KR101711954B1 - 연료가스 공급시스템 - Google Patents
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Abstract
연료가스 공급시스템이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 액화가스 및 증발가스를 수용하는 저장탱크, 저장탱크의 증발가스를 가압하는 제1압축부를 구비하고 제1압축부에 의해 가압된 증발가스를 제1엔진으로 공급하는 증발가스 공급라인 및 가압된 증발가스의 일부를 공급받아 재액화시키는 재액화라인을 포함하고, 재액화라인은 가압된 증발가스를 제1농도의 질소성분을 함유하는 제1가스흐름과 제2농도의 질소성분을 함유하는 제2가스흐름으로 분리하는 질소분리기와, 질소분리기에 의해 분리된 제1가스흐름을 재액화시키는 제1재액화라인 및 질소분리기에 의해 분리된 제2가스흐름을 재액화시키는 제2재액화라인을 포함하여 제공될 수 있다.
Description
본 발명은 연료가스 공급시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료가스의 효율적인 이용 및 관리를 도모할 수 있는 선박용 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.
천연가스(Natural Gas)는 통상적으로 저장 및 수송의 용이성을 위해, 천연가스를 약 섭씨 -162도로 냉각해 그 부피를 1/600로 줄인 무색 투명한 초저온 액체인 액화천연가스(Liquefied Natural Gas)로 상 변화하여 관리 및 운용을 수행하고 있다.
이러한 액화천연가스는 선체에 단열 처리되어 설치되는 저장탱크에 수용되어 저장 및 수송된다. 그러나 액화천연가스를 완전히 단열시켜 수용하는 것은 실질적으로 불가능하므로, 외부의 열이 저장탱크의 내부로 지속적으로 전달되어 액화천연가스가 자연적으로 기화하여 발생되는 증발가스가 저장탱크의 내부에 축적되게 된다. 증발가스는 저장탱크의 내부압력을 상승시켜 저장탱크의 변형 및 훼손을 유발할 수 있으므로 증발가스를 처리 및 제거할 필요가 있다.
이에 종래에는 저장탱크의 상측에 마련되는 벤트마스트(Vent mast)로 증발가스를 흘려 보내거나, GCU(Gas Combustion Unit)을 이용하여 증발가스를 태워버리는 방안 등이 이용되었다. 그러나 이는 에너지 효율 면에서 바람직하지 못하므로 증발가스를 액화천연가스와 함께 또는 각각 선박의 엔진에 연료가스로 공급하거나, 냉동 사이클 등으로 이루어지는 재액화장치를 이용해 증발가스를 재액화시켜 활용하는 방안이 이용되고 있다.
한편 천연가스는 메탄(Methane) 외에도 에탄(Ethane), 프로판(Propane), 부탄(Butane), 질소(Nitrogen) 등을 포함하는 혼합물이다. 이 중에서 질소의 끓는 점은 섭씨 약 -195.8도로서, 그 외의 성분인 메탄(끓는 점 섭씨 -161.5도), 에탄(끓는 점 섭씨 -89도), 프로판(끓는 점 섭씨 -45도) 등에 비해 매우 낮다.
이에 따라 저장탱크 내부에서 자연적으로 기화하여 발생하는 증발가스는 상대적으로 끓는 점이 낮은 질소 성분을 많이 함유하게 되고, 이는 증발가스의 재액화 효율을 저하시키는 원인이 되어 증발가스의 활용 및 처리에 영향을 미치게 된다.
또한 증발가스를 선박의 엔진 등에 연료가스로 공급하는 경우에는 엔진에서 요구하는 조건 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 있으며, 엔진이 요구하는 적정 메탄가에 맞추어 연료가스를 공급해야 엔진이 정상적인 출력을 낼 수 있기 때문이다.
이에 따라 증발가스에 함유되는 질소 성분을 효과적으로 처리하여 증발가스의 재액화 효율을 향상시킴과 동시에, 엔진에 공급되는 연료가스의 메탄가를 엔진이 요구하는 수준으로 맞추어 공급함으로써 연료가스의 효율적인 이용 및 관리를 도모할 수 있는 방안이 요구된다.
본 발명의 실시 예는 증발가스의 재액화 효율을 향상시킬 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 연료가스를 효율적으로 이용 및 관리할 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 엔진에 공급되는 연료가스의 메탄가를 효과적으로 조절 및 유지할 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 단순한 구조로서 효율적인 설비 운용을 도모할 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 엔진의 효율을 향상시키고 엔진에 가해지는 부하를 최소화할 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스 및 증발가스를 수용하는 저장탱크, 상기 저장탱크의 증발가스를 가압하는 제1압축부를 구비하고 상기 제1압축부에 의해 가압된 증발가스를 제1엔진으로 공급하는 증발가스 공급라인 및 상기 가압된 증발가스의 일부를 공급받아 재액화시키는 재액화라인을 포함하고, 상기 재액화라인은 상기 가압된 증발가스를 제1농도의 질소성분을 함유하는 제1가스흐름과 제2농도의 질소성분을 함유하는 제2가스흐름으로 분리하는 질소분리기와, 상기 질소분리기에 의해 분리된 제1가스흐름을 재액화시키는 제1재액화라인 및 상기 질소분리기에 의해 분리된 제2가스흐름을 재액화시키는 제2재액화라인을 포함하여 제공될 수 있다.
상기 질소분리기는 보텍스 튜브(Vortex tube)로 이루어져 제공될 수 있다.
상기 재액화라인은 상기 제1가스흐름 및 상기 제2가스흐름을 냉각시키는 냉각부를 더 포함하고, 상기 제1재액화라인은 상기 냉각부에 의해 냉각된 제1가스흐름을 감압시키는 제1팽창밸브와, 상기 제1팽창밸브를 통과한 제1가스흐름을 기체성분과 액체성분으로 분리하는 제1기액분리기 및 상기 제1기액분리기에 의해 분리된 기체성분을 제2엔진으로 공급하는 질소소모라인을 포함하여 제공될 수 있다.
