KR102075296B1 - 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템 - Google Patents

천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 천연가스하이드레이트에서 천연가스만을 추출한 후 이를 최소평형수 선형 선박의 듀얼퓨얼 엔진의 연료로써 활용할 수 있는 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템에 관한 것이다.

Description

천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템{SYSTEM THAT SUPPLIES FUEL WITHIN A MINIMAL BALLAST WATER USING GAS HYDRATES, REPLACES BALLAST WATER, AND SUPPLIES FRESH WATER}
본 발명은 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 천연가스하이드레이트에서 천연가스를 추출한 후 이를 최소평형수 선형 선박의 듀얼퓨얼 엔진의 연료로써 활용할 수 있는 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 천연가스 추출 후 잔류하는 청수를 정류하여 재활용할 수 있는 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 천연가스와 수소의 혼소(mixed combustion)를 통해 그린하우스가스 저감을 도모할 수 있는 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 천연가스하이드레이트의 에너지 저장효율은 액화천연가스대비 3분의 1이 되지 못하고 세배 이상의 저장공간과 중량을 가진다. 이러한 이유로 천연가스하이드레이트를 선박의 연료로 활용하는 것은 상대적으로 훨씬 큰 체적의 연료탱크가 요구되어 선박 설계 절차상 수용이 불가능한 것으로 인식되고 있다.
반면에 대부분의 선박은 공선(Empty Cargo) 상태에서 안정적인 운항을 위해 평형수(ballast water)를 활용한다. 선박 평형수의 역할은 선박복원성능의 유지(Maintain stability of the ship), 선체의 종횡방향 자세 제어(Trim and heel control), 추진기의 적정 침수깊이 유지(Secure immersion depth of the propeller), 적정흘수의 확보를 통한 선수슬래밍의 방지(Reduction of slamming), 항행 중 발생하는 굽힘모멘트의 저감(Reduction of bending moment of the ship) 및 전단력의 상쇄(Relieve the shear force of the ships) 등이 있다.
선박에서 사용되는 평형수의 양은 선종별로 상이하나 일반적으로 DWT(Dead Weight)의 30%에서 40% 정도이며, 여객선은 컨테이너선, 벌크선 등 화물선 대비 10% 정도의 평형수를 추가 운용하는 것으로 알려져 있다.
평형수에 포함된 해양 미생물의 장거리 이동에 따른 해양환경 파괴로 2017년 9월부터 선박 평형수협약(The measures of the Ballast Water Management (BWM) Convention)이 발효되어 모든 선박의 평형수는 배출전 미생물의 살처분과 확인 과정이 요구되고 있어, 이에 따른 평형수 처리장치의 설치, 운용 비용 증가, 항구에서의 선박 평형수 검사에 따른 정박 기간 증가 등의 문제가 대두되고 있다.
주요선진국에서는 평형수 문제를 해결하기 위해 평형수를 활용하지 않거나 사용량을 최소화하는 선박 개념에 대한 연구를 진행 중에 있다. 일례로 미국 미시간 대학에서는 선체 내부에 트렁크라고 하는 선체 관통형 홀을 뚫는 방식의 무평형수 선박 개념을 제시한 바 있으며, 일본에서는 선체 측면의 곡률(bilge radius)을 키워 프로펠러 침수 깊이를 확보한 무평형수 선형(NOBS, Non-ballast water ship)과 최소평형수 선형(MIBS, minimal ballast water ship) 을 갖는 선박 개념을 발표한 바 있다. 한국에서는 화물창 하부의 선저면을 선수 선미부와 다르게 배치하는 Uneven baseline 개념의 무평형수 및 최소평형수 선형 개념을 제시한 바 있다.
무평형수 선박, 최소평형수 선박의 구현과 상용화를 위해서는 평형수를 사용하지 않으면서도 선박 운항을 위해 요구되는 (1)화물 적재에 따른 자세 제어 능력의 유지, (2)적정 추진기 침수 깊이의 확보, (3)적정수진의 저항추진 성능 확보, (4)운항 중 선수 슬래밍에 대한 대책 확보, (5)운항 중 선체가 부담하는 하중에 대한 대책 확보, (6)기존 항만에서의 운용성 확보, (7)용이한 기술적 구현성 확보, (8)수명주기 경제성 확보가 반드시 요구되고 있는 실정이다.
