KR101960576B1 - 가스 처리 시스템을 포함하는 선박 - Google Patents

가스 처리 시스템을 포함하는 선박 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템을 포함하는 선박은, 액화가스 저장탱크에서 발생되는 증발가스를 구동유체와 혼합시켜 수요처로 공급하는 증발가스 흡입유닛; 및 상기 구동유체를 상기 증발가스 흡입유닛으로 공급하는 구동유체 공급장치를 포함하고, 상기 구동유체는, 상기 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스 또는 증발가스 외의 유체인 것을 특징으로 한다.

Description

가스 처리 시스템을 포함하는 선박{Vessel having Gas Treatment System}
본 발명은 가스 처리 시스템을 포함하는 선박에 관한 것이다.
최근 기술 개발에 따라 가솔린이나 디젤을 대체하여 액화천연가스(Liquefied Natural Gas), 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas) 등과 같은 액화가스를 널리 사용하고 있다.
액화천연가스는 가스전에서 채취한 천연가스를 정제하여 얻은 메탄을 냉각해 액화시킨 것이며, 무색ㆍ투명한 액체로 공해물질이 거의 없고 열량이 높아 대단히 우수한 연료이다. 반면 액화석유가스는 유전에서 석유와 함께 나오는 프로판(C3H8)과 부탄(C4H10)을 주성분으로 한 가스를 상온에서 압축하여 액체로 만든 연료이다. 액화석유가스는 액화천연가스와 마찬가지로 무색무취이고 가정용, 업무용, 공업용, 자동차용 등의 연료로 널리 사용되고 있다.
이와 같은 액화가스는 지상에 설치되어 있는 액화가스 저장탱크에 저장되거나 또는 대양을 항해하는 운송수단인 선박에 구비되는 액화가스 저장탱크에 저장되는데, 액화천연가스는 액화에 의해 1/600의 부피로 줄어들고, 액화석유가스는 액화에 의해 프로판은 1/260, 부탄은 1/230의 부피로 줄어들어 저장 효율이 높다는 장점이 있다. 이러한 액화가스를 연료로 사용하는 엔진이 구동되기 위해서 필요한 온도 및 압력 등은, 탱크에 저장되어 있는 액화가스의 상태와는 다를 수 있다.
또한 LNG를 액상으로 보관할 때 탱크로 열침투가 발생함에 따라 일부 LNG가 기화되어 증발가스(BOG: Boil off Gas)가 생성되는데, 이러한 증발가스는 액화가스 처리 시스템상에 문제를 일으킬 수 있어 기존에는 증발가스를 외부로 배출시켜 태우는 방법(기존에는 탱크 압력을 낮춰 탱크의 파손 위험을 제거하기 위해서 증발가스를 단순히 외부로 배출 처리하였다.)으로 소비를 시킴으로서 문제를 해결하고자 하였으나 이는 환경오염과 자원낭비의 문제를 일으키고 있다.
이에 최근에는 증발가스를 효율적으로 처리하는 기술로서, 생성된 증발가스를 액화가스를 통해 재응축하여 액화시켜 엔진에 공급하는 등의 활용방안에 대한 연구 및 개발이 활발히 이루어지고 있는 실정이다.
본 발명은 종래의 기술을 개선하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 액화가스 저장탱크에서 수요처로 액화가스 및/또는 증발가스를 효과적으로 공급하는 가스 처리 시스템을 포함하는 선박을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템을 포함하는 선박은, 액화가스 저장탱크에서 발생되는 증발가스를 구동유체와 혼합시켜 수요처로 공급하는 증발가스 흡입유닛; 및 상기 구동유체를 상기 증발가스 흡입유닛으로 공급하는 구동유체 공급장치를 포함하고, 상기 구동유체는, 상기 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스 또는 증발가스 외의 유체인 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 구동유체 공급장치와 상기 증발가스 흡입유닛을 연결하는 구동유체 공급라인; 상기 증발가스 흡입유닛과 상기 수요처를 연결하며, 상기 증발가스 흡입유닛에서 토출되는 혼합유체를 상기 수요처로 공급하는 증발가스 공급라인; 및 상기 액화가스 저장탱크와 상기 증발가스 흡입유닛을 연결하는 증발가스 흡입라인을 더 포함하고, 상기 수요처는, 추진엔진이되, 상기 증발가스 흡입유닛은, 상기 혼합 유체를 그대로 상기 추진엔진으로 공급시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 구동유체는, 상기 추진엔진에서 사용 가능한 유체일 수 있다.
구체적으로, 상기 추진엔진은 공기와 상기 액화가스 또는 증발가스를 혼합 연소하여 동력을 발생시키는 저압가스 분사엔진일 수 있다.
구체적으로, 상기 구동유체는, 압축 공기일 수 있다.
구체적으로, 상기 구동유체 공급장치는, 공기 압축기(Air Compresser)일 수 있다.
구체적으로, 상기 증발가스 공급라인 상에 구비되며, 상기 증발가스 흡입유닛에서 상기 수요처로 공급되는 혼합 유체의 역류를 방지하는 체크 밸브를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 수요처는, 가스 터빈일 수 있다.
구체적으로, 상기 구동유체는, 열매체유일 수 있다.
구체적으로, 상기 수요처는, 열매체유와 상기 액화가스 또는 증발가스를 혼합 연소하여 동력을 발생시키는 이종연료엔진일 수 있다.
구체적으로, 상기 구동유체 공급장치는, 상기 열매체유를 저장하는 열매체유 저장탱크; 및 상기 열매체 저장탱크에 저장된 상기 열매체유를 상기 증발가스 흡입유닛으로 공급하는 열매체유 펌프를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 열매체유는, 상기 이종연료엔진에서 사용되는 디젤유 또는 윤활유일 수 있다.
구체적으로, 상기 구동유체는, 해수(Sea Water) 또는 청수(Fresh water)일 수 있다.
구체적으로, 상기 구동유체 공급장치는, 해수 펌프 또는 청수 펌프일 수 있다.
구체적으로, 상기 증발가스 공급라인 상에 구비되며, 상기 구동유체를 제거하는 구동유체 제거장치를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 구동유체 제거장치는, 증발가스와 구동유체가 혼합된 혼합유체를 응축시키는 응축기; 및 상기 응축기로부터 응축된 상기 혼합유체를 공급받아 증발가스와 구동유체로 분리하는 분리기(Separator)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 증발가스 공급라인 상에 상기 분리기와 상기 수요처 사이에 구비되며, 상기 분리기에서 공급되는 증발가스를 가열하는 히터를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 수요처는 선박에 추진력을 발생시키는 저압가스 분사엔진; 상기 증발가스를 재액화시키는 재액화장치; 및 상기 증발가스를 연소시키는 가스연소장치(Gas Combustion Unit)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 구동유체는, 스팀(Steam)일 수 있다.
구체적으로, 상기 구동유체 공급장치는, 스팀 제너레이터일 수 있다.
본 발명에 따른 가스 처리 시스템을 포함하는 선박은, 액화가스 저장탱크에서 수요처로 액화가스 및/또는 증발가스를 효과적으로 공급하여 시스템 안정성 및 신뢰성을 높이는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 도시된 A의 확대도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 도시된 A의 추가 확대도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하에서 액화가스는 LPG, LNG, 에탄 등일 수 있으며, 예시적으로 LNG(Liquefied Natural Gas)를 의미할 수 있으며, 증발가스는 자연 기화된 LNG 등인 BOG(Boil Off Gas)를 의미할 수 있다.
