KR101851745B1 - 내연 기관용 연료 가스 공급 시스템 - Google Patents

내연 기관용 연료 가스 공급 시스템 Download PDF

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Abstract

내연 기관용 연료 가스 공급 시스템은 액화 가스 저장 탱크(4)의 외부에 위치되는 적어도 하나의 연료 가스 펌프(29)를 갖고, 상기 펌프는 액화 가스용 탱크 출구 라인(26)을 통해 탱크의 액화 가스에 연결된다. 열 교환 회로는 압축기(35), 압축기의 하류에 위치되며, 연료 가스 펌프와 최종 열 교환기(31) 사이의 연료 가스 공급 라인(25)으로 연결되는 제1 열 교환기(30), 팽창 장치(36), 및 제2 열 교환기(37)를 포함한다.

Description

내연 기관용 연료 가스 공급 시스템{A FUEL GAS SUPPLY SYSTEM FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연 기관용 연료 가스 공급 시스템에 관한 것으로, 연료 가스 공급 시스템은 액화 가스 저장 탱크, 연료 가스 공급 라인 및 작동 유체를 구비한 열 교환 회로를 포함하고, 연료 가스 공급 라인은 액화 가스용 탱크 출구 라인, 연료 가스를 내연 기관에 대한 연료 가스 공급 압력으로 가압하는 적어도 하나의 연료 가스 펌프 및 적어도 하나의 연료 가스 펌프의 하류에 위치되는 최종 열 교환기를 포함하며, 열 교환 회로는 적어도 압축기, 압축기의 하류에 위치된 제1 열 교환기, 팽창 장치 및 팽창 장치의 하류에 위치된 제2 열 교환기를 포함한다.
내연 기관은 컨테이너 선, 산적 화물선, 대형 선박 및 LNG 운반선과 같은 선박의 추진 엔진으로 사용된다. 내연 기관은 전형적으로 프로펠러 샤프트에 결합된 2행정 크로스헤드 엔진이고, 연료를 직접 주입하여 결론적으로 내연 기관에 전달되기 전에 연료 가스가 높게 가압되어야 한다. LNG 운반선에서는 연료 가스 공급 시스템이 대략 250바(bar)에서 내연 기관에 연료 가스를 전달하는 것으로 알려져 있고, 연료 가스는 LNG 운반선 저장 탱크에서 직접 액화된 연료 가스 또는 재-액화된 증발 가스(BOG: Boil off gas)이다.
크라이오스타 에코렐 시스템(Cryostar EcoRel system)으로 알려진 이러한 유형의 연료 가스 공급 시스템은 도 1에 도시되어 있고, 탱크(T)의 상부에서 BOG 라인(A)은 BOG 과열 저감기(de-superheater)(C) 및 BOG 응축기(D)를 통해 BOG를 플래시 탱크(E)로 전달하는 압축기(B)의 입구에 연결된다. LNG용 탱크 출구 라인에는 탱크(T) 내에 있는 LNG에 잠기는 펌프(G)가 제공되고, 펌프(G)는 탱크 내에 있는 가스의 끓는 속도가 내연 기관에 연료 가스 소비를 커버하기에 충분 때 LNG를 플래시 탱크(E)에 이송하도록 활성화될 수 있다. 플래시 탱크(E)는 작은 저장 용량을 갖는 액화 가스 저장 탱크이며, 엔진 동작에 적어도 몇 시간 동안 요구되는 LNG 양을 저장하도록 내연 기관용 데이 탱크(day tank)로서 크기가 정해질 수 있다.
플래시 탱크(E)의 LNG에 잠기는 펌프(H)는 연료 가스를 대략 250바의 연료 가스 압력으로 가압하기 위해 적어도 하나의 연료 가스 펌프(I)용 프라이머 펌프(primer pump)로서 작용하고, 가압된 연료 가스는 최종 열 교환기(J)를 통해 내연 기관(K)에 있는 연료 가스 입구에 전달된다. 최종 열 교환기(J)에는 가열 소스(L)로부터 고온의 유체가 공급되고, 내연 기관에 수용되도록 대략 45℃의 온도로 연료 가스를 가열한다.
증발 가스의 냉각 및 응축은 작동 유체로서 질소를 사용하여 열 교환 회로에 의해 이루어진다. 질소는 각 단계 이후에 질소를 냉각하는 압축기(N)의 세 단계에서 압축되고, 이후에 질소는 열 교환기를 통과하여 극저온 팽창 터빈(P)에 전달되고, 제1 BOG 응축기(D) 및 BOG 과열 저감기(C)를 통과하며 열 교환기를 통해 압축기(N)로 복귀된다. 압축기 및 팽창 터빈은 공통된 하나의 변속기에 배치된다.
일본 공개특허공보 JP 2009-204026 A호는 증기화에 의한 가스의 손실이 방지되도록 BOG를 재액화하여 저장 탱크에 복귀시키는 다른 BOG 액화 시스템을 설명한다. 저장 탱크로부터의 액체 가스는 저장 탱크 내에서 액체 가스에 잠기는 펌프에 의해 펌핑되고, 탱크 외부의 추가적인 펌프에서 대략 100 내지 120바의 압력으로 가압되어 내연 기관에 공급될 수 있다.
미국 특허공보 US 7,690,365 B2호에는 LNG 운반선의 내연 기관에 200 내지 300바의 전달 압력으로 연료 가스를 공급하는 BOG 액화 시스템이 공지되어 있다. 액화 가스 저장 탱크의 LNG에 잠기는 제1 연료 가스 펌프는 열 교환기를 통해 LNG를 대략 30바의 압력으로 고압 연료 가스 펌프에 공급한다. 탱크에서의 증발 가스는 압축되고, LNG가 BOG를 냉각시키는 열 교환기를 통과하며, 액화 BOG는 저장 탱크로 복귀된다. 이러한 시스템에는 작동 유체를 갖는 적절한 열 교환 회로가 없다.