한국등록특허 제10-0941485호 가스하이드레이트의 생성, 저장, 수송 및 재가스화 통합처리장치
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 천연가스하이드레이트에서 천연가스를 추출한 후 이를 최소평형수 선형 선박의 듀얼퓨얼 엔진의 연료로써 활용할 수 있는 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 천연가스 추출 후 잔류하는 청수를 정류하여 이를 기항지 등에서 재활용할 수 있는 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 천연가스와 수소의 혼소(mixed combustion)를 통해 그린하우스가스 저감을 도모할 수 있는 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 최소평형수 선박의 선형(hull-form)을 활용하여 요구되는 평형수를 LNG 및 선박연료유(HFO) 대신 천연가스하이드레이트의 큰 중량과 체적을 활용하여 대체하는 것을 기본으로 무평형수 운항이 가능하도록 하는 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너는 선박에 고정식 또는 탱크컨테이너 형태로 적재될 수 있으며, 천연가스하이드레이트를 운송하는 선박의 경우 별도의 LNG, HFO 벙커링 작업 없이 천연가스하이드레이트를 적재할 수 있는 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 평형수가 필요없는 만재 상태의 운항의 경우 듀얼퓨얼 엔진을 활용하여 기존의 LNG, HFO를 선박 연료로 활용하여 화물 적재량을 최대화할 수 있도록 하는 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 천연가스하이드레이트와 수소를 탱크컨테이너에 적재하여 선박에 탑재한 후 적재된 탱크컨테이너로부터 천연가스와 수소를 추출 및 혼합하여 선박의 연료로 공급하는 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템은 최소평형수 선박의 연료공급계통에 연결된 하나 이상의 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너가 적층된 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택, 상기 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택으로부터 추출되는 천연가스의 압력을 일정하게 유지하는 천연가스 레귤레이터, 상기 천연가스의 추출 중 배관의 손상이나 관막힘 방지를 위해 상기 천연가스의 온도를 조절하는 열교환기, 상기 열교환기와 연결되며, 상기 열교환기를 통해 배출되는 천연가스의 유량을 계측하는 연료 유량계, 상기 최소평형수 선박 내 엔진의 연료 흡입부와 연결된 연료 공급관 및 상기 연료 공급관을 통해 흡입된 공기와 상기 열교환기를 통해 흡입되는 천연가스 간의 혼합비를 제어하는 연료 유량 조절밸브를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택은 상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스(exhaust gas) 또는 냉각수(coolant)의 열을 이용하여 고체상태의 천연가스하이드레이트의 상평형 상태를 조정하여 상기 천연가스를 재기화시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 천연가스 레귤레이터는 상기 하나 이상의 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 각각으로부터 배출되는 천연가스의 압력을 취합하여 일정한 천연가스 공급 압력이 유지되도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명은 상기 천연가스 레귤레이터와 상기 열교환기 사이에 위치하며 상기 천연가스 레귤레이터로부터 배출되는 천연가스의 배출 상태를 조절하는 천연가스 조절밸브를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 열교환기는 상기 천연가스 조절밸브를 통해 배출되는 천연가스의 추출 중 배관의 손상이나 관막힘 방지를 위하여 열교환을 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연료 공급관은 스로틀 바디를 포함하며, 상기 스로틀 바디를 통해 흡입된 공기량은 상기 연료 유량 조절밸브에 전달되는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스로틀 바디는 상기 연료 공급관을 통해 흡입되는 공기량을 조절하는 스로틀 밸브를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택은 상기 최소평형수 선박에 적재된 하나 이상의 컨테이너의 무게 배분에 따라 선박 상에서 배치상태가 변경되도록 마련되며, 상기 최소평형수 선박의 평형수를 대신하여 상기 천연가스하이드레이트 탱크컨테이터 스택에 의해 상기 최소평형수 선박의 종횡경사가 조정되고 적정 흘수(draft)가 확보되는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택과 상기 연료 공급관 사이에는 상기 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너의 폭발을 방지하기 위한 비상차단밸브(Quick Closing Valve), 회생 압력 밸브(Flashback Pressure