상기 질소소모라인에는 상기 질소소모라인을 따라 이송되는 기체성분을 가압하는 제2압축부가 마련되어 제공될 수 있다.
상기 제1재액화라인은 상기 제1기액분리기에 의해 분리된 액체성분을 상기 저장탱크로 공급하는 제1액화가스 회수라인을 더 포함하여 제공될 수 있다.
상기 제2재액화라인은 상기 냉각부에 의해 냉각된 제2가스흐름을 감압시키는 제2팽창밸브 및 상기 제2팽창밸브를 통과한 제2가스흐름을 기체성분과 액체성분으로 분리하는 제2기액분리기를 포함하여 제공될 수 있다.
상기 제2재액화라인은 상기 제2기액분리기에 의해 분리된 기체성분을 상기 증발가스 공급라인 상의 상기 제1압축부 전단으로 공급하는 증발가스 회수라인 및 상기 제2기액분리기에 의해 분리된 액체성분을 상기 저장탱크로 공급하는 제2액화가스 회수라인을 더 포함하여 제공될 수 있다.
상기 제1압축부 후단의 가압된 증발가스의 일부를 상기 질소소모라인 상의 상기 제2압축부 후단으로 공급하는 제1증발가스 순환라인을 더 포함하여 제공될 수 있다.
상기 제1압축부 전단의 증발가스의 일부를 상기 질소소모라인 상의 상기 제2압축부 전단으로 공급하는 제2증발가스 순환라인을 더 포함하여 제공될 수 있다.
상기 제1증발가스 순환라인에는 상기 제1증발가스 순환라인을 따라 이송되는 가압된 증발가스를 감압시키는 압력조절밸브가 마련되고, 상기 압력조절밸브는 상기 제2엔진의 조건 메탄가 또는 연료가스 요구량에 맞추어 작동이 제어되도록 마련될 수 있다.
상기 제2증발가스 순환라인에는 개폐밸브가 마련되고, 상기 개폐밸브는 상기 제2엔진의 조건 메탄가 또는 연료가스 요구량에 맞추어 작동이 제어되도록 마련될 수 있다.
상기 냉각부는 상기 제1가스흐름 및 상기 제2가스흐름을 상기 증발가스 공급라인 상의 상기 제1압축부 전단의 증발가스와 열교환하는 열교환기를 포함하여 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 증발가스의 재액화 효율 및 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 연료가스를 효율적으로 이용 및 관리할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 연료가스의 메탄가를 효과적으로 조절 및 유지할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 엔진의 효율을 향상시키고 엔진에 가해지는 부하를 최소화하여 엔진의 내구성 및 수명을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 단순한 구조로서 효율적인 설비 운용을 도모할 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템을 나타내는 개념도이다.
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 1은 본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템(100)을 나타내는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템(100)은 저장탱크(110), 저장탱크(110)의 증발가스를 가압하는 제1압축부(121)를 구비하고 제1압축부(121)를 통과하여 가압된 증발가스를 제1엔진으로 공급하는 증발가스 공급라인(120) 및 제1압축부(121)에 의해 가압된 증발가스의 일부를 공급받아 재액화시키는 재액화라인(130)을 포함하여 마련될 수 있다.
이하 실시 예에서는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위한 일 예로서, 액화천연가스 및 이로부터 발생하는 증발가스를 적용하여 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 액화에탄가스, 액화탄화수소가스 등 다양한 액화가스 및 이로부터 발생하는 증발가스가 적용되는 경우에도 동일한 기술적 사상으로 동일하게 이해되어야 한다.
저장탱크(110)는 액화천연가스 및 이로부터 발생하는 증발가스를 수용 또는 저장하도록 마련된다. 저장탱크(110)는 외부의 열 침입에 의한 액화천연가스의 기화를 최소화할 수 있도록 단열 처리된 멤브레인 타입의 화물창으로 마련될 수 있다. 저장탱크(110)는 천연가스의 생산지 등으로부터 액화천연가스를 공급받아 수용 또는 저장하여 목적지에 이르러 하역하기까지 액화천연가스 및 증발가스를 안정적으로 보관하되 후술하는 바와 같이 선박의 추진용 엔진 또는 선박의 발전용 엔진 등의 연료가스로 이용되도록 마련될 수 있다.
저장탱크(110)는 일반적으로 단열 처리되어 설치되나, 외부의 열 침입을 완전히 차단하는 것은 실질적으로 어려우므로, 저장탱크(110) 내부에는 액화천연가스가 자연적으로 기화하여 발생하는 증발가스가 존재하게 된다. 이러한 증발가스는 저장탱크(110)의 내부압력을 상승시켜 저장탱크(110)의 변형 및 폭발 등의 위험을 잠재하고 있으므로 증발가스를 저장탱크(110)로부터 제거 또는 처리할 필요성이 있다. 이에 따라 저장탱크(110) 내부에 발생된 증발가스는 본 발명의 실시 예와 같이 증발가스 공급라인(120)에 의해 엔진의 연료가스로 이용되거나 재액화라인(130)에 의해 재액화되어 저장탱크(110)로 재공급될 수 있다. 또한, 도면에는 도시하지 않았으나 저장탱크(110)의 상부에 마련되는 벤트 마스트(미도시)로 공급하여 증발가스를 처리 또는 소모시킬 수도 있다.
