KR102184961B1

KR102184961B1 - Bog 핸들링시스템

Info

Publication number: KR102184961B1
Application number: KR1020200085907A
Authority: KR
Inventors: 김대곤; 박인호
Original assignee: 스칸젯매크론 주식회사
Priority date: 2020-07-13
Filing date: 2020-07-13
Publication date: 2020-12-02

Abstract

본 발명은 BOG 핸들링시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내연기관의 불완전 연소를 야기하는 HC(Heavy Carbon)을 효과적으로 제거하면서 성능향상과 함께 고순도 메탄가(methane number)로 제어하기 위한 BOG 핸들링시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일실시 예에 따른 BOG 핸들링시스템은 단열 설비가 구비되고 내압성을 갖으며 저온의 LNG를 저장하는 LNG저장용기; 상기 LNG저장용기에서 발생하는 BOG를 압축하는 BOG압축장치; 상기 BOG압축장치에서 압축된 상기 BOG의 일부를 냉각하여 재액화하는 재액화장치; 상기 BOG압축장치에서 압축된 상기 BOG의 일부를 제외한 나머지를 연료로 사용하되 상기 연료 내에 함유된 HC를 걸러주는 HC제거장치; 상기 HC제거장치 전단에 설치되어 상기 HC제거장치의 HC제거를 돕는 회전분사장치; 상기 HC제거장치를 거친 연료를 후단 공정에 맞게 가열해 주는 예열장치; 상기 예열장치로부터 유입되는 상기 연료를 연소시켜 동력을 발생시키는 DF엔진부; 상기 재액화장치에서 재액화된 LNG를 상기 회전분사장치로 공급하되 상기 재액화된 LNG 유량을 단속하는 밸브장치; 상기 HC제거장치에서 상기 예열장치로의 유로에 설치되어 상기 HC제거장치를 거친 연료의 메탄가를 센싱하는 센서부; 및 상기 센서부에서 센싱된 메탄가에 따라 상기 밸브장치를 제어하는 제어부;를 포함한다.

Description

BOG 핸들링시스템{Boiled Off Gas Handling System}

본 발명은 BOG 핸들링시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내연기관의 불완전 연소를 야기하는 HC(Heavy Carbon)을 효과적으로 제거하면서 성능향상과 함께 고순도 메탄가(methane number)로 제어하기 위한 BOG 핸들링시스템에 관한 것이다.

천연가스(natural gas)는 메탄(methane)을 주성분으로 하고, 소량의 에탄(ethane), 프로판(propane) 등을 포함하는 화석연료로서, 최근 다양한 기술 분야에서 저공해 에너지원으로서 각광받고 있다.

천연가스는 경제성이 있고 친환경적인 에너지로 많이 소비되고 있으나, 기체인 천연가스 상태로 이송하기에는 부피가 너무 커서 운송 및 저장 효율이 떨어진다.

이러한 점을 보완하기 위해, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG) 상태로 운송 및 저장하는 방법이 제시되었다.

액화천연가스(LNG)는 메탄을 주성분으로 한 천연가스를 대기압에서 -162℃의 극저온 상태로 냉각시켜 그 부피를 600분의 1로 줄인 무색 투명한 초저온 액체로서, 기체상태보다 수송성과 저장성이 우수한 것으로 알려져 있다.

그러나 천연가스 액화온도는 상압 -162℃의 극저온이므로, LNG는 온도변화에 민감하여 쉽게 증발된다.

LNG 운반선의 LNG 저장탱크의 경우 단열처리가 되어 있기는 하지만, 외부의 열이 LNG 저장탱크에 지속적으로 전달되므로, LNG 운반선에 의한 LNG 수송과정에서 LNG가 LNG 저장탱크 내에서 지속적으로 자연 기화되어 LNG 저장 탱크 내에 증발가스(Boiled Off Gas, BOG)가 발생한다.

BOG(증발가스)는 일종의 LNG 손실로서 LNG의 수송효율에 있어서 중요한 문제이며, LNG 저장탱크 내에 BOG(증발가스)가 축적되면 LNG 저장탱크 내의 압력이 과도하게 상승하여 탱크가 파손될 위험이 있으므로, LNG 저장탱크 내에서 발생하는 BOG(증발가스)를 처리하기 위한 다양한 방법이 연구되고 있다.