Valve) 및 기폭 방지기(Detonation Arrester) 중 어느 하나 이상이 마련되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템은 선박의 연료공급계통에 연결된 하나 이상의 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 및 하나 이상의 수소탱크가 적층된 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택, 상기 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택으로부터 배출되는 천연가스의 압력을 조절하는 천연가스 레귤레이터, 상기 수소탱크로부터 배출되는 수소의 압력을 조절하는 수소 레귤레이터, 상기 천연가스 조절밸브를 통해 배출되는 천연가스의 온도를 조절하는 열교환기, 상기 열교환기와 연결되며, 상기 열교환기를 통해 배출되는 천연가스의 유량을 계측하는 연료 유량계, 상기 수소 레귤레이터와 연결되며, 상기 수소 레귤레이터로부터 배출되는 수소의 유량을 계측하는 수소 유량계, 선박 내 엔진의 연료 흡입부와 연결된 연료 공급관 및 상기 연료 공급관을 통해 흡입된 공기와 상기 열교환기를 통해 배출되는 천연가스 간의 혼합비를 제어하는 연료 유량 조절밸브를 포함하며, 상기 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택에서 상기 천연가스 추출 후 잔류하는 청수를 상기 최소평형수 선박의 평형수로 대체하여 적용하며, 기항지에서 상기 청수를 취합하여 재활용할 수 있도록 상기 청수를 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 천연가스하이드레이트에서 천연가스를 추출한 후 이를 최소평형수 선형 선박의 듀얼퓨얼 엔진의 연료로써 활용할 수 있는 이점을 가진다.
또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 천연가스 추출 후 잔류하는 청수를 기항지 등에서 취합, 처리하여 재활용할 수 있는 이점을 가진다.
또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 천연가스와 수소의 혼소(mixed firing)를 통해 그린하우스가스 저감을 도모할 수 있는 이점을 가진다.
또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 최소평형수 선박의 선형(hull-form)을 활용하여 요구되는 평형수를 LNG 및 선박연료유(HFO) 대신 천연가스하이드레이트의 큰 중량과 체적을 활용하여 대체하는 것을 기본으로 무평형수 운항이 가능하도록 하는 이점을 가진다.
또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너는 선박에 고정식 또는 탱크컨테이너 형태로 적재될 수 있으며, 천연가스하이드레이트를 운송하는 선박의 경우 별도의 LNG, HFO 벙커링 작업 없이 천연가스하이드레이트를 적재하는 과정만으로 선박에 연료를 공급할 수 있는 이점을 가진다.
또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 평형수가 필요없는 만재 상태의 운항의 경우 듀얼퓨얼 엔진을 활용하여 기존의 LNG, HFO를 선박 연료로 활용하여 화물 적재량을 최대화할 수 있는 이점을 가진다.
또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너는 각기 무게가 다른 컨테이너를 적재하여 선박의 종방향 기울기(trim), 횡방향 기울기(heel)가 수평이 유지되지 않을 경우 선박의 종횡방향 평형을 맞추어주는 역할을 할 수 있는 이점을 가진다.
또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 천연가스하이드레이트로부터 가스를 재기화하고 남게되는 체적의 80%에 이르는 담수(청수)를 기항지에서 취합하여 활용할 수 있도록 함으로서 물부족 지역의 담수화플랜트 소요를 일정부분 대체할 수 있는 이점을 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템(100)의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템(200)의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 최소평형수 선형이 적용된 선박에 도 1 또는 도 2에 도시된 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택(110, 210)이 다수의 컨테이너와 함께 배치된 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 최소평형수 선형이 적용된 선박의 힐(heel) 및 트림(trim) 조정을 위해 도 1 또는 도 2에 도시된 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택(110, 210)을 배치한 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 도 1 또는 도 2에 도시된 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택(110, 210) 내 청수를 육상으로 전달 후, 육상에서 이를 정류하는 과정을 도시한 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템(100)을 통해 듀얼퓨얼 엔진에 천연가스하이드레이트 연료를 공급하는 과정을 일련의 순서대로 도시한 순서도이다.