엔진은 저장탱크(110)에 수용된 액화천연가스 및 증발가스 등의 연료가스를 공급받아 선박의 추진력을 발생시키거나 선박의 내부 설비 등의 발전용 전원을 발생시킬 수 있다. 엔진은 상대적으로 고압의 연료가스를 공급받아 출력을 발생시키는 제1엔진과, 상대적으로 저압의 연료가스를 공급받아 출력을 발생시키는 제2엔진으로 이루어질 수 있다. 일 예로 제1엔진은 상대적으로 고압의 연료가스로 출력을 발생시킬 수 있는 ME-GI 엔진 또는 X-DF 엔진으로 이루어지고, 제2엔진은 상대적으로 저압의 연료가스로 출력을 발생시킬 수 있는 DFDE 엔진 등으로 이루어질 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 수의 엔진 및 다양한 종류의 엔진이 이용되는 경우에도 동일하게 이해되어야 할 것이다.
증발가스 공급라인(120)은 저장탱크(110)에 존재하는 증발가스를 가압하여 제1엔진에 연료가스로서 공급하거나, 재액화라인(130)을 거쳐 저장탱크로 회수 및 제2엔진에 연료가스로서 공급하도록 마련될 수 있다. 증발가스 공급라인(120)은 입구 측 단부가 저장탱크(110)의 내부에 연결되어 마련되고, 출구 측 단부는 제1엔진에 연결되되, 중단부에는 후술하는 재액화라인(130)이 분기되어 마련될 수 있다. 증발가스 공급라인(120)에는 증발가스를 제1엔진이 요구하는 압력 조건에 맞추어 처리할 수 있도록 복수단의 컴프레서(121a)를 구비하는 제1압축부(121)가 마련된다.
제1압축부(121)는 증발가스를 압축하는 컴프레서(121a)와 압축되면서 가열된 증발가스를 냉각시키는 쿨러(121b)를 포함할 수 있다. 도 1에서는 제1압축부(121)가 5단의 컴프레서(121a) 및 쿨러(121b)로 이루어진 것으로 도시되어 있으나, 이는 일 예로서 제1엔진의 요구 압력조건 및 온도에 따라 제1압축부(121)는 다양한 수의 컴프레서(121a) 및 쿨러(121b)로 이루어질 수 있다. 또한 증발가스 공급라인(120) 상의 제1압축부(121) 전단에는 후술하는 재액화라인(130)의 냉각부(134)가 설치될 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.
재액화라인(130)은 증발가스 공급라인(120)의 제1압축부(121)를 통과하여 가압된 증발가스의 일부를 공급받아 재액화시키도록 마련된다.
재액화라인(130)은 가압된 증발가스에 함유된 질소성분을 분리하는 질소분리기(131)와, 질소분리기(131)에 의해 분리된 제1농도의 질소성분을 함유하는 제1가스흐름을 재액화시키는 제1재액화라인(132)과, 질소분리기(131)에 의해 분리된 제2농도의 질소성분을 함유하는 제2가스흐름을 재액화시키는 제2재액화라인(133) 및 제1가스흐름과 제2가스흐름을 냉각시키는 냉각부(134)를 포함할 수 있다.
본 실시 예에서 설명하는 제1농도의 질소성분 및 제2농도의 질소성분은 각각 고농도의 질소성분 및 저농도의 질소성분을 의미하는 것으로서, 제1농도의 질소성분은 제2농도의 질소성분과 비교하여 상대적으로 고농도의 질소성분을 가지며, 제2농도의 질소성분은 제1농도의 질소성분과 비교하여 상대적으로 저농도의 질소성분을 갖는다. 제1농도 및 제2농도는 특정 수치에 한정되는 것은 아니며 제1농도와 제2농도 간의 농도 차이에 따른 상대적인 의미로 이해되어야 할 것이다.
질소분리기(131)는 증발가스 공급라인(120) 상의 제1압축부(121) 후단으로부터 분기되어 마련되는 재액화라인(130)을 통해 가압된 증발가스의 일부를 공급받을 수 있다. 질소분리기(131)는 가압된 증발가스를 상대적으로 고농도인 제1농도의 질소성분을 함유하는 제1가스흐름 및 상대적으로 저농도인 제2농도의 질소성분을 함유하는 제2가스흐름으로 분류하여, 제1가스흐름 및 제2가스흐름을 제1재액화라인(132) 및 제2재액화라인(133)으로 각각 공급할 수 있다.
천연가스는 주성분인 메탄(Methane) 외에도 에탄(Ethane), 프로판(Propane), 부탄(Butane), 질소(Nitrogen) 등을 포함하는 혼합물이다. 이 중 질소의 끓는 점은 섭씨 약 -195.8도로서, 그 외의 성분인 메탄(끓는 점 섭씨 -161.5도), 에탄(끓는 점 섭씨 -89도) 등에 비해 매우 낮다. 이에 따라 저장탱크(110) 내부에서 자연적으로 기화하여 발생하는 자연증발가스는 끓는 점이 낮은 질소성분이 상대적으로 많이 기화되어 질소성분을 많이 함유하게 된다. 이러한 증발가스를 재액화하고자 하는 경우 질소성분은 끓는 점이 낮아 재액화가 매우 어려우므로, 증발가스의 질소성분의 농도가 증가할수록 재액화 효율이 떨어지게 된다.
이에 질소분리기(131)가 가압된 증발가스의 일부에 함유된 질소성분을 분리하고, 상대적으로 고농도인 제1농도의 질소성분을 함유하는 제1가스흐름과 상대적으로 저농도인 제2농도의 질소성분을 함유하는 제2가스흐름을 각각 제1재액화라인(132) 및 제2재액화라인(133)으로 공급하여 개별적으로 처리 및 이용함으로써 증발가스의 재액화 효율을 향상시키고 연료가스의 효율적인 이용을 도모할 수 있다.
