KR101701702B1 - 연료가스 공급시스템 - Google Patents

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Abstract

연료가스 공급시스템을 개시한다. 본 발명의 실시 예에 따른 연료가스 공급시스템은 액화가스 및 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크; 저장탱크로부터 공급된 증발가스를 압축하는 압축부; 압축된 증발가스를 액화시키는 열교환부; 액화된 증발가스를 기체 및 액체 성분으로 분리시키는 기액분리기; 및 분리된 기체 성분을 냉매로 사용하여 순환시키되, 열교환부를 거쳐 냉열을 전달한 분리된 기체 성분을 압축시키는 냉매압축기, 압축된 기체 성분을 냉각시키는 냉매냉각기, 냉각된 기체 성분을 서로 다른 농도의 질소를 함유하는 제1가스 및 제2가스로 분리시키는 여과기, 및 열교환부를 통과한 분리된 제2가스를 팽창시키는 냉매팽창기를 구비하는 냉매순환라인;을 포함한다.

Description

연료가스 공급시스템{FUEL GAS SUPPLY SYSTEM}
본 발명은 연료가스 공급시스템에 관한 것이다.
온실가스 및 각종 대기오염 물질의 배출에 대한 국제해사기구(IMO)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 변화되어 저장 및 운반되고 있다.
액화가스를 운반하는 선박은 액화가스를 저장할 수 있도록 단열 처리된 저장탱크를 구비한다. 또, 이러한 선박은 저장탱크에서 자연적으로 발생하는 증발가스(Boiled Off Gas) 또는 저장탱크의 액화가스를 기화시켜 엔진의 연료로 공급하는 연료가스 공급시스템을 마련할 수 있다. 선박의 엔진에는 DFDE(Dual Fuel Disel Electric) 엔진 등과 같은 저압(약 5~8bar)의 분사엔진, ME-GI 엔진(Man B&W 사의 Gas Injection 엔진)과 같은 고압(약 150~700bar)의 분사엔진 및 중압(약 16~18bar)의 연료가스로 연소가 가능한 중압가스 분사엔진이 이용될 수 있다.
상술한 연료가스 공급시스템은 저장탱크로부터 공급된 증발가스를 압축부에 의해 압축시켜 ME-GI 엔진의 연료로 공급할 수 있다. 이때, 해당 엔진이 필요로 하는 연료 소모량보다 많은 증발가스가 공급된 경우, 잉여분의 증발가스는 열교환부에 의해 저장탱크로부터 공급된 증발가스와 열교환되어 액화된 후, 기액분리기로 공급된다. 기액분리기는 열교환이 수행된 잉여분의 증발가스를 기체 및 액체 성분으로 분리한다. 기액분리기에 의해 분리된 액체 성분은 저장탱크에 저장되고, 기체 성분은 저장탱크로부터 공급된 증발가스와 혼합된 후 다시 순환된다.
그러나, 기액분리기에 의해 분리된 기체 성분에는 질소 성분이 다량 함유되어 있어 압축부의 처리 용량 및 그에 따른 에너지 소비를 증가시킬 수 있고, 열교환부의 액화 효율을 떨어뜨릴 수 있다. 이와 관련된 기술로서 한국공개특허 제10-2014-0052898호(2014.05.07. 공개)를 참조하기 바란다.
한국공개특허 제10-2014-0052898호(2014.05.07. 공개)
본 발명의 실시 예는 운용 및 액화 효율을 향상시킬 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스 및 상기 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크; 상기 저장탱크로부터 공급된 증발가스를 압축하는 압축부; 상기 압축된 증발가스를 액화시키는 열교환부; 상기 액화된 증발가스를 기체 및 액체 성분으로 분리시키는 기액분리기; 및 상기 분리된 기체 성분을 냉매로 사용하여 순환시키되, 상기 열교환부를 거쳐 냉열을 전달한 상기 분리된 기체 성분을 압축시키는 냉매압축기, 상기 압축된 기체 성분을 냉각시키는 냉매냉각기, 상기 냉각된 기체 성분을 서로 다른 농도의 질소를 함유하는 제1가스 및 제2가스로 분리시키는 여과기, 및 상기 열교환부를 통과한 분리된 제2가스를 팽창시키는 냉매팽창기를 구비하는 냉매순환라인;을 포함하는 연료가스 공급시스템이 제공될 수 있다.
상기 저장탱크, 상기 열교환부, 상기 압축부 및 제1엔진을 연결하는 제1공급라인과, 상기 제1공급라인의 압축부 후단에서 분기되어, 상기 열교환부 및 상기 기액분리기를 연결하는 재액화라인과, 상기 재액화라인의 열교환부 전단에 마련되어, 상기 압축부에 의해 압축된 증발가스를 감압시키는 제1조절밸브와, 상기 재액화라인의 열교환부 후단에 마련되어, 상기 열교환기에 의해 액화된 증발가스를 감압시키는 제2조절밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 제1가스는 상기 제2가스보다 고농도의 질소를 함유할 수 있다.
상기 기액분리기에 의해 분리된 기체 성분을 상기 냉매순환라인의 냉매팽창기 후단과 열교환부 전단 사이로 공급하는 냉매공급라인과, 상기 여과기에 의해 분리된 제1가스를 제2엔진으로 공급하는 제2공급라인을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료가스 공급시스템은 운용 및 액화 효율을 향상시킬 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 나타낸다.
이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료가스 공급시스템(100)은 엔진으로 연료가스를 공급하며, 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 포함하는 선박에 적용될 수 있다.