도 7은 도 2에 도시된 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템(200)을 통해 듀얼퓨얼 엔진에 천연가스하이드레이트 연료를 공급하는 과정을 일련의 순서대로 도시한 순서도이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템(100)의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템(100)은 크게 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택(110), 천연가스 레귤레이터(120), 천연가스 조절밸브(130), 열교환기(140), 연료 유량계(150), 연료 유량 조절밸브(160)를 포함하여 구성될 수 있다.
천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택(110)은 하나 이상의 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너가 적층된 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너를 의미한다. 이때, 각각의 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너(110a) 내 천연가스하이드레이트는 얼음형태의 고체상태이기 때문에, 선박의 엔진(300)으로부터 배출되는 배기가스(exhaust gas) 또는 냉각수(coolant)의 열을 이용하거나 감압하여 고체상태의 천연가스하이드레이트로부터 천연가스를 추출하게 된다.
추출된 천연가스는 배관을 통해 천연가스 레귤레이터(120)로 공급된다.
천연가스 레귤레이터(120)는 각각의 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너(110a)로부터 배출되는 천연가스의 압력이 일정하게 유지되도록 한다. 천연가스 레귤레이터(120)에 의해 배출압이 일정해진 천연가스는 천연가스 조절밸브(130)를 통해 열교환기(140)로 전달된다.
여기에서, 천연가스 조절밸브(130)는 천연가스 레귤레이터(120)와 열교환기(140) 사이에 위치하며, 천연가스 레귤레이터(120)로부터 배출되는 천연가스의 배출 상태를 조절하는 역할을 한다.
열교환기(140)는 천연가스 조절밸브(130)를 통해 배출되는 천연가스의 온도를 조절하는 역할을 한다.
보다 구체적으로, 배출관 내 천연가스는 너무 낮은 온도가 될 경우 하이드레이트 상태가 되어 관 막힘이 발생할 수 있기 때문에, 열교환기(140)는 천연가스 조절밸브(130)를 통해 배출되는 천연가스에 의해 배출관이 파손되거나 막히지 않도록 하는 역할을 하게 된다.
열교환기(140)를 통한 천연가스는 연료 유량계(150)를 통해 유량이 조절된 후, 연료 유량 조절밸브(160)를 통해 공기와 천연가스의 혼합비가 일정하게 조절된다.
여기에서, 연료 유량 조절밸브(160)는 엔진(300)의 연료 흡입부와 연결된 연료 공급관(310)을 통해 흡입된 공기와 열교환기(140)를 통해 배출되는 천연가스 간의 혼합비가 일정하게 유지되도록 하며 또한 유량을 검사하게 된다. 여기에서, 엔진(300)은 듀얼퓨얼 엔진을 의미할 수 있다.
한편, 연료 공급관(310)은 스로틀 바디(320)를 포함하며, 스로틀 바디(320)에 포함된 스로틀 밸브를 통해 연료 공급관(310)으로 흡입되는 공기의 흡입량이 조절될 수 있다. 또한, 스로틀 밸브를 통해 흡입된 공기의 공기량은 연료 유량 조절 밸브(160)에 전해지면서 연료 유량 조절밸브(160)에서 공기와 천연가스의 정확한 혼합비를 조절하는데 적용될 수 있다.
한편, 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택(110)은 체적의 80%를 차지하는 청수(담수)에 의해 상당한 무게를 가지게 되는데, 본 발명에서는 이를 이용하여 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택(110)이 선박에 적재된 하나 이상의 컨테이너의 무게를 활용해 선박의 평형수를 대신하여 선박의 종횡방향 자세를 제어할 수 있다. 이에 관해서는 도 3 및 도 4를 통해 후술하기로 한다.
또한, 일 실시예에서 도면에는 도시되지 않았지만, 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택(110)과 연료 공급관(310) 사이에는 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너(110a)의 폭발을 방지하기 위하여 비상차단밸브(Quick Closing Valve), 회생 압력 밸브(Flashback Pressure Valve) 및 기폭 방지기(Detonation Arrester) 등이 마련될 수 있다.
