KR102110325B1 - 선박용 증발가스 재액화 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박용 증발가스 재액화 시스템에 관한 것으로, LNG탱크에서 발생한 BOG를 재액화하고 미세유로열교환기의 오일에 의한 막힘현상을 방지할 수 있는 선박용 증발가스 재액화 시스템에 관한 기술이다.
본 발명은 LNG탱크의 LNG를 메인엔진에 공급하는 LNG공급라인; 상기 LNG탱크에서 발생된 BOG를 디젤엔진에 공급하는 BOG공급라인; 상기 BOG공급라인에서 분기되고 상기 BOG를 상기 LNG공급라인의 LNG와 열교환에 의해 상기 BOG를 재액화하여 상기 LNG탱크로 회수되는 BOG재액화라인;으로 구성된 선박용 연료가스 시스템에 있어서, 상기 LNG공급라인과 상기 BOG재액화라인의 사이에는 미세유로가 형성된 제1미세유로열교환기에 설치되어 상기 BOG가 냉각이 이루어지고, 상기 BOG재액화라인에는 오일프리컴프레셔가 설치되어 상기 BOG를 상기 제1미세유로열교환기에 공급하여 미세유로 막힘현상을 방지할 수 있으며, 상기 BOG 공급라인은 상기 제1미세유로열교환기를 통과하도록 마련되어 공급되는 BOG의 냉열을 이용하여 BOG재액화라인의 BOG를 LNG공급라인의 LNG와 함께 열교환시켜 재액화 효율을 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

선박용 증발가스 재액화 시스템{Reliquefaction system of boil-off gas for ship}

본 발명은 선박용 증발가스 재액화 시스템에 관한 것으로, LNG탱크에서 발생한 BOG를 재액화하고 미세유로열교환기의 오일에 의한 막힘현상을 방지할 수 있는 선박용 증발가스 재액화 시스템에 관한 기술이다.

LNG(Liquefied Natural Gas) 즉 '액화천연가스'는 연소 시 대기 오염 물질 배출량이 적은 친환경 연료이다. LNG는 메탄을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -163℃로 냉각해서 액화시키면 기체 대비 1/600 정도의 부피로 줄일 수 있는 장점이 있다. 이러한 환경적요인으로 인해 최근 선박용 엔진의 연료로서 LNG의 사용이 많이 되고 있다.

그리고, 선박의 엔진, 발전기 등의 연료로 LNG가 많이 사용하게 되는데, 완벽한 단열의 어려움으로 LNG탱크에서는 BOG(Boil Off Gas) 즉, '증발가스'가 많이 발생하게 된다. 이러한 증발가스의 발생은 LNG탱크의 높은 압력이 발생하므로 안전을 위해 재액화 시켜야 한다.

종래의 기술 중 대한민국 공개실용신안 제20-2018-0000195호에 '선박용 증발가스 재액화 시스템'이 개시되어 있으며 압축과 열교환 등의 과정에 의해 BOG를 재액화하고 있다.

그리고, 증발가스의 재액화 냉각의 열교환 효율을 높이기 위해 미세유로를 가진 미세유로열교환기(PCHE 타입 또는 MCHE 타입)를 채택을 많이 하고 있고, 종래에는 통상적으로 증발가스를 압축하기 위해 300bar의 압력을 가진 컴프레셔를 사용하게 된다. 이때 컴프레셔 후단에 오일이 유체에 포함되어 있으며 미세유로열교환기에 유입되는 경우 미세유로를 막아 시스템 효율이 현저하게 떨어지는 문제점이 있어왔다.

KR 20-2018-0000195 U

본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위한 것으로, BOG 재액화 시 미세유로열교환기를 사용하여 열교환효율을 높이되, 컴프레셔에서 발생된 오일로 인한 열교환기의 막힘현상을 방지할 수 있는 선박용 증발가스 재액화 시스템을 제공하고자 한다.

