KR102179197B1 - 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박은, 액화가스를 연료로 사용하여 추진하는 선박에 마련되는 가스 처리 시스템으로서, 액화가스를 저장하는 연료탱크; 상기 연료탱크의 액화가스를 상기 선박을 추진하는 추진엔진에 공급하는 액화가스 공급부; 상기 연료탱크에서 발생한 증발가스를 발전엔진에 공급하는 증발가스 공급부; 및 상기 발전엔진을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 연료탱크의 압력 조절을 위해 일부의 상기 발전엔진을 증발가스로 가동하고, 나머지의 상기 발전엔진은 증발가스 외의 연료로 가동하는 것을 특징으로 한다.

Description

가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박{Gas treatment system and ship having the same}

본 발명은 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.

선박은 대량의 광물이나 원유, 천연가스, 또는 몇천 개 이상의 컨테이너 등을 싣고 대양을 항해하는 운송수단으로서, 강철로 이루어져 있고 부력에 의해 수선면에 부유한 상태에서 프로펠러의 회전을 통해 발생되는 추력을 통해 이동한다.

이러한 선박은 엔진이나 가스 터빈 등을 구동함으로써 추력을 발생시키는데, 이때 엔진은 가솔린 또는 디젤 등의 오일 연료를 사용하여 피스톤을 움직여서 피스톤의 왕복운동에 의해 크랭크 축이 회전되도록 하고, 크랭크 축에 연결된 샤프트가 회전되어 프로펠러가 구동되도록 하며, 반면 가스 터빈은 압축 공기와 함께 연료를 연소시키고, 연소 공기의 온도/압력을 통해 터빈 날개를 회전시킴으로써 발전하여 프로펠러에 동력을 전달하는 방식을 사용한다.

그러나 최근에는, 액화가스의 일종인 액화천연가스(Liquefied Natural Gas)를 운반하는 LNG 운반선에서 LNG를 연료로 사용하여 엔진이나 터빈 등의 수요처를 구동하는 LNG 연료공급 방식이 사용되고 있으며, LNG는 청정연료이고 매장량도 석유보다 풍부하기 때문에, 수요처의 연료로 LNG를 사용하는 방식은 LNG 운반선 외의 다른 선박에도 적용되고 있다.

그러나 아직까지는 디젤과 같은 오일 연료를 이용하는 종래의 경우와 대비할 때, 가스 연료인 LNG를 이용하는 경우에서 해결해야 하는 문제들이 다수 존재하는 상황이어서, 청정연료인 LNG를 이용하여 선박 내의 수요처에 공급하는 기술에 대해 지속적인 연구 개발이 이루어지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 고압형 연료탱크를 탑재한 선박에서 증발가스 압축기 없이도 연료탱크의 과압을 효과적으로 방지할 수 있는 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하기 위한 것이다.

또한 본 발명의 목적은, 연료탱크를 탑재하고 복수 개의 발전엔진이 마련된 선박에서, 일부 발전엔진은 저부하 고정으로 운영해 연료탱크에서 배출되는 증발가스를 원활하게 처리하고 나머지 발전엔진으로 전력 생산을 조절할 수 있는 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 가스 처리 시스템은, 액화가스를 연료로 사용하여 추진하는 선박에 마련되는 가스 처리 시스템으로서, 액화가스를 저장하는 연료탱크; 상기 연료탱크의 액화가스를 상기 선박을 추진하는 추진엔진에 공급하는 액화가스 공급부; 상기 연료탱크에서 발생한 증발가스를 발전엔진에 공급하는 증발가스 공급부; 및 상기 발전엔진을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 연료탱크의 압력 조절을 위해 일부의 상기 발전엔진을 증발가스로 가동하고, 나머지의 상기 발전엔진은 증발가스 외의 연료로 가동하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 연료탱크는, 액화가스를 고압으로 저장하는 고압형일 수 있다.

구체적으로, 상기 제어부는, 증발가스로 가동하는 일부의 상기 발전엔진을 저부하로 가동하여 상기 연료탱크의 압력을 낮출 수 있다.

구체적으로, 상기 제어부는, 증발가스로 가동하는 일부의 상기 발전엔진으로 압축기에 의한 압축 없이 증발가스가 공급되도록 상기 발전엔진의 부하를 조절할 수 있다.

구체적으로, 상기 제어부는, 증발가스로 가동하는 일부의 상기 발전엔진의 부하를, 상기 발전엔진의 요구압력이 상기 연료탱크의 내압 이하가 되는 값으로 제어할 수 있다.

구체적으로, 상기 증발가스 공급부는, 복수 개로 마련되는 발전엔진 중 일부에만 증발가스를 공급하도록 마련될 수 있다.

구체적으로, 오일을 저장하는 오일탱크를 더 포함하고, 상기 제어부는, 나머지의 상기 발전엔진을 액화가스 또는 오일로 가동할 수 있다.

구체적으로, 오일을 저장하는 오일탱크를 더 포함하고, 증발가스로 가동하는 일부의 상기 발전엔진은 이종연료엔진이고, 증발가스 외의 연료로 가동하는 나머지의 상기 발전엔진은 오일로만 가동하는 디젤엔진이며, 상기 제어부는, 나머지의 상기 발전엔진을 오일로 가동할 수 있다.

