KR101681720B1 - 선박의 증발가스 처리 제어시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증발가스 처리 제어시스템 및 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 선박의 저장탱크에서 배출된 증발가스를 가압한 후 대부분은 우선적으로 선박 엔진의 연료로 사용하고 나머지 일부 증발가스는 저장탱크로부터 새롭게 배출되는 증발가스의 냉열로 액화시켜 저장탱크로 복귀시킴으로써, 증발가스를 효율적으로 사용할 수 있도록 하는 증발가스 처리 제어시스템 및 제어방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 저장탱크에서 배출된 증발가스를 가압한 후 압축된 증발가스 중 대부분은 먼저 선박 엔진에 연료로서 공급하고, 압축된 증발가스 중 나머지는 저장탱크로부터 새롭게 배출되어 압축되기 전의 증발가스의 냉열로 액화시켜 저장탱크로 복귀시킬 수 있도록 하는 증발가스 처리 제어시스템 및 제어방법이 제공될 수 있다.

Description

선박의 증발가스 처리 제어시스템 {Control System for Treating Boil-Off Gas of a Ship}

본 발명은 선박의 증발가스(BOG: Boil-Off Gas) 처리 제어시스템 및 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 선박의 저장탱크에서 배출된 증발가스를 가압한 후, 대부분은 우선적으로 선박 엔진의 연료로 사용하고 나머지 일부 증발가스는 저장탱크로부터 새롭게 배출되는 증발가스의 냉열로 액화시켜 저장탱크로 복귀시킴으로써, 증발가스를 효율적으로 사용할 수 있도록 하는 증발가스 처리 제어시스템 및 제어방법에 관한 것이다.

근래, LNG(Liquefied Natural Gas)나 LPG(Liquefied Petroleum Gas) 등의 액화가스의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있는 추세이다. 액화가스는, 육상 또는 해상의 가스배관을 통해 가스 상태로 운반되거나, 또는, 액화된 상태로 액화가스 운반선에 저장된 채 원거리의 소비처로 운반된다. LNG나 LPG 등의 액화가스는 천연가스 혹은 석유가스를 극저온(LNG의 경우 대략 -163℃)으로 냉각하여 얻어지는 것으로 가스 상태일 때보다 그 부피가 대폭적으로 감소되므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.

LNG 운반선 등의 액화가스 운반선은, 액화가스를 싣고 바다를 운항하여 육상 소요처에 이 액화가스를 하역하기 위한 것이며, 이를 위해, 액화가스의 극저온에 견딜 수 있는 저장탱크(흔히, '화물창'이라 함)를 포함한다.

천연가스의 액화온도는 상압에서 약 -163℃의 극저온이므로, LNG는 그 온도가 상압에서 -163℃ 보다 약간만 높아도 증발된다. 종래의 LNG 운반선의 경우를 예를 들어 설명하면, LNG 운반선의 LNG 저장탱크는 단열처리가 되어 있기는 하지만, 외부의 열이 LNG에 지속적으로 전달되므로, LNG 운반선에 의해 LNG를 수송하는 도중에 LNG가 LNG 저장탱크 내에서 지속적으로 기화되어 LNG 저장 탱크 내에 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)가 발생한다.

발생된 증발가스는 저장탱크 내의 압력을 증가시키며 선박의 요동에 따라 액화가스의 유동을 가속시켜 구조적인 문제를 야기시킬 수 있기 때문에, 증발가스의 발생을 억제할 필요가 있다.

또한, 증발가스는 LNG의 손실이므로 LNG의 수송효율에 있어서 증발가스의 억제 혹은 재액화는 중요한 문제이다.

종래, 액화가스 운반선의 저장탱크 내에서의 증발가스를 억제 및 처리하기 위해, 증발가스를 저장탱크의 외부로 배출시켜 소각해 버리는 방법, 증발가스를 저장탱크의 외부로 배출시켜 재액화 장치를 통해 재액화시킨 후 다시 저장탱크로 복귀시키는 방법, 선박의 추진기관에서 사용되는 연료로서 증발가스를 사용하는 방법, 저장탱크의 내부압력을 높게 유지함으로써 증발가스의 발생을 억제하는 방법 등이 단독으로 혹은 복합적으로 사용되고 있었다.

증발가스 재액화 장치가 탑재된 종래의 선박의 경우, 저장탱크의 적정 압력 유지를 위해 저장탱크 내부의 증발가스를 저장탱크 외부로 배출시켜 재액화 장치를 통해 재액화시키게 된다. 이때, 배출된 증발가스는 냉동 사이클을 포함하는 재액화 장치에서 초저온으로 냉각된 냉매, 예를 들어 질소냉매, 혼합냉매 등과의 열교환을 통해 재액화된 후 저장탱크로 복귀된다.

