KR101915046B1

KR101915046B1 - 선박의 연료 공급장치

Info

Publication number: KR101915046B1
Application number: KR1020170118497A
Authority: KR
Inventors: 송용석; 김재관
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2017-09-15
Filing date: 2017-09-15
Publication date: 2018-11-05

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의해 선박의 연료 공급장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 연료 공급장치는, 액화가스를 저장하는 연료탱크와, 연료탱크와 제1 연소기관을 연결하며 연료탱크에 저장된 액화가스를 압축하여 제1 연소기관으로 공급하는 제1 액화가스공급라인과, 제1 액화가스공급라인에서 설치되어 액화가스를 가열하는 제1 가열기와, 연료탱크로부터 공급되는 액화가스를 제1 가열기로부터 우회하여 제1 연소기관으로 공급하는 제2 액화가스공급라인과, 제2 액화가스공급라인에 설치되며 제1 가열기보다 높은 온도로 액화가스를 가열하는 제2 가열기, 및 연료탱크와 제2 연소기관을 연결하며 연료탱크에서 액화가스가 자연 증발하여 생성된 증발가스를 제2 연소기관으로 공급하는 증발가스공급라인을 포함할 수 있다.

Description

선박의 연료 공급장치{Fuel supply system for vessel}

본 발명은 선박의 연료 공급장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진 등을 냉각 후 배출되는 냉각수를 액화가스의 가열원으로 사용함으로써 보다 효율적인 운용이 가능한 선박의 연료 공급장치에 관한 것이다.

일반적으로, 액화천연가스(LNG: Liquefied Natural Gas)나 액화석유가스(LPG; Liquefied Petroleum Gas) 등의 액화가스는 천연가스 혹은 석유가스를 극저온(LNG의 경우 약 -163℃, LPG의 경우 약 -47℃)으로 냉각하여 얻어지며, 환경 오염물질의 배출이 적어 친환경 연료로 대두되고 있다. 특히, 액화석유가스를 선박의 연료로 사용할 경우, 종래에 선박유로 사용되는 중유(HFO; Heavy Fuel oil) 대비 황산화물(SOx)은 99%, 질소산화물(NOx)은 15~20% 적게 배출하며, 미세분진과 이산화탄소 배출량도 감소시킬 수 있다. 또한, 연료비가 저렴할 뿐만 아니라 연료의 이동 및 공급이 용이하며, 타 가스체 대비 연료탱크 등의 초기설비 투자비용도 적게 들어, 액화가스를 연료로 사용하는 선박의 개발이 활발하게 이루어지고 있는 실정이다.

한편, 액화가스는 극저온으로 냉각하여 부피를 현저하게 줄인 상태이므로, 연료로 공급하기 전 가열하여 연소기관에서 요구하는 온도 및 압력으로 높일 필요가 있다.

이에, 연료탱크에 저장된 액화가스를 연소기관에서 요구하는 온도 및 압력으로 용이하게 높일 수 있는 장치가 필요하게 되었다.

대한민국 공개특허 제10-2014-0052886호 (2014. 05. 07.)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 엔진 등을 냉각 후 배출되는 냉각수를 액화가스의 가열원으로 사용함으로써 보다 효율적인 운용이 가능한 선박의 연료 공급장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 선박의 연료 공급장치는, 액화가스를 저장하는 연료탱크와, 상기 연료탱크와 제1 연소기관을 연결하며, 상기 연료탱크에 저장된 상기 액화가스를 압축하여 상기 제1 연소기관으로 공급하는 제1 액화가스공급라인과, 상기 제1 액화가스공급라인에서 설치되어 상기 액화가스를 가열하는 제1 가열기와, 상기 연료탱크로부터 공급되는 상기 액화가스를 상기 제1 가열기로부터 우회하여 상기 제1 연소기관으로 공급하는 제2 액화가스공급라인과, 상기 제2 액화가스공급라인에 설치되며 상기 제1 가열기보다 높은 온도로 상기 액화가스를 가열하는 제2 가열기, 및 상기 연료탱크와 제2 연소기관을 연결하며, 상기 연료탱크에서 상기 액화가스가 자연 증발하여 생성된 증발가스를 상기 제2 연소기관으로 공급하는 증발가스공급라인을 포함한다.

상기 제2 액화가스공급라인은, 양단이 상기 제1 가열기의 전단과 후단에 각각 연결되어 상기 제1 액화가스공급라인을 통하여 유동하는 상기 액화가스 중 일부를 우회하여 상기 제1 연소기관으로 공급할 수 있다.

상기 선박의 연료 공급장치는, 상기 제1 연소기관과 상기 제2 연소기관 중 적어도 하나에서 배출되는 냉각수가 유동하며, 상기 제1 가열기와 상기 제2 가열기를 경유하여 상기 제1 연소기관과 상기 제2 연소기관 중 적어도 하나로 연결되는 냉각수순환라인을 더 포함할 수 있다.

상기 선박의 연료 공급장치는, 상기 냉각수순환라인에 설치되어 상기 냉각수를 냉각시키는 냉각장치를 더 포함하고, 상기 냉각수수순환라인은, 상기 냉각장치로부터 연장되어 상기 제1 가열기를 경유하여 상기 제1 연소기관 또는 상기 제2 연소기관으로 연결되는 제1 냉각수순환라인과, 상기 제1 연소기관 또는 상기 2 연소기관으로부터 연장되어 상기 제2 가열기를 경유하여 상기 냉각장치로 연결되는 제2 냉각수순환라인을 포함할 수 있다.

상기 선박의 연료 공급장치는, 상기 제2 냉각수순환라인 상에 설치되며 상기 제1 연소기관 또는 상기 제2 연소기관으로 유입되는 흡기관과 열교환하여 상기 흡기관 내부를 유동하는 연소용 공기를 냉각하는 제1 인터쿨러와, 상기 제1 냉각수순환라인 상에 설치되며 상기 제1 연소기관 또는 상기 제2 연소기관으로 유입되는 상기 흡기관과 열교환하여 상기 연소용 공기를 냉각하는 제2 인터쿨러를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 인터쿨러는 터보과급기를 통과한 상기 연소용 공기를 1차 냉각하고, 상기 제2 인터쿨러는 상기 제1 인터쿨러를 통과한 상기 연소용 공기를 2차 냉각할 수 있다.