구체적으로, 액화천연가스 운반선 외의 선종인 선박에 마련될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 다른 선박은, 상기 가스 처리 시스템을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박은, 고압형의 연료탱크를 두고 연료탱크에 저장된 액화가스를 소비하는 추진엔진을 이용하여 추진하되, 연료탱크에서 발생하는 증발가스를 처리하기 위해 GCU 또는 DF 보일러를 사용하는 대신 발전엔진의 부하를 조절하는 방식을 활용하여, 비용 증대 없이 연료탱크의 상태를 안정적으로 유지할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박은, 고압형의 연료탱크 또는 멤브레인형의 연료탱크를 두는 선박에서 복수 개의 발전엔진 중 일부는 저부하 고정으로 가동하여 증발가스를 소비하고, 나머지 발전엔진의 부하를 변동해 증발가스의 효율적인 처리를 가능케 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템에서 발전엔진의 부하별 연료 요구압력을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 7은 본 발명의 제5 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.

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.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 참고로 본 명세서에서 액화가스는 LNG일 수 있지만 이로 한정하는 것은 아니며, 비등점이 상온보다 낮아 저장을 위해 강제로 액화되며 발열량을 갖는 모든 물질을 포괄할 수 있다.

또한 본 명세서에서 액화가스/증발가스는 연료탱크 내부에서의 상태를 기준으로 구분되는 것이고, 명칭으로 인하여 액상 또는 기상으로 반드시 한정되는 것은 아님을 알려둔다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이며, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템에서 발전엔진의 부하별 연료 요구압력을 나타내는 그래프이다.

도 1을 먼저 참고하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박(1)은, 액화가스를 연료로 사용하여 추진하는 선박(1)이다. 이때 선박(1)은 연료로 사용하는 액화가스 외의 화물이나 승객을 운송하는 선박(1)일 수 있으며, 액화천연가스 운반선 외의 선종일 수 있다.

즉 본 발명의 선박(1)은, 연료인 액화가스를 화물로 운송하는 선박(1)이 아니기 때문에, 액화가스를 저장하는 연료탱크(10)가 추가된 구조를 가질 수 있으며, 이때 연료탱크(10)는 화물의 적재량이 줄어들지 않도록 하거나 최소한으로 줄어들도록 하는 위치에 배치될 수 있다.

일례로 선박(1)에서 연료탱크(10)는 상갑판 상에 배치될 수 있으며, 다만 선박(1)이 컨테이너선일 경우 연료탱크(10)는 선실 하부, 엔진룸 전방, 선수, 선미 등의 제한되지 않는 위치에 마련될 수 있다.

선박(1)은, 추진엔진(ME)과 복수 개의 발전엔진(GE)을 갖는다. 추진엔진(ME)은 액화가스 또는 오일을 사용하여 프로펠러의 회전을 구현함으로써 선박(1)을 추진시키는 엔진으로서, ME-GI, X-DF 등의 액화가스용 이종연료엔진일 수 있다.

발전엔진(GE)은, 추진엔진(ME)과 함께 엔진룸 내에 마련될 수 있으며, 액화가스 또는 오일을 사용하여 발전기를 가동해 전력을 생산한다. 발전엔진(GE)에서 생산된 전력은 선박(1) 내부의 다양한 전력 수요처에 의해 소비될 수 있다.

발전엔진(GE)은 액화가스 외에 연료탱크(10) 내에서 발생한 증발가스를 소비할 수 있도록 마련되며, 이에 대해서는 이하에서 자세히 설명한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템(2)은, 위와 같은 선박(1)에 마련되는 시스템으로서, 연료탱크(10), 액화가스 공급부(20), 증발가스 공급부(30), 제어부(도시하지 않음)를 포함한다.

연료탱크(10)는, 액화가스를 저장한다. 이때 연료탱크(10)는 액화가스를 고압으로 저장하는 고압형의 탱크로, Type B 혹은 Type C일 수 있고 탱크 설계 압력을 높이면 활용에 유연성을 키울 수 있으나 가격이 상승하기 때문에, 통상 설계 압력을 5 내지 10 bar로 설정하고 있으며, IGF 요구사항(비상상황 발생 시 15일 동안 압력 축적) 만족 및 탱크 보호를 위해 실 사용 압력은 더 낮게 유지하고 있다. 이러한 연료탱크(10)는 선내 또는 선외에 배치될 수 있으며, 적어도 하나 이상 마련될 수 있다.

연료탱크(10)는 액화가스를 저장하는데, 저장된 액화가스는 외부 열침투로 인하여 증발하여 적어도 일부가 증발가스로 변화할 수 있다. 증발가스의 발생은 연료탱크(10) 내부의 압력을 높이는 요인이 되나, 본 발명의 연료탱크(10)는 1bar 내외의 운전압력을 갖는 멤브레인 타입이 아닌 고압형 타입이므로, 증발가스가 발생된 것을 바로바로 배출하지 않고 가둬둘 수 있다.