종래 DFDE 추진시스템을 탑재한 LNG 운반선의 경우, 재액화 설비를 설치하지 않고 증발가스 압축기와 가열만을 통해 증발가스를 처리한 후 DFDE에 연료로서 공급하여 증발가스를 소비하였기 때문에 엔진의 연료 필요량이 증발가스의 발생량보다 적을 때는 증발가스를 가스연소기(GCU; Gas Combustion Unit)에서 연소시켜 버리거나 대기중으로 버릴(Venting) 수밖에 없는 문제가 있었다.

그리고 종래 재액화 설비와 저속 디젤 엔진을 탑재한 LNG 운반선은 재액화 설비를 통해 BOG를 처리할 수 있음에도 불구하고 질소가스를 이용한 재액화 장치 운전의 복잡성으로 인해 전체 시스템의 제어가 복잡하고 상당한 양의 동력이 소모되는 문제가 있었다.

결국, 저장탱크로부터 자연적으로 발생하는 증발가스를 효율적으로 처리하기 위한 제어시스템 및 제어방법에 대한 연구 개발이 지속적으로 이루어질 필요가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 저장탱크에서 배출된 증발가스를 가압한 후 대부분은 우선적으로 선박 엔진의 연료로 사용하고 나머지 일부는 저장탱크로부터 새롭게 배출되는 증발가스의 냉열로 액화시켜 저장탱크로 복귀시킴으로써, 증발가스를 효율적으로 사용할 수 있도록 제조되는 증발가스 처리 제어시스템 및 제어방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스가 저장된 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 압축하여 엔진의 연료로 공급하는 증발가스 공급라인; 및 상기 엔진의 연료로 공급된 후 잔여한 증발가스를 재액화시켜 저장탱크로 복귀시키는 증발가스 재액화라인을 포함하는 선박의 증발가스 처리 제어시스템으로서, 상기 증발가스 공급라인에서, 증발가스를 압축시키는 압축기가 엔진의 요구압력(set point)을 초과하는 압력으로 운전되도록 제어하고, 상기 증발가스 재액화라인에서, 증발가스 재액화시 팽창수단에 의해 증발가스를 감압시켜 재액화시키되, 저장탱크 내부압력에 따라 감압되도록 팽창수단을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 처리 제어시스템이 제공된다.

상기 증발가스 공급라인은, 액화가스가 저장된 저장탱크; 상기 저장탱크에 저장된 액화가스에서 발생하는 증발가스를 상기 저장탱크에서 배출시켜 압축시키는 압축기; 및 상기 압축기에서 압축된 증발가스를 연료로 사용하는 엔진을 포함할 수 있다.

상기 증발가스 재액화라인은, 상기 엔진에 연료로 공급된 후 잔여한 증발가스를 냉각시키는 열교환기; 및 상기 열교환기에서 냉각된 증발가스를 감압하여 재액화시키는 팽창수단을 포함할 수 있다.

상기 엔진의 전단에 설치된 압력 측정센서에서 측정된 엔진의 요구압력을 전달받아, 증발가스 공급라인에 설치된 압축기가 상기 엔진의 요구압력 초과의 압력으로 운전되도록 제어하는 제1 컨트롤러; 및 상기 엔진의 전단에 설치된 압력 측정센서에서 측정된 엔진의 요구압력을 전달받아, 증발가스 재액화 라인에 설치된 팽창수단에서 증발가스가 저장탱크의 내부압력에 따라 감압되도록 제어하는 제2 컨트롤러를 포함할 수 있다.

상기 선박의 증발가스 처리 제어시스템에서, 다수의 엔진이 설치된 경우, 상기 제1 컨트롤러는 다수의 엔진의 요구압력 중 최대치인 엔진의 요구압력을 전달받아, 상기 증발가스 공급라인에 설치된 압축기가 엔진의 요구압력 초과의 압력으로 운전되도록 제어할 수 있다.

상기 제1 컨트롤러 및 제2 컨트롤러로 전달되는 엔진의 요구압력이 정상 범위를 벗어나는 경우, 엔진의 요구압력으로서 압축기 후단에 설치된 압력 측정센서에서 측정된 압력이 상기 제1 컨트롤러 및 제2 컨트롤러로 전달될 수 있다.

상기 제1 컨트롤러 및 제2 컨트롤러로 전달되는 엔진의 요구압력이 정상 범위를 벗어나는 경우는, 엔진의 전단에 설치된 압력 측정센서가 fail인 경우 또는 엔진의 전단에 설치된 연료 공급밸브가 닫힌 경우일 수 있다.