상기 선박의 연료 공급장치는, 상기 제2 가열기 후단의 상기 제2 액화가스공급라인으로부터 분지되어 상기 증발가스공급라인에 연결되며, 제1 감압밸브가 설치되어 상기 제2 가열기를 통과한 상기 액화가스를 감압하여 공급하는 액화가스감압라인을 더 포함할 수 있다.

상기 선박의 연료 공급장치는, 상기 제1 감압밸브 후단의 상기 액화가스감압라인에 설치되는 기액분리기와, 상기 기액분리기에 연결되어 액상 성분을 상기 연료탱크로 회수하는 액화가스회수라인을 더 포함하고, 상기 증발가스공급라인은 상기 기액분리기에 연결되어 상기 기액분리기로부터 기상 성분을 공급받을 수 있다.

상기 선박의 연료 공급장치는, 상기 기액분리기와 상기 제2 연소기관 사이의 상기 증발가스공급라인 상에 설치되어 상기 증발가스를 감압하는 제2 감압밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 감압밸브는 상기 액화가스를 상기 연료탱크의 압력보다 높은 압력으로 감압할 수 있다.

상기 연료탱크는 내부 압력이 상기 제2 연소기관과 상기 제1 연소기관 사이의 압력으로 유지될 수 있다.

본 발명에 따르면, 엔진 등을 냉각 후 배출되는 냉각수를 액화가스의 가열원으로 사용함으로써, 별도의 가열원을 생성하기 위한 비용을 절감할 수 있어 시스템의 효율적인 운용이 가능하다. 특히, 온도대가 서로 다른 냉각수로 액화가스를 가열할 수 있어, 요구하는 온도 및 압력이 서로 다른 연소기관에 대응하여 액화가스를 용이하게 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선박의 연료 공급장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 냉각수순환라인을 확대하여 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 6은 선박의 연료 공급장치의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 선박의 연료 공급장치에 관하여 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 선박의 연료 공급장치는 선박에 액화가스를 연료로 공급하기 위한 것으로, 예를 들어, LPG 추진선, LNG 추진선 등에 적용될 수 있다.

선박의 연료 공급장치는 엔진 등을 냉각 후 배출되는 냉각수를 액화가스의 가열원으로 사용함으로써, 별도의 가열원을 생성하기 위한 비용을 절감할 수 있어 시스템의 효율적인 운용이 가능하다. 특히, 온도대가 서로 다른 냉각수로 액화가스를 가열할 수 있어, 요구하는 온도 및 압력이 서로 다른 연소기관에 대응하여 액화가스를 용이하게 제공할 수 있는 특징이 있다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 선박의 연료 공급장치(1)에 관하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선박의 연료 공급장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 냉각수순환라인을 확대하여 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 선박의 연료 공급장치(1)는 연료탱크(10)와, 제1 액화가스공급라인(20)과, 제1 가열기(30)와, 제2 액화가스공급라인(40)과, 제2 가열기(50)와, 증발가스공급라인(60)을 포함한다.

연료탱크(10)는 선박의 연료로 사용될 액화가스를 저장하는 탱크로, 적어도 하나 이상이 구비될 수 있다. 여기서, 액화가스라 함은, 가스 상태의 화합물이나 혼합물을 냉각하거나 압축하여 액화(液化)한 가스로, 예를 들어, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas; LNG)나 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas, LPG)일 수 있다. 연료탱크(10)는 외부로부터 전달되는 열에 의한 액화가스의 기화를 최소화하기 위해 밀봉 및 단열 처리되며, 예를 들어, 국제해사기구(International Maritime Organization; IMO)의 압력식 C-타입 탱크일 수 있다. 연료탱크(10)가 압력식 C-타입 탱크인 경우, 운전 압력이 멤브레인(membrane) 탱크에 비해 높아 액화가스가 자연 기화하여 생성된 증발가스를 외부로 배출하지 않고 내부에 저장할 수 있다. 다시 말해, 증발가스의 저장에 따른 압력 및 온도 증가를 허용 범위 내에서 버텨낼 수 있을 뿐만 아니라 허용할 수 있는 범위도 커 더 많은 양의 증발가스를 더 오랜 시간동안 저장할 수 있다. 그러나, 연료탱크(10)가 압력식 C-타입 탱크인 것으로 한정될 것은 아니며, 다양한 종류의 압력식 탱크로 변형될 수 있다.

연료탱크(10)의 일 측에는 제1 액화가스공급라인(20)이 연결된다.

제1 액화가스공급라인(20)은 연료탱크(10)와 제1 연소기관(C1)을 연결하여 연료탱크(10)에 저장된 액화가스를 제1 연소기관(C1)으로 공급하는 라인으로, 일단이 연료탱크(10) 하부에 배치되고 타단이 제1 연소기관(C1)에 연결될 수 있다. 여기서, 제1 연소기관(C1)이라 함은, 선박의 추진에 필요한 동력을 생성하는 메인 엔진일 수 있다. 제1 액화가스공급라인(20) 상에는 적어도 하나의 고압펌프(21)가 설치되어 액화가스를 압축하여 제1 연소기관(C1)에 공급할 수 있다. 예를 들어, 연료탱크(10)는 내부 압력이 약 8bar 정도로 유지될 수 있으며, 고압펌프(21)는 약 8 bar의 액화가스를 약 50 bar 정도로 가압하여 압축할 수 있다. 이 때, 연료탱크(10) 내부에 저장된 액화가스가 액화석유가스인 경우, 고압펌프(21)에 의해 가압되어 약 23℃에서 약 27.5℃로 승온될 수 있다. 도면 상에는 고압펌프(21)가 단일 개로 형성되어 연료탱크(10) 외부에 배치된 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 예를 들어, 고압펌프(21)는 복수 개로 형성될 수도 있고, 연료탱크(10) 내부에 배치될 수도 있다. 제1 액화가스공급라인(20) 상에는 제1 가열기(30)도 설치된다.

