KR101681721B1 - Lng 기화 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 LNG 기화 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, LNG를 연료로 사용하는 시추선(LNG Fuelled Drillship)의 엔진에 공급되는 LNG를 기화시키기 위한 LNG 기화 시스템에 있어서, 연료용 LNG를 공급받아 기화시키는 기화기; 및 엔진룸에서 발생된 폐열을 이용하여 승온된 가열 해수를 상기 기화기로 공급하는 해수 공급 유로를 포함하되, 상기 가열된 해수는 50~100㎥/hr의 유량으로 기화기에 공급되어 열 매체로 순환하면서 LNG를 기화시키는 것을 특징으로 하는 LNG 기화 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 시추선의 엔진룸에서 발생하는 폐열을 이용하여 가열된 해수를 이용하여 연료용 LNG를 기화시킴으로써, 연료용 LNG를 기화시키기 위한 열매체를 제조하기 위한 설비를 구비하기 위해 요구되는 시추선의 설계 변경을 최소화할 수 있고, 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

LNG 기화 시스템 및 방법{LNG Vaporizing System and Method}
본 발명은 LNG 기화 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 시추선의 엔진룸에서 발생하는 폐열을 이용하여 가열된 해수를 연료용 LNG를 기화시키기 위한 열매체로 사용하는 것을 특징으로 하는 LNG 기화 시스템 및 방법에 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, 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 적합하다.
특히, 액화가스를 연료로서 사용하는 해상부유물 또는 선박에서는 연료탱크 내에 저장되어 있는 액화가스를 엔진 내부에서 연소 가능한 형태의 연료 가스(Fuel Gas)로 변환하기 위한 기화기(Vaporizer)가 사용된다.
기화기는 극저온의 액화가스를 열매체(Heat Medium)와 열교환시켜 기화시킨다.
일반적인 연료가스 공급(FGS: Fuel Gas Supply) 시스템에 구비된 기화기에 사용되는 열매체는 글리콜 워터(Glycol Water)로서, 글리콜 워터를 기화기의 열매체로 사용하기 위해서는 글리콜 워터를 제조, 공급 및 회수하는데 필요한 별도의 시스템을 구비하여야 한다.
예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, LNG 연료탱크, 기화기 및 연료가스 공급밸브를 포함하는, 선박의 이중연료엔진(Dual Fuel Engine)에 연료가스를 공급하기 위한 연료공급 시스템에서, 상기 기화기에서 LNG를 기화시키기 위한 열매체로서 글리콜 워터가 사용될 수 있다.
상기 글리콜 워터는 IHM(Intermediate Heating Medium) 시스템에서 제조될 수 있으며, 상기 IHM 시스템은 글리콜과 워터를 혼합하여 제조된 글리콜 워터를 저장하는 팽창탱크(Expansion Tank), 상기 팽창탱크에 저장된 글리콜 워터를 순환, 즉, 공급하기 위한 순환 펌프, 및 글리콜 워터를 가열하기 위한 히터를 포함할 수 있다. 이때, 상기 히터는 스팀 히터 또는 전기 히터일 수 있다.
이와 같이, 선박의 연료공급 시스템에서 액화가스를 기화시키기 위한 기화기의 열매체로서 글리콜 워터를 사용하고자 할 때에는 IHM 시스템과 같은 별도의 시스템이 추가로 구성되어야 한다.
따라서, 선박에 IHM 시스템을 적용하기 위해서는 IHM 시스템 관련 장비와 이에 따른 배관 등의 배치를 위한 공간이 추가 확보되어야 하며, 이에 소요되는 비용도 상당하다.
그러나, 시추선의 경우 그 선형 및 배치가 정형화되어 있어, IHM 시스템을 적용하기 위하여 그 구조를 유연하게 변형하여 활용하기가 용이하지 않으며, 가격경쟁력도 저하될 수 있다.
또한, 시추선은 DP(Dynamic Positioning) 요구 조건을 만족시키기 위해 3개의 기관실(Engine Room)이 존재하며, 각 기관실마다 독립적인 연료공급 시스템이 적용된다.
따라서, 시추선의 연료공급 시스템에 포함된 기화기의 열매체로 글리콜 워터를 사용하려면 IHM 시스템이 반영되어야 하는데, IHM 시스템 역시 각 기관실에 각각 포함되어야 하므로, 각 기관실 외부에 IHM 시스템을 설치하기 위한 별도의 공간이 확보되어야 한다.
또한, 글리콜과 워터를 혼합하여 제조된 글리콜 워터를 가열하기 위한 히터로는 스팀 히터 또는 전기 히터가 구비되어야 하는데, 시추선의 경우 일반적으로 스팀 시스템이 포함되지 않으므로, 시추선에 적용되는 IHM 시스템의 히터로는 전기 히터가 사용되어야 한다. 전기 히터는 요구되는 전기 로드(Electric Load)가 높은 경우 발전기 용량이 증가되어야 하는 상황이 발생할 수도 있다.
