KR102155991B1 - 선박용 이중연료 엔진의 연료가스 공급시스템에 사용되는 일체형 엘엔지기화기 - Google Patents

Abstract

본발명은 선박용 엔진의 엘엔지 공급시스템에 관한 것으로, LNG 라인은 2라인으로 분산되어 엔진으로 유입되되, 고압라인 열교환기(E250)를 거쳐서 메인 엔진으로 유입되는 HP(고압)라인과, 저압라인 열교환기(E200), 세퍼레이터(S100), 저압라인 히터(E220)을 순차적으로 거쳐서 엔진으로 유입되는 LP(저압)라인으로 구분되는 것으로,
본발명은 하나의 모듈에 히터가 설치된 고압라인 열교환기, 저압라인 기화기, 저압라인 히터, 및 세퍼레이터들을 함께 설치하여 설치면적을 줄이며, 배관 등 기자재 수량 및 원가를 절감할 수 있고, 유지보수가 용이하며 경제적인 현저한 효과가 있다.

Description

선박용 이중연료 엔진의 연료가스 공급시스템에 사용되는 일체형 엘엔지기화기{Combined LNG Vaporizer to be used for LNG fuel gas supply system for LNG fueled vessel}

본발명은 선박용 엔진의 엘엔지 공급시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하나의 모듈에 히터가 설치된 고압라인 열교환기, 저압라인 기화기, 저압라인 히터, 및 세퍼레이터들을 함께 설치하여 설치면적을 줄이며, 배관 등 기자재 수량 및 원가를 절감할 수 있고, 유지보수가 용이하며 경제적인 선박용 엔진의 엘엔지 공급시스템에 관한 것이다.

선박의 추진을 위한 동력원으로는 주로 열효율과 내구성이 높은 디젤 엔진(Diesel Engine)이 사용되고 있다. 특히, 선박에서 사용되는 대형 디젤 엔진의 경우, 비용 절감을 위해 점성이 높고, 휘발성이 낮으며, 가연성이 낮은 저급 연료인 HFO(Heavy Fuel Oil)을 많이 사용한다. 그러나, 이러한 디젤 엔진은 상대적으로 환경오염을 일으키는 황화합물(SOX), 질소화합물(NOX) 및 입자상 물질(PM: Particulate Material)이 많이 발생한다.

이에 따라, 환경적으로 오염이 적은 LNG(Liquefied Natural Gas)나 LPG(Liquefied Petroleum Gas)와 같은 액화가스를 연료로 사용하는 가스연료 선박(Gas Fueled Ship)이 개발되고 있다.

LNG를 연료로 사용하는 선박은 주로 LNG를 운반하는 LNG 운반선(LNG Carrier)이 대다수를 차지하고 있었으나, 최근 선박의 대기가스 배출에 대한 규제 지역(ECA: Emission Control Area)이 확대되고 있고, 그 규제 역시 강화되고 있다.

또한, 고유가 시장이 지속되고 있으며, 셰일가스(Shale Gas)의 개발로 LNG 연료의 가격 하락이 예상되고 있으므로, 이로 인해 여객선, 화물선, 소형 어선부터 초대형 컨테이너선 등에도 친환경 연료, 특히 LNG를 그 대체 수단으로 사용하고자 하는 움직임이 일어나고 있다.

LNG를 연료로 사용하는 선박의 연료 공급 시스템은 크게 두 가지 공급압력으로 나뉜다. 공급압력에 따른 방식은 다음과 같다.

먼저 저압의 가스를 연료로 사용하는 이중연료 4행정 발전기 엔진, 이중연료 보일러 등이 있으며, 이에 대한 실시예는 도1에 간략하게 도시하였다.

