KR101672189B1 - 연료가스 공급시스템 - Google Patents

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Abstract

연료가스 공급시스템이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 액화가스 및 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크; 저장탱크로부터 공급된 액화가스를 가압하는 제1펌프; 가압된 액화가스를 감압하는 제1감압밸브; 감압된 액화가스를 액체성분과 기체성분으로 분리하는 기액분리기; 및 분리된 기체성분을 메탄농도에 기초하여, 제1엔진에 선택적으로 공급하는 메탄가 조절장치를 포함한다.

Description

연료가스 공급시스템{FUEL GAS SUPPLY SYSTEM}
본 발명은 연료가스 공급시스템에 관한 것이다.
온실가스 및 각종 대기오염 물질의 배출에 대한 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)의 규제가 강화됨에 따라 조선 및 해운업계에서는 기존 연료인 중유, 디젤유의 이용을 대신하여, 청정 에너지원인 천연가스를 선박의 연료가스로 이용하는 경우가 많아지고 있다.
연료가스 중에서 널리 이용되고 있는 천연가스(Natural Gas)는 메탄(Methane)을 주성분으로 하며, 통상적으로 그 부피를 1/600로 줄인 액화가스(Liquefied Gas) 상태로 변환시켜 저장 및 운반을 하고 있다.
이러한 액화가스는 선체에 단열 처리되어 설치되는 저장탱크에 수용되어 저장 및 수송되며, 선박의 엔진은 액화가스 또는 증발가스(Boiled Off Gas) 등을 연료가스로 공급받아 구동된다. 여기서 증발가스는 저장탱크 내부에 수용된 액화가스가 자연적으로 기화하여 발생되는 자연증발가스 및 강제적으로 기화하여 발생되는 강제증발가스를 포함한다. 액화가스 또는 증발가스는 압축 및 기화 등의 처리과정을 거쳐 엔진이 요구하는 조건에 맞추어 공급된다.
한편 최근에는 선박의 추진용 또는 선박의 발전용으로 DFDE(Dual Fuel Disel Electric) 엔진 등과 같은 저압(약 5~8bar)의 분사엔진 및 ME-GI 엔진(Man B&W 사의 Gas Injection 엔진)과 같은 고압(약 150~400bar)의 분사엔진이 널리 이용되고 있다. 또한 중압(약 16~18bar)의 연료가스로 연소가 가능한 중압가스 분사엔진이 개발되어 이용되고 있다.
천연가스는 메탄 외에도 에탄(Ethane), 프로판(Propane), 부탄(Butane) 등을 포함하며, 생산지에 따라 조성이 달라지는데 액화가스 또는 기화된 증발가스를 상술한 엔진에 연료가스로서 공급하기 위해서는 엔진에서 요구하는 메탄가(Methane Number)의 조건에 맞추어 공급해야 한다. 엔진으로 공급되는 연료가스가 적정 메탄가보다 낮은 경우에는 엔진의 피스톤이 상사점에 도달하기 이전에 폭발 및 연소가 이루어져 엔진 피스톤의 마모, 엔진 효율 저하, 노킹(Knocking) 등의 문제가 야기될 수 있다.
여기서, 메탄의 끓는점은 ―161.5℃이며, 천연가스의 기타 성분인 에탄(끓는점 ―89℃), 프로판(끓는점 ―45℃) 등에 비해 낮다. 이에 따라 저장탱크 내부에서 자연적으로 기화되는 자연증발가스는 높은 메탄가를 가지게 되고, 저장탱크에 액화가스를 가득 실은 만선항해(Laden Voyage) 시에는 자연증발가스 발생량이 많으므로 엔진이 요구하는 적정 메탄가를 용이하게 맞출 수 있다.