상기 압축기는 제1 컨트롤러에 의해 엔진의 요구압력 초과의 압력으로 운전되도록 압축기의 용량을 제어하는 용량 제어밸브를 포함할 수 있다.

상기 엔진의 요구압력을 초과하는 압력은 엔진의 요구압력에 1 bara를 더한 압력일 수 있다.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 액화가스가 저장된 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 압축하여 엔진의 연료로 공급하는 연료공급 단계; 및 상기 엔진의 연료로 공급된 후 잔여한 증발가스를 재액화시켜 저장탱크로 복귀시키는 증발가스 재액화 단계를 포함하는 선박의 증발가스 처리 제어방법으로서, 상기 연료공급 단계에서 증발가스를 엔진의 요구압력을 초과하는 압력으로 압축시키도록 제어하고, 상기 증발가스 재액화 단계에서 증발가스 재액화시 저장탱크의 내부압력에 따라 감압시켜 재액화하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 처리 제어방법이 제공된다.

상기 엔진의 요구압력을 초과하는 압력은 엔진의 요구압력에 1bara를 더한 압력일 수 있다.

본 발명에 따르면, 저장탱크에서 배출된 증발가스를 가압한 후 압축된 증발가스 중 일부는 선박 엔진에 연료로서 공급하고, 압축된 증발가스 중 나머지는 저장탱크로부터 새롭게 배출되어 압축되기 전의 증발가스의 냉열로 액화시켜 저장탱크로 복귀시킬 수 있도록 하는 증발가스 처리 제어시스템 및 제어방법이 제공될 수 있다.

그에 따라 본 발명에 따른 증발가스 처리 제어시스템 및 제어방법에 의하면, 에너지 소모량이 많고 초기 설치비가 과도하게 소요되는 재액화 장치를 설치하지 않고도 저장탱크에서 발생되는 증발가스를 재액화시킬 수 있어, 재액화 장치에서 소모되는 에너지를 절감할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 의하면, LNG 운반선의 화물(즉, LNG) 운반시 발생되는 모든 증발가스를, 선박 엔진의 연료로서 사용하거나 재액화시켜 다시 저장탱크로 복귀시켜 저장할 수 있기 때문에, GCU 등에서 소모하여 버려지는 증발가스의 양을 감소시킬 수 있게 되고, 질소 등 별도의 냉매를 사용할 필요 없이 증발가스를 재액화하여 처리할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 의하면, 별도의 냉매를 사용하는 재액화 장치(즉, 질소냉매 냉동 사이클이나 혼합냉매 냉동 사이클 등)가 설치될 필요가 없으므로, 냉매를 공급 및 저장하기 위한 설비를 추가로 설치할 필요가 없어, 전체 시스템을 구성하기 위한 초기 설치비와 운용비용을 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 선박의 증발가스 처리 제어시스템을 도시한 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른, 선박의 증발가스 처리 제어시스템을 도시한 개략 구성도이다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른, 선박의 증발가스 처리 제어시스템을 도시한 개략 구성도가 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 선박의 증발가스 처리 제어시스템은 액화가스가 저장된 저장탱크(11)로부터 발생하는 증발가스를 압축하여 엔진의 연료로 공급하는 증발가스 공급라인(L1); 및 상기 엔진의 연료로 공급된 후 잔여한 증발가스를 재액화시켜 저장탱크(11)로 복귀시키는 증발가스 재액화라인(L2)을 포함하는 증발가스 처리 제어시스템으로서, 상기 증발가스 공급라인(L1)에서 증발가스를 압축시키는 압축기(13)가 엔진의 요구압력(set point)을 초과하는 압력으로 운전되도록 제어하고, 상기 증발가스 재액화라인(L2)에서 증발가스 재액화시 팽창수단(22)에 의해 증발가스를 감압시켜 재액화시키되, 저장탱크 내부압력에 따라 감압되도록 팽창수단(22)을 제어하는 제어부(CTL)를 포함할 수 있다.

도 1에는 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 선박 엔진으로서, 고압 천연가스 분사 엔진, 예컨대 ME-GI 엔진을 설치한 LNG 운반선에 본 발명의 증발가스 처리 제어시스템이 적용된 예가 도시되어 있지만, 본 발명의 증발가스 처리 제어시스템은 액화가스 저장탱크가 설치된 모든 종류의 선박, 즉 LNG 운반선, LNG RV(Regasification Vessel) 등을 비롯하여, FSPP(Floating Storage Power Plant), BMPP(Barge Mounted Power Plant), LNG FRU(Floating and Regasification Unit), LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Off-loading), LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit)와 같은 해상 플랜트에 적용될 수 있다.