도 1에 도시한 바와 같이, LNG 저장탱크(100)로부터 LNG 공급 펌프(110)를 이용하여 LNG를 토출하고, 토출된 LNG는 저온부 히터(120)에서 천연가스(Natural Gas)로 기화시킨다. 기화된 천연가스는 예냉각기(130)에서 약 -110℃ 내지는 -80℃로 냉각시켜 중탄소(Heavy Carbon, 프로판, 부탄 등) 성분을 액화시킨다. 액화된 중탄소화합물은 중탄소 제거기(140)에서 기액분리시킴으로써 엔진의 연료로써 공급할 천연가스의 메탄가(Methane Number)를 조절하는데, 기체 상태의 가벼운 탄소화합물 예를 들어, 메탄(CH4) 등 탄소수가 적은 탄소화합물을 포함하는 천연가스만을 고온부 히터(150)에서 엔진 공급 조건에 맞게 가열시킨 후 DF 엔진(160)의 연료로써 공급한다.

두 번째로는, 고압가스를 연료로 사용하는 주 추진용 2행정-이중연료엔진으로 300bar급 고압엔진(ME-GI) 혹은 16bar급 고압엔진(X-DF)을 이용한 방식이 있는데, 고압 엔진으로 공급되는 가스연료는 메탄가를 조절할 필요가 없기 때문에, LNG 저장탱크로부터 LNG를 토출하여 고압가스엔진에서 요구하는 온도, 압력 조건을 맞춘 뒤 연료로써 공급한다.

LNG 저장탱크가 멤브레인 타입, 독립형 A, B 또는 C 타입 중 어느 것인지에 따라, 또는 엔진이 저압, 중압 또는 고압 엔진 중 어느 것인지에 따라 엔진의 연료 공급 시스템 구성 요소가 달라질 수는 있으나, 크게는 상술한 두 가지 방식을 이용하여 연료를 공급한다.

일례로서, 종래기술인 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0117484 (2015. 10. 20. 공개)에는 선박용 엔진의 연료 공급 시스템에 있어서, 액화천연가스가 저장되는 저장탱크; 상기 저장탱크로부터 상기 액화천연가스를 공급받아 기화시켜 상기 선박용 엔진으로 공급하는 강제 기화기; 상기 강제 기화기에서 기화된 천연가스에 포함된 HHC(Heavy Hydro Carbon)를 제거하여 상기 천연가스를 상기 선박용 엔진에서 요구하는 메탄가(methane number)로 조절하는 세퍼레이터; 및 상기 세퍼레이터에서 분리된 상기 HHC를 저장하는 HHC 탱크를 포함하는 선박용 엔진의 연료 공급 시스템이 공개되어 있다.

또한, 등록특허공보 등록번호 10-1350808호에는 선박용 엔진의 연료공급 시스템에 있어서, 선박의 LNG 저장탱크에 연결되어 상기 LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 상기 선박의 고압가스 분사엔진으로 공급하는 제1 유로; 선박의 LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 펌핑 및 기화시켜 상기 고압가스 분사엔진으로 공급하는 제2 유로; 및 상기 제1 유로에 마련되어 상기 BOG를 압축하는 압축기를 포함하되,

상기 고압가스 분사엔진은 150 내지 400 bar의 고압으로 압축된 고압가스를 연료로 사용하고, 상기 제1 유로에서 분기되는 제3 유로를 더 포함하며, 상기 제3 유로에는 상기 BOG를 공급받는 DFDE가 마련되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템이 공개되어 있다.