다만 그럼에도 불구하고 지속적으로 증발가스가 발생하게 되면, 연료탱크(10)는 내압을 적정 수준으로 유지하기 위해 증발가스를 배출하여야 한다. 이때 배출되는 증발가스는 대기로 방출될 수 없고 별도의 처리설비를 이용하여 처리되어야 한다.

종래의 경우 연료탱크(10)에서 증발가스가 배출되면, 증발가스는 GCU에 의해 소각되거나 이종연료 보일러(DF 보일러)를 이용하여 증기 생성에 사용되었다. 또한 증발가스를 발전엔진(GE)에 사용하기 위해서는 발전엔진(GE) 가스 요구압력을 맞추기 위하여 별도의 증발가스 압축기(BOG compressor)를 두어야 했다.

그러나 본 발명은, 연료탱크(10)에서 발생한 증발가스를 발전엔진(GE)에서 모두 처리함으로써, 증발가스를 소비하기 위한 GCU 혹은 BOG compressor를 추가하지 않고, 오일을 사용하는 보일러를 이종연료 보일러로 교체할 필요가 없게 된다.

또한 본 발명의 증발가스는 압축 없이 free flow로 발전엔진(GE)에 전달될 수 있는데, 이에 대해서는 후술한다.

액화가스 공급부(20)는, 연료탱크(10)의 액화가스를 선박(1)을 추진하는 추진엔진(ME)에 공급한다. 이를 위해 액화가스 공급부(20)는, 액화가스를 연료탱크(10)에서 배출시키는 이송펌프(21), 배출된 액화가스를 추진엔진(ME)의 요구압력까지 가압하는 고압펌프(22), 액화가스를 가열하여 기화시키고 추진엔진(ME)의 요구온도에 맞추는 메인 기화기(23)를 포함할 수 있다.

이때 연료탱크(10)에서 추진엔진(ME)까지는 메인 액화가스 공급라인(L1)이 마련되며, 메인 액화가스 공급라인(L1)에는 이송펌프(21), 고압펌프(22), 메인 기화기(23)가 직렬로 나란히 배치된다.

또한 액화가스 공급부(20)는 액화가스를 발전엔진(GE)에도 공급할 수 있으며, 이 경우 액화가스는 이송펌프(21) 하류에서 메인 액화가스 공급라인(L1)으로부터 분기되어 발전엔진(GE)까지 연결되는 보조 액화가스 공급라인(L2)을 따라 발전엔진(GE)으로 유입될 수 있으며, 보조 액화가스 공급라인(L2)에는 보조 기화기(24)가 마련될 수 있다.

연료탱크(10)의 내압 또는 이송펌프(21)의 배출압력은, 발전엔진(GE)의 요구압력에 맞춰질 수 있다. 이 경우 보조 액화가스 공급라인(L2)은 펌프에 의한 가압 없이도 액화가스를 발전엔진(GE)으로 전달할 수 있다.

반면 연료탱크(10)의 내압이나 이송펌프(21)의 배출압력이 추진엔진(ME)의 요구압력에 맞춰질 수도 있다. 이 경우 메인 액화가스 공급라인(L1)에는 고압펌프(22)가 생략될 수 있으며, 반면 보조 액화가스 공급라인(L2)에는 이송펌프(21)에서 배출된 액화가스를 발전엔진(GE)의 요구압력에 맞추기 위한 감압수단(밸브 등)이 마련될 수 있다.

증발가스 공급부(30)는, 연료탱크(10)에서 발생한 증발가스를 복수 개의 발전엔진(GE)에 공급한다. 연료탱크(10)는 고압형이므로 증발가스를 일부 저장해둘 수 있지만, 증발가스가 지속적으로 발생하면 고압형의 연료탱크(10)의 운전압력을 넘어서게 될 수 있어서, 연료탱크(10) 내 증발가스는 외부로 배출된 후 증발가스 공급부(30)에 의해 처리된다.

증발가스 공급부(30)는, 연료탱크(10)에서 배출된 증발가스를 발전엔진(GE)까지 공급하기 위해 증발가스 공급라인(L3)을 구비할 수 있고, 증발가스 공급라인(L3)에는 증발가스 히터(31)가 마련될 수 있다.

다만 증발가스 공급부(30)는 증발가스 압축기를 마련하지 않을 수 있으며, 연료탱크(10)에서 배출된 증발가스는 압축기에 의한 강제 압축 없이 free flow로 발전엔진(GE)에 전달될 수 있다.

이러한 증발가스의 공급은 발전엔진(GE)의 가동/부하 조절에 의하여 이루어질 수 있는데, 이에 대해서는 이하 제어부를 설명하는 과정에서 자세히 서술한다.

제어부는, 발전엔진(GE)을 제어한다. 이때 제어부는 연료탱크(10)의 내압에 따라 발전엔진(GE)의 가동 대수 및 부하를 조절하여, 연료탱크(10)에서 발전엔진(GE)으로 압축기에 의한 압축 없이 증발가스가 공급되도록 할 수 있다.

선박(1)에는 통상적으로 3~4대의 발전엔진(GE)이 마련되며, 일반 운항 시에는 1~2대의 발전엔진(GE)이 가동 상태를 유지하게 되고, 나머지 발전엔진(GE)은 스탠바이(standby) 상태를 유지한다.