제1 가열기(30)는 압축된 액화가스를 제1 연소기관(C1)에서 요구하는 온도로 가열하는 것으로, 고압펌프(21) 후단에 배치될 수 있다. 제1 가열기(30)는 후술할 냉각수순환라인(70)을 유동하는 냉각수와 액화가스의 열교환을 통해 액화가스를 가열하며, 예를 들어, 고압펌프(21)에 의해 약 27.5℃로 승온된 액화가스를 약 35℃로 가열할 수 있다. 즉, 연료탱크(10) 내부에 저장된 약 23℃, 8 bar의 액화가스는 고압펌프(21)에 의해 약 27.5℃, 50 bar로 승온 및 가압된 후, 제1 가열기(30)에 의해 가열되어 약 35℃, 50 bar 상태로 제1 연소기관(C1)에 공급될 수 있다. 그러나, 이에 한정될 것은 아니며, 고압펌프(21)의 압축 압력, 및 제1 가열기(30)의 가열 온도는 필요에 따라 가감될 수 있다.

제1 액화가스공급라인(20)의 일 측에는 제2 액화가스공급라인(40)이 분지된다.

제2 액화가스공급라인(40)은 연료탱크(10)로부터 공급되는 액화가스를 제1 가열기(30)로부터 우회하여 제1 연소기관(C1)으로 공급하는 라인으로, 양단이 제1 가열기(30)의 전단과 후단에 각각 연결되어 제1 액화가스공급라인(30)을 통하여 유동하는 액화가스 중 일부를 우회시킬 수 있다. 여기서, 제1 가열기(30)의 전단이라 함은, 제1 액화가스공급라인(20)을 따라 유동한 액화가스가 제1 가열기(30)로 유입되는 입구 측을 의미하고, 제1 가열기(30)의 후단이라 함은, 제1 가열기(30)에서 가열된 액화가스가 배출되는 출구 측을 의미한다. 다시 말해, 제2 액화가스공급라인(40)은 일단이 고압펌프(21)와 제1 가열기(30) 사이의 제1 액화가스공급라인(20)에 연결되고, 타단이 제1 가열기(30) 후단의 제1 액화가스공급라인(20)에 연결된다. 제1 액화가스공급라인(20)과 제2 액화가스공급라인(40)의 연결 지점에는 액화가스의 유동을 제어하는 제어밸브가 마련될 수 있다. 제2 액화가스공급라인(40) 상에는 제2 가열기(50)가 설치된다.

제2 가열기(50)는 압축된 액화가스를 제1 가열기(30)보다 높은 온도로 가열하는 것으로, 제1 가열기(30)와 같이, 냉각수순환라인(70)을 유동하는 냉각수와 액화가스의 열교환을 통해 액화가스를 가열할 수 있다. 예를 들어, 제2 가열기(50)는 고압펌프(21)에 의해 약 27.5℃로 승온된 액화가스를 약 80℃로 가열할 수 있다. 즉, 연료탱크(10) 내부에 저장된 약 23℃, 8 bar의 액화가스는 고압펌프(21)에 의해 약 27.5℃, 50 bar로 승온 및 가압된 후, 일부가 제1 가열기(30)에 의해 가열되어 약 35℃, 50 bar로 승온되고, 나머지 일부가 제2 가열기(50)에 의해 가열되어 약 80℃, 50 bar로 승온될 수 있다. 전술한 바와 같이, 제2 액화가스공급라인(40)은 타단이 제1 가열기(30) 후단의 제1 액화가스공급라인(20)에 연결되므로, 제2 가열기(50)에 의해 승온된 액화가스는 제1 가열기(30)에 의해 승온된 액화가스에 합류되어 제1 연소기관(C1)에 공급될 수 있다. 이 때, 제2 액화가스공급라인(40) 후단의 제1 액화가스공급라인(20)은 제1 가열기(30)를 통과한 액화가스와 제2 가열기(50)를 통과한 액화가스가 합류되어 공급될 수 있도록 관 직경이 확장 형성될 수 있다.

제2 가열기(50)가 압축된 액화가스를 제1 가열기(30)보다 높은 온도로 가열함으로써, 후술할 제1 감압밸브(81)에서 액화가스의 기화가 용이하게 이루어질 수 있으며, 제1 연소기관(C1)에서 소비되는 연료량이 기준량보다 많은 경우에도 액화가스의 공급이 원활하게 이루어질 수 있다. 제1 가열기(30)와 제2 가열기(50)는 가열할 수 있는 액화가스의 양이 각각 정해져 있으므로, 제1 가열기(30) 또는 제2 가열기(50)에 공급되는 액화가스의 양을 증가시키더라도 가열된 후 배출되는 액화가스의 양은 일정하다. 고압펌프(21)에서 압축된 액화가스 중 일부가 제1 가열기(30)에서 가열되고, 나머지 일부가 분지되어 제2 가열기(50)에서 가열된 후 제1 액화가스공급라인(20)을 유동하는 액화가스의 흐름에 합류됨에 따라, 제1 연소기관(C1)로 공급되는 연료량을 증가시킬 수 있다.

또한, 연료탱크(10)의 일 측에는 증발가스공급라인(60)이 연결된다.