상기의 과제를 해결하기 위해 본 발명은 LNG탱크의 LNG를 메인엔진에 공급하는 LNG공급라인; 상기 LNG탱크에서 발생된 BOG를 디젤엔진에 공급하는 BOG공급라인; 상기 BOG공급라인에서 분기되고 상기 BOG를 상기 LNG공급라인의 LNG와 열교환에 의해 상기 BOG를 재액화하여 상기 LNG탱크로 회수되는 BOG재액화라인;으로 구성된 선박용 연료가스 시스템에 있어서, 상기 LNG공급라인과 상기 BOG재액화라인의 사이에는 미세유로가 형성된 제1미세유로열교환기에 설치되어 상기 BOG가 냉각이 이루어지고, 상기 BOG재액화라인에는 오일프리컴프레셔가 설치되어 상기 BOG를 상기 제1미세유로열교환기에 공급하여 미세유로 막힘현상을 방지할 수 있으며, 상기 BOG 공급라인은 상기 제1미세유로열교환기를 통과하도록 마련되어 공급되는 BOG의 냉열을 이용하여 BOG재액화라인의 BOG를 LNG공급라인의 LNG와 함께 열교환시켜 재액화 효율을 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 BOG재액화라인의 상기 제1미세유로열교환기 출구측과, 상기 LNG공급라인 사이에는 제2미세유로열교환기가 설치되어 상기 제1미세유로열교환기를 통과한 BOG가 재냉각되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1,2미세유로열교환기는 MCHE(Main Cryogenic Heat Exchanger) 또는 PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger)인 것을 특징으로 한다.

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본 과제의 해결 수단에 제공된 구성에 의하면, BOG 압축 시 100bar 급의 오일프리타입형의 컴프레셔를 사용하여 미세유로열교환기의 오일에 의한 막힘현상을 방지할 수 있다.

종래에는 LNG 소모량 대 BOG 처리량이 10:1 수준이었으나, 미세유로열교환기와 오일프리타입형을 채용함으로써 종래의 LNG 소모량 대 BOG 처리량 비율을 5:3비율까지 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템을 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제3실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템을 도시한 구성도이다.

본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템의 실시예이며, 본 발명인 선박용 증발가스 재액화 시스템은 다음과 같이 구성된다.

도 1을 참조하면, 기본적으로 본 발명은 LNG공급라인(10), BOG공급라인(20), BOG재액화라인(30)으로 구성되며, 본 발명에서는 제1미세유로열교환기(100), 오일프리컴프레셔(Oil free compressor,200)가 설치되는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명의 구성을 순서대로 설명하기로 한다.

상기 LNG공급라인(10)은 LNG(Liquid Natural Gas)가 저장된 LNG탱크(11)에서 LNG액체 연료를 연료 소비처인 메인엔진(MEGI)에 공급하는 라인이다.

도면상에는 LNG탱크(11)의 LNG가 A,B,C,D 순으로 이동하여 메인엔진에 공급하게 된다.

LNG가 공급되는 A 지점에서 -158℃로 시간당연료소모량 약 5,000kg/h을 처리할 수 있다.

그리고, A와 B 사이에는 고압 부스터 펌프(High Pressure Booster Pump,12)가 설치되어 고압에 의해 LNG를 압축하게 되어 B지점에서 -147℃로 약 300bar까지 올라가게 된다. 그리고, B와 C 사이에는 제1미세유로열교환기(100)가 설치되게 되어 C 지점에서는 LNG가 BOG(Boil Off Gas)와 열교환에 의해 -14℃까지 올라가게 되고, C와 D 사이에는 히터(14)가 설치되게 되어 D 지점에서는 약 40℃까지 온도를 높여 메인엔진에 적절한 온도를 제공하게 된다.

상기 BOG공급라인(20)은 LNG가 저장된 LNG탱크에서 발생된 BOG를 디젤엔진에 공급하는 라인이다.

도면상에는 BOG가 1,2 지점순으로 하여 디젤엔진 즉 발전기에 공급하게 된다.

BOG가 공급되는 1지점에서 -158℃로 시간당연료소모량 약 3,000kg/h 이다.

그리고, 1과 2지점 사이에는 BOG컴프레셔(22)와 쿨러(24)가 설치되어 BOG 온도가 40℃로 상승하게 되고 압력은 약 7bar까지 올라가게 되어 디젤엔진에 적절한 온도와 압력에 맞는 BOG 연료를 제공할 수 있게 된다.

상기 BOG재액화라인(30)은 BOG공급라인(20)에서 분기되어 재액화하여 상기 LNG탱크(11)로 회수하는 라인이다.

여기서, 상기 BOG재액화라인(30)은 BOG의 사용량보다 많이 발생하게 되는 잉여의 BOG를 다시 재액화하기 위해서이다.

BOG재액화라인(30)은 BOG를 상기 LNG공급라인(10)의 LNG와 열교환에 의해 상기 BOG를 재액화하게 된다.