최근에는 BOG의 처리를 위해, BOG를 재액화하여 저장탱크로 복귀시키는 방법, BOG를 선박의 엔진의 에너지원으로 사용하는 방법 등이 사용되고 있다.

그리고 잉여의 BOG에 대해서는 가스연소유닛(gas combustion unit, GCU)에서 연소시키는 방법을 사용하고 있다.

또한, LNG 운반선 자체에서 추진 장치나 발전 장치에서 자연 기화 또는 강제 기화된 가스와 연료유를 연료로 사용할 수 있는 이중연료 엔진(Dual Fuel Engine)이 개발되어 메인 엔진 및 제너레이터 엔진으로 사용되고 있어, BOG가 선내 연료로 공급되기도 한다.

종래의 LNG선에 마련되는 BOG 처리 장치를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래의 기술에 따른 LNG선의 BOG 처리장치를 도시한 구성도이다. 도시된 바와 같이, 종래의 LNG선의 BOG 처리장치(10)는 LNG 탱크(1)로부터 발생되는 BOG를 엔진 연료 라인(11a)을 통해 LNG선의 추진력 등을 획득하기 위한 DF엔진(Dual fuel engine; 11)으로 공급함으로써 DF 엔진(11)의 연료로 사용되도록 하고, 여분의 BOG는 가스 연소 라인(12a)을 통해 가스연소유닛(Gas combustion unit; 12)으로 공급하여 연소시켜서 외부로 배출시킨다.

엔진 연료 라인(11a) 및 가스 연소 라인(12a)은 LNG 탱크(1)로부터 공급되는 BOG의 흐름을 개폐시키기 위하여 개폐 밸브(11b, 12b)가 각각 설치된다.

이와 같은, 종래의 기술에 따른 LNG선의 BOG 처리장치(10)는 LNG 탱크(1)로부터 필연적으로 발생되는 BOG를 기본적으로 DF 엔진(11)에서 필요한 양만큼 연료로서 우선적으로 소모시키고, 항해시 필요에 의해 DF 엔진(11)에서 요구되는 양만큼 BOG를 공급하지 못할 경우 LNG를 강제로 기화시켜 사용하거나 액화연료(Liquid fuel)를 사용하게 된다.

그리고 정박 시와 같이 DF 엔진(11)에서 요구되는 양이 작은 경우 LNG 탱크(1)에서 자연 발생하는 BOG를 전량 DF 엔진(11)에서 소모할 수 없게 되므로 이 때는 가스연소유닛(Gas combustion unit, GCU, 12)으로 공급하여 연소시켜서 대기로 방출시킴으로써 BOG를 손실시킨다.

상기한 바와 같은 종래의 기술에 따른 LNG선의 BOG 처리장치는 가스연소유닛을 사용하는 경우 단순히 BOG를 소모시키기 위한 것으로서 연소시켜야 하는 BOG의 양이 많을수록 가스연소유닛의 처리용량 증가는 불가피하고, 장비 자체뿐만 아니라 대용량의 팬(fan)들을 가진 가스연소유닛에 대한 처리용량의 증가는 설치면적을 많이 차지할 뿐만 아니라 LNG선 내의 가스연소유닛을 최적으로 배치시키는 데 장애를 발생시키는 문제점을 가지고 있었다.

또한, LNG 탱크에 BOG가 필연적으로 발생하지만, 이러한 BOG의 손실은 결국 에너지의 낭비를 가져오게 된다는 문제점을 가지고 있었다.

한편, 2014년 기준 해운 물동량은 8억 9210만톤으로 국내 수출입화물의 99.7%로써 항공, 육상 운송에 비하여 압도적인 비중을 차지하고 있다. 그럼에도 불구하고 온실가스 배출량은 3.3%로써 저탄소 해운을 지향하고 있다.

그러나 저탄소 녹색성장 및 기후변화정부간협의체(IPCC, Intergoverment Panel on Climate Change)의 요구에 따라 해운분야의 배기배출물 규제가 강화되어지고 있다.

선박에 사용되는 연료는 온실가스 배출률이 높은 IFO380, MF380 등 황함유량이 높은 중유가 사용되고 있다.

해양환경보호위원회(MEPC, Marine Environment Protection Committee) 70차에서 결정된 International Sulfur Cap(전 해역 0.5% 저유황유 사용)과 2016년 1월 1일부터 발효된 질소산화물 규정에 의거하여 배기배출물 규제가 강화되었다.