증발가스공급라인(60)은 연료탱크(10)와 제2 연소기관(C2)을 연결하여 연료탱크(10)에서 액화가스가 자연 증발하여 생성된 증발가스를 제2 연소기관(C2)에 공급하는 라인으로, 일단이 연료탱크(10) 상부에 배치되고 타단이 제2 연소기관(C2)에 연결될 수 있다. 여기서, 제2 연소기관(C2)이라 함은, 선박 내부에 설치된 각종 장치 및 설비에 전력을 공급하기 위한 발전용 엔진일 수 있으며, 요구하는 압력범위가 약 5~6 bar로 제1 연소기관(C1)보다 낮을 수 있다. 다시 말해, 제1 연소기관(C1)은 요구하는 압력범위가 약 50 bar 정도로 제2 연소기관(C2)보다 높고, 연료탱크(10)는 내부 압력이 제2 연소기관(C2)과 제1 연소기관(C1) 사이의 압력, 예를 들어, 약 8 bar 정도로 유지될 수 있다. 연료탱크(10)의 내부 압력이 제2 연소기관(C2)과 제1 연소기관(C1) 사이의 압력으로 유지됨으로써, 증발가스공급라인(60) 상에 증발가스를 가압하기 위한 별도의 펌프장치를 구비하지 않아도 증발가스의 공급이 원활하게 이루어질 수 있다. 또한, 펌프장치가 생략됨에 따라 이에 따른 설치 및 유지 비용을 절감할 수 있으며, 장치를 간단하게 구성할 수 있다.

전술한 바와 같이, 제1 가열기(30)와 제2 가열기(50)는 냉각수순환라인(70)을 유동하는 냉각수와 액화가스의 열교환을 통해 액화가스를 가열할 수 있다. 냉각수순환라인(70)은 제1 연소기관(C1)과 제2 연소기관(C2) 중 적어도 하나에서 배출된 냉각수가 유동하는 라인으로, 제1 가열기(30)와 제2 가열기(50)를 각각 경유하여 제1 연소기관(C1)과 제2 연소기관(C2) 중 적어도 하나로 연결될 수 있다. 냉각수순환라인(70)이 제1 가열기(30)와 제2 가열기(50)를 각각 경유함으로써, 제1 연소기관(C1) 또는 제2 연소기관(C2)을 냉각하고 배출된 고온의 냉각수가 액화가스의 가열원으로 사용될 수 있으며, 이로 인해, 별도의 가열원을 생성하기 위한 비용을 절감할 수 있어 시스템의 효율적인 운용이 가능하다. 또한, 간단한 장치 구성으로 시스템을 구현할 수 있어 종래의 시스템에 적용이 용이하며, 좁은 선박 내 공간 활용도를 극대화할 수 있다.

냉각수순환라인(70) 상에는 냉각수를 냉각시키는 냉각장치(C3)가 설치되며, 냉각수순환라인(70)은 제1 냉각수순환라인(71)과 제2 냉각수순환라인(72)을 포함한다. 제1 냉각수순환라인(71)은 냉각장치(C3)로부터 연장되어 제1 가열기(30)를 경유하여 제1 연소기관(C1) 또는 제2 연소기관(C2)으로 연결되는 라인으로, 상대적으로 저온의 냉각수가 유동할 수 있다. 제2 냉각수순환라인(72)은 제1 연소기관(C1) 또는 제2 연소기관(C2)으로부터 연장되어 제2 가열기(50)를 경유하여 냉각장치(C3)로 연결되는 라인으로, 상대적으로 고온의 냉각수가 유동할 수 있다.

도 2를 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 제2 냉각수순환라인(72) 상에는 제1 인터쿨러(TI1)가 설치되며, 제1 인터쿨러(TI1)는 흡기관(A)과 열교환하여 터보과급기(T)에서 압축 후 승온되어 제1 연소기관(C1) 또는 제2 연소기관(C2)으로 유입되는 연소용 공기를 냉각한다. 제1 냉각수순환라인(71) 상에는 제2 인터쿨러(TI2)가 설치되며, 제2 인터쿨러(TI2)는 제1 연소기관(C1) 또는 제2 연소기관(C2)으로 유입되는 흡기관(A)과 열교환하여 연소용 공기를 냉각한다. 이 때, 제1 인터쿨러(TI1)는 터보과급기(T)의 압축기(TC)를 통과한 연소용 공기를 1차 냉각하고, 제2 인터쿨러(TI2)는 제1 인터쿨러(TI1)를 통과한 연소용 공기를 2차 냉각할 수 있다. 다시 말해, 제1 연소기관(C1) 또는 제2 연소기관(C2)을 냉각시킨 후 배출된 냉각수는 제2 냉각수순환라인(72)을 통해 유동하며 제1 인터쿨러(TI1)에서 흡기관(A)과 열교환한 후 제2 가열기(50)를 경유하여 냉각장치(C3)로 유입되고, 냉각장치(C3)에서 냉각된 후 배출된 냉각수는 제1 냉각수순환라인(71)을 통해 유동하며 제2 인터쿨러(TI2)에서 흡기관(A)과 열교환한 후 제1 가열기(30)를 경유하여 제1 연소기관(C1) 또는 제2 연소기관(C2)으로 유입될 수 있다.

제1 연소기관(C1) 또는 제2 연소기관(C2)으로 흡입되는 연소용 공기는 터보과급기(T)의 압축기(TC)에서 고압으로 압축된 후 공급된다. 이 때, 압축기(TC)에서 급속으로 압축된 공기는 온도가 높아져 팽창하고 산소 밀도가 떨어져 제1 연소기관(C1) 또는 제2 연소기관(C2)의 출력을 저하시킬 수 있다. 이를 방지하기 위해, 압축기(TC)에서 고온 고압으로 압축된 연소용 공기를 제1 인터쿨러(TI1)와 제2 인터쿨러(TI2)에서 냉각하여 산소 밀도를 높인 후 공급하고 있다. 즉, 터보과급기(T)의 압축기(TC)에서 고온 고압으로 압축된 연소용 공기는 제1 인터쿨러(TI1)를 통과하며 1차 냉각되고, 제2 인터쿨러(TI2)를 통과하며 2차 냉각된 후 제1 연소기관(C1) 또는 제2 연소기관(C2)에 공급된다.