이러한 발전엔진(GE)의 가동은 종래의 경우 선박(1) 내에서 요구되는 전력 소모량에 따라서만 운전되어 왔다. 그러나 본 발명은, 발전엔진(GE)의 가동이 연료탱크(10)의 내압 기준에서 이루어지도록 할 수 있다.

또한 본 발명은, 발전엔진(GE)이 부하에 따라 요구되는 연료의 압력이 낮아지는 특성이 있음을 고려하여 발전엔진(GE)의 운전을 제어할 수 있다. 구체적으로 도 3을 참조하면, 발전엔진(GE)은 연료의 발열량(LCV)이 특정되어 있을 때, 부하(Load)가 증가할수록 inlet pressure가 증가하게 되며, 반대로 부하가 감소하면 inlet pressure가 감소한다.

이러한 점을 고려해 본 발명은, 연료탱크(10)의 내압 대비 발전엔진(GE)의 연료 요구압력이 낮게 이루어질 수 있도록 발전엔진(GE)의 가동 대수나 부하를 조절하여, 연료탱크(10)의 증발가스가 free flow로 발전엔진(GE)에 전달되도록 할 수 있다.

구체적으로 본 발명은, 발전엔진(GE) 1~2대를 가동하는 상태에서(2~3대의 발전엔진(GE)이 스탠바이) 연료탱크(10)의 내압이 높아지면(기설정값 이상), 스탠바이 상태에 있던 발전엔진(GE)을 가동해 발전엔진(GE)의 가동 대수를 증가시켜서 증발가스를 원활하게 처리할 수 있다.

이 경우 연료탱크(10)에서 배출되는 증발가스 유량이 많아지더라도 발전엔진(GE)의 가동 대수가 늘어나게 되면서 각 발전엔진(GE)의 부하가 증가하지 않게 되므로, 발전엔진(GE)의 연료 요구압력이 연료탱크(10)의 내압보다 높아지지 않게 유지될 수 있다.

일례로 1,000 kw 발전엔진(GE) 4 대가 설치되어 있는 선박(1)에 전력 소모량이 800 kw 정도라 한 대의 발전엔진만 가동하고 있는 경우, 연료탱크(10)의 압력이 설정 상한에 도달하게 되면, stand by 상태의 발전엔진(GE)을 모두 구동시켜 기존 한 대 80% 로드로 운전되던 양상을 4개 각 20% 로드로 운전되게 끔 제어할 수 있다.

기존 한 대 운전 시 28 MJ/Nm3 가스 기준 80% 로드의 발전엔진(GE) 운전을 위해서는 배관 및 밸브에서의 압력 손실을 고려하여, 압축기를 통하여 증발가스를 5 bar 이상으로 이송하여야 했지만, 20% 로드 시에는 3 bar 이하로도 운전이 가능하여, 압축기의 가동 없이도 연료탱크(10) 내 축적된 압력으로 발전엔진(GE)을 가동할 수 있다.

발전엔진(GE)을 통해 증발가스를 소모하여 연료탱크(10)의 내압이 다시 낮아지면(기설정값 미만), 발전엔진(GE)의 가동 대수를 줄일 수 있는데, 다만 이 경우 발전엔진(GE)의 최적운전을 위하여 전력소모량에 맞추어 각각의 부하를 일정 이하로 제한하면서 가동 대수를 줄일 수 있다.

이 경우 발전엔진(GE)의 로드가 다시 상승하게 되어, 가스 요구압력을 맞추기 위해 액화가스를 사용할 수 있다. 즉 본 발명은 연료탱크(10)의 내압이 낮아질 경우 발전엔진(GE)의 가동 대수를 줄이면 부하가 커져 발전엔진(GE)의 요구압력이 상승하더라도 액화가스를 보충해줄 수 있으며, 이때 보충되는 액화가스는 보조 기화기(24)에서 강제기화되어 보조 액화가스 공급라인(L2)을 따라 발전엔진(GE)에 공급될 수 있다.

한편 고압펌프(22) 및 메인 기화기(23)를 거친 액화가스 중 적어도 일부가 발전엔진(GE)으로 공급되도록 하기 위해 메인 액화가스 공급라인(L1)이 발전엔진(GE)으로 분기 연결될 수 있다. 이 경우에는 메인엔진(ME)과 발전엔진(GE) 간의 요구압력 차이를 고려해, 메인 기화기(23)에서 발전엔진(GE)으로 분기되는 부분에 압력조절밸브(일례로 감압밸브) 및 필요에 따라 가열기(도시하지 않음)를 사용할 수도 있다.

따라서 본 발명은, 연료탱크(10)의 내압 변화 시 발전엔진(GE)의 가동 대수의 조정을 구현하여, 연료탱크(10)에서 발전엔진(GE)으로 압축 없이 증발가스가 전달되도록 하여, 별도의 압축기 없이도 연료탱크(10)의 압력을 일정 범위 안으로 유지할 수 있다.

다만 발전엔진(GE)은 고부하일 경우 효율이 좋아지나, 일부 마진을 확보하기 위해 제어부는 발전엔진(GE) 각각의 부하를 조절하되 80 내지 90% 이하로 유지할 수 있다.