액화가스는 액체 상태, 기체 상태, 액체와 기체 혼합 상태, 과냉 상태, 초임계 상태 등과 같이 상태 변화와 무관하게 지칭될 수 있으며, 증발가스 역시 마찬가지임을 알려 둔다. 또한 본 발명은 처리 대상이 액화가스로 한정되지 않고, 액화가스 처리 시스템 및/또는 증발가스 처리 시스템일 수 있고, 하기 설시할 각 도면의 시스템은 서로 적용될 수 있음은 자명하다. 또한, 이하에서 기술하는 혼합 유체는, 혼합된 증발가스 또는 적어도 일부 액상이 포함된 유체일 수 있다.
또한, 본 발명의 가스 처리 시스템(1~4)의 실시예들은 각각 서로 조합되어 구성될 수 있으며, 각 구성들의 추가가 서로 교차로 이루어질 수 있음은 물론이다. 그리고 본 발명의 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1~4)은, 선체(도시되지 않음)에 장착될 수 있고, 이때, 선박(도시되지 않음)은 LNG Carrier, 컨테이너 운반선 등의 선박일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 액화가스 저장탱크(10), 수요처(20), 증발가스 흡입유닛(30), 분리기(41), 응축기(42), 상분리기(50) 및 공급장치(61)를 포함한다.
이하에서는 도 1을 참고로 하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)을 설명하도록 한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)의 개별적인 구성을 기술하기에 앞서, 개별적인 구성들을 유기적으로 연결하는 기본적인 유로들에 대해서 설명하기로 한다. 여기서 유로는 유체가 흐르는 통로로 라인(Line)일 수 있으며 이에 한정되지 않고 유체가 유동하는 구성이면 모두 가능하다.
본 발명의 제1 실시예에서는, 제1 구동유체 공급라인(L1), 증발가스 흡입라인(L2), 증발가스 공급라인(L3), 제1 리턴라인(L4) 및 제2 리턴라인(L5)을 더 포함할 수 있다. 각각의 라인에는 개도 조절이 가능한 밸브(도시하지 않음)들이 설치될 수 있으며, 각 밸브의 개도 조절에 따라 증발가스의 공급량이 제어될 수 있다.
제1 구동유체 공급라인(L1)은, 구동유체 저장탱크(도시하지 않음)와 증발가스 흡입유닛(30)을 연결하여 증발가스 흡입유닛(30)에 구동유체를 공급하며, 공급 장치(61)를 구비할 수 있다.
증발가스 흡입라인(L2)은, 액화가스 저장탱크(10)와 증발가스 흡입유닛(30)을 연결하여, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스를 증발가스 흡입유닛(30)으로 공급할 수 있다. 여기서 증발가스 흡입라인(L2) 상에는 액화가스 저장탱크(10)에서 흡입되는 증발가스를 가열하는 증발가스 히터(도시하지 않음)가 구비될 수 있다.
증발가스 공급라인(L3)은, 증발가스 흡입유닛(30)과 수요처(20)를 연결하고, 분리기(41), 응축기(42), 상분리기(50)를 구비하며, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스와 구동유체가 혼합된 혼합유체를 수요처(20)로 공급할 수 있다.
또한, 증발가스 공급라인(L3)은, 증발가스 흡입유닛(30)에서 수요처(20)로 공급되는 혼합 유체의 역류를 방지하는 체크 밸브(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
여기서 체크 밸브는 증발가스 공급라인(L3) 상의 증발가스 흡입유닛(30)과 분리기(41) 사이에 구비될 수 있다.
제1 리턴라인(L4)은, 응축기(42)와 외부(도시하지 않음)를 연결하며, 응축기(42)에서 응축된 제1 구동유체를 외부로 배출할 수 있다. 여기서 외부는 제1 구동유체가 존재하는 소스(source) 또는 탱크(tank)일 수 있다.
제2 리턴라인(L5)은, 상분리기(50)와 외부를 연결하며, 상분리기(50)에서 분리된 제1 구동유체 또는 헤비카본을 외부로 배출할 수 있다. 여기서 외부는 제1 구동유체가 존재하는 소스(source) 또는 탱크(tank)일 수 있다.
이하에서는 상기 설명한 각 라인들(L1~L4)에 의해 유기적으로 형성되어 가스 처리 시스템(1)을 구현하는 개별적인 구성들에 대해서 설명하도록 한다.
액화가스 저장탱크(10)는, 수요처(20)에 공급될 액화가스 또는 증발가스를 저장한다. 액화가스 저장탱크(10)는, 액화가스를 액체상태로 보관하여야 하는데, 이때 액화가스 저장탱크(10)는 압력 탱크 형태를 가질 수 있다.
여기서 액화가스 저장탱크(10)는, 선체의 내부에 배치되며, 엔진룸(도시하지 않음)의 전방에 일례로 4개 형성될 수 있다. 또한, 액화가스 저장탱크(10)는 일례로 멤브레인 형 탱크이나, 이에 한정되지 않고 독립형 탱크 등, 다양한 형태로 그 종류를 특별히 한정하지는 않는다.
수요처(20)는, 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스 또는 액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스를 연료로 사용하며, 가스연소장치(21), 재액화장치(22), 발전엔진(23) 및 추진엔진(24; 도 4에 도시됨)을 포함할 수 있다.
수요처(20)는, 액화가스 또는 증발가스를 필요로하며, 이를 원료로 하여 구동될 수 있다. 수요처(20)는, 엔진(예를 들어 고압가스분사엔진으로 MEGI엔진) 또는 가스터빈일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 여기서 증발가스 흡입유닛(30)의 하류에는, 추가 가압장치(도시되지 않음)가 구비되어, 수요처(20)가 발전엔진(23) 또는 추진엔진(24; 도 4에 도시됨)이 요구하는 압력에 맞춰 가압시킬 수 있음은 물론이다.
엔진은 액화가스 또는 증발가스의 연소에 의해 실린더(도시하지 않음) 내부의 피스톤(도시하지 않음)이 왕복운동 함에 따라, 피스톤에 연결된 크랭크 축(도시하지 않음)이 회전되고, 크랭크 축에 연결되는 샤프트(도시하지 않음)가 회전될 수 있다.
본 실시예는 수요처(20)의 종류를 특별히 한정하지 않는다. 다만, 수요처(20)는, 증발가스, 액화가스, 플래시 가스 및 오일의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 내연기관일 수 있다.
가스연소장치(GCU; 21)는, 증발가스를 공급받아 이를 연소하여 소각시킨다. 가스연소장치(21)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생되는 증발가스를 공급받으며, 증발가스의 발생량이 수요처(20)가 수용할 수 있는 처리량보다 많은 경우에 공급받아 이를 소비함으로써, 액화가스 저장탱크(10)의 내압 상승을 방지할 수 있다.
재액화장치(22)는, 증발가스 흡입유닛(30)으로부터 공급되는 증발가스를 재액화시켜 액화가스 저장탱크(10)로 복귀시킬 수 있다. 구체적으로, 재액화장치(22)는, 증발가스 흡입유닛(30)에서 30 내지 50bar로 토출되는 증발가스를 공급받아 재액화 냉매와 열교환시켜 재액화시키며, 재액화된 혼합가스를 액화가스 저장탱크(10)로 복귀시킨다.