제2 냉각수순환라인(72)은 제2 가열기(50)를 경유하기 전에 제1 인터쿨러(TI1)에서 흡기관(A)과 열교환하여, 고온 고압으로 압축된 연소용 공기와 냉각수를 열교환한다. 제2 냉각수순환라인(72)이 제1 인터쿨러(TI1)에서 흡기관(A)과 열교환함으로써, 연소용 공기는 1차로 냉각되고 냉각수는 고온으로 상승될 수 있다. 제1 인터쿨러(TI1)에서 흡기관(A)과 열교환한 후에 제2 냉각수순환라인(72)은 제2 가열기(50)를 경유하여 고온의 냉각수와 액화가스를 열교환한다. 제1 인터쿨러(TI1)에서 연소용 공기와 열교환을 통해 고온으로 상승된 냉각수가 제2 가열기(50)에서 액화가스와 열교환함으로써, 액화가스는 고온으로 가열되고 냉각수는 온도가 저하될 수 있다. 온도가 저하된 냉각수는 냉각장치(C3)로 공급되어 냉각된 후 제1 냉각수순환라인(71)을 통해 배출된다.

제1 냉각수순환라인(71)은 제1 가열기(30)를 경유하기 전에 제2 인터쿨러(TI2)에서 흡기관(A)과 열교환하여, 제1 인터쿨러(TI1)에서 1차로 냉각된 연소용 공기와 냉각수를 열교환한다. 제1 냉각수순환라인(71)이 제2 인터쿨러(TI2)에서 흡기관(A)과 열교환함으로써, 연소용 공기는 2차로 냉각되고 냉각수는 온도가 상승될 수 있다. 전술한 바와 같이, 연소용 공기는 제1 인터쿨러(TI1)에서 1차로 냉각된 상태이므로, 냉각수는 온도가 제1 인터쿨러(TI1)를 경유할 때 보다 낮은 온도로 상승할 수 있다. 제2 인터쿨러(TI2)에서 흡기관(A)과 열교환한 후에 제1 냉각수순환라인(71)은 제1 가열기(30)를 경유하여 온도가 상승한 냉각수와 액화가스를 열교환한다. 제2 인터쿨러(TI2)에서 연소용 공기와 열교환을 통해 온도가 상승한 냉각수가 제1 가열기(30)에서 액화가스와 열교환함으로써, 액화가스는 가열되고 냉각수는 냉각될 수 있다. 전술한 바와 같이, 냉각수는 제1 인터쿨러(TI1)를 경유할 때 보다 낮은 온도로 상승하므로, 액화가스는 제2 가열기(50)에서 가열되는 액화가스보다 낮은 온도로 가열될 수 있다. 이와 같이, 온도대가 서로 다른 냉각수를 이용하여 제1 가열기(30)와 제2 가열기(50)에서 각각 액화가스를 가열함으로써, 요구하는 온도 및 압력이 서로 다른 제1 연소기관(C1)과 제2 연소기관(C2)에 대응하여 액화가스를 용이하게 제공할 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 제2 냉각수순환라인(72)의 일 측에는 우회라인(73)이 분지될 수 있다. 우회라인(73)은 제2 가열기(50) 전단의 제2 냉각수순환라인(72)에서 분지되어 제2 가열기(50) 후단의 제2 냉각수순환라인(72)에 연결되는 라인으로, 제2 가열기(50)를 우회할 수 있다. 여기서, 제2 가열기(50) 전단이라 함은, 제2 냉각수순환라인(72)을 따라 유동한 냉각수가 제2 가열기(50)로 유입되는 입구 측을 의미하고, 제2 가열기(50) 후단이라 함은, 제2 가열기(50)에서 온도가 저하된 냉각수가 배출되는 출구 측을 의미한다. 제2 냉각수순환라인(72)과 우회라인(73)의 연결지점에는 냉각수의 유동을 제어하는 제어밸브가 마련될 수 있으며, 우회라인(73)은 제2 가열기(50)를 가동하지 않는 경우에 개방될 수 있다.

한편, 제2 액화가스공급라인(40)의 일 측에는 액화가스감압라인(80)이 분지된다. 액화가스감압라인(80)은 제2 가열기(50)에서 가열된 액화가스를 감압하는 라인으로, 제2 가열기(50) 후단의 제2 액화가스공급라인(40)으로부터 분지되어 증발가스공급라인(60)에 연결될 수 있다. 제2 액화가스공급라인(40)과 액화가스감압라인(80)의 연결지점, 및 액화가스감압라인(80)과 증발가스공급라인(60)의 연결지점에는 액화가스의 유동을 제어하는 제어밸브가 마련될 수 있으며, 액화가스감압라인(80) 상에는 제2 가열기(50)를 통과한 액화가스를 감압하여 공급하는 제1 감압밸브(81)가 형성될 수 있다.

제1 감압밸브(81)는 고압펌프(21)에서 고압으로 가압되고 제2 가열기(50)에서 가열된 액화가스를 연료탱크(10)보다 높은 압력, 예를 들어, 약 8.5 bar로 감압할 수 있다. 전술한 바와 같이, 제2 액화가스공급라인(40)에서 분지되어 액화가스감압라인(80)을 유동하는 액화가스는 제2 가열기(50)에서 고온으로 가열된 상태이므로, 제1 감압밸브(81)를 통과하며 일부 기화될 수 있다. 즉, 별도의 기화기를 구비하지 않더라도 액화가스를 기화시킬 수 있어 이에 따른 설치 및 유지 비용을 절감시킬 수 있으며, 장치를 간단하게 구성할 수 있다. 또한, 제1 감압밸브(81)가 액화가스를 연료탱크(10) 내부의 압력보다 높은 압력으로 감압함으로써, 제1 감압밸브(81)를 통과한 후 기화되지 않은 액화가스가 연료탱크(10)로 용이하게 복귀할 수 있다.