그러나 액화가스를 하역한 이후 등 저장탱크에 액화가스가 많이 수용되지 않은 공선항해(Ballast Voyage) 시에는 자연증발가스 발생량이 대폭 감소하므로 엔진이 요구하는 적정 메탄가를 맞추기 어려운 문제점이 있으며, 이에 따라 공선항해 시에도 엔진에 공급되는 연료가스의 메탄가를 엔진이 요구하는 수준으로 맞추어 공급할 수 있는 방안이 요구된다. 이와 관련된 종래기술로서, 한국공개특허 제10-2010-0035223호(2010. 04. 05. 공개)를 참조하기 바란다.
한국공개특허 제10-2010-0035223호(2010. 04. 05. 공개)
본 발명의 실시 예는 엔진이 요구하는 메탄가 조건에 맞게 연료가스를 효과적으로 공급할 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스 및 상기 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크; 상기 저장탱크로부터 공급된 액화가스를 가압하는 제1펌프; 상기 가압된 액화가스를 감압하는 제1감압밸브; 상기 감압된 액화가스를 액체성분과 기체성분으로 분리하는 기액분리기; 및 상기 분리된 기체성분을 메탄농도에 기초하여, 제1엔진에 선택적으로 공급하는 메탄가 조절장치를 포함하는 연료가스 공급시스템이 제공될 수 있다.
상기 기액분리기 내의 메탄가를 측정하는 측정부를 더 포함하고, 상기 측정부는 상기 기액분리기 내의 압력 또는 온도를 이용하여 메탄가를 측정할 수 있다.
상기 가압된 액화가스를 기화시키는 기화기; 상기 저장탱크로부터 공급된 액화가스를 상기 제1펌프 및 상기 기화기를 거쳐 제2엔진으로 공급하는 연료공급라인과, 상기 기화된 액화가스를 감압하여 팽창시키는 팽창장치와, 상기 감압하여 팽창된 액화가스를 가열하는 히터와, 상기 연료공급라인의 기화기 후단에서 분기되어 상기 기화된 액화가스를 상기 팽창장치와 상기 히터를 통해 상기 제1엔진으로 공급하는 제1분기라인을 더 포함할 수 있다.
상기 저장탱크 내측에 마련되어 상기 저장탱크에 저장된 액화가스를 배출시키는 제2펌프와, 상기 연료공급라인의 상기 제1펌프와 상기 기화기 사이, 또는 상기 제2펌프와 상기 제1펌프 사이에서 분기되어 상기 제1펌프 또는 상기 제2펌프에 의해 가압된 액화가스를 상기 제1감압밸브를 거쳐 상기 기액분리기로 공급하는 제2분기라인을 더 포함할 수 있다.
상기 분리된 기체성분을 상기 제1엔진으로 공급하는 메탄가 조절라인을 더 포함하고, 상기 메탄가 조절장치는 상기 기액분리기 내의 메탄가가 상기 제1엔진이 요구하는 메탄가에 도달한 경우, 상기 메탄가 조절라인에 설치된 밸브를 개방시켜 상기 분리된 기체성분을 상기 제1엔진으로 공급할 수 있다.
상기 메탄가 조절라인은 상기 제1분기라인의 히터의 전단 또는 후단에 연결될 수 있다.
상기 분리된 액체성분을 감압하는 제2감압밸브와, 상기 분리된 액체성분을 상기 제2감압밸브를 거쳐 상기 저장탱크로 공급하는 회수라인을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 엔진이 요구하는 메탄가 조건에 맞게 연료가스를 효과적으로 공급할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료가스 공급시스템을 도시한 것이다.