여기서 재액화 냉매는 불활성 기체로 바람직하게는 질소(N2)일 수 있다.
발전엔진(23)은, 약 30~50bar 정도인 저압 증발가스를 사용하는 수요처로서, 저압의 증발가스를 공급받아 동력을 전력으로 변환시킬 수 있으며, 예를 들어 DFDE 엔진일 수 있다.
또한, 발전엔진(23)은, 이종연료가 사용 가능한 이종연료엔진으로, 증발가스뿐만 아니라 오일을 연료로 사용할 수 있으나, 증발가스와 오일이 혼합되어 공급되지 않고 증발가스 또는 오일이 선택적으로 공급될 수 있다. 이는 연소 온도가 상이한 두 물질이 혼합 공급되는 것을 차단하여, 발전엔진(23)의 효율이 떨어지는 것을 방지하기 위함이다.
여기서 발전엔진(23)은, 증발가스 흡입 유닛(30)으로부터 공급되는 증발가스를 공급받아 구동될 수 있다. 발전엔진(23)은, 증발가스를 필요로 하며 이를 원료로 하여 구동될 수 있고 상기 기술한 DFDE 엔진뿐만 아니라 발전기(예를 들어 DFDG), 보일러(예를 들어 스팀을 생성하는 보일러)일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
증발가스 흡입유닛(30)은, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생되는 증발가스를 구동유체(Driving Fluid)와 혼합시켜 수요처로 공급한다. 여기서 구동유체는 액화가스 또는 증발가스 외의 유체일 수 있으며, 바람직하게는 해수(Sea Water)일 수 있다. 그리고, 구동유체가 저장되는 구동유체 저장탱크는 바다(Sea)일 수 있다.
구체적으로, 증발가스 흡입유닛(30)은, 공급장치(61)를 통해 공급되는 구동유체를 전달받아, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생되는 증발가스를 증발가스 흡입라인(L2)을 통해 흡입한 후, 수요처(20)로 공급할 수 있다.
증발가스 흡입유닛(30)은, 액화가스 저장탱크(10) 내부에 발생된 증발가스를 일정량 흡입하기 위해서 일정량의 증발가스를 흡입하기 위한 구동 유체량을 계산할 수 있으며, 계산된 구동 유체량만큼을 구동유체 공급라인(L1)을 통해서 공급받을 수 있다.
증발가스 흡입유닛(30)은, 구동유체로 해수를 공급받아 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스를 흡입하여 구동유체인 해수와 혼합되며, 이때, 구동유체가 가지고 있던 운동에너지는 혼합유체 전체의 운동에너지로 변환되고, 이어서 증발가스 흡입유닛(30)의 노즐(부호 도시하지 않음)의 단면이 확대되는 말단 부분에서 혼합 유체의 속도가 저하됨에 따라 혼합 유체의 운동에너지는 다시 압력으로 변환하게 된다. 이로 인해 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스는 약 2 내지 3bar의 압력을 얻게된다.
증발가스 흡입유닛(30)은, 공급장치(61)로부터 공급되는 구동유체의 압력이 상대적으로 떨어지게되는데 이러한 압력하강이 흡입유체(액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스)에 전달되어, 흡입 유체의 압력을 약 1 내지 1.5bar(바람직하게는 1.06bar에서 약 2 내지 3bar의 압력만큼 상승시킬 수 있다. (압력전달용량(압력하강*구동유체유량)공식에 의해 흡입유체의 압력이 조절됨)
본 발명의 실시예에서 증발가스 흡입유닛(30)은, 선박을 추진시키는 속도에는 상관없이 독립적으로 가스연소장치(21), 재액화장치(22) 또는 발전엔진(23)으로 혼합가스를 일정한 유량으로 공급할 수 있다.
이 경우, 선박을 추진시키는 속도는 부스팅 펌프(11; 도 4에 도시됨) 및 고압 펌프(12; 도 4에 도시됨)를 통해 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 추진엔진(24; 도 4에 도시됨)에 공급시켜 조절하도록 할 수 있다. 즉, 부스팅 펌프(11) 및 고압 펌프(12)는 선박의 추진 속도에 종속되어 구동되고, 증발가스 흡입유닛(30)은 선박의 추진 속도에 독립적으로 구동될 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에서 증발가스 흡입유닛(30)은, 구동유체로 증발가스 또는 액화가스가 아닌 해수를 사용함으로써, 선박의 추진 속도에 종속되지 않고 독립적을 구동될 수 있는 장점이 있다.
더불어, 본 발명의 실시예에서 증발가스 흡입유닛(30)은, 선박의 추진 속도에 종속되지 않고 독립적을 구동될 수 있어, 발전엔진(23)이 증발가스 흡입유닛(30)으로부터 항상 일정량의 연료를 공급받을 수 있게되어 발전엔진(23)의 구동 신뢰성이 향상되고, 더불어 액화가스 저장탱크(10)에서 발생되는 증발가스의 처리가 지속적으로 이루어질 수 있어 액화가스 저장탱크(10)의 내압을 효과적으로 관리할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 증발가스 흡입유닛(30)은, 발전엔진(23)이 필요로 하는 증발가스량보다 액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스의 양이 더 많은 경우, 발전엔진(23)으로 공급되는 혼합 가스의 적어도 일부를 가스연소장치(21) 또는 재액화장치(22)로 공급할 수 있다. 이로 인해 액화가스 저장탱크(10)에서 발생되는 증발가스를 모두 처리할 수 있어 액화가스 저장탱크(10)의 내압 상승을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 증발가스 흡입유닛(30)은, 액화가스 또는 증발가스에 비해 상대적으로 얻기 쉬운 유체인 해수를 구동유체로 사용함으로써, 선박 내에 저장공간이 획기적으로 향상되어, 저장물 운송으로 인한 선박운용이익을 극대화할 수 있으며, 위험물질인 액화가스 또는 증발가스의 사용이 상대적으로 줄어들어 시스템의 운용 안전성이 향상되는 효과가 있다.
더불어, 보통 증발가스 흡입유닛(30)의 구동유체를 액화가스 또는 증발가스로 선택하는 경우, 이젝터에서 토출되는 혼합유체가 모두 액화가스 또는 증발가스가 되어 혼합유체의 유량이 매우 많아지게되고, 그로 인해 혼합유체를 처리하기 위한 담당 장치들, 일례로 가스연소장치(21), 재액화장치(22) 또는 발전엔진(23) 등의 장치들의 처리 용량이 커져야하는 문제점(구축비용이 과다하게 소요되는 문제점)이 있다.
그러나, 본 발명의 실시예에서 증발가스 흡입유닛(30)은, 액화가스 또는 증발가스가 아닌 해수를 구동유체로 사용함으로써, 혼합유체에서 액화가스 또는 증발가스가 차지하는 비중이 작아지게 되므로, 상기 문제점을 해소할 수 있게 되었고, 이로 인해 전체 시스템을 효율적으로 사용할 수 있게 되었다.
증발가스 흡입유닛(30)은, 해수를 구동유체로 공급할 경우, 연료인 증발가스와 섞여 수요처(20)로 공급될 수 있다.
수요처(20)로 증발가스만이 아닌 해수가 공급될 경우 구동효율이 급격히 저하되거나 심할 경우 구동이 중단되어 시스템 내에 심각한 피해가 발생할 수 있다. 또한, 해수에는 기타 이물질들(해양 미생물 또는 각종 오폐물)이 항상 포함되어 있으므로 해수가 그대로 수요처(20)에 공급될 경우 수요처(20)가 파손되거나 정지될 수 있다.
