KR101711944B1 - 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; 증발가스를 압축하는 1차 압축부 및 압축된 증발가스를 압축하는 2차 압축부를 포함하는 다단 압축부; 다단 압축부를 통과한 증발가스를 액화시키는 제1열교환부; 제1열교환부를 통과한 증발가스를 기체 및 액체 성분으로 1차 분리시키는 제1기액분리기; 저장탱크, 다단 압축부 및 제1엔진을 연결하는 제1공급라인; 제1공급라인의 2차 압축부 후단에서 분기되어, 제1열교환부, 및 제1기액분리기를 연결하는 제1재액화라인; 제1기액분리기에서 분리된 액체 성분을 기체 및 액체 성분으로 2차 분리시키는 제2기액분리기; 및 제1공급라인의 1차 압축부 후단에서 분기되어, 제1열교환부, 및 제2기액분리기를 연결하는 제2재액화라인;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 150~400bar)의 분사엔진 및 중압(약 16~18bar)의 연료가스로 연소가 가능한 중압가스 분사엔진이 이용될 수 있다.
한편, 상술한 연료가스 공급시스템은 예컨대 ME-GI 엔진이 필요로 하는 연료 소모량보다 많은 증발가스가 공급된 경우, 해당 잉여분의 증발가스를 저장탱크로부터 공급된 증발가스와 열교환시키는 방법으로 재액화시켜 저장탱크에 저장할 수 있다.
그러나, 잉여분의 증발가스(압축된 증발가스)와 저장탱크로부터 공급된 증발가스 간 열교환을 수행하는 열교환부 내에는 액화 잠열이 발생하고, 이와 상응하는 열용량 변화에 의해 핀치 포인트(Pinch Point)가 형성될 수 있다. 이로 인해 저장탱크로부터 공급된 증발가스의 냉열을 효과적으로 잉여분의 증발가스로 전달하지 못하여 액화 효율이 낮아질 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 액화 효율을 향상시킬 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스 및 상기 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크; 상기 증발가스를 압축하는 1차 압축부 및 상기 압축된 증발가스를 압축하는 2차 압축부를 포함하는 다단 압축부; 상기 다단 압축부를 통과한 증발가스를 액화시키는 제1열교환부; 상기 제1열교환부를 통과한 증발가스를 기체 및 액체 성분으로 1차 분리시키는 제1기액분리기; 상기 저장탱크, 상기 다단 압축부 및 제1엔진을 연결하는 제1공급라인; 상기 제1공급라인의 2차 압축부 후단에서 분기되어, 상기 제1열교환부, 및 상기 제1기액분리기를 연결하는 제1재액화라인; 상기 제1기액분리기에서 분리된 액체 성분을 기체 및 액체 성분으로 2차 분리시키는 제2기액분리기; 및 상기 제1공급라인의 1차 압축부 후단에서 분기되어, 상기 제1열교환부, 및 상기 제2기액분리기를 연결하는 제2재액화라인;을 포함하는 연료가스 공급시스템이 제공될 수 있다.
상기 제1열교환부는 상기 제1공급라인의 저장탱크 후단 및 다단 압축부 전단에 구비되고, 상기 제1공급라인의 제1열교환부 전단에 마련되어, 상기 저장탱크로부터 공급된 증발가스와 상기 제1기액분리기에 의해 분리된 기체 성분 간 열교환을 수행하는 제2열교환부와, 상기 제1기액분리기에 의해 분리된 기체 성분을 상기 제2열교환부 및 상기 제1열교환부를 거쳐 제2엔진으로 공급하는 제2공급라인을 더 포함할 수 있다.
상기 제2기액분리기에 의해 분리된 기체 성분을 상기 제1공급라인의 상기 제2열교환부 전단으로 합류시키는 재순환라인을 더 포함할 수 있다.
상기 제1기액분리기에 의해 분리된 액체 성분을 감압시키는 감압밸브와, 상기 제1기액분리기, 상기 감압밸브 및 상기 제2기액분리기를 연결하는 연결라인을 더 포함하되, 상기 제2재액화라인은 상기 연결라인의 감압밸브 후단에 합류될 수 있다.
상기 제1재액화라인의 제1열교환부 전단에 마련되며, 상기 2차 압축부를 통과한 증발가스를 감압시키는 제1조절밸브와, 상기 제2재액화라인의 제1열교환부 전단에 마련되며, 상기 1차 압축부를 통과한 증발가스를 감압시키는 제2조절밸브와, 상기 제1재액화라인의 제1열교환부 후단에 마련되며, 상기 제1열교환부를 통과한 증발가스를 감압시키는 제3조절밸브와, 상기 제2재액화라인의 제1열교환부 후단에 마련되어, 상기 제1열교환부를 통과한 증발가스를 감압시키는 제4조절밸브를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료가스 공급시스템은 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, 증발가스를 공급받아 제1엔진(E1)의 연료가스 공급조건에 맞게 제1압력으로 압축하는 다단 압축부(110)와, 압축된 증발가스를 액화시키는 제1열교환부(120)와, 액화된 증발가스를 기체 및 액체 성분으로 분리시키는 제1기액분리기(130)와, 저장탱크(101), 압축부(110) 및 제1엔진(E1)을 연결하는 제1공급라인(L1)과, 제1공급라인(L1)의 압축부(110) 후단으로부터 분기되어, 제1열교환부(120), 및 제1기액분리기(130)를 연결하는 제1재액화라인(L2)과, 제1기액분리기(130)로부터 공급된 유체를 기체 및 액체 성분으로 분리시키는 제2기액분리기(140)와, 제1공급라인(L1)의 압축부(110) 내 설정 지점으로부터 분기되어, 상술한 제1압력보다 낮은 제2압력으로 압축된 증발가스를 제1열교환부(120)를 거쳐 제2기액분리기(140)로 공급하는 제2재액화라인(L3)을 포함한다. 제2재액화라인(L3)은 예컨대 압축부(110)에 의해 4단 이상의 압축을 거친 지점으로부터 분기될 수 있다.