열 교환 회로가 없는 다른 시스템이 공지되어 있다. 미국 특허공보 US 5,884,488호는 중력과 BOG로 인해 LNG가 펌프에 공급되도록 LNG 탱크보다 낮은 높이에 위치되는 LNG 펌프를 설명한다. 펌프는 액체 상과 기체 상 모두를 펌핑하는 특별한 디자인이다. 국제 공개공보 WO 2013/170964호는 탱크의 프라이머 펌프에서 5.4의 예압으로 LPG 또는 LNG가 공급되는 고압 펌프를 설명한다.
항구 사이에서 항해하는 동안 날씨는 엔진 부하의 차이, 이에 따라 내연 기관에 의해 연료 가스의 소비율의 차이, 및 액화 가스 저장 탱크에서 열 입력의 차이를 초래하고, 이러한 차이는 낮과 밤 사이에 또한 발생한다.
본 발명의 목적은 고압에서 신뢰할 수 있는 연료 가스 공급이 가능한 연료 가스 공급 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 위해 본 발명에 따른 연료 가스 공급 시스템은, 적어도 하나의 연료 가스 펌프가 액화 가스 저장 탱크 외부에 위치되고, 액화 가스용 탱크 출구 라인을 통해 내부의 액화 가스에 연결될 수 있으며, 열 교환 회로의 제1 열 교환기가 연료 가스 펌프와 최종 열 교환기 사이의 연료 가스 공급 라인과 연결되고, 열 교환 회로의 제2 열 교환기가 액화 가스 저장 탱크 또는 액화 가스 저장 탱크의 액화 가스와 연통하는 액체 가스 유동 라인에 위치되는 점을 특징으로 한다.
액화 가스 저장 탱크는 액화 가스로 충전될 때 접근하기 어려운 구조이고, 탱크의 낮은 온도로 인해 탱크 내에 위치되는 모든 장비는 단순한 디자인으로 되어야하는 것이 바람직하다. 단일의 연료 가스 펌프, 또는 두 개 이상의 연료 가스 펌프들일 수 있고, 이러한 펌프 또는 펌프들은 액화 가스 저장 탱크 외부에 위치된다. 시스템의 신뢰성, 특히 동작의 신뢰성을 위해, 탱크의 외부에 연료 가스 펌프가 위치하는 것이 용이하게 접근할 수 있어서 이점이 된다.
제2 열 교환기는 이동 부품이 없고, 고정된 구성으로 탱크에 설치된다. 대안적으로, 제2 열 교환기는 액화 가스 저장 탱크에서 액화 가스와 연통하는 액체 가스 유동 라인에 위치된다. 제2 열 교환기가 액화 가스 저장 탱크에서 액화 가스와 연통하는 액체 가스 유동 라인에 위치되는 경우에, 액체 가스는 제2 열 교환기를 통해 액화 가스 저장 탱크 내로 유동하고, 제2 열 교환기가 탱크에 설치되는 경우에, 제2 열 교환기는 액화 가스 저장 탱크 내에서 액체 가스에 직접적으로 작용한다. 제2 열 교환기는 탱크의 액체 가스의 냉각을 수행하고, 이러한 냉각은 액체 가스를 가스의 비등점 미만인 온도가 되도록 한다. 가스의 비등점은 압력이 낮을 때 비등점이 낮은 온도에서 발생하므로 압력에 의존하게 된다. 탱크의 압력에서 비등점 미만의 냉각으로 인해, 액체 가스의 압력을 감소시키는 것이 가능하게 되고, 비등으로 인한 기체 상의 가스의 형성을 방지한다. 이에 따라, 소망하는 경우에, 탱크 외부에 위치되는 연료 가스 펌프는 액체 가스의 비등을 초래하지 않으면서 동시에 액화 가스용 탱크 출구 라인을 통해 액체 가스의 흡입을 가할 수 있다. 연료 가스 펌프는 기체 상의 가스가 없는 액체 가스만을 수신하고, 이에 따라 펌프 동작에 매우 안정적이다.
내연 기관으로 연료 가스의 공급은 액화 가스 저장 탱크에서의 액체 가스에 기초하고, 증발 가스에 기초하지 않으며, 연료 가스 공급은 기상 조건과 소비율의 변화에 독립적이고, 이는 고압으로 내연 기관에 연료 가스 공급의 신뢰성을 향상시킨다.
연료 가스 펌프의 연료 가스 압력은 200바 내지 700바의 범위에 있는 것이 바람직하다. 특정 실시예에서는 예컨대, 750바와 같이 높은 연료 가스 압력을 사용하는 것이 가능할 수 있다. 그러나, 700바의 최대 압력은 압력을 획득하는데 사용된 에너지 소비를 제한한다. 연료 가스는 내연 기관의 연소실 내로 직접적으로 주입되고, 일반적으로 200바 보다 높은 압력을 요구한다. 결론적으로 연료 가스 펌프의 연료 가스 압력이 250바 내지 450바의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
바람직한 실시예에서, 제3 열 교환기는 열 교환 회로에서 팽창 장치의 하류 및 연료 가스 공급 라인에서 적어도 하나의 연료 가스 펌프의 상류에 위치된다. 이러한 위치에 의해 탱크 출구 라인은 제3 열 교환기를 통과하고, 열 교환 회로에 의해 냉각된다. 질소와 같은 작동 유체는 제3 열 교환기를 통과하기 직전에 팽창 장치를 통과하고, 이에 따라, 열 교환 회로에서 최저 온도가 된다. 제3 열 교환기는 적어도 하나의 연료 가스 펌프의 입구에 도입될 때 탱크 출구 라인의 연료 가스가 최저 온도가 될 것이라는 것을 실질적으로 보장한다.