이러한 심각한 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명의 실시예에서는 해수를 제거하기 위해 분리기(41), 응축기(42) 및 상분리기(50)를 구비하여, 해수를 증발가스 흡입유닛(30)의 구동유체로만 사용하고, 수요처(20)의 연료로는 공급되지 않도록 하고 있다. 여기서 상기 분리기(41), 응축기(42) 및 상분리기(50)에 대한 상세한 내용은 하기 기술하도록 한다.
증발가스 흡입유닛(30)은, 이젝터(Ejector), 이덕터(Eductor) 또는 제트 펌프(jet pump)일 수 있다.
분리기(41)는, 증발가스 공급라인(L1) 상에 구비되며, 증발가스 흡입유닛(30)으로부터 공급되는 혼합유체에서 구동유체 및/또는 이물질을 제거할 수 있다.
분리기(41)는, 바람직하게 이물질을 제거하는 분리기일 수 있으며, 해수에 포함된 불순물들을 제거할 수 있다. 여기서 제거된 해수 및/또는 불순물들은 별도의 라인을 통해서 외부(또는 바다)로 배출될 수 있다. 물론, 분리기(41)에서도 해수를 분리할 수 있음은 물론이다.
응축기(42)는, 증발가스 공급라인(L1) 상에 구비되며, 분리기(41)로부터 공급되는 혼합유체에서 구동유체만을 응축시킬 수 있다.
응축기(42)는, 구동유체만을 응축시킬 수 있는 온도로의 냉매를 혼합유체에 공급함으로써, 구동유체를 응축시킬 수 있다.
여기서 구동유체가 해수인 경우 해수의 어는점은 대략 영하 2도 내지 영하 1.9도에 해당되어, 약 영하 100도인 증발가스와 혼합되는 순간부터 얼 수 있으나, 방대한 해수의 양으로 인해 얼지 않고 일부 액상의 상태를 그대로 유지할 수 있다.
이러한 상태의 해수를 보다 완벽하게 제거하기 위해서 본 발명의 실시예에서는, 분리기(41) 후단에 응축기(42)를 구비하여 냉매를 통해 해수를 얼도록 구동함으로써, 혼합유체로부터 구동유체를 보다 완벽하게 제거할 수 있다. 여기서 제거된 해수는 별도의 라인인 제1 리턴라인(L4)을 통해서 외부(또는 바다)로 배출될 수 있다.
상분리기(50)는, 응축기(42)로부터 공급되는 혼합유체를 공급받아 증발가스와 구동유체로 분리할 수 있다.
상분리기(50)는, 증발가스 흡입유닛(30)으로부터 공급되는 혼합유체에서 최종적으로 구동유체를 제거할 수 있다. 상분리기(50)는 액상(또는 고상)과 기상을 분리할 수 있으며, 분리된 액상(또는 고상)은 별도의 라인인 제2 리턴라인(L5)을 통해서 외부(또는 바다)로 배출될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 증발가스 공급라인(L3) 상에 별도의 히터(도시하지 않음)를 구비할 수 있으며, 증발가스 공급라인(L3) 상의 상분리기(50)와 수요처(20) 사이에 구비될 수 있다.
히터는 상분리기(50)로부터 공급되는 순수한 증발가스를 공급받아 수요처(20)가 요구하는 온도까지 가열할 수 있다. 이를 통해서 응축기(42)에서 공급된 냉열을 승온할 수 있게 되며, 수요처(20)의 구동효율이 최적화될 수 있는 효과가 있다.
공급장치(61)는, 구동유체를 증발가스 흡입유닛(30)으로 공급하며, 바람직하게는 해수를 공급하는 해수 펌프일 수 있다. 여기서 공급장치(61)는, 일례로 원심형 펌프일 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 가스 처리 시스템(1)을 포함하는 선박은, 액화가스 저장탱크(10)에서 수요처(20)로 액화가스 및/또는 증발가스를 효과적으로 공급하여 시스템 안정성 및 신뢰성을 높이는 효과가 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템(2)은, 액화가스 저장탱크(10), 수요처(20), 증발가스 흡입유닛(30), 응축기(42), 상분리기(50), 공급장치(61) 및 구동유체 저장탱크(62)를 포함한다.
본 실시예는, 구동유체 저장탱크(62)의 구성이 추가되었으며, 분리기(41)가 생략되었고, 구동유체가 스팀 또는 열매체유로 변경되었으며, 그 외의 구성은 상기 제1 실시예와 동일 또는 유사하게 구성된다. 앞서 설명한 제1 실시예와 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하에서는 도 2를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템(2)을 설명하도록 한다.
본 실시예에서는, 리턴라인(L6), 제2 구동유체 공급라인(L7) 및 구동유체 저장탱크(62)가 더 구비될 수 있다.
리턴라인(L6)은, 제1 리턴라인(L4)과 제2 리턴라인(L5)과 연결되어, 응축기(42) 및/또는 상분리기(50)에서 분리된 구동유체가 구동유체 저장탱크(62)로 공급되도록 할 수 있다.
제2 구동유체 공급라인(L7)은, 구동유체 저장탱크(62)와 증발가스 흡입유닛(30)을 연결하여 증발가스 흡입유닛(30)에 구동유체를 공급하며, 공급 장치(61)를 구비할 수 있다.
공급장치(61)는, 기체를 압축하는 압축기이거나 또는 액체를 가압하는 펌프일 수 있다.
공급장치(61)는, 구동유체 저장탱크(62)로부터 공급되는 스팀 또는 열매체유를 공급받아 고압으로 가압하여 증발가스 흡입유닛(30)으로 공급할 수 있다.
구동유체 저장탱크(62)는, 증발가스 흡입유닛(30)을 구동하기 위한 구동유체를 저장하며, 제2 구동유체 공급라인(L7) 및 리턴라인(L6)과 연결될 수 있고, 공급장치(61)에 의해 저장된 구동유체를 제2 구동유체 공급라인(L7)으로 토출시킬 수 있다.
구동유체 저장탱크(62)는, 응축기(42) 또는 상분리기(50)에서 리턴되는 스팀 또는 열매체유(여기서 스팀 또는 열매체유는 증발가스에 의해 냉각되어 액상 또는 고상일 수 있다.)를 공급받아 가열하는 가열장치(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다. 이때, 가열장치는 구동유체 저장탱크(62)의 외부에 형성될 수 있으며, 제2 구동유체 공급라인(L7) 상의 공급장치(61)와 구동유체 저장탱크(62) 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에서는, 제1 실시예에서와 달리 구동유체로 해수 대신 스팀(Steam) 또는 열매체유를 사용할 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에서는, 제1 실시예에서와 달리 분리기(41; 도 1에 도시됨)가 생략될 수 있다. 해수를 사용하는 경우에는 기타 염분을 포함한 수분 외에도 다양한 이물질들이 많이 포함되어 있어, 이를 제거하기 위한 분리기(41)가 필요로 하나, 본 발명의 제2 실시예에서는, 해수가 아닌 스팀 또는 열매체유가 사용되어 이물질을 제거할 필요가 없게되므로 분리기(41)의 생략이 가능해진다.
따라서, 본 발명의 제2 실시예에서는, 시스템 구축 비용이 절감되고, 전체 시스템을 효율적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.
