KR102141086B1 - 소형 선박용 공간집약적 lng 연료공급시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LNG 추진 소형 선박의 연료공급시스템에 최적화되어 안정적인 연료 공급과 운용의 편리성 및 공간집약성 모두를 충족시킬 수 있는 소형 선박용 공간집약적 LNG 연료공급시스템을 제공하기 위한 것이다.
이를 위해 본 발명은 LNG 연료탱크 상부 증발공간의 기체연료를 연료소비처로 공급할 수 있도록 안내하는 제1 프리가스라인; 상기 제1 프리가스라인으로부터 공급되는 기체연료를 가열하는 히터; 상기 히터로부터 가열된 기체연료를 연료소비처로 공급하는 가스라인; LNG 연료탱크 하부의 액체연료를 연료소비처로 공급할 수 있도록 안내하는 리퀴드라인; 상기 리퀴드라인으로부터 공급되는 액체연료를 기체연료로 기화시키는 증발기; 및, 상기 증발기로부터 공급되는 기체연료를 제1 프리가스라인으로 합류시키는 제2 프리가스라인;을 포함하며, 상기 제1 프리가스라인 및 제2 프리가스라인 상의 배관은 상기 가스라인 상의 배관의 단면적보다 상대적으로 더 크게 형성되고, 상기 LNG 연료탱크, 제1 프리가스라인 및 제2 프리가스라인 상의 기체연료 압력을 동일하게 유지시키되 상기 가스라인 상의 압력보다 상대적으로 더 크게 유지시킴으로써, 상기 LNG 연료탱크의 증발공간과 함께 제1 프리가스라인 및 제2 프리가스라인이 버퍼 기능을 수행할 수 있게 되는 것을 특징으로 한다.

Description

소형 선박용 공간집약적 LNG 연료공급시스템{Space-intensive LNG Fuel Supply System for Small Scale Vessel}

본 발명은 LNG 연료 추진 선박 중에서도, 특히 소형 선박에 최적화되어 연료 공급 시스템이 차지하는 공간을 집약할 수 있는 소형 선박용 공간집약적 LNG 연료공급시스템에 관한 것이다.

소형 선박의 LNG 연료공급시스템(FGSS)의 경우 LNG를 연료로 공급하기 위해 펌프 및 열교환기를 거쳐 엔진에서 요구하는 일정 온도 및 압력을 충족시킨 후 기체상태의 천연가스로 엔진에 공급된다. 즉, 소형 선박의 경우 연료로 공급될 천연가스의 일정 압력을 충족시키기 위해 LNG 연료탱크 내부에 LNG FEED PUMP를 설치하여 엔진에 필요한 압력을 공급하는 펌프 가압 방식과, 펌프 없이 탱크 내부의 LNG를 엔진이 요구하는 압력으로 증가시킨 후 열교환기를 거쳐 엔진에 공급하는 방식이 사용되었다.

그리고 종래에는 LNG 연료탱크의 가압라인 및 가압된 LNG를 기화하여 엔진으로 공급하는 라인이 각각 별도로 구성되어 있고, LNG 연료탱크에서 발생되는 증발가스(Boil Off Gas)를 처리할 수 있는 라인이 별도로 구성되지 않아 증발가스 발생량이 증가로 인한 LNG 연료탱크의 압력이 증가하게 되면 대기로 방출시키는 실정이다.

이와 함께 소형 선박과 같은 경우, 경제성과 운용의 편리성을 목적으로 비펌프식으로 구성하고 LNG 연료탱크의 압력을 생성하기 위한 압력 생성용 열교환기와 엔진에서 요구하는 온도를 충족시키기 위한 가열용 열교환기를 포함하여 LNG 연료공급시스템이 구성되고 있다. 여기에서 열교환기의 열원으로는 가열된 에틸렌글리콜이 사용되며, 이를 가열하기 위한 열원으로는 엔진으로 유입되어 순환되는 냉각수를 사용하게 된다.

이러한 소형 선박용 LNG 연료공급시스템은 황천 항해 및 엔진의 급격한 출력 변화에도 엔진에서 요구하는 일정 압력 및 온도로 천연가스를 지속적으로 공급해야 한다.

종래에는 엔진의 급격한 출력 변화시 엔진에서 요구하는 압력 및 온도 조건을 만족시키지 못해 엔진 효율 저하와 더불어 디젤 모드로 전환되는 상황이 빈번히 일어났었다. 이는 엔진에 필요한 적정 압력이 LNG 연료탱크의 압력에 의해 결정되는데 황천 항해 또는 급가속시 엔진에 공급되는 천연가스의 유량이 증가됨과 동시에 순간 압력이 낮아지는 현상이 발생하기 때문이다. 이때 낮아진 천연가스의 압력에 대한 보상을 LNG 연료탱크의 내부 압력을 가압하여 적정 압력을 유지하게 되는데, 이렇게 LNG 연료탱크의 내부 압력을 유지하기 위한 시간 대비 엔진의 출력 증가로 인한 천연가스의 유입 유랑 증가에 따른 LNG 연료탱크의 압력 저하 시간이 더 빠르기 때문에 엔진 효율 저하 및 디젤 모드로 전환되는 것이다.