도 2는 다른 예로서 도 1에 도시된 제2분기라인이 저압펌프와 고압펌프 사이의 연료공급라인으로부터 분기되는 구성을 도시한 것이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 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 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템(100)은 만선항해 및 공선항해 시 엔진이 요구하는 메탄가에 맞게 연료가스를 효과적으로 공급할 수 있다. 연료가스 공급시스템(100)은 액화가스를 수송하는 선박에 설치될 수 있다. 예컨대 선박은 각종 액화연료 운반선, 액화연료 RV(Regasification Vessel), 컨테이너선, 일반상선, LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Off-loading), LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit) 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템(100)은 액화가스 및 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크(10), 저장탱크(10) 내측에 마련되어 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 배출시키는 저압펌프(12), 저장탱크(10)로부터 공급된 액화가스를 가압하여 송출하는 고압펌프(20), 고압펌프(20)를 거친 액화가스를 기화시키는 고압기화기(30), 고압기화기(30)를 거쳐 기화된 액화가스를 제1엔진(E1)이 요구하는 압력조건에 맞게 감압 팽창시키는 팽창장치(40), 제1엔진(E1)이 요구하는 온도조건에 맞게 팽창장치(40)를 거친 유체를 가열하는 히터(50)를 포함한다.
또, 연료가스 공급시스템(100)은 고압펌프(20)를 거친 액화가스를 공급받아 감압시키는 제1감압밸브(60), 제1감압밸브(60)를 거친 액화가스를 액체성분과 기체성분으로 분리시키는 기액분리기(70), 기액분리기(70) 내의 압력 및 온도 중 하나 이상을 측정하는 방법으로 메탄가를 측정하는 측정부(80) 및 기액분리기(70)에 의해 분리된 기체성분을 메탄농도에 기초하여, 제1엔진(E1)에 선택적으로 공급하는 메탄가 조절장치(90)를 포함한다.
저장탱크(10)에 저장된 액화가스는 액화상태로 저장할 수 있는 LNG(Liquefied Natural Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), DME(Dimethylether), 에탄(Ethane) 중 어느 하나일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 저장탱크(10)는 단열상태를 유지하면서 연료를 액화상태로 저장하는 멤브레인형 탱크, SPB형 탱크 등을 포함할 수 있다. 저장탱크(10)는 액화가스가 LNG일 경우 내부압력이 1bar를 유지하거나 연료공급조건을 고려해 그보다 높은 압력으로 유지할 수 있고, 액화상태 유지를 위해 내부온도가 ―163℃도 정도를 유지할 수 있다.
저장탱크(10) 내부에 마련된 저압펌프(12)는 미리 설정된 압력에 따라 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 연료공급라인(L1)을 통해 송출할 수 있다. 연료공급라인(L1)은 저장탱크(10)로부터 공급된 액화가스를 고압펌프(20) 및 고압기화기(30)를 거쳐 제1엔진(E1)보다 운용압력이 높은 제2엔진(E2) 쪽으로 보낸다. 여기서, 제1엔진(E1)은 예컨대 DFDE 엔진 등과 같은 저압가스 분사엔진일 수 있고, 제2엔진(E2)은 ME-GI 엔진과 같은 고압가스 분사엔진일 수 있다. 연료공급라인(L1)에 설치된 고압펌프(20)와 고압기화기(30)는 제2엔진(E2)의 연료가스 공급조건에 맞게 저장탱크(10)로부터 연료공급라인(L1)을 통해 공급되는 액화가스의 압력, 상태, 온도 등을 변환시킨다.
고압펌프(20)는 저장탱크(10)로부터 액화가스를 공급받아 제2엔진(E2)의 연료가스 공급압력인 150 ~ 300bar로 상승시킨 후, 고압기화기(30) 쪽으로 송출한다. 고압펌프(20)는 예컨대 왕복동식 펌프일 수 있다.
고압기화기(30)는 고압펌프(20)로부터 송출된 고압의 액화가스를 기화시켜 제2엔진(E2) 쪽으로 보낸다. 이때 고압기화기(30)로부터 제2엔진(E2) 쪽으로 공급되는 기화된 액화가스는 제2엔진(E2)의 연료가스 공급조건(압력, 온도)에 맞게 조절될 수 있다. 이를 위해 도면에 나타내지는 않았지만, 고압기화기(30)와 제2엔진(E2) 사이의 연료공급라인(L1)에는 가열 등을 통해 온도를 조절할 수 있는 수단과, 버퍼탱크나 압력조절용 밸브처럼 압력을 조절할 수 있는 수단이 마련될 수 있다.