또, 연료가스 공급시스템(100)은 제1열교환부(120) 전단에 마련되며, 저장탱크(101)로부터 공급된 증발가스와 제1기액분리기(130)에 의해 분리된 기체 성분 간 열교환을 수행하는 제2열교환부(160)와, 제1기액분리기(130)에 의해 분리된 기체 성분을 제2열교환부(160) 및 제1열교환부(120)를 거쳐 제2엔진으로 공급하는 제2공급라인(L4)과, 제2기액분리기(140)에 의해 분리된 기체 성분을 제1공급라인(L1)의 제2열교환부(160) 전단으로 합류시키는 재순환라인(L5)을 포함할 수 있다.
또, 연료가스 공급시스템(100)은 제1기액분리기(130)에 의해 분리된 액체 성분을 감압시키는 감압밸브(150)와, 감압된 액체 성분을 제2기액분리기(140)로 공급하기 위해, 제1기액분리기(130), 감압밸브(150) 및 제2기액분리기(140)를 연결하는 연결라인(L11)을 포함한다. 이때, 상술한 제2재액화라인(L3)은 연결라인(L11)의 감압밸브(150) 후단에 연결될 수 있다.
또, 연료가스 공급시스템(100)은 제1재액화라인(L2)의 제1열교환부(120) 전단에 마련되며, 상술한 제1압력으로 압축된 증발가스를 감압시키는 제1조절밸브(V1)와, 제2재액화라인(L3)의 제1열교환부(120) 전단에 마련되며, 제2압력으로 압축된 증발가스를 감압시키는 제2조절밸브(V2)와, 제1재액화라인(L2)의 제1열교환부(120) 후단에 마련되며, 제1열교환부(120)를 거쳐 액화된 증발가스를 감압시키는 제3조절밸브(V3)와, 제2재액화라인(L3)의 제1열교환부(120) 후단에 마련되며, 제1열교환부(120)를 거쳐 액화된 증발가스를 감압시키는 제4조절밸브(V4)를 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 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 제1재액화라인(L2)으로 흘러 들어간다.
제1열교환부(120)는 제1공급라인(L1)을 통해 저장탱크(101)로부터 공급된 증발가스와, 제1재액화라인(L2)을 통해 공급된 상술한 제1압력으로 압축된 증발가스와, 제2재액화라인(L3)을 통해 공급된 상술한 제2압력으로 압축된 증발가스와, 제2열교환부(160)를 거쳐 제2공급라인(L4)을 통해 공급된 제1기액분리기(130)에 의해 분리된 기체 성분 간 열교환이 수행되도록 한다.
이때, 제1재액화라인(L2)을 통해 공급받은 제1압력으로 압축된 증발가스와 제2재액화라인(L3)을 통해 공급받은 제2압력으로 압축된 증발가스는 서로 다른 압력을 가지면서 제1열교환부(120)를 거치게 된다. 이를 통해 핀치 포인트(Pinch Point)를 완화하여 액화 효율을 향상시킬 수 있다.
제1재액화라인(L2)을 통해 공급받은 제1압력으로 압축된 증발가스와 제2재액화라인(L3)을 통해 공급받은 제2압력으로 압축된 증발가스는 제1열교환부(120)에서 제1공급라인(L1)을 통해 저장탱크(101)로부터 공급된 증발가스 및 제2열교환부(160)를 거쳐 제2공급라인(L4)을 통해 공급된 제1기액분리기(130)에 의해 분리된 기체 성분 중 하나 이상과 열교환을 수행할 수 있다.
또, 제1재액화라인(L2)을 통해 공급받은 제1압력으로 압축된 증발가스와 제2재액화라인(L3)을 통해 공급받은 제2압력으로 압축된 증발가스는 제1열교환부(120) 전단에서 각각 제1조절밸브(V1)와 제2조절밸브(V2)에 의해 감압될 수 있으며, 이를 통해 액화 효율을 높일 수 있다.
제1열교환부(120)로 공급되기 이전에, 저장탱크(101)로부터 공급된 증발가스는 제2열교환부(160)를 통해 제1기액분리기(130)에 의해 분리된 기체 성분과 열교환을 수행할 수 있다.