한편, 도 1에서는 엔진(300)에 천연가스와 공기를 혼합하여 공급할 수 있는 연료공급 시스템에 대해 살펴보았다면, 도 2를 통해서는 엔진(300)에 천연가스, 수소 및 공기를 혼합하여 공급함으로써, 그린하우스가스(GHG, Green House Gas)를 저감할 수 있는 연료공급 시스템에 대해 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템(200)의 구성을 도시한 도면이다.
도 2를 살펴보면, 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템(200)은 도 1에 도시된 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템(100)과 대부분 유사한 구성을 가지되, 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택(210), 수소탱크(210b), 수소 레귤레이터(230), 수소 유량계(270)에서 차이를 보인다. 따라서, 도 2에서는 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택(210), 수소탱크(210b), 수소 레귤레이터(230), 수소 유량계(270)에 대해서만 설명하고 나머지 구성에 대해서는 생략하기로 한다.
도 2에서의 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택(210)은 도 1에서의 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택(110)과는 달리, 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너(210a)와 수소탱크(210b)를 포함한다.
즉, 일부 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너(210a)를 수소탱크(210b)가 대체하는 것이다.
따라서, 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택(210)에서는 천연가스와 수소를 모두 공급할 수 있게 된다.
이때, 천연가스는 천연가스 레귤레이터(220), 천연가스 조절밸브(240), 열교환기(250), 연료 유량계(260), 연료 유량 조절밸브(280)를 통해 엔진(300)의 연료 공급관(310)으로 공급되지만, 수소는 수소 레귤레이터(230) 및 수소 유량계(270)를 통해 연료 공급관(310)으로 공급된다.
수소 레귤레이터(230)는 천연가스 레귤레이터(220)와 마찬가지로, 각각의 수소탱크(210b)로부터 배출되는 수소들의 서로 상이한 배출압을 취합하여, 일정한 배출압이 유지되도록 한다. 수소 레귤레이터(230)에 의해 배출압이 일정해진 수소는 수소 유량계(270)로 전달된다. 수소 유량계(270)는 수소의 유량을 계측하는 역할을 하며, 수소 유량계(270)를 통한 수소는 연료 공급관(310)으로 전달되어 공기와 함께 흡입된다.
엔진(300)에 천연가스 및 공기가 흡입되어 폭발행정이 발생될 경우에는 다량의 이산화탄소가 발생될 수 있기 때문에, 본 발명에서는 이산화탄소 저감을 목적으로 하여 천연가스 및 공기에 수소를 함께 공급하여 연소하게 된다.
다음으로는, 도 1 또는 도 2에 도시된 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택(110, 210)이 최소평형수 선형을 가진 선박에 적용 및 배치된 상태를 살펴보기로 한다.
도 3은 최소평형수 선형이 적용된 선박에 도 1 또는 도 2에 도시된 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택(110, 210)이 다수의 컨테이너와 함께 배치된 상태를 도시한 도면이고, 도 4는 최소평형수 선형이 적용된 선박의 힐(heel) 및 트림(trim) 조정을 위해 도 1 또는 도 2에 도시된 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택(110, 210)을 배치한 상태를 도시한 도면이다.
먼저, 도 3을 살펴보면 도 3의 선박은 최소평형수 선형이 적용된 선박에 천연가스하이드레이트 혹은 천연가스하이드레이트와 수소가 충전된 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택(110, 210)이 다수의 컨테이너 박스들과 함께 적재된 상태를 나타낸다.
도 3을 살펴보면, 각각의 컨테이너 박스들은 내용물에 따라 모두 무게가 다르기 때문에, 선박 전체를 놓고 봤을때 선박의 무게중심은 일정하지 않고 컨테이너들의 무게에 따라 한쪽으로 치우치게 된다.
따라서, 선박의 횡방향 기울기(heel)와 종방향 기울기(trim)이 수평이 되지 않을 경우, 천연가스 추출 후 남게 되는 체적의 80%에 달하는 청수가 가진 무게를 이용하여 선박의 이러한 무게 중심을 맞출 수 있게 된다.
이를 위하여, 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택(110, 210)은 한 위치에 고정되도록 형성되는 것이 아니라, 선박에 적재되는 컨테이터 박스들의 무게 배분에 따라 얼마든지 그 위치가 이동될 수 있다.