일 실시예에서, 압축기는 40바 내지 120바 범위의 최대 압력으로 작동 유체를 압축하는 크기로 되어 있다. 압축기의 출구에서 작동 유체의 소망하는 압력은 팽창 장치에서 압력 감소의 높은 레벨과 압축기를 동작하는데 요구되는 전력을 획득하는 사이의 평형이다. 압력은 예컨대, 10, 25 또는 35바와 같이 40바보다 낮을 수 있다. 좋은 효율이 요구되는 경우에, 바람직하게 압력은, 작동 유체가 제1 열 교환기를 통해 유동하는 동안에 초임계 상태가 되도록 작동 유체의 임계점에서의 압력보다 높게 될 수 있다.
일 실시예에서, 팽창 장치는 1바 내지 12바 범위의 하류 압력을 제공하도록 구성된다. 소망하는 압력 범위는 작동 유체에 의존한다. 바람직하게 압력 범위의 상한은 작동 유체가 탱크에서 액체 가스의 비등점 미만인 비등점을 갖는 압력이고, 작동 유체로서 질소가 사용된 경우에, 12바의 압력은 대략 -165℃의 비등점에 상당하며, 1바의 압력은 대략 -196℃의 비등점에 상당하다. 팽창 장치의 출구에서 대략 5바의 바람직한 압력으로 질소는 대략 -178℃의 비등점을 갖고, 이에 따라 작동 유체는 액체 가스보다 현저히 온도가 낮다.
작동 유체가 제2 열 교환기 내로 유동될 때 액체 또는 주로 액체이다. 제2 열 교환기의 지배적인 압력에서 작동 유체의 비등점은 액화 가스 저장 탱크에서 액체의 온도보다 낮고, 액체 가스에서 작동 유체로의 열 유입은 제2 열 교환기에서 작동 유체의 비등을 초래한다. 작동 유체의 증기화에 의해 소비된 열은 제2 열 교환기가 액화 가스 저장 탱크에서 액체 가스를 냉각하는데 매우 효율적이게 한다. 제2 열 교환기에서 이러한 작동 유체의 비등의 원리는 본 발명의 모든 실시예에 적용될 수 있다.
일 실시예에서, 액화 가스 저장 탱크는 내연 기관의 연속적인 전체 부하에서 많아야 3일의 연료 가스 소비량에 상당하는 액체 가스의 체적 용량을 갖는다. 이러한 실시예에서 액화 가스 저장 탱크는 내연 기관의 근방에서 적은 양의 연료 가스를 유지하는 데이 탱크이다. 데이 탱크에는 예컨대, 액체 연료 가스의 레벨이 탱크에서 사전에 정해진 레벨 미만인 경우에 일정 간격으로 연료 가스가 보충된다. 데이 탱크는 일반적으로 대기 압력에서 또는 몇 바의 약간의 과압으로 유지된다. 일부 실시예에서, 데이 탱크는 24시간의 연료 가스 소비에 상당하는 용량을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 연료 가스 공급 시스템은 적어도 두 개의 액화 가스 저장 탱크를 포함한다. 액화 가스 저장 탱크 중 하나의 액화 가스 저장 탱크는 데이 탱크일 수 있고, 두 개 이상의 액화 가스 저장 탱크가 대용량인 것도 가능하다. 이 경우에 실시예에는 LNG 캐리어 또는 LPG 캐리어와 같은 액화 가스 캐리어가 설치되고, 액화 가스 저장 탱크는 기관실에 매우 근접하게 위치된 두 개의 카고 탱크와 같이, 카고 탱크 또는 카고 탱크의 하위 집합일 수 있다. 이러한 경우에, 선박은, 2개 내지 25개 또는 그 이상의 액화 가스 저장 탱크와 같이, 복수의 액화 가스 저장 탱크를 구비하는데 적합할 수 있는 카고로서 액화 가스를 운반하는 것이 아니다.
일 실시예에서, 열 교환 회로는 바람직하게 적어도 하나의 제2 열 교환기가 액화 가스 저장 탱크 각각에 위치되도록 적어도 두 개의 액화 가스 저장 탱크에 위치되는 적어도 두 개의 제2 열 교환기를 포함한다.
일 실시예에서, 연료 가스 공급 시스템은 선박에서 추진 기관으로서 작용하는 내연 기관이다. 연료 가스 공급 시스템은 대안적으로 선박의 보조 엔진 또는 정지 발전소의 원동기로서 작용하는 내연 기관이다.
일 실시예에서, 선박은 컨테이너 선, 산적 화물선, 여객선, 오일 운반선, 대형 선박, 로로-선(RoRo-vessel), 및 냉장선을 포함하는 그룹에서 선택된다. 이러한 그룹의 선박의 공통적인 특징은 액화 가스가 다른 카고를 운반하는 것이고, 이 경우에 선박에는 액화 가스 저장 탱크의 형태인 가스 연료 탱크가 구비되어 있다. 로로-선은 카고가 선적 또는 하역되도록 하는 램프를 갖는다. 다른 실시예에서, 선박은 가스 운반선이다.
일 실시예에서, 바이 패스 라인은 제1 열 교환기의 하류인 연료 가스 공급 라인에서 액화 가스 저장 탱크로 연장되고, 바이 패스 라인에는 바이 패스 펌프 및 스톱 밸브가 제공된다. 내연 기관이 동작을 정지할 때, 바이 패스 라인의 스톱 밸브는 개방될 수 있고, 펌프는 탱크 출구 라인 및 바이 패스 라인을 통해 저온의 액체 가스를 순환시키도록 활성화되어서, 시스템은 내연 기관을 시동하기 전에 냉각되거나 또는 엔진이 일시적으로 정지된 상태에서 저온 상태로 유지된다.
본 발명의 실시예의 예는 개략적으로 도시된 도면을 참조하여 이하에서 상세하게 설명된다.
도 1은 LNG 운반선의 추진을 위한 내연 기관용인 종래의 연료 가스 공급 시스템을 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 연료 가스 공급 시스템을 구비한 LNG 운반선을 도시한다.
도 3은 도 2의 LNG 운반선에서 내연 기관의 최종 외형을 도시한다.