이에, 시추선의 연료공급시스템에서 액화가스를 기화시켜 연료가스로 공급하는데 필요한 기화기의 열매체로서 글리콜 워터를 사용하지 않고도, 간단한 장비배치와 저렴한 비용으로 액화가스를 기화시킬 수 있는 액화가스 기화 시스템을 구성할 수 있는 기술개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, LNG를 연료로 사용하는 시추선(LNG Fuelled Drillship)의 엔진에 공급되는 LNG를 기화시키기 위한 LNG 기화 시스템으로서, 연료용 LNG를 기화시키는 열매체로 엔진룸에서 발생한 폐열에 의해 가열된 해수를 사용함으로써, 연료용 LNG를 기화시키는 열매체를 제조하기 위한 별도의 장치를 필요로 하지 않는 간단한 구성의 LNG 기화 시스템을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, LNG를 연료로 사용하는 시추선(LNG Fuelled Drillship)의 엔진에 공급되는 LNG를 기화시키기 위한 LNG 기화 시스템에 있어서, 연료용 LNG를 공급받아 기화시키는 기화기; 및 엔진룸에서 발생된 폐열을 이용하여 승온된 가열 해수를 상기 기화기로 공급하는 해수 공급 유로를 포함하되, 상기 가열된 해수는 50~100㎥/hr의 유량으로 기화기에 공급되어 열 매체로 순환하면서 LNG를 기화시키는 것을 특징으로 하는 LNG 기화 시스템이 제공된다.
상기 해수 공급유로는, 해수를 이용하여, 엔진룸의 냉각을 위한 청수 냉각 사이클을 순환하는 청수를 냉각시키는 열교환기; 및 상기 열교환기에서 청수를 냉각시킨 후 승온된 가열 해수를 기화기로 공급하기 위한 부스터 펌프를 포함할 수 있다.
상기 기화기로 공급되는 가열 해수는 온도 38 ~ 48℃ 및 압력 1.0 ~ 4.0barg일 수 있다.
상기 기화기에서, 온도 38 ~ 48℃ 및 압력 1.4 ~ 2.4barg으로 공급되는 가열 해수에 의해 기화된 연료용 LNG는 온도 12 ~ 18℃ 및 압력 5.0 ~ 6.0barg일 수 있다.
상기 엔진은 이중연료엔진(Dual Fuel Engine)일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, LNG를 연료로 사용하는 시추선의 엔진에 공급되는 연료용 LNG를 기화시키기 위한 LNG 기화 방법에 있어서, 엔진룸에서 발생된 폐열을 이용하여 해수를 가열하는 단계; 및 가열 해수를 이용하여 연료용 LNG를 기화시키는 단계를 포함하는, LNG 기화 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 시추선의 엔진룸에서 발생하는 폐열을 이용하여 가열된 해수를 이용하여 연료용 LNG를 기화시킴으로써, 연료용 LNG를 기화시키기 위한 열매체를 제조하기 위한 설비를 구비하기 위해 요구되는 시추선의 설계 변경을 최소화할 수 있다.
또한, 시추선의 엔진룸에서 발생하는 폐열을 재활용한다는 측면에서 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 글리콜 워터를 열매체로 이용하는 액화가스 기화 시스템의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG 기화 시스템의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG 기화 시스템의 기화기로 공급되는 가열 해수의 유량에 따른 기화기 후단으로 배출되는 해수의 온도의 상관 관계를 나타낸 그래프이다.
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 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 시추선의 발전기 운전형태를 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 2를 참고하면, 본 발명은 LNG를 연료로 사용하는 시추선(LNG Fuelled Drillship)의 엔진에 공급되는 LNG를 기화시키기 위한 LNG 기화 시스템(1)으로서, 연료용 LNG를 공급받아 기화시키는 기화기(10); 및 엔진룸에서 발생된 폐열을 이용하여 승온된 가열 해수를 상기 기화기(10)로 공급하는 해수 공급 유로(20)를 포함하되, 상기 가열된 해수는 50~100㎥/hr의 유량으로 기화기(10)에 공급되어 열매체로 순환하면서 LNG를 기화시키는 것을 특징으로 하는 LNG 기화 시스템(1)에 관한 것이다.
기화기(10)는 LNG 저장탱크(11)에 저장된 연료용 LNG를 엔진에 공급하기 위하여 기화시키는 장비로서, 연료용 LNG를 기화시키기 위한 열매체로서는 해수가 사용될 수 있다.
상기 기화기(10)에서 기화된 연료용 LNG는 엔진에 공급될 수 있고, 상기 연료용 LNG를 기화시킨 후 냉각된 해수는 선체 외부로 배출될 수 있다.