그러나 상기 종래기술들은 기화기, 히터, 및 증발기들이 따로 설치되며 독립적으로 운전되어 설치면적이 크고 배관 등 기자재 수량 이 많이 들어 제조원가가 비싸며, 유지보수가 어려우며 비경제적인 단점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 본 발명은 하나의 모듈에 히터가 설치된 고압라인 열교환기, 저압라인 기화기, 저압라인 히터, 및 세퍼레이터들을 함께 설치하여 설치면적을 줄이며, 배관 등 기자재 수량 및 원가를 절감할 수 있고, 유지보수가 용이하며 경제적인 선박용 엔진의 엘엔지 공급시스템을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 선박용 엔진의 엘엔지 공급시스템에 관한 것으로, LNG 라인은 2라인으로 분산되어 열교환기를 거쳐 엔진으로 유입되되, 고압라인 열교환기(E250)를 거쳐서 메인 엔진으로 유입되는 HP(고압)라인과, 저압라인 열교환기(E200), 세퍼레이터(S100), 저압라인 열교환기(E220)을 순차적으로 거쳐서 엔진으로 유입되는 LP(저압)라인으로 구분되는 것을 특징으로 하되, 고압라인 열교환기와 저압라인 열교환기들을 하나의 형체로 구성한다.

따라서 본발명은 하나의 모듈에 히터가 설치된 고압라인 열교환기, 저압라인 기화기, 저압라인 히터, 및 세퍼레이터들을 함께 설치하여 설치면적을 줄이며, 배관 등 기자재 수량 및 원가를 절감할 수 있고, 유지보수가 용이하며, LNG를 가열하는 가열매체 (글리콜워터, 증기 등)를 고압열교환기와 저압라인히터가 함께 사용하는 등의 절감을 통한 경제적인 현저한 효과가 있다.

도 1은 종래의 선박용 엔진의 엘엔지 공급시스템 계통도
도 2는 본 발명의 선박용 엔진의 엘엔지 공급시스템
도 3은 본발명의 선박용 엔진의 엘엔지 공급시스템의 모듈 외관도
도 4는 도 3의 평면도

본발명은 선박용 엔진의 엘엔지 공급시스템에 관한 것으로, LNG 라인은 2라인으로 분산되어 본 발명을 통한 열교환기를 거쳐 엔진으로 유입되되, 고압라인 열교환기(E250)를 거쳐서 메인 엔진으로 유입되는 HP(고압)라인과, 저압라인 열교환기(E200), 세퍼레이터(S100), 저압라인 열교환기(E220)을 순차적으로 거쳐서 엔진으로 유입되는 LP(저압)라인으로 구분되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 저압라인 열교환기(E200), (E220), 고압라인 열교환기(E250)와 세퍼레이트(S100)는 하나의 모듈 케이스 내에 함께 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고압라인 열교환기(E250), 저압라인 열교환기(E200), (E220) 및 세퍼레이터 (S100)가 하나의 모듈케이스 내 동시에 사용하거나, 또는 각각 모듈으로 조합하여 사용할 수 있는 것을 특징으로 하며, 모듈케이스는 설치 편리성에 의거, 수직형 또는 수평형으로 구성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 세퍼레이터(S100)는 상하수직방향으로 설치되며 상기 세퍼레이트(S100) 하단에는 저압라인 열교환기(E200)을 빠져나와 NG가 되지 못한 Heavy Carbon이 Separator(S100) 바닥에 축척되어 LNG Tank 혹은 저장고로 다시 돌아가는 Heavy Carbon 회수라인이 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 세퍼레이트 하단에는 E200을 빠져나와 NG가 되지 못한 Heavy Carbon이 Separator 바닥에 축척되어 LNG Tank 혹은 저장고로 다시 돌아가는 Heavy Carbon 회수라인이 형성되는 것이며 모듈 케이스 상단에는 두가닥의 글리콜 워터 인입배관이 설치되어, 한가닥(N1)은 E250, E220 이 있는 공간으로 분기하여 인입되고 열교환 되며 (N2)로 배출되며, 다른 한가닥(N3)은 E200이 있는 공간에 인입된 후, 열교환 되며 (N4)로 배출된다.

또한, LP라인은 LNG가 유입되어 E200을 지날 때 LNG가 기화가 이루어지므로 E200내부는 액체와 기체가 공존하며, E200을 빠져나와 Separator를 거쳐 NG(기체)는 E220으로 유입되어 추가 Heating 후 엔진으로 공급되는 것을 특징으로 한다.