특히, 본 발명은 최소평형수(MIBS) 선형이 적용된 최소평형수 선박을 이용할 경우 천연가스하이드레이트가 가지는 자체 중량을 평형수로 대체함으로써 무평형수(NOB) 운행이 가능하게 된다.
도 4를 살펴보면, 최소평형수 선형을 가진 선박의 횡방향 기울기 및 종방향 기울기 수평을 맞추기 위하여, 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택(110, 210)은 선박의 수평면을 기준으로 횡방향 및 종방향의 평형을 맞출 수 있도록 배치된다.
따라서, 다수의 컨테이너 별 무게가 상이하여 선박의 무게가 한쪽으로 치우치더라도, 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택(110, 210)의 배치를 달리함으로써 선박의 수평면을 기준으로 횡방향 및 종방향의 평형을 맞출 수 있게 된다.
한편, 다음으로는 도 5를 통해 연가스하이드레이트 연료탱크 스택(110, 210) 내 청수를 육상으로 전달 후, 육상에서 이를 정류하는 과정을 살펴보기로 한다.
도 5는 도 1 또는 도 2에 도시된 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택(110, 210) 내 청수를 육상으로 전달 후, 육상에서 이를 정류하는 과정을 도시한 도면이다.
도 5를 살펴보면, 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택(110, 210)에 남은 청수는 펌프를 통해 육상의 포집탱크로 공급되어 수거된다.
이때, 육상에 설치되는 정수장치는 제1 펌프(a), 1차 청수 저장탱트(b), 필터장치(c), 2차 청수 저장탱크(d) 및 제2 펌프(e)로 구성될 수 있다.
제1 펌프(a)는 하나 이상의 천연가스하이드레이트 탱크로부터 청수를 배출시키는 역할을 하고, 배출된 청수는 1차 청수 저장탱크(b)에 우선 저장된다.
이때, 1차 청수 저장탱크(b)에 저장된 청수에는 용존 천연가스 및 불순물, 이물질이 함유될 수 있으므로, 필터장치(c)를 통해 이를 정류하게 된다.
이때, 필터장치(c)의 개수는 제한되지 않으며, 필터장치(c)의 개수가 많으면 많을수록 정류 효과가 극대화될 수 있다.
필터장치(c)를 통해 정류된 청수는 다시 2차 청수 저장탱크(d)에 저장된 후, 제2 펌프(e)를 통해 각 공급처로 공급될 수 있다.
즉, 본 발명에 따르면 천연가스하이드레이트의 재기화 후 남는 청수를 기항지에서 취합한 후 공급처에서 이를 재활용할 수 있기 때문에, 물부족 지역의 담수화 플랜트를 대체할 수 있는 이점을 가질 수 있다.
다음으로는, 도 6 및 도 7을 통해 상기의 구성들을 통해 천연가스하이드레이트 연료가 엔진에 공급되는 과정을 순서대로 살펴보기로 한다.
도 6은 도 1에 도시된 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템(100)을 통해 듀얼퓨얼 엔진에 천연가스하이드레이트 연료를 공급하는 과정을 일련의 순서대로 도시한 순서도이고, 도 7은 도 2에 도시된 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템(200)을 통해 듀얼퓨얼 엔진에 천연가스하이드레이트 연료를 공급하는 과정을 일련의 순서대로 도시한 순서도이다.
먼저 도 6을 살펴보면, 엔진(듀얼퓨얼 엔진)으로부터 배출되는 배기가스 또는 가열된 냉각수의 열을 이용하여 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 내 천연가스하이드레이트를 기화시킴으로써 천연가스를 추출하게 된다(S101). 그 다음, 천연가스 레귤레이터를 통해 천연가스의 배출압을 일정하게 조절하고(S102), 열교환기를 통해 천연가스에 일정한 열을 지속적으로 공급하여 온도를 조절하게 된다(S103). 그 다음, 연료 유량계를 통해 천연가스의 유량을 계측하고(S104), 엔진의 연료 흡입부와 연결된 연료 공급관에서 공기를 흡입함과 동시에, 천연가스를 혼소하며 연료 유량 조절밸브를 통해 공기와 천연가스 간의 혼합비를 조절하게 된다(S105). 그 다음, 혼소된 연료(공기+천연가스)를 엔진으로 공급하게 된다(S106). 엔진의 배기 행정에 의해 배출되는 배기가스 또는 냉각수의 열은 다시 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너로 공급되어 상기의 단계들이 반복적으로 수행되게 된다(S107).