구체적으로 연료가스 공급시스템(100)은 액화가스 및 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크(101)와, 저장탱크(101)로부터 공급된 증발가스를 제1엔진(E1)의 연료가스 공급조건에 맞게 압축하는 압축부(110)와, 압축된 증발가스를 액화시키는 열교환부(120)와, 액화된 증발가스를 기체 및 액체 성분으로 분리시키는 기액분리기(130)와, 기액분리기(130)에 의해 분리된 기체 성분을 냉매로 사용하여 순환시키되, 열교환부(120)를 거쳐 냉열을 전달한 상술한 분리된 기체 성분을 압축시키는 냉매압축기(152), 압축된 기체 성분을 냉각시키는 냉매냉각기(154), 냉각된 기체 성분을 상대적으로 고농도의 질소를 함유하고 있는 제1가스와 저농도의 질소를 함유하고 있는 제2가스로 분리시키는 여과기(156), 열교환부(120)를 거쳐 냉열을 회수한 분리된 제2가스를 팽창시켜 열교환부(120)로 보내는 냉매팽창기(158)를 마련한 냉매순환라인(L11)을 포함한다.
또, 연료가스 공급시스템(100)은 저장탱크(101), 열교환부(120), 압축부(110) 및 제1엔진(E1)을 연결하는 제1공급라인(L1)과, 제1공급라인(L1)의 압축부(110) 후단으로부터 분기되어, 열교환부(120) 및 기액분리기(130)를 연결하는 재액화라인(L2)과, 재액화라인(L2)의 열교환부(120) 전단에 마련되어, 압축부(110)에 의해 압축된 증발가스를 감압시키는 제1조절밸브(142)와, 재액화라인(L2)의 열교환부(120) 후단에 마련되어, 액화된 증발가스를 감압시키는 제2조절밸브(144)를 포함한다.
또, 연료가스 공급시스템(100)은 기액분리기(130)에 의해 분리된 기체 성분을 냉매순환라인(L11)의 냉매팽창기(158) 후단과 열교환부(120) 전단 사이로 공급하는 냉매공급라인(L3)과, 여과기(156)에 의해 분리된 제1가스를 제2엔진(E2)으로 공급하는 제2공급라인(L12)을 포함한다.
상술한 저장탱크(101)는 단열상태를 유지하면서 연료를 액화상태로 저장하는 멤브레인형 탱크, SPB형 탱크 등을 포함할 수 있다. 저장탱크(101)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(101) 내부압력은 저장하는 액화가스가 LNG일 경우 1bar로 유지되거나 연료공급조건을 고려해 그보다 높은 압력으로 유지될 수 있다. 저장탱크(101) 내부온도는 LNG의 액화상태 유지를 위해 ―163℃도 정도로 유지될 수 있다. 저장탱크(101)에 저장된 액화가스의 증발가스는 제1공급라인(L1)을 통해 열교환부(120) 및 압축부(110)를 거쳐 제1엔진(E1)으로 공급된다.
압축부(110)는 교대로 배치된 복수의 압축기(111)와 냉각기(112)를 포함하도록 구성될 수 있으며, 저장탱크(101)로부터 공급된 액화가스의 증발가스를 제1엔진(E1)의 연료가스 공급조건에 맞게 압축시킨다. 제1엔진(E1)은 예컨대 ME-GI 엔진(Man B&W 사의 Gas Injection 엔진)과 같은 고압가스 분사엔진일 수 있다. 제1엔진(E1)에서 필요로 하는 연료 소모량보다 많은 압축된 증발가스가 공급된 경우, 잉여분의 압축된 증발가스는 재액화라인(L2)으로 흘러 들어간다.
압축부(110)에 의해 압축된 증발가스는 제1조절밸브(142)에 의해 감압된 상태에서 열교환부(120)로 공급될 수 있다. 이를 통해, 열교환부(120)의 액화 효율이 향상될 수 있다.
열교환부(120)에 의해 액화된 증발가스는 제2조절밸브(144)에 의해 감압된 상태에서 기액분리기(130)로 공급될 수 있다.
열교환부(120)는 제1공급라인(L1)을 통해 저장탱크(101)로부터 공급된 증발가스, 재액화라인(L2)을 통해 공급된 압축된 증발가스, 여과기(156)에 의해 분리된 제2가스, 및 냉매팽창기(158)를 거친 제2가스와 냉매공급라인(L3)을 통해 공급된 기액분리기(130)에 의해 분리된 기체 성분과의 혼합물 간 열교환이 수행되도록 한다.
예컨대, 재액화라인(L2)을 통해 공급된 압축된 증발가스는 제1공급라인(L1)을 통해 저장탱크(101)로부터 공급된 증발가스와 열교환을 수행하여 액화될 수 있다.
또, 냉매공급라인(L3)을 통해 냉매순환라인(L11)으로 유입된 기액분리기(130)에 의해 분리된 기체 성분은 열교환부(120)에서 재액화라인(L2)을 통해 공급된 압축된 증발가스에 냉열을 전달할 수 있다. 이를 통해, 열교환부(120)의 액화 효율이 향상될 수 있다.
기액분리기(130)에 의해 분리된 기체 성분에는 다량의 질소 성분이 함유되어 있다. 해당 기체 성분은 상술한 바와 같이 냉매공급라인(L3)을 통해 냉매순환라인(L11)으로 공급되고, 냉매순환라인(L11)을 따라 순환하면서 냉매로 사용된다. 기액분리기(130)에 의해 분리된 액체 성분은 회수라인(L4)을 통해 저장탱크(101)로 공급될 수 있다. 이를 통해 압축부(110)의 처리 용량 및 그에 따른 에너지 소비를 줄여 운용의 효율성을 높일 수 있다.
구체적으로 냉매공급라인(L3)을 통해 냉매순환라인(L11)으로 공급된 기액분리기(130)에 의해 분리된 기체 성분은 열교환부(120), 냉매압축기(152), 및 냉매냉각기(154)를 거쳐 여과기(156)로 흘러간다.
여기서, 여과기(156)에 의해 걸러진 상대적으로 고농도의 질소를 함유하고 있는 제1가스는 제2엔진(E2)의 연료로 공급된다. 제2엔진(E2)은 DFDE(Dual Fuel Disel Electric) 엔진 등과 같은 저압(약 5~8bar)의 분사엔진일 수 있다.
여과기(150)에 의해 걸러진 상대적으로 저농도의 질소를 함유하고 있는 제2가스는 주로 메탄 성분으로 구성될 수 있다. 여과기(150)에 의해 분리된 제2가스는 열교환부(20)에서 제1공급라인(L1)을 통해 저장탱크(101)로부터 공급된 증발가스 및 상술한 혼합물 중 하나 이상과 열교환을 수행하여 냉열을 회수할 수 있다.
냉열을 회수한 제2가스는 냉매팽창기(158)를 거쳐 냉매공급라인(L3)을 통해 공급된 기액분리기(130)에 의해 분리된 기체 성분과 혼합물을 이루어 순환된다.
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.
101: 저장탱크 110: 압축부
120: 열교환부 130: 기액분리기
142, 144: 조절밸브 152: 냉매압축기
154: 냉매냉각기 156: 여과기
158: 냉매팽창기 L1: 제1공급라인
L2: 재액화라인 L3: 냉매공급라인
L4: 회수라인 L11: 냉매순환라인
L12: 제2공급라인