액화가스감압라인(80) 상에는 기액분리기(82)가 설치될 수 있다. 기액분리기(82)는 제1 감압밸브(81) 후단에 배치되어, 일종의 버퍼탱크(buffer tank) 역할을 함과 동시에 감압되어 일부 기화된 액화가스를 기상 성분과 액상 성분으로 분리할 수 있다. 기액분리기(82)는 중력분리기로 형성되어, 액상 성분은 하부에 배치되고 기상 성분은 상부에 배치될 수 있다. 기액분리기(82)에서 분리된 기상 성분은 기액분리기(82)의 일 측에 연결된 증발가스공급라인(60)을 통해 제2 연소기관(C2)으로 공급되거나 연료탱크(10)로 회수되며, 연료탱크(10)는 증발가스공급라인(60)을 통해 연료탱크(10)로 회수되는 증발가스에 의해 내부 압력이 일정하게 유지되거나 상승될 수 있다. 즉, 증발가스공급라인(60)을 통해 연료탱크(10) 내부의 증발가스 또는 기액분리기(82)에서 분리된 기상 성분이 제2 연소기관(C2)으로 공급될 수도 있고, 기액분리기(82)에서 분리된 기상 성분이 연료탱크(10)로 회수될 수도 있다. 기액분리기(82)에서 분리된 액상 성분은 액화가스회수라인(90)을 통해 연료탱크(10)로 회수되며, 액화가스회수라인(90)은 연료탱크(10)에 액화가스를 공급하는 로딩라인(100)에 합류될 수 있다. 기액분리기(82)가 제1 감압밸브(81)에서 감압되어 일부 기화된 액화가스를 기상 성분과 액상 성분으로 분리함으로써, 기상 성분과 액상 성분이 동시에 배관 내부를 유동할 경우 발생할 수 있는 배관 침식, 슬러그(slug) 발생 문제를 예방할 수 있다. 액화가스회수라인(90)과 로딩라인(100)의 연결지점에는 액화가스의 유동을 제어하는 제어밸브가 마련될 수 있으며, 액화가스회수라인(90) 상에도 제어밸브가 마련될 수 있다.

기액분리기(82) 후단의 증발가스공급라인(60) 상에는 제2 감압밸브(61)가 형성될 수 있다. 제2 감압밸브(61)는 기액분리기(82)와 제2 연소기관(C2) 사이의 증발가스공급라인(60) 상에 설치되어, 기액분리기(82)에서 분리된 기상 성분 또는 연료탱크(10)에서 공급된 증발가스를 제2 연소기관(C2)에서 요구하는 압력범위, 예를 들어, 약 5~6 bar로 감압할 수 있다.

이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여, 선박의 연료 공급장치(1)가 동작하는 과정에 관해 좀 더 상세히 설명한다.

도 3 내지 도 6은 선박의 연료 공급장치의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.

본 발명에 따른 선박의 연료 공급장치(1)는 엔진 등을 냉각 후 배출되는 냉각수를 액화가스의 가열원으로 사용함으로써, 별도의 가열원을 생성하기 위한 비용을 절감할 수 있어 시스템의 효율적인 운용이 가능하다. 특히, 온도대가 서로 다른 냉각수로 액화가스를 가열할 수 있어, 요구하는 온도 및 압력이 서로 다른 연소기관에 대응하여 액화가스를 용이하게 제공할 수 있다.

도 3은 제1 연소기관에서 소비되는 연료량이 기준량이고 연료탱크 내부에 증발가스를 저장하는 경우의 연료 공급 과정을 도시한 도면이고, 도 4는 제1 연소기관에서 소비되는 연료량이 기준량이고 제2 연소기관에서 소비되는 연료량이 기준량보다 많은 경우의 연료 공급 과정을 도시한 도면이다. 도 5는 제1 연소기관에서 소비되는 연료량과 제2 연소기관에서 소비되는 연료량이 모두 기준량인 경우의 연료 공급 과정을 도시한 도면이고, 도 6은 제1 연소기관에서 소비되는 연료량이 기준량보다 많고 제2 연소기관에서 소비되는 연료량이 기준량인 경우의 연료 공급 과정을 도시한 도면이다.

먼저, 도 3을 참조하여 설명하면, 제1 연소기관(C1)에서 소비되는 연료량이 기준량인 경우, 제1 액화가스공급라인(20)을 통해 액화가스를 공급한다.

연료탱크(10) 내부에 저장된 액화가스는 제1 액화가스공급라인(20) 상에 설치된 고압펌프(21)와 제1 가열기(30)를 차례로 통과한 후 제1 연소기관(C1)에 공급된다. 이 때, 연료로 사용될 액화가스가 액화석유가스인 경우, 약 23℃, 8 bar의 상태로 연료탱크(10) 내부에 저장되며, 고압펌프(21)에서 약 27.5℃, 50 bar로 승온 및 가압된 후, 제1 가열기(30)에서 약 35℃, 50 bar로 가열되어 제1 연소기관(C1)에 공급될 수 있다.

고압펌프(21)에서 승온 및 가압된 액화가스 중 일부는 제2 액화가스공급라인(40)으로 분지되어 제2 가열기(50)에서 약 80℃, 50 bar로 가열된 후 액화가스감압라인(80)을 따라 유동할 수 있다. 액화가스감압라인(80) 상에는 제1 감압밸브(81)가 형성되므로, 고온 고압의 액화가스는 제1 감압밸브(81)를 통과하며 약 8.5 bar로 감압되어 일부 기화될 수 있다. 일부 기화된 액화가스는 기액분리기(82)로 공급되어 액상 성분과 기상 성분이 분리되며, 분리된 액상 성분은 액화가스회수라인(90) 및 로딩라인(100)을 통해 연료탱크(10)로 회수될 수 있다. 또한, 분리된 기상 성분은 일부가 증발가스공급라인(60)을 통해 연료탱크(10)로 회수되고, 나머지 일부가 제2 감압밸브(61)를 통과한 후 약 5~6 bar로 감압되어 제2 연소기관(C2)으로 공급될 수 있다. 기액분리기(82)에서 분리된 기상 성분이 연료탱크(10)로 회수되어 저장됨으로써, 연료탱크(10) 내부 압력이 일정 범위 이상으로 유지되어 액화가스의 공급이 원활하게 이루어질 수 있다.