질소분리기(131)는 보텍스 튜브로 이루어질 수 있다. 보텍스 튜브(Vortex tube)는 좁은 관을 구비하고, 좁은 관 내부의 접선형으로 고압의 기체를 공급하여 고온기류와 저온기류를 분리하는 장치이다. 질소분리기(131)가 보텍스 튜브로 이루어지는 경우에는 재액화라인(130)으로 공급된 가압된 증발가스를 보텍스 튜브의 내부로 공급하여 상대적으로 끓는 점이 낮은 저온의 질소성분과, 상대적으로 끓는 점이 높은 메탄, 에탄 등의 질소 외의 성분을 분리함으로써, 가압된 증발가스를 제1가스흐름 및 제2가스흐름으로 분리할 수 있다.
질소분리기(131)에 의해 분리된 제1가스흐름 및 제2가스흐름은 각각 제1재액화라인(132) 및 제2재액화라인(133)으로 공급되어 후술하는 냉각부(134) 및 기타 구성요소를 거쳐 재액화되거나 연료가스로 이용될 수 있다.
냉각부(134)는 질소분리기(131)에 의해 분리된 제1가스흐름 및 제2가스흐름을 냉각시키도록 마련된다. 냉각부(134)는 제1재액화라인(132)을 따라 이송되는 제1가스흐름 및 제2재액화라인(133)을 따라 이송되는 제2가스흐름을 증발가스 공급라인(120) 상의 제1압축부(121) 전단의 저온의 증발가스와 열교환하는 열교환기로 이루어질 수 있다. 제1가스흐름 및 제2가스흐름은 제1압축부(121)에 의해 가압되어 온도 및 압력이 상승한 상태이므로, 증발가스 공급라인(120) 상의 제1압축부(121)를 통과하기 전의 저온의 증발가스와 열교환함으로써, 제1가스흐름 및 제2가스흐름을 냉각시킬 수 있다. 이와 같이 냉각부(134)를 열교환기로 마련함으로써, 별도의 냉각장치 없이도 제1가스흐름 및 제2가스흐름을 냉각시킬 수 있으므로, 불필요한 전원의 낭비를 방지하고 설비가 단순화되어, 설비 운용의 효율성을 도모할 수 있다.
제1재액화라인(132)은 질소분리기(131)에 의해 분리된 제1가스흐름을 공급받아 재액화시키도록 마련된다.
제1재액화라인(132)은 냉각부(134)에 의해 냉각된 제1가스흐름을 감압시키는 제1팽창밸브(132a)와, 제1팽창밸브(132a)를 통과하여 기액 혼합상태의 제1가스흐름을 기체성분과 액체성분으로 분리하는 제1기액분리기(132b)와, 제1기액분리기(132b)에 의해 분리된 기체성분을 제2엔진으로 공급하는 질소소모라인(132c) 및 제1기액분리기(132b)에 의해 분리된 액체성분을 저장탱크로 재공급하는 제1액화가스 순환라인을 포함하여 마련될 수 있다.
제1팽창밸브(132a)는 냉각부(134)의 후단에 마련되어, 냉각부(134)를 통과하며 냉각된 제1가스흐름을 감압시키도록 마련될 수 있다. 제1팽창밸브(132a)는 냉각된 제1가스흐름을 감압하여 재액화를 도모할 수 있으며, 제1팽창밸브(132a)는 제2엔진이 요구하는 압력조건 또는 저장탱크(110)의 내부 압력에 상응하는 압력 수준으로 제1가스흐름을 감압시킬 수 있다. 제1팽창밸브(132a)는 일 예로 줄-톰슨 밸브(Joule-Thomson Valve)로 이루어질 수 있으나, 팽창기(Expander) 등 다양한 장치로 이루어지는 경우를 포함한다.
제1기액분리기(132b)는 제1팽창밸브(132a)를 통과하면서 냉각 및 감압되어 기액 혼합상태의 제1가스흐름을 수용하되 액체성분 및 기체성분을 분리하도록 마련된다. 제1가스흐름은 제1팽창밸브(132a)를 통과 시 대부분 재액화가 이루어지기는 하나, 감압하는 과정에서 플래쉬 가스(Flash Gas)가 발생함으로써 기체성분이 발생할 수 있다. 이에 따라 냉각부(134) 및 제1팽창밸브(132a)를 순차적으로 통과하여 제1기액분리기(132b)로 공급된 제1가스흐름 중 분리된 기체성분은 후술하는 질소소모라인(132c)을 통해 제2엔진에 연료가스로서 공급 및 소모하도록 마련되고, 분리된 액체성분은 후술하는 제1액화가스 회수라인(132d)을 통해 저장탱크(110)로 재공급하도록 마련될 수 있다.
한편, 제1가스흐름은 질소분리기(131)에 의해 상대적으로 고농도인 제1농도의 질소성분을 함유하고 있을 뿐만 아니라, 제1가스흐름의 재액화를 위해 가압, 냉각 이후 감압 시 제1기액분리기(132b)에서 분리되는 플래쉬 가스 등의 기체 성분에는 끓는 점이 낮은 질소성분이 고농도로 함유된다. 고농도의 질소성분을 함유하는 기체 성분을 다시 연료가스 시스템(100) 내에서 순환시킬 경우, 증발가스의 재액화 효율이 떨어질 뿐만 아니라, 순환되는 기체성분에 의해 제1압축부(121)의 컴프레서(121a) 등에 불필요한 부하를 가하게 되거나 고사양의 컴프레서(121a) 설치가 요구되어 설비 운용의 비효율을 초래하는 문제점이 있다.