배기배출물 규정을 만족하기 위해서는 질소산화물 감축을 위한 선택적 환원촉매장치, 탈황설비 또는 고가의 저유황유 등의 대안이 마련되어야 한다.

배기배출물 규제를 만족하기 위한 방법으로 현재 대체연료에 대한 수요가 발생하고 있으며 이중 LNG는 가장 효과적인 대체연료로 각광받고 있다.

LNG(액화천연가스)는 단위 중량당 발열량이 기존의 중유보다 높으며 이산화탄소 발생량이 24%가량 감소되어 저탄소 녹색성장을 위한 가장 적합한 연료이다.

또한, LNG 연료 사용시 PM(Particulate matter, 미세입자), NOx(질소산화물) 등 대기오염 감소에도 효과가 있어 온실가스 저감 및 대기환경 개선의 역할을 할 것으로 기대되는 대체 연료이다.

LNG 연료추진선박의 시장 수요는 현재의 시장 전망보다 빠르게 증가하고 있으며, LNG는 향후 선박 연료의 새로운 패러다임으로 부각되고 있다.

또한, BOG(증발가스)를 처리하기 위한 다양한 방법이 연구되고 있는데 최근에는 BOG를 재액화하여 LNG 탱크로 환원시키는 방법, BOG를 선박 엔진의 에너지원으로 사용하는 방법 등이 사용되고 있으며 잉여의 BOG에 대해서는 가스소각장치인 GCU(Gas Combustion Unit)에서 연소시키는 방법을 사용하고 있다.

GCU는 BOG를 달리 활용처가 없을 경우 저장탱크의 압력 조절을 위하여 불가피하게 잉여의 BOG를 연소하는 것으로써, BOG가 가지고 있는 화학 에너지가 연소에 의해 낭비되는 결과를 초래한다는 문제가 있다.

즉, 일반적인 선박에서는 디젤 엔진이 장착되어 있으며, 액화천연가스 운반선인 경우에는 이중연료 엔진(Dual Fuel Engine)이 장착되어 생성된 BOG(Boil-Off Gas)를 압축하거나 저장된 화물 액화천연가스(LNG)를 펌프로 이송시킨 후 가열한 후 이중연료 엔진의 연료가스로 사용하였다.

이에 따라, 일반적인 선박에서는 가스를 엔진연료로 사용할 수 없었고, 액화천연가스(LNG) 운반선인 경우에도 화물창에 증발가스(BOG)가 남아있거나, 화물 액화천연가스가 존재하는 경우에만 가스 연료 사용이 가능하다는 문제점이 있었다.

따라서 BOG 핸들링시스템은 도 2에 도시된 바와 같은 LNG연료추진 대상선박의 사양에 부합하고 선박 운항 및 시스템 운용조건을 고려하여야 하므로, LNG(액화천연가스)를 연료로 사용하면서 BOG(증발가스)를 연료로서 활용하고, 사용 후 남는 양을 재액화 또는 활용하여 상황에 따라 선택적으로 운영할 수 있는 시스템 개발을 통해, 효과적으로 운영할 수 있는 방법을 제안되어야 한다.

한국 공개특허공보 제10-2009-0046217호, 발명의 명칭 "LNG선의 BOG 처리 장치", 공개일자(2009.05.11.)

본 발명은 상기와 같은 문제점 및 필요성을 만족시키기 위하여 창출된 것으로, 내연기관의 불완전 연소를 야기하는 HC(Heavy Carbon)을 효과적으로 제거하면서 성능향상과 함께 고순도 메탄가(methane number)로 제어하는 BOG 핸들링시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시 예에 따른 BOG 핸들링시스템은 단열 설비가 구비되고 내압성을 갖으며 저온의 LNG를 저장하는 LNG저장용기; 상기 LNG저장용기에서 발생하는 BOG를 압축하는 BOG압축장치; 상기 BOG압축장치에서 압축된 상기 BOG의 일부를 냉각하여 재액화하는 재액화장치; 상기 BOG압축장치에서 압축된 상기 BOG의 일부를 제외한 나머지를 연료로 사용하되 상기 연료 내에 함유된 HC를 걸러주는 HC제거장치; 상기 HC제거장치 전단에 설치되어 상기 HC제거장치의 HC제거를 돕는 회전분사장치; 상기 HC제거장치를 거친 연료를 후단 공정에 맞게 가열해 주는 예열장치; 상기 예열장치로부터 유입되는 상기 연료를 연소시켜 동력을 발생시키는 DF엔진부; 상기 재액화장치에서 재액화된 LNG를 상기 회전분사장치로 공급하되 상기 재액화된 LNG 유량을 단속하는 밸브장치; 상기 HC제거장치에서 상기 예열장치로의 유로에 설치되어 상기 HC제거장치를 거친 연료의 메탄가를 센싱하는 센서부; 및 상기 센서부에서 센싱된 메탄가에 따라 상기 밸브장치를 제어하는 제어부;를 포함한다.