증발가스 흡입유닛(30)은, 공급장치(61)로부터 고압의 스팀 또는 열매체유를 공급받아 액화가스 저장탱크(10)로부터 증발가스를 흡입할 수 있으며, 증발가스와 스팀(또는 열매체유)을 혼합하여 응축기(42; 여기서 응축기는 구동유체가 열매체유인 경우 스크러버(scrubber)일 수 있다.)로 공급할 수 있다.
증발가스 흡입유닛(30)은, 공급되는 고압 스팀의 양의 1/10에 해당되는 양의 증발가스를 흡입할 수 있으며, 스팀과 증발가스를 혼합하여 10 내지 15bar의 압력으로 토출할 수 있다. 여기서 열매체유는 액상이므로 스팀인 경우에 비해 더 많은 양이 필요로해지며, 이 양은 제1 실시예에서 기술한 바와 같이 압력전달용량 공식에 의해 역으로 계산되어질 수 있다.
구동유체가 해수 또는 스팀인 경우, 구동유체는 극저온(대략 영하 100도)의 증발가스와 혼합되므로, 약간의 설계오차라도 발생하는 경우 얼게 되는 문제점이 발생할 수 있다. 이는 그대로 수요처(20)에 공급시, 수요처(20)에 극심한 손상을 가져오며, 또한, 증발가스 흡입장치(30)에도 파손 등의 심각한 문제를 발생시킬 수 있다.
그에 반해 구동유체가 열매체유(여기서 열매체유는 일례로 오일(Oil), 디젤(diesel), 윤활유일 수 있다.)로 사용되는 경우에는, 해수나 스팀과 달리 대략 영하 70도에서도 액상일 수 있어, 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 이 경우 오일이 스크러버(42)나 상분리기(50)에서 적어도 일부 제거되지 않아도 수요처(20)에서는 오일을 사용할 수 있으므로, 구동상 문제가 되지 않는다. 이 경우 공급장치(61)는 열매체유 펌프일 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 가스 처리 시스템(2)을 포함하는 선박은, 액화가스 저장탱크(10)에서 수요처(20)로 액화가스 및/또는 증발가스를 효과적으로 공급하여 시스템 안정성 및 신뢰성을 높이는 효과가 있다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템(3)은, 액화가스 저장탱크(10), 수요처(20), 증발가스 흡입유닛(30) 및 공급장치(61)를 포함한다.
본 실시예는, 분리기(41), 응축기(42), 상분리기(50), 제1 및 제2 리턴라인(L4, L5)이 생략되었고, 구동유체가 공기로 변경되었으며, 그 외의 구성은 상기 제1 및 제2 실시예와 동일 또는 유사하게 구성된다. 앞서 설명한 제1 및 제2 실시예와 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하에서는 도 3을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템(3)을 설명하도록 한다.
본 발명의 제3 실시예에서는, 제1 및 제2 실시예에서와 달리 구동유체로 해수(Sea Water)나 스팀(Steam), 열매체유 대신 압축 공기(Compressed air)를 사용할 수 있다. 즉, 증발가스 흡입유닛(30)에 구동유체로 기체인 압축 공기가 공급되고, 흡입된 기체인 증발가스가 혼합되어 수요처(20)로 공급될 수 있다. 여기서, 공급장치(61)는, 공기 압축기(Air compressor)일 수 있다.
이를 통해서 본 발명의 제1 실시예에 비해 구동유체가 기체로 사용됨으로써, 증발가스 흡입유닛(30)의 후단 토출 압력이 10내지 15bar까지 상승이 가능해지는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 제3 실시예에서는, 제1 및 제2 실시예에서와 달리 분리기(41; 도 1에 도시됨), 응축기(42; 도 1 및 도 2에 도시됨) 및 상분리기(50; 도 1 및 도 2에 도시됨)가 생략될 수 있다.
수요처(20)는 항상 공기와 증발가스가 혼합되어야 구동이 가능하다. 즉, 수요처(20)는 증발가스를 연소시켜 구동되며, 증발가스를 연소시키기 위해서는 공기의 유입이 반드시 필요하다.
그에 따라 본 발명의 제3 실시예에서는 증발가스 흡입유닛(30)에 사용되는 구동유체로 공기를 사용함으로써, 별도의 구동유체 제거장치를 구비할 필요가 없어지게되고, 증발가스 흡입유닛(30)에서 토출되는 혼합유체를 바로 수요처(20)로 공급할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제3 실시예에서는, 시스템 구축 비용이 절감되고, 전체 시스템을 효율적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.
여기서 본 발명의 제3 실시예에서의 수요처(20)는, 공기와 증발가스의 비율(공연비)을 조절하는 별도의 장치(도시하지 않음)를 추가적으로 구비할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 가스 처리 시스템(3)을 포함하는 선박은, 액화가스 저장탱크(10)에서 수요처(20)로 액화가스 및/또는 증발가스를 효과적으로 공급하여 시스템 안정성 및 신뢰성을 높이는 효과가 있다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이고, 도 5는 본 발명의 제4 실시예에 도시된 A의 확대도이며, 도 6은 본 발명의 제4 실시예에 도시된 A의 추가 확대도이다.
도 4 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스 처리 시스템(4)은, 액화가스 저장탱크(10), 부스팅 펌프(11), 고압 펌프(12), 기화기(13), 수요처(20), 증발가스 흡입유닛(30)을 포함한다.
본 실시예는, 분리기(41), 응축기(42), 상분리기(50), 제1 및 제2 리턴라인(L4, L5)이 생략되었고, 구동유체가 기화된 액화가스로 변경되고, 부스팅 펌프(11), 고압 펌프(12), 기화기(13), 제3 구동유체 공급라인(L8) 및 액화가스 공급라인(L9)이 추가 구성되었으며, 그 외의 구성은 상기 제1 내지 제3 실시예와 동일 또는 유사하게 구성된다. 앞서 설명한 제1 내지 제3 실시예와 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하에서는 도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스 처리 시스템(4)을 설명하도록 한다.
본 발명의 제4 실시예에서는, 제3 구동유체 공급라인(L8) 및 액화가스 공급라인(L9)이 추가 구비될 수 있다. 각각의 라인에는 개도 조절이 가능한 밸브(도시하지 않음)들이 설치될 수 있으며, 각 밸브의 개도 조절에 따라 증발가스의 공급량이 제어될 수 있고, 액화가스 공급라인(L9) 상에서 제3 구동유체 공급라인(L8)로 분기되는 지점에는 삼방밸브가 구비될 수 있다.
제3 구동유체 공급라인(L8)은, 액화가스 공급라인(L9) 상의 기화기(13)와 추진엔진(24) 사이에서 분기되어, 증발가스 흡입유닛(30)과 연결되며, 고압의 기화된 액화가스를 증발가스 흡입유닛(30)에 공급할 수 있다.
액화가스 공급라인(L9)은, 액화가스 저장탱크(10)와 추진엔진(24)을 연결하여, 부스팅 펌프(11), 고압 펌프(12) 및 기화기(13)를 구비할 수 있으며, 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 고압으로 가압한 후 기화시켜 추진엔진(24)으로 공급할 수 있다.