또한, 본 발명의 증발가스 처리 제어시스템은 선박 엔진으로서, ME-GI 엔진 외에 ME-LGI와 같은 고압가스 분사엔진 또는 DF 엔진, 터빈, 보일러와 같은 저압가스 분사엔진이 설치된 모든 종류의 선박과 해상 플랜트에 적용될 수도 있다.

증발가스 공급라인(L1)은 액화가스가 저장된 저장탱크(11)로부터 발생하는 증발가스를 압축하여 엔진의 연료로 공급하기 위한 것으로, 액화가스가 저장된 저장탱크(11); 상기 저장탱크(11)에 저장된 액화가스에서 발생하는 증발가스를 상기 저장탱크(11)에서 배출시켜 압축시키는 압축기(13); 및 상기 압축기(13)에서 압축된 증발가스를 연료로서 사용하는 고압 천연가스 분사 엔진을 포함할 수 있다.

저장탱크(11)는 LNG 등의 액화가스를 극저온 상태로 저장할 수 있도록 밀봉 및 단열 방벽을 갖추고 있지만, 외부로부터 전달되는 열을 완벽하게 차단할 수는 없다. 그에 따라 저장탱크(11) 내에서는 액화가스의 증발이 지속적으로 이루어지며, 증발가스의 압력을 적정한 수준으로 유지하기 위해 증발가스 공급라인(L1)을 통하여 저장탱크(11) 내부의 증발가스를 배출시킨다.

저장탱크(11)의 내부에는 필요시 LNG를 저장탱크의 외부로 배출시키기 위해 배출 펌프(미도시)가 설치될 수 있다. 예를 들어, 밸러스트 상태와 같이, 저장탱크에서 발생하는 증발가스의 양이 엔진에서 요구하는 연료량에 미치지 못하는 경우, LNG를 연료로서 엔진으로 이송시키기 위하여, 고압펌프(High Pressure Pump) 및 기화기를 이용하여 LNG를 엔진의 연료가스로 사용할 수 있다. 즉, 밸러스트 상태에서는, 저장탱크 내부의 LNG를 배출 펌프를 이용하여 펑핑한 후, 고압펌프로 가압한 후, 기화기에서 기화시켜 엔진에 공급할 수 있다.

압축기(13)는, 하나 이상의 압축기(14)와 압축되면서 온도가 상승한 증발가스를 냉각시키기 위한 하나 이상의 중간 냉각기(15)를 포함할 수 있다. 압축기(13)는 예를 들어 증발가스를 약 301 bara까지 압축하도록 구성될 수 있다. 상기 압축기(13)는 5개의 압축 실린더와 5개의 중간 냉각기(15)를 포함하는 왕복동시 다단 압축기(13)일 수 있지만, 압축 실린더와 중간 냉각기의 개수는 필요에 따라 변경될 수 있다.

압축기(13)에서 압축된 증발가스는 증발가스 공급라인(L1)을 통하여 고압 천연가스 분사 엔진에 공급되는데, 고압 천연가스 분사 엔진에서 필요로 하는 연료의 필요량에 따라 압축된 증발가스 전부를 고압 천연가스 분사 엔진에 공급할 수도 있고, 압축된 증발가스 중 일부만을 고압 천연가스 분사 엔진에 공급할 수도 있다. 상기 고압 천연가스 분사 엔진은 ME-GI 엔진일 수 있으며, 증발가스는 압축기(13)에 의해 대략 150 내지 400 bara 정도의 고압으로 압축된 후 고압 천연가스 분사 엔진, 예컨대 ME-GI 엔진에 연료로서 공급된다.

한편, 저장탱크(11)로부터 배출되어 압축기(13)에서 압축되는 증발가스(즉, 저장탱크에서 배출된 증발가스 전체)를 제1 스트림이라 할 때, 증발가스의 제1 스트림을 압축 후에 제2 스트림과 제3 스트림으로 나누어, 제2 스트림은 고압 천연가스 분사 엔진에 연료로서 공급하고 제3 스트림은 재액화시켜 저장탱크로 복귀시키도록 구성할 수 있다.

이때, 제2 스트림은 증발가스 공급라인(L1)을 통해 고압 천연가스 분사 엔진에 공급되고, 제3 스트림은 증발가스 재액화라인(L2)을 통해 저장탱크(11)로 복귀된다. 압축된 증발가스의 제3 스트림을 재액화시킬 수 있도록 증발가스 재액화라인(L2)에는 열교환기(21)가 설치된다. 열교환기(21)에서는 압축된 증발가스의 제3 스트림을 저장탱크(11)로부터 배출된 후 압축기(13)로 공급되는 증발가스의 제1 스트림과 열교환시킨다.

