KR101895493B1 - 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; 복수의 제1압축기와 냉각기를 가지며, 증발가스를 제1엔진의 연료가스 공급조건에 맞게 압축하는 압축부; 저장탱크로부터 공급받은 증발가스와 압축된 증발가스 간 열교환을 수행하는 열교환부; 열교환부를 통과한 압축된 증발가스를 팽창시키는 팽창기; 및 팽창기에 의해 발생하는 회전력을 기초로 구동되는 제2압축기를 포함하고, 내부의 순환 냉매와 냉각기로 공급되는 열매체 간 열교환을 수행하여, 열매체의 온도를 설정온도에 맞게 낮추는 냉매공급부;를 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 운전 동력을 증가시킬 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 효율을 향상시킬 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스 및 상기 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크; 복수의 제1압축기와 냉각기를 가지며, 상기 증발가스를 제1엔진의 연료가스 공급조건에 맞게 압축하는 압축부; 상기 저장탱크로부터 공급받은 증발가스와 상기 압축된 증발가스 간 열교환을 수행하는 열교환부; 상기 열교환부를 통과한 압축된 증발가스를 팽창시키는 팽창기; 및 상기 팽창기에 의해 발생하는 회전력을 기초로 구동되는 제2압축기를 포함하고, 내부의 순환 냉매와 상기 냉각기로 공급되는 열매체 간 열교환을 수행하여, 상기 열매체의 온도를 설정온도에 맞게 낮추는 냉매공급부;를 포함하는 연료가스 공급시스템이 제공될 수 있다.
해수를 공급하는 해수공급부와, 상기 냉매공급부와 상기 냉각기를 연결하며, 상기 열교환된 열매체를 상기 냉각기로 공급하는 냉매공급라인를 더 포함하고, 상기 냉매공급부는 상기 제2압축기에 의해 압축된 내부의 순환 냉매를 상기 공급된 해수를 이용하여 냉각시키고, 상기 냉각된 순환 냉매를 팽창시키는 온도조절기를 더 포함하며, 상기 팽창된 순환 냉매와 상기 열매체 간 열교환을 수행할 수 있다.
상기 제2압축기는 상기 팽창기의 회전축과 연결되고, 상기 회전축의 회전력에 의해 구동될 수 있다.
상기 팽창기의 회전축과 연결되고, 상기 회전축의 회전력에 의해 전기를 생산하는 발전기를 더 포함하되, 상기 제2압축기는 상기 생산된 전기에 의해 구동될 수 있다.
상기 팽창된 증발가스를 기체 및 액체 성분으로 분리시키는 기액분리기와, 상기 저장탱크로부터 공급받은 증발가스를 상기 열교환부 및 상기 압축부를 거쳐 상기 제1엔진으로 공급하는 제1공급라인과, 상기 제1공급라인의 상기 압축부 후단으로부터 분기되어, 상기 열교환부, 상기 팽창기 및 상기 기액분리기를 연결하는 재액화라인과, 상기 기액분리기에 의해 분리된 기체 성분을 상기 제1공급라인의 상기 열교환부 전단으로 합류시키는 제1합류라인과, 상기 기액분리기에 의해 분리된 액체 성분을 상기 저장탱크로 공급하는 회수라인을 더 포함할 수 있다.
상기 재액화라인의 상기 열교환부 전단에 마련되어, 상기 압축부에 의해 압축된 증발가스를 감압시키는 조절밸브를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료가스 공급시스템은 운용 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 일 실시 예에 따른 연료가스 공급시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 다른 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 일 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(110)와, 복수의 제1압축기(121)와 냉각기(122)를 가지며, 증발가스를 제1엔진(E1)의 연료가스 공급조건에 맞게 압축하는 압축부(120)와, 저장탱크(110)로부터 공급받은 증발가스와 압축부(120)에 의해 압축된 증발가스 간 열교환을 수행하는 열교환부(130)와, 열교환부(130)를 통과한 압축된 증발가스를 팽창시켜 전기를 생산하는 팽창기(140)와, 해수를 공급하는 해수공급부(170)와, 팽창기(140)에 의해 발생하는 회전력을 기초로 구동되는 제2압축기(155)를 포함하고, 내부의 순환 냉매와 압축부(120)의 각각의 냉각기(122)로 공급되는 열매체 간 열교환을 수행하여, 열매체의 온도를 설정온도에 맞게 낮추는 냉매공급부(150)를 포함한다.
또, 연료가스 공급시스템(100)은 팽창기(140)에 의해 팽창된 증발가스를 기체 및 액체 성분으로 분리시키는 기액분리기(160)와, 저장탱크(110)로부터 공급받은 증발가스를 열교환부(130) 및 압축부(120)를 거쳐 제1엔진(E1)으로 공급하는 제1공급라인(L1)과, 제1공급라인(L1)의 압축부(120) 후단으로부터 분기되어, 열교환부(130), 팽창기(140) 및 기액분리기(160)를 연결하는 재액화라인(L2)과, 기액분리기(160)에 의해 분리된 기체 성분을 제1공급라인(L1)의 열교환부(130) 전단으로 합류시키는 제1합류라인(L3)과, 기액분리기(160)에 의해 분리된 액체 성분을 저장탱크(110)로 공급하는 회수라인(L4)을 포함할 수 있다.