본 발명에 따르면, LNG저장용기에서 자연적으로 발생하는 BOG를 버리지 않고 연료로 활용할 수 있어 경제적인 이점이 있다.

또한, HC제거장치 전단에 회전분사장치를 장착하여 HC제거장치의 효율을 높이는 이점이 있다.

또한, 회전분사장치의 헤드부에 궤적 변화를 일으키는 제1 및 제2 슬롯부를 형성하여 메탄순도를 높이는 이점이 있다.

또한, 제어부를 통하여 센서부로부터 측정값을 입력받아 밸브장치(180)로 적절한 유량을 효율적으로 제어할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 LNG선의 BOG 처리장치를 도시한 구성도이다.
도 2는 LNG연료를 사용하는 선박을 예시적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 BOG 핸들링시스템을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명이 제안하는 회전분사장치 등을 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명이 제안하는 회전분사장치 등의 모델링을 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명이 제안하는 헤드부를 도시한 사시도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.

그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 명세서에서, "포함하다." 또는 "가지다." 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시 예의 구성 요소가 해당 실시 예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시 예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시 예가 통합된 하나의 실시 예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

천연가스(Natural Gas)에는 메탄 외에도 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄 등 복수의 탄화수소를 가진 탄화수소 성분들과 질소, 이산화탄소 등의 불활성 가스 성분들이 포함되어 있으며, 그 조성비는 생산지에 따라 다르다.

메탄가(Methane Number)란 천연가스 중 메탄의 조성비를 나타내는 것으로서, 엔진에서 요구하는 메탄가를 충족하지 못하는 연료가 공급될 경우, 엔진에서 녹킹(Knocking) 현상이나 피스톤이 상사점 이전에서 폭발, 연소되는 등의 이상연소 현상이 발생할 수 있다.

이러한 이상연소 현상은 엔진 피스톤의 마모를 초래할 수 있고, 엔진 효율 저하, 장치고장 등의 문제를 야기할 수 있다.

또한, LNG 운반선에서 운반의 대상인 LNG가 저장되는 LNG저장용기뿐만 아니라, 선박에서 연료인 LNG가 저장하는 LNG저장용기나 그 밖의 선박에 LNG를 저장하기 위하여 마련되는 저장용기의 BOG(증발가스) 처리에도 마찬가지로 적용된다 하겠다.

따라서, 본 발명의 일실시 예에 따른 BOG 핸들링시스템(100)은 DF엔진부(170)가 일반적으로 80 이상의 메탄가를 요구하고, 생산지에 따라 LNF(액화천연가스)의 메탄가가 70 내외의 범위를 나타내기도 하므로, 이러한 LNG(액화천연가스)가 엔진의 이상연소 현상 방지를 위해 DF엔진부(170)가 필요로 하는 정도로 메탄가를 높이면서 BOG(증발가스)를 효율적으로 처리하기 위하여 제안된다.

도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 BOG 핸들링시스템을 도시한 블록도이고, 도 4는 본 발명이 제안하는 회전분사장치 등을 도시한 블록도이며, 도 5는 본 발명이 제안하는 회전분사장치 등의 모델링을 도시한 사시도이고, 도 6은 본 발명이 제안하는 헤드부를 도시한 사시도이다.