한편, 냉각장치(C3)에서 냉각 후 배출된 냉각수는 제1 냉각수순환라인(71)을 따라 유동하여 제2 인터쿨러(TI2)를 통과하고 제1 가열기(30)를 경유한 후 제1 연소기관(C1)으로 유입되고, 제1 연소기관(C1)을 냉각시킨 후 배출된 냉각수는 제2 냉각수순환라인(72)을 따라 유동하여 제1 인터쿨러(TI1)를 통과하고 제2 가열기(50)를 경유한 후 냉각장치(C3)로 다시 유입될 수 있다.

도 4를 참조하여 설명하면, 제1 연소기관(C1)에서 소비되는 연료량이 기준량인 경우, 제1 액화가스공급라인(20)을 통해 액화가스를 공급하고, 제2 연소기관(C2)에서 소비되는 연료량이 기준량보다 많은 경우, 연료탱크(10) 내부의 증발가스와 기액분리기(82)에서 분리된 기상 성분을 동시에 공급한다.

연료탱크(10)는 압력식 탱크로 형성되어 액화가스가 자연 기화하여 생성된 증발가스를 내부에 저장할 수 있다. 제2 연소기관(C2)에서 소비되는 연료량이 기준량보다 많은 경우, 연료탱크(10)에 저장된 증발가스와 기액분리기(82)에서 분리된 기상 성분을 각각 제2 연소기관(C2)에 공급한다. 이 때, 기액분리기(82)에서 분리된 기상 성분은 증발가스공급라인(60)을 따라 유동하는 증발가스에 합류되어 제2 감압밸브(61)에서 감압된 후 제2 연소기관(C2)로 공급될 수 있다.

즉, 도 4의 과정은 연료탱크(10) 내부의 증발가스를 제2 연소기관(C2)으로 공급하고, 동시에, 기액분리기(82)에서 분리된 기상이 모두 제2 연소기관(C2)으로 공급되는 점을 제외하면 나머지 과정은 도 3의 과정과 동일하다.

도 5를 참조하여 설명하면, 제1 연소기관(C1)과 제2 연소기관(C2)에서 소비되는 연료량이 모두 기준량인 경우, 제1 액화가스공급라인(20)을 통해 액화가스를 공급하고, 증발가스공급라인(60)을 통해 증발가스를 공급한다.

제2 연소기관(C2)에서 소비되는 연료량이 기준량인 경우, 액화가스를 강제로 기화시켜 공급할 필요가 없다. 다시 말해, 고압펌프(21)에서 승온 및 가압된 액화가스 중 일부를 가열하고 감압시키는 제2 액화가스공급라인(40)과 액화가스감압라인(80)이 폐쇄된다. 이에 따라, 냉각장치(C3)에서 배출된 냉각수는 제1 냉각수순환라인(71)을 따라 제2 인터쿨러(TI2)를 통과하고 제1 가열기(30)를 경유한 후 제1 연소기관(C1)으로 유입되고, 제1 연소기관(C1)을 냉각시킨 후 배칠된 냉각수는 제2 냉각수순환라인(72)을 따라 유동하여 제1 인터쿨러(TI1)를 통과하고 우회라인(73)을 거쳐 냉각장치(C3)로 유입될 수 있다.

도 6을 참조하여 설명하면, 제1 연소기관(C1)에서 소비되는 연료량이 기준량보다 많은 경우, 제1 액화가스공급라인(20)과 제2 액화가스공급라인(40)을 통해 액화가스를 공급하고, 제2 연소기관(C2)에서 소비되는 연료량이 기준량인 경우, 증발가스공급라인(60)을 통해 증발가스를 공급한다.

냉각수와 열교환을 통해 액화가스를 가열하는 제1 가열기(30)와 제2 가열기(50)의 용량은 정해져 있다. 다시 말해, 제1 가열기(30) 또는 제2 가열기(50)에 공급되는 액화가스의 양이 증가하더라도 제1 가열기(30) 또는 제2 가열기(50)에서 가열된 후 배출되는 액화가스의 양은 일정하다. 따라서, 제1 연소기관(C1)에서 소비되는 연료량이 기준량보다 많은 경우, 제2 액화가스공급라인(40)을 개방하여 제2 가열기(50)에서도 액화가스를 가열하도록 한다. 고압펌프(21)에서 승온 및 가압된 액화가스 중 일부가 제1 가열기(30)에서 가열되고, 나머지 일부가 분지되어 제2 가열기(50)에서 가열된 후 제1 액화가스공급라인(20)을 유동하는 액화가스의 흐름에 합류됨으로써, 제1 연소기관(C1)로 공급되는 연료량을 증가시킬 수 있다. 제1 가열기(30)와 제2 가열기(50)에서 각각 가열된 액화가스가 합류되어 제1 연소기관(C1)에 공급됨에 따라, 제1 가열기(30)는 가열되는 액화가스의 온도를 일부 감소시킬 수도 있다.

한편, 냉각장치(C3)에서 배출된 냉각수는 제1 냉각수순환라인(71)을 따라 유동하며 제2 인터쿨러(TI2)를 통과하고 제1 가열기(3)를 경유한 후 제1 연소기관(C1)으로 유입되고, 제1 연소기관(C1)을 냉각시킨 냉각수는 제2 냉각수순환라인(72) 따라 유동하며 제1 인터쿨러(TI1)를 통과하고 제2 가열기(50)를 경유한 후 냉각장치(C3)로 다시 유입될 수 있다.