본 발명은, 연료탱크(10)의 압력 강하를 위한 발전엔진(GE)의 저부하 가동 시 효율이 다소 떨어질 수 있지만, 증발가스 압축기의 설치 혹은 가동을 생략할 수 있다는 점에서 전체적으로는 비용 절감 및 운전 효율 개선 효과를 거둘 수 있게 된다.

이와 같이 본 실시예는, 전력 소비량에 따라 가동되던 발전엔진(GE)을 연료탱크(10)의 내압 관점에서 가동되도록 하면서도, 연료탱크(10)에서 발전엔진(GE)으로 증발가스가 압축 없이 공급되도록 발전엔진(GE)의 부하를 제어하여, 발전엔진(GE)용 증발가스 압축기 구성을 생략해 OPEX, CAPEX 절감이 가능하다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.

도 4를 먼저 참고하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템(2)은, 액화가스를 연료로 사용하기 위해 별도의 연료탱크(10)가 추가된 선박(1)에 탑재되며, 이때 선박(1)은 액화가스 운반선 외의 선종일 수 있다.

이하에서는 본 실시예가 앞선 실시예 대비 달라지는 점 위주로 설명하도록 하며, 설명을 생략한 부분은 앞선 내용으로 갈음한다. 이는 후술하는 다른 실시예에서도 마찬가지임을 알려둔다.

본 실시예는 앞선 실시예와 마찬가지로 복수 개의 발전엔진(GE)을 구비하며, 복수 개의 발전엔진(GE)은 제어부에 의하여 제어된다. 이때 제어부는, 복수 개의 발전엔진(GE)의 부하를 불균일하게 설정하여 asymmetric load control을 구현할 수 있다.

종래의 경우, 발전엔진(GE)이 복수 개로 마련되더라도 가동되는 발전엔진(GE)들의 부하는 모두 동일하게 이루어지는 symmetric load control이 적용된다. 그런데 이 경우 증발가스 처리 시 다수의 발전엔진(GE)이 저로드로 운전하게 되어 운전 효율이 떨어지고, 운전기간 동안 standby되는 발전엔진(GE)이 없거나 적어지는 문제가 있다.

따라서 본 실시예의 제어부는, (스탠바이되어 가동하지 않는 발전엔진(GE)을 제외하고) 일부의 발전엔진(GE)은 고정 부하(fixed load)로 가동하고, 나머지 발전엔진(GE')은 가변 부하(variable load)로 가동하도록 제어할 수 있으며, 가변 부하로 가동하는 발전엔진(GE')을 이용하여 load sharing을 구현해 전체 load control이 가능하다.

이때 고정 부하로 가동하는 발전엔진(GE)의 부하는, 발전엔진(GE)의 요구가스압력이 연료탱크(10)의 내압 이하가 되는 값(일례로 3bar 내외)일 수 있다. 따라서 고정 부하로 가동하는 발전엔진(GE)으로는 압축기(32)에 의한 압축 없이 증발가스가 free flow로 공급될 수 있다.

일례로 3대의 발전엔진(GE)이 가동되는 경우, 제어부는 2대의 발전엔진(GE)을 40% 고정 부하로 가동하게 하여, 연료탱크(10)에서 2대의 발전엔진(GE)으로 증발가스가 압축 없이 유입되도록 할 수 있다.

또한 제어부는, 가변 부하로 가동하는 발전엔진(GE')의 부하를, 고정 부하로 가동하는 발전엔진(GE)의 부하 이상으로 제어할 수 있다. 일례로 3대 중 나머지 1대의 발전엔진(GE')은 선내 전력 소모량에 따라 50 내지 80%의 가변 부하로 가동할 수 있다.

이 경우 가변 부하로 가동하는 발전엔진(GE')은 증발가스 또는 오일탱크(11)로부터 오일 공급라인(L11)을 따라 공급되는 오일로 연료 전환이 가능할 수 있으며, 증발가스를 소비할 경우에는 고정 부하로 가동하는 발전엔진(GE) 대비 고부하로 가동할 수 있고, 오일을 소비할 경우에는 상대적으로 저부하로 가동할 수 있다.

전자에서와 같이 가변 부하로 가동하는 발전엔진(GE')의 부하가 고정 부하로 가동하는 발전엔진(GE)의 부하보다 높을 때, 발전엔진(GE')의 요구압력이 연료탱크(10)의 내압보다 높을 수 있다. 따라서 본 실시예는 증발가스 공급라인(L3)에서, 증발가스의 흐름이 복수 개의 발전엔진(GE, GE')으로 분기되는 지점과 가변 부하로 가동하는 발전엔진(GE') 사이에 압축기(32)를 마련할 수 있다.

따라서 가변 부하로 가동하는 발전엔진(GE')은, 고정 부하로 가동하는 발전엔진(GE) 대비 고부하로 가동해야 한다면, 압축기(32)에 의해 압축된 증발가스가 공급되어 가동될 수 있고, 또는 (압축기(32)가 생략되며) 오일이 공급되어 가동하는 것도 가능하다.