상기 도면들을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 BOG 핸들링시스템(100)은 단열 설비가 구비되고 내압성을 갖으며 저온의 LNG를 저장하는 LNG저장용기(110); 상기 LNG저장용기(110)에서 발생하는 BOG를 압축하는 BOG압축장치(120); 상기 BOG압축장치(120)에서 압축된 상기 BOG의 일부를 냉각하여 재액화하는 재액화장치(130); 상기 BOG압축장치(130)에서 압축된 상기 BOG의 일부를 제외한 나머지를 연료로 사용하되 상기 연료 내에 함유된 HC를 걸러주는 HC제거장치(140); 상기 HC제거장치(140) 전단에 설치되어 상기 HC제거장치(140)의 HC제거를 돕는 회전분사장치(150); 상기 HC제거장치(140)를 거친 연료를 후단 공정에 맞게 가열해 주는 예열장치(160); 상기 예열장치(160)로부터 유입되는 상기 연료를 연소시켜 동력을 발생시키는 DF엔진부(170); 상기 재액화장치(130)에서 재액화된 LNG를 상기 회전분사장치(150)로 공급하되 상기 재액화된 LNG 유량을 단속하는 밸브장치(180); 상기 HC제거장치(140)에서 상기 예열장치(160)로의 유로에 설치되어 상기 HC제거장치(140)를 거친 연료의 메탄가를 센싱하는 센서부(190); 및 상기 센서부(190)에서 센싱된 메탄가에 따라 상기 밸브장치(180)를 제어하는 제어부(200);를 포함한다.

또한, 상기 회전분사장치(150)는 상기 BOG압축장치(120)와 상기 HC제거장치(140) 사이에 개입되되, 상기 HC제거장치(140)로 유입되는 압축된 BOG에 상기 재액화장치(130)에서 재액화된 액상의 LNG를 상부에서 하부로 회전하면서 분무하여 메탄가를 높인다.

또한, 상기 회전분사장치(150)는 상기 재액화장치(130)에서 재액화된 액상의 LNG를 사방으로 분무하는 회전 가능한 헤드부(151)가 포함된다.

또한, 상기 헤드부(151)는 상하부에 제1 슬롯부(151h) 및 중간부에 제2 슬롯부(151v)가 형성되어 상기 재액화장치(130)에서 재액화된 액상의 LNG가 수위에 따라 궤적 변화를 일으켜 상기 제1 및 제2 슬롯부를 통하여 토출되게 한다.

그럼, 본 발명의 일실시 예에 따른 BOG 핸들링시스템(100)의 구성 및 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명이 제안하는 BOG 핸들링시스템(100)은 도 3에 도시된 바와 같이, LNG저장용기(110), BOG압축장치(120), 재액화장치(130), HC제거장치(140), 회전분사장치(150), 예열장치(160), 및 DF엔진부(170)를 포함하고, 밸브장치(180), 센서부(190), 및 제어부(200)를 더 포함한다.

LNG저장용기(110)는 도 3에 도시된 바와 같이, 액화천연가스(LNG)가 저장되는 저장탱크로, 단열 설비가 구비되고 내압성을 갖아 저온의 액화천연가스(LNG)를 저장할 수 있다.

예를 들어 LNG저장용기(110)는 독립형 IMO C type의 내압성 탱크로 마련할 수 있고, 선박의 항해기간 동안 탱크에서 발생하는 BOG(증발가스)를 소정 보유할 수 있도록 내압성 탱크의 설계 압력을 2bar이상, 7 내지 15 bar의 게이지압으로 설계한다.

또한, LNG저장용기(110)는 내압성 탱크의 내부압력이 점차 높아져 소정 압력에 이르게 되면, 액화천연가스(LNG)는 펌프에 의한 펌핑(pumping) 없이 자연스럽게 BOG라인(BL)을 따라 BOG압축장치(120)로 이동하게 되게 한다.

여기서, BOG라인(BL)는 LNG저장용기(110) 내에서 발생하는 BOG(증발가스)가 지나가는 통로이다.

BOG압축장치(120)는 도 3에 도시된 바와 같이, LNG저장용기(110)에서 BOG라인(BL)을 따라 유입되는 BOG(증발가스)를 소정의 압력으로 압축하는 장치로, 기체인 BOG를 효율적으로 처리할 수 있게 소정 압력을 가지게 한다.

즉, BOG압축장치(120)는 기체를 압축하고 체적을 작게 하는 컴프레셔(Compressor)로, BOG(증발가스)를 소정의 압력으로 압축하여 기체 상태의 BOG를 용이하게 처리할 수 있게 하면서 후술하는 DF엔진부(170) 등이 요구하는 운영압력을 만들어 준다.

또한, BOG압축장치(120)는 복수의 압축 실린더 및 중간 냉각장치를 포함하는 다단 압축의 압축장치일 수 있는데, 후단 장치들의 필요압력 등에 따라 압축 실린더와 중간 냉각장치의 개수를 구성할 수 있다.