여기서, 재액화라인(L2)의 열교환부(130) 전단에 압축부(120)에 의해 압축된 증발가스를 감압시키는 조절밸브(125)가 마련될 수 있다. 조절밸브(125)는 줄-톰슨(Joule Thomson) 밸브를 포함할 수 있다.
또, 연료가스 공급시스템(100)은 압축부(120) 내 설정 지점으로부터 분기되어, 압축부(120)에 의해 압축된 증발가스를 제2엔진(E2)으로 공급하는 제2공급라인(L5)과, 제2공급라인(L5)으로부터 분기되어 연소장치(180)와 연결된 연소라인(L6)을 포함한다.
이하, 연료가스 공급시스템(100)의 각 구성에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.
상술한 저장탱크(110)는 단열상태를 유지하면서 연료를 액화상태로 저장하는 멤브레인형 탱크, SPB형 탱크 등을 포함할 수 있다. 저장탱크(110)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(110) 내부압력은 저장하는 액화가스가 LNG일 경우 상압보다 약간 높은 압력으로 유지될 수 있다. 저장탱크(110) 내부온도는 LNG가 액화상태로 유지될 수 있도록 저장탱크(110)의 유지압력에서의 평형상태 온도(예컨대 ―163℃)로 유지될 수 있다. 저장탱크(110)에 저장된 액화가스의 증발가스는 제1공급라인(L1)을 통해 열교환부(130) 및 압축부(120)를 거쳐 제1엔진(E1)으로 공급된다. 이때, 제1엔진(E1)이 필요로 하는 연료 소모량보다 많은 압축된 증발가스가 공급된 경우, 잉여분의 압축된 증발가스는 재액화라인(L2)으로 흘러갈 수 있다.
압축부(120)는 교대로 배치된 복수의 제1압축기(121)와 냉각기(122)를 포함하도록 구성될 수 있으며, 저장탱크(110)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.
재액화라인(L2)은 제1공급라인(L1)의 압축부(120) 후단으로부터 분기되어, 열교환부(130), 팽창기(140) 및 기액분리기(160)를 연결한다. 이때, 압축부(120)에 의해 압축된 증발가스는 재액화라인(L2) 상의 조절밸브(125)에 의해 감압된 상태에서 열교환부(130)로 공급될 수 있다.
열교환부(130)는 저장탱크(110)로부터 공급받은 증발가스와 압축부(120)를 통과한 후 조절밸브(125)에 의해 감압된 증발가스 간 열교환을 수행하고, 열교환부(130)에 의해 열교환된 감압된 증발가스는 팽창기(140)로 공급된다.
팽창기(140)는 해당 증발가스를 팽창시키며, 팽창기(140)의 회전축(X)은 냉매공급부(150) 내의 제2압축기(155)와 연결되어 회전력을 전달할 수 있다. 즉, 압축부(120)에 의해 압축된 후 열교환부(130)를 통과한 증발가스의 압력은 팽창기(140)에 의해 더욱 낮아지게 된다.
냉매공급부(150) 내의 제2압축기(155)는 팽창기(140)로부터 전달된 회전력에 의해 구동되며, 냉매공급부(150) 내부에서 순환하는 냉매(순환 냉매)를 압축시킨다.
냉매공급부(150)의 온도조절기(157)는 제2압축기(155)에 의해 압축된 순환 냉매를 해수공급부(170)로부터 공급된 해수를 이용하여 냉각시키고, 냉각된 순환 냉매를 팽창시킨다. 이때, 온도조절기(157) 내부에는 제2압축기(155)에 의해 압축된 순환 냉매를 해수공급부(170)로부터 공급된 해수를 이용하여 냉각시키는 냉각기(미도시)와, 냉각기(미도시)에 의해 냉각된 순환 냉매를 팽창시키는 팽창기(미도시)가 마련될 수 있다.
냉매공급부(150)는 온도조절기(157)에 의해 팽창된 순환 냉매를 냉매공급라인(L8)을 통해 압축부(120)의 냉각기(122)로 공급되는 열매체와 열교환시켜, 해당 열매체의 온도를 설정온도에 맞게 낮출 수 있다. 이러한 열매체가 냉각기(122)로 공급되어 냉각기(122)의 냉매로 이용됨으로써, 압축부(120)의 압축 효율 및 운전 동력을 감소시킬 수 있다. 열매체는 펌프(미도시)에 의해 제공되는 물 등을 포함할 수 있다.
기액분리기(160)는 팽창기(140)를 통과하여 팽창된 증발가스를 기체 및 액체 성분으로 분리시키고, 기액분리기(160)에 의해 분리된 기체 성분은 제1합류라인(L3)에 의해 제1공급라인(L1)의 열교환부(130) 전단으로 합류되고, 기액분리기(160)에 의해 분리된 액체 성분은 회수라인(L4)에 의해 저장탱크(110)로 공급된다.