도 4는 도 3의 내연 기관의 연료 가스 시스템을 도시한다.
도 5는 도 3의 연료 가스 시스템에서 내연 기관의 단일의 실린더를 더욱 상세하게 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 연료 가스 공급 시스템의 제1 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 7은 연료 가스 공급 시스템의 제2 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 8은 연료 가스 공급 시스템의 제3 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 9는 연료 가스 공급 시스템의 제4 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 2의 LNG 운반선은 선루(2) 하부에 위치되는 기관실(1)에서 메인 추진 엔진으로 작용하는 내연 기관을 갖는다. 내연 기관은 선박의 추진을 위해 프로펠러(3)를 구동시킨다. 도시된 4개의 실시예에서 LNG 운반선은 복수의 LNG 저장 탱크를 구비하고, 상기 저장 탱크는 본 발명에 따른 연료 가스 공급 시스템에 사용되는 적어도 하나 바람직하게는 그 이상의 액화 가스 저장 탱크(4)이다. LNG 운반선의 목적은 LNG의 생산 현장에서 이용 현장으로 LNG를 이송하는 것이지만, LNG 저장 탱크는 이송하는 중에 내연 기관을 위한 연료 저장소로서 또한 작용한다.
선박은 반드시 LNG 운반선일 필요는 없으며, 선박의 카고에 독립하여 적어도 하나의 액화 가스 저장 탱크(4)가 연료 저장소로서만 작용하는 다른 유형의 선박일 수 있다. 이러한 다른 유형의 선박의 예로 로로-선, 컨테이너 선, 오일 운반선, 차 운반선 및 산적 화물선이 있다.
도 3에서 내연 기관이 더욱 상세하게 도시되어 있다. 내연 기관은 도면부호 5로 표기된 피스톤 엔진, 바람직하게는 2행정 크로스헤드 내연 기관이다. 내연 기관은 4개 내지 15개의 실린더를 가질 수 있다. 예를 들어, 내연 기관은 맨 디젤& 터보 및 바르질라 또는 미쓰비시에서 제조한 ME-GI 또는 MC 유형일 수 있다. 실린더는 예컨대, 25 내지 120cm, 바람직하게는 40 내지 110cm 범위의 보어를 구비할 수 있다. 메인 추진 엔진으로 사용되는 2행정 크로스헤드 내연 기관은 일반적으로 55 내지 195rpm 범위에서 rpm으로 표시되는 속도를 갖는다. 이러한 엔진은 저속 엔진으로 지정된다. 저속은 프로펠러를 통해 선박의 항적의 물에 추력을 전송하기 위해 요구된다. 물에 추력을 전송하기 위해, 프로펠러는 넓은 면적, 이에 따라 큰 직경을 필요로 한다. 프로펠러에서 공동 현상은 바람직하지 않기 때문에, 추진 엔진이 예컨대, 60 내지 200rpm과 같은 낮은 속도 범위로 제한되는 것이 필요하다.
내연 기관(5)은 실린더 각각에 왕복 피스톤을 갖는 복수의 실린더를 구비한다. 2행정 크로스헤드 내연 기관에서 실린더는 일반적으로 배기 밸브(6)가 실린더의 상부에 위치되고, 소기 포트(scavenge air port)(미 도시)가 실린더의 하부 단부에 위치되는 단류 소기식이다. 실린더에서 배출하는 배기 가스는 배기 가스 리시버(7) 및 전방 터보차저(8)의 터빈부, 압축된 유입 공기를 유입 공기 챔버(9)로 공급하는 압축부를 통과한다. 상기 챔버에서 유입 공기는 유입 공기 냉각기(10)를 통해 실린더의 소기 포트 주변 영역으로 통과할 수 있다.
내연 기관은 파일럿 연료 오일 및 기체의 연료 가스를 직접 주입하는 주입 시스템을 구비하고, 안전을 이유로 연료 가스를 주입하는 시스템에는 흡기 시스템 및 불활성 가스 시스템이 제공된다. 흡기 시스템은 가스 연료 파이프(16) 주위의 파이프(15)에 제공되고, 두 파이프 사이의 환형 공간은 내부 파이프에서 가스 누출에 대한 모니터링을 허용한다. 공기 유입은 도면부호 11에서 발생하고, 주입시스템이 정상적으로 동작하는 경우에 공기 배출은 도면부호 12에서 발생한다. 탄화수소 탐지기(13)는 공기 배출구(12)에서 이어진 도관에서 엔진의 하류에 배치된다. 가압된 불활성 가스(14)의 소스는 연료 가스 파이프(16)에 연결되고, 엔진의 정지시에 불활성 가스가 가스 정화를 위해 동일한 연료 가스 파이프에 공급된다.
제1 연료 저장소(17)는 내연 기관의 각 실린더(19)에 있는 연료 인젝터(18)에 파일럿 연료를 공급한다. 파일럿 연료는 예컨대, 300바 또는 400바의 압력으로 공급되고, 실린더에서 각각의 연료 분사 시퀀스를 개시하는데 사용된다. 파일럿 연료는 연료 오일일 수 있고, 연소 스트로크 말기에서 연소실 내의 가능한 압축 압력으로 연소실에서 자기-점화될 수 있다. 요구되는 파일럿 오일 압력이 검출되어, 가스를 주입하도록 제어 오일 압력이 가스 인젝터(20)에 요구될 때, 각 실린더(19)에 있는 가스 인젝터(20)에는 제어 오일 펌프(21)에서 제어 오일이 제공된다. 제어 오일은 파일럿 오일의 주입이 실패하는 경우에 가스가 실린더 내로 주입되지 않는 것을 보장한다. 또한, 가스 인젝터(20)에는 밀폐용 오일 라인(22)을 통해 가압된 밀폐용 오일이 제공된다. 밀폐용 오일은 연소실 내로 가스를 전달하는 가스 분사 노즐보다 가스 인젝터에서 가스가 빠져나가는 것을 방지한다.