질소소모라인(132c)은 제1기액분리기(132b)에서 분리되어 고농도의 질소성분을 함유하는 기체성분을 제2엔진에 연료가스로서 공급하도록 마련된다. 이를 위해 질소소모라인(132c)은 입구 측 단부가 제1기액분리기(132b)의 상측에 연결되고 출구 측 단부가 제2엔진에 연결되어 마련될 수 있다. 전술한 바와 같이, 제1가스흐름은 질소분리기(131)에 의해 고농도인 제1농도의 질소성분을 함유하고 있을 뿐만 아니라, 재액화를 위한 감압 시 발생하는 기체성분에 질소성분이 고농도로 함유되는 바, 증발가스의 재액화 효율을 저하시키는 기체성분을 질소소모라인(132c)을 통해 제2엔진에 연료가스로서 공급 및 이용할 수 있다. 이로써 고농도의 질소성분을 함유하는 기체성분의 효율적인 이용을 도모함과 동시에, 연료가스 공급시스템(100)을 순환하는 질소성분을 효과적으로 저감하여 연료가스 공급시스템(100) 내에서의 증발가스 재액화 효율을 증대시킬 수 있다.
한편 전술한 제1팽창밸브(132a)가 제1가스흐름을 저장탱크(110)의 내부 압력에 상응하는 압력 수준으로 감압시키는 경우, 질소소모라인(132c)을 따라 이송되는 기체성분의 압력 또는 온도가 제2엔진이 요구하는 연료가스 압력조건 또는 온도조건에 미치지 못할 수 있다. 이에 질소소모라인(132c)에는 기체성분을 제2엔진이 요구하는 조건에 맞추어 처리할 수 있도록 복수단의 컴프레서를 구비하는 제2압축부(135)가 마련될 수 있다.
제2압축부(135)는 기체성분을 압축하는 컴프레서(135a)와 압축되면서 가열된 기체성분을 냉각시키는 쿨러(135b)를 포함할 수 있다. 도 1에서는 제2압축부(135)가 2단의 컴프레서(135a) 및 쿨러(135b)로 이루어진 것으로 도시되어 있으나, 이는 일 예로서 제2엔진의 요구 압력조건 및 온도에 따라 제2압축부(135)는 다양한 수의 컴프레서(135a) 및 쿨러(135b)로 이루어질 수 있으며, 도면에는 도시하지 않았으나, 기체성분을 제2엔진의 연료가스 온도조건에 맞추어 가열하는 히터(미도시)가 추가적으로 마련될 수 있다.
질소소모라인(132c)에는 질소소모라인(132c)을 따라 이송되는 기체성분의 공급량을 조절하는 개폐밸브가 마련될 수 있으며, 도면에는 도시하지 않았으나 제1기액분리기(132b)의 내부압력을 측정하는 압력센서(미도시)가 마련되고, 개폐밸브는 압력센서가 측정한 제1기액분리기(132b) 내부 압력정보에 근거하여 작동이 제어되도록 마련될 수도 있다.
또한 질소소모라인(132c)에는 후술하는 제1증발가스 순환라인(241) 및 제2증발가스 순환라인(242)이 합류하도록 마련될 수 있으며, 이에 대한 자세한 설명은 도 2를 참조하여 후술하도록 한다.
제1액화가스 회수라인(132d)은 제1기액분리기(132b)에 의해 분리된 액체성분을 저장탱크(110)로 재공급하도록 마련된다. 이를 위해 제1액화가스 회수라인(132d)은 그 입구 측 단부가 저장탱크 제1기액분리기(132b)의 하측에 연통되어 마련되고, 출구 측 단부가 저장탱크(110)의 내부에 연통되어 마련될 수 있다. 제1가스흐름은 질소분리기(131)에 의해 고농도의 질소성분을 함유함과 동시에 메탄, 에탄 등 질소 외의 성분 역시 저농도로 함유한다. 이러한 질소 외의 성분은 상대적으로 끓는 점이 낮으므로 제1팽창밸브(132a)를 통과하여 감압 시 용이하게 재액화되어 제1기액분리기(132b)에서 액체성분으로 분리될 수 있다. 제1액화가스 회수라인(132d)은 제1기액분리기(132b)에서 분리된 액체성분을 저장탱크(110)로 회수함으로써 액화연료가스의 성분 조성을 고품질로 조절하고, 후속적으로 수행되는 증발가스 재액화 공정의 재액화 효율을 증가시킬 수 있다. 제1액화가스 회수라인(132d)에는 저장탱크(110)로 회수되는 재액화된 제1가스흐름의 공급량을 조절하는 개폐밸브가 마련될 수 있다.
제2재액화라인(133)은 질소분리기(131)에 의해 분리된 제2가스흐름을 공급받아 재액화시키도록 마련된다.
제2재액화라인(133)은 냉각부(134)에 의해 냉각된 제2가스흐름을 감압시키는 제2팽창밸브(133a)와, 제2팽창밸브(133a)를 통과하여 기액 혼합상태의 제2가스흐름을 기체성분과 액체성분으로 분리하는 제2기액분리기(133b)와, 제2기액분리기(133b)에 의해 분리된 기체성분을 증발가스 공급라인(120) 측으로 재공급하는 증발가스 회수라인(133c) 및 제2기액분리기(133b)에 의해 분리된 액체성분을 저장탱크로 재공급하는 제2액화가스 순환라인을 포함하여 마련될 수 있다.
제2팽창밸브(133a)는 냉각부(134)의 후단에 마련되어, 냉각부(134)를 통과하며 냉각된 제2가스흐름을 감압시키도록 마련될 수 있다. 제2팽창밸브(133a)는 냉각된 제2가스흐름을 감압하여 재액화를 도모할 수 있으며, 제2팽창밸브(133a)는 저장탱크(110)의 내부 압력에 상응하는 압력 수준으로 제2가스흐름을 감압시킬 수 있다. 제2팽창밸브(133a)는 일 예로 줄-톰슨 밸브(Joule-Thomson Valve)로 이루어질 수 있으나, 팽창기(Expander) 등 다양한 장치로 이루어지는 경우를 포함한다.