물론 가변 부하로 가동하는 발전엔진(GE')의 요구압력 또한 연료탱크(10)의 내압 이하일 수 있는데, 이 경우에는 반대로 고정 부하로 가동하는 발전엔진(GE)의 요구압력 대비 연료탱크(10)에서 배출되는 증발가스의 압력이 높을 수 있는바, 증발가스의 흐름이 복수 개의 발전엔진(GE, GE')으로 분기되는 지점과 고정 부하로 가동하는 발전엔진(GE) 사이에, 감압밸브(도시하지 않음)나 팽창기(도시하지 않음)가 마련될 수도 있다.

제어부는 고정 부하로 가동하는 발전엔진(GE)의 부하가, 연료탱크(10)의 내압 이하의 요구압력이 형성되도록 하면서도, 발전엔진(GE)의 효율을 고려하여 기준값(일례로 20% 내외) 이상이 되도록 할 수 있다.

일례로 발전엔진(GE)이 4대 마련될 경우, 가변 부하로 가동하는 1대의 발전엔진(GE')을 제외하고, 연료탱크(10)의 내압을 고려해볼 때 3대의 발전엔진(GE)을 20%로 가동해야 한다고 판단될 경우, 제어부는 1대의 발전엔진(GE)을 스탠바이로 전환하고, 2대의 발전엔진(GE)을 30% 고정 부하로 가동하여 발전엔진(GE)의 극저부하 가동으로 인한 효율 감소를 방지할 수 있다.

이와 같이 본 실시예는, load에 따라 요구하는 가스의 압력이 다르다는 발전엔진(GE)의 특성을 고려하여, 연료탱크(10)의 압력이 높아지면 일부 발전엔진(GE)은 증발가스를 처리할 수 있도록 저부하 고정으로 가동하도록 하며(Fixed mode), 나머지 load variation은 다른 발전엔진(GE')에서 오일 혹은 가스모드를 이용하여 백업(back-up)할 수 있다.

즉 본 실시예는 이와 같은 두 가지 타입의 발전엔진(GE, GE') 운영을 종합하여 asymmetric load sharing을 활용하여, 전력 생산을 하는 동시에 증발가스를 효과적으로 처리할 수 있게 되어, OPEX 절감이 가능하고, 압축기(32)를 생략하거나 소형화할 수 있어 CAPEX도 절감할 수 있다.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.

도 5를 참고하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템(2)은, 액화가스를 연료로 사용하기 위해 연료탱크(10a)를 탑재한 선박(1)에 적용되는 것은 앞선 실시예와 동일하나, 본 실시예에서의 선박(1)은 고압형의 연료탱크(10)를 대신하여 멤브레인형 또는 독립형의 연료탱크(10a)를 탑재한, 액화가스 운반선 외의 선종일 수 있다.

또는 본 실시예에서의 선박(1)은, 액화가스를 화물로서 적재하며 화물탱크가 연료탱크(10a)로서 기능할 수 있는 액화가스 운반선일 수도 있음을 알려둔다.

본 실시예의 경우, 연료탱크(10a)가 5barg 내외로 액화가스를 저장하는 고압형이 아니라, 1barg 내외로 액화가스를 저장하는 상압탱크일 수 있다. 다만 이 경우 상압탱크에서 배출되는 증발가스의 압력이 저부하로 가동하는 발전엔진(GE)의 요구압력보다 낮게 이루어질 수 있다.

따라서 본 실시예는, 연료탱크(10a)에서 발전엔진(GE)까지 연결되는 증발가스 공급라인(L3)에 대해, 블로어(33)(또는 팬)를 추가하여 증발가스의 압력을 다소 높여줄 수 있다.

다만 블로어(33)의 토출 압력은, 발전엔진(GE)의 최대 요구압력(일례로 6.5barg)이 못미치는 값일 수 있고, 저부하이면서 고정 부하로 가동하는 발전엔진(GE)의 요구압력인 3barg 내외로 설정될 수 있다.

도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 발전엔진(GE)으로의 연료 공급이 종래 또는 앞선 실시예 대비 변경될 수 있다.

본 실시예 역시 앞선 실시예와 마찬가지로, 고압형의 연료탱크(10)로부터 증발가스를 발전엔진(GE)으로 공급하여 연료탱크(10)의 압력을 조절할 수 있으며, 압력 조절을 위해 제어부가 발전엔진(GE)을 특정 부하(발전엔진(GE)의 요구압력이 연료탱크(10)의 내압 이하가 되는 값으로, 요구압력이 2bar 전후가 되는 20% 내외의 저부하)로 가동하여, 연료탱크(10)로부터 발전엔진(GE)으로 압축기(32)에 의한 압축 없이(freeflow) 증발가스가 공급되도록 함으로써 연료탱크(10)의 압력을 낮출 수 있고 GCU 또는 DF 보일러를 축소, 생략할 수 있다.

다만 앞선 실시예들의 경우, 연료탱크(10) 압력 조절을 위하여 제어부(PMS: Power Management System)가 복수 개의 발전엔진(GE)을 symmetric load sharing(제1 실시예) 또는 asymmetric load sharing(제2 실시예) 제어하는 반면, 본 실시예의 제어부는 Fixed load sharing 제어를 구현할 수 있다.