Claims (4)

  1. 액화가스 및 상기 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크;
    상기 저장탱크로부터 공급된 증발가스를 압축하는 압축부;
    상기 압축된 증발가스를 액화시키는 열교환부;
    상기 액화된 증발가스를 기체 및 액체 성분으로 분리시키는 기액분리기; 및
    상기 분리된 기체 성분을 냉매로 사용하여 순환시키되, 상기 열교환부를 거쳐 냉열을 전달한 상기 분리된 기체 성분을 압축시키는 냉매압축기, 상기 압축된 기체 성분을 냉각시키는 냉매냉각기, 상기 냉각된 기체 성분을 서로 다른 농도의 질소를 함유하는 제1가스 및 제2가스로 분리시키는 여과기, 및 상기 열교환부를 통과한 분리된 제2가스를 팽창시키는 냉매팽창기를 구비하는 냉매순환라인;을 포함하는 연료가스 공급시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저장탱크, 상기 열교환부, 상기 압축부 및 제1엔진을 연결하는 제1공급라인과,
    상기 제1공급라인의 압축부 후단에서 분기되어, 상기 열교환부 및 상기 기액분리기를 연결하는 재액화라인과,
    상기 재액화라인의 열교환부 전단에 마련되어, 상기 압축부에 의해 압축된 증발가스를 감압시키는 제1조절밸브와,
    상기 재액화라인의 열교환부 후단에 마련되어, 상기 열교환부에 의해 액화된 증발가스를 감압시키는 제2조절밸브를 더 포함하는 연료가스 공급시스템.
  3. 제1항에 있어서
    상기 제1가스는 상기 제2가스보다 고농도의 질소를 함유하는 연료가스 공급시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 기체 성분을 상기 냉매순환라인의 냉매팽창기 후단과 열교환부 전단 사이로 공급하는 냉매공급라인과,
    상기 여과기에 의해 분리된 제1가스를 제2엔진으로 공급하는 제2공급라인을 더 포함하는 연료가스 공급시스템.
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