이를 방지하기 위해 근래에는 LNG 연료공급시스템에서 엔진의 전단부에 일정량의 천연가스를 저장할 수 있는 버퍼 탱크를 설치하여 엔진의 요구 조건에 대응하는 버터 탱크 내의 천연가스를 엔진에 공급하는 방식으로 버퍼 기능을 부여하고 있다.

그러나 공간적인 제약이 큰 소형선의 특성상 상술된 버퍼 탱크가 추가로 배치됨으로써 추가적으로 공간을 할애해야 하는 문제점이 있어 이를 개선할 수 있는 기술의 개발이 필요한 실정이다.

대한민국 공개특허공보 제10-2016-0090935호(공개일자: 2016.08.02) 대한민국 등록특허공보 제10-1995464호(등록일자: 2019.06.26)

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 황천 항해 및 급격한 엔진의 출력 변화에도 대응하면서 종래의 버퍼 탱크가 차지했던 공간을 획기적으로 줄여 소형 선박의 공간 활용도를 극대화시킬 수 있는 소형 선박용 공간집약적 LNG 연료공급시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 함께, LNG를 기화시켜 엔진으로 공급하는 라인과 LNG 연료탱크 내의 압력을 제어하는 라인을 통합시켜 LNG 연료탱크의 압력을 일정하게 제어하고, 엔진에 공급되는 가스연료의 압력을 적절하게 제어할 수 있는 소형 선박용 공간집약적 LNG 연료공급시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

아울러, 엔진으로 공급되는 천연가스의 기화를 위한 열원을 엔진 자켓워터(Jacket Water)의 중간열매체(에틸렌 글리콜)로부터 공급받는 구성에서, 엔진의 로드 변화에 따라 중간열매체의 유량 및 온도 변화의 편차가 크게 발생되는데, 특히 엔진의 로드가 낮을 경우에도 중간열매체를 적정 온도로 가열할 수 있는 소형 선박용 공간집약적 LNG 연료공급시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 함께 본 발명의 기타 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 이는 본 발명의 청구범위에 기재된 사항 및 그 실시예의 개시 내용뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내의 수단 및 조합에 의해 더욱 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 소형 선박용 공간집약적 LNG 연료공급시스템은, LNG 연료탱크 상부 증발공간의 기체연료를 연료소비처로 공급할 수 있도록 안내하는 제1 프리가스라인; 상기 제1 프리가스라인으로부터 공급되는 기체연료를 가열하는 히터; 상기 히터로부터 가열된 기체연료를 연료소비처로 공급하는 가스라인; LNG 연료탱크 하부의 액체연료를 연료소비처로 공급할 수 있도록 안내하는 리퀴드라인; 상기 리퀴드라인으로부터 공급되는 액체연료를 기체연료로 기화시키는 증발기; 및, 상기 증발기로부터 공급되는 기체연료를 제1 프리가스라인으로 합류시키는 제2 프리가스라인;을 포함하며, 상기 제1 프리가스라인 및 제2 프리가스라인 상의 배관은 상기 가스라인 상의 배관의 단면적보다 상대적으로 더 크게 형성되고, 상기 LNG 연료탱크, 제1 프리가스라인 및 제2 프리가스라인 상의 기체연료 압력을 동일하게 유지시키되 상기 가스라인 상의 압력보다 상대적으로 더 크게 유지시킴으로써, 상기 LNG 연료탱크의 증발공간과 함께 제1 프리가스라인 및 제2 프리가스라인이 버퍼 기능을 수행할 수 있게 되는 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 리퀴드라인 상에는 상기 연료탱크의 압력을 일정하게 유지시키기 위한 압력제어밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다.

이와 함께 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제1 프리가스라인 상에는 상기 히터로 공급되는 기체연료를 감압시키는 감압밸브가 설치되며, 상기 감압밸브의 전단에는 감압되어 히터를 통과한 기체연료의 역류를 방지하는 체크밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 열교환기 및 히터의 열원은 글리콜공급라인을 통해서 공급되며, 상기 열원은 연료수요처의 자켓워터에 의해 가열되는 중간열매체이고, 상기 글리콜공급라인 상에는 전기히터가 설치되어 중간열매체의 적정 온도를 유지할 수 있게 되는 것을 특징으로 한다.