구체적으로 제어부는, 연료탱크(10)의 내압이 일정 압력 이상이 되면, 증발가스를 소비하는 발전엔진(GE)이 미리 설정된 로드(15% 또는 20% 등)로 가스 운전을 시작하여 연료탱크(10) 내 증발가스를 연소하여 연료탱크(10)의 압력을 낮출 수 있다.

이때 제어부에 의해 증발가스를 소비하는 발전엔진(GE)은, 가동 중인 발전엔진(GE) 중 일부만이 해당할 수 있다. 즉 본 실시예의 제어부는, 연료탱크(10)의 압력 조절을 위해 일부의 발전엔진(GE)을 증발가스로 가동하고, 나머지의 발전엔진(GE)은 증발가스 외의 연료(액화가스나 오일 등)로 가동할 수 있다.

물론 연료탱크(10)의 압력 조절이 완료된 후에는, 증발가스로 가동했던 일부의 발전엔진(GE)은 멈추어 symmetric load sharing의 standby mode로 있거나 액화가스 운전 혹은 오일 운전 등의 평소 운전 모드로 전환될 수 있다.

이를 위하여 도 6에 나타난 바와 같이, 증발가스 공급라인(L3)은 복수 개의 발전엔진(GE)에 모두 연결되더라도 연료탱크(10)의 압력 조절을 위한 가동 시 일부(일례로 1대)의 발전엔진(GE)에만 증발가스를 공급할 수 있다.

이 경우 제어부는 평소에는 symmetric load sharing으로 발전엔진(GE)을 제어하다가, 연료탱크(10)의 압력이 기설정압 이상으로 올라가면 Fixed load sharing 기능을 사용하여 증발가스를 이용하도록 지정된 발전엔진(GE)을 설정된 부하(20%내외)로 운전하여 연료탱크(10)의 압력을 감소시킬 수 있다.

일례로 1,000 kw 발전엔진(GE) 4 대가 설치되어 있는 선박(1)에 전력 소모량이 800 kw 정도라 한 대의 발전엔진(GE)만 가동하고 있는 경우, 연료탱크(10)의 압력이 설정 상한에 도달하게 되면, stand by 상태의 발전엔진(GE) 한 대를 fixed 저로드로 구동시켜 기존 한 대 80% 로드로 운전되던 양상을 기존 변동 부하 1대 60% 로드와 신규 고정 부하 1대 20% 로드로 운전되게끔 제어할 수 있다.

기존 한 대 운전 시 28 MJ/Nm3 가스 기준 80% 로드의 발전엔진(GE) 운전을 위해서는 배관 및 밸브에서의 압력 손실을 고려하여, 압축기를 통하여 증발가스를 5 bar 이상으로 이송하여야 했지만, 20% 로드 시에는 3 bar 이하로도 운전이 가능하여, 압축기의 가동 없이도 연료탱크(10) 내 축적된 압력으로 발전엔진(GE)을 가동할 수 있다. 이후 탱크 압력 추가 하락을 위한 변동 부하 1대 70% 로드와 신규 고정 부하 1대 10% 로드 운전으로 고정 부하를 변경하는 등 다양한 응용이 가능하다.

연료탱크(10)의 압력이 기설정압 이하로 떨어지게 되면, 제어부는 증발가스 소비로 지정된 발전엔진(GE)의 운전을 멈췄다가 다시 symmetric load sharing 제어를 유지하거나, 해당 발전엔진(GE)을 오일 운전으로 전환할 수 있다.

또는 제어부는, 연료탱크(10)의 압력 조절을 담당하는 발전엔진(GE)에 대해 장기 저부하 운전으로 인한 카본 축적 등을 방지하기 위해, asymmetric load sharing의 주 운전 엔진으로 사용할 수 있다.

연료탱크(10)의 내압 감소를 구현하는 발전엔진(GE)으로 공급되는 증발가스와, 나머지 발전엔진(GE)으로 공급되는 증발가스 외의 연료(액화가스)는, 이송압력이 다를 수 있다. 따라서 본 실시예는 복수 개의 발전엔진(GE)에서 한 발전엔진(GE)에는 하나의 가스만 사용될 수 있다. 즉 발전엔진(GE)은 적어도 연료탱크(10)의 내압 조절 과정에서는 증발가스와 액화가스가 혼합 유입되지 않는다.

이를 위해 본 실시예는 증발가스 공급라인(L3) 자체가 복수 개의 발전엔진(GE) 중 일부에만 연결될 수 있다(점선 부분 생략). 즉 증발가스 공급부(30)는 연료탱크(10)에서 발생한 증발가스를 복수 개의 발전엔진(GE)으로 공급하는 것이 아니라, 복수 개로 마련되는 발전엔진(GE) 중 일부에만 증발가스를 공급하도록 구조적으로 제한된다. 따라서 본 실시예는 라인 구성을 간소화할 수 있다.

이와 같이 본 실시예는, Fixed load sharing 제어를 활용해 일부 발전엔진(GE)만 증발가스를 소비하도록 하고 나머지는 액화가스나 오일로 가동함으로써 효과적으로 연료탱크(10)의 압력 조절이 가능하다.