도 7을 살펴보면, 엔진(듀얼퓨얼 엔진)으로부터 배출되는 배기가스 또는 냉각수의 열을 이용하여 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 내 천연가스하이드레이트를 기화시킴으로써 천연가스를 추출하게 된다(S201). 이와 동시에, 수소탱크 내 수소를 배출하게 된다(S202).
그 다음, 천연가스 레귤레이터를 통해 천연가스의 배출압을 일정하게 조절하고(S202), 열교환기를 통해 천연가스에 일정한 열을 지속적으로 공급하여 온도를 조절하게 된다(S203). 이와 동시에, 수소 레귤레이터에서는 배출되는 수소의 배출압을 일렁하게 조절한다(S202')
그 다음, 연료 유량계를 통해 천연가스의 유량을 계측하고(S204), 엔진의 연료 흡입부와 연결된 연료 공급관에서 공기를 흡입함과 동시에, 수소를 연료 공급관으로 공급함으로써 천연가스와 함께 혼소하며, 연료 유량 조절밸브를 통해 공기와 천연가스 간의 혼합비를 조절하게 된다(S205).
그 다음, 혼소된 연료(공기+천연가스)를 엔진으로 공급하게 된다(S206). 엔진의 배기행정에 의해 배출되는 배기가스 또는 냉각수의 열은 다시 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너로 공급되어 상기의 단계들이 반복적으로 수행되게 된다(S207).
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템
110: 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택
110a: 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너
120: 천연가스 레귤레이터
130: 천연가스 조절밸브
140: 열교환기
150: 연료 유량계
160: 연료 유량 조절밸브
200: 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템
210: 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택
210a: 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너
210b: 수소탱크
220: 천연가스 레귤레이터
230: 수소 레귤레이터
240: 천연가스 조절밸브
250: 열교환기
260: 연료 유량계
270: 수소 유량계
280: 연료 유량 조절밸브
300: 엔진
310: 연료 공급관
320: 스로틀 바디

Claims (12)

  1. 최소평형수 선박의 연료공급계통에 연결된 하나 이상의 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너가 적층되되, 상기 최소평형수 선박에 적재된 하나 이상의 컨테이너의 무게 배분에 따라 선박 상에서 한 위치에 고정되지 않고 배치상태가 변경되어 상기 최소평형수 선박의 수평면을 기준으로 횡방향 및 종방향의 평형을 맞출 수 있도록 위치가 이동되는 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택;
    상기 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택으로부터 추출되는 천연가스의 압력을 일정하게 유지하는 천연가스 레귤레이터;
    상기 천연가스의 추출 중 배관의 손상이나 관막힘 방지를 위해 상기 천연가스의 온도를 조절하는 열교환기;
    상기 열교환기와 연결되며, 상기 열교환기를 통해 배출되는 천연가스의 유량을 계측하는 연료 유량계;
    상기 최소평형수 선박 내 엔진의 연료 흡입부와 연결된 연료 공급관; 및
    상기 연료 공급관을 통해 흡입된 공기와 상기 열교환기를 통해 흡입되는 천연가스 간의 혼합비를 제어하는 연료 유량 조절밸브;를 포함하며,
    상기 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택에서 상기 천연가스 추출 후 잔류하는 청수를 상기 최소평형수 선박의 평형수로 대체하여 적용하며, 기항지에서 상기 청수를 취합하여 재활용할 수 있도록 상기 청수를 상기 기항지로 공급하고,
    상기 최소평형수 선박의 평형수를 대신하여 상기 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택에 의해 상기 최소평형수 선박의 종횡경사가 조정되고 적정 흘수(draft)가 확보되는 것을 특징으로 하는, 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택은,
    상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스(exhaust gas) 또는 냉각수(coolant)의 열을 이용하여 고체상태의 천연가스하이드레이트의 상평형 상태를 조정하여 상기 천연가스를 재기화시키는 것을 특징으로 하는, 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 천연가스 레귤레이터는,