상기 기화기(10)에서 열매체로 사용되는 해수는 엔진룸에서 발생된 폐열을 이용하여 승온된 가열 해수로서, 해수 공급 유로(20)에 의해 기화기(10)로 공급될 수 있다.
해수 공급 유로(20)는, 해수를 이용하여, 엔진룸의 냉각을 위한 청수 냉각 사이클(30)을 순환하는 청수를 냉각시키는 열교환기(21); 및 상기 열교환기(21)에서 청수를 냉각시킨 후 승온된 가열 해수를 기화기(10)로 공급하기 위한 부스터 펌프(22)를 포함할 수 있다. 부스터 펌프(22)는 또한, 기화기(10)에서 열매체로 사용되는 가열 해수의 압력을 기화기(10)의 요구압력으로 맞추어줄 수 있다.
청수 냉각 사이클(30)은 엔진룸에 설치되는 장비들의 냉각을 위한 것으로, 청수 냉각 사이클(30)로부터 열부하를 제거하기 위해 해수가 사용될 수 있다. 즉, 청수 냉각 사이클(30)을 순환하는 냉매인 청수(FW)는 가열된 상태에서 해수(SW)와 열교환 한 뒤 냉각되어 다시 청수 냉각 사이클(30)을 순환할 수 있고, 청수(FW)와 열교환한 뒤 승온된 가열 해수 중 일부는 선외로 배출되고, 일부는 부스터 펌프(22)에 의해 기화기(10)로 공급될 수 있다. 상기 해수(SW)는 씨체스트(Sea Chest)로부터 열교환기(21)로 공급될 수 있다.
이때, 열교환기(21)에서 승온된 가열 해수 중 부스터 펌프(22)에 의해 기화기(10)로 공급되는 해수의 적정 유량은 50 ~ 100㎥/hr로서, 도 3을 참조하여, 기화기(10)로 공급되는 해수의 적정 유량에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 3에는 기화기로 공급되는 가열 해수의 유량과 기화기 후단으로 배출되는 해수 온도의 상관관계를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.
도 3을 참고하면, 기화기로 공급되는 가열 해수의 유량이 50 ~ 100㎥/hr 일 때, 연료용 LNG를 기화시킨 후 배출되는 해수의 온도가 30 ~ 39℃일 수 있다. 상기 가열 해수의 유량이 100㎥/hr 초과일 때 기화기 후단으로 배출되는 해수의 온도는 일정하므로, 기화기로 공급되는 가열 해수의 유량이 50 ~ 100㎥/hr 일 때, 엔진룸에서 발생되는 폐열을 가장 효율적으로 이용할 수 있다.
한편, 기화기로 공급되는 가열 해수는 온도 38 ~ 48℃ 및 압력 1.0 ~ 4.0barg 일 수 있다. 이와 같은 온도 및 압력을 가지는 가열 해수를 50 ~ 100㎥/hr의 유량으로 기화기로 공급함으로써, 연료용 LNG를 엔진의 연료로서 적합하도록 기화시킬 수 있다. 이때 엔진은 이중연료엔진(Dual Fuel Engine)일 수 있다.
상기 가열 해수에 의해 기화기에서 기화되는 연료용 LNG는 기화기 전단에서의 온도 및 압력이 각각 -150 ~ -130℃ 및 6.0 ~ 7.0barg이고, 기화기 후단에서의 온도 및 압력이 각각 12 ~ 18℃ 및 5.0 ~ 6.0barg일 수 있고, 기화기에서의 연료용 LNG의 유량은 6.1 ~ 7.3㎥/hr일 수 있다.
표 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기화기에서의 해수 및 LNG의 물성 변화를 나타낸 것이다.
기화기에서의 작동유체 물성
Heat Capa.(Mcal/hr) 517.6
SW LNG
유량(㎥/hr) 50 6.84
입구온도(℃) 43.34 -140
출구온도(℃) 32.6 15
입구압력(barg) 1.90 6.50
출구압력(barg) 1.00 5.70
기화기(10)로 공급되는 가열 해수의 물성, 예컨대, 온도, 압력 및 유량은 열교환기(21)에서 청수와의 열교환에 의해, 또한, 부스터 펌프(22)에 의해 최적화된 것일 수 있다.
이와 같이 기화기(10)로 공급되는 가열 해수의 물성을 최적화하기 위한 청수의 물성, 예컨대, 열교환기(21) 전단에서의 온도 및 압력은 각각 43 ~ 53℃ 및2.5 ~ 4.0 barg이고, 열교환기(21) 후단에서의 온도 및 압력은 각각 31 ~ 41℃ 및 2.0 ~ 3.5 barg일 수 있으며, 열교환기(21)에서 청수의 유량은 636㎥/hr일 수 있다.