액화 가스 저장 탱크(4)의 연료 가스는 연료 가스 공급 시스템의 연료 가스 공급 라인(25)을 통해 연료 가스 파이프(16)에 공급되어 축압기(23)로 유동하고, 연료 가스 분사가 발생할 때, 연료 가스가 인젝터(20)로 유동하도록 제어 밸브(24)가 개방된다. 연료 가스 파이프(16)와 인젝터(20) 사이에 공통적인 레일 파이프가 있을 수 있고, 이 경우에 축압기(23)로 분배하는 것이 가능할 수 있다.
내연 기관용 연료 가스 공급 시스템이 도 6 내지 도 8에 더욱 상세하게 도시되어 있다. 연료 가스 공급 라인(25)은 액화 가스 저장 탱크(4) 내에서 내연 기관(5)으로 연장되고, 탱크 출구 라인(26)에 의해 형성된 초기 구역을 갖는다. 탱크 출구 라인(26)은 탱크의 하부 내부에 인접한 영역인 탱크 내로 연장되고, 액체 가스의 유입을 허용하는 단부 개구를 갖는다. 액화 가스 저장 탱크(4) 내에서 탱크 출구 라인(26)에는 펌프가 없다. 상부에서 탱크 내의 하부로 연장되는 대안으로서, 탱크 출구 라인은 하단 개구에서 탱크 하부로 연장될 수 있거나, 또는 액화 가스 저장 탱크가 횡방향 중심축과 단부 하부를 갖는 원통형 탱크로 형성되는 경우에, 단부 하부의 저면부에서 연장될 수 있다.
탱크 출구 라인은 제3 열 교환기(27)에 연결되고, 연료 가스 공급 라인의 연료 가스는 도면부호 28로 표시된 열 교환 회로에서 작동 유체에 의해 냉각된다. 탱크 출구 라인에는 액화 가스 저장 탱크(4) 외부의 스톱 밸브(미 도시), 가능하게는 비 복귀 밸브가 제공되어서 탱크는 선택에 따라 해제 또는 연결될 수 있다. 제3 열 교환기(27)의 하류 측에서 연료 가스 공급 라인은 연료 가스 펌프(29)의 입구로 계속되고, 상기 연료 가스 펌프는 적어도 내연 기관(5)에서 연료 가스 입구로 요구되는 압력, 즉, 200바 내지 700바, 일반적으로는 대략 300 내지 400바 범위의 압력이 되도록 연료 가스 압력을 증가시키는 고압 펌프이다. 내연 기관이 압축 스트로크의 말기에 연소실 내로 가스의 직접적인 분사를 수행하기 때문에 고압이 요구되고, 연소실의 압력은 예컨대, 180바일 수 있고, 분사 압력은 연소 지역으로 가스를 미세하게 분배하도록 상당히 높을 것이 요구된다.
연료 가스 펌프는 여러 단계를 가질 수 있거나 또는 직렬이나 병렬로 연결되는 2개 이상의 연료 가스 펌프가 있을 수 있다. 연료 가스 펌프는 극저온 펌프이고, 그 예로 극저온 산업, CA, USA에서 TC-34 모델 및 2011년 7월 37-41 페이지에 개시된 탄화수소 프로세싱의 고압 원심 LNG 펌프가 있다. 바람직하게 연료 가스 펌프는 양 방향으로 작용하는 유압 액추에이터를 구비한 피스톤 변위 펌프이다. 또한, 적어도 하나의 연료 가스 펌프는 하나의 피스톤 펌프 및 원심 펌프의 조합일 수 있다.
연료 가스 펌프의 출구로부터 연료 가스 공급 라인(25)은 제1 열 교환기(30)에 연결되고, 연료 가스 공급 라인의 연료 가스는 열 교환 회로(28)의 작동 유체에 의해 가열된다. 연료 가스 공급 라인(25)은 제1 열 교환기(30)의 출구에서 최종 열 교환기(31)로 이어지고, 연료 가스는 연료 가스를 내연 기관에 전달하는데 적절한 주변보다 높은 온도, 바람직하게는 대략 45℃의 온도로 가열된다. 최종 열 교환기에는 열 교환 회로(28)에서 분리되는 이용 가능한 소스(32)로부터의 가열 유체가 제공된다.
최종 열 교환기(31)로부터 연료 가스 공급 라인(25)은 연료 가스 공급 압력으로 연료 가스가 전달되는 내연 기관의 가스 연료 파이프(16)에 연결된다. 연료 가스는 연료 가스 펌프(29)에서 가스 연료 파이프(16)로 연장되는 연료 공급 라인(25)의 영역에서 초임계 상태이다.
열 교환 회로(28)는 작동 유체가 유동하는 순환 라인(33)을 구비한 폐회로이다. 작동 유체의 저장부(34)는 순환 라인(33)을 통해 압축기(35)의 입구에 연결된다. 압축기는 1단 압축기 또는 여러 단의 압축기일 수 있다. 압축기(35)의 출구에서 작동 유체는 예컨대, 100바의 압력에서와 같이 초임계 단계에 있고, 압축기의 출구는 제1 열 교환기(30)에 있는 입구에 연결되어서, 바람직하게 작동 유체는 연료 가스와 함께 역류로 유동하고, 작동 유체는 제1 열 교환기를 통과하는 중에 열을 전달한다.
제1 열 교환기의 출구로부터 순환 라인(33)은 팽창 장치(36)에 이어지고, 작동 유체의 압력은 예컨대, 1바 내지 12바 범위의 압력과 같이 저압으로 감소되어서, 작동 유체는 예컨대, 비등점 미만인 적어도 10℃ 온도, 바람직하게는 비등점 미만인 적어도 20℃와 같이, 연료 가스 펌프(29)의 상류인 연료 가스 공급 라인(25)에서 연료 가스의 비등점 미만인 온도를 갖는다. 일 실시예에서, 압력 팽창 장치는 폐쇄실에 위치되며, 제1 열 교환기에서 나오는 순환 라인(33)으로 연결되는 오리피스 노즐을 포함하여 작동 유체는 폐쇄실 내에서 팽창하고, 이에 따라 작동 유체의 압력과 온도 모두 감소된다.