제2공급라인(L5)은 압축부(120) 내 설정 지점으로부터 분기되어, 압축부(120)에 의해 압축된 증발가스를 제2엔진(E2)으로 공급한다. 제2엔진(E2)은 DFDE(Dual Fuel Disel Electric) 엔진 등과 같은 저압(약 5~8bar)의 분사엔진일 수 있다.
이때, 제2엔진(E2)이 필요로 하는 연료 소모량보다 많은 압축된 증발가스가 공급된 경우, 잉여분의 압축된 증발가스는 연소라인(L6)을 통해 연소장치(180)로 흘러가 연소될 수 있다.
연소장치(180)는 잉여분의 압축된 증발가스를 연소시키며, 연소된 증발가스는 오프 로딩 시 저장탱크(110) 내의 이너팅(Inerting) 작업에 사용될 불활성 가스로 사용될 수 있다.
한편, 도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료가스 공급시스템(100)에서, 팽창기(140)의 회전축(X)과 연결되고, 해당 회전축(X)의 회전력에 의해 전기를 생산하는 발전기(145)가 마련될 수 있다. 이 경우, 냉매공급부(150) 내의 제2압축기(155)는 발전기(145)에 의해 생산된 전기를 에너지라인(L7)을 통해 공급받아 구동될 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.
110: 저장탱크 120: 압축부
125: 조절밸브 130: 열교환부
140: 팽창기 145: 제2압축기
150: 냉매공급부 157: 온도조절기
160: 기액분리기 170: 해수공급부
L1: 제1공급라인 L2: 재액화라인
L3: 제1합류라인 L4: 회수라인
L5: 제2공급라인 L6: 연소라인
L7: 에너지라인 L8: 냉매공급라인

Claims (6)

  1. 액화가스 및 상기 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크;
    복수의 제1압축기와 냉각기를 가지며, 상기 증발가스를 제1엔진의 연료가스 공급조건에 맞게 압축하는 압축부;
    상기 저장탱크로부터 공급받은 증발가스와 상기 압축된 증발가스 간 열교환을 수행하는 열교환부;
    상기 열교환부를 통과한 압축된 증발가스를 팽창시키는 팽창기;
    상기 팽창기에 의해 발생하는 회전력을 기초로 구동되는 제2압축기와, 상기 제2압축기에 의해 압축된 내부의 순환 냉매를 해수를 이용하여 냉각시키고, 열매체의 온도를 설정온도에 맞게 낮추기 위해 상기 냉각된 순환 냉매를 팽창시켜 상기 열매체와 열교환시키는 온도조절기를 포함하는 냉매공급부;
    상기 해수를 공급하는 해수공급부; 및
    상기 냉매공급부와 상기 냉각기를 연결하며, 상기 열교환된 열매체를 상기 냉각기의 냉매로 공급하는 냉매공급라인;을 포함하는 연료가스 공급시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2압축기는 상기 팽창기의 회전축과 연결되고,
    상기 회전축의 회전력에 의해 구동되는 연료가스 공급시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 팽창기의 회전축과 연결되고, 상기 회전축의 회전력에 의해 전기를 생산하는 발전기를 더 포함하되,
    상기 제2압축기는 상기 생산된 전기에 의해 구동되는 연료가스 공급시스템.
  5. 액화가스 및 상기 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크;
    복수의 제1압축기와 냉각기를 가지며, 상기 증발가스를 제1엔진의 연료가스 공급조건에 맞게 압축하는 압축부;
    상기 저장탱크로부터 공급받은 증발가스와 상기 압축된 증발가스 간 열교환을 수행하는 열교환부;
    상기 열교환부를 통과한 압축된 증발가스를 팽창시키는 팽창기;
    상기 팽창기에 의해 발생하는 회전력을 기초로 구동되는 제2압축기를 포함하고, 내부의 순환 냉매와 상기 냉각기로 공급되는 열매체 간 열교환을 수행하여, 상기 열매체의 온도를 설정온도에 맞게 낮추는 냉매공급부;
    상기 팽창된 증발가스를 기체 및 액체 성분으로 분리시키는 기액분리기;
    상기 저장탱크로부터 공급받은 증발가스를 상기 열교환부 및 상기 압축부를 거쳐 상기 제1엔진으로 공급하는 제1공급라인;
    상기 제1공급라인의 상기 압축부 후단으로부터 분기되어, 상기 열교환부, 상기 팽창기 및 상기 기액분리기를 연결하는 재액화라인;
    상기 기액분리기에 의해 분리된 기체 성분을 상기 제1공급라인의 상기 열교환부 전단으로 합류시키는 제1합류라인; 및
    상기 기액분리기에 의해 분리된 액체 성분을 상기 저장탱크로 공급하는 회수라인;을 포함하는 연료가스 공급시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 재액화라인의 상기 열교환부 전단에 마련되어, 상기 압축부에 의해 압축된 증발가스를 감압시키는 조절밸브를 더 포함하는 연료가스 공급시스템.
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