연료공급라인(L1)의 고압기화기(30) 후단에서 분기되는 제1분기라인(D1)은 고압기화기(30)를 거친 액화가스를 팽창장치(40)와 히터(50)를 통해 제1엔진(E1) 쪽으로 보낸다.
팽창장치(40)와 히터(50)는 각각 제1엔진(E1)의 연료가스 공급조건에 맞게 고압기화기(30)를 거쳐 기화된 액화가스의 압력 및 온도를 조절한다. 본 발명의 실시 예에 따른 팽창장치(40) 및 감압밸브(60,65)는 예컨대 줄-톰슨(Joule Thomson) 밸브를 포함할 수 있다.
한편, 제1분기라인(D1)을 통해 팽창장치(40)와 히터(50)를 거쳐 제1엔진(E1)으로 공급되는 기화된 액화가스(연료가스)의 메탄가가 제1엔진(E1)의 요구조건에 맞지 않을 경우, 메탄가를 보충할 수 있다.
이를 위해, 고압펌프(20)를 거친 액화가스는 연료공급라인(L1)의 고압펌프(20)와 고압기화기(30) 사이에서 분기된 제2분기라인(D2)을 통해 제1감압밸브(60)를 거쳐 기액분리기(70)로 공급된다.
이때, 측정부(80)는 기액분리기(70) 내의 압력 및 온도 중 하나 이상을 측정하는 방법으로 기액분리기(70) 내의 메탄가를 측정할 수 있다.
다음으로, 기액분리기(70) 내의 메탄가(메탄농도)가 제1엔진(E1)이 요구하는 메탄가에 도달한 경우, 기액분리기(70)로부터 기체성분을 제1엔진(E1) 쪽으로 보내어 제1엔진(E1)이 필요로 하는 메탄가를 맞춘다. 이때, 기액분리기(70) 내의 압력이 설정 압력에 도달한 경우, 메탄가 조절장치(90)는 메탄가 조절라인(M)에 설치된 밸브(V1)를 개방시켜 기액분리기(70) 내의 기체성분을 제1엔진(E1)으로 공급하는 방법으로 메탄가를 보충할 수 있다. 여기서, 메탄가 조절라인(M)은 기액분리기(70)와 히터(50)의 전단 또는 후단의 연료공급라인(L1)를 연결한다.
기액분리기(70) 내 액체성분은 회수라인(L2)을 통해 제2감압밸브(65)를 거쳐 저장탱크(10)로 공급된다.
상술한 고압펌프(20) 후단에서 제2분기라인(D2)을 분기시키는 이유는 고압펌프(20)로 인하여 압력이 올라간 상태에서 감압을 실시하면, 플래시 가스(flash gas)가 발생하는데, 이때 플래시 가스는 끓는점이 낮은 질소와 메탄을 주 성분으로 한다. 질소는 메탄가에 영향을 미치지 않고 메탄은 메탄가를 높여주는 역할을 하므로 플래시 가스를 기액분리기(70)와 제1분기라인(D1)을 연결하는 메탄가 조절라인(M)을 통해 공급하여, 제1분기라인(D1)을 통해 제1엔진(E1) 쪽으로 공급되는 기화된 액화가스와 혼합시킴으로써 메탄가를 상승시킬 수 있다.
플래시 가스의 양에 영향을 미치는 요소는 압력과 온도이다. 상변화곡선에 의해 압력과 온도는 서로의 변화에 종속적 관계를 가진다. 따라서 상술한 측정부(80)는 기액분리기(70) 내 기체의 온도 및 압력 중 하나 이상을 측정하여, 플래시 가스의 성분을 예측할 수 있고, 이를 기초로 메탄가를 알 수 있다.