팽창 장치(36)의 출구로부터 순환 라인(33)은 제3 열 교환기(27)에 연결되고, 연료 가스 공급 라인의 연료 가스는 열 교환 회로(28)의 작동 유체에 의해 냉각된다. 팽창 장치에서 유동할 때 작동 유체는 순환 라인에서 최저 온도이기 때문에, 상기 냉각은 매우 효과적이다. 이에 따라, 연료 가스는 비등점 미만인 섭씨 온도로 냉각될 수 있고, 적어도 하나의 연료 가스 펌프(29)의 바로 상류에서 기체 상의 존재 없이 낮은 압력에서 액체 연료 가스로 룸을 떠난다.
제3 열 교환기(27)의 출구로부터 액화 가스 저장 탱크(4) 내의 순환 라인(33)은 예컨대, 나선형 파이프 구역과 같이 탱크의 액체 가스에 잠기는 파이프 구역의 형태일 수 있는 제2 열 교환기(37)로 이어진다. 일 실시예에서, 액화 가스 저장 탱크(4) 내에서 연장되는 순환 라인 및 제2 열 교환기는 가능하면 향상된 열 전달을 위한 외부 핀이 제공되는 단일 길이의 파이프 세트의 형상으로 형성되고, 원하는 경우에 동작의 최적화된 신뢰성을 위해 탱크 내에서 별도의 부재 사이의 이동 부분 또는 연결부가 회피될 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 열 교환기는 작동 유체를 위한 내부 유동 경로, 및 액화 가스 저장 탱크(4) 내에 위치된 순환 라인(33)에 고정 연결된 입구 개구 및 출구 개구를 구비한 플레이트 형상의 구조물이다. 일점 쇄선은 탱크 내에 있는 액체 가스의 상부 표면(38)을 나타낸다. 물론, 상부 표면의 레벨은 연료 가스가 소비되어 하향으로 이동한다. 제2 열 교환기(37)로부터 순환 라인(33)은 저장부(34)의 입구로 이어진다.
작동 유체는 질소일 수 있고, 질소는 불활성 가스로서 사용될 수 있어서 선박에서 다른 목적을 위해 이미 사용될 수 있다. 작동 유체는 대안적으로 아르곤 또는 헬륨일 수 있다. 이러한 작동 유체의 일반적은 특성은 일반적으로 연료 가스로서 사용되는 메탄의 특성과 함께 표 1에 도시되어 있다. 헬륨은 낮은 기화열로 인해 바람직하지 않다.
질소 아르곤 헬륨 메탄
비등점, ℃ -195.8 -185.9 -268.9 -161.5
임계점, ℃ -147.0 -122.5 268.0 -82.6
임계점, 바 34.0 48.3 2.3 46
융점, ℃ -210.0 -189.4 -271.4 -182.5
기화열 KJ/kg 203 161 20
바이 패스 라인(39)은 제1 열 교환기(30)의 하류인 연료 가스 공급 라인(25)에 연결되며, 바이 패스 펌프(40) 및 스톱 밸브(미 도시)를 통해 액화 가스 저장 탱크(4)로 연장된다. 펌프(29)는 바이 패스 라인(39)이 개방 및 폐쇄될 때 개방되는 바이 패스 도관을 구비한 흡입실로 구현될 수 있어서, 펌프(29)는 바이 패스 라인(39)이 바이 패스 개방될 때 바이 패스 유동을 허용한다. 대안적으로 펌프(29)는 정지 상태에서 펌핑 부재를 통해 바이 패스를 허용하는 형태가 될 수 있다. 내연 기관이 정지 상태일 때, 스톱 밸브는 개방될 수 있고, 바이 패스 펌프(40)는 동작될 수 있어서, 내연 기관이 구동될 때 동작을 위한 준비를 유지하고 시스템을 냉각하기 위해 액체 가스는 다수의 연료 가스 공급 라인(25)을 통해 순환된다.
본 발명의 동작의 예는 도 6의 실시예를 참조하여 이하에서 설명된다. 연료 가스 공급 라인(25)의 가스 유속은 내연 기관의 동력이 대략 27MW일 때 LNG 소비에 상당하는 1kg/s이다. 내연 기관은 엔진 유형, 엔진의 보어, 및 엔진의 실린더 수에 의존하여 대략 2MW 내지 90MW 범위에서 선박 추진 동력에 연관되어 있고, 연료 가스 소비율은 동력에 비례한다. 질소(N2)는 작동 유체로서 사용되고, 순환 라인(33)에서 작동 유체의 유속은 상기 예에서 1.7kg/s이다.
액화 가스 저장 탱크(4)에서 ag 지점의 액체 가스는 대략 1바의 압력, 대략 -161℃의 온도를 가지고, 대략 동일한 온도 및 압력은 제3 열 교환기(27)의 상류 직전인 bg 지점에서 탱크 출구 라인(26)의 연료 가스에 연관된다. 제3 열 교환기의 하류인 연료 가스 공급 라인(25)의 cg 지점에서 연료 가스는 대략 0.7바 내지 1바 범위의 압력 및 대략 -176℃의 온도를 갖는다. 적어도 하나의 연료 가스 펌프(29)의 가압 이후에, 연료 가스는 dg 지점에서 대략 300바의 압력 및 대략 -172℃의 온도를 가지고, 동일한 압력 및 온도는 예컨대, 제1 열 교환기(30)의 상류 직전인 지점에 형성된다. 제1 열 교환기의 하류인 fg 지점에서 연료 가스는 대략 300바의 압력 및 대략 -12℃의 온도를 갖고, 최종 열 교환기(31)의 하류인 gg지점에서 연료 가스는 대략 300바의 압력 및 대략 45℃의 온도를 갖는다.