즉, 도 6의 과정은 고압펌프(21)에서 승온 및 가압된 액화가스 중 일부가 제2 액화가스공급라인(40)으로 이동하여 제2 가열기(50)에서 가열된 후 제1 액화가스공급라인(20)에 합류되어 제1 연소기관(C1)으로 공급되고, 냉각수가 제1 연소기관(C1)을 냉각시킨 후에 제2 냉각수순환라인(72)을 따라 유동하여 제1 인터쿨러(TI1)를 통과하고 제2 가열기(50)를 경유한 후 냉각장치(C3)로 다시 유입되는 점을 제외하면, 나머지 과정은 도 5의 과정과 동일하다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1: 액화가스를 연료로 사용하는 선박의 연료 공급시스템
10: 연료탱크 20: 제1 액화가스공급라인
21: 고압펌프 30: 제1 가열기
40: 제2 액화가스공급라인 50: 제2 가열기
60: 증발가스공급라인 61: 제2 감압밸브
70: 냉각수순환라인 71: 제1 냉각수순환라인
72: 제2 냉각수순환라인 73: 우회라인
80: 액화가스감압라인 81: 제1 감압밸브
82: 분리기 90: 액화가스회수라인
100: 로딩라인
A: 흡기관 C1: 제1 연소기관
C2: 제2 연소기관 C3: 냉각장치
T: 터보과급기 TC: 압축기
TI1: 제1 인터쿨러 TI2: 제2 인터쿨러

Claims

액화가스를 저장하는 연료탱크;
상기 연료탱크와 제1 연소기관을 연결하며, 상기 연료탱크에 저장된 상기 액화가스를 압축하여 상기 제1 연소기관으로 공급하는 제1 액화가스공급라인;
상기 제1 액화가스공급라인에서 설치되어 상기 액화가스를 가열하는 제1 가열기;
상기 연료탱크로부터 공급되는 상기 액화가스를 상기 제1 가열기로부터 우회하여 상기 제1 연소기관으로 공급하는 제2 액화가스공급라인;
상기 제2 액화가스공급라인에 설치되며 상기 제1 가열기보다 높은 온도로 상기 액화가스를 가열하는 제2 가열기;
상기 연료탱크와 제2 연소기관을 연결하며, 상기 연료탱크에서 상기 액화가스가 자연 증발하여 생성된 증발가스를 상기 제2 연소기관으로 공급하는 증발가스공급라인; 및
상기 제1 연소기관과 상기 제2 연소기관 중 적어도 하나에서 배출되는 냉각수가 유동하며, 상기 제2 가열기와 상기 제1 가열기를 차례로 경유하여 상기 제1 연소기관과 상기 제2 연소기관 중 적어도 하나로 연결되는 냉각수순환라인, 및
상기 냉각수순환라인에 설치되어 상기 냉각수를 냉각시키는 냉각장치를 포함하되,
상기 냉각수순환라인은,
상기 제1 연소기관 또는 상기 2 연소기관으로부터 연장되어 상기 제2 가열기를 경유하여 상기 냉각장치로 연결되는 제2 냉각수순환라인과,
상기 냉각장치로부터 연장되어 상기 제1 가열기를 경유하여 상기 제1 연소기관 또는 상기 제2 연소기관으로 연결되는 제1 냉각수순환라인을 포함하는 선박의 연료 공급장치.
제1 항에 있어서, 상기 제2 액화가스공급라인은, 양단이 상기 제1 가열기의 전단과 후단에 각각 연결되어 상기 제1 액화가스공급라인을 통하여 유동하는 상기 액화가스 중 일부를 우회하여 상기 제1 연소기관으로 공급하는 선박의 연료 공급장치.
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제1 항에 있어서, 상기 제2 냉각수순환라인 상에 설치되며 상기 제1 연소기관 또는 상기 제2 연소기관으로 유입되는 흡기관과 열교환하여 상기 흡기관 내부를 유동하는 연소용 공기를 냉각하는 제1 인터쿨러와,
상기 제1 냉각수순환라인 상에 설치되며 상기 제1 연소기관 또는 상기 제2 연소기관으로 유입되는 상기 흡기관과 열교환하여 상기 연소용 공기를 냉각하는 제2 인터쿨러를 더 포함하는 선박의 연료 공급장치.
제5 항에 있어서, 상기 제1 인터쿨러는 터보과급기를 통과한 상기 연소용 공기를 1차 냉각하고, 상기 제2 인터쿨러는 상기 제1 인터쿨러를 통과한 상기 연소용 공기를 2차 냉각하는 선박의 연료 공급장치.
제1 항에 있어서, 상기 제2 가열기 후단의 상기 제2 액화가스공급라인으로부터 분지되어 상기 증발가스공급라인에 연결되며, 제1 감압밸브가 설치되어 상기 제2 가열기를 통과한 상기 액화가스를 감압하여 공급하는 액화가스감압라인을 더 포함하는 선박의 연료 공급장치.
제7 항에 있어서, 상기 제1 감압밸브 후단의 상기 액화가스감압라인에 설치되는 기액분리기와,
상기 기액분리기에 연결되어 액상 성분을 상기 연료탱크로 회수하는 액화가스회수라인을 더 포함하고,
상기 증발가스공급라인은 상기 기액분리기에 연결되어 상기 기액분리기로부터 기상 성분을 공급받는 선박의 연료 공급장치.
제8 항에 있어서, 상기 기액분리기와 상기 제2 연소기관 사이의 상기 증발가스공급라인 상에 설치되어 상기 증발가스를 감압하는 제2 감압밸브를 더 포함하는 선박의 연료 공급장치.
제8 항에 있어서, 상기 제1 감압밸브는 상기 액화가스를 상기 연료탱크의 압력보다 높은 압력으로 감압하는 선박의 연료 공급장치.
제1 항에 있어서, 상기 연료탱크는 내부 압력이 상기 제2 연소기관과 상기 제1 연소기관 사이의 압력으로 유지되는 선박의 연료 공급장치.