표 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기에서의 해수 및 청수의 물성 변화를 나타낸 것이다.
열교환기에서의 작동유체 물성
Heat Capa.(Mcal/hr) 7760.7
SW FW
유량(㎥/hr) 710 636
입구온도(℃) 32 48.2
출구온도(℃) 43.34 36
입구압력(barg) 3.30 3.00
출구압력(barg) 2.30 2.41
본 발명은 또한 LNG를 연료로 사용하는 시추선의 엔진에 공급되는 연료용 LNG를 기화시키기 위한 LNG 기화 방법에 있어서, 엔진룸에서 발생된 폐열을 이용하여 해수를 가열하는 단계; 및 가열 해수를 이용하여 연료용 LNG를 기화시키는 단계를 포함하는, LNG 기화 방법에 관한 것일 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 LNG를 연료로 사용하는 시추선의 엔진에 공급되는 LNG를 기화시키기 위한 LNG 기화 시스템으로서, 특히, 연료용 LNG를 이중연료엔진의 연료로서 적합하도록 그 물성, 예컨대, 온도, 압력 및 유량을 맞추어줄 수 있도록, 상기 연료용 LNG를 기화시키는 해수의 온도, 압력 및 유량을 최적화하되, 시추선의 엔진룸에서 발생하는 폐열을 이용하여 연료용 LNG를 기화시키는 해수의 온도, 압력 및 유량을 최적화할 수 있다.
이와 같이, 연료용 LNG를 기화시키는 LNG 기화 시스템의 열매체를 별도로 생산하기 위한 설비를 구비하지 않고, 시추선의 엔진룸에서 발생하는 폐열을 이용하여 가열된 해수를 사용함으로써, 설비의 간소화, 이에 따른 비용 절감 및 에너지 효율 향상이라는 효과를 기대할 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: 기화기
11: LNG 저장탱크
20: 해수 공급 유로
21: 열교환기
22: 부스터 펌프
23: 씨체스트
24: 해수 냉각 펌프
30: 청수 냉각 사이클
40: 가스 밸브 유닛
FW: 청수
SW: 해수

Claims (6)

  1. LNG를 연료로 사용하는 시추선(LNG Fuelled Drillship)의 엔진에 공급되는 LNG를 기화시키기 위한 LNG 기화 시스템에 있어서,
    연료용 LNG를 공급받아 기화시키는 기화기; 및
    엔진룸에서 발생된 폐열을 이용하여 승온된 가열 해수를 상기 기화기로 공급하는 해수 공급 유로를 포함하되,
    상기 가열된 해수는 38~48℃의 온도로 상기 해수 공급 유로를 따라 50~100㎥/hr의 유량으로 기화기에 공급되어 열 매체로 순환하면서,
    6.1~7.3㎥/hr의 유량으로 상기 기화기로 공급되는 LNG를 기화시킴으로써,
    상기 기화기에서 상기 LNG를 기화시키고 배출되는 해수의 온도를 30~39℃로 배출시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 LNG 기화 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 해수 공급유로는
    해수를 이용하여, 엔진룸의 냉각을 위한 청수 냉각 사이클을 순환하는 청수를 냉각시키는 열교환기; 및
    상기 열교환기에서 청수를 냉각시킨 후 승온된 가열 해수를 기화기로 공급하기 위한 부스터 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG 기화 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기화기로 공급되는 가열 해수의 압력은 1.0 ~ 4.0barg인 것을 특징으로 하는 LNG 기화 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기화기에서,
    온도 38 ~ 48℃ 및 압력 1.4 ~ 2.4barg으로 공급되는 가열 해수에 의해 기화된 연료용 LNG는 온도 12 ~ 18℃ 및 압력 5.0 ~ 6.0barg 인 것을 특징으로 하는 LNG 기화 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 엔진은 이중연료엔진(Dual Fuel Engine)인 것을 특징으로 하는 LNG 기화 시스템.
  6. LNG를 연료로 사용하는 시추선의 엔진에 공급되는 연료용 LNG를 기화시키기 위한 LNG 기화 방법에 있어서,
    엔진룸에서 발생된 폐열을 이용하여 해수를 38 ~ 48℃로 가열하는 단계;
    기화기로 상기 가열 해수는 50~100㎥/hr의 유량으로 공급하고 LNG는 6.1~7.3㎥/hr의 유량으로 공급하여 상기 LNG를 기화시키는 단계; 및
    상기 LNG를 기화시킨 후 배출되는 30~39℃의 해수를 선외 배출시키거나 상기 기화기로 재순환시키는 단계;를 포함하여,
    상기 기화기로 공급하는 가열 해수의 유량을 조절함으로써 상기 기화기에서 배출되는 해수의 온도를 조절하는, LNG 기화 방법.
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