상술된 바와 같이 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있을 것이다.

LNG 추진 소형 선박의 연료공급시스템에 최적화되어 안정적인 연료 공급과 운용의 편리성 및 공간집약성 모두를 충족시킬 수 것으로, 종래의 버퍼탱크를 배제할 수 있으며, LNG 기화 및 압력 제어를 위한 라인을 통합시켜 다운사이징을 통해 연료공급시스템이 차지하는 공간을 집약적으로 활용할 수 있는 이점과 더불어 제작비 또한 줄어드는 효과가 있다.

이와 함께 본 발명의 다른 효과는 이상에서 설명한 실시예 및 본 발명의 청구범위에 기재된 사항뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내에서 발생할 수 있는 효과 및 산업 발전에 기여하는 잠정적 장점의 가능성들에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

도 1은 본 발명에 따른 소형 선박용 공간집약적 LNG 연료공급시스템의 개략적인 구성도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다. 설명에 앞서 본 발명의 이점 및 특징 및 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그리고 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것으로 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니며, 이러한 용어 중 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함하는 것이고, 설명 상에 방향을 지칭하는 단어는 설명의 이해를 돕기 위한 것으로 시점에 따라 변경 가능함을 주지하는 바이다.

본 발명의 가장 주된 기술적 사상은 LNG 추진 소형 선박의 연료공급시스템에 최적화되어 안정적인 연료 공급과 운용의 편리성 및 공간집약성 모두를 충족시킬 수 것으로, 종래의 버퍼탱크를 배제할 수 있으며, LNG 기화 및 압력 제어를 위한 라인을 통합시켜 다운사이징을 통해 연료공급시스템이 차지하는 공간을 집약적으로 활용할 수 있는 소형 선박용 공간집약적 LNG 연료공급시스템을 제공하기 위한 것이다.

이를 달성하기 위한 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 제1 프리가스라인(100), 히터(200), 가스라인(300), 리퀴드라인(400), 증발기(500) 및 제2 프리가스라인(600)을 포함하여 이루어진다.

제1 프리가스라인(100)은 LNG 연료탱크 상부 증발공간에 발생되는 증발가스(BOG, 이하 기체연료로 표기함)를 4행정 이중연료 엔진 또는 가스엔진 등의 연료소비처로 공급할 수 있도록 안내하는 라인이다. 그리고 히터(200)는 제1 프리가스라인(100)으로부터 공급되는 기체연료를 연료소비처에서 요구하는 적정 온도로 가열하며, 가스라인(300)은 히터(200)로부터 가열된 기체연료를 연료소비처로 공급하는 라인이다.

이어서 리퀴드라인(400)은 LNG 연료탱크 하부의 저장된 LNG(이하, 액체연료로 표기함)를 연료소비처로 공급할 수 있도록 안내하는 라인이다. 그리고 증발기(500)는 리퀴드라인(400)으로부터 공급되는 액체연료를 기체연료로 기화시키며, 제2 프리가스라인(600)은 증발기(500)로부터 공급되는 기체연료를 제1 프리가스라인(100)으로 합류시키는 라인이다.

자세하게, 제1 프리가스라인(100)과 히터(200) 및 가스라인(300)은 LNG 연료탱크의 증발공간으로부터 기체연료를 엔진에 공급하기 위한 라인이며, 리퀴드라인(400)과 증발기(500) 및 제2 프리가스라인(600)은 제1 프리가스라인(100)과 연결됨으로써 액체연료를 기화시켜 엔진에 공급과 더불어 증발공간과 기체연료가 유동하는 라인의 압력제어를 통해 버퍼 기능을 수행하게 되는 라인이다.

LNG 연료탱크에서 약 -160℃의 액체연료가 자체 수두압으로 리퀴드라인(400)으로 공급되고, 액체연료는 리퀴드라인(400) 상에 설치되어 LNG 연료탱크의 압력을 일정하게 유지시키는 압력제어밸브(410, Pressure Control Valve)를 거치면서 일정 압력 및 유량으로 증발기(500, PBU Vaporizer)로 공급된다. 그리고 증발기(500)를 통해 액체연료는 기화되어 약 영하 130℃~50℃의 저온 기체연료가 되어 제2 프리가스라인(600)에 공급됨으로써 LNG 연료탱크의 증발공간 및 가스라인(300)으로의 공급이 가능해진다.