압축되기 전의 증발가스의 제1 스트림의 유량이 제3 스트림의 유량보다 많기 때문에, 압축된 증발가스의 제3 스트림은 압축되기 전의 증발가스의 제1 스트림으로부터 냉열을 공급받아 냉각되어 초임계 상태로 될 수 있다. 이와 같이 열교환기(21)에서는 저장탱크(11)로부터 배출된 직후의 극저온의 증발가스와 압축기(13)에서 압축된 고압 상태의 증발가스를 열교환시켜 이 고압 상태의 증발가스를 냉각시킨다.

증발가스 재액화라인(L2)은, 연료로 공급된 후 잔여한 증발가스를 냉각시키는 열교환기(21); 및 상기 열교환기(21)에서 재액화된 증발가스를 감압하여 재액화시키는 팽창수단(22, 예를 들어, J-T 밸브 혹은 팽창기(Expander))을 포함할 수 있다.

또한, 상기 열교환기(21)에서 냉각된 증발가스(LBOG)는 팽창수단(22)을 통과하면서 감압되어 기액 혼합상태로 기액분리기(23)에 공급될 수 있다. 팽창수단(22)를 통과하면서 감압되고, 계속해서 기액 혼합상태로 기액분리기(23)에 공급된다. 팽창수단(22)을 통과하면서 LBOG는 대략 상압으로 감압(예컨대 300바에서 3바로 감압)될 수 있다. 재액화된 증발가스는 기액분리기(23)에서 기체와 액체 성분이 분리되어, 액체성분, 즉 LNG는 증발가스 재액화라인(L2)을 통해 저장탱크(11)로 이송되고, 기체성분, 즉 증발가스는 증발가스 재순환라인(L3)을 통해 저장탱크(11)로부터 배출되어 압축기(13)로 공급되는 증발가스에 합류될 수 있다. 더욱 상세하게는, 증발가스 재순환라인(L3)은 기액분리기(23)의 상단으로부터 연장되어 증발가스 공급라인(L1)에서 열교환기(21)보다 상류측에 연결될 수 있다. 또는, 상기 기액분리기(23)에서 분리된 기체성분인 증발가스는 열교환기(21)로 공급되어 저장탱크(11)에서 배출되는 증발가스로부터 냉열을 회수할 수도 있고, 증발가스 수요처 예컨대 GCU(Gas Combustion Unit) 등으로 공급되어 소비될 수 있다.

액체 성분은, 저장탱크(11)에 복귀하도록 구성되는 이외에도, 별도의 탱크(도시생략)에 공급되어 저장되도록 구성될 수 있다. 또한, 기액분리기(23)에서 기체 성분과 액체 성분을 분리하지 않고, 팽창된 증발가스를 기액분리기(23)를 거치지 않고(즉, 기액분리기를 시스템에 포함시키지 않고) 곧바로 저장탱크(11)에 복귀시키도록 시스템이 구성될 수도 있다.

위에서는 설명의 편의상 열교환기(21)가 증발가스 재액화라인(L2)에 설치된 것으로 설명하였으나, 실제로 열교환기(21)에서는 증발가스 공급라인(L1)을 통해 이송되고 있는 증발가스의 제1 스트림과 증발가스 재액화라인(L2)을 통해 이송되고 있는 증발가스의 제3 스트림 사이에 열교환이 이루어지고 있으므로, 열교환기(21)는 증발가스 공급라인(L1)에 설치된 것이기도 하다.

증발가스 재순환라인(L3)에는 또 다른 팽창수단(24)이 더 설치될 수 있으며, 그에 따라 기액분리기(23)로부터 배출된 기체 성분은 팽창수단(24)을 통과하면서 감압될 수 있다. 또한 열교환기(21)에서 냉각된 후 기액분리기(23)로 공급되는 증발가스의 제3 스트림과 기액분리기(23)에서 분리되어 증발가스 재순환라인(L3)을 통해 이송되는 기체 성분을 열교환시켜 제3 스트림을 더욱 냉각시킬 수 있도록 증발가스 재순환라인(L3)에는 냉각기(25)가 설치될 수 있다. 즉, 냉각기(25)에서는 고압 액체 상태의 증발가스를 저압 극저온 기체 상태의 천연가스로 추가 냉각시킨다.