또한, E200을 빠져나와 NG가 되지 못한 Heavy Carbon은 Separator 바닥에 축척되어 LNG Tank 혹은 저장고로 다시 돌아가는 것을 특징으로 한다.

또한, 고압용 열교환기(E250)와 저압용 열교환기(E200,E220)는 열교환기는 소요 용량과 목적에 따라 내부 Coil을 동일한 형식으로 추가/제거가 가능하고, 모듈케이스 사이즈 또한 증가/감소하여 사용할 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, E200을 통해 LNG를 기화시켜 NG와 Heavy Carbon으로 분리 방법은 증류탑원리와 같이 *?*110 ~ -70도로 Heating후 LNG Component 분리하는 것을 특징으로 한다.

또한, HP라인은 E250을 통해 기화, Heating 후 바로 엔진으로 공급되는 것을 특징으로 한다.

또한, E250의 coil 내부를 엘엔지가 유동하는 동안 일부 코일에서 액체와 기체가 공존하는 것을 특징으로 한다.

또한, Glycol Water나 증기 등은 열교환기에서 열매(熱媒)역할이며, 열교환기를 계속 순환하는 것을 특징으로 한다.

본 발명을 첨부도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 1은 종래의 선박용 엔진의 엘엔지 공급시스템 계통도, 도 2는 본발명의 선박용 엔진의 엘엔지 공급시스템, 도 3은 본발명의 선박용 엔진의 엘엔지 공급시스템의 모듈 외관도, 도 4는 도 3의 평면도이다.

본 발명의 LNG 라인은 2곳으로 분산되어 열교환기로 유입되되, 끝단 밸브가 PCV650 (E250만 거쳐서 배출)인 라인을 HP(고압)라인과, 끝단 밸브가 PCV600 (E200, E220 거쳐서 배출)인 라인을 LP(저압)라인으로 구분된다.

상기 E200, E220, E250와 세퍼레이트는 하나의 모듈 케이스 내에 함께 설치된다.

상기 세퍼레이터는 상하수직방향으로 가운데에 설치되며 상기 세퍼레이트 주위로 상방에 E220, E250이 설치되는 공간과, 상기 E200이 설치되는 공간으로 분리된다. 모듈은 통상 원통형으로 구성되며, E200을 포함하는 공간과 , E220, E250을 포함하는 공간으로 격벽으로 분리하는 구조이며, 분리된 공간에는 열매체인 글리콜 워터가 유동한다. 글리콜 워터는 에틸렌 글리콜, 프로필렌글리콜 등 부동액과 물을 요구하는 빙점에 따라 일정비율로 혼합하는 것이다.

상기 세퍼레이트 하단에는 E200에서 증발되어 NG가 되지 못한 Heavy Carbon이 Separator 바닥에 축척되어 LNG Tank로 다시 돌아가는 Heavy Carbon 회수라인이 형성되는 것이며 모듈 케이스 상단에는 두가닥의 글리콜 워터 인입배관이 설치된다. 한가닥(N1)은 E250, E220 이 있는 공간으로 분기하여 인입되고 열교환 되며 (N2)로 배출되며, 다른 한가닥(N3)은 E200이 있는 공간에 인입된 후, 열교환 되며 (N4)로 배출된다.

상기 LP라인의 경우 LNG가 유입되어 E200을 지날때 LNG가 기화가 이루어 지므로 E200내부는 액체와 기체가 공존한다. E200은 열교환에 의해 LNG를 기화시키는 기화기이다.

E200을 빠져나와 Separator를 거쳐 NG(기체)는 E220으로 유입되어 추가 Heating 후 엔진으로 공급된다. E220은 열교환에 의해 LNG를 가열하는 히터기능을 한다.

그리고 E200을 빠져나와 NG가 되지 못한 Heavy Carbon은 Separator 바닥에 축척되어 LNG Tank로 다시 돌아간다.