부스팅 펌프(11)는, 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 1차 가압하여 후술할 고압 펌프(12)로 공급할 수 있다. 구체적으로, 부스팅 펌프(11)는, 액화가스 공급라인(L9) 상에 액화가스 저장탱크(10)와 고압 펌프(12) 사이에 구비되고, 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 고압 펌프(12)에 충분한 양을 공급하여 고압 펌프(22)의 공동현상(cavitation)을 방지하도록 할 수 있다.
부스팅 펌프(11)는, 액화가스 저장탱크(10)로부터 액화가스를 빼내어 수 내지 수십 bar 이내로 가압할 수 있으며, 부스팅 펌프(11)를 거친 액화가스는 1bar 내지 25bar로 가압될 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스는 액체 상태에 놓여있다. 이때 부스팅 펌프(11)는 액화가스 저장탱크(10)로부터 배출되는 액화가스를 가압하여 압력 및 온도를 다소 높일 수 있으며, 부스팅 펌프(11)에 의해 가압된 액화가스는 여전히 액체상태일 수 있다.
본 실시예에서 부스팅 펌프(11)는, 최대 유량을 고압 펌프(12)에 공급할 수 있다. 최대 유량이라 함은 부스팅 펌프(11)가 최대한 배출할 수 있는 유량을 의미한다. 이 경우, 고압 펌프(12)의 요구 유량보다 많은 양의 액화가스가 부스팅 펌프(11)로부터 고압 펌프(12)로 전달되므로, 고압 펌프(12)의 원활한 구동이 가능하게된다.
부스팅 펌프(11)는, 액화가스 저장탱크(10)의 내부에 위치하여 잠형으로 구성되거나, 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스의 수위보다 낮은 위치의 외부에 원심형으로 구성될 수 있다.
고압 펌프(12)는, 부스팅 펌프(11)로부터 공급받은 액화가스를 2차 가압하여 (약 200bar 내지 400bar의 고압으로 가압) 후술할 기화기(13)로 공급할 수 있다. 구체적으로, 고압 펌프(12)는, 액화가스 공급라인(L9) 상에 부스팅 펌프(11)와 기화기(13) 사이에 구비되며, 부스팅 펌프(11)로부터 1차 가압된 약 6 내지 8bar의 압력을 가진 상태로 공급된 액화가스를 약 200 내지 400bar의 고압으로 2차 가압하여 기화기(13)로 공급할 수 있다.
고압 펌프(12)는, 약 200 내지 400bar의 고압으로 가압하여, 기화기(13)를 거쳐 추진엔진(24)으로 공급함으로써, 추진엔진(24)가 요구하는 압력으로 공급할 수 있고, 이를 통해 추진엔진(24)이 액화가스를 통해 선박(도시하지 않음)이 추력을 발생시키도록 할 수 있다.
고압 펌프(12)는, 부스팅 펌프(11)로부터 배출되는 액체 상태의 액화가스를 고압으로 가압하되, 액화가스가 초임계점(Critical Point)보다 높은 온도 및 압력을 갖는 초임계 상태가 되도록 상변화시킬 수 있다. 이때, 초임계 상태인 액화가스의 온도는 임계온도보다 상대적으로 높은 영하 20도 이하일 수 있다.
또는 고압 펌프(12)는, 액체 상태의 액화가스를 고압으로 가압하여 과냉액체 상태로 변화시킬 수 있다. 여기서 과냉액체 상태의 액화가스란 액화가스의 압력이 임계압력보다 높고, 온도가 임계온도보다 낮은 상태이다.
구체적으로, 고압 펌프(12)는, 부스팅 펌프(11)로부터 배출되는 액체상태의액화가스를 200bar 내지 400bar까지 고압으로 가압하되, 액화가스의 온도가 임계온도보다 낮은 온도가 되도록 하여, 액화가스를 과냉액체 상태로 상변화시킬 수 있다. 여기서 과냉액체 상태의 액화가스 온도는, 임계온도보다 상대적으로 낮은 영하 140도 내지 영하 60도일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는, 고압 펌프(12)가 병렬로 구비되어 고압 펌프(12)의 하나가 오작동을 일으키거나 셧다운(Shut down)되는 경우 나머지 하나의 고압 펌프(12)가 작동할 수 있어 부스팅 펌프(11)로부터 공급되는 액화가스를 추진엔진(24)으로 신뢰성있고 안정적으로 공급할 수 있다.
기화기(13)는, 액화가스 공급라인(L9) 상에 마련되어 고압 펌프(12)로부터 배출되는 고압의 액화가스를 가열시킬 수 있다. 구체적으로, 기화기(13)는, 추진엔진(24)과 고압 펌프(12) 사이의 액화가스 공급라인(L9) 상에 마련되어 고압 펌프(12)로부터 공급되는 고압의 액화가스를 가열하여 추진엔진(24)이 원하는 상태로 공급할 수 있다.
즉, 기화기(13)는, 과냉액체 상태 또는 초임계 상태의 액화가스를 고압 펌프(12)에서 배출되는 압력인 200bar 내지 400bar를 유지하면서 가열시켜서, 30도 내지 60도의 초임계 상태의 액화가스로 변환한 후 추진엔진(24)에 공급할 수 잇다.
이때, 기화기(13)는, 액화가스를 가열하기 위한 열매로 글리콜 워터(Glycol Water), 해수(Sea Water), 스팀(Steam) 또는 엔진 배기가스 등을 사용할 수 있으며, 고압의 액화가스의 압력을 변동없이 추진엔진(24)으로 공급할 수 있다.
본 발명의 제4 실시예에서 증발가스 흡입유닛(30)은, 고압 펌프(12)를 거쳐 기화기(13)에서 고압 가열된 기상의 액화가스를 구동유체(Driving Fluid)로 하여, 기화기(13)로부터 기상의 액화가스를 공급받아 액화가스 저장탱크(10)에서 발생되는 증발가스를 증발가스 흡입라인(L2)을 통해 흡입한 후 추진엔진(24)으로 공급할 수 있다.
여기서 증발가스 흡입유닛(30)은, 액화가스 저장탱크(10) 내부에 발생된 증발가스를 일정량 흡입하기 위해서 일정량의 증발가스를 흡입하기 위한 구동 유체량을 계산할 수 있으며, 계산된 구동 유체량만큼을 제3 구동유체 공급라인(L8)을 통해서 공급받을 수 있다.
증발가스 흡입유닛(30)은, 구동 유체로 기상의 액화가스를 공급받아 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스를 흡입하여 구동유체인 기상의 액화가스와 혼합되며, 이때, 구동유체가 가지고 있던 운동에너지는 혼합 유체 전체의 운동에너지로 변환되고, 이어서 증발가스 흡입유닛(30)의 노즐(부호 도시하지 않음)의 단면이 확대되는 말단 부분에서 혼합 유체의 속도가 저하됨에 따라 혼합 유체의 운동에너지는 다시 압력으로 변환하게 된다. 이로 인해 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스는 약 30 내지 50bar의 압력(바람직하게는 약 40bar)을 얻게된다.
본 발명에서는, 기화기(13)로부터 공급되는 액화가스의 압력이 약 200 내지 400bar의 압력(바람직하게는 약 300bar)이나 증발가스 흡입유닛(30)으로 유입된 후의 구동유체는 압력이 상대적으로 떨어지고, 압력하강*구동유체유량인 압력전달용량을 흡입유체(액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스)로 공급함으로써 흡입 유체의 압력을 약 30 내지 50bar의 압력(바람직하게는 약 40bar)만큼 상승시킬 수 있다.