    상기 하나 이상의 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 각각으로부터 배출되는 천연가스의 압력을 취합하여 일정한 천연가스 공급 압력이 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는, 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 천연가스 레귤레이터와 상기 열교환기 사이에 위치하며, 상기 천연가스 레귤레이터로부터 배출되는 천연가스의 배출 상태를 조절하는 천연가스 조절밸브;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열교환기는,
    상기 천연가스 조절밸브를 통해 배출되는 천연가스의 추출 중 배관의 손상이나 관막힘 방지를 위하여 열교환을 수행하는 것을 특징으로 하는, 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연료 공급관은 스로틀 바디를 포함하며, 상기 스로틀 바디를 통해 흡입된 공기량은 상기 연료 유량 조절밸브에 전달되는 것을 특징으로 하는, 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스로틀 바디는,
    상기 연료 공급관을 통해 흡입되는 공기량을 조절하는 스로틀 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는, 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택과 상기 연료 공급관 사이에는,
    상기 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너의 폭발을 방지하기 위한 비상차단밸브(Quick Closing Valve), 회생 압력 밸브(Flashback Pressure Valve) 및 기폭 방지기(Detonation Arrester) 중 어느 하나 이상이 마련되는 것을 특징으로 하는, 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템.
  10. 최소평형수 선박의 연료공급계통에 연결된 하나 이상의 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 및 하나 이상의 수소탱크가 적층되되, 상기 최소평형수 선박에 적재된 하나 이상의 컨테이너의 무게 배분에 따라 상기 최소평형수 선박 상에서 한 위치에 고정되지 않고 배치상태가 변경되어 상기 최소평형수 선박의 수평면을 기준으로 횡방향 및 종방향의 평형을 맞출 수 있도록 위치가 이동되는 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택;
    상기 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택으로부터 배출되는 천연가스의 압력을 조절하는 천연가스 레귤레이터;
    상기 수소탱크로부터 배출되는 수소의 압력을 조절하는 수소 레귤레이터;
    천연가스 조절밸브를 통해 배출되는 천연가스의 온도를 조절하는 열교환기;
    상기 열교환기와 연결되며, 상기 열교환기를 통해 배출되는 천연가스의 유량을 계측하는 연료 유량계;
    상기 수소 레귤레이터와 연결되며, 상기 수소 레귤레이터로부터 배출되는 수소의 유량을 계측하는 수소 유량계;
    상기 최소평형수 선박 내 엔진의 연료 흡입부와 연결된 연료 공급관; 및
    상기 연료 공급관을 통해 흡입된 공기와 상기 열교환기를 통해 배출되는 천연가스 간의 혼합비를 제어하는 연료 유량 조절밸브;를 포함하며,
    상기 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택에서 상기 천연가스 추출 후 잔류하는 청수를 상기 최소평형수 선박의 평형수로 대체하여 적용하며, 기항지에서 상기 청수를 취합하여 재활용할 수 있도록 상기 청수를 상기 기항지로 공급하고,
    상기 최소평형수 선박의 평형수를 대신하여 상기 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 스택에 의해 상기 최소평형수 선박의 종횡경사가 조정되고 적정흘수(draft)가 확보되는 것을 특징으로 하는, 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 및 상기 수소탱크 각각과 상기 연료 공급관 사이에는,
    상기 천연가스하이드레이트 탱크컨테이너 및 상기 수소탱크의 폭발을 방지하기 위한 비상차단밸브(Quick Closing Valve), 회생 압력 밸브(Flashback Pressure Valve) 및 기폭 방지기(Detonation Arrester) 중 어느 하나 이상이 마련되는 것을 특징으로 하는, 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템.
KR1020190070504A 2019-06-14 2019-06-14 천연가스하이드레이트를 이용하여 최소평형수 선박 내 연료공급, 평형수 대체 및 청수공급이 가능한 시스템 KR102075296B1 (ko)

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