E200을 통해 LNG를 기화시켜 NG와 Heavy Carbon으로 분리된다. 분리 방법은 관용의 증류탑원리와 같이 -80~-100도로 Heating후 LNG Component 분리된다.

그리고 본 발명은 HP라인은 E250을 통해 기화, Heating 후 바로 엔진으로 공급된다. 모듈의 외부에는 스팀히터나 전기히터나 히트펌프를 가열수단으로 하는 글리콜히터가 구성되고 가열된 글리콜워터를 격벽으로 구분된 모듈에의 공간으로 동시에 공급하면서 상기 기술한 열교환기 E200, E220, E250의 코일 내부를 흐르는 LNG, NG와 열교환한다.

히터 coil을 유동하는 동안 일부 코일에서 액체와 기체가 공존한다.

상기 Glycol Water는 열교환기에서 열매(熱媒)역할을 하는 것으로 열교환기를 계속 순환한다.

E300은 글리콜 워터 히터로서 스팀이나 히팅코일에 의해 가열한다. 유입온도는 30℃배출온도는 50℃이다.

E200은 shell & spirl Tube 타입으로서, 글리콜워터를 열매로 사용한다.

엘엔지와 글리콜워터의 열교환에 의해 엘엔지 유입온도는 -153℃ 엘엔지 배출온도는 30℃이며, 글리콜워터 유입온도는 50℃ 배출온도는 30℃이다. 그리고 세퍼레이터에로의 배출온도는 -80℃이다.

E250은 shell & spirl Tube 타입으로서, 글리콜워터를 열매로 사용한다.

엘엔지와 글리콜워터의 열교환에 의해 엘엔지 유입온도는 -153℃ FG(연료가스) 배출온도는 30℃이며, 글리콜워터 유입온도는 50℃ 배출온도는 30℃이다.

P200은 수직 원심펌프로서, 수중펌프로서 사용된다.

P300은 글리콜 워터 펌프로서 수평, 원심펌프이다.

따라서 본발명은 하나의 모듈에 히터가 설치된 고압라인 열교환기, 저압라인 기화기, 저압라인 히터, 및 세퍼레이터들을 함께 설치하여 설치면적을 줄이며, 배관 등 기자재 수량 및 원가를 절감할 수 있고, 유지보수가 용이하며 경제적인 현저한 효과가 있다.

E200 : 저압라인 열교환기(기화기) E220 : 저압라인 열교환기(히터)
E250 : 고압라인 열교환기(기화기 + 히터) E300 : 글리콜 워터 히터
V300 : 팽창탱크 P100 : 펌프
P200 : 원심펌프 P300 : 글리콜 워터 펌프
S100 : 세퍼레이터
N1: 상부 클리콜워터 입구 N2 : 상부 클리콜워터 출구
N3 : 하부 클리콜워터 입구 N4 : 하부 클리콜워터 출구
N5 : 고압 엘엔지(LNG) 입구 N6 : 고압 FG 출구
N7 : 저압 엘엔지(LNG) 입구 N8 : 저압 FG 출구
N9 : 드레인 출구 N11 : 클렌징 플렌지(점검구)
15 : 엘보우 16 : WELDOLET
19 : 맹플랜지(BLIND FLANGE)

Claims (4)