이때, 제1기액분리기(130)에 의해 분리된 기체 성분은 질소 성분을 다량 함유하고 있으며, 제2열교환부(160)를 통해 저장탱크(101)로부터 공급된 증발가스로부터 냉열을 회수한 후 제1열교환부(120)를 거쳐 제2엔진(E2)으로 공급될 수 있다. 이와 같이, 질소 성분을 다량 함유하고 있는 기체 성분을 제2엔진(E2)의 연료로 공급하고, 이 과정에서 제1열교환부(120)를 통해 해당 기체 성분의 냉열을 전달함으로써 액화 효율이 더욱 향상될 수 있다.
제2엔진(E2)은 DFDE(Dual Fuel Disel Electric) 엔진 등과 같은 저압(약 5~8bar)의 분사엔진일 수 있다. 압축부(110)에 의해 2단 이상의 압축을 거친 지점으로부터 분기된 압축라인(L13)은 제2열교환부(160) 및 제1열교환부(120)를 거쳐 제2엔진(E2)으로 공급되는 상술한 기체 성분으로 압축된 증발가스를 혼합시킬 수 있다.
또, 제2열교환부(160)로 공급되기 이전에, 저장탱크(101)로부터 공급된 증발가스는 재순환라인(L5)을 통해 제2기액분리기(140)에 의해 분리된 기체 성분과 혼합될 수 있다.
제2기액분리기(140)에 의해 분리된 기체 성분은 질소 성분의 함유량이 적으므로, 제1열교환부(120)의 액화 효율이 향상될 수 있다.
제2기액분리기(140)에 의해 분리된 액체 성분은 회수라인(L12)을 통해 저장탱크(101)로 공급될 수 있다.
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, 160: 열교환부 130, 140: 기액분리기
150: 감압밸브 L1: 제1공급라인
L2: 제1재액화라인 L3: 제2재액화라인
L4: 제2공급라인 L5: 재순환라인
V1~V4: 조절밸브

Claims (5)

  1. 액화가스 및 상기 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크;
    상기 증발가스를 압축하는 다단 압축부;
    상기 저장탱크, 상기 다단 압축부 및 제1엔진을 연결하는 제1공급라인;
    상기 제1공급라인의 상기 압축부 후단에서 분기되어, 상기 압축부에 의해 제1압력으로 압축된 증발가스를 공급하는 제1재액화라인;
    상기 압축부 내 설정 지점으로부터 분기되어, 상기 제1압력보다 낮은 제2압력으로 압축된 증발가스를 공급하는 제2재액화라인;
    상기 압축부를 거쳐 상기 제1재액화라인 및 상기 제2재액화라인을 통해 각각 다른 압력으로 공급되는 증발가스와 상기 제1공급라인을 통해 상기 저장탱크로부터 공급된 증발가스 간 열교환을 수행하는 제1열교환부;
    상기 제1재액화라인의 상기 열교환부 후단에 마련되고, 상기 제1재액화라인을 통해 상기 제1열교환부를 통과한 증발가스를 기체 및 액체 성분으로 1차 분리시키는 제1기액분리기;
    상기 제1기액분리기에 의해 분리된 액체 성분과 상기 제2재액화라인을 통해 상기 제1열교환부를 거친 증발가스의 혼합물을 기체 및 액체 성분으로 2차 분리시키는 제2기액분리기;
    상기 제1공급라인의 상기 제1열교환부 전단에 마련되어, 상기 저장탱크로부터 공급된 증발가스와 상기 제1기액분리기에 의해 분리된 기체 성분 간 열교환을 수행하는 제2열교환부; 및
    상기 제1기액분리기에 의해 분리된 기체 성분을 상기 제2열교환부 및 상기 제1열교환부를 거쳐 제2엔진으로 공급하는 제2공급라인;을 포함하는 연료가스 공급시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2기액분리기에 의해 분리된 기체 성분을 상기 제1공급라인의 상기 제2열교환부 전단으로 합류시키는 재순환라인을 더 포함하는 연료가스 공급시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1기액분리기에 의해 분리된 액체 성분을 감압시키는 감압밸브와,
    상기 제1기액분리기, 상기 감압밸브 및 상기 제2기액분리기를 연결하는 연결라인을 더 포함하되,
    상기 제2재액화라인은 상기 연결라인의 감압밸브 후단에 합류되는 연료가스 공급시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1재액화라인의 상기 제1열교환부 전단에 마련되며, 상기 압축부를 거쳐 상기 제1압력으로 압축된 증발가스를 감압시키는 제1조절밸브와,
    상기 제2재액화라인의 상기 제1열교환부 전단에 마련되며, 상기 압축부를 거쳐 상기 제2압력으로 압축된 증발가스를 감압시키는 제2조절밸브와,
    상기 제1재액화라인의 상기 제1열교환부 후단에 마련되며, 상기 제1재액화라인을 통해 상기 제1열교환부를 통과한 증발가스를 감압시키는 제3조절밸브와,
    상기 제2재액화라인의 상기 제1열교환부 후단에 마련되어, 상기 제2재액화라인을 통해 상기 제1열교환부를 통과한 증발가스를 감압시키는 제4조절밸브를 더 포함하는 연료가스 공급시스템.
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