF엔진인, 선박용 연료 공급 방법.
  6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료탱크로부터 배출되는 증발가스 중 상기 엔진에서의 필요량을 초과하는 증발가스는 가스 연소 장치로 보내지는, 선박용 연료 공급 방법.
  7. 천연가스를 엔진이 요구하는 압력으로 가압하여 상기 엔진에 공급하는 선박용 연료 공급 시스템에 있어서,
    액화천연가스가 저장되는 연료탱크;
    상기 연료탱크 내부에 설치되어 액화천연가스를 상기 연료탱크로부터 배출시키는 펌프;
    상기 펌프에 의해 상기 연료탱크로부터 배출된 액화천연가스를 기화시켜 상기 엔진으로 공급하는 제 1 가열기; 및
    상기 연료탱크로부터 배출되는 증발가스를 압축시키는 압축부;를 포함하고,
    상기 압축부는, 증발가스를 압축공기에 의해 압축시키는 압축기를 포함하며,
    상기 연료탱크는 상기 엔진이 요구하는 압력보다 낮은 압력에서 견딜 수 있도록 설계되고,
    상기 압축기는, 액화천연가스 저장탱크(Cargo Tank)로부터 배출되는 증발가스를 압축시키는 압축기보다 더 작은 용량을 가지는 것을 특징으로 하는, 선박용 연료 공급 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 압축부는, 상기 압축기 후단에 설치되는 체임버를 더 포함하고,
    상기 압축기에 의해 압축된 증발가스는 상기 엔진으로 보내지기 전에 일시적으로 상기 체임버에 저장되는, 선박용 연료 공급 시스템.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 압축부는, 상기 압축기 전단에 설치되는 제 2 가열기를 더 포함하고,
    상기 연료탱크로부터 배출된 증발가스는 상기 압축기로 보내지기 전에 상기 제 2 가열기에 의해 가열되는, 선박용 연료 공급 시스템.
  10. 청구항 7 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료탱크로부터 액화천연가스가 배출되는 라인과 상기 연료탱크로부터 증발가스가 배출되는 라인은 별도로 설치되는, 선박용 연료 공급 시스템.
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