여기에서, 설명의 편의상 냉각기(25)가 증발가스 재순환라인(L3)에 설치된 것으로 설명하였으나, 실제로 냉각기(25)에서는 증발가스 복귀라인(L3)을 통해 이송되고 있는 증발가스의 제3 스트림과 증발가스 재순환라인(L5)을 통해 이송되고 있는 기체 성분 사이에 열교환이 이루어지고 있으므로, 냉각기(25)는 증발가스 재액화라인(L2)에 설치된 것이기도 하다.

냉각기(25)는 생략될 수 있으며, 냉각기(25)가 생략될 경우 재액화 효율은 다소 낮아질 수 있지만, 냉각기를 설치하는데 소요되는 비용이 절감되고 시스템 운전과 배관이 단순화됨에 따라 운용 효율은 높아질 수 있다.

제어부(CTL)는 저장탱크(11)에서 발생하는 증발가스를 우선 엔진의 연료로 공급한 후, 잔여한 증발가스는 재액화시켜 저장탱크로 복귀시킬 수 있도록 제어하기 위한 것으로, 상기 증발가스 공급라인(L1)에서 증발가스를 압축시키는 압축기(13)가 엔진의 요구압력(Set Point)을 초과하는 압력으로 운전되도록 제어하고, 상기 증발가스 재액화라인(L2)에서 재액화된 증발가스를 감압시키는 팽창수단(22)을 엔진의 요구압력으로 제어할 수 있다.

상기 제어부(CTL)는, 엔진의 전단에 설치된 압력 측정센서(31)에서 측정된 엔진의 요구압력을 전달받아, 증발가스 공급라인(L1)에 포함된 압축기(13)가 상기 엔진의 요구압력 초과의 압력으로 운전되도록 제어하는 제1 컨트롤러(Controller, 33); 및 엔진의 전단에 설치된 압력 측정센서(31)에서 측정된 엔진의 요구압력을 전달받아, 증발가스 재액화 라인(L2)에 설치된 팽창수단(22)에서 증발가스를 상기 엔진의 요구압력에서 저장탱크의 내부압력에 따라 감압되도록 제어하는 제2 컨트롤러(34)를 포함할 수 있다.

상기 엔진의 전단에는 엔진으로 공급되는 연료의 실제 압력을 측정하는 압력 측정센서(31)가 설치될 수 있다. 상기 압력 측정센서(31)는 엔진으로 공급되는 연료의 실제 압력을 제1 컨트롤러 및 제2 컨트롤러에 전달하며, 제1 컨트롤러 및 제2 컨트롤러로 전달된 실제 압력을 엔진의 요구압력이라 할 수 있다.

상기 제1 컨트롤러(33)는 압축기(13)를 상기 엔진의 요구압력 초과의 압력으로 운전되도록 제어할 수 있다. 여기서 엔진의 요구압력 초과의 압력이란 엔진의 요구압력에 일정 이상의 압력을 더한 값을 의미하며, 일정 이상의 압력은 시스템 구성이나 장비배치에 따라 달라질 수 있다. 바람직하게는, 상기 엔진의 요구압력 초과의 압력이란 엔진의 요구압력 + 1bar일 수 있다. 엔진의 요구압력보다 초과하는 압력으로 압축기(13)를 운전하는 것은 압축된 증발가스가 엔진에 공급될 때 발생할 수 있는 배관 압력강하를 고려한 것이며, 압축기(13)에서 압축된 증발가스의 대부분을 우선적으로 엔진에 공급할 수 있다.

도 2에는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른, 선박의 증발가스 처리 제어시스템을 도시한 개략 구성도가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 다수의 엔진이 설치된 경우, 상기 제1 컨트롤러(33)는 각 엔진의 요구압력 중 최대치를 선택하는 HS 함수(High Selection Function)에서 선택된 엔진의 요구압력을 전달받아, 증발가스 공급라인(L1)에 설치된 압축기(13)가 상기 선택된 엔진의 요구압력 초과의 압력으로 운전되도록 제어할 수 있다.

예를 들어, 2대의 엔진의 설치된 경우, 2대의 엔진의 전단에 각각 설치된 압력 측정센서(31a, 31b)에서는 각 엔진에 공급되는 연료의 실제 압력을 제1 컨트롤러(33)로 전달하게 되는데, 이때, 압력 측정센서(31a, 31b)에서 측정된 실제 압력 중 높은 압력을 선택하는 HS 함수에서 선택된 압력이 엔진의 요구압력으로서 제1 컨트롤러(33)에 전달되어, 상기 제1 컨트롤러(33)는 압축기(13)가 상기 엔진의 요구압력 초과의 압력으로 운전되도록 제어할 수 있다.