도 7은 본 발명의 제5 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 제5 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 앞선 실시예 대비 발전엔진(GE)의 제원을 다르게 가져갈 수 있다.

구체적으로 본 실시예에서, 연료탱크(10)의 내압 조절을 위해 증발가스를 소비하도록 지정된 일부의 발전엔진(GE) 및 추진엔진(ME)은 가스나 오일을 소비하는 이종연료엔진으로 마련되고, 나머지의 발전엔진(GE)은 오일로만 가동하는 디젤엔진으로 마련될 수 있다.

이 경우 일부의 발전엔진(GE)에는 증발가스 공급라인(L3)이나 보조 액화가스 공급라인(L2), 오일 공급라인(L11) 등이 연결될 수 있는 반면, 나머지의 발전엔진(GE)에는 오일 공급라인(L11)만 연결될 수 있다.

본 실시예는 연료탱크(10)의 내압 조절을 위해, 이종연료엔진인 일부의 발전엔진(GE)을 저부하 고정으로 가동하여 증발가스를 소비함으로써 연료탱크(10)의 내압이 기설정압 이하가 되도록 할 수 있으며, 반면 나머지의 발전엔진(GE)은 오일을 이용하여 부하를 조절 제어함으로써 발전량을 충족시킬 수 있다.

이와 같이 본 실시예는, 모든 발전엔진(GE)을 이종연료엔진으로 마련하지 않아도 되므로 과도한 투자금액으로 인한 경제성 손실을 방지하고, 발전엔진(GE) 중 일부를 디젤엔진으로 함으로써 투자비용 절감은 물론이고 유지보수 비용 등도 대폭 절감할 수 있다.

본 발명은 앞서 설명된 실시예 외에도, 상기 실시예들 중 적어도 둘 이상의 조합 또는 적어도 하나 이상의 상기 실시예와 공지기술의 조합에 의해 발생하는 실시예들을 모두 포괄한다.

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: 선박 2: 가스 처리 시스템
ME: 추진엔진 GE, GE': 발전엔진
10, 10a: 연료탱크 11: 오일탱크
20: 액화가스 공급부 21: 이송펌프
22: 고압펌프 23: 메인 기화기
24: 보조 기화기 L1: 메인 액화가스 공급라인
L11: 오일 공급라인 L2: 보조 액화가스 공급라인
30: 증발가스 공급부 31: 증발가스 히터
32: 압축기 33: 블로어
L3: 증발가스 공급라인

Claims (10)

1. 액화가스를 연료로 사용하여 추진하는 선박에 마련되는 가스 처리 시스템으로서,
   액화가스를 저장하는 연료탱크;
   상기 연료탱크의 액화가스를 상기 선박을 추진하는 추진엔진에 공급하는 액화가스 공급부;
   상기 연료탱크에서 발생한 증발가스를 발전엔진에 공급하는 증발가스 공급부; 및
   상기 발전엔진을 제어하는 제어부를 포함하며,
   상기 발전엔진은, 복수로 마련되고 부하가 낮아지면 요구되는 연료의 압력이 낮아지는 특성을 가지며,
   상기 제어부는,
   상기 선박의 전력 소모량을 커버하도록 상기 발전엔진을 가동하면서,
   상기 연료탱크의 압력이 설정값 이상이 되면 복수의 상기 발전엔진 중 일부만의 상기 발전엔진이 증발가스를 이용해 기설정 부하 이내로 가동하도록 하여, 상기 연료탱크에서 압축기에 의한 압축 없이 상기 발전엔진으로 증발가스가 전달되면서 상기 연료탱크의 압력을 낮추며,
   상기 연료탱크의 압력이 설정값 이내가 되면 증발가스를 이용해 가동하는 상기 발전엔진으로의 증발가스 공급을 중단하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 연료탱크는,
   액화가스를 고압으로 저장하는 고압형인 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는,
   증발가스로 가동하는 일부의 상기 발전엔진의 부하를, 상기 발전엔진의 요구압력이 상기 연료탱크의 내압 이하가 되는 값으로 제어하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 증발가스 공급부는,
   복수 개로 마련되는 발전엔진 중 일부에만 증발가스를 공급하도록 마련되는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
7. 제 6 항에 있어서,
   오일을 저장하는 오일탱크를 더 포함하고,
   상기 제어부는, 나머지의 상기 발전엔진을 액화가스 또는 오일로 가동하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
8. 제 6 항에 있어서,
   오일을 저장하는 오일탱크를 더 포함하고,
   증발가스로 가동하는 일부의 상기 발전엔진은 이종연료엔진이고, 증발가스 외의 연료로 가동하는 나머지의 상기 발전엔진은 오일로만 가동하는 디젤엔진이며,
   상기 제어부는, 나머지의 상기 발전엔진을 오일로 가동하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
9. 제 1 항에 있어서,
   액화천연가스 운반선 외의 선종인 선박에 마련되는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
10. 제 1 항, 제 2 항, 제 5 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 상기 가스 처리 시스템을 갖는 것을 특징으로 하는 선박.

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