저장부(34)의 i지점에서 작동 유체는 대략 5바의 압력 및 대략 -161℃의 온도를 가지고, 대략 동일한 온도 및 압력이 압축기(35)의 상류 직전인 h지점에 연관된다. 압축기(35)의 하류인 f지점에서 작동 유체는 대략 100바의 압력 및 대략 28℃의 온도를 갖는다. 제1 교환기(30)의 하류인 e 및 d지점에서 작동 유체는 대략 100바의 압력 및 대략 -152℃의 온도를 갖는다. 팽창 장치(36)의 하류인 c지점에서 작동 유체는 대략 5바의 압력 및 대략 -178℃의 온도를 갖고, 작동 유체의 일부분은 기체 상이다. 제3 열 교환기에서 액체 상의 일부는 증기화되고, 제3 열 교환기(30)의 하류인 b 및 a지점에서 작동 유체는 대략 5바의 압력 및 대략 -178℃의 온도를 갖는다. 제2 열 교환기(37)에서 작동 유체는 비등하고, 제2 열 교환기의 하류 및 저장부(34)의 i지점에서 작동 유체는 대략 5바의 압력 및 대략 -161℃의 온도를 갖는다.
이러한 유동 조건에서 압축기(35)는 310kw의 동력을 요구하고, 542kw는 작동 유체에서 제1 열 교환기(30)의 연료 가스로 전달되며, 60kw는 연료 가스에서 제3 열 교환기(30)의 작동 유체로 전달되고, 165kw는 연료 가스에서 제2 열 교환기(33)의 작동 유체로 전달된다.
제1 열 교환기(30)에서 작동 유체는 28℃의 온도로 유입되어 -152℃의 온도로 배출되지만, 연료 가스는 -171℃의 온도에서 역류로 유입되어 -12℃의 온도로 배출되고, 이에 따라, 두 유체 사이의 온도 차이가 열 교환기의 일 단부에서 40℃, 다른 단부에서 19℃이며, 열 교환기 내에서 온도 차이는 작아지지만 작동 유체는 열 교환기 내의 모든 지점에서 연료 가스보다 온도가 높다.
이하의 다른 실시예의 설명에서 전술한 실시예에 사용된 동일한 도면부호는 동일한 기능의 설명을 위해 사용되고, 제1 실시예에 대한 차이만 언급된다.
도 7의 제2 실시예에서, 팽창 장치(20)는 터빈이고, 작동 유체는 터빈이 샤프트에서 동력을 수신하면서 팽창된다. 터빈의 샤프트는 에너지를 절약하기 위해 가능하면 변속기를 통해 연료 가스 펌프의 샤프트에 연결된다.
도 8의 제3 실시예에서, 연료 가스 공급 라인(25)이 장착된 액화 가스 저장 탱크(4)는 비교적 작은 체적의 데이 탱크이어서, 수 일의 동작을 위한 것이 아닌 내연 기관(5)의 몇 시간 동작에 요구되는 연료 가스의 체적을 포함한다. 상기 데이 탱크는 크기가 작기 때문에 엔진 룸 근방에 설치가 용이하다. 큰 체적인 적어도 하나의 추가적인 액화 가스 저장 탱크(4)가 또한 설치되고, 제2 열 교환기(37)는 상기 탱크 내에 또한 설치되며, 순환 라인(33)에는 데이 탱크로 작용하는 액화 가스 저장 탱크(4)에서 제2 열 교환기(37)와 병렬로 제2 열 교환기를 연결하는 별도의 루프가 제공되고, 제어 밸브(41)는 개별적인 제2 열 교환기(37)에서 작동 유체의 유동을 제어하는 데에 사용된다. 서비스 펌프(43)를 구비한 연료 가스 공급 라인(42)은 큰 탱크의 내부 저면 근방에서 데이 탱크로 연장되고, 데이 탱크는 데이 탱크의 액체 레벨이 사전 설정값 미만일 때 서비스 펌프를 활성화시키는 센서 또는 레벨 제어 장치를 구비할 수 있어서 적절한 양의 액체 연료 가스가 데이 탱크에서 유지된다.
각 탱크의 제2 열 교환기(37)는 탱크의 가스 함량을 가스의 비등점보다 낮은 온도로 유지시킨다. 이에 따라, 탱크의 압력 레벨은 대략 1바의 주변 압력으로 유지될 수 있고, 가스의 증발이 방지된다. 따라서, 연료 가스 공급 시스템은 증발 가스를 사용하지 않고, 증발 가스 재-액화를 위한 장비가 구비되어 있지 않다. 액화 가스 저장 탱크(4)의 액체 가스 내용물은 전술한 온도와 같이 가스의 융점 근방의 낮은 온도로 냉각될 수 있고, 이에 따라 액체 가스의 온도가 서서히 상승하면서 정지된 내연 기관(5)의 주기를 허용한다. 탱크에의 열 유입은 서서히 발생하기 때문에, 탱크에서 비등 없이 최대 수일 동안 엔진을 정지시키는 것이 가능하다.
도 9의 제4 실시예에서, 제2 열 교환기(37)는 서 액화 가스 저장 탱크(4) 외부에 있는 일반적으로 도면부호 50으로 나타낸 액체 가스 유동 라인에 위치된다. 액체 가스 유동 라인은 제2 열 교환기(37)를 통과한다. 순환 펌프(46)가 제2 열 교환기(37)를 통해 유동하는 액화 가스를 초래한 이후에, 액체 가스 유동 라인은 내부 저면 근방의 액화 가스 저장 탱크(4) 하부로 연장되는 흡입 라인(44), 및 액화 가스를 탱크로 복귀시키는 전달 라인(45)을 통해 액화 가스 저장 탱크의 액화 가스와 연통한다. 또한, 액체 가스 유동 라인(50)은 하나의 탱크에서 다른 탱크로 액체 가스를 전달하는 라인일 수 있고, 서비스 펌프(43)를 구비한 연료 가스 공급 라인(42)으로 구현될 수 있다.