여기서 구동 유체의 압력이 고압이므로 적은 양의 유체로도 흡입 유체의 압력을 손쉽게 상승시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는, 증발가스 흡입장치(30)가 고압 펌프(12) 및 기화기(13)로부터 200 내지 400bar의 압력으로 가압되어 기화된 액화가스를 공급받는 것(추진엔진(24)이 고압가스분사엔진(MEGI)인 경우)이 아니라, 부스팅 펌프(11) 및 기화기(13)로부터 17 내지 25bar의 압력으로 가압되어 기화된 액화가스를 공급받아 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 증발가스를 흡입할 수 있다.(이 경우에는 추진엔진(24)이 저속 2행정 저압가스 분사엔진(XDF)일 수 있으며, 고압 펌프(12)가 구비되지 않을 수 있다.) 이 경우 각 구성들은, 고압 펌프(12)와 그에 따른 압력의 해당사항들을 제외하고는 모두 상기 기술한 구성들과 동일하므로 상세한 내용은 생략하도록 한다.
본 발명의 제4 실시예에서 수요처(20)는 추진엔진(24)을 더 포함할 수 있다.
추진엔진(24)은, 액화가스 또는 증발가스를 필요로하며, 이를 원료로 하여 구동될 수 있다. 추진엔진(24)은, 엔진(예를 들어 고압가스분사엔진으로 MEGI엔진 또는 저속 2행정 저압가스 분사엔진으로 XDF엔진) 또는 가스터빈일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
여기서 추진엔진(24)은, 액화가스 저장탱크(10)와 액화가스 공급라인(L9)을 통해서 연결될 수 있으며, 약 200 내지 400bar의 고압으로 가압된 액화가스 또는 증발가스를 공급받을 수 있다. 추진엔진(24)은, 부스팅 펌프(11), 고압 펌프(12) 및 기화기(13)를 통해 가압 가열된 증발가스 또는 액화가스를 사용할 수 있고, 약 300bar 정도의 고압 증발가스를 사용하는 고압용 엔진일 수 있으며, 프로펠러(부호 도시하지 않음)를 구동하기 위해 직접 프로펠러 축(도시하지 않음)을 회전시키는 엔진 또는 기타 동력을 발생시키기 위한 엔진일 수 있다.
엔진은 액화가스 또는 증발가스의 연소에 의해 실린더(도시하지 않음) 내부의 피스톤(도시하지 않음)이 왕복운동 함에 따라, 피스톤에 연결된 크랭크 축(도시하지 않음)이 회전되고, 크랭크 축에 연결되는 샤프트(도시하지 않음)가 회전될 수 있다. 따라서, 추진엔진(24) 구동 시 프로펠러 축에 연결된 프로펠러가 회전함에 따라 선박이 전진 또는 후진할 수 있다.
물론 본 실시예에서 추진엔진(24)은, 프로펠러를 구동하기 위한 엔진일 수 있으나, 발전을 위한 엔진 또는 기타 동력을 발생시키기 위한 엔진일 수 있다. 즉, 본 실시예는 추진엔진(24)의 종류를 특별히 한정하지 않는다. 다만, 추진엔진(24)은, 증발가스, 액화가스, 플래시 가스 및 오일의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 내연기관일 수 있다.
추진엔진(24)은, 이종연료가 사용가능한 이종연료엔진(DF engine)일 수 있다. 이종연료엔진은 통상 디젤 사이클로 구동되는 2행정 엔진(2-stroke DF engine)이다. 이러한 디젤 사이클은 기본적으로, 공기가 피스톤에 의해 압축되고, 압축된 고온의 공기는 점화연료(Pilot Fuel)에 의해서 점화가 이루어지며, 나머지 고압의 가스가 분사되어 폭발이 이루어진다.
이때 점화연료는 HFO(Heavy Fuel Oil) 또는 MDO(Marine Diesel Oil)를 사용하게 되며, 보통 점화연료와 고압 가스의 비율은 약 5:95 이고, 점화연료의 분사량은 5~100%까지 조정이 가능하다. 따라서 점화연료는 엔진의 구동 연료로도 이용가능하다.
즉, 점화연료의 분사량이 약 5%정도인 경우 엔진 구동 연료로 증발가스(또는 가열된 액화가스; 약 95%)가 주로 사용되며, 점화 연료의 분사량이 100%인 경우에는 엔진 구동 연료로 점화연료(오일)가 전부 사용된다.
이때, 점화연료의 분사량 약 50%인 경우(와 증발가스 약 50%)에는, 점화연료와 증발가스가 혼합되어 엔진으로 유입되는 것이 아닌 점화연료가 먼저 발화하여 발열량을 생산하고, 이후, 나머지 증발가스가 유입되어 폭발하여 발열량을 생산하여 엔진 구동에 필요한 발열량을 생산한다.
또한, 추진엔진(24)은, 저속 2행정 저압가스 분사엔진(XDF)일 수 있다. 추진엔진(24)은, 액화가스 저장탱크(10)와 액화가스 공급라인(L9)을 통해서 연결될 수 있으며, 약 25 내지 40bar의 저압으로 가압된 액화가스 또는 증발가스를 공급받을 수 있다. 추진엔진(24)은, 부스팅 펌프(11) 및 기화기(13)를 통해 가압 가열된 증발가스 또는 액화가스를 사용할 수 있고, 약 40bar 정도의 저압 증발가스를 사용하는 저압용 엔진일 수 있으며, 프로펠러(P)를 구동하기 위해 직접 프로펠러 구동축(S3)을 회전시키는 엔진 또는 기타 동력을 발생시키기 위한 엔진일 수 있다.
본 발명의 실시예에서의 저속 2행정 저압가스 분사엔진은, 바르질라(wartsila)사에서 개발한 2s DF 엔진(XDF 엔진)일 수 있으며, 오토 사이클(Otto cycle)에 따라 구동될 수 있다.
즉, 저속 2행정 저압가스 분사엔진은, 실린더에 공급된 공기-연료 혼합기를 먼저 상사점까지 압축하고, 압축 상사점에서 외부로부터 점화연료(Pilot Fuel)에 의해 점화가 이루어지는 순간에 공기-연료 혼합기가 모두 완전 연소되도록 하여 폭발적인 동력을 발생시키도록 한다. 이때, 공기-연료 혼합 질량비는, 14.7:1보다 적은 희박 상태일 수 있어 린번(Lean burn) 엔진의 형태일 수 있다.
이때 점화 연료는 HFO(Heavy Fuel Oil) 또는 MDO(Marine Diesel Oil)를 사용하게 되며, 보통 점화연료와 고압 가스의 비율은 약 1:99 정도로 매우 소량만으로도 점화가 가능하다.
저속 2행정 저압가스 분사엔진은 25bar 내지 40bar의 액화가스를 공급받아 동력을 발생시킬 수 있으며, 공급되는 에탄의 상태는 저속 2행정 저압가스 분사엔진이 요구하는 상태에 따라 달라질 수 있다.
MEGI 엔진은, 구동시키기 위해 필요한 공급연료의 압력이 약 200bar 내지 300bar인 고압이 필요하여, 구동하기 위한 소모 전력이 약 210KW 내지 220KW(약 215KW) 정도로 상당히 많은 전력이 필요한 단점이 있으나, 저속 2행정 저압가스 분사엔진은, 구동시키기 위해 필요한 공급연료의 압력이 25bar 내지 40bar인 저압으로, 구동하기 위한 소모 전력이 약 13KW 내지 17KW(약 15KW) 정도로 MEGI 엔진에 비해 많은 전력을 저감할 수 있는 효과가 있다.