이때, 제1 프리가스라인(100) 및 제2 프리가스라인(600) 상의 저온 기체연료의 압력을 동등하게 유지되도록 제어되되 가스라인(300) 상의 기체연료 압력보다 상대적으로 더 크게 유지시키고, 제1 프리가스라인(100) 및 제2 프리가스라인(600) 상의 배관은 가스라인(300) 상의 배관 단면적보다 상대적으로 더 크게 형성되어 증발공간과 함께 버퍼 기능을 수행할 수 있게 된다.

그리고 제1 프리가스라인(100)을 통해 공급되는 저온의 기체연료는 히터(200)를 통해 적정 온도로 가열되어 연료소비처에서 요구하는 온도로 충족시켜 가스라인(300)으로 공급된다.

여기에서, 상술한 바와 같이 증발공간, 제1 프리가스라인(100) 및 제2 프리가스라인(600) 상의 저온 기체연료 압력은 동일하며 가스라인(300) 상의 고온 기체연료의 압력보다 1bar~1.5bar 가량 높은 압력을 유지하도록 제어된다.

이는, 가스라인(300) 상의 압력센서의 설정 값을 증발공간과 제1 프리가스라인(100) 및 제2 프리가스라인(600) 상의 압력보다 상대적으로 작게 설정하고, 제1 프리가스라인(100) 상에서 히터(200) 방향의 단부에 설치되는 감압밸브(110)를 통해 공급되는 기체연료를 감압시키는 구성으로 달성될 수 있다. 이와 함께, 제1 프리가스라인(100) 상에서 감압밸브(110)의 전단에는 체크밸브가 설치되어 감압되어 히터(200)를 통과한 기체연료의 역류를 방지하는 것이 바람직하다.

한편, 히터(200) 및 증발기(500)의 열원은 글리콜공급라인(700)을 통해서 공급된다. 이러한 글리콜공급라인(700)은 엔진과 같은 연료수요처의 중간열매체인 에틸렌 글리콜을 적용하며, 중간열매체는 글리콜공급라인(700) 상의 글리콜워터 히터에서 자켓워터(냉각수)에 의해 가열된다.

여기에서 연료수요처의 로드 변화에 따라 중간열매체의 유량 및 온도 변화의 편차가 크게 발생되는데, 특히 엔진의 로드가 낮을 경우에도 중간열매체를 적정 온도를 유지하기 어려운 점을 감안하여, 글리콜공급라인(700) 상에서 글리콜워터 히터와 증발기(500) 사이에 전기히터(710)를 설치하여 중간열매체의 적정 온도를 유지할 수 있게 한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 그리고 상술한 바와 같이 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 제1 프리가스라인
110: 감압밸브
200: 히터
300: 가스라인
400: 리퀴드라인
410: 압력제어밸브
500: 증발기
600: 제2 프리가스라인
700: 글리콜공급라인
710: 전기히터

Claims (4)

1. LNG 연료탱크 상부 증발공간의 기체연료를 연료소비처로 공급할 수 있도록 안내하되, 기체연료를 감압시키는 감압밸브가 설치되고, 상기 감압밸브의 전단에는 감압된 기체연료의 역류를 방지하는 체크밸브가 구비된 제1 프리가스라인;
   상기 제1 프리가스라인으로부터 공급되는 기체연료를 가열하는 히터;
   상기 히터로부터 가열된 기체연료를 연료소비처로 공급하는 가스라인;
   LNG 연료탱크 하부의 액체연료를 연료소비처로 공급할 수 있도록 안내하고 상기 LNG 연료탱크의 압력을 일정하게 유지시키기 위한 압력제어밸브가 설치된 리퀴드라인;
   상기 리퀴드라인으로부터 공급되는 액체연료를 기체연료로 기화시키는 증발기; 및,
   상기 증발기로부터 공급되는 기체연료를 제1 프리가스라인으로 합류시키는 제2 프리가스라인;을 포함하며,
   상기 제1 프리가스라인 및 제2 프리가스라인 상의 배관은 상기 가스라인 상의 배관의 단면적보다 상대적으로 더 크게 형성되고,
   상기 LNG 연료탱크, 제1 프리가스라인 및 제2 프리가스라인 상의 기체연료 압력을 동일하게 유지시키되 상기 가스라인 상의 압력보다 상대적으로 더 크게 유지시킴으로써,
   상기 LNG 연료탱크의 증발공간과 함께 제1 프리가스라인 및 제2 프리가스라인이 버퍼 기능을 수행할 수 있게 되되,
   상기 증발기 및 히터의 열원은 글리콜공급라인을 통해서 공급되며,
   상기 열원은 연료수요처의 자켓워터에 의해 가열되는 중간열매체이고,
   상기 글리콜공급라인 상에는 전기히터가 설치되어 중간열매체의 적정 온도를 유지할 수 있게 되는 것을 특징으로 하는 소형 선박용 공간집약적 LNG 연료공급시스템.
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