한편, 다른 예로서 도 2를 참조하면, 상술한 제2분기라인(D2)은 연료공급라인(L1)의 저압펌프(12)와 고압펌프(20) 사이에서 분기될 수도 있다. 이는 고압펌프(20)보다는 압력이 낮지만 저압펌프(12)에 의해 압력이 올라간 상태에서도 상술한 감압에 따른 플래시 가스를 만들어낼 수 있기 때문이다.
이상에서는 특정의 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 본 발명은 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: 저장탱크 20: 고압펌프
30: 고압기화기 40: 팽창장치
50: 히터 60,65: 감압밸브
70: 기액분리기 80: 측정부
90: 메탄가 조절장치 M: 메탄가 조절라인
L1: 연료공급라인 L2: 회수라인
D1: 제1분기라인 D2: 제2분기라인

Claims (7)

  1. 액화가스 및 상기 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크;
    상기 저장탱크로부터 공급된 액화가스를 가압하는 제1펌프;
    상기 가압된 액화가스를 감압하는 제1감압밸브;
    상기 감압된 액화가스를 액체성분과 기체성분으로 분리하는 기액분리기;
    상기 분리된 기체성분을 메탄농도에 기초하여, 제1엔진에 선택적으로 공급하는 메탄가 조절장치;
    상기 가압된 액화가스를 기화시키는 기화기;
    상기 저장탱크로부터 공급된 액화가스를 상기 제1펌프 및 상기 기화기를 거쳐 상기 제1엔진보다 운용압력이 높은 제2엔진으로 공급하는 연료공급라인;
    상기 연료공급라인의 기화기 후단에서 분기되어 상기 기화된 액화가스를 상기 제1엔진으로 공급하는 제1분기라인;
    상기 저장탱크 내측에 마련되어 상기 저장탱크에 저장된 액화가스를 배출시키는 제2펌프;
    상기 제1펌프 또는 상기 제2펌프에 의해 압력이 올라간 상태에서 상기 제1감압밸브에 의해 감압되어 플래시 가스가 생성되도록, 상기 연료공급라인의 상기 제1펌프와 상기 기화기 사이, 또는 상기 제2펌프와 상기 제1펌프 사이에서 분기되어 상기 제1펌프 또는 상기 제2펌프에 의해 가압된 액화가스를 상기 제1감압밸브를 거쳐 상기 기액분리기로 공급하는 제2분기라인; 및
    상기 분리된 기체성분을 상기 제1분기라인으로 합류시키는 메탄가 조절라인;을 포함하되,
    상기 메탄가 조절장치는 상기 제1엔진으로 공급되는 상기 기화된 액화가스의 메탄가가 상기 제1엔진의 요구조건에 맞지 않을 경우, 상기 메탄가 조절라인에 설치된 밸브를 개방시켜 상기 분리된 기체성분을 상기 메탄가 조절라인을 통해 상기 제1분기라인으로 합류시키는 연료가스 공급시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기액분리기 내의 메탄가를 측정하는 측정부를 더 포함하고,
    상기 측정부는 상기 기액분리기 내의 압력 또는 온도를 이용하여 메탄가를 측정하는 연료가스 공급시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1분기라인 상에 마련되고, 상기 기화기에 의해 기화된 액화가스를 감압하여 팽창시키는 팽창장치와,
    상기 감압하여 팽창된 액화가스를 가열하는 히터를 더 포함하는 연료가스 공급시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제3항에 있어서,
    상기 메탄가 조절라인은 상기 제1분기라인의 히터의 전단 또는 후단에 연결되는 연료가스 공급시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 분리된 액체성분을 감압하는 제2감압밸브와,
    상기 분리된 액체성분을 상기 제2감압밸브를 거쳐 상기 저장탱크로 공급하는 회수라인을 더 포함하는 연료가스 공급시스템.
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