또한, MEGI 엔진은 구동압력이 상당히 높아 MEGI 엔진이 필요로 하는 압력을 생성하기 위해서 그에 수반되어 구축되는 가스 처리 시스템이 매우 복잡하고 많은 공간을 차지하는 단점이 있다. 그에 반해 저속 2행정 저압가스 분사엔진은, 구동압력이 저압으로 낮아 연료공급시스템이 매우 간단하고 차지하는 공간이 적은 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 추진엔진(24)은, 추진엔진 구동축(S1)이 발전엔진 구동축(S2)과 기계적으로 결합되어, 발전엔진(23)으로부터 축동력을 공급받을 수 있다.
도 5를 참고로 살펴보면, 본 발명의 실시예에서 발전엔진(23)은 발전엔진 구동축(S2)과 제2 전달장치(T2)를 포함하고, 추진엔진(24)은, 추진엔진 구동축(S1), 프로펠러 구동축(S3)과 제1 전달장치(T1)를 포함할 수 있다. 여기서 프로펠러 구동축(S3)은, 일단에 프로펠러(P)를 구비하고, 타단에 제1 전달장치(T1)와 연결되어, 추진엔진(24)으로부터 발생되는 동력을 프로펠러(P)로 전달할 수 있다.
또한, 제1 전달장치(T1)는 제1 기어일 수 있고, 제2 전달장치(T2)는, 제2 기어일 수 있으며, 제1 기어(T1)는, 제2 기어(T2)와 치합될 수 있다.
발전엔진(23)은, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생되는 증발가스의 양이 추진엔진(24)에서 소비할 수 있는 증발가스의 양보다 많은 경우에, 잉여의 증발가스를 제3 구동유체 공급라인(L8)을 통해 공급받아 구동되는 증발가스 흡입유닛(30)으로부터 증발가스를 전달받아 소비하여, 발전엔진 구동축(S2)을 회전시킬 수 있다.
여기서, 발전엔진 구동축(S2)으로부터 회전을 통해 발생된 동력은, 적어도 일부가 제2 전달장치(T2)에 의해 제1 전달장치(T1)로 전달되며, 제1 전달장치(T1)로 전달된 동력은, 추진엔진(24)에서 발생되어 추진엔진 구동축(S1)으로 전달되는 동력과 함께 프로펠러 구동축(S3)으로 전달될 수 있다.
따라서, 본 발명의 제4 실시예에서는, 잉여의 증발가스를 통해 소비되는 에너지를 선박을 추진하는 동력에 보조할 수 있어, 증발가스의 사용을 최적화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 도 6을 살펴보면, 본 발명의 실시예에서 발전엔진(23)은, 추진엔진 구동축(S1)이 발전엔진 구동축(S2)과 기계적으로 결합되지 않고, 추진엔진(24)과 연결되는 모터(25)에 전력을 공급할 수 있다.
모터(25)는 발전엔진(23)에서 생산된 전력을 공급받아 동력을 생산하며, 구동기어(T11)를 포함할 수 있다.
이때, 추진엔진(24)은, 모터(25)에 구비되는 구동기어(T11)와 치합되는 피동기어(T12)가 구비될 수 있으며, 피동기어(T12)는 구동기어(T11)로부터 동력을 전달받아 추진엔진 구동축(S1)에 전달하여, 최종적으로 프로펠러 구동축(S1)에 동력이 전달되도록 할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 가스 처리 시스템(4)을 포함하는 선박은, 액화가스 저장탱크(10)에서 수요처(20)로 액화가스 및/또는 증발가스를 효과적으로 공급하여 시스템 안정성 및 신뢰성을 높이는 효과가 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
1,2,3,4: 가스 처리 시스템 10: 액화가스 저장탱크
11: 부스팅 펌프 12: 고압 펌프
13: 기화기 20: 수요처
21: 가스연소장치 22: 재액화장치
23: 발전엔진 24: 추진엔진
25: 모터 30: 증발가스 흡입유닛
41: 분리기 42: 응축기
50: 상분리기 61: 공급장치
62: 구동유체 저장탱크
L1: 제1 구동유체 공급라인 L2: 증발가스 흡입라인
L3: 증발가스 공급라인 L4: 제1 리턴라인
L5: 제2 리턴라인 L6: 리턴라인
L7: 제2 구동유체 공급라인 L8: 제3 구동유체 공급라인
L9: 액화가스 공급라인 P: 프로펠러
S1: 추진엔진축 S2: 발전엔진축
S3: 구동축 T1: 제1 전달장치
T2: 제2 전달장치 T11: 구동기어
T12: 피동기어

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  9. 액화가스 저장탱크에서 발생되는 증발가스를 구동유체와 혼합시켜 수요처로 공급하는 증발가스 흡입유닛; 및
    상기 구동유체를 상기 증발가스 흡입유닛으로 공급하는 구동유체 공급장치를 포함하고,
    상기 구동유체는,
    상기 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스 또는 증발가스 외의 유체로, 열매체유이며,
    상기 수요처는,
    상기 열매체유와 상기 액화가스 또는 증발가스를 혼합 연소하여 동력을 발생시키는 이종연료엔진인 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템을 포함하는 선박.
  10. 삭제
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 구동유체 공급장치는,
    상기 열매체유를 저장하는 열매체유 저장탱크; 및
    상기 열매체유 저장탱크에 저장된 상기 열매체유를 상기 증발가스 흡입유닛으로 공급하는 열매체유 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템을 포함하는 선박.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 열매체유는,
    상기 이종연료엔진에서 사용되는 디젤유 또는 윤활유인 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템을 포함하는 선박.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 액화가스 저장탱크에서 발생되는 증발가스를 구동유체와 혼합시켜 수요처로 공급하는 증발가스 흡입유닛; 및
    상기 구동유체를 상기 증발가스 흡입유닛으로 공급하는 구동유체 공급장치를 포함하고,
    상기 구동유체는,
    상기 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스 또는 증발가스 외의 유체로, 열매체유, 해수, 청수 또는 스팀 중 어느 하나이며,
    상기 증발가스 흡입유닛과 상기 수요처를 연결하며, 상기 증발가스 흡입유닛에서 토출되는 혼합유체를 상기 수요처로 공급하는 증발가스 공급라인; 및
    상기 증발가스 공급라인 상에 구비되며, 상기 구동유체를 제거하는 구동유체 제거장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템을 포함하는 선박.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 구동유체 제거장치는,
    증발가스와 구동유체가 혼합된 혼합유체를 응축시키는 응축기; 및
    상기 응축기로부터 응축된 상기 혼합유체를 공급받아 증발가스와 구동유체로 분리하는 분리기(Separator)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템을 포함하는 선박.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 증발가스 공급라인 상에 상기 분리기와 상기 수요처 사이에 구비되며, 상기 분리기에서 공급되는 증발가스를 가열하는 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템을 포함하는 선박.
  18. 제 9 항에 있어서, 상기 수요처는
    선박에 추진력을 발생시키는 저압가스 분사엔진;
    상기 증발가스를 재액화시키는 재액화장치; 및
    상기 증발가스를 연소시키는 가스연소장치(Gas Combustion Unit)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템을 포함하는 선박.

  19. 삭제
  20. 삭제
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