제2기액분리기(133b)는 제2팽창밸브(133a)를 통과하면서 냉각 및 감압되어 기액 혼합상태의 제2가스흐름을 수용하되 액체성분 및 기체성분을 분리하도록 마련된다. 제2가스흐름은 질소분리기(131)에 의해 저농도의 질소성분을 함유함과 동시에 메탄, 에탄 등 질소 외의 성분을 고농도로 함유하는 바, 제2팽창밸브(133a)를 통과 시 대부분 재액화가 이루어지기는 하나, 감압하는 과정에서 플래쉬 가스(Flash Gas)가 발생함으로써 일부의 기체성분이 발생할 수 있다. 이에 따라 냉각부(134) 및 제2팽창밸브(133a)를 순차적으로 통과하여 제2기액분리기(133b)로 공급된 제2가스흐름 중 분리된 액체성분은 후술하는 제2액화가스 회수라인(133d)을 통해 저장탱크(110)로 재공급하고, 분리된 기체성분은 후술하는 증발가스 회수라인(133c)에 의해 저장탱크(110) 또는 증발가스 공급라인(120)으로 재공급하도록 마련될 수 있다.
증발가스 회수라인(133c)은 제2기액분리기(133b)에 의해 분리된 기체성분을 저장탱크(110) 또는 증발가스 공급라인(120)으로 재공급하도록 제2기액분리기(133b)와 저장탱크(110) 또는 제2기액분리기(133b)와 증발가스 공급라인(120) 사이에 마련될 수 있다. 도 1에서는 증발가스 회수라인(133c)이 제2기액분리기(133b) 내부의 기체성분을 증발가스 공급라인(120) 상의 제1압축부(121) 전단으로 재공급하는 것으로 도시되어 있으나, 이 외에도 제2기액분리기(133b)로부터 저장탱크(110)로 재공급하거나, 증발가스 공급라인(120) 및 저장탱크(110)로 함께 재공급하는 경우를 모두 포함한다.
증발가스 회수라인(133c)에는 증발가스 회수라인(133c)을 따라 이송되는 기체성분의 공급량을 조절하는 개폐밸브가 마련될 수 있으며, 도면에는 도시하지 않았으나 제2기액분리기(133b)의 내부압력을 측정하는 압력센서(미도시)가 마련되고, 개폐밸브는 압력센서가 측정한 제2기액분리기(133b) 내부 압력정보에 근거하여 작동이 제어되도록 마련될 수도 있다.
제2액화가스 회수라인(133d)은 제2기액분리기(133b)에 의해 분리된 액체성분을 저장탱크(110)로 재공급하도록 제2기액분리기(133b)와 저장탱크(110)를 연결하도록 마련될 수 있다. 제2액화가스 회수라인(133d)은 그 입구 측 단부가 저장탱크 제2기액분리기(133b)의 하측에 연통되어 마련되고, 출구 측 단부가 저장탱크(110)의 내부에 연통되어 마련될 수 있다. 제2액화가스 회수라인(133d)에는 저장탱크(110)로 회수되는 재액화된 제2가스흐름의 공급량을 조절하는 개폐밸브가 마련될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템(200)에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템(200)을 나타내는 개념도이다. 도 2을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템(200)은 저장탱크(110), 저장탱크(110)의 증발가스를 가압하는 제1압축부(121)를 구비하고 제1압축부(121)를 통과하여 가압된 증발가스를 제1엔진으로 공급하는 증발가스 공급라인(120) 및 제1압축부(121)에 의해 가압된 증발가스의 일부를 공급받아 재액화시키는 재액화라인(130) 및 증발가스 공급라인(120) 상의 증발가스의 일부를 제2엔진으로 공급하는 제1증발가스 순환라인(241)과 제2증발가스 순환라인(242)을 포함하여 마련될 수 있다.
이하에서 설명하는 본 발명의 다른 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템(200)에 대한 설명 중, 별도의 도면부호를 들어 추가적으로 설명하는 경우 외에는 전술한 본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템(100)에 대한 설명과 동일한 것으로서, 내용의 중복을 방지하기 위해 설명을 생략한다.
제1엔진 또는 제2엔진 등으로 연료가스를 공급하는 경우에는 연료가스의 메탄가를 엔진에서 요구하는 조건 메탄가(Methane number)에 맞추어 공급해야 하는 경우가 존재한다. 엔진으로 공급되는 연료가스가 엔진이 요구하는 조건 메탄가보다 낮은 경우에는 엔진의 피스톤이 상사점에 도달하기 이전에 폭발 및 연소가 이루어져 엔진 피스톤의 마모, 엔진 효율 저하, 노킹(Knocking) 등의 문제가 야기될 수 있으며, 엔진이 요구하는 조건 메탄가에 맞추어 연료가스를 공급해야 엔진이 정상적인 출력을 낼 수 있기 때문이다.
제1증발가스 순환라인(241)은 증발가스 공급라인 상에서 제1압축부를 통과하여 가압된 증발가스의 일부를 질소소모라인(132c)으로 공급하도록 마련된다. 질소소모라인(132c)을 따라 이송되는 기체성분은 매우 고농도의 질소성분을 함유함과 동시에 상대적으로 메탄성분은 저농도로 함유하므로, 기체성분의 메탄가는 제2엔진이 요구하는 조건 메탄가보다 낮을 우려가 있다. 이에 증발가스 공급라인을 따라 이송되는 상대적으로 높은 메탄가를 갖는 가압된 증발가스의 일부를 제1증발가스 순환라인(241)을 통해 질소소모라인(132c)으로 공급하여, 질소소모라인(132c)을 따라 이송되는 기체성분을 포함하는 연료가스의 메탄가를 제2엔진의 조건 메탄가에 상응하는 수준으로 맞추어 줄 수 있다.