또한, BOG압축장치(120)는 래비린스 밀봉형 피스톤 압축장치(labyrinth-sealed piston compressor) 또는 피스톤링 밀봉형 피스톤 압축장치(piston-ring-sealed piston compressor)일 수 있다.

재액화장치(130)는 도 3에 도시된 바와 같이, BOG압축장치(120)에서 압축된 BOG의 일부를 냉각하여 재액화하는 장치로, 재액화라인(RL)에 설치되는데, BOG라인(BL)이 재액화장치(130)를 거쳐 BOG압축장치(120)로 연결되도록 마련함으로써, 재액화장치(130)에서는 BOG압축장치(120)에서 압축된 BOG를, 압축장치(120)로 도입되기 전에 BOG라인(BL)을 통과하는 BOG와 열교환시켜 냉각할 수 있다.

즉, 재액화장치(130)는 압축되면서 BOG(증발가스)의 온도는 높아지므로, LNG저장용기(110)에서 발생하여 압축되기 전의 BOG와의 열교환을 통해 냉각시킬 수 있다.

한편, 재액화장치(130)는 BOG압축장치(120) 일측에서 재액화라인(RL)을 통해서 BOG(증발가스)가 유입된다.

따라서 재액화장치(130)는 압축되기 전의 BOG(증발가스)의 유량이, 압축 후 재액화라인(RL)을 통해 재액화장치(130)로 공급되는 압축된 BOG(증발가스)의 유량보다 많기 때문에, 압축된 BOG(증발가스)는 압축되기 전의 BOG(증발가스)로부터 냉열을 공급받아 냉각 및 액화될 수 있고, 액화된 BOG가 액상의 LNG로 LNG저장용기(110)에 재저장되거나 연료의 용도로 회전분사장치(150)에 공급될 수 있다.

HC제거장치(140)는 BOG압축장치(120)에서 압축된 BOG 중 재액화장치(130)로 유입되는 부분을 제외한 나머지 BOG를 연료로 사용하되 상기 연료 내에 함유된 HC(Heavy Carbon)를 걸러주는 장치이다.

HC제거장치(140)는 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, BOG공급라인(SL)을 따라 공급된 기화된 천연가스에 포함된 HC(Heavy Carbon)를 제거하여 천연가스를 후술하는 DF엔진부(170)가 요구하는 메탄가(Methane Number)로 조절하여 예열장치(160)를 거쳐 DF엔진부(170)로 연료를 공급할 수 있게 하는 장치이다.

즉, HC제거장치(140)는 Otto Cycle이 적용된 내연기관의 불완전 연소를 야기하는 Heavy Carbon(Ethan, Bhutan, Isobutane, Normal Butane 등)을 제거하기 위한 장치이다.

또한, 기화된 액화천연가스에 포함되는 에탄, 프로판, 부탄 등은 메탄보다 액화점이 높다.

따라서 HC제거장치(140)에서는, 메탄이 기체 상태를 유지하면서 프로판, 부탄 등의 HC(Heavy Carbon)가 액화될 수 있는 온도에서 액화된 HC(Heavy Carbon)를 제거함으로써 액화천연가스의 메탄가를 DF엔진부(170)에서 요구하는 수준으로 높이게 된다.

특히 HC제거장치(140)는 액화천연가스에 포함된 여러 HC(Heavy Carbon)들은 각기 다른 액화점을 지니므로, 액화천연가스의 조성과 DF엔진부(170)가 요구하는 메탄가를 고려하여 강제로 액화천연가스의 가열 온도를 제어함으로써 HC(Heavy Carbon) 제거량을 제어할 수 있다.

또한, HC제거장치(140)는 가열되는 액화천연가스의 기화 온도가 -80 내지 -120℃이며, 액화천연가스의 생산지에 따라 서로 다른 조성을 고려하여 상기 범위 내에서 기화 온도를 조절할 수 있다.

참고로, 조선업계 및 엔진 제조사에서는 메탄가 또는 메탄넘버(메탄순도) 제한이 있는 X-DF 엔진(Wartsila, WinGD), DF Generator(이중연료발전기)에 사용을 권고하고 있다.

이는 엔진 실린더 내부의 무화와 관통을 균일하게 하여 불완전연소(Knocking)를 방지하기 위함이다.

또한, 엔진 제조사에서는 그동안의 경험과 연구결과를 통하여 메탄가(메탄순도) 80 이상의 연료가 공급될 수 있도록 권고하고 있다.