1. LNG 라인은 2라인으로 분산되어 엔진으로 유입되되, 고압라인 열교환기(E250)를 거쳐서 메인 엔진으로 유입되는 HP(고압)라인과, 저압라인 열교환기 기화기(E200), 세퍼레이터(S100), 저압라인 열교환기 히터(E220)를 순차적으로 거쳐서 엔진으로 유입되는 LP(저압)라인으로 구분되는 선박용 이중연료 엔진의 연료가스 공급시스템에 사용되는 일체형 엘엔지기화기에 있어서,
   상기 저압라인 열교환기 기화기(E200), 저압라인 열교환기 히터(E220), 고압라인 열교환기(E250)와 세퍼레이트(S100)는 하나의 모듈 케이스 내에 함께 설치되고,
   상기 세퍼레이터(S100)는 상하수직방향으로 가운데에 설치되며 상기 세퍼레이트 주위로 상방에 저압라인 열교환기 히터(E220), 고압라인 열교환기(E250)이 설치되는 공간과, 상기 저압라인 열교환기 기화기(E200)가 설치되는 공간으로 분리되고, 모듈은 원통형으로 구성되며, 저압라인 열교환기 기화기(E200)를 포함하는 공간과 , 저압라인 열교환기 히터(E220), 고압라인 열교환기(E250)를 포함하는 공간으로 격벽으로 분리하는 구조이며, 분리된 공간에는 열매체인 글리콜 워터가 유동되고,상기 글리콜 워터는 에틸렌 글리콜, 또는 프로필렌글리콜 부동액과 물을 혼합한 것이며,
   상기 세퍼레이트 하단에는 저압라인 열교환기 기화기(E200)에서 증발되어 NG가 되지 못한 헤비 카아본(Heavy Carbon)이 세퍼레이터 바닥에 축척되어 LNG Tank로 다시 돌아가는 Heavy Carbon 회수라인이 형성되는 것이며 모듈 케이스 상단에는 두 가닥의 글리콜 워터 인입배관이 설치되고, 한가닥(N1)은 저압라인 열교환기 히터(E220), 고압라인 열교환기(E250)가 있는 공간으로 분기하여 인입되고 열교환 되며 (N2)로 배출되며, 다른 한가닥(N3)은 저압라인 열교환기 히터(E220)이 있는 공간에 인입된 후, 열교환 되며 (N4)로 배출되고,
   상기 LP라인의 경우 LNG가 유입되어 저압라인 열교환기 히터(E220)를지날때 LNG가 기화가 이루어지므로 저압라인 열교환기 히터(E220)내부는 액체와 기체가 공존하는 것으로, 저압라인 열교환기 히터(E220)는 열교환에 의해 LNG를 기화시키는 기화기이며, 저압라인 열교환기 히터(E220)를 빠져나와 세퍼레이터를 거쳐 NG(기체)는 저압라인 열교환기 히터(E220)로 유입되어 추가 Heating 후 엔진으로 공급되는 것으로, 저압라인 열교환기 히터(E220)는 열교환에 의해 LNG를 가열하는 히터기능을 하며, 그리고 저압라인 열교환기 기화기(E200)를 빠져나와 NG가 되지 못한 Heavy Carbon은 세퍼레이터 바닥에 축척되어 LNG Tank로 다시 돌아가며, 저압라인 열교환기 기화기(E200)를 통해 LNG를 기화시켜 NG와 Heavy Carbon으로 분리되고,
   HP라인은 고압라인 열교환기(E250)를 통해 기화, Heating 후 바로 엔진으로 공급되고, 모듈의 외부에는 스팀히터나 전기히터나 히트펌프를 가열수단으로 하는 글리콜히터가 구성되고 가열된 글리콜워터를 격벽으로 구분된 모듈에의 공간으로 동시에 공급하면서 상기 저압라인 열교환기 기화기(E200), 저압라인 열교환기 히터(E220), 고압라인 열교환기(E250)의 코일 내부를 흐르는 LNG, NG와 열교환하고, 상기 글리콜워터는 열교환기에서 열매(熱媒)역할을 하는 것으로 열교환기를 계속 순환하고,
   글리콜 워터 히터(E300)는 스팀이나 히팅코일에 의해 가열되고, 저압라인 열교환기 기화기(E200)은 shell & spirl Tube 타입으로서, 글리콜워터를 열매로 사용하며, 고압라인 열교환기(E250)는 shell & spirl Tube 타입으로서, 글리콜워터를 열매로 사용하는 것을 특징으로 하는 선박용 이중연료 엔진의 연료가스 공급시스템에 사용되는 일체형 엘엔지기화기
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