또한 제1기액분리기(132b)에서 분리된 기체성분의 발생량이 적은 경우, 질소소모라인(132c)을 통해 제2엔진으로 공급되는 기체성분의 공급량이 제2엔진의 연료가스 요구량을 충족시키지 못할 우려가 있다. 이 경우에도 제1증발가스 순환라인(241)이 증발가스 공급라인 상의 가압된 증발가스를 질소소모라인(132c)으로 공급함으로써, 제2엔진으로 공급되는 연료가스의 공급량을 제2엔진의 연료가스 요구량에 상응하는 수준으로 맞추어 줄 수 있다.
제1증발가스 순환라인(241)은 입구 측 단부가 증발가스 공급라인(120) 상의 제1압축부(121) 후단으로부터 분기되어 마련되고, 출구 측 단부가 질소소모라인(132c) 상의 제2압축부(135) 후단에 합류되도록 마련될 수 있으며, 제1증발가스 순환라인(241)에는 제1증발가스 순환라인(241)을 따라 이송되는 가압된 증발가스의 압력을 감압 및 조절하여 공급하는 압력조절밸브(241a)가 마련될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제2엔진은 제1엔진에 비해 상대적으로 저압의 연료가스를 공급받아 출력을 발생시키는 바, 제1압축부를 통과하여 가압된 증발가스의 압력은 제2압축부(135)를 통과하여 가압된 증발가스의 압력보다 더 높을 수 있다. 이에 압력조절밸브(241a)가 제1증발가스 순환라인(241)을 따라 이송되는 가압된 증발가스를 제2엔진이 요구하는 연료가스 압력조건 또는 제2압축부(135)에 의해 가압되는 압력수준에 상응하는 수준으로 감압 및 조절하여 공급할 수 있다. 압력조절밸브(241a)는 일 예로 줄-톰슨 밸브(Joule-Thomson Valve)로 이루어질 수 있으나, 팽창기(Expander)과 개폐밸브를 포함하는 하나의 장치 등 다양한 방식의 장치로 이루어질 수 있다.
압력조절밸브(241a)는 작업자에 의해 수동적으로 개폐 작동되거나, 제어부(미도시)가 질소소모라인(132c)을 따라 이송되는 기체성분 등의 연료가스의 메탄가 또는 공급량을 측정하고 이를 제2엔진의 조건 메탄가 또는 연료가스 요구량과 비교 분석하여, 압력조절밸브(241a)의 작동을 자동적으로 제어하도록 마련될 수도 있다.
제2증발가스 순환라인(242)은 증발가스 공급라인 상에서 제1압축부 전단의 증발가스의 일부를 질소소모라인(132c)으로 공급하도록 마련된다. 전술한 바와 같이, 질소소모라인(132c)을 따라 이송되는 기체성분의 메탄가는 제2엔진이 요구하는 조건 메탄가보다 낮을 우려가 있으며, 제1기액분리기(132b)에서 분리된 기체성분의 발생량이 적은 경우 질소소모라인(132c)을 따라 이송되는 기체성분의 공급량이 제2엔진의 연료가스 요구량을 충족시키지 못할 우려가 있다. 이에 증발가스 공급라인을 따라 이송되는 상대적으로 높은 메탄가를 갖는 증발가스의 일부를 제2증발가스 순환라인(242)을 통해 질소소모라인(132c)으로 공급하여, 질소소모라인(132c)을 따라 이송되는 기체성분을 포함하는 연료가스의 메탄가를 제2엔진의 조건 메탄가에 상응하는 수준으로 맞추어 줄 수 있으며, 제2엔진으로 공급되는 연료가스의 공급량을 제2엔진의 연료가스 요구량에 상응하는 수준으로 맞추어 줄 수 있다.
제2증발가스 순환라인(242)은 입구 측 단부가 증발가스 공급라인(120) 상의 제1압축부(121) 전단으로부터 분기되어 마련되고, 출구 측 단부가 질소소모라인(132c) 상의 제2압축부(135) 전단에 합류되도록 마련될 수 있으며, 제2증발가스 순환라인(242)에는 개폐밸브(242a)가 마련될 수 있다.
개폐밸브(242a)는 작업자에 의해 수동적으로 개폐 작동되거나, 제어부(미도시)가 질소소모라인(132c)을 따라 이송되는 기체성분 등의 연료가스의 메탄가 또는 공급량을 측정하고 이를 제2엔진의 조건 메탄가 또는 연료가스 요구량과 비교 분석하여, 압력조절밸브(241a)의 작동을 자동적으로 제어하도록 마련될 수도 있다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템(100, 200)은 보텍스 튜브로 이루어지는 질소분리기(131)에 의해 가압된 증발가스의 일부를 제1농도의 질소성분을 함유하는 제1가스흐름과 제2농도의 질소성분을 함유하는 제2가스흐름으로 분류하고, 각각의 가스흐름을 별개로 재액화 및 처리함으로써, 증발가스의 재액화 효율을 향상시키고, 연료가스의 효율적인 이용들 도모하는 효과를 가진다.
특히, 질소성분을 고농도로 함유하여 재액화 효율이 떨어지는 제1가스흐름의 재액화되지 않은 기체성분을 제2엔진에 연료가스로 공급함으로써, 에너지 효율을 증대시킬 수 있음과 동시에 연료가스 공급시스템(100, 200) 내의 질소성분의 함량을 지속적으로 저감하여 액화연료가스의 조성 품질을 향상시킬 수 있다.