이에 따라 본 발명이 제안하는 HC제거장치(140)는 끓는점 온도에 의한 메탄 분리방식인 Distillation 공정을 통해 메탄순도를 유지할 수 있다.

회전분사장치(150)는 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, HC제거장치(140) 전단에 설치되어 상기 HC제거장치(140)의 HC(Heavy Carbon) 제거를 돕는 장치로, 도 3에 도시된 바와 같이 BOG압축장치(120)와 HC제거장치(140) 사이에 개입된다.

또한, 회전분사장치(150)는 HC제거장치(140)로 유입되는 압축된 BOG에 재액화장치(130)에서 재액화된 액상의 LNG를 상부에서 하부로 회전하면서 분무하여 메탄가를 높인다.

참고로, 재액화된 액상의 LNG은 저온으로 메탄순도가 높다.

또한, 회전분사장치(150)는 도 4에 도시된 바와 같이, 재액화장치(130)에서 재액화된 액상의 LNG를 사방으로 분무하는 회전 가능한 헤드부(151)가 포함된다.

또한, 본 발명이 제안하는 헤드부(151)는 도 6에 도시된 바와 같이 상하부에 수평의 제1 슬롯부(151h)가 형성되고, 상부와 하부 사이의 중간부에 수직의 제2 슬롯부(151v)가 형성된다.

특히, 헤드부(151)는 재액화장치(130)에서 재액화된 액상의 LNG가 내부로 유입되면서 수위에 따라 수압이 형성되고, 수압에 따라 자연스럽게 회전량을 달리하면서 궤적 변화를 일으켜 액상의 LNG가 분무(mist) 형태로 제1 및 제2 슬롯부(151h, 151v)를 통하여 토출되게 하므로, 최소의 량으로 안전하게 분사하도록 한다.

예열장치(160)는 도 3에 도시된 바와 같이, HC제거장치(140)를 거친 연료를 후단 공정에 맞게 가열해 주는 장치로, 공급되는 연료 가스의 온도를 이종연료(dual fuel)를 사용하는 DF엔진부(170)의 조건에 맞게 조절해 주는 가열장치이다.

여기서, 연료라인(GL)는 HC제거장치(140)를 거친 기상의 LNG연료가 예열장치(160)로 가는 통로이다.

DF엔진부(170)는 도 3에 도시된 바와 같이, 예열장치(160)로부터 유입되는 기상의 LNG연료를 연소시켜 동력을 발생시키는 엔진(Engine)으로, 중유와 천연가스를 혼소(混燒)하여 연료로 사용하고, 중유만을 연료로 사용하는 경우보다 황 함유량이 적어 배기가스 중 황 산화물의 함량이 적어, 선박에 대한 국제적인 배기가스 배출규제 기준들을 충족할 수 있다.

또한, DF엔진부(170)는 DFDG(Dual Fuel Diesel Generator) 또는 DFDE(Dual Fuel Diesel Electric Engine)와 같은 DF엔진(Dueal fuel Engine)일 수 있다.

또한, DF엔진부(170)는 천연가스 연료가 공급되는 가스연료시스템(gas fuel system)과 디젤 연료가 공급되는 오일연료시스템(oil fuel system)의 두 가지 연료공급 시스템을 포함할 수 있고, 본 발명의 일실시 예에 따른 BOG 핸들링시스템(100)은 그 중 가스연료시스템(gas fuel system) 부분에 적용된다.

밸브장치(180)는 도 3에 도시된 바와 같이, 재액화장치(130)와 회전분사장치(150) 사이를 연결하는 액화라인(DL)에 설치되어 재액화장치(130)에서 재액화된 LNG의 유량을 조절하는 밸브(valve)이다.

즉, 밸브장치(180)는 도 4에 도시된 바와 같이, 재액화장치(130)에서 재액화된 LNG를 회전분사장치(150)로 공급하되 재액화된 LNG 유량을 단속하는 장치로, 제어부(200)의 제어신호에 따라 재액화된 LNG의 유량을 조절한다.

센서부(190)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, HC제거장치(140)에서 예열장치(160)로의 유로에 설치되어 HC제거장치(140)를 거친 연료의 메탄가를 센싱하는 센서(sensor)이다.

특히, 센서부(190)는 도 4에 도시된 바와 같이, GC(가스크로마토 계측기)로 메탄가를 계측하여 제어부(200)에 전달한다.