압축기(13)에는 용량 제어밸브(12)가 설치되어, 상기 제1 컨트롤러(33)에 의해 제어되는 엔진의 요구압력 초과의 압력으로 운전될 수 있도록 용량 제어밸브(12)의 개방 정도를 조절하여, 압축기의 운전 용량을 조절할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 선박의 증발가스 처리 제어시스템에 있어서, 저장탱크의 내부압력이 감소할 경우, 상기 제2 컨트롤러(34)는 감소된 저장탱크(11)의 내부압력을 선택하는 LS 함수(Low Selection Function)에서 선택된 압력을 전달받아, 저장탱크의 내부압력이 규정된 압력 이하로 저하되면, 증발가스 공급라인(L1)을 통해 엔진으로 공급되는 연료가스의 양을 유지할 수 있도록 증발가스 재액화라인(L2)을 통해 저장탱크(11)로 복귀되는 증발가스의 양을 감소시키도록 팽창수단(22)의 개방정도를 제어할 수 있다.

예컨대, 저장탱크(11)에서 발생하는 증발가스가 과도하게 배출되어 증발가스 공급라인(L1)을 통해 엔진에 공급되고 난 후에는, 저장탱크(11)의 내부압력이 점차 낮아지게 되어, 엔진에 지속적으로 일정한 양의 연료가스를 공급할 수 있도록 하기 위해, 증발가스 재액화라인(L2)을 통해 저장탱크(11)로 복귀시키는 증발가스의 양을 감소시키도록 시스템이 운전될 수 있다.

이때, LS 함수에 의해 선택된 감소된 저장탱크(11)의 내부압력이 제2 컨트롤러(34)에 전달되게 되고, 상기 제2 컨트롤러는 팽창수단(22)의 개방정도를 감소시켜 저장탱크(11)로 복귀시키는 증발가스의 양을 제어할 수 있다. 팽창수단(22)의 개폐를 제어하도록 하는 저장탱크의 내부압력은 0.04bara 이하일 수 있다.

이와 같이, 저장탱크(11)에서 발생하는 증발가스가 과도하게 배출되고 난 뒤, 증발가스 공급라인(L1)을 통해 공급되는 증발가스의 양이 줄어들므로 압축되어 엔진에 공급되는 연료가스의 양이 감소될 수 있는데, 상술한 바와 같이 증발가스 재액화라인(L2)에 설치된 팽창수단(22)의 개방정도를 감소시켜 증발가스 재액화라인(L2)을 통해 재액화되는 양을 줄임으로써, 결과적으로, 엔진으로 공급하는 연료가스의 양은 유지할 수 있도록 할 수 있다.

한편, 상기 제1 컨트롤러(33) 및 제2 컨트롤러(34)로 전달되는 엔진의 요구압력이 정상 범위를 벗어날 경우, 엔진의 요구압력으로서 압축기(13) 후단에 설치된 압력 측정센서(31a, 31b)에서 측정된 압력이 상기 제1 컨트롤러(33) 및 제2 컨트롤러(34)로 전달될 수 있다.

엔진의 요구압력의 정상 범위란 엔진의 종류별로 상이할 수 있으나, 본 발명에서 예로 든 고압 천연가스 분사 엔진, 예컨대 ME-GI 엔진의 요구압력이 301 bara일 경우, 엔진 가스운전이 가능한 압력은 251 ~321 bara 정도일 수 있다. 251 bara 이하일 경우 가스 운전이 중단될 수 있다.

예컨대 엔진 전단에 설치된 압력 측정센서(미도시)가 fail인 경우 또는 엔진의 전단에 설치된 연료 공급밸브(32)가 닫힌 경우는 제1 컨트롤러(33) 및 제2 컨트롤러(34)로 전달되어야 할 엔진의 요구압력이 지나치게 낮을 수 있으므로, 이 경우, 엔진의 요구압력으로서 압축기(13) 후단에 설치된 압력 측정센서(31a, 31b)에서 측정된 압력을 엔진의 요구압력으로 제1 컨트롤러(33) 및 제2 컨트롤러(34)로 전달할 수 있다. 여기서, 엔진 전단에 설치된 압력 측정센서란 엔진의 전단에 설치되어 엔진 전단으로 공급되는 연료 가스의 압력을 측정하기 위한 센서이고, 압축기(13) 후단에 설치된 압력 측정센서(31a, 31b)는 엔진의 요구압력으로 압축기(13)에서 압축되어 배출되는 가스의 압력을 측정하기 위한 센서를 의미한다.