또한 제1증발가스 순환라인(241) 및 제2증발가스 순환라인(242)에 의해 엔진으로 공급되는 연료가스의 메탄가를 엔진이 요구하는 조건 메탄가에 상응하는 수준으로 조절 및 유지할 수 있으며, 엔진이 요구하는 연료가스 요구량에 맞추어 연료가스를 안정적으로 공급할 수 있으므로 엔진 등의 설비를 안정적이고 효율적으로 운용할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100, 200: 연료가스 공급시스템 110: 저장탱크
120: 증발가스 공급라인 121: 제1압축부
130: 재액화라인 131: 질소분리기
132: 제1재액화라인 132a: 제1팽창밸브
132b: 제1기액분리기 132c: 질소소모라인
132d: 제1액화가스 회수라인 133: 제2재액화라인
133a: 제2팽창밸브 133b: 제2기액분리기
133c: 증발가스 회수라인 133d: 제2액화가스 회수라인
134: 냉각부 135: 제2압축부
241: 제1증발가스 순환라인 241a: 압력조절밸브
242: 제2증발가스 순환라인 242a: 개폐밸브
120: 증발가스 공급라인 121: 제1압축부
130: 재액화라인 131: 질소분리기
132: 제1재액화라인 132a: 제1팽창밸브
132b: 제1기액분리기 132c: 질소소모라인
132d: 제1액화가스 회수라인 133: 제2재액화라인
133a: 제2팽창밸브 133b: 제2기액분리기
133c: 증발가스 회수라인 133d: 제2액화가스 회수라인
134: 냉각부 135: 제2압축부
241: 제1증발가스 순환라인 241a: 압력조절밸브
242: 제2증발가스 순환라인 242a: 개폐밸브
Claims (12)
- 액화가스 및 증발가스를 수용하는 저장탱크;
상기 저장탱크의 증발가스를 가압하는 제1압축부를 구비하고 상기 제1압축부에 의해 가압된 증발가스를 제1엔진으로 공급하는 증발가스 공급라인; 및
상기 가압된 증발가스의 일부를 공급받아 재액화시키는 재액화라인;을 포함하고,
상기 재액화라인은
상기 가압된 증발가스를 제1농도의 질소성분을 함유하는 제1가스흐름과 제2농도의 질소성분을 함유하는 제2가스흐름으로 분리하는 질소분리기와, 상기 제1가스흐름 및 상기 제2가스흐름을 냉각시키는 냉각부와, 상기 질소분리기에 의해 분리된 제1가스흐름을 재액화시키는 제1재액화라인 및 상기 질소분리기에 의해 분리된 제2가스흐름을 재액화시키는 제2재액화라인을 포함하고,
상기 제1재액화라인은
상기 냉각부에 의해 냉각된 제1가스흐름을 감압시키는 제1팽창밸브와, 상기 제1팽창밸브를 통과한 제1가스흐름을 기체성분과 액체성분으로 분리하는 제1기액분리기와, 상기 제1기액분리기에 의해 분리된 기체성분을 제2엔진으로 공급하는 질소소모라인 및 상기 질소소모라인을 따라 이송되는 기체성분을 가압하는 제2압축부를 포함하고,
상기 제1압축부 후단의 가압된 증발가스의 일부를 상기 질소소모라인 상의 상기 제2압축부 후단으로 공급하여 상기 제2엔진으로 공급되는 기체성분의 메탄가를 상승시키는 제1증발가스 순환라인 및 상기 제1증발가스 순환라인을 따라 이송되는 가압된 증발가스를 감압시키는 압력조절밸브를 더 포함하되,
상기 압력조절밸브는 상기 제2엔진의 조건 메탄가에 맞추어 작동이 제어되는 연료가스 공급시스템. - 제1항에 있어서,
상기 질소분리기는
보텍스 튜브(Vortex tube)로 이루어지는 연료가스 공급시스템. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1재액화라인은
상기 제1기액분리기에 의해 분리된 액체성분을 상기 저장탱크로 공급하는 제1액화가스 회수라인을 더 포함하는 연료가스 공급시스템. - 제5항에 있어서,
상기 제2재액화라인은
상기 냉각부에 의해 냉각된 제2가스흐름을 감압시키는 제2팽창밸브 및 상기 제2팽창밸브를 통과한 제2가스흐름을 기체성분과 액체성분으로 분리하는 제2기액분리기를 포함하는 연료가스 공급시스템. - 제6항에 있어서,
상기 제2재액화라인은
상기 제2기액분리기에 의해 분리된 기체성분을 상기 증발가스 공급라인 상의 상기 제1압축부 전단으로 공급하는 증발가스 회수라인 및 상기 제2기액분리기에 의해 분리된 액체성분을 상기 저장탱크로 공급하는 제2액화가스 회수라인을 더 포함하는 연료가스 공급시스템. - 삭제
- 제7항에 있어서,
상기 제1압축부 전단의 증발가스의 일부를 상기 질소소모라인 상의 상기 제2압축부 전단으로 공급하여 상기 기체성분의 메탄가를 상승시키는 제2증발가스 순환라인을 더 포함하는 연료가스 공급시스템. - 삭제
- 제9항에 있어서,
상기 제2증발가스 순환라인에는 개폐밸브가 마련되고,
상기 개폐밸브는
상기 제2엔진의 조건 메탄가에 맞추어 작동이 제어되는 연료가스 공급시스템. - 제1항에 있어서,
상기 냉각부는
상기 제1가스흐름 및 상기 제2가스흐름을 상기 증발가스 공급라인 상의 상기 제1압축부 전단의 증발가스와 열교환하는 열교환기를 포함하는 연료가스 공급시스템.
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