도면상으로 보면 BOG공급라인(20)에서 분기되어 3,4,5,6의 지점을 거쳐 LNG탱크로 회수되게 된다.

BOG재액화라인(30)의 BOG연료가 3에서 4지점으로 이동시 오일프리컴프레셔(200)와 쿨러(32)가 설치되고, 4에서 5지점 이동시 제1미세유로열교환기(100)가 설치되게 되어 BOG재액화라인(30)의 BOG는 상기 LNG공급라인(10)의 LNG와 열교환하게 된다.

여기서, 상기 제1미세유로열교환기(100)는 MCHE(Main Cryogenic Heat Exchanger)를 사용하였다.

먼저, 상기 제1미세유로열교환기(100)는 상기 LNG공급라인(10)과 상기 BOG재액화라인(30)의 사이에 설치되고 미세유로가 형성되어 상기 LNG와 열교환에 p의해 상기 BOG가 냉각되게 된다.

도면상으로 보면 4에서 5지점 사이에 제1미세유로열교환기(100)가 설치되어 5지점에서는 BOG가 약 -138℃까지 떨어지게 되고, 5지점 이전에 밸브가 설치되어 압력은 약 6.5bar 까지 떨어지게 된다.

그리고, 3에서 4지점 사이에 BOG는 상기 오일프리컴프레셔(200)에 의해 4지점에서 100bar의 압력으로 높아지게 되어 상기 제1미세유로열교환기(100)에 공급되게 된다.

여기서, 상기 오일프리컴프레셔(200)는 약 100bar의 압력을 가진 것으로 채용하는데, 왜냐하면 오일을 사용하지 않는 컴프레셔는 최고 100bar의 압력을 제공할 수 있기 때문이다. 종래에는 300bar의 압력을 가진 오일컴프레셔를 사용하였는데 이는 상기 제1미세유로열교환기(100)의 미세유로에 윤활유로 사용되는 오일이 일부 삽입되어 막힘현상이 발생하였기 때문이다.

따라서, 본 발명의 제1실시예에서는 오일프리컴프레셔(200)를 사용함으로써 제1미세유로열교환기(100)에 오일막힘 현상을 방지할 수 있으므로 BOG 재액화 처리 효율을 높일 수 있다.

그리고, 5지점의 후단에 기액분리기(34)가 형성되어 LNG와 BOG를 분리하여 LNG는 상기 LNG탱크(11)로 공급하게 되고, BOG는 BOG공급라인(20)의 1지점으로 공급하게 된다.

도 2은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템의 구성도이다.

도 2를 참조하면, 앞서 실시한 도 1의 제1실시예의 구성과 같이하며, 추가적으로 제2미세유로열교환기(300)가 설치되게 된다.

즉, LNG공급라인(10), BOG공급라인(20), BOG재액화라인(30)으로 구성되며, 본 발명에서는 제1미세유로열교환기(100), 오일프리컴프레셔(Oil free compressor,200)의 구성이 제1실시예와 유사하며 상세설명은 간략하게 설명하며, 제2미세유로열교환기(300)가 추가되어 BOG재액화라인(30)의 BOG가 재냉각 되게 하는 것을 특징으로 하므로 이에 대해서 상세 설명하기로 한다.

상기 LNG공급라인(10)은 A,B,C,D 경로를 거쳐 메인엔진에 LNG연료를 공급하게 되고, 이때 제2실시예에서는 BOG를 재냉각하기 위해 상기 LNG 공급라인(10)은 A지점에서 A-1지점으로 분지되어 상기 제2미세유로열교환기(300)를 거쳐 A-2에서 A로 다시 합류되게 된다.

그리고, BOG재액화라인(30)은 3,4,5-1,5-2,6의 경로를 거쳐 이동하게 된다. 상기 BOG재액화라인(30)은 제1미세유로열교환기(100)에 의해 1차로 냉각하게 되고, 2차로 제2미세유로열교환기(300)에 의해 재냉각되게 된다.

제2미세유로열교환기(300)는 상기 BOG재액화라인(30)의 상기 제1미세유로열교환기(100) 출구측과, 상기 LNG공급라인(10) 사이에 설치된다. 그래서 상기 제2미세유로열교환기(300)는 상기 제1미세유로열교환기(100)를 통과한 BOG가 재냉각시키는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제1미세유로열교환기(100)는 MCHE(Main Cryogenic Heat Exchanger)를 사용하였고, 상기 제2미세유로열교환기는 PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger)를 사용하였다.