한편, 저장탱크(11)에서 발생하는 증발가스의 양이 고압 천연가스 분사 엔진에서 요구하는 연료량보다 많아 잉여의 증발가스 발생할 것으로 예상되는 경우에는, 압축기(13)에서 압축된 혹은 단계적으로 압축되고 있는 도중의 증발가스를, 증발가스 분기라인(L4,L5)을 통하여 분기시켜 증발가스 소비수단에서 사용한다. 증발가스 소비수단으로서는 ME-GI 엔진에 비해 상대적으로 낮은 압력의 천연가스를 연료로서 사용할 수 있는 GCU(Gas Combustion Unit), DF Generator(DFDG), 가스터빈 등이 사용될 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.

L1: 증발가스 공급라인 L2: 증발가스 재액화라인
L3: 증발가스 재순환라인 L4, L5: 증발가스 분기라인
CTL: 제어부
11: 저장탱크 12: 용량 제어밸브
13: 압축기 14: 압축기
15: 중각 냉각기
21: 열교환기 22, 24: 팽창수단
23: 기액분리기 25: 냉각기
31, 31a, 31b: 압력 측정센서 32, 32a, 32b: 연료 공급밸브
33: 제1 컨트롤러 34: 제2 컨트롤러

Claims (11)

1. 액화가스가 저장된 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 압축하여 엔진의 연료로 공급하는 증발가스 공급라인; 및 상기 엔진의 연료로 공급된 후 잔여한 증발가스를 재액화시켜 저장탱크로 복귀시키는 증발가스 재액화라인을 포함하는 선박의 증발가스 처리 제어시스템으로서,
   상기 증발가스 공급라인에서, 증발가스를 압축시키는 압축기가 엔진의 요구압력(set point)을 초과하는 압력으로 운전되도록 제어하고, 상기 증발가스 재액화라인에서, 증발가스 재액화시 팽창수단에 의해 증발가스를 감압시켜 재액화시키되, 저장탱크 내부압력에 따라 감압되도록 팽창수단을 제어하는 제어부;
   상기 엔진의 전단에 설치된 압력 측정센서에서 측정된 엔진의 요구압력을 전달받아, 증발가스 공급라인에 설치된 압축기가 상기 엔진의 요구압력 초과의 압력으로 운전되도록 제어하는 제1 컨트롤러; 및
   상기 엔진의 전단에 설치된 압력 측정센서에서 측정된 엔진의 요구압력을 전달받아, 증발가스 재액화 라인에 설치된 팽창수단에서 증발가스가 저장탱크의 내부압력에 따라 감압되도록 제어하는 제2 컨트롤러;를 포함하고,
   다수의 엔진이 설치된 경우,
   상기 제1 컨트롤러는 다수의 엔진의 요구압력 중 최대치인 엔진의 요구압력을 전달받아, 상기 증발가스 공급라인에 설치된 압축기가 엔진의 요구압력 초과의 압력으로 운전되도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 선박의 증발가스 처리 제어시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 증발가스 공급라인은
   액화가스가 저장된 저장탱크;
   상기 저장탱크에 저장된 액화가스에서 발생하는 증발가스를 상기 저장탱크에서 배출시켜 압축시키는 압축기; 및
   상기 압축기에서 압축된 증발가스를 연료로 사용하는 엔진을 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 처리 제어시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 증발가스 재액화라인은
   상기 엔진에 연료로 공급된 후 잔여한 증발가스를 냉각시키는 열교환기; 및
   상기 열교환기에서 냉각된 증발가스를 감압하여 재액화시키는 팽창수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 처리 제어시스템.
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6. 제1항에 있어서,
   상기 제1 컨트롤러 및 제2 컨트롤러로 전달되는 엔진의 요구압력이 정상 범위를 벗어나는 경우, 엔진의 요구압력으로서 압축기 후단에 설치된 압력 측정센서에서 측정된 압력이 상기 제1 컨트롤러 및 제2 컨트롤러로 전달되는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 처리 제어시스템.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제1 컨트롤러 및 제2 컨트롤러로 전달되는 엔진의 요구압력이 정상 범위를 벗어나는 경우는, 엔진의 전단에 설치된 압력 측정센서가 fail인 경우 또는 엔진의 전단에 설치된 연료 공급밸브가 닫힌 경우인 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 처리 제어시스템.
8. 제1항에 있어서,
   상기 압축기는 제1 컨트롤러에 의해 엔진의 요구압력 초과의 압력으로 운전되도록 압축기의 용량을 제어하는 용량 제어밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 처리 제어시스템.
9. 제1항에 있어서,
   상기 엔진의 요구압력을 초과하는 압력은 엔진의 요구압력에 1 bara를 더한 압력인 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 제어시스템.
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