여기서, HC제거장치(140)에서 예열장치(160)로의 유로는 연료라인(GL)으로, HC제거장치(140)를 거친 기상의 LNG연료가 예열장치(160)로 가는 통로이다.

제어부(200)는 도 4에 도시된 바와 같이, 밸브장치(180) 및 센서부(190) 각각과 유선 또는 무선으로 연결되어 측정값을 입력받거나 제어신호를 보내는 컨트롤 장치이다.

특히, 제어부(200)는 PLC(Programmable Logic Controller)로 구성될 수 있고, 외부로부터 입력값을 저장하거나 판단하여 제어신호를 출력할 수 있다.

또한, 제어부(200)는 HC제거장치(140)를 통과한 기상의 연료를 센서부(190)가 메탄가를 측정하고 그 측정값을 제공받아 설정된 제어값에 따라 밸브장치(180)를 동작 제어하여 순도가 높은 재액화 LNG를 주입하여 자동적으로 메탄가를 높이게 한다.

이와 같이, 본 발명의 일실시 예에 따른 BOG 핸들링시스템(100)은 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

LNG저장용기(110)에서 자연적으로 발생하는 BOG를 버리지 않고 연료로 활용할 수 있어 경제적인 이점이 있다.

또한, HC제거장치(140) 전단에 회전분사장치(150)를 장착하여 HC제거장치(140)의 효율을 높이는 이점이 있다.

또한, 회전분사장치(150)의 헤드부(151)에 궤적 변화를 일으키는 제1 및 제2 슬롯부(151h, 151v)를 형성하여 메탄순도를 높이는 이점이 있다.

또한, 제어부(200)를 통하여 센서부(190)로부터 측정값을 입력받아 밸브장치(180)로 적절한 유량을 효율적으로 제어할 수 있는 이점이 있다.

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.

따라서, 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 : 본 발명이 제안하는 핸들링시스템
110 : LNG저장용기
120 : BOG압축장치
130 : 재액화장치
140 : HC제거장치
150 : 회전분사장치
160 : 예열장치
170 : DF엔진부
180 : 밸브장치
190 : 센서부
200 : 제어부

Claims

단열 설비가 구비되고 내압성을 갖으며 저온의 LNG를 저장하는 LNG저장용기;
상기 LNG저장용기에서 발생하는 BOG를 압축하는 BOG압축장치;
상기 BOG압축장치에서 압축된 상기 BOG의 일부를 냉각하여 재액화하는 재액화장치;
상기 BOG압축장치에서 압축된 상기 BOG의 일부를 제외한 나머지를 연료로 사용하되 상기 연료 내에 함유된 HC를 걸러주는 HC제거장치;
상기 HC제거장치 전단에 설치되어 상기 HC제거장치의 HC제거를 돕는 회전분사장치;
상기 HC제거장치를 거친 연료를 후단 공정에 맞게 가열해 주는 예열장치;
상기 예열장치로부터 유입되는 상기 연료를 연소시켜 동력을 발생시키는 DF엔진부;
상기 재액화장치에서 재액화된 LNG를 상기 회전분사장치로 공급하되 상기 재액화된 LNG 유량을 단속하는 밸브장치;
상기 HC제거장치에서 상기 예열장치로의 유로에 설치되어 상기 HC제거장치를 거친 연료의 메탄가를 센싱하는 센서부; 및
상기 센서부에서 센싱된 메탄가에 따라 상기 밸브장치를 제어하는 제어부;를 포함하고,
상기 회전분사장치는 상기 BOG압축장치와 상기 HC제거장치 사이에 개입되되, 상기 HC제거장치로 유입되는 압축된 BOG에 상기 재액화장치에서 재액화된 액상의 LNG를 상부에서 하부로 회전하면서 분무하여 메탄가를 높이며,
상기 회전분사장치는 상기 재액화장치에서 재액화된 액상의 LNG를 사방으로 분무하는 회전 가능한 헤드부가 포함되는 것을 특징으로 하는 BOG 핸들링시스템.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 헤드부는 상하부에 제1 슬롯부 및 중간부에 제2 슬롯부가 형성되어 상기 재액화장치에서 재액화된 액상의 LNG가 수위에 따라 궤적 변화를 일으켜 상기 제1 및 제2 슬롯부를 통하여 토출되게 하는 것을 특징으로 하는 BOG 핸들링시스템.