제2실시예와 같이 BOG를 제1미세유로열교환기(100), 제2미세유로열교환기(300)를 통해 2번 냉각되게 하므로 BOG를 동일한 빠른시간에 더 냉각시킬 수 있고 그에 따라, BOG 재액화 효율을 향상시킬 수 있다.

그리고, 제1미세유로열교환기(100)와, 제2미세유로열교환기(300)가 다단으로 연결됨으로써 미세유로열교환기들의 사이즈를 축소 시킬 수 있으며, 온도와 비용 등을 고려하여 통상의 기술자가 다양하게 실시할 수 있다.

앞서 설명한 예에 따라 A지점에서는 LNG 연료를 5000kg/h 처리를 하고, 1지점에서는 BOG 연료를 3000kg/h 까지 재액화 및 냉각회수 가능하므로 그 처리량 비율을 종래의 10:1에서 5:3까지 비율로 처리 가능하므로 보다 많은 BOG 재액화 처리를 할 수 있다.

도 3은 본 발명의 바람직한 제3실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템의 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에서는 앞서 실시한 도 1의 제1실시예의 구성과 같이하며, 추가적으로 제1미세유로열교환기(100)가 3개의 유로를 가지게 되며, LNG탱크(11)에서 공급되는 BOG 냉열을 이용하여 BOG재액화라인(30)의 BOG를 냉각할 수 있게 된다.

상기 BOG공급라인(20)은 상기 LNG탱크(11)에서 토출된 BOG가 상기 제1미세유로열교환기(100)를 통과하여 상기 BOG재액화라인(30)의 BOG와 열교환되게 된다.

따라서, 상기 제1미세유로열교환기(100)는 상기 BOG재액화라인(30)의 BOG를 LNG공급라인(10)의 LNG와의 열교환뿐만 아니라 BOG공급라인(20) BOG와 동시에 열교환할 수 있어 재액화 효율을 높일 수 있다.

그리고, 상기 BOG공급라인(20)에는 상기 제1미세유로열교환기(100)의 출구측에 BOG프리히터(26)가 추가되어 BOG컴프레셔(22)의 부하를 줄일 수 있다.

제3실시예에서 제1미세유로열교환기(100)를 3개의 유로를 통해 재액화하므로 종래에는 LNG 소모량 대 BOG 처리량이 10:1 수준이었으나, 종래의 LNG 소모량 대 BOG 처리량 비율을 1:1비율까지 높일 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있는 범위까지 특허청구범위의 보호범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

10: LNG공급라인
20: BOG공급라인
30: BOG재액화라인
100: 제1미세유로열교환기
200: 오일프리컴프레셔
300: 제2미세유로열교환기

Claims (5)

1. LNG탱크의 LNG를 메인엔진에 공급하는 LNG공급라인; 상기 LNG탱크에서 발생된 BOG를 디젤엔진에 공급하는 BOG공급라인; 상기 BOG공급라인에서 분기되고 상기 BOG를 상기 LNG공급라인의 LNG와 열교환에 의해 상기 BOG를 재액화하여 상기 LNG탱크로 회수되는 BOG재액화라인;으로 구성된 선박용 증발가스 재액화 시스템에 있어서,
   상기 LNG공급라인과 상기 BOG재액화라인의 사이에는 미세유로가 형성된 제1미세유로열교환기에 설치되어 상기 BOG가 냉각이 이루어지고,
   상기 BOG재액화라인에는 오일프리컴프레셔가 설치되어 상기 BOG를 상기 제1미세유로열교환기에 공급하여 미세유로 막힘현상을 방지할 수 있으며,
   상기 BOG 공급라인은 상기 제1미세유로열교환기를 통과하도록 마련되어 공급되는 BOG의 냉열을 이용하여 BOG재액화라인의 BOG를 LNG공급라인의 LNG와 함께 열교환시켜 재액화 효율을 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 선박용 증발가스 재액화 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 BOG재액화라인의 상기 제1미세유로열교환기 출구측과, 상기 LNG공급라인 사이에는 제2미세유로열교환기가 설치되어 상기 제1미세유로열교환기를 통과한 BOG가 재냉각되는 것을 특징으로 하는 선박용 증발가스 재액화 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1,2미세유로열교환기는,
   MCHE(Main Cryogenic Heat Exchanger) 또는 PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger)인것을 특징으로 하는 선박용 증발가스 재액화 시스템.
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