다른 실시예에서, 탱크 출구 라인을 적어도 하나의 연료 가스 펌프(29)의 입구에 직접 연결하고, 팽창 장치(36)의 출구를 제2 열 교환기에 직접 연결하는 것이 가능하므로, 제3 열 교환기는 생략 가능하다.
각각의 액화 가스 저장 탱크(4)에는 불활성 가스 소스를 탱크의 상부로 연결하는 불활성 가스 라인이 제공되고, 불활성 가스 라인에는 액화 가스 저장 탱크(4) 내의 주변 압력(대략 1atm 또는 1바)을 유지시키는 가감 밸브가 제공될 수 있다. 대안적으로 불활성 가스 라인은 가요성 벽을 갖는 불활성 가스 소스에 연결될 수 있고, 불활성 가스 소스의 위부는 주변에 개방되어 있어서, 모든 동작 조건 중에, 액화 가스가 비등점 미만으로 냉각될 때, 주변 압력은 불활성 가스 소스에, 이에 따라 액화 가스 저장 탱크(4)에 존재한다.
전술된 다양한 실시예에는 이러한 시스템에 사용되는 스톱 밸브 및 제어 밸브가 있고, 특히, 연료 가스 공급 라인(26)의 스톱 밸브 및 이러한 스톱 밸브는 개방 위치에 있을 때 적어도 하나의 연료 가스 펌프를 액화 가스 저장 탱크의 액화 가스에 연결할 수 있다.
연료 가스 공급 라인(26)은 연료 가스 공급 라인(26)의 외부 직경보다 큰 직경의 외부 파이프 령태로 보호될 수 있으며, 파이프 사이의 환형 공간은 통풍될 수 있고, 통풍 공기의 출구에 가스 누출 탐지기가 제공될 수 있다. 또한, 외부 파이프는 매우 낮은 온도를 갖는 표면과의 접촉으로부터 보호하는 역할을 한다.
설명된 다양한 실시예의 세부 사항은 특허청구범위의 범위 내에서 다른 실시예와 결합될 수 있다.

Claims (14)

  1. 액화 가스 저장 탱크(4), 연료 가스 공급 라인(25) 및 작동 유체를 구비한 열 교환 회로를 포함하는 내연 기관(5)용 연료 가스 공급 시스템으로,
    연료 가스 공급 라인은 액화 가스용 탱크 출구 라인(26), 내연 기관에 공급하는 연료 가스를 연료 가스 공급 압력으로 가압하는 적어도 하나의 연료 가스 펌프(29), 및 적어도 하나의 연료 가스 펌프의 하류에 위치되는 최종 열 교환기(31)를 포함하고,
    열 교환 회로는 압축기(35), 압축기 하류에 위치되는 제1 열 교환기(30), 팽창 장치(36), 및 팽창 장치(36)의 하류에 위치되는 제2 열 교환기를 적어도 포함하는, 연료 가스 공급 시스템에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연료 가스 펌프(29)는 액화 가스 저장 탱크(4)의 외부에 위치되고, 액화 가스용 탱크 출구 라인(26)을 통해 내부의 액화 가스에 연결될 수 있으며,
    상기 열 교환 회로의 제1 열 교환기(30)는 상기 연료 가스 펌프(29)와 최종 열 교환기(31) 사이의 연료 가스 공급 라인(25)으로 연결되고,
    상기 열 교환 회로의 제2 열 교환기(37)는 상기 액화 가스 저장 탱크(4) 또는 상기 액화 가스 저장 탱크(4)의 액화 가스와 연통하는 액체 가스 유동 라인(50)에 위치되며,
    상기 열 교환 회로에서 팽창 장치(36)의 하류와 상기 연료 가스 공급 라인에서 적어도 하나의 연료 가스 펌프(29)의 상류에 제3 열 교환기(27)가 위치되는 것을 특징으로 하는 연료 가스 공급 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료 가스 펌프(29)의 연료 가스 압력은 200바 내지 700바의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 연료 가스 공급 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료 가스 펌프(29)의 연료 가스 압력은 250바 내지 700바의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 연료 가스 공급 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압축기(35)는 작동 유체를 40바 내지 120바 범위의 최대 압력으로 압축하는 크기로 되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 가스 공급 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 팽창 장치(36)는 1바 내지 12바 범위의 하류 압력을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 가스 공급 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 팽창 장치(36)는 1바 내지 12바 범위의 하류 압력을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 가스 공급 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 액화 가스 저장 탱크(4)는 최대 3일의 연료 가스 소비량에 상당하는 액체 가스의 체적 용량을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 가스 공급 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 가스 공급 시스템은 적어도 두 개의 액화 가스 저장 탱크(4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 가스 공급 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 열 교환 회로(28)는 적어도 하나의 제2 열 교환기가 각각의 액화 가스 저장 탱크에 위치되도록 적어도 두 개의 액화 가스 저장 탱크(4)에 위치되는 적어도 두 개의 제2 열 교환기(37)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 가스 공급 시스템.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료 가스 공급 시스템은 선박에서 추진 기관으로서 작용하는 내연 기관(5)용인 것을 특징으로 하는 연료 가스 공급 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 선박은 컨테이너 선, 산적 화물선, 여객선, 오일 운반선, 대형 선박, 로로-선, 및 냉장선을 포함하는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 연료 가스 공급 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    바이 패스 라인(39)은 상기 제1 열 교환기(30)의 하류인 연료 가스 공급 라인(25)에서 액화 가스 저장 탱크(4)로 연장되며, 바이 패스 라인에는 바이 패스 펌프(40) 및 스톱 밸브가 제공되는 것을 특징으로 하는 연료 가스 공급 시스템.
  13. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액화 가스 저장 탱크(4)는 주변 압력에서 불활성 가스 소스로 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 가스 공급 시스템.
  14. 삭제
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